JP3573640B2

JP3573640B2 - 沸騰型伝熱管

Info

Publication number: JP3573640B2
Application number: JP03926399A
Authority: JP
Inventors: 宏行高橋; 主税佐伯
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2019-02-17
Also published as: JPH11316096A

Description

【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し、前記凹部の底面及び前記凸部の表面は平坦面であり、管軸直交断面において、前記凸部は台形状であり、前記フィンの間の空洞部の上端の開口部は、前記凹部及び前記凸部にて相互に接近するように張り出しており、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であると共に、前記空洞部のピッチ（Ｐ２）は０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦０．９０ｍｍであり、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、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。
【００１０】
また、本発明においては、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（Ｐ３）が２．６ｍｍ≦Ｐ３≦６．５ｍｍであるように構成することができる。
【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０．１３ｍｍ＜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Ｎｏ．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Ｎｏ．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Ｎｏ．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Ｎｏ．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

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し、前記凹部の底面及び前記凸部の表面は平坦面であり、管軸直交断面において、前記凸部は台形状であり、前記フィンの間の空洞部の上端の開口部は、前記凹部及び前記凸部にて相互に接近するように張り出しており、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であると共に、前記空洞部のピッチ（Ｐ２）は０．５０ｍｍ≦Ｐ２≦０．９０ｍｍであり、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、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沸騰型伝熱管。
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（Ｐ３）が２．６ｍｍ≦Ｐ３≦６．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の沸騰型伝熱管。