JP6907232B2 - 伝熱管 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1の前文による伝熱管に関するものである。
伝熱は、冷却技術及び空調技術の多くの分野並びにプロセス技術及びエネルギー技術において生じる。この分野では、しばしば管束熱交換器が伝熱のために用いられる。ここで、多くの用途では、熱流の方向に依存して冷却又は加熱される液体が管内側において流れる。熱は、管外側にある媒体へ放出されるか、又はこの媒体から除去される。
管束熱交換器では、平滑管に代えて構造化された管を用いることが一般的に知られている。構造化によって、熱通過が改善される。これにより、熱流密度が増大し、熱交換器をよりコンパクトに構成することが可能である。これに代えて、熱流密度を維持するとともに促進される温度差を低減することが可能であり、これによって、よりエネルギー効率のよい伝熱が可能である。
通常、管束熱交換器のための、一方側又は両側で構造化された伝熱管は、少なくとも1つの構造化された範囲と、滑らかな端部材と、場合によっては滑らかな中間部材とを有している。滑らかな端部材又は中間部材は、構造化された範囲を画成している。管が問題なく管束熱交換器内へ取り付けられることができるように、構造化された範囲の外径は、滑らかな端部材及び中間部材の外径よりも大きくあるべきではない。
構造化された伝熱管として、しばしば統合して圧延されたリブ管が用いられる。統合して圧延されたリブ管とは、リブが平滑管の壁部の材料から形成されたリブ付きの管と理解される。多くの場合、リブ管は、管内側において多数の軸平行な、又はらせん状に周設されたリブを有しており、これらリブは、内面を拡大するとともに、管内側における熱伝達率を改善するものである。リブ管は、その外側ではリング状又はネジ状に周設されたリブを有している。
過去には、リブが別の構造特徴を管外側に備えることで、用途に応じて、統合して圧延されたリブ管の外側における伝熱を向上させる多くの手段が開発された。例えば、特許文献1から知られているように、リブ側部が追加的な凸状のエッジ部を備えていれば、管外側における冷却媒体の凝縮時に熱伝達率が大きく向上する。管外側における冷却媒体の蒸発時には、リブ間に存在する通路が部分的に閉鎖されることで効率が向上するものとして実証されているため、細孔又はスリットを通して周囲に接続された中空空間が生じる。多数の文献から既に知られているように、この種の、本質的に閉鎖された通路は、リブを曲げるか、又は折り曲げることで(特許文献2、特許文献3)、リブを分割し、圧潰することで(特許文献4、特許文献5)、及びリブに刻み付けし、リブを圧潰することで(特許文献6、特許文献7、特許文献8)得られる。
管外側における上述の効率改善手段により、全熱伝達抵抗の主な部分が管内側へ移動することとなる。この作用は、特に例えば部分負荷動作時のように、管内側における小さな流速の場合に生じる。全熱伝達抵抗を大幅に低減するために、管内側における熱伝達率を更に高める必要がある。
特許文献9及び特許文献10に記載されているように、管内側の熱伝達を向上させるために、軸平行な、又はらせん状に周設された内側リブは、溝を備えることができる。このとき、これらに開示された、内側リブ及び溝を作成するための輪郭付けされた拡径マンドレルを使用することにより、リブ管の内側構造及び外側構造の寸法が互いに無関係に設定されることが可能であることに意義がある。これにより、外側及び内側における構造が各要求に適合されることができ、したがって、管を形成することが可能である。
米国特許第5775411号明細書 米国特許第3696861号明細書 米国特許第5054548号明細書 独国特許発明第2758526号明細書 米国特許第4577381号明細書 米国特許第4660630号明細書 欧州特許第0713072号明細書 米国特許第4216826号明細書 独国特許発明第10156374号明細書 独国特許第102006008083号明細書 独国特許発明第60317506号明細書
この背景から、本発明の課題は、上述の種類の伝熱管の内側構造あるいは外側構造を、既に公知の管に比して更なる性能向上が達成されるように発展形成することにある。
本発明は、請求項1の特徴によって表されている。別の従属請求項は、本発明の有利な形態及び発展形成に関するものである。
本発明は、管長手軸線と、管壁部と、管外側と、管内側とを有している伝熱管を含んでおり、管外側及び/又は管内側には、管壁部から連続的に延びる、軸平行に、又はらせん状に周設されたリブが形成されており、それぞれ隣り合うリブ間に連続的に延在するプライマリ溝が形成されている。本発明によれば、リブが、リブ延長に沿って周期的に反復するリブ部分へ区分されており、当該リブ部分は、突起部高さを有する複数の突起部へ分割されており、突起部が、リブセグメントを形成するために、リブ延長に対して横方向にある切削深さでリブを切削することによって、及びプライマリ溝間のリブ延長に沿って主方向を有するリブセグメントを持ち上げることによって形成されている。
このとき、構造化された範囲は、原則的に管外側あるいは管内側に形成されることが可能である。ただし、本発明によるリブ部分は管内側に配置されるのが好ましい。上述の構造は、蒸発管にも、また凝縮管にも用いられることが可能である。
突起部高さは、合目的的には、径方向における突起部の寸法として規定される。そして、突起部高さは、径方向において、管壁部を起点として、管壁部から最も離れた突起部における位置までの距離である。
切り込み深さとも呼ばれる切削深さは、元々のリブ先端部から切り込みの最深箇所までの、径方向に測定した距離である。換言すると、切り込み深さは、元々のリブ高さと切り込みの最深箇所において残った残留リブ高さの差である。
ここで、本発明は、リブ部分が原則的には管外側あるいは管内側に形成され得るという考察に基づいている。ただし、本発明によるリブ部分は、管内側に配置されるのが好ましい。上述の構造は、蒸発管にも、また凝縮管にも用いられることが可能である。
全く特別に、本発明によるリブ部分は、内部構造に適したものである。このとき、管の内面は、リブ部分へ細分された多数の突起部によって拡張されている。これにより、管側の熱抵抗が大幅に低減され、熱伝達率が向上する。突起部は、管内の流体の流れについて追加的な経路を生み出し、これにより、管内を流れる伝熱媒体の乱れが高められる。この措置により、流体により管の内面近傍に構成される境界層が低減される。
突起部は、滑らかな面に対して、追加的な熱交換のための追加的な表面部分の多重性を提供する。試験により、本発明の特別に形成されたリブ部分を有する管の効率が大幅に高められることが示された。
本発明による伝熱管の走行側の構造化は、特許文献11に既に記載されている工具を用いて形成されることができる。この特許文献11の開示内容は、本出願書類に包括的に取り入れられる。これにより、突起部高さ及び間隔を可変に形成することができるとともに、個別に要求、例えば液体の粘度又は流速に適合させることが可能である。
用いられる工具は、リブセグメントを生み出すために、管の内面におけるリブを通して切削するための切れ刃と、突起部の形成のためにリブセグメントを持ち上げるための持上げエッジ部とを備えている。このようにして、突起部は、管の内面から金属を除去することなく形成される。管の内面における突起部は、リブの形成と同一又はこれとは異なる加工において形成されることが可能である。
管壁部から連続的に延び、それぞれ隣り合うリブの間で連続的に延在するプライマリ溝を有する軸平行な、又はらせん状に周設されたリブの構造化は、特許文献9に記載された方法手段によって形成されることが可能である。この特許文献9の開示内容は、本出願書類に包括的に取り入れられる。
突起部高さを有する複数の突起部へ分割されているリブ部分へリブが区分されている本発明による解決手段により、突起部が規則正しい配置から逸脱することとなる。これにより、ここでも、できる限りわずかな圧力損失において最適な熱伝達が得られる。なぜなら、良好な熱伝達を阻害する流体境界層が追加的に生成された乱流によって断絶されるためである。このとき、突起部の分割による断絶により、乱流の増大及びプライマリリブ延長を越えた流体交換に至り、これにより、同様に境界層の断絶が引き起こされる。
このとき、構造化された範囲は、原則的に管外側あるいは管内側に形成されることが可能である。ただし、本発明によるリブ部分は、管内側に配置されるのが好ましい。上述の構造は、蒸発管にも、また凝縮管にも用いられることが可能である。
突起部の均等な配置は、境界層のこの目的とする断絶を限定的にのみ行うことが可能である。間隔の形状、高さ及び配置は、切断カッタあるいは切断幾何形状の調整及び個別に適合されたプライマリリブ形状及び幾何形状によって適合及び最適化されることが可能である。流体の流れを最適化するために、突起部の形状を個々に適合させることができるとともに、これにより境界層の断絶を効果的に行うことが可能である。乱流あるいは層流の流れ形状についてのこの最適化は、異なる突起部高さによって実現される。
本発明の好ましい形態では、リブのリブ部分が、傾斜角βの下で延びるセカンダリ溝により測定されて管長手軸線に対してリブで形成されることができる。このとき、セカンダリ溝は、内側リブに対して少なくとも10°かつ最大で80°の傾斜角の下で延びることができる。セカンダリ溝の深さは、変更されることができるとともに、内側リブの元々のリブ高さの少なくとも20%であってよい。セカンダリ溝を設けることで、内側リブは、もはや一定の断面を有することがない。内側リブの延長に従えば、セカンダリ溝の箇所における内側リブの断面形状が変化する。セカンダリ溝により、管側で流れる媒体における追加的な渦と、壁近傍の範囲における軸方向の通過箇所とが生じ、これにより、熱伝達率が更に向上する。
セカンダリ溝の深さが元々の内側リブの高さと同一であれば、管内側において互いに離間した、角錐台に類似した構造要素としてのリブ部分が生じる。
セカンダリ溝を設けることで、目的とする調整が可能である。なぜなら、突起部が、プライマリリブがまだ形成されている範囲においてのみ形成されるためである。
これに対して、突起部が、リブにより交代で交互の切削深さを有することも可能である。この種の形成においては、個々の突起部の高さは、目的に合わせて適合されることができるとともに、互いに異なることが可能であり、したがって、特に層流の場合に異なるリブ高さによって流れの異なる境界層へ、流れ中心まで埋没されることができ、熱を管壁部へ導くことが可能である。このとき、切削深さ又は切り込み深さは、元々のリブ全体によって中心壁部まで延在することも可能である。
交互の切り込み深さ又は切削深さは、切り込みのそれぞれ最も深い箇所が交互に生じ、したがって管壁部に対する間隔を変化させることと同じ意味である。加えて、これについて、切り込みのそれぞれ最も深い箇所(ここでは切り込み基底部という)が、管長手軸線から離れて、リブ方向において連続する切り込みにわたって交互に生じることと同じ意味である。
このとき、少なくとも1つの突起部について隣り合う切り込み部は、切り込み深さについて少なくとも10%だけ変更され得る。更に好ましくは、切り込み深さの変更が、少なくとも20%又は50%にさえなり得る。
本発明の有利な実施形態においては、少なくとも1つの突起部が、主方向からリブ延長に沿ってプライマリ溝を越えて突出することができる。これにより、形成された境界層がリブ中間空間においてプライマリ溝へ突出する突起部によって断絶され、これにより改善された熱伝達が生じるという利点がもたらされる。
本発明の有利な実施形態においては、リブのリブ部分が、リブ延長に沿って延長されて形成されることが可能である。このとき、リブはリブ部分へ区分されており、当該リブ部分は、突起部高さを有する十分な数の突起部へ分割されている。例えば、リブ部分は、少なくとも3つ、好ましくは少なくとも4つの突起部を含んでいる。このとき、リブ部分は互いに対して離間していることができ、これにより、流体のための通過箇所が形成される。これにより、ここでも、できる限りわずかな圧力損失において最適な熱伝達が得られる。なぜなら、良好な熱伝達を阻害する流体境界層が追加的に生成された乱流によって断絶されるためである。このとき、断絶により、乱流の増大及びプライマリリブ延長を越えた流体交換にさらに至り、これにより、同様に境界層の断絶が引き起こされる。
有利には、複数の突起部は、管壁部から最も離れた位置において、管長手軸線に対して平行な面を備えることができる。
本発明の好ましい実施形態では、突起部の高さ、形状及び向きは、個々の突起部高さを目的に合わせて適合させるために、及び互いに異なるようにするために、互いに異なることができ、したがって特に層流の場合に異なるリブ高さによって流れの異なる境界層へ、流れ中心まで埋没することができ、熱を管壁部へ導くことが可能である。
特に好ましい実施形態では、1つの突起部が、管壁部とは反対側に、鋭くとがった先端部を備えることができる。これにより、凝縮管の場合に、二相流体を用いることで、突起部先端における最適な凝縮に至る。
本発明の別の有利な形態では、1つの突起部が、管壁部とは反対側において湾曲された先端部を備えてよく、該先端部の局所的な湾曲半径が、管壁部から離れるにしたがって小さくなる。このことは、突起部の先端において生じる凝縮が凸状の湾曲によってより迅速にリブ基部へ搬送され、したがって液化時における熱伝達が最適化されるという利点を有している。相転移時、ここでは特に液化時には、蒸気の液化と、先端部からリブ基部への凝縮物の排出に主な着眼点がある。このために、凸状に湾曲された突起部は、効率的な熱伝達のための理想的な基礎を形成する。このとき、突起部の基礎は、本質的に管壁部から径方向へ突出している。
本発明の有利な形態では、突起部が、異なる形状及び/又は管長手軸線に沿って管始部から反対側に位置する管端部への高さを有することができる。このとき、利点は、管始部から管端部までの熱伝達の目的に合った調整である。
有利には、先端部が、少なくとも2つの突起部によって、リブ延長に沿って相互に接触又は交差されることができ、これは、特に、相転移時のリバーシブルな動作において有利である。なぜなら、突起部が液化のために更に凝縮物から突出し、蒸発のために一種のキャビティを形成するためである。
本発明の好ましい実施形態では、先端部が、少なくとも2つの突起部によって、プライマリ溝を越えて相互に接触又は交差され得る。このことは、特に、相転移におけるリバーシブルな動作において有利である。なぜなら、突起部が液化のために更に凝縮物から突出し、蒸発のために一種のキャビティを形成するためである。
特に好ましい実施形態では、突起部のうち少なくとも1つが、その先端部が管内側あるいは管外側に接触するように変形されることができる。このことは、特に、相転移におけるリバーシブルな動作において有利である。なぜなら、突起部が液化のために、蒸発のために一種のキャビティと、したがって気泡核箇所とを形成するためである。
有利には、突起部がリブで形成されることができ、該リブのうち少なくとも1つが、特徴であるリブ高さ、リブ間隔、リブ先端部、リブ中間空間、リブ開口角度及びねじれのうち少なくとも1つにおいて互いに異なっている。
本発明の実施例を概略的な図面に基づいて詳細に説明する。
管内側における本発明による構造を有する管部分の概略的な斜視図である。 セカンダリ溝を有する本発明による内側構造を有する管部分の別の概略的な斜視図である。 異なる切り込み深さを有するリブ部分を概略的に示す図である。 プライマリ溝から突出する構造要素を有するリブ部分を概略的に示す図である。 リブ方向において先端部で湾曲された突起部を有するリブ部分を概略的に示す図である。 管壁部から最も離れた箇所における平行な面を有する突起部をもったリブ部分を概略的に示す図である。 リブ延長に沿って互いに接触する2つの突起部を有するリブ部分を概略的に示す図である。 リブ延長に沿って互いに交差する2つの突起部を有するリブ部分を概略的に示す図である。 プライマリ溝を越えて互いに接触する2つの突起部を有するリブ部分を概略的に示す図である。 プライマリ溝を越えて互いに交差する2つの突起部を有するリブ部分を概略的に示す図である。
全ての図において、互いに対応する部材には同一の符号が付されている。
図1には、管内側22における本発明による構造を有する伝熱管1の管部分の斜視図が概略的に示されている。伝熱管1は、管壁部2、管外側21及び管内側22を有している。管内側22には、管壁部2から連続的に延びる、らせん状に周設されたリブ3が形成されている。管長手軸線Aは、リブに対してある角度をもって延びている。それぞれ隣り合うリブ3の間には、連続的に延びるプライマリ溝4が形成されている。
リブ3は、リブ延長に沿って周期的に反復するリブ部分31へ区分されており、当該リブ部分は、複数の突起部6へ分割されている。突起部6は、リブセグメントを形成するために、リブ延長に対して横方向へある切削深さでリブ3を切削することによって、及びプライマリ溝4間のリブ延長に沿って主方向を有するリブセグメントを持ち上げることによって形成されている。
図1では、リブ3のリブ部分31がリブ延長に沿って延長されて形成されている。この場合、リブ部分31は、リブ3の切削されていない部分範囲によって後続のものに対して区切られている。そこでは、プライマリリブ3の元々の高さも部分的に維持されることができる。
図2には、セカンダリ溝5を有する管内側22における本発明による構造を有する伝熱管1の管部分の別の斜視図が概略的に示されている。リブ3は、ここでも、リブ延長に沿って周期的に反復するリブ部分31へ区分されており、当該リブ部分は、複数の突起部6へ分割されている。
図2では、リブ3のリブ部分31がリブ延長に沿ってここでも延長されて形成されている。リブ部分31は、後続のものに対して、傾斜角βの下で延びるセカンダリ溝5により測定されて管長手軸線Aに対して区分されている。セカンダリ溝5は、わずかな切り込み深さを有することができるか、又は図示の実施例のように、大きな切り込み深さでプライマリ溝近傍に達することが可能である。
図3には、異なる切削深さ又は切り込み深さt,t,tを有するリブ部分31が概略的に示されている。切削深さあるいは切り込み深さという用語は、本発明の範囲では同一の概念を示すものである。突起部6は、交代で交互にリブ3を通して切削深さt,t,tを備えている。図3では、元々形成されたらせん状に周設されたリブ3が破線で示唆されている。これに基づき、突起部6は、リブセグメントを形成するために、リブ延長に対して横方向へある切削深さt,t,tでリブ3を切削することによって、及びリブ延長に沿って主方向を有するリブセグメントを持ち上げることによって形成されている。したがって、径方向における元々のリブの切り込み深さについて異なる切削深さt,t,tが量定される。
突起部高さhは、図3において径方向における突起部の寸法として記入されている。そして、突起部高さhは、径方向において、壁部を起点として、壁部から最も離れた突起部における位置までの距離である。
切り込み深さt,t,tは、元々のリブ先端部から切り込みの最深箇所までの、径方向に測定した距離である。換言すると、切り込み深さは、元々のリブ高さと切り込みの最深箇所において残った残留リブ高さの差である。
図4には、プライマリ溝4から突出する構造要素6を有するリブ部分31が概略的に示されている。これは、先端部62を有する主方向からリブ延長に沿ってプライマリ溝4を越えて到達する突起部6である。突出部が離れて形成されていればいるほど、形成された流体の境界層がリブ中間空間においてより強く阻害され、これにより、改善された熱伝達が生じる。
図5には、リブ方向において先端部62で湾曲された突起部6を有するリブ部分31が概略的に示されている。突起部6は、湾曲された先端部62において変化する湾曲延長を有している。このとき、局所的な湾曲半径は、管壁部から離れるにしたがって小さくなる。換言すると、湾曲半径は、点P1,P2,P3によって示唆された線に沿って先端部62に向けて小さくなる。このことは、先端部62において生じる凝縮物が二相流体において増大する凸状の湾曲によってより迅速にリブ基部へ向けて搬送されるという利点を有している。これにより、液化時の熱伝達が最適化される。
図6には、先端部62の範囲における、管壁部から最も離れた箇所での、平行な面61を有する突起部6をもったリブ部分31が概略的に示されている。
図7には、リブ延長に沿って互いに接触する2つの突起部6を有するリブ部分31が概略的に示されている。さらに、図8には、リブ延長に沿って互いに交差する2つの突起部6を有するリブ部分31が概略的に示されている。図9にも、プライマリ溝4を越えて互いに接触する2つの突起部を有するリブ部分31が概略的に示されている。図10には、プライマリ溝4を越えて互いに交差する2つの突起部6を有するリブ部分31が概略的に示されている。
図7〜図10に図示された構造要素においては、二相流体における特にリバーシブルな動作において、蒸発のために一種のキャビティが形成されるという利点がある。この特別な態様のキャビティは、蒸発する流体の気泡核についての初期位置を形成する。
1 伝熱管
2 管壁部
21 管外側
22 管内側
3 リブ
31 リブ部分
4 プライマリ溝
5 セカンダリ溝
6 突起部
61 平行な面
62 先端部
A 管長手軸線
β 傾斜角
第1の切り込み深さ
第2の切り込み深さ
第3の切り込み深さ
h 突起部高さ

Claims (14)

  1. 管長手軸線(A)と、管壁部(2)と、管外側(21)と、管内側(22)とを有している伝熱管(1)であって、
    −前記管内側(22)には、前記管壁部(2)から連続的に延びる、軸平行に、又はらせん状に周設されたリブ(3)が形成されており、
    −それぞれ隣り合う前記リブ(3)間に連続的に延在するプライマリ溝(4)が形成されている、前記伝熱管において、前記リブ(3)はセカンダリ溝(5)によって、さらに分けられ、
    前記リブ(3)が、リブ延長に沿って周期的に反復するリブ部分(31)へ所定の間隔をもって区分されており、当該リブ部分(31)は、突起部高さ(h)を有する複数の突起部(6)へ前記したリブ部分(31)間の間隔より狭い間隔で切削により、分割されていること、その突起部(6)には隣接する突起部よりも大きく形成されたものを有し、並びに前記突起部(6)が、リブセグメントを形成するために、リブ延長に対して横方向へ切削深さ(t,t,t)で前記リブ(3)を切削することによって、及び前記プライマリ溝(4)間の前記リブ延長に沿って主方向を有する前記リブセグメントを持ち上げることによって形成されていることを特徴とする伝熱管。
  2. 前記リブ(3)の前記リブ部分(31)が、傾斜角βの下で延びるセカンダリ溝(5)により測定されて前記管長手軸線(A)に対して前記リブ(3)で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の伝熱管(1)。
  3. 前記突起部(6)が、各々区分されたリブ部分(31)で、順次、前記リブ(3)を通して深さの異なる切削深さ(t,t,t)を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の伝熱管(1)。
  4. 少なくとも1つの突起部(6)が、前記主方向から前記リブ延長に沿って前記プライマリ溝(4)を越えて突出していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
  5. 前記リブ(3)の前記リブ部分(31)が、前記リブ延長に沿って延長されて形成されていることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
  6. 複数の突起部(6)が、前記管壁部(2)から最も離れた位置において、前記管長手軸線(A)に対して平行な面(61)を備えていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
  7. 前記突起部(6)が、突起部高さ(h)、形状及び向きにおいて互いに異なることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
  8. 1つの突起部(6)が、前記管壁部(2)とは反対側に、鋭くとがった先端部(62)を備えていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
  9. 1つの突起部(6)が、前記管壁部(2)とは反対側において湾曲された先端部(62)を備えており、該先端部の局所的な湾曲半径が、前記管壁部(2)から離れるにしたがって小さくなっていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
  10. 前記突起部(6)が、異なる形状及び/又は前記管長手軸線(A)に沿って管始部から反対側に位置する管端部への高さを有していることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
  11. 前記先端部(62)が、少なくとも2つの突起部(6)によって、前記リブ延長に沿って相互に接触又は交差されることを特徴とする請求項8又は9のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
  12. 前記先端部(62)が、少なくとも2つの突起部(6)によって、前記プライマリ溝(4)を越えて相互に接触又は交差されることを特徴とする請求項8又は9のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
  13. 前記突起部(6)のうち少なくとも1つが、その先端部(62)が前記管内側(22)に接触するように変形されていることを特徴とする請求項8又は9のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
  14. 前記突起部(6)がリブ(3)で形成され、該リブ(3)のうち少なくとも1つが、特徴であるリブ高さ、リブ間隔、リブ先端部、リブ中間空間、リブ開口角度及びねじれのうち少なくとも1つにおいて互いに異なっていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の伝熱管(1)。
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