JPH06307787A - 内面加工伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】作動媒体として非共沸混合冷媒を用いる冷凍装
置又は空気調和装置の熱交換器用伝熱管として、内面に
形状と高さを特定した高いフィンを設け、伝熱管中心部
での熱交換を促進し、伝熱性能の低下を防ぐ。 【構成】内面にらせん溝、又は管軸方向に連続する溝を
有する伝熱管２であって、前記内面溝に加えて管軸方向
又は、管軸に対して螺旋方向に、液膜及び低沸点成分の
層よりも十分突出する高さのフィン１ａを備え、前記フ
ィン高さと形状を特定した内面加工伝熱管。 【効果】フィン高さが液膜、低沸点成分の層よりも突出
しているので凝縮時、伝熱管中心部の高沸点成分がリッ
チなガス冷媒を積極的に凝縮させることができ、蒸発時
には、伝熱管中心部を流れる液滴を有効に蒸発させるこ
とができるため、乾き度が高い領域での熱伝達を促進す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷凍装置、空気調和機の
クロスフィンチューブ式の熱交換器に用いる内面加工伝
熱管に係わり、特に非共沸混合冷媒を用い管内をながれ
る流体が管内で相変化を伴う用途に適した内面加工伝熱
管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から冷凍装置、空調機等には単一冷
媒、または共沸混合冷媒が用いられていたが、オゾン層
破壊、地球温暖化等の環境問題の深刻化により規制が強
化され、作動媒体として使える冷媒は限られてきた。空
調機用の冷媒を例にとると、従来から使用されてきたＨ
ＣＦＣ２２（ハイドロクロロフルオロカ−ボン２２の
略）は、オゾン層を破壊する塩素が含まれているため、
ＨＦＣ系（ハイドロフルオロカ−ボン系の略）の冷媒に
移行することになった。しかしＨＦＣ系冷媒はいずれも
単一冷媒ではＨＣＦＣ２２と同等の特性が得られないた
めに、非共沸を含む２種又は３種の混合冷媒を用いるこ
とが考えられている。多成分系の媒体を使用した冷凍サ
イクルを実用化するためには、熱交換器における非共沸
混合冷媒の伝熱性能の低下を克服し、性能向上を図るこ
とが重要となる。

【０００３】冷媒側の伝熱性能を向上させる手段とし
て、内面に加工を施した伝熱管が使用されている（以
下、内面溝付伝熱管ともいう）。内面螺旋溝付伝熱管は
銅製円管等の内面に多数の微細な溝を螺旋状に設けたも
のであり、溝の深さ、溝の形状、溝の捩じれ角等を特定
することによって性能を向上させたものが数多く提案さ
れている。また、山部の先端が尖っている方が性能が高
いことが知られているが、従来のクロスフィンチューブ
式熱交換器に組み立てる際の拡管工程で山部の先端は潰
されてしまう。この拡管によるつぶれを最小限に抑える
ために一定ピッチで高い山部を設けるという内面構造等
も提案されているが（例えば特願平４−１２１８３号に
記載のもの）、機械拡管方式をとる以上、絶対的な山部
の高さ（あるいは溝深さ）は限定されていた。この問題
を解決するものには、例えば特開平４−３１６９９１号
公報に記載されているように、水蒸気圧拡管法を用いる
ものがあり、伝熱管内面に複雑な加工を施すことも可能
となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】非共沸混合冷媒の相変
化の際の熱伝達率は、それぞれの単一成分を用いた場合
よりも低下することが知られている。これは凝縮の場
合、気液界面において高沸点成分が多く凝縮し低沸点成
分が気相側に濃縮され、拡散抵抗及び熱抵抗が生じるこ
とに起因している。蒸発の場合も同様な現象が起こるこ
とによって説明できる。

【０００５】図１３に一般の溝付管での混合冷媒と単一
冷媒との凝縮実験結果を示す。図１３において縦軸は熱
伝達率、横軸は乾き度の変化を示す。図１３から分かる
ように、混合冷媒は内面溝による平滑管に対する伝熱促
進効果がよく現われているのがわかる。しかし、乾き度
が高い領域で伝熱促進効果を単一冷媒と比べると効果が
少ないと見做すことができる。この伝熱性能低下の要因
は主として乾き度が高い領域での熱伝達に拡散抵抗の影
響があるためと考えられる。

【０００６】この理由を図１４を用いて説明する。図１
４に一般的に用いられている内面溝付管の管断面と単一
冷媒の凝縮過程を示す。過熱状態で熱交換器に流入した
冷媒蒸気は、伝熱面と接触して冷却、液化される。内面
溝による効果は、この凝縮液膜を掻き落し、冷媒蒸気に
対し常に新しい伝熱面を露出させることである。図１５
に混合冷媒の凝縮過程を示す。一方、非共沸混合冷媒の
場合、凝縮開始点付近で高沸点成分が先に凝縮すると、
伝熱面近傍に低沸点成分の濃いガス域ができる。この低
沸点成分の層が内面溝の山部の高さより厚い場合、この
層が抵抗になって伝熱が阻害される。これにより、乾き
度が高い領域での伝熱性能が低下する問題がある。

【０００７】本発明の目的は、気液二相で流れる混合冷
媒の一成分が界面において滞留するのを防ぐとともに、
伝熱管中央部において、凝縮が促進される伝熱管を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の内面加工伝熱管は、管内面に螺旋状の連続
する溝を有する伝熱管であって、螺旋方向に沿ってフィ
ン高さが伝熱管内半径より小さく、かつ前記管螺旋状の
連続する溝の山部より高いハイフィンを一定のピッチで
設けたことを特徴とするものである。

【０００９】又、管内面に螺旋状の連続する溝を有する
伝熱管であって、螺旋方向に沿ってフィン高さが伝熱管
内半径より小さく、かつ前記管螺旋状の連続する溝の山
部より高いハイフィンを一定のピッチで管軸方向に並行
に設けたことを特徴とするものである。

【００１０】又、管内面に管軸方向に並行に連続する溝
を有する伝熱管であって、管軸方向に沿ってフィン高さ
が伝熱管内半径より小さいハイフィンを一定のピッチで
設けたことを特徴とするものである。

【００１１】又、管内面に管軸方向に並行に連続する溝
を有する伝熱管であって、管軸方向に沿って連続してフ
ィン高さが伝熱管内半径より小さいハイフィンを一定の
ピッチで設けたことを特徴とするものである。

【００１２】又、前記ハイフィンが螺旋方向に沿って連
続して設けられたものである。又、前記ハイフィンが鋸
状に設けられたものである。又、前記ハイフィンの根元
に空隙を設けたものである。

【００１３】

【作用】上記のように内面にらせん溝、又は管軸方向に
連続する溝を有し、これに加えて十分突出する高さのフ
ィンを有するように構成しているので、内面溝の効果に
加えて凝縮の場合、伝熱管中心部に滞留した低沸点成分
蒸気を積極的に凝縮させ、かつ流れをかき乱すことによ
り伝熱管内の濃度分布が不均一になることを防ぐことが
できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例を図１から図７
により説明する。図１は本実施例の内面加工伝熱管の斜
視図、図２は本実施例の内面溝付伝熱管の横断面図、図
３は内面加工伝熱管の斜視図、図４から図７はそれぞれ
図３に示すＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’を結んだ線で切取り展
開したものを示す図である。

【００１５】図１に示すように、内面溝は高いフィン１
ａと低いフィン１ｂによって構成されており、高いフィ
ン１ａの高さは、濃度境界層の厚さよりも高く、伝熱管
内半径よりも小さくなるように構成されている。図１に
示す実施例では、高いフィン１ａは管内周上に９０度の
間隔で４個形成されているが、この間隔は高いフィン１
ａが接触しない範囲で短くすることができる。

【００１６】図３から図７に高いフィン１ａの形状例を
示すように、第１の実施例でいう鋸状とは例えば図５、
図６、図７に示すような形状が考えられるが、３角形の
形状、ピッチ等については高い山部同志が接触しないよ
うに設計される。また、Ａ−Ａ’方向に高い山部が形成
される位置は各山部で一致させてもＡ−Ａ’方向に偏ら
せてもよい。

【００１７】本実施例によれば、混合冷媒の凝縮過程に
用いた場合、小さい内面溝による伝熱促進効果に加え
て、高いフィンにより伝熱管中心部の高沸点冷媒を積極
的に凝縮させる効果がある。また高いフィンと小さい内
面溝は同じ螺旋方向に沿って形成されているため螺旋方
向の流れを分断することはない。さらに高いフィンは鋸
状に形成されているので高いフィンにそった境界層の発
達を妨げる効果もある。さらに山部の形状がＡ−Ａ’方
向に対称でない場合、図７に示すように流れ方向を特定
することも考えられる。ここで、図７に示す白抜きの矢
印は凝縮時の冷媒の流れを示し、黒塗の矢印は蒸発時の
冷媒の流れ方向を示す。凝縮の場合、冷媒は過熱ガスの
状態で流れているので、上流側を一番高くすることによ
り流れをかき乱すと共に中心部での凝縮を促進し液膜を
下へ掻き落す効果がある。蒸発の場合、流れ方向に沿っ
て徐々にフィンを高くすることにより急激な圧力降下を
防ぎ、伝熱管壁付近から飛散した液滴を有効に蒸発させ
ることができる。

【００１８】本発明の第２の実施例を図８により説明す
る。図８は本実施例の内面溝付管の斜視図である。本実
施例においても２つのフィンの高さは第１の実施例と同
様であるが、高いフィンは螺旋方向に連続して形成され
ている。本実施例においても第１の実施例と同様に伝熱
管中心部における伝熱促進効果があるため非共沸混合冷
媒特有の性能の低下を抑えることができる。また高いフ
ィンが連続して形成されているため、低いフィンと同時
に成形する場合の工数が少なくてよい。

【００１９】本発明の第３の実施例を図９により説明す
る。図９は本実施例の内面溝付管の斜視図である。本実
施例では、低いフィンである内面溝は螺旋状に形成され
ているのに対し、高いフィンは管軸方向に平行に形成さ
れている。また、この高いフィンを鋸状に形成すること
もでき、このような構成にすることにより、上述の実施
例と同様に伝熱管中心部での伝熱促進効果がある。この
効果に加えて低いフィンである内面溝を高いフィンが分
断することにより凝縮の場合、伝熱管管頂部で凝縮した
液膜を高いフィンにより掻き落しやすくなり、蒸発の場
合、伝熱面積の増加等の効果が見込まれる。

【００２０】本発明の第４の実施例を図１０により説明
する。図１０は本実施例の内面溝付管の斜視図である。

【００２１】本実施例では、高いフィンの根元に隙間を
設けており、このような構成にすることにより、第２、
３の実施例の効果に加えて、冷媒の液膜は溝に沿って移
動することが可能となるため、凝縮の場合液膜の掻き落
し効果が、蒸発の場合、伝熱管壁が十分に液でぬらされ
るため伝熱性能が向上する。

【００２２】本発明の第５、第６の実施例をそれぞれ図
１１、図１２により説明する。図１１および図１２はそ
れぞれは第５、第６の実施例の内面溝付管の斜視図であ
る。

【００２３】第５、第６の実施例では、図１１、図１２
に示すように、低いフィンである内面溝と高いフィンは
伝熱管管軸方向に平行に形成されている。このような構
成にすることにより、高いフィンによる伝熱管中心部で
の伝熱促進効果に加えて、製作を容易にするという利点
がある。

【００２４】一般的な内面螺旋溝付管の製造方法は、内
面に加工を施しながら引き抜いて作ることが知られてい
る。しかし、以上説明した実施例のように高いフィンを
持つような形状のものは同様な製法ではできないので、
溝及びフィン加工した平板を円形に成形して溶接する伝
縫管として製作することが有効であると考える。

【００２５】また、伝縫管を水平に配置して熱交換器と
して組み立てるときには接合部が底になるように配置し
管内面において接合部の影響が出ないようにすることが
望ましい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の内面溝付
管では、フィン高さが液膜、低沸点成分の層よりも突出
しているので凝縮時、伝熱管中心部の高沸点成分が濃い
ガス冷媒を積極的に凝縮させることができ、蒸発時に
は、伝熱管中心部を流れる液滴を有効に蒸発させること
ができるため、乾き度が高い領域での熱伝達を促進する
ことができる。

【００２７】

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の内面加工伝熱管の斜視図であ
る。

【図２】第１の実施例の内面加工伝熱管の管軸に垂直な
断面図である。

【図３】第１の実施例の内面加工伝熱管の斜視図であ
る。

【図４】図３に示すＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’を結んだ線で
切取った展開図である。

【図５】図３に示すＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’を結んだ線で
切取った展開図である。

【図６】図３に示すＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’を結んだ線で
切取った展開図である。

【図７】図３に示すＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’を結んだ線で
切取った展開図である。

【図８】第２の実施例の内面溝付管の斜視図である。

【図９】第３の実施例の内面溝付管の斜視図である。

【図１０】第４の実施例の内面溝付管の斜視図である。

【図１１】第５の実施例の内面溝付管の斜視図である。

【図１２】第６の実施例の内面溝付管の斜視図である。

【図１３】凝縮熱伝達の実験結果を示す図である。

【図１４】内面溝付管の管断面と単一冷媒の凝縮過程を
示す図である。

【図１５】混合冷媒の凝縮過程を示す図である。

【符号の説明】

１ａ…高いフィン、１ｂ…低いフィン、２…伝熱管、３
…凝縮液膜、４…冷媒蒸気（単一冷媒）、５ａ…高沸点
成分が濃い冷媒蒸気（非共沸混合冷媒）、５ｂ…低沸点
成分が濃い冷媒蒸気（非共沸混合冷媒）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松嶋 弘章 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 楠本 寛 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管内面に螺旋状の連続する溝を有する伝熱
   管であって、螺旋方向に沿ってフィン高さが伝熱管内半
   径より小さく、かつ前記管螺旋状の連続する溝の山部よ
   り高いハイフィンを一定のピッチで設けたことを特徴と
   する内面加工伝熱管。
2. 【請求項２】管内面に螺旋状の連続する溝を有する伝熱
   管であって、螺旋方向に沿ってフィン高さが伝熱管内半
   径より小さく、かつ前記管螺旋状の連続する溝の山部よ
   り高いハイフィンを一定のピッチで管軸方向に並行に設
   けたことを特徴とする内面加工伝熱管。
3. 【請求項３】管内面に管軸方向に並行に連続する溝を有
   する伝熱管であって、管軸方向に沿ってフィン高さが伝
   熱管内半径より小さいハイフィンを一定のピッチで設け
   たことを特徴とする内面加工伝熱管。
4. 【請求項４】管内面に管軸方向に並行に連続する溝を有
   する伝熱管であって、管軸方向に沿って連続してフィン
   高さが伝熱管内半径より小さいハイフィンを一定のピッ
   チで設けたことを特徴とする内面加工伝熱管。
5. 【請求項５】前記ハイフィンが螺旋方向に沿って連続し
   て設けられたものである請求項１から４のいずれかに記
   載の内面加工伝熱管。
6. 【請求項６】前記ハイフィンが鋸状に設けられたもので
   ある請求項１から４のいずれかに記載の内面加工伝熱
   管。
7. 【請求項７】前記ハイフィンの根元に空隙を設けた請求
   項１から４のいずれかに記載の内面加工伝熱管。