JP4082058B2 - 熱交換チューブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調機、冷凍機、排熱回収器等に採用される各種の熱交換器用熱交換チューブに関するもので、詳しくは、螺旋山形から成る波形形状の熱交換チューブにおいて、螺旋状の山形部の山頂側にフィン部を一体に形成した熱交換チューブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及びその問題点】
熱交換器に用いられる熱交換チューブは、小型で熱交換効率（伝熱率）が高く、耐久性に富んでいることが要求される。そこで、従来の熱交換チューブは、図５（Ａ）に示すように、チューブ１の外壁側にフィン２を溶接して取り付けたり、（Ｂ）に示すように、チューブ１に山形部３と谷形部４から成る波形を加工することにより、内部流体に乱流を発生させ、併せて長さ方向当りの伝熱面積を拡大して効率のアップを図ったり、（Ｃ）に示すように、伝熱チューブ１内に螺旋状の撹拌翼５を装入して内部流体に乱流を発生させたり、あるいは上記（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を任意に組み合わせて効率のアップを図ったりしている。
【０００３】
しかし、図５（Ａ）に示したフィン２を伝熱チューブ１に取り付ける方法は、フィン２をチューブ１に溶接２ａするのに手間がかかり、製作コストが高い。また、このフィン２は目詰りを発生しやすく、排気ガスが外部流体の場合にはすす等の付着により性能が短期間に低下するため、掃除等のメンテナンスが必要である。その他、削り出しによる機械加工で、あるいはフィン嵌め込み方式でチューブにフィンを形成する方式もあるが、これらの例においても、製作コストが高くなる。
また、（Ｂ）に示す波形３を形成したものにおいては、内部流体が内壁側の谷形部３ａ内において滞留しやすく、この谷形部３ａに内部流体が点々で示すように滞留すると、この谷形部３ａでの伝熱が極端に悪化して効率が低下すると云う欠点がある。
【０００４】
また、（Ｃ）に示す撹拌翼４をチューブ１内に装入したものにおいては、内部流体の圧損が大きいことと、このような撹拌翼５をチューブ１内に装入するためには加工に手間とコストがかかり、また、チューブ１内に撹拌翼４を溶接方式で固定していることから、経年的に熱応力のかかり方の違いにより変形や亀裂と云ったトラブルが発生しやすいと云う問題がある。また、この方式は、チューブ１の内径が大きい場合は可能であるが、小径管を熱交換チューブとして使用する熱交換器においては適用できないと云う問題がある。
【０００５】
また、図６に示すような銅、アルミニウム等で製作されたチューブ１に同種の金属から成るフィン２を溶接２ａした構造のものにあっては、チューブ１の集合体で熱交換装置を構成し、チューブ１内に例えば冷媒を通し、チューブ１の外側に空気を通した際に、空気中の水分が凝縮してフィン２に付着し、やがてこの凝縮水６が根元の溶接部２ａにおいて表面張力が大きく働いて溜り、熱交換の妨げとなり、性能が低下すると云う欠点がある。
【０００６】
そこで、従来は温度差があまり大きくならないように熱バランスを設定したり、フィン２の大きさや間隔についてその寸法を設計している。しかし、それでも、効率アップのためにギリギリのところで熱バランスを設定したり設計していることが多いことから、例えば空調機等において、負荷変動が大きいと、空気中の水分が凝縮してフィン２の根元部分に付着し、効率を低下させたり、霜として成長した場合にはこの霜がとれるまでの間、運転を停止しなければならないと云う問題がある。
また、従来は、伝熱面積を確保するために、フィン２の間隔Ｗを小さくしているため、圧損が大きく、その分電動ファンを大型にする必要があったりして、運転経費が高くつくと云う欠点もある。
【０００７】
本発明は斯る点に鑑みて提案するものであって、その第１の目的は、低コストにより製作することができ、メンテナンスに手間がかからない熱交換チューブを提供することである。
更に、第２の目的は、内部流体が谷形部において滞留せず、外側にフィンを一体に形成した波形管から成る熱交換チューブを提供することである。
更に、第３の目的は、内部流体の圧損が小さい熱交換チューブを提供することである。
更に、第４の目的は、排気ガスから潜熱を回収したりする熱交換器に適用した場合に、耐久性に優れ、メンテナンスが軽減される熱交換チューブを提供することである。
更に、第５の目的は、従来のフィン付熱交換チューブに比較して凝縮水や霜が付着しにくいと共に、熱交換流体の圧損（流動抵抗）が小さい熱交換チューブを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、熱交換チューブにおいて、螺旋状の波形から成る金属製のチューブ本体３０において、前記チューブ本体３０の外側の山形部３１の山頂側を左右から偏平に押し潰してフィン部３２を形成すると共に、前記山形部３１間の谷部３４に対応する内壁３５側の谷形部３７を浅い谷形に形成し、更に前記山形部３１の裾部３３には、山形部３１を形成したときに形成された曲面が残存して形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】
熱交換チューブは、多数の集合体で熱交換器を形成する。但し、用途によっては、一本の熱交換チューブが例えば螺旋状に形成されて熱交換器を形成する場合もある。
熱交換チューブの内部には、例えば水が供給されて流れ、熱交換チューブの外側には例えばエンジン、ボイラー等の排気ガスが流れ、この双方の流体は、チューブとフィン部を介して熱交換を行い、排気ガスの熱が水に移動して回収される。
【００１０】
このような熱交換において、チューブ内の内部流体は一定の流速と圧力でチューブ内を流れるが、このチューブの内壁面に形成されている谷形部は本発明において浅いため、谷形部内に内部流体が滞留することがない。一方、フィン部は、この浅い谷形部の外側に形成されていることから、熱交換はフィン部を経由して谷形部に伝熱が集中し、効率的に行われる。
【００１１】
熱交換チューブ内には熱媒を通し、熱交換チューブの外には気体を通すことにより、例えば冷媒にあっては空気を冷却し、熱媒にあっては空気を温める。熱交換チューブ内を通る熱媒は、熱交換チューブの内壁が螺旋状を呈していることにより、その流れに旋回流が発生する。この結果、熱媒はよく混合しながら流れ、熱交換の障害となる滞流等が発生しない。一方、熱交換チューブの外側を流れる気体は、螺旋の山形が押し潰されてフィン状を呈し、このフィン部の間隔も比較的広くなっているため、気体の通過時の圧損が小さい。この結果、気体はスムーズに流れることと共に、フィン部の根元（基部）の部分は螺旋の山形の一部が緩やかに円曲した裾部となっていることにより、伝熱面積が拡大し、この分吸熱の推進を図ることができる。
【００１２】
また、熱交換チューブの外側は螺旋状のフィン部と山形及び緩やかに円曲した裾部が形成されていることにより、仮に凝縮水が発生しても滞ることがなく、結露すると直ぐ流下してしまう。
以上の作用により、熱交換効率が同一規模の従来例（図６）の熱交換チューブ使用の熱交換装置に比較して格段に向上し、然も凝縮水が成長して付着しないため、運転中に性能が低下すると云うこともなくなる。
【００１３】
【実施例】
本実施例は、請求項１に対応するものである。この熱交換チューブは、主として、空調関係の熱源機あるいは室内機内において用いられる熱交換装置用の熱交換チューブが対象であって、熱交換装置としては、１本の熱交換チューブが蛇行するようにして用いられる場合と、複数本の熱交換チューブが組み合わせて用いられる場合とがある。
熱交換チューブに形成する螺旋状の山形とフィンは、先ず螺旋チューブ（管）を形成したあと、金型を用いた二次加工で山形を押し潰してフィン状に形成する場合と、始めから山形を押し潰してフィン部までを一つの金型で形成する場合とがある。
【００１４】
熱交換チューブの材質は、銅、アルミニウム等であって、伝熱性の高いものが選択されるが、用途によってはこの用途に適合した他の材質が選択される。
螺旋のピッチは、熱媒の圧損及びフィン部を通る気体の圧損及び熱交換効率等の設計条件によって決定される。
【００１５】
図２、図３は本実施例の説明図であって、３０はチューブ本体、３１はこのチューブ本体３０に一体形成された螺旋状の山形部、３２は山形部３１の山頂側を押し潰すことにより形成されたフィン部、３３はフィン部３２の基部であって、山形部３１の一部の形状が円曲して残った裾部、３４は谷部である。
３５はチューブ本体３０の内壁、３６は前記山形部３１に対応して形成されている内壁側山部、３７は谷部３４に対応して形成された内壁側谷形部である。
【００１６】
上記実施例の熱交換チューブにあっては、チューブ本体３０内に例えば図３に示すように冷媒が矢印ａ方向に流れ、空気が矢印ｂ方向に流れることにより熱交換が行われて例えば常温の空気は−４℃の冷媒により１８℃に冷却され、これが室内に吹き出し、室内を冷房する。
この冷媒及び空気の流れにおいて、チューブ本体３０内を矢印ａ方向に流れる冷媒は、チューブ本体３０の内壁側山部３６と谷形部３７の凹凸螺旋曲面の作用により、冷媒には旋回と混合の作用が働き、空気側から効率よく熱を奪う。一方、空気も螺旋状の山形部３１とフィン部３２を通過するときに、流れに旋回流とこの旋回流に伴う乱流が発生して、前記冷媒側への熱移動が促進される。
【００１７】
また、負荷の減少により空気が過冷却状態となり、空気中の水分が凝縮し、これがフィン部３２あるいは谷部３４に付着しても、フィン部３２の間隔はある程度大きく、このフィン部３２の裾部３３は円曲しており、更に谷部３４も円弧状を呈していることから、表面張力が減殺されて凝縮水が付着せず、その重力で下方に流下してしまう。この結果、伝熱の阻害要因とならない。
【００１８】
［参考例１］
本参考例１は、独立山から成る熱交換チューブに関するもので、この熱交換チューブ１０は、図１（Ａ）に示すチタン製のチューブ１０に山形部１１と谷形部１２を連続的に加工し、これを（Ｂ）に示すように、山形部１１を一定の範囲（高さｈ）で左右から偏平に押し潰すことによりフィン部１３を形成した形状である。１５は上記のように山形部１１が押し潰されて偏平に加工されたことにより、チューブ１０の内壁側に形成された浅い谷形部である。１６は内壁側の山形部である。
【００１９】
この熱交換チューブ１０にあっては、チューブ１０内に内部流体が流れると、この流体には山形部１６と谷形部１５（窪み）の作用により波動に近い乱流が発生し、この乱流によりフィン部１３と外壁側の山形部１１及び外壁側の谷形部１２間において外部流体との間に効率的な熱交換が行われることになる。また、内壁側の谷形部１５は浅いため、ここにおいて内部流体が滞留せず、むしろ効果的に乱流を惹起することにより熱交換効率のアップに関与する。
【００２０】
［参考例２］
本参考例２は、熱交換チューブを低コストにより製造（加工）する方法である。この方法を図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に基づいて詳述すると、熱交換チューブ用の素管２０は（Ａ）に示すようにチタン製の直管である。この素管２０を（Ｂ）に示すように、波形加工機（金型）２１により波形管に加工し、次に、この波形に加工したチューブ２２を絞り加工機（金型）２３により山形部１１を絞り加工して偏平に押し潰し、図１（Ｂ）に示したフィン部１３を形成し、このフィン部１３の内側に浅い谷形部１５を形成する。
【００２１】
フィン１３の大きさ及び内壁側の谷形部１５の深さは波形に加工するときの山形部１１と谷形部１２の大きさと、上記波形加工時の押し潰す量で決定する。
このように、本参考例２においては、素管２０に波形を加工し、次にこれに山形部１１と谷形部１２を加工し、次にこの山形部１１を押し潰してフィン部１３を形成する二工程によりフィン１３付の波形管から成る図１（Ｂ）に示す熱交換チューブ１０を製造するようにした。なお、上記参考例２は、参考例１の熱交換チューブの例であるが、実施例の熱交換チューブについても、その製法（加工）は同様にして行うことができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る熱交換チューブは以上の如き構成から成るため、次の効果を奏する。
１．本発明の熱交換チューブによると、フィン部の間隔が大きく、このフィン部の裾部が 膨出円曲し、谷部が凹曲面となっているため、空気中の水分が凝縮して発生した凝縮水 は熱交換チューブに付着せず、直ちに流下してしまう。この結果、伝熱を阻害せず、負 荷変動により着霜したりする心配がない。
２．本発明の熱交換チューブによると、空気は螺旋状のフィン部と谷部を通過するため、 その圧損が少ないにも拘らず乱流が発生して熱交換効率がアップする。
３．本発明の熱交換チューブによると、熱交換チューブ内を通過する熱媒はチューブ内に も螺旋状の山形部と谷部が形成されていることにより、圧損が小さいにも拘らず乱流が 発生して熱交換効率がアップする。
４．本発明の熱交換チューブによると、従来の熱交換チューブにあっては、フィンをチュ ーブに溶接していたことから、自動化された溶接であっても時間とコストが嵩んでいた が、本発明は、山形を押し潰すだけのため、製作は簡単であり、製作コストも安い。
５．本発明の熱交換チューブによると、従来のフィンは極めて薄いことから、一寸した力 で変形したり、間隔が狭いために空気中のゴミ類が詰ったりする欠点があったが、本発 明のフィン部は強固であり、ゴミ類が詰ったりする心配がない。
６．本発明の熱交換チューブによると、従来例の場合、フィンに目詰りが発生すると、掃 除は殆んど不可能であったが、本発明に係る熱交換チューブによれば、ブラシ等を用い て簡単に掃除ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）は半製品状態の参考例１に係る熱交換チューブの説明図、（Ｂ）は完成状態のフィン一体型波形熱交換チューブの説明図。
【図２】 実施例に係る螺旋状熱交換チューブの説明図。
【図３】 螺旋状チューブにフィン部を加工した本願発明に係る熱交換チューブの構成とその作用の説明図。
【図４】 （Ａ）は素管、（Ｂ）は波形加工、（Ｃ）はフィン一体型波形熱交換チューブを最終的に加工している状態の説明図。
【図５】 （Ａ）は従来のフィンを溶接した熱交換チューブの説明図、（Ｂ）は波形熱交換チューブの説明図、（Ｃ）は螺旋翼組み込み型熱交換チューブの説明図。
【図６】 従来のフィン溶接タイプ熱交換チューブの説明図。
【符号の説明】
１０ 熱交換チューブ
１１ 外壁側の山形部
１２ 外壁側の谷形部
１３ フィン部
１５ 内壁側の谷形部
１６ 内壁側の山形部
２０ 素管
２１ 波形加工機
２３ 絞り加工機
３０ チューブ本体
３１ 螺旋状の山形部
３２ フィン部
３３ 裾部
３４ 谷部
３５ 内壁
３６ チューブ本体の内壁側山部
３７ チューブ本体の内壁側谷形部
ａ 冷媒の流れ
ｂ 空気の流れ

Claims (1)

1. 螺旋状の波形から成る金属製のチューブ本体３０において、前記チューブ本体３０の外側の山形部３１の山頂側を左右から偏平に押し潰してフィン部３２を形成すると共に、前記山形部３１間の谷部３４に対応する内壁３５側の谷形部３７を浅い谷形に形成し、更に前記山形部３１の裾部３３には、山形部３１を形成したときに形成された曲面が残存して形成されていることを特徴とする熱交換チューブ。

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