JPS616595A - 伝熱管及びその製造方法 - Google Patents

伝熱管及びその製造方法

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JPS616595A
JPS616595A JP59125224A JP12522484A JPS616595A JP S616595 A JPS616595 A JP S616595A JP 59125224 A JP59125224 A JP 59125224A JP 12522484 A JP12522484 A JP 12522484A JP S616595 A JPS616595 A JP S616595A
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Kenji Takahashi
研二 高橋
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柳田　武彦
Hisashi Nakayama
中山　恒
Shigeo Sugimoto
杉本　滋郎
Kiyoshi Oizumi
大泉　清
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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】 〔発明の利用分野〕 この発明は、空気調和機、冷凍機等の熱交換器に用いる
伝熱管の構造及び製法に関するものであり、特に該伝熱
管の内面構造が滑らかな曲線で形成された突起列を有す
る単相流伝熱管に適した面構造に係わる発明である。
〔発明の背景〕
周知の如く空気調和機や冷凍機等の熱交換器には伝熱管
が設けられており、これらの管の内面の構造は管に加工
を施さない平滑管の他、特公昭４９−３１８６３号公報
の例のように管壁内側に転造用の加ニブラグを挿入し、
溝加工を行うことにより一次側のリブを設けた後、さら
に追加工により二次側の溝を付けた三次元状の面構造を
有する管が知られている。
この面構造を有する伝熱管を例えば単相流用の伝熱面に
用いたとすると、この面構造の突起形状２は丸みを帯び
ていない鋭角状であり、後に詳述するが角を曲がる流れ
によりはく前高を生じ、伝熱管の人出日間の流体の圧力
損失が高くなり、流体の駆動力を多く要する。また、流
体の流線に対する垂直な平面に対しては、流体がその部
分でよどむために運動エネルギが衝突の圧力となり、こ
のためその部分が長時間たつうちに減耗する。伝熱性能
については、この減耗によりリブの高さ、リブの形状が
最適値から変動するために初期の性能値よりも低くなる
。
またこの転造プラグを用いる方法は、−欠溝と二次溝を
加工しなければならないので、必然的に加工工程が増え
、コストアップの要因となっている。− 〔発明の目的〕 本発明の目的は、管内単相流熱伝達性能を向上させるた
めに、管内側に突起の辺が曲率を有する連続した円、ま
たはだ円形状の突起を設けて、流体に乱れを誘起させ熱
伝達率が高い性能を得るとともに、リブ形状を曲面状に
形成することによって耐久性の高い伝熱面構造を有する
伝熱管及びその製法を提供することにある。
〔発明の概要〕
上述目的を現実するために、この発明は、突起の横断面
の形状が、底面及び任意の高さの位置において円、また
はだ円であるような滑らかな曲線で構成された突起を、
管内にらせん状の曲線に沿って規則正しく配列したもの
である。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を第１．第２図により説明する
。伝熱管内壁面１に、第２図に示すような突起３をらせ
ん状の曲線４に沿って形成する。
この突起３は、第３図（Ａ）に示すように、正面図が円
形の突起３２が、あるいは第３図（Ｂ）に示すように、
楕円形の突起３４が、または（Ｃ）に示すように卵形の
断面形に類似した非対称の楕円曲線状の形状３６をして
いる。また、突起の底面より高い部分の横断面形状も、
それぞれ底面と類似の形状をしていて底面より断面積は
減少している。また断面形状は、それぞれリブの辺を区
別するような鋭角形状の角張った線でなく、第４図（Ａ
）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように曲線で形成されている
。
次に本発明の製造方法を図面をもって説明する。
第５図に示すように、先端が円弧状あるいは矩形状の歯
４０を持つ歯車状の工具５ｏを伝熱管１の外側から押し
付けて、管内壁側に突起３の列を形成する。突起３の円
周方向ピッチは、工具５ｏに備えられた歯４ｏの円周方
向ピッチに等しく、工具５０の押し付は量を調節して、
突起３の高さを定めることが出来る。工具５ｏを管軸に
対して直角方向に回転させる場合には、各々独立した突
起列３を管内壁に設けられるし、工具５ｏを図に示すよ
うにスパイラル状に進ませると、スパイラル状に進む突
起列３が形成される。スパイラル状に突起列を形成する
方が、それにもとづくところの工数が減ぜられることは
もちろんである。そして第５図には、工具５０ひとっを
用いて一条の突起列を設ける図を示しであるが、工具５
０を複数側翼べて複数条の突起列を形成することも可能
である。これらの選択は、突起列形成にもとづく工数の
削減を図ることも出来るか、突起の円周方向ピッチと、
突起列の管軸方向ピッチとの相関によって決められる。
このような方法により、突起３の横断面形状が円弧形状
をしており、突起列方向に切った突起３の縦断面形状が
、突起列の長手方向に向って円弧状に起伏を持つような
突起形状をした突起列を管内壁に形成することができる
。突起列は図のように、各々独立した、先端にまるみを
おびた円すい形状の突起を内壁面上に並べた構造でも良
いし、同一突起列において、隣接する突起間が管内壁の
平滑部よりも起伏していてもよい。
本発明の伝熱管のリブは、第６図に示されるように、縦
断面では、流れがリブに衝突してもリブが曲率を有して
いるため、流線が急激に曲らずにリブに沿って流れ、壁
面に働く流体の粘性力に起因するせん断応力の作用がよ
り少なく、流体のせん断応力に起因する潰食の作用が小
さい。第７図に示すように、横断面でも示されるように
、突起の側面部分を通る流れも１曲率を有するために、
流線の方向の急激な変化、及びはく前高の発生量は少な
く流体力の作用による準食の作用はごくわずかである。
伝熱性能について、本発明の曲率を有する三次元形状の
突起を有する伝熱管の性能の一例を第８図に示す。本発
明の伝熱管性能は、リブ高さ、ピッチＰ、管軸方向の配
列に影響を受ける。図に示した結果は、リブ高さが０．
４５ｍｍ、管軸方向のピンチは７ｍｍで、円周方向のピ
ッチは円周方向の距離ｙが４）と３ｍｍの場合について
実験を行った。図においてＹ＝３ｍｍをΔ印、ｙ＝４ｍ
ｍをＱ印で示しである。熱伝達率については、ｙ＝４ａ
ｎの場合は平滑管に対して約２倍の高性能を有している
。円周方向ピッチｙ＝３＋ｎｍについては、ｙ　＝　４
　ｍｍに比べて熱伝達率、圧力損失の性能とも低くなっ
ている。一方、従来から用いられている、コルゲートの
リブの連続している、いわゆる二次元リブ付管について
は第８図に示されるように熱伝達性能は高いが、圧力損
失が大幅に高くなっている。圧力損失が高すぎると、同
じ流体を循環させるのに要するポンプ動力が多く消費さ
れるので圧力損失は低い方が良いが、本発明の伝熱管の
場合（Ｏ印）は、熱伝達率の上昇分により、同じ熱負荷
であれば必要伝熱面積は少なくて良くなり、圧力損失が
その分だけ減少するので抵抗係数の増加分は十分吸収す
ることができる。二次元物体後部の流れについては、物
体高さのおよそ１０倍程度の突起の後流部分において熱
伝達率が局所的に高くなるので、この寸法の点でのピッ
チを有する突起列が最適のピッチであろうということが
類推できる。本発明の突起高さは、０．４５ｍｍであり
、従来種々の伝熱管について実験的に調査をすると、突
起が断続している場合、０．５ｍｍ前後が最適の突起高
さてあす、このことから、第６図のハツチングで示され
た部分で示した０、５　Ｘ　１０〜５ｍｍ位の再付着領
域Ａで最適なピッチが存在するといえる。
管内側に形成された丸みを帯びた突起列を過ぎる流れは
、その配列によって異なる。第９図に示される流れは、
突起３が千鳥状に配列された場合の流れのパターンを示
したもので、突起後流９０が後流部の突起に再衝突する
ことによって、伝熱促進効果が維持されるわけであるが
、第１０図に示されるように、基盤状の突起３を配列す
ると突起後流１００の渦が拡散する前に再び突起に衝突
し、十分に伝熱促進効果を示さない。また、突起外側の
流れは、管軸方向に直線状に流体が流れ、伝熱促進され
ないので、配列は基盤状よりも千鳥状にした方が伝熱性
能は高くなる。
以上述べた本発明の伝熱管の外表面にも伝熱面構造を設
けることもできる。以下にその方法を述べる。まず、伝
熱管の内面に、第５図のようにして突起を形成する。
次に工程において、第１１図に示すように管外の平滑部
７つまり突起を形成する際の凹部が形成されていない部
分に多孔質な沸騰伝熱に有効な伝熱面構造８を設ける。
−例として、先ずローレット加工によって、管軸に対し
てほぼ４５°の方向に浅い溝（０，１〜０．２ｍｍ）を
形成させる。次に管軸に対してほぼ直角にバイトによる
すき起こし加工を行い、フィン１２を形成させる。この
フィン高さは約１ｍｍ、ピッチは０．４〜０　、６ｍｍ
が適当である。
このようにすることにより、加工前に平滑であった面上
にノコギリ歯状のフィン列が設けられる。
次の工程によりロール加工などによって、ノコギリ歯状
フィンをねかせて、あるいはフィンをつぶすような方法
により、隣接フィン同志を接合して、伝熱面の表皮下に
空洞９と開孔１０を有する多孔製構造８を形成出来る。
第１２図に伝熱管の外観を示す。
例えば、このような伝熱管の管内に水を、管外に低沸点
有機媒体であるフレオン冷媒を流す場合を例にとる。伝
熱管を多数洞内に挿入したシェルチューブ形熱交換器が
広くターボ冷凍機の蒸発器などの利用されている。管内
側の水の温度が管外側のフレオン冷媒の温度に比べて約
５〜１０℃ぐらい高いのが通例である。管内流は、突起
の存在により、壁面近傍において乱れを生成し、管内壁
と管内流の主流との間の熱交換が、変滑な面の場合に比
べて活発に行なわれる。
一方、管外壁と管外側のフレオン液冷媒との熱交換にお
いては、−担沸騰が起きると、空洞内に蒸気泡が保持さ
れ、空洞内壁と蒸気泡の間に薄いフレオン液膜が形成さ
れる。この薄液膜の蒸発によって、液の蒸発にもとづく
潜熱輸送が促進される。
第１３図にリブ高さが０．３１の場合を例にとり、突起
ピッチＰが伝熱管の伝熱効率に及ぼす影響を示す。図か
られかるように、高い伝熱効率が得られる突起ピッチＰ
の最適な範囲がある。つまり、Ｐが大きい場合は管外側
の平滑部の面積が大きくなり、沸騰伝熱に有効な機械加
工による多孔質構造を形成する伝熱面積を広くとれる。
そのために管外側の伝熱効率は、その面積増加分向上す
る。
一方、管内側の熱伝達率は、Ｐが大きくなると第１４図
のように突起３によって生ずる流れの乱れ７０が、その
後流側の壁面近傍部まで影響を及ぼさない領域が生じる
ために、急激に伝熱効率が低下する。この場合、管外側
の沸騰性能が向上する割合に比べて、管内側の強制対流
による伝熱性能の低下割合が大きい。そのために伝熱管
としての総合的な伝熱効率はＰが大きくなると急激に低
下する。次にＰがホさい場合は、ある程度よりも小さく
しても乱れの影響が及ぼす伝熱面範囲は増加しないため
、管内強制対流の伝熱効率はそれほど変化しなくなる。
一方、管外側は、Ｐが小さくなると、管外くぼみの占め
る面積の、管外全体の面積に対する割合が急激に小さく
なるために、管外沸騰伝熱性能も急激に低下する。従っ
て、伝熱管としての総合的な伝熱効率はＰが小さくなっ
ても急激に低下する。以上のような現象によって、伝熱
管の総合的な伝熱効率を高く保つ最適な突起ピッチＰの
範囲が存在することになる。第１３図からその最適な範
囲は５ｍｍ〜１５＋ｉ＋ｅである。
ところで、本発明の伝熱管でシェル・チューブ形熱交換
器を構成する場合、第１５図に示すよう・に伝熱管の両
端部１５を広げておいて、突起形成加工を行った後に、
管板１６に伝熱管を挿入して。
拡管などにより管板と伝熱管とを接合する方法がとれる
６従来のプラグ加１、あるいは引き抜き加工により管内
に突起を設ける方法は、伝熱管の両端部がストレートで
なければ加工が出来ないため。
一旦管内突起加工を行った後に、両端部分の突起を切削
加工して、平滑面にしてから拡管を行っている。従って
本発明による伝熱管は、シェル・チューブ熱交換器を構
成する場合において、その組立工程を減らすことが可能
となる。
〔発明の効果〕
以上この発明によれば、管内壁に形成された滑らかな曲
率を有する突起により伝熱促進を行うので、流体力を受
けにくいので耐腐食性を有し、かつ滑らかな突起によっ
て誘発される微少な流体渦によって熱伝達率を向上させ
ることが可能であり。
機器の熱効率が増大する。
また、この曲率を有する突起列を、管軸方向に千鳥状に
配設すれば、伝熱促進に寄与する渦を有効に活用できる
ので圧力損失の増加量がわずかで、熱伝達率を増加させ
ることができる。
さらに、この形成の突起列を形成させるのに、管外から
歯車状に突起のついたディスクを押し付けて容易に製造
することができるので、コストダウンにつながる優れた
効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例になる伝熱管の縦断面図、第
２図は、本発明の伝熱管構造を示す要部拡大斜視図、第
３図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、は本発明の製法の一例
を示す図、第６図は、本発明の伝熱管の断面図、第７図
は同正面図、第８図は、実験データ表示グラフ軒第９図
及び第１０図は、突起の配列を示す正面図である。第１
１図。 第１２図は本発明の応用例を示す図、第１３図は突起ピ
ッチと伝熱効率の関係を示す図、第１４図は特性説明図
、第１５図は第１２図の伝熱管の使用例を示す要部縦断
面図である。 １・・・伝熱管壁面、３・・・突起、４・・・らせん状
曲線、３２・・・円状突起、３４・・・楕円状突起、３
６・・・非対竿　１　口 第２図 ｆｆ、３閃 審４［２１ ω）　　　　　　　　　　　　　　　（８）　　　　　
　　　　　　　　（ｃ　）第ぎ　国 寥６０ 第　２　図 糾イノルス°゛ｅ　隅 亭’１（１ 第７０ロ ン 竿　ＩＩ　　口 ｙ　　　）２　　口 ／θ 茅　１３　　口 穿ｌ今図 Ｙ　ＩＳ凹

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、伝熱管内面に突起列を有するものにおいて、１条あ
    るいは複数条の螺旋曲線に沿って一定間隙で断続的に、
    底面及び任意の高さにおける横断面形状が円または楕円
    、または非対 象な楕円曲線であり、横断面積が高さ方向に減少するよ
    うな突起列を設けたことを特徴とする伝熱管。 ２、第１項において、前記突起列を、管軸方向に千鳥状
    に配列したことを特徴とする伝熱管。 ３、伝熱管内面に、塑性加工により、１条あるいは複数
    条の螺旋曲線に沿って一定間隙で断続的に突起列を設け
    るものにおいて、管外から管内への押出し加工により管
    内面に突起列を形成することを特徴とする伝熱管の製造
    方法。 ４、第３項において、外周に突起列を有するロールを、
    素管の外面側から押し付け、管内面に断続的に突起列を
    形成することを特徴とする伝熱管の製造方法。 ５、第４項において、前記ロール外周の突起列は先端が
    丸形あるいはＵ字形であり、管内面に形成される突起列
    は、底面及び任意の高さにおける横断面形状が、円また
    は楕円、または非対象な楕円曲線であり、横断面積が高
    さ方向に減少するような突起列であることを特徴とする
    伝熱管の製造方法。
JP59125224A 1984-06-20 1984-06-20 伝熱管 Expired - Lifetime JPH06100432B2 (ja)

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