JP2012112625A - スパイラル状のバネを挿入した伝熱管の製造方法、および、その伝熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】バネを伝熱管の内面に確実に密着させるとともに、軸方向に沿って流れる流体がバネと伝熱管の内面との隙間に滞留してしまわないようにした伝熱管の製造方法を提供する。
【解決手段】伝熱管３を製造する場合、伝熱管３の内部にスパイラル状のバネ４を挿入する。このバネ４を伝熱管３の内部に挿入する場合、棒状の部材６の両端に設けられた係止部６１にバネ４を係止させ、伸張させて外径を細くする。このように外径を細くした状態でバネ４を伝熱管３に挿入し、その後、係止状態を解除して元の状態に戻して伝熱管３の内面３１に押圧させるようにする。そして、ロウ材５１となる金属棒５を入れて炉内で熔解させ、毛細管現象によって全面に行きわたらせるようにする。金属棒５は、バネ４と伝熱管３の内面３１との間に、同一方向に湾曲した境界部分を形成できるような量を有するものを用いる。
【選択図】図７

Description

本発明は、伝熱管の内面に突起列を形成した伝熱管の製造方法に関するものであり、より詳しくは、スパイラル状のバネを挿入して突起列を形成できるようにした伝熱管の製造方法に関するものである。

従来より、熱交換器を構成する伝熱管の内部に、突起列を形成して表面積を確保し、また、その突起列によって内部を流れる流体を攪乱させるようにした伝熱管が提案されている。

例えば、下記の特許文献１には、切削加工によって伝熱管の内面に溝を形成してスパイラル状のフィンを形成した構造が開示されており、また、下記の特許文献２や特許文献３などを始めとして種々の特許文献には、伝熱管の内部にスパイラル状のバネを挿入して突起列を形成できるようにした構造が開示されている。

特開平０９−１２６５８９号公報 特開昭６３−２６７８９１号公報 特開平０６−０５０６１８号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、切削加工によって内部にフィンや溝を形成する方法では、伝熱管が非常に細いと（例えば、内径が２〜３ｍｍ程度の場合）、切削工具を伝熱管の内部に挿入することができず、溝やフィンを形成することができない。

これに対して、伝熱管の内部にスパイラル状のバネを挿入して突起列を構成する方法では、バネの外径を小さくしておけば、伝熱管の内部に挿入することができる。しかしながら、バネを伝熱管の内部に挿入する方法では、そのバネを伝熱管の内面に溶着させておく必要がある。このような溶着をさせる場合、一般的には、金属蒸着させたバネを伝熱管の内面に密着させ、高温で加熱させることによって金属を溶かすといった方法があるが、この方法では、図８に示すように、バネ４と内面３１との溶着部分が点接触（太い実線部分）になってしまい、バネ４と伝熱管３の内面３１との間に入り込んだ隙間領域が形成されてしまう。このため、その入り込んだ隙間領域に流体が滞留してしまい（図中の矢印）、効率よく流体を流して熱交換させることができなくなる。

また、伝熱管の内部にバネを挿入する方法では、伝熱管の内面にすべてのバネを密着させておくことが難しく、バネと伝熱管の内面との間に隙間が生じてしまった場合は、金属蒸着を溶かして内面に溶着させることができなくなるといった問題も生じる。

そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、伝熱管の内部にスパイラル状のバネを挿入して突起列を形成する場合に、バネを伝熱管の内面に確実に溶着させるとともに、軸方向に沿って流れる流体がバネと伝熱管の内面との隙間に滞留してしまわないようにした伝熱管を製造する方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、伝熱管の内部にスパイラル状のバネを挿入する工程と、当該挿入されたバネと伝熱管の内面との境界部分において曲率符号を変化させないようにロウ材を入れる工程と、当該ロウ材を入れた後、毛細管現象によってバネと伝熱管との隙間を周回させてロウ材を溶かす工程とを備えるようにしたものである。

このようにすれば、バネと伝熱管の内面との間における領域をスムーズに湾曲させることができるので、バネと伝熱管の内面との間の入り込んだ隙間領域に流体を滞留させることがなくなる。また、仮に、バネと内面との間にわずかな隙間を生じていた場合であっても、毛細管現象によってその隙間にロウ材を浸透させることができるため、全体的にロウ材を行きわたらせることができる。

また、このような発明において、バネの内側に金属棒を挿入し、その状態で金属棒を溶かして毛細管現象でバネと伝熱管との隙間を周回させ、伝熱管の内面との境界部分における曲率符号を変化させないようにロウ付けする。

このようにすれば、挿入された金属棒を溶かすことによって均一にロウ材を行きわたらせることができるとともに、その金属棒の自重などの押圧力によってバネを伝熱管の内面に押し付けることができ、より確実にバネを密着させて溶着させることができる。なお、この金属棒としては、バネの内側に当接しうるものであってもよく、あるいは、それよりも小さな径を有するものであってもよい。

さらに、バネを挿入する際、バネを伸張させた状態で伝熱管の内部に挿入し、挿入後にバネを元の状態に戻すようにする。

このようにすれば、バネを伸張させることによって外径を小さくすることができ、これによって伝熱管への挿入を容易にすることができるとともに、挿入後に元の状態に戻すことでバネの外径を大きくすることができ、伝熱管の内面に当接させることができるようになる。

本発明によれば、伝熱管の内部にスパイラル状のバネを挿入する工程と、当該挿入されたバネと伝熱管の内面との境界部分における曲率符号が変化しないようにロウ材を挿入する工程と、当該ロウ材を挿入した後、毛細管現象によってバネと伝熱管との隙間を周回させてロウ材を溶かす工程とを備えるようにしたので、バネと伝熱管の内面との間の入り込んだ隙間領域に流体を滞留させることがなくなる。また、仮に、バネと伝熱管の内面との間にわずかな隙間を生じていた場合であっても、毛細管現象によってその隙間にロウ材を浸透させることができるため、全体的にロウ材を行きわたらせることができる。

本発明の一実施の形態である伝熱管を用いた熱交換器を示す図 同形態における伝熱管の拡大図 同形態におけるバネと伝熱管の内面を示す拡大図 同形態における棒状の部材とバネとの関係を示す図 同形態におけるロウ材としての金属棒の種類を示す図 同形態における伝熱管の第一の製造工程を示す図 同形態における伝熱管の第二の製造工程を示す図 従来例における伝熱管内にバネを溶着した状態を示す図

以下、本発明の一実施の形態における伝熱管３が使用される熱交換器１の構成について説明する。この熱交換器１は、図１に示すように、左右のヘッダ２と、これらヘッダ２とヘッダ２との間に設けられる伝熱管３とを有するもので、ヘッダ２を介して第一流体を伝熱管３に流入させ、また、その伝熱管３の外周に第二流体を流すことで、第一流体と第二流体との間で熱交換させるようにしたものである。そして、特徴的には、図２に示すように、この伝熱管３の内部にスパイラル状のバネ４を挿入するとともに、図３に示すように、そのバネ４と伝熱管３の内面３１との間に同一方向へ湾曲させた境界部分を形成するようにしたものである。そして、これによって、バネ４を構成する線材４１の下半分４３の円形領域と伝熱管３の内面３１との間に第一流体を滞留させることなくスムーズに流せるようにしている。以下、本実施の形態における伝熱管３の構成について説明する。

まず、伝熱管３は、ステンレスなどのように熱伝導性の高い金属部材で形成されるものであって、断面を中空円形状となすものが用いられる。この伝熱管３は、肉厚が薄ければ薄いほど第一流体の熱を外部に放出させることができ、また、直径が小さくなればなるほど単位体積当たりの伝熱面積を確保することができ、小型化が可能になる。このため、この実施の形態では、直径を１〜３ｍｍ程度、肉厚を０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度に設定するようにしている。もちろん、これらの寸法は上記数値に限定されるものではなく、流入される第一流体の量などによって適宜選択することができる。

この伝熱管３の内部に挿入されるバネ４は、同じく熱伝導性の高い金属部材であって、かつ、腐食性の少ないステンレスなどによって構成される。このバネ４を構成する線材４１は、直径が０．５ｍｍ程度に設定されており、また、ピッチについては０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度に設定されている。一方、バネ４の外径については、伝熱管３の内部に挿入することができるような寸法に設定しておく必要があるが、バネ４の外径を伝熱管３の内径よりも余りに小さくしておくと、バネ４を挿入させた際に伝熱管３の内壁に隙間を生じてしまい、ロウ材５１で溶着することができなくなる。このため、バネ４の外径については、自然状態において少なくとも伝熱管３の内径とほぼ同じかそれよりも大きくなるように設定しておき、バネ４を伸張させた状態（すなわち、外径を小さくした状態）で伝熱管３の内部に挿入できるようにする。バネ４を伸張させる場合、図４に示すように、バネ４の内側の中心軸に棒状の部材６を通して両端を係止部６１で固定し、この状態で伸張を維持させる。係止部６１としては、バネ４の端部を係止させることができるものであれば、どのような構成でもよいが、ここでは、係止させた状態で伝熱管３内に挿入できるように、バネ４の端部を挿入して係止させるものを用いている。また、この伸張させるための棒状の部材６としては、後述するロウ材５１としての金属棒５を用いることができる。このロウ材５１としての金属棒５を用いる場合も同様に、伝熱管３よりも金属棒５を長くしておくとともに、その両端側にバネ４の先端を係止させるための係止部６１を設けておき、この係止部６１にバネ４の先端を係止させてバネ４を伸張させる。そして、バネ４を伝熱管３に挿入した後、係止状態を解除させてバネ４の外径を膨らませるか、あるいは、炉内で高温加熱させて金属棒５を溶解させることによってバネ４の係止を解除させてバネ４の外径を膨らませる。

このロウ材５１として使用される金属棒５は、銅やニッケルなどのように炉内で溶解させることができるものであって、バネ４と伝熱管３との境界部分を溶着させるものを用いる。この金属棒５については、図５に示すように、断面が均一な円形をなすものであってもよく、あるいは、中空断面をなす形状を有するもの、断面がＣ字状をなすものなど種々の形状のものを用いることができる。このとき、挿入されたバネ４の内周にほぼ密着するような外径を有する金属棒５を用いれば、溶解された金属によって、ロウ材５１を全体に浸透させることができる。しかしながら、バネ４の内周を内側から押圧させるような外径を有する金属棒５を用いると、その金属棒５の挿入時にバネ４を一方向に押圧してしまい、ピッチが変わってしまう可能性がある。このため、好ましくは、若干バネ４との間に隙間を有するような寸法のものを用いる。

このロウ材５１としての金属棒５は、バネ４と伝熱管３の内面３１との間に、同一方向に湾曲した境界部分を形成できるような量に設定される。この境界部分における湾曲形状については、図３に示すように、少なくとも線材４１の上半分４２の円形部分が露出し、下半分４３との境界線から外側に向けて同一の方向に湾曲するような形状（すなわち、曲率の正負符号が同一となるように）にする。

次に、このように構成された伝熱管３の第一の製造方法について、図６を用いて説明する。

まず、伝熱管３内にバネ４を溶着させる場合、伝熱管３を複数本用意するとともに、この伝熱管３に挿入されるバネ４や、ロウ材５１としての金属棒５を用意しておく。そして、バネ４を伝熱管３の内部に挿入し、ロウ材５１としての金属棒５をバネ４の中心に通して、金属棒５で伝熱管３の内面３１を押し付ける。そして、バネ４を金属棒５の内面３１に押圧させた状態で、その金属棒５を入れたまま、炉内に水平な状態にして入れる。

そして、その状態で炉を高温加熱して金属棒５を溶解させる。すると、その溶解した金属がロウ材５１として伝熱管３の下方へと流れていき、バネ４を構成する線材４１の下半分４３と伝熱管３の内面３１との狭い隙間に入り込んでいく。すると今度は、そのロウ材５１が、狭い隙間に沿って毛細管現象によって伝熱管３内の上方へと上昇していき、伝熱管３内の全体に均一に行きわたるようになる。また、線材４１と線材４１との間については、溶けたロウ材５１の表面張力によって同一方向に湾曲した状態（Ｕ字状）になる。そして、その状態で加熱されたロウ材５１を冷却させると、線材４１の下半分４３の円形部分が隠されて隣接する線材４１との間に同一方向に湾曲した境界部分が形成される。

次に、このような伝熱管３の第二の製造方法について、図７を用いて説明する。第二の製造方法は、伝熱管３内にバネ４を入れる際に、バネ４を伸張させた状態で挿入し、その後、元の状態に戻して伝熱管３の内壁に密着させるようにしたものである。

この第二の製造方法で伝熱管３を製造する場合、棒状の部材６の両端に設けられた係止部６１にバネ４を係止させ、バネ４を伸張させる。この状態では、バネ４の外径が若干細くなって伝熱管３の内部に挿入させやすい状態となっている。

そして、この伸張させたバネ４を伝熱管３の内部に挿入し、係止状態を解除させてバネ４を元の状態に戻す。すると、バネ４の外径が膨らんで伝熱管３の内面３１を押圧することができる。そして、伝熱管３からはみ出したバネ４を切断するとともに、棒状の部材６を引き抜く。このとき、棒状の部材６がロウ材５１を構成する金属棒５で形成されている場合は、棒状の部材６を引き抜くことなく、そのまま挿入させておく。

そして、以下同様に、伝熱管３を炉に入れて高温加熱し、金属棒５を溶解させる。すると、その溶解した金属がロウ材５１として伝熱管３の下方へと流れていき、バネ４を構成する線材４１の下半分４３と伝熱管３の内面３１との狭い隙間に入り込んでいく。すると今度は、そのロウ材５１が、狭い隙間に沿って毛細管現象によって伝熱管３内の上方へと上昇していき、伝熱管３内の全体に均一に行きわたるようになる。また、線材４１と線材４１との間については、溶けたロウ材５１の表面張力によって同一方向に湾曲した状態（U字状）になる。そして、その状態で加熱されたロウ材５１を冷却させると、線材４１の下半分４３の円形部分が隠されて隣接する線材４１との間に同一方向に湾曲した境界部分が形成される。すなわち、このロウ付けされた湾曲形状は、伝熱管３の軸方向と垂直な接線（もしくは、その接線から隣接する線材４１側に向けた傾斜角度）を有する形成され、溶着部分の最下点では内面３１と水平となるように形成される。

このように、上記実施の形態によれば、伝熱管３の内部にスパイラル状のバネ４を挿入する工程と、当該挿入されたバネ４と伝熱管３の内面３１との境界部分において同一方向に湾曲させるように（すなわち、曲率符号を変化させないように）ロウ材５１を入れる工程と、当該ロウ材５１を入れた後、毛細管現象によってバネ４と伝熱管３との隙間を周回させてロウ材５１を溶かす工程とを備えるようにしたので、バネ４を構成する線材４１の下半分４３と伝熱管３の内面３１との入り込んだ部分に流体を滞留させることがなくなる。また、仮に、バネ４と内面３１との間にわずかな隙間を生じていた場合であっても、毛細管現象によってその隙間にロウ材５１を浸透させることができるため、全体的にロウ材５１を行きわたらせることができる。

また、バネ４の内側に金属棒５を挿入し、その状態で金属棒５を溶かして毛細管現象でバネ４と伝熱管３との隙間を周回させるようにしたので、挿入された金属棒５を溶かすことによって均一にロウ材５１を行きわたらせることができるとともに、その金属棒５の自重によってバネ４を内面３１に押し付けることができる。

さらに、バネ４を挿入する際、バネ４を伸張させた状態で伝熱管３の内部に挿入し、挿入後にバネ４を元の状態に戻すようにすれば、バネ４を伸張させることによって外径を小さくすることができ、これによって伝熱管３への挿入を容易にすることができる。また、挿入後に元の状態に戻すことによって、バネ４の外径を大きくすることができ、伝熱管３の内面３１に当接させることができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、ロウ材５１を構成する金属棒５を挿入して均一にロウ材５１を行きわたらせるようにしたが、ディスペンサーから均一にロウ材５１を注入してロウ材５１を行きわたらせるようにすることもできる。

また、上記実施の形態では、バネ４として断面が円形となる線材４１を用いているが、断面が扁平状となる部材をスパイラル状に巻き付けたものを用いるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、円形をなすようにバネ４を巻き付けてスパイラル状にしたが、これを四角形状をなすように巻き付けてスパイラル状にしてもよい。特に伝熱管３が矩形形状となっている場合は、これに対応させて、矩形形状をなすようにバネ４を巻き付けるようにするとよい。

さらに、上記第二の製造方法では、バネ４の係止状態を解除してから高温加熱させるようにしたが、係止状態を解除することなく、炉内で高温加熱させることによって金属棒５を溶解させ、その金属棒５に係止されていたバネ４の係止状態を解除させるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、１本の金属棒５を挿入するようにしたが、複数本の金属棒５を挿入してもよい。

また、上記実施の形態では、毛細管現象によってロウ材５１でバネ４の隙間に周回させるようにしたが、伝熱管３を軸回りに回転させてロウ材５１をバネ４の隙間に周回させるようにしてもよい。

１・・・熱交換器
２・・・ヘッダ
３・・・伝熱管
３１・・・内面
４・・・バネ
４１・・・線材
５・・・金属棒
５１・・・ロウ材
６・・・棒状の部材
６１・・・係止部

Claims (4)

1. 伝熱管の内部にスパイラル状のバネを挿入する工程と、
   当該挿入されたバネと伝熱管の内面との境界部分が同一方向に湾曲するようにロウ材を挿入する工程と、
   当該ロウ材を挿入した後、表面張力によってバネと伝熱管との隙間を周回させてロウ材を溶かす工程と、
   を備えてなることを特徴とするスパイラル状のバネを挿入した伝熱管の製造方法。
2. 伝熱管の内部にスパイラル状のバネを挿入する工程と、
   当該挿入されたバネと伝熱管の内面との境界部分を同一方向に湾曲させる量の金属棒を挿入する工程と、
   当該金属棒を挿入した後、当該金属棒を溶かし、表面張力によってバネと伝熱管との隙間を周回させる工程と、
   を備えてなることを特徴とするスパイラル状のバネを挿入した伝熱管の製造方法。
3. 前記バネを挿入する工程が、バネを伸ばした状態で伝熱管の内部に挿入し、挿入後にバネの伸びを元の状態に戻す工程である請求項１または２に記載のスパイラル状のバネを挿入した伝熱管の製造方法。
4. 内面で囲まれた中空部を有する伝熱管において、
   当該伝熱管の内部に挿入されるスパイラル状のバネと、
   当該バネと内面との間に溶解されたロウ材によって、同一方向に湾曲させた境界部分を形成したことを特徴とするスパイラル状のバネを挿入した伝熱管。

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