(57)【要約】  本発明は、管長手軸線（Ａ）を有している伝熱管（１）であって、管外側（２１）及び／又は管内側（２２）には、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）が形成されており、前記リブ（３）が、前記管外側（２１）及び／又は前記管内側（２２）において少なくとも１つの構造化された範囲を備えており、該構造化された範囲が、表面から突出する、突起部高さ（ｈ）を有する複数の突起部（６）を備えており、これにより、前記突起部（６）が切り込み部（７）によって分離されている、前記伝熱管に関するものである。本発明によれば、前記突起部（６）がグループ（１０）で配置されており、該グループが、リブ延長に沿って周期的に反復している。加えて、少なくとも２つの切り込み部（７）が前記グループ（１０）内の前記突起部（６）間で交互の切り込み深さをもってリブ（３）において形成されている。
2019517652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管長手軸線（Ａ）を有している伝熱管（１）であって、−管外側（２１）及び／又は管内側（２２）には、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）が形成されており、
−前記リブ（３）が、前記管外側（２１）及び／又は前記管内側（２２）において少なくとも１つの構造化された範囲を備えており、
−該構造化された範囲が、表面から突出する、突起部高さ（ｈ）を有する複数の突起部（６）を備えており、隣り合う突起部（６）が切り込み部（７）によって分離されている、前記伝熱管において、  前記突起部（６）がグループ（１０）で配置されており、該グループが、リブ延長に沿って周期的に反復すること、及び少なくとも２つの切り込み部（７）が前記グループ（１０）内の前記突起部（６）間で交互の切り込み深さ（ｔ１，ｔ２，ｔ３）をもってリブ（３）において形成されていることを特徴とする伝熱管。
【請求項２】
少なくとも１つの突起部（６）の周囲で隣り合う前記切り込み部（７）が、前記切り込み深さ（ｔ１，ｔ２，ｔ３）において少なくとも１０％だけ変化することを特徴とする請求項１に記載の伝熱管（１）。
【請求項３】
最大の切り込み深さ（ｔ１，ｔ２，ｔ３）が、最大で前記管壁部（２）まで延在し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）。
【請求項４】
前記切り込み部（７）が、リブ層を形成するために、リブ延長に対して横方向へある切削深さ（ｔ１，ｔ２，ｔ３）で内側リブ（３）を切削することによって、及び前記プライマリ溝（４）間のリブ延長に沿って主方向を有するリブ層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請求項１〜３のいずれか１項に記載の伝熱管（１）。
【請求項５】
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１〜４のいずれか１項に記載の伝熱管（１）。
【請求項６】
前記リブ（３）の前記リブ部分（３１）が、前記グループ（１０）間で変更されずに存在し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）。
【請求項７】
複数の突起部（６）が、前記管壁部（２）から最も離れた箇所において、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１〜６のいずれか１項に記載の伝熱管（１）。
【請求項８】
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１〜７のいずれか１項に記載の伝熱管（１）。
【請求項９】
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１〜８のいずれか１項に記載の伝熱管（１）。
【請求項１０】
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１〜９のいずれか１項に記載の伝熱管（１）。
【請求項１１】
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１〜１０のいずれか１項に記載の伝熱管（１）。
【請求項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１〜１１のいずれか１項に記載の伝熱管（１）。
【請求項１３】
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１〜１１のいずれか１項に記載の伝熱管（１）。
【請求項１４】
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）あるいは前記管外側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１〜１３のいずれか１項に記載の伝熱管（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５７７５４１１号明細書
【特許文献２】米国特許第３６９６８６１号明細書
【特許文献３】米国特許第５０５４５４８号明細書
【特許文献４】独国特許発明第２７５８５２６号明細書
【特許文献５】米国特許第４５７７３８１号明細書
【特許文献６】米国特許第４６６０６３０号明細書
【特許文献７】欧州特許第０７１３０７２号明細書
【特許文献８】米国特許第４２１６８２６号明細書
【特許文献９】独国特許発明第１０１５６３７４号明細書
【特許文献１０】独国特許第１０２００６００８０８３号明細書
【特許文献１１】独国特許発明第６０３１７５０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
本発明は、管長手軸線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、それぞれ隣り合う前記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。前記リブが、前記管外側及び／又は前記管内側において少なくとも１つの構造化された範囲を備えており、該構造化された範囲が、表面から突出する、突起部高さを有する複数の突起部を備えており、これにより、前記突起部が切り込み部によって分離されている。本発明によれば、突起部は、リブ延長に沿って周期的に繰り返されるグループで配置されている。加えて、少なくとも２つの切り込み部が、グループ内の突起部間において、リブにおける交互の切り込み深さをもって形成されている。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
切り込み深さは、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。
【００１６】
交互の切り込み深さは、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が変化することと同じ意味である。加えて、これについて、この関係では切り込み基底部とも呼ばれる切り込みのそれぞれ最も深い箇所が、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。
【００１７】
このとき、本発明は、異なる切り込み深さに基づき、本質的に、突起部の互いに異なる高さ、向き及び形状が生じるという考察に基づいている。これにより、突起部は、規則正しい配置から逸脱することとなる。これにより、一層の流れの場合に、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。
【００１８】
境界層のこの目的に合わせた断絶は、突起部の一様で均等な配置に対して、熱伝達率について特にポジティブな影響を与える。突起部の形状、高さ及び配置は、適切な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リブ形状及び幾何形状によって適合されることが可能である。
【００１９】
これに対して、層流状の流れ範囲では、突起部が、層流状の流れ中心への不均等な埋没を生じさせ、したがって、管壁部から層流状の流れ中心への、あるいは層流状の流れ中心から管壁部への最適な熱伝導を生じさせる。乱流状及び層流状の流れ形状についてのこの最適化は、本発明による解決手段により、突起部の異なる切削深さ及び向きにより実現される。
【００２０】
有利には、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。これにより、ここでも境界層の断絶と、乱流の増大と、したがって熱伝達率の増大とをもたらす異なる高さの突起部が得られる。
【００２１】
本発明の有利な実施形態では、最大の切り込み深さが最大で管壁部まで延在することが可能である。これにより、境界層の断絶及び乱流の増大が達成される。これにより、熱伝達率の増大がもたらされる。管壁部の中まで至る切り込み部は、むしろ欠点であり、熱伝達率に対する対抗策として本質的に更にポジティブな影響を与えることなく、管壁部における不都合な材料脆弱部がもたらされ得る。
【００２２】
本発明の好ましい形態では、切り込み部が、リブ層を形成するために、リブ延長に対して横方向へある切削深さで内側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層を持ち上げることによって形成されることができる。
【００２３】
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。
【００２４】
用いられる工具は、リブ層を生み出すために、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層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。
【００２５】
これにより、突起部高さ及び間隔を、可変に構成することができるとともに、考慮される流体の要求、例えば液体の粘度、流速に関して個別に適合することが可能である。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。
【００２６】
有利には、リブの一部は、グループ間で変更されずに存在している。これにより、境界層の断絶による熱伝達に対する別のポジティブな影響をもたらすことができる。なぜなら、異なる分割／グループ化及び交代で交互のリブ形状により上述の効果が強められるためである。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態では、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。
【００２８】
特に好ましい実施形態では、突起部は、突起部高さ、形状及び向きにおいて互いに異なっていてよい。これにより、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埋没させるために、及び熱を管壁部へ導くために、個々の突起部は、目的に合わせて互いに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る。これにより、突起部高さ及び間隔は、要求、例えば流体の粘度、流速などへ個別に適合されることも可能である。
【００２９】
本発明の別の好ましい実施形態では、突起部は、管壁部とは反対側において、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、先端における最適な凝縮に至る。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、ここでも、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。
【００３４】
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。これにより、蒸発過程において熱伝達率の増大がもたらされる。
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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。
【００３８】
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３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。
【００３９】
突起部６は、リブ延長に沿って周期的に繰り返されるグループ１０に配置されている。突起部６は、リブ層を形成するために、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層を持ち上げることによって形成されている。切り込み部７は、グループ１０内の突起部６間において、リブ３における交互の切り込み深さをもって形成されている。
【００４０】
図２には、異なる切削深さ又は切り込み深さｔ１，ｔ２，ｔ３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を通して切り込み深さｔ１，ｔ２，ｔ３を備えている。図２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、リブ層を形成するために、リブ延長に対して横方向へある切り込み深さ／切削深さｔ１，ｔ２，ｔ３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層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り込み深さ／切削深さｔ１，ｔ２，ｔ３が量定される。
【００４１】
突起部高さｈは、図２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。
【００４２】
切り込み深さｔ１，ｔ２，ｔ３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。
【００４３】
図３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。
【００４４】
図４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。
【００４５】
図５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。
【００４６】
図３〜図５に図示されたリブ部分３１は、各グループに個別に、又はより大きな数で束ねられることが可能である。
【００４７】
図６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７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８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９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。
【００４８】
図６〜図９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。
【符号の説明】
【００４９】
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
６  突起部
６１  平行な面
６２  先端部
７  切り込み部
１０  突起部のグループ
Ａ  管長手軸線
ｔ１  第１の切削深さ
ｔ２  第２の切削深さ
ｔ３  第３の切削深さ
ｈ  突起部高さ
【図１】
2019517652.tif 000003
【図２】
2019517652.tif 000004
【図３】
2019517652.tif 000005
【図４】
2019517652.tif 000006
【図５】
2019517652.tif 000007
【図６】
2019517652.tif 000008
【図７】
2019517652.tif 000009
【図８】
2019517652.tif 000010
【図９】
2019517652.tif 000011
【国際調査報告】
2019517652.tif 000012
2019517652.tif 000013
2019517652.tif 000014
2019517652.tif 000015
2019517652.tif 000016
2019517652.tif 000017