JPS60228897A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱交換器において熱伝達を高めるための装置お
よび方法に関１−１さらに特定的には、熱交換器のシェ
ルの内側の導管に極めて低い高さのフィン全使用するこ
とに関するものであり、前記フィンは二相冷媒の存在の
下で使用する場合に熱伝達を高める作用をする。本発明
は種々の熱交換用に応用されるが、特にベース負荷天然
ガス液化プラントのコイル状に巻かれた熱交換器に使用
嘔れるようになっている。

熱交換効率を高めることは多くの工業用プロセスに対し
て探求される目標であった。熱交換効率を高めることは
特に天然ガスの液化分野において魅力のあることである
。天然ｆメは殆どの油田の産出作業から副産物として産
出される安他な燃料資源である。天然ガスの液化は遠隔
の産出現場からこのような燃料を必要とする地域まで輸
送するために必要である。液化は多量の高価なエネルギ
ーを消費するグロセスである。

単位量の天然ガスヲ液化するコス）ｋ低減するために、
天然ガスの回収および液化は天然ガスの比較的に高い産
出割合が得られる場合のみに行われる。その結果、ペー
ス負荷天然ガス液化プラントは非常に大きくなる傾向が
あり、そしてこのような液化プラントに付随するコイル
状に巻かれた熱交換器もまた大きくなり、製造現場から
使用現場捷で輸送するためのサイズの制限により拘束さ
れるだけである。

この型式の熱交換装置ならびにその他の型式の熱交換装
置においては、純粋な化合物または化合物の混合物から
なる液相の冷媒が熱交換器の囲壁またはシェルの内側お
よび温度全降下させようとする物質（天然ガス）が通さ
れる一連の導管の外側で蒸発せしめられる。導管の壁部
と冷媒との温度差は通常核において発生する沸騰を支え
るためには小さ過ぎるが、冷媒蒸気が熱交換器のシェル
の内側に形成されかつシェルの内部の導管を流れる液膜
の液相と気相との界面において発生する。この熱伝達プ
ロセスは対流気化と呼ばれている。

種々の当業者が導管の内部上流れる流体とかかる導管の
外面に沿って流れる流体との間の熱交換を高める試み全
行ってきた。米国特許第６．２１４７９９号明細書には
、導管の外面上の水蒸気の凝縮を高める方法が開示され
ており、第４図に示したようなリプのついた構造につい
て記載されている。この米国特許は対流気化よりもむし
ろ凝縮のための水蒸気−水系に関するものである。

米国特許第３，３８４，１５４号明細書には、第６図に
示したような熱交換用導管のフィンを備えた外面上で凝
縮が起こる熱交換系が示されている。

多孔性の構造を有する核において発生する沸騰面が導管
の内面に形成されている。液膜に対する表面張力の作用
が１０欄の第４６〜６１行に記載されておりかつ第５図
に例示されている。この説明は凝縮に限定されており、
対流気化に触れていない。

米国特許第３，４５５，３７６号明細書においては、リ
プが取りつけられた面を有する熱交換面が開示されてお
り、熱交換面に沿って気化が起こり、その後蒸気がリプ
付き面の外側に存在する液相と接触したときに凝縮する
ようになっている。

この米国特許は温度を降下させようとする流体上内部に
有する導管とは直接に関係していない。

米国特許第５．５８７．７３０号明細書には、多孔性の
層が熱交換面に毛管のサイズの細孔全形成するように一
緒に結合された熱伝導性粒子金偏えている熱交換面にお
いて熱交換器の壁部に結合された多孔性の層を有する熱
交換器が開示されている。この米国特許の特許請求の範
囲は波形面形状を有するプレート−フィン型熱交換器の
構造に関するものである。

米国特許第３，７７９，３１２号明細書には、導管の内
面に特定の波形形状を有する熱交換用導管が記載式れて
いる。この装置は水蒸気を凝縮させるように設計されて
おり、チューブの中に単−相の流体が流れるようになっ
ている。この特許の教旨は熱交換導管の外部に通される
二相系と異なっている。

米国特許第４，１１８，９４４号明細書には、熱交換チ
ューブと一体に形成された内側フィン全使用した構造が
開示されており、フィンを備えた表面に対向したチュー
ブの内側の冷媒が気化されるようになっている。この特
定の構造に苅しては、寸法形状が示されていない。

米国特許第４，２１１，２７６号明細書には、熱交換中
にフィン上に生じた凝縮液の排出を高めるためにフィン
の表面の粗面化が所望されるフィンチューブ型熱交換器
が記載されている。また、この米国特許は凝縮に関する
ものであり対流気化には関係していない。フィンの寸法
または形状はこの特許に必要な粗面化に関する説明を除
いて記載されていない。

米国特許第４，２１６，８１９号明細書には、凝縮のた
めの熱交換面を増大するために基体に結合されたランダ
ムに配向された金属本体の単一層を使用した構造が開示
されている。表面張力特性は記載された熱交換面全使用
することにより凝縮の増大を行う活発な現象として記載
されている。

米国特許第４，２３２，７２８号明細書には、ランダム
に配向された金属本体の層全内壁部に結合することによ
りチューブの内側の単−相または凝縮熱伝達係数を高め
るための構造が記載されている。チューブの内径に対す
る本体の相対高さの基準および結合層の空隙率の基準が
与えられている。この特許は二相系における対流気化の
問題を提起していない。

米国再発行特許第３００７７号明細書には、核において
発生する沸騰を高めるための伝熱面が記載芒れており、
熱交換面が微視的な密度でみそを有し、そしてこれらの
みそはその後変形せしめられて制限された開口部を形成
する。制限された開口部は伝熱面の効率の鍵である。核
において発生する沸騰に使用されるこの形状大きさに関
する教旨は対流気化における本発明の作用とは異なって
いる。

溝が形成された面またはフィン付面上の液体の物理的な
動力学的なノ々ラメータの理解に関する種々の文献、論
文が発表されている。このような開示文献の例としては
、１９８０年に発行された「数値的な熱伝達」と題する
刊行物の第３巻の６５７頁ないし３７１頁に掲載された
シー・ビー・パンシャル氏およびケー・ジエイ・ペル代
著の［溝を有する垂直面上のナラセル）　（ＮＴＪＳ８
ＥＬＴ）型凝縮の分析」と題する論文である。このよう
な研究もまた凝縮に関するものであり対流気化には関係
していない。

本発明は也々の幾何学的寸法ならひに熱交換に使用され
る冷媒の物理的性質によって制御される極めて低い高さ
のフィンの形状を形成することにより従来の熱交換技術
における制限全克服するものである。これらの寸法およ
び物理的性質を独特な関係で使用することにより予期し
ていない程に醜い伝熱効率を有するフィンの形状が得ら
れる。このような伝熱効率の向上により、熱交換器のサ
イズを減少することができあるいは熱交換器全熱交換能
力が高められたサイズに維持することができる。このよ
うな結果は一般に熱交換に有利であり、しかも熱交換器
のサイズが現在はぼ最大に近くかつ経済面からより大き
い熱交換器全般けることさえも所望されるようなペース
負荷天然ガス液化の特定の用途に特に有利である。本発
明は比較的により小さいサイズの熱交換器における熱交
換能力音高めることができる。

本発明は前音除去しようとする流体を熱交換器に通すた
めの少くとも１個の導管を有し、このような導管を囲繞
するシェルが前記導管との間に冷媒スペースを規制して
いる熱交換器に関する。この導管は二相冷媒が導管上を
流れるように整列せしめられている。この導ｗは該導管
の外面から外方に固定された極めて低い高さのフィンを
備えており、フィンの高さくＨ）、フィンの峰の幅（Ｗ
）およびフィンの隙間の幅（Ｗ）が冷媒の密度および表
面張力に対して下記の関係で選択される。

本発明は、特に、複数個のコイル状に巻かれた管状導管
を有し、二相冷媒を前記導管の軸線に対して実質的に垂
直に流すことができるようになった熱交換器でろって、
極めて低い高さのフィンが前記導管の外面から半径方向
に横方向にまたは螺旋形に外向きに固定されている熱交
換器に関するものである。このような熱交換器は天然ガ
スがフィン付導管の内側を通過する場合の天然ガスの冷
却および液化に特に好適である。

本発明はまた流体のための少くとも１個の管状導管と、
前記導管を囲繞して二相冷媒のためのスペースを規制す
るシェルとを有する熱交換器中の流体の熱交換金行う方
法に関する。冷媒は導管の外面に沿って流れて導管を通
過する流体から熱を除去する。冷媒を導管の外面に固定
された極めて低い高さのフィンに沿って流すことによっ
て熱交換プロセス中に熱伝達のレベルが高められる。導
管の外面のフィンの高さく）１）、フィンの峰の幅（Ｗ
）およびフィンの隙間の幅（Ｗ）は冷媒の密度および表
面張力に対して下記の関係に選択される。

本発明のプロセスは冷媒が前記導管の軸線に対して全般
的に垂直な方向に前記導管の外面會越えて流れかつ冷媒
が前記導管の外面に半径方向に横方向にまたは螺旋形に
固定された極めて低い高さのフィンに沿って流れる方法
に関する。

本発明は、さらに特定的に述べると、前述した方法にお
ける天然ガスを液化するプロセスに関する。

本発明は熱交換器のチューブの外面から多少共生径方向
に外向きに延びるように固定された極めて低い高さのフ
ィンを備えている点において改良された熱交換器のチュ
ーブの内側に流れる流体を冷却しまたは凝縮する改良芒
れた装置である。前記液体から除去された熱は極めて低
い高さのフィンを備えたチューブを横切って流れかつ気
化する液状冷媒に伝達される。シェル側の熱伝達を高め
る範囲は著しく大きく、そしてシェル側の伝熱面積の増
大に基づいて予期された最大値すらをも超える程予想外
に大きい。

フィンが非常に小さいので、シェルの軸線に沿った単位
長あたりのシェル側の圧力降下の増大が殆どないかまた
は全くない状態で熱伝達の改良が得られる。

極めて低い萬さのフィンを備えたチューブはフィンの高
さが非常に低くかつフィンの密度（単位長あたりのフィ
ンの数）が極めて烏いために液体を気化させるために効
果的であるという点で従来の技術において提案されてき
たチューブとは異なっている。これらのフィンが比較的
に小さい寸法に形成されているために、得られる表面張
力が湿潤したフィン付チューブ上の液膜の内部の粘性の
尚いｌ力に関して非常に大きくなる。この表面張力によ
り、フィンの側に、特にフィンの峰の近くで極めて薄い
液体の被膜が維持され、その結果、この領域において非
常に高い局部的な熱伝達係数が得られる。

最も効果的なフィンはチューブのほぼ半径方向に横方向
に配置されかつチューブの母材金属と一体に形成するか
または半田うけ、溶接または緊張巻付けのようなその他
の方法により取り付けることができる。試験の結果、台
形、長方形または本質的に三角形の横断面會有するフィ
ンは種々の範囲に効果的であると判明した。フィンのそ
の他の関連した形状も同様に効果的であることが判明し
た。これらのフィンはフィンの峰またはフィンのルート
径におけるフィンの間で平坦な部分を有することができ
、前記平坦な部分はチューブの軸線に対して大体に於い
て平行になっている。フィンの峰およびフィンの間の谷
底部もまた平坦に形成するよりもむしろ丸く形成するこ
とができる。これらのフィンは従来のフィン付チューブ
金製造するためにこの技術分野において開発されかつ利
用されているいくつかの技術のうちのいずれ音用いても
製造することができる。通常、このようなフィンは、便
宜上、チューブのまわりに螺旋形に配置されかつ１個ま
たはそれ以上の別個の螺旋形要素から構成することがで
きる。本発明全実施する際に′Ｎ要であるフィンの寸法
は、フィンの高さくＨ）、フィンの峰の有効幅（Ｗ）お
よび隣接したフィンの峰（Ｗ）の間の隙間の幅である。

以下に記載するように、本発明全実施する際これらのフ
ィンのノ々ラメータに数値を設定する場合に冷媒の物理
的性質を考慮することが必要である。

はぼ半径方向に横方向に配置きれたフィンに対しては、
下向きの流れの気化（二相流）状態の下でシェル側の熱
伝達が著しくかつ予想外に高まることが判明した。この
熱伝達の増大は表面積のみの増大に基づいて期待できる
熱伝達よりも数倍大きくなる。同一状態の下で、長手方
向に配置されたフィンは半径方向に横方向に配置された
フィンよりも効果的でないことが判明したが、それにも
かかわらず、依然として、従来技術の裸チューブよりも
可成り効果的である。シェル側の均一な二相流分布を保
証するために、コイル状に巻かれた熱交換器の軸線は垂
直に配置されなければならない。これらのチューブは熱
交換器の一方の端部から他方の端部に向かって層全なし
て螺旋形に巻かれている。チューブの巻きの角度は該チ
ューブを実質的に水平であると考えられる程小さい。長
手方向にフィンが取りつけられたチューブの性能の劣化
は、おそらくは、チューブが水平または水平に近い状態
に配置されたときに液膜の送入または排酊するための劣
った特性により惹き起こされる。長手方向のフィンはチ
ューブの上側部分のフィンの間の谷部におけるフラッデ
ィング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ　）　ｔ−惹き起こしてその
部分の熱伝達が効果的でなくなり、そして同時にチュー
ブの下側部分への液体の供給全妨害して熱伝達が低下す
る。半径方向に横方向に配置されるかまたは螺旋形に配
置されたフィンはチューブのまわりの過剰の液体の排出
を容易にしてそれ罠よりはるかに良好な伝達性能が得ら
れる。フィンが螺旋形に取りつけられたチューブはおそ
らくは実用上最良である。半径方向に横方向に取りつけ
られたフィンに近い螺旋形のフィンが好丑しい。

本発明の極めて低い高さのフィンを備えたチューブの管
束における二相圧力降下測定によれば、管束の単位長お
たりの圧力降下が殆どないかまたは全くない状態で熱伝
達の増大が得られる。これはフィンが小さくそして流体
が管束？横切って流れる場合に生ずる圧力降下の大きい
成分が形状抵抗に起因しており摩擦抵抗に起因していな
いからである。形状抵抗は角度の鈍い物体のまわりの流
れの抵抗であり、チューブがフィンを備えていようと裸
であろうと全問わず存在するものである。そのうえ、熱
伝達の増大により所定の熱量に対して熱交換用管束の長
さを短くすることができ、その結果管束を横切るシェル
側の全圧力降下を減少させることができる。その結果、
冷媒圧縮機の設備投資および運転費の双方全かなり節減
することができる。

第１図は螺旋形に配置された極めて低い高さの台形のフ
ィン金偏えたチューブの軸線ｔｔむ長手方向の横断面の
フィンが取りつけられた外側部分を示している。第１図
に略図で例示した表面は本発明の発明者により準備され
かつ試験された実際の試験サンプル（サンプルＲ２で示
した）の表面である。このサンプルは６個のホイールケ
備えたローラ・ヘッドダイスにより製造されたものであ
る。ローラ・ヘッドダイスによりチューブのまわりに′
５．５°の小さい巻き角を有する３個の連続して並んだ
螺旋形のフィンが形成されている。また、第１図には、
（長方形、三角形およびその他の関連した形状のフィン
にも同様に適用される）フィンの幾何学的形状のノ（ラ
メ〜りおよびフィン上の冷媒の液体−蒸気のメニスカス
の適当な形状またはプロフィルを例示しである。勿論、
メニスカスの実際のプロフィルは時間の経過と共に変化
する二相流の性質および上方のチューブから落下する液
滴の衝突作用ならびにチューブに付着した液滴または液
相よりも高い速度で熱交換器中を移動する冷媒の気相に
よりチューブから剪断されだ液滴の作用のために常に変
動している。しかし、以下に述べる分析の目的のために
、第１図に示したメニスカスのプロフィルは妥当な平均
の役割をする。

下記の記号はフィンの幾何学的形状の７４ラメータおよ
び本発明を実施する場合に１要なその他のパラメータの
定義ｔｌ−表わしている。

ｔ）＝フィンの谷径におけるフィンの幅３０ｂ＝フィン
の谷径における扁平部分または隙間の幅 り。＝チューブの外径 ＦＤ　＝フィンの方向に直角の方向に沿ってチューブの
外径り。において測定された単位長あたりのフィンの密
度すなわちフ ィンの数。半径方向に横方向に配置さ れたフィンおよびチューブのまわりに 小さい巻き角を有する螺旋形に配置さ れたフィンに対しては、ＦＤはチューブの軸線に平行な
方向に訓定芒れ、長平 方向に配置されたフィンに対しては、 ＦＤＦｉチューブの円周方向に測定される。

ｇ＝通常の重力の加速度：　３２．１７　ｆｔ／ｓｅｅ
２１０ｇｃ：ニュートンの法則による換算係数二３２．
１７　ｆｆｔ−４ｂ／１ｂｌ−ｓｅｅ２Ｈ＝フィンの高
さ Ｗ−チューブの外径り。におけるフィンの峰の有効幅 Ｗ＝チューブの外径り。における隣接したフィンの峰の
間の隙間の幅 α−フィンの横断面の底角：長方形のフィンに対しては
α＝９ｏ０ ２０β＝チユーブのまわりのフィンのつる巻傾斜角：真
に半径方向に横方向に形成さ れたフィンに対してはβ＝００、長方形のフィンに対し
てはβ＝９００ ρ、＝液相冷媒の密度、例えはｔｂＪｆｔで表わす。

ρ、＝気相冷媒の密度、例えはＬｂＩ］１／ｆｔ　で表
わす。

σ＝冷媒液の表面張力、例えばｔｂｆ／ｆｔ’ｔたはｄ
ｙｎｅｈｒＬで表わす。

関連した操作限度はフィン自体に付随した限度である。

上記のフィンの寸法Ｈ，ｗおよびＷが重要である。もし
もフィンの高さが高過ぎると、必ずしも同じフィンの高
さで起こるとは限らないが、下記の問題が起こる。

フィンに沿った熱伝導通路が長くなり、そしてフィンの
伝熱効率がフィン付チューブの効果全低下せしめる程度
にまで低下する。

形状抵抗に比して摩擦抵抗が増大するためにフィン付チ
ューブにおける圧力降下が増大する。

二相の下向きに流れる気化状態の下で予想外に大きい熱
伝達の増大の原因である表面張力機構はフィンの高さが
大き過ぎると効果的でなく　ｙ　＆、この場合には、表
面張力の被膜？薄くする作用はフィンの高さの大部分に
わたって多少とも均一に作用するよりもむしろフィンの
峰に近い取るに足らない程に小さい領域に移動する。

フィンの高さを過小にした場合にも問題が起こる。

二相状態の下では、フィンの間のスペースが液体により
完全に充満され、そしてフィンが取りつけられた表面の
効果が損なわれる。

単−相の状態に対しては、チューブの外径および流速を
一定に保ちながらフィンの高さを減少していくと、フィ
ンは最終的にはチューブの熱境界層の厚さと匹敵するサ
イズになる。フィンの高さをさらに減少すると、境界層
がフィン全完全に浸し、そしてフィン付チューブの熱伝
達性能が裸チューブの熱伝達性能に近づき、熱伝達に対
してなんら利点會もたらさない。

同様に、フィンの峰の間の隙間Ｗが大き過ぎると下記の
支障が起こる。

Ｗが増大するにつれて、フィンの側部から谷部の中に過
剰の冷媒液音引っ張る表面張力の大きさが減少して熱伝
達が効果的でなくなる。

また、”ｋ増すことはフィンをさらに離す方向に移動す
ることと同じことになり、チューブの単位長あたりの伝
熱面積か減少する。

もしもＷが小さ過ぎると、フィンの間のスペースの過大
な部分が徐々に排出される液体で充満され、同様に伝熱
プロセスの効果を低下させる。

もしもフィンの峰の幅Ｗが大き過ぎると、下記の悪影響
が生ずる。

ｗｉ増すにつれて、過剰の冷媒液をフィンの峰からフィ
ンの側部に押圧する表面張力の大きさが減少して熱伝達
が効果的でなくなる。

またｗｉ増すことにより、チューブの単位長あたりの表
面積が減少する。

もしも峰の幅Ｗが小さ過ぎると、峰の領域に極めて近接
した部分での被膜を薄くする作用が大きくなるが、フィ
ンの狭い先端部がフィンの先端部への熱伝導に過大な抵
抗音生じ、Ｗがさらに減少するにつれて伝熱効果を減少
させる。

三角形のフィンが原則としてゼロに等しいフィンの峰ｗ
を廟しているのに対して、実際には、フィンの形成作業
（機械加工、ロール形成、押出し等）の制限のために常
に一定の峰の幅が荀られることに留意すべきである。

上記の説明から本発明を十分に満足に実施するためにＨ
ｌＷおよびＷに対して下限および上限を設定しなければ
ならないことが理解されよう。以下に示すように、これ
らの下限および上限の設定には冷媒の物理的性質σ、ρ
、およびρ７を考慮しなければならない。

フィンの効率がフィンの高さｌたは熱伝達係数の増大と
共に低下しかつフィンの熱伝導率の増大と共に上昇する
ことはよく知られている。

フィンはフィンの効率が本発明により得られた高い熱伝
達係数に対しても＾く保たれるよりに高い熱伝導率會有
する金属から製造されるべきである。フィンとして好ま
しい金橘は銅、黄銅、アルミニウムまたはアルミニウム
合金である。

冷媒液がフィン付チューブを十分に湿潤しく液体と金属
との間の接触角が小さい）かつ液膜の内部の粘性力が表
面張力に起因する力と比較して無視可能と考えられる程
度に十分に低い粘度を有していると想定する。普通に使
用されている冷媒例えば低分子量の炭化水素、極低温液
体およびその他多くの液体はこれらの必要条件を満たし
ている。

二相状態の下で試験された諸例のフィン付表面について
確かめられた熱伝達係数は、すべての場合において熱伝
達係数がフィン付面と同一の外径（Ｄ。）′ｔ−有する
裸チューブの表面積と関連しているので、有効係数と呼
ばれている。フィン付チューブの熱伝達強化係数はフィ
ン付チューブの有効熱伝達係数と裸チューブの熱伝達係
数との比として定義されている。試験されたフィン付チ
ューブおよび裸チューブの諸例はすべて本質的に同じ外
径を有していた。

下記の定義がなされた。

ｈ、＝フィン付チューブと同一の外径０Ｄ（Ｄ。）’に
有する裸チューブの外側の表面積と関連したフィン付チ
ューブの有効熱伝達係数ｈｂ＝裸チューブの外側の表面
積と関連した裸チューブの熱伝達係数 ｅｑ＝一定の熱束における熱伝達強化係数＝ｈ、／ｈｂ
（両係数は同じ熱束においてめられた。） ｅｌｓＴ　＝一定の壁部と流体との温度差における熱伝
達強化係数＝ｈｆ／ｈｂ（両係数は同じ温度差でめられ
た。） 定義により熱束ｑは次式によりｈと関係している。

ｑ＝ｈ△Ｔ（１） 従って、ｅｑおよびｅＭＴは次式によりめられる。

また、 Ａｏ＝フィン付チューブの単位長さあたりの外側表面積
、例えばｉｎ２／Ａｎで表わす（ＡＯ）ｋｎｒｅ　＝フ
ィン付チューブと同一の外径を有する裸チューブの単位
長さあたりの 外側表面積、例えはｉｎ２／ｉｎで表わす＝πＤ。

その他の熱交換プロセス例えは凝縮における慣用の方法
では本発明のフィンよりもはるかに高さの高いフィンを
使用して−るが、液膜がフインを包み込んで熱伝達性能
が劣化すると考えられた。最善の場合、慣用の方法では
熱伝達性能が次式 ％式％（） により表わされることおよびもしも表面積のすべてが有
効でありかつ単−相の流れの場合が屡屡そうであるよう
に実際のフィン付チューブの面積（Ａｏ）に基づいたフ
ィン付チューブの熱伝達係数の大きさがフィンの存在そ
のものの−ためにともかくも減少しないとすれは、熱伝
達を高める因子が面積比Ａ。／（Ａｏ　）ｂａｒｅに等
しくなることが示されている。しかしながら、本発明の
実験プログラムにより、フィンのノ臂うメータが次式で
示すように選択できることが期せずして判明した。

ｅ６Ｔ　（またはｅｑ）〉Ａｏ／（Ａｏ）ｂａｒ８（５
）測定された熱伝達増大の範囲は予想外に著しく大きか
った。

本発明の実施にあたり、冷媒の物理的特性σ、ρ、およ
びρｖｔ考慮しなければならないことは前述したとおり
である。次に、これらの物理的特性を如何様に考慮する
かについて述べることにする。第１図に示した冷媒の液
体／蒸気のメニスカスを考慮する。

液体／蒸気のわん曲した界面上の任意の点における液体
と蒸気との間の圧力差は次のラプラスの方程式によって
表わされる。

主わん曲半径馬およびＰ２は気相の内部で正であると定
義され、そして交線が界面上の問題の点に対して垂１１
ｓＩｔ−なす任意の二つの互いに垂直な平面中にある。

もしもわん曲半径の一方が液体の内部にあるとすれば、
そのサインは負になる。方程式（６）を当面の問題に応
用する場合には、第１図に対して垂直な方向、すなわち
、フィンの向きに平行な方向における曲率の作用を無視
できるとして想定される。従って、二つの主わん曲半径
の一方を無限大に等しいと設定することＫより次式が得
られる。

ｐＬ−ｐｖ＝　−Ｔ　（７） 式中、ｎはフィンの向きに対して垂直な平面中の液体／
蒸気の界面の局部的なわん曲半径である。蒸気圧ＰＶは
一定であり、そして極めて低い高さのフィン付チューブ
を越えて流れる二相流の内部圧力と等しい。それ故に、
方程式σ）により、気相または内部圧力からのａ膜内の
圧力の局部的な変化が得られる。フィンの峰において、
Ｐｉｌｌ：負（凸面状の液膜）であり、そして方程式（
７）は九がＰｖよりも大きいことを示している。フィン
の間の谷のメニスカスの最も低い点において、Ｐは正（
凹面状の液膜）であり、そしてＰＬＦｉＰｖよりも小さ
い。液膜の内部に生じた圧力勾配によりフィンの峰に衝
突するいかなる液体もフィンの間の谷に向って非常に迅
速に排出せしめられる。

液膜の内部の圧力勾配の大きさはフィンのノＪ？ラメー
タから推定することができる。Ｐ、およびＲｖがフィン
の峰およびフィンの谷のそれぞれにおける液膜の特性わ
ん曲半径であるとすれば、これらの半径は次式により表
わすことができる。

爬＝−丁　（８） Ｒｖ＝Ｔ（９） そして、方程式（７）はフィンの峰および谷に適用され
た場合、フィンの峰と谷との間の液膜の内部の圧力差に
対して次の関係を与える。

この圧力差はフィンの高さＨにほぼ等しい距離にわたっ
て作用するので、液膜の内部に表面張力により誘起され
た圧力勾配は次式により表わされる。

以下に、これらの表面張力により誘起された圧力勾配が
重力または剪断（圧力降下）力のいずれよりもはるかに
大きくなることを示しである。局部的な熱伝達係数が一
般的には液膜の局部的な厚さに逆比例するので、フィン
の上側部分の両側に形成された非常に薄い液膜により極
めて高い熱伝達係数が得られる。液体の大部分はフィン
の間の谷の中に排出されてフィンの峰の付近よりもフィ
ンの谷の中に低い熱伝達係数が得られる。しかしながら
、正味の効果は裸チューブの表面積上おおつている表面
積の増大に基づいて予想されるよりもはるかに大きい熱
伝達の強加となりうる。すなわち、 ｅ６．（または”　）　＞　’ｏ／（Ａｏ）ｂａｒｅ　
（５）上記に基づいて、最も効果的なフィンの幾伺学的
形状は液膜の内部に表面張力により誘起された圧力勾配
が液膜の内部の正味の重力による圧力勾配よりも大きく
なる形状であることが予想される。すなわち、 方程式（１２）の分母は液体および蒸気の密度および局
部的な重力加速度から独自に決起され、そして次式によ
り表わされる。

正味の重力による圧力勾配＝（ρ、−ρＶ）−（１３）
Ｃ 方程式（１１）および（１３）　ｔ−使用すると、基準
方程式（１２）は次のようになる。

方程式（１４）　ｔ−満足する極めて低い高さのフィン
付表面および冷媒に対しては、チューブの円周上のすべ
ての点において表面張力の増大が起こる。その理由は液
膜が重力による張力に逆らって薄くなるからである。例
えは、水平または水平に近いチューブの底部において、
フィンの峰から排出が起こりがちであるが、薄い液膜が
フィンの両側の上方まで重力に抗して依然として引張ら
れて高い熱伝達係数が得られる。

表１は次の例に述べた状態の下でノ・ロゲン化炭化水素
からなるＢ−１１冷媒の下向きの流れの気化に対して試
ｍ−ｇれた４種類のフィン付チューブのパラメータ會示
している。

極めて低い高さのフィン付チューブならびに裸チューブ
が第５Ａ図および第５Ｂ図に例示した装置中でインライ
ン直角ピッチの管束として試験された。流れる冷媒の蒸
気の質（重量分率の蒸気）をゼロ（すべての液体）から
０．９まで変化させた。電気カートリッジヒータ會使用
してチューブに熱が供給され、そしてチューブの壁部の
既知の半径方向位置と流体との間の温度差が対向した熱
電対回路全使用して一接にかつ正確に測定された。管束
の内部で、計装化したチューブ金それらの軸線のまわり
に回転できるようにした。このようにすることにより、
チューブの円周のまわりの多数の点においてチューブの
壁部と流体との間の温度差を平均化することができた。

平均表面温度を得るために、チューブ壁部の温度降下に
対して修正が行われ、そして表面に対する平均熱伝達係
数が既知の熱束ｑおよびチューブの表面と液体との間の
測定された温度差から算出された。

第５Ｂ図に示したように、試験チューブ１８を冷媒の正
確な流れの環境の中に配置するために一連の半円形の横
断面を有するダミーチューブ１２および円形横断面を有
するダミーチューｆ１４のそれぞれが試験チューブ１Ｂ
’（（囲繞するように、管束１０が中空のセル１６の中
に装着された。気相冷媒が入口２０からセル１６の頂部
に導入され、そして液相冷媒が分配器２２からセル１６
中に導入された。これらの二つの相はゾレナム２４の中
で混合し、そして種々のチューブのまわり上下刃に流れ
て底部の出口２８から流出した。

次いで、冷媒は第５Ａ図に示した装置のセル１６を通っ
て流れるように再循環せしめられる。

セル１６は気相冷媒入口２０および液相冷媒入口２２ｔ
′備えている。出口２８から吐出された二相冷媒は分離
容器３０に通される。分離器３０において、すべての気
相冷媒が除去されて熱交換器３２の中で冷却水により再
び凝縮される。

水は導管５４および６６を通って循環する。

分離容器６０の底部から流出した液相冷媒は加熱された
りボイラー３８に送られる。りざイラ−３８において、
蒸気が再生されてライン４０および流量計４２ｔｌ−通
過する。液相冷媒はライン４４およびポンプ４６ｉ経て
第二流量計４８へと循環する。このようにして、極めて
低い高さのフィン付チューブの種々の試料により前述し
た熱伝達作用の増大が得られるか否かを試験するための
正確な実験環境が準備された。

第６図ないし第８図は試験されたチューブのフィンの走
査電子顕微鏡（８ＦＭ）　Ｋよる顕微鏡写真である。各
々の写真は極めて低い尚さのフィン金偏えたチューブの
金属壁が写真の底部に位置するように向けられている。

第６図は２枚の横断面の顕微鏡写真會示しており、この
横断面の平面は試料Ｆ１２の軸線を含んでいる。前記試
料は単一の螺旋形に配置された極めて低い高さのフィン
を備えており、前記フィンの横断面は三角形に近いほぼ
台形になっている。第６Ａ図は２６×の倍率でフィンを
示し、そして第６Ｂ図は１２０Ｘの倍率でフィンを示し
ている。

第７図ｔ−１，２枚の横断面の顕微鏡写真を示しており
、この横断面の平面は試料Ｆ１７の軸線に対して垂直に
廷ひている。前記試゛料はその円周上に１００個の長平
方向に配置された極めて低い高さのフィンを有しており
、前記フィンの横断面は三角形に近いほぼ台形になって
いる。第７Ａ図は４０×の倍率でフィ７會示し、一方第
７Ｂ図は１２０×の倍率でクイ／ｌ−示している。

第８図は２枚の横断面の顕微鏡写真を示しており、その
横断面の平面は試料Ｂ２の軸線を含んでいる。前記試料
は３個の連続した螺旋形に配置された極めて低い高さの
フィンを備えており、前記フィンの横断面はほぼ台形で
ある。第８Ａ図は２０Ｘの倍率でフィン含水し、第８Ｂ
図は６０Ｘの倍率でフィンを示している。

第２図は本発明の例を構成するフィンが取りつけられた
面Ｆ１２およびＦ１７のための測定された定熱束強化係
数ｅｑ　を示してい為。これらのフィン付面Ｆ１２およ
びＦ１７の両方ははは類似した形状および寸法のフィン
金偏えていた。長手方向のフィン付試料Ｆ１７はほぼ半
径方向のフィン付試料Ｆｉ２よりも１７チ近く大きい表
面積を有してはいるが、試料Ｆ１２の方が明らかに優れ
た性能全発揮しかつ本発明の主な目的である予想外の強
化度を例示している。すなわち、試料Ｆ１２は次の強化
係数を有している。

ｅｑ　＞　Ａｏ　／（Ａｏ　）ｂａｒｅ　（１５）他方
、長手方向のフィン付試料Ｆ１７は次の強化係数を有し
ている。

ｅｑ（Ａ。／（ＡＯ）ｂａｒ。　（１６）第２図はまた
０、９とい９蒸気の質においてすらも試料Ｆ１２の予想
外の強加が持続することを示し、表面張力による力がお
そらくは蒸気の剪断作用と比較して非常に大きくなるこ
とを示している。これは以下に資料Ｐ２に対して例示さ
れている。

第６図は圧延されたフィンの試料Ｒ２に対して測定され
た定温度差強化係数”ｌｓＴ　ｋ示している。この表面
は広範囲の状況にわたってＡｏ／（Ａｏ）ｂａｒｅより
も予想外に大きい強化係数を示した。この面積比は試料
Ｂ２に対して２．４５であった。△Ｔ＝ＣＬ３　”Ｆに
対してｚｌのｅユ、の値が測定された。これは慣用の方
法によって得られる最大の強化係数の殆ど２倍であった
。すなわち、 （８△丁またはｅｑ　）Ｉ大＝Ａｏ／（Ａｏ）ｂａｒｅ
　（１７）第６図においては、α９よりも低い蒸気の質
に対しては表面温度と内部温度との差が減少するにつれ
て強化係数が増大することに留意することが肝要である
。この性質は本発明を一般的に小さい温度差で操作され
る極低温熱伝達用に特に魅力的に使用可能ならしめるも
のである。

液膜の内部の表面張力により誘起された圧力勾配は以下
に試料Ｂ２に対して算出されそして正味の重力による圧
力勾配および二相流による圧力勾配と比較される。方程
式（１１）　′に以下に再び記載する。

上式において試料ｎ２および冷媒Ｒ−１１が７６下に保
たれているとすると、次の結果が得られる。

これは相当に良好な圧力勾配であり、そして実際、液体
が流れる導管の設計に通常使用される圧力勾配よりもは
るかに太きい。Ｒ１１の液柱に付随する正味の重力によ
る圧力勾配はこの表面張力により誘起された圧力勾配と
比較して小さいことが判る。７６下において、この正味
の重力による圧力勾配は方程式（１３）からめると次の
ようになる。

これは表面張力により誘起された圧力勾配のほぼ１／２
８である。

圧延されたフィンが取りつけられた管束を通る二相流の
圧力勾配もまた表面張力により誘起された圧力勾配と比
較して小さいことが同様に示される。試料Ｂ２と同一の
フィンが取りつけられた管束に対する下向きに流れる二
相流の圧力降下データを第４図に示しである。

Ｇ＝４００００Ｌｂ、／ｈｒ−ｆｔ２に対して測定され
た最大の圧力降下はチューブ１列あたり水柱α２１５イ
ンチであった。管束の長手方向のピッチ比が１．１８９
でありかつチューブの外径がα６９３０インチであると
すれは、圧延されたフィンが取りつけられた管束に対し
て、次の代表的な圧力勾配を算出することができる。

この値は表面張力により誘起された圧力勾配よりも著し
く小さく、その約１／９０である。もしも二相圧力降下
の大部分がおそらくは形状抵抗、鈍い角度の物体のまわ
りの流れに起因する抵抗であってチューブがフィン付で
あれ裸であれ存在する抵抗と関連していることが認識さ
れていれば、蒸気の剪断力に起因する実際の圧力勾配は
表面張力により誘起される圧力勾配の１／９０よりも小
さくなろう。

第４図は裸の管束および極めて低い高さのフィンが取り
つけられた試料Ｐ２と同等の圧延されたフィンを備えた
管束に沿う冷媒１１の下向きの二相流の圧力降下奢示し
たグラフである。

これらのデータは管束の単位長さあたりのゆゆしい圧力
降下を伴わないで本発明の非常に有意な熱伝達の強化が
得られることを示している。

そのうえ、所定の熱伝達能力に対して、高められた熱伝
達により使用する管束の長さ全短縮することができ、そ
の結果、管束に沿った全圧力降下を有意に減少すること
ができる。

表２は試験された諸例の４ｆｆｉ類のフィン付チューブ
のために算出された撫々のノ４２メータならびにこれら
の表面に対して測定された熱伝達強化係数全要約したも
のである。螺旋形のフィン付試料Ｆ１２、ＲＦ２および
Ｒ２はすべて予想外に大きい強化係数を示した。実際に
、これらの三つの試料に取りつけられたフィンは、小さ
いつる巻角βを持っているので、真の半径方向の横方向
フィンに近似していると考えることができる。試料ＲＦ
２に対しては、強化係数がＡｇ／（Ａｏ）ｂａｒｅ會超
えた範囲は小さかったが、それにもかかわらず有意であ
った。この試料の銅製のフィンは張力によってのみアル
ミニウムチューブに保持されたので、ある接触抵抗が確
実に存在していた。フィン全チューブにはんだ付けまた
は溶接することにより接触抵抗をなくせば試料ＲＦ２の
性能は著しく改良することができたであろうと考えられ
る。長手方向のフィンを備えた試料Ｆ１７はＡ。／（Ａ
ｏ）ｂａｒ８　よりも小さい強化係数を示した唯一の試
料であった。長手方向のフィン付チューブの性能がより
劣っていることについては、前述したとおりでおる。

表２から、予想外に大きい強化係数を示したほぼ半径方
向に延びるフィン付表面のすべてがまた式（１りを満足
することが理解されよう。すなわち、 式（１４）は本発明の実施が成功するための必要条件と
考えられる。しかしながら、これは十分な条件ではない
。例えば、式（１りにより所定の冷媒を気化させるよう
に設計された極めて高さの低いフィンはもしも極めて高
さの低いフィン付チューブ全体が液状冷媒の中に浸され
るとすれは１１本発明にみられる高い強化係数を示さな
いことになる。冷媒の液相は液体の薄い被膜の形態でチ
ューブに付着しなければならない。また、所定の冷媒お
よびフィンの形状に対して、フィンの寸法（ＨＸｗおよ
びＷ）’ｔ−減少することにより式（１４）の左辺を所
望通りの大きさにすることができるが、フィンの間の谷
部が液状冷媒により完全に７ラツデイング（ｆｌｏｏｄ
ｉｎｇ　）されることを回避するために、式（１りの左
辺罠上限を設定しなければならない。表２に要約した実
験および付記事項から本発明の並はずれた強化範囲を得
るための次の基準が得られる。

この基準を使用する場合に、冷媒の性質σ、ρ、および
ρ７は所定の幾何学的形状を有するフィンのサイズまた
は高さを決定する。冷媒が−たん選択されると、式（１
８）の下限が最大のフィンのサイズを決定し、この最大
のフィンのサイズに対して表面張力により高められた熱
伝達が起こる。同様に、式（１８）の上限が最小のフィ
ンのサイズを決定する。この最小のフィンのサイズに対
して、表面張力強化機構はフィンの間のフラッディング
（ｆｌｏｏｄｉｎｇ　）　ｔ−生ずる液体により過大に
阻止されることはない。

チューブの表面から突出する極めて低い高さのフィンの
正確な形状は、妥当な変更範囲内にありさえすれは、本
発明の実施においては重要ではない。しかしながら、台
形フィンは形成が比較的容易でありかつフィン巻きつけ
工程中にかなりの変形に耐えるように十分に堅固に製造
することができるので、コイル状に巻かれた熱交換器に
対してはフィンの横断面上台形にすることが好ましい。

その他のフィン付チューブまたはスペーサエレメントと
の接触位置におけるフィンの局部的な変形は寸法公差（
チューブ層の間の間隙、コイル状に巻かれた束の最終直
径等）が影響をうける範囲に対してのみ重要である。

所定の冷媒に対して本発明の予想外の熱伝達の強化を提
供する唯一で独自のフィン設計がないことは式（１８）
から明らかであろう。フィンの横断面形状およびフィン
の寸法（ＨｌＷおＸ０Ｗ）の選択の如何により十分に満
足な成果を発揮するフィンの多数の形状が得られる。フ
ィンを良好に設計することにより、フィンの間に適当な
排出スペースが得られると共に、裸チューブと対比して
チューブの単位長さあたりの表面積を大きく維持するこ
とができる。本発明の好ましい実施態様において、フィ
ンの寸法を以下の関係に選択するのが好ましい。

ｗ　（Ｗ　＜　Ｈ（１９） 以上、本発明をいくつかの好ましい実施態様について記
載したが、本発明の範囲はこれらの実施態様に限定され
るべきものではなく、本発明の特許請求の範囲に限定さ
れるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のフィンの７９ラメータを例示したフィ
ンの面の横断面を示した図、第２図は熱交換面上の半径
方向のフィンおよび長手方向のフィンに対する定熱束強
化係数を示したグラフ、第６図は圧延されたフィン表面
に対する定温度差強化係数金示したグラフ、第４図は圧
延されたフィンのついたチューブおよび裸チューブに対
する二相圧力降下を示したグラフ、第５Ａ図は本発明に
使用された実験用試験装置を例示した略図、第５Ｂ図は
本発明の試験装置のセルの斜視図であり、第６図は実験
用サンプルＦ１２の２枚の横断面の顕微鏡写真を示し、
顕微鏡写真（ａ）は２６Ｘの倍率で示してあり、顕微鏡
写真（ｂ）は１２０×の倍率で示しである。第７図は実
験用サンプルＦ１７の２枚の横断面の顕微鏡写真含水し
ており、顕微鏡写真（ａ）は４０×の倍率で示してあり
、顕微鏡写真（ｂ）は１２０Ｘの倍率で示しである。第
８図は実験用サンプルＢ２の２枚の横断面の顕微鏡写真
を示しており、顕微鏡写真に）は２０×の倍率で示して
あり、顕微鏡写真（１））は６０×の倍率で示しである
。 Ｈ・・・フィンの高さ、Ｗ・・・フィンの峰の幅、Ｗ・
・・隣接したフィンの峰の間の間隙の幅、１０・・・チ
ューブの束、１２．１４・・・チューブ、１６・・・セ
ル、１８・・・試験チューブ、２０・・・気相冷媒入口
、２２・・・液相冷媒分配器、２８・・・出口、３０・
・・分離容器、３２・・・熱交換器、３４．３６・・・
導管、６８・・・すメイラ−１４２・・・流量計、４６
・・・ポンプ、４８・・・第二流量計。 同　弁理士　西　村　公　僚怒詩覧 ｎ６，２ 蒸気の質（ｘ） ・　も し ｆ’ｉ６−６　（ワ） Ｆ／に、　ｔ；　ｃｈ） ＦＩＧ、　７軸） ＦＩＧ、　７　ｔｈ） ＦＩＧ、θ＜ａ） ＦＩ６．８ｃｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 υ　熱を除去しようとする流体全熱交換器全通して導く
   だめの少くとも１個の管状導管と、前記導管上囲繞して
   前記導管との間に冷媒スペースを形成するシェルとを有
   し、前記導管が二相冷媒を該導管上に通すことができる
   ように整列された熱交換器において、前記導管の外面か
   ら外向きに固定された極めて低い晶さのフィン金偏えて
   おり、前記フィンの高さくＨ）、フィンの峰の幅（Ｗ）
   およ゛びフィンの間隙幅（Ｗ）が冷媒の密度および表面
   張力に対して次の関係 に選択されていることを特徴とする熱交換器。 ２）熱を除去しようとする流体を熱交換器を通して導く
   ための複数個のコイル状に巻かれた管状導管と、前記導
   管を囲繞して前記導管との間に冷媒スペース全形成する
   シェルとを有し、前記導管は二相流体を前記導管の軸線
   に対して実質的に垂直方向に通すことができるように整
   列された熱交換器において、前記導管の外面から外向き
   に半径方向に横方向にまたけ螺旋形に固定された極めて
   低い高さのフィンを備えており、前記フイ／の高さくＨ
   ）、フィンの峰の幅（Ｗ）およびフィンの間隙の幅（Ｗ
   ）が冷媒の密度および表面張力に対して次の関係 に選択されていることを特徴とする熱交換器。 ６）特許請求の範囲第２項に記載の熱交換器において、
   熱全除去しようとする流体が天然ガスでおることを特徴
   とする熱交換器。 リ　特許請求の範囲第２項に記載の熱交換器において、
   ｗ（Ｗ（Ｈなる関係が成立することを特徴とする熱交換
   器。 ５）流体含熱交換器全通して導くための少くとも１個の
   管状導管と、前記導管を囲繞して二相流体のためのスペ
   ースを形成するシェルとを有し、前記スペース中で冷媒
   が前記導管の外面上を通過して前記導管中を流れる流体
   から熱を除去するようになった熱交換器中の流体から熱
   を除去する方法であって、フィンの高さくＨ）、フィン
   の峰の幅（Ｗ）およびフィンの間隙の幅（Ｗ）が冷媒の
   密度および表面張力に対して次の関係 に選択された極めて低い高さのフィンが固定された導管
   に沿って冷媒を通すことにより熱伝達レベルを高めるこ
   と全包含していることを特徴とする熱交換器中の流体か
   ら熱を除去する方法。 ６）流体全熱交換器を通して導くための複数個のコイル
   状に巻かれた管状導管と、前記導管を囲繞して二相冷媒
   のためのスペースを形成するシェルとを有し、前記スペ
   ース中で冷媒が前記導管の外面上を前記導管の軸線に対
   してほぼ垂直の方向に通過してそれにより前記導管中を
   流れる前記流体から熱を除去するようになった熱交換器
   中ケ流れる流体から熱を除去する方法であって、フィン
   の高さくＨ）、フィンの峰の幅（Ｗ）およびフィンの間
   隙の幅（Ｗ）が冷媒の密度および表面張力に対して次の
   関係 に選択された半径方向に横方向にまたは螺旋状に固定さ
   れた極めて低い高さのフィンを有する導管に沿って冷媒
   を通すことにより熱伝達レベルを高めることを包含して
   いることを特徴とする熱交換器中の流体から熱全除去す
   る方法。 ７）％許請求の範囲第６項に記載の方法において、熱を
   除去しようとする流体が天然ガスであること全特徴とす
   る方法。 ８）％許請求の範囲第６項に記載の方法において、Ｗ＜
   Ｗ＜Ｈなる関係が成立することを特徴とする方法。 ９）　４１１ｉ−許請求の範囲第６項に記載の方法にお
   いて、導管壁部とバルク冷媒との間の温度差が１３７よ
   りも小さいことを特徴とする方法。