JP6844950B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱管内を流通する第１の流体と、第１の流体とは異なる温度である、伝熱管外を流通する第２の流体との熱交換を行う熱交換器、該熱交換器の製造方法及び該熱交換器の補修方法に関するものである。

第１の流体と第２の流体との間の熱交換を行う熱交換器は、広汎な分野で利用され、種々の熱交換器が使用されている。このうち、コンパクトなサイズでありながら大きな伝熱面積が得られることから、多管式熱交換器が用いられることがある。

多管式熱交換器は、伝熱管内を流通する第１の流体の圧力を高めて運転する場合があり、長期間の連続運転をしていると、伝熱管を固定する管板と第１の流体を伝熱管内へ導入するヘッダや伝熱管内から排出される第１の流体を受けるヘッダとの接続信頼性が、十分ではなくなる場合があるという問題があった。

そこで、複数の伝熱管のうち、一部の伝熱管はその上端が上部管板から突出していない伝熱管であり、他の伝熱管はその上端が上部管板から突出した伝熱管であることにより、伝熱管と上部管板との接合部の強度を十分に確保するとともに、上面管板の表面での第１の流体の滞留を減少させる多管式熱交換器が提案されている（特許文献１）。

しかし、特許文献１では、管板の周縁部とヘッダの周縁部とが接続されているのみなので、依然として、管板とヘッダとの接続信頼性のさらなる向上が要求される場合があった。

一方で、多管式熱交換器には、管板とヘッダとの接続信頼性の向上だけではなく、より小型であることも要求されている。そこで、ヘッダに複数の凹凸部を設け、複数設けられた凹部にてヘッダと管板を接合し、複数設けられた凸部をヘッダ内における第１の流体の流路とすることにより、管板とヘッダとの接続信頼性を向上させるだけではなく、多管式熱交換器をより小型化することも提案されている。

しかし、上記多管式熱交換器では、伝熱管内を流通する第１の流体の圧力を高めた状態で、長期間、連続運転を行った結果、管板とヘッダとの接続部に問題が生じた場合に、多管式熱交換器の外側から補修することができず、メンテナンスが煩雑であるという問題があった。また、上記多管式熱交換器では、多管式熱交換器の外側から管板とヘッダとの接続状態を確認することはできないので、管板とヘッダとの接続信頼性を点検することができないという問題があった。

特開２００３−２４０４８２号公報

上記事情に鑑み、本発明は、小型化と、管板とヘッダとの接続信頼性を向上させつつ、外側から管板とヘッダとの接続部の補修ができることでメンテナンスが容易であり、また外側から管板とヘッダとの接続信頼性の点検が可能な熱交換器、該熱交換器の製造方法及び該熱交換器の補修方法を提供することを目的とする。

本発明の態様は、伝熱管を固定する管板と、凸部と凹部とを有するヘッダであって、該凹部にて前記管板と接合されたヘッダと、を備え、前記凹部に貫通孔が設けられている熱交換器である。

本発明の態様は、前記貫通孔の周縁部が、前記管板と接合されている熱交換器である。

本発明の態様は、伝熱管が固定される管板に、凸部と、貫通孔が設けられている凹部と、を有するヘッダを、該凹部にて前記管板と接合し、前記伝熱管内と前記凸部を連通させる熱交換器の製造方法である。

本発明の態様は、前記貫通孔の周縁部を、前記管板と接合する熱交換器の製造方法である。

本発明の態様は、伝熱管が固定される管板に接合され、貫通孔が設けられている凹部と、前記伝熱管内と連通した凸部と、を有するヘッダの前記貫通孔にて、前記ヘッダと前記管板とを再度接合する熱交換器の補修方法である。

本発明の態様は、前記貫通孔の周縁部を、前記管板と再度接合する熱交換器の補修方法である。

本発明の態様によれば、管板と接合されたヘッダの凹部に貫通孔が設けられているので、貫通孔の部位にて熱交換器の外側から管板とヘッダとを確実に接続することができる。また、伝熱管内を流通する第１の流体の圧力を高めた状態で、長期間、連続運転を行った結果、管板とヘッダとの接続部に問題が生じた場合であっても、貫通孔の部位にて熱交換器の外側から容易にメンテナンスができる。また貫通孔の部位から、つまり、熱交換器の外側から、管板とヘッダとの接続状態を確認、検査することができるので、熱交換器の外側からの管板とヘッダとの接続信頼性の点検が可能である。

また、本発明の態様によれば、ヘッダに凹部と凸部が設けられ、凹部にてヘッダと管板が接合され、凸部がヘッダ内における第１の流体の流路となっていることにより、管板とヘッダとの接続信頼性が向上し、熱交換器も小型化される。

本発明の態様によれば、貫通孔の周縁部が管板と接合されているので、ヘッダと管板との接合強度が向上する。

本発明の態様によれば、貫通孔を介して凹部と管板とを接合できるので、ヘッダを管板と接合する工程、すなわち、ヘッダと管板の組み立て工程が簡易であり、ひいては、熱交換器の製造が容易である。

本発明の態様によれば、貫通孔の周縁部を管板と接合するので、ヘッダと管板との接合強度に優れた熱交換器を簡易に製造できる。

本発明の態様によれば、管板とヘッダとの接続部に問題が生じた場合に、管板に接合されているヘッダの凹部に貫通孔が設けられ、該貫通孔にてヘッダと管板とを再度接合して補修するので、熱交換器の外側から管板とヘッダとの接続部の補修ができ、結果、補修を容易化できる。

本発明の態様によれば、貫通孔の周縁部を管板と再度接合するので、簡易、かつヘッダと管板との接合強度に優れた補修ができる。

本発明の第１実施形態例に係る熱交換器の端部の概要を説明する側面断面図である。 本発明の第１実施形態例に係る熱交換器の概要を説明する平面上視図である。 本発明の第２実施形態例に係る熱交換器の概要を説明する平面上視図である。

次に、本発明の熱交換器の実施形態例について、図面を用いながら以下に説明する。

図１に示すように、本発明の第１実施形態例に係る熱交換器１は、第２の流体の胴側入口（図示せず）と第２の流体の胴側出口（図示せず）を有する胴体１７と、胴体１７内に配置された、第１の流体が流通する伝熱管１６と、伝熱管１６を端部または端部近傍にて固定する管板１５と、胴体１７の端部に設けられたヘッダ１１と、を備えている。ヘッダ１１には、図示しない第１の流体の入口／出口が設けられている。熱交換器１では、伝熱管１６が複数設けられている多管式熱交換器である。

ヘッダ１１は、板状体が凹凸加工されて、凸部１２と凹部１３が形成されたコルゲート状の板材である。凸部１２の内部空間は伝熱管１６内と連通しており、第１の流体は、凸部１２の内部空間と伝熱管１６内との間で流通可能となっている。熱交換器１では、ヘッダ１１は、複数の凸部１２（図では３個）と複数の凹部１３（図では２個）とを有している。ヘッダ１１のうち、各凹部１３が管板１５と所定の接合手段１００にて接合されており、各凹部１３が管板１５と接合されていることにより、ヘッダ１１が管板１５、ひいては、胴体１７に固定されている。従って、ヘッダ１１は、複数箇所にて管板１５と接合されている。なお、ヘッダ１１の周縁部は、別途、管板１５の周縁部と所定の接合手段１０１にて接合されている。

図２に示すように、それぞれの凸部１２は、ヘッダ１１の表面方向に直線状に設けられており、隣接する凸部１２間に設けられた凹部１３も、凸部１２の上記態様に応じて、ヘッダ１１の表面方向に直線状に設けられている。つまり、熱交換器１では、凸部１２も凸部１２間の凹部１３も、平面視の形状は長方形となっている。

また、それぞれの凹部１３には、複数（図では１０個）の平面視丸形状の貫通孔１４が配置され、それぞれの貫通孔１４において、その周縁部全体が管板１５と接合されていることにより、凹部１３が管板１５と接合されている。貫通孔１４の周縁部全体が管板１５と接合されていることにより、ヘッダ１１と管板１５との接合強度がさらに向上する。従って、管板１５のうち、貫通孔１４に対応する部位は、管板１５が露出した態様となっている。

接合手段１００、１０１としては、特に限定されず、例えば、溶接、はんだ付け、ろう付け等を挙げることができる。また、溶接方法としては、レーザ溶接、抵抗溶接、超音波溶接等を使うことができる。

熱交換器１では、管板１５と接合されたヘッダ１１の凹部１３に、貫通孔１４が設けられているので、作業者は、貫通孔１４の部位にて熱交換器１の外側から管板１５とヘッダ１１とを接合手段１００にて接続（図１、２では、貫通孔１４の周縁部にて接続）できることから、管板１５とヘッダ１１との接続信頼性が向上する。また、管板１５とヘッダ１１との接続部に問題が生じた場合であっても、作業者は、熱交換器１の外側から、管板１５とヘッダ１１との接続部（図１、２では、貫通孔１４の周縁部）を接合手段１００にて補修することができ、結果、メンテナンスが容易となる。また、貫通孔１４の部位から管板１５が露出しており、管板１５とヘッダ１１との接続部が、熱交換器１の外側から視認できるので、管板１５とヘッダ１１との接続状態を熱交換器１の外側から確認、検査することができる。従って、熱交換器１の外側から上記接合部をリークテスト等することによって、管板１５とヘッダ１１との接続信頼性を点検することができる。

また、熱交換器１では、ヘッダ１１の周縁部と管板１５の周縁部とが接合されているだけでなく、さらに、ヘッダ１１に凹部１３が設けられ、凹部１３にてヘッダ１１と管板１５が接合されていることにより、管板１５とヘッダ１１との接続信頼性が向上する。また、熱交換器１では、ヘッダ１１に凹部１３が設けられていることにより、小型化されている。

次に、本発明の第２実施形態例に係る熱交換器について、図面を用いながら説明する。なお、第１実施形態例に係る熱交換器と同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

第１実施形態例に係る熱交換器１では、それぞれの凹部１３に、平面視丸形状の貫通孔１４が配置されていたが、これに代えて、図３に示すように、第２実施形態例に係る熱交換器２では、平面視長方形の貫通孔２４が配置されている。従って、本発明の熱交換器では、貫通孔の形状は、特に限定されず、使用状況に応じて適宜選択可能である。

また、第１実施形態例に係る熱交換器１では、それぞれの凹部１３に、複数の貫通孔１４が配置されていたが、これに代えて、図３に示すように、第２実施形態例に係る熱交換器２では、それぞれの凹部１３に、１つの貫通孔２４が配置されている。従って、本発明の熱交換器では、貫通孔の設置数は、特に限定されず、使用状況に応じて適宜選択可能である。熱交換器２では、貫通孔２４の長手方向の長さが、凹部１３の長手方向の長さと同じまたは略同じとなっており、貫通孔２４の周縁部全体が、管板と接合されている。

熱交換器２でも、第１実施形態例に係る熱交換器１と同様に、作業者は、貫通孔２４の部位にて熱交換器２の外側から管板とヘッダ１１とを接続できるので、管板とヘッダ１１との接続信頼性が向上する。また、管板とヘッダ１１との接続部に問題が生じた場合、作業者は、貫通孔２４の部位にて熱交換器２の外側から管板とヘッダ１１との接続部を補修することができる。また、熱交換器２でも、第１実施形態例に係る熱交換器１と同様に、貫通孔２４の部位から管板が露出しており、管板とヘッダ１１との接続部が、熱交換器２の外側から視認できるので、熱交換器２の外側から管板とヘッダ１１との接続状態を確認、検査することができる。

次に、本発明の熱交換器の製造方法例について説明する。ここでは、第１実施形態例に係る熱交換器１を例にとって説明する。

まず、伝熱管１６が固定される管板１５上に、貫通孔１４が設けられている凹部１３と、凸部１２と、を有するヘッダ１１を重ねる。このとき、伝熱管１６内と凸部１２の内部空間とが連通するように、凸部１２が、管板１５のうち、伝熱管１６の取り付けられる部位に対応し、凹部１３が、管板１５のうち、伝熱管１６の取り付けられない部位に対応するように、ヘッダ１１を管板１５と重ね合わせる。次に、凹部１３に配置された貫通孔１４の周縁部を管板１５と所定の接合手段１００にて接合することで、ヘッダ１１と管板１５とを組み立て、熱交換器１を製造することができる。

熱交換器１では、貫通孔１４の部位にて熱交換器１の外側から、ヘッダ１１と管板１５とを接合できるので、ヘッダ１１と管板１５との接合工程が簡易であり、結果、熱交換器１の製造が容易である。

次に、本発明の熱交換器の補修方法例について説明する。ここでは、第１実施形態例に係る熱交換器１を例にとって説明する。

例えば、熱交換器１の外側（貫通孔１４の部位）から管板１５とヘッダ１１との接続部の接続状態を確認、検査した結果、接続に問題があると判明した場合には、問題のある部位に対応する貫通孔１４の周縁部を、熱交換器１の外側から管板１５と所定の接合手段１００にて再度接合することで、熱交換器１の管板１５とヘッダ１１との接続部を補修することができる。

熱交換器１では、貫通孔１４の部位にて熱交換器１の外側から管板１５とヘッダ１１との接続状態を確認、検査でき、同じく、貫通孔１４の部位にて熱交換器１の外側から管板１５とヘッダ１１との接続部の補修ができるので、管板１５とヘッダ１１との接続部の補修が容易である。

次に、本発明の熱交換器の他の実施形態例について説明する。上記各実施形態例では、貫通孔の周縁部全体が管板と接合されることで、ヘッダと管板とが接合されていたが、熱交換器の使用状況等により、貫通孔の周縁部の一部分が管板と接合される態様でもよい。また、第１実施形態例では、全ての貫通孔が管板と接合されていたが、熱交換器の使用状況等により、複数の貫通孔のうちの一部が、管板と接合される態様でもよい。

上記各実施形態例では、凸部はヘッダの表面方向に直線状に設けられており、凸部の上記態様に応じて、凸部間に形成された凹部もヘッダの表面方向に直線状に設けられていたが、凸部の平面視の形状及び凹部の平面視の形状は、いずれも特に限定されず、例えば、曲げ部を有する形状や円形状等でもよい。また、貫通孔の他の平面視の形状として、例えば、丸角長方形を挙げることができる。また、第１の流体及び第２の流体は、いずれも、液相でも気相でもよい。

なお、上記各実施形態例のヘッダの構造は、例えば、平面型ヒートパイプのコンテナとして、使用することもできる。すなわち、凹凸加工され、凹部に貫通孔が設けられた第１の板状体と、第１の板状体と対向した、凹凸加工されていない第２の板状体とからなり、貫通孔の部位にて、第１の板状体と第２の板状体とが接合されたコンテナを有する平面型ヒートパイプとすることもできる。

本発明の熱交換器は、管板とヘッダとの接続信頼性が向上し、また、外側から、管板とヘッダとの接続信頼性の点検が可能であり、さらに管板とヘッダとの接続部の補修ができるので、特に、伝熱管内を流通する流体の圧力が高い状態で使用される分野、例えば、自動車に搭載して廃熱を回収する分野、ヒートポンプ暖房の分野等で利用価値が高い。

１、２ 熱交換器
１１ ヘッダ
１２ 凸部
１３ 凹部
１４ 貫通孔
１５ 管板
１６ 伝熱管

Claims (1)

1. 伝熱管を固定する管板と、凸部と凹部とを有するヘッダであって、前記凸部は内部空間を形成し、前記凸部の内部空間と前記伝熱管とが連通することで前記凸部が流体の流路となり、前記凹部にて前記管板と接合されたヘッダと、を備え、前記凹部の一部領域に貫通孔が設けられている熱交換器であり、
   前記凹部のうち、前記貫通孔の周縁部全体で前記管板と接合されていることで前記管板と前記ヘッダとの接続が確保され、前記貫通孔の部位から前記管板が露出している熱交換器。

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