JPH1163878A - 内面溝付伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換性能を高めつつ圧力損失を抑えること
ができる内面溝付伝熱管を提供する。 【解決手段】 金属管の内周面に、この内周面の周方向
に連続してジグザグに屈折して延びるフィン２が形成さ
れ、これらフィン２の屈折部２Ａのうち少なくとも一部
では、フィンの高さＨ１が、屈折部２Ａを除く部分のフ
ィンの高さＨ２の３０〜９０％にされている。

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ジグザグ状に形成し
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
のあることが判明している。そこで、本発明者らは、伝
熱管の製造に電縫加工法を適用することにより、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】しかしながら、この種のジクザグ状のフィ
ンを形成した場合、各フィンの屈折部の谷側において、
金属管内を流れる流体が進行を妨害されてフィン頂部を
越える際に流体抵抗を生じるため、圧力損失が大きいと
いう問題があった。圧力損失の増大を緩和するため、ジ
グザグ状フィンの各屈折部に切れ目を形成し、これら切
れ目を通して流体を流すことも試みられたが、圧力損失
は幾分か減少するものの、熱交換効率が顕著に低下し、
ジグザグ状フィン本来の高い熱交換効率を得ることがで
きない問題を生じる。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、熱交換性能を高めつつ、圧力損失を抑えることがで
きる内面溝付伝熱管を提供することを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る内面溝付伝熱管は、金属管の内周面
に、この内周面の周方向に連続してジグザグに屈折して
延びるフィンが形成され、これらフィンの屈折部のうち
少なくとも一部では、前記内周面からの前記フィンの高
さが、前記屈折部を除く部分の前記フィンの高さの３０
〜９０％にされていることを特徴とする。

【０００９】

【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，銅合金，アルミニウ
ム，アルミニウム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同士の間は一定幅
の溝部４とされている。

【００１０】図２は金属管の管軸に垂直な断面図であ
り、この図２に示すように、内面溝付伝熱管１の内周面
には、管軸方向へ延びかつ内方へ突出した一本の溶接線
６が全長に亘って形成され、この溶接線６の両側にはそ
れぞれ一定幅の溝無し部分８が平行に形成されて、フィ
ン２がここで分断されている。これら溝無し部分８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望ましいもの
である。溶接線６は、伝熱管１に拡管プラグを通しての
拡管加工を阻害しないように、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。

【００１１】この実施形態の内面溝付伝熱管１の内周面
は、図１に示すように、その周方向略９０゜毎に４つの
帯状をなす略等幅の領域Ｒ１〜Ｒ４に区分され、いずれ
か１つの領域（この場合Ｒ１）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。

【００１２】なお、図１に示したフィン２では、同じ領
域内でフィン２が互いに平行になっているが、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
異ならせてもよいし、角度αとβが異なっていてもよ
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。

【００１３】この実施形態の主たる特徴は、各領域Ｒ１
〜Ｒ４間の境界線上に位置するフィン屈折部２Ａおよび
フィン端部２Ｂ、すなわち図１および図２に示す領域Ｅ
１〜Ｅ５において、金属管内周面からのフィン２の高さ
が、フィン屈折部２Ａおよびフィン端部２Ｂを除く部分
のフィン高さよりも小さくされていることにある。

【００１４】図３は、フィン屈折部２Ａを管軸方向から
見た断面図である。このフィン屈折部２Ａにおいて、フ
ィン２の高さは、フィン屈折部２Ａの両端縁から中心線
に向けて漸次減少し、各領域Ｒ１〜Ｒ４間の境界線と交
差する位置でフィン高さが最小にされている。各領域Ｅ
１〜Ｅ５におけるフィン高さの最小値Ｈ１は、屈折部２
Ａおよびフィン端部２Ｂを除く部分におけるフィン高さ
Ｈ２の３０〜９０％にされており、特に５０〜７０％で
あることがさらに好ましい。最小値Ｈ１がフィン高さＨ
２の３０％より小さいと、熱交換効率の減少が顕著とな
り、９０％より大きいと圧力損失を十分に低減しにくく
なる。フィン端部２Ｂにおいても同様である。

【００１５】各領域Ｅ２〜Ｅ４の幅Ｅは、管内周の１０
〜５０％であることが好ましい。％１０未満であると十
分に圧力損失を低下させることが難しく、５０％より大
きいと熱交換効率を低減させるためである。また、領域
Ｅ１およびＥ５の周方向の幅は、領域Ｅ２〜Ｅ４の周方
向の幅Ｅの１／２以下でよい。

【００１６】なお、この実施形態では、フィン２の領域
Ｅ１〜Ｅ５においてフィン高さが相対的に小さくされて
いるが、フィン高さを局部的に低くするのは、フィン端
部２Ｂを除くフィン屈折部２Ａのみ、すなわち領域Ｅ２
〜Ｅ４のみであってもよい。この実施形態では、溝無し
部分８の存在によってフィン端部２Ｂ同士が連結されて
おらず、フィン端部２Ｂの圧力損失に与える影響は比較
的小さいからである。

【００１７】フィン高さを局部的に低くする理由は、フ
ィン２の屈折部２Ａを谷側から乗り越える流体の流れを
容易化するためであるから、図１中上方から下方へ流体
が流れる場合にはＥ１，Ｅ３およびＥ５のみ（Ｅ３のみ
でもよい）に形成し、図２中下方から上方へ流体が流れ
る場合にはＥ２およびＥ４のみに形成されていてもよ
い。また、各領域Ｅ１〜Ｅ５にある全てのフィン屈折部
を低くする代わりに、例えば、管軸方向に沿って１つお
きのフィン屈折部のみを低くしてもよい。

【００１８】この実施形態では、領域Ｅ１〜Ｅ５におけ
る金属管の肉厚は、これらの部分を除く部分に対応した
箇所での金属管の肉厚と等しくされている。これによ
り、領域Ｅ１〜Ｅ５における金属管壁の剛性が他の部分
における金属管壁の剛性と同一であるから、拡管が均一
に行える利点を有する。ただし本発明はこの構成には限
定されず、図４に示すように、領域Ｅ１〜Ｅ５における
金属管の肉厚を、これらの部分を除く部分に対応した箇
所での金属管の肉厚より大きくしてもよい。この場合に
は、フィン２の頂点位置を、伝熱管１の外周面と平行な
円筒面に揃えやすいため、フィン２に対する拡管プラグ
の当たり具合が均一になる利点を有する。

【００１９】フィン２の管軸に対する傾斜角度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。

【００２０】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２および図３
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。

【００２１】フィン２の管軸方向ピッチ（図１中Ｐ）お
よび高さＨ２は、本発明では限定されないが、一般的な
内面溝付伝熱管の場合、フィン２のピッチＰが好ましく
は０．１〜０．６ｍｍ、さらに好ましくは０．３〜０．
４５ｍｍとされる。また、フィン高さＨ２は、好ましく
は０．１０〜０．５０ｍｍ、さらに好ましくは０．１５
〜０．３０ｍｍとされる。

【００２２】上記のように従来よりもピッチが狭く、背
の高いフィン形状を採用した場合には、フィン２による
乱流発生効果が良好であり、内面溝付伝熱管１の熱交換
効率が向上できることが本発明者らの実験から明らかに
なっている。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
こともできる。その一方、背の高いフィン形状を採った
場合には、フィン屈折部における圧力損失が大きいか
ら、本発明の効果が顕著となる。

【００２３】フィン２の両側面のなす角度（頂角）は本
発明では限定されないが、好ましくは１０〜３０゜であ
り、さらに好ましくは１５〜２５゜とされる。このよう
にフィン２の頂角が小さい場合には、フィン２の側面が
管内周面から垂直に近い角度で起立するため、フィン２
により流体の流れを撹乱して乱流を引き起こす効果が増
す。それにも拘わらず、フィン高さの低い領域Ｅ１〜Ｅ
５を形成したことにより、圧力損失の増大を防ぐことが
可能である。また、このようにフィン２の頂角が小さい
場合には、凝縮管として使用した際に個々のフィン２の
先端部が露出する傾向が高く、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。

【００２４】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、アルミニウム合金を始めとする各種金属も使用可能
である。さらに、前記実施形態では、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
管の両端を閉じ、ヒートパイプとして使用することも有
効である。

【００２５】上記構成からなる内面溝付伝熱管１によれ
ば、内周面の周方向に連続してジグザグに屈折して延び
るフィン２が形成され、そのフィン屈折部２Ａでは、内
周面からのフィンの高さＨ１が、屈折部２Ａを除く部分
のフィン高さＨ２の３０〜９０％にされているから、伝
熱管１内を流れる流体がフィン屈折部２Ａに集中して流
れ込んだ際にも、流体はフィン屈折部２Ａを乗り越える
ことができ、フィン屈折部２Ａで高い流体抵抗を発生す
ることがない。しかも、フィン屈折部に切り込みを形成
する構成などに比べて、フィン屈折部２Ａを流体が乗り
越えて流れることにより効果的な流体の撹拌が行われる
ので、ジグザグ形状のフィン本来の高い熱交換効率を損
なうことが少ない。よって、熱交換効率を高めつつ圧力
損失を低減するという、従来は両立し難かった効果をバ
ランスよく奏することが可能である。

【００２６】なお、前記内面溝付伝熱管１を製造するに
は、例えば、図５に示すような溝加工装置を使用して金
属条材の片面にフィン２、溝部４、および溝無し部分８
を転造した後、この金属条材を周知の電縫加工装置によ
り管状に丸め、突き合わせた両側縁を溶接すればよい。
この溶接により伝熱管１の内面に溶接線６が形成され
る。

【００２７】図５の溝加工装置は、軸部２０に一対のフ
ランジ２２を介して各２個の溝付ロール２４Ａ，２４Ｂ
を固定した溝形成ロールと、この溝形成ロールと対向し
て配置され、軸部３０に一対のフランジ３２を介して固
定された溝無しロール３４とを具備し、溝付ロール２４
Ａ，２４Ｂおよび溝無しロール３４の間に金属条材を通
すことにより、フィン２を形成する。

【００２８】溝付ロール２４Ａ，２４Ｂの外周面には、
フィン２を転造するためのフィン形成溝２６が平行かつ
螺旋状に形成され、これらフィン形成溝２６は、各溝付
ロール２４Ａ，２４Ｂの境界面を境として面対称になる
ように位置決めされている。また、溝付ロール２４Ａ，
２４Ｂの両端部２８は、両端に向かうにつれわずかに外
径が小さくなるように面取りされ、これにより、図４に
示すような断面形状を有する領域Ｅ１〜Ｅ５が形成され
るようになっている。なお、図３に示すような断面形状
を得るには、面取部２８を形成する代わりに、溝付ロー
ル２４Ａ，２４Ｂの両端部においてフィン形成溝２６の
深さを小さくすればよい。

【００２９】また、他の製造方法としては、図６に示す
ように、溝付ロール２４Ａ，２４Ｂに面取部２８を形成
する代わりに、溝無しロール３４の外周面に浅い断面Ｖ
字状等の凹部３６を全周に亘って形成し、これら凹部３
６によって溝付ロール２４Ａ，２４Ｂの境界部における
圧下率を低減して、フィン２の高さを減少させてもよ
い。この場合にも図４に示すような断面形状が得られ
る。

【００３０】さらに、他の製造方法としては、領域Ｅ１
〜Ｅ５と対応する箇所において予め全長に亘って薄肉化
された金属条材を使用し、面取部２８を有しない溝付ロ
ール２４Ａ，２４Ｂ、および凹部３６を有しない溝無し
ロール３４により転造を行い、薄肉部での圧下率のみを
抑制して、領域Ｅ１〜Ｅ５におけるフィン２の高さを小
さくしてもよい。

【００３１】なお、前記実施形態では、内面溝付伝熱管
１の内面を周方向に４つの領域Ｒ１〜Ｒ４に分けてフィ
ン屈折数を４としていたが、周方向に２つまたは６つの
領域に分けてフィン屈折数を２または６としてもよく、
これらの場合にも第１実施形態と同様の効果が得られ
る。また、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（屈折数８とする）こ
とも可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る内面
溝付伝熱管によれば、内周面の周方向に連続してジグザ
グに屈折して延びるフィンが形成され、そのフィン屈折
部の少なくとも一部では、内周面からのフィンの高さ
が、フィン屈折部以外の部分におけるフィン高さの３０
〜９０％にされているから、伝熱管内を流れる流体がフ
ィン屈折部の谷側に集中して流れ込んだ際にも、流体
は、低いフィン屈折部を容易に乗り越えて流れ、フィン
屈折部で高い流体抵抗を発生することがない。しかも、
フィン屈折部に切り込みを形成する構成などに比べて、
フィン屈折部を流体が乗り越えて流れることにより効果
的な流体の撹拌が行われるので、ジグザグ形状のフィン
本来の高い熱交換効率を損なうことが少ない。よって、
熱交換効率を高めつつ圧力損失を低減するという、従来
は両立し難かった効果をバランスよく奏することが可能
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一実施形態を
示す内面を一部展開した平面図である。

【図２】 同実施形態の断面図である。

【図３】 同実施形態のフィン屈折部を示す断面拡大図
である。

【図４】 同実施形態の変形例のフィン屈折部を示す断
面拡大図である。

【図５】 図４の実施形態を製造するための転造装置の
要部を示す正面図である。

【図６】 図４の実施形態を製造するための転造装置の
要部を示す正面図である。

【符号の説明】

１ 内面溝付伝熱管 ２ フィン ２Ａ フィン屈折部 ２Ｂ フィン端部 ４ 溝部 ６ 溶接線 ８ 溝無し部分 Ｒ１〜Ｒ４ 区切られた領域 Ｅ１〜Ｅ５ フィン高さが小さくされた領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲すくも▼田 俊▲緑▼ 福島県会津若松市扇町128の７ 三菱伸銅 株式会社若松製作所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属管の内周面に、この内周面の周方向
   に連続してジグザグに屈折して延びるフィンが形成さ
   れ、これらフィンの屈折部のうち少なくとも一部では、
   前記内周面からの前記フィンの高さが、前記屈折部を除
   く部分の前記フィンの高さの３０〜９０％にされている
   ことを特徴とする内面溝付伝熱管。
2. 【請求項２】 前記フィン屈折部に対応する箇所におけ
   る金属管の肉厚は、前記フィン屈折部を除く部分に対応
   した箇所での金属管の肉厚と等しい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】 前記フィン屈折部に対応する箇所におけ
   る金属管の肉厚は、前記フィン屈折部を除く部分に対応
   した箇所での金属管の肉厚よりも大きいことを特徴とす
   る請求項１記載の内面溝付伝熱管。
4. 【請求項４】 前記フィンの屈折数は、金属管の周方向
   に２，４，６のいずれかであ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。