JPH02143094A - 伝熱管を備えた熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は伝熱管内で冷媒を蒸発させ、又は凝縮させるこ
とにより熱交換を行う伝熱管を備えた熱交換器に関する
。

［従来の技術］ プレートフィン型熱交換器又は二重管式熱交換器等の従
来の熱交換器に使用される伝熱管としては、内面が平滑
な平滑管、内面に螺旋溝が形成された内面溝付管及び内
面が多孔質構造の内面多孔管がある。この内面溝付管及
び内面多孔管は伝熱性能を高めるために開発された伝熱
管であるが、内面溝付管は凝縮特性が優れており、内面
多孔管は蒸発特性が内面溝付管の場合の約１８５％と優
れている。また、圧力損失は、内面多孔管の方が蒸発及
び凝縮共に内面溝付管よりも優れている。

方、平滑管は製造コストが低いと共に、圧力損失が最も
小さいという利点を有する。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、熱交換器用伝熱管としては、−船釣に蒸
発特性及び凝縮特性の双方が優れていることが望ましい
。特に、ヒートポンプタイプとして使用される熱交換器
は、蒸発と凝縮とが交互に入れ換わるために、蒸発特性
及び凝縮特性がいずれも優れていることが必要である。

しかしながら、内面多孔管は蒸発特性は優れているもの
の、凝縮特性は内面溝付管の７２％と低く、ヒートポン
プタイプの熱交換器用伝熱管としては不適当て・ある。

一方、平滑管は最も廉価であるが、特に外径が１０１以
下の場合、これを蒸発器として使用すると、冷媒流量を
多くしたときに伝熱性能が低下してしまうという現象が
起きる。

更に、内面溝付管はプレートフィン型又は二重管式熱交
換器に多く使用されているが、平滑管に比して極めて高
価であり、このため、熱交換器の製造コストを著しく上
昇させてしまう。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
蒸発特性及び凝縮特性の双方が優れており、また製造コ
ストが低い伝熱管を備えた熱交換器を提供することを目
的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る伝熱管を備えた熱交換器は、内面が平滑の
平滑管と、内面に溝が形成された溝付管とをその長手方
向に連結し、蒸発器として使用する場合は前記平滑管側
から冷媒を通流させ、凝縮器として使用する場合は前記
溝付管側から冷媒を通流させることを特徴とする。

本発明に係る伝熱管を備えた熱交換器は、内面に溝が形
成された溝付管と、内面が多孔質構造の多孔管とをその
長手方向に連結し、蒸発器として使用する場合は前記多
孔管側から冷媒を通流させ、凝縮器として使用する場合
は前記溝付管側から冷媒を通流させることを特徴とする
。

［作用］ 本発明においては、平滑管と溝付管とを組み合わせて伝
熱管を楕成し、この伝熱管を備えた熱交換器を蒸発器と
して使用する場合は、平滑管側から冷媒を通流させる。

蒸発前期においては、管内が液体状冷媒で満たされてい
るので、この状態では管内面に溝加工を施しであるか否
かは伝熱性能に大きな影響を与えない。このため、平滑
管を使用しても溝付管と同様の伝熱性能を有する。一方
、蒸発後期においては、管内にガス状の冷媒が生成して
いるため、このガス状冷媒との伝熱を高効率で行うため
に溝付管を使用する。これにより、全長を溝付管で構成
した場合と同等の伝熱性能を有する伝熱管が低コストで
得られる。

一方、この熱交換器を凝縮器として使用する場合は、溝
付管側から冷媒を通流させる。凝縮前期は管内がガス状
の冷媒で満たされているため、溝付管を使用して伝熱性
能を高める必要があるが、凝縮後期は管内が液体状冷媒
で満たされているので、前述の蒸発の場合と同様に、内
面の溝の有無は伝熱性能に影響を与えないため、紙庫な
平滑管を使用する。

また、溝付管と多孔管とを組み合わせて伝熱管を構成し
た場合には、この伝熱管を備えた熱交換器を蒸発器とし
て使用するときは、多孔管側を冷媒入口側とし、凝縮器
として使用するときは、溝付管側を冷媒入口側とする。

管内冷媒の流れの形態は気液２相流であるが、内面溝付
管は冷媒の流れに旋回流を与え、気液２相の境界層が剥
離しやすくなるので、気相が多い方が伝熱効果上有効で
ある。一方、内面多孔管は多数の小孔が核となり、核沸
騰が生じやすいので、液相が多い方が伝熱効果上有効で
ある。このため、内面溝付管は蒸発器の冷媒出口側及び
凝縮器の冷媒入口側に使用し、内面多孔管は蒸発器の冷
媒入口側及び凝縮器の冷媒出口側に使用する。これによ
り、蒸発性能及び凝縮性能の双方が優れた熱交換器が得
られる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して説
明する。

先ず、第１図に示すように、内面が平滑な平滑管ｌと、
内面に螺旋状の溝が形成された溝付管２とをその長手方
向に連結した伝熱管を使用した熱交換器について説明す
る。

この第１図の実施例は管全長の３／４が平滑管１になり
、残りの１／４が溝付管２になるように両者を直線状に
継ぎ合わせたものである。なお、これらの平滑管１及び
溝付管２の全長は例えば４ｍであり、外径が６．３５ｍ
ｍである。

上述の如く構成された伝熱管を使用した熱交換器を蒸発
器に使用する場合においては、液状の冷媒を先ず平滑管
１に通流させた後、溝付管２を通流させる。この平滑管
１を通流する間に液状の冷媒は熱交換（加熱）を受けて
蒸発し、気相と液相との２相になる。そして、この２相
の冷媒は次いで内面溝付管２を通流して高効率で熱交換
（加熱）を受ける、 一方、凝縮器においては、ガス状の冷媒が先ず溝付管２
を通流した後、平滑管１を通流する。この溝付管２を通
流する間にガス状の冷媒は高効率で熱交換（冷却）を受
けて凝縮し、気相と液相の２相となる。そして、この２
相の冷媒は次いで平滑管１を通流して更に熱交換（冷却
）を受ける。

このように、本実施例においては、管内が液体状冷媒で
満たされている蒸発前期又は凝縮後期に、冷媒は平滑管
１からの熱伝達により熱交換を受け、気相が多い蒸発後
期又は凝縮前期には、冷媒は溝付管２からの熱伝達によ
り加熱される。この場合に液体状冷媒に対しては、平滑
管も溝付管も伝熱性能に大きな差が存在しないため、本
実施例の組み合わせ管は溝付管単管を使用した場合と同
様の伝熱効率が得られる。また、全長の３／４が平滑管
であるため、圧力損失は小さく、この点では溝付管単管
の場合よりも優れている。更に、全長の３／４が平滑管
であるから、全長を溝付管で構成した場合に比して製造
コストが極めて低い。

一方、気相が多い冷媒に対しては、内面溝付管２により
旋回流が与えられ、気液２相の境界層が剥離して高効率
で熱交換される。

即ち、流体がそれとは温度が異なる壁面に沿って流れる
場合に、壁面の近くに流体の温度及び速度が急変する境
界層が出現する。この境界層の生成の仕方は流体の速度
及び流体と壁面との温度差により異なるが、この境界層
が熱抵抗となり、流体の主流部と壁面との熱交換が阻害
される。

平滑管の場合は、管内壁の殆どの領域が発達した境界層
により覆われるため伝熱性能が悪い、−方、内面溝付管
は内面の溝により流体の流れが旋回流になると同時に、
溝部において乱流を生ずるため、この流れにより内面溝
付管に発生する境界層は薄く、断続的なものとなる。従
って、気液２層流域においては、内面溝付管の内部に生
ずる乱流により細かな気泡が巻き込まれ、この気泡によ
り前述の境界層が剥離及び破壊され、境界層が形成し難
くなるため、流体と管壁内面とは常に良好な熱伝達を行
うことができる。

次に、本実施例の組み合わせ管の伝熱性能及び圧力損失
を実測した結果について説明する。

第２図は横軸に冷媒流量をとり、縦軸に伝熱性能をとっ
て、平滑管、内面溝付管及び本実施例の組み合わせ管（
平滑管＋内面溝付管）についてその蒸発性能を示すグラ
フ図である。なお、容管の外径は６．３５ｍ＋ｎである
。また、本実施例管においては、冷媒を平滑管側から導
入した。この第２図から明らかなように、平滑管の場合
は伝熱性能が低く、また、冷媒流量が低いとき及び高い
ときにその伝熱性能が著しく低下してしまう。これに対
し、本実施例の組み合わせ管の場合は、内面溝付管単管
と同様に優れた伝熱性能が得られる。

また、第３図は横軸に冷媒流Ｉをとり、縦軸に圧力損失
をとって容管の圧力損失を示すグラフ図である。この第
３図から明らかなように、内面溝付管の圧力損失が最も
大きく、平滑管の圧力損失が最も小さい。本実施例の組
み合わせ管はこれらの単管の中間の圧力損失を示す・。

上述の如く、本実施例の組み合わせ管は、全長を内面溝
付管で構成した場合と、同様の伝熱性能を有する一方、
圧力損失は内面溝付管よりも小さい 第４図は、本発明をプレートフィン型熱交換器に適用し
た実施例を示す模式図である。板状のアルミニウム製フ
ィン５を複数枚適長間隔をおいて平行に配置し、ヘアピ
ン状に曲管した３本の平滑管３と、同じくヘアピン状の
１本の内面溝付管４とをフィン５にその面に垂直に挿通
し、相互に固定しである。そして、隣接する平滑管３同
士を、又は隣接する平滑管３と内面溝付管４とをＵベン
ド管６により相互に連結しである。これにより、全長の
３／４が平滑管３であり、残りの１／４が溝付管４であ
る冷媒１回路が構成される。

本実施例においても、蒸発器として使用する場合は、冷
媒を平滑管３側から導入し、凝縮器として使用する場合
は、冷媒を溝付管４（ｌｌ！Ｉから導入する。これによ
り、第１図の実施例と同様の効果を奏する。なお、上記
各実施例は平滑管が全長の３／４を占める場合のもので
あるが、本発明はこれに限らず、種々の配分比率で両管
を組み合わせることが可能であることは勿論である。

次に、内面に螺旋溝が形成された内面溝付管と、内面に
貫通しない小孔が多数形成された内面多孔管とを組み合
わせて伝熱管を構成した場合について説明する。

第５図はこの組み合わせ伝熱管を組み込んだ所謂フィン
トコイルタイプの熱交換器を示す模式図である。ヘアピ
ン型又はＵ字型の５本の内面溝付管１１（ＮｌＬＬ〜５
）と、同様にヘアピン型又はＵ字型の５本の内面多孔管
１２（Ｎ［Ｌ６〜１０）とがアルミニウム製フィン１３
に対し、その面に垂直に挿通して密着固定されている。

そして、隣接する管（内面溝付管１１及び内面多孔管１
２）同士をＵベンド管１４により連結して冷媒１回路が
構成されている。これにより、−列に２０段の伝熱管が
配置されたフィン型熱交換器が構成される。

この熱交換器を蒸発器として使用する場合は、内面多孔
管１２側の管端Ｂが冷媒入口となり、内面溝付管１１側
の管端Ａが冷媒出口となるように、管内に冷媒を通流さ
せる。そうすると、液体状の冷媒は先ず内面多孔管１２
を通流して熱を受け、気相が生成して液相と気相の２相
流になる。内面多孔管１２においては、内面の多数の小
孔が核となって液体状の冷媒が核沸騰する。このため、
内面多孔管１２は、液相が多い冷媒の熱伝達に使用する
方が有効である。

次いで、２相の冷媒は内面溝付管１１を通流して熱を受
け、冷媒の蒸発が更に進行する。内面溝付管１１におい
ては、冷媒の流れに旋回流が与えられ、境界層の剥離が
進行し、熱交換を受けやずくなるので、気相が多い冷媒
の熱伝達に使用する方が有効である。

このようにして、液相が多い蒸発前期は内面多孔管１２
により高効率で熱交換を受け、気相が多い蒸発後期は内
面溝付管１１により高効率で熱交換を受ける。

一方、熱交換器を凝縮器として使用する場合は、内面溝
付管１１側の管端Ａが冷媒入口となり、内面多孔管１２
側の管端Ｂが冷媒出口となるように、管内に冷媒を通流
させる。そうすると、気相が多い凝縮前期においては、
冷媒は内面溝付管１１による旋回流を伴う熱交換により
高効率の熱伝達を受ける。

従って、本実施例においては、蒸発特性及び凝縮特性の
双方が優れている。第６図は横軸に内面多孔管１２と内
面溝付管１１の配分比率をとり、縦軸に熱伝達特性をと
って、蒸発特性及び凝縮特性と配分率との関係を示すグ
ラフ図である。この第６図に示すように、内面多孔管が
２０％未満であると、蒸発特性が著しく低下し、逆に内
面溝付管が２０％未満であると、凝縮特性が著しく低下
する。

これは、蒸発特性は内面多孔管の方が、また、凝縮特性
は内面溝付管の方が優れているからである。

第７図は横軸に冷媒流量をとり、縦軸に管内熱伝達率を
とって、平滑管（Ａ）、三角溝の溝付管（Ｂ）、台形溝
の溝付管（Ｃ）及び多孔管（Ｄ）の蒸発特性を示すグラ
フ図である。この第７図から明らかなように、蒸発特性
は多孔管（Ｄ）が最も優れており、多孔管（Ｄ）は三角
溝の溝付管（Ｂ）の場合の１．８５倍の熱伝達率を有す
る。

一方、第８図は横軸に冷媒流量をとり、１ｉ１軸に管内
熱伝達率をとって、上述の容管の凝縮特性を示すグラフ
図である。この第８図から明らかなように、凝縮特性は
、溝付管（Ｃ，Ｂ）が最も優れており、三角溝溝付管（
Ｂ）の凝縮特性を１００とすると、多孔管（Ｄ）の凝縮
特性は７２となる。

従って、本実施例のように、内面溝付管１１と内面多孔
管１２とを組み合わせ、管内蒸発を目的とする場合に内
面多孔管側を冷媒入口とし、管内凝縮を目的とする場合
に内面溝付管側を冷媒入口とすることにより、内面多孔
管及び内面溝付管のもつ特長を兼ね備え、蒸発特性及び
凝縮特性の双方が優れた伝熱管が得られる。

この場合に、第６図に示すように、内面多孔管及び内面
溝付管のいずれも配分比率が２０％未満であると、蒸発
特性又は凝縮特性のいずれか一方が極めて低下する。こ
のため、内面多孔管又は内面溝付管の配分比率をいずれ
も２０乃至８０％とすることが好ましい。

このように構成された組み合わせ管の蒸発時の伝熱特性
は、第９図に示すように、内面溝付管単管の場合に比し
て優れた性能が得られる。また、凝縮時も同様であり、
更に、内面多孔管単管に対しても本実施例の組み合わせ
管は同様に優れた伝熱性能が得られる。

この熱交換器を室内及び室外に設け、室内器を凝縮器、
室外器を蒸発器とし、室外器を強制的に加熱しつつ、冷
媒を側熱交換器に通流させることにより、暖房装置とし
て組み立てることができる。

逆に、室内器を蒸発器、室外器を凝縮器とし、室外器を
強制的に冷却しつつ、冷媒を側熱交換器に通流させるこ
とにより、この熱交換器を冷房装置として組み立てるこ
とができる。

第１１図は本発明をシェルアンドタイプの熱交換器に適
用した場合の実施例を示す模式図である。

直管状の内面溝付管１５と、直管状の内面多孔管１６と
をその長手方向に連結して伝熱管が構成されている。こ
の伝熱管はその１／２の長さ部分が内面溝付管１５であ
り、残りの１／２の長さ部分が内面多孔管１６である。

そして、この複数本の伝熱管はそれらの管端で一対の管
板１７を挿通させて気密的及び液密的に固定されている
。このようにして組み立てられた伝熱管はシェル１８内
に装入され、管板１７によりシェル１８内に３個の空間
が仕切られる。そして、シェル１８の両端部にはその両
端部側の空間と連通ずる冷媒通流口１９ａ、１９ｂが設
けられている。この冷媒通流口１９ａ（又は１つｂ）を
介してシェル１８内に導入された冷媒が内面溝付管１５
及び内面多孔管１６の組み合わせにより構成される伝熱
管内を通流し、他方の冷媒通流口１９ｂ（又は１９ａ）
を介してシェル１８外に排出される。一方、シェル１８
の中央部の空間には、他の冷媒が通流し、伝熱管の外面
に接触して伝熱管との間で熱交換を行うにの熱交換器を
蒸発器として使用する場合は、内面多孔管１６側の冷媒
通流口１９ｂを冷媒入口とし、凝縮器として使用する場
合は、内面溝付管１５側の冷媒通流口１９ａを冷媒入口
とする。このように構成された本実施例においても、第
５図に示す実施例と同様の効果を奏する。

［発明の効果］ 本発明によれば、平滑管と溝付管とを組み合わぜな伝熱
管を使用するから、全長を内面溝付管で構成した場合と
同様の蒸発性能及び凝縮性能が得られる一方、圧力損失
及び製造コストは内面溝付管単管の場合よりも低い。

また、本願の他の発明は、溝付管と多孔管とを組み合わ
せた伝熱管を使用するから、蒸発特性及び凝縮特性の双
方が優れていて、ヒートポンプタイプの熱交換器として
極めて有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る熱交換器に使用す
る伝熱管を示す模式図、第２図はその蒸発性能を示すグ
ラフ図、第３図は同じくその圧力損失を示すグラフ図、
第４図は本発明の第２の実施例を示す模式図、第５図は
本発明の第３の実施例を示す模式図、第６図はその配分
比率と熱伝達特性との関係を示すグラフ図、第７図は容
管の蒸発特性を示すグラフ図、第８図は同じく容管の凝
縮特性を示すグラフ図、第９図は伝熱性能を示すグラフ
図、第１０図は圧力損失を示すグラフ図、第１１図は本
発明の第４の実施例を示す模式図である。 １．３；平滑管、２，４，１１，１５：内面溝付管、１
２，１６；内面多孔管、６．１４；Ｕベンド管、１８；
シェル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　内面が平滑の平滑管と、内面に溝が形成された
   溝付管とをその長手方向に連結し、蒸発器として使用す
   る場合は前記平滑管側から冷媒を通流させ、凝縮器とし
   て使用する場合は前記溝付管側から冷媒を通流させるこ
   とを特徴とする伝熱管を備えた熱交換器。
2. （２）　内面に溝が形成された溝付管と、内面が多孔質
   構造の多孔管とをその長手方向に連結し、蒸発器として
   使用する場合は前記多孔管側から冷媒を通流させ、凝縮
   器として使用する場合は前記溝付管側から冷媒を通流さ
   せることを特徴とする伝熱管を備えた熱交換器。
3. （３）　前記多孔管は管全長の２０乃至８０％を占める
   ことを特徴とする請求項２に記載の伝熱管を備えた熱交
   換器。