JP2005351531A - 内面溝付管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 凝縮性能がより高くかつ圧力損失の抑制効果がより大きい内面溝付管とその製造方法を提供すること。
【解決手段】 内面に長さ方向に対して所定のリード角βを有する断面が三角形ないし三角形類似の多数のフィンを所定間隔に有し、前記各フィンは当該フィンを交差する状態に所定の間隔にトンネル状部を有することを特徴とする。金属条の一面に長さ方向に対して所定角度β１を有する断面が矩形ないし矩形に近い台形であって途切れ部を介して断続する一次フィンを所定の間隔で多数加工し、前記各一次フィンを、その断面が三角形ないし三角形類似の形状を呈する状態に、かつ、各途切れ部の前後のフィン頂部相互が連続する状態に加圧変形させて整形されたフィンに加工し、当該金属条をフィン加工面を内面として管状に成形しつつ両側の突合せ部を溶接して造管する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、伝熱管やヒートパイプとして使用される内面溝付管及びその製造方法に関するものであり、特に非共沸冷媒を用いたときの凝縮促進型の内面溝付管及びその製造方法に関する。

ルームエアコン等の空調機用の伝熱管には、内面に多数のフィン（フィン相互の間は溝）を螺旋状に加工したものが使用されている。内面に、より高く（深く）かつ螺旋角度が大きいフィン（溝）をできるだけ密に加工すると、伝熱管の管内伝熱性能が向上することは周知である。しかしながら、フィン高さ及び螺旋角度（リード角）の大きいフィンを内面に加工すると、伝熱性能は向上するが管内の圧力損失が増大し、コンプレッサの負荷増大によりエネルギー効率を低下させるという問題がある。

前述の問題を解決するため、頂部に狭い開口部を有するあり溝状の空洞部を所定間隔に有する螺旋状の多数のフィンを管内面に加工し、前記空洞部により圧力損失を抑制することが提案されている（空洞部深さはフィン高さの０．２５〜１．０倍である。後記特許文献１参照）。
この内面溝付管は、それぞれ素管内に各溝付プラグを回転自在に挿入し、当該素管を引き抜くことにより、管内面に断面が矩形状の多数の一次溝を加工し、次いで、一次溝と交差しかつ螺旋状となるように断面が三角形状の多数の二次溝を加工することにより製造される。すなわち、管内面に二次溝が加工される際に、一次溝によるフィンが潰れて二次溝相互の間にフィンが形成され、一次溝の部分が加圧変形されて二次溝間のフィンに前述のようなあり溝状の空洞部が形成される。
特開平７−１２４８２号

しかしながら、内面溝付管内の冷媒は、凝縮時にフィン頂部で最終的に凝縮するが、前記の内面溝付管のように螺旋状に形成されフィンの空洞部があり溝状であって、各フィンの頂部に一次溝の位置に途切れ部（開口部）が形成され、この途切れ部では冷媒が凝縮しないため凝縮性能がその分低下する。ルームエアコン等には混合冷媒（共沸冷媒、非共沸冷媒）が使用されるが、前記の凝縮性能低下の傾向は、非共沸冷媒を使用した場合に特に顕著になる。
また前記製造方法では、一次溝の溝底と二次溝の溝底とを一致（空洞部深さ＝フィン高さ）させ難く、通常は二次溝加工時に一次溝を完全に潰すこととなり、空洞部の底レベルは二次溝の底レベルより高くなる（空洞部底と二次溝底との間に段差を生じる）ので、圧力損失抑制の効果が小さい。

本発明の解決課題は、凝縮性能がより高くかつ圧力損失の抑制効果がより大きい内面溝付管とその製造方法を提供することである。

本発明に係る内面溝付管は、前記課題を解決するため、内面に長さ方向に対して所定のリード角βを有する断面が三角形ないし三角形類似の多数のフィンを所定間隔に有し、前記各フィンには当該フィンを交差する状態に所定の間隔にトンネル状部を形成したことを最も主要な特徴としている。

本発明に係る内面溝付管の製造方法は、金属条を一定方向へ繰出しながら、当該金属条の一面に長さ方向に対して所定角度β１を有する断面が矩形ないし矩形に近い台形であって途切れ部を介して断続する一次フィンを所定の間隔で多数加工する工程と、前記各一次フィンを、その断面が三角形ないし三角形類似の形状を呈する状態に、かつ、各途切れ部の前後のフィン頂部相互が連続する状態に加圧変形させて整形されたフィンに加工する工程と、当該金属条をフィン加工面を内面として管状に成形しつつ両側の突合せ部を溶接して造管する工程とを含むことを特徴としている。

本発明に係る内面溝付管によれば、管内面に螺旋状に形成された多数のフィンは所定間隔にトンネル状部を有するので、フィンの螺旋のリード角θを大きくして伝熱面積をより拡大した場合でも、冷媒が前記トンネル状部を通じて下流方向ヘ円滑に流れる。したがって、非共沸冷媒を使用した場合圧力損失を十分に抑制することができる。
また、管内ではフィンに沿って流れる冷媒と各トンネル状部を通じて下流方向に流れる冷媒の二つの冷媒流れを生じ、効率よく乱流効果を発揮して伝熱性能が向上するほか、フィン頂部は途切れないで連続しているので凝縮性能を低下させない。
本発明に係る内面溝付管の製造方法によれば、前記本発明に係る内面溝付管を円滑に製造することができる。

図１は本発明の一実施形態に係る内面溝付管を展開した状態の部分拡大斜視図であり、金属の管内面には、長さ方向に対して所定のリード角βを有する断面が三角形ないし三角形類似の多数のフィン１が所定間隔に形成されており、フィン１相互の間はほぼ逆台形状を呈した溝２を形成している。
各フィン１には、当該フィンを交差しかつ管の長さ方向に貫通するトンネル状部１０が所定間隔に形成されている。１０はトンネル状部であるから、その底面は溝２の底とほぼ連続する面であり、フィン１の頂部は継ぎ目を介して連続している。
管の材質には、銅又は銅合金，アルミニウム合金、鋼材その他の熱伝導性に優れた材料を用いることができるが、無酸素銅，リン脱酸銅やタフピッチ銅を用いるのが好ましい。

前記実施形態の内面溝付管によれば、管内面に螺旋状に形成された多数のフィン１は所定間隔にトンネル状部１０を有するので、伝熱面積を拡大するためフィン１の螺旋のリード角θを大きくしても、凝縮冷媒が前記トンネル状部１０を通じて下流方向ヘ円滑に流れる。したがって、非共沸冷媒を使用した場合圧力損失を十分に抑制することができる。
また、管内ではフィン１に沿って流れる冷媒と各トンネル状部１０を通じて下流方向に流れる冷媒の二つの流れを生じ、効率よく乱流効果を発揮して伝熱性能が向上するほか、フィン１の頂部は途切れないで連続しており、凝縮時の最終には冷媒がフィン１の頂部の各部で凝縮するので凝縮性能が低下することはない。

図２〜図５を参照しながら、前記の実施形態に係る内面溝付管の製造方法を以下説明する。
図２は一次フィンを加工した金属条の部分拡大斜視図、図３の（ａ）図は第一次の加工ロールの概略平面図、同（ｂ）図は第二次の加工ロールの概略平面図、図４は金属条に一次フィンを加工している状態の部分拡大断面（フィンと直交する断面）図、図５は金属条の一次フィンを完成したフィンに整形加工している状態の部分拡大断面（フィンと直交する断面）図である。

図３の（ａ）図及び図４で示すように、第一次の加工ロール３は、金属条１ａの上面に一次フィンを加工する一次ワークロール３ａと、一次ワークロール３ａが所定の圧下力で上部に平行して接触する外周面が平滑な一次平滑ロール３ｂ（図４）とを備えている。
一次ワークロール３ａは、外周面に所定のリード角β１を有する多数の一次溝３０ａを所定の間隔に形成した溝付ロール部（溝付ロールピース）３０と、外径が溝付ロール部３０の溝底外径と同じ外径で外周面が平滑な幅の狭い（厚みが小さい）平滑ロール部（平滑ロールピース）３１とを、交互に密接させて同軸状に組み合わせたものである。
一次溝３０ａは断面が矩形であるが、矩形に近い台形であっても差し支えない。

図３の（ｂ）図及び図５で示すように、第二次の加工ロールは、金属条１ａ上に形成された一次フィンを加圧して整形するための二次ワークロール４ａと、二次ワークロール４ａが所定の圧下力で上部に平行して接触する外周面が平滑な二次平滑ロール４ｂとを備えている。
二次ワークロール４ａの外周面には、一次ワークロール３ａのリード角β１と同じリード角β１の二次溝４０が多数形成されている。
二次溝４０の断面形状は三角形ないし三角形類似の形状であり、その溝底幅ｗ２は前記一次溝３０ａの溝底幅ｗ２と同じであるが、溝深さｄは一次溝３０ａの溝深さｄ１よりも必要量深くなっている。すなわち、二次溝４０の深さｄは、二次溝４０の断面積が一次溝３０ａの断面積よりも若干小さいか両者同じになるような大きさに設計する。一次溝３０ａと二次溝４０の溝ピッチｐ（隣接する溝の中心から中心までの距離）は同じである。
二次溝４０の溝底幅ｗ２は、一次溝３０ａの溝底幅ｗ２よりも僅かに大きくても差し支えない。

図３で示すように、所定幅の金属条１ａを繰り出しながらその繰出し方向に沿って回転する第一次の加工ロール３の上下のロール３ａ，３ｂ間に挟み込み、金属条１ａを圧延すると、当該金属条１ａの上面には図３（ａ）図及び図４のように、一次ワークロール３ａの一次溝３０ａと同形状同サイズの一次フィン１１が転写加工される。このとき各１次フィン１１には、図３のように一次ワークロール３ａの平滑ロール部３１の厚みに対応して、金属条１ａの長さ方向に沿い所定の間隔で一次フィン１１相互間の溝底と同じレベルの底面を有する途切れ部１２が加工される。すなわち、金属条１ａの上面には、図２のように条の長さ方向に対して所定のリード角βを有し、断面が矩形であって平滑ロール部３１の厚みと同じ長さＬ１（平滑ロール部３１の厚み）を有する途切れ部１２を介して断続する多数の一次フィン１１が形成される。

第一次の加工ロール３の繰出し方向の下流には、図３のように繰出し方向に沿って回転する第二次の加工ロール４が設置されており、一次フィン１１が加工された金属条１ａを
二次ワークロール４ａと二次平滑ロール４ｂとに挟ませて圧延する。このとき、一次フィン１１と二次ワークロール４ａの二次溝４０が一致するように第二次の加工ロール４を配置しておく。また、ロール４ａ，４ｂの回転により各一次フィン１１が対応する各二次溝４０に入り込むように金属条１ａをセットし、金属条１ａの圧延を再開する。
第二次の加工ロール４のロール４ａ，４ｂで金属条１ａを圧延すると、図５で示すように各一次フィン１１は、対応する二次溝４０によって、当該部分の材料が二次溝４０内に充満するように移動し、かつ一次フィン１１の頂部分における材料一部は各途切れ部１２の方向に移動してフィン頂部相互が連続する状態に加圧変形される。この加圧変形による整形により、図１のように所定の間隔でトンネル状部１０を有する連続したフィン１が加工される。

第二の加工ロール４の繰出し方向下流には、図示しないフォーミングロール群とスクイズロール及び誘導加熱コイルが順に設置されており、整形されたフィン１が加工された金属条１ａは前記フォーミングロール群によりフィン形成面が内面となるように順次管状に成形された後、スクイズロールにより両側縁相互が順次突き合わされ、当該突合せ部分が誘導加熱コイルにより順次溶接されることにより造管される。
造管後は溶接ビードを切削した後、管を空引き整形して仕上げる。
以上のように製造された内面溝付管において、トンネル状部１０の底幅ｗ１は一次フィン１１における途切れ部１２の長さＬ１とほぼ同じである。

管サイズは用途によって異なるが、一般的には外径３〜１５ｍｍ，溝底肉厚０．２〜１．０ｍｍ程度である。
フィン１のリード角βの大きさに比例して伝熱面積が増大するほか、溝内の冷媒液膜が十分に攪拌されて非共沸冷媒の気液界面での濃度差が低減し、拡散抵抗や熱抵抗が減じて凝縮熱伝達率が向上する。リード角βが４０°未満では伝熱面積の十分な増大が図れず、冷媒駅膜の攪拌低下により凝縮熱伝達率が不十分である。他方７０°を超えると、圧力損失が増大してコンプレッサ等のエネルギー効率が低下する。したがって、フィン１のリード角βは４０〜７０°であるのが好ましく、４５〜５５°の範囲内であるのがさらに好ましい。

管サイズにもよるが、フィン高さｈが０．１０ｍｍ未満では十分な伝熱性能が得られず、０．３５ｍｍを超えると、空調機内に組み込むため拡管するときにフィン割れが発生し易い。したがって、フィン高さｈは０．１０〜０．３５の範囲内であるのが好ましく、０．１５〜０．３０ｍｍであるのがさらに好ましい。
フィン幅ｗは０．０５ｍｍ未満ではフィン強度が不足して圧延時にフィン割れが生じ、０．２０ｍｍを超えると整形時にトンネル状部１０が加工できない場合がある。したがって、フィン幅ｗは０．０５〜０．２０ｍｍであるのが好ましく、０．１０〜０．１５ｍｍの範囲内であるのがさらに好ましい。

次の構成の第一次の加工ロールと第二次の加工ロールを使用して、アルミニウム合金の一定幅の金属条１ａに底幅ｗ１が異なるトンネル状部１０を有する多数のフィン１を加工し、各金属条１ａを管状に成形して溶接により造管した実施例の供試管を製造した。
・第一次の加工ロールの一次ワークロール
溝付ロール部×５
溝リード角β１＝４０°
溝深さｄ１＝０．２０ｍｍ
溝底幅ｗ２＝０．１３
溝形状＝断面矩形
溝ピッチ＝一定
平滑ロール部×４
厚みＬ１（トンネル状部１０の底幅ｗ１）＝０．０５〜０．３０ｍｍの範囲で０．０５ｍｍ刻みで変化
・第二次の加工ロールの二次ワークロール
溝リード角β１＝４０°
溝深さｄ＝０．２５ｍｍ
溝底幅ｗ２＝０．１３
溝形状＝断面三角形
溝ピッチ＝一次ワークロールと同じ
他方、次のワークロールを平滑ロールと組み合わせた加工ロールを使用して、実施例と同じ幅で同材質の金属条にトンネル状部有しない多数のフィンを加工し、当該金属条を管状に成形して溶接により造管した比較サンプルの内面溝付供試管を製造した。
溝リード角β１＝４０°
溝深さｄ１＝０．２５ｍｍ
溝底幅ｗ２＝０．１３
溝形状＝断面三角形
溝ピッチ＝一次ワークロールと同じ

上記のように製造した７種の供試管について、冷媒流速３００kg/m²sにおける熱伝達率と圧力損失を測定し、比較サンプルの供試管の熱伝達率と圧力損失をそれぞれ１００とした場合の熱伝達率比と圧力損失比を表１に示した。

表１で示すように、トンネル状部１０の底幅ｗ１が０．１０ｍｍ未満では、熱伝達率比と圧力損失比は比較サンプルの供試管と大差がなく、底幅ｗ１が０．２５ｍｍを超えると熱伝達率が低下する傾向を示した。
したがって、トンネル状部１０の底幅ｗ１は、フィン高さｈの０．４〜１倍（２／５ｈ≦ｗ１≧１ｈ）の範囲であるのが好ましい。

前記実施形態では、本発明に係る内面溝付管をルームエアコン等の熱交換器用の伝熱管として使用することを前提に説明したが、本発明に係る内面溝付管はヒートパイプとしても使用することができる。

本発明に係る内面溝付管の一実施形態を示す部分拡大展開斜視図である。 一次溝加工後の金属条を例示した部分拡大斜視図である。 本発明に係る内面溝付管を製造するための加工ロールの概略を示すもので、（ａ）図は第一次の加工ロールを示す概略平面図、（ｂ）図は第二次の加工ロールを示す概略平面図である。 第一次の加工ロールにより金属条に一次フィンを加工している状態を示す部分拡大断面図である。 第二の加工ロールにより、金属条の一次フィンを加圧整形している状態を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１ フィン
１０ トンネル状部
１１ 一次フィン
１２ 途切れ部
１ａ 金属条
２ 溝
３ 第一次の加工ロール
３ａ 一次ワークロール
３ｂ 一次平滑ロール
３０ 溝付ロール部
３１ 平滑ロール部
３０ａ 一次溝
４ 第二次の加工ロール
４ａ 二次ワークロール
４ｂ 二次平滑ロール
４０ 二次溝

Claims (3)

1. 内面に長さ方向に対して所定のリード角βを有する断面が三角形ないし三角形類似の多数のフィンを所定間隔に有し、前記各フィンは当該フィンを交差する状態に所定の間隔にトンネル状部を有することを特徴とする内面溝付管。
2. 前記トンネル状部は管の長さ方向に沿って形成され、前記リード角βは４０〜７０°であり、前記トンネル状部の底幅はフィン高さｈの０．４〜１倍である、請求項１に記載の内面溝付管。
3. 金属条を一定方向へ繰出しながら、当該金属条の一面に長さ方向に対して所定角度β１を有する断面が矩形ないし矩形に近い台形であって途切れ部を介して断続する一次フィンを所定の間隔で多数加工する工程と、前記各一次フィンを、その断面が三角形ないし三角形類似の形状を呈する状態に、かつ、各途切れ部の前後のフィン頂部相互が連続する状態に加圧変形させて整形されたフィンに加工する工程と、当該金属条をフィン加工面を内面として管状に成形しつつ両側の突合せ部を溶接して造管する工程とを含むことを特徴とする、内面溝付管の製造方法。

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