JPH0315116B2 - - Google Patents

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JPH0315116B2
JPH0315116B2 JP57192480A JP19248082A JPH0315116B2 JP H0315116 B2 JPH0315116 B2 JP H0315116B2 JP 57192480 A JP57192480 A JP 57192480A JP 19248082 A JP19248082 A JP 19248082A JP H0315116 B2 JPH0315116 B2 JP H0315116B2
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JP
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cavity
heat exchange
cavities
opening
exchange wall
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Takahiro Ooguro
Hisashi Nakayama
Tadakatsu Nakajima
Heikichi Kuwabara
Hiromichi Yoshida
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B01D1/22—Evaporating by bringing a thin layer of the liquid into contact with a heated surface

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、平板あるいは伝熱管の外表面に接す
る液体を相変化させて伝熱する熱交換壁に係り、
特にエバポレータや放熱器に用いるに適した熱交
換壁に関する。
〔従来の技術〕
沸騰熱伝達や蒸発熱伝達を高める熱交換壁に関
する技術は数多く提案されている。
まず、焼結法、溶射法、エツジングなどによつ
て、熱交換壁面上を多孔質層にする方法がある。
この熱交換壁は平滑な面に比べると高い伝熱性能
を有するが、多孔質層の空〓が狭いために沸騰液
中に含まれている不純物、あるいは溶け込んでい
る非沸騰液が空〓間に目詰りして、性能劣化をま
ねく。また、多孔質によつて形成される空〓はそ
の大きな不均一なので、場所によつて伝熱性能が
ばらつく。
一方、特公昭56−44357号公報に記載され、か
つ第1図に示すように、伝壁面1上にトンネル2
と開孔3を有する熱交換壁も知られており、この
熱交換壁も高い性能を有する。開孔3の大きさも
焼結法などによる多孔質層に比べると大きく、不
純物、非沸騰液などの目詰りによる性能低下は小
さい。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述した開孔とトンネルを有する熱交換壁は、
伝熱面への熱負荷に応じて最適な開孔径が存在す
る。したがつて、熱負荷が小さすぎたり、大きす
ぎたりすると伝熱性能が低下するという問題があ
つた。
本発明の目的は、流体の相変化を効率的に行な
わせる構造を備え高い伝熱性能を有し、しかも性
能のばらつきの少ない熱交換壁を得ることにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の特徴は、伝熱壁面の表皮帯域に、実質
的に互いに平行で一方向に伸びかつ互いに仕切ら
れ長手方向に連続した隅部を有する細長い空洞群
を複数層設け、外層側の前記空洞群と内層側の前
記空洞群とを互いに連通しかつ内層側の空洞の最
大横断面積を制限する開口部と、最外層の前記空
洞群と外部とを連通しかつ該最外層の空洞の最大
横断面積を制限する開口部とを有する熱交換壁に
ある。
また、本発明の他の特徴は、形状が略一定で互
いに仕切られ長手方向に連続した隅部を有しかつ
一方向に伸びる多数の細長い溝を備え、伝熱壁面
の表面に複数層配されて熱交換壁の表皮帯域に複
数層の空洞群を形成している溝付薄板積層体と、
外層側に形成された前記空洞群と内層側に形成さ
れた前記空洞群とを互いに連通すると共に内層側
の空洞の最大横断面積を制限する開口部と、最外
層の前記空洞群と外部とを連通しかつ該最外層の
空洞の最大横断面積を制限する開口部とを備えた
熱交換壁にある。
なお、上記本発明の特徴の記載において、「空
洞の最大横断面積を制限する開口部」とは、各開
口部と横断面積が各開口部の内層側に位置する空
洞の横断面積の最大値により小さいことを意味し
ている。
〔作用〕
上記本発明の熱交換壁において、熱交換壁がこ
れと接触し沸騰する液体より高い温度で過熱され
ると、各層の空洞内に蒸気泡が発生し充満する。
蒸気の圧力が高くなると各空洞から外部で離脱気
泡として放出される。この蒸気の放出に伴い各空
洞内に圧力変化が生じるから外部の液が各空洞内
に浸入する。内層の空洞は圧力が高く、このため
液が浸入しにくく、かつ浸入する液は上層の空洞
内を通つてくるため一部過熱されている。このた
め内層の空洞内に拡がつている液膜は薄く、温度
も 高いので、低熱負荷時でも小さな過熱度で蒸気を
発生させることができる。高熱負荷時になると、
内層の空洞内に蒸気が充満し、液はさらに浸入し
にくくなり液枯れ状態になるが、外層の空洞は内
層の空洞に比べ、液の浸入が容易であるため液枯
れ状態になりにくい。この結果、高熱負荷時に
は、外層の空洞内に薄い液膜が形成され、外層の
空洞において高い熱交換性能を得ることができ
る。
さらに本発明によれば、内外層の空洞共、一方
向に伸びる細長い形状でかつ隣接する空洞とは互
いに仕切られた構造となつているから、内外層の
空洞共該空洞内に形成される薄い液膜は分断され
にくい。このため薄い液膜が空洞の長手方向に長
く形成され、その液膜の範囲は大きくなるから高
い熱交換性能を得ることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
まず、第2図の例について説明する。
熱交換壁の表皮層11に細長い溝状の空洞群1
2(12a,12b)が2層になつて多数平行に
設けられている。2層の空洞12a,12b間の
仕切壁13には下層の空洞12bの最大断面積を
制限し、2層の空洞12a,12b間を互いに連
通させる複数個の開口部14が下層の空洞12b
に沿つてある間〓で設けられている。また、上層
の空洞12aの天井壁15にも、上層の空洞12
aの最大断面積を制限し熱交換壁外部と上層の空
洞12aとを互いに連通する複数の開口部16が
上層の空洞12aに沿つてある間〓で設けられて
いる。従つて、開口部14,16によつて、上下
層の空洞12a,12b並びに熱交換壁外部とは
互うに連通している。これら開口部14,16の
開口ピツチ及び大きさは自由に選ぶことができ
る。なお、空洞12a,12bの横断面形状及び
開口部14,16の横断面形状は、必ずしも実施
例に示すものに限定される必要がない。円形、多
角形、矩形、だ円形などから適宜選択すればよ
い。
ただし、いずれの場合も、空洞12a,12b
の横断面積の最大値が各々開口部14,16の横
断面積よりも大きいものでなければならない。
なお、開口部14,16の直径dは0.05mm〜
1.0mm程度とするのがよい。また、開口率は0.01
〜0.3は、開口ピツチ1〜20個/cm程度がよい。
一方、空洞12a,12bの断面の幅B及び高さ
Hは空洞の毛細管力に影響を及ぼす、BやHが小
さすぎるの多孔質層の如く空洞内への液体の液体
の引込み作用が大きくなり過ぎ、逆にBやHが大
きすぎると毛細管力が不足し、いずれの場合も熱
伝達に悪影響を及ぼす。実用上、B,H共に0.15
mm程度以上の大きさが必要である。また、空洞ピ
ツチは1〜20個/cm程度とするのがよい。
第3図に示す他の実施例では、上下2層の空洞
12a,12bを互いにある角度をもつて交差し
ている。その他の点はすべて第2図の実施例と同
じである。
第2図並びに第3図の熱交換壁は以下に述べる
ように容易に製作できる。まず、第4図に示すよ
うに熱交換壁の表皮となる薄板(溝付溝板積層
体)100に機械的切削加工、或いは溝付ロール
などによる塑性加工によつて多数の細長い溝10
2を設け、この溝の 底部に溝に沿つて場板を貫通する開口部103を
ある間隔で設ける。この開口部103は簿板10
0に溝付加工する際、同一工程中に加工してもよ
い。また、溝102と開孔部103の形成は一般
的な化学腐食加工、レーザービーム加工或いは電
子ビーム加工等によつて行なつてもよい。上記の
多数の溝102と開口部103とを有する溝板1
00を2枚或いは複数枚互いに積層させ、熱交換
壁の母材面に道茶或いは接合させることにより、
本発明の熱交換壁が製作される。積層する際、薄
板100の開口部103がふさがらないように、
上下層の溝102を互いに平行すれば、第2図の
実施例が形成される。また、上下層の簿板の溝1
02を互いに交差して積層すれば、第3図の熱交
換壁が形成される。
第2図の実施例では、上下層の簿板が互いにず
れると、上下層空洞の仕切壁13が破損する恐れ
があるが、第3図の場合、上下層間の仕切壁13
を破損させる恐れがない。
次に上記実施例の作用について説明する。
まず、熱交換壁が、これと接触し沸騰する液体
より高い温度で過熱されると、第5図及び第6図
に示すように上下層の空洞12a,12b内に蒸
気泡30が発生し充満する。そして、下層の空洞
12b内の蒸気の圧力が上層の空洞12a内の蒸
気の圧力より高くなると、上下層間の仕切層15
の制限された開口部14より蒸気泡30の一部が
上層の空洞12aに放出される。残りの蒸気泡は
残留蒸発泡として下層の空洞12b内に保有され
る。一方、上層の空洞12aは、下層の空洞12
bからの蒸気の放出をうけ、また、空洞12a自
体での過熱により蒸気を発生するので、上層の空
洞12a内の圧力は外部液50の圧力より高くな
る。そして、上層の空洞12a内の蒸気は天井壁
15の制限された開口部16から外部へ離脱気泡
40として放出される。残りの蒸気は残留蒸気泡
として上層の空洞12a内に残存される。空洞内
の圧力は熱交換壁外部液50より高く、上層から
下層に行くにつれ高くなる。各空洞12a,12
bからの蒸気の放出に伴い、各空洞12a,12
b内に圧力変化が生じ、その際、各空洞12a,
12b内に液が浸入する。上層の空洞12aで
は、上層の空洞12a浸入液の一部が下層の空洞
12bへ浸入することになる。従つて、下層の空
洞12bでは、該空洞内の圧力が高く、しかも浸
入する液は上層の空洞12a内を通つてくるため
一部過熱され、多量の液量でない。このため、低
熱負荷時においても、空洞12b内の液50が少
なく、しかも空洞12b内の壁面に拡がつている
液膜を薄いので、小さな過熱度で蒸発を発生させ
ることができる。すなわち、低熱負荷時では、上
層の空洞12aより下層の空洞12bの方が伝熱
性能を高めるのに有効に働くことになり、全体と
して熱伝達率が高くなる。なお、空洞の幅Bや高
さHが小さ過ぎると毛細管力によつて下層の空洞
12b内に多量の液が引込まれるので蒸気の発生
が制限されてしまう。
一方、高熱負荷時になると、第7図及び第8図
に示すように下層の空洞12b内に蒸気60が充
填し、液50が浸入しにくく、液枯れ状態になる
が、上層の空洞12aは下層の空洞12bに比
べ、液の浸入が容易であるため液枯れ状態になり
にくい。上層の開口部16の大きさをある程度大
きく選んでおけば、高熱負荷においても、上層の
空洞12aだけでも熱交換性能を高い状態に維持
することができる。
従つて、本発明の熱交換壁が、低熱負荷では下
層の空洞12bが、高熱負荷では上層の空洞12
aが有効に働くように、各熱負荷に対して二層の
空洞が次々に最適に作動する。空洞は三層以上設
けてもよいが二層でも十分な効果がある。上層の
開孔部の大きさを大きく、下方の開口部の大きさ
を小さくしてもよい。
また、上層の空洞の体積を大きく、下層の空洞
の体積を小さくしてもよい。例えば、上層の空洞
12aの高さを下層の空洞12bの高さより高く
することにより実現できる。あるいは、第9図に
図すように、上層の空洞の横幅を大きくし、下層
の空洞ピツチの2倍にとり、他の構造とは同一と
してもよい。なお、第3図の構造のように上下層
の空洞が互いに交差するなら、上層の空洞ピツチ
は下層の空洞ピツチに対して任意の値を選ぶこと
ができる。上記の実施例のいずれも、高熱負荷時
では上層の空洞内に外部液を充分浸入させること
ができ、液枯れ状態になりにくい。また、低熱負
荷時では下層の空洞に浸入する液量が制御される
ので、下層の空洞内の液膜が厚くならず、第2
図、第3図の実施例より一層伝熱能力を向上させ
る効果がある。
第10図の実施例では、各上層の空洞の内壁構
成部材を各下層の溝状の空洞上に交差するように
配置することにより、各下層の空洞の最大断面積
に対して制御された開口部を設けることができ
る。
第10図の実施例の場合、最初に熱交換壁母材
11の素面に細長い平行な多数の溝18を形成し
ておく。その後、第4図で説明した多数の溝10
2と開口部103を設けた簿板100を、簿板の
溝102と母材11の溝18とが互いに交差し向
かい合うように、熱交換壁母材11に接合、或い
は密着させることにより、第10図の熱交換壁が
形成される。この際、簿板の溝102が上層の空
洞12aとなり、母材11の溝18が下層の空洞
12bとなる。そして、簿材の溝102間のうね
17が下層の溝18の上を部分的にふたをするこ
とになり、下層の空洞の最大断面積より小さく制
限された複数個の矩形状の開口部19が作成され
る。
さて、上記実施例は、いずれも空洞内壁面の表
面状態について特に説明しなかつたが、内壁面が
平滑面より租面であれば、空洞内壁面は液に対し
て濡れやすく、液膜が容易に拡がり易くなる。こ
のため、空洞内壁面上に形成される液膜の厚さが
薄くなり、平滑面の場合より伝熱性能が一段と向
上する効果がある。面の粗さは、Rp=0.0005〜
0.002cm程度がよい。
第11図及び第12図の他の実施例では、簿板
100の開口加工をロール、或いはダイス等によ
つて行ない。開口部103は打ち抜いたり、切り
欠いたりして製作される。この結果、薄板100
の溝加工面と反対側の面に伴い、バリヤ突起が生
じる。このため、溝加工と開口加工が行なわれた
多数の簿板100を多層状に積層する際、下層の
開口部103と上層の溝102との位置合せが簡
単になる。なお、前記開口加工は溝付け加工と同
時に行なつてもよい。例えば、溝付きロールの歯
の先端に突起を設け、他方の平滑面ロールには前
記突起とちようど位置があうように窪を設けるこ
とにより、両ロールの間に簿板をはさみ込み、加
圧しながらロールを回転させれば、溝付加工と開
口部の加工が同時に行われる。
本発明の他と実施例を第13図〜第16図に示
す。先づ第一工程において円管20の表面にロー
レツト加工により浅い溝21を作る。この溝は管
軸に対して約45゜方向とする。続いて第二工程で
は、管軸にほぼ直角方向にバイトですき起し加工
を行う。すき起し加工で作られるフイン22の高
さは約1mm程度とし、第一工程の溝21より高く
する。この方法により第13図の如く凹凸をもつ
たフイン22の列が形成される。第三工程におい
て第14図のように、表面に微小溝23をもつ細
線24をフイン22の列間の溝部に巻き付け第1
5図の状態にする。細線24とフイン22間に空
洞12bが形成され、細線24に設けられた微小
溝23が開孔を形成する。なお、微小溝23をも
たない細線24を巻き付けても細線とフインとが
接する部分にはすき間が形成される場合がある
が、微小溝を設けた方がより安定した開孔を有す
る。第四工程において、第16図の如くロール加
工あるいはブラシング加工などにフイン22の先
端をねかせる。隣接するフインが接合されること
により空洞12aが形成される。そして、第一工
程の浅い溝21は開口部16を構成する。
本発明の他の実施例を第17図を用いて説明す
る。
熱交換壁11の表面部分に細長いトンネル状の
空洞12a,12bが内外2重になつて多数平行
に設けられている。内側の空洞12bは、小フイ
ン302によつて外側の空洞12aと仕切られて
おり、小フイン302と大フイン300との間に
設けられた開口14を通して外側の空洞12aと
連通している。また、外側の空洞12aは、外側
の溝に隣接するフイン300′の間に設けられた
開口16を通して熱交換壁11の外部と連通して
いる。一方、上記の開口14,16の断面積が、
それぞれ空洞12b,12aの最大断面積よりも
小さくなるようにフイン300,302は起こさ
れている。このフイン300,302の先端は金
属材料の性質により図に示すようなナイフエツヂ
状の整つたものとはならず、うねつたもの或いは
亀裂の入つたもの、またはパリを巻き込んだ状態
となる。
第18図に示す他の実施例では、外側のフイン
304の途中に内側のフイン306を設けたもの
であり、また、熱交換壁11の最外表面に外側の
フイン304の一部が突き出している。その他の
点はすべて第17図の実施例と同じである。
本発明の熱交換壁の伝熱能力を確認するため、
第2図の熱交換壁により大気低下での沸騰熱伝達
実験を行つた。沸騰冷媒液はCFCl3(フロンR−
11)である。熱交換壁は銅製である。2層の空洞
の寸法は互いに等しく、空洞ピツチ0.55mm、空洞
断面の幅Bは0.25mm、高さHは0.4mm、開口部ピ
ツチ0.7mm、開口部の径dは0.25mmである。伝熱
性能Aを第19図に示す。なお、同図には、Aと
全く同じ空洞及び開口部寸法を持つ1層の熱交換
壁(従来の熱交換壁……第1図)の伝熱性能Bも
合わせて図示した。横軸は熱交換壁の投影面積基
準の軸流束q(W/m2)、縦軸は上記投影面積基準
の熱伝達率a(W/K・m2)を示す。
本発明の熱交換壁Aは従来の熱交換壁Bに比
べ、熱交換壁の通常の仕様熱流束域(5×103〜
3×104W/m2)で、単なる実伝熱面積の増加分
(2倍)を越える高い熱伝達率を持つ。特に熱流
束qが比較的小さい領域では3倍以上に達してい
る。また、熱流束全域において、熱交換壁Bより
熱伝達率が高く、しかもほぼ一定の熱伝達率を持
つ。
なお、本発明の熱交換壁は、熱交換壁母材と多
層の積層構造を有する熱交換壁表皮構成部材との
材質を同一或いは異なつた材質に選んでもよい。
例えば、本発明の熱交換壁面母材裏面に腐食材の
流体が流れる場合、耐食性の材質を選び、母材と
して用いればよいが、耐食性の材料は一般に加工
がしにくく、高価である。しかし、一方、熱交換
壁表皮材には加工し易く安価な材料を選ぶことが
できるので、従来の熱交換壁のように一体に形成
する場合に比べ、本発明の熱交換壁は工業的に利
用価値が大きい。
〔発明の効果〕
本発明は、複数層に設けられた空洞群と、各層
の空洞群間を互いに連通する制限された開口部、
及び最外層の空洞群と外部とを連通する制限され
た開口部とを設けたので、各層の空洞が広範囲の
熱負荷に対し、良好な状態で作用し、この結果広
範囲な熱負荷に対し高性能でかつ一様な伝熱性能
を有する熱交換壁を得ることができる。すなわ
ち、本発明の熱交換壁においては、低熱負荷時に
おいても内層側の空洞内の液量は少なく、内層側
空洞内壁面に拡がつている液膜も薄いので、小さ
な過熱度で蒸気を発生させることができる。この
結果、低熱負荷時では内層の空洞が有効に働き、
伝熱性能を高める。一方、高熱負荷時には、内層
の空洞内には蒸気が充満し、液枯れの状態になる
が、外層の空洞には液が容易に浸入するため、液
枯れ状態になりにくく、この結果高熱負荷時では
外層の空洞が有効に働き、伝熱性能を高めること
ができる。このように本発明の熱交換壁によれば
各熱負荷時に対し多層に設けた空洞を次次に最適
に作動させることができる。
しかも、本発明によれば、各層の空洞群におけ
る各空洞は一方向に伸びる細長い構造でかつ隣接
する空洞とは互いに仕切られ、空洞天井と空洞側
壁、あるいは空洞床と側壁とで形成される隅部は
空洞長手方向に連続しているので、以下の効果も
得られる。すなわち各空洞内に形成される薄い液
膜は、液の表面張力の作用によつて特に前記隅部
に多く集まるが外層側と空洞から内層側の空洞内
に液が流出したり、あるいは空洞内に形成された
液膜から直接蒸発して液が少なくなると、その空
洞内の長手方向隅部の他の部分に流入している液
は、毛細管作用によつて前記隅部を伝わつて流
れ、液の補給が行われる。したがつて、空洞内壁
面に形成される液膜は分断されにくく、各層の各
空洞内に形成される液膜は、空洞内壁面に広範囲
に液枯れなく薄く拡げられる。この結果、低熱負
荷時及び高熱負荷時共に広範囲に形成された薄い
液膜の蒸発によつて高い熱交換性能を得ることが
できる。
さらに、多数の細長い溝が一方向に伸びるよう
に形成された溝付薄板積層体を複数層配して、複
数層の空洞群を形成するようにしたものでは、伝
熱壁の表面に一体に空洞群を形成する場合に比
べ、何層にでも容易に均質の空洞群を形成するこ
とができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の沸騰伝熱壁の一例を示す部分断
面斜視図、第2図及び第3図はそれぞれ本発明の
一実施例の熱交換壁の部分断面斜視図、第4図は
第2図及び第3図の実施例の製法を説明するため
の薄板の部分断面斜視図、第5図〜第8図は上記
実施例の動作説明図、第9図及び第10図はそれ
ぞれ本発明の他の実施例を示す部分断面斜視図、
第11図及び第12図は本発明に用いる簿板の他
の実施例を示す部分断面斜視図、第13〜第16
図は本発明の他の実施例及びその製法を示す図、
第17図及び第18図はそれぞれ本発明のさらに
他の実施例の部分断面斜視図、第19図は本発明
と従来例の伝熱特性の比較結果を示す図である。 11……表皮層、12a,12b……空洞、1
4……開口部、16……開口部、100……薄
板。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 伝熱壁面の表皮帯域に、実質的に互いに平行
    で一方向に伸びかつ互いに仕切られ長手方向に連
    続した隅部を有する細長い空洞群を複数層設け、
    外層型の前記空洞群と内層側の前記空洞群とを互
    いに連通しかつ内層側の空洞の最大横断面積を制
    限する開口部と、最外層の前記空洞群と外部とを
    連通しかつ該最外層の空洞の最大横断面積を制限
    する開口部とを有すること特徴とする熱交換壁。 2 各空洞の内面を粗面にし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 開口部は、異なる最大横断面積を有する複数
    のグループよりなる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。 4 形状が略一定で互いに仕切られ長手方向に連
    続した隅部を有しかつ一方向に伸びる多数の細長
    い溝を備え、伝熱壁面の表面に複数層配されて伝
    熱壁面の表皮帯域に複数層の空洞群を形成してい
    る溝付薄板積層体と、外層側に形成された前記空
    洞群と内層側に形成された前記空洞群とを互いに
    連通すると共に内層側の空洞の最大横断面積を制
    限する開口部と、最外層に形成された前記空洞群
    と外部とを連通しかつ該最外層の空洞の最大横断
    面積を制限する開口部とを備えたことを特徴とす
    る熱交換壁。 5 各開口部の形状が略一定であることを特徴と
    する特許請求の範囲第4項記載の熱交換壁。
JP57192480A 1982-11-04 1982-11-04 熱交換壁 Granted JPS5984095A (ja)

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