(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁部（ＣＷ）が、内側面（ＩＳ）と外側面（ＯＳ）によって少なくとも部分的に画定されるチューブ状の本体（ＢＤＹ）を備え、
前記本体（ＢＤＹ）の少なくとも一つのセグメント（ＣＳ）において前記壁部（ＣＷ）がねじれた形状を有する、工業用の凝縮器の構成要素（ＴＥ）であって、
前記本体（ＢＤＹ）の内部を水が循環し、
前記本体（ＢＤＹ）は、等級２のチタンで形成され、
前記内側面（ＩＳ）は、前記セグメント（ＣＳ）に沿って螺旋状に延びる少なくとも一つの溝を有し、かつ、前記溝は、湾曲弧状の縦断面形状を有し、
前記セグメント（ＣＳ）の前記外側面（ＯＳ）は、前記溝と一致するよう形成された湾曲弧状の縦断面形状を有し、
前記ねじれ形状の壁部（ＣＷ）によって、前記セグメントに沿って螺旋状に延びるドーム状の起伏と、前記本体の前記内側面（ＩＳ）の対応する前記溝と、を有する前記外側面（ＯＳ）が形成され、
前記外側面（ＯＳ）の前記ドーム状の起伏と、前記内側面（ＩＳ）の対応する前記溝とは、それぞれのピッチが同じで一致しており、
前記壁部（ＣＷ）は、前記少なくとも一つのセグメント（ＣＳ）の全体にわたって一定の厚さ（ＴＴ）を有し、前記厚さ（ＴＴ）は、前記構成要素（ＴＥ）の公称厚さであり、
前記外側面（ＯＳ）は、１８〜３０ミリメートルの直径（ＣＯＤ）を有し、かつ、前記溝は、３．５ミリメートル未満のピッチ（ＣＰ）と深さ（ＣＤ）を有し、かつ、１．５〜２．５の実指数で累乗された前記ピッチ（ＣＰ）の前記深さに対する比が、２４の閾値未満である、
工業用の凝縮器の構成要素（ＴＥ）。
【請求項２】
前記実指数が１．７である、請求項１に記載の構成要素。
【請求項３】
前記本体（ＢＤＹ）は、少なくとも前記セグメント（ＣＳ）において、１８〜２６ミリメートルの外径（ＣＯＤ）を有する、請求項１または２に記載の構成要素。
【請求項４】
前記本体（ＢＤＹ）は、少なくとも前記セグメント（ＣＳ）において、２０〜２６ミリメートルの外径（ＣＯＤ）を有する、請求項３に記載の構成要素。
【請求項５】
前記本体（ＢＤＹ）は、少なくとも前記セグメント（ＣＳ）において、２０〜２３ミリメートルの外径（ＣＯＤ）を有する、請求項４に記載の構成要素。
【請求項６】
前記本体（ＢＤＹ）は、少なくとも前記セグメント（ＣＳ）において、１８．９０、２２．０７または２５．２５ミリメートルの外径（ＣＯＤ）を有する、請求項３に記載の構成要素。
【請求項７】
前記ピッチ（ＣＰ）は正確には２ミリメートルより大きい、請求項１〜６の何れか１項に記載の構成要素。
【請求項８】
前記ピッチ（ＣＰ）は３ミリメートル未満である、請求項１〜７の何れか１項に記載の構成要素。
【請求項９】
前記深さ（ＣＤ）は０．０５〜０．６ミリメートルである、請求項１〜８の何れか１項に記載の構成要素。
【請求項１０】
前記深さ（ＣＤ）は０．１５ミリメートルより大きい、請求項９に記載の構成要素。
【請求項１１】
前記壁部（ＣＷ）は、前記セグメント（ＣＳ）の少なくとも一部において、０．４〜１ミリメートルの厚さを有する、請求項１〜９の何れか１項に記載の構成要素。
【請求項１２】
前記壁部（ＣＷ）は、前記セグメント（ＣＳ）の少なくとも一部において、０．５ミリメートルの厚さを有する、請求項１１に記載の構成要素。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか１項に記載の少なくとも一つの構成要素を備える熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してチューブ状の本体を備える、工業用熱交換器の、具体的には凝縮器の構成要素（element）に関する。
【背景技術】
【０００２】
「チューブ凝縮器」としても知られた、そのような構成要素を備える凝縮器は、産業界で、特に発電に幅広く用いられている。第１の流体、典型的には液体の水が、複数のチューブの内部で循環され、一方、気体の第２の流体、一般的には蒸気がチューブの外側のチューブの近傍に送られる。そして、チューブの壁部を介して第１の流体と第２の流体との間で熱が交換され、それによって流体としての気体を凝縮させている。
【０００３】
工業用凝縮器は、大量の蒸気を可能な限り短時間で凝縮させる必要がある。凝縮器が単位時間当りの凝縮可能な蒸気の量が、少なくとも部分的にその能力を特徴付けている。このため、工業用凝縮器は、一般に数百または数千の長いチューブ、典型的には約２０メートルの長さのチューブを備えている。
【０００４】
元々、工業用凝縮器は表面が滑らかなチューブを備えている。そして、その能力、具体的には凝縮される蒸気の流量に関する能力を改善するため、新たなタイプのチューブが使用され始めている。その本体は依然として概してチューブ形状を保持しているが、その壁部は、本体の少なくとも一つのセグメントにおいて、ねじれ形状を有している。ねじれ形状の壁部によって、当該セグメントに沿って螺旋状に延びるドーム状の起伏と、本体の内側面の対応する溝と、を有する外側面が生じている。
【０００５】
この特定の構成がチューブの熱交換を大幅に改善し、一方では、ねじれ形状がチューブの内側と外側の両流体間のより大きな接触面積を壁部に与え、他方では、ねじれ形状がチューブの内側を流れる流体に乱流を生じさせている。これは、チューブの熱交換にとって全体的には有益なことである。また、ねじれ形状が、チューブの外側面に形成される液滴の排出も改善している。
【０００６】
技術的には、この種の構成を備えたチューブは、「波形（corrugated）」、より正確には「波形装備（equipped with corrugations）」として知られている。コルゲーション・ピッチとしても知られているねじれのピッチは、一般的には２０ミリメートルより大きい。
【０００７】
本出願人は、一般的にはコルゲート・チューブの実際の能力、具体的には外側面の流体の凝縮に関する実際の能力が、期待した能力よりも大幅に低いことがわかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、現在の状況の改善である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
提案した熱交換要素は、その壁部が内側面と外側面によって少なくとも部分的に画定されたチューブ状本体を備えている。その壁部は、前記本体の少なくとも一つのセグメントにねじれ形状を有している。その内側面は、前記壁部と対応する、前記セグメントの一面に螺旋状に延びる少なくとも一つの溝を有している。前記セグメントの前記外側面は１８〜３０ミリメートルの直径を有し、前記溝は３．５ミリメートル未満のピッチと深さを有し、１．５〜２．５の実指数で累乗された前記ピッチ（ＣＰ）の前記深さに対する比が、２４に近い閾値未満である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって、本発明はより良く理解される。
【図１】図１は、一般的な熱交換器の概略図である。
【図２】図２は、図１の交換器のチューブ要素の平面図である。
【図３】図３は、図１の交換器用チューブ要素の壁部の長手方向断面図である。
【図４】図４は、熱交換器用チューブ要素のねじれ部の部分破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付図面は、特定の文字の要素を含んでいる。したがって、それらは本発明の説明の補助に用いられるだけでなく、必要に応じて当該要素の定義にも寄与する可能性がある。
【００１２】
図１に関して説明する。この図は、工業用の熱交換器を凝縮器１の形態で概略的に示している。
【００１３】
凝縮器１は、チューブ３に沿って分散したプレート７によって、一つ以上の束５で互いに関連して保持された複数のチューブ３を備えている。このようにして、プレート７は、束５の各チューブ３の側を通っている。
【００１４】
また、凝縮器１は、各チューブ３の両端がその中で夫々開口する一対のヘッダータンク９を備えている。
【００１５】
一方のタンク９は流体インレット１１と連通し、他方のタンク９は流体アウトレット１３と連通している。
【００１６】
インレット１１とアウトレット１３は、第１の流体がその中を循環する回路に接続することができる。典型的には、第１の流体は、液体の形態でインレット１１を通って凝縮器１に入る。その液体は、対応するヘッダータンク９から他方のヘッダータンクまで、一回以上チューブ３内を循環する。それから、第１の流体は、アウトレット１３を通って凝縮器１を離れ、回路の残りの部分へ向かう。
【００１７】
チューブ３の束５は、従来、シェル１７として知られたものの内側に設けられたエンクロージャ１５に収容されている。シェル１７には、エンクロージャ１５内に開口した流体インレット１９と流体アウトレット２１が設けられている。
【００１８】
インレット１９およびアウトレット２１は、凝縮器１と第２の流体が循環する回路とが接続されることを可能にしている。
【００１９】
第２の流体は、気体の形態でインレット１９を通ってエンクロージャ１５に入る。第２の流体はチューブ３に接触し、そのチューブ内を循環している第１の流体と熱を交換する。第１の流体が概して第２の流体の温度よりも低い温度で導入されるので、後者はチューブ３の外側面で凝縮し、凝縮して液体になった第２の流体は、アウトレット２１を通ってエンクロージャ１５を離れる。
【００２０】
凝縮器１のタイプの凝縮器は、産業用発電において幅広く利用されている。具体的には、蒸気は、チューブ内を循環する冷水によって凝縮される。この目的のため、夫々最長で約２０メートルの非常に長いチューブが用いられている。
【００２１】
次に、図２について説明する。この図は凝縮器１のタイプの凝縮器に用いることができるチューブ要素ＴＥを示している。
【００２２】
チューブ要素ＴＥは、長さＴＬを有する、中空で細長く、概して円筒形または管状の本体ＢＤＹを備えている。本体ＢＤＹは、長さＣＬを有する中央セクションＣＳを介して互いに接続された２つの長手方向端部セクションＥＳ１，ＥＳ２を有している。長さＴＬは、中央セクションＣＳと端部セクションＥＳ１，ＥＳ２を含む、管状要素ＴＥの全長に一致している。
【００２３】
端部セクションＥＳ１，ＥＳ２は、外径ＴＯＤを有し、概して円筒形である。当技術分野において一般的に知られているように、外径ＴＯＤは、要素ＴＥの公称外径に一致している。端部セクションＥＳ１，ＥＳ２は、夫々滑らかな外側面および内側面を有している。
【００２４】
中央セクションＣＳは、チューブ要素ＴＥの長手方向軸ＬＡの周りに螺旋状物ＬＰを形成する、ねじれた（twist）、螺旋状に（helically）、または螺旋形(helix)で本体に沿って延びる壁部を有している。ここで、螺旋状物ＬＰは隣接している。
【００２５】
要素ＴＥの壁部のねじれた構造によって、中央セクションＣＳの全域に、中空および突起で形成された螺旋状の起伏を有する外側面が生じる。その結果、この起伏は、その外側面が同じ外径を有する滑らかなチューブの外側面よりも外延的であるため、要素ＴＥの熱交換能力を改善する可能性がある。また、その起伏は、要素ＴＥの外側面に形成する液滴の排出を改善している。中央セクションＣＳは、外径ＣＯＤを有する中空円筒形という外観を保持している。
【００２６】
次に、図３、４について説明する。これらの図は、壁部のねじれ形状部ＣＷと、そのねじれ形状の構造を概略的に示している。壁部ＣＷのねじれ形状によって、夫々外側面ＯＳの中空と突起に一致する形状を備えた、ピークと中空で形成された起伏（relief）を有する内側面ＩＳが生じる。換言すれば、内側面ＩＳは、中央セクションＣＳに沿って螺旋状に延びる溝を有している。さらに換言すれば、内側面ＩＳは、螺旋形状を有している。
【００２７】
この起伏は、要素ＴＥ内を流れる流体に渦を生成し、要素ＴＥの熱交換能力を向上させることができる。
【００２８】
ねじれた壁部ＣＷは厚さＴＴを有している。厚さＴＴは、要素ＴＥの公称厚さ、すなわち、要素ＴＥが厚さに基づいた滑らかなチューブの壁部の厚さに一致している。中央セクションＣＳは、内径ＣＩＤを有している。内径ＣＩＤは、要素ＴＥの内部を丁度通過することが可能なゲージの直径に一致している。
【００２９】
ねじれたセクションＣＳは、ねじれたセクションＣＳの要素ＴＥの公称外径、すなわち、前記セクションの円筒形のエンベロープ面の直径に一致した外径ＣＯＤを有している。
【００３０】
ねじれた形状は、管状要素の内部で考えられるピッチＣＰを有している。ねじれた形状から生じる内側溝の深さＣＤは、管状要素の内側エンベロープ面に関連し、換言すれば、内側面ＩＳにおける中空の底部と、ピークの頂点との間の径方向距離と考えられる。
【００３１】
図には示されていないが、チューブの公称内径に一致する寸法は、一般には公知であるように、ＴＩＤ、すなわち、ここでは滑らかな端部セクションＥＳ１，ＥＳ２の公称内径で表すことができる。
【００３２】
本発明の一般的な態様によれば、チューブ要素ＴＥは、ねじれたセクションＣＳ上に１８〜３０ミリメートルの公称外径ＣＯＤを有している。ねじれのピッチＣＰは３．５ミリメートル未満である。深さＣＤは、フォームレシオＦＲとして知られた、１．５〜２．５から成る実指数で累乗されたピッチＣＰの深さＣＤに対する比が、依然として閾値ＴＶ未満になっている。具体的には、閾値ＴＶは２４に近い。具体的には、指数（power）Ｒは１．７に近い。換言すると、深さＣＤは、以下に記載した条件ＣＯＮＤ１，ＣＯＮＤ２，ＣＯＮＤ３を実証している。
ＦＲ＝ＣＰ∧Ｒ／ＣＤ      （ＣＯＮＤ１）
ＦＲ＜２４                （ＣＯＮＤ２）
１．５＜Ｒ＜２．５および具体的にはＲ＝１．７        （ＣＯＮＤ３）
【００３３】
以下の表１Ａおよび表１Ｂは、本発明の３つの変数（表１Ａ）および２つの実施の形態（表１Ｂ）のチューブ要素のねじれたセクションＣＳのデータ特性を示している。ここで、寸法はミリメートルで表されている。何れの場合も、チューブ要素は、それらの変数が条件ＣＯＮＤ１，ＣＯＮＤ２，ＣＯＮＤ３を実証している。ただし、Ｒ＝１．７である。
【００３４】
【表１Ａ】
0006648036.tif 000002
【００３５】
【表１Ｂ】
0006648036.tif 000003
【００３６】
表１Ａおよび表１Ｂは、本発明のチューブのねじれ部が、典型的には２０ミリメートルを超える波形チューブに従来用いられているピッチの値と比較して、３．５ミリメートル未満、好ましくは３ミリメートル未満の非常に小さなピッチの値を有することを示している。そのため、本発明のチューブは、ねじれたセクションが螺旋に似た形状を有しているという点で、従来のチューブとは異なっている。
【００３７】
以下の表２は、各々が、ねじれた中央セクションを有する（Ｉ、・・・、ＸＩＩでマークした）チューブ要素のセットに関連する寸法特性を示している。チューブ要素は、互いに異なるピッチＣＰおよび深さＣＤの値によって特徴付けられる、夫々のねじれたセクションの輪郭が互いに異なっている。表２にない寸法は、チューブＩ〜ＸＩＶに共通している。具体的には、それらのチューブ要素は全て、２２．２２ミリメートルの外径と、０．５ミリメートルの壁厚とを有している。これらのチューブは、等級２のチタンで形成されている。
【００３８】
ピッチＣＰと深さＣＤの値は、ミリメートルの単位で表されている。
【００３９】
また、表２は、１．７という指数Ｒに関して計算したフォームレシオＦＲの対応する値も示している。
【００４０】
【表２】
0006648036.tif 000004
【００４１】
表２において、チューブ要素ＩＩ，ＩＩＩは変数２に従っている。また、チューブ要素ＩＩＩは実施の形態２にも従っている。また、構成要素Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，Ｖ，ＶＩＩＩは、それらが３．５ミリメートル未満のピッチの値ＣＰを有し、かつ条件ＣＯＮＤ１，ＣＯＮＤ２，ＣＯＮＤ３も実証するという点で、本発明に従っている。
【００４２】
チューブ要素ＩＶおよびＶＩは、それらが条件ＣＯＮＤ１〜ＣＯＮＤ３を実証していないことを除いて、変数２の寸法を有している。
【００４３】
チューブ要素Ｘは、条件ＣＯＮＤ１，ＣＯＮＤ２，ＣＯＮＤ３を実証している。ただしＲ＝１．７である。
【００４４】
以下の表３は、表２の構成要素を採用した熱交換能力の測定結果を示している。
【００４５】
表３において、係数Ｋは、当該チューブ要素に関して測定した熱交換能力を表している。係数Ｋは、ワット／平方メートル・ケルビン（Ｗ．ｍ−２．Ｋ−１）で表されている。パーセンテージで表されたＨＥＲ値は、他の同様の寸法を有する滑らかな構成要素と比較した、当該構成要素に関するＫ値の改善に相当する。
【００４６】
【表３】
0006648036.tif 000005
【００４７】
表３は、条件ＣＯＮＤ１，ＣＯＮＤ２，ＣＯＮＤ３の準拠が、概して熱交換能力の著しい増加に関連していることを示している。チューブ要素Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，Ｖ，ＶＩＩＩ，Ｘ，ＸＩＩの対応する行の数値は、滑らかなチューブの場合の基準値（５，２７２Ｗ．ｍ−２．Ｋ−１）より大きく、少なくとも４５％の係数Ｋの値を有している。一方の行ＶＩＩ，Ｘと、他方の行Ｉ，ＸＩＩＩ，ＸＩＶの表２における比較は、レシオＦＲが、２４という閾値を超えた場合の熱交換能力の僅かな増加も示している。レシオＦＲが閾値を超える場合、滑らかなチューブと比較した熱交換能力の増加は、一般的に３０％未満である。
【００４８】
表３は、本発明のチューブ要素は、一方において、滑らかな要素と、ねじれたセクションが、本発明によって提供される形状から逸脱した要素と比較して大幅に改善された熱交換能力を有することを証明している。
【００４９】
以下の表４は、表２のチューブ要素を採用した場合の測定結果を示している。
【００５０】
また、表４は、当該チューブ要素に関するダルシー（Ｄａｒｃｙ）またはダルシー・ワイスバッハ（Ｄａｒｃｙ−Ｗｅｉｓｂａｃｈ）係数として知られた係数の値、および表面が滑らかな基準チューブと比較した場合の、この係数の値の増加ＤＣＲの値も示している。ダルシー係数は、損失水頭係数と一致している。この無次元量は、フローの種類（層流または乱流）の影響と、損失水頭に関するパイプの仕上げ（円滑または粗）とを表している。ここで、ダルシー係数は、毎時２．５立方メートルという流量に関して計算されている。
【００５１】
ダルシー値の増加は、凝縮器内のチューブ要素の能力に対しては、全体的に好ましくない。具体的には、ダルシー値の増加は、チューブ内の流体の循環に必要なエネルギ消費の増加を意味している。換言すれば、ダルシー値の増加は、同じエネルギ消費の場合、チューブ要素の外側の蒸気の凝縮に対して害を及ぼす。 
【００５２】
【表４】
0006648036.tif 000006
【００５３】
表４は、本発明のチューブが、ダルシー値が著しく増加していることを概略的に示している。しかしながら、この増加は、（行ＸおよびＸＩＩの比較によって示されるように、１４０未満で、かつ本発明によらない幾つかのチューブよりも低い）依然として限定されている。さらに、ダルシー係数の相対的増加は、検査した他のチューブと比較して、第２の変形例（チューブＩＩおよびＩＩＩ）の要素およびチューブＩの場合、非常に小さい（１００％に近いか、１００％に満たない）。第２の変形例のチューブおよびチューブＩは、ダルシー値の増加が他の場合よりも著しく小さい。
【００５４】
上記の結果として、本発明のねじれたセクションを備えたチューブは、チューブの外部を循環する気体を凝縮する能力に関して大幅な改善が可能である。この改善された性能は、熱交換能力を大幅に改善し、かつ損失水頭の影響を実質的に制限するねじれた形状によってもたらされる。
【００５５】
実施例ＩおよびＩＩと、実施例ＸＩＩＩおよびＸＩＶの比較は、ピッチの低下が、ダルシー係数を下げることを可能にするが、条件ＣＯＮＤ１，ＣＯＮＤ２，ＣＯＮＤ３を満たすことは、熱交換能力の向上が可能なことを示している。
【００５６】
また、変形例１〜変形例３、実施の形態１および実施の形態２のチューブは、本発明の他のチューブに相当する熱交換能力、およびそれらのチューブと比較して実質的に低い損失水頭により更に改善された凝縮能力を示すことが可能である。
【００５７】
本発明の包括的な実施の形態に基づいて、その結果が少なくとも部分的に表２、表３に示された試験結果に基づいて、随意的、追加的または代替的である以下の特徴によってチューブの凝縮能力が更に改善可能と考えられる。
【００５８】
チューブの外径ＴＯＤは１９〜２６ミリメートルであり、好ましくは２０〜２６ミリメートルであり、より選択的には２０〜２３ミリメートルである。具体的には外径ＴＯＤは１９．０５ミリメートル、２２．２２ミリメートル、または２５．４ミリメートルに近い。
【００５９】
ねじれた部分の外径ＣＯＤは１８〜２６ミリメートルであり、好ましくは２０〜２６ミリメートルであり、より選択的には２０〜２３ミリメートルである。具体的には外径ＣＯＤは１８．９０ミリメートル、２２．０７ミリメートル、または２５．２５ミリメートルに近い。
【００６０】
ピッチＣＰは正確には２ミリメートルより大きく、３ミリメートル未満である。
【００６１】
深さＣＤは０．０５〜０．６ミリメートルであり、具体的には０．１５ミリメートルより大きい。
【００６２】
チューブの壁部ＣＷの厚さＴＴは０．４〜１ミリメートル、例えば０．５ミリメートル程度である。
【００６３】
本発明は、上述の実施の形態に限定されることなく、当業者が想像できる全ての変形例を包含するものとする。
【図１】
0006648036.tif 000007
【図２】
0006648036.tif 000008
【図３】
0006648036.tif 000009
【図４】
0006648036.tif 000010