JP2003148890A - 熱交換チューブ及びその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【技術課題】 熱交換効率が良く、耐久性に富み、凝縮
水が付着せず、低コストにより製造できるフィン一体型
波形熱交換チューブとその製法を提供する。 【解決手段】 チューブ３０に螺旋状の山形部３１と谷
部３４を形成すると共にこの螺旋の山形部３１を偏平に
押し潰してフィン部３２を形成する。このように構成す
ると、チューブ３０内を流れる熱媒及び外側を流れる気
体の圧損が小さいにも拘らず双方に乱流が発生して熱交
換効率がアップする。また空気中の水分が凝縮しても、
チューブ３０の外側においてフィン部３２の間隔が広
く、裾部３３が円曲しているため、チューブ３０に付着
して溜まらない。よって、性能は低下しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空調機、冷凍機、
排熱回収器等に採用される各種の熱交換器用熱交換チュ
ーブ及びその製法に関するもので、詳しくは、独立山形
又は螺旋山形から成る波形形状の熱交換チューブの外壁
側にフィン部を一体に形成した熱交換チューブ及びその
製法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】熱交換器に用いられる熱
交換チューブは、小型で熱交換効率（伝熱率）が高く、
耐久性に富んでいることが要求される。そこで、従来の
熱交換チューブは、図５（Ａ）に示すように、チューブ
１の外壁側にフィン２を溶接して取り付けたり、（Ｂ）
に示すように、チューブ１に山形部３と谷形部４から成
る波形を加工することにより、内部流体に乱流を発生さ
せ、併せて長さ方向当りの伝熱面積を拡大して効率のア
ップを図ったり、（Ｃ）に示すように、伝熱チューブ１
内に螺旋状の撹拌翼５を装入して内部流体に乱流を発生
させたり、あるいは上記（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を任意に組
み合わせて効率のアップを図ったりしている。

【０００３】しかし、図５（Ａ）に示したフィン２を伝
熱チューブ１に取り付ける方法は、フィン２をチューブ
１に溶接２ａするのに手間がかかり、製作コストが高
い。また、このフィン２は目詰りを発生しやすく、排気
ガスが外部流体の場合にはすす等の付着により性能が短
期間に低下するため、掃除等のメンテナンスが必要であ
る。その他、削り出しによる機械加工で、あるいはフィ
ン嵌め込み方式でチューブにフィンを形成する方式もあ
るが、これらの例においても、製作コストが高くなる。
また、（Ｂ）に示す波形３を形成したものにおいては、
内部流体が内壁側の谷形部３ａ内において滞留しやす
く、この谷形部３ａに内部流体が点々で示すように滞留
すると、この谷形部３ａでの伝熱が極端に悪化して効率
が低下すると云う欠点がある。

【０００４】また、（Ｃ）に示す撹拌翼４をチューブ１
内に装入したものにおいては、内部流体の圧損が大きい
ことと、このような撹拌翼５をチューブ１内に装入する
ためには加工に手間とコストがかかり、また、チューブ
１内に撹拌翼４を溶接方式で固定していることから、経
年的に熱応力のかかり方の違いにより変形や亀裂と云っ
たトラブルが発生しやすいと云う問題がある。また、こ
の方式は、チューブ１の内径が大きい場合は可能である
が、小径管を熱交換チューブとして使用する熱交換器に
おいては適用できないと云う問題がある。

【０００５】また、図６に示すような銅、アルミニウム
等で製作されたチューブ１に同種の金属から成るフィン
２を溶接２ａした構造のものにあっては、チューブ１の
集合体で熱交換装置を構成し、チューブ１内に例えば冷
媒を通し、チューブ１の外側に空気を通した際に、空気
中の水分が凝縮してフィン２に付着し、やがてこの凝縮
水６が根元の溶接部２ａにおいて表面張力が大きく働い
て溜り、熱交換の妨げとなり、性能が低下すると云う欠
点がある。

【０００６】そこで、従来は温度差があまり大きくなら
ないように熱バランスを設定したり、フィン２の大きさ
や間隔についてその寸法を設計している。しかし、それ
でも、効率アップのためにギリギリのところで熱バラン
スを設定したり設計していることが多いことから、例え
ば空調機等において、負荷変動が大きいと、空気中の水
分が凝縮してフィン２の根元部分に付着し、効率を低下
させたり、霜として成長した場合にはこの霜がとれるま
での間、運転を停止しなければならないと云う問題があ
る。また、従来は、伝熱面積を確保するために、フィン
２の間隔Ｗを小さくしているため、圧損が大きく、その
分電動ファンを大型にする必要があったりして、運転経
費が高くつくと云う欠点もある。

【０００７】本発明は斯る点に鑑みて提案するものであ
って、その第１の目的は、低コストにより製作すること
ができ、メンテナンスに手間がかからない熱交換チュー
ブとこの製法を提供することである。更に、第２の目的
は、内部流体が谷形部において滞留せず、外側にフィン
を一体に形成した波形管から成る熱交換チューブとその
製法を提供することである。更に、第３の目的は、内部
流体の圧損が小さい熱交換チューブとその製法を提供す
ることである。更に、第４の目的は、排気ガスから潜熱
を回収したりする熱交換器に適用した場合に、耐久性に
優れ、メンテナンスが軽減される熱交換チューブとその
製法を提供することである。更に、第５の目的は、従来
のフィン付熱交換チューブに比較して凝縮水や霜が付着
しにくいと共に、熱交換流体の圧損（流動抵抗）が小さ
い熱交換チューブとその製法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、請求項１に記載の発明においては、熱交換チュー
ブにおいて、金属製波形管の外壁側の山形部を左右から
押し潰すことによりフィン部を形成すると共に、このフ
ィン部の内壁側の谷形部に浅い谷形部を形成して成るこ
とを特徴とするものである。

【０００９】更に、請求項２に記載の発明においては、
請求項１に記載の発明において、波形管はチタン又はス
テンレス又は銅又はアルミニウム製であることを特徴と
するものである。但し、この材質は例示であって、他の
金属製の波形管にも適用可能である。

【００１０】更に、請求項３に記載の発明においては、
請求項１又は２に記載の発明において、フィン部の基部
に山形の円曲部が形成されていることを特徴とするもの
である。

【００１１】更に、請求項４に記載の発明においては、
請求項１又は２又は３に記載の発明において、チューブ
本体に螺旋状の山形を一体に形成すると共に、この螺旋
状に形成された山形部を偏平に押し潰してフィン部が形
成されていることを特徴とするものである。

【００１２】更に、請求項５に記載の発明においては、
請求項４に記載の発明において、フィン部の基部には山
形の円曲部が残って裾部が形成されていることを特徴と
するものである。

【００１３】更に、請求項６に記載の発明においては、
熱交換チューブの製法において、金属製直管を波形加工
機を用いて波形管に加工し、この波形管の外壁側におい
てその山形部を絞り加工機を用いて一定の範囲で左右か
ら偏平に押し潰すことによりフィン部を形成すると共に
このフィン部の形成時に内壁側に浅い谷形部を同時に形
成することを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】熱交換チューブは、多数の集合体で熱交換器を
形成する。但し、用途によっては、一本の熱交換チュー
ブが例えば螺旋状に形成されて熱交換器を形成する場合
もある。熱交換チューブの内部には、例えば水が供給さ
れて流れ、熱交換チューブの外側には例えばエンジン、
ボイラー等の排気ガスが流れ、この双方の流体は、チュ
ーブとフィンを介して熱交換を行い、排気ガスの熱が水
に移動して回収される。

【００１５】このような熱交換において、チューブ内の
内部流体は一定の流速と圧力でチューブ内を流れるが、
このチューブの内壁面に形成されている谷形部は本発明
において浅いため、谷形部内に内部流体が滞留すること
がない。一方、フィン部は、この浅い谷形部の外側に形
成されていることから、熱交換はフィン部を経由して谷
形部に伝熱が集中し、効率的に行われる。

【００１６】熱交換チューブ内には熱媒を通し、熱交換
チューブの外には気体を通すことにより、例えば冷媒に
あっては空気を冷却し、熱媒にあっては空気を温める。
熱交換チューブ内を通る熱媒は、熱交換チューブの内壁
が螺旋状を呈していることにより、その流れに旋回流が
発生する。この結果、熱媒はよく混合しながら流れ、熱
交換の障害となる滞流等が発生しない。一方、熱交換チ
ューブの外側を流れる気体は、螺旋の山形が押し潰され
てフィン状を呈し、このフィン部の間隔も比較的広くな
っているため、気体の通過時の圧損が小さい。この結
果、気体はスムーズに流れることと共に、フィン部の根
元（基部）の部分は螺旋の山形の一部が緩やかに円曲し
た裾部となっていることにより、伝熱面積が拡大し、こ
の分吸熱の推進を図ることができる。

【００１７】また、熱交換チューブの外側は螺旋状のフ
ィン部と山形及び緩やかに円曲した裾部が形成されてい
ることにより、仮に凝縮水が発生しても滞ることがな
く、結露すると直ぐ流下してしまう。以上の作用によ
り、熱交換効率が同一規模の従来例（図６）の熱交換チ
ューブ使用の熱交換装置に比較して格段に向上し、然も
凝縮水が成長して付着しないため、運転中に性能が低下
すると云うこともなくなる。

【００１８】

【実施例１】本実施例１は、熱交換チューブに関するも
ので、請求項１及び２に対応するものである。実施例１
の熱交換チューブ１０は、図１（Ａ）に示すチタン製の
チューブ１０に山形部１１と谷形部１２を連続的に加工
し、これを（Ｂ）に示すように、山形部１１を一定の範
囲（高さｈ）で左右から偏平に押し潰すことによりフィ
ン部１３を形成した形状である。１５は上記のように山
形部１１が押し潰されて偏平に加工されたことにより、
チューブ１０の内壁側に形成された浅い谷形部である。
１６は内壁側の山形部である。

【００１９】この熱交換チューブ１０にあっては、チュ
ーブ１０内に内部流体が流れると、この流体には山形部
１６と谷形部１５（窪み）の作用により波動に近い乱流
が発生し、この乱流によりフィン部１３と外壁側の山形
部１１及び外壁側の谷形部１２間において外部流体との
間に効率的な熱交換が行われることになる。また、内壁
側の谷形部１５は浅いため、ここにおいて内部流体が滞
留せず、むしろ効果的に乱流を惹起することにより熱交
換効率のアップに関与する。

【００２０】

【実施例２】実施例２は、請求項３〜５に対応するもの
である。この熱交換チューブは、主として、空調関係の
熱源機あるいは室内機内において用いられる熱交換装置
用の熱交換チューブが対象であって、熱交換装置として
は、１本の熱交換チューブが蛇行するようにして用いら
れる場合と、複数本の熱交換チューブが組み合わせて用
いられる場合とがある。熱交換チューブに形成する螺旋
状の山形とフィンは、先ず螺旋チューブ（管）を形成し
たあと、金型を用いた二次加工で山形を押し潰してフィ
ン状に形成する場合と、始めから山形を押し潰してフィ
ン部までを一つの金型で形成する場合とがある。

【００２１】熱交換チューブの材質は、銅、アルミニウ
ム等であって、伝熱性の高いものが選択されるが、用途
によってはこの用途に適合した他の材質が選択される。
螺旋のピッチは、熱媒の圧損及びフィン部を通る気体の
圧損及び熱交換効率等の設計条件によって決定される。

【００２２】図２、図３は本実施例の説明図であって、
３０はチューブ、３１はこのチューブ３０に一体形成さ
れた螺旋状の山形部、３２は山形部３１の山頂側を押し
潰すことにより形成されたフィン部、３３はフィン部３
２の基部であって、山形部３１の一部の形状が円曲して
残った裾部、３４は谷部である。３５はチューブ３０の
内壁、３６は前記山形部３１に対応して形成されている
内壁側山部、３７は谷部３４に対応して形成された内壁
側谷部である。

【００２３】上記実施例の熱交換チューブにあっては、
チューブ３０内に例えば図３に示すように冷媒が矢印ａ
方向に流れ、空気が矢印ｂ方向に流れることにより熱交
換が行われて例えば常温の空気は−４℃の冷媒により１
８℃に冷却され、これが室内に吹き出し、室内を冷房す
る。この冷媒及び空気の流れにおいて、チューブ３０内
を矢印ａ方向に流れる冷媒は、チューブ３０の内壁側山
部３６と谷部３７の凹凸螺旋曲面の作用により、冷媒に
は旋回と混合の作用が働き、空気側から効率よく熱を奪
う。一方、空気も螺旋状の山形部３１とフィン部３２を
通過するときに、流れに旋回流とこの旋回流に伴う乱流
が発生して、前記冷媒側への熱移動が促進される。

【００２４】また、負荷の減少により空気が過冷却状態
となり、空気中の水分が凝縮し、これがフィン部３２あ
るいは谷部３４に付着しても、フィン部３２の間隔はあ
る程度大きく、このフィン部３２の裾部３３は円曲して
おり、更に谷部３４も円弧状を呈していることから、表
面張力が減殺されて凝縮水が付着せず、その重力で下方
に流下してしまう。この結果、伝熱の阻害要因とならな
い。

【００２５】

【実施例３】本実施例３は、請求項６に対応するもの
で、請求項１〜５に記載した熱交換チューブを低コスト
により製造（加工）する方法である。この方法を図４
（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に基づいて詳述すると、熱交換チュ
ーブ用の素管２０は（Ａ）に示すようにチタン製の直管
である。この素管２０を（Ｂ）に示すように、波形加工
機（金型）２１により波形管に加工し、次に、この波形
に加工したチューブ２２を絞り加工機（金型）２３によ
り山形部１１を絞り加工して偏平に押し潰し、図１
（Ｂ）に示したフィン部１３を形成し、このフィン部１
３の内側に浅い谷形部１５を形成する。

【００２６】フィン１３の大きさ及び内壁側の谷形部１
５の深さは波形に加工するときの山形部１１と谷形部１
２の大きさと、上記波形加工時の押し潰す量で決定す
る。このように、本実施例３においては、素管２０に波
形を加工し、次にこれに山形部１１と谷形部１２を加工
し、次にこの山形部１１を押し潰してフィン部１３を形
成する二工程によりフィン１３付の波形管から成る図１
（Ｂ）に示す熱交換チューブ１０を製造するようにし
た。なお、上記実施例は、実施例１の熱交換チューブの
例であるが、実施例２の熱交換チューブについても、そ
の製法（加工）は同様にして行うことができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明に係る熱交換チューブとその製法
は以上の如き構成から成るため、次の効果を奏する。 １．先ず、請求項１及び２に記載の発明によると、波形
のチューブとフィンとは一体物のため、従来のようにわ
ざわざフィンを後加工で溶接したり、機械加工する必要
がなく、製作に手間がかからない分、低コストにより製
作できると共に、溶接しないことにより、フィンに関係
するトラブルもなく、耐久性が向上する。 ２．更に、請求項１及び２に記載の発明によると、チュ
ーブ内の谷形部の形状は浅い窪みであることから、ここ
に内部流体が滞留せず、内壁側の山形部との作用により
効果的に乱流を発生させるため、熱交換効率のアップを
図ることができる。 ３．更に、請求項１及び２に記載の発明によると、チュ
ーブ内は波形のため、圧損が小さく、この分流体圧送装
置例えばポンプ等の小型化と省エネ化を図ることができ
る。 ４．更に、請求項２に記載の発明によると、チタンで製
作した場合、このチタンは材質的に軽量であり、耐蝕性
に優れ、強度的にも優れていることから、耐久性に富ん
だ熱交換チューブを提供できる。 ５．更に、請求項６に記載の発明によると、フィン一体
型の熱交換チューブを低コストにより、能率良く製造す
ることができる。 ６．更に、請求項３〜５に記載の発明によると、フィン
部の間隔が大きく、このフィン部の裾部が膨出円曲し、
谷部が凹曲面となっているため、空気中の水分が凝縮し
て発生した凝縮水は熱交換チューブに付着せず、直ちに
流下してしまう。この結果、伝熱を阻害せず、負荷変動
により着霜したりする心配がない。 ７．更に、請求項３〜５に記載の発明によると、空気は
螺旋状のフィン部と谷部を通過するため、その圧損が少
ないにも拘らず乱流が発生して熱交換効率がアップす
る。 ８．更に、請求項３〜５に記載の発明によると、熱交換
チューブ内を通過する熱媒はチューブ内にも螺旋状の山
部と谷部が形成されていることにより、圧損が小さいに
も拘らず乱流が発生して熱交換効率がアップする。 ９．更に、請求項３〜５に記載の発明によると、従来の
熱交換チューブにあっては、フィンをチューブに溶接し
ていたことから、自動化された溶接であっても時間とコ
ストが嵩んでいたが、本発明は、山形を押し潰すだけの
ため、製作は簡単であり、製作コストも安い。 １０．更に、請求項３〜５に記載の発明によると、従来
のフィンは極めて薄いことから、一寸した力で変形した
り、間隔が狭いために空気中のゴミ類が詰ったりする欠
点があったが、本発明のフィン部は強固であり、ゴミ類
が詰ったりする心配がない。 １１．更に、請求項３〜５に記載の発明によると、従来
のフィンに目詰り等が発生しても、掃除は殆んど不可能
であったが、本発明に係る熱交換チューブによれば、ブ
ラシ等を用いて簡単に掃除ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は半製品状態の実施例１に係る熱交換チ
ューブの説明図、（Ｂ）は完成状態のフィン一体型波形
熱交換チューブの説明図。

【図２】実施例２に係る螺旋状熱交換チューブの説明
図。

【図３】螺旋状チューブにフィン部を加工した熱交換チ
ューブの構成とその作用の説明図。

【図４】（Ａ）は素管、（Ｂ）は波形加工、（Ｃ）はフ
ィン一体型波形熱交換チューブを最終的に加工している
状態の説明図。

【図５】（Ａ）は従来のフィンを溶接した熱交換チュー
ブの説明図、（Ｂ）は波形熱交換チューブの説明図、
（Ｃ）は螺旋翼組み込み型熱交換チューブの説明図。

【図６】従来のフィン溶接タイプ熱交換チューブの説明
図。

【符号の説明】

１０ 熱交換チューブ １１ 外壁側の山形部 １２ 外壁側の谷形部 １３ フィン部 １５ 内壁側の谷形部 １６ 内壁側の山形部 ２０ 素管 ２１ 波形加工機 ２３ 絞り加工機 ３０ チューブ本体 ３１ 螺旋状の山形部 ３２ フィン部 ３３ 裾部 ３４ 谷部 ３５ 内壁 ３６ チューブ内壁側山部 ３７ チューブ内壁側谷部 ａ 冷媒の流れ ｂ 空気の流れ

フロントページの続き (72)発明者 稲垣 勝之 東京都港区芝４丁目９番４号 トーセツ株 式会社内 (72)発明者 小澤 隆治 大阪府東大阪市川田４丁目１番32号 株式 会社ティグ内 Ｆターム(参考） 3H111 AA03 BA01 CA42 CB14 CB21 DA26 DB09 DB27

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製波形管の外壁側の山形部を左右か
   ら押し潰すことによりフィン部を形成すると共に、この
   フィン部の内壁側の谷形部に浅い谷形部を形成して成る
   金属製熱交換チューブ。
2. 【請求項２】 波形管はチタン又はステンレス又は銅又
   はアルミニウム製であることを特徴とする請求項１に記
   載の熱交換チューブ。
3. 【請求項３】 フィン部の基部に山形の円曲部が形成さ
   れていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交
   換チューブ。
4. 【請求項４】 チューブ本体に螺旋状の山形を一体に形
   成すると共に、この螺旋状に形成された山形部を偏平に
   押し潰してフィン部が形成されていることを特徴とする
   請求項１又は２又は３に記載の熱交換チューブ。
5. 【請求項５】 フィン部の基部には山形の円曲部が残っ
   て裾部が形成されていることを特徴とする請求項４に記
   載の熱交換チューブ。
6. 【請求項６】 金属製直管を波形加工機を用いて波形管
   に加工し、この波形管の外壁側においてその山形部を絞
   り加工機を用いて一定の範囲で左右から偏平に押し潰す
   ことによりフィン部を形成すると共に、このフィン部の
   形成時に内壁側に浅い谷形部を同時に形成する熱交換チ
   ューブの製法。