JP2007120787A - 内面溝付伝熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発熱伝達率を大幅に向上させることができるとともに、凝縮熱伝達率の低減を抑制することができる内面溝付伝熱管を提供する。
【解決手段】中心軸線としての管軸線Ｏをもつ管本体２２と、管本体２２の内面に複数の螺旋溝２００を管軸線Ｏに沿って設けることにより形成され、所定のフィン高さＨｆをもつ複数の第１フィン２３と、複数の螺旋溝２００のうち少なくとも１つの螺旋溝の溝底に立設された少なくとも１つの第２フィン２４とを備えた内面溝付伝熱管２１において、第２フィン２４のフィン高さｈｆ及びねじれ角αは、螺旋溝２００の溝底幅及びねじれ角をそれぞれＷ，βとするとともに、管本体２２の内径をｄｉとすると、Ｐ＝Ｗ×ｄｉ×ｓｉｎβがＰ≧０．８６である場合、それぞれＨｆ／１５≦ｈｆ≦Ｈｆ／３とα＝βを満足する寸法・角度に設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば冷媒を管内で蒸発または凝縮させて熱交換を行う場合に使用する内面溝付伝熱管に関する。

冷凍機，空気調和機，ヒートポンプ等における熱交換器には、冷媒を伝熱管内に通し、その冷媒を伝熱管内で蒸発あるいは凝縮させることにより、熱交換を行う伝熱管が使用されている。

上記のような伝熱管の内面は、当初は平滑なものであったが、熱力学的研究が進むにつれ、所定の凹凸を形成した方が熱伝達率を向上させることが分かり、最近では主に外径５ｍｍ〜９．５２ｍｍの伝熱管の内面に断面略台形状の溝とその溝を隔てる断面略三角形状のフィンをらせん状に連続的に形成させた内面溝付伝熱管が主流を占めるようになった。（「コンパクト熱交換器」 瀬下 裕著 Ｐ１３８）

図９は、従来の管内蒸発・凝縮用伝熱管（内面溝付伝熱管）を示す図である。図９（ａ）は、管軸線（仮想軸線）を含む断面図である。図９（ｂ）は、管軸線と直角な断面図である。図９（ｃ）は、図９（ｂ）をＡ部分を拡大して示す断面図である。なお、図９において、Ｈはフィン高さ、βは管軸線に対する角度（ねじれ角）、Ｗは溝底幅を示す。この内面溝付伝熱管１は、管本体２の内面に連続した螺旋溝３及び螺旋フィン４を形成したものである。

このような内面溝付伝熱管１を用いると、管内の表面積が大きくなり、熱伝達面積が増大する。また、乱流効果の促進、螺旋フィン付加に伴う冷媒液膜厚さの減少により高い蒸発熱伝達率・凝縮熱伝達率が得られ、冷凍機，空気調和器，ヒートポンプ等の性能を向上させることができる。

近年、この種の内面溝付伝熱管には、フィン高さの比較的低い１つあるいは複数のフィンを螺旋フィン間に付加し、液膜を薄く保持することにより蒸発性能を向上させた溝形状をもつものが開発されている（例えば特許文献１参照）。図１０は、高いフィンと低いフィンを有する内面溝付伝熱管を示す図である。図１０（ａ）は、管軸線と直角な断面図である。図１０（ｂ）は、図１０（a）のＡ部分を拡大して示す断面図である。

図１０（ａ）及び（ｂ）において、内面溝付伝熱管１０は、管本体１１及び高フィン１２a・低フィン１３aを有し、全体が銅管によって形成されている。管本体１１（外径７ｍｍ，溝底肉厚０．２５ｍｍ）の内面には、フィン高さ０．２ｍｍ，ねじれ角１６度，フィン数５０個の高フィン１２aが形成され、さらに高フィン１２aと高フィン１２aとの間の螺旋溝１２ｂの溝底に高さ０．０３ｍｍの低フィン１３aを２山ずつ形成されている。なお、図１０（ｂ）において、Ｈfは高フィンのフィン高さを、ｈｆは低フィンのフィン高さをそれぞれ示す。

このような現状の内面溝付伝熱管１０を用いると、前記した従来の内面溝付伝熱管よりも表面積が増大し、また低フィン１３aの存在により薄い液膜が形成され、蒸発性能を向上させることができる。
特開２００２−３５００８０号公報

しかし、特許文献１によると、管本体１１の高フィン１２aの高さが０．２ｍｍ、低フィン１３aの高さが０．０３ｍｍであるので、フィン高さ比（低フィンのフィン高さ÷高フィンのフィン高さ）は０．１５となり、図１１に示すように従来の内面溝付伝熱管（低フィン１３ａを有しない伝熱管）に比べ蒸発熱伝達率が１．０８倍となり、凝縮熱伝達率が０．９８倍とやや低下する。フィン高さ比が大きくなると、凝縮熱伝達率はさらに低下し、フィン高さ比０．２５で０．８倍以下に低下し、蒸発熱伝達率の向上も１．１倍と増加の割合は少ない。このように、ねじれ角１６度の高フィン１２ａを有する外径７ｍｍの内面溝付伝熱管では、低フィン付加による性能向上率が少ない。すなわち、高フィン１２ａと低フィン１３ａを有する内面溝付伝熱管１０では、蒸発熱伝達率の向上が認められるものの、１０％未満と性能向上が小さく、またフィン高さ比の増加に伴い凝縮熱伝達率が大きく低下してしまう。

そこで、本発明者は、高フィンと低フィンとの高さ比が熱伝達率比（蒸発熱伝達率／凝縮熱伝達率）に及ぼす影響を考察するとともに、管本体の内径ｄｉ（ｍｍ）と螺旋溝の溝底幅Ｗ（ｍｍ）とねじれ角βのｓｉｎ値との積（Ｐ＝Ｗ×ｄｉ×ｓｉｎβ）が蒸発熱伝達率比に及ぼす影響を考察し、高フィンのフィン高さＨｆ及び低フィンのフィン高さｈｆ・管本体の内径ｄｉ・螺旋溝の溝底幅Ｗ・ねじれ角βを変更することの検討を開始したが、その過程で低フィンのフィン高さｈｆ（ｍｍ）及びねじれ角α（度）は、螺旋溝の溝底幅及びねじれ角をそれぞれＷ（ｍｍ），β（度）とするとともに、管本体の内径をｄｉ（ｍｍ）とし、Ｐ＝Ｗ×ｄｉ×ｓｉｎβがＰ≧０．８６である場合、それぞれＨｆ／１５≦ｈｆ≦Ｈｆ／３とα＝βを満足する寸法・角度に設定されていると、蒸発熱伝達率が大幅に向上するとともに、凝縮熱伝達率の低減が抑制されることを見出した。

従って、本発明の目的は、蒸発熱伝達率を大幅に向上させることができるとともに、凝縮熱伝達率の低減を抑制することができる内面溝付伝熱管を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、中心軸線としての管軸線をもつ管本体と、前記管本体の内面に複数の螺旋溝を前記管軸線に沿って設けることにより形成され、所定のフィン高さＨｆをもつ複数の第１フィンと、前記複数の螺旋溝のうち少なくとも１つの螺旋溝の溝底に立設された少なくとも１つの第２フィンとを備えた内面溝付伝熱管において、前記第２フィンのフィン高さｈｆ及びねじれ角αは、前記螺旋溝の溝底幅及びねじれ角をそれぞれＷ，βとするとともに、前記管本体の内径をｄｉとすると、Ｐ＝Ｗ×ｄｉ×ｓｉｎβがＰ≧０．８６である場合、それぞれＨｆ／１５≦ｈｆ≦Ｈｆ／３とα＝βを満足する寸法・角度に設定されていることを特徴とする内面溝付伝熱管を提供する。

本発明によると、蒸発熱伝達率を大幅に向上させることができるとともに、凝縮熱伝達率の低減を抑制することができる。

[実施の形態]
図１は、本発明の実施の形態に係る内面溝付伝熱管を説明するために示す図である。図１（ａ）は、管軸線と直角な断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ部分を拡大して示す断面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）において、符号２１で示す内面溝付伝熱管は、中心軸線としての管軸線（仮想軸線）Ｏをもつ管本体２２と、各フィン高さが互いに異なる大小（高低）２つのフィン２３，２４（第１フィン２３，第２フィン２４）とを備え、全体が例えば銅製の丸管によって形成されている。

管本体２２は、例えば外径ｄｏがｄｏ＝９．５２ｍｍに、また内径ｄｉ（溝底肉厚０．３０ｍｍ）がｄｉ＝８．９２ｍｍにそれぞれ設定されている。

第１フィン（高フィン）２３は、管本体２２の内面に複数（５５個）の螺旋溝２００を管軸線Ｏに沿って設けることにより、頂角ａを０＜ａ＜９０度とする断面略台形状の突起体によって形成されている。フィン高さＨｆは例えばＨｆ＝０．１８ｍｍに、またねじれ角βは例えばβ＝３５度に、フィン数Ｎは例えばＮ＝５５にそれぞれ設定されている。

第２フィン（低フィン）２４は、５５個の第１フィン２３のうち互いに隣り合う２つの第１フィン間に配設され、かつ５５個の螺旋溝２００の溝底に立設され、第１フィン２３と同様に頂角ａを０＜ａ＜９０度とする断面略台形状の突起体によって形成されている。フィン高さｈｆ及びねじれ角αは、螺旋溝２００の溝底幅及びねじれ角（第１フィン２３のねじれ角）をそれぞれＷ，βとするとともに、管本体２２の内径をｄｉとすると、Ｐ＝Ｗ×ｄｉ×ｓｉｎβがＰ≧０．８６である場合、それぞれＨｆ／１５≦ｈｆ≦Ｈｆ／３とα＝βを満足する寸法・角度に設定されている。例えば、フィン高さｈｆはｈｆ＝０．０３ｍｍに設定されている。また、フィン数ｎはｎ＝５５、ねじれ角αはα＝３５度にそれぞれ設定されている。

図２は伝熱管性能測定装置を示す。図２において、伝熱管性能測定装置１００は、冷媒蒸気を圧縮する圧縮機１０１と、圧縮機１０１によって圧縮された冷媒蒸気を凝縮して冷媒液を得る凝縮器１０２と、凝縮器１０２からの冷媒液を減圧する膨張弁１０３と、膨張弁１０３によって減圧された冷媒を蒸発して冷媒ガスを得る蒸発器１０４とを備えている。

このような伝熱管性能測定装置１００を用いて蒸発熱伝達率を測定するには、図１に示す内面溝付伝熱管２１を有効長３０００ｍｍとして図２に示すように蒸発器１０４に組み込んで行う。蒸発器１０４は二重管構造となっており、内面溝付伝熱管２１の外に水を流して内面溝付伝熱管２１の中の冷媒を蒸発させる。一方、凝縮熱伝達率を測定するには、凝縮器１０２に内面溝付伝熱管２１を組み込んで行う。

図９に示すような従来の内面溝付伝熱管の１つひとつの溝内の液の挙動に注目した場合、管内が液で濡れやすいか否かは、表面張力と重力の関係で決定される。内面溝付伝熱管がその管軸線を重力方向に直角に設置されたとき、管内径が小さくまた溝底幅が小さい場合は表面張力が大きくなり、管内は液で濡れやすくなる。また、ねじれ角が大きいと、溝に沿って液が重力方向に流れやすくなるため、管内面（特に管内上部）は乾きやすくなる。

本実施の形態においては、冷媒にＲ４１０Ａを用い、蒸発試験時には蒸発器１０４の入口乾き度を０．２、出口飽和温度を１２．０度、出口過熱度を２度とし、凝縮試験時には凝縮器１０２の入口過熱度を２２．５度、入口飽和温度を４０度、出口過冷却度を５度にした。そして、伝熱管の仕様は表１，２に示す通りとし、次の各測定を実施した。

図３は、図２に示す伝熱管性能測定装置１００を用い、管外径ｄｏ（ｄｏ＝７ｍｍ〜９．５２ｍｍ）について溝底幅Ｗ（Ｗ＝０．２７ｍｍ〜０．４１ｍｍ）と管内径ｄｉ（ｄｉ＝６．５ｍｍ〜８．４６ｍｍ）とｓｉｎβ（ねじれ角β＝１８度〜４０度）の積（Ｐ＝Ｗ×ｄｉ×ｓｉｎβ）が蒸発熱伝達率比に及ぼす影響を考察した結果を示すグラフである。なお、縦軸は従来の内面溝付管との蒸発熱伝達率比を、横軸はＷ×ｄｉ×ｓｉｎβをそれぞれ示す。管内径ｄｉは溝底基準の内径である。ここで、「従来の内面溝付管との蒸発熱伝達率比」とは、「本発明による第１（高）フィンと第２（低）フィンを有する内面溝付管の蒸発熱伝達率」と「同仕様で第２フィンを取り除いた従来内面溝付管の蒸発熱伝達率」との性能比のことである。また、蒸発熱伝達率比は冷媒流量が３０ｋｇ／ｈの場合である。

図３から明らかなように、第２フィンを付加しても、蒸発性能向上はＰ＝Ｗ×ｄｉ×ｓｉｎβが小さいと見込めないが、Ｐが大きくなるとその効果が大きくなる。これは、Ｐが小さいと、表面張力の効果が大きくなり、これに対してＰが大きいと、表面張力の効果が小さくなるからである。図３より、Ｗ×ｄｉ×ｓｉｎβが０．８６以上であれば、低フィン付加により蒸発性能は向上する。

図４は、第１フィンと第２フィンとのフィン高さ比が凝縮・蒸発熱伝達率に及ぼす影響を考察した結果を示すグラフである。なお、縦軸は従来の内面溝付伝熱管との性能比を、また横軸は第２フィンのフィン高さｈｆを第１フィンのフィン高さＨｆで割った値（ｈｆ／Ｈｆ）をそれぞれ示す。ここで、従来の内面溝付伝熱管とは、「第２フィンと第１フィンのフィン高さ比が０、すなわち第１フィンだけの内面溝付伝熱管のことである。熱伝達率比は冷媒流量が３０ｋｇ／ｈの場合である。

図４から明らかなように、本実施の形態の内面溝付伝熱管（第１フィンのフィン高さＨｆはＨｆ＝０．１８ｍｍ、第２フィンのフィン高さｈｆはｈｆ＝０．０３ｍｍ）は、フィン高さ比が約０．１７であり、従来の内面溝付伝熱管に比べ蒸発熱伝達率が１．４倍、凝縮熱伝達率が０．９７倍となっている。

ここで、フィン高さ比が１／１５未満になると、蒸発熱伝達率の向上が小さくなってしまい、一方フィン高さ比が１／３を超えると、第２フィン付加による重量増加が４％以上となり、伝熱管の重量が重くなりコスト増加を招く。これより、フィン高さ比は１／１５以上、１／３以下であること（Ｈｆ／１５≦ｈｆ≦Ｈｆ／３）が好ましい。

図５は、伝熱管外径が凝縮・蒸発熱伝達率に及ぼす影響を考察した結果を示すグラフである。なお、縦軸は従来の内面溝付伝熱管との性能比を、横軸は伝熱管の外径をそれぞれ示す。

伝熱管の仕様は表１の通りである。図５から明らかなように、蒸発熱伝達率が外径７ｍｍでは１１０％と、外径７．９４ｍｍでは１３０％と、外径９．５２ｍｍでは１４０％とそれぞれ高くなっている。これより、外径は７．９ｍｍ以上であることが望ましい。

図６は、凝縮・蒸発熱伝達率に及ぼす影響を考察した結果を示すグラフである。なお、縦軸は従来の内面溝付管との性能比を、また横軸は螺旋溝のねじれ角βをそれぞれ示す。ねじれ角以外の仕様は、表２の外径９．５２ｍｍの内面溝付伝熱管と同様である。

図６から明らかなように、蒸発熱伝達率がねじれ角１８度では１１５％と、ねじれ角２５度では１３０％と、ねじれ角３５度では１４０％とそれぞれ高くなっている。これより、ねじれ角βは２５度以上であることが望ましい。

従って、外径ｄｏがｄｏ≧７．９ｍｍ、螺旋溝２００のねじれ角βがβ≧２５度であれば、第２フィン２４の付加によって凝縮熱伝達率の低下が小さく、また蒸発熱伝達率の向上が大きいことが上記測定で確認された。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

第２フィン２４のフィン高さｈｆ（ｍｍ）及びねじれ角α（度）は、螺旋溝２００の溝底幅及びねじれ角をそれぞれＷ（ｍｍ），β（度）とするとともに、管本体２２の内径をｄｉｍｍとし、Ｐ＝Ｗ×ｄｉ×ｓｉｎβがＰ≧０．８６ｍｍ²である場合、それぞれＨｆ／１５≦ｈｆ≦Ｈｆ／３とα＝βを満足する寸法・角度に設定されていると、蒸発熱伝達率を大幅に向上させることができるとともに、凝縮熱伝達率の低減を抑制することができる。

以上、本発明の内面溝付伝熱管を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

本実施の形態では、第２フィン２４が螺旋溝２００（５５個）の各溝底に１個立設されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図７及び図８に示すように第２フィン２４を特定の螺旋溝２００の溝底に立設してもよい。この場合、その個数は単数に限定されない。すなわち要するに、本発明は、複数の螺旋溝のうち少なくとも１つの螺旋溝の溝底に少なくとも１つの第２フィンが立設されていればよい。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る内面溝付伝熱管を説明するために示す断面図。 伝熱管性能測定装置を説明するために示す平面図。 本発明の実施の形態に係る内面溝付伝熱管のＷ×ｄｉ×ｓｉｎβと熱伝達率比との関係を示すグラフ。 本発明の実施の形態に係る内面溝付伝熱管のフィン高さ比と熱伝達率比との関係を示すグラフ。 本発明の実施の形態に係る内面溝付伝熱管の外径と熱伝達率比との関係を示すグラフ。 本発明の実施の形態に係る内面溝付伝熱管のねじれ角と熱伝達率比との関係を示すグラフ。 本発明の実施の形態に係る内面溝付伝熱管の変形例（１）を説明するために示す断面図。 本発明の実施の形態に係る内面溝付伝熱管の変形例（２）を説明するために示す断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の内面溝付伝熱管を説明するために示す断面図。 （ａ）及び（ｂ）は、高フィン及び低フィンを有する現状の内面溝付伝熱管を説明するために示す断面図。 図１０の内面溝付伝熱管のフィン高さ比と熱伝達率との関係を示すグラフ。

符号の説明

１，１０，２１…内面溝付伝熱管
２，１１，２２…管本体
３，１２ｂ，２００…螺旋溝
４…螺旋フィン
１２ａ…高フィン
１３ａ…低フィン
２３…第１フィン
２４…第２フィン
１００…伝熱管性能測定装置
１０１…圧縮機
１０２…凝縮器
１０３…膨張弁
１０４…蒸発器
ａ…頂角
ｄｏ…管本体の外径
ｄｉ…管本体の内径
Ｈ…フィン高さ
Ｈｆ…第１フィンのフィン高さ
ｈｆ…第２フィンのフィン高さ
β…管軸線に対する螺旋溝のねじれ角
Ｗ…螺旋溝の溝底幅
Ｏ…管軸線

Claims (5)

1. 中心軸線としての管軸線をもつ管本体と、
   前記管本体の内面に複数の螺旋溝を前記管軸線に沿って設けることにより形成され、所定のフィン高さＨｆをもつ複数の第１フィンと、
   前記複数の螺旋溝のうち少なくとも１つの螺旋溝の溝底に立設された少なくとも１つの第２フィンとを備えた内面溝付伝熱管において、
   前記第２フィンのフィン高さｈｆ及びねじれ角αは、前記螺旋溝の溝底幅及びねじれ角をそれぞれＷ，βとするとともに、前記管本体の内径をｄｉとすると、Ｐ＝Ｗ×ｄｉ×ｓｉｎβがＰ≧０．８６である場合、それぞれＨｆ／１５≦ｈｆ≦Ｈｆ／３とα＝βを満足する寸法・角度に設定されていることを特徴とする内面溝付伝熱管。
2. 前記第２フィンのフィン数は前記第１フィンのフィン数と同一のフィン数に設定されている請求項１に記載の内面溝付伝熱管。
3. 前記第２フィンのフィン数は前記第１フィンのフィン数より少ないフィン数に設定されている請求項１に記載の内面溝付伝熱管。
4. 前記第２フィンのフィン数は前記第１フィンのフィン数より多いフィン数に設定されている請求項１に記載の内面溝付伝熱管。
5. 前記管本体の外径ｄ₀はｄ₀≧７．９ｍｍを満足する寸法に設定され、
   前記螺旋溝のねじれ角βはβ≧２５度を満足する角度に設定されている請求項１乃至４のいずれかに記載の内面溝付伝熱管。

Images