JP5404589B2

JP5404589B2 - 捩り管形熱交換器

Info

Publication number: JP5404589B2
Application number: JP2010274604A
Authority: JP
Inventors: 満貞早川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: JP2012122686A

Description

本発明は、例えば水と冷媒とを熱交換させる捩り管形熱交換器に関する。

従来より、芯管の外周に螺旋状に外管を巻き付けてなる捩り管形熱交換器において、芯管の内部に高圧の液圧をかけて拡管したり、芯管の内部に拡管用ダイスを通して拡管し、これによって相対的に冷媒管の締付力を大きくして、冷媒管を芯管の外周面に対して食い込ませることで、芯管の外周面を凹面状に変形させ、芯管と外管との接触面積を増大させて熱交換性能を高め得るようにしたものが知られている(例えば、特許文献１参照)。

また、外管の周壁に凹凸形状を付加することで、内周壁より突出する複数の凸部を設け、外管の内部において、壁面近傍を流れる流体の低温層と、壁面から離れたところを流れる比較的温度が高い高温層とによって形成されていた温度境界層に、乱れを生じさせ、流体の流れを乱し混合することにより、熱交換性能を向上させることができるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−９３０５７号公報（図３）特開２０１０−１２７４９６号公報（図１、図２）

芯管、外管に拘わらず、乱流効果及び接触面積増大による熱交換性向上を目的に、管の周壁に凹凸形状を付加するものにあって、更に管外周に複数条の螺旋溝を加工しようとする場合、複数条の螺旋溝を加工する前に凹凸形状を付加する必要がある。しかし、管に凹凸形状を付加すると、加工硬化による影響で、拡管する際に異常な変形が発生し、精度よく螺旋溝加工を施すことができなくなるといった問題がある。

また、逆に複数条の螺旋溝を加工した後に、管に凹凸形状を付加させるのは製造上非常に困難である。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、芯管の外周に複数条の螺旋溝を精度良く形成できるようにすることにある。

また、本発明の第２の目的は、芯管内部を流れる流体の乱流効果を促進させ、伝熱性能を向上させることができるようにすることにある。

本発明に係る捩り管形熱交換器は、外周に複数条の螺旋溝を有している芯管と、芯管の螺旋溝に沿わせて巻き付けられる複数本の外管と、を備えた捩り管形熱交換器において、芯管は、リン脱酸銅管から構成され、内周壁に複数条の螺旋状の内面溝が形成されており、芯管の螺旋状の内面溝の溝幅寸法をｔ、芯管の螺旋状の内面溝の高さ寸法をｈ、外管の外径寸法をＲｏとしたとき、芯管の螺旋状の内面溝の溝幅寸法ｔと高さ寸法ｈを、ｈ＜ｔ＜（Ｒｏ／４）の関係が成り立つ範囲に設定したものである。

本発明に係る捩り管形熱交換器においては、芯管が、リン脱酸銅管で構成され、その内周壁には複数条の螺旋状の内面溝が形成されており、芯管の螺旋状の内面溝の溝幅寸法をｔ、芯管の螺旋状の内面溝の高さ寸法をｈ、外管の外径寸法をＲｏとしたとき、芯管の螺旋状の内面溝の溝幅寸法ｔと高さ寸法ｈを、ｈ＜ｔ＜（Ｒｏ／４）の関係が成り立つ範囲に設定されているので、複数条の螺旋溝を設けるための捩り加工時の挿入工具との接触面積を低減させることができる。このため、挿入工具に巻きつくトラブルを大幅に軽減することができ、芯管の外周に複数条の螺旋溝を精度良く形成することができる。
また、芯管の内面溝は、芯管内部を流れる流体の乱流効果を増大させ、熱交換性能を向上させることができる。
また、内面螺旋溝の高さ寸法ｈを、適正な溝高さ寸法に制御でき、芯管内部を流れる流体の圧力損失が増大するのを抑制することができる。

本発明の実施形態１に係る捩り管形熱交換器を芯管の管軸に沿って切断して示す断面図である。図１のＡ部の拡大断面図である。本発明の実施形態１に係る捩り管形熱交換器の芯管の素管を管軸に直交する方向に切断して示す断面図である。本発明の実施形態１に係る捩り管形熱交換器の芯管の内面溝のリード角αを説明するための模式図である。本発明の実施形態２に係る捩り管形熱交換器の芯管の素管を管軸に直交する方向に切断して示す断面図である。本発明の実施形態２に係る捩り管形熱交換器を芯管の管軸に沿って切断して示す断面図である。図６のＢ部の拡大断面図である。

実施形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本発明の実施形態１に係る捩り管形熱交換器を芯管の管軸に沿って切断して示す断面図、図２は図１のＡ部の拡大断面図、図３はその芯管の素管を管軸に直交する方向に切断して示す断面図、図４はその芯管の内面溝のリード角αを説明するための模式図である。

本実施形態に係る捩り管形熱交換器１は、図１のように内部を水（流体Ａ）が流れるリン脱酸銅製の芯管２Ａと、内部を冷媒である例えば二酸化炭素（流体Ｂ）が流れる複数本（例えば３本）の外管３を主体に構成されている。すなわち、捩り管形熱交換器１は、芯管２Ａの外周に設けた複数条（例えば３条）の螺旋溝に沿わせて３本の外管３ａ、３ｂ、３ｃを巻き付けて作成した組付管１０Ａを、さらに長円コイル状に形成してなる熱交換器である。

外管３は、芯管２Ａ部で外管３ａ、３ｂ、３ｃに分流しているが、芯管２Ａの前後では合流され、図示しない冷媒回路と接続されて、冷媒を循環させるものである。なお、以下の説明では、外管３ａ、３ｂ、３ｃをまとめて「外管３」という。

芯管２Ａも、捩り管形熱交換器１が収納されている装置の外部にある図示しない装置と接続されて、捩り管形熱交換器１と外部の装置との間で水を循環させるものである。

芯管２Ａは、捩り管形熱交換器１が収納されている装置の外部へ取り出すための接続口やバルブを延長した配管に取り付けられる。例えば、ヒートポンプ式給湯機の場合、一般的に配管や配管に接続する部品には、熱伝導率が良く、ロウ付けや曲げ加工が容易にできるリン脱酸銅管が使用されている。芯管２Ａが鋼管やＳＵＳ管の場合、リン脱酸銅管とのロウ付けが容易ではない上に、素管（この場合、芯管となる鋼管やＳＵＳ管）が硬いため、これに外管３を巻き付けてなる組付管を更に長円コイル状に加工することは容易ではなく、熱伝導率も悪い。よって、ここでは捩り管形熱交換器に使う芯管２Ａとして、熱伝導率が良く、他の配管や配管部品とロウ付けや曲げ加工が容易なリン脱酸銅管を使用している。

芯管２Ａは、リン脱酸銅平滑管の両端を固定し、管外面にツールを押し当てることなく、内径側にマンドレルを挿入して捩り加工を加えることにより製造される。したがって、芯管２Ａの内径は、マンドレル径によって決定される。

芯管２Ａ外周の螺旋溝を形成する山谷底部の山部の高さ寸法Ｈは、図２のように外管３の外径寸法Ｒｏの１／２の寸法より高くかつ外管３の外径寸法Ｒｏ以下となる範囲（（Ｒｏ／２）＜Ｈ≦Ｒｏ）に設定されている。このように、芯管２Ａ外周に特定範囲のピッチで特定範囲の山高さ寸法を設けた山谷形状によって形成される螺旋溝に沿って外管を巻きつけるので、螺旋溝がガイドとなって容易に外管を所定の位置に安定して巻きつけて嵌めこみ固定することが可能であり、外管３の過度の扁平化抑制や座屈防止にも効果がある。

また、芯管２Ａの内周壁には、図３及び図４のようにマンドレルによる捩り加工前の素管（加工後、芯管２Ａとなる）５Ａの段階から予め螺旋状の内面溝（以下、これを「内面螺旋溝」という）４が全域に亘り形成されている。この内面螺旋溝４は、リード角αが０度＜α≦３０度の範囲に設定されている。また、内面螺旋溝４の溝幅寸法ｔは、外管３の外径寸法Ｒｏの１／４の寸法より小さくなるように、さらに内面螺旋溝４の高さ寸法ｈは、当該内面螺旋溝４の溝幅寸法ｔより小さくなるように（ｈ＜ｔ＜（Ｒｏ／４））それぞれ設定されている。これにより、マンドレルによる捩り加工時にマンドレルとの接触面積が低減され、捩り加工時に生じるマンドレルとの摩擦力低減が可能になる。よって、捩り加工時に発生するマンドレルとの巻き付き不具合を大幅に低減することが可能となって、製造効率を向上させることができる。

また、捩り加工時に生じるマンドレルとの摩擦力低減が可能になることで、捩り加工時に実施するマンドレル引き離し逆回転捩りの回数を減らすことができ、生産性向上に繋がるとともに、逆回転による山谷底部螺旋形状つぶれを抑制することができる。

また、このマンドレルにより形成された螺旋溝形状が芯管内部を流れる水の乱流を発生させるので、熱交換性能が向上する。更に、本実施形態では、芯管２の内周壁に、素管５の段階から内面螺旋溝４が形成され存在しているので、芯管内部を流れる水の乱流効果をさらに増大させることができ、より熱交換性能を向上させることができる。

また、内面螺旋溝４の高さ寸法ｈは溝幅寸法ｔより小さくすることで、適正な溝高さ寸法に制御でき、芯管内部を流れる水の圧力損失が増大するのを抑制することができる。

以上のように、本実施形態１の捩り管形熱交換器によれば、管外形部に複数の凹凸（ディンプル）を設けることなく乱流効果を促進させ伝熱性能を向上することができる。また、芯管２の内周壁に、素管５の段階から形成されている内面螺旋溝４がマンドレルとの接触面積を低減することで、生産性向上、山谷底部螺旋形状つぶれを抑制することができる。

実施形態２．
以上の実施形態１では、芯管内周壁の全域に亘り内面螺旋溝４を形成したものを例に挙げて説明したが、次に外周の螺旋溝の山部傾斜が鋭角で溝部が芯管内を流れる水の圧力損失に大きく関わる場合に、谷底部のみに内面螺旋溝４が形成されるようにした実施形態２について説明する。

図５は本発明の実施形態２に係る捩り管形熱交換器の芯管の素管を管軸に直交する方向に切断して示す断面図、図６は芯管の管軸に沿って切断して示す断面図、図７は図６のＢ部の拡大断面図であり、各図中、前述の実施形態１と同一部分には、同一符号を付してある。なお、ここでは、芯管の材質（リン脱酸銅）及び芯管に形成する外周螺旋溝や内面螺旋溝の各諸元（内面螺旋溝の条数を除く）は前述の実施形態１で説明したものと同じであるものとし、その説明を省略する。

本実施形態２の捩り管形熱交換器において、芯管２Ｂの外周に図６のように３条の螺旋溝が形成される場合、谷底部は周方向に１２０度毎に存在する。この谷底部のみ内面螺旋溝４が形成されるようにする。すなわち、予めリン脱酸銅平滑管で構成される素管５Ｂの内面螺旋溝形成位置を特定し、内面螺旋溝を形成する（図５）。そして、素管５Ｂの両端を固定し、管外面にツールを押し当てることなく、内径側にマンドレルを挿入して捩り加工を加えることにより、外周に３条の螺旋溝を有するとともに、外周螺旋溝の谷底部にのみ内面螺旋溝４が形成された芯管２Ｂを製造する。したがって、芯管２Ｂの内径も、マンドレル径によって決定される。また、内面螺旋溝４の条数は、外周螺旋溝の谷底部の幅寸法により決定される。

その後、芯管２Ｂの外周に設けた３条の螺旋溝に沿わせて３本の外管３ａ、３ｂ、３ｃを巻き付けて組付管１０Ｂを作成し（図６）、さらに組付管１０Ｂを長円コイル状に形成する。

このように、本実施形態２の捩り管形熱交換器においては、内面螺旋溝４は外周螺旋溝の谷底部に沿ってのみ形成され、外周螺旋溝の山部には内面螺旋溝４が形成されていない。そのため、外周螺旋溝の山部の形状に拘わらず、芯管内部を流れる水の圧力損失が増大するのを抑制することができる。

１捩り管形熱交換器、２Ａ，２Ｂ芯管、３、３ａ、３ｂ、３ｃ外管、４内面螺旋溝（芯管の内面溝）、α 内面溝のリード角、ｔ内面溝の溝幅寸法、ｈ内面溝の高さ寸法、Ｒｏ外管の外径寸法。

Claims

外周に複数条の螺旋溝を有している芯管と、
前記芯管の前記螺旋溝に沿わせて巻き付けられる複数本の外管と、を備えた捩り管形熱交換器において、
前記芯管は、
リン脱酸銅管から構成され、内周壁に複数条の螺旋状の内面溝が形成されており、
前記芯管の螺旋状の内面溝の溝幅寸法をｔ、該芯管の螺旋状の内面溝の高さ寸法をｈ、前記外管の外径寸法をＲｏとしたとき、前記芯管の螺旋状の内面溝の溝幅寸法ｔと高さ寸法ｈを、ｈ＜ｔ＜（Ｒｏ／４）の関係が成り立つ範囲に設定したことを特徴とする捩り管形熱交換器。
前記芯管の螺旋状の内面溝は、１２０度毎に形成され、その条数は前記外周の螺旋溝の谷底部の幅寸法により決定されていることを特徴とする請求項１記載の捩り管形熱交換器。
外周に複数条の螺旋溝を有している芯管と、
前記芯管の前記螺旋溝に沿わせて巻き付けられる複数本の外管と、を備えた捩り管形熱交換器において、
前記芯管は、
リン脱酸銅管から構成され、内周壁に複数条の螺旋状の内面溝が形成されており、
前記芯管の螺旋状の内面溝は、１２０度毎に形成され、その条数は前記外周の螺旋溝の谷底部の幅寸法により決定されていることを特徴とする捩り管形熱交換器。
前記芯管は、前記内面溝が予め内周壁に形成されたリン脱酸銅管に、前記複数条の螺旋溝を設けたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の捩り管形熱交換器。
前記芯管の外周の複数条の螺旋溝は、管内面にマンドレルを通すことで形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の捩り管形熱交換器。
前記螺旋状の内面溝のリード角αは、０度＜α≦３０度の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の捩り管形熱交換器。