JP2003515085A - 熱交換のための改良されたチューブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は熱交換器に有用なチューブに関する。本発明の改良された二重半径の断面の輪郭は、２対の円（１００ａ，ｂおよび２００ａ，ｂ）で形成され、各対の円は同じ半径を有するが、２つの対は異なる半径を有する。したがって、本発明の二重半径チューブの楕円形でない輪郭は、所定値の等しくない２対の半径で二重半径チューブを形成する、２対の向かい合う交差する弧（１０１，１０２および２０１，２０２）によって規定される。１対の半径内で各半径が等しいために、１対の側部内の対向する側部の各々は、実質的に対称であるが、側部の各対が円の弧であるために側部は平坦でない。したがって、改良されたチューブの全体の二重半径の断面の輪郭は、楕円、円、矩形、長円のいずれでもない。二重半径の輪郭は、チューブ内部で流体の乱流を形成し、熱伝達を促進することを目的とする。チューブはまた、所定の数のツイストに捩ってよく、それはチューブの内部および外部で更なる乱流を流体中にもたらし、熱伝達を更に促進する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明は、熱伝達に有用なチューブであって、楕円形でない、二重半径（また
は２つの半径もしくは複半径；ｄｕａｌ ｒａｄｉｕｓ）の断面輪郭（もしくは
断面形状）を有する改良されたチューブに関する。

【０００２】 （背景技術） 捩られたチューブ（もしくは管）および捩られていないチューブはともに、熱
交換器において適用され、その場合、通常液体である第１のキャリア媒体がチュ
ーブの内部を通過すると同時に、通常空気またはガスである第２のキャリア媒体
がチューブの外面を横切り、かつチューブの外側と接触するように流れ、その結
果、熱が一方のキャリア媒体から他方の媒体へ伝達される。

【０００３】 現在の技術において、熱交換器で使用するチューブは、円形から卵形（オーバ
ル）から長円形まで、様々な形状を有するが、従来の技術において二重半径（ま
たは２つのの半径；ｄｕａｌ ｒａｄｉｕｓ）の配置は教示されていない。例え
ば、従来技術には、マンソン（Ｍａｎｓｓｏｎ）の米国特許第９,４８１号が含
まれ、当該特許は、捩られた形態にある、平らにされた長円形のチューブの輪郭
を教示し、その形態においては、平らにされた非円形のチューブが、チューブの
中心線の周囲で螺旋状に延在している２以上の隆線（またはリッジ（ｒｉｄｇｅ
））を有している。マクリーン（ＭａｃＬｅａｎ）の米国特許第４,４６６,４７
９号は、直立したダイヤモンド形状のチューブを教示している。ロイド（Ｌｌｏ
ｙｄ）の米国特許第５、０３１，６９４号は、複数のフィンを備えた前縁および
後縁を有する、平らにされたチューブ・セクションを教示している。ポーリック
（Ｐａｗｌｉｃｋ）の米国特許第５,５３８,０７９号は、実質的に平坦な側部、
及び丸みを有するより短い側部を有する長円形状のチューブを教示している。ト
ガシ（Ｔｏｇａｓｈｉ）の米国特許第４,２０６,８０６号は、接合面を形成する
ために平坦にされた卵形のパイプを教示している。

【０００４】 熱伝達の技術分野の当業者によく知られているように、円形のチューブは、他
の形状のチューブよりも、より大きな圧力の流体を含み得る。即ち、長円形およ
び矩形のチューブは、円形または楕円形のチューブと比較したときに、限られた
圧力封じ込め（または収納もしくは包含）能力を有する。尤も、円形のチューブ
は、熱伝達特性に関して、捩られた又は非円形状のチューブほど効率的ではない
。

【０００５】 キャリア媒体のための所定の流れ断面内で、熱伝達のためにより大きな接触面
積が得られることから、楕円形のチューブは円形のチューブよりも好ましいが、
真楕円（ｔｒｕｅ ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ）のチューブは製造するのが困難であ
る。

【０００６】 長円形のチューブは比較的容易に製造されるが、加圧下で変形し、また応力を
受ける傾向にある。

【０００７】 したがって、本発明の目的は、熱交換器で使用されるチューブに関して、改良
されたチューブの輪郭（または形状）を提供し、誘発される流体媒体の乱流を増
大させ、それにより熱伝達特性を向上させることである。

【０００８】 更なる目的は、捩られた（もしくは捩れた）長円形もしくは捩られた矩形のチ
ューブよりも、より高い圧力を含むことができる、増大した熱伝達特性を有する
、改良された捩られた（またはツイストされた若しくは捩れた）チューブを提供
することである。

【０００９】 したがって、熱交換器で使用されるチューブの改良されたチューブの輪郭を説
明する。

【００１０】 本発明の本質と目的をさらに理解するために、添付した図面とともに以下の詳
細な説明を参照すべきである。図面において、類似する要素には、同一または類
似の参照番号が付与される。

【００１１】 （一般的な説明および発明を実施するための好ましい形態） 本発明は、概して、熱交換器で使用されるようなチューブの改良に関し、特に
、そのようなチューブの二重半径断面の輪郭に関する。

【００１２】 熱交換器において、ガスまたは液体であり得る、１つの流体は、少なくとも１
つの熱交換チューブの内部を通過して流れ、同時に、ガスまたは液体であり得る
他の流体は、熱交換チューブの外面の周囲で流れる。熱伝達の技術分野において
は、液体中の乱流が熱伝達の効率を向上させることがよく知られている。

【００１３】 ここで、現行の捩られるチューブの輪郭の一例である図１ａを参照すると、熱
交換器で使用するのに適した捩られた（または捩れた）チューブを製造する現行
の技術において、大抵のプロセスは、長円形の断面輪郭５０を有するチューブ、
即ち、１対の対向する丸い側部５１および１対の対向する実質的に平坦な側部５
２を有する輪郭を有するチューブを形成する。熱伝達の技術分野の当業者によく
知られているように、長円形の形態（またはジオメトリー）を有するチューブ５
０は、長円形でない輪郭と比較して、圧力封じ込めにおいて制限される。

【００１４】 ここで、楕円形のチューブの輪郭である図１ｂを参照すると、熱伝達の技術分
野の当業者によく知られているように、曲率半径が小さいほど、チューブの圧力
封じ込め能力はより高くなる。したがって、チューブが楕円または卵形を描くよ
うに１対の焦点６６および６７が存在する場合、真楕円の輪郭６０は好ましい輪
郭である。しかしながら、真楕円の輪郭６０を有するチューブ１０の製造は、現
行の技術においては困難である。それは、一定の均一に変化する半径を有する、
一定の断面輪郭を維持することが極めて困難であることによる。これは、捩られ
たチューブについても特にあてはまる。

【００１５】 したがって、現行の技術において、捩られたチューブは、典型的には図１ａに
示すような長円形の輪郭で形成される。それは、そのような輪郭は、内部の流れ
面積（または流れ領域；ｆｌｏｗ ａｒｅａ）および圧力封じ込め能力を最大限
にするものではないが、最も容易に製造されることによる。

【００１６】 ここで、本発明の改良された輪郭の断面である図２を参照すると、本発明の二
重半径断面のチューブ１０は、楕円形の輪郭のチューブよりも、より容易に製造
される。チューブ１０は、２対の湾曲した（または曲線状の）対称的に向かい合
う側部を有する。側部１０１および１０２は、２つの円１００ａおよび１００ｂ
の弧である。破線で示され、ここでは合わせて円１００と称される２つの円は、
等しいが、向かい合っており、一所に配置されない半径１０３ａおよび１０３ｂ
を有し、それらは、総括的に半径１０３と称される。半径１０３は、等しい、所
定の長さを有する。円１００ａおよび１００ｂの中心１１０ａおよび１１０ｂは
、短軸２０４に沿ってチューブ１０の外側に正反対に配置される。短軸２０４は
、断面の側部１０１および１０２の互いに関して最も幅の広いポイントで終わる
直線によって規定される。チューブ１０を越えて延びる場合、短軸２０４は中心
１１０ａおよび１１０ｂを通過するであろう。

【００１７】 側部２０１および２０２は、２つの他の円２００の弧である。２つの他の円は
、破線で示され、円２００ａおよび円２００ｂとして示される。円２００ａおよ
び円２００ｂは、等しい半径２０３ａおよび２０３ｂを有し、これらの半径は総
括的に半径２０３と称される。円２００ａおよび２００ｂの中心２１０ａおよび
２１０ｂは、長軸１０４に配置される。長軸１０４は、チューブ１０内に位置す
る線であって、中心２１０ａおよび２１０ｂを通過し、側部２０１および２０２
に関して断面の輪郭の最も広いポイントに至る線によって規定される。

【００１８】 長軸１０４は、短軸２０４に実質的に垂直である。しかしながら、長軸１０４
の寸法は、短軸２０４の寸法と等しくなく、短軸２０４の寸法に対する長軸１０
４の寸法の比は、０よりも大きい。好ましい態様において、この比は０よりも大
きく、好ましい範囲は１．１〜４．０、または［（１．１）＜（長軸１０４／短
軸２０４）＜４．０］である。

【００１９】 さらに、側部１０１および側部１０２は、それぞれが平坦化されておらず、む
しろそれぞれが異なる円、即ち、中心が一所に配置されていない円１００ａおよ
び１００ｂの湾曲した弧であるために、向かい合ってはいるが、平行ではない。
これらの特徴はまた、側部２０１および２０２についてもあてはまる。

【００２０】 ここで、チューブ１０の４分の１（または１つの象限）内の流れ面積のグラフ
図である図３を参照すると、ライン１５０は、１つの象限において真楕円の輪郭
を有する理論的なチューブ１０の外周を描く。ライン１５１は半径２０３ｂを有
する円２００ｂの外周を描く。ライン１５２は半径１０３ａを有する円１００ａ
の外周を描く。ライン１５３は本発明の二重半径断面の輪郭を有するチューブ１
０の外周を描く。

【００２１】 上記において注記したように、半径１０３は、寸法において半径２０３と等し
くない。更に、半径１０３が側部１０１によって規定される弧をたどると、半径
１０３は、長軸１０４に沿った半径２０３の中心２１０ａで、即ち、その側部２
０１が弧である円２００ａの中心で、半径２０３と交差する。チューブ１０の外
周上の側部１０１および２０１の交差点２０にて、半径１０３は半径２０３に変
移（または移行）する。したがって、側部１０１と側部２０１の交差点、側部１
０１と側部２０２の交差点、側部１０２と側部２０１の交差点、側部１０２と側
部２０２の交差点は、半径１０３と半径２０３の交差によって規定され、その結
果、チューブ１０の外周および内周が、卵形、円または矩形のいずれをも形成せ
ず、代わりに本発明の独特な二重半径の輪郭を形成する。

【００２２】 熱伝達の技術分野においてよく知られているように、チューブの内壁での流速
は、チューブの中央での流速よりも小さい。したがって、別のチューブの内側に
配置された所定のチューブに関しては、多くの熱交換器についてそうであるよう
に、チューブの断面の輪郭の増加は、熱交換器内でチューブの外側の流れ面積の
減少をもたらし、その結果、熱伝達に使用される、チューブの外側を流れる第２
の媒体の流速に関して良好な結果を与える。図３から理解され得るように、本発
明の二重半径断面の輪郭の１つの利点は、本発明の輪郭内で全断面の流れ面積が
真楕円の全断面の流れ面積１６０と比較して、追加の流れ面積１５４だけ増加す
ることである。さらに、チューブ１０の外側の流れ面積が減少する。

【００２３】 ここで、捩られた形態のチューブ１０の輪郭の側方斜視図である図４を参照す
ると、別の好ましい態様において、その断面の輪郭が図２に示されているチュー
ブ１０は、捩られて、チューブ１０の内部および周囲での乱流（または乱れ）を
更に高める。一般に、チューブ１０の縦軸１２０の所定長さ（この長さは寸法に
おいて長軸１０４の長さに等しい）に対する完全な捩れ１０５（またはツイスト
もしくはひねり）の比によって、チューブ１０の縦軸１２０の所定長さあたりの
完全な捩れ１０５の数が規定されるように、１または複数の捩れ１０５をチュー
ブ１０の縦軸１２０に沿って導入することにより、螺旋形状が得られる。この別
の好ましい態様において、縦軸１２０に沿った所定の長さに対する完全な捩れ１
０５の比は、０よりも大きく、好ましい範囲は２．０〜１００．０、または［２
．０＜（捩れ１０５の数／縦軸１２０の長さ）＜１００．０］である。

【００２４】 好ましい態様の作業工程において、チューブ１０は、チューブ製造技術分野の
当業者によく知られているタイプの成形装置に配置されて、図２に示すような本
発明の改良された二重半径断面の輪郭に加工される。別の態様において、チュー
ブ１０はまた、本発明の改良された輪郭に成形されると同時に、図４の螺旋形状
に捩られる。

【００２５】 本発明の輪郭に成形された後、１または複数のチューブ１０が熱交換器内に配
置されて、熱交換束（ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｕｎｄｌｅ）（この用語
は熱交換の技術分野においてよく知られている）を形成する。流体は、チューブ
１０の内部および外部を通過させられる。流体が一般に加圧下でチューブ１０の
内部を通過すると、乱流は、１対の対向する側部１０１および１０２ならびに１
対の対向する側部２０１および２０２により形成される、内部の不連続性によっ
て増大させられる。当業者によく知られているように、より大きな乱流はより大
きな熱伝達性をもたらす。

【００２６】 上記において注記したように、捩られた態様において、チューブ１０は、熱交
換器内に挿入する前に、本発明の教示に従って、所定の数の捩れ１０５を有する
実質的に螺旋である形状に捩られる。チューブ１０の内部および外部での流体の
乱流は、内部および外部の不連続性と同様に、捩れによっても増大させられる。
増大した乱流は、流体および熱交換器全体の熱伝達を増大させる。

【００２７】 先の説明から、熱交換用の改良されたチューブが提供されることが理解される
であろう。

【００２８】 例示のためにここで詳細に説明した熱交換用の改良されたチューブの態様は、
当然のことながら、構造、デザイン、用途、および方法論について、多くの種々
の変更に付されることが注記される。多くの種々の異なる態様を、ここで教示し
た発明概念の範囲内で作製してよく、法の記述要件に従って、ここで詳細に説明
した態様において、多くの改変がなされ得るために、ここでの詳細な記述は、例
示的なものとして解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されないことが理
解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】 図１ａは、丸みを有する１対の側部および実質的に平坦な１対
の側部を有する、現行の捩られたチューブの輪郭の一例の断面図である。

【図１ｂ】 図１ｂは、真楕円の輪郭の一例の断面図である。

【図２】 図２は、本発明の改良されたチューブの輪郭の一例を強調した断
面図である。

【図３】 図３は、円および楕円の典型的な重複を示す、グラフ図である。

【図４】 図４は、部分的に断面を示した、捩られた形態の本発明の改良さ
れた輪郭の斜視図である。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換器で使用するのに適した改良されたチューブであって
   ： 所定寸法の第１の半径を有する第１の仮想の円の弧である、第１の湾曲した側
   部； 前記第１の半径の寸法に等しい所定寸法の第２の半径を有する第２の仮想の円
   の弧である、第２の湾曲した側部； 所定寸法の第３の半径を有する第３の仮想の円の弧である、第３の湾曲した側
   部；および 前記第３の半径の寸法に等しい所定寸法の第４の半径を有する第４の仮想の円
   の弧である、第４の湾曲した側部 を含む断面輪郭であって、 前記第１の円は、当該チューブの外側に配置された仮想の第１中心を有し、 前記第２の円は、前記第１の湾曲した側部と対向する当該チューブの側にて、
   当該チューブの外側に配置された仮想の第２中心を有し、 前記第３の半径は、前記第１の半径よりも小さく、前記第３の円は、当該チュ
   ーブ内部に配置された仮想の第３中心を有し、 前記第４の円は、当該チューブ内にて前記第３中心から離れて配置された、仮
   想の第４中心を有し、 前記第１の湾曲した側部は、前記第３および第４の湾曲した側部と交差し、前
   記第２の湾曲した側部は、前記第３および第４の湾曲した側部と交差する 改良された断面輪郭を有するチューブ。
2. 【請求項２】 前記チューブ内部の短軸が、第１ポイントと第２ポイントと
   の間の仮想の直線によって規定され、 長軸が第３ポイントと第４ポイントとの間の仮想の直線によって規定され、 第１ポイントは、第２ポイントの真向かいの前記第１の湾曲した側部に位置し
   、第２ポイントは、前記第１の湾曲した側部と前記第２の湾曲した側部との間の
   最も間隔の広いところで前記第２の湾曲した側部に位置し、 第３ポイントは、第４ポイントの真向かいの前記第３の湾曲した側部に位置し
   、第４ポイントは、前記第３の湾曲した側部と前記第４の湾曲した側部との間の
   最も間隔の広いところで第４の湾曲した側部に位置し、 前記長軸は前記短軸に実質的に垂直であり、 前記第１の中心および前記第２の中心は、前記短軸に沿って、前記第１の中心
   および前記第２の中心と交わる直線が前記短軸と同一線上にあるように、一直線
   上に配置され、 前記長軸は前記第３の中心および前記第４の中心と交わり、 前記第１の半径は、前記第１の半径が前記第３の中心と交差するポイントにて
   、前記第３の半径に変移し、 前記第３の半径は、前記第２の半径が前記第３の中心と交差するポイントにて
   、前記第２の半径に変移し、 前記第２の半径は、前記第２の半径が前記第４の中心と交差するポイントにて
   、前記第４の半径に変移し、 前記第４の半径は、前記第１の半径が前記第４の中心と交差するポイントにて
   、前記第１の半径に変移し、 前記チューブが楕円とならないように、少なくとも１対の焦点が前記チューブ
   内に存在する 請求項１に記載の改良されたチューブ。
3. 【請求項３】 前記チューブが実質的に螺旋形状に捩られている、請求項１
   に記載の改良されたチューブ。
4. 【請求項４】 前記捩られたチューブが、前記チューブの縦軸の単位長さに
   つき所定数の捩れを有する、請求項３に記載の改良されたチューブ。
5. 【請求項５】 前記短軸の長さに対する前記長軸の長さの比が０よりも大き
   い、請求項２に記載の改良されたチューブ。
6. 【請求項６】 前記短軸の長さに対する前記長軸の長さの比が１．１よりも
   大きい、請求項２に記載の改良されたチューブ。
7. 【請求項７】 前記短軸の長さに対する前記長軸の長さの比が４．０よりも
   小さい、請求項２に記載の改良されたチューブ。
8. 【請求項８】 前記チューブが前記チューブの縦軸の周囲で実質的に螺旋形
   状に捩られている、請求項２に記載の改良されたチューブ。
9. 【請求項９】 前記捩られたチューブが前記縦軸に沿って前記チューブの単
   位長さにつき所定数の完全な捩れを有し、前記チューブの前記単位長さは、その
   寸法が前記長軸の長さに等しい、請求項８に記載の改良されたチューブ。
10. 【請求項１０】 前記単位長さに対する前記完全な捩れの比が０よりも大き
    い請求項９に記載の改良されたチューブ。
11. 【請求項１１】 前記単位長さに対する前記完全な捩れの比が２．０よりも
    大きい請求項１０に記載の改良されたチューブ。
12. 【請求項１２】 前記単位長さに対する前記完全な捩れの比が１００．０よ
    りも小さい請求項１１に記載の改良されたチューブ。