JP3573640B2 - 沸騰型伝熱管 - Google Patents
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Description
【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 (2)
- 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。
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