JP2018043271A

JP2018043271A - 熱交換器の溶接治具

Info

Publication number: JP2018043271A
Application number: JP2016179530A
Authority: JP
Inventors: 達彦亀山; Tatsuhiko Kameyama
Original assignee: SAMSON CO Ltd
Current assignee: SAMSON CO Ltd
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2018-03-22

Abstract

【課題】フィン管支え板１２とフィン管押さえ板１３で挟み込んだフィンチューブ３を所定段数重ねて上下から締め付けることによって溶接ワーク１９を固定するようにしている給水予熱装置の熱交換器の製造において、ベンド管溶接時の作業性と、溶接ワークの固定及び解除時の作業性を向上させることのできる熱交換器の溶接治具を提供する。【解決手段】板バネを組み込んだ押さえ治具１６を前記溶接ワーク１９の上部に乗せおき、前記押さえ治具は溶接ワーク短辺側の端部で押さえ治具に対して下向きの力を加えると、溶接ワーク長辺側の中央部には押さえ治具で分散した下向きの力が加わるようにした板バネ構造であって、前記押さえ治具の短辺側端部ではクランプ１８で締め付けることによって押さえ治具１６で溶接ワーク１９を固定する。【選択図】図２

Description

本発明は、多数のフィンチューブを連結することで構成する熱交換器の溶接治具に関するものであり、より詳しくはフィン管支え板とフィン管押さえ板で挟み込んだフィンチューブを所定段数重ねた溶接ワークは上下から締め付けることによってフィンチューブの位置を固定しておき、フィンチューブ端部を１８０°ベンド管で連結するようにしている熱交換器での溶接治具に関するものである。

特開平１０−９６５０４号公報や特開２０１３−１０８６４３号公報に記載があるように、ボイラでは、ボイラ給水と燃焼排ガスの間で熱交換することによる給水予熱が広く行われている。給水予熱装置は、排ガス通路内に排ガス流とは交差する方向に延びるフィンチューブを多数設置しておき、フィンチューブ内部にボイラ給水を通すことで、フィンチューブ周囲に流れる排ガスとフィンチューブ内を流れるボイラ給水の間で熱交換を行う。このような熱交換器でのフィンチューブは、一般的には端部同士を１８０°のＵ字ベンド管でつなぐことで長い流路を形成しており、ボイラ給水はフィンチューブによる流路の一方の端部から他方の端部へ向けて、途中で何度も折り返しながら流れるようにしている。

この熱交換器を組み立てる場合、複数本のフィンチューブをベンド管で連結する際には、熱交換器の管板及び筐体（ケーシング等）にフィンチューブを取り付けておき、フィンチューブ先端にベンド管を溶接するようにしていた。組み立てでは、まず多数の穴を開けている管板を置き、管板の穴に全てのフィンチューブを差し込み、管板と上部管板および側板を組み立てて仮付けを行う。次にフィンチューブ端部に１８０°のＵベンド管を溶接することによって行う。フィンチューブにＵ字ベンド管を接続する場合、先にフィンチューブの位置を固定させておく必要があり、そのためにフィンチューブと管板及び側板の組み立てを先に行っている。

しかし、この製造方法では手間が掛かり、作業効率が悪いということで、特願２０１６−１０５０９８にて給水予熱器の製造方法の提案を行った。特願２０１６−１０５０９８号に記載の発明では、フィン管支え板と押さえ板で挟み込んだフィンチューブを所定段数重ね、積み重ねたフィン管支え板１２とフィン管押さえ板１３は上下から締め付けることによって溶接ワーク１９を固定する。図７及び図８に記載しているように、この上下からの締め付けは、溶接ワーク１９を上下方向に貫通する貫通穴を８カ所程度開けておき、貫通穴に寸切りボルト２１を貫通させてボルト締めすることで固定することが考えられる。上下方向での固定を行っておけば、フィンチューブ端部にベンド管を溶接する際に溶接ワーク１９を溶接しやすい向きに回転させることができる。ただしこのボルトによる固定の場合、偏った締め付けを行うとフィンチューブの配置がずれることがあるため、固定間隔が開きすぎないようにすることと、締め付けが均等になるよう調整する必要がある。各フィンチューブにベンド管を溶接し終えると、固定しておいたボルトの取り外しを行い、フィン管支え板及びフィン管押さえ板を取り外すことで溶接済みのフィンチューブのみが残る。このようにすることでフィンチューブ端部へのベンド管の溶接を容易に行うことができるようになっていた。

このボルトによる固定は、間隔が広くなりすぎるとずれが生じる可能性があるため、溶接ワークの長辺側では途中にもボルトを設置する必要があり、ベンド管を溶接する際にはそのボルトが干渉することで作業性が悪くなることがあった。
そして、溶接ワークでのボルトの固定と解除は人手による作業が必要であって、手間が掛かることも問題であった。

特願２０１６−１０５０９８号

本発明が解決しようとする課題は、フィン管支え板とフィン管押さえ板で挟み込んだフィンチューブを所定段数重ねて上下から締め付けることによって溶接ワークを固定するようにしている給水予熱装置の熱交換器の製造において、ベンド管溶接時の作業性と、溶接ワークの固定及び解除時の作業性を向上させることのできる熱交換器の溶接治具を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、多数のフィンチューブを連結した構成の熱交換器を製作する場合、フィンチューブを支えるための溝を長手方向に一定間隔で設けた２本のフィン管支え板を平行に配置し、フィン管支え板の前記溝にフィンチューブの両端をはめ込むとともに、フィン管支え板の上側にはフィン管押さえ板を乗せ置いてフィン管支え板とフィン管押さえ板でフィンチューブを挟み込むようにしておき、前記のフィン管支え板とフィン管押さえ板で挟み込んだフィンチューブを所定段積み重ねることで略直方体の溶接ワークを構成しておいて、前記フィンチューブの端部を溶接によって連結する場合の熱交換器の溶接治具において、板バネを組み込んだ押さえ治具を前記溶接ワークの上部に乗せおき、前記押さえ治具は溶接ワーク短辺側の端部で押さえ治具に対して下向きの力を加えると、溶接ワーク長辺側の中央部には押さえ治具で分散した下向きの力が加わるようにした板バネ構造であって、前記押さえ治具の短辺側端部ではクランプで締め付けることによって押さえ治具で溶接ワークを固定するようにしているものであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記の熱交換器の溶接治具において、前記の押さえ治具は両端近くで折り曲げることによって端部を高くし、中央部の溶接ワークに接する底部は下方へ湾曲させた弓型としたものであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記の熱交換器の溶接治具において、押さえ治具中央部の溶接ワークに接する底部には突起体を設け、突起体によって溶接ワークへの押さえつけ位置を定めるようにしていることを特徴とする。

本発明を実施することによって、熱交換器でのベンド管溶接時の作業性と、溶接ワークの固定及び解除時の作業性を向上させることができる。

本発明を実施しているボイラ給水予熱装置部分の断面図本発明の一実施例での熱交換器の溶接治具の正面図本発明の一実施例での熱交換器の溶接治具の平面図本発明の一実施例での押さえ板のみを取り出した斜視図本発明の一実施例の熱交換器の製造工程説明図組み立てた熱交換器の一部を抜き出した斜視図比較のための溶接ワークをボルト固定している場合の正面図比較のための溶接ワークをボルト固定している場合の平面図

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施しているボイラ給水予熱装置部分の断面図、図２は本発明の一実施例での熱交換器の溶接治具の正面図、図３は本発明の一実施例での熱交換器の溶接治具の平面図、図４は本発明の一実施例での押さえ板のみを取り出した斜視図、図５は本発明の一実施例の熱交換器の製造工程説明図、図６は組み立てた熱交換器の一部を抜き出した斜視図である。そして図７と図８は比較のためのものであって、溶接ワークをボルトで挟み込んでいる状態を示している正面図と平面図である。

ボイラ１で発生した燃焼排ガスは、排ガス通路２を通して戸外へ排出するものであるが、排ガス通路２途中に給水予熱装置７を設けており、排ガスは給水予熱装置７を通した後に戸外へ排出する。給水予熱装置７は略直方体の形状をしており、給水予熱装置７は側面に排ガス入口８、上面に排ガス出口９を設けている。排ガス入口８は、給水予熱装置７の側面であるが上面に近い位置に設けており、排ガスは給水予熱装置内の上部に入る。

給水予熱装置内には、内部を排ガス入口８側と排ガス出口９側に分割する仕切板４を設置しておく。仕切板４は、上端側と左右の端部では給水予熱装置の排ガス流路壁面とつながり、下端側では給水予熱装置底面との間に隔たりを持ったものとしており、給水予熱装置内は仕切板４の下方以外で分断している。給水予熱装置内部は、仕切板によって２つの排ガス流路に分割した構成で、排ガス入口８側の流路は排ガス流下降流路１０、排ガス出口９側の流路は排ガス流上昇流路１１となる。排ガス流は排ガス流下降流路１０で下降し、仕切板４の下方でターンした後、排ガス流上昇流路１１で上昇流となる。

排ガス流下降流路１０内には水平方向に伸びる多数のフィンチューブ３からなる熱交換器を設置する。フィンチューブ３は、素管表面に全周の熱吸収用フィン５を設置したものであり、熱吸収用フィン５を設置することで伝熱面積が大きくなるため、熱吸収量を大きくすることができる。給水予熱装置７内の各フィンチューブ３は、端部を連結することで蛇行する長い給水流路を形成するようにしており、給水予熱装置内への給水は、フィンチューブ群の最下段のフィンチューブ３より行う。給水予熱装置内での給水は、最下段のフィンチューブ３から順次蛇行しながら流れ、加熱されながら最上段のフィンチューブまで達する。予熱を行った給水は、給水予熱装置より取り出して、ボイラ１内へ供給する。伝熱面積を大きくしたフィンチューブ３では、燃焼排ガスが熱吸収用フィンの表面に沿って流れる際に燃焼排ガスから熱を吸収する。排ガス流下降流路１０内にはフィンチューブ３による熱交換器を設置しており、フィンチューブ３内には温度の低いボイラ給水が流れるため、最初高温であった排ガスは、フィンチューブ３を加熱するにつれて温度を低下させていく。替わりにフィンチューブ３内を流れる給水は温度を上昇させていく。

フィンチューブ３による熱交換器を組み立てる際、熱交換器が縦長形状となる場合、つまりフィンチューブ３の配置が列数より段数の方が大きくなる場合は、９０°回転させて寝かした状態で組み立てる。図１での熱交換器は、フィンチューブの列数より段数の方が多く、縦長形状になるため、横に寝かした状態で組み立てるものである。

フィンチューブ３による熱交換器の製造では、フィンチューブ３を等間隔に配置するためのフィン管支え板１２を使用する。このフィン管支え板１２は、フィンチュー３を支えるためのＶ字状や半円状などの溝を掘った２本１対の支持金具であって、溝は長手方向に一定間隔で配置している。溝の深さはフィンチューブ３の径より浅いものとしておき、溝にフィンチューブをはめ込んだ際にはフィンチューブの頂部はフィン管支え板１２の上面よりも飛び出すものとしておく。使用するフィンチューブ３の長さに対応する位置に２本のフィン管支え板１２を平行に置き、フィン管支え板の溝は上向きとしてこの溝にフィンチューブ３の端部に近い素管部分をはめ込む。このとき、フィンチューブ３の長さにあわせて２本のフィン管支え板１２の間隔を調節するものであるため、機種によるフィンチューブ長さの違いに対応することができる。そしてフィンチューブ３を設置するフィン管支え板１２の溝数を増減することでフィンチューブ３の段数を増減することができる。また、積み重ねるフィン管支え板１２とフィンチューブの段数を調節することで、熱交換器のフィンチューブ３の列数を調節することができる。

フィン管支え板１２の溝に必要数のフィンチューブ３を並べると、次にフィン管押さえ板１３を重ねる。フィン管押さえ板１３も、フィンチューブ３を挟み込むための２本１対の支持具であるが、前記のフィン管支え板１２とは違ってフィンチューブ３を乗せ置く溝は掘っておらず、上下の面は平らとしている。フィン管押さえ板１３を乗せ置いた場合、フィンチューブの頂部はフィン管支え板１２より飛び出しているため、フィン管押さえ板１３はフィンチューブに乗ることになり、フィン管支え板１２との間には隙間があいている。

また、フィン管押さえ板１３の上面側と、次段のフィン管支え板１２の下面側であって、重ねあわせる部分では、長手方向に延びるレールを設け、両者がレールでかみ合わさるようにしておいてもよい。図ではフィン管押さえ板１３の上面に凸形状のレールを設置し、フィン管支え板１２の下面には凹形状のレールを設置して両者をかみ合わせるようにしている。レールを設置することで組み立て時のずれを無くすことができる。ただし、フィン管押さえ板１３は横方向にスライドさせて抜き出すことができるようにする必要があり、そのためにレールは縦方向に延びるものとしておく。

２本のフィン管押さえ板１３は、フィン管支え板１２に重ねるようにして、フィンチューブ端部の上側に乗せ置き、さらにその上に２段目のフィン管支え板１２を乗せ置く。２段目のフィン管支え板１２にも１段目と同様にフィンチューブ３をセットして、その上に２段目のフィン管押さえ板１３を乗せ置く。このフィンチューブ３とフィン管支え板１２及びフィン管押さえ板１３による段は、熱交換器でのフィンチューブの列数分繰り返す。熱交換器でのフィンチューブの列数は機種毎に異なることがあるが、フィンチューブ３を積み重ねる段数を調節することで多種類の熱交換器に対応することができる。実施例の図２及び図３では、４列のフィンチューブを１２段とする縦長な熱交換器を９０°回転させた状態で製造する場合のものであり、積み重ねたフィンチューブ３とフィン管支え板１２及びフィン管押さえ板１３からなる溶接ワーク１９をクランプ装置２０に乗せ置いている。

クランプ装置２０は、溶接ワーク１９を乗せ置いた場合に短辺となる端部両側に油圧のクランプ１８を設けている。クランプ装置２０でのクランプ１８は、溶接ワーク１９左右端部の上方から下方へ押さえ込むようにしており、クランプ装置２０のクランプ１８で溶接ワーク１９を固定する。溶接ワーク１９を固定する際には、溶接ワーク１９の上部に押さえ治具１６を乗せ置き、押さえ治具１６をクランプ１８で押さえつけるようにする。押さえ治具１６は板バネであり、中央部は下方に湾曲し、左右端部は折り曲げることで高くした弓型の形状としている。押さえ治具１６の左右端は底面部から持ち上げるように折り曲げた後に水平としており、この水平部をクランプ１８で下向きに押さえつける。

また、押さえ治具１６の底部平面には複数の突起体１７を設ける。突起体１７は断面楕円形であって、押さえ治具の底部は突起体１７によって下方へ突出した形状になっている。
押さえ治具１６をクランプ１８で下方に押さえつけた場合には、溶接ワーク１９に対してはこの突起体１７の部分で押さえつけることになる。

溶接ワーク１９の左右端部のみをクランプ１８で押さえつける場合や、溶接ワーク１９の上に平板をおいて押さえつける場合には、左右端部のみ強い力で押さえつけられ、溶接ワーク１９の長辺側での中間部では押さえつける力は弱くなるため、十分な固定ができない。また左右端部では強固に押さえつけると押し当て部分が変形するということになっていた。しかし、溶接ワーク１９の上部に弓形の押さえ治具１６を置いて押さえつける場合、クランプは、板バネである押さえ治具１６の左右端部を押さえつけると、押さえ治具１６の中間部にも力が伝わり、力が全体的に掛かるため、溶接ワーク１９の長辺側でも片押さえとなることなく、要部に均一な力で押さえつけることができる。

なお、押さえ治具１６の端部を押さえつけると、図２に記載しているように押さえ治具１６は平らとなるように変形するが、この変形は永久歪みを生じるものではなく、力が開放されると元の形に戻るため、繰り返して押さえる場合にも一定の力で押さえる再現性が期待できる。また図にあるように押さえ治具１６には３カ所の突起体１７を設けておくと、溶接ワークに対してはこの突起体部分で力を集中させることができるので、溶接ワークに掛かる力は中間部分に分散させつつも力を加える箇所は限定でき、各所に一定の力で押さえつけることができる。そして長辺側での中間部も均一に押さえつけておくことにより、溶接ワーク１９を回転させてもフィンチューブ３のズレを起こすことが無く、フィンチューブ３へのベンド管６の溶接時にズレ無く行うことができる。

溶接ワーク内でフィンチューブの位置を固定できると、次にフィンチューブ３の端部同士をＵ字ベンド管６によって連結する。溶接する際にはフィンチューブ端部が上になっている方が作業し易いため、クランプ装置２０には回転機構を設けておき、溶接する側のフィンチューブ端部が上側に来るように溶接ワーク１９ごと９０°回転させる。フィン管支え板１２はクランプ１８で固定しているものであるため、回転させてもフィンチューブ３のピッチは固定されている。

その後、フィンチューブ端部にＵ字ベンド管６を順次溶接していく。一方の面でＵ字ベンド管６の溶接が終了すると、溶接ワーク１９を上下で回転して上下を入れ替え、反対側のフィンチューブ端部でもＵ字ベンド管６を溶接する。

溶接終了後、クランプを外して溶接ワーク１９を分解する。クランプ１８を上方に移動させてクランプ１８を開き、押さえ治具１６とフィン管押さえ板１３を取り外す。フィン管押さえ板１３は上下面が平らであるため、横方向にスライドさせて抜き出すことができる。フィン管押さえ板１３を取り外すことでフィン管支え板１２も取り外すことができるようになり、フィン管支え板１２とフィン管押さえ板１３を取り外すことで図６に記載しているような熱交換器部分のみが残る。

クランプ装置２０による溶接ワーク１９の固定は、板バネとしての作用を持つ押さえ治具１６で行っているため、クランプ１８による締め付けは矩形の溶接ワークでの短辺側２カ所で行うものであっても、長辺側の長い範囲で押さえつけることができる。比較のための図７・図８で記載の溶接ワーク１９では、ずれ防止のために溶接ワーク１９の長辺側では途中に複数箇所でのボルト締めが必要であるが、押さえ治具１６で固定するようにした場合、押さえ治具１６ではフィン管押さえ板１３を長い面で押さえ付けることができるため、中間でのボルト締めをする必要はなく、２カ所のクランプ１８だけで固定することができる。また、押さえ治具１６に突起体１７を設けると、押さえ治具１６は突起体１７を設置している特定部分で強く押さえ付けることになり、固定箇所を定めることもできる。

そしてフィンチューブ３の端面側には一切クランプが現れない。フィンチューブ３の溶接時に溶接面側にクランプ治具があると、溶接トーチの進入を阻害することがあり、自動溶接を行っていた場合には溶接の信頼性を低下させることがあった。しかし上記のようにフィンチューブ３の溶接面に障害となるものをなくしておくことで、より信頼性の高い自動溶接が可能となる。

なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１ボイラ
２排ガス通路
３フィンチューブ
４仕切板
５熱吸収用フィン
６Ｕ字ベンド管
７給水予熱装置
８排ガス入口
９排ガス出口
１０排ガス流下降流路
１１排ガス流上昇流路
１２フィン管支え板
１３フィン管押さえ板
１４Ｕ字ベンド管ストレート部
１５溶接治具
１６押さえ治具
１７突起体
１８クランプ
１９溶接ワーク
２０クランプ装置

Claims

多数のフィンチューブを連結した構成の熱交換器を製作する場合、フィンチューブを支えるための溝を長手方向に一定間隔で設けた２本のフィン管支え板を平行に配置し、フィン管支え板の前記溝にフィンチューブの両端をはめ込むとともに、フィン管支え板の上側にはフィン管押さえ板を乗せ置いてフィン管支え板とフィン管押さえ板でフィンチューブを挟み込むようにしておき、前記のフィン管支え板とフィン管押さえ板で挟み込んだフィンチューブを所定段積み重ねることで略直方体の溶接ワークを構成しておいて、前記フィンチューブの端部を溶接によって連結する場合の熱交換器の溶接治具において、板バネを組み込んだ押さえ治具を前記溶接ワークの上部に乗せおき、前記押さえ治具は溶接ワーク短辺側の端部で押さえ治具に対して下向きの力を加えると、溶接ワーク長辺側の中央部には押さえ治具で分散した下向きの力が加わるようにした板バネ構造であって、前記押さえ治具の短辺側端部ではクランプで締め付けることによって押さえ治具で溶接ワークを固定するようにしているものであることを特徴とする熱交換器の溶接治具。
請求項１に記載の熱交換器の溶接治具において、前記の押さえ治具は両端近くで折り曲げることによって端部を高くし、中央部の溶接ワークに接する底部は下方へ湾曲させた弓型としたものであることを特徴とする熱交換器の溶接治具。
請求項２に記載の熱交換器の溶接治具において、押さえ治具中央部の溶接ワークに接する底部には突起体を設け、突起体によって溶接ワークへの押さえつけ位置を定めるようにしていることを特徴とする熱交換器の溶接治具。