JP2014507626A - 熱交換器用熱伝導パイプ - Google Patents

Abstract

本発明は、熱交換器用の熱伝導パイプを供するものであり、熱伝導パイプの内側面には、複数の螺旋状主歯(21、22、23、24、25、26、27)および複数の溝(31、32、33、34、35、36)が交互に配設され、各溝は隣り合う螺旋状主歯間に配置され、少なくとも１本の溝(31、36)には突起群が配設され、突起群は螺旋状主歯の延伸方向に、一連に、かつ断続的に配列され、各突起(41)の半径方向の高さは主歯よりも低く、突起群を有する隣り合った溝と溝の間には突起群(32、33、34、35)を有さない溝が少なくとも1本設けられている。これにより、上記熱伝導パイプは、流体の流れ抵抗の増大をかなり抑制でき、安価な製造コストでパイプを製造できるとともに、熱交換の効率が向上する。

Description

本発明は、熱交換器用の熱伝導パイプに関するものであり、とくに螺旋状溝または螺旋状主歯を備える熱伝導パイプに関する。

背景

熱交換器は、加熱、冷却などを目的とする２つ以上の流体間のエネルギー交換を可能とする装置である。現在一般的に使用される熱交換器では、熱交換される各流体は、固体分離壁または第３の流体によって互いに分離されている。熱交換器用の熱伝導パイプの設計は、熱交換器の動作効率に多大な影響を与える。

図１は一般的な熱伝導装置100を示し、この装置は、複数のフィン101と、複数の熱交換パイプ102とを備えている。フィン101には複数の一連の穴が穿設されていて、これらの穴に熱交換パイプが挿入されている。動作中、矢印A1が示すように、第１流体が複数の熱交換パイプ102を備える熱伝導パイプ系に投入され、熱交換を受けながら熱交換パイプ102を通過し、その後、矢印A2で示す方向に流出し、第２流体は矢印B1が示すようにフィン101間の空間に投入され、熱交換パイプ102において第１流体とともに熱交換にかけられた後、矢印B2で示す方向に流出する。

冷却、調節、冷凍、または冷蔵用の装置では、第１流体(内部流体)は通常低温媒体であり、第２流体(外部流体)は空気である。低温媒体は、熱伝導パイプ102中を流れる際に相転移され、媒体から放出または吸収された熱は熱伝導パイプ102およびフィン101を通じて空気に伝達される。熱伝導パイプ102の内面構造は、相転移熱伝導を向上させるために特別な設計にする必要があり、そうすることで、内部流体と外部流体との間における熱交換を効果的に補助することができる。

従来の熱伝導パイプには、通常、継ぎ目のない銅管を使用し、その内面に螺旋状の歯部を設けて内面の面積を拡大し、また内面を湿潤に保ったり薄い液膜で覆ったりし、さらには液流の乱れを大きくし、また流れの境界層を破壊して、熱交換を効果的にする。これに基づいて、数本の熱伝導パイプに、主歯とは別に、高さの低い不連続の補助歯を主歯間に配設して、熱伝導パイプ内部にさらに凹凸をもたせる。それにより、凝縮または気化を行う核を増やして、液流の乱れを大きくでき、対流熱交換の効果をさらに高めることができる。

その一方で、上述の補助歯の配設が十分な根拠に基づくものでないにもかかわらず、熱伝導パイプにおける流体に対する流れ抵抗は大きくなるため、流体が設計どおりの速度で熱交換器内を流れることを保証するためにシステムの電力を増やさなければならず、必要以上の電力がシステム全体の動作効率の低下することを意味する。その上、補助歯の形状および位置決めが流体の動力学にてらして最適化されていないため、製造上の不都合がでて、事実上の製造費用の増加を招く。

本発明は、上述の問題を解決することを目的とし、熱伝導効率を向上させつつ、流体の流動抵抗が著しく大きくならないようにでき、また、構造が簡易で、製造費用の安い熱交換器用熱伝導パイプを提供するものである。

本発明に係る第１の点によると、熱交換器用熱伝導パイプはその内面に複数の螺旋状主歯および複数の螺旋状溝が交互に設けられ、各溝は隣り合う主歯間に配設され、少なくとも１本の溝には突起群が設けられ、突起群は主歯の延伸方向に断続的に配設された一連の複数の突起を含み、各突起の半径方向の高さは主歯の半径方向の高さよりも低く、隣り合ったそれぞれ突起群を有する溝の間には突起群を有さない少なくとも1本の溝が設けられている。好ましくは、それぞれが突起群を有する溝のうち隣り合うものの間には、4または5本のそれぞれ突起群を有さない溝が配設されている。

本発明に係る第２の点によると、熱交換器用熱伝導パイプはその内面に複数の螺旋状主歯および複数の螺旋状溝が交互に設けられ、各溝は隣り合う主歯間に配設され、少なくとも1つの主歯の両側の熱伝導パイプの周方向に設けられた溝には突起群が設けられ、突起群はそれぞれ、少なくとも1つの主歯の延伸方向に断続的に配設された一連の複数の突起を含み、各突起の半径方向の高さは少なくとも1つの主歯の半径方向の高さよりも低く、突起群を両側に有する隣りの主歯間には両側に突起群を有さない少なくとも1つの主歯が設けられている。好ましくは、それぞれが突起群を両側に有する主歯のうち隣り合う主歯の間には4つまたは5つのそれぞれ突起群を有さない主歯が配設されている。

一方では、上述の熱伝導パイプでは、突起があるので、主歯の底部によって引き起こされる流体(冷却剤または低温媒体など)の乱流が大きくなり、気化時に気泡の核のさらなる形成を補助するため、熱交換の効率が向上する。また他方では、主歯間に設けられた溝のすべてではないが数本ごとに突起が設けられていて、突起は、流体の流れ抵抗が著しく大きくならないように抑制して圧力の過剰な低下を防止し、それに加えて、製造費用を低く抑えることができる。

好ましくは、各突起の熱伝導パイプの周方向における幅は、各突起が熱伝導パイプの周方向に位置する溝の幅よりも狭い。これにより、流体に対する突起の抵抗がさらに減少する。また、突起は、溝の周方向の広がりの一部のみに設けて、流体の境界層の形成をさらに妨げ乱流を大きくすることで、熱交換効果を高める。

好ましくは、熱伝導パイプの周方向に設けられた各突起の側部は、各突起が配設された溝に隣接する2つの主歯のうちの1つの側面に形成する。ここでは、同一突起群の各突起の側部はその主歯の側面に形成してもよく、また、別の主歯の側面に形成してもよい。

上述の実施形態における突起は、連続鋳造法によって成形するものでよい。

好ましくは、各突起の熱伝導パイプの周方向に対し直角をなす断面は台形状である。各突起の半径方向の高さの主歯の半径方向の高さに対する比は、0.05〜0.5でよい。このような好適な実施形態に基づいて構成された突起は、凝縮または気化に要する核が有利に形成され、乱流を拡大できる。

好ましくは、同一突起群における突起は等間隔で配設する。このように配置することで、より製造に適する。

一実施形態によると、各突起の半径方向の高さは、主歯の側面に形成された突起の側部から、主歯の延伸方向に向かって次第に減少させる。突起をこのように形成することで、流体に対する抵抗が少なくなり、圧力の過剰な低下を防止できるため、熱交換器全体の動作効率が向上する。特に突起は、鎌状、半月状、角状などの形状にするとよい。

従来型の熱交換器の概略斜視図である。 本発明の第１実施形態による熱伝導パイプの一部を示す概略斜視図である。 本発明の第１実施形態による熱伝導パイプの一部を示す断面斜視図である。 熱伝導パイプの１つの突起の拡大図である。 本発明の第２実施形態による熱伝導パイプの一部を示す断面斜視図である。

詳細な説明

以下、本発明に係る熱交換器用熱伝導パイプの特定の実施形態について、図面を参照しながら詳細に述べる。

図２は、本発明の第１実施形態による熱伝導パイプの一部を示す概略斜視図である。図２に示すように、熱伝導パイプ１は円筒状パイプとして好ましくは銅で形成される。当然のことながら、熱伝導パイプ１は他の合金材料で形成してもよい。複数の螺旋状主歯２が、熱伝導パイプ１の内側面に形成されている(とくに図３に参照符号21〜26、および27で示す)。それに応じて、２つの隣り合う螺旋状主歯間に溝３が設けられている(とくに図３に参照符号31、32、33、34、35、36で示す)。また、螺旋状主歯より背の低い突起41が断続的に溝３のいくつかに形成、配設されている。突起は、熱伝導パイプ内の凹凸をさらに増加させ、凝縮または気化をもたらす核をさらに増やし、内側面に薄い液体層を形成、維持させ、表面近くの流体乱流を増やし、それにより、対流熱伝導係数を増大させる。

具体的には、図３に上述の熱伝導パイプ１の一部を断面斜視図にて示す。図３に示すように、１列の突起41からなる突起群が溝31に形成され、別の突起群が溝36に形成されている。溝31と36の間には、突起群を有さない溝32、33、34、35が４本設けられている。突起41をこのように配することで、凝縮または気化をもたらす核をさらに供することができ、過剰な圧力低下を防止するとともに、製造コストを削減できる。

本発明は上記に限定されるものでなく、各々に突起群を有する溝31および36の間には突起群を有さない溝を2、3、または4本以上配設してもよいことを理解されたい。図面では突起群が2つまたは3つの突起41を備える例のみを示しているが、突起群に含まれる突起41の数は、熱伝導パイプの長さと突起41間の間隔に応じて任意に設定できる。また、図３に示す１つの突起群における突起41は同一間隔で配列されているが（隣り合う突起41間の軸方向における間隔をLと設定）、本発明はこれに限定されるものでなく、突起群における突起41は異なる間隔で配列してもよい。

図３に示すように、熱伝導パイプ２の周方向では、突起41の幅は各溝の幅よりも狭い。したがって、突起41の幅が各溝の幅と同じ場合に比べ、流体が通過する領域が大きく、突起41によって流体にかかる抵抗は小さくなる。また、このような構成にすることで、流体の境界層の形成をさらに妨げて乱流を増大できるため、熱交換効果が向上する。

図３に示すように、周方向における突起41の側部411（図３Ａに示す）は隣接する主歯21の側面の１つに形成される(図３の右の側面)。このような構成が製造に適している。図３に示す実施形態では、同一の突起群における各突起41の一方の側部はその主歯の側面に形成される。例えば、溝31の突起群の各突起41の一方の側部は、主歯21の側面211に形成され、溝36の突起群の各突起41の一方の側部は、主歯26の側面211に相当する側面に形成される。

しかしながら、本発明はこれに限定されるものでなく、同一の突起群における隣り合う突起41を別の主歯の側面に設けてもよい。例えば、溝36の突起群に関し、第１突起41を主歯26の側面に、第２突起41を主歯27の側面に、交互に形成してもよい。突起41をこのように配設することで、流体の境界層の形成をさらに妨げることができ、熱交換効果が向上する。

以下に、突起の形状および大きさについて、突起を拡大して示す図３Ａを参照しながら述べる。周方向に対して直角をなす突起41の断面は実質的に台形であり、その側面411は主歯の側面に当接するのに適するように形成されている。主歯の半径方向の高さをｈとすると、突起41の大きさは次のように設定できる。

ｈ₁＝0.05〜0.5ｈ;
ａ＝0.05〜0.5ｈ;
ｂ＝1〜2ｈ;
ｃ＝0.05〜0.85ｗ;
ｄ＝1.5〜2.5ｈ

また、ｈは0.07〜0.23mmの範囲に設定でき、Lは0.5〜15mmの範囲に設定できる。上述の大きさは一例にすぎず、実際の用途に応じて別の大きさを適用できることは明白である。

以下に、第２実施形態による熱伝導パイプ1’について、図４を参照しながら述べる。熱伝導パイプ1’は、主に、突起41’の成形および配置の点で第１実施形態における熱伝導パイプ１と異なる。

図４に示すように、突起41’は主歯21’の両側に形成される。突起を有する溝21’と溝26’の間には、複数の主歯22’、23’、24’、25’が配設されている(間にある主歯の数は変更可能である)。このように配設することで、図３に示す実施形態における効果と同様の効果が得られる。同様に、突起41’の配列も、図４に示す実施形態に基づいて上述のように変更可能である。

突起41’の半径方向の高さは、主歯21’に形成された側面211’側から主歯の延伸方向(すなわち軸方向)に次第に減少してゆき、図４に示すような鎌状を形成する。このように形成された突起は、流体に対する抵抗が少なく、過剰な圧力低下を防止でき、それにより、熱交換器全体の動作効率が向上して、製造に適したものになる。また、突起41’は、半月状や角状などにしてもよい。

本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の意図ならびに発明の範囲を逸脱しない範囲内で変更および改良してもよい。第１実施形態および第２実施形態における特徴は、目的に適したいかなる方法によっても、組み合わせでき、また変更することも可能である。一例として、第１実施形態を第２実施形態に示す形状を有する突起41’に適用し、また第２実施形態を第１実施形態に示す形状の突起41に適用することも可能である。別の例として、第２実施形態の同一主歯21’の両側に設けた突起41’を、別の形状または配向にしてもよい。

Claims (18)

1. 内側面に複数の螺旋状主歯(2；21、22、23、24、25、26、27)および複数の溝(3；31、32、33、34、35、36)が設けられ、各溝は隣り合う該主歯間に配されている熱交換器用熱伝導パイプ(1)において、
   突起群が少なくとも１本の溝(31、36)に設けられ、該突起群は、前記主歯の延伸方向に一連に、かつ断続的に配設された複数の突起(41)を含み、各突起(41)の半径方向の高さは前記主歯よりも低く、
   突起群を有する前記溝(31、36)のうち隣り合うものの間には、前記突起群を有さない少なくとも1本の溝(32、33、34、35)が設けられていることを特徴とする熱伝導パイプ。
2. 請求項１に記載の熱伝導パイプ(1)において、各突起(41)の該熱伝導パイプ(1)の周方向における幅は、各該突起が該熱伝導パイプ(1)の周方向に位置している前記溝(31、36)の幅よりも狭いことを特徴とする熱伝導パイプ。
3. 請求項２に記載の熱伝導パイプ(1)において、各突起(41)の該熱伝導パイプ(1)の周方向における側部(411)は、各該突起が位置している前記溝(31、36)に隣接する２つの前記主歯(21、22、26、27)のうちの１つの歯の側面(211)に形成されていることを特徴とする熱伝導パイプ。
4. 請求項３に記載の熱伝導パイプ(1)において、該熱伝導パイプ(1)の周方向における同一の前記突起群の各突起(41)の前記側部は、同一の前記主歯(21、26)の側面(211)に形成されていることを特徴とする熱伝導パイプ。
5. 請求項３に記載の熱伝導パイプ(1)において、該熱伝導パイプ(1)の周方向における同一の突起群の隣り合う突起(41)の前記側部は、異なる前記主歯の側面に形成されていることを特徴とする熱伝導パイプ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の熱伝導パイプ(1)において、それぞれ前記突起群を有さない4本または5本の溝は、それぞれ前記突起群を有する溝のうちの隣り合う溝の間に配置されていることを特徴とする熱伝導パイプ。
7. 請求項１ないし５のいずれかに記載の熱伝導パイプ(1)において、各突起(41)の該熱伝導パイプ(1)の周方向に対して直角をなす断面は台形状であることを特徴とする熱伝導パイプ。
8. 請求項７に記載の熱伝導パイプ(1)において、各突起(41)の半径方向の高さの前記主歯の半径方向の高さに対する比が0.05〜0.5であることを特徴とする熱伝導パイプ。
9. 請求項１ないし５のいずれかに記載の熱伝導パイプ(1)において、同一の突起群の前記突起(41)は等間隔で配列されていることを特徴とする熱伝導パイプ。
10. 請求項３ないし５のいずれかに記載の熱伝導パイプ(1)において、各突起(41)の半径方向の高さは、前記主歯の前記側面に形成された前記突起(41)の側部から、該主歯の延伸方向に向かって次第に減少することを特徴とする熱伝導パイプ。
11. 内側面に複数の螺旋状主歯(21’、22’、23’、24’、25’、26’、27’)および複数の溝が設けられ、各溝は隣り合う該主歯間に配されている熱交換器用の熱伝導パイプ(1’)において、
    少なくとも１つの主歯(21’、26’)の両側の熱伝導パイプの周方向に設けられた溝(31、36)に複数の突起群が設けられ、各突起群は、少なくとも１つの前記主歯(21’、26’)の延伸方向に一連に、かつ断続的に配設された複数の突起(41’)を含み、各突起(41’)の半径方向の高さは少なくとも１つの前記主歯(21’、26')よりも低く、
    両側に突起群が配設された前記主歯(21’、26’)のうち隣り合うものの間には、どちら側にも前記突起群が配設されていない少なくとも1つの主歯(22’、23’、24’、25’)が設けられていることを特徴とする熱伝導パイプ。
12. 請求項１１に記載の熱伝導パイプにおいて、各突起(41’)の該熱伝導パイプ(1’)の周方向における幅は、各該突起が熱伝導パイプ(1’)の周方向に位置している前記溝の幅よりも狭いことを特徴とする熱伝導パイプ。
13. 請求項１２に記載の熱伝導パイプにおいて、両側に前記突起群が設けられた各主歯(21’、26’)に対し、該突起群の各突起(41’)の該熱伝導パイプの周方向における側部は、各前記主歯(21’、26’)の一方の側に形成されていることを特徴とする熱伝導パイプ。
14. 請求項１１ないし１３のいずれかに記載の熱伝導パイプにおいて、それぞれ前記突起群が両側に設けられている主歯のうちの隣り合う主歯の間には該突起群がどちら側にも設けられていない4つまたは5つの主歯が配置されていることを特徴とする。
15. 請求項１１ないし１３のいずれかに記載の熱伝導パイプにおいて、各突起(41’)の該熱伝導パイプの周方向に対して直角をなす断面は台形状であることを特徴とする熱伝導パイプ。
16. 請求項１５に記載の熱伝導パイプにおいて、各突起(41’)の半径方向の高さの前記主歯の半径方向の高さに対する比が0.05〜0.5であることを特徴とする熱伝導パイプ。
17. 請求項１1ないし１３のいずれかに記載の熱伝導パイプにおいて、同一の突起群の前記突起(41’)は等間隔で配列されていることを特徴とする熱伝導パイプ。
18. 請求項１３に記載の熱伝導パイプにおいて、前記突起群の各前記突起(41’)の半径方向の高さは、前記主歯(21’)の前記側面(211’)に形成された前記突起(41’)の側部から、該主歯の延伸方向に次第に減少することを特徴とする熱伝導パイプ。
    

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