JP3547199B2 - 蒸気凝結用熱交換パイプ及びその製造方法 - Google Patents

蒸気凝結用熱交換パイプ及びその製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、請求項１または２のプレアンブルに記載の金属製熱交換パイプに関する（例えば、ドイツ特許２７３１４７６参照）。
【０００２】
この場合、凸エッジとは、外方へ隆起し（リブ材料から）突出するエッジと理解される。凹エッジは、表面に対して内側にあるエッジである（図１、図２参照）。この場合、この定義の意味において、エッジの横断面が直線で形成されるか曲線で形成されるかは問題ではない。
【０００３】
凝結は、冷却技術、空調技術、プロセス技術およびエネルギー技術の多くの領域に現れる。この場合、純物質または混合物の蒸気は、凝結エンタルピーの奪取によって、蒸気状態から液状態に完全にまたは部分的に移行される。
【０００４】
冷媒は、概ね、壁によって蒸気から分離される。工業において、凝結器（液化器）は、概ね、水平な管束・熱交換器として構成され、蒸気は、パイプ外面またはパイプ内面において凝結される。多くの気化器は、蒸気の凝結によって加熱される。上記気化器は、水平にも垂直にも配置できる。
【０００５】
熱伝導の改善のため、隔壁の冷媒側にも特殊な構造体（一般に、リブ、波状リブ、ピラミッド状隆起）を設けることができる。上記構造体は、パイプ軸線の方向へ、パイプ軸線に垂直にまたは別の角度に構成できる。上記構造体は、蒸気側において、表面の拡大に役立つ。特殊な構造体を使用すれば、更に、表面効果が得られる。湾曲した相境界面（メニスカス）の変化にもとづき、凸の外方へ湾曲した表面範囲では、凝結フィルムが薄くなり、従って、伝熱が局部的に強化される。凝結は、本質的に、最も強く凸に湾曲したリブ先端において起きる。例えば、横方向リブを有する水平なパイプの場合、生じた凝結物は、表面張力によってリブ底に引っ張られ、次いで、重力にもとづき下方へ滴下する。
【０００６】
【従来の技術】
凸エッジを増加するため、特殊なリブ形状を有するリブ付パイプが開発された（例えば、上記のドイツ特許２．７３１．４７６参照）。更に、リブ密度は、ますます増大しつつある。しかしながら、毛管効果にもとづき且つ毛管効果に起因する凝結物による表面閉塞にもとづきリブ中間スペースに拘束される凝結物量が増加するので、リブ密度の増大による伝熱強化には限界がある。
【０００７】
リブにノッチを設けることによって、同じく、多数の凸エッジを形成する（例えば、ドイツ公開１．５０１．６５５／ヨーロッパ公開０．２０６．６４０参照）。この実施例の場合、伝熱強化は、ノッチの所定の微細さによって制限される。即ち、ノッチを更に縮小すれば、ノッチ内に拘束される凝結物量が増加する。
【０００８】
更に、リブ表面にピラミッド状隆起を設ける（例えば、アメリカ特許４．２４５．６９５）。リブ先端および隆起エッジにおいて、フィルム厚は縮小される。しかしながら、ピラミッドは、過度に密に並置してはならない。なぜならば、さもないと、凝結物がピラミッドの間に拘束されるからである。
【０００９】
別の従来例は、リブ先端の分割に依拠する（例えば、ドイツ特許２．７５８．５２７に記載のＹ字状リブまたはドイツ特許３．３３２．２８２に記載の３つの先端を有するリブ）。しかしながら、この技術の場合、有効リブ間隔が減少するので、毛管力による凝結物拘束に鑑みて好ましくない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、フィルム厚縮小のためできる限り大きい凸エッジ長さが生じ、凝結物拘束の回避のため各リブ間に十分な間隔が保持されるよう、上述の種類の熱交換パイプを改良することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題は、横方向および縦方向へリブを設けたパイプにおいて、本発明にもとづき、均一のリブ高さＨを有する連続のリブを構成し、リブフランクの両面に相互に離隔された凹みを構成することによって、解決される。
【００１２】
【作用】
リブフランクに凹みを設けることによって、凸エッジ長さ（表面積）が著しく増大される。リブ中心にはウェーブが形成されるので、リブの両側に上記凹みを設置できる。幾何学的パラメータを正しく選択すれば、本発明にもとづき、別の公知の方法（例えば、上記のドイツ公開１．５０１．６５５／ヨーロッパ公開０．２０６．６４０参照）よりも著しく多数の凸エッジを形成できる。本発明の好ましい実施例にもとづき、横方向リブ付パイプにも縦方向リブ付パイプにも、リブ長さ１ｃｍ当り４〜３０の凹みが設けてある。
【００１３】
本発明の好ましい実施例の場合、凹みは、リブ高さＨの２０〜８０％の深さを有し、リブ先端からリブ底の方向へ伸びる。
【００１４】
凹みの形状は、広範囲に変化させることができる。即ち、凹みは、リブフランクに平行に見て球形、半円形、半楕円形、長方形、台形または三角形の縦断面を有することができ、この場合、横断面は、リブフランクに垂直に見て長方形、三角形、円形、台形または変形であってよい。リブフランクの異なる高さに少なくとも２列の凹みを設ければ、凹みの作用をさらに向上できる。
【００１５】
リブフランクの構造体の種類は、極めて多様に構成でき、即ち、本発明にもとづき、１つのリブの両面のリブフランクの凹みは、それぞれ、相互に同列にまたは相互にずらして配置されている。上記パラメータの組合せによって、特に、１つのリブの両面のリブフランクの凹みが、それぞれ、異なる縦断面形状または横断面形状を有する場合およびまたは異なるピッチＴで配置されている場合に、リブフランクのために異なる構造体を形成できる。１インチ当り１０〜８０の、リブ高さＨ＝０ . ５〜１ . ７ｍｍのリブを有するリブ付パイプに本発明に係る凹みを設けるのが特に好ましい。
【００１６】
パイプ外面の下にほぼ閉じたチャンネルが生ずるようリブ先端を押し潰した場合、本発明にもとづき構成した熱交換パイプは、気化器パイプ（外部気化）にも適する。
【００１７】
伝熱強化のため、本発明にもとづき、パタンを設けたリブフランクとパイプ内面の異なる構造体とを組合せることを提案する。この場合、ラセン状内側リブを内面に設けるのが好ましい。別の実施例にもとづき、外側リブのリブ底のラセンと同一のピッチ角度または異なるピッチ角度で延びるウェーブを内面に設ける。この実施例の変更例として、内面に設けたウェーブを断続的に構成できる。内側リブまたはウェーブにもパタンを設ければ、更に改善がなされる。
【００１８】
本発明の対象は、更に、ラセン状に循環する一体のリブを外面に有する本発明に係る熱交換パイプを製造する方法に関する。本発明に係る方法は、請求項１７のプレアンブルに記載の方法から出発して、リブの成形後、パタンを設けた少なくとも１つの圧延ディスクによってリブフランクに凹みを加工することを特徴とする。
【００１９】
請求項１７のプレアンブルの定義“およびまたは”は、パイプを軸線方向へ摺動すると同時に回転するか否かに関する。リブフランクの異なる高さに凹みを有する熱交換パイプの製造には、請求項１８の方法が適し、リブ先端を押し潰した熱交換パイプの製造には、請求項１９の方法が適し、ラセン状に循環するリブを内面に有する熱交換パイプの製造には、請求項２０の方法が適する。
【００２０】
【実施例】
以下の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。図３にリブ２が外面上にラセン状に延び、上記リブの間にミゾ３を構成した一体のリブ付パイプ１を模式的に示した。リブ２は、均一の高さＨを有する。リブフランク４には、両面に凹み５が加工してある。図示の実施例の場合、上記凹みは、それぞれ、リブ先端２´からリブ底２´´方向へ向けて延びる。凹み５のピッチ（心心距離）をＴで示した。
【００２１】
本発明に係るリブ付パイプの製造は、図４に示した装置を使用して圧延操作（アメリカ特許１．８６５．５７５／３．３２７．５１２参照）によって行なう。圧延工具７およびパタンを備えた少なくとも１つの後段の圧延ディスク８を組込んだｎ＝３の工具ホルダ６（図４には１つの工具ホルダのみを示した）からなる装置を使用する。しかしながら、４つまたはより多数の工具ホルダ６を使用できる。工具ホルダ６は、リブ付パイプの周面にそれぞれα＝３６０°だけずらして配置されている。工具ホルダ６は、半径方向へ送ることができる。工具ホルダ自体は、位置不動のロールヘッド（図示してない）に設けてある（別の実施例の場合は、ロールヘッドを回転し、パイプを単に軸線方向へ摺動させる）。
【００２２】
矢印方向へ装置内に導入される平滑なパイプ１´は、周面に配置され駆動される圧延工具７によって回転される。この場合、圧延工具７の軸線は、パイプ軸線に対して傾斜している。圧延工具７は公知の態様で、矢印方向へ増大する径を有し並置された複数の圧延ディスク９・９…からなる。その中心に配置された圧延工具７は、平滑パイプ１´の管壁から、ラセン状に循環するリブ２を形成する。この場合、平滑パイプ１´は、パタンを有する圧延リーマ１０によって支持される。かくして、同時に、前記パタンによってパイプ内面に、ラセン状に循環するリブ１１が生ずる。
【００２３】
凹み５は、径Ｄの圧延ディスク８の歯１２・１２…をリブフランク４に食い込ませることによって、得られる（図５）。この回転によって、凹み５の底に、材料突起が生ずる。
【００２４】
図６，７ａ〜７ｅに、（図３の断面Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂに沿う）凹み５の可能な縦断面形状および横断面形状を示した。
【００２５】
図８ａに、凹み５の同列の配置を示した。図８ｂに、凹み５のずれた配置を示した（双方のリブフランク４上のピッチは同一の場合）。図８ｃに、凹み５の異なるピッチＴ１およびＴ２の配置を示した。
【００２６】
図９に、リブフランク４の異なる高さにある２列の凹み５ａ，５ｂ（異なるピッチＴ１およびＴ２）を示した。このためには、図４の圧延工具７において、２つのパタン付圧延ディスク８が必要である。この場合、下列の凹み５ａは、径が比較的大きく厚さが比較的薄い第１圧延ディスク８によって形成され、上列の凹み５ｂは、径が小さく巾が大きい第２圧延ディスクによって形成される。
【００２７】
数値例；上述の圧延操作にもとづき、４０リブ／インチ（リブピッチｔ＝０，６４ｍｍ）、リブ高さＨ＝１ｍｍおよび平均リブ厚さ０，２５ｍｍの本発明に係る（内面平滑な）リブ付パイプ１を製造した。パタン付圧延ディスク８は、リブフランク４に、巾約０，０６ｍｍのほぼ半楕円形の凹み５をピッチＴ＝０，６ｍｍで形成する。
【００２８】
Ｔｃ＝４５℃における冷媒Ｒー２２の凝結実験において、伝達エネルギーは、同一寸法であるがパタンのないリブ付パイプに対して約３０％増大することが判った。パタン付リブフランクの本発明に係る用途は、特に、パタン外面における冷媒蒸気（純物質および混合物）の液化に拡張される。
【００２９】
従来慣用の安全冷媒の代わりに、アンモニアを使用することもできる。アンモニアは、高い表面張力を有するので、リブフランクにパタンを加工した本発明に係るリブ付パイプは、アンモニアに特に適する。パタン付フランクを有するリブ付パイプは、同様に、水蒸気の凝結にも使用できる。このパイプは、更に、プロセス技術において生ずる如き炭化水素蒸気または混合物に適する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成され、また実行されるので、フィルム厚縮小のため、できる限り大きい凸エッジ長さを得、凝結物拘束の回避のため各リブ間に十分な間隔が保持される熱交換パイプとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ−１ｃ】凸エッジを示す断面図である。
【図２ａ−２ｃ】凹エッジを示す断面図である。
【図３】本発明に係る熱交換パイプの略断面図である。
【図４】本発明に係る熱交換パイプの製造装置の図面である。
【図５】図３の装置に使用するパタン付圧延ディスクの図面である。
【図６】本発明に係る凹みの縦断面図である。
【図７ａ−７ｅ】本発明に係る凹みの各種横断面図である。
【図８ａ−８ｃ】リブフランク上の本発明に係る凹みの各種配置を示す図面である。
【図９】リブフランクの異なる高さに設けた２列の本発明に係る凹みの図面である。
【符号の説明】
１ 熱交換パイプ
１´ 平滑パイプ
２ リブ
４ リブフランク
５ 凹み
６ 工具ホルダ
７ 圧延工具
８ 圧延ディスク
９ 圧延ディスク
１０ 圧延リーマ
１１ リブ
１２ 歯

Claims (19)

  1. 純物質または混合物の蒸気をパイプ外面上に凝結させるため外面に環状またはラセン状に循環するリブ２を有する金属製熱交換パイプ１であって、リブ２が、フィルムを薄くするため凸のエッジを有する形式のものにおいて、リブ２は頂面を平坦として、均一なリブ高さＨで連続的に延び、リブフランク４には、両面に相互に離隔された凹み５が構成されていることを特徴とする蒸気凝結用熱交換パイプ。
  2. 純物質または混合物の蒸気をパイプ外面上に凝結させるため外面に軸線方向へ延びるリブ２を有する金属製熱交換パイプ１であって、リブ２が、フィルムを薄くするため凸のエッジを有する形式のものにおいて、リブ２は頂面を平坦として、均一なリブ高さＨで連続的に延び、リブフランク４には、両面に相互に離隔された凹み５が構成されていることを特徴とする蒸気凝結用熱交換パイプ。
  3. リブ長さ１ｃｍ当り４〜３０の凹み５が設けてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  4. 凹み５が、リブ高さＨの２０〜８０％の深さを有し、リブ先端（頂面）２´からリブ底２´´の方向へ延びることを特徴とする請求項１〜３の１つまたは複数に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  5. 凹み５が、リブフランク４と平行に見て球形、半円形、半楕円形、長方形、台形または三角形の縦断面を有することを特徴とする請求項１〜４の１つまたは複数に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  6. 凹み５が、リブフランク４に垂直に見て長方形、三角形、円形、台形またはひし形の横断面を有することを特徴とする請求項１〜５の１つまたは複数に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  7. 少なくとも２列の凹み５が、リブフランク４の異なる高さに設けられていることを特徴とする請求項１〜６の１つまたは複数に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  8. １つのリブ２の両面のリブフランク４の凹み５が、それぞれ、相互に同列にまたは相互にずらして配置されていることを特徴とする請求項１〜７の１つまたは複数に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  9. １つのリブ２の両面のリブフランク４の凹み５が、異なる縦断面形状または横断面形状を有し、およびまたは、異なるピッチＴで配置されていることを特徴とする請求項１〜８の１つまたは複数に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  10. 該熱交換パイプが、１インチ当り１０〜８０のリブ高さＨ＝０ . ５〜１ . ７ｍｍのリブ２を有することを特徴とする請求項１または３〜９の１つまたは複数に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  11. リブ先端２´が、押し潰されて形成されていることを特徴とする請求項１〜１０の１つまたは複数に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  12. パイプ１の内面にも、リブが設けてあることを特徴とする請求項１〜１１の１つまたは複数に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  13. 該熱交換パイプが、ラセン状の内側リブ１１を有することを特徴とする請求項１２に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  14. 内面には、外側リブ２のリブ底のラセンと同一のまたは異なるピッチ角のウェーブ（うねり）を有することを特徴とする請求項１２に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  15. 内面に設けたウェーブ（うねり）が、断続的であることを特徴とする請求項１４に記載の蒸気凝結用熱交換パイプ。
  16. 圧延操作によって材料をパイプ壁から外方へ押し出してリブ材料を形成し、平滑なパイプ１´の外表面にラセン状に延びるリブ２を圧延加工し、得られたリブ付パイプ１を圧延力によって回転させ、およびまたは、対応するリブ２に対応してずらし、もしくは未変形の平滑パイプ１´から漸増する高さのリブ２を加工し、平滑パイプ１´を内部の圧延リーマ１０によって支持する方法において、リブ２の成形後、パタ ンを有する少なくとも１つの圧延ディスク８によってリブフランク４に凹み５を加工することを特徴とする蒸気凝結用熱交換パイプの製造方法。
  17. パタンを有し径Ｄの異なる圧延ディスク８によってリブフランク４に凹み５を高さを異ならしめて加工することを特徴とする請求項１７に記載の蒸気凝結用熱交換パイプの製造方法。
  18. 少なくとも１つの工程において、半径方向圧力によってリブ先端２´を押し潰して加工することを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の蒸気凝結用熱交換パイプの製造方法。
  19. パタンを有する圧延リーマ１０によって平滑パイプ１´を支持することを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の蒸気凝結用熱交換パイプの製造方法。
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