JPH04369391A - 沸騰用伝熱管の構造 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、吸収冷凍機、吸収冷温
水機あるいは吸収ヒートポンプ等のハロゲン化アルカリ
を主成分とする水溶液等からなる吸収液を使用する吸収
式熱交換器における再生器に使用される沸騰用伝熱管（
以下、単に伝熱管という。）の構造に関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】吸収冷凍機、吸収冷温水機あるいは吸収
ヒートポンプ等の吸収冷凍サイクルを利用する機器に使
用される再生器は、密閉容器内に水平あるいは垂直に多
数の伝熱管を配設して構成されている。

【０００３】伝熱管の外部には吸収器内で冷媒蒸気を吸
収して希釈された吸収液が満たされている。我が国にお
いては上記吸収液の吸収剤一冷媒として、リチウムブロ
マイドー水系が広く用いられている。

【０００４】伝熱管の内部には高温の流体、例えば燃焼
ガス、高温水、蒸気等が流れており、該流体の顕熱ある
いは潜熱によって管外の吸収液を加熱して吸収剤と冷媒
との分離を行わせる。この再生器内で吸収液側に伝達さ
れる熱量と吸収液の濃縮幅とは正比例し、伝達熱量が大
きい程吸収液の濃縮幅は大きくなる。

【０００５】近年冷熱の需要が年々増大し、冷凍能力の
上昇が要求されるようになって来たが、それと共にエネ
ルギーの節減も要求されている。それに基づいて高温の
熱源側から吸収液側にいかにして効率よく熱の伝達を行
わせるかと言う点について、種々の熱交換器の構造ある
いは伝熱管自体の高性能化の検討が行われてきた。

【０００６】その結果、高性能化した伝熱管として、外
表面積を増大させたローフィンチューブがあり、その一
部が吸収式熱交換器用として使用され、ある程度の効果
をあげている。またフロン等他の冷媒を使用する伝熱管
として管外の管周方向にトンネル部と開口部とを有する
核沸騰伝熱管等が開発されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の技術
においても伝熱管自体の構造に工夫を加えて、熱伝達の
高性能化を図り、ある程度の成功を収めている。しかし
ながら吸収式熱交換器を対象にした場合、尚下記のよう
な不具合を有するものであった。

【０００８】吸収式熱交換器の再生器の場合、伝熱管内
を流れる高温流体によって管外の吸収液が加熱され、管
の外壁に接する部位に冷媒蒸気膜が生成され、ある程度
成長したところで気泡として分離する。平滑管において
は気泡の分離が一気に行われ、その際完全に成長を完了
していない周囲の冷媒蒸気膜も同時に剥離させられる。 そのため剥離した箇所へ吸収液が流れ込んで伝熱面が冷
却されることにより、再び活性化した蒸気膜が出来るま
でに時間を要する。それに伴って沸騰が次第に間欠的に
なり気泡も巨大化してくる。

【０００９】現在高性能伝熱管として使用されている管
の外面に転造によって螺旋状にフィンを形成させたロー
フィンチューブは、フィンによる伝熱面積の向上はある
ものの、吸収液に対して完全なオープン構造であるため
沸騰の状態は平滑管と同様に間欠的なものとなり、高い
熱伝達は望めない。

【００１０】また一方、フロン冷媒用として用いられて
いる開口部を有するトンネル構造の核沸騰伝熱管を吸収
式熱交換器の再生器用として流用しようとする試みは、
完全なクローズ部分（密着部）とオープン部（開口部）
を有する核沸騰伝熱管では、高粘度の吸収液が表面張力
によってトンネル内に入りきれず、トンネル内壁面がす
ぐに過熱状態となり、その結果沸騰は管外表面で行われ
るようになって平滑管と同じ沸騰状況となり、やはり高
い熱伝達は望めないと言う不具合を有している。

【００１１】沸騰熱伝達を効率よく行うためには、発生
する気泡を細かくし、かつ連続的に気泡の分離が行われ
るようにする必要があるが、上述の通り、現在のところ
まだ有効な構造を有する伝熱管は見出されていない。

【００１２】本発明はこのような実状に鑑みてなされた
もので、発生する気泡を細かくすると共に連続的に沸騰
を生じさせる機能を有する伝熱管の構造を提供すること
を目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的は前記特許請
求の範囲に記載された沸騰用伝熱管の構造によって達成
される。すなわち、■フィンを管の外面に管の軸と垂直
なつば状に、あるいは螺旋状に取設し、上記フィンの列
数を１インチ（２５．４ｍｍ）あたり１９列以上５７列
以下とし、隣接する各フィン間の最短距離を０．０５ｍ
ｍ以上０．２０ｍｍ以下の値に維持する伝熱間の構造。 ■フィンの先端部が管の軸方向および管の軸と垂直方向
に刻まれた形状を有する■記載の伝熱管の構造。■フィ
ンの先端部が管の軸方向および管の軸と垂直方向に刻ま
れた形状を有し、かつ各フィン先端部が各フィンの上部
から圧縮された形状を有する■記載の伝熱管の構造。■
フィンの先端部が管の軸方向に刻まれた形状を有し、か
つ各フィン先端部が各フィンの上部から圧縮された形状
を有する■記載の伝熱管の構造。■フィンの先端部が隣
接するフィンに一方向に倒れた形状を有する■記載の伝
熱管の構造。である。以下本発明の作用等について実施
例に基づいて説明する。

【００１４】

【実施例】図１〜図９は本発明に基づく伝熱管の構造を
示す図で、図１はフィンの先端部が管の軸方向および管
の軸と垂直方向に刻まれた形状を有する伝熱管の軸方向
の部分断面図、図２は図１におけるａ・ａ線矢視断面図
である。

【００１５】図３はフィンの先端部が管の軸方向および
管の軸と垂直方向に刻まれた形状を有し、かつ各フィン
の先端部が各フィンの上部から圧縮された形状を有する
伝熱管の軸方向の部分断面図、図４は図３におけるｂ・
ｂ線矢視断面図である。

【００１６】図５はフィンの先端部が管の軸方向に刻ま
れた形状を有し、かつ各フィンの先端部が各フィンの上
部から圧縮された形状を有する伝熱管の軸方向の部分断
面図、図６は図５におけるｃ・ｃ線矢視断面図である。

【００１７】図７はフィンの先端部が隣接するフィンに
一方向に倒れた形状を有する伝熱管の軸方向の部分断面
図、図８は図７におけるｄ・ｄ線矢視断面図、図９は図
７〜８の斜視図である。

【００１８】図１〜図９において、１は管、２はフィン
、３は管の軸と垂直方向の刻み、４は管の軸方向の刻み
、ｔは隣接する各フィン間の最短距離、ｔ１はフィン先
端部における隣接するフィンとの距離である。

【００１９】本発明に基づく沸騰用伝熱管においては、
隣接する各フィン間の最短距離ｔは０．０５ｍｍ以上０
．２０ｍｍ以下に保持され、フィンの列数は１インチ（
２５．４ｍｍ）あたり１９列以上５７列以下にして形設
されている。

【００２０】上記図１〜図９に示す構造を有する伝熱管
を吸収式熱交換器の再生器の沸騰用伝熱管として使用し
た場合、各フィン間に入り込んだ吸収液は伝熱管内部を
流れる高温流体によって加熱されて冷媒と吸収剤とに分
離し、分離した冷媒蒸気はその全部がフィンから離脱す
ることはなくその内の一部は沸騰核として吸収液中に残
留する。

【００２１】一方冷媒が離脱した各フィン間の空間には
フィン外部から吸収液が入り込むが、残留していた沸騰
核が極めて短時間で成長することにより連続的に沸騰が
生じるようになる。

【００２２】各フィン間の距離が０．２ｍｍ以上になる
と前記のローフィンチューブと同様の開放構造の状態に
なり、冷媒蒸気が一気に分離するため、活性化した冷媒
蒸気膜が再び生成されるまでに時間を要する。その結果
沸騰は間欠的になり伝熱管内側から吸収液側へ伝達され
る熱量が小さくなる。

【００２３】また各フィン間の距離が０．０５ｍｍ以下
と小さい場合には、吸収液濃度５５％以下の低濃度域で
はある程度の核沸騰が生じるものの、実用濃度域である
５８％以上に濃縮されると、各フィン間の空間への吸収
液の入り込みが殆どなくなるために、各フィン間の空間
が過熱状態になり、フィン外表面部のみで沸騰が行われ
吸収液側への熱の伝達はやはり低下して来る。

【００２４】本発明に基づく伝熱管は上記不具合を考慮
し、完全なトンネル構造をとらずに各フィン間の距離を
０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下と設定したセミクロー
ズ構造を採用しており、これによって沸騰核の残留と吸
収液の吸い込みが効率良く行われ、高い熱伝達量が得ら
れるようにしたものである。

【００２５】本願発明者は、上記構造からなる伝熱管の
伝熱性能を確認するため本発明に基づく構造を有する伝
熱管２種類と従来構造の伝熱管３種類を試作し、実機の
状態を模擬した比較試験を実施した。

【００２６】供試伝熱管は、いずれも材質Ｃ１２０１（
ＪＩＳ　　Ｈ３３００）の銅管によって製作した。図１
０〜図１４に該供試伝熱管の形状、寸法を示す。まず図
１０および図１１は本発明に基づく伝熱管の軸方向の部
分断面図で、図１０はフィンの先端部が上部から圧縮さ
れた形状を有し、隣接する各フィン間の最短距離ｔが０
．０８ｍｍである伝熱管（以下、伝熱管Ａという。）、
図１１はｔが０．１２ｍｍである伝熱管（以下、伝熱管
Ｂという。）である。図１２〜図１４は比較するために
製作した従来構造の伝熱管の軸方向の部分断面図で、図
１２はｔが０．４ｍｍである伝熱管（以下、伝熱管ａと
いう。）、図１３は完全なクローズ部（密着部）１１と
オープン部（開口部）１２を有する伝熱管（以下、伝熱
管ｂという。）図１４はフィン先端部における隣接する
フィンとの距離ｔ１　が０．５ｍｍである外表面平滑な
伝熱管（以下、伝熱管ｃという。）である。上記５種類
の供試管の各部寸法を表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】図１５および図１６は該比較試験に使用し
た試験装置の概略構造を示す図で、図１５は該試験装置
の一部破断側面図、図１６は該試験装置における吸収液
の流れを説明する平面図である。図１５〜１６において
、２１は本体容器、２２は供試管群、２３は圧力調整用
凝縮部、２４はバッフルプレート、２５は吸収液入口、
２６は吸収液出口、２７は熱源入口、２８は熱源出口、
２９は冷却水入口、３０は冷却水出口、３１は観察窓、
３２は圧力計、３３は吸収液である。

【００２９】該試験装置は、まず鋼板によって本体容器
２１を形成し、本体容器２１の下部に両側壁を貫通して
供試管部２２を配設してある。供試管部２２は有効長さ
１，２００ｍｍの７本の伝熱管によって構成され、各伝
熱管と吸収液３３とが自由に接触し得るように各伝熱管
相互の距離を十分にとった千鳥形に配設してあり、本体
容器２１の供試管群２２貫通部にはそれぞれ熱源入口２
７用および熱源出口２８用のヘッダが取設されており、
今回は熱源として蒸気を使用した。

【００３０】また、供試管群２２部には伝熱管の軸と垂
直な方向に複数のバッフルプレート２４を配設し、本体
容器２１内を設定された流量で強制的に流される吸収液
３３が供試管群２２の軸にほぼ垂直方向に接触するよう
にしてある。更に本体容器２１内上部空間には圧力調整
用凝縮部を配設し、冷却水によって本体容器２１内の温
度を制御して本体容器２１の圧力を調整可能している。

【００３１】本体容器２１の供試管群２２の軸と垂直方
向の側壁には、本体容器２１内部の吸収液３３に浸漬さ
れた部分および上部の蒸気部分を観察するための透明ガ
ラス製の観察窓３１と吸収液入口２５および吸収液出口
２６が取設されている。また本体容器２１の上部には本
体容器２１内圧力を計測する圧力計３２が取設されてい
る。

【００３２】上記構成からなる試験装置によって図１０
〜図１４に示す形状および表１に示す寸法を有する５種
類の供試伝熱管に対して吸熱式熱交換器の再生器におけ
る状態を模擬して伝熱性能の比較試験を行った。表２に
該試験時の諸条件を示す。

【００３３】

【表２】

【００３４】図１７はその結果を示す図で、横軸は加熱
流体と吸収液との対数平均温度差、縦軸は熱流束（単位
面積当りの通過熱量である。）である。

【００３５】図１７から明らかなように、本発明に基づ
く形状寸法を有する伝熱管Ａ，Ｂは、いずれも従来の伝
熱管ａ，ｂ，ｃに比べて同一の温度差で約２倍以上の熱
流束を示しており、極めて優れた伝熱性能を有している
ことが認識される。

【００３６】また本体容器２１の側壁に配設された観察
窓３１から沸騰の状況を観察し、本発明に基づく伝熱管
Ａ，Ｂにおいては、いずれもその伝熱管外表面部におい
て細かい気泡を連続的に発生し、激しい沸騰を生じるこ
とを確認するとともに、比較のために使用した従来構造
の伝熱管ａ，ｂ，ｃにおいてはいずれも間欠的な沸騰し
か生じないことを確認した。

【００３７】

【発明の効果】このように本発明によれば、上記実施例
において説明したように下記に示す効果を奏する。■単
位伝熱面積当たりの伝熱性能が高いことにより、機器の
コンパクト化および高性能化が可能になる。■伝熱性能
が高いことにより、従来熱回収が困難であった比較的温
度の低い排温水等広い範囲のエネルギーを熱源として使
用することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フィンの先端部が管の軸方向および管の軸と垂
直な方向に刻まれた形状を有する伝熱管の軸方向の部分
断面図である。

【図２】図１におけるａ・ａ線矢視断面図である。

【図３】フィンの先端部が管の軸方向および管の軸と垂
直方向に刻まれた形状を有し、かつ各フィンの先端部が
各フィンの上部から圧縮された形状を有する伝熱管の軸
方向の部分断面図である。

【図４】図３におけるｂ・ｂ線矢視断面図である。

【図５】フィンの先端部が管の軸方向に刻まれた形状を
有し、かつフィンの先端部が各フィンの上部から圧縮さ
れた形状を有する伝熱管の軸方向の部分断面図である。

【図６】図５におけるｃ・ｃ線矢視断面図である。

【図７】フィンの先端部が隣接するフィンに一方向に倒
れた形状を有する伝熱管の軸方向の部分断面図である。

【図８】図７におけるｄ・ｄ線矢視断面図である。

【図９】図７〜８の斜視図である。

【図１０】比較試験に使用した本発明に基づく構造の伝
熱管Ａの部分断面図である。

【図１１】比較試験に使用した本発明に基づく構造の伝
熱管Ｂの部分断面図である。

【図１２】比較試験に使用した従来構造の伝熱管ａの部
分断面図である。

【図１３】比較試験に使用した従来構造の伝熱管ｂの部
分断面図である。

【図１４】比較試験に使用した従来構造の伝熱管ｃの部
分断面図である。

【図１５】比較試験に使用した試験装置の一部破断断面
図である。

【図１６】比較試験に使用した試験装置における吸収液
の流れを説明する平面図である。

【図１７】比較試験の結果を示す図である。

【符号の説明】

１　　　　管 ２　　　　フィン ３　　　　管の軸と垂直方向の刻み ４　　　　管の軸方向の刻み ｔ　　　　隣接する各フィン間の最短距離ｔ１　　　　
　フィン先端部における隣接するフィンとの距離１１　
　　　クローズ部（密着部） １２　　　　オープン部（開口部） ２１　　　　本体容器 ２２　　　　供試管群 ２３　　　　圧力調整用凝縮部 ２４　　　　バッフルプレート ２５　　　　吸収液入口 ２６　　　　吸収液出口 ２７　　　　熱源入口 ２８　　　　熱源出口 ２９　　　　冷却水入口 ３０　　　　冷却水出口 ３１　　　　観察窓 ３２　　　　圧力計 ３３　　　　吸収液

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　吸収式熱交換器の再生器に使用される
   沸騰用伝熱管において、フィンを管の外面に管の軸と垂
   直なつば状に、あるいは螺旋状に取設し、上記フィンの
   列数を１インチ（２５．４ｍｍ）あたり１９列以上５７
   列以下とし、隣接する各フィン間の最短距離を０．０５
   ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の値に維持することを特徴と
   する沸騰用伝熱管の構造。
2. 【請求項２】　　フィンの先端部が管の軸方向および管
   の軸と垂直方向に刻まれた形状を有する請求項１記載の
   沸騰用伝熱管の構造。
3. 【請求項３】　　フィンの先端部が管の軸方向および管
   の軸と垂直方向に刻まれた形状を有し、かつ各フィン先
   端部が各フィンの上部から圧縮された形状を有する請求
   項１記載の沸騰用伝熱管の構造。
4. 【請求項４】　　フィンの先端部が管の軸方向に刻まれ
   た形状を有し、かつ各フィン先端部が各フィンの上部か
   ら圧縮された形状を有する請求項１記載の沸騰用伝熱管
   の構造。
5. 【請求項５】　　フィンの先端部が隣接するフィンに一
   方向に倒れた形状を有する請求項１記載の沸騰用伝熱管
   の構造。