JPS633239B2 - - Google Patents

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JPS633239B2
JPS633239B2 JP52107340A JP10734077A JPS633239B2 JP S633239 B2 JPS633239 B2 JP S633239B2 JP 52107340 A JP52107340 A JP 52107340A JP 10734077 A JP10734077 A JP 10734077A JP S633239 B2 JPS633239 B2 JP S633239B2
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JP
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metal
heat transfer
metal body
transfer device
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Notaro Furanku
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Union Carbide Corp
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Publication date
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Publication of JPS633239B2 publication Critical patent/JPS633239B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は熱伝達が増大された高性能の改良熱伝
達装置、管の外面の熱伝達表面が改良された外殻
−管タイプの熱交換器及び改良熱伝達方法に関す
るものである。 各流体間の間接的熱伝達は３つの抵抗を伴な
う。第１の抵抗は高温熱源と関連し、第２の抵抗
は各流体を分離する媒体によつて付与され、そし
て第３の抵抗は低温放熱器と関連している。高温
伝導率を持つた材料を使用する装置にとつて、熱
伝達に対する分離媒体の抵抗は小さく、従つて熱
伝達率は一般に各流体媒体の流動状態及び特性に
よつて制御される。低温放熱器に関し、
1000BTU／hr，ft2，〓のオーダの係数が顕熱伝
達において達成され得る。沸騰低温媒体を具備し
た、ミルトン（Milton）の米国特許番号第
3384154号又はクン（Kun）他の米国特許番号第
3454081号の技術を実施する方法に対しては、
8000から12000の係数が達成され得る。高温熱源
に関する抵抗はしばしば、特に通常500BTU／
hr，ft2，〓以下の係数となる凝縮を伴なう方法
において、熱伝達率を制御する。前記装置におい
て、凝縮作用表面に形成する液体フイルムは熱伝
達に対する主たる抵抗を表わし、そして特に、管
の外部に凝縮作用が起り、該凝縮物を重力の影響
下に前記表面から排出するようにした外殻・管装
置において大きくなる。 従来技術は、凝縮物が重力の影響下に表面から
排出されるようにした、凝縮作用を伴なう方法に
おいて、熱伝達率を増大せしめる種々の表面形状
を教示する。前記方法の例としては外殻及び管熱
交換器の外殻側凝縮作用がある。 応用数学及び物理のための雑誌
（Zeitschriftfuer Angewandte Mathmatik and
Phsik）の第４巻、40〜49頁のグレゴリツヒ
（Gregorig）による「波状表面におけるフイルム
凝縮作用に関する分析」にて、表面張力による
種々の液体表面輪郭に関連した圧力勾配に基づく
方法が開示されている。その一般的原理は凝縮熱
伝達率を増大させる数多くの形状を設計するため
に首尾よく適用されている。グレゴリツヒの仕事
は蒸気の凝縮作用に基づくものであり、又最大の
凝縮効率を得るために、彼の数学的誘導によつて
示されるように、特殊な諸寸法を持つた表面構造
を利用するものであつた。グレゴリツヒの表面は
垂直方向に配列された凝縮管の外側凝縮表面に適
用するものであり、又該表面の形状は管の長さに
わたつて軸方向にのびる一連の丸くされた頂部又
は谷部のいずれかであるとして説明することがで
きる。頂部領域の近傍において、熱伝達表面の凸
状部分は平らな液体表面に対する凝縮物膜の流体
圧力を過度なものとする。該凝縮物のより高い圧
力はその表面張力と、該凝縮物膜の凸状曲率によ
つてもたらされる。谷部領域においては、より低
い圧力が凹状の表面曲率によつて存在する。結果
的に生じる圧力勾配は頂部から凹部の方向に設定
され、従つて頂部近傍で凝縮する液体は谷部へと
容易に流動し、重力の影響下に該谷部を流動す
る。全体の効果により対応した熱伝達係数の増大
と共に頂部の凝縮物膜の厚さは最小限とされる。 グレゴリツヒの教える所を利用するために開発
された表面は凹部が設けられたり、フインが設け
られたり、溝が設けられて構成され、そして主た
る熱伝達構造体の多少の改変を必要とし、又製造
上及び経済上の欠点を有している。予期されてい
たように、該装置は集められた凝縮物を該装置か
ら排出するときの容易さに心配があり、凝縮物の
流出に対して妨害のない流通路を構成する排出手
段を使用することに限定される。 凝縮熱伝達を増大させるための第２の方法は凝
縮物膜における流体乱流を増大させる手段に関す
るものである。ニコル（Nicol）及びミドウエル
（Medwell）の「管状パイプにおける速度輪郭及
び荒さ効果（Velocity Profiles and Roughness
Effects in Annular Pipes）」、機械工学科学雑誌
（Journal Mech.Eng.Science），第６巻、２号、
110〜115頁、1964における管の外面に左螺子溝又
は右螺子溝を設けることによつて荒仕上げされた
表面の研究において、摩擦係数−レイノルズ数の
関係はニクラーゼ（Nickradse）によつて研究さ
れた砂−荒仕上げされた管（「荒仕上げされた管
における流れ法則（Stro¨m−ingsgesetye in
rauhen Rohren）」、工学開発研究（Forsch Arb.
Ing.Wes.），第361号、1933の前記関係に類似して
いることが発見された。ぎつしりと詰められた砂
粒子によつて荒仕上げされた「鏡像」表面は流体
の境界層底層を破壊し、それによつて底層の深さ
及び熱伝達に対する牴抗を減少させることによつ
て顕熱伝達を増大せしめるということが知られて
いる（デイプリ・ピー（Dipprey R.）及びサバ
スキ・アール（Sabersky R.）の「種々のプラン
トル数における円滑管及び荒仕上げ管の熱量及び
運動量の移動（Heat and Momentum Transfer
in Smooth and Rough Tube at Various
Prandtle Numbere）」、インタナシヨナル・ジヤ
ーナル，ヒート・アンド・マストランスフア
（Int.Journal，Heat and Mass Transfer））。従
つて、ニコル−ミドウエルの荒仕上げされた表面
の凝縮熱伝達の研究（「蒸気凝縮に関する表面荒
さの効果」、カナダ化学工学雑誌（Canadian
Journal of Chem.Eng.），170、173頁、1966年６
月）において、データは砂粒子で荒くされた表面
が層流底層に付与すると考えられている効果を助
長する乱流に基づいて分析された。ニコル及びミ
ドウエルは円滑管の性能の400％の熱伝達係数が
局部的に存在することを計測したが、試験された
８ft長さの管の大部分においては円滑管性能のわ
ずかに200％のオーダの値が得られたに過ぎなか
つた。200％の増大はグレゴリツヒタイプの表面
に対して報告された性能について言えば限界的な
改良であり、従つて該ニコル−ミドウエルの技術
は市場の関心を得ることがなかつた。 本発明の目的は、従来技術によつて得られるよ
り相当大きな凝縮熱伝達係数を持つた改良された
高性能熱伝達装置を提供することである。 他の目的は、商業的多量生産に基づく製造が比
較的低廉に行なうことができる、高い凝縮熱伝達
係数を持つた熱伝達装置を提供することである。 更に他の目的は、管の外面に改良された凝縮熱
伝達手段に特徴を有する改良された外殻−管タイ
プの熱交換器を提供することである。 本発明の更に他の目的は、第１流体が金属壁の
一方側の冷い第２流体との熱交換によつて凝縮さ
れそして金属壁の他側から排出されるようにした
熱交換器において改良された凝縮熱伝達方法を提
供することである。 本発明の他の目的及び利益は以下の説明から明
らかとなるであろう。 本発明は改良された高性能の凝縮熱伝達装置、
管の外面に改良された高性能の熱伝達表面を持つ
た外殻・管タイプの熱交換器、及び凝縮熱伝達を
促進する方法に関するものである。 従来のヌセルト（Nusselt）の凝縮熱伝達装置
において、論理的方向は妨害物のない最小長さの
真直チヤンネル、例えば垂直方向に配向された管
の外表面に設けた軸方向溝を提供することによつ
て流動チヤンネルの液体の排出流の制限を最小に
することであつた。本出願人は、本発明の液体排
出チヤンネルが曲りくねつているということによ
り凝縮液の排出が厳しい制約を受けるということ
はないということを見出した。本発明に係る凝縮
熱伝達性能は従来技術の最も秀れた表面の性能に
比較し得るものであり、真直の、開口した且つ妨
害物を持たない排出チヤンネルという共通の特徴
を有した従来技術の殆んどの技術の性能より秀れ
ている。更にその上に本発明に係る改良熱伝達装
置は相当低価格で商業的に多量生産可能である。 本発明に係る装置においては、改良熱伝達装置
は、金属基質と、無作為に分布して配設され、し
かも互いに離間し且つ各々が個々に前記基質の第
１側に結着され、更に空隙を形成するべく前記基
質の第１側によつて実質的に２次元的に取巻かれ
た金属体の単層とを具備して構成され、この時金
属体の算術平均高さｅは0.005インチ（0.127mm）
と0.06インチ（1.524mm）との間にあり、又金属
体空隙は基質の全領域の10％と90％との間にある
ようにされる。後で述べられる理由のために、金
属体の算術平均高さｅは好ましくは0.01インチ
（0.254mm）と0.04インチ（1.016mm）の間であり、
又金属体空隙は好ましくは基質全領域の40％と80
％との間にある。他の好ましい実施態様において
は、重畳された金属粒子の多層が約4.5ミル（約
0.114mm）よりも小さい相当孔半径を持つた毛細
管寸法の連通孔を形成するべく金属基質の前記第
１側とは反対の側に一体的に且つ一緒に結着され
る。 改良された高性能熱伝達装置を準備するに際し
て、金属体は例えば、主成分としての銅と、少成
分としての燐（ろう接合金の一成分）との混合物
から成る。他の商業的に有効な実施態様において
は、金属体は、主成分としての鉄又は銅と、少成
分としての燐及びニツケル（後者は耐腐食性用で
ある）との混合物から成る。金属基質がアルミニ
ウムであるような更に他の実施態様においては、
金属体は、主成分としてのアルミニウム及び少成
分としてのシリコン（ろう接合金の一成分）とか
ら成る。 本発明は又、互いに横断方向に離間し且つ両端
部に流体入口マニホルド及び流体出口マニホルド
が結合された多数の縦方向に整列された金属管
と、流体の導入及び流体の回収を行なうための手
段を持つた前記管を囲繞する外殻手段とを具備
し、前記各管は内側表面を基質の第１側とし外側
表面を基質の第２側とした熱交換器を提供する。
該改良装置は互いに離間し且つ各々が個々に基質
の第２側に結着されしかも空隙を形成するべく前
記基質の第２側によつて実質的に２次元的に取巻
かれた、無作為に分布して配設された金属体の単
層を具備している。前記基質の第２側上の金属体
の算術平均高さｅは0.005インチ（0.127mm）と
0.06インチ（1.524mm）との間にあり、又金属体
空隙は基質の第２側全領域の10％と90％との間に
ある。重畳された金属粒子の多層は約4.5ミル
（0.114mm）以下の相当孔半径を持つた毛細管寸法
の連通孔を形成するべく一緒に且つ基質の第１側
に一体的に結着される。 本発明は又、第１流体が金属基質の第１の側と
接触して流動せられ、そして前記金属基質の前記
第１の側とは反対の側に接触する第２の冷い流体
によつて少なくとも一部分は凝縮せられるように
した熱交換器において、第１入口温度の前記第１
流体と、前記第１入口温度より実質的に冷い第２
の初期温度の第２流体との間の熱伝達を増大させ
るための方法を提供することである。無作為に分
布して配設された金属体の単層において各金属体
は互いに離間し且つ各々が個々に基質の第１側に
結着されしかも空隙を形成するように前記基質の
第１側によつて２次元的に取巻かれている。金属
体の算術平均高さｅは0.005インチ（0.127mm）と
0.06インチ（1.524mm）との間にあり、又金属体
空隙は基質の第１側の全領域の10％と90％の間に
ある。第１流体は、金属体の外側部分に凝縮物を
形成しそしてこのようにして形成された凝縮物を
金属体空隙を介して熱交換器から排出するように
金属体単層と接触して流通せられる。尚、前記金
属体の単層を前記金属基質の内側に設け、一方、
外側に金属体の多層を設けることは相対的なもの
であり、本発明はそうした態様をも含み得る。本
発明に係る方法の好ましい一実施態様において、
第１流体は、ｈ／hu（ここでhuは、ダブリユ・エ
ツチ・マツクアダムス（W.H.McAdams）の
「熱伝達（Heat Transmission）」、259〜261頁、
マツクグロウ・ヒル出版社、1942年，に記載され
るヌセルトの熱伝達係数である。）が少なくとも
3.0であるような熱伝達係数ｈを持つた金属体単
層と接触せられそして該層によつて少なくとも一
部分は凝縮せられる。前述のように、従来の凝縮
方法は、本発明が凝縮熱伝達技術において実質的
な進歩を提供するようなレベルの改良を得ること
は出来なかつた。 第１図は、無作為に分布され且つ各々が管状基
質に結着された金属体の単層の顕微鏡写真であ
る。この単層表面は、20米国標準メツシユスクリ
ーンは通過するが30米国標準メツシユスクリーン
は通過しない分級された粒子を得るために銅粉末
を先ず篩分けすることによつて準備された。次で
該分級された粒子はケロシン中にポリイソブチレ
ンを重量で50％含有した溶液で被覆された。該溶
液被覆銅粒子は、重量で92％の銅−８％の燐から
成る325メツシユの燐−銅ろう接合金と、20部の
燐−銅に対し80部の銅粉末の割合で混合された。
ケロシンは被覆された粉末を強制空気で加熱する
ことにより蒸発せられた。その結果生じた燐−銅
ろう接合金の粒子から成る複合粉末は銅粒子の表
面に対して均一に配設されそして該表面にポリイ
ソブチレン被覆物によつて固着される。該粉末は
指触乾燥状態とされ、自由に流動し得る状態にさ
れた。0.75インチ（19.05mm）の内径及び1.125イ
ンチ（28.575mm）の外径を持つた銅管がケロシン
中に30％のポリイソブチレンを含有した溶液によ
つて被覆され、そして前記被覆された粒子が前記
管の外面にふりかけられた。該管は解離アンモニ
ア雰囲気中にて15分間1600〓にて加熱された。次
で高性能熱伝達装置としての熱伝達特性を検討す
るべく試験された。 この予め被覆する方法は本発明者の発明ではな
く本出願と同日に出願されたロバート・シー・ポ
ーチヤート（Robert C.Borchert）の発明であ
る。 無作為に分布して配設された金属体は互いに結
着された多数の粒子又は比較的大きな単一粒子か
ら構成することができる。 前記熱伝達装置は、金属基質上の金属体の算術
平均高さｅに換算して特徴付けることができる。
又該装置は基質全領域に対する金属体空隙域の割
合、即ち、金属体底部によつて覆われていない基
質全領域の割合によつて特徴付けることができ
る。ｅは粒子が通過する最も小さいスクリーン開
口と、前記粒子が保持される最も大きいスクリー
ン開口との算術平均に実質的に等しいということ
が実験的に分つた。これらの関係は表Ａに表わさ
れており、該表は前記試験的な改良熱伝達装置の
ためのｅの値は約0.028インチ（0.711mm）である
ことを示している。
【表】
【表】 金属体空隙を決定するに際しては、改良熱伝達
装置表面の平面図を例えば第１図の顕微鏡写真に
図示されるように拡大し、そして基質単位面積当
りの金属体の数を肉眼で計数することによつて決
定する。各金属体は平面投影が円形であることが
実験的に観察され、従つて該金属体の平面投影面
積は円形投影図の直径に基づいて行なわれ、それ
によつて金属体が占める面積を計算するための基
礎が提供された。改良熱伝達装置の空隙は占有さ
れない領域の面積であり、ここでは基質面積の百
分率として表わされる。これに基づくと、前記試
験的な熱伝達装置の金属体空隙は基質総面積の約
30％であつた。 第２図は金属基質に無作為に分布して配設され
て結着され、しかも金属基質によつて実質的に囲
包された三つの金属体ａ，ｂ，ｃを表わす。第３
Ａ図は金属基質に設けられた小寸法の、即ち、横
方向長さL1を持つた一個の金属体を表わし、又
第３Ｂ図は大寸法の、即ち、横方向長さL2を持
つた金属体を表わす。L1及びL2は両方共金属基
質に平行であり且つ高さｅに対して垂直である。
第４図は本発明に係る凝縮熱伝達及び排液手段を
示し、ここでは金属体の頂部凸状体が液体の表面
積を増大させるべく作用する。該頂部の凸状膜△
０の表面張力は下側にある金属によつて牴抗を受
け、それによつて前記凸状膜△0の液体を圧力下
に置く。対照的に、流動チヤンネル△又は樋の近
傍の流体圧は液体表面が凹状であることから減少
される。該流体圧力差により液体は金属体頂部即
ち外側先端から流動チヤンネルの方へと流動し、
又該流体圧力差は連続的に作用して外側先端部の
膜△0を薄くする働きをなしそれによつて凸状表
面における熱伝達を増大せしめる。流動チヤンネ
ル△に集積された凝縮物は重力の影響下に熱伝達
装置から流出する。 ｅが約0.028インチ（0.711mm）であり且つ金属
体空隙が70％である、即ち作用熱伝達表面Aaが
0.30である前記熱伝達試験装置は以後サンプル番
号１と呼ぶ。第２の改良された熱伝達試験装置が
前記したと同じ粉末及び予被覆方法にて準備され
た。しかし銅粉末は30メツシユは通過し、40メツ
シユは通過しないものであつた。該装置（以後サ
ンプル番号２と呼ぶ）はｅの値が0.02インチ
（0.508mm）であり、金属体空隙は50％、即ち、作
用凝縮熱伝達表面Aaは0.50であつた。サンプル
番号１及び２は蒸気及び冷媒−114の双方が金属
体単層と接触して凝縮される装置にて試験され
た。これら二つの流体は幅広い表面張力を呈する
ので、これら試験の結果は実質的に全ての流体に
適用し得るものである。各管は垂直に配列され、
ボイラへの熱入力は変動され且つ管壁温度と凝縮
温度の差は定常状態で測定された。 排液手段は無作為に分散した金属体を受容する
べく変更されたヌセルトタイプの流動条件として
記載される第４図に図示された金属体単層表面の
ために数学モデルが開発された。作用熱伝達領域
Aaは基質全領域Atの、金属体が存在するその部
分の直接的関数であり、従つてAaを最大限とす
ることが力説される。しかしながら、金属体によ
つて占有される領域は凝縮物を除去するのには役
に立たない。垂直に配列された基質表面のどの高
さにおいても、残りの金属体空隙領域は、より高
い位置にて作用領域に生じる凝縮作用の結果集積
された全凝縮物を重力によつて案内するに十分な
だけは保持されねばならない。金属体空隙領域が
少なくなれば、集積された凝縮物の流動層は増々
深くなるであろう。層が深くなると、作用領域
Aaは増々凝縮物の中に沈められ、従つて効力の
ないものとなる。従つて、基質表面Atの作用部
分Aaは無制限に増大させることはできないとい
うこと、又はこのような作用部分を占有する金属
体は事実上液体の流れをせき止めそれ自身が増々
沈むように作用するということが理解されるであ
う。本発明を幅広く実施するに際しては、金属体
空隙は少なくとも10％であり、好ましくは少なく
とも40％であらねばならない。換言すれば、金属
体は基質全領の90％以上を構成するものであつて
はならず、好ましくは60％以上であつてはならな
らい。 基質全領域Atの、有効に金属体によつて覆わ
れ得る、即ち金属体によつて占有され得る部分
は、金属体の寸法によつて更に制約を受ける。金
属体の最も実際的な形態は球形又は半球形に近似
したものであり、高さｅが増大すると金属体によ
つて覆われている基質表面積も必然的に関連して
増大するものである。従つて、金属付寸法がより
小さくなると、その高さｅ従つて凝縮物の流動層
上のその突出部も小さくなる。反対に、金属体寸
法が増大すると、凝縮物層上のその突出部も増大
する。 金属体の形状が通常球形か又は半球形に近似し
ているという事実は更に性能上にも影響がある。
金属体が増々大きくなれば、作用領域Aaの曲率
半径も増々大きくなり、又作用領域上の薄膜化効
果又は膜除去効果を生ぜしめる力は増々小さく且
つ増々有効性を減少させる。反対に、金属体が小
さくなれば、前記薄膜化効果は増々大きくなる。 前記諸要因は作用領域を制限するべく以下の態
様で相互に作用する。極めて大きな90％に近い作
用領域を得るためには金属体の寸法は対応して
0.06インチ（1.524mm）まで増大するべきである。
これは、作用領域が沈まないように金属体が凝縮
物層上に十分突出するために必要なことである。
しかしながら、このように大きな金属体の大きな
曲率半径は凝縮物膜を薄くするということに対し
ては作用領域の効力を低減せしめる。従つて、本
方式による作用領域の増大は同時に全作用領域の
有効性を減少させ、しかも熱伝達の改良に当つて
正味の損失を生ぜしめる。 何故に作用領域Aaが90％を越えてはならず又
金属体高さｅが0.06を越えてはならないかについ
ては更に他の理由がある。大きな金属体は小さな
金属体より基質にしつかりと結着させるのが困難
となりがちである。大きな金属体及びそれに関連
した大きな作用領域は金属粒子が改良された表面
を作り出すのに実質的な要件を呈し、製造価格は
極めて増大する。作用領域の高い部分は金属体が
他の金属体に局部的に積み重なりそして空隙を横
切つて架橋を起すことなく達成するのは極めて困
難である。最後に、大きな金属体は管状熱伝達要
素の全体直径を増大させ、それによつて該要素を
管シートに組立てるのを極めて複雑にし、且つ又
熱交換器の全体寸法を著しく増大させる。 極めて小さな金属体を使用すれば、その曲率半
径は小さくなりそしてその薄膜化効果は極めて強
くなるであろう。しかしながら、基質表面を越え
たその突出部は低くなり、従つて流動する凝縮物
層が浅くなるように大きな空隙域が必要となる。
従つて、小さな金属体は必然的に低い作用領域と
関連しているということが分る。同様に、低い作
用領域は小さな金属体の高い薄膜化効果によつて
相殺されるに違いないので、低い作用領域は必然
的に小さな金属体と関連している。 前記諸要因及び以後説明される他の要因は本発
明の実施を90％を越えない空隙又は10％以上の作
用領域Aaに限定し、且つ対応した金属体寸法に
又は0.005インチ（0.127mm）以上のｅの値に制限
する傾向がある。作用領域の低い部分において又
ｅの値が関連して低い場合に、潜り効果は薄膜化
効果の改良をだめにする傾向があり、又全体の性
能が急激に低下する。流動する凝縮物層の脈動又
は乱れにより小さな金属体は繰り返し液中に潜ら
され、従つて該金属体の効果は極めて減少する。 極めて低い作用領域の使用に付随して起る上記
性能の大幅の損失は、改良凝縮装置の品質制御を
極めて困難なものとする。作用領域のわずかな欠
陥に対する性能上の不利益は極めて厳しいものと
なることがある。 金属体空隙域を90％（又は作用領域Aaを少な
くとも10％）に限定し、又金属体寸法（又はｅ）
を少なくとも0.005インチ（0.127mm）に限定する
ための他の理由は、単層即ち金属体を基質表面に
付与する過程時に小さな粒子は集塊したり、房状
体を形成する傾向があるということである。この
ような房状体を形成すると比較的大きな空隙が生
じ、層流境界層が再び作られ、基質表面に付着
し、それによつて熱伝達促進効果を無効なものと
する。 最後に、小さな金属体は浸蝕及び腐蝕に対しよ
り敏感である。高さが0.005インチ（0.127mm）以
下の金属体を使用して改良された装置を使用した
熱交換器の有効寿命は極めて短くなることがあ
る。 表Ｂはサンプル番号１と２のための異なる熱流
束における前記冷媒114と蒸気の沸騰試験からの
データを要約したものであり、又前記数学モデル
に基づく予測性能と比較したものである。データ
は数学モデルが有効であることを支持している。
予測係数と実験データの二乗平均偏差は25％以下
であり、Ｑ／Ａが30000及び20000である蒸気のた
めのデータを無視すれば、二乗平均偏差は15％以
下である。
【表】 ｅ、L1及びL2が互いに等しく又金属体の外側
先端が半球形状をした金属体単層表面を研究する
ために数学モデルが使用された。この研究におい
て、凝縮熱伝達係数比ｈ／huが金属体単層表面
の作用熱伝達部分の関数としてｅ値0.01、0.02、
0.03及び0.04に対して測定された。これらの関数
は、20ft（約６ｍ）、長さの垂直管を使用した冷
媒114に対して（第６図）、10ft（約３ｍ）、長さ
の垂直管を使用したエチレンに対して（第７図）、
及び20ft（約６ｍ）、長さの垂直管を使用した蒸
気に対して（第８図）確立された。各場合におい
て、各係数が総表面積に基いているので管径は考
慮されていない。 第６図〜第８図は、金属体高さｅの所定値に対
して凝縮熱伝達係数ｈが最適値作用熱伝達表面積
Aaにおいて最大となるということを表わしてい
る。最適値より小さいAa値を持つた表面は単位
総基質領域当りの金属体の数が不足している傾向
にある。最適性能に対して要求されるより大きな
作用熱伝達表面Aaにおいては過剰の金属体を有
し、排液特性を妨害する傾向がある。従つて凝縮
物深さの増大により金属体頂部は部分的に又は全
体が液体中に潜ることとなり、その結果潜在的作
用熱伝達領域Aaの重要な部分を液体で取り囲む
こととなる。 第６図〜第８図は又入手可能な金属体高さｅと
金属体空隙に対する本発明の広狭な範囲の基礎を
表わす。例えば第６図を参照すれば、もし高さｅ
が0.02インチ（0.508mm）に選ばれた場合、凝縮
熱伝達係数比ｈ／huは、もしAaが0.1以下又は
0.9以上とすれば、比較的低くなるであろう。又、
もしAa値が0.2と0.6の間の好ましい範囲内に、即
ち、金属体空隙が基質総領域の40％と80％間に選
択されるのであれば、最も高い凝縮熱伝達比が得
られるであろう。又第７図を使用して説明する
と、最も高い凝縮熱伝達比は0.01インチ（0.254
mm）と0.04インチ（1.016mm）の範囲内の金属体
の高さにて達成される。換言すれば0.01インチ
（0.254mm）以下及び0.04インチ（1.016mm）以上の
ｅ値においてはこの好ましい範囲内の金属体単層
付表面より低い凝縮熱伝達比が提供されるであろ
う。 第９図は、第６図〜第８図のデータ及び５〜20
ft（約1.5〜６ｍ）の間で変動する管長を持つた
熱伝達管に数学モデルを適用することによつて明
らかにされた追加のデータによつて作成された。
第９図は最も高い凝縮熱伝達の増大が得られる金
属体高さｅ及びAa点を選び、該点をプロツトし
そしてこれら各点を「最適増大」として示す直線
として連結することによつて作成された。この線
図の式はAa＝3.68e0.53として誘導される。従つ
て、実施者は先ず所望の金属体高さｅを選定し、
次で該選定された金属体高さｅに対して最大の凝
縮熱伝達の増大を提供するAa値を確認するべく
該線図を使用することができる。「最適値の70％」
と表示された第９図は第２の線図は、先ず最大の
凝縮熱伝達の増大ｈ／huの70％である第６図〜
第８図に表わされた各金属体高さｅの曲線の低い
Aa側の一点を見出すことによつて得られた。こ
れらの諸点はプロツトされそして第２の線図を形
成するべく連結された。この線図の式はAa＝
2.38e0.72として誘導された。この線図は、低価格
の金属体単層付改良熱伝達装置を形成するため
に、所定の高さｅの相当数少ない金属体を使用し
た場合の性能結果を評価する際に実施者にとつて
有効となる。 本発明に係る単層金属体表面は多層の多孔性沸
騰表面、即ち、毛細管寸法の連通した孔を形成す
るべく金属粒子が重畳されそして一緒に且つ金属
基質に一体的に結着されて構成されるミルトン
（Milton）の米国特許第3384154号によつて開示
されるものとは全く異なるものであると理解する
ことが重要である。多孔性沸騰表面は、その相互
に連通した多孔構造体が熱交換器からの液体凝縮
物によつて有効な排液を抑制するという理由か
ら、本発明の態様での凝縮熱伝達にとつては都合
のよいものではなかつた。 一方多孔性沸騰用多層表面は、第２流体が凝縮
する第１流体と熱交換関係にて沸騰するような単
層金属体表面と組合せて使用する場合には利益あ
るものである。 円滑管で凝縮作用を伴なう方法において、個々
の凝縮熱伝達係数は典型的には500BTU／hr，ft
２，〓のオーダである。従つて、円滑管に装着さ
れた熱交換器にて実現される全係数は330BTU／
hr，ft2，〓であり、そして凝縮側係数の改良が
400％である本発明に係る改良凝縮表面が装着さ
れた熱交換器は全熱伝達係数の改良が200％とな
るであろう。しかしながら、12000BTU／hr，ft
２，〓という沸騰係数は多孔性多層を使用して達
成され得るものであり、従つて500BTU／hr，ft
２，〓という円滑管の値からの凝縮熱伝達係数の
改良は全熱伝達係数に関してほぼ比例的な効果を
持ちそれによつて全係数が幾千BTU／hr，ft2，
〓である装置を製造する手段を提供するであろ
う。 第５図は凝縮熱伝達のための極低温液分離複カ
ラム−主凝縮器への本発明の商業的応用を例示す
る概略流れ線図である。冷却空気供給材が導管１
０を介して高圧の下方カラム１１の底部に導入さ
れ、該下方カラムにて空気供給材は隔設された蒸
留皿１２を使用して多量熱交換を行ないながら落
下する酸素富化液体と衝接して上昇する。下方カ
ラム１１の上端に達した窒素蒸気は主凝縮器１３
に流入し、低圧の上部カラム１４の沸騰用液体酸
素に衝突して熱交換し凝縮され、下方カラムのた
めの還流液体を提供する。本発明に係る改良され
た高性能の熱伝達装置は主凝縮器１３の高圧窒素
側に設けられ、所望に応じ、ミルトンの米国特許
第3384154号の教示に従つた多孔性多数粒子層が
主凝縮器の酸素側に設けることができる。 本発明の実施に当つては、構造材料は経済性を
考慮し且つ腐蝕及び／又は浸蝕性に関する機能上
の要件によつて選定される。 上記試験サンプルの金属体表面は主成分として
銅及び少成分として燐を含有した。他の商業的に
重要な組合せとしては、主成分として鉄、少成分
としてニツケルから成るもの、及び主成分として
のアルミニウム、少成分としてのシリコーンから
成るものが掲げられる。 本発明に係る改良された凝縮熱伝達装置は特に
管の外面に適用するものとして説明したが、平ら
な板及び不規則な形状物を含む任意の形状の金属
基質に有効に適用することができる。 本発明の特殊な実施態様について詳細に説明し
たが、本発明の範囲内で他の実施態様も可能であ
ることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、無作為に分布されて各々管状基質の
外面に結着され、それによつて本発明に係る改良
された凝縮熱伝達装置を形成するようにした金属
体の単層の顕微鏡写真（５倍）平面図である。第
２図は、三つの金属体が結着された金属シート基
質の拡大概略図である。第３Ａ図は、金属体の小
寸法L1を表わす単層金属体−基質の拡大概略正
面図である。第３Ｂ図は、金属体の大寸法L2を
表わす単層金属体−基質の拡大概略正面図であ
る。第４図は本発明の凝縮−排液の仕組みを表わ
す金属体−基質の拡大概略図である。第５図は凝
縮熱伝達のために本発明に係る改良熱伝達装置を
使用した冷却空気分離複カラム−主凝縮器の概略
流れ線図である。第６図は、20ft・長さの垂直管
の冷媒114に対する、凝縮熱伝達係数比ｈ／hu対
作用熱伝達面部分Aaのグラフである。第７図は、
10ft・長さの垂直管のエチレンに対する、凝縮熱
伝達係数比ｈ／hu対作用熱伝達面部分Aaのグラ
フである。第８図は、20ft・長さの垂直管の蒸気
に対する、凝縮熱伝達係数比ｈ／hu対作用熱伝
達面部分Aaのグラフである。第９図は、最適の
及び最適の70％の熱伝達の増大を表わす、全凝細
流体に対する、基質上の金属体の算術平均高さｅ
対作用熱伝達面部分Aaのグラフである。 １１：下方カラム、１２：蒸留皿、１３：凝縮
器、１４：上方カラム。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 金属基質と；該基質の一方の表面を第１側と
    してこの第１側に無作為に分布して結着され、し
    かも前記基質の第１側に被結着表面以外の基質露
    出表面によつて画成される空隙を形成する様、互
    いに離間して前記基質の第１側に結着されて成る
    金属体の単層と；を具備し、前記金属体の算術平
    均高さｅは0.005インチ（0.127mm）と0.06インチ
    （1.524mm）の間にあり、又前記金属体空隙域は前
    記基質の第１側全領域の10％と90％の間にあるこ
    とを特徴とする熱伝達装置。 ２ 金属体の算術平均高さｅは0.01インチ
    （0.254mm）と、0.04インチ（1.016mm）の間である
    特許請求の範囲第１項記載の熱伝達装置。 ３ 金属体空隙域は基質全領域の40％と80％の間
    である特許請求の範囲第１項記載の熱伝達装置。 ４ 金属基質は管である特許請求の範囲第１項記
    載の熱伝達装置。 ５ 金属基質の第１側は管の外面である特許請求
    の範囲第１項記載の熱伝達装置。 ６ 金属基質の第１側は管の外面であり、又前記
    管の外形は0.6インチ（15.24mm）と2.0インチ
    （50.8mm）の間である特許請求の範囲第１項記載
    の熱伝達装置。 ７ 互いに結着された多数の粒子が金属体を構成
    する特許請求の範囲第１項記載の熱伝達装置。 ８ 金属体は主成分としての銅と、少成分として
    の燐との混合物から成る特許請求の範囲第１項記
    載の熱伝達装置。 ９ 金属体は主成分としての鉄と、少成分として
    の燐及びニツケルとの混合物からなる特許請求の
    範囲第１項記載の熱伝達装置。 １０ 金属体は主成分としての銅と、少成分とし
    ての燐及びニツケルとの混合物からなる特許請求
    の範囲第１項記載の熱伝達装置。 １１ 金属体は、主成分としてのアルミニウム
    と、少成分としてのシリコーンとの混合物からな
    る特許請求の範囲第１項記載の熱伝達装置。 １２ 一方の表面を基質の第１側とし他方の側の
    表面を基質の第２側とした金属管を設け、前記基
    質の第２側には約4.5ミル（約0.114mm）以下の相
    当孔半径を持つた毛細管寸法の連通孔を形成する
    べく一緒に且つ該基質の第２側に一体的に結着さ
    れた重畳金属粒子の多層が設けられ、又前記基質
    の第１側には金属体の単層が、前記基質の第１側
    に無作為に分布してしかも前記基質の第１側に被
    結着表面以外の基質露出表面によつて画成される
    空隙を形成する様互いに離間して結着され、前記
    金属体の算術平均高さｅは0.005インチ（0.127
    mm）と0.06インチ（1.524mm）の間にあり、又前
    記金属体空隙域は前記基質の第１側の全領域の10
    ％と90％の間にあることを特徴とする熱伝達装
    置。 １３ 互いに横方向に離間されそして両端に流体
    入口マニホルド及び流体出口マニホルドが連結さ
    れた多数の縦方向に整列された金属管と；流体の
    導入及び流体の回収のための手段を持つた、前記
    管を囲繞する外殻手段と；を具備し、前記各管は
    一方の側の表面を基質の第１側とし、他方の側の
    表面を基質の第２側とした熱交換器であつて：該
    基質の第１側に無作為に分布して結着され、しか
    も前記基質の第１側に被結着表面以外の基質露出
    表面によつて画成される空隙を形成する様、互い
    に離間して前記基質の第１側に結着されて成る金
    属体の単層と；4.5ミル（約0.114mm）以下の相当
    孔半径を持つた毛細管寸法の連通孔を形成するべ
    く一緒に且つ前記基質の第２側に一体的に結着さ
    れた重畳金属粒子の多層と；を有し、前記基質の
    第１側の前記金属体の算術平均高さｅは0.005イ
    ンチ（0.127mm）と0.06インチ（1.524mm）の間に
    あり、又前記金属体の空隙域は前記基質の第１側
    総領域の10％と90％の間にあることを特徴とする
    前記熱交換器。 １４ 金属体の算術平均高さｅは0.01インチ
    （0.254mm）と0.04インチ（1.016mm）の間である特
    許請求の範囲第１３項記載の熱交換器。 １５ 金属体空隙域は基質の第２側総領域の40％
    と80％の間である特許請求の範囲第１３項記載の
    熱交換器。 １６ 第１の入口温度を持つた第１流体と前記第
    １入口温度より実質的に冷い第２の初期温度を持
    つた第２流体との間で熱交換を行なう方法におい
    て、前記第１流体が金属基質の一方の側と接触し
    て流動し、少なくとも一部分が前記金属基質の前
    記一方の側とは反対の側に接触する冷い第２流体
    によつて凝縮されるようにした熱交換器として、
    前記金属基質の一方の側に、無作為に分布して結
    着され、しかも前記基質の一方の側の被結着表面
    以外の基質露出表面によつて画成される空隙が形
    成される様、互いに離間して結着されて成る金属
    体の単層を有するものを準備し、前記第１流体を
    前記金属体単層と接触させて流通させ、前記金属
    体の外側部分に凝縮物を形成しそしてこのように
    して形成された凝縮物を前記熱交換器から前記金
    属体空隙を介して排出する工程と、を包含し、前
    記金属体の算術平均高さｅは0.005インチ（0.127
    mm）と0.06インチ（1.524mm）の間にあり、又金
    属体空隙は前記金属基質の前記一方の側の全領域
    の10％と90％の間にあることを特徴とする前記熱
    伝達方法。 １７ 第１流体は、円滑表面に対する熱伝達係数
    費ｈ／huが少なくとも３である金属体単層と接
    触しそして少なくとも一部分が該単層によつて凝
    縮されて成る特許請求の範囲第１６項記載の熱伝
    達方法。 １８ 重畳された金属粒子の多層が、4.5ミル
    （0.114mm）以下の相当孔半径を有する連通孔を形
    成するべく一緒に且つ金属基質の反対側に一体的
    に結着され、そして第２の冷い流体が前記多層と
    接触して沸騰せられて成る特許請求の範囲第１６
    項記載の熱伝達方法。
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