JP3829648B2

JP3829648B2 - 内面溝付伝熱管

Info

Publication number: JP3829648B2
Application number: JP2001155719A
Authority: JP
Inventors: 守法福; 秀人於本; 幸尚奥村; 隆一小林
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-05-24
Filing date: 2001-05-24
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: JP2002350080A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器に適用され、冷媒を管内で蒸発あるいは凝縮させて熱交換を行う内面溝付伝熱管に関し、特に、管内の圧力損失や伝熱管の質量を増加させることなく、凝縮熱伝達率と蒸発熱伝達率をバランス良く向上させることができる内面溝付伝熱管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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、管の内面に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７〜９．５２ｍｍの伝熱管の内面に、断面略台形の溝とその溝を隔てる断面略三角形のフィンを螺旋状に連続的に形成させた内面溝付管が主流を占めるようになってきている（「コンパクト熱交換器」，瀬下裕著，Ｐ１３８）。
【０００４】
図７は、その従来の管内蒸発および凝縮用の内面溝付伝熱管を示し、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）は横断面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）のＡ部拡大図である。なお、同図においてＨはフィン高さ、βは管軸方向に対する角度（ねじれ角）、Ｗは溝底幅を示す。この内面溝付伝熱管１は、伝熱管本体２の内面に連続した螺旋溝３および螺旋フィン４を形成したものである。
【０００５】
このような螺旋溝３および螺旋フィン４を形成することにより、管内の表面積が大きくなり、熱伝達面積が増大する。また、それだけでなく、乱流効果の促進、冷媒液の膜厚の減少により、高い蒸発熱伝達率、および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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の内面溝付伝熱管１によると、螺旋フィン４の数を増やして管内面の表面積を増加させると、伝熱面積の増加により蒸発熱伝達率および凝縮熱伝達率が向上するが、さらに性能を向上させるために溝数を増加しすぎると凝縮熱伝達率は低下してしまう。この原因は、螺旋フィン４の数が多すぎると、溝底幅Ｗが狭くなり、凝縮した液がすぐに螺旋溝３を充満させてしまうからである。冷媒液が螺旋フィン４を覆うと、凝縮した冷媒液自体が熱抵抗となり熱伝達率は低下してしまう。また、凝縮熱伝達率を向上させるために螺旋溝３のねじれ角βを大きくすると、蒸発性能が低下するという現象が生じる。逆に螺旋溝３のねじれ角βを小さくすると、蒸発熱伝達率は向上するが、凝縮熱伝達率は低下するという現象が生じる。従って、溝数を増加させたり、ねじれ角を変更するだけでは、凝縮熱伝達率と蒸発熱伝達率を同時にかつ大幅に向上させることはできない。
【０００７】
一方、螺旋フィン４の高さを高くすると、凝縮熱伝達率と蒸発熱伝達率はともに向上するが、管内の圧力損失が増加するため、冷媒を送り出す圧縮機の負荷が増大し、伝熱管の質量も増加してしまう。
【０００８】
従って、本発明の目的は、凝縮熱伝達率と蒸発熱伝達率をバランス良く向上させることができる内面溝付伝熱管を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、管内の圧力損失や伝熱管の質量を増加させることのない内面溝付伝熱管を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、管本体の内面に所定の高さの複数の高フィンを軸方向に螺旋状に連続的に形成し、前記高フィンはその頂角が１０〜５０度の断面略三角形にして前記管本体の管軸に対するねじれ角が１５〜３５度のねじれであり、さらに、前記高フィンの間に前記高フィンよりも高さの低い１つあるいは複数の低フィンを形成した内面溝付伝熱管であって、前記高フィンの間および前記高フィンと前記低フィンの間あるいは前記低フィンの間に形成される溝は、いずれも開口部の幅が溝底幅より広い断面略台形の溝であり、前記高フィンは、高さが０．１〜０．３ｍｍであって、前記低フィンは、高さが前記高フィンの高さの１／１５〜１／５であることを特徴とする内面溝付伝熱管を提供する。
低フィンの高さが、高フィンの高さの１／５よりも大きいと、低フィンの無い従来の内面溝付伝熱管と比較して凝縮熱伝達率の低下が大きくなり、１／１５よりも小さいと、低フィンの無いのと等しくなるため、低フィンの高さは高フィンの高さの１／１５〜１／５が望ましい。
【００１０】
高フィンの高さは０．１〜０．３ｍｍが望ましい。高フィンの高さが０．１ｍｍよりも小さいと、熱伝達性能が悪くなり、０．３ｍｍよりも大きいと、伝熱管の質量の増加によるコスト増大を招くとともに、冷媒の圧力損失の増加が大きくなる。従って、コストと性能の両方を考慮した場合、０．１〜０．３ｍｍの範囲であることが望ましい。
【００１１】
高フィンは、管本体の管軸に対するねじれ角が１５〜３５度であることが望ましい。高フィンの管軸に対するねじれ角が１５度よりも小さいと、凝縮熱伝達率が低くなり、３５度よりも大きいと、蒸発熱伝達率が低くなるため、ねじれ角は１５〜３５度の範囲であることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る内面溝付伝熱管を示す横断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部拡大図である。この内面溝付伝熱管１０は、伝熱管本体１１の内面に、１５〜３５度のねじれ角度βを有して螺旋状に高フィン１２ａを形成し、高フィン１２ａと高フィン１２ａの間１２ｂに高フィン１２ａよりも高さの低い１つあるいは複数の低フィン１３ａを形成したものであり、例えば、高フィン１２ａのフィン高さＨｆは０．１〜０．３ｍｍ、その頂角αは１０〜５０°、低フィン１３ａのフィン高さｈｆは０．０２〜０．０８ｍｍ、深溝底幅Ｗｆは０．１〜０．３ｍｍ、低フィン１３ａと高フィン１２ａのフィン高さの比は１／１５〜１／５である。
【００１３】
図２は伝熱管性能測定装置を示す。この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させて冷媒ガスを得る蒸発器１０４とを備え、測定対象の内面溝付伝熱管１０を有効長５０００ｍｍとして蒸発器１０４に組み込んで伝熱管１０の蒸発熱伝達率を測定できるようにしたものである。蒸発器１０４は、二重管構造となっており、伝熱管１０の外側に水を流して伝熱管１０の中の冷媒を蒸発させるものである。凝縮熱伝達率を測定する場合には、凝縮器１０２に測定対象の内面溝付伝熱管１０を組み込んで、測定を行う。冷媒にはフロン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８．５度、出口過熱度を５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。
【００１４】
図３は、図２に示す測定装置１００を用いて低フィン１３ａと高フィン１２ａとのフィン高さ比が凝縮および蒸発熱伝達率に及ぼす影響を測定した結果を示す。なお、横軸はフィン高さ比を示し、縦軸は従来の内面溝付管との熱伝達率比を示す。ここで従来の内面溝付管とは、低フィンと高フィンのフィン高さ比が０、すなわち高フィンだけの内面溝付管を指す。また、熱伝達率比は冷媒流量が３０ｋｇ／ｈの場合である。
【００１５】
同図から明らかなように、フィン高さ比が０．２を超えると、蒸発熱伝達率の向上よりも凝縮熱伝達率の低下の割合が大きくなってしまう。これは、低フィン１３ａの占める体積が大きいと、凝縮した冷媒液が溝内を早期に充満させ、凝縮熱伝達率を低下させてしまうからである。従って、低フィン１３ａと高フィン１２ａのフィン高さ比は０．２、つまり１／５以下であることが望ましい。
【００１６】
【実施例】
本発明の第１の実施例について説明する。この第１の実施例の内面溝付伝熱管は、外径７ｍｍ、底肉厚０．２５ｍｍの鋼管からなる伝熱管本体１１の内面に、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を形成し、高フィン１２ａと高フィン１２ａの間１２ｂに高さ０．０３ｍｍの低フィン１３ａを４山ずつ（相当山数で２５０山）形成したものである。なお、「相当山数」とは、低フィン１３ａを伝熱管本体１１の内面に同一ピッチで並べたと仮定したときの山数である。
【００１７】
この第１の実施例によれば、高フィン１２ａのフィン高さは０．２ｍｍ、低フィン１３ａのフィン高さは０．０３ｍｍであるので、フィン高さ比は０．１５となり、図３に示すように、従来の内面溝付管に比べ蒸発熱伝達率が１．１倍、凝縮熱伝達率が０．９７倍となっている。従って、この内面溝付伝熱管は従来の内面溝付伝熱管と比較して、凝縮熱伝達率をほぼ同等としながら蒸発熱伝達率を向上させ、本発明に係る内面溝付管を使用した冷凍機、空気調和器、ヒートポンプ等の機器の性能を向上させることができる。
【００１８】
図４は、本発明の第２の実施例を示す。この第２の実施例は、外径７ｍｍ、底肉厚さ０．２５ｍｍの伝熱管本体１１の内面に、フィン高さ０．２２ｍｍ、ねじれ角３０度、フィン数５０子の高フィン１２ａを形成し、高フィン１２ａ間にフィン高さ０．０３ｍｍ、相当山数１００個の低フィン１３ａを形成したものである。
【００１９】
図５は、本発明の第３の実施例を示す。この第３の実施例は、第２の実施例に対して低フィン１３ａの相当山数を１５０個にしたものである。
【００２０】
図６は、本発明の第４の実施例を示す。この第４の実施例は、第２の実施例に対して低フィン１３ａの相当山数を２００個、低フィン１３ａのフィン高さを０．０２ｍｍにしたものである。同図に示すように、高フィン１２ａと低フィン１３ａとの間に溝が形成しないように低フィン１３ａを設けてもよい。
【００２１】
これらの第２乃至第４の実施例においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。
【００２２】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明の内面溝付伝熱管によれば、管本体の内面に所定のフィン高さを有する高フィンを螺旋状に形成し、高フィンと高フィンの間に所定の高さの低フィンを形成したので、凝縮熱伝達率と蒸発熱伝達率をバランス良く向上させることができる。
また、高フィンの高さを０．１〜０．３ｍｍとすることにより、管内の圧力損失や伝熱管の質量を増加させることなく、性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態に係る内面溝付伝熱管の横断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。
【図２】伝熱管性能測定装置の概略を示す図である。
【図３】内面溝付伝熱管のフィン高さ比と熱伝達率比の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施例の内面溝付伝熱管の要部横断面図である。
【図５】本発明の第３の実施例の内面溝付伝熱管の要部横断面図である。
【図６】本発明の第４の実施例の内面溝付伝熱管の要部横断面図である。
【図７】従来の内面溝付伝熱管を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ部拡大図である。
【符号の説明】
１内面溝付伝熱管
２伝熱管本体
３螺旋溝
４螺旋フィン
５溝
１０内面溝付伝熱管
１１伝熱管本体
１２ａ高フィン
１２ｂ高フィンと高フィンの間
１３ａ低フィン
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
Ｈ，Ｈｆ，ｈｆフィン高さ
Ｗ溝底幅
Ｗｆ深溝底幅
α 頂角
β ねじれ角

Claims

管本体の内面に所定の高さの複数の高フィンを軸方向に螺旋状に連続的に形成し、前記高フィンはその頂角が１０〜５０度の断面略三角形にして前記管本体の管軸に対するねじれ角が１５〜３５度のねじれであり、さらに、前記高フィンの間に前記高フィンよりも高さの低い１つあるいは複数の低フィンを形成した内面溝付伝熱管であって、前記高フィンの間および前記高フィンと前記低フィンの間あるいは前記低フィンの間に形成される溝は、いずれも開口部の幅が溝底幅より広い断面略台形の溝であり、前記高フィンは、高さが０．１〜０．３ｍｍであって、前記低フィンは、高さが前記高フィンの高さの１／１５〜１／５であることを特徴とする内面溝付伝熱管。