JP5684456B2 - 金属製熱交換器管 - Google Patents

Description

本発明は、管外面上を螺旋状に周回するように延在し、一体に成形されているフィンを備えた、請求項１の上位概念に記載の金属製熱交換器管に関するものである。

この種の金属製熱交換器管は、特に、純物質または混合物から成る液体を管外面において蒸発させるために用いる。

蒸発は冷凍技術および空調技術、プロセス工学およびエネルギー工学といった多くの分野で発生する。頻繁に使用される円筒多管式熱交換器の場合、純物質または混合物の液体は管外面上で蒸発し、その際に管内面で塩水または水を冷却する。この種の装置は満液式蒸発器と呼ばれる。

管外面および管内面における熱移動を集中化させることによって蒸発器のサイズをかなり小さくさせることができる。これによりこの種の装置の製造コストが低減する。さらに、必要とする冷媒充填量が少なくなる。冷媒充填量は、今日主に使用される無塩素系安全冷媒の場合、設備コスト全体において無視できないほどのコスト成分を占めることがある。さらに、毒性冷媒または燃焼性冷媒の場合には、充填量が少なくなることによって危険の割合も減少させることができる。今日慣用されている高性能管は、同径の平滑な管よりもすでにほぼ４ファクタ程度効率的である。

技術水準では、このように高性能の管を、一体に圧延したフィン付き管をベースにして製造する。一体に圧延したフィン付き管とは、裸水管の壁材からフィンを成形するようにしたフィン付きの管である。この場合、互いに隣接しあっているフィンの間にある管路を、該管路と周囲との連通部が孔またはスリットの形態で残るように閉鎖させる種々の方法が知られている。特に、実質的に閉鎖されたこの種の管路を、フィンを折り曲げまたは折り返すことによって生成させたもの（特許文献１、特許文献２、特許文献３）、フィンを裂開、鍛造することによって生成させたもの（特許文献４、特許文献５）、フィンを切欠き形成、鍛造することによって生成させたもの（特許文献６、特許文献７、特許文献８）がある。

もっとも高性能の市販の満液式蒸発器用フィン付き管は、管外面に、１インチあたり５５個ないし６０個のフィンのフィン密度を持ったフィン構造を有している（特許文献９、特許文献１０、特許文献１１）。これはほぼ０．４５ｍｍないし０．４０ｍｍのフィンピッチに相当している。原理的には、この種の管の性能を、さらに高いフィン密度またはより小さなフィンピッチによって改善させることが可能である。というのは、これによって気泡核形成部位密度が高くなるからである。フィンピッチをより小さくするには、安定した、より精密な工具が必ず必要である。しかしながら、より精密な工具は破損の危険がより高くなり、磨耗もより迅速になる。現在入手可能な工具は、１インチあたり最大で６０個のフィンのフィン密度を持ったフィン付き管の確実な製造を可能にする。また、フィンピッチを減らすと、管の生産速度が遅くなり、その結果製造コストがより高くなる。

さらに、フィンの間の溝底の領域に補助的な構造要素を取り入れるようにして管外面でのフィン密度を均一にすれば、性能を向上させた蒸発構造を生成させることができることが知られている。溝底の領域でのフィンの温度はフィン先端の領域よりも高いため、この領域で気泡形成を強化するための構造要素は特に効果的である。その例は特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５に見られる。これらの発明に共通なことは、溝底の構造要素がアンダーカット形状を有しておらず、このため構造要素が気泡形成を十分に強化させていないことである。特許文献１６では、フィンの間の溝底に、一次溝に沿って連続的に延在する、アンダーカットされた二次溝を生成させることが提案される。これらの二次溝の横断面はコンスタントであり、或いは、規則的な間隔で変化させることができる。

米国特許第３６９６８６１号明細書 米国特許第５０５４５４８号明細書 米国特許第７１７８３６１Ｂ２号明細書 独国特許第２７５８５２６Ｃ２号明細書 米国特許第４５７７３８１号明細書 米国特許第４６６０６３０号明細書 欧州特許第０７１３０７２Ｂ１号明細書 米国特許第４２１６８２６号明細書 米国特許第５６６９４４１号明細書 米国特許第５６９７４３０号明細書 独国特許第１９７５７５２６Ｃ１号明細書 欧州特許第０２２２１００Ｂ１号明細書 米国特許第５１８６２５２号明細書 特開平０４−０３９５９６Ａ号公報 米国特許出願公開第２００７／０１５１７１５Ａ１号明細書 欧州特許第１２２３４００Ｂ１号明細書

本発明の課題は、管側の熱移動および圧力降下が均一な、管外面上で液体を蒸発させるためのハイパワーの熱交換器管を提供することである。

本発明は、請求項１の構成により記述される。他の従属項は本発明の有利な他の構成に関わる。

本発明は、管外面上を螺旋状に周回するように延在し、一体に成形され、連続して形成されているフィンであって、そのフィン足部が実質的に半径方向へ管壁から突出している前記フィンと、それぞれ互いに隣接しあっているフィンの間にある一次溝とを備えた金属製熱交換器管に関わる。一次溝の溝底の領域には、少なくとも１つのアンダーカットした二次溝が配置されている。この二次溝は、一次溝側で、それぞれ隣接しているフィン足部の材料から成形されて互いに対向しあっている一対の材料突起によって画成されている。これらの材料突起は一次溝に沿って連続的に延在している。二次溝の横断面はフィンの形状に影響することなく規則的なインターバルで変化する。互いに対向しあっている材料突起の間には間隔がある。この場合、前記間隔を規則的なインターバルで変化させ、それによって局所的なキャビティが形成されている。

本発明は、蒸発時の熱移動を向上させるため、気泡沸騰工程を強化することを考慮したことから出発する。気泡の形成は核形成部位で始まる。核形成部位はほとんどの場合小さな気孔または蒸気孔である。成長する気泡が特定のサイズに達すると、気泡は表面から解離する。気泡解離に引き続いて核形成部位に液体が流れ込むと、核形成部位は不活性になる。すなわち表面は、気泡の解離の際に小さな気泡が残り、この小さな気泡が気泡形成の新たなサイクルのための核形成部位として用いられるように構成されねばならない。これは、表面に、開口部を備えたキャビティを設けることによって達成される。開口部は、該開口部の下にある中空空間に比べ先細りになっている。開口部により液体と蒸気の交換が行なわれる。

本発明では、互いに対向しあっている材料突起の間の間隔によって、一次溝と二次溝との間に連通が実現され、その結果一次溝と二次溝との間での液体と蒸気の交換が可能になる。本発明の格別な利点は、互いに対向しあっている材料突起の間の間隔を本発明にしたがって規則的なインターバルで変化させれば、アンダーカットした二次溝の気泡形成に対する作用が特に大きいことにある。これにより液体と蒸気の交換が合目的に制御され、キャビティ内への気泡核形成部位の流れ込みが阻止される。一次溝底の付近にキャビティがあることは、蒸発過程に対し特に好都合である。というのは、溝底において熱過昇温度は最も高くなり、それ故そこでは最大作動温度差が気泡形成のために提供されるからである。

本発明の特に有利な構成では、互いに対向しあっている材料突起の間の前記間隔は規則的なインターバルで値ゼロをとってよい。これにより二次溝は特定の領域において一次溝に対し密閉される。この領域では、対向しあっている材料突起は、材料密着になることなく、互いに接触する。この場合、気泡は一次溝の中央のほうに開口しているキャビティを通じて流出し、液体は有利には側方から二次溝の閉鎖領域付近でキャビティ内へ順次流れ込む。その際、流出する気泡は流入する液状作動媒体によって阻害されず、支障なく一次溝のなかへ拡散することができる。この場合、液体および蒸気のためのそれぞれの流動ゾーンは空間的に切離されている。加えて、二次溝の閉鎖領域にもキャビティ間に小さな管路が残るが、この管路は一次溝への連通部を有していない。にもかかわらずこれらの管路を介して、たとえば互いに隣接しあっているキャビティ間の圧力差を補償することができる。

有利には、互いに対向しあっている材料突起の間の前記間隔が値ゼロをとっている領域において二次溝が実質的に閉じ込められているのがよい。この構成では、二次溝の一部を介してキャビティが互いに連通することはない。

本発明の有利な実施態様では、互いに対向しあっている材料突起の間の最大間隔は０．０３ｍｍないし０．１ｍｍである。さらに、互いに対向しあっている材料突起の間の最大間隔は０．０６ｍｍないし０．０９ｍｍであってよい。

有利な構成では、互いに対向しあっている材料突起の間の前記間隔が値ゼロをとっていない領域の、周方向に測った長さは、０．２ｍｍと０．５ｍｍの間である。これにより、互いに連続しているキャビティとその間にある領域との最適な適合が得られる。

本発明の他の有利な構成では、フィン先端が一次溝を半径方向において覆って部分的に閉鎖させ、よって螺旋状に周回するように延在して部分的に閉鎖された中空空間を形成するように、フィン先端は成形されている。フィン先端は、たとえば、蒸気泡を流出させることができる多孔状凹部を備えた、実質的にＴ字状の横断面を有していてよい。

前記特許文献１６は、本発明による解決手段と組み合わせてさらに有利な好ましい構成を達成するため、全面的に本明細書に取り込むことにする。

図面として示し、実施例で説明したように構成したことで実現した。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
全図において、互いに対応する部材には同じ符号が付してある。

図１は本発明による管部分の外観図である。一体に圧延されたフィン付き管１は、管外面上にねじ線状に周回するように延在しているフィン２を有し、これらのフィン２の間には一次溝６が形成されている。フィン２は管外面上の螺旋に沿って中断なく連続的に延在している。フィン足部３は実質的に管壁５から半径方向へ突出している。本発明によれば、互いに隣接しあっているそれぞれ２つのフィン２の間にある一次溝６内に延在している溝底７の領域に、アンダーカットされた二次溝８が配置されているようなフィン付き管１が提案される。これらの二次溝８は、一次溝６側で、互いに対向しあっている一対の材料突起９であってそれぞれ隣接しているフィン足部３の材料から成形された前記一対の材料突起９によって画成されている。これらの材料突起９は一次溝６に沿って連続的に延在しており、この場合互いに対向しあっている材料突起９の間には、規則的なインターバルで変化する間隔Ｓが形成されている。二次溝８の横断面を変化させてもフィン２の形状は影響を受けない。間隔Ｓの変化に伴って横断面が変化することにより、気泡核の形成を特に促進させるキャビティ１０が局所的に形成される。

互いに対向しあっている材料突起９の間の間隔Ｓにより、一次溝６と二次溝８との間に連通部が形成され、その結果一次溝６と二次溝８との間で液体と蒸気との交換が可能である。材料突起９間の間隔Ｓが小さくなっている領域では、液体が一次溝６から二次溝８へ達するので有利である。液体は二次溝８の内部で蒸発する。材料突起９間の間隔が大きくなっている個所では、すなわちキャビティ１０の領域では、発生した蒸気が二次溝８から流出するので有利である。そこで発生する蒸気泡は、一次溝６内で液体をさらに蒸発させるための核形成部位を形成する。一次溝６内で液体をさらに蒸発させるには、フィン２が管外面上を一次溝６に沿って連続的に延在しているのが有利である。二次溝８の開口幅を目的に応じて変化させることにより、液体の供給と蒸気の流出とを互いに別個の領域で行うようにして、一次溝６と二次溝８との間で液体と蒸気との交換が制御される。たとえば前記特許文献１６にしたがって製造された技術水準の管は、このような有利な特性を有していない。というのは、二次溝８の横断面形状は変化されるが、その開口幅は存在せず、よって液体の供給および蒸気の流出にとってそれぞれ有利な領域は存在していないからである。材料突起９間の間隔が大きくなっている領域での、半径方向における二次溝８の延在距離は、溝底７から測って最大でフィン２の高さＨの１５％である。フィンの高さＨとは、完成したフィン付き管１において、溝底７のもっとも深い個所から完全に成形されたフィン付き管のフィン先端４まで測ったものである。

図２は図１の管部分の正面図である。この部分図では、管外面上をねじ線状に周回しているフィン２は、図面の面になかに入り込むように延在している。フィン２の間には一次溝６が形成されている。フィン足部３は管壁５から実質的に半径方向へ突出している。互いに隣接しあっているそれぞれ２つのフィン２の間にある一次溝６内に延在している溝底７の領域には、アンダーカットされた二次溝８が形成されている。この二次溝８は、一次溝６に対し、互いに対向しあっている材料突起９によって境界付けられている。

これらの材料突起９は、一次溝６に沿って図面の面に対し垂直に（奥行方向に）連続的に延在しており、この場合互いに対向しあっている材料突起９の間には、規則的なインターバルで変化する間隔Ｓが形成されている。間隔Ｓは異なる面で値が異なり、すなわちキャビティ１０の間にある領域では最小値Ｓ_ｍｉｎであり、キャビティ１０の最も高い個所では値Ｓ_ｍａｘである。このような横断面の変化により、気泡核の形成を特に促進させる開口幅を持ったキャビティ１０が局所的に形成されている。

図３は、二次溝８が部分的に閉鎖された本発明による管部分１の外観図である。この場合、二次溝８は規則的なインターバルで一次溝６に対し完全に閉鎖される。これは、特定の領域で材料突起９間の間隔をゼロに減縮させるケースに相当している。この場合、二次溝８は、その間にある領域にだけ、一次溝６に対し開口する開口部を有し、この開口部の内のりは該開口部の縁において減縮している。

図４は図３の管部分の正面図である。材料突起９は一次溝６に沿って図面の面に対し垂直に（奥行方向に）連続的に延在し、互いに対向しあっている材料溝９の間には、規則的なインターバルで変化している間隔Ｓが設けられている。

キャビティの最も高い個所の領域での値Ｓ_ｍａｘは図２に対し変更はないが、Ｓはキャビティ１０の間で最小値Ｓ_ｍｉｎ＝０をとる。この領域では、対向しあってる材料突起９は、材料密着になることなく、互いに接触している。気泡は一次溝６の中央に開口しているキャビティ１０を通じて流出する。液体は開口部の縁からキャビティ内へ順次流入する。二次溝８の閉鎖領域には、キャビティ１０の間に小さな管路が得られる。この小さな管路は一次溝６への連通部を有さない。しかしながら、この管路を介してたとえば互いに隣接しあっているキャビティ１０の間の圧力差を補償することができる。二次溝が閉鎖されていない領域の長さＬは、０．２ｍｍと０．５ｍｍの間であるのが有利である。

図５は、二次溝８がキャビティ１０の間で完全に閉鎖されている本発明による管部分の外観図である。図示したように、材料突起９の間の間隔が値ゼロに減縮されている領域において、材料突起９が二次溝８の底部まで延設され、よって二次溝８がこの領域に閉じ込められているように材料突起９を成形するのが有利であることは明らかである。これにより、その間にある領域において、管周方向に完全に制限的に膨張した局所的なキャビティ１０が、一次溝６の底にアンダーカットした中空空間として生成される。これらのキャビティ１０はきわめて効果的な気泡核形成部位として作用する。というのは、この構造物においては、液体の流動を非常にコントロールすることができ、特に小さな気泡でも排出されないからである。気泡は一次溝６の中央に開口しているキャビティ１０を通じて流出する。液体は開口部の縁からキャビティ内へ順次流入する。二次溝が閉鎖されていない領域の長さＬは、有利には０．２ｍｍと０．５ｍｍの間である。

図６は図５の管部分の正面図である。図示したように、材料突起９の間の間隔が値ゼロに減縮している領域において材料突起９がいかに成形されているかがもう一度明らかになる。材料突起９は二次溝８の底部まで延設されており、これによって二次溝８はこの領域に閉じ込められている。

互いに対向しあっている材料突起９間の間隔Ｓは０ｍｍと０．１ｍｍの間で変化している。この間隔がその最大値Ｓ_ｍａｘをとっている領域において、この値は典型的には０．０３ｍｍと０．１ｍｍの間、有利には０．０６ｍｍと０．０９ｍｍの間である。

一次溝６の溝底７にアンダーカットした二次溝８を形成することに加えて、合目的には、フィン先端が一次溝６を半径方向において部分的に閉鎖させ、したがって部分的に閉鎖された中空空間を形成するように、フィン先端をフィン２の末端領域４として成形するのがよい。一次溝６と周囲との連通は、蒸気泡が一次溝６から流出することができるように、孔１１またはスリットの形態で構成されている。フィン先端４の成形は、技術水準から見て取れるような方法で行なう。この場合、一次溝６自体はアンダーカットした溝である。

本発明によるキャビティ１０と孔１１またはスリットを除いて閉鎖されている一次溝６との組み合わせにより、作動条件の広範囲にわたって液体蒸発時に非常に高い効率を有することを特徴とする構造が得られる。特に、熱流密度または作動温度差が変化しても、この構造の高レベルの伝熱係数はほぼ一定である。

本発明による解決手段は、管外面での伝熱係数を上昇させるような構造化管に関わる。熱抵抗の大部分が内面まで及ばないようにするため、適当な内部構造化によって内面での伝熱係数を同様に増大させることができる。

円筒多管式熱交換器用熱交換器管は、通常、少なくとも１つの構造化領域と、平滑な端部部材と、場合によっては平滑な中間部材とを有している。平滑な端部部材または中間部材は構造化領域を画成している。管を支障なく円筒多管式熱交換器に取り付けることができるようにするには、構造化領域の外径は平滑な端部部材または中間部材の外径よりも小さくなければならない。

本発明による管部分の部分外観図である。 図１の管部分の正面図である。 二次溝が部分的に閉鎖されている本発明による管部分の部分外観図である。 図３の管部分の正面図である。 二次溝がキャビティの間に部分的に閉じ込められている本発明による管部分の部分外観図である。 図５の管部分の正面図である。

１ フィン付き管（金属製熱交換器管）
２ フィン
３ フィン足部
４ フィン先端（フィンの末端領域）
５ 管壁
６ 一次溝
７ 溝底
８ 二次溝
９ 材料突起
１０ キャビティ
１１ 孔
Ｓ 互いに対向しあっている材料突起間の間隔
Ｓ_ｍａｘ 互いに対向しあっている材料突起間の最大間隔
Ｓ_ｍｉｎ 互いに対向しあっている材料突起間の最小間隔
Ｌ 間隔Ｓがゼロではない領域の、周方向の長さ

Claims (3)

1. 管外面上を螺旋状に周回するように延在し、一体に成形され、連続して形成されているフィン（２）であって、そのフィン足部（３）が実質的に半径方向へ管壁（５）から突出している前記フィン（２）と、それぞれ互いに隣接しあっているフィン（２）の間にある一次溝（６）とを備え、一次溝（６）の溝底（７）の領域に少なくとも１つのアンダーカットで形成した二次溝（８）が配置され、この二次溝（８）が、一次溝（６）側で、それぞれ隣接しているフィン足部（３）の材料から成形されて互いに対向しあっている一対の材料突起（９）によって画成され、これらの材料突起（９）が一次溝（６）に沿って連続的に延在し、前記した材料突起（９）の間の間隔（Ｓ）を規則的なインターバルで変化させ、この間隔（Ｓ）の規則的なインターバルによる変化による二次溝（８）の横断面形状がフィン（２）の形状に影響することなく、前記間隔（Ｓ）の変化に伴なう二次溝（８）の横断面形状の変化によって、間隔（Ｓ）が大きくなっている箇所では気泡核の形成を促進させる局所的なキャビティ１０が形成されており、互いに対向しあっている材料突起（９）の間の最大間隔（５ｍａｘ）の寸法が０．０６ｍｍないし０．０９ｍｍである金属製熱交換器管において、前記した互いに対向しあっている材料突起（９）の前記間隔（Ｓ）の寸法が規則的なインターバルで値ゼロをとることとし、前記した互いに対向しあっている材料突起（９）の間の前記間隔の寸法が値ゼロをとっている領域において、材料突起（９）が二次溝（８）の底部まで延設され、二次溝（８）がこの領域に空隙なく閉じ込められる構成とし、管周方向に完全に制限的に膨張した局所的なキャビティ（１０）が、一次溝（６）の底にアンダーカットした中空空間として生成されることを特徴とする金属製熱交換器管。
2. 互いに対向しあっている材料突起（９）の間の前記間隔（Ｓ）の寸法が値ゼロをとっていない領域の、周方向に測った長さ（Ｌ）が、０．２ｍｍと０．５ｍｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の金属製熱交換器管。
3. フィン（２）の先端（４）が一次溝（６）を半径方向において覆って部分的に閉鎖させ、よって螺旋状に周回するように延在して部分的に閉鎖された中空空間を形成するように、フィン（２）の先端（４）が成形されていることを特徴とする請求項１から２までのいずれか１つに記載の金属製熱交換器管。

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