伝熱管およびその製造方法
【課題】 管の内側表面に、管の内面にて流動する媒体が蒸発する際の伝熱を著しく向上させ、同時に圧力降下を過度に増大させないような構造を具備させることであり、さらに、当該構造は低コストで確実に製造可能でなければならない点である。
【解決手段】 管軸線に対し測定した内側フィンのねじれ角が４５゜よりも小さいか、４５゜に等しく、内側フィンの、管壁から離間している領域が、片側において規則的な間隔で実質的に管周方向に非対称に成形され、内側フィンの成形材料が溝上方に突出部を形成しており、突出部がそれぞれ有限の成形ゾーンにわたって１つの内側フィンに沿って延在し、成形の度合いが成形ゾーンの内側で連続的に変化しており、成形部はエッジよりも成形ゾーンの中央部においてより強く刻設され、溝底と内側フィンの側部と形成された突出部との間に、気泡の形成を好ましくさせる中空空間が設けられているようにした伝熱管であることとする。
【解決手段】 管軸線に対し測定した内側フィンのねじれ角が４５゜よりも小さいか、４５゜に等しく、内側フィンの、管壁から離間している領域が、片側において規則的な間隔で実質的に管周方向に非対称に成形され、内側フィンの成形材料が溝上方に突出部を形成しており、突出部がそれぞれ有限の成形ゾーンにわたって１つの内側フィンに沿って延在し、成形の度合いが成形ゾーンの内側で連続的に変化しており、成形部はエッジよりも成形ゾーンの中央部においてより強く刻設され、溝底と内側フィンの側部と形成された突出部との間に、気泡の形成を好ましくさせる中空空間が設けられているようにした伝熱管であることとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に記載の伝熱管、および、請求項６の前提部に記載の伝熱管の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物質の蒸発は、冷凍技術および空調技術の多くの分野で、また化学技術、プロセス技術、エネルギー技術で発生する。蒸発する物質が蒸発するには熱が必要であり、この熱は他の媒体から引き出される。他の媒体は冷却されるか、圧縮される。冷却と圧縮の混合形態もありうる。
【０００３】
伝熱面を構造化することにより伝熱を強化させることができることは知られている。これにより、表面が平滑である場合よりも、伝熱面の１単位あたりより多くの熱を伝達させることが達成される。さらに、駆動性温度差を減少させ、よってプロセスを効率的に構成することが可能である。金属製の熱交換器管の場合は、管壁の材料からフィンまたは同様の要素を成形することによって伝熱面の構造化を行なうことが多い。これら一体成形されるフィンは管壁と強固な金属結合を持ち、したがって熱を最適に伝達させることができる。
【０００４】
管の内面には、伝熱特性を改善するために軸線平行なフィンまたは螺旋状のフィンが使用されることがある。フィンを形成することにより、管の内側表面積が増大する。さらに、フィンが螺旋状に配置されている場合には、管内を流動する流体の渦が増大し、よって伝熱を改善させる。管内を流動する流体を蒸発させる必要がある場合は、内側フィンに補助的な構造特徴部を備えさせて、蒸発プロセスを好都合に制御する。この場合、中空空間またはアンダーカットした構造を生じさせることが多い。というのは、この種の構造は気泡形成プロセスを好ましくさせるからである。
【０００５】
管の内側表面を構造化させることによって伝熱が強化されるばかりでなく、管内を流動する媒体の圧力降下も増大する。この作用は、圧力により蒸発温度が下がり、それによりプロセス全体があまり効率的にならないので、望ましいものではなく、特に蒸発プロセスの際には望ましくない。
【０００６】
特許文献１では、互いに隣接しあうフィンの間に管路を生じさせ、この管路の開口部が該管路の最大幅よりも狭くなるように、内側フィンの先端を曲げることが提案される。同様の実施態様は特許文献２および特許文献３からも読み取れる。特許文献２および特許文献３では、内側フィンの先端を成形するばかりでなく、フィン全体を曲げる。特許文献４では、フィンがＴ字状の横断面を含み、よって個々のフィンの間にアンダーカットされた管路が生じるように、フィン先端を成形することが提案される。以上取り上げた４つの文献はいずれも、アンダーカットされた管路の横断面積および開口幅は変化しない。その結果、この種の構造では、気泡の形成および剥離にとって有利な場所が存在しない。
【０００７】
気泡蒸発の形成と安定化にとってより好ましいのは、横断面形状と開口幅とが変化するような、アンダーカットされた構造である。開口幅が変化する構造は、たとえば特許文献５に記載されている。材料は、個々のフィンの間の管路が部分的に閉鎖されるように内側フィンの側面から転位せしめられる。蒸発泡は管路の開口部位に逃げることができる。しかしながら、開口部のサイズのコントロールが極めて困難であり、製造プロセスが安定しない。したがってこの構造は、管を低コストで機能安定に製造するには適していない。
【０００８】
さらに、特許文献６は、二次溝を半径方向に刻設することによってフィンの上部領域から材料を左右対称に転位させるようにした構造を記載している。個々のフィンの間にある一次溝は、二次溝の領域で材料が転位することによって閉鎖される。これによりトンネル状部分が生じる。一次溝を閉鎖させるために十分な材料を転位させるには、二次溝は鋭く縁取りした台形状の横断面を有していなければならない。鋭く縁取りすることにより鋭いエッジを備えた構造が生じ、鋭いエッジは流動する媒体の圧力降下を増大させ、望ましいものではない。特許文献７には、これに非常に類似した構造が提案されている。特許文献６と著しく異なるのは、その製造方法である。特許文献６では、多段階の引張り・成形プロセスにより管を加工するのに対し、特許文献７では、まずベルトを構造化し、次にベルトを付形して管を形成させ、縦継ぎ目を溶接する。しかしながら、その他の製造プロセスによって構造の不具合な特性は解消されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５９−２０２３９７Ａ号公報
【特許文献２】欧州特許第１０６１３１８Ｂ１号明細書
【特許文献３】特開平０５−１０６９９１Ａ号公報
【特許文献４】欧州特許第１５４４５６３Ｂ１号明細書
【特許文献５】特開平０５−２５３６１４Ａ号公報
【特許文献６】米国特許第４７３３６９８号明細書
【特許文献７】特開平０４−１００６３３Ａ号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、管の内側表面に、管の内面にて流動する媒体が蒸発する際の伝熱を著しく向上させ、同時に圧力降下を過度に増大させないような構造を具備させることである。さらに、当該構造は低コストで確実に製造可能でなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、伝熱管に関しては請求項１の構成を特徴とするものであり、伝熱管の製造方法に関しては請求項６の構成を特徴とするものである。その他の従属項は本発明の有利な他の構成に関わるものである。
【００１２】
本発明は、管軸線と、管壁と、管外面および管内面とを備え、管壁から、管内面に、軸線平行な内側フィンまたは螺旋状に周回するように延在する内側フィンであって、それぞれ互いに隣接しあっている該内側フィンの間に溝を備えている前記内側フィンが成形されている伝熱管において、管軸線に対し測定した内側フィンのねじれ角が４５゜よりも小さいか、４５゜に等しく、内側フィンの、管壁から離間している領域が、片側において規則的な間隔で実質的に管周方向に非対称に成形され、内側フィンの成形材料が溝上方に突出部を形成しており、突出部がそれぞれ有限の成形ゾーンにわたって１つの内側フィンに沿って延在し、成形の度合いが成形ゾーンの内側で連続的に変化しており、成形部はエッジよりも成形ゾーンの中央部においてより強く刻設され、溝底と内側フィンの側部と形成された突出部との間に、気泡の形成を好ましくさせる中空空間が設けられているようにした伝熱管に関わる。
【００１３】
この場合本発明は、特に管内面に構造を一体成形した金属性伝熱管において、管内面で物質が蒸発する際の効率を改善させるという思想から出発している。
【００１４】
蒸発する物質と熱を放出する媒体とは、通常、熱を伝達する壁によって互いに物質的に分離されていなければならない。このため金属管が使用されることが多い。蒸発する物質は管外面にあり、他方熱を放出する媒体は管内面を流動する。これとは択一的に、蒸発する物質が管内面を流動し、熱を放出する媒体が管の外面にあるケースがある。本発明は後者のケースに関わるものである。
【００１５】
管内面で蒸発する場合、管は水平または垂直に配置されていてよい。さらに、管が水平線または垂直線に対しわずかに傾斜しているケースもある。冷凍技術では、通常、水平管を備えた蒸発器が使用される。これに対し化学技術では、蒸留塔を加熱するために鉛直型循環蒸発器が使用されることが多い。この場合、物質の蒸発は垂直に立っている管の内面で行なわれる。
【００１６】
熱を放出する媒体と蒸発する物質との間での熱移動を可能にするには、熱を放出する媒体の温度が蒸発する物質の温度よりも高くなければならない。この温度差は駆動性温度差と呼ばれる。駆動性温度差が大きければ大きいほど、より多くの熱を伝達させることができる。他方、駆動性温度差が小さくなるよう努める場合もある。プロセスの効率にとって有利だからである。
【００１７】
本発明によれば、蒸発の際の熱伝達率を高くするため、気泡沸騰工程を集中的に行なう。気泡の形成は核部位で始まる。これらの核部位は、通常、ガス封入体または蒸気封入体である。気泡が成長して一定のサイズに達すると、気泡はその表面から剥離する。気泡が剥離して核部位に液体が流れ込むと、核部位は不活性になる。すなわち表面は、気泡が剥離する際に小さな気泡が残り、この気泡が気泡形成の次のサイクルのための核部位として用いられるように構成されねばならない。これを達成するため、気泡の剥離後に小さな気泡を残らせるキャビティを表面に配置する。
【００１８】
本発明では、溝底とフィンの側部と成形される突出部との間に形成される中空空間が本発明によるキャビティである。突出部は、上部フィン領域を部分的に成形することによって形成させる。その際の成形は、ゾーンの内部で成形の度合いが連続的に変化し、成形部が成形されたゾーンのエッジよりも該ゾーンの中央部でより強く刻設されているように実施されている。これにより、際立ったエッジがない、湾曲した境界面を備える輪郭が生じる。この種の輪郭は圧力降下が少ない点で好ましいが、これは流体の流動がエッジにおいて急激に転向せずに、流体が湾曲した境界面に沿って流動できるからである。
【００１９】
格別な利点は、１つの管の内側表面が、管の内面を流動する媒体が蒸発する際の熱移動を著しく改善させ、これと同時に、圧力降下を過度に高めないような構造を備えている点にある。さらに、この構造は低コストであり、確実に製造可能である。
【００２０】
本発明の有利な構成では、成形ゾーンの中央部において、１つの内側フィンの成形材料が周方向に隣接する内側フィンに接触している。これにより、それぞれ隣接しあっているフィンの間の溝に部分的にカバーを備えさせる。すなわち、当初開口している溝から、内側フィンに対し平行に延在し、２つの側で開口する中空空間を局部的に形成させ、この中空空間を、溝底と、互いに境界を接している２つの内側フィンの側部と、成形したカバーとによって画成させる。この中空空間の横断面積は、該中空空間が両端部においてホッパー状に開口溝へ移行するように、内側フィンに沿って変化している。中空空間は、ホッパー状の両移行部の間に、もっとも小さな横断面積を持った部位を有する。この部位に小さな気泡またはガス封入体をとどませることができるので有利である。これは大きな気泡を形成させるための核部位を形成するので有利であり、これによって蒸発プロセスが促進される。
【００２１】
有利には、成形ゾーンの中央部において、成形材料が内側フィンと周方向において当該内側フィンに隣接している内側フィンとの間にある溝底に接触し、これにより、溝が互いに隣接しあっている内側フィンの間において部分的に閉鎖されているのがよい。部分的な閉鎖により、気泡の形成を特に促進させるホッパー状の中空空間が生じる。この実施態様において形成される中空空間は単に１つの開口部を有しているにすぎないので、気泡が剥離した場合、その後に液体が流入しにくくなる。これにより、小さな気泡またはガス封入体を滞留させるのに特に好ましい条件が提供される。この小さな気泡またはガス封入体は、すでに小さな駆動性温度差がある場合に新たな気泡を発生させるための核部位を形成するので有利である。
【００２２】
有利な構成では、内側フィンの、互いに隣接しあっている突出部は、螺旋状周回方向において互いに接触しておらず、または、互いにオーバーラップしていない。成形ゾーンの幅は、通常は、個々の突出部の互いに隣接しあっているゾーンの間に内側フィンの本来の高さＨが得られるように選定されている。これは管内を流動する流体の渦化を促進させる。
【００２３】
有利には、管外面に、螺旋状に周回するように延在し、一体に成形される外側フィンが形成されているのがよい。このように両側にフィンを形成させたタイプの管の場合、伝熱面積が増大し、その結果対応的に平滑な表面の場合よりもより多くの熱を伝達させることができる。
【００２４】
本発明の他の特徴は、管外面にねじ線状に周回するように延在している一体の外側フィンと、管内面に軸線平行にまたはねじ線状に周回するように延在している一体の内側フィンであって、該内側フィンの、管壁から離間している領域が、片側において規則的な間隔で管周方向に非対称に成形されている前記内側フィンとを備えた、本発明による伝熱管の製造方法において、
【００２５】
ａ）圧延ステップにより管壁から材料を排除することによってフィン材を得て、生じたフィン管を圧延力により回転させ、生じたフィンに応じてフィン管に送りを与えるようにして、平滑管の管外面に、ねじ線状に周回するように延在する外側フィンを成形させ、その際外側フィンを、高さを増大させながら、まだ成形されていない平滑管から成形させるステップと、
【００２６】
ｂ）管壁を、外側フィンが成形される領域において、管内にある圧延マンドレルであってマンドレルバーで回転可能に支持され且つそのマンドレル外面に軸線平行な溝または螺旋状の溝を有する前記圧延マンドレルによって支持させ、その際軸線平行な内側フィンまたは螺旋状の内側フィンを成形させるステップと、
【００２７】
ｃ）内側フィンの、管壁から離間している領域を、圧延マンドレルの下流側に配置される少なくとも１つの回転不能なピンによって規則的な間隔で非対称に実質的に管周方向に成形させ、その際内側フィンの成形材料を、互いに隣接しあっている２つの内側フィンの間にして溝の上方に突出部が形成されるように転位させるステップと、
を含むことにある。
【００２８】
この場合、本発明は、それぞれ少なくとも１つの圧延工具が一体化されているｎ＝３または４個の工具保持体から成る圧延装置を使用するという思想から出発している。それぞれの工具保持体の軸線は管軸線に対し傾斜して延在している。工具保持体はそれぞれ３６０゜／ｎだけずらして管の周囲に配置されている。工具保持体は半径方向に送り調整可能である。工具保持体は定置の圧延架台に配置されている。圧延工具は互いに並設される複数個の圧延ディスクから成り、その直径は外側フィンの前進成形率の方向に増大している。
【００２９】
プロファイル化された圧延マンドレルも同様に本発明による装置の構成部材である。圧延マンドレルはバーに装着されており、該バーに回転可能に支持されている。圧延マンドレルの軸線はバーの軸線と同じであり、管軸線と一致している。バーはその他端を圧延架台に固定され、回転できないように固定されている。バーを用いて圧延マンドレルは圧延工具の作業範囲内に位置決めされる。
【００３０】
さらに、圧延マンドレルの後には、半径方向に指向するピンが装着されている。ピンは前記バーと固着され、したがって回転不能である。したがって、回転不能なピンは、当初圧延マンドレル表面によって形成される内側フィンに係合し、これによって突出部が生じる。これらの突出部は、規則的な間隔で非対称に実質的に管周方向に一体成形されている。これに関連して、実質的に、管外壁に係合する圧延工具の圧延ディスクは１回転ごとに管に対しある程度の送り、しかし小さな送りを与えるという概念が明らかになる。すなわち、マンドレルバーに配置されている位置固定のピンは、軸線方向の前記小さな送りの際に、近似的に管周方向に対応する運動を伝熱管内で実施する。
【００３１】
本発明の有利な構成では、ピンの端部は丸みを帯びた輪郭を有している。ピンのこの輪郭に対応して成形の度合いが変化し、その結果強く成形される領域とあまり強く成形されない領域とが存在することになる。丸みを帯びた輪郭により、形成された突出部が前記成形度合いが異なる領域の移行部に鋭いエッジを有することが阻止される。
【００３２】
有利には、ピンの端部が半球体の形状を有しているのがよい。この半球体形状に対応して、１つの成形ゾーンの内部で成形の度合いが連続的に変化し，鋭いエッジか生じることがない。成形部は、盆地のように、成形ゾーンのエッジよりもその中央部でより強く成形されている。これによって突出部は舌片状の形状を呈する。
【００３３】
本発明の他の有利な構成では、前記バーの軸線からピンの端部まで測定したピンの半径方向延在距離は、最大で、圧延マンドレルの直径の半分の大きさである。この限定により、内側フィンの成形部がフィン付き管の心壁まで延在して管の安定性を減少させることが阻止される。ピンの半径方向延在距離が短ければ短いほど、内側フィンの成形度合いが少なくなり、材料が側方へ排除される量が少なくなる。すなわち、ピンの半径方向延在距離を選定することによって成形の強度に著しく影響を与えることができる。
【００３４】
有利には、前記バーの軸線からピンの端部まで測定したピンの半径方向延在距離が、圧延マンドレルの直径の半分よりも非成形内側フィンの高さの３５％ないし６５％だけ短いのがよい。内側フィンの高さがたとえば０．４ｍｍだとすると、前記バーの軸線からピンの端部まで測定したピンの半径方向延在距離は、圧延マンドレルの直径の半分よりも０．１４ないし０．２６ｍｍだけ短い。ピンの半径方向延在距離がマンドレルの直径の半分よりも非成形内側フィンの高さの６５％差し引いた分だけ短ければ、熱移動の十分な改善を得ることはできない。ピンの半径方向延在距離がマンドレルの直径の半分よりも非成形内側フィンの高さの３５％差し引いた分だけ短ければ、生じる中空空間が気泡核部位を形成させるために特に有利な形状を有するように、内側フィンの成形部が構成される。
【００３５】
管を加工するには、周囲に配置される回転圧延工具に対し平滑管のほうへ半径方向の送りを与え、平滑管と係合させる。これによって平滑管はその軸線のまわりに回転する。圧延工具の軸線が管軸線に対し傾斜しているため、圧延工具は、平滑管の壁材から、ねじ線状に周回するように延在する外側フィンを成形させ、これと同時に、ねじ線状に周回するように延在する外側フィンのピッチに対応して、生じたフィン付き管に対し送りを与える。管軸線に沿って測定した、互いに隣接しあう２つの外側フィンの間隔は、フィンピッチｐと呼ばれる。フィンピッチｐは通常は０．４ｍｍと２．２ｍｍの間である。外側フィンは、好ましくは多条ねじのごとく周回して延在する。管の１回転ごとにｍ条のねじが生じるとすれば、１回転ごとに軸線方向に送られる管送り量はｍｐである。外側フィンのピッチｐが小さければ、通常は３、４、６または８の値をとる。
【００３６】
圧延工具の作業領域内で、管壁はプロファイル化された圧延マンドレルによって支持される。圧延マンドレルのプロファイル部は通常、圧延マンドレルの外面上に互いに平行に配置されている実質的に台形状の多数の溝から成っている。これらの溝は圧延マンドレルの軸線に対し０゜ないし４５゜のねじれ角で延在している。圧延工具の半径方向の力によって、管壁の材料は圧延マンドレルの溝のなかへ圧入される。これにより、軸線平行な内側フィンまたはねじ線状に周回するように延在する内側フィンが管の内側表面に成形される。管軸線に対し測定した内側フィンのねじれ角は、圧延マンドレルの溝のねじれ角に等しい。管壁を起点として測定した内側フィンの高さＨは、０．３ｍｍと０．５ｍｍの間である。互いに隣接しあう２つの内側フィンの間に溝が延在する。
【００３７】
圧延工具の作業領域にしたがって、圧延マンドレルの後方に装着されているピンによって内側フィンがさらに加工される。ピンは前記バーによって位置固定して位置決めされているのに対し、成形された内側フィンを備える管は自らの軸線のまわりに回転する。ピンの半径方向延在距離は、内側フィンの、管壁から離間している領域が、半径方向に指向するピン端部によって規則的な間隔で非対称に実質的に管周方向に成形されるように選定されている。内側フィンの材料は側方へ転位し、内側フィンの高さは成形によって局部的に減少する。側方に転位した内側フィンの材料は、互いに隣接しあっている２つの内側フィンの間の溝の上方に突出部を形成する。成形部は、ピンの幅に対応して、それぞれ有限のゾーンにわたり内側フィンに沿って延在する。ピンの端部は丸みを帯びた輪郭を有しているので、１つのゾーン内部での成形の度合いが連続的に変化している。成形ゾーンの中央部での成形部は、成形ゾーンのエッジよりも強く刻設されて盆地のようになっている。内側フィンを成形するために１本のピンのみを使用すれば、１つの内側フィンに沿って軸線方向に測定した、互いに隣接しあっている２つの成形ゾーンの中心の間隔は、管が１回転ごとに行う軸線方向の送り量（ｍｐ）に等しい。複数本のピンを使用する場合には、前記間隔はピンの本数に応じて減少する。
【００３８】
次に、本発明の実施形態を図面を用いてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】平面状に展開した管セグメントの管内面の構造を示す図である。
【図２】図１の管セグメントの内側構造の詳細図である。
【図３】１つの圧延マンドレルと４つの外側の圧延工具とを用いて両面にフィンを形成させた伝熱管の製造を説明する図である。
【図４】両面にフィンを形成させた図３の伝熱管の製造を説明する、他の方向から見た斜視図である。
【図５】回転不能なピンを備えた、回転可能に支持される圧延マンドレルを示す図である。
【図６】外側の圧延工具の領域での詳細図である。
【図７】ピンの領域での他の詳細図である。
【図８】両面にフィンを形成させた伝熱管を半分に切断した図で、内側構造を形成する工程を異なる段階で示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図に示し、実施例で説明したように構成したことで実現した。全図において、互いに対応する部材には同一の符号が付してある。
【実施例１】
【００４１】
図１は、伝熱管１の管セグメントを平面状に展開させたときの管内面３の構造を示す図である。この場合、管軸線Ａは管セグメントの切断エッジの１つに対し平行に延在している。管軸線Ａに対して測定した内側フィン３１のねじれ角αは約３５゜である。内側フィン３１の、管壁１１から離間している領域、すなわち実質的にフィン先端の領域は、片側において規則的な間隔で管周方向に非対称に成形されている。内側フィン３１の成形材料は、溝３２の上方に延在する突出部４を形成している。成形ゾーン４１のエッジ４１２には、互いに隣接しあう突出部４の間に内側フィン３１の小さな残部が成形されないままに残っており、その結果内側フィン３１の互いに隣接しあっている突出部４の間には螺旋状周回方向においてわずかに間隔があり、互いに接触していない。
【００４２】
成形材料は、１つの突出部４の成形ゾーン４１の中央部４１１において、周方向に隣接する内側フィン３１と接触しており、これにより溝３２は互いに隣接しあっている内側フィン３１の間で部分的に閉鎖される。したがって、本来開口している溝３２から、内側フィンに対し平行に延在し且つ２つの側で開口する中空空間５が形成される。この中空空間５は、溝底３２１と、互いに境を接している２つの内側フィン３１の側部３１１と、カバーとしての突出部４とによって画成される。
【００４３】
成形材料を、成形ゾーン４１の中央部４１１において内側フィン３１の間の溝底３２１まで延在させ、これによりそれぞれの突出部４の下にいわば仕切り壁によって仕切られる２つの中空空間５を生じさせるようにしてもよい。
【００４４】
図２は、図１の伝熱管１の管セグメントの内側構造の詳細図である。管内面３には、表面全体にわたって配分されて規則的に反復する突出部４を備えた内側フィン３１が配置されている。突出部４の下には中空空間５が形成されている。１つの中空空間５の内部には気泡が形成されるのが好ましい。しかしながら、気泡核が発生すれば、内側フィン３１の側部３１１と溝３２とに沿って溝底３２１に横方向に成長するので、個々の突出部４の間において内側へ開口する領域全体にわたってホッパー状の開口部を介して伝熱管１から剥離される前に、該気泡核を突出部４によって制限しなければならない。
【００４５】
図３と図４に図示した装置の一部分は、両側にフィンを形成させた伝熱管１の製造を説明する工程を異なる斜視図で示したものである。一体圧延される伝熱管１は、管外面２に、ねじ線状に周回するように延在する外側フィン２１を有している。使用する装置は、伝熱管１の周囲に配置される４つの圧延工具９から成る。圧延工具９は、必要な管送りを生じさせるために管軸線Ａに対しいくぶん斜めに圧下されており、半径方向に送りを与えることができる。圧延工具９自体は、圧延装置の基礎架台に固定されている定置の圧延ヘッドに配置されている（図面には図示せず）。
【００４６】
伝熱管１の内側構造を生じさせる圧延マンドレル６も圧延装置の構成要素である。圧延マンドレル６はマンドレルバー７の自由端に装着され、回転可能に支持されている。マンドレルバー７は、その他端を、圧延装置の基礎架台（図面には図示せず）に固定されている。マンドレルバー７は製造される伝熱管１と少なくとも同じ長さでなければならない。
【００４７】
本来は平滑な管を加工するには、周囲に配置され、回転する圧延工具９に、平滑管に対し半径方向に送りを与えて、平滑管に係合させる。これによって平滑管は回転する。それぞれの圧延工具９の軸線は管軸線に対し斜めに設定されているので、圧延工具９は平滑管の管壁１１からねじ線状に周回するように延在する外側フィン２１を成形し、これと同時に、生じる伝熱管１に対し、ねじ線状に周回するように延在する外側フィン２１のピッチに応じた送りを与える。
【００４８】
管壁１１は、圧延工具９の成形ゾーンにおいて、プロファイル化された圧延マンドレル６によって支持される。圧延マンドレル６の軸線は管軸線Ａと一致している。圧延マンドレル６のマンドレル外面６１には螺旋状の溝６１１が付与されている。マンドレルバー７の端部には、半球体の形状のピン８が配置されており、マンドレルバー７の軸線からピンの外端８１まで測定した該ピン８の半径方向延在距離は、最大で、圧延マンドレル６の直径の半分の大きさである。このピン８は管内面３の内側フィンの材料に食い込んで、回転している伝熱管１に、図１または図２に図示した突出部４を形成させる。
【００４９】
図５は回転可能に支持される圧延マンドレル６を示す図であるが、この圧延マンドレル６は２分割のマンドレルバー７の端部に回転不能に設けたピン８を備えている。ねじ山７１は個々のバー部分を形状拘束的に結合させて、使用に適した安定な構造を提供している。圧延マンドレル６には螺旋状の溝６１１が付与されている。付与されたこのプロファイルは通常は多数の台形状または略台形状の溝から成っており、これらの溝は互いに平行を成すようにマンドレル外面６１にねじれを持って配置されている。図示した圧延マンドレル６の場合、ねじれ角は約３５゜である。
【００５０】
図６は、本発明による装置の、外側の圧延工具９の領域の詳細図である。圧延工具９はそれぞれ互いに並設された複数個の圧延ディスク９１から成り、圧延ディスク９１の直径は送り方向Ｖに増大している。外面２に対する圧延工具９の半径方向の力によって、管壁１１の材料は管内面３において圧延マンドレル６の螺旋状の溝６１１に圧縮される。これにより、方法的に後続のピンが突出部を成形する前に（この図には図示せず）、ねじ線状に周回するように延在する内側フィン３１が伝熱管１の内面に成形される。互いに隣接しあう２つの内側フィン３１の間に溝３２が延在する。
【００５１】
図７は、伝熱管１および圧延マンドレル６の他の詳細図で、ピン８の領域にあるマンドレルバー７の端部を示したものである。この領域では、突出部４が管内面３に挿入されることによって、圧延マンドレル６によって形成される内側フィン３１が成形される。ピン８は半球体状の構成を有し、マンドレルバー７の軸線からピンの端部８１まで測定した、ピン８の半径方向延在距離は、圧延マンドレル６の直径の半分よりも短い。内側フィンがたとえば０．４ｍｍの高さを持った構造の場合、マンドレルバーの軸線からピンの端部８１まで測定した、ピン８の半径方向延在距離は、圧延マンドレル６の直径の半分よりも０．１４ｍｍないし０．２６ｍｍだけ短い。
【００５２】
図８は、両面にフィンを形成させた伝熱管１を半分に切断した図で、管内面３に構造を形成させる工程を異なる段階で示したものである。管壁１１から管外面２に形成させた外側フィン２１は、ほとんどが内側フィン３１よりも大きなフィン高さを持っている。送り方向Ｖに見ると、平滑管から出発して、まず外側フィン２１と内側フィン３１を成形し、その後の方法工程で突出部４が形成される様子がよく見て取れる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 伝熱管
１１ 管壁
２ 管外面
２１ 外側フィン
３ 管内面
３１ 内側フィン
３１１ 内側フィンの側部
３２ 溝
３２１ 溝底
４ 突出部
４１ 成形ゾーン
４１１ 成形ゾーンの中央部
４１２ 成形ゾーンのエッジ
５ 中空空間
６ 圧延マンドレル
６１ マンドレル外面
６１１ 螺旋状の溝
７ マンドレルバー
７１ ２分割のマンドレルバーのねじ山
８ ピン
８１ ピンの端部
９ 圧延工具
９１ 圧延ディスク
Ａ 管軸線
Ｖ 送り方向
α ねじれ角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に記載の伝熱管、および、請求項６の前提部に記載の伝熱管の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物質の蒸発は、冷凍技術および空調技術の多くの分野で、また化学技術、プロセス技術、エネルギー技術で発生する。蒸発する物質が蒸発するには熱が必要であり、この熱は他の媒体から引き出される。他の媒体は冷却されるか、圧縮される。冷却と圧縮の混合形態もありうる。
【０００３】
伝熱面を構造化することにより伝熱を強化させることができることは知られている。これにより、表面が平滑である場合よりも、伝熱面の１単位あたりより多くの熱を伝達させることが達成される。さらに、駆動性温度差を減少させ、よってプロセスを効率的に構成することが可能である。金属製の熱交換器管の場合は、管壁の材料からフィンまたは同様の要素を成形することによって伝熱面の構造化を行なうことが多い。これら一体成形されるフィンは管壁と強固な金属結合を持ち、したがって熱を最適に伝達させることができる。
【０００４】
管の内面には、伝熱特性を改善するために軸線平行なフィンまたは螺旋状のフィンが使用されることがある。フィンを形成することにより、管の内側表面積が増大する。さらに、フィンが螺旋状に配置されている場合には、管内を流動する流体の渦が増大し、よって伝熱を改善させる。管内を流動する流体を蒸発させる必要がある場合は、内側フィンに補助的な構造特徴部を備えさせて、蒸発プロセスを好都合に制御する。この場合、中空空間またはアンダーカットした構造を生じさせることが多い。というのは、この種の構造は気泡形成プロセスを好ましくさせるからである。
【０００５】
管の内側表面を構造化させることによって伝熱が強化されるばかりでなく、管内を流動する媒体の圧力降下も増大する。この作用は、圧力により蒸発温度が下がり、それによりプロセス全体があまり効率的にならないので、望ましいものではなく、特に蒸発プロセスの際には望ましくない。
【０００６】
特許文献１では、互いに隣接しあうフィンの間に管路を生じさせ、この管路の開口部が該管路の最大幅よりも狭くなるように、内側フィンの先端を曲げることが提案される。同様の実施態様は特許文献２および特許文献３からも読み取れる。特許文献２および特許文献３では、内側フィンの先端を成形するばかりでなく、フィン全体を曲げる。特許文献４では、フィンがＴ字状の横断面を含み、よって個々のフィンの間にアンダーカットされた管路が生じるように、フィン先端を成形することが提案される。以上取り上げた４つの文献はいずれも、アンダーカットされた管路の横断面積および開口幅は変化しない。その結果、この種の構造では、気泡の形成および剥離にとって有利な場所が存在しない。
【０００７】
気泡蒸発の形成と安定化にとってより好ましいのは、横断面形状と開口幅とが変化するような、アンダーカットされた構造である。開口幅が変化する構造は、たとえば特許文献５に記載されている。材料は、個々のフィンの間の管路が部分的に閉鎖されるように内側フィンの側面から転位せしめられる。蒸発泡は管路の開口部位に逃げることができる。しかしながら、開口部のサイズのコントロールが極めて困難であり、製造プロセスが安定しない。したがってこの構造は、管を低コストで機能安定に製造するには適していない。
【０００８】
さらに、特許文献６は、二次溝を半径方向に刻設することによってフィンの上部領域から材料を左右対称に転位させるようにした構造を記載している。個々のフィンの間にある一次溝は、二次溝の領域で材料が転位することによって閉鎖される。これによりトンネル状部分が生じる。一次溝を閉鎖させるために十分な材料を転位させるには、二次溝は鋭く縁取りした台形状の横断面を有していなければならない。鋭く縁取りすることにより鋭いエッジを備えた構造が生じ、鋭いエッジは流動する媒体の圧力降下を増大させ、望ましいものではない。特許文献７には、これに非常に類似した構造が提案されている。特許文献６と著しく異なるのは、その製造方法である。特許文献６では、多段階の引張り・成形プロセスにより管を加工するのに対し、特許文献７では、まずベルトを構造化し、次にベルトを付形して管を形成させ、縦継ぎ目を溶接する。しかしながら、その他の製造プロセスによって構造の不具合な特性は解消されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５９−２０２３９７Ａ号公報
【特許文献２】欧州特許第１０６１３１８Ｂ１号明細書
【特許文献３】特開平０５−１０６９９１Ａ号公報
【特許文献４】欧州特許第１５４４５６３Ｂ１号明細書
【特許文献５】特開平０５−２５３６１４Ａ号公報
【特許文献６】米国特許第４７３３６９８号明細書
【特許文献７】特開平０４−１００６３３Ａ号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、管の内側表面に、管の内面にて流動する媒体が蒸発する際の伝熱を著しく向上させ、同時に圧力降下を過度に増大させないような構造を具備させることである。さらに、当該構造は低コストで確実に製造可能でなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、伝熱管に関しては請求項１の構成を特徴とするものであり、伝熱管の製造方法に関しては請求項６の構成を特徴とするものである。その他の従属項は本発明の有利な他の構成に関わるものである。
【００１２】
本発明は、管軸線と、管壁と、管外面および管内面とを備え、管壁から、管内面に、軸線平行な内側フィンまたは螺旋状に周回するように延在する内側フィンであって、それぞれ互いに隣接しあっている該内側フィンの間に溝を備えている前記内側フィンが成形されている伝熱管において、管軸線に対し測定した内側フィンのねじれ角が４５゜よりも小さいか、４５゜に等しく、内側フィンの、管壁から離間している領域が、片側において規則的な間隔で実質的に管周方向に非対称に成形され、内側フィンの成形材料が溝上方に突出部を形成しており、突出部がそれぞれ有限の成形ゾーンにわたって１つの内側フィンに沿って延在し、成形の度合いが成形ゾーンの内側で連続的に変化しており、成形部はエッジよりも成形ゾーンの中央部においてより強く刻設され、溝底と内側フィンの側部と形成された突出部との間に、気泡の形成を好ましくさせる中空空間が設けられているようにした伝熱管に関わる。
【００１３】
この場合本発明は、特に管内面に構造を一体成形した金属性伝熱管において、管内面で物質が蒸発する際の効率を改善させるという思想から出発している。
【００１４】
蒸発する物質と熱を放出する媒体とは、通常、熱を伝達する壁によって互いに物質的に分離されていなければならない。このため金属管が使用されることが多い。蒸発する物質は管外面にあり、他方熱を放出する媒体は管内面を流動する。これとは択一的に、蒸発する物質が管内面を流動し、熱を放出する媒体が管の外面にあるケースがある。本発明は後者のケースに関わるものである。
【００１５】
管内面で蒸発する場合、管は水平または垂直に配置されていてよい。さらに、管が水平線または垂直線に対しわずかに傾斜しているケースもある。冷凍技術では、通常、水平管を備えた蒸発器が使用される。これに対し化学技術では、蒸留塔を加熱するために鉛直型循環蒸発器が使用されることが多い。この場合、物質の蒸発は垂直に立っている管の内面で行なわれる。
【００１６】
熱を放出する媒体と蒸発する物質との間での熱移動を可能にするには、熱を放出する媒体の温度が蒸発する物質の温度よりも高くなければならない。この温度差は駆動性温度差と呼ばれる。駆動性温度差が大きければ大きいほど、より多くの熱を伝達させることができる。他方、駆動性温度差が小さくなるよう努める場合もある。プロセスの効率にとって有利だからである。
【００１７】
本発明によれば、蒸発の際の熱伝達率を高くするため、気泡沸騰工程を集中的に行なう。気泡の形成は核部位で始まる。これらの核部位は、通常、ガス封入体または蒸気封入体である。気泡が成長して一定のサイズに達すると、気泡はその表面から剥離する。気泡が剥離して核部位に液体が流れ込むと、核部位は不活性になる。すなわち表面は、気泡が剥離する際に小さな気泡が残り、この気泡が気泡形成の次のサイクルのための核部位として用いられるように構成されねばならない。これを達成するため、気泡の剥離後に小さな気泡を残らせるキャビティを表面に配置する。
【００１８】
本発明では、溝底とフィンの側部と成形される突出部との間に形成される中空空間が本発明によるキャビティである。突出部は、上部フィン領域を部分的に成形することによって形成させる。その際の成形は、ゾーンの内部で成形の度合いが連続的に変化し、成形部が成形されたゾーンのエッジよりも該ゾーンの中央部でより強く刻設されているように実施されている。これにより、際立ったエッジがない、湾曲した境界面を備える輪郭が生じる。この種の輪郭は圧力降下が少ない点で好ましいが、これは流体の流動がエッジにおいて急激に転向せずに、流体が湾曲した境界面に沿って流動できるからである。
【００１９】
格別な利点は、１つの管の内側表面が、管の内面を流動する媒体が蒸発する際の熱移動を著しく改善させ、これと同時に、圧力降下を過度に高めないような構造を備えている点にある。さらに、この構造は低コストであり、確実に製造可能である。
【００２０】
本発明の有利な構成では、成形ゾーンの中央部において、１つの内側フィンの成形材料が周方向に隣接する内側フィンに接触している。これにより、それぞれ隣接しあっているフィンの間の溝に部分的にカバーを備えさせる。すなわち、当初開口している溝から、内側フィンに対し平行に延在し、２つの側で開口する中空空間を局部的に形成させ、この中空空間を、溝底と、互いに境界を接している２つの内側フィンの側部と、成形したカバーとによって画成させる。この中空空間の横断面積は、該中空空間が両端部においてホッパー状に開口溝へ移行するように、内側フィンに沿って変化している。中空空間は、ホッパー状の両移行部の間に、もっとも小さな横断面積を持った部位を有する。この部位に小さな気泡またはガス封入体をとどませることができるので有利である。これは大きな気泡を形成させるための核部位を形成するので有利であり、これによって蒸発プロセスが促進される。
【００２１】
有利には、成形ゾーンの中央部において、成形材料が内側フィンと周方向において当該内側フィンに隣接している内側フィンとの間にある溝底に接触し、これにより、溝が互いに隣接しあっている内側フィンの間において部分的に閉鎖されているのがよい。部分的な閉鎖により、気泡の形成を特に促進させるホッパー状の中空空間が生じる。この実施態様において形成される中空空間は単に１つの開口部を有しているにすぎないので、気泡が剥離した場合、その後に液体が流入しにくくなる。これにより、小さな気泡またはガス封入体を滞留させるのに特に好ましい条件が提供される。この小さな気泡またはガス封入体は、すでに小さな駆動性温度差がある場合に新たな気泡を発生させるための核部位を形成するので有利である。
【００２２】
有利な構成では、内側フィンの、互いに隣接しあっている突出部は、螺旋状周回方向において互いに接触しておらず、または、互いにオーバーラップしていない。成形ゾーンの幅は、通常は、個々の突出部の互いに隣接しあっているゾーンの間に内側フィンの本来の高さＨが得られるように選定されている。これは管内を流動する流体の渦化を促進させる。
【００２３】
有利には、管外面に、螺旋状に周回するように延在し、一体に成形される外側フィンが形成されているのがよい。このように両側にフィンを形成させたタイプの管の場合、伝熱面積が増大し、その結果対応的に平滑な表面の場合よりもより多くの熱を伝達させることができる。
【００２４】
本発明の他の特徴は、管外面にねじ線状に周回するように延在している一体の外側フィンと、管内面に軸線平行にまたはねじ線状に周回するように延在している一体の内側フィンであって、該内側フィンの、管壁から離間している領域が、片側において規則的な間隔で管周方向に非対称に成形されている前記内側フィンとを備えた、本発明による伝熱管の製造方法において、
【００２５】
ａ）圧延ステップにより管壁から材料を排除することによってフィン材を得て、生じたフィン管を圧延力により回転させ、生じたフィンに応じてフィン管に送りを与えるようにして、平滑管の管外面に、ねじ線状に周回するように延在する外側フィンを成形させ、その際外側フィンを、高さを増大させながら、まだ成形されていない平滑管から成形させるステップと、
【００２６】
ｂ）管壁を、外側フィンが成形される領域において、管内にある圧延マンドレルであってマンドレルバーで回転可能に支持され且つそのマンドレル外面に軸線平行な溝または螺旋状の溝を有する前記圧延マンドレルによって支持させ、その際軸線平行な内側フィンまたは螺旋状の内側フィンを成形させるステップと、
【００２７】
ｃ）内側フィンの、管壁から離間している領域を、圧延マンドレルの下流側に配置される少なくとも１つの回転不能なピンによって規則的な間隔で非対称に実質的に管周方向に成形させ、その際内側フィンの成形材料を、互いに隣接しあっている２つの内側フィンの間にして溝の上方に突出部が形成されるように転位させるステップと、
を含むことにある。
【００２８】
この場合、本発明は、それぞれ少なくとも１つの圧延工具が一体化されているｎ＝３または４個の工具保持体から成る圧延装置を使用するという思想から出発している。それぞれの工具保持体の軸線は管軸線に対し傾斜して延在している。工具保持体はそれぞれ３６０゜／ｎだけずらして管の周囲に配置されている。工具保持体は半径方向に送り調整可能である。工具保持体は定置の圧延架台に配置されている。圧延工具は互いに並設される複数個の圧延ディスクから成り、その直径は外側フィンの前進成形率の方向に増大している。
【００２９】
プロファイル化された圧延マンドレルも同様に本発明による装置の構成部材である。圧延マンドレルはバーに装着されており、該バーに回転可能に支持されている。圧延マンドレルの軸線はバーの軸線と同じであり、管軸線と一致している。バーはその他端を圧延架台に固定され、回転できないように固定されている。バーを用いて圧延マンドレルは圧延工具の作業範囲内に位置決めされる。
【００３０】
さらに、圧延マンドレルの後には、半径方向に指向するピンが装着されている。ピンは前記バーと固着され、したがって回転不能である。したがって、回転不能なピンは、当初圧延マンドレル表面によって形成される内側フィンに係合し、これによって突出部が生じる。これらの突出部は、規則的な間隔で非対称に実質的に管周方向に一体成形されている。これに関連して、実質的に、管外壁に係合する圧延工具の圧延ディスクは１回転ごとに管に対しある程度の送り、しかし小さな送りを与えるという概念が明らかになる。すなわち、マンドレルバーに配置されている位置固定のピンは、軸線方向の前記小さな送りの際に、近似的に管周方向に対応する運動を伝熱管内で実施する。
【００３１】
本発明の有利な構成では、ピンの端部は丸みを帯びた輪郭を有している。ピンのこの輪郭に対応して成形の度合いが変化し、その結果強く成形される領域とあまり強く成形されない領域とが存在することになる。丸みを帯びた輪郭により、形成された突出部が前記成形度合いが異なる領域の移行部に鋭いエッジを有することが阻止される。
【００３２】
有利には、ピンの端部が半球体の形状を有しているのがよい。この半球体形状に対応して、１つの成形ゾーンの内部で成形の度合いが連続的に変化し，鋭いエッジか生じることがない。成形部は、盆地のように、成形ゾーンのエッジよりもその中央部でより強く成形されている。これによって突出部は舌片状の形状を呈する。
【００３３】
本発明の他の有利な構成では、前記バーの軸線からピンの端部まで測定したピンの半径方向延在距離は、最大で、圧延マンドレルの直径の半分の大きさである。この限定により、内側フィンの成形部がフィン付き管の心壁まで延在して管の安定性を減少させることが阻止される。ピンの半径方向延在距離が短ければ短いほど、内側フィンの成形度合いが少なくなり、材料が側方へ排除される量が少なくなる。すなわち、ピンの半径方向延在距離を選定することによって成形の強度に著しく影響を与えることができる。
【００３４】
有利には、前記バーの軸線からピンの端部まで測定したピンの半径方向延在距離が、圧延マンドレルの直径の半分よりも非成形内側フィンの高さの３５％ないし６５％だけ短いのがよい。内側フィンの高さがたとえば０．４ｍｍだとすると、前記バーの軸線からピンの端部まで測定したピンの半径方向延在距離は、圧延マンドレルの直径の半分よりも０．１４ないし０．２６ｍｍだけ短い。ピンの半径方向延在距離がマンドレルの直径の半分よりも非成形内側フィンの高さの６５％差し引いた分だけ短ければ、熱移動の十分な改善を得ることはできない。ピンの半径方向延在距離がマンドレルの直径の半分よりも非成形内側フィンの高さの３５％差し引いた分だけ短ければ、生じる中空空間が気泡核部位を形成させるために特に有利な形状を有するように、内側フィンの成形部が構成される。
【００３５】
管を加工するには、周囲に配置される回転圧延工具に対し平滑管のほうへ半径方向の送りを与え、平滑管と係合させる。これによって平滑管はその軸線のまわりに回転する。圧延工具の軸線が管軸線に対し傾斜しているため、圧延工具は、平滑管の壁材から、ねじ線状に周回するように延在する外側フィンを成形させ、これと同時に、ねじ線状に周回するように延在する外側フィンのピッチに対応して、生じたフィン付き管に対し送りを与える。管軸線に沿って測定した、互いに隣接しあう２つの外側フィンの間隔は、フィンピッチｐと呼ばれる。フィンピッチｐは通常は０．４ｍｍと２．２ｍｍの間である。外側フィンは、好ましくは多条ねじのごとく周回して延在する。管の１回転ごとにｍ条のねじが生じるとすれば、１回転ごとに軸線方向に送られる管送り量はｍｐである。外側フィンのピッチｐが小さければ、通常は３、４、６または８の値をとる。
【００３６】
圧延工具の作業領域内で、管壁はプロファイル化された圧延マンドレルによって支持される。圧延マンドレルのプロファイル部は通常、圧延マンドレルの外面上に互いに平行に配置されている実質的に台形状の多数の溝から成っている。これらの溝は圧延マンドレルの軸線に対し０゜ないし４５゜のねじれ角で延在している。圧延工具の半径方向の力によって、管壁の材料は圧延マンドレルの溝のなかへ圧入される。これにより、軸線平行な内側フィンまたはねじ線状に周回するように延在する内側フィンが管の内側表面に成形される。管軸線に対し測定した内側フィンのねじれ角は、圧延マンドレルの溝のねじれ角に等しい。管壁を起点として測定した内側フィンの高さＨは、０．３ｍｍと０．５ｍｍの間である。互いに隣接しあう２つの内側フィンの間に溝が延在する。
【００３７】
圧延工具の作業領域にしたがって、圧延マンドレルの後方に装着されているピンによって内側フィンがさらに加工される。ピンは前記バーによって位置固定して位置決めされているのに対し、成形された内側フィンを備える管は自らの軸線のまわりに回転する。ピンの半径方向延在距離は、内側フィンの、管壁から離間している領域が、半径方向に指向するピン端部によって規則的な間隔で非対称に実質的に管周方向に成形されるように選定されている。内側フィンの材料は側方へ転位し、内側フィンの高さは成形によって局部的に減少する。側方に転位した内側フィンの材料は、互いに隣接しあっている２つの内側フィンの間の溝の上方に突出部を形成する。成形部は、ピンの幅に対応して、それぞれ有限のゾーンにわたり内側フィンに沿って延在する。ピンの端部は丸みを帯びた輪郭を有しているので、１つのゾーン内部での成形の度合いが連続的に変化している。成形ゾーンの中央部での成形部は、成形ゾーンのエッジよりも強く刻設されて盆地のようになっている。内側フィンを成形するために１本のピンのみを使用すれば、１つの内側フィンに沿って軸線方向に測定した、互いに隣接しあっている２つの成形ゾーンの中心の間隔は、管が１回転ごとに行う軸線方向の送り量（ｍｐ）に等しい。複数本のピンを使用する場合には、前記間隔はピンの本数に応じて減少する。
【００３８】
次に、本発明の実施形態を図面を用いてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】平面状に展開した管セグメントの管内面の構造を示す図である。
【図２】図１の管セグメントの内側構造の詳細図である。
【図３】１つの圧延マンドレルと４つの外側の圧延工具とを用いて両面にフィンを形成させた伝熱管の製造を説明する図である。
【図４】両面にフィンを形成させた図３の伝熱管の製造を説明する、他の方向から見た斜視図である。
【図５】回転不能なピンを備えた、回転可能に支持される圧延マンドレルを示す図である。
【図６】外側の圧延工具の領域での詳細図である。
【図７】ピンの領域での他の詳細図である。
【図８】両面にフィンを形成させた伝熱管を半分に切断した図で、内側構造を形成する工程を異なる段階で示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図に示し、実施例で説明したように構成したことで実現した。全図において、互いに対応する部材には同一の符号が付してある。
【実施例１】
【００４１】
図１は、伝熱管１の管セグメントを平面状に展開させたときの管内面３の構造を示す図である。この場合、管軸線Ａは管セグメントの切断エッジの１つに対し平行に延在している。管軸線Ａに対して測定した内側フィン３１のねじれ角αは約３５゜である。内側フィン３１の、管壁１１から離間している領域、すなわち実質的にフィン先端の領域は、片側において規則的な間隔で管周方向に非対称に成形されている。内側フィン３１の成形材料は、溝３２の上方に延在する突出部４を形成している。成形ゾーン４１のエッジ４１２には、互いに隣接しあう突出部４の間に内側フィン３１の小さな残部が成形されないままに残っており、その結果内側フィン３１の互いに隣接しあっている突出部４の間には螺旋状周回方向においてわずかに間隔があり、互いに接触していない。
【００４２】
成形材料は、１つの突出部４の成形ゾーン４１の中央部４１１において、周方向に隣接する内側フィン３１と接触しており、これにより溝３２は互いに隣接しあっている内側フィン３１の間で部分的に閉鎖される。したがって、本来開口している溝３２から、内側フィンに対し平行に延在し且つ２つの側で開口する中空空間５が形成される。この中空空間５は、溝底３２１と、互いに境を接している２つの内側フィン３１の側部３１１と、カバーとしての突出部４とによって画成される。
【００４３】
成形材料を、成形ゾーン４１の中央部４１１において内側フィン３１の間の溝底３２１まで延在させ、これによりそれぞれの突出部４の下にいわば仕切り壁によって仕切られる２つの中空空間５を生じさせるようにしてもよい。
【００４４】
図２は、図１の伝熱管１の管セグメントの内側構造の詳細図である。管内面３には、表面全体にわたって配分されて規則的に反復する突出部４を備えた内側フィン３１が配置されている。突出部４の下には中空空間５が形成されている。１つの中空空間５の内部には気泡が形成されるのが好ましい。しかしながら、気泡核が発生すれば、内側フィン３１の側部３１１と溝３２とに沿って溝底３２１に横方向に成長するので、個々の突出部４の間において内側へ開口する領域全体にわたってホッパー状の開口部を介して伝熱管１から剥離される前に、該気泡核を突出部４によって制限しなければならない。
【００４５】
図３と図４に図示した装置の一部分は、両側にフィンを形成させた伝熱管１の製造を説明する工程を異なる斜視図で示したものである。一体圧延される伝熱管１は、管外面２に、ねじ線状に周回するように延在する外側フィン２１を有している。使用する装置は、伝熱管１の周囲に配置される４つの圧延工具９から成る。圧延工具９は、必要な管送りを生じさせるために管軸線Ａに対しいくぶん斜めに圧下されており、半径方向に送りを与えることができる。圧延工具９自体は、圧延装置の基礎架台に固定されている定置の圧延ヘッドに配置されている（図面には図示せず）。
【００４６】
伝熱管１の内側構造を生じさせる圧延マンドレル６も圧延装置の構成要素である。圧延マンドレル６はマンドレルバー７の自由端に装着され、回転可能に支持されている。マンドレルバー７は、その他端を、圧延装置の基礎架台（図面には図示せず）に固定されている。マンドレルバー７は製造される伝熱管１と少なくとも同じ長さでなければならない。
【００４７】
本来は平滑な管を加工するには、周囲に配置され、回転する圧延工具９に、平滑管に対し半径方向に送りを与えて、平滑管に係合させる。これによって平滑管は回転する。それぞれの圧延工具９の軸線は管軸線に対し斜めに設定されているので、圧延工具９は平滑管の管壁１１からねじ線状に周回するように延在する外側フィン２１を成形し、これと同時に、生じる伝熱管１に対し、ねじ線状に周回するように延在する外側フィン２１のピッチに応じた送りを与える。
【００４８】
管壁１１は、圧延工具９の成形ゾーンにおいて、プロファイル化された圧延マンドレル６によって支持される。圧延マンドレル６の軸線は管軸線Ａと一致している。圧延マンドレル６のマンドレル外面６１には螺旋状の溝６１１が付与されている。マンドレルバー７の端部には、半球体の形状のピン８が配置されており、マンドレルバー７の軸線からピンの外端８１まで測定した該ピン８の半径方向延在距離は、最大で、圧延マンドレル６の直径の半分の大きさである。このピン８は管内面３の内側フィンの材料に食い込んで、回転している伝熱管１に、図１または図２に図示した突出部４を形成させる。
【００４９】
図５は回転可能に支持される圧延マンドレル６を示す図であるが、この圧延マンドレル６は２分割のマンドレルバー７の端部に回転不能に設けたピン８を備えている。ねじ山７１は個々のバー部分を形状拘束的に結合させて、使用に適した安定な構造を提供している。圧延マンドレル６には螺旋状の溝６１１が付与されている。付与されたこのプロファイルは通常は多数の台形状または略台形状の溝から成っており、これらの溝は互いに平行を成すようにマンドレル外面６１にねじれを持って配置されている。図示した圧延マンドレル６の場合、ねじれ角は約３５゜である。
【００５０】
図６は、本発明による装置の、外側の圧延工具９の領域の詳細図である。圧延工具９はそれぞれ互いに並設された複数個の圧延ディスク９１から成り、圧延ディスク９１の直径は送り方向Ｖに増大している。外面２に対する圧延工具９の半径方向の力によって、管壁１１の材料は管内面３において圧延マンドレル６の螺旋状の溝６１１に圧縮される。これにより、方法的に後続のピンが突出部を成形する前に（この図には図示せず）、ねじ線状に周回するように延在する内側フィン３１が伝熱管１の内面に成形される。互いに隣接しあう２つの内側フィン３１の間に溝３２が延在する。
【００５１】
図７は、伝熱管１および圧延マンドレル６の他の詳細図で、ピン８の領域にあるマンドレルバー７の端部を示したものである。この領域では、突出部４が管内面３に挿入されることによって、圧延マンドレル６によって形成される内側フィン３１が成形される。ピン８は半球体状の構成を有し、マンドレルバー７の軸線からピンの端部８１まで測定した、ピン８の半径方向延在距離は、圧延マンドレル６の直径の半分よりも短い。内側フィンがたとえば０．４ｍｍの高さを持った構造の場合、マンドレルバーの軸線からピンの端部８１まで測定した、ピン８の半径方向延在距離は、圧延マンドレル６の直径の半分よりも０．１４ｍｍないし０．２６ｍｍだけ短い。
【００５２】
図８は、両面にフィンを形成させた伝熱管１を半分に切断した図で、管内面３に構造を形成させる工程を異なる段階で示したものである。管壁１１から管外面２に形成させた外側フィン２１は、ほとんどが内側フィン３１よりも大きなフィン高さを持っている。送り方向Ｖに見ると、平滑管から出発して、まず外側フィン２１と内側フィン３１を成形し、その後の方法工程で突出部４が形成される様子がよく見て取れる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 伝熱管
１１ 管壁
２ 管外面
２１ 外側フィン
３ 管内面
３１ 内側フィン
３１１ 内側フィンの側部
３２ 溝
３２１ 溝底
４ 突出部
４１ 成形ゾーン
４１１ 成形ゾーンの中央部
４１２ 成形ゾーンのエッジ
５ 中空空間
６ 圧延マンドレル
６１ マンドレル外面
６１１ 螺旋状の溝
７ マンドレルバー
７１ ２分割のマンドレルバーのねじ山
８ ピン
８１ ピンの端部
９ 圧延工具
９１ 圧延ディスク
Ａ 管軸線
Ｖ 送り方向
α ねじれ角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管軸線（Ａ）と、管壁（１１）と、管外面（２）および管内面（３）とを備え、管壁（１１）から、管内面（３）に、軸線平行な内側フィン（３１）または螺旋状に周回するように延在する内側フィン（３１）であって、それぞれ互いに隣接しあっている該内側フィン（３１）の間に溝（３２）を備えている前記内側フィン（３１）が成形されている伝熱管（１）において、
管軸線（Ａ）に対し測定した内側フィン（３１）のねじれ角（α）が４５゜よりも小さいか、４５゜に等しいこと、
内側フィン（３１）の、管壁（１１）から離間している領域が、片側において規則的な間隔で実質的に管周方向に非対称に成形され、内側フィン（３１）の成形材料が溝（３２）上方に突出部（４）を形成していること、
突出部（４）がそれぞれ有限の成形ゾーン（４１）にわたって１つの内側フィン（３１）に沿って延在していること、
成形の度合いが成形ゾーン（４１）の内側で連続的に変化しており、成形部はエッジ（４１２）よりも成形ゾーン（４１）の中央部（４１１）においてより強く刻設されていること、
溝底（３２１）と内側フィンの側部（３１１）と形成された突出部（４）との間に、気泡の形成を好ましくさせる中空空間（５）が設けられていること、
を特徴とする伝熱管。
【請求項２】
成形ゾーン（４１）の中央部（４１１）において、１つの内側フィン（３１）の成形材料が周方向に隣接する内側フィン（３１）に接触していることを特徴とする、請求項１に記載の伝熱管。
【請求項３】
成形ゾーン（４１）の中央部（４１１）において、前記成形材料が内側フィン（３１）と周方向において当該内側フィン（３１）に隣接している内側フィン（３１）との間にある溝底（３２１）に接触し、これにより、溝（３２）が互いに隣接しあっている内側フィン（３１）の間において部分的に閉鎖されていることを特徴とする、請求項２に記載の伝熱管。
【請求項４】
内側フィン（３１）の、互いに隣接しあっている突出部（４）が、螺旋状周回方向において互いに接触しておらず、または、互いにオーバーラップしていないことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の伝熱管。
【請求項５】
管外面（２）に、螺旋状に周回するように延在し、一体に成形される外側フィン（２１）が形成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の伝熱管。
【請求項６】
管外面（２）にねじ線状に周回するように延在している一体の外側フィン（２１）と、管内面（３）に軸線平行にまたはねじ線状に周回するように延在している一体の内側フィン（３１）であって、該内側フィン（３１）の、管壁（１１）から離間している領域が、片側において規則的な間隔で管周方向に非対称に成形されている前記内側フィン（３１）とを備えた請求項５に記載の伝熱管（１）の製造方法において、
ａ）圧延ステップにより管壁（１１）から材料を排除することによってフィン材を得て、生じたフィン管を圧延力により回転させ、生じたフィンに応じてフィン管に送りを与えるようにして、平滑管の管外面（２）に、ねじ線状に周回するように延在する外側フィン（２１）を成形させ、その際外側フィン（２１）を、高さを増大させながら、まだ成形されていない平滑管から成形させるステップと、
ｂ）管壁（１１）を、外側フィン（２１）が成形される領域において、管内にある圧延マンドレル（６）であってマンドレルバー（７）で回転可能に支持され且つそのマンドレル外面（６１）に軸線平行な溝（６１１）または螺旋状の溝（６１１）を有する前記圧延マンドレル（６）によって支持させ、その際軸線平行な内側フィン（３１）または螺旋状の内側フィン（３１）を成形させるステップと、
ｃ）内側フィン（３１）の、管壁（１１）から離間している領域を、圧延マンドレル（６）の下流側に配置される少なくとも１つの回転不能なピン（８）によって規則的な間隔で非対称に実質的に管周方向に成形させ、その際内側フィン（３１）の成形材料を、互いに隣接しあっている２つの内側フィン（３１）の間にして溝（３２）の上方に突出部（４）が形成されるように転位させるステップと、
を含むことを特徴とする伝熱管の製造方法。
【請求項７】
ピン（８）の端部（８１）が丸みを帯びた輪郭を有していることを特徴とする、請求項６に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項８】
ピン（８）の端部（８１）が半球体の形状を有していることを特徴とする、請求項７に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項９】
前記バー（７）の軸線からピンの端部（８１）まで測定したピン（８）の半径方向延在距離が、最大で、圧延マンドレル（６）の直径の半分の大きさであることを特徴とする、請求項６から８までのいずれか一つに記載の伝熱管の製造方法。
【請求項１０】
前記バー（７）の軸線からピンの端部（８１）まで測定したピン（８）の半径方向延在距離が、圧延マンドレル（６）の直径の半分よりも非成形内側フィンの高さの３５％ないし６５％だけ短いことを特徴とする、請求項６から９までのいずれか一つに記載の伝熱管の製造方法。
【請求項１１】
前記バー（７）の軸線からピンの端部（８１）まで測定したピン（８）の半径方向延在距離が、圧延マンドレル（６）の直径の半分よりも０．１４ないし０．２６ｍｍだけ短いことを特徴とする、請求項１０に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項１】
管軸線（Ａ）と、管壁（１１）と、管外面（２）および管内面（３）とを備え、管壁（１１）から、管内面（３）に、軸線平行な内側フィン（３１）または螺旋状に周回するように延在する内側フィン（３１）であって、それぞれ互いに隣接しあっている該内側フィン（３１）の間に溝（３２）を備えている前記内側フィン（３１）が成形されている伝熱管（１）において、
管軸線（Ａ）に対し測定した内側フィン（３１）のねじれ角（α）が４５゜よりも小さいか、４５゜に等しいこと、
内側フィン（３１）の、管壁（１１）から離間している領域が、片側において規則的な間隔で実質的に管周方向に非対称に成形され、内側フィン（３１）の成形材料が溝（３２）上方に突出部（４）を形成していること、
突出部（４）がそれぞれ有限の成形ゾーン（４１）にわたって１つの内側フィン（３１）に沿って延在していること、
成形の度合いが成形ゾーン（４１）の内側で連続的に変化しており、成形部はエッジ（４１２）よりも成形ゾーン（４１）の中央部（４１１）においてより強く刻設されていること、
溝底（３２１）と内側フィンの側部（３１１）と形成された突出部（４）との間に、気泡の形成を好ましくさせる中空空間（５）が設けられていること、
を特徴とする伝熱管。
【請求項２】
成形ゾーン（４１）の中央部（４１１）において、１つの内側フィン（３１）の成形材料が周方向に隣接する内側フィン（３１）に接触していることを特徴とする、請求項１に記載の伝熱管。
【請求項３】
成形ゾーン（４１）の中央部（４１１）において、前記成形材料が内側フィン（３１）と周方向において当該内側フィン（３１）に隣接している内側フィン（３１）との間にある溝底（３２１）に接触し、これにより、溝（３２）が互いに隣接しあっている内側フィン（３１）の間において部分的に閉鎖されていることを特徴とする、請求項２に記載の伝熱管。
【請求項４】
内側フィン（３１）の、互いに隣接しあっている突出部（４）が、螺旋状周回方向において互いに接触しておらず、または、互いにオーバーラップしていないことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の伝熱管。
【請求項５】
管外面（２）に、螺旋状に周回するように延在し、一体に成形される外側フィン（２１）が形成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の伝熱管。
【請求項６】
管外面（２）にねじ線状に周回するように延在している一体の外側フィン（２１）と、管内面（３）に軸線平行にまたはねじ線状に周回するように延在している一体の内側フィン（３１）であって、該内側フィン（３１）の、管壁（１１）から離間している領域が、片側において規則的な間隔で管周方向に非対称に成形されている前記内側フィン（３１）とを備えた請求項５に記載の伝熱管（１）の製造方法において、
ａ）圧延ステップにより管壁（１１）から材料を排除することによってフィン材を得て、生じたフィン管を圧延力により回転させ、生じたフィンに応じてフィン管に送りを与えるようにして、平滑管の管外面（２）に、ねじ線状に周回するように延在する外側フィン（２１）を成形させ、その際外側フィン（２１）を、高さを増大させながら、まだ成形されていない平滑管から成形させるステップと、
ｂ）管壁（１１）を、外側フィン（２１）が成形される領域において、管内にある圧延マンドレル（６）であってマンドレルバー（７）で回転可能に支持され且つそのマンドレル外面（６１）に軸線平行な溝（６１１）または螺旋状の溝（６１１）を有する前記圧延マンドレル（６）によって支持させ、その際軸線平行な内側フィン（３１）または螺旋状の内側フィン（３１）を成形させるステップと、
ｃ）内側フィン（３１）の、管壁（１１）から離間している領域を、圧延マンドレル（６）の下流側に配置される少なくとも１つの回転不能なピン（８）によって規則的な間隔で非対称に実質的に管周方向に成形させ、その際内側フィン（３１）の成形材料を、互いに隣接しあっている２つの内側フィン（３１）の間にして溝（３２）の上方に突出部（４）が形成されるように転位させるステップと、
を含むことを特徴とする伝熱管の製造方法。
【請求項７】
ピン（８）の端部（８１）が丸みを帯びた輪郭を有していることを特徴とする、請求項６に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項８】
ピン（８）の端部（８１）が半球体の形状を有していることを特徴とする、請求項７に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項９】
前記バー（７）の軸線からピンの端部（８１）まで測定したピン（８）の半径方向延在距離が、最大で、圧延マンドレル（６）の直径の半分の大きさであることを特徴とする、請求項６から８までのいずれか一つに記載の伝熱管の製造方法。
【請求項１０】
前記バー（７）の軸線からピンの端部（８１）まで測定したピン（８）の半径方向延在距離が、圧延マンドレル（６）の直径の半分よりも非成形内側フィンの高さの３５％ないし６５％だけ短いことを特徴とする、請求項６から９までのいずれか一つに記載の伝熱管の製造方法。
【請求項１１】
前記バー（７）の軸線からピンの端部（８１）まで測定したピン（８）の半径方向延在距離が、圧延マンドレル（６）の直径の半分よりも０．１４ないし０．２６ｍｍだけ短いことを特徴とする、請求項１０に記載の伝熱管の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１８１１３８（Ｐ２０１０−１８１１３８Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８３８４５（Ｐ２００９−２８３８４５）
【出願日】平成２１年１２月１５日（２００９．１２．１５）
【出願人】（５９２１７９１６０）ヴィーラント ウェルケ アクチーエン ゲゼルシャフト (14)
【氏名又は名称原語表記】ＷＩＥＬＡＮＤ−ＷＥＲＫＥ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１５日（２００９．１２．１５）
【出願人】（５９２１７９１６０）ヴィーラント ウェルケ アクチーエン ゲゼルシャフト (14)
【氏名又は名称原語表記】ＷＩＥＬＡＮＤ−ＷＥＲＫＥ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ
【Ｆターム（参考）】
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