JP2012072996A - 熱交換器 - Google Patents

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晶 吉田
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信宏 竹田
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Abstract

【課題】ケースの組み立て時において、ケースの広範囲領域に溶接またはロウ付けを行なう必要を無くし、または少なくし、製造コストを従来よりも低減することが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】伝熱管1を収容し、かつ加熱用媒体が内部に供給されるケースCを備えており、このケースCは、端部に開口部25が形成されている筒状のケース本体2と、開口部25を塞ぐ側板6A,6Bとを有している、熱交換器HE1であって、ケース本体2の開口部25の周縁部分は、拡開がなされた拡開部26として形成され、この拡開部26と側板6A,6Bとの間にシール部材7を介装させるようにして、側板6A,6Bが拡開部26に嵌入されている。
【選択図】 図2

Description

本発明は、燃焼ガスなどの加熱用媒体が内部に供給されるケース内に伝熱管を収容し、前記加熱用媒体から熱回収を行なうタイプの熱交換器に関する。
燃焼ガスから熱回収を行なう熱交換器においては、耐熱性や機械的強度などを高める観点から、伝熱管を収容するケースを金属製とするのが通例である。このような金属製のケースとしては、両端が開口した角筒状のケース本体と、このケース本体の両端の開口部を塞ぐための側板とを、金属板を加工して製作し、これらを組み合わせたものがある(たとえば、特許文献1を参照)。
しかしながら、従来における熱交換器のケースは、角筒状のケース本体の両端に側板が単に当接し得るように構成されているに過ぎない。その一方、熱交換器が使用される際には、ケース内に供給された燃焼ガスがケース外部に不当に漏出しないようにすることが要望される。このため、従来において、ケース本体に側板を組み付けるには、溶接あるいはロウ付け手段を採用し、ケース本体の開口部周縁全周のいずれの箇所にも隙間を生じないように、溶接またはロウ付けを広範囲にわたって丁寧に施す必要があった。したがって、熱交換器の生産性はさほど良好なものではなく、製造コストが高価となる不具合があった。また、ケース本体や側板の広範囲にわたって溶接やロウ付けを行なうと、熱歪みなども生じ易くなる。
特開2009−180398号公報
本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、ケースの組み立て時において、ケースの広範囲領域に溶接またはロウ付けを行なう必要を無くし、または少なくし、製造コストを従来よりも低減することが可能な熱交換器を提供することを、その課題としている。
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
本発明により提供される熱交換器は、伝熱管を収容し、かつ加熱用媒体が内部に供給されるケースを備えており、このケースは、端部に開口部が形成されている筒状のケース本体と、前記開口部を塞ぐ側板とを有している、熱交換器であって、前記ケース本体の前記開口部の周縁部分は、拡開がなされた拡開部として形成されており、この拡開部と前記側板との間にシール部材を介装させるようにして、前記側板が前記拡開部に嵌入されていることを特徴としている。
このような構成によれば、ケース本体に対する側板の組み付けは、ケース本体の拡開部に側板を嵌入させることによって行なうことが可能であるとともに、ケース本体の開口部から加熱用媒体が外部に漏出することは、シール部材を利用して適切に防止することができる。ケース本体が板金製の場合、一般的には、ケース本体の各部の寸法精度が低く、また歪みを生じ易いといった不具合があるが、拡開部については、プレス加工によって寸法
精度を高くし、歪みの少ない平面を形成することが可能である。このため、拡開部を設けることにより、優れたシール性能が得られることとなる。その結果、本発明によれば、ケース本体と側板とを固定させる手段として、従来とは異なり、ケース本体の開口部周縁の全周の広範囲にわたって溶接やロウ付けを丁寧に施す必要はなく、溶接やロウ付けとは別の手段(接着剤を用いた接着、融着、または後述する屈曲可能部なども利用する手段)を用いることができる。また、溶接やロウ付け手段を採用する場合には、これら溶接やロウ付けの範囲を狭小にすることが可能となる。したがって、ケースの製作作業の容易化が図られ、熱交換器全体の製造コストを廉価にすることができる。また、熱歪みも抑制することができる。
本発明において、好ましくは、前記拡開部は、前記ケース本体の非拡開部から起立した起立壁部を有しており、前記シール部材として、前記起立壁部の内面と前記側板の内側面との間に介装されたシール部材を有している。
このような構成によれば、拡開部の起立壁部を利用し、簡易かつ適切にシールを図ることができる。
本発明において、好ましくは、前記拡開部は、前記開口部を囲む筒状壁部を有しており、前記シール部材として、前記筒状壁部の内周面と前記側板の外周面との間に介装されたシール部材を有している。
このような構成によれば、筒状壁部の内周面を利用し、やはり簡易かつ適切にシールを図ることができる。
本発明において、好ましくは、前記拡開部には、前記側板に接近する方向に屈曲させることが可能な屈曲可能部が設けられており、この屈曲可能部を屈曲させることにより、この屈曲された部分が前記側板に係止し、前記側板が前記開口部内に固定される構成とされている。
このような構成によれば、ケース本体に側板を固定させることが、拡開部に設けられている屈曲可能部を屈曲させることにより達成され、ケースの製造作業が一層容易となる。
本発明において、好ましくは、前記伝熱管に接続され、かつ前記伝熱管内への加熱対象流体の流入または流出を行なわせるためのヘッダ部を備えており、前記ケースの側板は、前記ヘッダ部と一体的に樹脂成形されて、ヘッダ一体型側板として構成されている。
このような構成によれば、ヘッダ部をケースの側板とは別体で製作する必要はなく、これらを樹脂成形工程によって同時に、かつ一体的に製造することができる。ヘッダ部を側板に組み付ける必要もない。したがって、熱交換器の製造コストを低減するのにより好ましいものとなる。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。
(a)は、本発明に係る熱交換器の一例を示す平面断面図であり、(b)は、その正面断面図である。 図1に示す熱交換器のケースの分解正面断面図である。 図1に示す熱交換器のケースと側板の分解斜視図である。 図1に示す熱交換器の要部分解斜視図である。 図1(a)のV−V断面図である。 (a)は、図1に示す熱交換器において側板の固定が図られた部分の要部断面図であり、(b)は、(a)の構造が得られる前の状態を示す要部断面図である。 図5に示す部分の分解断面図である。 図5のVIII−VIII断面図である。 (a)は、図1に示す熱交換器で用いられているストッパの分解斜視図であり、(b)は、その正面図である。 本発明に係る熱交換器の他の例を示す要部断面図である。 本発明に係る熱交換器の他の例を示す要部分解断面図である。 本発明に係る熱交換器の他の例を示す平面断面図であり、(b)は、その正面断面図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
図1〜図9は、本発明が適用された熱交換器およびこれに関連する構成の一例を示している。
図1によく表われているように、本実施形態の熱交換器HE1は、複数の伝熱管1と、これら複数の伝熱管1を内部に収容するケースCと、一対のヘッダ部3(3A,3B)とを具備している。ただし、一対のヘッダ部3は、後述するように、ケースCの側板6Aと一体的に樹脂成形されている。
複数の伝熱管1は、平面視長円状の複数の螺旋状管体部を有している(図4も参照)。これら複数の螺旋状管体部は、互いにサイズが異なっており、略同心の重ね巻き状に配されている。各伝熱管1の上端側および下端側部分は、略水平に延びる直状管体部10a,10bとされ、これら直状管体部10a,10bの端部がヘッダ部3に接続されている。ただし、その具体的な構造は後述する。
ケースC内には、各伝熱管1を加熱するための加熱用媒体が流入可能である。より具体的には、加熱用媒体としては、たとえばバーナ(図示略)により発生された燃焼ガスが利用され、この燃焼ガスは、ケースCの後壁部20aの給気口21からケースC内に流入し、その後は前壁部20bの排気口22から排ガスとして外部に排出される。このような燃焼ガスの進行過程において、燃焼ガスは複数の伝熱管1の各部に作用し、各伝熱管1内を流通する湯水が加熱される。ヘッダ部3は、入水用または出湯用の開口部30を有している。この熱交換器HE1においては、下側のヘッダ部3(3B)の開口部30に供給された湯水が、各伝熱管1内に流れ込み、燃焼ガスとの熱交換によって加熱される。この加熱された湯水は、上側のヘッダ部3(3A)の開口部30から外部に出湯し、所望の給湯先に供給される。
図2および図3に示すように、ケースCは、ケース本体2、側板6A,6B、およびシール部材7(図3では省略)を備えている。ケース本体2は、左右両端部に開口部25が形成された角筒状であり、金属板を用いて形成されている。燃焼ガスから潜熱を回収した際には、強酸性のドレイン(凝縮水)が発生するため、ケース本体2は、たとえば耐酸性に優れたステンレス製である。
ケース本体2の各開口部25の周縁部分は、拡開部26として構成されている。この拡開部26は、ケース本体2の端部をプレス加工により押し広げることにより形成された部分であり、開口部25を囲む角筒状の筒状壁部26aと、ケース本体2の非拡開部(拡開部26に隣接し、拡開がなされていない部分)から起立して筒状壁部26aの基端側に繋がった起立壁部26bとを有している。起立壁部26bの内面は、開口部25の開口方向
を向く平面状とされており、本実施形態においては、後述するように、この起立壁部26bの内面にシール部材7が当接される。
側板6Bは、耐熱性および耐酸性に優れる樹脂(たとえば、PPS:ポリフェニレンサルファイド樹脂や、SPS:シンジオタクチックポリスチレン樹脂)製である。この側板6Bは、側板6Aとは異なり、ヘッダ部を一体成形したものではなく、開口部25に対応した形状およびサイズを有する矩形平板状である。この側板6Bは、拡開部26に嵌入されることにより開口部25を塞ぐ。この嵌入に際しては、起立壁部26bの内面とこれに対向する側板6Bの内側面との間にシール部材7が介装される。シール部材7は、ゴムその他の弾性部材からなり、起立壁部26bの内面に対応した矩形リング状である。
図3によく表われているように、拡開部26には、複数の屈曲可能部27が設けられている。より具体的には、拡開部26の筒状壁部26aには、適当な間隔を隔てて対をなす複数のスリット27aが複数設けられており、互いに対をなすスリット27aの相互間領域が、屈曲可能部27である。側板6Bの外周縁には、屈曲可能部27を屈曲させたときにその一部分を進入させるための複数の凹部69が形成されている。これら複数の凹部69に屈曲可能部27を係止させることにより、側板6Bを拡開部26から抜け外れないように固定させることが可能である。このような手段は、図6を参照して後述する側板6Aの固定手段と同様であり、詳細はそちらを参照されたい。
ヘッダ一体型の側板6Aは、側板6Bと同様に、たとえばPPSやSPSなどの耐熱性および耐酸性に優れた樹脂製である。この側板6Aは、外面部分に一対のヘッダ部3が一体的に連設された構成を有している点を除くと、そのベースとなる主要部分の基本的な構成は、側板6Bと同様であり、拡開部26に嵌入されて開口部25を閉塞可能な略平板状である。拡開部26の起立壁部26bの内面と側板6Aの内側面との間には、やはりシール部材7が介装される。ケース本体2に対する側板6Aの固定手段も、側板6Bについて述べたのと同様である。すなわち、拡開部26の外周縁には、複数の屈曲可能部27が設けられているのに対し、側板6Aの外周縁にはそれに対応した複数の凹部69が設けられている。図6(b)に示すように、屈曲可能部27を適当な力Fで押して、凹部69に向けて屈曲させることにより、同図(a)に示すように、屈曲可能部27の一部分が凹部69に係入する。このことにより、側板6Aを拡開部26から抜け外れないように固定することが可能である。
ヘッダ部3の内部には、出湯用または入水用の開口部30が形成されたチャンバ31(図4などを参照)が形成されている。ヘッダ部3には、複数の伝熱管1が接続されているが、このための手段として、図4〜図9に示すように、Oリング連接体4、ストッパ5、および押さえ板8が用いられている。
これらの構成を具体的に説明すると、Oリング連接体4は、複数の伝熱管1の端部に外嵌可能な複数のOリング40が横並び状に配置され、かつこれらが一連に繋がるように一体成形されたものである。ストッパ5は、Oリング連接体4の位置決めを図るためのものであるが、複数の伝熱管1どうしの相対的な位置関係を規定する役割も果たす。このストッパ5は、図9に示すように、上側および下側の一対のピース50を組み合わせたものである。これら一対のピース50は、いずれも樹脂成形品であり、好ましくは、これらの形状およびサイズは同一である。これら一対のピース50は、互いに組み合わされた際に複数の伝熱管1を挿入させることが可能な貫通孔を形成する半円状の複数の凹部51を有している。さらに、一対のピース50は、これらを組み合わせる際の位置決め用の凸部52aおよび凹部52bを有している。また、互いに係合可能な係合用突起53aおよび被係合部53bも有している。ストッパ5は、一対のピース50によって各伝熱管1をその上下方向から挟み込むようにして複数の伝熱管1に装着される。
各伝熱管1には、フレア加工により形成された凸状部15が設けられている。これに対し、ストッパ5の内面には、この凸状部15を内部に進入させる凹部55が形成されている。この凹部55と凸状部15との係合により、各伝熱管1とストッパ5との位置決めが図られる。ストッパ5の一側面56は、Oリング連接体4の片面に当接可能である。このことにより、Oリング連接体4がストッパ5寄りの方向へ不当に位置ずれすることは適切に防止される。
側板6Aの内側面には、孔部33が開口して設けられているが、この孔部33は、複数の伝熱管1の端部、Oリング連接体4、およびストッパ5を一括して内部に進入させることが可能である。この孔部33の奥部側は、複数の流路32を介してヘッダ部3のチャンバ31に連通している。したがって、図5および図8に示すように、複数の伝熱管1を孔部33内に挿入させた状態では、各伝熱管1の内部をチャンバ31に連通させることができる。孔部33の内面のうち、Oリング連接体4の外周縁に対応する部分33aは、Oリング連接体4の外周縁の輪郭と同様な形状であり、Oリング連接体4の外周縁の各所に対して隙間なく接触するように構成されている。このことにより適切な止水シールが図られる。孔部33の奥部には、段部34が設けられ、この段部34にOリング連接体4が当接するように構成されている。
押さえ板8は、ストッパ5と側板6Aとの固定を図るための部材であり、ストッパ5の一部分を進入させるための開口部80を有する平板状である。この押さえ板8は、ヘッダ一体型側板S1の内面にたとえばネジ止めされ、その一部分はストッパ5の一端に当接している。
次に、前記した熱交換器HE1の作用について説明する。
まず、熱交換器HE1を組み立てる際には、図2に示すように、側板6Aと複数の伝熱管1とを予め組み付けておき、開口部25から複数の伝熱管1をケース本体2内に進入し、その後に側板6Aを拡開部26に嵌入させればよい。この嵌入により、ケース本体2に対する側板6Aの位置決めを簡単に図ることができる。側板6Aの固定は、図6を参照して説明したように、屈曲可能部27を屈曲させて側板6Aの凹部69に係止させることにより、容易かつ強固に行なうことができる。
拡開部26に側板6Aを嵌入する際には、これらの間にシール部材7を介装させるが、このことにより拡開部26の起立壁部26bの内面と側板6Aの内側面との間で適切なシールを図ることができる。ケース本体2が金属製である場合、このケース本体2の各部の寸法精度が比較的低くなりがちであり、また歪みが多く発生する場合があるが、拡開部26をプレス成形する手段を採用すれば、拡開部26の各所を高精度に仕上げることが可能であり、起立壁部26bの内面を歪みの少ない平面に形成することもできる。したがって、良好なシール性を得るのに好ましい。また、拡開部26の各所の寸法精度が高くなれば、この拡開部26に対して側板6Aを大きなガタツキを生じない状態に嵌入させることもできる。側板6Bについても、側板6Aと同様に、拡開部26に嵌入させてから、屈曲可能部27を利用して的確に固定させることができるとともに、シール部材7を利用して適切なシールを図ることが可能である。
前記した説明から理解されるように、この熱交換器HE1においては、ケース本体2に側板6A,6Bを組み付ける手段として、溶接やロウ付け手段を採用する必要はない。このため、ケースCの組み立て作業、ひいては熱交換器HE1全体の製造作業が容易となり、熱交換器HE1の製造コストを廉価にすることができる。また、ケースCに大きな熱歪みを生じることも回避ささる。
本実施形態においては、ヘッダ部3と側板6Aとは、金型を用いた樹脂成形工程により一体成形されたものであるために、これら各部の製造も容易である。たとえば、側板とヘッダ部とを個別に製造する場合と比較すると、その生産性は高く、熱交換器HE1の製造コストをより廉価にすることが可能である。
複数の伝熱管1をヘッダ部3に接続する場合、Oリング連接体4は、複数のOリング40が一連繋がった単一のシール部材として構成されているために、互いに分離した複数のOリングを伝熱管1に個別に装着する場合と比較すると、その装着作業は容易となる。また、複数の伝熱管1やOリング連接体4は、ヘッダ部3の孔部33に対して一括して挿入させればよいために、やはりその作業は容易である。したがって、熱交換器HE1を組み立てる際の作業性をさらに良好なものとすることができる。その他、ストッパ5は、複数の伝熱管1どうしの相対的な位置決め固定を図る役割を果たすために、複数の伝熱管1を安定的に支持するのにも好ましいものとなる。さらに、ストッパ5はOリング連接体4の位置決め手段としても利用されているために、それ専用の他の部材を用いる場合と比較すると、部品点数を少なくし、製造コストの一層の低減を図ることが可能である。
図10〜図12は、本発明の他の実施形態を示している。これらの図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。
図10に示す実施形態においては、シール部材7Aが、拡開部26の筒状壁部26aの内周面と側板6Aの外周面との間に介装されて圧縮されている。図11に示す実施形態においては、V字状パッキンと称されるタイプのシール部材7Bが、筒状壁部26aの内周面と側板6Aの外周面との間に介装される。
これらの実施形態においても、適切なシールを図ることが可能である。拡開部26をプレス成形する場合、筒状壁部26aの内周面を歪みの少ない面に形成しつつ、その仕上がり寸法精度を高いものにすることができるために、優れたシール性能が得られる。これらの実施形態から理解されるように、本発明においては、要は、ケース本体の拡開部の内面のうち、いずれの部分を利用してシールが図られていればよい。もちろん、2つのシール部材を用いることにより、拡開部の起立壁部の内面と側板との間、および拡開部の筒状壁部と側板との間の計2箇所においてシールを図ってもよい。
図12に示す熱交換器HE2においては、ケースC内に、複数の伝熱管1に加えて、これとは別の複数の伝熱管1Aが収容され、これらの間は仕切板19を介して仕切られている。複数の伝熱管1Aは、伝熱管1と同様な螺旋状管体であり、ヘッダ部3C,3Dを利用して内部への入水および出湯が可能である。ヘッダ部3C,3Dは、たとえば合成樹脂製であり、側板6Cと一体成形されている。ケースCには、伝熱管1Aに対して燃焼ガスを供給するための給気口21Aが設けられており、この給気口21AからケースC内に流入した燃焼ガスの排出用の排気口22は、伝熱管1用のものと共用されている。ケース本体2に対する側板6Cの組み付け手段としては、前記実施形態の側板6A,6Bと同様な手段が採用されている。本実施形態から理解されるように、本発明に係る熱交換器としては、1つのケース内に2種類(2系統)の伝熱管を収容した構成とすることができる。
本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る熱交換器の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
側板をケース本体に固定させるための手段としては、前記実施形態で述べた屈曲可能部27に代えて、たとえば接着剤を用いた接着、融着、ネジ止めなどの他の手段を採用することができる。また、溶接やロウ付け手段を採用してもよいが、本発明によれば、ケース
本体の開口部周縁の全周にわたって溶接やロウ付けを行なう必要がなく、たとえば複数箇所にスポット的に溶接を行なえばよい。
本発明においては、ケース本体の両端に開口部が形成されて、これら2つの開口部を側板によって閉塞する場合、これら2つの開口部のそれぞれの周縁部を拡開部として側板を嵌入させることが好ましいものの、やはりこれに限定されない。ケース本体の2つの開口部のうち、一方の開口部の周縁部のみが拡開部とされて本発明が適用され、かつ他方の開口部については従来の手段が適用された構成とすることもできる。このような構成であっても、ケース本体の2つの開口部の双方に従来の手段が適用されていた場合と比較して、ケースの製造作業が容易化し、製造コストを低減することができるからである。
本発明は、ケース本体部が金属製である場合に好適であるが、これに限定されず、たとえば耐熱性などに優れた樹脂製とすることができる。一方、側板の具体的な材質も限定されず、樹脂製に代えて、金属製にすることもできる。側板を鈑金製とする場合、この側板には、シール部材との当接を図るための部分を適宜形成しておけばよい。なお、側板を樹脂製とする場合には、耐熱性や耐酸性を向上させるための手段として、側板の内側面をたとえばステンレス鋼板によって覆うといった手段を採用することもできる。さらに、側板にはヘッダ部を一体成形することが好ましいものの、前記実施形態の側板6Bの構成から理解されるように、ヘッダ部が一体成形されていない側板も、本発明でいう側板の概念に含まれることは勿論である。
伝熱管は、必ずしも螺旋状管体を用いたものでなくてもよく、これ以外の種々の伝熱管(たとえば、直状管、U字管、蛇行状のフレキシブル管など)を用いることができる。加熱用媒体としては、燃焼ガス以外の種々の流体を用いることができる。本発明に係る熱交換器は、潜熱回収用に限らない。また、加熱対象流体は湯水に限定されず、これ以外の流体を加熱する用途に適用することもできる。
HE1,HE2 熱交換器
C ケース
1,1A 伝熱管
2 ケース本体
3,3C,3D ヘッダ部
6A〜6C 側板
7,7A,7B シール部材
25 開口部
26 拡開部
26a 筒状壁部
26b 起立壁部
27 屈曲可能部

Claims (5)

  1. 伝熱管を収容し、かつ加熱用媒体が内部に供給されるケースを備えており、
    このケースは、端部に開口部が形成されている筒状のケース本体と、前記開口部を塞ぐ側板とを有している、熱交換器であって、
    前記ケース本体の前記開口部の周縁部分は、拡開がなされた拡開部として形成されており、この拡開部と前記側板との間にシール部材を介装させるようにして、前記側板が前記拡開部に嵌入されていることを特徴とする、熱交換器。
  2. 前記拡開部は、前記ケース本体の非拡開部から起立した起立壁部を有しており、
    前記シール部材として、前記起立壁部の内面と前記側板の内側面との間に介装されたシール部材を有している、請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記拡開部は、前記開口部を囲む筒状壁部を有しており、
    前記シール部材として、前記筒状壁部の内周面と前記側板の外周面との間に介装されたシール部材を有している、請求項1または2に記載の熱交換器。
  4. 前記拡開部には、前記側板に接近する方向に屈曲させることが可能な屈曲可能部が設けられており、
    この屈曲可能部を屈曲させることにより、この屈曲された部分が前記側板に係止し、前記側板が前記開口部内に固定される構成とされている、請求項1ないし3のいずれかに記載の熱交換器。
  5. 前記伝熱管に接続され、かつ前記伝熱管内への加熱対象流体の流入または流出を行なわせるためのヘッダ部を備えており、
    前記ケースの側板は、前記ヘッダ部と一体的に樹脂成形されて、ヘッダ一体型側板として構成されている、請求項1ないし4のいずれかに記載の熱交換器。
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