JP2023508887A - 複数の改良を有する伝熱管 - Google Patents

Abstract

複数の溝を含む内側表面を備える伝熱管。複数の溝は少なくとも複数の一次溝と複数の二次溝とを含み、一次溝は管の長さに沿って軸方向に延び、二次溝は一次溝と交差している。

Description

本出願は、２０１４年１０月６日に出願された米国仮出願第６２／０６０，０５１号の利益を主張する、２０１５年１０月５日に出願された米国出願第１４／８７４，７０８号の一部継続出願である、２０１９年１２月２０日に出願された米国特許出願第１６／７２２，８０８号に対する優先権を主張するものである。上記各出願の全開示内容が、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、軸方向の溝及び非軸方向の溝を内部に含む伝熱管に関する。

このセクションは、必ずしも従来技術ではない、本開示に関係する背景情報を提供する。

銅管は、一般に、例えば空気調和機、冷蔵庫、又はヒート・ポンプ内の凝縮器配管に使用される。銅は優れた伝熱を提供するが、銅は高価な材料である。そのため、現在は、アルミニウムなどの材料が凝縮器配管を形成するために使用されている。

このセクションは、本開示の概略的な要約を提供するものであり、その完全な範囲若しくはその構成のすべての包括的な開示ではない。

本開示は伝熱管を提供する。伝熱管は、複数の溝を含む内側表面を備える。複数の溝は、少なくとも一次溝と二次溝とを含み、一次溝は管の長さに沿って延び、二次溝は一次溝と交差している。

伝熱管は、らせん状に形成された二次溝を含んでよい。

伝熱管は、少なくとも一次溝と交差する三次溝も含んでよい。

三次溝は、二次溝と交差していてよい。

三次溝は、らせん状に形成されてよい。

伝熱管は、アルミニウムを含んでよい。

本開示は、伝熱管を形成する方法も開示する。方法は、内側表面に複数の軸方向の一次溝を含む管を押し出し成形することと、第１の形成工具を使用して内側表面に複数の二次溝を形成することと、を含み、二次溝は一次溝と交差する。形成工程において、一次溝間の隆起部は、一次溝を部分的に又は完全に閉塞（ｂｌｏｃｋ；遮蔽）するように変形されてよい。

第１の形成工具は、第１のピッチ及び第１の高さで複数のねじ山を含んでよい。代替として、第１の形成工具は、管に二次溝をプレス加工する拡管工具又はカムを含んでよい。

第１の形成工具は、連続的であっても非連続的であってもよい、らせん状の向きに二次溝を形成して、個別のリング又はその他の経路を形成してよい。

方法によれば、第２の形成工具を使用して、複数の三次溝が内側表面に形成されてもよい。

三次溝は、一次溝と交差していてよい。

三次溝は、二次溝と交差していてよい。

第２の形成工具は、第２のピッチ及び第２の高さで、並びに／又は第１の形成工具とは異なる形状で、複数のねじ山を含んでよい。

二次溝及び三次溝はそれぞれ、らせん状に形成されてよい。

方法は、押し出し成形された管からある長さの管を切り出すステップを含んでもよい。

当該長さの管は、二次溝を形成する前に、押し出し成形された管から切り出されてよい。

代替として、当該長さの管は、二次溝を形成した後に、押し出し成形された管から切り出されてよい。

方法は、伝熱管をヘアピン型の管に曲げることも含んでよい。

方法によれば、伝熱管は、アルミニウムを含んでよい。

本開示はまた、複数の溝を含む内側表面を有する伝熱管を提供し、複数の溝は少なくとも一次溝と二次溝とを含む。一次溝はそれぞれ、管の長さに沿って軸方向にらせん状に延び、管の長さによって定められ、管の中心の方に向かって半径方向に開口している。隣接する一次溝同士は隆起部によって隔てられている。二次溝は一次溝と交差し、二次溝が一次溝と交差する箇所において、一次溝のそれぞれは、隣接する一次溝の一方の中に入り込んで変形している、隣接する一次溝同士を隔てる隆起部の材料によって、管の軸方向において完全に閉塞され、半径方向においては閉塞されていない。

二次溝は、らせん状に形成されてよい。

内側表面は、少なくとも一次溝と交差する三次溝も含んでよい。三次溝は、二次溝とも交差していてよい。三次溝は、らせん状に形成されてよい。

伝熱管は、アルミニウムを含んでよい。

二次溝が一次溝と交差する箇所において、隣接する一次溝同士を隔てる隆起部のそれぞれの変形は、同じ方向を向いていてよい。

二次溝の深さは、一次溝の深さより大きくてよい。

隣接する一次溝の一方の中に入り込んで変形している隆起部の材料が、一方の一次溝を通る流れを制限する。

本開示はまた、複数の溝を含む内側表面を有する伝熱管を提供し、複数の溝は、少なくとも一次溝と二次溝とを含む。一次溝はそれぞれ、管の長さに沿って軸方向にらせん状に延び、管の長さによって定められ、管の中心の方に向かって半径方向に開口している。隣接する一次溝同士は隆起部によって隔てられている。二次溝は一次溝と交差し、二次溝が一次溝と交差する箇所において、一次溝のそれぞれは、隣接する一次溝の一方の中に入り込んで変形している、隣接する一次溝同士を隔てる隆起部の材料によって、管の軸方向において少なくとも部分的に閉塞され、半径方向においては閉塞されていない。

二次溝の深さは、一次溝の深さより大きくてよい。

一次溝のそれぞれは、隣接する一次溝同士を隔てる隆起部の変形により、管の軸方向において完全に閉塞され、半径方向においては閉塞されていなくてよい。

隣接する一次溝の一方の中に入り込んで変形している隆起部の材料が、一方の一次溝を通る流れを制限する。

本開示はまた、複数の溝を含む内側表面を有する伝熱管を提供し、複数の溝は、少なくとも一次溝と二次溝とを含む。一次溝はそれぞれ、管の長さに沿って軸方向にらせん状に延び、管の中心の方に向かって半径方向に開口している。二次溝は、一次溝と交差している。二次溝が一次溝と交差する箇所において、一次溝のそれぞれは、隣接する一次溝同士を隔てる隆起部の変形によって、管の軸方向において少なくとも部分的に閉塞され、半径方向においては閉塞されず、二次溝の深さは一次溝の深さより大きい。

一次溝のそれぞれは、隣接する一次溝同士を隔てる隆起部の変形により、管の軸方向において完全に閉塞され、半径方向においては閉塞されていなくてよい。

二次溝が一次溝と交差する箇所において、隣接する一次溝同士を隔てる隆起部のそれぞれの変形は、同じ方向を向いている。

本明細書に提供される説明から、さらなる応用可能性の分野が明らかになろう。この概要における説明及び具体例は、例示のみを目的とすることが意図され、本開示の範囲を制限することは意図されない。

本明細書に記載される図面は、すべての可能な実装ではなく、選択された実施例のみを説明することを目的とし、本開示の範囲を制限することは意図されない。

本開示の原理による例示的な伝熱管の断面図である。 本開示の原理による例示的な伝熱管の断面の斜視図である。 本開示の原理による伝熱管に溝を形成するために使用される形成工具の斜視図である。 本開示の原理による別の例示的な伝熱管の断面の斜視図である。 本開示の原理による例示的な伝熱管の断面の顕微鏡写真であり、二次溝を形成する工程中に、一次溝が、一次溝間の隆起部から変形した材料によって実質的に閉塞される。 本開示の原理による例示的な伝熱管の断面の顕微鏡写真であり、二次溝を形成する工程中に、一次溝を実質的に閉塞することなく一次溝の中に突出するように一次溝間の隆起部が変形される。 冷媒４１０ａを利用して７ｍｍ管から得られた伝熱結果を示すグラフであり、二次溝は一次溝と比較して異なる深さを有しており、パーセントの深さは、二次溝が一次溝間の隆起部に切り込んでいるパーセントに関する（例えば、３０％では、二次溝が隆起部の上部３０％を切り開き、１００％では、二次溝が隆起部を完全に切り開き、一次溝と二次溝の両方が同じ深さを有する）。 冷媒４１０ａを利用して７ｍｍ管から得られた伝熱結果を示すグラフであり、一次溝を含む管が、一次溝及び二次溝を含む管と比較され、また一次溝、二次溝、及び三次溝を含む管と比較されている。 冷媒４１０ａを利用して７ｍｍ管から得られた伝熱結果を示すグラフであり、一次溝を含む管が、図５に示される管と比較され、また図６に示される管と比較されている。 本開示の原理による追加的な例示的な伝熱管の断面の斜視図である。 本開示の原理による追加的な例示的な伝熱管の断面の斜視図である。

対応する参照符号は、いくつかの図面を通じて対応する部分を示す。

次いで添付図面を参照しながら、例示的な実施例をより詳しく説明する。

図１は、隆起部１３によって隔てられた複数の一次溝１２を含む管１０を示す。管１０は、略円筒形状であり、外側直径ＯＤを定める外側表面１４と、内側直径ＩＤを定める内側表面１６とを含んでいる。管１０は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、又は当業者に知られている任意の他の材料から形成されてよい。好ましくは、管１０は、空気調和機の凝縮器、蒸発器、又はヒート・ポンプ内で冷媒を搬送するために使用される。

管１０は、一次溝１２を含むように押し出し成形されてよい。一次溝１２は、図示されるように、管１０の内側表面積を増すのを助ける軸方向の溝１２である。しかし、一次溝１２は、本開示の範囲から逸脱することなく、らせん状に形成され得ることが理解されるべきである（図１０及び図１１）。管１０の内側表面積を増すことにより、管１０によって搬送される冷媒と管１０との間でより多くの量の伝熱が発生することができる。溝１２の数及び大きさは可変であり得る。図１に示されるように、管１０は、５８本の一次溝１２を含む。しかし、管１０は、本開示の範囲から逸脱することなく、これよりも多い又は少ない数の溝１２を含むことができる。さらに、溝１２は丸い底部１８を備えるものと図示されているが、溝１２は、本開示の範囲から逸脱することなく、四角形状、楕円形状、又はＶ字形状であり得ることが理解されるべきである。管１０は、約０．８５センチメートル（３分の１インチ）の範囲の厚さＴを有する。しかし、管１０は、必要に応じてこれより大きい又は小さい厚さを有することができる。

管１０の伝熱能力をさらに高めるために、管１０は、二次溝２０を含むようにさらに加工され得る。図２及び図１０に示されるように、二次溝２０は、一次溝１２と交差するように非軸方向に形成されている。一次溝１２と併せた二次溝２０の使用は、管１０によって搬送される冷媒と管１０との間の伝熱を最大にする複雑な内側表面１６を作り出す。二次溝２０は一次溝１２に対して直交して形成されてよく、又は、二次溝２０は一次溝１２と交差するようにらせん状に形成され得る。二次溝２０は、管１０の長さにわたって連続的に形成されても非連続的に形成されてもよい。二次溝２０は、一次溝間の隆起部から材料を押しのけて二次溝の片側又は両側に隆起部を形成してよく、それは、一次溝の中の流体を閉塞又は制限するために、本質的に連続的であっても非連続的であってもよい。

図３は、二次溝２０を形成するために使用され得る形成工具２２を示す。形成工具２２は、回転ツール（図示せず）によって駆動される近位部分２４を備え、また形成工具２２は遠位部分を備える。形成工具２２の遠位部分２６は、形成工具２２が回転された時に管１０に二次溝２０を形成するねじ切り２８も備えている。ねじ山３０間のピッチ又は間隔Ｓは、必要に応じて変更され得る。さらに、ねじ山３０の高さは、必要に応じて調整され得る。これに関して、ねじ山３０の高さＨは、二次溝２０が一次溝１２の深さと比較して異なる深さ（例えば、より大きい又は小さい）を有するように、一次溝１２の深さＤより大きく、等しく、又は小さく形成され得る。二次溝２０の深さを異ならせることは、冷媒と管１０との間の熱交換に影響を与えることができる。図７に最もよく示されるように、二次溝２０が一次溝１２の深さの３０％である深さを有する場合に、伝熱が増大する。図７は、一次溝１２の深さのこの５０％又は１００％である深さを有する二次溝２０が、やはり冷媒と管１０との間の熱交換を増大させることも示している。

また、形成工具２２の軸Ａに対してねじ山３０が配置される角度αは、必要に応じて調整され得る。それでも、間隔Ｓ、高さＨ、及び角度αはそれぞれ、管１０の内側直径ＩＤ及び望まれる管１０内の冷媒の流量に基づいて、選択及び調整され得ることが理解されるべきである。また、二次溝２０は、管の中に入れて一次溝を変形させることによって二次溝２０を生じさせることができる各種工具で形成されてよいことも理解されるべきである。

次いで図４及び図１１を参照すると、管１０が一次溝１２、二次溝２０、及び三次溝３２を含んでよいことが見て取れる。二次溝２０と同様に、三次溝３２は、一次溝１２と交差するように非軸方向に形成されている。三次溝３２は、二次溝２０とも交差していてよい。一次溝１２及び二次溝２０と併せた三次溝３２の使用は、管１０によって搬送される冷媒と管１０との間の伝熱を最大にする複雑な内側表面１６を作り出す。三次溝３２は、一次溝１２に対して直交して形成されてよく、又は、三次溝３２は、一次溝１２と交差するようにらせん状に形成され得る。さらに、三次溝３２は、間隔Ｓ、高さＨ、及び角度αを異ならせて、二次溝２０を形成するために使用されるものと同様の形成工具２２を用いて形成されてよい。三次溝３２は、一次溝１２及び二次溝２０と完全に異なる形状を有する、又は完全に異なる経路をたどってよく、また連続的に形成されても非連続的に形成されてもよい。

次いで図５及び図６を参照すると、一次溝１２（図５及び図６では左から右に進む）が、二次溝２０及び／又は三次溝３２の形成によって完全に閉塞される（図５）、又は部分的に閉塞される（図６）ことが可能であることが見て取れる。これに関して、二次溝２０及び／又は三次溝３２を形成するために使用される工具２２は、二次溝２０及び／又は三次溝３２の形成時に一次溝１２の間の隆起部１３を変形させることができ、それにより、隆起部１３の一部を変形させて一次溝１２の中に入り込ませる又は強制的に入り込ませる。隆起部１３を強制的に一次溝１２の中に入り込ませることにより、一次溝１２内の流れが制限されて、それにより管１０の中の冷媒の流れに乱流が増大するため、冷媒と管１０との間の伝熱が増大する。この伝熱効果は、一次溝１２間の隆起部１３が一次溝１２の中の流れを完全に閉塞する又は制限するように変形される場合に最も顕著になる。しかし、変形した部分による一次溝１２の部分的な閉塞も、管１０と冷媒との間の伝熱の増大を実現することが理解されるべきである（図９）。

図８に示されるように、二次溝２０及び／又は三次溝３２の使用は、軸方向の一次溝だけ又はらせん状の一次溝だけを含む管１０と比較して、管１０の伝熱特性を３０％も向上させることを助ける。これに関して、軸方向の一次溝だけ又はらせん状の一次溝だけを含む従来の管では、冷媒流が溝の中に沈んで溝をたどる傾向があり、それにより管の中に冷媒の境界層が形成され、それが、冷媒と管との間の伝熱を妨げ、及び／又は制限する。二次溝２０及び／又は三次溝３２の使用は、一次溝１２を通る冷媒の流れを途絶させて、冷媒の境界層の形成を防止する。これに関して、冷媒の流れは、二次溝２０及び／又は三次溝３２のそれぞれが一次溝１２と交差していることによって途絶され、それにより、冷媒流が一次溝２０から離れると共に、伝熱を高める冷媒流中の乱流を生じさせる。

管１０を形成するには、ある長さの管（例えば、１５２．４メートル（５００フィート））が、軸方向又はらせん状のいずれかである一次溝１２を含むように押し出し成形される。管１０の望まれる長さが選択され、望まれる長さが、管の長さから切り出される。次いで二次工程を行って、二次溝２０及び／又は三次溝３２を形成する。具体的には、ねじ山３０の望まれる間隔Ｓ、高さＨ、及び角度αを有する形成工具２２が選択される。形成工具２２が、管１０に挿入され、回転されて二次溝２０及び／又は三次溝３２を形成する。複数の形成工具２２の１回の通過又は複数の形成工具２２の複数回の通過を行って、二次溝２０及び／又は三次溝３２を形成することができる。よって、管１０は任意数の溝など（図示せず）を有することもできることが理解されるはずである。

少なくとも二次溝２０を形成した後、管１０は次いで、望まれる形状（例えばヘアピン）に曲げられてよい。代替として、管１０は、二次溝２０及び／又は三次溝３２を形成する前に、望まれる形状に曲げられてよい。また、管１０が管の長さから切り出される前又は後、及び管１０の伸長時に使用される潤滑剤が管１０に適用される前又は後に、第２の加工が行われ得ることが理解されるべきである。

代替として、二次溝２０は、管１０を最終的な長さに切る前に、連続的な方式（例えば延伸）で形成されてよい。形成工具は、工具が連続的工程の際に自己回転して、工程を簡略化するように設計されてよい。連続的工程は、押し出し若しくは切断などの他の既存の工程と共に行われても、又は独立したコイル・ツー・コイル動作として行われてもよい。

実施例の前述の説明は、例示及び説明の目的で提供された。網羅的である又は本開示を制限することは意図されない。特定の実施例の個々の要素又は特徴は、一般にはその特定の実施例に制限されないが、該当する場合には、具体的に示される又は説明されていなくても、交換可能であり、選択された実施例で使用されることが可能である。それらは、多くの方式で変更されてもよい。そのような変形例は、本開示からの逸脱とはみなされず、そのような変更例はすべて本開示の範囲に含まれることが意図される。

Claims (16)

1. 複数の溝を含む内側表面を有する伝熱管であって、前記複数の溝は、少なくとも複数の一次溝と複数の二次溝とを含み、
   前記一次溝はそれぞれ、前記管の長さに沿った、前記管の長さによって規定される軸方向にらせん状に延び、且つ前記管の中心の方に向かって半径方向に開口し、また隣接する一次溝は隆起部によって隔てられ、
   前記二次溝は前記一次溝と交差し、また
   前記二次溝が前記一次溝と交差する箇所において、前記一次溝の各々は、前記隣接する一次溝を隔てる前記隆起部の材料であって、前記隣接する一次溝の一方の中へと変形した前記隆起部の材料によって、前記管の前記半径方向には閉塞されることなく前記軸方向に完全に閉塞されている、伝熱管。
2. 前記二次溝はらせん状に形成されている、請求項１に記載の伝熱管。
3. 少なくとも前記一次溝と交差する三次溝をさらに有する、請求項１に記載の伝熱管。
4. 前記三次溝は前記二次溝と交差する、請求項３に記載の伝熱管。
5. 前記三次溝はらせん状に形成されている、請求項４に記載の伝熱管。
6. 前記伝熱管はアルミニウムを含む、請求項１に記載の伝熱管。
7. 前記二次溝が前記一次溝と交差する前記箇所において、隣接する一次溝を隔てる前記隆起部の前記変形の各々は、同じ方向を向いている、請求項１に記載の伝熱管。
8. 前記二次溝の深さが前記一次溝の深さより大きい、請求項１に記載の伝熱管。
9. 前記隣接する一次溝の一方の中へと変形した前記隆起部の前記材料が、前記一方の一次溝を通る流れを制限する、請求項１に記載の伝熱管。
10. 複数の溝を含む内側表面を有する伝熱管であって、前記複数の溝は、少なくとも複数の一次溝と複数の二次溝とを含み、
    前記一次溝はそれぞれ、前記管の長さに沿った、前記管の長さによって規定される軸方向にらせん状に延び、且つ前記管の中心の方に向かって半径方向に開口し、また隣接する一次溝は隆起部によって隔てられ、
    前記二次溝は前記一次溝と交差し、また
    前記二次溝が前記一次溝と交差する箇所において、前記一次溝の各々は、隣接する一次溝を隔てる前記隆起部の材料であって、前記隣接する一次溝の一方の中へと変形した前記隆起部の材料によって、前記管の前記半径方向には閉塞されることなく前記軸方向に少なくとも部分的に閉塞されている、伝熱管。
11. 前記二次溝の深さが前記一次溝の深さより大きい、請求項１０に記載の伝熱管。
12. 前記一次溝の各々は、前記隣接する一次溝を隔てる前記隆起部の前記変形によって、前記管の前記半径方向には閉塞されることなく前記軸方向に完全に閉塞されている、請求項１０に記載の伝熱管。
13. 前記隣接する一次溝の一方の中へと変形した前記隆起部の前記材料が、前記一方の一次溝を通る流れを制限する、請求項１０に記載の伝熱管。
14. 複数の溝を含む内側表面を有する伝熱管であって、前記複数の溝は、少なくとも複数の一次溝と複数の二次溝とを含み、
    前記一次溝はそれぞれ、前記管の長さに沿って軸方向にらせん状に延び、且つ前記管の中心の方に向かって半径方向に開口し、
    前記二次溝は前記一次溝と交差し、
    前記二次溝が前記一次溝と交差する箇所において、前記一次溝の各々は、隣接する一次溝を隔てる隆起部の変形によって、前記管の前記半径方向には閉塞されることなく前記軸方向に少なくとも部分的に閉塞され、また
    前記二次溝の深さが前記一次溝の深さより大きい、伝熱管。
15. 前記一次溝の各々は、前記隣接する一次溝を隔てる前記隆起部の前記変形によって、前記管の前記半径方向には閉塞されることなく前記軸方向に完全に閉塞されている、請求項１４に記載の伝熱管。
16. 前記二次溝が前記一次溝と交差する前記箇所において、隣接する一次溝を隔てる前記隆起部の前記変形の各々は、同じ方向を向いている、請求項１４に記載の伝熱管。

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