JPH09101093A - 内面溝付伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィンの先端部が熱媒液体で覆われにくくす
ることにより、凝縮効率の向上が図れる小径の内面溝付
伝熱管を提供する。 【解決手段】 金属管の内面に螺旋状をなすフィン２が
互いに平行に多数形成された内面溝付伝熱管１であっ
て、その外径Ｄが３〜６ｍｍであり、各フィン２の金属
管内周面からの高さＨは０．１５〜０．２０ｍｍ、フィ
ン２の長手方向に対して直交する方向におけるフィンピ
ッチＰは０．２３〜０．３９ｍｍ、フィンの管軸方向に
対する螺旋角αは９〜１６゜、個々のフィン２の両側面
のなす角度βが１０〜２０゜とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器等に好適
な、外径が３〜６ｍｍの内面溝付伝熱管に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】この種の内面溝付伝熱管は、空調装置や
冷蔵庫等の熱交換器において、蒸発管または凝縮管とし
て主に使用されており、最近では内面の全面に亙って螺
旋状の溝を形成することにより、溝同士の間に螺旋状の
フィンを形成し、これらフィンにより熱媒体との熱交換
率の向上を図っ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
全面に亙って螺旋溝を転造する方法で製造されており、
現在は外径１０ｍｍ程度の伝熱管が専ら製造されてい
る。

【０００４】こうして得られる外径１０ｍｍ程度の伝熱
管では、図１０に示すように、フィンの高さＨは０．１
５〜０．２０ｍｍ、フィンと直交する方向におけるフィ
ンのピッチＰ（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Ｗ
は０．２〜０．３ｍｍ、フィンの両側面のなす角度βは
５０〜６０゜程度とされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、伝熱管内を
流れる熱媒体と伝熱管との熱交換効率は、他の条件が同
一であれば、伝熱管の単位容積当たりの内面積が大きい
ほど高くなるため、この観点からすると伝熱管の内径は
小さい方が有利である。そこで本発明者らは、伝熱管の
外径を従来よりも細くすることにより熱交換効率を高め
ることを検討している。

【０００６】しかし、前述のシームレスパイプでは、管
外径が小さくなるほどフローティングプラグによる溝形
成が困難になるため、その内面に形成できるフィンの高
さが小さくなって、フィンによって本来得られるべき熱
交換効率の向上効果が発揮し難くなることが確認され
た。

【０００７】そこで本発明者らは、シームレスパイプの
代わりに、長尺の金属板条材をその幅方向へ丸めて突き
合わせた両側縁を溶接し、金属管を得る「電縫管方式」
を細径の伝熱管製造に採用することを検討している。電
縫管方式によれば、内面に形成すべきフィンを金属板条
材の状態の時に圧延加工でき、伝熱管の外径に影響され
ず背の高いフィンを形成できるからである。

【０００８】この研究を行っている過程で、本発明者ら
は次のような現象を発見するに至った。内面溝付伝熱管
を凝縮管として使用する場合、伝熱管の一端から熱媒気
体を導入し、その熱を放出させつつ凝縮させ、他端から
熱媒液体を排出するのであるが、この過程における凝縮
効率を高めるには、従来から、フィンの高さをなるべく
大きくしてフィンの頂点部分での液切れ（液体を排除す
る性質）を良くし、フィンと熱媒気体との直接接触を促
進することが有効と考えられていた。

【０００９】しかし本発明者らの実験によると、単に高
いフィンを形成したとしても、伝熱管の凝縮効率はあま
り向上しないことが判明した。そればかりか、フィンを
高くするとフィンの体積が増し、特に小径伝熱管の場合
には、実質的な内径を狭めて圧力損失を増大するうえ、
内容積当たりの重量やコストが通常径の伝熱管よりも高
くなるという問題を生じてしまうのである。

【００１０】本発明者らは、小径の内面溝付伝熱管にお
いてフィンの高さを増しても凝縮性能がそれほど向上し
ない原因について詳細な検討を試み、次のように推察し
た。すなわち、従来の内面溝付伝熱管では、図１０に示
すように頂角の大きい断面三角形状のフィンを形成して
いるため、伝熱管内を高速で流れる熱媒蒸気の風圧によ
り、溝内の熱媒液体がフィンの緩い傾斜面に沿って吹き
上げられる。これにより、伝熱管の先端部が熱媒液体に
覆われてしまい、フィンの先端部を露出させる効果が小
さいのである。

【００１１】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、フィンの先端部が熱媒液体で覆われにくくすること
により、凝縮効率の向上が図れる内面溝付伝熱管を提供
することを課題としている。

【００１２】

【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、金属管の内面に螺旋状をなすフィンが互いに平
行に多数形成され、その外径が３〜６ｍｍであり、前記
各フィンの金属管内周面からの高さは０．１５〜０．２
０ｍｍ、前記フィンの長手方向に対して直交する方向に
おける前記フィンのピッチは０．２３〜０．３９ｍｍ、
前記フィンの管軸方向に対する螺旋角は９〜１６゜、個
々のフィンの両側面のなす角度が１０〜２０゜とされて
いることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１ないし図６は、本発明に係る
内面溝付伝熱管の実施形態を示し、図１は軸線に垂直な
断面図、図２は内面溝付伝熱管の一部展開図、図３はフ
ィンの断面拡大図である。

【００１４】この伝熱管１は断面円形の金属管であり、
その内面のほぼ全域に亙って、管軸に対して一定角度を
なす互いに平行なフィン２が螺旋状に多数形成され、隣
り合うフィン２の間はそれぞれ螺旋溝３となっている。
また、伝熱管１の周壁の１箇所には、電縫加工による溶
接部４が形成され、この溶接部４の両側には、伝熱管１
の中心軸と平行に延びるフィン無し部分５が形成され、
このフィン無し部分５によって各フィン２が図５に示す
ように分断されている。

【００１５】図１において伝熱管１の外径Ｄは３〜６ｍ
ｍとされている。伝熱管１内を流れる熱媒体と伝熱管１
との熱交換効率は、他の条件が同一であれば、伝熱管１
の単位容積当たりの内面積と正の相関があるため、この
観点からすると、伝熱管１の内径が小さい方が有利だか
らである。

【００１６】図３に示すように、フィン２の伝熱管内周
面からの高さＨは０．１５〜０．２０ｍｍ、より好まし
くは０．１６〜０．１８ｍｍとされている。伝熱管１の
外径Ｄは３〜６ｍｍであるから、フィン２の高さＨが
０．２０ｍｍよりも大きいと圧力損失が増大して好まし
くない。また、後述するようにフィン２の両側面間の角
度βを小さくすることにより、高さＨは０．１５ｍｍ以
上であれば十分に熱伝導効率を高めることができる。

【００１７】フィン２の長手方向に対して直交する方向
におけるフィン２のピッチＰは０．２３〜０．３９ｍ
ｍ、より好ましくは０．２７〜０．３５ｍｍとされてい
る。ピッチＰが０．２３ｍｍ未満、あるいは０．３９ｍ
ｍより大きいと、フィン２による乱流発生効果が小さく
なり、熱交換効率が低下する。

【００１８】図２に示すように、フィン２の管軸方向に
対する螺旋角αは９〜１６゜、より好ましくは１１〜１
４゜とされている。９゜よりも小さいとフィン２による
乱流発生効果が小さくなり、１６゜よりも大きいと、伝
熱管１内を流れる熱媒体の圧力損失が大きくなるという
問題を生じる。なお、９〜１６゜という数値は通常の内
面溝付伝熱管に比してかなり小さい値である。これは、
小径伝熱管の場合、フィン２による乱流発生効果、およ
び圧力損失が通常よりも顕著に現れることを考慮したも
のである。

【００１９】個々のフィン２の両側面のなす角度βは１
０〜２０゜、より好ましくは１２〜１６゜とされてい
る。この角度βが１０゜未満であると電縫管方式を以て
しても製造が困難であり、２０゜以上であると、熱交換
効率の飛躍的な向上が図れない。角度βが１０〜２０゜
であれば十分に製造可能な範囲で、しかも熱交換効率を
格段に向上することが可能である。

【００２０】図３に示すフィン２の基端部の厚さＷ２は
必ずしも限定はされないが０．０６〜０．１２ｍｍであ
ることが好ましく、より好ましくは０．０８〜０．１０
ｍｍとされる。また、螺旋溝３の底幅Ｗ１は０．１５〜
０．２７ｍｍであることが好ましく、より好ましくは
０．１６〜０．２１ｍｍとされる。なお、各幅Ｗ１，Ｗ
２は、フィン２の長手方向に対して垂直な方向に測定し
た値とし、図３に示すようにフィン２の基端部が面取り
されている場合には、金属管内周面の延長面とフィン側
面の延長面との交差線を測定の基準点とする。このよう
なフィン２の基端部の面取りは必須ではなく、図４に示
すように面取りしない構成も、電縫管方式を使用すれば
作成可能である。

【００２１】螺旋溝３の底幅Ｗ１が０．１５ｍｍ未満で
は螺旋溝３の容量が減少して、フィン２の先端部が熱媒
液体で覆われる傾向が増す。また、底幅Ｗ１が０．２７
ｍｍより大きいと、フィン２の先端部における排液性は
良好であるが、フィン２の密度が低下するためやはり伝
熱性能が低下する。

【００２２】フィン無し部分５は図５に示すように螺旋
溝３と連続するように形成してもよいし、図６に示すよ
うに、フィン無し部分５と螺旋溝３との間に溶接部４と
平行な一定幅の突条部６を形成してもよい。溶接部４お
よび突条部６の突出量は、フィン２よりも小さいことが
望ましい。熱交換器を組み立てるために伝熱管１を拡管
する時に、拡管プラグが溶接部４および突条部６に当た
らないようにするためである。なお、本発明に係る内面
溝付伝熱管には、拡管処理の前後いずれの伝熱管も含ま
れるものとする。

【００２３】伝熱管１のフィン２を含まない肉厚Ｔは、
０．１０〜０．２５ｍｍ程度であることが望ましい。ま
た、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が使用可能である。

【００２４】上記のような伝熱管１を製造するには、始
めに、帯状の金属板条材を圧延ロールで連続的に圧延
し、フィン２および螺旋溝３を形成する。次いで、板条
材をフィン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を溶接して円管
形に成形すればよい。その後、伝熱管１の外周面におい
て溶接部４を整形したうえ、伝熱管１をロール状に巻き
とるか所定の長さで切断する。特に細い伝熱管１を得る
場合には、得られた伝熱管を多数のサイジングロール間
を通すなどの周知の方法で縮径すればよい。

【００２５】上記構成からなる伝熱管１は、外径を３〜
６ｍｍにするとともに、フィン２の両側面のなす角度を
小さくし、フィン２の高さを相対的に増したものである
から、細い伝熱管１内を高速で流れる熱媒気体の風圧に
よっても、螺旋溝３内の熱媒液体がフィン２上へ吹き上
げられることが少ない。したがって、この伝熱管１を凝
縮管として使用した場合には、従来の内面溝付伝熱管に
比して個々のフィン２の先端部が露出する傾向が高く、
熱媒蒸気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。外径の小さい伝熱管の場合、ある
程度の熱媒体流量を確保するには流速を従来より増大さ
せる必要があるから、この効果は重要である。

【００２６】また、この伝熱管１の内面には、フィン２
および螺旋溝３を分断して延びるフィン無し部分５が形
成されているので、螺旋溝３を伝わって熱媒液体が伝熱
管１の内面全面に均一に広がることが防止でき、部分的
に熱媒液体で濡れていない、あるいは濡れの少ない領域
を形成することができる。このため、前記効果と相まっ
て金属面の露出率を高めることができ、いっそう凝縮効
率が向上できる。

【００２７】また、フィン２を細くて高い形状としたこ
とにより、伝熱管１の単位長さ当たりの金属表面積が増
大できるから、蒸発管として用いた場合にも、熱媒液体
の加熱効率が高く、良好な蒸発性能も得られる。

【００２８】さらに、この種の伝熱管の外周にアルミニ
ウム製等の放熱フィンを固定する場合には、伝熱管の外
径よりも僅かに大きい開口部を放熱フィンに形成し、こ
の開口部に伝熱管を通したうえ、伝熱管にプラグを通し
て４〜７％程度拡管することにより放熱フィンを固定す
る必要があるが、本発明の伝熱管１ではフィン２の間隔
および形状を前述の通りに設定しているため、拡管によ
るフィン２の潰れや倒れが生じにくく、良好な伝熱性能
を失うことがない。

【００２９】なお、上記実施形態では伝熱管１の断面形
状が円形であったが、本発明は円形に限らず、必要に応
じては断面楕円形や偏平管状等としても実施可能であ
る。

【００３０】

【実施例】次に、実施例を挙げて本発明の効果を実証す
る。本発明の実施例である内面溝付伝熱管と、フィンの
頂角が実施例より大きい他は実施例と同一条件の比較例
と、フィンを形成していない他は実施例および比較例と
同一条件の内面平滑管とを用意し、これらの蒸発性能、
凝縮性能および各場合の圧力損失を図７および図８に示
す装置を用いて測定した。測定に際しては、図７，８中
「測定部」に各伝熱管をセットして測定を行った。各伝
熱管の寸法および評価方法は以下の通りである。

【００３１】 実施例と比較例の共通寸法： 素材＝脱酸銅の０．３ｍｍ厚板 管外径＝５．０ｍｍ フィン高さ＝０．１０，０．１２５，０．１５，０．１７５， ０．２０ｍｍの各５種類 底肉厚＝０．２０ｍｍ 溝底幅＝０．１９ｍｍ 螺旋角α＝１２゜ 実施例 ：フィン頂角β＝１６゜ 比較例 ：フィン頂角β＝３０゜ 平滑管 ：素材＝脱酸銅の０．２ｍｍ厚板 管外径＝５．０ｍｍ 肉厚＝０．２ｍｍ 評価方法：対抗流二重管方式 水流速＝２．１ｍ／ｓ 伝熱管の全長＝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

【００３２】実施例および比較例について得られたデー
タを、平滑管のデータとの比で表した結果を図９に示
す。図９のグラフから明らかなように、フィンの高さが
共通であれば、実施例は比較例に比して常に高い凝縮性
能および蒸発性能が得られた。また、実施例の圧力損失
は、蒸発時および凝縮時のいずれにおいてもフィンの高
さにあまり関係なく一定であったが、比較例の蒸発時の
圧力損失は、フィンの高さが０．１５ｍｍを越えると急
上昇することが認められた。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る内面
溝付伝熱管は、フィンの両側面のなす角度が１０〜２０
゜と小さくされているから、伝熱管内を流れる熱媒気体
の風圧によって溝内の熱媒液体がフィン上へ吹き上げら
れることが少ない。したがってこの伝熱管を凝縮管とし
て使用した場合には、従来の内面溝付伝熱管に比して個
々のフィンの先端部が露出する傾向が高く、熱媒蒸気と
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。

【００３４】また、フィンを細くて高い形状としたこと
により、伝熱管の単位長さ当たりの金属表面積が増大で
きるから、蒸発管として用いた場合には、熱媒液体の加
熱効率が高く、良好な蒸発性能も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内面溝付伝熱管の一実施形態の断
面図である。

【図２】同実施形態の一部展開図である。

【図３】同実施形態のフィンの断面拡大図である。

【図４】同実施形態のフィンの変形例を示す断面拡大図
である。

【図５】同実施形態の内面図である。

【図６】同実施形態の変形例を示す内面図である。

【図７】伝熱管の蒸発性能測定装置を示すブロック図で
ある。

【図８】伝熱管の凝縮性能測定装置を示すブロック図で
ある。

【図９】本発明の実施例の蒸発性能、凝縮性能、および
圧力損失を示すグラフである。

【図１０】従来の内面溝付伝熱管のフィンの一例を示す
断面拡大図である。

【符号の説明】

１ 内面溝付伝熱管 ２ フィン ３ 螺旋溝 ４ 溶接部 ５ フィン無し部分 ６ 突条部 Ｐ フィンのピッチ Ｈ フィンの高さ β フィンの両側面の角度（頂角） Ｗ１ 螺旋溝の底幅 Ｗ２ フィンの基端部の厚さ Ｔ 伝熱管の肉厚

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属管の内面に螺旋状をなすフィンが互
   いに平行に多数形成された内面溝付伝熱管であって、そ
   の外径が３〜６ｍｍであり、前記各フィンの金属管内周
   面からの高さは０．１５〜０．２０ｍｍ、前記フィンの
   長手方向に対して直交する方向における前記フィンのピ
   ッチは０．２３〜０．３９ｍｍ、前記フィンの管軸方向
   に対する螺旋角は９〜１６゜、個々のフィンの両側面の
   なす角度が１０〜２０゜とされていることを特徴とする
   内面溝付伝熱管。
2. 【請求項２】 前記金属管は電縫管であり、その内面に
   は管軸と平行に延びる一本の溶接部が形成され、この溶
   接部によって前記各フィンが分断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。
3. 【請求項３】 内面溝付伝熱管の前記フィンを含まない
   肉厚は、０．１０〜０．２５ｍｍであることを特徴とす
   る請求項１，２または３記載の内面溝付伝熱管。