JPH0325298A

JPH0325298A - 熱交換器のヘッダー装置

Info

Publication number: JPH0325298A
Application number: JP14427190A
Authority: JP
Inventors: Paul R Meier; ポール　ロバート　メイアー; Brian D Mueller; ブライアン　ディーン　ミューラー
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-06-01
Publication date: 1991-02-04
Also published as: FR2648549B1; FR2648549A1; MX173351B

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】ｒｌ産業上の利用分野］本発明は、熱交換器に関し、詳しくは、■つ以上の内管
が外管内に配置した、いわゆるチューブインーチューブ
型の熱交換器のヘッダー（管寄せ）装置に関する。

［従来の技術］一般的な熱ポンプ（ヒートボンブ）では、熱交換器によ
って、冷媒に熱が伝達され、あるいは冷媒から熱が奪わ
れ、その熱交換器上を周囲の空気が流れる，このような
装置は、周囲の空気の状態によって冷媒の温度が変わる
ことから、空気源ヒートボンプと言われている。同様な
方法によって、冷媒の状態を調節するために利用出来る
池のような水源がある場合には、いわゆる水源ヒートボ
ンブを使用して、内部を水が通る熱交換器によって冷媒
が冷却され、あるいは加熱される。

このような水一冷媒間熱交換器の典型的なものは、一つ
又は多数の内管が外管内に配置された、いわゆるチュー
ブ−イソ−チューブ型の熱交換器であり、液体及び冷媒
がそれぞれ外管及び内管を通り、あるいはそれぞれ内管
及び外管を通って、陶管の半径方向に熱伝達が行われる
。このような装置では、一般に、液体と冷媒の間の分離
を維持するために、液体と冷媒の流路の間の共通の境界
を形収するとともに内管の端部を保持するためのへ・ｙ
ダーが設けられている。従来では、これは、ヘッダー本
体から離れた所に配置して水と冷媒の間の分離板／マニ
ホルドとして作用する中間板を使用することによって行
われていた。この中間板をヘッダー本体内に固定するた
めには、まず最初に、中間板を所定の位置に配置されて
、次に、これをその位置に固定する必要があり、このよ
うな作業は容易なことではない。中間板を所定の位置に
ろう付けするためには、一般に、ガス溶接又は炎ろう付
けが使用されていた。これらの方法は、いずれも多量の
材料を加熱し、さらに、合金とより大きなヘッダーとを
ろう付けして合金の再流動を防止する必要がある。即ち
、極めて接近した所に、２つの別個のろう付け接合部が
配置しており、これらが同時にろう付けされなければ、
２番目の接合部のろう付け接合部によって、最初のろう
付け接合部を溶かしてしまうことが多い。たとえこれら
を同時にろう付け出来るとしても、薄肉管を使用する場
合には、金属の強度を保持するために、金属が長時間ろ
う付け温度に維持されるのを避ける必要がある。炎ろう
付けは、長時間ろう付け温度に保つ必要があるので、一
貫して確実な接合部が得られるように、一般に、内管は
肉厚の比較的厚いものでなければならない。このように
、肉厚の比較的厚い管を使用する必要があるが、熱伝達
特性、コス１・及び重量の点からは、内管の肉厚は薄い
方が望ましい。

上記のように肉厚の薄い管をろう付けすることが困難で
あることに加えて、ろう付けされる部材の相対的な厚さ
（即ち管の厚さ及び中間板の厚さ）を同程度にすべきで
ある。即ち、中間板が厚くて管が薄いと、全体的に一貫
した強度のろう付け接合部を得ることが非常に困難にな
るからである。

さらに、薄肉管を調節するように中間板の厚さを薄くす
ると、高圧下において薄肉板の強度が十分でなくなり、
中間板が変形し、管が破損してしまつ。

［発明が解決しようとする課題］従って、本発明は、チューブ−イソ−チューブ型の熱交
換器用の改良したヘッダー構造を提供することを目的と
する。

また、本発明は、チューブ−イソ−チューブ型の熱交換
器のへッグーに、分離板／マニホルド部材を容易に取り
付けることが出来るようにすることを目的とする。

また、本発明は、比較的薄肉の内管を使用出来るチュー
ブ−イソ−チューブ型熱交換器を提供することを目的と
する。

また、本発明は、高圧操作下において管を破損すること
なく、薄肉管と比較的薄い分離板／マニホルド部材の両
方を使用出来るチューブ−イソ−チューブ型熱交換器を
提供することを目的とする。

また、本発明は、高圧下で分離板／マニホルド部材が屈
曲しても、管の破損を防止することが出来るチューブ−
イソ−チューブ型熱交換器を提供することを目的とする
。

さらに、本発明は、経済的に製造でき、実用的で、有効
に使用できるチューブ−イソ−チューブ型熱交換器のヘ
ッダーを摘供することを目的とする。

［課題を達成するための手段］本発明によれば、チューブ−イソ−チューブ型の熱交換
器のヘッダー部材は、単一の部材から形成され、その一
端に、水と冷媒の境界を形成する分離板／マニホルド壁
を有する。従って、ヘツグーに分離板／マニホルド壁を
ろう付けする必要がなくなるので、比較的薄い肉厚の内
管を使用することができ、誘導加熱ろう付げによって、
その内管をマニホルドの開口部に容易にろう付けするこ
とが出来る。その後、マニホルド壁を取り囲むように、
ヘッダーの端部の上にキャップを配置させ、これによっ
て内側流路の形収を完了する。

また、本発明によれば、比較的薄い肉厚の分離板／マニ
ホルド部材が高圧下で変形して薄肉管が損傷するのを防
ぐために、各々の内管のまわりに補強スリーブを配置さ
せ、内管が端部付近で屈曲するのを防止するようにして
いる。補強スリーブの外側は分離板／マニホルド部材に
ろう付けされ、その内側は内管にろう付けされて、漏出
を防ぎ、その補強特性を強めるようにしている。

本発明によれば、チューブ−イソ−チューブ型の熱交換
器内の外側流路と内側流路の間を接続するヘッダー装置
は、管状のヘッダー本体とキャップから成り、ジャケッ
トに接続するための開口端部がヘッダー本体に形戎され
、ジャケットとヘッダー本体によって外側流路が形成さ
れ、内側流路を形成する少なくとも一つの内管がジャケ
ットとヘッダー本体内に配置され、外側流路と内側流路
の間の境界を画する閉端部がヘッダー本体と一体に形成
され、この閉端部には少なくとも一つの開口部が形成さ
れ、内管の開口端部が閉端部の一方め側において内側流
路の一部に連通ずるように開口部内に内管が挿入され、
キャップが閉端部においてヘッダー本体に連結されてそ
の内部に内側流路の一部を形５５．’Ｌ，キャップには
第２の導管に連通ずる開口部が形成される。

内管の肉厚は、好ましくは、０．０１６インチ以下の厚
さである。ヘッダー本体の閉端部は、ヘッダー本体の開
口部に対して、実質的に対向する側に配置することが出
来る。また、閉端部は、好ましくは、実質的に平板状で
ある。ヘッダー装置は、好ましくは、内管の外面と閉端
部の開口部の内面との間を戚密にするシール手段を有す
る。シール手段は、奸ましくは、ろう付け物質から代る
。ろう付け物質は、誘導加熱ろう付け工程によって使用
することが出来る。また、好ましくは、外側流路内に水
が流れ、内側流路内に冷媒が流れる。ヘッダー装置は、
陶管を取り囲むように閉端部の開口部に隣接して配置さ
れて内管の横方向の変形を防止する補強スリーブを有す
ることが出来る。補強ズリーブは、閉瑞蔀の開口部内に
延在させることが出来る。

［実施例］以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明する
。

第Ｌｌｍは、従来のチューブ−イソ−チューブ型の熱交
換器に使用するヘッダー部材１ｌを示している。ヘッダ
ー部材１１は、円筒形のヘッダー本体１２を有し、この
ヘッダー本体ｌ２は、接続部ｌ３において、ジャケット
（外装）１４にろう付けされ、この中に外側流体の流路
が形成される。ジャケット１４及びヘッダー本体ｌ２内
に延在するように、比較的因厚（０．　０　：１　６イ
ンチ以上）の多数の内管ｌ６が配置される。スタップ管
１７が、ヘッダー本体１２の側面に形成された開口部に
挿入されて、接続部１８でろう付けされ、外側の流体の
流路がさらに形成される。

ヘッダー本体ｌ２の端部付近に、外側流体と内側流体の
間の境界として作用する分離板／マニホルド板■９がろ
う付けされる。分離板／マニホルド板１９は、高圧に耐
えられるように比較的肉厚であり、板の周囲全体を取り
囲んで延在する接続部２ｌにおいてろう付けされ、ヘッ
ダー本体１２の内面に固定されている。

分離板／マニホルド板ｌ９には、内管１６のそれぞれの
端部を通すための多数の開口部２５が形収されている。

これらの開口部２５に内管ｌ６がろう付けされる。ろ・
う付け接合部２２は、内管１６のＲ囲を取り囲むように
延在して、内管１６を開口部２５に密接に固定し、外側
液室と内側液室との間の境界を液密にする。内ＩＩＩ室
はキャップ２３で覆われ、このキャップ２３はヘッダー
本体１２の一端を覆って固定され、接合部２４において
ろう付けされる。

このような従来のヘッダー装置は、容易に製造すること
が出来ず、性能的にも欠点がある。種々の部材の組立て
において、これらの部材を所定の位置に固定するために
、通常、ろう付けが行われる。分離板／マニホルド板１
９を組み入れる場合、最初に、その板を所定の位置に配
置して、その周囲全体をろう付けして、板をその位置に
固定する。

開口部２５にそれぞれの陶管１６を同時にろう付けする
ことが望ましいが、これは困難なことである。その代わ
りとして、前にろう付けした分離板／マニホルド板１９
の周囲の接合部が外れないように注意して、内管１６を
別々にろう付けすることが出来る。最後に、キャップ２
３を所定の位置に配置させて接合部２４でろう付けする
場合には、接合部２４のろう付けによって接合部２１の
ろう付けが外れないように、接合部２４と接合部２１の
間隔を十分な間隔にするように注意しなければならない
。このため、第ｌ図に示すように、キャップ２３とヘッ
ダー本体１２の端部との重なり合う部分を十分な大きさ
にする必要があった。

第２図は、本発明による一対のヘッダー２６及び２７を
示している。ヘッダー２６及び２７は、螺旋状に形成さ
れた典型的なチューブ−イソ−チューブ型の熱交Ｉ７Ｉ
Ａ器コイル２８の両端部に取り付けられている。本発明
のヘッダー構造は、他の形態のチューブ−イソ−チュー
ブ型の熱交換器にも適用出来る。

動作中において、冷媒（内側の流体）は、人口２９から
入り、内管１６内を流れ、排出口３１から排出される。

また、水がスタツブ管開口部３２から入り、コイル２８
のジャケント内を流れ、スタップ排出口３３から排出さ
れるように、外側の流れは内側の流れと反対方向である
ことが好ましい。本発明のヘッダーを使用する場合、他
の様々な形態で使用することが出来る。例えば、熱ボン
ブの場合には、加熱モードのような一つのモードにおい
て、それぞれが反対方向に流れるよりも平行に流れる方
が都合がよい。また、単一の内管を使用する場合には、
水が内管を流れて、冷媒が外管を流れるのが好ましい。

第４図は、本発明のヘッダー部材３４を示している。ヘ
ッダー部材３４は、一片のヘッダー本体３６から成り、
ヘッダー本体３６は、その円筒部と一体に形成されたマ
ニホルト板３７を有する。

ジャケット４ｌ及びヘッダー本体３６内には、比較的肉
厚の薄い（０．　０　１　６インチ以下）一対の内管３
８及び３９が配置され、これらの端部は、マニホルド板
３７に形成された開口部４２及び４３を貫通して、マニ
ホルド板３７から突出する。

内管３８及び３９は、後述するような方法によって、開
口部４２及び４３内にろう付けされる。

ジャケット４■は、接合部４４においてヘッダー本体３
６にろう付けされる。また、ヘッダー本体３６の側面に
形戎された開口部にスタｙブ管４６が挿入され、接合部
４７においてろう付けされる。また、ヘッダー本体３６
には、キャップ４８が接合部４９においてろう付けされ
る。図示したように、マニホルド板３７とヘッダー本体
３６との間には接合部がないので、接合部４９をマニホ
ルド板３７の周縁部に接近させて、キャップ４８とヘッ
ダー本体３６との間の重復部分を最小限にすることが出
来る。このようにして、実質的に必要な材料の量を減少
させることが出来る。

熱伝達特性を向上させるために、内管３８及び３９の内
側に螺旋状の溝を形成するのが好ましい。

例えば、称呼厚０．０１６インチの内管は、溝の部分の
厚さ（最小の厚さ）を０．０１２インチ（いわゆる『１
２肉厚管（１２　ｗａｌｌ　ｔｕｂｅ）　Ｊ　）にする
ことが出来る。

第５図乃至第７図は、ヘッダー本体３６の他の実施例を
示している。この実施例では、一方の開口部が他方の開
口部の上に配置した第４図の例と異なり、開口部５１及
び５２が横に並んだ配置となっている。いずれの場合も
、開口部５１及び５２は、マニホルド板３７にドリル又
は穿孔機で穴をあけることによって形成される。好まし
くは、開口部の内（ｉｌｌ端部にわずかな丸溝を形成し
て、内管を所定の位置に固定する前にこれらの管を取り
付け易くする。

ヘッダー本体３６の一部としてマニホルド板３７を一体
に形成することは、『スビニングｊという周知の技術に
よって行うことが出来る。この方法は、開口円筒部材の
端部にスビニングマリット（ｓｐｉｎｎｉｎｇ　ｗａｌ
ｌｅｔ）を使用して、連続的に開口円筒部材の軸上への
スビニングを行い、その端部を徐々に折り曲げていくこ
とを含む。最後に、折り曲げられた端部をその中心に接
近させ、その結果、（ろう付け材料を流し込むことによ
って閉じることが出来るような非常に小さい穴が中央に
形戊されるが、それを除けば）マニホルド板３７が一方
の側から他方の側に連続的に形成され、また、マニホル
ド板３７の厚さはヘッダー本体３６の厚さと実質的に同
じになる。

ヘッダー本体３６の厚さは、従来のマニホルド板と比べ
て比較的薄いので、一体に形成されたマニホルド板３７
の厚さは比較的薄い（即ち、それらは実質的に同じであ
る）。第５図乃至第７図に示すような２本の内管だけを
使用する場合のように、ヘッダー本体３６が比較的小さ
い場合には、マニホルド板３７は、薄くても高圧に耐え
るような十分な強度を有することが出来る。しかし、使
用する内管の数が多く、マニホルド板３７の直径を大き
くしなければならない場合には、比較的薄い肉厚のマニ
ホルド板３７を使用しなければならいという問題を生ず
る。

この点について、第８図に周方向に離れて配置する多数
（例えば９本）の内管５３、５４及び５５を内在する大
径のヘッダー３６を示す。上述した方法によって、マニ
ホルド板３７の開口部内に肉厚の薄い内管をろう付けす
る。内側の流路に高い圧力が加えられる場合には、キャ
ップ４８及びマニホルド板３７は、点線で示すように、
略球形に変形し易い。キャップ４８及びマニホルド板３
７がこのように変形すると、内管５３、５４及び５５は
、点線で示すように外側に弓形に変形し易い。また、マ
ニホルド板３７の開口部内に内管をろう付けする工程に
おいて、内管の端部を加熱すると、『熱影響部』として
知られている距離だけ、内管に沿って熱が長手方向に伝
えられることも認識する必要がある。この工程では、『
熱影響部』において銅の焼きなましが行われ、その部分
が弱められる。上述したような屈曲範囲が、加えられる
力に耐えられない内管の弱い部分に達すると、第８図の
点５７で示すように曲がって、その部分が破損する。こ
のような破損によって、内側流路と外側流路の間の完全
性が失われ、装置の破壊を生ずる。

この問題を解決するために、本発明の変形例では、第９
図乃至第ｌｌ図に示すように、マニホルド板３７の開口
部５９に多数の補強スリーブ５８が挿入されている。内
管５３、５４及び５５は、補強スリーブ５８内に挿入さ
れて、所定の位置にろう付けされる。補強スリーブ５８
の外径はマニホルド板の開口部５９内に比較的緊密に適
合する大きさであり、内径は内管５３を中心に位置させ
る程度に内管５３と緩く適合する大きさである。

第１ｌ図に示すように、組立て工程を容易にするために
、開口部５９内に適合する補強スリーブ５８の一端に、
丸溝６１を形成するのが好ましい。

補強スリーブ５８の長さは、熱影響部の弱い部分を越え
る範囲まで内管の補強を行うように選択することが出来
る。

組立ては、以下のような方法で行うのが好ましい。ジャ
ケットから突出する多数の内管５３、５４及び５５を一
緒に圧搾して、その上に、内管５３、５４及び５５の端
部がマニホルド板３７の開口部５９から突出するように
、ヘッダー本体３６を配置させる。その後、内管５３、
５４及び５５と重なり合うように補強スリーブ５８を開
口部５９内に挿入し、マニホルド板３７の外面に丸溝６
ｌが支持されるようになるまで、補強スリーブ５８を挿
入する。その後、補強スリーブ５８を開口部５９内にろ
う付けし、内管５３、５４及び５５を補強スリーブ５８
内にろう付けする。これらは、すべてマニホルド板３７
の外側で行われ、すべての部材を容易に取り付けること
が出来る。マニホルド板３７上のろう付けは、誘導加熱
ろう付けによって、実質的に同時に行うことが出来る。

その後、第４図に示すように、キャップ４８を取り付け
、ヘッダー本体３６にろう付けする。また、第４図に示
すように、ヘッダー本体３６の端部をジャケットにろう
付けする。スタップ管４６は、上記工程の前又は後に、
ヘッダー本体３６の側面の開口部にろう付けすることが
出来る。

［発明の効果］上述したように、本発明によれば、ヘッグーに分離板／
マニホルド板をろう付けする必要がなくなるので、比較
的薄い肉厚の内管を使用することができ、誘導加熱ろう
付けによって、その内管をマニホルドの開口部に容易に
ろう付けすることが出来る。また、補強スリーブにより
、比較的薄い肉厚の分離板／マニホルド部材が高圧下で
変形して薄肉管が損傷するのを防ぐことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のチューブ−イソ−チューブ型の熱交換器
の断面図、第２図は本発明によるチューブ−イソ−チューブ型の熱
交換器の側面図、第３図は第２図の熱交換器の平面図、第４図は第２図の熱交換器の端部に配置されたヘッダー
部材の断面図、第５図は第２の実施例によるヘッダー部材の正面図、第６図は第５図のヘッダー部材の側面図、第７図は第５
図の■−■線断面図、第８図は力が加えられた場合のヘッダー部材の変形を示
す図、第９図は第３の実施例によるヘッダー部材の正面図、第１０図は第９図のヘッダー部材の部分断面側面図、第１上図は本発明によるスリーブ部を示す部分断面側面
図である。９・・・人口１・・・排出口２・・・スタップ管開口部３・・・スタップ排出口４・・・ヘッダー部材６・・・ヘッダー本体７・・・マニホルド板８、３９、５３、５４、５５・・・内管１・・ジャケッ
ト２、４３、５１、５２、５９・・・開口部４、４７、４
９・・接合部６・・・スタップ管８・・・キャップ８・・・補強スリーブＬ・・・丸溝２６、２７・・・ヘッダー２８・・・熱交換器コイルＦ／Ｇ．５ＦＩＧ、？ＦＩＧ，　６

Claims

【特許請求の範囲】

（１）チューブ−イソ−チューブ型の熱交換器内の外側
流路と内側流路の間を接続するヘッダー装置において、管状のヘッダー本体とキャップから成り、前記ヘッダー本体にはジャケットに接続するための開口
端部が形成され、該ジャケットとヘッダー本体によって
外側流路が形成され、該ジャケットとヘッダー本体内に
は内側流路を形成する少なくとも一つの内管が配置され
、前記ヘッダー本体には外側流路と内側流路の間の境界を
画する閉端部が一体に形成され、該閉端部には少なくと
も一つの開口部が形成され、前記内管の開口端部が前記
閉端部の一方の側において前記内側流路の一部に連通す
るように前記内管が前記開口部内に挿入され、前記キャップが、前記閉端部において前記ヘッダー本体
に連結されてその内部に前記内側流路の一部を形成する
とともに、第２の導管に連通する開口部を有することを
特徴とする、熱交換器のヘッダー装置。
（２）前記内管の肉厚が、０．０１６インチ以下の厚さ
であることを特徴とする、請求項１項に記載のヘッダー
装置。
（３）前記閉端部が、前記ヘッダー本体の前記開口部に
対して、実質的に対向する側に配置されることを特徴と
する、請求項１項に記載のヘッダー装置。
（４）前記閉端部が、実質的に平板状であることを特徴
とする、請求項１項に記載のヘッダー装置。
（５）前記ヘッダー装置が、前記内管の外面と前記閉端
部に形成された開口部の内面との間を液密にするシール
手段を有することを特徴とする、請求項１項に記載のヘ
ッダー装置。
（６）前記シール手段が、ろう付け物質から成ることを
特徴とする、請求項５項に記載のヘッダー装置。
（７）前記ろう付け物質が、誘導加熱ろう付け工程によ
って使用されることを特徴とする、請求項６項に記載の
ヘッダー装置。
（８）前記外側流路内に水が流れ、前記内側流路内に冷
媒が流れることを特徴とする、請求項１項に記載のヘッ
ダー装置。
（９）前記ヘッダー装置が、前記内管を取り囲むように
前記閉端部の開口部に隣接して配置されて前記内管の横
方向の変形を防止する補強スリーブを有することを特徴
とする、請求項１項に記載のヘッダー装置。
（１０）前記補強スリーブが、前記閉端部の開口部内に
延在することを特徴とする、請求項９項に記載のヘッダ
ー装置。