JPH11316096A - 沸騰型伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 密度の低い冷媒を使用した場合の伝熱性能を
向上させることができる沸騰型伝熱管を提供する。 【解決手段】 伝熱管本体１の外面に管軸方向に所定ピ
ッチＰ２でフィン２が形成されている。フィン２がその
長手方向に断続的に押圧されて凹部５及び凸部４が形成
されている。フィン２の間の空洞部３の上端の開口部６
は、凹部５及び凸部４にて相互に接近するよう張り出し
ている。管軸直交断面において、凸部４間の開口部６の
幅Ｗは０．１３ｍｍ＜Ｗ≦０．４０ｍｍであり、凹部５
の対向する両側面がなす角度θは、５５°以下である。
凹凸ピッチＰ１は０．２８ｍｍ≦Ｐ１≦０．５５ｍｍで
ある。空洞部のピッチＰ２は０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦０．
９０ｍｍ。リブ７は、その管軸に対するリード角αが４
１°≦α≦５０°、リブ高さｈが０．２２ｍｍ≦ｈ≦
０．４５ｍｍ、管軸方向ピッチＰ３が２．６ｍｍ≦Ｐ３
≦６．５ｍｍである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はターボ冷凍機及びス
クリュー冷凍機等の蒸気圧縮式冷凍機の蒸発器に組み込
まれ、液体冷媒中（例えば、フロン、液体窒素等）に浸
漬され、この液体冷媒を加熱沸騰させるために使用され
る沸騰型伝熱管に関し、特に、低密度冷媒においてその
伝熱性能向上を図った沸騰型伝熱管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の沸騰型伝熱管としては既
に数種類の伝熱面形状が提案されており、例えば、特公
昭５３−２５３７９号及び特公平４−７８９１７号のよ
うに、管外表面にフィンを成形し、フィンの先端に孔と
なる切れ込みを設け、そのフィン先端を倒して沸騰伝熱
に有益な空洞を設けたものがある。

【０００３】また、例えば、特公昭６４−２８７８号及
び特開平８−２１９６７４号のように、管外表面に螺旋
状のフィンを成形した後、フィン先端を圧縮変形して管
周方向及び管軸方向に空洞を設け、空洞と外部とを連通
する幅０．１３ｍｍ以下の間隙部を設けたものもある。

【０００４】更に、特開平４−２３６０９７号及び特開
平７−１５１４８５号のように、空洞内の沸騰を促進す
ると共に、管外表面での液冷媒及び気化した冷媒の乱流
を促進させて伝熱性能向上を図ったものもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの伝熱
管は、トリクロロフルオロメタン、クロロジフルオロメ
タン、又は１，１−ジクロロ−２，２，トリフルオロエ
タン等の冷媒を使用した場合は伝熱性能が向上するもの
の、１．１．２−テトラフルオロエタン等の密度が低い
冷媒に対しては、従来の伝熱管では空洞と外部とを連通
する開口部（間隙部）が小さく、空洞内に液冷媒が流入
する際に抵抗となり、空洞内が乾燥し、性能が低下する
という問題点がある。

【０００６】また、この問題点を回避するには、蒸発器
に充填する液冷媒の量を多くする方法も考えられるが、
冷媒の充填コストがかかり、更に熱交換器の容積を大き
くする必要があり、コストが増大するという欠点があ
る。

【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、密度が低い冷媒を使用した場合の伝熱性能
を向上させることができる沸騰型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】本発明に係る沸騰型伝熱
管は、伝熱管本体と、この管本体の外面に管円周方向に
延びるように又は管軸方向に傾斜する方向に延びるよう
に管軸方向に所定ピッチで形成されたフィンと、このフ
ィンがその長手方向に断続的に押圧されて形成された凹
部及び凸部とを有することを特徴とする。

【０００９】この沸騰型伝熱管において、前記フィンの
間の空洞部の上端の開口部は、前記凹部にて相互に接近
するように張り出しているか、前記凸部にて相互に接近
するように張り出していることが好ましい。

【００１０】また、管軸直交断面において、前記凸部は
台形状にすることができる。そして、管軸を通る断面に
おいて、前記凸部間の開口部の幅（Ｗ）は０．１３ｍｍ
＜Ｗ≦０．４０ｍｍであるか、管軸直交断面において、
凹部の対向する両側面がなす角度（θ）は、５５°以下
であるか、管軸直交断面において、管円周方向の凹凸ピ
ッチ（Ｐ１）は０．２８ｍｍ≦Ｐ１≦０．５５ｍｍであ
るか、管軸を通る断面において、前記空洞部のピッチ
（Ｐ２）は０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦０．９０ｍｍであるこ
とが好ましい。更に、前記管本体の内面に螺旋状に設け
られたリブを有し、前記リブは、その管軸に対するリー
ド角（α）が４１°≦α≦５０°、リブ高さ（ｈ）が
０．２２ｍｍ≦ｈ≦０．４５ｍｍ、管軸方向ピッチ（Ｐ
３）が２．６ｍｍ≦Ｐ３≦６．５ｍｍであることが好ま
しい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。図１本発明の実
施例に係る沸騰型伝熱管を示す斜視図、図２は同じくそ
の管軸を通る断面図、図３は管軸直交断面図である。管
本体１の外面には、管軸方向に傾斜する方向に延びるフ
ィン２が形成されている。このフィン２は管軸方向に対
して螺旋状に延びるものであり、管軸方向に対してピッ
チＰ２（図２参照）で設けられている。そして、フィン
２の長手方向には、このフィンを歯車等で断続的に押圧
することにより、凸部４と凹部５とが交互に形成されて
いる。なお、フィン２は管軸方向に直交する方向に延び
るものでもよい。

【００１２】図２に示すように、フィン２間には空洞部
３が形成され、この空洞部３の上端の開口部６におい
て、フィン２の凸部４及び凹部５は上端が相互に接近す
るように張り出している。管軸を通る断面において、凸
部４の開口部６の幅はＷである。また、空洞部３のピッ
チはフィンのピッチと同一のＰ２である。

【００１３】一方、図３に示すように、管軸直交断面に
おいて、凸部４の管円周方向のピッチはＰ１である。ま
た、凹部５の対向する両側面がなす角度はθである。

【００１４】また、図２に示すように、管本体１の内面
に管軸方向に対して螺旋状に延びるリブ７が形成されて
いる。このリブ７の管軸方向に対するリード角はαであ
り、リブ７の管軸方向のピッチはＰ３であり、リブ７の
高さはｈである。

【００１５】このように構成された沸騰伝熱管において
は、フィン２の上端形状を凹凸状にすることにより、空
洞部３内にて発生した気泡は凸部４の開口部６から排出
され、凹部５の開口部６から必要量の液冷媒が空洞部３
内に流入する。

【００１６】凹部５はその上端の開口部６が管軸方向に
空洞部３上で張り出しており、その張り出し長は対面す
る開口部端同士が接触しないものであることが望まし
い。凹部５が張り出すことにより、空洞部３内の気泡が
開口部６から離脱するときに、攪乱され、沸騰が促進さ
れる。

【００１７】なお、凹部５の上端が張り出した場合であ
っても、凸部４の上端の開口部６の幅（Ｗ）は０．１３
ｍｍ＜Ｗ≦０．４０ｍｍであることが望ましい。開口部
６の幅Ｗが０．１３ｍｍ以下であると、空洞部３内から
気泡が離脱しにくくなり、空洞内が乾燥し、性能が低下
する。また、開口部６の幅Ｗが０．４０ｍｍより大きく
なると、空洞部内の気泡が離脱しやすく、更に液冷媒が
空洞部３内に流入されやすくなり、伝熱性能が低下す
る。

【００１８】また、凸部４の開口部６も管軸方向に広が
ることにより、凸部４にて空洞部３内で発生した気泡が
離脱する際に気泡を助長させる。

【００１９】更に、凸部４が管軸直交断面において台形
状をなしていることにより、凸部４において、台形の上
底部（先端の細い方）にて特に気泡が離脱しやすくな
り、凹部５では下底部（空洞に近い根元の細い方）にて
液が流入するため、開口部の幅が狭くなくても、空洞内
の気泡離脱及び液冷媒の流入の効率が向上し、沸騰が促
進される。このとき、管軸直交断面において、凹部の側
面のなす角度（θ）は５５°より大きくなると、液冷媒
が空洞部に流入されやすくなり、性能が低下する。

【００２０】管軸直交断面において、凹凸の管円周方向
のピッチ（Ｐ１）は０．２８ｍｍ≦Ｐ１≦０．５５ｍｍ
であることが好ましい。０．２８ｍｍよりも小さくなる
と、液冷媒が空洞部に流入されにくくなり、空洞部内が
乾燥されてしまい、性能が低下する。また、ピッチＰ１
が０．５５ｍｍより大きいと、液冷媒が空洞内に流入さ
れやすくなり、性能が低下する。

【００２１】空洞部３の管軸方向のピッチ（Ｐ２）は
０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦０．９０ｍｍであることが好まし
い。ピッチＰ２が０．５０ｍｍより小さくなると、空洞
部３が小さくなり、液冷媒の流入しにくくなり性能が低
下する。ピッチＰ２が０．９０ｍｍより大きくなると、
単位長さあたりの空洞が少なくなり、伝熱性能が低下す
る。

【００２２】管内面に螺旋状に設けられたリブ７の管軸
方向に対するリード角（α）が４１°≦α≦５０°、リ
ブ高さ（ｈ）が０．２２ｍｍ≦ｈ≦０．４５ｍｍ、リブ
７の管軸方向のピッチ（Ｐ３）が２．６ｍｍ≦Ｐ３≦
６．５ｍｍであることが好ましい。

【００２３】リブの管軸に対するリード角（α）が４１
°より小さいと、管内面側の流体の攪乱効果が小さく、
空洞部３内に流入する液冷媒を加熱沸騰させにくく、伝
熱性能の向上効果が少ない。一方、リード角αが５０°
より大きくなると、管内側の圧力損失が大きくなり、ポ
ンプ動力が増加するため、効率が悪くなる。

【００２４】また、リブ高さｈが０．２２ｍｍより低い
と、管内面側の流体の攪乱効果が小さく、空洞内に流入
する液冷媒を加熱沸騰させにくく、性能向上が少ない。
一方、リブ高さｈが０．４５ｍｍより高くなると、空洞
部３内が乾燥され易くなり、伝熱性能が低下すると共
に、圧力損失が増加し、冷水のポンプ動力が増加する。

【００２５】更に、リブのピッチＰ３が２．６ｍｍ以下
であると、管内側の流体の攪乱効果が小さくなり、性能
が向上しにくい。また、ピッチＰ３が６．５ｍｍより大
きくなると、管内の流体に速度境界層及び温度境界層が
形成され、性能向上が少ない。

【００２６】なお、伝熱管の材質は通常銅及び銅合金で
あるが、本発明はこの銅又は銅合金以外のものを使用し
ても同様の効果が得られる。

【００２７】

【実施例】次に、本発明の実施例に係る沸騰型伝熱管を
製造し、その特性を評価した結果について説明する。こ
の評価した伝熱管の伝熱性能試験条件を下記表１に示
す。

【００２８】

【表１】

【００２９】次に、試験装置及び試験方法について説明
する。図４は性能評価試験装置を示す図である。凝縮器
２０は複数本の伝熱管２１をその管軸方向を水平にして
垂直方向に配列して構成したものである。各伝熱管２１
の内部には入口２２から冷却水が供給され、出口２３か
ら冷却水が排出される。また、各伝熱管２１の上方の入
口２４から、冷媒蒸気が伝熱管２１の周囲に供給され、
凝縮した液冷媒は、出口２５から蒸発器３０に供給され
る。蒸発器３０においては、冷媒３６内に試験すべき供
試管３１がその管軸方向を水平にして浸漬されており、
蒸発器３０の下方の入口３２から液冷媒が供給され、供
試管３１に加熱されて蒸発した冷媒蒸気は蒸発器３０の
上方の出口３３から排出されて凝縮器２０の冷媒蒸気入
口２４に供給される。供試管３１内には、入口３４から
冷水が供給され、出口３５から冷却後の冷水が排出され
る。

【００３０】このように構成された試験装置はシェルア
ンドチューブ型の凝縮器２０と蒸発器３０とを配管で接
続した構造を有し、蒸発器３０にて発生した冷媒蒸気は
蒸発器上部の配管の入口２４を通って凝縮器２０に入
り、凝縮器２０内の伝熱管２１に冷却水を通水すること
により、伝熱管２１の表面上にて冷媒蒸気が凝縮し、凝
縮した冷媒は凝縮器の下部の配管を通って蒸発器に戻
る。

【００３１】試験方法は、蒸発器３０に設置した供試管
３１に一定流量の冷水を流し、冷水入口温度が一定の条
件になるように調節する、一方、蒸発圧力は、試験条件
になるよう、凝縮器内の伝熱管に流す冷却水流量を調節
する。冷水流量・出入口温度、蒸発圧力が所定の条件で
安定状態になった後、測定を行った。

【００３２】図５は実施例１〜５（１−１〜５）と従来
例としてローフィンチューブ２６山の冷却水流速に対す
る管端平滑部内面基準の総括伝熱係数を比較したもので
ある。

【００３３】また、図６乃至図１２は、開口部幅Ｗ、凹
部角度θ、凹部ピッチＰ１、空洞ピッチＰ２、リード角
α、リブ高さｈ、リブピッチＰ３に対する管端部平滑部
内面基準の総括伝熱係数を示すものである。各データを
下記表２乃至表１０に示す。これらの表２乃至表１０に
おいて、試験Ｎｏ．１−１〜１−３４は本発明の全ての
請求項に規定した条件を満足するものであり、試験Ｎ
ｏ．２−１〜２−１７は本発明のいずれかの請求項にて
規定した条件を満足しないものである。例えば、試験Ｎ
ｏ．２−１〜２−３はＷが外れ、試験Ｎｏ．２−４、２
−５はθが外れ、試験Ｎｏ．２−６〜２−８はＰ１が外
れ、試験Ｎｏ．２−９〜２−１１はＰ２が外れるもので
ある。また、試験Ｎｏ．２−１２、２−１３はαが外
れ、試験Ｎｏ．２−１４、２−１５はｈが外れ、試験Ｎ
ｏ．２−１６、２−１７はＰ３が外れるものである。

【００３４】これらの図及び表に示すように、試験Ｎ
ｏ．１−１〜１−３４は、試験Ｎｏ．２−１〜２−１７
に比して高い総括伝熱係数を示す。

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】

【表４】

【００３８】

【表５】

【００３９】

【表６】

【００４０】

【表７】

【００４１】

【表８】

【００４２】

【表９】

【００４３】

【表１０】

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る沸騰
伝熱管によれば、密度が小さい冷媒を使用した場合で
も、沸騰伝熱を効率良く促進し、優れた伝熱性能を有す
る沸騰型伝熱管を得ることができる。従って、本発明
は、熱交換機の性能向上、小型化及び軽量化、使用部材
及び冷媒充填量の低減、並びに冷凍機等の効率の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る沸騰型伝熱管を示す斜視
図である。

【図２】同じくその管軸を通る断面の断面図である。

【図３】同じくその管軸に直交する方向の断面図（図１
のＡ−Ａ線断面）である。

【図４】実施例の試験装置を示す図である。

【図５】管内水流速と総括伝熱係数との関係を示すグラ
フ図である。

【図６】開口部幅Ｗと総括伝熱係数との関係を示すグラ
フ図である。

【図７】凹部側面がなす角度θと総括伝熱係数との関係
を示すグラフ図である。

【図８】凹部ピッチＰ１と総括伝熱係数との関係を示す
グラフ図である。

【図９】空洞部ピッチＰ２と総括伝熱係数との関係を示
すグラフ図である。

【図１０】リブのリード角αと総括伝熱係数との関係を
示すグラフ図である。

【図１１】リブ高さｈと総括伝熱係数との関係を示すグ
ラフ図である。

【図１２】リブピッチＰ３と総括伝熱係数との関係を示
すグラフ図である。

【符号の説明】

１：管本体 ２：フィン ３：空洞部 ４：凸部 ５：凹部 ６：開口部 ７：リブ ２０：凝縮器 ３０：蒸発器

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 伝熱管本体と、この管本体の外面に管円
   周方向に延びるように又は管軸方向に傾斜する方向に延
   びるように管軸方向に所定ピッチで形成されたフィン
   と、このフィンがその長手方向に断続的に押圧されて形
   成された凹部及び凸部とを有することを特徴とする沸騰
   型伝熱管。
2. 【請求項２】 前記フィンの間の空洞部の上端の開口部
   は、前記凹部にて相互に接近するように張り出している
   ことを特徴とする請求項１に記載の沸騰型伝熱管。
3. 【請求項３】 前記フィンの間の空洞部の上端の開口部
   は、前記凸部にて相互に接近するように張り出している
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の沸騰型伝熱
   管。
4. 【請求項４】 管軸直交断面において、前記凸部は台形
   状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１
   項に記載の沸騰型伝熱管。
5. 【請求項５】 管軸を通る断面において、前記凸部間の
   開口部の幅（Ｗ）は０．１３ｍｍ＜Ｗ≦０．４０ｍｍ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
   記載の沸騰型伝熱管。
6. 【請求項６】 管軸直交断面において、凹部の対向する
   両側面がなす角度（θ）は、５５°以下であることを特
   徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の沸騰型
   伝熱管。
7. 【請求項７】 管軸直交断面において、管円周方向の凹
   凸ピッチ（Ｐ１）は０．２８ｍｍ≦Ｐ１≦０．５５ｍｍ
   であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項
   に記載の沸騰型伝熱管。
8. 【請求項８】 管軸を通る断面において、前記空洞部の
   ピッチ（Ｐ２）は０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦０．９０ｍｍで
   あることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に
   記載の沸騰型伝熱管。
9. 【請求項９】 前記管本体の内面に螺旋状に設けられた
   リブを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれ
   か１項に記載の沸騰型伝熱管。
10. 【請求項１０】 前記リブは、その管軸に対するリード
    角（α）が４１°≦α≦５０°、リブ高さ（ｈ）が０．
    ２２ｍｍ≦ｈ≦０．４５ｍｍ、管軸方向ピッチ（Ｐ３）
    が２．６ｍｍ≦Ｐ３≦６．５ｍｍであることを特徴とす
    る請求項１乃至９のいずれか１項に記載の沸騰型伝熱
    管。