JP6807476B2

JP6807476B2 - 沸騰型伝熱管

Info

Publication number: JP6807476B2
Application number: JP2020061132A
Authority: JP
Inventors: 宏行高橋; 岩本　秀樹; 秀樹岩本
Original assignee: Kobelco and Materials Copper Tube Ltd
Current assignee: Kobelco and Materials Copper Tube Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2035-07-13
Also published as: JP2020101362A

Description

本発明は、大型冷凍機（ターボ、スクリュー）等の蒸発器に組み込まれる沸騰型伝熱管に関し、特に、低熱流束域において沸騰伝熱性能の向上を図った沸騰型伝熱管に関する。

大型冷凍機の蒸発器として、シェルアンドチューブ型熱交換器が使用されており、この熱交換器においては、多数の伝熱管を水平に配置し、伝熱管の一方の端部を蒸発器の媒体入口に集めて配置し、伝熱管の他方の端部を蒸発器の媒体出口に配置して、これらの伝熱管が組み立てられている。そして、これらの伝熱管を格納する格納容器内に液冷媒を供給して、伝熱管を液冷媒に浸漬し、これらの伝熱管の外表面にこの液冷媒を接触させると共に、伝熱管に対し、媒体入口から、管内に、温水・ブライン等の媒体を流し、媒体出口からこの媒体を排出させる。これにより、伝熱管の内外で熱交換をさせることにより、管内の媒体の熱を奪うと共に、管外の液冷媒を沸騰させる。

大型冷凍機は、更に一層の省エネルギ化の取組みが、種々、なされており、その中で、熱交換器の高性能化を図ると共に、蒸発温度を上げて圧縮機の吸入圧力を上げ、圧縮機の動力を低減させることにより、省エネルギ化が図られている。

大型冷凍機の蒸発器はシェルアンドチューブ型熱交換器を用いており、より冷凍機の効率を上げるために満液式蒸発器が採用されるものが多い。この満液式蒸発器は、シェルアンドチューブ型熱交換器内に水平でかつ多本数の伝熱管を配置し、伝熱管を液冷媒中に浸漬して伝熱管の外表面に液冷媒を充満させ、伝熱管の管内に空調機から戻ってきた温水（約１２℃程度）を通水して熱交換させる。なお、伝熱管の外面を覆う液冷媒は、凝縮器で液化された冷媒が膨張弁等で減圧されて温度を下げた状態にて蒸発器に供給される。伝熱管の管内に温水を通水することにより、伝熱管の外面を覆う液冷媒が沸騰する。一方、伝熱管の管内に通水した温水は、熱を奪われて温度が低下（約７℃程度）する。

大型冷凍機の効率を上げるためには、圧縮機の摩擦を低減させれば動力が低減し、駆動電力を少なくすることが可能である。一方、蒸発器においては蒸発温度（蒸発圧力）を上げることにより、圧縮機の圧縮比を下げることが可能になり、圧縮機の駆動電力を少なくすることが可能である。

しかしながら、蒸発温度を上げると冷媒温度と管外表面との温度差が小さく、また熱流束（単位表面積あたりの伝熱量）も小さくなり、沸騰の駆動力が低下するために熱交換性能が低下する。そのため、冷媒温度と管外表面との温度差、すなわち低熱流束域での沸騰を促進する伝熱管の要求が強い。

このような背景の下に、従前、使用されている代表的な伝熱管としては、まず、平滑管がある。この平滑管は、管表面が平滑面につき、管外にて冷媒が沸騰した際に発生する気泡が離脱しやすくなる。さらに、気泡離脱後に液冷媒が再付着する。この結果、管表面が液冷媒により管表面が冷却され、沸騰促進が低下する。

そこで、現在、平滑管に代わり、沸騰型伝熱管が多く使用されている。特許文献１に記載された沸騰型伝熱管は、管外にらせん状の空洞部を設け、この空洞部と外面とを連通する部分に狭い開口部を設けている。この空洞にて冷媒の沸騰により気泡が発生する。この気泡は加工部が狭いことにより離脱しにくくなり、管表面が過熱状態になる。その結果、沸騰が促進されて性能が向上する。

また、特許文献２に記載された沸騰型伝熱管は、管外にらせん状の空洞部を設け、この空洞部と外面とを連通する部分に狭い開口部を設けている。更に、空洞の底面にらせん状の突起を設けている。この突起により、空洞部内において液冷媒の濡れ面積を増大させることによって、気泡発生力を向上させている。更に、突起谷部で気泡が発生しやすくなり、より沸騰を促進させる。

更に、特許文献３に記載された沸騰型伝熱管は、管外にらせん状の空洞部を設け、この空洞部と外面とを連通する部分に狭い開口部を設けている。また、空洞部の底部に、その両側壁をつなぐ小突起を設けている。この突起により、空洞部内の伝熱面積の増大、凸凹部による気泡発生の助長、突起角部による連続沸騰時の薄膜維持等の効果がある。更に、突起が空洞部を横切る形で設けられているため、空洞部の底部に小区画が形成され、フィン根元径部に近い部分で空洞部内の液の移動を抑制することができる。

更にまた、特許文献４に記載された沸騰型伝熱管は、管外にらせん状の空洞部を設け、この空洞部と外面とを連通する部分に狭い開口部を設けている。また、開口部に沿って凸部を設けていると共に、開口部の形状を、より最適化を図って形成されている。更に、前述の凸部を設けたことにより、気泡の離脱を制御して沸騰を促進させている。

特開昭５７−１３１９９２号公報特公平４−３９５９６号公報特許２７８８７９３号公報（特開平４−２３６０９７号公報）特開平１１−３１６０９６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された沸騰型伝熱管は、低熱流束域での使用になると、すなわち熱駆動力が小さくなると、気泡発生力が低下することから、伝熱性能が低下するという問題点がある。

また、特許文献２に記載された沸騰型伝熱管は、らせん状突起を設けたことにより、より低熱流束条件の下で運転した場合、空洞部の面積が増加することにより、空洞内の液冷媒が冷却されやすくなり、性能が向上しにくくなる。

更に、特許文献３に記載された沸騰型伝熱管は、液の移動が抑制されることにより、空洞底部でドライアウトすることがある。ドライアウト状態が続くと、その部分がドライパッチ状態、すなわち乾燥状態となる。その結果、長期間使用すると性能が低下していく。

更にまた、特許文献４に記載された沸騰型伝熱管は、低熱流束域での使用になると、凸部での気泡が離脱しやすくなり、空洞部および凸部にて管表面が冷却されてしまい、性能が低下する。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、低熱流束域での沸騰伝熱性能を向上させることができ、またドライアウトを防止して、伝熱性能を向上させることができる沸騰型伝熱管を提供することを目的とする。

本発明に係る沸騰型伝熱管は、
金属又は合金管であって、
管外面に管周方向に連続し管軸方向にらせん状になるように形成された複数個のフィンと、
このフィンの上部を管軸方向に延びる複数本の直線状の溝により凹ませて、前記フィンの連続方向に適長間隔で形成された複数個の凹部と、
前記フィンの上部が相互に対向する方向に張り出して形成された張出部と、
を有し、
隣接する前記フィンの対向側面とこのフィン上部の前記張出部とにより囲まれるようにして形成され、前記フィンと共にらせん状に延びる空洞を有し、
前記フィンは、
その管軸方向のピッチＰ１が、０．４０乃至１．６０ｍｍであり、前記フィンの高さｆｈは０．４１乃至０．６５ｍｍ、前記フィンの上部張出部の相互間隔である開口部幅ｗＰは０．０６４乃至０．１８８ｍｍ、前記フィンの相互間とその上部の張出部に囲まれて形成された前記空洞の管軸方向の最大幅である空洞底幅ｗＢが０．２８２乃至０．４９１ｍｍであり、
前記凹部は、
管中心を基準として、管の最外面の半径をＲ１、前記凹部の底面の半径をＲ２とし、管軸直交断面における前記凹部の底面の両端角部の直線距離をｗ１、管軸直交断面における隣接する凹部の上端角部間の直線距離をｗ２としたとき、
０．９５３≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９９５
ｗ１＜ｗ２
であり、
前記凹部の一方の端部と、管周方向に隣接する他の凹部の一方の端部との間の直線距離としての前記凹部のピッチをＰ２としたとき、
０．４０≦Ｐ２≦０．９０ｍｍ
であると共に、
管最外面の直径Ｄｏは１２．５乃至２５ｍｍ、管の底肉厚は０．４５乃至１．２０ｍｍであることを特徴とする。

本発明は、伝熱管の管外面に形成した隣接するフィンの対向側面とこのフィン上部の張出部とにより囲まれた空洞を、螺旋状に設け、フィン上部の前記張出部間の狭い開口部を介して、前記空洞と伝熱管の外部とを連通させた沸騰型伝熱管である。そして、螺旋状の空洞と伝熱管の外部とを連通する狭い開口部には、フィンの最上面（管最外周面）を凹ませて形成した凹部を、フィンの連続方向に適長間隔で配置し、管最外周面と凹部とを交互に配置している。

そこで、この伝熱管の管全体を液冷媒に浸漬した場合に、（１）空洞部分に対する液冷媒の流入圧力は、フィン上部における管最外周部分よりも凹部の部分に、適度に集中する。このため、前記凹部部分が、管外面の液冷媒が前記空洞内に適度に流入する経路として機能する。（２）一方、フィンの最外周部分は前記凹部部分よりも、液冷媒の圧力集中が緩和される。更に、フィン上部の張出部間の開口部においては、フィン上部の凹部の位置よりも、フィン最外周部分の位置に、空洞の気泡が集まり、適度に気泡が離脱する。よって、上記（１）と（２）が各々機能することで、凹部の位置から液冷媒が空洞内に流入し、最外周部分の位置から空洞内の気泡が排出され、適度に液冷媒が流入し、適度に冷媒気泡が排出されることになる。この効果を得るために、０．９５３≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９９５、Ｗ１＜Ｗ２であることが必要である。

このようにして、本発明によれば、低熱流束域における沸騰伝熱性能を向上させることができる。これにより、大型冷凍機（ターボ、スクリュー）等の蒸発器に組み込まれる沸騰型伝熱管の伝熱性能を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る伝熱管の管外面のフィン形状を示す模式的斜視図である。同じく、実施例の伝熱管の管軸直交断面を示す断面図である。同じく、実施例の伝熱管の管軸を含む面における断面図である。本実施形態の動作を示す管軸直交断面図である。従来の伝熱管の欠点を示す管軸直交断面図である。伝熱係数の評価に使用した試験装置のブロック図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１乃至図３は、本発明の実施形態に係る沸騰型伝熱管を示す図であり、図１はこの伝熱管１の外面のフィン形状を示す模式的斜視図、図２は管軸方向に直交する断面における伝熱管の一部を示す断面図、図３は管軸を含む面の断面図である。伝熱管１の外面には、管周方向に連続するフィン２が、管軸方向に螺旋状となるように、複数個形成されている。このフィン２は、１本のフィンが螺旋状に連なるように形成してもよいし、複数個のフィンが夫々螺旋状に連なるように形成してもよいが、いずれの場合も、図１に示すような管外面の一部の領域では、フィン２は複数個のものが隣接して配置されていることになる。

図３に示すように、これらのフィン２の管軸方向のピッチはＰ１である。また、フィン２間には、溝が形成されることになるが、この溝底部の間隔、即ち、隣接するフィン２の下端の間隔は、ｗＢである。そして、各フィン２は、図３に示すように、その管軸を含む断面において、下部２ａは管基部から立設されており、フィン２の上部２ｂは、管軸方向に隣接する他のフィン２の上部２ｂに向けて張り出している。即ち、フィン２は、管軸方向に対向するもの同士が、相互に対向する方向に張り出しており、これにより、フィン２は、その上部２ｂの張出部２ｃの最近接部間の隙間の間隔ｗＰが、フィン２の下端の相互間隔ｗＢよりも短いものとなっている。これにより、フィン２間に、上端が狭く下部が広い空洞４が形成され、この空洞４内には、フィン２の上部２ｂの張出部間の狭い開口（間隔ｗＰ）を介して、液冷媒が入り込むことができる。なお、管中心を基準とする管最外面の直径をＤｏ、管内面の直径をＤｉとする。また、フィン２の高さはｆｈである。空洞４の底部と、伝熱管１の内面との間の部分は、底肉部１ａであり、主として、この底肉部１ａを介して、伝熱管１の外面側の液冷媒と、伝熱管１の内部の熱媒体（温水）との間で、熱交換がなされるが、当然に、フィン２の表面にても、管外の液冷媒と温水との間で熱交換がなされる。

また、図１に示すように、フィン２の上部を、管軸方向に延びるようにして、溝が形成されており、この溝によりフィン２の上部が凹み、複数個の凹部３が形成されている。この凹部３は、フィン２が連続する方向に適長間隔で複数個形成されている。この凹部３は、図２に示す管軸直交断面に示すように、断面が略矩形である。そして、この凹部３の底部の両端角部間の直線距離はｗ１である。また、隣接する２個の凹部の上端角部間の直線距離はｗ２である。このとき、ｗ１＜ｗ２である。また、管軸直交断面における隣接する２個の凹部３の底部の端部角部間の直線距離をピッチＰ２とする。このとき、０．４０≦Ｐ２≦０．９０ｍｍである。そして、管最外面の管中心を基準とする半径をＲ１、凹部３の底面の管中心を基準とする半径をＲ２とすると、０．９５３≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９９５である。但し、Ｒ１＝Ｄｏ／２である。

次に、上述の如く構成された本実施形態の蒸発器用の沸騰型伝熱管の動作について説明する。伝熱管１の外面に液冷媒が供給され、外面に液冷媒が接触する。伝熱管１の内部には、温水が通流する。これにより、管外面の液冷媒と管内の温水との間で、熱交換がなされる。この場合に、管外面側の液冷媒は、フィン２間の空洞４内に進入して、伝熱管１の空洞底面と接触して、伝熱管１の内部を通流する温水の熱により加熱される。これにより、管外面の液冷媒は、蒸発し、ガスが生成し、このガスは、空洞４からフィン２の上部２ｂの張出部２ｃの最近接部間の隙間を通流して、伝熱管１から離脱する。

このとき、フィン２の管周方向の形状をみると、フィン２の上部２ｂに適長間隔で凹部３が形成されており、フィン２の上部２ｂの最上面（管最外面）に接触する熱媒体と、凹部３内に進入した熱媒体とで、それらよりも下方に位置する空洞４内への流入駆動力は、凹部３内の熱媒体の方が大きい。即ち、フィン２の最上面（管最外面）を被覆している熱媒体よりも、フィン２の凹部３内を充填している熱媒体の方が、その下方に位置する空洞４内に流入しやすい。このため、図４（ａ）に示すように、管外面側の熱媒体は、凹部３内に進入した後、この凹部３から空洞４内に移動する、そして、空洞４は、フィン２と同様に、フィン２と平行に螺旋状に延びているので、空洞４内に移動した液冷媒は、空洞４の底部で底肉部１ａの表面に層６をなして被着される。この冷媒層６は、底肉部１ａの表面を被覆して、底肉部１ａを介して管内の温水の熱により加熱される。これにより、冷媒層６が沸騰し、蒸気が生成して、ガスの気泡５が空洞４内に生起される。この気泡５は、液冷媒が空洞４内に流入する凹部３の位置を外して、この凹部３間の部分のフィン２の上部２ｂの張出部２ｃの最近接部間の隙間から、空洞部４の外部に排出され、伝熱管１から離脱する。これにより、図４（ｂ）に示すように、伝熱管１のフィン２の凹部３間の部分から気泡５が離脱するので、この気泡離脱部からは液冷媒は空洞４内に流入しにくく、液冷媒は、気泡５により凹部３に押し込まれ、凹部３の部分から、主として、空洞４内に流入する。

このとき、上述の熱交換が正常に循環されている場合は、高熱効率で、管外の液冷媒と、管内の温水との熱交換がなされる。しかし、図５（ａ）に示すように、蒸発する液冷媒が消失してドライアウトが生じると、冷媒層６の層厚が極めて薄くなると共に、空洞４内の殆どの領域を液冷媒の蒸気５ａが占めるようになる。そして、この空洞４の外側には、液冷媒が存在するので、図５（ｂ）に示すように、フィン２の最外面の形状に合わせて、管外周側の境界が凹凸となる気泡５が空洞４内に形成される。このようなドライアウトが防止されて、高効率の伝熱効果が得られるためには、管中心を基準として、管の最外面の半径をＲ１、前記凹部の底面の半径をＲ２とし、管軸直交断面における前記凹部の底面の両端角部の直線距離をｗ１、管軸直交断面における隣接する凹部の上端角部間の直線距離をｗ２としたとき、
０．９５３≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９９５
ｗ１＜ｗ２
であることが必要である。また、前記凹部の一方の端部と、管周方向に隣接する他の凹部の一方の端部との間の直線距離を、前記凹部のピッチＰ２としたとき、
０．４０≦Ｐ２≦０．９０ｍｍ
であることが必要である。

「０．９５３≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９９５」
管中心を基準とし、最外周部分の半径をＲ１、凹部３の底部の半径をＲ２とすると、Ｒ２／Ｒ１は０．９５３≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９９５を満たす。Ｒ２／Ｒ１が０．９５３よりも小さい場合は、空洞４部分に対して、凹部３内に管外面に接触する液冷媒の圧力集中が増大し、凹部３からの液冷媒の流入量が増え、気泡が強制的に排出する。その結果、空洞４が液冷媒で充満されて過冷却され、気泡発生が抑制されるため、熱伝達が低下する。Ｒ２／Ｒ１が０．９９５よりも大きい場合は、空洞４の部分に対して凹部３の液冷媒の圧力集中が低下し、凹部３からの液冷媒の流入量が不安定になるとともに、管下部の最外周部分及び凹部部分から、液冷媒が流入しやすくなる。その結果、空洞４内が液冷媒で充満されて過冷却され、気泡発生が抑制され、熱伝達が低下する。

これに対し、０．９５３≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９９５である場合は、管外面に供給される液冷媒が空洞４に進入する駆動力として、フィンの最外周面に被着した液冷媒よりも、凹部３内を満たす液冷媒の方が強くなり、この凹部３から、液冷媒がフィン２間の空洞４内に供給されやすくなる。つまり、Ｒ２／Ｒ１が０．９５３乃至０．９９５の場合に、凹部３が、液冷媒の空洞４内への進入経路として機能する。また、凹部３間の最外周部分は、凹部３の部分よりも、液冷媒の圧力集中が緩和される。これにより、最外周部分の開口部（フィン上部２ｂの張出部２ｃ間の隙間）に空洞４内の気泡５が集まり、適度に気泡５が離脱する。その結果、空洞４に対し、適度に液冷媒が流入し、適度に冷媒気泡５が排出されて、熱伝達効率が向上する。

「ｗ１＜ｗ２」
管軸直角断面より見た凹底部の幅ｗ１と、管最外周（フィン最上部）の残存部分（凹部３以外の部分）の幅ｗ２との関係は、ｗ１＜ｗ２である。

ｗ１≧ｗ２にて凹部３を形成した場合、ｗ１が大きいことにより、凹部３部分からの液冷媒の空洞４内流入が多くなり、空洞４内が過冷却状態になり、熱伝達率が低下する。一方、ｗ１＜ｗ２で凹部３を形成した場合は、空洞４内に発生する気泡５が低熱流束条件でも管最外周部分からの気泡５の離脱が適度になされ、かつ凹部３部分からの冷媒流入量を最小限に抑えることができる。その結果、空洞内が過冷却状態にならずに、連続的に沸騰し、熱伝達率がより向上する。

「０．４０≦Ｐ２≦０．９０ｍｍ」
また、凹部３の一方の端部と、管周方向に隣接する他の凹部３の一方の端部との間の直線距離を、凹部３のピッチＰ２としたとき、０．４０≦Ｐ２≦０．９０ｍｍとすることにより、より一層沸騰伝熱を促進することができる。

らせん状の空洞４の部分と空洞４の外部とを連通するフィン２間の狭い開口部は、フィン２の張出部２ｃの部分で最も狭く、管周方向に一定の間隔で配置された凹部３の部分、即ち、管最外周の面が凹んで形成された凹部３の部分は張出部２ｃがない分、若干広くなっている。この凹部３の管円周方向のピッチＰ２（直線距離）は、０．４０≦Ｐ２≦０．９０ｍｍとすることが好ましい。ピッチＰ２が０．４０ｍｍよりも小さい場合、空洞４内に発生する気泡５が低熱流束条件でも排出されにくくなり、空洞４内が過熱状態になる。その結果、空洞４内がドライアウトしやすくなる。

また、ピッチＰ２が小さい場合、凹部３が多くなることにより、運転開始時に、特に低熱流束条件で空洞４内への液冷媒流入量が多くなり、沸騰の定常状態に至る時間が長くなる。その結果、機器運転開始時のエネルギ（例えば、電力等）を多量に消費する。

一方、ピッチＰ２を０．９０ｍｍよりも大きくした場合は、空洞４内に発生する気泡５が排出されやすくなり、高温の気泡５が少なくなり、低温の液冷媒が多くなって、空洞４内の温度が下がり、空洞４内が過冷却状態になりやすくなる。その結果、空洞４内が冷却されやすく、熱伝達率が低下する。

これに対し、ピッチＰ２が０．４０≦Ｐ２≦０．９０ｍｍの範囲である場合は、低熱流束域においても、最外周部分の開口部から適度に気泡が離脱し、凹部３から液冷媒が適量空洞４に流入する。その結果、空洞４内でドライアウトが生じることなく、安定的に液冷媒の沸騰を継続させることができ、それにより、沸騰性能がより一層向上する。

「その他の形状因子」
フィン２の最上面、即ち、管最外面の直径（管外径）Ｄｏは、２・Ｒ１であるが、このＤｏは、例えば、１２．５乃至２６ｍｍである。フィン２の間に形成される空洞４の底肉部１ａの厚さ（底肉厚）は、管内径をＤｉとし、フィン２の高さをｆｈとすると、（Ｄｏ−２・ｆｈ−Ｄｉ）／２と表される。この底肉厚は、使用する冷媒にもよるが、例えば、０．４５乃至１．２０ｍｍである。凹部３の底部の幅ｗ１は、例えば、最小値が０．０５ｍｍであるが、凹部３の加工工具の耐久性が良ければ、最小値で０．０３ｍｍとすることができる。

管外の螺旋状空洞４の管軸方向ピッチＰ１は、使用する冷媒により適宜変更するものであるが、例えば、エアコンディショナー等にも使用されるフロン冷媒の場合は、ピッチＰ１は小さくし、その範囲は、例えば、０．４０乃至０．８５ｍｍである。一方、水冷媒の場合は、ピッチＰ１を大きくし、その範囲は、例えば、０．８０乃至１．６０ｍｍである。このピッチＰ１の相違は、冷媒の粘性係数及び表面張力に影響を受ける。フロン冷媒は粘性係数及び表面張力が小さい。一方で、水は粘性係数及び表面張力が大きい。

また、空洞４の形状を規定するｗＰ、ｗＢ及びｆｈについては、上述の空洞４における液冷媒の沸騰を効率よく促進するために、フィン２の上部張出部２ｃ間の間隔である開口部幅ｗＰは０．０６４乃至０．１８８ｍｍ、空洞４の管軸方向の最大幅である空洞底幅ｗＢが０．２８２乃至０．４９１ｍｍ、フィン高さｆｈが０．４１乃至０．６５ｍｍであることが好ましい。

なお、管内面には螺旋状のリブを成形することが可能である。このリブを成形することにより、管内の熱伝達率が向上し、より沸騰伝熱性能が向上する。

本発明の沸騰型伝熱管は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、及びステンレス等の熱伝導性を有する金属材料で製造されており、特に、銅又は銅合金のような熱伝導率が良好なものであれば、なお好適である。また、適用する冷媒により微量添加されて強度が向上した銅合金材料を使用すれば、管外側の圧力が高い場合でも通常の銅と比較して薄い素材を使用することが可能となり、材料使用量を削減でき、更には薄い素材を使用することにより材料部分の熱抵抗が小さくなり、より性能が向上する。

以下、本発明の沸騰型伝熱管の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図６は伝熱性能の評価に使用した試験装置の概略図である。ステンレス鋼製シェルアンドチューブ熱交換器の凝縮器５３及び蒸発器５５が配管で接続されており、冷媒が温度差により自然循環するサーモサイフォン型の熱交換器である。凝縮器５３及び蒸発器５５は、内径が３３３ｍｍ、長さが１０００ｍｍのタンクである。蒸発器５５の中央に、実施例及び比較例の供試管５４が１本設置されており、この供試管５４の測定有効長は１０００ｍｍである。タンク５６内には冷媒が貯留されており、このタンク５６から供給された冷媒は、ヒータ５７にて加熱されて、温水となる。このとき、タンク５６内の冷却コイルにより、タンク５６内の冷媒は冷却され、ヒータ５７により加熱されることにより、供試管５４に供給される温水は、一定温度に制御される。この温水は供試管５４の一方の端部である入口から供試管内部に供給される。供試管５４の他端の出口から排出された冷媒は、タンク５６に返戻される。蒸発器５５内には液冷媒が充填されており、供試管５４はこの蒸発器５５内の液冷媒中に浸漬される。そして、供試管５４内部の温水により加熱された液冷媒は蒸発し、蒸気冷媒となって、凝縮器５３に供給される。

凝縮器５３においては、管端部をＯリングで固定した伝熱管５２（有効長１０００ｍｍ）が水平に１本設置され、冷媒蒸気入口には、蒸発器５５から供給される冷媒蒸気が直接伝熱管５２に当たらないように、邪魔板が設置されている。伝熱管５２内には、タンク５１から供給されたブラインを流し、伝熱管５２の外表面で蒸気冷媒を恐縮させる。この凝縮した液冷媒は、重力で蒸発器５５に戻る。

蒸発圧力は、蒸発器上部に設けた圧力取出し口より、半導体ひずみゲージ式圧力伝送器（測定誤差：測定スパンの±０．１％）を使用して測定する。温水の出入口温度は、白金測温抵抗体（Ｐｔ１００Ω、ＪＩＳ−Ａ級）を、予めクオーツ温度計にて±０．０５°Ｃに校正したものを供試管５４の両管端に夫々設置して測定する。ここに、白金測温抵抗体の先端は、流路中央になるように設置されている。温水流量は電磁流量計（測定誤差：読み値の±０．２５％）で測定する。試験条件を、下記表１に示す。

熱伝達率は以下の各数式により算出した。先ず、温水伝熱量Ｑ_ｃは、数式１により求めた。

ここで、Ｇ_ｃは温水体積流量、ρ_ｃは温水密度、ｃ_ｐｃは温水定圧比熱、Ｔ_Ｃｏｕｔは温水出口温度、Ｔ_Ｃｉｎは温水入口温度である。なお、温水の物性値は、物性値表より作成した相関式を用いて、温水出入口温度測定値の算術平均値により算出した値を使用した。対数平均温度差ΔＴ_ｍは、下記数式２で定義される。

ここで、Ｔ_ｓは冷媒飽和温度である。この冷媒飽和温度Ｔ_ｓは、蒸発圧力の測定値と冷媒物性値より算出した。

そして、供試管フィン加工部の外表面積Ａ_ｏ基準の総括伝熱係数Ｋ_ｏを、下記数式３により求めた。

ここで、供試管フィン加工部の外表面積Ａ_ｏは、下記数式４に示すように、供試管フィン加工部外径Ｄ_ｏより算出した包絡面を基準とした。

ここで、ｌは供試管伝熱有効長である。

また、外表面積基準の熱流束ｑ_ｏは、供試管フィン加工部の外表面積Ａ_ｏを基準として、下記数式５により求めた。

管外蒸発熱伝達率ｈ_ｏは、下記数式６にて求めた。

ここで、ｈ_ｉは管内側熱伝達率、Ａ_ｉは供試管フィン加工部の内表面積、Ｒ_ｗａｌｌは管壁熱抵抗であり、これらは以下のように求める。

供試管フィン加工部の内表面積Ａ_ｉは、下記数式７にて定義される。

ここで、Ｄ_ｉｍａｘは供試管フィン加工部最大内径である。また、管壁熱抵抗Ｒ_ｗａｌｌは、下記数式８にて定義して求める。

ここで、ｋ_ｗａｌｌは管壁の熱伝導率である。更に、管内側熱伝達率ｈ_ｉ及び管内側ヌッセルト数Ｎｕ_ｉは、関数形がDittus-Boelterの式で表されると仮定し、下記数式９にて定義して求める。

ここで、Ｃ_ｉは実験的に求められる係数、ｋ_Ｃは温水の熱伝導率、Ｐｒ_Ｃは温水のプラントル数である。また、温水のレイノルズ数Ｒｅ_Ｃは、下記数式１０にて定義して求めた。

ここで、Ｖ_Ｃｉは温水平均流速、ν_Ｃは温水の動粘性係数である。なお、管内側熱伝達率ｈ_ｉを求めるためのＣ_ｉ値は、事前にWilson-plot法を使用して予め試験して求めた。そのＣ_ｉ値は、０．０６８である。

試験評価した本発明の実施例及び比較例の伝熱管の形状因子を下記表２−１、表２−２及び表３に示す。表２−１、表２−２は実施例、表３は比較例である。表２−１、表２−２及び表３において、各数値の単位は、Ｒ２／Ｒ１及びｈｏを除いて、ｍｍである。なお、素材はりん脱酸銅管（ＪＩＳＨ３３００Ｃ１２２０ＴＳ）を使用した。実施例及び比較例の伝熱管を得るための素管のサイズは、管の外径が１９．０５ｍｍ、肉厚が１．０５ｍｍの平滑管である。この素管を転造加工法によりローフィン及び内面リブを同時に加工し、数段のフィン先端部を分断及び圧縮して目的の形状を成形した。なお、フィンの成形は転造による方法に限定するものではなく、切り起こし法、又は切削による方法でも可能である。なお、内面リブの形状仕様は、リブ数が４８個、リブの管軸に対してなす角度であるリード角が４７°、リブ高さが０．３１ｍｍである。

この表３に示すように、比較例１乃至７は、Ｒ２／Ｒ１が０．９５３乃至０．９９５の範囲から外れる。また、比較例３，５，８は、ｗ１≧ｗ２であり、本発明の範囲から外れる。更に、比較例１〜３，６〜８は、Ｐ２が本発明の範囲０．４０乃至０．９０ｍｍから外れる。

これに対し、表２−１，表２−２に示す実施例Ａ１〜Ａ７と比較例Ｂ１〜Ｂ９は、全て、Ｒ２／Ｒ１及びｗ１，ｗ２は、本発明の範囲を満たす。また、実施例Ａ１〜Ａ７は、Ｐ２も本発明の範囲を満たす。しかし、比較例Ｂ１〜Ｂ９は、Ｐ２が本発明の範囲から外れる。

この表２-１，表２−２に示すように、本発明の範囲を満たす実施例Ａ１〜Ａ７は、管外面の蒸発熱伝達率ｈｏが７．８９以上と極めて高い。また、比較例Ｂ１〜Ｂ９は、Ｐ２が本発明の範囲から外れるため、蒸発熱伝達率ｈｏが６．５２〜６．８０と実施例Ａ１〜Ａ７より低い。更に、表３に示すように、本発明の比較例１〜８の場合は、蒸発熱伝達率ｈｏの最高値が５．４５と低いものであった。

１：伝熱管
１ａ：底肉部
２：フィン
２ａ：下部
２ｂ：上部
２ｃ：張出部
３：凹部
４：空洞
５：気泡
６：冷媒層

Claims

金属又は合金管であって、
管外面に管周方向に連続し管軸方向にらせん状になるように形成された複数個のフィンと、
このフィンの上部を管軸方向に延びる複数本の直線状の溝により凹ませて、前記フィンの連続方向に適長間隔で形成された複数個の凹部と、
前記フィンの上部が相互に対向する方向に張り出して形成された張出部と、
を有し、
隣接する前記フィンの対向側面とこのフィン上部の前記張出部とにより囲まれるようにして形成され、前記フィンと共にらせん状に延びる空洞を有し、
前記フィンは、
その管軸方向のピッチＰ１が、０．４０乃至１．６０ｍｍであり、前記フィンの高さｆｈは０．４１乃至０．６５ｍｍ、前記フィンの上部張出部の相互間隔である開口部幅ｗＰは０．０６４乃至０．１８８ｍｍ、前記フィンの相互間とその上部の張出部に囲まれて形成された前記空洞の管軸方向の最大幅である空洞底幅ｗＢが０．２８２乃至０．４９１ｍｍであり、
前記凹部は、
管中心を基準として、管の最外面の半径をＲ１、前記凹部の底面の半径をＲ２とし、管軸直交断面における前記凹部の底面の両端角部の直線距離をｗ１、管軸直交断面における隣接する凹部の上端角部間の直線距離をｗ２としたとき、
０．９５３≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９９５
ｗ１＜ｗ２
であり、
前記凹部の一方の端部と、管周方向に隣接する他の凹部の一方の端部との間の直線距離としての前記凹部のピッチをＰ２としたとき、
０．４０≦Ｐ２≦０．９０ｍｍ
であると共に、
管最外面の直径Ｄｏは１２．５乃至２５ｍｍ、管の底肉厚は０．４５乃至１．２０ｍｍであることを特徴とする沸騰型伝熱管。