专利名称：热泵热水器、蒸发器及内面带槽传热管的制作方法
技术领域：
本发明涉及内面带槽传热管。本发明特别涉及将ニ氧化碳作为致冷剂使用的内面带槽传热管。
背景技术：
以往，在空调机、车辆空调、冰箱、冷冻机、热水器及自动售货机等具有的热交換器中使用氟利昂系的致冷剂。但是，担心氟利昂系的致冷剂对于地球暧化的影响，作为没有毒性及可燃性且安全、便宜、进而对于环境的负荷小、热物理性质优异的自然致冷剂的ニ氧化碳(CO2)正受到关注。另外，专利文献1中记载，ニ氧化碳表面张カ小，因此比氟利昂系致冷剂容易产生气泡，促进核沸腾，因此作为致冷剂使用ニ氧化碳吋，与使用氟利昂系致冷剂时相比传热性能提高。另ー方面，对于(X)2致冷剂的冷气设备及暧气设备的简单循环的理论性能低这样的问题，作为提高传热管的蒸发性能的方法有在内面形成槽来扩大传热面积的方法。但是， 在传热管内流通的(X)2致冷剂中，含有作为压缩机用的润滑剂的冷冻机油，仅仅将在氟利昂系致冷剂的情况下所使用的内面带槽管作为(X)2致冷剂用而使用，不能得到充分的传热性能。专利文献1鉴于这样的问题点，提供了即使在使用含有冷冻机油的ニ氧化碳致冷剂时压カ损失也不增加、蒸发传热性能优异的蒸发器用内面带槽传热管。另外，在非专利文献1中，关于内面带槽管的蒸发性能进行了记载，作为单管的评价虽然以25kW/m2以上来实施，但实际上在使用了 CO2致冷剂的热泵热水器中，记载其热流量(熱流束)(q)在额定规格下为5kW/m2左右这样的非常的小。根据试验条件过大地评价核沸腾的影响，因此认为在CO2致冷剂热泵热水器这样的低热流量(q)条件下存在无法形成最佳的翅片形状的可能性。现有技术文献专利文献专利文献1 日本专利第4386813号公报非专利文献非专利文献1 李相武、佐伯主税他3名、“自然冷媒CO2の管内蒸発伝熱促進に閨 する実験的研究”，銅及び銅合金技術研究会(平成16年11月12日、13日実施)，第44回講演大会概要集(p79、80)。
发明内容
发明要解决的课题如上所述，专利文献1公开了促进核沸腾作为CO2致冷剂的特征。通常，对于核沸腾而言，热流量(q)越大则效果越大，但是专利文献1中没有记载关于热流量(q)的影响， 没有以数值限定的依据对热流量(q)条件进行考虑。
另外，就非专利文献1中记载的CO2致冷剂热泵热水器而言，作为冷冻机油使用高温下稳定性高的聚亚烷基ニ醇(PAG)。但是，PAG与(X)2的相溶性低，回油(オイル戻り) 差，因此滞留于传热管内的冷冻机油变多，油膜的存在对于抑制核沸腾也有较大影响。回油差吋，压缩机的润滑变差而成为故障的原因，因此作为其防止方法考虑在压缩机的吐出侧设置油分离器。但是，有成本増加或空间的问题等，特別在家庭用的(X)2致冷剂热泵热水器中是不现实的，实际上略多一些装入PAG使得压缩机中不会没有油。因此，本发明的目的在于提供ー种内面带槽传热管，其即使在使用了 CO2致冷剂的热泵机器在低热流量(q)条件下使用，且聚亚烷基ニ醇系冷冻机油混入致冷剂中吋，也具有优异的蒸发性能，通过改善回油可减轻压缩机发生故障的风险。解决课题的方法本发明为了达成上述目的，提供ー种热泵热水器，其是聚亚烷基ニ醇系冷冻机油的含有量为0.1质量％以上的作为致冷剂的ニ氧化碳在设置于蒸发器内的内面带槽传热管的内部流动，而且以致冷剂的热流量(q)小于10kW/m2而使用的热泵热水器，其中所述内面带槽传热管为如下的内面带槽传热管，其具备主管，该主管具有相互平行地设置于内周面的多个螺旋状的槽和位于所述多个槽之间的多个翅片，所述主管的内径(ID)为2. 4mm以上6. 8mm以下，所述翅片的高(HF)为0. Imm以上0. 25mm以下，将所述多个槽的底的宽设为 W3 时，满足 0. 04 彡 ff3/ID 彡 0. 1。另外，上述热泵热水器可具有与所述槽和所述翅片所形成的扭转角为15°以上 25°以下的所述内面带槽传热管。另外，上述热泵热水器可具有所述多个翅片为30个以上50个以下的所述内面带
槽传热管。本发明进一歩提供一种蒸发器，其是具有内面带槽传热管，而且以致冷剂的热流量(q)小于10kW/m2而使用的在致冷剤-空气间进行热交換的蒸发器，在所述内面带槽传热管的内部，聚亚烷基ニ醇系冷冻机油的含有量为0. 1质量％以上的作为致冷剂的ニ氧化碳进行流动，而且，所述内面带槽传热管为如下的内面带槽传热管，其具备主管，该主管具有相互平行地设置于内周面的多个螺旋状的槽和位于所述多个槽之间的多个翅片，所述主管的内径(ID)为2. 4mm以上6. 8mm以下，所述翅片的高(HF)为0. Imm以上0. 25mm以下， 将所述多个槽的底的宽设为W3时，满足0. 04 く ff3/ID < 0. 1。另外，上述蒸发器可具有与所述槽和所述翅片所形成的扭转角为15°以上25° 以下的所述内面带槽传热管。另外，上述蒸发器可具有所述多个翅片为30个以上50个以下的所述内面带槽传热管。本发明进一歩提供ー种内面带槽传热管，其是使用聚亚烷基ニ醇系冷冻机油的含有量为0. 1质量％以上的ニ氧化碳作为致冷剂，而且以热流量(q)小于10kW/m2而使用的热泵热水器所具有的蒸发器中使用的内面带槽传热管，具备主管，该主管具有相互平行地设置于内周面的多个螺旋状的槽和位于上述多个槽之间的多个翅片，上述主管的内径(ID) 为2. 4mm以上6. 8mm以下，上述翅片的高(HF)为0. Imm以上0. 25mm以下，将上述多个槽的底的宽设为W3时，满足0. 04 ^ ff3/ID ^ 0. 1。另外，上述内面带槽传热管与上述槽和上述翅片所形成的扭转角可以为15°以上25°以下。另外，在上述内面带槽传热管中，上述多个翅片可以为30个以上50个以下。发明效果根据本发明的内面带槽传热管，可以提供即使在使用了 CO2致冷剂的热泵机器在低热流量(q)条件下使用，且聚亚烷基ニ醇系冷冻机油混入致冷剂中吋，也具有优异的蒸发性能，通过改善回油可减轻压缩机发生故障的风险的内面带槽传热管。
[图1]为使用本发明实施方式的内面带槽传热管所构成的热泵热水器的构成概要图。[图2A](a)及(b)为垂直于本实施方式的内面带槽传热管的管轴方向的剖视图。[图2B]为将内面带槽传热管的一部分沿管轴切开时的概要图。[图3]为表示与外径7mm、底壁厚(底肉厚)0.45mm (内径6. Imm)的由磷脱氧铜构成的内面带槽管同等耐压的内径和壁厚的关系的图。[图4]为用于说明内面带槽传热管的加工方法的内面带槽管加工装置的概略构成的剖视图。[图5A]为实际使用的(X)2致冷剂热泵热水器的蒸发器用分流器的外观图。[图5B](a)为传热管的外径为7mm的分流器的分流部的剖视图，(b)为传热管的外径为3mm的分流器的假定剖视图。[图5C]为分流器中插入分流前后的铜管时的概要图。[图6]为2列30段2通路热交換器的模式图。[图7]为表示取内径为參数，通路数设为10时的、相对于外径7mm(内径 6. 1mm) X2通路的压カ损失比进行计算的结果的图。[图8]为表示对于将槽底宽和内径的比(W3/ID)固定为0.04时的内径6. 8mm和内径2. 4mm的传热管，翅片高度与内表面积平滑管比(内表面積平滑管比)的计算结果的图。[图9]为表示測定压缩机的转速比和冷冻机油混入致冷剂的量的结果的图。[图10]为表示对于内径和翅片高度为6.8mm、0. 25mm的情况和2. 4mm、0. Imm的情况，在相同翅片形状下，计算W3/ID和内表面积平滑管比的结果的图。[图11]为測定装置的概略图。[图12]为传热管測定部(測量段)的概要图。[图13]为将试验结果作为翅片数和传热系数(熱伝達率)平滑管比的关系来表示的图。[图14]为表示W3/ID与传热系数平滑管比/単重平滑管比(单重平滑管比)的关系的图。符号说明1铜管；2浮动插塞；3连接棒；4带槽插塞；5槽；6球；7牵引模具；8翅片；9内面带槽管；10牵引模具；11压缩机；12气体冷却器；13膨胀阀；14蒸发器；20内面带槽传热管；21主管；22槽；23翅片。
具体实施例方式[实施方式]图1表示使用本发明实施方式的内面带槽传热管所构成的热泵热水器的构成概要。热泵热水器具备压缩机11、通过配管连接于压缩机11的气体冷却器12、通过配管连接于气体冷却器12的膨胀阀13、通过配管连接于膨胀阀13的蒸发器14。对于蒸发器 14和压缩机11，也通过配管相互连接。通过压缩机11、气体冷却器12、膨胀阀13、蒸发器14 及配管构成冷冻循环。另外，作为致冷剂的ニ氧化碳致冷剂封入冷冻循环内。而且，ニ氧化碳致冷剂在放热侧(即，从压缩机11的吐出部通过气体冷却器12至膨胀阀13的入口部) 成为超临界状态。另外，图1中未图示的内面带槽传热管20用于气体冷却器12和/或蒸发器14。热泵热水器的操作概略如以下所述。首先，被压缩机11压缩的ニ氧化碳致冷剂(CO2致冷剂)成为高温高压状态，导入到气体冷却器12。此时，作为压缩机11的润滑油的冷冻机油也与CO2致冷剂同时导入到气体冷却器12。在气体冷却器12中，为超临界状态的CO2致冷剂没有形成气液二相状态，CO2 致冷剂的热放热至水等中。接着，CO2致冷剂通过膨胀阀13进行减压，成为低压的气液ニ 相状态，在该状态下导入到蒸发器14。在蒸发器14中CO2致冷剂从空气中吸热成为气体状态，再次吸入到压缩机11中。通过反复进行这样的循环，在气体冷却器12中通过放热产生加热作用，在蒸发器 14中通过吸热产生冷却作用。另外，CO2致冷剂中使用的聚亚烷基ニ醇系冷冻机油具有即使与容易成为高温的ω2致冷剂并用热稳定性也优异等特长，但由于与(X)2致冷剂的相溶性差而在(X)2致冷剂进行蒸发时容易进行三相分离为致冷剂气相、致冷剂液相、冷冻机油。由于容易进行三相分离而形成聚亚烷基ニ醇系冷冻机油的油膜，该油膜成为热阻(熱抵抗)， 因此即使冷冻机油较少混入时蒸发性能也降低。另外，对于蒸发器14而言，例如，将内径为 6. 1mm、长800mm的内面带槽传热管以2列30段进行配置而构成。此时，额定功率(定格能力)为6kW的(X)2致冷剂热泵热水器的蒸发器的功率(能力)为4. 6kff左右，因此热流量 (q)为5kW/m2左右。额定功率为4. 5kff的机型吋，蒸发器的功率更小，因此热流量(q)也变得更小。图2A的(a)及(b)表示垂直于本实施方式的内面带槽传热管的管轴方向的剖面的概要。具体来说，图2A的(a)表示内面带槽传热管的剖面的概要，图2A的(b)表示将图 2A的(a)的一点划线围成的区域扩大的部分剖面。另外，图2B表示将内面带槽传热管的一部分沿着管轴切开时的概要。如图2A的(a)及图2B所示，本实施方式的内面带槽传热管20具备主管21，该主管 21具有在内周面相互平行地以一定间隔设置的多个螺旋状的槽22、和位于多个槽22之间的剖面为山形状的多个翅片23。在一个翅片23和与一个翅片23邻接的另ー翅片23之间形成槽22。在本实施方式中，主管21的内径(ID)为2. 4mm以上6. 8mm以下，翅片的高(HF)、 即槽22的深度为0. Imm以上0. 25mm以下，将多个槽的底的宽设为W3时，满足0. 04彡W3/ ID く 0. 1。另外，主管21例如使用铜或铜合金等金属材料来形成。
另外，将内面带槽管20的外径设为“0D”、主管21的壁厚设为“TW”吋，内径“ID” 可以“ID = 0D-2XTW”表示。另外，将翅片23的根部、即翅片23与主管21的内周面的接点部分的翅片23的根部宽设为“W/’。进而，參照图2B。相对于直状的内面带槽传热管20 的纵向的槽22和翅片23所形成的角度(以下，称为“扭转角”)在本实施方式中设为“ β ”。本实施方式的内面带槽传热管20，例如，可用于热泵热水器具有的蒸发器。另外， 该热泵热水器还可将聚亚烷基ニ醇系冷冻机油的含有量为0.1质量％以上的ニ氧化碳作为致冷剂使用，而且以热流量(q)小于10kw/m2而使用。(关于内面带槽传热管20的ID的上限)在本实施方式中将主管21的内径(ID)控制为2. 4mm以上6. 8mm以下。其理由如以下。图3表示与外径7mm、底壁厚0. 45mm(内径6. Imm)的由磷脱氧铜构成的内面带槽管同等耐压的内径和壁厚的关系。參照图3。内径増大的话，则在耐压方面、壁厚必须増大，成为重量増加的主要因素。另外，内径超过6. 8mm时底壁厚超过0. 5mm。底壁厚变大吋，内面槽的加工性变差，失去了翅片形状的自由度，不仅牵涉到成本増加，传热管的外表面品质也降低。因此，内径(ID) 的上限优选6. 8mm。图4表示用于说明内面带槽传热管的加工方法的内面带槽管加工装置的概略构成的剖面。在内面带槽管加工装置中，带槽插塞4和浮动插塞2在自由旋转的状态下通过连接棒3进行连接，插入铜管1的管内。通过牵引铜管1，使浮动插塞2停留在牵引模具10的位置，由此，带槽插塞4的牵引方向的位置被固定。作为挤压该固定部分的铜管1的外周面的装置的球6或辊进行公转，从而在管内形成对应于带槽插塞4的槽5的形状的翅片(槽 8)，进ー步牵引具有该槽8的内面带槽管9，通过模具7将内面带槽管9进行缩径，制作内面带槽传热管20。图4中，即使通过球6将铜管1按压于插塞4的槽，也由于底壁厚较厚而难以在半径方向传递力，而在轴方向延伸。因此，内面带槽管9的底壁厚小于期望的值，因而铜管1 的壁厚必须额外地増大。此时，球6导致的缩径量増加，因此传热管的外表面品质降低。(关于内面带槽传热管20的ID的下限)内径小时，按照其原来的通路数则压カ损失变大，COP降低，因此需要增加热交換器的通路。但是，通路数过多时分流器成本増加。另外，所谓通路数是致冷剂流通的路径数， 多根传热管全部连续连接时为1通路，连续连接的路径为2个时称为2通路。例如，与通常的CO2致冷剂热泵热水器用传热管的外径7mm相比，考虑即使进行细径化、传热面积也同等压カ损失也同等的情況。图5A为实际使用的(X)2致冷剂热泵热水器的蒸发器用分流器的外观图，图5B的 (a)表示传热管的外径为7mm的分流器的分流部的剖面，图5B的(b)表示传热管的外径为 3mm的分流器的假定剖面。另外，图5C表示在分流器中插入分流前后的铜管时的概要。图5A中，内侧的圆内插入传热管，分流前的致冷剂由下面流入分流器，在分流部分为多个通路并由上面出去。对于图5B的(b)表示的外径3mm的分流部剖视图而言，考虑焊接(ロウ付け)可靠性，保持分流部的尺寸间隔等为大致相同程度来画图，考虑安装密度吋，在外径3mm附近、与现行的分流器同样的尺寸下的情况下，10通路左右为界限。形成这以上的通路时，增大分流器，或増加分流器，都牵涉到成本和空间的増大。因此，以下对于平滑管、对在实际的通路数(10通路以下)下构成细径管热交換器时的压力损失进行计算、评价。
液体密度(kg/m3)，P ν为致冷剂的蒸气密度(kg/m3)，xe为出ロ干燥度。为了求出摩擦损失APF，首先求出二相流摩擦损失斜率(勾配)(AP/AZ)F。对于(ΔΡ/Δζ^而言，可作为相对于仅以液相成分或气相成分作为单相流流通时的摩擦损失斜率(ΔΡ/Δζ) 、(ΔΡ/Δζ)ν的比而求出(式(3))。另外，単相流的摩擦损失斜率通过式(4)求出。[数3]
权利要求
1.ー种热泵热水器，其是聚亚烷基ニ醇系冷冻机油的含有量为0.1质量％以上的作为致冷剂的ニ氧化碳在设置于蒸发器内的内面带槽传热管的内部流动，而且以致冷剂的热流量(q)小于10kW/m2而使用的热泵热水器，其特征在干，所述内面带槽传热管为如下的内面带槽传热管，其具备主管，该主管具有相互平行地设置于内周面的多个螺旋状的槽和位于所述多个槽之间的多个翅片， 所述主管的内径(ID)为2. 4mm以上6. 8mm以下， 所述翅片的高(HF)为0. Imm以上0. 25mm以下， 将所述多个槽的底的宽设为W3时，满足0. 04 く ff3/ID < 0. 1。
2.根据权利要求1所述的热泵热水器，其中，具有与所述槽和所述翅片所形成的扭转角为15°以上25°以下的所述内面带槽传热管。
3.根据权利要求2所述的热泵热水器，其中，具有所述多个翅片为30个以上50个以下的所述内面带槽传热管。
4.一种蒸发器，其是具有内面带槽传热管，而且以致冷剂的热流量(q)小于10kW/m2而使用的在致冷剂-空气间进行热交換的蒸发器，其特征在干，在所述内面带槽传热管的内部，聚亚烷基ニ醇系冷冻机油的含有量为0. 1质量％以上的作为致冷剂的ニ氧化碳进行流动，而且，所述内面带槽传热管为如下的内面带槽传热管，其具备主管，该主管具有相互平行地设置于内周面的多个螺旋状的槽和位于所述多个槽之间的多个翅片， 所述主管的内径(ID)为2. 4mm以上6. 8mm以下， 所述翅片的高(HF)为0. Imm以上0. 25mm以下， 将所述多个槽的底的宽设为W3时，满足0. 04 く ff3/ID < 0. 1。
5.根据权利要求4所述的蒸发器，具有与所述槽和所述翅片所形成的扭转角为15°以上25°以下的所述内面带槽传热管。
6.根据权利要求5所述的蒸发器，具有所述多个翅片为30个以上50个以下的所述内面带槽传热管。
7.ー种内面带槽传热管，其是使用聚亚烷基ニ醇系冷冻机油的含有量为0. 1质量％以上的ニ氧化碳作为致冷剂，而且以致冷剂的热流量(q)小于10kW/m2而使用的热泵热水器所具有的蒸发器中使用的内面带槽传热管，其具备主管，该主管具有相互平行地设置于内周面的多个螺旋状的槽和位于所述多个槽之间的多个翅片，所述主管的内径(ID)为2. 4mm以上6. 8mm以下，所述翅片的高(HF)为0. Imm以上0. 25mm以下，将所述多个槽的底的宽设为W3时，满足0. 04 く ff3/ID < 0. 1。
8.根据权利要求7所述的内面带槽传热管，其与所述槽和所述翅片所形成的扭转角为 15°以上25°以下。
9.根据权利要求8所述的内面带槽传热管，所述多个翅片为30个以上50个以下。
全文摘要
本发明的课题在于提供一种热泵热水器、蒸发器及内面带槽传热管。本发明的内面带槽传热管(20)是使用聚亚烷基二醇系冷冻机油的含有量为0.1质量％以上的二氧化碳作为致冷剂，且以热流量(q)小于10kW/m2而使用的热泵热水器所具有的蒸发器中使用的内面带槽传热管(20)，其具备主管(21)，该主管(21)具有相互平行地设置于内周面的多个螺旋状的槽(22)和位于多个槽(22)之间的多个翅片(23)，主管(21)的内径(ID)为2.4mm以上6.8mm以下，翅片(23)的高(HF)为0.1mm以上0.25mm以下，将多个槽(22)的底的宽设为W3时，满足0.04≤W3/ID≤0.1。
文档编号F28F1/40GK102564194SQ201110405190
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月8日 优先权日2010年12月9日
发明者儿玉健二, 堀口贤, 本间和彦 申请人:日立电线株式会社