JP7113015B2 - 伝熱表面 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１７年１月４日に出願された米国出願第１５／３９８４１７号の利益を主張し、その全体が、参照により本明細書に組み込まれる。

強化伝熱表面は、多くの冷却用途で、例えばＨＶＡＣ産業で、冷凍及び器具のために、電子機器の冷却で、電力産業で、並びに石油化学、精製及び化学処理産業で使用される。凝縮及び蒸発型熱交換器用の強化伝熱管は、高い伝熱係数を有する。本開示の管表面は、凝縮器管としての用途に理想的な表面を含み、また管形成方法における追加のステップは、蒸発器管としての用途に理想的な表面をもたらす。

本開示による伝熱管の外面にフィーチャを形成する方法は、表面に複数のチャネルを形成することを含み、チャネルは、互いに実質的に平行であり、かつ長手方向軸に対して第１の角度で管に延伸する。複数の切り込みが、表面に入れられ、切り込みは、互いに実質的に平行であり、かつ長手方向軸に対して第２の角度で管に延伸し、第２の角度は、第１の角度とは異なる。切断ステップは、表面から延伸する個別のフィンセグメントを形成し、フィンセグメントは、チャネル及び切り込みによって互いに分離される。フィンセグメントは、チャネルに実質的に平行な隣接した第１チャネル隣接縁部と、切り込みに実質的に平行な第１切り込み隣接縁部と、第２チャネル隣接縁部及び第２切り込み隣接縁部によって形成されるコーナとを含み、コーナは、チャネルフロアから立ち上がり、かつチャネルに部分的に延伸する。この方法を使用して形成された管は、凝縮器管としての用途に優れた品質を持つ。

方法における追加のステップは、優れた蒸発器管をもたらす。以上に論じた切断ステップに続き、フィンセグメントは、ローラによって圧延され、フィンセグメントの縁部を切り込みの上に少なくとも部分的に屈曲させる。フィンセグメントを圧延するステップは更に、フィンセグメントの縁部をチャネルの上に少なくとも部分的に延伸させる。

本発明を要約するために、本発明の若干の態様、利点及び新規特徴が、本明細書に記載された。全てのかかる利点は、本発明のいずれかの特定の実施形態によって必ずしも達成され得るわけでないことが理解されるべきである。それ故に、本発明は、本明細書において教示された一つの利点又は利点群を達成又は最適化し、本明細書において教示又は示唆され得るような他の利点を必ずしも達成しないように具現化又は実行できる。

本開示は、次の図面を参照してより良く理解できる。図面の要素は、必ずしも縮尺通りでなく、本開示の原理を明瞭に例示することに代わりに重点が置かれている。更に、同様の参照番号は、幾つもの図を通して対応する部品を指し示す。本出願は、カラーで作成された少なくとも１枚の図面を含む。カラー図面を有するこの特許又は特許出願公報の写しは、請求及び必要な料金の納付により、庁によって提供される。

本開示の代表的な実施形態による蒸発器伝熱管の外面の拡大写真である。 表面に形成されたチャネルを有した管の外面の拡大写真である。 図２の断面Ａ－Ａに沿って切った図２の表面の断面図である。 チャネルに対して角度を付けて切り込みを形成するために、切断操作を受けた管の外面の拡大写真である。 図４による切断された（但し圧延されない）表面の平面図を表す。 図５の詳細線「Ｃ」に沿って切った図５のフィンセグメントの拡大図である。 図１の表面の拡大平面図を表す。 図７の切断線Ｂ－Ｂに沿って切った図７の表面の断面図である。 先行技術の管と比較した、本開示による凝縮器管の性能データを表す。 先行技術の管と比較した、本開示による蒸発器管の性能データを表す。

図１は、蒸発器管として使用される伝熱管（図示せず）の外面１１の拡大写真であり、その表面１１は、幾分台形の形状をした頂部を有する複数のフィンセグメント１２を形成するために、フィンを形成し、切断され、かつ圧延された。フィンの形成、切断及び圧延は、藤掛の米国特許第４，２１６，８２６号に開示された技術に類似した技術を使用して達成される。

チャネル１３は、フィンセグメント１２の隣接した列１４の間で互いに実質的に平行に延伸する。チャネルは、管の長手方向１６に対して角度「α」で形成される。一実施形態において、角度αは、８５～８９．５度である。

切り込み１５は、管の長手方向１６に対して角度「β」で延伸し、かつフィンセグメント１２の境界を定める。この点について、フィンセグメント１２は、本明細書で更に論じるように、チャネル１４及び切り込み１５と対向する側部で境界を接する。角度βは、１０度～３５度であっても良く、かつ一実施形態において、約１５度である。

図２は、チャネル１３が形成された後、かつ切り込み１５（図１）が作られる前の管の外面２０の拡大写真である。チャネルは、当技術分野で既知の、かつ特に藤掛で開示された方法を使用して形成される。この点について、フィン形成ディスク工具（図示せず）を有する圧延工具（図示せず）は、フィン２１を形成するために、フィンディスクが回転する間、管の表面に押し付けられる。図１に関して以上で論じたように、チャネル１３は、管の長手方向１６に対して角度α（図１）で配置される。フィン２１は、チャネル１３によって互いに分離される。

図３は、図２の表面２０の断面図である。フィン２１は、図示したように、チャネル底部３０から上方に延伸する。各フィン２１は、フィン２１の基部３２がフィン２１の頂部３３より広いように角度を付けた側縁部３１を含む。フィン２１が形成された後、切断ディスク（図示せず）は、切り込み１５（図１）を形成するために、表面２０に当てられる。

図４は、切断操作が完結した後、かつ表面１１が圧延される前の、図１の表面１１の角度を付けた拡大写真である。図１に関して以上で論じたように、切り込み１５は、管の長手方向１６に対して角度βで配置される。角度βは、例示した実施形態において一般に１５度である。切断操作は、個別のフィンセグメント１２を形成する。

図５は、切断後、かつ圧延前の図４の表面の平面図である。個別のフィンセグメント１２は、チャネル１３及び切り込み１５によって分離される。

図６は、図５の詳細線「Ｃ」に沿って切った図５のフィンセグメント１２の拡大詳細図である。フィンセグメント１２は、切り込み隣接側部６１及び６２と、チャネル隣接側部６０及び６３とからなる。側部６１～６３のいずれも直線を含まないが、側部６０は、チャネル１３と概して平行である。側部６２は、切り込み１５と概して平行である。側部６１及び６２は、コーナ６４で互いに接する。コーナ６４は、若干鋭く、かつチャネル１３の上に引き上げられ、かつチャネル１３まで延伸する。

工程のこの時点で、フィンセグメント１２の切断後、（図４及び図５に描かれたような）管表面は、凝縮器管の用途に理想的である。代わりに蒸発器管表面が望ましいならば、図１に示す表面を生成するために、最終圧延操作が実行される。この点について、切り込み１５が形成された後、圧延操作が実行され、それによりローラ（図示せず）は、フィンセグメント１２の最終形状（図７）を形成するために、表面に押し当てられる。

図７は、対向する側部でチャネル１３と、かつ対向する側部で切り込み１５と境界を接する複数のフィンセグメント１２を示す、図１の蒸発器管表面１１の拡大平面図を表す。この点について、各フィンセグメント１２は、４つの縁部、すなわちチャネル重複縁部５２と対向するチャネル側縁部５１と、切り込み重複縁部５４と対向する切り込み側縁部５３とを含む。チャネル側縁部５１は、圧延操作によって引き起こされる、図示するような若干湾曲した縁部を有するが、概してチャネル１３に平行である。切り込み側縁部５３は、圧延操作によって引き起こされる、図示するような若干湾曲した縁部を有するが、概して切り込み１５に平行である。

チャネル重複縁部５２は、図示するように圧延操作によってチャネル１３と少なくとも部分的に重複した。圧延操作は、それ故にチャネル１３と重複させるため、チャネル重複縁部５２を変形させる。同様に、切り込み重複縁部５４は、図示するように圧延操作によって切り込み１５と少なくとも部分的に重複した。切り込み重複縁部５４は、チャネル重複縁部５２に隣接する。切り込み側縁部５３は、チャネル側縁部５１に隣接する。

図８は、図７の切断線Ｂ－Ｂに沿って切った図７の表面１１の断面図である。フィンセグメント１２のステム８６は、チャネル底部８２から上方に延伸する。切り込み底部８１は、切り込みがチャネルほど深くないので、チャネル底部８２の上に配置される。チャネル１３と重複するチャネル重複縁部５２、及び切り込み１５と重複する切り込み重複縁部５４（図５）は、ステム８６の縁部５２及び５４、並びに切り込み１５の下にキャビティ８４を形成する。

チャネル重複縁部５２は、チャネルに向かって下向きに屈曲し、かつ（参照番号８３によって示される）場所によっては、切り込み底部８１の下に延伸することもある。

図９は、平滑管９１と比較した、（図９に「新規表面」と注釈を付した）本開示による３／４インチ凝縮器管９２の性能データを表す。管表面の伝熱性能は、表面の熱抵抗を検査することによって評価できる。熱抵抗は、単位面積当たりの熱負荷の種々のレベルで表面効率を評価するために、熱流束範囲に対して示される。低い熱抵抗は、効率的な伝熱工程を示す。

図１０は、典型的な先行技術構造の表面管７１及び平滑管７２と比較した、（図１０に「新規表面」と注釈を付した）本開示による３／４インチ蒸発器管７０の性能データを表す。管表面の伝熱性能は、表面の熱抵抗を検査することによって評価できる。熱抵抗は、単位面積当たりの熱負荷の種々のレベルで表面効率を評価するために、熱流束範囲に対して示される。低い熱抵抗は、効率的な伝熱工程を示す。

本開示による蒸発器又は凝縮器管は、一般に沸騰伝熱用途に使用されるが、単一管又は管束は、熱交換器内で使用される。冷媒蒸発器は、開示された表面が使用される一例である。

本明細書で論じた実施形態は、強化管表面用である。しかしながら、当業者のように、同じ原理及び方法が、平面を強化するためにも応用できる。

１１ 伝熱管の外面（表面）
１２ フィンセグメント
１３ チャネル
１４ 列
１５ 切り込み
２０ 表面
２１ フィン
３２ 基部
３３ 頂部
５１ チャネル側縁部
５２ チャネル重複縁部
５３ 切り込み側縁部
５４ 切り込み重複縁部

Claims (25)

1. 熱抵抗を低くする目的で単位面積を大きくするため、伝熱管の外表面に、その伝熱管の長手方向軸に対して第１の角度で延伸する複数のフィンを有し、そのフィンの隣接する間に延伸するチャネルを有し、前記フィン上に伝熱管の長手方向軸に対して第１の角度と異なる第２の角度で延伸され、前記チャネルまでは届かない深さの切り込みを有し、前記切り込みによってフィンセグメントが生成され、各フィンセグメントが、ステムと、頂部と、前記頂部から延伸され、かつチャネルに向かって下方に屈曲する変形縁部を形成しており、この変形縁部が、フィンセグメントに隣接する前記切り込みと少なくとも部分的に重複する構成とした、外面を有することを特徴とする伝熱管。
2. 前記変形縁部が、前記変形縁部に隣接する前記チャネルと少なくとも部分的に重複する請求項１に記載の伝熱管。
3. 前記変形縁部が、切り込み重複縁部と、チャネル重複縁部とを含む請求項２に記載の伝熱管。
4. 隣接するフィンセグメントが、その間にキャビティを形成する請求項１に記載の伝熱管。
5. 前記キャビティが沸騰孔を含み、前記変形縁部、前記ステム及び前記切り込みの間に形成されている請求項４に記載の伝熱管。
6. 前記第１の角度が、８５～８９．５度である請求項１に記載の伝熱管。
7. 前記第２の角度が、１０～３５度である請求項１に記載の伝熱管。
8. 前記第２の角度が、１５度である請求項７に記載の伝熱管。
9. 前記頂部が、概して台形の形状である請求項１に記載の伝熱管。
10. 前記変形縁部が、切り込みの半分以上、下方に延伸する請求項１に記載の伝熱管。
11. 熱抵抗を低くする目的で単位面積を大きくするため、複数の伝熱管の外側に延伸するフィンであって、隣接フィンの間に延伸するチャネルを有し、前記チャネルが伝熱管の長手方向軸に対して第１の角度で延伸するフィンと、前記フィン上に形成された複数の切り込みであって、伝熱管の長手方向軸に対して前記第１の角度と異なる第２の角度で延伸する切り込みとを含み、前記切り込みがフィンセグメントを生成し、各フィンセグメントが、ステムと、前記ステムから延伸し、かつ下方に屈曲してキャビティを形成する頂部とを含み、前記頂部が、４つの縁部、すなわち前記切り込みと実質的に平行な切り込み側縁部（５３）と、前記チャネルと実質的に平行なチャネル側縁部（５１）と、切り込みの上を少なくとも部分的に延伸する切り込み重複縁部（５４）と、チャネルの上を少なくとも部分的に延伸し、チャネルに向かって下向きに屈曲し、切り込み重複縁部（５４）と隣接するチャネル重複縁部（５２）を有する構成としたことを特徴とする強化された沸騰伝熱表面。
12. 前記キャビティが沸騰孔を含み、前記チャネル重複縁部、前記切り込み重複縁部、前記ステム及び前記切り込みの間に形成されている請求項１１に記載の伝熱表面。
13. 前記第１の角度が、８５～８９．５度である請求項１１に記載の伝熱表面。
14. 前記第２の角度が、１０～３５度である請求項１１に記載の伝熱表面。
15. 前記第２の角度が、１５度である請求項１１に記載の伝熱表面。
16. 前記頂部が、概して台形の形状であり、前記切込みと実質的に平行な側縁部及び前記チャネルと実質的に平行なチャネル側縁部が、前記台形の２辺を含む請求項１１に記載の伝熱表面。
17. 前記チャネル重複縁部が、切り込みの半分以上、下方に延伸する請求項１１に記載の伝熱表面。
18. 熱抵抗を低くする目的で単位面積を大きくするため、請求項１～１７に記載された伝熱管の外面にフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅｓ；外観的な特色）を形成する方法であって、
    前記外面に複数のチャネルを形成し、前記チャネルが、互いに実質的に平行であり、かつ長手方向軸に対して第１の角度で前記管に延伸し、
    複数の切り込みを前記外面に切り込み、前記切り込みが、互いに実質的に平行であり、かつ長手方向軸に対して第２の角度で前記管に延伸し、前記第２の角度が、前記第１の角度とは異なり、切り込みステップが、前記外面から延伸する個別のフィンセグメントを形成し、前記フィンセグメントが、前記チャネル及び前記切り込みによって互いに分離され、
    前記フィンセグメントが、前記チャネルに実質的に平行な隣接した第１チャネル隣接縁部と、前記切り込みに実質的に平行な第１切り込み隣接縁部と、第２チャネル隣接縁部及び第２切り込み隣接縁部によって形成されるコーナとを含み、前記コーナは、チャネルの上に引き上げられ、かつ前記チャネルに部分的に延伸させることを含む方法。
19. ローラによって前記フィンセグメントを圧延し、前記フィンセグメントの縁部を前記切り込みの上に少なくとも部分的に屈曲させることを更に含む請求項１８に記載の方法。
20. 前記フィンセグメントを圧延するステップが更に、前記フィンセグメントの縁部を前記チャネルの上に少なくとも部分的に延伸させる請求項１９に記載の方法。
21. 前記第１の角度が、８６～８９．５度である請求項１８に記載の方法。
22. 前記第２の角度が、１０～３５度である請求項１８に記載の方法。
23. 前記第２の角度が、１５度である請求項１８に記載の方法。
24. 前記フィンセグメントを圧延するステップが、前記フィンセグメント切り込みの近くに広いステムをもたらす請求項１９に記載の方法。
25. 前記フィンセグメントを圧延するステップが、各フィンセグメント縁部、各フィンセグメントのステム及び前記切り込みの間に形成されたキャビティによる沸騰孔を更に形成する請求項１９に記載の方法。

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