JP5764116B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、熱交換器に関し、特にコアに対するヘッダータンクの溶接構造に関する。

例えば特許文献１に記載されているように、プレートフィン型熱交換器においては、多数のプレートを積層し一体化したコアに対して、別途、成形をしたヘッダータンクを溶接によって取り付けるようにしている。具体的には、ヘッダータンクの開口縁部の全周に亘って、ヘッダータンクの内面から外面に向かって所定の開先角度で傾斜した開先を設け、このヘッダータンクの開口縁部の全周を、タンクの外側から溶接するようにしている。

特開２００２−１１５７３号公報

ところで、大型熱交換器や高圧熱交換器、又は高温熱交換器では、ヘッダータンクの板厚が、強度確保のために分厚くなり、板厚の増大に伴い、溶接ビードも大型化することになる。尚、ここで言う溶接ビードの大型化とは、コアの取付面に対し、ヘッダータンクの開口縁部がほぼ垂直に配置される溶接箇所の横断面において、開先溶接の溶接ビードの断面積が大きくなることを意味する。例えば図３にも示すように、ヘッダータンク３の板厚ｔが分厚くなることで、ヘッダータンク３の内面から外面まで、所定の開先角度θ１で傾斜して設けられる開先３４の板厚方向の幅が大きくなることに伴い、溶接ビード３６の断面積が大きくなるのである。

ところが、溶接ビード３６が大型化すると、溶接時間の増大に伴い入熱も大きくなる結果、図３に一点鎖線で例示するように、コア２において、熱の影響を受ける範囲が広くなると共に、溶接箇所付近の温度もより一層高くなり得る。従来では、そうした熱の影響に対して、コア側に対策を講じておく場合があった。しかしながら、そのような対策を省略したいという要求がある。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱交換器のコアにヘッダータンクを溶接により接合する構造において、溶接に対するコア側の熱の対策を省略することにある。

本願発明者は、ヘッダータンクの板厚は、ノズルの取付箇所に貫通孔を設けることに伴う強度低下を補うために、一段と分厚くなっている点に着目した。つまり、仮に貫通孔が設けられないのであれば、ヘッダータンクの板厚をｔ１にすれば強度が確保できるところ、貫通孔を設けることによる肉の減少分を補うために、ｔ１よりも分厚い板厚が必要になるのである。ところが、そのような分厚い板厚が必要となるのは、ノズルの取付箇所の近傍だけであり、コアに対して溶接される開口縁部付近では、ヘッダータンクの板厚はｔ１で済む。そこで、本願発明者は、ヘッダータンクにおける開口縁部に、ヘッダータンクの外面から内面に向かって傾斜する第２の傾斜部を設けることによって、開先の板厚方向の幅が小さくなるようにし、それによって、溶接ビードを小さくかつ、溶接時の入熱も少なくなるようにした。

具体的に、ここに開示する技術は、熱交換器に係り、この熱交換器は、コアと、前記コアに対して、その開口縁部の全周に亘って溶接されるヘッダータンクと、を備える。そして、前記ヘッダータンクの開口縁部の全周には、所定の開先角度で、当該ヘッダータンクの内面から外面に向かって傾斜する開先が設けられていると共に、前記ヘッダータンクの開口縁部の少なくとも一部には、前記所定の開先角度よりも大きい角度で前記ヘッダータンクの前記外面から前記内面に向かって傾斜することによって、前記ヘッダータンクの板厚を所定の板厚まで減らす第２の傾斜部が設けられ、前記溶接は、前記開先の部分にのみ行われている第２の傾斜部が設けられている。

この構成によると、コアに対して溶接により取り付けられるヘッダータンクの開口縁部には、その全周に亘って溶接開先が設けられている。開先は、ヘッダータンクの内面から所定の開先角度で傾斜するように設けられる。

そして、前記の構成では、開先が設けられたヘッダータンクの開口縁部の少なくとも一部には、所定の開先角度よりも大きい角度でヘッダータンクの外面から内面に向かって傾斜する第２の傾斜部を設ける。第２の傾斜部は、開先に連続するように設けてもよいし、不連続となるように設けてもよい。コアに対するヘッダータンクの溶接は、開先の部分に対して行うが、第２の傾斜部を設けた箇所においては、開先の板厚方向の幅が小さくなるから、溶接ビードが小型化すると共に、溶接時の入熱も少なくなる。その結果、コアにおいて熱影響を受ける範囲が、第２の傾斜部を設けない場合と比較して縮小しかつ、コア側の温度上昇も、第２の傾斜部を設けない場合と比較して抑制される。その結果、コア側において、溶接に対する熱の対策が不要になる。

また、第２の傾斜部の傾斜角度を比較的大きくすることにより、ヘッダータンクにおける板厚の減少率が小さくなり、強度確保の点で有利になる。尚、第２の傾斜部を設ける箇所の開先部分において、必要な板厚を確保すべきことは言うまでもない。

すなわち、前記ヘッダータンクの板厚は、必要強度を確保するために設定される第１の板厚に、当該ヘッダータンクに流体の通過孔を貫通形成することに伴う補強分の第２の板厚を加えて設定されており、前記第２の傾斜部は、前記ヘッダータンクの板厚を、第１及び第２を合わせた板厚から第１の板厚まで減らすように設けられていることが好ましい。

ここで、第１の板厚は、通過孔が貫通形成されていない条件下で、タンク内圧及び／又は外圧に対抗することができる最低板厚以上で、適宜の板厚に設定すればよい。

こうすることで、開先の部分においては、タンク内圧及び／又は外圧に対抗するために必要な第１の板厚が確保されているから、ヘッダータンクの必要強度を確保しつつ、溶接ビードが小型化する。

第２の傾斜部は、前記ヘッダータンクの開口縁部の全周に亘って設けられている、としてもよい。

また、第２の傾斜部は、前記ヘッダータンクの開口縁部において、特にコアへの熱影響を小さくしたい箇所のみに設けてもよい。こうすることで、第２の傾斜部を設ける加工の手間を軽減することが可能になる。

前記コアは、積層した複数のプレートを、ろう付けにより一体化したプレートフィン型である、としてもよい。

前述したように、ヘッダータンクの開口縁部の少なくとも一部に第２の傾斜部を設けることによって、ろう付け一体化したプレートフィン型のコアにおいて、熱の対策が不要になる。

以上説明したように、前記の熱交換器によると、ヘッダータンクの開口縁部の少なくとも一部に、ヘッダータンクの外面から内面に向かって傾斜する第２の傾斜部を設けることによって、開先の板厚方向の幅が小さくなり、溶接ビードが小さくかつ、溶接時の入熱も少なくなる。その結果、コアにおいて熱影響を受ける範囲が縮小しかつ、温度上昇を抑制することができ、溶接に対するコア側の熱の対策が不要になる。

熱交換器におけるヘッダータンクの取付部分を概念的に示す断面図である。 ヘッダータンクの溶接箇所を拡大して示す断面図である。 溶接箇所の従来構造を示す図２対応図である。 熱交換器の製造手順を示す説明図である。 （ａ）第２の傾斜部の傾斜角度として好ましい角度を説明する概念図、（ｂ）開先と第２の傾斜部とが不連続であるときの、第２の傾斜部の好ましい傾斜角度を説明する概念図である。

以下、熱交換器１の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の実施形態の説明は例示である。図１は、熱交換器１におけるヘッダータンク３の取付部分を概念的に示す図である。熱交換器１は、第１流体と第２流体との間で熱交換を行うコア２と、コア２に第１又は第２流体を、流入又は流出させるためのヘッダータンク３と、を備えて構成されている。図１においては、特定のヘッダータンク３のみを示しているが、この熱交換器１には、図示するヘッダータンク３とは別のヘッダータンクを、少なくとも１つ備えている。尚、ここに開示する技術は、３種類以上の流体が通過するコアにおいても適用可能である。

コア２は、詳細な図示は省略するが、第１流体が流れる第１流路と、第２流体が流れる第２流路とを、一次伝熱面としてのチューブプレートによって区画しながら交互に積層して構成されている。第１及び／又は第２流路内には、拡大伝熱面としてのコルゲートフィンが配設される場合がある。こうしたコア２は、例えば、チューブプレート等を積層し、それらをろう付けによって一体化することにより構成される。つまり、コア２は、プレートフィン型のコアとしてもよい。

ヘッダータンク３は、コア２における第１又は第２流路の入口又は出口に取り付けられ、第１又は第２流体を分散してコア２に流入したり、コア２から流出した第１又は第２流体を集合して、排出したりする機能を有している。ヘッダータンク３は、図４にも例示するように半円筒型でかつ下側が開口した本体３１と、当該本体３１に対して取り付けられたノズル３２とを有して構成されている。本体３１において、ノズル３２が取り付けられる箇所には、ノズル３２に連通する貫通孔３３が形成されている。ヘッダータンク３は、その開口縁部が全周に亘って、ヘッダータンク３の外側から溶接されることによって、コア２に取り付けられている。この溶接構造についての詳細は後述する。

ここで、図１、２に示すように、ヘッダータンク３の板厚ｔは、仮にノズル３２に連通する貫通孔３３が形成されていないと仮定した場合に、内圧Ｐ及び／又は外圧等に抗することができる第１の板厚ｔ１と、貫通孔３３が形成されることに伴い、ノズル３２付近において強度が減少することを補うための第２の板厚ｔ２との和として設定されている。尚、第１の板厚ｔ１は、タンク内圧及び／又は外圧に対抗することができる最低板厚以上で、適宜設定される。ヘッダータンク３は、その成形性の観点から、一定板厚となるように構成されているが、ヘッダータンク３の板厚は、ノズル３２が取り付けられた付近においては、ｔ１＋ｔ２＝ｔが必要になる一方で、コア２に対して溶接される開口縁部においては、板厚ｔ１を確保すれば、内圧等に対し十分な強度を確保することが可能になる。

そこで、この熱交換器１では、ヘッダータンク３の溶接を行う開口縁部においては、溶接に必要な開先加工に加えて、開先３４に連続する第２の傾斜部３５を設けることによって、開先３４の板厚方向の幅を小さくしている。

具体的には、図２に示すように、ヘッダータンク３の開口縁部の全周に亘って、ヘッダータンク３の内面から外面に向かって、所定の開先角度θ１で傾斜した開先（第１の傾斜部）３４を設ける。この開先角度θ１は、溶接条件等に応じて適宜の範囲に設定することが可能である。そうして形成した開先３４に連続するように、第２の傾斜部３５を設ける。第２の傾斜部３５は、開先の角度θ１よりも大きい角度θ２となるように設定されており、ヘッダータンク３の外面まで続いている。第２の傾斜部３５は、ヘッダータンク３の板厚をｔからｔ１に減少させていることと等価であるため、板厚の急変を招かないような大きさの傾斜角度θ２に設定することが好ましい。例えば、図５（ａ）に概念的に示すように、第２の傾斜部３５は、板厚の減少分ｔ２に対して、ｔ２×３倍以上の長さで傾斜するような角度θ２に設定することが望ましい。

こうして第２の傾斜部３５を設けることによって、その分だけ、開先３４の板厚方向の幅が小さくなる。図２に示すように、ヘッダータンク３のコア２に対する溶接は、コア２の表面に対して、ヘッダータンク３の開口縁部をほぼ直交するように配置した状態で、ヘッダータンク３の開先部分についてのみ、ヘッダータンク３の外側から行うことになる（尚、図２では図示しないが、ヘッダータンク３の溶接箇所に裏当て金を設けてもよい）。このため、開先３４の板厚方向の幅が小さくなることに伴い、溶接ビード３６は小型化する。ここで図３は、第２の傾斜部３５を設けずに、ヘッダータンク３の内面から外面まで開先３４を設けた場合の溶接構造を示している。尚、ヘッダータンク３の板厚ｔは、図２及び図３で同じであり、開先３４の角度θ１もまた、図２及び図３で同じである。図３から明らかなように、ヘッダータンク３の板厚ｔが分厚くなると、開先３４の板厚方向の幅が大きくなることに伴い溶接ビード３６が大型化し、溶接時の入熱も増えることになる。その結果、図３に一点鎖線で例示するように、コア２において熱影響を受ける範囲が大きくなりかつ、その温度上昇も大きくなる。

これに対し、図２に示す溶接構造においては、第２の傾斜部３５を設けることによって溶接ビード３６が小型化すると共に、溶接時の入熱も少なくなる。その結果、コア２における熱影響を受ける範囲は小さくなり、しかも、コア２における温度上昇も抑制される。こうして、コア２において、溶接に対する熱の対策を省略することが可能になる。しかも、開先３４の箇所においてはヘッダータンク３の板厚ｔ１が確保されているため、十分なタンク強度が得られる。

また、ヘッダータンク３に第２の傾斜部３５を設けて溶接ビード３６を小型化することは、コア２における溶接代が少なくて済むという利点もある。このことは、図１に例示するように、ヘッダータンク３をコア２の端に取り付けるため、溶接代を十分に確保できないような場合においても、所望の溶接強度を確保することができるようになる。

ここで、図４を参照しながら、熱交換器１の製造手順について説明する。先ず、工程Ｐ１においては、板材を所定形状となるように曲げ加工等を行うと共に、各部品を溶接接合することによって、ヘッダータンク３の本体３１を作成する。また、工程Ｐ２においては、管材を所定形状となるように整形加工することによって、ヘッダータンク３のノズル３２を作成する。そうして、工程Ｐ３において、作成した本体３１とノズル３２とを溶接により接合することで、ヘッダータンク３が完成する。こうして完成したヘッダータンク３の開口縁部に、図示は省略するが、開先加工を施すと共に、第２の傾斜部３５を設ける（工程Ｐ４）。ここで、第２の傾斜部３５は、ヘッダータンク３の開口縁部の全周に亘って設ける他にも、コア２において熱影響を小さくしたい箇所についてのみ、第２の傾斜部３５を設けてもよい。例えば、４つの辺によって四角に構成されるヘッダータンク３の開口縁部において、特定の辺の縁部についてのみ、第２の傾斜部３５を設けてもよい。開先３４も、第２の傾斜部３５も、ヘッダータンク３の開口縁部に沿って直線状に加工されるため、比較的容易に形成可能である。

一方、詳細な図示は省略するが、工程Ｐ５では、所定の形状に切り出されたチューブプレート等を積層し、それらをろう付けによって一体化することでコア２が完成する。

こうして完成したコア２の所定箇所に対して、ヘッダータンク３を溶接することにより、熱交換器１が完成する（工程Ｐ６参照）。

このように、ここで説明をした熱交換器１は、ヘッダータンク３の溶接に伴うコア２への熱影響をできるだけ小さくしているから、特に、大型熱交換器や高圧熱交換器、又は高温熱交換器等の、ヘッダータンク３の板厚が分厚くなる熱交換器１において有効である。

尚、前記の例では、第２の傾斜部３５を、開先３４に連続して設けているが、図５（ｂ）に概念的に示すように、第２の傾斜部３５を開先３４とは不連続にしてもよい。この場合においても、第２の傾斜部３５の傾斜角度θ２の設定は、前記と同様である。また、開先３４と第２の傾斜部３５との間隔Ｌは、適宜設定することが可能である。

また、コア２は、前述したように、チューブプレート等をろう付け一体化したプレートフィン型のコア２の他に、別の構成のコアを採用することも可能である。

以上説明したように、ここに開示した熱交換器は、特にヘッダータンクの板厚が分厚くなり得る、大型熱交換器や高圧熱交換器、又は高温熱交換器に有効である。

１ 熱交換器
２ コア
３ ヘッダータンク
３４ 開先
３５ 第２の傾斜部
ｔ１ 第１の板厚
ｔ２ 第２の板厚
θ１ 開先角度
θ２ 第２の傾斜部の角度

Claims (3)

1. コアと、
   前記コアに対して、その開口縁部の全周に亘って溶接されるヘッダータンクと、を備え、
   前記ヘッダータンクの開口縁部の全周には、所定の開先角度で、当該ヘッダータンクの内面から外面に向かって傾斜する開先が設けられていると共に、前記ヘッダータンクの開口縁部の少なくとも一部には、前記所定の開先角度よりも大きい角度で前記ヘッダータンクの前記外面から前記内面に向かって傾斜することによって、前記ヘッダータンクの板厚を所定の板厚まで減らす第２の傾斜部が設けられ、
   前記溶接は、前記開先の部分にのみ行われている熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記コアは、積層した複数のプレートを、ろう付けにより一体化したプレートフィン型である熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器において、
   前記第２の傾斜部は、前記ヘッダータンクの開口縁部の全周に亘って設けられている熱交換器。

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