JP4822238B2 - 液媒用内面溝付伝熱管とその伝熱管を用いた熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管内に液媒を流し、その液媒と管外の気体、液体、固体と熱交換する内面溝付伝熱管および該伝熱管を用いた熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
管内に液媒を流し、その液媒と管外の気体、液体、固体と熱交換する伝熱管は、熱交換器の一部として組み込まれており、熱交換効率が良好となる、材料の選定や形状設計がなされている。その一つとして伝熱管の内面にリード溝を形成したり、リブを形成したりして液媒に攪拌作用を与えて管と液媒との熱伝達効率を高める工夫が提案されている。
例えば、通常使用されている溝付管の場合は溝のリード角が十数度程度である溝を形成している。
また、特開昭５９−８４０９３号では、管の内面に形成するリブの形状を台形にして、液媒の流れに対抗する面を管軸に対し直角に起立させ流れ方向側を傾斜させて乱流を起こし、液媒の攪拌性を良好にして熱伝達を向上させることを意図した伝熱管が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記溝付管では、例えば溝ピッチ１．５ｍｍ、リード角１５度の溝が形成された管内面に液媒を流した場合の熱伝達率は、図１０に示すように平滑管と比較しても大きな性能の向上は得られず、熱交換効率の向上効果は充分ではない。また、伝熱管はプレートフィンに挿入し拡管して使用されることが多いが球状突起付マンドレルによる拡管時に、管溝のリード角が大きくなるほどマンドレルに押される凸部の本数が減るので凸部がつぶれやすくなるという問題点がある。
さらに、管の内面に台形状のリブを形成する伝熱管では、リブの断面形状が複雑で直角起立面の成形精度を出すことが容易でなく、製造コストをアップさせる。即ち、乱流形成に必要な高さを十分に確保しつつ起立面の角度を９０°に保つことは難しく、また、リブの先端部まで十分に成形することが困難で、角部が滑らかな曲面になる可能性もあり、性能を確実に得ることが難しいという問題点がある。
【０００４】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、熱交換性能を飛躍的に向上させ、かつ圧力損失が比較的小さく、拡管に際しても溝のつぶれが小さい液媒用溝付伝熱管および該伝熱管を用いた熱交換器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の液媒用内面溝付伝熱管のうち請求項１記載の発明は、管内の液媒移動により管外部のプレートフィンと熱交換する液媒用伝熱管において、該伝熱管内に、管軸に対して９０°の角度を有する方向に沿って環状溝が形成され、かつ該環状溝が管長手方向に間隔をおいて連続して形成されており、
前記環状溝の溝深さが０．２０ｍｍ以上１ｍｍ以下であり、かつ溝ピッチが該溝深さの２〜５倍であり、
前記環状溝底部間の凸部における底幅Ｗと溝ピッチＰとの比Ｗ／Ｐが０．１〜０．９であり、
水素吸蔵合金が充填される平行した複数の前記プレートフィンに挿入され拡管して該プレートフィンに密着されるものであることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の液媒用内面溝付伝熱管の発明は、請求項１に記載の発明において、溶接部を有する溶接管であることを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の熱交換器の発明は、請求項１または２に記載の液媒用内面溝付伝熱管を有し、前記液媒用内面溝付伝熱管が水素吸蔵合金が充填される平行した複数のプレートフィンに挿入され拡管して前記プレートフィンに密着されるものであることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、請求項１記載の液媒用内面溝付伝熱管によれば、管軸に対し適度に９０°の角度差を有する環状溝により管内を流れる液媒が適度に攪拌され、管との熱伝達を効果的に向上させる。この際の圧力損失は小さく、全体として効率が顕著に向上する。また拡管に際し、溝間の突部のつぶれが小さく、性能の低下が避けられる。
【００１０】
また前記環状溝は、溝深さを０．２０ｍｍ以上、溝ピッチを該溝深さの２〜５倍とするのが望ましい。一般的に熱交換器の伝熱管は径が７ｍｍから２０ｍｍ程度であり、液媒の効果的な攪拌作用を得るためには、溝の深さは０．２０ｍｍ以上とするのが望ましい。０．２０ｍｍ未満の深さでは、液媒の攪拌作用は充分得られない。また、溝の深さは１ｍｍ以下が望ましい。これは溝の深さが大きくなり過ぎると、乱流が激しくなり圧損が大きくなるためである。さらに、溝ピッチは上記溝深さに対し２〜５倍とすることにより液媒の攪拌作用が効果的になる。溝ピッチが溝深さの２倍未満になるように溝が形成されていると、液媒の流れが層流に近くなり、液媒の攪拌効果が却って小さくなる。一方、溝ピッチが溝深さの５倍を越えると、乱流発生効果が小さく、液媒の充分な攪拌作用が得られないしたがって溝ピッチは、溝深さの２〜５倍が望ましい。
【００１１】
さらに前記環状溝では、環状溝の底部間の凸部における底幅Ｗと溝ピッチＰとの比Ｗ／Ｐを０．１〜０．９とする。該比Ｗ／Ｐの値を上記範囲内とすることにより拡管時の凸部のつぶれをより効果的に軽減することができる。この比が０．１未満であると、溝突部の幅が相対的に小さく、溝突部がつぶれやすくなる。一方、該比が０．９を越えると、溝の幅が相対的に小さくなり、乱流の発生が充分ではなく液媒の攪拌作用が不十分である。
なお、上記底幅Ｗは、図６（ａ）（ｂ）に示すように、凸部の底部が曲面である場合、凸部の実質的な壁面と溝の実質的な底面の面方向が交差する位置を基準として示される。
【００１２】
上記した本発明の内面溝付伝熱管は、熱交換器内部に設置して、熱交換器内部（伝熱管外部）の液体、気体、固体との間で熱交換することができ、熱交換器の一部として組み込むことができる。該伝熱管では、熱交換効率を上げるため外面にフィンを取り付けることがあり、その取り付けに際しては、一般に、平行した複数のプレートフィンに伝熱管を挿入しマンドレル等により拡管して該プレートフィンに密着する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を図１〜３に基づき説明する。
図１、２に示すように、円筒形状の伝熱管１の内部には、管軸方向に対し、９０°の角度方向に沿って環状溝２が形成されており、該環状溝２は平底２ａを有しており、環状溝２間には山形状の凸部３になっている。
前記環状溝２は、深さｄが０．２〜１ｍｍであり、溝ピッチＰは溝深さの２〜５倍となっている。また凸部３の底幅をｗとすると、前記溝ピッチとの比（ｗ／Ｐ）は、０．１〜０．９になっている。
この伝熱管１に液媒を流すと、流れに適度な乱流が生じ、液媒の攪拌作用により液媒と伝熱管との間で熱伝達が効率的になされる。
【００１４】
図３は、上記伝熱管１を、プレートフィン６の貫通孔５に挿入、貫通させ、マンドレル（図示しない）によって拡管し、伝熱管１…１をプレートフィン６に密着固定したものである。該伝熱管１…１およびプレートフィン６…６は、熱交換器の一部として熱交換器本体（図示しない）に収容されるなどする。なお、伝熱管１をプレートフィン６に密着固定する際、凸部３のつぶれは殆どなく、伝熱管１の伝熱性を損なうことがない。該熱交換器では、伝熱管での良好な伝熱性により、良好な熱交換効率を有している。
【００１５】
図４は他の実施形態における伝熱管１０を示すものである。該伝熱管１０は上記実施形態と同様に環状溝１２、凸部１３を有している。上記実施形態と異なる点は、該伝熱管１０が溶接部１１を有する溶接管であるということである。すなわち、本発明の伝熱管の製造方法は特に限定されるものではなく、例えばシームレス管であるか溶接管であるかは問わない。
【００１６】
図５は参考形態の伝熱管２０を示すものであり、該伝熱管２０も上記実施形態と同様に溶接部２１を有する溶接管からなる。そして、本参考形態の伝熱管２０は、管軸と６０°の角度差を有するらせん溝２２を有しており、該らせん溝２２は管軸方向に連続して、溝と溝との間に凸部２３を有している。
【００１７】
【実施例】
以下に本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。
（実施例１）
先ず、内径が１０．４ｍｍで、内面に溝深さ０．４ｍｍ、溝ピッチ１ｍｍまたは１．５ｍｍで管軸方向に対し９０°に傾斜した環状溝を形成した本発明伝熱管を用意し、また、比較のため、同内径で環状溝のないベア伝熱管を用意した。これらの伝熱管において、熱交換量と圧力損失の関係を調査し、図７に示した。
図から明らかなように、本発明の伝熱管は、ベア伝熱管に比べ、圧力損失に比べて高い伝熱性能が得られることが分かる。
【００１８】
（実施例２）
次に、伝熱管に固定したフィン間に水素吸蔵合金を充填し、管内にはメタノール水溶液を流し、水素吸蔵合金の水素放出にともなう吸熱反応による熱交換性能を調査した。なお、この実施例では、内径が１０．４ｍｍで、溝深さが０．４ｍｍ、溝ピッチが１．５ｍｍ、管軸方向に対する方向が９０°である環状溝が形成された伝熱管を用いた。また、この実施例でも比較用に同内径のベア管を用意した。測定結果は図８、９に示した。
図８から明らかなように、本発明の伝熱管は、ベア管と比較して、熱通過率は１．５倍以上の性能を示している。さらに図９では、装置全体の圧力損失と熱通過率の関係を示しているが、本発明の伝熱管を使うことにより圧力損失を半分以下にでき、ポンプ動力が半分近く下げられる。
【００１９】
（実施例３）
次に、本発明の伝熱管を拡管する際、凸部の高さがどのように変化するかを調査し、その結果を表１に示した。なお、この伝熱管での環状溝の溝深さは０．４ｍｍ、溝ピッチ（Ｐ）１．６５ｍｍ、管軸との角度９０°、凸部の底幅（ｗ）０．８０ｍｍであり、ｗ／Ｐは０．４９である。
表から明らかなように、拡管の進行によっても凸部の小さく、充分な高さ、すなわち溝深さが確保されている。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液媒用内面溝付伝熱管によれば、伝熱管内に、管軸に対して９０°の角度を有する方向に沿って環状溝を形成し、かつ該環状溝を管長手方向に間隔をおいて連続して形成したので、液媒の流れにおいて適度に乱流が発生して熱伝達性を向上させる。その際の圧力損失も小さなものとすることができ、熱交換器に組み込むことにより熱交換器の熱交換効率を向上させる。前記環状溝は溝深さを０．２０ｍｍ以上、溝ピッチを溝深さの２〜５倍とすることにより上記効果が一層顕著となる。
【００２２】
さらに、環状溝底部間の凸部における底幅Ｗと溝ピッチＰとの比Ｗ／Ｐを０．１〜０．９とすることにより、伝熱管をフィンに拡管固定する際に、凸部のつぶれが抑制され、環状またはらせん溝による上記効果が拡管加工によって損なわれるのを阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態における伝熱管の正面断面図である。
【図２】 同じく断面斜視図である。
【図３】 同じく本発明の伝熱管をフィンに固定した状態を示す熱交換器の一部斜視図である。
【図４】 他の実施形態における伝熱管の正面断面図である。
【図５】 さらに参考形態における伝熱管の正面断面図である。
【図６】 本発明の溝間凸部における底幅を説明する図である。
【図７】 本発明の一実施例における伝熱性能と圧力損失との関係を示すグラフである。
【図８】 同じく他の実施例における媒体流速と交換熱量との関係を示すグラフである。
【図９】 同じく熱交換率とパイプ圧力損失との関係を示すグラフである。
【図１０】 従来の溝なし管および溝付管における媒体流速と交換熱量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 伝熱管
２ 環状溝
２ａ 溝底部
３ 凸部
５ 貫通孔
６ プレートフィン
１０ 伝熱管
１１ 溶接部
１２ 環状溝
１３ 凸部
２０ 伝熱管
２１ 溶接部
２２ らせん溝
２３ 凸部

Claims (3)

1. 管内の液媒移動により管外部のプレートフィンと熱交換する液媒用伝熱管において、該伝熱管内に、管軸に対して９０°の角度を有する方向に沿って環状溝が形成され、かつ該環状溝が管長手方向に間隔をおいて連続して形成されており、
   前記環状溝の溝深さが０．２０ｍｍ以上１ｍｍ以下であり、かつ溝ピッチが該溝深さの２〜５倍であり、
   前記環状溝底部間の凸部における底幅Ｗと溝ピッチＰとの比Ｗ／Ｐが０．１〜０．９であり、
   水素吸蔵合金が充填される平行した複数の前記プレートフィンに挿入され拡管して該プレートフィンに密着されるものであることを特徴とする液媒用内面溝付伝熱管。
2. 溶接部を有する溶接管であることを特徴とする請求項１記載の液媒用内面溝付伝熱管。
3. 請求項１または２に記載の液媒用内面溝付伝熱管を有し、前記液媒用内面溝付伝熱管が水素吸蔵合金が充填される平行した複数のプレートフィンに挿入され拡管して前記プレートフィンに密着されることを特徴とする熱交換器。

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