(57)【要約】    【課題】  冷媒として水を使用する凝縮器用伝熱管において、内部を流通させる流体の圧力損失が小さく、内面が腐食しにくく、且つ伝熱性能が高く、質量を低減できる凝縮器用伝熱管を提供する。    【解決手段】  管本体２の外面に螺旋状に配列された複数個の四角錐台形状の突起３を形成する。管軸平行断面において、溝部４ａの最小幅を０．３０乃至０．８０ｍｍとし、突起３の配列ピッチを０．７０乃至１．４２ｍｍとする。また、管軸直交断面において、溝部４ｂの底部の幅を０．１２乃至０．３８ｍｍとし、突起３の配列ピッチを０．４５乃至０．６５ｍｍとする。更に、突起３の高さｈを０．１８乃至０．５０ｍｍとする。【選択図】  図１
2005090798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管本体と、この管本体の外面に設けられ、管軸方向に直交又は傾斜する方向に配列された複数の突起とを有し、管内に水又はブラインを流通させると共に管外面に水蒸気を接触させてこの水蒸気を凝縮させることによりこの水蒸気と前記水又はブラインとの間で熱交換を行わせる凝縮器用伝熱管において、管軸方向における前記突起の配列ピッチが０．７０乃至１．４２ｍｍであり、管周方向における前記突起の配列ピッチが０．４５乃至０．６５ｍｍであり、前記突起間に形成される溝部の管軸方向における幅が０．３０乃至０．８０ｍｍであり、この溝部の管周方向における幅が０．１２乃至０．３８ｍｍであり、前記突起の高さが０．１８乃至０．５０ｍｍであることを特徴とする凝縮器用伝熱管。
【請求項２】
前記突起の形状が四角錐台形又は四角柱形であることを特徴とする請求項１に記載の凝縮器用伝熱管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェルアンドチューブ方式及びシェルアンドコイル方式等の凝縮器に組み込まれる凝縮器用伝熱管に関し、特に、水（Ｈ２Ｏ）等の粘性及び表面張力が高い冷媒を使用する凝縮器に好適な凝縮器用伝熱管に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸収式冷凍機の凝縮器及びボイラーの復水器等には、伝熱管の管内に水又はブライン等の冷却液を流し、伝熱管の外面に冷媒蒸気を接触させることにより、伝熱管の外面で冷媒蒸気を凝縮させて冷媒液とする熱交換器が使用されている。そして、このような熱交換器には、シェルアンドチューブ方式又はシェルアンドコイル方式の凝縮器が使用されている。なお、ブラインとは、熱交換器において一般的に使用される冷却液であり、例えば塩化カルシウム又はエチレングリコール系の水溶液である。
【０００３】
図７はシェルアンドチューブ方式の凝縮器の一例を示す断面図である。図７に示すように、シェルアンドチューブ方式の凝縮器５１においては、円筒形の胴部５２が設けられており、胴部５２の両端部には夫々管板５３が設けられており、胴部５２及び管板５３により密閉された空間が形成されている。胴部５２は軸方向が水平方向になるように配置されている。そして、胴部５２の上部には冷媒蒸気入口５４が設けられており、下部には冷媒液出口５５が設けられている。
【０００４】
また、胴部５２の一端には蓋部５６が連結されており、胴部５２の他端には蓋部５７が連結されている。また、胴部５２内には複数本の伝熱管５８が配置されている。伝熱管５８は、その両端部が夫々管板５３によって支持されており、その軸方向が胴部５２の軸方向、即ち水平方向と平行になるように相互に平行に配置されている。そして、各伝熱管５８の一端は蓋部５６内に連通し、他端は蓋部５７内に連通している。
【０００５】
蓋部５６は２枚の仕切板５９によって３つの室６０乃至６２に区画されており、室６０乃至６２は相互に異なる伝熱管５８に連通している。また、室６０には外部と連通する冷却液入口６３が設けられており、室６２には外部と連通する冷却液出口６４が設けられている。一方、蓋部５７は１枚の仕切板６５により室６６及び６７に区画されており、室６６及び６７は相互に異なる伝熱管５８に連通している。
【０００６】
このように構成されたシェルアンドチューブ方式の凝縮器５１においては、冷却液入口６３から冷却液（図示せず）、例えば水又はブラインが蓋部５６内の室６０に供給され、この冷却液が室６０に連通された伝熱管５８内を流通して蓋部５７の室６６に導入される。そして、この冷却液が室６６と室６１とに連通された伝熱管５８内を流通して室６１に流入し、その後、室６１と室６７とに連通された伝熱管５８内を流通して室６７に流入し、室６７と室６２とに連通された伝熱管５８内を流通して室６２に達し、冷却液出口６４より凝縮器５１の外部に排出される。また、このとき、冷媒蒸気入口５４から冷媒蒸気（図示せず）が胴部５２内に導入され、この冷媒蒸気が伝熱管５８の表面において凝縮し、冷媒液となって胴部５２の底部に滴下し、冷媒液出口５５から胴部５２外へ排出される。このようにして、伝熱管５８を介して、冷媒と冷却液との間で熱交換が起こり、冷媒蒸気が持っていた熱が冷却液に伝達される。
【０００７】
また、図８はシェルアンドコイル方式の凝縮器の一例を示す断面図である。図８に示すように、シェルアンドコイル方式の凝縮器７１においては、チャンバー７２が設けられており、チャンバー７２の上部には冷媒蒸気入口７３が設けられ、下部には冷媒液出口７４が設けられている。そして、チャンバー７２の側面には、冷却液入口７５及び冷却液出口７６が設けられている。また、チャンバー７２の内部には、コイル状に巻回された伝熱管７７が設けられており、伝熱管７７の一端は冷却液入口７５を介して外部に連通されており、他端は冷却液出口７６を介して外部に連通されている。
【０００８】
このように構成されたシェルアンドコイル方式の凝縮器７１においては、冷却液入口７５から冷却液（図示せず）、例えば水又はブラインが伝熱管７７内に供給され、伝熱管７７内を流通した後、冷却液出口７６を介して外部に排出される。このとき、冷媒蒸気入口７３から冷媒蒸気（図示せず）がチャンバー７２内に導入され、この冷媒蒸気が伝熱管７７の表面において凝縮し、冷媒液となってチャンバー７２の底部に滴下し、冷媒液出口７４からチャンバー７２外へ排出される。このようにして、伝熱管７７を介して、冷媒と冷却液との間で熱交換が起こり、冷媒蒸気が持っていた熱が冷却液に伝達される。
【０００９】
従来、これらの凝縮器の伝熱管、即ち、図７に示す伝熱管５８及び図８に示す伝熱管７７には平滑管が使用されていた。しかし、近時、凝縮器の熱交換性能の向上を図るために、管の内外面に螺旋状に凹凸を形成したコルゲートチューブが使用されている。図９はコルゲートチューブを示す側面断面図である。図９に示すように、コルゲートチューブ８１においては、管の外面に溝８２が螺旋状に形成されている。また、凝縮器用の伝熱管としてコルゲートチューブ以外にも、外面にフィン又は突起を形成した伝熱管が多く提案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【００１０】
【特許文献１】特許第３４１５０１３号
【特許文献２】特開平１１−２５７８８８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。伝熱管としてコルゲートチューブを使用すると、特に管内側の伝熱性能は向上するものの、管内を流通する冷却液の圧力損失が大きくなるという問題がある。また、コルゲートチューブは管内を流れる流体の流動抵抗が大きく、流体と管内面との間に発生する摩擦力が大きいため、腐食が進行しやすい。特に、図９に示す管内面の凸部８３は流体によるアタックを受けやすく、腐食が進行して穴あきが発生しやすい。更に、コルゲートチューブにおいては、管内面の凹部８４に残渣が溜まりやすく、この残渣が膜となり、伝熱抵抗が大きくなったり、電位が変化して腐食が進行しやすくなったりするという問題がある。この結果、伝熱管の寿命が短くなってしまう。更にまた、図９に示すようにコルゲートチューブ８１の外面には溝８２が形成されているが、凝縮液は管外面に膜を形成しやすく、熱伝達性能の向上には限界がある。
【００１２】
また、従来は、凝縮器に適用する冷媒として、フロンが多用されてきた。即ち、伝熱管の外部にフロンの蒸気を導入し、伝熱管外表面において凝縮させ、フロンの液体とすることにより、冷却液との間で熱交換を行っていた。しかし、近時のフロン規制により、冷媒としてフロンの替わりに水が使用されることが多くなっている。しかしながら、従来の伝熱管は、冷媒としてフロンを使用する場合に最も伝熱性能が高くなるように設計されたものであり、冷媒として水を使用する場合について最適化されたものではない。表１に水及びフロンの粘性及表面張力の値を示す。表１に示す各値は、凝縮温度が４５℃となる圧力における値である。
【００１３】
【表１】
2005090798.tif 000003
【００１４】
表１に示すように、水の粘性はフロンの約４倍であり、表面張力はフロンの約１２倍となっている。このため、水を冷媒として使用し、伝熱管としてフロン用に設計された従来の伝熱管を使用すると、凝縮した冷媒液（水）がフィン間に滞留してしまい、冷媒液の濡れ拡がり性及び伝熱管からの離脱性が低下する。このため、冷媒液の膜が熱抵抗となって伝熱性能が低くなる。また、フロン用の伝熱管においては外面に比較的高いフィンが形成されているが、高いフィンを形成するためには素管として肉厚が厚い管を使用する必要がある。このため、伝熱管の質量が大きくなるという問題もある。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、冷媒として水を使用する凝縮器用伝熱管において、内部を流通させる流体の圧力損失が小さく、内面が腐食しにくく、且つ伝熱性能が高く、質量を低減できる凝縮器用伝熱管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る凝縮器用伝熱管は、管本体と、この管本体の外面に設けられ、管軸方向に直交又は傾斜する方向に配列された複数の突起とを有し、管内に水又はブラインを流通させると共に管外面に水蒸気を接触させてこの水蒸気を凝縮させることによりこの水蒸気と前記水又はブラインとの間で熱交換を行わせる凝縮器用伝熱管において、管軸方向における前記突起の配列ピッチが０．７０乃至１．４２ｍｍであり、管周方向における前記突起の配列ピッチが０．４５乃至０．６５ｍｍであり、前記突起間に形成される溝部の管軸方向における幅が０．３０乃至０．８０ｍｍであり、この溝部の管周方向における幅が０．１２乃至０．３８ｍｍであり、前記突起の高さが０．１８乃至０．５０ｍｍであることを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、管外面に複数の突起を形成し、この突起の形状及び配列方法を上述の如く規定することにより、冷媒として水を使用する場合において、高い伝熱性能を得ることができる。また、突起の高さを上述の範囲に規定することにより、管の肉厚を薄くすることができ、管の質量を低減することができる。更に、本発明の伝熱管においては、コルゲートチューブと異なり、管の内面に不可避的に凹凸が形成されることがないため、管内を流通する流体の圧力損失を低減し、管内面の腐食の進行を抑制することができる。なお、前記突起の形状は四角錐台形又は四角柱形であることが望ましく、四角柱形であることがより望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、管外面に複数の突起を形成し、この突起の形状及び配列方法を適切に規定することにより、水を冷媒として使用する凝縮器用伝熱管において、優れた伝熱性能を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本実施形態に係る伝熱管を示す部分斜視図であり、図２はこの伝熱管を示す管軸を含む管軸平行断面図であり、図３はこの伝熱管を示す管軸直交断面図である。本実施形態に係る伝熱管は、シェルアンドチューブ方式又はシェルアンドコイル方式等の凝縮器に組み込まれる凝縮器用伝熱管である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態に係る伝熱管１においては、管本体２が設けられており、管本体２の外面には、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。突起３の配列方向に直交する方向における隣り合う突起３間は溝部４ａとなっており、突起３の配列方向における隣り合う突起３間は溝部４ｂとなっている。また、管本体２の内面は平滑となっている。伝熱管１は、例えば銅又は銅合金からなり、例えばＪＩＳ  Ｈ３３００  Ｃ１２０１Ｔｓ−１／２Ｈにより規定される低りん脱酸銅管である。また、伝熱管１の外径は例えば約７乃至３５ｍｍであり、例えば約１６ｍｍであり、底肉厚は例えば０．３乃至０．７ｍｍであり、例えば０．５５ｍｍである。管本体２の外面において、突起３が配列する方向に延びる線６と管周方向に延びる線７とがなす角度θは０°以上９０°未満である。この角度θが０°である場合は、突起３が環状に配列される場合である。なお、伝熱管１の外面において、突起３は例えば格子状に配列されている。但し、突起３は千鳥状に配列されていてもよい。即ち、相互に隣り合う突起３の列間において、突起３の配列方向における突起３の位置が相互にずれていてもよい。
【００２１】
図２に示すように、管軸を含む断面（以下、管軸平行断面という）において、溝部４ａの最小幅、即ち底部の幅Ｗ１は、０．３０乃至０．８０ｍｍである。また、突起３の配列周期（ピッチ）Ｐ１は０．７０乃至１．４２ｍｍとなっている。更に、突起３の高さｈは０．１８乃至０．５０ｍｍである。
【００２２】
図３に示すように、管軸直交断面において、溝部４ｂの底部の幅Ｗ２は０．１２乃至０．３８ｍｍである。また、管軸直交断面における突起３の配列周期Ｐ２は、０．４５乃至０．６５ｍｍである。なお、溝部４ｂの底部の幅Ｗ２及び突起３の配列周期Ｐ２は、いずれも円弧長さではなく直線長さである。
【００２３】
次に、上述の如く構成された本実施形態に係る凝縮器用伝熱管の動作について説明する。図４は本実施形態において凝縮した冷媒液が伝熱管から離脱する動作を示す図である。なお、図４においては、突起３並びに溝部４ａ及び４ｂは便宜上、図示を省略されている。また、伝熱管１の表面には、乾いた領域及び冷媒液の液膜により覆われた領域が形成されるが、図４においてはこれらの領域は図示を省略されている。本実施形態に係る凝縮器用伝熱管１は、例えば図７に示すようなシェルアンドチューブ方式の凝縮器又は例えば図８に示すようなシェルアンドコイル方式の凝縮器に組み込まれる。そして、凝縮器内に配置された伝熱管内に水又はブラインを流通させると共に、凝縮器内に冷媒蒸気として水蒸気を導入して、水又はブラインと冷媒との間で熱交換を行わせる。このとき、この熱交換は概ね次のような過程を経て行われる。
【００２４】
（１）伝熱管１は、その内部を流れる水又はブラインにより冷却される。これにより、冷媒蒸気（水蒸気）は伝熱管１の外面における突起３の表面等において凝縮し、冷媒液（凝縮水）５となる（水蒸気の凝縮）。このとき、冷媒液５は凝縮熱を伝熱管１に与え、この熱が管内を流れる水又はブラインに伝達される。
【００２５】
（２）冷媒液（凝縮水）５は溝部４ａ及び４ｂに一時的に滞留した後、溝部における滞留量が所定量に達すると、溝部を伝って伝熱管１の下部の方向に流れる（凝縮水の移動）。
【００２６】
（３）図４に示すように、伝熱管１の下部付近において冷媒液（凝縮水）５の量がある一定量に達すると、重力により水滴となって伝熱管１から離脱する。このとき、伝熱管１の最下部に滞留している凝縮水５のみが離脱するのでなく、離脱しようとする最下部の凝縮水に引っ張られ、伝熱管１の下部付近にある凝縮水も溝部４ａ及び４ｂを介して最下部まで移動し、伝熱管１から離脱する（凝縮水の離脱）。
【００２７】
上記（１）〜（３）の過程は連続して起こり、上記（３）の凝縮水の離脱が起これば、離脱する凝縮水に引っ張られて、上記（２）の凝縮水の移動が起こる。凝縮水の移動が起これば、管外表面の液膜が除去され、上記（１）の水蒸気の凝縮が促進される。そして、このサイクルが速いほど伝熱性能が優れることになる。（１）の水蒸気の凝縮が円滑に発生するためには、突起３で凝縮した凝縮水が円滑に排出され、突起３及びその他の部分において液膜が厚くなりすぎないことが望ましい。また、（２）の凝縮水の移動が円滑に進行するためには、突起３間の溝部４ａ及び４ｂにおいて凝縮水が滞留せず、速やかに下方に流れることが望ましい。更に、（３）の凝縮水の離脱が円滑に進行するためには、伝熱管１の下部付近における液膜の厚さを適正な範囲に規制することが望ましい。
【００２８】
凝縮水には伝熱管下部方向に移動させようとする重力が作用する。一方、凝縮水の表面張力及び粘性は重力による移動に対して抵抗として作用する。上記（１）〜（３）の過程において、重力と表面張力及び粘性とのバランスを調整して前記サイクルを速くまわすことが可能な伝熱管が、凝縮伝熱性能が優れる伝熱管である。本実施形態に係る凝縮器用伝熱管は、水蒸気に対して前記サイクルが速やかに進行するように管外表面に形成した突起のピッチ、突起間の溝部の幅及び突起の高さを決定することにより、優れた凝縮性能を達成したものである。
【００２９】
以下、本発明の各構成要件における数値限定理由について説明する。
【００３０】
管軸方向における突起の配列ピッチ：０．７０乃至１．４２ｍｍ
管軸方向における突起の配列ピッチ（Ｐ１）が０．７０ｍｍ未満であると、管軸方向の突起間隔が小さくなるため、表面張力が大きい凝縮水が突起３間の溝部４ａに保持されてしまい、突起３の表面まで液膜で覆われてしまう。このため、水蒸気が凝縮し難くなる。即ち、前記（１）の過程が妨げられる。一方、前記配列ピッチ（Ｐ１）が１．４２ｍｍよりも大きいと、突起３間の溝部４ａの配列間隔が大きくなるため、伝熱管の下部で凝縮水が離脱する際に引っ張られて一緒に離脱する凝縮水の量が少なくなってしまい、また凝縮水が離脱するために要する時間が長くなってしまい、凝縮水の排出性が低下してしまう。即ち、前記（３）の過程が妨げられる。従って、管軸方向における突起の配列ピッチは０．７０乃至１．４２ｍｍであることが必要である。
【００３１】
管周方向における突起の配列ピッチ：０．４５乃至０．６５ｍｍ
管周方向における突起の配列ピッチ（Ｐ２）が０．４５ｍｍ未満であると、管周方向における突起間隔が小さくなるため、表面張力が大きい凝縮水が突起３間の溝部４ｂに保持されてしまい、突起３の表面まで液膜で覆われてしまう。このため、水蒸気が凝縮し難くなる。即ち、前記（１）の過程が妨げられる。一方、前記配列ピッチ（Ｐ２）が０．６５ｍｍよりも大きいと、突起３間に形成される溝部４ｂの配列間隔が大きくなるため、伝熱管の下部で凝縮水が離脱する際に引っ張られて一緒に離脱する範囲にある溝部４ｂの数が少なくなってしまい、また凝縮水が離脱するために要する時間が長くなってしまい、凝縮水の排出性が低下してしまう。即ち、前記（３）の過程が妨げられる。従って、管周方向における突起の配列ピッチは０．４５乃至０．６５ｍｍであることが必要である。
【００３２】
管軸方向における溝部の幅：０．３０乃至０．８０ｍｍ
管軸方向における溝部の幅（Ｗ１）が０．３０ｍｍ未満であると、突起３間に形成される溝部４ａの管軸方向における幅が小さくなるため、凝縮水が溝部４ａに保持されてしまい、突起３の表面まで液膜で覆われてしまう。このため、水蒸気が凝縮し難くなる。即ち、前記（１）の過程が妨げられる。また、溝部４ａに凝縮水が安定に保持されているため、凝縮液の排出性が低下する。即ち、前記（３）の過程が妨げられる。一方、前記溝部の幅（Ｗ１）が０．８０ｍｍよりも大きいと、突起３間に形成される溝部４ａの幅が大きくなり、溝部４ａに形成される液膜が表面張力及び粘性に打ち勝って流れることができる厚さになるまでの時間が長くなってしまい、凝縮水の排出性が低下してしまう。即ち、前記（３）の過程が妨げられる。また、溝部４ａの液膜が厚くなることにより、伝熱性能が低下しやすい。即ち、前記（１）の過程が妨げられる。従って、管軸方向における溝部の幅は０．３０乃至０．８０ｍｍであることが必要である。
【００３３】
管周方向における溝部の幅：０．１２乃至０．３８ｍｍ
管周方向における溝部の幅（Ｗ２）が０．１２ｍｍ未満であると、溝部４ｂの幅が小さくなるため、凝縮水が溝部４ｂに保持されてしまい、突起３の表面まで液膜で覆われてしまう。このため、水蒸気が凝縮し難くなる。即ち、前記（１）の過程が妨げられる。また、伝熱管の下部に移動した凝縮水が離脱する際に、凝縮水が引っ張られて管軸方向に移動する際の抵抗が大きくなり、離脱する凝縮水の量が少なくなってしまう。また、凝縮水が離脱するまでに要する時間が長くなってしまい、凝縮水の排出性が低下してしまう。即ち、前記（３）の過程が妨げられる。一方、前記溝部の幅（Ｗ２）が０．３８ｍｍよりも大きいと、溝部に形成される液膜が表面張力及び粘性に打ち勝って流れることができる厚さになるまでに時間がかかり、凝縮水の排出性が低下してしまう。即ち、前記（３）の過程が妨げられる。また、溝部の液膜が厚くなることにより伝熱性能が低下する。従って、管周方向における溝部の幅は０．１２乃至０．３８ｍｍであることが必要である。
【００３４】
突起の高さ：０．１８乃至０．５０ｍｍ
突起の高さ（ｈ）が０．１８ｍｍ未満であると、伝熱管の外面全体が凝縮水で覆われてしまうため、水蒸気が凝縮し難くなる。即ち、前記（１）の過程が妨げられる。一方、突起の高さ（ｈ）が０．５０ｍｍよりも大きいと、突起３間の溝部に保持される凝縮水の量が多くなり、伝熱管の下部に滞留した凝縮水が離脱する際に凝縮水が引っ張られて管軸方向に移動する際の抵抗が大きくなり、離脱する凝縮水の量が少なくなってしまう。また凝縮水が離脱するまでに要する時間が長くなってしまい、凝縮水の排出性が低下してしまう。即ち、前記（３）の過程が妨げられる。更に、突起の高さ（ｈ）が０．５０ｍｍよりも大きいと、伝熱管を形成する際に肉厚が厚い素管を使用することが必要となる。このため、加工後の伝熱管の底肉厚が厚くなってしまい、伝熱管の質量が増大すると共に、伝熱性能が低下してしまう。従って、突起の高さは０．１８乃至０．５０ｍｍであることが必要である。
【００３５】
次に、本実施形態に係る伝熱管１の製造方法について説明する。先ず、素管を用意する。この素管は、例えば、外径が１６ｍｍ、肉厚が０．７ｍｍ、長さが１乃至１０ｍであり、ＪＩＳ  Ｈ３３００  Ｃ１２０１Ｔｓ−１／２Ｈにより規定される低リン脱酸銅管である。そして、この素管に対して転造加工を施し、螺旋状又は環状のフィンを管軸方向に一定のピッチで形成する。このとき、フィン間が溝部４ａとなる。なお、フィンの形成は、上述の転造加工による方法以外の方法でもよく、例えば、切削加工による方法でも可能である。次に、このフィンの頂部に歯車ディスクを転接させて、フィンの頂部を管周方向に一定のピッチで押し込み、独立した突起３を形成する。このとき、突起３間が溝部４ｂになる。次に、低温焼鈍を施し、管の疲労強度を向上させる。なお、フィン成形と独立突起成形とは同時に行ってもよく、別々に行ってもよい。
【００３６】
上述の如く、本実施形態においては、凝縮器用伝熱管の外面に複数の突起を設けている。これにより、水のように粘性及び表面張力が高い冷媒を使用する場合においても、伝熱管外面にて凝縮した冷媒が伝熱管最下部から落下するときに、周囲の冷媒を引き寄せて共に落下する。この結果、凝縮した冷媒の離脱性が良好になり、伝熱性能が向上する。
【００３７】
また、本実施形態においては、突起のサイズ及び配列ピッチを上述の如く規定している。具体的には、冷媒としてフロン使用する従来の伝熱管と比較して、突起の配列ピッチを大きくし、突起の高さを低くしている。これにより、冷媒として、フロンよりも粘性及び表面張力が高い水を使用する場合において、管外表面における冷媒（水）の濡れ広がり性、排出性及び離脱性を向上させることができる。この結果、凝縮した水が溝部に過剰に滞留することなく、前記（１）〜（３）に示すサイクルが円滑に循環し、良好な熱伝達性能を実現することができる。
【００３８】
更に、本実施形態においては、突起の形状を四角錐台形としているが、突起の形状は四角柱形の方が望ましい。突起形状を四角柱形にすることにより、伝熱管外面の最下部において、凝縮した冷媒液が突起の側面を伝って突起先端に集まり、突起先端から落下しやすくなる。これにより、冷媒の離脱性が向上する。
【００３９】
更にまた、管内面に不可避的に凹凸が形成されることがないため、管内を流通する水又はブラインの圧力損失を小さくすることができると共に、流体のアタック及び残渣の蓄積による腐食の進行を抑えることができる。更に、冷媒としてフロンを使用する伝熱管よりも突起高さを小さくできるため、製造が容易であり、素管として肉厚が薄い素管を使用することができる。これにより、伝熱管の質量を低減できると共に、伝熱性能を向上させることができる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、伝熱管の材料を低りん脱酸銅管（ＪＩＳ  Ｈ３３００  Ｃ１２０１Ｔｓ−１／２Ｈ）としたが、本発明はこれに限定されず、伝熱管の材料はＪＩＳ  Ｈ３３００のＣ１０２０又はＣ１２２０に記載された銅管であってもよく、キュプロニッケル等の銅合金からなる管でもよく、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン及びチタン合金等の他の材料からなる管でもよい。また、本実施形態においては、伝熱管の内面は平滑としたが、管内を流れる流体の圧力損失及び腐食の進行を抑制できる限りにおいて、管内にリブ等を形成してもよい。更に、本実施形態においては、突起の形状を四角錐台形としたが、四角柱形の方が望ましい。しかし、突起形状は四角錐台形及び四角柱形に限定されず、冷媒の凝縮性能が優れ、製造が容易である形状であればよく、例えば四角錐形及び三角柱形等の形状であってもよい。突起形状を三角柱形とする場合は、その長手方向を管軸方向又は管周方向とすることが好ましい。更にまた、本発明は水以外にも粘性及び表面張力が高い冷媒に好適に適用することができる。突起の配列方向は、管軸に対して傾斜していてもよく、直交していてもよい。両者の間で伝熱性能に差異は認められない。更にまた、底肉厚は０．３〜０．７ｍｍ程度が好ましい。伝熱性能を考慮すると、底肉厚は可及的に薄い方が好ましいが、底肉厚は耐食性及び加工性を考慮して適宜設定されることが好ましい。
【実施例１】
【００４１】
以下、本発明の実施例の効果について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。前述の本発明の実施形態と同様な方法により、各種の伝熱管を作製し、供試管とした。実施例及び比較例の供試管の形状を表２に示す。比較例としては、管外面に複数の突起が形成された伝熱管であって突起の寸法及び配列ピッチが本発明の範囲から外れるもの、コルゲートチューブ及び平滑管を用意した。なお、表２の「外面形状」の欄における「独立突起」とは、管外面に複数の独立突起が形成された形状を指し、「コルゲート」とはコルゲートチューブを指す。また、「外径」は伝熱管の最大外径、即ち、突起先端の包絡円の直径を示し、コルゲートチューブの場合はコルゲート加工部の外径を示す。更に、「底肉厚」とは、溝部における伝熱管の厚さを示し、コルゲートチューブの場合はコルゲート加工部の肉厚を示す。更にまた、「配列ピッチ」及び「溝部の幅」における「管軸」とは管軸方向における値を指し、「管周」とは管周方向における値を指す。更にまた、「Ｐｃ」は、図９に示すコルゲートチューブ８１において、溝８２の管軸方向における配列ピッチ（コルゲートピッチ）Ｐｃを指し、「ｈｃ」は、図９に示す溝８２の深さ（コルゲート深さ）ｈｃを指す。
【００４２】
【表２】
2005090798.tif 000004
【００４３】
表２に示す供試管Ｎｏ．１乃至２４は転造加工によって製作した独立突起型伝熱管であり、素管として、外径が１６ｍｍ、肉厚が０．６５ｍｍである低りん脱酸銅管（ＪＩＳ  Ｈ３３００  Ｃ１２０１Ｔｓ−１／２Ｈ）を使用して作製したものである．本実施例でにおいては、突起高さを前述の特許文献１（特許第３４１５０１３号）に記載された伝熱管のフィン高さ（０．８５ｍｍ）と比較して低くできるため、肉厚が薄い素材を使用しても加工可能である。また、伝熱管の長さは、後述する伝熱性能評価を行うテスト装置に合せるため、不完全成形部を含めた突起加工部の長さを１２００ｍｍ、管端の未加工部の長さを夫々１５０ｍｍとし、全長が１５００ｍｍの伝熱管を作製した。転造加工は、管外表面より１２０°間隔にて３方向から転造ディスク群を押し当ててフィンを成形し、同時に転造ディスク群の最終加工ディスクにより形成されたフィンに、端縁に溝加工が施された歯車ディスクを押し当てて、独立突起状に成形した。突起成形後の傾斜角、即ち、管本体２の外面において、突起３が配列する方向に延びる線６と管周方向に延びる線７とがなす角度θ（図１参照）は、２．１〜３．５°とした。
【００４４】
このように管外面に独立突起を形成した後、管を約３５０℃の温度に加熱して、残留応力を除去すると共に管表面の残油を加熱脱脂した。加熱後の伝熱管の引張り強さは、平均２７５Ｎ／ｍ２であった。その後、管外面に液体フロン（ＨＣＦＣ−１４１ｂ）を塗布し、この液体フロンを回収した後、残りを蒸発させることにより、管外面の残査を除去した。液体フロンによる残渣除去処理後に管外表面の残渣量を測定した結果、０．０１０〜０．０２０ｇ／ｍ２であった。また、管内における残留炭素量を測定した。先ず、液体フロン（ＨＣＦＣ−１４１ｂ）を使用して伝熱管を洗浄し、内面に残留している油分を除去した。次に、硝酸水溶液と塩酸水溶液との混合溶液を管内に封入し、残留炭素を溶液内に溶出させ、この溶液をガラス繊維製の濾紙で濾過し、残留炭素を分離した。次に、この分離した炭素を空気中で加熱酸化させ、島津製作所製検出器ＥＭＩＡ−Ｕ５１０により、ＣＯ２濃度を測定した。そして、このＣＯ２濃度の測定値を単位面積当たりの残留炭素量に換算し、残留炭素量を求めた。このようにして残留炭素量を測定した結果、加工後の伝熱管における残留炭素量は３．４〜４．４ｍｇ／ｍ２であった。なお，管外表面の残査量が多いと、これが熱抵抗となって伝熱性能を低下させる。このため、残渣量は０.３ｇ／ｍ２以下であることが望ましい。また、管内面の残留炭素量が多いと腐食による穴空きが発生しやすくなるため、残留炭素量は５ｍｇ／ｍ２以下であることが望ましい。
【００４５】
このようにして作製した供試管の伝熱性能を評価した。図５は伝熱性能の評価に使用したテスト装置を示す概略図である。図５に示すように、このテスト装置においては、シェルアンドチューブ式熱交換器の蒸気発生器１１、低温再生器１２、凝縮器１３及び溶液タンク１４が設けられている。テスト装置本体はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６）により形成されており、臭化リチウム水溶液による腐食を抑制するようになっている。
【００４６】
蒸気発生器１１には、容量が３０ｋＷの電気ヒーター１５が設けられている。蒸気発生器１１は電気ヒーター１５により蒸留水を沸騰させて水蒸気を発生させ、低温再生器１２に供給するものである。なお、蒸気発生器１１の沸騰時の圧力を１２．３〜６０ｋＰａの範囲とし、温度を５０〜８０℃の範囲とし、低温再生器１２の機内圧力（ＬｉＢｒ側圧力）と凝縮器１３の機内圧力（水蒸気側圧力）とが相互に等しくなるように制御する。また、低温再生器１２において凝縮した水が蒸気発生器１１に戻るようになっている。
【００４７】
低温再生器１２は、溶液タンク１４からＬｉＢｒ水溶液１６が供給され、これを保持するようになっている。また、伝熱管１７が、内部に蒸気発生器１１から水蒸気が供給されると共に、外面がＬｉＢｒ水溶液１６に浸漬するように設けられている。低温再生器１２においては、伝熱管１７の周囲にＬｉＢｒ水溶液１６が供給され、伝熱管１７の内部に水蒸気が供給されることにより、管外のＬｉＢｒ水溶液１６と管内の水蒸気との間で熱交換を行わせる。これにより、管外のＬｉＢｒ水溶液１６を沸騰させ、水蒸気を発生させて、この水蒸気を冷媒蒸気として凝縮器１３に供給する。また、これによりＬｉＢｒ水溶液が濃縮される。ＬｉＢｒ水溶液は溶液タンク１４との間で循環する。更に、伝熱管１７内に供給された水蒸気を凝縮させ、蒸気発生器１１に戻す。
【００４８】
凝縮器１３においては、供試管１８が水平に設置され、その管端部がＯリング（図示せず）により固定されている。また、低温再生器１２より供給される冷媒蒸気（水蒸気）が直接供試管１８に当たらないように、冷媒蒸気入口に邪魔板（図示せず）が設置されている。また、供試管１８は冷却塔１９に連結されており、冷却塔１９により冷却された冷却水がポンプ２０により供試管１８の内部に供給されるようになっている。そして、供試管１８の管内に供給された冷却水と、低温再生器１２より管外に供給された冷媒蒸気（水蒸気）との間で熱交換を行い、加熱された冷却水は冷却塔１９に戻り、供試管１８の表面で凝縮した液冷媒（水）は、自重にて溶液タンク１４に移動するようになっている。
【００４９】
溶液タンク１４にはＬｉＢｒ水溶液１６が保持されており、凝縮器１３から液冷媒（水）が供給されてＬｉＢｒ水溶液１６を薄めるようになっている。また、溶液タンク１４にはポンプ２１が設けられており、このポンプ２１により、ＬｉＢｒ水溶液１６を低温再生器１２との間で循環させるようになっている。
【００５０】
なお、供試管１８の入口には電磁流量計２２及び白金測温抵抗体（ＪＩＳ−Ａ級）２３が設けられており、供試管１８の出口にも白金測温抵抗体２３が設けられている。また、蒸気発生器１１及び凝縮器１３には夫々ダイアフラム式絶対圧力変換器２４が設けられている。
【００５１】
次に、このテスト装置を使用した伝熱性能の評価方法について説明する。蒸気発生器１１において電気ヒーター１５が水蒸気を発生させ、低温再生器１２の伝熱管１７内に供給する。これにより、伝熱管１７内の水蒸気と伝熱管１７外のＬｉＢｒ水溶液１６との間で熱交換を行い、水蒸気は凝縮して蒸気発生器１１に戻り、ＬｉＢｒ水溶液１６は沸騰して水蒸気が冷媒蒸気として凝縮器１３に供給される。そして、凝縮器１３において、供試管１８内に冷却塔１９より温度が一定に調節された冷却水が供給され、供試管１８外に低温再生器１２から水蒸気（冷媒蒸気）供給されることにより、冷却水と水蒸気との間で熱交換を行わせる。これにより、水蒸気（冷媒蒸気）が凝縮して水（冷媒液）となり、重力により溶液タンク１４に移動する。溶液タンク１４においては、凝縮器１３から水が供給されると共に、低温再生器１２との間でＬｉＢｒ水溶液１６を循環させ、低温再生器１２におけるＬｉＢｒ水溶液１６の濃度を一定に保っている。このとき、凝縮圧力を凝縮器１３に設けられたダイアフラム式絶対圧力変換器２４により測定し、冷却水の出入口温度を白金測温抵抗体２３により測定し、冷却水流量を電磁流量計２２により測定した。伝熱性能評価条件を表３に示す。なお、管内水流速は管端部を基準とし、管内圧力損失評価は加工部内径を基準とする。
【００５２】
【表３】
2005090798.tif 000005
【００５３】
テスト装置の運転開始後、定常状態になったことを確認し、凝縮器１３内の圧力、冷却水の流量及び出入口温度を測定した。そして、各測定器の信号をハイブリットレコーダー（図示せず）に取り込んで数値変換し、伝熱管の総括伝熱係数を算出した。以下、その算出方法について説明する。
【００５４】
（１）冷却水伝熱量Ｑ
冷却水の伝熱量をＱ（ｋＷ）、冷却水の流量をＧ（ｋｇ／時）、冷却水の比熱をＣｐ（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）、冷却水の入口温度をＴｉｎ（℃）、冷却水の出口温度をＴｏｕｔ（℃）とするとき、冷却水の伝熱量Ｑを下記数式１により算出した。
【００５５】
【数１】
2005090798.tif 000006
【００５６】
（２）対数平均温度差ΔＴｍ
対数平均温度差をΔＴｍ（℃）、冷媒凝縮温度をＴｓ（℃）とするとき、対数平均温度差ΔＴｍを下記数式２により算出した。なお、冷媒凝縮温度Ｔｓは、凝縮圧力より換算して算出した値を使用した。
【００５７】
【数２】
2005090798.tif 000007
【００５８】
（３）管外表面積Ａｏ
供試管の外表面積をＡｏ（ｍ２）、円周率をπ、供試管の突起部外径、即ち、供試管の最大外径をＤｏ（ｍ）、供試管の伝熱有効長をＬ（ｍ）、供試管の本数をＮ（本）とするとき、供試管の外表面積Ａｏを、突起部外径を基準として下記数式３により算出した。
【００５９】
【数３】
2005090798.tif 000008
【００６０】
（４）総括伝熱係数Ｋｏ（外表面積基準）
外表面積を基準とした総括伝熱係数をＫｏ（ｋＷ／ｍ２Ｋ）とするとき、上記数式１乃至３にて算出した値を用いて、総括伝熱係数Ｋｏを下記数式４により算出した。総括伝熱係数Ｋｏの値が大きいほど、伝熱管の伝熱性能が優れている。
【００６１】
【数４】
2005090798.tif 000009
【００６２】
このようにして算出した総括伝熱係数Ｋｏの値を表４．１乃至表４．４及び図６に示す。図６は、横軸に冷却水の流速をとり、縦軸に総括伝熱係数をとって、表４．１乃至表４．４に示す算出結果をプロットしたグラフ図である。
【００６３】
【表４．１】
2005090798.tif 000010
【００６４】
【表４．２】
2005090798.tif 000011
【００６５】
【表４．３】
2005090798.tif 000012
【００６６】
【表４．４】
2005090798.tif 000013
【００６７】
表４．１乃至表４．４及び図６に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至１３に係る伝熱管は外面形状が本発明の範囲を満たしているため、比較例Ｎｏ．１４乃至２６に係る伝熱管と比較して総括伝熱係数Ｋｏが高く、伝熱性能が優れていた。特に、実施例Ｎｏ．１２及び１３に係る伝熱管は、突起形状が四角柱形であるため、突起形状が四角錐台形である実施例Ｎｏ．１乃至１１よりも、伝熱性能が優れていた。また、実施例Ｎｏ．１乃至１３は管内面が平滑であっても、比較例Ｎｏ．２５に示すコルゲートチューブよりも高い伝熱性能を有していた。これに対して、比較例Ｎｏ．１４乃至２６は、管外面の形状が本発明の規定を満たしておらず、伝熱性能が劣っていた。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施形態に係る伝熱管を示す部分斜視図である。
【図２】この伝熱管を示す管軸を含む管軸平行断面図である。
【図３】この伝熱管を示す管軸直交断面図である。
【図４】本実施形態において凝縮した冷媒液が伝熱管から離脱する動作を示す図である。
【図５】伝熱性能の評価に使用したテスト装置を示す概略図である。
【図６】横軸に冷却水の流速をとり、縦軸に総括伝熱係数をとって、表４．１乃至表４．４に示す算出結果をプロットしたグラフ図である。
【図７】シェルアンドチューブ方式の凝縮器の一例を示す断面図である。
【図８】シェルアンドコイル方式の凝縮器の一例を示す断面図である。
【図９】コルゲートチューブを示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１；伝熱管
２；管本体
３；突起
４ａ、４ｂ；溝部
５；冷媒液（凝縮水）
１１；蒸気発生器
１２；低温再生器
１３；凝縮器
１４；溶液タンク
１５；電気ヒーター
１６；ＬｉＢｒ水溶液
１７；伝熱管
１８；供試管
１９；冷却塔
２０、２１；ポンプ
２２；電磁流量計
２３；白金測温抵抗体
２４；ダイアフラム式絶対圧力変換器
５１；シェルアンドチューブ方式の凝縮器
５２；胴部
５３；管板
５４；冷媒蒸気入口
５５；冷媒液出口
５６、５７；蓋部
５８；伝熱管
５９、６５；仕切板
６０〜６２、６６、６７；室
６３；冷却液入口
６４；冷却液出口
７１；シェルアンドコイル方式の凝縮器
７２；チャンバー
７３；冷媒蒸気入口
７４；冷媒液出口
７５；冷却液入口
７６；冷却液出口
７７；伝熱管
８１；コルゲートチューブ
８２；溝
８３；凸部
８４；凹部
ｈ；突起の高さ
ｈｃ；コルゲート深さ
Ｐ１；管軸方向における突起の配列ピッチ
Ｐ２；管周方向における突起の配列ピッチ
Ｐｃ；コルゲートピッチ
Ｗ１；管軸方向における溝部の幅
Ｗ２；管周方向における溝部の幅
θ；管外面において突起が配列する方向に延びる線と管周方向に延びる線とがなす角度
【図１】
2005090798.tif 000014
【図２】
2005090798.tif 000015
【図３】
2005090798.tif 000016
【図４】
2005090798.tif 000017
【図５】
2005090798.tif 000018
【図６】
2005090798.tif 000019
【図７】
2005090798.tif 000020
【図８】
2005090798.tif 000021
【図９】
2005090798.tif 000022