JP2005201576A - 熱交換器のヘッダープレート接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器のヘッダープレート４の板厚がエレメント３のそれに比べて著しく厚い場合において、エレメント３の出入口１，２とヘッダープレート４の偏平孔７とを精度良く接合すること。
【解決手段】 エレメント３の板厚より厚くヘッダープレート４の板厚より薄い中間の板厚の接続短管６を用意し、その接続短管６の一端縁とエレメント３の出入口１，２の内筒部５の一端縁との間を溶接固定し、接続短管６の他端縁とヘッダープレート４の偏平孔７の孔縁部との間を溶接固定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄い金属板で形成された熱交換器のエレメントの出入口と、板厚の厚いヘッダープレートとを接続する接続構造に関する。

一対の金属板の周縁を閉塞してその内部に内部側偏平流路を形成すると共に、両端位置に出入口を設けてエレメントを形成し、複数のエレメントを厚み方向に並列した多板型熱交換器が知られている。
この多板型熱交換器は、ガスタービンの排熱回収用の再生器として利用することができるが、その場合、各エレメントの出入口とヘッダとを接続する必要がある。排ガスを導くヘッダのプレートは、通常、エレメントの板厚に比べて著しく肉厚が厚いものとなる。

従来、肉厚の薄いエレメントの出入口と肉厚の厚いヘッダープレートの孔とを接続するには、図７に示す方法で行っていた。
即ち、エレメント３の出入口１の孔縁部を外側に突出してバーリング部17を形成し、そのバーリング部17を出入口１の孔内に挿入すると共に、その出入口１に整合する外周を有する接続短管６を出入口１内に挿入し、ヘッダープレート４の孔縁部とエレメント３のバーリング部17の先端と接続短管６の先端との三者間を一体に溶接固定する方法がとられていた。これは薄肉のエレメント３のバーリング部17の端縁と、厚肉のヘッダープレート４の孔縁部とを直接溶接できないからである。

このように、エレメント３のバーリング部17の端縁とヘッダープレート４の孔縁部とを直接溶接できない場合、接続短管６を介して両者間を溶接していた。
このような溶接には、３つの部材の嵌め合いの精度を厳密にする必要があるが、スプリングバック等の影響で三者をすべて正確に整合させることが難しかった。また、エレメント３のバーリング部17を全長に渡り精度良く形成することが困難であった。そのため溶接が不安定となり、漏れの原因となっていた。

さらにはその溶接は手作業となり、多大な製造工数が必要であった。また、三つの部品を一体で溶接するため、溶接ビートが大きくなり流体の出入口通路が狭くなりがちである。その場合、圧力損失が大きくなる。
そこで本発明は、係る問題点を解決することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、対向する金属板間に偏平な流路が形成され、その流路の端部に出入口(1)(2)が設けられた熱交換器用のエレメント(3) であって、その出入口(1)(2)とヘッダープレート(4) とを接続する熱交換器のヘッダープレート接続構造において、
前記エレメント(3) の出入口(1)(2)の口縁部を内面側にバーリング加工して、そこに内筒部(5) が形成され、
その内筒部(5) 内に、その内面に整合する外周を有する偏平な接続短管(6) の一端部が挿通されて、その接続短管(6) の一端縁と内筒部(5) の一端縁とが環状に溶接固定され、 その接続短管(6) の他端部がヘッダープレート(4) の偏平孔(7) に挿通されて、その他端縁と偏平孔(7) の孔縁部とが環状に溶接固定されてなり、
前記接続短管(6) の板厚は、前記エレメント(3) を構成する金属板の板厚と、ヘッダープレート(4) の板厚との中間の厚さとされた熱交換器のヘッダープレート接続構造である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記エレメント(3) は、金属板が偏平な筒状に形成された第１偏平筒体(8) と、その第１偏平筒体(8) の内部に挿入された同様の形状の第２偏平筒体(9) と、を具備し、
両偏平筒体(8)(9)の端縁間が気密に接合されて、厚み方向に一対の内部側偏平流路(12a) が形成され、その一対の内部側偏平流路(12a) の境界(10)で、第１偏平筒体(8) に前記出入口(1)(2)が形成され、内部流体(14)がその出入口(2) から前記一対の内部側偏平流路(12a) に分流して、または一対の内部側偏平流路(12a) から合流してその出入口(1) に導かれるように構成された熱交換器のヘッダープレート接続構造である。

請求項３に記載の本発明は、請求項２において、
前記一対の内部側偏平流路(12a) の境界(10)で、第１偏平筒体(8) を構成する金属板が折り返されてなり、その境界(10)には継目が存在しないように構成した熱交換器のヘッダープレート接続構造である。

本発明の熱交換器のヘッダープレート接続構造は、そのエレメント３の板材の厚さとヘッダープレート４の板材の厚さとの中間の厚さの接続短管６を介して、接続短管６の一端縁とエレメント３の内筒部５の一端縁とが接続され、接続短管６の他端縁とヘッダープレート４の偏平孔７とが溶接固定されたものであるから、溶接作業性を向上すると共に、溶接部の信頼性が向上し且つ、寸法精度を高めることができる。
これは、接続短管６とエレメント３との溶接部と、接続短管６とヘッダープレート４との接続とが分離し且つ、夫々二部材の接合であるため、各部材の整合性は一方側の対向表面のみで足り、溶接部が単純化されるからである。そのため、溶接の自動化が可能となる。

上記構成において、エレメント３を第１偏平筒体８と第２偏平筒体９とで形成し、その内部に設けられた一対の内部側偏平流路12a の境界10で、第１偏平筒体８に出入口１，２を形成することができる。この場合は、出入口２から一対の内部側偏平流路12a に分流して又は一対の内部側内部側偏平流路12a から合流して出入口１に導くことができる。このような構成とすることにより、多数の内部側偏平流路12a に対し、より少ない出入口１，２で足り、構造が簡単で製造し易いものとなる。

上記構成において、一対の内部側偏平流路12a の境界10で第１偏平筒体８を構成する金属板を折り返して、そこに出入口１，２を設けることができる。そしてその境界10には、継目が存在しないようにすることにより、ヘッダープレートとエレメントとの接続部を単純化し、漏れの生じ難い信頼性の高い接続構造となり得る。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の熱交換器のエレメントとヘッダープレートとの接続構造を示す要部縦断面図であり、図２におけるＩ−Ｉ線断面図である。また、図２は本発明の熱交換器の分解説明図であり、図３は図２の III− III線矢視断面図である。
この例の熱交換器は、ガスタービンの排熱回収に用いる再生器用のものであるが、本発明はそれに限らず、各種、熱交換器に適用できる。
この熱交換器は、図２に示す如く、一例として対角位置に一対の出入口１，２を有する複数のエレメント３を厚み方向に積み重ね、夫々のエレメント３の出入口１，２を接続短管６を介してヘッダープレート４の偏平孔７に接続するものである。なお、夫々のエレメント３の出入口は一方の縁部の両端部に設けることもできる。

このようなエレメント３は、図４の手順により製造することができる。
先ず、図４（Ｂ）の第１筒体８a を製造する。これは、プレス成形により平面的な帯状金属板を波形に曲折形成すると共に、幅方向両端に連通部12を形成し且つ、その連通部12に出入口１穿設し、その出入口１の孔縁部を図４（Ａ）の如く、内面側に突出させて内筒部５を形成する。係る平板状態で、出入口１に整合する外周を有する接続短管６の一端部を内筒部５に挿通し、接続短管６の一端縁と内筒部５の一端縁とを環状に溶接する。

次いで、図４（Ｂ）の如く全体を円筒状に形成し、その両縁を重ね合わせると共に、その重ね合わせ部を溶接固定して接続縁部16を形成する。同様に、プレス成形して円筒状にした第２円筒体９ａを第１円筒体８ａ内に挿入する。そして第１円筒体８ａの軸方向両端縁開口と、第２円筒体９ａのそれとを一体に溶接固定する。次いで、第１円筒体８ａ，第２円筒体９ａを押し潰して、図２に示すような偏平な二重管とする。このとき、接続短管６を偏平な二重管の端縁に位置させる。次いで、図２の如く夫々のエレメント３を積層する。そしてヘッダープレート４の各偏平孔７を接続短管６に嵌着させる。次いで、図１に示す如く接続短管６の他端縁全周とヘッダープレート４の偏平孔７の孔縁部との間を環状に溶接固定する。

同様に、それと対角位置の出入口２においても接続短管６を介し、その出入口２とヘッダープレート４の偏平孔７とを溶接固定する。次いで、並列された多数の偏平孔７の位置にヘッダ本体４ａを被嵌し、両者間を溶接固定する。また、互いに平行な一対のヘッダープレート４，４の上端間および下端間は図示しないプレートで閉塞され、熱交換器を完成する。
このようにしてなる熱交換器は、外部流体15が一対のヘッダープレート４および図示しない上下両プレートで囲まれた空間に供給され、そこに存在する各エレメント３の外周を流通すると共に、各エレメント３の偏平管状の内周面側（図３の外部側偏平流路12b ）にも図２の矢印の如く流通する。この例では、外部流体15はガスタービン用排気ガスである。また、内部流体14として給気が一方のヘッダ本体４ａから接続短管６を介し各エレメント３の一対の内部側偏平流路12a 内を流通する。

この例では、出入口２から流入した内部流体14は上下一対の内部側偏平流路12a 内に二分して流れ、その内部を図において右から左に流通し、それらが図２の如く左端の一対の連通部12内を移動し、出入口１において合流し、接続短管６を介してヘッダ本体４ａに導かれる。そして内部流体14と外部流体15とが熱交換され、加熱された内部流体14が図示しないガスタービンに供給される。

図１〜図４の例では、連通部12はその内外面が平坦に図示されている。これを図５の如く、形成してもよい。即ち、図５（Ａ）（Ｂ）の如く帯状金属板を曲折して、その両端縁まで波形に形成し、次いで幅方向両縁部を図５（Ｃ）（Ｄ）の如く押し潰してそこに連通部12を形成することができる。
このようにすることにより、一対の連通部12間に配置される波形伝熱部13の波の高さ（振幅）をより高くすることができる。これは波形成形に伴う材料の延びを最小にすることができるからである。この場合には、一対の第１偏平筒体８と第２偏平筒体９との縁部間に図６の如く、細溝材18を被嵌し、その細溝材18を介して一対の筒体間を溶接固定する。

なお、この場合、図６においてエレメント３の上下両縁部には波形が形成されず、そこに出入口１，２が設けられる。そしてその出入口１，２が接続短管６を介して図１同様に、ヘッダープレート４の偏平孔７に溶接固定される。

本発明の熱交換器のヘッダープレート接続構造の縦断面図であって、図２のＩ−Ｉ線断面図。 本発明の熱交換器の分解説明図。 図２の III− III線矢視断面略図。 同熱交換器のエレメント３の製造工程を示す説明図。

本発明の他の熱交換器のエレメント３の製造工程を示す説明図。 同熱交換器のエレメント３の平面図。 従来型熱交換器のヘッダープレート接続構造の要部縦断面図。

符号の説明

１，２ 出入口
３ エレメント
４ ヘッダープレート
４ａ ヘッダ本体
５ 内筒部
６ 接続短管
７ 偏平孔
８ 第１偏平筒体
８ａ 第１円筒体
９ 第２偏平筒体
９ａ 第２円筒体

10 境界
11 溶接部
12 連通部
12a 内部側偏平流路
12b 外部側偏平流路
13 波形伝熱部
14 内部流体
15 外部流体
16 接続縁部
17 バーリング部
18 細溝材

Claims (3)

1. 対向する金属板間に偏平な流路が形成され、その流路の端部に出入口(1)(2)が設けられた熱交換器用のエレメント(3) であって、その出入口(1)(2)とヘッダープレート(4) とを接続する熱交換器のヘッダープレート接続構造において、
   前記エレメント(3) の出入口(1)(2)の口縁部を内面側にバーリング加工して、そこに内筒部(5) が形成され、
   その内筒部(5) 内に、その内面に整合する外周を有する偏平な接続短管(6) の一端部が挿通されて、その接続短管(6) の一端縁と内筒部(5) の一端縁とが環状に溶接固定され、 その接続短管(6) の他端部がヘッダープレート(4) の偏平孔(7) に挿通されて、その他端縁と偏平孔(7) の孔縁部とが環状に溶接固定されてなり、
   前記接続短管(6) の板厚は、前記エレメント(3) を構成する金属板の板厚とヘッダープレート(4) の板厚との中間の厚さとされた熱交換器のヘッダープレート接続構造。
2. 請求項１において、
   前記エレメント(3) は、金属板が偏平な筒状に形成された第１偏平筒体(8) と、その第１偏平筒体(8) の内部に挿入された同様の形状の第２偏平筒体(9) と、を具備し、
   両偏平筒体(8)(9)の端縁間が気密に接合されて、厚み方向に一対の内部側偏平流路(12a) が形成され、その一対の内部側偏平流路(12a) の境界(10)で、第１偏平筒体(8) に前記出入口(1)(2)が形成され、内部流体(14)がその出入口(2) から前記一対の内部側偏平流路(12a) に分流して、または一対の内部側偏平流路(12a) から合流してその出入口(1) に導かれるように構成された熱交換器のヘッダープレート接続構造。
3. 請求項２において、
   前記一対の内部側偏平流路(12a) の境界(10)で、第１偏平筒体(8) を構成する金属板が折り返されてなり、その境界(10)には継目が存在しないように構成した熱交換器のヘッダープレート接続構造。
   

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