内径溝付チューブの種類・性能・選定ガイド

内面溝付きチューブとは何ですか?

アン 内側の溝付きチューブ は、内壁に一連の螺旋状または軸方向の微細溝を備えた伝熱管で、これにより表面積と乱流が劇的に増加し、その結果、平滑管の伝熱係数よりも 1.5 ～ 3 倍高い熱伝達係数が得られます。 この機能強化は外径を大きくすることなく達成されるため、内側溝付きチューブは空調、冷凍、および産業用熱システムにおけるコンパクトで高効率の熱交換器に最適な選択肢となっています。

溝は通常、製造中に銅、アルミニウム、またはステンレス鋼のチューブに機械加工または圧延されます。ねじれ角、溝深さ、溝数、フィン先端形状を含む溝形状は、流体接触を最大化し、同時に圧力損失を最小化するように設計されています。

内側溝付きチューブの仕組み: 強化された熱伝達の物理学

内側の溝によるパフォーマンスの向上は、2 つの相補的なメカニズムによってもたらされます。

• 拡張された表面積: 溝により、同じ直径のプレーンチューブと比較して内部の接液面が 50 ～ 80% 増加し、熱交換のための流体の接触面積が増加します。
• 誘発された乱気流: らせん状の溝は、流れる冷媒または液体を強制的に渦巻き運動させ、通常はチューブ壁をバルク流体から絶縁する層状境界層を破壊し、対流熱伝達係数 (h) を大幅に増加させます。

冷媒の蒸発や凝縮などの二相流の用途では、溝により核沸騰が促進され、膜の排水が強化され、壁の過熱要件が軽減されます。 18°のねじれ角で 60 本の溝を備えた銅製内側溝付きチューブの実験室測定では、凝縮熱伝達係数が 12,000W/㎡・K 、同一条件下での滑らかなチューブの約 6,000 W/m²・K と比較します。

主要な幾何学的パラメータとその影響

内側の溝付きチューブの熱的および油圧的性能は、その溝の形状によって決まります。これらのパラメータを理解することは、エンジニアが各アプリケーションに適切なチューブを選択するのに役立ちます。

溝深さ(e)

通常、溝の深さの範囲は次のとおりです。 0.10mm～0.25mm 市販の冷凍チューブに。溝が深くなると表面積と乱流が増加しますが、摩擦係数も増加します。 R-410A および R-32 システムの場合、深さ 0.15 ～ 0.18 mm が最適なトレードオフであると広く考えられています。

ねじれ角(β)

螺旋角度は、溝が管の軸に沿って螺旋状にどれだけ急峻であるかを表します。間の角度 15°と25° が最も一般的です。角度が大きくなると、渦巻きと熱伝達が強化されますが、圧力損失がより急速に増加するため、圧力損失の低い回路では 15° に近い角度が優先されます。

溝数(N)

標準的な銅管の溝数は次のとおりです。 40～80 。カウントが高くなると、表面がより狭いフィンに細分化され、面積は増加しますが、溝ごとの流れの深さは減少します。 60 ～ 70 本の溝を備えたチューブは、外径 7 mm の冷媒チューブの製造可能性と熱性能のバランスをとります。

フィン先端角度(γ)

溝間のフィンの頂角は凝縮水の放出に影響します。狭い先端角度 (30 ～ 40°) により、凝縮器内の排水が改善されます。角度が広い (50 ～ 60°) と、蒸発器での核生成が改善されます。

内溝付管の製造に使用される材料

材料の選択は、熱伝導率、耐食性、成形性、コストに影響します。主な材料は次の 3 つです。

銅 (最も一般的)

銅の熱伝導率は 385～400W/m・K これは、HVAC および冷凍用内側溝付きチューブの標準材料となります。高い延性により、亀裂を発生させることなく0.10 mmまでの溝深さを形成でき、HFC、HFO、およびR-290 (プロパン) などの自然冷媒を含むすべての一般的な冷媒と互換性があります。銅製の内側溝付きチューブが、 70% 地球規模の熱交換器チューブの体積。

アルミニウム

アルミニウム inner grooved tubes offer a 65%の軽量化 銅同等物と比較して、自動車の熱交換器やマイクロチャネルタイプのコイルでの使用が増えています。熱伝導率は 150 ～ 205 W/m·K と低いため、それを補うために溝の形状をより積極的に最適化する必要があります。アルミニウム管はコスト競争力にも優れており、原材料コストはキログラムあたり銅に比べて約 40 ～ 50% 低くなります。

ステンレス鋼

ステンレス鋼の内側溝付きチューブは、導電率が低い (14 ～ 17 W/m·K) にもかかわらず、銅が腐食したり破損したりする腐食環境または高圧環境 (海水淡水化プラント、製薬用熱交換器、化学プロセス装置) で仕様化されています。溝の深さは成形性によって制限されるため、ステンレス溝付きチューブは性能向上のために面積の拡大よりも乱流に依存します。

内溝付管の主な用途

内側の溝付きチューブは、コンパクトなサイズと効率が重要となるほぼすべての高性能熱交換器に組み込まれています。

• 家庭用および業務用エアコン: スプリットシステムおよびマルチスプリットの蒸発器と凝縮器では、ほとんどの場合、外径 5 ～ 9.52 mm の銅製内側溝付きチューブが使用されます。溝付き設計により、メーカーはコイルの体積を最大で縮小できます。 30% 定格容量を維持しながら。
• 冷凍システム: スーパーマーケットの陳列ケース、冷蔵施設、産業用冷凍機では、直接膨張式蒸発器と浸水式蒸発器の両方で内側の溝付きチューブが使用されており、多くの場合 R-449A や R-454B などの低 GWP 冷媒が使用されています。
• ヒートポンプ給湯器： CO₂ (R-744) ヒートポンプ給湯器には、次の定格の内側溝付きチューブが必要です。 破壊圧力14MPa 、厚肉の溝付き銅およびステンレス鋼のバリエーションの需要が高まっています。
• 自動車およびEVの熱管理: 電気自動車のバッテリー冷却プレートとチラー回路には、急速充電中のセル温度を最適な 20 ～ 35°C の範囲内に制御するために、アルミニウム製の内側溝付きチューブが採用されています。
• 工業用プロセス熱交換器: 石油化学および製薬プラントのシェルアンドチューブ熱交換器では、汚れを軽減し、熱回収を高めるためにステンレス鋼の内側溝付きチューブを使用しており、平滑チューブ束と比較してエネルギーコストを 15 ～ 25% 削減します。

内側溝付きチューブと滑らかなチューブ: 性能の直接比較

内側の溝付きチューブを使用する理由は、同一の動作条件下で同じ直径の滑らかなボアのチューブと比較すると最も明確になります。

圧力損失によるペナルティは、実際には発生しますが、通常はサイズと電荷の削減によって相殺されます。システム設計者は、回路分割と最適化された流量ディストリビュータを使用して、増分圧力降下がシステムレベルの効率ペナルティにならないようにします。

内溝付管の製造工程

市販の内側溝付きチューブは、チューブの真直度と寸法精度を維持する連続冷間成形プロセスを通じて製造されます。主な方法は次のとおりです。

1. 溝付きマンドレル上に描画: 滑らかなボアのチューブブランクは、回転する溝付きプラグ (マンドレル) 上で引き抜かれ、同時に外側で圧延されます。外側ロールとマンドレルの間の圧縮接触により、銅は通常 ±0.01 mm 以内の公差で溝プロファイル内に移動します。
2. 高速ロール溝入れ加工： 非常に薄い壁 (0.25 mm 未満) の場合、マンドレルが内部を刻印している間、外側の遊星ローリング ヘッドがチューブの周りを回転し、 150～300m/分 .
3. アンnealing: 成形後、チューブは雰囲気制御された焼きなまし炉を通過し、溝の形状を失うことなく、コイル組み立て中の曲げや拡張に対する延性を回復します。
4. インライン検査： 渦電流およびレーザー形状測定システムは、溝の深さ、ねじれ角、肉厚を 100% インラインで検証し、欠陥のあるチューブが顧客に届けられないことを保証します。

適切な内側溝付きチューブの選択: 実践的なガイドライン

数十の溝形状が利用可能であるため、適切なチューブを選択するには、用途に合わせて形状を一致させる必要があります。

蒸発器用

核沸騰と濡れた壁との接触を最大化するために、より深い溝 (0.18 ～ 0.22 mm) とより大きなねじれ角 (20 ～ 25°) を持つチューブを優先します。 50 ～ 60° のフィン先端角度により、液膜保持力と核生成サイト密度が向上します。

コンデンサー用

より狭いフィン先端角度 (30 ～ 40°) を指定すると、凝縮液が急速に排出され、新しいチューブ壁が露出します。凝縮熱伝達は蒸発よりも深さの影響を受けにくいため、溝の深さはわずかに浅くなることがあります (0.12 ～ 0.16 mm)。

A2L または A3 冷媒 (R-32、R-290) を使用する低充填システム用

より低い冷媒質量で高い熱伝達を維持し、可燃性チャージのインベントリを削減するには、より小さな直径 (外径 5 ～ 7 mm) で溝数の多いチューブ (60 ～ 80 の溝) を使用します。銅の壁の厚さは満たす必要があります EN 12735 または ASTM B743 最大システム圧力のバースト要件。

高圧CO₂システム用

少なくとも次の定格の真空管を選択してください 設計圧力14MPa 壁の厚さは 0.5 ～ 0.8 mm。 CO₂ の高い動作圧力により、溝の深さは 0.08 ～ 0.12 mm に制限されますが、本質的に高い熱伝達係数が効果的に補います。

業界標準と品質要件

HVAC&R 用の内側溝付きチューブは、寸法公差、機械的特性、圧力定格を管理する国際規格に準拠する必要があります。

• ASTM B743 / ASTM B68: 冷凍サービスにおけるシームレス銅管の米国規格、被覆質、外径公差 (±0.05 mm)、および肉厚のばらつき。
• EN 12735-1 (ヨーロッパ): 溝形状測定プロトコルや静水圧試験要件など、冷媒回路用の銅管を指定します。
• JIS H3300 (日本): 世界的に輸出されている日本製の HVAC ユニットで広く使用されている内面溝付き銅管を対象とする日本工業規格。
• GB/T 17791 (中国): 国内および輸出市場向けの生産のための溝の深さ、ねじれ角、フィンの高さを規定する中国の国家規格で、世界最大の生産地域をカバーしています。

すべての規格では、100% 空気中水中または渦電流リークテストが必要であり、循環冷媒圧力下で破損する可能性のある局所的な薄いスポットを防ぐために最大許容偏心率を指定しています。

新しいトレンド: 次世代内面溝付きチューブ

内側の溝付きチューブは静的な製品ではありません。積極的な調査と市場からの圧力により、目に見える改善がもたらされています。

• ヘリンボーンとクロスグルーブパターン: 30 ～ 60°の角度で交差する非螺旋状の溝パターンにより、追加の軸方向の混合が生成され、実証済み 熱伝達が 15 ～ 20% 向上 R-32 を使用した実験室テストでは単一螺旋溝よりも優れています。
• 超小径チューブ (外径 3 ～ 5 mm): 充電を最小限に抑えることが必須の可燃性の低 GWP 冷媒によって駆動されるこれらの微細溝付きチューブは、150 g 未満の R-290 で次世代ルーム エアコンを実現します。
• 複合材料製内側溝付きチューブ: ポリマーライニングまたは銅クラッドのアルミニウム製内側溝付きチューブは、耐食性と軽量化を組み合わせて船舶用 HVAC およびデータセンターの冷却に試験的に使用されています。
• AI によるグルーブの最適化: CFD を活用した機械学習ツールにより、メーカーは何百万もの溝形状の組み合わせをモデル化し、特定の冷媒や流れの状態に最適な構成を数か月ではなく数時間で特定できるようになりました。

世界の内面溝付きチューブ市場 は、2024 年に約 32 億米ドルと評価され、南アジアおよび東南アジアにおける HVAC 市場の拡大、コイルの再設計を促す冷媒規制の強化、輸送および産業用暖房の電化により、2030 年まで 5.8% の CAGR で成長すると予測されています。