专利名称：传热管、热交换器及传热管工件的制作方法
技术领域：
本发明涉及传热管、热交换器及传热管工件。
背景技术：
作为水-冷却剂热交换器代表的自然冷却剂热泵式热水器主要是在夜间等花费 时间烧开热水，水的流速小，作为流动的分类则在整体上是层流。在这种条件下为了提高热 交换器的性能，必须提高水管的传热性能。作为对应于此的传热管有波纹管(例如，参照专 利文献1)。专利文献1记载的传热管具有主管；形成于主管的外周面且深度一定并形成于 主管内周面的波纹槽；以及由波纹槽形成的凸状部。专利文献1 日本特开2007-218486号公报。但是在专利文献1记载的传热管虽然利用波纹槽深度深的结构能够实现换热的 高性能化，但是需要得到性能更高的产品的场合，如果使波纹槽的深度更深，则会增加压力 损失。另外，如果为降低压力损失而使波纹槽的深度浅，则换热率的提高不够理想。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供与波纹槽深度一定的结构相比换热率高并且能够降 低压力损失的传热管、热交换器及传热管工件。本发明为达到上述目的，具备具有内周面及外周面的主管；以及通过在外周面 形成螺旋状的波纹槽从而形成于内周面的螺旋状的凸部，主管的内周面具有凸部的高度周 期性变化的区域。上述传热管也可以是内周面的凸部的最大高度及最小高度以分别在每一周出现 的方式形成的传热管。而且，除上述传热管外，还可以提供热交换器，该热交换器具备配置成凸部的最 大高度的部位比最小高度的部位更位于重力方向的传热管；以及以与凸部的最大高度的部 位接触的方式配置在传热管内的冷却剂管。并且，还可以提供一种热交换器，该热交换器具备配置成凸部的最大高度的部位 比最小高度的部位位于重力方向的传热管；以及以与外周面的对应于凸部的最大高度的部 位的部分接触的方式配置冷却剂管。而且，还可以提供将上述传热管以使形成有凸部的最小高度的部位侧的外周面的 曲率半径比形成有凸部的最大高度的部位侧的外周面的曲率半径小的方式进行弯曲加工 的传热管工件。根据上述各结构，可以在由波纹槽形成的凸部的高度高的部分实现提高传热性 能，另一方面，可以在由波纹槽形成的凸部的高度低的部分实现降低压力损失。
图1是本发明的第一实施方式的传热管的纵向剖视图。图2表示本发明的第一实施方式的传热管的制造方法的一例，图2(a)是表示第一 制造方法的图，图2(b)是表示第二制造方法的图，图2(c) (e)是表示用于第三制造方法 的圆板的图。图3(a)是应用了表示本发明的第二实施方式的热交换器的热泵式热水器的图， 图3(b)是热交换器10的纵向剖视图。图4是本发明的第三实施方式的热交换器10的概要图。图5(a)是本发明的第四实施方式的传热管1的纵向剖视图，图5(b)是传热管工 件4的纵向剖视图。图中1-传热管，2-主管，2a_内周面，2b-外周面，3_波纹槽，4_传热管工件，5_圆板， 10-热交换器，11-冷却剂管，12-减压器，13-配管，14-吸热器，15-压缩器，20-中心轴， 31-凸部，31a-最大高度部位，31b-最小高度部位，50-圆板中心，51-旋转轴，52-旋转轴和 中心轴的距离，53-圆板基准半径，100-热泵式热水器。
具体实施例方式第一实施方式图1表示本发明的第一实施方式的传热管的纵向截面的概要。该传热管1具备 具有内周面加及外周面2b的主管2 ；以及通过在外周面2b形成螺旋状的波纹槽3从而形 成于主管2的内周面加的螺旋状的凸部31，主管2的内周面加具有凸部31的高度周期性 变化的区域。并且，“凸部的高度周期性变化”是指凸部的最大高度位置及最小高度(包含零) 位置分别沿凸部周期性出现地进行变化，例如，也可以每n(n是整数)周出现最大值。在本 实施方式中，η = 1。“凸部的高度周期性变化的区域”可以在全长范围设置，也可以设于除去两端的部 分，也可以设在多处。在本实施方式中，在全长范围设置。在本实施方式中，周期性存在由波纹槽3形成的凸部31的高度最高的部分、最大 高度部位31a (以后称为凸部31的最大高度部位31a或简称为最大高度部位31a)，该高度 设定为Hcl。与该部分对应的外周面2b的波纹槽3则变深。另一方面，周期性存在由波纹槽3形成的凸部31的高度最低的部分、最小高度部 位31b (以后称为凸部31的最小高度部位31b或简称为最小高度部位31b)，该高度设定为 Hc2。与该部分对应的外周面2b的波纹槽3则变浅。并且，最大高度Hcl、最小高度Hc2是根据距主管2的内周面加的高度来定义的， 不用考虑主管2的厚度(以后，也称为底壁厚Tw)。按照主管2的外径0D、底壁厚Tw、假想的流动状态、要求的压力损失的降低率，能 够使最小高度Hc2为0 0. 1mm。同样地，能够使最大高度Hcl为0. 3 0. 5mm。而且，能 够使Hc2与Hcl的比Hc2/Hcl为0 0. 2。而且，能够使最大高度Hcl与主管的外径OD的比Hcl/OD为0. 03 0. 06，并且使最小高度Hc2与主管的外径OD的比Hc2/0D为0 0. 02。在图1中，以如下方式在主管2上周期性形成波纹槽3，在主管2的内周面加上的 与轴平行的部分的凸部31的高度不变化的场合即，以出现凸部31的最大高度Hcl的方式 切开多个主管2的截面的场合，相同的部分总是成为最高。由波纹槽3形成的凸部31从最 大高度Hcl向最小高度Hc2逐渐地变化。本实施方式的具体尺寸的一例是，主管2的外径OD为9. 53mm,主管2的底壁厚Tw 为0. 7mm,最大高度Hcl为0. 5mm,最小高度Hc2为0. 1mm。 而且，在本实施方式中，采用在具有最大高度Hcl的最大高度部位31a和具有最小 高度Hc2的最小高度部位31b之间形成螺旋状的凸部31的高度连续地减少或连续地增加 的形状，但在两者之间也可以在Hcl和Hc2之间的高度范围内附加高低。例如，也可以以进 一步提高换热率为目的，在具有最大高度Hcl的最大高度部位31a的周边形成多个高度较 高的部分。另外，最大高度Hcl和最小高度Hc2的出现周期也可以不相同。例如，Hcl的周期 为Hc2的周期的两倍，位于彼此邻接的Hcl的中间的凸部的高度Hc3也可以是满足Hcl > Hc3彡Hc2的高度。下面，说明传热管1的材质等。传热管1由传热性良好的材料构成。例如，可以由铜、铜合金、铝或铝合金等金属 形成。接着，说明制造方法。图2表示传热管1的制造方法的一例。第一制造方法作为第一制造方法，如图2(a)所示，使波纹形成用的圆盘状的圆板5在相对于与 主管2的中心轴20垂直的方向倾斜的状态下一边连续地压入主管2 —边旋转，同时在主管 2的周围公转，并以规定的速度拔出主管2从而能够形成波纹槽3，其中，该主管2由平滑管 即相对管轴垂直地剖切时内周面的断面为圆的管构成。S卩，将波纹形成用的圆盘状的圆板5的中心50作为圆板的旋转轴51，通过一边使 该旋转轴51和主管的中心轴20的距离52变化一边如上述地形成波纹槽3，从而能够形成 凸部31的高度变化的传热管1。在这里，圆板5的直径和倾斜角度可以由主管2的拔出速度、主管2的外径0D、旋 转轴51和中心轴20的距离52及希望的波纹槽间距Pd来决定。第二制造方法第二制造方法如图2(b)所示，使波纹成形用的圆板5的旋转轴51从圆板的中心 50偏离，并在将该旋转轴51距主管2的中心轴20的距离52保持固定且使圆板5相对于与 主管2的中心轴20垂直的方向倾斜的状态下一边连续地压入主管2 —边旋转，同时在主管 2的周围公转，并以规定的速度拔出主管2从而能够形成波纹槽。第三制造方法第三制造方法是圆板5的形状使用圆以外形状的方法。例如，如图2(c)所示，使 用绕主管2的外周面上2b—圈的距离与圆板的圆周的一半相同的椭圆状圆板，将旋转轴51 和主管2的中心轴20的距离52保持固定的同时在使圆板5相对于与主管2的中心轴20
5垂直的方向倾斜的状态下一边连续地压入主管2 —边旋转，同时在主管2的周围公转，并以 规定的速度拔出主管2从而能够形成波纹槽。另外，如图2 (d)所示，使用波纹形成用的圆板5的一部分比圆板的基准半径53短 的形状的圆板5，将旋转轴51和主管2的中心轴20的距离52保持固定的同时在使圆板5 相对于与主管2的中心轴20垂直的方向倾斜的状态下一边连续地压入主管2 —边旋转，同 时在主管2的周围公转，并以规定的速度拔出主管2从而能够形成波纹槽。反过来，如图2(e)所示，使用波纹形成用的圆板5的一部分形成为比圆板的基准 半径53长的圆板5，将旋转轴51和主管2的中心轴20的距离52保持固定的同时在使圆板 5相对于与主管2的中心轴20垂直的方向倾斜的状态一边连续地压入主管2 —边旋转，同 时在主管2的周围公转，并以规定的速度拔出主管2从而能够形成波纹槽。并且，也可以组合上述方法来形成。例如，通过组合第一制造方法和第二制造方 法，从而能够做成加工图案自由度更高的结构。下面说明本实施方式的效果。在凸部31的高度高的部分，即具有最大高度Hcl的最大高度部位31a的周边，水 的搅拌变大，可以提高传热，另一方面，在凸部31的高度低的部分，即具有最小高度Hc2的 最小高度部位31b的周边，可以将压力损失的增大抑制在最小限度。并且，在流量小的层流附近(例如，雷诺系数在5000以下)使用时，可以期待由前 缘效果(anterior border effect)得到的传热率的提高。第二实施方式图3(a)表示应用了本发明的第二实施方式的热交换器的热泵式热水器的结构。下面说明结构。热泵式热水器100是具有使用第一实施方式的传热管1的热交换器10且在该热 交换器10内通过对水传递来自冷却剂管11的热从而供给热水的装置。在热交换器10内被 夺取热量后的低温高压的冷却剂在减压器12内以低温低压的状态通过配管13，在吸热器 14内成为高温低压的状态，在压缩器15内成为高温高压的状态，再次返回到热交换器10。图3(b)表示图3(a)的热交换器10的一例。热交换器10在以每一周出现主管2 内周面加的凸部31的最大高度Hcl及最小高度Hc2的方式形成波纹槽3的传热管1的内 部，即在以平行于主管2内周面加上的轴之处的凸部31的高度不变化的方式形成波纹槽 3的传热管1的内部，配置有用于使冷却剂通过的冷却剂管11。作为冷却剂管11可以使用利用铜等导热性好的材料的平滑管或带内面槽的管 等。并且，也可以使用具有对冷却剂管11内的冷却剂和与冷却剂一起循环的冷冻机油的泄 漏检测功能的管。例如，可以使用在平滑管或带内面槽的管的厚度部分设置多个泄漏检测 路径的冷却剂管11。该结构一般在对流到传热管1内的水要求安全性的场合，更具体地说， 在不允许冷却剂管11内的冷却剂和与冷却剂一起循环的冷冻机油向传热管1内泄漏的场 合采用。而且，在传热管1中，具有最大高度Hcl的最大高度部位31a位于最低处，即朝向 重力方向。并且，在传热管1内作为内管插入冷却剂管11。这时，冷却剂管11配置成在传 热管1内与其下部接触。传热管1和冷却剂管11在两端部由钎焊被固定。换句话说，冷却剂管11在其断面的下方，在传热管1的内侧与传热管1接触的同时，被固定成传热管1侧的接点成为具有最大高度Hcl的最大高度部位31a。下面说明热交换器的作用。使冷却剂在作为内管的冷却剂管11内流动，使水在由作为外管的传热管1和冷却 剂管11的外壁形成的空间流动。由于内周面加和冷却剂管11之间的距离近，因此传热管 1内下方(即重力方向)对主管2内的水和冷却剂管11的冷却剂之间的换热有贡献。在该 部分，由于成为凸部31的高度高的部分(具有最大高度Hcl的最大高度部位31a的周边)， 因此水被充分地搅拌，与由冷却剂管的配置得到的效果相互作用，可以进一步地较高维持 换热率。另一方面，由于传热管1内上方与冷却剂管11的距离比传热管1内下方和冷却剂 管11之间的距离远，因此对换热贡献的比例少。因此，使凸部31的高度比传热管下方的凸 部31低，从而实现降低压力损失。下面说明本实施方式的效果。如上所示，传热管1与平滑管、由波纹槽形成的凸部的高度一定的管相比，可以提 高从流动于管内的液体向管的传热率。尤其是，如自然冷却剂热泵式热水器的水管那样，在 小流量时，其性能的提高会明显。而且，在配置在同心圆上的通常的套管热交换器中，将内管保持在外管的中空较 为困难，由于重力有会位于管内下方的情况。这时，作为外管的传热管1和内管接触妨碍水 的流动，担心牵连到换热率的降低和压力损失的急增。另一方面，根据本实施方式，由于凸 部31中还形成具有最大高度Hcl的最大高度部位31b，所以即使内管和外管的内周面接触， 也不会担心使换热率降低，倒是可以提高换热率。因此，可以预先以内管(即，冷却剂管11) 与其接触的状态进行固定。由此，可以使固定结构变得简单，而且，还可以适用于长尺寸的 管。并且，通过形成这种结构，从而成功发挥了“在传热管1的下方提高传热性能，在 上方降低压力损失”这一相斥的效果。一般，由波纹槽3形成的凸部31的高度高的结构传 热性能变高，但随着由波纹槽3形成的凸部31的高度变高，压力损失也变大，导致传热性能 的提高和压力损失不能并存。因此，考虑压力损失时，可采用的凸部31的高度也产生限度。 另一方面，使用该结构的场合，提高对热交换器性能提高贡献大的部分的传热性能，贡献少 的部分可以抑制压力损失的上升。而且，强烈希望降低压力损失的场合，例如像无法增大外径OD而必须采用底壁厚 Tw比较厚的结构的时候那样担心增大压力损失的场合，使处于离冷却剂管11远的位置的 最小高度Hc2为零，实质上不进行槽加工也可以。第三实施方式图4表示第三实施方式的热交换器。本实施方式的传热管不是使冷却剂管11与 传热管1的内侧邻接而是与传热管1的外侧邻接。S卩，冷却剂管11与传热管1的下方的外周面2b邻接地设置。与传热管1的凸部31 的最大高度部位31a对应的外周面2b，即波纹槽3的最深部位与冷却剂管11接触。使用该 结构的场合，由于冷却剂管11不会直接地与水接触，因此没有必要具有泄漏检测路径。由 此，可以将一般的平滑管或带内面槽的管作为冷却剂管11来采用，可以实现谋求成本的降 低。
在这里，“接触”也包含通过钎焊材料或其他导电性高的部件等配置冷却剂管11的 场合。第四实施方式图5表示本发明的第四实施方式的传热管工件的制造方法的一例。首先，形成第 一实施方式的管轴为直线的传热管1。将该传热管1如图5(b)所示地进行弯曲加工而形成 传热管工件4。弯曲加工形成最小高度部位31b侧比最大高度部位31a侧在弯曲加工后曲 率半径小。利用该弯曲加工，曲率半径小侧的最小高度部位31b变得比最小高度Hc2高，曲率 半径大侧的最大高度部位31a变得比最大高度Hcl低。如果将与弯曲加工前的最大高度Hcl和最小高度Hc2对应的弯曲加工后的凸部的 高度分别设定为Hc3及Hc4，则以Hcl和Hc2之差比Hc3和Hc4之差大的方式并按照距弯曲 加工后的曲率中心的距离预先变化地形成由波纹槽3形成的凸部31的高度即可。Hcl和 Hc2的具体值按照曲率半径、主管2的外径0D、底壁厚Tw决定即可。并且，在将与弯曲加工前的凸部的高度Hcl及Hc2对应的弯曲加工后的凸部的高 度设定为Hc3及Hc4时，也可以形成Hc3 — Hc4。下面说明本实施方式的效果。在使用通常的波纹管，S卩、使弯曲加工前的凸部的高度同样地高的传热管的场合， 弯曲加工后曲率半径小的部分的凸部会过于突出，会产生局部的紊流。因此，由此导致压力 损失过于增大。相对于此，本实施方式的传热管工件在曲率半径小的部分，即在弯曲的内侧 的凸部不会过于突出。另外，在使弯曲加工前的凸部的高度同样地低的场合，曲率半径大的部分变得平 坦，换热率恶化。相对于此，在本实施方式的传热管工件中，由于曲率半径大的部分，即弯曲 的外侧的凸部保持适当的高度，因此可以较高地维持换热率。实施例1下面，对第四实施方式的实施例1进行说明。作为实施例1的传热管工件、比较例 1、2的传热管工件，分别制作了具备表1所示的结构的传热管工件。实施例1的传热管工件4使用形成弯曲加工前的高度分别为Hcl = 0. lmm、Hc2 = 1. Omm的波纹槽3的传热管1，之后使Hc2为曲率半径小侧、Hcl为曲率半径大侧地实施弯曲 加工，制作传热管工件4。这时，弯曲加工后的高度Hc3及Hc4的高度为0. 5mm，变成相同。另一方面，比较例1使用弯曲加工前的凸部的最大高度Hcl和最小高度Hc2 —致 地形成波纹槽3的传热管，实施弯曲加工制作传热管工件。而且，作为比较例2，对平滑管进 行弯曲加工制成传热管工件。表 权利要求
1.一种传热管，其特征在于，具备具有内周面及外周面的主管；以及通过在上述外周面形成螺旋状的波纹槽从而形成于上述内周面的螺旋状的凸部，上述主管的内周面具有上述凸部的高度周期性变化的区域。
2.根据权利要求1所述的传热管，其特征在于，上述内周面的凸部的最大高度及最小高度以分别在每一周出现的方式形成。
3.根据权利要求2所述的传热管，其特征在于，在上述凸部，上述最小高度Hc2对上述最大高度Hcl的比Hc2/Hcl为0 0. 2。
4.根据权利要求2或3所述的传热管，其特征在于，上述最大高度Hcl和上述主管的外经OD的比Hcl/OD为0. 03 0. 06，并且上述最小高 度Hc2和上述主管的外径OD的比Hc2/0D为0 0. 02。
5.一种热交换器，其特征在于，具备配置成上述凸部的上述最大高度的部位比上述最小高度的部位更位于重力方向 的权利要求2所述的传热管；以及以与上述凸部的上述最大高度的部位接触的方式配置在上述传热管内的冷却剂管。
6.一种热交换器，其特征在于，具备配置成上述凸部的上述最大高度的部位比上述最小高度的部位更位于重力方向 的权利要求2所述的传热管；以及以与上述外周面的对应于上述凸部的上述最大高度的部位的部分接触的方式配置的 冷却剂管。
7.一种传热管工件，其特征在于，将权利要求2所述的传热管以使形成有上述凸部的上述最小高度的部位侧的外周面 的曲率半径比形成有上述凸部的上述最大高度的部位侧的外周面的曲率半径小的方式进 行弯曲加工。
8.一种传热管工件，其特征在于， 将权利要求3或4所述的传热管以使形成有上述凸部的上述最小高度的部位侧的外周 面的曲率半径比形成有上述凸部的上述最大高度的部位侧的外周面的曲率半径小的方式 进行弯曲加工。
全文摘要
本发明的目的在于提供与波纹槽深度一定的结构相比换热率高且能够降低压力损失的传热管、热交换器及传热管工件。本发明的传热管(1)具备具有内周面(2a)及外周面(2b)的主管(2)；以及通过在外周面(2b)形成螺旋状的波纹槽(3)从而形成于主管(2)的内周面(2a)的螺旋状的凸部(31)，主管(2)的内周面(2a)具有凸部(31)的高度分别周期性变化的区域。
文档编号B21D53/06GK102072683SQ20101055243
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月17日 优先权日2009年11月18日
发明者北岛宽规, 堀口贤 申请人:日立电线株式会社