JP2002529676A - 多面体配列熱伝達管 - Google Patents

多面体配列熱伝達管

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JP2002529676A
JP2002529676A JP2000579939A JP2000579939A JP2002529676A JP 2002529676 A JP2002529676 A JP 2002529676A JP 2000579939 A JP2000579939 A JP 2000579939A JP 2000579939 A JP2000579939 A JP 2000579939A JP 2002529676 A JP2002529676 A JP 2002529676A
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heat exchanger
polyhedron
exchanger tube
longitudinal axis
degrees
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JP2000579939A
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Inventor
ドナルド、 エル. ベンネット、
リャンユー タン、
Original Assignee
オウトクンプ カッパー フランクリン、 インコーポレイテッド
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

(57)【要約】 管の熱伝達性能を高めるように構成されている内面を有する熱交換器用管。内部強化物は、配管の内壁から延びる複数の多面体を有している。これらの多面体は第1平坦面および第2平坦面を有し、第1平坦面および第2平坦面は、多面体の軸に対して実質的に平行して配置される。これらの多面体は、管の長手軸に対して斜めの角度で配置された第3面および第4面を有している。その結果生じる表面は管の内部表面積と、表面の乱流特性とを増大させ、したがって、管の熱伝達性能を増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 関連出願の相互参照 本出願人は米国特許出願第09/184,187号に基づき、ここに優先権を主張する。
当該出願は1998年11月2日に出願され、「多面体配列熱伝達管」という名称であ
り、参照としてここに含まれる。 発明の分野 本発明は、熱交換器に用いる管に関するものであり、特に本発明は、管の熱伝
達性能を高めることが可能な内面を有する熱交換器用管に関するものである。 発明の背景 表面強化物を有する管の熱伝達性能が、平らな壁面を有する管よりも優れてい
ることは当業者には公知である。リブ、フィン、コーティングおよび挿入物等を
始めとする表面強化物は内部管面および外部管面の両方に適用されている。強化
設計のすべてが管の熱伝達表面積を大きくしようとしている。またほとんどの設
計が管の中を、すなわち管に沿って流れる液体中の乱流を強化して、液体の混合
を促進し、管の表面の境界層を破壊しようとしている。
【0002】 空調および冷却ならびにエンジン冷却、すなわち熱交換器の大部分は板フィン
管型のものである。このような熱交換器においては、管の外部へ取り付けた板フ
ィンを用いることによって管を外部から強化している。また熱交換器用の管は内
部熱伝達強化物を、管の内面を改造して有することが多い。
【0003】 代表的な板フィン管型空調冷却熱交換器における配管の全長のうちのかなりの
部分では、冷媒が液体および蒸気の両状態で存在する。一定の流量以下では密度
が変化するので、液体冷媒は管の底部に沿って流れ、蒸気冷媒はその頂部に沿っ
て流れる。管の熱伝達性能は、2つの状態にある流体間の混合を改善すると、改
善される。例えば、凝縮に用いるときは管の上部からの液体の排出を促進させる
ことによって、あるいは蒸発に用いるときは液体を、壁の中を管の上に向かって
毛管作用によって流れさせることによって流体間の混合を改善すると、熱伝達性
能は改善される。
【0004】 システムの熱交換器のすべてに同一型の配管を用いることも望ましい。したが
って、熱伝達管が、凝縮に用いるときと蒸発に用いるときの両方において満足に
機能する必要がある。
【0005】 熱交換器の製造費用を削減するために、性能を維持しながら熱伝達管の重量を
減量することも望ましい。
【0006】 したがって、必要なものは、凝縮に用いるときおよび蒸発に用いるときの両方
に対して適切な性能を提供し、かつ末端利用者に対し実用的、経済的特色を提供
する熱伝達管である。 発明の概要 本発明の熱交換器用管は、次の特徴を管に与えることによって上述の必要性を
満たす。すなわち重量が同じとすれば、管は、従来技術の管よりも優れた熱伝達
性能を提供し、また重量を減らせば、管は、従来技術の管と同等の熱伝達性能と
、従来技術の管よりも優れた圧力降下性能とを提供するように熱伝達性能を強化
する特徴を管に与える。
【0007】 本発明の熱交換器用管は、管の熱伝達性能を高めるように構成された内面を有
する。この内部強化物は一実施例においては配管の内壁から延びる複数の多面体
を有する。一実施例においては、それらの多面体は管の長手軸に実質的に平行す
る列に並べる。しかし、それらの列を長手軸から約40度までずらすことができる
。多面体は、多面体の軸に対して実質的に平行して配置されている第1平坦面お
よび第2平坦面を有している。それらの多面体は、管の長手軸に対して斜めの角
度で配置された第3面および第4面を有している。その結果として生じる表面は
管の内部表面の面積を大きくし、それによって管の熱伝達性能を増している。さ
らに、多面体は、熱伝達も促進させる管内の流れ状態を促進する。
【0008】 本発明の管は、銅もしくは銅合金のロール成形用帯板の一方の表面に強化物の
パターンをロールエンボス加工し、さらにその帯板をシーム溶接して管にするこ
とによって帯板から製造するのに適している。このような製造工程により、複雑
かつ内部が強化された熱伝達配管を迅速かつ経済的に生産することができる。 好ましい実施例の説明 本明細書全体にわたって多面体という用語を用いており、これは実質的に平坦
な面によって作られた固体として定義されるものである。
【0009】 まず図1を参照すると、管10は好ましくは銅、銅合金、もしくは他の熱導体材
料から作られる。管10は、外径と、内径と、それに対応する壁厚を有する円筒形
が好ましい。内面には好ましくは内面強化物13を形成する。本発明の熱交換器用
管10は好ましくは、銅もしくは銅合金帯板をロール成形およびシーム溶接して管
10にする前に、強化物パターン13を帯板上の一方の面にロールエンボス加工する
ことによって作られる。
【0010】 図2を参照すると、表面強化物13が、壁16の一部に関して示されている。壁16
から外へ複数の多面体19が伸びている。多面体19は好ましくは管10の長手軸に沿
って配置されるが、多面体を長手軸から0度ないし40度のいずれかの角度までず
らすことができる。0度の角度の場合、第1平坦面22および第2平坦面25は管10
の長手軸に対して実質的に平行になる。第3平坦面28および第4平坦面31は長手
軸に対して斜めの角度で配置される。第3面28および第4面31と、上記長手軸と
の間のこの入射角は角度βとする。βを5度ないし90度までのいずれかにするこ
とができるが、βは好ましくは5度ないし40度の範囲である。
【0011】 多面体19は壁16上に、多面体の隣接する列の中央線の間の間隔がdになるよう
に配置されている。間隔dを0.011 インチないし0.037 インチの範囲にすること
ができるが、望ましい範囲は0.015 インチないし0.027 インチである。第3面28
および第4面31間で計測した多面体19の最大長をlとする。長さlを0.005 ない
し0.025 インチにすることができるが、望ましい長さは約0.0145インチである。
多面体19に隣接している窪み区域32は深さDまで下げられている。Dは−0.001
ないし0.001インチの範囲であるが、好ましくは0.0005インチである(ここで、
負の値は管の内壁から上の距離を示す)。
【0012】 面28および31は頂点角度l1を成し、それは20度ないし50度の範囲であり、好ま
しくは約44度である。
【0013】 図3を参照すると、多面体19の高さHであり、最大幅はwである。幅wは0.00
4 ないし0.01インチの範囲であり、好ましくは0.0056インチである。多面体19の
対向面22および25の間の角度はl2である。角度l2は10度ないし50度の範囲であり
、好ましくは約15度である。すべての大きさの配管に関して、360度の弧当りの
多面体の数は上述のdのピッチにより決まる。
【0014】 最小流量抵抗と一致した最適な熱伝達のためには、本発明を具体化した管に、
上述のような特質を有しかつ以下の特性を有する内部強化物を与える必要がある
。すなわち、多面体の多面体軸99を管の長手軸に対して0度ないし40度の間の角
度で配置する必要があり、管の内径に対する多面体の高さHの比を0.015 ないし
0.04の間にする必要がある。長手軸と第3面28および第4面31との間の入射角β
を5度ないし40度の間にする必要がある。多面体19に隣接する窪み区域32を好ま
しくは壁16の内面の中へ−0.001ないし0.001インチの間で、好ましくは0.0005イ
ンチ(マイナスの値は、管の内壁よりも上の距離を示す)延ばす必要がある。対
向面28および31間の頂角l1を20度ないし50度の範囲に、好ましくは44度にする必
要がある。さらに、多面体19の高さHに対する多面体19の間の空間の断面積S(
図3に示す)の比を0.1mm ないし0.6mm にする必要がある。多面体の高さ(H)を不
変に保ちながら多面体19の間の断面積を大きくすると、高さに対する断面積Sの
この比が大きくなり、配管の重量が増え、したがって費用も増す。
【0015】 多面体19(図2に最も良く示される)は、2つのパターンが内壁16に型押しさ
れた材料から形成する。第1のパターンは好ましくは管10の長手軸に沿って作り
、その多面体の長さを決めているが、上述のように40度までずらすことができる
。第2のパターンは長手軸に対して斜めであり、多面体19の幅を決めている。第
2のパターンは好ましくは管10の内壁16の中へ第1のパターンよりもさらに延び
る。その結果生じる表面強化物13を好ましくは、内壁16の平方インチ当り2,400
個ないし4,400個の間の多面体19で作る必要がある。2,400個から4,400個が望ま
しいが、その数は、平方インチ当り2,000個ないし10,000個までの範囲の多面体
とすることができる。
【0016】 強化物13を管壁16の内側にいずれか適切な工程によって作ることができる。自
動高速工程を用いるシーム溶接金属管の製造における効果的方法は、金属帯板を
ロール成形して断面を円形にしたあとシーム溶接して管10にする前に、帯板の一
方の表面上に、ロール型押しを行なうことによって強化物パターン13を作るもの
である。これは、金属帯板をロール成形およびシーム溶接して管にするための流
れ作業に連続して2つのロール型押しステーションを配置することによって行な
うことができる。これらのステーションは、未加工の金属帯板の供給源と、その
帯板がロール成形されて管状にされる流れ作業の部分との間に配置されることに
なるであろう。各型押しステーションはそれぞれにパターン強化用ローラと裏当
てローラとを有している。各ステーションにおけるそれらの裏当てローラおよび
パターンローラは適切な手段(図示しない)により充分な力で押し合わされて、
その結果一方のローラの上にあるパターン表面が、帯板の一方の側の表面へ刻印
され、こうして多面体の長手方向の側面を形成する。第3面28および第4面31は
、多面体19の中へ押し込まれる一連の隆起した突起部を有する第2のローラによ
って形成される。
【0017】 管がロール型押し、ロール成形およびシーム溶接によって製造される場合、完
成した管10には、次のような部分のうちのいずれかが溶接の線に沿って生じやす
い。すなわち、製造工程の性質上、管10の円周上の他の部分には存在する強化物
の形状が欠けている部分、あるいは異なる強化物の形状を有する部分のいずれか
である。このような異なる形状の部分は、管10の熱的性能もしくは液体の流れの
性能に対して、重大な悪影響を及ぼすことはない。
【0018】 図4を参照すると、hは熱伝達係数を表わし、IEは内部強化物を有する配管を
表わし、「平滑」は平らな配管を表わす。図4の曲線は、管を流れる冷媒R-22の質
量流量のある範囲にわたって、平滑な内面を有する管と比較した3つの異なる内
部強化管の相対凝縮性能(h(IE)/h(平滑))を示す。管Aは本発明の一実施例であ
り、S/H比は0.264mm、β角度は15度であり、管の長手軸に実質的に平行して配置
された複数列の多面体を有している。管Bは米国特許第4,658,892号に開示する
管と同じ螺旋状の内部リブを有する従来技術の管を示す。管Cは本発明の他の実
施例であり、S/H比は0.506mm、β角度は15度であり、管の長手軸に実質的に平行
して配置された複数列の多面体を有している。
【0019】 図4のグラフは広い流量範囲にわたって、管Aが管Bよりも性能が優れており
、他方、管Cは管Bとおおむね同等に機能することを示している。管Aは管Bと
同じ重量になるように設計されており、管Cは管Bよりも軽い重量になるように
設計されている。したがって、本発明は同じ重量のときは、よりすぐれた性能を
与え、重量が減ったときは同等の性能を与えるため、末端利用者にかかる費用を
削減する。
【0020】 図5を参照すると、曲線は、管を流れる冷媒R-22の質量流量のある範囲にわた
る上述の管A、BおよびCの圧力降下に関する相対性能を示す。図5のグラフは
、すべて管Bと比較しているが、管Aは圧力降下の増加が比較的少く、他方、管
Cは冷媒R-22の流量の広い範囲にわたって圧力降下がかなり減少していることを
示している。
【0021】 したがって、本発明の管は末端利用者に対して、彼らの製造工程を著しく複雑
化することなしに、優れた性能を提供する。
【0022】 本発明を、いくつかの好ましい実施例に関して説明したが、本発明の範囲を上
述の特定の態様に限定することは意図しておらず、反対に、添付の請求項に規定
する本発明の趣旨および範囲に包含可能な代替物、変更物および等価物を含むこ
とを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の熱交換器用管の立面図であって、管の一部を切り欠いて示す。
【図2】 本発明の熱交換器用管の壁部分の斜視図である。
【図3】 本発明の熱交換器用管の壁の図1の線3-3を通る断面図である。
【図4】 本発明の管を凝縮に用いたときの、従来技術の管と比較した相対性能を示すグ
ラフである。
【図5】 圧力降下に関して従来技術の管と比較した本発明の管の相対性能を示すグラフ
である。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年10月25日(2000.10.25)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ,BA, BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU,C Z,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,GE ,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS, JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,L R,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN ,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU, SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,T R,TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 タン、 リャンユー アメリカ合衆国 テネシー 37048、 コ ットンタウン、 ビッグス ロード 123

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内径を定める内面および長手軸を有する管状部材と、 該内面上に形成された複数の多面体とを含み、該多面体のそれぞれは4つの対
    向する面と1つの高さとを有し、該多面体は、互いに対向する第1面および第2
    面を有し、該多面体は第3面および第4面を有し、該第3面および第4面は、互
    いに対向し、かつ互いに相手に対して傾斜しており、さらに前記長手軸に対して
    斜めの角度で配置されていることを特徴とする熱交換器用管。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の熱交換器用管において、前記多面体は多面
    体の軸に沿って配置され、該多面体の軸は、前記管状部材の長手軸から0度ない
    し40度の間の角度で配置されることを特徴とする熱交換器用管。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の熱交換器用管において、前記第3面および
    第4面が前記長手軸と交差する角度は5度ないし40度の間であることを特徴とす
    る熱交換器用管。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の熱交換器用管において、前記内面のうち前
    記第3面および第4面に隣接する部分は、該内面の他の部分よりも低く窪んでい
    ることを特徴とする熱交換器用管。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の熱交換器用管において、前記窪み部分は、
    前記内面よりも上に0.001インチないし該内面よりも下に0.001インチまでの範囲
    にあることを特徴とする熱交換器用管。
  6. 【請求項6】 請求項1に記載の熱交換器用管において、隣接する多面体は
    、断面積(S)を有する空間を画成することを特徴とする熱交換器用管。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載の熱交換器用管において、前記多面体の高さ
    に対する前記断面積(S)の比は0.1mmないし0.6mmの間であることを特徴とする熱
    交換器用管。
  8. 【請求項8】 請求項1に記載の熱交換器用管において、多面体の隣接する
    列の間の間隔は、約0.011ないし0.037インチであることを特徴とする熱交換器用
    管。
  9. 【請求項9】 請求項8に記載の熱交換器用管において、平方インチ当たり
    2,000個ないし10,000個の多面体があることを特徴とする熱交換器用管。
  10. 【請求項10】 請求項1に記載の熱交換器用管において、平方インチ当た
    り約2,400個ないし4,400個の多面体があることを特徴とする熱交換器用管。
  11. 【請求項11】 請求項1に記載の熱交換器用管において、多面体の隣接す
    る第3面と第4面との間の頂角は20度ないし50度であることを特徴とする熱交換
    器用管。
  12. 【請求項12】 請求項1に記載の熱交換器用管において、隣接する第1面
    と第2面との間の角度は10度ないし50度であることを特徴とする熱交換器用管。
  13. 【請求項13】 内径を定める内面および長手軸を有する管状部材と、 該内面上に形成された複数の多面体とを含み、該多面体のそれぞれは4つの対
    向する面と1つの高さとを有し、該多面体は、互いに対向する第1面および第2
    面を有し、該多面体は第3面および第4面を有し、該第3面および第4面は、互
    いに対向し、かつ互いに相手に対して傾斜しており、さらに前記長手軸に対して
    斜めの角度で配置されており、前記多面体は、隣接する多面体間に、断面積(S)
    を有する空間を画成し、前記高さに対する該断面積(S)の比は0.1mmないし0.6mm
    であることを特徴とする熱交換器用管。
  14. 【請求項14】 請求項13に記載の熱交換器用管において、前記多面体は多
    面体の軸に沿って配置され、該多面体の軸は、前記管状部材の長手軸から0度な
    いし40度の間の角度で配置されることを特徴とする熱交換器用管。
  15. 【請求項15】 請求項13に記載の熱交換器用管において、前記第3面およ
    び第4面が前記長手軸と交差する角度は5度ないし40度の間であることを特徴と
    する熱交換器用管。
  16. 【請求項16】 請求項13に記載の熱交換器用管において、前記内面のうち
    前記第3面および第4面に隣接する部分は、該内面の他の部分よりも低く窪んで
    いることを特徴とする熱交換器用管。
  17. 【請求項17】 請求項16に記載の熱交換器用管において、前記窪み部分は
    、前記内面よりも上に0.001インチないし該内面よりも下に0.001インチまでの範
    囲にあることを特徴とする熱交換器用管。
  18. 【請求項18】 請求項13に記載の熱交換器用管において、多面体の隣接す
    る列の間の間隔は、約0.011ないし0.037インチであることを特徴とする熱交換器
    用管。
  19. 【請求項19】 請求項13に記載の熱交換器用管において、平方インチ当た
    り2,000個ないし10,000個の多面体があることを特徴とする熱交換器用管。
  20. 【請求項20】 請求項13に記載の熱交換器用管において、平方インチ当た
    り約2,400個ないし4,400個の多面体があることを特徴とする熱交換器用管。
  21. 【請求項21】 請求項13に記載の熱交換器用管において、多面体の隣接す
    る第3面と第4面との間の頂角は20度ないし50度であることを特徴とする熱交換
    器用管。
  22. 【請求項22】 請求項13に記載の熱交換器用管において、隣接する第1面
    と第2面との間の角度は10度ないし50度であることを特徴とする熱交換器用管。
  23. 【請求項23】 内径を定める内面および長手軸を有する管状部材と、 該内面上に形成された複数の多面体とを含み、該多面体のそれぞれは4つの対
    向する面と1つの高さとを有し、該多面体は、前記長手軸に対して実質的に平行
    して延びる列上に配置され、該多面体は第1面および第2面を有し、該第1面お
    よび第2面は互いに対向しかつ前記長手軸に対して実質的に平行に延び、該多面
    体は第3面および第4面を有し、該第3面および第4面は、互いに対向し、かつ
    互いに相手に対して傾斜しており、さらに前記長手軸に対して斜めの角度で配置
    されており、前記多面体は多面体の軸に沿って配置され、該多面体の軸は、前記
    管状部材の長手軸から0度ないし40度の間の角度で配置され、前記第3面および
    第4面が前記長手軸と交差する角度は5度ないし40度の間であり、前記多面体は
    、隣接する多面体間に、断面積を有する空間を画成し、前記高さに対する該断面
    積の比は0.1mmないし0.6mmであり、前記多面体は、配管の平方インチ当たり2,00
    0個ないし10,000個が配置されていることを特徴とする熱交換器用管。
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