JP2009270755A - 熱交換器用伝熱管及びそれを用いた熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換性能の向上を有利に図ると共に、圧力損失の増大やスケール付着を効果的に抑制し得る、簡単な構造の熱交換器用伝熱管を提供すること。
【解決手段】管外面に管軸方向に螺旋状に連続して延びる凹条１２を形成し、それに対応して、管内面に螺旋状の連続した凸条１６を設けると共に、凸条１６の頂部に、突起１８の複数を、管軸方向の間隔：Ｐ₁ 及び管の最大外径：Ｄ₀ が、０．１８≦Ｐ₁ ／Ｄ₀ ≦２．０となるように構成し、更に、突起１８の高さ：ｈ（ｍｍ）、凸条１６の延びる方向における突起１８の間隔：Ｐ₂ 及び大きさ：Ｗｄが、０．０５≦ｈ、０．１≦Ｗｄ／Ｐ₂ ≦０．７及び０．５≦Ｗｄ／ｈ≦６．０となるように、相互に独立して形成し、且つ０．１≦Ｐ₂ ／Ｄ₀ ≦１．０となるように、凸条１６の延びる方向に一定の間隔で配列して、伝熱管１０を構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、管の内側を流れる第一の流体と管の外側を流れる第二の流体との間で熱交換を行なう熱交換器用伝熱管、及びそれを用いた二重管式熱交換器に関し、特に、管の内側を流れる第一の流体側のより一層の伝熱促進を図った熱交換器用伝熱管の改良に関するものである。

従来より、第一の流体を流通させる伝熱管と第二の流体を流通させる伝熱管との２つの伝熱管を組み合わせて、構成した熱交換器が、各種用いられてきている。そのような熱交換器の一つとして、大径の外管の内部に小径の伝熱管を配置して、構成した二重管式の熱交換器があり、内管内に第一の流体として高温の冷媒を流通させる一方、内管と外管との間の間隙に第二の流体として水を流通させたり、或いはそれとは逆に、内管内に第一の流体として水を流通させる一方、内管と外管との間の間隙に第二の流体として高温の冷媒を流通させることにより、冷媒と水との間で熱交換を行なうようにした給湯機用熱交換器が知られている。また、このような二重管式とされた熱交換器において、冷媒の代わりに給湯機によって加熱された高温の水を流通させて、そのような高温の水と低温の水との間で熱交換をするようにした、追焚き用熱交換器もよく知られている。

しかしながら、これらの熱交換器に用いられる伝熱管、特に、内部に高温の冷媒や水を流通させる伝熱管に、単純な円形断面とされた管を用いると、その外部を流通する水等の流体との熱交換性能が充分でないという問題を内在していた。

そこで、そのような二重管式熱交換器においては、その熱交換効率を向上させるべく、従来から様々な工夫が為されてきており、例えば、特開２００１−２０１２７５号公報（特許文献１）においては、内管と外管からなる二重管式の熱交換器において、内管と外管との間に形成される流路を螺旋状に仕切る伝熱促進体を介設して、かかる流路の流路長を増大させると共に、流れる流体の流速および乱流化を増大せしめたり、或いは内管内にネジレテープ等からなる内管用伝熱促進体を挿入することによって、内管内を流れる流体から内管と外管との間を流れる流体への伝熱が促進されるようにした二重管式熱交換器が、明らかにされている。

また、特開平６−３０７５号公報（特許文献２）においては、湾曲部を有する外管の内部に、それよりも径の小さい内管を同軸的に配してなる二重管式の熱交換器において、内管の内壁もしくは外壁、または外管の内壁に、コイル状金属線からなる乱流発生手段を配してなる液液熱交換器が、明らかにされている。

しかしながら、これら特許文献１や特許文献２に明らかにされた二重管式熱交換器のように、ネジレテープやコイル状金属線等の伝熱促進体を内管内に挿入すると、確かに伝熱促進効果は得られるのではあるが、内管内の圧力損失が著しく増大するといった新たな問題を惹起する恐れが内在している。そして、そのような圧力損失が大きくなった場合には、その問題の解決のために、給水ポンプの能力を大きくする必要があるところから、熱交換器の生産コストが上昇してしまうといった問題を、新たに惹起することとなる。

さらに、高温水と低温水との間で熱交換を行なう追焚き用熱交換器の、内管の内部を流通する高温の水の流量や、高温の炭酸ガスを主成分とする冷媒と低温水との間で熱交換を行なう給湯機用水熱交換器の、内管の内部を流通する低温の水の流量は、約４Ｌ／ｍｉｎ以下の低流量となるところから、このような条件においても高い熱交換性能を発揮する熱交換器用伝熱管及びそれを用いた二重管式熱交換器が求められているのである。

更にまた、高温の水を内管の内側に流通させた場合において、その流路が複雑な形状を有していると、水に含まれるカルシウム等が析出して、それらがスケールとして管内面に付着し易くなるため、経年使用によって、配管が詰まってしまう原因となるといった問題をも内在していた。

このようなことから、複雑な構造を回避し、単純な構造で伝熱を促進して、スケールの付着が発生し難い熱交換器用伝熱管及びそれを用いた二重管式熱交換器が、求められているのである。

特開２００１−２０１２７５号公報 特開平６−３０７５号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、簡単な構造にて、熱交換性能の一層の向上を有利に図ると共に、圧力損失の増大やスケール付着を効果的に抑制することの出来る熱交換器用伝熱管を提供することにある。また、本発明にあっては、そのような熱交換器用伝熱管を用いた二重管式熱交換器を提供することをも、その解決課題としている。

そして、本発明にあっては、かくの如き課題の解決のために、管の内側を流れる第一の流体と、管の外側を流れる第二の流体との間の熱交換を行なう熱交換器用の伝熱管であって、管外面側に、管軸方向に螺旋状に連続して延びる凹条が形成されている一方、かかる凹条に対応して、管内面側には、螺旋状の連続した凸条が設けられると共に、該凸条の頂部において、管内方に突出する突起の複数が、かかる突起の管軸方向における間隔をＰ₁ とし、管の最大外径をＤ₀ としたときに、０．１８≦Ｐ₁ ／Ｄ₀ ≦２．０なる条件を満たすように構成され、更に、該突起の高さをｈ（ｍｍ）とし、該凸条の延びる方向における突起の間隔及び大きさをそれぞれＰ₂ 及びＷｄとしたときに、次式：
０．０５≦ｈ
０．１≦Ｗｄ／Ｐ₂ ≦０．７
０．５≦Ｗｄ／ｈ≦６．０
を満足するように、相互に独立して形成され、且つ０．１≦Ｐ₂ ／Ｄ₀ ≦１．０となるように、該凸条の延びる方向に一定の間隔をもって配列されていることを特徴とする熱交換器用伝熱管を、その要旨とするものである。

なお、このような本発明に従う熱交換器用伝熱管の望ましい態様の一つによれば、前記Ｗｄと前記ｈとの比：Ｗｄ／ｈが１．０以上となるように構成されることとなる。

また、本発明にあっては、上述した熱交換器用伝熱管を用い、それを、かかる伝熱管よりも大径の外管内に収容して、伝熱管の内側に第一の流体を流通させる一方、伝熱管の外側に第二の流体を流通させて、それら２つの流体間にて熱交換を行なうように構成してなる二重管式熱交換器をも、その要旨とするものである。

さらに、本発明の望ましい態様の一つによれば、前述した熱交換器用伝熱管を用いて、前記第一の流体が高温水とされる一方、前記第二の流体を低温水とすることによって、追焚き用熱交換器が構成されることとなる。

更にまた、本発明の別の望ましい態様の一つによれば、前述した熱交換器用伝熱管を用いて、前記第一の流体を低温水とする一方、前記第二の流体を炭酸ガスを主成分とする冷媒とすることによって、給湯機用水熱交換器が構成されることとなる。

従って、このような本発明に従う構成とされた熱交換器用伝熱管によれば、管内面側に螺旋状に設けられた連続した凸条によって、管内面側を流通せしめられる流体が効果的に撹乱されて、流体から伝熱管への熱の伝達が、有利に促進されるのである。しかも、そのように形成された凸条の頂部には、管内方に突出する複数の突起が、所定の配設形態及びサイズにおいて形成されているところから、かかる突起により管内を流通する流体に渦を効果的に発生させ、更なる伝熱促進効果が発揮されることとなる。そして、そのような突起が、凸条の伸びる方向に所定の間隔をもって配列されているところから、管内側における渦発生効果をさらに促進させることが出来、以てそれらの効果により、熱交換器用伝熱管として高い熱交換性能を発揮することが可能となるのである。

また、そのような伝熱促進効果を発揮せしめる構造が、単に、管内面側に螺旋状に設けられた連続した凸条と、管内方に突出する複数の突起から構成されている、単純な構造とされているところから、管内側を流通する流体の圧力損失が、効果的に低減され得ると共に、スケールの発生を効果的に抑制することが出来る利点を有している。

さらに、このような構成とされた熱交換器用伝熱管にあっては、管外周面に対して転造加工を施す等の、比較的簡単な加工によって、目的とする凸条（凹条）や突起を容易に形成することが出来るところから、伝熱管の生産コストを、有利に低減することも可能となるのである。

更にまた、かくの如き本発明に従う熱交換器用伝熱管を用いた二重管式熱交換器にあっては、伝熱管の熱伝達効率が高いために、伝熱管の内部を流通している流体と伝熱管の外部を流通している流体との間の熱伝達を、効果的に向上させることが可能となり、熱交換器として高い熱交換性能を発揮することが出来る特徴を有している。また、そのような熱交換器用伝熱管が比較的単純な構造とされ、低いコストで製作し得るところから、熱交換器の生産コストも有利に低減され得て、その生産性を効果的に高めることが出来る特徴も有している。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１及び図２には、本発明に従う熱交換器用伝熱管の一実施形態が、示されている。即ち、図１においては、かかる熱交換器用伝熱管が、平面図の形態で示され、また図２においては、横断面図（図１におけるＡ−Ａ断面）の形態において、示されているのである。そこにおいて、伝熱管１０は、管外周面に、管軸方向に螺旋状に連続して延びる凹条１２が形成されていると共に、かかる凹条１２の底部には、複数の窪み１４が、凹条１２の延びる方向に一定の間隔をもって配列されて、構成されている。

より詳細には、伝熱管１０は、アルミニウムや銅又はそれらの合金等の金属材料を用いて形成された、略円形形状の横断面を有する管体であって、その外周面には、図１の平面図や図２〜図３の断面図に示されるように、所定深さの凹条１２が、軸方向において、螺旋状に連続して、管軸方向に対して為す角度となる所定のリード角（螺旋角度）：αと管軸方向に所定の間隔（Ｐ₀ ）をもって形成されている。そして、それによって、管内周面には、そのような凹条１２に対応した高さ（ｈｓ）の凸条１６が、管軸方向に螺旋状に連続して形成されているのである。

また、凹条１２の底部に該凹条１２の延びる方向に所定の間隔をもって設けられた、前記した窪み１４によって、かかる凸条１６の頂点部分には、管内方に向かって突出する突起１８が、形成されている。更に、そのような窪み１４（突起１８）は、伝熱管１０を図１におけるＢ−Ｂ線にて切断した断面を展開して示した図４に示されるように、凹条１２の延びる方向に所定の間隔（ピッチ）：Ｐ₂ をもって、複数形成されている。即ち、管内周側においては、隣り合う突起１８，１８同士が、凸条１６の延びる向きにおいてはピッチ：Ｐ₂ の間隔を隔てて、管軸方向においてはピッチ：Ｐ₁ の間隔を隔てて、管内方に突出して設けられているのである。

従って、このような構成とされた伝熱管１０によれば、管外面側に、管軸方向に螺旋状に連続して延びる凹条１２が形成されることによって、管内面側には、該凹条１２に対応した螺旋状の連続した凸条１６が形成せしめられているところから、伝熱管１０内を流通せしめられる第一の流体が、かかる螺旋状の凸条１６によって効果的に撹乱されることとなり、以て、管内を流通する第一の流体から伝熱管１０への熱の伝達、換言すれば、伝熱管１０の内部を流通する第一の流体から伝熱管１０の外部を流通する第二の流体への熱の伝達が、有利に促進されるようになる。

さらに、そのような凸条１６の頂部には、管外側の窪み１４に対応した突起１８が、伝熱管１０の内方へ突出するように形成されているところから、そのような突起１８部分を伝熱管１０内を流通する流体が通過する際に、突起１８の周りに渦を発生させるため、流体が効果的に撹乱され、更なる伝熱促進効果が発揮されることとなる。

そして、本発明にあっては、かくの如き伝熱管１０において、管内に突出した形態の凸条１６に設けられる複数の突起１８が、以下の条件を満たすように構成されているのであり、これによって、それら突起１８による渦発生効果を更に効果的に促進させ得るようになっているのである。即ち、凸条１６の頂部において、管内方に突出する突起１８の管軸方向における配列間隔、換言すれば突起１８の管軸方向における間隔を、Ｐ₁ としたとき（図１参照）、管の最大外径：Ｄ₀ に対して、式：０．１８≦Ｐ₁ ／Ｄ₀ ≦２．０を満たし、また、凸条１６の延びる方向における突起１８の間隔をＰ₂ としたとき（図１参照）、管の最大外径：Ｄ₀ に対して、式：０．１≦Ｐ₂ ／Ｄ₀ ≦１．０を満たす必要があるのであり、更に、突起１８の高さをｈ（ｍｍ）とし、凸条１６の延びる方向における突起１８の幅乃至は大きさをＷｄとしたとき（図４参照）、ｈが０．０５ｍｍ以上であり、式：０．０５≦Ｗｄ／Ｐ₂ ≦０．７及び式：０．５≦Ｗｄ／ｈ≦６．０を満足するように、構成されるのである。

なお、上記した各式において、Ｐ₁ ／Ｄ₀ が２．０を超える場合、また、Ｐ₂ ／Ｄ₀ が１．０を超える場合、更に、ｈが０．０５ｍｍ未満の場合、更にまた、Ｗｄ／Ｐ₂ が０．１未満となる場合には、突起１８による渦発生効果のより一層有効な発現が困難となるのであり、これによって、流体の撹乱のより一層の促進が充分でなく、伝熱促進効果のより一層の向上も、充分でなくなる。

また、Ｗｄ／Ｐ₂ が０．７を超えるようになると、突起１８が突条１６に沿って繋がったものに比して、飛躍的な効果の発揮を期待することが困難となるのであり、単に突条１６を管内面に設けただけのものよりも顕著な効果を発揮させることが困難となる。一方、Ｐ₁ ／Ｄ₀ が０．１８未満やＰ₂ ／Ｄ₀ が０．１未満では、突起１８の配設間隔が狭くなり過ぎて、突起１８の深さを充分に確保することが困難となるのであり、そのため、流体の撹乱が充分に促進され得ず、伝熱促進効果のより一層の向上も、困難となる。

さらに、前記した式において、Ｗｄ／ｈが６．０を超えるようになると、突起１８の幅が広くなり過ぎることにより、突起１８の後面に有効な流体の渦が発生しない領域が形成され易く、伝熱促進効果のより一層の向上に障害を来たすようになり、また、Ｗｄ／ｈが０．５未満の場合には、転造加工により、突起１８を形成する際に、管に割れが発生する場合があり、目的とする伝熱管として使用することが困難となる等の問題を惹起する。

そして、かくの如き本発明に従う伝熱管１０は、一般に、管最大外径：Ｄ₀ としては、９．５２〜３０ｍｍ程度の値が採用されるものであり、また、凸条１６の管軸方向の間隔をＰ₀ としたときに、式：０．１８≦Ｐ₀ ／Ｄ₀ ≦２．０を満足するように構成され、更に、凹状１２（凸状１６）のリード角：αとしては、４５°以上９０°未満の値が採用され、加えて、ｈは、０．５ｍｍ以下の値が好適に採用されることとなる。

特に、本発明にあっては、上記したＷｄとｈとの比：Ｗｄ／ｈが、１．０以上となるように構成されていることが望ましく、これによって、本発明に従う伝熱管を有利に得ることが可能となる。なお、かかるＷｄ／ｈの値が１．０未満となると、突起１８の高さに対して、突起１８の幅が小さくなる、即ち突起１８の先端が鋭角的になり過ぎる、換言すれば、先端の曲率半径が小さくなり過ぎる問題を惹起する。そして、そのような伝熱管を用いて熱交換器に組み付け、管を曲げ加工したりすると、突起部を起点とした割れが発生し易くなる等の問題が惹起されるようになり、好ましくない。

このように、それら凸条１６や突起１８の特定の配設によって伝熱管１０の内部において惹起される伝熱促進効果により、伝熱管１０は、熱交換器用伝熱管として高い熱交換性能を効果的に発揮することが可能となるのである。なお、このような伝熱管１０の内部を流れる第一の流体の流量：Ｗ（Ｌ／ｍｉｎ）と管内最大断面積：Ｓ（ｍｍ² ）との比（Ｗ／Ｓ）は、有利には、０．０３Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ² 以下となるようにされることが、望ましい。これは、かかる比が０．０３Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ² を超えると、突起によって流体の流れ方に及ぼす影響が小さくなってしまうため、効果的な伝熱促進効果を得ることが出来なくなってしまうからである。

ところで、このような構成とされた伝熱管１０は、以下に示すように、公知の転造加工法に従って、例えば、図５〜図６に示されるような転造加工装置２０を用いて、製作されることとなる。

すなわち、転造加工装置２０は、回転駆動軸２４に凹条形成ディスク２６が取り付けられた凹条転造用工具２２の２つと、回転駆動軸２４にディンプル形成ディスク２８が取り付けられたディンプル転造用工具３０の１つとが、図５に示される如く、目的とする伝熱管１０を与える大きさとされた素管３２の周りに、略１２０°の位相差をもって配置されて、構成されている。なお、それぞれの回転駆動軸２４は、素管３２の管軸に対して、伝熱管１０の表面に形成される凹条１２のリード角（螺旋角度：α）に相当する角度をもって、それぞれ位置せしめられている。

そして、このような転造加工装置２０によって、素管３２を一定の速度で送りながら、かかる素管３２の外表面に、２つの凹条転造用工具２２の凹条形成ディスク２６を回転させつつ押し当てることによって、図６（ａ）に示されるように、素管３２の外表面に、凹条１２を形成するのである。また、このような素管３２の外周面に対する凹条１２の転造加工により、素管３２の内周面には、かかる凹条１２に対応した凸条１６が、形成されることとなる。

その後、そのように凹条１２が形成された部位に対して、図６（ｂ）に示す如く、ディンプル転造用工具３０のディンプル形成ディスク２６を回転させつつ押し当てることにより、凹条１２の底部に、窪み（ディンプル）１４を形成する。その結果、この窪み１４に対応した突起１８が、素管３２の内周面の凸条１６の頂部から管内方に突出するように、形成されるのである。以上の素管３２に対する転造加工によって、目的とする伝熱管１０が得られることとなる。

このように、本発明に従う構造とされた伝熱管１０は、管内外周面が平滑な管体に対して、その管外周面に転造加工を施す等の、比較的簡単な加工によって作製することが出来るところから、かかる伝熱管１０の生産コストを、有利に低減することが可能となるのである。

ところで、本発明にあっては、このような伝熱管１０を用いた、２つの流体間で熱交換を行なう熱交換器をも、その対象とするものであって、例えば、図７に示されるような、伝熱管１０を大径の外管４０内に収容して、二重管式の熱交換器４２として構成したものを、その一実施形態として挙げることが出来る。

かかる図７において、熱交換器４２は、伝熱管１０を、伝熱管１０の外径よりも大径とされた外管４０の内部に同軸的に配置せしめて、伝熱管１０の外周面と外管４０の内周面との間に、所定の間隔が設けられるようにして、構成されている。そして、ここでは、伝熱管１０と同軸的に配置された外管４０の両端部を縮径するように絞り込むことによって、外管４０の端部を伝熱管１０の外周面に密着させて、伝熱管１０の外周面と外管４０の内周面との間の間隙に密閉された流路４４を形成すると共に、外管４０の一方の端部付近に、水入口４６ａ（ここでは図示せず）を形成する一方、他方の端部付近に水出口４６ｂを形成することによって、かかる水入口４６ａから導入される低温の水等の被熱交換流体が、流路４４を通過した後、水出口４６ｂから排出されるようになっているのである。

そして、このような構成とされた熱交換器４２は、伝熱管１０内に、高温の水や低温の水等の流体が流通せしめられる一方、伝熱管１０の外周面と外管４０の内周面との間の間隙にて形成される流路４４内には、低温の水や炭酸ガスを主成分とする冷媒等の流体が流通せしめられて、それら高温の流体と低温の流体との間で熱交換が行われるようになっているのである。

このように、本発明に従う構成とされた伝熱管１０を用いた二重管式の熱交換器４２にあっては、伝熱管１０の熱伝達効率が高いために、伝熱管１０の内部を流通している高温の流体の熱を、伝熱管１０の外部、即ち伝熱管１０の外周面と外管４０の内周面の間に形成される流路４４内を流通している流体へと、効果的に伝達することが可能となるのであり、以て、熱交換器として高い熱交換性能を発揮することが出来るのである。なお、このような高い熱交換性能は、伝熱管１０の内部を流通せしめられる流体が、高温の水とされた追い焚き用熱交換器や、高温の炭酸ガス冷媒とされた給湯機用水熱交換器においても、更には伝熱管１０の外側を流通せしめられる流体が、高温の炭酸ガス冷媒とされた給湯機用水熱交換器においても、有利に発揮されることとなる。

さらに、伝熱管１０の形状が、外周面に形成された凹条１２と窪み１４とを組み合わせた単純な形状であるところから、伝熱管１０の内部や流路４４内の圧力損失を有利に低減することが出来ると共に、かかる伝熱管１０の内部や流路４４内にスケールが析出することを効果的に抑制することが出来、そのようなスケールによって流路が閉塞されてしまう恐れを、効果的に解消することが可能となるのである。

加えて、伝熱管１０が、転造加工等の比較的容易な加工方法によって、製造することが出来るところから、そのような伝熱管１０を用いた熱交換器４２も、容易に、且つ低いコストで製作することが出来ることとなり、以て、その生産性を有利に高めることが出来るのである。

以上、本発明の代表的な実施形態の一つとその製作方法について詳述してきたが、それらは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

例えば、前述した実施形態においては、図１に示されるように、凹条１２の間隔（Ｐ₀ ）と窪み１４の間隔（Ｐ₁ ）とが、管軸方向において同じとなるようにされていたが、そのような凹条１２の間隔と窪み１４の間隔は同一でなくともよく、窪み１４の間隔を、凹条１２の間隔の２倍や３倍、或いはそれ以上とすることも、勿論可能であり、それらの間隔は、所望の伝熱性能に応じて、適宜に決定されることとなる。

なお、そのような凹条１２の間隔（Ｐ₀ ）と窪み１４の間隔（Ｐ₁ ）を管軸方向において変更したものとしては、図８に示されるように、凹条１２の間隔に対して窪み１４の間隔が２倍、即ち、螺旋状に連続して延びる２本の凹条１２（凹条１２ａ，凹条１２ｂ）のうちの１本の凹条１２（ここでは、凹条１２ｂ）の底部に、窪み１４を形成した伝熱管５０を、例示することが出来る。そして、そのような凹条１２の間隔（Ｐ₀ ）と窪み１４の間隔（Ｐ₁ ）が２倍となるような伝熱管は、図５や図６に示した転造加工装置２０の、凹条転造加工工具２２の凹条形成ディスク２６が、それぞれ２枚セットになったものを用いて、２本の管軸方向に螺旋状に連続して延びる凹条１２を形成した後に、そのうちの１枚のディスクで形成した凹条１２の底部に、１枚のディンプル形成ディスク２６がセットされたディンプル転造用工具３０にて、窪み１４を形成することによって、作製することが可能である。

さらに、伝熱管の外側を流れる第二の流体は、前述の実施形態においては、図７に示されるような、外管４０内に伝熱管１０を配置した二重管式熱交換器４２の、伝熱管１０の外面と外管４０の内面との間の間隙を流通させる形態のものを例示したが、このような形態のほか、本発明に従う伝熱管の外側に別の伝熱管を接触させて配置し、その別の伝熱管内に第二の流体を流通させる形態としても構わない。このように、本発明に従う伝熱管の外側に別の伝熱管を接触させて配置する形態としては、例えば、伝熱管１０の螺旋状の外面に螺旋状に形成された凹条１２に沿って、凹条１２の底面と別の伝熱管の外面とが密着するように、伝熱管１０の外面に螺旋状に巻き付ける形態があり、そのような実施形態においても、本発明に従う伝熱管１０の効果が、充分に発揮されることとなる。

また、伝熱管１０や外管４０が銅若しくは銅合金で構成されている場合においては、水が流通する部分、即ち、伝熱管１０の内面や外面に対して、或いは伝熱管１０と外管４０とを組み合わせて構成された熱交換器４２における外管４０の内面に対して、錫めっきを施すことが望ましい。これは、これらの追焚き用熱交換器や給湯機用水熱交換器においては、熱交換器を構成する材質として、熱交換率が高く、加工性の良好な銅や銅合金を用いることが多いのであるが、このように水流路管、即ち水が流通する部分を銅又は銅合金で構成した場合にあっては、流路内を流通する水のｐＨが酸性側やアルカリ性側に変化すると、管材質である銅又は銅合金が２価の銅イオンとして水に溶け出し易くなり、そしてその溶け出した銅イオンが、石鹸や炭酸ガス等と反応して、青水が発生してしまうといった問題を内在しているからである。

そして、それら管内を流通する水中には種々の成分が含まれており、例えば遊離炭酸の多い地下水を使用した場合には、Ｉ’型孔食の発生が懸念され、また、前述の如く管材質から溶け出した２価の銅イオンにより、水中の溶解性ＳｉＯ₂ が析出して、スケールを形成し、マウンドレス型孔食が生じる危険性もあるのである。そして、これらの孔食は、伝熱管に孔を開けるだけでなく、表面の腐食生成物で荒れた部分に、水垢等のスケールが付き易くなり、熱交換効率を悪くするという問題もある。

そこで、伝熱管１０や外管４０が、それぞれ銅又は銅合金で構成されている場合において、水が流通する部分に対して錫めっきを施すことによって、管壁から銅イオンが溶け出してしまうことを、効果的に抑制することが可能となり、以て、伝熱管１０や熱交換器４２の耐食性を、有利に確保することが出来るのである。

その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施されるものであり、またそのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。

以下に、本発明の代表的な実施例の一つを示し、本発明の特徴を更に明確にすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。

先ず、本発明に従う構造を有する伝熱管を形成するために、外径：１５．８８ｍｍ、内径：１４．２８ｍｍ、管の肉厚（ｔ）：０．８ｍｍの、りん脱酸銅（ＪＩＳ−Ｈ−３３００−Ｃ１２２０）からなる、断面が単純な円形の大径の平滑管を準備した。

そして、このように準備された平滑管に対して、図５〜図６に示される如き転造加工装置を用いて転造加工を施すことによって、平滑管の外周面に螺旋状の凹条（スパイラル）と窪み（ディンプル）を形成せしめて、図１又は図８に示されるような伝熱管の各種のものを作製し、供試管１〜２０とした。なお、それら得られた各種の供試管の寸法諸元、即ち管軸方向の凸条間隔（Ｐ₀ ）、管軸方向の突起間隔（Ｐ₁ ）、凸条の延びる方向の突起間隔（Ｐ₂ ）、凸条の高さ（ｈｓ）、突起の高さ（ｈ）、凸条の延びる方向における突起の幅（Ｗｄ）、リード角（α）と共に、演算されたＰ₀ ／Ｄ₀ 、Ｐ₁ ／Ｄ₀ 、Ｐ₂ ／Ｄ₀ 、Ｗｄ／Ｐ₂ 、Ｗｄ ／ｈのそれぞれの値を、下記表１に示す。

一方、比較例の伝熱管として、管内外周面に伝熱促進手段が何等設けられていない、単純な円管からなる平滑管を用意し、これを、供試管２１とした。なお、この平滑管の外径や内径及び管の肉厚は、上記した供試管１〜２０と同一とし、その材質も、それら供試管と同様に、りん脱酸銅（ＪＩＳ−Ｈ−３３００−Ｃ１２２０）とした。

このように用意された各種のサイズの伝熱管からなる供試管１〜２０及び平滑管からなる供試管２１を用いて、図７に示されるような断面形状とされた、二重管式の熱交換器をそれぞれ作製した。なお、それら二重管式の熱交換器の外管には、外径：２１．７ｍｍ、内径：２０．１ｍｍの、りん脱酸銅（ＪＩＳ−Ｈ−３３００−Ｃ１２２０）にて形成された平滑管を用い、内管に用いたそれぞれの供試管と共に、その長さは、何れも１７５０ｍｍとした。また、かかる熱交換器において、何れの内管として用いた供試管についても、管最大内径が１４．２８ｍｍであることから、管内最大断面積Ｓ（ｍｍ² ）は、１６０．２ｍｍ² となっている。

そして、それらの熱交換器において、各供試管内部には、８０℃の高温水を４．０Ｌ／ｍｉｎの流量において流通させる一方、それら供試管と外管との間に形成された流路内には、２０℃の低温水を、各伝熱管内を流通させられる高温水とは反対となる方向に、つまり対向流で８Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させて、それら高温水と低温水との間で熱交換を行い、それぞれの熱交換器の熱交換性能を評価した。なお、熱交換性能の評価は、下式（１）、（２）及び（３）から導かれる熱コンダクタンス：ＫＡ［Ｗ／Ｋ］により評価し、その結果を、下記表２に示した。また、表２の各値は、供試管２１の平滑管の性能を１００とした際の、それぞれの性能を示している。

但し、ｃ_p ：定圧比熱［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］ Ｗ_h ：質量流量［ｋｇ／ｈ］
Ｔ_hi：高温側熱交換器入口温度［℃］ Ｔ_ho：高温側熱交換器出口温度［℃］
Ｔ_ci：低温側熱交換器入口温度［℃］ Ｔ_co：低温側熱交換器出口温度［℃］
とする。

さらに、同様にして、内管として、供試管１〜３、１８〜１９を用いた熱交換器と、内管として供試管２１（平滑管）を用いた熱交換器とを準備して、それぞれの供試管内部には８０℃の高温水を１．５Ｌ／ｍｉｎ及び５．０Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させる一方、それら供試管と外管との間に形成された流路内には２０℃の低温水を、対向流で、８Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させて、それら高温水と低温水との間で熱交換を行い、それぞれの熱交換器の熱交換性能を評価して、その結果を、下記表３に示した。

更にまた、上記で準備された熱交換器を用いて、それぞれの供試管内部には、２０℃の低温水を１．５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させる一方、それら供試管と外管との間に形成された流路内には、９０℃の炭酸ガス冷媒を対向流で流通させて、それら低温水と炭酸ガス冷媒との間で熱交換を行ない、それぞれの熱交換性能を評価し、その結果を、下記表３に併せ示した。

以上の結果より明らかなように、供試管１〜１２を用いた熱交換器は、何れも、平滑管からなる供試管２１を用いた熱交換器と比較して、１．５倍を超える高い熱交換性能を発揮することが、確認される。なお、それら熱交換器のうち、供試管１２を用いた熱交換器は、供試管を熱交換器に組み付けるために、曲げ半径：５０ｍｍにて曲げ加工を行なった際、突起部において、割れが発生することを認めたが、他の供試管１〜１１を用いた熱交換器においては、そのような割れの発生は、何等認められなかった。

これに対して、Ｐ₁ ／Ｄ₀ の値が大きな供試管１３を用いた熱交換器やＰ₂ ／Ｄ₀ の値が大きな供試管１４を用いた熱交換器においては、熱交換性能が良くなく、また、供試管１５を用いた熱交換器は、Ｐ₁ ／Ｄ₀ が小さく、突起高さ：ｈが低くなって、熱交換性能が良くないことが認められる。加えて、供試管１６を用いた熱交換器は、Ｐ₂ ／Ｄ₀ が小さく、突起高さ：ｈが低くなって、熱交換性能が良くないことが認められる。

そして、Ｗｄ／ｈが大きい供試管１７を用いた熱交換器やＷｄ／Ｐ₂ が小さな供試管１８を用いた熱交換器、更には、Ｗｄ／Ｐ₂ が大きな供試管１９を用いた熱交換器は、何れも、熱交換性能が良くないものであり、また、供試管２０を用いた熱交換器は、転造加工により突起を形成する際に、管に割れが生じ、熱交換性能を測定することが不可能であった。

また、上記した表３に示される如く、供試管１、２、３を用いた熱交換器は、何れも、表２の場合と同様に、供試管内の高温水の流量が、１．５Ｌ／ｍｉｎ、５．０Ｌ／ｍｉｎの何れの場合においても、高い熱交換性能を発揮することが確認され、特に、流量の低い場合に顕著であることが認められた。更に、供試管内に２０℃の低温水を流通する一方、供試管と外管との間隙に９０℃の炭酸ガス冷媒を流通させた場合においても、平滑管からなる供試管２１を用いた熱交換器と比較して、高い熱交換性能を有していることが確認された。これに対して、本発明の範囲外のサイズの供試管１８、１９を用いた熱交換器は、何れの条件下においても、伝熱促進効果は充分ではないものであった。

本発明に従う熱交換器用伝熱管の一例を示す正面部分説明図である。 図１に示される熱交換器用伝熱管を切断して示す説明図であって、図１におけるＡ−Ａ断面説明図である。 図２に示される断面説明図の一部を拡大して示す断面拡大説明図である。 図１に示される熱交換器用伝熱管の切断面の一部を拡大して示す説明図であって、図１におけるＢ−Ｂ断面を展開してなる断面拡大説明図である。 本発明に従う熱交換器用伝熱管を製作する転造加工装置の一例を、管軸に直角な横断面形態において示す断面説明図である。 図５に示される転造加工装置の３つの転造用工具のうちの一つによる加工形態を示す縦断面部分説明図であって、（ａ）は凹条転造用工具を、（ｂ）はディンプル転造用工具を、それぞれ示している。 本発明に従う熱交換器用伝熱管を用いて構成した二重管式の熱交換器の一例を示す断面部分説明図である。 本発明に従う熱交換器用伝熱管の別の一例を示す正面部分説明図である。

符号の説明

１０ 伝熱管
１２ 凹条
１４ 窪み
１６ 凸条
１８ 突起
２０ 転造加工装置
２２ 凹条転造加工用工具
２４ 回転駆動軸
２６ 凹条形成ディスク
２８ ディンプル形成ディスク
３０ ディンプル転造加工用工具

Claims (5)

1. 管の内側を流れる第一の流体と、管の外側を流れる第二の流体との間の熱交換を行なう熱交換器用の伝熱管であって、
   管外面側に、管軸方向に螺旋状に連続して延びる凹条が形成されている一方、かかる凹条に対応して、管内面側には、螺旋状の連続した凸条が設けられると共に、該凸条の頂部において、管内方に突出する突起の複数が、かかる突起の管軸方向における間隔をＰ₁ とし、管の最大外径をＤ₀ としたときに、０．１８≦Ｐ₁ ／Ｄ₀ ≦２．０なる条件を満たすように構成され、更に、該突起の高さをｈ（ｍｍ）とし、該凸条の延びる方向における突起の間隔及び大きさをそれぞれＰ₂ 及びＷｄとしたときに、次式：
   ０．０５≦ｈ
   ０．１≦Ｗｄ／Ｐ₂ ≦０．７
   ０．５≦Ｗｄ／ｈ≦６．０
   を満足するように、相互に独立して形成され、且つ０．１≦Ｐ₂ ／Ｄ₀ ≦１．０となるように、該凸条の延びる方向に一定の間隔をもって配列されていることを特徴とする熱交換器用伝熱管。
2. 前記Ｗｄと前記ｈとの比：Ｗｄ／ｈが１．０以上となるように構成されている請求項１に記載の熱交換器用伝熱管。
3. 外管とその管内に収容された内管とからなる二重管式熱交換器において、かかる内管として、請求項１又は請求項２記載の伝熱管が用いられていることを特徴とする二重管式熱交換器。
4. 請求項１又は請求項２記載の伝熱管を用い、前記第一の流体が高温水とされる一方、前記第二の流体が低温水とされることを特徴とする追焚き用熱交換器。
5. 請求項１又は請求項２記載の伝熱管を用い、前記第一の流体が低温水とされる一方、前記第二の流体が炭酸ガスを主成分とする冷媒とされることを特徴とする給湯機用水熱交換器。
   

Images