JP4518861B2 - 流下液膜式蒸発器用伝熱管 - Google Patents

Description

本発明は、管外表面に液冷媒を流下して管外表面に液膜を形成し、この冷媒を蒸発させることにより管内を流通する液体との間で熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管に関し、特に、管内流体温度と管外蒸発温度との差が小さい低温度差域において、熱交換性能を向上させた伝熱管に関する。

吸収式冷温水機等の流下液膜式蒸発器は、伝熱管の外周面に冷媒、例えば水等を流下させ低圧力下で蒸発させると共に、この伝熱管の内部に流体、例えば水を流すことにより、冷媒が伝熱管から蒸発熱を奪って伝熱管を冷却し、この伝熱管を介して内部を流れる流体を冷却している。

流下液膜式蒸発器内の伝熱管は、構造上の理由及びメンテナンス性の観点から水平に設置されるものが多い。これらの伝熱管は、その外表面は冷媒の蒸発を促進させるために冷媒が均一に濡れ広がるような特性を持ち、その内表面は流体が効果的に熱交換されるように流体が乱流促進されるような特性を持つことが好ましい。伝熱管にこのような特性を付与するために、従来より種々の形状の伝熱管が開発されている。

例えば、特許文献１（特開平１０−３１８６９１号公報）及び特許文献２（特開平１１−２５７８８８号公報）には、伝熱管の管外表面に独立突起を成形し、液膜流量が少ない場合においても管軸方向への濡れ広がり性を向上させる技術が開示されている。

また、特許文献３（特開平１１−１１８３８２号公報）には、伝熱管の外表面積を増加させると共に、濡れ広がり性を向上させることを目的として、管外表面のフィン枚数を多くして、フィン内に周囲よりも高さが低い押圧部を形成する技術が開示されている。

更に、特許文献４（特許第３４３４４６４号）には、フィン先端において、乱流効果により冷媒液の流下を促進することを目的として、伝熱管のフィンにその長手方向に沿って凸部及び凹部を交互に設ける技術が開示されている。

更にまた、特許文献５（特開２００２−３７２３９０号公報）には、伝熱管の外表面に大きさが相互に異なる突起を設ける技術が開示されている。これにより、相互に大きさが異なる突起群においては冷媒の表面張力が相互に異なるため、一の突起群から他の突起群に向かう冷媒の流れが発生する。この結果、冷媒の濡れ広がり性が向上する。

特開平１０−３１８６９１号公報 特開平１１−２５７８８８号公報 特開平１１−１１８３８２号公報 特許第３４３４４６４号 特開２００２−３７２３９０号公報

しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。従来、吸収式冷温水機は高熱流束及び高温度差域における使用を前提として設計され、このような条件下で使用されてきたが、最近の省エネルギー化の要求に伴い、サイクル動力の低減、並びに冷却水及び冷水の搬送動力の低減化が図られている。サイクル動力の低減により、冷媒の蒸発温度が高くなる。また、冷却水及び冷水の搬送動力の低減により、冷却水及び冷水の流量が小さくなる。これらにより、熱交換量が低下し、熱流束が小さくなり、冷水の出口温度と冷却水の蒸発温度との温度差が小さくなり、蒸発伝熱性能が低下する。なお、最近は、冷却水及び冷水の流量を少なくする際には、冷水の出口温度と冷媒の蒸発温度との温度差を大きくとるようにして、性能を改善している例もあるが、依然として蒸発伝熱性能は低いままである。

表１に、流下液膜式蒸発器の従来機種及び現行機種の運転条件の一例を示す。現行機種としては、冷水出口温度が従来機種と同じである現行常温機種及び冷水出口温度が従来機種よりも低い現行低温機種の２種類を示す。冷水出口温度が低くなると、蒸発温度との差が小さくなる。表１に示すように、従来から現在にかけて、冷水出口温度と蒸発温度の差が小さくなり、蒸発伝熱は低熱流束又は低温度差になるように、運転条件が推移している。これにより、冷媒蒸発量の低下に伴って蒸発伝熱性能が低下する。この結果、吸収式冷温水機の大容量化を図る必要が生じ、コストが上昇する。

このような運転条件の変更に伴い、上述の従来の伝熱管においては、以下の点が問題となる。即ち、特許文献１及び２に記載の伝熱管については、熱流束が小さくなって冷媒蒸発量が従来よりも低下すると、冷媒の表面張力により管外表面において保持される液膜が厚くなる。これにより、突起部が液膜で厚く覆われてしまい、液膜が熱抵抗となって伝熱性能が低下する。

また、特許文献３に記載の伝熱管については、フィンの数が多いため、冷媒に表面張力が大きい水を使用した場合、冷媒蒸発量が低下することにより、フィン間の溝部において液膜が厚く形成されやすくなる。また、フィンの数が多いことにより、管軸方向への液冷媒の濡れ広がりが阻害されやすく、押圧部の高さがフィンの他の部分の高さよりも低いことから、液冷媒の流動が不十分となって液膜が厚くなりやすい。この結果、厚い液膜が熱抵抗となって、伝熱性能が低下する。

更に、特許文献４に記載の伝熱管については、凸部の上流側において、管上部から流れてくる液冷媒により液膜が厚く成形されて熱抵抗になり、伝熱性能が低下する。特に、冷媒蒸発量が低下することにより蒸発伝熱性能が低下した場合、凹部がフィンの他の部分の高さよりも低いため、冷媒散布量が少ない場合には液冷媒の流動が不十分になり、濡れ広がりが阻害される。これにより、フィン先端の凸部の根元においては液膜が厚くなり、伝熱性能が更に低下する。

更にまた、特許文献５に記載の伝熱管については、複数の突起群間で突起の大きさを相互に異ならせているため、低熱流束又は低温度差条件とすると、いずれかの突起群において液膜が厚い部分が形成され、蒸発伝熱が低下する。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、管外表面に液冷媒を流下して管外表面に液膜を形成し、この冷媒を蒸発させることにより管内を通水する流体との間で熱交換する流下液膜式蒸発器用伝熱管において、管内流体温度と管外蒸発温度との差が小さい低温度差域においても伝熱性能が高い流下液膜式蒸発器用伝熱管を提供することを目的とする。

本発明に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管は、管外に流下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管において、管本体と、この管本体の外面に相互に独立に形成され螺旋状又は環状に配列された複数個の突起と、を有し、前記突起の高さが０．１５乃至０．５０ｍｍであり、管周方向と前記突起の配列方向とのなす角度が０乃至７°であり、管軸直交断面における前記突起の配列周期が０．９１１乃至１．３０ｍｍであり、管軸直交断面における前記突起間の溝部の両側面のなす角度が１８乃至７０°であり、管軸直交断面における前記溝部の最小幅が０．１０乃至０．２５ｍｍであり、管軸を含む断面における前記突起の配列周期が０．７１乃至１．１５ｍｍであり、管軸を含む断面における前記突起の先端の幅が０.２０乃至０.９０ｍｍであり、管軸を含む断面における前記突起の側面と管半径方向とのなす角度が０乃至１５°であることを特徴とする。

本発明においては、管外表面に形成された突起の形状を上述の如く規定することにより、管外表面に流下された冷媒の液膜をドライアウトさせることなく薄膜化することができる。これにより、管内流体温度と管外蒸発温度の差が小さい低温度差域においても、管外表面において良好な伝熱性能を得ることができる。

また、本発明に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管は、前記管本体内を流れる液体の管出口温度と前記管外に流下される液体の蒸発温度との差が、０．２３乃至２．２４℃となるような条件で使用されることが好ましい。本発明に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管は、このような条件で使用された場合においても、蒸発性能の低下が少なく、従来の伝熱管よりも良好な伝熱性能を得ることができる。

更に、本発明に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管は、前記管本体の内面に形成され螺旋状に延びるリブを有することが好ましい。これにより、管内を流れる流体を乱流とし、管内面の伝熱性能を向上させることができる。このとき、前記リブの高さが０．１５乃至０．３５ｍｍであり、前記管本体の内面における前記リブが延びる方向と管軸に平行な直線とのなす角度が４０乃至４６°であり、管軸を含む断面における前記リブの配列周期が１.６０乃至６.１５ｍｍであることが好ましい。

本発明に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管は、管内流体温度と管外蒸発温度の差が小さい低温度差域において、フィン先端部における液膜を薄くし、且つ管外表面に均一に濡れ広げることができるため、蒸発伝熱特性が向上する。これにより、流下液膜式蒸発器の高性能化及び小型化が可能となり、使用材料の低減及びコストダウンが可能となる。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本実施形態に係る伝熱管を示す部分斜視図であり、図２はこの伝熱管を示す管軸を含む断面図であり、図３はこの伝熱管を示す管軸直交断面図であり、図４はこの伝熱管の外面を示す展開図である。

本実施形態に係る伝熱管は、吸収式冷温水機等の流下液膜式蒸発器に組み込まれる流下液膜式蒸発器用伝熱管である。図１に示すように、本実施形態に係る伝熱管１においては、管本体２が設けられており、管本体２の外面には、螺旋状に配列された複数個の四角錐台形状の突起３が相互に独立に形成されている。突起３の配列方向に直交する方向における隣り合う突起３間は溝部４ａとなっており、突起３の配列方向における隣り合う突起３間は溝部４ｂとなっている。なお、以下、溝部４ａ及び４ｂを総称して溝部４ともいう。また、管本体２の内面には、螺旋状に延びるリブ５が設けられている。

伝熱管１は、例えば銅又は銅合金からなり、例えばＪＩＳ Ｈ３３００ Ｃ１２０１ＴＳ−１／２Ｈにより規定される低りん脱酸銅管である。また、伝熱管１の外径は例えば約１６ｍｍであり、肉厚は例えば約０．６ｍｍである。管本体２の外面において、突起３が配列する方向に延びる線６と管周方向に延びる線７とがなす角度θ_１は０乃至７°である。この角度θ_１が０°である場合は、突起３が環状に配列される場合である。また、突起３の高さｈ_１は０．１５乃至０．５０ｍｍである。

図２に示すように、管軸を含む断面（以下、管軸平行断面という）において、突起３の配列周期（ピッチ）ＰＦは０．７１乃至１．１５ｍｍとなっている。また、管軸平行断面において、突起３の先端の幅ＰＷは０．２０乃至０．９０ｍｍである。更に、管軸平行断面において、突起３の側面と管半径方向とのなす角度θ_４は０乃至１５°である。

図３に示すように、管軸直交断面において、溝部４ｂのひらき角、即ち、溝部４ｂの両側面のなす角度θ_２は１８乃至７０°である。また、溝部４ｂの底部の幅ＧＷは０．１０乃至０．２５ｍｍである。更に、管軸直交断面における突起３の配列周期ＰＲ_１は０．９０乃至１．３０ｍｍである。なお、溝部４ｂの底部の幅ＧＷ及び突起３の配列周期ＰＲ_１は、いずれも円弧長さではなく直線長さである。

また、図２に示すように、管本体２の内面における管軸に平行な直線８とリブ５が延びる方向とのなす角度θ_３は、例えば４０乃至４６°であり、リブ５の高さｈ_２、即ち、管本体２の内面とリブ５の頂部との間の距離は、例えば０．１５乃至０．３５ｍｍである。また、管軸平行断面におけるリブ５の配列周期ＰＲ_２は、例えば１．６０乃至６．１５ｍｍである。

更に、図４に示すように、伝熱管１の外面において、突起３は格子状に配列されている。なお、図４は、角度θ_１（図１参照）が０°である場合を示している。

以下、本発明の各構成要件における数値限定理由について説明する。

突起高さ（ｈ _１ ）：０．１５乃至０．５０ｍｍ
突起高さ（ｈ_１）が０．１５ｍｍ未満であると、管上部における冷媒液面が下がる速度が低下し、突起の先端部における冷媒液膜が薄膜化される速度が低下して液膜が厚くなり、伝熱性能が低下する。一方、突起高さ（ｈ_１）が０．５０ｍｍよりも大きいと、突起の先端部において、冷媒液膜が薄膜化される際に突起先端部の端部にて液膜が破断してドライアウトする。このため、伝熱性能が低下する。従って、突起高さ（ｈ_１）は０．１５乃至０．５０ｍｍとする。

管周方向と突起の配列方向とがなす角度（θ _１ ）：０乃至７°
伝熱管を水平に保持して、この伝熱管の上方から伝熱管に冷媒を流下したときに、冷媒は、主として突起間の溝部を伝わって伝熱管上部から伝熱管下部へと流れる。前記角度θ_１が７°を超えると、溝部が延びる方向が水平に近くなり、伝熱管上部から流れてきた冷媒が伝熱管下部に位置する突起に再付着してしまい、突起の先端部での冷媒液膜が不均一となり、部分的に冷媒の液膜が厚くなる。この結果、伝熱性能が低下する。このため、管周方向と突起の配列方向とがなす角度（θ_１）は０乃至７°とする。

管軸直交断面における突起の配列周期（ＰＲ _１ ）：０．９１１乃至１．３０ｍｍ
管軸直交断面における突起の配列周期（ＰＲ_１）が０．９１１ｍｍ未満であると、突起先端の端部まで冷媒で覆われやすくなり、突起先端部における冷媒液膜の薄膜化が阻害されて冷媒液膜が厚くなり、伝熱性能が低下する。一方、突起の配列周期（ＰＲ_１）が１．３０ｍｍよりも大きいと、突起の先端部における冷媒液膜の均一性が失われ、突起先端部がドライアウトしやすくなる。このため、伝熱管の伝熱性能が低下する。従って、管軸直交断面における突起の配列周期（ＰＲ_１）は０．９１１乃至１．３０ｍｍとする。

管軸直交断面における溝部の両側面のなす角度（θ _２ ）：１８乃至７０°
溝部の両側面のなす角度（θ_２）が１８°未満であると、突起間の溝部の根元部に液膜が集中する。このため、突起の先端部において冷媒液膜が薄膜化する際に、突起先端部の端部において液膜が破断してドライアウトし、伝熱性能が低下する。一方、前記角度（θ_２）が７０°よりも大きいと、冷媒液面が下がる速度が低下し、突起の先端部における冷媒液膜が薄膜化する速度が低下して冷媒液膜が厚くなり、伝熱性能が低下する。従って、管軸直交断面において、溝部の両側面のなす角度（θ_２）は１８乃至７０°とする。

管軸直交断面における溝部の最小幅（ＧＷ）：０．１０乃至０．２５ｍｍ
溝部の最小幅（ＧＷ）が０．１０ｍｍ未満であると、冷媒液面が下がる速度が低下し、突起の先端部において冷媒液膜が薄膜化される速度が低下するため、突起を覆う冷媒液膜が厚くなり、伝熱性能が低下する。一方、溝部の最小幅（ＧＷ）が０．２５ｍｍよりも大きいと、突起間の溝部の根元部に液膜が集中する。このため、突起の先端部における冷媒液膜が薄膜化する際に、突起先端部の端部にて液膜が破断してドライアウトし、伝熱性能が低下する。従って、管軸直交断面において、溝部の最小幅（ＧＷ）は０．１０乃至０．２５ｍｍとする。

管軸平行断面における突起の配列周期（ＰＦ）：０．７１乃至１．１５ｍｍ
管軸平行断面における突起の配列周期（ＰＦ）が０．７１ｍｍ未満であると、溝部が細くなり過ぎて溝部に冷媒が停滞しやすくなり、冷媒液面が下がる速度が低下し、突起の先端部において冷媒液膜が薄膜化される速度が低下して冷媒液膜が厚くなり、伝熱性能が低下する。一方、突起の配列周期（ＰＦ）が１．１５ｍｍを超えると、溝部の冷媒がすぐに流れ落ちてしまい、突起の先端部における冷媒液膜が薄膜化される際に、突起先端部の端部において液膜が破断してドライアウトし、伝熱性能が低下する。従って、管軸平行断面における突起の配列周期（ＰＦ）は０．７１乃至１．１５ｍｍとする。

管軸平行断面における突起先端の幅（ＰＷ）：０.２０乃至０.９０ｍｍ
管軸平行断面における突起先端の幅（ＰＷ）が０.２０ｍｍ未満であると、突起先端の端部まで冷媒で覆われやすくなり、突起先端部における冷媒液膜の薄膜化が阻害されて厚膜となり、伝熱性能が低下する。一方、突起先端の幅（ＰＷ）が０．９０ｍｍよりも大きいと、突起の先端部において冷媒液膜の均一性が失われ、突起先端部がドライアウトしやすくなる。このため、伝熱管の伝熱性能が低下する。従って、管軸平行断面における突起先端の幅（ＰＷ）は０.２０乃至０.９０ｍｍとする。

管軸平行断面における突起の側面と管半径方向とのなす角度（θ _４ ）：０乃至１５°
管軸平行断面における突起の側面と管半径方向とのなす角度（θ_４）が１５°よりも大きいと、冷媒液面が下がる速度が低下し、突起の先端において冷媒液膜が薄膜化される速度が低下する。この結果、冷媒液膜が厚くなり、伝熱性能が低下する。従って、管軸平行断面における突起の側面と管半径方向とのなす角度（θ_４）は０乃至１５°とする。

リブの高さ（ｈ _２ ）：０．１５乃至０．３５ｍｍ
管本体の内面にリブを設けることにより、管内を流れる流体を乱流とすることができる。このため、管内面における伝熱性能が向上し、管内を流れる流体の流量が減少した場合においても、より優れた蒸発性能を確保することができる。このとき、リブの高さ（ｈ_２）が０．１５ｍｍ以上であると、管内を流れる流体の流量が減少しても、流体を乱流にする効果を十分に得ることができ、流体と伝熱管との間の伝熱性能が大きく向上する。この結果、伝熱管に流体から効率よく熱が供給されるようになり、管外面における冷媒の蒸発が促進され、冷媒の液膜が薄くなり、管外面における伝熱性能も向上する。また、リブの高さ（ｈ_２）が０．３５ｍｍ以下であると、管内の圧力損失の増大を抑制できると共に、管内の流体から伝熱管に過剰に熱が供給されることがなく、突起の先端部における冷媒液膜が薄膜化される際に、管内から伝熱管に過剰に供給された熱により、突起先端の端部において液膜が破断してドライアウトすることがない。従って、リブの高さ（ｈ_２）は０．１５乃至０．３５ｍｍであることが好ましい。

管内面における管軸に平行な直線とリブが延びる方向とのなす角度（θ _３ ）：４０乃至４６°
管内面における管軸に平行な直線とリブが延びる方向とのなす角度（θ_３）が４０°以上であると、管内を流れる流体の流量が減少しても、この流体を乱流にすることができ、この流体と伝熱管との間の伝熱性能を十分に確保することができる。この結果、伝熱管に流体から効率よく熱が供給され、管外面の特に突起先端において冷媒の蒸発が促進され、冷媒の液膜をより一層薄くすることができる。このため、伝熱管の伝熱性能がより向上する。また、前記角度（θ_３）が４６°以下であると、管内の圧力損失の増大を抑制でき、また、管内の流体から伝熱管に過剰に熱が供給されて、突起の先端においてドライアウトが発生することがない。このため、より良好な伝熱性能を実現できる。従って、管軸に平行な直線とリブが延びる方向とのなす角度（θ_３）は、４０乃至４６°であることが好ましい。

管軸平行断面におけるリブのピッチ（ＰＲ _２ ）：１.６０乃至６.１５ｍｍ
管軸平行断面におけるリブのピッチ（ＰＲ_２）が１.６０ｍｍ以上であると、管内の圧力損失の増大を抑制できると共に、管内の流体から伝熱管に過剰に熱が供給されて、管外表面の突起の先端部の端部において液膜が破断してドライアウトすることを確実に防止できる。また、リブのピッチ（ＰＲ_２）が６.１５ｍｍ以下であると、管内を流れる流体の流量が減少しても、この流体を乱流にする効果が得られるため、この流体と伝熱管との間の伝熱性能が確保される。この結果、伝熱管に流体から効率よく熱が供給され、管外面における冷媒の蒸発が十分に促進され、冷媒の液膜をより薄くすることができる。従って、管軸平行断面におけるリブのピッチ（ＰＲ_２）は１.６０乃至６.１５ｍｍであることが好ましい。

次に、本実施形態に係る伝熱管の製造方法について説明する。先ず、素管を用意する。この素管は、例えば、外径が１６ｍｍ、肉厚が０．６ｍｍ、長さが１乃至１０ｍであり、ＪＩＳ Ｈ３３００ Ｃ１２０１ＴＳ−１／２Ｈにより規定される低リン脱酸銅管である。そして、この素管に対して、両端部を除く中央部に転造加工を施し、螺旋状又は環状のフィンを管軸方向に一定のピッチで形成する。このとき、フィン間が溝部４ａとなる。なお、フィンの形成は、上述の転造加工による方法以外の方法により行ってもよく、例えば、切削加工による方法でも可能である。次に、このフィンの頂部に歯車ディスクを転接させて、フィンの頂部を管周方向に一定のピッチで押し込み、独立した複数個の突起３を形成する。このとき、突起３間が溝部４ｂになる。なお、両端部の未加工部の長さは夫々例えば５０乃至１００ｍｍとする。一方、管内面には、螺旋状の溝が成形されたマンドレルを配置し、管外面における前記フィンの形成と同時に管内面に螺旋状のリブ５を形成する。次に、低温焼鈍を施し、管の残留応力を除去すると共に、管の内外面の加熱脱脂を行う。

次に、前述の如く構成された本実施形態に係る伝熱管の動作について説明する。図５（ａ）乃至（ｃ）は冷媒の挙動を経時的に示す管軸平行断面図であり、図６（ａ）乃至（ｃ）は冷媒の挙動を経時的に示す管軸直交断面図である。また、図７は図５（ｃ）に示す管軸平行断面図の一部を示す拡大図であり、図８は図６（ｃ）に示す管軸直交断面図の一部を示す拡大図である。なお、図５乃至図８においては、管内面のリブは図示が省略されている。

本実施形態に係る伝熱管１は、吸収式冷温水機等の流下液膜式蒸発器に組み込まれている。この流下液膜式蒸発器においては、複数の伝熱管が垂直方向に配列されており、各伝熱管は水平に設置されている。伝熱管の周囲の雰囲気は、圧力が０．８ｋＰａ程度の真空雰囲気とする。このとき、冷媒として水を使用する場合は、その蒸発温度は３．７６１℃となる。そして、伝熱管１内を流れる液体の管出口温度と伝熱管１の外表面に流下される冷媒液の蒸発温度との差を、例えば、０．２３乃至３．２４℃とする。

そして、最上段の伝熱管の上方に設置された散布器により、一定の空間的間隔をあけて、冷媒を最上段の伝熱管の外表面に滴下又は散布する。このとき、冷媒が伝熱管の最上部から最下部まで主として溝部４ａを通過して流れ落ちようとするが、溝部４ｂに案内されて管軸方向にも濡れ広がっていく。また、突起３の頂部にも濡れ広がる。この結果、冷媒は伝熱管外面において薄い液膜を形成し、この液膜が真空雰囲気下で蒸発することにより、伝熱管から蒸発熱を奪う。

一方、伝熱管１の管内には、流体、例えば水を流通させる。このとき、流体は管内においてリブ５に撹拌されて乱流を形成し、伝熱管１との間で熱交換を行う。これにより、冷媒と流体との間で熱交換が行われ、冷媒が蒸発すると共に、冷媒の蒸発熱により管内の流体（冷水）が冷却される。

そして、最上段の伝熱管の外面において蒸発しなかった冷媒は、この最上段の伝熱管の最下部から滴下し、次段の伝熱管の最上部に供給される。そして、次段の伝熱管において、最上段の伝熱管と同様に、冷媒が蒸発し、管内の流体が冷却される。これを繰り返すことにより、冷媒が最上段の伝熱管から最下段の伝熱管に向かって移動していき、流下液膜式蒸発器全体として効率よく熱交換が行われる。

次に、各伝熱管外表面の管上部における冷媒の挙動を説明する。図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、伝熱管１の外表面に散布された冷媒は、一旦、突起３を覆うように冷媒液膜５１を形成する。このとき、冷媒液膜５１の液面５２は突起３の先端より上方に位置する。次に、図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように、冷媒の流下に伴って冷媒液膜５１が薄くなり、液面５２が突起３の先端部の近傍の位置まで下がってくる。この時点までは、液面５２は略平坦である。そして、図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示すように、液面５２が突起３の先端部近傍まで下がった後は、液面５２における突起３間の溝部４に相当する部分のみが下がり、液面５２における突起３に相当する部分はあまり下がらなくなる。

このとき、図７及び図８に示すように、突起３の先端の端部を境界として、冷媒液膜５１における突起３上に位置する部分を部分５１ａとし、溝部４上に位置する部分を部分５１ｂとする。図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示す時点では、冷媒液膜５１の部分５１ａは相対的に薄く形成され、部分５１ｂは相対的に厚く形成される。このため、部分５１ａの方が部分５１ｂよりも蒸発が促進されやすく、従って伝熱が促進されやすい。

また、図７に示すように、管軸方向において、部分５１ａにおける表面張力をσ_ｆｔ１とし、部分５１ｂにおける表面張力をσ_ＧＢ１とすると、部分５１ａは液膜が薄く冷媒が加熱されやすいことから、部分５１ａの表面張力が低下し、
σ_ｆｔ１＜σ_ＧＢ１
となる。このため、更に部分５１ａの液膜が部分５１ｂの液膜に引き寄せられ、液膜が更に薄くなって、蒸発が促進されるようになる。

一方、図８に示すように、管周方向において、部分５１ａにおける表面張力をσ_ｆｔ２とし、部分５１ｂにおける表面張力をσ_ＧＢ２とすると、部分５１ａは液膜が薄く冷媒が加熱されやすいことから、部分５１ａの表面張力が低下し、
σ_ｆｔ２＜σ_ＧＢ２
となる。このため、更に部分５１ａの液膜が部分５１ｂの液膜に引き寄せられ、液膜が更に薄くなって、蒸発が促進されるようになる。

なお、突起３は他の突起から独立に形成された独立突起であるため、溝部４における冷媒液膜５１の液面５２は、管軸方向及び管周方向の双方についてほぼ均等に低下する。このように、液面５２が均等に下がることにより、溝部４における冷媒液膜５１の表面張力は
σ_ＧＢ１＝σ_ＧＢ２
となり、突起先端部の液膜が均等に引き寄せられ、より蒸発が促進される。

このように、本実施形態によれば、管外表面に上述のような形状の突起を形成することにより、管内流体温度と管外蒸発温度との差が小さい低温度差域においても、管外表面に流下された冷媒の液膜をドライアウトさせることなく薄膜化させ、良好な伝熱性能を得ることができる。また、管内表面に上述のようなリブを形成することにより、管内を流れる流体の流量が減少しても、流体を乱流状態とすることができ、良好な伝熱性能を確保することができる。

また、本実施形態に係る伝熱管は、通常の転造装置、マンドレル、歯車ディスク等を備えた製造装置によって製造できるため、特殊な製造装置を使用することなく、低コストで容易に製造することができる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。図９はこの伝熱管の外面を示す展開図である。前述の本発明の実施形態においては、図４に示すように、突起３の配列パターンを格子状としたが、本変形例においては、図９に示すように、相互に隣り合う突起３の列において、突起３の位置が列方向にずれて互い違いになるように配列されている。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の実施形態と同様である。

なお、本発明においては、突起が形成された中央部における管の外径が８乃至３０ｍｍ程度であれば、特に良好な伝熱性能を確保することができる。従って、中央部における管の外径は８乃至３０ｍｍであることが好ましい。

また、前述の実施形態においては、伝熱管１の材料としてＪＩＳ Ｈ３３００ Ｃ１２０１ＴＳ−１／２Ｈにより規定される低りん脱酸銅管を使用したが、本発明はこれに限定されず、例えば、前記低りん脱酸銅管を硬質に調質したものでもよく、また、ＪＩＳＨ３３００ Ｃ１２２０又はＣ１０２０により規定される銅管でもよく、更に、キュプロニッケル（cupro nickel）等の銅合金であってもよい。更にまた、伝熱管を銅及び銅合金以外の金属又は合金により形成してもよい。

以下、本発明の実施例の効果について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。前述の本発明の実施形態と同様な方法により、各種の伝熱管を作製し、供試管とした。即ち、先ず、ＪＩＳ Ｈ３３００ Ｃ１２０１ＴＳ−１／２Ｈにより規定されるリン脱酸銅管であり、外径が１６ｍｍ、肉厚が０.６ｍｍ、長さが１３００ｍｍの素管を用意した。次に、この素管の両端部を除く中央部に転造加工を施し、螺旋状又は環状のフィンを管軸方向に一定のピッチで形成した。このとき、両端部の長さを夫々１５０ｍｍとし、中央部の長さを１０００ｍｍとした。なお、この中央部には、転造加工により加工を行ったときに、加工開始側及び加工終了側、即ち、中央部の両端部に、形成される突起の形状が不完全になる「不完全部」が形成された。この不完全部は、加工開始側及び加工終了側の合計で１００乃至１５０ｍｍ程度の長さになった。

次に、このフィンの頂部に歯車ディスクを転接させて、フィンの頂部を管周方向に一定のピッチで押し込み、突起を形成した。このとき、一部の供試管については、管の内面には特別な加工を施さず、平滑なままとした。これを試験例１の供試管とする。一方、残りの供試管については、管内面に螺旋状の溝が成形されたマンドレルを配置し、管外面にフィンを形成するのと同時に管内面に螺旋状のリブを形成した。これを試験例２の供試管とする。次に、転造加工後の試験例１及び２の供試管を３５０℃の温度に加熱して、残留応力を除去すると共に、管表面の残油を加熱脱脂した。

次に、上述の如く作製した各供試管について、引張強さを測定した。この結果、加熱脱脂後の供試管の引張強さは、平均２７７Ｎ／ｍｍ^２であった。また、各供試管の管外面の残渣量、即ち、残油及び付着物の合計量を測定した。なお、付着物とは例えば、ごみ及び管の加工時に付着した金属粉等である。測定の結果、管外面の残渣量は平均０．０１３ｇ／ｍ^２であった。更に、各供試管の残留炭素量を測定した。この結果、供試管の残留炭素量は平均３.９ｍｇであった。更にまた、各供試管の形状を測定した。試験例１（内面リブ無し）の供試管の形状測定結果を表２に示し、試験例２（内面リブ有り）の供試管の形状測定結果を表３に示す。なお、表２及び表３に示す「管外径Ｄｆ」とは、供試管の最大外径、即ち、突起の先端を結ぶ仮想的な円筒の直径である。それ以外のパラメータは、前述の実施形態において規定したとおりである。

図１０は、供試管の伝熱性能の評価に使用した吸収式伝熱性能試験装置を示す概略図である。図１０に示すように、吸収式伝熱性能試験装置１１は一重効用の吸収式冷温水機と略同じサイクル構成となっている。即ち、試験装置１１においては、２つのチャンバ１２及び１３が設けられており、チャンバ１２の内部は仕切板１２ａにより蒸発器１４及び吸収器１５に分けられており、チャンバ１３の内部は再生器１６及び凝縮器１７に分けられている。そして、蒸発器１４の上部と吸収器１５の上部とは、仕切板１２ａの上部に設けられた通気口１２ｂにより、冷媒の蒸気が通流するように連通されている。また、再生器１６の上部と凝縮器１７の上部も相互に連通しており、冷媒の蒸気が通流するようになっている。また、試験装置１１には溶液熱交換器１８が設けられている。

蒸発器１４は冷媒としての水Ｗを蒸発させて熱交換を行うものであり、吸収器１５は蒸発器１４から流入した水蒸気を吸収液としての臭化リチウム水溶液ＬＢに吸収させるものである。また、再生器１６は吸収器１５において水を吸収した臭化リチウム水溶液から水を蒸発させて取り出し、水蒸気（冷媒蒸気）と臭化リチウム水溶液（吸収液）とを分離するものである。更に、凝縮器１７は再生器１６から流入した水蒸気を凝縮させて水Ｗとし、この水Ｗを冷媒として蒸発器１４に供給するものである。更にまた、溶液熱交換器１８は再生器１６に残留した臭化リチウム水溶液を冷却して、吸収液として吸収器１５に供給するものである。

蒸発器１４においては、供試管である伝熱管１が４本設けられている。各伝熱管１は管軸方向が水平になり、且つ、２４ｍｍのピッチで垂直方向に１列に配列されるように設置されている。４本の伝熱管１は相互に直列に連結されている。各伝熱管１の有効長は１０５０ｍｍであり、両端部はＯリングによりシールされている。そして、この４本の伝熱管１からなる水路には、水路１９を介して冷水が供給され、水路２０を介して排出されるようになっている。また、最上段の伝熱管１の上方には、冷媒（水Ｗ）を散布するための散布トレー２２が設けられており、この散布トレー２２には、蒸発器１４の底部に溜まった冷媒がポンプ２３により汲み上げられて供給されるようになっている。更に、蒸発器１４の上部には、蒸発圧力を測定するための絶対圧力変換器３７が取り付けられている。更にまた、散布トレー２２からの冷媒の散布量を測定するためのコリオリ式質量流量計２４が設けられている。更にまた、水路１９及び２０には、冷水の出入口温度を測定するためのクオーツ温度計（図示せず）が設けられており、冷水流量を測定するための容積式流量計２１が設けられている。

吸収器１５においては、蒸発器１４に設けた伝熱管１と同じ伝熱管１が垂直方向に２４ｍｍのピッチで１列６段配列されており、相互に直列に連結されている。この６本の伝熱管１からなる水路には、水路２５を介して冷却水が供給され、水路２６を介して排出されるようになっている。水路２５には流量計２７が設けられている。また、最上段の伝熱管１の上方には、吸収液（臭化リチウム水溶液ＬＢ）を散布するための散布トレー２８が設けられている。

再生器１６においては、吸収器１５の底部に溜まった液体がポンプ２９により再生器１６の底部に供給されるようになっており、この液体を加熱するための電気ヒータ３０が設けられている。

凝縮器１７においては、冷却水が通流する冷却コイル３１が設けられており、この冷却コイル３１により水蒸気を凝縮して水Ｗとするようになっている。そして、この凝縮した水が凝縮器１７の底部に溜まり、ポンプ３２により蒸発器１４の底部に供給されるようになっている。

また、再生器１６の底部に残留した吸収液を吸収器１５の散布トレー２８に供給する水路３３が設けられており、この水路３３に沿って、再生器１６から吸収液を汲み出すポンプ３４、汲み出された吸収液と冷却水との間で熱交換を行い、吸収液を冷却する溶液熱交換器１８、吸収液の流量を測定する流量計３６がこの順に設けられている。

更に、チャンバ１２の蒸発器１４側及び吸収器１５側の側面には夫々、冷媒及び吸収液の滴下挙動が伝熱管全長にわたって観察できるように、観察窓（図示せず）が設けられている。なお、試験装置１１の本体は、臭化リチウム水溶液による腐食を抑制するために、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６により形成されている。

次に、試験装置１１を使用して、表２及び表３に示す各供試管の伝熱性能を評価する試験方法について説明する。先ず、表２及び表３に示す供試管のうちいずれかの供試管を、伝熱管１として試験装置１１内に組み込む。そして、水路１９及び２０を介して、蒸発器１４の伝熱管１内に一定流量の冷水を流通させる。また、ポンプ２３により、冷媒である水Ｗを蒸発器１４内において循環させる。このとき、冷媒は散布トレー２２から最上段の伝熱管１の最上部に向けて、伝熱管１の管軸方向に１０ｍｍのピッチで滴下される。そして、この冷媒の一部が、伝熱管１の表面で蒸発して伝熱管１内を流れる冷水を冷却し、残部が最上段の伝熱管１から、２段目、３段目、４段目の伝熱管１に順次滴下し、その後、蒸発器１４の底部に落下する。蒸発器１４の底部に溜まった冷媒（水Ｗ）は、ポンプ２３により再び散布トレー２２に供給される。

また、伝熱管１の表面において蒸発した冷媒蒸気（水蒸気）は、仕切板１２ａの通気口１２ｂを通過して吸収器１５に供給される。吸収器１５においては、水路２５及び２６を介して伝熱管１内に冷却水を通流させる。また、散布トレー２８に吸収液（臭化リチウム水溶液ＬＢ）が供給され、この吸収液が１列６段に配置された伝熱管１の外面を伝いながら落下する。この過程において、吸収液は伝熱管１の表面にて水蒸気を吸収し、吸収器１５の底部に到達する。

蒸発器１５の底部に溜まった液体、即ち、冷媒（水）を吸収した吸収液（臭化リチウム水溶液）は、ポンプ２９により再生器１６に供給される。そして、再生器１６において、この液体が電気ヒータ３０により加熱され、水が蒸発することにより、冷媒と吸収液とに再分離される。

そして、蒸発した水が凝縮器１７に供給され、冷却コイル３１により冷却されて凝集し、凝縮器１７の底部に溜まっていく。そしてこの溜まった水が、ポンプ３２により蒸発器１４の底部に冷媒として供給される。

一方、再生器１６の底部に残留した吸収液は、ポンプ３４により汲み出され、溶液熱交換器１８により冷却され、散布トレー２８に供給される。このようにして、試験装置１１内において、冷媒（水）及び吸収液（臭化リチウム水溶液）が循環し、冷媒と冷水との間で熱交換を行う。

上述の如く試験装置１１を運転し、蒸発器１４の伝熱管１に一定流量の冷水を流し、冷水出口温度が所定の測定条件になるように冷水入口水温を調節した。一方、吸収器１５の伝熱管１には冷却水入口温度を一定にした冷却水を流し、チャンバ１２内の圧力が所定の測定条件になるように冷却水流量を調節した。このときの試験条件を表４に示す。なお、表４において、冷水の流量は、伝熱管の加工部の内径を基準とした値である。本試験では、冷水出口温度と蒸発温度との温度差が小さい条件において、伝熱管の伝熱性能を詳しく評価するため、冷水出口温度を試験毎に異ならせて評価を行った。

試験装置１１の運転開始後、定常状態になったことを確認し、チャンバ１２内の圧力、冷水の流量及び出入口温度、冷媒散布流量を測定した。そして、各測定器の信号をハイブリットレコーダー（図示せず）に取り込んで数値変換し、コンピューターにて伝熱管の総括伝熱係数を算出した。以下、その算出方法について説明する。

（１）冷水伝熱量Ｑ
冷水伝熱量をＱ（ｋＷ）、冷水流量をＧｗ（ｋｇ／時）、冷水の比熱をＣｐ（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）、冷水入口温度をＴｉｎ（℃）、冷水出口温度をＴｏｕｔ（℃）とすると、冷水伝熱量Ｑを下記数式１により算出した。

（２）対数平均温度差ＬＭＴＤ
対数平均温度差をＬＭＴＤ（℃）、冷媒蒸発温度をＴｅ（℃）とするとき、対数平均温度差ＬＭＴＤを下記数式２により算出する。なお、冷媒蒸発温度Ｔｅは、蒸発圧力より予め蒸気表（例えば、伝熱工学資料、（社）日本機械学会 １９９１年、３３１頁参照）に基づいて作成した相関式を用いて換算した数値を使用した。

（３）管外表面積Ａｏ
供試管の外表面積をＡｏ（ｍ^２）、円周率をπ、供試管の突起部外径、即ち、供試管の最大外径をＤｏ（ｍ）、供試管の伝熱有効長をＬ（ｍ）、供試管の本数をＮ（本）とするとき、供試管の外表面積Ａｏを、突起部外径基準として下記数式３により算出した。

（４）総括伝熱係数Ｋｏ（外表面積基準）
外表面積を基準とした総括伝熱係数をＫｏ（ｋＷ／ｍ^２Ｋ）とするとき、上記数式１乃至３にて算出した値を用いて、総括伝熱係数Ｋｏを下記数式４により算出した。

（５）冷媒散布量Γ
一方、冷媒の散布量（流下量）をΓ（ｋｇ／ｍ／分）、冷媒の流量をＧｒｅｆ（ｋｇ／分）とするとき、冷媒散布量Γを下記数式５により算出した。

次に、前記各供試管の伝熱性能として、各供試管について上述の如く算出した総括伝熱係数（Ｋｏ）を示す。表２に示す試験例１（内面リブ無し）の供試管の伝熱性能を表５に示し、表３に示す試験例２（内面リブ有り）の供試管の伝熱性能を表６に示す。試験例１及び２において、冷水出口温度が４℃のときの冷水出口温度と冷媒蒸発温度との温度差は０．２３９℃であり、冷水出口温度が５℃のときの冷水出口温度と冷媒蒸発温度との温度差は１．２３９℃であり、冷水出口温度が６℃のときの冷水出口温度と冷媒蒸発温度との温度差は２．２３９℃であり、冷水出口温度が７℃のときの冷水出口温度と冷媒蒸発温度との温度差は３．２３９℃である。

また、図１１は、横軸に冷水の出口温度をとり、縦軸に総括伝熱係数（Ｋｏ）をとって、表５に示す試験例１の試験結果を示すグラフ図であり、図１２は、横軸に冷水の出口温度をとり、縦軸に総括伝熱係数（Ｋｏ）をとって、表６に示す試験例２の試験結果を示すグラフ図である。図１１に示す線群４１は、表２及び表５に示す試験例１における実施例１乃至１７の結果を示し、線群４２は、試験例１における比較例１乃至１５の結果を示す。また、図１２に示す線群４３は、表３及び表６に示す試験例２において、請求項３の規定を満たす試験例２の実施例１乃至７の結果を示し、線群４４は、請求項１の規定は満たすものの請求項３の規定は満たさない試験例２の実施例８乃至１４の結果を示す。

表２及び表５並びに図１１に示すように、第１試験例の実施例１乃至１７は、伝熱管の形状が本発明の規定を満たしているため、本発明の規定を満たしていない比較例１乃至１５と比較して総括伝熱係数が高く、特に冷水出口温度が低く、冷水出口温度と蒸発温度との差が小さい場合においても、比較例（従来例）よりも性能低下が小さく、伝熱性能が高かった。また、表３及び表６並びに図１２に示すように、第２試験例の実施例１乃至７は、伝熱管内面に形成されたリブの形状が請求項４の規定を満たしているため、リブの形状が請求項４の規定を満たしていない実施例８乃至１４と比較して、総括伝熱係数がより高かった。但し、試験例２の実施例８乃至１４も、試験例１の比較例１乃至１５よりは総括伝熱係数が高かった。

本発明に係る伝熱管は、流下液膜式蒸発器に組み込む伝熱管として特に好適に利用できる。

本発明の実施形態に係る伝熱管を示す部分斜視図である。 この伝熱管を示す管軸を含む管軸平行断面図である。 この伝熱管を示す管軸直交断面図である。 この伝熱管の外面を示す展開図である。 （ａ）乃至（ｃ）は冷媒の挙動を経時的に示す管軸平行断面図である。 （ａ）乃至（ｃ）は冷媒の挙動を経時的に示す管軸直交断面図である。 図５（ｃ）に示す管軸平行断面図の一部を示す拡大図である。 図６（ｃ）に示す管軸直交断面図の一部を示す拡大図である。 本実施形態の変形例に係る伝熱管の外面を示す展開図である。 供試管の伝熱性能の評価に使用した吸収式伝熱性能試験装置を示す概略図である。 横軸に冷水の出口温度をとり、縦軸に総括伝熱係数（Ｋｏ）をとって、表５に示す試験例１の試験結果を示すグラフ図である。 横軸に冷水の出口温度をとり、縦軸に総括伝熱係数（Ｋｏ）をとって、表６に示す試験例２の試験結果を示すグラフ図である。

符号の説明

１；伝熱管
２；管本体
３；突起
４、４ａ、４ｂ；溝部
５；リブ
６；突起３が配列する方向に延びる線
７；管周方向に延びる線
８；管軸に平行な直線
１１；吸収式伝熱性能試験装置
１２、１３；チャンバ
１２ａ；仕切板
１２ｂ；通気口
１４；蒸発器
１５；吸収器
１６；再生器
１７；凝縮器
１８；溶液熱交換器
１９、２０、２５、２６；水路
２１、２４、２７、３６；流量計
２２、２８；散布トレー
２３、２９、３２、３４；ポンプ
３０；電気ヒータ
３１；冷却コイル
３３；水路（吸収液）
３７；絶対圧力変換器
４１〜４４；線群
５１；冷媒液膜
５１ａ、５１ｂ；部分
５２；液面
ｈ_１；突起３の高さ
ｈ_２；リブ５の高さ
ＧＷ；管軸直交断面における溝部４ｂの最小幅
ＰＷ；管軸平行断面における突起３の先端の幅
ＰＦ；管軸平行断面における突起３の配列周期
ＰＲ_１；管軸直交断面における突起３の配列周期
ＰＲ_２；管軸平行断面におけるリブ５の配列周期
θ_１；線６と線７とがなす角度
θ_２；溝部４ｂのひらき角
θ_３；管軸に平行な直線８とリブ５が延びる方向とのなす角度
θ_４；管軸平行断面における突起３の側面と管半径方向とのなす角度
ＬＢ；臭化リチウム水溶液（吸収液）
Ｗ；水（冷媒）

Claims (4)

1. 管外に流下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管において、管本体と、この管本体の外面に相互に独立に形成され螺旋状又は環状に配列された複数個の突起と、を有し、前記突起の高さが０．１５乃至０．５０ｍｍであり、管周方向と前記突起の配列方向とのなす角度が０乃至７°であり、管軸直交断面における前記突起の配列周期が０．９１１乃至１．３０ｍｍであり、管軸直交断面における前記突起間の溝部の両側面のなす角度が１８乃至７０°であり、管軸直交断面における前記溝部の最小幅が０．１０乃至０．２５ｍｍであり、管軸を含む断面における前記突起の配列周期が０．７１乃至１．１５ｍｍであり、管軸を含む断面における前記突起の先端の幅が０.２０乃至０.９０ｍｍであり、管軸を含む断面における前記突起の側面と管半径方向とのなす角度が０乃至１５°であることを特徴とする流下液膜式蒸発器用伝熱管。
2. 前記管本体内を流れる液体の管出口温度と前記管外に流下される液体の蒸発温度との差が、０．２３乃至３．２４℃となるような条件で使用されることを特徴とする請求項１に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
3. 前記管本体の内面に形成され螺旋状に延びるリブを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
4. 前記リブの高さが０．１５乃至０．３５ｍｍであり、前記管本体の内面における前記リブが延びる方向と管軸に平行な直線とのなす角度が４０乃至４６°であり、管軸を含む断面における前記リブの配列周期が１.６０乃至６.１５ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。

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