(57)【要約】【課題】スパイラルフィン付チューブにおいて、スパイラルフィンを最適な材料で形成することで品質の向上を図る。【解決手段】チューブ１２の外周部に帯形状をなすフィン１３が螺旋状に巻き付けられ、溶接により固定されてスパイラルフィンが形成されるスパイラルフィン付チューブ１１において、フィン１３を、チューブ１２への巻き付け時のひずみが１．５以下で、このときの引張応力が３００ＭＰａ〜３５０ＭＰａの範囲にある材料により形成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チューブの外周部に帯形状をなすフィンが螺旋状に巻き付けられ、溶接により固定されてスパイラルフィンが形成されるスパイラルフィン付チューブにおいて、
前記フィンは、前記チューブへの巻き付け時のひずみが１．５以下で、このときの引張応力が３００ＭＰａ〜３５０ＭＰａの範囲にある材料により形成される、
ことを特徴とするスパイラルフィン付チューブ。
【請求項２】
前記チューブに対する前記フィンの溶着度が８０％〜９０％に設定されることを特徴とする請求項１に記載のスパイラルフィン付チューブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に設けられるスパイラルフィン付チューブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
チューブ型の熱交換器は、多数のチューブが配置され、このチューブの内部を流れる流体とシェル内を流れる流体との間で熱交換を行うものである。このような熱交換器は、熱伝達効率を高めるために、チューブの外周にスパイラル状にフィンを巻き付けられている。一般的に、スパイラルフィン付チューブは、チューブの外周部に螺旋状にフィンを巻き付け、溶接により固定している。
【０００３】
このようなスパイラルフィン付チューブとしては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−２９３５４０号公報
【特許文献２】特開平０８−３３２５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
排ガスボイラは、上述したスパイラルフィン付チューブを有する熱交換器が適用されている。この場合、スパイラルフィン付チューブの外側を流れる高温の排ガスは、温度が６００℃以下であり、フィン及びチューブにフェライト系の耐熱材料が適用されている。しかし、排ガスボイラにおける熱効率向上に伴って排ガスの温度が６００℃以上に上昇すると、材料強度及び耐酸化特性が不十分となる。そこで、高温強度及び耐酸化特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼のチューブとフェライト系フィンとを組み合わせることが考えられる。ところが、チューブとフィンの各材料の熱膨張差に起因したフィン溶着部の剥離が生じてしまうおそれがある。一方で、熱膨張差の少ないステンレス鋼（ＳＵＳ材）のフィンを適用することも考えられるが、チューブへのフィン巻き付け時に加工硬化などによりフィン溶着部で接合不良が発生しやすい。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、スパイラルフィンを最適な材料で形成することで品質の向上を図るスパイラルフィン付チューブ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】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明のスパイラルフィン付チューブは、チューブの外周部に帯形状をなすフィンが螺旋状に巻き付けられ、溶接により固定されてスパイラルフィンが形成されるスパイラルフィン付チューブにおいて、前記フィンは、前記チューブへの巻き付け時のひずみが１．５以下で、このときの引張応力が３００ＭＰａ〜３５０ＭＰａの範囲にある材料により形成される、ことを特徴とするものである。
【０００８】
従って、フィンを高延性に優れた材料により形成することで、チューブに対するフィンの高さを十分に高くして溶接することができ、伝熱効率を向上することができる。また、延性に優れていることから、チューブに対してフィンを健全に溶接することができ、接合不良を防止することができ、残留応力の蓄積を低減することで応力緩和時に溶接部の剥離を抑制することができる。その結果、スパイラルフィンを最適な材料で形成することで、チューブの品質を向上することができる。
【０００９】
本発明のスパイラルフィン付チューブでは、前記チューブに対する前記フィンの溶着度が８０％〜９０％に設定されることを特徴としている。
【００１０】
従って、チューブに対するフィンの溶着度を低く抑えることで、チューブに対するフィン溶接の健全性を確保することができ、加工性を向上して接合不良を防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のスパイラルフィン付チューブによれば、スパイラルフィンを最適な材料で形成するので、チューブの品質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本実施形態のスパイラルフィン付チューブを表す概略図である。
【図２】図２は、チューブの外径及びフィンの高さを説明するための概略図である。
【図３】図３は、フィンの高さ及びチューブの外径に対する引張応力を表すグラフである。
【図４】図４は、フィンのひずみと引張応力と溶着度の関係を表すグラフである。
【図５】図５は、フィンの溶着度を説明するためのフィンの形状を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、本発明に係るスパイラルフィン付チューブの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
【００１４】
図１は、本実施形態のスパイラルフィン付チューブを表す概略図である。
【００１５】
スパイラルフィン付チューブ１１は、円筒形状をなして所定長さに設定されたチューブ１２と、帯形状をなしてこのチューブ１２の外周部に螺旋状に巻き付けられてスパイラルフィンを構成するフィン１３とから構成されている。
【００１６】
即ち、フィン１３は、所定高さで所定の長さに設定され、高さ方向における一方の端面がチューブ１２の外周面に密着するように、チューブ１２の外周部に螺旋状に巻き付けられ、溶接（溶接部１４）により固定されている。
【００１７】
図２は、チューブの外径及びフィンの高さを説明するための概略図、図３は、フィンの高さ及びチューブの外径に対する引張応力を表すグラフであり、フィンの材料における０．２％耐力の関係線図である。
【００１８】
図２に示すように、チューブ１２の外径をＤ１（Ｄ２）、フィン１３の高さをＨ１（Ｈ２）としたときのフィン１３に作用する引張応力について検討する。フィン１３をチューブ１２の外周部に巻き付けるとき、フィン１３が内周側（チューブ１２に取付けられる側）を起点として湾曲するように変形する必要がある。そのため、フィン１３は、内周側（チューブ１２に取付けられる側）に対して外周側に引張応力が作用し、弾性変形すると共に塑性変形する一方、弾性変形によりスプリングバックが発生する。そのため、フィン１３とチューブ１２との溶接部１４に対して両者を剥離させる力が作用する。
【００１９】
図３に示すように、チューブ１２の外径をＤ１とし、フィン１３の高さがＨ１であるとき、引張応力はＡ１となり、フィン１３の高さをＨ１より高いＨ２とすると、引張応力は、Ａ１より増加したＡ３となる。即ち、フィン１３の高さがＨ１からＨ２と高くなると、フィン１３を湾曲変形させるとき、外周側に作用する引張応力が大きくなり、弾性変形量と塑性変形量が大きくなる一方、弾性変形によりスプリングバック量も大きくなる。そのため、フィン１３とチューブ１２とを溶接部１４で剥離させる力も増加する。
【００２０】
そして、チューブ１２の外径をＤ２としたとき、フィン１３の高さがＨ１であると、引張応力はＡ１より大きいＡ２となり、フィン１３の高さがＨ２であると、引張応力は、Ａ３より大きいＡ４となる。即ち、チューブ１２の外径がＤ１からＤ２と小さくなると、フィン１３を湾曲変形させるとき、外周側に作用する引張応力が大きくなり、弾性変形量と塑性変形量が大きくなる一方、弾性変形によりスプリングバック量も大きくなる。そのため、フィン１３とチューブ１２とを溶接部１４で剥離させる力も増加する。
【００２１】
溶着度は、チューブ１２に溶接によりフィン１３を固定したとき、予め設定された強度を確保するために必要な閾値（例えば、溶接面積）である。フィン１３とチューブ１２とを溶接部１４で剥離させる力が増加すると、この溶着度も増加する。
【００２２】
本実施形態にて、フィン１３は、チューブ１２への巻き付け時のひずみが１．５以下で、このときの引張応力が３００ＭＰａ〜３５０ＭＰａの範囲にある材料により形成される。このとき、チューブ１２に対するフィン１３の溶着度が８０％〜９０％に設定される。そして、フィン１３の材料は、高延性のステンレス鋼である。
【００２３】
従来のフィンは、延性材として、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を材料として使用するものであるが、本実施形態のフィン１３は、高延性材として、上述した材料を使用するものである。この高延性材としては、例えば、加工用オーステナイト系ステンレス鋼  ＮＳＳ  ３０４Ｍ２（商品名／日新製鋼、主成分１６．５Ｃｒ−７Ｎｉ−１．５Ｓｉ−２Ｃｕ−ＬＣ）である。なお、高延性材としての組成は、この実施形態に限定されるものではない。
【００２４】
図４は、フィンのひずみと引張応力と溶着度の関係を表すグラフ、図５は、フィンの溶着度を説明するためのフィンの形状を表す概略図である。
【００２５】
図４の右側のグラフは、延性材（従来）Ｂと高延性材（本実施形態）Ａの引張特性を応力−ひずみ曲線で示したものである。延性材Ｂ及び高延性材Ａは、引張応力δの増加に伴ってひずみεが増加する。この場合、引張応力δの増加に伴ってひずみεが直線的に増加する弾性域（弾性変形）を超えると、降伏点（０．２％耐力）から、引張応力δの増加に伴ってひずみεが曲線的に増加する塑性域（塑性変形）に至る。このとき、降伏点（０．２％耐力）における応力δは、延性材Ｂに比べて高延性材Ａの方が低くなる。即ち、延性材Ｂの降伏点（０．２％耐力）における応力δは、２８０ＭＰａ、引張強さは、６５０ＭＰａである。一方、高延性材Ａの降伏点（０．２％耐力）における応力δは、２２０ＭＰａ、引張強さは、５５０ＭＰａである。
【００２６】
その結果、延性材Ｂと高延性材Ａは、引張特性が相違するものであり、高延性材Ａは、延性材Ｂに比べて、低応力で永久ひずみになることが認められる。即ち、高延性材Ａをフィン１３に適用した場合、チューブ１２に対してフィン１３を巻き付けるとき、低応力で弾性ひずみから永久ひずみに変わることができ、延性材Ｂよりも、フィン１３の巻き付けを良好に実施することができる。
【００２７】
そして、本実施形態では、フィン１３をチューブ１２に巻き付けるときのひずみを１．５以下に設定している。なお、このひずみ量のしきい値（１．５）の設定は、実際に使用されるチューブ１２の外径とフィン１３の高さを考慮し、下記数式で算出して設定した。ここで、ひずみは、ε、チューブ外径は、Ｄ、フィン高さは、Ｈである。
ε=（２×（Ｄ＋Ｈ）×π）／２×（Ｄ×π）
【００２８】
図４の左側のグラフは、延性材（従来）Ｂと高延性材（本実施形態）Ａの引張応力δ１，δ２に対する溶着度を表すものである。溶着度は、一般的に、フィン１３の伝熱の観点から、８０％〜９０％を満足する必要性がある。本実施形態では、フィン１３をチューブ１２に巻き付けるときのひずみδ１，δ２＝１．５に対して、溶着度８０％〜９０％を満足するフィン１３を巻き付けるときの引張応力は、実験の結果から、３００ＭＰａ〜３５０ＭＰａが必要である。即ち、高延性材Ａのひずみδ２＝１．５に対する応力は、３５０ＭＰａ以下であり、このときの溶着度ａ１は、９０％以下となる。一方、延性材Ｂのひずみδ１＝１．５に対する応力は、５５０ＭＰａ以下であり、このときの溶着度ａ２は、１００％を超えてしまう。
【００２９】
なお、図５に示すように、フィン１３の高さをｈ、チューブ１２から２ｈ／３の位置のフィン１３の厚さをｔ、溶接部１４の長さをＬとすると、下記数式により溶着度ａが算出される。
ａ＝Ｌ／ｔ×１００
そして、高延性材Ａで構成したフィン１３の引張試験後の破断した強度は、５２０ＭＰａ程度であることから、安全率を考慮すると、３００ＭＰａ〜３５０ＭＰａのフィン１３の溶着強度（引張応力）であれば、溶着度８０％〜９０％を確保することができる。
【００３０】
このように本実施形態のスパイラルフィン付チューブにあっては、チューブ１２の外周部に帯形状をなすフィン１３が螺旋状に巻き付けられ、溶接により固定されてスパイラルフィンが形成されるスパイラルフィン付チューブ１１において、フィン１３を、チューブ１２への巻き付け時のひずみが１．５以下で、このときの引張応力が３００ＭＰａ〜３５０ＭＰａの範囲にある材料により形成している。
【００３１】
従って、チューブ１２に対するフィン１３の高さを十分に高くして溶接することができ、伝熱効率を向上することができる。また、フィン１３が延性に優れていることから、チューブ１２に対してフィン１３を健全に溶接することができ、接合不良を防止することができ、残留応力の蓄積を低減することで応力緩和時に溶接部１４の剥離を抑制することができる。その結果、スパイラルフィンを最適な材料で形成することで、スパイラルフィン付チューブ１１の品質を向上することができる。
【００３２】
本実施形態のスパイラルフィン付チューブでは、チューブ１２に対するフィン１３の溶着度を８０％〜９０％に設定している。従って、チューブ１２に対するフィン１３の溶着度を低く抑えることで、チューブ１２に対するフィン１３溶接の健全性を確保することができ、加工性を向上して接合不良を防止することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１１  スパイラルフィン付チューブ
１２  チューブ
１３  フィン
１４  溶接部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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