JP2011237152A - オープンラック型気化装置用フィンチューブ - Google Patents

Abstract

【課題】クラッド成形によってフィンとフィンとの間の谷部における表面にも確実に被膜を形成することが可能な形状を有するオープンラック型気化装置用フィンチューブを提供すること。
【解決手段】オープンラック型気化装置の熱交換パネルを構成するフィンチューブ１である。円筒状の本体部１１と、本体部１１の外周面から外方に向かって突出した複数のフィン１２とを備えた基材１０と、基材１０の外周面を覆う犠牲陽極用の被膜２とからなる。基材１０と被膜２とは、基材用ビレットとその外周側に配設された被膜用ビレットとからなる二重構造のビレットを塑性加工することによりクラッド成形されている。隣接するフィン１２同士の間の谷部３は、フィン１２の側面同士を滑らかに繋ぐ円弧形状であって、本体部１１の中心Ａに向かって凸状となる形状を呈している。
【選択図】図１

Description

本発明は、オープンラック型気化装置の熱交換パネル用のフィンチューブに関する。

液化天然ガス（以下、ＬＮＧという）を気化させる気化器として、オープンラック型気化装置がある。このオープンラック型気化装置は、ＬＮＧと海水や温排水との間で熱交換をさせるための熱交換パネルを備えている。
熱交換パネルは、管体の外周面にフィンを有するフィンチューブを複数用い、これらのフィン同士を連ねてパネル状に配列して構成される。熱交換パネルの上下端部には、ＬＮＧを供給・分配させるためのヘッダータンクが設けられる。また、熱交換パネルの上方には、その外表面に対面して海水を熱交換パネルの外表面に供給するための散水装置が配置される。

ＬＮＧを気化させる際には、熱交換パネルの下端のヘッダータンクからＬＮＧを供給し、熱交換パネルのフィンチューブ内を上昇させる。フィンチューブ内を上昇するＬＮＧは、熱交換パネルの上部から散水される海水によって加熱され、気化する。これにより、ＬＮＧは、上端のヘッダータンクに達する際には気化した天然ガスとなり、当該ヘッダータンクから外部へと供給される。

このようなオープンラック型気化装置の熱交換パネルを構成するフィンチューブとしては、例えば、特許文献１、２に記載のものが提案されている。これらのフィンチューブは、平板状に連ねる一対のフィンの他にさらに複数のフィンあるいは凹凸を有し、これらが熱交換時の表面積を増大させ、熱交換性能を向上させている。いずれのフィンチューブも、海水に接触することを考慮して比較的耐食性に優れたアルミニウム合金によって管状の基材を作製し、さらにその外表面には犠牲陽極となる被膜を形成した構成をとっている。

特開平８−２９０９５号公報 特開平５−１６４４９６号公報

特許文献１に記載のフィンチューブ（伝熱管）は、犠牲陽極被膜を形成する方法として、基材の外表面にブラスト処理等を施して凹凸のある表面を形成し、次に、Ａｌ−Ｚｎ合金を加熱溶解してジェットガスで管体の外表面に吹き付けるといういわゆる溶射方法を採用している。

しかし、溶射方法により形成した犠牲陽極被膜は多孔体であるために、過酷な使用環境で使用されるオープンラック型気化装置においては、十分な耐久性を示さない。すなわち、オープンラック型気化装置は、腐食性の高い海水環境下で使用され、さらに外表面での着氷を伴うため、表面の犠牲陽極被膜が比較的早期に減耗や脱落により消失する可能性がある。対策としては、再度溶射膜を形成し直すことが考えられるが、この場合にも耐久性という観点では同じである。

特許文献２は、溶射方法による被膜に代えて、これよりも長期間にわたってフィンチューブの表面保護が可能な被膜として、押出成形を利用したクラッド成形によって被膜を形成することを提案したものである。この方法によれば、溶射方法に比べて厚く緻密な被膜を形成することが可能となり、耐食性を向上できるとされている。
しかしながら、単純にクラッド成形を採用するだけでは、押出し工程においてフィン同士の間の谷部に被膜が残りにくく、被膜が形成されず基材が被膜により被覆されていない部分である被膜未形成部分が生じるという成形上の問題が発生する。基材が被膜により被覆されなければ、溶射方法の場合よりもさらに耐食性が低下してしまう。なお、特許文献２には、クラッド成形性向上に関する具体的な記載はない。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、クラッド成形によってフィンとフィンとの間の谷部における表面にも確実に被膜を形成して基材を被覆することが可能な形状を有するオープンラック型気化装置用フィンチューブを提供しようとするものである。

本発明は、オープンラック型気化装置の熱交換パネルを構成するフィンチューブであって、
円筒状の本体部と、該本体部の外周面から外方に向かって突出した複数のフィンとを備えた基材と、
該基材の外周面を覆う犠牲陽極用の被膜とからなり、
上記基材と上記被膜とは、基材用ビレットとその外周側に配設された被膜用ビレットとからなる二重構造のビレットを塑性加工することによりクラッド成形されており、
隣接する上記フィン同士の間の谷部は、当該フィンの側面同士を滑らかに繋ぐ円弧形状であって、上記本体部の中心に向かって凸状となる形状を呈しており、
上記フィン同士の間の上記谷部の曲率半径Ｒと上記本体部の外径Ｄとが、０．０５≦Ｒ／Ｄ≦０．２の関係にあることを特徴とするオープンラック型気化装置用フィンチューブにある（請求項１）。

本発明のオープンラック型気化装置用フィンチューブは、上記のごとく、隣接する上記フィン同士の間の谷部は、当該フィンの側面同士を滑らかに繋ぐ円弧形状であって、上記本体部の中心に向かって凸状となる形状を呈している。このような特定の形状が、フィンチューブをクラッド成形する際にメタルフローを最適化し、被膜未成形部分が発生することを従来よりも大幅に抑制することができる。

この理由は次のように考えられる。
上記フィンチューブは、基材用ビレットとその外周側に配設された被膜用ビレットとからなる二重構造のビレットを塑性加工することによりクラッド成形する。クラッド成形では、フィン部分は、円筒状の本体部から径方向外方に向けて延びるように成形され、本体部は元のビレットの外径よりも小さく成形される。このとき、フィンとフィンとの間の上記谷部は、滑らかなメタルフローが実現できなければ、局部的に被膜用材料が不足する状態になりやすい。

特に、前述した特許文献２の図１に示されたように、フィンとフィンとの間の谷部の形状が、本体部の中心を中心とする円弧状となって中心から離れる方向に凸状となる形状を呈している場合には、後述する比較例にも示すごとく、被膜用材料が不足して被膜未成形部分が発生しやすくなる。これは、谷部の底部両端側とフィン側面との境界部分で形状の曲率の方向が逆転し、略Ｓ字状のメタルフローが要求されるため、メタルフローがあまりスムーズに行われないことが原因であると考えられる。

これに対し、本発明では、隣接する上記フィン同士の間の谷部は、当該フィンの側面同士を滑らかに繋ぐ円弧形状であって、上記本体部の中心に向かって凸状となる形状を積極的に採用している。このような形状を必須要件として備えることによって、谷部の底が逆方向に凸状となる場合と比べて、メタルフローをより滑らかにすることができ、被膜用材料が不足することを避けることができる。

また、本発明では、上記フィン同士の間の上記谷部の曲率半径Ｒと上記本体部の外径Ｄとが、０．０５≦Ｒ／Ｄ≦０．２の関係にある。このＲ／Ｄの値を上記特定の範囲に収めることにより、クラッド成形性を良好に維持しつつ、適度な数のフィンを配置することができる。上記Ｒ／Ｄが０．０５未満の場合には、クラッド成形性が低下し、被膜未成形部分の抑制効果が減少するおそれがあり、上記Ｒ／Ｄが０．２を超える場合には、配設できるフィンの数が低下し、熱交換性能向上効果が低下するおそれがある。

したがって、本発明によれば、上記谷部の形状を上記のごとく積極的に特定の形状に限定し、かつ、上記Ｒ／Ｄの値を上記適正な範囲にすることによって、フィンの突出寸法が比較的大きい場合であっても、クラッド成形によって外表面全面に確実に被膜を形成することができると共に優れた熱交換特性を維持することができる。

実施例１における、オープンラック型気化装置用フィンチューブの断面形状を示す説明図。 実施例１における、オープンラック型気化装置用フィンチューブの断面の寸法関係を示す説明図。 実施例１における、クラッド成形用ビレットを作製する手順を示す説明図。 実施例１における、クラッド成形用ビレットの断面形状を示す説明図。 比較例１における、オープンラック型気化装置用フィンチューブの断面形状を示す説明図。

本発明のオープンラック型気化装置用フィンチューブにおいては、上記フィンは、その突出寸法が上記本体部の外径の１／４以上である大型フィンとすることができる（請求項２）。上記フィンの突出寸法は、これが大きいほどフィンチューブの熱交換性能を向上させることができる一方、クラッド成形時における被膜未成形部分が生じやすい。特に、上記フィンの突出寸法が上記本体部の外径の１／４以上という大型フィンの場合にはクラッド成形が困難となりやすい。そのため、本発明の特定の形状を積極的に採用することによる成形性の確保が非常に有効である。

また、上記フィンは上記本体部の外周面に６枚〜１８枚設けられていることが好ましい。上記フィンの数をこの範囲内に設定することによって、熱交換性能の向上を図ることができる。一方、フィンの数が６枚〜１８枚という比較的多い枚数の場合には、クラッド成形が難しく、本発明の特定の形状を積極的に採用することによる成形性の確保が非常に有効である。

また、上記基材は３０００系、５０００系、６０００系のいずれかのアルミニウム合金よりなり、上記被膜は７０００系アルミニウム合金よりなることが好ましい（請求項３）。３０００系、５０００系、６０００系のアルミニウム合金は高強度でかつ耐食性に優れるという特性を有するため上記基材として好適である。また、７０００系アルミニウム合金は３０００系、５０００系、６０００系アルミニウム合金よりも電気化学的に腐食電位が卑であることから、基材よりも優先的に腐食するいわゆる犠牲陽極材として働いて基材の腐食を防止するという特性を有するため上記被膜として好適である。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるオープンラック型気化装置用フィンチューブフィンチューブにつき、図１〜図４を用いて説明する。
本例のフィンチューブ１は、オープンラック型気化装置の熱交換パネル（図示略）を構成するフィンチューブ（クラッドフィンチューブ）である。
図１に示すごとく、フィンチューブ１は、円筒状の本体部１１と、本体部１１の外周面から外方に向かって突出した複数のフィン１２ａ〜１２ｄ（以下、適宜、ａ〜ｄを省略して、フィン１２として表す）とを備えた基材１０と、基材１０の外周面を覆う犠牲陽極用の被膜２とからなる。
基材１０と被膜２とは、図３、図４に示すごとく、基材用ビレット４１とその外周側に配設された被膜用ビレット４２とからなる二重構造のビレット４を塑性加工することによりクラッド成形されている。
図１、図２に示すごとく、隣接するフィン１２同士の間の谷部３は、当該フィン１２の側面同士を滑らかに繋ぐ円弧形状であって、本体部１１の中心点Ａに向かって凸状となる形状を呈している。

同図に示すごとく、本例のフィンチューブ１は、本体部１１の外周側に合計１２枚のフィン１２を配設してなる。一対の第１フィン１２ａは、本体部１１の中心点Ａに関して１８０°反対方向に向いて延設されている。第１フィン１２ａは隣り合うフィンチューブ１と連なってパネル状に配列される部分である。

上記一対の第１フィン１２ａと直交する方向には、一対の第２フィン１２ｂが形成されている。また、本体部１１の周方向に見て、各第２フィン１２ｂの両側には、本体部１１の中心点Ａに関して第２フィン１２ｂから３０°ずれた方向に延びる第３フィン１２ｃが合計４枚形成されている。さらに、第１フィン１２ａと第３フィン１２ｃとの間には、本体部１１の中心点Ａに関して第３フィン１２ｄおよび第１フィン１２ａからそれぞれ３０°ずれた方向に延びる第４フィン１２ｄが合計４枚形成されている。すべてのフィン１２は、その突出寸法Ｌ₁〜Ｌ₄（図２）が本体部１１の外径Ｄ（図２）の１／４以上１／２以下である。具体的には、外径Ｄ＝４０ｍｍ、突出寸法Ｌ₁＝１６ｍｍ、Ｌ₂＝Ｌ₃＝Ｌ₄＝１４ｍｍとした。

また、隣り合うフィン１２同士の間のすべての谷部３ａ〜３ｃは、上記のごとく、フィン１２の側面同士を滑らかに繋ぐ円弧形状であって、本体部１１の中心点Ａに向かって凸状となる形状を呈している。そして、すべての谷部３ａ〜３ｃの曲率半径Ｒ(ａ〜ｃ)と上記本体部の外径Ｄとが、０．０５≦Ｒ(ａ〜ｃ)／Ｄ≦０．２の関係にある。より具体的には、本例では、第１フィン１２ａと第４フィン１２ｄとの間の谷部３ａの円弧形状の曲率半径Ｒａは４．０ｍｍであり、本体部１１の外径Ｄが４０ｍｍであるため、Ｒａ／Ｄ＝０．１である。同様に、第４フィン１２ｄと第３フィン１２ｃとの間の谷部３ｂの円弧形状の曲率半径Ｒｂは４．７ｍｍであるため、Ｒｂ／Ｄ＝０．１２である。同様に、第３フィン１２ｃと第２フィン１２ｂとの間の谷部３ｃの円弧形状の曲率半径Ｒｃは４．７ｍｍであるため、Ｒｃ／Ｄ＝０．１２である。なお、図２に示すごとく、本体部１１の外径Ｄの位置と内径との間の肉厚については、最大値Ｔ₁＝９ｍｍ、最小値Ｔ₂＝６．５ｍｍである。

また、円筒状の本体部１１は、ＬＮＧとの接触面積を少しでも増大させるように、その内周面に凹凸部１１５を設けてある。
また、フィンチューブ１は、基材１０は５０００系アルミニウム合金であるＡ５０５２材（Ａｌ−２．５％Ｍｇ合金）よりなり、被膜２は７０００系アルミニウム合金であるＡ７０７２材（Ａｌ−１％Ｚｎ合金）よりなる。

上記フィンチューブ１を作製するに当たっては、次のように行った。
まず、図３、図４に示すごとく、中実の円柱状ビレットの内部を刳り貫いて、肉厚１０ｍｍ、長さ５００ｍｍ、直径２０３ｍｍ（８インチ）の円筒状形状の被膜用ビレット４２を作製した。

また、上記被膜用ビレット４２の内側に焼き嵌め可能な寸法に外径を合わせ、内径７０ｍｍ、長さ５００ｍｍの円筒形状とした基材用ビレット４１を作製した。
次に、被膜用ビレット４２及び基材用ビレット４１との合わせ面を機械加工により平坦化した後、焼き嵌めによって両者を一体化した。これにより、基材用ビレット４１とその外周側に配設された被膜用ビレット４２とからなる二重構造のビレット４を得た。

次に、所望形状の金型を用いて、ビレット４を押出成形（塑性加工）し、上述した形状のオープンラック型気化装置用フィンチューブ１を得た。
得られたフィンチューブ１は、押出成形時の長手方向３箇所（頭部、中央部及び尾部）でサンプルを採取し、各サンプルの断面観察によって、全てのフィン１２の先端部及び全ての谷部３の中央部における被膜２の厚みを測定した。測定結果を表１に示す。フィン１２については、図１における上方に向くフィン１２ｂの先端部Ｐ₁を周方向位置の０°位置とし、谷部３についてはその右側の谷部３ｃの中央部Ｖ₁を周方向位置の０°位置として、順次時計回りに測定し、表１に記載した。

図示しない断面観察の結果、本例のフィンチューブ１は、全てのサンプルにおいて、外表面全面に途切れることなく被膜２が形成されていた。また、表１から知られるごとく、フィンチューブ１の全てのフィン１２の先端部及び全ての谷部３において確実に有効な厚さの被膜２が形成されていることも分かった。
このように、本例では、隣接するフィン１２同士の間の全ての谷部３について、フィン１２の側面同士を滑らかに繋ぐ円弧形状であって、本体部１１の中心に向かって凸状となる形状を積極的に採用することによって、クラッド成形時の谷部３におけるメタルフローをより滑らかにすることができ、実際に被膜用材料が不足することを避けることができ、健全な被膜２が得られることがわかった。

（比較例１）
本比較例では、前述した特許文献２に記載された従来の形状を有するオープンラック型気化装置用フィンチューブ９を作製し、被膜の形成状態について評価した。
フィンチューブ９は、図５に示すごとく、円筒状の本体部９１と、本体部９１の外周面から外方に向かって突出した複数のフィン９２とを備えた基材９０と、基材９０の外周面を覆う犠牲陽極用の被膜９５とからなる。基材９０と被膜９５とは、前述した実施例１と同様に、基材用ビレット４１とその外周側に配設された被膜用ビレット４２とからなる二重構造のビレット４を塑性加工することによりクラッド成形されている。

本比較例の特徴は、隣接するフィン９２同士の間の谷部９３が、本発明とは異なり、本体部９１の中心Ｂを中心とする円弧状となって中心から離れる方向に凸状となる形状を呈している。そして、谷部９３の両端と中央部分とにおいて円弧形状の曲率の方向が逆転し、略Ｓ字状となっている。
フィンチューブ９の寸法は、最も長い一対の第１フィン９２ａの長さを実施例１の第１フィン１２ａと合致させ、その他は図５に示す形状と相似形状となる寸法とした。

得られたフィンチューブ９は、押出成形時の長手方向３箇所（頭部、中央部及び尾部）でサンプルを採取し、各サンプルの断面観察によって、全てのフィン９２の先端部及び全ての谷部９３の中央部における被膜９５の厚みを測定した。測定結果を表２に示す。フィン９２については、図５における上端に位置するフィン９２先端部Ｐ₉₁を周方向位置の０°位置とし、谷部９３についてはその右隣の谷部９３の中央部Ｖ₉₁を周方向位置の０°位置として、順次時計回りに測定し、表２に記載した。

図５には、基本構成を説明する都合上その全面に被膜９５が存在する状態で記載している。しかし、実際の断面観察の結果、フィンチューブ９は、多くの谷部９３において被膜未形成部分が存在することが分かった。また、表２に示すごとく、谷部９３に被膜９５が存在する部位においても、その厚みが実施例１に比べて非常に薄いことが分かった。

以上の実施例１と比較例１との対比から、谷部の形状を特定の形状に限定した本発明のフィンチューブが、クラッド成形を採用した場合の被膜形成状態を健全とすることができ、耐久性にも優れることが分かる。

（実施例２）
本例では、表３に示すごとく、実施例１の構成を基本とし、基材材質、フィンの数、各部寸法等を変更した例を示す。表３において、基材の材質であるＡ３００３材はＡｌ−１．２％Ｍｎ合金、Ａ５０５２材はＡｌ−２．５％Ｍｇ合金、Ａ６０６３材はＡｌ−０．６％Ｍｇ−０．４％Ｓｉ合金よりなり、被膜の材質であるＡ７０７２材はＡｌ−１％Ｚｎ合金よりなる。製造に使用したビレットは、実施例１と同じ要領で準備した。そして、各フィンチューブは、表３に示す各部寸法に対応した金型を用いて押出成形することによって作製した。フィンの長さ、本体部の外径Ｄ及び外径Ｄの位置と内径との間の肉厚については、実施例１と同様とした。

得られた各フィンチューブは、押出成形時の長手方向１箇所（中央部）でサンプルを採取し、各サンプルの断面観察によって、全てのフィン及び全ての谷部における被膜の形成状態（クラッド状態）を観察した。評価は、谷部も含め全周に被膜が形成されていた場合を合格（○）とし、谷部に被膜未形成部分が生じていた場合を不合格（×）とした。
また、熱交換性能の観点からみれば、フィンの数が６枚未満の場合には経験的に熱交換性の向上効果が低い。そのため、フィンの数が６枚以上を良、それ未満を不良とした。
これらの評価結果は上記表３に記載した。

表３より知られるごとく、フィン同士の間の上記谷部の曲率半径Ｒと上記本体部の外径Ｄとが、０．０５≦Ｒ／Ｄ≦０．２の関係にある場合には、熱交換性能を確保した上で、基材を被覆する被膜が欠落している部分（被膜未形成部分）の発生を確実に防止することができることが分かる。

１ オープンラック型気化装置用フィンチューブ
１０ 基材
１１ 本体部
１２ フィン
２ 被膜
３ 谷部
４ ビレット
４１ 基材用ビレット
４２ 被膜用ビレット

Claims (3)

1. オープンラック型気化装置の熱交換パネルを構成するフィンチューブであって、
   円筒状の本体部と、該本体部の外周面から外方に向かって突出した複数のフィンとを備えた基材と、
   該基材の外周面を覆う犠牲陽極用の被膜とからなり、
   上記基材と上記被膜とは、基材用ビレットとその外周側に配設された被膜用ビレットとからなる二重構造のビレットを塑性加工することによりクラッド成形されており、
   隣接する上記フィン同士の間の谷部は、当該フィンの側面同士を滑らかに繋ぐ円弧形状であって、上記本体部の中心に向かって凸状となる形状を呈しており、
   上記フィン同士の間の上記谷部の曲率半径Ｒと上記本体部の外径Ｄとが、０．０５≦Ｒ／Ｄ≦０．２の関係にあることを特徴とするオープンラック型気化装置用フィンチューブ。
2. 請求項１に記載のオープンラック型気化装置用フィンチューブにおいて、上記フィンは、その突出寸法が上記本体部の外径の１／４以上であることを特徴とするオープンラック型気化装置用フィンチューブ。
3. 請求項１又は２に記載のオープンラック型気化装置用フィンチューブにおいて、上記基材は３０００系、５０００系、６０００系のいずれかのアルミニウム合金よりなり、上記被膜は７０００系アルミニウム合金よりなることを特徴とするオープンラック型気化装置用フィンチューブ。

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