JP2007327690A - 熱交換用配管体 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源又は冷熱源の接触面が平坦でなく、曲面あるいは凹凸のある面の場合にも、熱源又は冷熱源との接触が良好で、優れた熱伝達率となる熱交換用配管体を提供する。
【解決手段】熱源又は冷熱源１に接触して使用される金属製の熱交換用配管体２であって、前記熱交換用配管体２の熱源又は冷熱源に対峙している接触部分は、押し付けにより、その変形容易性が前記熱源又は冷熱源の変形容易性よりも大きい熱交換用配管体である。また、その配管体２は多穴状の配管体で、配管体の流路方向に垂直な断面において多穴管中柱５がくびれ６を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱源又は冷熱源の接触面が平坦でない場合に使用される熱交換用配管体に関するものである。

熱交換用配管と熱源（又は冷熱源）との接触部分での熱伝達の良し悪しは、熱交換器の性能に大きく影響を及ぼす。そのため、その接触部分をロウ付けやはんだ付けなど金属的に連続したものにするのが最もよい。しかし、現実的には金属的に接合できない、あるいは金属的接合が困難なために、熱伝導性の良い物質をその間に介在あるいは充填させるなどの手段が用いられる場合が多々ある。
このような手段も接触面が平面である場合には、その取付けも比較的容易であるし、使用に耐えうるレベルの熱伝達率にすることもできる。

しかし、接触面が円筒の曲面であったり、接触面に凹凸がある場合には、配管体を熱源（又は冷熱源）にきちんと接触させて取付けることは容易ではない。
曲面を持つ熱源（又は冷熱源）１１に熱交換用配管（流路１３を有する多穴管タイプ）１２を取り付けた従来例の接触面部の一部を拡大した概略断面を図５に示すが、熱交換用配管（流路を有する多穴管タイプ）１２と熱源(又は冷熱源)１１との間には隙間１４ができてしまい熱伝達率は非常に悪くなる。そのため隙間をなくすために、図６に示すように、隙間１４に熱伝導シートや熱伝導グリス１５のような高熱伝導性素材を入れる場合があるが、このような方法では、余計な材料費がかかるし、余分な作業工程が増えてしまう。

このように、平面ではない部位に取付ける熱交換用配管において如何にして熱伝達率を上げるかという課題に対しては、以下のような手法が提案されている。
例えば、特許文献１では、燃焼ガスが通って高温になる円筒の外表面に、冷媒が流れる管を巻きつける構造の熱交換器において、円筒と管の接触部分の熱伝達率を改善するために様々な手法を用いている。
具体的には、（ａ）管を扁平にして接触面積を増やす、（ｂ）円筒と管の間をハンダ等で密着させる、（ｃ）円筒の外表面に溝を付けて管との接触面積を増やす、（ｄ）管を小さめに巻いておいて、スプリング効果で円筒に管を密着させる、などである。

確かにこれらの方法により、円筒と管の接触部分の熱伝達率は改善されるが、依然として以下のような問題点が残る。
（ａ）の方法では、強度的に強い円管を巻きつけながら潰すのは非常に困難であるし、予め扁平に潰すのは製造工程が増えてコストアップになる。それでも、特許文献１のように熱源の熱交換面が円筒面であれば管を扁平にする方法でも対応できないわけではないが、熱交換面が不規則な凹凸のある面の場合には対応が不可能である。
（ｂ）の方法では、熱交換面が不規則な凹凸のある面であっても、ある程度対応できる可能性はあるが、ハンダの材料費とハンダ付けの作業工程が増える分のコストアップになる。
（ｃ）の方法では、筒の表面を溝付き形状にするのが困難で、また溝を付与するための加工を施すとコストアップになる。
（ｄ）の方法では、熱源の熱交換面が円筒面であれば対応可能であるが、熱交換面が不規則な凹凸のある面の場合には対応不可能である。

さらに接触面を密着させるために、例えば、特許文献２では、熱源となる円筒の外表面に、熱媒体が流れる管を複数本巻きつける構造の熱交換器において、円筒と管の接触部分の熱伝達率や、複数の管同士の接触部分の熱伝達率を改善するために次の手法を用いている。
具体的には、（ｅ）管の断面を三角形にして三角形の辺の部分を筒表面に密着させる、（f）管と管の間に熱伝導性の良い物質を充填する、（ｇ）管と管の間に熱伝導性の良い素材でできたシート状の物質を挿入する、などである。

これらの方法により、円筒と管、あるいは管同士の接触部分の熱伝達率は改善されるが、以下のような問題点もある。
（ｅ）の方法では、予め管の断面を三角形にするのは製造工程が増えてコストアップになる。それでも、文献２のように熱源の熱交換面が円筒面であれば三角形管を使う方法でも対応できないわけではないが、熱交換面が不規則な凹凸のある面の場合には対応不可能である。
（ｆ）および（ｇ）の方法では、熱交換面が不規則な凹凸のある面であってもある程度対応できる可能性はあるが、高熱伝導性物質あるいは高熱伝導性シートの材料費と、それらを円筒と管、あるいは管同士の接触部分に充填あるいは挿入する作業工程が増える分を合わせてコストアップになる。
特開平９−２２９５７４号公報 特開２０００−２３４８７９号公報

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、熱源又は冷熱源の接触面が平坦でなく、曲面あるいは凹凸のある面の場合にも、熱源又は冷熱源との接触が良好で、優れた熱伝達率となる熱交換用配管体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、鋭意研究を重ねた結果、配管体の接触面側を変形可能とすることを見出し、この知見に基づき本発明をなすに至った。
すなわち本発明は、
（１）熱源又は冷熱源に接触して使用される金属製の熱交換用配管体であって、前記熱交換用配管体の少なくとも熱源又は冷熱源に対峙している接触部分が、押し付けにより接触面に垂直な方向への変形が可能であり、その変形容易性が前記熱源又は冷熱源の変形容易性よりも大きいことを特徴とする熱交換用配管体、
（２）前記熱交換用配管体は、少なくとも接触面となる部分に、金属製のコルゲートを有しているものであることを特徴とする（１）に記載の熱交換用配管体、
（３）前記熱交換用配管体は、前記接触面に沿った方向に複数の熱媒体流路を有する多穴状の配管体であり、前記配管体の流路方向に垂直な断面において多穴管中柱がくびれを有することを特徴とする（１）又は（２）のいずれか１項に記載の熱交換器用配管体、
（４）前記熱交換用配管体は、前記接触面に沿った方向に複数の熱媒体流路を有する多穴状の配管体であり、前記配管体の流路方向に垂直な断面において多穴管中柱が曲がりを有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の熱交換器用配管体、および
（５）前記熱交換用配管体は、前記熱源又は冷熱源に対し、外側から押し付けられて取り付けられることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の熱交換用配管体、
を提供するものである。

本発明の熱交換用配管を用いれば、熱源又は冷熱源側の熱交換する面が円筒の面や凹凸のある面であっても、熱交換用配管の方が変形し、円筒の面や凹凸に合わせてなじむように変形するため、熱源又は冷熱源と熱交換用配管との間に隙間ができない。そのため、接触面における熱伝達が良好になり、全体の熱交換率も優れたものになる。
さらに、熱交換用配管と熱源又は冷熱源の間に高熱伝導素材を充填したり、高熱伝導シートを挿入したりする必要がないため、余計な材料費がかからず、余分の作業工程もない。

次に、本発明の熱交換用配管体について添付図面に基づき、本発明に係る実施形態の種々の例について説明する。尚、各図において同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

本発明の熱交換用配管体が接触して使用される熱源又は冷熱源は、一定の形状を有するもので容易に変形するものではなく、その接触面が湾曲面である円筒体や楕円筒体、球状体、２次曲面体等、あるいはその接触面に凹凸を有する不規則面等である。
本発明の熱交換用配管体は、熱交換器に通常使用されているアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等の金属製が好ましく、熱源又は冷熱源に向き合っている接触面が、熱源又は冷熱源の接触面よりも変形しやすい材質の組合せあるいは構造を有するものであり、したがって、押し付けられることで容易に変形するものである。材質の組合せの例としては、熱源又は冷熱源の材質として強度が高く変形容易性が小さいステンレスを使い、熱交換用配管体の材質として強度が低く変形容易性の大きいアルミニウム合金製を使う場合などが考えられ、相対的に変形容易性の差があればよい。曲面を持つ熱源又は冷熱源１に熱交換用配管体（流路を有する多穴管タイプ）２を取り付けた本発明の実施の形態の全体図を、図１に概略的な断面図で示す。

本発明では、熱交換用配管体を変形しやすくするための手段として、次の態様を挙げることができるが、これに限るものではない。
図２（ｂ）は、図１の点線円内の一部を拡大した概略断面図である。
先ず第１の態様は、図２（ａ）に示すように、熱交換用配管体２の接触面側にコルゲート４を有するものである。コルゲート４は、好ましくはアルミニウム合金等の金属製のものであるが、変形容易性が大きければそれ以外の材質のものでもよい。熱交換用配管体２本体が、例えば熱媒（又は冷媒）流路３を有する押出し多穴管のように大きな内圧に耐えうるような剛性の高い構造のものであっても、接触面側にコルゲート４部分を設け、少なくとも熱交換用配管体２と熱源又は冷熱源１より剛性が低く変形しやすい形状にしておけばよい。そうすることで、熱交換用配管体２が熱源又は冷熱源１に矢印で示すように押し付けられた時に、図２（ｂ）に示すようにコルゲート４部分が優先的につぶれる。そして、熱交換用配管体と熱源の表面形状のわずかな不一致で生じる凹凸に対し、凸の部分では大きくつぶれ、凹の部分では小さくつぶれることにより、熱交換面全域にわたり接触しない部分をなくすことができる。
熱交換用配管体にコルゲートを設ける方法としては、ロウ付けなどの金属的な接合が好ましいが、すきまなく接合できる方法であればどのような方法でもかまわない。

熱交換用配管体を変形しやすくするための第２の態様は、図３（ａ）に示すように、配管体２の流路方向に垂直な断面において、多穴管の中柱５の途中にくびれ６を有する形状にするものである。このくびれ６部分があれば、配管体２は少なくとも熱源又は冷熱源１より剛性が低く変形しやすい形状となっている。このようにすれば、熱交換用配管体２を矢印のように熱源又は冷熱源１に押し付けた時に、図３（ｂ）に示すように、くびれ６部分が優先的に曲がる。そして、熱交換用配管体２と熱源又は冷熱源１の接触面形状のわずかな不一致で生じる凹凸に対しても、凸の部分では大きく曲がり、凹の部分では小さく曲がることにより、熱交換面全域にわたり両者の接触を良好にすることが可能である。

変形しやすくするための第３の態様は、図４（ａ）に示すように、多数の流路３のある多穴管タイプの熱交換用配管体２の流路方向に垂直な断面において、多穴管の中柱５を途中で曲がっている形状にするものである。この曲がり７部分があれば、配管体２は少なくとも熱源又は冷熱源より剛性が低く変形しやすい形状となっている。
この形状では、熱交換用配管体２が矢印のように熱源又は冷熱源１に押し付けられた時には、図４（ｂ）に示すように、曲がり７部分が優先的にさらに曲がる。そして、熱交換用配管体２と熱源１の表面形状のわずかな不一致で生じる凹凸に対し、凸の部分では大きく曲がり、凹の部分では小さく曲がることにより、熱交換面全域にわたり接触しない部分を殆どなくすことができる。

さらに、本発明は、前記した態様を適宜組み合わせる態様を採り、配管体の接触面部分の変形をさらに容易し、熱交換面全域にわたり接触しない部分を少なくすることも好ましい。例えば、中柱５は、途中に曲がり７を有する形状にすると共に、その曲がり部分にくびれ６を設けたり、配管体２は中柱５に曲がり７を有すると共に、配管体２の接触面側にコルゲート４を有し、変形をさらに容易にすることもできる。

また、前記いずれの態様であっても、あらかじめ熱交換用配管体２の形状を、熱源又は冷熱源１の円筒面や凹凸面の形状にできるだけ近づけておくことが望ましい。両者間の形状の差があまりに大きいと、本発明の熱交換用配管体の変形だけでは、熱交換用配管体２と熱源又は冷熱源１の接触面を隙間なくなじませるのが難しい場合がある。
本発明の熱交換用配管体は、熱源又は冷熱源に押し付けてやる必要があるが、その方法は、例えば押え部品のような別部材を介して押し付けるのでもよいし、熱交換用配管体自体に熱源又は冷熱源に取付けるためのフランジなどが設けられており、それによって押し付けるのでもよい。

なお、本発明の熱交換用配管体の内部には熱媒又は冷媒を通すことができるが、通常冷媒が流され、その冷媒の種類は空気でも水でもオイルでもそれ以外のいかなるものでも、本発明の効果を阻害するものではない。
また、熱源又は冷熱源と熱交換用配管体が接触することによる耐食性の問題が生じる場合は、熱源又は冷熱源と熱交換用配管体のいずれか、あるいは両方に、適切な表面処理を行うのが望ましい。

本発明の熱交換用配管体を、例えば自動車のエンジンや排気管などの高温部に適用すれば、これまで回収されずに捨ててきた熱を有効利用することができる。例えば、その熱をオイルを温めるのに使えばエンジンの暖気を早めることができるし、エアコンの電気式ヒーターの代わりの熱源として使えば電気式ヒーターの稼動時間が短くなり燃費が良くなる。
通常これらの熱源は排熱回収を想定しておらず、熱交換用配管体を取付けやすいような平坦で広い接触面を持っていない。接触させたい表面は、円筒形であったり凹凸があったりする。そのため、本発明のように凹凸がある面でも使用可能な熱交換用配管体を使うには好適である。
また、本発明の配管体構造は、先に述べたような排熱回収だけの用途に限らず、冷媒と冷媒の間で熱交換を行うようないわゆる熱交換器の接触部分に適用することも可能で、その場合にも同様の効果がある。

図１は、本発明の実施の形態における熱交換用配管体を熱源に接触して使用した概略的な全体断面図である。 図２は、本発明の実施の形態における熱交換用配管体の一部拡大概略断面図であり、（ａ）は熱交換用配管体を押し付ける説明図、（ｂ）は熱交換用配管体が熱源に接触した状態を示す図である。 図３は、本発明の他の実施形態における熱交換用配管体の一部拡大概略断面図であり、（ａ）は熱交換用配管体を押し付ける説明図、（ｂ）は熱交換用配管体が熱源に接触した状態を示す図である。 図４は、本発明のさらに他の実施形態における熱交換用配管体の一部拡大概略断面図であり、（ａ）は熱交換用配管体を押し付ける説明図、（ｂ）は熱交換用配管体が熱源に接触した状態を示す図である。 図５は、従来の熱交換用配管体の例の一部拡大概略断面図である。 図６は、従来の熱交換用配管体の他の例の一部拡大概略断面図である。

符号の説明

１、１１ 熱源又は冷熱源
２、１２ 熱交換用配管体
３、１３ 熱媒（又は冷媒）流路
４ コルゲート
５ 中柱
６ くびれ
７ 曲がり

Claims (5)

1. 熱源又は冷熱源に接触して使用される金属製の熱交換用配管体であって、前記熱交換用配管体の少なくとも熱源又は冷熱源に対峙している接触部分が、押し付けにより接触面に垂直な方向への変形が可能であり、その変形容易性が前記熱源又は冷熱源の変形容易性よりも大きいことを特徴とする熱交換用配管体。
2. 前記熱交換用配管体は、少なくとも接触面となる部分に、金属製のコルゲートを有しているものであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換用配管体。
3. 前記熱交換用配管体は、前記接触面に沿った方向に複数の熱媒体流路を有する多穴状の配管体であり、前記配管体の流路方向に垂直な断面において多穴管中柱がくびれを有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の熱交換器用配管体。
4. 前記熱交換用配管体は、前記接触面に沿った方向に複数の熱媒体流路を有する多穴状の配管体であり、前記配管体の流路方向に垂直な断面において多穴管中柱が曲がりを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器用配管体。
5. 前記熱交換用配管体は、前記熱源又は冷熱源に対し、外側から押し付けられて取り付けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換用配管体。
   

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