JP6409453B2 - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば給湯装置の構成要素などとして用いられる熱交換器の製造方法に関する。

本出願人は、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、この膨出部に補助部材を嵌合させることにより、内部にチャンバが形成された入水用または出湯用のヘッダを構成している。前記膨出部の先端壁部には、複数の伝熱管を溶接し、これらの伝熱管の内部をチャンバに連通させている。
このような構成によれば、前記ヘッダを利用し、複数の伝熱管に対する湯水の流入出を適切に行なわせることが可能であることは勿論のこと、前記ヘッダは、ケースの側壁部を利用して形成されているために、部品点数の少数化や全体の小型化を図ることができる。また、製造コストの低減化も好適に図ることができる。

しかしながら、従来においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

すなわち、前記した熱交換器を製造する場合、ケースの側壁部に膨出部を形成しているが、従来においては、前記膨出部のサイズは、ケースに収容される伝熱管の本数に対応したものとされているのが実情であった。具体的には、ケースに収容される伝熱管の本数は、熱交換器として求められる熱交換能力に応じて増減変更され、伝熱管の本数がたとえば６本である場合には、膨出部のサイズはこれら６本の伝熱管を接合し得るサイズとされる。これに対し、伝熱管の本数がたとえば４本である場合には、膨出部のサイズは４本の伝熱管を接合し得るサイズとされるものの、伝熱管の本数が６本の場合よりも４本の場合の方が膨出部のサイズが小さくされている。このような手段によれば、伝熱管の本数と比べてヘッダが無駄に大きくなることを回避し、伝熱管の本数が少ない場合には、ヘッダの小型化を図ることが可能である。
ところが、このような手段によれば、伝熱管の本数が異なるに毎に、それに対応したサイズの膨出部、ひいてはヘッダ全体を作製する必要が生じる。膨出部のサイズを異ならせるには、たとえば膨出部をプレス成形するための型として、サイズが相違する複数種類の型を準備しなければならない。膨出部と組み合わされる補助部材についても、サイズが相違する複数種類のものを準備しなければならない。さらに、補助部材をケースの側壁部に溶接する場合に、その溶接対象のサイズが相違すると、それに対応して溶接箇所（溶接ジグの移動軌跡）にも変更を加えなければならない。これらのことは、熱交換器の製造コストの上昇要因となる。したがって、従来においては、熱交換器の製造コスト低減を促進する上で、未だ改善すべき余地があった。

特開２０１４−７０８４４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、伝熱管の本数が異なる複数種類の熱交換器を、適切かつ廉価に製造することが可能な熱交換器の製造方法を提供することを、その課題としている。

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。

本発明により提供される熱交換器の製造方法は、熱交換器は、複数本の伝熱管を収容するためのケースと、このケースに形成された膨出部および前記ケースに接合された補助部材を組み合わせて構成されたヘッダと、を備えており、かつ前記膨出部の先端壁部と前記補助部材との相互間に流体流入用のチャンバが形成されているとともに、前記膨出部の先端壁部には複数の孔部が設けられ、前記複数の伝熱管は前記複数の孔部に挿入されて前記先端壁部に接合された構成を有しており、前記熱交換器として、前記伝熱管の本数が異なる複数種類の熱交換器を製造するための方法であって、前記複数種類の熱交換器のいずれを製造する場合においても、前記膨出部としては、最大予定使用本数の伝熱管を接合可能であって、形状およびサイズが同一とされた膨出部を形成し、前記複数の孔部としては、前記伝熱管の実際の使用本数および配置に対応した複数の孔部を設け、前記膨出部の先端壁部には、前記最大予定使用本数の伝熱管を接合可能とする伝熱管接合可能領域が設けられており、前記伝熱管の実際の使用本数が前記最大予定使用本数よりも少ないことにより、前記伝熱管接合可能領域に前記伝熱管が接合されない箇所が生じる場合には、その箇所に補強用の凸状部を形成することを特徴としている。
ここで、「最大予定使用本数」とは、前記複数種類の熱交換器のそれぞれにおいて使用されることが予定されている伝熱管本数のうち、数値が最大の本数である。

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、前記構成においては、ケースに実際に収容される伝熱管の本数が最大予定本数よりも少ない場合であっても、膨出部に設けられる複数の孔部の数や配置を変更することによって好適に対応しており、ケースに形成される膨出部としては、伝熱管の本数が最大予定本数の場合と同一構成の膨出部を形成すればよいこととなる。伝熱管の使用本数が異なる毎に、それに対応したサイズの膨出部を個別に形成する必要はない。このため、膨出部をプレス成形するための型としては、１種類の型を準備すればよく、複数種類の型を準備する必要はなくなる。また、ヘッダを構成すべく膨出部と組み合わされる補助部材についても、膨出部のサイズに応じて複数種類準備する必要はなくなり、１種類の補助部材のみでよい。さらに、補助部材をケースに溶接する場合の溶接箇所（溶接ジグの移動軌跡）に変更を生じることもなく、前記溶接作業を容易に行なうことも可能となる。このようなことから、本発明によれば、熱交換器の製造コストを前記従来技術よりもさらに低減することが可能となる。

またこのような構成によれば、凸状部の存在により、前記膨出部の先端壁部の強度を高めることができる。ヘッダに接続された配管経路において、たとえばウォータハンマが発生した場合にはヘッダのチャンバ内に急激かつ大幅な圧力上昇を生じるが、このようなことに起因して伝熱管が接合されている膨出部の先端壁部に大きな撓み変形などを生じることは適切に回避する必要がある。先端壁部には伝熱管が接合されており、この接合箇所に大きな応力が発生することを回避することが望まれるからである。これに対し、前記構成によれば、膨出部をさほど厚肉に形成することなく、前記した現象に十分に耐え得る強度を確保することが可能となる。

本発明において、好ましくは、前記ケースとしては、前記複数の孔部に関する構成を除き、形状、サイズ、および材質が同一のケースを用いる。

このような構成によれば、使用するケースの統一化、共用化も図られ、伝熱管の本数に応じてサイズなどが異なる複数種類のケースを作製する必要が無くなる。したがって、製造コストの低減化をより促進することが可能である。

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。

(ａ)は、熱交換器の一例を示す外観斜視図であり、(ｂ)は、(ａ)の一部分解斜視図である。 （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IIIb−IIIb断面図である。 （ａ），（ｂ）は、図３（ａ），（ｂ）に示す構造の分解断面図である。 （ａ）は、熱交換器の他の例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す熱交換器の膨出部およびその付近の要部正面図である。 （ａ）は、熱交換器の他の例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す熱交換器の膨出部およびその付近の要部正面図である。 （ａ）は、本発明の一例を示す要部正面図であり、（ｂ）は、（ａ）のVIIb−VIIb断面図である。 （ａ）は、本発明の他の例を示す要部正面図であり、（ｂ）は、（ａ）のVIIIb−VIIIb断面図である。 （ａ）は、熱交換器の他の例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIXb−IXb 断面図であり、（ｃ）は、その側面図である。 （ａ）は、熱交換器の他の例を示す正面断面図であり、（ｂ）は、その側面図である。

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。

本実施形態においては、図１〜図４に示す第１の熱交換器Ａ１、図５に示す第２の熱交換器Ａ２、および図６に示す第３の熱交換器Ａ３を製造する場合を一例として説明する。第１ないし第３の熱交換器Ａ１〜Ａ３のうち、第１の熱交換器Ａ１における伝熱管１の本数が最多（たとえば６本）であり、本発明でいう伝熱管の最大予定使用本数は、６本である。
以下、第１ないし第３の熱交換器Ａ１〜Ａ３のそれぞれの構成および製造方法について説明する。

〔第１の熱交換器Ａ１およびその製造方法〕
図１および図２に示す第１の熱交換器Ａ１は、たとえば給湯装置における潜熱回収用の熱交換器であり、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用いられる。
この第１の熱交換器Ａ１は、前記特許文献１に記載された熱交換器とその基本的な構成は同様であり、ケース２、このケース２内に収容された複数本（６本）の伝熱管１、およびこれら複数本の伝熱管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Ｈ（Ｈａ，Ｈｂ）を具備している。

複数本の伝熱管１は、平面視略矩形状または略長円状に形成された複数の螺旋状管体を利用して構成されたものであり、これら複数の螺旋状管体は、互いにサイズが異なり、か
つ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。

ケース２は、略直方体状であり、矩形筒状の胴体部としてのケース本体部２０と、このケース本体部２０の幅方向両端開口部を塞ぐ一対の側壁部２１，２１ａとを組み合わせて構成されている。ケース本体部２０および側壁部２１，２１ａ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には、給気口２５が設けられており、この給気口２５からケース２内に流入した燃焼ガスは、複数本の伝熱管１の隙間を通過した後に前壁部２０ｄに設けられている排気口２６に到達する。こ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および図４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。複数本の伝熱管１は、先端壁部２２ｂに設けられた複数の孔部２３に挿入され、かつ先端壁部２２ｂに溶接されている（符号Ｗ1は、その溶接部分を示す）。第１の熱交換器Ａ１の場合、伝熱管１の本数および孔部２３の数は、たとえば「６」であり、先端壁部２２ｂは、６本の伝熱管１を所定の配列で溶接可能とし、かつその際に先端壁部２２ｂに無駄にスペースを大きく生じさせない合理的なサイズに形成されている。

ヘッダＨは、補助部材３を膨出部２２に外嵌し、かつ溶接することによって構成されている。補助部材３は、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とを有する部材である。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いる。膨出部２２に対する補助部材３の外嵌は、補助部材３の開口縁部３３の先端部内周面が、周壁部２２ａの基部の外面に当接するようにしてなされ、これらの当接部分に溶接が施されている（符号Ｗ２は、その溶接部分を示す）。このような構成により、補助部材３の内部のうち、先端壁部２２ｂに対面する領域は、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。

前記した第１の熱交換器Ａ１は、次のような方法で製造される。

まず、図１（ｂ）に示すように、ケース２の構成部材として、ケース本体部２０、および膨出部２２を有する側壁部２１を製作する。側壁部２１の製作は、薄板状の金属板にプレス加工を施すことにより行なう。次いで、膨出部２２に、伝熱管１の本数（６本）と同数の孔部２３を設けた後に、複数本の伝熱管１を複数の孔部２３に挿入し、膨出部２２の先端壁部２２ｂに溶接する。その後は、膨出部２２に補助部材３を外嵌させて溶接し、ヘッダＨを完成させる。複数本の伝熱管１をケース本体部２０内に収容し、かつ側壁部２１（および側壁部２１ａ）をケース本体部２０に接合する工程も実行されるが、この工程は、補助部材３を膨出部２２に外嵌させて溶接する前、または後のいずれの時期に行なってもよい。

〔第２の熱交換器Ａ２およびその製造方法〕
図５に示す第２の熱交換器Ａ２は、伝熱管１の本数が５本とされており、前記した第１の熱交換器Ａ１における６本の伝熱管１のうち、最外周の伝熱管１に相当する伝熱管を具備しない構成とされている。このことにより、第２の熱交換器Ａ２は、第１の熱交換器Ａ１よりも熱回収能力が小さめとされ、かつ伝熱管１の流路抵抗も小さいものとされている。

第２の熱交換器Ａ２においては、第１の熱交換器Ａ１と比較して伝熱管１の本数が少なくされているため、膨出部２２の先端壁部２２ｂに設けられる孔部２３の数も少なくされている。ただし、第２の熱交換器Ａ２のこれ以外の構成については、第１の熱交換器Ａ１と同様な構成とされており、膨出部２２および側壁部２１は、第１の熱交換器Ａ１を製造する場合と同一の成形用の型を用いることにより、同一の形状およびサイズに形成されている。好ましくは、ケース本体部２０や補助部材３も、第１の熱交換器Ａ１のそれらと同一の構成のものが用いられている。このため、第２の熱交換器Ａ２は、孔部２３を設ける工程において、孔部２３の数が相違する以外は、第１の熱交換器Ａ１の製造工程と同様な工程で製造される。

〔第３の熱交換器Ａ３およびその製造方法〕
図６に示す第３の熱交換器Ａ３は、伝熱管１の本数が４本とされており、前記した第１の熱交換器Ａ１における６本の伝熱管１のうち、最外周から２番目および４番目の伝熱管１に相当する伝熱管を具備しない構成とされている。このことにより、第３の熱交換器Ａ３は、第１および第２の熱交換器Ａ１，Ａ２よりもさらに熱回収能力が小さめとされ、かつ流路抵抗も小さめされている。

第３の熱交換器Ａ３においては、前記した４本の伝熱管１の本数および配置に対応し、膨出部２２の先端壁部２２ｂには４つの孔部２３が設けられて、これらの孔部２３に伝熱管１が挿入され、かつ溶接されている。ただし、第２の熱交換器Ａ２と同じく、前記した孔部２３および伝熱管１に関連する構成以外については、第１の熱交換器Ａ１と同様であり、膨出部２２および側壁部２１は、第１および第２の熱交換器Ａ１，Ａ２を製造する場合と同一の成形用の型を用いることにより、それらと同一の形状およびサイズに形成されている。好ましくは、ケース本体部２０や補助部材３も、第１および第２の熱交換器Ａ１，Ａ２のそれらと同一の構成のものが用いられている。このため、第３の熱交換器Ａ３は、孔部２３を設ける工程において、孔部２３の数および配置が相違する以外は、第１および第２の熱交換器Ａ１，Ａ２の製造工程と同様な工程で製造される。

前記した第１ないし第３の熱交換器Ａ１〜Ａ３の製造方法によれば、ケース２に収容される伝熱管１の本数や配置に応じて、膨出部２２に設けられる複数の孔部２３の数や配置は変更されているものの、それ以外については熱交換器Ａ１〜Ａ３の各部の構成を同一としている。このため、構成部材の共通化を図り、第１ないし第３の熱交換器Ａ１〜Ａ３のそれぞれの製造コストを廉価にすることが可能である。

図７〜図１０は、他の実施形態を示している（図７および図８は、本発明の実施形態）。これらの図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。

図７に示す実施形態においては、膨出部２２の先端壁部２２ｂに、補強用の凸状部２４を設けている。
より具体的には、図７（ａ）に示す膨出部２２は、前記した第２の熱交換器Ａ２の膨出部２２に相当しており、５本の伝熱管１を接合するための孔部２３を有している。これに対し、膨出部２２の先端壁部２２ｂには、最大予定使用本数（たとえば、６本）の伝熱管１を接合可能とする伝熱管接合可能領域Ｓａが設けられている。このため、伝熱管接合予定領域Ｓａには、伝熱管１が実際には接合されない領域Ｓｂが生じている。補強用の凸状部２４は、そのような領域Ｓｂにプレス加工を施すことにより形成されている。

図８に示す膨出部２２は、前記した第３の熱交換器Ａ３の膨出部２２に相当しており、４本の伝熱管１を接合するための孔部２３を有している。このため、伝熱管接合可能領域
Ｓａには、伝熱管１が実際には接合されていない２つの領域Ｓｂが生じている。これら２つの領域Ｓｂに、補強用の凸状部２４が設けられている。図７および図８のいずれの実施形態においても、凸状部２４は、領域Ｓｂからはみ出すように形成されていてもよい。また、凸状部２４の具体的な形状は、図示されているような正面視円形状に限らず、矩形状、楕円状などの他の形状に形成することができる。

図７および図８に示した実施形態によれば、凸状部２４が設けられていることにより、膨出部２２の先端壁部２２ｂの断面係数が大きくなり、先端壁部２２ｂの強度を高めることができる。ヘッダＨに接続された配管経路（図示略）において、たとえばウォータハンマが発生した場合にはヘッダＨのチャンバ３６内においても急激かつ大幅な圧力上昇を生じるが、このような現象に対し、先端壁部２２ｂの厚肉化を極力回避しつつ、十分な強度をもたせることが可能となる。

図９に示す熱交換器Ａ４は、複数の伝熱管１が略水平な姿勢の蛇行状管体部とされ、かつ上下高さ方向に並んでいる。各伝熱管１の両端部は、ケース２の側壁部２１に設けられた膨出部２２Ａの先端壁部２２ｂに設けられた孔部２３に挿入されて接合されている。膨出部２２Ａは、ケース２の内側方向に膨出しており、ケース２の側壁部２１にプレス加工を施すことにより形成されている。内部にチャンバ３６が形成されたヘッダＨは、膨出部２２Ａに補助部材３を嵌入し、かつこの補助部材３を側壁部２１に接合することにより構成されている。

一方、図１０に示す熱交換器Ａ５においては、図９に示す熱交換器Ａ４と比較して、たとえば伝熱管１の数が１つ少なくされている。このことに対応して、膨出部２２Ａの先端壁部２２ｂに設けられる複数の孔部２３の数が少なくされている。ただし、これ以外の膨出部２２Ａや補助部材３の構成については、熱交換器Ａ４と同一の構成とされている。また、好ましくは、熱交換器Ａ４，Ａ５は、ケース２の構成も同一とされている。

前記したような蛇行状の伝熱管１を使用し、かつ膨出部２２Ａとして、ケース２の内側方向に膨出させたタイプの熱交換器についても、本発明を適用し、構成部材の統一化、共用化を図り、製造コストを低減することが可能である。

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製造方法の各工程の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内で種々に変更自在である。

本発明でいう膨出部は、ケースから膨出し、伝熱管の接合対象となる先端壁部を有する構成であればよく、具体的な膨出寸法などは限定されない。伝熱管は、螺旋状管体や蛇行状管体に限定されず、これ以外の種々の伝熱管（たとえば、直状管、Ｕ字管など）とすることもできる。補助部材は、ケースに形成された膨出部と組み合わされることにより、流体流入用のチャンバを内部に形成したヘッダを構成し得るものであればよい。伝熱管や補助部材の接合手段としては、溶接に代えて、たとえばロウ付けとすることもできる。

本発明においては、複数種類の熱交換器のそれぞれのケースについても、複数の孔部２３に関する構成を除き、構成が同一のケースを用いることが望ましいものの、複数の伝熱管とケースとの相互間に形成される隙間を小さくして熱交換効率を高めるなどの理由から、複数の伝熱管の使用本数を少なくする際には、それに対応させてケースの小サイズ化を図るようにしてもよい。
本発明に係る製造方法によって製造される複数種類の熱交換器は、伝熱管の本数が異なる熱交換器であるが、それらの熱交換器における伝熱管の具体的な本数は限定されない。熱交換器は、給湯装置における潜熱回収用の熱交換器に限らず、湯水加熱用途以外の種々の用途に用いることもできる。

Ａ１〜Ａ５ 熱交換器
Ｈ，Ｈａ ヘッダ
Ｓａ 伝熱管接合可能領域
１ 伝熱管
２ ケース
３，３Ａ 補助部材
３６ チャンバ
２１ 側壁部（ケースの）
２２ 膨出部
２２ａ 周壁部（膨出部の）
２２ｂ 先端壁部（膨出部の）
２３ 孔部

Claims (2)

1. 熱交換器は、複数本の伝熱管を収容するためのケースと、このケースに形成された膨出部および前記ケースに接合された補助部材を組み合わせて構成されたヘッダと、を備えており、かつ前記膨出部の先端壁部と前記補助部材との相互間に流体流入用のチャンバが形成されているとともに、前記膨出部の先端壁部には複数の孔部が設けられ、前記複数の伝熱管は前記複数の孔部に挿入されて前記先端壁部に接合された構成を有しており、
   前記熱交換器として、前記伝熱管の本数が異なる複数種類の熱交換器を製造するための方法であって、
   前記複数種類の熱交換器のいずれを製造する場合においても、前記膨出部としては、最大予定使用本数の伝熱管を接合可能であって、形状およびサイズが同一とされた膨出部を形成し、
   前記複数の孔部としては、前記伝熱管の実際の使用本数および配置に対応した複数の孔部を設け、
   前記膨出部の先端壁部には、前記最大予定使用本数の伝熱管を接合可能とする伝熱管接合可能領域が設けられており、
   前記伝熱管の実際の使用本数が前記最大予定使用本数よりも少ないことにより、前記伝熱管接合可能領域に前記伝熱管が接合されない箇所が生じる場合には、その箇所に補強用の凸状部を形成することを特徴とする、熱交換器の製造方法。
2. 請求項１に記載の熱交換器の製造方法であって、
   前記ケースとしては、前記複数の孔部に関する構成を除き、形状、サイズ、および材質が同一のケースを用いる、熱交換器の製造方法。

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