JP4832308B2 - 改良された伝熱面を製造するための方法及び工具 - Google Patents

Description

関連出願の参照情報：本出願は、２００３年１０月２３日に出願された米国特許出願６０／５１４，４１８号の優先権を主張する。

本発明は、概して、改良された伝熱面、及び改良された伝熱面を製造するための方法及び工具に関する。

本発明は、表面の一方側から他方側への伝熱を容易にする改良された伝熱面に関する。伝熱面は一般的に、例えば低温産業、化学工業、石油化学工業、食品加工業などにおいて使用される浸水蒸発器、流下膜式冷却器、噴霧蒸発器、吸収冷却器、コンデンサ、直接膨張冷却器、単相冷却器、及びヒーターなどの装置に使用される。これらの用途には、純水、水とグリコールの混合物、任意のタイプの冷媒（例えば、Ｒ−２２、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−１２３）、アンモニア、石油化学工業用流体、その他の混合物などの多様な伝熱媒体を使用し得るが、これらに限定されない。

伝熱面の幾つかのタイプは、液体の相変化を利用して熱を吸収することにより作用する。それゆえに、伝熱面にはしばしば、沸騰又は蒸発を高めるための表面が組み込まれている。表面の伝熱性能は、沸騰面上の核部位を増やすこと、単相伝熱面の近傍で攪拌を生じさせること、又は凝縮面の面積を増加させ凝縮面での表面張力効果を高めることにより改良できる。沸騰又は蒸発を高めるための一つの方法は、伝熱面を焼結法、放射線溶融法、又はエッジング法により粗面加工を施して、伝熱面上に多孔層を形成することである。このような多孔層を有する伝熱面は、滑らかな伝熱面よりもより良い伝熱性能を示すことが知られている。しかしながら、上記の方法により形成された空洞又はセルは小さく、沸騰液に含まれる不純物が空洞又はセルを目詰まりさせ得、そのため表面の伝熱面の伝熱性能が損なわれてしまう。加えて、空洞又はセルは大きさ又は寸法が均一に形成されていないため、伝熱性能は表面にわたって変動し得る。さらに、沸騰又は蒸発面を組み込まれた知られた伝熱管は、しばしば最終的な表面を創出するために多数の工程又は工具を多数回通すことが必要となる。

製管業者は、多大な費用を投じて、Nakajimaらの米国特許第4,561,497号、Daikokuらの米国特許第4,602,681号、Nakayamaらの米国特許第4,606,405号、Kuwaharaらの米国特許第4,653,163号、Sasakiらの米国特許第4,678,029号、Linの米国特許第4,794,984号、Angeliの米国特許第5,351,397号に開示されたものを含む、代替のデザイン（設計）を用いて実験を行ってきた。

これらの表面デザイン（設計）はみな、表面の伝熱性能を向上させることを目的とするものであるが、当業界においては依然として、既存のデザインを変更すること及び伝熱性能を改良する新規なデザインを創出することによって、管のデザインを改良し続けることが求められている。加えて、より迅速にかつコスト効率良く、管の表面に転写可能なデザイン及びパターンを創出することもまた求められている。後述するように、本発明の伝熱面の幾何的形状（ジオメトリー）は、その形状を形成するための工具も同様に、極めて改良された伝熱性能を有する。

本発明の実施形態により、管に形成し得るような改良された伝熱面と、少なくとも上述された用途（すなわち、低温産業、化学工業、石油化学工業、食品加工業において使用される浸水蒸発器、流下膜式冷却器、噴霧蒸発器、吸収冷却器、コンデンサ、直接膨張冷却器、単相冷却器、及びヒーターなどの装置への用途）の全てにおいて使用される管の、伝熱性能を改良するために使用出来る伝熱面の形成方法が提供される。表面は、一つの相から次の相、例えば沸騰から蒸発へと移る遷移時間を極めて短縮する複数の空洞により改良されている。空洞は流体が管内で流れるための付加的な経路を創出し、それにより管内を流れる伝熱媒体の乱流を強化する。空洞を創出する突起はまた、さらなる熱交換のための予備の（追加の）表面積をもたらす。実験により、本発明の実施形態に従う管の性能は極めて改良されていることが示されている。

本発明のいくつかの実施形態は、現存する製造設備に容易に追加出来、管の表面に形成することが所望されているパターンの鏡像を有する工具を使用する方法を含む。本発明のいくつかの実施形態はまた、現存する製造設備に容易に追加出来、管の表面に切り込みを入れる（表面をカットする）ための削切端（カット端）と管の表面を持ち上げて（リフトして）突起を形成するためのリフト端とを有する工具を使用する方法を含む。このようにすれば、管の内面から金属を取り除くことなく突起が形成され、それによって管が使用される装置に損傷を与える可能性のある破片を無くすことが出来る。最後に、本発明のいくつかの実施形態は、同様に現存する製造設備に容易に追加出来、突起の先端を平らにする又は曲げるための、マンドレル（心軸)のような工具を使用する方法を含む。管表面の、溝、突起及び平らにされた先端は、同じオペレーション又は異なったオペレーションにて形成することができる。本発明のいくつかの実施形態では、三つの工具が単一の軸に固定されて、管表面は一つのオペレーションにおいて形成される。

本発明の実施形態に従って形成された伝熱面は、伝熱管の内面又は外面にて使用し得、又はマイクロ電子機器を冷却するために使用されるような平坦な伝熱面において使用し得る。このような表面は任意の数の用途に好適であり得、用途は例えば、ＨＶＡＣ（heating, ventilating, air conditioning：冷暖房空調設備）、低温産業、化学工業、石油化学工業、食品加工業における使用を含む。突起の物理的な形状は、特定の用途及び液状媒体（流体媒質）に合わせるために変更し得る。

本発明に従う管は一般的に、例えば多相（高純度液体又はガス、又は液体／ガスの混合物）蒸発器及びコンデンサなどの、熱が管の一つの側から他方の側へと伝達される必要がある任意の用途に役立つが、それには限定されないことが理解されるべきである。以下の説明は本発明の管の望ましい寸法を提供するが、本発明の管は決して、それらの寸法には限定されるものではない。むしろ、管の望ましい寸法は多くの要因によって決まるであろうし、その要因のなかで少なからぬ重要性を有するものは管を流れる流体の性状である。当業者は、管の表面の幾何的形状を変更して、多様な用途において多様な流体と共に用いられる熱伝導を最大限にするための方法を理解するであろう。さらに、図面は表面を管の内面において見られる場合であるかのように示しているが、管の外面における使用、あるいはマイクロエレクトロニクスにおいて使用されるような平坦面における使用においても、表面が好適であることを理解するべきである。

図１に示されるように、本発明のいくつかの実施形態は、管１００の内面１０４に主溝１０８が付けられた伝熱面を含む。当業者によって理解されるように、伝熱面が使用される用途且つ使用される液状媒体によって、主溝１０８の数は変わり得る。主溝１０８は、切断（カッティング）、変形、ブローチ作業、又は押し出し成形などを含む任意の方法によって形成し得るが、これらに限定されない。主溝１０８は、管１００の軸ｓ（図示されず）に対してらせん角度αを成して内面１０４に形成される。らせん角度αは、０°から９０°の間の任意の角度にし得るが、７０°を超えないことが好ましい。当業者は、この好ましいらせん角度αが多くの場合、少なくとも部分的に、使用される液状媒体によって決まることを容易に理解するであろう。

一般に、管１００の中を流れる液体の粘性が高いほど、主溝１０８の深さは深くするべきである。例えば、深さとしては、ゼロよりも大きく管壁１０２の厚さよりも小さい深さが、一般的に望ましいであろう。本願では、管壁１０２の厚さは内面１０４から外面１０６へと測定される。

主溝１０８の軸方向ピッチは、らせん角度α、管１００の内面１０４に形成された主溝１０８の数、及び管１００の内径を含む多くの要因によって決まる。本願の目的のために、内径は管１００の内面１０４から測定される。０．５〜５．０ｍｍの軸方向ピッチが一般的に好ましい（１．５ｍｍ）。

本発明のいくつかの実施形態は、突起又はフィン１１０をも含む。突起１１０は、図２Ａ〜２Ｃに示されるように、内面１０４をカットし内面１０４からリフトされ得る。突起１１０は、管１００の軸ｓに対して角度θを成すことが好ましい。突起１１０の高さｅ_ｐは、内面１０４がカットされるカット深さｔ及び角度θによって決まる。突起１１０の高さｅ_ｐは、カット深さｔ以上の値であることが好ましく、カット深さｔの三倍までの値であることが好ましい。カット／リフト工具３００の深さは、主溝１０８の深さよりも大きいことが好ましい。

突起１１０の軸方向ピッチP_ａ，ｐは、ゼロより大きい任意の値にし得、軸方向ピッチP_ａ，ｐは一般的に、他の要因の中でも、製造中のカット／リフト工具３００と管１００との間の１分間当たりの相対回転速度、製造中のカット／リフト工具３００と管１００との間の相対的な軸方向送り量、及び製造中に突起１１０を形成するために使用されるカット／リフト工具３００に備えられた先端（チップ）３０２の数によって決まるであろう。突起１１０の軸方向ピッチP_ａ，ｐは０．０５〜０．５ｍｍであることが好ましい。軸方向ピッチP_ａ，ｐ及び高さｅ_ｐは、一般的に突起の数によって決まり、突起の数が増えるにつれて高さｅ_ｐは減少するであろう。

突起１１０の形状は、内面１０４の形状及び主溝１０８がカット／リフト工具３００の移動方向に対してカットされた後の内面１０４の向きによって決まる。図２Ａ、２Ｂに示した実施形態において、突起１００は４つの側面１２０と、傾斜した上面１２２（熱伝達抵抗を減らすのに役立つ）と、実質的に尖った先端１２４を有する。

図３Ａ〜３Ｄに示すように、突起１１０の先端１２４は、随意に平らにされて沸騰空洞１１４を創出し得る。または、図４Ａ、４Ｂに示すように、突起１１０の先端１２４は曲げられて沸騰空洞１１４を創出し得る。他の実施形態においては、突起１１０の先端１２４は、厚みを付けられて沸騰空洞１１４を創出し得る。さらに他の実施形態においては、図５Ａ、５Ｂに示すように、突起１１０は互いに対して角度を付けられて沸騰空洞１１４を創出し得る。突起１１０の先端１２４は、凝縮面が所望される場合には、実質的に真っ直ぐの（曲げられていない又は平らにされていない）ままにし得、且つ管１００の内面１０４に垂直にし得る。しかしながら、沸騰面又は蒸発面が所望される場合には、沸騰空洞１１４を創出することによって実質的に沸騰面の効率を向上し得る。沸騰空蔵１１４を創出することによって流体が流れる流路が創出され、液体から沸騰へ又は沸騰から蒸発への遷移を高める。

しかしながら、本発明の突起１１０は図示された実施形態に限定されるものでは決してなく、むしろ任意の形状で形成され得る。さらに、管１００における突起１１０は同じ形状又は同じ幾何的形状を有する必要はない。

図２Ａに示すように、副溝１１２は隣接する突起１１０の間に位置付けられ得る。副溝１１２は管１００の軸ｓに対して角度τ（図示されず）を成して向きを付けられる。角度τは約８０°〜１００°の間の任意の角度にし得る。角度τは、約９０°であることが好ましい。副溝１１２の深さは、主溝１０８の深さと突起１１０の高さの間である。副溝１１２の深さは、主溝１０８の深さよりも大きいことが好ましい。

本発明のいくつかの実施形態は、管上に沸騰面を作製するための方法及び工具をも含む。図６に示すような溝切り工具２００は、主溝１０８の形成に特に有益である。溝切り工具２００は管１００の内径よりも大きい外径を有しているので、管１００を貫通して引かれるか又は押されると、主溝１０８が形成される。溝切り工具２００はまた、シャフト１３０（図１０に示されている）を取り付けるためのアパーチャ２０２を含む。

図７Ａ〜７Ｄ及び図８Ａ〜８Ｄに示されているカット／リフト工具３００は、突起１１０及び副溝１１２を形成するために使用され得る。カット／リフト工具３００は金属削切（金属カット）に耐える構造統合性を有する任意の材料から製造することが出来るが、カーバイドで製造されることが好ましい。図７Ａ〜７Ｄ及び図８Ａ〜８Ｄに示されたカット／リフト工具３００の実施形態は、一般に工具軸ｑと、二つの底面３１２と、一つ又はそれより多くの側壁３１４とを有する。アパーチャ３０８がカット／リフト工具３００を貫通して位置付けられている。先端３０２がカット／リフト工具３００の側壁３１４に形成されている。しかしながら、先端３０２は、先端３０２を管１００に対して所望の向きで支持することが可能な任意の構造体に搭載又は形成することが出来ること、及びそのような構造体は図７Ａ〜７Ｄ及び８Ａ〜８Ｄに開示されたものに限定されないことに注目されたい。さらに、先端３０２はそれらの支持構造体内に引き込み（退避）可能にして、カット処理において使用される先端３０２の数が容易に変更出来るようにし得る。

図７Ａ〜７Ｄは、単一の先端３０２を有するカット／リフト工具３００の一つの実施形態を示す。図８Ａ〜８Ｄは、４つの先端３０２を有するカット／リフト工具３００の代替の実施形態を示す。当業者は、任意の数の先端３０２が突起１１０の所望のピッチP_ａ，ｐに応じてカット／リフト工具３００に備えられ得ることを理解するであろう。さらに、先端３０２の各々の幾何的形状は、単一の先端３０２を有するカット／リフト工具３００の先端３０２と同じである必要はない。むしろ、異なる形状、向き、及び他の幾何的形状を有する突起１１０を形成するために、異なる幾何的形状を有する先端３０２をカット／リフト工具３００に備えても良い。

先端３０２は各々、平面Ａ、Ｂ及びＣの交差により形成される。平面Ａ、Ｂ
及びＣの交差によりカット端３０４が形成される。カット端３０４は内面１０４を切り込んで、突起１１０を形成するための第１工程として層を形成する。平面Ｂは工具軸ｑに対して垂直な平面に対して角度φを成して向きが付けられている（図７Ｂ参照）。角度φはθ−９０°として規定される。それゆえに、カット端３０４が内面１０４を約２０°〜約５０°の間の所望角度θでスライス出来るように、角度φは約４０°から約７０°の間であることが好ましい。

平面Ａ、Ｂ及びＣの交差により、内面１０４を上方にリフトして突起１１０を形成するリフト端３０６が形成される。角度φ_１は平面Ｃ及び工具軸ｑに垂直な平面によって規定される。角度φ_１は傾斜角ω（管の長手方向軸ｓに垂直な平面と突起１１０の長手方向軸の平面との角度）を決定し、突起１１０はリフト端３０６によりこの角度φ_１にてリフトされる。角度φ_１＝角度ωであり、ゆえにカット／リフト工具３００において角度φ_１を調節することにより、突起１１０の傾斜角ωに直接影響を与えることが出来る。この傾斜角ω（及び角度φ_１も）は、管の長手方向軸ｓに垂直な平面に対して約−４５°から約４５°の間の任意の角度の絶対値であることが好ましい。このようにして、突起１１０は、管の長手方向軸ｓに垂直な平面に合わせて並べる事が出来、又は管１００の長手方向軸ｓに垂直な平面に対して左右に傾かせることが出来る。さらに、先端３０２は異なる幾何的形状を有するように形成することが出来（すなわち、角度φ_１は、先端３０２毎に異なってよい）、それにより管１００内の突起１１０は異なる角度で傾斜し得（又は全く傾斜しなくてもよく）、且つ管１００の長手方向軸ｓに垂直な平面に対して異なる方向に傾斜し得る。

例えば、図１１に示すように、カット／リフト工具３００は二つの異なる角度でカット端を組み込んでも良い。４つのカット端を有するカット／リフト工具３００において、カット端の二つの対３１８、３２０は、図５Ａ〜５Ｃに示すような、傾いた突起１１０を備えた沸騰面を創出するために用いられ得る。このような表面を創出するために、隣接する端３１８、３２０は異なる角度φ_１を有する。突起１１０の傾斜角を変えることは、突起１１０間の特定の隙間（ギャップ）ｇを沸騰空洞１１４の開口１１６において得るために可能であり、それによって内面１０４に沿うわん曲した流体流れ（フロー）が影響を受ける。

それゆえに、得られるギャップｇは下記のように計算し得る。

式中、ｐは突起１１０の軸方向ピッチであり、
φは平面Ｂと工具軸ｑに垂直な平面との間の角度であり、
φ_１は工具３００の、平面Ｃと工具軸ｑに垂直な平面との間の角度であり、
ｔはカット深さである。

突起１１０の物理的寸法の値の好ましい範囲は特定されたが、カット／リフト工具３００の物理的寸法は、結果として得られる突起１１０の物理的寸法に影響を与えるように変更し得ることを当業者は理解するであろう。例えば、カット端３０４が内面１０４に切り込む深さｔと角度φは突起１１０の高さｅ_ｐに影響を及ぼす。ゆえに、突起１１０の高さｅ_ｐは下記式を用いて調整し得る。

又は、もしもφ＝90-θであれば、

式中、ｔはカット深さであり、
φは平面Ｂと工具軸ｑに垂直な平面との間の角度であり、
θは管１００の長手方向の軸ｓに対して層がカットされる角度である。

突起１１０の厚さＳ_ｐは、突起１１０のピッチＰ_ａ，ｐと角度φに依って決まる。ゆえに、厚さＳ_ｐは下記式を用いて調整することが出来る。

又は、もしもφ＝90-θであれば、

式中、Ｐ_ａ，ｐは突起１１０の軸方向ピッチであり、
φは平面Ｂと工具軸ｑに垂直な平面との間の角度であり、
θは管１００の長手方向の軸ｓに対して内面１０４がカットされる角度である。

本発明のいくつかの実施形態においては、突起１１０の先端１２４は、図１０に示す平坦工具４００を用いて平らにされるか又は曲げられてよい。平坦工具４００は、内面１０４上の突起１１０の直径よりも大きい直径を有することが好ましい。それゆえに、平坦工具４００が管１００を貫通して引かれるか又は押されると、突起１００の先端１２４は曲げられるか又は平らにされる。平坦工具４００はシャフト１３０に取り付けられるためのアパーチャ（図示されていない）を含む。

他の実施形態において、突起１１０の先端１２４は、平坦工具４００を用いることなく、図３Ａ、３Ｂに示された平らにされた又は曲げられた先端１２４と類似の形状を得ても良い。例えば、カット／リフト工具３００は、図４Ａ、４Ｂに示されたような、平らにされた突起の先端１２４と類似の形状を有する突起１１０を創出可能な先端を組み込み得る。他の実施形態において、カット／リフト工具３００は、図９Ｂに示されたような突起１１０の先端１２４を平らにするための先端３１６を組み込み得る。図９Ａに示されたカット／リフト工具３００は、図９Ｂ、９Ｃに示されたような沸騰面を創出するために使用され得る。

伝熱面において用いられる沸騰面は、厚みをつけられた先端１２４を有する突起１１０を創出することによって得られてもよい。図１２Ａ、１２Ｂに示すように、厚みをつけられた先端１２４を有する伝熱面は沸騰空洞１１４を創出するために用いることが出来る。厚みをつけられた先端１２４を有する突起１１０は、図１３Ａ、１３Ｂを参照し、下記式を用いることにより得ることが出来る。

式中、φ_２はカット端の１番目の位置の突起と工具送り方向との間の角度であり、
φ_３はカット端の２番目の位置の突起と工具送り方向との間の角度であり、
ｔはカットの総深さであり、
ｔ_１はカット端の最初の位置のためのカット深さであり、次いで突起先端１２４は図１３Ｂに示されたようになり、そして隙間ｇが下記のように計算され得る。

もしも以下が真であるならば、

その結果、突起１２４は図１３に示されたものになるであろうし、隙間ｇは下記のように計算され得る。

図１３Ｃ、１３Ｄは、厚みをつけられた先端１２４を有する突起１１０を創出するためのカット／リフト工具３００の実施形態を示す。

図１０は、管１００の表面を改良（強化）するための、一つの可能な製造構成である。これらの形態は本発明に従う管１００が製造されるプロセスを限定するものでは決してない。むしろ、任意の好適な設備又は構成を使用する任意の管製造プロセスを使用し得る。本発明の管１００は、構造統合性、可鍛性、可塑性を含む好適な物理的特性を有する各種の材料、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、真鍮、チタン、スチール、及びステンレススチールなどから造られ得る。

管１００の内面１０４を改良するための方法の一例において、アパーチャ４０２を通って平坦工具４００が回転可能に取り付けられるシャフト１３０は、管１００内へと延伸する。カット／リフト工具３００はアパーチャ３０８を通ってシャフト１３０に取り付けられる。溝切り工具２００はアパーチャ２０２を通ってシャフト１３０に取り付けられる。ボルト１３２は三つの工具２００、３００、４００の全てを定位置に固定する。工具２００、３００、４００は任意の好適な手段によりシャフト１３０に回転可能に固定されるのが好ましい。図７Ｄと８Ｄは、カット／リフト工具３００に備えられてシャフト上の突起（図示せず）とかみ合うことにより、カット／リフト工具３００をシャフト１３０に対して定位置に固定し得るキー溝３１０を示す。

図示されてはいないが、本発明の方法又は／及び工具が管の内面を創出するために使用される時、製造構成は、管の外面を改良するために使用可能なアーバー（心棒）を含み得る。アーバーは各々が一般的に、軸方向ピッチＰ_ａ，ｏを有する外側フィンを一つから多数の開始位置から半径方向に突き出させるフィン付けディスクを有する工具構成を含む。この工具構成は、ノッチ付け又は平坦化ディスクなど、追加のディスクを含んでさらに管の外面を改良し得る。しかしながら、管への用途によっては、管の外面に改良を施す必要は全くないことにも注意されたい。操作中は、管の壁はマンドレルとアーバーとの間を動き、それにより管の壁に圧力が加えられる。

所望の内面パターンの鏡像が、溝切り工具２００に備えられており、管１００が溝切り工具２００と係合すると溝切り工具２００が管１００の内面１０４に所望のパターンを形成するようになっている。所望の内面１０４は、図１に示されたような主溝１０８を含む。管１００の内面１０４に主溝１０８を形成した後、管１００は、溝切り工具２００と隣接しかつその下流側に位置付けられたカット／リフト工具３００と直面する。カット／リフト工具３００のカット端（複数のカット端）３０４は、内面１０４に切り込みを入れる。次に、カット／リフト工具３００のリフト端（複数のリフト端）３０６が内面１０４をリフトして突起１１０を形成する。

突起１１０が外側のフィン付けと同時に形成され且つカット／リフト工具３００が固定されている時（すなわち、工具３００が回転していない又は軸方向に動いていない時）、管１００は自動的に回転し且つ軸方向の動きを有する。この場合に、突起１００の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは下記式により決定される。

式中、Ｐ_ａ，ｏは外側フィンの軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｏは管の外径上のフィン起点の数であり、
Ｚ_ｉはカット／リフト工具３００の先端３０２の数である。

特定の突起の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐを得るために、カット／リフト工具３００を回転させることも出来る。管１００とカット／リフト工具３００の両方を同じ方向に回転させることが出来、又は、管１００とカット／リフト工具３００の両方を逆の方向に回転させることが出来る。所定の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐを得るために必要な、カット／リフト工具３００の回転（毎分回転数（ＲＰＭ）にて）は、下記式を用いて計算することが出来る。

式中、ＲＰＭ_ｔｕｂｅは管１００の回転数であり、
Ｐ_ａ，ｏは外側フィンの軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｏは管の外径上のフィン起点の数であり、
Ｐ_ａ，ｐは突起１１０の所望の軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｉはカット／リフト工具３００の先端３０２の数である。

この計算結果が負の値であれば、カット／リフト工具３００は、所望のピッチＰ_ａ，ｐを得るために管１００と同じ方向に回転すべきである。あるいは、この計算結果が正の値であれば、カット／リフト工具３００は、所望のピッチＰ_ａ，ｐを得るために管１００と逆の方向に回転すべきである。

突起１１０の形成は主溝１０８の形成と同じオペレーションにおいて示されているが、突起１１０は予め主溝１０８が形成された管１００を用いて、別のオペレーションで形成してもよいことに注意されたい。これには一般的にカット／リフト工具３００又は管１００を回転させるための、及びカット／リフト工具３００又は管１００を管の軸に沿って動かすための組み立てが必要となるであろう。さらに、支持部（図示せず）が備えられてカット／リフト工具３００を管の内面１０４に対して心合わせすることが好ましい。

この場合には、突起１１０の軸方向ピッチＰ_ａ，ｐは下記式により決定される。

式中、Ｘ_ａは管１００とカット／リフト工具３００との間の相対軸方向速度（距離／時間）であり、
ＲＰＭはカット／リフト工具３００と管１００との間の相対回転数であり、
Ｐ_ａ，ｐは突起１１０の所望の軸方向ピッチであり、
Ｚ_ｉはカット／リフト工具３００の先端３０２の数である。

この式は、以下の場合に好適である。すなわち、（１）管１００が軸方向に動くのみであり（すなわち、回転しない）、且つカット／リフト工具３００が回転するのみである（すなわち、軸方向に動かない）時、（２）管１００が回転するのみであり、且つカット／リフト工具３００が軸方向に動くのみである時、（３）カット／リフト工具３００は回転し軸方向に動くが、管１００は回転的にも軸方向においても固定されている時、（４）管１００は回転し軸方向に動くが、工具３００は回転的にも軸方向においても固定されている時、及び（５）上記の組み合わせのいずれか。

本発明の管の内面１０４により、流体フローのための付加的な流路が（副溝１１２を通って突起１１０の間に）創出されて、熱伝導と圧力降下を最適化する。図５Ｃに、管１００を通って進む流体のためのこれらの付加的な流路を示す。これらの流路は、主溝１０８の間に創出された流路に付加されたものであり、管の軸ｓに対するらせん角度α_１を有する。角度α_１は隣接する主溝１０８から形成された突起１１０の間の角度である。らせん角度α_１、ゆえに管１００を通る流路１２８の向きもまた、下記式を用いて突起１１０のピッチＰ_ａ，ｐを調整することにより調整出来る。

式中、Ｐ_ａ，ｒは主溝１０８の軸方向ピッチであり、
αは主溝１０８の、管の軸ｓに対する角度であり、
α_１は突起１１０間の所望のらせん角度であり、
Ｚ_ｉはカット／リフト工具３００の先端３０２の数であり、
Ｄ_ｉは管１００の内面１０４から測定された管１００の内径である。

本発明に従って作られた管１００は、現存の管よりも優れた性能を有する。図１４〜１６は、本発明の実施形態に従う伝熱面の改良された性能をグラフによって示すものである。図１４は、熱流束に対するアスペクト比の効果を示すグラフである。図１５は、熱流束に対する１インチ（２．５４ｃｍ）あたりの突起（フィン）の効果を示すグラフである。図１６は、微細フィン（マイクロフィン）が付けられた、異なるタイプの銅製の伝熱面の熱流束を比較するグラフである。Ｘ軸は熱流束（Ｗ／ｃｍ^２）を示し、Ｙ軸は、「熱マイナス壁の熱マイナスバルク温度」の変化を示す（ΔＴ(℃）−Ｔ_ｗａｌｌ−Ｔ_ｂｕｌｋ）。

円滑な線はＨＦＥ−７１００を用いたワイヤーテストを示す。塗りつぶされた円は銀ろうで粗面加工された銅で作られた管を示す。開いた四角は管のニクロム表面を示す。明るいエックスは本発明の実施形態に従って作られた管のサンプルを示す。クロスは本発明の代替の実施形態に従って作られた管のサンプルを示す。暗いエックスは本発明の代替の実施形態に従って作られた管のサンプルを示す。星印は本発明の代替の実施形態に従って作られた管のサンプルを示す。暗く且つ閉じられた円は本発明の代替の実施形態に従って作られた管のサンプルを示す。閉じられたダイヤは本発明の代替の実施形態に従って作られた管のサンプルを示す。半斜線マークがつけられた実線は本発明の更に別の実施形態に従って作られた管のサンプルを示す。斜線マークがつけられた実線は本発明の更に代替の実施形態に従って作られた管のサンプルを示す。

テストされた伝熱面は１インチ（２．５４ｃｍ）あたり約１８５の突起を有する平坦な銅表面であった。突起は高さが約０．０２４インチ（０．６０９６ｍｍ）であり、厚さは約０．００２７インチ（０．０６８８ｍｍ）であった。本発明の伝熱面は、粗面加工された銅板よりも約８倍効果的であり、銅フォームよりも約２倍効果的である。

上記の説明は本発明に関する様々な実施形態及び構造を説明するためのものである。本発明の範囲及び精神を逸脱することなく、様々な変更、追加及び削除（省略）をこれらの実施形態及び／又は構造に対して行ってもよい。

図１は、本発明の実施形態に従う伝熱管の内径に部分的に形成された沸騰面の斜視図である。 図２Ａは、図１の実施形態の、部分的に形成された沸騰面の斜視図である。図２Ｂは、図２Ａの部分的に形成された沸騰面の顕微鏡写真である。図２Ｃは、図２Ａの部分的に形成された沸騰面の断面図である。 図３Ａは、本発明の代替の実施形態に従う、伝熱管の内径の沸騰面の斜視図である。図３Ｂは、図３Ａに示された管の断面図である。図３Ｃは、図３Ａの沸騰面の上面図の顕微鏡写真である。図３Ｄは、図３Ａの沸騰面の断面の顕微鏡写真である。 図４Ａは、本発明の代替の実施形態に従う、伝熱管の内径の沸騰面の斜視図である。図４Ｂは、図４Ａに示された管の断面図である。 図５Ａは、本発明の代替の実施形態に従う、伝熱管の内径の沸騰面の斜視図である。図５Ｂは、図５Ａの沸騰面の断面の顕微鏡写真である。図５Ｃは、図５Ａの沸騰面の断面図である。 図６は、本発明の実施形態に従う工具の斜視図である。 図７Ａは、本発明の代替の実施形態に従う工具の斜視図である。図７Ｂは、図７Ａに示された工具の側面図である。図７Ｃは、図７Ａに示された工具の底面図である。図７Ｄは、図７Ａに示された工具の上面図である。 図８Ａは、本発明の別の実施形態に従う工具の斜視図である。図８Ｂは、図８Ａに示された工具の側面図である。図８Ｃは、図８Ａに示された工具の底面図である。図８Ｄは、図８Ａに示された工具の上面図である。 図９Ａは、本発明の別の実施形態に従う工具の斜視図である。図９Ｂは、図９９Ａの工具によって形成された沸騰面の斜視図である。図９Ｃは、図９Ｂの沸騰面の顕微鏡写真である。 図１０は、本発明に従う伝熱管を製造するために使用出来る製造設備の実施形態の斜視図である。 図１１は、本発明の別の実施形態に従う工具の斜視図である。 図１２Ａは、本発明の代替の実施形態に従う、伝熱管の内径の沸騰面の断面図である。図１２Ｂは、図１２Ａの沸騰面の断面の顕微鏡写真である。 図１３Ａは、本発明の実施形態に従い、カット端を用いて形成された状態の沸騰面の断面図である。図１３Ｂは、本発明の代替の実施形態に従い、カット／リフト端を用いて形成された状態の沸騰面の断面図である。図１３Ｃは、図１３Ａ及び１３Ｂの沸騰面を形成するために使用し得る、本発明の実施形態に従うカット／リフト端の断面図である。図１３Ｄは、図１３Ａ及び１３Ｂの沸騰面を形成するために使用し得る、本発明の実施形態に従うカット／リフト端の斜視図である。 図１４は、熱流束に対するアスペクト比の効果を示すグラフである。 図１５は、熱流束に対する１インチ（２．５４ｃｍ）あたりの突起（フィン）の効果を示すグラフである。 図１６は、微細フィン（マイクロフィン）が付けられた、異なるタイプの銅製の伝熱面の熱流束を比較するグラフである。

Claims (13)

1. 表面と、長手方向の軸と、前記表面に形成された複数の突起と、前記表面に形成された複数の沸騰空洞とを備える管であって、
   各沸騰空洞は：
   ａ．前記表面に形成された、少なくとも二つの隣接する主溝と；
   ｂ．前記少なくとも二つの隣接する主溝の間において前記表面から切り起こされた少なくとも一つの突起と；
   ｃ．前記少なくとも一つの突起が前記少なくとも二つの隣接する主溝の間において前記表面から切り起こされるときに形成され、前記少なくとも二つの隣接する主溝の間に、二つの隣接する主溝に対して角度をなして延びる少なくとも一つの副溝とにより画定され、
   前記少なくとも一つの突起の少なくとも一部が前記副溝の上に延び、前記沸騰空洞を形成する管。
2. 前記少なくとも一つの副溝が前記少なくとも二つの隣接する主溝を接続することを特徴とする請求項１に記載の管。
3. 前記突起は平らにされた先端又は曲げられた先端を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の管。
4. 前記突起は厚みをつけられた先端を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の管。
5. 前記突起の少なくとも二つは、互いに対して角度をなしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の管。
6. 前記突起の少なくとも一つは、前記表面から前記長手方向の軸とは実質的に直交しない方向に突出していることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の管。
7. 前記表面は、前記管の内面を含むことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の管。
8. 請求項１に記載の管を製造する方法であって、
   ａ．前記管の表面に沿って前記少なくとも二つの主溝を形成することと；
   ｂ．前記主溝の間に位置する前記管の表面を、カット深さで及び前記長手方向の軸に対して角度をなしてカットして層を形成することと；
   ｃ．前記層をリフトして、前記少なくとも一つの突起を形成すること；とを備える方法。
9. 前記管の表面を角度をなしてカットすることには、前記長手方向の軸に対して２つの異なる角度をなして前記管の表面をカットして層を形成し、前記層をリフトして厚みをつけられた先端を有する突起を形成することを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記突起の先端を平らにすること又は曲げることをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記層の少なくともいくつかはリフトされて、互いに対して角度をなしている前記突起を形成することを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 前記表面は、前記管の内面であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 前記少なくとも二つの主溝はそれぞれの軸を有し、主溝の間に位置する管の表面をカットすることは、前記主溝の軸を横切って前記管の表面をカットすることを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。

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