JPH11108579A

JPH11108579A - 内面溝付管

Info

Publication number: JPH11108579A
Application number: JP26994397A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Ishikawa; 守石川; Nobuaki Hinako; 伸明日名子; Kiyonori Koseki; 清憲小関; Chikara Saeki; 主税佐伯
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】熱交換性能及び強度が高いと共に、冷媒の圧
力損失を抑制することができる内面溝付管を提供する。【解決手段】内面溝付管１０の内面には、管軸方向に
対して傾斜する方向に伸びる溝１が管軸方向に複数個並
べられて第１溝形成領域１１が形成されており、管軸方
向に対して溝１と等しい角度をなして溝１とは逆方向に
傾斜する溝２が管軸方向に複数個並べられて第２溝形成
領域１２が形成されている。更に、管円周方向にに伸び
るリブ３が複数個並べられてリブ形成領域１３が形成さ
れている。そして、管円周方向に溝形成領域１１及び１
２がリブ形成領域１３を挟んで交互に複数個設けられて
いる。溝群１１及び１２並びにリブ群１３の管円周方向
における幅は夫々Ｗ₁、Ｗ₂、Ｗ₃であり、幅Ｗ₃は幅Ｗ₁
及びＷ₂より小さく、幅Ｗ₁は幅Ｗ₂より大きい。また、
溝１及び２の深さはｈ₁であり、リブ３の高さはｈ₂であ
って、ｈ₂はｈ₁より小さい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はルームエアコン等の
熱交換器に使用する内面溝付管に関し、特に、冷媒の圧
力損失が少なく強度が高いと共に、高熱交換性能を有す
る内面溝付管に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、ルームエアコンとして冷暖房兼用
型のヒートポンプ式エアコンが主流となっている。そし
て、このヒートポンプ式エアコン等に使用される伝熱管
には蒸発性能及び凝縮性能が優れていることが要求され
る。伝熱管の蒸発性能を高めるためには、冷媒液を伝熱
面である管内面全体に広めて管内面全体で冷媒の蒸発が
生じるような構造が必要とされる。一方、伝熱管の凝縮
性能を高めるためには、管内面が凝縮した冷媒液で覆わ
れることを防止するために、冷媒液が管内面全体に広が
ることを防止するような構造が必要とされる。従って、
蒸発性能及び凝縮性能が優れている伝熱管を得るために
は、前述の相反する特性を満たす構造が必要とされる。

【０００３】ルームエアコン等の熱交換器に使用する伝
熱管として、金属管の内面に複数種の溝等を形成して熱
交換性能を向上させたものが提案されている（特公平７
−９６９９５号公報、特公平５−７１８７４号公報、特
公平５−１０５９４号公報、特開平４−１５８１９３号
公報）。

【０００４】これらの従来技術のうち、特公平７−９６
９９５号公報においては、管内面に管軸方向に対して平
行な平行溝と管軸方向に対して傾斜する傾斜溝又は直交
する直交溝とが形成され、平行溝が下側になるように配
置して使用される内面溝付管が開示されている。この従
来の内面溝付管においては、凝縮時に液化した冷媒液が
管内を円滑に流れるので冷媒液のかき上げが抑制され、
これにより、管内面に不必要な液膜の形成が防止されて
凝縮性能が向上するという効果を奏する。

【０００５】また、特公平５−７１８７４号公報におい
ては、管内面に管軸方向に対して傾斜する螺旋溝と管軸
方向に対して平行な１本以上の突条部とが形成され、突
条部が螺旋溝と交差するような構造の内面溝付管が記載
されている。この従来の内面溝付管においては、凝縮時
に液化した冷媒液の螺旋溝に沿った流れが突条部により
遮断されるので、管内面の液膜を消失させて凝縮性能を
高めるという効果が記載されている。

【０００６】特公平５−１０５９４号公報においては、
管内面に管軸に関して対称に管軸方向に対して平行な２
本の突条部が形成され、この突条部を境に管軸方向に対
して５乃至３５°傾斜し前記突条部より浅くない傾斜溝
が形成された内面溝付管が記載されている。この従来技
術においても、突条部により冷媒液の流れが遮断されて
凝縮性能が向上する。

【０００７】また、特開平４−１５８１９３号公報にお
いては、管内面へ管軸方向に沿い所定幅で複数種の凹凸
群を形成した内面溝付管が開示されている。この凹凸群
は、凹凸が平行であり、且つ凸条と溝とが交互に位置す
るものである。また、一の凹凸群と、この凹凸群と隣り
合う凹凸群とは、溝ピッチ、溝寸法、溝形状及び溝の管
軸方向に対するリード角の各要素のうちいずれか一以上
の要素を異にしている。更に、前記凹凸群が三つ以上で
ある場合が開示されている。この従来技術においては、
管内の冷媒の流れを撹拌して伝熱性能を高めるという効
果が記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の従来技術においては、以下に示す問題点がある。先
ず、特公平７−９６９９５号公報においては、内面溝付
管を平行溝が下側になるように配置しなければ、冷媒液
のかき上げを抑制する効果が得られず性能は向上しない
ので、内面溝付管をヘアピン曲げして使用するルームエ
アコンの熱交換器等には適さない。また、蒸発器として
使用する場合には、平行溝による冷媒液のかき上げ抑制
効果により、管内面がドライアウトして蒸発性能が低下
する。このため、高い蒸発性能及び凝縮性能が必要とさ
れるヒートポンプ式エアコンの熱交換器等には適さな
い。更に、平行溝が形成されているため肉厚が薄い溝底
部が管軸方向に対して平行に連なっているので、管円周
方向の強度が低下してしまう。このため、この管を拡管
して使用する場合には前記溝底部で局部的な伸びが生じ
て割れが発生しやすくなると共に、螺旋溝が形成された
内面溝付管と比して、内圧に対する強度が低いという欠
点がある。

【０００９】また、特公平５−７１８７４号公報及び特
公平５−１０５９４号公報においては、蒸発器として使
用する場合には、突条部により冷媒液の流れが遮断され
て管内面に冷媒液が広がらないので、蒸発性能が低下し
てしまう。

【００１０】特開平４−１５８１９３号公報において
は、管内面に単に相互に逆向きの角度を有する螺旋溝を
設けた場合に、冷媒液の流れが阻害され蒸発性能が低下
する。一方、同一方向の角度を有する螺旋溝を設けた場
合には、冷媒液が広がり易くなり凝縮性能が低下する。
また、冷媒液の乱流が形成されるので圧力損失が増加す
る。更に、管を小径化するほど冷媒の圧力損失の増加が
顕著となり、熱交換器の回路設計が困難となるだけでな
く、圧力損失の増加に伴い却って蒸発性能が低下してし
まう。

【００１１】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、熱交換性能及び強度が高いと共に、冷媒の
圧力損失を抑制することができる内面溝付管を提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る内面溝付管
は、管内面を円周方向に、相互に幅が異なる１又は複数
個の第１領域及び第２領域と、この第１領域及び第２領
域間の第３領域とに分割し、前記第１領域及び第２領域
には夫々管軸方向に対する捩れ方向が相違する２種類の
溝が円周方向に対するピッチを同一にして形成されてお
り、前記第３領域には前記溝の深さよりも小さい高さの
リブが形成されていることを特徴とする。

【００１３】なお、前記リブは管円周方向に伸びていて
もよい。

【００１４】また、前記第１領域及び第２領域のうち幅
が広い方の領域の幅をＷ₁、幅が狭い方の領域の幅をＷ₂
としたとき、Ｗ₁／Ｗ₂が１．１乃至３．０であり、前記
第３領域の幅をＷ₃、前記溝の管円周方向における溝ピ
ッチをｐとしたとき、Ｗ₃／ｐが１．０乃至５．０であ
ることが望ましい。

【００１５】更に、前記溝の深さをｈ₁、前記リブの高
さをｈ₂としたとき、ｈ₂／ｈ₁が０．１乃至０．８であ
り、前記溝の管軸方向における溝ピッチをＰ₁とし、前
記リブの管軸方向におけるピッチをＰ₂としたとき、Ｐ₂
／Ｐ₁が２．０乃至２０であることが望ましい。

【００１６】本発明においては、管軸方向に対する捩れ
方向が相違し管円周方向に対するピッチが同一である２
種類の溝を、管円周方向に幅が異なる領域に交互に形成
することにより、蒸発時に冷媒液が幅が広い領域内の溝
に沿って旋回流を生じ、管内面全体に広がり易くいた
め、高い蒸発性能が得られる。

【００１７】一方、凝縮時には、幅が狭い領域内の溝に
よって凝縮液の流れが抑制され、凝縮液は管内面全体に
広がることなく集液される。従って、冷媒ガスが管内面
と連続的に接触して冷媒ガスの凝縮が維持されるので、
高い凝縮性能が得られる。

【００１８】更に、リブが形成された領域を溝が形成さ
れた領域間に設けることにより、冷媒液の管軸方向への
流れが円滑になり冷媒液の圧力損失が低下すると共に、
適度な強度が得られる。

【００１９】このような内面溝付管は、金属板条材の一
方の面に複数の溝を圧延成形し、この溝形成面を内側に
して管状に成形し、突合せ端部を溶接接合して製管する
ことにより製造することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に係る内面
溝付管について、添付の図面を参照して具体的に説明す
る。図１は本発明の実施例に係る内面溝付管の内面溝を
示す内面溝付管の展開図であり、図２はその模式的斜視
図である。内面溝付管１０の内面には、管軸方向に対し
て傾斜する方向に伸びる溝１が管軸方向に複数個並べら
れて第１溝形成領域１１が形成されている。また、管軸
方向に対して溝１と等しい角度をなして溝１とは逆方向
に傾斜する溝２が管軸方向に複数個並べられて第２溝形
成領域１２が形成されている。更に、管円周方向に伸び
るリブ３が複数個並べられてリブ形成領域１３が第３領
域として形成されている。そして、管円周方向に第１溝
形成領域１１及び第２溝形成領域１２がリブ形成領域１
３を挟んで交互に複数個設けられている。更に、管円周
方向の両端部には、溝及びリブが形成されていない平坦
部４が設けられている。なお、溝形成領域１１及び１２
並びにリブ形成領域１３の管円周方向における幅は夫々
Ｗ₁、Ｗ₂、Ｗ₃であり、幅Ｗ₃は幅Ｗ₁及びＷ₂より小さ
く、幅Ｗ₁は幅Ｗ₂より大きい。また、溝１及び２の管円
周方向における溝ピッチはｐであり、管軸方向における
溝ピッチはＰ₁である。更に、リブ３の管軸方向におけ
るピッチはＰ₂である。また、溝１及び２の深さはｈ₁で
あり、リブ３の高さはｈ₂であって、ｈ₂はｈ₁より小さ
い。

【００２１】このような溝形状を有する内面溝付管は、
金属条板の一方の面に、図１に示すような溝形状を圧延
成形により転写し、この金属条板をその溝形成面を内側
にして管状に湾曲させ、この突合せ端部を溶接接合する
ことにより、製造することができる。

【００２２】次に、上述のように構成された内面溝付管
１０の動作について説明する。この内面溝付管１０を蒸
発器として使用する場合には、先ず、内面溝付管１０内
に冷媒液が供給される。第１溝形成領域１１の幅Ｗ₁は
第２溝形成領域１２の幅Ｗ₂よりも大きいため、溝１と
溝２との管軸方向に対して傾斜する方向が相互に異なっ
ていても、冷媒液は速い速度で第１溝形成領域１１内の
溝１に沿った旋回流を生じて管内面全体に広がる。これ
により、高い蒸発性能が得られる。

【００２３】一方、内面溝付管１０を凝縮器として使用
する場合には、先ず、内面溝付管内に冷媒ガスが供給さ
れる。冷媒ガスは管内面全体と接触し冷却されて液化す
る。そして、液化した冷媒液は第１溝形成領域１１内の
溝１に沿った旋回流を生じようとするが、このときの冷
媒液の流れの慣性力は蒸発器として使用されたときの冷
媒液のそれよりも小さく、第２溝形成領域１２内の溝２
によって冷媒液の流れは抑制される。これにより、冷媒
液は管内面全体に広がることなく、重力により内面溝付
管１０の下方側に集液される。従って、管内面全体が冷
媒液に覆われることがなく、冷媒ガスが管内面と連続的
に接触して冷媒ガスの凝縮が維持されるので、高い凝縮
性能が得られる。

【００２４】また、内面溝付管１０においては、溝１及
び２の深さよりも低いリブ３が形成されたリブ形成領域
１３が第３領域として第１溝形成領域１１及び第２溝形
成領域１２間に設けられているので、冷媒液の管軸方向
への流れが円滑になり冷媒液の圧力損失が低下すると共
に、管内面と冷媒液との接触面積の増加により蒸発性能
が向上する。

【００２５】第３領域にリブが形成されておらず第３領
域の内面が平滑であると、溝形成領域１１及び１２と比
して、第３領域の平均肉厚は薄くなり管円周方向におい
て強度が不足しやすい。この強度不足を補うために第３
領域の肉厚を全体的に厚くすると不必要に内面溝付管の
重量を増加させることとなり、経済的ではない。本実施
例においては、所定のピッチＰ₂で管円周方向に伸びる
リブ３が形成されているので、第３領域の管軸方向にお
ける強度が向上する。

【００２６】なお、溝形成領域の幅に関して、Ｗ₁／Ｗ₂
が１．１未満であると、凝縮性能は向上するものの、管
軸方向に対する捩れ方向が相違する溝１及び溝２により
冷媒液が管内面全体に広がりにくくなり、蒸発性能を向
上させることが困難となる。一方、Ｗ₁／Ｗ₂が３．０を
超えると、蒸発性能は向上するものの、凝縮時に液化し
た冷媒液が管内面全体に広がりやすくなり、冷媒液が管
内面を覆って冷媒ガスと管内面との接触が阻害され凝縮
性能を向上させることが困難となる。従って、Ｗ₁／Ｗ₂
は１．１乃至３．０であることが望ましい。

【００２７】また、溝１及び２の管円周方向における溝
ピッチｐとリブ形成領域１３の幅Ｗ₃とに関して、Ｗ₃／
ｐが１．０未満であると、リブ形成領域１３における冷
媒液の管軸方向への流れに対する流動抵抗が増加して圧
力損失を低減させる効果が低下する。一方、Ｗ₃／ｐが
５．０を超えると、伝熱面積が減少して伝熱性能が低下
する。従って、Ｗ₃／ｐは１．０乃至５．０であること
が望ましい。

【００２８】溝１及び２の深さｈ₁とリブ３の高さｈ₂と
に関して、ｈ₂／ｈ₁が０．１未満であると、リブによる
第３領域の管軸方向における強度を高める効果が低下す
る。一方、ｈ₂／ｈ₁が０．８を超えると、リブにより冷
媒液の流れが阻害されて冷媒液の圧力損失が増加するこ
とがある。従って、ｈ₂／ｈ₁は０．１乃至０．８である
ことが望ましい。

【００２９】また、溝１及び２の管軸方向における溝ピ
ッチＰ₁とリブ３のピッチＰ₂とに関して、Ｐ₂／Ｐ₁が
２．０未満であると、リブにより冷媒液の流れが阻害さ
れて冷媒液の圧力損失が増加することがある。一方、Ｐ
₂／Ｐ₁が２０を超えると、リブによる第３領域の管軸方
向における強度を高める効果が低下する。従って、Ｐ₂
／Ｐ₁は２．０乃至２０であることが望ましい。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の実施例について、その特許請
求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明す
る。

【００３１】第１実施例先ず、銅板の片側表面にロール圧延により、溝の深さが
０．２ｍｍ、管円周方向における溝ピッチが０．４ｍ
ｍ、管軸方向における溝ピッチが１．７３ｍｍ、管軸方
向に対する捩れ角度が１３°であり、管軸方向に対して
相互に逆方向に傾斜する２種類の溝形成領域が管円周方
向に交互に形成されるように加工した。このとき、リブ
のピッチが３．５ｍｍであるリブ形成領域を隣り合う溝
形成領域間に同時に加工した。その後、溝加工面を内側
にして板を幅方向に丸めながら板幅端部同士を突合せて
溶接し、外径が７．０ｍｍの内面溝付管を製造した。な
お、溝加工の際に、Ｗ₁／Ｗ₂を種々に変化させた。

【００３２】そして、上記内面溝付管を長さ３０００ｍ
ｍの二重管式熱交換器の内側に配置し、内面溝付管の管
内に冷媒液を流し、内面溝付管と外管との間の環状部に
水を流して熱交換し、伝熱性能を測定した。なお、冷媒
流量は３０ｋｇ／時とした。この結果を図３に示す。図
３は横軸にＷ₁／Ｗ₂をとり、縦軸に伝熱性能比をとって
両者の関係を示すグラフ図である。図３において、伝熱
性能比はＷ₁／Ｗ₂が１．０であるときの凝縮性能及び蒸
発性能を基準値１．０として各Ｗ₁／Ｗ₂における凝縮性
能及び蒸発性能を換算した値である。

【００３３】図３に示すように、蒸発性能はＷ₁／Ｗ₂が
１．１以上となるとＷ₁／Ｗ₂の増加に伴って向上した。
また、凝縮性能はＷ₁／Ｗ₂の２．０付近にピークを有
し、Ｗ₁／Ｗ₂が３．０を超えると著しく低下した。

【００３４】第２実施例Ｗ₁／Ｗ₂を１．３に固定しリブ形成領域の幅Ｗ₃を種々
に変化させたことを除いて、第１実施例と同様にして蒸
発性能を測定した。更に、本実施例においては、冷媒の
圧力損失を測定した。この結果を図４に示す。図４は横
軸にＷ₃／ｐをとり、縦軸に蒸発性能比及び圧力損失比
をとってＷ₃／ｐと蒸発性能比との関係及びＷ₃／ｐと圧
力損失比との関係を示すグラフ図である。図４におい
て、蒸発性能比及び圧力損失比はリブ形成領域が設けら
れていない（Ｗ₃＝０）ときの蒸発性能及び圧力損失を
基準値１．０として各Ｗ₃／ｐにおける蒸発性能及び圧
力損失を換算した値である。

【００３５】図４に示すように、蒸発性能及び圧力損失
はＷ₃／ｐが１．０以上となると著しく向上し始めた。
しかし、圧力損失は減少し続けるものの、蒸発性能はＷ
₃／ｐの２．５乃至３．０付近にピークを有し、Ｗ₃／ｐ
が５．０を超えると著しく低下した。

【００３６】第３実施例Ｗ₁／Ｗ₂を１．５に固定しリブ形成領域の形状を下記表
１に示すように変化させたことを除いて、第１実施例と
同様にして内面溝付管を製造し、この内面溝付管を二重
管式熱交換器の内側に配置した。なお、本実施例におい
ては、請求項２又は３に規定する範囲から外れるものを
比較例とした。

【００３７】

【表１】

【００３８】次に、第２実施例と同様にして圧力損失を
測定した。更に、本実施例においては、内面溝付管の管
内に水圧を印加して耐圧強度を測定した。これらの結果
を下記表２に示す。表２において、圧力損失比及び耐圧
強度比はリブ形成領域が設けられていない（Ｗ₃＝０）
ときの圧力損失及び耐圧強度を基準値１．０として各実
施例及び比較例における圧力損失及び耐圧強度を換算し
た値である。圧力損失比が１．０未満であれば、圧力損
失が低減されており、耐圧強度比が１．０未満であれ
ば、耐圧強度が低下してしまっている。

【００３９】

【表２】

【００４０】上記表２に示すように、実施例１乃至３に
おいては、リブ形成領域の形状が適切なものであるの
で、圧力損失及び耐圧強度が良好であった。

【００４１】一方、比較例４においては、Ｗ₃／ｐが請
求項２に規定する範囲の上限を超えているので、リブ形
成領域の肉厚が薄くなり耐圧強度が低下した。比較例５
においては、Ｗ₃／ｐが請求項２に規定する範囲の下限
未満であるので、圧力損失が増加した。

【００４２】比較例６においては、Ｐ₂／Ｐ₁が請求項３
に規定する範囲の下限未満であるので、圧力損失が増加
した。比較例７においては、Ｐ₂／Ｐ₁が請求項３に規定
する範囲の上限を超えているので、リブによる強度を向
上させる効果が低下し耐圧強度が低下した。

【００４３】比較例８においては、ｈ₂／ｈ₁が請求項３
に規定する範囲の上限を超えているので、圧力損失が増
加した。比較例９においては、ｈ₂／ｈ₁が請求項３に規
定する範囲の下限未満であるので、リブによる強度を向
上させる効果が低下し耐圧強度が低下した。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
管軸方向に対する捩れ方向が相異する２種類の溝を、管
円周方向に幅が異なる領域に交互に形成しているので、
蒸発時には冷媒液が幅が広い領域内の溝に沿って旋回流
を生じ、管内面全体に広がり易くいため、高い蒸発性能
が得られる。また、凝縮時には幅が狭い領域内の溝によ
って凝縮液の流れが抑制され、凝縮液は管内面全体に広
がることなく、集液される。従って、冷媒ガスが管内面
と連続的に接触して冷媒ガスの凝縮が維持されるので、
高い凝縮性能が得られる。更に、リブが形成された領域
を溝が形成された領域間に設けるているので、冷媒液の
管軸方向への流れが円滑になり冷媒液の圧力損失が低下
すると共に、適度な強度が得られる。この結果、近時の
熱交換器の省エネルギ化及び高効率化の要請に多大の貢
献をなすと共に、熱交換器の設計自由度を高めることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る内面溝付管の内面溝を示
す内面溝付管の展開図である。

【図２】本発明の実施例に係る内面溝付管の内面溝を示
す内面溝付管の模式的斜視図である。

【図３】伝熱性能をを示すグラフ図である。

【図４】蒸発性能及び圧力損失を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１、２；溝３；リブ４；平坦部１０；内面溝付管１１、１２；溝形成領域１３；リブ形成領域

フロントページの続き (72)発明者佐伯主税神奈川県秦野市平沢65番地株式会社神戸製鋼所秦野工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管内面を円周方向に、相互に幅が異なる
１又は複数個の第１領域及び第２領域と、この第１領域
及び第２領域間の第３領域とに分割し、前記第１領域及
び第２領域には夫々管軸方向に対する捩れ方向が相違す
る２種類の溝が円周方向に対するピッチを同一にして形
成されており、前記第３領域には前記溝の深さよりも小
さい高さのリブが形成されていることを特徴とする内面
溝付管。
【請求項２】前記リブは管円周方向に伸びていること
を特徴とする請求項１に記載の内面溝付管。
【請求項３】前記第１領域及び第２領域のうち幅が広
い方の領域の幅をＷ₁、幅が狭い方の領域の幅をＷ₂とし
たとき、Ｗ₁／Ｗ₂が１．１乃至３．０であり、前記第３
領域の幅をＷ₃、前記溝の管円周方向における溝ピッチ
をｐとしたとき、Ｗ₃／ｐが１．０乃至５．０であるこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載の内面溝付管。
【請求項４】前記溝の深さをｈ₁、前記リブの高さを
ｈ₂としたとき、ｈ₂／ｈ₁が０．１乃至０．８であり、
前記溝の管軸方向における溝ピッチをＰ₁とし、前記リ
ブの管軸方向におけるピッチをＰ₂としたとき、Ｐ₂／Ｐ
₁が２．０乃至２０であることを特徴とする請求項１乃
至３のいずれか１項に記載の内面溝付管。
【請求項５】金属板条材の一方の面に前記第１乃至第
３領域を圧延成形し、この成形面を内側にして管状に成
形し、その突合せ端部を溶接接合して製管されたもので
あることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に
記載の内面溝付管。