JP2005121238A - 沸騰用伝熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器の高性能化および小型化を実現することができる沸騰用伝熱管を提供する。
【解決手段】 複数の第１のフィン３と第２のフィン４と管本体２により管周方向に連続する空洞５を形成する。第１のフィン３の先端部３Ａと第２のフィン４の先端部４Ａとの間に管周方向に連続する流入口６、および空洞５と外部とを連絡する排出口７を形成し、流入口６から冷媒を流入させ、排出口７から沸騰した冷媒の気泡の排出を行わせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ターボ冷凍機やスクリュー冷凍機などの大型冷凍機の蒸発器に組み込まれ、冷媒中に浸漬されて冷媒を加熱沸騰する沸騰用伝熱管に関し、特に、熱交換器の高性能化および小型化を実現することができる沸騰用伝熱管に関する。

従来、沸騰用伝熱管として、伝熱面の形状の異なるのものが種々提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

図４は、特許文献１に示された沸騰用伝熱管を示す。この沸騰用伝熱管３０は、管本体３１の上面に立設したフィン３２と、フィン先端部３２Ａを折曲して隣接するフィン３２との間で連続して形成した空洞３３と、空洞３３の所定間隔毎に形成され、外部と接続された穴３４とを備える。穴３４と表面３５の総面積の比は、２〜５０％である。この沸騰用伝熱管３０によれば、空洞３３は、穴３４から流入する冷媒の沸騰を促進する作用を有し、穴３４の面積を変えることにより、空洞３３内に残存する気泡を確保して伝熱効率を向上させることができる。

図５は、特許文献２に示された沸騰用伝熱管を示す。この沸騰用伝熱管４０は、管本体４１の上面に立設したフィンの先端部を圧縮変形してブロック状突起４２を形成し、ブロック状突起４２により管周方向に沿って延びる空洞４３を形成し、空洞４３と外部とを連通する幅０．１３ｍｍ以下の間隙部４４と、空洞４３と直交する軸方向に浅く形成された空洞４３Ａと、空洞４３Ａと外部とを連通する幅０．１３ｍｍ以下の間隙部４４Ａとを備える。この沸騰用伝熱管４０によれば、空洞４３、４３Ａは、流入される冷媒の沸騰を促進する作用を有しており、空洞４３、４３Ａにおいて気泡となった冷媒は、間隙部４４，４４Ａから排出される。この間隙部４４，４４Ａの幅を０．１３ｍｍ以下にすることにより、空洞４３，４３Ａ内に残留する気泡を確保して伝熱効率を向上させることができる。

図６は、特許文献３に示された沸騰用伝熱管を示す。この沸騰用伝熱管５０は、管本体５１の上面に立設したフィン５２と、先端部５４Ａがフィン５２に当設したＴ字状フィン５４と、フィン５２とＴ字状フィン５４とにより管長手方向に形成された空洞５３と、Ｔ字状フィン５４の先端部５４Ａに形成され、空洞５３と外部とが接続された開口５５とを備える。この沸騰用伝熱管５０によれば、フィン５２により沸騰用伝熱管５０の周囲の冷媒が加熱されるため、空洞５３内に浸入する際の冷媒の温度を高くすることができ、空洞５３内において気泡の成長速度が速くなる。したがって、伝熱効率が高くなり小型化が可能になる。
特公昭５３−２５３３７９号公報（図１） 特公昭６４−２８７８号公報（図６） 特開平６−３２３７７８号公報（図１）

しかし、特許文献１に記載された沸騰用伝熱管によると、空洞における核沸騰は良好となるが、穴から排出される気泡や、空洞に入る前の冷媒は加熱されにくいため、伝熱性能の向上を図ることが困難である。また、冷媒が空洞に入ってくる穴と、気泡が排出される穴が同一であるため、冷媒の流入と気泡の排出がスムースに行われないおそれがある。

また、特許文献２に記載された沸騰用伝熱管によると、軸方向に設けられた空洞から管周方向の空洞への冷媒の流入は圧損が大きく円滑でなく、伝熱性能の向上を図るのが困難である。また、管周方向の空洞と軸方向の空洞との交差部が大きく開いており、核沸騰が生じている管周方向の空洞に軸方向の空洞から冷媒が―部流入するため、核沸騰がこの部分で阻害されやすくなる。

また、特許文献３に記載された沸騰用伝熱管によると、フィンにより沸騰用伝熱管の周囲の冷媒が加熱されるため、空洞内に流入する冷媒の温度が高くなるので、伝熱効率が高くなるが、フィンが突出しているため、沸騰用伝熱管が大型化する。また、冷媒が空洞に入ってくる開口と、気泡が排出される開口が同一であるため、冷媒の流入と気泡の排出がスムースに行われないおそれがある。

従って、本発明の目的は、核沸騰を促進させ、冷媒の流入と気泡の排出をスムースにして伝熱性能を向上させた沸騰用伝熱管を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、内部に加熱媒体が流れる管本体と、前記管本体の外周面に設けられた複数の第１のフィンと、前記複数の第１のフィンと所定間隔を隔てて前記管本体の外周面に設けられ、前記複数の第１のフィンと組み合わされることにより冷媒を流入する流入口を有する空洞が形成され、前記空洞内に流入した前記冷媒が前記加熱媒体によって沸騰したときの気泡を外部に排出する複数の排出口が形成された複数の第２のフィンとを備えることを特徴とする沸騰管用伝熱管を提供する。

本発明の実施の形態では、複数の第２のフィンは、それらの先端部に切欠きが形成されており、前記先端部を複数の第１のフィン側に折曲し、前記複数の第１のフィンの先端部との間に流入口を形成し、空洞と外部を連絡する複数の排出口を形成することが好ましい。

本発明の実施の形態では、排出口は、加熱媒体によって沸騰させられて外部に排出される冷媒の気泡のサイズに応じたサイズを有し、流入口は、前記冷媒を空洞内に流入し、前記気泡の前記外部への流出を防ぐように、前記排出口のサイズより小なるサイズを有することが好ましい。

本発明の実施の形態では、流入口は、０．０２〜０．２ｍｍの間隔を有することが好ましい。

本発明の実施の形態では、複数の空洞は、その間隔が０．１〜０．８ｍｍであることが好ましい。

本発明の沸騰用伝熱管によれば、気泡を外部に排出する開口と、冷媒を空洞に導入する流入口を形成したため、気泡を排出することによる冷媒の流入が気泡により阻害されないので、核沸騰が促進され、空洞内の冷媒および気泡の流れがスムースとなり、冷媒の伝熱性能が向上し、熱交換器の高性能化および小型化を実現することができる。

本発明の沸騰管用伝熱管によれば、複数の第２のフィンの先端部部を複数の第１のフィン側に折曲すれば流入口と流出口を形成することができるため、容易に沸騰用伝熱管を形成することができる。

本発明の沸騰用伝熱管によれば、排出口は、加熱媒体によって沸騰させられて外部に排出される冷媒の気泡のサイズに応じたサイズを有し、流入口は、前記冷媒を空洞内に流入し、前記気泡の前記外部への流出を防ぐように、前記排出口のサイズより小なるサイズを有することとしたため、空洞内の冷媒および気泡の流れがスムースとなり、冷媒の伝熱性能が向上するので、熱交換器の高性能化および小型化を実現することができる。

本発明の沸騰用伝熱管によれば、流入口が０．０２〜０．２ｍｍの間隙を有するため、冷媒の気泡はこの流入口から外部に出ることができないので、冷媒の流入個所と気泡の排出個所を異ならせることができる。

本発明の沸騰用伝熱管によれば、複数の空洞の間隔を０．１〜０．８ｍｍとしたため、空洞内に冷媒を容易に流入させることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る沸騰用伝熱管を示す。沸騰用伝熱管１は、管本体２と、管本体２の外周面から立設した第１のフィン３と、管本体２の外周面に形成され、第１のフィン３の先端部３Ａを覆うようにその先端部が折曲されている第２のフィン４とを備える。

第１のフィン３と第２のフィン４と管本体２により管周方向に連続する空洞５が形成される。第１のフィン３の先端部３Ａと第２のフィン４の先端部４Ａは、先細に形成され、両者の間に流入口６が形成されている。第２のフィン４の先端４Ａは、所定間隔で切り欠かれて排出口７が形成されている。排出口７は、隣り合う第２のフィンに形成された排出口７とそれぞれ半ピッチずらしてある。

図２は、本発明の実施の形態に係る沸騰用伝熱管の製造工程を示す。まず、図２（ａ）に示すように、外周面が平滑な管１Ａを準備し、刃先角が６０°の第１のバイト１０Ａおよび第２のバイト１０Ｂを所定の切込角度、所定の切込量、および形成されるフィン３，４の間隔が所定の寸法ととなるように、第１のバイト１０Ａおよび第２のバイト１０Ｂを管軸方向および管周方向にずらして配置する。第１のバイト１０Ａおよび第２のバイト１０Ｂを管本体２に衝接し管１Ａの周方向に回転させるとともに、管１Ａを軸方向に移動させ、第１のフィン３および第２のフィン４を鋤起こす。このとき、異なる高さの第１および第２のフィン３，４を形成するためにそれぞれの第１のバイト１０Ａおよび第２のバイト１０Ｂの切込量を調節する必要があるので、第１のバイト１０Ａの切込量を０．１０ｍｍ、第２のバイト１０Ｂの切込量を０．２５ｍｍとした。また、管軸方向の空洞の間隔が、０．３ｍｍとなるように第１のバイト１０Ａおよび第２のバイト１０Ｂの回転速度、管１Ａの送り速度を調整した。これによって形成されるフィン３，４は、第１のバイト１０Ａおよび第２のバイト１０Ｂにより鋤起こされるため、先端部が先細に形成された鋭利なものとなる。

次に、図２（ｂ）に示すように、溝付きロール１１を第２のフィン４に０．２ｍｍ押し付けながら回転させるとともに、管１Ａを管軸方向に移動させ、第２のフィン４に三角形状の複数の切欠き４Ａを形成した。

次に、図２（ｃ）に示すように、平ロール１２を回転させるとともに、管１Ａを管軸方向に移動させ、第２のフィン４の途中を第１のフィン３側に折り曲げて、管軸方向に連続する空洞５を形成した。このとき、第２のフィン４の先端部４Ａと第１のフィン３の先端部３Ａとにより管軸方向に連続する流入口６を形成した。形成された流入口６は、第２のフィン４の先端部４Ａの先端と第１のフィン３の先端部の先端の間隔は、狭すぎると空洞５への冷媒の流入が困難となり、広すぎると空洞５へ過剰に冷媒が流入し核沸騰を阻害するので、０．０２〜０．２ｍｍとした。また、第１のフィン３の先端部３Ａを第２のフィン４の先端部が覆うように折り曲げる量を調整した。

管軸方向の空洞５の間隔は、短すぎると冷媒の流入が困難となり、逆に広すぎると空洞５での核沸騰領域が減少してしまうため、０．１ｍｍ〜０．８ｍｍが好ましい。

図３は、本発明の実施の形態に係る沸騰用伝熱管１の要部拡大図である。図３を参照して本実施の形態の動作を説明する。本発明による沸騰用伝熱管１は、管周方向に連続する空洞５が管軸に対し直交あるいは傾斜して延びており、この空洞５の内部空間は、空洞５に沿って所定の間隔で設けられた複数の排出口７と、空洞５を形成するフィン間の流入口６により外部と繋がっている。

沸騰用伝熱管１を冷媒中に浸し、空洞５内にフロン等の冷媒が充満した状態で管本体２内に加熱媒体を流すと、加熱媒体により管本体２が加熱され、管本体２から第１のフィン３および第２のフィン４に熱を伝導する。これら第１および第２のフィン３，４は、その近傍の冷媒に熱を伝達し、冷媒の温度を上昇させる。―方、空洞５内では、第１および第２のフィン３，４および管本体２の冷媒と接する面から加熱され、冷媒は沸騰して気泡１３が活発に発生する。この気泡１３は、ある程度の大きさまで成長すると、第１および第２のフィン３，４から離脱し、複数の排出口７を通って冷媒中に移動する。気泡１３は、通常、流入口６の間隔より大きいため、流入口６からは排出されず、先細の第２のフィンの先端部４Ａに沿って排出口７に集まり、排出口７から排出される。その際、空洞５を形成する先細の第２のフィンの先端部４Ａによって、気泡１３の離脱が助長される。また、気泡１３の一部は小さな気泡１３ａとなって空洞５内に残留する。そして、空洞５内には、離脱した気泡１３に対応する量の冷媒が流入口６から流入する。この空洞５に新たに流入する冷媒は、空洞５を形成する第１および第２のフィン３，４により加熱されて温度が上昇している状態で流入口６から空洞５に切れ目なく流入するため、少ない熱量で沸騰温度に到達する。したがって、空洞５内に残留した気泡１３ａを核として、気泡１３が急速に成長する。

本発明の実施の形態に係る沸騰用伝熱管１によれば、空洞５内から気泡１３が排出する場所と空洞５内への冷媒の侵入する場所が異なる構成としたため、空洞５内に入ってきた冷媒が暖められ気泡１３として空洞５から出ていくルートが形成されるため、空洞５内から気泡１３が出て行くのと同時に暖められた冷媒が空洞５内に入ってきて核沸騰が促進され、空洞５内の冷媒および気泡１３の流れがスムースとなるので、熱交換効率が向上するとともに、熱交換器の小型化を実現することができる。

また、空洞５を管周方向に所定の間隔で形成しているため、熱交換器の上方に組み込まれた場合でも、空洞５間の第１および第２のフィン間には、下方の沸騰用伝熱管１によって発生した気泡１３が侵入しにくく、冷媒の濡れは良好であるため、従来の沸騰用伝熱管と比較して、伝熱効率が一層向上する。

なお、切欠きの形状、すなわち、排出口７の形状は、図１〜図３において三角形としているが、矩形、円形等の形状であってもよい。また、空洞５を形成するための高い方のフィンを折り曲げる量は、低いフィンを覆わない程度であってもよい。

本発明の実施の形態に係る沸騰用伝熱管を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）の横断面図である。 本発明の実施の形態に係る沸騰用伝熱管の製造工程を示す図であり、（ａ）は第１および第２のフィンを鋤起こした状態を示す図、（ｂ）は第２のフィンの先端に切欠きを形成するところを示す図、（ｃ）は第２のフィンを折曲して沸騰用伝熱管を形成したところを示す図である。 本発明の実施の形態に係る沸騰用伝熱管の動作の説明図である。 図４は、特許文献１に示された沸騰用伝熱管を示す図である。 図５は、特許文献２に示された沸騰用伝熱管を示す図である。 図６は、特許文献３に示された沸騰用伝熱管を示す図である。

符号の説明

１ 沸騰用伝熱管
１Ａ 管
２ 管本体
３，４ フィン
３Ａ，４Ａ 先端部
５ 空洞
６ 流入口
７ 排出口
１０Ａ 第１のバイト
１０Ｂ 第２のバイト
１１ 溝付きロール
１２ 平ロール
１３ 気泡
１３ａ 残留気泡
３０ 沸騰用伝熱管
３１ 管本体
３２ フィン
３２Ａ フィン先端部
３３ 空洞
３４ 穴
３５ 表面
４０ 沸騰用伝熱管
４１ 管本体
４２ ブロック状突起
４３，４３Ａ 空洞
４４，４４Ａ 流入口
５０ 沸騰用伝熱管
５１ 管本体
５２ フィン
５３ 空洞
５４Ａ 先端部
５４ Ｔ字状フィン
５５ 開口

Claims (5)

1. 内部に加熱媒体が流れる管本体と、
   前記管本体の外周面に設けられた複数の第１のフィンと、
   前記複数の第１のフィンと所定間隔を隔てて前記管本体の外周面に設けられ、前記複数の第１のフィンと組み合わされることにより冷媒を流入する流入口を有する空洞が形成され、前記空洞内に流入した前記冷媒が前記加熱媒体によって沸騰したときの気泡を外部に排出する複数の排出口が形成された複数の第２のフィンとを備えることを特徴とする沸騰管用伝熱管。
2. 前記複数の第２のフィンは、それらの先端部に切欠きが形成されており、前記先端部を前記第１のフィン側に折曲し、前記複数の第１のフィンの先端部との間に流入口を形成し、
   前記空洞と前記外部を連絡する複数の排出口を形成したことを特徴とする請求項１記載の沸騰用伝熱管。
3. 前記排出口は、前記加熱媒体によって沸騰させられて前記外部に排出される前記冷媒の気泡のサイズに応じたサイズを有し、
   前記流入口は、前記冷媒を前記空洞内に流入し、前記気泡の前記外部への流出を防ぐように、前記排出口のサイズより小なるサイズを有することを特徴とする請求項１記載の沸騰管用伝熱管。
4. 前記流入口は、０．０２〜０．２ｍｍの間隔を有することを特徴とする請求項３記載の沸騰用伝熱管。
5. 前記複数の空洞は、それらの間隔が０．１〜０．８ｍｍであることを特徴とする請求項３記載の沸騰用伝熱管。
   

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