JP7254307B2 - 伝熱管 - Google Patents

Description

本発明は、管外の流体（自然冷媒、フロン冷媒、水等）の保有熱又は管外の物体（土壌熱等の固体物質等）の保有熱若しくはソーラーパネル等の輻射熱と、管内を流れる流体（水、ブライン等）とを熱交換させる伝熱管に関する。本発明は、特に、管内の流体が単相流で、低流速域での使用に適した管内単相流用伝熱管に関する。

管内単相流用伝熱管の具体的な用途としては、（ａ）ヒートポンプ給湯器（例えば、エコキュート（登録商標））に使用される水－冷媒熱交換器に使用される伝熱管、（ｂ）ガス給湯器内にて使用される水－水の二重管式熱交換器に使用される伝熱管、（ｃ）太陽熱温水器のソーラーパネル内に設置されている温水配管、（ｄ）地中に埋め込んで使用する土壌熱－水熱交換器配管用伝熱管がある。

管内外の流体間で熱交換させる機器は、省エネ化の取り組みがなされており、熱交換器単体での高性能化を図るとともに、熱媒体の搬送動力の低減による省エネ化が図られている。熱媒体の流体を熱交換器内に送るために、通常ポンプが使用されている。熱媒体の搬送動力の低減策としては、搬送流体の流量を低減させることにより、ポンプ運転動力を低減させる方法が採用されている。

また、熱交換器内において、長時間かけて流体を高温にさせる機器があり、その事例として代表的なものに、ヒートポンプ給湯器がある。このヒートポンプ給湯器は、水道水の給水口より直接熱交換器内に流体である水を送り込み、熱交換器内において長時間かけて流体を高温にさせる。そのため、ヒートポンプ給湯器では、管内の水の速度が低く設定され、水の圧力もポンプ等での搬送力に比較して低く設定されている。その結果、ヒートポンプ給湯器では、管内を通過する水の速度が遅くなり、管内のレイノルズ数は２０００以下で使用されることが多い。この低レイノルズ数領域では、管内の水は層流域になり、層流域での熱伝達率は、乱流状態と比較して低下する。そのため、使用する伝熱管自体の性能を向上させることにより、対応せざるを得ない。

現状使用されている代表的な伝熱管としては、特許文献１、２に記載されたコルゲート管がある。コルゲート管は、管の内面及び外面に深い凹凸を形成するコルゲート溝をらせん状に備えるものである。なお、特許文献２においては、コルゲート溝の他に、コルゲート溝間に管内面に突出する突起が形成されている。そして、コルゲート管においては、このコルゲート溝として形成された凹凸および突起により、管内の流体が層流域にて流れる場合でも乱流の形成を促進して熱伝達率の向上を図っている。

特開２００７－２１８４８６号公報 ＷＯ２００８／０２９６３９号公報

しかしながら、管内に流体を流したときに特許文献１、２のコルゲート管では、コルゲート溝間の管内壁面近傍に溝間を対流する副流が形成される。この副流は、コルゲート溝のピッチが小さいため、管中央部を流れる主流とは合流せずに、管内壁面近傍に留まって速度境界層および温度境界層となりやすい。この境界層は、流体間の熱交換を阻害するという問題点がある。また、特許文献２ではコルゲート溝間に突起が形成されているが、この突起もコルゲート溝のピッチ幅に対して小さいため、副流は突起に衝突せずに対流しやすい。そのため、特許文献２では、主流と副流を合流させるような流れを突起で形成しにくく、境界層の形成を抑制できない。特に、コルゲート管内の流体の流速が低流速域であると、境界層の形成が顕著なものとなる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、管内の流体の流速が低流速域であっても、境界層の形成が抑制でき、熱伝達率を向上させることができる伝熱管を提供することを課題とする。

本発明に係る伝熱管は、溝部が所定の螺旋周期で螺旋状に形成されたコルゲート管からなり、前記コルゲート管の全長にわたる前記溝部の間に、管軸方向に沿って複数形成された凹部を備え、前記凹部は、管外面から管内面に向かって凹むように形成されると共に、前記凹部は、管軸方向の長さが、前記溝部の溝ピッチ幅の５０～９０％であり、管内部を流れる流体のレイノルズ数は、２０００以下であることを特徴とする。

本発明に係る伝熱管によれば、溝部の間に所定の長さの凹部が形成されるため、溝部に沿って流れる２次流としての副流が、管内壁面から突出する凹部に衝突して３次流としての反流が形成される。この３次流が、１次流に２次流を合流させるように働くため、管内壁面に境界層が形成されることが抑制される。その結果、流体間の熱交換が阻害されないため、伝熱管の熱伝達率が向上する。

本発明に係る伝熱管は、前記凹部が、前記螺旋周期の２周期中に複数形成されていることが好ましい。
本発明に係る伝熱管によれば、螺旋周期の２周期中に複数の凹部が形成されるため、管内面に形成される凹部の数が増加する。それにより、凹部によって形成される３次流の形成が促進される。その結果、３次流によって２次流が１次流にさらに合流し易くなり、伝熱管の熱伝達率がさらに向上する。

本発明に係る伝熱管は、２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれが、同一直線上に形成されていることが好ましい。
また、本発明に係る伝熱管は、２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれが、管周方向で互いに３６０度離れた位置に形成されていることが好ましい。
本発明に係る伝熱管によれば、複数の凹部が同一直線上に形成され、すなわち、３６０度離れた位置に形成されるため、１周期毎に管周方向の同一位置に凹部が形成される。その結果、伝熱管の製造において凹部の形成が容易となり、製造コストが低下する。

本発明に係る伝熱管は、２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれが、異なる直線上に形成されていることが好ましい。
また、本発明に係る伝熱管は、２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれが、管周方向で互いに１８０度離れた位置に形成されていることが好ましい。
また、本発明に係る伝熱管は、２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれが、管周方向で互いに２４０度または１２０度離れた位置に形成されていることが好ましい。
また、本発明に係る伝熱管は、２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれが、管周方向で互いに２７０度または９０度離れた位置に形成されていることが好ましい。

本発明に係る伝熱管によれば、２周期中に複数形成されている凹部が異なる直線上に形成されている。また、その凹部のそれぞれが管周方向で互いに所定角度離れた位置に形成されている。それにより、管全長にわたって形成される凹部のそれぞれが、管軸に直交する管側面視において互いに所定角度離れた位置に形成される。そして、管内面に形成される凹部の配置が、管周方向で均等になる。その結果、凹部によって形成される３次流によって、２次流が１次流にさらに合流し易くなり、伝熱管の熱伝達率がさらに向上する。

本発明に係る伝熱管は、前記凹部が、前記螺旋周期の１周期毎に形成されていることが好ましい。
本発明に係る伝熱管によれば、凹部が螺旋周期の１周期毎に形成されているため、管内面に形成される凹部の数が増加する。それにより、凹部によって形成される３次流の形成が促進される。その結果、３次流によって２次流が１次流にさらに合流し易くなり、伝熱管の熱伝達率がさらに向上する。

本発明に係る伝熱管は、前記凹部が、予め設定された前記螺旋周期の間隔をあけて形成されていることが好ましい。
本発明に係る伝熱管によれば、螺旋周期の所定間隔をあけて凹部が形成されているため、管内面に形成される凹部の配置が、管周方向で均等になる。その結果、凹部によって形成される３次流によって、２次流が１次流にさらに合流し易くなり、伝熱管の熱伝達率がさらに向上する。
本発明に係る伝熱管は、管内部を流れる流体のレイノルズ数が２０００以下の場合、流体を供給するポンプの圧力を低下させることができ、ポンプ運転動力が低減する。

本発明に係る伝熱管は、境界層の形成が抑制でき、熱伝達率が向上する。また、本発明に係る伝熱管は、低流速域で好適であるため、流体を供給するポンプの運転動力を低下させることができ、省エネ化が図れる。

本発明の第１実施形態の係る伝熱管の構成を示す斜視図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線での管側面視における断面図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線での断面図であって、管内部の流体の流れを模式的に示すものである。 本発明の第２実施形態に係る伝熱管の構成を示す正面図である。 図４のＶＡ－ＶＡ線での断面図であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図４のＶＢ－ＶＢ線での断面図であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 本発明の第３実施形態に係る伝熱管の構成を示す正面図であって、伝熱管の背面側に形成された凹部は簡略化して示すものである。 図６のＶＩＩＡ－ＶＩＩＡ線であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図６のＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図６のＶＩＩＣ－ＶＩＩＣ線での断面図であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 本発明の第３実施形態に係る伝熱管の他の構成を示す正面図であって、伝熱管の背面側に形成された凹部は簡略化して示すものである。 図８のＩＸＡ－ＩＸＡ線であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図８のＩＸＢ－ＩＸＢ線であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図８のＩＸＣ－ＩＸＣ線での断面図であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 本発明の第４実施形態に係る伝熱管の構成を示す正面図であって、伝熱管の背面側に形成された凹部は簡略化して示すものである。 図１０のＸＩＡ－ＸＩＡ線であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図１０のＸＩＢ－ＸＩＢ線であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図１０のＸＩＣ－ＸＩＣ線での断面図であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図１０のＸＩＤ－ＸＩＤ線での断面図であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 本発明の第４実施形態に係る伝熱管の他の構成を示す正面図である。 図１２のＸＩＩＩＡ－ＸＩＩＩＡ線であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図１２のＸＩＩＩＢ－ＸＩＩＩＢ線であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図１２のＸＩＩＩＣ－ＸＩＩＩＣ線での断面図であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 図１２のＸＩＩＩＤ－ＸＩＩＩＤ線での断面図であって、管側面視における凹部の配置を溝部等の記載は省略して示すものである。 伝熱管の熱伝達率を測定する試験装置を模式的に示す模式図である。 レイノルズ数Ｒｅと熱伝達率Ｎｕとの関係を示すグラフ図である。

本発明の実施形態に係る伝熱管ついて、具体的に説明する。
伝熱管は、管内の流体、好ましくは単相流流体と、管外の熱媒体との間で熱交換を行うものである。伝熱管の管内には、水及びブライン等の単相流流体が流れる。一方、管外の熱媒体は、本発明の伝熱管を使用する分野により異なる。本発明の伝熱管の使用分野が、ヒートポンプ給湯器のように水－冷媒熱交換器の場合には、管外面に自然冷媒又はフロン冷媒が流れる。そして、使用分野が、ガス給湯器のように水－水熱交換器に使用される二重管式熱交換器の場合は、管外にも水等の単相流流体が流れる。また、他の技術分野においても、例えば、太陽熱温水器のソーラーパネルの温水配管に本発明の伝熱管を使用する場合は、太陽が出す輻射線等の電磁波が管外面に吸収されて生じる輻射熱が伝熱管に作用する。また、本発明の伝熱管を地中に埋め込んで、土壌と管外面とが接触する水－土壌熱交換器の分野に伝熱管を使用する場合は、土壌に蓄積された熱と管外面との間で熱交換が生じる。なお、管内を流れる単相流流体の流速を表すレイノズル数は、２０００以下が好ましい。レイノズル数が２０００以下であると、管内に供給される流体の流量が低減され、流体を供給するポンプ運転動力を低減できるため、機器の省電力化が図れる。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る伝熱管について、図面を参照して説明する。
図１～図３に示すように、伝熱管１は、管外面から管内面に向かって凹むように溝部３が所定の螺旋周期で螺旋状に形成されたコルゲート管２からなり、コルゲート管２の全長にわたる螺旋状の溝部３の間に、管軸方向に沿って複数形成された凹部４を備え、凹部４は管外面から管内面に向かって凹むように形成されている。そして、伝熱管１は、凹部４の管軸方向の長さＬｄが、溝部３の溝ピッチ幅Ｐｃに対する割合で特定されている。また、伝熱管１は、凹部４が、溝部３の螺旋周期の１周期毎に形成され、２周期中に複数形成されている。また、伝熱管１は、２周期中に複数形成された凹部４のそれぞれの長さ方向が、管正面視の同一直線上に形成されている。また、伝熱管１は、凹部４が予め設定された螺旋周期の間隔をあけて形成されている。

例えば、伝熱管１は、凹部４が螺旋周期の２周期中に２個形成され、１周期毎に１個の凹部４が形成されている。また、伝熱管１は、２周期中に２個形成された凹部４のそれぞれの長さ方向が、管正面視の管軸に対して平行な１つの直線上に形成されている。また、伝熱管１は、凹部４のそれぞれが管周方向で互いに３６０度離れた位置に形成されている。また、伝熱管１は、凹部４が螺旋周期の１周期の間隔をあけて管周方向に形成されている。

伝熱管１の各構成について、具体的に説明する
（コルゲート管）
コルゲート管２は、管本体部の管外面に螺旋状の溝部３が形成されたものである。そして、管本体部の材質は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ステンレス、チタン等の熱が伝導する金属材料からなり、特に、銅または銅合金のような熱伝導率が良好なものであれば、なお好適である。また、コルゲート管２の管本体部の寸法は、伝熱管の使用分野によって適宜設定されるが、例えば、管外径は６～２０ｍｍ、管内径は５～１９ｍｍである。

（溝部）
溝部３は、管本体部である平滑管の外面に、先端が先鋭な工具を押し当て、この状態で、例えば、管を回転させつつ管軸方向に工具を移動させることによって、管全長で螺旋状に１本形成された溝である。図２、図３に示すように、溝部３の形成によって、コルゲート管２の管内壁面には突起が形成され、この突起に沿って管内壁面の近傍を螺旋状に流れる流体の副流Ｆ２が生成される。

溝部３の溝ピッチ幅Ｐｃは、１５～２５ｍｍであることが好ましい。溝ピッチ幅Ｐｃが１５ｍｍ以上であると、副流Ｆ2が衝突して流体の反流Ｆ３１を生成する所定長さ以上の凹部４を溝部３の間に形成できる。また、溝ピッチ幅Ｐｃが２５ｍｍ以下であると、凹部４によって管中心部を流れる流体の主流Ｆ１の乱流化が促進されることがなく、圧力損失を抑制することができる。

溝部３の溝深さＤｃは、０．６～１．２ｍｍであることが好ましい。溝深さＤｃが０．６ｍｍ以上であると、副流Ｆ２の生成が促進される。また、溝深さＤｃが１．２ｍｍ以下であると、溝部３によって管中心部の主流Ｆ１の乱流化が促進されることがなく、圧力損失を抑制することができる。

なお、溝部３は、１本の螺旋状の条により形成されている。この場合，溝ねじれ角θは、管外径、溝ピッチ幅Ｐｃ、条数が決まれば一義的に決まる。例えば、この溝ねじれ角θは４８～６５度である。また、溝部３の溝幅Ｗｃは、例えば、１．７～５．５ｍｍである。

（凹部）
凹部４は、コルゲート管２の外面の所定位置に、先端が先鋭な工具を押し当てることによって形成される。図２、図３に示すように、凹部４の形成によって、コルゲート管２の管内壁面には突起が形成される。

図１に示すように、凹部４の管軸方向の長さＬｄは、溝ピッチ幅Ｐｃの５０～９０％とする。凹部４の長さＬｄが溝ピッチ幅Ｐｃの５０％以上であると、副流Ｆ2が凹部４に衝突して反流Ｆ３１を生成するため、前記した反流Ｆ３１～Ｆ３４による流体の撹拌によって主流Ｆ１に副流Ｆ２が合流して、境界層が生成されなくなる。また、凹部４の長さＬｄが溝ピッチ幅Ｐｃの９０％以下であると、凹部４によって主流Ｆ１の乱流化が促進されることがなく、圧力損失を抑制することができる。

図２に示すように、凹部４の管径方向の深さＤｄは、管外径の６～２０％であることが好ましい。凹部４の深さＤｄが管外径の６％以上であると、副流Ｆ２が凹部４に衝突しやすく、反流Ｆ３１～Ｆ３４が生成しやすい。また、凹部４の深さＤｄが管外径の２０％以下であると、凹部４によって主流Ｆ１の乱流化が促進されることがなく、圧力損失を抑制しやすい。

なお、凹部４の管周方向の幅Ｗｄは、凹部４の形成作業のしやすさ、主流Ｆ１の乱流促進を抑制できる大きさであること等を考慮して、適宜設定される。例えば、凹部４の幅Ｗｄは管周長さの１１～２６％であることが好ましい。

図３に示すように、伝熱管１の管内面に流体が供給されると、凹部４によって形成される突起に、管内壁面近傍を螺旋状に流れる流体の副流Ｆ２が衝突して、管中心部を流れる流体の主流Ｆ１とは反対方向に流れる流体の反流Ｆ３１が生成される。反流Ｆ３１は、凹部４の底面に沿って流れ、溝部３に衝突して、溝部３に沿って副流Ｆ２とは反対方向に流れる反流Ｆ３２となる。反流Ｆ３２は、管内壁面に衝突して、管内壁面に沿って反流Ｆ３１とは反対方向に流れる反流Ｆ３３となる。反流Ｆ３３は、溝部３に衝突して、溝部３に沿って反流Ｆ３２とは反対方向に流れる反流Ｆ３４となる。反流Ｆ３４は、再び凹部４によって形成される突起に衝突して反流Ｆ３１となる。このように凹部４によって形成される突起によって、反流Ｆ３１～Ｆ３４が繰り返し生成されることによって、管内壁面近傍の流体が撹拌され、主流Ｆ１に副流Ｆ２が合流する。その結果、管内壁面近傍に境界層が生成されなくなり、流体間の熱交換が向上するため、伝熱管１の熱伝達率が高くなる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る伝熱管について、図面を参照して説明する。
図４～図５Ｂに示すように、本発明の第２実施形態に係る伝熱管１Ａは、溝部３の螺旋周期の２周期中に複数形成された凹部４のそれぞれの長さ方向が、管正面視の管軸に対して平行な２つの直線上に形成されていること以外は、第１実施形態１の伝熱管１（図１参照）と同一構成を備える。

例えば、伝熱管１Ａは、凹部４が螺旋周期の２周期中に４個形成され、１周期毎に２個の凹部４が形成されている。また、伝熱管１Ａは、２周期中に４個形成された凹部４のそれぞれの長さ方向が、管正面視の管軸に対して平行な２つの直線上に形成されている。また、伝熱管１Ａは、２周期中に形成されている凹部４のそれぞれが、管周方向で互いに１８０度離れた位置に形成されている。また、伝熱管１Ａは、凹部４が螺旋周期の１／２周期の間隔をあけて管周方向に形成されている。また、伝熱管１Ａは、コルゲート管２の全長にわたって複数形成されている凹部４のそれぞれが、管側面視において管周方向で互いに１８０度離れた位置に形成されている。

伝熱管１Ａは、コルゲート管２の全長にわたって複数形成されている凹部４が、管側面視において管周を均等に２分割する位置に形成されている。伝熱管１Ａは、図示しないが、複数形成されている凹部４が、管側面視において管周を不均等に分割する２箇所に形成されていてもよい。例えば、伝熱管１Ａは、２箇所目の凹部４が、１箇所目の凹部４から管周方向に９０度離れた位置に形成されていてもよい。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る伝熱管について、図面を参照して説明する。
図６～図７Ｃに示すように、本発明の第３実施形態に係る伝熱管１Ｂは、溝部３の螺旋周期の２周期中に複数形成された凹部４のそれぞれの長さ方向が、管正面視の管軸に対して平行な３つの直線上に形成されていること以外は、第２実施形態の伝熱管１Ａ（図４～図５Ｂ参照）と同一構成を備える。

例えば、伝熱管１Ｂは、凹部４が螺旋周期の２周期中に３個形成され、１周期毎に１個または２個の凹部４が形成されている。また、伝熱管１Ｂは、２周期中に３個形成された凹部４のそれぞれの長さ方向が、管正面視の管軸に対して平行な３つの直線上に形成されている。また、伝熱管１Ｂは、２周期中に形成されている凹部４のそれぞれが螺旋進行方向（図では時計方向）において、管周方向で互いに２４０度離れた位置に形成されている。また、伝熱管１Ｂは、凹部４が螺旋周期の２／３周期の間隔をあけて管周方向に形成されている。また、伝熱管１Ｂは、コルゲート管２の全長にわたって複数形成されている凹部４のそれぞれが、管側面視において管周方向で互いに１２０度離れた位置に形成されている。

また、本発明の第３実施形態に係る伝熱管の他の構成について、図面を参照して説明する。
図８～図９Ｃに示すように、他の構成の伝熱管１Ｃは、溝部３の螺旋周期の２周期中に複数形成された凹部４のそれぞれが、螺旋進行方向（図では時計方向）において、管周方向で互いに１２０度離れた位置に形成されていること以外は、第３実施形態の伝熱管１Ｂ（図６～図７Ｃ参照）と同一構成を備える。

例えば、伝熱管１Ｃは、凹部４が螺旋周期の２周期中に６個形成され、１周期毎に３個の凹部４が形成されている。また、伝熱管１Ｃは、凹部４が螺旋周期の１／３周期の間隔をあけて管周方向に形成されている。また、伝熱管１Ｃでも、伝熱管１Ｂと同様に、コルゲート管２の全長にわたって複数形成されている凹部４のそれぞれが、管側面視において管周方向で互いに１２０度離れた位置に形成されている。

伝熱管１Ａ、１Ｂは、コルゲート管２の全長にわたって複数形成されている凹部４が、管側面視において管周を均等に３分割する位置に形成されている。伝熱管１Ａ、１Ｂは、図示しないが、複数形成されている凹部４が、管側面視において管周を不均等に分割する３箇所に形成されていてもよい。例えば、伝熱管１Ａ、１Ｂは、２箇所目の凹部４が１箇所目の凹部４から螺旋進行方向において管周方向に９０度離れた位置に形成され、３箇所目の凹部４が２箇所目の凹部４から螺旋進行方向において管周方向に１２０度離れた位置に形成されていてもよい。

＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態に係る伝熱管について、図面を参照して説明する。
図１０～図１１Ｄに示すように、本発明の第４実施形態に係る伝熱管１Ｄは、溝部３の螺旋周期の２周期中に複数形成された凹部４のそれぞれが、螺旋進行方向において管周方向で互いに２７０度離れた位置に形成されていること以外は、第３実施形態の伝熱管１Ｂ（図６～図７Ｃ参照）と同一構成を備える。

例えば、伝熱管１Ｄは、凹部４が螺旋周期の２周期中に３個形成され、１周期毎に１個または２個の凹部４が形成されている。また、伝熱管１Ｄは、２周期中に３個形成された凹部４のそれぞれの長さ方向が、管正面視の管軸に対して平行な３つの直線上に形成されている。また、伝熱管１Ｄは、凹部４のそれぞれが、螺旋進行方向において管周方向で互いに２７０度離れた位置に形成されている。

また、伝熱管１Ｄは、凹部４が螺旋周期の３周期中に４個形成され、３周期中に４個形成された凹部４のそれぞれの長さ方向が、管正面視の管軸に対して平行な４つの直線上に形成されている。また、伝熱管１Ｄは、凹部４のそれぞれが、螺旋進行方向において管周方向で互いに２７０度離れた位置に形成されている。

また、伝熱管１Ｄは、凹部４が螺旋周期の３／４周期の間隔をあけて管周方向に形成されている。そして、伝熱管１Ｄは、コルゲート管２の全長にわたって複数形成されている凹部４のそれぞれが、管側面視において管周方向で互いに９０度離れた位置に形成されている。

また、本発明の第４実施形態に係る伝熱管の他の構成について、図面を参照して説明する。
図１２～図１３Ｄに示すように、他の構成の伝熱管１Ｅは、溝部３の螺旋周期の２周期中に複数形成された凹部４のそれぞれの長さ方向が管正面視の管軸に対して平行な４つの直線上に形成されていること、凹部４のそれぞれが螺旋進行方向（図では時計方向）において管周方向で互いに９０度離れた位置に形成されていること以外は、第４実施形態の伝熱管１Ｄ（図１０～図１１Ｄ参照）と同一構成を備える。

例えば、伝熱管１Ｅは、凹部４が螺旋周期の２周期中に８個形成され、１周期毎に４個の凹部４が形成されている。また、伝熱管１Ｅは、螺旋周期の２周期中に８個形成された凹部４のそれぞれが、螺旋進行方向（図では時計方向）において、管周方向で互いに９０度離れた位置に形成されている。また、伝熱管１Ｅは、凹部４が螺旋周期の１／４周期の間隔をあけて管周方向に形成されている。また、伝熱管１Ｅでも、伝熱管１Ｄと同様に、コルゲート管２の全長にわたって複数形成されている凹部４のそれぞれが、管側面視において管周方向で互いに９０度離れた位置に形成されている。

伝熱管１Ｄ、１Ｅは、コルゲート管２の全長にわたって複数形成されている凹部４が、管側面視において管周を均等に４分割する位置に形成されている。伝熱管１Ｄ、１Ｅは、図示しないが、複数形成されている凹部４が、管側面視において管周を不均等に分割する４箇所に形成されていてもよい。例えば、伝熱管１Ｄ、１Ｅは、２箇所目の凹部４が１箇所目の凹部４から螺旋進行方向において管周方向に４５度離れた位置に形成され、２、３、４箇所目の凹部４が管周方向で互いに９０度離れた位置に形成されていてもよい。

＜変形例＞
本発明に係る伝熱管は、図示しないが、以下のような構成であってもよい。
本発明に係る伝熱管は、同一の長さＬｄを有する凹部４を複数形成しているが、長さＬｄが他の凹部４と比べて長い凹部４と、長さＬｄが他の凹部４と比べて短い凹部４とを混合して複数形成してもよい。

本発明に係る伝熱管は、複数の凹部４のそれぞれの長さ方向が、管正面視の管軸に対して平行な直線上に形成されている。伝熱管は、凹部４のそれぞれの長さ方向が、管正面視の管軸に対して平行な直線から管周方向に傾斜して形成された凹部４であってもよい。

本発明に係る伝熱管は、溝部３の螺旋周期の１周期毎に少なくとも１個の凹部４を形成して、複数周期にわたって連続して形成されているが、凹部４を形成しない周期を含めて複数周期にわたって凹部４を不連続に形成してもよい。

本発明に係る伝熱管は、２周期中に複数形成されている凹部のそれぞれの長さ方向が、管正面視の管軸に平行な５つ以上の直線上に形成されていてもよい。

本発明に係る伝熱管は、コルゲート管２に複数の溝部を形成してもよい。複数の溝部は、主溝部である溝部３と、溝部３による副流Ｆ２（図３参照）の形成を補助するように働く補助溝部とからなる。補助溝部は、管外面から管内面に向かって凹むように、管全長にわたって螺旋状に形成される。そして、補助溝部は、溝部３と交差するように形成してもよいし、溝部３と交差しないように形成してもよい。補助溝部の溝ピッチ幅Ｐｃ、溝深さＤｃ、溝ねじれ角θ、溝幅Ｗｃは、溝部３と同じであってもよいし、溝部３と異なってもよい。また、補助溝部の螺旋巻き方向は、管側面視において、溝部３と同方向であってもよいし、逆方向であってもよい。そして、補助溝部は、凹部４と交差するように形成してもよいし、凹部４と交差しないように形成してもよい。なお、複数の溝部をコルゲート管２に形成した場合であっても、凹部４の管軸方向の長さは、溝部３の溝ピッチ幅Ｐｃに対する割合で特定される。

以下、本発明の効果を実証するために、本発明の範囲に入る実施例と、本発明の範囲から外れる比較例とについて説明する。

まず、伝熱管の熱伝達率を測定する試験方法について説明する。図１４はこの試験装置を示す模式図である。本試験装置においては、加熱側及び給湯側の双方に水を媒体として使用した。熱交換槽１３内には加熱水が貯留されており、この加熱水は、加熱水タンク２１から、配管２２ａを介して供給され、配管２２ｂを介して、加熱水タンク２１に戻される。熱交換槽１３内には、伝熱管１が水平に配置されており、この伝熱管１内には、給湯水タンク１１から、給湯水が、配管１２ａを介して供給され、伝熱管１を通流した後、配管１２ｂを介して、給湯水タンク１１に戻される。加熱水タンク２１は、加熱水の温度が、恒温循環装置２４により、一定温度（３２℃，３７℃又は４２℃）になるように、制御される。また、給湯水タンク１１は、給湯水の温度が、恒温循環装置１８により、２０℃に一定に制御される。

給湯水は混合器２０ａ、２０ｂを介して、伝熱管１に出入りするが、この伝熱管１への給湯水の出入口温度は、この伝熱管の出入口に設置した混合器２０ａ、２０ｂにおいて、白金測温抵抗体を使用して、測定することができる。給湯水の流量は、バルブ２５により、一定流量になるように、段階的に調節する。また、熱交換槽１３内の伝熱管１の平均温度は、温度変化に伴う電気抵抗値の変化により測定することができる。そして、この伝熱管１の出入口に設置した圧力タップの圧力を配管１６により差圧変換器１７に導き、差圧変換器１７を、５０ｋＰａ，１０ｋＰａ，又は１ｋＰａに切り替えて測定する。なお、熱交換槽１３内は撹拌器１４により撹拌され、給湯水タンク１１内は撹拌器１９により撹拌され、加熱水タンク２１内は撹拌器２３により撹拌されて、水の温度の均一化が図られている。

冷却水の熱交換量Ｑｓは、給湯水流量をＷ、定圧比熱をｃｐ、給湯出口温度をＴｓｏｕｔ、給湯入口温度をＴｓｉｎとして、下式（１）により求めることができる。また、熱伝達係数αｉは、熱流束をｑｉ、電圧降下により求めた管平均温度をＴｗｉ、管の熱伝導を考慮して修正した管内壁面温度をＴｗｍ、給湯水の出入口温度の算術平均温度をＴｓｍとして、下式（２）により求めることができる。但し、ｑｉ、Ｔｗｉ、Ｔｓｍは、夫々下式（３）、（４）、（５）により求めることができる。なお、Ｌは有効伝熱長さ，ｄｉは最大内径、ｄｏは外径、λは銅の熱伝達率、δは肉厚を表す。そして、伝熱管１の熱伝達率の指標である管内ヌッセルト数Ｎｕｉは、下式（６）により求まる。また、そのときの伝熱管１の管内を流れる流体の流速の指標であるレイノルズ数Ｒｅは、下式（７）により求まる。但し、ρは給湯水の密度、ｖｉは給湯水の流速、μは給湯水の粘性係数である。

（実施例）
実施例の伝熱管として、図１～図３に示す伝熱管１を準備した。伝熱管１の各部の寸法は、以下の通りとした。
コルゲート管２の管外径：１２．５ｍｍ
コルゲート管２の管内径：１１．４ｍｍ
溝部３の条数：１つ
溝部３の溝ねじれ角θ：５４度
溝部３の溝深さＤｃ：０．９ｍｍ
溝部３の溝ピッチ幅Ｐｃ：２０ｍｍ
凹部４の長さＬｄ：１５．５ｍｍ
凹部４の幅Ｗｄ：５．５ｍｍ
凹部４の深さＤｄ：１．８６９ｍｍ
実施例の伝熱管１について、管内を流れる流体の流速（レイノズル数Ｒｅ）と、熱伝達率（ヌッセルト数Ｎｕ）との関係を前記試験方法で測定した。その結果を図１５に示す。

（比較例）
比較例の伝熱管として、凹部４が形成されていないこと以外は実施例と同様の伝熱管を準備した。比較例の伝熱管について、レイノズル数Ｒｅとヌッセルト数Ｎｕとの関係を実施例と同様にして測定した。その結果を図１５に示す。

図１５に示すように、実施例の伝熱管は、低レイノルズ数域において、比較例の伝熱管に比べて熱伝達率が高いという結果が得られた。特に、２０００以下の低レイノルズ数域において、実施例の伝熱管は、比較例の伝熱管に比べて熱伝達率が高いという結果が得られた。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 伝熱管
２ コルゲート管
３ 溝部
４ 凹部
Ｐｃ 溝ピッチ幅
Ｗｃ 溝幅
Ｄｃ 溝深さ
θ 溝ねじれ角
Ｌｄ 長さ
Ｗｄ 幅
Ｄｄ 深さ
Ｆ１ 主流
Ｆ２ 副流
Ｆ３１、Ｆ３２、Ｆ３３、Ｆ３４ 反流

Claims (10)

1. 溝部が所定の螺旋周期で螺旋状に形成されたコルゲート管からなり、
   前記コルゲート管の全長にわたる前記溝部の間に、管軸方向に沿って複数形成された凹部を備え、
   前記凹部は、管外面から管内面に向かって凹むように形成されると共に、
   前記凹部は、管軸方向の長さが、前記溝部の溝ピッチ幅の５０～９０％であり、
   管内部を流れる流体のレイノルズ数は、２０００以下であることを特徴とする伝熱管。
2. 前記凹部は、前記螺旋周期の２周期中に複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の伝熱管。
3. ２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれは、同一直線上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の伝熱管。
4. ２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれは、管周方向で互いに３６０度離れた位置に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の伝熱管。
5. ２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれは、異なる直線上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の伝熱管。
6. ２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれは、管周方向で互いに１８０度離れた位置に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の伝熱管。
7. ２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれは、管周方向で互いに２４０度または１２０度離れた位置に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の伝熱管。
8. ２周期中に複数形成されている前記凹部のそれぞれは、管周方向で互いに２７０度または９０度離れた位置に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の伝熱管。
9. 前記凹部は、前記螺旋周期の１周期毎に形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の伝熱管。
10. 前記凹部は、予め設定された前記螺旋周期の間隔をあけて形成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の伝熱管。

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