JP2004279025A - クロスフィンチューブ式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 充分な熱伝達性能を確保しつつ、内面溝付伝熱管同士を接続するＵベント管のろう付け接合部におけるろう付け不良を効果的に抑制したクロスフィンチューブ式熱交換器を提供すること。
【解決手段】 積層フィン１２に挿通された伝熱管１０同士を、Ｕベント管１８を用いて接合してクロスフィンチューブ式熱交換器を形成するに際して、伝熱管１０を、その管内面に多数形成される内面溝２０が、伝熱管１０の管軸に対して垂直な断面における内面溝２０の１個あたりの断面積が０．００４mm² 以上０．０６２mm² 以下であると共に、溝深さが０．０６mm以上０．３２mm以下、溝深さ×フィン頂角が１．２以上５以下となるように形成して、それら伝熱管１０，１０の開口部内にＵベント管１８の両端部をそれぞれ嵌入せしめて、ろう付け固定することにより、クロスフィンチューブ式熱交換器を構成した。
【選択図】 図 ２

Description

本発明は、クロスフィンチューブ式熱交換器に係り、特に、積層フィンに挿通された伝熱管同士を、それらの開口部内にＵベント管の両端部をそれぞれ嵌入せしめて、ろう付け固定することにより、接続せしめるようにした構造を有し、可燃性冷媒が該伝熱管内を流通せしめられるクロスフィンチューブ式熱交換器に関するものである。

従来から、家庭用エアコン、自動車用エアコン、パッケージエアコン等の空調用機器や冷蔵庫等には、蒸発器又は凝縮器として作動する熱交換器が用いられており、その中で、家庭用室内エアコンや業務用パッケージエアコンにおいては、クロスフィンチューブ式熱交換器が、最も一般的に用いられている。そして、そのようなクロスフィンチューブ式熱交換器を構成するクロスフィンチューブは、通常、空気側のアルミニウム製プレートフィンと冷媒側の伝熱管（銅管）とが一体的に組み付けられて、構成されている。

また、この種のクロスフィンチューブ式熱交換器に使用される冷媒としては、従来、漏洩時の爆発や火災等の危険性を考慮して、フロン系の不燃性の冷媒が選択されてきたが、近年における、地球環境問題の深刻化に鑑み、特に地球温暖化防止の見地から、地球環境に及ぼす影響がほとんどない、プロパンやイソブタンに代表される可燃性の自然冷媒が、今日、注目されている。例えば、特開２０００−３９２８３号公報（特許文献１）において、空調機用熱交換器の冷媒として、Ｒ２９０（プロパン）を用いることが明らかにされているように、空調機においては、冷媒にプロパンを用いた小型の家庭用エアコンや、プロパンとイソブタンを混合した冷媒を用いた大型のビル用エアコンが実用化され、その他にも、イソブタンを冷媒として用いた冷蔵庫が、実用化されてきているのである。

一方、このようなクロスフィンチューブ式熱交換器は、よく知られているように、先ず、プレス加工等により、フィン表面に所定の取付孔が複数形成せしめられたアルミニウムプレートフィンを形成し、そして、この得られたアルミニウムプレートフィンの複数を、前記複数の取付孔の位置がそれぞれ一致するように積層せしめた後、かかる取付孔の内部に、別途作製した伝熱管をそれぞれ挿通せしめ、次いで、よく知られている機械拡管法等を用いて、伝熱管とアルミニウムプレートフィンとを固着し、更にその後、かかるアルミニウムプレートフィンに固着された複数の伝熱管の開口端部同士を、Ｕベント管を用いて接続して、伝熱媒体の目的とする通路が形成せしめられるようにすることによって、製造されるようになっている。

そして、そのようなＵベント管による伝熱管同士の従来からの接続方法としては、一般に、特開平１１−１９０５９７号公報（特許文献２）の図４に示されるように、積層フィンに固着された伝熱管の端部を、Ｕベント管の端部が挿入され得る大きさまで拡管し、その拡管された伝熱管の端部におけるそれぞれの開口部内に、Ｕベント管の端部をそれぞれ挿入した後、ろう付け接合することにより、それらＵベント管と伝熱管とを接続せしめる手法が、採用されてきている。

ここで、かくの如きろう付け接合して得られるクロスフィンチューブ式熱交換器において、その伝熱管内を流通せしめられる冷媒の冷媒漏れが最も惹起され易い部位は、冷媒経路中のろう付け接合部となるのであるが、また、特許文献２にも指摘されているように、伝熱管として内面溝付管を適用した場合には、溝の存在、そのものが理想的なろう付け継手を形成する上での障害となり、ろう付け不良及びろう付け接合部の劣化促進の要因ともなり得るのである。また、ろう付け接合部及びその周辺は、ろう付け工程において、通常５５０℃以上の高温にさらされることとなるために、素材強度的にも最も弱い部分であると言うことが出来る。

なお、特許文献２には、かかる伝熱管同士のＵベント管による接続に際し、Ｕベント管の両端を上向きにすると共に、その両端の開口部を拡管したり、或いは伝熱管の外形よりも内径の大きなＵベント管を用い、そのようなＵベント管に伝熱管を挿入せしめて、ろう付け接合を行う手法も、提案されてはいるが、そのようなろう付け手法にあっては、Ｕベント管と伝熱管との接合部と積層フィンとの距離が、従来のようにＵベント管の両端を伝熱管の端部の開口部に挿入した場合よりも短くなってしまうところから、ろう付け接合の際にろう材を溶かすトーチが積層フィンと衝突したり、そのようなトーチからの熱が積層フィンに対して影響を及ぼし、積層フィンが変形や変色を起こしてしまう恐れがある。更に、従来とは逆向きの、Ｕベント管が積層フィンの下方に配置された状態で、ろう付け加工が行われるようになっているところから、ろう付け加工の際に、伝熱管からＵベント管が抜け落ちないように固定する必要がある上に、ろう付け加工に用いられた熱が、Ｕベント管の上に配置された積層フィンへ伝わり易く、一層、積層フィンの変形や変色といった問題を起こす恐れを内在している。

ところで、かかるクロスフィンチューブ式熱交換器に用いられる伝熱管としては、管内熱伝達率を向上せしめて、充分な熱伝達性能を発揮させるべく、その内面に、多数の溝、例えば管軸に対して所定のリード角をもって延びるように螺旋状の溝を多数形成して、それらの溝間に、所定高さの内面フィンが形成されるようにした、所謂、内面溝付管（伝熱管）が好適に用いられているが、近年、上記した熱交換器の高性能化の目的から、このような内面溝付伝熱管において、その内面溝の深溝化や、内面フィンの細フィン化が図られ、また溝深さ、溝深さ／内径、フィン頂角、リード角および溝部断面積／溝深さ等の最適化により、更なる高性能化を追求したものが、種々提案されている（例えば、特許文献２，３等参照）。

しかしながら、クロスフィンチューブ式熱交換器の高性能化のために、そのような内面溝付伝熱管の伝熱性能を向上させる一般的手法である、管内面に形成される溝の溝深さを深くしたり、或いは溝の条数を増大した場合において、その内面溝付伝熱管を前述の如きろう付け接合手法にてＵベント管に接合せしめるに際しては、挿入されるＵベント管の外周面と内面溝付伝熱管の内周面との間の隙間に加えて、そのような溝によって、隙間が増大してしまうこととなるため、ろう付け接合の際に、そのような隙間を埋めるために、ろう材がより多く必要となるのであり、その結果、ろう付け接合が困難になったり、そのような隙間へのろう材の流れ込みが充分でないために、ろう付け接合の不良が発生するといった問題を惹起させることとなる。

要するに、伝熱管とＵベント管とのろう付け接合部の横断面（軸直角方向断面）形態を考慮すれば自ら明らかな如く、伝熱管の高性能化のために適用された内面溝付管は、ろう付け継手を形成するためには相応しくない構造を有しているのであって、ろう付け継手を設計する上での一般的な注意事項を充分に満足させてはいない。例えば、均一な加熱や応力分布の平均化のためにろう付け接合部の肉厚を揃える必要があるが、内面溝付管の場合には、溝の存在により、そのような肉厚を揃えることは不可能であり、また溝の存在にて継手間隔が均一でないために継手間隔とろう材の体積を調和させることが難しく、そのため、ろう材の凝固収縮による不完全ろう付け部の発生が避けられないのである。特に、高性能化技術として一般的な高フィン化や細フィン化は、ろう付け継手に内面溝付管を用いる場合の不具合を助長することとなるのである。つまり、高フィン化により、肉厚及び継手間隔の不均一さが助長され、更に細フィン化により、溝断面積が過大となって、ろう材体積の不足を招き易くなることとなる。

このように、伝熱管として内面溝付管を用いることにより、更にはその高性能化のために高フィン化や細フィン化を図ることによって、伝熱管とＵベント管とのろう付け不良が惹起される問題は大きくなっており、またそのような問題は、冷媒として可燃性冷媒を用いた場合において、重要視されてきているのである。

特開２０００−３９２８３号公報 特開平１１−１９０５９７号公報 特開平７−１２４８３号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、可燃性冷媒を用いるクロスフィンチューブ式熱交換器において、充分な熱伝達性能を確保しつつ、内面溝付伝熱管同士を接続するＵベント管のろう付け接合部のろう付け不良を効果的に抑制可能なクロスフィンチューブ式熱交換器を提供することにある。

そして、本発明者等は、そのような課題を解決するために種々の検討を重ねた結果、従来の内面溝付伝熱管にて構成された冷凍空調機器のクロスフィンチューブ式熱交換器において、ろう付け接合部のろう付け不良を効果的に抑制するためには、Ｕベント管と内面溝付伝熱管とのろう付け部にろう材を均一に分布させる必要があり、そのためには、ろう付け接合が行われる内面溝付伝熱管とＵベント管との隙間をより均一にする必要があるが、そのような隙間を不均一にする大きな要因である溝部、つまり、ろう付け継手の外管を構成する内面溝付伝熱管の溝構成の見直しを行うことにより、管内熱伝達率を向上せしめて、充分な熱伝達性能を確保しつつ、ろう付け接合の安定性を向上させ得ることが出来ることを見出したのである。

つまり、ろう付け部にろう材を均一に分布させるために、内面溝付伝熱管とＵベント管との間（継手間）に形成される隙間を、より均一にする必要があるのであるが、従来から用いられている、高性能化のために、溝深さや溝断面積を大きくした内面溝付管を使用した場合、そのような溝部の存在自体が継手間の隙間を不均一にする大きな要因であるのである。そこで、そのような隙間を、より均一にするためには、溝１個あたりの断面積（以下、単に溝断面積という）を極力小さくすることが有効となる。更に、そのような溝断面積を極力小さく抑えることによって、ろう付け部の肉厚がより平均化されることとなり、ろう付け工程において、ろう付け部へのより均一な加熱が可能となる。

また、そのようなろう付け接合の不良の要因は、ろう付け条件のばらつきや、製造工程における不具合等の不確定な要素も多いため、実験によってその信頼性の向上効果を実証することは困難であるが、少なくとも、継手素材側の溝深さや溝断面積及び溝条数等の構造的な条件を、ろう付け継手に好適な条件に近づけることによって、ろう付け接合の不良を低減するために充分な効果が得られることが、判明したのである。

すなわち、本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものであって、その特徴とするところは、可燃性冷媒を用いるクロスフィンチューブ式熱交換器であって、積層フィンに挿通された伝熱管同士を、それらの開口部内にＵベント管の両端部をそれぞれ嵌入せしめて、ろう付け固定することにより、接続せしめるようにした構造のものにおいて、該伝熱管として、管内面に多数の溝が形成され、管軸に対して垂直な断面における溝１個あたりの断面積が０．００４mm² 以上０．０６２mm² 以下であると共に、溝深さが０．０６mm以上０．３２mm以下である内面溝付管を用いたことにある。

さらに、本発明の望ましい態様の一つによれば、前記溝における溝深さ（ｄ）と、該溝間に形成される内面フィンのフィン頂角（α）とが、次式：１．２≦ｄ×α≦５の関係を満たしている内面溝付管を用いたクロスフィンチューブ式熱交換器をも、その要旨としている。

要するに、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器にあっては、そのような熱交換器を形成する伝熱管として、内面に形成された多数の溝により充分な伝熱面積を確保し得る内面溝付伝熱管を採用しているところから、管内熱伝達率を有利に向上せしめて、以て伝熱性能が効果的に高め得られつつ、内面溝付伝熱管の管内面に形成された多数の溝の、管軸に対して垂直な断面における溝１個あたりの断面積が、伝熱面積を確保し得る溝条数において充分に小さくされているところから、ろう付け部の肉厚および伝熱管とＵベント管との隙間を均一化することが出来ることとなり、そのため、ろう付け部をより均一に加熱することが可能となると共に、ろう材と隙間とのバランスがとり易くなるために、ろう付け部分にろう材がより均一に分布されることとなり、その結果、ろう付け不良の発生を有利に抑制することが可能となるのである。

また、かかる本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器にあっては、管内面に形成された溝の溝深さが、０．０６mm以上０．３２mm以下とされているところから、溝断面積をより効果的に低減することが可能となり、以て、良好なろう付け接合を行い得ることとなる。

さらに、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器の望ましい態様に従って、管内面に形成された溝深さ（ｄ）と、該溝間に形成される内面フィンのフィン頂角（α）とを、１．２≦ｄ×α≦５の関係を満たすように構成することによって、溝が液冷媒に埋もれることなく、内面溝の効果を充分に発揮しつつ、溝断面積を効果的に低減することが可能となり、より一層、ろう付け不良の発生の恐れを低減しつつ、管内熱伝達率の向上を効果的に実現することが出来るのである。

このように、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器によれば、クロスフィンチューブ式熱交換器を組み立てる際に惹起される、内面溝付伝熱管とＵベント管とのろう付け継手部分のろう付け不良が効果的に抑制され得ることとなり、かかるろう付け部からの冷媒漏洩の恐れが悉く解消され得、熱交換器の伝熱性能を向上せしめ得ると共に、従来から用いられてきた不燃性の冷媒に代えて、地球環境に優しい自然冷媒であるプロパン（Ｒ２９０）やイソブタンといった可燃性の冷媒が、有利に使用され得ることとなって、地球温暖化防止にも有利に貢献し得ることとなるのである。

以下、本発明の構成をより具体的に明らかにするために、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１には、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器の一例が、その断面図において概略的に示されている。即ち、図１において、伝熱管１０は、要求される伝熱性能等に応じて、銅や銅合金等の中から適宜に選択された、所定の金属材質にて構成される内面溝付伝熱管であって、ここでは、そのような伝熱管１０は、Ｕ字形状において用いられている。一方、板状の放熱フィンであるプレートフィン１２は、従来と同様に、アルミニウム若しくはその合金等の所定の金属材料にて形成されていると共に、図２にも示されるように、複数の取付孔１４が、その周りにフィンカラー１６を一体的に立設せしめてなる構造において、形成されている。そして、そのようなプレートフィン１２の複数を、それぞれの取付孔１４を一致させた状態下において（図において、左右方向に貫通する孔となるように）重ね合わせ、その一致した取付孔１４内に、伝熱管１０を挿入せしめた後、従来と同様にして、伝熱管１０の拡管加工を行い、かかる伝熱管１０とプレートフィン１２とが固着せしめられてなるクロスフィンチューブが形成されるのである。

また、そのようなプレートフィン１２に固着せしめられた伝熱管１０同士を接続して、クロスフィンチューブ式熱交換器を組み立てるに際しては、Ｕ字形状とされたＵベント管１８を用いた接続方式が採用されるのであるが、ここでは、そのようなＵベント管１８は、その外径が伝熱管１０の端部の開口部内に挿入可能な大きさとなるように、構成されている。そして、そのようなＵベント管１８の両端部を、隣接する伝熱管１０，１０を接続するように、それら伝熱管１０，１０の近接した端部の開口部内にそれぞれ嵌入せしめた後、かかる伝熱管１０の内周面と挿入されたＵベント管１８の外周面との間に形成される隙間にろう材を流し込むことによって、それら伝熱管１０，１０とＵベント管１８のろう付け接合を行い、以て、積層されたプレートフィン１２に固着された伝熱管１０内を伝熱冷媒が流通せしめられるようにしたクロスフィンチューブ式熱交換器が、製造されることとなる。

ここにおいて、かかるクロスフィンチューブ式熱交換器に用いられる伝熱管１０としては、該伝熱管１０を管軸方向に垂直な面で切断した端面の一部を拡大した図３にも例示される如く、管内面に、多数の内面溝２０が管周方向に又は管軸に対して所定のリード角をもって延びるように形成されていると共に、それら内面溝２０，２０間に位置するように、内面フィン２２が多数形成された、内面溝付伝熱管が採用されるのであるが、そのような内面溝付伝熱管（１０）は、例えば、特開２００２−５５８８号公報等において明らかにされているように、公知の転造加工法や圧延加工法等を用いて製造されることとなる。

因みに、かかる公報の図４に示されている如き転造加工装置を用いた場合にあっては、連続する１本の素管が転造加工装置を通過させられる際に、該素管の内孔内に挿入せしめられた溝付きプラグと、外周部に配置された円形ダイスとの間で、該素管を押圧することによって、縮径と同時に、管内周面に、所定の溝が連続的に形成されるようになっている。一方、圧延加工法を利用して内面溝付伝熱管を製造する場合にあっては、かかる公報の図７に示される如き構造の加工装置を用いて、連続する１枚の帯板状素材を長さ方向に移動せしめつつ、該帯板状素材に対して所定の圧延加工による溝付け加工や造管加工を施すことによって、目的とする内面溝付伝熱管が製造されるのである。

ところで、そのような内面溝付伝熱管（１０）において、溝断面積を削減するために溝深さを低減した場合にあっては、溝条数の増加、且つ溝深さに応じた適度な溝条数の選択により、溝深さの低減による伝熱面積の削減分を補い、管内熱伝達率を向上する手法が好適に採用されることとなるが、溝深さに対して溝条数が少なすぎる場合（溝断面積が大きすぎる場合）には、伝熱面積の不足により、充分な熱伝達率が得られないと共に、溝断面積が大きいために、ろう付け不良が発生し易くなってしまうのである。また逆に、溝深さに対して溝条数が多い場合（溝断面積が小さすぎる場合）には、溝断面積が小さくなるために、ろう付け不良の発生の恐れは低くなると共に、伝熱面積は充分に確保されることとなるのであるが、溝部が液冷媒で埋没し易くなるため、溝の効果が充分に発揮され得なくなり、伝熱性能は向上しない。

一方、溝深さを、従来の内面溝付伝熱管よりも大きく設定した場合にあっても、溝条数を増加することにより溝断面積を削減することは可能であるが、溝条数が多過ぎた場合には、ろう付け不良発生の可能性は低減できるものの、溝断面積の減少により、溝部が液冷媒で埋没しやすくなるため、溝の効果が充分発揮され得なくなり、伝熱性能が低下してしまうこととなる。逆に、溝条数が少なすぎた場合には、溝断面積が従来の内面溝付伝熱管よりも大きくなるため、ろう付け不良発生の恐れが高まってしまう。

そこで、本発明にあっては、そのようなクロスフィンチューブ式熱交換器における内面溝付伝熱管１０の管径や、内面溝１２や内面フィン１４の形状、及びその深さは、管外径：４mm〜１０mm、溝１個あたりの溝断面積：０．００４mm² 〜０．０６２mm² 、溝深さ（ｄ）：０．０６mm〜０．３２mm、溝形成部位における底肉厚（ｔ）：０．２０mm〜０．３０mmの範囲において、好適に採用されることとなる。また、そのような内面溝付伝熱管１０に形成されている内面溝１２としては、管軸に対する内面溝１２のリード角：１０°〜５０°、内面フィンの頂角（α）：０°〜５０°の範囲内のものが、有効な伝熱性能の確保や転造による溝形成の容易性等から有利に採用され、更に、管内面に形成される内面溝１２の条数としては、一般に、３０〜１５０条／管周程度、好ましくは５０〜１３０条／管周程度の範囲内の数において、伝熱面積等を考慮して、決定されることとなる。また、そのような溝深さ（ｄ）とフィン頂角（α）の関係においては、さらに好ましくは、次式：１．２≦ｄ×α≦５の関係を満たすようにして、決定されることとなる。

このように、内面溝付伝熱管１０に形成される内面溝１２の溝１個あたりの溝断面積が０．００４mm² 〜０．０６２mm² とされているところから、ろう付け部の肉厚及び隙間をより均一化することが出来るため、ろう付け部をより均一に加熱することが可能となると共に、ろう材と隙間とのバランスがとり易くなり、ろう材をより均一に分布可能となる。その結果、ろう付け接合の安定性が向上し、以て、ろう付け不良の発生の恐れが有利に低減されることとなるのである。即ち、溝断面積が０．００４mm² より小さい場合にあっては、溝断面積の減少により、ろう付け不良発生の恐れは大幅に低減できるが、そのような溝断面積を与える溝深さを０．０５mm程度に最適化した場合にあっても、蒸発及び凝縮性能の何れもが、従来の内面溝付伝熱管よりも低下し、管内熱伝達率が下回ってしまうのである。このように、熱伝達率が低下してしまう主な要因は、溝断面積が小さすぎるために、液冷媒により溝が埋没し易くなり、溝による伝熱面積増大効果が得られにくいためである。また、溝断面積が０．０６２mm² よりも大きくなった場合にあっては、溝深さを０．３０mm程度に最適化した場合には管内熱伝達率が向上するものの、溝断面積が、従来の内面溝付伝熱管と同等若しくはそれ以上となるため、ろう付け不良が発生し易くなってしまうのである。

さらに、本発明にあっては、内面溝１２の溝深さが０．０６mm〜０．３２mmとされているところから、ろう付け不良の原因となる溝断面積が有利に削減され得ることとなり、以て、ろう付け接合の安定性が向上し、ろう付け不良が発生してしまう恐れが、効果的に解消され得ることとなる。なお、溝深さが０．０６mmより小さくなると、溝条数が従来の内面溝付伝熱管と同じ場合には、明らかに溝断面積が削減され得るため、ろう付け不良発生の問題を有利に回避することが可能となるのであるが、伝熱面積が不足してしまうために、充分な伝熱性能を得ることが出来なくなってしまう。また、溝条数を現状の製造技術の限界である１３０条／周まで増加した場合にあっては、伝熱面積は確保されるものの、溝断面積が小さすぎるために溝が液冷媒に埋もれ易くなり、溝の効果が充分に得られず、その結果、従来の内面溝付伝熱管に比べて高い熱伝達率を得ることが出来ないのである。

逆に、溝深さが０．３２mmより大きくなると、溝条数を一定として考えた場合には、溝断面積が増大し、ろう付け不良の発生の危険性が増大してしまうのである。また、溝条数を、この溝深さでの加工限界である６５条／周まで増加し、溝断面積を、従来の内面溝付伝熱管の９０％程度まで削減した場合にあっても、溝断面積を削減して溝深さを増大しているために、溝断面積に対する溝深さが過大となるため、そのような溝間を流れる液冷媒に対して、ガス冷媒のせん断力が作用し難くなっていることが影響して、従来の内面溝付伝熱管に比べて、熱伝達率が低下する結果となる。

また、本発明にあっては、内面溝１２の溝深さが０．０６mm〜０．３２mmとされていると共に、かかる溝深さ（ｄ）と内面フィンのフィン頂角（α）とが、次式：１．２≦ｄ×α≦５の関係を満たすようにされているところから、溝断面積をより一層有利に削減し得ると共に、溝が液冷媒に埋もれることなく、内面溝の効果を充分に発揮することが可能となり、より一層、ろう付け不良発生の恐れの低減と、管内熱伝達率の向上とが効果的に実現され得ることとなる。なお、そのような溝深さ（ｄ）×フィン頂角（α）の値が５より大きくなった場合にあっては、フィン頂角が従来の内面溝付伝熱管と同程度とすると、溝深さが深くなってしまうため、溝断面積が増加し、その結果、ろう付け接合部のろう付け不良発生の可能性が高くなるのである。また、溝深さが従来の内面溝付伝熱管と同程度とすると、フィン頂角が大きくなるため、溝断面積が減少し、ろう付け接合部のろう付け不良の発生を有利に回避することが可能となるが、溝断面積が減少するため、溝が液冷媒に埋もれ易くなり、溝の効果が充分に得られず、その結果、従来の内面溝付伝熱管に比べて、高い熱伝達率を得ることが出来ないのである。

一方、溝深さ（ｄ）×フィン頂角（α）の値が１．２より小さくなった場合には、フィン頂角が従来の内面溝付管と同程度とすると、溝深さが浅くなり、溝断面積が削減できるために、ろう付け接合部におけるろう付け不良の発生の問題を有利に回避することが出来るものの、溝断面積の減少により、溝が液冷媒に埋もれ易くなってしまい、溝の効果が充分に得られず、その結果、従来の内面溝付伝熱管に比べて、高い熱伝達率を得ることが出来ない。更に、溝深さが従来の内面溝付伝熱管と同程度とされた場合には、フィン頂角は小さくなるため、ろう付け接合部におけるろう付け不良発生の可能性が高くなってしまうのである。

特に、本発明においては、溝深さ（ｙ）は、溝条数（ｘ）との関係において、下式を満足するように設定されることが望ましい。
（１）ｘ≦８０のとき
ｙ≦−０．００６ｘ＋０．７１
（２）ｘ＞８０のとき
ｙ≦−０．００３ｘ＋０．４７

そして、かくの如き構成の内面溝付伝熱管を用いて製作された本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器にあっては、伝熱管の内面溝による充分に高い管内熱伝達率を確保しつつ、そのような内面溝付伝熱管の端部にＵベント管を嵌入せしめて、ろう付け固定しても、それら伝熱管とＵベント管との間にろう付け不良が発生してしまう恐れが効果的に低減され得ることとなり、以て可燃性冷媒の漏洩の問題が可及的に回避され、可燃性冷媒の適用範囲が更に拡大され得たのである。

なお、ここで、本発明に用いられる可燃性冷媒としては、公知の冷媒の中で燃焼し得るあらゆるものが対象とされるが、特に本発明にあっては、プロパンやイソブタン等の自然冷媒において、優れた結果を得ることが出来る。

以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明の特徴を更に明確にすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。

先ず、供試伝熱管として、管内面に、本発明に従う溝断面積および溝深さを備えた多数の内面溝が、管軸または管周方向に対して所定の溝傾斜角（リード角）をもって延びるように形成されていると共に、それら内面溝が、下記表１に示される如き、溝傾斜角や溝条数等がそれぞれ異なる諸元をもつ、実施例１〜１８の内面溝付伝熱管を準備した。また、比較例として、現状において実用化されている高性能内面溝付管の一般的な仕様のもの（比較例１）と、そのような一般的なものに対して、溝深さを削減しつつ、溝条数を現状製造技術における加工限界まで増大したもの（比較例２）、底肉厚を低減しつつ、溝傾斜角を増大したもの（比較例３）、溝深さを増大したもの（比較例４）、溝深さを増大すると共に、溝条数を極限まで増大させたもの（比較例５）を、それぞれ準備し、それらの諸元を下記表１に併せ示した。なお、かかる表１において、溝断面積比は、比較例１の場合の溝断面積を基準とし、その溝断面積に対する比率を表している。

次いで、それら準備された供試伝熱管について、管内熱伝達率を調査するための単管性能評価試験を行った。かかる単管性能評価試験は、従来より公知の伝熱性能試験装置の試験セクションに対して各供試伝熱管を単管で組み付け、図４に示されるような冷媒の流通下において、下記表２に示される如き試験条件にてそれぞれ性能試験を行い、その結果を、下記表３に示した。なお、冷媒には、可燃性冷媒の一つであるＲ２９０（プロパン）を使用し、実際の空調機器の運転条件とほぼ一致する２００〜３００ｋｇ／（ｍ² ・ｓ）の冷媒質量速度領域で実施した。また、かかる表３において、管内熱伝達率比は、比較例１の場合の管内熱伝達率を基準とした場合の熱伝達率比を、それぞれ示している。

かかる表３の結果からも明らかなように、本発明の範囲内である溝断面積及び溝深さをもつ実施例１〜１８の伝熱管にあっては、そのほぼ全てにおいて蒸発及び凝縮の管内熱伝達率の何れもが向上していることが認められる。例えば、溝条数を製造限界まで増加した実施例１及び実施例１５の伝熱管の場合には、同じ溝条数の比較例２の伝熱管が熱伝達率が低下しているのに反して、同じ溝条数でも溝深さが最適化されたことにより、管内熱伝達率が向上していることが認められるのである。さらに、溝深さを比較例１の伝熱管よりも低減すると共に、溝条数を増加した実施例２〜７，１６，１７の伝熱管の場合には、ほぼ全てにおいて蒸発及び凝縮の熱伝達率のどちらも向上しているが、溝深さに対して溝条数が過大である１２０条／周まで増加した実施例４の伝熱管の場合のみ、蒸発熱伝達率のみが向上していることが認められる。

また、溝深さは比較例１の伝熱管と同じまま、溝条数を増加することにより、溝断面積を削減した実施例８〜１０，１８の伝熱管の場合にも、実施例１０の伝熱管の場合を除き、何れもが、蒸発及び凝縮の何れの熱伝達率においても、比較例１の伝熱管や、底肉厚を減少させることで溝断面積を増加せしめた比較例３の伝熱管の場合と比べて、向上していることが認められる。更に、溝深さと溝条数の両方を増大せしめた実施例１１〜１３の伝熱管の場合においても、何れの熱伝達率も効果的に向上せしめられていることを確認することが出来るが、実施例１３の伝熱管よりも溝条数を増大せしめた実施例１４の伝熱管の場合には、溝深さに対する溝条数が過大となったため、蒸発熱伝達率のみの向上となっていることが認められる。

次いで、それら表１に示される伝熱管を用いてろう付け接合を行った際の、ろう付け部からの冷媒漏れの危険性低減効果を調査するために、前記した表１に示される実施例１〜１８及び比較例１〜５の伝熱管を用い、図５に示されるようなろう付け継手を試作した後、かかる継手を、図中に示されるような矢印方向に引張る引張試験を行って、その引張強度を測定し、かかる測定結果を、下記表４及び図６に示した。なお、かかる表４及び図６において、引張強度比は、比較例１の伝熱管の場合の引張強度を１とした場合の、それぞれの引張強度比を示している。

さらに、そのようなろう付け部からの冷媒漏れ危険性の低減効果を検証するために、それら供試伝熱管を用いて、図１の概略形状に示されるようなクロスフィンチューブ式熱交換器を、熱交換器幅：４７０mm、熱交換器高さ：２００mm、熱交換器厚さ：１６mm、伝熱管数：１６、伝熱管列数：２、フィンピッチ：１．０mmの諸元で試作し、その試作した熱交換器の伝熱管内に加圧水を導入する、繰り返し加圧試験（加速試験）を実施し、更に、かかる加圧試験後にヘリウムリーク試験を実施して、加圧試験後の伝熱管内からヘリウムの漏洩があるか、どうかを検査し、その結果を、下記表４に併せ示した。なお、繰り返し加圧試験は、最大圧力：１６００ｋＰａ、最小圧力：４００ｋＰａ、加圧サイクル：１Ｈｚ、総繰り返し数：１０⁵ 回の条件下で行い、ヘリウムリーク試験においては、ヘリウムの１０^-5ｔｏｒｒ・ｌ／ｓ以上の漏れがあるか、どうかを調べた。

かかる表４及び図６の結果からも明らかなように、溝断面積を削減するほど、ろう付け継手の引張強度が向上する傾向が認められる。即ち、比較例１の伝熱管よりも溝断面積を削減した実施例１〜１８の伝熱管を用いたろう付け継手の引張強度比は、その全てにおいて、比較例１の伝熱管よりも高く、継手強度が向上していることがわかる。更に、そのような継手強度が比較例１の伝熱管よりも小さい比較例３，４の伝熱管の場合、つまり、溝断面積が本発明の範囲よりも大きなものを除いて、伝熱管からのヘリウムの漏洩は確認されていない。要するに、継手強度が向上することにより、ろう付け接合部に発生する欠損は少なくなり、かかるろう付け接合部からの冷媒漏洩の危険性が回避せしめられることとなるのである。また、比較例５の伝熱管の場合にあっては、溝深さが深くなっているために、継手強度の低下は殆どないものの、ヘリウムの漏洩が生じている。

本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器の一例を概略的に示す断面説明図である。 図１におけるＵベント管による内面溝付伝熱管同士の接合部を拡大した説明図である。 本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器に用いられる内面溝付伝熱管の一例を示す断面部分拡大説明図である。 実施例における内面溝付伝熱管の単管性能を測定するために用いられる試験装置において、（ａ）は蒸発試験を、（ｂ）は凝縮試験をそれぞれ行った際の冷媒の流通状態を示す説明図である。 実施例におけるろう付け継手の引張強度試験に用いられるろう付け継手の形状を示す説明図である。 実施例において得られた各伝熱管を用いたろう付け継手の引張強度の、比較例１を基準とした強度比を示すグラフである。

符号の説明

１０ 伝熱管
１２ プレートフィン
１４ 取付孔
１６ フィンカラー
１８ Ｕベント管
２０ 内面溝
２２ 内面フィン

Claims (2)

1. 可燃性冷媒を用いるクロスフィンチューブ式熱交換器にして、積層フィンに挿通された伝熱管同士を、それらの開口部内にＵベント管の両端部をそれぞれ嵌入せしめて、ろう付け固定することにより、接続せしめるようにした構造のものにおいて、
   該伝熱管として、管内面に多数の溝が形成され、管軸に対して垂直な断面における溝１個あたりの断面積が０．００４mm² 以上０．０６２mm² 以下であると共に、溝深さが０．０６mm以上０．３２mm以下である内面溝付管を用いたことを特徴とするクロスフィンチューブ式熱交換器。
2. 前記溝における溝深さ（ｄ）と、該溝間に形成される内面フィンのフィン頂角（α）とが、次式：１．２≦ｄ×α≦５の関係を満たしている請求項１に記載のクロスフィンチューブ式熱交換器。
   

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