JP2005077035A - 耐食性を有する伝熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐食性に優れるとともに、放熱特性や吸熱特性が高く内部を流動する流体と外部を流動する流体との熱交換効率にも優れた伝熱管を得る。また、この耐食性と放熱特性や吸熱特性に優れた伝熱管を、単純な構造と簡易な製造工程で廉価に形成する。
【解決手段】 細径金属管１の外周面に樹脂被膜層３を設け、この樹脂被膜層３の外周面に、管軸方向に長尺な連続した樹脂材製の外周フィン４を複数一体に突設して伝熱管５を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車や建設機械の流体冷却管、居住用空間の温湿度を調整する空調機、その他に於いて、腐食環境下で使用される耐食性を有する伝熱管に係るもので、耐食性に優れるだけでなく、高い放熱特性や吸熱特性による効率的な熱交換が可能な伝熱管を得ようとするものである。

従来、耐食性を有する伝熱管として、下記特許文献１、２に記載の発明の如く、亜鉛メッキやクロメート被膜等の耐食メッキを施した鋼管やアルミ管等の細径金属管の外周面に、押出成形法によりポリアミド(ＰＡ)、ポリプロピレン(ＰＰ)、ポリエチレン(ＰＥ)等の熱可塑性の樹脂被膜層を設けたものが存在する。この樹脂被膜層が持つ衝撃吸収力や耐水性、耐薬品性等を利用して、飛び石等による耐食メッキ層、細径金属管の破損を防ぐとともに、泥はねや薬品等による細径金属管の酸化を防止して、伝熱管の耐食性を高めていた。

他方、伝熱管の内外を流動する流体相互の高い熱交換性能を得るため、特許文献３、４、５に記載の発明の如く、細径金属管の外周に長尺な金属材製の平板を螺旋状に巻回して、該細径金属管の外周にフィン部材を突設する事で放熱特性や吸熱特性を高めた伝熱管が存在する。
特開平８−１８８８８４号公報 特開平１０−３１５２９５号公報 特開平９−４２５７３号公報 特開平９−１３６１１１号公報 特開平１１−３２５７７８号公報 特許第２７５０７１０号公報 特許第２９５４５５５号公報 特開平３−４７９８７号公報

しかしながら、特許文献１、２の樹脂被膜層を設けた伝熱管は、耐衝撃性や耐食性を高めるために樹脂被膜層を肉厚に形成しているので、放熱特性や吸熱特性の点で問題があり、伝熱管の内外を流通する流体相互の熱交換効率を向上させるのは困難であった。他方、特許文献３〜５の金属材製フィン部材を突設した伝熱管では、伝熱面積が増大し高い熱交換性能が得られるが、飛び石等により細径金属管の表面の耐食メッキ層が破損され易く、耐食性に問題があるとともに、伝熱管やこの伝熱管を使用した熱交換器の重量が増大して、車輌等への設置の際に制限があった。

本発明は上述の如き問題を解決するため、細径金属管を樹脂被膜層で被覆して、高い耐食性及び耐衝撃性を得るとともに、この樹脂被膜層の表面積を増大させる事により、樹脂材を用いていても金属材のみで形成した伝熱管と同等若しくはそれ以上の熱伝導性を有する伝熱管を得る事を目的とするものである。そして、このような熱交換性能に優れる伝熱管を、より軽量で廉価に形成可能とするものである。

本発明は、上述の如き課題を解決するため、細径金属管の外周面に樹脂被膜層を設け、この樹脂被膜層の外周面に、管軸方向に長尺な連続した樹脂材製の外周フィンを複数一体に突設して成るものである。

また、外周フィンは、管軸と平行な平板状に形成しても良い。

また、 外周フィンは、管軸に対して螺旋状に配設しても良い。

また、外周フィンは、管軸方向の側面形状を波形としても良い。

また、樹脂被膜層は、肉厚を0.5〜1.5mmとしても良い。

また、細径金属管は、外表面に少なくとも１層の耐食メッキ層を設け、この耐食メッキ層の外周面に接着層を設けても良い。

また、樹脂被膜層及び樹脂材製の外周フィンは、該樹脂材よりも熱伝導性の高い粒子及び／又は繊維を含有しても良い。

また、樹脂被膜層及び樹脂材製の外周フィンは、カーボンナノファイバーを含有させても良い。

また、カーボンナノファイバーは、５wt%より多く３０wt%より少ない含有量で含有させても良い。

本発明は上述の如く構成したもので、鋼管、アルミ管、その他の細径金属管を樹脂被膜層で被覆する事により、耐衝撃性や耐水性、耐薬品性等の耐食性に優れる伝熱管を得る事ができる。また、長尺な連続した樹脂材製の外周フィンを複数個突設して伝熱面積を増大させる事が可能となり、金属材のみの伝熱管と同等若しくはそれ以上の熱伝導性を得て、伝熱管の内外を流動する流体相互の効率的な熱交換が可能となる。また、樹脂材は廉価で加工性に優れるので、伝熱管の生産性を高める事ができるとともに、より軽量で車輌等への設置の際に制限の少ない製品を得る事ができる。

また、このような伝熱管を使用する事で、自動車や建設機械の流体冷却管、居住用空間の温湿度を調整する空調機、各種配管による吸放熱、一般産業用、暖房用、給湯用、ＥＧＲガス冷却装置、その他の多管式熱交換器の熱交換性能、耐食性、耐熱性、耐久性を高める事ができるとともに、製品の軽量化が可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に於て詳細に説明すれば、図１は本発明の実施例１の伝熱管の斜視図で、樹脂被膜層の外周に一体に、管軸と平行な平板状の外周フィンを複数本、放射状に突設している。また、図２は実施例２の伝熱管の斜視図で、外周フィンを管軸に対して傾斜させて螺旋状に配設している。また、図３は実施例３の伝熱管の斜視図で、外周フィンの側面形状を正弦波状の波形に形成している。また、図４は本発明の伝熱管を用いた多管円筒式熱交換器の概略図である。

尚、下記実施例１〜３では、樹脂被膜層及び外周フィンの材料として、ＰＡ、ＰＰ、ＰＥ等の樹脂材を使用する事により、耐食性や耐衝撃性に優れるとともに廉価な伝熱管を得る事ができる。また、これらの樹脂材には、銅、アルミ、ステンレス等の金属材、カーボン材又はガラス材等で形成した粒子や繊維を含有させても良く、樹脂材を使用した場合でも伝熱管の熱伝導性を高めて、熱交換性能をより向上させる事ができる。また、黒色で黒体輻射効果のある樹脂材を使用する事が望ましく、更にこの黒色で黒体輻射効果のある樹脂材に更に前記粒子や繊維を含有させても良く、放熱の場合は輻射熱の放射特性に優れ、吸熱の場合は熱吸収に優れたものとなり、伝熱管の熱交換効率の更なる向上が可能となる。

また、上記樹脂材に、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等のカーボンナノファイバーを含有させる事により、樹脂材の熱伝導性を高めて、伝熱管の放熱特性や吸熱特性を更に向上させる事ができる。また、このようなカーボンナノファイバーを、５wt%より多く３０wt%より少ない含有量で含有させるのが好ましく、より良好な伝熱効果が得られるとともに伝熱管の生産も容易である。

上記カーボンナノファイバーの含有量を５wt%以下とすると、伝熱効果の向上作用に乏しなる。また、３０wt%以上を樹脂材に含有させるのは困難で、生産性が低下するとともに高価で、伝熱効果に大きな差を生じない。尚、本明細書で言うカーボンナノファイバーとは、ナノテクノロジー分野に於いて、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、その他ナノ単位のカーボン繊維を含んだ総称を示すものである。また、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、その他を混在させて樹脂材に含有させても良いし、単体で含有させても良い。また、カーボンナノチューブを樹脂材に含有させる場合は、カーボンナノチューブが単層であっても良いし、複層であっても良い。更に、このカーボンナノチューブの各層のアスペクト比は問わないものである。また、カーボンナノチューブの太さ、長さ等も問わないものである。

まず、図１に示す実施例１を詳細に説明すれば、(１)は細径金属管で、管径３０ｍｍ以下の比較的細径の、外表面に銅メッキの無い一重巻鋼管、外表面に銅メッキの有る二重巻鋼管、アルミ管等を用いている。このような細径金属管(１)の外表面に、本実施例では犠牲腐食性の耐食メッキ層(図示せず)を配設している。この耐食メッキ層は、亜鉛、錫、錫−亜鉛合金、ニッケル、亜鉛−ニッケル合金等をメッキして１層で形成しても良いし、細径金属管(１)の外表面にニッケルをメッキし、このニッケルの外周面に亜鉛−ニッケル合金をメッキして２層構造とする等、複数層としても良い。また、複数層の耐食メッキ層を施す場合は、例えば前記特許文献６〜８に記載の如き手法で行っても良い。また、細径金属管(１)に亜鉛系メッキ及びクロメート被膜を施して耐食性を持たせても良い。

そして、上述の如き耐食メッキ層を配設した細径金属管(１)の外周面に、ＰＡ等を密着コーティングするとともに接着剤を塗布して、接着層(２)を配設している。この接着層(２)の配設により、細径金属管(１)と後述の樹脂被膜層(３)との互いの密着固定性を高める事が可能となる。

次に、上記接着層(２)の外周面に、溶融押出成形装置等を使用して、管軸方向に長尺な連続した外周フィン(４)を複数本、一体に突設した樹脂被膜層(３)を押出成形する。本実施例では、樹脂被膜層(３)の外周面に、１２本の外周フィン(４)を放射状に突設している。それには、図示はしないが、例えば溶融押出成形装置のコンテナの先端に、軸中心部から放射方向に１２本の外周フィン(４)をかたどったダイスを配置し、このダイス及びコンテナ内に細径金属管(１)を挿通させる。

そして、コンテナ内にＰＡ、ＰＰ、ＰＥ等の溶融樹脂材を注入しながら、細径金属管(１)をローラー等で管軸方向に一定速度で移動させる事により、ダイスから樹脂材が押出されて、細径金属管(１)の接着層(２)を介した外周面に、軸方向に長尺な連続した外周フィン(４)が１２本、一体に形成された樹脂被膜層(３)が配設される。そして、この樹脂被膜(３)が配設された細径金属管(１)を空冷、水冷等により冷却して樹脂材を固化させる事により、本実施例の１２本の長尺な外周フィン(４)を突設した伝熱管(５)が得られる。

また、実施例１では、細径金属管(１)をローラー等で管軸方向に移送する際は、細径金属管(１)を左右に揺動したり回転させる事なく、真っ直ぐに移動させている。従って、実施例１では、図１に示す如く、全ての外周フィン(４)が、管軸と平行な平板状に形成される。

また、伝熱管(５)は、ゴムホース等への接続のため、先端側の樹脂被膜層(３)を外周フィン(４)ごと剥離した後、先端側の外周にスプール加工等により環状膨出部(６)を突設している。

また、本実施例の如く、樹脂被膜層(３)の配設前に、細径金属管(１)の外周に樹脂材による接着層(２)を配設する場合、例えばこの接着層(２)は金属材との密着性に優れたＰＡを使用し、その外周面に配設する樹脂被膜層(３)は耐水性や耐薬品性に優れたＰＰを使用する。このような構成とする事で、ＰＡとＰＰが各々持つ特性の相乗効果で、伝熱管(５)の耐食性等を更に高める事ができる。

また、樹脂被膜層(３)は、細径金属管(１)側の表面から外周フィン(４)の基端部までの肉厚を0.5〜1.5mmとするのが好ましく、耐食性に優れる伝熱管(５)が得られるだけでなく、伝熱管(５)の熱伝導性をも損なう事のないものとなる。また、上記肉厚で樹脂被膜層(３)を形成する事により、外周フィン(４)に飛び石等の衝撃や外周を流動する流体の流動圧力等が作用した場合でも、外周フィン(４)が樹脂被膜(３)との境目から折れたり、外周フィン(４)ごと樹脂被膜層(３)が破断されたりする事のない耐久性が得られ、外周フィン(４)と樹脂被膜層(３)との接続安定性にも優れるものとなる。

この樹脂被膜層(３)の肉厚が0.5mmより薄いと、耐衝撃性が低下し、飛び石等により樹脂被膜層(３)だけでなく、細径金属管(１)や耐食メッキ層まで破損され易いものとなる。また、樹脂被膜層(３)が脆弱となり、外周フィン(４)に強い負荷が作用した場合に、外周フィン(４)ごと樹脂被膜層(３)が細径金属管(１)の表面から剥がれてしまうものとなる。逆に、樹脂被膜層(３)の肉厚が1.5mmよりも厚いと、熱伝導性に乏しくなり、伝熱管(５)の熱交換性能が低下する。

上述の如く形成した伝熱管(５)では、衝撃吸収性や耐水性、耐薬品性等を有する樹脂被膜層(３)及び外周フィン(４)により、細径金属管(１)及び耐食メッキ層が被覆保護され、鋼管やアルミ管等を用いた細径金属管(１)及び耐食メッキ層の、飛び石等による破損や泥はね等による酸化等の防止効果が高まり、耐食性に優れた製品を得る事ができる。また、従来技術では、樹脂被膜層が肉厚であったため、放熱特性や吸熱特性が低下していたが、本発明では、樹脂被膜層(３)の外周面に放射状に外周フィン(４)を突設する事で、伝熱面積を増大させているし、熱伝導性を損なう事のない程度の肉厚で樹脂被膜層(３)を形成しているので、金属材製の伝熱面と同等若しくはそれ以上の熱伝導性を得る事が可能となる。 従って、伝熱管(５)の放熱特性又は吸熱特性を高める事ができ、該伝熱管(５)の内部を流通する流体と外部を流通する流体との熱交換を効率的に行う事ができる。また、必要に応じて樹脂材にカーボンナノファイバーを含有させたり、金属材、カーボン材又はガラス材製等の粒子や繊維を含有させたり、黒色で黒体輻射効果のある樹脂材を使用した場合等には、熱伝導性を効率的に向上させて、伝熱管(５)の熱交換性能をより促進させる事ができる。

また、実施例１では、細径金属管(１)の外周に耐食メッキ層を配設しているが、メッキ処理に限らず、細径金属管(１)に、陽極酸化処理等の他の表面処理を施して耐食性を高めても良い。また、上記メッキ処理や陽極酸化処理等の表面処理作業は、伝熱管(５)の製作工程に組み込んでも良いが、予めこれらの表面処理の施された細径金属管(１)を使用しても良く、表面処理の手間を省いて伝熱管(５)の生産性を高める事ができる。また、樹脂被膜層(３)を設ける事で、十分な耐食性が得られるので、細径金属管(１)にメッキ処理や陽極酸化処理、その他の表面処理を何等施さなくても、伝熱管(５)の耐食性が損なわれる事がなく、製作工程や生産コストを少なくする事ができる。

また、細径金属管(１)の外周に樹脂材を密着コーティングして接着層(２)を形成する場合も、予め樹脂材が密着コーティングされた量産品の細径金属管(１)を使用しても良く、より低コストな実施が可能となる。

そして、上述の如き伝熱管(５)を使用した多管円筒式熱交換器(10)は、図４に示す如く、円筒状の胴管(11)の両端にチューブシート(12)を一対接続し、内部を密閉可能としている。そして、一対のチューブシート(12)間に、本実施例の伝熱管(５)を複数本、チューブシート(12)を貫通して接続配置している。また、胴管(11)の両端には、高温熱媒体流体の流入口(14)と流出口(15)とを設けたボンネット(16)を各々接続している。

また、胴管(11)には、低温熱媒体流体を熱交換部(13)に供給する導入路(17)と熱交換後の低温熱媒体流体を排出する導出路(18)を設け、熱交換部(13)内を低温熱媒体流体が流動可能としている。また、前記熱交換部(13)は、内部に複数の支持板(20)を接合配置し、この支持板(20)に設けた挿通孔(21)に伝熱管(５)を挿通する事により、バッフルプレートとして伝熱管(５)を安定的に支持するとともに、熱交換部(13)内を流動する低温熱媒体流体の流れを蛇行化し、伝熱管(５)の外表面に対する相対速度を速めている。

上記の多管円筒式熱交換器(10)では、伝熱管(５)の熱伝導性に優れた伝熱面を介して、高温熱媒体流体と低温熱媒体流体との熱交換が効率的に行われ、伝熱効果を高める事ができる。また、この優れた伝熱効果により、多管円筒式熱交換器(10)の小型化が可能となるし、軽量で廉価な本発明の伝熱管(５)を用いる事により、多管円筒式熱交換器(10)の軽量化と低コスト化も可能となる。また、この小型で軽量な多管円筒式熱交換器(10)では、狭い場所への設置も可能で、レイアウトの自由度が増すものとなる。

上記実施例１の外周フィン(４)は、管軸に平行な平板状に形成しているが、図２に示す実施例２では、外周フィン(４)を管軸に対して傾斜させて螺旋状に配設している。このような螺旋状の外周フィン(４)を形成するには、溶融押出成形装置にて外周フィン(４)を突設した樹脂被膜層(３)を押出成形する工程に於いて、細径金属管(１)をローラー等で管軸方向に一定速度で移動させる際に、当該細径金属管(１)を一方向に回転させながら移動させる。この回転移動により、細径金属管(１)の外周に樹脂被膜層(３)とともに螺旋状の外周フィン(４)が形成されるものとなる。

上記実施例２の伝熱管(５)に於いても、樹脂被膜層(３)により優れた耐食性、耐衝撃性等が得られる。更に、外周フィン(４)を軸方向に対して傾斜させて螺旋状とする事により、伝熱面積をより増大させて熱伝導性を高める事が可能となるとともに、伝熱管(５)の外周を流動する低温熱媒体流体の乱流化や撹拌効果を生じ、螺旋状に配設された複数の外周フィン(４)間に発生し易い境界層を剥離して、伝熱管(５)を介した内外流体の熱交換効率を向上させる事が可能となる。

上記実施例２では、細径金属管(１)を一方向に回転させながら樹脂材を押出す事により、螺旋状の外周フィン(４)を形成しているが、実施例３では、細径金属管(１)を一方向と他方向に交互に回転して細径金属管(１)を揺動させながら、細径金属管(１)の外周に樹脂材を押出している。このような工程で成形する事により、図３に示す如く、側面形状が正弦波状の波形とする曲面を有した外周フィン(４)が形成される。このような波形の外周フィン(４)に於いても、伝熱面積を増大させて、熱伝導性を高めるとともに、伝熱管(５)の外周を流動する低温熱媒体流体の乱流化や撹拌効果を促進して、伝熱管(５)の熱交換性能を向上させる事が可能となる。

本発明の実施例１の伝熱管の斜視図。 本発明の実施例２の伝熱管の斜視図。 本発明の実施例３の伝熱管の斜視図。 本発明の伝熱管を使用した多管円筒式熱交換器の概念図。

符号の説明

１ 細径金属管
３ 樹脂被膜層
４ 外周フィン

Claims (9)

1. 細径金属管の外周面に樹脂被膜層を設け、この樹脂被膜層の外周面に、管軸方向に長尺な連続した樹脂材製の外周フィンを複数一体に突設した事を特徴とする耐食性を有する伝熱管。
2. 外周フィンは、管軸と平行な平板状に形成した事を特徴とする請求項１の耐食性を有する伝熱管。
3. 外周フィンは、管軸に対して螺旋状に配設した事を特徴とする請求項１の耐食性を有する伝熱管。
4. 外周フィンは、管軸方向の側面形状を波形とした事を特徴とする請求項１の耐食性を有する伝熱管。
5. 樹脂被膜層は、肉厚を0.5〜1.5mmとした事を特徴とする請求項１の耐食性を有する伝熱管。
6. 細径金属管は、外表面に少なくとも１層の耐食メッキ層を設け、この耐食メッキ層の外周面に接着層を設けた事を特徴とする請求項１の耐食性を有する伝熱管。
7. 樹脂被膜層及び樹脂材製の外周フィンは、該樹脂材よりも熱伝導性の高い粒子及び／又は繊維を含有した事を特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６の耐食性を有する伝熱管。
8. 樹脂被膜層及び樹脂材製の外周フィンは、カーボンナノファイバーを含有させた事を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７の耐食性を有する伝熱管。
9. カーボンナノファイバーは、５wt%より多く３０wt%より少ない含有量で含有させた事を特徴とする請求項８の耐食性を有する伝熱管。

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