JP2010101508A - 内面溝付き管とその製造方法および内面溝付き管を具備した熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の伝熱管等に使用する内面溝付き管１において、内面に形成した螺旋状溝２のリード角を、管全長内の任意の部分において異なる角度とすることで、内部を流れる流体の撹拌を促進し、内面溝付き管１のコストパフォーマンスの向上をはかり、また、そのコストパフォーマンスの高い内面溝付き管１を容易に製造する製造方法を提供する。
【解決手段】一本の連続した内面溝付き管１の任意の領域を、所定角度でひねり加工を施すことにより、容易な加工内容で、その領域に螺旋状溝２を形成することができ、また、前述のひねり加工のひねり角度を調節することにより、螺旋溝２のリード角の角度を、他の領域のリード角の角度と異ならせ、管１内を流れる流体の撹拌作用を促進させて内面溝付き管１の機能を向上させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器用の伝熱管等に使用される内面溝付き管とその製造方法、および内面溝付き管を用いた熱交換器に関するものである。

冷凍装置、あるいはボイラ等の熱交換器等において、前記熱交換器を構成する伝熱管に内面溝付き管を用い、熱交換性能の向上をはかることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１７は、上記特許文献１に記載された伝熱管の内面に溝を形成するための装置の一例であって、円筒状マンドリル７０の外周に、内面溝８１を形成する突起７１を設けた加工装置である。

この加工装置を伝熱管８０の内部に圧入することにより、伝熱管８０に内面溝８１を形成することができる。

また、図１８に示す如く内面溝９１に一定のリード角βをもたせて螺旋状に形成する内面溝付き管９０も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭５６−１００２９７号公報 特開２００５−１２７５７０号公報

しかしながら、上記従来の内面溝付き管９０は、リード角αを途中で変更することが困難であった。したがって、内面溝付き管９０内を流れる流体は、終始一定のリード角αに沿って流れる状態にあり、撹拌され難く、例えば、熱交換器の場合であると性能の更なる向上は期待できない構成であった。

また、リード角αの異なる内面溝付き管９０を用意し、ロウ付け等によって一体化することも可能であるが、工数がかかり、またロウ付けの信頼性にも課題が残るものである。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、一本の管において、内面溝のリード角が異なる変則部を設け、内部を流れる流体の撹拌作用を向上する内面溝付き管を提供し、また、前記変則部が容易に任意の箇所に形成できる製造方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、内面に直線状もしくは一定のリード角をもって緩やかな螺旋状に延びる複数の溝を設けた管体において、少なくとも一部に、前記リード角の角度と異なる角度で螺旋状に延びる変則部を設けた内面溝付き管とするものである。

かかることにより、前記管体の一部に設けた変則部により、管体内を流れる流体（気体、液体、粉末等）の流れに変化をもたらすことができ、流体の状態変化あるいは複数種類の流体の混合作用等に適した管路を構成することができる。

また、本発明は、熱交換器の流体が流れる管路を、前記変則部を設けた内面溝付き管としたもので、かかることにより、管路内を流れる流体の層流を撹拌することができ、熱交換性能の向上をはかることができる。

さらに、本発明は、内面に直線状もしくは一定のリード角をもって緩やかな螺旋状に延びる複数の溝を設けた管体の適宜箇所をクランプ具によって固定し、前記管体を固定した状態で、該管体の端部より所定の角度のひねり加工を行うことにより、前記溝の角度が異なる変則部を、適宜箇所より形成する内面溝付き管の製造方法とするものである。

かかることにより、前記クランプ具で固定した箇所を境にリード角の異なる内面溝を形成することができる。したがって、管体をひねる比較的単純な動作で内面溝のリード角の角度を変更することができ、安価に作成することができる。

本発明は、一本の管体において、異なるリード角をもつ内面溝付き管とすることにより、管体内を流れる流体の流れに変化をもたせることができ、流体の撹拌作用を向上することができる。したがって、管体内を流れる流体の状態変化、あるいは複数種類の流体の混合を促進することが可能となり、所望する流体の状態を生成することができる。

また、本発明は、上記内面溝付き管を熱交換器の管路とすることにより、管路内を流れる流体の層流を乱すことができるもので、簡単な構成で、部品点数を増やすことなく、流体を撹拌することが可能となり、熱交換作用を向上することができる。

さらに、本発明は、内面溝付き管の一部をクランプ具によって固定し、この固定箇所を中心に管を反クランプ具側より円周方向にひねり加工を行うことにより、内面溝のリード角の角度が異なる変則部を形成する方法であるため、固定箇所の位置を変えることによって任意の箇所に変則部を形成することができ、さらに、前記ひねり加工に伴うひねり角度を調節することによって、内面溝のリード角を任意の角度に設定することができるものである。

したがって、用途に応じた内面溝付き管を、比較的簡単に形成することができ、安価に作成することができる。

さらに、本発明は、内面溝付き管の適宜箇所を、所定間隔介して位置する複数対のクランプ具によって固定し、前記管体を前記クランプ具によって固定した状態で、少なくとも対を成す一方のクランプ具を回転させることにより、前記溝のリード角の角度が異なる変則部を形成する方法であるため、対を成すクランプ具の位置、あるいは間隔に応じて所望の箇所、領域に前記変則部を形成することができ、また、クランプ具の回転方向、回転角度によって任意の螺旋（回転）方向、角度の溝を形成することができ、さらに、深い溝から浅い溝にわたって適用することができる。

請求項１に記載の発明は、内面に管軸と平行、もしくは管軸を基準に一定のリード角をもって緩やかな螺旋状に延びる複数の溝を設けた管体において、少なくとも一部に、前記リード角の角度と異なる角度で螺旋状に延びる第一変則部を設けたものである。

かかる構成とすることにより、管体内を流れる流体（気体、液体等）の流れを、前記第一変則部によって変化させることができ、流体の撹拌、状態変化あるいは複数種類の流体の混合作用等に適した管路を構成することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内面溝付き管において、前記第一変則部を、前記管体の複数箇所に設けたものである。

かかることにより、前記第一変則部によって流体の状態変化を複数回生じさせることができ、流体を十分に撹拌、状態変化させることが可能となり、また複数種類の流体の混合作用においても十分な混合効果が期待できるものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内面溝付き管において、前記管体に、前記第一変則部におけるリード角の角度と異なる角度のリード角となる第二変則部を設けたものである。

かかる構成とすることにより、流体の流れにおいて、前記第一変則部と第二変則部により、さらに異なる変化を生じさせることができ、流体に適応した状態変化を生成することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の内面溝付き管において、前記第二変則部を、前記管体の複数箇所に設けたものである。

かかる構成とすることにより、流体が複数の第二変則部を通過する際に、さらに流体の流れに変化を生じさせることができ、流体の撹拌作用等において、流体に適応した状態変化を生成することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の内面溝付き管において、前記管を蛇行状に湾曲加工したものである。

かかる構成とすることにより、前記第一変則部あるいは第二変則部によって、長い管路内を流れる流体の流れに状態変化を積極的に伴わせることができ、また、管路を長く形成することに伴う流れ抵抗の増大を、例えば、特に流れ抵抗が大きくなる箇所を除いて前記第一変則部あるいは第二変則部を設定し、内面溝のリード角を変えて撹拌作用の促進と流体の流れ抵抗の抑制をはかる等の策を講じることができ、流れ特性の改善をはかることができるものである。

請求項６に記載の発明は、少なくとも内部を流体が流れる伝熱管を具備した熱交換器であって、前記伝熱管を、請求項１から５のいずれか一項に記載の内面溝付き管とした熱交換器である。

かかることにより、伝熱管内を流れる冷媒等の流体の層流を乱すことができるもので、簡単な構成で、部品点数を増やすことなく、流体を撹拌することが可能となり、熱交換作用を向上することができる。

請求項７に記載の発明は、内面に直線状、もしくは一定のリード角をもって緩やかな螺旋状に延びる複数の溝を設けた管体の適宜箇所をクランプ具によって固定し、前記クランプ具によって管体を固定した状態で、該管体を反クランプ具側より所定角度のひねり加工を行うことにより、前記溝の角度が異なる変則部を形成する内面溝付き管の製造方法である。

かかる方法によれば、適宜箇所を管の中間部とすれば、クランプ具による固定箇所から中間部に亘って変則部が形成でき、また、適宜箇所を端部とすることにより、管全長に亘って螺旋溝が形成できる。さらに、ひねり加工に伴うひねり角度を調整することにより、所望するリード角の内面溝を形成することができる。

かかる方法は、深い溝から浅い溝に亘って適用できる製造方法であり、さらに、金属あるいは樹脂を材料とする管体に適用することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の製造方法において、前記クランプ具によって前記管体の適宜箇所を固定し、該管体の反クランプ具側より所定角度のひねり加工を行う加工を、前記管体の複数箇所にわたって行うようにしたものである。

かかることにより、一本の管体において、複数箇所に変則部を形成することができ、しかも、一様の変則部の形成が可能であり、流体の撹拌効果、状態変化が大きい内面溝付き管を得ることができる。

請求項９に記載の発明は、内面に直線状、もしくは一定のリード角をもって緩やかな螺旋状に延びる複数の溝を設けた管体の中間部を、所定間隔介して位置する複数対のクランプ具によって固定し、その固定状態において、前記対を成す少なくとも一方のクランプ具を回転させることにより、前記溝のリード角の角度が異なる変則部を形成する内面溝付き管の製造方法である。

かかる方法によれば、所定の領域に前記変則部を形成することができ、また、クランプ具の回転角度によって任意のリード角の内面溝を形成することができる。

さらに、深い溝から浅い溝に亘って適用できる製造方法であるため、金属あるいは樹脂を材料とする管体に適用することもできる。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の製造方法において、前記対を成すクランプ具における回転するクランプ具の少なくとも回転方向、もしくは回転角度を、異なる方向もしくは異なる角度としたものである。

かかることにより、一本の管体において、複数形成した変則部の内面溝を、それぞれ異なるリード角をもつ内面溝とすることができ、流体の特性に応じた撹拌作用、状態変化が得られる管を製造することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における内面溝付き管の一部を切欠いた斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線による同内面溝付き管の断面図である。図３は、同内面溝付き管における基本部の管軸方向での断面図である。図４は、同内面溝付き管における第一変則部の管軸方向での断面図である。図５は、同内面溝付き管における第二変則部の管軸方向での断面図である。

図１乃至図５において、内面溝付き管（以下、管体と称す）１はアルミニウム製の金属管で、内面には、管軸Ｐ方向に延びる多数の溝２が形成されている。

管体１の内面に設けられた溝２は、図３に示す如く管軸Ｐと平行に延びる基本部ａと、図４、図５に示す如く管軸Ｐに対してリード角が異なる第一変則部ｂと第二変則部ｃよりなり、第二変則部ｃのリード角は、第一変則部ｂのリード角の角度ｘよりもさらに大きな角度ｙに形成されている。ここで、基本部ａ、および第一、第二それぞれの変則部ｂ、ｃにおける溝２の境界部は、分断されないでつながった状態を基本としているが、部分的に管体１の材料の塑性変形の範囲を超え、溝２を形成する壁部２ａの一部が破損された状態であっても支障はない。

上記構成の管体１は、管軸Ｐ方向においてリード角が０°の基本部ａから徐々に（段階的に）リード角が大きくなる第一変則部ｂ、第二変則部ｃを連続して形成しているため、例えば管体１の内部を流体である温水が流れる場合は、基本部ａから管軸Ｐ方向へ流れるにつれて大きく旋回流が生成され、これに伴って温水は、第一変則部ｂ、第二変則部ｃと通過するたびに撹拌され、状態が変化する。その結果、温水は、管内での流れにおいて中心部（管軸Ｐ）側と管内表面近くの層流が撹拌され、十分な撹拌効果を得ることができる。

したがって、管体１内を流れる流体が、温水あるいは冷媒のような熱交換のための液体、気体であれば、その流れる状態を変化させることに伴って熱交換作用を十分に引き出すことができ、熱交換効率（管内熱伝達率）を高めることができる。

なお、管体１における溝２の初期状態である基本部ａは、リード角が管軸Ｐと平行である場合について説明したが、緩やかなリード角をもった溝２を基本部ａとし、これより角度の異なるリード角を形成して第一変則部ｂ、第二変則部ｃとすることもできる。

また、変則部ｂ、ｃの数は、任意に増加することができ、リード角の角度についても、任意に設定することができるものである。

さらに、本実施の形態１においては、管体１の溝２の形態を、第一変則部ａと第二変則部ｂを形成した構成としたが、管体１の用途等に応じて、管体１の溝２の形態を、基本部ａと第一変則部ｂ、または、基本部ａと第二変則部ｃを組合せた形態、あるいは、第一変則部ｂと第二変則部ｃを組合せた形態とすることもできる。

さらに、管体１内を、例えば、液体と粉体といった混合物が流れる場合は、前述の撹拌作用によって効果的に混合させることができる。

また、管体１は、用途等に応じて、アルミニウム以外の金属管、あるいは塩化ビニル樹脂等の樹脂製の管を用いることが可能であり、同様に内面に形成した溝のリード角が異なる変則部を形成することもできる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における内面溝付き管の一部を切欠いた斜視図である。図７は、同内面溝付き管における基本部の管軸方向での断面図である。図８は、同内面溝付き管における第一変則部の管軸方向での断面図である。図９は、同内面溝付き管における第二変則部の管軸方向での断面図である。

ここで、先の実施の形態１と同じ構成要件については、同一の符号を付し、実施の形態１と相違する部分を主体に説明する。

図６において、先の実施の形態１と異なる構成は、管体１１において、第一変則部ｂ１と第二変則部ｃ１の間に基本部ａを設け、この配置に伴って連続する溝１２のリード角の方向を変えた点である。

すなわち、基本部ａのリード角の角度を、管軸Ｐと平行（０°）とし、第一変則部ｂ１のリード角の角度をＹとし、さらに第二変則部ｃ１のリード角の角度を−Ｙとしている。

上記構成の管体１１は、管軸Ｐ方向においてリード角が０°の基本部ａから第一変則部ｂ１（リード角の角度Ｙ）、基本部ａ、第二変則部ｃ１（リード角の角度−Ｙ）と連続して形成しているため、例えば管体１１の内部を温水が流れる場合は、基本部ａから管軸Ｐ方向へ流れるにつれて第一変則部ｂ１でリード角の角度Ｙに伴う旋回流が生成され、そして基本部ａでその旋回流が緩和され、さらに第二変則部ｃ１でリード角の角度−Ｙに伴う逆方向の旋回流が生成されることになる。この変則流は、第一変則部ｂ１、基本部ａ、第二変則部ｃ１配置の連続する数に応じて継続することができる。また、流体（例えば、温水）の旋回流の旋回強さは、第一変則部ｂ１、第二変則部ｃ１の長さによって調整することができる。すなわち、第一変則部ｂ１、第二変則部ｃ１の長さが長いほどそれぞれの方向における旋回流が強く（深く）なり、基本部ａが長いほどその旋回流の旋回が弱められる。

したがって、温水は、基本部ａ、第一変則部ｂ１、基本部ａ、第二変則部ｃ１と通過するたびに状況が変化し、撹拌される。特に、第一変則部ｂ１と第二変則部ｃ１は、溝１２におけるリード角の方向が逆であるため、管体１１の内部を流れる温水等の流体は、複雑に変動しながら流れることになり、十分な撹拌効果を得ることができる。

したがって、管体１１内を流れる流体が、温水あるいは冷媒のような熱交換のための液体、気体であれば、熱交換（管内熱伝達）作用を十分に引き出すことができ、熱交換効率（管内熱伝達率）を高めることができる。

なお、上記第一変則部ｂ１、第二変則部ｃ１は、管体１１が金属製（アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等）、樹脂製（塩化ビニル樹脂等）いずれの場合であっても形成することができる。

さらに、管体１１内を、例えば、液体と粉体といった混合物が流れる場合は、前述の撹拌作用によって効果的に混合させることができる。

なお、基本部ａの初期構成、変則部ｂ１、ｃ１の数等については、先の実施の形態１と同様に設定できるものである。また、第一変則部ｂ１と第二変則部ｃ１の間に基本部ａを設ける必要はなく、第一変則部ｂ１と第二変則部ｃ１が交互に連続する構成とすることもできる。さらに、基本部ａを、管軸Ｐと平行なリード角を有する溝１２ではなく、予め緩やかなリード角の溝１２が形成された部分を基本部ａとし、この基本部ａにおける溝１２のリード角の角度と異なる角度のリード角の溝１２を有する複数の変則部で内面溝を形成することもできる。

（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３における内面溝付き管の一部を切欠いた斜視図である。図１１は、同内面溝付き管を蛇行状に曲げ加工した状態を示す平面図である。

ここで、先の実施の形態１、２と同じ構成要件については、同一の符号を付し、実施の形態１、２と相違する部分を主体に説明する。

図１０において、アルミニウム製の管体２１は、その内面に、実施の形態１で説明したリード角を角度ｘとする第一変則部ｂの溝２を形成した構成を基調とし、所定位置に管軸Ｐと平行な溝２を形成した基本部ａが設けられている。したがって、本実施の形態３における管体２１は、所定長さの第一変則部ｂと所定長さの基本部ａが交互に連続した構成であり、その内面は、リード角が角度ｘの溝２とリード角０°の溝２が交互に形成された構成となっている。

そして、図１１に示す如く管体２１は、所定長さの直管部２１ａと、１８０°に曲げ加工された湾曲部２１ｂが交互に連続する蛇行状に曲げ加工されている。上述の配置関係から、直管部２１ａの内面の溝２のリード角は、第一変則部ｂのリード角（角度ｘ）であり、湾曲部２１ｂの内面の溝２のリード角は、基本部ａのリード角（０°）となっている。

上記蛇行状の管体２１を流れる流体は、まず直管部２１ａを流れる際に第一変則部ｂの溝２形状（リード角）によって旋回流となり、管軸Ｐ近辺と管内表面近くの層流が撹拌された流れが形成される。そして湾曲部２１ｂを流れるときには基本部ａの溝２形状（リード角）によってその旋回流が緩和され、さらに直管部２１ａを流れる際に再度旋回流となり、以下旋回流の緩和と再度の旋回流が繰り返し行われて管体２１を通過する。

したがって、流体が例えば温水等の冷媒である場合は、直管部２１ａでの撹拌された旋回流によって管体２１表面との熱伝達（管内熱伝達）が促進され、湾曲部２１ｂでは、湾曲に伴う管路の流速抵抗の増加を、リード角０°の溝２とすることに伴う旋回流の緩和で抑制することができ、流体の流れを円滑とすることができる。その結果、蛇行した管路形状の管体２１でありながら、流体の撹拌された旋回流と、円滑な流体の流れによって、熱伝達（管内熱伝達）性能を向上することができる。

さらに、流体の特性、あるいは流体が流れる管路の条件によっては、特に湾曲部２１ｂでの熱伝達（管内熱伝達）を効率よく行うことができる構成を必要とする場合もある。

例えば、直管部２１ａでは、積極的に流体に旋回流を生じさせず、通常の流れで熱伝達を行い、湾曲部２１ｂで流体に旋回流を生じさせ、その旋回流に伴う撹拌作用によって流体の熱伝達を活性化させる構成を要する場合は、直管部２１ａに基本部ａの構成を採用し、湾曲部２１ｂに第一変則部ｂの構成を採用すればよい。

このように、管体２１において、リード角が異なる溝２が形成された基本部ａと第一変則部ｂを組み合わせた配置関係を形成し、これを蛇行状に曲げ加工した管路は、流体の熱伝達（管内熱伝達）を用途に適合するように制御することができる。

なお、溝２における異なる角度のリード角の組合せは、上述に限るものではなく、実施の形態１、２で説明した第一変則部ｂ１、第二変則部ｃ、ｃ１を必要に応じて適宜配置する組合せとすることもできる。

また、管体２１は、アルミニウム以外の金属製であってもよく、また、塩化ビニル樹脂等の樹脂製であってもよい。

（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４における内面溝付き管を具備した熱交換器の斜視図である。図１３は、同熱交換器を構成する内面溝付き管の溝の配置状態を示す模式図である。

ここで、先の実施の形態１乃至３と同じ構成要件については、同一の符号を付し、実施の形態１乃至３と相違する部分を主体に説明する。

図１２において、熱交換器３１は、対角位置に流体入口３２ａと流体出口３２ｂが位置する如く、上下（段）方向と左右（列）方向において直管部２１ａと湾曲部２１ｂが交互に連続することによって蛇行状に湾曲形成されたアルミニウム製の伝熱管（本発明の管体に相当）３２と、相互に平行となるように多数配置され、前記蛇行状に湾曲形成された伝熱管３２が貫通したアルミニウム製のプレートフィン３３と、このプレートフィン３３の両端に配置され、該プレートフィン３３と同様に伝熱管３２が貫通した鉄製の端板３４より構成されている。

その結果、伝熱管３２における直管部２１ａがプレートフィン３３、端板３４と密着し、湾曲部２１ｂが端板３４から露出した状態となっている。

ここで、伝熱管３２の内面には、実施の形態１乃至３で説明したように、管軸方向Ｐに延びる多数の溝２が形成されており、この溝２における流体入口３２ａから流体出口３２ｂの間は、該溝２のリード角が複数の角度に異なって形成（配置）されている。

次に、図１３により、伝熱管３２における異なる角度のリード角に形成された溝２の配置状態について説明する。ここでは、熱交換器３１を、冷凍サイクルを構成する蒸発器として用いる場合について説明する。

一般に、蒸発器において、伝熱管３２内を冷媒が流れる場合、流体入口３２ａ側では液成分が占める液相状態であり、流体出口３２ｂ側へ進むにつれて気体（ガス）成分が増加し、流体入口３２ａと流体出口３２ｂの中間部分では液相と気相が混合する気液混合の二相状態となり、流体出口３２ｂ側では気体成分が占める気相状態にある。

したがって、熱交換器３１の機能を十分に発揮するためには、冷媒（流体）が流れる伝熱管３２内の管内圧力損失、あるいは管内熱伝達率の分布を考慮した最適な仕様とする必要がある。

かかることから、本実施の形態４においては、図１３に示す如く流体入口３２ａ側に近い領域Ａでは、溝２のリード角を角度ｙとし、流体入口３２ａと流体出口３２ｂの中間に位置する領域Ｂでは、溝２のリード角を角度ｘ（角度ｙ＞角度ｘ）とし、流体出口３２ｂに近い領域Ｃでは、溝２のリード角を０°（管軸Ｐと平行）としている。

換言すると、伝熱管３２は、実施の形態１で説明した管体１の構成と同様に、基本部ａ、第一変則部ｂ、第二変則部ｃが形成された構成であり、流体入口３２ａから流体出口３２ｂにかけて第二変則部ｃを領域Ａに、第一変則部ｂを領域Ｂに、基本部ａを領域Ｃに配置した構成となっている。

その結果、流体入口３２ａに近い領域Ａでは、冷媒が液成分を占めている状態であるため、溝２のリード角の角度を大きく（角度ｙ）することにより、冷媒の流速を速め、同時に撹拌作用を大きくすることと合わせて、熱交換作用を促進することができる。また、領域Ａでは、冷媒が液相状態、もしくは大半が液相状態であるため、比較的管内圧力損失が低く、溝２のリード角の角度を大きくしても、熱交換作用において管内圧力損失に伴う影響を受け難くすることができる。

また、冷媒の蒸発作用が進んだ領域Ｂにおいては、冷媒は液相と気相が混在する気液二相状態にあるため、領域Ａと比較して管内圧力損失が大きい状態にあり、熱交換作用も低下する傾向にある。しかし、冷媒は、蒸発が可能な状態にあり、溝２の形成に伴う旋回流によって熱交換作用の促進効果が期待できるため、溝２のリード角の角度を小さく（角度ｘ）することにより、管内圧力損失の影響を抑制しつつ、熱交換促進効果を得ることができる。リード角の角度ｘの設定については、熱交換作用において、管内圧力損失に伴うロスと熱交換促進効果のバランスを考慮し、角度ｙ＞角度ｘの関係が維持できる最適な値を設定すればよい。

さらに、流体出口３２ｂに近い領域Ｃにおいては、一般的に冷媒は気相が占める状態にあり、熱交換作用が大きく期待できる状態ではない。加えて、管内圧力損失も高いことから、領域Ｃにおいては、熱交換作用の促進よりも管内圧力損失の増加に伴う影響の抑制を重視することが好ましい。

かかる点から、伝熱管３２における領域Ｃでは、溝２のリード角の角度をさらに小さく（本実施の形態４では０°）することにより、冷媒の流れが円滑化され、管内圧力損失の増加を抑制することができる。その結果、管内圧力損失に伴う圧縮機（図示せず）等のエネルギーの消費を抑制しつつ、微小であるが熱交換作用の継続が期待できる。

したがって、本実施の形態４における熱交換器３１は、伝熱管３２を流体入口３２ａから流体出口３２ｂにかけて大きく三つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに区画し、それぞれの領域Ａ、Ｂ、Ｃに対応して第二変則部ｃ、第一変則部ｂ、基本部ａを配置する構成としたことにより、伝熱管３２の内面に形成した溝２のリード角の角度ｙを、途中で異なるリード角の角度ｘ、流体出口３２ｂ側で０°となるように形成し、管内圧力損失を抑制しつつ、流体（冷媒）の継続した撹拌作用を得ることができ、熱交換能力を高めることができる。

また、１本の伝熱管３２を湾曲加工する構成であるため、リード角の角度が異なる配管を接続する溶接作業が伴うこともなく、組立作業の簡素化が可能となり、溶接不良に伴う流体の漏れリスクも極めて小さい熱交換器３１を得ることができる。

なお、本実施の形態４においては、熱交換器３１の作用を、冷凍サイクルを構成する蒸発器を例に説明したが、冷凍サイクルを構成する凝縮器とする場合であっても、冷媒の状態に応じて管内圧力損失、管内熱伝達率を最適値に維持できるように、伝熱管３２の内面に形成した溝２のリード角の角度を設定することにより、同様の作用効果が期待できる。

また、熱交換媒体である流体を温水、あるいは冷水等の液体、さらにはスチーム等の気体（ガス）とする熱交換器においても、同様に伝熱管３２内に形成した溝２の大きさ（幅、深さ等）、およびその溝２のリード角の角度を適宜最適値に設定することにより、効率的な熱交換作用を得ることが期待できる。

さらに、伝熱管３２は、アルミニウム以外の金属（アルミニウム合金、銅、銅合金等）であってもよい。

（実施の形態５）
図１４は、本発明の実施の形態５における内面溝付き管の加工工程説明図で、（ａ）は、加工前の状態を示す斜視図、（ｂ）は、同加工工程における第一工程の状態を示す斜視図、（ｃ）は、同加工工程における第二工程の状態を示す斜視図である。

本実施の形態５においては、実施の形態１で説明した管体１を加工形成する場合について説明し、また、実施の形態４で説明した熱交換器３１を管体１の用途例として説明する。したがって、実施の形態１および実施の形態４と同じ構成要件については、同一の符号を付して説明する。

まず、図１４（ａ）で示すように、内面に管軸Ｐと平行に延びる溝２が形成された所定長さのアルミニウム製の管体１の一端をクランプ４１で掴み固定する。そして、一端から基本部ａを形成する位置（第一変則部ｂが始まる位置）をクランプ４２で掴み、さらにクランプ４２から第一変則部ｂを形成する位置（第二変則部ｃが始まる位置）にクランプ４３を配置し、かかる初期状態から第一工程が開始される。なお、クランプ４１、４２、４３は、本発明のクランプ具に相当するものである。ここで、各クランプ４１、４２、４３は、該クランプ４１、４２、４３を回転する機構の一例として、アーム４１ａ、４２ａ、４３ａを具備した構成としている。なお、必要に応じて管体１の両端に、管体１を軸方向への移動、および回転が自由に行える如く支持する支持体４５を設けてもよい。

第一工程では、図１４（ｂ）で示すように、クランプ４１を掴み状態として管体１の一端部を固定し、他端部のクランプ４３は離し状態で管体１が回転可能となる状態としておく。そして、クランプ４２を、アーム４２ａを利用する等して矢印α方向に所定角度ｘ回転し、停止する。これにより、管体１は、クランプ４１を起点にひねり加工が施され、これに伴い、内面に形成された溝２は、二点鎖線で示す如く、管軸Ｐに対して角度ｘのリード角が形成され、第一工程が終了する。したがって、この状態においては、内面に形成された溝２は、クランプ４２以降が第一変則部ｂのリード角状態（角度ｘ）で延びている。

第二工程では、図１４（ｃ）で示すように、少なくともクランプ４２をその位置で、または初期位置に復帰させて固定し、クランプ４３を掴み状態にし、上述と同様にアーム４３ａを利用する等して矢印α方向に角度（ｙ−ｘ）回転する。これにより、管体１のクランプ４２とクランプ４３の間は、図１４（ａ）の時点から角度ｙ回転した状態となり、加工工程を完了する。

上記クランプ４２、４３の掴み動作と回転動作は、例えば、シーケンス制御回路によって運転が制御される自動装置にて容易に行うことができる。

したがって、上述の加工工程を経て形成された管体１は、図中左側から、溝２のリード角が管軸Ｐと平行（０°）の基本部ａ、溝２のリード角が角度ｘの第一変則部ｂ、溝２のリード角が角度ｙ（角度ｙ＞角度ｘ）の第二変則部ｃが形成された管体１となる。

上述の如く形成された管体１を、例えば実施の形態４の熱交換器３１の伝熱管３２として用いる場合、第二変則部ｃを流体入口３２ａ側に近い領域Ａとして、第一変則部ｂを中間部である領域Ｂとして、基本部ａを流体出口３２ｃに近い領域Ｃとしてそれぞれ用い、適宜箇所で湾曲して蛇行状に形成することにより、実施の形態４で説明したリード角の角度配置の溝２が形成された伝熱管３２が得られ、熱交換能力高めた熱交換器３１を得ることができる。

なお、クランプ４１、４２、４３については、本発明の要旨と直接関係しないことから特に説明していないが、管体１の掴みおよび離しが可能で、掴み状態、離し状態それぞれにおいて所定の角度回転できる機構を具備した周知の装置でよいものである。

また、本実施の形態５においては、基本部ａの溝２のリード角を０°としたが、予め所定の角度のリード角に形成された溝（図示せず）を具備した管体１の場合についても、同様にクランプ４１、４２、４３を制御することにより、管体１に、複数種類のリード角の溝を形成することができる。

さらに、クランプの数を増やし、それぞれの回転角度を、管体１の材料が有する塑性変形許容範囲内において選択、調整することにより、管体１を破損することなく溝２に三種類以上のリード角を形成することができる。

また、管体１の一端部を固定し、他端部を、上記クランプ等の掴み手段にて掴み固定し、その掴み手段を所定角度回転することにより、管体１の内面に形成した溝２の略全長に亘って所定角度のリード角を形成することができる。

なお、本実施の形態５において、管体１が長尺の場合は、上述の加工工程を終えた後で、管体１を周知の手段によって軸方向に移動し、初期状態から再度上述の第一工程、第二工程を繰り返し行うことにより、基本部ａ、第一変則部ｂ、第二変則部ｃの配置を１ストロークとする配置構成が繰り返し連続した長尺の管体１を得ることができる。そして、１ストローク単位で切断することにより、上述の伝熱管３２を得ることができる。

また、本実施の形態５における最終段のクランプ４３の回転方向、および回転角度を制御することにより、第一変則部ｂに続く第二変則部ｃの溝２のリード角を０°、あるいは角度−ｘとする構成を得ることができる。

（実施の形態６）
図１５は、本発明の実施の形態６における内面溝付き管の加工工程説明図で、（ａ）は、加工前の状態を示す斜視図、（ｂ）は、同加工工程におけるリード角形成工程の状態を示す斜視図である。図１６は、同実施の形態６における内面溝付き管に設けた変則部の加工領域のパターン例を説明する熱交換器の平面図で、（ａ）は、単一の変則部を特定の領域に間欠して設けた場合の平面図、（ｂ）は、異なる変則部を特定の領域に間欠して設けた場合の平面図、（ｃ）は、異なる変則部を連続して間欠に配置した場合の平面図である。

本実施の形態６においては、実施の形態２で説明した管体１１を加工形成する場合について説明し、また、実施の形態４で説明した熱交換器３１を管体１１の用途例として説明する。したがって、実施の形態２および実施の形態４と同じ構成要件については、同一の符号を付して説明する。また、管体１１の加工工程において、先の実施の形態５と同一の構成要件については、同一の符号を付して説明する。実施の形態２における管体１１は、内面に形成した溝１２のリード角が、０°（基本部ａ）、角度Ｙ（第一変則部ｂ１）、角度０°（基本部ａ）、角度−Ｙ（第二変則部ｃ１）の関係で連続した配置構成となっている。

まず、図１５（ａ）で示すように、内面に管軸Ｐと平行に延びる溝１２が形成された所定長さの管体１１の一端をクランプ４１で掴み固定する。そして、クランプ４１からリード角が、０°（基本部ａ）、角度Ｙ（第一変則部ｂ１）、角度０°（基本部ａ）、角度−Ｙ（第二変則部ｃ１）の関係（以下、１ストロークと称す）が成立する間隔を確保した箇所をクランプ（本発明のクランプ具に相当）４４で掴み固定する。

次に、第一変則部ｂ１と第二変則部ｃ１の間に位置する基本部ａの間隔に設定されたクランプ４２、４３を、所定の位置（第一変則部ｂ１と基本部ａの境界部、および基本部ａと第二変則部ｃ１の境界部）で掴み固定し、リード角形成工程に移る。

ここで、クランプ４２、４３は、便宜上クランプ４１、４４の動作に時差を設けて動作するように説明したが、予め前述の位置が設定されている状態であれば、クランプ４１、４４の掴み動作と一連の動作として行うことができる。

なお、必要に応じてクランプ４１、４４を挟むようにして、管体１１を軸方向への移動、および回転が自由に行える如く支持する支持体４５を設けてもよい。

リード角形成工程では、図１５（ｂ）で示すように、両端のクランプ４１、４４を掴み状態として固定し、クランプ４２、４３を同期して矢印α方向に所定角度Ｙ回転し、停止することによって、１ストロークのリード角形成工程が終了する。

したがって、管体１１は、クランプ４１およびクランプ４４を起点にひねり加工が施される。すなわち、クランプ４１とクランプ４２の間では、クランプ４１（または、クランプ４２）を起点に角度Ｙのひねり加工が行われ、クランプ４３とクランプ４４の間では、クランプ４４（または、クランプ４３）を起点に角度−Ｙのひねり加工が行われる。

また、クランプ４２とクランプ４３の間は、両クランプ４２、４３が同期して回転するため、溝１２には異なる角度のリード角が形成されず、初期のリード角０°が維持されたままとなる。

したがって、上述の１ストロークの終了に引き続き、各クランプ４１、４２、４３、４４を初期状態（離し状態）にし、管体１を周知の手段によって次のストローク分軸方向（図中左方向）に移動し、上述の如く各クランプ４１、４２、４３、４４を動作（掴み固定、掴み回転）することを連続することにより、内面に形成した溝１２のリード角が、０°（基本部ａ）、角度Ｙ（第一変則部ｂ１）、角度０°（基本部ａ）、角度−Ｙ（第二変則部ｃ１）の関係で連続した配置構成を得ることができる。

なお、本実施の形態６においても、管体１１の内面に形成された溝１２のリード角を初期値として０°とする必要は無く、予め所定角度のリード角が形成された領域を基本部ａと定義することもできる。

上述の工程を経て形成された管体１１を、適宜蛇行状に湾曲加工することにより、実施の形態４で説明した熱交換器３１の伝熱管として用いることができる。

例えば、基本部ａを直管部２１ａとし、第一変則部ｂ１を湾曲部２１ｂとし、次の基本部ａを次段の直管部２１ａとし、第二変則部ｃ１を次段の湾曲部２１ｂとし、以下これを繰り返すことによって、特に湾曲部２１ｂにおける流体（冷媒）の撹拌を促進し、熱交換効率を高める熱交換器３１を得ることができる。

また、逆に第一変則部ｂ１、および第二変則部ｃ１を直管部２１ａとし、基本部ａを湾曲部２１ｂとする蛇行状の伝熱管とすることもできる。かかる場合は、特に直管部２１ａにおけるリード角の方向が異なるため、流体をより長い距離に亘って撹拌することができ、熱交換器３１における熱交換性能の向上が期待できる。

本実施の形態６においては、各クランプ４１、４２、４３、４４の掴み状態における回転方向、および回転角度を適宜定義することにより、流体を複雑に撹拌することができ、また、各クランプ４１、４２、４３、４４の間隔を定義することにより、必要な箇所のみに複数の変則部を形成することができる。

つまり、対とするクランプ４１、４２およびクランプ４３、４４を、それぞれ軸方向および回転方向に独立して動作させることにより、管体１の軸方向の送り動作と合わせて、基本部ａのみで形成された管体１１の必要な領域に、実施の形態１乃至実施の形態３で説明した第一変則部ｂ、ｂ１、第二変則部ｃ、ｃ１を形成することができる。

次に、図１６により、実施の形態４で説明した熱交換器３１を基調にして、第一変則部ｂ、ｂ１、および第二変則部ｃ、ｃ１を、必要とする領域へ形成した例について説明する。なお、矢印は、流体の流れる方向を示している。

図１６（ａ）は、実施の形態１で説明した第一変則部ｂを、直管部２１ａのみ（特定の領域）に形成し、直管部２１ａを流れる流体（冷媒）の旋回流と、その旋回流を緩和する基本部ａの流れを交互に発生させ、流体の撹拌を促進して管内熱伝達率を向上し、熱交換性能を向上させる構成の例である。なお、湾曲部２１ｂの内面に形成された溝のリード角の角度は、基本部ａの溝のリード角の角度に戻されている。

かかる第一変則部ｂは、管体１において、実施の形態５で説明した第一工程を、管体１を管軸Ｐ方向へ間欠して送りながら行うことによって形成することができ、その後、蛇行状に湾曲加工することにより、熱交換器３１への組み込みが可能な伝熱管３２を得ることができる。

なお、実施の形態５における第一工程のクランプ４２の回転角度、回転方向を考慮することにより、第一変則部ｂ（溝２のリード角）を、実施の形態１の第二変則部ｃ、あるいは実施の形態２の第一変則部ｂ１、第二変則部ｃ１のいずれかとすることもできる。

図１６（ｂ）は、実施の形態２で説明した第一変則部ｂ１と第二変則部ｃ１を直管部２１ａのみ（特定の領域）に形成した構成を示し、基本部ａを挟むことによって、第一変則部ｂ１と第二変則部ｃ１が間欠して配置された構成となっている。

この構成によれば、直管部２１ａを流れる流体（冷媒）に、第一変則部ｂ１による旋回流と、基本部ａによる旋回流の緩和と、第二変則部ｃ１による逆方向の旋回流を与え、流体の撹拌を複雑にして流体の管内熱伝達率を向上し、熱交換性能を向上させることができる。

かかる第一変則部ｂ１と第二変則部ｃ１は、本実施の形態６で説明しているリード角形成工程において、各クランプ４１、４２、４３、４４の間隔を設定し、管体１を管軸Ｐ方向へ間欠して送りながら各クランプ４１、４２、４３、４４を回転することによって形成することができ、その後、蛇行状に湾曲加工することにより、熱交換器３１への組み込みが可能な伝熱管３２を得ることができる。

なお、実施の形態６におけるリード角形成工程のクランプ４２、４３、４４の回転角度、回転方向を考慮することにより、第一変則部ｂ１（溝２のリード角）、第二変則部ｃ１（溝２のリード角）の角度関係を、実施の形態１の第一変則部ｂ、第二変則部ｃの角度関係と同様の関係とすることもできる。

図１６（ｃ）は、実施の形態１で説明した第一変則部ｂと第二変則部ｃを連続させ、第一変則部ｂ、第二変則部ｃの配列を、基本部ａを介して間欠となるように直管部２１ａのみ（特定の領域）に形成した構成を示している。

この構成によれば、直管部２１ａを流れる流体（冷媒）の流れを、第一変則部ｂによる旋回流に第二変則部ｃによる旋回流を加えた旋回流とし、基本部ａでその旋回流を緩和する流れを繰り返すこととなり、これによって流体（冷媒）の撹拌を促進して管内熱伝達率を向上し、熱交換性能を向上することができる。

かかる第一変則部ｂと第二変則部ｃは、実施の形態５で説明した第一工程、第二工程において、各クランプ４１、４２、４３の間隔を設定し、管体１を周知の手段にて管軸Ｐ方向へ間欠して送りながら各クランプ４１、４２、４３を回転することによって形成することができ、その後、蛇行状に湾曲加工することにより、熱交換器３１への組み込みが可能な伝熱管３２を得ることができる。

なお、実施の形態５で説明した第一工程、第二工程において、クランプ４２、４３の回転角度、回転方向を考慮することにより、第一変則部ｂ（溝２のリード角の角度ｘ）、第二変則部ｃ（溝２のリード角の角度ｙ）の角度関係を、実施の形態２の基本部ａを介しない第一変則部ｂ１、第二変則部ｃ１の角度関係と同様の関係とすることもできる。

上述の如く、本実施の形態６においては、内面に管軸Ｐ方向に延びる溝２を形成した管体１の適宜箇所を、溝２のリード角が変わるように加工することができるため、流体の流れに、該流体に適した旋回流を発生させることができ、流体を管内表面側から管軸寄りに亘って撹拌することができる。

なお、上述の各実施の形態１乃至６においては、金属製の管体を主体に説明したが、樹脂製の管体の場合も同様に実施でき、特に樹脂製であれば、加工時に適当な熱を加えながら加工することも可能となり、金属製に比較して加工成形が容易となり、ひねり角度も大きくできる。また、金属製の管体１においても、材質によっては、加工時に適当な熱を加えることにより、加工成形を容易とすることができる。

本発明にかかる内面溝付き管は、管全長に亘る任意の箇所における内面溝のリード角の角度を異なる角度に形成することにより、管内を流れる流体の流れ状態に変化を伴わせ、流体の撹拌を促進することができるもので、家庭用の冷蔵庫から自動販売機等の如く流体を冷媒とする熱交換器の他に、車両等に用いられるラジエーター、さらには、管内を流れる粉体の撹拌装置等、広い産業分野に亘って適用することができるものである。

本発明の実施の形態１における内面溝付き管の一部を切欠いた斜視図 同実施の形態１における内面溝付き管の図１のＡ−Ａ線による断面図 同実施の形態１における内面溝付き管の基本部の管軸方向での断面図 同実施の形態１における内面溝付き管の第一変則部の管軸方向での断面図 同実施の形態１における内面溝付き管の第二変則部の管軸方向での断面図 本発明の実施の形態２における内面溝付き管の一部を切欠いた斜視図 同実施の形態２における内面溝付き管の基本部の管軸方向での断面図 同実施の形態２における内面溝付き管の第一変則部の管軸方向での断面図 同実施の形態２における内面溝付き管の第二変則部の管軸方向での断面図 本発明の実施の形態３における内面溝付き管の一部を切欠いた斜視図 同実施の形態３における内面溝付き管を蛇行状に曲げ加工した状態を示す平面図 本発明の実施の形態４における内面溝付き管を具備した熱交換器の斜視図 同実施の形態４の熱交換器を構成する内面溝付き管の溝の配置状態を示す模式図 本発明の実施の形態５における内面溝付き管の加工工程説明図を示し、（ａ）は、加工前の状態を示す斜視図、（ｂ）は、同加工工程における第一工程の状態を示す斜視図、（ｃ）は、同加工工程における第二工程の状態を示す斜視図 本発明の実施の形態６における内面溝付き管の加工工程説明図を示し、（ａ）は、加工前の状態を示す斜視図、（ｂ）は、同加工工程におけるリード角形成工程の状態を示す斜視図 同実施の形態６における内面溝付き管に設けた変則部の加工領域のパターン例を説明する熱交換器の平面図で、（ａ）は、単一の変則部を特定の領域に間欠して設けた場合の平面図、（ｂ）は、異なる変則部を特定の領域に間欠して設けた場合の平面図、（ｃ）は、異なる変則部を連続して間欠に配置した場合の平面図 従来例を示す伝熱管の内面に溝を形成するための装置の要部の斜視図 異なる従来例を示す内部に螺旋状の溝を形成した伝熱管の断面図

符号の説明

１ 管体（内面溝付き管）
２ 溝
１１ 管体（内面溝付き管）
１２ 溝
２１ 管体（内面溝付き管）
２１ａ 直管部
２１ｂ 湾曲部
３１ 熱交換器
３２ 伝熱管（内面溝付き管）
３２ａ 流体入口
３２ｂ 流体出口
３３ プレートフィン
３４ 端板
４１ クランプ（クランプ具）
４２ クランプ（クランプ具）
４３ クランプ（クランプ具）
４４ クランプ（クランプ具）
４５ 支持体
Ｐ 管軸
ａ 基本部
ｂ 第一変則部
ｃ 第二変則部
ｂ１ 第一変則部
ｃ１ 第二変則部

Claims (10)

1. 内面に管軸と平行、もしくは管軸を基準に一定のリード角をもって緩やかな螺旋状に延びる複数の溝を設けた管体において、少なくとも一部に、前記リード角の角度と異なる角度で螺旋状に延びる第一変則部を設けた内面溝付き管。
2. 前記第一変則部を、前記管体の複数箇所に設けた請求項１に記載の内面溝付き管。
3. 前記管体に、前記第一変則部におけるリード角の角度と異なる角度のリード角となる第二変則部を設けた請求項１または２に記載の内面溝付き管。
4. 前記第二変則部を、前記管体の複数箇所に設けた請求項３に記載の内面溝付き管。
5. 前記管体を蛇行状に湾曲加工した請求項１から４のいずれか一項に記載の内面溝付き管。
6. 少なくとも内部を流体が流れる伝熱管を具備した熱交換器であって、前記伝熱管を、請求項１から５のいずれか一項に記載の内面溝付き管とした熱交換器。
7. 内面に直線状、もしくは一定のリード角をもって緩やかな螺旋状に延びる複数の溝を設けた管体の適宜箇所をクランプ具によって固定し、前記クランプ具によって管体を固定した状態で、該管体を反クランプ具側より所定角度のひねり加工を行うことにより、前記溝の角度が異なる変則部を形成する内面溝付き管の製造方法。
8. 前記クランプ具によって前記管体の適宜箇所を固定し、該管体の反クランプ具側より所定角度のひねり加工を行う加工を、前記管体の複数箇所にわたって行う請求項７に記載の内面溝付き管の製造方法。
9. 内面に直線状、もしくは一定のリード角をもって緩やかな螺旋状に延びる複数の溝を設けた管体の中間部を、所定間隔介して位置する複数対のクランプ具によって固定し、その固定状態において、前記対を成す少なくとも一方のクランプ具を回転させることにより、前記溝のリード角の角度が異なる変則部を形成する内面溝付き管の製造方法。
10. 前記対を成すクランプ具における回転するクランプ具の少なくとも回転方向、もしくは回転角度を、異なる方向もしくは異なる角度とした請求項９に記載の内面溝付き管の製造方法。