内面溝付伝熱管

【課題】圧力損失を増大することなしに熱交換性能を高めることができる内面溝付伝熱管を得る。
【解決手段】金属管の内周面がその周方向において２以上の領域Ｒ１〜Ｒ４に区分され、これら各領域のそれぞれに伝熱管１の軸線方向に並ぶ多数のフィン２が形成され、奇数番の領域Ｒ１，Ｒ３に含まれるフィン２は伝熱管軸線に対して１０〜２５゜傾斜するとともに、偶数番の領域Ｒ２，Ｒ４に含まれるフィン２は伝熱管軸線に対して−１０〜−２５゜傾斜し、周方向に隣接するフィン２同士の間には間隙４Ａが形成されている。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空調装置や冷却装置の熱交換器等に用いられる内面溝付伝熱管に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の内面溝付伝熱管は、空調装置や冷却装置の熱交換器等において蒸発管または凝縮管として主に使用されるもので、最近では内面の全面に亙って螺旋状のフィンを形成した伝熱管が広く市販されている。
【０００３】現在主流となっている伝熱管は、引き抜きまたは押し出し加工により得られたシームレス（継ぎ目のない）管の内部に、外周面に螺旋溝が形成されたフローティングプラグを通すことにより、金属管の内周面の全面に亙ってフィンを転造する方法により製造されており、一般に使用されている外径１０ｍｍ程度の伝熱管では、フィンの高さは０．１５〜０．２０ｍｍ、フィンのピッチ（隣接するフィンの頂点間の距離）は０．４５〜０．５５ｍｍ、フィン間に形成された溝の底幅は０．２０〜０．３０ｍｍ程度とされている。
【０００４】このような螺旋状フィンを形成した内面溝付伝熱管では、伝熱管の内部下側に溜まる熱媒液体が、管内を流れる蒸気流に吹き流されて螺旋状フィンに沿って巻き上げられ、管内周面の全面に広がる。この作用により、管内周面の全面がほぼ均一に濡れるから、熱媒液体を気化するための蒸発管として使用した場合には、沸騰の生じる領域の面積を増して沸騰効率を高めることができる。また、熱媒気体を液化するための凝縮管として使用した場合には、フィン先端が液面から露出することにより金属面と熱媒気体との接触効率を高め、凝縮効率を高めることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、本発明者らは、伝熱管の溝の展開形状を様々に変化させて多種類の内面溝付伝熱管を作成し、これらの性能を比較した結果、伝熱管内面に周方向へジグザグに延びる多数のフィンを形成した場合、他の溝形状に比して高い熱交換性能が得られることを見いだした。
【０００６】しかし同時に、この場合には、内面溝付伝熱管内を流れる熱媒体の圧力損失が増し、熱媒体の循環装置に負担がかかるため、高い熱交換性能にも拘わらず現実には使用困難であることが判明した。そこで、本発明者らはさらに検討を重ねた結果、ジグザグ形状のフィンの各屈折部に間隙を形成することにより、圧力損失を増大することなしに熱交換性能を高めることができることを見いだすに至った。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係る内面溝付伝熱管は、金属管の内周面がその周方向において２以上の領域に区分され、これら各領域のそれぞれには伝熱管の軸線方向に並ぶ多数のフィンが形成され、いずれか１つの領域から数えて奇数番の領域に含まれるフィンは伝熱管の軸線に対して１０〜２５゜傾斜させられているとともに、前記１の領域から数えて偶数番の領域に含まれるフィンは伝熱管の軸線に対して−１０〜−２５゜傾斜しており、さらに、周方向に隣接するフィンの端部同士の間には間隙が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る内面溝付伝熱管の第１の実施形態を示す一部展開した平面図である。この内面溝付伝熱管１の内周面は、その周方向９０゜毎に４つの領域Ｒ１〜Ｒ４に区分され、これら領域Ｒ１〜Ｒ４のそれぞれには、伝熱管１の軸線方向に並ぶ多数のフィン２が互いに平行に形成され、平行なフィン２同士の間は溝部３とされている。
【０００９】本発明の内面溝付伝熱管１は、フィン２の配置に主たる特徴を有する。すなわち、この伝熱管１では、いずれか１つの領域（この場合Ｒ１）から数えて奇数番の領域Ｒ１，Ｒ３に含まれるフィン２が、伝熱管軸線に対して１０〜２５゜の角度αをなすように形成される一方、偶数番の領域Ｒ２，Ｒ４に含まれるフィン２は、伝熱管軸線に対して−１０〜−２５゜の角度βをなすように形成されている。フィン２の傾斜角度α，βの絶対値が２５゜を越えるとフィン２が流れに対して垂直に近くなり、流れを遮って圧力損失が大きくなるため好ましくない。また、フィン２の傾斜角度α，βの絶対値が１０゜未満であると、フィン２が流れに対して平行に近くなり、フィン２による乱流発生効果が低下する。
【００１０】傾斜角度α，βの正負は逆であってもよく、要は、フィン２が全体としてジグザク状に配列されるように、周方向へ隣接するフィン２が伝熱管軸線に対し交互に逆方向へ傾斜していればよい。この実施形態では、隣接するフィン２の端部が周方向に揃えられている。また、図１では、同じ領域内のフィン２が互いに平行にされているが、これらは必ずしも平行でなくてもよく、前記範囲内でフィン毎に傾斜角度を異ならせてもよい。
【００１１】各領域Ｒ１〜Ｒ４の境界には、伝熱管１の長手方向に連続する溝部４が形成されており、これにより、周方向に隣接するフィン２同士の間には、それぞれ一定の間隙４Ａが形成されている。溝部４の底面は溝部３の底面と同一高さであってもよいし、溝部３より若干高くてもよい。外径が１ｃｍ程度の汎用伝熱管の場合には、間隙４Ａの幅Ｃ１は０．０５〜０．５ｍｍ、特に０．１〜０．３ｍｍであることが好ましい。幅Ｃ１が０．０５〜０．５ｍｍの範囲であると、圧力損失と熱交換効率とのバランスが良好である。但し、本発明は上記範囲のみに限定されるものではなく、他の値も採用できるのは勿論である。
【００１２】フィン２の断面形状は必ずしも限定されるものではないが、本発明では図２に示すように、同じ領域内のフィン２のピッチＰが０．３〜０．４ｍｍ、フィン２の金属管内周面からの高さＨが０．１５〜０．３０ｍｍであることが好適である。このように従来よりも背の高いフィン形状を採用した場合には、乱流発生効果が良好であり、特殊なフィン配置による効果と相まって、伝熱管１の熱交換効率がいっそう向上できる。また、このように細く高いフィン２によれば、金属管１の内面が熱媒液体で覆われた際にも、フィン２の先端部における排液性が良好になるから、凝縮管として使用した場合にフィン２の先端金属面が熱媒気体と直接接触しやすく、良好な凝縮性能を得ることができる。
【００１３】フィン２の両側面のなす角度γ（頂角）は、必ずしも限定されるものではないが、より好ましくは１０〜２５゜とされる。このようにフィン２の頂角が小さい場合には、フィン２の側面が管内周面からほぼ垂直に起立するため、伝熱管１内を流れる熱媒気体の風圧によって熱媒液体がフィン２上へ吹き上げられることが少ない。このため、フィン２により熱媒液体の流れを規制して乱流を引き起こす効果が増すだけでなく、この伝熱管１を凝縮管として使用した場合には、個々のフィン２の先端部が露出する傾向が高くなり、熱媒気体と金属面との接触面積を増して、高い凝縮効率を得ることができる。また、図示の例ではフィン２の頂点が断面半円状にされているが、本発明は断面台形状としても、断面三角形状としてもよい。
【００１４】伝熱管１の外径、肉厚、長さ等の寸法は限定されず、従来から使用されているいかなる寸法の伝熱管にも本発明は適用可能である。伝熱管１の材質としては一般に銅または銅合金が使用されるが、本発明はそれに限定されることなく、アルミニウムを始めとする各種金属も使用可能である。なお、この実施形態では伝熱管１の断面形状が円形であるが、本発明は断面円形に限らず、必要に応じて断面楕円形や偏平管状等としてもよい。さらに、ヒートパイプの本体として使用することも有効である。
【００１５】このような内面溝付伝熱管を製造するには、以下のような方法が採用できる。まず、帯状の金属板条材を用意し、この板条材を、フィン２、溝部３、および溝部４とそれぞれ相補形状をなす断面を有する圧延ロールおよび受けロールの間に通して圧延することにより、板条材の表面にフィン２、溝部３、および溝部４を同時に形成する。前記圧延ロールとしては、フィン２と溝部３を形成するための螺旋溝付き圧延ロールと、溝部４を形成するための円板状ロールとを交互に重ねた積層ロールを使用することもでき、その場合には、積層する各ロールを交換することにより、各部の形状を任意に設定することが可能となる。
【００１６】次に、フィン２、溝部３，４が転写された金属板条材を、その溝形成面を内面側に向けた状態で電縫装置にセットし、多段階に成形ロールの間を通して板条材を幅方向に丸め、最後に突き合わせた両側縁部５を溶接し円管形に成形し、内面溝付伝熱管とする。電縫装置は通常使用されているものでよく、電縫条件も通常の加工と同じでよい。その後、伝熱管の外周面において溶接部を整形したうえ、伝熱管をロール状に巻きとるか所定の長さで切断する。
【００１７】上記構成からなる内面溝付伝熱管１によれば、内面に形成されているフィン２が、いずれの向きに流れる熱媒体に対しても、流れの上流に向けて開く２対のＶ字を構成するように配置されているので、各フィン２の側面により集められた熱媒体はＶ字の突き合わせ部分で衝突して合流し、さらにフィン２同士の間隙４Ａを通り抜ける。この過程において、熱媒体は攪拌されて不規則な乱流が発生するため、熱媒体の流れの中に温度勾配が生じることが防止でき、熱媒と伝熱管金属面との熱交換を促進して伝熱効率を高めることが可能である。特に、混合熱媒（複数の熱媒を混合したもの）を使用した場合には、熱媒成分の分離を防ぐことができ、混合熱媒本来の性能を引き出すことができる。
【００１８】また、フィン２同士の端部間には間隙４Ａが形成されているので、これら間隙４Ａを通って熱媒流体を逃すことができ、高い伝熱効率の向上率にも拘わらず伝熱管１内を流れる圧力損失を小さく抑えることができる。このように、伝熱効率の向上と、圧力損失の低下という相反する２つの効果を両立させることができる点が、本発明の重要な効果である。
【００１９】［第２実施形態］図３は、本発明の第２実施形態を示している。前記第１実施形態では、周方向に隣接するフィン２の端部が揃えられていたが、この第２実施形態では、隣接する領域のフィン２を半ピッチずらしたことを特徴としている。他の構成は第１実施形態と同様でよい。
【００２０】このように、フィン２を各領域Ｒ１〜４で半ピッチずらしたことにより、溝部４の幅を変えずとも、周方向に隣接するフィン２同士の間隙４Ａが実質的に拡大できる。また、図中矢印に示すように、熱媒体の流れが蛇行する傾向を増す。
【００２１】［第３実施形態］図４は、本発明の第３実施形態を示している。第１および第２実施形態では、伝熱管１の内面を周方向に４つの領域Ｒ１〜Ｒ４に分けていたが、この例では、周方向に２つの領域Ｒ１，Ｒ２のみに分けたことを特徴としている。このため伝熱管の外径が同一であれば、前記各実施形態に比してフィン２の長さが略２倍になる。他の構成に関しては、前記各実施形態と同様でよい。
【００２２】このような第３実施形態によれば、内面に形成されているフィン２が、いずれの向きに流れる熱媒体に対しても、流れの上流に向けて開く単一のＶ字を構成するように配置され、このＶ字の谷間に相当する側の溝部４に熱媒体が集まる特性を有する。この特性を生かすため、この第３実施形態では、使用態様に応じて伝熱管１の上下を設定することが好ましい。
【００２３】例えば、凝縮管として使用するのであれば、金属面と熱媒気体とを直接接触させることが好ましいので、蒸気流に対してＶ字の谷間に相当する側の溝部４を下向きに配置する。すると、伝熱管１内に溜まって流れる熱媒液体がフィン２に沿って伝熱管１の内面上側にまで広がりにくくなるから、前記効果と相まって凝縮効率を高めることが可能である。なお、この実施形態においても隣接する領域のフィンのピッチをずらすことが可能である。
【００２４】［第４実施形態］図５は、本発明の第４実施形態を示している。この例では、伝熱管１の内周面を周方向に６つの領域Ｒ１〜Ｒ６に分けたことを特徴としており、これら領域Ｒ１〜Ｒ６のそれぞれに、伝熱管１の軸線方向に並ぶ多数のフィン２が互いに平行に形成されている。他の構成は第１実施形態と同様であるから同一符号を付して説明を省略する。
【００２５】このような構成からなる内面溝付伝熱管１によっても、第１実施形態と同様の優れた効果が得られる。
【００２６】［第５実施形態］図６は、本発明の第５実施形態を示している。この例では、伝熱管１の内周面を周方向に４つに区画している点が第１実施形態と同様であるが、各領域の境界部に溝部４を形成しておらず、その代わりに、フィン２を各領域Ｒ１〜４で半ピッチずらして相互の間に間隙６を形成したことを特徴としている。外径が１ｃｍ程度の汎用伝熱管の場合、伝熱管軸線方向における間隙６の幅Ｃ２は０．０５〜０．５ｍｍ、特に０．１〜０．３ｍｍであることが好ましい。幅Ｃ２が０．０５〜０．５ｍｍの範囲であると、圧力損失と熱交換効率とのバランスが特に良好である。但し、本発明は上記範囲のみに限定されるものではなく、他の値も採用できるのは勿論である。
【００２７】このような構成によっても、伝熱管内面に形成されているフィン２が、いずれの向きに流れる熱媒体に対しても、流れの上流に向けて開く２対のＶ字（ｙ字）を構成するように配置されているので、各フィン２の側面により集められた熱媒体はＶ字の突き合わせ部分で衝突して合流し、さらにフィン２同士の間隙６を通り抜ける。この過程において、熱媒流体は攪拌されて不規則な乱流が発生するため、熱媒液体の流れの中に温度勾配が生じることが防止でき、熱媒と伝熱管金属面との熱交換を促進して伝熱効率を高めることが可能である。また、フィン２同士の端部間に間隙６が形成されているので、これら間隙６を通して熱媒流体を逃すことができ、高い伝熱効率の向上率にも拘わらず伝熱管１内を流れる圧力損失を小さく抑えることができるという優れた効果を奏する。
【００２８】なお、本発明に係る内面溝付伝熱管は、上記各実施形態に限定されるものではなく、その他にも種々の構成が可能である。例えば、伝熱管の外径が大きい場合には、伝熱管の内周面を８つ以上の領域に区画することも可能であるし、必要であれば各フィンを円弧状に形成することも可能である。さらに、各フィン２の中央部等に凹部や切り込みを別途形成してもよい。
【００２９】
【実施例】次に、実施例を挙げて本発明の効果を実証する。フィンの形状のみが異なる下記８通りの伝熱管をそれぞれ形成し、これら伝熱管について、伝熱効率と圧力損失を比較した。
【００３０】ａ１型：内面に螺旋状の溝を形成した伝熱管（比較例１）
ｂ１型：内面に単一のＶ字状をなすように２列のフィンが形成されているが、周方向に隣接するフィン間に間隙が形成されていない伝熱管（比較例２）
ｃ１型：内面に２対のＶ字状をなすように４列のフィンが形成されているが、周方向に隣接するフィン間に間隙が形成されていない伝熱管（比較例３）
ｄ１型：内面に３対のＶ字状をなすように６列のフィンが形成されているが、周方向に隣接するフィン間に間隙が形成されていない伝熱管（比較例４）
ｃ２型：内面に２対のＶ字状をなすように４列のフィンが形成され、周方向に隣接するフィン間に間隙が形成されている伝熱管（実施例１）：図１ｄ２型：内面に３対のＶ字状をなすように６列のフィンが形成され、周方向に隣接するフィン間に間隙が形成されている（実施例２）：図５ｃ３型：内面に２対のＶ字状をなすように４列のフィンが形成され、周方向に隣接するフィンが互いに半ピッチずらされて間隙が形成されている伝熱管（実施例３）：図６ｄ３型：内面に３対のＶ字状をなすように６列のフィンが形成され、周方向に隣接するフィンが互いに半ピッチずらされて間隙が形成されている伝熱管（実施例４）
【００３１】なお、以下の寸法に関しては、いずれの伝熱管でも共通とした。
フィンのピッチＰ＝０．３６ｍｍフィンの高さＨ＝０．２４ｍｍフィンの両側面のなす角度γ＝１７゜（管軸に対して直角な断面でのフィン断面角度＝２０゜）
フィン間の溝幅＝０．２２ｍｍ（管軸方向での溝幅＝０．８５ｍｍ）
さらに、伝熱管の軸線に対するフィンの傾斜角度は、ａ１型の伝熱管では１５゜、それ以外の伝熱管では全て１５゜および−１５゜とした。ｃ２型およびｄ２型の伝熱管における間隙量Ｃ１は０．２ｍｍ、ｃ３型およびｄ３型の伝熱管におけるずれ量Ｃ２も０．２ｍｍとした。
【００３２】次に、得られた各伝熱管について、図７および図８に示す装置を用いて伝熱性能（蒸発性能、凝縮性能）を測定した。測定に際しては、図中「測定部」に各伝熱管をセットし、下記の評価方法により蒸発性能および凝縮性能を測定した。併せて、その際の圧力損失を測定した。評価条件は以下の通りである。
【００３３】［評価方法］
対向流二重管方式水流速：１．５ｍ／ｓ伝熱管の全長：３．５ｍ蒸発時飽和温度：５℃ 過熱度３ｄｅｇ蒸発時飽和温度：４５℃ 過冷度５ｄｅｇ熱媒：フロン「Ｒ−２２」
【００３４】上記実験により得られた蒸発性能、凝縮性能、および圧力損失を、ａ１型の伝熱管に対する比で表した結果を図９および図１０に示す。これらのグラフから明らかなように、本発明に係るｃ２型，ｃ３型，ｄ２型，およびｄ３型の各伝熱管では、圧力損失がａ１型の単純溝付管と同程度でありながら、高い伝熱性能を示した。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の内面溝付伝熱管によれば、内面に形成されているフィンが、熱媒流体の流れの上流側に開く１対以上のＶ字を構成するように配置されているので、各フィンの側面に沿って流れる熱媒流体はＶ字の突き合わせ部分で衝突して合流し、さらにフィン同士の間隙を通り抜ける。この過程において、熱媒流体は攪拌されて不規則な乱流が発生するため、熱媒体の流れの中に温度勾配が生じることが防止でき、熱媒と金属面との熱交換を促進して伝熱効率を高めることが可能である。
【００３６】また、フィン同士の端部間には間隙が形成されているので、この間隙を通って熱媒流体を逃すことができ、高い伝熱効率の向上率にも拘わらず圧力損失を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内面溝付伝熱管の第１の実施形態を示す一部展開した平面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す一部展開した平面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態を示す一部展開した平面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態を示す一部展開した平面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態を示す一部展開した平面図である。
【図７】蒸発性能の測定装置を示す概略図である。
【図８】凝縮性能の測定装置を示す概略図である。
【図９】蒸発性能、および蒸発時の圧力損失のグラフである。
【図１０】凝縮性能、および凝縮時の圧力損失のグラフである。
【符号の説明】
１内面溝付伝熱管
２フィン
３，４溝部
５突き合わせた側縁部
４Ａ，６間隙
Ｒ１〜Ｒ６区切られた領域
Ｃ１，Ｃ２フィン間の間隙量

【特許請求の範囲】
【請求項１】金属管の内周面がその周方向において２以上の領域に区分され、これら各領域のそれぞれには伝熱管の軸線方向に並ぶ多数のフィンが形成され、いずれか１つの領域から数えて奇数番の領域に含まれるフィンは伝熱管の軸線に対して１０〜２５゜傾斜させられているとともに、前記１の領域から数えて偶数番の領域に含まれるフィンは伝熱管の軸線に対して−１０〜−２５゜傾斜しており、さらに、周方向に隣接する前記フィンの端部同士の間には間隙が形成されていることを特徴とする内面溝付伝熱管。
【請求項２】同一の領域に含まれるフィンは互いに平行にされていることを特徴とする請求項１記載の内面溝付伝熱管。
【請求項３】互いに隣接する領域に含まれるフィンは、これら領域の境界線を境として線対称に形成され、前記間隙の幅は０．０５〜０．５ｍｍとされていることを特徴とする請求項１または２記載の内面溝付伝熱管。
【請求項４】互いに隣接する領域に含まれるフィンは、伝熱管軸線方向に互いにピッチがずれるように形成され、前記間隙の幅は０．０５〜０．５ｍｍとされていることを特徴とする請求項１または２記載の内面溝付伝熱管。
【請求項５】同じ領域に含まれるフィンのピッチは０．３〜０．４ｍｍ、前記フィンの金属管内周面からの高さは０．１５〜０．３０ｍｍ、前記フィンの両側面のなす角度は１０〜２５゜とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内面溝付伝熱管。
【請求項６】前記領域の数は、２，４，６のいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内面溝付伝熱管。

【図１】