JPH0244613B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 背景技術 本発明は一般に沸騰流体が使われる熱交換装置
及びかかる熱交換装置に於て伝熱促進加工された
伝熱面を形成する装置及びその製造方法に係る。
より詳細には本発明はかかる伝熱管の性能を向上
させるために前記伝熱管の表面に沿つて隔置され
た孔を有する一体的な表面下の溝を有する伝熱管
と、かかる表面下の溝を形成する螺旋状の外側の
フインがノツチ付きローラによつてロール掛けさ
れそれによつて各螺旋の周りに円周方向に隔置さ
れた孔を形成する方法とその装置に係る。

本発明によつて製造される伝熱管は蒸発器形式
の熱交換器で使用され、かかる熱交換器に於ては
冷却されるべき流体が伝熱管内部を通り且沸騰流
体即ち通常冷媒は前記伝熱管の外側に接触されて
おり、それによつて熱が前記伝熱管内の流体から
前記沸騰流体に移動される。米国特許第4425696
号に開示されているように、伝熱促進加工された
蒸発管は内側リブ上に配置された開口部によつて
管の周囲と連通した表面下の溝を有しており、か
かる蒸発管は溝付きマンドレルが未成形管の内側
に配置され且ツールギヤングを有するツールアー
バによつて前記管の外側面がロール掛けされる方
法によつて製造される。前記未成形の管はマンド
レル上に押付けられそれによつて少なくとも一つ
の内側のリブが前記管の内側面上に形成される。
同時にツールギヤングを有するツールアーバによ
つて外側のフイン巻回が前記管の外側面上に形成
される。かかる外側のフイン巻回は内側リブ上の
部分に押付けられ、前記管のかかる部分はマンド
レルの溝部に押込まれ、それによつてリブが形成
される。外側のフインが形成された後、前記管の
外側面はツールアーバ上の平滑なローラ状デイス
クによつてロール掛けされる。平滑なローラ状デ
イスクは、それによつて前記外側のフインの先端
部が折曲げられそれによつて隣接するフイン巻回
が外側フインのうち内側リブ上以外の位置にある
部分だけで接するように設計されている。外側フ
インの押付けられた部分即ち内側リブ上に位置す
る部分の先端部は折曲げられるが、しかし隣接す
るフイン巻回と接触することはなくそれによつて
管の周囲と管のかかる表面下の溝との間に流体的
な連結が提供される孔部が形成される。

米国特許第4313248号に於て伝熱管の伝熱面を
形成する方法が開示されており、それによるとフ
イン形成デイスクによつて管の表面にフインが形
成されローラデイスクによつて隣接するフイン表
面先端面が下方に圧縮され、それによつて隣接す
るフインの隣接する肩部間に狭い〓間が形成され
る。

沸騰流体への伝達は蒸気を捕える部分又は空洞
を作ることによつて高められるということが発見
されて以来、高性能な伝納管を作る試みが続けら
れて来た。蒸気を捕える部分を備えることによつ
て該沸騰が助長されることが理論的に分析されて
いる。かかる理論によると、かかる捕われた蒸気
によつて飽和温度又は飽和温度よりやや高い温度
で気泡の核が形成され、かかる気泡は熱が加えら
れることによつて体積が増加し最後に表面張力が
打負かされて蒸気の気泡が伝熱管から自由に離脱
するのである。蒸気泡が伝熱面を離れると、冷媒
液が残余の蒸気が捕われている明渡された空間に
入り込み他の気泡が形成される。連続的な気泡の
形成によつて加熱冷媒液の境界層即ち蒸気を捕え
る部分を覆う境界層を気泡が通過し且それによつ
てかかる境界層が混合されることによる対流効果
が伴うから、それによつて伝熱性能が改善される
結果となる。

周囲からの過剰な流体が蒸気が捕われている部
分に注ぎ込み或いはそれによつて蒸気が捕われて
いる部分が不活性化されることがあるということ
も知られている。この点に関して説明すると、隣
接するフイン間に連続的な〓間を有する伝熱面の
場合には伝熱管の性能が減少される。更に付け加
えると、伝熱促進加工されたかかる伝熱管は特定
の「開口比」を有する表面開口部又は孔によつて
周囲と連結されている表面下の溝を有しており、
しかもかかる孔によつて前記表面下の溝のフラツ
デイングが防止されているとしても、一般に前記
伝熱促進加工された伝熱管は空洞の開口が内側リ
ブ上のかかる位置だけに又は前記伝熱管の外側面
の落込み部だけに有するように制限される。

伝熱促進加工された伝熱管の性能は臨界的には
表面下の溝の大きさ及び表面下の溝上の孔及びか
かる孔の数及び間隔に依存する。それ故管の外周
に一様な表面下の溝と孔を有する伝熱促進加工さ
れた伝熱管を製造することが重要である。かかる
伝熱管の伝熱促進用の孔の数は、内側リブ上に孔
が形成されるように構成された内側リブを使用す
ることによつて得られるよりもより多くすべきで
あるということが確認された。本発明には一般に
表面下の溝当りその外周におよそ80の孔が設けら
れている。

かくして複数の表面下の溝を有する伝熱促進加
工された外側面を有する高性能な伝熱管に対する
明確な必要性が存在しており、前記表面下の溝は
一様に隔置された一定の大きさの多数の孔によつ
て外側空間と連結されており、それによつて従来
技術の特徴である欠点がかなり克服されるであろ
う。

発明の概要 本発明の目的は従来技術に経験される以上述べ
た困難及び欠点を克服することであり、本発明の
方法によつて製造される性能が高められた蒸発管
の伝熱性能を改善することである。

本発明の他の目的は表面下の溝に於ける表面孔
の数を増加させることによつて伝熱管の性能を向
上させることである。

本発明の更に他の目的は外側面に伝熱促進加工
された伝熱管を提供することであり、かかる伝熱
管は平滑な内側面又は溝付きの内側面を有してお
り、複数の環状又は螺旋状の表面下の溝をその表
面に含んでおり、それによつてかかる表面下の溝
は前記表面下の溝方向に延在して形成された隔置
された孔によつて外側空間に連結される。

本発明の更に他の目的は高性能な蒸発管を製造
する装置に係わり、複数の表面下の溝がフイン形
成ツールによつて前記蒸発管の表面に形成され更
にかかる形成されたフインの一部分がノツチ付き
ローラによつて隣接するフインと接触するように
ロール掛けされ、それによつて前記フインと前記
ノツチ付きローラの歯の先端部間に形成される接
触点に於て前記フインが曲げられる。

本発明の他の目的は一定の生産環境に於て高度
な性能を有する蒸発管を製造する方法を提供する
ことであり、かかる蒸発管は蒸発管表面に複数の
表面下空洞部と複数の隔置された孔部を有してお
り前記複数の孔部はマンドレル上に前記蒸発管の
内側面が支持されることによつて前記表面下空洞
部の方向に延在して形成され、一方蒸発管の表面
は少なくとも一つのフイン形成デイスクツールに
接触され且前記形成されたフインは少なくとも一
つの平滑なローラに接触されることによつて曲げ
られ最後にかかるロール掛けされたフインの一部
分がノツチ付きローラツールによつて曲げられ、
それによつてノツチ付き歯の先端が前記フインに
接触する位置に於て前記フインが隣接するフイン
と接触する。

本発明に係わる新規な高性能の蒸発管のこれら
の及び他の目的は、かかる伝熱管に孔及び表面下
の溝を形成する新規な装置及び方法によつて達成
される。

本発明によると高性能な蒸発管は複数の環状又
は螺旋状の表面下の溝を有しておりかかる表面下
の溝は複数の隔置された孔によつて外側空間と連
結されており、かかる複数の隔置された孔は前記
表面下の溝の方向に延在して形成されており、前
記高性能な蒸発管はフイン形成及びフイン曲げツ
ールギヤングによつて製造される。フイン形成ツ
ールは少なくとも一つのフイン形成デイスクを含
んでおり、フイン曲げツールは複数のローラを含
んでおり、それによつてフインが曲げられて隣接
するフインとノツチ付きローラ間に狭い〓間が形
成され、それによつて前記曲げられたフインが前
記フインと前記ノツチ付きローラの歯の間に形成
される接触点で押込まれる。

本発明を特徴付ける様々な新規な特徴はこの詳
細な説明に付属され且その一部を形成する特許請
求の範囲に記載された特定の事項によつて指摘さ
れる。本発明、その作動利益及びその使用によつ
て得られる特定の目的を更によく理解するため
に、本発明の最良の実施例が説明され且記述され
ている図面及び付記された記載事項が参照される
べきである。

最良の実施例の説明 本発明に係る伝熱促進加工された伝熱管は冷凍
装置の蒸発器に於て使われるように設計されてお
り、前記冷凍装置は伝熱管の中を通る冷却される
べき流体と前記伝熱管の外側面と接触しておりそ
れによつて蒸発されるべき冷媒を有する。典型的
には複数の伝熱管が平行に装着され且連結されて
おり、従つて数本の伝熱管によつて流体回路が形
成され、複数のかかる平行な回路は一つの伝熱管
束を形成するように設置される。通常各種の回路
を形成する全ての伝熱管は単一のシエル内部に含
まれ、前記シエル内部で前記伝熱管は冷媒内に浸
される。蒸発器の伝熱容量は主として個々の伝熱
管の平均伝熱特性によつて決定される。とりわけ
伝熱管表面上の表面下の溝の大きさ及び孔部の大
きさ、数及び形状はＲ−11の適用に対しては臨界
的である。

更に高性能な蒸発管の形成は市販の素管を通常
のフイン形成機を１回通過させることによつて製
造されることが望ましい。というのはかかる機械
はより速く運転されることが許され且より大きな
費用効果があるからである。

図について説明すると第１図には、伝達促進加
工された管１０とその周りに隔置されたツールア
ーバ２０と管内部に挿入されたマンドレル３０の
関係が図示されている。通常フイン形成機には複
数のツールアーバ、例えば三つのお互いに120゜隔
置されたツールアーバが含まれるが、ここでは明
瞭化のために一つのツールアーバだけが図示され
ている。マンドレル３０は管１０の内側面がツー
ルアーバ２０の下部に支持されるに十分な長さを
有する。マンドレル３０は平滑であることも（第
１図に示される）又は溝が付けられそれによつて
管の内側にリブが形成されることもある（第３図
に示される）。しかしながらもしマンドレルによ
つて管にリブが形成される場合、かかるリブは十
分近くに隔置されそれによつてリブ上の位置にあ
る外側のフインが落込むことが防止されることが
重要である。ツールギヤング２２を有するツール
アーバ２０が外側のフイン巻界１２を形成するた
めに使われる。かかるツールギヤング２２には、
管１０の管壁１４の材料が変形されそれによつて
螺旋状の外側のフイン巻回１２が形成されるため
に使われる複数のフイン形成デイスク２４と、か
かる形成されたフインと接触する複数のローラ状
デイスク２６が含まれる。管１０に接触する最後
のローラ状デイスクは歯状のノツチ付きデイスク
２８である。

第２図に示されるように外側のフイン巻回１２
はフイン形成デイスク２４によつて形成される。
続いて平滑なローラ状デイスク２６によつてフイ
ン巻回１２の先端部１３がその隣接するフイン巻
回の方向にロール掛けされ、それによつて表面下
の溝１６が形成される。

本発明に係わる伝熱促進加工された蒸発管は第
１図及び第２図に示される装置及び方法によつて
容易に製造されることができる。従つてかかる装
置を運転するとき、未成形の管１０がマンドレル
３０上に設置される。マンドレル３０は、管１０
の内側面がツールアーバ２０の下部で支持される
に十分な長さを有する。ツールアーバ２０上のツ
ールギヤング２２は管１０の横軸１１に対して小
さな角度で管１０に接触するように導入される。
かかる小さな傾斜によつて、管１０はツールアー
バ２０が回転されるとその横軸に沿つて駆動され
る。フイン形成デイスク２４によつて管壁１４の
材料が変形されそれによつて根元部１７及び先端
部１３を有する外側のフイン巻回１２が形成さ
れ、一方同時に管１０がマンドレル３０に押付け
られる。一般にデイスク２４によつて最大の性能
を得るには管の横軸に沿つて１インチ（25.4mm）
当り45以上60以下のフインが形成される。管のマ
ンドレル３０が溝付きの場合、管１０がかかる溝
付きマンドレルに押付けられることによつて管壁
１４が変形してマンドレルの溝部内に入りそれに
よつて内側のリブ１５が形成される。第３図には
溝付きマンドレルによつて形成された管の形状が
図示されており、フイン形成デイスク２４、ロー
ラ状デイスク２６及び歯状のノツチ付きデイスク
２８によつて管１０の外側がロール掛けされそれ
によつて表面下の溝１６及び表面の孔１８が形成
され、リブ１５が内側面上に形成される。内側面
のリブ１５は近接して隔置され、それによつて管
の外側面にうねりが形成されるのが防止される。
一般に平滑な外側面によつて一定の高さのフイン
が提供され、それによつてローラ状デイスク及び
ノツチ付きデイスクがフインに均一に接触するこ
とが確保される。第４図に明瞭に示されるよう
に、ツールアーバ２０によつて管１０の外側面上
に一定の形状の螺旋状の表面下の溝１６が作出さ
れ、前記表面下の溝は閉鎖部１９と交互に繰返す
中空開口部又は孔１８を有する。第１図から第４
図に示されるように平滑な内側壁を有する管であ
つても内側にリブを有する管（第３図に示され
る）であつても、性能が高められた表面領域の形
状は一般に同一である、というのは管の表面上に
形成されたフイン巻回１２の初期の高さは一般に
管の全長に沿つて等しいからである。平滑なマン
ドレル又はその外周に36以上の溝を具備するマン
ドレルを有しており且管の横軸に沿つて１インチ
（25.4mm）当り40以上のフインが形成されるため
のツールギヤングを使用することによつて作られ
た典型的な管に於ては、孔１８及び閉鎖部１９に
対応した一定の形状の開口部がロール掛けされた
フインに接触する最後の歯状ノツチ付きデイスク
２８の結果として形成される。一般に表面下の溝
に沿つて管の外周に８０の孔があるとき、かかる
交互に繰返す開口された孔及び閉鎖部によつて改
善された性能が提供される。

第５図及び第６図について説明すると、最後の
歯状ノツチ付きデイスク２８の一般的な詳細構造
が図示されている。従つて例えば第１図に示され
るようなツールアーバ２０を有する最良の実施例
が作動される場合、ノツチ付きデイスク２８は既
にロール掛けされたフイン巻回１２と接触しそれ
によつて閉鎖部１９が形成される。ノツチ付きデ
イスク２８はそのデイスクの外周に交互に繰返す
突起部又は歯状突起部２９及びＶ形のノツチ２７
を有する。典型的なノツチ付きデイスク２８は
190と220の間の数の突起部を有する。かくしてロ
ール掛けされたフインと突起部２９の間に形成さ
れる接触部に於て、前記ノツチ付きデイスク２８
によつてロール掛けされたフインが押付けられ
る。管１０及びノツチ付きデイスク２８の間の接
触によつて一定の形の表面の孔１８及び閉鎖部１
９が表面下の溝１６上に作出され、前記閉鎖部１
９では隣接するフインがお互いに接触している。
かかるノツチ付きデイスク２８について説明する
と、典型的なＶ形のノツチ２７は円錐台の形状で
あり第６図に示されるように35゜と45゜の間の角度
である内角２５を有する。

第７図について説明すると、本発明の実施例で
ある管「Ａ」と従来技術によつて伝熱促進加工さ
れた蒸発管である管「Ｂ」との間で長さ基準の伝
熱係数と熱流束の比較が図示されている。本発明
についての長さ基準の伝熱係数の測定値を得るた
めに、3/4インチ（19mm）の銅管から、外周に48
の溝を有するマンドレルと、１インチ（25.4mm）
当り42のフインを形成することができる複数のロ
ーラ状デイスクと、デイスクの外周に40゜の内角
である192の突起部を有するノツチ付きデイスク
を使用してフイン付き管が製造された。本発明に
よる試料の管は、30゜の螺旋角と、１インチ
（25.4mm）当り42巻きの外側フインと、溝間の間
隔がおよそ0.070−0.090インチ（1.8−2.3mm）で
ある48の溝を有する内側リブの型と、0.002−
0.005インチ（0.05−0.13mm）のオーダの表面孔を
有する内側のフイン巻回によつて伝熱性が高めら
れた。試験によると高度の性能を有する伝熱管は
少なくとも36の内側フインを有しており且少なく
とも１インチ（25.4mm）当り53の外側フインを有
するべきであることが示された。第７図のグラフ
に示されるように、本発明の実施例である伝熱管
は、60〓（15.6℃）のＲ−11を使い、ウオルベリ
ン・チユーブ・カンパニー（Wolverine Tube
Company）によつて製造された「ターボチル
（TRRBOCHILL）（商品名）」管であつて１イン
チ（25.4mm）当り42のフインを有する管の場合と
比較された。かかる比較によつて理解されるよう
に、本発明による高度な性能を有する蒸発管
「Ａ」によつてフイン付き管「Ｂ」の長さ基準の
伝熱係数に対して平均およそ300パーセント性能
が改善されたことが示される。

改善された高度な性能を有する蒸発管、複数の
フイン形成デイスク、ローラ状デイスク及びノツ
チ付きデイスクを使用する管製造装置、及びかか
る管を製造する方法について最良の実施例に関し
て説明されてきたが、本発明についての様々な変
化及び他の実施例が本発明に関する通常の当業者
によつて容易に明らかであろう。

それ故本発明は特定の実施例に関して記述され
てきたが、本発明についての様々な変化及び他の
実施例が以上の記述及び付記された特許請求の範
囲による本発明の範囲から逸脱することなくなさ
れ得ることは理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は管、平滑なマンドレル及びツールギヤ
ングを有するツールアーバの側面図である。第２
図は本発明のツールギヤング装置によつてフイン
が付けられロール掛けされ及びノツチが付けられ
た典型的な管を示す拡大された部分断面図であ
る。第３図は本発明による内側リブを有する伝熱
促進加工された蒸発管の拡大された部分断面図で
ある。第４図は本発明による伝熱促進加工された
蒸発管の10倍の表面を示す図である。第５図は第
４図に示される伝熱促進加工された表面を形成す
る本発明のツールギヤングの最後のノツチ付きロ
ーラの断面図である。第６図は第５図に示される
最後のノツチ付きローラの歯の拡大図である。第
７図は本発明による高度な性能を有する蒸発管と
従来技術によるフイン付き管を比較した沸騰性能
についてのグラフである。 １０……管、１１……横軸、１２……フイン巻
回、１３……先端部、１４……管壁、１５……リ
ブ、１６……表面下の溝、１７……根元部、１８
……孔、１９……閉鎖部、２０……ツールアー
バ、２２……ツールギヤング、２４……フイン形
成デイスク、２５……内角、２６……ローラ状デ
イスク、２７……ノツチ、２８……ノツチ付きデ
イスク、２９……突起部、３０……マンドレル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外側面と接触している沸騰流体と内部を通つ
   て流れる流体間の熱交換に使われる伝熱管にし
   て、前記伝熱管の軸線に沿つて複数の巻回を含み
   前記伝熱管の外側面上に半径方向外方に延在する
   少なくとも一つの螺旋状のフインを有しており、
   前記フインは末端の先端部及びそれに隣接する根
   元部を有し且前記伝熱管の外周に前記伝熱管の外
   側面より同一の高さになるように形成され、前記
   先端部は前記螺旋状のフインの隣接する巻回方向
   に傾斜され、それによつて前記螺旋状のフインの
   隣接する巻回間に表面下の溝が郭定され、前記先
   端部は前記伝熱管の外周の複数の円周方向に隔置
   された部分にて前記螺旋状のフインの隣接する巻
   回から隔置されており、前記先端部は前記複数の
   円周方向に隔置された部分間にて前記螺旋状のフ
   インの隣接する巻回と接触するように凹部が形成
   され、それによつて前記傾斜された先端部が前記
   螺旋状のフインの隣接する巻回と接触する閉鎖部
   分と前記伝熱管の外側面と接触している沸騰流体
   が前記表面下の溝と連通するための開口された孔
   とが交互に郭定されるように構成されていること
   を特徴とする伝熱管。 ２ 未成形の管から伝熱管を形成するための工具
   にして、 未成形の管の内側に配置されるように構成され
   たマンドレルと、 前記未成形の管の外側面に半径方向外方に延在
   する少なくとも一つの螺旋状のフインを軸線方向
   に沿つて形成するための複数のデイスクを含む外
   側フイン形成装置と、 前記半径方向外方に延在するフインをロール掛
   けして前記ロール掛けされたフインの隣接する巻
   回の間に表面下の溝を形成するためのフインロー
   リング装置と、 交互に繰返す複数の突起部及びＶ形ノツチを外
   周に有する歯状ノツチ付きデイスク装置であつ
   て、前記突起部が前記ロール掛けされたフインと
   接触しそれによつて前記突起部と前記ロール掛け
   されたフインの間の接触点に於て前記フインが隣
   接するフインの巻回と係合しそれによつて前記接
   触点に閉鎖部が形成され前記Ｖ形ノツチの下には
   開口された孔が形成されるように構成された歯状
   ノツチ付きデイスク装置と、 を含むことを特徴とする伝熱管を形成するための
   工具。 ３ 伝熱管の製造方法にして、 伝熱管の軸線方向に伝熱管の外側面に形成され
   た複数の巻回を含み且半径方向外方に延在する少
   なくとも一つの螺旋状のフインをロール成形する
   ことと、 前記螺旋状のフインを前記フインの隣接する巻
   回方向にロール掛けしかくしてロール掛けされた
   螺旋状のフインの隣接する巻回の間に表面下の溝
   を形成することと、 前記伝熱管の外周の複数の円周方向に隔置され
   た位置にて前記ロール掛けされたフインの先端部
   を押し込んで隣接するフインの巻回と係合せし
   め、前記押し込まれた先端部が隣接するフインの
   巻回と接触する位置では前記表面下の溝を覆う閉
   鎖部分が形成され前記押し込まれた先端部による
   閉鎖部分間には開口された孔が形成されるように
   することと、 を含む製造方法。