JP2642916B2 - 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、多管式熱交換機等
に用いられる熱交換チューブに関し、例えば、空調シス
テムのコンデンサとして用いられる熱交換チューブに関
する。
【０００２】
【従来の技術】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、熱交換すべき二種の流体の一方が、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。これらのチューブは、熱交換シェ
ルを流れる冷媒に浸っていおり、管壁を通じて、一方の
流体から他方の流体へと熱が交換される。
【０００３】ある種の一般的な機器、例えば空調システ
ムのコンデンサでは、冷媒、通常は水がコンデンサのチ
ューブのチューブ内を水が流通する。冷媒はコンデンサ
のシェルを流通し、ガスとして流入した冷媒は液体とし
て流出される。このような熱交換機の総合熱交換特性
は、個々のチューブの熱交換特性に大きく依存する。
【０００４】熱交換チューブの熱交換特性を向上する方
法として、種々の方法が知られている。その手法の一つ
は、熱交換チューブ表面の熱交換面積を増やすことであ
る。コンデンサとして用いる場合、熱交換特性は、チュ
ーブ表面積における流体と接触している領域を大きくす
ることで向上する。
【０００５】熱交換チューブの熱交換面積を増加させる
ために、非常によく用いられている手法としては、チュ
ーブの外表面上にフィンを設ける手法が挙げられる。フ
ィンは、チューブとは別に形成したうえでチューブの外
表面に取り付けてもよく、また、何らかの手法によって
チューブの管壁をワーク処理することで、このチューブ
外表面にフィンを形成してもよい。
【０００６】このようにフィンを形成することで、外表
面を平坦とした場合に比較して、熱交換機で凝縮を行う
際の熱交換効率が増加するが、これは、熱交換面積が増
加するという理由だけによるものではない。
【０００７】熱交換チューブ表面が平坦である場合、凝
縮する冷媒により、その外表面上に液体冷媒層が一面に
形成されてしまう。このような冷媒層が存在すると、管
壁を通じての熱交換効率が低くなってしまう。この冷媒
層が厚くなるにつれて熱交換効率も阻害される。フィン
上の冷媒層の厚みは、その表面張力の効果により、チュ
ーブの本体部に形成される冷媒層の厚みよりも薄い。従
って、本体部に比べると、フィンを通じての熱交換効率
が阻害される程度は小さい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】単純な形状を有するフ
ィンが形成されたチューブに比較した場合、熱交換チュ
ーブにおける凝縮時の熱交換効率をさらに向上すること
も可能である。
【０００９】このようなチューブは、チャン氏等（Chia
ng,et al）に付与されて本発明の出願人に譲渡された、
１９９３年４月２０日公布の米国特許第5,203,404号に
記載されている。しかし、熱交換効率をさらに高くする
ことが望まれている。
【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つ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を提供する。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】フィンのノッチにより、従来のフィン付き
チューブに比較して、外表面積が増加する。加えて、ノ
ッチ間でのフィンが形成された領域の形状によって、フ
ィンからの冷媒の除去が促進される。殆どの機器におい
て、多管式熱交換機空調のコンデンサのチューブは、ほ
ぼ水平に配置されている。
【００１３】水平なチューブに対しては、ノッチが形成
されたフィンの形状によって、チューブ表面の上方部で
は、フィンからフィン間に形成された溝へと凝縮してい
く冷媒の除去が促進される。かつ、チューブ表面の下部
においては、凝縮された冷媒のチューブからの除去も促
進される。
【００１４】前述した米国特許第5,203,404号に記載さ
れたような従来のチューブに比較すると、本願に係るチ
ューブは、同じパラメータで比較すると、そのチューブ
上のフィンコンボリューションに形成されたノッチの密
度が高い。従って、外表面の面積も大きい。さらに、コ
ンボリューションあたりのノッチ数が増えたことで、上
述したような従来のチューブに比較して、ノッチ間のフ
ィン表面は、よりスパイクされ、つまり“鋭角化”され
ている。従って、凝縮された冷媒は、チューブからの除
去作用がさらに促進される。
【００１５】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。
【００１６】
【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。
【００１７】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。
【００１８】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よりなる。また、ツール心棒６１は、
ノッチングホイール６６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。
【００１９】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１０を構成する金属には、フィン形成用ディスクによ
り溝が形成され、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、ツールガング６２のフ
イン形成用ディスクの数と、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。
【００２０】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する。
【００２１】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。
【００２２】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。
【００２３】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。
【００２４】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。
【００２５】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。
【００２６】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。
【００２７】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。
【００２８】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。
【００２９】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。
【００３０】その結果、ＷｔはＷｒよりも大きくなる。
【００３１】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。
【００３２】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0.65ｍｍ（0.
0257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一周あたりの
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。
【００３３】試験データから、従来の外表面が平坦であ
るチューブに比較すると、このチューブは、冷媒がチュ
ーブに流入するタイプにおける壁面での熱交換効率が２
０倍になっていることが示された。
【００３４】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。
【００３５】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）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
0.36〜0.84ミリメートル（0.014〜0.033インチ）、即
ち、
【００３６】
【数１】0.036mm≦Ｐｆ≦0.84mm (0.014インチ≦Ｐｆ≦
0.033インチ) である。
【００３７】ｂ）チューブ外径に対するフィン高さの比
率が0.02〜0.04、即ち
【００３８】
【数２】0.020≦Ｈｆ／Ｄｏ≦0.055 である。
【００３９】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。
【００４０】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、
【００４１】
【数３】４０°≦α≦７０° である。
【００４２】ｅ）フィン高さに対するノッチ深さは0.2
〜0.8、即ち、
【００４３】
【数４】0.2≦Ｄｎ／Ｈｆ≦0.8 である。
【００４４】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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シン リウ アメリカ合衆国，ニューヨーク，シラキ ュース，アパートメント ナンバー904, ジェイムズ ストリート 770 (72)発明者 スティーヴン ジェイ．スペンサー アメリカ合衆国，ニューヨーク，リヴァ プール，リヴァデール ロード 205 (72)発明者 ロバート エイチ．エル．チャン アメリカ合衆国，ニューヨーク，マンリ アス，ローリング リッジ ドライブ 7827 (72)発明者 ダニエル ギャファニー アメリカ合衆国，ニューヨーク，チティ アンゴ，ウェスト ジェネシー ストリ ート 351 (56)参考文献 特開 平４−369391（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−39596（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−138692（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−14863（ＪＰ，Ａ)

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に窪んでいるノッチ
    （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
    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0.020〜
    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に窪んでいるととも
    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、単一の先端部（２３）を有
    し、 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。
JP7299584A 1994-11-17 1995-11-17 熱交換チューブ Expired - Fee Related JP2642916B2 (ja)

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