JP5748963B2 - 金属製熱交換器管 - Google Patents

Description

本発明は、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、純粋物質または混合物から成る流体を管外面で凝縮させるために使用される。凝縮は冷凍技術および空調技術の多くの分野並びにプロセス技術およびエネルギー技術の分野で生じる。頻繁に使用されるのは管型熱交換器で、純粋物質または混合物の蒸気を管外面で液化させ、その際に管内面で塩水または水を加熱させるものである。このような装置は管型凝縮機或いは管型液化機と呼ばれる。

管型熱交換器用の熱交換器管は、通常、少なくとも１個の構造化された領域と、平滑な終端部材と、場合によっては平滑な中間部材とを有している。平滑な終端部材または中間部材は構造化された領域を画成している。管を管型熱交換器のなかへ支障なく組み付けることができるようにするには、構造化された領域の外径は平滑な終端部材および中間部材の外径よりも小さくなければならない。今日慣用されている高性能管は、例えばファクターに関して言えば等径の平滑管よりもかなり高性能である。

管外面での凝縮の際の熱伝達を向上させるため、種々の処置が知られている。広く流布しているのは、管の外表面に設けられるフィンである。これによりまず管の表面積が大きくなり、結果的に凝縮が強化される。熱伝達にとっては、フィンが平滑管の壁材から成形されるのが特に有利である。というのは、フィンと管壁との間に最適な接触が生じるからである。成形プロセスにより平滑管の壁材からフィンを形成させたフィン付き管は、一体転造型フィン付き管と呼ばれる。

技術水準によれば、フィン先端に切欠きを形成させることにより管の表面積をさらに拡大させる。切欠きによって、さらに、凝縮プロセスに好影響を与える付加構造が生じる。フィン先端の切欠きの例は、特許文献１および特許文献２から知られている。

今日、液化機用に市販されているフィン付き管は、管外面に、１インチ当たりのフィン密度が３０個ないし４５個のフィン構造を有している。これは約０．８５ないし０．５６ｍｍのフィン分布に相当している。この種のフィン構造は、たとえば特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６から見て取れる。フィン密度の増大による更なる高性能化は、管型熱交換器内に生じるイナンデーション効果により制限をうける。これは、フィン間の間隔が小さくなるにつれて毛細管作用により個々のフィンの中間空間が凝縮物であふれ、フィン間の小さくなっていく管路を通じて凝縮物が流出するのを妨害するものである。

さらに、液化機管の場合、フィン密度が均一であれば、フィン間のフィン側面部の領域に付加的な構造要素を挿入することによって高性能化が得られることが知られている。このような構造は、歯車状の円板によってフィン側面部に成形させることができる。その際に生じる材料突出部は、隣接しているフィンの中間空間のなかへ突出する。このような構造の実施態様は前記特許文献４、特許文献５、特許文献６に見られる。これらの特許文献では、材料突出部は平坦な境界面を備えた構造要素として示される。平坦な境界面は、平坦な面に形成された凝縮物が該凝縮物を境界面から離間させるような、表面張力によって誘起される力を蒙らないので、不具合である。したがって、熱伝達を持続的に阻害させる望ましくない液膜が形成される。

米国特許第３３２６２８３号明細書 米国特許第４６６０６３０号明細書 独国特許第４４０４３５７Ｃ２号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１９６７７６Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１３１３９６Ａ１号明細書 中華人民共和国特許出願公開第１０１００４３３７Ａ号明細書

本発明の課題は、管外面で流体を凝縮させるための高性能熱交換器管を、管側の熱伝達および圧力降下を同じくして且つ製造コストを同じくして改良することである。この場合、管の機械的安定性に悪影響を及ぼさないようにすべきである。

本発明は請求項１の構成を特徴としている。他の従属項は本発明の有利な構成に関わる。

本発明は、管壁と、管外面に周回するように延在し、一体に成形されたフィンとを備え、該フィンがフィン足部とフィン側面部とフィン先端部とを有し、前記フィン足部が前記管壁から実質的に半径方向へ突出し、前記フィン側面部が該フィン側面部の側部に配置される材料突出部として形成された補助的な構造要素を備え、前記材料突出部が複数個の境界面を有している金属製熱交換器管に関わる。本発明によれば、少なくとも１つの前記材料突出部の前記複数個の境界面のうち少なくとも１つの境界面は凸状に湾曲している。

本発明は、管外面での熱伝達係数を向上させた、構造化された管に関するものである。これにより伝熱抵抗物の主要成分が頻繁に内面へ移動するので、通常は内面での熱伝達係数も同様に向上させねばならない。管内面での熱伝達を向上させると、通常は管側の圧力降下が増大する。

この場合、本発明は、一体転造型フィン付き管は管壁と管外面にねじ線状に周回するように延在するフィンとを有しているという考察から出発している。フィンは、フィン足部と、フィン先端部と、両側のフィン側面部とを有している。フィン足部は管壁から実質的に半径方向へ突出している。フィンの高さは管壁からフィン先端部までを測ったものであり、好ましくは０．５ｍｍと１．５ｍｍの間である。フィンの輪郭は、フィン足部の領域と該フィン足部に接続しているフィン側面部の領域とで半径方向に凹状に湾曲している。フィン先端部と該フィン先端部に接続しているフィン側面部の領域とでフィンの輪郭は半径方向に凸状に湾曲している。フィンの高さの略半分の位置で凸状湾曲部が凹状湾曲部へ移行している。凸状湾曲部の領域では、発生した凝縮物が表面張力のために引き剥がされる。凝縮物は凹状湾曲部の領域に集積し、そこで滴を形成する。

フィン側面部の側部には、本発明によれば、付加的な構造要素が材料突出部の形態で形成されている。これらの材料突出部は、工具を用いて材料を切屑のようにすくい取って移動させることにより、上部フィン側面部の材料から成形させる。しかしフィン側面部から切離さない。材料突出部はフィンと固着させたままである。結合部位には、フィン側面部と材料突出部との間に凹状エッジが生じる。材料突出部は、フィン側面部から２個のフィンの間の中間空間のなかへ実質的に軸線方向に延在している。材料突出部は特にフィンの高さの略半分の位置に配置されていてよい。材料突出部により管の表面積が拡大する。

隣接するフィンの対向している材料突出部は接触すべきではない。それ故、通常の場合、材料突出部の軸線方向延在距離は、２個のフィンの間にある中間空間の幅の略半分よりも小さい。たとえば、冷媒Ｒ１３４ａまたはＲ１２３のための液化機管の場合、２個のフィンの間にある中間空間の幅は約０．４ｍｍであり、これにより結果的に材料突出部の軸線方向延在距離は０．２ｍｍよりも短くなる。

材料突出部は、本発明によれば、少なくとも１つの凸状に湾曲した面によって画成されている。凸状形状により、付加的な構造要素の作用が改善される。凝縮物は表面張力のために凸状に湾曲した面から離間して、材料突出部とフィン側面部との間の取り付け部位の凹状エッジのほうへ引張られる。それ故、凸状に湾曲した材料突出部の境界面での凝縮物膜が薄くなり、熱抵抗が小さくなる。材料突出部はフィン側面部の領域の辺りに配置され、この領域においてフィンの凸状に湾曲した輪郭は凹状に湾曲した輪郭へ移行する。フィンの上部領域の凝縮物と材料突出部の凝縮物とは前記取り付け部位において衝突し、フィンの凹状に湾曲した部分で滴を形成する。前記特許文献５と特許文献４に示されている、フィン側面部の側部に取り付けられた付加構造物は、このような有利な特性を有しない、平坦な面を備えた要素である。

格別な利点は、管外面での好ましい熱伝達と関連して管内面での熱伝達を強化することにより、液化機のサイズを著しく縮小させることができる点にある。これによりこの種の装置の製造コストが低減する。この場合、本発明による解決手段により、管の機械的安定性も圧力降下も悪影響を受けない。さらに、冷媒の必要充填量が減る。今日主に使用されている、塩素を含んでいない安全冷媒の場合、冷媒の必要充填量は設備コスト全体のなかで無視できないほどのコスト負担といえる。通常では特殊なケースでしか使用されない毒性冷媒または可燃性冷媒の場合、充填量が減ることによって危険ポテンシャルをさらに低減させることができる。

本発明の有利な構成では、凸状境界面の局部的曲率半径は、フィン側面部からの距離が増すにつれて小さくなっていてよい。局部的曲率半径は凸状境界面のどの点でも曲率円の半径として定義することができる。その際に曲率円はフィン側面部に対し垂直に指向している面内にある。任意に成形した境界面の場合、この局部的曲率半径は変化する。もしこのような面が液膜で覆われていると、表面張力および変化する曲率半径のために液膜内に圧力勾配が発生する。この圧力勾配は、曲率半径がより小さな領域から液体を引張って離間させ、曲率半径がより大きな領域のほうへ引張る。材料突出部の特に有利な実施態様は、該材料突出部の境界面の局部的曲率半径が、フィン側面部からの距離が増すにつれて小さくなる場合である。このとき凝縮物は、フィン側面部から離れている材料突出部の領域から特に効率的に引張られて離間し、フィンのほうへ搬送される。

有利には、凸状に湾曲した境界面は、１つの材料突出部の管壁とは逆の側の境界面であってよい。このとき、凝縮されるべき蒸気は支障なくこの面に向かって流れる。

本発明の有利な構成では、境界面はフィン側面部に対し平行な面内でも凸状に湾曲していてよく、この場合フィン側面部に対し垂直な面内での凸状境界面の曲率は、フィン側面部に対し平行な面内での凸状境界面の曲率よりも大きい。これにより、材料突出部の先端からフィンへの横方向での凝縮物の搬送がさらに好ましくなる。

凸状境界面の平均曲率半径と呼ばれる、仮想円の半径は、３個の点での測定によって特定することができる。特に有利な実施態様では、断面にて管周方向に対し垂直に位置し且つ複数個の前記点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３によって定義されるこの仮想円の半径は、１ｍｍよりも小さくてよい。Ｐ１は材料突出部の凸状境界面をフィン側面部に取り付けた点であり、Ｐ３は材料突出部の凸状境界面がフィン側面部から最も遠く離れている点であり、Ｐ２は材料突出部の凸状境界面の輪郭線上にあるＰ１とＰ３の間の中間点である。もしこの曲率半径が１ｍｍよりも大きければ、通常使用される物質（たとえば冷媒または炭化水素）で生じる表面張力は、凝縮物の搬送に決定的に影響させるには、重力に比べて十分大きなものではない。

有利には、材料突出部の凸状境界面は、その先端の領域で、フィン側面部から最も遠く離れた前記点Ｐ３から凸状に湾曲して突出している。このケースでは、材料突出部の先端は略スパイラル状に湾曲している。これにより、同じフィン間隔でフィン間に提供される中間空間内に凝縮用の他の表面が得られる。

本発明の有利な実施態様では、フィン側面部に配置されている材料突出部は周方向において互いに間隔をもっていてよい。これにより、凝縮が行われる付加的なエッジが生じる。さらに、２個の材料突出部の間の領域内でフィン側面部に集積する凝縮物をフィン足部のほうへ排流させることができる。

本発明の他の有利な実施態様では、フィン側面部に配置されている材料突出部は、周方向において、少なくともその幅の分だけ間隔をおいて等間隔に設けられている。これにより、フィン側面部に集積する凝縮物用の中間空間は、搬出を保証するうえで十分なものが提供される。

本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。

材料突出部を備えた熱交換器管のフィン部分の部分斜視図である。 凸状に湾曲した境界面を備える、図１に図示した材料突出部の詳細図である。 凸状に湾曲した２個の境界面を備える材料突出部の他の詳細図である。 二重に凸状に湾曲した境界面を備える材料突出部の他の詳細図である。 フィン側面部から最も遠く離れた点から突出している延設部を備えた材料突出部の他の詳細図である。 熱交換器管の一部分の外面の部分斜視図である。 熱交換器管の一部分の内面の部分斜視図である。 熱交換器管の一部分の横断面図である。

図として示し、実施例で説明したように構成したことで実現した。

全図において、互いに対応する部材には同一の参照符号を付した。図１は、３個の材料突出部４を備えた熱交換器管１のフィン部分の部分斜視図である。管外面２１のうち、周回するように延在している一体成形されたフィン３の一部のみが図示されている。フィン３は、ここには図示していない管壁に取り付けられるフィン足部３１と、フィン側面部３２と、フィン先端部３３とを有している。フィン３は実質的に管壁から半径方向へ突出している。フィン側面部３２は、該フィン側面部３２の側部に取り付けられている材料突出部４として形成された補助的な構造要素を備えている。これらの材料突出部４は複数個の境界面４１と４２を有している。図示した実施形態では、材料突出部４の図示した３個の境界面４２が管壁とは逆の側で凸状に湾曲している。しかし、基本的には、本発明によれば、どの材料突出部４においても、他の境界面４２または同じ複数個の境界面４２が凸状湾曲部を備えていてもよい。残りの凸状でない境界面４１は、平坦に構成するか、或いは、凹状に構成されていてよい。一体に加工される材料突出部４は、第１に、フィン側面部３２から加工されたものである。その際、熱交換器管１を製造する際の材料転位により繰り抜き部３４が生じる。

図２は、凸状に湾曲した境界面４２を備えた１個の材料突出部４の詳細図である。この場合、残りの凸状でない境界面４１は平坦に延在している。気相から沈殿する凝縮物は、表面張力のために凸状表面の領域において搬出され、これによって凝縮物は凹状湾曲部の領域にまたは平坦な表面領域にも集中的に集積する。

仮想円Ｋの凸状境界面４２の平均曲率半径ＲＭは３個の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３によって定義されている。この曲率半径ＲＭは、凸状表面の突出量を表わす特性量として考慮することができる。Ｐ１は材料突出部４の凸状境界面４２がフィン側面部に境を接している点であり、Ｐ３は材料突出部４の凸状境界面４２がフィン側面部から最も遠く離れている点であり、Ｐ２は材料突出部４の凸状境界面４２の輪郭線上でのＰ１とＰ３との間の中間点である。フィンを一体的に転造させた本発明による熱交換器管の通常の構造サイズの場合、平均曲率半径ＲＭは典型的には１ミリメートル未満の範囲である。

図３は、互いに対向しあっている２個の凸状に湾曲した境界面を備える材料突出部４の他の詳細図である。この幾何学的構成により、材料突出部４の先端を基点として凝縮物はフィン側面部へ特に効率的に搬送される。基本的には、最も効率的な実施形態に対しては、すべての境界面４２が側面４１をも含めて凸状湾曲部を有していてもよい。しかしながら、この種の実施形態は、一体のフィン形状およびその材料突出部４の構造化の過程でプロセス技術的に高度な要求を伴う。

他の有利な実施形態として、図４に他の詳細図で示した、二重に凸状に湾曲した境界面４２と平坦な側面４１とを備えた材料突出部４を実現させることもできる。この場合、フィン側面部に対し垂直な面内での凸状境界面の曲率は、フィン側面部に対し平行な面内での凸状境界面４２の曲率よりも大きい。このように湾曲した表面は、凝縮物をフィン側面部のほうへ排流させる補助的な用を成す。

図５は他の実施形態を例示するもので、平坦な側面４１と、フィン側面部から最も遠く離れた点Ｐ３から突出している延設部とを備えた材料突出部４の詳細図である。このケースでは、材料突出部４の先端ＳＰはフィン足部のほうへスパイラル状に巻いてある。これにより提供されるフィン間の中間空間内に凝縮物用の他の表面が得られる。この場合も、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３によって仮想円Ｋの凸状境界面４２の平均曲率半径ＲＭが設定される。

図６は熱交換器管１の一部分の外面の部分斜視図である。これに対し、図７は熱交換器管の一部分の内面を見た他の部分斜視図である。管外面２１には、一体に成形され、管軸線Ａのまわりに周回するように延在しているいくつかのフィン３が図示されている。フィン３は管壁２から半径方向へ突出し、フィン足部３１を介して管壁２と結合されている。フィン側面部３２には、該フィン側面部３２の側部に取り付けられた材料突出部４が形成されている。材料突出部４の複数個の境界面のうち、管壁２とは逆の側の境界面４２が凸状に形成されている。残りの凸状でない境界面４１は、図６の実施形態では平坦である。図７では、側部の境界面４１が平坦であり、管内部のほうへ指向している境界面４１は凹状に成形されている。一体に加工された材料突出部４の材料は、第１に、フィン側面部３２から加工されたものであり、一部のみフィン先端部３３の領域から加工されており、これによって繰り抜き部３４が形成されている。フィン側面部３２に配置されている材料突出部４は、周方向Ｕにおいておよそその幅の分だけ等間隔で配置されている。隣接するフィン３の、対向している材料突出部は、接触していない。というのは、材料突出部４の軸線方向の延在距離は、２個のフィン３の間にある中間空間の幅の半分よりも小さく選定されているからである。管内面２２には、スパイラル状に周回して延在する内側フィン５が配置され、該内側フィン５は熱交換器管１の内部にある流体への熱伝導を平滑管に比べて増大させる。

図８は熱交換器管１の一部分の横断面図である。管内面２２には、スパイラル状に周回して延在する内側フィン５がある。管外面２１のフィン３はフィン足部３１を基点として管壁２上に垂直に規則的に配置され、フィン先端部３３はいくぶん面取りされている。フィン側面部３２に取り付けられている材料突出部の４の管壁２とは逆の側の境界面４２は、凸状に形成され、管内部２２のほうへ指向している境界面４１は凹状である。隣接するフィン３の対向している材料突出部はこの場合も接触していない。これにより、集積する凝縮物を搬出させるための空間が十分に提供される。

１ 熱交換器管
２ 管壁
２１ 管外面
２２ 管内面
３ 管外面のフィン
３１ フィン足部
３２ フィン側面部
３３ フィン先端部
３４ 繰り抜き部
４ 材料突出部
４１ 境界面
４２ 凸状境界面
５ 管内面のフィン
ＳＰ 材料突出部の先端
Ｕ 管周方向
Ａ 管軸線
ＲＭ 平均曲率半径
Ｋ 円
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 凸状境界面上の点

Claims (3)

1. 管壁（２）と、管外面（２１）に周回するように延在し、一体に成形されたフィン（３）とを備え、該フィン（３）がフィン足部（３１）とフィン側面部（３２）とフィン先端部（３３）とを有し、前記フィン足部（３１）が前記管壁（２）から実質的に半径方向へ突出し、前記フィン側面部（３２）が該フィン側面部（３２）の側部に配置される材料突出部（４）として形成された補助的な構造要素を備え、前記材料突出部（４）が複数個の境界面（４１，４２）を有している金属製熱交換器管（１）であり、
   少なくとも１つの前記材料突出部（４）の前記複数個の境界面のうち少なくとも１つの境界面（４２）が凸状に湾曲しており、凸状の前記境界面（４２）の局部的な曲率半径が、前記フィン側面部からの距離が増すにつれて縮小しており、凸状に湾曲している前記境界面（４２）が、１つの前記材料突出部（４）の、前記管壁（２）とは逆の側の境界面であり、前記フィン側面部（３２）に配置されている前記材料突出部（４）が周方向（Ｕ）において互いに間隔をもっている金属製熱交換器管（１）であって、断面にて管周方向（Ｕ）に対し垂直に位置し且つ複数個の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３によって定義される仮想円（Ｋ）の半径（ＲＭ）が１ｍｍよりも小さく、Ｐ１は前記材料突出部（４）の凸状の前記境界面（４２）を前記フィン側面部（３２）に取り付けた点であり、Ｐ３は前記材料突出部（４）の凸状の前記境界面（４２）が前記フィン側面部（３２）から最も遠く離れている点であり、Ｐ２は前記材料突出部（４）の凸状の境界面（４２）の輪郭線上にあるＰ１とＰ３の間の中間点である金属製熱交換器管（１）において、前記材料突出部（４）の凸状の前記境界面（４２）が、その先端（ＳＰ）の領域で、前記フィン側面部（３２）から最も遠く離れた前記点Ｐ３から凸状に湾曲して突出し、先端（ＳＰ）がフィン足部（３１）の方へ巻いてあることを特徴とする金属製熱交換器管（１）。
2. 前記フィン側面部（３２）に配置されている前記材料突出部（４）が、周方向（Ｕ）において、少なくともその幅の分だけ間隔をおいて等間隔に設けられてい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（１）。
3. 前記材料突出部（４）はフィン側面部（３２）から加工されており、フィン側面部（３２）には繰り抜き部（３４）が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の金属製熱交換器管（１）。

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