コイルバネを挿入した伝熱管の製造方法
【課題】伝熱管にコイルバネを挿入して溶着する際に、コイルバネのピッチを均一にして内接させるような伝熱管の製造方法を提供する。
【解決手段】伝熱管３の内壁にコイルバネ４を内接させて溶着する場合、コイルバネ４の自然状態における外径を伝熱管３の内径よりも小さく構成しておき、その状態のコイルバネ４を伝熱管３に挿入する。このとき、コイルバネ４としては、焼き鈍し前の残留応力が存在する状態のコイルバネ４を用い、これを伝熱管３に挿入して焼き鈍しすることによって、コイルバネ４を膨張させる。そして、そのコイルバネ４を伝熱管３の内壁３１に接触させてロウ材６でロウ付けする。
【解決手段】伝熱管３の内壁にコイルバネ４を内接させて溶着する場合、コイルバネ４の自然状態における外径を伝熱管３の内径よりも小さく構成しておき、その状態のコイルバネ４を伝熱管３に挿入する。このとき、コイルバネ４としては、焼き鈍し前の残留応力が存在する状態のコイルバネ４を用い、これを伝熱管３に挿入して焼き鈍しすることによって、コイルバネ４を膨張させる。そして、そのコイルバネ４を伝熱管３の内壁３１に接触させてロウ材６でロウ付けする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱管の内部に通される流体と伝熱管の内壁との接触面積を大きくするように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、伝熱管の内部にコイルバネを挿入して溶着させて流体を乱流化させ、大きな表面積で熱交換させるようにした伝熱管の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、伝熱管の内部にコイルバネを挿入して伝熱管内部の表面積を大きくさせるようにした熱交換器が知られている（特許文献１〜特許文献４など）。このようなコイルバネを伝熱管の内部に挿入して内接させるようにすれば、内部に通される流体と熱交換器との接触面積を大きさせることができるとともに、内部の流体を乱流化させることができるため、熱交換の効率を向上させることができるというメリットがある。
【０００３】
ところで、このように伝熱管の内部にコイルバネを挿入する場合、従来では、図６（ａ）に示すように、コイルバネ４を引き延ばして外径を小さくした状態で伝熱管３の内部に挿入し、その後、コイルバネ４を自然状態に戻して伝熱管３に内接させる方法や（図６（ｂ））、特許文献１第２頁右上欄）、自然状態で小径に構成されたコイルバネを挿入した後、伝熱管の外側から扁平状に押圧することによって、その押圧方向の内部のコイルバネを伝熱管に内接させるようにした方法などが用いられていた（特許文献２第２頁右下欄）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−１４０３２号公報
【特許文献２】特開昭６３−２６７８９１号公報
【特許文献３】特開平６−５０６１８号公報
【特許文献４】特開平８−４２９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のようにコイルバネを内接させる方法では、次のような問題を生じる。
【０００６】
すなわち、特許文献１に示すように、引き延ばされた状態のコイルバネを自然状態に戻す方法では、伝熱管内壁との摩擦によってコイルバネのピッチにむらを生じやすくなる（図６（ｂ）の状態）。このとき、特に伝熱管の両端部近傍については、コイルバネの戻り距離が長くなるため、摩擦によってピッチが長くなる傾向が強くなり、逆に伝熱管の中央部近傍についてはピッチが短くなる傾向がある。このため、このようなコイルバネの挿入方法では、均一な熱交換効率を保証することができないといった問題を生じてしまう。
【０００７】
一方、特許文献２に示すように伝熱管を扁平状に押圧してコイルバネを内接させる方法では、伝熱管を一方向に押圧させるため断面円形状の伝熱管を形成することができず、また、押圧される方向とは異なる方向ではコイルバネを伝熱管に内接させることができなくなってしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、伝熱管にコイルバネを挿入して溶着する際に、コイルバネのピッチを均一にして伝熱管に内接させるようにした伝熱管の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入されるコイルバネとを有し、当該コイルバネを伝熱管に挿入して内接させる伝熱管の製造方法において、前記コイルバネの自然状態における外径を伝熱管の内径よりも小さく構成しておき、当該自然状態のコイルバネを伝熱管に挿入する工程と、当該コイルバネを挿入した後、コイルバネと伝熱管を加熱させることによってコイルバネを膨張させて伝熱管に内接させる工程とを備えるようにしたものである。
【００１０】
このようにすれば、コイルバネを小径のまま伝熱管に挿入し、その後、加熱膨張によって伝熱管に内接させるため、コイルバネを等ピッチのまま伝熱管に内接させることができるようになる。
【００１１】
また、このような発明において、焼き鈍し前のコイルバネを挿入し、その後、焼き鈍し処理によってコイルバネを膨張させるようにする。
【００１２】
さらに、焼き鈍し前のコイルバネを用いる場合、板状コイルバネを用いる。
【００１３】
このようにすれば、焼き鈍し処理によってコイルバネの残留応力を除去する際に、コイルバネが膨張し、これによってコイルバネを伝熱管に内接させることができるようになる。特に、板状コイルバネを用いた場合は、残留応力の除去によって外径が大きく変化するため、伝熱管に強く内接させることができるようになるとともに、伝熱管内の表面積も大きく確保することができるというメリットを得ることができる。
【００１４】
もしくは、別の実施形態として、コイルバネを用いる場合、伝熱管の熱膨張率よりも大きい素材を用いるようにすることもできる。
【００１５】
このようにすれば、加熱する際に、熱膨張率の違いからコイルバネを相対的に膨張させることができ、この状態で伝熱管に内接させて溶着させることができるようになる。
【００１６】
さらには、コイルバネや伝熱管を加熱させる際、ロウ材も同時に加熱させてコイルバネを溶着させるようにする。
【００１７】
このようにすれば、コイルバネの膨張によって伝熱管に内接させる工程とロウ付けする工程を同時に行うことができるようになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入されるコイルバネとを有し、当該コイルバネを伝熱管に挿入して内接させる伝熱管の製造方法において、前記コイルバネの自然状態における外径を伝熱管の内径よりも小さく構成しておき、当該自然状態のコイルバネを伝熱管に挿入する工程と、当該コイルバネを挿入した後、コイルバネと伝熱管を加熱させることによってコイルバネを膨張させて伝熱管に内接させる工程とを備えるようにしたので、コイルバネを等ピッチのまま伝熱管に内接させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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
【図２】同形態における伝熱管の部分拡大図
【図３】同形態におけるコイルバネの応力を示す拡大図
【図４】同形態におけるステンレス製のコイルバネと、ピアノ線のコイルバネの膨張・収縮状態を示す図
【図５】同形態における伝熱管の製造工程を示す図
【図６】従来例における伝熱管内にコイルバネを挿入して溶着する状態図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
この実施の形態における熱交換器１は、図１や図２に示すように、左右に設けられたヘッダ２と、これらヘッダ２の間に設けられ、内側にコイルバネ４を収容した複数の伝熱管３と、これらの伝熱管３の外側に取り付けられる螺旋状のフィン５と、これらの伝熱管３やヘッダ２を覆うシェル７とを備えるようにしたものである。そして、特徴的には、そのコイルバネ４を伝熱管３に内接させて溶着させる際に、自然状態で外径が伝熱管３の内径よりも小さなコイルバネ４を挿入し、そして、伝熱管３やコイルバネ４を加熱させることによって、コイルバネ４を伝熱管３に内接させるようにしたものである。以下、本実施の形態における熱交換器１および伝熱管３の製造方法について詳細に説明する。なお、本実施の形態において熱交換器１として、シェルアンドチューブ式の熱交換器１を用いて説明するが、伝熱管３内の流体と熱交換させるようなものであれば、シェル７を設けていない熱交換器などにも使用することができる。
【００２２】
この熱交換器１における伝熱管３は、断面円形状をなす細いステンレス製の素材で構成されるものであって、内部の軸方向に沿って熱交換の対象となる流体（例えば、高温高圧の二酸化炭素などの冷媒）を通すようにしたものである。なお、ここでは伝熱管３としては、例えば、外径寸法が６．０ｍｍ〜７．０ｍｍ、内径寸法が５．５ｍｍ〜６．５ｍｍ程度のものが用いられるが、用途に応じて種々の寸法や形状のものを用いることができる。
【００２３】
一方、この伝熱管３の両端側に設けられるヘッダ２は、その伝熱管３が取り付けられるヘッダ壁面２１やシェル７などによって囲まれるものであって、流入口２２から流入された熱交換の対象となる第一流体を各伝熱管３に分岐させ、シェル７で囲まれた空間内で熱交換して、その第一流体を排出口２３から排出させるようにしたものである。
【００２４】
また、シェル７は、これら左右のヘッダ壁面２１で囲まれた空間を仕切るようにしたものであって、第二流入口７１から第二流体を通してその空間内で伝熱管３や螺旋状のフィン５を介して第一流体と熱交換させ、第二排出口７２からその第二流体を排出させるようにしたものである。
【００２５】
このような構成において、伝熱管３の内部に設けられるコイルバネ４は、伝熱管３の内壁３１の表面積を大きく確保するとともに、内部の流体を乱流化させて熱交換の効率を向上させるようにしたものであって、ここではステンレス製の素材で形成される。ここで、コイルバネ４としては、断面円形をなす線材を螺旋状に巻き付けたものや、断面扁平状をなす板材を螺旋状に巻き付けたものなどを用いることができるが、ここでは図３に示すような板材を螺旋状に巻き付けたコイルバネ４を用いるものとする。このようなコイルバネ４を用いた場合は、伝熱管３の内部における表面積を大きく確保することができるメリットがあるとともに、後述するように伝熱管３に挿入した後、焼き鈍し処理することによって外径が大きく膨らむため、より伝熱管３の内壁３１に密着させることができるというメリットを得ることができる。ここでは、コイルバネ４としては、伝熱管３の内径よりも小径な外径を有するものを用い、例えば、伝熱管３との隙間を０．０５mm〜０．１mmに設定できるように、外径５．９mm〜６．９mm、内径３．５mm〜４．５mm（板幅約１mm前後）、ピッチ３．０mm〜４．０mm程度のステンレス製の素材を用いるものとする。
【００２６】
このコイルバネ４を形成する際、扁平状の板材を刃に当てて押し出すことによってフォーミング加工し、図３に示すような扁平状のコイルバネ４を形成する。このとき、コイルバネ４の外側外周部分については引っ張り応力が発生し、内側の内周部分については圧縮応力が発生する。通常、コイルバネ４を形成する場合、このような状態から焼き鈍し処理することによって残留応力を除去するが、ステンレス製のコイルバネ４を焼き鈍し処理する場合は、図４（ａ）の破線で示すように外径や内径が膨張してしまう。そこで、この実施の形態においては、その焼き鈍し処理による膨張を利用して伝熱管３の内壁３１に密着させるように、焼き鈍し処理前のコイルバネ４を一定のクリアランス（０．０５mm〜０．１mm）をもって伝熱管３内に挿入し（図５（ａ））、その後、焼き鈍し処理を行うことによって伝熱管３の内壁３１に内接させるようにする（図５（ｃ））。このように焼き鈍し前のコイルバネ４を伝熱管３に挿入すれば、従来のようなスプリングバックを行わないために、ピッチを等間隔にすることができるようになる。
【００２７】
また、この加熱処理を行う場合、同時にコイルバネ４と伝熱管３の内壁３１とのロウ付けも行うようにする（図５（ｂ））。このロウ付けを行う場合、挿入されたコイルバネ４の内側に棒状のロウ材６を挿入し、その状態で高温加熱させる。すると、コイルバネ４が膨張して伝熱管３の内壁３１に密着するのと同時に、そのロウ材６が溶けてコイルバネ４を伝熱管３の内壁３１にコイルバネ４を溶着させることができるようになる。なお、この実施の形態では、焼き鈍し処理を行うと同時にロウ付けを行うようにしているが、コイルバネ４の膨張によって伝熱管３の内壁３１に強く密着することができる場合は、ロウ付けを行わないようにすることもできる。
【００２８】
また、上記実施の形態では、焼き鈍し処理によって外径を膨張させ、これによって伝熱管３の内壁３１に密着させるようにしたが、他の実施の形態としては、伝熱管３として熱膨張率の小さな素材を用いるとともに、コイルバネ４として熱膨張率の大きな素材を用い、加熱処理をする際に、コイルバネ４の外径を相対的に膨張させるようにすることもできる。そして、このようにコイルバネ４を膨張させることによって伝熱管３の内壁３１に密着させ、その状態でロウ付けすることによってコイルバネ４を伝熱管３に溶着させるようにすることもできる。このような素材を用いる場合は、例えば、伝熱管３としてステンレス鋼（ＳＵＳ４１の場合の熱膨張率１０．４）を用い、コイルバネ４としてはより熱膨張率の大きな銅（熱膨張率１６．８）などを用いることができる。
【００２９】
さらに、この実施の形態では、伝熱管３の外側外周部分にも螺旋状のフィン５を取り付けて熱拡散を促進させるようにしている。この螺旋状のフィン５についても、同様に、扁平状の板材を刃に当てることによってフォーミング加工し、螺旋状のフィン５を形成する。このとき、螺旋状のフィン５の内径については、伝熱管３に一定のクリアランスをもって内側に挿入できるように、伝熱管３の外径よりも若干大きく設定しておく（図５（ａ））。そして、同様に焼き鈍し処理することによって生じる径の変化によって伝熱管３の外周部分に密着させる（図５（ｃ））。但し、このとき螺旋状のフィン５としてステンレス製の素材を用いると、焼き鈍し処理によって内径や外径が膨らんでしまうため、加熱処理によって径が縮まる素材であるピアノ線（ＳＷＰＡ、ＳＷＰＢ）などの素材を用いるようにする。このような素材のものを用いれば、焼き鈍し処理する際、内径が縮まって伝熱管３の外周に密着し、必要に応じてロウ材６でロウ付けすることによってフィン５を取り付けることができるようになる。
【００３０】
そして、このように構成された伝熱管３を左右のヘッダ壁面２１の挿入孔に挿入してロウ付けし、さらに、その外側からシェル７で覆うことによって、図１に示すようなシェル７アンドチューブ式の熱交換器１を製造する。
【００３１】
このように上記実施の形態によれば、伝熱管３と、当該伝熱管３の内部に挿入されるコイルバネ４とを有し、当該コイルバネ４を伝熱管３に挿入して溶着させる伝熱管３の製造方法において、前記コイルバネ４の自然状態における外径を伝熱管３の内径よりも小さく構成しておき、当該自然状態のコイルバネ４を伝熱管３に挿入する工程と、当該コイルバネ４を挿入した後、コイルバネ４と伝熱管３を加熱させることによってコイルバネ４を膨張させて伝熱管３の内壁３１に接触させる工程とを備えるようにしたので、コイルバネ４を等ピッチのまま伝熱管３に内接させることができるようになる。
【００３２】
また、このような発明において、焼き鈍し前のコイルバネ４を挿入し、その後、焼き鈍し処理してコイルバネ４を膨張させて内接させるようにしたので、焼き鈍しによってコイルバネ４の残留応力を除去する際の膨張を利用して伝熱管３にコイルバネ４を強く内接させることができるようになる。
【００３３】
さらに、このようなコイルバネ４として板状コイルバネ４を用いるようにしたので、残留応力の除去によって大きくコイルバネ４を膨張させることができ、伝熱管３に強く内接させることができるようになるとともに、伝熱管３内の表面積も大きく確保することができる。
【００３４】
加えて、別の実施の形態では、伝熱管３の熱膨張率よりも大きいコイルバネ４を用いるようにしたので、加熱する際に、熱膨張率の違いからコイルバネ４を相対的に膨張させて伝熱管３に内接させることができるようになる。
【００３５】
さらには、コイルバネ４や伝熱管３を加熱させる際、ロウ材６も同時に加熱させてコイルバネ４を溶着させるようにすれば、コイルバネ４の膨張によって伝熱管３に内接させる工程とロウ付けする工程を同時に行うことができるようになる。
【００３６】
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。
【００３７】
例えば、上記実施の形態では、シェルアンドチューブ式の熱交換器１を例に挙げて説明したが、シェル７のない熱交換器や、ヒートパイプなどの熱交換器にも適用することができる。
【００３８】
また、上記実施の形態では、伝熱管３として断面円形状をなす伝熱管３を用いるようにしたが、断面扁平状をなす伝熱管などにも同様に適用することができる。
【００３９】
さらに、上記実施の形態では、棒状のロウ材６を用いてコイルバネ４を溶着させるようにしたが、伝熱管３の内壁３１をメッキしておき、そのメッキを熔解させることによってコイルバネ４を溶着させるようにしてもよい。このとき、本発明との関係において、メッキがロウ材６に相当することになる。
【００４０】
加えて、上記実施の形態では、伝熱管３の外側に螺旋状のフィン５を取り付けるようにしたが、この螺旋状のフィン５を交互に配置されたバッフルプレートで代替することもできる。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・熱交換器
２・・・ヘッダ
２１・・・ヘッダ壁面
２２・・・流入口
２３・・・排出口
３・・・伝熱管
３１・・・内壁
４・・・コイルバネ
５・・・螺旋状のフィン
６・・・ロウ材
７・・・シェル
７１・・・第二流入口
７２・・・第二排出口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱管の内部に通される流体と伝熱管の内壁との接触面積を大きくするように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、伝熱管の内部にコイルバネを挿入して溶着させて流体を乱流化させ、大きな表面積で熱交換させるようにした伝熱管の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、伝熱管の内部にコイルバネを挿入して伝熱管内部の表面積を大きくさせるようにした熱交換器が知られている（特許文献１〜特許文献４など）。このようなコイルバネを伝熱管の内部に挿入して内接させるようにすれば、内部に通される流体と熱交換器との接触面積を大きさせることができるとともに、内部の流体を乱流化させることができるため、熱交換の効率を向上させることができるというメリットがある。
【０００３】
ところで、このように伝熱管の内部にコイルバネを挿入する場合、従来では、図６（ａ）に示すように、コイルバネ４を引き延ばして外径を小さくした状態で伝熱管３の内部に挿入し、その後、コイルバネ４を自然状態に戻して伝熱管３に内接させる方法や（図６（ｂ））、特許文献１第２頁右上欄）、自然状態で小径に構成されたコイルバネを挿入した後、伝熱管の外側から扁平状に押圧することによって、その押圧方向の内部のコイルバネを伝熱管に内接させるようにした方法などが用いられていた（特許文献２第２頁右下欄）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−１４０３２号公報
【特許文献２】特開昭６３−２６７８９１号公報
【特許文献３】特開平６−５０６１８号公報
【特許文献４】特開平８−４２９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のようにコイルバネを内接させる方法では、次のような問題を生じる。
【０００６】
すなわち、特許文献１に示すように、引き延ばされた状態のコイルバネを自然状態に戻す方法では、伝熱管内壁との摩擦によってコイルバネのピッチにむらを生じやすくなる（図６（ｂ）の状態）。このとき、特に伝熱管の両端部近傍については、コイルバネの戻り距離が長くなるため、摩擦によってピッチが長くなる傾向が強くなり、逆に伝熱管の中央部近傍についてはピッチが短くなる傾向がある。このため、このようなコイルバネの挿入方法では、均一な熱交換効率を保証することができないといった問題を生じてしまう。
【０００７】
一方、特許文献２に示すように伝熱管を扁平状に押圧してコイルバネを内接させる方法では、伝熱管を一方向に押圧させるため断面円形状の伝熱管を形成することができず、また、押圧される方向とは異なる方向ではコイルバネを伝熱管に内接させることができなくなってしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、伝熱管にコイルバネを挿入して溶着する際に、コイルバネのピッチを均一にして伝熱管に内接させるようにした伝熱管の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入されるコイルバネとを有し、当該コイルバネを伝熱管に挿入して内接させる伝熱管の製造方法において、前記コイルバネの自然状態における外径を伝熱管の内径よりも小さく構成しておき、当該自然状態のコイルバネを伝熱管に挿入する工程と、当該コイルバネを挿入した後、コイルバネと伝熱管を加熱させることによってコイルバネを膨張させて伝熱管に内接させる工程とを備えるようにしたものである。
【００１０】
このようにすれば、コイルバネを小径のまま伝熱管に挿入し、その後、加熱膨張によって伝熱管に内接させるため、コイルバネを等ピッチのまま伝熱管に内接させることができるようになる。
【００１１】
また、このような発明において、焼き鈍し前のコイルバネを挿入し、その後、焼き鈍し処理によってコイルバネを膨張させるようにする。
【００１２】
さらに、焼き鈍し前のコイルバネを用いる場合、板状コイルバネを用いる。
【００１３】
このようにすれば、焼き鈍し処理によってコイルバネの残留応力を除去する際に、コイルバネが膨張し、これによってコイルバネを伝熱管に内接させることができるようになる。特に、板状コイルバネを用いた場合は、残留応力の除去によって外径が大きく変化するため、伝熱管に強く内接させることができるようになるとともに、伝熱管内の表面積も大きく確保することができるというメリットを得ることができる。
【００１４】
もしくは、別の実施形態として、コイルバネを用いる場合、伝熱管の熱膨張率よりも大きい素材を用いるようにすることもできる。
【００１５】
このようにすれば、加熱する際に、熱膨張率の違いからコイルバネを相対的に膨張させることができ、この状態で伝熱管に内接させて溶着させることができるようになる。
【００１６】
さらには、コイルバネや伝熱管を加熱させる際、ロウ材も同時に加熱させてコイルバネを溶着させるようにする。
【００１７】
このようにすれば、コイルバネの膨張によって伝熱管に内接させる工程とロウ付けする工程を同時に行うことができるようになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入されるコイルバネとを有し、当該コイルバネを伝熱管に挿入して内接させる伝熱管の製造方法において、前記コイルバネの自然状態における外径を伝熱管の内径よりも小さく構成しておき、当該自然状態のコイルバネを伝熱管に挿入する工程と、当該コイルバネを挿入した後、コイルバネと伝熱管を加熱させることによってコイルバネを膨張させて伝熱管に内接させる工程とを備えるようにしたので、コイルバネを等ピッチのまま伝熱管に内接させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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
【図２】同形態における伝熱管の部分拡大図
【図３】同形態におけるコイルバネの応力を示す拡大図
【図４】同形態におけるステンレス製のコイルバネと、ピアノ線のコイルバネの膨張・収縮状態を示す図
【図５】同形態における伝熱管の製造工程を示す図
【図６】従来例における伝熱管内にコイルバネを挿入して溶着する状態図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
この実施の形態における熱交換器１は、図１や図２に示すように、左右に設けられたヘッダ２と、これらヘッダ２の間に設けられ、内側にコイルバネ４を収容した複数の伝熱管３と、これらの伝熱管３の外側に取り付けられる螺旋状のフィン５と、これらの伝熱管３やヘッダ２を覆うシェル７とを備えるようにしたものである。そして、特徴的には、そのコイルバネ４を伝熱管３に内接させて溶着させる際に、自然状態で外径が伝熱管３の内径よりも小さなコイルバネ４を挿入し、そして、伝熱管３やコイルバネ４を加熱させることによって、コイルバネ４を伝熱管３に内接させるようにしたものである。以下、本実施の形態における熱交換器１および伝熱管３の製造方法について詳細に説明する。なお、本実施の形態において熱交換器１として、シェルアンドチューブ式の熱交換器１を用いて説明するが、伝熱管３内の流体と熱交換させるようなものであれば、シェル７を設けていない熱交換器などにも使用することができる。
【００２２】
この熱交換器１における伝熱管３は、断面円形状をなす細いステンレス製の素材で構成されるものであって、内部の軸方向に沿って熱交換の対象となる流体（例えば、高温高圧の二酸化炭素などの冷媒）を通すようにしたものである。なお、ここでは伝熱管３としては、例えば、外径寸法が６．０ｍｍ〜７．０ｍｍ、内径寸法が５．５ｍｍ〜６．５ｍｍ程度のものが用いられるが、用途に応じて種々の寸法や形状のものを用いることができる。
【００２３】
一方、この伝熱管３の両端側に設けられるヘッダ２は、その伝熱管３が取り付けられるヘッダ壁面２１やシェル７などによって囲まれるものであって、流入口２２から流入された熱交換の対象となる第一流体を各伝熱管３に分岐させ、シェル７で囲まれた空間内で熱交換して、その第一流体を排出口２３から排出させるようにしたものである。
【００２４】
また、シェル７は、これら左右のヘッダ壁面２１で囲まれた空間を仕切るようにしたものであって、第二流入口７１から第二流体を通してその空間内で伝熱管３や螺旋状のフィン５を介して第一流体と熱交換させ、第二排出口７２からその第二流体を排出させるようにしたものである。
【００２５】
このような構成において、伝熱管３の内部に設けられるコイルバネ４は、伝熱管３の内壁３１の表面積を大きく確保するとともに、内部の流体を乱流化させて熱交換の効率を向上させるようにしたものであって、ここではステンレス製の素材で形成される。ここで、コイルバネ４としては、断面円形をなす線材を螺旋状に巻き付けたものや、断面扁平状をなす板材を螺旋状に巻き付けたものなどを用いることができるが、ここでは図３に示すような板材を螺旋状に巻き付けたコイルバネ４を用いるものとする。このようなコイルバネ４を用いた場合は、伝熱管３の内部における表面積を大きく確保することができるメリットがあるとともに、後述するように伝熱管３に挿入した後、焼き鈍し処理することによって外径が大きく膨らむため、より伝熱管３の内壁３１に密着させることができるというメリットを得ることができる。ここでは、コイルバネ４としては、伝熱管３の内径よりも小径な外径を有するものを用い、例えば、伝熱管３との隙間を０．０５mm〜０．１mmに設定できるように、外径５．９mm〜６．９mm、内径３．５mm〜４．５mm（板幅約１mm前後）、ピッチ３．０mm〜４．０mm程度のステンレス製の素材を用いるものとする。
【００２６】
このコイルバネ４を形成する際、扁平状の板材を刃に当てて押し出すことによってフォーミング加工し、図３に示すような扁平状のコイルバネ４を形成する。このとき、コイルバネ４の外側外周部分については引っ張り応力が発生し、内側の内周部分については圧縮応力が発生する。通常、コイルバネ４を形成する場合、このような状態から焼き鈍し処理することによって残留応力を除去するが、ステンレス製のコイルバネ４を焼き鈍し処理する場合は、図４（ａ）の破線で示すように外径や内径が膨張してしまう。そこで、この実施の形態においては、その焼き鈍し処理による膨張を利用して伝熱管３の内壁３１に密着させるように、焼き鈍し処理前のコイルバネ４を一定のクリアランス（０．０５mm〜０．１mm）をもって伝熱管３内に挿入し（図５（ａ））、その後、焼き鈍し処理を行うことによって伝熱管３の内壁３１に内接させるようにする（図５（ｃ））。このように焼き鈍し前のコイルバネ４を伝熱管３に挿入すれば、従来のようなスプリングバックを行わないために、ピッチを等間隔にすることができるようになる。
【００２７】
また、この加熱処理を行う場合、同時にコイルバネ４と伝熱管３の内壁３１とのロウ付けも行うようにする（図５（ｂ））。このロウ付けを行う場合、挿入されたコイルバネ４の内側に棒状のロウ材６を挿入し、その状態で高温加熱させる。すると、コイルバネ４が膨張して伝熱管３の内壁３１に密着するのと同時に、そのロウ材６が溶けてコイルバネ４を伝熱管３の内壁３１にコイルバネ４を溶着させることができるようになる。なお、この実施の形態では、焼き鈍し処理を行うと同時にロウ付けを行うようにしているが、コイルバネ４の膨張によって伝熱管３の内壁３１に強く密着することができる場合は、ロウ付けを行わないようにすることもできる。
【００２８】
また、上記実施の形態では、焼き鈍し処理によって外径を膨張させ、これによって伝熱管３の内壁３１に密着させるようにしたが、他の実施の形態としては、伝熱管３として熱膨張率の小さな素材を用いるとともに、コイルバネ４として熱膨張率の大きな素材を用い、加熱処理をする際に、コイルバネ４の外径を相対的に膨張させるようにすることもできる。そして、このようにコイルバネ４を膨張させることによって伝熱管３の内壁３１に密着させ、その状態でロウ付けすることによってコイルバネ４を伝熱管３に溶着させるようにすることもできる。このような素材を用いる場合は、例えば、伝熱管３としてステンレス鋼（ＳＵＳ４１の場合の熱膨張率１０．４）を用い、コイルバネ４としてはより熱膨張率の大きな銅（熱膨張率１６．８）などを用いることができる。
【００２９】
さらに、この実施の形態では、伝熱管３の外側外周部分にも螺旋状のフィン５を取り付けて熱拡散を促進させるようにしている。この螺旋状のフィン５についても、同様に、扁平状の板材を刃に当てることによってフォーミング加工し、螺旋状のフィン５を形成する。このとき、螺旋状のフィン５の内径については、伝熱管３に一定のクリアランスをもって内側に挿入できるように、伝熱管３の外径よりも若干大きく設定しておく（図５（ａ））。そして、同様に焼き鈍し処理することによって生じる径の変化によって伝熱管３の外周部分に密着させる（図５（ｃ））。但し、このとき螺旋状のフィン５としてステンレス製の素材を用いると、焼き鈍し処理によって内径や外径が膨らんでしまうため、加熱処理によって径が縮まる素材であるピアノ線（ＳＷＰＡ、ＳＷＰＢ）などの素材を用いるようにする。このような素材のものを用いれば、焼き鈍し処理する際、内径が縮まって伝熱管３の外周に密着し、必要に応じてロウ材６でロウ付けすることによってフィン５を取り付けることができるようになる。
【００３０】
そして、このように構成された伝熱管３を左右のヘッダ壁面２１の挿入孔に挿入してロウ付けし、さらに、その外側からシェル７で覆うことによって、図１に示すようなシェル７アンドチューブ式の熱交換器１を製造する。
【００３１】
このように上記実施の形態によれば、伝熱管３と、当該伝熱管３の内部に挿入されるコイルバネ４とを有し、当該コイルバネ４を伝熱管３に挿入して溶着させる伝熱管３の製造方法において、前記コイルバネ４の自然状態における外径を伝熱管３の内径よりも小さく構成しておき、当該自然状態のコイルバネ４を伝熱管３に挿入する工程と、当該コイルバネ４を挿入した後、コイルバネ４と伝熱管３を加熱させることによってコイルバネ４を膨張させて伝熱管３の内壁３１に接触させる工程とを備えるようにしたので、コイルバネ４を等ピッチのまま伝熱管３に内接させることができるようになる。
【００３２】
また、このような発明において、焼き鈍し前のコイルバネ４を挿入し、その後、焼き鈍し処理してコイルバネ４を膨張させて内接させるようにしたので、焼き鈍しによってコイルバネ４の残留応力を除去する際の膨張を利用して伝熱管３にコイルバネ４を強く内接させることができるようになる。
【００３３】
さらに、このようなコイルバネ４として板状コイルバネ４を用いるようにしたので、残留応力の除去によって大きくコイルバネ４を膨張させることができ、伝熱管３に強く内接させることができるようになるとともに、伝熱管３内の表面積も大きく確保することができる。
【００３４】
加えて、別の実施の形態では、伝熱管３の熱膨張率よりも大きいコイルバネ４を用いるようにしたので、加熱する際に、熱膨張率の違いからコイルバネ４を相対的に膨張させて伝熱管３に内接させることができるようになる。
【００３５】
さらには、コイルバネ４や伝熱管３を加熱させる際、ロウ材６も同時に加熱させてコイルバネ４を溶着させるようにすれば、コイルバネ４の膨張によって伝熱管３に内接させる工程とロウ付けする工程を同時に行うことができるようになる。
【００３６】
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。
【００３７】
例えば、上記実施の形態では、シェルアンドチューブ式の熱交換器１を例に挙げて説明したが、シェル７のない熱交換器や、ヒートパイプなどの熱交換器にも適用することができる。
【００３８】
また、上記実施の形態では、伝熱管３として断面円形状をなす伝熱管３を用いるようにしたが、断面扁平状をなす伝熱管などにも同様に適用することができる。
【００３９】
さらに、上記実施の形態では、棒状のロウ材６を用いてコイルバネ４を溶着させるようにしたが、伝熱管３の内壁３１をメッキしておき、そのメッキを熔解させることによってコイルバネ４を溶着させるようにしてもよい。このとき、本発明との関係において、メッキがロウ材６に相当することになる。
【００４０】
加えて、上記実施の形態では、伝熱管３の外側に螺旋状のフィン５を取り付けるようにしたが、この螺旋状のフィン５を交互に配置されたバッフルプレートで代替することもできる。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・熱交換器
２・・・ヘッダ
２１・・・ヘッダ壁面
２２・・・流入口
２３・・・排出口
３・・・伝熱管
３１・・・内壁
４・・・コイルバネ
５・・・螺旋状のフィン
６・・・ロウ材
７・・・シェル
７１・・・第二流入口
７２・・・第二排出口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入されるコイルバネとを有し、当該コイルバネを伝熱管に挿入して内接させる伝熱管の製造方法において、
前記コイルバネの自然状態における外径を伝熱管の内径よりも小さく構成しておき、当該自然状態のコイルバネを伝熱管に挿入する工程と、
当該コイルバネを挿入した後、コイルバネと伝熱管を加熱させることによってコイルバネを膨張させて伝熱管に内接させる工程と、
を備えたことを特徴とする伝熱管の製造方法。
【請求項２】
前記コイルバネが、焼き鈍し前のコイルバネである請求項１に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項３】
前記コイルバネが、焼き鈍し前の板状コイルバネである請求項１に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項４】
前記コイルバネの熱膨張率が、伝熱管の熱膨張率よりも大きいものである請求項１に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項５】
前記加熱させる際に、ロウ材と同時にコイルバネと伝熱管を加熱させ、コイルバネを膨張させて伝熱管の内壁に溶着させるようにした請求項１に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項１】
伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入されるコイルバネとを有し、当該コイルバネを伝熱管に挿入して内接させる伝熱管の製造方法において、
前記コイルバネの自然状態における外径を伝熱管の内径よりも小さく構成しておき、当該自然状態のコイルバネを伝熱管に挿入する工程と、
当該コイルバネを挿入した後、コイルバネと伝熱管を加熱させることによってコイルバネを膨張させて伝熱管に内接させる工程と、
を備えたことを特徴とする伝熱管の製造方法。
【請求項２】
前記コイルバネが、焼き鈍し前のコイルバネである請求項１に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項３】
前記コイルバネが、焼き鈍し前の板状コイルバネである請求項１に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項４】
前記コイルバネの熱膨張率が、伝熱管の熱膨張率よりも大きいものである請求項１に記載の伝熱管の製造方法。
【請求項５】
前記加熱させる際に、ロウ材と同時にコイルバネと伝熱管を加熱させ、コイルバネを膨張させて伝熱管の内壁に溶着させるようにした請求項１に記載の伝熱管の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−３９６１１（Ｐ２０１３−３９６１１Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７９３２６（Ｐ２０１１−１７９３２６）
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【出願人】（５０８３４５０８１）株式会社ＣＫＵ (17)
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【出願人】（５０８３４５０８１）株式会社ＣＫＵ (17)
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