JPS61291895A - 沸騰伝熱管およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、沸騰伝熱管およびその製造方法に係り、特に
沸騰熱伝達特性の良好な沸騰伝熱促進管と、それを経済
的に有利に製造する方法に関するものである。

（背景技術） 一般に、伝熱管は、管内に流通せしめられる伝熱流体と
管外面に接触させられる伝熱流体との間で熱のやり取り
が行なわれるものであるが、従来から、そのような伝熱
管の一つとして、管外周面に螺旋状のフィンを形成せし
めたローフイン管や、かかるローフイン管の熱伝達を促
進するために、該ローフイン管の内周面に螺旋状のリブ
を設けた内面リブ付きローフイン管などが明らかにされ
ている。

ところで、管内が平滑なローフイン管においては、管内
周面に伝熱効率の悪い伝熱流体境膜が生じ易いが、内面
リブ付きのローフイン管では、その内面リブにより流体
の流れが旋回せしめられることによって形成される旋回
流により比較的境膜が形成されに＜＜、管内面の熱伝達
率を向上させる上で有効とされている。しかしながら、
そのような旋回流によっても層流に近似した液体の流れ
が依然として残り、それ故境膜の問題が解消され得た訳
ではなく、内面の熱伝達を促進する上にも限界があった
のである。

このため、本発明者らは、先に特願昭５８−１３７２９
２号として、管外周面に管材料からなる螺旋状の外面フ
ィンが一体的に形成されてなる凝縮器用伝熱促進管にお
いて、かかる外面フィンがその長さ方向に所定の間隔を
隔てた切込みによって分断せしめられている一方、管内
周面に複数の内面突起が形成され、且つかかる内面突起
が、スパイラル状に配列せしめられている構造の凝縮伝
熱管を提案した。そして、このような構造によって、管
内を流通せしめられる伝熱流体が複数の内面突起を乗り
越え、或いはかかる内面突起によって流れの方向が変え
られる際に、微妙な乱流が生じ、そして・この管内面に
近接した流れの変化によって、管内周面付近に生じ易い
境膜が効果的に破壊されて内面熱伝達率が有効に高めら
れ、また、管外周面に接触せしめられる伝熱流体が、上
記切込みを通じて隣合う外面フィンを横切って流通する
ことができるため、外面フィンに対してかかる流体が効
果的に接触せしめられ、そして接触面積も増大するとこ
ろから、外面熱伝達率をも、従来に比べてより一層高め
得たのである。

一方、管内を流通せしめられる伝熱流体との間の熱交換
作用によって、管外周面に接触せしめられた伝熱流体（
液体）を沸騰せしめて、それを蒸発させる沸騰伝熱管に
は、上記の如き凝縮伝熱管の構造をそのまま適用するこ
とができず、その伝熱効率を高めるためには、特に低温
度差における沸騰伝熱特性を向上させる必要がある。

このため、特開昭５９−１７６５９３号公報や、特開昭
５９−１９９１３７号公報等には、管外表面に一体的に
形成した外面フィンを倒して、表面部分に周方向の空洞
乃至はトンネルを形成せしめるとともに、かかる空洞乃
至はトンネルを、多数の微細な開口あるいは間隙を介し
て外部に連通せしめるようにした構造の沸騰伝熱管が明
らかにされているが、それとても伝熱効率が今一つ充分
でなく、またそのような空洞乃至はトンネルを形成する
ために、複雑な加工工程や複雑な加工工具を用いる必要
がある等の問題があった。

（発明の構成） ここにおいて、本発明者らは、先に出願した、管内周面
に複数の内面突起をスパイラル状に設けてなる外面フィ
ン付き凝縮伝熱管について種々検討を重ねて行くうちに
、その外面フィンを倒して隣ｉする外面フィンとの間に
空洞（キャビティ）？形成せしめるようにすることによ
って、それが優れた沸騰伝熱特性を有する沸騰伝熱促進
管となり得ることを見い出し、本発明を完成するに至っ
たのである。

すなわち、本発明は、管外周面に管材料からなる螺旋状
の外面フィンが一体的に形成されてなり、且つ該外面フ
ィンがその長さ方向に所定の間隔を隔てた切込みによっ
て分断せしめられると共に、管軸の一方向にその中間部
から湾曲乃至は屈曲させられて、隣接する外面フィンと
の間の溝部の上部が閉塞せしめられることにより、前記
切込みを通じて外部に連通ずる螺旋状のキャビティが形
成されている一方、管内周面に複数の内面突起が形成さ
れ、且つかかる内面突起がスパイラル状に配列せしめら
れていることを特徴とする沸騰伝熱管を提供することに
ある。

また、このような沸騰伝熱管を製造するに際しては、次
のような手法が好適に採用され、これによって複雑な加
工工具や複雑な工程を経ることなく、内面、外面が共に
伝熱促進せ′しめられた沸騰伝熱促進管が、−挙に、工
業的に有利に製造され得ることとなったのである。

そのような製造工程においては、まず、目的とする沸騰
伝熱管を与える素管の周りの複数位置にそれぞれ配置し
た、所定の回転駆動軸にて回転駆動させられる複数のフ
ィン形成ディスクを、該素管の外周面に対してそれぞれ
押圧せしめることにより、かかる素管の外周面に所定高
さの外面フィンが順次管軸方向に転造形成せしめられる
こととなる。

次いで、前記複数のフィン形成ディスクを回転駆動させ
る回転駆動軸の一つに、該フィン形成ディスクの外面フ
ィン形成方向における下流側に位置するように取り付け
られて、同時に回転駆動せしめられる鋸歯状の内面突起
加工用ディスクと、外周部に複数の切刃部が設けられた
ローレフト加工用ディスクと、上流側に湾曲した外周面
を以て漸次拡がるフィン倒し用ロールとを用い、まず、
前記内面突起加工用ディスクにてその鋸歯を前記形成さ
れた外面フィン間の溝部の底部に押圧せしめることによ
り、該鋸歯による押圧部分を管内面に突出させ、ついで
前記ローレット加工用ディスクにて切刃部を前記外面フ
ィンの頂部に押圧せしめることにより、該外面フィンの
長さ方向に所定の間隔を隔てて切込みを加え、更にその
後、前記フィン倒し用ロールにて前記外面フィンを押圧
せしめることにより、該フィン倒しロールの前記湾曲し
た外周面にて該外面フィンの頂部部分を案内させつつ、
該外面フィンをその中間部から隣接する外面フィン側に
湾曲乃至は屈曲せしめて、該隣接する外面フィンとの間
の溝部の上部を閉塞せしめるようにするのである。

そして、このようなフィン倒し用ロールの使用によって
、外面フィンは、管軸の一方向に、漸次効果的に湾曲乃
至は屈曲せしめられて、その頂部が隣接する外面フィン
に接触乃至は接続されるようになるのであり、これによ
って表面下にキャビティ　（またはトンネル）が形成さ
れると共に、かかるキャビティが外面フィンに設けられ
た切込み部分において外部と連通せしめられるようにな
るのである。

（構成の具体的な説明） 以下、図面に示す本発明の実施例に基づいて、本発明の
構成を詳細に説明することとする。

まず、第１図及び第２図は本発明に従う沸騰伝熱管の一
例を示す一部切欠図及びその拡大説明図であり、そこに
おいて、２は、銅などの熱伝達率の良い金属からなる伝
熱管である。そして、かかる伝熱管２の管外周面には、
管壁から移動した管材料からなる螺旋状の外面フィン４
が所定ピッチで一体的に設けられていると共に、そのよ
うな外面フィン４が管軸の一方向にその中間部から湾曲
乃至は屈曲せしめられて、隣接する外面フィン４との間
の溝部６の上部が閉塞せしめられることにより、螺旋状
のキャビティ８が表面下に形成されているのである。ま
た、かかるキャビティ８は、外面フィン４の長さ方向に
所定間隔で設けられた切込み１０によって外部に連通せ
しめられている。

一方、かかる伝熱管２の管内周面には、複数の内面突起
１２が形成されているのである。それら内面突起１２は
、外面フィン４の間の溝部６に対応する管内周面に形成
され、且つかかる内面突起１２の位置する溝部６の底部
部分が凹所（ディンプル）１４とされている。すなわち
、この場合には溝部６の底部部分に矩形状の凹所１４が
形成されることにより、そこに対応する管内面が楕円丘
状に突出せしめられて、内面突起１２が形成されている
のである。このように、螺旋状の溝部６に沿って内面突
起１２が形成される結果、それら内面突起１２は管内周
面にスパイラル状に配列せしめられることとなり、また
凹所１４のピッチによって、互いに隣接する内面突起１
２同士が明瞭なスパイラル模様を呈する場合の他、千鳥
状の模様を形成する場合もあるが、かかる内面突起１２
がスパイラル状に配置されている限りにおいて、その何
れをも採用可能である。

なお、かかる内面突起１２の管内周面からの突出量が余
りに大きくなると、管内を流通せしめられる伝熱流体の
圧力損失（水頭損失）が大きくなるため、内面突起１２
の高さや単位面積当たりの数は余りにも大きな圧力損失
を招かない程度に適宜に定められるべきである。このた
め、内面突起１２の大きさは、一般に、高さく突出量）
が０．２〜１．　Ｏｎ前後、また突起長手方向の長さが
１〜５鰭前後において、定められることとなる。

そして、かかる内面突起１２を有する伝熱管にあっては
、管内を流通せしめられる伝熱流体の流れに、内面突起
１２を乗り越えてそれを通過する際に乱流が生じ、且つ
かかる内面突起１２により管内面に沿って管軸方向に流
れる伝熱流体の流れが左右に分流せしめられ、そしてこ
れに加えて、内面突起１２のスパイラル状配置による伝
熱流体の管内面付近の螺旋状流れ作用が相俟って、管内
表面の流れが複雑且つ微妙な乱流形態をとるようになり
、これによって管内周面付近に形成され易い境膜が効果
的に破壊されて、内面熱伝達率が有効に高められるので
ある。また、管内面における流体接触面積が内面突起１
２によって増大せしめられ、更に管外周面における接触
面積も凹所１４の存在によって増大せしめられることと
なる。

このような状況下において、伝熱管２の外面側には、外
面フィン４の倒しにより、トンネル状空洞部であるキャ
ビティ８が周方向にスパイラル状に形成され、そして該
キャビティ８が切込み１０を通じて外部に連通せしめら
れているところから、リエントラントな表面構造を有す
る伝熱面となり、これにより核沸騰の伝熱促進に有効と
なるのであり、またそのような特性の向上に、キャビテ
ィ８内に形成される・凹所１４が寄与しているのである
。

因みに、第３図には、上記第１図および第２図に糸され
る如き構造の本発明管ＡおよびＢと、基準管とにおける
沸騰伝熱特性が示されているが、それらの比較から明ら
かなように、本発明管ＡおよびＢは、低い温度差におい
て大きな伝熱効率を有しているのである。

なお、実験は、冷媒としてフロン−１１を用い、大気圧
、飽和状態下において行なわれた。また、基準管として
は、外面フィンが２６山／インチのローフイン管が用い
られ、また本発明管ＡおよびＢは、それぞれ、そのよう
なローフイン管をペースに第１図および第２図に示され
る構造に加工されたものであって、それらは何れも切込
み１０の開口幅が約０．３ｆｌ、フィン高さくフィンを
倒した状態において、）が約１ｗとされると共に、本発
明管Ａにおいては、切込み１０のピッチが約１ｆｉ、ま
た本発明管Ｂにおいては、切込み１０のピンチが約０．
７　ｗとされている。そして、第３図における横軸の温
度差は、沸騰・蒸発せしめられるフロン−１１の飽和温
度とキャビティ８の底部温度との差である。

ところで、上記の第１〜２図に示される如き沸騰伝熱管
２は、第４〜７図に示される如き方法によって容易に製
造することが可能である。

すなわち、漸次径が増大する複数のフィン形成ディスク
２０からなるローフイン転造用工具２２が、第４図に示
される如く、目的とする沸騰伝熱管を与える素管２４の
周りに略１２０００位相差をもって配置せしめられ、従
来と同様にして、かかる素管２４の外周面に所定高さの
外面フィン２６が順次管軸方向に転造形成されるように
なっているのである。より具体的には、各ローフイン転
造用工具２２における複数のフィン形成ディスク２０が
、外面フィン２６のピッチを与える間隔で、回転駆動軸
２８によって同心的に且つ一体的に連結せしめられてお
り、そしてかかる回転駆動軸２８が、素管２４の中心線
（管軸）に対して、形成されるべき外面フィン２６のリ
ード角に相当する角度を以て位置せしめられ、また素管
２４の内側には、各フィン形成ディスク２０にのみ対向
する状態で、プラグ３０が挿入されている。そして、そ
の状態で、回転駆動軸２８によりフィン形成ディスク２
０を回転せしめつつ、素管２４の外周面に対して押圧せ
しめることにより、目的とする外面フィン２６が漸次転
造形成されるようになるのである。

また、かかる素管２４の周りに配置された三つのローフ
イン転造用工具２２のうちの二つは、第５図に示される
如く、単に、複数のフィン形成ディスク２０を回転駆動
軸２８に取り付けただけの構造のものであるが、他の一
つは、第６図に示される如く、その回転駆動軸２８が外
面フィン形成方向における下流側に延長せしめられてお
り、その延長部に対して、素管２４内のプラグ３０が存
在しない位置において、内面突起加工用ディスクとして
の鋸歯状ディスク３２と、それよりも下流側にローレッ
ト加工用ディスク３４と、更にその下流側に位置して、
フィン倒し用ローラ３６が同心的に且つ一体的に取り付
けられている。

そして、第６図および第７図から明らかなように、鋸歯
状ディスク３２は、その外周部に所定ピッチで鋸歯３８
を備えたものであり、その鋸歯３８の歯先が描く円周の
半径は、フィン形成ディスク２０の最も大径のものの半
径より一定量大きくされている。また、ローレフト加工
用ディスク３４は、上流側に傾斜する切歯線を有する切
歯部４０を外周部に所定ピッチで備えた、傘歯車状のも
のである。更に、フィン倒し用ロール３６は、上流側に
湾曲した外周面４２を以て漸次波がる構造とされている
。そして、鋸歯状ディスク３２は、その鋸歯３８が隣接
するフィン２６．２６間に形成される溝部４４の底部に
押し付けられるように配置され、またローレット加工用
ディスク３４は、その切歯部４０が外面フィン２６の頂
部に押し付けられて食い込まされるように配置され、さ
らにフィン倒し用ロール３６は、外面フィン２６の頂部
を素管２４側に押し付は得るように配置されている。

したがって、かかる第６図および第７図に示される如き
工具の装備によって、ローフイン転造用工具２２により
外面フィン２６がスパイラル状に素管２４外周面に一体
的に形成せしめられた後、外面フィン２６．２６間の溝
部４４の底部に対して鋸歯状ディスク３２の鋸歯３８が
押圧せしめられることにより、その鋸歯３８による押圧
部分が管内面に突出させられ、その結果、管外周面にお
ける外面フィン２６間の溝部４４の底部部分に凹所４６
が形成され、かつその凹所４６に対応する部位に位置し
て、管内周面に内面突起４８が形成されるのである。

次いで、この内面突起４８が形成された後、鋸歯状ディ
スク３２よりも下流側に配置されたローレット加工用デ
ィスク３４の切歯部４０が外面フィン２６の頂部に押し
付けられて、切り込まされることにより、外面フィン２
６には、その長さ方向に所定の間隔を隔てて、切込み５
０が、所定の深さにおいて且つ所定の開口幅で形成され
ることとなる。

更にその後、かかる切込み５０が所定間隔で、換言すれ
ば所定のピッチで形成された外面フィン２６は、フィン
倒し用ロール３６の押圧作用によって、その頂部部分が
湾曲外周面４２により下流側に案内させられるようにな
るところから、その中間部から下流側の隣接する外面フ
ィン２６側に湾曲乃至は屈曲せしめられ、そして、該隣
接する外面フィン２６との間の溝部４４の上部を閉塞せ
しめ、以て第１図および第２図に示される如き、外表面
下に螺旋状に延びるキャビティ　（トンネル状空洞部）
５２を形成するのである。なお、このキャビティ５２は
、外面フィン２６に切込み５０が設けられているところ
から、この切込み５０を通じて外部に連通ずることとな
る。

このように、かかる製造手法に従えば、内面、外面共に
伝熱促進された沸騰伝熱促進管が、外面フィンの形成の
後に、その工程に引き続いて、内面突起加工、フィン切
込み加工、更にはフィン倒し加工が同時に実施され得る
こととなることによって、一つの連続した加工工程によ
り、−挙に製造され得ることとなり、以てそのような伝
熱管の工業的生産性を著しく高め得ることとなったので
ある。

しかも、上述の製造手法に従えば、特にそのフィン倒し
工程におけるフィン倒し操作が、著しく筒略化、且つ容
易化されることとなるために、その加工工程の複雑さや
、複雑な加工工具なども全く必要でなくなったのである
。

なお、上述した鋸歯状ディスク３２を用いる内面突起加
工において、形成される内面突起４８の高さく深さ）は
、鋸歯状ディスク３２の径により決定され、また内面突
起４８の螺旋の軸方向ピッチは、鋸歯状ディスク３２の
外径と山数および外面フィン２６の転造時のプラグ３０
の径により決定されることとなる。

また、ローレット加工用ディスク３４による鋸歯状加工
（切込み５０の形成加工）における切込み深さは、その
ディスク径により決定され、それによって形成される切
込み５０により核沸騰時の開口部が形成され、ることと
なり、またそのような切込み５０は、更にその後のフィ
ン倒し工程を容易にする上において、歯先が軸方向に対
して角度を以て傾斜せしめられた例示の如き傘歯車状の
構造の工具を用いて、形成されることが望ましい。

更に、最終工程となるフィン倒し工程にあっては、フィ
ン倒し用ロール３６にて外面フィン２６を一方の側に倒
して、フィン底部（溝部）４４に空洞としてのキャビテ
ィ５２が形成されることとなるが、かかるフィン倒し用
ロール３６による外面フィン２６の倒し具合は、フィン
倒し用ロール３６の径により決定されるものであり、そ
の際フィン倒し用ロール３６には、前述のように外面フ
ィン２６が加工下流方向に倒されるように、湾曲した外
周面４２が設けられているのである。

以上、本発明の具体例に沿って、本発明の構成について
詳細に説明してきたが、本発明がかかる具体例によって
限定的に解釈されるべきものでは決してなく、当業者の
知識に基づいて種々なる変更、改良等を加えた態様で実
施し得ることは、改めて言うまでもないところである。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明は、管外表面下
にスパイラル状の空洞乃至はキャビティが形成され、そ
れが微細な間口部を通じて外部と連通せしめられて、核
沸騰時の開口部とされると共に、管内周面に複数の内面
突起をスパイラル状に設けて、沸騰伝熱促進管としたも
のであり、これによって管の内面、外面共に効果的に伝
熱促進が行なわれ得る伝熱特性が改善された沸騰伝熱管
を提供するものである。また、かかる沸騰伝熱管を、フ
ィン形成ディスクの回転駆動軸に取り付けた内面突起加
工用ディスク、ローレット加工用ディスクおよびフィン
倒し用ロールを同時に回転駆動せしめることにより、一
つの連続した工程によって、−挙に製造し得るようにし
たものであって、複雑な製造工程や複雑な加工工具を何
等用いることなく、工業的有利に、生産性良く製造し得
るようにしたところに、本発明の大きな工業的意義が存
するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う沸騰伝熱管の具体例を示す一部
切欠正面図であり、第２図はそのような伝熱管の管壁部
を説明するための一部拡大説明図であり、第３図は本発
明に従う沸騰伝熱管の一つの伝熱特性を示すグラフであ
り、第４図乃至第７図は本発明の沸騰伝熱管の製造工程
のそれぞれの状態を示す説明図であり、第４図はその横
断面形態の説明図、第５図は二つのローフイン転造用工
具による外面フィン形成形態を示す縦断面状態の説明図
、第６図はローフイン転造用工具の一つのものによる加
工工程を示す縦断面形態における説明図、第７図は第６
図における回転駆動軸方向の断面形態における加工状態
を説明するための略図である。 ２：伝熱管　　　　　　４，２６：外面フィン６．４４
：溝部　　　　８．５２：キャビティ１０，５０：切込
み　　１２，４８：内面突起１．４，４６：凹所 ２０：フィン形成ディスク ２２：ローフイン転造用工具 ２４：素管　　　　　　２８：回転駆動軸３０ニブラグ
　　　　　３２：鋸歯状ディスク３４：ローレフト加工
用ディスク ３６：フイン倒し用ロール　　３８：鋸歯４０：切歯部
　　　　　４２：湾曲外周面出願人　　住友軽金属工業
株式会社 第１図 第２凶 第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）管外周面に管材料からなる螺旋状の外面フィンが
   一体的に形成されてなり、且つ該外面フィンがその長さ
   方向に所定の間隔を隔てた切込みによって分断せしめら
   れると共に、管軸の一方向にその中間部から湾曲乃至は
   屈曲させられて、隣接する外面フィンとの間の溝部の上
   部が閉塞せしめられることにより、前記切込みを通じて
   外部に連通する螺旋状のキャビティが形成されている一
   方、管内周面に複数の内面突起が形成され、且つかかる
   内面突起がスパイラル状に配列せしめられていることを
   特徴とする沸騰伝熱管。
2. （２）目的とする沸騰伝熱管を与える素管の周りの複数
   位置にそれぞれ配置した、所定の回転駆動軸にて回転駆
   動させられる複数のフィン形成ディスクを、該素管の外
   周面に対してそれぞれ押圧せしめることにより、該素管
   の外周面に所定高さの外面フィンを順次管軸方向に転造
   形成せしめる一方、前記複数のフィン形成ディスクを回
   転駆動させる回転駆動軸の一つに、該フィン形成ディス
   クの外面フィン形成方向における下流側に位置するよう
   に取り付けられて、同時に回転駆動せしめられる、鋸歯
   状の内面突起加工用ディスクと、外周部に複数の切刃部
   が設けられたローレット加工用ディスクと、上流側に湾
   曲した外周面をもって漸次拡がるフィン倒し用ロールと
   を用い、先ず、前記内面突起加工用ディスクにてその鋸
   歯を前記形成された外面フィン間の溝部の底部に押圧せ
   しめることにより、該鋸歯による押圧部分を管内面に突
   出させ、次いで前記ローレット加工用ディスクにてその
   切刃部を前記外面フィンの頂部に押圧せしめることによ
   り、該外面フィンの長さ方向に所定の間隔を隔てて切込
   みを加え、更にその後、前記フィン倒し用ロールにて前
   記外面フィンを押圧せしめることにより、該フィン倒し
   用ロールの前記湾曲した外周面にて該外面フィンの頂部
   部分を案内させつつ、該外面フィンをその中間部から隣
   接する外面フィン側に湾曲乃至は屈曲せしめて、該隣接
   する外面フィンとの間の溝部の上部を閉塞せしめるよう
   にしたことを特徴とする沸騰伝熱管の製造方法。