JP2007163120A - 蒸発式熱交換管 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率に優れた臭素冷却ユニットの蒸発式熱交換管を提供する。
【解決手段】熱交換管１００には螺旋状のシングル螺旋フィン３１が形成されており、フィン３１には二次溝３２が形成されている。フィン３１は二次溝３２により分割されているため、液滴がフィン３１及び熱交換管１００に滴下した場合、管の周方向、軸方向及びフィンの周方向に沿って迅速に拡散して、液膜を形成することができる。従って、冷凍剤と熱交換管の表面とが十分に接触でき、液滴の凝縮速度を速めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は蒸発式熱交換管に係り、詳しくは臭素冷却ユニット蒸発器に用いる熱交換管に関する。

１９９０年６月にイギリスのロンドンにて、フロン（ＣＦＣ、Cholrofluorocarbons）使用制限スケジュールが制定され、先進国では２０００年までにフロンの使用を中止し、発展途上国では、さらに１０年間の猶予を設けフロンの使用を中止とする決議がなされた。

フロン使用制限スケジュール表の制定以降、代替フロンの研究及び応用が急速に進められており、クリーンかつ環境にやさしい代替フロンの使用範囲は拡大しつつある。代替フロンを使用した装置の一例としては、臭化リチウム吸収式冷凍機を挙げることができる。

本臭化リチウム式冷凍機は、科学技術の進歩による新技術と新方法により絶えず改良されており、冷凍能力の効率化、冷凍装置の小型化及び軽量化がなされている。本改良に伴い、臭化リチウム吸収式冷凍機の冷凍関連重要部品である凝縮器用管についても改良する必要がある（特許文献１参照）。

特開平１０−８５８７９号公報

しかし、従来の凝縮器用管では、一般的な銅平滑管、或いはその改良型熱交換管が使用されているため、熱交換効率の向上、コストの削減及び省エネ等の要求に対して十分に対応することができていない。

従来の凝縮器用管の主な欠陥は次に挙げる通り、
１）凝縮器用管は非臭化リチウム吸収式冷凍機専用の銅管であり、臭化リチウム吸収式冷凍機内の流体の流動に適応できないため、その熱交換性能及びエネルギー交換の効率は低いものである。

２）一部の熱交換管では、平滑銅管に多数のフィン（即ち薄片形のフィン）が取り付けられて放熱面積を増加しているが、フィンが取り付けられていない平滑銅管に比べて伝熱効率に多少優れるものの、フィンを取り付ける際のコスト、及びフィンを取り付けることによる熱交換管全体の重量を増加させる弊害が生じている。さらに、フィンが取り付けられた熱交換管は、フィンの熱抵抗により効果的に熱交換できず、熱交換管内の作動媒体の温度を急速に下げることができない。

３）さらに、一部の熱交換管には、平滑管に略台形のフィンが加工され、さらに、フィンの表面には溝が設けられている。本溝付きの台形フィンは、その放熱面積を拡大できるが、凝縮剤がフィンの溝に滞留してフィンとフィンとの間溝の中を塞いでしまうため、管表面に熱交換膜を形成することが困難となり、管の熱交換率を低下させてしまう。

４）従来の管の平滑面とフィンを備える面との間に過渡的に形成される不完全なフィン部の長さは約６０ｍｍであり、不完全なフィン部が長いほど、熱交換性能の向上には不利である。

係る課題を解決するため、本発明は、フィン部（３）と、フィン部（３）の両端に位置する平滑部（１）とを備え、前記フィン部（３）にフィン（３１）が設置されている蒸発式熱交換管（１００）において、前記フィン（３１）はシングル螺旋フィンであり、このフィンにフィンを独立フィンに分割する二次溝（３２）が設けられており、前記フィンの幅（Ｗ３）とフィン溝底幅（Ｗ１）との比の範囲が０．２５〜０．７２、好ましくは０．２５〜０．３８であることを特徴とする蒸発式熱交換管（１００）にある。

本発明は、前記フィンの幅（Ｗ３）の範囲が０．２〜０．４ｍｍであり、フィン溝底幅（Ｗ１）の範囲が０．５５〜０．７５ｍｍであることを特徴とする。

本発明は、前記フィンの高さ（Ｆｈ１）とフィン部の底壁の厚さ（Ｔｆ）との比の範囲が０．５〜０．８であることを特徴とする。

本発明は、前記フィンの高さ（Ｆｈ１）の範囲が０．３〜０．４ｍｍであり、フィン部の底壁の厚さ（Ｔｆ）の範囲が０．５〜０．６５であることを特徴とする。

本発明は、前記フィンの断面が台形をなし、フィンの第一螺旋角（Ｂ１）の範囲が１°〜１．５°であることを特徴とする。

本発明は、前記二次溝（３２）の溝深さ（Ｆｈ２）の範囲が０．２〜０．３ｍｍであることを特徴とする。

本発明は、前記二次溝（３２）の第二螺旋角（Ｂ２）の範囲が４０°〜５０°であり、二次溝の溝幅（Ｗ２）の範囲が０．１５〜０．３５ｍｍであることを特徴とする。

本発明は、前記フィンのピッチ（ＦＰＩ）が１９〜４０個／インチであり、前記二次溝の数（Ｎ２）の範囲が１円周あたり８０〜１２０個であることを特徴とする。

本発明は、管内壁に設置されている内歯（３３）をさらに備え、前記内歯の頂角（Ｂ）の範囲が３０°〜５０°であり、内歯の高さ（Ｒｈ）の範囲が０．２〜０．３ｍｍであることを特徴とする。

本発明は、平滑部（１）とフィン部（３）との間に過渡部（１１）を備え、過渡部の長さ（Ｌ）の範囲が５〜２５ｍｍであることを特徴とする。

本発明によると、蒸発式熱交換管にはシングル螺旋フィンが配置され、さらにフィンには二次溝が設けられており、フィンの幅とフィン溝底幅との比の範囲が０．２５〜０．７２であるので、蒸発式熱交換管の表面に形成された蒸発膜の蒸発効率を向上させて、熱交換管の熱交換性能及びエネルギー効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明に係る蒸発式熱交換管（熱交換管）１００は、熱交換管１００の両端に位置する平滑部１と、両平滑部１の間に設けられたフィン３１付きのフィン部３と、平滑部１とフィン部３との間に位置する過渡部１１と、管内面に形成された内歯３３とを備えている。

フィン３１は、熱交換管１００の表面に螺旋状に配設したシングル螺旋フィンであり、このフィン３１には、フィンを横断する方向に二次溝３２が設けられている。本二次溝３２によってフィン３１は分割されて、独立したフィンとなっている。本実施の形態による熱交換管１００は銅材を用いることが好ましい。

平滑部１の外径Ｄの範囲は１２〜２６ｍｍであり、管壁の厚さＴは０．５〜０．９ｍｍであり、過渡部１１の長さＬの範囲は５〜２５ｍｍである。従来の熱交換管の過渡部の長さは、少なくとも３０ｍｍ、通常では６０ｍｍであるため、本実施の形態の熱交換管１００の過渡部１１に形成された不完全なフィンの数は、従来の熱交換管に形成された不完全なフィンの数に比べ少なくすることができる。従って、熱交換部分の寸法を大きく設定して、放熱面積及び熱交換管の素管利用率を高めて、熱交換の効率を上げることができる。

本発明の熱交換管１００のフィン３１は、管壁の内部にねじコア、及び三組のフィンブレードを組合わせた加工機により圧延加工することで形成することができる。

フィン３１の外観はほぼ台形形状であり、フィン３１の第一螺旋角度Ｂ１の範囲は１°〜１．５°であり（図２及び図３参照）、フィン３１のピッチＦＰＩは１９〜４０個/インチであり、フィン３１の高さＦｈ１の範囲は０．３〜０．４ｍｍであり、幅Ｗ３の範囲は０．２〜０．４ｍｍであり、熱交換管１００のフィン部３における底壁Ｔｆの範囲は０．５〜０．６５ｍｍであり（図２参照）、フィン３１の間における溝底幅Ｗ１の範囲は０．５５〜０．７５ｍｍである。

二次溝３２は、熱交換管１００の軸方向に沿って形成されており、フィン３１を独立したフィンに分割している。従って、二次溝３２は熱交換管１００の外周に設置された二次フィンであると考えることができる。二次溝３２の第二螺旋角Ｂ２の範囲は４０°〜５０°であり（図３参照）、二次溝３２の溝幅Ｗ２の範囲は０．１５〜０．３５ｍｍであり、二次溝３２の数Ｎ２は１円周あたり８０〜１２０の間であり、二次溝３２の深さ（即ち二次溝３２底部とフィン３１の頂部との距離）Ｆｈ２の範囲は０．２〜０．３ｍｍである（図４参照）。

図２に図１の熱交換管１００のＡ部を拡大して示すとおり、熱交換管１００の内壁面に形成される内歯３３は、ほぼ三角形状の断面を有しており、内歯３３の頂角Ｂの角度範囲は３０°〜５０°、内歯３３の高さＲｈの範囲は０．２〜０．３ｍｍ、歯の数Ｎ１は８〜１６本／全長である。熱交換管１００の内壁面に内歯３３を設けることにより、熱交換管１００の内側の表面積を増すことができ、熱交換管１００の内部を通過する冷媒水と接触する面積を増大して、冷媒水と熱交換管１００との間で効率的に熱交換することができる。ただし、内歯３３は本発明にとって必ずしも必要ではなく、省略することもできる。

熱交換管１００の外表面では、フィン３１を複数の独立したフィンに分割する二次溝３２が形成されているため、熱交換管１００の外表面に液膜を形成しやすく、液膜の蒸発速度を速めて熱交換管の熱交換効率を高めることができる。その理由は次の通りである。臭化リチウム冷凍剤溶液は熱交換管１００の外表面に滴下された後、表面の親水作用により第一螺旋角Ｂ１方向、及び第二螺旋角Ｂ２にある、フィン溝底幅Ｗ１、二次溝の溝幅Ｗ２に沿って迅速に拡散して液膜を形成する。液膜を迅速に形成するため、フィンとフィン溝は台形の形状を有することが好ましい。

本発明のフィン３１の高さＦｈ１とフィン部３の底壁の厚さＴｆとの比の範囲は０．５〜０．８であり、フィンの幅Ｗ３とフィン溝底幅Ｗ１との比の範囲は０．２５〜０．７２、好ましくは０．２５〜０．３８である。このような典型的な構造は液膜の拡散に有利である。また、液膜の拡散が速いほど、液膜と熱交換管１００との間の熱抵抗が小さくなり、伝熱性能を向上して臭化リチウムの蒸発に有利である。

本発明は、フィン３１の断面の形状が台形をなし、台形のフィン３１に二次溝３２を設けることを例として説明したが、もちろん本発明のフィン３１の断面は、例えば三角形、四角形等の他の形状にすることもできる。フィン３１の幅Ｗ３とフィン溝底幅Ｗ１との比の範囲が０．２５〜０．７２であればよい。

また、熱交換管１００の中の作動媒体は冷媒水であるため、冷媒水中に含まれる水質汚物が管内壁表面に附着した場合であっても、伝熱による熱交換管１００の拡張収縮と、水質汚物の拡張収縮とが異なるので、水質汚物は熱交換管１００の内表面から剥がれ落ちることができる。従って熱交換管１００は優れた自己清潔性を有している。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、当業者にとって、本発明の原理に基づき、本発明に対して若干の改良及び修正ができ、それらの改良及び修正はすべて本発明が請求する保護範囲に属する。

本発明の実施の形態である熱交換管の側面図である。 熱交換管の一部を拡大して示す図である。 熱交換管のフィン部分を拡大して示す図である。 熱交換管のフィン部分の斜視図である。

符号の説明

１ 平滑部
３ フィン部
１１ 過渡部
３１ フィン
３２ 二次溝
３３ 内歯
Ｂ 内歯の頂角
Ｂ１ フィンの第一螺旋角度
Ｂ２ 二次溝の第二螺旋角
Ｆｈ１ フィンの高さ
Ｆｈ２ 二次溝の溝深さ
ＦＰＩ フィンのピッチ
Ｌ 過渡部の長さ
Ｎ２ 二次溝の数
Ｔｆ フィン部の底壁の厚さ
Ｗ１ フィン溝底幅
Ｗ２ 二次溝の溝幅
Ｗ３ フィンの幅
Ｒｈ 内歯の高さ
１００ 熱交換管

Claims (10)

1. フィン部と、フィン部の両端に位置する平滑部とを備え、前記フィン部にフィンが設置されている蒸発式熱交換管において、前記フィンはシングル螺旋フィンであり、このフィンにフィンを独立フィンに分割する二次溝が設けられており、前記フィンの幅とフィン溝底幅との比の範囲が０．２５〜０．７２であることを特徴とする蒸発式熱交換管。
2. 前記フィンの幅の範囲が０．２〜０．４ｍｍであり、フィン溝底幅の範囲が０．５５〜０．７５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の蒸発式熱交換管。
3. 前記フィンの高さとフィン部の底壁の厚さとの比の範囲が０．５〜０．８であることを特徴とする請求項１に記載の蒸発式熱交換管。
4. 前記フィンの高さの範囲が０．３〜０．４ｍｍであり、フィン部の底壁の厚さの範囲が０．５〜０．６５であることを特徴とする請求項3に記載の蒸発式熱交換管。
5. 前記フィンの断面が台形をなし、フィンの第一螺旋角の範囲が１°〜１．５°であることを特徴とする請求項１に記載の蒸発式熱交換管。
6. 前記二次溝の溝深さの範囲が０．２〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の蒸発式熱交換管。
7. 前記二次溝の第二螺旋角の範囲が４０°〜５０°であり、二次溝の溝幅の範囲が０．１５〜０．３５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の蒸発式熱交換管。
8. 前記フィンのピッチが１９〜４０個／インチであり、前記二次溝の数の範囲が１円周あたり８０〜１２０個であることを特徴とする請求項１に記載の蒸発式熱交換管。
9. 管内壁に設置されている内歯をさらに備え、前記内歯の頂角の範囲が３０°〜５０°であり、内歯の高さの範囲が０．２〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の蒸発式熱交換管。
10. 平滑部とフィン部との間に過渡部を備え、過渡部の長さの範囲が５〜２５ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の蒸発式熱交換管。
    

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