JP2006507470A - 多面体配列熱伝達管 - Google Patents

Abstract

長手軸を有しおよび周囲方向に沿って少なくとも２つの領域に分割される内側表面を有する管状の部材を備える熱交換器の管。第１の複数の多面体が、内側表面に少なくとも１つの多面体軸に沿って形成される。第２の複数の多面体が、内側表面に第１の複数の多面体に隣接して形成される。各多面体は、４つの対向する側面を有する。多面体は、多面体軸に平行に配置される第１および第２の面を有し、および多面体軸に対して斜めに配置される第３および第４の面を有する。第１の複数の多面体の多面体軸は、管の長手軸に対して第１のらせん角で配置される。第２の複数の多面体の多面体軸は、管の長手軸に対して第２のらせん角で配置される。第２のらせん角の方位は、第１のらせん角の方位と反対である。

Description

本発明は、熱交換器で用いられる管に関し、より詳細には、本発明は、管の熱伝達性能を促進することができる内面を有する熱交換器の管に関する。

発明の背景

表面促進を有する管の熱伝達性能は、平らな壁のある管よりも優れていることが、当業者には知られている。表面促進は、管の内面および外面の両方に対して施されており、リブ、フィン、コーティング、およびインサートなどである。すべての促進デザインにおいて、管の熱伝達表面積を増加させることが試みられている。また多くのデザインにおいて、管を通ってまたは管を越えて流れる流体中の乱流を助長することで、流体混合を促進しおよび管表面での境界層を壊すことが試みられている。

空調および冷蔵、ならびにエンジン冷却用熱交換器は、大部分がプレートフィンおよび管型である。このような熱交換器では、管の外側に取り付けたプレートフィンを用いて、管が外側で促進されている。また熱交換器の管は多くの場合、管の内面に変更を加える形で内部の熱伝達が促進されている。

典型的なプレートフィンおよび管の空調および冷蔵用熱交換器では、配管の全長のかなりの部分において、冷却剤が液体および蒸気の両方の状態で存在している。ある流量より下では、密度の違いのために、液体の冷却剤は管の底部に沿って流れ、蒸気の冷却剤は頂部に沿って流れる。２つの状態にある流体間の混合が改善されれば、管の熱伝達性能が改善される。これはたとえば、凝縮を利用する場合に管の上部領域からの液体の排出を促進することによって、または蒸発を利用する場合に毛管作用により管の壁を液体が上方に流れることを助長することによって、行なわれる。

また熱交換器の製造コストを下げるために、性能を維持しながら熱伝達管の重量を下げることも望ましい。

管の内部促進によって、熱交換器の熱伝達係数が増加する。熱交換器が当初のサイズおよび体積のままであるならば、または性能を維持しながら熱交換器のサイズを小さくする可能性が作られるならば、この係数の増加によって熱交換量が増加する。

したがって必要とされているのは、凝縮および／または蒸発の利用における性能が優れているとともに、実用的で経済的な特徴をエンドユーザに提供する熱伝達管である。

発明の概要

本発明は、長手軸を有しおよび周囲方向に沿って少なくとも２つの領域に分割される内側表面を有する管状の部材を備える熱交換器の管を提供することによって、前述の要求を満足する。第１の複数の多面体が、内側表面に少なくとも１つの多面体軸に沿って形成される。各多面体は、表面から突き出た４つの側面を有する。多面体は、多面体軸に平行に配置される第１および第２の面を有し、および多面体軸に対して斜めに配置される第３および第４の面を有する。多面体軸は、管の長手軸に対して第１の角で配置される。第２の複数の多面体が、内側表面に第１の複数の多面体に隣接して形成される。第２の複数の多面体は、少なくとも１つの多面体軸に沿って配置される。各多面体は、表面から突き出た４つの側面を有する。多面体は、多面体軸に平行に配置される第１および第２の面を有し、および多面体軸に対して斜めに配置される第３および第４の面を有する。多面体軸は、管の長手軸に対して第２の角で配置される。第２の角の方位は、第１の角の方位と反対である。典型的である円形管の場合には、等しいサイズの４つの領域が存在していても良い。しかし後述するように、領域は異なるサイズを有していても良く、また合計が４つを超える複数の領域が存在していても良い。

本発明を図面に示す。図面では、図の全体にわたって、同様の参照符号は、同じまたは同様の部品を示す。

詳細な説明

本明細書の全体を通して、用語「多面体」を用いる。多面体は、実質的に平坦な面によって構成される立体として定義される。

本発明の管は好ましくは、銅、銅合金、もしくは他の金属、または非金属材料から形成される。管は、断面が円形であっても良いし、楕円形であっても良いし、または扁平でさえあっても良い。管は、外径、内径、および相応する肉厚を有する円筒形であっても良い。管の内面は、本発明の内面促進により形成される。

本発明の熱交換器の管は、材料のストリップの一方の表面への促進パターンのロールエンボス加工を、ストリップをロール成形しシーム溶接して管にする前に行なうことによって、形成しても良い。

図１では、管10の一部分11を平坦にして、表面促進13とともに示している。複数の多面体19が、壁16から外に延びている。多面体19は複数の列20にして配置され、各列は軸22に沿って配置されている。列20は、管10の長手軸50に対して角100(図２)を有する。これについては、後で詳述する。

第１の平坦面25および第２の平坦面28が、軸22に平行に配置されている。第３の平坦面31および第４の平坦面34が、軸22に対して斜めの角度で配置されている。多面体19は壁16に、隣接する列の中心線間の距離ｄで配置されている。距離ｄは、0.011インチ〜0.037インチの範囲とすることができる。面31および34は、５〜50度の間にある頂角I₁を形成する。面31および34は、管10の内壁16に向かって下方に延びている。面31および34は、多面体19の高さの20パーセントから100パーセントまで伸びていても良い。多面体19の長さはｌである。長さｌは、0.005〜0.025インチであっても良い。第３および第４の面31および34は、多面体19の列の軸22に対して角75を形成している。多面体は高さＨを有し、また最大幅ｗを有している。幅ｗは、0.004〜0.01インチの範囲である。多面体19では、面25と28との間で角度I₂をなしている。角I₂は、５〜50度の範囲である。配管のすべてのサイズに対して、360度円弧あたりの多面体の数は、上で定義したピッチすなわちｄによって決まる。表面促進13によって通常は、平方インチあたり500〜10000個の多面体が設けられる。

本発明においては、外径に対する多面体の高さの比は、0.005〜0.05の範囲である。

図２を参照すると、部分11および隣接する部分44が、平坦に配置され、管10の長手軸50と関連する１つの配置で示されている。部分11では、多面体19の軸22が、管10の軸50に対して角100で配置されている。角100は、５度と40度との間であっても良い。一実施形態においては、角100は約15度である。

部分44は、部分11に隣接して配置されている。多面体19は、前述と同じ仕方で構成されている。部分11と部分44との間の違いは、管10の軸50に対する多面体19の列の軸46の方位である。図示した実施形態においては、軸46は、５度と40度との間の角200で配置されている。軸46は通常は、角100に等しくかつ反対の角度で配置されている。一実施形態においては、角200は15度である。隣接する部分11および44は、対称的な角100および200を有していても良いが、非対称な角も好適である。また図２では、ほぼ等しいサイズを有する部分11および44が示されている。部分11および44の面積は、必ずしも等しくなくても良い。典型的である円形管の場合、通常は、等しいサイズの４つの部分が存在する。

部分11の面31および34は、軸50に対して角300を形成する軸150に沿って配置されている。部分44の面31および34は、軸50に対して角400を形成する軸250に沿って配置されている。角300および400は、10度未満であり、等しい。角300および400は０度（軸方向）であっても良いことが分かっている。また角300および400は、７度とすることができる。この配置によって、管10の圧力降下が低減される。

促進13を管壁16の内側へ形成することは、好適であればどんなプロセスによって行なっても良い。自動化された高速プロセスを用いてシーム溶接金属配管を製造する場合には、効果的な方法は、金属ストリップの一方の表面上へのロールエンボス加工を、そのストリップをロール成形して円形の断面にしシーム溶接して管10にする前に行なうことによって、促進パターン13を施すことである。これは、金属ストリップをロール形成しシーム溶接して配管にする生産ラインにおいて、２つのロールエンボス加工ステーションを順に配置することによって行なっても良い。ステーションは、未加工の金属ストリップの供給源と、ストリップが管状にロール成形される生産ライン部分との間に配置される。各エンボス加工ステーションは、それぞれパターン促進ローラを有し、またバッキングローラを有している。各ステーションにおけるバッキングおよびパターンローラを好適な手段(図示せず)によって十分な力で同時に押圧して、一方のローラ上のパターン面を、ストリップの一方の側の表面に押し付け、こうして多面体の長手方向の側面が形成される。第３および第４の面31および34は、多面体19内へと圧入する一続きの隆起突出部を有する第２のローラによって形成される。

管の製造をロールエンボス加工、ロール成形、およびシーム溶接によって行なう場合には、完成した管10の溶接線に沿って存在する領域は、製造プロセスの性質に起因して周囲の管10の残りの部分には存在する促進構成が欠如しているか、またはこの領域は促進構成が異なっている可能性がある。この構成が異なる領域は、管10の熱または流体流れ性能に対して、それほどの悪影響はない。

図３を参照すると、ｈは熱伝達係数を表し、IEは内部促進を有する配管を表し、および「平滑」は平らな配管を表す。図３の曲線は、平滑な内側表面を有する管と比較した内部促進された３つの異なる管の相対的な凝縮性能（h(IE)/h（平滑））を、管を通る冷却剤R-22の質量流量のある範囲にわたって示している。管Ａは、本発明の一実施形態である。管Ｂは、一般にクロスハッチ促進と言われる内側表面の促進を有する従来技術の管を表す。管Ｃは、一般にヘリングボーン促進と言われる別の従来技術の管である。図３のグラフでは、本発明の凝縮熱伝達性能が、クロスハッチ促進の性能をはるかに超えており、またヘリングボーン促進よりもわずかに良いことが示されている。すなわち本発明によって、等しい重量においてより良好な性能が得られ、またより低い重量において等しい性能が得られる。したがってエンドユーザに対するコストが下がる。

図４を参照すると、曲線は、前述の管Ａ、Ｂ、およびＣの圧力降下に関する相対的な性能を、管を通る冷却剤R-22の質量流量のある範囲にわたって示している。図４のグラフは、ほとんどの流量範囲において、本発明の凝縮圧力降下がヘリングボーン促進の圧力降下よりも、20%を超えて低いことを示している。

本発明の多面体の配列においては、表面上を流れる流体流れを互いに衝突させることによって、さらなる乱流が形成される。流れが蒸気−液体の２相の場合には、流れによって十分な乱流が生成されるために蒸気および液体の界面の引裂きが非常に強くなる。その結果、ほとんど完全な蒸気−液体混合が得られる。本発明の管10は、蒸気−液体界面の強力な混合が必要な凝縮熱伝達において非常に良好に機能する。

本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を、説明した特定の形態に限定することは意図されていない。それどころか、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲に含まれ得るような代替案、変更、および均等物を網羅することが意図されている。

図１は、熱交換器の壁の個々の部分を示す詳細図である。 図２は、平坦に配置され図１に示した個々の部分を含む本発明の熱交換器の管の壁の隣接する２つの部分を示す斜視図である。 図３は、凝縮を利用する管を用いたときの熱伝達に関して従来技術の管と比較した本発明の管の相対的な性能を示すグラフである。 図４は、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的な性能を示すグラフである。

Claims (23)

1. 長手軸と、周囲方向に沿って少なくとも２つの領域に分割される内側表面とを有する管状部材と、
   少なくとも１つの多面体軸に沿って該内側表面に形成される第１の複数の多面体であって、該各多面体は４つの対向する側面を有し、該多面体は、該多面体軸に平行に配置される第１および第２の面を有しおよび該多面体軸に対して斜めに配置される第３および第４の面を有し、該多面体軸は管の長手軸に対して第１のらせん角で配置される第１の複数の多面体と、
   第１の複数の多面体に隣接しておよび少なくとも１つの多面体軸に沿って前記内側表面に形成される第２の複数の多面体であって、該各多面体は４つの対向する側面を有し、該多面体は、該多面体軸に平行に配置される第１および第２の面を有しおよび該多面体軸に対して斜めの軸に沿って配置される第３および第４の面を有し、該多面体軸は該管の長手軸に対して第２のらせん角で配置され、第２のらせん角の方位は第１のらせん角の方位と反対である第２の複数の多面体とを備えることを特徴とする熱交換器の管。
2. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第１のらせん角が５度と40度との間であることを特徴とする熱交換器の管。
3. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第１のらせん角が約15度であることを特徴とする熱交換器の管。
4. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第２のらせん角が５度と40度との間であることを特徴とする熱交換器の管。
5. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第２のらせん角が約15度であることを特徴とする熱交換器の管。
6. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第１および第２のらせん角が等しくかつ反対であることを特徴とする熱交換器の管。
7. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第１および第２のらせん角が非対称であることを特徴とする熱交換器の管。
8. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第３および第４の面の軸と該管の長手軸との間の角が10度未満であることを特徴とする熱交換器の管。
9. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第３および第４の面の軸と該管の長手軸との間の角が約０度であることを特徴とする熱交換器の管。
10. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第３および第４の面の軸と該管の長手軸との間の角が７度未満であることを特徴とする熱交換器の管。
11. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第１の複数の多面体および第２の複数の多面体が、該管の内側表面のほぼ等しい面積の領域を占めることを特徴とする熱交換器の管。
12. 請求項１に記載の熱交換器の管において、第１の複数の多面体および第２の複数の多面体の占める領域は、面積が等しくないことを特徴とする熱交換器の管。
13. 請求項１に記載の熱交換器の管において、外径に対する多面体の高さの比が約0.005〜0.05であることを特徴とする熱交換器の管。
14. 請求項１に記載の熱交換器の管において、少なくとも２つの領域が、４つの領域を含むことを特徴とする熱交換器の管。
15. 請求項１に記載の熱交換器の管において、少なくとも２つの領域が、４つを超える領域を含むことを特徴とする熱交換器の管。
16. 請求項１に記載の熱交換器の管において、平方インチあたり約500〜10000個の多面体が存在することを特徴とする熱交換器の管。
17. 長手軸と、周囲方向に沿って少なくとも２つの領域に分割される内側表面とを有する管状部材と、
    少なくとも１つの多面体軸に沿って該内側表面に形成される第１の複数の多面体であって、該各多面体は４つの対向する側面を有し、多面体は、該多面体軸に平行に配置される第１および第２の面を有しおよび該多面体軸に対して斜めに配置される第３および第４の面を有し、該多面体軸は管の長手軸に対して第１のらせん角で配置され、第１のらせん角は５度と40度との間であり、第３および第４の面の軸と該管の長手軸との間の角は約０度である第１の複数の多面体と、
    第１の複数の多面体に隣接しておよび少なくとも１つの多面体軸に沿って内側表面に形成される第２の複数の多面体であって、該各多面体は４つの対向する側面を有し、該多面体は、前記多面体軸に平行に配置される第１および第２の面を有しおよび該多面体軸に対して斜めの軸に沿って配置される第３および第４の面を有し、該多面体軸は該管の長手軸に対して第２のらせん角で配置され、第２のらせん角は５〜40度であって第２のらせん角の方位は第１のらせん角の方位と反対であり、第３および第４の面の軸と該管の長手軸との間の角度は約０度である第２の複数の多面体とを備えることを特徴とする熱交換器の管。
18. 請求項17に記載の熱交換器の管において、第１の複数の多面体および第２の複数の多面体が、該管の内側表面のほぼ等しい面積の領域を占めることを特徴とする熱交換器の管。
19. 請求項17に記載の熱交換器の管において、第１の複数の多面体および第２の複数の多面体の占める領域は、面積が等しくないことを特徴とする熱交換器の管。
20. 請求項17に記載の熱交換器の管において、外径に対する多面体の高さの比が約0.005〜0.05であることを特徴とする熱交換器の管。
21. 請求項17に記載の熱交換器の管において、少なくとも２つの領域が、４つの領域を含むことを特徴とする熱交換器の管。
22. 請求項17に記載の熱交換器の管において、少なくとも２つの領域が、４つを超える領域を含むことを特徴とする熱交換器の管。
23. 請求項17に記載の熱交換器の管において、平方インチあたり約500〜10000個の多面体が存在することを特徴とする熱交換器の管。

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