JP2580353B2

JP2580353B2 - 電縫伝熱管とその製造方法

Info

Publication number: JP2580353B2
Application number: JP2001033A
Authority: JP
Inventors: 正信麻生; 裕二牧; 鉄也加藤; 真清水; 吉典渡辺
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1990-01-09
Filing date: 1990-01-09
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPH03207995A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は空調用熱交換器に用いる伝熱管及びその製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の空調用伝熱管の外観を第12図に、同空調用伝熱
管の内面溝を拡大した図を第13図に示し、伝熱管の代表
的な寸法を表１に示す。これらの図において、ヒートポ
ンプ式空調機に用いる伝熱管10は高効率、コンパクト化
などの観点から主として内面溝付管が使われている。こ
れは第13図に示すように、管内面に微細な三角形状の溝
１をらせん状に転造加工により刻んだものである。らせ
ん溝１を形成することにより、内表面積の増大を図り、
かつ、内部流体をかく拌し、管頂部まで液をかき揚げ、
液膜厚さを均等化の作用で、管内側の蒸発熱伝達率を向
上させている。

また、ヒートポンプ空調機用熱交換器に用いられる伝
熱管には製品の特性から高い沸騰熱伝達及び高い凝縮熱
伝達がともに求められている。この点から、メッキ法、
焼結法、機械加工法等による高性能伝熱面が数多く提案
されているが、まだ安価で実用に供されたものはない。

メッキ法の１例として、特開昭63−273790号公報で出
願されたものがある。これは銅管内に硫酸銅溶液を流し
ながら、電気分解により銅管内壁に多孔メッキ層を形成
する工法である。この工法では、沸騰熱伝達率は溝付管
対比約２倍以上と向上するが、凝縮熱伝達率は溝付管よ
りむしろやや低下する。これは凝縮液が多孔質層の中の
微小空洞にホールドされ、伝熱面の大部分が熱抵抗の大
きなフロン系冷媒で覆われるため伝熱性能が低下するた
めである。また、多孔質層の空隙が狭いために、沸騰液
中に含まれている不純物が析出し、空隙に目詰りが生
じ、性能劣化を招ねくなどの欠点がある。

焼結法は金属粒子とバインダを混合したものを伝熱面
に加熱圧着することにより、多孔質層を形成する方法で
ある。これもメッキ法によく似た構造のため、上記問題
が生じる。

機械加工法の代表的なものに特開昭51−45353号公報
に示す商品名「サーモエクセル」とよばれる伝熱面があ
る。これは切削により溝加工を行ない、断面が矩形状の
フィンを成形する。このフィンの先端を一定間隔でＶ字
状切欠きを作り、その後フィン先端をローラ等で析曲
げ、空洞部上ぶたに一定間隔で開口部を開けたトンネル
状空洞部を備えた伝熱面を形成する。トンネル内にホー
ルドされた冷媒液は加熱され蒸発し、開口部から気泡と
なって離脱するが、この時他の不活性開口部から液が侵
入し、気泡発生が連続的に行なわれ、その結果沸騰熱伝
達が促進される。サーモエクセルは構造上、沸騰熱伝達
には有効であるが、凝縮にはトンネル空洞内に凝縮液が
詰まり凝縮熱伝達はむしろ悪くなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の空調用伝熱管には解決すべき次の課題があ
った。即ち、ヒートポンプ式空調機に用いるフィンアン
ドチューブ形熱交換器は１種類の熱交換器で蒸発あるい
は凝縮のいずれかの熱交換作用を行うため、蒸発及び凝
縮ともに伝熱性能が優れたものが要求されるが、その両
方を満足するものがなかった。

また、従来の空調用銅管はフローティングプラグと呼
ばれる外面に溝を刻んだ砲弾状工具を管内に挿入し、転
造加工により製造していたため、加工速度に限界があ
り、せいぜい20〜30m/minで製造コストが高かった。従
って、従来工法を上まわる加工速度を達成する低コスト
の製造方法の実現が望まれているが、現在に至るもそれ
が達成されていない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記課題の解決手段として、次の（１）〜
（３）項に記載の各伝熱管及び（４）項に記載の伝熱管
の製造方法を提供しようとするものである。

（１）管内壁に規則的に形成された主溝と、同主溝に
規則的に交差し、かつ、同主溝より浅く形成された副溝
と、前記主溝間の一部の相対する突起部が前記副溝の塑
性加工により前記主溝内へ押出されてその側断面が鳩尾
状の空洞部を形成すると共に同側断面の断面積をSmm²、
近接する双方の突起部間の開口幅をdmmとしたとき、ｄ
≦0.1mmの条件下でS/d≦２をなす関係とを具備してなる
ことを特徴とする伝熱管。

（２）管内壁に規則的に形成された主溝と同主溝に規
則的に交差し、かつ、同主溝より浅く形成された副溝
と、前記主溝間の一部の相対する突起部が前記副溝の塑
性加工により前記主溝内へ押出されてその側断面が鳩尾
状をなす空洞部と、前記副溝の形状がその溝断面積をAm
m²、溝周長をLmmとしたとき、その等価直径de（de＝4A/
L）が0.15〜0.35mmをなす関係とを具備してなることを
特徴とする伝熱管。

（３）上記（１）に記載の空洞部と上記（２）に記載
の副溝とを具備してなることを特徴とする伝熱管。

（４）帯状金属板の表面に主溝ロールと副溝ロールと
により規則的な主溝と、同主溝に規則的に交差し、かつ
同主溝より浅い副溝とを形成し、前記主溝間の突起部の
一部を前記副溝の副溝ロールによる塑性加工時に前記主
溝内に押出して鳩尾状の空洞部と前記突起部とを成形し
た後、前記帯状金属板をフォーミングロールで管状に成
形し、同金属板の縁同志を接合して管とすることを特徴
とする伝熱管の製造方法。

〔作用〕

本発明は上記のように構成されているので次の作用を
有する。

即ち、本発明の電縫伝熱管は管内壁に主溝と副溝を交
差状に備え、かつ、主溝間の突起部が主溝間へ押出され
て鳩尾状の空洞部を形成するため、冷媒の蒸発及び凝縮
伝熱促進が計られる。蒸発の場合、鳩尾状空洞部は溝底
幅に対して、先端の開口幅が狭まく、かつ開口幅を0.1m
m以下にすると、表面張力の小さいフロン系冷媒では空
洞部内に気泡核が安定的に存在する。伝熱壁面を通した
伝熱により気泡核が加熱されると、気泡界面からの蒸発
により、蒸気泡の容積が増大し、蒸気泡内の圧力も上昇
する。蒸発泡内圧が空洞内に安定して存在する限界圧を
越えると、空洞開口部から気泡が離脱し、それ以外の不
活性な開口部から飽和液が侵入し、トンネル状の空洞内
を通って飽和液が供給される。以上の発泡サイクルが連
続して行なわれ、沸騰伝熱促進が飛躍的に向上する。ま
た、主溝と副溝によって台形状の突起が生じるが凝縮の
場合、台形状突起は突起の頂角が鋭角で、かつ、副溝底
幅の平坦部が長いほど、表面張力の小さいフロン系冷媒
では突起における凝縮液膜が副溝底に強く引寄せられ、
副溝の谷が凝縮液の液はけ溝として作用する結果、突起
部の平均液膜厚さが薄くなり凝縮伝熱が促進される。

以上の結果、一種類の伝熱管をたとえばフィンアンド
チューブ式空気熱交換器に用いた場合、凝縮と蒸発の両
機能が共に充分に発揮される。従って、年間を通じて冷
暖房空調を行うヒートポンプ式空調機の能率を一層向上
させる。

また、本発明の製造方法によれば予め帯状金属板の表
面に主溝ロールと副溝ロールとにより、交差状の溝を設
け、かつ、上記伝熱管が備える鳩尾状の空洞部を形成し
た後、管として成形するので加工能率が著しく高まり、
加工コストが下る。

〔実施例〕

本発明の一実施例に係る電縫根伝熱管詳しくは内壁に
交差溝を有する伝熱管を第１図ないし第11図により説明
する。

先ず、本実施例の基本概念を第７図によって説明する
と、後述する第１図のような主溝11、副溝12の交差溝を
金属平板にエンボス加工後、第７図に示すように管状に
形成し、縁91同士を高周波溶接し、電縫伝熱管100を得
るものである。その際、副溝12の溝深さを主溝11の溝深
さよりも浅くし、主溝11同士の間の台形状の突起、即ち
山13の一部が副溝12の塑性加工により主溝11内に押出さ
れて山13同士との間に鳩尾状の空洞部14を形成し、凝縮
促進用の台形状フィン、即ち山13と、蒸発促進用の空洞
部14とが備わるものである。

次に本実施例の詳細について説明する。

第１図は第７図の電縫伝熱管100の内面の部分拡大図
で、主溝11と副溝12とが交差状に施され、それらの間に
は自然に山13が形成される。なお、図中、Ｄは主溝の方
向、Ｅは副溝の方向である。

第２図は第１図の平面展開図を概念的に表わした図で
ある。

第３図は第２図のIII−III矢視断面図で第４図に示す
ような台形状断面の転造ロールで主溝11を形成し、その
後、第６図のような三角形状の転造ロールで交差状にエ
ンボス加工すると、山13を先端の鋭角なくさび状の転造
ロールで押圧することになり山13の一部が主溝の谷11b
へ押出されて、主溝11の溝底幅に対して、上方の開口部
の幅が狭くなった鳩尾状の空洞部14を形成する。なお、
12bは副溝の谷である。

このときに主溝11を加工する転造ロールの波形は第４
図の台形状波形で、台形の頂角が10゜〜30゜とできるだ
け小さく、斜面ができるだけ垂直に近い切立った矩形に
近い断面プロフィルをもつ場合が空洞部14を形成しやす
い。

山13は副溝12の加工前では断面が一定の直線状の台形
状フィンが形成されたまゝであるが、副溝12の加工によ
り台形状フィンが一定間隔で中断され、台形状突起の山
13が形成される。副溝12を加工する転造ロールの波形は
第６図に示す先端が鋭角な三角系波状の断面プロフィル
が山13を塑性変形させ、鳩尾状の空洞部14を形成させや
すいが、副溝12の底幅をある程度確保するためには第４
図の台形状、第５図の正弦波状の何れでもよい。

これら主溝ロール、副溝ロール及びそれらによって形
成される空洞部、副溝の望ましい形状を示すと下記のと
おりである。

主溝ロール（第８図（ａ）参照）；溝直角断面形状……台形状台形上辺寸法l₁と溝高さh₁との比，台形頂角θ……30゜以下溝高さh₁……0.3mm以下溝ピッチp₁と溝高さh₁との比副溝ロール（第８図（ｂ）参照）；溝直角断面形状……三角形状押込先端幅ｗと溝高さh₂との比溝頂角θ_２……70゜以下溝高さh₂……0.4mm以下溝ピッチp₂と溝高さh₂との比上記主溝ロールと副溝ロールを組合せて転造加工をし
た結果、下記構造の空洞部と副溝を得た。

空洞部（第８図（ｃ）参照）；主溝と副溝の交点で、主溝に直角な断面において、空
洞部の断面積Ｓと開口幅ｄとの間に下記の関係を満たす
空洞部構造とする。

S/d≦２（ｄ≦0.1mm）副溝；第９図（ｃ）に示す副溝形状において、斜線で囲った
溝通路断面積をＡ、周長をＬとすると、副溝の等価直径
deはとなる。転造加工後の副溝の形状がde＝0.15〜0.35mmと
なるように、加工条件、ロール形状を調整する。

上記のようにして得られた実施例について、外径9.52
mmφの電縫伝熱管の内面に第１図に示すような交差溝を
備え、かつ、空洞部14の形状の異なる数種類の供試管を
用意し、蒸発及び凝縮伝熱特性を調査した結果な次通り
であった。（但し、符号は省略する）即ち、第９図（ａ）は空洞部の断面積Ｓ（mm²）と開
口幅ｄ（mm）の比を横軸に蒸発熱伝達比（ベア管対比の
熱伝達率比）を縦軸に試験データを整理した結果である
が、S/d＝0.5付近にピーク値が存在し、S/dが大きくな
るほど熱伝達率が低下することが分った。従って、S/d
≦２でｄ≦0.1mmという条件を満たすような空洞部は蒸
発熱伝達促進に有効である。

また、第９図（ｂ）は副溝の等価直径をdeとし、第９
図（ｃ）の斜線部の断面積をＡ、周長をＬとして等価直
径deを求め、これを横軸に凝縮熱伝達比（ベア管対比の
熱伝達率比）を縦軸に、試験データを整理した結果であ
る。deが0.25mm付近にピーク値が存在し、その前後では
熱伝達率が低下する傾向を示す。即ち、de＝0.15〜0.35
mmの範囲に副溝底幅を定めると凝縮伝達促進に有効であ
る。なお、溝底幅を広げすぎると、溝ピッチが広くなり
すぎて、機構拡管により、台形状突起の山がつぶれ易す
くなり、広くすることにも限界がある。

第12,13図に示す従来のらせん溝付管と、本実施例の
伝熱性能を比較した結果を第10図と第11図に示す。両図
とも縦軸はらせん溝付管との熱伝達率比率をあらわし、
横軸は冷媒流量をあらわす。蒸発の場合はらせん溝付管
の約２倍、凝縮の場合はらせん溝付管の約1.5倍、熱伝
達率が向上する。

また、加工上の効果についても調査した結果、従来の
溝付管の引抜加工（フローティングプラグによる転造加
工）の加工速度は約20〜30m/minであるが、本実施例の
加工に用いる工法では加工速度が約60〜80m/minで従来
の引抜加工の約２〜３倍速くなり、従って銅管コストが
低下するという結果が得られた。

以上の通り、本実施例によれば、予め、金属平板に主
溝、副溝を交差させてエンボス加工し、それによって生
じる山（台形状の突起）同士を鳩尾状の空洞部を形成す
るよう押出させるので沸騰熱伝達性及び凝縮熱伝達性共
に高い伝熱管が得られるという利点がある。また、加工
能率が高いので、伝熱管を低コストで得られるという利
点もある。

〔発明の効果〕

本発明は上記のように構成されるので次の効果を有す
る。

即ち、管内壁に主溝と副溝とを交差させて施し、両溝
間の突起となる部分を一部、主溝側へ双方から押出して
鳩尾状の空洞部とするので、沸騰熱伝達性及び凝縮熱伝
達性共に高い、電縫伝熱管が得られる。

また、予め、帯状金属板の表面に主溝、副溝を規則
的、かつ交差状に加工し、その他、所要の加工を施した
後、帯状金属板を管状に成形するので加工能率が高く、
低コストで電縫伝熱管が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る電縫伝熱管の展開斜視
図、第２図は第１図の展開平面図、第３図は第２図のII
I−III矢視断面図、第４図，第５図，第６図は上記実施
例における主溝、副溝等の転造加工ダイスの斜視図、第
７図は上記実施例の電縫伝熱管の斜視図、第８図は上記
実施例の加工に用いるロール等の形状及びそれらによっ
て形成された空洞部等の望ましい形状を定量的に示すた
めの図で、（ａ）は主溝ロールの一部断面図、（ｂ）は
副溝ロールの一部断面図、（ｃ）はそれらによって成形
された電縫伝熱管内壁の空洞部の一部断面図、第９図は
上記実施例の特性図で、（ａ）は空洞部の沸騰熱伝達比
を空洞部の断面積S/開口幅ｄについて示した線図、
（ｂ）は副溝の凝縮熱伝達比を副溝の等価直径deについ
て示した線図、（ｃ）は上記（ｂ）に用いる等価直径de
と副溝の断面積Ａ及び周長Ｌとの関係を示した模式図、
第10図は従来例と上記実施例との蒸発熱伝達性能の比較
図、第11図は同じく凝縮熱伝達性能の比較図、第12図は
従来の溝付伝熱管の斜視図、第13図は第12図の従来の溝
付伝熱管の内面の部分拡大図である。 11……主溝,11b……主溝の谷， 12……副溝,12b……副溝の谷， 13……山,14……空洞部， 91……縁,100……電縫伝熱管。

フロントページの続き (72)発明者清水真愛知県名古屋市中村区岩塚町字高道１番地三菱重工業株式会社名古屋研究所内 (72)発明者渡辺吉典愛知県名古屋市中村区岩塚町字高道１番地三菱重工業株式会社名古屋研究所内 (56)参考文献特開昭58−18092（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−52314（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】管内壁に規則的に形成された主溝と、同主
溝に規則的に交差し、かつ、同主溝より浅く形成された
副溝と、前記主溝間の一部の相対する突起部が前記副溝
の塑性加工により前記主溝内へ押出されてその側断面が
鳩尾状の空洞部を形成すると共に同側断面の断面積をSm
m²、近接する双方の突起部間の開口幅をdmmとしたと
き、ｄ≦0.1mmの条件下でS/d≦２をなす関係とを具備し
てなることを特徴とする伝熱管。
【請求項２】管内壁に規則的に形成された主溝と同主溝
に規則的に交差し、かつ、同主溝より浅く形成された副
溝と、前記主溝間の一部の相対する突起部が前記副溝の
塑性加工により前記主溝内へ押出されてその側断面が鳩
尾状をなす空洞部と、前記副溝の形状がその溝断面積を
Amm²、溝周長をLmmとしたとき、その等価直径de（de＝4
A/L）が0.15〜0.35mmをなす関係とを具備してなること
を特徴とする伝熱管。
【請求項３】請求項（１）に記載の空洞部と請求項
（２）に記載の副溝とを具備してなることを特徴とする
伝熱管。
【請求項４】帯状金属板の表面に主溝ロールと副溝ロー
ルとにより規則的な主溝と、同主溝に規則的に交差し、
かつ同主溝より浅い副溝とを形成し、前記主溝間の突起
部の一部を前記副溝の副溝ロールによる塑性加工時に前
記主溝内に押出して鳩尾状の空洞部と前記突起部とを成
形した後、前記帯状金属板をフォーミングロールで管状
に成形し、同金属板の縁同志を接合して管とすることを
特徴とする伝熱管の製造方法。