(57)【要約】熱交換器のキャパシティおよび摩耗特性を改善するバイメタル熱交換チューブを有する製氷機用熱交換器の熱交換チューブ。本発明の熱交換チューブは、第１の材料組成を備えた外側部分および第２の材料組成を備えた内側部分を有し、第１の材料組成と第２の材料組成とは異なっている。第１の材料組成は、製氷機の熱交換器ユニットに使用される冷媒との相容性を有し、第２の材料組成は熱交換チューブ内で冷却されるフィード溶液との相容性を有している。
2004506864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
氷スラリ混合物を製造するための製氷機であって、氷スラリ混合物が製氷機の熱交換器の少なくとも１つの熱交換チューブを通って流れる構成の製氷機において、
熱交換チューブの外側部分が第１の材料組成を有し、熱交換チューブの内側部分が第２の材料組成を有し、第１の材料組成と第２の材料組成とは異なっており、チューブの外側部分および内側部分は一体結合されて熱交換チューブを形成していることを特徴とする製氷機。
【請求項２】
前記チューブの外側部分は外側円筒状スリーブであり、チューブの内側部分は内側円筒状スリーブであり、外側円筒状スリーブおよび内側円筒状スリーブの各々は外径面および内径面を有し、外側円筒状スリーブの外径面は熱交換チューブの外面を形成し、内側円筒状スリーブの内径面は熱交換チューブの内面を形成し、外側円筒状スリーブは内側円筒状スリーブを包囲し、外側円筒状スリーブの内径面が内側円筒状スリーブの外径面と接触していることを特徴とする請求項１記載の製氷機。
【請求項３】
前記外側スリーブは溶接チューブであることを特徴とする請求項２記載の製氷機。
【請求項４】
前記内側スリーブは引抜きチューブであることを特徴とする請求項２記載の製氷機。
【請求項５】
前記第１の材料組成は、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼およびアルミニウムからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の製氷機。
【請求項６】
前記第２の材料組成は、銅をベースとする材料であることを特徴とする請求項１記載の製氷機。
【請求項７】
前記内側スリーブおよび外側スリーブは機械的な締り嵌めにより結合されていることを特徴とする請求項２記載の製氷機。
【請求項８】
前記内側スリーブと外側スリーブとの間に介在された第３の材料を更に有し、該第３の材料は内側スリーブと外側スリーブとを冶金的に接合することを特徴とする請求項２記載の製氷機。
【請求項９】
前記内側スリーブと外側スリーブとの間に介在されたサーマル・マスチックを更に有し、該サーマル・マスチックは内側スリーブと外側スリーブとの間の熱伝導を増大させることを特徴とする請求項２記載の製氷機。
【請求項１０】
フィード溶液を冷却して該フィード溶液の結晶化した固体／液体混合物を形成する熱交換器と、
該熱交換器の少なくとも１つの熱交換チューブとを有し、該熱交換チューブは、フィード溶液を収容するボアと、熱交換チューブに対して相対運動して、熱交換チューブ内でフィード溶液を分散させる少なくとも１つのホイップロッドとを備え、熱交換チューブの内径面は内側クラッディングで覆われ、該内側クラッディングはチューブの材料組成とは異なる材料組成を有し、チューブの内径面を実質的に覆う内側クラッディングは、フィード溶液と接触しかつチューブを通る溶液の流路を形成することを特徴とするホイップロッド型熱交換器。
【請求項１１】
前記内側クラッディングは銅をベースとする材料であることを特徴とする請求項１０記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記内側クラッディングは中空円筒状の形状を有しかつチューブに機械的に結合されていることを特徴とする請求項１１記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記熱交換チューブは、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、炭素鋼およびアルミニウムからなる群から選択されることを特徴とする請求項１０記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記内側クラッディングはシームレスであることを特徴とする請求項１０記載の熱交換器。
【請求項１５】
前記内側クラッディングは、フィード溶液が熱交換器に導入されたときに、防食用陽極として機能することを特徴とする請求項１０記載の熱交換器。
【請求項１６】
前記内側クラッディングはシームレスチューブであり、
熱交換チューブは内側クラッディングに結合されたチューブ状部材であることを特徴とする請求項１０記載の熱交換器。
【請求項１７】
前記チューブ状部材は内側クラッディングに機械的に結合されていることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項１８】
前記チューブ状部材は内側部材に接合されていることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項１９】
前記チューブ状部材と内側クラッディングとの間には第３の材料が介在されており、該第３の材料はチューブ状部材と内側クラッディングとを結合していることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項２０】
前記チューブ状部材はアンモニアおよびアンモニア化合物との相容性を有していることを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
【請求項２１】
チューブシートを有し、該チューブシートは、熱交換器内に熱交換チューブを保持しかつフィード溶液が熱交換チューブを通って熱交換器内で流れるように導き、各熱交換チューブは、ロール転圧固定およびロウ付によりチューブシートに連結されていることを特徴とする請求項１０記載の熱交換器。
【請求項２２】
氷スラリ発生機の熱交換器用の熱交換チューブにおいて、
第１の材料組成から作られた第１の内面と、第２の材料組成から作られた第２の外面とを有し、第１の材料組成と第２の材料組成とは異なっていることを特徴とする氷スラリ発生機の熱交換器用の熱交換チューブ。
【請求項２３】
前記チューブは２つの同心状スリーブからなることを特徴とする請求項２２記載の熱交換チューブ。
【請求項２４】
前記チューブは、内側スリーブ上で外側スリーブを引抜くことにより形成されることを特徴とする請求項２３記載の熱交換チューブ。
【請求項２５】
前記チューブは内側スリーブ上に設けられた外側スリーブからなることを特徴とする請求項２３記載の熱交換チューブ。
【請求項２６】
前記両スリーブは互いに締り嵌めされていることを特徴とする請求項２３記載の熱交換チューブ。
【請求項２７】
前記内側チューブの実質的に全体が外側スリーブにより包囲されていることを特徴とする請求項２３記載の熱交換チューブ。
【請求項２８】
前記両スリーブの隣接表面の実質的に全体が物理的に接触していることを特徴とする請求項２３記載の熱交換チューブ。
【請求項２９】
前記内側スリーブの内面は実質的にシームレスであることを特徴とする請求項２３記載の熱交換チューブ。
【請求項３０】
前記チューブは内側スリーブと外側スリーブとの間に介在された第３の材料を有し、該第３の材料は内側スリーブと外側スリーブとを一体に接合することを特徴とする請求項２３記載の熱交換チューブ。
【請求項３１】
前記チューブは内側スリーブと外側スリーブとの間に介在された第３の材料を有し、該第３の材料はサーマル・マスチックであることを特徴とする請求項２３記載の熱交換チューブ。
【請求項３２】
前記第１の材料の組成は銅をベースとする材料であることを特徴とする請求項２３記載の熱交換チューブ。
【請求項３３】
前記第２の材料組成は、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼およびアルミニウムからなる群から選択されることを特徴とする請求項２３記載の熱交換チューブ。
【請求項３４】
氷スラリ発生機用の熱交換チューブにおいて、
第１の内面および第２の外面を有し、第１の内面はフィード溶液と接触できかつ該フィード溶液の存在下での防食用陽極として機能する電食特性を有することを特徴とする氷スラリ発生機用の熱交換チューブ。
【請求項３５】
前記内面および外面の各々がスリーブからなることを特徴とする請求項３４記載の熱交換チューブ。
【請求項３６】
熱交換チューブを備えた熱交換器を有し、氷スラリ混合物が熱交換器内を流れかつ冷媒が熱交換器のチャンバ内で循環され、熱交換チューブが、入口および出口と、該入口と出口との間でチューブ内の氷スラリ混合物を移動させる手段とを備えている構成の製氷機のキャパシティを増大させる方法において、
第１の材料組成から形成された熱交換チューブの内側部分と第２の材料組成から形成された熱交換チューブの外側部分とを備えた熱交換チューブを設ける段階を有し、第１の材料組成と第２の材料組成とは異なっており、チューブの内側部分および外側部分は、内側部分と外側部分との間の熱抵抗が最小になるように結合され、内側部分は氷スラリ混合物が熱交換チューブに付着することを制限することを特徴とする方法。
【請求項３７】
前記熱交換チューブを設ける段階は、
外側円筒状スリーブの形態をなすチューブの外側部分および内側円筒状スリーブの形態をなすチューブの内側部分を設ける段階からなり、外側および内側円筒状スリーブの各々が外径面および内径面を備え、外側円筒状スリーブの外径面は熱交換チューブの外面を形成し、内側円筒状スリーブの内径面は熱交換チューブの内面を形成し、外側円筒状スリーブは内側円筒状スリーブを包囲し、外側円筒状スリーブの内径面は内側円筒状スリーブの外径面と接触していることを特徴とする請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
前記熱交換チューブを設ける段階は、
前記熱交換チューブの内側部分を、氷スラリ混合物の存在下で防食用陽極として機能するように構成して、熱交換チューブの内側部分が氷スラリ混合物を移動させる手段の摩耗を低減させることを特徴とする請求項３６記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の材料組成は銅をベースとする材料であることを特徴とする請求項３６記載の方法。
【請求項４０】
前記第２の材料組成は、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼およびアルミニウムからなる群から選択されることを特徴とする請求項３６記載の方法。
【請求項４１】
軌道周回ロッド型熱交換器の駆動部品の摩耗を低減させる方法において、
第１の材料組成から形成された熱交換チューブの内側部分と第２の材料組成から形成された熱交換チューブの外側部分とを備えた熱交換チューブを設ける段階を有し、第１の材料組成と第２の材料組成とは異なっており、内側部分は熱交換チューブを通って流れるフィード溶液と接触し、内側部分は、フィード溶液が存在するときに、駆動部品に比べて低い電食電位を有することを特徴とする方法。
【請求項４２】
前記第１の材料は銅をベースとする材料であることを特徴とする請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記第２の材料組成は、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼およびアルミニウムからなる群から選択されることを特徴とする請求項４１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、流体の冷却（ｃｈｉｌｌｉｎｇ）または製氷に使用する熱交換器の熱交換チューブに関する。より詳しくは、本発明は、バイメタル熱交換チューブを使用して、熱交換器のキャパシティを高めかつ熱交換器内の他の部品の摩耗速度を低下させた熱交換器の改善に関する。
【０００２】
（背景技術）
冷却された（ｃｈｉｌｌｅｄ）流体または水／氷混合物を製造する熱交換器は当業界で良く知られている。これらの熱交換器は、スラリ／氷混合物を使用して肉、農産物および魚を冷凍する食品加工産業を含む種々の産業で使用されている。また熱交換器は、乳製品および濃縮果汁の加工、ＨＶＡＣおよび醸造の用途にも使用されている。これらの熱交換器では、氷／水混合物が熱交換チューブを通してポンプ圧送され、かつ冷媒が熱交換チューブの周囲で循環される。流体混合物は熱交換チューブを通るときに冷却され、冷えた混合物はリザーバ内にプールされて、必要に応じて次の加工を行なうため該リザーバに蓄積される。チューブ内に氷が形成されてチューブに付着することを防止するため、機械的攪拌器が使用され、熱交換器を通る冷却された混合物の流れを維持している。
【０００３】
食品加工産業に広く使用されている１つの機械として、ホイップロッド型熱交換器（ｗｈｉｐ ｒｏｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）がある。一般的なホイップロッド型熱交換器は、ホイップロッドが熱交換チューブ内に配置されている垂直熱交換チューブを有している。フィード溶液すなわち加工溶液が熱交換チューブ内に導入される。熱交換器の駆動機構は、チューブとホイップロッドとを相対運動させてチューブ内でフィード溶液を均一に分散させることにより、フィード溶液を一層有効に冷凍または冷却する。「改善された熱伝導性を有する軌道周回蒸発器（”Ｏｒｂｉｔａｌ Ｔｕｂｅ Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ Ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ”）」という名称の１９９３年６月２２日発行の米国特許第５，２２１，４３９号には、軌道周回チューブ蒸発器システムが開示されている。また、「確動軌道周回ホイップロッドを備えた熱伝導装置（Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｗｉｔｈ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｄｒｉｖｅ Ｏｒｂｉｔａｌ Ｗｈｉｐ Ｒｏｄ）」という名称の１９９５年１月３１日発行の米国特許第５，３８５，６４５号（この米国特許の開示は本願に援用する）には、軌道周回チューブ蒸発器の改善が開示されている。この米国特許第５，３８５，６４５号に開示の軌道周回ホイップロッドシステムでは、フィード溶液が垂直チューブを通ってポンプ圧送されかつ垂直熱交換チューブを包囲するチャンバ内を循環する冷媒により冷却される（ｃｈｉｌｌｅｄ）。ホイップロッドは静止する熱交換チューブ内で軌道周回方向に移動するため、流体はチューブの内径面上に膜として分散される。ホイップロッドは乱流を発生し、この乱流が、フィード溶液が冷却されかつ熱交換器の頂部から底部へと移動するときにチューブの内壁に付着することを防止する。冷媒は熱伝導チューブの外面の回りで循環され、フィード溶液から熱を除去しかつ該フィード溶液を冷却する。冷却されたフィード溶液は、次に、垂直チューブの底部から貯蔵タンクへと導かれ、ここからポンプ圧送されて必要な用途に応じて使用される。
【０００４】
「チューブおよびホイップロッド型熱交換器用装置、方法およびシステム（“Ａｐｐａｒａｔｕｓ， Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒ Ｔｕｂｅ ａｎｄ Ｗｈｉｐ Ｒｏｄ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ”）」という名称の１９９９年９月２１日発行の米国特許第５，９５３，９２４号（該米国特許の開示は本願に援用する）には、軌道周回ホイップロッド型熱交換器の改善が開示されている。この米国特許には、軌道周回ホイップロッド型熱交換器が、熱交換チューブが加工流体で充満されかつホイップロッドが熱交換チューブの両端部から駆動される充満型チューブモードと、熱交換チューブが加工流体で部分的に充満されかつホイップロッドがチューブ内で浮遊していて駆動板からチューブの上方に駆動される落下膜モードとで作動するように構成された発明が開示されている。
【０００５】
食品加工産業での広範囲の使用に見られる氷／スラリ混合物を製造するための他の形式の熱交換器は、チューブ内に回転ブレードを備えた充満型冷凍チューブを有する熱交換器である。これらの熱交換器は、１９９９年３月２３日発行の米国特許第５，８８４，５０１号および２０００年５月２日発行の米国特許第６，０５６，０４６号に開示されており、これらの開示は本願に援用する。氷／スラリ混合物は、熱交換器ハウジング内の中央チューブ内で形成されかつ回転ブレードにより中央チューブの入口から出口へと移動される。冷媒は、熱交換器ハウジングの外周面の回りに形成された冷媒チューブ内で循環される。回転ブレードは、熱交換器の中央チューブの内壁に接触することなく該中央チューブ内を通って移動し、このため、冷却された流体がチューブ内面から移動され、氷の結晶が熱交換器の内壁上に堆積するのが防止される。
【０００６】
軌道周回ホイップロッド型熱交換器を含むこれらの従来の熱交換器では、チューブは一般にステンレス鋼で作られている。なぜならば、ステンレス鋼は、チューブの内面を通ってポンプ圧送されるフィード溶液、および熱交換チューブの外面の回りを循環する冷媒の両者に対して耐食性を有するからである。ステンレス鋼はまた、優れた熱伝導性および高い強度を有している。冷却されるフィード溶液が海水および食品を含んでいる種々の用途のステンレス鋼チューブの熱交換器では、冷媒としてＨＣＦＣおよびアンモニアが使用される。熱交換チューブを構成するのに銅も使用されているが、銅は、一般に、アンモニアをベースとする冷媒システムとの相容性がない。安全に対して高い関心を有する産業では、ＨＣＦＣ冷媒が引き続き使用されている。一方、加工冷却用途では、低コストで高効率であることから、アンモニアをベースとする冷媒が非常に適している。ステンレス鋼チューブは両システムに使用できるため、ステンレス鋼の熱交換チューブが一般的である。
【０００７】
しかしながら、ステンレス鋼の熱交換チューブシステムは多くの欠点を有している。一般に、ステンレス鋼チューブの熱交換器は、銅チューブの熱交換器に比べてかなり高価である。銅チューブまたはステンレス鋼チューブの熱交換器の構造では、チューブは、一般に、チューブシートにロール転圧固定（ｒｏｌｌ ｆａｓｔｅｎｉｎｇ）される。冷媒が熱交換器ユニットから漏洩して、フィード溶液内および周囲の作業空間内に流入することを防止するため、チューブとチューブシートとの連結は漏洩防止境界を形成しなければならない。アンモニアは毒性を有するので、冷媒としてアンモニアを使用する用途では、ステンレス鋼チューブは、ロール転圧固定に加えてチューブシートに溶接し、この用途に必要な漏洩防止境界を確保しなければならない。銅チューブ熱交換器はアンモニアを使用しないので、チューブとチューブシートとの連結はロール転圧固定のみでよく、従って製造コストを低減できる。また、ステンレス鋼は、一般に銅よりも材料コストが高い。
【０００８】
これらの形式の熱交換器では、シームレスステンレス鋼チューブが好ましい。溶接ビードが平坦化されて、シーム上に滑らかな移行部を形成できるならば、溶接チューブを使用することもできる。軌道周回ロッド型熱交換器では、チューブの内面が滑らかであると、ホイップロッドは、シーム上で「衝突」すなわちジャンピングすることなく、チューブの内面に沿って移動できる。ホイップロッドの常時運動（ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｍｏｔｉｏｎ）によって、チューブ内での氷形成を防止するのに必要な乱流層が形成される。ブレード形式の熱交換器では、チューブの内面に沿う流体の流れのため、維持ブレードとチューブの内面との間に小さい半径方向間隙が維持されるように、滑らかな表面が必要とされる。よりコストが嵩むシームレスチューブまたは溶接ビードの２次平坦化作業は、コストを付加する。通常、銅チューブは製造されたときに継目（シーム）がないので、一般に、シームレスステンレス鋼チューブよりも安価である。
【０００９】
従来の銅をベースとするシステムに比べ、ステンレス鋼熱交換チューブはまた、他の欠点を有している。溶液が加工されるときの凝固点を下げてスラリの形成を促進するため、エチレングリコール、プロピレングリコール、尿素およびエタノール等の添加剤が添加される。フィード溶液に使用されると、これらの物質は、フィード溶液の氷結晶を、大きく平らなフレーク状結晶構造としてではなく、小さいフレークまたは粉末状固形物として形成する。氷粒子の粉末のようなコンシステンシーは、フィード溶液が熱交換チューブの内壁面に付着することを防止する。一般に、リン酸二カリウム（Ｋ２ＨＰＯ４）のような他の防錆剤も添加される。
【００１０】
添加剤はチューブ内での氷スラリの形成を増大させるが、これらの添加剤をフィード溶液中に使用すると、熱交換器の部品の腐食および摩耗を加速する傾向を有する。より詳しくは、チューブ内でのホイップロッドの位置決めおよび駆動を行なう駆動機構の偏心器およびチューブインサートは焼入れ鋼で作られており、フィード溶液の存在下での材料のこの相違は、これらの駆動部品への腐食作用を加速する。ステンレス鋼チューブ構造をもつ軌道周回ロッド型熱交換器では、チューブインサートおよび偏心器は最も陽極性が高い。一般に、これらの部品は小さい表面積を有するので、電食作用を強く受ける傾向を有する。チューブインサートおよび偏心器が腐食すると、これらの表面は粗くなり、硬くかつ粗い表面は、プラスチックカウンタクランク、プラスチックスリーブベアリングおよびホイップロッド等の駆動機構の他の構成部品の摩耗の加速に寄与する。
【００１１】
腐食性は、フィード溶液中の防錆剤の濃度が低い場合に一層顕著になる。腐食を小さくするには、添加剤の濃度を比較的高く維持しなければならない。一般に、腐食を防止するには、リン酸塩は、少なくとも１０００ｐｐｍ、好ましくは４０００ｐｐｍのレベルに維持しなくてはならない。システムの劣化を防止するには、添加剤のレベルを周期的にモニタリングしなければならない。また、駆動システムの或る領域は、腐食と、フィード溶液中の懸濁固形物による侵食との組合せ作用を受ける。この種の急速摩耗を防止するため、ステンレス鋼の熱交換チューブを備えた製氷機には、一般に２次濾過システムが設けられ、これも、機械のコストを増大させることとなる。
【００１２】
ステンレス鋼チューブの熱交換器に見られる高い製造コストおよび摩耗問題に加え、ステンレス鋼チューブを使用する製氷機は、銅チューブを使用する熱交換器を備えた製氷機と比較して、一般に製氷能力が低い。
【００１３】
（発明の開示）
従来技術のこれらの問題および他の問題を解決するため、本発明者は、従来技術の熱交換チューブについての改善である熱交換チューブの設計に成功した。本発明の熱交換チューブは、ステンレス鋼の熱交換チューブを使用する製氷機のキャパシティを高めかつ熱交換器の他の部品の摩耗特性を改善する。
【００１４】
本発明は、氷／水スラリ混合物を製造する従来の製氷機に使用されている熱交換チューブの改善である。本発明の熱交換チューブは、第１の材料組成から形成される外側部分と、第２の材料組成から形成された内側部分とを有している。熱交換チューブの外側部分および内側部分は一体結合されて、ワンピースチューブを形成する。チューブの外側部分は、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼またはアルミニウムから作ることができる。チューブの内側部分は、熱交換器で加工されるフィード溶液に基いて、銅、銅−ニッケルまたは黄銅材料から作ることができる。チューブの外側部分は、広範囲の種類の冷媒との相容性を有し、内側部分は、多量の熱流束が熱交換チューブを通ることを可能にして、製氷機のキャパシティを増大させる。
【００１５】
本発明の熱交換チューブは、ホイップロッド型熱交換器を含む広範囲の熱交換器に使用できる。熱交換チューブがホイップロッド型熱交換器に配置される場合、熱交換チューブの内側部分は好ましくはシームレスとし、ホイップロッドと熱交換チューブとが滑らかに相対運動できるようにする。また、熱交換チューブの内側部分は、フィード溶液の存在下で、熱交換器の他の構成部品と比べて低い電食電位を有することが好ましい。これにより、熱交換チューブの内側部分が、熱交換器内の他の構成部品（より詳しくは、チューブとホイップロッドとの間の軌道周回相対運動を生じる駆動部品）との防食用陽極（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ａｎｏｄｅ）として機能し、これらの構成部品の腐食を防止しかつ摩耗を低減させることを可能にする。
【００１６】
本発明の熱交換チューブの形成に際し、熱交換チューブの外側部分は外側円筒状スリーブの形態をなし、内側部分は内側円筒状スリーブの形態をなしている。内側円筒状スリーブは、外側円筒状スリーブのボア内に嵌合される。外側円筒状スリーブは内側円筒状スリーブ上で引抜かれ、両スリーブが機械的締り嵌めにより一体結合されるように構成できる。内側円筒状スリーブと外側円筒状スリーブとの間の熱抵抗を低下させるため、サーマル・マスチックまたはグリースのような熱伝導性を有する第３の材料を使用できる。
【００１７】
外側円筒状スリーブは、内側円筒状スリーブの回りに巻き付けられるクラッディングの形態にして、内側円筒状スリーブの外径面が外側クラッディングにより実質的に覆われるように構成できる。この構成では、外側円筒状スリーブは、内側円筒状スリーブの外径面の回りに平らなストック材料を転圧することにより形成される。内側円筒状スリーブと外側円筒状スリーブとの間、および転圧された平らなストック材料の両端部の間の領域には、外側スリーブと内側スリーブとを結合できるロウ付材料または他の配合物等の第３の材料を介在させて、外側クラッディングと内側スリーブとの間に冶金的接合を形成することができる。同様に、内側円筒状スリーブを、外側円筒状スリーブのボアに取り付けられる内側クラッディングで形成することができる。外側または内側クラッディングは、電気−化学法、フレーム溶射法またはプラズマコーティング法等により、熱交換チューブの内径面または外径面にそれぞれ付着されるコーティングの形態にすることができる。各場合において、クラッディング層およびチューブは、熱交換器に使用される冷媒またはフィード溶液との相容性があり、クラッディング層とチューブとの間の熱抵抗を最小にする。
【００１８】
（発明を実施するための最良の形態）
以上、本発明の好ましい実施形態の或る特定例の主な長所および特徴について説明したが、添付図面および本発明の好ましい実施形態についての以下に述べる詳細な説明を参照することにより本発明のより良き理解が得られるであろう。
【００１９】
全図面を通して、同じ参照番号は同じ部品を示す。
【００２０】
本発明のバイメタルチューブ１０は、図１に示す軌道周回ホイップロッド型冷凍機（ｏｒｂｉｔａｌ ｗｈｉｐ ｒｏｄ ｆｒｅｅｚｅｒ）のような熱交換器１２に使用される。軌道周回ロッド冷凍機は、本発明を適用できる製氷機の一形式であることを理解すべきである。本発明のバイメタルチューブ１０は、熱交換器ユニットのキャパシティおよび摩耗特性の改善として、他の製氷機の熱交換器ユニットにも使用できる。図１に示すように、軌道周回ホイップロッド冷凍機の熱交換器ユニット１２は、複数の駆動ピン１８と嵌合する寸法をもつ複数の駆動孔１６を備えた駆動板１４を含む幾つかの駆動部品１３を有している。各駆動ピン１８はカウンタクランク２０に連結されている。カウンタクランク２０は、フィードオリフィス２２およびホイップロッド孔２４を有し、該孔２４に通されて、カウンタクランク２０の上端部に設けられた環状フランジ２８により支持されている。各ホイップロッド２６は熱交換チューブ１０内に挿入される。チューブ１０は、上方チューブシート３０および下方チューブシート３２により、互いに間隔を隔てた関係をなして所定位置に保持されかつ固定されている。フィード溶液は、駆動板１４の駆動孔１６を通ってカウンタクランク２０の頂部上に流入し、ここで、液体（フィード溶液）は、フィードオリフィス２２を通って熱交換チューブ１０内に流入する前に蓄積される。フィード溶液の流れ方向は、参照番号３３で示されている。ホイップロッド２６はチューブ１０の内部の回りで軌道周回運動を行なうように駆動されるので、ホイップロッド２６は、フィード溶液を、熱交換チューブ１０の内部の周囲に薄膜をなして拡散し、フィード溶液の冷却効果を高める。冷媒は、両チューブシート３０、３２の間でかつチューブ１０の外面の回りの内部空間３４内で循環される。冷媒は、フィード溶液から熱を除去して溶液を冷却し、これにより、溶液がチューブ１０を通って流れると、氷／水混合物すなわちスラリがチューブ１０の底部から排出される。
【００２１】
図２は、本発明の熱交換チューブ１０をより詳細に示す図面である。チューブ１０は熱交換器内に配置されて、チューブ１０の外壁面３６の回りを冷媒が循環しかつチューブの内壁面３８を通ってフィード溶液が流れる。チューブ１０は内側部分４２を有し、該内側部分４２はチューブ１０の内壁面３８を形成しかつ第２の材料組成を有している。熱交換チューブの外側部分４０の第１の材料組成は、内側部分４２の第２の材料組成とは異なっている。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態では、熱交換チューブ１０の外側部分４０の第１の材料組成は、好ましくは冷媒による腐食に耐え、熱交換チューブ１０の壁を通る充分な熱伝導性を有する。熱交換チューブの内側部分４２の第２の材料組成も高い熱伝導性を有すると同時に、熱交換器１２の特定用途のフィード溶液との相容性を有する。内側部分４２はまた、フィード溶液が熱交換器１２内に存在するときに、他の駆動部品１３への腐食作用を低減させる。
【００２３】
熱交換チューブ１０の好ましい実施形態では、外側部分４０は、オーステナイト系３０４ステンレス鋼材料で作るのが好ましい。アンモニアをベースとする冷媒との相容性があるため、炭素鋼およびアルミニウムも適した材料である。熱交換チューブ１０の外側部分４０を形成するのに、ＡＩＳＩ ４１０またはＡＩＳＩ ４２０のようなマルテンサイト系ステンレス鋼を使用することもできる。熱交換チューブ１０の内側部分４２を形成するとき、銅１２２または銅１９４のような銅ベース合金を使用できる。また、銅／ニッケル合金は海水に対する優れた耐食性を有するので、銅／ニッケル合金を使用することができる。この特別な用途には、銅／ニッケル合金７０６が許容できることが判明している。熱交換チューブの内側部分４２を形成するのに、加鉛黄銅および他の黄銅材料も適していることが判明している。より詳しくは、黄銅３３０および黄銅２７０は、一般に、工業的雰囲気、農村雰囲気および海洋雰囲気における酸化に対して優れた抵抗性を有している。
【００２４】
図２に示すように、熱交換チューブ１０の外側部分４０は外側円筒状スリーブ４４として形成され、内側部分４２は内側円筒状スリーブ４６として形成されている。内側円筒状スリーブ４６は、外側円筒状スリーブ４４のボア内に嵌合されている。かくして、熱交換チューブ１０は、第１の外側チューブすなわちパイプのボア内に同心状に嵌合された第２の内側チューブすなわちパイプの形態に構成される。チューブ１０を形成する材料コストを最小にするため、外側円筒状スリーブ４４は溶接チューブの形態に構成し、内側円筒状スリーブ４６は引抜きチューブの形態に構成することができる。引抜きチューブは、熱交換チューブ１０の内壁面３８に滑らかな表面を形成するので好ましい。滑らかな表面はホイップロッドに常時運動を与え、フィード溶液が分散してもチューブの内壁面上に氷が形成されることを防止する。好ましくは、チューブ１０は、外側円筒状スリーブのボアに通して内側円筒状スリーブ４６を引抜くことにより作り、これにより両スリーブ４４、４６を機械的締り嵌めにより取り付ける。１〜１／２インチの外径をもつチューブ１０に対しては、チューブ壁厚は０．０３５〜０．０６５インチが好ましい。この構造では、内側および外側円筒状スリーブ４４、４６の各壁厚は、約１／６４〜１／３２インチである。一般的な軌道周回ホイップロッド型熱交換器では、１〜１／２インチの外径寸法をもつ熱交換チューブの長さは、一般に４フィートである。
【００２５】
図３〜図７には、チューブ１０を熱交換器１２の上方チューブシート３０に取り付ける好ましい方法が示されている。図示されてはいないが、この方法は下方チューブシート３２についても使用される。用途に応じて、チューブ１０は、当業界で一般的な方法を用いてチューブシート３０、３２のチューブ孔４７内にロール転圧される。一般に、図３に示すロール取付け部すなわちロール転圧固定部は、冷媒とフィード溶液との間の漏洩防止境界を形成する。また、用途によっては、ロール転圧固定連結部４８と組合せて、溶接継手またはロウ付継手５０を使用することもできる。図４には、ロール転圧固定されたチューブとチューブシートとの連結部４８およびロウ付連結部５０が示されている。ロウ付連結部５０は、外側円筒状スリーブ４４を固定しかつフィード溶液および該溶液中に存在することがある添加剤による腐食作用から外側円筒状スリーブ４４を保護する。例えば、ロウ付は、炭素鋼からなる外側円筒状スリーブ４４の露出端を、スラリ形成を促進すべくフィード溶液に添加されることがあるグリコール溶液による腐食作用から保護するのに使用できる。熱交換チューブもチューブシート３０、３２に溶接することができる。しかしながら、この方法は、熱交換器の各チューブを個々に溶接しなければならないためコストが嵩むものである。ロウ付は、炉内ロウ付作業におけるようなバッチ作業で行なうことができるので、熱交換チューブのロウ付は、熱交換チューブ１０の露出端を保護する安価な方法を提供すると同時に、溶接に見られる必要な漏洩保護をも行なう。
【００２６】
図５、図６および図７には、チューブ１０をチューブシート３０に取り付ける別の方法が示されている。これらの各構成において、外側円筒状スリーブ４４は、チューブ１０の遠位端から約３／１６〜３／８インチだけ短く切断されて、内側円筒状スリーブ４６の外径面を露出させている。このような態様で外側円筒状スリーブ４４を短く切断すると、チューブ１０の遠位端には、内側円筒状スリーブ４６とチューブ孔４７との間に環状溝５２が形成される。図５の実施形態では、ロウ付材料または溶接材料５０が環状溝５２内に配置され、これにより、ロウ付材料または溶接材料５０は外側円筒状スリーブ４４の露出端を覆いかつチューブ１０とチューブシート３０とを接合する。図６には、外側円筒状スリーブ４４の同様な構成が示されている。この場合には、内側円筒状スリーブ４６の遠位端が外側円筒状スリーブ４４の露出端上に折り返されて、外側円筒状スリーブ４４の露出端を覆っている。次に、チューブシート３０と、内側円筒状スリーブ４６の折り返された部分との間に溶接材料５０が堆積される。図７には、外側円筒状スリーブ４４の露出端を覆う別の方法が示されており、この方法では、チューブ孔４７の内面とのシールを形成するようにして、内側円筒状スリーブ４６が外側円筒状スリーブ４４の露出端上に折り返されている。
【００２７】
本発明のバイメタルチューブ１０は、キャパシティを大きく増大させると同時に駆動システムの構成部品の摩耗を低減させる。内側円筒状スリーブ４６の材料として銅を使用することにより、熱交換器１２は、ステンレス鋼チューブを使用する熱交換器よりも高いキャパシティを有する。また、内側円筒状スリーブ４６は、フィード溶液の存在下で、熱交換器１２の駆動部品１３の製造に使用される焼入れ鋼の防食用陽極として機能する。これにより、焼入れ鋼からなる駆動部品１３に対する腐食作用が防止され、かつ長寿命化を促進する。ステンレス鋼から構成される外側円筒状スリーブ４４の使用により、熱交換器１２に広範囲の冷媒の使用が可能になる。鋼およびステンレス鋼は、両方ともアンモニアの存在下での腐食に耐えるので、低温冷却を達成できる。外側円筒状スリーブ４４は熱交換器の内径面を形成せず、かつホイップロッド２６とも接触しないので、外側円筒状スリーブ４４は、溶接チューブのような安価な材料形態で作ることができる。
【００２８】
本発明の他の実施形態では、外側円筒状スリーブは、内側円筒状スリーブの外径面を実質的に覆うチューブ状部材から形成される。この実施形態では、外側円筒状スリーブは、内側円筒状スリーブの外径面の回りでシート状ストック材料を転圧しかつ該シート状材料を、溶接またはロウ付により外側円筒状スリーブに接合することにより形成できる。シート状ストックの両端部は、コーティングされかつ一体に接合され、同じ溶接またはロウ付方法により内側円筒状スリーブの外径面上にシームを形成する。外側のチューブ状部材は、例えば電気−化学めっきまたはプラズマスプレー等のめっき方法により形成することもできる。内側円筒状スリーブも、外側円筒状スリーブとは異なる材料組成からなるクラッディング材料を用いて同様な方法で形成できる。また、内側クラッディングは、例えば電気−化学めっきまたはプラズマスプレー等のめっき方法から形成することもできる。外側円筒状スリーブの内径面上にクラッディング層を形成するための主な考察は、チューブの表面に氷粒子が付着することを防止しかつ熱交換チューブ内に配置されるホイップロッドまたは他の機械的攪拌手段との間に滑らかな相対運動ができるようにすることである。
【００２９】
本発明の他の実施形態は、熱交換器の内側スリーブと外側スリーブとの間の熱抵抗を低下させるため、両スリーブ間に第３の材料を使用するものである。第３の材料としては、熱交換チューブの一方のスリーブの表面に付着されるサーマル・マスチックまたはグリースがある。内側スリーブおよび外側スリーブを熱交換チューブとして引抜く工程中、内側スリーブと外側スリーブとの接触面間にグリースまたはサーマル・マスチックの層が配置される。グリースまたはサーマル・マスチックは、内側スリーブと外側スリーブとの間から空気を追い出して、両スリーブ間の熱伝導に対する接触抵抗を低下させる。チューブは引抜台を通って引抜かれるため、過剰のグリースまたはマスチックは押出される。第３の材料として、ロウ付材料または半田を用いることもできる。ロウ付材料または半田材料は、チューブが適当な温度に加熱されると、内側スリーブと外側スリーブとの間に冶金的接合を形成する。この冶金的接合はまた、熱交換チューブの内側スリーブと外側スリーブとの間の熱抵抗をも低下させる。第３の材料の使用は、機械的締り嵌めを形成する前述の引抜き作業に比べてコストが嵩むけれども、第３の材料は熱交換チューブの一体性を高めて、内側スリーブと外側スリーブとの間の熱抵抗を低下させ、多くの用途で望ましいものとなる。
【００３０】
以上、本発明を軌道周回ホイップロッド型熱交換器に関連して説明したが、本発明は、熱交換チューブの内部を通って流れるフィード溶液を冷却するのに使用される他の種々の熱交換器にも適用できることを理解すべきである。また、本発明は、ポンプ圧送可能な氷／水混合物を製造すべく円筒状チャンバ内に擦り落しブレード（ｓｃｏｕｒｉｎｇ ｂｌａｄｅｓ）を使用する他の熱交換器にも適用できる。
【００３１】
上記構造には本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を加えることができ、従って、上記説明に包含されかつ添付図面に示された全ての事柄は例示であって、いかなる意味においても制限的なものではない。従って、本発明は、特許請求の範囲の記載およびこれらの法的均等物によってのみ制限を受けるに過ぎないものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換チューブを使用した一般的な熱交換器を示す部分斜視図である。
【図２】図１の熱交換器を示す部分正面図である。
【図３】熱交換器のチューブシートに取り付けられた熱交換チューブを示す断面図である。
【図４】熱交換器のチューブシートに取り付けられた熱交換チューブを示す、図３の別の実施形態の図面である。
【図５】熱交換器のチューブシートに取り付けられた熱交換チューブを示す、図４の他の実施形態を示す図面である。
【図６】熱交換器のチューブシートに取り付けられた熱交換チューブを示す、図４の他の実施形態の図面である。
【図７】熱交換器のチューブシートに取り付けられた熱交換チューブを示す、図４の他の実施形態の図面である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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