JP2006329451A

JP2006329451A - 熱交換器用伝熱管

Info

Publication number: JP2006329451A
Application number: JP2005149774A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Tamai; 井章喜玉
Original assignee: Sanoh Industrial Co Ltd
Current assignee: Sanoh Industrial Co Ltd
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】別部材を接合することなく、伝熱管の伝熱面積を増大させ、安価で軽量、高性能な熱交換器用伝熱管を提供する。
【解決手段】管体の管壁を伝熱面として、管内を流れる流体に熱交換を行う熱交換用伝熱管において、扁平管状の管体からなる伝熱管本体１０を有し、この伝熱管本体の管壁内側面に凹凸部１１，１２を軸方向に交互に形成する周回する溝を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、エンジンの排ガス再循環装置に用いられる熱交換器用伝熱管に関する。

各種熱交換器では、流体の接触する伝熱面を通じて熱交換を行う伝熱管が用いられている。この種の伝熱管では、伝熱面の面積が大きいほど伝熱効率は向上するので、従来からさまざまな改良が加えられており、その従来例として図６に示す伝熱管が知られている。図７は、図６の伝熱管の横断面を示す。

図６、図７において、参照番号２は、伝熱管の管体を示している。この管体２は、もともと円筒状であった管を扁平になるまでつぶした上で、伝熱面積を増やすために、内部にインナーフィン４がロウ付け等により接合されている。インナーフィン４は、互い違いにコ字形が連続するように薄板を折り曲げたものである。このように、管体２を扁平にした上でインナーフィン４を管内に取り付けることで、伝熱面積が増大し、伝熱効率は向上することになる。

しかしながら、図６のような伝熱管では、たしかに伝熱面積は大きくなるものの、別部材のインナーフィン４をロウ付け等により接合しなければならないため、その分重量が増加する上に、製造工程が増え製作費が増大する欠点がある。

また、インナーフィン４は、伝熱面積を増大させる一方で、管体２の内部を複数の細い通路に仕切る結果となるため、伝熱管を流れる流体の成分によっては、それが付着し次第に大きくなって通路を詰まらせるという問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、別部材を接合することなく、伝熱管の伝熱効率を増大させ、安価で軽量、高性能な熱交換器用伝熱管を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、伝熱効率の増大と、通路面積の確保を両立させ、通路の詰まりを防止し、高効率の伝熱性能を得られるようにした熱交換器用伝熱管を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、管体の管壁を伝熱面として、管内を流れる流体に熱交換を行う熱交換用伝熱管において、扁平管状の管体からなる伝熱管本体を有し、前記伝熱管本体の管壁内側面に、凹凸部を軸方向に交互に形成する周回する溝を形成したことを特徴とするものである。

また、本発明は、前記凸部の稜線によって画される通路断面の面積をＳ、前記凸部の山から前記凹部の谷に至る管状溝部分の投影面積をＴとして、
０．７４＜Ｔ／（Ｔ＋Ｓ）＜０．９５
の範囲にあることを特徴とする。

本発明によれば、別部材を接合することなく伝熱管の凹凸部を活用して伝熱面積を増やし、さらに、凹凸部による伝熱効率の向上と、通路面積の確保とを両立し、通路の詰まりを防止し、高効率の伝熱性能を発揮する安価で軽量な伝熱管を提供できる。

以下、本発明による熱交換器用伝熱管の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態による熱交換器用伝熱管を示す斜視図である。図１において、参照番号１０は伝熱管本体を示す。この伝熱管本体１０は、扁平管状を呈する管体である。この実施形態では、伝熱管本体１０は、もともとは図４に示すような波状の凹凸が螺旋状に周回している金属製の螺旋管２０を素材している。この螺旋管２０を潰して扁平な形状に成形することにより、伝熱管本体１０を加工することができる。

図２は、伝熱管本体１０の縦断面を示し、図３は、図２におけるIII−III断面を示す。この図２に示すように、伝熱管本体１０には螺旋状に凹凸部が形成されているので、管壁の外側で凸になっている部分は内側では凹部１１であり、外側に凹になっている部分は内側では凸部１２になっている。図３は、凹部１１の谷底の部分で切った断面を示している。したがって、図３において、参照番号１１ａは、凹部１１の谷底に沿って延びる線を示し、参照番号１２ａは、凸部１２の稜線を示している。

また、図３において、Ｓは通路断面の面積を示す。この場合、通路断面の面積Ｓは、凸部１２の稜線１２ａで囲まれた白抜きの部分の面積として定義されている。また、伝熱管本体１０の横断面において、凸部１２の稜線から前記凹部１１の谷に至るまでの環状溝部分の投影面積をＴとして定義されている。本実施形態では、通路断面面積Ｓと環状溝部分の投影面積Ｔについて、Ｔと（Ｔ＋Ｓ）との比を変えることにより、伝熱管本体１０の扁平度の違いによって、伝熱性能が異なることを見いだした。これを示すのが図５のグラフである。

図５において、横軸は、伝熱管本体１０の扁平巾、すなわち、図３において、Ａで示す巾を示す。左側の縦軸は、通路断面積Ｓである。

右側の縦軸の目盛りは、Ｔ／（Ｔ＋Ｓ）、放熱量、圧力損失で共通する目盛りである。ここで、伝熱性能を表す指標として、放熱量、圧力損失を選び、４００℃のガス（空気）を伝熱管本体１０に流し、放熱量と圧力損失を計測した。なお、伝熱管本体１０には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を材料とする外径１９ミリの螺旋管を扁平に加工したものを用いた。

図５のグラフにおいて、まず、扁平巾Ａが１９ミリでは、伝熱管本体１０の断面は円形である。扁平巾Ａが小さくなるにしたがって、通路面積Ｓはほぼ一定の割合で減少していき、伝熱管本体１０の扁平度合いが進んでいくことになる。扁平巾が７ミリまで減少すると、伝熱管本体はほとんど潰れた状態になり、圧力損失が急上昇する。

これに対して、扁平巾Ａと放熱量との関係をみると、扁平巾Ａが小さくなるにしたがって放熱量は漸増していくが、扁平巾が１１ミリを超えたあたりから増加率が増え出すことがわかる。

次に、放熱量と圧力損失の関係をみると、放熱量と圧力喪失はともに同じような傾向で上昇していくことがわかる。すなわち、扁平巾Ａが１１ミリまでは両者とも漸増し、これを超えて扁平度が進むとともに上昇率があがり、扁平巾Ａが９ミリを超えると上昇率が急上昇する。

このような放熱量と圧力損失の変化の傾向からすると、試験に供した外径１９ミリの螺旋管の場合であれば、放熱量の改善を得るには、最低限、扁平巾は１１ミリ以下に扁平にすることが必要であることがわかる。他方、扁平巾が７ミリになるまで潰れると、放熱量は急激にあがるが同時に圧力損失が大きすぎて実用に耐えないことがわかる。

そこで、伝熱管の具体的な寸法に依存することなく、伝熱管本体１０について伝熱効率の向上を達成するための条件として、一般的に拡張するには、扁平巾Ａに替えて、通路断面面積Ｓと環状溝部分の投影面積Ｔについて、Ｔと（Ｔ＋Ｓ）との比Ｔ／（Ｔ＋Ｓ）を基準にして考えることができる。この比を用いることにより、伝熱管本体１０の具体的な寸法に依存することなく、伝熱性能の向上に最適な条件を見いだすことができる。

図５に示すように、扁平巾Ａと、比Ｔ／（Ｔ＋Ｓ）はほぼ比例関係にあるから、放熱量向上の効果が出てくるのは、比Ｔ／（Ｔ＋Ｓ）が０．７４以上であり、０．９５を超えると上述のように圧力損失が大きすぎるので、上限値としては、０．９５以下である。すなわち、
０．７４＜Ｔ／（Ｔ＋Ｓ）＜０．９５ …（１）
の範囲にあることである。

以上のように、本実施形態によれば、凹凸部が螺旋状に形成された螺旋管を扁平にして、（１）の関係があれば、より放熱量の向上が別部材を接合することなく、伝熱管の伝熱面積を増大させ、安価で軽量、高性能な伝熱管が得られるとともに、圧力損失との両立する範囲で、伝熱性能と圧力損失を調整することができる。

ところで、もともと螺旋管のように、凹凸部が互い違いにある管体の場合、凹凸部の構造上の特徴は、伝熱面積が増加すること、また、管内を流れる流体が凹凸部にぶつかってに乱流が発生するという利点に結びつく。

この点、伝熱効率の向上を伝熱面積の増加により実現しようとして、管径の大きな螺旋管を用いると、乱流の発生による凹凸部の効果が減少し、伝熱性能の向上に結びつかない。これに対して、本実施形態による伝熱管では、螺旋管を扁平にすることにより、この螺旋管の利点を活用して、伝熱面積は大きいまま、通路面積を確保し、高効率の伝熱性能を実現できる。

しかも、凹凸部による乱流の利点を最大限活用できることから、流体の成分が管壁に付着しずらくなり、詰まり難くなる利点がある。

なお、螺旋管を扁平させても、螺旋管の特徴である可撓性は失われないので、熱膨張による歪みを吸収でき、伝熱管として寿命が長いという利点があることはもちろんである。

また、以上の実施形態では、螺旋管を扁平に成形した実施形態を挙げて説明したが、管体には、凹凸を形成する溝が管壁内側面に形成されたコルゲート管を用いても、螺旋管同様の効果が得られる。

本発明による熱交換器用伝熱管の一実施形態を示す斜視図。同熱交換器用伝熱管の縦横断面を示す図。図２におけるIII−III矢視断面を示す図。熱交換器用伝熱管の素材に用いる螺旋管を示す斜視図。本発明の実施形態による熱交換器用伝熱管において、扁平巾と放熱量、圧力損失、その他との関係を示すグラフ。従来技術に係る熱交換器用伝熱管を示す斜視図。図６の熱交換器用伝熱管の横断面図。

符号の説明

１０伝熱管本体
１１凹部
１１ａ凹部の谷に沿った線
１２凸部
１２ａ凸部の稜線
Ｓ通路の断面面積
Ｔ管状溝部分の投影面積
Ａ扁平巾

Claims

管体の管壁を伝熱面として、管内を流れる流体に熱交換を行う熱交換用伝熱管において、扁平管状の管体からなる伝熱管本体を有し、前記伝熱管本体の管壁内側面に、凹凸部を軸方向に交互に形成する周回する溝を形成したことを特徴とする熱交換器用伝熱管。
前記凸部の稜線によって画される通路断面の面積をＳ、前記凸部の山から前記凹部の谷に至る管状溝部分の投影面積をＴとして、
０．７４＜Ｔ／（Ｔ＋Ｓ）＜０．９５
の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用伝熱管。
前記管体は、凹凸部が螺旋状に形成された螺旋管からなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器用伝熱管。
前記管体は、前記凹凸を形成する溝が管壁内側面に形成されたコルゲート管からなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器用伝熱管。