JP2005098666A - フィン部材を外装した伝熱管 - Google Patents

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Abstract

【課題】 耐食性に優れるとともに、放熱特性や吸熱特性が高く内部を流動する流体と外部を流動する流体との熱交換効率にも優れた伝熱管を得る。また、この耐食性と放熱特性や吸熱特性に優れた伝熱管を、単純な構造と簡易な製造工程で廉価に形成する。
【解決手段】 金属管1の外周面に少なくとも一層の樹脂被膜層2を設け、この樹脂被膜層2の外周面に、金属材製のフィン部材3を、その一側端面を接触させて螺旋状に巻き回す。この巻き回し接触部5を樹脂被膜層2の表面に食い込ませて伝熱管4を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車や建設機械の流体冷却管、居住用空間の温湿度を調整する空調機、その他に於いて、腐食環境下で使用される耐食性を有する伝熱管に係るもので、耐食性に優れるだけでなく、高い放熱特性や吸熱特性による効率的な熱交換が可能な伝熱管を得ようとするものである。
従来、耐食性を有する伝熱管として、下記特許文献１、２に記載の発明の如く、亜鉛メッキやクロメート被膜等の防食メッキを施した鋼管やアルミ管等の金属管の外周面に、押出成形法によりポリアミド(ＰＡ)、ポリプロピレン(ＰＰ)、ポリエチレン(ＰＥ)等の熱可塑性の樹脂被膜層を設けたものが存在する。この樹脂被膜層が持つ衝撃吸収力や耐水性、耐薬品性等を利用して、飛び石等による防食メッキ層、金属管の破損を防ぐとともに、泥はねや薬品等による金属管の酸化を防止して、伝熱管の耐食性を高めていた。
他方、伝熱管の内外を流動する流体相互の高い熱交換性能を得るため、特許文献３〜５に記載の発明の如く、金属管の外周に長尺な金属材製の平板を螺旋状に巻回して、該金属管の外周にフィン部材を突設する事で放熱特性や吸熱特性を高めた伝熱管が存在する。
特開平８−１８８８８４号公報 特開平１０−３１５２９５号公報 特開平９−４２５７３号公報 特開平９−１３６１１１号公報 特開平１１−３２５７７８号公報 特許第２７５０７１０号公報 特許第２９５４５５５号公報 特開平３−４７９８７号公報
しかしながら、特許文献１、２の樹脂被膜層を設けた伝熱管は、耐衝撃性や耐食性を高めるために樹脂被膜層を肉厚に形成しているので、放熱特性や吸熱特性の点で問題があり、伝熱管の内外を流通する流体相互の熱交換効率を向上させるのは困難であった。
他方、特許文献３〜５の金属材製フィン部材を突設した伝熱管では、伝熱面積が増大し高い熱交換性能が得られるが、飛び石等により金属管の表面の防食メッキ層が破損され易く、耐食性に問題があった。また、平板状の金属材で形成したフィン部材を、金属管への接触部にヒダ等を設けながら螺旋状に成形して金属管に巻き回しているため、金属材の復元力により螺旋のバックリングを生じて、フィン部材の接触部と金属管の外周面との密着が良好に行えず、隙間を生じて金属管とフィン部材との良好な熱伝導性が得られなかった。
このバックリングを防止するため、螺旋状のフィン部材の両端部を、クリップ止めやビス止め等により金属管に固定していたが、製作工程に多くの手数を要するばかりでなく、それだけではフィン部材と金属管との接触が不十分であった。そのため、塗装やろう付け等により、フィン部材と金属管との隙間を閉塞する必要があり、作業工程が煩雑で生産効率を向上させにくかった。
本発明は上述の如き問題を解決するため、金属管の外周に螺旋状に巻き回した際のフィン部材のバックリングを防止する事を可能として、金属管とフィン部材との接触性を高めて双方の熱伝導性を向上させ、熱交換性能に優れる伝熱管を得る事を目的とするものである。また、フィン部材のバックリング防止効果により、伝熱管の製作作業を容易なものとし、生産性を向上させるものである。また、伝熱管の耐食性と耐衝撃性を高め、伝熱管の耐久性を向上させて、優れた熱交換性能を維持するものである。
本発明は、上述の如き課題を解決するため、金属管の外周面に少なくとも一層の樹脂被膜層を設け、この樹脂被膜層の外周面に、金属材製のフィン部材を、その一側端面を接触させて螺旋状に巻き回し、この巻き回し接触部を樹脂被膜層の表面に食い込ませて成るものである。
また、金属材製のフィン部材は、樹脂被膜層に食い込ませる少なくとも一側端面側を波形に形成しても良い。
また、樹脂被膜層は、肉厚を0.1〜1.0mmとしても良い。
また、金属材製のフィン部材を食い込ませた樹脂被膜層は、この樹脂被膜層の溶融温度の100〜130％の温度で加熱して溶融し、フィン部材に樹脂被膜層を溶融接着させても良い。
また、金属材製のフィン部材及び／又は金属管は、鉄系の素材にて形成しても良い。
また、金属材製のフィン部材及び／又は金属管は、表面に少なくとも１層の防食メッキ層を設けても良い。
また、金属材製のフィン部材及び／又は金属管は、亜鉛、錫、ニッケル、アルミニウム又はこれらの基合金で被覆しても良い。
また、金属材製のフィン部材及び金属管は、焼き付け温度が樹脂被膜層の溶融温度の100〜130％の温度で、塗装処理を表面に施しても良い。
また、金属材製のフィン部材は、断面形状を一端から他端まで同一幅とするストレート形状であっても良い。
また、ストレート形状としたフィン部材は、樹脂被膜層への食い込み深さを、樹脂被膜層の肉厚の10〜60％としても良い。
また、金属材製のフィン部材は、樹脂被膜層への接触部の形成幅を本体部の形成幅よりも広幅に形成し、断面形状を逆Ｔ字形とするとともにこの接触部の形成幅を、本体部の形成幅の200％以内としても良い。
また、逆Ｔ字形としたフィン部材は、樹脂被膜層への食い込み深さを、樹脂被膜層の肉厚の5〜30％としても良い。
また、樹脂被膜層は、この樹脂被膜層を形成する樹脂材よりも熱伝導性の高い粒子及び／又は繊維を樹脂材に含有させても良い。
また、樹脂被膜層は、この樹脂被膜層を形成する樹脂材にカーボンナノファイバーを含有させても良い。
また、カーボンナノファイバーは、5wt%より多く30wt%より少ない含有量で含有させても良い。
また、樹脂被膜層は、金属管の外周面に２層配設しても良い。
本発明は上述の如く構成したもので、鋼管、アルミ管、その他の金属管の外周に配設した樹脂被膜層の表面に、フィン部材の一側端面を食い込ませながらフィン部材を螺旋状に巻き回す事により、フィン部材のバックリングを良好に防止し、金属管へのフィン部材のフィット性を高くして、双方の隙間の発生を防いで安定して密着配設させる事ができる。従って、樹脂被膜層を介して金属管とフィン部材との熱伝導性を高める事ができる。そして、金属材製のフィン部材の配設により伝熱面積が増大するので、樹脂材を使用していても、金属材のみで形成した製品と同等若しくはそれ以上の放熱特性や吸熱特性が得られ、熱交換性能に優れた伝熱管を得る事が可能となる。
また、樹脂被膜層へのフィン部材の食い込みにより、樹脂被膜層とフィン部材とが固定され、金属材の復元力による螺旋状のフィン部材のバックリングを抑える事ができ、金属管へのフィン部材の配設作業が容易となり、伝熱管の生産性を向上させる事ができるとともに、伝熱管の振動や伝熱体の外周を流動する流体の流動圧等に対するフィン部材の耐久性も向上し、優れた熱交換性能を持続させる事ができる。また、樹脂被膜層の配設により、飛び石等への耐衝撃性や雨水、泥はね等への金属管の耐食性が向上し、伝熱管の優れた熱交換性能を維持する事ができる。
また、このような熱交換性能に優れる伝熱管を使用する事で、自動車や建設機械の流体冷却管、居住用空間の温湿度を調整する空調機、各種配管による吸放熱、一般産業用、暖房用、給湯用、その他の多管式熱交換器の熱交換性能、耐食性、耐熱性、耐久性を高める事ができるとともに、製品の低コスト化も可能となる。
以下、本発明の実施例を図面に於て詳細に説明すれば、図１は本発明の実施例１の伝熱管の斜視図で、金属管の外周に樹脂被膜層を配設し、この樹脂被膜層の外周に断面形状を一端から他端まで同一幅のストレート形状とする金属材製のフィン部材を螺旋状に配設している。また、図２は図１の側面図である。図３は、樹脂被膜層へのフィン部材の食い込み状態を示した伝熱管の一部拡大断面図である。図４は実施例１のフィン部材の斜視図で、フィン部材全体を波形に形成して波形ヒダを設けている。図５は、実施例１の樹脂被膜層への配設直前のフィン部材の斜視図で、フィン部材を樹脂被膜層の外周に巻き回わしながら、フィン部材の内周側の波形ヒダを圧縮形成するとともにフィン部材の外周側の波形ヒダを伸張させて、フィン部材を弧状にした状態を示す。
図６は、実施例２の樹脂被膜層への配設直前のフィン部材の斜視図で、フィン部材の内周側の波形ヒダを圧縮形成するとともに、フィン部材の外周側の波形ヒダを拡開して、フィン部材を弧状にした状態を示す。図７は実施例３の伝熱管の一部拡大断面図で、伝熱管の外表面にカチオン静電塗装を施したものである。図８は実施例４の伝熱管の一部拡大断面図で、樹脂被膜層への接続部の形成幅を本体部よりも広幅に形成し、断面形状を逆Ｔ字形としたフィン部材を外装して伝熱管を形成し、この伝熱管の外表面にカチオン静電塗装を施したものである。図９は、本発明の伝熱管を用いた多管円筒式熱交換器の概略図である。
また、フィン部材に使用する金属材は、何れのものであっても良いが、樹脂被膜層への配設時にフィン部材が、樹脂被膜層の厚みの一部にのみに食い込むようにして、樹脂被膜層を貫通破断してフィン部材にて金属管を傷付ける事のないようにする。例えば、フィン部材をアルミ、銅、軟鋼等の比較的軟質の金属材で形成する事で、樹脂被膜層への食い込みが良く、かつ強い巻き付け力であっても樹脂被膜を破断する事のない巻き付けが可能となる。また、ステンレス等の比較的硬質の金属材を使用した場合は、樹脂被膜層への巻き付けを、軟質金属材の場合に比較して弱く行う事により、フィン部材で樹脂被膜を破断する事のないように食い込ませる事ができる。
また、樹脂被膜層の肉厚は、0.1〜1.0mmの範囲で形成するのが好ましい。この肉厚が0.1mmより薄いと、フィン部材の一側端面により破断され易くなるし、逆に肉厚が1.0mmよりも厚いと、管外周表面からの熱伝導性が低下する。
また、金属材製のフィン部材を食い込ませた樹脂被膜層は、この樹脂被膜層の溶融温度の100〜130％の温度で加熱して溶融し、フィン部材に樹脂被膜層を溶融接着させれば、フィン部材の樹脂被膜層への固定が、より強固で安定したものとなり、双方の熱伝導性が高まるとともに、外部を流体する流体の流動圧や振動等に対するフィン部材の耐久性が向上する。尚、加熱温度が脂被膜層の溶融温度の100％より低いと、樹脂被膜層の溶融が良好に行われず、フィン部材と樹脂被膜層との接続強度の向上が望めない。また、加熱温度が樹脂被膜層の溶融温度の130％よりも高いと、樹脂被膜層が過度に溶融して金属管の表面から流失する虞がある。従って、樹脂被膜層の溶融温度の100〜130％の温度範囲で加熱するのが好ましい。
また、金属材製のフィン部材及び／又は金属管は、鉄系の素材にて形成する事により、安価な製品が得られ、各部材の耐久性が向上するとともに、螺旋状とした際のフィン部材の形状保持性が高まり、バックリングを生じにくいものとなる。
尚、フィン部材や金属管は、表面に少なくとも１層の防食メッキ層を設けるのが好ましい。特に、フィン部材や金属管を鉄系の素材で形成した場合は、亜鉛、錫、ニッケル、アルミニウム又はこれらの基合金で被覆する事により、フィン部材や金属管は信頼性の高い耐食性を得る事ができる。
また、 金属材製のフィン部材及び金属管は、焼き付け温度が樹脂被膜層の溶融温度の100〜130％の温度で、塗装処理を表面に施せば、これらの耐食性を向上させる事ができるとともに、樹脂被膜層が溶融してフィン部材の外表面に溶融接着するので、フィン部材と樹脂被膜層との強固な固定が可能となる。この場合も、焼き付け温度が樹脂被膜層の溶融温度の100％より低いと、樹脂被膜層の溶融が良好に行われず、フィン部材と樹脂被膜層との接続強度の向上が望めない。また、焼き付け温度が樹脂被膜層の溶融温度の130％よりも高いと、樹脂被膜層が過度に溶融して金属管の表面から流失する虞がある。
また、金属材製のフィン部材は、断面形状を一端から他端まで同一幅とするストレート形状とする事により、樹脂被膜層に強く食い込ませる事ができる。また、フィン部材にて樹脂被膜層を破断する事のないものとするため、このストレート形状としたフィン部材の樹脂被膜層への食い込み深さを、樹脂被膜層の肉厚の10〜60％とするのが好ましい。この食い込み深さが10％より少ないと、樹脂被膜層へのフィン部材のフィット性が悪くなり、フィン部材と金属管との熱伝導性のが低下したり、フィン部材と樹脂被膜層との連結力が脆弱化する。また、食い込み深さが60％より多いと、食い込み部分の樹脂被膜層が脆弱となり、フィン部材への負荷により樹脂被膜層が破断される可能性がある。尚、樹脂被膜層の肉厚を上述の如く、0.1〜1.0mmとした場合は、食い込み深さが0.01〜0.6mmの範囲となる。更に好ましくは、食い込み深さを樹脂被膜層の20〜40％とする。
また、金属材製のフィン部材は、樹脂被膜層への接触部の形成幅を、本体部の形成幅よりも広幅に形成し、断面形状を逆Ｔ字形とすれば、樹脂被膜層とフィン部材との接触面積が増大して、双方の熱伝導性を高める事ができるとともに、樹脂被膜層へのフィン部材の固定安定性をより高める事ができる。また、この広幅とする接触部の形成幅は、本体部の形成幅の200％以内とするのが好ましく、200％より広幅とすると、フィン部材そのものが成形しにくくなるとともに、接触部側を螺旋状に成形しにくくなり、配設時に樹脂被膜層とフィン部材との間に隙間を生じる虞がある。
また、このように逆Ｔ字形のフィン部材として、広い表面積の接触部を樹脂被膜層に食い込ませる事により、食い込み力が分散され、樹脂被膜層の破断防止効果が高いものとなる。また、この逆Ｔ字形としたフィン部材は、樹脂被膜層への食い込み深さを、樹脂被膜層の肉厚の5〜30％とするのが好ましく、少ない食い込み深さであっても、フィン部材の安定した固定が可能となる。上記食い込み深さが5％より少ないと、フィン部材を食い込ませない場合と比べてフィン部材の固定力が向上しない。また、逆Ｔ字形のフィン部材を、30％よりも多く食い込ませても、熱伝導性に差が見られないとともに、強い巻き付け力を必要とし、樹脂被膜層の破断を生じる虞がある。
また、樹脂被膜層に使用する樹脂材は、ＰＡ、ＰＰ、ＰＥ等を使用する事により、耐食性や耐衝撃性に優れるとともに廉価な伝熱管を得る事ができる。また、モノマーキャストナイロン、ポリアミドイミド、ポリペンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルフォン、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシアルカン、フルオロエチレン−プロピレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−エチレン、エチレンクロロトリフルオロエチレン等の樹脂材を使用する事により、熱交換性能や耐食性が優れるだけでなく、耐熱性にも優れる伝熱管を得る事ができる。
また、これらの樹脂材には、銅、アルミ、ステンレス等の金属材、カーボン材又はガラス材等で形成した粒子や繊維を含有させても良く、樹脂材を使用した場合でも伝熱管の熱伝導性を高めて、熱交換性能をより向上させる事ができる。また、黒色で黒体輻射効果のある樹脂材を使用する事が望ましく、この黒色で黒体輻射効果のある樹脂材に更に前記粒子や繊維等を含有させても良く、放熱の場合は輻射熱の放射特性に優れ、吸熱の場合は熱吸収に優れたものとなり、伝熱管の熱交換効率の更なる向上が可能となる。
また、上記樹脂材に、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等のカーボンナノファイバーを含有させる事により、樹脂材の熱伝導性を効果的に高めて、伝熱管の放熱特性や吸熱特性を更に向上させる事ができる。また、このようなカーボンナノファイバーを、5wt%より多く30wt%より少ない含有量で含有させるのが好ましく、より良好な伝熱効果が得られるとともに伝熱管の生産も容易である。
上記カーボンナノファイバーの含有量を5wt%以下とすると、伝熱効果の向上作用に乏しいものとなる。また、含有量を30wt%以上としても伝熱効果に大きな差を生じないし、30wt%以上を樹脂材に含有させるのは困難で、生産性が低下するとともに高価なものとなる。尚、本明細書で言うカーボンナノファイバーとは、ナノテクノロジー分野に於いて、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、その他ナノ単位のカーボン繊維を含んだ総称を示すものである。また、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、その他を混在させて樹脂材に含有させても良いし、単体で含有させても良い。また、カーボンナノチューブを樹脂材に含有させる場合は、カーボンナノチューブが単層であっても良いし、複層であっても良い。更に、このカーボンナノチューブのアスペクト比は問わないものである。また、カーボンナノチューブの太さ、長さ等も問わないものである。
まず、図１〜図４に示す実施例１を詳細に説明すれば、(１)は金属管で、管外径を8mmとし、肉厚を0.7mmとする、外表面に銅メッキの無い一重巻鋼管、外表面に銅メッキの有る二重巻鋼管、アルミ管等を用いている。この金属管(１)は、後述の如く樹脂被膜層(２)を配設する事で耐食性が得られるから、そのまま使用しても良いが、本実施例では、更に、この金属管(１)の外表面に、犠牲腐食性の防食メッキ層(図示せず)を配設して、過酷な腐食環境下であっても優れた耐食性を得る事を可能としている。
上記防食メッキ層は、亜鉛、錫、錫−亜鉛合金、ニッケル、亜鉛−ニッケル合金、亜鉛−アルミ合金等をメッキして１層で形成しても良いし、金属管(１)の外表面にニッケルをメッキし、このニッケルの外周面に亜鉛−ニッケル合金をメッキして２層構造とする等、複数層としても良い。また、複数層の防食メッキ層を施す場合は、例えば前記特許文献６〜８に記載の如き手法で行っても良い。また、金属管(１)に亜鉛系メッキ及びクロメート被膜を施して耐食性を持たせても良い。
次に、押出成形装置等を用いて、上述の如き防食メッキ層の外周面に、肉厚を0.1〜1.0mmとする樹脂被膜層(２)を密着コーティングする。この樹脂被膜層(２)は、本実施例ではポリアミド１２等のポリアミド(ＰＡ)、ポリプロピレン(ＰＰ)、ポリエチレン(ＰＥ)等により１層のみで形成している。また、樹脂被膜層(２)は、前記樹脂材中に必要に応じて銅、アルミ、ステンレス等の金属材、カーボン材又はガラス材等で形成した粒子や繊維を含有させたり、黒色で黒体輻射効果のある樹脂材を使用しても良いし、カーボンナノファイバーを含有させても良く、放熱の場合は輻射熱の放熱特性に優れ、吸熱の場合は熱吸収に優れたものとなり、樹脂被膜層(２)の熱伝導性を高める事が可能となる。
そして、上記樹脂被膜層(２)の外周面に、前記アルミニウム、銅、表面処理した軟鋼、ステンレス等の金属材製の平板で形成した長尺なフィン部材(３)を、図３に示す如く、その一側端面を樹脂被膜層(２)に接触させながら螺旋状に配設する事により、実施例１の伝熱管(４)を得ている。尚、フィン部材(３)は、図３に示す如く、幅方向の形成長さＬを、図１に示す金属管(１)外径Ｄの50〜150％とし、肉厚ｔを0.15〜0.4mmで形成している。また、フィン部材(３)の表面にも、前記金属管(１)の如く防食メッキ層を設けても良く、亜鉛、錫、錫−亜鉛合金、ニッケル、亜鉛−ニッケル合金、亜鉛−アルミ合金等により１層で形成しても良いし、これらを組み合わせて複数層で形成しても良い。このような防食メッキ層を設ける事により、フィン部材(３)の腐食を防ぎ、伝熱管(４)全体の耐食性を更に高める事が可能となる。
また、上記フィン部材(３)の樹脂被膜層(２)への螺旋状の配設のため、実施例１では、肉厚が均一で断面形状を一端から他端まで同一幅とするストレート形状のフィン部材(３)に、図４に示す如く、幅全体に渡る波形ヒダ(６)を複数設けて、フィン部材(３)全体を波形に成形している。そして、このフィン部材(３)を、金属管(１)への配設直前に、図５に示す如く、フィン部材(３)の樹脂被膜層(２)への接触部(５)とする内周側を縮径し波形ヒダ(６)の起伏を大きくするとともに、外周側を伸張して平坦となるよう成形する。この成形により、内径側と外径側とで径差が生じてフィン部材(３)が接触部(５)側を内側として、弧状に湾曲し、樹脂被膜層(２)を配設した金属管(１)の外周に螺旋状に巻き回し易いものとなる。尚、この波形ヒダ(６)は、金属管(１)への螺旋状の配設完了後に、図３に示すフィン部材(３)の波形ヒダ(６)の形成長さｄが、フィン部材(３)の形成幅の50％程度以上の長さとなるように成形する。
そして、接触部(５)を樹脂被膜層(２)の表面に食い込ませながらフィン部材(３)を螺旋状に巻き回す。このフィン部材(３)の接触部(５)の樹脂被膜層(２)への食い込み深さ(図３のＩ)は、本実施例では樹脂被膜層(２)の肉厚の60％としている。このように、樹脂被膜層(２)にフィン部材(３)の接触部(５)を食い込ませながら巻き回すので、接触部(５)が樹脂被膜層(２)により束縛され、金属材の復元力によるフィン部材(３)のバックリングを防止して、フィン部材(３)の螺旋状の配設作業を効率的に行う事ができる。
また、波形ヒダ(６)を設けた接触部(５)を樹脂被膜層(２)に食い込ませるので、直線的に食い込ませた場合に比べて、接触部(５)と樹脂被膜層(２)との接触面積が多くなるとともに、フィン部材(３)のバックリング方向と交差する方向に接触部(５)が配置されるものとなる。従って、フィン部材(３)が樹脂被膜層(２)に更に強固に食い込むものとなって束縛力が大きくなり、バックリング防止効果をより高める事ができる。
また、従来はフィン部材のバックリングにより、金属管とフィン部材との接触部に隙間を生じて、塗装やろう付け等により隙間を閉塞する必要があったが、本発明では、樹脂被膜層(２)へのフィン部材(３)のフィット性が高く、隙間無く密着するものとなるので、隙間を閉塞する作業を別個に行う必要がなく、作業効率を高め、材料コストを下げて生産性を向上させる事ができる。
上述の如く形成した伝熱管(４)では、衝撃吸収性や耐水性、耐薬品性等を有する樹脂被膜層(２)により金属管(１)を被覆保護する事で、該金属管(１)及びその表面に施した防食メッキ層の、飛び石等による破損や泥はね等による酸化等の防止効果が高まる。また、本実施例ではフィン部材(３)にも防食メッキ層を設けているので、耐食性に優れた製品を得る事ができる。
また、樹脂被膜層(２)の外周面に金属材製のフィン部材(３)を配設しているので、伝熱面積を増大させる事が可能となるとともに、フィン部材(３)の一側端面を樹脂被膜層(２)に食い込ませて隙間無く密着させているので、樹脂被膜層(２)を介した金属管(１)とフィン部材(３)との高い熱伝導性を得る事ができる。また、必要に応じて樹脂被膜層(２)にカーボンナノファイバーを含有させたり、金属材製、カーボン材製又はガラス材製等の粒子や繊維を含有させたり、黒色で黒体輻射効果のある樹脂材を使用したりしているので、樹脂被膜層(２)の熱伝導性も高くする事ができ、金属管(１)とフィン部材(３)との熱伝導性を更に向上させる事ができる。
従って、伝熱管(４)の放熱特性や吸熱特性が向上し、伝熱管(４)内部を流通する流体と外部を流通する流体との熱交換を効率的に行う事ができる。また、樹脂被膜層(２)への良好なフィット性により、伝熱管(４)の振動やフィン部材(３)の外周を流動する流体の流動圧等へのフィン部材(３)の耐久性が向上し、優れた熱交換性能を維持する事ができる。
そして、上述の如き伝熱管(４)を組付けた多管円筒式熱交換器(10)は、図９に示す如く、円筒状の胴管(11)の両端にチューブシート(12)を一対接続し、内部を密閉可能としている。そして、一対のチューブシート(12)間に、本実施例の伝熱管(４)を複数本、チューブシート(12)を貫通して接続配置している。また、胴管(11)の両端には、被冷却高温熱媒体流体の導入口(14)と導出口(15)とを設けたボンネット(16)を接続している。
更に、胴管(11)の外周には、低温熱媒体流体の流入口(17)と流出口(18)を設ける事により、一対のチューブシート(12)で仕切られた気密空間内を、低温熱媒体流体が流通可能な冷却部(13)としている。また、この冷却部(13)内に、複数の支持板(20)を接合配置し、この支持板(20)に設けた挿通孔(21)に、伝熱管(４)を挿通する事により、バッフルプレートとして伝熱管(４)を安定的に支持するとともに、冷却部(13)内を流動する低温熱媒体流体の流れを蛇行化している。
上記多管円筒式熱交換器(10)に於いて、導入口(14)から胴管(11)内に高温熱媒体流体が導入されると、この高温熱媒体流体は胴管(11)内に複数配置した伝熱管(４)内に流入する。この伝熱管(４)を配置した冷却部(13)では、予め伝熱管(４)の外部に低温熱媒体流体を流通しているので、伝熱管(４)の外表面を介して高温熱媒体流体と低温熱媒体流体とで熱交換が行われる。
そして、伝熱管(４)は、前述の如くフィン部材(３)の配設により伝熱面積を増大させるとともに、フィン部材(３)と樹脂被膜層(２)とのフィット性を高めてフィン部材(３)と金属管(１)との熱伝導性を高めている。更に、フィン部材(３)を螺旋状に配設する事により、低温熱媒体流体の乱流化や撹拌効果が生じ、境界層の剥離等により、熱交換を促進させる事ができる。また、フィン部材(３)に波形ヒダ(６)を設ける事で、低温熱媒体流体の乱流化や撹拌が促進される。これらの作用により、金属管(１)内を流動する高温熱媒体流体の熱が金属管(１)、フィン部材(３)を介して外部を流動する低温熱媒体流体に効率的に放熱され、高温熱媒体流体への優れた冷却効果を得る事ができる。
また、上記実施例１では多管円筒式熱交換器(10)に本発明の伝熱管(４)を使用しているが、耐衝撃性や耐食性に優れている事を利用して、床下に配設するフューエルパイプ等に本発明の伝熱管(４)を使用する事も可能である。そして、フューエルパイプの外周を流動する空気との接触により、内部を流動する燃料の熱を効率的に放熱して、優れた冷却効果を得る事ができる。
このように、本発明の伝熱管(４)を使用することにより、多管円筒式熱交換器(10)等、自動車や建設機械の流体冷却管、居住用空間の温湿度を調整する空調機等の製品の品質を向上させる事ができる。また、優れた熱交換性能が得られる事により、これらの製品の小型化が可能となり、狭い場所への設置も可能なレイアウトの自由度の高いものとなる。
また、実施例１では、金属管(１)及びフィン部材(３)の外表面に防食メッキ層を設けているが、メッキ処理に限らず、陽極酸化処理等の他の表面処理を施しても良い。また、これら防食メッキ処理や陽極酸化処理等の表面処理作業は、伝熱管(４)の製作工程に組み込んでも良いが、予めこれらの表面処理の施された細径金属管(１)やフィン部材(３)用の金属板等を使用しても良く、表面処理の手間を省いて伝熱管(４)の生産性を更に高める事ができる。
上記実施例１では幅全体に渡る波形ヒダ(６)を設けたフィン部材(３)を、金属管(１)への配設直前に、フィン部材(３)を金属管(１)の外周に螺旋状に巻き回し易くするため、内周側を縮径して波形ヒダ(６)の起伏を大きくし、外周側は波形ヒダ(６)を伸張して平坦に成形し、フィン部材(３)を円弧状に湾曲させている。これに対して、実施例２では、図６に示す如く、幅全体に渡る波形ヒダ(６)を複数設けたフィン部材(３)を、金属管(１)に螺旋状に巻き回しながら、内周側を縮径して波形ヒダ(６)の起伏を大きくするとともに、外周側では、図６に示す如く、波形ヒダ(６)を平坦に伸ばさずに拡開するのみで残留し、波形は小さくなるが維持しながら配設している。
このような工程で形成する事により、フィン部材(３)の金属管(１)への配設後は、フィン部材(３)の幅方向全体に波形ヒダ(６)が形成されるものとなり、外周側を伸張して平坦とする必要がなく、フィン部材(３)の容易な螺旋状の配設が可能となる。また、フィン部材(３)の表面積が増大し、伝熱管(４)の熱交換性能をより高くする事ができる。
上記実施例１、２では、フィン部材(３)に、幅全体に渡る波形ヒダ(６)を設け、金属管(１)に螺旋状に巻き回しながら、内周側を縮径して波形ヒダ(６)の起伏を大きくするとともに、外周側では波形ヒダ(６)を、図５に示す如く伸張させるか又は図６に示す如く拡開して、当該フィン部材(３)を円弧状に湾曲成形して金属管(１)の外周に螺旋状に配設している。これに対して、他の異なる実施例として、波形ヒダ(６)を何等設けていない平坦なフィン部材(３)を使用し、金属管(１)に巻き回す際に、フィン部材(３)の内周側を縮径しながらこの内周側のみに波形ヒダ(６)を形成して、図５に示す如きフィン部材(３)の形状としても良いし、図６に示す如く、フィン部材(３)全体に波形ヒダ(６)を形成しながら金属管(１)に巻き回し、且つその波形ヒダ(６)の形成時はフィン部材(３)の内周側を縮径して、内周側では波形ヒダ(６)の起伏を大きくし、外周側では波形ヒダ(６)は起伏をなだらかに形成する事で、幅全体に渡る波形ヒダ(６)を確保しつつ内周側と外周側とで径差を生じさせて円弧状に成形しても良い。
また、実施例１では波形ヒダ(６)の形成長さｄが、フィン部材(３)の形成幅の50％程度の長さとなっているのに対して、実施例２では、波形ヒダ(６)の形成長さｄが、フィン部材(３)の形成幅の100％の長さとなっている。このように、フィン部材(３)に形成する波形ヒダ(６)の長さｄは、フィン部材(３)の形成幅の50〜100％とする事により、金属管(１)の外周に配設した樹脂被膜層(２)に、螺旋状に巻き回し易くなるとともに、樹脂被膜層(２)とフィン部材(３)との良好な固定が可能となるとともに、熱伝導性も向上する。
図７に示す実施例３では、伝熱管(４)の外表面全体にカチオン電着塗装を施している。この伝熱管(４)を製作する工程は、まず鉄製の金属管(１)の外周に亜鉛系メッキを施して耐食性を高め、その外周にプライマーとしてエポキシ樹脂を配設した後、このエポキシ樹脂の外周にＰＡを押し出して、樹脂被膜層(２)を配設している。そして、この樹脂被膜層(２)を配設した金属管(１)の外周に、亜鉛系メッキを施して耐食性を高めた鉄製のフィン部材(３)を、螺旋状に配設して伝熱管(４)を形成している。このフィン部材(３)の螺旋状の配設は、図４に示す如き幅全体に渡る波形ヒダ(６)を設けたフィン部材(３)を、金属管(１)への巻き回し時に、図５に示す実施例１の如く、外周側を伸張させながら配設しても良いし、図６に示す実施例２の如く、波形ヒダ(６)の外周側を拡開して幅全体に渡る波形ヒダ(６)を維持しながら配設しても良い。また、波形ヒダ(６)を何等設けていない平坦なフィン部材(３)を用い、図５に示す如く内周側のみに波形ヒダ(６)を設けるか或いは、図６に示す如く幅全体に渡る波形ヒダ(６)を設けながら、金属管(１)の外周に巻き回しても良い。
次に、上述の如く形成した伝熱管(４)に、樹脂塗料により塗装を施して、その外表面に塗装部(７)を設けている。この樹脂系の塗装部(７)にて被覆する事により、鉄製のフィン部材(３)等の耐食性が高まり、伝熱管(４)の耐久性を向上させる事ができる。尚、この塗装は、粉体塗装、静電塗装、ディッピング塗装等、従来公知の何れのものであっても良いが、例えば粉体塗装を行った場合、樹脂系の塗料がフィン部材(３)だけでなく、樹脂被膜層(２)の表面にも付着する。そのため、樹脂被膜層(２)が肉厚となって、熱伝導性が多少低下する可能性がある。
このような不具合が生じないようにするため、実施例３では、カチオン電着塗装を採用するとともに、より効果的な塗装を施すため、当該処理を２回行っている。この場合、鉄製のフィン部材(３)のみが帯電して塗料が吸着され、その外表面に塗装部(７)が形成されるが、樹脂被膜層(２)は塗装される事はない。従って、鉄製のフィン部材(３)は、塗装部(７)により良好な耐食性を得る事ができ、且つ伝熱管(４)の良好な熱伝導性を保持する事が可能となる。また、本実施例のカチオン電着塗装の際には、焼き付け温度が190℃となり、ＰＡ製の樹脂被膜層(２)の溶融温度が150℃であるから、焼き付け温度は溶融温度の126％の温度となる。そのため、焼き付けと同時に樹脂被膜層(２)のＰＡが溶融し、この樹脂被膜層(２)に食い込んだフィン部材(３)の外表面に溶融接着して、図７に示す如く、溶融接着部(８)が形成され、フィン部材(３)は樹脂被膜層(２)に強固に固定され、フィン部材(３)の安定性が高まるものとなる。また、図７に示す如く、鉄製のフィン部材(３)と樹脂被膜層(２)の溶融接着部(８)、塗装部(７)の各境界部が、滑らかに一体化し、互いの熱伝導性が高まるとともに、フィン部材(３)の固定安定性を更に向上させる事ができる。
上記実施例１〜３では、断面形状が一端から他端まで同一幅とするストレート形状のフィン部材(３)を使用しているが、図８に示す実施例４では、樹脂被膜層(２)への接触部(５)の形成幅Ｔを、本体部の形成幅ｔの200％以内で広幅に形成し、断面形状を逆Ｔ字形とするフィン部材(３)を使用している。そして、この広幅とした接触部(５)を、樹脂被膜層(２)に食い込ませながら、フィン部材(３)を樹脂被膜層(２)の外周に螺旋状に配設する。このような構成では、樹脂被膜層(２)とフィン部材(３)との接触面積が増大して、双方の熱伝導性を高める事ができるし、フィン部材(３)の樹脂被膜層(２)への固定安定性も向上させる事ができる。また、このように接触部(５)を広幅とする事により、樹脂被膜層(２)への食い込み力が分散されて、樹脂被膜層(２)の破断防止効果の高いものとなる。
また、実施例４に於いても、カチオン電着塗装により、鉄製のフィン部材(３)の外周に塗装部(７)を設けて、耐食性を高めるとともに、樹脂被膜層(２)のフィン部材(３)への溶融接着と、樹脂被膜層(２)と塗装部(７)との滑らかな一体化を図っている。これにより、樹脂被膜層(２)、フィン部材(３)及び塗装部(７)の互いの熱伝導性が高まるとともに、フィン部材(３)の樹脂被膜層(２)への固定安定性も向上する。更に、フィン部材(３)の樹脂被膜層(２)への接触部(５)側を広幅とする事により、溶融接着部(８)によるフィン部材(３)の固定がより強固に行えて、フィン部材(３)の耐衝撃性を高める事ができる。従って、熱交換性能、耐久性に優れる伝熱管(４)を得る事ができる。
また、前記実施例１、２の如く塗装を施していない伝熱管(４)の場合も、樹脂被膜層(２)の溶融温度の100〜130％の温度で加熱する事により、樹脂被膜層(２)が溶融して、樹脂被膜層(２)に食い込ませたフィン部材(３)の外表面に、樹脂被膜層(２)が肉厚に溶融接着するものとなる。従って、フィン部材(３)を樹脂被膜層(２)に強固に固定する事が可能となり、双方の熱伝導性が高まって、伝熱管(４)の熱交換性能を更に向上させる事が可能となるとともに、フィン部材(３)のバックリング防止の高い効果が得られるものとなり、実施例１、２の如き構成の伝熱管(４)の品質をより向上させる事ができる。
本発明の実施例１の伝熱管の斜視図。 図１の側面図。 樹脂被膜層へのフィン部材の食い込み状態を示した一部拡大断面図。 実施例１のフィン部材の斜視図。 実施例１の、樹脂被膜層への配設直前のフィン部材の斜視図。 実施例２の、樹脂被膜層への配設直前のフィン部材の斜視図。 実施例３の、樹脂被膜層へのフィン部材の食い込み状態を示した一部拡大断面図。 実施例４の、樹脂被膜層へのフィン部材の食い込み状態を示した一部拡大断面図。 本発明の伝熱管を用いた多管円筒式熱交換器の概略図。
符号の説明
１ 金属管
２ 樹脂被膜層
３ 外周フィン
５ 接触部

Claims (16)

  1. 金属管の外周面に少なくとも一層の樹脂被膜層を設け、この樹脂被膜層の外周面に、金属材製のフィン部材を、その一側端面を接触させて螺旋状に巻き回し、この巻き回し接触部を樹脂被膜層の表面に食い込ませた事を特徴とするフィン部材を外装した伝熱管。
  2. 金属材製のフィン部材は、樹脂被膜層に食い込ませる少なくとも一側端面側を波形に形成した事を特徴とする請求項１のフィン部材を外装した伝熱管。
  3. 樹脂被膜層は、肉厚を0.1〜1.0mmとした事を特徴とする請求項１又は２のフィン部材を外装した伝熱管。
  4. 金属材製のフィン部材を食い込ませた樹脂被膜層は、この樹脂被膜層の溶融温度の100〜130％の温度で加熱して溶融し、フィン部材に樹脂被膜層を溶融接着させた事を特徴とする請求項１、２又は３のフィン部材を外装した伝熱管。
  5. 金属材製のフィン部材及び／又は金属管は、鉄系の素材にて形成した事を特徴とする請求項１、２、３又は４のフィン部材を外装した伝熱管。
  6. 金属材製のフィン部材及び／又は金属管は、表面に少なくとも１層の防食メッキ層を設けた事を特徴とする請求項１、２、３、４又は５のフィン部材を外装した伝熱管。
  7. 金属材製のフィン部材及び／又は金属管は、亜鉛、錫、ニッケル、アルミニウム又はこれらの基合金で被覆した事を特徴とする請求項６のフィン部材を外装した伝熱管。
  8. 金属材製のフィン部材及び金属管は、焼き付け温度が樹脂被膜層の溶融温度の100〜130％の温度で、塗装処理を表面に施した事を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７のフィン部材を外装した伝熱管。
  9. 金属材製のフィン部材は、断面形状を一端から他端まで同一幅とするストレート形状である事を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８のフィン部材を外装した伝熱管。
  10. ストレート形状としたフィン部材は、樹脂被膜層への食い込み深さを、樹脂被膜層の肉厚の10〜60％とした事を特徴とする請求項９のフィン部材を外装した伝熱管。
  11. 金属材製のフィン部材は、樹脂被膜層への接触部の形成幅を本体部の形成幅よりも広幅に形成し、断面形状を逆Ｔ字形とするとともにこの接触部の形成幅を、本体部の形成幅の200％以内とした事を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８のフィン部材を外装した伝熱管。
  12. 逆Ｔ字形としたフィン部材は、樹脂被膜層への食い込み深さを、樹脂被膜層の肉厚の5〜30％とした事を特徴とする請求項１１のフィン部材を外装した伝熱管。
  13. 樹脂被膜層は、この樹脂被膜層を形成する樹脂材よりも熱伝導性の高い粒子及び／又は繊維を樹脂材に含有させた事を特徴とする請求項１、２、３、４、８、１０、１１又は１２のフィン部材を外装した伝熱管。
  14. 樹脂被膜層は、この樹脂被膜層を形成する樹脂材にカーボンナノファイバーを含有させた事を特徴とする請求項１、２、３、４、８、１０、１１、１２又は１３のフィン部材を外装した伝熱管。
  15. カーボンナノファイバーは、5wt%より多く30wt%より少ない含有量で含有させた事を特徴とする請求項１４のフィン部材を外装した伝熱管。
  16. 樹脂被膜層は、金属管の外周面に２層配設した事を特徴とする請求項１、２、３、４、８、１０、１１、１２、１３、１４又は１５のフィン部材を外装した伝熱管。
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