JP5254082B2 - 熱交換用チューブ - Google Patents

Description

本発明は，円筒状のチューブ周壁に，その内側に突出する，押し込み成形による複数の凸部を形成してなる熱交換用チューブの改良に関する。

かゝる熱交換用チューブは，例えば特許文献１に開示されているように，既に知られている。
特開２００４−８５１４２号公報

特許文献１に開示される熱交換用チューブについて，図７〜図９により説明する。

従来の熱交換用チューブ０１４には，図７に示すように，複数の凸部０３１を，チューブの軸線に沿って千鳥状に配置したものがあり，その場合，図８に示すように，凸部０３１を，その稜線が直線状となるように形成し，凸部０３１以外の部分の周壁０３０には変形を与えないものと，図９に示すように，同じく凸部０３１を，その稜線が直線状となるように形成するが，その凸部０３１の周方向両端部を張り出すように，凸部０３１以外の部分の周壁にも変形を及ぼすものとがある。

ところで，図８のものでは，凸部０３１の稜線部分の肉厚が凸部成形前の肉厚より増加するを余儀なくされるので加工性が悪く，しかもその凸部０３１の直線状の稜線のため，凸部０３１でのチューブの周長が凸部成形前のものより減少することなり，凸部によりチューブ内外の表面積の増加が充分には望めない。また，図９のものでは，凸部０３１の稜線部分の板厚の増加を抑制し得るものゝ，凸部０３１の周方向両端に張り出し部０３１ａが形成されるため，チューブを他部材の孔に挿入する場合，その張り出し部０３１ａがその挿入を阻害もしくは邪魔をして，組立性に悪影響を及ぼすことになる。

また，図７に示すように，各凸部０３１の高さは，チューブ０１４の半径より低く設定されており，このためチューブ０１４内には，複数の凸部０３１に干渉されない直線状の主流路Ｆが形成され，それがチューブ０１４内での流体の攪拌を困難にし，熱交換の効率向上を阻害している。

本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，肉厚を殆ど変化させることなく，また張り出し部を形成することなく複数の凸部の形成を容易にし，しかも熱交換効率の向上に寄与し得る熱交換用チューブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために，本発明は，円筒状のチューブ周壁に，その内側に突出する，押し込み成形による複数の凸部を形成してなる熱交換用チューブにおいて，前記複数の凸部を，それぞれがチューブ軸線を横切る円錐状に形成し，前記チューブ周壁を複数の軸方向領域に分けて，各隣接する軸方向領域で前記チューブ周壁上に描いた，互いに旋回方向を逆にする仮想螺旋に沿って前記複数の凸部を配置し，前記各領域で隣り合う前記凸部の中心間の，チューブ軸線方向に沿う距離を，各凸部の長径より小さく設定すると共に，各凸部の中心を通ってチューブ軸線と直交する平面が他の凸部と交わらないようにし，前記チューブ周壁の前記各領域の境界部を，前記凸部が配置されない円形断面の筒状部としたことを特徴とする。

本発明の特徴によれば，チューブ周壁には，その内面側に突出する，押し込み成形による複数の凸部が，それぞれチューブ軸線を横切る円錐状に形成されるので，各凸部の肉厚は，元の周壁の肉厚と殆ど変わらず，したがって各凸部の押し込み成形を容易に行うことができ，加工性が良好である。しかも，円錐状の凸部によってチューブ内外の表面積を効果的に増加させることができる。

さらに，複数の凸部は，チューブ周壁上の仮想螺旋に沿って配置されることで，チューブ内には螺旋状の流路が形成されることになり，しかもその流路の断面積は，各凸部の頂点位置で最小，隣り合う凸部の中間位置で最大となるように変化することになり，上記螺旋状の流路を流れるガスは，旋回しながら膨張，収縮を繰り返すことにより，効果的に攪拌され，これによりチューブ内外の流体間での熱交換を効率良く行うことができる。

さらにまた，内向きの円錐状の凸部によっては，チューブ周壁に外向きの突起が形成されることはないから，チューブの他部材との干渉を回避し，熱交換器の組立性の向上に寄与し得る。

また，チューブ内の流路を旋回しながら流れる流体は，一方の軸方向領域から他方の軸方向領域に移るとき，旋回方向を反転させるため，流体の攪拌を一層効果的に行うことができ，前記熱交換を一層効率よく行うことができる。

更に，各領域で隣り合う凸部の中心間の，チューブ軸線方向に沿う距離が，各凸部の長径より小さく設定すると共に，各凸部の中心を通ってチューブ軸線と直交する平面が他の凸部と交わらないようにされるので，各軸方向領域において，断面積が各凸部の頂点位置で最小，隣り合う凸部の中間位置で最大となるように変化するチューブ内の螺旋状の流路の形成を確実にし，流体の攪拌効果を高めることができる。

本発明の実施例に係るガスコージェネレータ用熱交換器の縦断面図。 図１の２−２線断面図。 上記熱交換器における熱交換用チューブの斜視図。 同熱交換用チューブの側面図。 （Ａ）：図４のＡ−Ａ線断面図，（Ｂ）：図４のＢ−Ｂ線断面図，（Ｃ）：図４のＣ−Ｃ線断面図，（Ｄ）：図４のＤ−Ｄ線断面図，（Ｅ）：図４のＥ−Ｅ線断面図，（Ｆ）：図４のＦ−Ｆ線断面図。 上記熱交換用チューブにおける凸部の押し込み成形方法説明図。 従来の熱交換用チューブの縦断面図。 図７の８−８線断面図。 他の従来の熱交換用チューブを示す，図８との対応図。

本発明の実施の形態を，添付図面に示す本発明の好適な実施例に基づいて以下に説明する。

先ず，図１及び図２により，本発明の熱交換用チューブ１４を使用したガスコージェネレータ用熱交換器１について説明する。

コージェネレータ用熱交換器１は，外胴２と，この外胴２の上下両端に結合される上部及び下部端板３，４とを有する。上部端板３の中心部には，ガスエンジンの排気管６が接続される排ガス入口管７が接続され，この排ガス入口管７に連通する排ガス浄化用の触媒コンバータ８が外胴２の中心部に設置される。

触媒コンバータ８の周囲には，触媒コンバータ８の下端に連通する螺旋状の排ガス流路１０が形成される。この排ガス流路１０は，外胴２内の上部に形成される環状の上部排ガス室１１に連通し，この上部排ガス室１１は，外胴２内の下部に形成される下部排ガス室１２に，本発明に係る複数本の熱交換用チューブ（以下，単にチューブという。）１４，１４…を介して連通される。

これらチューブ１４，１４…は，螺旋状の排ガス流路１０を取り囲むように環状に配列されると共に，外胴２に結合される上部支持板１５，中間支持板１６及び下部支持板１７により支持される。

上部支持板１５は，チューブ１４，１４…の上端部が嵌合する複数の支孔１５ａ，１５ａ…を有しながら，上部排ガス室１１の底壁を構成するもので，チューブ１４，１４…の上端部は支孔１５ａ，１５ａ…の周縁部に液密に溶接１８される。中間支持板１６は，チューブ１４，１４…の中間部が嵌合する複数の支孔１６ａ，１６ａ…を有しており，これら支孔１６ａ，１６ａ…の周縁部にチューブ１４，１４…の中間部が溶接１９される。下部支持板１７は，チューブ１４，１４…の下端部が嵌合する複数の支孔１７ａ，１７ａ…を有しており，これら支孔１７ａ，１７ａ…の周縁部にチューブ１４，１４…の下端部が溶接２８される。

上部排ガス室１１及び下部排ガス室１２間には，外胴２及び螺旋状の排ガス流路１０に挟まれて複数のチューブ１４，１４…を収容する受熱室２０が画成され，この受熱室２０の下部及び上部にそれぞれ開口する水入口管２１及び水出口管２２が外胴２に設けられ，水入口管２１には水道等の給水源２３が接続され，水出口管２２には貯湯タンクや暖房器等の給湯部２４が接続される。前記中間支持板１６には，受熱室２０での水の流れを許す多数の通孔２５，２５…が設けられている。下部端板４には，下部排ガス室１２に開口する排ガス出口管２６が設けられ，それに大気開放の排出管２７が接続される。

而して，ガスエンジンの排ガスＧは，排ガス入口管７に入ると，触媒コンバータ８を通過しながら，ＨＣ，ＣＯ₂ 等が除去され，そして螺旋状の排ガス流路１０を上昇して上部排ガス室１１に移り，複数本のチューブ１４，１４…に分流しながら下降し，下部排ガス室１２で合流した後，排ガス出口管２６及び排出管２７を通して大気に放出される。

その間，水入口管２１から受熱室２０に供給された水Ｗは，排ガス流路１０及びチューブ１４，１４，１４…を通して排ガスＧから受熱し，湯となって水出口管２２から給湯部２４に供給される。こうして，ガスエンジンの排熱が給湯に有効利用されると共に，その排ガスＧを低温にして大気に排出することができる。

さて，前記チューブ１４について，図３〜図６を参照しながら説明する。

図３〜図５に示すように，チューブ１４はステンレス鋼管を素材とするもので，その円筒状のチューブ周壁３０に，その内側に突出する，押し込み成形による複数の凸部３１，３１…が次のようにして形成され，そして配置される。

先ず，各凸部３１は，これがチューブ周壁３０の内側に突出してチューブ軸線Ｙを横切る円錐状に形成され，その凸部３１の頂部が略半球状をなす。即ち，各凸部３１の高さＨは，チューブ周壁３０の半径より大である。この凸部３１の成形に際しては，図６に示すように，チューブ１４の素管の周囲を上下二つ割りの金型３３，３４で保持する。一方の金型３３に設けられたガイド孔３５にパンチ３６が摺動自在に嵌挿される。このパンチ３６は，略半球状の先端部を持つ先細り状をなしており，このパンチ３６をチューブ周壁３０にその半径ｒ以上に押し込むことにより，チューブ１４の内側に，その軸線Ｙを横切って突出する凸部３１が形成される。即ち，凸部３１の高さＨは，チューブ１４の半径ｒより大きく設定される。

チューブ周壁３０は，複数の軸方向領域Ａ１，Ａ２，図示例では第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２に分けられ，これら第１及び第２領域でチューブ周壁３０上に描いた，互いに旋回方向を逆にする第１仮想螺旋Ｓ１及び第２仮想螺旋Ｓ２に沿って前記凸部３１が複数（図示例では３個）配置され，且つ各領域Ａ１，Ａ２において，隣り合う凸部３１，３１の中心間の，チューブ軸線Ｙ方向に沿う距離Ｐは，各凸部３１の長径Ｄより小さく設定されると共に，各凸部３１の中心を通ってチューブ軸線Ｙと直交する平面が他の凸部３１と交わらないようにされる。

尚，チューブ１４の上端部，中間部（第１及び第２軸方向領域Ａ１，Ａ２の境界部）及び下端部は，前記上部支持板１５，中間支持板１６及び下部支持板１７の支持孔１５ａ，１６ａ，１７ａに密に嵌合させるべく，凸部３１，３１…が配置されないチューブ素管本来の円形断面の筒状部とされる。

次に，この実施例の作用について説明する。

チューブ周壁３０には，その内面側に突出する，押し込み成形による複数の凸部３１，３１…が，それぞれチューブ軸線Ｙを横切る円錐状に形成されるので，各凸部３１は，チューブ周壁３０の一部が内側に反転した形状に近似することになり，その結果，各凸部３１の肉厚は，元の周壁３０の肉厚と殆ど変わらず，むしろ減少する。したがって各凸部３１の押し込み成形を容易に行うことができる。しかも，円錐状の凸部３１は，チューブ１４内外の表面積を効果的に増加させることに貢献する。

さらに，複数の凸部３１，３１…は，チューブ周壁３０上の仮想螺旋Ｓ1 ，Ｓ２に沿って配置されることで，チューブ１４内には，複数の凸部３１，３１…により螺旋状の流路３２が形成されることになり，しかもその流路３２の断面積は，各凸部３１の頂点位置で最小，隣り合う凸部３１，３１の中間位置で最大となるように変化することになる。

このように複数の凸部３１，３１…を有するチューブ１４内を高温の排ガスＧが通過するとき，排ガスＧは，旋回しながら膨張，収縮を繰り返することにより，効果的に攪拌され，これにより排ガスの各部を隈なくチューブ１４の広い内面に接触させることができるから，その排ガスＧと受熱室２０の水Ｗとの間での熱交換を効率良く行うことができて，受熱室２０の水Ｗの加熱を効果的に行うことができる。

さらにまた，内向きの円錐状の凸部３１，３１…によっては，チューブ周壁３０に外向きの突起が形成されることはないから，例えば，前記上部支持板１５から下部支持板１７の支持孔１５ａ〜１７ａにチューブ１４を容易に挿通させ，その間の隙間を溶接により容易，確実に塞ぐことができ，熱交換器１の組立性の向上に寄与し得る。

また，前記複数の凸部３１，３１…は，チューブ周壁３０の第１及び第２軸方向領域Ａ１，Ａ２に描いた，互いに旋回方向を逆にする第１及び第２仮想螺旋Ｓ1 ，Ｓ２に沿って配置されるので，チューブ１４内に形成される螺旋状の流路３２は，第１及び第２軸方向領域Ａ１，Ａ２で旋回方向が逆になる。その結果，チューブ１４内の流路３２を旋回しながら流れる排ガスＧは，第１軸方向領域Ａ１から第２軸方向領域Ａ２に移るとき，旋回方向を反転させるため，排ガスＧの攪拌を一層効果的に行うことができ，前記熱交換を一層効率よく行うことができる。

さらに，各軸方向領域Ａ１，Ａ２において隣り合う凸部３１，３１の中心間の，チューブ軸線Ｙ方向に沿う距離Ｐは，各凸部３１の長径Ｄより小さく設定されると共に，各凸部３１の中心を通ってチューブ軸線Ｙと直交する平面が他の凸部３１と交わらないようにされるので，断面積が各凸部３１の頂点位置で最小，隣り合う凸部３１，３１の中間位置で最大となるように変化する前記螺旋状の流路３２の形成を確実にし，排ガスＧの攪拌効果を高めることができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば，チューブ１４を複数の軸方向領域Ａ１，Ａ２に分割する数や各軸方向領域での凸部３１の数は，熱交換器１の要求特性によって適宜設定することができ，またチューブ１４は，ガスコージェネレータ用以外の熱交換器の熱交換用チューブも適用することができる。

１４・・・・・熱交換用チューブ
３０・・・・・チューブ周壁
３１・・・・・凸部
Ａ１，Ａ２・・・軸方向領域（第１，第２軸方向領域）
Ｄ・・・・・・凸部の長径
Ｈ・・・・・・凸部の高さ
Ｐ・・・・・・隣接する凸部の中心間の軸方向距離
Ｓ１，Ｓ２・・・仮想螺旋（第１，第２仮想螺旋）
Ｙ・・・・・・チューブ軸線

Claims (1)

1. 円筒状のチューブ周壁（３０）に，その内側に突出する，押し込み成形による複数の凸部（３１，３１…）を形成してなる熱交換用チューブにおいて，
   前記複数の凸部（３１，３１…）を，それぞれがチューブ軸線（Ｙ）を横切る円錐状に形成し，
   前記チューブ周壁（３０）を複数の軸方向領域（Ａ１，Ａ２）に分けて，各隣接する軸方向領域（Ａ１，Ａ２）で前記チューブ周壁（３０）上に描いた，互いに旋回方向を逆にする仮想螺旋（Ｓ１，Ｓ２）に沿って前記複数の凸部（３１，３１…）を配置し，
   前記各領域（Ａ１，Ａ２）で隣り合う前記凸部（３１，３１）の中心間の，チューブ軸線（Ｙ）方向に沿う距離（Ｐ）を，各凸部（３１）の長径（Ｄ）より小さく設定すると共に，各凸部（３１，３１…）の中心を通ってチューブ軸線（Ｙ）と直交する平面が他の凸部（３１，３１…）と交わらないようにし，
   前記チューブ周壁（３０）の前記各領域（Ａ１，Ａ２）の境界部を，前記凸部（３１，３１…）が配置されない円形断面の筒状部としたことを特徴とする熱交換用チューブ。

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