JPH07120184A

JPH07120184A - 内面突起付伝熱管

Info

Publication number: JPH07120184A
Application number: JP27201993A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Ishikawa; 守石川; Nobuaki Hinako; 伸明日名子
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1995-05-12

Abstract

(57)【要約】【目的】冷媒圧力損失を小さく抑えて性能を向上し、
熱交換器に使用した際の熱交換能力の向上とコンプレッ
サー動力の低減による省エネルギーを図ることができる
内面突起付伝熱管を提供する。【構成】内面突起付伝熱管は、管の内面に複数個の突
起１の群を管軸に対し５〜４５°の捻角を有する方向に
列をなして設けている。この突起１は、突起列方向両端
部が低く中央部に向かって高さを増す傾斜面を有し、そ
の底部において、突起列方向中央部の幅よりも突起列方
向両端部の少なくとも一方の端部の幅が小さい。そし
て、突起１の群は円周方向に相互に隣接する突起列が突
起列方向に突起長の範囲で又は突起長の１／２のピッチ
でずれを有して配置されている。また、突起１はその突
起列方向中央部における頂部の幅が、突起底部の幅より
も小さく、突起１は全てが実質的に同一の形状を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はルームエアコン及び冷蔵
庫等に組み込まれる熱交換器用の高性能の内面突起付伝
熱管に関する。

【０００２】

【従来の技術】ルームエアコン等の熱交換器には内面溝
付管が多く使用されている。従来の内面溝付管は特開昭
６０−１４２１９５号等に記載されているように、管の
内面に略三角形の断面形状を有する突起をその連続する
頂部が管軸方向に対して捻角を有するように形成し、こ
の峰状の突起を管円周方向に複数個配置したものであ
る。この頂部が連続する突起により伝熱面積が拡大さ
れ、更に冷媒が攪乱されるため、内面平滑管に比較して
大幅に伝熱性能が向上する。

【０００３】前記内面溝付き管よりも更に伝熱性能を向
上させたものとして、管軸に対して逆方向の捻角を有す
る２種の溝を交差させ、角錐状の突起列を多数成形した
交差型の内面溝付き管（特開昭５４−１１６７６５号）
が提案されている。

【０００４】後者は前者に比較して内表面積が大きく、
且つ角錐状突起の冷媒主流と交錯する斜面での乱流効果
が加わるため、伝熱性能が優れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧力損失は後
者の交差型内面溝付管の方が前者の内面溝付管より高く
なる。交差型内面溝付き管の突起は独立した形状の複数
個の突起又は略独立状の突起を有する。この突起は、そ
の底部における幅が突起の長手方向で同一であり、略角
錐状をなしている。更に、突起部は管軸方向に断続し、
溝部は管軸方向に連続しており、突起部と溝部は同位相
で成形されている。このため突起の冷媒流れ方向の前後
方向において、冷媒通過時の流動抵抗が大きくなり、圧
力損失が増加する。更に、突起と溝が同位相で成形され
ているため、冷媒に本流と支流の２つの流れが生じ、こ
の結果、圧力損失が増加すると共に、伝熱面部位によっ
て不均等な熱交換が生じることがあるという問題点があ
る。

【０００６】最近のルームエアコン等は省エネルギー及
び省スペース等の観点から、熱交換器の小型及び高性能
化が追求され、上記内面溝付管等は従来の外径９．５２
ｍｍから外径８〜６．３５ｍｍへと小径化が進んでき
た。この結果、内面溝付管の管内流路断面積は半減し、
冷媒の圧力損失が顕著となった。伝熱管単体をみた場
合、蒸発性能は冷媒圧力損失の増加に反比例して低下す
る傾向があり、このため小径内面溝付管などは高い蒸発
性能を得ることが困難である。

【０００７】内面溝付き管等の蒸発性能及び凝縮性能
は、突起を高く成形することにより向上するが、前述の
圧力損失が増大し、熱交換器のコンプレッサー動力を増
大させてしまう。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、伝熱表面積を拡大するために内面に突起を
設けた伝熱管の冷媒圧力損失を小さく抑えて性能を向上
し、熱交換器に使用した際の熱交換能力の向上とコンプ
レッサー動力の低減による省エネルギーを図ることがで
きる内面突起付伝熱管を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る内面突起付
伝熱管は、管の内面に複数個の突起の群を管軸に対し５
〜４５°の捻角を有する方向に列をなして設けた内面突
起付き伝熱管において、前記突起は、突起列方向両端部
が低く中央部に向かって高さを増す傾斜面を有し、その
底部において、突起列方向中央部の幅よりも突起列方向
両端部の少なくとも一方の端部の幅が小さいことを特徴
とする。

【００１０】前記突起群は円周方向に相互に隣接する突
起列が突起列方向に突起長の範囲内でずれを有して配置
されていることが好ましい。こ場合に、前記ずれは、突
起長の１／２のピッチであることが望ましい。

【００１１】また、前記突起はその突起列方向中央部に
おける頂部の幅が、突起底部の幅よりも小さいことが好
ましい。更に、前記突起は全てが実質的に同一の形状を
有することが望ましい。

【００１２】なお、突起はその頂部が突起列方向に長さ
を有するものであってもよく、また突起形状については
底部、頂部及び傾斜部の各辺は直線若しくは曲線又はそ
れらを組み合わせたものであってもよく、更にこれによ
り構成される面は平面でも曲面でもよい。突起を管軸に
対し１５乃至４５°の捻角を有する方向に列をなして設
ける際に、突起間は連続でも間隔を有していてもよい。

【００１３】

【作用】本発明においては、管の内面に列をなして複数
個形成された突起は、その突起列方向両端部から中央部
に向かって高さを増す傾斜面を有し、その底部におい
て、突起列方向中央部の幅に対し突起列方向両端部の少
なくとも一方の端部の幅が小さい。このため、これらの
独立した突起は、冷媒液が突起部を通過する際に、冷媒
液の流れを突起高さ方向で傾斜面に沿ってなだらかなも
のとし、また突起幅方向で流線形とするため、冷媒液の
流動抵抗を低減させる。

【００１４】この独立した突起が断続的に並ぶ突起列を
管円周方向に複数個配置する。そして、この突起列を管
軸方向に対し、５〜４５°の捻角を有して設けるのは、
蒸発時において伝熱性能は捻角が０〜５°の範囲では捻
角の増加と共に急激な性能向上を示し、捻角が５〜３０
°付近にピークをもっている。そして、これにより捻角
が増加するにつれて伝熱性能が低下する傾向となる。一
方、凝縮時において、伝熱性能は、捻角が０〜５°の範
囲では捻角の増加と共に急激な向上を示し、捻角が５°
を超えた場合は捻角の増加に伴い漸増する傾向にある。
そして、捻角が４５°を超えるような突起列の成形は、
加工速度の低下をもたらすため製造上不利である。最近
の主流であるヒートポンプエアコンでは蒸発及び凝縮両
性能を必要とするため、最適な捻角は５〜４５°の範囲
にあるのものが良く、これらの範囲においては性能的に
大差がないとみることができる。

【００１５】更に、管の円周方向に突起列群を複数個設
け、円周方向に隣接する突起列同士を突起列方向で突起
長の範囲内で、好ましくは１／２ピッチでずれを有して
配置することにより、突起列に垂直の方向（即ち、ほぼ
管円周方向）には突起底部と突起頂部とが交互に現れる
ため、この方向での冷媒の流れが均等になり、管の単位
長さ当たりの伝熱面積が拡大するため、伝熱性能が向上
する。

【００１６】また、突起底部の幅に対し突起頂部の幅を
小さく設定することにより、冷媒液の流動抵抗を低減さ
せることができる。

【００１７】前記突起群を実質的に同一の形状とするの
は、管内の冷媒の流れに偏流を生じさせないためであ
り、これにより管内の全ての部位でも均等な熱交換が行
われる。

【００１８】管内面の突起頂部が突起列方向に長さを有
することにより、クロスフィン熱交換器等で伝熱管を拡
管加工する際に、突起頂部の捻れを小さく抑えることが
できる。また、突起底部及び頂部並びに傾斜部の各辺が
直線よりも曲線の場合、即ち各辺で構成される面が平面
より曲面の場合の方が圧力損失を小さくすることができ
る。

【００１９】

【実施例】次に、本発明の実施例について、その比較例
と比較して伝熱性能を説明する。先ず、図１、２を参照
して本発明の実施例の突起形状について説明する。図１
は１個の突起１を示す斜視図であり、図２（ａ）はこれ
らの複数個の突起が形成された管内面の突起列を示す上
面図、図２（ｂ）はそのＡ−Ａ線による断面図、図２
（ｃ）はそのＢ−Ｂ線による断面図である。突起１は図
１中矢印にて示す突起列方向の両端部からその中央部に
向かって高さが増し、中央部にて頂部が形成されてい
る。この突起１の底部において、突起列方向の両端部の
幅ｗ₂は、その中央部の幅ｗ₁よりも小さい。また、頂部
の幅ｗ₃は、底部中央部の幅ｗ₁よりも小さい。また、図
示例において、突起１は頂部において高さｈを有し、そ
の斜面２は平面である。

【００２０】なお、突起１の底部における突起列方向の
一方の端部の幅を中央部の幅ｗ₁と同一としてもよい。
また、頂部は図示例では突起列方向に幅を有しない直線
状のものであるが、これに限らず突起列方向に幅を有
し、平面状の頂部を有する形状の突起でもよい。更に、
この頂部から底部に向かう傾斜面は上記実施例のように
平面に限らず、曲面であってもよい。

【００２１】図２に示すように、これらの突起はその長
手方向に列をなして配置されている。この突起列３，４
の方向は管軸方向に対し、捻角αで傾斜している。そし
て、隣接する突起列３，４同士は、突起列方向について
突起長の１／２のピッチで相互にずれを有しており、こ
のため、図２（ｂ）に示すように、１つの突起列３にお
いて、山が連続的に並び、この山の麓に隣接する突起列
４の山が見えているような形状をなしている。また、突
起列方向に垂直の方向の断面においても、図２（ｃ）に
示すように、突起中央部の断面が見えている突起の間の
奥に突起の山が見えている。

【００２２】この図２に示すように、突起１は全て実質
的に同一の形状を有し、突起列３、４においては、突起
列方向において、１つの突起の突起列方向端部、即ち底
部が次順の突起の端部、即ち底部とつながり、頂部、底
部、頂部、底部と連続し、頂部が断続する突起列が得ら
れている。そして、１つの突起列３の端部は隣接する突
起列４の略中央部と隣り合う。本実施例においては、突
起列方向の中央部においてもその頂上と底部との間は傾
斜面となっているので、突起列方向に垂直の方向で、１
つの突起列３の頂部はその傾斜面を介して隣接する突起
列４の底部とつながっている。

【００２３】このように、突起が全て同一の形状を有
し、平面視において、その外縁が六角形状をなしている
ので、これらの突起を伝熱管内面に稠密的に配置するこ
とができ、その配置密度を高め、従って伝熱表面積を増
加させることができる。

【００２４】次に、この図１、２に示す形状の突起を設
けた伝熱管を実際に製造し、その伝熱性能を試験した結
果につて説明する。

【００２５】外径７．０ｍｍの銅管内面に図１に示す突
起１として、突起列方向中央部の高さ（ｈ）＝０．２０
ｍｍ、底部における突起の長さ（ｌ）＝２．２ｍｍ、突
起列方向中央部の底部幅（ｗ_l）＝０．２３ｍｍ、突起
列方向両端部の幅（ｗ₂）＝０．１７ｍｍ、突起頂部の
幅（ｗ₃）＝０．０８ｍｍの形状を有する突起を管円周
方向にピッチ（ｐ）＝０．３９ｍｍで５０個（列）配置
し、管軸方向に対し捻角（α）＝１８°で交差する列状
に配置した。突起列は隣接するもの同士で、その突起が
管軸方向に捻角αで傾斜した突起列方向に突起長の１／
２のピッチでずれたものであり、突起列方向に加えてこ
の突起列方向に直交する方向にも山と谷とが交互に現れ
るものとなっている。なお、底肉厚（ｔ）は０．２５ｍ
ｍとした。

【００２６】本願発明の比較例の伝熱管として、外径
７．０ｍｍの内面溝付銅管で底肉厚が０．２５ｍｍ、溝
数が５０、溝捻角が１８°、突起高さが０．１８〜０．
２５ｍｍ、突起頂角が４０°であり、実施例管と同一外
径及び同一底肉厚を有するものと、外径が７ｍｍの交差
型内面溝付銅管で、主溝数が５０、溝捻角が１８°、突
起高さが０．２０ｍｍ、突起頂角が４０度、これに交差
する逆方向の捻角を有する副溝の数が７０、溝捻角が１
５°、溝深さが０．１０ｍｍのものを用意した。

【００２７】上記構成の実施例並びに比較例である交差
型溝付銅管及び従来溝付銅管の伝熱管を二重管方式の熱
交換器に内管として組み込み、この熱交換器において、
内管の伝熱管内に冷媒を流し、伝熱管と外管との間には
水を流して冷媒との間で熱交換を行い、蒸発及び凝縮性
能を測定した。

【００２８】図３は蒸発性能の測定結果を示し、横軸は
冷媒質量速度、縦軸は蒸発伝熱性能比を示している。性
能比は平滑管の管内境膜伝熱係数を１とした場合の各伝
熱管の管内境膜伝熱係数の比率を表す。この図３に示す
ように、本願発明の実施例管は同等の突起高さを有する
内面溝付銅管及び交差型内面溝付銅管に比較して優れた
蒸発性能を有し、特に高冷媒質量速度側で効果が顕著で
ある。

【００２９】更に、図４は凝縮性能の測定結果を示し、
横軸は冷媒質量速度、縦軸は凝縮伝熱性能比を示してい
る。性能比は平滑管の管内境膜伝熱係数を１とした場合
の各伝熱管の管内境膜伝熱係数の比率を表す。この図４
に示すように、凝縮性能も蒸発性能と同様の結果が得ら
れ、本実施例管は同等の突起高さを有する内面溝付き銅
管及び交差型内面溝付き鋼管に比較して優れた凝縮性能
を有する。

【００３０】図５は冷媒流量が３０ｋｇ／ｈ（冷媒質量
速度＝２６５ｋｇ／ｍ²ｓ相当）であるときに、突起高
さが蒸発性能に与える影響を調査したデータである。図
５の横軸は突起高さ、縦軸は蒸発性能比である。この図
５に示すように、蒸発性能は突起高さが０．２２ｍｍの
付近にピークがあり、これ以上突起を高くしても蒸発性
能は向上せず、むしろ低下する傾向を示す。本発明の実
施例管は他の伝熱管に比較して、同等の突起高さにおい
て性能が優れていると共に、ピークが過ぎてからの性能
低下が微小である。

【００３１】図６は横軸に突起高さをとり、縦軸に冷媒
圧力損失比をとって、突起高さと冷媒圧力損失比との関
係を示す。この図６に示すように、本実施例の伝熱管は
他の交差型溝付銅管及び従来溝付銅管に比して圧力損失
が小さいことがわかる。このように、本実施例の伝熱管
の圧力損失が他の伝熱管に比較して極めて小さく、且
つ、本発明の実施例管の突起部では温度境界層が形成さ
れ難い。これが、前述の図５に示すように、本実施例管
が他の伝熱管に比して蒸発性能比が優れていると共に、
突起高さが蒸発性能比がピーク値となる突起高さを超え
ても蒸発性能比が劣化しないことの原因となってい
る。。

【００３２】図７は冷媒流量３０ｋｇ／ｈ（冷媒質量速
度＝２６５／ｍ²ｓ相当）のときにおける突起高さの凝
縮性能への影響を調査した結果を示すデータであり、横
軸に突起高さ、縦軸に凝縮性能比をとっている。この図
７によれば、凝縮性能は突起高さに比例して性能も向上
することがわかる。従って、本発明の実施例伝熱管は、
前述の蒸発性能と同様に、同等の突起高さにおいては他
の伝熱管に比較して優れた伝熱性能を有することがわか
る。なお、図８は凝縮時の冷媒圧力損失を示すものであ
り、凝縮時においても本実施例伝熱管の冷媒圧力損失が
小さいことがわかる。

【００３３】図９は横軸に捻角度をとり、縦軸に蒸発性
能比及び凝縮性能比をとって、本実施例伝熱管の突起列
方向の捻角度による蒸発及び凝縮性能比の影響を示すグ
ラフ図である。なお、冷媒流量は３０ｋｇ／時（冷媒質
量速度＝２６５ｋｇ／ｍ²ｓに相当）、突起高さが０．
２０ｍｍの場合である。この図９に示すように、蒸発性
能及び凝縮性能は捻角度が０°から５°までは著しく上
昇し、５°以上の場合に蒸発性能比はほぼ一定となる。
凝縮性能比も捻角度が５°以上になると、その向上は緩
やかとなる。そして、蒸発性能比は捻角度が４５°を超
えると、若干低下する傾向がある。捻角度が５乃至４５
°の範囲では、蒸発性能及び凝縮性能がいずれも大差が
ないとみることができる。以上のデータから、本願発明
においては、突起列は捻角度が管軸に対し５乃至４５°
になるようにする。捻角度が０から５°の範囲では、図
９に示すように、蒸発性能比及び凝縮性能比のいずれも
大きく変動するため、伝熱管として特性が不安定となる
ので、この範囲はさける必要がある。このため、突起列
の捻角度は５乃至４５°にする。

【００３４】なお、本実施例の伝熱銅管並びに比較例の
従来内面溝付銅管及び交差型内面溝付銅管は転造方式に
より製作したものであり、本願発明の実施例に示す伝熱
銅管は管内面のプラグと管外面に接して回転する加圧体
（ボール等）の位置関係の調節と、加圧体の回転速度と
管の送り速度比の調節とにより、製作することができ
る。

【００３５】なお、本願発明の実施例では転造方式を採
用したが溶接管方式でも製作が可能であることは勿論で
ある。

【００３６】また、本願発明の実施例に示す伝熱管は銅
管製であるが、アルミニウム及びステンレス等の異種金
属の伝熱管にも本発明を適用できる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
管の内面に複数個の突起の群を管軸方向又は管軸に対し
５〜４５°の捻角を有する方向に列をなして設け、前記
突起は、突起列方向両端部が低く中央部に向かって高さ
を増す傾斜面を有し、その底部において、突起列方向中
央部の幅よりも突起列方向の少なくとも一方の端部の幅
が小さくなるように構成したから、従来のように頂部が
連続する突起と異なり、本発明の突起は頂部が独立し、
この頂部が断続するように形成されているため、管軸方
向への冷媒の流れが円滑となり、圧力損失を小さく抑え
ることができる。また、頂部が連続する突起では温度境
界層が形成され易く、これが熱抵抗となるのに対し、頂
部が独立した突起は温度境界層が形成され難く、更に乱
流効果も促進されるため、伝熱性能も優れている。

【００３８】そこで、本発明の突起形状を小径管に適用
すると、特に冷媒圧力損失の改善が顕著となり、コンプ
レッサーへの負荷が軽減されて省エネルギー化が可能と
なる。

【００３９】更に、冷媒圧力損失の低減が可能であるた
め、高い突起を設けることが可能となり、熱交換器用と
してより高性能な伝熱管を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る伝熱管の突起の形状を示
す斜視図である。

【図２】本発明の実施例に係る伝熱管の内面を示す図で
あって、（ａ）は伝熱管内面に設けられた突起列の上面
図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線による断面図、（ｃ）はその
Ｂ−Ｂ線による断面図である。

【図３】横軸に冷媒質量速度、縦軸に蒸発伝熱性能比を
とって、蒸発性能の測定結果を示すグラフ図であり、こ
の性能比は平滑管の管内境膜伝熱係数を１とした場合の
各伝熱管の管内境膜伝熱係数の比率を示す。

【図４】横軸に冷媒質量速度、縦軸に蒸発伝熱性能比を
とって、凝縮性能の測定結果を示すグラフ図であり、こ
の性能比は平滑管の管内境膜伝熱係数を１とした場合の
各々の伝熱管の管内境膜伝熱係数の比率を示す。

【図５】横軸に突起高さ、縦軸は蒸発性能比をとって、
冷媒流量が３０ｋｇ／ｈ（冷媒質量速度＝２６５ｋｇ／
ｍ²ｓ相当）のときに、突起高さが蒸発性能に与える影
響を示すグラフ図である。

【図６】横軸に突起高さ、縦軸に蒸発圧力損失比をとっ
て、冷媒流量が３０ｋｇ／ｈ（冷媒質量速度＝２６５ｋ
ｇ／ｍ²ｓ相当）のときに、突起高さが蒸発圧力損失に
与える影響を示すグラフ図である。

【図７】横軸に突起高さ、縦軸に蒸発性能比をとって、
冷媒流量が３０ｋｇ／ｈ（冷媒質量速度＝２６５ｋｇ／
ｍ²ｓ相当）のときに、突起高さが凝縮性能に与える影
響を示すグラフ図である。

【図８】横軸に突起高さ、縦軸に蒸発圧力損失比をとっ
て、冷媒流量３０ｋｇ／ｈ（冷媒質量速度＝２６５ｋｇ
／ｍ²ｓ相当）のときに、突起高さが凝縮圧力損失に与
える影響を示すグラフ図である。

【図９】横軸に捻角度をとり、縦軸に凝縮性能比をとっ
て、本発明の実施例の伝熱銅管について、冷媒流量が３
０ｋｇ／ｈ（冷媒質量速度＝２６５ｋｇ／ｍ²ｓ相
当）、突起高さが０．２０ｍｍの場合に、伝熱管突起列
の捻角方向による蒸発性能及び凝縮性能への影響を示す
グラフ図である。

【符号の説明】

１；突起２；傾斜面３，４；突起列ｌ；突起底部の長さｗ₁；突起列方向中央部の底部幅ｗ₂；突起列方向両端部の幅ｗ₃；突起列方向中央部の頂部の幅ｈ：突起列方向中央部の高さｐ：突起列の管円周方向におけるピッチ α：管軸方向に対する突起列の捻角ｔ：底肉厚

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管の内面に複数個の突起の群を管軸に対
し５〜４５°の捻角を有する方向に列をなして設けた内
面突起付き伝熱管において、前記突起は、突起列方向両
端部が低く中央部に向かって高さを増す傾斜面を有し、
その底部において、突起列方向中央部の幅よりも突起列
方向両端部の少なくとも一方の端部の幅が小さいことを
特徴とする内面突起付伝熱管。
【請求項２】前記突起群は円周方向に相互に隣接する
突起列が突起列方向に突起長の範囲内でずれを有して配
置されていることを特徴とする請求項１に記載の内面突
起付伝熱管。
【請求項３】前記突起群は円周方向に相互に隣接する
突起列が突起列方向に突起長の１／２のピッチでずれを
有して配置されていることを特徴とする請求項２に記載
の内面突起付伝熱管。
【請求項４】前記突起はその突起列方向中央部におけ
る頂部の幅が、突起底部の幅よりも小さいことを特徴と
する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内面突起付
伝熱管。
【請求項５】前記突起は全てが実質的に同一の形状を
有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項
に記載の内面突起付伝熱管。