JP2003287392A - 沸騰型伝熱管 - Google Patents
沸騰型伝熱管Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 管内を流れる冷媒の圧力損失を小さくしなが
ら、伝熱性能を向上させることができる沸騰型伝熱管を
提供する。 【解決手段】 管軸を含む断面において、凸部４間の開
口部の幅（Ｗ）は０．１３ｍｍ＜Ｗ≦０．４０ｍｍであ
り、空洞部３のピッチ（Ｐ２）は０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦
０．９０ｍｍである。管軸直交断面において、凹部５の
対向する両側面がなす角度（θ）は、５５°以下、管円
周方向の凹凸ピッチ（Ｐ１）は０．２８ｍｍ≦Ｐ１≦
０．５５ｍｍである。更に、管本体の内面に螺旋状に設
けられたリブ７は、その管軸を含む断面におけるリブの
開き角度（θ２）が６４°≦θ２≦９８°、その管軸に
対するリード角（α）が４０°≦α≦４４°、リブ高さ
（ｈ）が０．２２ｍｍ≦ｈ≦０．３５ｍｍ、管軸方向ピ
ッチ（Ｐ３）が１．０ｍｍ≦Ｐ３≦３．６ｍｍである。
ら、伝熱性能を向上させることができる沸騰型伝熱管を
提供する。 【解決手段】 管軸を含む断面において、凸部４間の開
口部の幅（Ｗ）は０．１３ｍｍ＜Ｗ≦０．４０ｍｍであ
り、空洞部３のピッチ（Ｐ２）は０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦
０．９０ｍｍである。管軸直交断面において、凹部５の
対向する両側面がなす角度（θ）は、５５°以下、管円
周方向の凹凸ピッチ（Ｐ１）は０．２８ｍｍ≦Ｐ１≦
０．５５ｍｍである。更に、管本体の内面に螺旋状に設
けられたリブ７は、その管軸を含む断面におけるリブの
開き角度（θ２）が６４°≦θ２≦９８°、その管軸に
対するリード角（α）が４０°≦α≦４４°、リブ高さ
（ｈ）が０．２２ｍｍ≦ｈ≦０．３５ｍｍ、管軸方向ピ
ッチ（Ｐ３）が１．０ｍｍ≦Ｐ３≦３．６ｍｍである。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はターボ冷凍機及びス
クリュー冷凍機等の蒸気圧縮式冷凍機の蒸発器に組み込
まれ、液体冷媒中（例えば、フロン、液体窒素等）に浸
漬され、この液体冷媒を加熱沸騰させるために使用され
る沸騰型伝熱管に関し、特に、低密度冷媒においてその
伝熱性能向上を図った沸騰型伝熱管に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、この種の沸騰型伝熱管としては既
に数種類の伝熱面形状が提案されており、例えば、特公
平４−７８９１７号のように、管外表面にフィンを成形
し、フィンの先端に孔となる切れ込みを設け、そのフィ
ン先端を倒して沸騰伝熱に有益な空洞を設けたものがあ
る。 【０００３】また、例えば、特公昭６４−２８７８号及
び特開平８−２１９６７４号のように、管外表面に螺旋
状のフィンを成形した後、フィン先端を圧縮変形して管
周方向及び管軸方向に空洞を設け、空洞と外部とを連通
する幅０．１３ｍｍ以下の間隙部を設けたものもある。 【０００４】更に、特開平４−２３６０９７号及び特開
平７−１５１４８５号のように、空洞内の沸騰を促進す
ると共に、管外表面での液冷媒及び気化した媒の乱流を
促進させて伝熱性能向上を図ったものもある。 【０００５】しかし、これらの伝熱管は、トリクロロフ
ルオロメタン、クロロジフルオロメタン、又は１，１−
ジクロロ−２，２，トリフルオロエタン等の冷媒を使用
した場合は伝熱性能が向上するものの、１．１．２−テ
トラフルオロエタン等の密度が低い冷媒に対しては、従
来の伝熱管では空洞と外部とを連通する開口部（間隙
部）が小さく、空洞内に液冷媒が流入する際に抵抗とな
り、空洞内が乾燥し、性能が低下するという問題点があ
る。 【０００６】また、この問題点を回避するには、蒸発器
に充填する液冷媒の量を多くする方法も考えられるが、
冷媒の充填コストがかかり、更に熱交換器の容積を大き
くする必要があり、コストが増大するという欠点があ
る。 【０００７】これらの問題点を解決するために、特開平
１１−３１６０９６号の沸騰型伝熱管が提案されてい
る。この伝熱管においては、管の外面に管円周方向に延
び、管軸方向に所定ピッチで形成されたフィンと、この
フィンがその長手方向に断続的に押圧されて形成された
凹部及び凸部とを有し、更に管内面にリブを有する。 【０００８】特開平１１−３１６０９６号の沸騰型伝熱
管は管内面にリブを有するため、管内側における伝熱性
能が向上し、その結果沸騰型伝熱管として性能が向上し
ている。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記沸
騰型伝熱管においても、管内面に形成させるリブの形状
が完全には開示されておらず、管内側性能を向上させた
分、圧力損失が増加するため、管内側の性能向上率と圧
力損失の増加率から比較すると、十分満足できるもので
は無かった。 【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、管内を流れる冷媒の圧力損失を小さくしな
がら、伝熱性能を向上させることができる沸騰型伝熱管
を提供することを目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明に係る沸騰型伝熱
管は、伝熱管本体と、この管本体の外面に管円周方向に
延びるように又は管軸方向に傾斜する方向に延びるよう
に管軸方向に所定ピッチで形成されたフィンと、このフ
ィンがその長手方向に断続的に押圧されて形成された凹
部及び凸部とを有し、更に管内面螺旋状に設けられたリ
ブとを有することを特徴とする。 【００１２】この沸騰型伝熱管において、前記フィンの
間の空洞部の上端の開口部は、前記凹部にて相互に接近
するように張り出し、且つ前記凸部にて相互に接近する
ように張り出している。 【００１３】また、管軸直交断面における前記凸部の形
状は台形状である。そして、管軸を含む断面において、
前記凸部間の開口部の幅（Ｗ）は０．１３ｍｍ＜Ｗ≦
０．４０ｍｍであり、管軸直交断面において、凹部の対
向する両側面がなす角度（θ）は、５５°以下であり、
管軸直交断面において、管円周方向の凹凸ピッチ（Ｐ
１）は０．２８ｍｍ≦Ｐ１≦０．５５ｍｍであり、管軸
を含む断面において、前記空洞部のピッチ（Ｐ２）は
０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦０．９０ｍｍである。更に、前記
管本体の内面に螺旋状に設けられたリブを有し、前記リ
ブは、その管軸を含む断面におけるリブの開き角度（θ
２）が６４°≦θ２≦９８°、その管軸に対するリード
角（α）が４０°≦α≦４４°、リブ高さ（ｈ）が０．
２２ｍｍ≦ｈ≦０．３５ｍｍ、管軸方向ピッチ（Ｐ３）
が１．０ｍｍ≦Ｐ３≦３．６ｍｍである。 【００１４】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の
実施例に係る沸騰型伝熱管を示す斜視図、図２は同じく
その管軸を含む断面図、図３は管軸直交断面図である。
管本体１の外面には、管軸方向に傾斜する方向に延びる
フィン２が形成されている。このフィン２は管軸方向に
対して螺旋状に延びるものであり、管軸方向に対してピ
ッチＰ２（図２参照）で設けられている。そして、フィ
ン２の長手方向には、このフィンを歯車等で断続的に押
圧することにより、凸部４と凹部５とが交互に形成され
ている。なお、フィン２は管軸方向に直交する方向に延
びるものでもよい。 【００１５】図２に示すように、フィン２間には空洞部
３が形成され、この空洞部３の上端の開口部６におい
て、フィン２の凸部４及び凹部５は上端が相互に接近す
るように張り出している。管軸を含む断面において、凸
部４の開口部６の幅はＷである。また、空洞部３のピッ
チはフィンのピッチと同一のＰ２である。 【００１６】一方、図３に示すように、管軸直交断面に
おいて、凸部４の管円周方向のピッチはＰ１である。ま
た、凹部５の対向する両側面がなす角度はθである。 【００１７】また、図２に示すように、管本体１の内面
に管軸方向に対して螺旋状に延びるリブ７が形成されて
いる。このリブ７の管軸を含む断面における開き角度
（リブの斜面のなす角度）はθ２であり、リブ７の管軸
方向に対するリード角はαであり、リブ７の管軸方向の
ピッチはＰ３であり、リブ７の高さはｈである。 【００１８】このように構成された沸騰伝熱管において
は、フィン２の上端形状を凹凸状にすることにより、空
洞部３内にて発生した気泡は凸部４の開口部６から排出
され、凹部５の開口部６から必要量の液冷媒が空洞部３
内に流入する。 【００１９】凹部５はその上端の開口部６が管軸方向に
空洞部３上で張り出しており、その張り出し長は対面す
る開口部端同士が接触しないものであることが望まし
い。凹部５が張り出すことにより、空洞部３内の気泡が
開口部６から離脱するときに、攪乱され、沸騰が促進さ
れる。 【００２０】なお、凸部４の上端の開口部６の幅（Ｗ）
は０．１３ｍｍ＜Ｗ≦０．４０ｍｍでなければならな
い。開口部６の幅Ｗが０．１３ｍｍ以下であると、空洞
部３内から気泡が離脱しにくくなり、空洞内が乾燥し、
性能が低下する。また、開口部６の幅Ｗが０．４０ｍｍ
より大きくなると、空洞部内の気泡が離脱しやすく、更
に液冷媒が空洞部３内に流入されやすくなり、伝熱性能
が低下する。 【００２１】また、凸部４の開口部６も管軸方向に広が
ることにより、凸部４にて空洞部３内で発生した気泡が
離脱する際に気泡を助長させる。 【００２２】更に、凸部４が管軸直交断面において台形
状をなしていることにより、凸部４において、台形の上
底部（先端の細い方）にて特に気泡が離脱しやすくな
り、凹部５では下底部（空洞に近い根元の細い方）にて
液が流入するため、開口部の幅が狭くなくても、空洞内
の気泡離脱及び液冷媒の流入の効率が向上し、沸騰が促
進される。このとき、管軸直交断面において、凹部の側
面のなす角度（θ）は５５°より大きくなると、液冷媒
が空洞部に流入されやすくなり、性能が低下する。 【００２３】管軸直交断面において、凹凸の管円周方向
のピッチ（Ｐ１）は０．２８ｍｍ≦Ｐ１≦０．５５ｍｍ
でなければならない。０．２８ｍｍよりも小さくなる
と、液冷媒が空洞部に流入されにくくなり、空洞部内が
乾燥されてしまい、性能が低下する。また、ピッチＰ１
が０．５５ｍｍより大きいと、液冷媒が空洞内に流入さ
れやすくなり、性能が低下する。 【００２４】空洞部３の管軸方向のピッチ（Ｐ２）は
０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦０．９０ｍｍでなければならな
い。ピッチＰ２が０．５０ｍｍより小さくなると、空洞
部３が小さくなり、液冷媒の流入しにくくなり性能が低
下する。ピッチＰ２が０．９０ｍｍより大きくなると、
単位長さあたりの空洞が少なくなり、伝熱性能が低下す
る。 【００２５】管内面に螺旋状に設けられたリブ７の管軸
を含む断面における開き角度（θ２）が６４°≦θ２≦
９８°、リブ７の管軸方向に対するリード角（α）が４
０°≦α≦４４°、リブ高さ（ｈ）が０．２２ｍｍ≦ｈ
≦０．３５ｍｍ、リブ７の管軸方向のピッチ（Ｐ３）が
１．０ｍｍ≦Ｐ３≦３．６ｍｍでなければならない。 【００２６】リブの管軸を含む断面における開き角度
（θ２）が６４°より小さいと、リブの下流側に形成さ
れる乱流が大きくなり、圧力損失が増加する。一方、開
き角度θ２が９８°より大きくなると、管内面の伝熱性
能が上昇し難い。 【００２７】リブの管軸に対するリード角（α）が４０
°より小さいと、リブ間の溝を流れる流体の割合が増加
し、攪乱効果が小さくなって温度境界層が発達し、空洞
部３内に流入する液冷媒を加熱沸騰させにくく、伝熱性
能の向上効果が少ない。一方、リード角αが４４°より
大きくなると、リブの凸部を越えて流れる流体の量が増
加し、リブが抵抗となり、管内側の圧力損失が大きくな
る。 【００２８】また、リブ高さｈが０．２２ｍｍより低い
と、管内面側の流体の攪乱効果が小さく、空洞内に流入
する液冷媒を加熱沸騰させにくく、性能向上が少ない。
一方、リブ高さｈが０．３５ｍｍより高くなると、空洞
部３内が乾燥され易くなり、伝熱性能が低下すると共
に、圧力損失が増加し、冷水のポンプ動力が増加する。 【００２９】更に、リブのピッチＰ３が１．０ｍｍ未満
であると、管内側の流体の攪乱効果が小さくなり、性能
が向上しにくい。また、ピッチＰ３が３．６ｍｍより大
きくなると、管内の流体に速度境界層及び温度境界層が
形成され、性能向上が少ない。 【００３０】なお、伝熱管の材質は通常銅及び銅合金で
あるが、本発明はこの銅又は銅合金以外のものを使用し
ても同様の効果が得られる。 【００３１】 【実施例】次に、本発明の実施例に係る沸騰型伝熱管を
製造し、その特性を評価した結果について説明する。こ
の評価した伝熱管の伝熱性能試験条件を下記表１に示
す。 【００３２】 【表１】 【００３３】次に、試験装置及び試験方法について説明
する。図４は性能評価試験装置を示す図である。凝縮器
２０は複数本の伝熱管２１をその管軸方向を水平にして
垂直方向に配列して構成したものである。各伝熱管２１
の内部には入口２２から冷却水が供給され、出口２３か
ら冷却水が排出される。また、各伝熱管２１の上方の入
口２４から、冷媒蒸気が伝熱管２１の周囲に供給され、
凝縮した液冷媒は、出口２５から蒸発器３０に供給され
る。蒸発器３０においては、冷媒３６内に試験すべき供
試管３１がその管軸方向を水平にして浸漬されており、
蒸発器３０の下方の入口３２から液冷媒が供給され、供
試管３１に加熱されて蒸発した冷媒蒸気は蒸発器３０の
上方の出口３３から排出されて凝縮器２０の冷媒蒸気入
口２４に供給される。供試管３１内には、入口３４から
冷水が供給され、出口３５から冷却後の冷水が排出され
る。 【００３４】このように構成された試験装置は、シェル
アンドチューブ型の凝縮器２０と蒸発器３０とを配管で
接続した構造を有し、蒸発器３０にて発生した冷媒蒸気
は蒸発器上部の配管の入口２４を通って凝縮器２０に入
り、凝縮器２０内の伝熱管２１に冷却水を通水すること
により、伝熱管２１の表面上にて冷媒蒸気が凝縮し、凝
縮した冷媒は凝縮器の下部の配管を通って蒸発器に戻
る。 【００３５】試験方法は、蒸発器３０に設置した供試管
３１に一定流量の冷水を流し、冷水入口温度が一定の条
件になるように調節する、一方、蒸発圧力は、試験条件
になるよう、凝縮器内の伝熱管に流す冷却水流量を調節
する。冷水流量・出入口温度、蒸発圧力が所定の条件で
安定状態になった後、測定を行った。 【００３６】なお、蒸発圧力の測定は、ひずみゲージ式
圧力変換器で測定し、冷水の出入口温度は白金測温抵抗
体を供試管端に夫々設置して測定し、冷水流量は電磁流
量計にて測定した。伝熱係数は各測定器の信号を、ハイ
ブリットレコーダーで取り込んで数値変換し、伝熱係数
は各測定変換値を、次の手順で算出した。 【００３７】（１）冷却水伝熱量Ｑ 冷却水流量及び冷却水出入口温度より、下記数式１に基
づいて算出した。 【００３８】 【数１】 Ｑ＝Ｇ・Ｃｐ・（Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ） 【００３９】（２）対数平均温度差ΔＴｍ 冷水出入口温度及び冷媒蒸発温度より、下記数式２に基
づいて算出した。なお、冷媒蒸発温度Ｔｓは、凝縮圧力
より換算して算出した数値を使用した。 【００４０】 【数２】 ΔＴｍ＝（Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ）／ｌｎ［（Ｔ
ｉｎ−Ｔｓ）／（Ｔｏｕｔ−Ｔｓ）］ 【００４１】（３）管外表面積Ａｏ 管外表面積は、供試管フィン加工部外径を基準とし、下
記数式３により算出した。 【００４２】 【数３】 Ａｏ＝π・Ｄｏ・Ｌｈ 【００４３】（４）総括伝熱係数Ｋｏ（外表面積基準） 上記数式１乃至３により算出した数値を使用して下記数
式４に基づいて算出した。 【００４４】 【数４】 Ｋｏ＝Ｑ／（ΔＴｍ・Ａｏ） 【００４５】図５は圧力損失評価に使用したテスト装置
の概略図である。この評価装置は、冷却水が入口６０か
ら供試管５０内に供給され、出口６１から排出される。
供試管５０の両管端には、ドリルにより直径０．５ｍｍ
の孔が夫々４個所開口されており、これらの孔をひずみ
ゲージ式圧力変換器からなる差圧計５１に接続して差圧
を測定するようになっている。 【００４６】供試管５０内に供給される冷却水は、冷却
水タンク内に設けられた冷却コイルと電気ヒータにより
一定温度に調節され、冷却水の出入口温度は夫々供試管
５０の両管端に設置された白金測温抵抗体５２ａ、５２
ｂにより測定される。また、冷却水流量は電磁流量計５
５により測定される。 【００４７】供試管の管内に入口水温一定にした冷却水
を流し、各冷却水流量での温度および差圧が安定した事
を確認した後に、差圧及び管内冷却水流量を測定し、各
測定器にて測定した信号をハイブリットレコーダーにて
取り込んで数値変換し、管内圧力損失および管摩擦係数
を算出した。 【００４８】測定値に基づいて、レイノルズ数〔Re〕に
対する管摩擦係数〔ｆ〕を算出し、その数値を用いてｍ
当たりの管内圧力損失値を算出した。算出に使用した計
算式を、下記数式５乃至７式に示す。 【００４９】 【数５】 Ｒｅ＝ｖ・Ｄｉｍａｘ／ν 【００５０】 【数６】 ｖ＝Ｇ／（３６００・γ・Ｄｉｍａｘ２・π
／４） 【００５１】 【数７】 ｆ＝９８．０７・ΔＰ・（Ｄｉｍａｘ／Ｌ）
・（２ｇ／ｖ２）・１／γ 【００５２】但し、この式における各記号は以下の内容
を示す。 Ｑ：冷水伝熱量（ｋＷ） Ｇ：冷水流量（ｋｇ／ｈ） Ｃｐ：冷水比熱（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ） Ｔｉｎ：冷水入口温度（℃） Ｔｏｕｔ：冷水出口温度（℃） ΔＴｍ：対数平均温度差（℃） Ｔｓ：冷媒蒸発温度（℃） Ｋｏ：総括伝熱係数（ｋＷ／ｍ２Ｋ） Ａｏ：供試管フィン加工部外表面積（ｍ２） π ：円周率（−） Ｄｏ：供試管フィン加工部外径（ｍ） Ｄｉｍａｘ：供試管フィン加工部最大内径（ｍ） Ｌｈ：伝熱有効長（ｍ） Ｒｅ：レイノルズ数（−） ｖ：冷却水流速（ｍ／ｓ） ν：冷却水動粘性係数（ｍ２／ｓ） Ｇ：冷却水流量（ｋｇ／ｈ） γ：冷却水密度（ｋｇ／ｍ３） ｆ：管摩擦係数（−） ΔＰ：管内圧力損失（差圧）（ｋＰａ） Ｌｐ：差圧部有効長（ｍ） ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ２） 【００５３】下記表２及び表３は作製した実施例及び比
較例の沸騰型伝熱管の寸法を示す。これらの伝熱管につ
いて前述の方法により総括伝熱係数を測定し、また管内
面のリブの形状を変化させたｅ１〜ｈ５の伝熱管につい
ては更に圧力損失も測定した。 【００５４】これらの結果を図６乃至図１７と表３に示
す。管外面の開口部幅Ｗ（ｍｍ）、凹部角度θ（°）、
凹部ピッチＰ１（ｍｍ）、空洞ピッチＰ２（ｍｍ）、及
び管内リブのリード角α（°）、リブの開き角度θ２
（°）、リブ高さｈ（ｍｍ）、リブピッチＰ３（ｍｍ）
が本発明の特許請求範囲に入る実施例の伝熱管はいずれ
も総括伝熱係数が高く、また管内の圧力損失が小さいも
のであった。これに対し、前記値が本発明の特許請求の
範囲から外れる比較例の伝熱管においては、総括伝熱係
数及び／又は管内の圧力損失が実施例の伝熱管より劣る
ものであった。 【００５５】 【表２】【００５６】 【表３】【００５７】 【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る沸騰
伝熱管によれば、密度が小さい冷媒を使用した場合で
も、沸騰伝熱を効率良く促進し、優れた伝熱性能を有
し、且つ管内を流れる冷媒に対する圧力損失の小さい沸
騰型伝熱管を得ることができる。従って、本発明は、熱
交換機の性能向上、小型化及び軽量化、使用部材及び冷
媒充填量の低減、並びに冷凍機等の効率の向上を図るこ
とができる。
クリュー冷凍機等の蒸気圧縮式冷凍機の蒸発器に組み込
まれ、液体冷媒中（例えば、フロン、液体窒素等）に浸
漬され、この液体冷媒を加熱沸騰させるために使用され
る沸騰型伝熱管に関し、特に、低密度冷媒においてその
伝熱性能向上を図った沸騰型伝熱管に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、この種の沸騰型伝熱管としては既
に数種類の伝熱面形状が提案されており、例えば、特公
平４−７８９１７号のように、管外表面にフィンを成形
し、フィンの先端に孔となる切れ込みを設け、そのフィ
ン先端を倒して沸騰伝熱に有益な空洞を設けたものがあ
る。 【０００３】また、例えば、特公昭６４−２８７８号及
び特開平８−２１９６７４号のように、管外表面に螺旋
状のフィンを成形した後、フィン先端を圧縮変形して管
周方向及び管軸方向に空洞を設け、空洞と外部とを連通
する幅０．１３ｍｍ以下の間隙部を設けたものもある。 【０００４】更に、特開平４−２３６０９７号及び特開
平７−１５１４８５号のように、空洞内の沸騰を促進す
ると共に、管外表面での液冷媒及び気化した媒の乱流を
促進させて伝熱性能向上を図ったものもある。 【０００５】しかし、これらの伝熱管は、トリクロロフ
ルオロメタン、クロロジフルオロメタン、又は１，１−
ジクロロ−２，２，トリフルオロエタン等の冷媒を使用
した場合は伝熱性能が向上するものの、１．１．２−テ
トラフルオロエタン等の密度が低い冷媒に対しては、従
来の伝熱管では空洞と外部とを連通する開口部（間隙
部）が小さく、空洞内に液冷媒が流入する際に抵抗とな
り、空洞内が乾燥し、性能が低下するという問題点があ
る。 【０００６】また、この問題点を回避するには、蒸発器
に充填する液冷媒の量を多くする方法も考えられるが、
冷媒の充填コストがかかり、更に熱交換器の容積を大き
くする必要があり、コストが増大するという欠点があ
る。 【０００７】これらの問題点を解決するために、特開平
１１−３１６０９６号の沸騰型伝熱管が提案されてい
る。この伝熱管においては、管の外面に管円周方向に延
び、管軸方向に所定ピッチで形成されたフィンと、この
フィンがその長手方向に断続的に押圧されて形成された
凹部及び凸部とを有し、更に管内面にリブを有する。 【０００８】特開平１１−３１６０９６号の沸騰型伝熱
管は管内面にリブを有するため、管内側における伝熱性
能が向上し、その結果沸騰型伝熱管として性能が向上し
ている。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記沸
騰型伝熱管においても、管内面に形成させるリブの形状
が完全には開示されておらず、管内側性能を向上させた
分、圧力損失が増加するため、管内側の性能向上率と圧
力損失の増加率から比較すると、十分満足できるもので
は無かった。 【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、管内を流れる冷媒の圧力損失を小さくしな
がら、伝熱性能を向上させることができる沸騰型伝熱管
を提供することを目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明に係る沸騰型伝熱
管は、伝熱管本体と、この管本体の外面に管円周方向に
延びるように又は管軸方向に傾斜する方向に延びるよう
に管軸方向に所定ピッチで形成されたフィンと、このフ
ィンがその長手方向に断続的に押圧されて形成された凹
部及び凸部とを有し、更に管内面螺旋状に設けられたリ
ブとを有することを特徴とする。 【００１２】この沸騰型伝熱管において、前記フィンの
間の空洞部の上端の開口部は、前記凹部にて相互に接近
するように張り出し、且つ前記凸部にて相互に接近する
ように張り出している。 【００１３】また、管軸直交断面における前記凸部の形
状は台形状である。そして、管軸を含む断面において、
前記凸部間の開口部の幅（Ｗ）は０．１３ｍｍ＜Ｗ≦
０．４０ｍｍであり、管軸直交断面において、凹部の対
向する両側面がなす角度（θ）は、５５°以下であり、
管軸直交断面において、管円周方向の凹凸ピッチ（Ｐ
１）は０．２８ｍｍ≦Ｐ１≦０．５５ｍｍであり、管軸
を含む断面において、前記空洞部のピッチ（Ｐ２）は
０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦０．９０ｍｍである。更に、前記
管本体の内面に螺旋状に設けられたリブを有し、前記リ
ブは、その管軸を含む断面におけるリブの開き角度（θ
２）が６４°≦θ２≦９８°、その管軸に対するリード
角（α）が４０°≦α≦４４°、リブ高さ（ｈ）が０．
２２ｍｍ≦ｈ≦０．３５ｍｍ、管軸方向ピッチ（Ｐ３）
が１．０ｍｍ≦Ｐ３≦３．６ｍｍである。 【００１４】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の
実施例に係る沸騰型伝熱管を示す斜視図、図２は同じく
その管軸を含む断面図、図３は管軸直交断面図である。
管本体１の外面には、管軸方向に傾斜する方向に延びる
フィン２が形成されている。このフィン２は管軸方向に
対して螺旋状に延びるものであり、管軸方向に対してピ
ッチＰ２（図２参照）で設けられている。そして、フィ
ン２の長手方向には、このフィンを歯車等で断続的に押
圧することにより、凸部４と凹部５とが交互に形成され
ている。なお、フィン２は管軸方向に直交する方向に延
びるものでもよい。 【００１５】図２に示すように、フィン２間には空洞部
３が形成され、この空洞部３の上端の開口部６におい
て、フィン２の凸部４及び凹部５は上端が相互に接近す
るように張り出している。管軸を含む断面において、凸
部４の開口部６の幅はＷである。また、空洞部３のピッ
チはフィンのピッチと同一のＰ２である。 【００１６】一方、図３に示すように、管軸直交断面に
おいて、凸部４の管円周方向のピッチはＰ１である。ま
た、凹部５の対向する両側面がなす角度はθである。 【００１７】また、図２に示すように、管本体１の内面
に管軸方向に対して螺旋状に延びるリブ７が形成されて
いる。このリブ７の管軸を含む断面における開き角度
（リブの斜面のなす角度）はθ２であり、リブ７の管軸
方向に対するリード角はαであり、リブ７の管軸方向の
ピッチはＰ３であり、リブ７の高さはｈである。 【００１８】このように構成された沸騰伝熱管において
は、フィン２の上端形状を凹凸状にすることにより、空
洞部３内にて発生した気泡は凸部４の開口部６から排出
され、凹部５の開口部６から必要量の液冷媒が空洞部３
内に流入する。 【００１９】凹部５はその上端の開口部６が管軸方向に
空洞部３上で張り出しており、その張り出し長は対面す
る開口部端同士が接触しないものであることが望まし
い。凹部５が張り出すことにより、空洞部３内の気泡が
開口部６から離脱するときに、攪乱され、沸騰が促進さ
れる。 【００２０】なお、凸部４の上端の開口部６の幅（Ｗ）
は０．１３ｍｍ＜Ｗ≦０．４０ｍｍでなければならな
い。開口部６の幅Ｗが０．１３ｍｍ以下であると、空洞
部３内から気泡が離脱しにくくなり、空洞内が乾燥し、
性能が低下する。また、開口部６の幅Ｗが０．４０ｍｍ
より大きくなると、空洞部内の気泡が離脱しやすく、更
に液冷媒が空洞部３内に流入されやすくなり、伝熱性能
が低下する。 【００２１】また、凸部４の開口部６も管軸方向に広が
ることにより、凸部４にて空洞部３内で発生した気泡が
離脱する際に気泡を助長させる。 【００２２】更に、凸部４が管軸直交断面において台形
状をなしていることにより、凸部４において、台形の上
底部（先端の細い方）にて特に気泡が離脱しやすくな
り、凹部５では下底部（空洞に近い根元の細い方）にて
液が流入するため、開口部の幅が狭くなくても、空洞内
の気泡離脱及び液冷媒の流入の効率が向上し、沸騰が促
進される。このとき、管軸直交断面において、凹部の側
面のなす角度（θ）は５５°より大きくなると、液冷媒
が空洞部に流入されやすくなり、性能が低下する。 【００２３】管軸直交断面において、凹凸の管円周方向
のピッチ（Ｐ１）は０．２８ｍｍ≦Ｐ１≦０．５５ｍｍ
でなければならない。０．２８ｍｍよりも小さくなる
と、液冷媒が空洞部に流入されにくくなり、空洞部内が
乾燥されてしまい、性能が低下する。また、ピッチＰ１
が０．５５ｍｍより大きいと、液冷媒が空洞内に流入さ
れやすくなり、性能が低下する。 【００２４】空洞部３の管軸方向のピッチ（Ｐ２）は
０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦０．９０ｍｍでなければならな
い。ピッチＰ２が０．５０ｍｍより小さくなると、空洞
部３が小さくなり、液冷媒の流入しにくくなり性能が低
下する。ピッチＰ２が０．９０ｍｍより大きくなると、
単位長さあたりの空洞が少なくなり、伝熱性能が低下す
る。 【００２５】管内面に螺旋状に設けられたリブ７の管軸
を含む断面における開き角度（θ２）が６４°≦θ２≦
９８°、リブ７の管軸方向に対するリード角（α）が４
０°≦α≦４４°、リブ高さ（ｈ）が０．２２ｍｍ≦ｈ
≦０．３５ｍｍ、リブ７の管軸方向のピッチ（Ｐ３）が
１．０ｍｍ≦Ｐ３≦３．６ｍｍでなければならない。 【００２６】リブの管軸を含む断面における開き角度
（θ２）が６４°より小さいと、リブの下流側に形成さ
れる乱流が大きくなり、圧力損失が増加する。一方、開
き角度θ２が９８°より大きくなると、管内面の伝熱性
能が上昇し難い。 【００２７】リブの管軸に対するリード角（α）が４０
°より小さいと、リブ間の溝を流れる流体の割合が増加
し、攪乱効果が小さくなって温度境界層が発達し、空洞
部３内に流入する液冷媒を加熱沸騰させにくく、伝熱性
能の向上効果が少ない。一方、リード角αが４４°より
大きくなると、リブの凸部を越えて流れる流体の量が増
加し、リブが抵抗となり、管内側の圧力損失が大きくな
る。 【００２８】また、リブ高さｈが０．２２ｍｍより低い
と、管内面側の流体の攪乱効果が小さく、空洞内に流入
する液冷媒を加熱沸騰させにくく、性能向上が少ない。
一方、リブ高さｈが０．３５ｍｍより高くなると、空洞
部３内が乾燥され易くなり、伝熱性能が低下すると共
に、圧力損失が増加し、冷水のポンプ動力が増加する。 【００２９】更に、リブのピッチＰ３が１．０ｍｍ未満
であると、管内側の流体の攪乱効果が小さくなり、性能
が向上しにくい。また、ピッチＰ３が３．６ｍｍより大
きくなると、管内の流体に速度境界層及び温度境界層が
形成され、性能向上が少ない。 【００３０】なお、伝熱管の材質は通常銅及び銅合金で
あるが、本発明はこの銅又は銅合金以外のものを使用し
ても同様の効果が得られる。 【００３１】 【実施例】次に、本発明の実施例に係る沸騰型伝熱管を
製造し、その特性を評価した結果について説明する。こ
の評価した伝熱管の伝熱性能試験条件を下記表１に示
す。 【００３２】 【表１】 【００３３】次に、試験装置及び試験方法について説明
する。図４は性能評価試験装置を示す図である。凝縮器
２０は複数本の伝熱管２１をその管軸方向を水平にして
垂直方向に配列して構成したものである。各伝熱管２１
の内部には入口２２から冷却水が供給され、出口２３か
ら冷却水が排出される。また、各伝熱管２１の上方の入
口２４から、冷媒蒸気が伝熱管２１の周囲に供給され、
凝縮した液冷媒は、出口２５から蒸発器３０に供給され
る。蒸発器３０においては、冷媒３６内に試験すべき供
試管３１がその管軸方向を水平にして浸漬されており、
蒸発器３０の下方の入口３２から液冷媒が供給され、供
試管３１に加熱されて蒸発した冷媒蒸気は蒸発器３０の
上方の出口３３から排出されて凝縮器２０の冷媒蒸気入
口２４に供給される。供試管３１内には、入口３４から
冷水が供給され、出口３５から冷却後の冷水が排出され
る。 【００３４】このように構成された試験装置は、シェル
アンドチューブ型の凝縮器２０と蒸発器３０とを配管で
接続した構造を有し、蒸発器３０にて発生した冷媒蒸気
は蒸発器上部の配管の入口２４を通って凝縮器２０に入
り、凝縮器２０内の伝熱管２１に冷却水を通水すること
により、伝熱管２１の表面上にて冷媒蒸気が凝縮し、凝
縮した冷媒は凝縮器の下部の配管を通って蒸発器に戻
る。 【００３５】試験方法は、蒸発器３０に設置した供試管
３１に一定流量の冷水を流し、冷水入口温度が一定の条
件になるように調節する、一方、蒸発圧力は、試験条件
になるよう、凝縮器内の伝熱管に流す冷却水流量を調節
する。冷水流量・出入口温度、蒸発圧力が所定の条件で
安定状態になった後、測定を行った。 【００３６】なお、蒸発圧力の測定は、ひずみゲージ式
圧力変換器で測定し、冷水の出入口温度は白金測温抵抗
体を供試管端に夫々設置して測定し、冷水流量は電磁流
量計にて測定した。伝熱係数は各測定器の信号を、ハイ
ブリットレコーダーで取り込んで数値変換し、伝熱係数
は各測定変換値を、次の手順で算出した。 【００３７】（１）冷却水伝熱量Ｑ 冷却水流量及び冷却水出入口温度より、下記数式１に基
づいて算出した。 【００３８】 【数１】 Ｑ＝Ｇ・Ｃｐ・（Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ） 【００３９】（２）対数平均温度差ΔＴｍ 冷水出入口温度及び冷媒蒸発温度より、下記数式２に基
づいて算出した。なお、冷媒蒸発温度Ｔｓは、凝縮圧力
より換算して算出した数値を使用した。 【００４０】 【数２】 ΔＴｍ＝（Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ）／ｌｎ［（Ｔ
ｉｎ−Ｔｓ）／（Ｔｏｕｔ−Ｔｓ）］ 【００４１】（３）管外表面積Ａｏ 管外表面積は、供試管フィン加工部外径を基準とし、下
記数式３により算出した。 【００４２】 【数３】 Ａｏ＝π・Ｄｏ・Ｌｈ 【００４３】（４）総括伝熱係数Ｋｏ（外表面積基準） 上記数式１乃至３により算出した数値を使用して下記数
式４に基づいて算出した。 【００４４】 【数４】 Ｋｏ＝Ｑ／（ΔＴｍ・Ａｏ） 【００４５】図５は圧力損失評価に使用したテスト装置
の概略図である。この評価装置は、冷却水が入口６０か
ら供試管５０内に供給され、出口６１から排出される。
供試管５０の両管端には、ドリルにより直径０．５ｍｍ
の孔が夫々４個所開口されており、これらの孔をひずみ
ゲージ式圧力変換器からなる差圧計５１に接続して差圧
を測定するようになっている。 【００４６】供試管５０内に供給される冷却水は、冷却
水タンク内に設けられた冷却コイルと電気ヒータにより
一定温度に調節され、冷却水の出入口温度は夫々供試管
５０の両管端に設置された白金測温抵抗体５２ａ、５２
ｂにより測定される。また、冷却水流量は電磁流量計５
５により測定される。 【００４７】供試管の管内に入口水温一定にした冷却水
を流し、各冷却水流量での温度および差圧が安定した事
を確認した後に、差圧及び管内冷却水流量を測定し、各
測定器にて測定した信号をハイブリットレコーダーにて
取り込んで数値変換し、管内圧力損失および管摩擦係数
を算出した。 【００４８】測定値に基づいて、レイノルズ数〔Re〕に
対する管摩擦係数〔ｆ〕を算出し、その数値を用いてｍ
当たりの管内圧力損失値を算出した。算出に使用した計
算式を、下記数式５乃至７式に示す。 【００４９】 【数５】 Ｒｅ＝ｖ・Ｄｉｍａｘ／ν 【００５０】 【数６】 ｖ＝Ｇ／（３６００・γ・Ｄｉｍａｘ２・π
／４） 【００５１】 【数７】 ｆ＝９８．０７・ΔＰ・（Ｄｉｍａｘ／Ｌ）
・（２ｇ／ｖ２）・１／γ 【００５２】但し、この式における各記号は以下の内容
を示す。 Ｑ：冷水伝熱量（ｋＷ） Ｇ：冷水流量（ｋｇ／ｈ） Ｃｐ：冷水比熱（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ） Ｔｉｎ：冷水入口温度（℃） Ｔｏｕｔ：冷水出口温度（℃） ΔＴｍ：対数平均温度差（℃） Ｔｓ：冷媒蒸発温度（℃） Ｋｏ：総括伝熱係数（ｋＷ／ｍ２Ｋ） Ａｏ：供試管フィン加工部外表面積（ｍ２） π ：円周率（−） Ｄｏ：供試管フィン加工部外径（ｍ） Ｄｉｍａｘ：供試管フィン加工部最大内径（ｍ） Ｌｈ：伝熱有効長（ｍ） Ｒｅ：レイノルズ数（−） ｖ：冷却水流速（ｍ／ｓ） ν：冷却水動粘性係数（ｍ２／ｓ） Ｇ：冷却水流量（ｋｇ／ｈ） γ：冷却水密度（ｋｇ／ｍ３） ｆ：管摩擦係数（−） ΔＰ：管内圧力損失（差圧）（ｋＰａ） Ｌｐ：差圧部有効長（ｍ） ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ２） 【００５３】下記表２及び表３は作製した実施例及び比
較例の沸騰型伝熱管の寸法を示す。これらの伝熱管につ
いて前述の方法により総括伝熱係数を測定し、また管内
面のリブの形状を変化させたｅ１〜ｈ５の伝熱管につい
ては更に圧力損失も測定した。 【００５４】これらの結果を図６乃至図１７と表３に示
す。管外面の開口部幅Ｗ（ｍｍ）、凹部角度θ（°）、
凹部ピッチＰ１（ｍｍ）、空洞ピッチＰ２（ｍｍ）、及
び管内リブのリード角α（°）、リブの開き角度θ２
（°）、リブ高さｈ（ｍｍ）、リブピッチＰ３（ｍｍ）
が本発明の特許請求範囲に入る実施例の伝熱管はいずれ
も総括伝熱係数が高く、また管内の圧力損失が小さいも
のであった。これに対し、前記値が本発明の特許請求の
範囲から外れる比較例の伝熱管においては、総括伝熱係
数及び／又は管内の圧力損失が実施例の伝熱管より劣る
ものであった。 【００５５】 【表２】【００５６】 【表３】【００５７】 【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る沸騰
伝熱管によれば、密度が小さい冷媒を使用した場合で
も、沸騰伝熱を効率良く促進し、優れた伝熱性能を有
し、且つ管内を流れる冷媒に対する圧力損失の小さい沸
騰型伝熱管を得ることができる。従って、本発明は、熱
交換機の性能向上、小型化及び軽量化、使用部材及び冷
媒充填量の低減、並びに冷凍機等の効率の向上を図るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る沸騰型伝熱管を示す斜視
図である。 【図２】同じくその管軸を含む断面の断面図である。 【図３】同じくその管軸に直交する方向の断面図（図１
のＡ−Ａ線断面）である。 【図４】実施例の試験装置を示す図である。 【図５】圧力損失の試験装置を示す模式図である。 【図６】開口部幅Ｗと総括伝熱係数との関係を示すグラ
フ図である。 【図７】凹部側面がなす角度θと総括伝熱係数との関係
を示すグラフ図である。 【図８】凹部ピッチＰ１と総括伝熱係数との関係を示す
グラフ図である。 【図９】空洞部ピッチＰ２と総括伝熱係数との関係を示
すグラフ図である。 【図１０】リブのリード角αと総括伝熱係数との関係を
示すグラフ図である。 【図１１】リブのリード角αと管内の圧力損失との関係
を示すグラフ図である。 【図１２】リブの開き角度θ２と総括伝熱係数との関係
を示すグラフ図である。 【図１３】リブの開き角度θ２と管内の圧力損失との関
係を示すグラフ図である。 【図１４】リブ高さｈと総括伝熱係数との関係を示すグ
ラフ図である。 【図１５】リブ高さｈと管内の圧力損失との関係を示す
グラフ図である。 【図１６】リブピッチＰ３と総括伝熱係数との関係を示
すグラフ図である。 【図１７】リブピッチＰ３と管内の圧力損失との関係を
示すグラフ図である。 【符号の説明】 １：管本体 ２：フィン ３：空洞部 ４：凸部 ５：凹部 ６：開口部 ７：リブ ２０：凝縮器 ３０：蒸発器
図である。 【図２】同じくその管軸を含む断面の断面図である。 【図３】同じくその管軸に直交する方向の断面図（図１
のＡ−Ａ線断面）である。 【図４】実施例の試験装置を示す図である。 【図５】圧力損失の試験装置を示す模式図である。 【図６】開口部幅Ｗと総括伝熱係数との関係を示すグラ
フ図である。 【図７】凹部側面がなす角度θと総括伝熱係数との関係
を示すグラフ図である。 【図８】凹部ピッチＰ１と総括伝熱係数との関係を示す
グラフ図である。 【図９】空洞部ピッチＰ２と総括伝熱係数との関係を示
すグラフ図である。 【図１０】リブのリード角αと総括伝熱係数との関係を
示すグラフ図である。 【図１１】リブのリード角αと管内の圧力損失との関係
を示すグラフ図である。 【図１２】リブの開き角度θ２と総括伝熱係数との関係
を示すグラフ図である。 【図１３】リブの開き角度θ２と管内の圧力損失との関
係を示すグラフ図である。 【図１４】リブ高さｈと総括伝熱係数との関係を示すグ
ラフ図である。 【図１５】リブ高さｈと管内の圧力損失との関係を示す
グラフ図である。 【図１６】リブピッチＰ３と総括伝熱係数との関係を示
すグラフ図である。 【図１７】リブピッチＰ３と管内の圧力損失との関係を
示すグラフ図である。 【符号の説明】 １：管本体 ２：フィン ３：空洞部 ４：凸部 ５：凹部 ６：開口部 ７：リブ ２０：凝縮器 ３０：蒸発器
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 伝熱管本体と、この管本体の外面に管円
周方向に延びるように又は管軸方向に傾斜する方向に延
びるように管軸方向に所定ピッチで形成されたフィン
と、前記管本体の内面に螺旋状に設けられたリブとを有
する沸騰型伝熱管において、前記フィンがその長手方向
に断続的に押圧されて形成された凹部及び凸部とを有
し、前記フィン間に形成された空洞部の上端の開口部
は、前記凹部及び凸部にて相互に接近するように張り出
し、前記凸部は、管軸直交断面における形状が台形状で
あり、管軸を含む断面における前記凸部間の開口部の幅
（Ｗ）は０．１３ｍｍ＜Ｗ≦０．４０ｍｍであり、前記
凹部は、管軸直交断面にける前記凹部の対向する両側面
がなす角度（θ）が５５°以下であり、管軸直交断面に
おいて、管円周方向の凹凸ピッチ（Ｐ１）は０．２８ｍ
ｍ≦Ｐ１≦０．５５ｍｍであり、管軸を含む断面におけ
る前記空洞部のピッチ（Ｐ２）は０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦
０．９０ｍｍであり、前記リブは、その管軸を含む断面
におけるリブの開き角度（θ２）が６４°≦θ２≦９８
°、その管軸に対するリード角（α）が４０°≦α≦４
４°、リブ高さ（ｈ）が０．２２ｍｍ≦ｈ≦０．３５ｍ
ｍ、管軸方向ピッチ（Ｐ３）が１．０ｍｍ≦Ｐ３≦３．
６ｍｍであることを特徴とする沸騰型伝熱管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002093372A JP2003287392A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | 沸騰型伝熱管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002093372A JP2003287392A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | 沸騰型伝熱管 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003287392A true JP2003287392A (ja) | 2003-10-10 |
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ID=29237862
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002093372A Pending JP2003287392A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | 沸騰型伝熱管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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