JP2015183905A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッダ部の角部が円弧状に形成された場合でも、コア部の流路が外部に露出するのを抑制しながら、ヘッダ部と中間部材とを接合することが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】この熱交換器１００は、第１流体および第２流体がそれぞれ流れる流路１４を有するとともに、第１流体および第２流体との間で熱交換を行うコア部１と、コア部１に取り付けられ、第１流体または第２流体を流路１４に流入または流路１４から流出させるためのヘッダ部２と、コア部１とヘッダ部２との間に設けられ、枠状を有し、コア部１とヘッダ部２とを接合するための中間部材３とを備え、中間部材３の角部３１ａ〜３１ｄは、コア部１側の曲率半径Ｒ２がヘッダ部２側の曲率半径Ｒ３よりも小さくなるように構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、熱交換器に関し、特に、熱交換を行うコア部と、コア部に取り付けられるヘッダ部とを備える熱交換器に関する。

従来、熱交換を行うコア部と、コア部に取り付けられるヘッダ部とを備える熱交換器が知られている（たとえば、特許文献１および２参照）。

上記特許文献１および２には、熱交換を行う熱交換ブロック（コア部）と、流体を熱交換ブロック（コア部）に供給または熱交換ブロック（コア部）から排出させるためのヘッダ部と、熱交換ブロック（コア部）とヘッダ部との間に設けられる金属製の中間部材（継ぎ板）とを備える熱交換器が開示されている。この熱交換器では、金属製の中間部材（継ぎ板）は、矩形の枠体（平面視において、角部が直角状の枠体）により形成されている。そして、中間部材（継ぎ板）の一方側は、熱交換ブロック（コア部）にろう付けまたは溶接されるとともに、他方側は、ヘッダ部に溶接されるように構成されている。また、熱交換ブロック（コア部）は、直方体形状を有する。

特開２０１１−８０７５０号公報 実開平６−６５７７５号公報

ここで、一般的に、ヘッダ部をプレス加工により形成した場合には、ヘッダ部の角部が曲面状（平面視において円弧状）に形成される。この場合、上記特許文献１および２の熱交換器では、中間部材（継ぎ板）の角部が平面視において直角状に形成されているため、ヘッダ部の円弧状の角部と中間部材の直角状の角部との形状が異なることに起因して、ヘッダ部と中間部材とを接合することができない（ヘッダ部と中間部材との接合部分に隙間が生じる）という問題点がある。

そこで、中間部材の角部を、ヘッダ部の円弧状の角部に合わせて円弧状に形成することも考えられる。しかしながら、このように中間部材の角部をヘッダ部の円弧状の角部に合わせて円弧状に形成した場合には、熱交換ブロックの流体を流すための複数の流路のうち、平面視において矩形形状の熱交換ブロックの角部近傍に配置される流路が、ヘッダ部（中間部材）に覆われない（外部に露出する）という問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、ヘッダ部の角部が円弧状に形成された場合でも、コア部の流路が外部に露出するのを抑制しながら、ヘッダ部と中間部材とを接合可能な熱交換器を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による熱交換器は、第１流体および第２流体がそれぞれ流れる流路を有するとともに、第１流体および第２流体との間で熱交換を行うコア部と、コア部に取り付けられ、第１流体または第２流体を流路に流入または流路から流出させるためのヘッダ部と、コア部とヘッダ部との間に設けられ、枠状を有し、コア部とヘッダ部とを接合するための中間部材とを備え、中間部材の角部は、コア部側の曲率半径がヘッダ部側の曲率半径よりも小さくなるように構成されている。

この発明の一の局面による熱交換器では、上記のように、コア部とヘッダ部との間に設けられる中間部材の角部を、コア部側の曲率半径がヘッダ部側の曲率半径よりも小さくなるように構成することによって、コア部の角部に設けられる流路を中間部材により覆うことができるので、ヘッダ部の角部が円弧状に形成された場合でも、ヘッダ部と中間部材とを接合することができる。その結果、ヘッダ部の角部が円弧状に形成された場合でも、コア部の流路が外部に露出するのを抑制しながら、ヘッダ部と中間部材とを接合することができる。

上記一の局面による熱交換器において、好ましくは、熱交換器は、コア部に触媒が充填される触媒反応器を含み、中間部材は、コア部側に設けられ、コア部側の曲率半径がヘッダ部側の曲率半径よりも小さくなるように構成されている曲率半径変化部と、曲率半径変化部に接続されるとともにヘッダ部側に設けられ、角部の曲率半径がコア部側からヘッダ部側に向かって略変化しないように構成されている曲率半径非変化部とを含む。ここで、熱交換器のコア部に触媒が充填されることにより、熱交換器が触媒反応器として用いられた場合、定期的に触媒を交換する必要がある。この場合、溶接されたヘッダ部をヘッダ部と中間部材との境界において切断した後、触媒を交換し、ヘッダ部を再び溶接して取り付ける必要がある。この際、溶接の際の熱に起因してヘッダ部と中間部材との境界に生じる熱影響部が溶接の前に削り取られる。そこで、本発明では、中間部材を、角部の曲率半径がコア部側からヘッダ部側に向かって略変化しないように構成されている曲率半径非変化部を含むように構成することによって、曲率半径非変化部とヘッダ部との境界において切断すれば、曲率半径非変化部の熱影響部を削り取っても、曲率半径非変化部の曲率半径は変化しないので、熱影響部を削り取った後の曲率半径非変化部とヘッダ部とを容易に溶接することができる。

上記中間部材が曲率半径変化部と曲率半径非変化部とを含む熱交換器において、好ましくは、ヘッダ部は、プレス加工されることにより、ヘッダ部の取付け方向から見て、４つの角部が円弧状を有する略矩形形状に形成されており、曲率半径非変化部の４つの角部の曲率半径は、ヘッダ部の厚みの１．５倍よりも大きく、曲率半径非変化部とヘッダ部との境界におけるヘッダ部の曲率半径と略等しい。ここで、プレス加工されたヘッダ部の角部の曲率半径は、ヘッダ部の厚みの１．５倍よりも大きくなる。そこで、本発明では、曲率半径非変化部の角部の曲率半径を、ヘッダ部の厚みの１．５倍よりも大きくするとともに、曲率半径非変化部とヘッダ部との境界におけるヘッダ部の曲率半径と略等しくすることによって、プレス加工されたヘッダ部を容易に曲率半径非変化部に溶接することができる。なお、「取付け方向から見る」とは、熱交換器を上方、下方および側方から見た場合を含む広い概念である。

また、ヘッダ部を、プレス加工することにより形成することによって、複数の部材を溶接することによりヘッダ部を形成する場合と異なり、ヘッダ部の形成を容易に行うことができる。

上記中間部材が曲率半径変化部と曲率半径非変化部とを含む熱交換器において、好ましくは、ヘッダ部と曲率半径非変化部とは、溶接により接合されるように構成されており、コア部に設けられる触媒を交換する際に、ヘッダ部が曲率半径非変化部に溶接された部分において切断されて触媒が交換された後、ヘッダ部と曲率半径非変化部とが溶接により再び接合されるように構成されている。このように構成すれば、曲率半径非変化部の熱影響部を削り取っても、曲率半径非変化部の曲率半径は変化しないので、熱影響部を削り取った後の曲率半径非変化部とヘッダ部とを容易に溶接することができる。その結果、触媒の交換作業を容易にすることができる。

この場合、好ましくは、ヘッダ部が曲率半径非変化部に溶接された部分近傍において、ヘッダ部および曲率半径非変化部の熱影響に起因して削り取られる部分の厚みｔ１は、ヘッダ部の厚みをｔ２として、以下の式（１）で表される値を上限として、ヘッダ部および曲率半径非変化部のそれぞれを厚みｔ１削り取った後、ヘッダ部と曲率半径非変化部とが溶接により再び接合されるように構成されている。このように構成すれば、ヘッダ部および曲率半径非変化部の熱影響に起因して削り取られる部分以外の部分も削り取る場合に比べて、ヘッダ部および曲率半径非変化部の長さが短くなるのが抑制されるので、ヘッダ部に設けられる整流部の高さ位置が変化するのが抑制される。その結果、ヘッダ部を切断することに起因する整流効果への影響を抑制することができる。

本発明によれば、上記のように、ヘッダ部の角部が円弧状に形成された場合でも、コア部の流路が外部に露出するのを抑制しながら、ヘッダ部と中間部材とを接合することができる。

本発明の一実施形態による熱交換器の構成を示した斜視図である。 本発明の一実施形態による熱交換器の構成を示した分解斜視図である。 本発明の一実施形態による熱交換器をＸ方向側から見た側面図である。 本発明の一実施形態による熱交換器をＹ方向側から見た側面図である。 本発明の一実施形態による熱交換器のコア部および中間部材の上面図である。 本発明の一実施形態による熱交換器のコア部、中間部材およびヘッダ部の角部の側面図である。 本発明の一実施形態による熱交換器の中間部材およびヘッダ部の斜視図である。 本発明の一実施形態による熱交換器の中間部材の曲率半径変化部の斜視図である。 本発明の一実施形態による熱交換器の触媒の交換方法を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１〜図８および図９（ａ）を参照して、本実施形態による熱交換器１００の構成について説明する。

図１および図２に示すように、熱交換器１００は、コア部１と、ヘッダ部２（ヘッダ部２ａ〜２ｄ）と、中間部材３（中間部材３ａ〜３ｄ）とを備えている。なお、コア部１、ヘッダ部２および中間部材３は、金属により構成されている。

コア部１は、相対的に高温の第１流体および相対的に低温の第２流体がそれぞれ流れる後述する流路１４（図５参照）を有するとともに、相対的に高温の第１流体と相対的に低温の第２流体との間で熱交換するように構成されている。また、コア部１は、たとえば、図５に示すように、フィン１１とセパレートプレート１２とが交互に積層されたプレートフィン型のコア部１から構成されている。また、フィン１１とセパレートプレート１２とに囲まれた領域に流路１４（図５参照）が形成されている。また、第１流体または第２流体が流れる流路１４には、触媒（図示せず）が充填されている。これにより、熱交換器１００は、触媒反応器としての機能を有する。また、図１および図２に示すように、コア部１は、直方体形状（平面視において、４つの角部１ａを含む略矩形形状）を有する。

また、ヘッダ部２ａは、直方体形状のコア部１の上方（Ｚ１方向側）に設けられている。また、ヘッダ部２ａには、流体が流入または流出される流出入口２１ａが設けられている。また、ヘッダ部２ｂは、コア部１の下方（Ｚ２方向側）に設けられているとともに、流出入口２１ｂが設けられている。また、ヘッダ部２ｃは、コア部１の側方（Ｙ１方向側）に設けられているとともに、流出入口２１ｃが設けられている。また、ヘッダ部２ｄは、コア部１の側方（Ｙ２方向側）に設けられているとともに、流出入口２１ｄ（図３および図４参照）が設けられている。ヘッダ部２ａ〜２ｄは、コア部１に溶接（またはろう付け）により取り付けられている。ヘッダ部２ａ〜２ｄは、同様の構成を有するので、以下では、ヘッダ部２ａについて詳細に説明する。

ここで、本実施形態では、図１〜図４に示すように、ヘッダ部２ａは、プレス加工されることにより、ヘッダ部２ａの取付け方向（上方）から見て、４つの角部２２ａが円弧状を有する略矩形形状に形成されている。そして、Ｘ１方向側およびＸ２方向側の長手方向端部２３ａは、Ｘ方向から見て略円弧形状（図３参照）を有するとともに、Ｙ方向から見て略円弧形状（図４参照）を有する。また、２つの長手方向端部２３ａの間の胴体部２４ａは、略半円筒形状を有する。

また、図６および図７に示すように、ヘッダ部２ａの中間部材３ａ側（Ｚ２方向側）の部分（直線状部分２５ａ）は、Ｚ方向（上下方向）に沿って略直線状（平板状）に形成されている。また、ヘッダ部２ａの４つの角部２２ａは、プレス加工により形成されることに起因して、後述する中間部材３ａの曲率半径非変化部３３ａとヘッダ部２ａとの境界Ａ１（中間部材３ａに接する部分、図６参照）における曲率半径Ｒ１がヘッダ部２ａの厚みｔ２（図６参照）の３倍以上になるように構成されている。また、ヘッダ部２ａの内部には、コア部１に流入する第１流体を整流する板状の整流部２６ａ（図９（ａ）参照）が設けられている。なお、ヘッダ部２ｂ（角部２２ｂなど）の構成は、ヘッダ部２ａの構成と同様である。

また、ヘッダ部２ｃおよびヘッダ部２ｄも、ヘッダ部２ａと同様に、プレス加工されることにより、ヘッダ部２ｃおよびヘッダ部２ｄの取付け方向（側方）から見て、４つの角部２２ｃおよび２２ｄがヘッダ部２ｃおよび２ｄの各々の厚みの３倍以上の曲率半径の円弧状を有する略矩形形状に形成されている。なお、ヘッダ部２ｃおよび２ｄは、長手方向の長さがヘッダ部２ａおよび２ｂと略等しく、短手方向の長さがヘッダ部２ａおよび２ｂよりも小さい。ヘッダ部２ｃおよび２ｄのその他の構成は、ヘッダ部２ａおよび２ｂの構成と同様である。

また、図１および図２に示すように、中間部材３（中間部材３ａ〜３ｄ）は、コア部１とヘッダ部２（ヘッダ部２ａ〜２ｄ）との間に設けられており、略矩形の枠状を有する。また、中間部材３（中間部材３ａ〜３ｄ）は、コア部１とヘッダ部２（ヘッダ部２ａ〜２ｄ）とを接合するように構成されている。中間部材３ａ〜３ｄは、同様の構成を有するので、以下では、中間部材３ａについて詳細に説明する。

ここで、本実施形態では、図５〜図８に示すように、中間部材３ａの４つの角部３１ａは、コア部１側の曲率半径Ｒ２がヘッダ部２ａ側の曲率半径Ｒ３よりも小さくなるように構成されている。具体的には、中間部材３ａは、曲率半径変化部３２ａと曲率半径非変化部３３ａとを含を含んでいる。曲率半径変化部３２ａは、コア部１側に設けられ、コア部１側の曲率半径Ｒ２がヘッダ部２ａ側の曲率半径Ｒ３よりも小さくなるように構成されている。曲率半径非変化部３３ａは、曲率半径変化部３２ａに接続されるとともにヘッダ部２ａ側に設けられ、角部３３１ａの曲率半径Ｒ３がコア部１側からヘッダ部２ａ側に向かって略変化しないように構成されている。なお、中間部材３ａは、プレス加工されることにより、角部３１ａの曲率半径が変化した形状に形成されている。

より詳細には、曲率半径変化部３２ａの４つの角部３２１ａのヘッダ部２ａ側の曲率半径Ｒ３は、ヘッダ部２ａの厚みｔ２の３倍以上（３ｔ以上）であり、コア部１側の曲率半径Ｒ２は、ヘッダ部２ａの厚みｔ２の略１．５倍（略１．５ｔ）である。すなわち、曲率半径変化部３２ａの角部３２１ａのコア部１側は、ヘッダ部２ａ側に比べて、より直角に近い形状に形成されている。また、曲率半径非変化部３３ａの４つの角部３３１ａの曲率半径Ｒ３は、曲率半径非変化部３３ａとヘッダ部２ａとの境界Ａ１（図６、図７参照）におけるヘッダ部２ａの曲率半径Ｒ１（３ｔ以上）と略等しい。

また、曲率半径変化部３２ａの４つの角部３２１ａは、ヘッダ部２ａ側からコア部１側に向かって曲率半径が徐々に連続的に小さくなるように構成されている。すなわち、曲率半径変化部３２ａの４つの角部３２１ａの曲率半径は、ヘッダ部２ａの厚みｔ２の３倍以上（３ｔ以上）から略１．５倍（略１．５ｔ）に徐々に小さくなるように構成されている。

曲率半径変化部３２ａと曲率半径非変化部３３ａとの境界Ａ２（図６、図７参照）における曲率半径変化部３２ａの角部３２１ａの曲率半径Ｒ３と、曲率半径非変化部３３ａの角部３３１ａの曲率半径Ｒ３とは、略等しい。すなわち、角部３１ａは、コア部１側からヘッダ部２ａ側に向かって、曲率半径が徐々に大きくなるとともに、曲率半径変化部３２ａと曲率半径非変化部３３ａとの境界Ａ２から曲率半径非変化部３３ａとヘッダ部２ａとの境界Ａ１までは、曲率半径が変化しない。なお、中間部材３ａの４つの角部３１ａ以外の部分（角部と角部とを接続する接続部分３４ａ）は、コア部１側からヘッダ部２ａ側にわたって平坦面からなる平板状を有している。

また、本実施形態では、図６に示すように、中間部材３ａが取り付けられるコア部１の面に垂直な方向（Ｚ方向）の曲率半径非変化部３３ａの長さＬ１は、曲率半径変化部３２ａの長さＬ２よりも大きく（Ｌ１＞Ｌ２）なるように構成されている。たとえば、曲率半径非変化部３３ａの長さＬ１は、曲率半径変化部３２ａの長さＬ２の２倍以上３倍以下になるように構成されている。

また、中間部材３ｂの構成は、中間部材３ａの構成と同様である。また、中間部材３ｃおよび３ｄは、長手方向の長さが中間部材３ａおよび３ｂと略等しく、短手方向の長さが中間部材３ａおよび３ｂよりも小さい。中間部材３ｃおよび３ｄのその他の構成は、中間部材３ａおよび３ｂの構成と同様である。すなわち、中間部材３ｂ〜３ｄの角部３１ｂ〜３１ｄも、中間部材３ａと同様に、コア部１側の曲率半径がヘッダ部２ｂ〜２ｄ側の曲率半径よりも小さくなるように構成されている。

また、本実施形態では、ヘッダ部２ａと中間部材３ａとは、溶接により接合されるように構成されている。そして、コア部１に充填された触媒を交換する際に、ヘッダ部２ａが中間部材３ａ（曲率半径非変化部３３ａ）に溶接された部分（ヘッダ部２ａと曲率半径非変化部３３ａとの境界Ａ１）において切断されて触媒が交換された後、ヘッダ部２ａと中間部材３ａ（曲率半径非変化部３３ａ）とが溶接により再び接合される。ヘッダ部２ｂについても、ヘッダ部２ａと同様に切断および溶接される。なお、触媒の交換方法の詳細については、後述する。

次に、図３を参照して、熱交換器１００における流体の流れについて説明する。

第１流体は、ヘッダ部２ａの流出入口２１ａに流入される。そして、ヘッダ部２ａから流入された第１流体は、コア部１を鉛直下方（Ｚ２方向）に流れるとともに、ヘッダ部２ｂの流出入口２１ｂから流出する。また、第２流体は、ヘッダ部２ｃの流出入口２１ｃに流入される。そして、ヘッダ部２ｃから流入された第２流体は、コア部１をＹ１方向側からＹ２方向側にＬ字状（またはＺ字状）に流れるとともに、ヘッダ部２ｄの流出入口２１ｄから流出する。

次に、図９を参照して、触媒の交換方法（交換プロセス）の詳細について説明する。ここでは、第１流体が流れる流路１４（図５参照）に触媒が充填されているとする。

まず、ヘッダ部２ａとヘッダ部２ｂとが切断される。なお、ヘッダ部２ｂに対する作業もヘッダ部２ａと同様であるので、以下では、ヘッダ部２ａについて説明する。具体的には、図９（ａ）に示すように、ヘッダ部２ａが中間部材３ａに溶接された状態（交換前の状態）から、図９（ｂ）（左図）に示すように、ヘッダ部２ａと中間部材３ａの曲率半径非変化部３３ａとの境界（コア部１からの高さ位置ｈ１）において、ヘッダ部２ａ（直線状部分２５ａ）が略水平に切断される。ここで、ヘッダ部２ａが曲率半径非変化部３３ａに溶接された部分において切断されることにより、ヘッダ部２ａおよび曲率半径非変化部３３ａには、それぞれ、熱影響部２７ａおよび３５ａが形成される。そして、ヘッダ部２ａが曲率半径非変化部３３ａに溶接された部分近傍において、ヘッダ部２ａおよび曲率半径非変化部３３ａの熱影響に起因して削り取られる部分の厚みｔ１は、ヘッダ部２ａの厚みをｔ２として、以下の式（２）で表される値を上限として、ヘッダ部２ａおよび曲率半径非変化部３３ａのそれぞれを厚みｔ１削り取る。

その後、図９（ｂ）（中央図）に示すように、ヘッダ部２ａの厚みｔ１削り取られた部分と、中間部材３ａ（曲率半径非変化部３３ａ）の厚みｔ１削り取られた部分とに、開先４０が形成される。開先４０は、側方（紙面に垂直な方向）から見て、略Ｖ字形状を有する。なお、開先４０の形状は、板厚、溶接条件によっては、略Ｖ字形状以外の形状に形成してもよい。

次に、コア部１の流路１４に充填されている触媒が除去されるとともに、コア部１の洗浄が行われる。その後、コア部１に触媒が充填される。

次に、図９（ｂ）（右図）に示すように、開先４０が形成されたヘッダ部２ａと、中間部材３ａ（曲率半径非変化部３３ａ）とが高さ位置ｈ１よりも小さい高さ位置ｈ２（＜ｈ１）において溶接により再び接合される。これにより、第１回目の触媒の交換が終了する。

また、図９（ｃ）〜（ｆ）に示すように、触媒の交換は、所定の期間ごと（たとえば、数年ごと）に繰り返し行われる。このとき、それぞれの触媒の交換の際に、ヘッダ部２ａの熱影響部２７ａと、中間部材３ａの熱影響部３５ａとが削り取られるので、ヘッダ部２ａおよび中間部材３ａ（曲率半径非変化部３３ａ）の長さは、徐々に短くなる。すなわち、溶接または切断される高さ位置が、ｈ２、ｈ３、ｈ４およびｈ５の順に小さくなる。このため、第５回目の触媒の交換を終えた後は、ヘッダ部２ａおよび中間部材３ａ（曲率半径非変化部３３ａ）の長さが溶接不可能な長さ（高さ位置ｈ６）になる。具体的には、溶接個所が、中間部材３ａに設けられる図示しない温度測定用ポート近傍になり、溶接できなくなる。

そこで、図９（ｆ）（右図）に示すように、第５回目の触媒の交換では、触媒の交換後、これまで使用されたヘッダ部２ａではなく、新たなヘッダ部４が中間部材３ａに溶接される。そして、第６回目の触媒の交換では、図９（ｇ）に示すように、第５回目の触媒の交換の際にヘッダ部４が中間部材３ａに溶接された個所よりも上方におけるヘッダ部４の直線状部分４ａ（高さ位置ｈ７）において切断される。その後、触媒が交換されるとともに、ヘッダ部４が中間部材３ａに高さ位置ｈ８（＜ｈ７）において溶接される。このように、第５回目の触媒の交換において、新たなヘッダ部４を溶接することにより、１回分多く（合計６回の）触媒の交換を行うことが可能になる。

本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。なお、以下では、ヘッダ部２ａおよび中間部材３ａに関する効果を記載している一方、ヘッダ部２ｂ〜２ｄおよび中間部材３ｂ〜３ｄについても同様の効果が得られる。

本実施形態では、上記のように、コア部１とヘッダ部２ａとの間に設けられる中間部材の角部３１ａを、コア部１側の曲率半径Ｒ２がヘッダ部２ａ側の曲率半径Ｒ３よりも小さくなるように構成することによって、コア部１の角部１ａに設けられる流路１４を中間部材３ａにより覆うことができるので、ヘッダ部２ａの角部２２ａが円弧状に形成された場合でも、ヘッダ部２ａと中間部材３ａとを接合することができる。その結果、ヘッダ部２ａの角部２２ａが円弧状に形成された場合でも、コア部１の流路１４が外部に露出するのを抑制しながら、ヘッダ部２ａと中間部材３ａとを接合することができる。

また、本実施形態では、上記のように、熱交換器１００は、コア部１に触媒が充填される触媒反応器であり、中間部材３ａを、コア部１側に設けられ、コア部１側の曲率半径Ｒ２がヘッダ部２ａ側の曲率半径Ｒ３よりも小さくなるように構成されている曲率半径変化部３２ａと、曲率半径変化部３２ａに接続されるとともにヘッダ部２ａ側に設けられ、角部３３１ａの曲率半径がコア部１側からヘッダ部２ａ側に向かって略変化しないように構成されている曲率半径非変化部３３ａとを含むように構成する。ここで、熱交換器１００のコア部１に触媒が充填されることにより、熱交換器１００が触媒反応器として用いられた場合、定期的に触媒を交換する必要がある。この場合、溶接されたヘッダ部２ａをヘッダ部２ａと中間部材３ａとの境界Ａ１において切断した後、触媒を交換し、ヘッダ部２ａを再び溶接して取り付ける必要がある。この際、溶接の際の熱に起因してヘッダ部２ａと中間部材３ａとの境界Ａ１に生じる熱影響部２７ａおよび熱影響部３５ａが溶接の前に削り取られる。そこで、本実施形態では、中間部材３ａを、角部３３１ａの曲率半径がコア部１側からヘッダ部２ａ側に向かって略変化しないように構成されている曲率半径非変化部３３ａを含むように構成することによって、曲率半径非変化部３３ａとヘッダ部２ａとの境界Ａ１において切断すれば、曲率半径非変化部３３ａの熱影響部３５ａを削り取っても、曲率半径非変化部３３ａの曲率半径Ｒ３は変化しないとともに、ヘッダ部２ａの熱影響部２７ａを削り取ってもヘッダ部２ａの曲率半径Ｒ１も変化しないので、熱影響部３５ａを削り取った後の曲率半径非変化部３３ａとヘッダ部２ａとを容易に溶接することができる。

また、本実施形態では、上記のように、中間部材３ａが取り付けられるコア部１の面に垂直な方向の曲率半径非変化部３３ａの長さＬ１を、曲率半径変化部３２ａの長さＬ２よりも大きくなるように構成する。上記のように、熱交換器１００が触媒反応器として用いられた場合、定期的に触媒を交換する必要がある。すなわち、ヘッダ部２ａの切断と溶接とが繰り返し行われるので、ヘッダ部２ａの熱影響部２７ａおよび曲率半径非変化部３３ａの熱影響部３５ａの削り取りも繰り返し行われる。その結果、ヘッダ部２ａおよび曲率半径非変化部３３ａの長さが徐々に小さくなる。そこで、本実施形態では、中間部材３ａが取り付けられるコア部１の面に垂直な方向の曲率半径非変化部３３ａの長さＬ１を、曲率半径変化部３２ａの長さＬ２よりも大きくなるように構成することによって、曲率半径非変化部３３ａの長さＬ１が大きい分、ヘッダ部２ａの切断および溶接の回数（触媒の交換の回数）を増加させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、曲率半径変化部３２ａの角部３２１ａを、ヘッダ部２ａ側からコア部１側に向かって曲率半径が徐々に小さくなるように構成する。これにより、曲率半径変化部３２ａの角部３２１ａの内側面がヘッダ部２ａ側からコア部１側に向かってなだらかな（凹凸が少ない）形状になるので、コア部１の流路１４に流入またはコア部１から流出する流体をスムーズに流すことができる。

また、本実施形態では、上記のように、曲率半径変化部３２ａと曲率半径非変化部３３ａとの境界Ａ２における曲率半径変化部３２ａの角部３２１ａの曲率半径Ｒ３と、曲率半径非変化部３３ａの角部３３１ａの曲率半径Ｒ３とを、略等しくする。これにより、境界Ａ２における内側面が段差なくなめらかに接続されるので、これによっても、コア部１の流路１４に流入またはコア部１から流出する流体をスムーズに流すことができる。

また、本実施形態では、上記のように、ヘッダ部２ａを、プレス加工することにより、ヘッダ部２ａの取付け方向から見て、４つの角部２２ａが円弧状を有する略矩形形状に形成して、曲率半径非変化部３３ａの４つの角部３３１ａの曲率半径Ｒ３を、ヘッダ部２ａの厚みｔ２の３倍以上にするとともに、曲率半径非変化部３３ａとヘッダ部２ａとの境界Ａ１におけるヘッダ部２ａの曲率半径Ｒ１と略等しくする。ここで、プレス加工されたヘッダ部２ａの角部２２ａの曲率半径Ｒ１は、ヘッダ部２ａの厚みｔ２の１．５倍以上になる。そこで、本実施形態では、曲率半径非変化部３３ａの角部３３１ａの曲率半径Ｒ３を、ヘッダ部２ａの厚みｔの３倍以上にするとともに、曲率半径非変化部３３ａとヘッダ部２ａとの境界Ａ１におけるヘッダ部２ａの曲率半径Ｒ１と略等しくすることによって、プレス加工されたヘッダ部２ａを容易に曲率半径非変化部３３ａに溶接することができる。

また、本実施形態では、上記のように、ヘッダ部２ａを、プレス加工することにより形成することによって、複数の部材を溶接することによりヘッダ部２ａを形成する場合と異なり、ヘッダ部２ａの形成を容易に行うことができる。

また、本実施形態では、上記のように、ヘッダ部２ａと曲率半径非変化部３３ａとを、溶接により接合するように構成して、コア部１に設けられる触媒を交換する際に、ヘッダ部２ａを曲率半径非変化部３３ａに溶接された部分において切断して触媒を交換した後、ヘッダ部２ａと曲率半径非変化部３３ａとを溶接により再び接合するように構成する。これにより、曲率半径非変化部３３ａの熱影響部３５ａを削り取っても、曲率半径非変化部３３ａの曲率半径Ｒ３は変化しないので、熱影響部３５ａを削り取った後の曲率半径非変化部３３ａとヘッダ部２ａとを容易に溶接することができる。その結果、触媒の交換作業を容易にすることができる。

また、本実施形態では、上記のように、ヘッダ部２ａが曲率半径非変化部３３ａに溶接された部分近傍において、ヘッダ部２ａおよび曲率半径非変化部３３ａの熱影響に起因して削り取られる部分の厚みｔ１は、ヘッダ部２ａの厚みをｔ２として、上記の式（２）で表される値を上限として、ヘッダ部２ａおよび曲率半径非変化部３３ａのそれぞれを厚みｔ１削り取った後、ヘッダ部２ａと曲率半径非変化部３３ａとを溶接により再び接合する。これにより、ヘッダ部２ａおよび曲率半径非変化部３３ａの熱影響に起因して削り取られる部分以外の部分も削り取る場合に比べて、ヘッダ部２ａおよび曲率半径非変化部３３ａの長さが短くなるのが抑制されるので、ヘッダ部２ａに設けられる整流部２６ａの高さ位置が変化するのが抑制される。その結果、ヘッダ部２ａを切断することに起因する整流効果への影響を抑制することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、中間部材が、曲率半径が変化する曲率半径変化部と、曲率半径が略変化しない曲率半径非変化部とを含む例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、中間部材が、曲率半径が変化する曲率半径変化部のみから構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、コア部の面に垂直な方向の曲率半径非変化部の長さが、曲率半径変化部の長さよりも大きくなるように構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、コア部の面に垂直な方向の曲率半径非変化部の長さが、曲率半径変化部の長さ以下でもよい。

また、上記実施形態では、曲率半径変化部の角部が、ヘッダ部側からコア部側に向かって曲率半径が徐々に連続的に小さくなるように構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、曲率半径変化部の角部を、ヘッダ部側からコア部側に向かって曲率半径が段階的に（階段状に）小さくなるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、ヘッダ部がプレス加工されることにより、４つの角部が円弧状を有する略矩形形状に形成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、ヘッダ部を、プレス加工以外の加工法により、４つの角部が円弧状を有する略矩形形状に形成してもよい。

また、上記実施形態では、曲率半径非変化部の４つの角部の曲率半径が、ヘッダ部の厚みの３倍以上である例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、曲率半径非変化部とヘッダ部との境界におけるヘッダ部の曲率半径を、ヘッダ部の曲率半径に合うように、曲率半径非変化部の４つの角部の曲率半径をヘッダ部の厚みの１．５倍よりも大きくかつ３倍未満にしてもよい。

また、上記実施形態では、コア部に設けられる触媒を交換する際に、４つのヘッダ部のうちの２つのヘッダ部（ヘッダ部２ａ、ヘッダ部２ｂ）を切断し再び溶接する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、触媒が、第２流体が流れる流路に充填されている場合には、ヘッダ部２ａおよびヘッダ部２ｂは切断せずに、ヘッダ部２ｃおよびヘッダ部２ｄを切断し再び溶接すればよい。また、触媒の充填される流路に関わらず、４つのヘッダ部２ａ〜２ｄの全てを切断し再び溶接するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、コア部に設けられる触媒を交換する際に、第５回目の触媒の交換では、触媒の交換後、これまで使用されたヘッダ部ではなく、新たなヘッダ部が中間部材に溶接される例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、第５回目の触媒の交換において、触媒の交換後、これまで使用されたヘッダ部を再び溶接するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、熱交換器を触媒反応器として用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、本発明の熱交換器を触媒反応器以外の用途に用いてもよい。

また、上記実施形態では、上記の式（２）で表される値を上限としてヘッダ部および曲率半径非変化部のそれぞれを厚みｔ１削り取る例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、ヘッダ部の厚みをｔ２として以下の式（３）で表される値を上限としてヘッダ部および曲率半径非変化部のそれぞれを厚みｔ１削り取るように構成してもよい。これにより、より確実に熱影響部を削り取ることができる。

１ コア部
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ ヘッダ部
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 中間部材
１４ 流路
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 角部
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ 角部
３２ａ 曲率半径変化部
３３ａ 曲率半径非変化部
１００ 熱交換器
３２１ａ 角部
３３１ａ 角部

Claims (5)

1. 第１流体および第２流体がそれぞれ流れる流路を有するとともに、前記第１流体および前記第２流体との間で熱交換を行うコア部と、
   前記コア部に取り付けられ、前記第１流体または前記第２流体を前記流路に流入または前記流路から流出させるためのヘッダ部と、
   前記コア部と前記ヘッダ部との間に設けられ、枠状を有し、前記コア部と前記ヘッダ部とを接合するための中間部材とを備え、
   前記中間部材の角部は、前記コア部側の曲率半径が前記ヘッダ部側の曲率半径よりも小さくなるように構成されている、熱交換器。
2. 前記熱交換器は、前記コア部に触媒が充填される触媒反応器を含み、
   前記中間部材は、前記コア部側に設けられ、前記コア部側の曲率半径が前記ヘッダ部側の曲率半径よりも小さくなるように構成されている曲率半径変化部と、前記曲率半径変化部に接続されるとともに前記ヘッダ部側に設けられ、角部の曲率半径が前記コア部側から前記ヘッダ部側に向かって略変化しないように構成されている曲率半径非変化部とを含む、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ヘッダ部は、プレス加工されることにより、前記ヘッダ部の取付け方向から見て、４つの角部が円弧状を有する略矩形形状に形成されており、
   前記曲率半径非変化部の４つの角部の曲率半径は、前記ヘッダ部の厚みの１．５倍よりも大きく、前記曲率半径非変化部と前記ヘッダ部との境界における前記ヘッダ部の曲率半径と略等しい、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記ヘッダ部と前記曲率半径非変化部とは、溶接により接合されるように構成されており、
   前記コア部に設けられる触媒を交換する際に、前記ヘッダ部が前記曲率半径非変化部に溶接された部分において切断されて触媒が交換された後、前記ヘッダ部と前記曲率半径非変化部とが溶接により再び接合されるように構成されている、請求項２または３に記載の熱交換器。
5. 前記ヘッダ部が前記曲率半径非変化部に溶接された部分近傍において、前記ヘッダ部および前記曲率半径非変化部の熱影響に起因して削り取られる部分の厚みｔ１は、前記ヘッダ部の厚みをｔ２として、以下の式（１）で表される値を上限として、
   前記ヘッダ部および前記曲率半径非変化部のそれぞれを厚みｔ１削り取った後、前記ヘッダ部と前記曲率半径非変化部とが溶接により再び接合されるように構成されている、請求項４に記載の熱交換器。
   

   

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