JP2004301440A

JP2004301440A - 流下液膜式蒸発器用伝熱管

Info

Publication number: JP2004301440A
Application number: JP2003096141A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takahashi; 宏行高橋; Chikara Saeki; 主税佐伯
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】外面における冷媒の濡れ拡がり性が良好であり、ドライアウトを抑制しつつ液膜を薄く形成することができる流下液膜式蒸発器用伝熱管を提供する。
【解決手段】伝熱管１において、銅からなる管本体２を設け、管本体２の外面に螺旋状に配列された複数個の四角台錐形状の突起３を形成する。管外面における管周方向と突起３の配列方向とのなす角度θ_１を０乃至１９°とし、管軸を含む断面において、溝部４ａの最小幅を突起３の根元の幅以上とし、管軸直交断面において、溝部４ｂの両側面のなす角度を１５乃至５０°とし、溝部４ｂの最小幅を０．１０乃至０．３０ｍｍとする。また、管内面に螺旋状のリブ５を形成し、管軸方向に対するリブ５のねじれ角を３８乃至４７°とし、リブ５の高さを０．２０乃至０．３５ｍｍとする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管外面に冷媒を流下して管外面に液膜を形成し、この冷媒を蒸発させることにより管内を流通する流体との間で熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸収式冷温水機等の流下液膜式蒸発器においては、伝熱管の外周面に冷媒、例えば水等を流下させ低圧力下で蒸発させると共に、この伝熱管の内部に流体、例えば水を流すことにより、冷媒が伝熱管から蒸発熱を奪って伝熱管を冷却し、この伝熱管を介して内部を流れる流体を冷却している。
【０００３】
このような伝熱管は、その外表面が冷媒の蒸発を促進するために冷媒が均一に濡れ広がるような特性を持ち、内表面は流体が効果的に熱交換されるように流体が乱流となるような特性を持つことが好ましい。伝熱管にこのような特性を付与するために、従来より種々の形状の伝熱管が開発されている。
【０００４】
例えば、本発明者等は、内面に螺旋状に延びるリブが形成され、外面に螺旋状に配列された複数個の突起が形成され、更に、内面のリブに整合する位置に螺旋状に延びる帯状の凹部が形成された伝熱管を開発した。これにより、この伝熱管の外面に流下された冷媒を広い範囲に濡れ広げることができる（特許文献１参照。）。
【０００５】
また、冷媒の濡れ面積を増大させて伝熱性能を向上させることを目的として、伝熱管の外面に螺旋状のフィンを形成し、このフィンに、その長手方向に沿って凹部と凸部とを交互に形成し、凸部の頂部と凹部の底部との間に少なくとも１つの段差を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２５７８８８号公報（図１）
【特許文献２】
特開２０００−２８３６７８号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。前述の特許文献１に記載された技術については、冷媒の濡れ広がり性は良好であるものの、伝熱管の外面において液膜が厚い部分が形成されてしまい、これが熱抵抗となって伝熱性能が低くなるという問題点がある。また、前述の特許文献２に記載された技術においては、凸部の下部における濡れ性が低く、冷媒の流下量が少ないときに、凸部の下部がドライアウト、即ち、乾いてしまうという問題点がある。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、外面における冷媒の濡れ拡がり性が良好であり、ドライアウトを抑制しつつ液膜を薄く形成することができる流下液膜式蒸発器用伝熱管を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管は、管外に流下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管において、管本体と、この管本体の外面に形成され螺旋状又は環状に配列された複数個の突起と、を有し、前記管本体の外表面における管周方向と前記突起の配列方向とのなす角度が０乃至１９°であり、管軸を含む断面において、隣り合う前記突起間の溝部の最小幅が前記突起の根元の幅以上であり、管軸直交断面において、隣り合う前記突起間の溝部の両側面のなす角度が１５乃至５０°であり、管軸直交断面において、前記溝部の最小幅が０．１０乃至０．３０ｍｍであることを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、管周方向と突起の配列方向とがなす角度（θ_１）を０乃至１９°としているため、溝部が延びる方向が垂直に近くなり、流下された冷媒が伝熱管下部に位置する突起に再付着することを抑制でき、冷媒の液膜を薄くすることができる。また、管軸を含む断面において、溝部の最小幅（ＧＷ_１）を突起の根元の幅（ＰＷ_１）以上としているため、溝部に冷媒が停滞することを防止でき、冷媒の液膜を薄くすることができる。更に、管軸直交断面において、溝部の両側面のなす角度（θ_２）を１５乃至５０°とし、溝部の最小幅（ＧＷ_２）を０．１０乃至０．３０ｍｍとしているため、冷媒をドライアウトさせずに、管外面に均一に濡れ広げることができる。この結果、冷媒の液膜が厚くなって熱抵抗となることを抑制すると共に、冷媒の流下量が少ない場合でも冷媒を広い領域に濡れ広げることができ、伝熱性能が優れた伝熱管を得ることができる。なお、前記突起の形状は四角錐台形であることが好ましい。また、本発明においては、各部の長さ、例えば管軸直交断面における溝部の最小幅（ＧＷ_２）等は、全て周長ではなく直線距離である。
【００１１】
また、管軸を含む断面における前記突起の配列周期が１．１５乃至２．５４ｍｍであることが好ましい。これにより、溝部における冷媒の流れを適切に制御して、管外面がドライアウトすることなく、冷媒の薄い液膜を形成することができる。
【００１２】
更に、管軸を含む断面における前記突起の配列周期が０．６０乃至１．５０ｍｍであることが好ましい。これにより、突起先端部がドライアウトすることを抑制すると共に、突起先端部の液膜が厚くなることを防止できる。
【００１３】
更にまた、本発明に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管は前記管本体の内面に形成され螺旋状に延びるリブを有し、この内面における管軸に平行な直線と前記リブが延びる方向とのなす角度が３８乃至４７°であり、前記リブの高さが０．２０乃至０．３５ｍｍであることが好ましい。これにより、管内の圧力損失の抑制しつつ、管内を流れる流体を適度に乱流とし、この流体と伝熱管との間の伝熱性能を向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本実施形態に係る伝熱管を示す部分斜視図であり、図２はこの伝熱管を示す管軸を含む管軸平行断面図であり、図３はこの伝熱管を示す管軸直交断面図であり、図４はこの伝熱管の外面を示す展開図である。
【００１５】
本実施形態に係る伝熱管は、吸収式冷温水機等の流下液膜式蒸発器に組み込まれる流下液膜式蒸発器用伝熱管である。図１に示すように、本実施形態に係る伝熱管１においては、管本体２が設けられており、管本体２の外面には、螺旋状に配列された複数個の四角錐台形状の突起３が形成されている。突起３の配列方向に直交する方向における隣り合う突起３間は溝部４ａとなっており、突起３の配列方向における隣り合う突起３間は溝部４ｂとなっている。また、管本体２の内面には、螺旋状に延びるリブ５が設けられている。伝熱管１は、例えば銅又は銅合金からなり、例えばＪＩＳＨ３３００Ｃ１２０１Ｔｓ−１／２Ｈにより規定される低りん脱酸銅管である。また、伝熱管１の外径は例えば約１６ｍｍであり、肉厚は例えば約０．７ｍｍである。管本体２の外面において、突起３が配列する方向に延びる線６と管周方向に延びる線７とがなす角度θ_１は０乃至１９°である。この角度θ_１が０°である場合は、突起３が環状に配列される場合である。
【００１６】
図２に示すように、管軸を含む断面（以下、管軸平行断面という）において、溝部４ａの最小幅、即ち底部の幅ＧＷ_１は、突起３の根元の幅ＰＷ_１以上である。また、突起３の配列周期（ピッチ）ＰＦは例えば１．１５乃至２．５４ｍｍとなっている。なお、溝部４ａの底部の幅ＧＷ_１と突起３の根元の幅ＰＷ_１との和が、突起３の配列周期ＰＦとなっている。更に、突起３の高さｈ_１は例えば約０．４ｍｍである。
【００１７】
図３に示すように、管軸直交断面において、溝部４ｂのひらき角、即ち、溝部４ｂの両側面のなす角度θ_２は１５乃至５０°である。また、溝部４ｂの底部の幅ＧＷ_２は０．１０乃至０．３０ｍｍである。更に、管軸直交断面における突起３の配列周期ＰＲは、例えば０．６０乃至１．５０ｍｍである。なお、溝部４ｂの底部の幅ＧＷ_２及び突起３の配列周期ＰＲは、いずれも円弧長さではなく直線長さである。
【００１８】
また、図２に示すように、管本体２の内面における管軸に平行な直線８とリブ５が延びる方向とのなす角度θ_３は、例えば３８乃至４７°であり、リブ５の高さｈ_２、即ち、管本体２の内面とリブ５の頂部との間の距離は、例えば０．２０乃至０．３５ｍｍである。
【００１９】
更に、図４に示すように、伝熱管１の外面において、突起３は格子状に配列されている。なお、図４は、角度θ_１が０°である場合を示している。
【００２０】
以下、本発明の各構成要件における数値限定理由について説明する。
【００２１】
管周方向と突起の配列方向とがなす角度（θ _１）：０乃至１９°
伝熱管を水平に保持して、この伝熱管の上方から伝熱管に冷媒を流下したときに、冷媒は、主として突起間の溝部を伝わって伝熱管上部から伝熱管下部へと流れる。前記角度θ_１が１９°を超えると、溝部が延びる方向が水平に近くなり、伝熱管上部から流れてきた冷媒が伝熱管下部に位置する突起に再付着してしまい、冷媒の液膜が厚くなる。この結果、伝熱管の伝熱性能が低下する。このため、管周方向と突起の配列方向とがなす角度（θ_１）は０乃至１９°とする。
【００２２】
管軸平行断面において、溝部の最小幅（ＧＷ _１）：突起の根元の幅（ＰＷ _１）以上
溝部の最小幅（ＧＷ_１）が突起の根元の幅（ＰＷ_１）未満であると、溝部が細くなり過ぎて溝部に冷媒が停滞しやすくなり、冷媒の液膜が厚くなる。このため、この液膜が熱抵抗となり、伝熱管の伝熱性能が低下する。従って、管軸平行断面において、溝部の最小幅（ＧＷ_１）は突起の根元の幅（ＰＷ_１）以上とする。
【００２３】
管軸直交断面において、溝部の両側面のなす角度（θ _２）：１５乃至５０°
溝部の両側面のなす角度θ_２が１５°未満であると、突起間の溝部の断面積が小さくなり、管軸方向における冷媒の濡れ拡がり性が低下するため、伝熱管外面においてドライアウトする面積が増大してしまい、伝熱管の伝熱性能が低下する。一方、前記角度θ_２が５０°よりも大きいと、突起の先端部が冷媒の液膜で覆われやすくなり、突起先端部における液膜が厚くなり、伝熱性能が低下する。従って、管軸直交断面において、溝部の両側面のなす角度（θ_２）は１５乃至５０°とする。
【００２４】
管軸直交断面において、溝部の最小幅（ＧＷ _２）：０．１０乃至０．３０ｍｍ
溝部の最小幅（ＧＷ_２）が０．１０ｍｍ未満であると、溝部の断面積が小さくなり、冷媒が溝部に保持されやすくなり、管軸方向に冷媒の濡れ拡がり難くなる。このため、伝熱管外面においてドライアウトする部分が増加して、伝熱管の伝熱性能が低下する。一方、溝部の最小幅（ＧＷ_２）が０．３０ｍｍよりも大きいと、溝部の両側面のなす角度（θ_２）が一定である場合に、突起の先端部の幅が小さくなる。このため、突起先端部が冷媒の液膜で覆われやすくなり、その結果、突起先端部における液膜が厚くなり、伝熱性能が低下する。従って、管軸直交断面において、溝部の最小幅（ＧＷ_２）は０．１０乃至０．３０ｍｍとする。
【００２５】
管軸平行断面における突起の配列周期（ＰＦ）：１．１５乃至２．５４ｍｍ
管軸平行断面における突起の配列周期（ＰＦ）が１．１５ｍｍ未満であると、溝部が細くなり過ぎて溝部に冷媒が停滞しやすくなり、冷媒の液膜が厚くなる。このため、この液膜が熱抵抗となり、伝熱管の伝熱性能が低下する。一方、突起の配列周期（ＰＦ）が２．５４ｍｍよりも大きいと、溝部の冷媒がすぐに流れ落ちてしまい、ドライアウトする部分が増大し、やはり伝熱性能が低下する。従って、管軸平行断面における突起の配列周期（ＰＦ）は１．１５乃至２．５４ｍｍであることが好ましい。
【００２６】
管軸直交断面における突起の配列周期（ＰＲ）：０．６０乃至１．５０ｍｍ
管軸直交断面における突起の配列周期（ＰＲ）が０．６０ｍｍ未満であると、突起の先端部が冷媒で覆われやすくなり、突起先端部における冷媒液膜が厚くなり、伝熱性能が低下する。一方、突起の配列周期（ＰＲ）が１．５０ｍｍよりも大きいと、突起の先端部に冷媒が濡れ広がり難くなり、突起先端部がドライアウトする。このため、伝熱管の伝熱性能が低下する。従って、管軸直交断面における突起の配列周期（ＰＲ）は０．６０乃至１．５０ｍｍであることが好ましい。
【００２７】
管軸に平行な直線とリブが延びる方向とのなす角度（θ _３）：３８乃至４７°
管軸に平行な直線とリブが延びる方向とのなす角度（θ_３）が３８°未満であると、管内を流れる流体を乱流にする効果が小さくなり、この流体と伝熱管との間の伝熱性能が低下する。この結果、伝熱管に流体から効率よく熱が供給されなくなり、管外面における冷媒の蒸発が促進されなくなり、冷媒の液膜が厚くなる。このため、伝熱管の伝熱性能が更に低下する。一方、前記角度（θ_３）が４７°よりも大きいと、管内の圧力損失が増大すると共に、管内の流体から伝熱管に過剰に熱が供給されるようになり、管外面においてドライアウトが発生して、かえって伝熱性能が低下する。従って、管軸に平行な直線とリブが延びる方向とのなす角度（θ_３）は３８乃至４７°であることが好ましい。
【００２８】
リブの高さ（ｈ _２）：０．２０乃至０．３５ｍｍ
リブの高さ（ｈ_２）が０．２０ｍｍ未満であると、管内を流れる流体を乱流にする効果が小さくなり、この流体と伝熱管との間の伝熱性能が低下する。この結果、伝熱管に流体から効率よく熱が供給されなくなり、管外面における冷媒の蒸発が促進されなくなり、冷媒の液膜が厚くなる。このため、伝熱管の伝熱性能が更に低下する。一方、リブの高さ（ｈ_２）が０．３５ｍｍよりも大きいと、管内の圧力損失が増大すると共に、管内の流体から伝熱管に過剰に熱が供給されるようになり、管外面においてドライアウトが発生して、かえって伝熱性能が低下する。従って、リブの高さ（ｈ_２）は０．２０乃至０．３５ｍｍであることが好ましい。
【００２９】
なお、本発明においては、伝熱管１の突起３が形成されている部分の外径が８乃至３０ｍｍ程度であり、管軸平行断面における溝部４ａの最小幅（ＧＷ_１）が０．３乃至２０ｍｍ程度であれば、伝熱管１の各部の形状が上述の本発明の範囲にある場合に、良好な伝熱性能を確保することが容易である。
【００３０】
次に、本実施形態に係る伝熱管１の製造方法について説明する。先ず、素管を用意する。この素管は、例えば、外径が１６ｍｍ、肉厚が７ｍｍ、長さが１乃至１０ｍであり、ＪＩＳＨ３３００Ｃ１２０１Ｔｓ−１／２Ｈにより規定される低リン脱酸銅管である。そして、この素管に対して、両端部を除く中央部に転造加工を施し、螺旋状又は環状のフィンを管軸方向に一定のピッチで形成する。このとき、フィン間が溝部４ａとなる。なお、フィンの形成は、上述の転造加工による方法以外の方法でもよく、例えば、切削加工による方法でも可能である。次に、このフィンの頂部に歯車ディスクを転接させて、フィンの頂部を管周方向に一定のピッチで押し込み、独立した突起３を形成する。このとき、突起３間が溝部４ｂになる。なお、両端部の未加工部の長さは夫々例えば５０乃至１００ｍｍとする。一方、管内面には、螺旋状の溝が成形されたマンドレルを配置し、管外面における前記フィンの形成と同時に管内面に螺旋状のリブ５を形成する。次に、低温焼鈍を施し、管の疲労強度を向上させる。
【００３１】
次に、前述の如く構成された本実施形態に係る伝熱管の動作について説明する。本実施形態の伝熱管１を、例えば、吸収式冷温水機等の流下液膜式蒸発器に組み込む。そして、圧力を０．８ｋＰａ程度の真空とした密閉容器内に、管軸方向を水平にして上下方向に多段に設置する。
【００３２】
この状態で、最上段の伝熱管の上方から冷媒、例えば、水を流下する。このとき、冷媒が伝熱管の最上部から最下部まで主として溝部４ａを通過して流れ落ちようとするが、溝部４ｂに案内されて管軸方向にも濡れ広がっていく。また、突起３の頂部にも濡れ広がる。この結果、冷媒は伝熱管外面において薄い液膜を形成し、この液膜が真空雰囲気下で蒸発することにより、伝熱管から蒸発熱を奪う。
【００３３】
一方、伝熱管１の管内には、流体、例えば入口温度が１２乃至１５℃の水を、最大１０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の圧力で流通させる。このとき、流体は管内においてリブ５に撹拌されて乱流を形成し、伝熱管との間で熱交換を行う。これにより、冷媒と流体との間で熱交換が行われ、冷媒の蒸発熱により流体が冷却される。
【００３４】
そして、最上段の伝熱管の外面において蒸発しなかった冷媒は、この最上段の伝熱管の最下部から滴下し、次段の伝熱管の最上部に供給される。これを繰り返すことにより、冷媒が最上段の伝熱管から最下段の伝熱管に向かって移動していき、流下液膜式蒸発器全体として効率よく熱交換が行われる。
【００３５】
本実施形態においては、管本体２の外面に螺旋状又は環状に配列された複数個の突起３を形成し、管本体２の内面に螺旋状に延びるリブ５を形成し、突起３の配列方向、配列周期及び形状並びにリブ５の配列方向及び形状を上述の如く規定することにより、流下された冷媒を薄く濡れ広げ、蒸発させやすくすることができ、伝熱管の伝熱性能を向上させることができる。
【００３６】
即ち、管周方向と突起３の配列方向とがなす角度（θ_１）を０乃至１９°としているため、溝部４ａが延びる方向が垂直に近くなり、流下された冷媒が伝熱管下部に位置する突起３に再付着することを抑制でき、また、管軸平行断面において、溝部４ａの最小幅（ＧＷ_１）を突起３の根元の幅（ＰＷ_１）以上としているため、溝部４ａに冷媒が停滞することを防止でき、更に、管軸直交断面において、溝部４ｂの両側面のなす角度（θ_２）を１５乃至５０°とし、溝部４ｂの最小幅（ＧＷ_２）を０．１０乃至０．３０ｍｍとしているため、冷媒をドライアウトさせずに、管外面に均一に濡れ広げることができる。この結果、冷媒の液膜が厚く形成されることを抑制し、液膜が熱抵抗となることを防止すると共に、冷媒の流下量が少ない場合でも広い領域に濡れ広げることができ、伝熱管１の伝熱性能を向上させることができる。
【００３７】
更にまた、管軸平行断面における突起３の配列周期を１．１５乃至２．５４ｍｍとすることにより、溝部４ａにおける冷媒の流れを適切に制御して、ドライアウト及び厚い液膜が形成されることを抑制し、薄く均一な液膜を形成することができる。更にまた、管軸直交断面における突起３の配列周期を０．６０乃至１．５０ｍｍとすることにより、突起３の先端部がドライアウトすることを抑制すると共に、突起３の先端部の液膜が厚くなることを防止できる。更にまた、管軸に平行な直線とリブ５が延びる方向とのなす角度を３８乃至４７°とし、リブ５の高さを０．２０乃至０．３５ｍｍとすることにより、管内の圧力損失の抑制しつつ、管内を流れる流体を適度に乱流とし、この流体と伝熱管１との間の伝熱性能を向上させることができる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、伝熱管１の材料としてＪＩＳＨ３３００Ｃ１２０１Ｔｓ−１／２Ｈにより規定される低りん脱酸銅管を使用したが、本発明はこれに限定されず、例えば、前記低りん脱酸銅管を硬質に調質したものでもよく、また、ＪＩＳＨ３３００Ｃ１２２０又はＣ１０２０により規定される銅管でもよく、更に、キュプロニッケル（ｃｕｐｒｏｎｉｃｋｅｌ）等の銅合金であってもよい。更にまた、伝熱管を銅及び銅合金以外の金属又は合金により形成してもよい。
【００３９】
次に、本実施形態の変形例について説明する。図５は、本変形例に係る伝熱管の外面を示す展開図である。なお、図５は角度θ_１が０°である場合を示している。図５に示すように、本変形例の伝熱管においては、突起３が千鳥状に配列されている。即ち、相互に隣り合う突起３の列間において、突起３の配列方向（図５では管周方向）における突起３の位置が相互にずれている。本変形例における上記以外の構成は、前述の実施形態と同様である。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例の効果について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。前述の本発明の実施形態と同様な方法により、各種の伝熱管を作製し、供試管とした。即ち、先ず、ＪＩＳＨ３３００Ｃ１２０１Ｔｓ−１／２Ｈにより規定されるリン脱酸銅管であり、外径が１６ｍｍ、肉厚が７ｍｍ、長さが１３００ｍｍの素管を用意した。次に、この素管の両端部を除く中央部に転造加工を施し、螺旋状又は環状のフィンを管軸方向に一定のピッチで形成した。このとき、両端部の長さを夫々１５０ｍｍとし、中央部の長さを１０００ｍｍとした。なお、この中央部には、転造加工により加工を行ったときに、加工開始側及び加工終了側、即ち、中央部の両端部に、形成される突起の形状が不完全になる「不完全部」が形成された。この不完全部は、加工開始側及び加工終了側の合計で１００乃至１５０ｍｍ程度の長さになった。
【００４１】
次に、このフィンの頂部に歯車ディスクを転接させて、フィンの頂部を管周方向に一定のピッチで押し込み、突起を形成した。このとき、一部の供試管については、管の内面には特別な加工を施さず、平滑なままとした。これを試験例１とする。一方、残りの供試管については、管内面に螺旋状の溝が成形されたマンドレルを配置し、管外面にフィンを形成するのと同時に管内面に螺旋状のリブを形成した。これを試験例２とする。次に、転造加工後の試験例１及び２の供試管を３５０℃の温度に加熱して、残留応力を除去すると共に、管表面の残油を加熱脱脂した。
【００４２】
次に、上述の如く作製した各供試管について、引張強さを測定した。この結果、加熱脱脂後の供試管の引張強さは、平均２７７Ｎ／ｍｍ^２であった。また、各供試管の管外面の残渣量、即ち、残油及び付着物の合計量を測定した。なお、付着物とは例えば、ごみ及び管の加工時に付着した金属粉等である。測定の結果、管外面の残渣量は平均０．０１６ｇ／ｍ^２であった。更に、各供試管の残留炭素量を測定した。この結果、供試管の残留炭素量は平均４．１ｍｇであった。更にまた、各供試管の形状を測定した。試験例１（内面リブ無し）の供試管の形状測定結果を表１に示し、試験例２（内面リブ有り）の供試管の形状測定結果を表２に示す。なお、表１及び表２に示す「管外径Ｄｆ」とは、供試管の最大外径、即ち、突起の先端を結ぶ仮想的な円筒の直径である。また、「高さｈ_１」とは管外面における突起の高さである。
【００４３】
【表１】

【００４４】
【表２】

【００４５】
次に、表１及び表２に示す各供試管の伝熱性能を評価した。図６は、供試管の伝熱性能の評価に使用した吸収式伝熱性能試験装置を示す概略図である。図６に示すように、吸収式伝熱性能試験装置１１は一重効用の吸収式冷温水機と略同じサイクル構成となっている。即ち、試験装置１１においては、２つのチャンバ１２及び１３が設けられており、チャンバ１２の内部は仕切板１２ａにより蒸発器１４及び吸収器１５に分けられており、チャンバ１３の内部は再生器１６及び凝縮器１７に分けられている。そして、蒸発器１４の上部と吸収器１５の上部とは、仕切板１２ａの上部に設けられた通気口１２ｂにより、冷媒の蒸気が通流するように連通されている。また、再生器１６の上部と凝縮器１７の上部も相互に連通しており、冷媒の蒸気が通流するようになっている。また、試験装置１１には溶液熱交換器１８が設けられている。
【００４６】
蒸発器１４は冷媒としての水Ｗを蒸発させて熱交換を行うものであり、吸収器１５は蒸発器１４から流入した水蒸気を吸収液としての臭化リチウム水溶液ＬＢに吸収させるものである。また、再生器１６は吸収器１５において水を吸収した臭化リチウム水溶液から水を蒸発させて取り出し、水蒸気（冷媒蒸気）と臭化リチウム水溶液（吸収液）とを分離するものである。更に、凝縮器１７は再生器１６から流入した水蒸気を凝縮させて水Ｗとし、この水Ｗを冷媒として蒸発器１４に供給するものである。更にまた、溶液熱交換器１８は再生器１６に残留した臭化リチウム水溶液を冷却して、吸収液として吸収器１５に供給するものである。
【００４７】
蒸発器１４においては、供試管である伝熱管１が４本設けられている。各伝熱管１は管軸方向が水平になり、且つ、２４ｍｍのピッチで垂直方向に１列に配列されるように設置されている。４本の伝熱管１は相互に直列に連結されている。各伝熱管１の有効長は１０５０ｍｍであり、両端部はＯリングによりシールされている。そして、この４本の伝熱管１からなる水路には、水路１９を介して冷水が供給され、水路２０を介して排出されるようになっている。また、最上段の伝熱管１の上方には、冷媒（水Ｗ）を散布するための散布トレー２２が設けられており、この散布トレー２２には、蒸発器１４の底部に溜まった冷媒がポンプ２３により汲み上げられて供給されるようになっている。更に、蒸発器１４の上部には、蒸発圧力を測定するための絶対圧力変換器３７が取り付けられている。更にまた、散布トレー２２からの冷媒の散布量を測定するためのコリオリ式質量流量計２４が設けられている。更にまた、水路１９及び２０には、冷水の出入口温度を測定するためのクオーツ温度計（図示せず）が設けられており、冷水流量を測定するための容積式流量計２１が設けられている。
【００４８】
吸収器１５においては、蒸発器１４に設けた伝熱管１と同じ伝熱管１が垂直方向に２４ｍｍのピッチで１列６段配列されており、相互に直列に連結されている。この６本の伝熱管１からなる水路には、水路２５を介して冷却水が供給され、水路２６を介して排出されるようになっている。また、最上段の伝熱管１の上方には、吸収液（臭化リチウム水溶液ＬＢ）を散布するための散布トレー２８が設けられている。
【００４９】
再生器１６においては、吸収器１５の底部に溜まった液体がポンプ２９により再生器１６の底部に供給されるようになっており、この液体を加熱するための電気ヒータ３０が設けられている。
【００５０】
凝縮器１７においては、冷却水が通流する冷却コイル３１が設けられており、この冷却コイル３１により水蒸気を凝縮して水Ｗとするようになっている。そして、この凝縮した水が凝縮器１７の底部に溜まり、ポンプ３２により蒸発器１４の底部に供給されるようになっている。
【００５１】
また、再生器１６の底部に残留した吸収液を吸収器１５の散布トレー２８に供給する水路３３が設けられており、この水路３３に沿って、再生器１６から吸収液を汲み出すポンプ３４、汲み出された吸収液と冷却水との間で熱交換を行い、吸収液を冷却する溶液熱交換器１８、吸収液の流量を測定する流量計３６がこの順に設けられている。
【００５２】
更に、チャンバ１２の蒸発器１４側及び吸収器１５側の側面には夫々、冷媒及び吸収液の滴下挙動が伝熱管全長にわたって観察できるように、観察窓（図示せず）が設けられている。なお、試験装置１１の本体は、臭化リチウム水溶液による腐食を抑制するために、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６により形成されている。
【００５３】
次に、試験装置１１による伝熱性能の試験方法について説明する。先ず、水路１９及び２０を介して、蒸発器１４の伝熱管１内に一定流量の冷水を流通させる。また、ポンプ２３により、冷媒である水Ｗを蒸発器１４内において循環させる。このとき、冷媒は散布トレー２２から最上段の伝熱管１の最上部に向けて、伝熱管１の管軸方向に１０ｍｍのピッチで滴下される。そして、この冷媒の一部が、伝熱管１の表面で蒸発して伝熱管１内を流れる冷水を冷却し、残部が最上段の伝熱管１から、２段目、３段目、４段目の伝熱管１に順次滴下し、その後、蒸発器１４の底部に落下する。蒸発器１４の底部に溜まった冷媒（水Ｗ）は、ポンプ２３により再び散布トレー２２に供給される。
【００５４】
また、伝熱管１の表面において蒸発した冷媒蒸気（水蒸気）は、仕切板１２ａの通気口１２ｂを通過して吸収器１５に供給される。吸収器１５においては、水路２５及び２６を介して伝熱管１内に冷却水を通流させる。また、散布トレー２８に吸収液（臭化リチウム水溶液ＬＢ）が供給され、この吸収液が１列６段に配置された伝熱管１の外面を伝いながら落下する。この過程において、吸収液は伝熱管１の表面にて水蒸気を吸収し、吸収器１５の底部に到達する。
【００５５】
蒸発器１５の底部に溜まった液体、即ち、冷媒（水）を吸収した吸収液（臭化リチウム水溶液）は、ポンプ２９により再生器１６に供給される。そして、再生器１６において、この液体が電気ヒータ３０により加熱され、水が蒸発することにより、冷媒と吸収液とに再分離される。
【００５６】
そして、蒸発した水が凝縮器１７に供給され、冷却コイル３１により冷却されて凝集し、凝縮器１７の底部に溜まっていく。そしてこの溜まった水が、ポンプ３２により蒸発器１４の底部に冷媒として供給される。
【００５７】
一方、再生器１６の底部に残留した吸収液は、ポンプ３４により汲み出され、溶液熱交換器１８により冷却され、散布トレー２８に供給される。このようにして、試験装置１１内において、冷媒（水）及び吸収液（臭化リチウム水溶液）が循環し、冷媒と冷水との間で熱交換を行う。
【００５８】
上述の如く試験装置１１を運転し、蒸発器１４の伝熱管１に一定流量の冷水を流し、冷水出口温度が所定の測定条件になるように冷水入口水温を調節した。一方、吸収器１５の伝熱管１には冷却水入口温度を一定にした冷却水を流し、チャンバ１２内の圧力が所定の測定条件になるように冷却水流量を調節した。このときの試験条件を表３に示す。なお、表３において、冷水の流量は、伝熱管の加工部の内径を基準とした値である。
【００５９】
【表３】

【００６０】
試験装置１１の運転開始後、定常状態になったことを確認し、チャンバ１２内の圧力、冷水の流量及び出入口温度、冷媒散布流量を測定した。そして、各測定器の信号をハイブリットレコーダー（図示せず）に取り込んで数値変換し、コンピューターにて伝熱管の総括伝熱係数を算出した。以下、その算出方法について説明する。
【００６１】
（１）冷水伝熱量Ｑ
冷水伝熱量をＱ（ｋＷ）、冷水流量をＧｗ（ｋｇ／時）、冷水の比熱をＣｐ（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）、冷水入口温度をＴｉｎ（℃）、冷水出口温度をＴｏｕｔ（℃）とすると、冷水伝熱量Ｑを下記数式１により算出した。
【００６２】
【数１】

【００６３】
（２）対数平均温度差ＬＭＴＤ
対数平均温度差をＬＭＴＤ（℃）、冷媒蒸発温度をＴｅ（℃）とするとき、対数平均温度差ＬＭＴＤを下記数式２により算出する。なお、冷媒蒸発温度Ｔｅは、蒸発圧力より予め蒸気表（例えば、伝熱工学資料、（社）日本機械学会１９９１年、３３１頁参照）に基づいて作成した相関式を用いて換算した数値を使用した。
【００６４】
【数２】

【００６５】
（３）管外表面積Ａｏ
供試管の外表面積をＡｏ（ｍ^２）、円周率をπ、供試管の突起部外径、即ち、供試管の最大外径をＤｏ（ｍ）、供試管の伝熱有効長をＬ（ｍ）、供試管の本数をＮ（本）とするとき、供試管の外表面積Ａｏを、突起部外径基準として下記数式３により算出した。
【００６６】
【数３】

【００６７】
（４）総括伝熱係数Ｋｏ（外表面積基準）
外表面積を基準とした総括伝熱係数をＫｏ（ｋＷ／ｍ^２Ｋ）とするとき、上記数式１乃至３にて算出した値を用いて、総括伝熱係数Ｋｏを下記数式４により算出した。
【００６８】
【数４】

【００６９】
（５）冷媒散布量Γ
一方、冷媒の散布量（流下量）をΓ（ｋｇ／ｍ／分）、冷媒の流量をＧｒｅｆ（ｋｇ／分）とするとき、冷媒散布量Γを下記数式５により算出した。
【００７０】
【数５】

【００７１】
次に、前記各供試管の伝熱性能として、各供試管について上述の如く算出した冷媒の散布量（Γ）と総括伝熱係数（Ｋｏ）との関係を示す。図７は、横軸に冷媒の散布量（Γ）をとり、縦軸に総括伝熱係数（Ｋｏ）をとって、表１に示す試験例１（内面リブ無し）の供試管の伝熱性能を示すグラフ図である。図７に示す線ａ１乃至ａ７は夫々、試験例１の実施例１乃至７の伝熱性能評価結果を示し、線ｂ１乃至ｂ１１は夫々、試験例１の比較例１乃至１１の伝熱性能評価結果を示す。また、図８は、横軸に冷媒の散布量（Γ）をとり、縦軸に総括伝熱係数（Ｋｏ）をとって、表２に示す試験例２（内面リブ有り）の供試管の伝熱性能を示すグラフ図である。図８に示す線ｃ１乃至ｃ８は夫々、試験例２の実施例１乃至８の伝熱性能評価結果を示し、線ｄ１は試験例２の比較例１の伝熱性能評価結果を示す。
【００７２】
図７に示すように、試験例１の実施例１乃至７（線ａ１〜ａ７）は、伝熱管の形状が本発明の規定を満たしているため、本発明の規定を満たしていない比較例１乃至１１（線ｂ１〜ｂ１１）と比較して、冷媒の散布量（Γ）に対する総括伝熱係数（Ｋｏ）が高く、伝熱性能が良好であった。
【００７３】
また、図８に示すように、試験例２の実施例１乃至８（線ｃ１〜ｃ８）は、伝熱管の形状が本発明の規定を満たしているため、本発明の規定を満たしていない比較例１（線ｄ１）と比較して、冷媒の散布量（Γ）に対する総括伝熱係数（Ｋｏ）が高く、伝熱性能が良好であった。特に、試験例２の実施例１乃至３（線ｃ１〜ｃ３）は、管の内面に形成されたリブの形状が前述の請求項５の規定を満たしているため、リブの形状が請求項５の規定を満たしていない実施例４乃至８（線ｃ４〜ｃ８）と比較して、伝熱性能が特に優れていた。
【００７４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、伝熱管の外面に複数個の突起を設け、この突起の配列状態及び形状を最適に規定しているため、流下した冷媒をドライアウトを抑制しつつ管外面に均一に濡れ広げることができ、これにより、冷媒の液膜が厚膜化して熱抵抗となることを抑制すると共に、冷媒の流下量が少ない場合でも広い領域に濡れ広げることができ、伝熱性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る伝熱管を示す部分斜視図である。
【図２】この伝熱管を示す管軸平行断面図である。
【図３】この伝熱管を示す管軸直交断面図である。
【図４】この伝熱管の外面を示す展開図である。
【図５】本実施形態の変形例に係る伝熱管の外面を示す展開図である。
【図６】供試管の伝熱性能の評価に使用した吸収式伝熱性能試験装置を示す概略図である。
【図７】横軸に冷媒の散布量（Γ）をとり、縦軸に総括伝熱係数（Ｋｏ）をとって、試験例１（内面リブ無し）の供試管の伝熱性能を示すグラフ図である。
【図８】横軸に冷媒の散布量（Γ）をとり、縦軸に総括伝熱係数（Ｋｏ）をとって、試験例２（内面リブ有り）の供試管の伝熱性能を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１；伝熱管
２；管本体
３；突起
４ａ、４ｂ；溝部
５；リブ
６；突起３が配列する方向に延びる線
７；管周方向に延びる線
８；管軸に平行な直線
１１；吸収式伝熱性能試験装置
１２、１３；チャンバ
１２ａ；仕切板
１２ｂ；通気口
１４；蒸発器
１５；吸収器
１６；再生器
１７；凝縮器
１８；溶液熱交換器
１９、２０、２５、２６；水路
２１、２４、２７、３６；流量計
２２、２８；散布トレー
２３、２９、３２、３４；ポンプ
３０；電気ヒータ
３１；冷却コイル
３３；水路（吸収液）
３７；絶対圧力変換器
ｈ_１；突起３の高さ
ｈ_２；リブ５の高さ
ＧＷ_１；管軸平行断面における溝部４ａの最小幅
ＧＷ_２；管軸直交断面における溝部４ｂの最小幅
ＰＷ_１；管軸平行断面における突起３の根元の幅
ＰＦ；管軸平行断面における突起３の配列周期（ピッチ）
ＰＲ；管軸直交断面における突起３の配列周期（ピッチ）
θ_１；線６と線７とがなす角度
θ_２；溝部４ｂのひらき角
θ_３；管軸に平行な直線８とリブ５が延びる方向とのなす角度
ＬＢ；臭化リチウム水溶液（吸収液）
Ｗ；水（冷媒）

Claims

管外に流下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管において、管本体と、この管本体の外面に形成され螺旋状又は環状に配列された複数個の突起と、を有し、前記管本体の外表面における管周方向と前記突起の配列方向とのなす角度が０乃至１９°であり、管軸を含む断面において、隣り合う前記突起間の溝部の最小幅が前記突起の根元の幅以上であり、管軸直交断面において、隣り合う前記突起間の溝部の両側面のなす角度が１５乃至５０°であり、管軸直交断面において、前記溝部の最小幅が０．１０乃至０．３０ｍｍであることを特徴とする流下液膜式蒸発器用伝熱管。
前記突起の形状が四角錐台形であることを特徴とする請求項１に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
管軸を含む断面における前記突起の配列周期が１．１５乃至２．５４ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
管軸直交断面における前記突起の配列周期が０．６０乃至１．５０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
前記管本体の内面に形成され螺旋状に延びるリブを有し、この内面における管軸に平行な直線と前記リブが延びる方向とのなす角度が３８乃至４７°であり、前記リブの高さが０．２０乃至０．３５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。