JPH11337285A - 両面溝付管および熱交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内周面側では液膜の広がりを防ぐ一方、外周
面側では液切れを良好にすることができ、ひいては熱交
換効率を高められる両面溝付管および熱交換装置を提供
する。 【解決手段】 金属管の内周面に多数の内周面フィン６
が形成されるとともに、外周面には多数の外周面フィン
２が形成されている。金属管の周方向の１カ所には管軸
方向に延びる溶接部１０が形成され、この溶接部と対応
して、内周面フィン６および外周面フィン２は途切れて
いる。また、金属管の外周面および内周面のそれぞれに
は、溶接部１０の両側に、外周面突条部１２および内周
面突条部１４が形成され、これらに挟まれた領域がフィ
ン無し部分となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属管の両面に熱
交換効率を高めるためのフィンを形成した両面溝付管お
よびそれを用いた熱交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、空調装置や冷蔵庫等の熱交換
器においては、蒸発管または凝縮管として内面溝付管が
使用されている。一般的な内面溝付管は、金属管の内周
面に、全面に亙って螺旋状をなす多数の溝を形成したも
のであり、溝同士の間に螺旋状のフィンが形成されてい
る。一般の内面溝付管は、外径が１ｃｍ程度であり、内
周面フィンの高さは０．３ｍｍ程度、内周面フィンのピ
ッチは０．４ｍｍ程度である。そして、これら内面溝付
管は、その外周に多数の金属製放熱フィンが垂直に固定
され、伝熱管の内部に流される熱媒と、前記放熱フィン
の間を流れる空気との間で熱交換させる。

【０００３】一方、熱交換器の一種として、吸収式冷却
機（吸収式冷凍機や吸収式冷房機等を総称する）に使用
されるものもある。吸収式冷却機の熱交換器は、角筒状
の熱媒流路内に、例えば数１００本の伝熱管を、流れに
直交させて互いに平行に配列したものであり、熱媒流路
には、強制冷却された臭化リチウム溶液等の熱媒を流す
一方、伝熱管内には水を循環させ、伝熱管を通って冷却
された水を冷房や冷蔵、冷凍に使用する。この形式の熱
交換器に使用される伝熱管は、径が大きくて一般に２ｃ
ｍ程度あり、管壁を変形させることにより、管の両面に
ディンプルなどを形成し、内外周面の表面積を増大させ
たものも知られている。この場合、管の外径が大きいた
めに、その内外周面にディンプル等を形成することが容
易である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これに対し、本発明者
らは、従来の吸収式冷却機よりも小型の液−液型熱交換
器を研究しており、水平かつ互いに間隔をあけて比較的
小径の多数の金属管を配置し、これら金属管を直列また
は並列につないで熱媒を流す一方、金属管の外周面と接
触するように別の流体（気体、液体または液滴）を流
し、この流体と前記熱媒との間で熱交換させることを発
案した。このような小型熱交換を実現するためには、小
径で、しかも外周と内周の両面に熱交換用フィンを有す
る伝熱管が必要となるが、本出願人の保有する電縫管製
造技術によれば、かなり小径の金属管であっても両面に
フィンを形成することが可能であることが判明した。

【０００５】ところで、両面に細かいフィンを形成した
両面溝付管を用いて上記のような液−液型熱交換器を製
造した場合、管の外周面に付着した熱媒液体が外周面溝
の毛細管力によって両面溝付管の外周面を広く濡らし、
液切れが悪いという問題が判明した。このように液切れ
が悪いと、フィンの下半部を常に液膜が覆うため、熱媒
とフィン金属面との直接の熱交換を妨げ、熱交換効率の
低下を招く。

【０００６】また、従来の両面溝付管では、管内を流れ
る熱媒気体の圧力によって熱媒液体が管の内面溝に沿っ
て上方へ吹き上げられ易く、管の内周面フィンの大部分
を液膜が覆ってしまい、フィンの金属面が熱媒気体と直
に接触しなくなる。このため、熱交換効率が抑制される
という問題も有していた。

【０００７】本発明は上記知見に基づいてなされたもの
で、内周面側では液膜の広がりを防ぐ一方、外周面側で
は液切れを良好にすることができ、ひいては熱交換効率
を高められる両面溝付管および熱交換装置を提供するこ
とを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る両面溝付管は、金属管の内周面に多数
の内周面フィンが形成されるとともに、外周面には多数
の外周面フィンが形成されたものであり、前記金属管の
周方向の１カ所には管軸方向に延びる溶接部が形成さ
れ、この溶接部と対応する箇所において前記内周面フィ
ンおよび前記外周面フィンがそれぞれ途切れていること
を特徴とする。

【０００９】一方、本発明に係る熱交換装置は、水平か
つ互いに間隔をあけて配置された多数の管体を具備し、
これら管体を通して第１流体を流す１または２以上の流
路が構成されているとともに、前記管体の外周面に第２
流体を接触させるための第２流路を具備するものであ
り、前記管体は、金属管の内周面に多数の内周面フィン
が形成されるとともに、外周面には多数の外周面フィン
が形成された両面溝付管であり、前記金属管の周方向の
下端には管軸方向に延びる溶接部が形成され、この溶接
部と対応する箇所において、前記内周面フィンおよび前
記外周面フィンがそれぞれ途切れていることを特徴とす
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る両面溝付管
の一実施形態を示す断面図である。この両面溝付管１
は、金属管の内周面に多数の内周面フィン６が互いに平
行に形成されるとともに、外周面には多数の外周面フィ
ン２が互いに平行に形成されたものである。内周面フィ
ン６同士の間には内面溝８が形成され、外周面フィン２
同士の間には外周面溝４が形成されている。

【００１１】両面溝付管１の材質は限定されないが、一
般には銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金等
の金属で形成されていることが好ましい。両面溝付管１
の外径、肉厚、長さ等の寸法は限定されないが、小型の
熱交換器を実現する場合には、両面溝付管１の外径が
０．５〜１．５ｃｍ程度であってもよい。

【００１２】両面溝付管１は電縫加工により得られたも
のであり、周方向の１カ所には、管軸方向に全長に亘っ
て延びる溶接部１０が形成され、溶接部１０と対応する
箇所では、図２および図３にそれぞれ示すように、内周
面フィン６および外周面フィン２が一定幅に亘って途切
れて、両面溝付管１の全長に亘って、一定幅を有するフ
ィン無し部分が形成されている。

【００１３】溶接部１０は管の内外周面において緩やか
に突出する断面形状を有し、管の内周面には、図２に示
すように、溶接部１０の両側に一対の内周面突条部１４
が形成されている。これら内周面突条部１４は、溶接部
１０から等距離にあって、溶接部１０と平行に延び、内
周面フィン６の末端がこれら内周面突条部１４に接続さ
れ、内周面突条部１４同士の間がフィン無し部分になっ
ている。

【００１４】また、図３に示すように、両面溝付管１の
外周面には、溶接部１０の両側において一対の外周面突
条部１２が形成されている。これら外周面突条部１２は
溶接部１０から等距離にあり、溶接部１０と平行に延
び、外周面フィン２の末端がこれら外周面突条部１２に
接続されていて、これら外周面突条部１２同士の間がフ
ィン無し部分になっている。したがって、外周側のフィ
ン無し部分および内周側フィン無し部分は互いに対向す
る位置に形成されている。このような配置でフィン無し
部分を形成することは、製造方法の点からも好ましい。
すなわち、板条材を電縫加工して管状にする際に、板条
材の端面近傍にフィンが形成されていなければ、板条材
の端面に発生する電流の密度を均一化することができ、
溶接ムラを防ぐこともできるからである。溶接部１０
は、フィン２，６の高さより突出量が小さい突条である
ことが好ましい。

【００１５】この実施形態では、図２に示すように、内
周面フィン６がジグザグ形状（鋸刃状）をなすように形
成されている一方、外周面フィン２は、図３に示すよう
に単純な直線状に形成されている。このように、内周面
フィン６を螺旋溝よりも乱流発生効果の高いジグザグ形
状、外周面フィン２を単純な直線状（螺旋状）とした場
合には、内周面フィン６による熱交換効率を著しく高め
ることができる上、板条材の幅方向の特定部分の強度が
低下するといったことが防げるから、両面溝付管１をロ
ールフォーミングする過程で、その断面形状を完全な円
形にすることが容易になる。ただし、本発明はこの構成
に限定されるものではなく、外周面フィン２および内周
面フィン６の形状は任意に変更してよい。例えば、外周
面フィン２をジグザグ形状にする一方、内周面フィン６
を単純螺旋状にしてもよいし、あるいは両者を、ジグザ
グ形状または単純螺旋状のいずれかにすることも可能で
ある。

【００１６】この実施形態の内周面フィン６は、図２に
示すように、その周方向略９０゜毎に、管軸に対する角
度が反転するように形成されている。内周面フィン６の
管軸に対する傾斜角度αの絶対値は制限されないが、一
般には８〜３０゜であることが好ましく、より好ましく
は１０〜２５゜とされる。前記絶対値が３０゜を越える
と内周面フィン６が流れに対して垂直に近くなり、圧力
損失が大きくなるため好ましくない。また、前記絶対値
が８゜未満であると、フィン２が流れに対して平行に近
くなり、内周面フィン６による乱流発生効果が低下す
る。

【００１７】外周面フィン２は、図３に示すように、軸
線に対して交差する一定角度（螺旋角）βで形成され、
管軸を中心とする螺旋状をなしている。螺旋角βは限定
されないが、重力による排液性を高める観点からは４５
〜９０゜程度が好ましく、より好ましくは７０〜９０゜
程度とされる。

【００１８】フィン２，６の断面形状は、三角形状、二
等辺三角形状、頂角が丸く面取りされた三角形状、半円
状、円弧状、台形状、面取りされた台形状などいかなる
形状であってもよいが、この実施形態では、図１に示す
ように、頂点が平坦化された台形状とされている。この
ように断面が台形状であると、製造時にロールフォーミ
ングがしやすいという利点がある。

【００１９】フィン２，６の管軸方向ピッチおよび高さ
は限定されないが、本発明の熱交換器に使用する場合に
は、フィン２，６のピッチが好ましくは０．３〜１．０
ｍｍ、さらに好ましくは０．４〜０．８ｍｍとされる。
また、フィン高さは、好ましくは０．１〜０．５ｍｍ、
さらに好ましくは０．１５〜０．３ｍｍとされる。

【００２０】なお、前記実施形態では、両面溝付管１の
内周面を周方向におけるフィン屈折数を４としていた
が、フィン屈折数は２または６としてもよく、これらの
場合にもこの実施形態と同様の効果が得られる。また、
両面溝付管１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（屈折数８とする）ことも
可能である。

【００２１】内周面突条部１４同士の距離は、本発明で
は必ずしも限定されないが、好ましくは金属管内周面の
全周長の２〜８％、さらに好ましくは３〜６％とされ
る。前記離間量が２〜８％の範囲内であれば、このフィ
ン無し部分を流れる熱媒液体の流量が多くなり、管内周
面での液膜の広がりを抑えることができる。

【００２２】また、外周面突条部１２同士の距離は、本
発明では必ずしも限定されないが、好ましくは金属管外
周面の全周長の３〜１０％、さらに好ましくは４〜７％
とされる。前記離間量が３〜１０％の範囲内であれば、
このフィン無し部分により液切れを高める効果が増し、
管外周面での液膜の広がりを抑えることができる。

【００２３】次に図４は、本発明に係る熱交換装置の一
実施形態を示す縦断面図である。この熱交換器は、水平
かつ平行に互いに間隔をあけて本発明に係る両面溝付管
１を配置し、これら両面溝付管１を蛇行形状に連結する
と共に、この管系全体を外枠体２０内に収容したもので
あり、両面溝付管１を通して熱媒が流れるようになって
いる。また、外枠体２０には、両面溝付管１に第２流体
を接触させるための第２流路が設けられている。この第
２流路は、例えば両面溝付管１に第２流体である液体を
滴下するスプレー機構であってもよいし、あるいは、外
枠体２０内を外部から循環される気体または液体で満た
した構成としてもよい。

【００２４】図５は、本発明に係る熱交換装置の他の実
施形態を示す縦断面図である。この熱交換器は、円筒形
の本体６０を有し、この本体６０の両端は隔壁６２で塞
がれている。これら隔壁６２の間を掛け渡して、多数の
両面溝付管１が水平に固定され、各両面溝付管１の両端
は隔壁６２を貫通している。本体６０の両端には、前記
隔壁６２との間に気密的な空間を形成するように蓋６
４，６６が取り付けられ、さらに一方の蓋６６には水平
な隔壁６６Ａが形成され、これにより空間６８，７０が
仕切られている。空間６８側には排出口７２が形成さ
れ、空間７０側には導入口７４が形成され、導入口７４
から流体Ａを入れると、この流体Ａは空間７０を通って
下側半分の両面溝付管１を通過し、蓋６４が画成する空
間で反転し、再び上側半分の両面溝付管１を通過し、空
間６８を通って、排出口７２から排出されるようになっ
ている。本体６０の内部には、軸方向に一定間隔毎に邪
魔板８０が固定されている。邪魔板８０は図６に示すよ
うに一部切りかかれた円板状であり、この切欠部分を交
互に上または下に向けている。また、本体６０の一端に
は導入口７６、他端には排出口７８が形成され、導入口
７６から導入された流体Ｂは邪魔板８０により蛇行させ
られながら、排出口７８から排出されるようになってい
る。

【００２５】図４〜図６のいずれの装置においても、図
７に示すように、多数の両面溝付管１が全て、溶接部１
０を下に向けて取り付けられており、これにより、外周
面フィン２および内周面フィン６がいずれも、両面溝付
管１の下端部において途切れている。このため、両面溝
付管１の外周面に滴下された液体または凝結した液体
は、外周面フィン２に沿って下端に流れると、外周面突
条部１２の下面に集められ、ここから滴下していく。よ
って、両面溝付管１の外周面における液切れが良好であ
り、外周面フィン２が過剰に液膜で覆われることがない
から、外周面フィン２の金属面が露出しやすく、外周面
フィン２と第２流体との熱交換を促進することが可能で
ある。また、両面溝付管１の外部に液体が充満されてい
る場合には、両面溝付管１の外周面フィン２により液体
の乱流化を促進し、強制対流熱伝達を向上することがで
きる。

【００２６】同時に、両面溝付管１の内周面の下端部に
も、管軸方向に延びるフィン無し部分が形成されている
から、両面溝付管１内を流れる熱媒液体はこのフィン無
し部分に沿って速やかに吹き流される。よって、内周面
フィン６を伝わって両面溝付管１の内周面全面に液体が
広がることはなく、内周面フィン６の金属面の露出度を
増して、熱媒気体との熱交換を促進することが可能であ
る。以上の２つの作用が同時に得られることにより、こ
の熱交換装置では第２流体と管内熱媒との熱交換効率を
高めることが可能となる。

【００２７】次に図８は、上記構成からなる両面溝付管
１の製造装置の一例を示す側面図である。図中符号３０
は一定幅の金属製板条材Ｔを連続的に繰り出すアンコイ
ラであり、繰り出された板条材Ｔは一対の押さえロール
３２を経て、対をなす溝付ロール３４および溝付ロール
３６の間を通され、溝付ロール３４により、図２に示す
ような内周面フィン６、内面溝８、および内周面突条部
１４が形成される一方、溝付ロール３６により、図３に
示すような外周面フィン２、外周面溝４、および外周面
突条部１２が形成されるようになっている。

【００２８】溝付ロール３４，３６によりフィン２，６
が形成された板条材Ｔは、一対のロール３８を経て、複
数対配列されたフォーミングロール４０を通して徐々に
管状に丸められ、ローリングセパレータ４２により突き
合わせるべき両端縁間の間隙量が一定に保たれたうえ、
誘導加熱コイル４４に通されて両側縁部が加熱される。
管状に成形され加熱された板条材Ｔは、一対のスクイズ
ロール４６を通され、両側方から押されることにより加
熱された両側縁部が突き合わされ、溶接される。こうし
て溶接された両面溝付管１の外周面には、はみ出した溶
融材料によりビードが形成されるので、このビードを切
削するためのビードカッタ４８が設けられている。

【００２９】ビードが切削された両面溝付管１は冷却槽
５０を通されて強制冷却されたうえ、複数対配列された
サイジングロール５２を通され、必要に応じて所定の外
径までに縮径される。さらに、縮径された両面溝付管１
は、ラフコイラ５４で巻き取られる。

【００３０】以上のような装置および製造方法によれ
ば、両面溝付管１を容易に製造することが可能である。
また、外周面フィン２として単純螺旋形のもの、内周面
フィン６としてジグザグ形状のものを形成する場合に
は、板条材Ｔの幅方向の特定部分で強度が低下するとい
ったことがないから、両面溝付管１が多角形状に歪んで
製造されるといった不具合がない。

【００３１】

【実施例】次に、実施例を挙げて本発明に係る両面溝付
管の効果を実証する。内面にＷ型のフィンを形成すると
共に外面に螺旋状のフィンを形成した実施例の両面溝付
管と、内面に螺旋状のフィンだけを形成した比較例１の
内面溝付管と、内面にＷ型のフィンだけを形成した比較
例２の内面溝付管とを製造し、これらの熱通過率を測定
した。

【００３２】伝熱管の寸法は以下の通りである。 ［実施例］ 外径（外周面フィンを含む）：７．５８ｍｍ 管肉厚（外周面フィンおよび内周面フィンを含む）：０．６１ｍｍ 内周面フィンの高さ：０．１７７ｍｍ 内周面フィンのピッチ：０．３６ｍｍ 内周面フィンの軸線に対する傾斜角度（ｗ形状（ジグザグ形状）） ：１６゜ 外周面フィンの高さ：０．１６０ｍｍ 外周面フィンのピッチ：０．５０ｍｍ 外周面フィンの軸線に対する傾斜角度（螺旋形状） ：１８゜ ［比較例１］外径：７．３５ｍｍ 管肉厚（内周面フィンを含む）：０．４３ｍｍ 内周面フィンの高さ：０．１６ｍｍ 内周面フィンのピッチ：０．３６ｍｍ 内周面フィンの軸線に対する傾斜角度（螺旋形状） ：１８゜ ［比較例２］外径：７．３５ｍｍ 管肉厚（内周面フィンを含む）：０．４３ｍｍ 内周面フィンの高さ：０．１８ｍｍ 内周面フィンのピッチ：０．３６ｍｍ 内周面フィンの軸線に対する傾斜角度（ｗ形状（ジグザグ形状）） ：１６゜

【００３３】次に、前記各伝熱管Ｐを図９に示す試験装
置９０にセットして、蒸発試験および凝縮試験を行っ
た。この試験装置９０の全長は３．５ｍであり、内径は
１．３５ｃｍである。図示のように試験装置９０の一端
から水道水を流すとともに、伝熱管Ｐの一端からフロン
を流し、伝熱管Ｐを通じての熱通過率を測定した。冷媒
流量は２０，３０，４０ｋｇ／ｈとし、各測定条件は以
下の通りである。 ［蒸発試験条件］ フロンの蒸発温度：５℃ フロンの通過中における上昇温度：３℃ 水道水の流速：１．５ｍ／ｓ ［凝縮試験条件］ フロンの凝縮温度：４５℃ フロンの通過中における下降温度：５℃ 水道水の流速：１．５ｍ／ｓ

【００３４】その結果を図１０に示す。このグラフに示
すように、本発明に係る実施例の両面溝付管によれば、
蒸発時および凝縮時のいずれの熱通過率も比較例１，２
に比べて向上し、特に凝縮率の向上は顕著であった。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明に係る両面
溝付管によれば、その内周面および外周面にそれぞれ内
周面フィンおよび外周面フィンが多数形成されるととも
に、周方向の１カ所には管軸方向に延びる溶接部が形成
され、この溶接部と対応する箇所において、内周面フィ
ンが途切れているから、溶接部を下向きにした状態で使
用することにより、内周面での液膜の広がりを抑えるこ
とができる。また、両面溝付管の外部に液体が充満され
ている場合には、両面溝付管の外周面フィンにより液体
の乱流化を促進し、強制対流熱伝達を向上することがで
きる。

【００３６】また、本発明に係る熱交換装置によれば、
前記構成を有する両面溝付管が全て、溶接部を下に向け
て取り付けられており、外周面フィンおよび内周面フィ
ンがいずれも、両面溝付管の下端部において途切れてい
るから、両面溝付管の外周面に付着した液体は、外周面
フィンに沿って下端に流れ、末端に集められて滴下す
る。よって、両面溝付管の外周面における排液性が良好
で、外周面フィンが過剰に液膜で覆われることがないか
ら、外周面フィンと第２流体との熱交換を促進すること
が可能である。同時に、両面溝付管の内周面の下端部に
も、管軸方向に延びるフィン無し部分が形成されている
から、両面溝付管内を流れる第１流体の液体はこのフィ
ン無し部分に沿って速やかに吹き流される。よって、内
周面フィンを伝わって両面溝付管の内周面全面に液膜が
広がることはなく、内周面フィンの金属面の露出度を増
して、熱媒気体との熱交換を促進することが可能であ
る。以上の２つの作用が同時に得られることにより、こ
の熱交換装置では第２流体と第１流体との熱交換効率を
高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る両面溝付管の一実施形態を示す
断面図である。

【図２】 同両面溝付管の内周面の展開図である。

【図３】 同両面溝付管の外周面の展開図である。

【図４】 本発明に係る熱交換装置の一実施形態を示す
概略図である。

【図５】 本発明に係る熱交換装置の他の実施形態を示
す縦断面図である。

【図６】 図５中のＶＩ−ＶＩ線断面図である。

【図７】 同熱交換装置内での両面溝付管の配列状態を
示す断面図である。

【図８】 両面溝付管の製造装置の概略図である。

【図９】 実験に使用した装置の概略図である。

【図１０】 実験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 両面溝付管 ２ 外周面フィン ４ 外周面溝 ６ 内周面フィン ８ 内面溝 １０ 溶接部 １２ 外周面突条部 １４ 内周面突条部 ２０ 外枠体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属管の内周面に多数の内周面フィンが
   形成されるとともに、外周面には多数の外周面フィンが
   形成されてなる両面溝付管であって、前記金属管の周方
   向の１カ所には管軸方向に延びる溶接部が形成され、こ
   の溶接部と対応する箇所において、前記内周面フィンお
   よび前記外周面フィンがそれぞれ途切れていることを特
   徴とする両面溝付管。
2. 【請求項２】 前記金属管の外周面および内周面のそれ
   ぞれには、前記溶接部の両側に、前記溶接部から離れて
   各一対の突条部が形成され、対をなす突条部に挟まれた
   領域には、内周面フィンおよび外周面フィンが形成され
   ていないことを特徴とする請求項１記載の両面溝付管。
3. 【請求項３】 前記内周面フィンはジグザグ形状をなし
   ている一方、前記外周面フィンは単純螺旋形状をなして
   いることを特徴とする請求項１または２記載の両面溝付
   管。
4. 【請求項４】 水平かつ互いに間隔をあけて配置された
   多数の管体を具備し、これら管体を通して第１流体を流
   す１または２以上の流路が構成されているとともに、前
   記管体の外周面に第２流体を接触させるための第２流路
   を具備する熱交換装置であって、前記管体は、金属管の
   内周面に多数の内周面フィンが形成されるとともに、外
   周面には多数の外周面フィンが形成された両面溝付管で
   あり、前記金属管の周方向の下端には管軸方向に延びる
   溶接部が形成され、この溶接部と対応する箇所におい
   て、前記内周面フィンおよび前記外周面フィンがそれぞ
   れ途切れていることを特徴とする熱交換装置。