JP6086197B2 - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の伝熱管がケース内に収容されたタイプの熱交換器、およびその製造方法に関する。
本出願人は、この種の熱交換器の一例として、特許文献1に記載のものを先に提案している。
同文献に記載の熱交換器は、複数の伝熱管を収容するケースの側壁部の一部をケースの外方に膨出させており、この膨出部を入水用または出湯用のヘッダとして構成している。前記膨出部をヘッダとするための具体的な手段として、複数の伝熱管の端部が貫通するように設定された補助部材を利用し、この補助部材を前記膨出部の内側に接合することによって、前記膨出部の内部と前記ケースの内部との間を仕切っている。
このような構成によれば、ヘッダがケースの側壁部に一体化して設けられているために、部品点数の少数化や全体の小型化を図ることが可能である。また、前記膨出部は、ケースの外方に向けて膨出しているために、たとえば特許文献2とは異なり、ケース内のスペースが狭くなって、伝熱管の配置に大きな制約を受けるといった不具合も回避することができる。
しかしながら、前記従来技術においては、次のように、未だ改善すべき余地があった。
すなわち、前記膨出部の内側には、補助部材を接合する必要があるが、その接合箇所は、ケースの内側に位置することとなる。したがって、前記の箇所の接合手段として、溶接を用いることは難しく、ロウ付けする必要が生じる。ところが、ロウ付けを行なうには、真空炉などの大掛りな設備が必要であるため、その設備コストが高くなる結果、熱交換器の製造コストも高くなる不具合を生じる。また、ケースの内側部分においてロウ付けを行なったのでは、ロウ付けが適正であるか否かの検査も難しいものとなる。したがって、品質管理の面でやや難点がある。
なお、従来においては、特許文献1とは異なり、溶接手段を利用して製造可能な熱交換器は存在するものの、そのような熱交換器は、部品点数が多く、構造が複雑なものとなっている場合が多い。このため、その製造コストはやはり高価なものとなっている。
特開2012−2464号公報 特開2009−162461号公報
本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、部品点数の少数化や構成の簡易化などを適切に図りながらも、ロウ付け以外の接合方法を適用可能とし、容易かつ低コストに製造することが可能な熱交換器、およびその製造方法を提供することを、課題としている。
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
本発明の第1の側面により提供される熱交換器は、複数の伝熱管を内部に収容するケースと、前記複数の伝熱管への入水用または出湯用のヘッダと、を備えており、前記ケースの側壁部には、前記ケースの外方に向けて膨出する筒状の周壁部およびこの周壁部の先端部を塞ぐ先端壁部を有する膨出部が形成されている、熱交換器であって、前記膨出部は、前記側壁部の略全域が前記膨出部にならないように前記側壁部に部分的に、かつ一体的に形成されており、前記複数の伝熱管の端部は、前記膨出部の先端壁部に形成された貫通孔に挿通されて前記先端壁部に接合されており、前記ヘッダは、前記膨出部に対応した開口部を形成する開口縁部を有する内部空洞状とされ、かつ前記開口縁部は、前記膨出部の周壁部に外嵌され、前記ヘッダ内のうち、前記膨出部の前記先端壁部よりも前記ケースの外方側の領域は、前記複数の伝熱管の内部に連通するチャンバとされていることを特徴としている。
このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、複数の伝熱管をケースの側壁部の膨出部に接合する作業は、ケースの外部において行なうことができる。また、前記膨出部に嵌合させたヘッダをケースの側壁部に接合する作業についても、ケースの外部において行なうことができる。したがって、前記した接合作業は、ロウ付けに代えて、たとえば溶接により行なうことが可能となる。その結果、ロウ付け用の大掛りな設備をもたないメーカなどであっても、本発明に係る熱交換器を容易かつ廉価に製造することが可能となる。また、ロウ付け手段を用いて熱交換器を製造することも可能であるが、ロウ付け箇所はケースの外部に位置することとなるため、ロウ付け後の検査なども容易となる利点が得られる。
一方、本発明では、全体の部品点数が少なく、全体の構成を簡素にすることができる。また、膨出部へのヘッダの組み付け方式として、嵌合方式を採用しているために、組み立て作業性もよい。したがって、熱交換器の製造コストをより低減することが可能である。
本発明において、好ましくは、前記膨出部の筒状の周壁部は、前記膨出部の先端側に進むほど外形寸法が小さくなるように傾斜した傾斜部を有し、前記ヘッダの前記開口縁部は、前記傾斜部の外面に当接し、かつこの当接部分において前記ヘッダと前記傾斜部との接合が図られている。
このような構成によれば、ヘッダの開口縁部を膨出部の周壁部に外嵌させる際に、この周壁部に設けられている傾斜部の外面に対し、開口縁部を積極的に押し当てることが可能となる。したがって、そのような押し当て部分には隙間を生じ難くし、湯水漏れなどを防止するのに好ましいものとなる。加えて、前記構成によれば、ヘッダの開口縁部と膨出部の周壁部との嵌合長さを短くすることもできる。ヘッダの開口縁部と膨出部の周壁部とが嵌合する部分においては、それら両部材に挟まれた微小な隙間に、ヘッダ内の湯水が流入して滞留したままとなる虞が強く、この部分に腐食(隙間腐食)を生じ易くなる。これに対し、前記した嵌合長さを短くすることができれば、前記した隙間腐食を生じ難くする効果が得られる。
本発明において、好ましくは、前記ヘッダのうち、前記開口縁部の外周には、前記開口縁部の外方に向けて突出したフランジ部が一体的に形成されている。
このような構成によれば、ヘッダの開口縁部の外周にフランジ部が一体的に形成されていることにより、開口縁部の外形寸法を正確に規定することができ、開口縁部と膨出部との間に隙間を一層生じ難くすることができる。また、開口縁部を膨出部に溶接する際には、フランジ部を溶加棒として役立たせることも可能となる。
本発明において、好ましくは、前記膨出部の筒状の周壁部は、前記周壁部の両端に位置する略半円筒状の左右一対の端部領域と、これら一対の端部領域どうしの間に位置してそれらを繋ぐ上下一対の中間領域とを有し、これら一対の中間領域のそれぞれは、その正面視において外側に膨らむように湾曲した形態とされている。
このような構成によれば、膨出部の筒状の周壁部の全周が、外側に膨らむように湾曲し
た部分によって形成されることとなる。このため、周壁部にヘッダの開口縁部が外嵌されて力が加わった際に、前記周壁部が変形(たとえば、部分的な凹みが発生し、いわゆる波うち状態となる変形)を生じ難くなる効果が得られる。その結果、膨出部とヘッダの開口縁部との嵌合部分に隙間をより生じ難くし、またそれらの部分に安定的に溶接などを施すことが可能となる。
本発明の第2の側面により提供される熱交換器の製造方法は、本発明の第1の側面により提供される熱交換器を製造するための方法であって、複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管を収容するためのケースの一部を構成し、かつ前記ケースの外方に向けて膨出する筒状の周壁部、およびこの周壁部の先端部を塞ぐ先端壁部を有する膨出部が形成されているケースの側壁部と、前記膨出部に対応した開口部を形成する開口縁部を有する内部空洞状のヘッダと、を準備しておくとともに、前記ケースの膨出部は、前記側壁部の略全域が前記膨出部にならないように前記側壁部に部分的に、かつ一体的に形成された構成としておき、前記膨出部の先端壁部に複数の伝熱管を貫通させ、かつこれら複数の伝熱管を前記膨出部に溶接する工程と、この工程の後に、前記膨出部の周壁部に前記ヘッダの開口縁部を外嵌させ、かつこの開口縁部を前記ケースの側壁部に溶接する工程と、を有していることを特徴としている。
このような構成によれば、本発明が意図する熱交換器を容易かつ適切に製造することができる。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。
本発明に係る熱交換器の一例を示す外嵌斜視図である。 (a)は、図1のIIa−IIa断面図であり、(b)は、(a)のIIb−IIb断面図である。 (a)は、図2(b)の要部拡大断面図であり、(b)は、(a)の要部拡大断面図である。 図3(a)に示す構造の分解断面図である。 図1に示す熱交換器に設けられた膨出部の要部正面図である。 図5に示す構成との対比例を示す要部正面図である。 (a)〜(c)は、図1に示す熱交換器のヘッダの製造工程を模式的に示す断面図である。 図7に示した工程との対比例を示す断面図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
図1および図2に示す熱交換器HEは、たとえばガスバーナなどのバーナ(図示略)によって発生された燃焼ガスから熱回収を行なって湯水加熱を行なう用途に好適なものであり、たとえば給湯装置の潜熱回収用の熱交換器として利用される。
この熱交換器HEは、ケース2と、このケース2内に収容された複数の伝熱管1と、これら複数の伝熱管1の下端部および上端部に繋がった入水用および出湯用の一対のヘッダ3(3A,3B)とを具備している。
複数の伝熱管1は、平面視長円状の複数の螺旋状管体を利用して構成されている。これら複数の螺旋状管体は、互いにサイズが異なっており、略同心の重ね巻き状に配されている。各伝熱管1の下部および上部は、略水平に延びる直状管体部10a,10bとされている。図2(b)においては、ケース2内のうち、伝熱管1の上方および下方の隙間が大きく示されているが、好ましくは、これらの隙間はできる限り小さくされる。前記隙間を小さくするための手段としては、たとえば上壁部20aおよび下壁部20bに、伝熱管1
に向けて突出する段部(図示略)を形成する手段を用いることができる。
ケース2は、略直方体状であり、このケース2の本体部20(矩形筒状の胴体部)に加え、一対の側壁部21,22を有している。本体部20および側壁部21,22のそれぞれは、たとえばステンレスなどの金属板を用いて構成されている。ケース2の後壁部20cおよび前壁部20dには、燃焼ガス用の給気口25および排気口26が設けられている。給気口25からケース2内に流入した燃焼ガスは複数の伝熱管1の隙間を通過した後に排気口26に到達するが、その過程において前記燃焼ガスから各伝熱管1により熱回収がなされ、各伝熱管1内を流通する湯水が加熱される。
ケース2の側壁部21には、2つの膨出部22が形成されている。各膨出部22は、側壁部21にプレス加工を施すことにより形成されたものであり、図3によく表われているように、ケース2の外方に向けて膨出する筒状の周壁部22a、およびこの周壁部の先端部を塞ぐ先端壁部22bを有している。複数の伝熱管1は、先端壁部22bに設けられた複数の貫通孔22cに挿入され、かつ先端壁部22bに溶接されている。各伝熱管1の端部が、先端壁部22bを貫通してケース2の外部に引き出された状態(図示された状態)において、各伝熱管1の端部に溶接を施すと、この端部は溶加棒の代わりに溶融され、先端壁部22bと略面一状となる。
膨出部22の筒状の周壁部22aは、この膨出部22の先端側に進むほど周壁部22aの外形寸法が小さくなるように傾斜した傾斜部22a'と、この傾斜部22a'の先端部に繋がった非傾斜部22a"とを有している。非傾斜部22a"は、膨出部22の膨出方向において周壁部22aの外形寸法が一定の部分である。膨出部22の正面視形状は、たとえば図5に示すような形態である。同図に示すように、膨出部22の周壁部22aは、その両端に位置する略半円筒状の左右一対の端部領域A1と、これら一対の端部領域A1どうしの間に位置してそれらを繋ぐ上下一対の中間領域A2,A3とを有している。ここで、上側の中間領域A2は上側に湾曲し、かつ下側の中間領域A3は、下側に湾曲しており、これらはともに外側に膨らんだ形態とされている。このことの作用については後述する。
ヘッダ3は、側壁部21とは別部材を用いて構成されており、図3および図4によく表われているように、膨出部22に対応した開口部32を形成する開口縁部33を前面側に有する内部空洞状の本体部30と、この本体部30の後面側に連結された継手用管体部31とを有している。開口縁部33の外周には、開口縁部の外方に向けて短寸で突出したフランジ部34が一体的に形成されており、開口縁部33の内周には、適当な曲率半径Raの曲面部35が形成されている。
ヘッダ3の開口縁部33は、膨出部22の周壁部22aに外嵌されている。この外嵌に際しては、開口縁部33の先端部内周の曲面部35が、周壁部22aの傾斜部22a'の外面に当接するようにしてなされている。この当接部分にヘッダ3と膨出部22とを接合するための溶接が施されている。ヘッダ3を膨出部22に外嵌した結果、ヘッダ3の開口部32は、膨出部22の先端壁部22bによって塞がれる。このことにより、ヘッダ3内のうち、先端壁部22bよりもケース2の外方側の領域は、各伝熱管1の内部に連通した湯水流通用のチャンバ36となっている。
前記した熱交換器HEは、たとえば次のような方法で製造される。
まず、前記した構成の複数の伝熱管1、ケース2、およびヘッダ3を準備する。
ヘッダ3の本体部30については、たとえば図7に示すような工程で製造する。すなわち、同図(a)に示すように、まず原材料となる平板状の金属板Pに対し、深絞り加工を施す。このことにより、同図(b)に示すように、平板部34Aに繋がったヘッダ中間品
30’を形成する。その後、同図の仮想線L1の位置で平板部34Aを円形状に打ち抜く。すると、同図(c)に示すように、短寸のフランジ部34を有するヘッダ3の本体部30を製造することができる。この本体部30に、継手用管体部31を溶接することにより、ヘッダ3が完成する。
図8は、図7との対比例を示している。図8の製造方法においては、ヘッダ中間品30’を仮想線L2の位置で切断しており、平板部34Aが完全に除去されたヘッダが形成されることとなる。深絞り加工によって形成された深絞り成形部39と平板部34Aとの境界部分B1については、寸法精度を高くすることが可能であるが、図8の製造方法によれば、そのような部分がヘッダに残存しないこととなる。これに対し、図7の製造方法によれば、寸法精度が高い境界部分B1をもつヘッダ3が得られる。なお、本発明においては、図8の製造方法により製造されたヘッダを用いてもよい。
熱交換器HEを組み立てるには、図4に示すように、まずケース2の側壁部21の膨出部22に複数の伝熱管1を貫通させ、側壁部21の外方に各伝熱管1の端部を引き出す。その後、各伝熱管1のうち、先端壁部22bに隣接する部分の全周を先端壁部22bに溶接するが、この溶接は、符号W1で示すように、側壁部21の外方(ケース2の外方)において行なうことができる。既述したように、その際には、伝熱管1の端部を溶加棒として利用することが可能である。
次いで、ヘッダ3の開口縁部33を、膨出部22の周壁部22aに外嵌させる。その後は、図3に示すように、たとえばTIG溶接トーチ9を利用し、開口縁部33の全周を周壁部22aにTIG溶接する。この溶接も、ケース2の外方において行なうことができる。前記した一連の作業は、側壁部21をケース2の本体部20に接合していない状態で行なうことが可能であり、側壁部21にヘッダ3を溶接した後に、複数の伝熱管1をケース2の本体部20内に収容させるようにして側壁部21を本体部20の側部に組み付ければよい。この組み付けに際しては、本体部20に形成されている側部開口に側壁部21を嵌入し、この嵌合部分に溶接を施せばよい。もちろん、これとは異なり、側壁部21を本体部20に組み付けた後に、この側壁部21の膨出部22にヘッダ3を組み付けるといった作業順序にすることもできる。
本実施形態によれば、次のような作用が得られる。
まず、既述したように、熱交換器HEを組み立てて製造する際の各構成部材どうしの接合は溶接手段を用いて簡単に行なうことができる。よって、ロウ付け用の設備は不要とすることができる。また、溶接箇所は、ケース2の外方位置とすることが可能であるため、溶接後において、その接合が適正でるか否かの確認も容易となる。一方、熱交換器HEの部品点数は少なく、全体の構成は簡素である。膨出部22に対するヘッダ3の組み付けは、嵌合方式を採用しているために、組み立て作業性もよい。このようなことから、熱交換器HEの製造コストを低減することができる。
ヘッダ3を膨出部22の周壁部22aに外嵌するための構造として、周壁部22aには、先細状となる傾斜部22a'を形成し、その外面にヘッダ3の開口縁部33を当接させているが、このような構成によれば、開口縁部33の先端部を傾斜部22a'の外面に対して積極的に押し付けることができる。また、傾斜部22a'に当接する開口縁部33は、図7を参照して説明したように、寸法精度を高く設定できる部分(平板部34Aと本体部30との境界部分B1)であり、しかもその内周面は、所定の曲率半径Raの曲面部35であるために、この曲面部35を傾斜部22a'の外面に対して隙間を生じないように密接させることが可能となる。さらに、開口縁部33には短寸のフランジ部34が設けられているが、このフランジ部34は、開口縁部33にTIG溶接を施す際の溶加棒として利用する
ことができる。このようなことから、開口縁部33と膨出部22の周壁部22aとを、隙間のないシール性の高い状態に接合することができる。したがって、チャンバ36内の湯水が外部に漏出することを確実に防止する上で相当に好ましいものとなる。さらに、傾斜部22a'を設けることにより、ヘッダ3と周壁部22との溶接位置を、側壁部21の平面部分から離れた位置に規制することができるので、傾斜部22a'を設けていない場合と比べて、溶接時の平面部分への熱影響を抑制することができ、側壁部21が歪む問題を回避し易くなる。
膨出部22の周壁部22aには、既述したように、傾斜部22a'が設けられているが、このように傾斜部22a'を設けると、その分だけ、非傾斜部22a"の寸法(図3(b)の左右方向の幅)を短くし、膨出部22とヘッダ3との嵌合寸法を短くすることができる。膨出部22とヘッダ3との嵌合箇所においては、それらの部材によって挟まれた微小な隙間(符号n1で示す部分)を生じる。この部分には、チャンバ36内の湯水が流入して滞留することに起因し、いわゆる隙間腐食を生じ易い。これに対し、本実施形態では、非傾斜部22a"の寸法を短くし、前記したような腐食隙間を生じ易い領域が広範囲に形成されないようにすることが可能である。
膨出部22の周壁部22aは、図5を参照して説明したように、左右一対の端部領域A1と、上下一対の中間領域A2,A3がいずれも外側に膨らむように湾曲した形態であるために、この部分にヘッダ3の開口縁部33が外嵌されて力が加えられた際に、周壁部22aが不当に変形することが抑制される。図6は、本実施形態との対比例を示している。図6に示す膨出部22Aにおいては、上下一対の中間領域A2,A3が正面視においてストレートである。このような形態では、膨出部22に力が加わった際に、中間領域A2,A3が内側方向(矢印N1方向)に凹み変形を生じ易く、ヘッダ3の組み付け時において波うった状態となり易い。これでは、溶接が不適切になる虞がある。これに対し、図5に示した本実施形態の構成によれば、そのような不具合を生じ難くすることが可能である。ただし、本発明においては、膨出部として、図6に示したような膨出部22Aを採用してもよい。
上記の例では、接合手段として溶接を用いたが、ロウ付けを用いることもできる。ロウ付けを用いる場合の利点として、フランジ部34を設けることによるロウ材の塗布作業性の向上(フランジ部34をガイドとする)、およびヘッダ3自体の強度向上が図られる。また、周壁部22aに傾斜部22a'を設けることによる利点として、隙間が小さくなることによるロウ付け性の向上が図られる。
本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る熱交換器の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内で種々に設計変更自在である。また、本発明に係る熱交換器の製造方法の各工程の具体的な構成も、種々に変更自在である。
本発明でいう膨出部は、ケースの側壁部からケース外方に向けて膨出する筒状の周壁部と、この周壁部の先端部を塞ぐ先端壁部とを有する形態であればよく、その具体的な膨出寸法などは限定されない。伝熱管は、螺旋状管体を利用したものでなくてもよく、これ以外の種々の伝熱管(たとえば、直状管、U字管、蛇行状のフレキシブル管など)を用いることができる。
本発明においては、熱交換器に複数のヘッダが設けられる場合に、これら複数のヘッダの全てが本発明の意図する構成とされることが好ましいものの、やはりこれに限定されない。たとえば複数のヘッダのうち、一部のヘッダのみが本発明の意図する構成とされ、これ以外の他のヘッダが本発明の意図する構成ではない場合であっても、本発明の技術的範囲に包摂される。ケース内に流入される熱交換対象媒体としては、燃焼ガス以外の流体と
することができる。本発明に係る熱交換器は、潜熱回収用に限らないことは勿論のこと、湯水加熱用途以外の種々の用途に用いることができる。
HE 熱交換器
A1 端部領域(膨出部の周壁部の)
A2,A3 中間領域(膨出部の周壁部の)
1 伝熱管
2 ケース
3(3A,3B) ヘッダ
21 側壁部(ケースの)
22 膨出部
22a 周壁部(膨出部の)
22a' 傾斜部(周壁部の)
22b 先端壁部(膨出部の)
22c 貫通孔
32 開口部(ヘッダの)
33 開口縁部(ヘッダの)
34 フランジ部(ヘッダの)

Claims (5)

  1. 複数の伝熱管を内部に収容するケースと、前記複数の伝熱管への入水用または出湯用のヘッダと、を備えており、
    前記ケースの側壁部には、前記ケースの外方に向けて膨出する筒状の周壁部およびこの周壁部の先端部を塞ぐ先端壁部を有する膨出部が形成されている、熱交換器であって、
    前記膨出部は、前記側壁部の略全域が前記膨出部にならないように前記側壁部に部分的に、かつ一体的に形成されており、
    前記複数の伝熱管の端部は、前記膨出部の先端壁部に形成された貫通孔に挿通されて前記先端壁部に接合されており、
    前記ヘッダは、前記膨出部に対応した開口部を形成する開口縁部を有する内部空洞状とされ、かつ前記開口縁部は、前記膨出部の周壁部に外嵌され、前記ヘッダ内のうち、前記膨出部の前記先端壁部よりも前記ケースの外方側の領域は、前記複数の伝熱管の内部に連通するチャンバとされていることを特徴とする、熱交換器。
  2. 請求項1に記載の熱交換器であって、
    前記膨出部の筒状の周壁部は、前記膨出部の先端側に進むほど外形寸法が小さくなるように傾斜した傾斜部を有し、
    前記ヘッダの前記開口縁部は、前記傾斜部の外面に当接し、かつこの当接部分において前記ヘッダと前記傾斜部との接合が図られている、熱交換器。
  3. 請求項1または2に記載の熱交換器であって、
    前記ヘッダのうち、前記開口縁部の外周には、前記開口縁部の外方に向けて突出したフランジ部が一体的に形成されている、熱交換器。
  4. 請求項1ないし3のいずれかに記載の熱交換器であって、
    前記膨出部の筒状の周壁部は、前記周壁部の両端に位置する略半円筒状の左右一対の端部領域と、これら一対の端部領域どうしの間に位置してそれらを繋ぐ上下一対の中間領域とを有し、
    これら一対の中間領域のそれぞれは、その正面視において外側に膨らむように湾曲した形態とされている、熱交換器。
  5. 請求項1ないし4のいずれかに記載の熱交換器を製造するための方法であって、
    複数の伝熱管と、
    これら複数の伝熱管を収容するためのケースの一部を構成し、かつ前記ケースの外方に向けて膨出する筒状の周壁部、およびこの周壁部の先端部を塞ぐ先端壁部を有する膨出部が形成されているケースの側壁部と、
    前記膨出部に対応した開口部を形成する開口縁部を有する内部空洞状のヘッダと、
    を準備しておくとともに、
    前記ケースの膨出部は、前記側壁部の略全域が前記膨出部にならないように前記側壁部に部分的に、かつ一体的に形成された構成としておき、
    前記膨出部の先端壁部に複数の伝熱管を貫通させ、かつこれら複数の伝熱管を前記膨出部に溶接する工程と、
    この工程の後に、前記膨出部の周壁部に前記ヘッダの開口縁部を外嵌させ、かつこの開口縁部を前記ケースの側壁部に溶接する工程と、
    を有していることを特徴とする、熱交換器の製造方法。
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