JP4785550B2 - 高温度熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、２つの流体間において熱交換を行う熱交換器に関し、特に、高温の流体が流通する高温度熱交換器に関する。

従来、ガスタービンから排出される高温ガスの排熱を回収する場合や、燃料電池において燃料となる水素を生成する場合等において、高温熱交換器が使用されている。

図３に示すように、この種の高温熱交換器１は、複数並設された扁平チューブ２と、扁平チューブ２の端部に設けられる円形ヘッダプレート３と、扁平チューブ２を囲繞するように円筒状に形成されるシェル４とから概略構成されている。

そして、円形ヘッダプレート３には、図４に良く示されているように、扁平チューブ２の端部の形状及び数に合わせて長円形状の貫通孔５が平行に穿設されており、これらの貫通孔５に扁平チューブ２の端部が貫通し、ロウ付けされることにより扁平チューブ２が円形ヘッダプレート３に固定されるようになっている。また、円形ヘッダプレート３の外縁部がシェル４の端部内面に溶接されることにより、円形ヘッダプレート３がシェル４に固定されるようになっている。

シェル４には、両端部にそれぞれ高温ガス入口部６及び高温ガス出口部７が設けられており、高温ガスは各扁平チューブ２内を流通可能となっている。また、シェル４には、周壁部の両端部近傍に低温ガス入口部８及び低温ガス出口部９が設けられており、低温ガスはシェル４内においてその周壁部と扁平チューブ２との間及び各扁平チューブ２間を高温ガスと対向するように流通可能となっている。

このような構成を備えた高温度熱交換器１において、高温ガス入口部６から各扁平チューブ２内に流入した高温流体は、低温ガス入口部８からシェル４内に流入した低温流体と対向する方向に各扁平チューブ２内を流通し、低温流体との間で熱交換を行い、その後、高温ガス及び低温ガスは、それぞれ、高温ガス出口部７及び低温ガス出口部９から外部に排出される。

しかしながら、上記した高温度熱交換器１では、各扁平チューブ２が高温ガスの流通により伸長し、低温ガスが流通するシェル４との間に伸長量に差が生じる結果、扁平チューブ２と円形ヘッダプレート３との接合部において、特に、扁平チューブ２の四隅（図４中のハッチング部分）に応力が集中し、この接合部で亀裂等の接合不良が発生するおそれがあった。

そこで、扁平チューブ２とシェル４との間の伸長量の差を吸収し、扁平チューブ２やシェル４に発生する応力を緩和するため、図３に示すように、シェル４にベローズ１０を設けることも行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−８０２０３号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載されている従来の高温度熱交換器では、シェルや扁平チューブに対する熱応力の発生を緩和するため、シェルにベローズを設ける必要があるため、部品点数や工数が増え、製造コストの増大要因になるといった問題があった。

本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、製造コストの増大を抑制しつつ、扁平チューブやシェルに発生する応力を緩和し、強度を高め、耐久性の向上を図ることのできる高温度熱交換器を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明に係る高温度熱交換器は、複数並設された扁平チューブと、該扁平チューブの端部が貫通し、固定される円形ヘッダプレートと、前記扁平チューブを囲繞するように円筒状に形成され、前記円形ヘッダプレートの外縁部が固定されるシェルとを備え、前記円形ヘッダプレートは、前記扁平チューブの端部が貫通する貫通孔と、該貫通孔の外周近傍部分に形成された平坦面と、該平坦面と前記外縁部との間に形成された傾斜面とを備えていることを特徴とする。

そして、前記高温度熱交換器において、前記貫通孔には、バーリング加工によりフランジ部が形成されていてもよい。

本発明によれば、円形ヘッダプレートには、外縁部から貫通孔の外周近傍部分まで傾斜面が形成されており、円形ヘッダプレートの剛性が弱められるようになっているため、扁平チューブとシェルとの間の伸長量の差によって生じる応力を分散すると共に確実に吸収することができる。したがって、扁平チューブやシェルにおいて応力が集中して発生するのを緩和することができ、扁平チューブの端部と円形ヘッダプレートとの接合部における接合不良や漏れの発生を確実に防止することができるため、熱交換器の強度及び耐久性の向上を図ることができる。

また、扁平チューブやシェルにおける応力の発生を緩和するため、シェルにベローズ等の伸長吸収部材を設ける必要がないため、製造コストの低減化を図ることができる。

さらに、バーリング加工により貫通孔にフランジ部が形成されている場合には、円形ヘッダプレートと扁平チューブ間の接合面積を増大させることができるため、接合部の強度を高めることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る高温度熱交換器の平面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視図である。

この高温度熱交換器１１は、複数（図示では６本）並設された扁平チューブ１２と、扁平チューブ１２の端部１３が貫設される円形ヘッダプレート１４と、扁平チューブ１２を囲繞するように円筒状に形成され、円形ヘッダプレート１４の外縁部１５が端部１６の内面側に固定されるシェル１７とから概略構成されている。

円形ヘッダプレート１４には、扁平チューブ１２の端部１３の形状及び数に合わせて長円形状の貫通孔１８が平行に穿設されている。これらの各貫通孔１８にはバーリング加工によりフランジ部１９が形成されており、各貫通孔１８に扁平チューブ１２の端部１３が貫通し、この端部１３がフランジ部１９とロウ付け接合されることにより、扁平チューブ１２が円形ヘッダプレート１４に固定されるようになっている。このように、バーリング加工により各貫通孔１８にフランジ部１９が形成されることにより、円形ヘッダプレート１４と扁平チューブ１２間の接合面積が増大するため、接合部の強度を高めることができる。

また、円形ヘッダプレート１４の各貫通孔１８の外周近傍部分には、平坦面２０が形成されており、平坦面２０の外周は略正方形状を成し、その四隅部分２１は僅かに外側に突出した円弧状を成している。さらに、円形ヘッダプレート１４には、平坦面２０と環状の外縁部１５との間に傾斜面２２が形成されており、外縁部１５がシェル１７の端部内面に溶接されることにより、円形ヘッダプレート１４がシェル１７に固定されるようになっている。

このような構成を備えた高温度熱交換器１１において、各扁平チューブ１２内に流入した高温流体は、シェル１７内においてその周壁部と扁平チューブ１２との間及び各扁平チューブ１２間を流通する低温流体との間で熱交換を行う。そして、この熱交換の間、各扁平チューブ１２内には高温ガスが流通するため、各扁平チューブ１２は、低温ガスが流通するシェル１７より伸張量が大きい。そのため、各扁平チューブ１２とシェル１７との間で伸長量に差が生じるが、円形ヘッダプレート１４には外縁部１５から貫通孔１８の外周近傍部分まで傾斜面２２が形成されており、円形ヘッダプレート１４の剛性が弱められているため、応力が分散し、前記伸長量の差は円形ヘッダプレート１４により確実に吸収される。

したがって、扁平チューブ１２やシェル１７に対する応力の集中を緩和することができ、扁平チューブ１２の端部１３と円形ヘッダプレート１４との接合部の四隅部分２１等において亀裂等による接合不良や漏れの発生を防止することができるため、熱交換器の強度を高め、耐久性の向上を図ることができる。さらにまた、扁平チューブ１２やシェル１７における応力の発生を緩和する目的でシェル１７にベローズ等の伸長吸収部材を設ける必要がないため、製造コストの低減化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る高温度熱交換器を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 従来例を示す断面図である。 従来例の円形ヘッダプレートを示す平面図である。

符号の説明

１１ 高温度熱交換器
１２ 扁平チューブ
１３ 端部
１４ 円形ヘッダプレート
１７ シェル
１８ 貫通孔
１９ フランジ部
２０ 平坦面
２２ 傾斜面

Claims (2)

1. 複数並設された扁平チューブと、
   該扁平チューブの端部が貫通し、固定される円形ヘッダプレートと、
   前記扁平チューブを囲繞するように円筒状に形成され、前記円形ヘッダプレートの外縁部が固定されるシェルと、
   を備え、
   前記円形ヘッダプレートは、前記扁平チューブの端部の形状及び数に合わせて平行に穿設された複数の長円形状の貫通孔と、該貫通孔の外周近傍部分に形成された平坦面と、該平坦面と前記外縁部との間に形成された傾斜面とを備え、前記平坦面の外周は略正方形状を成し、その四隅部分は外側に突出した円弧状を成していることを特徴とする高温度熱交換器。
2. 前記貫通孔には、バーリング加工によりフランジ部が形成されている請求項１に記載の高温度熱交換器。

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