JP2010243132A - 伝熱管及び熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱輸送量が高い伝熱管及び熱交換器を提供する。
【解決手段】本発明に係る伝熱管１は、管本体１０と、管本体１０の内表面１０ａに設けられる第１フィン２０と、第１フィン２０の内表面１０ａの反対側に第１フィン２０と一体に設けられ、第１フィン２０の断面幅より狭い断面幅を有する第２フィン３０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝熱管及び熱交換器に関する。特に、本発明は、ヒートパイプ用伝熱管、ヒートポンプ式熱交換器用伝熱管、及びヒートポンプ式熱交換器に関する。

従来、ヒートポンプ式熱交換器に用いる伝熱管として、内周面に設けられるらせん状の溝と溝間のフィンとを有する管本体を備え、管本体の外径Ｄが３ｍｍ乃至７ｍｍであり、フィンの高さｈが０．１ｍｍ乃至０．３ｍｍであり、管軸直行断面における管周長あたりのフィンの数ｎが５０以上であり、溝における管の肉厚ｔがσＢを管の引張強さとした場合に、ｔ≧（２５．５×Ｄ）／［２×（０．８×σＢ＋２５．５）］を満たすような伝熱管が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の伝熱管は、上記構成を備えるので、拡管により管外面にフィンを装着して熱交換器を作製した場合であっても、拡管時におけるフィンのつぶれ、倒れ等を低減することができるので、優れた伝熱性能を発揮することができる。

特開２００７−２７１１２３号公報

しかし、特許文献１に記載の伝熱管は、フィンとフィンとの間に管軸方向に開放された溝が形成されており、例えば、二酸化炭素等の核沸騰する冷媒を用いた場合には、当該溝において沸騰核が形成されにくいので、熱伝達率の向上には限界がある。

したがって、本発明の目的は、伝熱性能が高い伝熱管及び高性能な熱交換器を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するため、管本体と、管本体の内表面に設けられる第１フィンと、第１フィンの内表面の反対側に第１フィンと一体に設けられ、第１フィンの断面幅より狭い断面幅を有する第２フィンとを備える伝熱管が提供される。

（２）また、上記伝熱管は、内表面に垂直な方向の第１フィンの中心軸と、内表面に垂直な方向の第２フィンの中心軸とが互いにずれていてもよい。

（３）また、上記伝熱管は、第１フィンは、管本体の管軸に第１フィンの先端を向けていてもよい。

（４）また、上記伝熱管は、内表面には複数の第１フィンが設けられ、第１フィンの内表面からの高さをｈ_１とし、第２フィンの第１フィンとの接続部分からの高さをｈ_２とし、第１フィンの頂角をαとし、複数の第１フィンの間隔をＷとした場合に、ｈ_２が、ｈ_２＜Ｗ＋２・ｈ_１・ｔａｎ（α／２）を満たしてもよい。

（５）また、上記伝熱管は、第２フィンは、第２フィンの長手方向に間隔をおいて形成される複数の切り込み部又は凹部を有していてもよい。

（６）第１フィンは、管本体の管軸に前記第１フィンの先端を向け、第２フィンは、第１フィンの先端、又は第１フィンと第２フィンとの接続部分のいずれか一方を支点として第２フィンを折り曲げることにより、管本体の内表面に沿った方向に第２フィンの先端が向けられてもよい。

（７）また、第２フィンは、管本体の管軸に第２フィンの先端を向けてもよい。

（８）また、本発明は、上記目的を達成するため、管本体と、管本体の内表面に設けられる第１フィンと、第１フィンの内表面の反対側に第１フィンと一体に設けられ、第１フィンの断面幅より狭い断面幅を有する第２フィンとを有する伝熱管を拡管した拡管伝熱管を備える熱交換器が提供される。

（９）また、上記熱交換器は、拡管伝熱管は、上記（２）〜（７）のいずれか１つに記載の伝熱管を拡管した拡管伝熱管であってもよい。

本発明に係る伝熱管及び熱交換器によれば、伝熱性能が高い伝熱管及び高性能な熱交換器を提供できる。

（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る伝熱管の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線の円で囲んだ部分の拡大断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る伝熱管の一部分の拡大断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る伝熱管の一部分の拡大断面図である。 本発明の第２の実施の形態の変形例に係る伝熱管の一部分の拡大断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器の組立ての概要を示す図である。

［第１の実施の形態］
（伝熱管１の概要）
図１の（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る伝熱管の断面の概要を示し、（ｂ）は、（ａ）において一点鎖線の円で囲んだ部分の拡大断面の概要を示す。

第１の実施の形態に係る伝熱管１は、例えば、伝熱管１内で冷媒が沸騰、凝縮すると共に溝における毛管力で冷媒が循環するヒートパイプ用伝熱管として用いる。また、伝熱管１は、例えば、伝熱管１内において冷媒が循環して沸騰及び凝縮を繰り返すヒートポンプ式熱交換器用の伝熱管として用いることもできる。なお、伝熱管１は、他の方式の熱交換器用の伝熱管として用いることもできる。

図１（ａ）及び（ｂ）を参照すると、第１の実施の形態に係る伝熱管１は、管本体１０と、管本体１０の内表面１０ａから伝熱管１の中心方向（すなわち、管本体１０の管軸に向かう方向）に先端２０ａを向けて設けられる第１フィン２０と、第１フィン２０の内表面１０ａの反対側に第１フィン２０と一体に設けられ、第１フィン２０の断面幅より狭い断面幅を有する第２フィン３０とを備える。また、複数の第１フィン２０の間には、それぞれ溝４０が形成される。なお、伝熱管１は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を含む金属材料から形成することができる。

（第１フィン２０）
第１フィン２０は側面２０ｂと側面２０ｃとを有しており、内表面１０ａ側から伝熱管１の中心に向うにしたがって側面２０ｂと側面２０ｃとの間隔は徐々に狭まる。すなわち、第１フィン２０の幅は、内表面１０ａ側から伝熱管１の中心に向かって徐々に幅が狭まるように形成される。そして、第１フィン２０は、第１フィン２０の先端２０ａの一部分において第２フィン３０に一体になっている。また、内表面１０ａに沿って複数の第１フィン２０が間隔をおいて形成されており、複数の第１フィン２０のうちの一の第１フィン２０は、一の第１フィン２０の隣の他の第１フィン２０から間隔「Ｗ」だけ離間して形成される。なお、間隔「Ｗ」は、溝４０の底部の幅に該当する。

また、複数の第１フィン２０は、管本体１０の内表面１０ａにらせん状に形成することができる。なお、複数の第１フィン２０は、管軸に平行な方向に沿って内表面１０ａに形成することもできる。

（第２フィン３０）
第２フィン３０は側面３０ｂと側面３０ｃとを有しており、第１フィン２０と同様に内表面１０ａ側から伝熱管１の中心に向うにしたがって側面２０ｂと側面２０ｃとの間隔は徐々に狭まる。すなわち、第２フィン３０は、内表面１０ａ側から伝熱管１の中心に向かって徐々に幅が狭まるように形成される。そして、第１フィン２０の先端２０ａの一部において、第２フィン３０の底部が一体になっている。更に、第２フィン３０の先端３０ａは、第１フィン２０の先端２０ａと同様に、伝熱管１の中心（すなわち、管本体１０の管軸）に向けて設けられる。

（第１フィン２０と第２フィン３０との関係）
まず、第１の実施の形態においては、第２フィン３０は、内表面１０ａに垂直な方向（すなわち、内表面１０ａの法線方向）の第１フィン２０の中心軸Ａ−Ａと、内表面１０ａに垂直な方向（すなわち、内表面１０ａの法線方向）の第２フィン３０の中心軸Ｂ−Ｂとが互いにずれる位置になるように、第１フィン２０の先端２０ａに形成される。そして、一例として、第２フィン３０の側面３０ｃと第１フィン２０の側面２０ｃとが同一平面上に位置するように、第１フィン２０及び第２フィン３０は形成される。

なお、第２フィン３０の側面３０ｃと第１フィン２０の側面２０ｃ、及び／又は第２フィン３０の側面３０ｂと第１フィン２０の側面２０ｂとが互いに異なる面上に位置するように、第１フィン２０及び第２フィン３０を形成することもできる。斯かる場合においては、中心軸Ａ−Ａと中心軸Ｂ−Ｂとを一致させてもよい。

また、第１の実施の形態において第２フィン３０の側面３０ｃと第１フィン２０の側面２０ｃとが同一平面上に位置する場合、第１フィン２０の内表面１０ａから先端２０ａまでの高さを「ｈ_１」、第２フィン３０の第１フィン２０の先端２０ａから先端３０ａまでの高さを「ｈ_２」、第１フィン２０の頂角を「α」とした場合、第２フィン３０の高さ「ｈ_２」は、ｈ_２＜Ｗ＋２・ｈ_１・ｔａｎ（α／２）を満たすことが好ましい。第２フィン３０の高さをｈ_２＜Ｗ＋２・ｈ_１・ｔａｎ（α／２）の関係式を満たすように設定することで、第１フィン２０の先端２０ａ、又は第１フィン２０と第２フィン３０との接続部分のいずれか一方を支点として第２フィン３０を折り曲げた場合に、第２フィン３０の先端３０ａが隣接する第１フィン２０及び第２フィン３０に接触することがなくなる。

なお、第２フィン３０の側面３０ｃと第１フィン２０の側面２０ｃとが同一平面上に位置しない場合、第１フィン２０と第２フィン３０との接続部分に段差が生じる。斯かる場合、第１フィン２０の側面２０ｃと第２フィン３０の側面３０ｃとの間に生じる段差の表面長さｌを考慮して、第２フィン３０の高さを設定することが望ましい。

斯かる関係を満たす場合、第２フィン３０が隣接する他の第１フィン２０側に倒れた場合であっても、第２フィン３０によって溝４０が完全に覆われることを防止できる。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態に係る伝熱管１によれば、第１フィン２０と、第１フィン２０より狭い断面幅の第２フィン３０とを備えるので、第１フィン２０及び第２フィン３０と冷媒とが接触する面積を増大させることができる。これにより、高性能の伝熱管及び熱交換器を提供できる。

［第１の実施の形態の変形例］
図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る伝熱管の一部分の拡大断面の概要を示す。具体的に図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態の一の変形例に係る伝熱管の一部分の拡大断面の概要を示しており、図２（ｂ）は、他の変形例に係る伝熱管の一部分の拡大断面の概要を示す。

図２（ａ）を参照すると、第１の実施の形態の変形例に係る一の伝熱管は、第２フィン３０の先端３０ａに複数の切り込み部５０が形成されている点を除き、第１の実施の形態に係る伝熱管１と略同一の構成を備える。また、図２（ｂ）を参照すると、第１の実施の形態の変形例に係る他の伝熱管は、第２フィン３０の先端３０ａに複数の凹部５２が形成されている点を除き、第１の実施の形態に係る伝熱管１と略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。

第１の実施の形態の一の変形例に係る伝熱管の第２フィン３０は、長手方向に間隔をおいて形成される複数の切り込み部５０を有する。複数の切り込み部５０はそれぞれ、第２フィン３０の側面３０ｃから側面３０ｂまで貫通して設けられる。伝熱管内に冷媒を流した場合、複数の切り込み部５０のそれぞれにおいて、伝熱管内の冷媒の核沸騰により発生した気泡のサイズを減少させることができる。これにより、伝熱管の熱伝達率を向上させることができる。なお、複数の切り込み部５０はそれぞれ、先端３０ａ側から第１フィン２０の先端２０ａ側に向けて徐々に幅が狭まる形状を有する。すなわち、複数の切り込み部５０はそれぞれ、一方の傾斜面と他方の傾斜面とを有して形成される。

また、第１の実施の形態の他の変形例に係る伝熱管の第２フィン３０は、長手方向に間隔をおいて形成される複数の凹部５２を有する。複数の凹部５２はそれぞれ、第２フィン３０の側面３０ｃから側面３０ｂまで貫通して設けられる。そして、複数の凹部５２は、複数の切り込み部５０と同様に、伝熱管内に冷媒を流した場合に、伝熱管内の冷媒の核沸騰により発生した気泡のサイズを減少させる。なお、複数の凹部５２はそれぞれ、先端３０ａ側から第１フィン２０の先端２０ａ側に向けて略垂直な２つの側面と、第２フィン２０の長手方向に水平な底面とを有して形成される。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る伝熱管の一部分の拡大断面の概要を示す。

第２の実施の形態に係る伝熱管２は、第２フィン３０の先端３０ａが向く方向が第１の実施の形態に係る伝熱管１とは異なる点を除き、第１の実施の形態に係る伝熱管１と略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態に係る伝熱管２において、第１フィン２０は、管本体１０の管軸の方向にその先端２０ａを設けて形成される。一方、第２フィン３０は、管本体１０の内表面１０ａに沿った方向にその先端３０ａを向けて形成される。すなわち、第２の実施の形態においては、第１フィン２０は、第１フィン２０の中心軸Ａ−Ａが管本体１０の内表面１０ａの法線方向に沿った方向に伸びるように形成される。一方、第２フィン３０は、第２フィン３０の中心軸Ｂ−Ｂが内表面１０ａの法線方向に対して傾斜した方向（例えば、当該法線方向に略平行な方向）に伸びるように形成される。更に、第２フィン３０は、第１フィン２０の幅よりも狭い幅で形成される。

第２の実施の形態に係る伝熱管２は、例えば、以下のように形成される。まず、中心軸Ａ−Ａに沿った方向に伸びる第１フィン２０及び第２フィン３０を管本体１０の内表面１０ａに形成する。次に、マンドレルを用いて第２フィン３０を内表面１０ａ側に倒すことにより、中心軸Ｂ−Ｂを内表面１０ａの法線方向に対して傾斜（例えば、中心軸Ｂ−Ｂの方向が内表面１０ａの法線方向に略垂直になる方向に傾斜）させる。これにより、第２フィン３０の先端３０ａと、第１フィン２０と第２フィン３０との接続部分との間に、折れ曲がり部３０ｄが形成される。そして、第１フィン２０の幅よりも第２フィン３０の幅の方が狭いことにより、第１フィン２０の先端２０ａと第２フィン３０の折れ曲がり部３０ｄとにより、階段部３５が形成される。第２フィン３０の幅を第１フィン２０の幅より狭くすることで、内表面１０ａ側に第２フィン３０を倒す加工が容易になる。

更に、第１フィン２０の側面２０ｃと第２フィン３０の側面３０ｃとが同一平面上に存在する場合、第１の実施の形態と同様に、第２フィン３０の高さ「ｈ_２」がｈ_２＜Ｗ＋２・ｈ_１・ｔａｎ（α／２）を満たすように第２フィン３０を形成することが好ましい。斯かる場合、一の第２フィン３０の先端３０ａと、一の第２フィン３０の隣に位置する第１フィン２０との間には間隙６０が形成される。これにより、第２の実施の形態に係る伝熱管２は、溝４０の上方が第２フィン３０によって覆われると共に、溝４０の上方に間隙６０が含まれる構造を有することになる。この構造は、溝４０の底部と、一の第１フィンの側面２０ｃと、一の第１フィンの隣の第１フィンの側面２０ｂと、一の第１フィン２０に一体となっている第２フィン３０とから構成されるトンネル構造である。これにより、間隙６０を介して溝４０内と溝４０外との間、すなわち、トンネル構造の内と外とを冷媒（すなわち、冷媒の液体及び冷媒の蒸気）が自由に移動する。

なお、第２フィン３０の高さ「ｈ_２」を、伝熱管２内に流す冷媒の種類に応じて変化させることにより、間隙６０の幅を調整することができる。例えば、冷媒の粘度等の物性に応じて第２フィン３０の高さ「ｈ_２」を調整することにより、間隙６０を介して溝４０内と溝４０外との間で冷媒（冷媒の液体及び冷媒の蒸気）が自由に移動することのできる幅を有する間隙６０を形成することができる。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態に係る伝熱管２は、第２フィン３０を内表面１０ａ側に向けて倒すことにより溝４０の部分にトンネル構造を形成することができる。これにより、例えば、伝熱管２をヒートポンプ用熱交換器の伝熱管として用いた場合に、トンネル構造の領域で冷媒の核沸騰時における沸騰核が形成されやすくなるので、核沸騰が促進され、熱伝達率を向上させることができる。また、トンネル構造を伝熱管２内に形成することにより、トンネル構造の領域における毛管力を増大させることができ、例えば、伝熱管２をヒートパイプとして用いた場合に、当該ヒートパイプの熱輸送量を向上させることができると共に、第１フィン２０の側面２０ｂ及び側面２０ｃの内表面１０ｃに対する傾斜角による熱輸送量の依存性を低減できる。これにより、第２の実施の形態に係る伝熱管２によれば、高性能の伝熱管及び熱交換器を提供できる。

［第２の実施の形態の変形例］
図４は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る伝熱管の一部分の拡大断面の概要を示す。

第２の実施の形態の変形例に係る伝熱管は、第２フィン３０に複数の凹部５２が形成されている点を除き、第２の実施の形態に係る伝熱管２と略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。なお、凹部５２の代わりに切り込み部５０を形成することもできる。

まず、第２の実施の形態の変形例に係る伝熱管の第２フィン３０は、その先端３０ａが、隣接する第１フィン２０及び第２フィン３０に近接して設けられる。例えば、一の第２フィン３０の先端３０ａが、一の第２フィン３０の隣の第１フィン２０の先端２０ａに覆い被さる位置になるように、複数の第２フィン３０のそれぞれは、第１フィン２０の先端２０ａ、又は第１フィン２０と第２フィン３０との接続部分を支点として折り曲げられる。

また、第２の実施の形態の変形例に係る伝熱管の第２フィン３０は、長手方向に間隔をおいて形成される複数の凹部５２を有する。複数の凹部５２はそれぞれ、第２フィン３０の側面３０ｃから側面３０ｂまで貫通して設けられる。これにより、トンネル構造の上方、すなわち、溝４０の底部の反対側に位置する第２フィン３０に、複数の凹部５２が位置することになる。これにより、複数の凹部５２のそれぞれにおいて、伝熱管内の冷媒の核沸騰により発生した気泡のサイズを減少させることができるので、伝熱管の熱伝達率を向上させることができる。斯かる場合、冷媒（すなわち、冷媒の液体及び冷媒の蒸気）は、複数の凹部５２のそれぞれを介してトンネル構造の内側と外側との間で移動する。したがって、第２の実施の形態の変形例においては、第２フィン３０の高さ「ｈ_２」は、任意の高さにすることができる。なお、一の第２フィン３０の先端３０ａを、一の第２フィン３０の先端３０ａが向く方向において当該一の第２フィン３０に隣接する他の第２フィン３０の第１フィン２０の先端２０ａ、又は折れ曲がり部３０ｄに接触させることもできる。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器の組立ての概要を示す。

第３の実施の形態においては、複数の伝熱管１を略平行に並べ、複数の伝熱管１の間それぞれには複数の接合前フィン材８０ａを、その長手方向が伝熱管１の長手方向と略垂直になるように並べる。斯かる場合に、接合前フィン材８０ａと伝熱管１との間には隙間８０ｂが設けられる。次に、複数の伝熱管１のそれぞれに拡管マンドレル７０を挿入する。拡管マンドレル７０を伝熱管１の長手方向に沿って挿入することにより伝熱管１を拡管して拡管伝熱管を形成すると共に、拡管伝熱管の外周面と接合前フィン材８０ａの端部とを密着させる。

また、伝熱管１に拡管マンドレル７０が挿入されることにより、伝熱管１の第２フィン３０は内表面１０ａ側に倒れる。これにより、拡管伝熱管は、第２の実施の形態に係る伝熱管２と同様の構造を備えることになる。したがって、第３の実施の形態によれば、伝熱管１が拡管された拡管伝熱管と拡管伝熱管の外周面に密着したフィン材８０とを備える熱交換器を安価に組み立てることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１、２ 伝熱管
１０ 管本体
１０ａ 内表面
２０ 第１フィン
２０ａ 先端
２０ｂ、２０ｃ 側面
３０ 第２フィン
３０ａ 先端
３０ｂ、３０ｃ 側面
３０ｄ 折れ曲がり部
３５ 階段部
４０ 溝
５０ 切り込み部
５２ 凹部
６０ 間隙
７０ 拡管マンドレル
８０ フィン材
８０ａ 接合前フィン材
８０ｂ 隙間

Claims (9)

1. 管本体と、
   前記管本体の内表面に設けられる第１フィンと、
   前記第１フィンの前記内表面の反対側に前記第１フィンと一体に設けられ、前記第１フィンの断面幅より狭い断面幅を有する第２フィンと
   を備える伝熱管。
2. 前記内表面に垂直な方向の前記第１フィンの中心軸と、前記内表面に垂直な方向の前記第２フィンの中心軸とが互いにずれている請求項１に記載の伝熱管。
3. 前記第１フィンは、前記管本体の管軸に前記第１フィンの先端を向ける請求項２に記載の伝熱管。
4. 前記内表面には複数の前記第１フィンが設けられ、
   前記第１フィンの前記内表面からの高さをｈ_１とし、前記第２フィンの前記第１フィンとの接続部分からの高さをｈ_２とし、前記第１フィンの頂角をαとし、複数の前記第１フィンの間隔をＷとした場合に、前記ｈ_２が、
   ｈ_２＜Ｗ＋２・ｈ_１・ｔａｎ（α／２）
   を満たす請求項３に記載の伝熱管。
5. 前記第２フィンは、前記第２フィンの長手方向に間隔をおいて形成される複数の切り込み部又は凹部を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の伝熱管。
6. 前記第１フィンは、前記管本体の管軸に前記第１フィンの先端を向け、
   前記第２フィンは、前記第１フィンの先端、又は前記第１フィンと前記第２フィンとの接続部分のいずれか一方を支点として前記第２フィンを折り曲げることにより、前記管本体の前記内表面に沿った方向に前記第２フィンの先端が向けられた請求項１〜５のいずれか１項に記載の伝熱管。
7. 前記第２フィンは、前記管本体の管軸に前記第２フィンの先端を向ける請求項２〜４のいずれか１項に記載の伝熱管。
8. 管本体と、前記管本体の内表面に設けられる第１フィンと、前記第１フィンの前記内表面の反対側に前記第１フィンと一体に設けられ、前記第１フィンの断面幅より狭い断面幅を有する第２フィンとを有する伝熱管を拡管した拡管伝熱管
   を備える熱交換器。
9. 前記拡管伝熱管は、請求項２〜７のいずれか１項に記載の伝熱管を拡管した拡管伝熱管である請求項８に記載の熱交換器。

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