JP2012233683A - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のフィンアンドチューブ熱交換器に換わる高い熱交換器及び当該熱交換器の製造方法を提供する。
【解決手段】第１流路を流れる第１流体と、上記第１流路の外部の第２流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、貫通孔及び該貫通孔の全周に亘って形成されたバリ部を有する板部材を複数備え、複数の板部材のバリ部同士が連結されることによって上記第１流路が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１流路を流れる第１流体と、上記第１流路の外部の第２流体との間で熱交換を行う熱交換器及び当該熱交換器の製造方法に関するものである。

熱交換器は、少なくとも第１流体が流れる流路を備えており、当該流路の内部を流れる第１流体と、流路の外部を流れる第２流体との熱交換を行うものである。
このような熱交換器としては、第１流体と第２流体との熱交換を促進させるフィンを備える、いわゆるフィンアンドチューブ熱交換器が知られている。このフィンアンドチューブ熱交換器は、第１流体が流れる流路として、金属管を備えており、当該金属管に対して第２流体と直接接触するためのフィンが複数設置された構成を有している。

「伝熱工学資料 改訂第４版」、社団法人日本機械学会、１９９１年９月２５日、ｐ．２４４−２４５

ところで、上述のようなフィンアンドチューブ熱交換器を製造する場合には、金属管に対してフィンを１つ１つ固定する必要がある。具体的には、フィンを金属管に対してかしめて固定したり、ロウ材によって固定している。
しかしながら、フィンアンドチューブ熱交換器において高い熱交換効率を得るためには、１つの金属管に対して設置されるフィンの数は非常に多くなる。このため、フィンを金属管に対して固定する工程が作業者への大きな負担となる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、従来のフィンアンドチューブ熱交換器に換わる高い熱交換器及び当該熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱交換器は、第１流路を流れる第１流体と、上記第１流路の外部の第２流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、貫通孔及び該貫通孔の全周に亘って形成されたバリ部を有する板部材を複数備え、複数の板部材のバリ部同士が連結されることによって上記第１流路が形成されていることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明の熱交換器によれば、板部材が互いのバリ部同士が連結されるように配列され、複数の連結されたバリ部により第１流路が形成されている。

また、本発明の熱交換器においては、上記板部材が、金属からなる基材と、該基材の少なくとも一方側の面に形成されるロウ材層とを備えるクラッドシートからなるという構成を採用する。

また、本発明の熱交換器においては、上記ロウ材層は、ロウ材成分からなる粉末層を熱処理して得られる層であるという構成を採用する。

また、本発明の熱交換器においては、複数の板部材の上記バリ部同士が、一方のバリ部の外壁面と他方のバリ部の内壁面とが接合されることにより連結され、上記板部材は、上記バリ部の内壁面と連なる面側に上記ロウ材層を備えるという構成を採用する。

また、本発明の熱交換器においては、上記バリ部が上記第１流路の壁部の厚み方向に複数重ねられているという構成を採用する。

また、本発明の熱交換器においては、上記第１流路の内部に上記バリ部の先端部からなる突出部を備えるという構成を採用する。

また、本発明の熱交換器においては、上記第１流路を複数備え、第１流路同士が接続流路によって連結されているという構成を採用する。

次に、本発明の熱交換器の製造方法は、第１流路を流れる第１流体と、上記第１流路の外部の第２流体との間で熱交換を行う熱交換器の製造方法であって、プレス加工により複数の板部材に全周に亘ってバリ部を有する貫通孔を形成するプレス加工工程と、複数の板部材の上記バリ部同士を連結することにより上記第１流路を形成する第１流路形成工程とを有することを特徴とする。

このような特徴を有する本発明の熱交換器の製造方法によれば、プレス加工工程によって複数の板部材に対して、全周に亘ってバリ部を有する貫通孔が形成され、第１流路形成工程によって、複数の板部材のバリ部同士が連結されることによって第１流路が形成される。

また、本発明の熱交換器の製造方法においては、上記板部材が、金属からなる基材と、該基材の少なくとも一方側の面に形成されるロウ材層とを備えるクラッドシートであり、上記プレス加工工程の前に上記クラッドシートを製造するクラッドシート製造工程を有するという構成を採用する。

また、本発明の熱交換器の製造方法においては、上記クラッドシート製造工程は、上記基材の少なくとも一方側の面に粉末材料を圧延処理により圧着させることによってロウ材組成を有する粉末層を形成する粉末層形成工程と、該粉末層形成工程にて形成された粉末層を熱処理することによって上記ロウ材層とする熱処理工程とを有するという構成を採用する。

また、本発明の熱交換器の製造方法においては、上記板部材は、上記バリ部が突出しない側にロウ材層が形成されたクラッドシートからなるという構成を採用する。

また、本発明の熱交換器の製造方法においては、上記プレス形成工程と上記第１流路形成工程との間に、バリ部を伸長する伸長工程を有するという構成を採用する。

また、本発明の熱交換器の製造方法においては、上記伸長工程における上記バリ部の伸長距離は、予め決められた上記第１流路の壁部の厚みに応じて決定されるという構成を採用する。

本発明の熱交換器及びその製造方法によれば、第１流路が複数の板部材に形成されたバリ部が連結されることによって構成され、バリ部の外側の板部材の領域が従来のフィンアンドチューブ熱交換器のフィンと同様の機能を有する。
したがって、本発明の熱交換器によれば、従来のフィンアンドチューブ熱交換器と同様に高い熱交換効率を有する。また、その製造方法によれば、金属管に対してフィンを固定する工程を備える必要がなくなり、作業者の負担が減少する。

本発明の一実施形態である熱交換器の概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態である熱交換器の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態である熱交換器の製造方法におけるクラッドシート製造工程に用いられる製造装置の概略構成図である。 発明の一実施形態である熱交換器の製造方法におけるクラッドシート製造工程にて製造されるクラッドシートの斜視図である。 本発明の一実施形態である熱交換器の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態である熱交換器の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態である熱交換器の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態である熱交換器の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態である熱交換器の製造方法を説明するための説明図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る熱交換器及び熱交換器の製造方法の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の熱交換器１００の概略構成を示す断面図である。この図に示すように、本実施形態の熱交換器１００は、複数の板部材１０と、Ｕ字管２０及びノズル３０によって構成されている。

板部材１０は、複数の貫通孔１１を有する金属板であり、各貫通孔１１の全周に亘り、同じ高さのバリ部１２が形成されている。そして、各板部材１０における貫通孔１１の形成間隔は等しくされている。

この板部材１０は、後に詳説するが、金属からなる基材と、該基材の一方側の面に形成されたロウ材層とを備えるクラッドシートが用いられている。
そして、本実施形態の熱交換器１００においては、板部材１０のバリ部１２が突出していない側の面（図１における下側面）がロウ材層となるように配置されている。また、バリ部１２の内壁面１２ａもロウ材層となるように構成されている。すなわち、本実施形態の熱交換器１００においては、バリ部１２の内壁面１２ａに連なる面側のみにロウ材層が配置されている。
なお、本実施形態の熱交換器１００においては、ロウ材層は、ロウ材成分の粉末層を熱処理することによって得た層である。

各板部材１０同士は、一方の板部材１０のバリ部１２が、他方の板部材１０のバリ部１２が突出していない側の面（図１における下側）から貫通孔１１に入り込み、一方の板部材１０のバリ部１２の外壁面１２ｂと他方の板部材１０のバリ部１２の内壁面１２ａとが当接されてロウ付け接合されることによって固定されている。
つまり、各板部材１０のバリ部１２同士は、一方のバリ部１２の外壁面１２ｂと他方のバリ部１２の内壁面１２ａとがロウ付け接合されることによって連結されている。

そして、本実施形態の熱交換器１００においては、各板部材１０のバリ部１２同士が連結されることによって、貫通孔１１同士を繋ぐ流路１３（第１流路）が形成されている。
なお、流路１３の内部には、バリ部１２の先端部からなる突出部１２ｃが形成されている。

Ｕ字管２０は、異なる流路１３を接続するための流路であり、端部２１が流路１３の内部に挿通されて流路１３に対してロウ付け接合されることによって固定されている。このようなＵ字管２０によって異なる流路１３が接続されることによって、異なる流路１３同士が一本の長い流路として連結される。
ノズル３０は、流路１３及びＵ字管２０が連結されることによって構成される一本の流路の端部に各々設置されるものであり、流路の入口側に設置されたノズル３０が流体を流路に導き、流路の出口側に設置されたノズル３０が流路から排出される流体を導く。このノズル３０も、流路１３の内部に挿通されて流路１３に対してロウ付け接合されることによって固定されている。

このように構成された本実施形態の熱交換器１００においては、バリ部１２が連結されることによって形成された流路１３が、従来のフィンアンドチューブ熱交換器における金属管として機能し、バリ部１２を除く板部材１０の部位が従来のフィンアンドチューブ熱交換器におけるフィンとして機能する。

そして、流路の入口側に設置されたノズル３０から流路の内部に流入した流体（第１流体）は、流路１３及びＵ字管２０を通過して、流路の出口側に設置されたノズル３０を介して外部に排出される。そして、このような流路を流れる流体は、流路１３の外部の温度の異なる流体と板部材１０を介して熱交換される。

このような本実施形態の熱交換器１００によれば、バリ部１２を除く板部材１０の部位が従来のフィンアンドチューブ熱交換器におけるフィンとして機能するため、流路１３を流れる流体と流路１３の外部の流体との熱交換を効率的に行うことができる。

また、本実施形態の熱交換器１００においては、流路１３の内部にバリ部１２の先端部からなる突出部１２ｃが形成されている。このため、流路１３内部を流れる流体が乱流状態となり、より熱交換効率が高められる。

また、本実施形態の熱交換器１００においては、Ｕ字管２０によって異なる流路１３が連結されることによって、一本の長い流路が形成されている。このため、流体が流路を流れる時間を長く確保することが可能となり、より効率的な熱交換を行うことが可能となる。

次に、本実施形態の熱交換器１００の製造方法について説明する。なお、本実施形態の熱交換器１００の製造方法は、図２のフローチャートに示すように、クラッドシート製造工程Ｓ１と、プレス加工工程Ｓ２と、伸長工程Ｓ３と、流路形成工程Ｓ４（第１流路形成工程）とを有している。

クラッドシートの製造工程Ｓ１は、板部材１０となるクラッドシートを製造する工程であり、基材の一方側の面に粉末を圧延処理により圧着させることによってロウ材組成を有する粉末層を形成する粉末層形成工程Ｓ１１と、該粉末層形成工程Ｓ１１にて形成された粉末層を熱処理することによってロウ材層とする熱処理工程Ｓ１２とを有している。

図３は、クラッドシートを製造するための製造装置Ｄ１の概略構成図である。
この図に示すように、製造装置Ｄ１は、ホッパ１と、ベルトフィーダ２と、圧延ローラ３と、プーリ４と、加熱炉５と、回収ローラ６とを備えている。

ホッパ１は、ロウ材成分を有する粉末Ｘをベルトフィーダ２に供給するように構成されている。
ベルトフィーダ２は、粉末Ｘを搬送し、圧延ローラ３上から下方に粉末Ｘを落下させることによって、圧延ローラ３の周面（後述する圧延ローラ３Ａの周面）に粉末Ｘを供給する構成となっている。

圧延ローラ３は、一対の圧延ローラ３Ａと圧延ローラ３Ｂとによって構成されている。圧延ローラ３Ａがベルトフィーダ２の下方に位置されるように配置されている。この圧延ローラ３は、不図示の回転駆動機構により回転駆動されることによって、ベルトフィーダ２を介して供給される粉末Ｘと上方から挿通される板状の基材Ｙとを圧延ローラ３Ａと圧延ローラ３Ｂとの間において圧延する構成となっている。
そして、圧延ローラ３は、圧延ローラ３Ａ，３Ｂ間において基材Ｙ及び粉末Ｘを圧着し、これによって基材Ｙの一方側の面に、粉末Ｘからなる粉末層を形成する。

プーリ４は、圧延ローラ３の下方に配置されており、圧延ローラ３によって粉末Ｘが一方側の面に圧着された基材Ｙを水平方向に案内するように構成されている。
加熱炉５は、一方側の面に配置された粉末Ｘを基材Ｙごと、粉末Ｘの融点近傍まで加熱することによって粉末Ｘを溶融あるいは焼結させるものである。これによって、基材Ｙの一方側の面における粉末層（粉末Ｘからなる層）が溶融あるいは焼結し、その後冷却されることによってロウ材層Ｘ１とされる。
回収ローラ６は、加熱炉５から排出された基材Ｙ（すなわちクラッドシート）を巻き取ることによって回収するものである。

次に、上述のようにして構成された製造装置Ｄ１によるクラッドシート製造工程Ｓ１においては、まずホッパ１に収容された粉末Ｘがベルトフィーダ２によって圧延ローラ３Ａの周面に供給される。
圧延ローラ３Ａの周面に供給された粉末Ｘは、圧延ローラ３Ａの回転駆動によって、圧延ローラ３Ａ，３Ｂの間に供給され、圧延ローラ３Ａ，３Ｂの間に上方から下方へ挿通されて搬送される板状の基材Ｙの一方側の面に圧着されて配置される。これによって基材Ｙの一方側の面に粉末層が形成される。
そして、以上までの工程が上述の粉末層形成工程Ｓ１１に対応する。

続いて、粉末Ｘが圧着された基材Ｙは、圧延ローラ３Ａ，３Ｂの下方に位置する加熱炉５にプーリ４を介して挿入され、粉末Ｘの融点近傍の温度まで加熱される。この結果、粉末Ｘからなる粉末層が焼結あるいは溶融して層となり、基材Ｙの表面にしっかりと固着されることによって、ロウ材層となる。
そして、当該工程が上述の熱処理工程Ｓ１２に対応する。

そして、ロウ材層が形成された基材Ｙ（すなわちクラッドシート）が回収ローラ６によって巻き取られることによって回収される。

以上の工程により、図４に示すような、基材Ｙの一方側の面にロウ材層Ｘ１が形成されたクラッドシート１０（板部材１０）が製造される。

図２に戻り、プレス加工工程Ｓ２は、ステップＳ１にて製造された板部材１０に対して、全周に亘ってバリ部１２を有する貫通孔１１を形成する工程である。
当該工程では、まず図５に示すように板部材１０を用意し、当該板部材１０にバーリング加工等のプレス加工により図６に示すようなバリ部１２が全周に亘って形成された貫通孔１１を板部材１０に対して複数形成する。
そして、プレス加工工程Ｓ２では、複数の板部材１０に対して、同じ間隔で複数の貫通孔１１を形成する。

伸長工程Ｓ３は、必要に応じてプレス加工工程Ｓ２にて形成したバリ部１２を、絞り加工等によって、図７に示すように伸長する工程である。
図８及び図９は、伸長工程Ｓ３におけるバリ部１２の伸長距離によって流路１３の壁部１３ａの厚みが変化する様子を示した模式図である。
これらの図を比較すると、相対的にバリ部１２の長さが長い場合（図８に示す場合）には、より多く（３つ）のバリ部１２を重ねて流路１３の壁部１３ａを形成することができ、壁部１３ａが厚い流路１３を形成することができる。一方、相対的にバリ部１２の長さが短い場合（図９に示す場合）には、少ない（２つ）のバリ部１２が重ねられて流路１３の壁部１３ａが形成されるため、壁部１３ａが薄い流路１３が形成される。
そこで、本実施形態の熱交換器の製造方法においては、予め決められた必要とされる流路１３の壁部１３ａの厚みに応じて、伸長工程Ｓ３におけるバリ部１２の伸長距離を決定する。
このような伸長工程Ｓ３を行うことによって、バリ部１２が流路１３の厚み方向に複数重ねられた流路１３を形成することができる。
なお、プレス加工工程Ｓ２にて形成されたバリ部１２の長さが、所望の流路１３の壁部１３ａの厚みに対して十分である場合には、伸長工程Ｓ３を省略することができる。

流路形成工程Ｓ４は、複数の板部材１０、Ｕ字管２０及びノズル３０を組立て、加熱処理することによって、各部材をロウ付け接合し、これによって、流路１３を含む一連の流路を形成する工程である。このような流路形成工程Ｓ４においては、複数の板部材１０のバリ部１２同士を連結することによって流路１３が形成される。

なお、本実施形態の熱交換器の製造方法においては、板部材１０のバリ部１２の内壁面１２ａに連なる面側にロウ材層が配置されているが、板部材１０のバリ部１２の外壁面１２ｂが他の板部材１０のバリ部１２の内壁面１２ａと当接され、Ｕ字管２０及びノズル３０が流路１３に挿通されることによってバリ部１２の内壁面１２ａと当接されている。
このため、複数の板部材１０、Ｕ字管２０及びノズル３０を組立てた後、全体を加熱することによって、全ての部材の一度の工程でロウ付け接合することができる。

そして、以上のような工程を経ることにより、上述した本実施形態の熱交換器１００が製造される。

このような本実施形態の熱交換器１００及びその製造方法によれば、流路１３が複数の板部材１０に形成されたバリ部１２が連結されることによって構成され、バリ部１２の外側の板部材１０の領域が従来のフィンアンドチューブ熱交換器のフィンと同様の機能を有する。
したがって、本実施形態の熱交換器１００によれば、従来のフィンアンドチューブ熱交換器と同様に高い熱交換効率を有する。また、その製造方法によれば、金属管に対してフィンを固定する工程を備える必要がなくなり、作業の負担が軽減される。

また、本実施形態の熱交換器１００及びその製造方法によれば、板部材１０がクラッドシートにより形成されている。このため、各部材を組み立てた後、加熱することによって全ての部材を一度の工程でロウ付け接合することができる。
また、本実施形態の熱交換器１００及びその製造方法によれば、板部材１０の一方側にロウ材層が形成されている構成について説明した。このような構成によれば、クラッドシート製造工程における粉末材料の削減が可能となると共に、クラッドシートをより薄くすることが可能となる。

また、本実施形態の熱交換器１００及びその製造方法によれば、板部材１０として用いられるクラッドシートのロウ材層がロウ材成分からなる粉末層を熱処理することによって得られる。
このため、粉末層の成分を調節することにより、所望のロウ材層を容易に得ることができる。例えば、粉末層に耐食性を有する金属材料を添加することにより、耐食性に優れたロウ材層を形成することができる。したがって、流体の特性に応じた特性を有する流路１３を容易に形成することができる。
なお、このようにロウ材層が流体の特性に応じた特性を有する場合には、この特性を目的として、基材の両面にロウ材層が形成されたクラッドシートを板部材１０として用いても良い。

また、本実施形態の熱交換器１００及びその製造方法によれば、伸長工程Ｓ３によりバリ部１２の伸長距離を制御することにより、バリ部１２の重ね枚数を制御し、これによって流路１３の壁部１３ａの厚みを制御することができる。

また、本実施形態の熱交換器１００及びその製造方法によれば、バリ部１２の先端部を突出部１２ｃとすることにより、流路１３内を流れる流体を乱流状態とすることができ、熱交換効率をより向上させることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、バリ部１２同士が直接当接されて連結されることによって流路１３が形成される構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、一方の板部材１０のバリ部１２が、他方の板部材１０の貫通孔を囲むように他方の板部材１０の下面と当接され、これが繰り返されてバリ部１２同士が流体の流れ方向に連結されることによって流路が形成されていても良い。

１００……熱交換器、１０……板部材（クラッドシート）、１１……貫通孔、１２……バリ部、１２ａ……内壁面、１２ｂ……外壁面、１２ｃ……突出部、１３……流路（第１流路）、１３ａ……壁部、２０……Ｕ字管（接続流路）

Claims (6)

1. 第１流路を流れる第１流体と、前記第１流路の外部の第２流体との間で熱交換を行う熱交換器の製造方法であって、
   プレス加工により複数の板部材に全周に亘ってバリ部を有する貫通孔を形成するプレス加工工程と、
   複数の板部材の前記バリ部同士を連結することにより前記第１流路を形成する第１流路形成工程と
   を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 前記板部材が、金属からなる基材と、該基材の少なくとも一方側の面に形成されるロウ材層とを備えるクラッドシートであり、
   前記プレス加工工程の前に前記クラッドシートを製造するクラッドシート製造工程を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記クラッドシート製造工程は、
   前記基材の少なくとも一方側の面に粉末材料を圧延処理により圧着させることによってロウ材組成を有する粉末層を形成する粉末層形成工程と、
   該粉末層形成工程にて形成された粉末層を熱処理することによって前記ロウ材層とする熱処理工程と
   を有することを特徴とする請求項２記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記板部材は、前記バリ部が突出しない側にロウ材層が形成されたクラッドシートからなることを特徴とする請求項２または３記載の熱交換器の製造方法。
5. 前記プレス形成工程と前記第１流路形成工程との間に、バリ部を伸長する伸長工程を有することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の熱交換器の製造方法。
6. 前記伸長工程における前記バリ部の伸長距離は、予め決められた前記第１流路の壁部の厚みに応じて決定されることを特徴とする請求項５記載の熱交換器の製造方法。

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