7164557 沸騰型伝熱管

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-24

(45)【発行日】2022-11-01

(54)【発明の名称】沸騰型伝熱管

(51)【国際特許分類】

   F28F 13/02 20060101AFI20221025BHJP

   F28F 1/26 20060101ALI20221025BHJP

   F28F 1/16 20060101ALI20221025BHJP

   F28F 1/10 20060101ALI20221025BHJP

   F28F 1/12 20060101ALI20221025BHJP

   F25B 39/02 20060101ALI20221025BHJP

【ＦＩ】

F28F13/02 B

F28F1/26 B

F28F1/16 A

F28F1/10 A

F28F1/12 A

F28F1/12 F

F25B39/02 B

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020029780

(22)【出願日】2020-02-25

(65)【公開番号】P2021134952

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2021-09-06

(73)【特許権者】

【識別番号】504136753

【氏名又は名称】株式会社ＫＭＣＴ

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松野 友暢

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 宏行

【審査官】藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５４－１０１７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５９－０４２４８６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０４－２３６０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５６９７４３０（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００５－１６４１２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ １３／０２

Ｆ２８Ｆ １／２６

Ｆ２８Ｆ １／１６

Ｆ２８Ｆ １／１０

Ｆ２８Ｆ １／１２

Ｆ２５Ｂ ３９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

管外周面から径方向外側に突出して周方向に沿って環状又はらせん状に配列された複数列のフィンを備え、
前記フィンは、前記管外周面に立設された脚部と、前記脚部の径方向外側の先端が互いに管軸方向の逆向きに延びる一対の張出部とをそれぞれ有し、
前記管軸方向に隣り合う前記フィン同士の間で、互いに接近するように張り出した一方の前記フィンの張出部と他方の前記フィンの張出部とによって、周方向に連続する空洞部が画成され、
前記空洞部を画成する一対の前記張出部には、張出部同士が非連結にて前記空洞部の内外を連通する隙間を有する開口部と、径方向内側に窪む凹部、及び前記凹部が形成される部位で前記空洞部を径方向内側に突出させる凸部をそれぞれ有して前記張出部同士を連結させる箇所とが、前記周方向に沿って交互に複数設けられ、
前記箇所は、前記凹部の周方向位置における前記管軸方向の断面の断面積が他の周方向位置における前記断面積より小さい狭小部であり、
前記空洞部は、前記狭小部によって前記周方向に沿って複数の小区画に区切られている、
沸騰型伝熱管。

【請求項2】

前記空洞部の前記断面積は、前記狭小部の領域で前記周方向に沿って連続的に増減する、
請求項１に記載の沸騰型伝熱管。

【請求項3】

前記凹部は、平面視細長状に形成され、その長軸方向が前記管軸方向と平行又は垂直である請求項１に記載の沸騰型伝熱管。

【請求項4】

前記凹部は、平面視細長状に形成され、その長軸方向が前記管軸方向から傾斜している請求項１に記載の沸騰型伝熱管。

【請求項5】

前記空洞部を画成する一対の前記張出部は、前記凹部の形成位置における前記管軸方向の断面で閉空間を形成する請求項１～４のいずれか１項に記載の沸騰型伝熱管。

【請求項6】

前記凹部は、前記周方向に一定間隔で配置されている請求項１～５のいずれか１項に記載の沸騰型伝熱管。

【請求項7】

管内周面から径方向内側に突出して形成され、前記周方向に沿って環状又はらせん状に配列された複数列のリブを備える請求項１～６のいずれか１項に記載の沸騰型伝熱管。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、管外で冷媒を沸騰させる熱交換器に用いる沸騰型伝熱管に関する。

【背景技術】

【0002】

沸騰型伝熱管は、熱交換器である例えばターボ冷凍機及びスクリュー冷凍機等の蒸気圧縮式冷凍機の蒸発器に組み込まれ、液体冷媒（例えば、フロン、液体窒素等）中に浸漬され、この液体冷媒を加熱沸騰させるために使用される。この種の沸騰型伝熱管としては、種々の伝熱面形状が提案されており、例えば、特許文献１のように、空洞内の液体冷媒の沸騰を促進すると共に、管外表面での液体冷媒及び気化した媒体の乱流化を促進させて伝熱性能の向上を図ったものがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平４－２３６０９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、近年の冷凍機においては、ＣＯ_２排出量削減などの環境問題を受けて、機器をきめ細かに制御してエネルギー効率を高められるインバータ制御が幅広く導入されるようになった。しかし、インバータ制御を行う場合でも、冷凍機の低負荷時では、蒸発器の液体冷媒を加熱沸騰させる際、伝熱管から液体冷媒への熱伝達率が著しく低下する傾向がある。これは、熱駆動力が小さくなると気泡発生力が低下することに起因している。そのため、冷凍機の低負荷時、つまり、低熱流束域での使用においては、上記した熱伝達率の低下を補うために負荷を増加させる必要が生じ、高効率に熱交換することが困難であった。

【0005】

そこで本発明は、熱交換器が低負荷で運転される場合であっても、伝熱管から液体冷媒への熱伝達率を高く維持することにより、全運転領域で高効率な熱伝達が可能となる沸騰型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】

【0006】

本発明の一形態によれば、以下の構成が提供される。
管外周面から径方向外側に突出して周方向に沿って環状又はらせん状に配列された複数列のフィンを備え、
前記フィンは、前記管外周面に立設された脚部と、前記脚部の径方向外側の先端が互いに管軸方向の逆向きに延びる一対の張出部とをそれぞれ有し、
管軸方向に隣り合う前記フィン同士の間で、互いに接近するように張り出した一方の前記フィンの張出部と他方の前記フィンの張出部とによって、周方向に連続する空洞部が画成され、
前記空洞部を画成する一対の前記張出部には、径方向内側に窪んで前記張出部同士を連結させる凹部が、周方向に沿った複数箇所に設けられている沸騰型伝熱管。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、伝熱管から液体冷媒への熱伝達係数を高く維持することにより、全運転領域で高効率な熱伝達が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明に係る沸騰型伝熱管の一部断面斜視図である。

【図2】第１構成例の沸騰型伝熱管の外周面における一部拡大平面図である。

【図3】図２のIII－III線断面を示す断面図である。

【図4】隣り合うフィンの拡大断面図を示す。

【図5】液体冷媒内に配置された沸騰型伝熱管の管軸方向に直交する断面図である。

【図6】管外周面で液体冷媒が加熱されて蒸発泡が発生する様子を示す説明図である。

【図7】液体冷媒が空洞部の周方向に沿って流れる様子を模式的に示す説明図である。

【図8】第２構成例の沸騰型伝熱管の外周面における一部拡大平面図である。

【図9】沸騰型伝熱管の伝熱性能の評価に使用した試験装置の概略図である。

【図10】試験例１と試験例６における熱流束と総括伝熱係数との関係を示すグラフである。

【図11】試験例１と試験例６における熱流束と管外蒸発熱伝達率との関係を示すグラフである。

【図12】試験例２と試験例６における熱流束と総括伝熱係数との関係を示すグラフである。

【図13】試験例２と試験例６における熱流束と管外蒸発熱伝達率との関係を示すグラフである。

【図14】試験例３，４，５と試験例６における熱流束と総括伝熱係数との関係を示すグラフである。

【図15】試験例３，４，５と試験例６における熱流束と管外蒸発熱伝達率との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１構成例＞
図１は本発明に係る沸騰型伝熱管の一部断面斜視図、図２は沸騰型伝熱管の外周面における一部拡大平面図、図３は図２のIII－III線断面を示す断面図である。
沸騰型伝熱管１００は、一方向に連続する金属製の管材であって、管外周面に周方向に沿った複数列のフィン１１と、管内周面に複数列のリブ１３とを備える。また、沸騰型伝熱管１００は、管内周面のリブ１３を省略して平滑な円筒内面としてもよい。

【0010】

ここで、本明細書においては、沸騰型伝熱管１００の管軸方向をＡｘ方向、周方向をＴ方向としても表す。

【0011】

図１、図２に示すように、フィン１１は、管外周面１５から径方向外側に突出して形成され、周方向Ｔに沿って環状又はらせん状になって管外周面１５に配列される。フィン１１の列は、らせん状である場合、１条であってもよく複数条であってもよい。

【0012】

図３に示すように、フィン１１は、脚部１１ａと、一対の張出部１１ｂ，１１ｃとを有する。脚部１１ａは、管外周面１５に立設され、一対の張出部１１ｂ，１１ｃは、脚部１１ａの径方向外側の先端が二股に分かれて、互いに管軸方向Ａｘの逆向きに延びて形成される。管軸方向Ａｘに隣り合うフィン１１Ａ，１１Ｂ同士の間では、互いに接近するように張り出した一方のフィン１１Ａの張出部１１ｂと他方のフィン１１Ｂの張出部１１ｃとが、周方向Ｔに連続する空洞部１７を画成する。一方、フィン１１Ａの張出部１１ｂの先端と、フィン１１Ｃの張出部１１ｃの先端との間には、隙間が形成されている。つまり、複数のフィン１１により、空洞部１７を画成する位置と画成しない位置とが混在することとなる。

【0013】

図４に隣り合うフィン１１Ａ，１１Ｂの拡大断面図を示す。
空洞部１７の周方向Ｔに沿った少なくとも一部には、空洞部１７を画成する一対の張出部１１ｂ，１１ｃ同士が径方向内側に窪む凹部１９が設けられる。凹部１９は、例えば、ディスク２７を押し当てて張出部１１ｂ，１１ｃを径方向内側に変形させることで形成される。これにより、張出部１１ｂ，１１ｃ同士が連結して空洞部１７としての閉空間を形成する。凹部１９の最低高さＨ１は、フィン１１の高さＨ２より小さくなる。このような凹部１９が、周方向に沿って複数箇所に分断して配置される（図２参照）。なお、フィン１１の脚部１１ａ、張出部１１ｂ，１１ｃの形成方法の詳細については、例えば、特開平７－１５１４８５号公報等を参照されたい。

【0014】

空洞部１７の凹部１９が形成される部位は、一対の張出部１１ｂ，１１ｃが空洞部１７内で径方向内側に突出する凸部３１を形成することが好ましい。張出部１１ｂ，１１ｃが径方向内側に窪むことにより、周方向に連続する空洞部１７の管軸方向の断面形状は、凹部１９の周方向位置での断面積が他の周方向位置での断面積よりも小さくなる。

【0015】

凹部１９は、周方向に一定間隔で配置されることが好ましいが、これに限らず、特定の周期性を有して配置されてもよく、ランダムに配置されてもよい。図２に示す凹部１９は、平面視で細長状に形成され、その長軸方向が管軸方向Ａｘと平行であるが、長軸方向を管軸方向Ａｘに垂直として形成してもよい。

【0016】

以降の説明では、空洞部１７のうち、凹部１９が形成された部分を、凹部１９が形成されない部分と区別して「狭小部」ともいう。図３の例の場合、フィン１１Ａとフィン１１Ｂとにより凹部１９が形成された位置が狭小部であり、それ以外のフィン１１間は狭小部ではない部分となる。

【0017】

（作用）
図５は、液体冷媒内に配置された沸騰型伝熱管１００の管軸方向に直交する断面図である。
上記構成の沸騰型伝熱管１００を、蒸発器中の液体冷媒２１内に、管軸方向を水平にして配置し、沸騰型伝熱管１００内に加熱水２３を供給する。すると、液体冷媒２１が加熱されて、沸騰型伝熱管１００の管外周面１５で蒸発泡２５が発生する。発生した蒸発泡２５は、図５に矢印で示すように、管外周面１５の下側から上側に向けて周面に沿って移動して、沸騰型伝熱管１００の上側から液体冷媒２１の液面に向かう。また、一部の蒸発泡２５は、図３に示すフィン１１の張出部１１ｂ，１１ｃ同士の隙間から液面に向かう。

【0018】

図６は、管外周面１５で液体冷媒２１が加熱されて蒸発泡２５が発生する様子を示す説明図である。
空洞部１７の内部は、液体冷媒２１が流入し、液体冷媒２１で満たされている。沸騰型伝熱管１００の管内に加熱用の加熱水２３が供給されると、フィン１１Ａ，１１Ｂは空洞部１７内の液体冷媒２１を加熱する。このとき、空洞部１７に面するフィン１１Ａ，１１Ｂの内側面３３に沿って液体冷媒２１の加熱層２１ａが形成される。

【0019】

また、加熱により発生した液体冷媒２１の蒸発泡２５がフィン１１Ａ，１１Ｂの内側面３３を通過する際、その内側面３３は液体冷媒２１と接しない状態になり、内側面３３を介して液体冷媒２１に熱伝達されにくくなる。そのため、理想的には、フィン１１Ａ，１１Ｂの内側面３３を常に液体冷媒２１で覆って加熱層２１ａを生成し、加熱層２１ａの内側で、蒸発泡２５を周方向Ｔに沿って流動させる形態にするのがよい。

【0020】

この形態によれば、加熱層２１ａの液体冷媒２１が蒸発泡２５の流動に追従するように周方向へ徐々に移動して、内側面３３には絶えず新液（新たな液体冷媒２１）が連続供給される。その結果、内側面３３における熱交換効率が向上する。

【0021】

そして、空洞部１７の凹部１９が形成された狭小部において、張出部１１ｂ，１１ｃは、前述したように径方向内側に窪むことで、径方向内側に向けて突出する凸部３１を形成する。凸部３１は、空洞部１７を流れる液体冷媒２１を攪拌して（図６の矢印Ｍ）、加熱層２１ａにおける液体冷媒２１の流れを乱流にさせる。これにより、加熱層２１ａの新液交代が促進され、熱交換効率を更に向上させることができる。

【0022】

また、凸部３１は、空洞部１７の径方向外側の内面に形成されている。そのため、凸部３１は、図５に示すような沸騰型伝熱管１００の管外周面１５に沿って移動する蒸発泡２５の流れを妨げることがない。よって、フィン根元部における液体冷媒２１の流動抵抗が小さくなり、沸騰型伝熱管１００の下方から上方へ流れる蒸発泡２５と液体冷媒２１との気液２層流を阻害することなく、空洞部１７の周方向全体に液体冷媒２１を供給できる。また、沸騰型伝熱管１００の上方の空洞部１７では、蒸発泡２５の浮力により気液分離されて、液体冷媒２１の供給が促進される。

【0023】

図７は、液体冷媒が空洞部１７の周方向に沿って流れる様子を模式的に示す説明図である。
図７に示すように、空洞部１７は、管軸方向の断面形状が周方向に沿って変化し、凹部１９が形成された狭小部では、他の周方向位置よりも空洞部１７の断面積が小さくなる。よって、空洞部１７を流動する液体冷媒２１の流れＦの流路は、狭小部で窄まり、狭小部では流動抵抗の増加によって流速が低下（流速Ｖ２＜Ｖ１）する。このため、狭小部の流動方向手前側の空洞部１７内では、加熱層２１ａの液体冷媒２１が、そのままの位置で加熱され続ける。その結果、空洞部１７の内側面３３から液体冷媒２１への単位時間当たりの伝熱量が小さい場合でも、加熱層２１ａの液体冷媒２１への入熱が蓄積されることで、蒸発泡を発生させやすくなる。

【0024】

つまり、空洞部１７の周方向に沿って複数の狭小部が配置されることで、空洞部１７には各狭小部で区切られた複数の小区画３５が形成される。その小区画３５のそれぞれで液体冷媒２１の周方向移動が抑制されて、各小区画３５内の液体冷媒２１の加熱が促進される。このように、空洞部１７の周方向に沿った複数箇所で局所的に液体冷媒２１が加熱されることで、蒸発泡を効率よく発生させることができる。

【0025】

本構成の沸騰型伝熱管１００によれば、前述した凸部３１による液体冷媒２１の攪拌効果と、小区画３５による局所的な加熱効果によって、相乗的に蒸発泡の発生が促進される。これにより、低熱流束条件下においても高効率で蒸発泡を発生させることができる。

【0026】

＜第２構成例＞
図８は、第２構成例の沸騰型伝熱管の外周面における一部拡大平面図である。
第２構成例の沸騰型伝熱管１００は、凹部１９Ａが平面視細長状に形成され、その長軸方向が管軸方向Ａｘから傾斜していること以外は第１構成例と同様である。そのため、以降の説明においては同一の部材又は同一の部位については同一の符号を付与することで、その説明を簡単化又は省略する。

【0027】

空洞部１７に形成された凹部１９Ａは、その長軸が管軸方向Ａｘから傾斜することで、狭小部が周方向Ｔから傾斜して形成される。このため、空洞部１７の管軸方向断面の断面積は、狭小部の領域で周方向に沿って連続的又は断続的に変化する。理想的には、空洞部１７の断面積は、周方向に沿って緩やかに縮小した後、緩やかに拡大する。言い換えると、空洞部１７の断面積は、周方向に沿って増減する。このような傾斜した狭小部によれば、液体冷媒２１が通過する際の流動抵抗が第１構成例の場合よりも低下して、液体冷媒２１の攪拌効果が高められる。

【0028】

凹部１９Ａの長軸と管軸方向Ａｘとの傾斜角度は、１０°～８０°、好ましくは２０°～６０°、さらに好ましくは２５°～４０°であり、フィンのサイズや液体冷媒２１の種類等によって最適な角度に適宜変更できる。

【0029】

沸騰型伝熱管１００は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、及びステンレス鋼材、チタン、チタン合金等の熱伝導性を有する金属材料で製造され、特に、銅又は銅合金のような熱伝導率が高い材料であると、なお好適である。

【実施例】

【0030】

次に、上記した各構成の沸騰型伝熱管を用いて、その伝熱性能を評価した結果について説明する。
図９は、沸騰型伝熱管の伝熱性能の評価に使用した試験装置の概略図である。
試験装置は、ステンレス鋼製シェルアンドチューブ熱交換器の凝縮器５３及び蒸発器５５が配管で接続されており、冷媒が温度差により自然循環するサーモサイフォン型の熱交換器である。凝縮器５３及び蒸発器５５は、内径が３３３ｍｍ、長さが９７４ｍｍのタンクである。蒸発器５５の中央に、供試管５４が３本設置されており、この供試管５４の測定有効長は９７４ｍｍである。タンク５６内には加熱水が貯留されている。ここで、タンク５６内の加熱水は、タンク５６内の冷却コイル５９により冷却されている。このタンク５６から供給された加熱水は、ヒータ５７にて加熱される。ヒータ５７により加熱されることにより、供試管５４に供給される加熱水は一定温度に制御される。この加熱水は供試管５４の一方の端部である入口から供試管内部に供給される。供試管５４の他端の出口から排出された加熱水は、タンク５６に返戻される。蒸発器５５内には液体冷媒が充填されており、供試管５４はこの蒸発器５５内の液体冷媒中に浸漬される。そして、供試管５４内部の加熱水により加熱された液体冷媒は蒸発し、冷媒蒸気となって、凝縮器５３に供給される。

【0031】

凝縮器５３においては、管端部をＯリングで固定した伝熱管５２（有効長９７４ｍｍ）が水平に設置され、冷媒蒸気入口には、蒸発器５５から供給される冷媒蒸気が直接伝熱管５２に当たらないように、邪魔板が設置されている。伝熱管５２内には、タンク５１から供給されたブライン液を流し、伝熱管５２の外表面で冷媒蒸気を凝縮させる。この凝縮した液体冷媒は、重力で蒸発器５５に戻る。

【0032】

蒸発圧力は、蒸発器５５上部に設けた圧力取出し口より、半導体ひずみゲージ式圧力伝送器（測定誤差：設定スパンの±０．０５％）を使用して測定する。加熱水の出入口温度は、白金測温抵抗体（Ｐｔ１００Ω、ＪＩＳ－Ａ級）を、予めクオーツ温度計にて±０．０５°Ｃに校正したものを供試管５４の両管端に取り付けた混合器に挿入して混合平均温度を測定する。加熱水流量は電磁流量計（測定誤差：読み値の１．５％）で測定する。試験条件を、下記表１に示す。

【0033】

【表1】

【0034】

熱伝達率は以下の各数式により算出した。先ず、加熱水伝熱量Ｑ_ｃは、数式１により求めた。

【0035】

【数1】

【0036】

ここで、Ｇ_ｃは加熱水体積流量、ρ_ｃは加熱水密度、ｃ_ｐｃは加熱水定圧比熱、Ｔ_Ｃｏｕｔは加熱水出口温度、Ｔ_Ｃｉｎは加熱水入口温度である。なお、加熱水の物性値は、物性値表より作成した相関式を用いて、加熱水出入口温度測定値の算術平均値により算出した値を使用した。対数平均温度差ΔＴ_ｍは、下記数式２で定義される。

【0037】

【数2】

【0038】

ここで、Ｔ_ｓは冷媒飽和温度である。この冷媒飽和温度Ｔ_ｓは、蒸発圧力の測定値と冷媒物性値より算出した。

【0039】

そして、供試管フィン加工部の外表面積Ａ_０基準の熱伝達率である総括伝熱係数Ｋ_０を、下記数式３により求めた。

【0040】

【数3】

【0041】

ここで、供試管フィン加工部の外表面積Ａ_０は、下記数式４に示すように、供試管フィン加工部外径Ｄ_０より算出した包絡面を基準とした。

【0042】

【数4】

【0043】

ここで、ｌは供試管伝熱有効長である。また、外表面積基準の熱流束ｑ_０は、供試管フィン加工部の外表面積Ａ_０を基準として、下記数式５により求めた。

【0044】

【数5】

【0045】

管外蒸発熱伝達率ｈ_０は、下記数式６にて求めた。

【0046】

【数6】

【0047】

ここで、ｈ_ｉは管内側熱伝達率、Ａ_ｉは供試管フィン加工部の内表面積、Ｒ_ｗａｌｌは管壁熱抵抗であり、これらは以下のように求める。

【0048】

供試管フィン加工部の内表面積Ａ_ｉは、下記数式７にて定義される。

【0049】

【数7】

【0050】

ここで、Ｄ_ｉｍａｘは供試管フィン加工部最大内径である。また、管壁熱抵抗Ｒ_ｗａｌｌは、下記数式８にて定義して求める。

【0051】

【数8】

【0052】

ここで、ｋ_ｗａｌｌは管壁の熱伝導率である。更に、管内側熱伝達率ｈ_ｉ及び管内側ヌッセルト数Ｎｕ_ｉは、関数形がディタス・ベルター（Dittus-Boelter）の式で表されると仮定し、下記数式９にて定義して求める。

【0053】

【数9】

【0054】

ここで、Ｃ_ｉは実験的に求められる係数、ｋ_ＣHは加熱水の熱伝導率、Ｐｒ_ＣHは加熱水のプラントル数である。また、加熱水のレイノルズ数Ｒｅ_ＣHは、下記数式１０にて定義して求めた。

【0055】

【数10】

【0056】

ここで、Ｖ_Ｃｉは加熱水平均流速、ν_Ｃは加熱水の動粘性係数である。なお、管内側熱伝達率ｈ_ｉを求めるためのＣ_ｉ値は、事前にウィルソンプロット（Wilson-plot）法を使用して予め試験して求めた。

【0057】

表２、表３は、作製した試験例１～６の供試管の寸法およびＣ_ｉ値を示す。

【0058】

【表2】

【0059】

【表3】

【0060】

各供試管には、管外周面に前述したフィンと凹部を設け、管内周面に表３に示すリブを設けてある。試験例１，２は、特に凹部の形状を異ならせている。試験例１は、図８に示す平行四辺形の凹部を有する第２構成例の伝熱管であり、試験例２は、図２に示す長方形の凹部を有する第１構成例の伝熱管である。試験例３～５は、平面視で長方形の凹部１９の周方向長さを変化させている。試験例３では、凹部の長軸は管軸方向、試験例４，５では長軸が周方向であり、試験例５が最も凹部の周方向長さが大きくなるようにした。つまり、凹部の周方向長さは、試験例３、試験例４、試験例５の順に大きくなっている。ただし、試験例３～５は、周長に対する凹部の存在比率が等しくなるように、周方向の配置ピッチを調整している。

【0061】

試験例６は、本形態に係る構成を備えない供試管の試験例を示し、試験例１～５との比較対象として用いる。ここでは、試験例６の試験条件として、特開２０１７－２０７３６号公報を用いるものとする。

【0062】

上記した試験例１～６の供試管について、管内周面の径方向内側から管外周面の径方向外側への伝熱性能を示す総括伝熱係数Ｋ_０と、管内周面から径方向外側への伝熱性能を示す管外蒸発熱伝達率ｈ_０とを求めた。その結果を図１０～図１５に示す。

【0063】

図１０は、試験例１と試験例６における熱流束ｑ_０と総括伝熱係数Ｋ_０との関係を示すグラフである。図１１は、試験例１と試験例６における熱流束ｑ_０と管外蒸発熱伝達率ｈ_０との関係を示すグラフである。

【0064】

図１０に示すように、熱流束の全域にわたり、試験例１の統括伝熱係数は試験例６の総括伝熱係数よりも大きくなった。特に低熱流束域（例えば２０ｋW／m^２以下）においては、試験例６では熱流束の低下に伴って総括伝熱係数の減少度合いが大きくなるが、試験例１では熱流束が５ｋＷ／ｍ^２であっても総括伝熱係数が８．５ｋＷ／（ｍ^２Ｋ）以上に維持され、低熱流束時における総括伝熱係数の低下が抑制された。

【0065】

また、図１１に示すように、管外蒸発熱伝達率ｈ_０についても、全体的に試験例１が試験例６よりも大きく、低熱流束時における管外蒸発熱伝達率ｈ_０の低下は、試験例６よりも試験例１が大きく改善された。

【0066】

図１２は、試験例２と試験例６における熱流束ｑ_０と総括伝熱係数Ｋ_０との関係を示すグラフである。図１３は、試験例２と試験例６における熱流束ｑ_０と管外蒸発熱伝達率ｈ_０との関係を示すグラフである。

【0067】

図１２に示すように、熱流束の全域にわたり、試験例２の統括伝熱係数は試験例６の総括伝熱係数よりも大きくなった。特に低熱流束域（例えば２０ｋW／m^２以下）においては、試験例６では熱流束の低下に伴って総括伝熱係数の減少度合いが大きくなるが、試験例２では熱流束が５ｋＷ／ｍ^２であっても総括伝熱係数が８．５ｋＷ／（ｍ^２Ｋ）以上に維持され、低熱流束時における総括伝熱係数の低下が抑制された。

【0068】

また、図１３に示すように、管外蒸発熱伝達率ｈ_０についても、全体的に試験例２が試験例６よりも大きく、低熱流束時における管外蒸発熱伝達率ｈ_０の低下は、試験例６よりも試験例２が大きく改善された。

【0069】

図１４は、試験例３，４，５と試験例６における熱流束ｑ_０と総括伝熱係数Ｋ_０との関係を示すグラフである。図１５は、試験例３，４，５と試験例６における熱流束ｑ_０と管外蒸発熱伝達率ｈ_０との関係を示すグラフである。

【0070】

図１４に示すように、総括伝熱係数Ｋ_０は、試験例３，４，５共に試験例６よりも大きく、低熱流束時における減少も抑えられている。
図１５に示すように、管外蒸発熱伝達率ｈ_０は、熱流束が３０ｋＷ／ｍ^２以上の場合に試験例５が試験例６より低くなるが、その場合でも２０ｋＷ／（ｍ^２Ｋ）以上に維持されている。また、試験例３，４，５は、低熱流束時における減少も抑えられている。

【0071】

以上より、試験例１～５の総括伝熱係数Ｋ_０と管外蒸発熱伝達率ｈ_０は、試験例６の熱流束が３０ｋW／ｍ^２の場合と略同等か、それ以上の値を維持され、低熱流束時においても、総括伝熱係数Ｋ_０と管外蒸発熱伝達率ｈ_０の低下を抑制できる。そのため、本発明の沸騰型伝熱管を用いた熱交換器が低負荷で運転される場合であっても、伝熱管から液体冷媒への熱伝達率を高く維持することにより、全運転領域で高効率な熱伝達が可能となる。

【0072】

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

【0073】

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 管外周面から径方向外側に突出して周方向に沿って環状又はらせん状に配列された複数列のフィンを備え、
前記フィンは、前記管外周面に立設された脚部と、前記脚部の径方向外側の先端が互いに管軸方向の逆向きに延びる一対の張出部とをそれぞれ有し、
管軸方向に隣り合う前記フィン同士の間で、互いに接近するように張り出した一方の前記フィンの張出部と他方の前記フィンの張出部とによって、周方向に連続する空洞部が画成され、
前記空洞部を画成する一対の前記張出部には、径方向内側に窪んで前記張出部同士を連結させる凹部が、周方向に沿った複数箇所に設けられている沸騰型伝熱管。
この沸騰型伝熱管によれば、一対の張出部によって画成される空洞部に、径方向内側に窪んで張出部同士を連結させる凹部が、周方向に沿った複数箇所に狭小部を形成して配置される。そして、空洞部の各狭小部で区切られた小区画のそれぞれで、液体冷媒の周方向移動が抑制されることで、各小区画内の液体冷媒の加熱が促進される。このように、空洞部内の周方向に沿った複数箇所で局所的に液体冷媒が加熱され、蒸発泡が効率よく発生するようになる。

【0074】

（２） 前記空洞部を画成する一対の前記張出部は、前記空洞部を径方向内側に突出させる凸部を形成する（１）に記載の沸騰型伝熱管。
この沸騰型伝熱管によれば、凸部が空洞部を流れる液体冷媒を攪拌して、液体冷媒の流れを乱流にできる。これにより、空洞部内の液体冷媒の新液交代を促進させて、熱交換効率を更に向上させることができる。

【0075】

（３） 前記凹部は、平面視細長状に形成され、その長軸方向が管軸方向と平行又は垂直である（１）又は（２）に記載の沸騰型伝熱管。
この沸騰型伝熱管によれば、空洞部を流れる液体冷媒の流速を効率よく低下させ、凹部により形成される狭小部同士の間で、液体冷媒の加熱を促進できる。

【0076】

（４） 前記凹部は、平面視細長状に形成され、その長軸方向が管軸方向から傾斜している（１）又は（２）に記載の沸騰型伝熱管。
この沸騰型伝熱管によれば、空洞部を流れる液体冷媒の凹部における流動抵抗を低減させ、凹部により形成される狭小部同士の間での液体冷媒の加熱と、空洞部内での液体冷媒の流動とを良好にバランスさせることができる。

【0077】

（５） 前記空洞部を画成する一対の前記張出部は、前記凹部の形成位置における管軸方向断面で閉空間を形成する（１）～（４）のいずれか１つに記載の沸騰型伝熱管。
この沸騰型伝熱管によれば、閉空間が形成されることで管軸方向断面の断面積が凹部の形成位置で他の周位置よりも小さくなり、液体冷媒の流れが窄められる。これにより、液体冷媒の流れが抑制されて同じ位置で加熱されやすくなり、蒸発泡の発生が促進される。

【0078】

（６） 前記凹部は、周方向に一定間隔で配置されている（１）～（５）のいずれか１つに記載の沸騰型伝熱管。
この沸騰型伝熱管によれば、凹部により形成される狭小部同士の間の小区画が、それぞれ周方向に均一となり、同じ条件で液体冷媒が加熱される。これにより、液体冷媒が周方向に均一に加熱されて、ムラの少ない熱交換が行える。

【0079】

（７） 管内周面から径方向内側に突出して形成され、周方向に沿って環状又はらせん状に配列された複数列のリブを備える（１）～（６）のいずれか１つに記載の沸騰型伝熱管。
この沸騰型伝熱管によれば、管内周面にリブが設けられることで、管内を流れる液との接触面積が増加して、伝熱効率を向上できる。

【0080】

（８） 管外周面から径方向外側に突出して周方向に沿って環状又はらせん状に配列された複数列のフィンを備え、
前記フィンは、前記管外周面に立設された脚部と、前記脚部の径方向外側の先端が互いに管軸方向の逆向きに延びる一対の張出部とをそれぞれ有し、
管軸方向に隣り合う前記フィン同士の間で、互いに接近するように張り出した一方の前記フィンの張出部と他方の前記フィンの張出部とによって、周方向に連続する空洞部が画成され、
前記空洞部は、周方向において断面積が増減するように画成される沸騰型伝熱管。
この沸騰型伝熱管によれば、一対の張出部によって画成される空洞部は、周方向において連続し、かつ、周方向における断面積が増減するように画成される。そして、周方向における断面積が増減することにより、空洞部は狭小部とそれ以外の部分にて構成され、各狭小部で区切られた小区画のそれぞれで、液体冷媒の周方向移動が抑制されることで、各小区画内の液体冷媒の加熱が促進される。このように、空洞部内の周方向に沿った複数箇所で局所的に液体冷媒が加熱され、蒸発泡が効率よく発生するようになる。

【符号の説明】

【0081】

１１，１１Ａ，１１Ｂ フィン
１１ａ 脚部
１１ｂ，１１ｃ 張出部
１３ リブ
１５ 管外周面
１７ 空洞部
１９，１９Ａ 凹部
２１ 液体冷媒
２３ 加熱水
２５ 蒸発泡
３１ 凸部
３３ 内側面
３５ 小区画
５２ 伝熱管
５３ 凝縮器
５４ 供試管
５５ 蒸発器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】