JPH06100432B2 - 伝熱管 - Google Patents

伝熱管

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JPH06100432B2
JPH06100432B2 JP59125224A JP12522484A JPH06100432B2 JP H06100432 B2 JPH06100432 B2 JP H06100432B2 JP 59125224 A JP59125224 A JP 59125224A JP 12522484 A JP12522484 A JP 12522484A JP H06100432 B2 JPH06100432 B2 JP H06100432B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明は、空気調和機，冷凍機等の熱交換器に用いる
伝熱管に関するものである。
〔発明の背景〕
周知の如く空気調和機や冷凍機等の熱交換器には伝熱管
が設けられており、これらの管の内面の構造は管に加工
を施さない平滑管の他、特公昭49−31863号公報の例の
ように管壁内側に転造用の加工プラグを挿入し、溝加工
を行うことにより一次側のリブを設けた後、さらに追加
工により二次側の溝を付けた三次元状の面構造を有する
管が知られている。
この面構造を有する伝熱管を例えば単相流用の伝熱面に
用いたとすると、この面構造の突起の形状は丸みを帯び
ていない鋭角状であり、後に詳述するが角を曲がる流れ
によりはく離渦を生じ、伝熱管の入口出口間の流体の圧
力損失が高くなり、流体の駆動力を多く要する。また、
流体の流線に対して垂直な平面における流れに関して
は、流体がその部分でよどむために運動エネルギが衝突
の圧力となり、このためその部分が長時間たつうちに減
耗する。伝熱性能については、この減耗によりリブの高
さ、リブの形状が最適値から変動し、初期の性能値より
も低くなる。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、管内単相流熱伝達性能を向上させるた
め、管内側に突起の辺が曲率を有する連続した円、また
は楕円形状の突起を設け、管外壁に多孔構造を形成して
流体に乱れを誘起させ、熱伝達率の高い伝熱管を得ると
ともに、リブ（突起）形状を曲面状に形成することによ
って耐久性の高い伝熱面構造を有する伝熱管を提供する
ことにある。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するために、この発明は、内面に突起列
を有し、外面にフインを有する伝熱管において、前記突
起は伝熱管の管軸方向に形成された１条あるいは複数条
の螺旋曲線に沿って断続的に設けられ、この突起の底面
及び任意の高さにおける横断面形状を円または楕円、ま
たは非対称な楕円曲線で形成し、かつこの突起の横断面
積が高さ方向に減少するように形成し、前記伝熱管の外
面側に多孔構造を形成し、この多孔構造は管外面の開口
面積が該管外面と平行な断面における開口面積より狭く
構成するとともに、前記伝熱管の外側面が前記螺旋曲線
に沿って溝が形成されているものであって、該溝と前記
多孔構造とが交差する部分において、多孔構造の空洞が
前記溝に開口するように形成されているものである。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図により説明す
る。伝熱管内壁面１に、第３図に示すような突起３をら
せん状の曲線４に沿って形成する。この突起３は、第４
図（Ａ）に示すように、正面が円形の突起32か、あるい
は第４図（Ｂ）に示すような、楕円形の突起34か、また
は同図（Ｃ）に示すように卵形の断面形に類似した非対
称の楕円曲線状の形状36をしている。また、突起の底面
より高い部分の横断面形状も、それぞれ底面と類似の形
状をしていて底面より断面積は減少している。また断面
形状は、それぞれリブの辺を画定するような鋭角形状の
角張った線でなく、第５図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示
すように曲線で形成されている。
先端が円弧状あるいは矩形状の歯を持つ歯車状の工具を
伝熱管１の外側から押し付けて、管内壁側に突起３の列
を形成する。突起３の円周方向ピッチは、工具に備えら
れた歯の円周方向ピッチに等しく、工具の押し付け量を
調節して、突起３の高さを定めることが出来る。工具を
管軸に対して直角方向に回転させる場合には、各々独立
した突起列３を管内壁に設けられるし、工具をスパイラ
ル状に進ませると、スパイラル状に進む突起列３が形成
される。スパイラル状に突起列を形成する方が、それに
もとづくところの工数が減ぜられることはもちろんであ
る。そして工具ひとつを用いて一条の突起列を設けるあ
るいは工具50を複数個並べて複数条の突起列を形成する
ことも可能である。このような方法により、突起３の横
断面形状が円弧形状をしており、突起列方向に切った突
起３の縦断面形状が、突起列の長手方向に向って円弧状
に起伏を持つような突起形状をした突起列を管内壁に形
成することができる。突起列は各々独立した、先端にま
るみをおびた円すい形状の突起を内壁面上に並べた構造
でも良いし、同一突起列において、隣接する突起間が管
内壁の平滑部よりも起伏していてもよい。
一方、管外壁面は多数の空洞９と、この空洞９を区画
し、空洞９の外周側を覆うように形成された伝熱管と一
体化して形成されたフイン12とにより多孔構造８が形成
されている。そして、空洞９の外周側を覆うフイン12間
には開孔10が形成されている。この外周を覆うフインに
より開孔10の面積が管外壁に平行な断面における空洞９
の断面積より狭く形成される。すなわち、第１図、第２
図に示すように管外の平滑部７つまり突起を形成する際
の凹部が形成されていない部分に多孔質な沸騰伝熱に有
効な多孔構造８を設ける。この多孔構造８を設けない部
分、すなわち、突起が形成されている部分に対応する管
外面部を溝ということにする。一例として、先ずローレ
ット加工によって、管軸に対してほぼ45°の方向に浅い
溝（0.1〜0.2mm）を形成させる。次に管軸に対してほぼ
直角にバイトによるすき起こし加工を行い、フイン12を
形成される。このフイン高さは約1mm、ピッチは0.4〜0.
6mmが適当である。このようにすることにより、加工前
に平滑であった面上にノコギリ歯状のフイン列が設けら
れる。先端の部分がノコギリ歯状のフイン列が設けられ
る。次の工程によりロール加工によって、この先端部分
がノコギリ歯状のフインをノコギリ歯の下の部分の途中
からねかせる、あるいはノコギリ歯の下の部分の途中ま
でをつぶすような方法により、Ｌ字状に折り曲げて隣接
フイン同志を接合する。そのときフインのねかせる途中
までをつぶされたその先端側のノコギリ歯状の部分の切
り欠かれたそれぞれの部分が開口10部となり、フインの
ねかせる途中までをつぶれた根元側とノコギリ歯の部分
の下に空洞が形成され、多孔構造８を形成できる。
次にこのように形成した伝熱管の内面突起の作用につい
て述べる。
本発明の伝熱管の突起は、第６図に示されるように、縦
断面では、流れが突起に衝突しても突起が曲率を有して
いるため、流線が急激に曲らずに突起に沿って流れ、壁
面に働く流体に粘性力に起因するせん断応力の作用がよ
り少なく、流体のせん断応力に起因する潰食の作用が小
さい。第７図の横断面で示されるように、突起の側面部
分を通る流れも曲率を有するために、流線の方向の急激
な変化、及びはく離渦の発生量は少なく流体力の作用に
よる潰食の作用はごくわずかである。
伝熱性能について、本発明の曲率を有する三次元形状の
突起を有する伝熱管の性能の一例を第８図に示す。本発
明の伝熱管性能は、リブ高さ、ピッチP,管軸方向の配列
に影響を受ける。図に示した結果は、リブ高さが0.45m
m,管軸方向のピッチ7mmの場合である。そして円周方向
のピッチは円周方向の距離ｙを4mmと3mmとして実験を行
った。図においてｙ＝3mmを△印,y＝4mmを○印で示して
ある。熱伝達率については、ｙ＝4mmの場合は平滑管に
対して約２倍の高性能を有している。円周方向ピッチｙ
＝3mmについては、ｙ＝4mmに比べて熱伝達率，圧力損失
の性能とも低くなっている。一方、従来から用いられて
いる、コルゲート状のリブが連続している、いわゆる二
次元リブ付管については第８図に示されるように熱伝達
性能は高いが、圧力損失も大幅に高くなっている。圧力
損失が高すぎると同じ流体を循環させるのに要するポン
プ動力が多く消費されるので、圧力損失は低い方が良
い。しかし、本発明の伝熱管の場合（○印）は、熱伝達
率の上昇分により、同じ熱負荷であれば必要伝熱面積は
少なくて良くなり、圧力損失がその分だけ減少するので
抵抗係数の増加分は十分吸収することができる。二次元
物体後部の流れについては、流体高さのおよそ10倍程度
の突起の後流部分において熱伝達率が局所的に高くなる
ので、この寸法のピッチを有する突起列が最適のピッチ
であろうということが類推できる。本発明の突起高さ
は、0.45mmであり、従来種々の伝熱管について実験的に
調査をすると、突起が断続している場合、0.5mm前後が
最適の突起高さであり、このことから、第６図のハツチ
ングで示された部分で示した0.5×10＝5mm位の再付着領
域Ａで最適なピッチが存在するといえる。
管内側に形成された丸みを帯びた突起列が過ぎる流れ
は、その配列によって異なる。第９図に示される流れ
は、突起３が千鳥状に配列された場合の流れのパターン
を示したもので、突起後流９が後流部の突起に再衝突す
ることによって、伝熱促進効果が維持されるわけである
が、第10図に示されるように、碁盤状の突起３を配列す
ると突起後流100の渦が拡散する前に再び突起に衝突
し、十分に伝熱促進効果を示さない。また、突起外側の
流れは、管軸方向に直線状に流体が流れ、伝熱促進され
ないので、配列は碁盤状よりも千鳥状にした方が伝熱性
能は高くなる。
次に、管内壁側に突起列を設け、管外壁側に多孔伝熱面
構造を設けた本発明の作用について説明する。伝熱管の
管内に水を、管外に底沸点有機媒体であるフレオン冷媒
を流す場合を例にとる。伝熱管を多数洞内に挿入したシ
ェルチユーブ形熱交換器が広くターボ冷凍機の蒸発器な
どに利用されている。管内側の水の温度が管外側のフレ
オン冷媒の温度に比べて約５〜10℃ぐらい高いのが通例
である。管内流は、突起の存在により、壁面近傍におい
て乱れを生成し、管内壁と管内流の主流との間の熱交換
が、平滑な面の場合に比べて活発に行われる。
一方、管外壁と管外側のフレオン液冷媒との熱交換にお
いて、一旦沸騰が起きると、空洞内に蒸気泡が保持さ
れ、空洞内壁と蒸気泡の間に薄いフレオン液膜が形成さ
れる。この薄い液膜の蒸発によって、液の蒸発にもとづ
く潜熱輸送が促進される。
第11図にリブ高さが0.3mmの場合を例にとり、突起ピッ
チＰが伝熱管の伝熱効率に及ぼす影響を示す。図からわ
かるように、高い伝熱効率が得られる突起ピッチＰの最
適な範囲がある。つまり、Ｐが大きい場合は管外側の平
滑部の面積が大きくなり、沸騰伝熱に有効な機械加工に
よる多孔構造を形成する伝熱面積を広くとることができ
る。そのため管外側の伝熱効率は、その面積増加分向上
する。
一方、管内側の熱伝達率は、Ｐが大きくなると第12図の
ように突起３によって生ずる流れの乱れ70が、その後流
側の壁面近傍部まで影響を及ぼさない領域が生じるため
に、急激に伝熱効率が低下する。この場合、管外側の沸
騰性能が向上する割合に比べて、管内側の強制対流によ
る伝熱性能の低下の割合が大きい。そのために伝熱管と
しての総合的な伝熱効率はＰが大きくなると急激に低下
する。次にＰが小さい場合、ある程度以下では乱れの影
響が及ぼす伝熱面範囲は増加せず、管内強制対流の伝熱
効率がそれほど変化しなくなる。
一方、管外側は、Ｐが小さくなると、管外くぼみの占め
る面積の、管外表面積に対する割合が急激に小さくなる
ため、管外沸騰伝熱性能も急激に低下する。従って、伝
熱管としての総合的な伝熱効率はＰが小さくなったとき
にも急激に低下する。以上のような現象によって、伝熱
管の総合的な伝熱効率を高く保つ最適な突起ピッチＰの
範囲が存在することになる。第11図からその最適な範囲
は5mm〜15mmである。
〔発明の効果〕
以上、この発明によれば、管内壁に形成された滑らかな
曲率を有する突起と、管外壁に多孔構造を形成したこと
により，管内外および管壁での伝熱が促進されるととも
に流体力を受けにくいので耐腐食性が向上する。また、
滑らかな突起によって誘発される微少な流体渦によって
熱伝達率を向上させることが可能であり、機器の熱効率
が増大する。
また、この曲率を有する突起列を、管軸方向に千鳥状に
配設すれば、伝熱促進に寄与する渦を有効に活用できる
ので圧力損失の増加量がわずかで、熱伝達率を増加させ
ることができる。
又、多孔構造の外表面に形成される小さな開口と溝に開
口する空洞断面積の大きな開口の２種の開口を持つの
で、小熱量から大熱量までの広い範囲の通過熱量に対し
高い熱伝達率を有する伝熱管が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例になる伝熱管の縦断面図、第
２図は、第１図の外観図、第３図は本発明の伝熱管の内
面側構造を説明する図、第４図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）
は、この発明の突起構造を示す平面図、第５図（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）は各々第４図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の
横断面図、第６図は、本発明の伝熱管の断面図、第７図
は同正面図、第８図は、実験データ表示グラフ、第９図
及び第10図は、突起の配列を示す正面図である。第11図
は突起ピッチと伝熱効率の関係を示す図、第12図は特性
説明図。 １……伝熱管壁面、３……突起、４……螺旋状曲線、32
……円状突起、34……楕円状突起、36……非対称の楕円
曲線から成る突起。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 研二 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 柳田 武彦 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 中山 恒 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 杉本 滋郎 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内 (72)発明者 大泉 清 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭54−157369（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−27739（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−11389（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−46490（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−71083（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内面に突起列を有し、外面に多孔構造を有
    する伝熱管において、前記突起は伝熱管の管軸方向に形
    成された１条あるいは複数条の螺旋曲線に沿って断続的
    に設けられ、この突起の底面及び任意の高さにおける横
    断面形状を円または楕円、または非対称な楕円曲線で形
    成し、かつこの突起の横断面積が高さ方向に減少するよ
    うに形成し、前記伝熱管の外面側に形成された多孔構造
    はこの多孔構造の外表面に形成される第１の開口の開口
    面積が前記多孔構造の外表面と管外面との間の管軸と平
    行な断面における空洞の面積より狭く構成するととも
    に、前記伝熱管の外側面に前記螺旋に沿って溝が形成さ
    れているものであって、前記多孔構造の空洞が前記溝に
    開口する第２の開口が形成され、該第２の開口面積を前
    記第１の開口面積より大きく形成したことを特徴とする
    伝熱管。
  2. 【請求項２】第１項において、前記突起列を、管軸方向
    に千鳥状に配列したことを特徴とする伝熱管。
JP59125224A 1984-06-20 1984-06-20 伝熱管 Expired - Lifetime JPH06100432B2 (ja)

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