JP4667501B2 - 改良された伝熱面を製造するための工具 - Google Patents

Description

関連出願の参照情報：本出願は２００５年３月２５日に出願された米国出願第60/665,528号の利益を主張し、その開示全てを参照により援用して本文の記載の一部とする。

本発明は、概して、改良された伝熱面を形成するための工具及び方法に関する。

本発明は、伝熱管の表面（及び特には内側の表面）などの、表面の一方の側から他方の側への伝熱（熱伝達）を容易にする改良された伝熱面に関連し、伝熱管は通常、例えば低温産業、化学工業、石油化学工業、食品加工業などにおいて使用される浸水蒸発器、流下膜式冷却器、噴霧蒸発器、吸収冷却器、コンデンサ、直接膨張冷却器、単相冷却器、及びヒーター等の装置に使用される。これらの用途には、純水、水とグリコールの混合物、あらゆるタイプの冷媒（例えばＲ−２２、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−１２３等）、アンモニア、石油化学工業用流体、その他の混合物などを含む様々な伝熱媒体を使用し得るが、これらに限定されない。

理想的な伝熱管は、熱が、管の内側から外側に及びその逆もまた同様に、全く抑制されることなく流れることを可能とするであろう。しかしながら、このような管を通過する自由な熱の流れ（フロー）は概して伝熱抵抗によって妨げられてしまう。管の、伝熱に対する全体的な抵抗は、管の外側から内側及びその逆も同様に、個々の抵抗を加算することにより計算される。管の伝熱効率を改良するため、管製造者は、管全体の抵抗を減らすための方法を明らかにする努力を重ねてきた。そのような方法の一つは、例えば外面にフィンを形成することによって管の外面を改良する方法である。管の外面を改良することにおける最近の進歩の結果（例えば、米国特許第5,697,430号及び第5,996,686号参照）、管全体の抵抗のほんの少しの部分のみが、管の外側に起因する。例えば、浸水冷却器において使用される、改良された外面を備えるが内面は滑らかである典型的な蒸発管は、内側抵抗と外側抵抗との比が典型的には１０：１である。理想的には、内側抵抗と外側抵抗の比は１：１が望まれる。それゆえ、管側の抵抗を大幅に減らし且つ管全体の伝熱性能を改善するような管の内面改良を開発することがより重要となる。

伝熱管の内面に、溝及び稜線を交互に備えることは知られている。溝及び稜線は協同して、管の内部に供給される、水等の伝熱媒体の乱流を強化させる。この乱流が管の内面近くにおける液混合を増大させて、管の内面近くにおける液媒体の境界層のビルドアップ（増大）を減少させるか又は実質的に除去する。境界層の熱抵抗は、管の伝熱抵抗を増大することにより伝熱性能を著しく低下させる。溝及び稜線はまた、さらなる熱交換のための予備の（付加的な）表面積を提供する。この大前提はWithers Jr.らの米国特許第3,847,212号に教示されている。

管の内面上の溝及び稜線のパターン、形状及び大きさは、さらに熱交換性能を向上させるために変えてもよい。この目的のために、管製造者は、多額の費用を投じて、Takimaらの米国特許第5,791,405号、Chiangらの米国特許第5,332,034号及び第5,458,191号、並びにGaffaneyらの米国特許第5,975,196号に開示されたものを含む、代替的なデザイン（設計）を用いて、実験を行ってきた。

さらに、いくつかのタイプの伝熱面は、液体の相変化を利用して熱を吸収することにより作用する。したがって、伝熱面はしばしば、沸騰又は蒸発を高めるための表面が組み込まれている。表面の伝熱性能は、沸騰面の核生成部位を増加させること、単相伝熱面の近傍で撹拌を生じさせること、又は凝縮面の面積を増加させ凝縮面での表面張力の効果を高めることにより改良できることが、一般的に知られている。沸騰又は蒸発を高めるための方法の一つは、伝熱面を焼結法、放射線溶融法、又はエッジング法により粗面加工を施して、伝熱面上に多孔層を形成することである。このような多孔層を持った伝熱面は滑らかな面よりもより良い、優れた伝熱特性を示すことが知られている。しかし、上述の方法によって形成された空洞又はセルは小さく、且つ沸騰液に含まれる不純物が空洞又はセルを目詰まりさせ得、それにより表面の伝熱性能が損なわれてしまう。加えて、空洞又はセルは大きさ又は寸法が均一に形成されていないため、伝熱性能は表面にわたって変動し得る。さらに、沸騰面又は蒸発面が組み込まれた伝熱管はしばしば、最終的な表面を創出するために多くの工程又は道具を多数回通すことが必要となる。

管製造業者は、多大な費用を投じて、Nakajimaらの米国特許第4,561,497号、Daikokuらの米国特許第4,602,681号、Nakayamaらの米国特許第4,606,405号、Kuwaharaらの米国特許第4,653,163号、Sasakiらの米国特許第4,678,029号、Linの米国特許第4,794,984号、Angeliの米国特許第5,351,397号に開示されたものを含む、代替的なデザインを用いて実験を行ってきた。

これらの表面デザインはみな表面の伝熱性能を向上させる事を目的とするものであるが、当業界においては依然として既存のデザインを変更すること及び伝熱性能を改良する新規なデザインを創出することによって管のデザインを改良し続ける事が要求されている。加えて、より迅速に且つコスト効率良く、伝熱面に転写可能なデザイン及びパターンを創出することもまた求められている。後述するように、本発明の伝熱面のジオメトリー（幾何的形状）は、その形状を形成するための工具も同様に、伝熱性能を極めて改良した。

本発明は、伝熱面、例えば管上に形成し得るような伝熱面を改良するために使用可能な工具アセンブリ（組立体）に関する。工具アセンブリにより、少なくとも上述された用途（すなわち、低温産業、化学工業、石油化学工業、食品加工業において使用される浸水蒸発器、流下膜式冷却器、噴霧蒸発器、吸収冷却器、コンデンサ、直接膨張冷却器、単相冷却器、及びヒーターなど）の全てにおいて使用される管の伝熱性能が高められる。

工具アセンブリは、所望の表面を形成するために形状を付けられ、且つ工具ホルダー内に位置付けられた先端を有するロッドを備える。工具アセンブリは、使用時には先端が工具ホルダーから延出して管表面に切り込み（カット）を入れるが、カット完了時には工具ホルダー内に引っ込む（退避する）ように、構成されている。このように、使用されない時には、先端が欠けるか又は切れが鈍くなることが防止される。ロッドはカーバイドで作られることが好ましい。最も強度の高いカーバイドはロッド形状でのみ利用可能である。従って、本発明のロッド構成を用いて、先端はカットのために最も強度の高い利用可能な材料で形成され得る。異なるジオメトリー（幾何的形状）をロッドの先端に与えて、異なる表面を創出することができる。しかしながら、ロッドの先端のジオメトリーに関わらず、ロッドの先端は、ロッドを交換しなければならなくなる前に複数回再び形状が付けられ得る（再度形状化され得る）。これにより工具費及び材料費が大幅に削減される。さらに、ロッドは工具アセンブリから取り外し可能である。従って、先端が欠けるか又は切れが鈍くなった時に、ロッドはその先端に再び形状を付けるために取り外されるか、あるいは完全に取り換えられ得る。

工具アセンブリを使用して、管の表面上に管側の抵抗を著しく減少させ且つ全体的な伝熱性能を改良する複数の突起を形成することができる。突起は管内に液体を流すための付加的な経路を創出し、それによって管内を流れる伝熱媒体の乱流を強化する。これが液混合を増大させて、管の内面近くの液媒体の境界層のビルドアップであって、抵抗を増大させそれにより熱伝達を妨げるようなビルドアップを減少させる。突起はまた、さらなる熱交換のための付加的な表面積を提供する。本発明に従って突起を形成することにより、結果として、単純な稜線（リッジ）を備える管の内面よりも最大５倍多くの表面積を管の内面に沿って形成することができる。

工具アセンブリはまた、一つの相から次の相、例えば単相から蒸発へと移る遷移時間を極めて短縮する複数の空洞を創出するために用いてもよい。空洞は、空洞内における薄膜の沸騰を結果としてもたらし、そしてそれゆえに、伝熱係数は膜厚に対して反比例することを考慮すると、熱伝達を高める。空洞を創出する突起はまた、さらなる熱交換のための付加的な表面積を提供する。

本発明の方法は、現存する製造設備に容易に追加出来、管の表面上の稜線に切り込みを入れる（カットする）か又は、管の表面を直接カットして層を創出しそして層を持ち上げて（リフトして）突起を形成するための削切端（カット端）を有する工具アセンブリを使用することを含む。このようにすれば、管の内面から金属を取り除くことなく突起が形成され、それによって管が使用される装置に損傷を与える可能性のある破片を無くすことが出来る。最後に、本発明の方法は、突起の先端を平らにすること又は曲げることを含み得る。管表面の、溝、突起及び平らにされた先端は、同じオペレーション又は異なったオペレーションにて形成することができる。

工具アセンブリは、伝熱管の内面又は外面を強化するために使用し得、又はマイクロ電子機器を冷却するために使用されるような平坦な伝熱面において使用し得る。かかる表面は、任意の数の用途に好適であり得、用途は例えば、ＨＶＡＣ（heating, ventilating, air conditioning：冷暖房空調設備）、低温産業、化学工業、石油化学工業、食品加工業における使用を含む。突起の物理的なジオメトリーは、特定の用途及び液状媒体（流体媒質）に管を合わせるために変更し得る。

本発明に従う管は一般的に、多相（高純度液体もしくはガス、又は液体／ガスの混合物）蒸発器及びコンデンサなどにおいて、熱が管の一つの側から他方の側へと伝達される必要がある任意の用途に役立つが、それには限定されないことが理解されるべきである。以下の説明は本発明の管の望ましい寸法を提供するが、本発明の管は決して、それらの寸法には限定されるものではない。むしろ、管の望ましい幾何的形状は多くの要因によって決まるであろうし、その要因のなかで少なからぬ重要性を有するものは管を流れる流体の性状である。当業者は、管の表面の幾何的形状を変更して、多様な用途において多様な流体と共に用いられる熱伝導を最大限にするための方法を理解するであろう。さらに、図面は表面を管の内面において見られる場合であるかのように示しているが、管の外面における使用、あるいはマイクロエレクトロニクスにおいて使用されるような平坦面における使用においても、表面が好適であることを理解するべきである。

図１ａ〜１ｅは本発明の管２１の一実施形態の部分的に形成された内面１８を示す。内面１８は、複数の突起２を含む。突起２は内面１８上に形成された稜線（リッジ）１により形成されている。稜線１は変形、切断（カッティング）、ブローチ作業、又は押し出し形成などによって最初に内面１８上に形成されるが、稜線１の形成方法はこれらに限定されない。次いで稜線１はカットされて隆起層４を創出し、その後隆起層４を持ち上げて（リフトして）突起２を形成する（図１ａ及び図１ｂに最もよく示されている）。図６ａ〜６ｄ及び７ａ〜７ｄに示される工具１３、又は図２５〜３４に示される工具アセンブリ５１０（共に後述される）を用いて、カット及びリフトを達成できるが、工具１３、又は工具アセンブリ５１０を用いて達成される必要はない。

稜線１は管の軸ｓに対してらせん角度αを成して内面１８に形成される（図１ａ及び１ｅを参照）。らせん角度αは、０°から９０°の間の任意の角度にし得るが、７０°を超えないことが好ましい。当業者は、この好ましいらせん角度αがしばしば、少なくとも部分的に、使用される液状媒体によって決まることを容易に理解するであろう。一般に、管２１の中を流れる液体の粘性が高いほど、稜線１の高さｅ_ｒをより高くするべきである。例えば、高さｅ_ｒは、０（ゼロ）よりも大きく（少なくとも０．００１インチ（約０．００２５ｃｍ）であることが好ましいが、必ずしもそうでなくてもよい）且つ管の内径（Ｄ_ｉ）の２５％までであることが、低温で粘性の高い液体と共に用いられる管のサンプルにおいて、一般的に望ましいであろう。本願の目的のために、Ｄ_ｉは管２１の内面１８から測定される管２１の内径である。稜線１の軸方向ピッチＰ_ａ，ｒは、らせん角度α、管２１の内面１８に形成された稜線１の数、及び管２１の内径Ｄ_ｉを含む多くの要因によって決まる。任意の軸方向ピッチＰ_ａ，ｒが用いられ得るが、Ｐ_ａ，ｒ／ｅ_ｒの比は少なくとも０．００２であることが好ましく、ｅ_ｒ／Ｄ_ｉの比は約０．００１〜０．２５であることが好ましい。しかしながら、また、当業者は、この好ましい比の値はしばしば、少なくとも部分的に、使用される液状媒体及び稼働条件（例えば、液状媒体の温度）によって決まることを容易に理解するであろう。

稜線層４は軸ｓに対して角度θでカットされるが、これは約２０°〜５０°の範囲であることが好ましく、約３０°であることがさらに好ましい。突起２の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは、ゼロより大きい任意の値にし得、軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは一般的に、他の要因の中でも、製造中の工具（後述される）と管との間の１分間当たりの相対回転速度、製造中の工具と管との間の相対的な軸方向送り量、及び製造中に突起を形成するために使用される工具に備えられた先端（チップ）の数によって決まるであろう。結果として得られる突起２は任意の厚さＳ_ｐを有し得るが、厚さＳ_ｐはピッチＰ_ａ，ｐの約２０〜１００％であることが好ましい。突起２の高さｅ_ｐは稜線層４がカットされるカット深さｔ（図１ｂ、８ａ、及び８ｂに示される）及び角度θによって決まる。突起２の高さｅ_ｐは、カット深さｔと少なくとも同程度の値からカット深さｔの三倍までの値であることが好ましい。高さｅ_ｒにおいて稜線１を形成すること、及び稜線１の高さｅ_ｒの少なくとも約２倍の突起２の高さｅ_ｐをもたらす値に切断角度θを設定することが好ましいが、そうすることは必ずしも必要ではない。それゆえに、ｅ_ｐ／Ｄ_ｉの比は約０．００２〜０．５（すなわち、ｅ_ｐ／Ｄ_ｉは、比ｅ_ｒ／Ｄ_ｉの好ましい範囲である約０．００１〜０．２５の２倍である）であることが好ましい。

図１ａ及び１ｂは、突起２の底面４０が管２１の内面１８に位置付けられるように稜線１の高さｅ_ｒに等しいカット深さｔを示す。しかしながら、カット深さｔを稜線の高さｅ_ｒと等しくする必要はない。むしろ、稜線１は、稜線１を部分的にのみ切り込む（カットする）（図８ａを参照）か、又は稜線１の高さを超えて管壁３の中に切り込む（図８ｂを参照）ことによってカットできる。図８ａにおいて、突起２の底面４０が内面１８に位置付けられている稜線１の底面４２よりも管２１の内面１８からさらに離れて位置付けられるように稜線１はその高さｅ_ｒ全体にわたって切り込まれていない。対照的に、図８ｂは突起２の少なくとも一つの壁が、内面１８及び稜線の底面４２を超えて管壁３内へと延在するように稜線高さｅ_ｒを超えるカット深さｔを示している。

稜線層４がリフトされると、隣接する突起２の間に溝２０が形成される。稜線層４はカットされ且つリフトされて、それにより溝２０は内面１８上で管２１の軸ｓに対して角度τを成して向きを付けられる角度では、約８０°〜１００°であることが好ましいが、そうである必要はない（図１ｅ、図１１ａ及び図１１ｂを参照）。

突起２の形状は、稜線１の形状及び工具１３の移動方向に対する稜線１の向きによって決まる。図１ａ〜１ｅに示した実施形態において、突起２は４つの側面２５と、傾斜した上面２６（熱伝達抵抗を減らすのに役立つ）と、実質的に尖った先端２８とを有する。しかしながら、本発明の突起２は図示された実施形態に限定されるものでは決してなく、むしろ任意の形状で形成され得る。さらに、管２１の突起２は同じ形状又は同じ幾何的形状を有する必要はない。

突起２の向きが真っ直ぐ（図１０ａ参照）か、曲げられているか、あるいはねじれている（図１０ｂ参照）かは、稜線１と工具１３の移動方向ｇとの間に成された角度βによって決まる。角度βが９０°未満の場合、図１０ａに示すように、突起２は比較的真っ直ぐに向きを向けられるであろう。角度βが９０°より大きい場合、例えば図１０ｂに示すように、突起２はさらに曲げられて向きを向けられ且つ／又はねじられて向きを向けられるであろう。

工具１３は、稜線１を切り込み、結果として得られた稜線層４をリフトして突起２を形成するために使用され得る。しかしながら、突起２を形成するための他の装置及び方法も使用され得る。工具１３は金属カッティング（例えば、スチール、カーバイド、セラミック等）に耐える構造統合性を有する任意の材料から製造することが出来るが、カーバイドで製造されることが好ましい。図６ａ〜６ｄ及び７ａ〜７ｄに示された工具１３の実施形態は、一般的に、工具軸ｑと、二つの底面３０及び３２と、少なくとも一つの側壁３４とを有する。アパーチャ１６が工具１３を貫通して位置付けられている。先端１２が工具１３の側壁３４に形成されている。しかしながら、先端は、先端を管２１に対して所望の向きで支持することが可能な任意の構造体に搭載又は形成することが出来ること、及びそのような構造体は図６ａ〜６ｄ及び７ａ〜７ｄに開示されたものに限定されないことに注目されたい。さらに、カット処理において使用される先端の数が容易に変更出来るように、先端はそれらの支持構造体内に引き込み（退避）可能にし得る。

図６ａ〜６ｄは、単一の先端１２を有する工具１３の一つの実施形態を示す。図７ａ〜７ｄは、４つの先端１２を有する工具１３の代替の実施形態を示す。当業者は、突起２の所望のピッチＰ_ａ，ｐに応じて任意の数の先端１２が工具１３に備えられ得ることを理解するであろう。さらに、各々の先端の幾何的形状は、単一の工具１３の先端と同じである必要はない。むしろ、異なる形状、向き、及び他の幾何的形状を有する突起を形成するために、異なる幾何的形状を有する先端１２を工具１３に備え得る。

先端１２は各々、平面Ａ、Ｂ及びＣの交差により形成される。平面Ａ及びＢの交差によりカット端１４が形成される。カット端１４は稜線１に切り込んで、稜線層４を形成する。平面Ｂは工具軸ｑに対して垂直な平面に対して角度φを成して向きが付けられている（図６ｂ参照）。角度φは９０°−θとして規定される。それゆえに、カット端１４が稜線１を約２０°〜約５０°の間の所望角度θでスライス出来るように、角度φは約４０°から約７０°の間であることが好ましい。

平面Ａ及びＣの交差により、稜線層４を上方にリフトして突起２を形成するリフト端１５が形成される。角度φ_１は平面Ｃ及び工具軸ｑに垂直な平面によって規定される。角度φ_１は傾斜角ω（管２１の長手方向軸ｓに垂直な平面と突起２の長手方向軸との角度）を決定し（図１ｃ参照）、突起２はリフト端１５によりこの角度φ_１にてリフトされる。角度φ_１＝角度ωであり、ゆえに工具１３において角度φ_１を調節することにより、突起２の傾斜角ωに直接影響を与えることが出来る。この傾斜角ω（及び角度φ_１も）は、管２１の長手方向軸ｓに垂直な平面に対して約−４５°から約４５°の間の任意の角度の絶対値であることが好ましい。このようにして、突起は、管２１の長手方向軸ｓに垂直な平面に合わせて並べる事が出来（図１ｂ参照）、又は管２１の長手方向軸ｓに垂直な平面に対して左右に傾かせることが出来る（図１ｃ参照）。さらに、先端１２は異なる幾何的形状を有するように形成することが出来（すなわち、角度φ_１は、異なる先端間で異なっていてよい）、それにより管２１内の突起２は異なる角度で傾斜してよく（又は全く傾斜しなくてもよく）、且つ管２１の長手方向軸ｓに垂直な平面に対して異なる方向に傾斜し得る。

突起２の物理的寸法の値の好ましい範囲は特定されたが、工具１３の物理的寸法は、結果として得られる突起２の物理的寸法に影響を与えるように変更し得ることを当業者は理解するであろう。例えば、カット端１４が稜線１に切り込む深さｔと角度φは突起２の高さｅ_ｐに影響を及ぼす。ゆえに、突起２の高さｅ_ｐは下記式を用いて調整し得る。

又は、もしもφ＝90-θであれば、

式中、ｔはカット深さであり、φは平面Ｂと工具軸ｑに垂直な平面との間の角度であり、θは管２１の長手方向の軸ｓに対して稜線層４がカットされる角度である。
突起２の厚さＳ_ｐは、突起２のピッチＰ_ａ，ｐと角度φに依って決まる。ゆえに、厚さＳ_ｐは下記式を用いて調整することが出来る。

又は、もしもφ＝90-θであれば、

式中、Ｐ_ａ，ｐは突起２の軸方向ピッチであり、
φは平面Ｂと工具軸ｑに垂直な平面との間の角度であり、
θは管２１の長手方向の軸ｓに対して稜線層４がカットされる角度である。

図４及び５は、管２１の表面を改良（強化）するための、一つの可能な製造構成である。これらの形態は本発明に従う管が製造されるプロセスを限定するものでは決してない。むしろ、任意の好適な設備又は設備の構成を使用する任意の管製造プロセスを使用し得る。本発明の管は、構造統合性、可鍛性、可塑性を含む好適な物理的特性を有する各種の材料、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、真鍮、チタン、スチール、及びステンレススチールなどから作られ得る。図４及び５は、管２１の外面に改良を施すために管２１で操作する３つのアーバー（心棒）１０を示す。アーバー１０の一つは図４から省略されていることに注意されたい。アーバー１０は各々が、軸方向ピッチＰ_ａ，ｏを有する外側フィン６を一つから多数の開始位置から半径方向に突き出させるフィン付けディスク７を有する工具構成を含む。この工具構成は、ノッチ付け又は平坦化ディスクなど、追加のディスクを含んでさらに管２１の外面を改良し得る。さらに、３つのアーバー１０のみが示されているが、それより少ない又は多いアーバーは、所望の外面改良に応じて使用され得る。しかしながら、管への用途によっては、管２１の外面に改良を施す必要は全くないことにも注意されたい。

管２１の内面１８を改良するための方法の一例において、マンドレル９が回転可能に取り付けられるマンドレルシャフト１１は、管２１内へと延在する。工具１３はアパーチャ１６を貫通して取り付けられる。ボルト２４は工具１３を定位置に固定する。工具１３は任意の好適な手段によりシャフト１１に回転可能に固定されるのが好ましい。図６ｄ及び７ｄは、工具１３に備えられてシャフト１１上の突起（図示せず）とかみ合うことにより、工具１３をシャフト１１に対して定位置に固定し得るキー溝１７を示す。

操作中は、管２１は一般的に製造プロセスの間は動きながら回転する。管壁３はマンドレル９及びフィン付けディスク７との間を動き、それにより管壁３に圧力が加えられる。圧力下で、フィン付けディスク７間の溝に管壁３の金属が流れ込んで、管２１の外面にフィン６を形成する。

所望の内面パターンの鏡像がマンドレル９に備えられており、管２１がマンドレル９と係合するとマンドレル９が管２１の内面１８に所望のパターンを形成するようになっている。所望の内面パターンは、図１ａ及び４に示されたような稜線１を含む。管２１の内面１８に稜線１を形成した後、管２１は、マンドレル９と隣接しかつその下流側に位置付けられた工具１３と直面する。前述されたように、工具１３のカット端（複数のカット端）１４は稜線１に切り込み稜線層４を形成する。次に、工具１３のリフト端（複数のリフト端）１５が稜線層４をリフトして突起２を形成する。

突起２が外側のフィン付けと同時に形成され且つ工具１３が固定されている時（すなわち、工具１３が回転していない又は軸方向に動いていない時）、管２１は自動的に回転し且つ軸方向の動きを有する。この場合に、突起の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは下記式により決定される。

式中、Ｐ_ａ，ｏは外側フィン６の軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｏは管２１の外径上のフィン起点の数であり、
Ｚ_ｉは工具１３の先端１２の数である。

特定の突起の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐを得るために、工具１３もまた回転させることが出来る。管２１と工具１３の両方を同じ方向に回転させることが出来、又は、管２１と工具１３の両方を逆の方向に回転させることが出来る。所定の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐを得るために必要な、工具１３の回転（毎分回転数（ＲＰＭ）にて）は、下記式を用いて計算することが出来る。

式中、ＲＰＭ_ｔｕｂｅは管２１の回転数であり、
Ｐ_ａ，ｏは外側フィン６の軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｏは管２１の外径上のフィン起点の数であり、
Ｐ_ａ，ｐは突起２の所望の軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｉは工具１３の先端１２の数である。

この計算結果が負の値であれば、工具１３は、所望のピッチＰ_ａ，ｐを得るために管２１と同じ方向に回転すべきである。あるいは、この計算結果が正の値であれば、工具１３は、所望のピッチＰ_ａ，ｐを得るために管２１と逆の方向に回転すべきである。

突起２の形成は稜線１の形成と同じオペレーションにおいて示されているが、突起２は内側に予め稜線１が形成された管を用いて、フィン付けとは別のオペレーションで形成してもよいことに注意されたい。これには一般的に、工具１３又は管２１を回転させるための、及び工具１３又は管２１を管の軸に沿って動かすためのアセンブリ（組立体）が必要となるであろう。さらに、支持部が備えられて工具１３を管の内面１８に対して心合わせすることが好ましい。

この場合には、突起２の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは下記式により決定される。

式中、Ｘ_ａは管２１と工具１３との間の相対軸方向速度（距離／時間）であり、
ＲＰＭは工具１３と管２１との間の相対回転数であり、
Ｐ_ａ，ｐは突起２の所望の軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｉは工具１３の先端１２の数である。

この式は、以下の場合に好適である。すなわち、（１）管が軸方向に動くのみであり（すなわち、回転しない）、且つ工具が回転するのみである（すなわち、軸方向に動かない）時、（２）管が回転するのみであり、且つ工具が軸方向に動くのみである時、（３）工具は回転し軸方向に動くが、管は回転的にも軸方向においても固定されている時、（４）管は回転し軸方向に動くが、工具は回転的にも軸方向においても固定されている時、及び（５）上記の組み合わせのいずれか。

本発明の管の内面により、流体フローのための付加的な流路が（溝２０を通って突起２の間に）創出されて、熱伝導と圧力降下を最適化する。図９ａに、管２１を通って進む流体のためのこれらの付加的な流路２２を示す。これらの流路２２は、稜線１の間に創出された流路２３に付加されたものである。これらの付加的な流路２２は、管の軸ｓに対するらせん角度α_１を有する。角度α_１は隣接する稜線１から形成された突起２の間の角度である。図９ｂは突起２の間に形成されたこれらの付加的な流路２２を明示する。らせん角度α_１、及び管２１を通る流路２２の向きは、下記式を用いて突起２のピッチＰ_ａ，ｐを調整することにより調整出来る。

式中、Ｐ_ａ，ｒは稜線１の軸方向ピッチであり、
αは稜線１の、管の軸ｓに対する角度であり、
α_１は突起２の間の所望のらせん角度であり、
Ｚ_ｉは工具１３の先端１２の数であり、
Ｄ_ｉは管２１の内面１８から測定された管２１の内径である。

稜線のらせん角度α及び溝２０の角度τが共に右にねじれているか、又は共に左にねじれている場合（図１１ｂ参照）には、「−」を上記式で用いるべきである。あるいは、稜線のらせん角度α及び溝２０の角度τが互いに反対側にねじれている場合（図１１ａ参照）には、「＋」を上記式で用いるべきである。

上述された表面を有する管は現存の管よりも優れた性能を有する。図１２及び１３はかかる管の２つの例（沸騰管の管Ｎｏ．２５及び管Ｎｏ．１４）の改良された(向上した)性能をこれらの管の間の改良因子の違いを実証することによって示すものである。改良因子とは、これらの新たな管（管Ｎｏ．２５及び管Ｎｏ．１４）の管側伝熱係数（図１２参照）及び全体の伝熱係数（図１３参照）の両方が現存する管（ターボＢ（登録商標）、ターボＢＩＩ（登録商標）、及びターボＢＩＩＩ（登録商標））の伝熱係数よりもそれによって増加している因子である。しかしながら、ここでも、管Ｎｏ．２５及び管Ｎｏ．１４は本発明に従う管の例に過ぎない。本発明に従って作られた他のタイプの管は、多様な用途において現存の管よりも優れた性能を有する。

ターボＢ（登録商標）、ターボＢＩＩ（登録商標）、及びターボＢＩＩＩ（登録商標）の物理的な特徴は、Thorsらの米国特許第５，６９７，４３０号の表１及び表２に記載されている。ターボＢ（登録商標）は管ＩＩとして言及され、ターボＢＩＩ（登録商標）は管ＩＩＩとして言及され、ターボＢＩＩＩ（登録商標）は管ＩＶ_Ｈとして言及されている。管Ｎｏ．２５及び管Ｎｏ．１４の外面は、ターボＢＩＩＩ（登録商標）の外面と同一である。管Ｎｏ．２５及び管Ｎｏ．１４の内面は、本発明に従うものであり且つ以下の物理的な特徴を備える。

さらに、管Ｎｏ．２５及び管Ｎｏ．１４に突起を形成するために用いられた工具は、以下の特徴を有した。

図１２は、管Ｎｏ．１４の管側伝熱係数がターボＢＩＩＩ（登録商標）の約１．８倍であり、管Ｎｏ．２５の管側伝熱係数がターボＢＩＩＩ（登録商標）の約１．３倍であることを示す。ターボＢＩＩＩ（登録商標）は蒸発器の用途において用いられる、現在最も普及している管であり、図１２及び１３において基準として示されている。同様に、図１３は管Ｎｏ．２５全体の伝熱係数がターボＢＩＩＩ（登録商標）の約１．２５倍であり、管Ｎｏ．１４全体の伝熱係数がターボＢＩＩＩ（登録商標）の約１．５倍であることを示す。

図１４に示されるように、本発明の他の実施形態は、管１００の内面１０４に主溝１０８が付けられた伝熱面を含み、外面１０６及び管壁１０２をも有する。当業者によって理解されるように、伝熱面が使用される用途且つ使用される液状媒体によって、主溝１０８の数は変わり得る。主溝１０８は、切断（カッティング）、変形、ブローチ作業、又は押し出し形成などを含む任意の方法によって形成し得るが、これらに限定されない。主溝１０８は、管１００の軸ｓに対してらせん角度α（図示されず）を成して内面１０４に形成される。らせん角度αは、０°から９０°の間の任意の角度にし得るが、７０°を超えないことが好ましい。当業者は、この好ましいらせん角度αが多くの場合、少なくとも部分的に、使用される液状媒体によって決まることを容易に理解するであろう。

主溝１０８の軸方向ピッチは、らせん角度α、管１００の内面１０４に形成された主溝１０８の数、及び管１００の内径を含む多くの要因によって決まる。本願の目的のために、内径は管１００の内面１０４から測定される。０．０１インチ（約０．０２５４ｃｍ）から無限大までの軸方向ピッチ（主溝１０８が管軸ｓに対して平行に延在する場合）が好ましい。

本発明のいくつかの実施形態は、突起又はフィン１１０をも含む。突起１１０は、図１５Ａ〜１５Ｃに示されるように、内面１０４をカットし内面１０４からリフトされ得る。突起１１０は、管１００の軸ｓに対して角度θを成してカットされることが好ましい（図１５Ｃ参照）。突起１１０の高さｅ_ｐは、内面１０４がカットされるカット深さｔ及び角度θによって決まる。突起１１０の高さｅ_ｐは、常にカット深さｔより大きい値である。カット深さｔは主溝１０８の深さより大きいことが好ましい。しかしながら、カット深さｔは主溝１０８の深さ以下にもし得る。

突起１１０の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは、ゼロより大きい任意の値にし得、軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは一般的に、他の要因の中でも、製造中に突起１１０を形成するために用いられる工具（上述の工具１３もしくは変更された工具３００、３２５、及び３５０、又は以下に記載される引っ込み（退避）可能な工具アセンブリ５１０など）と管１００との間の１分間当たりの相対回転速度と、製造中に突起１１０を形成するために用いられる工具と管１００との間の相対的な軸方向送り量と、製造中に突起１１０を形成するために使用される工具に備えられたカット端の数とによって決まるであろう。突起１１０の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは０．００１９７〜０．１９７インチ（約０．００５〜０．５ｃｍ）であることが好ましい。軸方向ピッチＰ_ａ，ｐ及び高さは一般的に突起の数によって決まり、Ｐ_ａ，ｐが減少するにつれて高さｅ_ｐは減少するであろう。

突起１１０の形状は、内面１０４の形状、及び主溝１０８が突起１１０を形成するために用いられる工具の移動方向に対してカットされた後の内面１０４の向きによって決まる。図１５Ａ〜１５Ｃに示した実施形態において、突起１１０は４つの側面１２０と、傾斜した上面１２２と、実質的に尖った先端１２４とを有する。

図１６Ａ〜１６Ｄに示すように、突起１１０の先端１２４は、随意に平らにされて沸騰空洞１１４を創出し得る。又は、図１７Ａ〜１７Ｂに示すように、突起１１０の先端１２４は曲げられて沸騰空洞１１４を創出し得る。他の実施形態においては、図２３Ａ〜２３Ｂに示すように、突起１１０の先端１２４は、厚みを付けられて沸騰空洞１１４を創出し得る。さらに他の実施形態においては、図１８Ａ〜１８Ｃに示すように、突起１１０は互いに対して角度を付けられて沸騰空洞１１４を創出し得る。突起１１０の先端１２４は、凝縮面が所望される場合には、実質的に真っ直ぐの（曲げられていない又は平らにされていない）ままにし得、且つ管１００の内面１０４に実質的に垂直にし得る。しかしながら、沸騰面又は蒸発面が所望される場合には、沸騰空洞１１４を創出することによって実質的に沸騰面の効率を向上し得る。沸騰空洞１１４を創出することによって流体が流れる流路が創出され、液体から蒸発への遷移を高める。

しかしながら、本発明の突起１１０は図示された実施形態に限定されるように意図されるものでは決してなく、むしろ任意の形状で形成され得る。さらに、管１００における突起１１０は同じ形状又は同じ幾何的形状を有する必要はない。

図１５Ａに示すように、副溝１１２は隣接する突起１１０の間に位置付けられ得る。副溝１１２は管１００の軸ｓに対して角度τ（図示されず）を成して向きを付けられる。角度τは約８０°〜１００°の間の任意の角度にし得る。角度τは、約９０°であることが好ましい。

本発明のいくつかの実施形態は、管に沸騰面を作製するための方法及び工具をも含む。図１９に示すような溝切り工具２００は、主溝１０８の形成に特に有益である。溝切り工具２００は管１００の内径よりも大きい外径を有しているので、管１００を貫通して引かれるか又は押されると、主溝１０８が形成される。溝切り工具２００はまた、シャフト１３０（図２１に示されている）を取り付けるためのアパーチャ２０２を含む。

図６Ａ〜６Ｄ及び図７Ａ〜７Ｄに示されている工具１３は、突起１１０及び副溝１１２を形成するために上述のように使用され得る。突起１１０の物理的寸法の値の好ましい範囲は特定されたが、工具１３の物理的寸法は、結果として得られる突起１１０の物理的寸法に影響を与えるように変更し得ることを当業者は理解するであろう。例えば、カット端１４が内面１０４に切り込む深さｔと角度φは突起１１０の高さｅ_ｐに影響を及ぼす。ゆえに、突起１１０の高さｅ_ｐは下記式を用いて調整し得る。

又は、もしもφ＝９０−θであれば、

式中、ｔはカット深さであり、
φは平面Ｂと工具軸ｑに垂直な平面との間の角度であり、
θは管１００の長手方向の軸ｓに対して層がカットされる角度である。
突起１１０の厚さＳ_ｐは、突起１１０のピッチＰ_ａ，ｐと角度φに依って決まる。ゆえに、厚さＳ_ｐは下記式を用いて調整することが出来る。

又は、もしもφ＝９０−θであれば、

式中、Ｐ_ａ，ｐは突起１１０の軸方向ピッチであり、
φは平面Ｂと工具軸ｑに垂直な平面との間の角度であり、
θは管１００の長手方向の軸ｓに対して内面１０４がカットされる角度である。

あるいは、工具１３は種々の異なる面を創出するように変更し得る。上述のように、単一の工具１３の先端の幾何的形状は同じである必要はない。例えば、図２２は、図１８Ａ〜１８Ｃに示すような、傾いた突起１１０を備えた沸騰面を創出するための異なる幾何的形状を有するカット端の二つの対３１８、３２０を備えた変更した工具３００を示す。このような表面を創出するために、隣接する端３１８、３２０は異なる角度φ_１（これは突起１１０がリフトされる傾斜角ωを決定する）をなして形成される。突起１１０の傾斜角ωを変えることは、突起１２０間の特定の隙間（ギャップ）ｇを沸騰空洞１１４の開口１１６において得るために可能であり、それによって内面１０４に沿うわん曲した流体流れ（フロー）が影響を受ける。
それゆえに、得られるギャップｇは下記のように計算し得る。

式中、ｐは突起１１０の軸方向ピッチであり、
φは平面Ｂと工具軸ｑに垂直な平面との間の角度であり、
φ_１は工具３００の、平面Ｃと工具軸ｑに垂直な平面との間の角度であり、
ｔはカット深さである。

本発明のいくつかの実施形態においては、突起１１０の先端１２４は、図２１に示す平坦工具４００を用いて（図１６Ａ〜１６Ｄに示すように）平らにされるか又は曲げられてよい。平坦工具４００は、内面１０４上の突起１１０の直径よりも大きい直径を有することが好ましい。それゆえに、平坦工具４００が管１００を貫通して引かれるか又は押されると、突起１００の先端１２４は曲げられるか又は平らにされる。平坦工具４００はシャフト１３０に取り付けられるためのアパーチャ４０２を含む。

他の実施形態において、突起１１０の先端１２４は、平坦工具４００を用いることなく、図１６Ａ〜１６Ｄに示された平らにされた又は曲げられた先端１２４と類似の形状を得ても良い。例えば、工具１３は、突起をカット及びリフトする先端１２に加えて、突起１１０の先端１２４を平らにするための先端を組み込むために変更され得る。例えば、図２０Ａに示されており、それ以外は工具１３と同じ幾何的形状を有することができる変形工具３２５は、形成後に突起を平らにするか又は曲げる平坦先端３１６を備える。変形工具３２５は、図１７Ａ〜１７Ｂ及び２０Ｂ〜２０Ｃに示されたような沸騰面を創出するために使用され得る。

伝熱面において用いられる沸騰面は、厚みをつけられた先端１２４を有する突起１１０を創出することによって得られてもよい。図２３Ａ〜２３Ｂに示すように、厚みをつけられた先端１２４を有する伝熱面は沸騰空洞１１４を創出するために用いることが出来る。図２４Ｃ〜２４Ｄは、厚みをつけられた先端１２４を有する突起１１０を創出するために用いられ得る工具１３の変形例３５０を示す。

これらの実施形態において、変形工具３５０の先端３０２は、２つのカット端３６０、３７０、すなわち工具軸ｑに対して垂直な平面に対して角度β_２を成して向きが付けられている第１のカット端３６０、及び工具軸ｑに対して垂直な平面に対して角度β_３を成して向きが付けられている第２のカット端３７０を備える（角度β_２及び角度β_３は図６ｂに示す角度φと類似である）。角度β_２及び角度β_３を調整することにより、稜線１又は管の表面１０４がカットされる角度θが調整される。その結果、突起の形状が調整される。２つの角度で稜線１又は管の表面１０４に切り込むことにより、より薄いシャフト及びより厚い先端を有する突起が、図２３Ａ〜２３Ｂ及び２４Ａ〜２４Ｂに示すように形成され得る。

厚みをつけられた先端１２４を有する突起１１０は、図２４Ａ〜２４Ｂを参照し、下記式を用いることにより得ることが出来る。

式中、φ_２はカット端の１番目の位置の突起と工具送り方向との間の角度であり（φ_２＝９０°−β_２）、
φ_３はカット端の２番目の位置の突起と工具送り方向との間の角度であり（φ_３＝９０°−β_３）、
ｔはカットの総深さであり、
ｔ_１はカット端の最初の位置のためのカット深さであり、次いで突起先端１２４は図２４Ａに示されたようになり、そして隙間ｇが下記のように計算され得る。

もしも以下が真であるならば、

その結果、突起１２４は図２４Ｂに示されたものになるであろうし、隙間ｇは下記のように計算され得る。

図２１は、管１００の表面を改良（強化）するための、一つの可能な製造構成である。これらの形態は本発明に従う管１００が製造されるプロセスを限定するように意図されたものでは決してない。むしろ、任意の好適な設備又は構成を使用する任意の管製造プロセスを使用し得る。本発明の管１００は、構造統合性、可鍛性、可塑性を含む好適な物理的特性を有する各種の材料、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、真鍮、チタン、スチール、及びステンレススチールなどから作られ得る。

管１００の内面１０４を改良するための方法の一例において、アパーチャ４０２を通って平坦工具４００が取り付けられるシャフト１３０は、管１００内へと延在する。工具１３はアパーチャ１６を通ってシャフト１３０に取り付けられる。当業者は、変形工具３００、３２５、又は３５０が工具１３及び／又は取り外された平坦工具４００の代わりにし得ることが、形成が所望される表面によって決まることを理解するであろう。溝切り工具２００はアパーチャ２０２を通ってシャフト１３０に回転可能に取り付けられる。ボルト１３２は三つの工具２００、１３、４００の全てをシャフト１３０に固定する。工具１３及び工具４００は任意の好適な手段によりシャフト１３０に回転可能に固定されるのが好ましい。図６Ｂと７Ｂは、工具１３に備えられてシャフト上の突起（図示せず）とかみ合うことにより、工具１３をシャフト１３０に対して定位置に固定し得るキー溝１７を示す。

図示されてはいないが、本発明の方法又は／及び工具が管の内面を創出するために使用される時、製造構成は、上述し且つ図５に示すように、管の外面を改良するために使用可能なアーバー（心棒）を含み得る。アーバー１０は各々が一般的に、軸方向ピッチＰ_ａ，ｏを有する外側フィンを一つから多数の開始位置から半径方向に突き出させるフィン付けディスク７を有する工具構成を含む。この工具構成は、ノッチ付け又は平坦化ディスクなど、追加のディスクを含んでさらに管の外面を改良し得る。しかしながら、管への用途によっては、管の外面に改良を施す必要は全くないことにも注意されたい。操作中は、管の壁はマンドレルとアーバーとの間を動き、それにより管の壁に圧力が加えられる。

所望の内面パターンの鏡像が、溝切り工具２００に備えられており、管１００が溝切り工具２００と係合すると溝切り工具２００が管１００の内面１０４に所望のパターンを形成するようになっている。所望の内面１０４は、図１４に示されたような主溝１０８を含む。管１００の内面１０４に主溝１０８を形成した後、管１００は、溝切り工具２００と隣接しかつその下流側に位置付けられた工具１３と直面する。工具１３のカット端（複数のカット端）１４は、内面１０４に切り込みを入れる。次に、工具１３のリフト端（複数のリフト端）１５が内面１０４をリフトして突起１１０を形成する。

突起１１０が外側のフィン付けと同時に形成され且つ工具１３が固定されている時（すなわち、工具１３が回転していない又は軸方向に動いていない時）、管１００は自動的に回転し且つ軸方向の動きを有する。この場合に、突起１００の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは下記式により決定される。

式中、Ｐ_ａ，ｏは外側フィンの軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｏは管の外径上のフィン起点の数であり、
Ｚ_ｉは工具１３の先端１２の数である。

特定の突起の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐを得るために、工具１３を回転させることも出来る。管１００と工具１３の両方を同じ方向に回転させることが出来、又は、管１００と工具１３の両方を逆の方向に回転させることが出来る。所定の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐを得るために必要な、工具１３の回転（毎分回転数（ＲＰＭ）にて）は、下記式を用いて計算することが出来る。

式中、ＲＰＭ_ｔｕｂｅは管１００の回転数であり、
Ｐ_ａ，ｏは外側フィンの軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｏは管の外径上のフィン起点の数であり、
Ｐ_ａ，ｐは突起１１０の所望の軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｉは工具１３の先端１２の数である。

この計算結果が負の値であれば、工具１３は、所望のピッチＰ_ａ，ｐを得るために管１００と同じ方向に回転すべきである。あるいは、この計算結果が正の値であれば、工具１３は、所望のピッチＰ_ａ，ｐを得るために管１００と逆の方向に回転すべきである。

突起１１０の形成は主溝１０８の形成と同じオペレーションにおいて示されているが、突起１１０は予め主溝１０８が形成された管１００を用いて、別のオペレーションで主溝１０８から形成してもよいことに注意されたい。これには一般的に工具１３又は管１００を回転させるための、及び工具１３又は管１００を管の軸に沿って動かすための組み立てが必要となるであろう。さらに、支持部（図示せず）が備えられて工具１３を管の内面１０４に対して心合わせすることが好ましい。

この場合には、突起１１０の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは下記式により決定される。

式中、Ｘ_ａは管１００と工具１３との間の相対軸方向速度（距離／時間）であり、
ＲＭＰは工具１３と管１００との間の相対回転数であり、
Ｐ_ａ，ｐは突起１１０の所望の軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｉは工具１３の先端１２の数である。

この式は、以下の場合に好適である。すなわち、（１）管１００が軸方向に動くのみであり（すなわち、回転しない）、且つ工具１３が回転するのみである（すなわち、軸方向に動かない）時、（２）管１００が回転するのみであり、且つ工具１３が軸方向に動くのみである時、（３）工具１３は回転し軸方向に動くが、管１００は回転的にも軸方向においても固定されている時、（４）管１００は回転し軸方向に動くが、工具１３は回転的にも軸方向においても固定されている時、及び（５）上記の組み合わせのいずれか。

本発明の管の内面１０４により、流体フローのための付加的な流路が、副溝１１２を通って創出されて、熱伝導と圧力降下を最適化する。図１５Ａに、管１００を通って進む流体のためのこれらの付加的な流路を示す。これらの流路は、主溝１０８の間に創出された流路に付加されたものであり、管の軸ｓに対するらせん角度α_１を有する。角度α_１は隣接する主溝１０８から形成された突起１１０の間の角度である。らせん角度α_１、ゆえに管１００を通るこれらの付加的な流路の向きもまた、下記式を用いて突起１１０のピッチＰ_ａ，ｐを調整することにより調整出来る。

式中、Ｐ_ａ，ｒは主溝１０８の軸方向ピッチであり、
αは主溝１０８の、管の軸ｓに対する角度であり、
α_１は突起１１０間の所望のらせん角度であり、
Ｚ_ｉは工具１３の先端１２の数であり、
Ｄ_ｉは管１００の内面１０４から測定された管１００の内径である。

図２５〜３４は、上述の伝熱面を形成するために使用することができる別の工具アセンブリ５１０を示す。工具アセンブリは伝熱管の表面（及び特に内面）に突起を形成するための先端５１４（図２７参照）を有するロッド５１２を備える。ロッド５１２は、金属削切に耐える構造統合性を有する任意の材料（例えば、スチール、カーバイド、セラミック等）であり得るが、（タングステンカーバイドなどの）カーバイドで作られることが好ましい。先端５１４はロッド５１２の端部にて一体化形成されることが好ましいが、そうである必要はない。先端５１４の幾何的形状は、図６ａ〜６ｄに示され且つ図６ａ〜６ｄについて上述されたように、工具１３の先端１２と同じであることが好ましいが、同じである必要はない。

ロッド５１２は前端部５１８と後端部５２０とを有し且つロッド５１２を受けるために必要な大きさにされたシャフト５２２を備えるロッドガイド５１６（図２８〜２９に示す）に滑らかに入り込む（スライドする）。シャフト５２２はその開口部が、ロッドガイド５１６の前端部５１８及び後端部５２０の両方において又はそれらに近接するように、ロッドガイド５１６を通って延在することが好ましい。先端５１４は、ロッドガイド５１６の前端部５１８においてシャフト５２２の開口部から延出する。ロッド５１２がロッドガイド５１６にスライドした後、スクリュー５２４（図２５−２６において最もよく示されている）はロッドガイド５１６の後端部５２０においてシャフト５２２の開口部に係合し得る。スクリュー５２４を調整することにより、先端５１４がロッドガイド５１６の前端部５１８においてシャフト５２２の開口部から延出する量が調整される。先端５１４の延出量によって、次いで管の稜線１又は管の内面１０４への先端５１４のカット深さ（ｔ）が設定されるであろう。第２スクリュー５２８は、ロッドガイド５１６の長さに沿って備えられたスクリューホール５３０に差し込んでもよい（ロッドガイド５１６の前端部５１８におけるスクリューホール５３０を図３０〜３１に示す）。この第２スクリュー５２８は、ロッドガイド５１６に対してロッド５１２（及びゆえに先端５１４の延出部分）を定位置に固定する。

ロッドガイド５１６の前端部５１８は芯出し面５３２を備えることが好ましい。使用時に、芯出し面５３２は、カット端５１４によりカットされるべき稜線１の上部（頂部）又は管の内面１０４に接触する。このような接触を通して、芯出し面５３２は、内面に改良を施している間は工具アセンブリ５１０を管内で芯合わせされた状態に保持する。

ロッドガイド５１６は、次に、図３２〜３３に最もよく示されている、工具ホルダー５３４に差し込まれる。工具ホルダー５３４は、工具ホルダーの長手方向軸（図示されず）を規定するヘッド部５３６及びロッド部５４４を備える。ヘッド部５３６は、外壁５４２（円筒形として示されているが、任意の好適な形状とすることもできる）を有し且つヘッド部５３６の長さを実質的に通って延在する中空シャフト５４６を備える。シャフト５４６の各々は、ヘッド部５３６の上壁５４０において又はその近くに開口部を有し且つヘッド部５３６の底壁５３８において又はその近くに開口部を有することが好ましい。各シャフト５４６の軸は、０°〜９０°の範囲の角度で工具ホルダー５３４の長手方向軸に対して、位置付けられることが好ましい。シャフト５４６は、ロッドガイド５１６（ロッド５１２を備える）を受けるために必要な大きさにされる。ロッドガイド５１６は、図３４に示すように、工具ホルダー５３４のシャフト５４６にスライドする。

工具ホルダー５３４は、特定の用途において使用することが所望される先端５１４の数に依って、中空シャフト５４６を任意の数で備え得る。稜線の突起の所望のピッチ（Ｐ_ａ，ｐ）に依っては、中空シャフト５４６の全てがロッドガイド５１６及びロッド５１２で占められる必要はない。さらに、工具ホルダー５３４に備えられたロッド５１２の先端５１４の幾何的形状は同じである必要はない。むしろ、異なる形状、向き、及び他の幾何的形状を有する突起を形成するための異なる幾何的形状を有する先端５１４を、工具ホルダー５３４に備えてもよい。例えば、図１８Ａ〜１８Ｃ及び図２２について上述されたように、異なる角度φ_１を有する先端５１４を備えることにより、異なる傾斜角ωを有する突起が得られるであろう。このように、工具アセンブリ５１０は、図１８Ａ〜１８Ｃに示されているような、傾いた突起を備える沸騰面を創出するために使用され得る。

さらに、図２３Ａ〜２３Ｂ及び図２４Ａ〜２４Ｄについて上述されたように、多数のカット端を有する先端３０２を提供することにより、厚みを付けられた先端１２４を備える突起を形成して核沸騰空洞を創出し得る。

ここで図２５〜２６を参照すると、ワッシャ５４８及びマンドレル５５０が工具ホルダー５３４のロッド部５４４に適されて装着されている。ワッシャ５４８は基部５５２を備えて、基部５５２から複数の突き出た部分（プロング）５５４が突出している。ワッシャ５４８のプロング５５４は、工具ホルダー５３４のヘッド部５３６の底壁５３８に対向するように位置付けられる。工具ホルダー５３４のヘッド部５３６の上壁５４０は、ロッド５５８がねじで止められるねじ穴５５６を備えることが好ましい。サイズ決定スペーサ５６０（サイジングスペーサ５６０：ロッド５５８に装着される）は、工具ホルダー５３４のヘッド部５３６に隣接して位置付けられ、付勢要素（この場合、同様にロッド５５８に装着されるばね５６２）はサイジングスペーサ５６０に隣接して位置付けられる。付勢要素は任意の構造（薄板ばね、円盤ばね、つる巻きばね、コイルばね、ジグザグばね等を含むばねを含むが、これらに限定されない）であり、且つ圧縮及び伸張可能な任意の材料（ゴム、金属、プラスチック等を含むが、これらに限定されない）から作られ得る。ナット５６４が、ロッド５５８の端部にねじで止められて、工具アセンブリ５１０上にばね５６２及びサイジングスペーサ５６０を保持する。ヘッド及びシャフト（図示されず）を有するスクリューを容易に、ロッド５５８及びナット５６４に代えて用いることができる。

組み立てられると、各ロッドガイド５１６の前端部５１８はサイジングスペーサ５６０に接触し、各ロッドガイド５１６の後端部５２０はワッシャ５４８の基部５５２に接触する。工具ホルダー５３４のロッド部５４４の遠心端には、ねじ山５６６がつけられているので、工具アセンブリ５１０をガイドロッド（これは固定又は回転できる）の端部にねじ止め可能になっており、それによって、図２５〜２６に示されたアセンブリがガイドロッドの端部に取り付けられた状態で、ガイドロッドは管の内部を通って延在して管の表面を改良する。

平静状態（図２５に示す）において、先端５１４（ロッドガイド５１６に固定される）は工具ホルダー５３４のヘッド部５３６の外面５４２を超えて延出せず、ゆえに保護されている。使用時に、マンドレル５５０は管の内面に稜線を形成し、稜線は次いで先端５１４によりカットされ、そしてリフトされて所望の突起を形成する。当業者は、マンドレル５５０は、溝切り工具２００（図１９に示す）に置き換えられて、管表面に（稜線１の代わりに）溝１０８を形成し得ることを理解するであろう（もちろん、力が工具アセンブリ５１０にかけられると、工具ホルダー５３４から先端５１４が露出すると仮定すれば）。先端５１４は、次いで、管壁１０４に切り込みを入れ、（立ち上がった稜線１の代わりに）図１５Ａに示されたような突起を形成するであろう。

このプロセスの間、マンドレル５５０（又は溝切り工具２００）はワッシャ５４８を押しやり、これによりワッシャ５４８がロッドガイド５１６を押しやる。かかる圧力下で、ロッドガイド５１６は、工具ホルダー５３４の各々の中空シャフト５４６に沿ってサイジングスペーサ５６０側にスライドする。特に、ワッシャ５４８の基部５５２は、ロッドガイド５１６の後端部５２０に力を作用させ、シャフト５４６に沿って後端部５２０を押す。このように、先端５１４は、（図２６に示すように）工具ホルダー５３４のヘッド部５３６の外壁５４２を超えて押し出されて露出され、図１ａ〜１ｃ及び図１５ａ〜１５ｃに関連して上述されたように、稜線１又は管の内面１０４をカット及びリフトして突起を形成する。ロッドガイド５１６はサイジングスペーサ５６０を押しやり、これによりサイジングスペーサ５６０はばね５６２を圧縮する。ワッシャ５４８のプロング５５４と工具ホルダー５３４のヘッド部５３６の底壁５３８とが接触することにより、ロッドガイド５１６がさらに動くことを防ぐ。従って、ワッシャのプロング５５４の高さは、工具ホルダー５３４に対してロッドガイド５１６（及びゆえに先端５１４）が押し出される量を制御し、そしてそれゆえに先端５１４が露出される量及びその結果得られる先端５１４の管の表面へのカット深さに影響を与える。異なる高さのプロング５５４を有するワッシャ５４８が、工具アセンブリ５１０において容易に代用され得、且つ工具ホルダー５３４のヘッド部５３６の外壁５４２を超えて先端５１４がどれだけ遠くまで延出するかを正確に制御するため及びその結果得られる先端５１４のカット深さ（ｔ）を正確に制御するために使用され得る。

先端５１４を用いてカット及びリフトした後、新たに形成された突起は、サイジングスペーサ５６０に接触し、そしてそれにより先端５１４によりカットされた突起の高さが調整される。高すぎる突起は、突起が特定の高さに達するまでサイジングスペーサ５６０によって平らにされる。突起の高さを、異なる径を有する交換スペーサ５６０を置きかえることにより工具アセンブリ５１０において容易に調整し得る。代替的にスペーサ５６０は、得られた先端のいくつか又は全てを平らにして、図１６Ａ〜１６Ｄ、図１７Ａ〜１７Ｂ、及び図２０Ｂ〜２０Ｃに示されるような、核のある沸騰空洞を形成するために使用され得る。あるいは、平坦先端３１６（図２０に示す）の幾何的形状を有する先端５１４を備えるロッド５１２が、工具ホルダーに差し込まれ得る。このように、工具ホルダーに位置付けられたロッド先端（又は複数のロッド先端）は、平坦化機能をも実行し得る。

突起の形成が完了し且つ力がワッシャ５４８に加えられなくなった時に、圧縮されていたばね５６２がアセンブリ５１０を平静状態に戻させる（図２５に示す）。これは、ばね５６２によって、サイジングスペーサ５６０が工具ホルダー５３４のヘッド部５３６の上壁５４０に接触するまで、サイジングスペーサ５６０がロッドガイド５１６を押し戻すように強いられることを意味する。このように、ロッドガイド５１６はシャフト５４６に沿ってスライドし、工具ホルダー５３４の外壁５４２内へと先端５１４を退避させる。

工具アセンブリ５１０の異なる構成要素に力が加えられると仮定すると、ワッシャ５４８、工具ホルダー５３４、ロッドガイド５１６、及びサイジングスペーサ５６０は、好ましくはかかる力がかけられた時にそれらの構造を保持可能な材料から作られるべきである。例えば、これらの構成部品は、カーバイド、スチール等を含む金属から作られ得る。

工具アセンブリ５１０を取り除くために必要なことは、工具ホルダー５３４のロッド部５４４の遠心端のねじを緩めることによって、工具ホルダー５３４をガイドロッド（図示されず）から外すだけでよい。しかしながら、工具アセンブリ５１０はしばしばガイドロッドに堅く固定されるようになるであろうし、それゆえにねじを緩めることが困難になる可能性がある。工具アセンブリ５１０のねじを緩めるために必要な力は、それが手作業でなされる場合、工具アセンブリ５１０に損傷を与えるかもしれない。従って、工具ホルダー５３４の外壁５４２に穴５６８を備えることが好ましいが、そうである必要はない。装置を穴５６８に挿入することができ、工具アセンブリ５１０はトルクを利用してねじが緩められて外すことができる。

工具アセンブリ５１０のデザインは、多くの利益をもたらす。ロッド５１２の先端５１４がすり減った場合でも、ロッド５１２を形成し直すために、又はロッド５１２全体を取り換えるために容易に取り外すことができる。摩耗した先端５１４を含むロッド５１２は、ロッドガイド５１６からスクリュー５２４又は５２８を取り外すこと、及びロッドガイド５１６からロッド５１２をスライドさせることによりロッドガイド５１６から取り外すことができる。あるいは、ロッドガイド５１６全体を工具ホルダー５３４から取り外すことができる。どちらのやり方によっても、現存のロッド５１２の先端５１４に再び形状を付けてロッドガイド５１６に戻すこと、又は新たな先端５１４を備える新たなロッド５１２をロッドガイド５１６に差し込むことができる。この工具デザインの別の利点は、ロッド５１２の先端５１４は、ロッド５１２の交換が必要となるまでは、何回も再度形状化することができることである。これにより工具と材料のコストが大幅に削減される。さらに、上述したように、工具アセンブリ５１０は、異なるプロング５５４を有するワッシャ５４８を使用して使用中に工具ホルダー５３４から先端５１４をどれだけ突き出させるかを調整すること、及び／又は先端５１４が各々のロッドガイド５１６からどれだけ延出するかを調整することにより、異なる壁厚を有する管に容易に使用することができる。

上記の説明は、本発明の実施形態を図示し、説明し、且つ記載するためのものである。これらの実施形態のさらなる変更及び改変は、当業者に明らかであろうし、本発明の精神及び特許請求の範囲を逸脱することなしに行ってもよい。

図１ａは、本発明の一実施形態に従う伝熱管に部分的に形成された内面の部分的な斜視図である。図１ｂは、図１ａに示された管の、矢印ａの方向から見た側面図である。図１ｃは図１ｂに類似しているが、突起が管の内面から管の軸ｓに対して垂直ではない方向に突出することにおいて図１ｂとは異なる側面図である。図１ｄは、図１ａに示された管を矢印ｂの方向から見た正面図である。図１ｅは、図１ａに示された管の上面図である。 図２は、本発明の管の一実施形態の内面の顕微鏡写真である。 図３は、本発明の管の代替的な実施形態の内面の顕微鏡写真である。 図４は、本発明に従う管を製造するために使用可能な製造装置の一実施形態の側面図である。 図５は、図４の装置の斜視図である。 図６ａは、本発明の工具の一実施形態の斜視図である。図６ｂは、図６ａに示された工具の側面図である。図６ｃは、図６ｂの工具の底面図である。図６ｄは、図６ｂの工具の上面図である。 図７ａは、本発明の工具の代替的な実施形態の斜視図である。図７ｂは、図７ａに示された工具の側面図である。図７ｃは、図７ｂの工具の底面図である。図７ｄは、図７ｂの工具の上面図である。 図８ａは、本発明の管の代替的な実施形態の、部分的に形成された内面の部分的斜視図であり、それにおいて隆線がカットされるカット深さは隆線の高さ未満である。図８ｂは、本発明の管の代替的な実施形態の、部分的に形成された内面の部分的斜視図であり、それにおいて隆線がカットされるカット深さは隆線の高さより大きい。 図９ａは、本発明に従う管の別の実施形態の内面の部分的な上面図である。図９ｂは、図９ａに示された管を矢印２２の方向から見た側面図である。 図１０ａは、本発明の管の内面を部分的に示す図であり、稜線から突起をｇ方向にカットするために、稜線にｇ方向に近づいている工具を示す。図１０ｂは、本発明の管の代替的な内面を部分的に示す図であり、稜線から突起をｇ方向にカットするために、稜線にｇ方向に近づいている工具を示す。 図１１ａは、本発明に従う管の内面の模式図であり、稜線と溝との間の角度方向を示し、角度方向によって稜線と溝は反対側にねじれていることを示している。図１１ｂは、本発明に従う管の内面の模式図であり、稜線と溝との間の角度方向を示し、角度方向によって稜線と溝は同じ側にねじれていることを示している。 図１２は、先行技術の様々な管の管側伝熱係数と、本発明に従う管の管側伝熱係数とを比較する棒グラフである。 図１３は、先行技術の様々な管全体の伝熱係数と、本発明に従う管全体の伝熱係数とを比較する棒グラフである。 図１４は、本発明の実施形態に従う、伝熱管の内径に部分的に形成された沸騰面の部分的斜視図である。 図１５Ａは、図１４の実施形態の部分的に形成された沸騰面の部分的斜視図である。図１５Ｂは、図１５Ａの部分的に形成された沸騰面の斜視図の顕微鏡写真である。図１５Ｃは、図１５Ａの部分的に形成された沸騰面の断面図である。 図１６Ａは、本発明の代替的な実施形態に従う、伝熱管の内径上の沸騰面の部分的斜視図である。図１６Ｂは、図１６Ａに示された管の断面図である。図１６Ｃは、図１６Ａの沸騰面の上面図の顕微鏡写真である。図１６Ｄは、図１６Ａの沸騰面の断面図の顕微鏡写真である。 図１７Ａは、本発明の代替的な実施形態に従う、伝熱管の内径上の沸騰面の部分的斜視図である。図１７Ｂは、図１７Ａに示された管の断面図である。 図１８Ａは、本発明の代替的な実施形態に従う、伝熱管の内径上の沸騰面の部分的斜視図である。図１８Ｂは、図１８Ａの沸騰面の断面図の顕微鏡写真である。図１８Ｃは、図１８Ａの沸騰面の断面図である。 図１９は、溝付け工具の斜視図である。 図２０Ａは、本発明の別の実施形態に従う工具の斜視図である。図２０Ｂは、図２０Ａの工具により形成された沸騰面の斜視図である。図２０Ｃは、図２０Ｂの沸騰面の顕微鏡写真である。 図２１は、本発明に従う伝熱管を製造するために使用可能な製造装置の実施形態の斜視図である。 図２２は、本発明の別の実施形態に従う工具の斜視図である。 図２３Ａは、本発明の代替的な実施形態に従う伝熱管の内径上の沸騰面の断面図である。図２３Ｂは、図２３Ａの沸騰面の顕微鏡写真である。 図２４Ａは、本発明の実施形態に従う工具で形成されている沸騰面の断面図である。図２４Ｂは、本発明の代替的な実施形態に従う工具で形成されている沸騰面の断面図である。図２４Ｃは、図２４Ａ及び図２４Ｂの沸騰面を形成するために使用し得る、本発明の実施形態に従う工具先端の斜視図である。図２４Ｄは、図２４Ｃに示された工具先端の代替的な斜視図である。 図２５は、先端が陥没（退避）した状態の、本発明の代替的な工具の実施形態の斜視図である。 図２６は、先端が露出した状態の、図２５の実施形態の斜視図である。 図２７は、図２５及び２６の実施形態のロッドの斜視図である。 図２８は、図２５及び２６の実施形態のロッドガイドの斜視図である。 図２９は、図２８のロッドガイドの代替的な斜視図である。 図３０は、図２８及び２９のロッドガイドに位置付けられた、図２７のロッドの斜視図である。 図３１は、図２８及び２９のロッドガイドに位置付けられ且つスクリューで固定された図２７のロッドの斜視図である。 図３２は、図２５及び２６の実施形態の工具ホルダーの斜視図である。 図３３は図３２の工具ホルダーの代替的な斜視図である。 図３４は図３２及び３３の工具ホルダーに位置付けられた、図３０及び３１のロッド／ロッドガイドアセンブリの斜視図である。

Claims (22)

1. 金属をカットするための工具アセンブリであって、
   ａ．長手方向の軸と、外側上壁と、外側底壁と、外側外壁と、少なくとも一つの実質的に中空のシャフトとを備えるホルダーであって、該少なくとも一つのシャフトはホルダーを通って延在し且つ第１の開口部及び第２の開口部を備えるホルダーと；
   ｂ．少なくとも一つのロッドアセンブリであって、（ｉ）．前端部と後端部とを有するロッドガイドと、（ｉｉ）．幾何的形状の先端形状を付けられ且つロッドガイドに位置付けられた先端を有するロッドであって、該先端はロッドガイドの前端部から延出するロッドとを備え、少なくとも一つのロッドアセンブリは、少なくとも一つのホルダーのシャフトに位置付けられ、ロッドガイドの前端部は、少なくとも一つのシャフトの第１の開口部から延出可能であり、ロッドガイドの後端部は、少なくとも一つのシャフトの第２の開口部から延出可能であるロッドアセンブリと；
   ｃ．ホルダーの外側底壁に実質的に隣接して位置付けられたワッシャであって、ロッドガイドの後端部に圧力を加えて少なくとも一つのロッドアセンブリを少なくとも一つのシャフトに沿ってある距離を移動させ且つ力がワッシャに加えられた時に、ロッドの先端をホルダーの外壁を超えて延出させるように適合されているワッシャと；
   ｄ．ホルダーの外側上壁に実質的に隣接して位置付けられたスペーサであって、ロッドガイドの前端部に圧力を加えて少なくとも一つのロッドアセンブリを少なくとも一つのシャフトの少なくとも一部分に沿って移動させてホルダーの外壁内に先端を退避させるように適合されているスペーサと；
   ｅ．スペーサに実質的に隣接して位置付けられる付勢要素と；を備える工具アセンブリ。
2. 少なくとも一つのシャフトが、０°〜９０°の間の範囲の角度でホルダーの長手方向軸に対して延在する請求項１に記載の工具アセンブリ。
3. ロッドガイドにおいてロッドの位置が調整可能である請求項１に記載の工具アセンブリ。
4. ロッドはロッドガイドから取り外し可能である請求項１に記載の工具アセンブリ。
5. ロッドの先端は再度形状化可能であり且つロッドガイド内に再び位置付け可能である請求項４に記載の工具アセンブリ。
6. 先端は、金属をカット及びリフトすることにより管の内面に突起を形成するように適合されている請求項１に記載の工具アセンブリ。
7. 先端の幾何的形状が少なくとも一つのカット端を含む請求項６に記載の工具アセンブリ。
8. 先端の幾何的形状が少なくとも二つのカット端を含む請求項７に記載の工具アセンブリ。
9. 先端の幾何的形状が少なくとも一つのリフト端を含む請求項６に記載の工具アセンブリ。
10. 少なくとも一つのロッドアセンブリは複数のロッドアセンブリを含む請求項１に記載の工具アセンブリ。
11. 複数のロッドアセンブリの少なくとも二つのロッド先端における先端の幾何的形状が異なる請求項１０に記載の工具アセンブリ。
12. 少なくとも一つのロッドアセンブリはホルダーから取り外し可能である請求項１に記載の工具アセンブリ。
13. ワッシャは、基部と、高さを有し且つ該基部から突出する少なくとも一つの突き出し部とを含み、該基部はロッドのガイドの後端部に圧力を加えるように適合されており、少なくとも一つの突き出し部の高さが、ロッドアセンブリが少なくとも一つのシャフトに沿って移動する距離を少なくとも部分的に制御する請求項１に記載の工具アセンブリ。
14. 力が緩められてスペーサに拡張力が加えられた時に、付勢要素は拡張するように適合されている請求項１に記載の工具アセンブリ。
15. 付勢要素はばねを含む請求項１に記載の工具アセンブリ。
16. 請求項１に記載の工具アセンブリにより改良された内面を有する管。
17. 管が突起を備える請求項１６に記載の管。
18. 突起は平らにされるか、曲げられるか、又は互いに対して傾斜されて核沸騰空洞を形成する請求項１７に記載の管。
19. 管の内面を改良する方法であって、
    ａ．工具アセンブリを提供することと、該工具アセンブリは、
    （ｉ）長手方向の軸と、外側上壁と、外側底壁と、外側外壁と、少なくとも一つの実質的に中空のシャフトとを備えるホルダーであって、少なくとも一つのシャフトはホルダーを通って延在し且つ第１の開口部及び第２の開口部を備えるホルダーと；
    （ｉｉ）前端部と後端部を有するロッドガイドと；幾何的形状の先端形状を付けられ且つロッドガイドに位置付けられた先端を有するロッドであって、該先端はロッドガイドの前端部から延出するロッドとを備える、少なくとも一つのロッドアセンブリであって、該少なくとも一つのロッドアセンブリはホルダーの少なくとも一つのシャフトに位置付けられ、ロッドガイドの前端部は少なくとも一つのシャフトの第１の開口部から延出可能であり、ロッドガイドの後端部は少なくとも一つのシャフトの第２の開口部から延出可能であるロッドアセンブリと；
    （ｉｉｉ）ホルダーの外側底壁に実質的に隣接して位置付けられたワッシャであって、ロッドガイドの後端部に圧力を加えて少なくとも一つのロッドアセンブリを少なくとも一つのシャフトに沿ってある距離を移動させ且つ先端を力がワッシャに加えられた時に、ホルダーの外壁を超えて延出させるように適合されているワッシャと；
    （ｉｖ）ホルダーの外側上壁に実質的に隣接して位置付けられたスペーサであって、ロッドガイドの前端部に圧力を加えて少なくとも一つのロッドアセンブリを少なくとも一つのシャフトの少なくとも一部分に沿って移動させてホルダーの外壁内にロッドの先端を退避させるように適合されているスペーサと；
    （ｖ）実質的にスペーサに隣接して位置付けられた付勢要素と；を備えており；
    ｂ．管の中に工具アセンブリを位置付けることと；
    ｃ．管と工具アセンブリとの間に相対的回転及び軸方向の相対的な移動をもたらすことと；
    ｄ．先端を用いて管の内面に突起を形成することと；を含む方法。
20. ワッシャに力を加えることをさらに含み、該力はワッシャにロッドガイドの後端部に対して圧力を加えさせて、少なくとも一つのロッドアセンブリを少なくとも一つのシャフトに沿ってある距離を移動させて、先端をホルダーの外壁を超えて延出させる請求項１９に記載の方法。
21. 突起を平らにすること、突起を曲げること、又は隣接する突起を互いに対して傾斜させて核沸騰空洞を形成することをさらに含む請求項１９に記載の方法。
22. 工具ホルダーからロッドを取り外すことと、ロッドの先端を再度形状化することと、ロッドを工具ホルダー内に再び位置付けすることとをさらに含む請求項１９に記載の方法。

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