JP5532236B2 - 沸騰用伝熱管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、沸騰用伝熱管の製造方法に関し、特に、海水を熱源とする蒸発器に利用される沸騰用伝熱管の製造方法に関する。

従来、冷凍機用冷媒蒸発器の高性能化及び小型化を実現するために、伝熱管外表面に突起や溝を施した沸騰用伝熱管が種々提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１には、図１３に示されるように、管の外表面に管周方向に延在する空洞部２０１及び管軸方向に延在する空洞部２０２が配設され、その空洞部２０１及び２０２が、各々間隙部２０３及び２０４を介して外部と連通している核沸騰型伝熱管２００が開示されている。

また、特許文献２には、図１４に示されるように、管本体３０１と、この管本体３０１の外周面下に設けられた管軸方向に交差して延びる空洞３０２と、この空洞３０２に沿って設けられ、当該空洞３０２の内部空間と外部とを連絡する複数の開口部３０３と、管本体３０１から外側に突出して設けられたフィン３０４とを有する沸騰用伝熱管３００が開示されている。

また、特許文献３には、図１５に示されるように、隣接する第１のフィン４０１及び第２のフィン４０２と、管本体４０３とにより管周方向に延在する空洞４０４を形成し、第１のフィン４０１の先端部と第２のフィン４０２の先端部との間に管周方向に交互に配置される流入口４０５及び排出口４０６を形成し、流入口４０５から冷媒を流入させ、排出口４０６から沸騰した冷媒の気泡を排出する沸騰用伝熱管４００が開示されている。

特公昭６４−２８７８号公報 特開平６−３２３７７８号公報 特開２００５−１２１２３８号公報

上記した特許文献１〜３のように、沸騰用伝熱管では、伝熱管外表面に突起や溝など複雑な加工を施すために、銅管やアルミ管などの転造加工性の良い材料が選定されている（特許文献２の段落００１８及び表１参照）。一方で、管内に熱源となる海水を流す場合には、耐海水性に優れたチタン管が採用されることがある。ところが、チタン管は、弾性強度が大きく沸騰用伝熱管としての転造加工を施すのが難しい。また、加工が可能になったとしてもシームレス管かつ肉厚が大きくなり大幅なコストアップとなる。

そこで、この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、転造加工性を確保しつつ耐海水性に優れた沸騰用伝熱管及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の沸騰用伝熱管は、管内に熱源となる海水を流し、管外に浸漬された冷媒を沸騰させる沸騰用伝熱管において、内部に海水が流れるチタン製又はステンレス製の内管と、内管の外周面に設けられ、内管よりヤング率の小さい金属製の外管とを有する。

上記構成によれば、耐海水性に優れたチタン製またはステンレス製の内管を用いると共に、転造加工性に優れた外管を用いることにより、転造加工性を確保しつつ耐海水性に優れた沸騰用伝熱管を得ることができる。

また、本発明の沸騰用伝熱管の製造方法は、管内に熱源となる海水を流し、管外に浸漬された冷媒を沸騰させる沸騰用伝熱管の製造方法において、内部に海水が流れるチタン製又はステンレス製の内管の外周面には、内管よりヤング率の小さい金属製の外管が設けられ、外管に突起部を形成する転造加工では、当該加工前の外管の肉厚（ｔ）と、フィン高さ（ｈ）との比率（ｈ／ｔ）を０．６以上１．０以下にする。

このように構成すれば、耐海水性に優れたチタン製またはステンレス製の内管を用いると共に、転造加工性に優れた外管を用いることにより、転造加工性を確保しつつ耐海水性に優れた沸騰用伝熱管を得ることができる。
また、この製造方法では、外管と内管との密着性を良好にすることができる。

また、上記製造方法において、好ましくは、内管と外管との２重構造を形成する抽伸工程では、絞り嵌め治具のダイスアプローチ角度が２°より大きく且つ５０°より小さい。このように構成すれば、外管と内管との密着性をより良好にすることができる。

また、上記製造方法において、好ましくは、内管を外管の内部に挿入する前に、外管を予熱しておく。

また、上記製造方法において、好ましくは、内管と外管との間に接着層を設ける。これにより、内管と外管との密着性を向上させることができる。

この発明による沸騰用伝熱管及びその製造方法では、転造加工性を確保しつつ耐海水性に優れた沸騰用伝熱管を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る沸騰用伝熱管の（ａ）断面拡大写真、（ｂ）平面拡大写真である。 図１に示した沸騰用伝熱管の断面模式図である。 突起部の理想的な形状を示した断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る沸騰用伝熱管の製造方法を説明するためのフローチャートである。 絞り嵌め治具であるダイスの断面図である。 転造加工における（ａ）フィン加工工程、（ｂ）フィン刻み工程、（ｃ）フィン潰し工程における管外表面の断面拡大写真である。 転造加工における（ａ）フィン加工工程、（ｂ）フィン刻み工程、（ｃ）フィン潰し工程における管外表面の平面拡大写真である。 外管の肉厚（ｔ）とフィン高さ（ｈ）とを示した外管の模式図である。 密着性試験で用いた治具を示した断面模式図である。 内管への影響度評価基準を説明するための図である。 沸騰試験結果を示したグラフである。 沸騰試験での沸騰の様子を示した写真である。 特許文献１に開示された沸騰用伝熱管の外表面を示した拡大斜視図である。 特許文献２に開示された沸騰用伝熱管の外表面を示した拡大斜視図である。 特許文献３に開示された沸騰用伝熱管の外表面を示した（ａ）拡大斜視図、（ｂ）拡大平面図、（ｃ）拡大断面図である。

以下、図面に基づいて、本発明に係る沸騰用伝熱管及びその製造方法について説明する。

沸騰用伝熱管１は、ターボ冷凍機やスクリュー冷凍機などの大型冷凍機の液冷媒中に浸漬された状態で当該液冷媒を加熱沸騰させるための伝熱管であって、管内に流れる海水を熱源とする。沸騰用伝熱管１では、図１に示すように、効率的に熱交換が行なわれるように、伝熱管外表面に複数の突起部２１が形成されている。本実施形態の沸騰用伝熱管１は、図２に示すように、２重構造であって、チタン製またはステンレス製の内管１０と、内管１０よりヤング率の小さい金属製の外管２０とを有している。

内管１０は、管内に海水を流すため、耐海水性に優れたチタン製またはステンレス製で構成されている。この内管１０は、外径が約２１ｍｍ（図２参照）である。

外管２０は、その外表面に突起部２１を形成するために転造加工を施すので、転造加工性に優れた銅製、アルミニウム製などの内管１０よりヤング率が小さい（１００Ｇｐａ以下の）金属で構成されている。この外管２０は、外径が約２５ｍｍ（図２参照）である。本実施形態の外管２０の外表面には、図１（ｂ）に示すように、複数の突起部２１が略格子状に配列されている。この突起部２１は、理想的には、図３に示すように、根元から先端に向かって断面積が大きくなるように形成されている。また、突起部２１の先端面２２（フィンつぶし面）は、略正方形となっている。

突起部２１間に形成される溝部２３は、核沸騰（発泡点を核にして気泡が発生していく沸騰）を形成する構造を有しており、微細な空洞である空洞部２４と、その空洞部２４と外部とを連通させる開口部２５とから構成される。空洞部２４に侵入した冷媒は、周囲の突起部２１の壁面から熱が伝達されて沸騰する。この冷媒の沸騰により発生した気泡は、開口部２５を介して離脱する。この溝部２３（空洞部２４及び開口部２５）の形状は、理想的には、図３に示すように、下記式（１）を満たす。
θ＞π／２−φ・・・（１）
ただし、θを「２φの角度をもつ扇形の接線と斜面２４ａとの角度」とする。

次に、図４を参照して、本実施形態の沸騰用伝熱管１の製造方法について説明する。

まず、内管１０及び外管２０を所定の長さに切断し（ステップＳ１）、外管２０の内部に内管１０を挿入する（ステップＳ２）。この際、内管１０と外管２０とはルーズ状態になっている。なお、本実施形態では、挿入工程（ステップＳ２）において、外管２０を予熱（約２００℃で、抽伸において焼き付きを生じない程度）しておいても良い。そして、口付け加工を行なう（ステップＳ３）。口付け加工は、内管１０及び外管２０の先端部を縮径し、後工程の合わせ抽伸工程の際、当該先端部をダイス（絞り嵌め治具）３０のダイス孔３１に挿入できるようにするために行うものである。次に、本実施形態では、合わせ抽伸を行なう（ステップＳ４）。この合わせ抽伸とは、ルーズ状態の外管２０と内管１０とを、ダイス３０（図５参照）により絞り嵌めにして、密着構造に仕上げる工程である。なお、ダイス３０のアプローチ角度αは、２°＜α＜５０°が好ましい。なお、ダイス３０のダイス孔３１の内径Ｄは、内管１０及び外管２０からなる密着構造の２重管の外径に相当する大きさに設定する。その後、ストレッチャー矯正を行ない（ステップＳ５）、当該２重管を所定の長さに切断する（ステップＳ６）。

そして、本実施形態では、外管２０の外表面に転造加工（トップクロス加工）を行なう（ステップＳ７）。この転造加工工程では、外管２０の外表面に、上記した突起部２１及び溝部２３を転造加工により形成するものであって、具体的には、（１）フィン加工工程、（２）フィン刻み工程、（３）フィン潰し工程を、この順番に行う。（１）フィン加工工程では、図６（ａ）及び７（ａ）に示すように、管周方向に沿うフィン２１Ａを外管２０の外表面に形成する。（２）フィン刻み工程では、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、上記した（１）フィン加工工程で形成されたフィン２１Ａを所定間隔で刻み、微細な凸部２１Ｂを形成する。なお、この工程における刻み位置は、千鳥状に配置される。（３）フィン潰し工程では、図６（ｃ）及び図７（ｃ）に示すように、上記した（２）フィン刻み工程で形成された凸部２１Ｂの先端を潰し、先端面（フィンつぶし面）２２が略正方形の突起部２１を形成する。本実施形態では、外管２０の肉厚（ｔ）と、フィン高さ（ｈ）との比率（ｈ／ｔ）が、０．６〜１．０であることが好ましい。なお、上記した「外管の肉厚（ｔ）」とは、図８に示すように、フィン加工前の素管２０Ａの肉厚であって、「フィン高さ（ｈ）」とは、（１）フィン加工工程後（かつ、フィン刻み前）のフィン２１Ａの高さである。最後に、ストレッチャー矯正を行なって（ステップＳ８）、沸騰用伝熱管１が完成する。

（トップクロス形状の評価試験）
本試験では、突起部の先端面（以下、適宜、トップクロス形状とする）の形状が良好か否かを評価した。なお、評価基準として、突起部の間に設けられる溝部（空洞部、開口部）が健全に確保されているか否かを目視観察により評価した。この評価試験では、外管の肉厚（ｔ）とフィンの高さ（ｈ）との比率（ｈ／ｔ）毎（実施例１〜４、比較例１）に、トップクロス形状を観察した。その結果を以下の表１に示す。なお、いずれの評価試験においても、ダイスのアプローチ角度αは、４５°とした。

試験Ｎｏ．１（実施例１）では、外管の肉厚（ｔ）を１．５ｍｍとし、フィンの高さ（ｈ）を０．９ｍｍとして、比率（ｈ／ｔ）を０．６とした。この実施例１では、トップクロス形状がほぼ良好であり、外管と内管との密着性が良好であることが確認できた。

試験Ｎｏ．２（実施例２）では、外管の肉厚（ｔ）を１．５ｍｍとし、フィンの高さ（ｈ）を１．０ｍｍとして、比率（ｈ／ｔ）を０．7とした。この実施例２では、トップクロス形状が良好であり、外管と内管との密着性が良好であることが確認できた。

試験Ｎｏ．３（実施例３）では、外管の肉厚（ｔ）を１．０ｍｍとし、フィンの高さ（ｈ）を０．９ｍｍとして、比率（ｈ／ｔ）を０．９とした。この実施例３では、トップクロス形状が良好であり、外管と内管との密着性がほぼ良好であることが確認できた。

試験Ｎｏ．４（実施例４）では、外管の肉厚（ｔ）を１．０ｍｍとし、フィンの高さ（ｈ）を１．０ｍｍとして、比率（ｈ／ｔ）を１．０とした。この実施例４では、トップクロス形状が良好であり、外管と内管との密着性がほぼ良好であることが確認できた。

試験Ｎｏ．５（比較例１）では、外管の肉厚（ｔ）を１．０ｍｍとし、フィンの高さ（ｈ）を１．２ｍｍとして、比率（ｈ／ｔ）を１．２とした。この比較例１では、トップクロス形状が不良であり、外管と内管との密着性が不良であることが確認できた。

上記した合わせ抽伸（ステップＳ４参照）というのは、外管を収縮させて、内管と接合させているため、内管を締めるように内部応力が働いている。一方、転造加工というのは、外管の外側を持ち上げてフィンを立ち上げているので、外管を大きくするような力の作用となり、抽伸で得られた内部応力が開放される。このとき、フィンを高く転造加工するということは、その分、外管の肉厚全体まで加工することとなり、内部応力の開放が大きくなり、密着性が低下する。そのため、比較例１では、外管と内管との密着性が不良になったと考えられる。

（外管と内管との密着性に関する評価試験）
本試験では、ダイス（図５参照）により抽伸した沸騰用伝熱管（ダイスのアプローチ角αが異なる実施例５〜８、比較例２及び３）の外管と内管との２重構造の密着性が良好か否かを評価した。なお、当該評価試験では、図９に示す装置により、密着性の評価を行なった（表１に示した密着性評価においても同様）。具体的には、抽伸した伝熱管を一定の長さに切断し、治具Ａで外管の下端を支持し、治具Ｂで内管の上端を押し下げた。内管が押し出され始めたときの荷重Ｐを測定し、その荷重Ｐの値の大きさに応じて、密着性を評価した（荷重Ｐの値が大きいほど密着性が高いことを意味する）。具体的には、全ての評価試験結果のうち、最も高い密着性のグループを◎、その次を○、最も低い密着性のグループを×とし、外管と内管との密着性を相対的に評価した（表１に示した密着性評価においても同様）。絶対値での評価基準がないためである。その結果を以下の表２に示す。この評価試験では、抽伸による内管への影響についても評価した。具体的には、図１０に示すように、抽伸前の伝熱管の長さをＬとし、抽伸後の伝熱管の長さをＬ１として、伝熱管の伸び率（Ｌ１／Ｌ）を測定した。表２において、◎：外管の伸び率が０．７％以下の場合、○：外管の伸び率が３％以下の場合、×：抽伸できなかったため評価できず、とした。

試験Ｎｏ．６（比較例２）では、ダイスのアプローチ角度を０°にした。この比較例２では、抽伸不可であり、外管と内管との密着性が不良であることが確認できた。

試験Ｎｏ．７及び８（実施例５及び６）では、ダイスのアプローチ角度を３°にした。この実施例５及び６では、内管への影響がなく、外管と内管との密着性がほぼ良好であることが確認できた。この場合、管表面近くだけが加工されるため、内管への影響が小さくなる。しかし、内部応力は表面に集中するため、転造加工時に開放されやすくなる。『内管と外管との密着性』より『内管への影響』を考慮すれば、ダイスのアプローチ角度が３°であるのが好ましい。

試験Ｎｏ．９及び１０（実施例７及び８）では、ダイスのアプローチ角度を４５°にした。この比較例２では、内管への影響がなく、外管と内管との密着性がほぼ良好であることが確認できた。この場合、管内部まで加工が入るため、内管が多少影響を受ける。一方、外管全体が加工されるため、内部応力が大きく、肉厚全体まで入るため、密着性は向上する。『内管への影響』より『内管と外管との密着性』を優先する場合は、ダイスのアプローチ角度が４５°であるのが好ましい。

試験Ｎｏ．１１（比較例３）では、ダイスのアプローチ角度を６０°にした。この場合、内管が完全に加工されてしまい、反対に内部応力がたまらない。この比較例３では、抽伸不可であり、外管と内管との密着性が不良であることが確認できた。

抽伸において、アプローチ角が小さいと、管の肉厚表面だけが加工される。一方、アプローチ角が大きいと、管の肉厚内部まで加工が入り込む。つまり、アプローチ角が小さいと、管表面だけが加工されることになり、締める方向の内部応力も必然的に小さく且つ肉厚表面に集中することになる。これに対して、アプローチ角が大きいと、管表面だけでなく管内部まで加工されることになり、締める方向の内部応力が大きく且つ肉厚全体に広がる。従って、内管に影響を及ぼさず、且つ、内部応力を大きくする角度（２°＜α＜５０°）に設定する必要がある。

（沸騰試験）
本試験では、フィンの無いＡｌ−Ｔｉ裸管（比較例）と本実施形態に係るＡｌ−Ｔｉトップクロス管（実施例）とについて、沸騰試験を行なった。この沸騰試験は、水を用いた試験であって、壁面過熱度と熱流速との相関関係、及び、熱流速と管外熱伝達係数との相関関係を調査した。壁面過熱度−熱流速のグラフ（図１１（ａ）参照）から分かるように、裸管に比べて沸騰用伝熱管の方が小さい温度落差で伝熱されていることが分かった。同熱流速で比較するとＡｌ−Ｔｉトップクロス管（実施例）の過熱度は、Ａｌ−Ｔｉ裸管（比較例）に対して１／３程度であった。１５〜１００ｋＷ／ｍ^２では、過熱度は、ほとんど変化しない。つまり、１℃〜２℃の過熱度をもたせてやれば、飛躍的に熱流速を増加させることが可能である。

また、熱流速と管外熱伝達係数との相関関係（図１１（ｂ）参照）から分かるように、Ａｌ−Ｔｉ裸管（比較例）の方がＡｌ−Ｔｉトップクロス管（実施例）より管外熱伝熱係数が大きいことが分かった。Ａｌ−Ｔｉトップクロス管（実施例）の管外熱伝達係数は、Ａｌ−Ｔｉ裸管（比較例）の３〜４倍となっている。ただし、同様の実験を行なっている実験データを見ると、裸管の性能が本実験では２倍程度良くなっている。温度の計測方法の違い、管の表面粗さなどが原因と考えられる。
なお、沸騰用伝熱管のフィンの高さによって、伝熱性能上の差異があることも確認できた。

図１２（ａ）及び（ｂ）の写真に示すように、実施例に係る沸騰用伝熱管では、比較例に係る裸管に比べて、気泡の発生箇所が多く、核沸騰になっていることが確認できた。また、比較例に係る裸管では、沸騰箇所が大まかとなっている。沸騰核の発生箇所の差が伝熱性能差に表れている。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態及び実施例に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態及び実施例の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態では、内管と外管との間に何も介在しないように２重構造にしたが、本発明はこれに限らず、内管と外管との間に接着層を入れて、内管と外管との密着性を向上させても良い。なお、この接着層としては、金属粉体が混入した樹脂等が好ましい。

また、上記実施例では、チタン製の内管を用いる例について説明したが、本発明はこれに限らず、耐海水性の金属であれば、チタンだけでなくステンレス等が適用可能である。また、外管として、アルミニウムを用いたが、転造加工性に優れた材料として、内管よりヤング率が小さい材料であれば、アルミニウムに限らず、銅など適用可能である。

本発明を利用すれば、転造加工性を確保しつつ耐海水性に優れた沸騰用伝熱管及びその製造方法を提供することができる。

１ 沸騰用伝熱管
１０ 内管
２０ 外管
２１ 突起部
２２ 先端面（フィンつぶし面）
２３ 溝部
２４ 空洞部
２５ 開口部

Claims (5)

1. 管内に熱源となる海水を流し、管外に浸漬された冷媒を沸騰させる沸騰用伝熱管の製造方法において、
   内部に海水が流れるチタン製又はステンレス製の内管を、前記内管よりヤング率の小さい金属製の外管の内部に挿入する挿入工程と、
   前記挿入工程後の前記内管と前記外管とを密着構造に仕上げる密着仕上工程と、
   前記密着仕上工程後に前記外管に突起部を形成する転造加工工程と、
   を有し、
   前記転造加工工程は、
   前記外管の外表面にフィンを加工するフィン加工工程と、
   前記フィンを所定間隔で刻み、凸部を形成するフィン刻み工程と、
   前記凸部の先端を潰して前記突起部を形成するフィン潰し工程と、
   を有し、
   前記フィン加工工程では、前記フィン加工前の前記外管の肉厚（ｔ）と、フィン高さ（ｈ）との比率（ｈ／ｔ）を０．６以上１．０以下にすることを特徴とする、沸騰用伝熱管の製造方法。
2. 前記密着仕上工程は、前記内管と前記外管との２重構造を合わせ抽伸により形成する抽伸工程であり、
   前記抽伸工程では、絞り嵌め治具のダイスアプローチ角度が２°より大きく且つ５０°より小さいことを特徴とする、請求項１に記載の沸騰用伝熱管の製造方法。
3. 前記内管を前記外管の内部に挿入する前に、前記外管を予熱しておくことを特徴とする、請求項１又は２に記載の沸騰用伝熱管の製造方法。
4. 前記内管と前記外管との間に接着層を設けることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の沸騰用伝熱管の製造方法。
5. 前記フィン刻み工程では、管軸方向に沿って前記フィンを刻むとともに千鳥状に前記フィンを刻むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の沸騰用伝熱管の製造方法。