JP2012017953A

JP2012017953A - 熱交換用ステンレス鋼管

Info

Publication number: JP2012017953A
Application number: JP2010157053A
Authority: JP
Inventors: Katsuhide Nishio; 克秀西尾; Shinobu Kano; 忍狩野; Atsushi Kurobe; 淳黒部
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-26

Abstract

【課題】良好な耐食性、形状精度及び伝熱性能を有する熱交換用ステンレス鋼管を提供する。
【解決手段】表面に凹凸模様を有するステンレス鋼帯板を管状に曲げ成形し、その両端接合部を溶接してなる熱交換用ステンレス鋼管であって、鋼帯板の凹凸模様は複数の凹部からなり、鋼管の周方向に隣接する凹部１が鋼管の軸方向に隣接する二個の凹部１に挟まれる領域に入り込むように互いに千鳥配置されている。また、凹部１は少なくとも鋼管の内表面に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプなどの熱交換器に用いられる熱交換用パイプにおいて、良好な耐食性、形状精度及び伝熱性能を有する熱交換用ステンレス鋼管に関する。

エコキュートやエアコンなどに用いられる熱交換器には、冷媒ガスの圧縮、開放によって水や空気などを加熱、冷却させるために熱交換用パイプが配置されている。この熱交換用パイプは、管内に冷媒ガスや水を流す状態で使用され、素材としては銅パイプが多く用いられている。しかし、素材が銅パイプであるため長い期間使用すると腐食により交換する必要が生じ、補修に係るコストが高くなるため、高耐食性の熱交換用パイプが望まれている。

耐食性の観点から銅パイプに代わる材料としては、めっき鋼管やステンレス鋼管が挙げられる。しかし、めっき鋼管を熱交換器に組み込む際に溶融溶接で接合する必要があるため、溶融溶接時に発生するブローホールによって接合強度が低下する懸念があることから、結果としてはステンレス鋼管が望ましい材料となる。しかし、ステンレス鋼は材料の熱伝導率が銅よりも低いために、銅パイプと同じ寸法や形状としても同等の伝熱性能を得ることが難しい。また、ステンレス鋼管の板厚を薄くすれば伝熱時の抵抗が低くなるために伝熱性能が上がることが期待できるが、高圧の冷媒ガスを通す場合もあるため、耐圧性能とのバランスを考える必要があり、板厚の減少量はおのずと限界が発生する。

伝熱性能を上げる方法としては、熱交換用パイプの表面を平滑以外の形状に変更する方法が提案されている。特許文献１には、銅パイプを素材として管内に管軸方向に対して傾斜して延びる螺旋状に形成される凹凸溝や管軸方向に直線状に形成される凹凸溝、溝同士が交差する交差溝が提案されている。直線状の凹凸溝や交差溝は、銅板に圧延やプレスなどによって所望の凹凸形状を付与した後に造管することによって比較的効率良く製造することができるが、交差溝の場合は溝に沿った流体が交差地点で衝突して流体の流れが悪くなるという問題がある。また、螺旋状の凹凸溝は銅パイプの内面にプラグなどの金型を挿入して形成する必要があるため、生産性が低いという課題がある。さらに、素材が銅パイプであるため耐食性に関しては十分でないという問題もある。

特開２００８−１５７５８９号公報

前記したように耐食性に関しては、熱交換用パイプの素材を銅からステンレス鋼に変更することにより問題は解決する。しかし、ステンレス鋼管は銅パイプと比較すると熱伝導率が低いために、伝熱性能を向上させる必要がある。その方法としては、ステンレス鋼管の表面に凹凸形状を形成して表面積を広げることが有効である。

ステンレス鋼管の表面に凹凸を形成する方法としては、銅パイプの場合と同じように鋼板に圧延によって所望の凹凸模様を形成した後に、その鋼板を素材として造管することによって鋼管化することが生産効率を考慮すると有効である。ステンレス鋼板に圧延で凹凸模様を付与することを考慮すると、鋼板の長手方向、つまり鋼管の管軸方向に直線状の凹凸溝の形状となるが、未加工で凹部又は凸部が連続的に形成されるため造管の曲げ加工の際にその未加工部分にひずみが集中して真円度の良好な鋼管を製造することが困難となる。良好な真円度が得られないと、熱交換用パイプ同士又は他の部品との接合を行う際に問題となる。本発明は、このような造管時のひずみの集中を回避して真円度を良好にするとともに、伝熱性能も有するような凹凸模様を形成した熱交換用ステンレス鋼管の提供を目的とする。

本発明の熱交換用ステンレス鋼管は、表面に凹凸模様を有するステンレス鋼帯板を管状に曲げ成形し、その両端接合部を溶接してなる熱交換用鋼管であって、前記鋼帯板の凹凸模様は複数の凹部からなり、前記鋼管の周方向に隣接する凹部が鋼管の管軸方向に隣接する二個の凹部に挟まれる領域に入り込むように互いに千鳥配置されていることを特徴とする。
また、少なくとも前記鋼管の内表面に凹部が形成されている。

本発明の凹凸模様を有する熱交換用ステンレス鋼管は、鋼管表面に複数の凹部による凹凸が形成されており、その凹凸により鋼管内の表面積が拡大し鋼管内外を移動する熱の伝熱領域が広がるために、伝熱性能を向上させることが可能である。また、複数の凹部を千鳥配置としているため、造管での曲げ加工の際、凹部に歪が集中せずに割れの発生なく鋼管を製造することが可能となる。
また、凹凸模様を複数の凸部ではなく複数の凹部とすることで、鋼帯板に凹凸模様を形成する際の加工負荷を小さくできると共に、鋼管内に流体が流れる際の抵抗を小さくすることができる。

従来の凹凸模様鋼板の、凸部が連続的に存在する形態を示す概略図（ａ）と凹部が連続的に存在する形態を示す概略図（ｂ）本発明の凹凸模様の凹凸配置を示す概略図実施例において、本発明の凹凸模様を付与するためのワークロールの形状を示す概略図（ａ）と、従来の凹凸模様を付与するためのワークロールの形状を示す概略図（ｂ）実施例において、圧延加工によって本発明の凹凸模様を付与した後の鋼板表面形状を示す概略図（ａ）と、圧延加工によって従来の凹凸模様を付与した後の鋼板表面形状を示す概略図（ｂ）実施例において、本発明で製造した鋼管と従来の方法で製造した鋼管の外径比較結果実施例において、本発明で製造した鋼管の伝熱性能評価を行った結果

本発明の熱交換用ステンレス鋼管は、凹凸模様が複数の凹部からなり、鋼管の周方向に隣接する凹部が鋼管の管軸方向に隣接する二個の凹部に挟まれる領域に入り込むように互いに千鳥配置している。
これらの規定を決める上で本発明者等は、種々の検討を行った。

素材が一定の場合に鋼管の伝熱性能を向上させるためには、鋼管の表面に凹凸模様を形成して表面積を拡大する方法が有効である。これは、鋼管の内外を移動する熱の移動面積を増やすことによって、より速い状態で熱移動できることに起因している。しかし、その凹凸模様の形態については、伝熱性能以外の要因である鋼管の製造性も考慮して決定する必要がある。

鋼管表面に凹凸模様を形成した鋼管を製造する方法としては、鋼板を圧延法によって所望の凹凸模様を表面に形成し、その鋼板を造管する方法が効率的である。圧延は、表面に適宜形状の凸部を所定のパターンで形成したロールを用いて素材の鋼板を圧延すれば、ロール表面の模様が鋼板表面に転写されて所望形状の凹部および凹凸部の配置で形成される。この鋼板を凹凸模様が形成された面が内面となるように曲げ加工を行って造管することにより、内表面に凹凸模様が形成された鋼管を製造することができる。

この凹部と凸部の配置としては、図１に示すように規則的に配置して凹部１が一直線上に存在する形態（図１(ａ)）や凸部２が一直線上に存在する形態(図１(ｂ)）が一般的である。これらの形態であれば鋼管内表面積を増加させることはできるが、何れの場合も未加工となっている凹部１と凸部２が一直線上に形成されることが種々の弊害をもたらしていると推測した。つまり、圧延で加工された部分は加工硬化により変形抵抗が高くなるが、未加工部分は比較的変形抵抗が低く、造管の曲げ加工の際にひずみが集中して鋼管の真円度が悪化する可能性がある。そのため、凹部１と凸部２の配置としては、凹凸部を互い違いに、いわゆる千鳥配置に形成すれば未加工部分が一直線上に形成されなくなるため、ひずみ集中しにくくなり、これによって真円度の良好な鋼管を生産することが可能となる。
以下に、本発明を詳細に説明する。

素材としては、耐食性や部材との溶融溶接を考慮してステンレス鋼とする必要があり、使用する環境で耐食性が十分であればオーステナイト系ステンレス鋼に限らずフェライト系ステンレス鋼を使用しても構わない。凹凸模様は、連続操業性を考慮して鋼板に圧延法で模様付けを行う。表面に適宜形状の凸部を所定のパターンで形成したロールを用いて素材の鋼板を圧延すれば、ロール表面の模様が鋼板表面に転写されて所望形状の凹部１および凹凸部の配置で形成される。

本発明は、素材の鋼板表面に凹凸模様を図２に示すように、形成する凹凸部を、互い違いに、いわゆる千鳥配置とする。しかも、幅方向に隣接する凹部１が長手方向に隣接する二個の凹部１に挟まれる領域に入り込むように設ける。個々の凹部の形状、すなわちその平面形状、断面形状とも制限はないが、円形や楕円形、菱形などの凹部１が形成される。

このように、幅方向に隣接する凹部１が長手方向に隣接する二個の凹部１に挟まれる領域に入り込むように設けることにより、凹凸部の形成により形作られる未加工の凸部が一直線上に形成されることはなくなる。したがって、凹凸模様鋼管に造管する際の曲げ加工でひずみの集中を緩和できる。そして、歪み集中を緩和できるため、真円度の良好な凹凸模様鋼管を製造するができる。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて具体的に説明する。素材にはＳＵＳ３０４、板厚２．０ｍｍで、予め板幅１００ｍｍにスリットしたコイルを用い、圧延により凹凸模様を付与した。凹凸模様付与では、２段圧延機を用い、上ワークロールに図３(ａ)に示す模様を付与したロールをセットした。ワークロール表面には、直径φ５ｍｍ、高さ１ｍｍの凸部を、板幅方向のピッチ７．５ｍｍ、圧延方向のピッチ１０ｍｍで配置し、さらに両者の中心間に凹部が入り込むよう千鳥状に配置させた。また図３(ｂ)は従来の発明の一例を示すワークロール表面であり、本発明との効果を比較するため、直径φ５ｍｍ、高さ１ｍｍの凸部を板幅方向のピッチ７．５ｍｍ、圧延方向のピッチ１０ｍｍとして碁盤目状に配置させた。

以上の条件により圧延加工で連続的に凹凸模様を付与した材料表面の概略図を図４に示す。図４(ａ)は本発明の一例を示す材料表面の概略図で、凹部１が一直線上に連続しないように形状を形成させている。一方、図４(ｂ)は従来の発明の一例を示す材料表面の概略図を示しており、この図からわかるように、凹部１が一直線上に形成されている。これら２種類のパターンで成形した凹凸模様のコイルを、フォーミングロールの圧下条件は一定の下で、パイプにした時に内側に凹凸面が形成されるよう通板しＴＩＧ溶接により造管した。また、サイジングロールは出側のパイプ外径がφ３０．０ｍｍになるよう調整した。造管したパイプの外径測定結果を図５に示す。本発明に基づいて製造したパイプでは、円周方向に均一な断面を有していた。しかし、従来の方法に基づいて製造したパイプでは、円周方向は凸部を起点に折れ曲がった多角形の断面を有していた。

次に製造した本発明の凹凸模様鋼管の伝熱性能を確認した。評価方法は、鋼管内の中心部に一定温度のヒーターを設置し、鋼管外面での経過時間に対する温度変化を、凹凸模様を形成していない鋼管と比較した。凹凸模様を形成していない鋼管は、素材がＳＵＳ３０４、板厚２．０ｍｍ、外径φ３０．０ｍｍである。評価結果を図６に示す。本発明の凹凸模様鋼管の方が、鋼管外側の温度上昇速度が速く、伝熱性能が優れていることが分かる。

Claims

表面に凹凸模様を有するステンレス鋼帯板を管状に曲げ成形し、その両端接合部を溶接してなる熱交換用鋼管であって、前記鋼帯板の凹凸模様は複数の凹部からなり、前記鋼管の周方向に隣接する凹部が鋼管の管軸方向に隣接する二個の凹部に挟まれる領域に入り込むように互いに千鳥配置されていることを特徴とする熱交換用ステンレス鋼管。
少なくとも前記鋼管の内表面に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換用ステンレス鋼管。