JPH0712483A - 内面溝付伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱交換器の小型高性能化及びフロンによる洗
浄廃止等の要求に応えるべく、フィン高さが０．２２ｍ
ｍ以上と高いフィン形状を有していて伝熱性能が極めて
高いと共に、高生産性を維持して製造することができる
内面溝付伝熱管を提供する。 【構成】 内面溝付伝熱管は、管内面に連続する螺旋状
の溝を有する外径が８ｍｍ以下の内面溝付伝熱管におい
て、溝深さｈがｈ≧０．２０ｍｍであり、前記溝深さｈ
と前記溝を形成するフィン部の先端により規定される最
小内径Ｄｉとの比ｈ／Ｄｉが０．０３５≦ｈ／Ｄｉ≦
０．０４５の関係を満たし、管軸に直角の断面にて前記
フィン部の両斜面の相互間のなす角αが３０°≦α≦４
０°の範囲にあり、前記溝の管軸方向に対するリード角
γが８°≦γ≦１５°の範囲にあり、溝部断面積Ｓと溝
深さｈからなるパラメータＳ／ｈが０．２ｍｍ≦Ｓ／ｈ
≦０．３ｍｍの関係を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は外径が８ｍｍ以下の小径
管として有効な内面溝付伝熱管に関し、特に、空気調和
機及び冷凍機等の熱交換器の中で管内流体が相変化する
熱交換器に使用するのに好適の内面に螺旋状の溝を設け
た内面溝付伝熱管に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に内面溝付伝熱管は、管内面に溝が
連続的且つ螺旋状に設けられており、溝の壁となるフィ
ン部の形状としては、三角形、台形及び半円形等があ
る。例えば、特開昭６２−１４２９９５号公報には、フ
ィン部が台形状をなす溝が設けられた内面溝付管が開示
されている。この内面溝付管は、管のフィン部の先端に
より規定される最小内径をＤｉ、フィン部の高さをｈ、
溝ねじれ角（溝の管軸方向に対するリード角）をγ、フ
ィン部の山頂角（フィン部の両斜面がなす角度）をα、
溝部断面積をｓとした場合において、ｈ／Ｄｉ、γ、
α、ｓ／ｈをパラメータとして、管内熱伝達性能が最適
となるようにした伝熱管である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、フィン部形
状及び溝部形状は、伝熱性能、フィン加工成形性及び伝
熱管の重量と密接な関係がある。また、伝熱性能に関し
ては、管内表面積の増大、毛細管現象による液の保有及
び濡れ面積の増大、乱流効果、突起部における液膜の薄
膜化効果、螺旋角度を持たせることにより旋回力を生じ
させ濡れ面積を増大させる効果等が影響する。更に、管
内二相流における液の流れの形態は、乾き度により異な
る。例えば、管内液体を蒸発させる場合、内面溝付管の
性能が十分発揮されるのは、アニューラーウェイビーフ
ローからアニュラーフローに遷移している間で、管内面
が液で十分に濡れた状態になっているときである。この
場合、溝部は液膜で覆われ、その液膜の薄い部分で蒸発
が促進される。凝縮の場合においては、凝縮した液が溝
を伝わり、下部へ流れるが、その排出作用が良好なほ
ど、伝熱面上に形成された液膜は薄くなり、伝熱性能は
向上する。伝熱管の重量については、一般に、フィン部
の面積が小さいほど、また、底部の肉厚が薄いほど小さ
くなる。更に、フィン部の成形性に関しては、一般にフ
ィン部の山頂角（フィン部の傾斜面がなす角度）が小さ
く、フィン高さが高い形状の場合の方が溝成形性が悪い
ことが知られている。

【０００４】特に、近時、熱交換器の小型高性能化のた
めに、熱交換器用伝熱管の小径化及び高性能化が要求さ
れており、このような要求のもとに伝熱管は、加工困難
な領域にまで改善が及んでいる。例えば、内面溝付管の
伝熱性能を上げるために、フィン部の高さを高くして、
管内表面積を増大させることができるように形状の改善
が行われているが、管重量の低減及び溝底部の幅の確保
の必要上から、フィン部の山頂角はできるだけ小さくス
リムな形状になるように設計されている。そのため、フ
ィンの成形性は低下し、加工スピードが低下するため、
このフィン部形状が製造コストを上昇させる要因になっ
ている。このため、実際には外径７ｍｍ、リード角１８
°の内面溝付管において、フィン高さ０．２２ｍｍ程度
のものが安定して生産できる加工限界となっている。ま
た、フィン高さを更に高くしようとすると、凝縮性能に
おいては性能は向上するのに対して、蒸発性能では逆に
性能が低下していくという現象が生じる。

【０００５】また、最近の環境保全の観点から、熱交換
器をフロン又は有機溶媒により洗浄することを廃止する
傾向がある。そのため、管内面への油の残留自体を抑制
する必要が生じ、溝成形加工時に使用する加工油の低粘
度化が進んでいる。このことがフィンの成形性及び安定
加工性（管長手方向での形状変化）を更に悪化させてい
る。

【０００６】従来、このような事情のもとで、フィン高
さを０．２２ｍｍ以上と高くし、更にフィン部を鋭角な
形状にすることによる高性能化は、実現されていない。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、熱交換器の小型高性能化及びフロンによる
洗浄廃止等の要求に応えるべく、フィン高さが０．２２
ｍｍ以上と高いフィン形状を有していて伝熱性能が極め
て高いと共に、高生産性を維持して製造することができ
る内面溝付伝熱管を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る内面溝付伝
熱管は、管内面に連続する螺旋状の溝を有する外径が８
ｍｍ以下の内面溝付伝熱管において、溝深さｈがｈ≧
０．２０ｍｍであり、前記溝深さｈと前記溝を形成する
フィン部の先端により規定される最小内径Ｄｉとの比ｈ
／Ｄｉが０．０３５≦ｈ／Ｄｉ≦０．０４５の関係を満
たし、管軸に直角の断面にて前記フィン部の両斜面の相
互間のなす角αが３０°≦α≦４０°の範囲にあり、前
記溝の管軸方向に対するリード角γが８°≦γ≦１５°
の範囲にあり、溝部断面積Ｓと溝深さｈからなるパラメ
ータＳ／ｈが０．２ｍｍ≦Ｓ／ｈ≦０．３ｍｍの関係を
満たすことを特徴とする。

【０００９】本発明において、溝形状を規定するための
変数は図１及び図２に示すように定義される。なお、こ
の図１及び図２は、溝形状を模式的に表したものであ
り、単に変数の定義を説明するために使用するものであ
る。図２は管の長手方向を示す一部破断平面図であり、
図１は図２の１−１線の断面図であって、管軸方向（図
２の１点鎖線）に直交する断面図である。図１に示すよ
うに、伝熱管の周壁１の内面には、断面が略三角形状の
フィン部２が設けられており、このフィン部２間に断面
が逆台形状の溝５が形成される。この溝５は図２に示す
ように管内面に螺旋状に延びるように設けられており、
溝５の延長方向を示すリード角γは、図２中１点鎖線に
て示す管軸方向に対し、溝５が交差する角度として定義
される。また、溝深さｈは、溝５を規定するフィン部２
の溝底面からの高さとして定義され、このフィン部２の
両斜面３ａ，３ｂの相互間のなす角度αは、両斜面が交
差する角度として定義される。そして、この管軸に直交
する断面において、隣接する１対のフィン部２の相互に
対向する面３ａ、３ｂと、溝５の内底面６とにより囲ま
れた空間が溝部断面積Ｓである。また、最小内径Ｄｉ
は、フィン部２の頂点４の包絡円柱の直径であり、伝熱
管内部の最も短い内径である。

【００１０】

【作用】本発明者は、外径が８ｍｍ以下の小径の内面溝
付伝熱管を加工しようとした場合に生じていた従来の内
面溝付伝熱管の欠点を解決するために鋭意研究を重ねた
結果、フィン高さｈが０．２２ｍｍ以上であり斜面交差
角αが小さいスリムなフィン形状とした場合でも、溝の
リード角γを適当な範囲とすることにより溝成形性が改
善され、更に、蒸発時における管内側の圧力損失の増大
を抑えることができ、これにより伝熱性能を高めること
ができることを見いだし、ここに本発明を完成したもの
である。

【００１１】即ち、本発明は管内面に連続的に螺旋状に
延びる１又は複数の溝が設けられた外径８ｍｍ以下の伝
熱管において、内面溝付き伝熱管の最小内径Ｄｉ、溝深
さｈ、管軸直角断面におけるフィン部の両斜面がなす角
度α、溝の管軸方向に対するリード角γ、溝部断面積Ｓ
が下記不等式を満足する。

【００１２】０．０３５≦ｈ／Ｄｉ≦０．０４５ ｈ≧０．２０ｍｍ ３０°≦α≦４０° ８°≦γ≦１５° ０．２ｍｍ≦Ｓ／ｈ≦０．３ｍｍ。

【００１３】以下、上述の如く内面溝形状を規定する理
由について説明する。ｈ／Ｄｉ、ｈ 内面溝付伝熱管の最小内径Ｄｉと溝深さｈとの比ｈ／Ｄ
ｉが０．０３５未満の場合は、伝熱管の内径に対してフ
ィン部２の高さが不十分であり、熱交換器用伝熱管を小
型化しようとしたときに、十分な伝熱性能が得られな
い。一方、ｈ／Ｄｉが０．０４５を超える場合は、リー
ド角γの調整ではもはや成形性を改善できず、このた
め、伝熱管は成形性が悪く加工困難なものとなる。ま
た、伝熱性能においても、圧力損失の増大をリード角の
適正化により抑制することができなくなり、蒸発性能が
低下する。

【００１４】また、フィン高さｈは、溝底面６における
伝熱管の肉厚が同等である場合に、フィン高さｈが０．
２０ｍｍ以上のものとそれ未満のものとを比較すると、
ｈ＜０．２０ｍｍの場合は十分な伝熱性能を得ることが
できない。このため、溝のリード角を適正にすることに
より、フィン高さｈが０．２０ｍｍ以上の鋭角フィンを
形成する必要がある。また、伝熱性能を更に一層向上さ
せるためには、フィン部高さｈは０．２２ｍｍ以上とす
ることが好ましい。

【００１５】α 管軸直角断面におけるフィン部の両斜面の直線部が相互
になす角度αが３０°未満の場合は、フィン部が鋭角に
なりすぎて成形性が困難であるため、フィン高さが高い
形状が得られず、高性能な伝熱管が得られない。一方、
斜面がなす角度αが４０°を超えると、フィン部断面積
が大きくなり、伝熱管重量が大きくなる。また、αが４
０°を超えると、溝数が同一の場合においては、濡れ縁
の長さが減少して性能が低下する。

【００１６】γ 溝のリード角γが８°未満の場合は、蒸発時の圧力損失
は低下するが、乱流効果の低減及びフィン部コーナ長の
減少により、凝縮性能の低下が著しくなる。一方、リー
ド角γが１５°を超える場合は、鋭角の高さが高いフィ
ン部を形成することができず、十分なフィン高さを得る
ことができないと共に、圧力損失も増大して蒸発性能が
低下する。

【００１７】Ｓ／ｈ 溝部断面積Ｓと溝深さｈの比Ｓ／ｈが０．２ｍｍ未満の
場合においては、凝縮時には溝部における凝縮液の排出
性が低下したり、蒸発時には液の保有量が低下すること
により、伝熱管の性能が低下する。また、溝深さが０．
２ｍｍ以上と高いフィン形状においては、Ｓ／ｈが０．
２ｍｍ未満では溝付プラグの溝間隔が狭くなり、強度が
低下することにより、溝付プラグの破損が生じ易く、生
産が困難である。一方、Ｓ／ｈが０．３ｍｍを超える
と、相対的にフィン数が減少し、伝熱表面積が低減して
伝熱性能が低下する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明し、その
比較例と比較して本発明の効果を説明する。下記表１は
単管伝熱性能を測定する試験条件を示す。この試験は蒸
発及び凝縮について行った。また、供試管長は、３ｍで
ある。

【００１９】この伝熱性能の試験は図７に示す装置を使
用して行った。供試管１は二重管熱交換器構造の試験部
２内に挿入し、この試験部２内にその一端からハウジン
グと供試管１との間に水を導入し、他端から水を排出す
る。この試験部２に供給される水の入口温度と出口温度
とは温度計３により検出される。供試管１内には、凝縮
時は配管４，４ｂを介して凝縮媒体が通流し、蒸発時は
配管４，４ａを介して蒸発媒体が通流する。この配管４
を通流する媒体の温度は供試管１の入口及び出口におい
て温度計３により検出される。また、供試管１の入口及
び出口における動歪圧力Ｐは夫々圧力計５により検出さ
れ、両圧力計５の差圧が動歪差圧検出器６により求めら
れる。配管４には熱交換器（蒸発器又は凝縮器）７及び
オーバル流量計８が直列に設けられており、供試管１と
熱交換器７との間の配管４には、配管９ａ，９ｂが並列
に接続されている。また、これらの配管９ａ，９ｂの接
続点と配管４との間には配管９ｃが接続されており、こ
の配管９ｃには圧縮器１０が設けられている。更に、各
配管には、開閉弁１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１
０ｅ，１０ｆが設けられている。

【００２０】そして、伝熱性能の試験時には、供試管１
と試験部２のハウジングとの間に水を冷媒に対して向流
となる方向に流す。蒸発試験においては、冷媒が完全に
蒸発した後、供試管１の出口において、所定の過熱度と
なるように水温を調整した。また、凝縮試験において
も、冷媒が完全に凝縮した後、供試管１の出口において
所定の過冷却度となるように水温を調整した。そして、
蒸発及び凝縮試験のいずれにおいても、安定の確認後、
冷媒の温度、流量及び圧力並びに水の温度及び流量を測
定し、伝熱性能を算出した。

【００２１】

【表１】

【００２２】但し、表１において、蒸発温度は蒸発器出
口における圧力に相当する飽和温度である。また、凝縮
温度は凝縮器入口における圧力に相当する飽和温度であ
る。更に、熱負荷とは、伝熱量（kcal/h)／供試管外表
面積（m²）として表される。

【００２３】次に、この伝熱性能試験の結果について説
明する。下記表２はリード角γと、フィン高さｈ及び山
頂角αとの組み合わせにおいて、その溝成形性の優劣を
示すものである。

【００２４】

【表２】

【００２５】内面溝付伝熱管の溝成形加工は、周面に伝
熱管の溝形状に整合する凸部が設けられたプラグを素管
内に挿入し、このプラグと素管外周面を押圧するボール
との間で、素管を押圧することにより、素管の内周面に
プラグの凸部を転写するものである。即ち、転写によ
り、プラグの凸部間に形成される凹部内に、素管の素材
が充満していき、プラグの凸部が伝熱管の溝になり、プ
ラグの凹部が伝熱管のフィン部になる。この溝成形加工
において、伝熱管のフィン部の高さを可及的に高くする
ためには、プラグの溝内へ素管の素材を可及的に多く充
満させる必要がある。即ち、充満率が低い場合は、伝熱
管のフィン部高さが低くなる。

【００２６】そこで、表２においては、プラグ溝内への
素材の充満率が１００％の場合を◎、同じく９５％以上
１００％未満の場合を○、同じく９０乃至９５％の場合
又は溝付プラグの破損が５０００ｍ以内１００ｍ以上で
発生した場合を△、９０％未満の場合又は溝付プラグの
破損が１００ｍ以内で発生した場合を×で表した。

【００２７】この表２に示すように、リード角γが１８
°の場合には、フィン高さｈが０．２５ｍｍと高くなる
と溝成形性が悪化する。また、山頂角αが２５°と小さ
い場合には、リード角γが１１°以上と大きくなると溝
成形性が悪化する。これに対し、各条件が本発明の範囲
内に入る場合には、溝成形性が優れている。

【００２８】また、前述の図７に示す試験装置により試
験した伝熱管の溝形状を下記表３に示し、この伝熱管の
形状条件を下記表４に示し、得られた試験データを下記
表５に示す。なお、表３において、溝数とは、管軸に直
交する断面における溝の数をいう。表４において、区分
欄に「従来」として示す試験Ｎｏ．１は、従来の熱交換
器用伝熱管として使用されていたものであり、表５の各
伝熱管の特性はこの従来の伝熱管の伝熱特性を１．００
として表した指標で示す。

【００２９】

【表３】

【００３０】

【表４】

【００３１】

【表５】

【００３２】これらの表３〜５に示すデータを基に、伝
熱性能に及ぼす各因子をグラフ化したのが図３〜６であ
る。図３は横軸にリード角γをとり、縦軸に管内境膜伝
熱係数比及び管内圧力損失比をとって、蒸発時及び凝縮
時の伝熱係数及び圧力損失と、リード角との関係を示す
グラフ図である。この図３に示すように、リード角γが
本発明の範囲（８°≦γ≦１５°）に入る場合には、圧
力損失が少ない状態で、高い伝熱係数比を得ることがで
きる。

【００３３】図４は横軸にＳ／ｈをとり、縦軸に管内境
膜伝熱係数比をとって、蒸発時及び凝縮時のＳ／ｈと管
内境膜伝熱係数比との関係を示すものである。なお、リ
ード角γは１４〜１５°である。この図４に示すよう
に、Ｓ／ｈが本発明の範囲に入る場合（０．２≦Ｓ／ｈ
≦０．３）には、蒸発時及び凝縮時の双方において伝熱
性能が高い。

【００３４】図５は横軸にｈ／Ｄｉをとり、縦軸に管内
境膜伝熱係数比をとって、両者の関係を示すグラフ図で
ある。この図５に示すように、ｈ／Ｄｉが本発明の範囲
内（０．０３５≦ｈ／Ｄｉ≦０．０４５）である場合に
は、十分に高い伝熱性能を有している。

【００３５】また、図６は横軸にフィン部斜面が相互に
なす角度αをとり、縦軸に管内境膜伝熱係数比をとって
両者の関係を示すグラフ図である。この図６に示すよう
に、αが４０°を超えると、伝熱性能が低下する。

【００３６】表４，５に示すように、区分欄に○で示し
たものは、伝熱係数が１．００を超えて従来より向上し
ているのに加え、圧力損失は比較的少なく、成形性も良
好である。これに対し、×で示したものは、圧力損失が
大きいか、又は成形性が悪い。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
フィン高さｈが０．２０ｍｍ以上、フィン部の斜面が相
互になす角度αが３０乃至４０°である高くて鋭角な形
状を有するフィン部を設けた小径（外径８ｍｍ以下）の
伝熱管において、リード角γ及びＳ／ｈ等を適正化する
ことにより、圧力損失の増大を抑制しつつ伝熱性能を高
めることができ、高性能な伝熱管を得ることができる。
また、本発明の伝熱管は成形加工性が優れているので、
管内面に残留する油を低減させるために、溝加工時に低
粘度の加工油を使用しても、高生産性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溝形状を説明するための管軸に直角方
向の断面図である。

【図２】同じく本発明の伝熱管の溝方向を説明する管の
一部破断平面図である。

【図３】リード角と管内境膜伝熱係数比及び圧力損失比
との関係を示すグラフ図である。

【図４】Ｓ／ｈと管内境膜伝熱係数比との関係を示すグ
ラフ図である。

【図５】ｈ／Ｄｉと管内境膜伝熱係数比との関係を示す
グラフ図である。

【図６】山頂角と管内境膜伝熱係数比との関係を示すグ
ラフ図である。

【図７】実施例で使用した試験装置の概要を示す模式図
である。

【符号の説明】

α；フィン部の傾斜面がなす角度 ｈ；フィン高さ Ｓ；溝部断面積 Ｄｉ；最小内径 γ；リード角 １；供試管 ２；二重管構造の試験部 ３；温度計 ５；動歪圧力検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管内面に連続する螺旋状の溝を有する外
   径が８ｍｍ以下の内面溝付伝熱管において、溝深さｈが
   ｈ≧０．２０ｍｍであり、前記溝深さｈと前記溝を形成
   するフィン部の先端により規定される最小内径Ｄｉとの
   比ｈ／Ｄｉが０．０３５≦ｈ／Ｄｉ≦０．０４５の関係
   を満たし、管軸に直角の断面にて前記フィン部の両斜面
   の相互間のなす角αが３０°≦α≦４０°の範囲にあ
   り、前記溝の管軸方向に対するリード角γが８°≦γ≦
   １５°の範囲にあり、溝部断面積Ｓと溝深さｈからなる
   パラメータＳ／ｈが０．２ｍｍ≦Ｓ／ｈ≦０．３ｍｍの
   関係を満たすことを特徴とする内面溝付伝熱管。