JP6905370B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

この発明は、熱交換器に関し、特に、コア部に対して流体の流入または流出を行うためのヘッダ部を備えた熱交換器に関する。

従来、ヘッダ部を備えた熱交換器が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、プレートフィン型のコア（コア部）に、ヘッダ（ヘッダタンク）と、ヘッダに流体を流通させるためのノズル（管部材）とを取り付けた熱交換器が開示されている。ヘッダおよびノズルは、溶接により互いに接合される。ヘッダは、コアの側面を部分的に覆うようにドーム状に形成され、ノズルが、ヘッダの頂部に接続されている。上記特許文献１の熱交換器は、ノズルがヘッダの頂部から、コアとヘッダとの接続面に対して直交する方向に延びるタイプ（接続面から真っ直ぐ突出するストレートタイプ）の構造を有している。ストレートタイプでは、溶接によりノズルの端部開口と、ヘッダの頂部開口とが接続される。

ヘッダとノズルとの位置関係は、熱交換器の仕様に応じて様々である。上記特許文献１に開示されたストレートタイプ以外にも、ノズルがヘッダの頂部から、コアとヘッダとの接続面に沿う方向に延びるタイプもある。この場合、ノズルの側面にヘッダとの連結用の開口が形成され、ノズルの側面をヘッダの頂部に乗せるように配置してヘッダの頂部開口とノズルの側面開口とを合わせ、溶接によりノズルの側面とヘッダの頂部とが接合される。

特開２００１−２８９５７６号公報

ところで、ヘッダとノズルとを溶接すると、溶接時の変形によって各部の形状や位置ずれが発生する。ドーム状のヘッダの頂部開口にノズルを接続する溶接では、ノズルがヘッダの頂部から内部側（コア側）に沈み込む方向への変形が生じ易い。ノズルの位置ずれは、ノズルが接続される外部配管との接続位置ずれをもたらす可能性がある。

上記ストレートタイプの構造の場合、ノズルが沈み込む方向が、ノズルの軸方向と概ね一致するため、沈み込みが生じると外部配管との接続位置に対してノズルのヘッダとは反対側の端部が届きにくくなる。しかし、外部配管との接続端部間の距離が変わるだけで外部配管とノズルとの軸心のずれが生じにくいため、対処が比較的容易である

一方、ノズルがヘッダの頂部からコアとヘッダとの接続面に沿う方向に延びるタイプの構造の場合、ノズルが沈み込む方向が、ノズルの軸方向と直交する方向になる。そのため、沈み込みが生じると、ノズルの軸心（中心軸線）が、外部配管の軸心（中心軸線）に対してずれることになるため、配管接続が困難になることがある。沈み込みによって軸心がずれる場合、軸心のずれを修正する作業が必要になり、ストレートタイプよりも修正の困難性が高い。

そのため、ノズルとなる管部材がヘッダタンクの頂部からコア部とヘッダタンクとの接続面に沿う方向に延びるタイプのヘッダ部を備えた熱交換器において、管部材とヘッダタンクとの溶接に伴う管部材の沈み込みを低減することが望まれている。

この発明は、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、この発明の１つの目的は、管部材がヘッダタンクの頂部からコア部とヘッダタンクとの接続面に沿う方向に延びるタイプのヘッダ部を備える場合に、管部材とヘッダタンクとの溶接に伴う管部材の沈み込みを低減することが可能な熱交換器を提供することである。

上記目的を達成するために、本願発明者らが鋭意検討した結果、ヘッダ部の外面に開先を形成して外側から溶接を行う場合に、接合部位の全周に渡る溶接部分で発生する変形が同じ方向に相乗的に作用して、管部材の沈み込みが大きくなることを見出した。そして、本願発明者らは、逆に内面側に開先を形成して内面側から溶接を行うことにより、変形（応力）の方向を変化させることができ、接合部の全周に渡る溶接部分で発生する変形を部分的に打ち消すことが可能であることを見出した。なお、一般的に、圧力容器としての熱交換器でのヘッダ部の溶接部は完全溶け込みを要するため、開先を有する溶接継手を基本としており、本明細書においても、開先を有する溶接継手を設けるものとする。以上の知見に基づき、この発明の一の局面による熱交換器は、流体の流入口または流出口となる開口を有し、流体を流通させて熱交換を行うコア部と、開口を覆うようにコア部の表面に接続されるヘッダ部とを備え、ヘッダ部は、コア部の表面に接続されるヘッダタンクと、コア部とヘッダタンクとの接続面に沿う方向に延びるようにヘッダタンクの頂部に溶接された管部材とを含み、ヘッダ部におけるヘッダタンクと管部材との溶接部分は、ヘッダ部の内面側に片面開先となるように形成された内側開先を有するとともに、内側開先をヘッダ部の内面側から埋めるようにヘッダタンクと管部材とを接合する第１溶接ビードが設けられている。

この発明による熱交換器では、上記のように、コア部の表面に接続されるヘッダタンクと、コア部とヘッダタンクとの接続面に沿う方向に延びるようにヘッダタンクの頂部に溶接された管部材とを含むヘッダ部を設け、ヘッダ部におけるヘッダタンクと管部材との溶接部分に、ヘッダ部の内面側に形成された内側開先を設けるとともに、内側開先をヘッダ部の内面側から埋めるようにヘッダタンクと管部材とを接合する第１溶接ビードを設ける。これにより、ヘッダ部の内面側に形成した内側開先に対して内側から溶接して第１溶接ビードを形成することによって、ヘッダタンクと管部材とを接合することができる。その結果、開先の形成位置を内側にしたことにより、ヘッダタンクの頂部に横向き（コア部とヘッダタンクとの接続面に沿う方向）に配置した管部材とヘッダタンクとの構造上の拘束（変形に対する拘束）を利用して、接合部の全周に渡る溶接部分の一部で発生する変形（応力）の方向を他の部分で発生する変形（応力）の方向と異ならせ、溶接に伴う変形の一部を打ち消すことが可能となる。その結果、ヘッダ部の外面に開先（外側開先）を形成して溶接を行う場合と比較して、管部材の沈み込みを軽減することができる。このように、管部材の沈み込みを軽減可能となるので、管部材と外部配管との中心軸線同士のずれを抑制することができ、その結果、管部材と外部配管との配管接続を容易に行うことができる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、溶接部分には、内側開先の反対側の外表面を外面側から覆うように、ヘッダタンクと管部材とを接合する第２溶接ビードが設けられている。このように構成すれば、溶接部分の内側に第１溶接ビードを設ける際の変形（応力）と、溶接部分の外側に第２溶接ビードを設ける際の変形（応力）とがバランスするように、第１溶接ビードの溶接量と第２溶接ビードの溶接量とを調節することができる。その結果、溶接に伴う変形が許容範囲内に収まるように変形量を調節することが可能となる。また、溶接時には、外側の第２溶接ビードを先に形成すれば、内側から第１溶接ビードを形成する際に、溶接金属がヘッダ部の外表面側に露出するのを防ぐことができる。そのため、溶接時に、ヘッダ部の内側から溶接部位にシールドガスを供給するだけでシールドガス雰囲気を容易に形成することができるので、内側から溶接を行う場合でも、溶接作業を容易に行うことができる。

この場合、好ましくは、第１溶接ビードの体積が、第２溶接ビードの体積よりも大きい。このように構成すれば、外側表面の第２溶接ビードを第１溶接ビードよりも小さく形成することによって、第２溶接ビードの形成に伴う変形量を小さくすることができる。そのため、内側開先の体積の大きい第１溶接ビードをメインの溶接部として、溶接に伴う変形を相殺しつつ、体積の小さい第２溶接ビードをサブの溶接部として、ヘッダ部全体の変形量を第２溶接ビードによって微調整することができる。その結果、ヘッダ部の形状や寸法などに応じて、溶接に伴う変形量を最小限に抑制可能なように微調整することができる。なお、ここでの溶接部は、第１溶接ビードと第２溶接ビードを完全融合することで完全溶け込みの溶接継手を形成するものとする。

上記第２溶接ビードを設ける構成において、好ましくは、第１溶接ビードと第２溶接ビードとは、内側開先を挟み込んだ状態で互いに接続するように設けられている。このように構成すれば、第１溶接ビードと第２溶接ビードとを母材（管部材とヘッダタンク）間に確実に溶け込ませることができるので、管部材とヘッダタンクとの間に非溶接部分が形成されるのを回避して接合強度を確保することができる。

上記第２溶接ビードを設ける構成において、好ましくは、管部材は、円筒形状を有し、ヘッダタンクは、底部から頂部に向けて幅が小さくなるように湾曲した形状を有し、第２溶接ビードは、管部材の外表面とヘッダタンクの外表面との接合部を外面側から覆うように形成されている。このように円筒形状の管部材をヘッダタンクの頂部に設ける場合、円筒形状の管部材の外周面の一部とヘッダタンクの頂部の一部とを互いに切り欠いて、切欠部分を接合部として互いに溶接する構成となる。そのため、管部材とヘッダタンクとの接合部は、円周状の管部材の外周面と、湾曲したヘッダタンクの外面とが交差する部分となるため、接合部を溝状（谷状）に窪んだ形状とすることができる。接合部が溝状に窪んだ形状となるため、接合部を構成する管部材の外周面やヘッダタンクの外面に開先を形成する加工を行うことなく、溝状に窪んだ接合部自体を開先として利用することができる。そのため、ヘッダ部の外側から接合部を溶接して第２溶接ビードを形成するために、ヘッダ部の外面側に開先を形成する必要がなくなるので、その分、ヘッダ部の構造（継手形状）を簡素化することができる。

本発明によれば、上記のように、管部材がヘッダタンクの頂部からコア部とヘッダタンクとの接続面に沿う方向に延びるタイプのヘッダ部を備える場合に、管部材とヘッダタンクとの溶接に伴う管部材の沈み込みを低減することができる。

本発明の一実施形態による熱交換器を示した斜視図である。 熱交換器のコア部を示した斜視図である。 熱交換器のヘッダ部を示した模式的な斜視断面図である。 ヘッダ部を管部材の軸方向から見た模式的な断面図である。 ヘッダ部を管部材の軸方向と直交する横方向から見た模式的な断面図である。 ヘッダ部を底部側からから見た模式図である。 管部材の軸方向から見た溶接部分の模式的な拡大断面図である。 管部材の軸方向と直交する横方向から見た溶接部分の模式的な拡大断面図である。 熱交換器の製造方法を説明するための図である。 比較例による外側開先が形成された溶接部分の模式的な拡大断面図である。 比較例において溶接時に発生する応力を説明するための、管部材の軸方向から見た正面図（Ａ）および軸方向と直交する横方向から見た側面図（Ｂ）である。 本実施形態において溶接時に発生する応力を説明するための、管部材の軸方向から見た正面図（Ａ）および軸方向と直交する横方向から見た側面図（Ｂ）である。 比較例における溶接に伴う変形を説明するための、管部材の軸方向から見た正面図（Ａ）および軸方向と直交する横方向から見た側面図（Ｂ）である。 本実施形態における溶接に伴う変形を説明するための、管部材の軸方向から見た正面図（Ａ）および軸方向と直交する横方向から見た側面図（Ｂ）である。 本実施形態の熱交換器における溶接部分の第１の変形例を示した拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［熱交換器の構成］
まず、図１〜図８を参照して、本実施形態による熱交換器１００の全体構成について説明する。

（全体構成）
図１に示すように、熱交換器１００は、コア部１と、ヘッダ部２および３とを備えている。コア部１およびヘッダ部２および３は、ステンレス鋼などの金属により構成されている。

コア部１は、流体の流入口または流出口となる開口を有し、流体を流通させて熱交換を行うように構成されている。コア部１の構造は、特に限定されない。コア部１は、たとえば、プレートフィン型の熱交換器、シェルアンドチューブ型の熱交換器、プレート型熱交換器などの公知の各種の構造を採用することができる。また、コア部１の内部を流通する流体は、気体であっても液体であってもよい。コア部１の内部を流通する流体の種類は、１種類であっても複数種類であってもよい。

図１では、コア部１がプレートフィン型の熱交換器である例を示している。プレートフィン型のコア部１は、開口が形成された表面（側面）を含む直方体形状を有する。コア部１は、内部に流体を流通させる流路を有し、流体を流通させる過程で熱交換するように構成されている。

図２に示すコア部１は、第１流路１１および第２流路１２を備え、第１流路１１および第２流路１２のそれぞれを流通する流体間で熱交換を行う。プレートフィン型のコア部１は、コルゲートフィン１３とセパレートプレート１４とが交互に積層された構造を有する。コルゲートフィン１３の外周部には、サイドバー１５が配置されている。そして、セパレートプレート１４とサイドバー１５とにより区画され、内部にコルゲートフィン１３が配置された各層によって、第１流路１１および第２流路１２の各々が構成されている。これらのコルゲートフィン１３、セパレートプレート１４およびサイドバー１５がろう付けによってそれぞれ接合されることにより、コア部１が構成されている。

図２の例では、コア部１は、第１流路１１の開口１１ａが形成された表面１ａと、第２流路１２の開口１２ａが形成された表面１ｂとを含む。Ｚ方向の両表面１ａに第１流路１１の開口１１ａが形成され、表面１ａと直交するＹ方向側の両表面１ｂに、第２流路１２の開口１２ａが形成されている。開口１１ａは、表面１ａの略全面にわたって形成されており、開口１２ａは、表面１ｂの一部に形成されている。

図１に示すように、ヘッダ部２は、ヘッダタンク２０に流体の流入口または流出口となる管部材３０が設けられた中空構造を有し、コア部１に対する流体の出入り口および集配部として機能する。同様に、ヘッダ部３は、ヘッダタンク３ａと管部材３ｂとを有する。

ヘッダ部２および３は、コア部１の開口を覆うようにコア部１の表面１ａまたは１ｂに接続されている。つまり、ヘッダタンク２０（３ａ）によりコア部１の開口を覆った状態でヘッダタンク２０（３ａ）の底面部がコア部１の表面に接続されている。これにより、コア部１の流路、コア部１の開口、ヘッダタンク２０（３ａ）の内部および管部材３０（３ｂ）の内部が連通して、流体の流通経路が構成されている。

図１の例では、一対のヘッダ部２が、各開口１１ａを覆うように設けられたヘッダ部であり、第１流路１１に対する流体の出入口となる。一対のヘッダ部３が、各開口１２ａを覆うように設けられたヘッダ部であり、第２流路１２に対する流体の出入口となる。図１の例では、ヘッダ部２は、管部材３０がヘッダタンク２０の頂部からコア部１とヘッダタンク２０との接続面（表面１ａ）に沿う方向に延びるタイプの構造を有しており、便宜的に「本発明タイプ」とする。図１の例では、ヘッダ部３は、ヘッダタンク３ａの頂部から、コア部１の表面１ｂに対して直交する方向に管部材３ｂが延びるストレートタイプの構造を有している。ストレートタイプのヘッダ部３については説明を省略する。以下では、本発明タイプのヘッダ部２について説明する。

上記のように、ヘッダ部２は、コア部１の表面１ａ（図２参照）に接続されるヘッダタンク２０と、ヘッダタンク２０の頂部に溶接された管部材３０とを含む。管部材３０は、コア部１とヘッダタンク２０との接続面（表面１ａ）に沿う方向に延びるように設けられている。ヘッダタンク２０と管部材３０とは、互いに溶接により接合されて一体となっている。なお、図１では、ヘッダ部２がコア部１の表面１ａの全面を覆うように設けられた例を示しているが、ヘッダ部２は、開口１１ａの形状に応じてコア部１の表面１ａの一部のみを覆う形状であってもよい。

ヘッダ部２のうち、管部材３０の一端部３１ａは塞がれており、管部材３０の他端部３１ｂには端部開口３１ｃ（図３参照）が形成されている。管部材３０の他端部３１ｂに、図示しない外部配管が接続され、外部の設備との間で流体の供給または排出が行われる。他端部３１ｂは、一端部３１ａよりも、ヘッダタンク２０からの突出長さ（Ｙ方向の長さ）が大きい。

（ヘッダ部の構造）
図３に示すように、ヘッダ部２のヘッダタンク２０は、コア部１の表面１ａに接続される底部２１から頂部に向けて幅が小さくなるように湾曲した形状（図１参照）を有している。ヘッダタンク２０は、たとえば複数の湾曲した板材の縁辺を溶接することにより、ドーム形状に形成されている。ヘッダタンク２０の底部２１は、コア部１の表面１ａの接合領域に対応した矩形形状の底部開口２１ａ（図６参照）を有する。ヘッダタンク２０は、頂部に形成され、後述する管側開口３２と連通するタンク側開口２２を有している。タンク側開口２２（図４参照）は、接合される管部材３０の形状に合わせてヘッダタンク２０の頂部を切り欠くようにして形成されており、湾曲した形状となっている。つまり、ヘッダタンク２０の頂部には、管部材３０の軸方向からみて、管部材３０の外周に沿った凹状の切欠が形成されている。

管部材３０は、略円筒形状を有している。管部材３０は、コア部１とヘッダタンク２０との接続面（表面１ａ）に沿う方向に延びるようにヘッダタンク２０の頂部に接合されている。図１の例では、管部材３０は、ヘッダ部２が接合された表面１ａと略平行に、表面１ａの短手方向（Ｙ方向）に沿って延びている。したがって、コア部１の表面１ａから突出するヘッダ部２の突出方向と、管部材３０の軸方向とが交差しており、図１の例ではヘッダ部２の突出方向（Ｚ方向）と管部材３０の軸方向（Ｙ方向）とが略直交している。管部材３０の中心軸の向きは、図１に示した方向に限られず、たとえば表面１ａの長手方向（Ｘ方向）に向いていてもよい。

図３〜図６に示すように、管部材３０は、ヘッダタンク２０のタンク側開口２２に嵌り込むように配置されている。管部材３０は、側面に形成された管側開口３２を有している。管側開口３２は、タンク側開口２２に対応した形状に形成されており、タンク側開口２２と連通している。管側開口３２（図５参照）は、接合されるヘッダタンク２０の形状に合わせて管部材３０の側面を切り欠くようにして形成されており、湾曲した形状となっている。つまり、管部材３０の側面には、コア部１とヘッダタンク２０との接続面（表面１ａ）と平行な面内において管部材３０の軸方向と直交する横方向からみて、ヘッダタンク２０の形状に沿った凹状の切欠が形成されている。管部材３０は、管側開口３２の位置とタンク側開口２２の位置とが一致するように位置合わせされた状態で、管側開口３２の縁部３５とタンク側開口２２の縁部２５とが全周に渡って溶接されることにより、ヘッダタンク２０に接合されている。したがって、ヘッダタンク２０と管部材３０との境界には、溶接部分４０が全周に渡って形成されている。

なお、ここでは、溶接部分４０とは、ヘッダタンク２０および管部材３０の各々の溶接箇所（タンク側開口２２の縁部２５および管側開口３２の縁部３５）と、溶接金属により形成される溶接ビード（後述する第１溶接ビード４２および第２溶接ビード４３）とを含む領域を意味する。溶接箇所は、溶接に関わる母材側の部分である。

（溶接部分）
図７は、図１のＸ−Ｚ方向に沿った断面における溶接部分４０をＹ方向から見た模式的な断面図であり、図８は、図１のＹ−Ｚ方向に沿った断面における溶接部分４０をＸ方向から見た模式的な断面図である。図７および図８に示すように、本実施形態では、ヘッダ部２におけるヘッダタンク２０と管部材３０との溶接部分４０は、ヘッダ部２の内面側に形成された内側開先４１を有する。そして、溶接部分４０には、内側開先４１をヘッダ部２の内面側から埋めるようにヘッダタンク２０と管部材３０とを接合する第１溶接ビード４２が設けられている。

開先は、溶接を行う母材の接合面間に設ける溝であり、溶接により溶接金属を溶け込ませる領域である。内側開先４１は、開先となる溝がヘッダ部２の内面側に形成されたものである。図７および図８では、内側開先４１は、タンク側開口２２の縁部２５に設けられ、先端に向かって内面２０ａ側から外面２０ｂ側に傾斜した先細り形状の片面開先となるように形成されている。

具体的には、ヘッダタンク２０は、内面２０ａと、外面２０ｂとを有し、管部材３０は、内周面３０ａと、外周面３０ｂとを有する。ヘッダタンク２０には、タンク側開口２２の縁部２５の内面２０ａに、タンク側開口２２に近付くに従って厚みが小さくなるように傾斜した傾斜面２３が形成されている。管部材３０の管側開口３２の縁部３５は、ヘッダタンク２０の内面２０ａと概ね同一面内に位置するように、タンク側開口２２の内側に配置されている。そして、ヘッダタンク２０側の傾斜面２３と、傾斜面２３と対向する管部材３０の縁部３５の外周面３０ｂとによって、内側開先４１が構成されている。ヘッダタンク２０の外面２０ｂには、開先加工が施されておらず、片面（内面）側のみの開先となっている。なお、管部材３０の縁部３５の外周面３０ｂにも、開先加工は施されていない。

内側開先４１は、開先角度θを有する。開先角度θは、予め選定された角度範囲内で適切に設定される。そのため、開先角度θは、図示した特定の角度には限られない。内側開先４１は、開先深さｈを有する。図７の例では、開先深さｈは、ヘッダタンク２０の肉厚ｔ１よりも小さい。

内側開先４１は、タンク側開口２２の縁部２５に全周に渡って連続して形成されている。このように形成された内側開先４１に、第１溶接ビード４２が形成されている。溶接ビードは、溶接によって溶融凝固した溶接金属（および部分的に溶融した母材側の金属）により形成される部分である。第１溶接ビード４２は、内側開先４１を埋めるように設けられている。図７および図８の例では、第１溶接ビード４２は、内側開先４１を構成する傾斜面２３と、管側開口３２の縁部３５（縁部３５の外周面３０ｂ）との間の範囲に渡って設けられている。また、第１溶接ビード４２は、内側開先４１が形成されたタンク側開口２２（管側開口３２）の全周に渡って連続して形成されている。

また、図７および図８に示すように、本実施形態では、溶接部分４０には、内側開先４１の反対側の外表面（外面２０ｂ）を外面側から覆うように、ヘッダタンク２０と管部材３０とを接合する第２溶接ビード４３が設けられている。つまり、ヘッダタンク２０の内面側（内側開先４１）に設けられた第１溶接ビード４２とは反対側の外面側に、第２溶接ビード４３が設けられている。

図７および図８の例では、ヘッダタンク２０の外面２０ｂには開先加工（傾斜面の形成）がされていない。一方、ヘッダタンク２０の頂部に管部材３０が嵌り込むように配置されているので、円筒状の管部材３０の外周面３０ｂと、湾曲したヘッダタンク２０の外面２０ｂとによって、開先のような溝状（谷状）の接合部が形成されている。そこで、第２溶接ビード４３は、管部材３０の外表面（外周面３０ｂ）とヘッダタンク２０の外表面（外面２０ｂ）との接合部を外面側から覆うように形成されている。なお、第１溶接ビード４２と第２溶接ビード４３とは、ヘッダ部２の内側と外側とにそれぞれ設けられているが、管部材３０とヘッダタンク２０との隙間（ルート間隔）を介して連続している。つまり、第１溶接ビード４２と第２溶接ビード４３とは、内側開先４１を挟み込んだ状態で互いに接続するように設けられている。第１溶接ビード４２と第２溶接ビード４３とは、互いに分離した部分ではなく、溶接部分４０に設けられた同一の溶接金属のうち、内側部分と外側部分とを構成している。

第２溶接ビード４３は、ヘッダタンク２０の外面側で、タンク側開口２２（管側開口３２）の全周に渡って連続して形成されている。このため、ヘッダタンク２０の内面側では、タンク側開口２２（管側開口３２）に沿った環状の第１溶接ビード４２が形成されており、ヘッダタンク２０の外面側では、タンク側開口２２（管側開口３２）に沿った環状の第２溶接ビード４３が形成されている。

本実施形態では、第１溶接ビード４２の体積が、第２溶接ビード４３の体積よりも大きい。第１溶接ビード４２および第２溶接ビード４３は、ヘッダタンク２０の内面２０ａ側と外面２０ｂ側とで、対向するように全周に渡って環状に形成されているため、各々の溶接ビードの体積は、断面積に比例する。図７および図８に示したように、内面２０ａ側の第１溶接ビード４２の断面積が、外面２０ｂ側の第２溶接ビード４３の断面積よりも大きくなるように形成されている。すなわち、内側の第１溶接ビード４２と外側の第２溶接ビード４３とで溶着量が非対称で、内側の第１溶接ビード４２が相対的にメインの溶接部、外側の第２溶接ビード４３が相対的にサブの溶接部となっている。

このような構成により、溶接部分４０において、ヘッダタンク２０と管部材３０との間がシールされた状態で接合され、各々の開口（タンク側開口２２および管側開口３２）を介してヘッダタンク２０の内部と管部材３０の内部とが連通している。

（ヘッダ部の製造方法）
次に、図９を参照して、熱交換器１００の製造方法について説明する。なお、個々の部材（コア部１、ヘッダタンク２０、管部材３０）の準備については、説明を省略する。

まず、ステップＳ１において、タンク側開口２２および傾斜面２３が形成されたヘッダタンク２０と、管側開口３２が形成された管部材３０とが、位置合わせされる。すなわち、図９に示したように、管部材３０がヘッダタンク２０のタンク側開口２２に嵌り込み、管部材３０の軸方向がヘッダタンク２０の底部２１（すなわち、コア部１の表面１ａ）と略平行になるように配置する。また、管部材３０の縁部３５がヘッダタンク２０のタンク側開口２２の内側に入り込むような所定位置で位置合わせする。これにより、ヘッダタンク２０の傾斜面２３と、管部材３０の縁部３５近傍の外周面３０ｂとの間で内側開先４１が構成される。位置合わせ後、仮固定のための仮溶接を行ってもよい。たとえばタンク側開口２２の周方向に沿って間隔を隔てて複数点溶接を行って、ヘッダタンク２０と管部材３０との位置関係を保持する。ヘッダタンク２０と管部材３０とをジグ等により仮固定してもよい。

次に、ヘッダタンク２０と管部材３０とを溶接により接合する溶接工程（ステップＳ２およびＳ３）を行う。溶接はたとえばアーク溶接により行う。アーク溶接は、たとえばガスシールド溶接であり、アルゴンガスやヘリウムガスなどの不活性ガスを主成分とするシールドガス雰囲気中で溶接を行う。

溶接工程において、まず、ステップＳ２において、ヘッダタンク２０の外面側の溶接を行うことにより、溶接部分４０の全周に環状の第２溶接ビード４３を形成する。すなわち、内側開先４１への第１溶接ビード４２の形成に先立って、第２溶接ビード４３を形成する。

この際、ヘッダタンク２０の底部開口２１ａ（図６参照）および管部材３０の端部開口３１ｃ（図５参照）は、図示しないジグ等により塞がれ、内部空気をシールドガス雰囲気に置換した状態で、ヘッダ部２の外側から溶接を行う。第２溶接ビード４３の表面側は溶接に伴って噴射されるシールドガスにより大気から遮蔽され、ヘッダタンク２０の縁部２５と管部材３０の縁部３５との隙間からヘッダ部２の内側に露出する溶接金属は、内部のシールドガスによって大気から遮蔽される。第２溶接ビード４３の形成によって、タンク側開口２２と管部材３０との隙間が全周に渡って外面側から埋められる。

第２溶接ビード４３の形成後、ステップＳ３において、ヘッダタンク２０の内面側の溶接を行うことにより、溶接部分４０の全周に環状の第１溶接ビード４２を形成する。すなわち、内側開先４１への溶接により第１溶接ビード４２を形成する。この際、ヘッダタンク２０の底部開口２１ａを介してヘッダ部２の内側から溶接を行う。第１溶接ビード４２の表面（ヘッダ部２の内部側表面）は溶接に伴って噴射されるシールドガスにより大気から遮蔽される。ヘッダタンク２０の縁部２５と管部材３０の縁部３５との隙間は第２溶接ビード４３によって塞がれているため、第１溶接ビード４２がヘッダタンク２０の外面側に露出することがなく、第１溶接ビード４２とヘッダタンク２０の外面側の空気との接触は防止される。第１溶接ビード４２は、第２溶接ビード４３よりも体積が大きくなるように、形成される。ステップＳ３の結果、第１溶接ビード４２と第２溶接ビード４３とが融合することで完全溶け込みの溶接継手が形成される。

以上により、ヘッダタンク２０と管部材３０とを接合する溶接部分４０が形成され、ヘッダ部２が完成する。なお、第１溶接ビード４２の形成後、溶接に伴う変形の微調整のため、第２溶接ビード４３を追加（多層盛り）で形成してもよい。

ヘッダ部２の形成後、ステップＳ４において、ヘッダタンク２０の底部２１をコア部１の表面１ａに取り付け（図１参照）、ヘッダタンク２０の底部２１とコア部１の表面１ａとを溶接などにより接合することにより、ヘッダ部２がコア部１に接合される。同様に、別途準備されたヘッダ部３もコア部１の表面１ｂに接合される。これにより、図１に示した熱交換器１００が製造される。

（ヘッダ部における変形）
次に、図７、図８、図１０〜図１４を参照して、ヘッダ部２における溶接に伴う変形の影響について説明する。

まず、本実施形態との対比のため、図１０に示す比較例として、ヘッダタンク２０と管部材３０との溶接部分４０に外側開先９０を設けて溶接する場合について説明する。図１０では、タンク側開口２２の縁部２５の外面２０ｂに、タンク側開口２２に近付くに従って厚みが小さくなるように傾斜した傾斜面９１が形成されている。そして、ヘッダタンク２０の外面２０ｂ側の傾斜面９１と、傾斜面９１と対向する管部材３０の縁部３５の外周面３０ｂとによって、外側開先９０が構成されている。この場合、溶接部分４０において、ヘッダタンク２０の外面２０ｂの全周に、環状の溶接ビード９２が形成される。

溶接時には、溶融した金属の凝固収縮によって、母材（ヘッダタンク２０および管部材３０）を溶接ビード側に引っ張る引張応力が発生し、母材の変形の要因となる。たとえば２枚の板の端面同士の単純な溶接を考えると、開先が形成された側が凝固収縮することになるため、開先が形成された側の表面同士が互いに近付く方向（開先角度θを小さくする方向）に折れ曲がろうとする応力が発生する。外側開先９０であれば、外面２０ｂと３０ｂとを互いに近づける方向の変形が想定される。内側開先４１（図７、図８参照）であれば、内面２０ａと管側開口３２の縁部３５とを互いに近づける方向の変形が想定される。つまり、典型的には、開先の形成面が反対になると、溶接金属の凝固収縮に起因する変形は逆方向になる。

溶接部分４０の周囲の母材自体にも、溶接熱の熱影響を受ける部分が生じて変形が生じ得る。一方、ヘッダタンク２０および管部材３０には、構造上、相対的に剛性が高く変形を拘束する方向あるいは部分と、相対的に剛性が低く変形し易い方向あるいは部分とがある。溶接部分４０が立体的に湾曲した環状形状を有しているため、溶接時のヘッダ部２の変形は様々な要因が関係するものとなる。

図１１（比較例）および図１２（本実施形態）は、これらの各種要因の影響を総合した変形挙動のイメージ図である。図１１および図１２では便宜的に、管部材３０の軸方向から見た場合（Ａ）に現れる溶接部分４０Ａと、コア部１とヘッダタンク２０との接続面（表面１ａ）と平行な面内において管部材３０の軸方向と直交する横方向から見た場合（Ｂ）に現れる溶接部分４０Ｂと、に区別して変形挙動を説明する。

〈比較例：外側開先〉
外側開先９０を形成した比較例（図１１参照）の場合、軸方向から見た変形挙動（Ａ）としては、ヘッダタンク２０の溶接部分４０Ａにおける溶接金属の凝固収縮による引張により、頂部の切欠形状（タンク側開口２２）が谷折れにおり曲がる方向に応力Ｆ１Ａが作用する。応力Ｆ１Ａは、ヘッダタンク２０の底部２１を外側へ拡張するように作用するが、底部２１は四隅が接合された矩形形状で剛性が高いため変形が拘束される。その結果、凹状の切欠形状のために相対的に剛性の低いタンク側開口２２で、凹みがより深くなるように変形が生じる。軸方向から見た場合の溶接部分４０Ｂは、図１０に示したように、溶接金属の凝固収縮による引張により、開先角度を小さくする方向の引張応力Ｆ１Ｂが発生する。そのため、軸方向から見た変形挙動（Ａ）としては、溶接部分４０Ａによる変形を助長する方向に応力Ｆ１Ｂが作用する。この結果、管部材３０は、タンク側開口２２の変形と共に、より一層凹みに嵌り込むように移動して、ヘッダタンク２０側に近付く方向に沈み込む。

また、軸方向と直交する横方向から見た変形挙動（Ｂ）としては、管部材３０側に、ヘッダタンク２０の頂部と対向する凹状の切欠形状（管側開口３２）があるため、溶接部分４０Ｂにおける溶接金属の凝固収縮による引張により、管部材３０の切欠形状（管側開口３２）が谷折れにおり曲がる方向に応力Ｆ２Ｂが作用する。その結果、溶接部分４０Ａを回転中心として、管部材３０の端部（３１ａ、３１ｂ）をヘッダタンク２０側へ近づける方向へのモーメントにより、管部材３０の端部がヘッダタンク２０側へ垂れ下がるように変形する。変形は、突出量が大きい他端部３１ｂで大きくなる。横方向から見た場合の溶接部分４０Ａでは、図１０に示した断面と同様に、開先角度を小さくする方向の引張応力Ｆ２Ａが発生する。そのため、横方向から見た変形挙動（Ｂ）としては、溶接部分４０Ｂによる変形を助長する方向に応力Ｆ２Ａが作用する。変形挙動（Ａ）および（Ｂ）の結果、管部材３０がヘッダタンク２０のタンク側開口２２側に沈み込むとともに、管部材３０の端部が垂れ下がる変形が大きくなる。このため、端部開口３１ｃが形成され外部配管と接続される管部材３０の他端部３１ｂの位置は、溶接時の変形によって下方（ヘッダタンク２０側）へのずれが生じやすい。

〈本実施形態：内側開先〉
内側開先４１を形成した本実施形態（図１２参照）の場合、軸方向から見た変形挙動（Ａ）について、溶接部分４０Ａにおける変形は、比較例と同様である。つまり、溶接金属の凝固収縮による引張により、頂部の切欠形状（タンク側開口２２）が谷折れにおり曲がる方向に応力Ｆ３Ａが作用する。応力Ｆ３Ａは、ヘッダタンク２０の底部２１を外側へ拡張するように作用する。

一方、軸方向から見た場合（Ａ）の溶接部分４０Ｂは、図７に示した断面に相当する。溶接金属の凝固収縮による引張により、開先角度θを小さくする方向の引張応力Ｆ３Ｂが発生するので、応力Ｆ３Ｂ（図１２参照）は、ヘッダタンク２０の底部２１を内側へ縮小させる方向に作用する。つまり、溶接部分４０Ｂでは、溶接部分４０Ａによる応力Ｆ３Ａとは逆方向に応力Ｆ３Ｂが作用する。この結果、内側開先４１の場合、溶接部分４０Ａによる応力Ｆ３Ａと溶接部分４０Ｂによる応力Ｆ３Ｂとが部分的に相殺し合うため、比較例（外側開先）と比べて、管部材３０がヘッダタンク２０側に近付く方向に沈み込む変形が軽減される。

また、軸方向と直交する横方向から見た変形挙動（Ｂ）について、溶接部分４０Ｂにおける変形は、比較例と同様である。つまり、溶接部分４０Ｂにおける溶接金属の凝固収縮による引張により、管部材３０の切欠形状（管側開口３２）が谷折れにおり曲がる方向に応力Ｆ４Ｂが作用する。したがって、溶接部分４０Ａを回転中心として、管部材３０の端部をヘッダタンク２０側へ近づける方向へのモーメントが作用する。

一方、横方向から見た場合（Ｂ）の溶接部分４０Ａは、図８に示した断面に相当する（図８は、図１２（Ｂ）の他端部３１ｂ側の溶接部分４０Ａに相当する）。内側開先４１の場合、開先の先端部（縁部２５の先端部）に対して、管側開口３２側に溶接ビード（第１溶接ビード４２）が形成されるため、溶接金属の凝固収縮による引張により、管側開口３２の縁部３５を、タンク側開口２２内に引っ張り込む方向に応力Ｆ４Ａが作用する。その結果、開先の先端部を回転中心として、管部材３０の端部をヘッダタンク２０側から離れる上方向へ回転させるモーメントが作用する。つまり、溶接部分４０Ａ（図１２（Ｂ）参照）では、溶接部分４０Ｂによる応力Ｆ４Ｂとは逆方向に応力Ｆ４Ａが作用する。この結果、内側開先４１の場合、溶接部分４０Ａによる応力Ｆ４Ａと溶接部分４０Ｂによる応力Ｆ４Ｂとが部分的に相殺し合うため、比較例（外側開先）と比べて管部材３０の端部がヘッダタンク２０側へ垂れ下がる変形が軽減される。

溶接部分４０の外側に第２溶接ビード４３（図７、図８参照）を形成する場合、第２溶接ビード４３の溶接量によって、相殺し合う（互いに逆方向の）応力の大きさのバランスを調節することが可能となる。そのため、ヘッダ部２の形状や寸法などに応じて、溶接に伴う変形が許容範囲内に収まるように変形量を微調節することが可能となる。

図１３は、比較例（外側開先）による各方向（Ａ）および（Ｂ）の変形のイメージ図であり、図１４は、本実施形態（内側開先）による各方向（Ａ）および（Ｂ）の変形のイメージ図である。図１３および図１４では、比較例による内側開先および本実施形態の外側開先のそれぞれについて、実際に溶接を行って確認された変形量（設計値からのずれ）をもとに、比較例と本実施形態との相対的な変形量の相違を破線のイメージで示したものであり、実際とは異なる。つまり、実際の変形量はヘッダ部２の大きさに対して小さいため図示できない。

溶接による変形を確認したヘッダ部２の寸法は、ヘッダタンク２０の底部２１の長さＬ１＝約１１００ｍｍ、幅Ｗ＝約５００ｍｍ、肉厚ｔ１＝約１０ｍｍであり、管部材３０の長さＬ２＝約９００ｍｍ、直径ｄ＝約３５０ｍｍ、肉厚ｔ２＝約１９ｍｍである。

図１３（Ａ）および図１４（Ａ）において、比較例では、ヘッダタンク２０の底部２１が最大でＥ１＝約５ｍｍ〜約１０ｍｍ程度変形し、許容範囲外（要修正）となったのに対して、本実施形態では、ヘッダタンク２０の底部２１が最大でＥ３＝約０ｍｍ〜約１ｍｍ程度の変形に軽減され、許容範囲内に収まることが確認された。図１３（Ｂ）および図１４（Ｂ）において、比較例では、管部材３０の他端部３１ｂが最大でＥ２＝約５ｍｍ〜約１０ｍｍ程度変形し、許容範囲外（要修正）となったのに対して、本実施形態では、管部材３０の他端部３１ｂが最大でＥ４＝約０ｍｍ〜約２ｍｍ程度の変形に軽減され、許容範囲内に収まることが確認された。

［本実施形態の効果］
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、コア部１の表面１ａに接続されるヘッダタンク２０と、コア部１とヘッダタンク２０との接続面（表面１ａ）に沿う方向に延びるようにヘッダタンク２０の頂部に溶接された管部材３０とを含むヘッダ部２を設け、ヘッダ部２におけるヘッダタンク２０と管部材３０との溶接部分４０に、ヘッダ部２の内面側に形成された内側開先４１を設けるとともに、内側開先４１をヘッダ部２の内面側から埋めるようにヘッダタンク２０と管部材３０とを接合する第１溶接ビード４２を設ける。これにより、ヘッダ部２の内面側に形成した内側開先４１に対して内側から溶接して第１溶接ビード４２を形成することによって、ヘッダタンク２０と管部材３０とを接合することができる。その結果、開先の形成位置を内側にしたことにより、図１２に示したように、溶接部分４０の一部（溶接部分４０Ａ）で発生する変形（応力）の方向を他の部分（溶接部分４０Ｂ）で発生する変形（応力）の方向と異ならせ、溶接に伴う変形の一部を打ち消すことが可能となる。その結果、一般的なヘッダ部２の外面に開先（外側開先）を形成して溶接を行う場合と比較して、管部材３０の沈み込みを軽減することができる。このように、管部材３０の沈み込みを軽減可能となるので、管部材３０と外部配管との中心軸線同士のずれを抑制することができ、その結果、管部材３０と外部配管との配管接続を容易に行うことができる。

また、本実施形態では、上記のように、溶接部分４０に、内側開先４１の反対側の外表面（外面２０ｂ）を外面側から覆うように、ヘッダタンク２０と管部材３０とを接合する第２溶接ビード４３を設ける。これにより、溶接部分４０の内側に第１溶接ビード４２を設ける際の変形（応力）と、溶接部分４０の外側に第２溶接ビード４３を設ける際の変形（応力）とがバランスするように、第１溶接ビード４２の溶接量と第２溶接ビード４３の溶接量とを調節することができる。その結果、溶接に伴う変形が許容範囲内に収まるように変形量を調節することが可能となる。また、溶接時には、外側の第２溶接ビード４３を先に形成すれば、内側から第１溶接ビード４２を形成する際に、溶接金属がヘッダ部２の外表面側に露出するのを防ぐことができる。そのため、溶接時に、ヘッダ部２の内側から溶接部位にシールドガスを供給するだけでシールドガス雰囲気を容易に形成することができ、内側から溶接を行う場合でも、溶接作業を容易に行うことができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１溶接ビード４２の体積を、第２溶接ビード４３の体積よりも大きくする。これにより、外側表面の第２溶接ビード４３を第１溶接ビード４２よりも小さく形成することによって、第２溶接ビード４３の形成に伴う変形量を小さくすることができる。そのため、内側開先４１の体積の大きい第１溶接ビード４２をメインの溶接部として、溶接に伴う変形を相殺しつつ、体積の小さい第２溶接ビード４３をサブの溶接部として、ヘッダ部２全体の変形量を第２溶接ビード４３によって微調整することができる。その結果、ヘッダ部２の形状や寸法などに応じて、溶接に伴う変形量を最小限に抑制可能なように微調整することができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１溶接ビード４２と第２溶接ビード４３とを、内側開先４１を挟み込んだ状態で互いに接続するように設ける。これにより、第１溶接ビード４２と第２溶接ビード４３とを母材（管部材３０とヘッダタンク２０）間に確実に溶け込ませることができるので、管部材３０とヘッダタンク２０との間に非溶接部分が形成されるのを回避して接合強度を確保することができる。

また、本実施形態では、上記のように、管部材３０を略円筒形状に形成し、ヘッダタンク２０を、底部２１から頂部に向けて幅が小さくなるように湾曲した形状に形成する。そして、第２溶接ビード４３を、管部材３０の外表面（外周面３０ｂ）とヘッダタンク２０の外表面（外面２０ｂ）との接合部を外面側から覆うように形成する。このように略円筒形状の管部材３０をヘッダタンク２０の頂部に設ける場合、略円筒形状の管部材３０の外周面３０ｂの一部とヘッダタンク２０の頂部の一部とを互いに切り欠いて、切欠部分を接合部として互いに溶接する構成となる。そのため、管部材３０とヘッダタンク２０との接合部は、円周状の管部材３０の外周面３０ｂと、湾曲したヘッダタンク２０の外面２０ｂとが交差する部分となるため、接合部を溝状（谷状）に窪んだ形状とすることができる。接合部が溝状に窪んだ形状となるため、接合部を構成する管部材３０の外周面３０ｂやヘッダタンク２０の外面２０ｂに開先を形成する加工を行うことなく、溝状に窪んだ接合部自体を開先として利用することができる。そのため、ヘッダ部２の外側から接合部を溶接して第２溶接ビード４３を形成するために、ヘッダ部２の外面側に開先を形成する必要がなくなるので、その分、ヘッダ部２の構造（継手形状）を簡素化することができる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、本発明タイプのヘッダ部２と、ストレートタイプのヘッダ部３とを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、全てのヘッダ部が本発明タイプであってもよい。

また、上記実施形態では、第１流路１１に対する流体の出入口となる２つのヘッダ部２と、第２流路１２に対する流体の出入口となる２つのヘッダ部３とを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。ヘッダ部は、いくつ設けられてもよい。

また、上記実施形態では、底部２１が矩形のヘッダタンク２０の例を示したが、本発明はこれに限られない。ヘッダタンクの形状は任意である。底部は矩形形状以外の多角形状や、円形状などでもよい。

また、上記実施形態では、円筒形状の管部材３０の例を示したが、本発明はこれに限られない。管部材の形状は任意である。管部材は、多角形断面や、角丸矩形断面などの断面形状を有していてもよい。管部材は直線状に延びていなくてもよく、屈曲または湾曲していてもよい。なお、本明細書において「円筒形状」とは、楕円筒形状も含む広い概念であり、断面が楕円形状（２焦点からの距離が等しくなる点の集合からなる形状）でもよい。

また、上記実施形態では、溶接部分４０に第１溶接ビード４２と第２溶接ビード４３とを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば図１５に示すように、溶接部分４０の外面側に第２溶接ビードを設けずに、内面側に第１溶接ビード４２のみを設けてもよい。

また、上記実施形態では、第１溶接ビード４２の体積を第２溶接ビード４３の体積よりも大きくした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１溶接ビード４２の体積が第２溶接ビード４３の体積と同程度か、第２溶接ビード４３の体積よりも小さくてもよい。

また、上記実施形態では、ヘッダタンク２０の縁部２５に内側開先４１が形成された例を示したが、本発明はこれに限られない。管部材３０の縁部３５にも、開先加工（傾斜面形成）がされていてもよい。

なお、上記実施形態において説明したヘッダ部２の寸法（長さＬ１、幅Ｗ、肉厚ｔ１、長さＬ２、直径ｄ、肉厚ｔ２）などは、あくまでも一例であり、本発明は上記した寸法には限られない。ヘッダ部の各部の寸法は任意である。

なお、上記実施形態では、ヘッダタンク２０と管部材３０とがアーク溶接により溶接される例を示したが、本発明はこれに限られない。ヘッダタンクと管部材とをレーザ溶接などのアーク溶接以外の溶接方法により溶接してもよい。

１ コア部
１ａ 表面
２ ヘッダ部
１１ａ 開口
２０ ヘッダタンク
２１ 底部
２２ タンク側開口
２５ タンク側開口の縁部
３０ 管部材
３２ 管側開口
３５ 管側開口の縁部
４０ 溶接部分
４１ 内側開先
４２ 第１溶接ビード
４３ 第２溶接ビード
１００ 熱交換器

Claims (5)

1. 流体の流入口または流出口となる開口を有し、流体を流通させて熱交換を行うコア部と、
   前記開口を覆うように前記コア部の表面に接続されるヘッダ部とを備え、
   前記ヘッダ部は、前記コア部の表面に接続されるヘッダタンクと、前記コア部と前記ヘッダタンクとの接続面に沿う方向に延びるように前記ヘッダタンクの頂部に溶接された管部材とを含み、
   前記ヘッダ部における前記ヘッダタンクと前記管部材との溶接部分は、前記ヘッダ部の内面側に片面開先となるように形成された内側開先を有するとともに、前記内側開先を前記ヘッダ部の内面側から埋めるように前記ヘッダタンクと前記管部材とを接合する第１溶接ビードが設けられている、熱交換器。
2. 前記溶接部分には、前記内側開先の反対側の外表面を外面側から覆うように、前記ヘッダタンクと前記管部材とを接合する第２溶接ビードが設けられている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１溶接ビードの体積が、前記第２溶接ビードの体積よりも大きい、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１溶接ビードと前記第２溶接ビードとは、前記内側開先を挟み込んだ状態で互いに接続するように設けられている、請求項２または３に記載の熱交換器。
5. 前記管部材は、円筒形状を有し、
   前記ヘッダタンクは、底部から前記頂部に向けて幅が小さくなるように湾曲した形状を有し、
   前記第２溶接ビードは、前記管部材の外表面と前記ヘッダタンクの外表面との接合部を外面側から覆うように形成されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。

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