JP5205229B2

JP5205229B2 - 多管式熱交換器の管取付け方法、及び、多管式熱交換器の管取付け装置

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Publication number: JP5205229B2
Application number: JP2008302816A
Authority: JP
Inventors: 美速今村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: JP2010125485A

Description

本発明は、多管式熱交換器の伝熱管を管板に取り付ける管取付け方法及び管取付け装置に関する。より詳しくは、本発明は、多管式熱交換器の複数の伝熱管を一度に内径側から拡管成形して管板に取り付けることにより、拡管の作業効率を飛躍的に向上させることが可能な管取付け方法及び管取付け装置に関する。

多管式熱交換器はいわゆるシェルアンドチューブ熱交換器と呼ばれ、ターボ式冷凍機、スクリュー式冷凍機、吸収式冷凍機といった冷凍機、及び、空調用熱源発生器の凝縮器、蒸発器等といった各種産業用熱交換器、及び、ボイラのチューブバンドル等のように、様々な分野で利用されている。

この多管式熱交換器は多数の伝熱管が群をなして管板に取り付けられる構造となっている。多管式熱交換器の管板には所定のピッチの孔が多数加工され、この孔の内径は伝熱管の外径より所定の値だけ僅かに大きくなっている。伝熱管と管板との接合は、特許文献１及び特許文献２に記載されているように行われる。まず、伝熱管を管板の孔に挿入し、挿入した伝熱管の内部にローラ等の工具を挿入して、伝熱管をその内部から押し広げて、管板に密着させるのである。

しかしながら、上記の特許文献１及び特許文献２による拡管技術では、作業者が手作業により１本ごとに工具（エキスパンダー）を挿入して拡管を行うため、作業効率が極めて悪いという問題点がある。特に熱交換容量の大きな熱交換器においては、管群を構成する伝熱管の本数が数十〜数百本になることがある。このような場合、作業者は１本ずつ拡管工具を挿入し、拡管を行い、拡管が終了した伝熱管について逐一マーキングするという作業が必要となる。このため、拡管作業は極めて労力がかかるものであった。

また、上述したシェルアンドチューブタイプの熱交換器ではないが、熱交換器の伝熱管の拡管方法として、特許文献３に記載されているように、電磁力を用いた拡管方法も試みられている。この特許文献３に記載されている技術を、図１０を用いて説明する。この拡管方法では、最大外径がｄｍｍである半球又はテーパー状の先端部９０４と、前記先端部９０４に接続された中間部９０３とから構成され、中間部９０３の外周面が絶縁体９０２により覆われている電極を、加工対象の金属管９０１に挿入する。そして、先端部９０４の位置と同一の位置における金属管９０１の外周面を割型９０５で規制し、出力電源９０６の一方の端子を中間部９０３に、他方を金属管９０１に接続して直流電流を通電する。ここで、先端部９０４の最大外径ｄと金属管９０１の最小内径Ｄとの関係が｜Ｄ−ｄ｜≦０．１ｍｍである。出力電源９０６から電流を流すと、導線９０７ａを介して矢印９０８ａの方向に電流が流れる。そして、電流が中間部９０３内を矢印９０８ａ方向に流れ、その電流は電極の先端部９０４から金属管９０１へと流れる。その後、この金属管９０１内を電流方向９０８ｂの矢印に従って電流は流れ、導線９０７ｂを介して出力電源９０６へと戻る。このように電極の中間部９０３と金属管９０１とに流れる電流は互いに逆方向であるため、中間部９０３及び金属管９０１は各電流による磁界の影響を受け、互いに反発し合う斥力が作用し、前記金属管９０１が拡管される。そして、電極の先端部９０４の最大外径ｄと拡管される金属管９０１の最小内径Ｄとの関係が｜Ｄ−ｄ｜≦０．１ｍｍを満たすことにより、エネルギーの損失が低減できると共に、座屈等の成形欠陥が防止できる。

特開２００７−２２９７６６号公報特開平１１−５１２８５号公報特開平０８−１７４１０２号公報

この特許文献３に記載された拡管技術は、特許文献１及び特許文献２に記載されている技術と比較して、１本当たりの拡管時間を短縮する点では優れている。しかしながら、多管式熱交換器の伝熱管の内径は８〜３０ｍｍ程度であり、必然的に電磁成形コイルの径は極めて小さくせざるを得ない。このため、多管式熱交換器の拡管のために電磁成形コイルを製造するとしても、その製造自体が困難となるか、又は、電磁成形コイルの物理的強度が極めて低くなる可能性がある。その結果、この従来技術は、多管式熱交換器の量産化の要請に応えられない。

上述したように、作業効率が高く、労力を要せずに多管式熱交換器を量産できる多管式熱交換器の管取付け方法及び管取付け装置は、未だ開発されておらず、その実現が望まれている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、作業効率が高く、多管式熱交換器を量産できる多管式熱交換器の管取付け方法及び管取付け装置を提供することを目的とする。

本発明に係る多管式熱交換器の管取付け方法は、
多管式熱交換器の複数個の伝熱管を管板に同時に取り付ける管取付け方法であって、
前記管板に設けた複数個の孔に前記複数個の伝熱管を挿入し、
絶縁被覆された導体素線を渦巻き状に巻回して形成された平板状コイルを、その平面が前記伝熱管の管軸に対して垂直になるように配置し、
前記平板状コイルに通電して前記伝熱管の管軸方向に磁場を形成し、
前記伝熱管に生じた誘導磁場によるローレンツ力により前記伝熱管を拡管して前記管板に取り付けることを特徴とする。

この場合において、前記平板状コイルは、前記渦巻き状の導体素線の少なくとも前記伝熱管側の平面が絶縁物で被覆されて保護膜が形成されていることが好ましい。

また、前記平板状コイルは、前記保護膜の上に、前記伝熱管の管軸に挿入される非磁性かつ高導電性の突起が形成されており、この突起により、前記平板状コイルから発生する磁場を前記伝熱管の管端部に集中させることも可能である。

また、本発明に係る多管式熱交換器の管取付け装置は、
多管式熱交換器の複数個の伝熱管を管板に同時に取り付ける管取付け装置であって、
絶縁被覆された導体素線を渦巻き状に巻回して形成され、その平面が前記伝熱管の管軸に対して垂直になるように配置された平板状コイルと、
前記平板状コイルに通電する電源と、
を有し、前記平板状コイルに通電して前記伝熱管の管軸方向に磁場を形成し、前記伝熱管に生じた誘導磁場によるローレンツ力により前記伝熱管を拡管して前記管板に取り付けることを特徴とする。

また、前記平板状コイルは、前記保護膜の上に、前記伝熱管の管軸に挿入される非磁性かつ高導電性の突起が形成されていることも可能である。

本発明によれば、拡管による管板への伝熱管の取付けを複数の伝熱管について同時に行うことができ、さらにはマーキング作業を行う必要がないため、作業効率が高く、多管式熱交換器を量産できる。

（第１実施形態）
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。図１は、一例として本発明が適用される多段式熱交換器９００を示す模式図であり、図２（ａ）は、本発明の第１実施形態の平板状コイル１００を示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線による断面で示された斜視図であり、図３は、本発明の第１実施形態の管取付け装置を示す模式図であり、図４は、本発明の第１実施形態の管取付け方法において、平板状コイル１００を管端部の近傍に配置する工程を説明する概略図である。

図１に示されるように、多管式熱交換器９００は、略円筒状の胴部６１０と、胴部６１０内部に配置される複数本の伝熱管６００とを備える。胴部６１０の両端部付近には、夫々、管板７００が相互に平行に配置され、伝熱管６００の両端部が管板７００に形成されている孔に挿入され固着されている。胴部６１０の図面右側端部には、冷却水の入口ノズル６２０及び出口ノズル６３０が形成されている。胴部６１０の図面上側端部には、ガス導入管６４０及びガス導出管６５０が形成されている。

伝熱管６００の大きさは、例えば、外径が１２．７〜３０ｍｍ、肉厚が０．６〜２．０ｍｍであるが、必要な伝熱量及び設計条件等により種々の大きさのものが適用され、このような大きさに限定されることはない。伝熱管６００の材質は、非磁性体かつ高導電性であれば適用可能であり、例えばリン脱酸銅及びＯＦＣ（無酸素銅、Ｏｘｙｇｅｎ−Ｆｒｅｅ−Ｃｏｐｐｅｒ）のような純銅又はキュプロニッケル及びアルミブラスのような銅合金並びにＪＩＳ３００３等のアルミニウム合金等が用いられ、熱交換器の使用環境（温度、冷媒）及び伝熱性能により適宜選択される。また、伝熱管６００は、表面が平坦な平滑管又はフィン加工若しくはコルゲート加工を施した所謂加工管であっても適宜使用できる。

管板７００の厚さは例えば１０〜５０ｍｍであるが、使用圧力等によって種々の厚さが適用され、このような値に限定されることはない。管板７００の材質は、熱交換器のボディ（シェル）を構成する材料と同じ種類の鋼材又はステンレス等が用いられる。

そして、上述の構成の多管式熱交換器９００は、ガス導入管６４０から内燃機関等から排出される高温ガス（気体）を導入させる一方、入口ノズル６２０から冷却媒体（液体）を導入させ、伝熱管６００を介して高温ガスと冷却媒体との熱交換を行なう。冷却媒体と熱交換をした気体はガス導出管６５０から導出され、一方、高温ガスと熱交換をした液体は出口ノズル６３０から導出される。

次に、本発明の実施形態で使用される平板状コイル１００について説明する。断面が正方形（又は矩形）の導体素線３００は絶縁体４００によって被覆されており、この導体素線３００が平板状かつ渦巻き状に巻回されて、絶縁物質５００の上に載置される。コイル状の導体素線３００の表面は凹凸がないように巻回されている。そして、絶縁物質５００の上に載置されたコイル状の導体素線３００が絶縁物２００に埋設されて、平板状コイル１００が構成されている。絶縁物２００、絶縁体４００及び絶縁物質５００は、例えば、ガラス繊維にエポキシ樹脂等を含浸させた繊維強化樹脂である。絶縁物質５００は平板状コイル１００の伝熱管側平面を被覆する保護膜である。

絶縁体４００に被覆された導体素線３００間は隙間がないように密接しているので、絶縁物２００の樹脂が導体素線３００間に入り込みにくい。また、コイル状に巻回された導体素線３００は、絶縁物質５００の上に載置され、かつ、絶縁物２００に埋設されているから、胴体素線３００の周辺部が補強され、後述するように平板状コイル１００へ誘導電流Ｉを通電して巻回した導体素線３００が大きく膨張したとしても、平板状コイル１００の破損が発生しにくい。

次に、本実施形態に係る管取付け装置９９０について、図３を参照して説明する。管取付け装置９９０は、上述の如く絶縁被膜された導体素線３００を渦巻き状に巻回して形成され、その平面が伝熱管６００の管軸に対して垂直になるように配置された平板状コイル１００と、平板状コイル１００に通電する電源１４０とを有する。但し、図３は、便宜上、平板状コイル１００の平面が伝熱管６００の管軸に平行に図示されているが、実際は図４に示すように平板状コイル１００の平面が伝熱管６００の管軸に対して垂直になるように配置される。電源１４０は、コンデンサ１１０と、放電スイッチ１２０と、電流計１３０とを有する。平板状コイル１００にて巻回されている導体素線３００は、電流を供給するコンデンサ１１０に接続されている。コンデンサ１１０には電流計１３０が接続されている。

次に、上述の管取付け装置９９０を使用する伝熱管６００の拡管方法について説明する。図５は、管端部に発生する誘導電流Ｉにより、管端部を拡管する方向に電磁気力Ｆが生じる様子を説明する説明図であり、図６（ａ）は、伝熱管６００が拡管される前の状態を説明する説明図であり、図６（ｂ）は、複数の伝熱管６００が同時に拡管された後の様子を説明する説明図であり、図７は、本発明の第２実施形態の管取付け方法において、磁束集中部である突起８００を設けた平板状コイル１００の模式図であり、図８は、突起８００の円筒部に沿って磁束Ｂが集中する状態を説明する説明図であり、図９は、突起８００を設けた平板状コイル１００を使用して拡管する状態の全体図であり、図１０は、従来の拡管方法を説明する説明図である。

先ず、伝熱管６００を管板７００に形成されている孔に挿入する。そして、配置部１５０により、図４及び図６（ａ）に示すように平板状コイル１００を伝熱管６００の端部に接近させ、その平面が管軸に対して垂直になるように配置する。その後、電源１４０により、放電スイッチ１２０をオン状態にして、コンデンサ１１０に高電圧で蓄えられた電荷を瞬時に平板状コイル１００に放電する。平板状コイル１００は、図５に示すように、コンデンサ１１０に高電圧で蓄えられた電荷が瞬時に放電されることで、所定方向（図５では反時計回りの方向）に導体素線３００に瞬発的な放電電流ｉ_０が流れる。この放電電流ｉ_０によって右ネジの法則に従い磁束Ｂ_０で示すように平板状コイル１００の周囲に極めて短時間で強力な磁場が形成される。そうすると、レンツの法則に従い、伝熱管６００の端部に、磁束Ｂ_０の磁場を打ち消すように、誘導磁場（磁束Ｂで示す。）が発生し、伝熱管６００の端部に前記所定方向とは逆の方向に（図５では時計回りの方向）誘導電流Ｉが発生する。そして、管端に表れた誘導電流Ｉと磁束Ｂとの相互作用によって、伝熱管６００の端部が広がる向き（半径方向外側）に瞬発的な電磁気力Ｆ（フレミングの左手の法則に従ったローレンツ力）が作用する。

この瞬発的な電磁気力Ｆにより、図６（ｂ）に示すように、複数の伝熱管６００が夫々同時に拡管され、管端が管板７００に固定される。そのため、拡管による管板７００への伝熱管６００の取付け作業を複数の伝熱管６００について同時に行うことができ、しかもマーキング作業を行う必要もなくなるため作業効率を飛躍的に高めることができる。なお、伝熱管６００が管板７００に固着する部分には、適宜接着材を塗布しておくこともでき、これにより多管式熱交換器９００の内部の気密性をより高く保つことができる。

ここで、平板状コイル１００は、伝熱管６００全体を覆う一枚の平板状コイルとしても良いし、伝熱管６００の群を複数のセクション（エリア）に分け、該セクションをカバーする面積の平板状コイル１００としても良い。また、電磁気力Ｆの付与は1回に限らず複数回付与（リストライク）しても構わない。

また、導体素線３００は、その内部に冷媒通流孔を有する中空状の導体であってもよい。冷媒通流孔に冷媒を供給することにより、電磁成形時の平板状コイル１００の過剰発熱を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図７に示すように、平板状コイル１００の伝熱管６００側の平面を被覆する保護膜としての絶縁物質５００上に、非磁性体かつ高導電性の突起（磁束集中部）８００が形成されている。この突起８００は、伝熱管６００の管端内に挿入される位置に配置されている。突起８００の形状は特に限定されるものではないが、例えば略円錐台形状である。平板状コイル１００の伝熱管６００側には、例えば鋼又はステンレス等で形成される磁束集中突起保持板５６０が設けられる。磁束集中突起保持板５６０には、伝熱管６００側に向かって径細になるすり鉢状の穴部５６１が設けられる。そして、すり鉢状の穴部５６１に、略円錐台形形状の突起８００が収まる。略円錐台形形状の突起８００には段差部８０１が設けられる。段差部８０１は、伝熱管６００の端部６０１と当接する。管板７００に設けられた伝熱管６００が挿入される孔は、平板状コイル１００の位置する側に、広がり部７０１が設けられる。管板７００の端部と、磁束集中突起保持板５６０の端部と、平板状コイル１００の端部とは面位置で揃えられており、これらは把持板５５０でクランプされている。突起８００は、導電性を良好に担保するために例えば銅製又は銅合金製である。

次に、この第２実施形態の動作について説明する。図８に磁束Ｂで示すように、誘導磁場は、突起８００の外周面と伝熱管６００の内周面との間に画成された間隙に集中し、高い磁束密度からなる磁場が発生する。このため、伝熱管６００の端部に発生する誘導電流Ｉと磁束Ｂとの相互作用による電磁気力Ｆは大きくなり、特定箇所又は特定エリアの伝熱管６００の端部を集中して拡管することが可能となる。

そして、本実施形態では、高い磁束密度からなる磁場が発生するため、伝熱管６００が拡管される力が大きくかかる。そのため、図９に示すように、伝熱管６００の夫々の端側から平板状コイル１００で挟み込むようにして伝熱管６００を拡管して、夫々の端側からかかる力を相殺する。

また、本実施形態では、図７に矢印Ａで示されるように、突起８００が伝熱管６００の方向へ飛び出す力が大きくなる。しかしながら、略円錐台形形状の突起８００の段差部８０１が、伝熱管６００の端部６０１に当接しているから、突起８００が飛び出すことを防止する。更に、略円錐台形形状の突起８００の側面８０２が、すり鉢状の穴部５６１の側面５６２に当接するから、突起８００が飛び出すことを防止する。

更に、本実施形態では、高い磁束密度からなる磁場が発生するため、伝熱管６００の拡管が強い力でなされ、そのため拡管に伴って、管板７００に設けられた伝熱管６００の挿入される孔付近が破損する可能性がある。しかし、本実施形態では、広がり部７０１が拡管作用に対する逃げスペースとなり、伝熱管６００の挿入される孔付近の破壊を未然に防止する。

なお、突起８００の形状は円柱形状でもよい。また、突起８００の外周面と伝熱管６００の内周面との間に画成された間隙ｄが狭小であればある程、高い磁束密度からなる磁束Ｂが発生する。従って、この間隙ｄは狭小であることが好ましく、特に限定されることはないが、例えば０．５〜１ｍｍである。

以下、上述した本発明の第１実施形態に対応する実施例を記載する。ガラステープ等の絶縁体に予め樹脂が含浸された帯状のプリプレグ（絶縁体４００）を使用し、このプリプレグによって導体素線３００を被覆し、この導体素線３００をコイル状に巻回した。この巻回した導体素線３００を板状のプリプレグ（絶縁物質５００）の上に載置させ、さらに巻回した導体素線３００の上をプリプレグ（絶縁物２００）で被覆して、オーブンによって加熱することにより樹脂同士を固着させ、これにより平板状コイル１００を形成した。

伝熱管６００は、外径が１９ｍｍで、肉厚が１．０ｍｍのＪＩＳＨ３３００Ｃ１２２０導管（調質１／２Ｈ）を使用した。ピッチ（＝伝熱管６００と伝熱管６００との中心間距離）は、２３．７５ｍｍとして、伝熱管６００は千鳥状に１０本配置した。多管式熱交換器９００の胴部６１０は５００ｍｍ胴体（ＳＵＳ３０４）であった。管板（ＳＵＳ３０４）には直径が２０ｍｍの孔が設けられており、この孔には面取り加工を施してあり、伝熱管６００と管板７００との固着部には接着材を塗布した後に拡管工程を行うようにした。

拡管工程では、平板状コイル１００を伝熱管６００の端部に近接させ、管軸と平板状コイル１００の面とが略垂直となるように設置した。そして、衝撃電流発生装置に高電圧で蓄荷電されている電気エネルギーを３０ｋＪ（６００μＦ、１０ｋＶ）にて、平板状コイル１００に瞬時に投入し、極めて短時間の強力な磁場を伝熱管６００の管端に形成することにより、伝熱管６００の径方向に拡管（フレア）変形させて、管板７００に押圧して成形した。

その後は、一定時間静置し、続いて多管式熱交換器９００の内部にＲ４０７Ｃ（ＨＦＣ３２−ＨＦＣ１２５−ＨＦＣ１３４ａ）非共沸混合冷媒を注入し、リークの有無を確認した。その結果、以上のように拡管形成された多管式熱交換器９００はリークがなく、伝熱管６００の端部と管板７００とは密着固定されたものであることが実証された。

多管式熱交換器を説明する概略図である。（ａ）は平板状コイルの模式図であり、（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線での断面図である。管取付け装置の概略を説明する説明図である。平板状コイルを管端部の近傍に配置する工程を説明する概略図である。管端部に発生する誘導電流により、管端部を拡管する方向にローレンツ力が生じる様子を説明する説明図である。（ａ）は伝熱管が拡管される前の状態であり、（ｂ）は複数の伝熱管について同時に拡管された後の様子を説明する説明図である。磁束集中部を設けた平板状コイルの模式図である。磁束集中部に沿って磁束が集中する状態を説明する説明図である。磁束集中部を設けた平板状コイルで両側から拡管する状態を説明する説明図である。従来の拡管方法を説明する説明図である。

符号の説明

１００：平板状コイル
１１０：コンデンサ
１２０：放電スイッチ
１３０：電流計
１４０：電源
１５０：配置部
２００：絶縁物
３００：導体素線
４００：絶縁体
５００：絶縁物質
５５０：把持板
５６０：磁束集中突起保持板
６００：伝熱管
６１０：胴部
６２０：入口ノズル
６３０：出口ノズル
６４０：ガス導入管
６５０：ガス導出管
７００：管板
８００：突起
９００：多管式熱交換器
９９０：管取付け装置

Claims

多管式熱交換器の複数個の伝熱管を管板に同時に取り付ける管取付け方法であって、
前記管板に設けた複数個の孔に前記複数個の伝熱管を挿入し、
絶縁被覆された導体素線を渦巻き状に巻回して形成された平板状コイルを、その平面が前記伝熱管の管軸に対して垂直になるように配置し、
前記平板状コイルに通電して前記伝熱管の管軸方向に磁場を形成し、
前記伝熱管に生じた誘導磁場によるローレンツ力により前記伝熱管を拡管して前記管板に取り付けることを特徴とする多管式熱交換器の管取付け方法。
前記平板状コイルは、前記渦巻き状の導体素線の少なくとも前記伝熱管側の平面が絶縁物で被覆されて保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の多管式熱交換器の管取付け方法。
前記平板状コイルは、前記保護膜の上に、前記伝熱管の管軸に挿入される非磁性かつ高導電性の突起が形成されており、この突起により、前記平板状コイルから発生する磁場を前記伝熱管の管端部に集中させることを特徴とする請求項２に記載の多管式熱交換器の管取付け方法。
多管式熱交換器の複数個の伝熱管を管板に同時に取り付ける管取付け装置であって、
絶縁被覆された導体素線を渦巻き状に巻回して形成され、その平面が前記伝熱管の管軸に対して垂直になるように配置された平板状コイルと、
前記平板状コイルに通電する電源と、
を有し、前記平板状コイルに通電して前記伝熱管の管軸方向に磁場を形成し、前記伝熱管に生じた誘導磁場によるローレンツ力により前記伝熱管を拡管して前記管板に取り付けることを特徴とする多管式熱交換器の管取付け装置。
前記平板状コイルは、前記渦巻き状の導体素線の少なくとも前記伝熱管側の平面が絶縁物で被覆されて保護膜が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の多管式熱交換器の管取付け装置。
前記平板状コイルは、前記保護膜の上に、前記伝熱管の管軸に挿入される非磁性かつ高導電性の突起が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の多管式熱交換器の管取付け装置。