JPS63189793A - 蒸発・凝縮用伝熱管 - 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】 〔産業上の利用分骨〕 この５１！明は、ヒートポンプ式冷暖房装置などに使用
される熱交換器に関し、特−蒸発・凝縮用伝熱管の改良
に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、ヒートポンプ式冷暖房装置などに使用される熱交
換器としては、第１４図に示すように、アルミフィン１
と伝熱管２よりなるプレートフィンチューブ熱交換！！
＃３がよく用いられており、伝熱管２内にはＲ−２２，
Ｒ−１１などのフロン系冷媒が流れ、アルミフィン１間
を通過する空気との間で熱交換作用が行われる。そして
、このような耽−トポンプ式冷暖房装置において嘴、１
つの熱交換ＷＩ３が、冬季の暖房時には凝縮器として動
作し、夏季の冷房時（怪は蒸発養として動作するように
使用されるため、１つの熱交換器３の伝熱管２内におい
て、冬場は凝縮伝熱が、また夏場には蒸発伝熱が行われ
ることになる。このようにして使用される従来の伝熱管
２内の蒸発熱伝達特性の改善策としては、例えば特公昭
６１−２３０６５号公報に示されるようなアルミニウム
系焼結金属板を利用した多孔質層を有する伝熱管の製造
方法が知られている。この製造方法によれば第１５図に
示すように、伝熱管２の壁面に合金層化結合材を介して
アルミニウム系焼結多孔質板を金属的に接着し、伝熱管
２壁面全体に多孔質層４を形成し、多孔質層４内に形成
される空隙中に冷媒蒸気が捕捉され、それが気泡核とな
って気泡を促進することで極めて良好の蒸発熱伝達特性
を有するように改善している。また、「多孔質伝熱面の
核沸騰熱伝達特性」に関する公知文献としては［日本機
械学会論文！（Ｂａｉｌ）５０巻４５１号（昭５９−３
）ｊがあり、この文献の第８１８頁においては、粒子径
のそろった球形の金属粒子を、電気メツキ皮膜で伝熱管
壁面のすべての平滑面上に固着する方法で多孔質層４を
形成するととで高性能な気泡核沸騰熱伝達特性が得られ
ることが示されている。

また、伝熱管２内の凝縮熱伝達特性を改善する方法とし
ては、第１６図に示すように伝熱管２内壁面２ａに溝５
を形成することにより伝熱面積の増大をはかる方法、或
いは、［日本機械学会論文集（８編）５１巻４６７号（
昭６Ｏ−７）Ｊ第２４３６頁に記載された第１７図に示
すように、凝縮伝熱管２の外壁面２ｂにｔｆ４！ＩＩか
らなる１本の細線６を全体に巻き付けることで凝縮熱伝
達特性を改善したものが知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

さて、前述したように、ヒートポンプ式冷暖房装置で使
用される熱交換器の伝熱管は、蒸発・凝縮熱伝達特性の
両者が同時に改善されることが要求されている。ところ
が、前述の第１５図に示される多孔質［４を有する伝熱
管２の場合、これを凝縮晋として用いると、凝縮液が多
孔質Ｈ４の空隙中にその毛管力により保持され液切れが
悪いために、その液膜が熱抵抗となることから凝縮熱伝
達特性は第１６図に示した伝熱管２の内壁面２ａに溝５
を付したものと比較した場合には、その伝達特性はや−
劣っている。逆に第１６図に示した溝５付の伝熱管２を
蒸発器として用いた場合、伝熱面積の増大分については
蒸発熱伝達特性が改善されるが、第１５図に示した多孔
質層４を有する伝熱管２と比較するとその特性はかなり
悪いものとなっており、蒸発・凝縮熱伝達特性の両方を
同時に改善することができないという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、１つの熱交換語用伝熱管で同時に蒸発および
凝縮熱伝達特性を改善し、かつ量産性の向上を可能にし
た蒸発・凝縮用伝熱管を得ること目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る蒸発・凝縮用伝熱管は、管内壁面および
外壁面の少なくとも一方に、空隙を有する突起部を形成
すると共に、該突起部と上記壁面平石部とが混在するよ
うに構成したものである。

〔作　用〕

この発明における突起部は、その一部に空隙を有するも
のであるから伝熱管を蒸発器として使用した場合には、
空隙中に冷媒蒸気が捕捉されそれが気泡核となって発泡
を促進することで蒸発熱伝達特性を良好なものとし、逆
に伝熱管を凝ｍ’ｉｉｉとして使用する場合には、突起
部で伝熱面積を増大できると共に、毛管力により管壁面
の平坦部におけるａｍ液膜を薄くシ、熱抵抗を軽減する
乙とで凝縮熱伝達特性を改善することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の蒸発・凝縮用伝熱管の第１の実施例を
第１図乃至第３図について説明する。図中１０は熱交換
鼎用に使用される伝熱管で、この伝熱管１０は円管１１
の内壁面１１ａにアルミニウム系焼結金属の接着或いは
フッ素樹脂や金属薄膜をコーティング等で多層状に設け
た多孔質層によって形成した突起部１２を有し、この突
起部１２は上記管１１の軸方向に隣接する突起部１２同
志の間隔Ｐをもって円周方向に環状に形成されたもので
ある。

以上のように構成された乙の発明の実施例によれば、多
孔質層からなる突起部１２が形成されている筒所からは
、上述の従来と同様に発泡が促進され伝熱管１０の熱伝
達特性が極めて良好なものとなる。また突起部１２であ
る多孔質層が形成されていない箇所においては、多孔質
層がある箇所に比べその熱伝達特性は若干低下すること
は否めないが、本来、蒸発熱伝達率が他の相変化を伴わ
ない伝熱に比して極めて高いことの理由が、気泡による
潜熱輸送の効果と、発生・離脱する気泡による気泡周囲
の冷媒液の撹乱効果によることと、特にヒートポンプ使
用のように、熱流束が小さい場合には、後者の効果がよ
り大きいものであることを考慮したとき、その低下の割
合はそれ程大きいものではない。上記発生・離脱する気
泡の撹乱効果は、概ね気泡径ｄの２倍程度と考えられる
ことから、第１図で示す間隔Ｐは、その２倍以下、つま
り Ｐ≦４ｄ　　　　　　　・・・・・（１）であれば、多
孔質層である突起部１２のない箇所での熱伝達率の低下
はほとんどない。

上記（１）式でｄは、 で与えられる。（「伝熱概論」甲藤好部著（養賢堂出版
）３０６頁の式１５５参照） こ＼で、φは、気泡離脱時の接触角。

σは、表面張力。

ρｅ、ρＶは、液体・気体の密度。

ｙは重力加速度である。

更にまた、ビートポンプの蒸発器においては、圧縮機へ
の液戻りを防止するために、通常蒸発器出口の冷媒は過
熱蒸気となっている。この過熱蒸気の流れている伝熱管
内では、蒸気の単相対流伝熱でおることから、蒸発熱伝
達に比べ、その熱伝達率は極めて悪い。しかるに、この
発明の実施例による伝熱管１０における多孔質層である
突起部１２の突起列は乱流促進体として作用するため、
この過熱領域においても熱伝達特性の改善が充分なされ
ることになる。この乱流促進体としての効果は、第１図
の突起部１２の突起列の高さをＨとし・　た場合、 １０≦Ｐ／Ｈ≦２０　　　・・・・・・（３）の間で、
その熱伝達率が最大値をとることが実験的に確かめられ
ている。

次に、上記この発明に係る実施例の伝熱管１０の凝縮熱
伝達特性について考察するに、凝縮熱伝達率りは、伝熱
管１０内壁面１１ａに凝縮液化する冷媒液１３の液膜厚
さをδとすると、 ｈ＝に／δ　　　　　・・・・・・（４）の関係式が成
立する。ここでｋは冷媒液の熱伝導率である。そして水
平におかれた平滑管内の凝縮液の流れの様相は第２図に
示すようになる。なお、第２図中の１４は凝縮液膜を示
している。ところが、この発明の実施例による伝熱管１
０によれば、多孔質層である突起部１２の毛管力により
隣接する突起部１２間の凝縮液膜１４が第３図に示すよ
うに引き寄せられるため伝熱管１０の内壁面１１ａの平
坦部１５において凝ｍ液膜１４が薄くなり、上記の関係
式（４）により伝熱特性が改善される。このような効果
は、上述した管外壁面に１本の細線を巻き付けた実験に
よって立証されている（「日本機械学会論文集」５１巻
４６７号（昭和６Ｏ−７）第２４３６頁［細線巻っけに
よる水平管外体積力対流凝縮の伝熱促進」参照）。

第４図はこの発明の第２実施例を示すもので、この実施
例においては、多孔質層である突起部１２が管内壁面１
１ａに千鳥状に徴在して形成された伝熱管１０を示して
いる。ただし、多孔質層である突起部には、隣接する突
起部１２同志の間隔Ｐおよび管内壁面の平坦部１５より
の高さＨは上述の関係式（１）、　（３１で示される範
囲で規制されている。

このような構成の伝熱管１０においても上述の第１実施
例と同様な効果を奏する。ただし、この伝熱管１０を凝
縮器として使用した場合には多孔質層である突起部１２
に毛管力で集められた凝縮液が突起部１２より滴下する
ことになる。

第５図はこの発明の第３の実施例を示すもので、この実
施例では多孔質層である突起部１２が螺旋状（コイル状
）に管内壁面１１ａに形成され、突起部１２の間隔Ｐと
高さＨは（１１，（３）の関係式の範囲で規制されたも
のである。

第６図はこの発明の第４の実施例を示し、この実施例で
は管内壁面１１ａに軸方向に沿って多孔質層である突起
部１２が形成されたものである。ただし、突起部１２の
間隔Ｐと高さＨは、上述の関係式（１）、　（３１の中
で規制されており、凝縮器においては多孔質層である突
起部１２に毛管力で集められた凝ｗｉ液がより滴下し易
くなり、上記第１の実施例同様の効果を奏することがで
きる。

ところで、上述のこの発明の第１乃至第６の実施例にお
いては、多孔質層の突起部１２を管１１の内壁面１１ｇ
に形成した伝熱管１０について説明したものであるが、
業務用のヒートポンプ式冷暖房装置では、１つの熱交換
器で、冷・温水を供給する場合、第７図に示すようなシ
ェルアンドチューブ式熱交ＷＩ４Ｍ１６を用いることが
ある。この第７図において、１７は伝熱管２を収納する
シェル、１８はシェル１７に設けた冷媒蒸気入口、１９
は凝縮液流出口、２０は水取入口、２１は温水出口であ
る。このように構成されたシェルアンドチューブ式の熱
交換器１６によれば、温水を作る場合には、冷媒蒸気は
冷媒蒸気人口１８よりシェル１７内に入り、伝熱管２の
外壁面２ｂで凝縮液化し、凝縮液流出口１９より流出す
る。一方、水は水取入口２０よりシェル１７内に供給さ
れ、伝熱管２内を通って族ｍ潜熱で加熱され、温水とな
って渇水出口２１より流出する。また逆に冷水を作る場
合には、冷媒液が渇水供給時の凝縮液流出口１９よりシ
ェル１７内に入り、伝熱管２の外壁面２ｂで蒸発気化し
て渇水供給時の冷媒蒸気人口１８よりシェル１７の外方
の取り出される。一方、水は水取入口２０よりシェル１
７内に供給され、伝熱管２内を通って蒸気気化熱によっ
て冷水となって出口２１より外部に取咋出される。

このような熱交換器１６においては、伝熱管２の外壁面
２ｂにおける蒸発・凝縮熱伝達特性の改善が重要である
。

第８図は乙の発明の第５の実施例を示すもので、上述の
第１の実施例同様の多孔質層の突起部１２が管外壁面１
１ｂに形成された伝熱管１０が示されている。この伝熱
管１０においても第１実施例同様の間隔Ｐおよび高さＨ
が（１）、　（３１式によって規制された突起部１２が
管外壁面１１ｂに管１１の円周方向に沿って形成された
ものであり、第１の実施例と同様の効果を奏する。

第９図はこの発明の第６の実施例を示し、上述の第２の
実施例と同様な千鳥状に散在した突起部１２を管外壁面
１１ｂに形成したもので第２の実施例と同様の効果を奏
する。

また、上述の第３．第４の実施例に示すような突起部１
２を管外壁面１１ｂに形成するようにしても同様の効果
を有することは勿論である。

なお、突起部１２の隣接する突起列の間隔Ｐをあまり小
さくすると第３図に示すような薄液膜部１４が小ざくな
ることから熱伝達特性の効果は極めて低いものとなる。

以上のように、上述のこの発明の第１乃至第６の実施例
においては、管１１の内外壁面１１ａ、　ｌｌｂに形成
される突起部１２を多孔質層によって形成されたものに
ついて説明したが、第１０図乃至第１２図に示す第７乃
至第９の実施例のように、突起部１２を？Ｊ数の鋼線か
らなる細線２２を撚り合せた撚り線２３を突起部１２と
し、突起部１２同志の間ｌ？ＩＰおよび管の内壁面１１
ａに形成される平坦部１５からの高さＨを上述の関係式
［１１，（３）の規制範囲において形成した突起部１２
を管１１の内壁面１１ａに形成するようにしても、撚り
線２３の細線２２間に形成される空隙が上述の実施例の
多孔質層と同様な働きをする乙で同様の効果が期待でき
ろ。

また、撚り線２３で形成される突起部１２と管内９　ｆ
３１１　ａとの接触は、撚り線２３の弾性力を利用して
行うことが可能であり、製作が極めて容易なものとなり
量産性が向上できる。

更にまた、第１０図乃至第１２図の実施例においては、
撚り線２３で形成される突起部１２を管１１内壁面１１
ａに形成した構成について説明したが、第１３図に示す
ように、撚り線２３からなる突起部１２を管１１の外壁
面１１ｂに形成しても同様の効果があることは云うまで
もない。

なお、この発明の上述の実施例によれば、空隙を有する
突起部を管の内壁面または外壁面のいずれか一方に形成
した伝熱管について説明したが、望ならば上記突起部を
管の内、外壁面に共に形成した構成としても同様の効果
が期待できることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、管内壁面および外壁
面の少なくとも一方に空隙を有する突起部を形成すると
共に、この突起部と上記壁面の平坦部とが混在するよう
に構成した伝熱管としたので１つの熱交換器において、
蒸発・凝縮熱伝達特性を同時に改善できると共に、従来
、伝熱管を蒸発器用、凝ｗ３善用として二種類分けて製
作していたものが一種類のみの製作で適用可能となるこ
とで、量産性向上など経済的価値が極めて大きいという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はこの発明の蒸発・凝縮用伝熱管
の第１の実施例を示すもので（ａ）は横断面図、（ｂ）
はＩ−Ｉ線に沿う縦断面図、第２図（ａ）、（ｂ）は平
滑管内の凝縮液の流れの様相を説明するためのもので（
ａ）は横断面図、（ｂ）はＩＦ−Ｉ線に沿う縦断面図、
第３図は同じく伝熱管内の突起部と凝ｍｅ膜の関係を示
す横断面図、第４図は乙の発明の第２の実施例を示すも
ので、管内壁面に突起部を千鳥状に散在させた状態を示
し、（ａ）は横断面図、（ｂ）は■−■綿に沿う縦断面
図、第５図（ａ）。 （ｂ）はこの発明の第３の実施例を示し、（ａ）は管内
壁面に突起部を螺旋状に配設した状態を示す横断面図、
（ｂ）は■−■綿に沿う縦断面図、第６図（ａ）、（ｂ
）はこの発明の第４の実施例を示し、（ａ）は管内壁面
に突起部を管の軸方向に沿って形成した状態を示す横断
面図、（ｂ）は■−■線に沿う縦断面図、第７図（ａ）
、（ｂ）はヒートポンプ式冷暖房装置におけるシェルア
ンドチューブ式熱交換器を説明するための概略図で（ａ
ｌは概略横断竺１、Ｊ 図、（ｂ）は■−■綿に沿う概略縦断面図、第８図（ａ
）、（ｂ）はこの発明の第５の実施例を示し、（ａ）は
管外壁面に突起部を形成した状態の横断面図、（ｂ）は
■−■締に沿う縦断面図、第９図（ａ）。 （ｂ）はこの発明の第６の実施例を示し、（ａ）は管外
壁面に突起部を千鳥状に散在させた状態を示す横断面図
、（ｂ）はＩ）（−１＞（線に沿う縦断面図、第１０図
（ａ）、　（ｂ）、第１１図（ａ）、　（ｂ）、第１２
図（ａ）、（ｂ）はそれぞれこの発明の第７乃至第９の
実施例を示し、各図の（ａ）は複数の鋼線を撚り合せた
撚り線を突起部とし、これを宮の内壁面に形成した状態
の第１図（ａ）、第５図（ａ）、第６図（ａｌ相当図、
各図（ｂ）は第１図（ｂ）、第５図（ｂ）。 第６図（ｂ）相当図である。また、第１３図（ａ）。 （ｂ）はこの発明の第１０の実施例を示し、（ａ）は撚
り線からなる突起部を管外壁面に螺旋状に形成した状態
を示す横断面図、（ｂ）ばＸｌ−Ｘ１ｉｌ！に沿う縦断
面図、第１４図（ａ）、（ｂ）は従来のプレートフィン
チューブ熱交換器を示し、（ａ）は概略正面図、（ｂ）
は側面図、第１５図（ａ）、（ｂ）は従来の伝熱管の構
成を示すもので、（、）は管内壁面に多孔質層が形成さ
れた状態の横断面図、（ｂ）は同じく縦断面図、第１６
図（ａ）、（ｂ）＋よ従来の凝縮管を示し、（ａ）は横
断面図、（ｂ）は縦断面図、第１７図（ａ）、（ｂ）は
従来の凝縮管を示し、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断
面図である。 １０・・伝熱管、１１・・・管、ｌｌａ・・・管内壁面
、１１ｂ・・・管外壁面、１２・・突起部、１３・・・
凝縮液膜、１５・・・平坦部、２２・・・細線、２３・
・・撚り線。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。 代理人　大　岩　増　雄（外２名） 才１図 １３：擬ｐＲｅ ｆ、３　　図 Ｃ′：Ｌン　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　６ｂノ才６図 （Ｕ　才？図　　　。ｂ。 似）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　（６）Ｋ ２７０図 ζｄ）　　　　　　　　　　　　ｄｙ）・の　　才／ｌ
″′３６゜ オフ２図 才ｉ３図 才１５″２ 才／を図 オフ７図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　管の内壁面および外壁面の少なくとも一方に、
   空隙を有する突起部を形成すると共に、該突起部と上記
   壁面平坦部とが混在するように構成したことを特徴とす
   る蒸発・凝縮用伝熱管。
2. （２）　空隙を有する突起部は、アルミニウム系焼結金
   属或いは金属粒子を固着した多孔質層からなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の蒸発・凝縮用伝熱
   管。
3. （３）　空隙を有する突起部は、複数の細線を撚り合せ
   た撚り線によって形成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の蒸発・凝縮用伝熱管。
4. （４）　空隙を有する突起部は気泡径をｄとしたとき、
   少なくとも Ｐ≦４ｄ，１０≦Ｐ／Ｈ≦２０ で示される間隔Ｐおよび高さＨで管壁面に混在形成され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項
   または第３項記載の蒸発・凝縮用伝熱管。