JPH0123717B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は表面に多数の溝を有する母材に多数の
貫通孔を有する薄板を接合してなる熱交換壁およ
びその製作法に関するものである。

従来この種熱交換壁としてパイプやプレートの
表面からこれと接触する液体、例えば、フロン
液、液体窒素、液体酸素等へ高効率で熱伝達させ
る試みとして、第１図に示すような熱交換壁が提
案されている。

液体と接触する熱交換壁１の表皮帯域に多数の
細長い空洞２が設けられ、この空洞２は多数の微
小な貫通孔３によつて外部と連通している。この
ような熱交換壁１は一般に機械的な切削加工、あ
るいはローレツトなどによる塑性加工によつて熱
交換壁１の母材に空洞２となる溝を形成し、その
後、空洞２の側壁５間より小さい多数の貫通孔３
が空洞２の真上に来るように、多数の貫通孔３を
有する多孔板４を母材の上にかぶせて拡散接合等
によつて製作される。

このような構成の熱交換壁であれば、熱交換壁
をこれと接触する液体より高い温度に加熱する
と、第２図に示すように空洞２内に蒸気泡６が発
生し成長する。空洞２内の蒸気圧が外部より高く
なると、貫通孔３から蒸気泡６の一部は放出し離
脱する。残りの蒸気泡は空洞２内に残留し保持す
る。その際、空洞２内に圧力変化が生じ、蒸気泡
６を放出した貫通孔３と別の貫通孔３′から液が
矢印７で示すように空洞２内に侵入する。侵入液
は空洞２内の四隅に毛細管力によつて流入し、液
体膜が極端に薄いメニスカス８を形成する。この
メニスカス８の薄い液膜から蒸発が起き、空洞２
内の蒸気泡６を成長させる。このように、蒸気泡
の成長と放出、液の侵入のサイクルが次々とくり
返される。

しかしながら、貫通孔３が空洞２の上に設置さ
れているので、貫通孔３から空洞２の四隅のメニ
スカス８に流入する液は、多孔板４の裏面を通
り、空洞２の四隅に流れ込むため、侵入液は直接
空洞２の四隅に流入することが出来ない。たと
え、貫通孔３の位置を空洞２の側壁５にかかるよ
うにずらしたとしても、あらかじめ開孔した多孔
板４を接合する以上、貫通孔壁と側壁とで形成さ
れる侵入液の流路面は凸凹が出来、滑らかに空洞
２の四隅に接することが出来ない。従つて、熱交
換壁１の過熱度が大きい場合侵入液にとつて流動
抵抗が大きいので、空洞２内の液の補給がメニス
カス８の蒸発に対して追いつかず、ついに、空洞
内は液枯れ状態になる。この事は熱交換壁の伝熱
性能を向上させることが出来ない。

一方、第１図の熱交換壁は熱交換壁母材に溝を
形成した後、多孔板を溝の上に接合させて製作さ
れるため、溝ピツチと多孔板の孔ピツチの精度が
よくないと、互いに重ねて接合する場合、開孔位
置がずれてしまう欠点がある。さらに、多孔板の
開孔と多孔板の接合は別々の工程で行われるため
生産性が悪い。また、熱交換壁母材と多孔板との
接合は従来拡散接合等が用いられているが、この
ような接合を行うためには、大きな真空加熱炉な
どの設備が必要であり、生産コストが非常に大き
い。

本発明の目的は上記の欠点を改良し、効率の良
い、しかも廉価な熱交換壁を提供することであ
り、また、このような熱交換壁を製作するための
廉価な方法を提供するものである。

この目的を達成するため、本発明は、表面に多
数の溝を有する母材に薄板を接合して形成する熱
交換壁において、前記薄板には前記溝上に形成さ
れたほぼ半円形状の開孔部と前記溝の側壁上部に
形成されたほぼ半円錐形状の溝に対向するほぼ半
円形状の開孔部とが一体になつた貫通孔を形成し
たことを特徴とするものである。また、本発明の
他の特徴は、熱交換壁となる母材に多数の細長い
溝を設けた後、熱交換壁の表皮となる薄板を前記
母材の上に設置し、その後、前記薄板の上方から
レーザービームあるいは電子ビームを前記溝の側
壁に一部引掛かるように溝上部の前記薄板に照射
し、このビーム照射によつて、前記溝の側壁上部
にほぼ半円錐形状の溝と、前記薄板に前記半円錐
形状の溝に対向するほぼ半円形状の開口部及び前
記細長い溝上のほぼ半円形状の開口部が一体にな
つた貫通孔とを形成し、かつ前記ビーム照射によ
り同時に前記母材と薄板との接合も行うことを特
徴とする熱交換壁の製作法にある。

以下、本発明の一実施例を第３図、第４図によ
つて説明する。

熱交換壁９の表皮１０下には多数の細長い空洞
１１が形成されている。空洞１１の天井である表
皮１０には空洞１１に沿つて規則的に開孔する多
数の貫通孔１２が設けられ、この貫通孔１２によ
つて空洞１１は外部と連通している。貫通孔１２
は、空洞１１の真上からみるとほぼ半円形状の開
孔部１２ａと、空洞側壁１３の上部に形成された
ほぼ半円錐形状の溝１４と対向するほぼ半円形状
の開孔部１２ｂとが一体になつて形成している。

このような構造の熱交換壁はつぎのようにして
容易に製作出来る。

最初に、熱交換壁９の母材に機械的切削加工、
あるいはローレツトなどによる塑性加工によつて
多数の細長い溝状の空洞１１を設けた後、熱交換
壁９の表皮１０となる薄板を熱交換壁面上に乗
せ、レーザービーム、あるいは、電子ビームを空
洞側壁１３に一部引掛かるように照射する。この
ためビームにより、空洞１１の天井となる表皮１
０はほぼ半円形状の開孔部１２ａが設けられ、一
方、空洞側壁１３上の表皮１０と空洞側壁１３は
ほぼ半円形状の開孔部１２ｂと開孔部１２ｂに対
向してほぼ半円錐形状の溝１４が開けられる。そ
して、空洞１１と外部と連絡する貫通孔１２が形
成される。この際、表皮１０の薄板は貫通孔１２
の周辺部分が空洞側壁に溶接される。すなわち、
レーザー加工、あるいは電子ビーム加工によつ
て、表皮の開孔と表皮の溶接を一工程で行うこと
が出来る。

この製作法によれば、平板はもとより円管にお
いても実施することができる。円管の場合、表皮
となる薄板を巻き付けながら、レーザー加工、あ
るいは電子ビーム加工を施すことにより伝熱管を
容易に製作出来る。

このようにして構成された熱交換壁はこれと接
触する液体より高い温度に加熱されると、空洞１
２内に蒸気泡が発生し充満する。そして、蒸気泡
の圧力が外部液の圧力より高くなると、貫通孔１
２より蒸気泡の一部が放出され、他の蒸気泡は残
留蒸気泡として空洞１１内に保持される。この
際、空洞１１内は圧力変化が生じ、蒸気泡を放出
した貫通孔１２と別の貫通孔１２から空洞１１内
に液が流入する。流入液は空洞１１内の四隅に毛
細管現象によつて運ばれ、液膜が極端に薄いメニ
スカスを構成する。貫通孔１２の流入口が滑らか
な円錐形状をしており、さらに、空洞１１の隅と
直接結合しているため、液が流入し易く、薄い液
膜からの蒸発に対する液の補給が円滑に行われ
る。

第３図、第４図にて説明した実施例は多数の貫
通孔の大きさをほぼ一様にした場合であるが、第
５図に示す他の実施例では、貫通孔１２の大きさ
をある間隔をもつて異ならせた場合である。貫通
孔１２の大きさを異ならせると、貫通孔１２の流
動抵抗が異なるため、空洞１１内で発生する蒸気
は貫通孔１２のうち必ず開孔部の大きい貫通孔１
２′から放出離脱する。また、開孔部の小さい貫
通孔１２″から外部液が空洞１１内に流入する。
貫通孔１２の大きさが一様なものでは、蒸気を放
出する開孔と液が流入する開孔が常に決まつた場
所に安定させることが困難である。しかし、貫通
孔１２の大きさを規則的に異ならせた場合、蒸気
放出と液流入のサイクルを常に安定にすることが
出来、結局、沸騰伝熱性能を向上させる。

第６図は本発明の効果を示す一実験例であり、
本発明の方法により製造された伝熱壁、並びに従
来の伝熱壁の沸騰性能（冷媒フレオンR11を使
用）を比較して示してある。横軸は冷媒液の飽和
温度からの伝熱壁面の過熱度ΔT（℃）を、縦軸
は熱流束ｑ（Ｗ／cm²）を示す。第６図において、
各曲線Ａ，Ｂ，Ｃは空洞ピツチ0.55mm、深さ0.4
mm、貫通孔ピツチ0.7mm、表皮の厚さ0.05mm等が
互いに同一のものである。曲線Ａは第１図に示す
構造で、貫通孔の大きさが0.1mmの場合である。
曲線Ｂは第３図に示す本発明構造のもので、貫通
孔の上部の直径がほぼ0.1mmである。曲線Ｃは第
５図に示す本発明の他の実施例の構造で、大開孔
の直径がほぼ0.15mm、小開孔の直径がほぼ0.1mm
である。この図より明らかなように、熱流束が大
きくなると、曲線Ａに対して曲線Ｂは同一熱流束
の場合、過熱度が小さい。さらに、曲線Ｃは曲線
Ａ，Ｂより過熱度が小さい。このように、本発明
の熱交換壁は従来の熱交換壁よりも高い伝熱性能
を有していることが明らかである。

なお、レーザービーム加工、電子ビーム加工に
よつて飛散する粒子は空洞内壁面に付着するた
め、液膜の濡れ性や液膜の広がり性が向上し、さ
らに沸騰伝熱性も向上する。

以上述べたように、本発明の熱交換壁によれ
ば、空洞（溝）の側壁上部にほぼ半円錐形状の溝
を形成し、この溝に対向するほぼ半円形状の開孔
部をもつ貫通孔を薄板に形成しているので、空洞
へ浸入する液の流路面は滑らかになり、液が空洞
内へ流入し易くなるので、空洞内の薄い液膜から
の蒸発に対する液の補給が円滑に行われる。この
結果、沸騰熱伝達性能を向上できるという効果が
ある。

また、本発明の熱交換壁の製作法によれば、薄
板の上方からレーザービームあるいは電子ビーム
を溝の側壁に一部引掛かるように溝上部の前記薄
板に照射し、それによつて、溝の側壁上部にほぼ
半円錐形状の溝と、前記薄板に前記半円錐形状の
溝に対向するほぼ半円形状の開口部をもつ貫通孔
とを形成し、同時に前記ビーム照射によつて前記
母材と薄板との接合も行うので、上述した沸騰熱
伝達性能の高い熱交換壁を容易に製作できる。す
なわち、ビーム照射によつて、前記貫通孔及び半
円錐形状溝の加工と、母材と薄板との接合とを一
工程で行うことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の熱交換壁を説明する一部分断面
にした斜視図、第２図は第１図の熱交換壁の沸騰
状態を説明する斜視図、第３図は本発明の熱交換
壁の一実施例を一部分断面にした斜視図、第４図
は第３図の熱交換壁の一部分表皮をはがした正面
図、第５図は本発明の熱交換壁の他の実施例を示
す一部分断面にした斜視図、第６図は本発明の熱
交換壁及び従来の熱交換壁の沸騰伝熱性能を示す
図である。 ９……熱交換壁、１１……空洞、１２……貫通
孔、１３……空洞側壁、１４……円錐形状の溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面に多数の溝を有する母材に薄板を接合し
   て形成する熱交換壁において、前記薄板には前記
   溝上に形成されたほぼ半円形状の開孔部と前記溝
   の側壁上部に形成されたほぼ半円錐形状の溝に対
   向するほぼ半円形状の開孔部とが一体になつた貫
   通孔を形成したことを特徴とする熱交換壁。 ２ 母材に接合された薄板に設けられる貫通孔の
   大きさを、母材の表面に設けられた溝に沿つて規
   則的に異ならせたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の熱交換壁。 ３ 熱交換壁となる母材に多数の細長い溝を設け
   た後、熱交換壁の表皮となる薄板を前記母材の上
   に設置し、その後、前記薄板の上方からレーザー
   ビームあるいは電子ビームを前記溝の側壁に一部
   引掛かるように溝上部の前記薄板に照射し、この
   ビーム照射によつて、前記溝の側壁上部にほぼ半
   円錐形状の溝と、前記薄板に前記半円錐形状の溝
   に対向するほぼ半円形状の開口部及び前記細長い
   溝上のほぼ半円形状の開口部が一体になつた貫通
   孔とを形成し、かつ前記ビーム照射により同時に
   前記母材と薄板との接合も行うことを特徴とする
   熱交換壁の製作法。