JP4766503B2 - 異なった細孔径を有する蒸発用伝熱管、その製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に管外側で純物質又は混合物から成る液体を蒸発するための、請求項１の序文に記載の金属製伝熱管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸発は、冷凍及び空調技術の多くの分野において並びにプロセス及びエネルギー技術において発生する。この技術においては、しばしば円筒多管式熱交換器が使用され、その中で純物質又は混合物の液体が管外側で蒸発し且つその際に管内側で塩水又は水を冷却する。このような装置類は満液式蒸発器と呼ばれる。
【０００３】
管外側及び管内側に熱伝達を集中させることによって、蒸発器の大きさを大幅に低減することができる。それによってこのような装置類の製造コストが減少する。さらに、今日主として使用されている無塩素の安全な冷媒において設備コスト全体で無視し得ないコスト部分を形成する冷媒の必要な充填量が減少する。毒性又は可燃性の冷媒においては、充填量の低減によってさらに潜在的危険性を低減することができる。今日通常用いられる高出力管は、例えば同径の平管より係数３だけ効率が良い。
【０００４】
本発明は、熱伝達係数が管外側に集中するように構成された管群に関する。それによって熱通過抵抗の主要部分がしばしば内側に移るので、熱伝達係数も大抵同じく内側に集中させなければならない。円筒多管式熱交換器用の伝熱管は、通常少なくとも１つの構成された領域と平らな端部及び場合により平らな中間部とを有する。平らな端部若しくは中間部は構成された領域を制限する。管を問題なく円筒多管式熱交換器の中に組込むことができるようにするため、構成された領域の外径は平らな端部及び中間部の外径よりも大きくしてはならない。
【０００５】
蒸発する際の熱伝達を増大させるために、気泡沸騰の過程が強化される。気泡の形成が芽晶部位で開始することが知られている。この芽晶部位は、大部分が小さな気体又は蒸気封入物である。このような芽晶部位は、すでに表面のけば立てによって発生させることができる。成長した気泡が一定の大きさに達したとき、この気泡が表面から分離する。気泡分離の流れに沿って芽晶部位が後流の液体によって満たされるとき、場合によって気体若しくは蒸気封入物が液体によって押し除けられる。その場合には芽晶部位が不活発になる。これは好適な芽晶部位の形成によって回避することができる。そのためには、芽晶部位の開口が例えばアンダカットした構造の場合のように、その下にある空洞より小さくする必要がある。
【０００６】
このような構造を集約的に転造したフィン付管を基礎として製造することが従来の技術である。集約的に転造したフィン付管とは、フィンが平管の内壁材料から成形されたフィン付管である。その場合、管路と周囲の間の接続が細孔又は溝の形態にとどまるように、隣接するフィンの間にある管路が閉じられる種々の方法が知られている。それによって液体及び蒸気の輸送を行うことができる。特にこのような本質的に閉じられた管路はフィンの折曲げ又は折返し（米国特許第３，６９６，８６１号、米国特許第５，０５４，５４８号）によって、フィンの分割及び圧縮（ドイツ国特許第２，７５８，５２６号、米国特許第４，５７７，３８１号）によって、フィンの切込み及び圧縮（米国特許第４，６６０，６３０号、欧州特許第０，７１３，０７２号、米国特許第４，２１６，８２６号）によって製造される。
【０００７】
公知の保護権は、可能な限り均一な一定の管路及び細孔径を製造することを目指している。米国特許公報第５，０５４，５４８号において、それぞれ被蒸発媒体（高圧又は低圧冷媒）に応じて異なった大きさの最適の細孔径が示されている。この考察は、細孔システムが最良に同じ大きさの細孔から構成されることを前提とする。
【０００８】
日本国公開特許公報昭６３-１７２８９２号には、互いに閉鎖された大きな及び小さな空洞によって製造される方法が記載されている。これは規則的な間隔で転造されたフィン付管路の拡幅によって行われる。個々の空洞は、種々の大きさの細孔を通して外部空間と接続されている。しかし大きな及び小さな空洞は互いに分離されている。日本国公開特許公報昭６３-１７２８９２号の目的は、様々な伝熱面負荷において、壁過熱で表して、一様に機能させる構造を構成することである。大きな空洞及び細孔は、高い壁過熱において熱伝達を保証し、それに対してそこから分離された小さな空洞及び細孔は小さな壁過熱において熱伝達を保証しなければならない。この考え方も同様に、それぞれ１つの細孔径が所定の動作状態（伝熱面負荷、飽和条件、蒸発物質）に関して最適であることを前提とする。フィン通路の拡幅は、フィン間の管路幅より厚い歯付ディスクによって達成される。それによって、フィンが拡幅箇所で両側へ離間して圧縮される。その結果、両方の隣接した管路がこの箇所で閉鎖され、それによって個々の互いに分離された空洞が生じる。この拡幅箇所には比較的非常に大きな開口が生じる。
【０００９】
日本国公開特許公報昭５４-１６７６６号において、大きな及び小さな細孔開口を有する熱伝達表面が提案されており、全ての大きな細孔が管の一方の側に且つ全ての小さな細孔が管の他方の側にあるように細孔が配設されている。このような管は水平の組付け用として円筒多管式装置の中に設けられている。しかし、この組付けは大きな細孔が上方へ且つ小さな細孔が下方へ向けられるように行わなければならない。その場合には液体が小さな細孔によって吸引され、蒸気が上方へ大きな細孔を通して放出される。しかし、このような所定の方向への組付けは、管が通常一回の転造過程によって装置と接続され且つこの転造過程において管が制御できない角度範囲だけその軸周りに回転するので、熱伝達器の量産において実施することができない。さらに、この管の考え方で流れ技術的な理由から管路が非常に大きな容量を有する必要があることを考慮しなければならない。これは欠点として大きい管重量と外部構造の大きな層厚とを制約する。大きな層厚は、小さな内部の管断面とそれによって管側に流れる媒体の望ましくない高い圧力降下とを引き起こす。
【００１０】
米国特許第５，５９７，０３９号（若しくは米国特許公報第５，８９６，６６０号）は、折曲げられたフィン先端部を有する蒸発管を記載しており、このフィン先端部は折曲げる前に切込みが設けられる。その場合、それぞれ隣接するフィンの切込みが異なった形状及び／又は大きさを有するため、異なった細孔開口のシステムが生じる。この場合、直接隣接する開口が異なった大きさであることが重要であるとみなされる。それぞれの動作状態に応じて、過熱面負荷で表して、動作状態にとって最も好適な細孔等級が活発化されることになる。多数の異なった細孔は、広範囲の動作状態にわたって管に良好な蒸発特性を付与することに利用される。しかし、それぞれ活発化していない細孔は蒸発プロセスに貢献しない。逆に、これらの細孔は活発化した気泡芽晶部位の密度を減少し、且つそれによって管の熱伝達特性をむしろ悪化させることがある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、管外側で物質を蒸発する際に熱伝達に関して改善された特性を有する上記形式の伝熱管を構成することである。この熱伝達特性は、被蒸発物質の性質と動作状態とに適合可能にされる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明に従って請求項１に記載の特徴によって解決される。
【００１３】
個々の細孔径は、正確に定義可能であり且つ計測技術的に検出可能である。製造方法に基づき且つ材料及び工具の公差に制約されて、２つの任意に選ばれた細孔は実質的に決して同じ形状と大きさにならない。細孔径は統計的な変動を受ける。従って、これらの細孔をその大きさに応じて大きさ等級に分類することが有意義であり、有限の分布幅を有する細孔は最大頻度別に分類される。本発明で言う異なった大きさの細孔は、第５図に記載する頻度図表において隣接する頻度分布の最大値の横座標値が最小の細孔等級に属する横座標値の少なくとも５０％だけ異なる場合に存在する。
【００１４】
細孔径及びその頻度分布を計測技術的に決定するために、例えば光学的な画像検出装置及びデジタル評価装置から成る好適な画像処理システムが利用される。管表面は写真によって検出され且つ画像がグレイスケールで選別される。グレイ閾値の好適な選択によって、管表面の画像は細孔領域と金属表面の領域とに分解される。次いで、細孔領域が幾何学的に測定され且つデジタルで評価される。第５図に、本発明に従ってこのようなシステムを用いた管見本で算出した細孔径の頻度分布を示した（後述の数値例を参照）。細孔径は、μｍ^２で測定した細孔開口の面積で表される。柱状図では２つの最大値が識別される。小さな細孔の等級は、細孔面積Ａ_ｋにおける最大値に分類され、大きな細孔の等級は細孔面積Ａｇにおける最大値に分類される。値Ａｇ及びＡｋは、それによって両方の細孔等級の平均細孔径として解釈することができる。頻度比Ｎｋ／Ｎｇ（大きな細孔の数Ｎｇに対する小さな細孔の数Ｎｋ）はｍで表す。
【００１５】
本発明に従って、フィンの間に存在する管路は上部のフィン領域の材料によって本質的に閉鎖され、このように生じた中空空間は、細孔を通して周囲空間と接続されている。これらの細孔は、これらが典型的に２つの大きさ等級に分類できるように形成されている。規則的に反復する図式に従って、管路に沿ってそれぞれ一定数の小さな細孔に１つ又はそれ以上の大きな細孔が続く。この構造によって方向づけられた流れが管路内に作られる。液体は、小さな細孔を通り毛管圧力の支援によって吸引され且つ管路壁を濡らし、それによって薄膜が作られる。蒸気は管路の中心に集まり、毛管圧力が最も小さい箇所から放出される。
【００１６】
これは一定の間隔で配設された大きな細孔である。これらの細孔の大きさ比Ａｇ／Ａｋ及び頻度分布ｍは、多量の液体が管路の中に侵入せず且つ前記管路を溢れさせず、それによって熱技術的に非常に効率的な薄層蒸気が停止することがないように蒸気を放出できるように選ばれる。他方、蒸気細孔は、蒸気が細孔の中に停滞しないように充分大きく選ばなければならない。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態は、請求項１の目的である。請求項１は比Ｆｋ／Ｆｇに合わせられる。
【００１８】
全ての大きな細孔の合計の開口面積Ｆｇに対する全ての小さな細孔の合計の開口面積Ｆｋの比に関しては次式が当てはまる：

【００１９】
合計の開口面積の比は、動作点で使用した媒体の性質に合わせなければならない。その場合、細孔形状の設計において特にこの比が蒸気ρ_Ｄと液体ρ_Ｆｌの密度比から成る平方根に比例する必要があることを考慮しなければならない：

【００２０】
それによって、細孔構造は使用物質の性質と動作状態、特に圧力状態とに適合可能である。
【００２１】
さらに本発明の目的は、本発明による伝熱管の製造方法である。
【００２２】
請求項２の序文による米国特許公報第５，８９６，６６０号に記載の方法を前提として、本発明による方法は、切込みが切込みディスクの円周に配設された大きな及び小さな鋸歯によって生ぜしめられることを特徴とする。この切込み付きのフィン先端部は、半径方向の圧力によって切込み平面まで圧縮される。
【００２３】
請求項３の序文に記載の本発明による方法を実施するための装置は、切込みディスクがその円周に規則的な配列で小さな及び大きな鋸歯を有し、それぞれ一定数の小さな鋸歯に１つの大きな鋸歯又は複数の大きな鋸歯が続き、大きな鋸歯の数に対する小さな鋸歯の数の比がｍ＝８：１になることを特徴とする。この切込みディスクには圧縮ロールが続く（この比はもちろんｍ＝Ｎｋ／Ｎｇと同じである）。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明は、以下の実施例を利用してより詳しく説明する。
【００２６】
集約的に転造された第１図及び第２図に記載のフィン付管１は、管外側に螺旋状に循環するフィン２を有し、それらの間に溝３が形成されている。フィン先端部２′の材料は、フィン中間空間が管路４の形成下に大きな細孔５（面積Ａｇ）と小さな細孔６（面積Ａｋ）まで閉鎖されるように移される。管路４は本質的に同形の断面で循環する。
【００２７】
本発明によるフィン付管１の製造は、第２図に示した装置によって転造過程（米国特許公報第１，８６５，５７５号／第３，３２７，５１２号）によって行われる。
【００２８】
それぞれ１つの転造工具８と少なくとも１つの後置された切込みディスク９と圧縮ロール１０とが組み込まれたｎ＝３工具ホルダー７から成る装置が使用される（第２図には、ただ１つの工具ホルダー７のみを示している。しかし、例えば４つ又はそれ以上の工具ホルダー７を使用してもよい）。工具ホルダー７は、それぞれα＝３６０゜／ｎだけずらしてフィン付管の円周に配設されている。この工具ホルダー７は半径方向に送出可能である。
【００２９】
前記工具ホルダーはその側に固定した（図示しない）ロールヘッドに配設されている（もう１つの変形に従って、管は回転したロールヘッドで単に軸方向に押出される）。
【００３０】
矢印方向に装置の中へ流入する平管１′は、円周に配設された駆動式の転造工具８によって回転させられ、この転造工具８の軸は管軸に対して斜めに延長する。転造工具８は自体公知の方法で複数の互いに並設された転造ディスク１１から成り、該転造ディスクの直径は矢印方向に増大する。中心に配設された転造工具８は、平管１′の管内壁から螺旋状に循環するフィン２を形成し、平管１′はここでマンドレル１２によって支持される。
【００３１】
フィン先端部２′は、第３図に従って規則的な順序で円周に配分した大きな及び小さな鋸歯１３若しくは１４を有する切込みディスク９によって切込みがつけられる。第３図に示した切込みディスク９において、それぞれ３つの同種の小さな鋸歯１４に大きな鋸歯１３が続く。
【００３２】
それに続き切込み付きのフィン先端部の圧縮が圧縮ロール１０によって行われ、それによって２つの細孔等級すなわち大きな細孔５と小さな細孔６とが生じる。その場合、大きな細孔５は、切込みディスク９の大きな鋸歯１３がその圧痕を残した箇所に形成される。
【００３３】
第３図に、付加的に小さな鋸歯１４の先端部の幅、大きな鋸歯１３の先端部の幅Ｂが記載されており、並びに鋸歯側角βが暗示されている。
【００３４】
管外面を被蒸発液体と接触させると（第４図参照）、本発明に従って管路４及び細孔５、６の形成により、管路壁１５が液膜１６によって湿潤されることが達成される。
【００３５】
液体から蒸気形態への相変化は、その場合に気泡蒸発によってではなく、管路壁１５の薄層蒸発によって行われる。その場合、この細孔システムは次の２つの課題を満たさなければならない。液体は、まず初めに外側の管表面の下にある管路の中に輸送されなければならない。蒸発後、生成した蒸気１７を外部へ放出できなければならない。
【００３６】
蒸発過程を維持できるようにするため、同量の液体と蒸気１７が互いに反対方向へ細孔５、６を通して輸送されなければならない。さもないと、管路４は液体で満たされるか或いは乾燥するかのいずれかになる。この両方の場合で蒸発過程が大幅に損なわれ或いは管路４の中で停止する。
【００３７】
生成した蒸気１７を管路４から輸送できるようにするため、管路４の中は外部空間よりも高い圧力が支配しなければならない。この過圧は被蒸発媒体の蒸気圧力曲線に従って管壁の過昇温度によって調節される。
【００３８】
通常は、管材を良好に湿潤する液体が使用される。このような液体は、毛管作用によって細孔５、６を通り外部の管表面で過圧に抗して管路４へ侵入することがある。それぞれの細孔５、６の中には液体メニスカスが形成され、その湾曲した表面には表面張力によって圧力の不連続性が発生する。この圧力差は毛管圧力ｐ_ｋと呼ばれ、球状に湾曲した液体表面は次の関係式によって決定される：

【００３９】
上式中、σは表面張力を表し、ｒはメニスカス表面の曲率半径を表す。曲率半径ｒは接触角θと細孔形状に左右される。円形の断面と細孔半径Ｒ_ｐを有する細孔５、６に関しては次式が当てはまる：

【００４０】
非円形の断面を有する細孔５、６に関して類似の関係を導くことができる。最大の毛管圧力が細孔６で最小の半径によって調節できることが明らかである。つまり、液体は小さな細孔６を通り管路４の中へ侵入し、管路壁１５に薄膜１６を形成し且つ熱供給下に蒸発する。蒸気１７はその箇所で毛管圧力が小さくなるので、より大きな細孔５を通って放出される。つまり、小さな細孔６から大きな細孔５に向かう流れが形成される。これは第４図に概略的に示している。
【００４１】
液体を管路４の中に充分に輸送できるようにするため、充分な量が可能な限り小さな細孔６に供給されなければならない。それと同時に大きな細孔５は、蒸気１７が充分速く放出でき且つ管路４が乾燥しないように寸法決定されなければならない。従って、より小さな液体細孔６に対する比における蒸気細孔５の大きさと頻度は、非常に問題となる大きさである。
【００４２】
２つ以上の細孔径等級を使用することが目的に適していることを証明することができる。その場合、液体は常に最小の等級の細孔を通って侵入し、他方、蒸気は大きい等級の細孔を通って放出される。
【００４３】
数値例：
管１の性能に及ぼす細孔システムの形成の影響は、伝熱面負荷に依存する管外側の熱伝達係数で表し、３つの異なって形成された細孔システムを利用して示す。
【００４４】
螺旋状に循環する管路４は０．５ｍｍのピッチと合計０．７５ｍｍの高さとを有する。管１の外径は約１９ｍｍである。
【００４５】
使用した切込みディスク９の幾何学的データは表１にまとめた。このような切込みディスク９の概略表示は第３図に示す。大きな鋸歯１３の先端部の幅Ｂが大きくなるにつれて、大きな細孔５の細孔面積がさらに大きくなる。
【００４６】
【表１】

【００４７】
伝熱面負荷に依存する外部の熱伝達係数に及ぼす影響は、見本として冷媒Ｒ-２２の場合で飽和温度１４．４℃において第６図に示している。
【００４８】
均等の歯幅（Ｎｏ．１を参照）すなわち同じ大きさの細孔を有する切込みディスクに比べ、切込みディスクＮｏ．２において約３０％の熱伝達の改善が得られる。
【００４９】
第５図に、本発明による管見本で算出した細孔径の頻度分布を示している。小さな細孔６の等級は、細孔面積約Ａｋ＝３００００μｍ^２における最大値に分類され、大きな細孔５の等級は、細孔面積約Ａｇ＝７５０００μｍ^２における最大値に分類される。
【００５０】
切込みディスクＮｏ．３の場合のように、蒸気細孔５がさらに拡幅すると、均等な細孔に比べて管外側で２５〜４５％減少した熱伝達係数が得られる。この場合には蒸気細孔５が大きすぎ、管路４は液体で溢れ且つ薄膜蒸発が崩壊する。
【００５１】
細孔５、６の寸法及びより大きな蒸気細孔５の頻度が機能とそれによって構造の性能とに重大な影響を有することが明らかである。
【００５２】
本考察は、管路の大きさにはあまり関係なく、むしろ細孔径が機能とそれによって熱伝達とに重要であることを示している。管路の拡幅が無いことによって（日本国公開特許公報昭６３-１７２８９２号、その第５図及び第７図を参照）、それぞれ隣接する管路は不利な仕方で影響されない。
【００５３】
【発明の効果】
米国特許公報第４，７２９，１５５号は、より小さな断面開口によって互いに接続された並置される管路に関する。しかし本発明は、上述のように、方向づけられた流れが存在する閉鎖された管路に関する。管路の間の横の接続は方向づけられた流れを妨害し、従ってこの考え方には使用できない。
【図面の簡単な説明】
【図１】概略的に２つの細孔等級を有する本発明による伝熱管の表面図。
【図２】伝熱管を製造するための装置の図。
【図３】切込みディスクの部分断面図。
【図４】概略的にフィン付管路に沿って方向づけられた蒸気流を示す図。
【図５】例による大きな及び小さな細孔の頻度分布を示す図。
【図６】３つの異なって形成された細孔システムのための伝熱面負荷の機能としての管外側の熱伝達係数を示す図。

Claims (5)

1. 本質的に閉鎖された管路（４）の形成下に変形された、管外側に環状又は螺旋状に循環する集積されたフィン（２）を有する、特に管外側で純物質又は混合物から成る液体を、管路４の管路壁１５がその液体で湿潤された液膜１６の薄層蒸発するための金属製伝熱管であって、
   管路（４）が本質的に同形の断面で循環し且つ外側へ少なくとも２つの異なった大きさを有する細孔（５、６）を通して開かれたものにおいて、
   以下の特徴：
   ａ）大きい細孔等級の細孔（５）の平均の大きさＡｇに対する小さい細孔等級の細孔（６）の平均の大きさＡｋの逆比が
   Ａｇ／Ａｋ＝２
   になり、
   ｂ）大きい細孔等級の細孔（５）の数Ｎｇに対する小さい細孔等級の細孔（６）の数Ｎｋの頻度比ｍが
   ｍ＝Ｎｋ／Ｎｇ＝８：１
   になることとし、小さい細孔等級の細孔（６）の数が大きい細孔等級の細孔（５）の数よりも多く形成されていることとし、全ての大きい細孔（５）の合計の開口面積Ｆｇに対する全ての小さい細孔（６）の合計の開口面積Ｆｋの比が次式：
   

   

   （式中、ρ _D ＝蒸気密度であり、ρ _Ｆｌ ＝液体密度である）により、使用した媒体の性質に調整されることを特徴とする異なった細孔径を有する蒸発用伝熱管。
2. 請求項１に記載の、外側に螺旋状に循環する集積されたフィン（２）を有する異なった細孔径を有する蒸発用伝熱管の製造方法であって、
   次の処理段階：
   ａ）平管（１′）の外部表面に、フィン材料が材料の押除けによって管内壁から外側へ転造過程によって得られ且つ生じたフィン付管（１）が転造力によって回転させられ及び／又は生じたフィン（２）に対応して押出されることによって螺旋状に延長するフィン（２）が転造形成され、増大する高さを有するフィン（２）がそれ以外は変形されない平管（１′）から成形され、
   ｂ）平管（１′）がその中にあるマンドレル（１２）によって支持され、
   ｃ）フィン（２）の成形後にフィン先端部（２′）が切込みディスク（９）によって切込みを入れられ、切込み付きフィン先端部（２′）が圧縮ロール（１０）による半径方向の圧力によって切込み平面まで圧縮されることで、管路（４）が形成される伝熱管の製造方法において、
   ｃ′）細孔（５）、（６）が切込みディスク（９）の円周に配設された大きな及び小さな鋸歯（１３、１４）で生ぜしめられることを特徴とする異なった細孔径を有する蒸発用伝熱管の製造方法。
3. 請求項２に記載の方法を実施するための製造装置であって、
   次の特徴：
   ａ）フィン付管（１）の円周に、少なくとも２つの互いにずらし且つ固定したロールヘッドに配設された、半径方向に送出可能の工具ホルダー（７）が設けられており、
   ｂ）工具ホルダー（７）がそれぞれ１つの、複数の転造ディスク（１１）から成る、管軸に対して斜めにおかれた軸を備えた駆動式の転造工具（８）を有し、
   ｃ）転造ディスク（１１）が増加する直径を有し、
   ｄ）少なくとも１つの工具ホルダー（７）の中で、転造工具（８）に切込みディスク（９）が後置され切込みディスク（９）に圧縮ロール（１０）が続くものにおいて、
   次の特徴：
   ｄ′）切込みディスク（９）が円周に規則的な配列で大きな及び小さな鋸歯（１３、１４）を有し、それぞれ一定数の小さな鋸歯（１４）に１つの大きな鋸歯（１３）又は複数の大きな鋸歯（１３）が続き且つ大きな鋸歯（１３）の数に対する小さな鋸歯（１４）の数の比がｍ＝１：３になることを特徴とする異なった細孔径を有する蒸発用伝熱管の製造装置。
4. 切込みディスク（９）が直線的にフィン先端部（２′）に噛み合うことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 切込みディスク（９）が斜めにフィン先端部（２′）に噛み合うことを特徴とする請求項３に記載の装置。

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