JPS642878B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体に浸漬されて加熱沸騰する場合の
性能を向上させた核沸騰型伝熱管に関するもので
ある。

従来この種の加熱沸騰性能を向上せしめる手段
として色々な表面機構が提案されて来たが、伝熱
性能上の問題、製造の難易性、製造コストの問題
等から夫々一長一短がある。

例えば、管の表面に金属粉末による多孔質な層
を設けた形式のものは目詰りによる性能劣化を起
し易いし、多数の微細な空洞と外部に連通する間
隙部ないしは開口部を有する表面機構を持つ形式
のものは空洞の方向が管の円周方向のみというよ
うに一方向にだけ設けたものが多くそのため性能
を向上させるべく各空洞間のピツチを小にした場
合、製造が困難でコスト高となる。又、その製造
面においても一工程で製造可能でしかも熱交換器
に組込む場合、平滑管もしくは通常のローフイン
チユーブと同様の扱いのできるものは殆んど見当
らない。

本発明はこのような事情に鑑み種々検討を加え
た結果、管の円周方向だけでなく管の軸方向にも
沸騰を促進する表面機構を設けて管外の核沸騰性
能の向上を計つた伝熱管を提供し得たものであ
る。

即ち本発明の第１は、管の外表面下に管軸方向
に所望のピツチを有する螺旋状でかつその断面の
形状や大きさがその長手方向に対し不規則に変化
して連続している管周方向の空洞部１を設けると
共に該空洞部１は、その長手方向に沿つて外部と
連通する幅0.13mm以下の狭い不規則な形状を呈し
その長手方向に対し連続であつても不連続であつ
てもよい間隙部ないしは開口部２（以下間隙部と
いう）を有し、更にこれらの隣接する間隙部相互
間を結ぶように、管周方向に所望のピツチでその
外表面下に小さな管軸方向の空洞部又は溝３（以
下空洞部という）を設けると共にこの空洞部３も
前記空洞部１と同様外部と連通する間隙部ないし
は開口部４（以下間隙部という）を有した伝熱管
に係るもので、後者の空洞部４の両サイドや底部
に、小さな凹凸を施してもよい。

又、本発明の第２は、隣接して存在する螺旋状
の前者の管周方向の空洞部１又は間隙部２間の中
央位置で、しかも隣接して存在する後者の管軸方
向の空洞部３、又は間隙部４相互間に、その長手
方向が管周方向に向いて突出する山形フインを設
けた伝熱管に係るものである。

又本発明の第３は、第１の発明に係る伝熱管の
外表面全面をローレツト加工して、ローレツト面
とした伝熱管である。

更に本発明の第４は、前記第２の発明に係る伝
熱管の山形フイン突出部を除いた管外表面の全面
にローレツト加工を施した伝熱管である。

以下、図面を参照して本発明に係る伝熱管及び
その作用について詳細に説明する。

第１図は、本願第４発明に係り、又第２図は本
願第２発明に係る伝熱管の伝熱面の１部拡大の各
例図であつて螺旋状に連続する管周方向の空洞部
１は管の外表面下に管軸方向所望のピツチをもつ
て配設されている。又管軸方向の小さい空洞部３
も管の外表面下に管周方向所望のピツチで前記の
空洞部１，１間に配設されている。

前者の管周方向の空洞部１は、管軸方向の小さ
い空洞部３と交叉する部分とその中間の部分では
形状や大きさが異なり、隣接する空洞部３の関係
位置の変化により一層多様に変形してその長手方
向（管周方向）に連続している。

このように空洞部１が変化していることは長手
方向に変化のない一定形状で連続する空洞部より
も核沸騰を助長するのに有利である。２は前者の
空洞部１と外部と連通するほぼ連続して設けられ
た間隙部又は場合によつて後者の小さな空洞部３
のピツチで不連続に設けられた間隙部を示し、そ
の形状は波形や凹凸の多い不規則な形として形成
されるので単純な形状のものに比べて前記と同様
核沸騰を助長するのに有利である。

核沸騰を促進するためには、伝熱面を残留気泡
が形成される様な表面機構とすることが必要であ
るが、この際狭い間隙部２の平均幅が、伝熱性能
に大きく影響を及ぼす。これは、この間隙部２の
平均幅が大きすぎると発生した気泡が空洞部１内
に確保できなく、残留気泡が少なくなり核沸騰が
促進されないためである。

更に加熱、沸騰する液体の表面張力、及び蒸気
の比容積が小さい程、また蒸発の潜熱が大きい
程、発生する気泡の大きさが小さいため、加熱、
沸騰する液体が異なれば、間隙部２の平均幅の残
留気泡を確保するための限界値も異なる。第８図
に、フロンＲ―１１及びＲ―２２について、間隙
部２の平均幅と管外沸騰熱伝達率（伝熱性能）と
の関係の実験結果を示す。発生する気泡の大きさ
は、Ｒ―１１＞Ｒ―２２である。第８図におい
て、Ｒ―２２は、間隙部２の平均幅が0.13〜0.15
mmとなるところで伝熱性能が急激に低下するた
め、沸騰液体Ｒ―１１、Ｒ―２２いずれについて
も高伝熱性能を得るためには、間隙部２の平均幅
は0.13mm以下とする必要がある。

他方管軸方向の小さい空洞部３も外部と連通す
る狭い間隙部４を有し、この最大平均幅も第８図
の実験結果の予測から前記と同様0.13mm以下にす
る必要がある。

又、この小さな空洞部３の長さの合計は螺旋状
の空洞部１の長さとほぼ等しいだけとれるので、
このことは空洞部１だけからなる表面機構に比し
て沸騰核密度的に大幅に性能が向上する。これは
空洞部３やその間隙部４が多数の気泡の核となり
うるので沸騰を助長するのに極めて有効である。

隣接して存在する螺旋状の空洞部１と１の中央
位置で、かつ管軸方向の小さな空洞部３と３の間
に、その長手方向が円周方向に向いて突出してい
る山形のフイン５は、多量の気泡を含んだ乱流下
の液中におけるような場合に特にフインとしての
特性（液、気泡の加熱）を生かして一層の性能向
上に有効に働くことになる。

又、第５図に示す伝熱管（第３発明）及び第１
図に示す伝熱管（第４発明）の外表面に設けたロ
ーレツト面６は、その凹凸部が気泡の発生を助長
し、第６図に示す伝熱管（第１発明）、第２図に
示す伝熱管（第２発明）の外表面の平滑な面に比
し一層多数の気泡核をもつ伝熱面となりその性能
を向上するのに有効である。

上述の本発明伝熱管は、まず最初に平滑管にフ
インの成形を行つた後、変形加工を施すことによ
り容易に製造することができるが、フインは転
造、切削を問わず螺旋とし、又単条、複条を問わ
ず、又フイン成形と変形加工は同時に行つても別
工程で行つてもよい。

以下、本発明伝熱管の製造方法について図面を
参照して説明する。

第３図は、本発明伝熱管の加工法の１例であつ
て、最初のフイン成形とその後の変形加工を同時
に行つているところを、伝熱管を管の軸方向に断
面した拡大図として図示しており、鎖線の円Ｘ内
はその加工が完了した部分の断面を示している。
工具軸Ａは管の周囲に等間隔で３本配置されてお
り、フイン成形用円板工具及び変形加工用工具
が、工具軸Ａに取り付けられて協動自転できる様
になつている。工具軸Ａを自転させることによつ
て、管は工具軸Ａと逆方向に回転しながらフイン
成形及び変形加工が施される。また工具軸Ａは管
の軸心に対してねじれの位置にあるため、管は加
工を受けながら管の軸方向に送られる。

第３図において７はフイン成形用の最終段の円
板工具を示し、これによつて管の表面にフイン
７′が加工される。８は第３―１図に示すように
全周に山形の歯を設けた第１段目の変形用円板工
具を示す。

この円板工具８の外径は上記のフイン成形用円
板工具７の外径より僅かに小さくし、その周面の
歯先の形状やピツチは適宜にこれを決めればよい
が、歯先の先端は第３―２図の拡大図Ｓに示す如
く適度の幅を持つた方が良い。

この第１段目の変形用円板工具８によつてフイ
ン７′がその頂面部から圧縮変形加工を受けた時
点での形状の１例を第４図に示す。

即ち、第３―１図の鎖線円Ｙ内及び第３―２図
に示される先細の山形の歯をもつた第１段目の変
形加工用円板工具８を各フイン７′の頂面部上に
沿つて転造加工すると各フイン７′は円板工具８
の周面の山形歯に応じた歯車状に圧縮変形され、
その際谷部７″の肉はフイン７′と直角の方向で、
左右両サイドのフイン間部（フイン７′と７′との
間隙部を指す）７の方向に伸延され、谷部７″
の底部においてその量は最大となる。この変形加
によつて形成された谷部７″が最終加工完了後管
軸方向の小さい空洞部３となる。ここで工具８の
周面の山形歯の形状に細工を施すことにより、空
洞の内面に凹凸を有する空洞３を形成することは
容易である。尚、この変形加工において谷部７″
の真下に当る部分に作用する圧縮応力は工具８の
形状や力の分散により緩和され、従つて座屈によ
る変形量は少ない。

尚、変形加工を施すべきフイン７′が単条の場
合は当然変形加工用工具８によりフイン１枚宛に
変形加工を行えばよいが、フインが複条の場合に
は１個の変形加工用工具８でフインの複数枚宛を
同時に加工しても、又複数個の工具８で夫々フイ
ン１枚宛に変形加工を行つてもよく、いずれにし
ても隣接するフイン７′の山部及び谷部の相互位
置関係は任意であり何ら制限されない。

次に歯車状に変形加工されたフイン７′の頂面
部は第３図に示される第２番目の変形加工用工具
９及び９―１によつて変形加工を受ける。工具９
の外径は通常工具８の外径より僅かに小さく厚さ
はフイン７′のピツチＷより僅かに小さくし、ま
た工具９―１の外径は工具９のそれより僅かに大
きくしてある。その際工具９及び９―１の外周面
の両サイドは第３―４図に示すように剪断（シヤ
ー）の役目もするように鋭くし、その角度αは
90゜以上にならないようにするのが好ましい。

この２番目の変形加工用工具９，９―１で加工
完了した１例を第２図（第２発明の伝熱管）に示
すが、本発明の表面機構は基本的にはこのような
工程で完成される。即ち、変形加工用工具９，９
―１でフン間部７を中心にして相隣る両側の歯
車状に成形されたフイン７′，７′の山部の肩部を
頂面部より圧縮変形加工すると左右の薄肉フイン
５を残してこれら山部は前後左右に圧縮変形され
てフイン間部７を中心として空洞部１を、また
谷部７″を中心として小さい空洞部３を夫々形成
する。

また第４―１図においてこの圧縮変形加工にお
いて、フイン７′の頂面部の端１１は中間部１２
に比べて圧縮応力が強く働くため、第４―１図の
様であつたフイン７′の頂面部は、第４―２図の
様に圧縮変形し、変形後の端１１′は変形後の中
間部１２′より、フイン間部７または谷部７″へ
少し大きく突出する形となる。従つて例えば、工
具９及び９―１の外径を変えて圧縮変化の度合を
変えることによつて、空洞部１または３の長手方
向に沿つて外部と連通する連続または不連続の狭
い間隙部２または４を形成することができる。

即ち、圧縮変形の度合が大きい時は不連続の間
隙部となり、圧縮変形の度合が小さい時は連続し
た狭い間隙部となる。

尚、第３図では工具９及び９―１の２個の工具
で加工する例を示しているが、外径、幅の異なる
複数の工具または例えば第３―３図の９′で示さ
れる様な只１個の工具で加工するようにしてもよ
い。

また薄肉の山形フイン５を成形しない場合には
工具９等の幅をフインピツチＷより大きくすれば
よく、この場合はフイン７′７′の山部全体が圧縮
変形されて第６図（第１発明の伝熱管）のような
山形フイン５のない表面機構が得られる。

次に第３図に示したように工具９―１よりやや
大きい外径で幅が同じかやや小さいローレツトロ
ール１０で加工すると第１図（第４発明の伝熱
管）に示すような形状となるが、これにより第２
図（第２発明の伝熱管）の形状よりも一層性能の
よい安定した表面機構とすることができる。

尚、ローレツトの形状、大きさは適宜に決めれ
ばよいが、工具９の幅がフインピツチＷより大き
い場合にはローレツトロール１０の幅もフインピ
ツチＷよりも大きくした方が好ましく、この場合
には第５図（第３発明の伝熱管）の山形フイン５
のない表面機構が得られる。

上記説明では、フイン成形用円板工具７及び変
形用工具８，９，９―１、及びローレツトロール
１０を同軸上に取付けて同時に加工を行う方法に
ついて示したが、フイン成形と変形加工とを別工
程で行つても良い。更にフインを成形する方法と
しては、上述の如く転造加工によらず、切削加工
によつて成形しても良い。

次に本発明の実施例を示す。

実施例 １ 第３図に示す加工方法に準拠して外径18.88mm、
肉厚1.35mmの銅管に35山／吋のフインピツチをも
つ２条のフイン７′の成形を行い、次に第１段目
の変形加工は外径51.6mm、外周に216枚の山形歯
をもつ鋸歯状の工具８を用いて行つた。第２段目
の変形加工は外径51.2mm、幅1.4mmの工具９及び
外径51.7mm、幅1.4mmの工具９―１を用いて２段
に行つた。これら２段目の変形加工用工具９，９
―１の幅1.4mmはフインピツチ1/35吋（＝0.726
mm）より大きく、当然第１図及び第２図に見られ
る山形フイン５は形成されず第６図（第１発明の
伝熱管）のような表面機構のものが得られた。

尚、第１段目の変形加工により成形された第４
図に示される谷部７″の底部は第２段目の変形加
工終了後約0.2mm陥没した。

最後に工具１０を用いて外径51.8mm、幅0.85
mm、ピツチ0.5mmのあや目のローレツト加工を行
つた。

上記の結果平均幅が0.06mmの２条で螺旋状に連
続する間隙部２とそれに対応する空洞部１及び平
均幅が0.08mmで上記螺旋状の間隙部２の相互間を
管の軸方向に結ぶように管周方向に約0.75のピツ
チで設けられた間隙部４とそれに対応する小さな
空洞部３、更には管の全面に施されたローレツト
面６からなる表面機構を有する第５図のような外
径18.38mmの伝熱管（第３発明の伝熱管）が得ら
れた。

実施例 ２ 第３図に示す加工法に準拠して外径18.88mm、
肉厚1.35mmの銅管に35山／吋のフインピツチをも
つ２条のフイン７′の成形を行い、次に第１段目
の変形加工は外径51.6mm、外周には216枚の山形
歯をもつ鋸歯状の工具８を用いて行つた。第２段
目の変形加工は外径51.3mm、幅0.62mmの工具９及
び外径51.75mm、幅0.62mmの工具９―１を用いて
２段で行つた。此の時第１段目の変形加工により
成形さた第４図に示される谷部７″の底部は第２
段目の変形加工終後約0.2mm陥没した。

最後に外径51.8mm、幅0.6mmのあや目のローレ
ツト加工を行つた。

上記の結果平均幅が0.04mmの２条で螺旋状に連
結する間隙部２とそれに対応する空洞部１及び平
均幅が0.07mmで上記螺旋状の間隙部２の相互間を
管の軸方向に結ぶように管周方向に約0.75mmのピ
チで設けられた間隙部４とそれに対応する小さな
空洞部３、更には隣接して存在する螺旋状の空洞
部１と１の中央位置で、かつ管周方向の小さな空
洞３と３の間に、その長手方向が管周方向に向い
て突出している厚さ約0.1mm、高さ約0.25mmの山
形フイン５と該フイン部を除いた管の全面に施さ
れたローレツト面６からなる表面機構を有する第
１図の様な外径18.88mmの伝熱管（第４発明の伝
熱管）が得られた。

実施例１及び２の伝熱管を用いてフロンＲ―１
１中に於ける単位長さ当りの沸騰熱伝達率を求め
たグラフを第７図に示す。図中Ａは実施例１の伝
熱管、Ｂは実施例２の伝熱管、比較のためにほぼ
同一外径（18.8mm）26山／吋のフインピツチを有
するフインチユーブの単位長さ長さ当りの沸騰熱
伝達率をＣとして併記した。

尚、上記のグラフは夫々単管にて実測した性能
であり沸騰圧力は1.5Kg／cm²absであつた。

上記本発明に係る伝熱管の特徴並びに作用効果
を要約して示すと次の通りである。

(1) 沸騰性能を向上するための表面機構をもつ伝
熱管には色々の形式のものが提案されている
が、従来のものは空洞を管周方向にのみ設ける
というように一方向だけに設けたものが多く、
更に性能向上を計りたい場合には空洞間のピツ
チを細かくする必要があり製造困難コスト高の
欠点を招く。

本発明によれば管周方向だけでなく管軸方向
にも沸騰促進機構を有し、又その製造も容易で
性能が高いという効果をもつている。

(2) 又、本発明の表面機構において螺旋状に設け
られた空洞はその長手方向に対しその断面形状
が不規則に変化して連続しており、このことが
沸騰作用を助長するのに役立つている。

(3) 一般に冷凍機の蒸発器で発生する冷媒蒸気は
過熱状態であることが必要である。管の全表面
に薄肉の山形フインを設けた場合には、激しい
沸騰状態、即ち、多量の気泡を含んだ乱流下の
液中におけるような場合に特にフインとしての
特性を生かして液、気泡を加熱し、性能向上に
有効である。

(4) シエル・アンド・チユーブ式熱交換器への管
の装着は組立てられたシエルの片側の管板から
管を管孔に挿入し、管端部を拡管あるいは溶接
により管板へ固定するため、管の外径は、全長
に亘り、管板管孔径より小さくなければならな
い。また、チユーブサポートを用いることが多
く、この場合には、管の支持を確実にするため
チユーブサポートの位置において、管の外径
は、管端部の管外径に等しいことが要求され
る。

本発明の表面機構を適用した伝熱管の外径は原
管のそれより大きくはならず、又ローフインチユ
ーブと同様加工の施されていない管端の平滑部と
同一寸法のスキツプ部も自由に設けることが可能
でしかも１工程で加工可能な利点を示す。従つて
又熱交交換器に組込む場合平滑管やローフインチ
ーブと同様の取扱いでよく、かつ比較的安価に得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第４発明の表面機構を有する伝熱面の
１部拡大図、第２図は第２発明の表面機構を有す
る伝熱面の１部拡大図、第３図は本発明伝熱管の
表面機構の加工方法及び工具の配列を示した例示
図、第３―１図は同上の第１番目の変形加工用工
具８の平面図、第３―２図は上記工具８の山形歯
部の拡大図、第３―３図は、本発明伝熱管の表面
機構の別の加工方法及び工具の配列を示した例示
図、第３―４図は、工具９及び９―１の側面図、
第４図は第３図において工具８で加工した後の形
状の１部拡大図、第４―１図は、歯車状に変形加
工されたフイン７′の頂面部の形状の説明図、第
４―２図は、フイン７′の頂面部が圧縮変形加工
された後の形状の説明図、第５図は第３発明の伝
熱面の１部拡大図、第６図は第１発明の伝熱面の
１部拡大図、第７図は本発明の実施例１及び実施
例２の各伝熱管と比較品との管外沸騰伝熱特性を
示した各グラフ、第８図は、管周方向の空洞部の
間隙部２の平均幅を変化させて伝熱実験を行つた
管外沸騰伝熱特性を示したグラフである。 １……管周方向の空洞部、２……同左の間隙
部、３……管軸方向の小さい空洞部、４……同左
の間隙部、５……山形フイン、６……ローレツト
面、７……フイン成形用円板工具、７′……厚肉
フイン、７″……同左の谷部、７……フイン間
部、８……第１段目の変形用円板工具、９，９―
１，９′……第２段目の変形用円板工具、１０…
…ローレツトロール。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管の外表面に、管軸方向に所定のピツチを有
   する螺旋状で、かつその断面の変化した管周方向
   の空洞部１を配設すると共に、該空洞部１は、そ
   の長手方向に沿つて外部と連通する連続又は不連
   続の幅0.13mm以下の不規則な形状の狭い間隙部２
   を有し、管軸方向に隣接する該間隙部２相互間を
   結ぶように管周方向に対して所定のピツチで、小
   さな管軸方向の空洞部３を設け、この管軸方向の
   空洞部３に、その長手方向に沿つて外部と連通す
   る幅0.13mm以下の狭い間隙部４を設けることを特
   徴とする核沸騰型伝熱管。 ２ 管の外表面に、管軸方向に所定のピツチを有
   する螺旋状で、かつその断面の変化した管周方向
   の空洞部１を配設すると共に、該空洞部１は、そ
   の長手方向に沿つて外部と連通する連続又は不連
   続の幅0.13mm以下の不規則な形状の狭い間隙部２
   を有し、管軸方向に隣接する該間隙部２相互間を
   結ぶように管周方向に対して所定のピツチで、小
   さな管軸方向の空洞部３を設け、この管軸方向の
   空洞部３に、その長手方向に沿つて外部と連通す
   る幅0.13mm以下の狭い間隙部４を設け、更に上記
   管周方向の間隙部２と管軸方向の間隙部４で囲ま
   れた管の表面に、管周方向に沿つて並ぶ山形フイ
   ン５を設けたことを特徴とする核沸騰型伝熱管。 ３ 管の外表面に、管軸方向に所定のピツチを有
   する螺旋状で、かつその断面の変化した管周方向
   の空洞部１を配設すると共に、該空洞部１は、そ
   の長手方向に沿つて外部と連通する連続又は不連
   続の幅0.13mm以下の不規則な形状の狭い間隙部２
   を有し、管軸方向に隣接する該間隙部２相互間を
   結ぶように管周方向に対して所定のピツチで、小
   さな管軸方向の空洞部３を設け、この管軸方向の
   空洞部３に、その長手方向に沿つて外部と連通す
   る幅0.13mm以下の狭い間隙部４を設け、更に上記
   管周方向の間隙部２と管軸方向の間隙部４で囲ま
   れた管の表面に、ローレツト加工面６を設けたこ
   とを特徴とする核沸騰型伝熱管。 ４ 管の外表面に、管軸方向に所定のピツチを有
   する螺旋状で、かつその断面の形状及び大きさが
   変化した管周方向の空洞部１を配設すると共に、
   該空洞部１は、その長手方向に沿つて外部と連通
   する連続又は不連続の幅0.13mm以下の不規則な形
   状の狭い間隙部２を有し、管軸方向に隣接する該
   間隙部２相互間を結ぶように、管周方向に対して
   所定のピツチで、小さな管軸方向の空洞部３を設
   け、この管軸方向の空洞部３に、その長手方向に
   沿つて外部と連通する幅0.13mm以下の間隙部４を
   設け、更に上記管周方向の間隙部２と管軸方向の
   間隙部４で囲まれた管の表面に、管周方向に沿つ
   て並ぶ山形フイン５とローレツト加工面６を設け
   たことを特徴とする核沸騰型伝熱管。