JPH085278A - 内面溝付伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フィンの先端部が熱媒液体で覆われにくくす
ることにより、特に凝縮効率の向上を図る。 【構成】 金属管の内面に螺旋状をなすフィン２が互い
に平行に多数形成された内面溝付伝熱管１であって、各
フィン２の金属管内周面からの高さＨは０．２〜０．３
ｍｍ、フィン２の基端部の厚さＷ２は０．１２〜０．２
０ｍｍ、フィン同士の間に形成される溝３の底幅Ｗ１は
０．１５〜０．３５ｍｍ、個々のフィン２の両側面のな
す角度βが３０゜以下とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱交換器等に用いられ
る内面溝付伝熱管に関し、特に凝縮効率を高めるための
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の内面溝付伝熱管は、空調装置や
冷蔵庫等の熱交換器において蒸発管または凝縮管として
主に使用されるもので、最近では内面の全面に亙って螺
旋状の溝を形成することにより、溝同士の間に螺旋状の
フィンを形成した伝熱管が広く市販されている。

【０００３】現在主流となっている伝熱管は、引き抜き
または押し出し加工により得られたシームレス（継ぎ目
のない）管の内部に、外周面に螺旋溝が形成されたフロ
ーティングプラグを通すことにより、金属管の内周面の
全面に亙って螺旋溝を転造する方法により製造されてお
り、一般に使用されている外径１０ｍｍ程度の伝熱管で
は、図１８に示すように、フィンの高さＨは０．１５〜
０．２０ｍｍ、フィンのピッチＰ（隣接するフィンの頂
点間の距離）は０．４５〜０．５５ｍｍ、フィン間に形
成された溝の底幅Ｗは０．２〜０．３ｍｍ、フィンの両
側面のなす角度βは５０〜６０゜程度とされている。な
お、フローティングプラグを使用した引き抜き加工で
は、上記範囲以上に高く細いフィンを形成することは困
難である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な内面溝付伝熱管を凝縮管として使用する場合、伝熱管
の一端から熱媒気体を導入し、その熱を放出させつつ凝
縮させ、他端から熱媒液体を排出するのであるが、この
過程における凝縮効率を高めるには、フィンの高さを大
きくしてフィンの頂点部分での液切れを良くし、フィン
と熱媒気体との直接接触を促進することが有効と考えら
れる。

【０００５】そこで従来より、内面溝付伝熱管の加工条
件を工夫して個々のフィンを高く形成し、凝縮効率を向
上する試みがなされてきたが、実際には、通常より高い
フィンを形成したとしても、伝熱管の凝縮効率はあまり
向上しないことが確認されている。また、フィンを高く
するとフィンの体積が増し、伝熱管の重量および材料コ
ストが増すという欠点があった。

【０００６】本発明者らは、従来の内面溝付伝熱管にお
いてフィンの高さを増しても凝縮性能がそれほど向上し
ない原因について詳細な検討を試み、次のような知見を
得るに至った。すなわち、従来の内面溝付伝熱管では、
図１８に示すように頂角の大きい断面三角形状のフィン
を形成しているため、フィンのピッチＰを変えずにフィ
ンを高くすると、溝の底幅Ｗが小さくなる。このため、
フィン高さＨが大きくなるにも拘わらず、溝の容積の増
加率は小さく、フィン先端に対する溝内の液面を下げる
効果は得られない。そのうえ、フィンの断面頂角が大き
いから、図７に示すように、伝熱管内を高速で流れる熱
媒蒸気の風圧により、溝内の熱媒液体がフィンの緩い傾
斜面に沿って吹き上げられ、伝熱管の先端部が熱媒液体
に覆われてしまい、フィンの先端部を露出させる効果が
小さいと考えられる。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、フィンの先端部が熱媒液体で覆われにくくすること
により、凝縮効率の向上が図れる内面溝付伝熱管を提供
することを課題としている。

【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、金属管の内面に螺旋状をなすフィンが互いに平
行に多数形成された内面溝付伝熱管であって、前記各フ
ィンの金属管内周面からの高さは０．２０〜０．３０ｍ
ｍ、前記フィンの基端部の厚さは０．１２〜０．２０ｍ
ｍ、前記フィン同士の間に形成される溝の底幅は０．１
５〜０．３５ｍｍ、個々のフィンの両側面のなす角度が
３０゜以下とされていることを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明に係る内面溝付伝熱管は、従来の内面溝
付伝熱管に比して、フィンの幅を小さくしてフィンの高
さを増したものであるから、フィン間の溝の容積をフィ
ンピッチを大きくせずとも拡大することができ、フィン
先端部に対する熱媒液体の液面を低下することができ
る。また、フィンの両側面のなす角度が３０゜以下と小
さくされているから、伝熱管内を流れる熱媒気体の風圧
によって溝内の熱媒液体がフィン上へ吹き上げられるこ
とが少ない。したがって、この伝熱管を凝縮管として使
用した場合には、従来の内面溝付伝熱管に比して、個々
のフィンの先端部が露出する傾向が高く、熱媒蒸気と金
属面との接触面積を増して、高い凝縮効率を得ることが
できる。さらに、フィンを細くて高い形状としたことに
より、伝熱管の単位長当たりの金属表面積が増大できる
から、蒸発管として用いた場合には、熱媒液体の加熱効
率が高く、良好な蒸発性能も得られる。

【００１０】

【実施例】図１ないし図３は、本発明に係る内面溝付伝
熱管の一実施例を示し、図１は軸線に垂直な断面図、図
２はフィンの断面拡大図、図３は伝熱管内面の一部の展
開図である。

【００１１】この伝熱管１は断面円形の金属管であり、
その内面のほぼ全域に亙って、管軸に対して一定角度を
なす互いに平行なフィン２が螺旋状に多数形成され、隣
り合うフィン２の間はそれぞれ螺旋溝３となっている。
また、伝熱管１の周壁の１箇所には、電縫加工による溶
接部４が形成され、この溶接部４の内周側には、伝熱管
１の中心軸と平行に延びるフィン無し部分５が形成さ
れ、図３に示すようにこのフィン無し部分５によって各
フィン２が分断されている。

【００１２】図２において、フィン２の金属管内周面か
らの高さＨは０．２〜０．３ｍｍ、フィン２の基端部の
厚さＷ２は０．１２〜０．２０ｍｍ、螺旋溝３の底幅Ｗ
１は０．１５〜０．３５ｍｍ、個々のフィン２の両側面
のなす角度βは３０゜以下とされている。なお、前記各
幅Ｗ１，Ｗ２は、フィン２の長手方向に対して垂直な方
向に測定した値とし、金属管内周面の延長面とフィン側
面の延長面との交差線を測定の基準点とする。

【００１３】フィン２の高さＨが０．２ｍｍ未満である
と、フィン２の先端部における排液性が低下し、本発明
の効果を得ることができず、０．３ｍｍ以上であると製
造困難である上、後述する拡管加工の際にフィン２が潰
れやすくなって拡管後の伝熱性能がかえって低下するお
それがある。螺旋溝３の底幅Ｗ１が０．１５ｍｍ未満で
は螺旋溝３の容量を確保できず、フィン２の先端部が熱
媒液体で覆われる傾向が増すため、フィン２の密度が上
がるにも拘わらず伝熱性能の向上が見込めない。また、
底幅Ｗ１が０．３５ｍｍより大きいと、フィン２の先端
部における排液性は良好であるが、フィン２の密度が低
下するためやはり伝熱性能が低下する。

【００１４】螺旋溝３の底幅が０．１５ｍｍ未満である
とフィン先端部における排液性が十分向上できず、０．
３５ｍｍより大きいと、フィン２の先端部における排液
性は良好であるが、フィン２の密度が低下するためやは
り伝熱性能が低下する。さらに、個々のフィン２の両側
面のなす角度βが３０゜より大きいとフィン先端部にお
ける排液性が十分向上できない。

【００１５】伝熱管１の中心軸に対するフィン２の角度
（リード角）αは、図３に示すように１０〜２５゜とさ
れていることが望ましい。リード角αが１０゜より小さ
いとフィン２による熱媒気体の乱流発生効果に乏しくな
って凝縮および蒸発性能が低下する。一方、リード角α
が２５゜より大きいと、螺旋溝２による流液抵抗が増し
て伝熱管１内面での液の広がり傾向が強くなるだけでな
く、熱媒気体の流れに対する圧力損失が大きくなりすぎ
て好ましくない。

【００１６】伝熱管１の寸法は限定されるものではな
く、従来から使用されているいかなる寸法の伝熱管にも
本発明は適用可能であるが、特に本発明の効果が顕著に
なるのは、伝熱管１の外径が４〜１０ｍｍの場合であ
る。この場合、フィン２を含まない伝熱管１の肉厚Ｔ
は、０．２〜０．３ｍｍ程度であることが望ましい。ま
た、伝熱管１の材質としては一般に銅または銅合金が使
用されるが、本発明はそれに限定されることなく、アル
ミニウムを始めとする各種金属が使用可能である。

【００１７】上記のような伝熱管１を製造するには、始
めに、帯状の金属板条材を圧延ロールで連続的に圧延
し、フィン２および螺旋溝３を形成する。次いで、板条
材をフィン形成面を内面側に向けた状態で電縫装置にセ
ットし、多段階に成形ロールの間を通して板条材を幅方
向に丸め、最後に突き合わせた両側縁部を溶接して円管
形に成形すればよい。電縫装置としては通常使用されて
いるものでよく、また電縫条件も通常の加工と同じでよ
い。その後、伝熱管１の外周面において溶接部４を整形
したうえ、伝熱管１をロール状に巻きとるか所定の長さ
で切断する。

【００１８】上記構成からなる伝熱管１によれば、フィ
ン２の幅を小さくしてフィン２の高さを増したものであ
るから、フィン２間の螺旋溝３の容積をフィンピッチＰ
を大きくせずとも拡大することができ、フィン２の先端
部に対する螺旋溝３内の熱媒液体の液面を低下すること
ができる。また、図６に示すように、フィン２の両側面
のなす角度βが３０゜以下と小さくされているから、伝
熱管１内を流れる熱媒気体の風圧によって螺旋溝３内の
熱媒液体がフィン２上へ吹き上げられることが少ない。
したがって、この伝熱管１を凝縮管として使用した場合
には、図７に示す従来の内面溝付伝熱管に比して、個々
のフィン２の先端部が露出する傾向が高く、熱媒蒸気と
金属面との接触面積を増して、高い凝縮効率を得ること
ができる。

【００１９】また、この伝熱管１の内面には、フィン２
および螺旋溝３を分断するフィン無し部分５が形成され
ているので、螺旋溝３を伝わって熱媒液体が伝熱管１の
内面全面に均一に広がることが防止でき、部分的に熱媒
液体で濡れていない、あるいは濡れの少ない領域を形成
することができる。このため、前記効果と相まって金属
面の露出率を高めることができ、いっそう凝縮効率が向
上できる。

【００２０】また、フィン２を細くて高い形状としたこ
とにより、伝熱管１の単位長さ当たりの金属表面積が増
大できるから、蒸発管として用いた場合にも、熱媒液体
の加熱効率が高く、良好な蒸発性能も得られる。

【００２１】さらに、この種の伝熱管の外周にアルミニ
ウム製等の放熱フィンを固定する場合には、伝熱管の外
径よりも僅かに大きい開口部を放熱フィンに形成し、こ
の開口部に伝熱管を通したうえ、伝熱管にプラグを通し
て４〜７％程度拡管することにより放熱フィンを固定す
る必要があるが、本発明の伝熱管１ではフィン２の間隔
および形状を前述の通りに設定しているため、図４およ
び図５に示すように、拡管によるフィン２の潰れや倒れ
が生じず、良好な伝熱性能を失うことがない。

【００２２】なお、上記実施例では伝熱管１の断面形状
が円形であったが、本発明は円形に限らず、必要に応じ
ては断面楕円形や偏平管状等としても実施可能である。

【００２３】

【実験例】次に、実験例を挙げて本発明の効果を実証す
る。 （実験１）市販の内面溝付伝熱管（シームレス管）と本
発明に係る内面溝付伝熱管（電縫管）を用意し、これら
の蒸発性能および凝縮性能を図８および図９に示す装置
を用い、図中「測定部」に各伝熱管をセットして測定を
行った。各伝熱管の形状および評価方法は、以下の通り
である。

【００２４】 本発明品１：外径：８．０２ｍｍ 内径：７．０４ｍｍ フィン高さ：０．２２ｍｍ 底肉厚：０．２７ｍｍ 溝底幅：０．３０ｍｍ リード角：１８゜ フィン頂角：１６゜ フィン数：６０ 重量：６９．０ｇ／ｍ 溝無し管に比しての内面積比：１．７６ 本発明品２：外径：８．０３ｍｍ 内径：６．９１ｍｍ フィン高さ：０．３０ｍｍ 底肉厚：０．２６ｍｍ 溝底幅：０．２７ｍｍ リード角：２５゜ フィン頂角：３０゜ フィン数：５０ 重量：７４．８ｇ／ｍ 溝無し管に比しての内面積比：１．５２ 従来品： 外径：８．０５ｍｍ 内径：７．１５ｍｍ フィン高さ：０．１７ｍｍ 底肉厚：０．２８ｍｍ 溝底幅：０．１９ｍｍ リード角：１８゜ フィン頂角：４０゜ フィン数：５５ 重量：６８．３ｇ／ｍ 溝無し管に比しての内面積比：１．３５ 評価方法： 対抗流二重管方式 水流速：２．１ｍ／ｓ 伝熱管の全長：５ｍ 蒸発時飽和温度：５℃ 過熱度３ｄｅｇ 蒸発時飽和温度：４５℃ 過冷度５ｄｅｇ

【００２５】上記実験の結果を図１０および図１１に示
す。図１１のグラフから明らかなように、本発明品１、
２では従来品に比して格段に高い凝縮性能が得られた。
加えて、図１０に示すように蒸発性能も向上できた。一
方、圧力損失は、図１２および図１３に示すように、従
来品と比して殆ど遜色が無く、従来品と完全に互換性が
あることが確かめられた。また、重量も従来品と殆どか
わりなかった。このように、圧力損失や重量を増すこと
なく伝熱性能が向上できることは、伝熱管において極め
て重要な効果である。

【００２６】（実験２）本発明品１の伝熱管に、プラグ
を通して５％拡管し、フィン形状の変化を確認した。図
４は拡管前の伝熱管の断面拡大写真を模写した図、図５
は拡管後の断面拡大図を模写した図である。これらの図
に示すように、拡管を行っても、フィンの基本形状およ
び寸法には殆ど変化がなかった。また、拡管前後の伝熱
管の凝縮性能を、図９の装置で測定した結果を図１４に
示す。このグラフから明らかなように、拡管を行っても
凝縮性能はあまり変化しない。

【００２７】（実験３）本発明品１の螺旋溝３の底幅Ｗ
１のみを変えて、複数の伝熱管を作成し、それぞれの伝
熱管の凝縮性能を前記従来品と比較した。その結果を図
１５に示す。このグラフから明らかなように、底幅Ｗ１
が０．２５ｍｍ前後の場合に凝縮性能が極大となった。

【００２８】（実験４）本発明品１のフィン高さＨのみ
を変えて、複数の伝熱管を作成し、それぞれの伝熱管の
凝縮性能を前記従来品と比較した。その結果を図１６に
示す。このグラフから明らかなように、フィン高さＨが
０．２ｍｍ前後までは凝縮性能が急上昇するが、それ以
後はほぼ飽和することが判った。

【００２９】（実験５）本発明品１のフィン頂角βのみ
を変えて（フィンピッチ一定）、複数の伝熱管を作成
し、それぞれの伝熱管の凝縮性能を前記従来品と比較し
た。その結果を図１７に示す。このグラフから明らかな
ように、フィン頂角βが１０〜３０゜では良好な凝縮性
能が得られるが、３０゜を越えると凝縮性能が急に低下
した。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る内面
溝付伝熱管は、フィンの幅を小さくしてフィンの高さを
増したものであるから、フィン間の溝の容積をフィンピ
ッチを大きくせずとも拡大することができ、フィン先端
部に対する熱媒液体の液面を低下することができる。ま
た、フィンの両側面のなす角度が３０゜以下と小さくさ
れているから、伝熱管内を流れる熱媒気体の風圧によっ
て溝内の熱媒液体がフィン上へ吹き上げられることが少
ない。したがって、この伝熱管を凝縮管として使用した
場合には、従来の内面溝付伝熱管に比して、個々のフィ
ンの先端部が露出する傾向が高く、熱媒蒸気と金属面と
の接触面積を増して、高い凝縮効率を得ることができ
る。

【００３１】さらに、フィンを細くて高い形状としたこ
とにより、伝熱管の単位長さ当たりの金属表面積が増大
できるから、蒸発管として用いた場合には、熱媒液体の
加熱効率が高く、良好な蒸発性能も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内面溝付伝熱管の一実施例の断面
拡大図である。

【図２】同伝熱管のフィン形状を示す断面拡大図であ
る。

【図３】同伝熱管の内面の一部の展開図である。

【図４】本発明品１の拡管前のフィン形状を示す断面拡
大図である。

【図５】本発明品１の拡管後のフィン形状を示す断面拡
大図である。

【図６】本発明の伝熱管の効果を説明する断面拡大図で
ある。

【図７】従来の伝熱管の問題点を示す断面拡大図であ
る。

【図８】本発明の実験例で使用した蒸発性能測定装置の
ブロック図である。

【図９】本発明の実験例で使用した凝縮性能測定装置の
ブロック図である。

【図１０】本発明品１，２と従来品の蒸発性能を示すグ
ラフである。

【図１１】本発明品１，２と従来品の凝縮性能を示すグ
ラフである。

【図１２】本発明品１，２と従来品の蒸発時の圧力損失
を示すグラフである。

【図１３】本発明品１，２と従来品の凝縮時の圧力損失
を示すグラフである。

【図１４】本発明品１の拡管前後における凝縮性能を示
すグラフである。

【図１５】本発明品１の溝底幅Ｗ１を変化させた場合の
凝縮性能の変化を示すグラフである。

【図１６】本発明品１のフィン高さＨを変化させた場合
の凝縮性能の変化を示すグラフである。

【図１７】本発明品１のフィン頂角βを変化させた場合
の凝縮性能の変化を示すグラフである。

【図１８】従来の内面溝付伝熱管のフィン形状を示す断
面拡大図である。

【符号の説明】

１ 伝熱管 ２ フィン ３ 螺旋溝 ４ 溶接部 ５ フィン無し部分 Ｈ フィンの金属管内周面からの高さ Ｗ１ 溝の底幅 Ｗ２ フィン２の基端部の厚さ β フィンの両側面のなす角度 Ｔ 金属管の肉厚

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属管の内面に螺旋状をなすフィンが互い
   に平行に多数形成された内面溝付伝熱管であって、前記
   各フィンの金属管内周面からの高さは０．２０〜０．３
   ０ｍｍ、前記フィンの基端部の厚さは０．１２〜０．２
   ０ｍｍ、前記フィン同士の間に形成される溝の底幅は
   ０．１５〜０．３５ｍｍ、個々のフィンの両側面のなす
   角度が３０゜以下とされていることを特徴とする内面溝
   付伝熱管。
2. 【請求項２】前記金属管は電縫管であり、その内面には
   金属管の中心軸と平行に延びる溶接部が形成され、この
   溶接部によって前記フィンが分断されていることを特徴
   とする請求項１記載の内面溝付伝熱管。
3. 【請求項３】前記金属管の中心軸に対する前記フィンの
   角度が１０〜２５゜とされていることを特徴とする請求
   項１または２記載の内面溝付伝熱管。
4. 【請求項４】前記金属管の直径は４〜１０ｍｍ、前記金
   属管の肉厚は０．２〜０．３ｍｍであることを特徴とす
   る請求項１，２または３記載の内面溝付伝熱管。