JPS6049837B2 - 凝縮器用伝熱管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば冷却に使用された後の気化状態にある
フロンガスを液化凝縮せしめて再使用するために用いら
れるシェルアンドチューブ式凝縮器などに使用される伝
熱管の改良に関するものである。

このような伝熱管としては、従来から第１図に示すよう
な管１の表面に、らせん状のフィン２を転進により形成
したいわゆるローフィンチューブが使用されている。

このような伝熱管に、凝縮液化した被膜が付着する様子
を第２図に示す。

このような形状にフィン２が形成されていると、表面張
力て凝縮した液４は第２図中Ａ部に吸引される形となり
、Ａ部における液膜厚が厚くなる一方、他の部分ではそ
れだけ被膜が薄くなる。伝熱抵抗は、当然液膜が薄いほ
ど良好となるので、液膜厚さ薄い部分が大きくなれば、
それだけ凝縮伝熱性能は向上する。発明者らは、このよ
うに液４が部分的に吸引されることにより、液４自らが
被膜の薄いことを形成する作用効果は、流体力学にいう
水力半径と密接な関係があるものと着眼し、種々な検討
を行なつた。ここに、水力半径とは、流体力学における
概念であつて、水力半径ｒｈ■（断面積ｗ）／（濡れ縁
長さｍ）なる関係を指称する。

かくして種々な実験の結果発明者らは、断面積ｗと濡れ
縁長さｍが上記伝熱効率と密接な関係を有していること
を見出した。

すなわち、いまかりに第８図に示すようなフィ・ン２を
形成した管１があると仮定し、フィン２間に液４が凝縮
するものと考える。

フィン２の間隔１２が十分狭ければ、液４は表面張力に
基づき図のような毛細管現象によりこの隙間を上昇し、
適当なところで釣り合つて止まる。この液４の止まつフ
たところは、丁度、表面張力と液の重力とが釣り合つた
ところであることはいうまでもない。しかして、この場
合の表面張力は、液４の濡れ縁長さすなわち図ては（２
１、＋１０）で決まるものであり、液の重力は上記濡れ
縁長さにより囲まれる空間部分の断面積すなわち（１１
×１２）で決まる。こうしてみると、断面積ｗと濡れ縁
長さｍの比である前記水力半径Ｒｈが液４の凝縮挙動な
らびに、それによる伝熱効率の改善になんらかの指標を
与えるものであることが理解できるよう。発明者らは、
ここに着目し、多くの実験の結果水力半径の変化と熱伝
達率の変化との間にある一定の密接な関連があることを
見出した。上記第８図の例示においては、フィン２間を
狭くしフィン間に液４が充満した場合を例に上げて説明
したが、伝熱管としては液がこのようにフィン間に充満
してしまつては、伝熱効率が著しく悪くなる。

一方、フィン間が広ければ濡れ縁長さが小さくなり、表
面張力により液を吸引せしめる効果がすくなくなつて、
やはり伝熱効率を悪くする。発明者らは、上記のような
知見に立つて種々なる実験を繰り返し、理論解析をおこ
なつた。

その結果、熱伝達率のすぐれた範囲は、従来の転造によ
るフィン成形法で製造されていたフィンの構成範囲には
なく、もつと別なところにあることが判明した。すなわ
ち、従来から使用されている第１図に示すような伝熱管
は、もつぱら転造法により製造されているが、転造法は
周知の通り素管の外周面をノロールにより塑性変形せし
めフィンを形成せしめるものであるから、成形上に大き
な制約があり、管長さ１インチ当り成形されるフィン山
の数は１６〜１頒爪フィンの高さは１．０〜１．２ｍ！
ｎ１フィンの間隔は０．８〜１．『が殆どであつてた。

そして、この５場合の水力半径を計算すると、ほぼ０．
３〜０．３５程度であつた。管長さ１インチ当りのフィ
ン山数が２８個のものも提案されているが、その場合で
も水力半径は０．２？度てあつた。発明者らは、前記の
通り水力半径が伝熱効率に３密接に関係していると着眼
し、それについての理論解析から、転造のように成形上
制約を受けないで必要な水力半径を有する管を容易に製
造する方法について検討した。

その結果、管の表面にバイトを用いてフィンを４切り起
し、丁度雅を用いて畑に畝を立てるようあ加工をするこ
とて、所望の水力半径を有する伝熱管を入手することに
成功した。

すなわち、本発明は、かかる理論と数々の実験の結果到
達されたものであつて、その要旨とするところは、管の
表面に多数のフィンを形成せしめてなる凝縮器に用いら
れる伝熱管において、フィンならびに管外表面の凝縮液
体の付着する濡れ縁−長さをｍ、この濡れ縁長さにより
囲まれる空間部分の断面積をｗとしたときにとなるよう
に構成してなる凝縮器用伝熱管にある。

以下に図面を用い具体的に説明する。

第３図は種々な水力半径を有する伝熱管を用い熱伝達率
を求めてプロットした線図である。

水力半径０．１８ｆｊ′近を最大点として、それより小
さくとも大きくとも熱伝達率が小さくなつていることが
門わかる。水力半径が０．１８Ｊ）．下の値で凝縮熱伝
達率が低い値を示すのは、前記したように、フィン間隔
が小さく、したがつて凝縮液が表面張力による毛細管現
象でフィン間の溝を満たすと同時に、伝熱管から離脱し
にくくなり、フィンが伝熱面として有効に働かなくなる
ためである。

一方、０．比以上の場合には伝熱面積当りの凝縮力（第
２図Ａ部）の効果が低下するためてある。以上の通りの
結果であるが、然らば、水力半径で示される最適範囲を
どこに求めるかということがつぎの解決すべき課題とな
る。

そして、この場合に着目すべきことは、 （イ） 従来の転造法による場合より熱伝達率がすぐれ
ていること。

（ロ）管自体を小型軽量に維持てきること。

（ハ）毛細管現象により液で埋まつたフィン面積をでき
るだけ少なくできるような構成とすること。などがそれ
である。

第４および５図は、小型軽量化という観点から水力半径
との関係をみたものてあつて、第４図はそれぞれ長さ当
りの熱交換量（Ｋｃａｌ／ｍ−Ｈｒ・℃）および重量当
りの熱交換量（ＫＣａｌ／Ｋ９・Ｈｒ・゜Ｃ）と水力半
径の関係をみたものてあり、第５図は、第４図の長さ当
りの数値と重量当りの数？とを乗じ合い両者の相乗効果
（デイメンシヨンなし）と水力半径の関係をみたものて
ある。

第５図において、水平方向の破線は、従来技術Ｃある転
造により製造を行なつた伝熱管の最良値を示すもの（フ
ィン山数：２戊フィン高さ：１．５１？、フィン間隙：
０．６ｇＴＷＬ１水力半径：０．２８）の１割増の目標
値を示しており、水平半径が０．０３〜０．２３の範囲
であれば、高い伝熱特性が得られることがわかる。しか
して、以上は単管についてみたものであるが、伝熱管を
使用する場合の態様は単独で使用されることはなく、管
群として使用されるものである。

従つて上段の管から流下した凝縮液が下方の管のフィン
間に容易に捕獲され、これが第８図のようにフィン間に
充満したのでは、急速に伝熱性能が低下し好ましくない
。このような毛細管現象によるフィン間への液の充満は
、フィン間が狭くなるほど（このことは、水力半径が小
さくなることと大体同じと考えてよい）起りやすい。

いま、毛細管減少により液が埋まつていない残存伝熱面
積を有効伝熱面割合Ｓｆとすると、であられされる。

第６図は、この有効伝熱面割合Ｓｆと水力半径の関係を
示した線図てあり、水力半径が０．１２より小さくなる
と、急速にフィン間に液を捕獲しやすくなることがわか
る。

従つて凝縮器のように伝熱管を管群として使用する構成
にあつては、水力半径が０．１２より小さいものは除外
されることとなる。こうしてみると、前記（イ）〜（ハ
）の三つの問題点を解決し、従来例の転造フィンの場合
と比較して格段と伝熱較率の良好な範囲は０．１２〈Ｒ
ｈ＜０．２３ となることがわかる。

なお、本発明に係る伝熱管は、切り起し加工によりフィ
ンをつくることを前提として説明してきたが、もしも将
来において転造技術が大幅に改善され細かい間隔のフィ
ンが転造によつても製造可能になれば、かかる方法で製
造した伝熱管であつても前記凸値の範囲を満足するもの
である限り、本発明の技術的範囲の中に入るものてある
ことはいうまでもない。

また、凝縮効率をよくする目的で、第７図のようにフィ
ン２の先端部に切り込み５を入れる場合があるが、この
場合、上記Ｒｈの範囲内にあつて、かかる切り込みのな
いものよソー層熱伝達効率が向上するものである。

以上の説明から明らかなように、本発明は管の表面に設
けられるフィン間の溝の寸法を特定な関・係においてあ
る値におさえることによつて伝熱管の凝縮伝熱性能を向
上させたもので、横型のシェルアンドチューブ式凝縮器
等で管の凝縮熱伝達率を飛躍的に向上させ、凝縮器の性
能向上、小形化に対して大きな効果をもたらすのであつ
て、その工業的価値は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の転造加工による凝縮伝熱管の例を示す説
明図、第２図はその局部断面図、第３図は水力半径と熱
伝達率の関係を示す線図、第４図５は伝熱管の長さ当り
および重量当りの熱交換量と水力半径の関係を示す線図
、第５図は第４図の長さ当りおよび重量当りの数値を乗
じ合つた値と水力半径との関係を示す線図、第６図は有
効伝熱面積割合と水力半径の関係を示す線図、第７図は
本Ｏ発明に係るフィンの先端形状の他の実施例を示す説
明図、第８図は表面張力によりフィン間に液が吸引され
ている様子を示す説明図である。 １・・・管、２・・・フィン、４・・・凝縮液。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管の表面に多数のフィンを形成しめてなる凝縮器に
   用いられる伝熱管において、フィンならびに管外表面の
   凝縮液体の付着する濡れ縁長さをｍ、この濡れ縁長さに
   より囲まれる空間部分の断面積をｗとしたときに０．１
   ２≦ｗ／ｍ（＝ｒｈ）≦０．２３ となるように構成してなる凝縮器用伝熱管。