JP5676894B2 - 金属プレートと伝熱管との固定構造 - Google Patents

Description

本発明は、金属プレートと伝熱管とを有する熱交換器等の構造物において、金属プレートに対する伝熱管の固定部に適用される金属プレートと伝熱管との固定構造に関する。

金属プレートと伝熱管とを有する構造物の一例として、下記の特許文献１あるいは特許文献２に開示されているように熱交換器が知られている。この種の熱交換器では、金属プレートによって構成されるハウジングの内部に伝熱管（金属製のパイプ）が配置され、この伝熱管に、熱交換用の流体が供給されるようになっている。この伝熱管は金属プレートに形成された孔を貫通し、その貫通部において金属プレートと伝熱管とが溶接等の固定手段によって互いに固定されている。

固定手段として一般に溶接が知られている。例えば金属プレートと伝熱管とがそれぞれステンレス鋼からなる場合には、ＴＩＧ溶接等の融接（母材を溶かす接合）が適用されている。接合条件によっては、溶接の一種である「ろう付け（母材を溶かさない接合）」が適用されることもある。

特開平９−２９２１９５号公報 特開２００６−１７７６３７号公報

前記したように金属プレートに対する伝熱管の貫通部が溶接によって固定されている場合、溶接時に発生する残留応力に加えて、熱交換器の使用時のヒートサイクルによって金属プレートと伝熱管との溶接部に大きな熱応力が発生する。例えば金属プレートが高温ガスなどによって高温となっている状態のもとで、伝熱管の内部に低温の流体が流れると、金属プレートと伝熱管との間に生じる急激な温度勾配によって、溶接部に大きな熱応力が発生する。特に伝熱管の溶接部は溶接熱による熱履歴で膨張および収縮が発生するため、溶接部付近には大きな残留応力が生じている。このため金属プレートと伝熱管との溶接部が、前記ヒートサイクルによって破損する可能性があり、熱応力を緩和させることが望まれている。

従って本発明の目的は、金属プレートと伝熱管との溶接部が熱応力等によって破損することを防止できる金属プレートと伝熱管との固定構造を提供することにある。

本発明は、ハウジングの周壁を構成する金属プレートと、前記金属プレートに形成された貫通孔に挿入された伝熱管と、前記伝熱管の一部で前記貫通孔と対応した位置において前記伝熱管の外側に該伝熱管と同心状に配置され前記ハウジングの外側に突出する一端と前記ハウジングの内側に突出する他端とを有した金属製のガイドパイプと、前記ガイドパイプの前記一端と前記伝熱管の外周面とを周方向に溶接してなる第１の溶接部と、前記ガイドパイプの前記一端から該ガイドパイプの軸線方向に離れた他端寄りの部分において前記ガイドパイプと前記金属プレートとを前記貫通孔の周りで前記ガイドパイプの周方向に溶接してなる第２の溶接部とを具備し、前記ガイドパイプには前記第２の溶接部と対応した位置に、前記軸線方向に沿いかつ前記他端から前記一端に向かって前記軸線方向の途中で前記第１の溶接部に達しない位置まで形成されたスリットを有し、該スリットが前記金属プレートの外面と内面とにわたって連通している。

本発明の好ましい形態では、前記金属プレートと前記伝熱管と前記ガイドパイプとが互いに同一種類の金属材料からなり、前記ガイドパイプの肉厚が前記伝熱管の肉厚と同等以下であり、かつ、前記ガイドパイプの内周面と前記伝熱管の外周面との間に隙間が形成されている。

また前記金属プレートによってハウジングが形成され、該ハウジング内に高温ガスが流され、該ハウジングの内側に前記伝熱管のスパイラル部が収容され、前記ガイドパイプの一端が前記ハウジングの外側に突出しかつ前記第１の溶接部によって前記伝熱管に固定され、前記ガイドパイプの前記他端寄りの部分が前記第２の溶接部によって前記金属プレートに固定されていてもよい。

また前記ガイドパイプには前記第２の溶接部と対応した位置に前記スリットが形成され、該スリットが前記金属プレートの外面と内面とにわたって連通していることによって、溶接時に発生する残留応力や熱交換器使用時のヒートサイクルにより発生する熱応力をさらに緩和させることができる。

本発明によれば、金属プレートに対する伝熱管の固定のための溶接部を有する構造物において、該溶接部に生じる熱応力を緩和させることができるため、溶接時に発生した残留応力や伝熱管の使用時に発生するヒートサイクル等の影響によって溶接部が破損することを抑制できる。

１つの実施形態に係る熱交換器の断面図。 図１に示された熱交換器の正面図。 図１に示された熱交換器の伝熱管の固定部を示す側面図。 図３に示された伝熱管の固定部の縦断面図。 本発明の実施形態に係る伝熱管の固定部を示す側面図。 図５中のＦ６−Ｆ６線に沿う伝熱管の固定部の縦断面図。

以下に１つの実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
図１は熱交換器１０を示している。この熱交換器１０は金属製のハウジング１１を備えている。ハウジング１１は、板厚が例えば１．５〜２．０ｍｍのステンレス鋼からなる金属プレート１１ａによって筒形に構成されている。

ハウジング１１の一方の端部に、ガス流入口１５とフランジ１６が形成されている。フランジ１６はガス供給管１７（図１に２点鎖線で示す）に接続され、ガス供給管１７を介して高温ガスＧ１がハウジング１１の内部に供給されるようになっている。ガス流入口１５の近傍に、例えばパンチングメタルからなる流通抑制部材１８が設けられている。

ハウジング１１の他方の端部に、ガス流出口２０とフランジ２１が形成されている。フランジ２１はガス流出管２２（図１に２点鎖線で示す）に接続され、熱交換後の温度の下がったガスＧ２がガス流出管２２に排出されるようになっている。

ハウジング１１の内側に伝熱管３０が配置されている。伝熱管３０はステンレス鋼等の耐腐食性を有する金属パイプ材からなり、両端３０ａ，３０ｂを有するストレートな形状の延出部３１，３２と、延出部３１，３２間に形成されたスパイラル部３３とを有している。スパイラル部３３は、ハウジング１１の内面に沿って、ガス流入口１５とガス流出口２０との間に配置されている。

伝熱管３０の入口部である一端３０ａに、冷却水供給管３５（図１に２点鎖線で示す）が接続されている。この冷却水供給管３５から、伝熱管３０の内部に冷却用流体の一例である冷却水Ｗが供給される。伝熱管３０の出口部である他端３０ｂに、冷却水排出管３６（図１に２点鎖線で示す）が接続されている。

図１に示されるように、ハウジング１１の周壁を構成する金属プレート１１ａに一対の貫通孔４０，４１が形成されている。伝熱管３０の前記延出部３１，３２は、これら貫通孔４０，４１に挿入された状態で、ガイドパイプ４５を介して金属プレート１１ａに固定されている。ガイドパイプ４５は、ハウジング１１に対する伝熱管３０の固定部すなわち伝熱管３０の延出部３１，３２の軸線方向の一部に設けられている。

図２は、ハウジング１１をガス流出口２０側から見た正面図である。図２に伝熱管３０の一方の固定部をなす延出部３１とガイドパイプ４５とが示されている。伝熱管３０の他方の固定部をなす延出部３２とガイドパイプ４５も同様に構成されている。

図３と図４は伝熱管３０の一方の固定部を示している。ガイドパイプ４５は、伝熱管３０の延出部３１の軸線方向の一部で貫通孔４０と対応した位置に設けられている。このガイドパイプ４５は、金属プレート１１ａおよび伝熱管３０と同一種類の金属材料からなる。例えば、金属プレート１１ａと伝熱管３０とガイドパイプ４５はいずれもステンレス鋼からなる。

伝熱管３０の外径の一例はφ１６ｍｍ、肉厚の一例は１．５ｍｍである。ガイドパイプ４５の内径の一例はφ１７ｍｍ、肉厚の一例は１．５ｍｍである。すなわちガイドパイプ４５は伝熱管３０よりも大径である。溶接時のガイドパイプ４５の溶け込み等を考慮すると、ガイドパイプ４５の肉厚は伝熱管３０の肉厚と同等以下が望ましい。このガイドパイプ４５は、伝熱管３０の延出部３１の外周側に、伝熱管３０の延出部３１とほぼ同心（同心状）に配置されている。

ガイドパイプ４５の軸線Ｘ方向の両端４５ａ，４５ｂのうち、ハウジング１１の外側に突出する一端４５ａは、第１の溶接部５１において、ガイドパイプ４５の周方向の全周にわたり、伝熱管３０に溶接（例えば隅肉溶接）されている。そして伝熱管３０の外面とガイドパイプ４５の内面との間に、１ｍｍ以下の小さな隙間Ｓ１（図４に示す）が形成されている。この明細書で言う「溶接」とは、母材を溶かす接合（融接）と、ろう付けのように母材を溶かさない接合（ろう接）を含む概念である。本実施形態では、例えばＴＩＧ溶接が適用されている。

前記ガイドパイプ４５は、第１の溶接部５１において伝熱管３０に溶接されたのち、ハウジング１１の貫通孔４０に挿入される。そしてガイドパイプ４５の一端４５ａがハウジング１１の外側に突出し、ガイドパイプ４５の他端４５ｂがハウジング１１の内側に突出している。この状態のもとで、ガイドパイプ４５の下端側、すなわちガイドパイプ４５の一端４５ａから軸線Ｘ方向に金属プレート１１ａの厚さ以上離れている他端４５ｂ寄りの部分４５ｃが、第２の溶接部５２において、ガイドパイプ４５の周方向の全周にわたって、金属プレート１１ａの外面に溶接（例えば隅肉溶接）されている。

従来は伝熱管３０が金属プレート１１ａの貫通部において金属プレート１１ａに直接溶接されていたため、その溶接部に約２００ＭＰａの応力が発生していた。しかし本実施形態ではガイドパイプ４５の一端４５ａを第１の溶接部５１において伝熱管３０に溶接し、さらにガイドパイプ４５の他端４５ｂ寄りの部分４５ｃを第２の溶接部５２において金属プレート１１ａに溶接したことにより、各溶接部５１，５２に発生する応力を従来の約半分程度に緩和することができた。

以下に熱交換器１０の作用について説明する。
熱交換器１０の上流側に接続されたガス供給管１７から、例えば数百℃の高温ガスＧ１がハウジング１１に供給される。この明細書で言う「高温ガス」とは、冷却を必要とする温度のガスという意味であるから、ガスの温度は百℃以下であってもよく、具体的な温度は問わない。

ガス流入口１５からハウジング１１内に流入した高温ガスＧ１は、流通抑制部材（パンチングメタル）１８を経て伝熱管３０のスパイラル部３３に到達し、高温ガスＧ１が伝熱管３０に触れる。その一方で、冷却媒体として機能する冷却水Ｗが、冷却水供給管３５から伝熱管３０内に供給される。こうしてハウジング１１内において高温ガスＧ１と伝熱管３０内の冷却水Ｗとの間で熱交換が行なわれる。

伝熱管３０はハウジング１１内の高温ガスＧ１にさらされるため、伝熱管３０がかなり高温になる可能性がある。例えば伝熱管３０の延出部３１，３２のハウジング１１付近が高温ガスＧ１の影響によって高温となり、熱応力が発する。万一、この熱応力によって第１の溶接部５１付近が破損すると、冷却水Ｗが漏れてしまうため好ましくない。

しかし本実施形態の第１の溶接部５１は、高温となるハウジング１１の内部からガイドパイプ４５の軸線Ｘ方向に十分離れているガイドパイプ４５の外側の端４５ａに設けられているため、溶接部５１がハウジング１１内の高温ガスＧ１に直接さらされることを回避できる。しかもガイドパイプ４５の内周面と伝熱管３０の外周面との間に隙間Ｓ１（図４に示す）が形成されていることにより、ガイドパイプ４５の内周面と伝熱管３０の外周面とが互いに非拘束状態となっている。

このため本実施形態によれば、ヒートサイクル等によって伝熱管３０が変形しても、ガイドパイプ４５によって伝熱管３０の変形がある程度吸収されることになり、溶接部５１，５２に生じる熱応力を緩和することができる。このため溶接部５１，５２付近に破損等の不具合が発生することを抑制でき、耐久性が向上する。

また伝熱管３０のスパイラル部３３は、ハウジング１１内の高温ガスＧ１の熱を受けることによって熱膨張し、大きく変形することがある。しかし本実施形態では、ハウジング１１と伝熱管３０との間に前記ガイドパイプ４５が伝熱管３０と同心状に介在しているため、伝熱管３０に生じた変形が第２の溶接部５２に直接作用することを回避できる。すなわち伝熱管３０に生じた変形が、緩衝材として機能するガイドパイプ４５を介してハウジング１１に伝わる。このことも溶接部５１，５２の熱応力を緩和する上で有効に働く。

図５と図６は本発明の実施形態に係るガイドパイプ４５´を用いた金属プレート１１ａと伝熱管３０との固定構造を示している。この実施形態のガイドパイプ４５´はスリット６０を有している。このスリット６０は、ガイドパイプ４５´の内側の端４５ｂから、ガイドパイプ４５´の軸線Ｘ方向の途中の位置まで、例えばレーザ加工によって形成されている。

前記スリット６０は、第２の溶接部５２において、金属プレート１１ａの外面６１と内面６２とにわたって連通するように形成されている。スリット６０の幅Ｓ２は１ｍｍ以下、例えば０．５ｍｍである。このため第２の溶接部５２は、スリット６０を塞がないようにスリット６０を避けてガイドパイプ４５´の周方向の一部を残して溶接されている。それ以外は第１の実施形態と同様に構成されている。

このようなスリット６０を有するガイドパイプ４５´を用いたことにより、ガイドパイプ４５´が径方向等に撓みやすくなるため、溶接部５１，５２を溶接する際に発生した残留応力や、熱交換器１０の使用時に発生するヒートサイクルによって生じる溶接部５１，５２の熱応力をさらに緩和することができ、溶接部５１，５２をさらに破損させにくくすることができる。

この実施形態の場合、スリット６０を通じてハウジング１１の内部が外部（大気）と連通するため、ハウジング１１の密閉性が失われるが、ハウジング１１の内部を高速で流通する高温ガスＧ１によってハウジング１１の内面付近に大気圧以下の負圧が生じる。このためスリット６０が設けられていてもハウジング１１内の高温ガスＧ１がハウジング１１の外部に漏れることを回避できる。

なお本発明を実施するに当たって、例えばハウジングを構成する金属プレートや、伝熱管、ガイドパイプ等の具体的な形状や配置、寸法、材料等を適宜に変更して実施できることは言うまでもない。また本発明は熱交換器以外の構造物で金属プレートと伝熱管を有するものであれば同様に適用することができる。

１０…熱交換器
１１…ハウジング
１１ａ…金属プレート
３０…伝熱管
４０，４１…貫通孔
４５，４５´…ガイドパイプ
４５ａ…一端
４５ｂ…他端
５１…第１の溶接部
５２…第２の溶接部
６０…スリット

Claims (4)

1. ハウジングの周壁を構成する金属プレートと、
   前記金属プレートに形成された貫通孔に挿入された伝熱管と、
   前記伝熱管の一部で前記貫通孔と対応した位置において前記伝熱管の外側に該伝熱管と同心状に配置され、前記ハウジングの外側に突出する一端と前記ハウジングの内側に突出する他端とを有した金属製のガイドパイプと、
   前記ガイドパイプの前記一端と前記伝熱管の外周面とを周方向に溶接してなる第１の溶接部と、
   前記ガイドパイプの前記一端から該ガイドパイプの軸線方向に離れた前記他端寄りの部分において前記ガイドパイプと前記金属プレートとを前記貫通孔の周りで前記ガイドパイプの周方向に溶接してなる第２の溶接部とを具備し、
   前記ガイドパイプには前記第２の溶接部と対応した位置に、前記軸線方向に沿いかつ前記他端から前記一端に向かって前記軸線方向の途中で前記第１の溶接部に達しない位置まで形成されたスリットを有し、該スリットが前記金属プレートの外面と内面とにわたって連通していることを特徴とする金属プレートと伝熱管との固定構造。
2. 前記金属プレートと前記伝熱管と前記ガイドパイプとが互いに同一種類の金属材料からなり、前記ガイドパイプの肉厚が前記伝熱管の肉厚と同等以下であり、かつ、前記ガイドパイプの内周面と前記伝熱管の外周面との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属プレートと伝熱管との固定構造。
3. 前記金属プレートによってハウジングが形成され、該ハウジング内に高温ガスが流され、該ハウジングの内側に前記伝熱管のスパイラル部が収容され、前記ガイドパイプの一端が前記ハウジングの外側に突出しかつ前記第１の溶接部によって前記伝熱管に固定され、前記ガイドパイプの前記他端寄りの部分が前記第２の溶接部によって前記金属プレートに固定されたことを特徴とする請求項１または２に記載の金属プレートと伝熱管との固定構造。
4. 前記第２の溶接部は、前記スリットを塞がないよう前記スリットを避けて前記ガイドパイプの周方向の一部を残して溶接されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の金属プレートと伝熱管との固定構造。

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