JP2011237055A - 多管式熱交換器の製造方法、および、多管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】多管式熱交換器の仕切板を工夫することで、可能な限り多くの伝熱管を設けることができ、しかも、それぞれの伝熱管と伝熱管との隙間を一定にできるようにする。
【解決手段】第一の流体を通す複数の伝熱管２と、伝熱管２の両端側に設けられた仕切板３と、左右の仕切板３との間で囲まれた器室４０と、前記左右の仕切板３から前記伝熱管２の端部側に設けられたヘッダ５０とを備えてなる多管式熱交換器１を製造する場合、伝熱管２を挿入することのできる管３１を束ねて切断し、リング部材３１ａを複数設ける。そして、そのリング部材３１ａの隙間にロウ材３２を注入してロウ付けし、その後、そのリング部材３１ａに伝熱管２を挿入させて隙間を埋めて仕切板３を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の伝熱管の外周部に第二流体を流して、その伝熱管を流れる第一流体と間で熱交換を行えるようにした熱交換器に関するもので、より詳しくは、左右のヘッダの間に設けられる仕切板を工夫することによって伝熱管を多く設けられるようにし、かつ、伝熱管の隙間を均一にすることができるようにした熱交換器に関するものである。

従来より、伝熱管内を流れる流体を冷却するための熱交換器として多管式熱交換器（シェルアンドチューブ式の熱交換器）が提案されている（特許文献１から特許文献４など参照）。

この多管式熱交換器の一般的な構造を図７に説明する。図７において、符号９１Ｌ、９１Ｒは左右に設けられたヘッダであり、符号９２は、当該左右のヘッダ９１Ｌ、９１Ｒの間に跨って設けられる伝熱管であって軸方向に沿って第一の流体を通すようにしたものである。この伝熱管９２の両端には仕切板９４が設けられており、この仕切板９４によって左右のヘッダ９１Ｌ、９１Ｒは隔離されている。また、符合９３は、左右の仕切板９４によって仕切られた器室であり、流入口９５から排出口９６まで第二の流体を通すようにしたものである。そして、このような熱交換器を用いて伝熱管９２内を通る第一の流体を冷却させる場合は、一方のヘッダ９１Ｌから第一の流体を流入させ、伝熱管９２を介して他方のヘッダ９１Ｒ側へ排出させる。一方、これと同時に、器室９３の流入口９５から第二の流体を流入させ、伝熱管９２の外側表面を通って熱交換を行い、排出口９６から排出させるようにしている。

特開平０７−５５３７８号公報 特開平０７−１３３９９３号公報 特開２００３−２１４７８号公報 特開２００９−２５０４４３号公報

ところで、このような多管式熱交換器を製造する場合、一般的には、次のような工程で製造される。

まず、多管式熱交換器を製造する場合、複数本の伝熱管を用意し、その外径に合わせて仕切板に伝熱管を通すための孔を形成する。この孔を形成する場合は、可能な限り多くの伝熱管を通すことができるようにするとともに、伝熱管と伝熱管の隙間を均一にできるようにして孔を形成する。そして、このような孔を形成した後、伝熱管をその仕切板の孔に通してその隙間を溶接またはロウ付けし、これを中空のケーシングなどに挿入してヘッダの空間や流入口、排出口などを取り付ける。

しかしながら、このような工程で多管式熱交換器を製造する場合、次のような問題を生ずる。

すなわち、第一の流体の流量を確保するためには、可能な限り多くの伝熱管を設ける必要があるが、その仕切板にその伝熱管を通すための孔を多数設けると、隣接する孔と孔との距離が短くなり、バリや歪みなどによって正確に孔を開けることが困難になる。また、各伝熱管と伝熱管との隙間を一定に保つためには、あらかじめ孔開けのための位置を設定しなければならず、その設定作業や穴開け作業に時間がかかるといった問題を生じる。

そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、多管式熱交換器の仕切板を工夫することで、可能な限り多くの伝熱管を設けることができ、しかも、それぞれの伝熱管と伝熱管との隙間を一定にすることができるようにした多管式熱交換器およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、第一の流体を通す複数の伝熱管と、当該伝熱管の両端側に設けられた仕切板と、左右の仕切板との間で囲まれた器室と、前記伝熱管の端部側に設けられたヘッダとを備えてなる多管式熱交換器を製造する方法において、前記伝熱管を挿入することのできるリング部材を複数設け、当該リング部材とリング部材の隙間を穴埋めして仕切板を形成し、当該形成された仕切板に前記伝熱管を挿入してヘッダと器室を形成するようにしたものである。

このようにすれば、リング部材に伝熱管を通してロウ付けすることにより、穴開け工程が不要になり、また、リング部材を密着させて伝熱管を通すことによって伝熱管の隙間を均一にすることができる。さらには、そのリング部材の肉厚によって薄い隙間を形成することができ、多くの伝熱管を取り付けることができるようになる。

また、このような発明において、伝熱管を挿入することができる管を複数本用意し、当該管と管の隙間を穴埋めし、その穴埋めした管を軸方向と直角な方向に切断して仕切板を形成する。

このようにすれば、管を切断することによって一度に大量の仕切板を形成することができるようになる。

もしくは、伝熱管を挿入することのできる管を複数設け、当該管を軸方向と直角な方向に切断してリング部材を形成し、そのリング部材とリング部材の隙間を穴埋めして仕切板を形成することともできる。

さらには、仕切板に伝熱管を挿入させる場合、管の位置を一致させるための目印を設け、その目印の位置を合わせた後に二枚の仕切板を重ねて伝熱管を挿入し、一方の仕切板を伝熱管の他端側へスライドさせるようにする。

このようにすれば、例えば、あらかじめ目印を設けた状態で切断し、その目印を位置合わせして仕切板に伝熱管を挿入することで、仕切板の孔を位置合わせして簡単に伝熱管を挿入させることができるようになる。

本発明によれば、第一の流体を通す複数の伝熱管と、当該伝熱管の両端側に設けられた仕切板と、左右の仕切板との間で囲まれた器室と、前記伝熱管の端部側に設けられたヘッダとを備えてなる多管式熱交換器を製造する方法において、前記伝熱管を挿入することのできるリング部材を複数設け、当該リング部材とリング部材の隙間を穴埋めして仕切板を形成し、当該形成された仕切板に前記伝熱管を挿入してヘッダと器室を形成するようにしたので、穴開け工程が不要になり、リング部材を密着させて伝熱管を通すことによって伝熱管の隙間を均一にすることができる。また、そのリング部材の肉厚によって薄い隙間を形成することができ、多くの伝熱管を取り付けることができるようになる。

本発明の一実施の形態における多管式熱交換器の概略図 同形態における仕切板や伝熱管、胴部を示す斜視図 同形態における仕切板を示す斜視図 同形態における仕切板の製造方法を示す図 他の実施の形態における仕切板の製造方法を示す図 伝熱管を挿入するための字具を示す図 従来例における多管式熱交換器の概略図

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。この実施の形態における多管式熱交換器１は、図１に示すように、伝熱管２内を流れる第一の流体に対して、その伝熱管２の外側から第二の流体を接触させて第一の流体と熱交換を行えるようにしたものであって、伝熱管２に第一の流体を通すための左右のヘッダ５０と、左右の仕切板３によって仕切られた器室４０内に第二の流体を流入させて排出させるための流入部４３および排出部４４とを備えて構成される。そして、特徴的には、その仕切板３を、複数のリング部材３１ａと、そのリング部材３１ａを密接させた際の各リング部材３１ａの隙間を封入させるためのロウ材３２とで構成し、その仕切板３のリング部材３１ａの孔に伝熱管２を挿入して、その隙間をロウ付けするようにしたものである。以下、この実施の形態における多管式熱交換器１の構成、および、その仕切板３の製造方法について説明する。

まず、この多管式熱交換器１における伝熱管２は、内側に第一の流体を通すことができる熱伝導性の高い金属製のパイプで構成されるもので、例えば、外径寸法が１．６ｍｍ、内径寸法が１．３ｍｍ程度の極細のパイプで構成される。この伝熱管２の中央部分については、仕切板３と胴部４によって密閉された器室４０内に設けられており、一方、左右の端部については、仕切板３とヘッダカバー５で密閉されたヘッダ５０内に設けられている。このうち、胴部４については、伝熱管２の一端側の上側に第二の流体を流入させるための流入部４３が設けられており、また、その伝熱管２の他端側における下側には、その第二の流体を排出させるための排出部４４が設けられている。この胴部４は、束ねられた伝熱管２を軸方向に挿入できるような筒状体に構成してもよく、あるいは、図２に示すように、長手方向に沿って分割した胴部要素４１ａ、４１ｂを対向させて溶着させるように構成してもよい。この胴部要素４１ａ、４１ｂを溶着させる場合については、あらかじめ、流入部４３や排出部４４を取り付けるための半円状の切欠部４２を設けておき、この半円状の切欠部４２に筒状の流入部４３や排出部４４をロウ付けする。また、仕切板３との接触部分についても、同様に、ロウ付けして第一の流体や第二の流体がそれぞれ漏れないようにしておく。

一方、ヘッダ５０は、仕切板３から突出している伝熱管２の端部に第一の流体を流入もしくは排出させるためのもので、流入部５１もしくは排出部５２を取り付けるための穴を設け、その穴に管状の流入部５１や排出部５２を取り付けている。また、そのヘッダ５０の他方側については、円形の仕切板３で他方側のヘッダ５０の空間をふさぐことができる程度の開口部を有しており、その開口部の内側に仕切板３を内接させて溶着させるようにしている。

そして、このような構成において、仕切板３は、ヘッダ５０と器室４０とを仕切る役割、および、各伝熱管２との隙間を小さくした状態で均一に隙間を形成する役割を担うように次のように構成されている。

まず、この仕切板３は、図３に示すように、伝熱管２を内接させた状態で挿入することができるようなリング部材３１ａを設け、このリング部材３１ａを互いに密着させて、その隙間（すなわち、リング部材３１ａとリング部材３１ａの隙間）をロウ付けするように構成されている。このリング部材３１ａとしては、例えば、外径寸法が約２．０ｍｍ、内径寸法１．６ｍｍ程度（肉厚が０．４ｍｍ）の金属製部材で構成され、軸方向の厚みについても器室４０の圧力に耐えることができ、しかも、胴部４やヘッダカバー５を周囲に溶着させることができるような溶着代を有する厚み寸法に設定される。ここでロウ付けするためのロウ材３２としては、銀やアルミ、リン銅、鉛などの粉末を含むものが用いられ、これをリング部材３１ａの隙間に封入して加熱することによって隙間を封入できるようにしている。また、このロウ材３２については比較的コストがかかるため、図３に示すように、リング部材３１ａとリング部材３１ａの三角形状をなす隙間にワイヤーや隙間を埋める形状の線材３３を設け、隙間空間を小さくした状態でロウ材３２を注入させるようにしてもよい。このとき、この線材３３については、各リング部材３１ａを密着させた状態で、その隙間に挿入できる程度のものであってもよく、あるいは、各リング部材３１ａの隙間を広げたい場合は、その線材３３を太くして各リング部材３１ａの隙間を広げるようにしてもよい。

次に、このように構成された仕切板３の製造方法について図４や図５を用いて説明する。

この仕切板３を製造する場合は、まず、伝熱管２を挿入することのできる管３１を複数本用意し、これを互いに密着するように束ねて、胴部４に収まるような円形にする。この管３１を束ねる場合は、図３に示すように、密着して整列された一列目の管３１の谷間に二列目の管３１が収まるようにし、このように各列を交互に密着させていく（図４（ａ））。

次に、このように束ねられた管３１に対して、各管３１と管３１の隙間にロウ材３２を注入し、また、必要に応じてその隙間に線材３３を挿入してロウ材３２を注入する。なお、図４や図５では線材３３を省略している。そして、このように、ロウ材３２を注入した後、高熱でロウ材３２を溶かして穴埋めし、全体として円形の管３１の束を形成する（図４（ｂ））。

このように各管３１の束を形成した後、次は、その側面に軸方向に沿った目印３４を入れて、その管３１の束を軸方向と直角に切断して、仕切板３を形成する（図４（ｃ））。

また、このようにロウ材３２で隙間を埋めた後に切断するのではなく、図５に示すように、先に、束ねられた管３１の束（図５（ａ））を軸方向と直角な方向に切断し（図５（ｂ））、その後、その切断された管３１（リング部材３１ａ）の隙間にロウ材３２を注入してロウ付けするようにしてもよい（図５（ｃ））。このように先に切断してからロウ付けすると、ロウ材３２を確実に隙間に注入することができるというメリットがある。一方、前者のように全体をロウ付けした後に切断する方法を用いれば、切断工程で各管３１の配列状体が崩れることがなくなり、その後、確実に各管３１の孔を位置合わせして伝熱管２を挿入することができるというメリットがある。このため、これらの製造方法のいずれかを選択するかについては、いずれかのメリットを適宜選択して用いるようにするとよい。

そして、このように構成された仕切板３に伝熱管２を通すようにする（図３）。この伝熱管２を通す場合、まずは、仕切板３の側面に設けられた目印３４を一致させて２枚の仕切板３を重ね合わせ、その状態で伝熱管２を管３１の内側に通す。

なお、このとき、極細に構成された管３１に伝熱管２を通すのには時間がかかるため、図６に示すような字具３５を用いて伝熱管２を管３１内に挿入するようにしてもよい。この字具３５は、その管３１と同じ外径寸法を有し、内径寸法が上部に行くに従って大きくなるようにしたもので、その管３１と同じ状態で密着させてロウ付けされたものである。そして、このように外径寸法を同じにすることによって、切断された管３１と同じ配列状体にし、かつ、内径寸法の大きな上側部分から伝熱管２を挿入して管３１内に挿入できるようにしている。

そして、このように伝熱管２を通し終えた後、一方の仕切板３を伝熱管２の他端側の近傍までスライドさせ、それぞれの伝熱管２と仕切板３との隙間をロウ付けしていく。すると、各伝熱管２の隙間については、リング部材３１ａの肉厚（外径と内径の差）の寸法で統一された状態となり、肉厚の薄いリング部材３１ａを用いれば用いるほど伝熱管２の隙間を小さくして多くの伝熱管２を設けることができる。

そして、このように伝熱管２の両端に仕切板３を取り付けた後、図２に示すように、胴部要素４１ａ、４１ｂを上下もしくは左右から挟み込むように取り付けてロウ付けし、第二の流体を流入・排出させるための流入部４３や排出部４４を取り付けることによって、仕切板３や胴部４で密閉された器室４０を形成する。

次に、この両側の仕切板３にヘッダカバー５を取り付け、ヘッダ５０と仕切板３の隙間をロウ付けし、最後に、左右両端に第一の流体を流入・排出させるための流入部５１および排出部５２を取り付ける。

これにより、多管式熱交換器１を形成する場合に、伝熱管２の隙間を小さくして多くの伝熱管２を設けることができ、しかも、それぞれの隙間を均一にすることができるようになる。

すなわち、上記実施の形態の形態によれば、第一の流体を通す複数の伝熱管２と、当該伝熱管２の両端側に設けられた仕切板３と、左右の仕切板３との間で囲まれた器室４０と、伝熱管２の端部側に設けられたヘッダ５０とを備えてなる多管式熱交換器１を製造する場合に、伝熱管２を挿入することのできるリング部材３１ａを複数設け、当該リング部材３１ａとリング部材３１ａの隙間をロウ材３２で穴埋めして仕切板３を形成し、当該形成された仕切板３に前記伝熱管２を挿入させて隙間を埋めて仕切板３を構成するようにしたので、伝熱管２の隙間を均一にすることができ、また、そのリング部材３１ａの肉厚によって薄い隙間を形成して数多くの伝熱管２を取り付けることができるようになる。

また、この仕切板３を形成する場合に、伝熱管２を挿入することのできる管３１を複数設け、当該管３１と管３１の隙間をロウ材３２で穴埋めし、その穴埋めした管３１を軸方向と直角な方向に切断して仕切板３を形成するようにしたので、管３１を切断することによって一度に大量の仕切板３を形成することができるようになる。また、ロウ材３２で固定してから切断するので、管３１と管３１の配置関係がずれることがなくなり、仕切板３の孔の位置がずれるようなことがなくなる。

さらに、束ねられた管３１を軸方向と直角な方向に切断し、その切断によって形成されたリング部材の間をロウ材３２で穴埋めして仕切板３を形成すれば、確実にロウ材３２を隙間に注入することができるようになる。

また、仕切板３に伝熱管２を挿入する場合、管３１の位置を一致させるための目印３４を設け、その目印３４の位置を合わせた後に二枚の仕切板３を重ねて伝熱管２を挿入し、一方の仕切板３を伝熱管２の他端側へスライドさせるようにしたので、切断後に、２枚の仕切板３の位置合わせが用意になり、簡単に伝熱管２を挿入させることができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、伝熱管２の外周部分に第二の流体を流して伝熱管２の第一の流体を冷却させるようにしたが、この伝熱管２の内側に、さらに内側伝熱管を設け、その内側伝熱管に第三の流体を通して、内側と外側から第一の流体と熱交換させるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、多管式熱交換器１を製造する場合、胴部４とヘッダカバー５を設けてヘッダ５０や器室４０を形成するようにしたが、一つの円筒状部材を設け、その中に仕切板３や伝熱管２を挿入して両端部を閉じるようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態では、リング部材３１ａの内径と伝熱管２の内径をほぼ同一に設定したが、若干の隙間を設けて挿入作業を楽に行えるようにし、その後、その隙間をロウ付けするようにしてもよい。

１・・・多管式熱交換器
２・・・伝熱管
３・・・仕切板
３１・・・管
３１ａ・・・リング部材
３２・・・ロウ材
３３・・・線材
３４・・・目印
４・・・胴部
４０・・・器室
４１ａ、４１ｂ・・・胴部要素
４２・・・切欠部
４３・・・流入部
４４・・・排出部
５・・・ヘッダ
５０・・・ヘッダ空間
５１・・・流入部
５２・・・排出部

Claims (5)

1. 第一の流体を通す複数の伝熱管と、当該伝熱管の両端側に設けられた仕切板と、左右の仕切板との間で囲まれた器室と、前記伝熱管の端部側に設けられたヘッダとを備えてなる多管式熱交換器の製造方法において、
   伝熱管を挿入することのできるリング部材を複数設け、当該リング部材とリング部材の隙間を穴埋めして仕切板を形成する工程と、
   当該形成された仕切板に前記伝熱管を挿入する工程と、
   を備えたことを特徴とする多管式熱交換器の製造方法。
2. 第一の流体を通す複数の伝熱管と、当該伝熱管の両端側に設けられた仕切板と、左右の仕切板との間で囲まれた器室と、前記伝熱管の端部側に設けられたヘッダとを備えてなる多管式熱交換器の製造方法において、
   前記伝熱管を挿入することのできる管を複数設け、当該管と管の隙間を穴埋めする工程と、
   当該穴埋めした管を軸方向と直角な方向に切断して仕切板を形成する工程と、
   当該形成された仕切板に前記伝熱管を挿入する工程と、
   を備えたことを特徴とする多管式熱交換器の製造方法。
3. 第一の流体を通す複数の伝熱管と、当該伝熱管の両端側に設けられた仕切板と、左右の仕切板との間で囲まれた器室と、前記伝熱管の端部側に設けられたヘッダとを備えてなる多管式熱交換器の製造方法において、
   前記伝熱管を挿入することのできる管を複数設け、当該管を軸方向と直角な方向に切断する工程と、
   当該切断によって形成されたリング部材を複数設け、当該リング部材とリング部材の隙間を穴埋めして仕切板を形成する工程と、
   当該形成された仕切板に前記伝熱管を挿入する工程と、
   を備えたことを特徴とする多管式熱交換器の製造方法。
4. 前記仕切板に、前記管の位置を一致させるための目印を設け、当該目印の位置を合わせた後に二枚の仕切板を重ね、伝熱管を挿入した後、一方の仕切板を伝熱管の他端側へスライドさせるようにした請求項２または３に記載の多管式熱交換器の製造方法。
5. 第一の流体を通す複数の伝熱管と、当該伝熱管の両端側に設けられた仕切板と、左右の仕切板との間で囲まれた器室と、前記伝熱管の端部側に設けられたヘッダとを備えてなる多管式熱交換器において、前記仕切板を、
   前記伝熱管を挿入しうる複数のリング部材と、
   当該リング部材とリング部材との隙間を埋める穴埋め材と、
   を設けたことを特徴とする多管式熱交換器。

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