JP2006098033A - リターンベンド管およびフィンアンドチューブ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 凝縮性能を向上させ、かつ、蒸発性能の低下を抑制することが可能で、さらに、伝熱管（ヘアピン管）とリターンベンド管の接合部の信頼性が高いリターンベンド管およびそれを用いたフィンアンドチューブ型熱交換器を提供する。
【解決手段】 管内部に冷媒が供給され、ヘアピン管１１と、ヘアピン管１１の管端に接合された管本体部１ａを有するリターンベンド管１と、ヘアピン管１１の外表面に一定間隔で並列された多数のフィン２１ａとを備えるフィンアンドチューブ型熱交換器２０のリターンベンド管１において、リターンベンド管１は、管本体部１ａと管本体部１ａの内面に形成された多数のらせん状の第１溝２とを備え、第１溝２と管軸とがなす第１溝リード角θ₁の方向が、ヘアピン管１１の管内面に形成されたらせん状の第２溝１２と管軸とがなす第２溝リード角θ₂と同一方向である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、空調機器用の熱交換器、特に、管内部にフロン系冷媒を流し、多数のアルミ製フィンを管外面に並列に設置したフィンアンドチューブ型熱交換器のリターンベンド管及びそのリターンベンド管を用いたフィンアンドチューブ型熱交換器に関する。

従来、リターンベンド管として管内面が平滑な平滑管を用いたフィンアンドチューブ型熱交換器が、特許文献１または特許文献２に提案されている（リターンベンド管は、特許文献１ではＵベンド管、特許文献２ではＵベンドと記載されている）。また、リターンベンド管として内面溝付管を用いたエバポレータ(蒸発器)用フィンアンドチューブ型熱交換器も特許文献３に提案されている（リターンベンド管は、特許文献３ではＵベンド管と記載されている）。

特許文献３に記載されているＵベンド管は、その管内面に冷媒攪拌用の多数の溝を形成すると共に、Ｕベンド管以外の部分（特許文献３ではチューブ）の管肉厚より厚い肉厚を有するものである。Ｕベンド管をこのような構成とすることにより、Ｕベンド管において冷媒を効率よく撹拌でき、冷媒密度を均一化して熱交換を促進するという効果が記載されている。そして、Ｕベンド管の肉厚をチューブより厚くすることで、管内部に充分深い溝を形成しても、Ｕベンド管の強度を充分に保ち、信頼性の高い熱交換器を提供し得ることが記載されている。

一方、熱交換器用の冷媒として従来用いられていたＲ２２などのクロロフルオロカーボン系冷媒は、オゾンを破棄するため、地球環境保護の点から用いることができなくなり、含有する塩素の全部を水素で置換したＲ４１０Ａなどのハイドロフルオロカーボン系冷媒が空調機器用冷媒として本格的に採用されはじめている。
実開昭６３−１５４９８６号公報（実施例、図１） 特開平１１−１９０５９７号公報（段落００２２〜００２５、図１） 実開平４−１２２９８６号公報（段落０００７〜０００８、００１０、図１）

しかしながら、特許文献１または特許文献２の熱交換器においては、Ｕベンド管またはＵベンドが平滑管で構成されているため、伝熱管（特許文献１では電縫管）の管内に形成されたらせん溝により発生する冷媒の旋回流が、冷媒循環量が少なくなると、平滑管内で途切れ、熱交換器としての伝熱性能が低下するという問題があった。なお、伝熱管内に形成されたらせん溝の溝形状を変更する、例えば、ハイフィン化する（フィンを高くする）ことで熱交換器の伝熱性能を向上させることも行われていたが、伝熱管は、その管長が長いため、伝熱管の溝形状の変更は管の製造コストが高くなるという問題があった。また、伝熱管の溝形状の変更にも限界があり、溝形状の変更だけでは、十分な伝熱性能の向上が得られていなかった。

そのため、前記問題を解決するために、特許文献３のような、管内面に多数の溝を形成したＵベンド管を用いた熱交換器が提案された。しかしながら、Ｕベンド管内に形成された溝形状が、チューブ内に形成された溝形状と大きく異なると、熱交換器内を循環する冷媒の圧力損失が大きくなり、それにより冷媒流量が減少するため、却って熱交換器の伝熱性能、特に蒸発性能の低下が著しくなるという問題があった。

また、特許文献３のように、Ｕベンド管の溝形成による強度低下を考慮して、管肉厚を厚肉化すると、Ｕベンド管とチューブの接合部の内面に冷媒の流通の障害となる段差が生じ、冷媒の圧力損失が大きくなり、却って熱交換器の伝熱性能、特に蒸発性能の低下が著しくなるという問題があった。

本発明は前記の問題を鑑みてなされたもので、凝縮性能を向上させ、かつ、蒸発性能の低下を抑制することが可能で、さらに、伝熱管（ヘアピン管）とリターンベンド管の接合部の信頼性が高いリターンベンド管及びそれを用いたフィンアンドチューブ型熱交換器を提供することを目的とする。

前記の問題を解決するために、請求項１の発明は、管内部に冷媒が供給され、ヘアピン管と、前記ヘアピン管の管端に接合された管本体部を有するリターンベンド管と、前記ヘアピン管の外表面に一定間隔で並列された多数のフィンとを備えるフィンアンドチューブ型熱交換器のリターンベンド管において、前記リターンベンド管は、管本体部と管本体部の内面に形成された多数のらせん状の第１溝とを備え、前記第１溝と管軸とがなす第１溝リード角の方向が、前記ヘアピン管の管内面に形成されたらせん状の第２溝と管軸とがなす第２溝リード角の方向と同一方向であるリターンベンド管として構成したものである。

前記の構成によれば、リターンベンド管の管内面に、多数のらせん状の第１溝が形成され、その第１溝の第１溝リード角が前記ヘアピン管の第２溝の第２溝リードと同方向であることによって、前記ヘアピン管で生じた冷媒の旋回流が、リターンベンド管で途切れることがなく維持され、高風速域（高冷媒循環量）においては、第１溝の溝突起の液面からの露出が多くなると共に、低風速域（低冷媒循環量）においては、冷媒の攪拌を促進する。また、リターンベンド管での冷媒の圧力損失が小さくなる。

また、請求項２の発明は、前記第１溝の第１溝リード角（θ₁）と、前記第２溝の第２溝リード角（θ₂）とが、（θ₁）≦（θ₂）の関係であるリターンベンド管として構成したものである。前記の構成によれば、冷媒の旋回流が維持されると共に、第２溝と第１溝の溝リード角の相違による冷媒流通の障壁が小さくなり、リターンベンド管内部での冷媒の圧力損失がより一層小さくなる。

また、請求項３の発明は、前記第１溝の第１溝深さ（ｈ₁）と、前記第２溝の第２溝深さ（ｈ₂）とが、（ｈ₁）≦（ｈ₂）の関係であるリターンベンド管として構成したものである。前記の構成によれば、冷媒の旋回流が維持されると共に、第２溝と第１溝の溝深さの相違（段差）による冷媒流通の障壁が小さくなり、リターンベンド管内部での冷媒の圧力損失がより一層小さくなる。

また、請求項４の発明は、前記管本体部が、その足長さ（Ｌ）がピッチ（Ｐ）の１．０〜１．５倍であるリターンベンド管として構成したものである。前記の構成によれば、リターンベンド管が、冷媒の旋回流が維持されると共に、冷媒の圧力損失が大きい曲げ部の長さが制限された形状となる。

また、請求項５の発明は、前記管本体部が、耐熱銅合金からなるリターンベンド管として構成したものである。前記の構成によれば、接合、例えば、リターンベンド管のろう付後の管強度の低下が小さくなるため、熱交換器使用中の管内部の圧力によって、リターンベンド管の接合部、例えば、ろう付けの温度影響部に管破壊が生じない。また、リターンベンド管の管肉厚を厚肉化する必要がなくなる。

また、請求項６の発明は、前記管本体部の第１管肉厚（Ｔ₁）と、前記ヘアピン管の第２管肉厚（Ｔ₂）とが、（Ｔ₁）≦（Ｔ₂）の関係であるリターンベンド管として構成したものである。前記の構成によれば、前記ヘアピン管とリターンベンド管の接合部において、管肉厚が厚肉化されないので、管肉厚の増加による熱交換器の質量増加がなくなると共に、リターンベンド管接合部において、冷媒の流通の障害となる管肉厚の段差が生じず、冷媒の圧力損失がより一層小さくなる。また、リターンベンド管の質量を低減でき、熱交換器が軽量化される。

また、請求項７の発明は、管内部に冷媒が供給され、多数のヘアピン管が並列されたヘアピン部と、前記ヘアピン部の各々のヘアピン管端部に接合された多数のリターンベンド管が並列されたリターンベンド部と、前記ヘアピン管の外表面に一定間隔で並列された多数のフィンからなるフィン部とを有するフィンアンドチューブ型熱交換器であって、前記リターンベンド部の少なくとも一部が、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のリターンベンド管であるフィンアンドチューブ型熱交換器として構成したものである。

前記の構成によれば、前記ヘアピン管で生じた冷媒の旋回流が、リターンベンド管で途切れることがなく、また、リターンベンド管での冷媒の圧力損失が小さくなる。さらに、熱交換器が軽量化される。

また、請求項８の発明は、前記ヘアピン管および前記リターンベンド管から構成された冷媒流路は、その少なくとも一部が分岐され、複数の冷媒流路を形成するフィンアンドチューブ型熱交換器として構成したものである。前記の構成によれば、複数の冷媒流路が形成されることによって、冷媒流路を構成する並列されたヘアピン管およびリターンベンド管の段数が減少し、冷媒の圧力損失が小さくなる。

また、請求項９の発明は、前記冷媒が、ハイドロフルオロカーボン系の非共沸混合冷媒であるフィンアンドチューブ型熱交換器として構成したものである。前記の構成によれば、熱交換器内での冷媒の伝熱特性が向上すると共に、冷媒の圧力損失が小さくなる。

本発明によれば、リターンベンド管における凝縮性能を向上させると共に、冷媒の圧力損失が大きくなることによる蒸発性能の低下を抑制することで、フィンアンドチューブ型熱交換器の全体の凝縮性能を効率よく向上させ、かつ、蒸発性能の低下を抑制することが可能となる。さらに、リターンベンド管は、伝熱管（ヘアピン管）との接合部の信頼性が高くなると共に、軽量化を達成できる構成とすることができる。また、フィンアンドチューブ型熱交換器は、簡易な構成部分のリターンベンド管の凝縮性能を向上させ、かつ、蒸発性能の低下を抑制することで、熱交換器全体の蒸発性能の低下を抑制した状態で、全体の凝縮性能を向上させることができる。

以下、本発明について図面を参照して具体的に説明する。図１はリターンベンド管の構成を示す斜視図、図２はリターンベンド管を組み込んだフィンアンドチューブ型熱交換器の構成を示す一部破断正面図、図３（ａ）は図２の熱交換器をリターンベンド管側から見た斜視図、（ｂ）は熱交換器をヘアピン管側から見た斜視図、（ｃ）は熱交換器内の冷媒の流れを概略的に示す模式図、図４はヘアピン管とリターンベンド管との接合部を管軸方向に切断したときの拡大断面図、図５（ａ）はリターンベンド管の管軸直交断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大断面図、図６（ａ）はヘアピン管の管軸直交断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大断面図、図７（ａ）、（ｂ）は他の実施形態の熱交換器内の冷媒の流れを概略的に示す模式図、図８（ａ）は熱交換器の伝熱性能、圧力損失を測定する際に使用する吸引型風洞の模式図、（ｂ）は（ａ）の吸引型風洞に冷媒を供給する冷媒供給装置の模式図である。

（１）リターンベンド管
まず、本発明のリターンベンド管について説明する。図１〜図３に示すように、本発明のリターンベンド管１は、フィンアンドチューブ型熱交換器（以下、熱交換器と称す）２０に使用され、管内部に冷媒が供給されるヘアピン管１１の管端に接合されるものである。このリターンベンド管１は、Ｕ字状に形成された管本体部１ａと管本体部１ａの内面に形成された多数のらせん状の第１溝２とを備える（図４参照、図１においては第１溝の記載を省略した）。このリターンベンド管１が２本のヘアピン管１１、１１の間に介在して、ヘアピン管１１同士を接続するため、図２に示すように、複数のヘアピン管１１、１１・・・を直列に接続することによって、距離の長い冷媒流路が構成される。

リターンベンド管１は、図４に示すように、管内部に多数形成された第１溝２の内面溝形状を以下のように規制することによって、リターンベンド管１が組み込まれる熱交換器２０（図２、図３参照）としての伝熱性能（特に凝縮性能）を向上させることができる。また、リターンベンド管１は、接合するヘアピン管１１の管外径Ｄ₂（図６参照）として４〜１０ｍｍが用いられるため、その管外径Ｄ₁（図５参照）が４〜１０ｍｍの管を用いることが好ましい。

（内面溝形状）
リターンベンド管１の第１溝２は、その第１溝２と管軸とがなす第１溝リード角θ₁の方向が、ヘアピン管１１の管内面に形成された第２溝１２と管軸とがなす第２溝リード角θ₂の方向と同一方向に形成されている。第１溝リード角θ₁の方向と第２溝リード角θ₂の方向が異なると、ヘアピン管１１の第２溝１２によって形成された冷媒の旋回流が、リターンベンド管１で維持できなくなり、伝熱性能（特に、凝縮性能）が低下する。また、リターンベンド管１で冷媒の圧力損失が大きくなり、伝熱性能（特に、蒸発性能）が低下する。

また、第１溝リード角θ₁と第２溝リード角θ₂とが、θ₁≦θ₂の関係であることが好ましい。第１溝リード角θ₁が第２溝リード角θ₂より大きいと、ヘアピン管１１の第２溝１２によって形成された冷媒の旋回流が、リターンベンド管１で維持できなくなり、伝熱性能（特に、凝縮性能）が低下する。また、リターンベンド管１で冷媒の圧力損失が大きくなり、伝熱性能（特に、蒸発性能）が低下する。第１溝リード角θ₁のより好ましい範囲はθ₂〜（θ₂−１０）°で、さらに好ましい範囲はθ₂〜（θ₂−５）°である。

図５、図６に示すように、リターンベンド管１の第１溝２は、第１溝２の第１溝深さｈ₁と、ヘアピン管１１の第２溝１２の第２溝深さｈ₂とが、ｈ₁≦ｈ₂の関係になるように形成されることが好ましい。第１溝深さｈ₁が第２溝深さｈ₂より大きいと、ヘアピン管１１の第２溝１２によって形成された冷媒の旋回流が、リターンベンド管１で維持できなくなり、伝熱性能（特に、凝縮性能）が低下する。また、リターンベンド管１で冷媒の圧力損失が大きくなり、伝熱性能（特に、蒸発性能）が低下する。第１溝深さｈ₁のより好ましい範囲はｈ₂〜（ｈ₂−０．１）ｍｍで、さらに好ましい範囲はｈ₂〜（ｈ₂−０．０５）ｍｍである。

また、図５、図６に示すように、第１溝２は、第１溝２間に形成された第１フィン３の第１フィン山頂角δ₁、第１フィン根元半径ｒ₁と、ヘアピン管１１の第２溝１２間に形成された第２フィン１３の第２フィン山頂角δ₂、第１フィン根元半径ｒ₂とが同一となるように形成することがより好ましい。第１フィン山頂角δ₁が５〜３０°、第１フィン根元半径ｒ₁が第１溝深さｈ₁（０．１０〜０．３５ｍｍ）の１／１０〜１／３がさらに好ましい。このことにより、リターンベンド管１において、冷媒の旋回流がより一層維持され、冷媒の圧力損失がより一層小さくなる。その結果、熱交換器２０（図２、図３参照）の伝熱性能がより一層向上する。

また、図１に示すように、リターンベンド管１の管本体部１ａを以下のように規制することによっても、リターンベンド管１が組み込まれる熱交換器としての伝熱性能（特に凝縮性能）を向上させることができる。

（管本体部）
リターンベンド管１の管本体部１ａは、その足長さＬがピッチＰの１．０〜１．５倍であることが好ましい。足長さＬがピッチＰの１．０倍未満であると、足長さＬが短く、リターンベンド管１の製造時の曲げ（図１においてはＵ字状）による変形影響が残り、冷媒の旋回流による伝熱性能の改善効果が小さくなる。また、足長さＬがピッチＰの１．５倍を超えると、足長さＬが長く、リターンベンド管１での冷媒の圧力損失が増加すると共に、ヘアピン管１１との接合（ろう付け）の際の熱入力を増加させる必要があり、リターンベンド管１の管強度が低下しやすく、また、熱交換器２０の質量が増加しやすい。なお、足長さＬは、Ｕ字形状の管本体部１ａにおいて、管端と曲げ先端部の管外面との距離である。また、ピッチＰは、Ｕ字形状の管本体部１ａにおいて、両管端中心間の距離である。

また、管本体部１ａは、耐熱銅合金からなることがより好ましい。従来、ヘアピン管１１およびリターンベンド管１共にりん脱酸銅が用いられ、管端を拡管したヘアピン管１１にリターンベンド管１を一定長さだけ挿入し、ヘアピン管１１の管端において、例えば、りん銅ろうなどの硬ろう付けにより接合される（図２〜図４参照）。ろう付け温度は８００〜９００℃程度になり、熱交換器２０の使用中の管内部の圧力によりリターンベンド管１の熱影響部で管が破壊しやすくなる。管本体部１ａに成形加工性がよく、ろう付け温度加熱後もりん脱酸銅より強度が高い耐熱銅合金を用いることにより、管破壊をより一層防止することが可能となる。耐熱銅合金としては、例えば、８５０℃加熱後も室温において４０Ｎ／ｍｍ²以上の０．２％耐力を有するＣｕ−Ｓｎ−Ｐ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｐ系等の銅合金が好ましい。なお、ヘアピン管１１としてもリターンベンド管１と同一材質の耐熱銅合金管を用いてもよい。

さらに、管本体部１ａ（リターンベンド管１）を耐熱銅合金で製造し、かつ、図４〜図６に示すように、管本体部１ａは、その第１管肉厚Ｔ₁と、ヘアピン管１１の第２管肉厚Ｔ₂とが、Ｔ₁≦Ｔ₂の関係になるように製造されることが好ましい。第１管肉厚Ｔ₁が第２管肉厚Ｔ₂より厚いと、リターンベンド管１とヘアピン管１１との接合部において、冷媒の流通の障害となる管肉厚の段差が生じ、冷媒の圧力損失が大きくなり、蒸発性能が低下する。管本体部１ａの形状は、例えば、図１に示すように、Ｕ字状の曲げ部を有した形状であることが一般的である。この曲げ部においては、冷媒の圧力損失が非常に大きいため、耐熱銅合金を用いて第１管肉厚Ｔ₁を薄肉化することは、冷媒の圧力損失の増加を抑制する大きな因子となる。

（２）ヘアピン管
次に、本発明のリターンベンド管１と共に、熱交換器２０を構成するヘアピン管１１について説明する。図６に示すように、ヘアピン管１１は、管内面に多数の第２溝１２が形成され、第２溝１２の内面溝形状を以下のように規制することが好ましい。また、ヘアピン管１１は、空調機器用の伝熱管としては４〜１０ｍｍの管が主流であるため、その管外径Ｄ₂が４〜１０ｍｍの管を用いることが好ましい。さらに、ヘアピン管１１の材質としては、成形加工性が優れたりん脱酸銅が好ましく、りん脱酸銅よりも耐熱性に優れた耐熱銅合金を用いてもよい。

（第２溝リード角：図４参照）
第２溝リード角θ₂は、１５〜４５°であることが好ましい。第２溝リード角θ₂が１５°未満の場合には、熱交換器２０（図２参照）の伝熱性能が低下しやすい。また、第２溝リード角θ₂が４５°を超える場合には、転造加工により管内面に第２溝１２を形成する際の速度が極端に低下しやすく、安定して長尺のヘアピン管１１の製造がしにくい。

（第２溝深さ）
第２溝深さｈ₂は、０．１０〜０．３５ｍｍであることが好ましい。第２溝深さｈ₂が０．１０ｍｍ未満の場合には、管内面の第２溝１２間に形成された第２フィン１３が、管内面における作動冷媒の液面より低くなり、前記冷媒に埋没する。そのため、管内面の有効伝熱面積が著しく減少し、伝熱性能が低下しやすい。また、第２溝深さｈ₂が０．３５ｍｍを超える場合には、管内面に第２溝１２を成形する際に、溝成形用工具（例えば、溝付プラグ）が破損しやすく、管内面に安定して第２溝１２を成形しにくい。

（第２管肉厚）
第２管肉厚Ｔ₂は、０．２０〜０．３０ｍｍであることが好ましい。第２管肉厚Ｔ₂が０．２０未満の場合には、ヘアピン管１１の管強度が低く、熱交換器２０の使用中に管破壊を生じやすくなる。また、第２管肉厚Ｔ₂が０．３０ｍｍを超える場合には、ヘアピン管１１の質量が増加し、熱交換器２０の軽量化が難しくなる。

（第２フィン山頂角）
第２フィン山頂角δ₂は、５〜３０°であることが好ましい。第２フィン山頂角δ₂が５°未満の場合には、ヘアピン管１１を空調機器用の熱交換器２０に組み込む際の拡管時（図示せず）に、第２フィン１３の倒れやつぶれが生じやすい。また、第２フィン１３形成のために管内面に第２溝１２を成形する際に、溝成形用工具が破損しやすく、管内面に安定して第２溝１２を成形しにくい。また、第２フィン山頂角δ₂が３０°を超えた場合には、第２溝１２の断面積が著しく小さくなり伝熱性能が低下しやすい。また、第２フィン１３の断面積（ヘアピン管１１の第２管肉厚Ｔ₂）が大きくなり、ヘアピン管１１の質量が増加し、熱交換器２０の軽量化が難しくなる。

（第２フィン根元半径）
第２フィン根元半径ｒ₂は、第２溝深さｈ₂の１／１０〜１／３とすることが好ましい。第２フィン根元半径ｒ₂が溝深さｈ₂の１／１０未満である場合には、第２フィン１３が高くなった場合に第２フィン１３（第２溝１２）の成形性が悪くなり、所定形状の第２フィン１３が得られ難く、また管内面の第２溝１２の根元に当接する溝成形用工具に破損が発生しやすくなる。また、１／３を超える場合には、第２フィン１３の断面積が大きくなり、ヘアピン管１１の第２管肉厚Ｔ₂が増加して、ヘアピン管１１の質量が増加する。

（３）リターンベンド管およびヘアピン管の製造方法
次に、リターンベンド管およびヘアピン管の製造方法について説明する。リターンベンド管およびヘアピン管の両者は、例えば、従来公知の以下の製造方法によって製造される。下記の第１の工程を適用する素管には、通常、軟質材を用いる。また、下記の第１〜第３の工程は、前段および後段に縮径装置を備えた転造装置を用いて連続して行う。第３の工程の第３の縮径加工後、通常、内面溝付管をレベルワウンドコイルに巻き上げ、焼鈍炉で焼鈍して軟質材とし、第４の工程を適用してリターンベンド管およびヘアピン管を製造する。

（第１の工程）
りん脱酸銅または耐熱銅合金等の素材で構成された素管を、縮径ダイスと縮径プラグの間を通過するように引抜くことにより、素管に第１の縮径加工を施す。
（第２の工程）
第１の工程で縮径された前記素管の内部に溝付プラグを挿入し、複数個の転造ボールまたは転造ロールで素管内に挿入された溝付プラグを押圧することにより、素管に第２の縮径加工を施す。同時に、縮径された素管の管内面に、溝付プラグの溝形状が転写され、らせん状の第１溝２または第２溝１２（図４参照）が形成される。ここで、溝付プラグは、前記した内面溝形状（図５、図６参照）に対応した溝形状を有する。
（第３の工程）
第２の工程で管内面にらせん状の第１溝２または第２溝１２が形成された素管を、整形ダイスで引抜くことにより、第３の縮径加工を施し、管外径Ｄ₁または管外径Ｄ₂の内面溝付伝熱管を製造する。
（第４の工程）
第３の工程で製造された内面溝付管に、所定治具で曲げ加工を施し、所定形状のリターンベンド管１およびヘアピン管１１（図１、図２参照）を製造する。

（４）フィンアンドチューブ型熱交換器
次に、本発明の熱交換器について説明する。図２、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、熱交換器２０は、管内部に冷媒が供給され、多数のヘアピン管１１、１１・・・が所定の曲げピッチＰａで並列されたヘアピン部２３と、ヘアピン部２３の各々のヘアピン管１１、１１・・・の管端部に接合された多数のリターンベンド管１、１・・・が並列されたリターンベンド部２２と、ヘアピン管１１の外表面に一定間隔（フィンピッチＰｂ）で並列された多数のフィン２１ａ、２１ａ・・・からなるフィン部２１とを有する。このような構成により、多数のヘアピン管１１、１１・・・がリターンベンド管１、１・・・を介して複数段に直列に連結され、熱交換器２０が長い有効伝熱管長（冷媒流路）を有することとなる。また、図３（ｂ）に示すように、ヘアピン管１１を所定の列方向ピッチＰｃで複数列に配置してもよい。さらに、図３（ｃ）に示すように、熱交換器２０の管内部に供給される冷媒は、熱交換器２０に送風される空気の流れに対して、冷媒凝縮時には同一方向、冷媒蒸発時には逆方向に流される。

そして、リターンベンド部２２の少なくとも一部が、前記した管内面に多数のらせん状の第１溝２（第５図参照）が形成されたリターンベンド管１で構成されている。このように構成することにより、熱交換器２０での凝縮性能を向上させ、かつ、蒸発性能の低下を小さくすることが可能となる。また、リターンベンド管１の内面溝形状、例えば、第１溝リード角θ₁（図４参照）、第１溝深さｈ₁等（図５参照）を、熱交換器２０の冷媒の流れ（上流または下流）を考慮して、場所により変化させてもよい。さらに、冷媒の圧力損失を考慮して、リターンベンド部２２の少なくとも一部に、平滑管で構成されたリターンベンド管を用いてもよい。

また、本発明の冷媒流路が分岐されない熱交換器２０（１パス型熱交換器、図３（ｃ）参照）では、リターンベンド管１による冷媒の旋回流維持の効果の最適ポイントが冷媒循環量の大きな領域にあるため、高風速域（高冷媒循環量）では、冷媒の旋回流が維持され、第１溝２（図５参照）の溝突起の液面からの露出が多くなるため、凝縮性能が向上する。また、低風速域（低冷媒循環量）においても、冷媒の旋回流が維持され、冷媒の攪拌が促進されるため、蒸発性能が向上する。

また、本発明の熱交換器は、ヘアピン管およびリターンベンド管から構成された冷媒流路の少なくとも一部が分岐され、複数の冷媒流路を形成するものであってもよい。例えば、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、冷媒流路全体が分岐された２パス型熱交換器２０Ａ、冷媒流路の一部が分岐された部分２パス型熱交換器２０Ｂが挙げられる。ここで、図７（ａ）、（ｂ）では、冷媒流路が２流路（冷媒流路Ａおよび冷媒流路Ｂ）に分岐されているが、２流路に限定されず、３流路以上に分岐されたものであってもよい。また、分岐された冷媒流路（冷媒流路Ａおよび冷媒流路Ｂ）が、さらに複数の冷媒流路に分岐されるものであってもよい。さらに、図７（ｂ）の部分２パス型熱交換器２０Ｂでは、分岐部が１箇所であるが、２箇所以上であってもよい、すなわち、図３（ｃ）に示した前記１パス型熱交換器２０に、複数の２パス型熱交換器２０Ａを結合したものであってもよい。

図７に示すような本発明の冷媒流路が分岐された熱交換器２０Ａ（２パス型熱交換器）、２０Ｂ（部分２パス型熱交換器）では、前記の１パス型熱交換器２０（図３（ｃ）参照）と同様に、冷媒の旋回流の維持により凝縮性能および蒸発性能が向上する。さらに、冷媒流路が分岐された熱交換器２０Ａ、２０Ｂでは、複数の冷媒流路（冷媒流路Ａおよび冷媒流路Ｂ）が形成されることによって、冷媒流路（冷媒流路Ａまたは冷媒流路Ｂ）を構成する並列されたヘアピン管およびリターンベンド管の段数が、前記の１パス型熱交換器２０と比べると減少する（図３（ｃ）、図７では１２段から６段に減少している）。これにより、冷媒の圧力損失が小さくなり、蒸発性能がより一層向上する。

しかしながら、冷媒の凝縮時には、冷媒が二相状態から液相状態へ変化するに従い、冷媒密度は大幅に増加するため、冷媒の重力が冷媒流量に影響を与える。そのため、冷媒流路が分岐された熱交換器２０Ａ（２パス型熱交換器）、２０Ｂ（部分２パス型熱交換器）では、冷媒上流側では冷媒の重力の影響が小さいが、冷媒下流側では冷媒の重力の影響が大きくなる。そして、冷媒下流側で下降する冷媒流路Ａでは、冷媒の重力によって、冷媒の駆動が促進され、冷媒流量が増加する。相対的に、冷媒下流側で上昇する冷媒流路Ｂでは、冷媒の重力によって、冷媒の駆動が阻害され、冷媒流量が低下する。この冷媒流路Ａ、Ｂ間の冷媒流量差は、高冷媒循環量において大きくなる。したがって、冷媒流路の分岐のない前記の１パス型熱交換器２０では高風速域（高冷媒循環量）で凝縮性能が向上する傾向にあるが、冷媒流路が分岐された熱交換器２０Ａ、２０Ｂでは高風速域（高冷媒循環量）で凝縮性能が低下する傾向にある。

そのため、本発明のリターンベンド管１を、最近の熱交換器の主流である部分二パス型熱交換器に適用するのが最も効果的である。この型の熱交換器においては、ヘアピン管１１およびリターンベンド管１で構成された冷媒流路が、冷媒凝縮時は1本でスタートして途中で２分岐されるので、冷媒循環量の大きい部位を有することになる。また、冷媒蒸発時においては、２本でスタートして途中で１本となるので、冷媒循環量の小さい部位を有することになる。

また、本発明の熱交換器２０に使用される冷媒は、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒であって、非共沸混合冷媒である、例えば、Ｒ４１０系が好ましい。ＨＦＣ系の非共沸混合冷媒の使用により、熱交換器２０の伝熱性能が向上し、また、冷媒の圧力損失も小さくなる。さらに、Ｒ４１０系は伝熱性能に優れるが、運転圧力が高いため、コンプレッサーが大型化しやすい。したがって、伝熱性能はＲ４１０系より少し低下するが、運転圧力がＲ４１０系よりも低い、Ｒ４０７系を、本発明の冷媒として使用してもよい。

（実施例１）
以下、本発明の実施例について、具体的に説明する。
先ず、耐熱銅合金（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ系：０．６５質量％Ｓｎ、０．０２５質量％Ｐ、残部がＣｕ）を溶解し、鋳造し、熱間押出し、冷間圧延し、冷間抽伸加工を施して素管を作製した。次に、前記素管を焼鈍後、第１の縮径加工を施し、縮径された素管に前記内面溝形状のらせん溝を形成しながら第２の縮径加工を施し、らせん溝が形成された素管に第３の縮径加工、焼鈍を施して、外径（管外径Ｄ₁）７ｍｍの供試管（リターンベンド管用）を作製した。また、ＪＩＳＨ３３００に規定された合金番号Ｃ１２２０のりん脱酸銅を用いて、同様な作製方法で外径（管外径Ｄ₂）７ｍｍの供試管（ヘアピン管用）を作製した。各供試管（リターンベンド管用およびヘアピン管用）の内面溝形状を表１に示す。

次に、前記各供試管を用いて、図２、図３（ａ）、（ｂ）に示すフィンアンドチューブ型熱交換器（１パス型熱交換器）２０を作製した。まず、供試管（ヘアピン管用）を、その中央部で所定の曲げピッチＰａでヘアピン状に曲げ加工して複数のヘアピン管１１を作製した。つぎに、複数本のヘアピン管１１を、所定の間隔（フィンピッチＰｂ）をおいて相互に平行に配置された複数枚のフィン２１ａに挿通した。そして、銅管（ヘアピン管１１）の外径基準による拡管率が１０５．５％となるようなビュレットをヘアピン管１１内に挿入して、縮み方式拡管機で拡管して、フィン２１ａとヘアピン管１１を接合した。つぎに、供試管（リターンベンド管用）を、所定の足長さＬおよびピッチＰ（図１参照）で曲げ加工して複数のリターンベンド管１を作製した。そして、隣接する拡管後のヘアピン管１１の管端に、その外面にりん銅ろうのリングを付けたリターンベンド管１を装着し、両者の管内に酸化防止のための窒素ガスを流しながら、バーナーにより、両者の管を加熱ろう付けして熱交換器２０を作製した。なお、熱交換器２０の仕様は以下の通りとした。
（熱交換器２０）
外形は、長さ５００ｍｍ×高さ２５０ｍｍ×幅２５．４ｍｍとした。
（ヘアピン管１１）
２列１２段（曲げピッチＰａ２１ｍｍ、列方向ピッチＰｃ１３．４ｍｍ）に配置した（拡管前の足長さＬａは約５３５ｍｍであった）。
（リターンベンド管１）
足長さＬ＝２２．５ｍｍ、ピッチＰ＝２１．０ｍｍとした（図１参照）。
（フィン２１ａ）
ＪＩＳＨ４０００に規定された合金番号１Ｎ３０のアルミニウムからなる板材で、板材の表面を樹脂で被覆したものである。また、フィン２１ａの厚さは１１０μｍとした。そして、４１０枚のフィン２１ａをフィンピッチＰｂ１．２５ｍｍで平行に配置した。

この熱交換器（１パス型熱交換器）２０を用いて、伝熱性能（蒸発性能、凝縮性能）、圧力損失をＪＩＳＣ９６１２に基いて測定し、その結果を表２に示した。ここで、蒸発性能および凝縮性能は、各々伝達率を測定し記載した。また、圧力損失は、熱交換器の蒸発時の入口、出口の圧力差として測定し記載した。なお、表２の各測定値は、後記する比較例１を１とした場合の比率として記載した。

（比較例１、２）
表１に示すように、比較例１は、前記供試管（リターンベンド管）として、管内面にらせん溝を形成せず、第１管肉厚Ｔ₁が前記供試管（ヘアピン管）の第２管肉厚Ｔ₂より厚肉化された平滑管を使用したこと、また、前記供試管（ヘアピン管）として、第２フィンの根元のＲ取り（第２フィン根元半径ｒ₂）を行わない内面溝付管を使用したこと以外は実施例１と同様とした。比較例２は、前記供試管（リターンベンド管）として、管内面のらせん溝の第１溝リード角θ₁の方向が、前記供試管（ヘアピン管）の管内面のらせん溝の第２溝リード角θ₂の方向と異なる内面溝付管を使用したこと以外は実施例１と同様とした。そして、実施例１と同様に熱交換器（１パス型熱交換器）２０を作製し、伝熱性能（蒸発性能、凝縮性能）、圧力損失を測定し、その結果を表２に示した。なお、表２の各測定値は、比較例１を１とした場合の比率として記載した。

（実施例２）
表１に示すように、実施例１と同様な供試管（ヘアピン管、リターンベンド管）を使用し、実施例１と同様にして、図７（ａ）に示すフィンアンドチューブ型熱交換器（２パス型熱交換器）２０Ａを作製した。なお、冷媒流路Ａ、Ｂのヘアピン管１１の段数は２列６段とした。そして、伝熱性能（蒸発性能、凝縮性能）、圧力損失を測定し、その結果を表２に示した。また、表２の各測定値は、後記する比較例３を１とした場合の比率として記載した。さらに、圧力損失の括弧内の数値は、前記した実施例１を１とした場合の比率を記載した。

（比較例３）
表１に示すように、比較例１と同様な供試管（ヘアピン管、リターンベンド管）を使用し、実施例２と同様にして、図７（ａ）に示すフィンアンドチューブ型熱交換器（２パス型熱交換器）２０Ａを作製した。そして、伝熱性能（蒸発性能、凝縮性能）、圧力損失を測定し、前記したように実施例２の対照値とした。

また、図８（ａ）に伝熱性能および圧力損失を測定する測定装置の模式図を示す。図８（ａ）に示すように、測定装置は、恒温恒湿機能付きの吸引型風洞１００、冷媒供給装置１１０（図８（ｂ）参照）及び空調機（図示せず）からなる。この吸引型風洞１００においては、空気流入口１０８から流入されて空気排出口１０９から排出される空気の流通経路に熱交換器２０（２０Ａ、２０Ｂ）が配置され、この熱交換器２０（２０Ａ、２０Ｂ）の上流側および下流側に夫々エアーサンプラ１０１、１０２が配置されている。このエアーサンプラ１０１、１０２には夫々温湿度計測箱１０３、１０４が連結されている。この温湿度計測箱１０３、１０４は夫々エアーサンプラ１０１、１０２により採取された空気の乾球温度および湿球温度を測定することにより、この空気の温度及び湿度を測定するものである。また、エアーサンプラ１０２の下流側には誘引ファン１０５が設けられ、空気排出口１０９に空気を排出している。また、熱交換器２０（２０Ａ、２０Ｂ）とエアーサンプラ１０２との間、およびエアーサンプラ１０２と誘引ファン１０５との間には、熱交換器２０（２０Ａ、２０Ｂ）を通過した空気を整流する整流器１０６、１０６が設けられている。

また、図８（ｂ）に冷媒供給装置１１０の模式図を示す。図８（ｂ）において、１０７は冷媒配管、１１１はサイトグラス、１１２は液（冷媒）加熱および冷却用熱交換器、１１３はドライヤー、１１４は受液（冷媒）器、１１５は溶栓、１１６は凝縮器、１１７はオイルセパレータ、１１８はコンプレッサー、１１９はアキュームレータ、１２０は蒸発器、１２１は膨張弁、１２２は流量計である。そして、冷媒配管１０７を通じて、吸引型風洞１００内に備えられた熱交換器２０（２０Ａ、２０Ｂ）のヘアピン管１１（図２参照）の内部に、圧力および温度を調節した冷媒が供給される。また、熱交換器２０(２０Ａ、２０Ｂ)の入口及び出口には、冷媒の温度および圧力を測定する圧力計１２３（温度は測定圧力相当飽和温度とする）が設けられている。さらに、空調機（図示せず）は、吸引型風洞１００の空気流入口１０８に温度および湿度が制御された空気を供給するものである。

そして、測定条件は表３に示す通りとし、冷媒としてはＲ４１０Ａを使用し、熱交換器２０(２０Ａ、２０Ｂ)の前面風速を変えて伝熱性能を測定した。また、蒸発性能測定の際の冷媒の流れと、凝縮性能測定の際の冷媒の流れとは、互いに異なる方向とした（図８（ｂ）に示す冷媒供給装置１１０の冷媒の流れ方向は、蒸発性能測定の際の冷媒の流れ方向を示している）。

表２の結果より、１パス型熱交換器の評価として、実施例１は、リターンベンド管として平滑管を使用した比較例１に比べて、高風速域での凝縮性能が優れ、また、低風速域での蒸発性能が優れていることが確認された。さらに、実施例１の圧力損失は、比較例１に比べて若干増加しているが、熱交換器として実用上問題となる大きな圧力損失ではないことが確認された。

リターンベンド管の第１溝方向がヘアピン管の第２溝方向と逆方向である比較例２は、高風速域での蒸発性能がわずかに実施例１より優れるが、他の風速域では圧力損失が実施例１より増加したため、実施例１より蒸発性能が劣ることが、また、凝縮性能が全ての風速域で実施例１より劣ることが確認された。

また、２パス型熱交換器の評価として、実施例２は、リターンベンド管として平滑管を使用した比較例３に比べて、低風速域での凝縮性能および蒸発性能が優れていることが確認された。そして、実施例２の圧力損失は、比較例３に比べて若干増加しているが、熱交換器として実用上問題となる大きな圧力損失ではないこと、また、実施例１の圧力損失に比べて大きく低下していることが確認された。

本発明に係るリターンベンド管の構成を示す斜視図である。 本発明に係るリターンベンド管を組み込んだフィンアンドチューブ型熱交換器の構成を示す一部破断正面図である。 （ａ）は図２の熱交換器をリターンベンド管側から見た斜視図、（ｂ）は熱交換器をヘアピン管側から見た斜視図、（ｃ）は熱交換器内の冷媒の流れを概略的に示す模式図である。 ヘアピン管とリターンベンド管との接合部を管軸方向に切断したときの拡大断面図である。 （ａ）はリターンベンド管の管軸直交断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大断面図である。 （ａ）はヘアピン管の管軸直交断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大断面図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明に係る他の実施形態の熱交換器内の冷媒の流れを概略的に示す模式図である。 （ａ）は熱交換器の伝熱性能、圧力損失を測定する際に使用する吸引型風洞の模式図、（ｂ）は（ａ）の吸引型風洞に冷媒を供給する冷媒供給装置の模式図である。

符号の説明

１ リターンベンド管
１ａ 管本体部
２ 第１溝
３ 第１フィン
１１ ヘアピン管
１２ 第２溝
１３ 第２フィン
２０、２０Ａ、２０Ｂ 熱交換器
２１ フィン部
２１ａ フィン
２２ リターンベンド部
２３ ヘアピン部
θ₁ 第１溝リード角
θ₂ 第２溝リード角
ｈ₁ 第１溝深さ
ｈ₂ 第２溝深さ
Ｔ₁ 第１管肉厚
Ｔ₂ 第２管肉厚

Claims (9)

1. 管内部に冷媒が供給され、ヘアピン管と、前記ヘアピン管の管端に接合された管本体部を有するリターンベンド管と、前記ヘアピン管の外表面に一定間隔で並列された多数のフィンとを備えるフィンアンドチューブ型熱交換器のリターンベンド管において、
   前記リターンベンド管は、管本体部と管本体部の内面に形成された多数のらせん状の第１溝とを備え、
   前記第１溝と管軸とがなす第１溝リード角の方向が、前記ヘアピン管の管内面に形成されたらせん状の第２溝と管軸とがなす第２溝リード角と同一方向であることを特徴とするリターンベンド管。
2. 前記第１溝の第１溝リード角（θ₁）と、前記第２溝の第２溝リード角（θ₂）とが、
   （θ₁）≦（θ₂）の関係であることを特徴とする請求項1に記載のリターンベンド管。
3. 前記第１溝の第１溝深さ（ｈ₁）と、前記第２溝の第２溝深さ（ｈ₂）とが、
   （ｈ₁）≦（ｈ₂）の関係であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリターンベンド管。
4. 前記管本体部は、その足長さ（Ｌ）がピッチ（Ｐ）の１．０〜１．５倍であることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載のいずれか一項に記載のリターンベンド管。
5. 前記管本体部は、耐熱銅合金からなることを特徴とする請求項1ないし請求項４のいずれか一項に記載のリターンベンド管。
6. 前記管本体部の第１管肉厚（Ｔ₁）と、前記ヘアピン管の第２管肉厚（Ｔ₂）とが、（Ｔ₁）≦（Ｔ₂）の関係であることを特徴とする請求項５に記載のリターンベンド管。
7. 管内部に冷媒が供給され、多数のヘアピン管が並列されたヘアピン部と、前記ヘアピン部の各々のヘアピン管端部に接合された多数のリターンベンド管が並列されたリターンベンド部と、前記ヘアピン管の外表面に一定間隔で並列された多数のフィンからなるフィン部とを有するフィンアンドチューブ型熱交換器であって、
   前記リターンベンド部の少なくとも一部が、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のリターンベンド管であることを特徴とするフィンアンドチューブ型熱交換器。
8. 前記ヘアピン管および前記リターンベンド管から構成された冷媒流路は、その少なくとも一部が分岐され、複数の冷媒流路を形成することを特徴とする請求項７に記載のフィンアンドチューブ型熱交換器。
9. 前記冷媒は、ハイドロフルオロカーボン系の非共沸混合冷媒であることを特徴とする請求項８に記載のフィンアンドチューブ型熱交換器。

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