JP3935348B2 - 熱交換管およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の金属製の熱交換管、特に純物質または混合物から成る液体を蒸発させるための金属製の熱交換管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
蒸発は、冷凍技術および空調技術の多くの分野、ならびにプロセス技術およびエネルギー技術で行われる。このような技術では管形熱交換器が使用されることが多く、管形熱交換器では、純物質または混合物の液体が管外面で蒸発し、その際管内面で塩性水または水が冷却される。このような装置は満液式蒸発器と呼ばれる。
【０００３】
管外面および内面での熱伝達を増大させることにより、蒸発器のサイズを著しく小さくすることができる。これによりこの種の装置の製造コストが低下する。さらに、必要な冷媒充填量が減少する。冷媒は、今日主に使用される、塩素を含んでいない安全冷媒の場合、設備コスト全体において無視できないほどの割合のコストを占めることがある。また、有毒な冷媒または燃焼性の冷媒の場合には危険率を低下させることができる。今日慣用されている高性能管は、同径の平滑な管に比べてほぼ３ファクタだけ性能が優れている。
【０００４】
本発明は、管外面の熱伝達係数を増大させるようにした構造化管に関するものであるが、この種の構造化管においては、熱貫流抵抗の主成分が内面へ移動することが多いので、通常は内面の熱伝達係数も増大させねばならない。管内面の熱伝達が増大すると、通常は管側の圧力降下が増大する結果になる。
【０００５】
管形熱交換器用の熱交換管は、通常、少なくとも１つの構造化された領域と、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された領域を画成している。管を管形熱交換器内に交換可能に取付けできるようにするには、構造化された領域の外径が平滑な端部部材および中間部材の外径よりも大きいようであってはならない。
【０００６】
蒸発の際の熱伝達を増大させるため、泡沸騰の過程を増強させる。泡の形成が核生成個所ではじまることは知られている。この核生成個所は、ほとんどの場合小さなガス含有部または蒸気含有部である。このような核生成個所は、すでに表面を粗くさせることにより生成させることができる。成長する泡が一定の大きさに達すると、泡は表面から解離する。泡の解離に引き続いて核生成個所に液体が流れ込んでくると、場合によってはガス含有部または蒸気含有部は液体によって排除される。この場合核生成個所は非活性になる。これは核生成個所を適当に構成することにより回避することができる。このためには、核生成個所の開口部がこの開口部の下にある中空空間よりも小さいことが必要である。
【０００７】
従来の技術によれば、この種の構造は一体にローリングしたフィン付き管をベースにして製造される。一体にローリングしたフィン付き管とは、フィンを平滑管の壁材から成形させたフィン付きの管である。この場合種々の方法が知られているが、フィンの間にある管路を閉鎖させて、管路と周囲との間の連通部を穴またはスリットの形状で残しておくものである。穴またはスリットの開口部は管路の幅よりも小さいので、管路は適当に成形された中空空間であり、泡核生成個所の形成と安定化を好都合にさせる。特に、実質的に閉じたこの種の管路には、フィンを湾曲または折り曲げることにより生成させるもの（ＵＳ３．６９６．８６１,ＵＳ５．０５４．５４８）、フィンを裂開して圧縮することにより生成させるもの（ＤＥ２．７５８．５２６,ＵＳ４．５７７．３８１）、フィンにノッチを形成して圧縮することにより生成させるもの（ＵＳ４．６６０．６３０，ＥＰ０．７１３．０７２，ＵＳ４．２１６．８２６）がある。
【０００８】
市場で入手できる満液式蒸発器用の高性能フィン付き管は、フィン外面に、フィン密度が１インチあたり５５個ないし６０個のフィン構造を有している（ＵＳ５．６６９．４４１,ＵＳ５．６９７．４３０,ＤＥ１９７５７５２６）。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。より高いフィン密度またはより小さなフィンピッチによりこの種の管の性能を改善させることが可能である。これにより泡核生成個所密度が大きくなるからである。フィンピッチをより小さくさせるには、一様に微細なツールがどうしても必要である。しかし微細なツールは破損する危険性が高く、急速に磨耗する。最近使用されているツールは、フィン密度が最大で１インチあたり６０個のフィン付き管の確実な製造を可能にする。さらに、フィンピッチが減少するにつれて管の生産速度は遅くなり、結果的に製造コストを増大させる。
【０００９】
フィンの間の溝の底を利用することにより、管外面でのフィン密度を一様にさせた高性能の蒸発構造を生成できることは知られている。ＥＰ０．２２２．１００では、ノッチディスクを用いて溝の底に凹みを備えさせることが提案されている。溝底の凹みはＶ字状、台形状、或いは半円状の横断面を有し、補助的な泡核生成個所を成す。しかしながら、この種の構造により特に熱流束の小さな領域で得ることのできる性能の向上は、決して市場の要請に十分なものではない。また、凹みは管のコア壁を弱化させ、管の機械的安定性を減少させる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、管側の熱伝達および圧力降下が同じで、同じ製造コストで製造される、管外面で液体を蒸発させるための高性能熱交換管を提供することである。また、管の機械的安定性に悪影響を与えないようにすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題は、フィンの間にねじ線状に延びている一次溝の溝底の領域に繰り抜き部が配置されている上記種類の熱交換管において、本発明によれば、前記繰り抜き部が凹角の二次溝の形状に形成されていることによって解決される。
【００１２】
凹角の溝（図１を参照）が存在するのは、
−切断面に、閉じていない領域Xが見出される場合であって、
−この領域Xを区間ＡＢによって閉鎖できる場合、しかも
−前記領域Xの縁の一部であるP,Qを含む区間PQが見出され、その結果PQがABに対し平行で、PQの長さがABの長さよりも長い場合、
である。
【００１３】
凹角の二次溝は、EP０．２２２．１００で提案されている簡素な凹みに比べて、泡核生成個所の形成と安定化に対し明らかに好都合な条件を提供する。凹角の二次溝は一次溝底の近くに位置しているが、これは蒸発プロセスにとって特に好都合である。というのは、溝底においては壁の温度過昇が最大になっており、それ故そこでは泡形成促進温度差が最大になっているからである。
【００１４】
請求項２ないし１５は、本発明による熱交換管の有利な実施形態に関わる。
【００１５】
本発明によれば、適当な補助ツールによってフィンを成形した後、材料をフィン側面の領域から溝底のほうへ排除し、その結果そこには完全に閉じていない中空空間が発生し、これらの中空空間が所望の凹角の二次溝を成す。中空空間は一次溝底からフィン先端部のほうへ延びており、この場合中空空間の拡がりは最大でフィンの高さＨの４５%以下、典型的にはフィンの高さＨの２０%以下である。フィンの高さHとは、最大ローリングディスクによって成形された溝底の最も深い位置から、完全に成形されたフィン付き管のフィン先端部までを測ったものである。
【００１６】
さらに、請求項１６ないし２２によれば、本発明による熱交換管を製造するための種々の方法も本発明の対象である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
図２ないし図７に図示した一体にローリングされたフィン付き管１は、管外面においてねじ線状に周回しているフィン３を有し、これらのフィン３の間に一次溝４が形成されている。フィン側面５の材料は適当に移動せしめられ、その結果溝底６の領域に、完全に閉じていない中空空間７が生じ、この中空空間７が本発明による凹角の二次溝である。フィン先端部８の材料は、フィン中間空間が穴２６を除いて閉じられて管路９を形成するように移動せしめられる。
【００１９】
本発明によるフィン付き管の製造は、図２、図４、図６に図示した装置を用いてローリング過程（ＵＳ１．８６５．５７５、ＵＳ３．３２７．５１２を参照）により行なわれる。
【００２０】
使用する装置は、ｎ＝３または４個のツールホールダ１０から成り、これらのツールホールダ１０にはそれぞれローリングツール１１が組み込まれている。ツールホールダ１０はフィン付き管の周囲にそれぞれ３６０゜／ｎだけずらして配置されている。ツールホールダ１０は半径方向に位置調整可能である。またツールホールダ１０は定置のローリングヘッド（図示せず）内に配置されている。
【００２１】
矢印方向に装置内に走入する平滑管２は、その周囲に配置され駆動されるローリングツール１１によって回転せしめられ、この場合ローリングツール１１の軸線は管軸線に対し傾斜して延びている。ローリングツール１１は、公知の態様で、互いに並設される複数個のローリングディスク１２からなり、ローリングディスク１２の径は矢印方向に増大している。中央に配置されているローリングツール１１は、平滑管２の管壁から、ねじ線状に延びるフィン３を成形し、この場合管壁は成形ゾーンにおいてローリングマンドレル２７によって下から支持される。ローリングマンドレル２７は異形であってよい。隣接する２つのフィンの中心の、管軸線に沿う方向に測った間隔を、フィンピッチＴと記すことにする。ローリングディスクは、成形されたフィン３がほぼ台形状の横断面を有するように外周を異形にされている。フィンは、フィン側面５と溝底６の移行領域１３においてのみ理想的な台形形状とは異なっている。この移行領域１３は通常フィンの足と呼ばれるものである。そこに形成された半径は、フィンを成形する間材料の支障のない流動を可能にするために必要である。
【００２２】
ローリングツール１１によりほぼ台形状のフィン３を成形した後、一次溝４の溝底６の領域に、本発明による凹角の二次溝７を生成させる。この場合３つの異なる実施形態を適用することができる。
【００２３】
実施形態１
ローリングツール１１の最後のディスクの後には筒状のディスク１４があって係合しており、その径は最も大きなローリングディスク（図２）の径よりも小さい。この筒状のディスク１４の厚さＤは、ローリングディスク１２によって成形された一次溝１４の幅Ｂよりもいくぶん大きい。なお一次溝４の幅Ｂは、フィン側面５がフィン足部１３の半径領域へ移行している個所で測ったものである。典型的には、筒状のディスクの厚さＤはフィンピッチＴの５０%ないし８０%である。筒状のディスク１４は材料をフィン側面５から溝底６のほうへ排除する。排除された材料は、ツールの幾何学的形状を適宜選定することにより移動して、溝底６の上方に材料突起１５を形成し、したがって溝底６に直接、完全に閉じていない中空空間７が生じる（図３）。この中空空間７はほぼ均一な横断面で周方向に延びている。中空空間７は本発明による凹角の二次溝である。
【００２４】
ディスク１４の側面に、該ディスクの周に沿って、完全に凹の異形部または部分的に凹の異形部を備えさせると、フィン側面５の材料の排出を好都合にさせるので合目的であることが判明した。
【００２５】
筒状のディスク１４の径はローリングツール１１の最大のローリングディスクの径よりも小さいので、一次の溝底６の最も深い個所は筒状のディスク１４により加工されない。したがって、凹角の二次溝７の成形時に管壁１８が弱化することはない。
【００２６】
実施形態２
この実施形態は、実施形態１の拡張形である。本第２実施形態では、筒状のディスク１４の後に歯車状のノッチディスク１６があって係合しており、その径は筒状のディスク１４の径よりも大きいが、しかしたかだかローリングツール１１の最大のローリングディスクの径の大きさである。筒状のディスク１４によって成形され、周方向において均一な横断面を持って延びている中空空間は、ノッチディスク１６により、周方向に規則的に配置される凹み１７に分割される。これにより、周方向に周回する凹角の二次溝７が生じ、その横断面は規則的な間隔で変化している（図５）。ノッチディスク１６は直線状に歯形化されていても、また傾斜して歯形化されていてもよい。
【００２７】
歯車状のノッチディスク１６の径はローリングツール１１の最大のローリングディスクの径よりも大きくないので、一次の溝底６の最も深い個所は歯車状のノッチディスク１６によりそれ以上深くなることはない。したがって、本実施形態２による凹角の二次溝７の成形時に管壁１８が弱化することはない。
【００２８】
実施形態３
ローリングツール１１の最後のディスクの後に歯車状のノッチディスク１９があって係合しており、ノッチディスク１９の径はたかだか最大のローリングディスクの径と同じである（図６）。ノッチディスク１９の厚さＤ’は、ローリングディスク１２によって成形された一次溝４の幅Ｂよりもいくぶん大きい。なお一次溝４の幅Ｂは、フィン側面５がフィン足部１３の半径領域へ移行する個所で測ったものである。典型的には、このノッチディスクの厚さＤ’はフィンピッチＴの５０%ないし８０%である。ノッチディスク１９は直線状に歯形化されていても、また傾斜して歯形化されていてもよい。ノッチディスク１９はフィン側面５の領域とフィン足部１３の半径領域とから材料を排除して、そこに互いに間隔を持って位置する凹み２０を残す。排除された材料は、有利には個々の凹み２０の間の非加工領域へ変位し、その結果そこに一次溝４に対し横方向にフィン３の間に延びるように刻印された堰き止め部２１が生じる。径が一定の次の仕上げローリングディスク２２は、この堰き止め部２１の上部領域を管周方向において成形し、その結果堰き止め部２１の成形された上部領域２３と溝底６との間に、２つの隣接する堰き止め部２１の間に位置するように小さな中空空間７が形成される（図７）。これらの中空空間７は本発明による凹角の二次溝である。仕上げローリングディスク２２の径はベースノッチディスク１９の径よりも小さく選定する必要がある。
【００２９】
歯車状のノッチディスク１９の径はローリングツール１１の最大のローリングディスクの径よりも大きくないので、一次の溝底６の最も深い個所は歯車状のノッチディスク１９によりそれ以上深くなることはない。したがって、本実施形態３による凹角の二次溝７の成形時に管壁１８が弱化することはない。
【００３０】
凹角の二次溝７を溝底８に生成させた後、歯車状のノッチディスク２４を用いてフィン先端部８にノッチを形成させる。これを図２、図４、図６に図示した。次に、１個または複数個のフラットニングローラ２５によって、ノッチを形成させたフィン先端部を平坦にさせる。このようにしてフィン３はほぼＴ字状の横断面になり、フィン３の間の溝９は穴２６を除いて閉鎖される（図３、図５、図７を参照）。
【００３１】
完成したフィン付き管１のフィンの高さＨを、溝底６の最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部まで測定する。
【００３２】
本発明に従って一次溝４の溝底６に形成させた凹角の二次溝７は、溝底６からフィン先端部のほうへ延在しており、この場合その拡がりは最大でフィンの高さＨの４５%まで、典型的にはフィンの高さHの２０%までである。
【００３３】
図８は、本発明に従って溝底６に形成した凹角の二次溝７の写真である。断面は、管の周方向に対し垂直な方向である。この写真は実施形態１による一例である。構造が非対称になっているのが認められるが、これはツールの寸法および素材の寸法の避け難い公差によるものである。突起１５は、フィン側面５から溝底６のほうへ移動した材料から成っている。
【００３４】
図９は、管外面の冷凍剤Ｒ−１３４ａを蒸発させる際の、構造化された２本の管の性能を比較したもので、２本の管のうち一方の管は溝底に凹角の二次溝を備えている。図は、外側の熱伝達係数と熱流束との関係を示している。この場合の飽和温度は１４．５℃である。図からわかるように、溝底の凹角の二次溝により、熱流束が小さい場合には３０%以上、熱流束が大きい場合にはほぼ２０%の性能上の利点が達成される。
【００３５】
溝底に凹角の二次溝を備えた構造は、ＥＰ０．５２２．９８５にも提案されている。しかしながら、この場合の構造は管の内面にある。この種の管の機械的安定性を、特に管を拡開する際に保証するためには、二次溝は可能な限り平坦に構成されていなければならない。これは、前記ＥＰ０．５２２．９８５に記載されているように、二次溝の鋭角の形状により達成される。管側面の冷凍剤を蒸発させると、管内部には通常管外面よりも高い圧力が支配する。内圧の負荷で、二次溝の鋭角の縁のノッチ作用のために、管の壁に対する機械的荷重が大きくなる。これはより肉厚の管壁により補償されねばならない。しかしながら、このセーフティマージンは材料の使用量を増大させ、よって高コスト化させる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明が提案するように、フィン付き管の外面の一次溝底６の領域に凹角の二次溝７を形成させると、管壁８の弱化は起こらない。というのは、二次溝７の形成のために、フィン側面５の領域の材料、および場合によっては溝底６上方の半径領域１３の材料だけが使用されるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】凹角の溝の基本構成図である。
【図２】管外面にほぼ一定の横断面でねじ線状に周回している凹角の二次溝を備えた本発明による熱交換管の製造方法を概略的に示した図である。
【図３】ほぼ一定の横断面でねじ線状に周回している凹角の二次溝を備えた本発明による熱交換管の部分図である。
【図４】ねじ線状に周回している凹角の二次溝を備え、該二次溝の横断面が規則的な間隔で変化している本発明による熱交換管の製造方法を概略的に示した図である。
【図５】ねじ線状に周回している凹角の二次溝を備え、該二次溝の横断面が規則的な間隔で変化している本発明による熱交換管の部分図である。
【図６】一次溝の方向に対しほぼ横方向に延びている凹角の二次溝を備えた本発明による熱交換管の製造方法を概略的に示した図である。
【図７】一次溝の方向に対しほぼ横方向に延びている凹角の二次溝を備えた本発明による熱交換管の部分図である。
【図８】溝底においてほぼ一定の横断面でねじ線状に周回している本発明による凹角の二次溝の写真である。
【図９】溝底に設けた凹角の二次溝による性能上の利点を照明するグラフである。
【符号の説明】
１ フィン付き管
２ 平滑管
３ フィン
４ 一次溝
５ フィン側面
６ 溝底
７ 二次溝
８ フィン先端部
１２ ローリングディスク
１３ フィン足部
１４ 筒状のディスク
１６ ノッチディスク
１９ ノッチディスク
２０ 凹み
２２ 仕上げローリングディスク
２４ ノッチディスク
２５ フラットニングローラ
２７ ローリングマンドレル

Claims (15)

1. 管外面に成形された一体のフィン（３）を備え、その足部（１３）がほぼ半径方向へ管壁（１８）から突出し、前記フィンは略Ｔ字状の横断面を有しそのフィン（３）の間に延びている一次溝（４）の溝底（６）の領域に繰り抜き部が設けられている金属製の熱交換管、特に純物質または混合物から成る液体を蒸発させるための金属製の熱交換管において、
   前記繰り抜き部が凹角の、略一定の横断面とした二次溝（７）の形状に形成されているとともに、前記フィン（３）と一次溝（４）がねじ線状に延びていることを特徴とする金属製の熱交換管。
2. 凹角の二次溝（７）がほぼ一定の横断面で一次溝（４）の方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載の金属製の熱交換管。
3. 一次溝（４）の方向に延びている凹角の二次溝（７）の横断面が規則的な間隔で変化していることを特徴とする請求項１に記載の金属製の熱交換管。
4. 凹角の二次溝（７）の拡がりが最大でフィンの高さ（Ｈ）の４５ % 以下であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つまたは複数に記載の金属製の熱交換管。
5. 凹角の二次溝（７）の拡がりが最大でフィンの高さ（Ｈ）の２０ % 以下であることを特徴とする請求項４に記載の金属製の熱交換管。
6. フィン（３）が一様な高さ（Ｈ）を有していることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つまたは複数に記載の金属製の熱交換管。
7. フィン先端部（８）にノッチが形成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つまたは複数に記載の金属製の熱交換管。
8. 平滑な端部および／または平滑な中間領域を有していることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つまたは複数に記載の金属製の熱交換管。
9. 継ぎ目のない管として形成されていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つまたは複数に記載の金属製の熱交換管。
10. 縦シーム溶接管として形成されていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つまたは複数に記載の金属製の熱交換管。
11. 請求項１に記載の熱交換管の製造方法において、
    ａ）ローリング工程により管壁から外側へ材料を排除することによりフィン材を獲得し、生じたフィン付き管（１）をローリング力により回転させ、および／または、生じたフィンに応じて前進させることによって、平滑管（２）の外表面にねじ線状に延びるフィン（３）をローリング成形し、その際フィン（３）を、高さを増大させながら非成形平滑管（２）から成形するステップと、
    ｂ）平滑管（２）をその中にあるローリングマンドレル（２７）によって支持させるステップと、
    ｃ）フィン（３）を成形した後、半径方向の圧力によって材料をフィン側面（５）から溝底（６）のほうへ、および／または、フィン足部の移行領域（１３）から溝底（６）のほうへ移動させて、凹角の二次溝（７）を形成させるステップと、
    ｄ）他の半径方向の圧力によりフィン先端部（８）を少なくとも１つのフラットニングローラ（２５）を用いて平坦にさせて、略Ｔ字状の横断面を生じさせるステップと、
    を実施するようにした前記製造方法。
12. 請求項２に記載の熱交換管を製造するための請求項１１に記載の製造方法において、
    ステップｃ）における半径方向の圧力を筒状のディスク（１４）を用いて生じさせ、
    その径は最大のローリングディスク（１２）の径よりも小さく、その厚さ（Ｄ）はフィンピッチ（Ｔ）の少なくとも５０ % でたかだか８０ % であることを特徴とする製造方法。
13. 請求項３に記載の熱交換管を製造するための請求項１２に記載の製造方法において、
    ステップｃ）に引き続いてステップｄ）を行ない、ステップｄ）において、歯車状のノ ッチディスク（１６）を用いて他の半径方向の圧力により溝底（６）を部分的に成形して、周方向に規則的に互いに間隔を持って位置する凹み（１７）を生じさせ、前記ノッチディスク（１６）の径は筒状のディスク（１４）の径よりも大きく、しかし最大でも最大のローリングディスク（１２）の径と同じ大きさであることを特徴とする製造方法。
14. それぞれ直線状または傾斜して波形化されたノッチディスク（１６ , １９）を使用することを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
15. 請求項７に記載の熱交換管を製造するための請求項１２から１４までのいずれか一つに記載の製造方法において、
    他のステップｅ）において、フィン先端部（８）に歯車状のノッチディスク（２４）を用いて半径方向の圧力によりノッチを形成させることを特徴とする製造方法。

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