JPH0421117B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空気調和機、冷凍機、ボイラー等の熱
交換器の中で、管内流体が相変化を行う用途に適
した内面溝付伝熱管（以下単に内面溝付管とい
う）の改良に関する。

内面溝付管は、その概略を第１図に示すよう
に、銅管の如き金属管の内面に多数のらせん状の
溝を設けたものである。

従来この種の内面溝付管には、溝深さ、溝形状
溝のねじれ角度等に種々の制限を加えたものが発
表されているが、それらは実際に使用する側から
見ると、必ずしも最適なものとはいえず、その適
用拡大に今一歩の感がある。その最大の理由は、
伝熱性能と製造コストの比にある。即ち、内面溝
付管は、その微細な内面構造上、転造法によらな
ければ、安定した品質が得にくいが、転造法は、
モーターの回転数、その他から来る速度上の限
界、換言すれば、製造コスト的な限界がある。し
かるに平滑管は高速引抜法によつて製造が可能で
あるので、従来の内面溝付管は伝熱性能と製造コ
ストの比で考えると、平滑管からの切替メリツト
が出にくいという理由によるところが大きい。

従来から実用に供されている内面溝付管の代表
的な形状を第２図ａ，ｂに示す。しかし斯かる内
面形状をもつた溝付管は以下に述べるような理由
で性能／コスト比が低い。

まず第１に、溝深さ（Hf）と性能が比較例な
関係にあることは従来から衆知の事であるが、圧
力損失が平滑管に比べて大幅に増大する限界は、
溝深さ（Hf）と内径（Di）との比がHf／Di≒
0.02〜0.03付近にあるにも拘らず、従来品はHf／
Di≒0.018以下であるので、溝深さ（Hf）が圧力
損失上の限界にまで達していなかつた点にある。
これはまた、従来形状のままで溝深さ（Hf）を
大きくすることが即、単位重量（以下単重とい
う）の増加につながるというコスト的な理由にも
起因している。

第２に、性能に影響する要因は、溝形状と山形
状であり、詳細は後述するが、第２図ａに示す従
来品は、溝部の断面積（Ｓ）が小さく、山の頂角
（α）が大きいため性能は十分でなかつた。

また、第２図ｂの場合は、溝部断面積（Ｓ）が
ａの場合より大きいものの、山が台形であるため
にやはり満足の行く性能は得られなかつた。

本発明は以上のような点に鑑みなされたもの
で、その目的とするところは、性能を向上させな
がら単重増加が相対的に少なく、かつ製造上の困
難さも相対的に大きくない実用的な内面溝付管を
提供することにある。

即ち本発明の要旨は、特許請求の範囲に記載し
た如く、溝深さを内部流体の圧力損失を増加させ
ない程度にできるだけ大きく設定し、個々の溝部
断面積について、液膜の厚みと管内表面積の２点
を勘案して制限を加え、かつ山の形状についても
管内表面積、管の単重、製造時の加工性等を総合
的に判断して制限を加えた事にある。

本発明に係る内面溝付管の一実施例における横
断面部分拡大図を第３図に示す。この実施例は外
径（OD）9.52mmの銅管の内面に、管軸に対して
18度のねじれ角（β）をもつて円周上に山数
（ｎ）60の三角山が等間隔にできるように溝を形
成したもので、有効な肉厚（Tω）は0.30mmであ
る。

以下に本発明の数値限定理由を従来品と比較し
ながら説明する。

なお、以下にすデータは全て管内流体としてフ
レオン−Ｒ−22を使用し、蒸気圧力４Kg／cm²Ｇ、
平均乾き度＝0.6、熱流速＝10Kw／m²、冷媒流量
＝200Kg／m²Ｓ、凝縮圧力＝14.6Kg／cm²Ｇ、入口
過熱度＝50℃、出口過冷却度＝５℃の条件であ
り、内表面積は最小内径（Di）基準でとつてあ
る。

まず最初に溝深さ（Hf）について説明する。
第４図は一般的な内面溝付銅管（OD＝φ〜．
52、Di＝φ8.52、β＝18゜）について、横軸に溝深
さ（Hf）を管内最小径（Di）との比でとり、縦
軸には、管内熱伝達率及び管内流体の圧力損失を
平滑管との比でとつたものである。本図によれ
ば、熱伝達率は溝深さ（Hf）が深くなるように
したが比例的に増加するが、Hf／Di＝0.02〜0.03
付近からの増加量は緩慢になる。圧力損失比はや
はりHf／Di＝約0.03までは平滑管と大差ないが、
これ以降は急激に増大する。従つて、圧力損失が
平滑管と大差ない範囲で、できる限り高性能な範
囲を選択するにはHf／Di＝0.02〜0.03の範囲が望
ましい。

次の、溝のねじれ角度（β）について説明す
る。第５図は内面溝付銅管（OD＝φ9.52、Di＝
φ8.52、Hf＝0.20）について、横軸に溝の管軸に
対するねじれ角度（β）をとり、縦軸に管内熱伝
達率の平滑管との比をとつたものである。本図に
よれば、蒸発時は７〜20゜付近に僅かなピークを
もち、凝縮時にねじれ角度（β）の増加と共に性
能が漸増する傾向にある。しかし一方で、ねじれ
角度（β）の増加は、管製造時の加工性低下を招
くことも考え合わせると、最適なねじれ角度
（β）としては、蒸発、凝縮とも性能が急激に立
上がる7゜付近から30゜程度までの範囲に留めるの
が望ましく、これらの範囲内においては性能的に
大差ないと見ることができる。

次に、溝部断面積（Ｓ）について説明する。

一般的に内面溝付管の相変化状態での性能向上
は、内面の凹凸による流体への撹拌効果、内表面
積の増大効果及び凹凸部における液膜変動の効果
が考えられる。第１の撹拌効果については、溝深
さ（Hf）が支配的であり、これが大きいほど性
能向上に寄与することは論を待たないが、第３の
液膜挙動とも密接に関連する。即ち、管内を一定
速以上で流体が流れる場合、微細な溝の毛細管作
用と流体速度から来る引摺力によつて液はらせん
状の溝内をかけ上がつて管内全周を濡らす、いわ
ゆる環状流となり易い。この状況を第６図ａ，ｂ
に示すが、ａの平滑管の場合は上側の乾いた部分
は蒸発に寄与しないのに対し、ｂは溝付管の場合
は、全面で蒸発が促進される。しかし溝付管１で
あつても、溝部断面積が異なつた場合は、全液量
を一定としたとき、液膜の厚みは第７図に部分拡
大図で示すように、夫々異なつた様相を呈する。
即ち、溝部断面積が大きいｃの場合は、液膜２が
薄すぎで山先端に乾いた部分が露出してしまい、
ここでの蒸発が行なわれない。また、溝部断面積
の小さな管ａは、液膜２が厚すぎて、流体ガス−
管壁間の熱抵抗が増大し、やはり性能低下を招
く。

従つて、できるだけ薄い液膜で壁面全体が覆わ
れて、ｂの状態となるような最適な溝断面積が存
在する。但し、溝を隔てる山の形状が同一の場
合、内表面積は、溝断面積に反比例する。従つ
て、ｃはｂに比べて表面積的にも性能低下の方向
となるが、ａはｂに比べて表面積的には性能向上
の方向となる。

従つて総合的に最適な溝部断面積Ｓ（正確には
Ｓ／Hf）は第７図のａとｂの中間的な位置にあ
ると予想される。

また、一定の最適溝部断面積（Ｓ）に対して、
山の断面形状を変えた場合の例を第８図に示す。
同図においてａはｂに比べて山の頂角（α）が大
きいため、管製造時の加工性に秀れるものの、山
部断面積が大きく、単重の増加につながると同時
に、内表面積を減少させて性能低下の方向とな
る。ｃのような矩形または台形の山部の場合も、
単重の増加及び山ピツチ増加から来る全内表面積
の減少は同様である。一方ｄのように、頂角
（α）の小さい山形状はｂに比べて単重増なしに
内表面積を増大させるが、著しく頂角が小さいス
リムな山は、加工性を甚だしく低下させるため、
製造コストの大幅な増加を招き易い。

以上に述べた溝や山の形状が性能に及ぼす定性
的な影響をデータ的に示したのが第９図〜第１１
図である。

第９図はDi＝φ8.52、Hf＝0.20、β＝18、ｎ＝
60、OD＝φ9.52の内面溝付銅管における山形状と
熱伝達率化の関係を示している。本図によれば、
蒸発、凝縮とも頂角（α）が小さいほぼ性能は良
く、また台形山Ａより三角山Ｂの方が性能が良
い。

しかし頂角（α）が小さくなるほど管製造時の
加工性が著しく低下してコストアツプにつながる
ので、実用的には、頂角（α）は30〜60゜の範囲
が望ましいといえる。

第１０図は、Tw＝0.30、Hf＝0.2、β＝18゜、
α＝50゜の三角山としたOD＝φ9.52の内面溝付銅
管における溝部断面積Ｓ（正確にはＳ／Hf）との
関係を見た図である。本図によれば、蒸発性能は
Ｓ／Hf＝0.3付近にピークがあるが、0.3以上の範
囲の急激な低下に比べ、0.3以下の範囲は性能低
下が緩やかである。一方、凝縮性能はＳ／Hfが
小さくなるほど急激に上昇しており、Ｓ／Hf＝
0.2付近に僅かなピークが見られる程度である。

これらの傾向から見ると、Ｓ／Hfが小さいほ
ど性能的に安定しているといえるが、反面、山数
の増加による単重の増加がＳ／Hfに反比例的に
増大することも忘れてはならない。即ち、溝を画
定する山の数以外の緒元を一定とした場合、Ｓ／
Hfが小さくなることは、山数の増加、延いては
コストアツプにつながる単重の増加を意味し、こ
れをＳ／Hfとの関係で見ると、反比例的な傾向
を示す。従つて、これらを総合的に判断して最適
仕様を求めなければならない。

本発明の目的の１つである総合的なコストメリ
ツトを考えるための試算例を次に示す。

代表的な熱交換器の１つであるルームエアコン
のフインコイル型熱交換器を想定し、スリツト型
アルミフインを含めた管外側熱抵抗と、従来品を
使つたときの管内側抵抗との比75％：25％と仮定
する。このとき、管内のみ第２図ａに示す従来品
から本発明の一実施例品に切替えたときの熱伝達
率向上率を、熱通過率増加率に換算すると、第１
１図のＢで表わされる。同様の比較を単重につい
て行なうと、第１１図のＡのグラフとなる。尚、
この場合、従来品（第２図ａ）の緒元は、 OD＝φ9.52、Hf＝0.15、β＝25゜、α＝90゜、ｎ
＝65である。

ここで熱通過率の向上分だけチユーブ長さを短
かくしたとすれば、この分がそのままコストメリ
ツトとなり、また単重の減少分も製造時の加工性
の低下を考慮しなければ、ほぼこれに近い値のコ
ストメリツトとなる。

従つて、Ａ＋Ｂがチユーブ購入側のメリツト合
計となる。現実には溝付管の採用に当たつて空調
能力の向上や効率向上を図れば、その分コストメ
リツトは減少するし、加工性の低下があれば、更
にメリツトは減少する。従つて、第１１図のメリ
ツト換算は、単なる目安に過ぎないが、第１１図
からは蒸発性能向上の少ないＳ／Hfの小さい領
域においても十分メリツトを出し得ることが判
る。従つて、Ｓ／Hfとしては、凝縮性能のピー
クが見られる0.2から蒸発性能のピークが見られ
る0.3の範囲が効果的であるといえる。

以上のように、本発明は個々の溝部断面積と、
その溝部を画定する山の形状に制限を加えること
により、単重の低減、加工性の改善等を可能にす
ると共に、高性能化を図つたもので、その実用価
値は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は内面溝付管の概略を示す横断面及び縦
断面図、第２図は従来品の横断面拡大図及び各部
寸法の記号を示した図、第３図は本発明の一実施
例を示す横断面拡大図、第４図は溝深さと伝熱性
能及び圧力損失との関係を示すグラフ、第５図は
溝のねじれ角と伝熱性能の関係を示すグラフ、第
６図は管内を流れる流体の流れを模式化した図、
第７図は溝寸法と液膜厚みの関係を模式化した
図、第８図は溝部寸法と山部寸法の関連を示した
図、第９図は本発明の一実施例を含む山頂角と伝
熱性能の関係を示すグラフ、第１０図は本発明の
一実施例を含む溝部断面積と伝熱性能及び単重と
の関係を示すグラフ、第１１図は本発明の一実施
例を含む溝部断面積と伝熱性能、単重減少率及び
従来品と比べたメリツトを試算した例を示すグラ
フである。 １：内面溝付管、２：液膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 管内を流れる流体が相変化を行う伝熱管であ
   つて、管の内面に、溝深さ（Hf）が管内径（Di）
   との比でHf／Di＝0.02〜0.03、溝の管軸に対する
   ねじれ角が7゜〜30゜である断面が台形状の多数の
   溝を持つものにおいて、個々の溝部の軸直角断面
   積（Ｓ）を溝深さ（Hf）との比率でＳ／Hf＝0.2
   〜0.3とし、かつ各溝間に位置する山部を軸直角
   断面での頂角が30゜〜60゜の断面三角形状としたこ
   とを特徴とする内面溝付伝熱管。