JP2010532855A - 段付き頂部を具えたフィン付きチューブ - Google Patents

Abstract

本発明は、チューブの外面から延びる螺旋状のフィンを具えたチューブを有している。フィン及びチューブは一体であり、又は１つのパーツで形成され、隣接するフィンの間に規定される溝部を有している。フィンは、頂部に形成されたピーク及び窪み部を具えた頂部を有している。フィンピークは、側面に形成された窪み部を有しており、窪み部は側面及びベース面を有している。窪み部の側面はフィンピークの上部に交わっており、窪み部のベース面はフィンの側壁と交わっている。
【選択図】図２

Description

本出願は、タイトルが「Ａ ＨＥＡＴ ＴＲＡＮＳＦＥＲ ＴＵＢＥ ＦＯＲ ＣＯＮＤＥＮＳＩＮＧ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ」と訳され、２００７年７月６日に出願された中国特許出願第２００７１００４３５３７号の利益を主張する。

本発明は、フィン付きチューブに関し、特に、熱伝達に使用されるチューブに関する。

長年にわたってフィン付きチューブが熱伝達のために使用されている。熱は、熱い方から冷たい方へと流れるため、熱い方の材料から冷たい方の材料に熱を伝えることによって熱伝達が実現される。また、物質が蒸気から液体に凝縮するときに放出される熱があり、熱は液体が気化又は蒸発するときに液体から気体に吸収される。フィン付きチューブを熱伝達のために使用する場合、熱い方の材料がチューブの内側又は外側のいずれかにあり、冷たい方の材料がその反対側にある。通常は、チューブにより熱い方の材料と冷たい方の材料が混ざらずに熱伝達が可能である。

冷却の目的で、冷却媒体は、シェル又は熱交換器を流れる冷却水といった液体であるか、又は、フィン付きチューブに吹き付けられる空気といった気体である。同様に、加熱媒体は液体又は気体のいずれかである。フィン付きチューブは、熱伝達率を高める傾向にあるため、時として、比較的滑らかなチューブの代わりに使用される。このため、フィン付きチューブを具えたより小さな熱交換器は、所定の適用では、比較的滑らかなチューブを具えるより大きな熱交換器と同じくらいに、多くの熱を伝え得る。フィン付きチューブのデザインは熱伝達率に影響するため、時として、特定の熱伝達の適用のために様々にデザインされる。例えば、凝縮に使用されるフィン付きチューブは、気化に使用されるフィン付きチューブとは異なるデザインを有する傾向にある。

従来技術の例が、チューブの内面に形成された螺旋状の突起部及びチューブの外面に形成されたフィンを具えたフィン付きチューブを含んでいる。溝部がチューブ外面の隣接するフィンによって規定され、この溝部が湾曲した「Ｕ字形」の下部を有しており、又は溝部が平らな底部を有している。チューブの外側の凝縮蒸気及びチューブの内側の冷却水のための凝縮用チューブとして使用する場合に、溝部が液体の凝縮液で満たされ易い。凝縮液がチューブを断熱するよう作用し、さらなる凝縮のために必要となる冷却を制限する。凝縮液はフィンの側面を這い上がる代わりに平らな溝部の底部に沿って広がり易いため、底部は平らであるのが好適である。これにより、フィンのより多くの表面領域に凝縮液が無くなり熱伝達を促進する。

また、フィン付きチューブは、フィンに形成された割れ目を有しているため、２つのフィン間の溝部の中を流れる凝縮液が割れ目を流れて異なる溝部に入る可能性がある。他のフィン付きチューブは、フィンの外側部分が曲がっており、曲がり部がフィンの基部とフィンの上部との間に形成される通路の部分である。これにより、フィンにさらなる角度を成し、チューブが液体の凝縮液をより素早く弾く。液体の凝縮液がより素早くチューブから弾かれると、熱伝達を高め易くなる。他のフィンは、フィンの頂部に形成された切り欠き部又は低下部を有しており、低下部の間に規定されるピークを具えている。あるケースでは、ピークが曲がっておりカールした形状を形成する。これにより、フィンの曲率及び角度をさらに高めて、チューブが液体の凝縮液をより素早く弾き易くなる。

フィン材料を比較的滑らかなチューブに付けることによって、フィン付きチューブが製造され、フィンはチューブ本体の材料から形成されない。これにより、熱伝達のために利用可能な領域を増やして熱伝達率を改善するが、フィンとチューブとの間の界面が熱流に対する抵抗の原因となる。チューブに付けられたフィンはチューブ軸から半径方向に延びているため、チューブから直立しているが、それらはまた様々な方法で湾曲し又は曲がっている。既存のフィン付きチューブの多くのデザインがあるが、熱伝達を改善する変更が常に待望されている。

本発明は、チューブ外面から延びる螺旋状のフィンを具えたチューブを有している。フィン及びチューブは、１つのパーツで形成されるため、フィンはチューブと一体となっている。フィンは、ピーク及びピーク間の低下部を具えたフィン頂部を有しており、隣接するフィンの間に規定される溝部を有する。側面に沿ってフィンピークに規定される窪み部を有し、窪み部がフィンピークの上部と交わる側面を有する。窪み部のベース面が、２つのフィンの間に規定される溝部に延びており、窪み部がフィンピークの側面の段差を形成する。チューブのフィン及び変形が、チューブにわたる熱伝達の早さを高める。

図１は、熱交換器の側断面図を示す。 図２は、チューブ壁の一部の側断面図を示す。 図３は、ピーク及び低下部を形成する前の１つのフィンを示す。 図４は、ピーク及び低下部を形成した後であるが、窪み部を形成する前の１つのフィンを示す。 図５は、ピーク、低下部及び窪み部を形成した後の１つのフィンを示す。 図６は、チューブの外面の部分の平面図であり、図面を明りょうにするために、ピーク又は低下部の変形前の真っ直ぐな垂直壁としてフィンを示す。 図７は、図６のライン７−７に沿った１つのフィンの側断面図である。 図８は、チューブの外面の部分の平面図であり、ピーク又は低下部の変形後であるが窪み部の変形前の真っ直ぐな垂直壁としてフィンを示す。 図９は、図８のライン９−９に沿った１つのフィンの側断面図である。 図１０は、チューブの外面の部分の平面図であり、ピーク、低下部、及び窪み部の変形後の真っ直ぐな垂直壁としてフィンを示す。 図１１は、図１０のライン１１−１１に沿った１つのフィンの側断面図である。 図１２は、チューブの外面の部分の平面図であり、ピーク、低下部、及びフィンの両側の窪み部の変形後の真っ直ぐな垂直壁としてフィンを示す。 図１３は、図１２のライン１３−１３に沿った１つのフィンの側断面図である。 図１４は、チューブの外面の部分の平面図であり、ピーク、低下部、及びフィンの両側の２つの階段状の窪み部の変形後の真っ直ぐな垂直壁としてフィンを示す。 図１５は、図１４のライン１５−１５に沿った１つの側断面図である。 図１６は、軸及び内部支持部によって形成されたチューブ壁の側断面図である。

本発明に係るフィン付きチューブを、熱伝達に及び主にチューブ外面の液体の凝縮のために使用する。典型的な実施例では、チューブの内部を流れる冷却液が蒸気凝縮として凝縮熱を吸収する。チューブ外面のフィンのデザインが、チューブの表面積を増やすことによって、さらにはチューブの凝縮発散性能を改善することによって、熱伝達を増加させる。また、チューブのデザインの他の態様が熱伝達率を改善する。チューブは、ほとんどの場合、シェルの構成及びチューブ式熱交換器に使用されるが、他の熱伝達の適用にフィン付きチューブを使用することも可能である。

凝縮の原理
熱がチューブの外側の凝縮蒸気からチューブの内側の冷却液に移動する際に、いくつかの区別し得る段階で熱伝達が考えられる。同じような基本的な段階が、熱がチューブ壁といった障壁を通って、又は異なる温度の２つの媒体間を移動する際に適用される。このような説明は、チューブの外側の凝縮蒸気からチューブの内側の冷却液に関して行われるが、異なる適用例も可能である。

チューブの外側の蒸気は、熱をチューブの内側の冷却液に伝える必要がある。蒸気が凝縮すると特定量の熱が放出されるが、このような熱量が凝縮熱と称される。一般に、チューブの外面には１層の凝縮液が存在するため、第１の段階は、蒸気からチューブの凝縮液への熱の伝達である。そして、熱は凝縮液を流れるが、凝縮液は多くの場合断熱体として作用するため熱流の抵抗となる。熱が凝縮液を通って流れた後に、凝縮液からチューブの外面に移動する。凝縮液とチューブの外面との間に界面があり、界面が熱流に対する抵抗を与える。

熱がチューブの外面に移動すると、チューブの外面から内面に流れる必要がある。このような熱流を促進するために、熱伝達チューブは、通常、容易に熱を伝える材料又は熱の導体で作製される。一般に、チューブ壁の内面を含む本質的に淀んだ液体の薄膜がある。熱流がチューブ壁を通って流れた後に、チューブ壁の内面の間の界面を通ってチューブの内側の冷却液の隣接する層に移動する必要がある。そして、熱はこの液体の薄膜を通って流れる必要がある。

チューブの中の冷却液の流れが乱れ又は急激になればなるほど、チューブ壁の近くを漂う淀んだ液体の層がより薄くなる。このため、チューブ内での液体の混合又は撹拌を引き起こすチューブのデザインが、利点を与える。乱流により冷却液の混合が生じ、層流と比較して、より多くの冷却水の流量が冷却水の乱れを高める。また、旋回を促進する粗い面又は螺旋状の溝部といったチューブの内面の形態が、チューブの内側の冷却液の乱れ及び混合を促進する。そして、チューブ内の流れる冷却液への熱伝達が、液体がチューブを出る際に外に出される。

フィンがチューブとは別体に構成され、その後で取り付けられる場合には、フィンとチューブとの間の界面が存在する。これは、フィン及びチューブが銅といった同じ材質で、又は異なる材質で構成される場合に当てはまる。界面により熱流に対する抵抗が生じる。フィンをチューブ壁から形成する場合には抵抗がなく、熱流が改善される。この説明では、チューブ壁から形成されるフィンは、チューブと一体となっているものと見なされ、熱流の抵抗を最小限にするために、フィンをチューブと一体化することが好適である。

チューブは、可鍛性のある材質で作製する必要があるたり、チューブ壁に形成されるクラック又は割れ目なしに、フィンをチューブから形成し得る。クラック又は割れ目は、チューブの構造的な一体性及び強度を制限する。一般に、これらのチューブ１０は、シェル及びチューブ式熱交換器８で使用され、図１に示すように、チューブの端部が熱交換器のチューブシート６に固定される。可鍛性のチューブ１０は、熱交換器のチューブシート６に組み込むのが容易である。また、チューブは、容易に熱を伝える材料で構成する必要がある。

フィン付きチューブ１０は、特にチューブの外面の凝縮液の回収に関するデザインの考慮を有している。多くの場合、熱交換器８は、水平チューブ１０のいくつかの層を使用し、上層からの凝縮液が下層に滴下する。下層側のチューブ１０は溢れ易く、又は凝縮液に覆われ易いため、熱伝達の効率を下げてしまう。チューブ１０は、他のものよりも凝縮液を弾くのに適している。凝縮液がより素早く弾かれると、チューブ１０の凝縮液の層が薄くなり、熱流に対する抵抗が低くなる。凝縮液の弾き性能は、水平型熱交換器８の下方部分のチューブ１０にとって特に重要である。このため、より素早く凝縮液を弾くチューブ１０は、熱交換器８にわたってより素早い熱流を与えることで、好適である。

チューブがより素早く凝縮液を弾く一態様は、凝縮液を液滴状に集める外側面の能力である。これは、外側面に鋭い点又は曲面を設けることによってしばしば行われる。鋭い点又は曲面は実際は凹んでおり、表面張力により凹面の態様で凝縮液を集めるため、凝縮液の液滴のための蓄積部として機能し易い。凹面領域は凝縮液を液滴状に集め易く、それはより素早くチューブを動き回ってチューブから落下するため、チューブがより素早く凝縮液を弾く。凝縮液は、表面張力効果が凝縮液を凸面領域から引き離し易く又は引き摺るよう離し易いため、凸面を避ける傾向にある。このため、凸面領域は比較的凝縮液がない状態となり、熱流の抵抗が少ない。曲面又は鋭い点は、一般に、様々な場所に凸面及び凹面を与え、あまり凝縮液がない又はほとんど凝縮液がないチューブの領域とともに、より素早く凝縮液が弾かれるよう促進し、より素早く熱を伝達する。

また、凝縮チューブの表面積が大きくなると、熱流がより速くなることがいえる。フィンをチューブに形成するときに、チューブの表面積を増加させ、それはチューブにわたる熱伝達率を増加させるよう作用する。

フィン付きチューブの本体
本発明に係るフィン付きチューブ１０の一実施例の様々な視点を図１及び図２に示しており、図２は、表面の詳細を示すためのチューブ壁の断面である。チューブ１０は、外面１４及び内面１６を有する本体１２を有する。本体１２は、外面１４又は内面１６の形状又は構造のベースである。この本体１２は、熱を伝え易い材料で作製すべきである。金属は一般に良好な熱の導体であり、本発明に係るチューブの構成のために頻繁に使用される。また、内面１６及び外面１４の様々な構造をチューブ本体１２の一体性を損なわずに形成し得るように、金属は可鍛性を有する必要がある。これにより、チューブ本体１２から形成される構造を、本体１２と一体化することを可能とする。良好な熱の導体であり且つ可鍛性有するため銅を使用し得るが、アルミニウム、鋼、及び非金属材料を含む他の材質もまた使用し得る。

チューブのフィン
チューブ１０は、その外面１４に形成された少なくとも１つのフィン２０を有する。フィン２０は、全体としてチューブ本体の外面１４から半径方向に、通常は螺旋状に突出且つ延びている。１つのフィン２０を螺旋状にチューブ１０の全長にわたって巻くことが可能である。また、複数のフィン２０をチューブ１０の周りに螺旋状に全て受容させることも可能である。簡単なケースでは、チューブ本体の外面１４の一部を視る場合、チューブ本体の外面１４から突出するいくつかの隣り合う周方向のフィン２０を有するかのように見える。チューブ１０の軸方向に沿って視る場合、互いに隣接するフィン２０の部分が、隣接するフィン２０がチューブ本体の外面１４に螺旋状に巻かれた同じフィン２０であるかのように見なされる。フィン２０はチューブ本体１２の材質で形成されるため、フィン２０はチューブ本体１２と一体化している。

各フィン２０は、フィン２０がチューブ本体の外面１４に結合する点であるフィンベース２２を含むいくつかの部分を有している。フィン頂部２４は、フィンベース２２と対向しており、チューブ軸２６に対するフィン２０の最上点である。フィンの高さ２７は、フィンベース２２とフィン頂部２４間の距離である。フィン側壁２８は、左側壁３０及び左側壁２８に対向する右側壁３２を有している。溝部３４が、あるフィン２０の左側壁３０と隣接するフィン２０の右側壁３２との間にあるように、溝部３４が２つの隣接するフィン２０間に規定される。フィン２０は、フィン２０がチューブ本体の外面１４から本質的に真っ直ぐに延びるように、チューブ本体１２に対して略垂直である。このようなケースでは、フィン２０がチューブ軸２６から垂直に延びている。また、チューブ本体の外面１４に対してフィン２０を他の角度で配置し得る。

フィン頂部２４は、図１及び２に続けて参照して連続的な状態の形式にあるフィン２０を示す図３、４及び５に良く示すように、複数の低下部３６を有している。低下部３６は、フィン頂部２４に対する低下部３６の角度によって規定される傾斜角３８を有している。傾斜角３８は、０°乃至低下部３６がフィン２０に対して垂直になるような９０°の範囲が可能であり、又は低下部３６をフィン２０に対して様々な角度に設定し得る。低下部３６は、概して０．１乃至０．５ミリメートルの深さ４０を有している。低下部３６はフィンベース２２に延びておらず、このため低下部３６で正のフィン高さ２７を有している。複数のピーク４２が隣接する低下部３６間に規定され、又は代替的な視点では、複数の低下部３６が隣接するピーク４２間に規定される。ピーク４２は、低下部３６と同じように、フィン頂部２４でのフィン２０から形成される。このため、フィン頂部２４は、ピーク４２及び低下部３６を具えて上下に波打ち、これにより、フィン頂部２４が城壁と同じように銃眼のある見た目を有する。ピーク４２でのフィン高さ２７は、低下部３６でのフィン高さ２７よりも大きい。

低下部３６がフィン頂部２４に切り込んでいるため、ピーク４２をフィン２０に対して捻るように、低下部３６にある材料を側方に押すことができる。これにより、フィンのピーク４２の一部が隣接するフィン２０間の溝部３４の中に延びることで、フィンのピーク４２が嘴４５のようになる。この嘴４５は、少なくとも部分的に溝部３４の上方にあり、チューブ軸２６に対して垂直な線が溝部３４及び嘴４５の部分を通るが、フィン２０の他の部分は通らない。また、嘴４５へのさらなる形状の変化により、フィン２０の上方とは対照的に、少なくとも部分的に溝部３４の上方にある。

嘴４５は、この説明でプラットフォーム４４と称されるものの部分である。プラットフォーム４４は、フィン２０の上ではなく隣接する溝部３４の上を延びるよう形成されるフィン頂部２４の一部である。嘴４５は、プラットフォーム４４がフィンのピーク４２から形成される場合、プラットフォーム４４の先端部である。また、プラットフォーム４４を低下部３６から形成することができる。低下部３６からの材料が低下部形成の際に下方に押される場合に、このようになる。ピーク４２及び低下部３６双方から同時に延びるプラットフォーム４４でさえも可能である。複数のプラットフォーム４４は、フィン２０のさらなる曲率、角度、及び表面積を提供し、又、さらなる曲率且つ角度を与えるよう形成及び利用し得る材料を提供する。

フィンのピーク４２は、左ピーク側面４８、右ピーク側面５０、前ピーク面５２、及び後ピーク面５４を含む側面４６を有すると見なし得る。左ピーク側面４８は、左フィン側壁３０の一部と一体となりこれを形成し、右ピーク側面５０は、右フィン側壁３２の一部と一体となりこれを形成する。ある凹部の傾斜角３８では、左及び右ピーク側面４８、５０を部分的に一体化し又は低下部３６に面することが可能である。また、左及び右ピーク側面４８、５０を、フィン２０に隣接する溝部３４の上に押して形成し得る。しかしながら、左及び右ピーク側面４８、５０は、左及び右フィン側壁３０、３２の一部と考えられる。

また、ピーク４２は、正面５２及び背面５４を有しており、正面５２及び背面５４は概してフィン頂部２４の上下に向いているか、又は隣接する低下部３６に向いている。左及び右ピーク側面４８、５０と同様に、前及び後ピーク面５２、５４は、図示するように低下部の傾斜角３８に応じて若干溝部３４に面している。また、左及び右ピーク側面４８、５０は略垂直であるが、フィン２０のいずれかの側の溝部３４に面している。略垂直な左ピーク側面４８、右ピーク側面５０、正面５２及び背面５４について言及する場合、チューブ外面１４に対してさらに平行に移動する代わりに、これらの面がチューブの外面１４に対してさらに上下に延びていることを意味する。

４つのピーク面４８、５０、５２、５４は、必ずしも滑らかで、真っ直ぐで、平坦な面を形成する必要はなく、突出した粗い湾曲面を形成してもよい。隣接するピーク面間に必ずしも明確な角度の境界はなく、これにより、左側面４８は丸い角部を有し、正面５２及び背面５４に徐々に一体化する。実際には、上から視た場合にピーク４２を丸くすることが可能であるが、４つのピーク面４８、５０、５２、５４はピーク４２の特性を論じるために有用な参考となるものをそれでもなお提供する。また、４つのピーク面４８、５０、５２、５４に交差するフィン頂部の上部５６を有している。ピーク面４８、５０、５２、５４と同様に、上部５６は必ずしも明確に規定された平らな面ではなく、上部５６とピーク面４８、５０、５２、５４との交差部は、鋭いコーナーというよりもブレンディング（blending）でよい。

窪み部
窪み部５８はピーク側面４６に規定されており、この窪み部５８をピーク４２から延びるプラットフォーム４４内に形成し得る。この窪み部５８は、大体垂直な面である側面６０を有している。側面６０は、必ずしも厳密に垂直でなくてもよいが、チューブ軸２６に対して垂直であり、側面６０はチューブの外面１４に対して左右よりも上下に延び易い。また、窪み部５８は、大体水平なベース面６２を有している。ベース６２は、チューブの外面１４に対して必ずしも完全に水平でなくてもよいが、チューブの外面１４に対してより平行に又はこれに一致して延びている。また、窪み部５８は、側面６０及びベース面６２が出会う結合部６４を有している。好適には、側面６０及びベース面６２が、２つの表面間の区別可能な定義し得る交差部を定義することが可能であり、このような交差部は結合部６４を規定する。結合部６４は、窪み部５８がフィン２０に平行にこれに沿って形成される場合、フィンベース２２に沿っている。

側面６０は、フィンピークの上部５６に交差し、この交差部はシーム６６と称される。好適には、側面６０はシーム６６を見い出し得るよう十分に規定され、これにより、側面６０とピーク上部５６との間に区別可能な目に見える角度を有する。ベース面６２は、縁部６８でフィンの側壁２８と交差する。側面６０と同様に、好適には縁部６８が検出可能な角度を形成するようベース面６２が十分に規定される。窪み部５８はピーク４２の側面に位置しており、これにより、窪み部５８が概して隣接する２つのフィン２０間の溝部３４の中に面している。このため、ベース面６２が１つのフィンの側壁２８のみに交差し、ベース面が１つの溝部３４のみに延びている。同様に、１つの窪み部５８については１つの溝部３４のみに面しており、側面６０がベース面が中に延びているのと同じ溝部３４に面する。

窪み部５８の側面６０及びベース面６２は、フィンピーク４２の側面に階段状の構造又は形状７０を形成し、これにより、フィンピーク４２は階段状７０側面を有する。段差形状７０は、比較的垂直な面に交差する比較的水平な面を有している。比較的水平な面は、ベース面６２であり、比較的垂直な面は側面６０である。階段状７０側面は、溝部３４に面している。

図６乃至９は、本発明の前段階の平面及び側面の断面図を示し、図１０乃至１５は、本発明の様々な実施例の平面及び側面の断面図を示す。図６及び図７において、フィン１０が、ピーク又は低下部の形成前を示す。図８及び図９において、フィン頂部２４に形成されたピーク４２及び低下部３６を具えたフィン１０を示す。図１０及び図１１において、一方の側の窪み部５８を具えたフィン１０を示し、図１２及び図１３において、フィン１０が両面に窪み部５８を有している。また、窪み部５８は、２以上の段差７０を有しており、窪み部５８が図１４及び図１５に示すように少なくとも２つの側面６０と２つのベース面６２を有している。

複数の段差７０を有し、窪み部が別の側面６０の上方に１つの側面６０を有する場合、最上部の側面６０のみがシーム６６でピーク上部５６に交わる。同様に、複数の段差７０が別のベース面６２の上方に１つのベース面６２を与え、ただ１つのベース面６２のみが縁部６８でフィン側壁２８に交わる。左及び右ピーク側面４８、５０双方に窪み部５８を設け、フィンピーク４２の反対側に階段状側面４６を提供し得る。さらに、各窪み部５８は、２以上の段差７０を有し得る。双方のピーク側面４８、５０が複数の段差７０を具えた窪み部５８を有する場合、ピーク４２が少なくとも４つの段差７０を有している。窪み部５８の縁部６８、シーム６６、及び結合部６４は、全てエッジ及び鋭角を与え、フィン付きチューブ１０の性能を高める。

プラットフォーム４４は、ピーク側面４６の一部となることができるため、窪み部５８をプラットフォーム４４内に形成し得る。プラットフォーム４４内の窪み部により、ベース面６２の少なくとも部分が隣接する２つのフィン２０間の溝部３４の上方で受容される。ピーク４２の両側にプラットフォーム４４を有する場合、各窪み部５８のベース面６２がフィン２０の上方にある代わりに少なくとも部分的に溝部３４の上方にある状態で、ピーク４２の両側に２つの窪み部５８を有し得る。

内面の頂部
図２に示すように、チューブ本体の内面１６からチューブ１０内の冷却液に良好な熱伝達を与えることによって、チューブ１０にわたる熱伝達を改善し得る。突起部７４は、チューブ本体の内面１６から突出して、より素早い熱伝達を促進する。内面１６の突起部７４は、概して螺旋状であり、深さ７６及び周期を有する。周期は、所定の距離内における突起部７４の数である。また、突起部７４は、チューブ軸に対して様々な角度に設定される。突起部７４の深さ７６及び周期は変化し、切断角を設定することで液体がチューブ１０の中で旋回し得る。旋回する液体は、冷却液の中の撹拌量を増やすことによって、熱伝達を高める傾向にある。また、チューブ内面１６の形状又は組織は他のものが可能であり、本発明の枠の中である。

チューブの形成プロセス
フィン付きチューブ１０は、この業界で良く知られたチューブのフィン付け機械によって、概して比較的滑らかなチューブ１０から形成される。チューブのフィン付け機械は、図１６に示し、さらに図１、２、３、４、及び５で参照するように、軸８０を有している。多くの場合、チューブのフィン付け機械は、チューブ１０の周りに配置される３又はそれ以上の軸８０を有しており、これにより、チューブ１０が軸８０によって所定の位置に保持される。軸８０は、それぞれが他を補完するようにように位置し角度を成している。チューブは、チューブ壁８２が軸８０と内部支持部８４との間に位置するように、フィン付け機械を通して提供され供給される。軸８０がチューブの外面１４を変形させ、内部支持部８４がチューブの内面１６を変形し得る。チューブ壁８２は一般に軸８０に対して回転し、チューブ壁８２が回転すると内部支持部８４の軸方向に移動する。

軸８０は、チューブ壁８２を連続的に変形させ鋭くする一般にいくつかのフィン形成ディスク８６を有しており、チューブの外面１４に１又はそれ以上の螺旋状のフィンを形成する。連続したフィンディスク８６がチューブ壁８２の中により深く突出し易くなり、フィンディスク８６によってフィン２０が形成且つ押し上げられる。内部支持部８４は、フィン２０がチューブの外面１４上に形成されると、螺旋状の突起部７４がチューブの内面１６に形成されるように、凹部８８を有する。

フィンディスク８６がフィン２０を変形させた後、他の様々なディスクを軸８０に含めて、最終的なチューブ１０の形態にさらに変形、成形、及び規定することが可能である。フィンディスク８６の後に、ローレット切り工具９０を使用してフィン頂部２４の低下部３６にローレットを付ける。ローレット切り工具９０がblunterの場合、低下部３６を形成するよう変位する材料が低下部３６のベースで蓄積し易くなり、低下部３６のベースから溝部３４の中に突出するプラットフォーム４４を有し得る。鋭いローレット切り工具９０は、低下部３６を潰す代わりに低下部３６をカットし、これにより、フィンピークの側面４６にプラットフォーム４４ができる。ローレット切り工具９０をセットして様々な傾斜角３８で低下部３６を形成することができ、これはプラットフォーム４４を形成する場所及び方法に影響する。

そして、窪み工具９２を使用してピーク４２に窪み部５８を形成するが、ローレット切り工具９０の前に窪み工具９２を使用し得る。窪み工具９２の形状は窪み部５８の形状を決定する。窪み工具９２の可能な形状は、歯部又は滑らかな円形を有している。窪み工具９２を１つの段差７０、又は必要に応じてピークの少なくとも２つの段差７０を形成するような形状にし得る。窪み工具９２を使用して、偏心窪み部５８をフィンピーク４２の中に圧入し、これにより、フィンピーク４２が階段状になる。窪み工具９２は、ピーク４２のいずれかの側を成形又は形成することができ、両面を変形させる場合、それは同時に又は連続的に行われる。また、チューブの外面１４をさらに成形するための他の工具を必要に応じて軸８０に含めることができる。

内部支持部８４は、凹部８８を用いてチューブの内面１６に突起部７４を形成する。内部支持部８４はチューブ１０に対して回転し、又はその逆がなされるが、内部支持部８４は軸８０よりもチューブ１０に対して様々なスピードで回転し得る。多種多様な工具又は設計を内部支持部８４に含めることができ、チューブ内面１６に多種多様な設計、形状又は組織を形成し得る。チューブの外面１４に関する熱伝達の改善は、内面１６の熱伝達率が外面１４の熱伝達率に匹敵し又はそれよりも高い場合に、最も効果的である。面に接触する材料、フローレート、相変化、その他多くの多種多様な考慮すべき事項及び要因が熱伝達率に影響を及ぼす。

チューブの利点
説明されるチューブ１０は、チューブ１０の内部を通過する冷却液によって外面１４で蒸気を液化するために使用する場合に非常に効果的である。このようなタイプの使用は、チューブ１０の可能な使用法の一例である。外面１４が多くの角度及び鋭いコーナーを有しているため、液化を促進し、このような角度及び鋭いコーナーが、表面の張力により液滴を形成するよう液化させ易くする領域を与える。これらの液滴が形成されると、下方に流れてより簡単にチューブ１０から落ちることで、チューブ１０が凝縮液をより素早く落とす。また、フィン２０間の溝部３４が凝縮液を流し易くし、これにより液滴がチューブ１０から出て落ちる割合を改善する。またこれにより、本発明の凝縮液落下性能を改善する。表面張力効果のため、凝縮液はフィン頂部２４、シーム６６及び縁部６８といった凸状領域を避ける傾向にある。これらの比較的凝縮フリーの領域は、熱流に対する抵抗をあまり与えず、凝縮率を高める。

フィン２０、低下部３６、プラットフォーム４４、及び窪み部５８は、全てチューブの外面１４の表面積を増やす。熱は面を通して流れるため、表面積が大きくなると熱流の速度を高める。このため、表面積を増やすチューブの外面１４の変形が熱流の速度を高める傾向にある。

また、チューブの内面１６は、突起部７４が乱流の原因となり冷却液を旋回させるため、熱伝達を促進する。このような乱流及び旋回により、層流を最小限にするミキシングの原因となり、チューブの内面１６に直接接触する液層の深さを減らす。また、突起部７４は内面１６の表面積を増やし、これにより熱伝達を高める。高い頂部周期及び／又は大きい頂部深さ７６により、熱伝達率を増やし易くなるが、高い頂部周期及び／又はより深い頂部７６はまた、チューブ１０を通る冷却液の流れに対する抵抗を増やし易くする。冷却液の流量が小さくなると、熱伝達を遅くし得る。このため、最良な熱伝達条件のために、バランスを取る必要がある。

チューブの外側での気体の凝縮に関するＲ１３４Ａを用いた既存の技術に対する本発明の実際の試験が、段差付きフィン頂部のデザインの利点を示している。６．５％から１５％に増加したチューブの外面の熱交換率が測定された。これらの改善率は、段差付きフィン頂部のデザインを用いることによって達成した。

寸法例
本発明の寸法を変えることができるが、寸法例を以下に示しており、本発明の少なくとも１つの実施例を与えるであろう。

フィン間の距離は、隣接する２つのフィン２０の中心点間の距離であり、この距離は０．３乃至０．７ミリメートルである。

フィン２０は、フィン厚と称される厚さを有しており、この厚さは０．０５乃至０．３ミリメートルである。

フィン２０は、フィンベース２２からフィン頂部２４まで測られる高さ２７を有しており、フィン高さ２７は、０．７乃至１．５ミリメートルである。

フィン頂部２４に形成される低下部３６は、０．１乃至０．５ミリメートルの深さ４０を有しており、低下部３６は、０．１乃至１ミリメートルに変え得る幅を有している。

チューブの内面１６に形成される突起部７４は深さ７６を有しており、この深さ７６は０．１乃至０．５ミリメートルである。軸に対する頂部の内側角は、４６°に設定することが可能であり、頂部の開始点は８乃至５０に変化し得る。

チューブ１０の外径は１９ミリメートルである。チューブ壁８２は、１．０４ミリメートルの厚さを有している。

結論
限られた数の実施例を参照して本発明を説明したが、当業者はここで開示した本発明の範囲から逸脱せずに本発明の利点を有する他の実施例を考え得ることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に限定すべきではない。

Claims (21)

1. 外面を有するチューブ本体と；
   前記チューブ本体の外面から半径方向に延びる少なくとも１つのフィンであって、フィン頂部と、フィンベースと、前記フィン頂部から前記フィンベースまで測られるフィン高さとを有するフィンと；
   複数のフィン低下部がフィンピークの間に規定されるように、前記フィン頂部に形成された複数のフィンピークであって、側面を有するフィンピークと；
   前記フィンピークの側面に規定される少なくとも１つの窪み部と；
   を具えることを特徴とするフィン付きチューブ。
2. さらに、前記窪み部が、側面と、ベース面と、前記側面と前記ベース面との交差部によって規定される結合部と、を具えており、
   前記結合部が、前記フィンベースに対して略平行であることを特徴とする請求項１に記載のフィン付きチューブ。
3. 隣接するフィンが溝部を規定しており、
   前記ベース面が、前記溝部の上方で少なくとも部分的に受容されることを特徴とする請求項２に記載のフィン付きチューブ。
4. 前記フィンが前記チューブ本体から形成され、これにより、前記フィンが前記チューブ本体と一体になっていることを特徴とする請求項１に記載のフィン付きチューブ。
5. 前記窪み部が、少なくとも２つの側面及び２つのベース面を有しており、
   前記フィンピークが上面を有しており、
   前記窪み部が少なくとも２つの階段状の形状を有するように、１つの側面のみが前記フィンピークと交わっていることを特徴とする請求項１に記載のフィン付きチューブ。
6. 前記ピークが２つの窪み部を有しており、前記窪み部が前記フィンピークの反対側にあることを特徴とする請求項１に記載のフィン付きチューブ。
7. 前記チューブ本体が内面を有しており、
   さらに、前記フィン付きチューブが、前記チューブ本体の内面から突出する螺旋状の突起部を具えていることを特徴とする請求項１に記載のフィン付きチューブ。
8. 外面を有するチューブ本体と；
   左及び右側壁、フィン頂部及びフィンベースを有する少なくとも１つのフィンであって、隣接するフィンの左及び右側壁の間に溝部が規定されるように、前記チューブ本体の外面かららせん状に延びており、前記フィン頂部から前記フィンベースまで測られるフィン高さを有するフィンと；
   複数のフィン低下部がフィンピークの間に規定されるように、前記フィン頂部に形成される複数のフィンピークであって、上部を有するフィンピークと；
   前記フィンピークに規定される少なくとも１つの窪み部であって、側面及びベース面を有し、前記窪み部の側面が前記フィンピークの上部と交わっており、前記窪み部のベース面が１つの溝部のみに延びており、前記窪み部の側面が中に前記ベース面が延びている前記溝部に面している窪み部と；
   を具えることを特徴とするフィン付きチューブ。
9. 前記フィンが前記チューブ本体から形成されることで、前記フィンが前記チューブ本体と一体となっていることを特徴とする請求項８に記載のフィン付きチューブ。
10. 前記窪み部が、少なくとも２つの側面及び少なくとも２つのベース面を有しており、
    １つの側面のみが前記フィンピークの上部と交わっており、これにより、前記窪み部が少なくとも２つの段差を有することを特徴とする請求項８に記載のフィン付きチューブ。
11. 前記窪み部が、前記フィンピークの反対側にある少なくとも２つの窪み部を有していることを特徴とする請求項８に記載のフィン付きチューブ。
12. 前記チューブ本体が内面を有しており、
    さらに、前記フィン付きチューブが、前記チューブ本体の内面から突出する螺旋状の突起部を具えていることを特徴とする請求項８に記載のフィン付きチューブ。
13. 外面を有するチューブ本体と；
    前記チューブ本体の外面から半径方向に延びる少なくとも１つのフィンであって、側壁と、フィン頂部と、フィンベースと、前記フィン頂部から前記フィンベースまで測られるフィン高さとを有するフィンと；
    複数のフィン低下部がフィンピークの間に規定されるように、前記フィン頂部で受容される複数のフィンピークであって、少なくとも１つの階段状側面を有するフィンピークと；
    を具えることを特徴とするフィン付きチューブ。
14. 前記フィンピークの階段状側面が、少なくとも２つの階段状の構造を有していることを特徴とする請求項１３に記載のフィン付きチューブ。
15. 前記フィンピークが、２つの階段状側面を有しており、前記階段状側面が前記フィンピークの反対側にあることを特徴とする請求項１３に記載のフィン付きチューブ。
16. 前記フィンが前記チューブ本体から形成され、これにより、前記フィンが前記チューブ本体と一体になっていることを特徴とする請求項１３に記載のフィン付きチューブ。
17. 前記チューブ本体が内面を有しており、
    さらに、前記フィン付きチューブが、前記チューブ本体の内面から延びる突起部を具えていることを特徴とする請求項１３に記載のフィン付きチューブ。
18. フィン付きチューブを製造する方法であって：
    チューブ本体を用意するステップと；
    チューブ本体の外面にフィンを形成するステップと；
    フィンピークが低下部の間に規定されるように、前記フィンに低下部を付けるステップと；
    前記フィンピークの側面が階段状の構造を有するように、前記フィンピークに偏心窪みを圧入するステップと；
    を具えることを特徴とする方法。
19. さらに、チューブ本体の内面に螺旋状の突起部を形成するステップを具えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 偏心窪みが、前記フィンピークの反対側に圧入されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 前記窪み部が、少なくとも２つの階段状の構造を有することを特徴とする請求項１８に記載の方法。

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