JP2642915B2 - 熱交換チューブ - Google Patents

熱交換チューブ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は熱交換チューブに関
し、特に、熱交換チューブの外表面形状に関する。例え
ば、この外表面の周囲にある液体が蒸発するという状況
で用いられる熱交換チューブに関する。
【０００２】
【従来の技術】多くの空調システムでは、多管式熱交換
機が使用されている。多管式熱交換機では、１つのシェ
ル内に複数のチューブが設置されている。従来技術にお
いては、冷却されるべき流体が熱交換機内において多数
の平行な流れを形成するように、これらのチューブを設
置している。このチューブは、熱交換シェルを流れる冷
媒に浸っている。管の壁を通じて熱が交換されることに
より流体が冷却される。この際に交換される熱によっ
て、管の外表面と接している冷媒が気化する。多管式冷
却装置の熱交換能力は、内蔵される個々のチューブの熱
交換特性によって決まる。従って、個々のチューブの外
表面の形状は、総合的な熱交換特性に対して大きな影響
を与える。
【０００３】熱交換チューブの熱交換特性を向上する方
法としてよく知られているものを以下に説明する。第１
の手法は、熱交換チューブ表面の熱交換面積を増やすこ
と、第２に、熱交換チューブにおいて沸騰させるべき流
体と接触している表面における核沸騰を促進することで
ある。
【０００４】核沸騰プロセスにおいて、熱せられた表面
から交換された熱は、表面に接触している液体を気化さ
せ、その気体のバブルが形成される。表面からの熱は、
バブル内の気体を過熱してバブルを大きく成長させる。
バブルが十分に大きくなると、バブルは表面張力に打ち
勝ってその表面から離れる。バブルが表面を離れる際
に、それまでバブルが占有していた領域に液体が流れ込
む。また、バブルが離れる際に表面に残存した気体に対
しては、この流れ込んだ液体が新たなバブルの生成源と
なり、再度この気体から新たなバブルが成長することに
なる。
【０００５】このような、表面におけるバブルの連続生
成、表面からのバブルの離脱、表面への再度の液体流入
は、離脱したバブルが上昇して液体と混合されるという
対流効果とあいまって、熱交換表面における熱交換率を
向上させている。
【０００６】さらに、熱交換チューブの表面形状を、気
体の捕獲ロケーションが得られるような核形成領域が形
成されるような形状とすることで、気体のバブルの形成
が促進され、これにより核沸騰プロセスの効率が向上す
ることが知られている。
【０００７】例えば、単に熱交換チューブ表面を粗くし
て凹凸を形成するだけでも、核形成領域が形成され、表
面を滑らかとした場合に比べて、表面における熱交換特
性が向上する。
【０００８】液体冷媒の核沸騰は、例えば空調または冷
凍システムの蒸発器においてなされ、再流入(re-entran
t)タイプの核沸騰領域においては、安定したバブルのコ
ラムが形成され、良好な熱交換特性が得られる。再流入
タイプの核沸騰領域は、表面に形成されたキャビティの
形状をとり、このキャビティの開口部は、キャビティの
水面下体積、つまりサブサーフェイス体積よりも小さ
い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、周囲の液体が
過剰流入すると、再流入タイプの核沸騰領域は、流入し
た液体によってその表面が液体により覆われ、核沸騰が
阻害されるおそれがある。そこで、熱交換表面の形状
を、その表面に対して、コミュニケイティングサブサー
フェイスチャンネルを相対的に大きくし、その開口部が
相対的に小さくなるような形状とすることが望ましい。
これにより、液体による気体捕獲部や核沸騰領域表面の
被覆がなくなる。または、このような被覆現象の発生率
が低くなる。従って、表面における熱交換効率が向上す
る。
【００１０】本発明は上記背景の下になされたものであ
り、熱交換効率の高い熱交換チューブを提供することを
目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、その外表面に１以上のフィンコンボリュ
ーションを有する熱交換チューブに関する。チューブの
周面には、ノッチが所定の間隔で設けられ、チューブの
長手軸に対して所定の傾斜角をなしている。
【００１２】フィンコンボリューションの隣接するノッ
チ間には、フィンスパイクが設けられている。フィンス
パイクの先端は平坦化されているとともに、その幅はフ
ィンの根元部分よりも幅広である。
【００１３】この先端部の幅は、隣接するフィンコンボ
リューションのフィンスパイクの先端部が互いに重なり
合って、フィンコンボリューション間に再流入キャビテ
ィを形成するに十分大きいものとなっている。
【００１４】さらに、フィンのノッチは、従来のフィン
付きチューブに比較して、外表面積を増加させる。加え
て、平坦化されたフィンスパイクの形状及びこれらによ
り形成されるキャビティによって、チューブ外表面積に
おける核沸騰が促進される。ノッチが設けられたフィン
を有するチューブは、経済的に製造することが可能であ
る。例えば、内部マンドレルと外部フィン形成ディスク
との間に管壁を挿入してロール成形することで、チュー
ブの外表面にフィンを形成するタイプのフィン形成装置
がある。このような装置に対して、そのツールガングに
追加用ノッチングディスクをフィン形成装置のツールガ
ングに取り付けることで、本発明に係る熱交換チューブ
を経済的に形成することができる。追加用ノッチングデ
ィスクは、例えばフィン形成用ディスクである。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を詳細に説明する。
【００１６】本発明の熱交換チューブ１０を図１に示
す。チューブ１０は、管壁１１、内表面１２、外表面１
３を有する。管壁１１の外表面１３からは、外部フィン
２２が延びている。チューブ１０の外径はＤｏであり、
これは外部フィン２２の高さを含めての値である。
【００１７】本発明に係るチューブは、例えばローリン
グプロセスによって容易に製造可能である。図２にこの
ようなプロセスを示す。図２において、銅のような可鍛
性金属でできているフィン形成装置６０は、チューブ１
０上で動作し、内部リブと外部フィンとを共にチューブ
上に形成する。フィン形成装置６０は、ツール心棒６１
を１つ以上有し、これらツール心棒はそれぞれツールガ
ング６２を有し、このツールガングは複数のフィン形成
用ディスク６３を有する。また、ツール心棒６１は、ノ
ッチングホイール６６とスムースホイール６７をも有す
る。このチューブ内には、マンドレル（心棒）６４が設
けられたマンドレルシャフト６５が延びる構成となって
いる。
【００１８】チューブ１０が回転するにつれて、管壁１
１は、マンドレル６４とフィン形成用ディスク６３との
間でプレスされる。圧力がかけられた状態下で、チュー
ブを構成する金属には、フィン形成用ディスク間に溝が
形成され、チューブの外表面上にリッジまたはフィンが
形成される。回転につれて、チューブ１０はマンドレル
６４とツールガング６２との間に挟まれて、図２の左か
ら右の方向に進み、多数の螺旋状のフィンコンボリュー
ションがチューブ上に形成される。形成されるフィンコ
ンボリューションの数は、フィン形成装置６０上に形成
されたツール心棒６１の設置数の関数となる。
【００１９】この工程において、ツールガング６２がチ
ューブ１０にフィンを形成した後に、ノッチングホイー
ル６６が斜めのノッチをフィンに刻印し、その後にスム
ースホイール６７がフィンの先端部を平坦化するととも
に押し広げる。
【００２０】マンドレル６４の表面形状は、図２に示さ
れるように、マンドレル表面を通過すチューブの内表面
にある種のパターンが刻印された形状としてもよい。一
般的なパターンとしては、１以上の螺旋状のリブコンボ
リューションが挙げられる。このようなパターンによっ
て、チューブ内を流通する流体とチューブ管壁を流れる
流体との間での熱交換効率が向上する。
【００２１】図３には、チューブ外表面の一部の平面図
が示されている。チューブ１０の外表面１３からは、多
数のフィンコンボリューション２０が延びている。ノッ
チパターン３０は、各フィンコンボリューションを所定
間隔で斜めに横切るように形成されている。
【００２２】任意のフィンコンボリューションにおける
一対の隣接するノッチ間には、先端部２３を有するフィ
ンスパイク２２が形成されている。フィンピッチ、つま
り隣接するフィンコンボリューション間の距離はＰｆで
ある。
【００２３】図４は、本発明に係るチューブのフィンコ
ンボリューションのうちの１本の平面図である。チュー
ブの長手軸ＡＴに対するノッチベース３１の傾斜角は、
角αで示される。チューブの長手軸ＡＴに対するフィン
先端部２３の傾斜角は、角βで示される。図２に示され
るチューブの製造工程において、回転及び進行するチュ
ーブ１０とノッチングホイール６６及びスムースホイー
ル６７との相互作用により、スパイク２２の軸は、ノッ
チングホイールの歯とフィンコンボリューションとの間
の角度から、僅かに回転している。この際、先端部の角
度βが角度αに対して傾斜するように回転し、その結
果、β≠αとなる。
【００２４】図５（Ａ）は、本発明に係るチューブのフ
ィンコンボリューションのうちの一本の疑似断面図であ
る。“疑似断面”とした理由は、フィンコンボリューシ
ョンのどの部分の断面においても、見た目には、図５
（Ａ）に示された断面とは正確には一致しないからであ
る。
【００２５】しかし、図５（Ａ）は、チューブの数多く
の特性を示している。フィンコンボリューション２０
は、チューブの管壁１１から外方へと伸びている。この
フィンコンボリューション２０は、根幹部２１とスパイ
ク２２とを有する。
【００２６】ノッチベース３２を有するノッチからは、
フィンを通じて仮想断面が延びている。フィンコンボリ
ューション２０の全長はＨｆである。根幹部２１の幅は
Ｗｒで、スパイク２２の最も幅広の部分における長さは
Ｗｔである。スパイク２２の最外端は先端部２３であ
る。ノッチのフィンコンボリューションへの侵入距離、
即ちノッチの深さはＤｎである。
【００２７】図２のノッチングホイール６６は、上述し
た製造工程の間においてフィンコンボリューションから
ノッチを切り込むことはなく、むしろノッチをフィンコ
ンボリューション内に押し込むように作用する。
【００２８】フィンコンボリューションのノッチが形成
された部分で、押し出されて過剰となった部分は、フィ
ンコンボリューションの管壁１１に向かうだけでなく、
隣接するノッチ管の領域に、フィンコンボリューション
の両サイドから外方へと延びる。
【００２９】その結果、ＷｔはＷｒよりも非常に大きく
なり、隣接するフィンコンボリューションのスパイクの
先端部が互いに重なり合って、隣接するフィンコンボリ
ューション間及び重なり合った先端部の下部には、再流
入キャビティが形成される構成となる。
【００３０】図５（Ｂ）〜（Ｅ）は、フィンコンボリュ
ーション２０の断面図であり、それぞれ図４の５Ｂ−５
Ｂ，５Ｃ−５Ｃ，５Ｄ−５Ｄ，５Ｅ−５Ｅの各線に沿っ
た断面図を示している。これらの図は、図５の疑似断面
図に比較すると、種々の点で、ノッチが形成されたフィ
ンコンボリューション２０の形状をより正確に表してい
る。図５（Ａ）について上述した、ノッチが形成された
フィンコンボリューションの特徴は、図５（Ｂ）〜
（Ｅ）に対しても同様に適用される。
【００３１】本発明に係るチューブの製造例を得て、こ
れを試験した。その結果、このチューブの公称外径Ｄｏ
は1.9ｃｍ（3/4インチ）、フィンの高さは0.61ｍｍ（0.
0241インチ）、フィンの密度は、チューブの長さ１セン
チメートルあたりフィンコンボリューションが２２個
（１インチあたりフィンコンボリューション５６個）で
あった。また、フィンコンボリューション１周あたりの
ノッチ数は１２２個、チューブ長手軸（ＡＴ）に対する
ノッチの軸の傾斜角（α）は４５度、ノッチの深さは0.
20ｍｍ（0.008インチ）であった。試験したチューブに
は、フィンコンボリューション、即ち、この技術分野で
いうスターツ(starts)が３つ形成されていた。
【００３２】繰り返し行われた試験データから、本発明
に係るチューブの外表面の形状は、その外径が12.5ｍｍ
（1/2インチ）〜25ｍｍ（１インチ）であるチューブに
対しては、以下のａ）〜ｅ）の特性を有することが好ま
しいことが示された。
【００３３】ａ）チューブの長さ１センチメートルあた
り１３〜２８個（１インチあたり３３〜７０個又は６２
個）のフィンコンボリューションを有し、従って、フィ
ンピッチが0.036〜0.84ミリメートル（0.014〜0.033イ
ンチ）、即ち、
【００３４】
【数１】0.036mm≦Ｐｆ≦0.84mm (0.014インチ≦Ｐｆ≦
0.033インチ) である。
【００３５】ｂ）チューブ外径に対するフィン高さの比
率が0.02〜0.05、即ち
【００３６】
【数２】0.02≦Ｈｆ／Ｄｏ≦0.05 である。
【００３７】ｃ）フィンコンボリューションのノッチ密
度が１センチメートルあたり１７〜３２個（１インチあ
たり４２〜８１個）である。
【００３８】ｄ）ノッチ軸とチューブの長手軸との間の
角度が４０〜７０度、即ち、
【００３９】
【数３】４０°≦α≦７０° である。
【００４０】ｅ）フィン高さに対するノッチ深さは0.2
〜0.8、即ち、
【００４１】
【数４】0.2≦Ｄｎ／Ｈｆ≦0.8 である。
【００４２】フィンコンボリューション即ちフィンの
“スターツ”の最適数は、熱交換効率に与えるフィンコ
ンボリューションの数の影響よりも、むしろ製造性によ
って定まる。スターツの数が増えるにつれて、チューブ
表面上におけるフィンコンボリューションの形成比率は
増加するが、フィン形成装置への負担も大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態に係る熱交換チューブの斜視
図。
【図２】本発明の一形態に係る熱交換チューブの製造工
程の説明図。
【図３】本発明の一形態に係る熱交換チューブの外表面
の一部平面図。
【図４】本発明の一形態に係る熱交換チューブのフィン
コンボリューションの説明図。
【図５】本発明の一形態に係る熱交換チューブのフィン
コンボリューションの概略断面図。
【符号の説明】
１０…熱交換チューブ １１…管壁 １２…管内壁 １３…管外壁

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱交換チューブ（１０）であって、 前記チューブの周囲に螺旋状に設けられた少なくとも１
    つの外部フィンコンボリューション（２０）と、 前記チューブの周面に所定の間隔で設けられて、前記フ
    ィンコンボリューションの半径方向窪んでいるノッチ
    （３０）であって、前記チューブの長手軸（ＡＴ）に対
    して傾斜角（α）をなすベース軸をそれぞれ有するノッ
    チと、を有し、 前記ノッチは、前記フィンコンボリューションを、根幹
    部（２１）と、単一の平坦化された先端部（２３）を有
    するスパイク部（２２）と、に分割し、 前記スパイク部は、隣接する一対の前記ノッチ間にある
    とともに、その先端部の軸（β）は前記ノッチのベース
    軸に対して傾斜しており、かつ、このスパイク部の最大
    幅（Ｗｔ）は、前記根幹部の最大幅（Ｗｒ）よりも大き
    く、かつ、隣接するフィンコンボリューションの双方の
    スパイクが重なり合うに十分に広いことを特徴とする熱
    交換チューブ。
  2. 【請求項２】 チューブの長さ１センチメートルあたり
    １３〜２８個のフィンコンボリューションを有し、 チューブ外径（Ｄｏ）に対する前記フィンコンボリュー
    ションの高さ（Ｈｆ）の比率（Ｈｆ／Ｄｏ）が0.02〜0.
    05、 前記フィンコンボリューションでの前記ノッチの密度が
    １センチメートルあたり１７〜３２個、 前記ノッチのベース軸と前記チューブの長手軸との間の
    角度が４０〜７０°、 前記フィンコンボリューション高さに対するノッチ深さ
    は0.2〜0.8であることを特徴とする請求項１記載の熱交
    換チューブ。
  3. 【請求項３】 熱交換チューブ（１０）であって、 外表面（１３）を有する管壁（１１）と、 フィン形成ディスク（６３）とマンドレル（６４）との
    相互作用によって形成されて、前記チューブの外表面か
    ら延びる少なくとも１つの外部フィンコンボリューショ
    ン（２０）と、 ノッチングホイール（６６）により形成され、前記フィ
    ンコンボリューションの半径方向内部に向かって延びる
    とともに、前記チューブの周面に所定の間隔で設けられ
    ているノッチ（３０）であって、前記フィンコンボリュ
    ーションを、根幹部とスパイク部（２２）とに分割し、
    前記チューブの長手軸（ＡＴ）に対して傾斜角（α）を
    なすベース軸をそれぞれ有するノッチと、を有し、 前記スパイク部（２２）は、前記ノッチングホイール及
    びスムースホイール（６７）により形成され、平坦化さ
    れた先端部（２３）を有するともに、一対の隣接するノ
    ッチ間では、その隣接する双方の先端部が重なり合い、 前記先端部は、一対の隣接する前記ノッチの間に形成さ
    れており、先端部の軸（β）は前記ノッチのベース軸に
    対して傾斜しているとともに、かつ、この先端部の最大
    幅（Ｗｔ）は、前記根幹部の最大幅（Ｗｒ）よりも大き
    いことを特徴とする熱交換チューブ。
JP7299583A 1994-11-17 1995-11-17 熱交換チューブ Expired - Fee Related JP2642915B2 (ja)

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US8/341235 1994-11-17
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JPH08219674A JPH08219674A (ja) 1996-08-30
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