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JP2534450B2 - 熱交換器の管 - Google Patents

熱交換器の管

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JP2534450B2
JP2534450B2 JP5314637A JP31463793A JP2534450B2 JP 2534450 B2 JP2534450 B2 JP 2534450B2 JP 5314637 A JP5314637 A JP 5314637A JP 31463793 A JP31463793 A JP 31463793A JP 2534450 B2 JP2534450 B2 JP 2534450B2
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rib
heat exchanger
notch
heat transfer
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    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に管の内側の流体
と管の外側の流体との間で熱を伝達するための熱交換器
において使用される管に関する。さらに詳細には、本発
明は、管の熱伝達性能を強調する内面を有する熱交換器
の管に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱伝達管の設計者たちは、ずっと以前よ
り、表面熱伝達強調部を有する管の熱伝達性能が、滑ら
かな壁面を持つ管よりも優れていることを認識してい
た。ほんの僅かな例を挙げるだけでもリブ、フィン、被
膜および挿入体を含む表面熱伝達強調部が、管の内面お
よび外面の両方に加えられてきた。すべての熱伝達強調
設計に共通な事項は、いずれも管の熱伝達表面積を増大
させようとしていることにある。また、ほとんどの設計
では、流体の混合を促進させ、管の表面における境界層
を破壊するために、管内または管上を流れる流体の乱流
を大きくしようとすることが試みられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】エンジン冷却器と共
に、ほとんどの空調器、冷凍器（ＡＣ＆Ｒ）の熱交換器
は、板状フィンおよび管型のものである。そのような熱
交換器においては、管の外部に取り付けられた板状フィ
ンを用いることによって、それらの管は外的に熱伝達強
調されている。それらの熱交換器管は、また、度々管の
内面に変形物の形で内部熱伝達の強調部を有している。
【０００４】それらの名前から暗示されるように、凝縮
器を介して流れる流体は、気体から液体への相変化を引
き起こし、蒸発器を介して流れる流体は、液体から気体
へ相変化する。両方の型の熱交換器が、蒸気圧縮ＡＣ＆
Ｒシステムにおいて必要とされる。製造コストの低減に
加えて仕入れや在庫保管を簡単にするために、システム
の熱交換器のすべてに同じ型の管を用いることが望まし
い。しかし、ある用途に使用するのに最適の熱伝達管
は、ほとんど、他の用途に使用される場合に同様に用い
られることはない。このような状況のもとで所定のシス
テムにおいて最大の性能を得るためには、各機能に応じ
て１つ、合計２つの型の管を用いる必要がある。しか
し、所定の熱交換器が、両方の機能を実行しなければな
らない少なくとも１つの型のＡＣ＆Ｒシステムがある。
すなわち、可逆蒸気圧縮すなわちヒートポンプ型の空調
システムである。そのようなシステムにおいて単一の機
能に対して所定の熱交換器を最適化することは可能では
なく、それらの熱交換器は、両方の機能を適切に実行で
きなければならない。
【０００５】改善された熱伝達性能を得ると同時に、製
造を簡単化しコストを低減するために、必要とされるこ
とは、凝縮および蒸発用途の両方において適切に実行で
きる熱伝達強調内面を持つ熱伝達管である。内部熱伝達
面は、簡単であり、安価に製造されるようなものでなけ
ればならない。
【０００６】典型的な板状フィンおよび管ＡＣ＆Ｒ熱交
換器において管の全長の重要な部分において、冷媒の流
れが混合され、すなわち、冷媒は液体と気体の両方の状
態で存在しなければない。密度の変動のため、液体冷媒
は管の底部に沿って流れ、気体冷媒は管の頂部に沿って
流れる。管の熱伝達性能は、次の場合に改善される。す
なわち、それら２つの状態にある流体間での相互の混合
が、例えば、凝縮用途において管の上方領域からの液体
放出が活発化させられること、または蒸発用途において
毛細管作用によって液体が管の内壁を活発に流れるよう
に改善されている場合である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の熱交換器管は、
管の熱伝達性能を強調するように構成されている内面を
有する。その内部熱伝達強調部は、リブ付きの内面であ
り、それら複数のリブは、管の長手方向軸に実質的に平
行に設けられている。それらリブは、管の長手方向軸に
傾斜した角度で、それらのリブ中に刻まれた平行ノッチ
パターンを有する。
【０００８】本発明の管は、管中にストリップを圧延形
成しシーム溶接する前に、そのストリップの一表面上に
熱伝達強調パターンを圧延打ち出しすることによって、
銅または銅合金から製造でいるようになっている。その
ような製造プロセスは、内的に強調された熱伝達管を迅
速にかつ経済的に製造することができる。
【０００９】
【作用】上述の管内面は、その管の内部表面積を増大さ
せ、したがって、管の熱伝達性能を増大させる。さら
に、ノッチ付きリブは、管内の流れを良くし、それもま
た熱伝達を促進させる。強調部の構造は、凝縮および蒸
発の両方の用途において改善された熱伝達性能を与え
る。本発明を具体化した管から構成された板状フィンお
よび管熱交換器の領域においては、流体の流れが混合さ
れた状態をなし、蒸気を多く含んだものとなっている。
その構造は、管の内面に乱流を引き起こし、熱伝達性能
を改善するようにしている。蒸気の少ない熱交換器の領
域において、その構造は、凝縮環境においては凝縮放出
を、蒸発環境においては管壁上方の液体の毛細管移動を
活発化させる。
【００１０】
【実施例】図１は、本発明の熱交換器の全体斜視図であ
る。管５０は、上側に内面強調部５２が形成されている
管壁５１を有する。
【００１１】図２は、管５０の断面立面図を表してい
る。簡単化のために、内面強調部５２（図１）の単一の
リブのみが示されている。しかし、本発明では、すべて
互いに平行な複数個のリブ５３が、管５０の管壁５１か
ら伸びている。リブ５３は管の長手方向軸ａγから角度
αで傾けられている。管５０は、リブ間の内面から測定
される内径Ｄiを有する。
【００１２】図３は、管５０の管壁５１の一部分の斜視
図であって、内面強調部５２を詳細に示している図であ
る。複数個のリブ５３が管壁５１から外方向に伸びてい
る。一連のノッチ５４がリブに沿って間隔をもって設け
られている。以下に述べられるように、ノッチ５４は、
圧延プロセスによってリブ５３内に形成される。それら
のノッチが形成される際に変位される材料は、そのリブ
内の各ノッチ５４回りの所定のリブ５３の各側部から外
方向に突き出している突出部５５として残される。それ
らの突出部は、管を通して流れる流体に露出される管の
表面積を増加させると共に、管内面近くの流体の流れに
乱流をもたらすので、管の熱伝達性能に有益な影響を与
える。
【００１３】図４は、管５０の管壁５１の一部分の平面
図である。図４は、リブ間隔Ｓγで壁に設けられている
リブ５３を示す。ノッチ５４は、ノッチ間隔Ｓnでリブ
中に刻まれている。それらのノッチとリブとの間の入射
角は、角度βである。
【００１４】図５は、図４における線Ｖ−Ｖに沿って取
られた管壁５１の断面図である。図５は、高さＨγとリ
ブ間隔Ｓγをもつリブ５３を示している。
【００１５】図６は、図４における線ＶＩ−ＶＩに沿っ
て取られた管壁５１の断面図である。図６は、ノッチ５
４が対抗する面間の角度γを有し、ノッチ５４中にＤn
の深さまで刻まれていることを示している。隣接するノ
ッチ間の間隔はＳnである。
【００１６】最小の流体流抵抗と両立する最適な熱伝達
に対して、本発明を具体化し、かつ２０ｍｍ（３／４イ
ンチ）以下の定格外径を有する管は、上述のような特徴
をもち、かつ次のパラメータを有する内部強調部を有す
るのがよい。
【００１７】ａ．リブの軸が管の長手方向軸に実質的に
平行である。すなわち、 α≒０° ｂ．管の内径に対するリブの高さの比率が、０．０２か
ら０．０４の間に存在する。すなわち、 ０．０２≦Ｈγ／Ｄi≦０．０４ ｃ．リブの軸とノッチの軸の間の入射角が、２０度から
９０度の間に存在する。すなわち、 ２０°≦β≦９０° ｄ．リブ内のノッチ間の間隔と管内径との間の比率が、
０．０２５から０．０７の間に存在する。すなわち、 ０．０２５≦Ｓn／Ｄi≦０．０７ ｅ．ノッチ深さが、リブの高さの４０から１００パーセ
ントの間に存在する。すなわち、 ０．４≦Ｄn／Ｈγ≦１．０ ｆ．ノッチの対抗面間の角度が、９０度以下である。す
なわち、 γ≦９０° 内面強調部５２は、適切なプロセスによって、管壁５１
の内面に形成される。現在の自動化高速プロセスを用い
るシーム溶接金属管の製造においては、金属ストリップ
が円形の横断面に圧延形成され、管状にシーム溶接され
る前に、金属ストリップの一表面上を圧延打ち出しする
ことによって、強調パターンを与えることが、効果的な
方法である。図７は、これが如何にしてなされるかを表
している。未加工金属ストリップの供給源とそのストリ
ップが管形状に圧延形成される生産ライン部分との間
に、圧延形成および金属ストリップ３０を管状にシーム
溶接するための２個の圧延打ち出し機１０および２０
が、生産ラインに配置される。各打ち出し機は、それぞ
れ１１および２１のパターン付けされた強調ローラ、お
よびそれぞれ１２および２２の背部ローラを有する。各
機の背部およびパターンローラは、適切な手段（図示せ
ず）によって、十分な力をもって一緒に押圧し、例え
ば、ローラ１１上のパターン面１３をストリップ３０の
一方側の面内に刻み込ませ、そのストリップ上に強調パ
ターン３１を形成する。パターン面１３は、完成管にお
ける表面強調の軸方向リブ部分の鏡像である。ローラ２
１上のパターン面２３は、一連の高さのある突出部を有
し、これはローラ１３によって形成されるリブ中に押圧
され、完成管におけるリブ内にノッチを形成する。
【００１８】管が、圧延刻印、圧延形成およびシーム溶
接によって製造される場合、製造プロセスの性質によっ
て管内周囲の残部回りに強調構造を欠いてしまうか、異
なる強調構造を有する完成管内の溶接線に沿う領域があ
る。この異なる構造の領域は、いかなる方法でも管の熱
または流体流性能に悪影響を与えない。
【００１９】本発明の管は、蒸発および凝縮熱交換器に
おいて従来の熱伝達管以上の性能上の利点を与える。図
８の曲線Ａは、管を通る冷媒の流量速度（Ｇ，ＬＢ／Ｈ
−ＦＴ２）の範囲について、滑らかな内面を有する管と
比較した本発明の管の相対的蒸発性能（Ｈ（ＧＲ）／Ｈ
（ＳＭＯＯＴＨ））を示している。曲線Ｂは、長手方向
のリブを有するがノッチを持たない管に対しての、同じ
相対的性能情報を示している。そして、曲線Ｃは、ら旋
内部リブを有する代表的な従来の管に対しての、同じ情
報を示している。図８のグラフは、本発明の管の蒸発性
能が、流速の広い範囲について、両方の従来の管よりも
優れていることを示している。
【００２０】図８におけると同一の方法で、図９の曲線
Ａは、管を通る冷媒の流量速度の範囲について、滑らか
な内面を有する管と比較した本発明の管の相対的凝縮性
能を示している。曲線Ｂは、長手方向のリブを有するが
ノッチを持たない管に対しての、同じ相対的性能情報を
示している。そして、曲線Ｃは、代表的な従来のら旋リ
ブ付き管に対しての、同じ情報を示している。図９のグ
ラフは、本発明の管の凝縮性能が、流速の広い範囲につ
いて、両方の従来の管よりも優れていることを示してい
る。
【００２１】
【発明の効果】本発明によれば、凝縮および蒸発用途の
両方において適切に使用できる熱伝達強調内面を持つ熱
伝達管が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱交換器管の斜視図である。
【図２】本発明に係る熱交換器管の断面立面図である。
【図３】本発明に係る熱交換器管の壁の断面の斜視図で
ある。
【図４】本発明に係る熱交換器の管壁の断面の平面図で
ある。
【図５】図４における線Ｖ−Ｖに沿って取られた、本発
明に係る熱交換器の管壁の断面図である。
【図６】図４における線ＶＩ−ＶＩに沿って取られた、
本発明に係る熱交換器の管壁の断面図である。
【図７】本発明に係る熱交換器管の一製造方法の概略図
である。
【図８】本発明に係る管が蒸発用途に使用されたとき
の、２つの従来の管と本発明の管の性能を比較している
グラフ図である。
【図９】本発明に係る管が凝縮用途に使用されたとき
の、２つの従来の管と本発明の管の性能を比較している
グラフ図である。
【符号の説明】
５０…熱交換器の管 ５１…管壁 ５２…内面強調部 ５３…リブ ５４…ノッチ ５５…突出部 ５６…対抗ノッチ面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャック エル．エスフォームズ アメリカ合衆国，ニューヨーク，ノース シラキューズ，メドウ ウッド ドラ イブ 7547 (56)参考文献 特開 昭56−59194（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−29593（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−142995（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内面を有する壁（５１）と、内径
    （Ｄｉ）と、長手方向軸（ａγ）と、前記内面上に形成
    された複数のリブ（５３）を有し、前記各リブはそれぞ
    れ高さ（Ｈ γ ）で前記長手方向軸に実質的に平行に伸び
    ている熱交換器の管（５０）において、平行なノッチパターンを有してなり、前記各ノッチ（５
    ４）は、対向し、互いに反対に向かって傾いた第１の面
    と第２の面（５６）とを有してなり、前記ノッチの前記
    第１の面が前記第２の面に最も近接している部分で前記
    内面に最も近接しているとともに、前記各ノッチは、前
    記リブ高さの少なくとも４０％の深度（Ｄｎ）で前記長
    手方向に対して角度（β）の傾斜をもって前記リブに押
    圧されてなり、 前記リブ高さの前記管内径に対する比が、０．０２から
    ０．０４であり、かつ リブ内でのノッチ間の間隔（Ｓ
    ｎ）と管内径との比が０．０２５から０．０７であり、
    ノッチが前記リブに形成される際に前記リブからはみ出
    した材料からなる突出部（５５）が、前記リブ内の各ノ
    ッチの近傍において前記リブの前記対抗する側部から外
    側に伸びている、 ことを特徴とする熱交換器の管。
  2. 【請求項２】 前記ノッチの対抗面（５６）間の角度
    （γ）が、９０度よりも小さいことを特徴とする請求項
    １に記載の熱交換器の器。
  3. 【請求項３】 前記ノッチパターンが前記リブと交差す
    る角度（β）が、２０度から９０度の間にあることを特
    徴とする請求項１に記載の熱交換器の管。
  4. 【請求項４】 前記交差角度（β）が４５度であること
    を特徴とする請求項３に記載の熱交換器の管。
  5. 【請求項５】 前記リブが、前記熱伝達管の内面の回り
    に実質的に等しい間隔で配置されていることを特徴とす
    る請求項１に記載の熱交換器の管。
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CN (1) CN1071885C (ja)
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