DE69413173T2 - Pipe element for a laminate heat exchanger - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen geschichteten Wärmeaustauscher in Form eines Verdampfer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a layered heat exchanger in the form of an evaporator according to the preamble of claim 1.
GB-A-2223091 offenbart einen Wärmeaustauscher zur Verwendung als Kondensator mit einer Vielzahl von ebenen Röhren, die jeweils mit Drosseleinrichtungen ausgebildet sind, die einen Strömungsweg für ein Wärmeaustauschfluid definieren. Jede Röhre weist innere Vorsprünge mit definierten Abmessungen für die Breite und den Abstand auf, stellt aber keine U-förmigen Durchgänge mit ersten und zweiten Durchgangsschenkeln auf entgegengesetzten Seiten einer Verbindungswand bereit.GB-A-2223091 discloses a heat exchanger for use as a condenser comprising a plurality of planar tubes each formed with restrictors defining a flow path for a heat exchange fluid. Each tube has internal projections with defined dimensions for width and pitch but does not provide U-shaped passages with first and second passage legs on opposite sides of a connecting wall.
US-A-5111878 offenbart einen Verdampfer mit einer Vielzahl von U-Strömungsrohren, die darin nebeneinander angeordnet sind. Die Röhren weisen eine Vielzahl von Strömungsrippen auf, die vertieft und darin in einem vorbestimmten Muster verbunden sind, aber die Abmessungen der Vertiefungen sind nicht definiert. US-A-4800954 und US-A-5125453 offenbaren ebenfalls Verdampfer mit U-Strömungen. Im Hinblick auf den bedeutenden Stand der Technik bei Verdampfern mit U-Strömungen wurde die vorliegende Erfindung aus dieser Technik entwickelt, und da Kondensatoren normalerweise verschiedene Bedingungen von Kühlmitteldruck und/oder -temperatur und Wärmestrahlung oder -absorption umfassen, wäre niemand motiviert gewesen, den Verdampfer der US-A-5111878 in Übereinstimmung mit einem Kondensator ohne U-Strömung anzupassen.US-A-5111878 discloses an evaporator having a plurality of U-flow tubes arranged side by side therein. The tubes have a plurality of flow fins recessed and connected therein in a predetermined pattern, but the dimensions of the recesses are not defined. US-A-4800954 and US-A-5125453 also disclose evaporators having U-flows. In view of the significant prior art in evaporators having U-flows, the present invention has been developed from this art, and since condensers normally involve various conditions of refrigerant pressure and/or temperature and heat radiation or absorption, no one would have been motivated to adapt the evaporator of US-A-5111878 in accordance with a condenser without U-flow.
Bei einem Wärmeaustauscher im Stand der Technik, der durch abwechselndes Schichten von Rippen und Röhrenelementen ausgebildet ist, sind in den Durchgängen der Durchgangsschenkel für das Wärmeaustauschmedium Wülste ausgebildet, um die Strömung des Wärmeaustauschmediums zu verteilen und gleichzeitig den Kontaktbereich mit dem Wärmeaustauschmedium als ein Mittel zur Verbesserung des Wärmeaustauschwirkungsgrades zu vergrößern. Der Anmelder verwendet ebenfalls Röhrenelemente, bei denen eine Vielzahl von runden Wülsten in die geformten Platten preßgeformt sind, die die Röhrenelemente aufbauen, wie beispielsweise in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung S63-153397 offenbart. Die Röhrenelementprodukte aus dem relevanten Stand der Technik haben typischerweise einen Wulstdurchmesser von 3,8 mm, einen Mindestabstand der Wülste von 7,0 mm, eine Röhrenelementdicke von 2,9 mm und bei den geformten Platten eine Plattendicke von 0,57 mm. Gemäß einer vom Erfinder durchgeführten Untersuchung bei den von anderen Firmen hergestellten Verdampfern, die entweder runde Wülste oder elliptische Wülste verwenden, liegt der Wulstdurchmesser oder die kleine Achse im Bereich von 3,5 mm bis 4,8 mm, die Röhrenelementdicke im Bereich von 2,8 mm bis 3,4 mm und die Plattendicke der geformten Platten im Bereich von 0,40 mm bis 0,57 mm. Außer beim Wulstabstand, über den wir keine Information haben, passen unsere Röhrenelemente in diese Bereiche.In a prior art heat exchanger formed by alternately layering fins and tube elements, beads are formed in the passages of the passage legs for the heat exchange medium to distribute the flow of the heat exchange medium and at the same time to increase the contact area with the heat exchange medium as a means of improving the heat exchange efficiency. The applicant also uses tubular members in which a plurality of round beads are press-molded into the molded plates constituting the tubular members, as disclosed, for example, in Japanese Unexamined Patent Publication S63-153397. The tubular member products of the relevant prior art typically have a bead diameter of 3.8 mm, a minimum bead pitch of 7.0 mm, a tubular member thickness of 2.9 mm, and a plate thickness of 0.57 mm for the molded plates. According to a study conducted by the inventor on the evaporators manufactured by other companies using either round beads or elliptical beads, the bead diameter or minor axis is in the range of 3.5 mm to 4.8 mm, the tube element thickness is in the range of 2.8 mm to 3.4 mm, and the plate thickness of the molded plates is in the range of 0.40 mm to 0.57 mm. Except for the bead pitch, for which we have no information, our tube elements fit within these ranges.
Es ist im Stand der Technik allgemein akzeptiert, daß der Kontaktbereich zwischen dem Röhrenelement und dem Wärmeaustauschmedium um so größer ist und folglich der Wärmeaustauschwirkungsgrad um so besser sein muß, je mehr Wülste es im Röhrenelement gibt. Wenn jedoch die Anzahl von Wülsten wahllos erhöht wird, ist der Durchgangsbereich des Wärmeaustauschmediums verringert, wodurch der Durchgangswiderstand erhöht und die Strömung des Wärmeaustauschmediums versperrt ist. Wenn dagegen die Wülste kleiner gemacht werden und ihre Anzahl verringert wird, um den Durchgangswiderstand zu verringern, wird dagegen der Bereich des Kontakts mit dem Wärmeaustauschmedium unzureichend, die Wärmeübertragungsrate zu den Rippen verringert und die Wärmeaustauschleistung verschlechtert. Es muß jedoch auf den Bedarf für einen kleineren Wärmeaustauscher mit besserer Leistung geantwortet werden, während diese gegensätzlichen Faktoren berücksichtigt werden. Eine weitere Verbesserung der Röhrenelemente ist wesentlich.It is generally accepted in the art that the more beads there are in the tube element, the larger the contact area between the tube element and the heat exchange medium and, consequently, the better the heat exchange efficiency must be. However, if the number of beads is increased indiscriminately, the passage area of the heat exchange medium is reduced, thereby increasing the passage resistance and obstructing the flow of the heat exchange medium. On the other hand, if the beads are made smaller and their number is reduced to reduce the passage resistance, the area of contact with the heat exchange medium becomes insufficient, the heat transfer rate to the fins is reduced and the heat exchange performance is deteriorated. However, the need for a smaller heat exchanger with better performance must be answered while taking these conflicting factors into account. Further improvement of the tube elements is essential.
Es ist auch selbstverständlich, daß wenn eine Vielzahl von Hindernissen A nacheinander in Richtung des Fortschreitens eines Fluids angeordnet sind, wie in Fig. 13 gezeigt, die Strömung von Fluid, das mit dem Hindernis A in Kontakt gekommen ist, seitlich vom Hindernis A zurück gerichtet wird und dazu neigt, zwischen nachfolgenden Hindernissen A zu strömen, ohne sie zu treffen, wodurch sie in sogenannten Gebieten mit stehendem Wasser bleiben. Es wurde hergeleitet, daß es bei Röhrenelementen aus dem oben beschriebenen Stand der Technik eine Anzahl von Wülsten gibt, die nicht vollständig zum Wärmeaustauschvorgang beitragen, weil sie sich in einem Gebiet mit stehendem Wasser befinden. Solche Wülste in Gebieten mit stehendem Wasser sind nicht nur überflüssig, sondern tragen auch zum Durchgangswiderstand bei und sollten beseitigt werden. Es ist bevorzugt, den Wärmeaustausch zu fördern, indem so viel Wärmeaustauschmedium wie möglich mit einem Minimum an Durchgangswiderstand durch den Durchgang gelassen wird.It is also understood that when a plurality of obstacles A are arranged one after the other in the direction of advance of a fluid, as shown in Fig. 13, the flow of fluid which has come into contact with the obstacle A is directed laterally back from the obstacle A and tends to flow between subsequent obstacles A without hitting them, thereby remaining in so-called stagnant water areas. It has been deduced that in tubular elements of the prior art described above there are a number of bulges which do not fully contribute to the heat exchange process because they are located in a stagnant water area. Such bulges in stagnant water areas are not only superfluous, but also contribute to the passage resistance and should be eliminated. It is preferable to promote heat exchange by allowing as much heat exchange medium as possible to pass through the passage with a minimum of passage resistance.
Zusätzlich zu den Problemen der oben beschriebenen Gebiete mit stehendem Wasser, neigt darüber hinaus die Strömung von Wärmeaustauschmedium dazu, den kürzesten verfügbaren Weg zu nehmen, und bei einem mit einem U-förmigen Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium versehenen Röhrenelement, wie dem in Fig. 2 gezeigten Röhrenelement, neigt das Wärmeaustauschmedium dazu, den Vorsprung 10 in der Mitte entlang zu laufen. Da beim Röhrenelement aus dem Stand der Technik über den gesamten Durchgang Wülste mit einer konsistenten Dichte ausgebildet sind, gibt es über die Gesamtheit des Durchgangs keinen Unterschied im Durchgangswiderstand. Als Folge läuft das Wärmeaustauschmedium entlang des Vorsprungs, wobei Bereiche verbleiben, in denen das Wärmeaustauschmedium bewegungslos wird, wie an den oberen Seiten des Röhrenelements.In addition to the problems of the areas of standing water described above, the flow of heat exchange medium tends to take the shortest path available and in a tubular element provided with a U-shaped passage 7 for heat exchange medium, such as the tubular element shown in Fig. 2, the heat exchange medium tends to run along the projection 10 in the middle. Since the prior art tubular element has beads of consistent density formed throughout the passage, there is no difference in passage resistance throughout the passage. As a result, the heat exchange medium runs along the projection, leaving areas where the heat exchange medium becomes motionless, such as on the upper sides of the tubular element.
All dies weist darauf hin, daß es Raum für eine Verbesserung bei der Anordnung von Wülsten im Röhrenelement gibt.All this indicates that there is room for improvement in the arrangement of beads in the tubular element.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Röhrenelement bereitzustellen, das eine Verbesserung im Wirkungsgrad verwirklicht und es auch möglich macht, einen kleineren Wärmeaustauscher herzustellen.It is an object of the present invention to provide a tube element which realizes an improvement in efficiency and also makes it possible to produce a smaller heat exchanger.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Röhrenelement mit einer verbesserten Wulstanordnung bereitzustellen, indem die Notwendigkeit, die Anzahl von Wülsten in Gebieten mit stehendem Wasser zu verringern, und die Notwendigkeit in Betracht gezogen werden, die Fluidströmung zu verteilen, wodurch eine Verbesserung des Wärmeaustauschwirkungsgrades erreicht wird.A further object is to provide a tubular element with an improved bead arrangement by taking into account the need to reduce the number of beads in areas of standing water and the need to distribute the fluid flow, thereby achieving an improvement in heat exchange efficiency.
Der Anmelder dieser Erfindung hat eine optimale Abmessungsbeziehung zwischen Wulstgröße, Wulstabstand, Röhrenelementdicke und Dicke der geformten Platte durch Betrachtung der folgenden Faktoren bestimmt: (1) Je höher die Wulstgröße ist, um so größer ist der Durchgangswiderstand und je geringer die Wulstgröße ist, um so kleiner ist der Durchgangswiderstand. Wenn jedoch die Wulstgröße zu gering ist, ist die Wärmeaustauschleistung entsprechend verringert. (2) Je kleiner der Wulstabstand ist, um so größer ist die Anzahl von Wülsten, wodurch der Durchgangswiderstand erhöht wird. Wenn dagegen der Wulstabstand groß ist, ist die Anzahl der Wülste klein, was die Wärmeaustauschleistung entsprechend verringert. (3) Je geringer die Dicke des Röhrenelements ist, um so schmaler ist der Durchgang für Wärmeaustauschmedium, wodurch der Durchgangswiderstand erhöht wird, und je größer die Dicke des Röhrenelements ist, um so geringer ist der Durchgangswiderstand. In diesem letzeren Fall geht jedoch das Wärmeaustauschmedium hindurch, ohne ausreichenden Wärmeaustausch auszuführen, wodurch die Wärmeaustauschleistung verschlechtert wird. (4) Die Wärmeübertragungsrate wird verbessert, indem die Dicke der geformten Platten verringert wird, aber dies führt zu verringerter Korrosionsbeständigkeit und verringerter Festigkeit. Wenn die Dicke der geformten Platten erhöht wird und die Dicke des Röhrenelements gleich bleibt, wird der Durchgang für Wärmeaustauschmedium schmaler, was den Durchgangswiderstand erhöht.The applicant of this invention has determined an optimum dimensional relationship among bead size, bead pitch, tube member thickness, and molded plate thickness by considering the following factors: (1) The larger the bead size, the larger the passage resistance, and the smaller the bead size, the smaller the passage resistance. However, if the bead size is too small, the heat exchange performance is correspondingly reduced. (2) The smaller the bead pitch, the larger the number of beads, thereby increasing the passage resistance. On the other hand, if the bead pitch is large, the number of beads is small, thereby reducing the heat exchange performance. (3) The smaller the thickness of the tube member, the narrower the passage for heat exchange medium, thereby increasing the passage resistance, and the larger the thickness of the tube member, the lower the passage resistance. However, in this latter case, the heat exchange medium passes through without performing sufficient heat exchange, thereby deteriorating the heat exchange performance. (4) The heat transfer rate is improved by reducing the thickness of the formed plates, but this results in reduced corrosion resistance and reduced strength. If the thickness of the formed plates is increased and the thickness of the tube element remains the same, the passage for heat exchange medium becomes narrower, which increases the passage resistance.
Zusammenfassend ist die vorliegende Erfindung ein Röhrenelement für einen Verdampfer, bei dem Röhrenelemente und Rippen über eine Vielzahl von Reihen abwechselnd geschichtet sind, bei dem der Fluiddurchgang für das Wärmeaustauschmedium ausgebildet ist, indem zwei geformte Platten mit Wülsten aneinandergefügt werden, welche im obengenannten Röhrenelement als Vorsprünge im obengenannten Fluiddurchgang derart ausgebildet sind, daß die Breite A der Wülste und der Abstand B der Wülste bei 2,0 mm ≤ A ≤ 3,0 mm bzw. 3,5 ≤ B ≤ 6,3 mm festgesetzt sind.In summary, the present invention is a tube member for an evaporator in which tube members and fins are alternately layered over a plurality of rows, in which the fluid passage for the heat exchange medium is formed by joining two molded plates having beads which are formed in the above-mentioned tube member as projections in the above-mentioned fluid passage such that the width A of the beads and the pitch B of the beads are set at 2.0 mm ≤ A ≤ 3.0 mm and 3.5 ≤ B ≤ 6.3 mm, respectively.
Außerdem können die Röhrenelementdicke H und die Dicke T der geformten Platten in Bereichen von 1,9 mm ≤ H ≤ 2,7 mm bzw. 0,25 mm ≤ T ≤ 0,47 mm festgesetzt werden.In addition, the tubular element thickness H and the thickness T of the molded plates can be set in the ranges of 1.9 mm ≤ H ≤ 2.7 mm and 0.25 mm ≤ T ≤ 0.47 mm, respectively.
Durch Bestimmung einer optimalen Abmessungsbeziehung für die Wulstbreite A und den Wulstabstand B der im Röhrenelement ausgebildeten Wülste und auch für die Röhrenelementdicke H und die Dicke T der geformten Platte auf diese Weise, kann ein ideales Röhrenelement ausgeführt werden, das die bestmögliche Kombination an Wärmeübertragungsrate, Durchgangswiderstand und Festigkeit liefert, wobei folglich der höchstmögliche Wärmeaustauschwirkungsgrad erreicht wird, während ein kleinerer Wärmeaustauscher möglich gemacht wird.By determining an optimum dimensional relationship for the bead width A and the bead pitch B of the beads formed in the tube element, and also for the tube element thickness H and the thickness T of the formed plate in this way, an ideal tube element can be designed which provides the best possible combination of heat transfer rate, flow resistance and strength, thus achieving the highest possible heat exchange efficiency while making a smaller heat exchanger possible.
Außer dem oben beschriebenen Aufbau kann eine Vielzahl von Wulstreihen bereitgestellt sein, die die Richtung des Fluiddurchgangs des obengenannten Wärmeaustauschmediums mit einem rechten Winkel kreuzen, wobei die Wulstreihen, die einander benachbart liegen, zwischen Wülsten verschiedene Abstände haben, so daß die Wülste in benachbarten Wulstreihen derart angeordnet sind, daß die Niederdruckzone, die hinter jedem Wulst in der Richtung erzeugt wird, in der der Fluiddurchgang ausgebildet ist, sich nicht auf die Wülste auswirkt, die folgen. Oder das Röhrenelement kann eine Struktur annehmen, bei der eine Vielzahl von Wulstreihen bereitgestellt sind, die die Fluiddurchgangsrichtung mit einem rechten Winkel kreuzen, wobei die verschiedenen Wulstreihen, die einander benachbart liegen, in den Bereichen, in denen keine Wülste vorhanden sind, und in den Bereichen, in denen keine Wülste in den oben genannten Wulstreihen vorhanden sind, die einander benachbart liegen, ein Kontinuum bilden.In addition to the structure described above, a plurality of bead rows may be provided which cross the direction of the fluid passage of the above-mentioned heat exchange medium at a right angle, the bead rows which are adjacent to each other having different distances between beads so that the beads in adjacent bead rows are arranged such that the low pressure zone generated behind each bead in the direction in which the fluid passage is formed does not affect the beads, which follow. Or, the tubular member may adopt a structure in which a plurality of bead rows are provided which cross the fluid passage direction at a right angle, the various bead rows which are adjacent to each other forming a continuum in the regions where no beads are present and in the regions where no beads are present in the above-mentioned bead rows which are adjacent to each other.
Bei einer solchen Struktur, sogar obwohl sie wegen der Bereiche, in denen keine Wülste ausgebildet sind, außerhalb der optimalen Abmessungsbereiche liegen kann, verringert die Wulstanordnung die Gebiete mit stehendem Wasser und den Durchgangswiderstand, wodurch ein Stillstand beseitigt wird, indem das Wärmeaustauschmedium gleichmäßig über die Gesamtheit des Durchgangs verteilt wird. Als Folge ist aufgrund der Verbesserung in den Bereichen, in denen keine Wülste ausgebildet sind, der Wärmeaustauschwirkungsgrad weiter verbessert.In such a structure, even though it may be outside the optimum dimensional ranges due to the areas where no beads are formed, the bead arrangement reduces the areas of standing water and the passage resistance, thereby eliminating stagnation by evenly distributing the heat exchange medium over the entire passage. As a result, the heat exchange efficiency is further improved due to the improvement in the areas where no beads are formed.
Die obigen und weitere Merkmale der Erfindung und der begleitenden Vorteile werden von Fachleuten auf dem Gebiet, zu dem die Erfindung gehört, mit Blick auf die folgende Beschreibung besser verstanden und eingeschätzt, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gegeben ist, die bevorzugte Ausführungsformen darstellen:The above and other features of the invention and the attendant advantages will be better understood and appreciated by those skilled in the art to which the invention belongs, in view of the following description taken in conjunction with the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments:
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines geschichteten Wärmeaustauschers, wobei (a) eine Vorderansicht und (b) eine Unterseitenansicht ist;Fig. 1 shows an embodiment of a layered heat exchanger, wherein (a) is a front view and (b) is a bottom view;
Fig. 2 ist eine Vorderansicht der geformten Platte (Typ 1), die das Röhrenelement aufbaut, das im in Fig. 1 gezeigten, geschichteten Wärmeaustauscher verwendet wird;Fig. 2 is a front view of the molded plate (Type 1) constituting the tube element used in the layered heat exchanger shown in Fig. 1 ;
Fig. 3 stellt die Strömung des Wärmeaustauschmediums im in Fig. 1 gezeigten, geschichteten Wärmeaustauscher dar;Fig. 3 illustrates the flow of the heat exchange medium in the layered heat exchanger shown in Fig. 1;
Fig. 4 ist ein vergrößerter Querschnitt, der die Wülste in einem Röhrenelement zeigt;Fig. 4 is an enlarged cross-section showing the beads in a tubular member;
Fig. 5 (a), (b) und (c) stellen die Beziehungen zwischen der Wulstform, der Wulstgröße A und dem Wulstabstand B der im Röhrenelement ausgebildeten Wülste dar;Fig. 5 (a), (b) and (c) show the relationships between the bead shape, the bead size A and the bead pitch B of the beads formed in the tubular member;
Fig. 6 (a) ist ein Verhaltensdiagramm, das Änderungen im Verhältnis von Wärmeaustauschleistung und Durchgangswiderstand zeigt, wenn die Wulstgröße verändert wird, Fig. 6 (b) ist ein Verhaltensdiagramm, das Änderungen im Verhältnis von Wärmeaustauschleistung und Durchgangswiderstand zeigt, wenn der Wulstabstand verändert wird< und Fig. 6 (c) ist ein Verhaltensdiagramm, das Änderungen im Verhältnis von Wärmeaustauschleistung und Durchgangswiderstand zeigt, wenn die Röhrenelementdicke verändert wird;Fig. 6 (a) is a behavior diagram showing changes in the relationship between heat exchange performance and volume resistance when the bead size is changed, Fig. 6 (b) is a behavior diagram showing changes in the relationship between heat exchange performance and volume resistance when the bead pitch is changed, and Fig. 6 (c) is a behavior diagram showing changes in the relationship between heat exchange performance and volume resistance when the tube element thickness is changed;
Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer beim Röhrenelement im geschichteten Wärmeaustauscher verwendeten, geformten Platte (Typ 2);Fig. 7 shows an example of a molded plate (type 2) used in the tube element in the layered heat exchanger;
Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel einer beim Röhrenelement im geschichteten Wärmeaustauscher verwendeten, geformten Platte (Typ 3);Fig. 8 shows another example of a molded plate (type 3) used in the tube element in the layered heat exchanger;
Fig. 9 zeigt die Testeinrichtung, die zur Auswertung der Leistung des Röhrenelements verwendet wurde;Fig. 9 shows the test equipment used to evaluate the performance of the tube element;
Fig. 10 zeigt die Temperaturverteilung für das Röhrenelement, wenn die Durchflußrate an Leitungswasser auf 5 cm³/s eingestellt ist. Fig. 10(a) zeigt die Temperaturverteilung für das Röhrenelement vom Typ 1, Fig. 10(b) zeigt die thermodynamische Verteilung für das Röhrenelement vom Typ 2 und Fig. 10(c) zeigt die Temperaturverteilung für das Röhrenelement vom Typ 3;Fig. 10 shows the temperature distribution for the tube element when the flow rate of tap water is set to 5 cm³/s. Fig. 10(a) shows the temperature distribution for the tube element of type 1, Fig. Fig. 10(b) shows the thermodynamic distribution for the type 2 tube element and Fig. 10(c) shows the temperature distribution for the type 3 tube element;
Fig. 11 zeigt die Temperaturverteilung für das Röhrenelement, wenn die Durchflußrate an Leitungswasser auf 10 cm³/s eingestellt ist, Fig. 10(a) zeigt die Temperaturverteilung für das Röhrenelement vom Typ 1, Fig. 10(b) zeigt die Temperaturverteilung für das Röhrenelement vom Typ 2 und Fig. 10(c) zeigt die Temperaturverteilung für das Röhrenelement vom Typ 3;Fig. 11 shows the temperature distribution for the tube element when the flow rate of tap water is set to 10 cm³/s, Fig. 10(a) shows the temperature distribution for the type 1 tube element, Fig. 10(b) shows the temperature distribution for the tube element type 2 and Fig. 10(c) shows the temperature distribution for the type 3 tube element;
Fig. 12 zeigt die thermodynamische Verteilung für das Röhrenelement, wenn die Durchflußrate an Leitungswasser auf 20 cm³/s eingestellt ist, Fig. 10(a) zeigt die thermodynamische Verteilung für das Röhrenelement vom Typ 1, Fig. 10(b) zeigt die thermodynamische Verteilung für das Röhrenelement vom Typ 2 und Fig. 10(c) zeigt die thermodynamische Verteilung für das Röhrenelement vom Typ 3;Fig. 12 shows the thermodynamic distribution for the tube element when the flow rate of tap water is set to 20 cm3/s, Fig. 10(a) shows the thermodynamic distribution for the tube element of type 1, Fig. 10(b) shows the thermodynamic distribution for the tube element of type 2 and Fig. 10(c) shows the thermodynamic distribution for the tube element of type 3;
Fig. 13 stellt die Fluidströmung an Hindernissen vorbei dar.Fig. 13 shows the fluid flow past obstacles.
Das folgende ist eine Erläuterung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.The following is an explanation of the embodiments of the present invention with reference to the drawings.
In Fig. 1 ist der geschichtete Wärmeaustauscher 1 ein Verdampfer, z. B. vom Typ mit 4 Durchgängen, bei dem Rippen 2 und Röhrenelemente 3 über eine Vielzahl von Reihen abwechselnd geschichtet sind. Jedes Röhrenelement 3 ist durch Verbinden zweier geformter Platten 4, 4 an ihren Umfangskanten ausgebildet und ist mit zwei Reservoirs 5, 5 an einem Ende auf der stromaufwärtigen Seite der Luftströmung und der stromabwärtigen Seite der Luftströmung versehen. Es ist auch mit einem Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium versehen, der Wärmeaustauschmedium von diesen Reservoirs 5, 5 zum anderen Ende strömen läßt.In Fig. 1, the layered heat exchanger 1 is an evaporator, e.g. of the 4-pass type, in which fins 2 and tube elements 3 are alternately layered over a plurality of rows. Each tube element 3 is formed by joining two molded plates 4, 4 at their peripheral edges and is provided with two reservoirs 5, 5 at one end on the upstream side of the air flow and the downstream side of the air flow. It is also provided with a passage 7 for heat exchange medium which Heat exchange medium flows from these reservoirs 5, 5 to the other end.
Jede geformte Platte 4 ist durch Preßformen einer Aluminiumplatte mit zwei gefäßartigen gebauchten Abschnitten 8, 8 zur Bildung von Reservoirs an einem Ende und einem gebauchten Abschnitt 9 zur Bildung eines Durchgangs ausgebildet, der als Fortsetzung der gebauchten Abschnitte 8, 8 ausgebildet ist. Der Vorsprung 10, der sich von zwischen zwei gebauchten Abschnitten 8, 8 zur Bildung von Reservoirs bis in die Nähe des anderen Endes der geformten Platte erstreckt, ist im gebauchten Abschnitt 9 zur Bildung eines Durchgangs ausgebildet. Auch ist die Montagevertiefung 11 zum Anbringen des Verbindungsrohrs, das später erläutert werden soll, zwischen den gebauchten Abschnitten 8, 8 zur Bildung von Reservoirs bereitgestellt, und am anderen Ende der geformten Platte 4 ist ein vorstehendes Teil 12 (in Fig. 1 gezeigt) bereitgestellt, um zu verhindern, daß die Rippen 2 während des Zusammenbaus vor dem Hartlöten abfallen. Jeder gebauchte Abschnitt 8 zur Bildung von Reservoirs baucht sich weiter aus als der gebauchte Abschnitt 9 zur Bildung eines Durchgangs. Der Vorsprung 10 ist mit seinem gegenüberliegenden Vorsprung verbunden, wenn die geformten Platten 4 an ihren Umfangskanten verbunden sind, so daß der Vorsprung 10 den Durchgang 7 für das Wärmeaustauschmedium außer in dem Bereich abteilt, der dem anderen Ende des Röhrenelements 3 nahe ist, wodurch ein insgesamt U-förmiger Durchgang gebildet wird.Each molded plate 4 is formed by press-forming an aluminum plate with two vessel-like bulged portions 8, 8 for forming reservoirs at one end and a bulged portion 9 for forming a passage formed as a continuation of the bulged portions 8, 8. The projection 10 extending from between two bulged portions 8, 8 for forming reservoirs to the vicinity of the other end of the molded plate is formed in the bulged portion 9 for forming a passage. Also, the mounting recess 11 for attaching the connecting pipe to be explained later is provided between the bulged portions 8, 8 for forming reservoirs, and a protruding part 12 (shown in Fig. 1) is provided at the other end of the molded plate 4 to prevent the fins 2 from falling off during assembly before brazing. Each bulged portion 8 for forming reservoirs bulges further than the bulged portion 9 for forming a passage. The projection 10 is connected to its opposite projection when the shaped plates 4 are connected at their peripheral edges, so that the projection 10 partitions the passage 7 for the heat exchange medium except in the region close to the other end of the tubular member 3, thereby forming an overall U-shaped passage.
Die Reservoirs benachbarter Röhrenelemente 3 sind an den gebauchten Abschnitten 8 zur Bildung von Reservoirs der jeweiligen geformten Platten 4 aneinandergefügt und stehen außer beim Reservoir 5a vom Blindtyp, der sich auf einer Seite etwa in der Mitte der Schichtrichtung befindet, über Verbindungslöcher 13 miteinander in Verbindung, die in den gebauchten Abschnitten 8 zur Bildung von Reservoirs ausgebildet sind.The reservoirs of adjacent tube elements 3 are joined to one another at the bulged portions 8 for forming reservoirs of the respective molded plates 4 and, except for the blind type reservoir 5a located on one side approximately in the middle of the layering direction, are connected to one another via communication holes 13 formed in the bulged portions 8 for forming reservoirs.
Außerdem ist das Röhrenelement 3a, das sich an einer spezifischen Position von der Mitte zu einer Seite hin befindet, nicht mit der obengenannten Montagevertiefung 11 versehen und es ist eines seiner Reservoirs 5b auf der Seite, auf der das Reservoir 5a vom Blindtyp bereitgestellt ist, ausgedehnt, so daß es der Reservoirgegenseite benachbart liegt. Dieses ausgedehnte Reservoir 5b ist mit dem Verbindungsrohr 15 verbunden, das in der Montagevertiefung 11 angebracht ist. Auch ist an einem Ende des Wärmeaustauschers in Schichtrichtung, das vom ausgedehnten Reservoir 5b am weitesten entfernt ist, die Einlaß/Auslaßöffnung 16 bereitgestellt. Diese Einlaß/Auslaßöffnung 16 ist wiederum mit einem Verbindungsabschnitt 17 zum Verbinden eines Expansionsventils, eines Verbindungsdurchgangs 18, der zwischen dem Verbindungsabschnitt 17 und dem Reservoir auf der Seite, auf der das Blindreservoir bereitgestellt ist, und eines Verbindungsdurchgangs 19 versehen, der mit dem obengenannten Verbindungsrohr 15 verbunden ist.In addition, the tube member 3a located at a specific position from the center to one side is not provided with the above-mentioned mounting recess 11, and one of its reservoirs 5b on the side where the dummy type reservoir 5a is provided is expanded so as to be adjacent to the opposite reservoir side. This expanded reservoir 5b is connected to the connecting pipe 15 installed in the mounting recess 11. Also, at one end of the heat exchanger in the layer direction that is furthest from the expanded reservoir 5b, the inlet/outlet port 16 is provided. This inlet/outlet port 16 is in turn provided with a connecting portion 17 for connecting an expansion valve, a connecting passage 18 provided between the connecting portion 17 and the reservoir on the side where the blind reservoir is provided, and a connecting passage 19 connected to the above-mentioned connecting pipe 15.
Bei diesem Aufbau strömt Wärmeaustauschmedium durch einen der Verbindungsdurchgänge, z. B. durch den mit der Einlaß/Auslaßöffnung 16 verbundenen Verbindungsdurchgang 16, ein. Das Wärmeaustauschmedium, das eingeströmt ist, läuft in einen Abschnitt des Reservoirs 5, der etwa halbiert ist, auf der Seite des Reservoirs 5a vom Blindtyp über das Verbindungsrohr 15 und das ausgedehnte Reservoir 5b, dann läuft es durch den Durchgang 7 für das Wärmeaustauschmedium entlang des Vorsprungs 10 nach oben, kehrt an der Spitze des Vorsprungs 10 um, um die Reise abwärts zu machen, und erreicht schließlich das Reservoir, das sich auf der entgegengesetzten Seite vom Reservoir 5a vom Blindtyp befindet. Danach läuft es horizontal zum anderen Reservoir 5, das etwa halbiert ist. Dann läuft es durch den Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium wiederum entlang des Vorsprungs 10 und kehrt an der Spitze des obengenannten Vorsprungs 10 um, um die Reise abwärts zu machen. Schließlich strömt es aus dem Reservoir 5 aus, das sich auf der Seite befindet, auf der das Reservoir 5a vom Blindtyp über den Verbindungsdurchgang 18 bereitgestellt ist (siehe den in Fig. 3 gezeigten Strömungsweg). Deshalb wird während des Vorgangs, bei dem das Wärmeaustauschmedium durch den Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium strömt, um mit der Luft, die zwischen den Rippen hindurchgeht, wärmegetauscht zu werden, Wärme im Wärmeaustauschmedium auf die Rippen 2 übertragen.In this structure, heat exchange medium flows in through one of the communication passages, for example, the communication passage 16 connected to the inlet/outlet port 16. The heat exchange medium that has flowed in flows into a portion of the reservoir 5 which is approximately halved on the side of the blind type reservoir 5a via the communication pipe 15 and the expanded reservoir 5b, then flows upward through the heat exchange medium passage 7 along the projection 10, turns around at the tip of the projection 10 to make the downward journey, and finally reaches the reservoir located on the opposite side of the blind type reservoir 5a. After that, it flows horizontally to the other reservoir 5 which is approximately halved. Then, it flows again through the heat exchange medium passage 7 along the projection 10 and turns around at the tip of the above-mentioned projection 10 to make the downward journey. Finally, it flows out of the reservoir 5, which is located on the side where the reservoir 5a of the blind type is provided via the communication passage 18 (see the flow path shown in Fig. 3). Therefore, during the process in which the heat exchange medium flows through the heat exchange medium passage 7 to be heat exchanged with the air passing between the fins, heat in the heat exchange medium is transferred to the fins 2.
Weiterhin sind die Wülste 20 als Teil der obengenannten geformten Platten 4 preßgeformt. Im Falle der in Fig. 2 gezeigten geformten Platte 4 ist eine Vielzahl von Reihen derart ausgebildet, daß sie in einem rechten Winkel zur Richtung der Strömung des Wärmeaustauschmediums liegen, das durch den Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium läuft, und jede Wulstreihe ist mit einer Vielzahl von Wülsten 20 versehen, die in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind. Wenn in der Figur die Reihe n mit vier Wülsten aufgebaut ist, ist die Reihe n + 1 mit fünf Wülsten, die Reihe n + 2 mit 4 Wülsten aufgebaut, usw. Die Wülste sind in Wulstreihen angeordnet, die einander derart benachbart liegen, daß sich die Niederdruckzone, die hinter jedem Wulst in der Richtung erzeugt wird, in der der Fluiddurchgang ausgebildet ist (in der Figur der vertikalen Richtung), nicht auf die folgenden Wülste auswirkt. Alle Wülste jeder Reihe sind derart angeordnet, daß sie sich mit den Niederdruckzonen verschachteln, die hinter den Wülsten in der Richtung erzeugt werden, in der der Fluiddurchgang 7 ausgebildet ist. Insgesamt sind die Wülste 20 mit einer konsistenten Dichte ausgebildet.Furthermore, the beads 20 are press-molded as part of the above-mentioned molded plates 4. In the case of the molded plate 4 shown in Fig. 2, a plurality of rows are formed so as to be at a right angle to the direction of flow of the heat exchange medium passing through the heat exchange medium passage 7, and each bead row is provided with a plurality of beads 20 arranged at equal intervals. In the figure, when the row n is constructed with four beads, the row n + 1 is constructed with five beads, the row n + 2 is constructed with four beads, and so on. The beads are arranged in bead rows which are adjacent to each other so that the low-pressure zone generated behind each bead in the direction in which the fluid passage is formed (the vertical direction in the figure) does not affect the following beads. All of the beads of each row are arranged so that they interleave with the low pressure zones created behind the beads in the direction in which the fluid passage 7 is formed. Overall, the beads 20 are formed with a consistent density.
Wie in Fig. 4 gezeigt, stehen die oben beschriebenen Wülste 20 von der Innenfläche der geformten Platte zum Inneren des Fluiddurchgangs 7 vor. Sie sind mit Wülsten der benachbarten geformten Platte verbunden, um den Wärmeaustauschwirkungsgrad über den Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium zu verbessern. Wenn beim Röhrenelement 3 der Bereich des unteren Abschnitts jedes Wulstes, der als an dem Punkt beginnend betrachtet wird, an dem die geformte Platte 4 beginnt, zum In neren des Fluiddurchgangs 7 vorzustehen, (nachfolgend als Wulstgröße bezeichnet), mit A bezeichnet wird, der Abstand der benachbarten Wülste, die am nächsten beieinander liegen (nachfolgend als Wulstabstand bezeichnet) mit B bezeichnet wird, die Dicke des Abschnitts des Röhrenelements, der den Durchgang für Wärmeaustauschmedium aufbaut, mit H bezeichnet wird und die Dicke der geformten Platte mit T bezeichnet wird, fallen sie in die folgenden Bereiche: 2,0 mm ≤ A ≤ 3,0 mm, 3,5 mm ≤ B 6,3 mm, 1,9 mm ≤ H ≤ 2,7 mm und 0,25 mm ≤ T ≤ 0,47 mm.As shown in Fig. 4, the above-described beads 20 protrude from the inner surface of the molded plate to the inside of the fluid passage 7. They are connected to beads of the adjacent molded plate to improve the heat exchange efficiency across the heat exchange medium passage 7. In the tubular member 3, when the area of the lower portion of each bead, which is considered to start at the point where the molded plate 4 starts, is directed to the inside of the fluid passage 7. neren of the fluid passage 7 (hereinafter referred to as bead size) is denoted by A, the pitch of the adjacent beads closest to each other (hereinafter referred to as bead pitch) is denoted by B, the thickness of the portion of the tubular member constructing the passage for heat exchange medium is denoted by H, and the thickness of the molded plate is denoted by T, they fall within the following ranges: 2.0 mm ≤ A ≤ 3.0 mm, 3.5 mm ≤ B ≤ 6.3 mm, 1.9 mm ≤ H ≤ 2.7 mm, and 0.25 mm ≤ T ≤ 0.47 mm.
Wenn beispielsweise kreisförmige Wülste, die eine Gesamtgestalt eines Kreiskegelstumpfes haben, wie in Fig. 2 gezeigt angeordnet sind (die in Fig. 5 (a) gezeigte Vergrößerung), d. h. wenn eine Vielzahl von Wülsten in spezifischen Abständen b in Reihe n bereitgestellt sind, die in der Richtung verläuft, die zur Richtung, in der der Durchgang für Wärmeaustauschmedium ausgebildet ist, in einem rechten Winkel liegt, und die Wülste in Reihe n + 1 mit den obengenannten spezifischen Abständen b derart bereitgestellt sind, daß jeder der Wülste in Reihe n + 1 den gleichen Abstand vom nächsten Wulst in Reihe n hat, ist der Durchmesser am unteren Teil des Wulstes A und der spezifische Abstand b ist B. Im in Fig. 5(b) gezeigten Fall, bei dem die Wülste in Fig. 5 (a) oben durch oval gestaltete Wülste ersetzt sind, oder wenn die Wülste wie in Fig. 5 (c) angeordnet sind, ist der kürzeste Abstand zwischen den Mitten der verschiedenen Wülste (d. h. bei jedem Wulst die Position, bei der sich die kleine Achse und die große Achse schneiden) B.For example, when circular beads having an overall shape of a circular truncated cone are arranged as shown in Fig. 2 (the enlargement shown in Fig. 5(a)), i.e. when a plurality of beads are provided at specific pitches b in row n extending in the direction at right angles to the direction in which the heat exchange medium passage is formed, and the beads in row n + 1 are provided with the above-mentioned specific pitches b such that each of the beads in row n + 1 is equidistant from the next bead in row n, the diameter at the lower part of the bead is A and the specific pitch b is B. In the case shown in Fig. 5(b) where the beads in Fig. 5(a) at the top are replaced by oval-shaped beads, or when the beads are arranged as in Fig. 5(c), the shortest distance between the centers of the various beads (i.e., the position at which the minor axis and the major axis intersect in each bead) is B.
Allgemein gesprochen ist es wünschenswert, eine Wärmeaustauschleistung zu haben, die so groß wie möglich ist, und den Durchgangswiderstand des Wärmeaustauschdurchgangs 7 im Röhrenelement zu minimieren. Wenn sich zum Beispiel die Wulstgröße A erhöht, erhöht sich der Durchgangswiderstand, und wenn sich die Wulstgröße A verringert, verringert sich auch der Durchgangswiderstand. Wenn jedoch die Wulstgröße übermäßig gering ist, ist die Wärmeaustauschleistung entsprechend verringert. Auch wird bei einem kleineren Wulstabstand B die Anzahl der Wülste hoch, was den Durchgangswiderstand erhöht, und wenn der Wulstabstand B groß wird, wird die Anzahl von Wülsten geringer, was den Durchgangswiderstand entsprechend verringert aber gleichzeitig auch die Wärmeaustauschleistung verringert. Bei der Dicke des Röhrenelements 3 gilt auch: je geringer die Dicke, um so schmaler der Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium, was den Durchgangswiderstand erhöht, und je größer die Dicke H, um so kleiner der Durchgangswiderstand. Hier ist jedoch wiederum die Wärmeaustauschleistung verringert, da der Durchgang, durch den sich Luft bewegt, kleiner wird. Wann außerdem die Dicke der geformten Platte geringer wird, kann der Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium breiter gemacht werden, was die Wärmeaustauschleistung verbessert. Wenn jedoch die Plattendicke zu gering gemacht wird, treten mit den Festigkeits- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften zusammenhängende Probleme auf. Wenn dagegen die Plattendicke erhöht wird, wird der Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium schmaler, was den Durchgangswiderstand erhöht. All dies bedeutet, daß außer für die Dicke der geformten Platte die Beziehung zwischen der Wärmeaustauschleistung und dem Durchgangswiderstand als Index zur Auswertung des Röhrenelements 3 verwendet werden kann.Generally speaking, it is desirable to have a heat exchange performance that is as large as possible and to minimize the passage resistance of the heat exchange passage 7 in the tube element. For example, if the bead size A increases, the passage resistance increases, and if the bead size A decreases, the passage resistance also decreases. However, if the bead size is excessively small, the heat exchange performance is correspondingly reduced. Also, when the bead pitch B is smaller, the number of beads becomes large, which increases the passage resistance, and when the bead pitch B becomes large, the number of beads becomes smaller, which correspondingly reduces the passage resistance but at the same time also reduces the heat exchange performance. Also, with the thickness of the tubular member 3, the smaller the thickness, the narrower the passage 7 for heat exchange medium, which increases the passage resistance, and the larger the thickness H, the smaller the passage resistance. Here, however, the heat exchange performance is again reduced because the passage through which air moves becomes smaller. In addition, when the thickness of the formed plate is made smaller, the passage 7 for heat exchange medium can be made wider, which improves the heat exchange performance. However, if the plate thickness is made too small, problems related to the strength and corrosion resistance properties arise. On the other hand, if the plate thickness is increased, the passage 7 for heat exchange medium becomes narrower, which increases the passage resistance. All this means that, except for the thickness of the formed plate, the relationship between the heat exchange performance and the volume resistance can be used as an index for evaluating the tubular element 3.
Diese Auswertung kann auch durchgeführt werden, indem der Wärmeaustauschleistung/Durchgangswiderstand als Ordinatenachse und jedes aus Wulstgröße, Wulstabstand und Dicke des Röhrenelements der Abszissenachse zugeordnet wird, und diese sind in Fig. 6 gezeigt. Der Index (Wärmeaustauschleistung/Durchgangswiderstand) wird auf 100 gesetzt, wenn die Wulstgröße 2,5 mm, der Wulstabstand 4,8 mm und die Dicke des Röhrenelements 2,4 mm betragen.This evaluation can also be performed by assigning the heat exchange performance/volume resistance as the ordinate axis and each of the bead size, bead pitch and thickness of the tube member as the abscissa axis, and these are shown in Fig. 6. The index (heat exchange performance/volume resistance) is set to 100 when the bead size is 2.5 mm, the bead pitch is 4.8 mm and the thickness of the tube member is 2.4 mm.
Wo die Wulstgröße betroffen ist, wird der Index kleiner, wenn die Größe entweder geringer oder höher als 2,5 mm ist, wie in Fig. 6 (a) gezeigt. Da jedoch die maschinelle Bearbeitung schwieriger wird, wenn die Wülste kleiner sind, und sich gleichzeitig die Leistung verschlechtert, ist es nötig, sicherzustellen, daß A ≥ 2 mm. Auch ist zu bemerken, daß wenn die Wulstgröße erhöht wird, auch der Durchgangswiderstand größer wird, und wenn die Wulstgröße auf 3,8 mm erhöht wird, was im Stand der Technik üblich ist, ein guter Index nicht erreicht werden kann. Folglich ist die Obergrenze der Wulstgröße durch Verwendung eines Index, der zur Untergrenze der Wulstgröße äquivalent ist, oder ein Index verwendet wird, der besser als das ist, zum Hinweist: bei A ≤ 3,0 mm.Where bead size is concerned, the index becomes smaller if the size is either less or greater than 2.5 mm, as shown in Fig. 6 (a). However, since machining becomes more difficult as the beads are smaller and at the same time the performance deteriorates, it is necessary to ensure that A ≥ 2 mm. Also, it is noted that as the bead size is increased, the passage resistance also becomes larger, and if the bead size is increased to 3.8 mm, which is common in the prior art, a good index cannot be obtained. Consequently, the upper limit of the bead size is to be set by using an index equivalent to the lower limit of the bead size or using an index better than that, for example, at A ≤ 3.0 mm.
Was den Wulstabstand betrifft, wie in Fig. 6 (b) gezeigt, wird der Index geringer, wenn der Wulstabstand entweder geringer oder größer als 4,8 mm ist. Alles in allem wird ein guter Index im Abstandsbereich von 3,5 mm bis 6,3 mm erreicht. Da, je kleiner B ist, die maschinelle Bearbeitung um so schwieriger wird und gleichzeitig der Durchgangswiderstand stark erhöht ist, ist es nötig, B auf 3,5 mm oder mehr festzusetzen. Vorzugsweise sollte er bei 3,8 mm oder mehr festgesetzt werden, um etwas Toleranz bei der mechanischen Bearbeitung zu gestatten. Auch obwohl je größer B wird, der Durchgangswiderstand kleiner wird, wird die Wärmeaustauschleistung ebenfalls verringert. Daher wird, indem ein Index, der zum unteren Grenzwert (3,5 mm) des Wulstabstands äquivalent ist, oder ein Index verwendet wird, der besser als das ist, die Obergrenze für den Wulstabstand bei 6,3 oder weniger festgesetzt. Die Obergrenze für den Wulstabstand wird durch Verwendung eines Index, der zum unteren Grenzwert (3,8 mm) Wulstabstandes äquivalent ist, oder ein Index verwendet wird, der besser ist als das, bei 5,8 oder weniger festgesetzt.As for the bead pitch, as shown in Fig. 6(b), the index becomes smaller when the bead pitch is either smaller or larger than 4.8 mm. All in all, a good index is achieved in the pitch range of 3.5 mm to 6.3 mm. Since the smaller B is, the more difficult machining becomes and at the same time the passage resistance is greatly increased, it is necessary to set B to 3.5 mm or more. Preferably, it should be set to 3.8 mm or more to allow some tolerance in machining. Also, although the larger B becomes, the passage resistance becomes smaller, the heat exchange performance is also reduced. Therefore, by using an index equivalent to the lower limit (3.5 mm) of the bead pitch or an index better than that, the upper limit of the bead pitch is set to 6.3 or less. The upper limit of bead pitch is set at 5.8 or less by using an index equivalent to the lower limit (3.8 mm) of bead pitch or an index better than that.
Nun wird der Index für das Röhrenelement wie in Fig. 6 (c) gezeigt geringer, wenn die Dicke H entweder kleiner oder größer als 2,4 mm festgesetzt wird. Da, je kleiner H ist, um so schwieriger die maschinelle Bearbeitung wird und gleich zeitig die Leistung verringert wird, ist es nötig, H bei 1,9 mm oder mehr festzusetzen. Vorzugsweise sollte H bei 2,0 oder mehr festgesetzt werden, um eine Toleranz bei der maschinellen Bearbeitung zu gestatten. Es wurde auch herausgefunden, daß, je größer die Dicke H ist, um so geringer der Durchgangswiderstand wird, und der Wärmeaustauschwirkungsgrad ebenfalls verringert ist. Folglich wird unter Verwendung des Index, der zum unteren Grenzwert der Dicke äquivalent ist, oder eines Index, der besser ist als das, die Obergrenze bei H ≤ 2,7 oder vorzugsweise H ≤ 2,6 festgesetzt.Now, as shown in Fig. 6 (c), the index for the tubular element becomes smaller when the thickness H is set either smaller or larger than 2.4 mm. Since the smaller H is, the more difficult the machining becomes and the time, the performance is reduced, it is necessary to set H at 1.9 mm or more. Preferably, H should be set at 2.0 or more to allow for machining tolerance. It has also been found that the larger the thickness H is, the lower the volume resistance becomes and the heat exchange efficiency is also reduced. Therefore, using the index equivalent to the lower limit of the thickness or an index better than that, the upper limit is set at H ≤ 2.7 or preferably H ≤ 2.6.
Was die geformte Platte betrifft, ist es, wie oben erwähnt, nötig, die optimale Plattendicke T festzusetzen, indem die Beziehung zwischen den Festigkeits- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften der geformten Platte und dem Durchgangswiderstand in Betracht gezogen werden. Es ist daher nötig, die Untergrenze bei T ≥ 0,25 mm festzusetzen, indem die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit in Betracht gezogen werden, und die Obergrenze bei T ≤ 0,47 mm festzusetzen, indem die durch die Erhöhung des Durchgangswiderstands bewirkte Verschlechterung der Wärmeaustauschleistung in Betracht gezogen wird.As for the molded plate, as mentioned above, it is necessary to set the optimum plate thickness T by considering the relationship between the strength and corrosion resistance properties of the molded plate and the volume resistance. It is therefore necessary to set the lower limit at T ≥ 0.25 mm by considering the strength and corrosion resistance, and to set the upper limit at T ≤ 0.47 mm by considering the deterioration of the heat exchange performance caused by the increase in the volume resistance.
Als Folge wird ein Röhrenelement, bei dem die oben vereinbarten Bereiche erhalten werden, das bestmögliche Röhrenelement sein, wenn man die beiden Erfordernisse betrachtet und abwägt, d. h. eine Verbesserung des Wärmeaustauschwirkungsgrades und eine Verringerung des Durchgangswiderstands. Wenn weiterhin solche Faktoren wie Festigkeit und dergleichen ebenfalls in Betracht gezogen werden, macht es das Röhrenelement möglich, einen kompakteren, leichten Wärmeaustauscher bereitzustellen, verglichen mit einem, der die Röhrenelemente aus dem Stand der Technik einsetzt.As a result, a tube element in which the above-agreed ranges are obtained will be the best possible tube element when considering and balancing the two requirements, i.e., an improvement in heat exchange efficiency and a reduction in passage resistance. Furthermore, when such factors as strength and the like are also taken into account, the tube element makes it possible to provide a more compact, lightweight heat exchanger compared with one employing the prior art tube elements.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel der geformten Platte 4 (zweite Ausführungsform), die das Röhrenelement 3 aufbaut.Fig. 7 shows another example of the molded plate 4 (second embodiment) composing the tubular member 3.
Hier sind die Wülste 20 in einer Vielzahl von Wulstreihen ausgebildet, die die Richtung, in der der Durchgang für Wärmeaustauschmedium ausgebildet ist, in einem rechten Winkel kreuzen, und sind die Abstände, in denen die Wülste angeordnet sind, zwischen Wulstreihen, die einander benachbart liegen, verschieden. Wenn bei dieser Ausführungsform in Reihe n 5 Wülste auf der Oberfläche mit gleichen Abständen L1 bereitgestellt sind, dann sind in Reihe n + 1 3 Wülste mit gleichen Abständen L2 bereitgestellt und in Reihe n + 2 wieder 5 Wülste mit gleichen Abständen L1 bereitgestellt und in Reihe n + 3 drei Wülste in gleichen Abständen L2 bereitgestellt usw. Kurz: es sind Wulstreihen, in denen Wülste mit gleichen Abständen L1 bereitgestellt sind, und Wulstreihen, in denen Wülste mit gleichen Abständen L2 angeordnet sind, abwechselnd ausgebildet. Ferner beträgt jeder Abstand L2 zweimal die Länge des Abstandes L1.Here, the beads 20 are formed in a plurality of bead rows that cross the direction in which the heat exchange medium passage is formed at a right angle, and the pitches at which the beads are arranged are different between bead rows that are adjacent to each other. In this embodiment, if 5 beads are provided on the surface at equal pitches L1 in row n, 3 beads are provided at equal pitches L2 in row n+1, 5 beads are provided at equal pitches L1 in row n+2, and three beads are provided at equal pitches L2 in row n+3, and so on. In short, bead rows in which beads are provided at equal pitches L1 and bead rows in which beads are arranged at equal pitches L2 are alternately formed. Further, each pitch L2 is twice the length of pitch L1.
Alle Wülste in jeder Wulstreihe sind derart angeordnet, daß sie sich mit den Niederdruckzonen verschachteln, die hinter den Wülsten in der Richtung erzeugt werden, in der der Fluiddurchgang 7 ausgebildet ist (in der Figur in vertikaler Richtung). Bei dieser Ausführungsform sind sie derart angeordnet, daß der Wulst, der einem gegebenen Wulst in einer benachbarten Reihe am nächsten liegt, in einem Winkel von 30 Grad von dem gegebenen Wulst aus zu der Richtung liegt, in welcher der Durchgang für Wärmeaustauschmedium ausgebildet ist. Als Folge ergibt sich ein regelmäßiges Muster von Wulstgruppen, wenn es in der Richtung von 30 Grad gesehen wird, in dem Wülste abwechselnd mit Abständen a und Abständen b angeordnet sind.All the beads in each bead row are arranged so as to interleave with the low pressure zones created behind the beads in the direction in which the fluid passage 7 is formed (in the vertical direction in the figure). In this embodiment they are arranged so that the bead closest to a given bead in an adjacent row is at an angle of 30 degrees from the given bead to the direction in which the passage for heat exchange medium is formed. As a result, a regular pattern of bead groups results when viewed in the direction of 30 degrees in which beads are arranged alternately at intervals a and intervals b.
Die geformte Platte 4, die das Röhrenelement 3 aufbaut, kann die in einer weiteren Ausführungsform (dritte Ausführungsform) gezeigte Struktur annehmen, die in Fig. 8 dargestellt ist, bei der Bereiche ohne Wülste 20 an verschiedenen Stellen in Wulstreihen vorhanden sind, die einander benachbart liegen, die die Richtung, in der der Durchgang 7 für Wärme austauschmedium ausgebildet ist, mit einem rechten Winkel kreuzen. Diese Bereiche in den Wulstreihen, die einander benachbart liegen, in denen keine Wülste ausgebildet sind, verbinden sich, um einen Durchgang 21 zu bilden, in dem in einer Richtung, die von der Richtung, in der der Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium ausgebildet ist, verschieden ist, keine Wülste vorhanden sind. Bei dieser Ausführungsform verbinden sich die Bereiche, in denen keine Wülste 20 ausgebildet sind, kontinuierlich in der Richtung, die in einem Winkel von 30 Grad zu der Richtung liegt, in der der Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium ausgebildet ist, im Gegensatz zum Röhrenelement aus dem Stand der Technik, bei dem Wülste konsistent ausgebildet sind.The molded plate 4 constituting the tubular member 3 may take the structure shown in another embodiment (third embodiment) shown in Fig. 8, in which regions without beads 20 are provided at various locations in bead rows adjacent to each other, which determine the direction in which the passage 7 for heat exchange medium is formed at a right angle. Those portions in the bead rows adjacent to each other in which no beads are formed connect to form a passage 21 in which no beads are present in a direction different from the direction in which the heat exchange medium passage 7 is formed. In this embodiment, the portions in which no beads 20 are formed connect continuously in the direction which is at an angle of 30 degrees to the direction in which the heat exchange medium passage 7 is formed, in contrast to the prior art tube member in which beads are consistently formed.
Als Folge ist sowohl bei der zweiten als auch bei der dritten Ausführungsform die Anzahl an in Gebieten mit stehendem Wasser befindlichen Wülsten verringert, und werden Bereiche, in denen der Durchgangswiderstand klein ist, über die Gesamtheit des Durchgangs 7 für Wärmeaustauschmedium erzeugt, ohne den Wärmeaustauschwirkungsgrad zu verringern. Die Verteilung des Wärmeaustauschmediums zu diesen Bereichen mit geringem Durchgangswiderstand wird gefördert, wodurch das Wärmeaustauschmedium über die Gesamtheit des Röhrenelements verteilt und ein Stillstand vermieden wird. Darüber hinaus kann durch genau die Maßnahme der Verringerung der Anzahl von Wülsten eine Verbesserung im Wärmeaustauschwirkungsgrad erreicht werden.As a result, in both the second and third embodiments, the number of beads located in areas of stagnant water is reduced, and areas where the passage resistance is small are created over the entirety of the heat exchange medium passage 7 without reducing the heat exchange efficiency. The distribution of the heat exchange medium to these areas with low passage resistance is promoted, thereby distributing the heat exchange medium over the entirety of the tube member and preventing stagnation. Moreover, by the very measure of reducing the number of beads, an improvement in the heat exchange efficiency can be achieved.
Der Anmelder dieser Erfindung führte die folgenden Tests durch, um die Röhrenelemente, die die oben beschriebenen Wulstanordnungen aufweisen, im Vergleich mit einem Röhrenelement auszuwerten, bei dem Wülste mit einer konstanten Dichte bereitgestellt sind.The applicant of this invention conducted the following tests to evaluate the tubular members having the bead arrangements described above in comparison with a tubular member in which beads are provided at a constant density.
Es wurden die folgenden Röhrenelemente getestet: das Röhrenelement des in Fig. 2 gezeigten Typs, bei dem Wülste mit einer konsistenten Dichte bereitgestellt sind (nachfolgend als Typ 1 bezeichnet), das Röhrenelement in der zweiten Ausführungsform (nachfolgend als Typ 2 bezeichnet) und das Röhrenelement in der dritten Ausführungsform (nachfolgend als Typ 3 bezeichnet). Eine Heizplatte 22 wurde über die Gesamtheit einer der Oberflächen des gebauchten Abschnitts 9 zur Bildung eines Durchgangs angebracht. Dann wurde adiabatisches Material 30 über den gesamten Aufbau gelegt und eine Wechselstromquelle mit der Heizplatte 22 verbunden, um dem Röhrenelement eine konsistente Wärmemenge gleichmäßig zuzuführen. Als nächstes wurde eine spezifische Menge von Leitungswasser über ein 500 mm langes Einlaßrohr 23 dem Röhrenelement zugeführt. Das Leitungswasser strömte von einem Reservoir zum nächsten durch den Durchgang für Wärmeaustauschmedium, um aus dem Auslaßrohr 24 abgelassen zu werden. Das über das Einlaßrohr 23 zugeführte Leitungswasser wurde an einem Durchflußmesser 25 überwacht, und die Durchflußrate des Leitungswasser wurde auf 5 cm³/s, 10 cm³/s und 20 cm³/s eingestellt. Die Oberflächentemperatur der Röhrenelemente bei diesen verschiedenen Durchflußraten wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in den thermographischen Diagrammen in Fig. 10 bis 12 gezeigt. Es ist zu bemerken, daß die Werte in Fig. 10 bis 12 Temperaturablesungen (Grad Celsius) angeben.The following tubular elements were tested: the tubular element of the type shown in Fig. 2, in which beads are provided with a consistent density (hereinafter referred to as type 1), the tube element in the second embodiment (hereinafter referred to as type 2), and the tube element in the third embodiment (hereinafter referred to as type 3). A heating plate 22 was placed over the entirety of one of the surfaces of the bulged portion 9 to form a passage. Then, adiabatic material 30 was laid over the entire structure, and an AC power source was connected to the heating plate 22 to evenly supply a consistent amount of heat to the tube element. Next, a specific amount of tap water was supplied to the tube element via a 500 mm long inlet pipe 23. The tap water flowed from one reservoir to the next through the heat exchange medium passage to be discharged from the outlet pipe 24. The tap water supplied via the inlet pipe 23 was monitored on a flow meter 25 and the flow rate of the tap water was set at 5 cc/s, 10 cc/s and 20 cc/s. The surface temperature of the tube elements at these various flow rates was measured. The results are shown in the thermographic diagrams in Figs. 10 to 12. Note that the values in Figs. 10 to 12 indicate temperature readings (degrees Celsius).
Außerdem wurde die Durchflußrate von Leitungswasser bei 5 cm³/s, 10 cm³/s und 20 cm³/s variiert, und es wurde eine Differenz in der Wassertemperatur (Grad Celsius) zwischen dem Einlaß und dem Auslaß an einem Temperaturleser 28 von dem am Einlaß und Auslaß der geformten Platte 4 bereitgestellten Thermoelement 26, 27 für jede Durchflußrateneinstellung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. (Tabelle 1) In addition, the flow rate of tap water was varied at 5 cm³/s, 10 cm³/s and 20 cm³/s, and a difference in water temperature (degrees Celsius) between the inlet and the outlet was measured at a temperature reader 28 from the thermocouple 26, 27 provided at the inlet and outlet of the molded plate 4 for each flow rate setting. The results are shown in Table 1. (Table 1)
Es wurden auf dem Druckmesser 33 über das im Einlaßrohr 23 ausgebildete Einlaßloch 31 mit statischem Druck und das im Auslaßrohr ausgebildete Auslaßloch 32 mit statischem Druck auch die Drücke am Einlaß und Auslaß gemessen, um den Wasserströmungswiderstand (mmHg) im Röhrenelement 4 zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. (Tabelle 2) The pressures at the inlet and outlet were also measured on the pressure gauge 33 through the static pressure inlet hole 31 formed in the inlet pipe 23 and the static pressure outlet hole 32 formed in the outlet pipe to determine the water flow resistance (mmHg) in the tube member 4. The results are shown in Table 2. (Table 2)
Um den Grad an Inkonsistenz beim Wärmeaustausch zwischen der Richtung, in der der Durchgang 7 für Wärmeaustauschmedium ausgebildet ist, und der Richtung zu bestimmen, die jene Richtung mit einem rechten Winkel kreuzt, wurde außerdem der Mittelwert der Temperaturdifferenzen (Grad Celsius) zwischen der Richtung, in der das Fluid strömt, und der Richtung, die diese Richtung mit einem rechten Winkel kreuzt, mit einer Gruppe von Thermoelementen 29 gemessen, die an einer Vielzahl von spezifischen Stellen (24 Stellen) an der Oberfläche des Röhrenelements 4 bereitgestellt sind (die Oberfläche auf der Seite, die der Seite entgegengesetzt ist, auf der die Heizplatte bereitgestellt ist).Furthermore, in order to determine the degree of inconsistency in heat exchange between the direction in which the heat exchange medium passage 7 is formed and the direction that crosses that direction at a right angle, the average value of the temperature differences (degrees Celsius) between the direction in which the fluid flows and the direction that crosses that direction at a right angle was measured with a group of thermocouples 29 provided at a plurality of specific locations (24 locations) on the surface of the tube member 4 (the surface on the side opposite to the side on which the heating plate is provided).
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. (Tabelle 3) The results are shown in Table 3. (Table 3)
Die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlaß und dem Auslaß gibt an, daß der Wärmeaustausch um so aktiver ausgeführt wird, je größer die Differenz ist, und unser Versuch zeigt, daß die Temperaturdifferenz bei Typ 2 und Typ 3 etwas größer ist als bei Typ 1, obwohl nicht signifikant. Bei Typ 1 ist die Temperaturdifferenz bei Durchflußraten von 5 cm³/s und 20 cm³/s im Vergleich mit Typ 2 größer.The temperature difference between the inlet and the outlet indicates that the greater the difference, the more actively the heat exchange is carried out, and our experiment shows that the temperature difference in Type 2 and Type 3 is slightly larger than in Type 1, although not significant. In Type 1, the temperature difference is larger at flow rates of 5 cm³/s and 20 cm³/s compared to Type 2.
Was den Wasserströmungswiderstand betrifft, war er sowohl bei Typ 2 als auch 3 bei 5 cm³/s größer als bei Typ 1, aber er war sowohl bei Typ 2 als auch 3 bei 10 cm³/s und 20 cm³/s geringer. Wenn bedacht wird, daß bei einem tatsächlichen Wärmeaustauscher die Durchflußrate normalerweise etwa 10 cm³/s beträgt, kann daher geschlossen werden, daß die Typen 2 und 3 einen geringeren Wasserströmungswiderstand aufweisen. Es wurde auch bemerkt, daß der Wasserströmungswiderstand bei Typ 3 geringer als bei Typ 2 ist.As for the water flow resistance, it was larger at 5 cm³/s for both types 2 and 3 than for type 1, but it was smaller at 10 cm³/s and 20 cm³/s for both types 2 and 3. Therefore, considering that in an actual heat exchanger the flow rate is usually about 10 cm³/s, it can be concluded that types 2 and 3 have lower water flow resistance. It was also noted that the water flow resistance is lower for type 3 than for type 2.
Es ist wünschenswert, daß die Isotherme in Fig. 10 bis 12 horizontal ist (im rechten Winkel zum Durchgang für Wärmeaustauschmedium). Mit anderen Worten: es ist wünschenswert, die Temperaturdifferenz in Tabelle 3 zu minimieren, da das heißt, daß der Wärmeaustausch konsistent durchgeführt wird. Von diesem Gesichtspunkt aus sind sowohl Typ 2 als auch 3 Typ 1 überlegen.It is desirable that the isotherm in Fig. 10 to 12 be horizontal (at right angles to the passage for heat exchange medium). In other words, it is desirable to minimize the temperature difference in Table 3, since this means that the heat exchange is carried out consistently. From this point of view, both Type 2 and 3 are superior to Type 1.
Zusammenfassend geben die durch die Versuche erhaltenen Daten an, daß die Wärmeaustauscheigenschaften von Typ 2 und Typ 3 verbessert sind, sogar obwohl die Anzahl von Wülsten bei diesen Typen geringer als bei Typ 1 ist, und es kann sicher gesagt werden, daß bei Röhrenelementen vom Typ 2 und Typ 3 die Anzahl von Wülsten in Gebieten mit stehendem Wasser verringert ist, wodurch Wulstanordnungen ausgeführt sind, die es möglich machen, Wärmeaustauschmedium vollständiger über die Gesamtheit des Durchgangs ohne Stillstand zu verteilen als bei Typ 1.In summary, the data obtained by the tests indicate that the heat exchange properties of Type 2 and Type 3 are improved even though the number of beads in these types is less than in Type 1, and it can be safely said that in Type 2 and Type 3 tubular elements the number of beads in areas of standing water is reduced, thereby implementing bead arrangements that make it possible to distribute heat exchange medium more completely over the entire passage without stagnation than in Type 1.
Dies alles führt zu dem Schluß, daß, wenn die Wulstgröße A, der Wulstabstand B von benachbarten Wülsten, die am nächsten beieinander liegen, die Röhrenelementdicke H und die Dicke T der geformten Platte in die Bereiche 2,0 mm ≤ A ≤ 3,0 mm, 3,5 mm ≤ B ≤ 6,3 mm, 1,9 mm ≤ H ≤ 2,7 mm bzw. 0,25 mm ≤ T ≤ 0,47 mm fallen und die Anzahl von Wülsten wie in Fig. 7 oder Fig. 8 gezeigt verringert ist, obwohl die Wülste in jenen Bereichen, in denen die Anzahl der Wülste verringert ist, außerhalb der Abmessungsbereiche liegen, die Wärmeaustauscheigenschaften verbessert sind, wie in den oben beschriebenen Tests bewiesen wurde, und ein zusätzlicher Effekt dieser verringerten Anzahl von Wülsten die Wärmeaustauschleistung der in einem Verdampfer verwendeten Röhrenelemente weiter verbessert. Es ist auch zu bemerken, daß die vorliegende Erfindung in ähnlicher Weise angewendet werden kann, ob ein Reservoirabschnitt als Teil eines Röhrenelements oder als getrennte Einheit ausgebildet und am Röhrenelement angebracht ist.All this leads to the conclusion that if the bead size A, the bead spacing B of adjacent beads that are closest to each other, the tubular element thickness H and the thickness T of the formed plate are set in the ranges 2.0 mm ≤ A ≤ 3.0 mm, 3.5 mm ≤ B ≤ 6.3 mm, 1.9 mm ≤ H ≤ 2.7 mm and 0.25 mm ≤ T ≤ 0.47 mm and the number of beads is reduced as shown in Fig. 7 or Fig. 8, although the beads in those areas where the number of beads is reduced are outside the dimensional ranges, the heat exchange properties are improved as proved in the tests described above, and an additional effect of this reduced number of beads further improves the heat exchange performance of the tube elements used in an evaporator. It is also to be noted that the present invention can be applied in a similar manner whether a reservoir section is formed as part of a tube element or as a separate unit and attached to the tube element.
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