JP2017501362A - 金属製の熱交換器配管 - Google Patents

Abstract

本発明は、配管外側に成形され、一体化された、フィンベース、フィン側面及びフィン先端部を有する複数のフィンを備えた金属製の熱交換器配管であって、前記フィンベースが本質的に配管壁部から径方向へ突出しているとともに前記フィンの間に通路が形成されており、該通路内には互いに離間した複数の付加構造部が配置されている、前記熱交換器配管に関するものである。前記付加構造部は、前記フィンの間の前記通路を複数のセグメントに区分している。前記付加構造部は、２つのフィンの間の通路における貫流可能な断面を局所的に少なくとも６０％低減しているとともに、これにより動作中に流体の流れを前記通路において少なくとも制限している。

Description

本発明は、請求項１の前文に基づく金属製の熱交換器配管に関するものである。

冷凍技術及び空調技術の多くの範囲及びプロセス技術及びエネルギー技術においては蒸発が生じる。純物質の液体又は混合物が配管外側で蒸発し、その際配管内側で塩水又は水が冷却される管束熱交換器がしばしば用いられる。このような機器は、満液式蒸発器と呼ばれる。

配管外側及び配管内側における伝熱の強化により、蒸発器の大きさを著しく小さくすることが可能である。これにより、このような機器の製造コストが低減される。さらに、その間に主に用いられる、塩素を含まない安全冷媒において、全設備コストについての無視できないコスト割合となり得る冷媒の必要な充填量が低減される。加えて、今日では通常の高性能配管は、同一の直径の平滑な配管よりももはや約係数４ほどより効率的である。

市販で入手可能なハイパワーの満液式蒸発器用のフィン配管は、配管外側に１インチにつき５５〜６０フィンのフィン密度を有するフィン構造部を備えている（特許文献１；特許文献２；特許文献３）。このことは、約０．４５〜０．４０ｍｍのフィンピッチに相当する。

さらに、各フィンの間の溝底部の範囲に追加的な構造要素を設けることで、配管外側でのフィンピッチを維持したまま性能が向上された蒸発器構造部を得ることができることが知られている。

特許文献４には、各フィンの間の溝底部に、プライマリ溝に沿って連続的に延在しつつアンダーカットされたセカンダリ溝を形成することが提案されている。このセカンダリ溝の断面は、一定であるか、又は規則的な間隔で変化し得る。

加えて、特許文献５から、局所的な空洞部として形成された溝底部における複数の構造部が知られており、これにより、蒸発時の伝熱の向上のためにバルク沸騰の過程が強化される。プライマリ溝底部の近傍での空洞の位置は、蒸発プロセスにとって好都合である。なぜなら、溝底部において過熱が最大となり、そのため、この溝底部では、気泡形成にとって最大に促進される温度差が生じる。

溝底部における構造部についての他の例を特許文献６、特許文献７又は特許文献８において見出すことができる。これらの構造部には、溝底部における構造要素がアンダーカットされた形状を有さない点が共通している。これは、溝底部に設けられた複数のくぼみ又は通路の下部範囲における複数の突出部である。より高い突出部は、従来技術においては明らかに不可能である。なぜなら、熱交換のための通路における流体の流れが不利に妨害されるおそれがあるためである。

米国特許第５６６９４４１号明細書 米国特許第５６９７４３０号明細書 独国特許発明第１９７５７５２６号明細書 欧州特許第１２２３４００号明細書 独国特許発明第１０２００８０１３９２９号明細書 欧州特許第０２２２１００号明細書 米国特許第７２５４９６４号明細書 米国特許第５１８６２５２号明細書

本発明が基礎をなす課題は、性能が向上された熱交換器配管を配管外側における液体の蒸発のために発展形成することにある。

本発明は、請求項１の特徴によって再現される。引用される他の請求項は、本発明の有利な形態及び発展形態に関するものである。

本発明は、配管外側に成形され、一体化された、フィンベース、フィン側面及びフィン先端部を有する複数のフィンを備えた金属製の熱交換器配管を含むものであり、フィンベースが本質的に配管壁部から径方向へ突出しているとともにフィンの間に通路が形成されており、該通路内には互いに離間した複数の付加構造部が配置されている。付加構造部は、フィンの間の通路を複数のセグメントに区分している。付加構造部は、２つのフィンの間の通路における貫流可能な断面を局所的に少なくとも６０％低減しているとともに、これにより動作中に流体の流れを通路において少なくとも制限している。

これら金属製の熱交換器配管は、特に、配管外側において純物質又は混合物から成る液体を蒸発させるために利用される。

このような高性能な配管は、一体的に圧延されたフィン配管に基づいて製造されることが可能である。一体的に圧延されたフィン配管とは、フィンが平滑配管の壁材料で形成された、フィン付けされた配管と理解される。配管外側に成形された典型的な一体的なフィンは、例えばらせん状に周設されているとともに、フィンベース、フィン側面及びフィン先端部を備えており、フィンベースは、本質的に配管壁部から径方向へ突出している。フィンの数は、配管の軸方向において連続した隆起部の計数によって規定される。

このとき、通路と孔又はスリットの形状の外部の間の接続部が残るように隣接する複数のフィンの間に位置する通路を閉鎖する様々な方法が知られている。特に、このように本質的に閉鎖された通路は、フィンの湾曲若しくは移動によって、フィンの分割及び押し当てによって、又はフィンの刻み込み及び押し当てによって形成される。

ここで、本発明は、蒸発時の伝熱の向上のために、フィン中間空間が付加構造部によってセグメント化されるという考察に基づくものである。このとき、これら付加構造部は、少なくとも部分的に配管壁部の材料で中実に通路底部から形成されることが可能である。このとき、付加構造部は、好ましくは規則的な間隔で通路底部から配置され、通路延長部に対して直交する方向へ、フィンのフィンベースから隣接する次のフィンベースへ延在している。付加構造部は、フィンベースから径方向にフィン側面まで、また更に延在することが可能である。換言すれば、付加構造部は、通路底部から、例えば中実の材料突出部としてプライマリ溝に対して直交する方向に延びるとともに、このプライマリ溝を制限されてのみ貫流可能なクロスバリアとしての堰のように個々のセグメントに分割するものである。このようにして、プライマリ溝は、通路として少なくとも部分的に規則的な間隔をもってあらかじめ通路底部によって区分される。

これにより、局所的な過熱が複数の中間室内で生じ、バルク沸騰の過程が強化される。そして、気泡の形成は、セグメント内の第１のラインにおいて行われ核形成箇所で始まる、核形成箇所においてまずは小さな気泡又は蒸気の泡が形成される。成長する気泡が所定の大きさに達すると、それは表面からはがれる。気泡の剥離の一環として、セグメントにおいて残った中空空間が再び液体によって満たされ、サイクルが新たに開始される。このとき、表面は、気泡形成の新たなサイクルのための核形成箇所としての役割を担う小さな気泡が戻ったままとなるように、気泡の剥離時に形成される。

本発明においては、２つのフィンの間の通路のセグメント化によってこの通路が周方向にいくつも途切れており、したがって通路において生じる気泡の移動が少なくとも低減されるか、又は完全に阻止される。通路に沿った液体及び蒸気の交換は、それぞれ付加構造部によってもはやサポートされないまでますますわずかとなる。

本発明の特別な利点は、液体と蒸気の交換が局所的に目的に合わせて制御され、気泡核形成を満たすことがセグメント内で局所的になされることにある。全体として、目的に合った通路のセグメント化の選択により、蒸発器配管構造部が使用パラメータに依存して目的に合わせて最適化されることができ、これにより伝熱の向上が達成される。溝底部の範囲ではフィンベースの温度がフィン先端部よりも高いため、気泡形成の強化のための構造要素が更に溝底部において特に効果的である。

加えて、付加構造部が、２つのフィンの間の通路における貫流可能な断面を局所的に少なくとも８０％低減することも可能である。全体として、通路のセグメント化における個々の通路部分の更なる分割により、蒸発器配管構造部が使用パラメータに依存して更に伝熱の向上のために最適化されることが可能である。

本発明の有利な一実施形態においては、付加構造部が、２つのフィンの間の通路における貫流可能な断面を局所的に完全に閉鎖することが可能である。このようにして、複数のセグメントが局所的に流体の通過に対して完全に閉鎖される。したがって、２つのセグメントの間に位置する通路部分は、隣接して位置する通路部分に対して流体側で分離されている。

本発明の好ましい一実施形態では、通路が、径方向外方へ個々の局所的な複数の開口部まで閉鎖されることが可能である。このとき、フィンは、本質的にＴ字状又はΓ字状の断面を備えることができ、これにより、各フィンの間の通路が局所的な開口部として孔まで閉鎖される。これら開口部により、蒸発プロセスで生じる蒸気泡が流出することが可能である。フィン先端部の変形は、従来技術から借用できる複数の手法によって行われる。

本発明によるセグメントと、孔又はスリットまで閉鎖された通路との組合せにより、動作条件の非常に広い範囲にわたって、液体の蒸発に際して非常に高い性能を備えた構造部が得られる。特に、熱流束密度の変動時又は拡大する温度差においては、構造の熱伝達係数は一定に高いレベルが得られる。

本発明の有利な実施形態では、１つのセグメントにつき少なくとも１つの局所的な開口部が存在し得る。この最小要件により、蒸発プロセス時に通路セグメントで生じる気泡が外部へ流出することが可能であることがなお保証される。局所的な複数の開口部は、液状の媒体が通過し、通路部分へ流れ込むことができるよう、大きさ及び形状において構成されている。したがって、局所的な開口部における蒸発過程が維持され得るために、同一の量の液体及び蒸気が互いに逆方向に開口部を通って搬送される必要がある。通常、配管材料を良好に湿潤させる液体が用いられる。このような液体は、毛細管現象により、外側の配管表面における各孔を通って、過圧に抗して通路内へ侵入することも可能である。

特に好ましい実施形態では、セグメントの数に対する局所的な開口部の数の比率が１：１〜６：１であり得る。更に好ましくは、この比率は１：１〜３：１であり得る。各フィンの間に位置する複数の通路が上側のフィン範囲の材料によって本質的に閉鎖されており、このように生じた通路セグメントの中空空間は、開口部を通して周囲の空間に接続されている。これら開口部は、同一の大きさ又は２つ以上の大きさ等級において構成され得る孔としても構成されることができる。複数の局所的な開口部が１つのセグメントに形成されている関係では、特に２つの大きさ等級を有する複数の孔が適している。規則的かつ反復される構成によれば、通路に沿って例えば各小さな開口部の次に大きな開口部がつづく。この構造により、方向付けされた流れが通路内に生じる。液体は、好ましくは小さな孔を通して毛細管圧によって補助されつつ導入され、通路壁部を湿潤させ、これにより、薄膜が生じる。蒸気は、通路の中央部に集まり、わずかな毛細管圧によって複数の箇所において流出する。同時に、大きな孔は、蒸気が十分迅速に流出することができ、かつ、このとき通路が乾燥しないように寸法設定される必要がある。小さな液体孔に対する蒸気孔の大きさ及び存在度は、互いに調和されるべきである。

有利には、第１の付加構造部は、通路底部から径方向外方へ向いた複数の突出部であり得る。これにより、液体と蒸気の交換も局所的に規定される。このとき、溝底部にわたる通路のセグメント化は、蒸発プロセスにとって特に好都合である。なぜなら、溝底部において過熱が最大であり、そのため、ここでは気泡形成についての最大に拡大された温度差が生じるためである。

本発明の好ましい実施形態では、第１の付加構造部は、少なくとも、一体的に周設された２つのフィンの間の通路底部の材料で成形されることが可能である。これにより、配管壁部から各構造要素への良好な熱交換のための素材結合式の結合が維持される。通路底部の一様な材料から成る通路のセグメント化は、蒸発プロセスにとって特に好都合である。

特に好ましい実施形態では、通路底部から成形された第１の付加構造部が０．１５〜１ｍｍの間の高さを有することができる。付加構造部のこの寸法設定は、高性能なフィン配管に対して特に良好に調和されているとともに、外側構造部の構造寸法が好ましくはミリメートル未満ないしミリメートルの範囲にあるということを表現するものである。

本発明の別の好ましい実施形態では、第２の付加構造部が、少なくとも、側方の複数の突出部にわたる一体的に周設されたフィンのフィン側面から成形されることができる。このことは、通路底部材料から成る別の突出部に代えて、又はこれに加えて構成されることが可能である。

本発明の好ましい実施形態では、第２の付加構造部は、少なくともフィン先端部から溝底部の方向へ向けて１つのフィンで成形されることができる。したがって、通路は、補足する複数の構造要素の組合せにも基づき、下方から及び／又は側方から及び／又は上方から所望の量だけ先細になり、完全に閉鎖されることが可能である。いずれの場合にも、通路が各フィンの間で不連続のセグメントに区分されている。

別の補足的な実施形態では、付加構造部は、少なくとも部分的に付加的な材料で埋め合わせられることができる。このとき、追加的な材料は、性質において、及び動作のために選択された流体との相互作用に関して、その他の熱交換器配管の材料とは異なりえる。ここでは、例えば、使用される液体に対して異なる表面特性を有する材料を用いることも考えられている。

有利には、付加構造部が非対称な形状を備えることが可能である。このとき、構造部の非対称性は、配管軸線に対して垂直に延びる断面において生じる。特により大きな表面が形成される場合には、非対称な形状が蒸発プロセスに付加的に貢献できる。非対称性は、通路底部における付加構造部においても、またフィン先端部においても刻設されることが可能である。

本発明の好ましい実施形態では、付加構造部は、配管軸線に対して垂直に延びる断面において台形状の断面を備えることが可能である。台形状の断面は、一体的に圧延されたフィン配管構造部との関連において、技術的に良好にコントロール可能な構造要素である。このとき、それ以外の台形の平行なベース側の製造に起因したわずかな非対称性が生じ得る。

有利には、それぞれ付加構造部によって低減された、貫流可能な断面が、２つのフィンの間の通路において変化することが可能である。このようにして、通路内では局所的に多少の通過範囲を得ることが可能である。このために、例えば、通路底部における付加構造部は異なる高さを備えることが可能である。

本発明の複数の実施例を、概略的な図面に基づいて詳細に説明する。

付加構造部によって区分されたセグメントを有する熱交換器配管の断面の部分図を概略的に示している。 フィン先端部の範囲において変化された付加構造部を有する他の熱交換器配管の断面の部分図を概略的に示している。 ほぼ閉鎖されたセグメントを有する熱交換器配管の断面の部分図を概略的に示している。

互いに対応する部分には、全ての図において同一の符号が付されている。

図１には、複数の付加構造部７によって区分された複数のセグメント８を有する本発明による熱交換器配管１の断面の部分図が概略的に示されている。一体的に圧延された熱交換器配管１は配管外側においてらせん状に周設された複数のフィン２を備えており、これらフィンの間には、プライマリ溝が通路６として形成されている。これらフィン２は、配管外側において、らせんラインに沿って途切れることなく連続して延在している。フィンベース３は、配管壁部１０から本質的に径方向へ突出している。フィン高さＨは、完成された熱交換器配管１において、通路底部６１の最深箇所から、フィンベース３からフィン側面４を越えて完全に成形されたフィン配管のフィン先端部５までを測定したものである。通路底部６１の範囲において中実の複数の突出部７１の形態の付加構造部７が配置された熱交換器配管１が提案される。これら突出部７１は、第１の付加構造部と呼ばれるとともに、通路底部６１から配管壁部１０の材料で成形されている。中実の突出部７１は、好ましくは規則的な間隔で通路底部６１に配置されているとともに、通路延長部に対して直交する方向にフィン２のフィンベース３から、図面において不図示の、その上方に位置する次のフィンベースまで延在している。このようにして、通路６としてのプライマリ溝が規則的な間隔で少なくとも部分的に先細となっている。これにより生じるセグメント８は、特別な態様で気泡核形成が促進される。個々のセグメント８間での液体及び蒸気の交換がこれにより低減される。

合目的には、通路底部６１における突出部７１の形成に加えて、フィン２の末端範囲としてのフィン先端部５が、これらフィンが径方向において部分的に別の第２の付加構造部７２として通路６を閉鎖するように変形されている。通路６と周囲の間の接続部は、蒸気泡を通路６から逃がすことができるように、複数の孔９の形態で局所的な開口部として形成されている。フィン先端部５の変形は、従来技術から借用できる手法によって行われる。プライマリ溝６は、このようにしてアンダーカットされた溝となっている。本発明による第１の付加構造部７１及び第２の付加構造部７２の組合せにより、当該空洞部が動作条件の非常に広い範囲にわたって液体の蒸発時に非常に高い性能を備える点で更に傑出した空洞部の形態でセグメント８が得られる。液体は、セグメント８内で蒸発する。発生する蒸気は局所的な複数の開口部９において通路６から流出し、これら開口部を通して液状の流体も流れ込む。液体の流れ込みのために、良好に湿潤可能な配管表面も助けとなり得る。

図２には、フィン先端部５の範囲において変更された第２の付加構造部７２を有する別の熱交換器配管１の断面の部分図が概略的に示されている。通路底部６１における突出部７１の形成に加えて、ここでもフィン２の末端範囲としてのフィン先端部５が、これらフィンが径方向において部分的に別の第２の付加構造部７２として通路６を閉鎖するように変形されている。通路６と周囲の間の接続部は、斜めに延びる複数の配管の形態で、蒸気泡を通路６から逃がすため、及び液状の流体を通路６へ流入させるための局所的な複数の開口部９として形成されている。プライマリ溝６は、ここでも、このようにしてアンダーカットされた溝となっている。第２の付加構造部７２は、フィン先端部５から通路底部６１の方向へフィンから成形されているとともに、径方向に通路６へ突出している。径方向に見て第１及び第２の付加構造部が重なるとすぐに、動作中に通路６での流体の流れを制限するために、通路６における貫流可能な断面が２つのフィン２の間で局所的に特に効果的に減少する。

図３には、図２に基づく付加構造部７を有する熱交換器配管１の断面の部分図が概略的に示されている。第２の付加構造部７２は第１の付加構造部７１のほぼ突出部まで通路６へ突出しており、その結果、ほぼ閉鎖されたセグメント８が形成される。この場合、セグメント８の数に対する局所的な開口部９の数の比率は、好ましい間隔において１：１〜３：１にあり、平均でおよそ１．７：１〜２．３：１である。このとき、１つの開口部９が突出部７１の上方に位置するとしても、配管として形成された全ての局所的な開口部９は、まだ通過可能である。発生する蒸気は、まだ局所的な開口部９において通路６から流出することができる。液状の流体は、その表面張力により、毛細管現象によって配管９へ特に効率的に流れ込むことが可能である。

本発明による第１の付加構造部７１及び第２の付加構造部７２の組合せにより、当該空洞部が動作条件の非常に広い範囲にわたって液体の蒸発時に非常に高い性能を備える点で更に傑出した空洞部の形態でセグメント８が得られる。特に、熱流束密度の変動時又は拡大された温度差においては、構造の熱伝達係数は高いレベルにほぼ維持されたままである。本発明による解決手段は、熱伝達係数が配管外側で高められる構造化された配管に関するものである。熱貫流抵抗の主要部を内側へ移動させないために、熱伝達係数を、適当な内側構造部１１によって内側で更に強化することが可能である。通常、管束熱交換器用の熱交換器配管１は、少なくとも１つの構造化された範囲と、平滑な末端部分と、場合によっては平滑な中間部分とを有している。平滑な末端部分もしくは平滑な中間部分は、構造化された範囲を画成するものである。熱交換器配管１を問題なく管束熱交換器へ組み付けることができるように、構造化された範囲の外径は、平滑な末端部分及び平滑な中間部分の外径よりも大きくあってはならない。

１ 熱交換器配管
２ フィン
３ フィンベース
４ フィン側面
５ フィン先端部、フィンの末端範囲
６ 通路、プライマリ溝
６１ 通路底部
７ 付加構造部
７１ 通路底部における突出部としての第１の付加構造部
７２ フィン先端部の範囲における第２の付加構造部
８ セグメント
９ 局所的な開口部、孔、配管
１０ 配管壁部
１１ 内側構造部

Claims (15)

1. 配管外側に成形され、一体化された、フィンベース（３）、フィン側面（４）及びフィン先端部（５）を有する複数のフィン（２）を備えた金属製の熱交換器配管（１）であって、前記フィンベース（３）が本質的に配管壁部から径方向へ突出しているとともに前記フィン（２）の間に通路（６）が形成されており、該通路内には互いに離間した複数の付加構造部（７，７１，７２）が配置されている、前記熱交換器配管において、
   −前記付加構造部（７，７１，７２）が前記フィン（２）の間の前記通路（６）を複数のセグメント（８）に区分していること、及び
   −前記付加構造部（７，７１，７２）が、２つのフィン（２）の間の通路（６）における貫流可能な断面を局所的に少なくとも６０％低減しているとともに、これにより動作中に流体の流れを前記通路（６）において少なくとも制限していること
   を特徴とする熱交換器配管。
2. 前記付加構造部（７，７１，７２）が、２つのフィン（２）の間の前記通路（６）における貫流可能な断面を局所的に少なくとも８０％低減していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器配管（１）。
3. 前記付加構造部（７，７１，７２）が、２つのフィン（２）の間の前記通路（６）における貫流可能な断面を局所的に完全に閉鎖していることを特徴とする請求項２記載の熱交換器配管（１）。
4. 前記通路（６）が、径方向外方へ個々の局所的な複数の開口部（９）まで閉鎖されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器配管（１）。
5. １つのセグメント（８）につき少なくとも１つの局所的な開口部（９）が存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器配管（１）。
6. 前記セグメント（８）の数に対する局所的な前記開口部（９）の数の比率が１：１〜６：１であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器配管（１）。
7. 第１の付加構造部（７，７１）が、通路底部（６１）から径方向外方へ向いた複数の突出部であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器配管（１）。
8. 前記第１の付加構造部（７，７１）が、少なくとも、一体的に周設された２つのフィン（２）の間の前記通路底部（６１）の材料で成形されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器配管（１）。
9. 前記通路底部（６１）から成形された前記第１の付加構造部（７，７１）が０．１５〜１ｍｍの間の高さを有していることを特徴とする請求項８記載の熱交換器配管（１）。
10. 第２の付加構造部（７，７２）が、少なくとも、一体的に周設された前記フィン（２）の前記フィン側面（４）又は前記フィン先端部（５）で側方の複数の突出部にわたって成形されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器配管（１）。
11. 前記第２の付加構造部（７，７２）が、少なくとも前記フィン先端部（５）から前記溝底部（６１）の方向へ向けて１つのフィンで成形されていることを特徴とする請求項１０記載の熱交換器配管（１）。
12. 付加構造部（７）が、少なくとも部分的に付加的な材料で埋め合わせられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の熱交換器配管（１）。
13. 前記付加構造部（７，７２）が非対称な形状を備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の熱交換器配管（１）。
14. 付加構造部（７，７１）が、配管軸線に対して垂直に延びる断面において台形状の断面を備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の熱交換器配管（１）。
15. それぞれ前記付加構造部（７，７１）によって低減された、貫流可能な断面が、２つのフィン（２）の間の前記通路（６）において変化していることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の熱交換器配管（１）。

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