DE69200089T2

DE69200089T2 - Wärmeübertragungsrohr.

Info

Publication number: DE69200089T2
Application number: DE69200089T
Authority: DE
Inventors: Takesi Nishizawa; Kazuhiko Ooba
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1991-01-14
Filing date: 1992-01-14
Publication date: 1994-09-01
Anticipated expiration: 2012-01-15
Also published as: DE69200089D1; KR920015114A; EP0495453B1; JPH04236097A; EP0495453A1; US5186252A; KR940007194B1; JP2788793B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeübergangsrohr, und insbesondere dasjenige, das in einein Verdampfer einer Kältemaschine eingebaut ist, wobei ein Kühlmittel an der äußeren Oberfläche desselben am Sieden gehalten wird, wenn sich das Rohr im Gebrauch befindet.
Das in der veröffentlichten ungeprüften Japanischen Patentanineldung (PUJPA) Nr. 57-131992 (Japanische Patentanmeldung Nr. 56-211772) (US-A-4 313 248, Figuren 12 und 13) of fenbarte Wärmeübergangsrohr enthält die Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und kann als ein ubliches herkömmliches Rohr genannt werden, das ein in Berührung mit seiner äußeren Oberfläche gebrachtes Kühlmittel durch Wärmetausch zwischen dein Kühlmittel und einem Fluid im Rohr zum Sieden bringt, um so den Übergang von Wärme, die zum Kühlmittel weitergeleitet wird, zu verbessern (nachfolgend Siedewärmeübergang genannt). Ein derartiges Wärmeübergangsrohr ist dadurch gekennzeichnet, daß es einen Teil mit ersten und zweiten Nuten aufweist, der durch ein Profilwalzverfahren auf der äußeren Oberfläche des flachgerippten Rohrs gebildet werden. Diese Art von Wärmeübergangsrohr wird in einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel verwendet. Dieses Rohr zeigt hinsichtlich der Wärmeübergangsrate eine gute Eigenschaft, da bei dem Rohr in der Nut verbleibende Blasen eine Fortsetzung des Siedens bewirken, wodurch der Betrag des Wärmeübergangs erhöht wird. Somit kann ein hohes Durchlaßvermögen erreicht werden.
Jedoch weist ein derartiges Rohr im Fall eines geringen Wärmestroms den Nachteil eines sehr schlechten Siedewärmeübergangs auf. In Anbetracht dieses Problems wurde eine beträchtliche Anzahl von Vorschlägen für ein Wärmeübergangsrohr gemacht, das im Fall eines geringen Wärmestroins ein hohes Wärmedurchlaßverinögen zeigt, was zu einer wirkungsvollen Nutzung einer Wärmequelle mit niedriger Temperatur führt.
Unterdessen wird eine Vorrichtung, in welche das Wärmeübergangsrohr eingebaut ist, entsprechend dem Bedarf mit verschiedenen Belastungen verwendet; es ist deshalb erforderlich, daß das Rohr nicht nur im Fall eines hohen Wärmestroms sondern auch im Fall eines geringen Wärmestroms ein hohes und stabiles Durchlaßvermögen zeigt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmeübergangsrohr bereitzustellen, welches sowohl im Fall eines geringen als auch eines hohen Wärmestroms ein hohes und stabiles Wärmedurchlaßvermögen aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Wärmeübergangsrohr gemäß Patentanspruch 1 gelöst, mit einem Rohrkörper, ersten Nuten, die mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen auf einer äußeren Oberfläche des Rohrkörpers fortlaufend entlang einer Umfangsrichtung ausgebildet sind, wobei die ersten Nuten zu einer Außenseite hin offen sind und einen Öffnungsraum aufweisen, dessen Breite enger ist, als ein Bodenraum derselben, und zweiten Nuten, die mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen auf der äußeren Oberfläche des Rohrkörpers fortlaufend entlang einer axialen Richtung ausgebildet sind, wobei die zweiten Nuten eine Tiefe aufweisen, die flacher ist als diejenige der ersten Nuten, und Öffnungsräume benachbarter erster Nuten miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß ein überstehendes Teil auf einer Bodenoberfläche jeder der ersten Nuten vorgesehen ist, so daß es eine Seitenwand von jeder der ersten Nuten mit einer anderen verbindet.
Diese Erfindung läßt sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstehen, in welchen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Wärmeübergangsrohrs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein Querschnitt des Rohrs entlang der Linie II-II der Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Schaubild ist, das ein Verfahren zur Herstellung des Wärmeübergangsrohrs der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 4 ein Schaubild einer zur Herstellung eines Wärmeübergangsrohrs der Erfindung verwendeten Formgebungsscheibe ist;
Fig. 5 ein Diagramm ist, das eine Korrelation zwischen dem Siedewärmedurchlaßvermögen und dem Wärmestrom des Rohrs zeigt;
Figuren 6A bis 6C perspektivische Ansichten mehrerer Formen des überstehenden Teils des Wärmeübergangsrohrs der vorliegenden Erfindung sind;
Fig. 7 ein Schaubild ist, das eine perspektivische Ansicht des Hauptteils eines Wärmeübergangsrohrs gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
Fig. 8 eine Richtung veranschaulicht, in welcher das überstehende Teil geneigt ist, und die axiale Richtung C des Rohrkörpers.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht eines Wärmeübergangsrohrs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Figur zeigt einen Teil eines Rohrkörpers 10, in welchem ein Fluid, d.h. Wasser, ein Kühlmittel, wie beispielsweise Freon, oder Dampf davon strömt. Auf der äußeren Oberfläche des Rohrkörpers 10 sind fortlaufende erste Nuten 11 entlang der Umfangsrichtung (in der Figur durch den Buchstaben A angezeigt) des Rohrkörpers 10 ausgebildet. Die Formgebung der äußeren Oberfläche schafft eine Mehrzahl von Rippen auf der äußeren Oberfläche des Rohrkörpers 10. Weiter sind fortlaufende zweite Nuten 12 ebenfalls auf der äußeren Oberfläche des Rohrkörpers 10 entlang dessen axialer Richtung ausgebildet (in der Figur durch den Buchstaben B angezeigt). Auf der Bodenoberfläche 13 von jeder der ersten Nuten 11 ist ein überstehendes Teil 15 ausgebildet, zum Verbinden einer Seitenwand 14 von einer der ersten Nuten 11 mit derselben einer anderen.
Unterdessen sind einige der Beispiele des Rohmaterials für den Rohrkörper 10 Kupfer, Stahl, Titan, Aluminium und eine Legierung davon.
Jede der ersten Nuten 11 besitzt einen Bodenbereich 16 mit einer relativ großen Breite W&sub1; und einen Öffnungsbereich 17 mit einer relativ engen Breite. Das Verhältnis der Breite des Bodenbereichs 16 zu derjenige des Öffnungsbereichs 17 (W&sub1;/W&sub2;) sollte in Anbetracht der Folgen für ein Einfangen und einen Austritt von Blasen vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 12 liegen. Ein Abstand P&sub1; der ersten Nuten 11, das heißt die Entfernung zwischen den Mitten benachbarter erster Nuten 11 sollte in Anbetracht der Folgen für ein Einfangen von Blasen und das Wärmedurchlaßvermögen vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 mm und 1,0 mm liegen. Die Anzahl der ersten Nuten 11 sollte vorzugsweise 25-50 pro ein Inch betragen, und sie sollten über das gesamte Wärmeübergangsrohr hinweg mit einem geeigneten Abstand P&sub1; zwischen jedem benachbarten Paar der Nuten ausgebildet sein. Eine Tiefe D1 jeder der ersten Nuten 11 sollte in Anbetracht der Folgen für ein Einfangen von Blasen und das Wärmedurchlaßvermögen vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 mm und 1,2 mm liegen. Es sollte hier angemerkt werden, daß die ersten Nuten 11 ringförmig oder spiralig ausgebildet sein können, solange sie in Umfangsrichtung des Rohrkörpers 10 fortlaufend ausgebildet sind.
Ein Abstand P&sub2; der zweiten Nuten 12, das heißt die Entfernung zwischen den Mitten benachbarter zweiter Nuten 12 sollte vorzugsweise im Bereich 0,4 mm und 1,5 mm liegen. Dies ist so, weil der Öffnungsbereich 17 infolge baulicher Beschränkungen nicht mit gewünschten Abmessungen geformt werden kann, falls der Abstand P&sub2; außerhalb dieses Bereichs liegt. Die Anzahl der zweiten Nuten 12 sollte vorzugsweise 25-60 pro ein Inch betragen, und sie sollten über das gesamte Wärmeübergangsrohr hinweg mit einem geeigneten Abstand P&sub2; zwischen jedem benachbarten Paar der Nuten ausgebildet sein. Um mehr Blasen zu erzeugen, sollte die Anzahl der Öffnungsbereiche 17 und der zweiten Nuten erhöht werden. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß die Anzahl dieser Bereiche und Nuten durch die Art des in Berührung mit der äußeren Oberfläche des Rohrkörpers gebrachten Fluids in gewisser Weise eingeschränkt wird.
Wie man in Fig. 2 sehen kann, sollte eine Höhe H des überstehenden Teils 15 vorzugsweise 2-40 % der Tiefe D&sub1; der ersten Nuten 11 sein. Dies ist so, weil das Wärmeübergangsrohr sein volles Wärmedurchlaßvermögen in einem Bereich eines geringen Wärmestroms nicht entfalten kann, falls die Höhe H kleiner als 2 % der Tiefe D&sub1; ist, und weil die Zufuhr des Kühlmittels zur äußeren Oberfläche des Rohrkörpers in einem Bereich eines hohen Wärmestroms merklich verringert wird, falls die Höhe H 40 % der Tiefe D&sub1; übersteigt. Am besten sollte die Höhe H 10-40 % der Tiefe D&sub1; betragen. Wie in Fig. 2 dargestellt, sollte weiter ein Abstand P&sub3; der überstehenden Teile 15, das heißt die Entfernung zwischen den Spitzenenden benachbarter überstehender Teile vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5-4,5 mm liegen. Dies ist so, weil eine Bewegung des Kühlmittels in den ersten Nuten zu stark unterdrückt wird, falls der Abstand P3 kleiner als 0,5 mm ist, und weil die Wärmeübergangsfläche verringert wird, falls er 4,5 mm übersteigt, wodurch die Wirkung einer Unterdrückung der Bewegung des Kühlmittels verschlechtert wird. Die Form des Querschnitts des überstehenden Teils 15 ist hier nicht besonders festgelegt, und kann zum Beispiel polygonal, beispielsweise dreieckig, halbkreisförmig oder trapezförmig sein.
Somit besitzt das Wärmeübergangsrohr einen solchen Aufbau, daß ein überstehendes Teil 15 auf dem Boden jeder der ersten Nuten 11 ausgebildet ist; die Fläche der äußeren Oberfläche, welche Wärmeübergangsfläche genannt wird, mit welcher das Kühlmittel in Berührung gebracht wird, ist deshalb größer als diejenige ohne jegliches überstehendes Teil. Somit wird eine Bildung von Blasen aus jeder der ersten Nuten 11 verbessert, und es kann daher während des Siedens eine dünnfilmerhaltende Wirkung am Spitzenendbereich jedes der überstehenden Teile beobachtet werden. Weiter dient jedes der überstehenden Teile 15 dazu, den Bodenraum von jeder der ersten Nuten 11 in kleine Bereiche zu unterteilen; es wird daher möglich, eine Bewegung des Kühlmittels an jeder proximalen Rippe, das heißt, dem Bodenraum jeder der ersten Nuten zu unterdrücken.
Wie beschrieben kann bei dem Wärmeübergangsrohr der vorliegenden Erfindung ein Kühlmittel durch bereichsweise Erwärmung der äußeren Oberfläche des Rohrkörpers einfach zum Sieden gebracht werden; das Rohr kann deshalb ein hohes Wärmedurchlaßvermögen entfalten, das insbesondere in einem Bereich mit geringem Wärmestrom verbessert ist.
Das folgende ist eine Erläuterung einer im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ausgeführten Ausführungsform.
Ein Kupferrohr mit dem Außendurchmesser von 19,05 mm und der Dicke von 1,24 mm wird einer Bearbeitung unterzogen, mit einer Scheibe 30 zur Formgebung von Rippen, einer Scheibe 33 zur Formgebung von überstehenden Teilen, einem Werkzeug 35 zur Formgebung zweiter Nuten und Walzwerkzeugen 36-39, wie man in Fig. 3 sehen kann. Die Bearbeitung des Rohrkörpers 31 wird von einem Dorn 41 im Rohr gehalten, und beginnend von dem auf der linken Seite der Figur dargestellten Zustand auf die rechte Seite zu durchgeführt. Beim Drehen der Rippen-Formgebungsscheibe 30 wird die äußere Oberfläche des Rohrkörpers 31 zu Rippen 32 geformt, und mit Hilfe einer Formgebungsscheibe 33, auf einem Teil von deren Umfang Zähne 33a ausgebildet sind, wie in Fig. 4 dargestellt, wird ein überstehendes Teil 34 auf dem Bodenbereich jeder der ersten Nuten 40 geformt, die jeweils durch benachbarte Rippen 32 abgegrenzt sind. Unter Verwendung des Werkzeugs 35 zur Formgebung von zweiten Nuten und der Walzwerkzeuge 36-39 wird dann die Spitze jeder der Rippen 32 nach und nach zusammengedrückt, so daß sie einen in der Figur dargestellten dicken Kopfbereich aufweisen, und die zweiten Nuten werden insbesondere unter Verwendung des Walzrohrs 35 auf dem Rohrkörper 31 entlang der axialen Richtung desselben gebildet. Damit ist die Herstellung eines Wärmeübergangsrohrs der Erfindung vollendet.
Das so erhaltene Rohr besitzt auf jedem einen Inch großen Teilbereich der äußeren Oberfläche des Rohrkörpers 31 vierzig entlang der Umfangsrichtung 40 ausgebildete erste Nuten, ein auf dem Boden jeder der ersten Nuten 40 entlang einer im wesentlichen zur axialen Richtung des Rohrkörpers 31 parallelen Richtung überstehendes Teil 34, derart, daß das Teil 34 die Rippen 32 auf beiden Seiten derselben miteinander verbindet, und achtzig der zweiten Nuten, die ebenfalls auf der äußeren Oberfläche des Rohrkörpers entlang der axialen Richtung desselben ausgebildet sind. Jede von jeder der ersten Nuten weist die folgenden Abmessungen auf; eine Breite des Bodenbereichs von 0,3 mm, eine Breite des Öffnungsbereichs von 0,1 mm und eine Tiefe von 0,7 mm. Der Abstand der ersten Nuten beträgt 0,64 mm. Der Abstand der zweiten Nuten beträgt 0,75 mm. Die Höhe der überstehenden Teile beträgt 15 % der Tiefe der ersten Nuten. Der Abstand der Spitzenbereiche der überstehenden Teile beträgt 1,5 mm, und der Querschnitt jedes der überstehenden Teile ist im wesentlichen dreieckig.
Fig. 5 zeigt das von einem Bereich mit geringem Wärmestrom bis zu einem Bereich mit hohem Wärmestrom gezeigte Siedewärmedurchlaßvermögen (definiert durch die pro Längeneinheit, Zeiteinheit und Temperatureinheit übertragene Wärmemenge) jedes der Wärmeübergangsrohre der vorliegenden Erfindung (Kennlinie 3), eines herkömmlichen Wärmeübergangsrohrs mit ersten und zweiten Nuten und ohne überstehende Teile (Kurve 2), sowie eines herkömmlichen flachgerippten (26 pro Inch) Wärmeübergangsrohrs (Kurve 1). Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, zeigt das Wärmeübergangsrohr der vorliegenden Erfindung sowohl in Bereichen mit geringem als auch in Bereichen mit hohem Wärmestrom ein hohes Siedewärmedurchlaßvermögen. Speziell im Bereich mit geringem Wärmestrom ist das Durchlaßvermögen des Rohrs der Erfindung 20 % höher als dasjenige des herkömmlichen Rohrs (Kurve 2).
Bei dieser Ausführungsform sind die überstehenden Teile 60 so ausgebildet, daß ihr Querschnitt eine dreieckige Form besitzt, wie in Fig. 6B dargestellt, jedoch kann die Form des Querschnitts trapezförmig oder halbkreisförmig sein, wie in den Figuren 6A und 6C dargestellt, ohne den Vorteil der Erfindung zu mindern.
Weiter sind die überstehenden Teile 60 entlang einer Richtung ausgebildet, die im wesentlichen parallel zur axialen Richtung des Rohrkörpers ist; solange die überstehenden Teile beide Seitenwände jeder der ersten Nuten miteinander verbinden können sie jedoch derart ausgebildet sein, daß die Längsrichtung der überstehenden Teile 70 bezüglich der axialen Richtung (Richtung C in Fig. 8) des Rohrkörpers um einen vorbestimmten Winkel geneigt ist, der kleiner als 60º ist, wie in den Figuren 7 und 8 ersichtlich ist.
Zusammenfassend besitzt das Wärmeübergangsrohr der vorliegenden Erfindung sowohl im Fall eines niedrigen als auch eines hohen Wärmestroms ein hohes und stabiles Wärmedurchlaßvermögen.
Schließlich besitzen Wärmetauscher, in welchen das Wärmeübergangsrohr der vorliegenden Erfindung verwendet wird, Vorteile ebenso hinsichtlich einer Miniaturisierung der Vorrichtung wie hinsichtlich einer Leistung.

Claims

1. Wärmeübergangsrohr, umfassend:

einen Rohrkörper;

erste Nuten, die mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen auf einer äußeren Oberfläche des besagten Rohrkörpers fortlaufend entlang einer Umfangsrichtung ausgebildet sind, wobei die besagten ersten Nuten zu einer Außenseite hin offen sind und einen Öffnungsbereich aufweisen, dessen Breite enger ist als diejenige eines Bodenraums derselben; und

zweite Nuten, die mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen auf der besagten äußeren Oberfläche des besagten Rohrkörpers fortlaufend entlang einer axialen Richtung ausgebildet sind, wobei die besagten zweiten Nuten eine Tiefe aufweisen, die flacher als diejenige der besagten ersten Nuten ist, und Öffnungsbereiche benachbarter erster Nuten miteinander verbinden;

dadurch gekennzeichnet, daß ein überstehendes Teil auf einer Bodenoberfläche von jeder der besagten ersten Nuten vorgesehen ist, so daß es eine Seitenwand von jeder der besagten ersten Nuten mit einer anderen verbindet.

2. Wärmeübergangsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Rohrkörper aus einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Stahl, Titan, Aluminium und einer Legierung davon besteht.

3. Wärmeübergangsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Höhe des besagten überstehenden Teils 2-40 % der Tiefe der besagten ersten Nuten beträgt.

4. Wärmeübergangsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand zwischen benachbarten überstehenden Teilen der Bereich zwischen 0,5 mm und 4,5 mm ist.

5. Wärmeübergangsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Längsrichtung des besagten überstehenden Teils im wesentlichen parallel zur axialen Richtung des Rohrkörpers ist.

6. Wärmeübergangsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Längsrichtung des besagten überstehenden Teils bezüglich der axiales Richtung des Rohrkörpers um einen vorbestimmten Winkel geneigt ist.

7. Wärmeübergangsrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte vorbestimmte Winkel kleiner als 60 Grad ist.