JP2004069255A

JP2004069255A - 多管式熱交換器

Info

Publication number: JP2004069255A
Application number: JP2002232706A
Authority: JP
Inventors: Yasufumi Sakakibara; 榊原　康文; Atsuyoshi Mochizuki; 望月　厚芳
Original assignee: Maruyasu Industries Co Ltd
Current assignee: Maruyasu Industries Co Ltd
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【目的】多管式熱交換器組み立て体をろう付け炉を通過させてろう付け結合により製造を行う際に、伝熱管及び／又はシェルに変形が発生するおそれがない多管式熱交換器を提供すること。
【構成】第一流体が通過する複数本の伝熱管からなる伝熱管群１１４、１１４・・・と、第二流体が通過するシェル１１６とを備え、伝熱管群が、それらの両端を一対のチューブシート１１８、１１８に保持させて配設されてなる多管式熱交換器１１２。伝熱管群１１４、１１４…、チューブシート１１８、シェル１１６等の一体化が基本的にろう付けする。シェル１１６を横断分割して、該分割接合部１１７を溶接（ろう付けを除く。）する。
【選択図】　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第一流体が通過する内管（伝熱管）群と、第二流体が通過する外管（シェル）とを備え、複数本の伝熱管群が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板（チューブシート）に保持させて配設されてなる多管式熱交換器及びその製造方法に関する。特に、伝熱管群に高速の高温ガス（気体）を、シェル（外管）に冷却水（液体）を通過させて熱交換を行う熱交換器、例えば、内燃機関の排気ガスを冷却水により冷却する排気冷却器（高度の熱交換能が要求される）等に好適な発明である。
【０００２】
【背景技術】
上記のごとく高度の熱交換が要求されるものには、図１・２に示すような多管式熱交換器１２が多用されている。
【０００３】
すなわち、第一流体（高温ガス）が通過する複数本（多数本）の内管（伝熱管群）１４、１４…と、第二流体（冷却水）が通過する外管（シェル、胴体）１６とを備え、伝熱管群１４、１４…が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板（チューブシート）１８、１８に保持されて配設されている。図例では、シェル１６の内部に多数本の伝熱管群１４、１４…が、シェル１６両端の導入側・排出側保持板（チューブシート）１８、１８を介して配設されている。シェル１６の両端には円錐台状の導入側・排出側整流筒部（整流部）２２、２４を介してフランジ２６ａ、２８ａ付きの導入・排出口（接続パイプ）２６、２８を備えて、伝熱管群１４、１４…内を第一流体（高温ガス）が通過可能となっている。また、シェル１６の上下には、導入・排出ノズル３０、３２を備え各伝熱管１４の外側に第二流体（冷却水）が通過可能となっている。
【０００４】
しかし、図１・２に示すような多管式熱交換器１２は、熱交換効率を増大させようとして伝熱管１４の数を増やすと、冷却水の流れ抵抗の増大、又は、ガス流速の低下とそれに伴う熱伝達率の低下等により、結果的に、熱交換効率の増大が図り難かった。
【０００５】
また、上記多管式熱交換器１２は、製造工数が嵩み、且つ、重量も増大傾向にあった。
【０００６】
本発明者らは、上記にかんがみて、熱交換効率の増大が容易であり、且つ、製造工数を削減可能な多管式熱交換器を提供することを目的として、下記構成の多管式熱交換器を先に提案した（特願２００１−１５６７０３：出願時未公開）。
【０００７】
「第一流体が通過する内管（伝熱管）群と、第二流体が通過する外管（シェル）とを備え、複数本の伝熱管群が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板（チューブシート）に保持させて配設されてなる多管式熱交換器において、
前記伝熱管が、伝熱管本体のみからなり、該伝熱管本体の縦渦流発生手段が配されていることを特徴とする。」
そして上記各構成の多管熱交換器を製造は、通常、下記の如く行っていた。
【０００８】
すなわち、伝熱管群をチューブシートにカシメ結合させた後、ろう剤を塗布して伝熱管群ユニットとし、さらに、シェル、導入側・排出側整流筒部（整流部）、及び導入・排出口（接続パイプ）等を仮付けし（例えばＴＩＧ溶接）、ろう材を塗布した熱交換組み立て体（アセンブリ）を、ろう付け炉（真空炉）でろう付けする。
【０００９】
このろう付けにより製造すると、伝熱管及び／又はシェルの変形が発生することがあった。この伝熱管及び／又はシェルの熱変形は、修正作業ないし不良品発生となり全体として生産効率の低減につながった。
【００１０】
【発明の開示】
本発明は、上記にかんがみて、多管式熱交換器組み立て体をろう付け炉を通過させてろう付け結合により製造を行う際に、伝熱管及び／又はシェルに変形が発生するおそれがない多管式熱交換器及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明者らは、上記変形の理由が、下記の如くであると推定して本発明の下記多管式熱交換器に想到した。
【００１２】
ろう付けに際しては、ろう材を均一の回すことを目的として、熱交換器全体において均熱状態を作り出す。十分に均熱した後に冷却工程を経てろう付けは完了するのだが、この冷却工程においてシェル側と伝熱管側で冷却速度の違いが発生して結果としてそれに伴う変形が引き起こされることがあった。すなわち、冷却工程においてシェル側が伝熱管側に比して相対的に早く冷却されるので伝熱管側との温度差が数百度に達する場合があり、ろう付け後に大きな残留応力が発生したり、その応力によって熱交換器に変形が現れる。
【００１３】
この傾向は、シェル断面及び伝熱管断面が矩形である場合、より顕著である。断面矩形である場合真円断面に比して応力分布が遍在し易いためである。
【００１４】
第一流体が通過する内管（伝熱管）群と、第二流体が通過する外管（シェル）とを備え、複数本の伝熱管からなる伝熱管群が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板（チューブシート）に保持させて配設されてなり、
伝熱管群、チューブシート及び外管の一体化がろう付けされてなる多管式熱交換器において、
シェルが横断分割されて、該分割接合部が溶接されてなることを特徴とする。
【００１５】
シェルを横断分割することにより、ろう付け時においてシェル側の熱伸縮の影響を伝熱管群ユニットが受けるとこなく、すなわち、長手方向の熱応力を緩和でき、シェル及び／又は伝熱管群に熱応力変形の発生のおそれがなくなる。
【００１６】
上記構成において、シェルの分割接合部を重合接合とすることが望ましい。
【００１７】
重合接合とすることにより、該分割接合部の後溶接が容易となる。
【００１８】
また、チューブシートをシェルに嵌合する扁平筒部と該扁平筒部の端部が係合するストッパ部を備えたものとすることが、伝熱管群ユニットとシェルの相対的位置決めが容易となる。
【００１９】
そして、伝熱管の断面を略矩形とするとともに、シェル断面を略矩形とすることが望ましい。ろう付け製造において、変形が発生し易い構成であるため、本発明の効果が顕著となる。また、同一形状（寸法）の伝熱管を使用でき、製造工数の削減にさらに寄与する。
【００２０】
上記構成の多管式熱交換器の製造方法は、下記構成となる。
【００２１】
第一流体が通過する内管（伝熱管）群と、第二流体が通過する外管（シェル）とを備え、複数本の伝熱管群が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板（チューブシート）に保持させて配設されてなる熱交換器の製造方法において、
シェルを横断分割した状態で、伝熱管群、チューブシート及び外管をろう付け結合した後、
シェルの分割接合部を溶接して製造することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図例に基づいて説明をする。既述例と対応する部分については、下二桁を同一数字として付した。
【００２３】
本実施形態の一例である多管式熱交換器１１２を示す。
第一流体が通過する複数本の内管１１４からなる伝熱管群１１４、１１４・・・と、第二流体が通過する外管（シェル）１１６とを備え、伝熱管群１１４、１１４・・・が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板（チューブシート）１１８、１１８に保持させて配設されている。そして、伝熱管群１１４、１１４・・・、チューブシート１１８、１１８及びシェル１１６の一体化がろう付けされてなる多管式熱交換器である。図例では、シェル１１６及び伝熱管１１４の各断面は、それぞれ略矩形とされている。
【００２４】
そして、各伝熱管１１４は、実質的に、扁平管からなる伝熱管本体のみからなる構成である。
【００２５】
本実施形態においては、これらの伝熱管１１４は、それらの本体（扁平管）に流発生手段が配されている。具体的には、扁平管（伝熱管本体）における長径側の対向壁面１１４ａ、１１４ｂの双方に、板状又は瘤状の多数個の突起部（突起群）（図例では瘤状突起）２４０が形成されている。突起部２４０の形態は、流れ対向面が実質的に矩形で、その平面形状も実質的に矩形（図例では長円）である。突起部２４０をこの形態とすることが、スタンピング等のプレス加工により容易に形成できて望ましい。
【００２６】
また、図６では、扁平管の双方の壁面１１４ａ、１１４ｂに高速ガス流れ方向に対してそれぞれ交互に突起部２４０が斜設して形成されている。
【００２７】
また、角筒状のシェル１１６の両端には四角錐台状の導入側・導出側整流筒部（整流部）１２２、１２４を介して第一流体導入口・排出口（接続パイプ）１２６、１２８が結合されて、第一流体（高温ガス）が伝熱管群１１４、１１４…内を導通可能となっている（図３参照）。なお、接続パイプ１２８の先端は、図示しないが、後述の排出側ノズル１３２との共用接続フランジがろう付け結合されている。
【００２８】
さらに、角筒胴体１１６の周面には、導入・排出側ノズル１３０、１３２が結合されて各伝熱管１１４の外側に第二流体（冷却水）を導通可能となっている。
【００２９】
これらの各部材の結合は、本実施形態では、全てろう付け結合とされている。
【００３０】
そして、本実施形態では、シェル１１６が横断分割されて（シェル分割体１１６Ａ、１１６Ｂ）、該分割接合部１１６ａが溶接されている。そして、シェルの分割接合部１１７が重合接合、図例では段つき接合とされている。
【００３１】
このとき、段つき接合の重合長さＬは、プレス加工性と強度確保の見地から適宜設定するが、通常、２〜５ｍｍとする。
【００３２】
また、段つきの突合せ部の隙間αは、シェル１１６がろう付け炉内で熱膨張したとき段部と嵌合端部が干渉しない長さ以上、通常１ｍｍ以上とする。干渉するとシェル分割体１１６Ａ、１１６Ｂに変形が発生するおそれがある。
【００３３】
なお、段つき接合の代わりに、分割接合部に隙間を開けておき、当該隙間を塞ぐ重合リング部を後付け溶接したり、さらには、重合リング部を使用せずに当該隙間をＴＩＧ溶接等で埋めてもよい。なお、このときの隙間は、段つき接合における隙間と同様である。
【００３４】
そして、必然的ではないが、チューブシート１１８は、シェル１１６に嵌合する扁平筒部１１８ａと該扁平筒部１１８ａの端部が係合するストッパ部（フランジ部）１１８ｂを備えている。本発明では、シェルが分割体１１６Ａ、１１６Ｂからなるため、伝熱管群ユニットをシェルに組み付けるときの位置決めを容易とするためである。
【００３５】
次に、本実施形態の熱交換器の製造方法の一例について、説明する。
【００３６】
まず、図１４に示す如く、複数本（図例では６本）の矩形断面の伝熱管１１４、一対のチューブシート１１８、一対のシェル分割体１１６Ａ、１１６Ｂを先ず用意する。
【００３７】
ここで、扁平管１３４の断面は矩形筒状でも長円状であってもよい。扁平管１３４には、前述の如く、一方の長径側対向壁面の一方または双方に、長手方向の所定間隔（所定ピッチ）で瘤状の多数個の突起部（図示せず）をスタンピング等のプレス加工で形成しておく。
【００３８】
なお、伝熱管（チューブ）１１４、チューブシート１１８の各厚みは、使用材料及び耐用期間により異なるが、例えば、ステンレスの場合、前者：０．１〜１．０ｍｍ（望ましくは０．３〜０．８ｍｍ）、後者：０．５〜３ｍｍ（望ましくは１〜２ｍｍ）とする。また、シェル１１６の厚みは、通常、０．８〜１．２ｍｍとする。
【００３９】
先ず、シェル分割体１１６Ａ、１１６Ｂを段つき接合部で嵌合させて組み立てたシェル１１６の両端にチューブシート１１８を嵌合した状態で、伝熱管１１４を各チューブシート１１８に形成された伝熱管保持穴１１８ａに挿入後、伝熱管１１４の管端をカシメ固定した後、ろう剤を接合部に塗布して伝熱管ユニット１３４を調製する。
【００４０】
続いて、残りの各部材、すなわち、導入側・排出側整流筒部（整流部）１２２、１２４、及び導入・排出口（接続パイプ）１２６、１２８等を仮付けし（例えばＴＩＧ溶接）、ろう材を塗布した熱交換組み立て体（アセンブリ）１１２Ａを調製する。
【００４１】
上記で使用するロウ材は、例えば、熱交換器の材質をステンレスとする場合、通常、銅ロウ又はニッケルロウを使用する。
【００４２】
該熱交換組立て体を、ろう付け炉（真空炉）でろう付けする。ロウ付け時の加熱・冷却条件は、ロウ材の種類及び熱容量を考慮して設定する。
【００４３】
続いて、段つき接合部を溶接する。ここで、溶接の種類は、特に限定されず、抵抗溶接、アーク溶接、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接、さらには、ろう付けであってもよい。
【００４４】
以上の説明では、ストレート状の伝熱管（内管）群に高速の高温ガス（気体）を、胴体（外管）に冷却水（液体）を通過させて熱交換を行う熱交換器を例に採ったが、第一流体と第二流体の組み合わせは熱交換可能な温度差さえあれば任意である。なお、熱交換器に通過させる自動車の排気ガスは、通常、ガス流速：０〜５０ｍ／ｓ、ガス温度：１１８〜７００℃である。
【００４５】
しかし、通常、第一流体（内管通過）と第二流体（外管通過）の選択は、下記基準に基づいて行なうことが望ましい。（化学工学協会編「化学工学辞典」（昭和４９年５月３０日）丸善、ｐ３６５〜３６６参照）
内管（管内）を通すべき流体：腐食性流体、管壁の汚れの大きい流体、高圧流体、特殊材質を要求するような高温流体。
【００４６】
外管（管外）を通すべき流体：流量の小なる流体、粘度の大なる流体、許容圧力損失の小なる流体。
【００４７】
上記実施形態では、伝熱管の横断面が、略矩形であるとともに、前記シェル内周断面が略矩形である場合を例に採り説明したが、図１〜２に示すような多管式熱交換器にも本発明は適用できるものである。
【００４８】
また、伝熱管伝熱管群は、途中でベンディング（屈曲）していても、さらには、Ｕ字形に屈曲して同一側に両端が位置しているものにも本発明は適用可能である。
【００４９】
当然、整流部（整流室）を一端のみに設け仕切り板で仕切って導入・導出口が同一側にある熱交換器等、あらゆる形式の多管式熱交換器に、本発明は適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の多管式熱交換器の一例を示す縦断面図（図２の１−１線部位）
【図２】図１の２−２線矢視断面図
【図３】本発明の一実施形態を適用する多管式熱交換器の一例を示す全体図
【図４】図３の４−４線部位における縦断面図
【図５】同じく５−５線部位における横断面図および部分拡大図
【図６】本発明を適用する多管式熱交換器における伝熱管の突起部の配置形態を示す断面および平面配置図
【符号の説明】
１２、１１２　多管式熱交換器
１４、１１４　伝熱管
１６、１１６　外管（シェル）
１８、１１８　伝熱管保持板（チューブシート）
１１８ａ　チューブシートのストッパ部
２２、１２２　導入側整流筒部
２４、１２４　排出側整流筒部
２６、１２６　導入口（接続パイプ）
２８、１２８　排出口（接続パイプ）
１３４　　　　伝熱管ユニット
２４０突起部（突起板）

Claims

第一流体が通過する内管（伝熱管）群と、第二流体が通過する外管（シェル）とを備え、複数本の伝熱管からなる伝熱管群が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板（チューブシート）に保持させて配設されてなり、
前記伝熱管群、チューブシート及び前記外管の一体化が基本的にろう付けされてなる多管式熱交換器において、
前記シェルが横断分割されて、該分割接合部が溶接されてなることを特徴とする多管式熱交換器。
前記シェルの分割接合部が重合接合とされていることを特徴とする請求項１記載の多管式熱交換器。
前記チューブシートが前記シェルに嵌合する扁平筒部と該扁平筒部の端部が係合するストッパ部を備えたものであることを特徴とする請求項１または２記載の多管式熱交換器。
前記伝熱管の横断面が、略矩形であるとともに、前記シェル内周断面が略矩形であることを特徴とする請求項３記載の多管式熱交換器。
第一流体が通過する内管（伝熱管）群と、第二流体が通過する外管（シェル）とを備え、複数本の伝熱管群が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板（チューブシート）に保持させて配設されてなる熱交換器の製造方法において、
前記シェルを横断分割した状態で、前記伝熱管群、チューブシート及び前記外管をろう付け結合した後、
前記シェルの分割接合部を溶接して製造することを特徴とする多管式熱交換器の製造方法。
前記シェルの分割接合部が重合接合とされていることを特徴とする請求項５記載の多管式熱交換器の製造方法。
前記チューブシートが前記シェルに嵌合する嵌合リング部と該シェルの端部が係合するストッパ部を備えたものであることを特徴とする請求項５又は６記載の多管式熱交換器の製造方法。
前記伝熱管の横断面が、略矩形であるとともに、前記シェル内周断面が略矩形であることを特徴とする請求項７記載の多管式熱交換器の製造方法。