JP6861848B2 - 熱交換器の製造方法及び熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、流体が流通する内管及び外管を備えた熱交換器の製造方法、及び熱交換器に関するものである。

熱交換器には、水が流通する内管と、冷媒が流通する外管とを備えるものがある。外管は、内管の外周面に巻き付けられている。このような構造を有する熱交換器において、内管と外管が、ロウ付け若しくははんだ付けにより伝熱接合される場合がある。ロウ付け若しくははんだ付けにより伝熱接合する場合、内管及び外管の他に、ロウ付けに用いるロウ材、又は、はんだ付けに用いるはんだが必要である。また、ロウ付け若しくははんだ付けのための熱源を確保しなければならない。そのため、このような伝熱接合は製造コストが高騰するという問題がある。そこで、例えば、特許文献１には、ロウ付け若しくははんだ付けを使用することなく、内管と外管とを接合する方法として、水等の液体によって内管を拡管させることにより、内管と外管とを密着させる方法が記載されている。

特開２００４−９３０５７号公報

特許文献１に記載されているように水等の液体によって内管を拡管する方法では、内管と外管とを十分に密着させるために、非常に高い圧力で内管を拡管させる必要がある。しかしながら、高い圧力を内管にかけると、内管において外管が巻き付けられていない部分は、外管が巻き付けられていない部分に比べ強度が弱いため、過剰に変形してしまう。このような内管の変形を回避するため、内管にかける圧力を抑えることが考えられる。しかしながら、内管にかける圧力が不十分だと、内管と外管との密着が弱い状態となり、十分な伝熱接合が得られない。その結果、内管を流通する水と外管を流通する冷媒との間で、高い熱交換率が得られないという問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、より高い熱交換率を有する熱交換器の製造方法、及び熱交換器を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器の製造方法は、流体が流通する内管及び外管を備え、前記外管は前記内管の両端部を除く外周面に螺旋状に巻き付けられた状態で前記内管に接合されている熱交換器の製造方法であって、前記内管の一部を焼なましする焼なまし工程と、前記焼なまし工程の実行後に、前記内管の前記両端部の強度を、前記外管が巻き付けられる部分の強度よりも高くする補強工程と、前記外管が巻き付けられている前記内管の内部の圧力を上昇させて前記内管を拡管する拡管工程と、前記拡管工程の実行後に前記内管の複数箇所を曲げ加工し、螺旋状に形成する曲げ工程とを含み、前記焼なまし工程において、前記両端部のうちの一方の端部から、前記曲げ工程で曲げ加工される複数の曲げ加工部のうち前記一方の端部に最も近い第１曲げ加工部の手前までの領域に、焼なまし処理は施されず、前記両端部のうちの他方の端部から、前記曲げ工程で曲げ加工される複数の曲げ加工部のうち前記他方の端部に最も近い第２曲げ加工部の手前までの領域に、焼なまし処理は施されず、前記第１曲げ加工部から前記第２曲げ加工部までの領域に焼なまし処理が施されるものである。

本発明に係る熱交換器は、流体が流通する内管であって、一部が焼なましされている内管と、液体が流通する外管であって、前記内管の両端部を除く外周面に螺旋状に巻き付けられた状態で前記内管に接合されている外管と、を備え、前記内管の前記両端部は、前記外管が巻き付けられる部分よりも強度が高く、前記内管は、曲げ加工されている複数の曲げ加工部を有し、全体として螺旋状の形状を有し、前記内管において、前記両端部のうちの一方の端部から、前記複数の曲げ加工部のうち前記一方の端部に最も近い第１曲げ加工部の手前までの領域は、焼なましされておらず、前記両端部のうちの他方の端部から、前記複数の曲げ加工部のうち前記他方の端部に最も近い第２曲げ加工部の手前までの領域は、焼なましされておらず、前記第１曲げ加工部から前記第２曲げ加工部までの領域は、焼なましされているものである。

本発明に係る熱交換器の製造方法によると、内管の両端部の強度を外管が巻き付けられている部分の強度よりも高くするので、内管を拡管したとき、外管が巻き付けられていない内管の両端部の過剰な変形を抑制することができる。従って、内管の拡管圧力をより高くすることができ、内管において外管が巻き付けられている部分と外管とを密着させることができる。その結果、内管と外管との間の熱交換効率がより高められた熱交換器が得られる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の内管の一方の端部を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の内管の他方の端部を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の製造方法の工程を示すフローチャートである。 内管において焼きなまし処理を施す箇所を示す図である。 拡管工程を実行する際の内管の一方の端部を拡大して示す図である。 拡管工程を実行する際の内管の他方の端部を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の内管の一方の端部を拡大して示す図である。

以下に、本発明における熱交換器、及びその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面においては各構成部材の大きさ及び形状は実際の装置とは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す図である。熱交換器１は、内管１０と、外管２０Ａ、外管２０Ｂ、及び外管２０Ｃとを有している。以降の説明において、外管２０Ａ、外管２０Ｂ、及び外管２０Ｃを総称して外管２０と言う場合がある。内管１０には水等の流体が流通する。すなわち、内管１０は例えば水管である。外管２０Ａ、外管２０Ｂ、及び外管２０Ｃには、それぞれ冷媒等の流体が流通する。すなわち、外管２０Ａ、外管２０Ｂ、及び外管２０Ｃは、例えば冷媒管である。内管１０は、一方の端部１１と、他方の端部１２と、螺旋構造部１３とを有している。螺旋構造部１３は、端部１１と端部１２との間に位置している。内管１０は螺旋構造部１３の複数箇所で曲げ加工されており、全体として略長方形の螺旋状に形成されている。内管１０の両端部のうちの一方の端部１１には配管３０が接合され、他方の端部１２には配管４０が接合されている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器の内管の一方の端部を拡大して示す図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器の内管の他方の端部を拡大して示す図である。尚、図２及び図３は、熱交換器１を内管１０の管軸に沿って切断した断面を模式的に示している。図２には、内管１０の端部１１が拡大して示されており、図３には内管１０の端部１２が拡大されて示されている。図２及び図３に示すように、螺旋構造部１３の外周面に３条の螺旋溝１３Ａ、螺旋溝１３Ｂ、及び螺旋溝１３Ｃが形成されている。螺旋溝１３Ａ、螺旋溝１３Ｂ、及び螺旋溝１３Ｃの間の山部１３Ｄと、谷部である螺旋溝１３Ａ、螺旋溝１３Ｂ、及び螺旋溝１３Ｃとで、螺旋構造部１３の螺旋構造が形成されている。螺旋構造部１３の螺旋構造は、直管形状の伝熱管を加工することで得られる。端部１１の外周面及び端部１２の外周面には螺旋溝が形成されておらず、端部１１及び端部１２は直管形状を呈している。すなわち、端部１１及び端部１２はそれぞれ直管部を構成している。

螺旋溝１３Ａには外管２０Ａが巻き付けられ、螺旋溝１３Ｂには外管２０Ｂが巻き付けられ、螺旋溝１３Ｃには外管２０Ｃが巻き付けられている。外管２０を内管１０の外周面に螺旋状に巻き付けた状態で、すなわち、螺旋構造部１３に外管２０が巻き付けられ、端部１１及び端部１２には外管２０が巻き付けられていない状態で、後述するように内管１０の内部から液圧を加える。これにより、内管１０が液圧拡管されて、外管２０は内管１０に接合された状態となっている。

図２に示すように、端部１１には、伝熱管である配管３０が接続されている。配管３０の内径は、端部１１の外径よりも大きい。配管３０の一方の端部に、内径が外側に向けて徐々に大きくなっているフレア部３１が形成されている。配管３０の肉厚は、端部１１の肉厚よりも厚い。配管３０は、フレア部３１が外側を向くよう配置されている。配管３０においてフレア部３１が形成されていない側である他方の端部が内管１０の端部１１とロウ付けにより接合されている。配管３０は、その内周面が端部１１の外周面に接触した状態で接合されている。これにより直管部である端部１１と配管３０とにより二重構造が形成されている。

図３に示すように、端部１２には、伝熱管である配管４０が接続されている。配管４０の内径は、端部１２の外径よりも大きい。配管４０の肉厚は、端部１２の肉厚よりも厚い。端部１２と配管４０は、ロウ付けにより接合されている。配管４０は、その内周面が端部１２の外周面に接触した状態で接合されている。これにより直管部である端部１２と配管４０とにより二重構造が形成されている。

図４は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器の製造方法の工程を示すフローチャートである。ステップＳ１において、内管１０の焼なまし工程が実行される。上述のように、外管２０Ａ、外管２０Ｂ、及び外管２０Ｃが内管１０の螺旋構造部１３に巻き付けられた状態で、螺旋構造部１３の複数箇所に曲げ加工をすることにより、図１に示すように、内管１０が略長方形の螺旋状に成形された熱交換器１が得られる。このように内管１０を成形するために、螺旋構造部１３では、９０度の角度に曲げられる箇所が存在する。螺旋構造部１３は、螺旋溝１３Ａ、螺旋溝１３Ｂ、及び螺旋溝１３Ｃが形成されたことで、加工硬化している。従って、螺旋構造部１３は、９０度の角度に曲げる曲げ加工の加工性が悪い。そこで、この曲げ加工の加工性の悪さを解消するため、螺旋構造部１３の一部に焼なましが行われる。

図５は、内管１０において焼きなまし処理を施す箇所を示す図である。太矢印で示す第１曲げ加工部Ｘ１は、曲げ加工される複数の曲げ加工部のうち端部１１に最も近い加工部である。太矢印で示す第２曲げ加工部Ｘ２は、曲げ加工される複数の曲げ加工部のうち、端部１２に最も近い曲げ加工部である。ステップＳ１の焼なまし工程では、端部１１から第１曲げ加工部Ｘ１の手前までの領域Ｙ１に、焼なまし処理は施されず、また端部１２から第２曲げ加工部Ｘ２の手前までの領域Ｙ２に、焼なまし処理は施されない。そして、第１曲げ加工部Ｘ１から第２曲げ加工部Ｘ２までの領域Ｙ３に焼なまし処理が施される。

再び図４を参照すると、焼なまし工程の実行後、ステップＳ２において、内管１０の両端部、すなわち端部１１及び端部１２の強度を、外管２０が巻き付けられている螺旋構造部１３の強度よりも高くする補強工程が実行される。換言すると、補強工程の実行前に、上述の焼なまし処理が施される。ステップＳ２の補強工程では、図２に示すように、端部１１に配管３０が嵌め合わされ、ロウ付けにより接合され、図３に示すように、端部１２に配管４０が嵌め合わされ、ロウ付けにより接合される。ここで、強度とは、内管１０の内部から液圧がかけられた場合における耐圧強度を言う。その後、螺旋構造部１３に外管２０Ａ、外管２０Ｂ、及び外管２０Ｃが巻き付けられる。

次いで、ステップＳ３において、外管２０が巻き付けられた内管１０を拡管する拡管工程が実行される。図６は、拡管工程を実行する際の内管の一方の端部を拡大して示す図である。図７は、拡管工程を実行する際の内管の他方の端部を拡大して示す図である。図６及び図７は、図２及び図３と同様、熱交換器１を内管１０の管軸に沿って切断した断面を模式的に示している。図６に示すように、一方の端部１１にポンプ５０を接続し、図７に示すように、他方の端部１２に蓋部材６０を取り付ける。ポンプ５０は例えば液体ポンプである。この状態でポンプ５０を作動させて、内管１０の内部の圧力を上昇させて内管１０を拡管する拡管工程を実行することにより、内管１０は液圧拡管される。

再び図４を参照すると、拡管工程の実行後、ステップＳ４に進み、螺旋構造部１３において、図５の第１曲げ加工部Ｘ１及び第２曲げ加工部Ｘ２を含む複数の曲げ加工部で、内管１０を９０度に曲げる曲げ工程が実行される。その結果、図１に示す熱交換器１が得られる。

そして、上述の工程で得られた熱交換器１において、内管１０を流通する水と、外管２０Ａ、外管２０Ｂ、及び外管２０Ｃを流れる冷媒とが熱交換することにより、内管１０を流通する水は、その温度が上昇し、湯となる。

上述のように、螺旋構造部１３の螺旋構造は、直管形状の伝熱管を加工することにより形成されており、螺旋構造部１３は加工硬化している。さらに、螺旋構造部１３の外周面には、外管２０Ａ、外管２０Ｂ、及び外管２０Ｃが巻き付けられている。一方、図２に示すように、端部１１の外周面には外管２０は巻き付けられておらず、端部１１は直管のままである。同様に、図３に示すように、端部１２の直管部の外周面には外管２０は巻き付けられておらず、端部１２は直管のままである。従って、内管１０を液圧拡管する際の拡管圧力に対する強度は、端部１１及び端部１２よりも螺旋構造部１３の方が高い。従って、螺旋構造部１３における内管１０と外管２０の接合を十分なものとすべく、内管１０の内部から液圧をかけると、直管部である端部１１及び端部１２は過剰に変形する可能性がある。これに対して、本実施の形態１の内管１０は、先述したように端部１１及び端部１２の強度が補強された構成を有している。

以上の構成により、外管２０が巻き付けられていない部分である端部１１及び端部１２の強度は、外管２０が巻き付けられている部分である螺旋構造部１３の強度よりも、高くなっている。

本実施の形態１によれば、端部１１には端部１１より肉厚の配管３０が接合され、端部１２には端部１２より肉厚の配管４０が接合されており、端部１１及び端部１２は強度が補強されている。従って、内管１０の内部から液圧がかけられた場合でも、液圧により過剰な変形を起こすことを抑制することができる。そのため、内管１０を液圧拡管する際、拡管圧力をより高くすることができ、内管１０の螺旋構造部１３における内管１０と外管２０の密着をより高めることができる。その結果、内管１０と外管２０との熱交換効率がより高められた熱交換器１が得られる。

本実施の形態１では、端部１１よりも肉厚の配管３０を端部１１にロウ付けし、端部１２よりも肉厚の配管４０を端部１２にロウ付けすることにより、端部１１及び端部１２の液圧に対する強度を高めているがこれに限るものではない。強度の高い材料からなる配管を、端部１１及び端部１２に接合してもよい。この場合、配管の調質は、例えば日本工業規格における「Ｈ」以上の強度が望ましい。この場合も、端部１１及び端部１２の強度が補強されているため、上述の効果が得られる。

尚、端部１１及び端部１２において、螺旋構造部１３よりも強度の高い二重管構造が構成できるのであれば、配管３０と配管４０の肉厚及び材料は、上述のものに限定されることはない。

焼なまし処理は、図５に示す領域Ｙ１及び領域Ｙ２には施されておらず、領域Ｙ３に施されている。従って、端部１１及び端部１２の強度を低下させることなく、内管１０を曲げ加工して図１に示すように成形するときの加工性をより良いものとすることができる。

尚、直管部である端部１１及び端部１２に焼なまし処理を施さず、螺旋構造部１３に焼なまし処理を施すようにしてもよい。

また、本実施の形態１では、焼なまし処理を端部１１及び端部１２の補強処理の前に実行しているがこれに限るものではない。例えば、端部１１及び端部１２の補強処理の実行後に焼なまし処理を実行してもよい。

本実施の形態１では、螺旋構造部１３の外周面に３条の螺旋溝１３Ａ、螺旋溝１３Ｂ、及び螺旋溝１３Ｃが形成されているが、螺旋溝の数はこれに限るものではない。螺旋構造部１３に複数条の螺旋溝が形成され、各螺旋溝に外管が巻き付けられていればよい。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器の内管の一方の端部を拡大して示す図である。図８には内管１００の端部１０１が示されている。図８において、実施の形態１と同様の部材には同一の符号が付されている。内管１００の螺旋構造部１０３は、実施の形態１の内管１０の螺旋構造部１３と同様の構成を有しており、その外周面には、外管２０Ａ、外管２０Ｂ、及び外管２０Ｃが巻き付けられている。内管１００の両端部のうちの一方の端部１０１は直管部であり、縮管加工が施されている。すなわち、端部１０１の外径Ｄ１は、螺旋構造部１０３の外径Ｄ２よりも小さい。端部１０１は、縮管により加工硬化されている。尚、端部１０１において縮管加工を施す範囲は、内管１０が形成する水回路の圧力損失を起こすことがなく、かつ、端部１０１の強度が最も高くなるよう、定められる。内管１００の他方の端部においても、同様に縮管加工が施されており、加工硬化されている。また、実施の形態１と同様、端部１０１の先端部に、ポンプ５０を取り付けるためのフレア部を形成してもよい。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

端部１０１及び他方の端部の縮管加工は、上述の実施の形態１における補強工程で実行される。

本実施の形態２によれば、内管１００の端部１０１及び他方の端部は、加工硬化されており、強度が補強されている。従って、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、縮管加工では、端部１０１及び他方の端部は加熱されない。従って、本実施の形態２によれば、端部１０１及び他方の端部において、加熱による強度の低下を回避することができる。

１ 熱交換器、１０ 内管、１１ 端部、１２ 端部、１３ 螺旋構造部、１３Ａ 螺旋溝、１３Ｂ 螺旋溝、１３Ｃ 螺旋溝、１３Ｄ 山部、２０ 外管、２０Ａ 外管、２０Ｂ 外管、２０Ｃ 外管、３０ 配管、３１ フレア部、４０ 配管、５０ ポンプ、６０ 蓋部材、１００ 内管、１０１ 端部、１０３ 螺旋構造部、Ｘ１ 第１曲げ加工部、Ｘ２ 第２曲げ加工部、Ｙ１ 領域、Ｙ２ 領域、Ｙ３ 領域。

Claims (11)

1. 流体が流通する内管及び外管を備え、前記外管は前記内管の両端部を除く外周面に螺旋状に巻き付けられた状態で前記内管に接合されている熱交換器の製造方法であって、
   前記内管の一部を焼なましする焼なまし工程と、
   前記焼なまし工程の実行後に、前記内管の前記両端部の強度を、前記外管が巻き付けられる部分の強度よりも高くする補強工程と、
   前記外管が巻き付けられている前記内管の内部の圧力を上昇させて前記内管を拡管する拡管工程と、
   前記拡管工程の実行後に前記内管の複数箇所を曲げ加工し、螺旋状に形成する曲げ工程とを含み、
   前記焼なまし工程において、
   前記両端部のうちの一方の端部から、前記曲げ工程で曲げ加工される複数の曲げ加工部のうち前記一方の端部に最も近い第１曲げ加工部の手前までの領域に、焼なまし処理は施されず、
   前記両端部のうちの他方の端部から、前記曲げ工程で曲げ加工される複数の曲げ加工部のうち前記他方の端部に最も近い第２曲げ加工部の手前までの領域に、焼なまし処理は施されず、
   前記第１曲げ加工部から前記第２曲げ加工部までの領域に焼なまし処理が施される熱交換器の製造方法。
2. 前記補強工程は、前記両端部の外径よりも内径が大きい配管を、前記両端部に嵌め合わせて接合する工程を含む請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記配管は、前記両端部よりも肉厚に構成された請求項２に記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記配管は、前記両端部よりも強度が高く構成された請求項２に記載の熱交換器の製造方法。
5. 前記補強工程は、前記内管において、前記両端部の外径が、前記外管が巻き付けられている部分の外径よりも小さくなるよう、前記両端部を縮管加工する工程を含む請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
6. 流体が流通する内管であって、一部が焼なましされている内管と、
   液体が流通する外管であって、前記内管の両端部を除く外周面に螺旋状に巻き付けられた状態で前記内管に接合されている外管と、を備え、
   前記内管の前記両端部は、前記外管が巻き付けられる部分よりも強度が高く、
   前記内管は、曲げ加工されている複数の曲げ加工部を有し、全体として螺旋状の形状を有し、
   前記内管において、
   前記両端部のうちの一方の端部から、前記複数の曲げ加工部のうち前記一方の端部に最も近い第１曲げ加工部の手前までの領域は、焼なましされておらず、
   前記両端部のうちの他方の端部から、前記複数の曲げ加工部のうち前記他方の端部に最も近い第２曲げ加工部の手前までの領域は、焼なましされておらず、
   前記第１曲げ加工部から前記第２曲げ加工部までの領域は、焼なましされている熱交換器。
7. 前記両端部に、前記両端部の外径よりも内径が大きい配管が、前記配管の内周面が前記両端部の外周面に接触した状態で接合されている請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記配管は、前記両端部よりも肉厚に構成されている請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記配管は、前記両端部よりも強度が高く構成されている請求項７に記載の熱交換器。
10. 前記両端部の外径は、前記外管が巻き付けられている部分の外径よりも小さい請求項６に記載の熱交換器。
11. 前記内管は、前記両端部の間に位置し外周面に複数条の螺旋溝が形成されている螺旋構造部を有し、
    前記外管は、前記螺旋溝に巻き付けられている請求項６〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器。

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