(57)【要約】【課題】伝熱管の外表面における作動流体の液膜厚さ及び濡れ広がり性を適正化し、熱交換性能が優れた流下液膜式熱交換器用伝熱管を提供する。【解決手段】銅又は銅合金からなる管本体２の外面に、管周方向に伸び、管軸方向に相互に平行になるように、先端部が平面状である複数個のフィン１が形成されている伝熱管１１ａの先端面１ａに、親水性の被膜を形成することにより、先端面１ａを伝熱管１１ａの外表面における先端面１ａ以外の領域より親水性にして、伝熱性能が高いフィン１の先端部に作動流体を集める。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管外に流下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式熱交換器用伝熱管において、金属又は合金からなる管本体と、この管本体の外面に形成された複数個のフィン又は突起と、を有し、前記フィン又は突起の先端部が前記管本体の外面における他の領域より親水性を有することを特徴とする流下液膜式熱交換器用伝熱管。
【請求項２】
前記フィン又は突起の先端部には親水性の被膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流下液膜式熱交換器用伝熱管。
【請求項３】
前記親水性の被膜は、アルミナ又はアルミナとシリカとの混合物からなる下層と、この下層の上に形成されリン又は珪素を含む上層とから構成されていることを特徴とする請求項２に記載の流下液膜式熱交換器用伝熱管。
【請求項４】
前記管本体の外面における前記フィン又は突起の先端部以外の領域には疎水性の被膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流下液膜式熱交換器用伝熱管。
【請求項５】
前記疎水性の被膜が非晶質セラミックスにより形成されていることを特徴とする請求項４に記載の流下液膜式熱交換器用伝熱管。
【請求項６】
前記複数個のフィン及び突起は、螺旋状又は環状に配列されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流下液膜式熱交換器用伝熱管。
【請求項７】
吸収式冷凍機及び吸収式冷温水器の蒸発器又は吸収器に使用されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の流下液膜式熱交換器用伝熱管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管外に流下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式熱交換器用伝熱管に関し、特に、吸収式冷凍機及び吸収式冷温水器の蒸発器又は吸収器に使用される流下液膜式熱交換器用伝熱管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水等の冷媒蒸気が臭化リチウム等の吸収液に吸収される割合が温度及び圧力に大きく依存する性質を利用した吸収冷凍サイクルを利用した吸収式冷凍機又は吸収式冷温水器は、フロン等の温暖化係数が高い冷媒を使用せずに、比較的高い熱効率が得られるため、環境に優しい大型建築物用冷凍サイクル及び地域冷暖房システム等として開発が進められている。これに伴ってその熱交換部に使用される伝熱管の高性能化への要求が高まっている。
【０００３】
前述の吸収式冷凍機における蒸発器及び吸収器は共に流下液膜式熱交換器であり、通常は、圧力容器内に複数個の伝熱管が水平に配置されている。この伝熱管の上部から作動流体（冷媒）をその軸方向にほぼ等間隔に滴下又は散布し、前記伝熱管の外表面頂部に衝突させることにより、前記伝熱管の内部を流れる流体と熱交換させている。この流下液膜式熱交換器に使用される伝熱管を高性能化するためには、滴下する液滴が伝熱管表面にできるかぎり一様に広がり、伝熱管外表面における液膜厚さを一定にし、熱抵抗（液膜厚さ／液の熱伝導率）を均一にして有効熱交換領域を最大活用することが有効である。
【０００４】
また、作動流体の滴下頻度及び液滴の大きさ等の使用条件に合わせ、吸収器では蒸気が吸収される速度を考慮した液膜の滞留時間が、蒸発器においては冷媒の蒸発速度に合わせた液膜の滞留時間が、夫々考慮された液膜流動を実現する必要がある。
【０００５】
従来、伝熱管の外表面に親水性被膜を形成し、作動流体の濡れ性を向上させることにより、伝熱性能の向上を図った伝熱管が報告されている（例えば、特許文献１乃至３参照）。特許文献１に記載の伝熱管は、伝熱面に複数の凹凸を形成した後、有機金属化合物成分及び金属酸化微粒子成分を含有した処理液をコーティングし、加熱処理を行うことにより多孔質で且つ多数の亀裂を有する金属酸化物層を形成している。また、特許文献２に記載の伝熱管は、フィンが形成されている外表面に、投影面積率が３０乃至９８％である親水性の被膜が帯状に形成されている。更に、特許文献３に記載の伝熱管は、アクリル・ビニルアルコール系、又はポリエチレングリコール及びアミノ基とアルコキシシラン基とを有する化合物を含む塗料を塗布し、熱処理することにより親水性塗膜を形成している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−５０６８８号公報  （第２−５頁、第１−２図）
【特許文献２】
特開２００２−２７７１０４号公報  （第４−８頁、第１図）
【特許文献３】
特開２００２−３７２３３９号公報  （第３−４頁、第２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献１に記載の伝熱管は、液膜が滞留しやすい凹部にも濡れ性を向上させるコーティングを施しているため、この凹部に液膜が集まり、凸部が乾きやすくなるという問題点がある。特許文献２に記載の伝熱管では、投影面積が大きすぎるため、例えば、夫々独立した突起列が形成された伝熱管等は、投影面積が２０％前後であるため適用できないという問題点がある。更に、特許文献３に記載の伝熱管では、塑性加工等により管外にフィンが形成されたフィン付き伝熱管に適用した場合、伝熱管下部においては、前述の特許文献１と同様に、液膜がフィンの先端部以外の部分に集中するため、先端部が乾きやすくなるという問題点がある。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、伝熱管の外表面における作動流体の液膜厚さ及び濡れ広がり性を適正化し、熱交換性能が優れた流下液膜式熱交換器用伝熱管を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る流下液膜式熱交換器用伝熱管は、管外に流下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式熱交換器用伝熱管において、金属又は合金からなる管本体と、この管本体の外面に形成された複数個のフィン又は突起と、を有し、前記フィン又は突起の先端部が前記管本体の外面における他の領域より親水性を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明者等は、鋭意実験研究を行った結果、伝熱管の外表面上に突起又はフィン等の拡大伝熱面が形成されている場合には、局所的に見ると、この突起又はフィン等の先端部が最も高い熱伝達性能を示すことが多く、この部分の濡れ性を改善することで伝熱管の熱変換性能が向上することを見出した。そこで、本発明においては、伝熱管の外表面に設けられた突起又はフィン等の先端部を他の領域より親水性にする。これにより、伝熱管の外面に滴下された作動流体の液膜をフィン先端部に集めることができる。その結果、伝熱性能が高いフィン先端部において効率的に熱交換を行うことができるため、交換熱量が増加する。
【００１１】
前記フィン又は突起の先端部には、例えば、親水性の被膜が形成されている。前記親水性の被膜は、アルミナ又はアルミナとシリカとの混合物からなる下層と、この下層の上に形成されリン又は珪素を含む上層とから構成されていてもよい。これにより、被膜の経年劣化を防止し、熱交換器の伝熱性能の経年低下を防止することができる。
【００１２】
又は、前記フィン又は突起の先端部以外の領域には、疎水性の被膜が形成されていてもよい。前記疎水性の被膜は、例えば、非晶質セラミックスにより形成することができる。これにより、伝熱性能が低い領域では液膜が排除され、伝熱性能が高い突起又はフィンの先端部に液膜が集まる。その結果、高い熱交換性能を得ることができる。
【００１３】
また、前記複数個のフィン及び突起は、螺旋状又は環状に配列されていてもよい。
【００１４】
更に、流下液膜式熱交換器用伝熱管は、吸収式冷凍機及び吸収式冷温水器の蒸発器又は吸収器に使用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る流下液膜式熱交換器用伝熱管について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態の伝熱管を示す部分斜視図である。本実施形態の伝熱管１１ａは、吸収式冷凍機の蒸発器及び吸収器に組み込まれる流下液膜式熱交換器用伝熱管である。図１に示すように、伝熱管１１ａは、銅又は銅合金からなる管本体２が設けられており、管本体２の外面には、管周方向に環状に伸びた凸部であり、管軸方向に相互に平行な複数個のフィン１が形成されているローフィンチューブである。また、フィン１の先端部は平面状であり、この先端面１ａは伝熱管１１ａの外表面におけるその他の領域より親水性である。
【００１６】
先端面１ａを外表面における他の領域より親水性にするためには、例えば、先端面１ａに親水性被膜を形成する方法がある。また、先端面１ａ以外の領域に疎水性被膜を形成してもよい。更に、先端面１ａに親水性被膜を形成し、それ以外領域に疎水性被膜を形成することもできる。
【００１７】
このとき、装置の運転条件に応じた作動流体の表面張力又は密度、液膜表面のガス流動によるせん断力、重力及び伝熱管の表面形状、並びに突起又はフィンの間に形成される円弧状の気液界面形状（メニスカス）等を考慮して、親水性又は疎水性被膜の性能を設定することが望ましい。このように、突起又はフィンが形成された伝熱管を、その外表面における液膜分布に対応した形状にすることにより、最適な液膜分布を実現することができる。また、伝熱管１１ａの外表面における液膜のフィン先端面への流動が促進されるため、その拡大伝熱面からの伝熱量の増加を期待することができる。
【００１８】
先端面１ａに親水性被膜を形成する場合、伝熱管外表面と親水性のトップ層（上層）との間にプライマー層（下層）を設けた積層構造であることが好ましい。このプライマー層は、例えば、アルミナ成分５０乃至１００質量％及びシリカ成分５０質量％以下を水及び／又は有機溶剤に分散させた塗料を伝熱管表面に塗布し、５０乃至６００℃の温度条件下で熱処理することにより形成することができる。一方、トップ層は、前述のプライマー層の上に、例えば、珪酸塩及び燐酸又はその誘導体の水溶液を塗布し、５０乃至６００℃の温度条件下で熱処理することにより形成される。このようなプライマー層を設けることにより、伝熱管の外表面とトップ層との結合が強化され、冷熱サイクル時に生じる親水性被膜内の応力が緩和される。その結果、実際に流下液膜式熱交換器に使用される場合においても、厳しい冷熱サイクル環境にも耐えることができ、長期間の性能維持が可能になる。
【００１９】
また、親水性被膜の膜厚は、０．１乃至１０μｍであることが望ましい。膜厚が０．１μｍより薄いと機器挿入時に伝熱管１１ａを支える管板に擦られて剥離しやすくなる。また、膜厚が１０μｍより厚いと熱抵抗となって性能が低下する。このように、親水性被膜の膜厚を適正化することにより、この親水性被膜が、液膜と管内を流れる液体との間の熱交換に、影響を及ぼすことを防止することができる。
【００２０】
更に、本発明の伝熱管１１ａにおいて、外表面と親水性被膜との界面に存在する酸化膜厚さは０．１μｍ以下であることが望ましい。これにより、伝熱管１１ａと親水性被膜との界面における剥離を抑制し、厳しい環境にも耐え得る密着強度を得ることができる。
【００２１】
一方、疎水性皮膜を形成する場合は、例えば、非晶質セラミックス被膜が適用可能である。この非晶質セラミックス被膜は、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２・ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３等を主成分とする金属アルコキシド系の重合体を塗布した後、所定の条件で乾燥及び加熱を行うことにより形成される。その際の乾燥条件としては、例えば、大気中で、室温乃至５０℃程度の温度条件下に適当な時間放置すればよいが、生産性を考慮して加熱を行う場合は１５０℃までは加熱することが可能である。但し、非晶質セラミックス被膜は、緻密であるために脆く、熱膨張係数の大きい銅に追従できなくなるため、１５０℃以上で加熱することは避けた方がよい。また、加熱温度が１００℃を超える場合は、真空中又は不活性ガス中で加熱することが好ましい。
【００２２】
次に、本実施形態の伝熱管１１ａの製造方法を具体的に説明する。先ず、例えば、長さ１５００ｍｍ、幅２００ｍｍ、高さ２００ｍｍのステンレス製容器に、疎水性被膜用塗料である金属アルコキシド系疎水塗料（（株）日板研究所製セラミカーＧ５０）の原液を３０リットル満液する。その金属アルコキシド系疎水塗料に、両管端をシリコン栓で封止した伝熱管（ローフィンチューブ）を１分間浸漬した後、ゆっくり引き上げて、疎水性被膜用塗料を外表面の全面に塗布する。その後、この伝熱管を１５０℃に保温した乾燥炉中に３０分保持することにより、外表面に疎水性皮膜を形成する（疎水性被膜焼成処理）。前記疎水性皮膜の膜厚は、伝熱管１１ａを浸漬する塗料の濃度を変えることにより調節することができる。例えば、前述のセラミカーＧ５０の場合、イソプロピルアルコールにより希釈することで、疎水性被膜の厚さを薄くすることができる。
【００２３】
次に、＃２０００エメリー紙でフィン１の先端部を研磨して、先端面１ａに形成された疎水性被膜を除去する。本実施形態の伝熱管１１ａは、その外面加工形状の特徴から、エメリー紙をフィン１の先端部にあてて研磨するだけで、フィン１の先端部に形成された疎水性皮膜を除去することができる。その際、伝熱管１１ａを回転させたり、エメリー紙を伝熱管１１ａに巻き付けて摺動させたりすることにより、作業性及び生産性を向上することができる。また、フィン１の先端面１ａは、粗くしてもよい。先端面１ａの表面粗度を大きくすることより、親水性被膜の密着性を向上させることができる。更に、フィン１の先端部における研磨量は、銅素地が現れるまでとするが、銅素地が多少研磨されても問題はない。但し、フィン１の高さが変わる程過度に研磨されることは好ましくないため、エメリー紙を伝熱管にあてる力は一定にすることが望ましい。なお、この研磨工程を機械的に行う場合、フィン１の先端部の研磨量は研磨時間により調整することができる。
【００２４】
そして、プライマー溶液として日産化学社製アルミナゾル５２０に、日産化学社製スノーテックＯ（コロイダルシリカ）を２：１の割合で混合したものを使用し、トップコート溶液には、市販の珪酸ナトリウム５％にリン酸０．１％を添加した水溶液を使用し、塗装用ローラー又は刷毛でプライマー溶液をフィン１の先端面１ａに塗布し、１５０℃に保温した乾燥炉で１０分間保持することにより、先端面１ａに親水性被膜を形成する。前記親水性被膜の膜厚は、前述の親水性塗料の濃度を変えることにより調節することができる。但し、親水性塗料を塗布する際は、塗料用ローラー又は刷毛から塗装面への塗料の供給は一様とし、重ね塗りにならないように配慮する必要がある。
【００２５】
なお、前述の製造方法においては、親水性塗料は先端面１ａのみに塗布されることが望ましいが、本実施形態で使用される塗料は溶媒に水を使用するため、疎水性被膜とはなじまない。従って、多めに塗布されて疎水性被膜領域に垂れることがあっても、その親水性塗料は疎水性被膜領域を伝って除去される。よって、プライマー溶液の塗布は伝熱管１１ａを立てて行うか、又は塗装後に伝熱管１１ａを立てて、余分なプライマー溶液を除去することが望ましい。
【００２６】
次に、上述の如く構成された本実施形態の伝熱管の動作について説明する。本実施形態の伝熱管１１ａは、流下液膜式熱交換器である蒸発器に組み込まれる。そして、この伝熱管の上部から滴下又は散布された作動流体（冷媒）が外表面頂部に衝突することにより、前記伝熱管の内部を流れる流体が冷却される。このとき、作動流体は液膜を形成しながら伝熱管の周りを流下するが、伝熱管外表面に被膜処理が施されているため、巨視的にはその集合が阻害されて液膜の濡れ広がり性が改善する。微視的には、薄く濡れ広がった液膜の厚さが伝熱管外表面上の突起又はフィン高さと同程度となると、液膜の一部は突起又はフィンの先端部に集まる。また、突起又はフィン以外の領域に疎水性被膜を設けた場合、微視的にはこれらの領域から液膜が排除される。即ち、突起又はフィン先端部に冷媒が集まる。その結果、突起又はフィン先端部は他の領域に比べ比較的高い伝熱性能を持つため、高い熱交換性能が得られる。
【００２７】
図２は本実施形態の伝熱管１１ａにおける液膜分布を示す断面図であり、図５は外表面全てに親水性被膜６が形成された従来の伝熱管における液膜分布を示す断面図である。図５に示すように、従来の伝熱管に作動流体を滴下すると、液膜５はその表面張力と液膜表面のガス流動によるせん断力、重力及び伝熱管の表面形状に影響されて厚さに分布を持つ流動形状となる。即ち、フィン１の先端面１ａにおける液膜厚さｔ１は薄く、根元部（溝底部４）における液膜厚さｔ２は厚くなる。このため、従来の伝熱管の外表面における伝熱性は、液膜表面付近を流れるガス流動によるせん断力を受けるフィン１の先端面１ａで最も高く、溝底部４で最も低くなる。
【００２８】
一方、図２に示すように、本実施形態の伝熱管１１ａの外表面は、フィン１の先端面１ａに親水性被膜６が、それ以外の領域には疎水性被膜７が形成されている。これにより、液膜５は先端面１ａに集まり、液膜５の厚さｔ１が厚くなる。一方、溝底部４では疎水性被膜７の効果により、液膜５の厚さｔ２が薄くなる。その結果、先端面１ａにより多くの作動流体が供給されて、その蒸発量が増加するため、熱交換量を増加させることができる。また同時に、溝底部４における液膜の厚さが薄くなるため、液膜による熱抵抗（液膜厚さ／液の熱伝導率）が低下し、高い伝熱性能を得ることができる。よって、本実施形態の伝熱管１１ａを吸収式冷凍機の蒸発器に適用した場合、先端面１ａにおける蒸発量が増大して、伝熱性能が向上する。
【００２９】
本実施形態においては、伝熱管１１ａを吸収式冷凍機の蒸発器に適用した場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、吸収式冷凍機の吸収器に適用した場合においても、本発明の趣旨に従って液膜分布の適正化することにより、伝熱性能の向上が期待できる。更に、吸収式冷凍機の蒸発器又は吸収器以外にも、吸収式冷温水器用蒸発器又は吸収器等、流下液膜式伝熱器で供される伝熱管であれば、同様に適用することができる。
【００３０】
なお、本発明における親水性被膜及び疎水性被膜とは、伝熱管外表面の他の部分との相対的な関係を意味し、例えば、金属又は合金の伝熱管表面に形成される親水性被膜においては、前記金属又は合金の表面よりも親水性であればよいため、一義的にその範囲を決められるものではない。但し、本発明の水性の被膜、疎水性の被膜はＪＩＳＫ２３９６で測定した水との接触角において、９０°未満と９０°以上を夫々親水性と疎水性とし、この範囲の中から選択することが実際上好適である。具体的には、銅表面における水の接触角が９５乃至１００°であるのに対して、親水性被膜における接触角は６０乃至７０°であり、疎水性被膜における接触角は１００乃至１１５°である。
【００３１】
次に、本実施形態の伝熱管の変形例について説明する。図３は本発明の実施形態における第１の変形例を示す部分斜視図である。図３に示すように、本実施形態の第１の変形例に係る伝熱管１１ｂは銅又は銅合金からなり、その外表面には螺旋状に配列された複数個の四角錐台形状の突起３が形成されている。隣り合う突起３の間は溝底部４となっている。そして、突起３の先端面３ａは、外表面におけるその他の領域より親水性である。本変形例の伝熱管１１ｂにおいても、前述の第１実施形態と同様に、先端面３ａに親水性被膜を形成したり、先端面３ａ以外の領域に疎水性被膜を形成したりすることにより、先端面３ａを他の領域より親水性にすることができる。また、突起３の先端面３ａに親水性被膜を、それ以外の領域に疎水性被膜を形成してもよい。
【００３２】
次に、第２の変形例について説明する。図４は本発明の実施形態における第２の変形例を示す部分斜視図である。図４に示すように、本実施形態の第２の変形例に係る伝熱管１１ｃは、銅又は銅合金からなり、その外表面には複数個のかまぼこ状の突起８が、その長手方向が管軸方向と平行になるように等間隔に形成され、管周方向に沿って環状に配置されている。その先端を含む面８ａは曲面であり、溝底部４と接している。このような突起８が形成された伝熱管１１ｃにおいても、突起８の先端面８ａに親水性被膜を形成するか、又は先端面８ａ以外の部分に疎水性被膜を形成し、先端面８ａを他の領域より親水性にすることにより、前述の実施形態及びその第１の変形例と同様の効果を実現することができる。本変形例の伝熱管１１ｃにおいては、親水性被膜を形成する領域は、突起８の先端を含む面８ａにおける先端を含む一部の領域でもよい。そして、伝熱管外表面における先端面８ａ以外の領域に疎水性皮膜を設けてもよく、この疎水性被膜は突起８の先端以外の領域に及んでいてもよい。
【００３３】
上述の第１及び第２の変形例の伝熱管においては、以下の方法によって先端面３ａ及び先端面８ａを他の領域より親水性にすることができる。例えば、先端面３ａ及び先端面８ａに親水性被膜を設ける場合には、先端面３ａ及び先端面８ａに、予め親水性溶液を含ませた布等の弾力性のあるものを押し当てることによりその溶液を塗布し、その後、加熱処理により親水性被膜を定着させる。また、親水性被膜と疎水性被膜との両方を形成する場合には、先ず疎水性被膜となる溶液を塗布した後、親水性被膜となる溶液を塗布し、加熱処理によりそれらを伝熱管外表面に定着させる。なお、親水性被膜又は疎水性被膜を積層膜として伝熱管外表面上に形成する場合には、上記方法を繰り返すか、組み合わせることによって実現することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、外表面に複数個の突起又はフィンが形成された伝熱管の突起又はフィンの先端部を親水性にすることにより、伝熱性能が高い先端部に作動流体を集めることができるため、従来の伝熱管より高い伝熱性能を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の伝熱管を示す部分斜視図である。
【図２】本発明の実施形態の伝熱管における液膜分布を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態の第１の変形例の伝熱管を示す部分斜視図である。
【図４】本発明の実施形態の第２の変形例の伝熱管を示す部分斜視図である。
【図５】外表面全面に親水性被膜が形成された従来の伝熱管における液膜分布を示す断面図である。
【符号の説明】
１；フィン
１ａ、３ａ、８ａ；先端面
２；管本体
３、８；突起
４；溝底部
５；液膜
６；親水性被膜
７；疎水性被膜
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ；伝熱管
【図１】
2004360945.tif 000003
【図２】
2004360945.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004360945.tif 000006
【図５】
2004360945.tif 000007