JP6664657B2 - 伝熱管の取付け構造、熱交換器、および伝熱管の取付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器の構成要素としての伝熱管を所定の部材に固定させて取付けるための技術に関する。

熱交換器における伝熱管の取付け構造の一例として、特許文献１に記載の構造がある。
同文献に記載の構造においては、伝熱管の取付け対象部材に設けられた貫通孔に、伝熱管の端部が挿入されており、かつこの端部は拡管処理が施されていることにより、前記貫通孔の内周面に圧接している。前記貫通孔の一部は、テーパ孔部とされており、このことにより貫通孔の内周面と伝熱管の外周面との間には、ロウ材を進入させるための凹部が形成されている。前記ロウ材により、伝熱管と取付け対象部材とのロウ付けが図られている。
このような構成によれば、伝熱管の拡管およびロウ付けが併用されているため、伝熱管を取付け対象部材に対して比較的高い強度で固定することが可能である。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、未だ改善の余地がある。

すなわち、熱交換器においては、伝熱管の取付け強度をできる限り高くし、信頼性の高いものとすることが望まれる。そのためには、伝熱管の外周面と貫通孔の内周面とが互いに対向接触または対向接近してロウ付けされる面積を、できる限り大きくすることが望まれる。ところが、前記従来技術においては、貫通孔の大半は非テーパ孔部（直径が同一のストレート孔部）とされているため、たとえば取付け対象部材の厚み寸法がさほど大きくはなく、貫通孔の深さを大きくとれないような場合には、貫通孔の内周面の面積が小さくなる。その結果、貫通孔の内周面と伝熱管の外周面とを広い面積で対向接触または対向接近させることができず、伝熱管の取付け強度が低くなる。
また、前記貫通孔の一部は、テーパ孔部とされ、この部分にロウ材が充填されているものの、前記テーパ孔部の内周面と伝熱管の外周面とは比較的大きい寸法で離間している。このため、テーパ孔部における伝熱管のロウ付け強度は、やや劣るものとなる。

特開平９−１３３４９１号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、簡易な構成により、従来技術よりも伝熱管の取付け強度を高くすることが可能な伝熱管の取付け構造、熱交換器、および伝熱管の取付け方法を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される伝熱管の取付け構造は、熱交換器の伝熱管と、この伝熱管の端部が挿入される貫通孔を有する前記伝熱管の取付け対象部材と、を備えている、伝熱管の取付け構造であって、前記貫通孔は、その全体が前記伝熱管の先端側ほど内径が拡大するテーパ孔部とされ、またはこのテーパ孔部とその小径側に繋がった非テーパ孔部とを有し、かつこの非テーパ孔部よりも前記テーパ孔部の方が軸長方向の幅が大きい構成とされており、前記伝熱管の端部には、外周面が前記テーパ孔部の内周面に沿う傾斜面となるように拡管されたテーパ拡管部が形成されており、このテーパ拡管部の外周面と前記テーパ孔部の内周面との相互間の微小隙間の領域には、毛細管現象によってロウ材が進入して前記外周面と前記内周面とを接合するロウ付け部が形成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、伝熱管の端部が挿入される取付け対象部材の貫通孔は、その全体または大部分がテーパ孔部とされており、かつ伝熱管の端部は、外周面が前記テーパ孔部の内周面に沿う傾斜面となるように拡管されているため、これら伝熱管の外周面と貫通孔の内周面とが互いに対向接触または対向接近する面積を、従来技術よりも大きくすることが可能である。その上で、テーパ拡管部の外周面とテーパ孔部の内周面との相互間にはロウ付け部が形成されているため、伝熱管と取付け対象部材とのロウ付け面積も大きくすることが可能である。なお、伝熱管のテーパ拡管部をテーパ孔部の内周面に比較的強く圧接させた場合であっても、それらの相互間には微小隙間が存在するため、加熱溶融されたロウ材を毛細管現象によって前記相互間の微小隙間に進入させることが可能である。このようなことから、本発明によれば、従来技術よりも伝熱管の取付け強度を高め、その信頼性を高めることが可能である。本発明によれば、取付け対象部材の厚み寸法がさほど大きくはない場合であっても、伝熱管の取付け強度を十分に確保し得ることとなる。
さらに、本発明によれば、伝熱管のテーパ拡管部は、貫通孔のテーパ孔部の内周面に対し、伝熱管の軸長方向に係合した構造となる。このため、伝熱管に基端側への抜け力が発生した場合、この抜け力は、テーパ拡管部に係合するテーパ孔部の内周面によって受けられ、伝熱管の抜け方向への移動が阻止される。したがって、伝熱管の取付け強度を、より高めることが可能である。

本発明において、好ましくは、前記貫通孔は、前記テーパ孔部および前記非テーパ孔部を有し、かつこの非テーパ孔部よりも前記テーパ孔部の方が軸長方向の幅が大きい構成とされており、前記伝熱管の端部には、外周面が前記非テーパ孔部の内周面に沿うように拡管された非テーパ拡管部がさらに形成されている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、貫通孔の非テーパ孔部の内周面は、幅が狭く、かつ非傾斜状であるため、拡管により非テーパ拡管部の外周面を前記内周面に圧接させる際には、その圧接力を部分的に強くし、カシメ強度を高くすることが可能である。このため、貫通孔の全体をテーパ孔部にする場合よりも、取付け対象部材に対する伝熱管の位置決め固定を一層的確に行なうことが可能となる。

本発明において、好ましくは、前記非テーパ拡管部の外周面と前記非テーパ孔部の内周面との相互間には、ロウ付け部が形成されている。

このような構成によれば、伝熱管と取付け対象部材とのロウ付け面積をさらに大きくし、伝熱管の取付け強度を一層高めることができる。

本発明の第２の側面により提供される熱交換器は、複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管の端部が取付けられる取付け対象部材を有し、かつ前記複数の伝熱管のそれぞれの内部に連通するチャンバが内部に形成された湯水流入用または流出用のヘッダと、を備えている、熱交換器であって、前記複数の伝熱管の前記取付け対象部材への取付け構造として、本発明の第１の側面により提供される伝熱管の取付け構造が用いられていることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される伝熱管の取付け構造に
ついて述べたのと同様な効果が得られ、伝熱管とヘッダとの取付け強度を高めることができる。

本発明において、好ましくは、前記テーパ孔部および前記テーパ拡管部は、前記チャンバに接近するほど大径になるとともに、前記テーパ拡管部の大径側の端部は、前記伝熱管の先端部とされ、かつこの先端部は、前記テーパ孔部内から前記チャンバ内には突出しない構成とされている。

このような構成によれば、ヘッダのチャンバと伝熱管内との間で湯水が流入出する際に、伝熱管の先端部が大きな抵抗とならないようにすることができる。すなわち、前記構成とは異なり、伝熱管の先端部がチャンバ内に突出している場合には、この突出部分が湯水流れの抵抗となるが、前記構成によれば、そのようなことは解消される。また、伝熱管は、チャンバに接近するほどその内径が徐々に大きくなる構成となるため、このことによって伝熱管内とチャンバとの相互間における湯水の流入出が円滑となる作用も得られる。このようなことから、熱交換器における湯水の流路抵抗を小さくすることができる。

本発明において、好ましくは、前記複数の伝熱管を内部に収容し、かつ前記複数の伝熱管を加熱するための流体が内部に供給されるケースを、備えており、このケースの側壁部は、前記取付け対象部材であり、前記ヘッダは、入水口または出湯口としての開口部を有する内部空洞状かつ前面開口状のヘッダ形成部材を、前記ケースの側壁部に接合することにより構成されている。

このような構成によれば、伝熱管の取付け強度が高くされたヘッダを、簡易な構成によって実現し、熱交換器の製造コストを低減することが可能となる。

本発明の第３の側面により提供される伝熱管の取付け方法は、熱交換器の伝熱管を、この伝熱管の端部が挿入される貫通孔を有する前記伝熱管の取付け対象部材に取付けるための伝熱管の取付け方法であって、前記貫通孔としては、全体をテーパ孔部とし、またはこのテーパ孔部とその小径側に繋がった非テーパ孔部とを有し、かつこの非テーパ孔部よりも前記テーパ孔部の方が軸長方向の幅が大きい構成としておき、前記伝熱管の端部を前記貫通孔に挿入して拡管することにより、外周面が前記テーパ孔部の内周面に沿う傾斜面となるように拡管されたテーパ拡管部を形成する拡管工程と、この拡管工程の後において、前記テーパ拡管部の外周面と前記テーパ孔部の内周面との間の微小隙間の領域に、加熱により溶融したロウ材を毛細管現象によって進入させるロウ付け工程と、を有していることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される伝熱管の取付け構造を、適切に得ることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

（ａ）は、本発明に係る熱交換器の一例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の正面断面図である。 （ａ）は、図１（ｂ）のIIa部の拡大断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIIb−IIb平面拡大断面図である。 図１（ｂ）の要部をさらに拡大した断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図３に示す構造を得るための製造方法の一例を示す要部断面図である。 本発明の他の例を示す要部断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の他の例を示す要部断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示す熱交換器ＨＥは、給湯装置の構成要素として用いられる湯水加熱用の熱交換器であり、内部に湯水が流通する複数の伝熱管１と、これら複数の伝熱管１を内部に収容するケース２と、このケース２の側面部に設けられた入水用および出湯用の一対のヘッダ３（３Ａ，３Ｂ）とを備えている。
この熱交換器ＨＥにおいては、ガスバーナなどのバーナ（不図示）によって発生された燃焼ガスが、ケース２の給気口２８からケース２内に流入して排気口２９に向けて進行し、この過程において各伝熱管１に燃焼ガスが作用する。一方、入水用のヘッダ３Ａに供給された湯水は、複数の伝熱管１内を流通し、前記燃焼ガスによって加熱される。この加熱された湯水は、出湯用のヘッダ３Ｂに到達し、このヘッダ３Ｂから所定箇所に向けて出湯する。

ケース２は、左右幅方向の両端部が開口した矩形筒状のケース本体部２０と、このケース本体部２０の幅方向両端の開口部を塞ぐプレート状の一対の側壁部２１，２１Ａとを備えている。各伝熱管１は、平面視略矩形状または略長円状に形成された螺旋状管体部１０と、その下部および上部に繋がり、かつ略水平状に延びた直管状の延設管体部１１ａ，１１ｂとを有している。複数の螺旋状管体部１０は、互いに異なったサイズとされ、かつ略同心状に配列されている。

各伝熱管１の端部（延設管体部１１ａ，１１ｂの端部）は、ケース２の側壁部２１に取付けられており、この部分の構造が、本発明に係る伝熱管の取付け構造の一例に相当している。側壁部２１は、本発明でいう伝熱管の取付け対象部材の一例に相当する。
なお、ヘッダ３は、側壁部２１にヘッダ形成部材３０を溶接するなどして形成されている。図２（ａ）によく表われているように、ヘッダ形成部材３０は、前面側開口部３１を有し、かつ後部側に入水口または出湯口としての開口部３２が形成された内部空洞状である。このヘッダ形成部材３０は、その前面側開口部３１が側壁部２１によって塞がれるように側壁部２１に接合されており、このことによってヘッダ形成部材３０の内側には、各伝熱管１の内部に連通したチャンバ３３が形成されている。

図３によく表われているように、側壁部２１には、伝熱管１の端部が挿入される貫通孔２２が設けられており、この貫通孔２２は、チャンバ３３に接近するほど内径が拡大するテーパ孔部２２ａと、このテーパ孔部２２ａの小径側に繋がり、かつ内径が略一定とされた非テーパ孔部２２ｂとを有している。貫通孔２２の軸長方向において、テーパ孔部２２ａの幅Ｌａは、非テーパ孔部２２ｂの幅Ｌｂよりも大きくされている（図４（ａ）も参照）。

伝熱管１の端部には、テーパ拡管部１２および非テーパ拡管部１３が繋がって形成されている。テーパ拡管部１２は、外周面がテーパ孔部２２ａの内周面に沿う傾斜面となるように拡管された部分である。このテーパ拡管部１２の外周面とテーパ孔部２２ａの内周面との相互間の微小隙間の領域は、ロウ材が進入してそれら外周面と内周面とを接合するロウ付け部４とされている。テーパ拡管部１２の大径側の先端部１２ａ（伝熱管１の先端部）は、貫通孔２２内に位置し、チャンバ３３側には突出しないように形成されている。好ましくは、先端部１２ａは側壁部２１の外側面２１ａ（チャンバ３３に面する側面）と略面一状である。

非テーパ拡管部１３は、外周面が非テーパ孔部２２ｂの内周面に沿うように拡管された
部分である。好ましくは、この非テーパ拡管部１３の外周面と非テーパ孔部２２ｂの内周面との相互間の微小隙間の領域は、それら外周面と内周面とを接合するロウ付け部４Ａとされている。
このような伝熱管の取付け構造は、図２に示した入水用のヘッダ３Ａのみならず、図１の出湯用ヘッダ３Ｂにおいても、同様に採用されている。

前記した伝熱管の取付け構造は、図４に示すような一連の工程を経て得ることが可能である。すなわち、同図（ａ）に示すように、側壁部２１には、先に述べたテーパ孔部２２ａに非テーパ孔部２２ｂが繋がった貫通孔２２を予め形成しておき、この貫通孔２２内に伝熱管１の端部を挿入させる。次いで、同図（ｂ），（ｃ）に示すように、テーパ孔部２２ａおよび非テーパ孔部２２ｂに対応する押圧面を有するパンチ９を伝熱管１の端部内に挿入して拡管し、伝熱管１の端部の外周面を貫通孔２２の内周面の各部に沿わせる。拡管後においては、同図（ｄ）に示すように、側壁部２１に伝熱管１をロウ付けする。このロウ付けは、たとえばペースト状のロウ材を、側壁部２１の外側面２１ａと伝熱管１の先端部１２ａとが隣接する部分Ａ１、および側壁部２１の内側面２１ｂと伝熱管１の外周面とが交差する部分Ａ２に塗布した状態で、加熱炉を利用してロウ材を加熱溶融させることにより行なう。加熱溶融したロウ材は、貫通孔２２の内周面と伝熱管１の外周面との間に形成されている微小隙間内に毛細管現象によって進入していく。このことにより、前記したロウ付け部４，４Ａを形成することができる。

次に、前記した熱交換器ＨＥの作用について説明する。

まず、側壁部２１の貫通孔２２は、その大部分がテーパ孔部２２ａとされているため、その実質的な幅寸法Ｌｃ（図３参照）を大きくとることが可能である。これに対し、このテーパ孔部２２ａの内周面には、伝熱管１のテーパ拡管部１２の傾斜状の外周面が平行な状態で対向しているため、これら内周面および外周面との対向面積を大きくすることが可能である。加えて、前記内周面および外周面との相互間の微小隙間の領域は、ロウ付け部４とされているため、伝熱管１と側壁部２１とのロウ付け面積も大きくとることが可能である。したがって、側壁部２１の厚みｔがさほど大きくない場合であっても、側壁部２１に対する伝熱管１の取付け強度を高くすることが可能である。

加えて、貫通孔２２には、小幅ながらも非テーパ孔部２２ｂが設けられ、かつこの非テーパ孔部２２ｂの内周面に対しては伝熱管１の非テーパ拡管部１３の外周面が沿う構成であるため、この部分においては、側壁部２１に対する伝熱管１のカシメ状態を強固なものとすることが可能である。また、このようなカシメ部分においても、既述したように、ロウ付け部４Ａによるロウ付けが図られている。したがって、側壁部２１に対する伝熱管１の取付け強度を一層高くすることができる。
伝熱管１のテーパ拡管部１２は、軸長方向において、テーパ孔部２２ａの内周面に係合しており、伝熱管１が基端部側（図３の左側）に移動することを阻止する機能も発揮する。このことにより、伝熱管１の取付け強度は一層向上する。

図２に示すように、入水用のヘッダ３Ａにおいては、チャンバ３３から各伝熱管１内に湯水が流れ込むが、各伝熱管１の先端部１２ａは、チャンバ３３側に突出していないため、湯水流れに対する抵抗を小さくすることが可能である。本実施形態とは異なり、各伝熱管１の先端部１２ａがチャンバ３３側に突出していると、この突出部分が湯水流通の妨げとなる。これに対し、本実施形態によれば、そのような不具合はない。さらに、本実施形態では、各伝熱管１は、テーパ拡管部１２の存在により、いわゆる先広がり状となっているため、チャンバ３３から伝熱管１内への湯水の流入がより円滑となる。出湯用のヘッダ３Ｂにおいても、入水用のヘッダ３Ａについて述べたのと同様な作用が得られる。このようなことから、熱交換器ＨＥの湯水流通経路における流路抵抗を小さくすることができる
利点が得られる。

図５および図６は、本発明の他の例を示している。これらの図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付し、重複説明は省略する。

図５に示す実施形態においては、伝熱管１のうち、非テーパ拡管部１３よりも基端側の位置に追加の拡管部１４が形成されている。この追加の拡管部１４は、側壁部２１の内側面２１ｂに係止している。このような構成によれば、追加の拡管部１４とテーパ拡管部１２との両者間に側壁部２１が挟み込まれた構成となり、側壁部２１に対する伝熱管１の軸長方向の位置決め固定をより強固に図ることができる。

図６（ａ）に示す実施形態においては、側壁部２１に凸状部２１ｃが形成されており、この凸状部２１ｃに、ヘッダ形成部材３０が外嵌されることにより、ヘッダ３が形成されている。このような構成によれば、側壁部２１に対するヘッダ形成部材３０の位置合わせや、側壁部２１とヘッダ形成部材３０との溶接などを容易かつ的確に行なう上で好ましいものとなる。

図６（ｂ）に示す実施形態においては、側壁部２１とは別体の補助部材２６に伝熱管１の端部が取付けられている。側壁部２１は、ケース２の外方に押し出された凸状部２５を有しており、補助部材２６は、凸状部２５の内側の開口部を塞ぐように側壁部２１に接合されている。このことにより、チャンバ３３を有するヘッダ３Ｃが構成されている。
本実施形態から理解されるように、本発明においては、熱交換器のヘッダを形成する場合に、伝熱管をケースの側壁部とは異なる部材に取付けた構造とすることも可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る伝熱管の取付け構造、および熱交換器の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。本発明における伝熱管の取付け方法における各工程の具体的な構成も、種々に変更自在である。

伝熱管の端部が挿入される貫通孔は、テーパ拡管部と非テーパ拡管部との双方が形成された構成に代えて、貫通孔の全体をテーパ拡管部とした構成とすることもできる。
本発明における伝熱管の取付け対象部材は、熱交換器のケースの側壁部や、図６（ｂ）に示した補助部材２６に限定されず、これ以外として、たとえばケースの側壁部とは別体の複数の部材で構成された入水用または出湯用のヘッダのいずれか一部の構成部材を、伝熱管の取付け対象部材とすることもできる。伝熱管は、螺旋状管体部を有するタイプのものに限らず、たとえば直管状、あるいは蛇行状などの形態をもつ他のタイプの伝熱管とすることもできる。

ＨＥ 熱交換器
１ 伝熱管
１２ テーパ拡管部
１２ａ 先端部
１３ 非テーパ拡管部
２ ケース
２１ 側壁部（伝熱管の取付け対象部材）
２２ 貫通孔
２２ａ テーパ孔部
２２ｂ 非テーパ孔部
３ ヘッダ
３０ ヘッダ形成部材
３１ 前面側開口部（ヘッダ形成部材の開口部）
３３ チャンバ
４，４Ａ ロウ付け部

Claims (7)

1. 熱交換器の伝熱管と、
   この伝熱管の端部が挿入される貫通孔を有する前記伝熱管の取付け対象部材と、
   を備えている、伝熱管の取付け構造であって、
   前記貫通孔は、その全体が前記伝熱管の先端側ほど内径が拡大するテーパ孔部とされ、またはこのテーパ孔部とその小径側に繋がった非テーパ孔部とを有し、かつこの非テーパ孔部よりも前記テーパ孔部の方が軸長方向の幅が大きい構成とされており、
   前記伝熱管の端部には、外周面が前記テーパ孔部の内周面に沿う傾斜面となるように拡管されたテーパ拡管部が形成されており、
   このテーパ拡管部の外周面と前記テーパ孔部の内周面との相互間の微小隙間の領域には、毛細管現象によってロウ材が進入して前記外周面と前記内周面とを接合するロウ付け部が形成されていることを特徴とする、伝熱管の取付け構造。
2. 請求項１に記載の伝熱管の取付け構造であって、
   前記貫通孔は、前記テーパ孔部および前記非テーパ孔部を有し、かつこの非テーパ孔部よりも前記テーパ孔部の方が軸長方向の幅が大きい構成とされており、
   前記伝熱管の端部には、外周面が前記非テーパ孔部の内周面に沿うように拡管された非テーパ拡管部がさらに形成されている、伝熱管の取付け構造。
3. 請求項２に記載の伝熱管の取付け構造であって、
   前記非テーパ拡管部の外周面と前記非テーパ孔部の内周面との相互間には、ロウ付け部が形成されている、伝熱管の取付け構造。
4. 複数の伝熱管と、
   これら複数の伝熱管の端部が取付けられる取付け対象部材を有し、かつ前記複数の伝熱管のそれぞれの内部に連通するチャンバが内部に形成された湯水流入用または流出用のヘッダと、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記複数の伝熱管の前記取付け対象部材への取付け構造として、請求項１ないし３のいずれかに記載の伝熱管の取付け構造が用いられていることを特徴とする、熱交換器。
5. 請求項４に記載の熱交換器であって、
   前記テーパ孔部および前記テーパ拡管部は、前記チャンバに接近するほど大径になるとともに、前記テーパ拡管部の大径側の端部は、前記伝熱管の先端部とされ、かつこの先端部は、前記テーパ孔部内から前記チャンバ内には突出しない構成とされている、熱交換器。
6. 請求項４または５に記載の熱交換器であって、
   前記複数の伝熱管を内部に収容し、かつ前記複数の伝熱管を加熱するための流体が内部に供給されるケースを、備えており、
   このケースの側壁部は、前記取付け対象部材であり、
   前記ヘッダは、入水口または出湯口としての開口部を有する内部空洞状かつ前面開口状のヘッダ形成部材を、前記ケースの側壁部に接合することにより構成されている、熱交換器。
7. 熱交換器の伝熱管を、この伝熱管の端部が挿入される貫通孔を有する前記伝熱管の取付け対象部材に取付けるための伝熱管の取付け方法であって、
   前記貫通孔としては、全体をテーパ孔部とし、またはこのテーパ孔部とその小径側に繋がった非テーパ孔部とを有し、かつこの非テーパ孔部よりも前記テーパ孔部の方が軸長方向の幅が大きい構成としておき、
   前記伝熱管の端部を前記貫通孔に挿入して拡管することにより、外周面が前記テーパ孔部の内周面に沿う傾斜面となるように拡管されたテーパ拡管部を形成する拡管工程と、
   この拡管工程の後において、前記テーパ拡管部の外周面と前記テーパ孔部の内周面との間の微小隙間の領域に、加熱により溶融したロウ材を毛細管現象によって進入させるロウ付け工程と、
   を有していることを特徴とする、伝熱管の取付け方法。

Images