JP6640206B2 - 複数の改良を伴う伝熱管 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１５年１０月５日に出願された米国特許出願第１４／８７４，７０８号に対する優先権を主張し、また、２０１４年１０月６日に出願された米国仮出願第６２／０６０，０５１号の利益を受ける権利も主張する。これらの出願の開示の全体が、参照によって本明細書に組み込まれる。

本開示は、軸線方向及び非軸線方向の溝を内部に含む伝熱管に関する。

この節では、本開示に関する背景技術の情報を提供するが、それらは必ずしも先行技術ではない。

例えばエアコンや冷蔵庫、ヒートポンプの内部の冷却管（凝縮器管）には、一般に銅管が使用されている。銅は優れた熱伝導を提供するが、高価な材料である。そのため現在は、アルミニウム等の材料が冷却管の形成に用いられている。

この節では本開示の概要を提供するが、その完全な範囲又はその特徴の全てを包括的に開示するものではない。

本開示は伝熱管を提供する。伝熱管は、複数の溝を含む内面を含む。複数の溝は少なくとも１次溝（主溝）と２次溝（副溝）とを含み、１次溝は管の長手方向に沿って延在し、２次溝は１次溝と交差する。

伝熱管は、らせん状に形成されている２次溝を含んでもよい。

伝熱管は、少なくとも１次溝と交差する３次溝も含んでもよい。

３次溝は２次溝と交差してもよい。

３次溝はらせん状に形成されてもよい。

伝熱管はアルミニウムを含んでもよい。

本開示は、伝熱管を形成する方法も提供する。この方法は、内面に複数の軸線方向の１次溝を含む管を押出加工することと、第１形成ツールを用いて内面に複数の２次溝を形成することとを含み、２次溝は１次溝と交差する。形成工程では、１次溝間のリッジ部が、１次溝を部分的又は完全に塞ぐように変形されてもよい。

第１形成ツールは、第１ピッチ及び第１高さをもつ複数のねじ山を含んでもよい。或いは、第１形成ツールは、２次溝を管内へとプレスする拡張ツール又は拡張カムを含んでもよい。

第１形成ツールは、２次溝をらせん配向（方向）に形成してもよく、２次溝は連続的又は非連続的のどちらでもよく、これは個別のリング又は他の経路を形成する。

この方法によれば、複数の３次溝もまた、第２形成ツールを用いて内面に形成されてもよい。

３次溝は１次溝と交差してもよい。

３次溝は２次溝と交差してもよい。

第２形成ツールは、第２ピッチ及び第２高さをもつ複数のねじ山を含んでもよく、且つ／又は、第１形成ツールと異なる形状を含んでもよい。

２次溝及び３次溝はそれぞれらせん状に形成されてもよい。

この方法は、押出加工された管から、ある長さの管を切り取るステップも含んでもよい。

ある長さの管は、２次溝を形成する前に、押出加工された管から切り取ってもよい。

或いは、ある長さの管は、２次溝を形成した後に、押出加工された管から切り取ってもよい。

この方法は、伝熱管をＵ字管へと曲げることも含んでもよい。

この方法によれば、伝熱管はアルミニウムを含んでもよい。

更なる適用範囲が、本開示で提供される説明から明らかとなろう。この発明の概要における説明及び具体例は、例示のみを意図し、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

本開示で説明される図面は、可能な実施例の全てではなく、選択された実施例のみの例示を目的とし、また、本開示の範囲の限定を意図するものではない。

本開示の原理に係る例示的な伝熱管の断面図である。 本開示の原理に係る例示的な伝熱管の断面の斜視図である。 本開示の原理に係る伝熱管の内部に溝を形成するのに用いられる形成ツールの斜視図である。 本開示の原理に係る他の例示的な伝熱管の断面の斜視図である。 本開示の原理に係る例示的な伝熱管の断面を示す顕微鏡写真であり、２次溝を形成する工程において、１次溝が１次溝間のリッジ部から変形した材料によって実質的に塞がれている写真である。 本開示の原理に係る例示的な伝熱管の断面を示す顕微鏡写真であり、２次溝を形成する工程において、１次溝間のリッジ部が、１次溝を実質的に塞ぐことなく溝内へと突出するように変形している写真である。 冷媒４１０ａを利用した７ｍｍ管からの熱伝導の結果を示すグラフであり、２次溝は、１次溝と比較して異なる深さを有し、その深さの割合は、１次溝間のリッジ部内へと切り込む２次溝の割合に関している（例えば３０％なら、２次溝はリッジ部の上部３０％を切断し、１００％なら、２次溝はリッジ部を完全に切断して１次溝及び２次溝の両方が同じ深さを有している）グラフである。 冷媒４１０ａを利用した７ｍｍ管からの熱伝導の結果を示すグラフであり、１次溝を含む管を、１次溝及び２次溝を含む管と比較し、更に１次溝、２次溝及び３次溝を含む管と比較しているグラフである。 冷媒４１０ａを利用した７ｍｍ管からの熱伝導の結果を示すグラフであり、１次溝を含む管を、図５に示す管と比較し、更に図６に示す管と比較しているグラフである。

対応する参照符号が、図面の幾つかの図を通して、対応する部品を示す。

以下、添付の図面を参照しながら、例示的な実施例をより完全に説明する。

図１は、リッジ部１３に隔てられた複数の１次溝１２を含む管１０を示す。管１０は概して円筒形状であり、外径ＯＤを画定する外面１４と、内径ＩＤを画定する内面１６とを含む。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る他の任意の材料等の材料から形成されてもよい。好ましくは、管１０は、エアコンの冷却器、蒸発器又はヒートポンプの内部で冷媒を運ぶのに用いられる。

管１０は、１次溝１２を含むように押出加工されてもよい。図示のように、１次溝１２は、管１０の内面の面積の増加を助ける軸方向の溝１２である。しかしながら、この１次溝１２は、本開示の範囲から逸脱せずに、らせん状に形成できることを理解されたい。管１０の内面の面積を増加させることによって、管１０と、管１０によって運ばれる冷媒との間で、より多くの熱伝導を行うことができる。溝１２の数や大きさは変更可能である。図１に示すように、管１０は５８個の１次溝１２を含む。しかしながら、管１０は、本開示の範囲から逸脱せずに、より多い又はより少ない数の１次溝１２を含むことができる。更に、図示の１次溝１２は丸みのある底部１８を含むが、１次溝１２は、本開示の範囲から逸脱せずに、正方形状、楕円形状又はＶ字形状にもできることを理解されたい。管１０は、約１／３インチ（約０．８センチ）の幅の厚さＴを有する。しかしながら、管１０は、必要に応じて、より厚くても、より薄くてもよい。

管１０の熱伝導の性能を更に高めるために、管１０は、２次溝２０を含むように更に加工することができる。図２に示すように、２次溝２０は１次溝１２と交差するように非軸線方向に形成される。１次溝１２と共に２次溝２０を用いることで、管１０によって運ばれる冷媒と管１０との間の熱伝導を最大限にする複雑な内面１６が作られる。２次溝２０は１次溝１２に直角に形成してもよく、また、２次溝２０は１次溝１２と交差するようにらせん状に形成することもできる。２次溝２０は、管１０の長手方向に沿って、連続的に形成されても、又は非連続的に形成されてもよい。２次溝２０は、１次溝間のリッジ部から材料をずらして２次溝のいずれか又は両方の側にリッジ部を形成してもよく、このリッジ部は、１次溝における流体の流れを遮り又は制限するように事実上連続的又は非連続的であってもよい。

図３は、２次溝２０を形成するのに使用可能な形成ツール２２を示している。形成ツール２２は、回転ツール（不図示）によって駆動される基部２４を含み、また、形成ツール２２は先端部２６を含む。形成ツール２２の先端部２６は、形成ツール２２が回転すると管１０の内部に２次溝２０を形成するねじ切り部２８も含む。ねじ山３０の間のピッチ、すなわち間隙Ｓを所望のように修正できる。更に、ねじ山３０の高さＨを所望のように修正できる。これに関連して、ねじ山３０の高さＨは、２次溝２０が、１次溝１２の深さと比較して異なる（例えば大きい又は小さい）深さを有するように、１次溝１２の深さＤよりも大きく、又は同じに、又は小さく形成することができる。２次溝２０の深さが異なることで、冷媒と管１０との間の熱交換に影響をもたらすことができる。図７に最もよく示されるように、２次溝２０が１次溝１２の深さの３０％の深さを有するとき、熱伝導が高まる。図７は、２次溝２０が１次溝１２の深さの５０％又は１００％の深さを有する場合も示し、ここでも冷媒と管１０との間の熱交換が増加する。

また、形成ツール２２の軸線Ａに対して配置されたねじ山３０の角度αも所望のように調整できる。これに関わらず、間隙Ｓ、高さＨ及び角度αのそれぞれは、管１０の内径ＩＤ及び管１０における冷媒の所望の流量に基づいて選択及び調整できることを理解されたい。また、２次溝２０は、管内に配置できるツールであって、１次溝を変形させて結果的に２次溝２０とする様々なツールによっても形成されてよいことも理解されたい。

ここで図４を参照すると、管１０は１次溝１２と、２次溝２０と、３次溝３２とを含んでもよいことが分かる。２次溝２０と同様に、３次溝３２は１次溝１２と交差するように非軸線方向に形成される。３次溝３２は２次溝２０とも交差してもよい。１次溝１２及び２次溝２０に伴う３次溝３２を用いることで、管１０によって運ばれる冷媒と管１０との間の熱伝導を最大限にする複雑な内面１６が作り出される。３次溝３２は１次溝１２に直角に形成してもよく、また３次溝３２は１次溝１２と交差するようにらせん状に形成することもできる。更に、３次溝３２は、２次溝２０を形成するのに用いる形成ツール２２と同様のもので、間隙Ｓ、高さＨ及び角度αが異なるように形成されてもよい。３次溝３２は、１次溝１２及び２次溝２０と完全に異なる形状を有してもよく、又は全く異なる経路を辿ってもよく、連続的に形成されても非連続的に形成されてもよい。

ここで図５及び６を参照すると、（図５及び６中、左から右へと進む）１次溝１２が、２次溝２０及び／又は３次溝３２の形成によって完全に遮られてもよく（図５）、又は部分的に遮られてもよい（図６）ことが分かる。これに関し、２次溝２０及び／又は３次溝３２の形成に用いられるツール２２は、２次溝２０及び／又は３次溝３２を形成する間、１次溝１２の間のリッジ部１３を変形させることができ、それにより、リッジ部１３の一部分が１次溝１２内に動かされ、又は押し込まれる。リッジ部１３を１次溝１２へと押し込むことによって、１次溝１２内の流れが制限されることから、冷媒と管１０との間の熱伝導が高まり、管１０内の冷媒の流れにおける乱流が増加する。この伝熱効果は、１次溝１２間のリッジ部１３が変形されて、１次溝１２内の流れを完全に塞ぐか又は制限したときに最も顕著である。しかしながら、一部の変形による１次溝１２の部分的な閉塞でも、管１０と冷媒との間の熱伝導を高められることを理解されたい（図９）。

２次溝２０及び／又は３次溝３２を用いると、管１０の熱伝導特性に関し、軸方向の溝しか含まない管１０と比較して３０％もの向上が促進される（図８）。これに関し、軸方向の溝しか含まない従来の管においては、冷媒の流れが軸線方向の溝の内部に納まって辿ることが多い。これにより、管の内部に冷媒境界層が形成され、冷媒と管との間の熱伝導の抵抗となったり、熱伝導を制限したりする。２次溝２０及び／又は３次溝３２を用いると、１次溝１２を通る冷媒の流れが乱れ、冷媒境界層の形成が防止される。これに関し、冷媒の流れは２次溝２０及び／又は３次溝３２のそれぞれと１次溝１２との交差によって乱れ、これは冷媒の流れを１次溝２０から分離し、冷却材の流れに熱伝導を強める乱流も作り出す。

管１０を形成するために、１次溝１２を含むようにある長さ（例えば５００フィート（１５２．４メートル））の管が押出加工される。管１０の所望の長さが選択され、その所望の長さが管の長さから切り取られる。その後、第２工程が行われ、２次溝２０及び／又は３次溝３２が形成される。具体的には、所望の間隙Ｓ、高さＨ及び角度αのねじ山３０を有する形成ツール２２が選択される。形成ツール２２を管１０へと挿入し回転して、２次溝２０及び／又は３次溝３２が形成される。複数の形成ツール２２を１回通過させて、又は複数の形成ツール２２を複数回通過させて、２次溝２０及び／又は３次溝３２の形成を行うことができる。従って、管１０は任意の数の溝等（不図示）も含むことができるということを理解されたい。

少なくとも２次溝２０を形成した後、次いで管１０を所望の形状（例えばＵ字）に曲げてもよい。或いは、管１０を、２次溝２０及び／又は３次溝３２の形成に先立って所望の形状に曲げてもよい。また、この第２工程は、管１０を所定の長さの管から切り取る前又は後、そして管１０の拡張の間に用いられる潤滑剤を管１０に塗布する前又は後に行うことができることを理解されたい。

或いは、管１０を最終的な長さに切る前に、２次溝２０を連続的に（例えばドローイング加工で）形成してもよい。形成ツールは、ツールがこの連続的な工程の中で自転し、工程を簡素化するように設計されてもよい。連続的な工程は、押出加工又は切削加工といった他に存在する工程と関連して行われてもよいし、コイルツーコイルの独立した工程として行われてもよい。

先述の実施例の説明は、例示及び説明を目的として提供してきた。これは、網羅的であること、又は開示を限定することを意図するものではない。特定の実施例の個別の要素又は特徴は、一般にこの特定の実施例に限定されるものではなく、個別の要素又は特徴は、適用可能な場合に、具体的に示されて、又は説明されていなくとも、選択された実施例内で交換可能且つ使用することができる。また、個別の要素又は特徴は、様々な方法で変更してもよい。こうした変更は、本開示からの逸脱とは見なされることはなく、全てのこうした変形例が、本開示の範囲内に含まれるように意図している。

Claims (19)

1. 複数の溝を含む内面を有する伝熱管であって、前記複数の溝が少なくとも１次溝と２次溝とを含む、伝熱管において、
   前記１次溝が、前記管の長さに沿って軸線方向に延び、前記管の長さによって定義され、また前記管の中心に向かって径方向に開いており、
   前記２次溝が前記１次溝と交差しており、また
   前記２次溝が前記１次溝と交差する位置において、前記１次溝のそれぞれが、隣接する１次溝を分離するリッジ部の変形によって、前記径方向に遮られることなく前記軸線方向に完全に遮られている、伝熱管。
2. 前記２次溝が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１次溝と交差する３次溝を更に有する、請求項１に記載の伝熱管。
4. 前記３次溝が前記２次溝と交差する、請求項３に記載の伝熱管。
5. 前記３次溝がらせん状に形成されている、請求項４に記載の伝熱管。
6. アルミニウムを含む、請求項１に記載の伝熱管。
7. 内面に軸線方向の複数の１次溝を含む管を押出加工するステップと、
   第１形成ツールを用いて前記内面に複数の２次溝を形成するステップと
   を含む、伝熱管を形成する方法であって、
   前記２次溝が前記１次溝と交差しており、
   前記１次溝が前記管の中心に向かって径方向に開いており、また
   前記２次溝が前記１次溝と交差する位置において、前記１次溝のそれぞれが、隣接する１次溝を分離するリッジ部の変形によって、前記径方向に遮られることなく前記軸線方向に完全に遮られている、伝熱管を形成する方法。
8. 前記第１形成ツールが、第１ピッチ及び第１高さをもつ複数のねじ山を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１形成ツールが前記２次溝をらせん配向で形成する、請求項８に記載の方法。
10. 第２形成ツールを用いて前記内面に複数の３次溝を形成することを更に含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記３次溝が前記１次溝と交差する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記３次溝が前記２次溝と交差する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２形成ツールが、第２ピッチ及び第２高さをもつ複数のねじ山を含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記２次溝及び前記３次溝がそれぞれらせん状に形成されている、請求項１０に記載の方法。
15. 押出加工された前記管から、所定の長さの管を切り取ることを更に含む、請求項７に記載の方法。
16. 前記所定の長さの管を、前記２次溝を形成する前に、押出加工された前記管から切り取る、請求項１５に記載の方法。
17. 前記所定の長さの管を、前記２次溝を形成した後に、押出加工された前記管から切り取る、請求項１５に記載の方法。
18. 前記伝熱管をＵ字管へと曲げることを更に含む、請求項７に記載の方法。
19. 前記伝熱管がアルミニウムを含む、請求項７に記載の方法。