JP2017026160A - ステンレス製ヒートパイプ式熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉化によりコストが低減され、腐食性ガスにも対応できる熱交換器とその製造方法を提供することにある。
【解決手段】ヒートパイプ式熱交換器20は、仕切板22と、仕切板22に貫通させられた複数のヒートパイプ10と、仕切板22の両側においてそれぞれヒートパイプ10に取り付けられた複数のプレートフィン25とを備え、ヒートパイプ10は、一方が閉じられ、他方が開放している筒状コンテナ本体1と、該コンテナ本体１の開口端部1cに溶接により密着された穴の開いた蓋2と、該穴に貫通させられて蓋2に固定されたノズル3とを有している。コンテナ本体1、蓋2、ノズル3およびプレートフィン25は、ステンレス鋼製であり、蓋2とノズル3は、融点が１０００℃以上のろう材を用いてろう付けされていることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、たとえば高温の排気ガスから排熱を回収する排熱回収装置として好適に用いられるヒートパイプ式熱交換器に関する。

従来、ヒートパイプ式熱交換器として、仕切板と、仕切板に貫通させられたヒートパイプと、仕切板の両側においてそれぞれ全ヒートパイプに跨って取り付けられた複数のプレートフィンとを備えたものが知られている（特許文献１参照）。

上述したヒートパイプ式熱交換器は、特許文献１に記載されているように、仕切板を所定の位置に配置するとともに、この仕切板の外側にそれぞれ複数のプレートフィンを平行状に配置し、仕切板の貫通穴とプレートフィンの貫通穴とに、ヒートパイプを圧入挿通し、仕切板及びプレートフィンをヒートパイプのコンテナに固定することによって製造されている。

上述した排熱回収装置が、たとえば合成樹脂を乾燥させる乾燥装置において発生する溶剤を含んだ排気ガスから排熱を回収するのに用いられた場合、コンテナ及びプレートフィンは腐食雰囲気に晒されることになる。そこで、コンテナ及びプレートフィンの耐食性を向上させるために、ヒートパイプ式熱交換器のコンテナ及びプレートフィンをステンレス鋼で作成し、耐食性を上げることが考えられている。

コンテナ及びプレートフィンをステンレス鋼で作成することによって腐食性ガスに対する耐食性を向上させることができるが、ステンレス鋼は他の材料、例えばアルミニウムやアルミニウム合金などと比較して材料価格も高く、製造コストの観点から実用化が困難であった。

ステンレス鋼の材料費低減のためにコンテナの薄肉化やプレートフィンの薄肉化の試みもなされてきたが、製造上の種々の課題もあることがわかった。

まず、コンテナの薄肉化やプレートフィンの薄肉化を行うと、完成した個々のヒートパイプを仕切板やプレートフィンのヒートパイプ挿通穴に圧入する際にヒートパイプやプレートフィンが変形し熱交換器の製造ができなくなる。

この変形を防ぐために、コンテナを仕切板やプレートフィンに挿入し、所定位置に設置後、コンテナを拡管して仕切板やプレートフィンに固定する方法をとらなければならない。

また、組み立てられたコンテナの端末処理のため、通常、作動液を注入するノズルをコンテナ本体の開口端部を塞ぐ蓋に予め銀ろう材を用いてろう付けがなされるが、ノズルがろう付けされた蓋とパイプとを溶接する際に、溶接熱のろう付け部に対する熱的影響が大きくなり、ろうが溶けて、蓋とノズルがはずれてしまい、端末処理ができなくなるという問題もおこる。

さらに、プレートフィンの薄肉化を進めるとフィン効率が下がり、フィン効率の低下は熱交換器の性能を低下させるという問題もおきてしまう。

特開２００６−３０８１１１号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、コストを低減しうるとともに、腐食性ガスに対する耐食性が向上した熱交換器及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1) 仕切板と、仕切板に貫通させられた複数のヒートパイプと、仕切板の両側においてそれぞれヒートパイプに取り付けられた複数のプレートフィンとを備え、ヒートパイプは、一方が閉じられ、他方が開放している筒状コンテナ本体と、該コンテナ本体の開口端部に溶接された穴の開いた蓋と、該穴に貫通させられて蓋に固定されたノズルとを有しているヒートパイプ式熱交換器であって、コンテナ本体、蓋、ノズルおよびプレートフィンは、ステンレス鋼製であり、蓋とノズルは、融点が１０００℃以上のろう材を用いてろう付けされていることを特徴とするヒートパイプ式熱交換器。

2)上記ろう材が、ニッケルろうである上記１)に記載のヒートパイプ式熱交換器。

3) 上記1)または2)に記載のヒートパイプ式熱交換器を製造する方法であって、仕切板に形成された貫通穴に上記コンテナ本体を挿入して、仕切板を決められた位置に取り付ける工程と、上記プレートフィンに形成された貫通穴にコンテナ本体を挿入して、仕切板の両側に配置すべき複数のプレートフィンをコンテナ本体の決められた位置に取り付ける工程と、コンテナ本体を拡管して、仕切板とプレートフィンをコンテナ本体に固定する工程と、予め上記ノズルを、上記蓋に融点が１０００℃以上のろう材を用いてろう付けする工程と、該ノズル付き蓋を、仕切板とプレートフィンに組み付けられたコンテナ本体の開口端部に溶接する工程とを有することを特徴とするヒートパイプ式熱交換器を製造する方法。

仕切板に形成された貫通穴とプレートフィンに形成された貫通穴にパイプを挿入して、仕切板の両側に配置すべき複数のプレートフィンをヒートパイプの決められた位置に取り付けた後に、コンテナ本体を拡管して、仕切板とプレートフィンとをコンテナ本体に固定し、その後で、ノズルがろう付けされた蓋をパイプに溶接しても、ろう材の融点が１０００℃以上あるので、ろう材が溶けることはない。

薄肉化したコンテナ本体及びプレートフィンを用いたとしても製造することができ、さらに、比較的高価な材料であるステンレス鋼を用いたとしても、コストを下げることができる。

また、上記1)及び2)のヒートパイプ式熱交換器によれば、コンテナ本体、蓋、ノズルおよびプレートフィンがステンレス鋼製であるので耐食性が向上し、たとえば合成樹脂を乾燥させる乾燥装置において発生する溶剤を含んだ排気ガスから排熱を回収するのに用いることが可能となる。

ヒートパイプを備えた熱交換器を示す斜視図である。 この発明によるヒートパイプ端部の断面図である。 図１の端部の部分拡大図である。 円板状のフィンを有する円筒状ヒートパイプのフィン効率の特性を示すグラフである。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１はこの発明によるヒートパイプ式熱交換器を示し、図２はこの発明によるヒートパイプの例である。

図１は、ヒートパイプ式熱交換器の全体を示す斜視図である。ヒートパイプ式熱交換器(20)は、両端の面（図１のＸとＹに直交する面）が開口し、かつ内部が仕切板(22)により給気通路(23)と排気通路(24)とに区画されたケーシング(21)と、ケーシング(21)の仕切板(22)に貫通状に取り付けられた複数のヒートパイプ(10)と、すべてのヒートパイプ(10)の各通路(23)(24)内に存在する部分に跨って取り付けられた複数のプレートフィン(25)とを備えている。

図１中のＸは、低温の吸気ガスの流れる方向を示し、Ｙは、高温の排気ガスの流れる方向を示している。

図１のプレートフィンは上下方向に３つのプレートフィン群(25a)から構成されているが、この数は３に限られることはなく、３以外の複数であってもよく、１の単数であってもよい。

ヒートパイプ(10)は、コンテナと作動液とからなり、図２および図３において、コンテナは、コンテナ本体(1)と、蓋(2)と、ノズル(3)とからなる。図２で示すコンテナ本体(1)は底部(1a)を有する円筒形状をしており、蓋(2)は円盤状の蓋底部(2a)と蓋底部(2a)の外周に立設する蓋フランジ部(2b)とからなり、蓋底部(2a)には、ノズル(3)が挿通されるノズル挿通口(2c)が開口している。

コンテナ本体(1)の底部(1a)は、図２ではドーム状であるが、この形状に限られることはなく、例えば、平面状であってもよい。

蓋(2)と、ノズル(3)は、ろう付けによりろう付け部(4)において気密的に密着されており、使用されるろう材の融点は、１０００℃以上であり、たとえばニッケルろうを使用することができる。

蓋(2)とコンテナ本体(1)は溶接法、例えばＴＩＧ溶接法により溶接部(5)において溶接される。

ヒートパイプ式熱交換器を製造する方法の詳細は、以下の通りである。

ヒートパイプ(10)の仕切板(22)への取り付け及びヒートパイプ(10)へのプレートフィン(25)の取り付けは、仕切板(22)及びプレートフィン(25)にそれぞれヒートパイプ(10)のコンテナ本体(1)の外径よりも若干径の大きい貫通穴を形成しておき、貫通穴内に、コンテナ本体(1)を挿入して所定の位置にセットする。

その後、コンテナ本体(1)を拡管して、コンテナ本体(1)、仕切板(22)及びプレートフィン(25)を固定する。コンテナ本体(1)の拡管方法には、流体をパイプ(1)内に入れ、圧力を加えてコンテナ本体(1)内部から均一に拡大する方法や、マンドレルを用いてコンテナ本体(1)の内部に機械的圧力を加えて拡大する方法がある。

蓋(2)のノズル挿通口(2c)にノズル(3)を挿入する。ノズル挿通口(2c)と挿入されたノズル(3)の端部を、ろう付けする。図２および図３のろう付け部(4)が、このろう付けがなされた部分である。

次に、ノズル(3)が接合された蓋(2)をコンテナ本体(1)の開口端部(1c)に挿入する。挿入方向は、ノズル(3)がコンテナ本体(1)の外部に位置するように挿入する。フランジ端部(2d)の端面と開口端部(1b)の端面とが面一になるように合わせる。

合わせられた開口端部(1b)の端面とフランジ端部(2d)の端面の面上に溶接金属が肉盛りされるように、開口端部(1b)全周にわたり、気密性が保たれるように溶接をする。溶接方法は特に指定はされないが、機械的強度及び気密性の品質的観点からＴＩＧ溶接法によるのが望ましい。

熱交換器(20)は、排熱回収装置や溶剤回収装置として使用することができる。たとえば溶剤回収装置としては、合成樹脂を乾燥させる設備において、溶剤を含んだ高温の排気ガスと、低温の給気との熱交換に用いられるものであり、ケーシング(21)の排気通路(24)に、合成樹脂を乾燥させることにより発生する溶剤を含んだ排気ガスが通されるようになっている。そして、高温の排気ガスの有する熱により低温の給気が加熱されるとともに、高温の排気ガスが冷却される。排気ガスが冷却されることにより、排気ガス中の溶剤が凝縮してヒートパイプ(10)の外周面及びプレートフィン(25)に付着し、溶剤が回収される。

図４は、円筒状のコンテナに円板状のフィンが備え付けられているヒートパイプのフィン効率φの特性を示すグラフである。この図４中のＷはフィン高さ、ｙｂはフィン厚みの半分、Ｘｅはパイプ中心軸からフィン外周までの距離、Ｘｂはパイプ外径の半分、αは熱伝達率、λは熱伝導率である。

図４で示すグラフにより、フィン効率φは、下記式（１）に示すように、近似的にフィン高さＷに反比例し、フィン厚みuの１／２乗に比例する。なお、式１中のαとλは、図４中の記載と同じく、αは熱伝達率、λは熱伝導率を示す。また、Ａは定数である。

(式１)

フィンの厚みｕを薄くするとフィン効率は下がるため、フィン高さＷを小さくすることが有効であり、パイプの配置の間隔であるピッチを小さくすることによりフィン高さを小さくすることができる。

下表１は、実際に製作された薄肉化後のコンテナ本体(1)の材料費節減の程度を示している。コンテナ本体(1)とプレートフィン(25)に用いられた材料はステンレス鋼である。熱交換器にセットされたコンテナ本体(1)の本数、コンテナ本体(1)の肉厚、コンテナ本体(1)の外径、コンテナ本体(1)の中心径（外径と内径の中央径）、及び材料質量を示している。現状のコンテナ本体(1)が設置されるピッチは５４ｍｍであり、薄肉化後のコンテナ本体(1)が設置されるピッチは４４ｍｍである。フィン効率の比（薄肉化後／現状）は、０．９２１とほぼ現状のヒートパイプのフィン効率と同等であり、コンテナ本体(1)の現状の質量１００に対して、薄肉化後のコンテナ本体(1)の質量は、３９．０となり、材料削減率は６１％であった。

薄肉化のために使用された蓋(2)の肉厚は１．５ｍｍであり、コンテナ本体(1)の肉厚は０．５ｍｍである。蓋(2)の肉厚ｔｃ対コンテナ本体(1)の肉厚ｔｐ比ｔｃ／ｔｐは、３である。薄肉化したコンテナ本体(1)に用いられる蓋(2)の肉厚ｔｃは、コンテナ本体(1)の肉厚ｔｐの２倍以上３倍以下が望ましい。２倍未満であると蓋(2)の機械的強度の低下をきたし、３倍を超えると溶接時にコンテナ本体(1)と蓋(2)の温度差が生じて溶接作業が困難となる。

コンテナ本体(1)の肉厚は、０．４ｍｍ以上で０．８ｍｍ以下が望ましく、０．４ｍｍ以上で０．７ｍｍ以下がより望ましく、０．４ｍｍ以上で０．６ｍｍ以下がさらにより望ましい。コンテナ本体(1)の肉厚が、０．８ｍｍより大きいと材料削減効果が減少し、コンテナ本体(1)の拡管のための作業時間が増加する。また、コンテナ本体(1)の肉厚が、０．４ｍｍ未満であると機械的強度の低下をきたし、コンテナ本体(1)が変形しやすくなる。

コンテナ本体(1)の拡管は、マンドレルを用いて行った。マンドレルを用いることによって、流体をコンテナ本体(1)内に封入して内部から加圧する方法と比べて、コンテナ本体(1)の両端部の膨らみを防止することができる。

また、ノズル(3)と蓋(2)のろう接合に用いられたろう材はニッケルろうであり、コンテナ本体(1)と蓋(2)の溶接はＴＩＧ溶接法により行った。

下表２は、実際に製作された薄肉化後のプレートフィン(25)の材料費節減の程度を示している。熱交換器にセットされたプレートフィン(25)の肉厚、フィンピッチ、フィン枚数及び材料質量を示している。プレートフィン(25)の現状の質量１００に対して、薄肉化後のプレートフィン(25)の質量は、４５．４となり、材料削減率は５４．６％であった。

プレートフィン(25)の肉厚は、０．１ｍｍ以上で０．４ｍｍ以下が望ましく、０．１ｍｍ以上で０．３ｍｍ以下がより望ましく、０．１ｍｍ以上で０．２ｍｍ以下がさらにより望ましい。プレートフィン(25)の肉厚が、０．４ｍｍより大きいと材料削減効果が減少する。また、プレートフィン(25)の肉厚が、０．１ｍｍ未満であると機械的強度の低下をきたし、変形しやすくなる。

耐食性を要する廃熱回収の産業分野において利用することができる。さらに、耐食性を要する溶剤の回収や食品分野における廃熱回収の産業分野等においても利用することができる。

(1)：コンテナ本体
(1c)：開口端部
(2)：蓋
(3)：ノズル
(4)：ろう付け部
(10)：ヒートパイプ
(20)：熱交換器
(22)：仕切板
(25)：プレートフィン

Claims (3)

1. 仕切板と、仕切板に貫通させられた複数のヒートパイプと、仕切板の両側においてそれぞれヒートパイプに取り付けられた複数のプレートフィンとを備え、ヒートパイプは、一方が閉じられ、他方が開放している筒状コンテナ本体と、該コンテナ本体の開口端部に溶接された穴の開いた蓋と、該穴に貫通させられて蓋に固定されたノズルとを有しているヒートパイプ式熱交換器であって、
   コンテナ本体、蓋、ノズルおよびプレートフィンは、ステンレス鋼製であり、
   蓋とノズルは、融点が１０００℃以上のろう材を用いてろう付けされていることを特徴とするヒートパイプ式熱交換器。
2. 上記ろう材が、ニッケルろうである請求項１に記載のヒートパイプ式熱交換器。
3. 請求項１または２に記載のヒートパイプ式熱交換器を製造する方法であって、
   仕切板に形成された貫通穴に上記コンテナ本体を挿入して、仕切板を決められた位置に取り付ける工程と、上記プレートフィンに形成された貫通穴にコンテナ本体を挿入して、仕切板の両側に配置すべき複数のプレートフィンをコンテナ本体の決められた位置に取り付ける工程と、コンテナ本体を拡管して、仕切板とプレートフィンをコンテナ本体に固定する工程と、
   予め上記ノズルを、上記蓋に融点が１０００℃以上のろう材を用いてろう付けする工程と、
   該ノズル付き蓋を、仕切板とプレートフィンに組み付けられたコンテナ本体の開口端部に溶接する工程とを有することを特徴とするヒートパイプ式熱交換器を製造する方法。

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