JP5286003B2 - スペーサ及びスペーサの加工方法、熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、角棒の加工方法に関する。特に、スペーサの製造方法及び熱交換器の製造方法に関する。

熱交換器として多用されているものにプレート型熱交換器がある。図１０はプレート型熱交換器において熱交換を行う熱交換器用プレートアセンブリ５００である。熱交換器用プレートアセンブリ５００は、金属プレート５０１の一対を用いて伝熱プレート５０２を形成し、前記伝熱プレート５０２の内部に第1の流路５１１を形成する。そして、前記伝熱プレート５０２を複数枚積層した伝熱ブロック５０６を有する。

また、前記複数の伝熱プレート５０２は、その外部に第２の流路５１２を形成するように一定の間隔を保持して設置される。これにより、前記第１の流路５１１を通る流体と第２の流路５１２を通る流体とは、前記金属プレート５０１を介して熱交換される。

上述のように、前記伝熱プレート５０２を一定の間隔を保持して設置するような場合には、伝熱プレート５０２の外縁部にスペーサを配して固定する。前記伝熱プレート５０２と前記スペーサとの固定方法としては、ろう付が広く用いられている。

前記伝熱プレート５０２の貫通孔５０３は一般に円管５０４に接続されているため、前記伝熱プレート５０２の貫通孔の形状５０３は一般に円形となっている。そのため、前記貫通孔５０３の外縁部には、Ｕ字型のスペーサ５０５を配してろう付することにより、伝熱プレート５０２を適正な間隔に固定する。

前記スペーサ５０５は、熱交換器の部材として大量に使用されるため、その製造には、製造コスト面からも優れた方法である曲げ加工を用いることが好ましい。しかし、単純に角棒に曲げ加工を施すと、Ｕ字の外周側と内周側との曲率が異なるため、スペーサの断面形状は、外周側の垂直方向の幅が内周側の垂直方向の幅より小さい逆台形状となる。例えば、４ｍｍ幅の角棒を用いて前記の曲げ加工を施すと、Ｕ字の外周側の垂直方向の幅は、内周側の垂直方向の幅よりも０．３ｍｍ小さくなる。

前記逆台形状のスペーサを用いて２つの伝熱プレートを固定すると、ろう付時に接合不良が発生する。具体的には、スペーサの外周側の垂直方向の幅が小さくなっているため、伝熱プレートを押す力がペーサの外周側で小さくなる。この結果、伝熱プレートを構成する２枚の金属プレートの先端部の隙間に過剰量のろう材が浸潤し、前記２枚の金属プレートの先端部の隙間に金属間化合物層が形成される。

そして、前記金属間化合物層は脆いため、層の厚さが厚くなると亀裂の原因となる。さらに、前記の亀裂が原因となり、熱交換時の熱膨張により伝熱プレートが破損し、冷却水漏れに結びつく原因となる。

角棒を曲げ加工する際に、先細りせず、断面形状が略矩形となる平坦性の高い加工方法を提供し、併せて、断面が略矩形となる平坦性の高いスペーサを提供する。また併せて、断面が略矩形となる平坦性の高いスペーサを用いて冷却水漏れを抑制した熱交換器を実現する。

本発明の一実施形態によると、第１の面、第２の面、第３の面及び第４の面を備える角棒の第１の面の中央部を含む所定部分を、前記角棒の前記第１の面と対向する第２の面方向に垂直にプレスして、前記所定部分の前記第１の面が窪み、且つ、前記第３の面及び前記第４の面が膨らんだ形状にした後、前記角棒を前記第２の面が外周側となる曲面を有するように曲げ加工することを特徴とする曲げ加工方法が提供される。

前記所定部分の前記角棒の長手方向の長さは、前記曲げ加工後の前記角棒の湾曲部の長さに相当してもよい。

前記角棒はステンレスであってもよい。

また、本発明の他の実施形態によると、第１の面、第２の面、第３の面及び第４の面を備える角棒の第１の面の中央部を含む所定部分を、前記角棒の前記第１の面と対向する第２の面方向に垂直にプレスして、前記所定部分の前記第１の面が窪み、且つ、前記第３の面及び前記第４の面が膨らんだ形状にした後、前記角棒を前記第２の面が外周側となる曲面を有するように曲げ加工することにより形成したスペーサが提供される。

前記所定部分の角棒の長手方向の長さは、前記曲げ加工後の湾曲部の長さに相当するスペーサであってもよい。

前記所定部分に窪部を有するスペーサであってもよい。

前記窪部の長さは、前記曲げ加工後の湾曲部の長さに相当するスペーサであってもよい。

前記角棒がステンレスであるスペーサであってもよい。

本発明の別の実施形態によると、第１の面、第２の面、第３の面及び第４の面を備える角棒の第１の面の中央部を含む所定部分を、前記角棒の前記第１の面と対向する第２の面方向に垂直にプレスして、前記所定部分の前記第１の面が窪み、且つ、前記第３の面及び前記第４の面が膨らんだ形状にした後、前記角棒を前記第２の面が外周側となる曲面を有するように曲げ加工することによりスペーサを形成し、１対の金属プレートからなる複数の伝熱プレートを、前記スペーサを介して固定することを特徴とする熱交換器の製造方法が提供される。

前記所定部分の角棒の長手方向の長さは、前記曲げ加工後の湾曲部の長さに相当するスペーサを用いてもよい。

前記所定部分に窪部を有するスペーサを用いてもよい。

前記窪部の長さは、前記曲げ加工後の湾曲部の長さに相当するスペーサを用いてもよい。

前記角棒がステンレスであるスペーサを用いてもよい。

本発明によると、角棒を曲げ加工する際に、先細りせず、断面形状が略矩形となる垂直方向に平坦性の高い加工方法を提供し、併せて、断面が略矩形となる曲げ加工を施したスペーサが提供される。また併せて、断面が略矩形となる垂直方向に平坦性の高いスペーサを用いて冷却水漏れを抑制した熱交換器が提供される。

以下、本発明の実施形態に係る角棒の曲げ加工方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるわけではない。また、各実施形態において、同様の構成については同じ符号を付し、改めて説明しない場合がある。
（実施形態１）
従来の曲げ加工では図１１に示したように、Ｕ字の外周側の垂直方向の幅が内周側の垂直方向の幅よりも小さくなることに着目した。本実施形態１の本発明に係る曲げ加工では、曲げ加工前に角棒を水平方向にプレスして垂直方向に膨らんだ形状（樽型）にした。

本実施形態1の本発明に係る前記角棒の所定部分に対して垂直方向（曲げ加工後の水平方向）にプレスする。本実施形態1の本発明に係る前記角棒のプレスに係る所定部位の長さ、プレス圧力及びつぶし量は、適宜変更される。前記プレス加工装置としては、例えば油圧プレス等を用いることが出来る。但し、本発明の本実施形態に係るプレス加工装置は何らこれらに限定されるものではない。

図１は、本実施形態1の本発明に係るプレス後の角棒１０１の断面図である。図１（Ａ）に示したように、前記プレス処理により角棒１０１は垂直方向（曲げ加工後の水平方向）に中心部位が窪んだ形状となる一方で、図１（Ｂ）に示したように、水平方向（曲げ加工後の垂直方向）に膨らんだ形状になる。

続いて、前記プレス後の本実施形態1の本発明に係る角棒１０１にＵ字曲げ加工（馬蹄形。以下本明細書においては曲面を有する曲げ加工をＵ曲げ加工という。）を施す。前記曲げ加工装置としては、パイプベンダーやアングルベンダー等を用いることが出来る。本実施形態１の本発明に係る加工装置は何らこれらに限定されるものではない。

図２は、本実施形態1の本発明に係る前記曲げ加工後の曲げ加工品１００の断面図である。図２（Ａ）に示したように、前記曲げ加工品の垂直方向には前記プレス処理による窪みが残る一方で、図２（Ｂ）に示したように、前記曲げ加工により、垂直方向の膨らみは減少し、略矩形になる。

ここで、前記プレス処理による角棒の窪みの角棒の長手方向の長さは、前記曲げ加工後の湾曲部の長さに相当することが望ましい。

以上説明したように、本実施形態1の本発明に係る曲げ加工方法によると、曲げ加工の前加工として、角棒にプレス処理を施して断面が垂直方向に膨らんだ形状の角棒を形成することにより、角棒をＵ字曲げ加工する際に、先細りせず、断面形状が略矩形となる垂直方向に平坦性の高い加工方法を提供し、併せて、断面が略矩形となる垂直方向に平坦性の高い曲げ加工品が提供される。
（実施例１）
本発明の本実施例1では、熱交換器のスペーサ、特にＵ字形状に曲げ加工を施したスペーサについて、加工方法及びろう付けの結果を詳細に述べる。

本実施例1の本発明に係る角棒には、耐食性のある金属角棒を用いることが出来る。本実施形態1の本発明に係る金属角棒としては、ステンレス角棒が好ましい。一例として、スペーサ材料の角棒として全長１２０ｍｍの４ｍｍ角のステンレス（３０４ステンレス）角棒を用いた。本実施例1の本発明に係る角棒は、何らこれらに限定されるものではない。

本実施例1の本発明に係る曲げ加工として、曲げ加工した際の湾曲部となる前記角棒の中心部位５０ｍｍを６０ｔｏｎの圧力でプレスした。このとき、つぶし量が０．１５〜０．２ｍｍとなるようプレスした。前記プレス後の角棒に曲げ加工を施し、スペーサを製造した。

製造した前記スペーサは、プレート型熱交換器の熱交換器用プレートアセンブリの製造に用いた。図３（Ａ）は金属プレート１１１を示した図であり、図３（Ｂ）は、Ａ−Ａ断面図、図３（Ｃ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。図３（Ａ）に示したように、金属プレート１１１は円形の貫通孔１１３を有する。

前記第１および第２の流路を通る流体の攪拌および前記金属プレート１１１の表面積を拡げることによる熱交換効率の向上のため、前記金属プレート１１１表面には図３（Ｃ）に示したような波型の凹凸を形成する。本実施例１の本発明に係る金属プレートは、何らこれらに限定されるものではない。

前記金属プレート１１１を一定の間隔を保持して設置するため、前記金属プレート１１１の外縁部に図４に示すように本実施例１の本発明に係るスペーサ１００を配して固定する。図４（Ａ）は、前記金属プレート１１１及び前記スペーサ１００を上面から見た図で、図４（Ｂ）は、２枚の前記金属プレート１１１と前記スペーサ１００とを接合した時の配置を示す側面図である。

前記スペーサ１００と前記金属プレート１１１とは、ろう付により接合される。ろう付けは、複雑な形状の部材の接合に適した方法であるため、本実施例１の本発明に係る断面が略矩形であるスペーサ１００と、前記金属プレート１１１とにおいては、面接合が実現される。この結果、熱伝導性が良好で、且つ、強度のある接合が提供される。また、ろう付けは真空ろう付けであるため、不純物を防ぐ、クリーンな条件下で行われる。本実施例１の本発明に係るろう材は、母剤であるステンレスよりも低い融点で、且つ、耐食性と高い強度を有するステンレス鋼用のろう材であれば、何れを用いてもよい。

実施例１の本発明に係る熱交換器用プレートアセンブリは、例えば、３つの前記伝熱プレートと、２つの前記スペーサとにより、伝熱ブロックが形成される。第１の伝熱ブロックと第２の伝熱ブロックとは、円管と固定部材とにより接続される。

図５（Ａ）は、本実施例１の本発明に係る曲げ加工を施したスペーサ１００を用いた伝熱プレートのろう付後の断面図である。金属プレート間には、金属間化合物層の形成は認められず、ろう材により一様に接合されていることが確認できる。また、図５（Ｄ）は、本実施例１の本発明に係るスペーサ１００の断面の模式的図である。図５（Ｄ）のＡ及びＢは、前記スペーサの垂直方向の幅が小さくなった部位の水平方向の長さを示し、表１はＡ及びＢの長さをまとめたものである。

本実施例１の本発明に係る曲げ加工を施したスペーサ１００の垂直方向の幅が小さくなった部位の水平方向の長さＡ及びＢは、従来のスペーサに比して短くなっている。このため、金属プレートに対してスペーサのＵ字外周部近傍まで圧力がかかり、金属プレート間に過剰量のろう材が浸潤することを防ぐことにより、金属プレート間の金属間化合物層形成を防ぐと考えられる。

以上説明したように、本実施例の本発明に係る曲げ加工方法は、断面が略矩形となる垂直方向に平坦性の高いスペーサの製造を実現する優れた効果を奏し、また、金属プレート間の金属間化合物層形成を防ぎ、伝熱プレートの破損を抑制した熱交換器を提供することが出来る。
（比較例１）
本発明の本実施形態１と比較するため、角棒に従来の曲げ加工を施し、スペーサを製造した。図１１は、曲げ加工を施した従来のスペーサ２００の断面図である。前記従来の角棒の中心部位にプレス加工を施さないこと以外は、実施例１と同様の材料及び加工を行ったため、詳細な説明は省略する。

図６（Ａ）は、従来のスペーサを用いた伝熱プレートのろう付後の断面図で、図６（Ｂ）はその拡大図である。金属プレート間に金属間化合物層の形成が認められ、前記金属化合物層には亀裂が確認できる。

また、図６（Ｃ）及び図１１（Ｂ）は、前記従来の曲げ加工後のスペーサの模式的な断面図である。図６（Ｃ）のＡ及びＢは、前記スペーサの垂直方向の幅が小さくなった部位の水平方向の長さを示し、その長さは、表１に示したとおりである。本実施例１の本発明に係るスペーサのＡ及びＢの長さに比して、２倍以上長いことが分かる。これにより、金属プレートを押す力がスペーサの外周側で小さくなり、伝熱プレートを構成する２枚の金属プレートの先端部の隙間に過剰量のろう材が浸潤し、金属プレートの先端部の隙間に金属間化合物層が形成されたものと考えられる。
（比較例２）
比較例２は、従来の曲げ加工によるスペーサを製造後、平坦化を狙って、垂直方向にプレス加工を施した。最後のプレス加工以前の角棒の材料及び加工方法は、比較例１と同様であるため、詳細な説明は省略する。

従来の曲げ加工方法により製造したスペーサに、垂直方向から６０ｔｏｎの圧力で、１回プレス加工を施した。

図７（Ａ）および（Ｃ）は、比較例２のスペーサを用いた伝熱プレートのろう付後の断面図で、図７（Ｂ）および（Ｄ）はその拡大図である。金属プレート間に金属間化合物層の形成が認められ、前記金属化合物層には亀裂が確認できる。

また、図７（Ｅ）は、前記比較例２の曲げ加工後のスペーサの模式的な断面図である。図７（Ｅ）のＡ及びＢは、前記スペーサの垂直方向の幅が小さくなった部位の水平方向の長さを示し、その長さは、表１に示したとおりである。従来の曲げ加工によるスペーサに比してはＡ及びＢの長さは短くなり、一応の改善は認められた。しかし、本実施例１の本発明に係るスペーサのＡ及びＢの長さに比して、１．５倍程度長いことが分かり、これが金属プレート間に金属間化合物層を形成した原因であると推定される。
（比較例３）
比較例３は、ステンレス角棒を曲げ加工後の外周側に相当する辺が長く、前記の曲げ加工後の内周側に相当する辺が短くなるように、断面が台形になるように予め加工処理を行った。図８は、前記の台形に加工したステンレス角棒の断面を示した模式図である。

台形に加工する加工方法としては、プレス加工や引き抜き加工等がある。本比較例３では、プレス加工を用いた。

ステンレス角棒の断面が台形になるよう加工した後の曲げ加工方法は、比較例１と同様の加工処理を行ったため、詳細な説明は省略する。

図９（Ａ）は、比較例３のスペーサを用いた伝熱プレートのろう付後の断面図で、図９（Ｂ）はその拡大図である。金属プレート間に金属間化合物層の形成が認められ、前記金属化合物層には亀裂が確認できる。

上述のとおり、ステンレス角棒の断面が台形になるよう加工した後に曲げ加工を施す方法は、金属プレート間の金属間化合物層形成の抑制には寄与しないことが示された。

以上説明したとおり、スペーサの加工方法としては、材料となる角棒を曲げ加工後の水平方向に相当する方向からのプレス加工を施し、その断面が曲げ加工後の垂直方向に相当する方向に膨らんだ形状に加工した後に、水平方向に曲げ加工を施す方法が最良であることが分かる。その結果、断面が略矩形となる垂直方向に平坦性の高い低コストのスペーサを提供し、ろう付による金属間化合物層の形成を防ぐことができる。

本発明の実施形態１に係るプレス後の角棒１０１の断面図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。 本発明の実施形態１に係る曲げ加工後のスペーサ１００の断面図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。 （Ａ）は伝熱プレート１１１を示した図であり、（Ｂ）はＡ−Ａ断面図、（Ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。 （Ａ）は金属プレート１１１とスペーサ１００との位置関係を示した図であり、（Ｂ）は２つの伝熱プレートを形成する金属プレートの間に配したスペーサ１００の模式図である。 （Ａ）本発明の本実施形態１に係る曲げ加工を施したスペーサ１００を用いた伝熱プレートのろう付後の断面図で、（Ｂ）はその拡大図、（Ｃ）は本発明の実施形態１に係るプレス後の角棒１０１のプレス加工後の断面図、（Ｄ）は本発明の本実施形態１に係る曲げ加工を施したスペーサ１００断面の模式的図である。 （Ａ）は比較例１の従来のスペーサを用いた伝熱プレートのろう付後の断面図で、（Ｂ）はその拡大図、（Ｃ）は従来の曲げ加工後のスペーサの模式的な断面図である。 （Ａ）および（Ｃ）は、比較例２のスペーサを用いた伝熱プレートのろう付後の断面図で、（Ｂ）および（Ｄ）はその拡大図である。 比較例３の台形に加工したステンレス角棒の断面を示した模式図で、（Ａ）は正面図で、（Ｂ）は側面図である。 （Ａ）は、比較例３のスペーサを用いた伝熱プレートのろう付後の断面図で、（Ｂ）はその拡大図である。 プレート型熱交換器の熱交換器用プレートアセンブリの一例５００である。 曲げ加工を施した従来のスペーサ２００の断面図で、（Ａ）は正面図で、（Ｂ）は側面図である。

符号の説明

１００ 実施例１のＵ字型スペーサ
１０１ 角棒１０１
１１１ 金属プレート
１１３ 貫通孔
２００ 従来のＵ字型スペーサ
２０１ 角棒
３０１ 台形に加工したステンレス角棒
５００ 熱交換器用プレートアセンブリ
５０１ 金属プレート
５０２ 伝熱プレート
５０３ 貫通孔
５０４ 円管
５０５ スペーサ
５０６ 伝熱ブロック
５０７ 固定部材
５１１ 第１の流路
５１２ 第２の流路

Claims (13)

1. 第１の面、第２の面、第３の面及び第４の面を備える角棒の第１の面の中央部を含む所定部分を、前記角棒の前記第１の面と対向する第２の面方向に垂直にプレスして、前記所定部分の前記第１の面が窪み、且つ、前記第３の面及び前記第４の面が膨らんだ形状にした後、
   前記角棒を前記第２の面が外周側となるよう曲面を有するように曲げ加工することを特徴とする曲げ加工方法。
2. 前記所定部分の前記角棒の長手方向の長さは、前記曲げ加工後の前記角棒の湾曲部の長さに相当することを特徴とする請求項１に記載の曲げ加工方法。
3. 前記角棒がステンレスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の曲げ加工方法。
4. 第１の面、第２の面、第３の面及び第４の面を備える角棒の第１の面の中央部を含む所定部分を、前記角棒の前記第１の面と対向する第２の面方向に垂直にプレスして、前記所定部分の前記第１の面が窪み、且つ、前記第３の面及び前記第４の面が膨らんだ形状にした後、
   前記角棒を前記第２の面が外周側となる曲面を有するように曲げ加工することにより形成したスペーサ。
5. 前記所定部分の角棒の長手方向の長さは、前記曲げ加工後の湾曲部の長さに相当することを特徴とする請求項４に記載のスペーサ。
6. 前記所定部分に窪部を有することを特徴とする請求項５に記載のスペーサ。
7. 前記窪部の長さは、前記曲げ加工後の湾曲部の長さに相当することを特徴とする請求項６に記載のスペーサ。
8. 前記角棒がステンレスであることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか一に記載のスペーサ。
9. 第１の面、第２の面、第３の面及び第４の面を備える角棒の第１の面の中央部を含む所定部分を、前記角棒の前記第１の面と対向する第２の面方向に垂直にプレスして、前記所定部分の前記第１の面が窪み、且つ、前記第３の面及び前記第４の面が膨らんだ形状にした後、
   前記角棒を前記第２の面が外周側となる曲面を有するように曲げ加工することによりスペーサを形成し、
   前記スペーサをろう材を介して一対の金属プレートで挟み、前記一対の金属プレートと前記スペーサとをろう付けすることを特徴とする熱交換器の製造方法。
10. 前記スペーサの前記所定部分の角棒の長手方向の長さは、前記曲げ加工後の湾曲部の長さに相当することを特徴とする請求項９に記載の熱交換器の製造方法。
11. 前記スペーサの前記所定部分に窪部を有することを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器の製造方法。
12. 前記スペーサの前記窪部の長さは、前記曲げ加工後の湾曲部の長さに相当することを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器の製造方法。
13. 前記角棒がステンレスであることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一に記載の熱交換器の製造方法。