JPH0444191B2 - - Google Patents

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JPH0444191B2
JPH0444191B2 JP59063470A JP6347084A JPH0444191B2 JP H0444191 B2 JPH0444191 B2 JP H0444191B2 JP 59063470 A JP59063470 A JP 59063470A JP 6347084 A JP6347084 A JP 6347084A JP H0444191 B2 JPH0444191 B2 JP H0444191B2
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JP
Japan
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winding
tube
pitch
turbulence
turbulence inducer
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JP59063470A
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Neruson Jaaretsuto Furanku
Ii Manchi Junia Jon
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Modine Manufacturing Co
Original Assignee
Modine Manufacturing Co
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Publication date
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Publication of JPH0444191B2 publication Critical patent/JPH0444191B2/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/431—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor
    • B01F25/4314—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor with helical baffles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • 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
    • F28F1/405—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 and being formed of wires
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/51—Heat exchange having heat exchange surface treatment, adjunct or enhancement
    • Y10S165/529—Heat exchange having heat exchange surface treatment, adjunct or enhancement with structure for promoting turbulence and/or breaking up laminar flow adjacent heat transfer surface
    • Y10S165/53—Conduit insert

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、熱交換器において使用される乱流誘
起体付き管構造体に関するものであり、特には内
側及び外側２重の巻き線を有する乱流誘起体付き
管構造体に関するものである。
（従来技術） 周知のように、気体であれ液体であれ流体が流
される熱交換器において熱が交換される割合は、
その流れの性質、すなわち層流、乱流或いは遷移
流によつて大きな影響を受ける。一般的に述べる
と、流れが乱流であればある程、他の条件は等し
いとして、熱伝達速度は大きくなる。別様に述べ
るなら、レイノルズ数が高い程、熱伝達速度は一
層早くなる。
しかし、熱交換器の設計においては、高レイノ
ルズ数への考慮以外にも他の多くの考慮事項に注
意が払われねばならない。高いレイノルズ数は必
然的に一層高い流体速度を使用し（他の条件は一
定として）、これは結局一層大きな摩擦損失をも
たらし、従つて多くのエネルギーの発生を必要と
し、経費を増大する。
様々の考慮事項の結果、代表的に遷移或いは層
流領域に近い、熱交換流体の比較的低いレイノル
ズ数への優先的選択をせざるを得ないことが多か
つた。しかし、熱交換流体のレイノルズ数が低い
場合には、ポンプ速度の変化を含めてポンプ性能
等における僅かの変動により導入される流体流れ
の僅かの変化が安定な乱流から不安定な遷移流或
いは層流に向けての流体流れの鎮静化をもたらす
可能性があり、一様な熱伝達及び（或いは）所望
の熱伝達速度を得ることを困難たらしめる点で支
障を生じる恐れがある。
このような流れの鎮静化を回避せんとする試み
において、例えば 米国特許第3595299号は、低
温液化ガスの揮化のための熱交換器において低温
液体が通される導管内の液体中に乱流を発生しそ
してそれにより管内面に形成される断熱気体境界
層の形成を防止するために、乱流誘起バツフルを
配置することを開示している。乱流誘起バツフル
の具体例としては、波形（sin曲線状）の断面を
有する金属シートを円環状に成形した複数のリン
グを管軸線に沿つて少しづつ位相をづらして内接
すること、Ｚ断面の金属シートを管軸線に沿つて
少しづつ位相をづらして内接すること、１本のワ
イヤから成る一定ピツチのらせん状コイル或いは
２本のワイヤを互いに捩つた２重ワイヤを単一の
コイル状に成形したコイル等が開示されている。
こうした乱流誘起バツフルは、流体に乱流を導入
して、乱流誘起バツフルが存在しなければ遷移流
或いは層流が起こるようなレイノルズ数において
も導管内に乱流を維持する。
実開昭52−129055号は、瞬間式ガス沸騰器等の
熱交換器においてパイプ内部における局部沸騰に
よつて騒音を発生したり、多くの気泡を発生する
ことを防止するために、管内の通路を２分するら
せん状の隔板とこの隔離板の側面に沿うコイル状
の線材を挿通することを開示している。熱交換を
行う流体は隔板により螺旋運動をしながら流れて
攪拌される上にコイル状の線材に当接して流れの
方向を乱され十分に攪拌されることにより局部沸
騰が解消し騒音や気泡の発生が防止されるとされ
ている。
（本発明が解決しようとする課題） 上記の米国特許は、乱流熱伝達能力を比較的低
いレイノルズ数まで維持し得たが、まだなお、頻
繁に、1000〜1500の範囲におけるレイノルズ数に
おいて流体流れを遷移流及び（或いは）層流に向
けて鎮静化する傾向を示した。
実開昭52−129055号は細い管を２分する上にそ
こにコイル状の線材を挿通するので、流れの圧力
降下が大きく、短い管を使用する特定の用途でし
か有用でない。
従つて、熱交換器管において、大きな圧力降下
を伴うことなく、遷移−層流鎮静化点を更に一層
低いレイノルズ数まで拡張しうる乱流誘起体への
必要性が存在しており、これにより多数回パス熱
交換器回路に対する必要性が排除されるか、少な
くとも或る用途において必要とされる多数回回路
の数を最小限とすることが望まれている。
本発明の課題は、安定した乱流から不安定な遷
移或いは層流への流体流れ鎮静化点を従来技術で
は鎮静化が起こるレイノルズ数より著しく低いレ
イノルズ数まで下げることができそして圧力損失
の少ない熱交換器管において使用のための改善さ
れた乱流誘起体を開発することである。
本発明のまた別の課題は、そうした乱流誘起体
付きの管構造体を製造する簡易な方法を開発する
ことである。
（課題を解決するための手段） 本発明は、ピツチを異にしそして開通中央部を
有する２つの巻線から成る乱流誘起体を使用する
ことによりこの課題を解決する。
本発明は、熱交換プロセスを受ける流体が通さ
れる熱伝導性材料製の管と、該管内に管内壁と当
接状態で位置づけられる所定のピツチを有する第
１の外側捩り巻線と、該管内にそして前記第１巻
線内に少なくとも部分的に位置づけられる所定の
ピツチを有しかつ開通中央部を有する第２の内側
捩り巻線とを具備し、前記第１巻線のピツチが前
記第２巻線のピツチとは異なつていることを特徴
とする熱交換器用乱流誘起体付き管構造体を提供
するものである。
更に、上記の熱交換器用乱流誘起体付き管構造
体を製造する簡易な方法として、本発明は、(a)
所望の内部断面を有する管を用意する段階と、(b)
１本のフイラメントの２つのストランドが互い
に離間したほぼ平行関係にありそして管内部断面
と実質同じ形状を有しかつ該管断面より僅かに小
さな寸法の外側形態を有するように１本のフイラ
メントにより巻線状の巻線構造体を形成する段階
と、(c) 該巻線構造体を前記管内に挿入する段階
と、(d) 該管から前記巻線構造体のストランドの
一方を該ストランドの他方を管内に維持したまま
部分的に引き出すことによりピツチの異なる第１
及び第２巻線を形成して乱流誘起体を構成する段
階とを包含する熱交換器用乱流誘起体付き管構造
体を製造する方法を提供する。
（作用） ピツチを異にしそして開通中央部を有する２つ
の巻線から成る乱流誘起体を使用することにより
低レイノルズ数でも活発な乱流状態を維持し、し
かも中央開通部が存在することにより圧力損失の
大幅な低下を防止する。
（具体例） 本発明の具体例が第１及び２図に例示され、こ
こでは内壁１２及び外壁１４を有する管１０が示
されている。通常の場合、管１０は円形断面を有
する。しかし、楕円、環状、方形或いは矩形断面
のような他の断面形状を有する管も所望に応じて
使用されうる。
管１０には、熱交換プロセス下に置かれるべき
流体が通される。流体は、所望の用途に応じて液
体或いは気体いずれでもよい。
管１０は熱伝導性材料、通常は銅、真鍮或いは
アルミニウムのような金属から形成される。
管１０内には、代表的にワイヤ等から形成され
る第１巻線１６が納められている。円形断面の管
が使用される場合には第１巻線はらせん状であり
そしてそのらせん旋回部は管１０の内壁１２と当
接せしめられる。
第１巻線１６の中央開通部内に第２巻線１８が
少なくとも部分的に存在し、第２巻線１８は第１
巻線１６を形成したのと同じワイヤから形成され
ることが望ましいが、但し必須ではない。
第２巻線１８は、第１巻線の内方にありそして
やはりらせん状である。通常の場合、第１巻線の
内径は第２巻線１８の外径におおよそ等しい。第
２図に示すように、第２巻線１８は、中央部に障
害物のない開通中央部（open center）を有する
ものとされる。これにより、圧力降下が大幅に低
下される。
乱流降下を増進するために第１巻線のピツチは
前記第２巻線のピツチとは異なつている。好まし
い例においては、第２巻線のピツチは第１巻線の
ピツチより大きいものとされ、望ましくは第２巻
線のピツチは第１巻線のピツチの2.3〜2.7倍の範
囲にある。
第１及び第２巻線が同じ捩り方向を有している
ことが好ましい。
第１巻線１６及び第２巻線１８は、それらの固
有の弾性と保持力としての管１０の内壁との摩擦
係合作用を利用することによるだけで管１０内に
保持されうる。別法として、はんだ付けやろう付
けのような接合法が、管１０内に第１巻線１６及
び第２巻線１８を固定するのに使用されうる。
熱交換器用乱流誘起体付き管構造体を製造する
簡易な方法は、所望の内部断面を有する管１０を
まず用意することである。
円形断面の管１０が使用される場合には、第３
図に示すように、スロツト３４を備える端３２を
有する円柱状のマンドレル３０が用意される。
第１巻線及び第２巻線を形成するのに使用され
べき連続ワイヤのようなフイラメントが第３図に
３６で示され、その両端の中間部分がスロツト３
４内に挿入され、そして該スロツト挿入中間部分
の各側のフイラメント部分を２つのストランド３
８及び４０として残す。
その後、ストランド３８及び４０は、マンドレ
ル周囲に両者の相対回転をもたらすことによりマ
ンドレルに密着して巻き付けられる。一般には、
第４図に矢印で示すようにマンドレル３０を回転
することが望ましい。
マンドレル３０を回転するに際して、第４図に
示されるように２重の互いに離間したほぼ平行関
係にある巻線構造体がストランド３８及び４０に
より形成される。すなわち、ストランド３８及び
４０が後に乱流誘起体の第１巻線及び第２巻線を
構成することになり、ストランド３８及び４０は
互いにほぼ平行でありそして管１０の内部断面と
実質同じ形状の外形形態を有する。ストランド３
８及び４０を形成するフイラメント及びマンドレ
ルの外寸は管１０の内径より僅かに小さな外径を
有するように選択される。0.001〜0.003インチ
（0.025〜0.076mm）のオーダの寸法差が一般に満
足すべきものである。
こうして形成されたストランド巻線構造体が管
内に挿入される。これは、ストランド３８及び４
０をそれらが緊張下にとどまるようにマンドレル
３０にしつかりと巻いた状態でマンドレル３０を
第５図に示すように管１０に挿入することにより
なされる。その後、ストランド３８及び４０にお
ける張力が解放されそしてその固有の弾性は両ス
トランドの旋回半径を膨張せしめそして管１０の
内壁１２と摩擦係合せしめる。この膨張の結果と
してストランド３８及び４０のマンドレル３０へ
の摩擦による把持作用が解除されるので、マンド
レル３０を第６図に示すように管から抜き出すこ
とができる。
その後、ストランド３８，４０の一方が他方を
管に維持したまま部分的に引き出される。管内に
残されたふおうのストランドが第１巻線１６をそ
して引き出した方のストランドが内側の第２巻線
１８を形成する。第７図は、ストランド３８が管
挿入側端からつかまれそして管から部分的に引き
出された部分完成状態を示す。一般に、管１０か
らストランドの最初の長さの約1/4を引き出すこ
とが好ましい。
ストランド３８の部分引き出しが完了すると、
その形態は第１図に示したようなものとなる。第
１巻線１６或いは第２巻線１８の互い同志の又第
１巻線と管１０との接合が所望されるなら、その
後接合作業を行いうる。
（実施例及び比較例） 第８図は、本発明に従つて一方のストランドを
引き出すことにより作製された第１図に示す乱流
誘起体付管構造体（内外二重構造のらせん）と、
第６図に類似の状態の通常の一重らせん乱流誘起
体付管構造体との比較データを示す。Ａ〜Ｈの表
示の８個の曲線が示されている。上方の曲線群Ａ
〜Ｄは、レイノルズ数対熱伝達性能のプロツトで
ある。ここでは、熱伝達能はNNu／（NPr）1/3
（NNuはヌツセルト数でありそしてNPrはプランド
ル数である。）他方、下方の曲線群Ｅ〜Ｈは、ダ
ルシー（Darcy）摩擦係数ｆ対レイノルズ数のプ
ロツトである。
曲線Ａ及びＥ並びにＢ及びＦはすべて、本発明
に従う乱流誘起体付管構造体の性能を表す。曲線
Ａ及びＥは、0.035インチ（0.9mm）のワイヤ直径
そして0.20インチ（5.1mm）の初期ピツチを使用
し、他方曲線Ｂ及びＦは、0.030インチ（0.76mm）
のワイヤ直径そして0.25インチ（6.4mm）の初期
ピツチを使用する構造から一方のストランドのピ
ツチを2.5倍に引き出すことにより製作した。
曲線Ｃ及びＨ並びにＤ及びＧは、比較例の乱流
誘起体付管構造体の性能を表す。曲線Ｄ及びＧは
0.035インチ（0.9mm）のワイヤ直径そして0.20イ
ンチ（5.1mm）のピツチを使用し、他方曲線Ｃ及
びＨは、0.030インチ（0.76mm）のワイヤ直径そ
して0.25インチ（6.4mm）のピツチを使用した構
造から得られた。
曲線のすべてに対して。使用された管の内径は
0.200インチ（5.1mm）であつた。
第８図に示されたデータから、低流速において
比較例を上回る本発明の利点が確認されうる。例
えば、両者に対して15.0の所望される熱伝達性能
を仮定しそして0.030インチ（0.76mm）のワイヤ
直径そして0.25インチ（6.4mm）のピツチを使用
した場合、本発明Ｂ，Ｆは、約4.05の摩擦係数で
もつて約385のレイノルズ数を必要とすることが
わかる。他方、比較例Ｃ，Ｈは、2.3の摩擦係数
でもつて750のレイノルズ数を必要とする。
従つて、同じ熱伝達性能を得るのに比較例は本
発明に比べて２倍近くの流速を必要とする。比較
例を使用する装置では本発明のそれの約２倍の流
路長を必要とする。
当業者は、熱交換器における圧力降下は、摩擦
係数、流路長、及び流体粘度の２乗の関数である
ことを認識しよう。上記解析から得られた量の相
対値を使用すると、同じ熱伝達性能を得るのに圧
力降下はほぼ同等である。
（発明の効果） 斯くして、本発明に従う乱流誘起体付き管構造
体は、比較例よりも圧力効果を差程に生じること
なく低レイノルズ数において大幅に改善された熱
伝達性能を実現する。従つて、熱交換設備におけ
るポンプ等のエネルギー消費を最小限としまたそ
うした設備の規模を縮小しまた一層低容量のポン
プの使用を可能ならしめる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の乱流誘起体付き管構造体の
一具体例の断面図である。第２図は、第１図の２
−２線に沿う断面図である。第３〜７図は、第１
図の乱流誘起体付き管構造体を作製する方法の順
次しての段階を例示する断面図である。第８図
は、本発明及び比較例のレイノルズ数に対する熱
伝達能はNNu（NPr）1/3並びにダルシー摩擦係数ｆ
を比較するグラフである。 １０……管、１６……第１巻線、１８……第２
巻線、３０……マンドレル、３４……スロツト、
３６……フイラメント（ワイヤ）、３８，４０…
…ストランド。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 熱交換プロセスを受ける流体が通される熱伝
    導性材料製の管と、 該管内に管内壁と当接状態で位置づけられる所
    定のピツチを有する第１の外側捩り巻線と、 該管内にそして前記第１巻線内に少なくとも部
    分的に位置づけられる所定のピツチを有しかつ開
    通中央部を有する第２の内側捩り巻線と を具備し、前記第１巻線のピツチが前記第２巻線
    のピツチとは異なつていることを特徴とする熱交
    換器用乱流誘起体付き管構造体。 ２ 第１及び第２巻線が同じ捩り方向を有してい
    る特許請求の範囲第１項記載の乱流誘起体付き管
    構造体。 ３ 管が断面において円形でありそして第１及び
    第２巻線がらせん状である特許請求の範囲第１項
    記載の乱流誘起体付き管構造体。 ４ 第２巻線のピツチが第１巻線のピツチより大
    きい特許請求の範囲第１項記載の乱流誘起体付き
    管構造体。 ５ 第２巻線のピツチが第１巻線のピツチの2.3
    〜2.7倍の範囲にありそして第１及び第２巻線が
    同じ捩り方向を有している特許請求の範囲第４項
    記載の乱流誘起体付き管構造体。 ６ 第１巻線の内径が第２巻線の外径に等しい特
    許請求の範囲第３項記載の乱流誘起体付き管構造
    体。 ７ 熱交換器用乱流誘起体付き管構造体を製造す
    る方法であつて、 (a) 所望の内部断面を有する管を用意する段階
    と、 (b) １本のフイラメントの２つのストランドが互
    いに離間したほぼ平行関係にありそして管内部
    断面と実質同じ形状を有しかつ該管断面より僅
    かに小さな寸法の外側形態を有するように１本
    のフイラメントにより巻線構造体を形成する段
    階と、 (c) 該巻線構造体を前記管内に挿入する段階と、 (d) 該管から前記巻線構造体のストランドの一方
    を該ストランドの他方を管内に維持したまま部
    分的に引き出すことによりピツチの異なる第１
    及び第２巻線を形成して乱流誘起体を構成する
    段階とを包含する熱交換器用乱流誘起体付き管
    構造体を製造する方法。 ８ 段階(b)がマンドレル周囲にフイラメントを巻
    回することにより行われる特許請求の範囲第７項
    記載の方法。 ９ 段階(c)が巻線構造体を周囲に形成したマンド
    レルを管内に挿入することにより行われそして段
    階(d)に先立つて管内に巻線構造体を残したまま管
    からマンドレルを取り出す特許請求の範囲第８項
    記載の方法。 １０ マンドレルがスロツト付き端を有しそして
    フイラメントが段階(b)の前にその両端の中間部分
    をスロツトに挿入しそして該スロツト挿入中間部
    分の各側のフイラメント部分がストランドを形成
    する特許請求の範囲第８項記載の方法。 １１ フイラメントがワイヤである特許請求の範
    囲第７項記載の方法。
JP59063470A 1983-04-04 1984-04-02 熱交換器用乱流誘起体付き管構造体及びその製造方法 Granted JPS59185995A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US482018 1983-04-04
US06/482,018 US4798241A (en) 1983-04-04 1983-04-04 Mixed helix turbulator for heat exchangers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS59185995A JPS59185995A (ja) 1984-10-22
JPH0444191B2 true JPH0444191B2 (ja) 1992-07-20

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ID=23914307

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP59063470A Granted JPS59185995A (ja) 1983-04-04 1984-04-02 熱交換器用乱流誘起体付き管構造体及びその製造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US4798241A (ja)
EP (1) EP0122746A1 (ja)
JP (1) JPS59185995A (ja)
CA (1) CA1233170A (ja)
MX (1) MX159723A (ja)

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