JP2001153580A - 伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィン高さの拡大を抑えつつ、管表面の伝熱
面積をさらに拡大することができるより伝熱性能の高い
蒸発器用の伝熱管を提供すること。 【解決手段】 管１の外周面に、高さｈが０．２〜０．
５ｍｍで管軸方向に対して任意の角度をなし、管１の展
開状態における頂部の投影平面積が他の部分の同様な投
影平面積よりも大きく、かつ頂部の前記投影平面積がく
びれ部の同様な投影平面積の１．２倍以上であるフィン
１０が、管軸方向へ２５．４ｍｍ当たり１１〜３０枚の
密度で形成され、前記フィン１０には、管周方向（又は
当該フィン１０の長さ方向）に沿って０．８〜３ｍｍの
間隔Ｌで切欠状部１１が形成されていることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は伝熱管に関するもの
であり、さらに具体的には、吸収式冷凍機や空調用吸収
ヒートポンプなどの蒸発器（又は吸収器）に使用される
伝熱管に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば吸収式冷凍機などの蒸発器では、
内部に伝熱管を多列状かつ多段状になるように水平に設
置し、伝熱管相互の端部を連通させ、蒸発器内を減圧状
態に保ち、伝熱管内に水を流しならが当該伝熱管に対し
て凝縮器から供給される冷媒を滴下ないし散布する。そ
して、冷媒が伝熱管群の表面を流下して蒸発する際の潜
熱により管内の流水を冷却する。他方吸収器では、伝熱
管を多列状かつ多段状になるように水平に設置し、伝熱
管相互の端部を連通させ、伝熱管内に冷却水を流しなが
ら、当該伝熱管に対して再生器から冷却用の熱交換器を
経て供給される吸収液（臭化リチュウム水溶液）が滴下
ないし散布する。そして、吸収液は伝熱管内の冷却水で
冷却されながら伝熱管群の表面を流下する際に、蒸発器
で蒸発した冷媒蒸気を吸収した後再生器へ送られる。伝
熱管内を通過した冷却水は、凝縮器の伝熱管へ送られる
ように構成されている。

【０００３】前述のような熱交換器の小型化のために
は、それらに使用される伝熱管の小型・高性能化が必要
である。この種の伝熱管は、前述のようにその外周面を
流下する流体と内部を流れる流体とで熱交換を行うもの
であるから、その高性能化・小型化のためには、伝熱管
表面における液の拡散（濡れ広がり）を促進するととも
に伝熱面積を増大させることが必要である。

【０００４】前述のような必要性に応えるものとして、
種々のローフィン管が提案されている。発明者らは特願
平９−２７９２６７号において、図８で示すように、外
周面に小さなフィン２０を螺旋状に形成し、フィン２０
には管周方向に沿って所定のピッチで切欠状部２１を形
成した伝熱管を既に提案している。また、特開平１１−
１４８７４７号（及び特開平７−７１８８９号）には、
図９で示すように、外周面に小さなフィン２０を螺旋状
に形成し、フィン２０には、頂部へその長さ方向に沿う
溝２２を形成するとともに、管周方向に沿って所定のピ
ッチで切欠状部２１を形成した伝熱管が提案されてい
る。この伝熱管のフィン２０は、管を展開した状態にお
ける頂部の投影平面積が頂部より下部の同様な投影平面
積よりも小さく、高さ方向の中間位置の投影平面積が最
も大きくなっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の各伝熱管は、フ
ィン頂部の溝２２や切欠状部２１により伝熱管表面の伝
熱面積を拡大させ、フィン相互間の溝によって管周方向
への流体液膜の拡散を促進させ、切欠状部２１により管
軸方向への流体液膜の拡散を促進するものであって、初
期の目的に沿った高い伝熱性能を有している。しかしな
がら、管表面における伝熱面積の一層の拡大のためにフ
ィン高さを高くすると、流体液膜の管軸方向への拡散を
阻害するので、伝熱面積のさらなる拡大が困難である。
この発明の目的は、フィン高さの拡大を抑えつつ、管表
面の伝熱面積をさらに拡大させることによりさらに伝熱
性能の高い伝熱管を提供することにある。

【０００６】

【課題を達成するための手段】本発明に係る伝熱管は、
前述の課題を解決するため以下のように構成したもので
ある。すなわち、請求項１に記載の伝熱管は、管１の外
周面には、高さｈが０．２〜０．５ｍｍで管軸方向に対
して任意の角度をなし、管１の展開状態における頂部の
投影平面積が他の部分の同様な投影平面積よりも大き
く、かつ頂部の前記投影平面積がくびれ部の同様な投影
平面積の１．２倍以上であるフィン１０が、管軸方向へ
２５．４ｍｍ当たり１１〜３０枚の密度で形成され、前
記フィン１０には、管周方向（又は当該フィン１０の長
さ方向）に沿って０．８〜３ｍｍの間隔Ｌで切欠状部１
１が形成されていることを特徴としている。なお、この
請求項においてフィン１０のくびれ部とは、当該フィン
１０の展開状態における投影平面積が最も小さい部分、
すなわち最小投影平面積部を言う。

【０００７】請求項２に記載の伝熱管は、請求項１の伝
熱管において、前記フィン１０を、当該フィン１０の長
さ方向と直交する断面の形状がほぼＴ字状又は逆台形形
状になるように形成したことを特徴としている。

【０００８】請求項３に記載の伝熱管は、請求項１又は
２の伝熱管において、内面に管軸方向に対して任意の角
度をなす凸状リブ１２を形成したことを特徴としてい
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下図１〜６を参照しながら、本
発明に係る伝熱管の好ましい実施形態を説明する。 第１実施形態 図１は本発明による第１実施形態の伝熱管を示す部分拡
大正面図、図２は図１の伝熱管の部分拡大斜視図であ
る。

【００１０】伝熱管１には銅や銅合金その他の熱伝導性
のよい材質の金属が用いられ、この伝熱管１の外周面に
は、管軸に対するねじれ角θが大きく（７０〜８５
度）、高さｈが０．２〜０．５ｍｍのフィン１０が、管
軸方向へ２５．４ｍｍ当たり１１〜３０枚（管軸と平行
な断面において２５．４ｍｍ当たり１１〜３０個）の密
度で形成されている。前記フィン１０は、頂部がほぼ平
滑であって、管１の展開状態における頂部の投影平面積
が他の部分の同様な投影平面積よりも大きく、かつ、頂
部の前記投影平面積はくびれ部（この形態では根元部）
の同様な投影平面積の１．２倍以上となるように形成さ
れている。この実施形態では、フィン１０の長さ方向と
直交する断面の形状をほぼＴ状とすることにより、平滑
な頂部の投影平面積がくびれ部（根元部）の投影平面積
の１．２倍以上になるように構成している。このような
フィン１０の断面形状により、フィン１０相互の間に
は、蒸発器等の運転時に流体液膜を管１の周方向に拡散
させるためのほぼトンネル状の空洞部１３が形成され
る。フィン１０には、当該フィン１０の長さ方向（又は
管周方向）に沿って０．８〜３ｍｍの間隔Ｌで切欠状部
１１が形成されている。フィン１０の長さ方向に沿う切
欠状部１１の幅ｗは、０．３ｍｍ以下であるのが好まし
い。

【００１１】第１実施形態の伝熱管は、これを蒸発器に
組み込んで使用する場合、管１の上部に落下した冷媒液
は、隣合うフィン１０相互間のトンネル状の空洞部１３
に沿って管１の外周面を管周方向へ円滑に拡散するとと
もに、フィン１０に形成された切欠状部１１に沿って管
１の外周面を管軸方向へ円滑に拡散する。また、フィン
１０はその長さ方向と直交する断面がほぼＴ字状であっ
て、管１を展開した状態における頂部の投影平面積が他
の部分の同様な投影面積よりも大きく、かつ、当該頂部
の投影平面積をくびれ部分である根元部の投影平面積の
１．２倍以上としたので、フィン１０の高さｈは小さく
ても、管１の伝熱面積が前記例示した従来の伝熱管より
もさらに拡大し易い。したがって、管１が小さくても高
い伝熱性能を発揮するので蒸発器や吸収器の小型化を図
ることができる。

【００１２】前記実施形態において、フィン１０の高さ
ｈが０．２ｍｍ未満ではフィン１０相互間のトンネル状
の空洞部１３の断面積が小さくなって冷媒液膜の管周方
向への拡がりが妨げられるおそれがあり、その高さｈが
０．５ｍｍを超えると冷媒液膜の管軸方向への拡がりが
妨げられるおそれがある。フィン１０の頂部は、管１の
展開状態における投影平面積が他の部分の同様な投影平
面積よりも大きく、かつ当該頂部の投影平面積はくびれ
部の同様な投影平面積の１．２倍以上であることが必要
である。フィン１０の頂部の投影平面積他の部分の同様
な投影平面積よりも小さく、かつ頂部の投影平面積がく
びれ部分の投影平面積の１．２倍未満では、フィン高さ
ｈを低く抑えて管１の伝熱面積の増大を図るという課題
の達成が困難になる。フィン１０の形成密度が管軸方向
へ２５．４ｍｍ当たり１１枚未満では伝熱面積の増大が
十分に図れず、３０枚を超えると過密になってフィン加
工（頂部の投影平面積を根元部の投影平面積の１．２倍
以上とするような加工）が困難になる。フィン１０にお
ける切欠状部１１の形成間隔（ピッチ）Ｌが、０．８ｍ
ｍ未満では伝熱面積の増大が十分に図れないとともに、
フィン加工が困難になり、他方３ｍｍを超えると冷媒液
膜の管軸方向への拡がりが不十分になる。

【００１３】第１実施形態のような伝熱管は、例えば図
４〜図６で示すような製造装置によって工業的に製造さ
れる。素管１ａの供給位置の回りには、供給される素管
１ａを中心として等角度間隔に複数の加工ロール３，
３，３が設置されている。これらの加工ロール３は、図
４で示すように、図４の矢印ａ，ｂ，ｃの方向から見た
状態で、その軸線が素管１ａの管軸に対して伝熱管１に
おけるフィン１０のねじれ角度θに対応する角度θ１
（この角度θ１は、ねじれ角度θが８５度の場合は５
度）傾いている。

【００１４】図６で示すように、各加工ロール３はそれ
ぞれロール軸３０とこのロール軸３０へ固定された複数
のディスクからなる加工用のディスク群を備えている。
ディスク群のうち、素管１ａへ螺旋状にフィン１０を加
工する螺旋加工ディスク群３１は、先端方向から順次外
径が大きくなるように形成されている。終端の螺旋加工
ディスク３１ａ後部には、スペーサ３２を介して、フィ
ン溝加工ディスク３３，フィン頂部平坦加工ディスク３
４，３５及びフィン切欠加工ディスク３６が順に設けら
れている。

【００１５】以上のような装置の素管供給位置へ、内部
に回転自在なマンドレル４が挿入された素管１ａを供給
し、前記マンドレル４の位置で各加工ロール３素管１ａ
へ押し付けた状態で一定方向（図６の左側から見た状態
で時計方向）へ同速で回転させると、素管１ａは図６の
右方向に移動し、管の周面には、螺旋加工ディスク群３
１によりフィンが螺旋状に連続するように形成される。
この間、マンドレル４ｄは初期の挿入位置に保持され
る。次いで、螺旋状のフィンの頂部中央にはフィン溝加
工ディスク３３が接触して長さ方向に沿う溝が形成さ
れ、断面がＹ字状に形成されたフィンは、フィン頂部平
坦加工ディスク３４，３５により断面がほぼＴ字状にな
るように加工される。そして、最終端のフィン切欠加工
ディスク３６は歯車形状であって、外周部へフィン１０
の切欠状部１１に対応する歯３６ａが形成されているの
で、フィン１０には所定の間隔に切欠状部１１が形成さ
れる。

【００１６】第２実施形態 図３は本発明に係る伝熱管の第２実施形態を示す部分拡
大断面図であり、管１の内周面には凸状リブ１２が螺旋
状に形成されている。この凸状リブ１２を形成したこと
により、管内を流れる冷媒の乱流が促進されるととも
に、管内面の伝熱面積が増大して伝熱性能が高められ
る。管１の外周面における螺旋状のフィン１０は、その
長さ方向と直交する断面形状を逆台形形状に形成するこ
とにより、管１の展開状態における頂部の投影平面積が
くびれ部の投影平面積の１．２倍以上になるように加工
してある。その他の構成及び作用，効果は第１実施形態
の伝熱管とほぼ同様であるのでそれらの説明は省略す
る。

【００１７】その他の実施形態本発明に係る伝熱管にお
いて、フィン１０は管１の展開状態における頂部の投影
平面積が他の部分の同様な投影平面積よりも大きく、く
びれ部分の同様な投影平面積の１．２倍以上になってい
れば十分であって、その断面形状は前述のようなＴ字状
又は逆台形形状である必要はない。したがって、例えば
フィン１０の長さ方向と直交する断面形状は逆Ｌ字状で
あっても差し支えない。ただし、フィン１０の断面形状
がＴ字状又は逆台形形状である場合には、フィン加工が
より容易である。前記各実施形態では、フィン１０の頂
部を平滑に形成したが、頂部の投影平面積が他の部分の
投影平面積の１．２倍以上であれば、フィン１０の頂部
に溝や凹凸を加工することができる。また、フィン１０
や凸状リブ１２は管軸方向に対して螺旋状に形成されて
いる必要はなく、これらは管軸方向と直交するように形
成することができる。

【００１８】前記各実施形態では、切欠状部１１をフィ
ン１０の根元部まで達する深さ（フィン高さｈと同じ）
に形成したが、切欠状部１１の深さは０．２〜０．５ｍ
ｍであるのが好ましい。前記各実施形態の伝熱管におい
て、隣合うフィン１０の頂部の側部相互は接触していて
も差し支えない。接触していても、切欠状部１１を通じ
て管軸方向に移動した（広がった）冷媒液膜が空洞部１
３を通じて管周方向に移動するからである。

【００１９】実施例１ 外径φ１５．８８ｍｍのリン脱酸銅製の素管を用い、第
１実施形態の伝熱管と同様な構成であって、表１のよう
に、フィン高さｈ、切欠状部１１の形成間隔Ｌ、及び管
軸方向２５．４ｍｍ当たりのフィン数を、請求項１に記
載された範囲内でそれぞれ異にした実施例の伝熱管サン
プルＥｘ１〜Ｅｘ４を製造した。これら伝熱管サンプル
において、管１の展開状態におけるフィン１０の頂部の
投影平面積はくびれた根元部の同様な投影平面積の約
１．３倍であり、フィンの管軸に対するねじれ角度は約
８５度である。

【００２０】比較例 外径φ１５．８８ｍｍのリン脱酸銅製の素管を用い、表
１のように、フィン高さｈ、切欠状部１１の形成間隔
Ｌ、及び管軸方向２５．４ｍｍ当たりのフィン数のいず
れかが請求項１に記載された範囲外であり、他の構成が
実施例と同様である比較例の伝熱管サンプルＥｘ５，６
を製造した。

【００２１】従来例 外径φ１５．８８ｍｍのリン脱酸銅製の素管を用い、図
８で示す構成であって、フィン高さ、切欠状部の形成間
隔、及び管軸方向２５．４ｍｍ当たりのフィン数が表１
のとおりである従来例の伝熱管サンプル７を製造した。
この伝熱管のフィンの管軸に対するねじれ角度は約８５
度である。

【００２２】伝熱性能試験 図７で示すような実験装置を用い、各伝熱管サンプルＥ
Ｘ１〜７の伝熱性能試験を実施した。図７において、５
は蒸発器であり、その内部にはサンプル伝熱管５０を一
列五段になるように水平に配管し、上下方向に隣接する
サンプル伝熱管５０相互を全体が蛇行状を呈するように
連通した。６は吸収器であり、同様にサンプル伝熱管６
０を一列五段になるように水平に配管し、上下方向に隣
接するサンプル伝熱管６０相互を全体が蛇行状を呈する
ように連通した。サンプル伝熱管５０，６０に水を通す
一方、蒸発器５のサンプル伝熱管５０には散布パイプ５
１により冷媒（純水）を散布し、吸収器６のサンプル伝
熱管６０には散布パイプ６１により吸収液（臭化リチュ
ウム水溶液）を散布した。蒸発器５内で発生した冷媒蒸
気を、吸収器６のサンプル伝熱管６０に散布される吸収
液に吸収させ、冷媒蒸気を吸収して希釈された吸収液は
希釈溶液槽７に溜め、その希釈吸収液を濃溶液槽８へ供
給して濃度調整するとともに、当該濃溶液槽８で加熱沸
騰させて温度調整を行った。濃度調整後の吸収液をポン
プ８０により吸収液の散布パイプ６１へ戻すように構成
した。

【００２３】 実験条件 冷媒：水・・・・・入口温度：１５±１℃ 冷媒流量：０．６〜２．４リットル／ｍ・ｍｉｎ 冷媒散布装置・・・孔径：１．５ｍｍ、孔間隔：１２．５ｍｍ 蒸発器冷水・・・・入口温度：２８±０．３℃ 流速：２．０ｍ／ｓｅｃ 蒸発器内圧力・・・１２±０．５ｍｍＨｇ 伝熱管配列・・・・有効長さ５００ｍｍの伝熱管を上下方向へ一列・五段配列

【００２４】各伝熱管サンプルＥＸ１〜７の伝熱性能試
験は、それらをそれぞれ蒸発器５に組込んで管外熱伝達
率を測定し、従来例の伝熱管サンプルＥｘ７の管外熱伝
達率を基準（１００）とし、冷媒流量：１．０リットル
／ｍ・ｍｉｎのときの伝熱性能比率で比較し、その結果
を表１に示した。

【００２５】

【００２６】表１の伝熱性能比率で示されているよう
に、第１実施形態のような構成であって、それぞれ、フ
ィンの高さｈ＝０．２〜０．５ｍｍ、管軸方向２５．４
ｍｍ当たりのフィン密度＝１１〜３０枚、切欠状部の管
周方向への形成間隔Ｌ＝０．８〜３ｍｍである実施例の
伝熱管サンプルＥｘ１〜４は、比較例及び従来例の伝熱
管サンプルＥｘ７と比べて高い伝熱性能を示している。

【００２７】実施例２ 管内に凸状リブを形成した場合の効果を示すため、表２
のように、管の内部に凸状リブを螺旋状に形成し他の構
成が実施例の伝熱管サンプルＥｘ２と同様である実施例
の伝熱管サンプルＥｘ８を製造し、このサンプルＥｘ８
と、実施例の伝熱管サンプルＥｘ２とについて、熱通過
率を比較しその結果を表２に示した。熱通過率は、サン
プルＥｘ２のものを１００として記載した。

【００２８】 表２ Ｅｘ No. 管内径(mm) リブ条数 リブ高さ リブねじ 熱通過率比 ／25.4mm (mm) れ角( °) ２ １３．８ −− −− −− １００ ５ １３．８ ２４ ０．２０ ４０ １２５

【００２９】

【発明の効果】請求項１の発明に係る伝熱管によれば、
管１の上部に落下した冷媒液は、隣合うフィン１０相互
間のトンネル状の空洞部１３に沿って管１の周方向へ円
滑に拡散するとともに、フィン１０に形成された切欠状
部１１に沿って管１の長さ方向へ円滑に拡散する。ま
た、管１の展開状態におけるフィン１０の頂部の投影平
面積が、他の部分の同様な投影平面積よりも大きくかつ
くびれ部分の投影面積の１．２倍以上であるため、フィ
ン１０の高さｈは小さくても、管１の伝熱面積が従来の
伝熱管よりもさらに拡大し伝熱性能が高まる。したがっ
て、管１が小さくても高い伝熱性能を発揮するので蒸発
器や吸収器の小型化を図ることができる。

【００３０】請求項２の発明に係る伝熱管によれば、フ
ィン１０の断面形状をほぼＴ字状又は逆台形形状とした
ので、フィン１０の頂部の投影平面積がくびれ部の投影
面積の１．２倍以上になるようなフィン加工が容易であ
る。

【００３１】請求項３の発明に係る伝熱管によれば、そ
の内面には凸状リブ１２が管軸方向に対し所定の角度を
なうように形成されているので、伝熱性能をさらに高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施形態の伝熱管を示す部分
拡大正面図である。

【図２】図１の伝熱管の部分拡大斜視図である。

【図３】本発明による第２実施形態の伝熱管を示す部分
拡大断面図である。

【図４】第１実施形態の伝熱管を製造するための製造装
置の部分平面図である。

【図５】図４の製造装置の拡大正面図である。

【図６】図４の製造装置の部分拡大断面図である。

【図７】伝熱性能試験のための装置の概略配管図であ
る。

【図８】従来の伝熱管の表面の部分斜視図である。

【図９】従来の他の伝熱管の部分斜視図である。

【符号の説明】

ｈ フィンの高さ Ｌ 切欠状部の間隔 ｗ 切欠状部の幅 １ 伝熱管 １ａ 素管 １０ フィン １１ 切欠状部 １２ 凸状リブ １３ トンネル状の空洞部 ２０ フィン ２１ 切欠状部 ２２ 溝 ３ 加工ロール ３０ ロール軸 ３１ 螺旋加工ディスク群 ３１ａ 終端の螺旋加工ディスク ３２ スペーサ ３３ フィン溝加工ディスク ３４，３５ フィン頂部平坦加工ディスク ３６ フィン切欠加工ディスク ４ マンドレル ５ 蒸発器 ５０，６０ サンプル伝熱管 ５１，６１ 散布パイプ ７ 希釈溶液槽 ８ 濃溶液槽 ８０ ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２８Ｆ 1/42 Ｆ２８Ｆ 1/42 Ｂ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管１の外周面には、高さｈが０．２〜
   ０．５ｍｍで管軸方向に対して任意の角度をなし、管１
   の展開状態における頂部の投影平面積が他の部分の同様
   な投影平面積よりも大きく、かつ頂部の前記投影平面積
   がくびれ部の同様な投影平面積の１．２倍以上であるフ
   ィン１０が、管軸方向へ２５．４ｍｍ当たり１１〜３０
   枚の密度で形成され、前記フィン１０には、管周方向
   （又は当該フィン１０の長さ方向）に沿って０．８〜３
   ｍｍの間隔Ｌで切欠状部１１が形成されていることを特
   徴とする伝熱管。
2. 【請求項２】 前記フィン１０は、当該フィン１０の長
   さ方向と直交する断面の形状がほぼＴ字状又は逆台形形
   状であることを特徴とする、請求項１に記載の伝熱管。
3. 【請求項３】 前記管１の内面には管軸方向に対して任
   意の角度をなす凸状リブ１２が形成されていることを特
   徴とする、請求項１又は２に記載の伝熱管。