JPH10122779A

JPH10122779A - 内面溝付伝熱管

Info

Publication number: JPH10122779A
Application number: JP28107696A
Authority: JP
Inventors: Haruo Kono; 晴夫幸野; 俊▲緑▼ ▲すくも▼田; Toshitsuka Sukumoda
Original assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 1998-05-15

Abstract

(57)【要約】【課題】内面溝付伝熱管の熱交換性能を向上する。【解決手段】金属管の内周面に、周方向にＷ字状に延
びるフィン２が多数平行に形成され、これらフィン２に
は、金属管の内面からの高さが相対的に高いフィン頂部
２Ａと相対的に低いフィン鞍部２Ｂとが、フィン２の各
屈折部に対応して形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属管の内面に熱
交換効率を高めるためのフィンを形成した内面溝付伝熱
管に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の内面溝付伝熱管は、空調装置や
冷却装置の熱交換器等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
全面に亙ってフィンを転造する方法により製造されてい
る。

【０００４】このような螺旋状フィンを形成した内面溝
付伝熱管では、伝熱管の内部下側に溜まる熱媒液体が、
管内を流れる蒸気流に吹き流されて螺旋状フィンに沿っ
て巻き上げられ、管内周面の全面に広がる。この作用に
より、管内周面の全面がほぼ均一に濡れるから、熱媒液
体を気化するための蒸発管として使用した場合には、沸
騰の生じる領域の面積を増して沸騰効率を高めることが
できる。また、熱媒気体を液化するための凝縮管として
使用した場合には、フィン先端が液面から露出すること
により金属面と熱媒気体との接触効率を高め、凝縮効率
を高めることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、螺旋状フィ
ンによる伝熱効率の向上効果は、さらに改善できる余地
を残していることが判明している。そこで、本発明者ら
は、伝熱管の溝の展開形状を様々に変化させて多種類の
内面溝付伝熱管を作成し、これらの性能を比較する実験
を行った。その結果、伝熱管内面に周方向へジグザグに
延びる多数のフィンを形成した場合に、単純螺旋状など
のフィンに比して高い熱交換性能が得られることを見い
出した。

【０００６】さらに、発明者らの研究によると、ジグザ
グ形状を有するフィンの高さを、ジグザグ形状と関連づ
けて変化させることにより、熱交換性能をいっそう高め
られることが発見された。本発明は、上記知見に基づい
てなされたもので、熱交換性能をさらに向上することが
できる内面溝付伝熱管を提供することを課題としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の内面溝付伝熱管は、金属管の内周面に周方
向にジグザグに延びるフィンが形成され、前記フィン
は、前記金属管の内面からの高さが相対的に高い部分と
相対的に低い部分とを有することを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】

［第１実施形態］図１は、本発明に係る内面溝付伝熱管
の第１実施形態を示す部分展開した平面図である。この
内面溝付伝熱管１は、一般に銅または銅合金等の金属で
形成されており、その内周面には、その周方向へ向けて
ジグザグに延びるフィン２が多数平行に形成され、フィ
ン２同士の間は溝部３とされている。内面溝付伝熱管１
の内周面には、管軸方向へ延びる一本の溶接線４が全長
に亘って形成され、この溶接線４を境として、フィン２
が分断されている。溶接線４は、フィン２の突出量より
突出量が小さい突条であることが好ましい。

【０００９】この実施形態の内面溝付伝熱管１の内周面
は、その周方向略９０゜毎に４つの帯状をなす領域Ｒ１
〜Ｒ４に区分され、いずれか１つの領域（この場合Ｒ
１）から数えて奇数番の領域Ｒ１，Ｒ３では、フィン２
が伝熱管軸線に対して正の角度αをなすように形成され
る一方、偶数番の領域Ｒ２，Ｒ４では、フィン２が伝熱
管軸線に対して負の角度βをなすように形成されてい
る。傾斜角度α，βの正負は逆であってもよく、要はフ
ィン２が全体としてジグザク状になるように、所定の長
さ毎に伝熱管軸線に対し交互に逆方向へ傾斜していれば
よい。

【００１０】図１の例では、同じ領域内でフィン２が互
いに平行をなしているが、これらは必ずしも平行でなく
てもよく、フィン２毎に傾斜角度を異ならせてもよい。
領域Ｒ１〜Ｒ４の幅は等しくなくてもよく、互いに異な
っていてもよい。さらに、フィン２の屈折箇所はなだら
かな曲線状であってもよい。

【００１１】この実施形態の主たる特徴は、各領域Ｒ１
〜Ｒ４間の境界線Ｌ１〜Ｌ３に対応する位置において、
フィン２に、他の部分２Ｃよりも相対的に高い部分（フ
ィン頂部）２Ａおよび低い部分（フィン鞍部）２Ｂが形
成されていることにある。ここで、フィン２の高さと
は、図４に示すように、金属管の内面（すなわち溝部３
の底面）からフィン２の頂点までの高さＨを意味するも
のとする。

【００１２】図２は、管の周方向におけるフィン２の高
さの変化を示すグラフであり、フィン頂部２Ａとフィン
鞍部２Ｂは、互いの間に中間的な一定高さを有する一定
長さの中間部分２Ｃを挟んで交互に配置されている。た
だし、フィン頂部２Ａおよびフィン鞍部２Ｂの幅を拡大
して、中間部分２Ｃを介在させずにフィン頂部２Ａとフ
ィン鞍部２を直接つなげた構成も実施可能であるし、図
３に示すように、フィン頂部２Ａとフィン鞍部２Ｂとの
並び方を逆にしてもよい。さらに、フィン２の一本毎に
フィン頂部２Ａとフィン鞍部２Ｂとの並び方を逆にして
もよいし、全てのフィン２にフィン頂部２Ａのみ、もし
くはフィン鞍部２Ｂのみを形成した構成も実施可能であ
る。フィン２にフィン頂部２Ａのみを形成した場合に
は、中間部分２Ｃが相対的に低い部分となる。また、フ
ィン２にフィン鞍部２Ｂのみを形成した場合には、中間
部分２Ｃが相対的に高い部分となる。

【００１３】フィン頂部２Ａの高さは、フィン２の平均
高さ、すなわちこの場合には中間部分２Ｃの高さの１０
５〜１２０％であることが好ましく、さらに望ましくは
１１０〜１１５％とされる。フィン頂部２Ａの高さが中
間部分２Ｃの高さの１０５％より低いと、フィン頂部２
Ａによる熱媒液体の攪拌効果が薄れる。一方、１２０％
より高いと、内面溝付伝熱管１の外周に放熱フィンを固
定するために、内面溝付伝熱管１内に拡管プラグを圧入
したときに、拡管プラグとフィン２との当接力が周方向
に不均一になって、正しい円形に拡管できないという問
題を生じる。

【００１４】同様に、フィン鞍部２Ｂの高さは、フィン
２の平均高さ、すなわちこの場合には中間部分２Ｃの高
さの８０〜９５％であることが好ましく、さらに望まし
くは８５〜９０％とされる。フィン鞍部２Ｂの高さが中
間部分２Ｃの高さの８０％より低いと、その部分での強
度が相対的に低下するおそれがある。また、９５％より
高いとフィン鞍部２Ｂによる熱媒液体の攪拌効果が薄れ
る。

【００１５】なお、フィン２の平均高さとは、溶接線４
の両側の、周方向各１０％の領域を除いた残りの８０％
の部分のフィン２の平均高さを意味するものとする。図
１のような実施形態では、フィン２の平均高さが中間部
分２Ｃとほぼ一致するために中間部分２Ｃを基準として
考えればよいが、フィン頂部２Ａのみまたはフィン鞍部
２Ｂのみを形成した場合、もしくはフィン２の高さをサ
インカーブ状に変化させた場合には、中間部分２Ｃの高
さが不明確になるため、フィンの平均高さを基準とす
る。

【００１６】一般的に汎用されている外径１ｃｍ以下の
伝熱管の場合には、フィン頂部２Ａの高さが、中間部分
２Ｃの高さよりも０．００５〜０．０７ｍｍ高いことが
好ましく、０．０１〜０．０５ｍｍ高くされることがさ
らに好ましい。また、フィン鞍部２Ｂの高さは、中間部
分２Ｃの高さよりも０．００５〜０．０７ｍｍ低いこと
が好ましく、さらに望ましくは０．０１〜０．０５ｍｍ
低くされる。ただし、本発明はこの範囲に限定されるこ
とはない。

【００１７】フィン２の傾斜角度α，βの絶対値は制限
されないが、一般には８〜３０゜であることが好まし
く、より好ましくは１０〜２５゜とされる。前記絶対値
が３０゜を越えるとフィン２が流れに対して垂直に近く
なり、流れを遮って圧力損失が大きくなるため好ましく
ない。また、前記絶対値が８゜未満であると、フィン２
が流れに対して平行に近くなり、フィン２による乱流発
生効果が低下する。

【００１８】フィン２の断面形状は、三角形状、二等辺
三角形状、頂角が丸く面取りされた三角形状、半円状、
円弧状、台形状、面取りされた台形状などいかなる形状
であってもよいが、この実施形態では、図４に示すよう
に、頂角が丸く面取りされた二等辺三角形状とされてい
る。

【００１９】図４に示すフィン２のピッチＰおよび高さ
Ｈは、本発明では限定されないが、外径１ｃｍ以内の内
面溝付伝熱管１の場合、フィン２のピッチＰが好ましく
は０．２５〜０．５０ｍｍ、さらに好ましくは０．３０
〜０．４０ｍｍとされる。また、中間部分２Ｃの金属管
内周面からの高さＨは、好ましくは０．１５〜０．３０
ｍｍ、さらに好ましくは０．２１〜０．２６ｍｍとされ
る。

【００２０】上記のように従来よりも幅が狭く、背の高
いフィン形状を採用した場合には、フィン頂部２Ａおよ
びフィン鞍部２Ｂの作用と相まって乱流発生効果が良好
であり、内面溝付伝熱管１の熱交換効率がいっそう向上
できる。また、このように細く高いフィン２によれば、
内面溝付伝熱管１の内面が熱媒液体で覆われた際にも、
フィン２の先端部における排液性が良好になるから、凝
縮管として使用した場合にフィン２の先端金属面が熱媒
気体と直接接触しやすく、良好な凝縮性能を得ることが
できる。

【００２１】フィン２の両側面のなす角度γ（頂角）は
本発明では限定されないが、好ましくは１０〜２５゜、
さらに好ましくは１５〜２０゜とされる。このようにフ
ィン２の頂角γが小さい場合には、フィン２の側面が管
内周面からほぼ垂直に起立するため、少なくとも、フィ
ン２の熱媒流れ方向上流側から見てＶ字状の谷となる部
分以外では、内面溝付伝熱管１内を流れる熱媒気体の風
圧によって熱媒液体がフィン２上へ吹き上げられること
が少ない。このため、フィン２により熱媒液体の流れを
規制して乱流を引き起こす効果が増すだけでなく、この
内面溝付伝熱管１を凝縮管として使用した場合には、個
々のフィン２の先端部が露出する傾向が高くなり、熱媒
気体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。また、図示の例ではフィン２の頂点が
断面半円状にされているが、本発明は断面台形状として
も、断面三角形状としてもよい。

【００２２】溶接線４の両側には、溶接線４と平行に延
びる一定幅の溝無し部分５が形成されている。溝無し部
分５は、板条材を電縫加工して管状にする際に、板条材
の端面に発生する溶接電流密度を均一化するために必要
なものである。

【００２３】内面溝付伝熱管１の外径、肉厚、長さ等の
寸法は限定されず、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。内面溝付伝熱
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も使用可能である。なお、この実
施形態では内面溝付伝熱管１の断面形状が円形である
が、本発明は断面円形に限らず、必要に応じて断面楕円
形や偏平管状等としてもよい。さらに、内面溝付伝熱管
１の内部に純水やアルコール、フロン、混合溶媒などの
作動液を減圧下で封入して、ヒートパイプとして使用す
ることも有効である。

【００２４】上記構成からなる内面溝付伝熱管１によれ
ば、フィン２の一部にフィン頂部２Ａおよびフィン鞍部
２Ｂが形成されており、円周方向にフィン２の高さが一
定になっていないため、内面溝付伝熱管１の内面に沿っ
て軸線方向へ流れる熱媒液体は、フィン頂部２Ａおよび
フィン鞍部２Ｂによって攪乱される。よって、ジグザグ
形状のフィン２による攪拌効果と相まって、内面溝付伝
熱管１の内面に沿って層状に流れようとする熱媒液体に
乱流を発生させ、液体流の中に温度勾配が生じることが
防止でき、熱媒と伝熱管金属面との熱交換を促進して伝
熱効率を高めることが可能である。

【００２５】これにより、例えば内面溝付伝熱管１を蒸
発管として使用する場合には、沸騰する熱媒液体が内面
溝付伝熱管１から熱を奪う際の伝熱性を高めることがで
きるし、内面溝付伝熱管１を凝縮管として使用する場合
には、凝縮により生じた熱媒液体が内面溝付伝熱管１の
内面を層状に覆って熱媒気体と内面溝付伝熱管１との熱
交換を妨げることが防止できる。したがって、蒸発管お
よび凝縮管のいずれの用途に使用した場合にも、高い熱
交換性能が得られる。特に、混合熱媒（複数の熱媒を混
合したもの）を使用した場合には、熱媒成分の分離を防
ぐことができ、混合熱媒本来の性能を引き出すことが可
能である。

【００２６】なお、この実施形態では、内面に形成され
ているフィン２が、いずれの向きに流れる熱媒体に対し
ても、流れの上流に向けて開く２対のＶ字を構成するよ
うに配置されているので、各フィン２の側面により集め
られた熱媒体はＶ字の突き合わせ部分で衝突して合流
し、この突き合わせ部分を乗り越えて流れる。したがっ
て、熱媒液体を流す向きによって、フィン頂部２Ａおよ
びフィン鞍部２Ｂの作用効果が若干異なることに留意す
べきである。すなわち、図１に示す内面溝付伝熱管１内
を熱媒液体が図面の上から下へ流れる際には、フィン２
が下流方向に凸をなすＶ字部分の先端、すなわち、フィ
ン頂部２Ａに熱媒液体が集中する傾向が生じ、高いフィ
ン頂部２Ａを乗り越えて流れる熱媒液体が増加する。し
たがって、この場合は、流液抵抗が若干大きい半面、熱
媒液体の攪拌効果が高いと予想される。

【００２７】一方、図１に示す内面溝付伝熱管１内を熱
媒液体が図面の下から上へ流れる際には、フィン２が下
流方向に凸をなすＶ字部分の先端、すなわち、フィン鞍
部２Ｂに熱媒液体が集中する傾向が生じ、相対的に低い
フィン鞍部２Ｂを乗り越えて流れる熱媒液体が増加す
る。したがって、この場合は、流液抵抗が相対的に小さ
いと予想される。

【００２８】［第２実施形態］図５は、本発明の第２実
施形態を示す部分的に展開した平面図である。第１実施
形態では、内面溝付伝熱管１の内面を周方向に４つの領
域Ｒ１〜Ｒ４に分けていたが、この例では、周方向に６
つの領域Ｒ１〜Ｒ６に分け、これらの境界線Ｌ１〜Ｌ５
に対応した位置で、図６または図７に示すように、フィ
ン２にフィン頂部２Ａおよびフィン鞍部２Ｂを交互に形
成したことを特徴としている。他の構成に関しては、前
記各実施形態と同様でよい。このような第２実施形態に
よっても第１実施形態と同様の効果が得られる。

【００２９】［第３実施形態］図８は、本発明の第３実
施形態を示している。この例では、内面溝付伝熱管１の
内周面を周方向に２つの領域Ｒ１，Ｒ２に分けたことを
特徴としており、これらの境界線Ｌ１に対応した位置
で、図９に示すようにフィン鞍部２Ｂを形成したことを
特徴としている。フィン鞍部２Ｂの代わりに、図１０に
示すように、境界線Ｌ１に対応した位置でフィン頂部２
Ａを形成してもよいし、あるいはフィン頂部２Ａとフィ
ン鞍部２Ｂとを交互に形成してもよい。他の構成は第１
実施形態と同様でよい。

【００３０】この第３実施形態によっても、第１実施形
態と同様の優れた効果を得ることができる。ただし、第
３実施形態では、内面に形成されているフィン２が、い
ずれの向きに流れる熱媒体に対しても、流れの上流に向
けて開く単一のＶ字を構成するように配置され、このＶ
字の谷間に相当する部分に熱媒体が集まる特性を有する
から、この特性を生かすためには、使用態様に応じて内
面溝付伝熱管１の上下を設定することが好ましい。

【００３１】例えば、凝縮管として使用するのであれ
ば、金属面と熱媒気体とを直接接触させることが好まし
いので、蒸気流に対してＶ字の谷間に相当する部分を下
向きに配置する。すると、内面溝付伝熱管１内に溜まっ
て流れる熱媒液体がフィン２に沿って内面溝付伝熱管１
の内面上側にまで広がりにくくなるから、前記効果と相
まって凝縮効率を高めることが可能である。

【００３２】なお、本発明に係る内面溝付伝熱管は、上
記各実施形態に限定されるものではなく、その他にも種
々の構成が可能である。例えば、伝熱管の外径が大きい
場合には、伝熱管の内周面を８つ以上の領域に区画する
ことも可能であるし、必要であれば各フィンを円弧の連
続した形状もしくはサイン波形状等に形成することも可
能である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の内面溝付
伝熱管によれば、ジグザグ形状をなすフィンの一部に相
対的に高い部分および相対的に低い部分が形成されてお
り、円周方向にフィンの高さが一定になっていないた
め、内面溝付伝熱管の内面に沿って軸線方向へ流れる熱
媒液体は、これら部分によって攪乱される。よって、ジ
グザグ形状のフィンによる攪拌効果と相まって、内面溝
付伝熱管の内面に沿って層状に流れようとする熱媒液体
に乱流を発生させ、液体流の中に温度勾配が生じること
が防止でき、熱媒と伝熱管金属面との熱交換を促進して
伝熱効率を高めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内面溝付伝熱管の第１実施形態
を示す、内面を一部展開した平面図である。

【図２】第１実施形態のフィン高さのグラフである。

【図３】第１実施形態の変形例のフィン高さを示すグ
ラフである。

【図４】第１実施形態のフィンの断面拡大図である。

【図５】本発明に係る内面溝付伝熱管の第２実施形態
を示す、内面を一部展開した平面図である。

【図６】第２実施形態のフィン高さのグラフである。

【図７】第２実施形態の変形例のフィン高さを示すグ
ラフである。

【図８】本発明に係る内面溝付伝熱管の第３実施形態
を示す、内面を一部展開した平面図である。

【図９】第３実施形態のフィン高さのグラフである。

【図１０】第３実施形態の変形例のフィン高さを示す
グラフである。

【符号の説明】

１内面溝付伝熱管２フィン２Ａフィン頂部２Ｂフィン鞍部２Ｃ中間部分３溝部４溶接線５溝無し部分Ｒ１〜Ｒ６区切られた領域Ｌ１〜Ｌ５境界線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属管の内周面に周方向にジグザグに延
びるフィンが形成され、前記フィンは、前記金属管の内
面からの高さが相対的に高い部分と相対的に低い部分と
を有することを特徴とする内面溝付伝熱管。
【請求項２】前記フィンの相対的に高い部分は、前記
フィンの屈折箇所に形成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。
【請求項３】前記フィンの相対的に低い部分は、前記
フィンの屈折箇所に形成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。
【請求項４】前記フィンの相対的に高い部分と相対的
に低い部分は、前記周方向に沿って交互に形成されてい
ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内
面溝付伝熱管。
【請求項５】前記フィンの相対的に高い部分の高さは
前記フィンの平均高さの１０５〜１２０％であり、前記
フィンの相対的に低い部分の高さは前記フィンの平均高
さの８０〜９５％であることを特徴とする請求項１〜４
のいずれかに記載の内面溝付伝熱管。