JPH08178583A - 熱交換器およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱交換器の胴体内面とじゃま板端面とを接合
することにより効率が向上した熱交換器を提供する。 【構成】 熱交換器１の胴体２の内部に、４枚のじゃま
板３および多数の伝熱管５を組んだ管束を挿入する際
に、４枚のじゃま板３の端面にアモルファス合金箔から
なるインサート材２１を介在させ、挿入後にじゃま板３
挿入部の周囲に相当する胴体２の外部から加熱して、じ
ゃま板３と胴体２とを拡散ろう接する。従来存在してし
たじゃま板３と胴体２との間の隙間が解消され、この隙
間を流れる流体が無くなる分だけ熱交換器１の効率が向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱交換器およびその製造
法に関し、熱交換器の胴体の内面と熱交換器の胴体内部
に設置されるじゃま板の端面とを接合することにより熱
交換器の効率を向上させようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は、熱交換器の一つである多管円筒
形熱交換器（シェル・アンド・チューブ形熱交換器）の
一例を示す断面図であり、図３（ａ）は外面を一部含む
縦断面図，図３（ｂ）は図３（ａ）中のＡ部を拡大して
示す縦断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）中のＢ−
Ｂ断面図である。

【０００３】同図に示すように、多管円筒形熱交換器１
は、伝熱係数を増大させて熱交換器の効率を向上させる
目的で、円筒状の胴体２の内面にじゃま板３を胴体軸方
向と直交する向きに配置しており、これらのじゃま板３
は固定棒４が接続されて連結・固定される。各じゃま板
３は胴体２の内径よりも少し小さな外径の円板の一部が
直線状に切断された切欠部を備える形状であり、図３
（ａ）におけるじゃま板３は切欠部が交互に上下に位置
するように配置される。

【０００４】これらのじゃま板３を貫通して互いに並列
した状態で複数のＵ字管状の伝熱管５が保持される。胴
体２の図面上右側の一端部２ａに半球状の胴側鏡板６が
溶接される。胴体２の図面上左側の他端部にはフランジ
２ｂが設けられる。胴体２の左方には半球状の管側鏡板
８が、それぞれのフランジ２ｂ，８ａを貫通するボルト
８ｂとナット８ｃとにより締結されている。これらのフ
ランジ２ｂ，８ａの間には円板状の管板７が挾まれた状
態で保持されており、耐圧容器構造となっている。この
管板７には各伝熱管５が貫通するとともに貫通部を溶接
されており、各伝熱管５は、管板７および管側鏡板８に
より構成される空間に連通している。

【０００５】管側鏡板８は内部を仕切板９により上下の
２室１０，１１に仕切られており、これらの２室１０，
１１は複数のＵ字管からなる伝熱管５の入側５ａ，出側
５ｂとそれぞれ連通している。仕切板９は管側鏡板８の
内面に溶接され、管板７に設けられた溝部７ａに嵌め込
まれて固定される。

【０００６】さらに、胴体２の内部空間に連通する胴側
管台１２，１３が胴体２の側部の一端部と他端部とに溶
接されて管外流体の入口および出口とされており、一
方、上室１０に連通する管側管台１４が，下室１１に連
通する管側管台１５が管側鏡板８にそれぞれ溶接されて
管内流体の入口および出口とされる。なお、符号１６は
熱交換器１の支持脚である。

【０００７】このような多管円筒形熱交換器１は以下の
ような順序で製造される。まず、胴側管台１２，１３が
内部に連通するように例えば溶接により固定された胴体
２の内部の所定の位置に、多数の伝熱管５を伝熱管長手
方向の複数箇所で挿通させて並列した状態で保持する複
数枚のじゃま板３および管板７（管束）を挿入する。挿
入に際しては、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すよう
に、胴体２の内面とじゃま板３の端面との間の引っ掛か
りを防止するため、じゃま板３の円弧部中央の外縁部に
設けた嵌め込み部３ａに長板状のバンドルランナ１７を
嵌め込み、挿入の際に上下の少なくとも２本のバンドル
ランナ１７が胴体２の内面と接触し、じゃま板３の端面
が胴体２の内面に直接に接触しないようにする。

【０００８】そして、挿入後に胴体２のフランジ２ｂと
管板７と管側鏡板８とを合わせてボルト８ｂおよびナッ
ト８ｃによりこれらを締結するとともに、胴側鏡板６を
胴体２の端面２ａに例えば溶接により固定する。

【０００９】熱交換を行う管内流体は、管側管台１４→
上室１０→伝熱管入側５ａ→伝熱管５→伝熱管出側５ｂ
→下室１１→管側管台１５の順に流れ、もう一方の管外
流体は胴側管台１２→胴体２内部→胴側管台１３の順に
流れる。特に胴体２の内部ではもう一方の流体は各じゃ
ま板３に設けられた切欠部を通過して流れるため、図３
に実線矢印で図示するように上下方向に蛇行して流れ、
伝熱管５と接触して熱交換が行われる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この従来の多管円筒形
熱交換器１では、バンドルランナ１７によりじゃま板３
の端面と胴体２の内面とは離れており、図３（ｂ）およ
び図３（ｃ）に示すように、じゃま板３の端面と胴体２
の内面との間には隙間１８が必ず生じてしまう。そのた
め、本来図３（ａ）に実線矢印で示すように胴体２の内
部を上下方向に蛇行しながら流れるべき流体の一部が、
胴体２の内面に沿って蛇行せずに図３（ａ）および図３
（ｂ）に破線矢印で示すようにこの隙間１８を直線的に
通過してしまう。そのため、胴体２内を蛇行しながら流
れて伝熱管５と接触することによって熱交換を行う流体
の総量が減少し、熱交換器１の効率が低下していた。

【００１１】そこで、じゃま板３の外縁部に環状のべろ
をボルト締めし、このべろを胴体２の内面に接触させて
隙間１８における流体流れを防止しようという試みもあ
るが、この流体流れを確実に防止することはできず、熱
交換器１の効率を向上させるには至らなかった。

【００１２】本発明は、このような従来の技術が有する
課題に鑑みてなされたものであり、熱交換器の胴体の内
面と熱交換器の胴体内部に設置されるじゃま板の端面と
を接合することにより効率を向上した熱交換器およびそ
の製造法を提供しようとするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる熱交換器
は、筒状の胴体と，当該胴体の内面に長手方向に離間し
て複数配置されたじゃま板と，複数の前記じゃま板それ
ぞれに挿通されて並列した状態で保持される複数の伝熱
管とを備える熱交換器であって、前記胴体の内面と当該
内面に近接する前記じゃま板の反流路側の端面とは液相
拡散接合されてなることを特徴とするものである。

【００１４】一方、本発明にかかる熱交換器の製造法
は、筒状の胴体の内部に、複数の伝熱管を伝熱管長手方
向の複数の位置で挿通させて並列した状態で保持する複
数のじゃま板を挿入することにより熱交換器を製造する
に際し、前記じゃま板を挿入する前に、前記胴体の内面
と近接する複数の前記じゃま板それぞれの端面にアモル
ファス合金箔からなるインサート材を介在させておき、
当該インサート材が前記端面に介在したままの状態で前
記じゃま板を挿入してから、前記端面が近接する前記胴
体の外部を加熱することにより複数の前記じゃま板それ
ぞれと前記胴体とを液相拡散接合することを特徴とする
ものである。

【００１５】

【作用】本発明にかかる熱交換器では、胴体の内面とこ
の内面に近接する反流路側のじゃま板の端面とは液相拡
散接合されており、胴体とじゃま板との間に隙間が存在
しないため、胴体の内部を流れる流体の全てがじゃま板
により蛇行しながら流れて伝熱管に接触し、熱交換に寄
与するようになる。

【００１６】また、本発明にかかる熱交換器の製造法で
は、胴体の内部にじゃま板を挿入する際に、じゃま板の
端面にアモルファス合金箔からなるインサート材を介在
させておき、このインサート材が前記端面に介在したま
まの状態でじゃま板を挿入して加熱することにより液相
拡散接合を行うようにしており、複数のじゃま板それぞ
れと胴体とが組み立て後における胴体外部からの加熱に
より液相拡散接合され隙間が生じないようになる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明にかかる熱交換器の一実施例を
添付図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明にかかる熱交換器を多管円
筒形熱交換器に適用した一実施例を示す断面図であり、
図１（ａ）は縦断面図，図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部
を拡大して示す縦断面図，さらに図１（ｃ）は図１
（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。なお、図１に示す本発
明にかかる熱交換器は図３に示した熱交換器とほとんど
同一の構成であるため、同一部分については図３と同一
の図中符号を付して示す。

【００１９】本発明にかかる多管円筒形熱交換器１は、
伝熱係数を増大させて効率を向上させる目的で、筒状の
胴体２の内面に胴体軸方向に一定距離だけ離間して複数
枚（本実施例では４枚）のじゃま板３を前記胴体軸方向
と直交する向きに配置しており、これらのじゃま板３は
固定棒４が接続されて連結・固定される。各じゃま板３
は胴体２の内径よりも小さな外径の円板の一部が直線状
に切断された切欠部を備える形状であり、各じゃま板３
はこの切欠部が上下に交互に位置するように配置され
る。

【００２０】じゃま板３の設置枚数および設置間隔，さ
らには切欠部の大きさ等は特定の値に限定する必要があ
るものではなく、多管円筒形熱交換器１に求める能力に
応じて適宜決定される。

【００２１】本実施例では、これらのじゃま板３の端面
のうちの胴体２内面に近接する端面、換言すれば切欠部
を除く反流路側の端面は、液相拡散接合の一種である拡
散ろう接により胴体２の内面に接合部１９を介して接合
されている。すなわち、各じゃま板３は胴体２の内面に
対して、前述したように挿入の際の滑りを確保するため
に設置された上下２本のバンドルランナ１７により離間
した状態となっているが、この離間した部分が拡散ろう
接により完全に接合されており、図３（ｃ）における隙
間１８が生じていない。

【００２２】ここで、液相拡散接合とは、接合温度で溶
融するインサート材を用いる接合法を意味しており、拡
散ろう接とはインサート材にアモルファス合金箔を用い
るろう接法を意味する。

【００２３】本明細書においては、本発明にかかる熱交
換器１ではじゃま板３と胴体２との間の隙間１８が生じ
ないことを明確にするため、図１では、じゃま板３，胴
体２と接合部１９とを完全に区別して示したが、実際に
は、接合部１９ではじゃま板３に含有される元素と胴体
２に含有される元素とが完全に拡散しており、拡散ろう
接を行われた後のじゃま板３および胴体２との間には図
示する接合部１９のような境界層は存在しない。

【００２４】これらのじゃま板３を貫通して互いに並列
した状態で多数のＵ字管からなる伝熱管５が保持され
る。本実施例では伝熱管５としてＵ字管を用いたが、か
かる態様に限定されるものではなく、直線状の伝熱管を
用いてもよい。

【００２５】さらに、胴体２の一端部２ａに半球状の胴
側鏡板６が溶接されている。胴体２の図面上左側の他端
部にはフランジ２ｂが設けられる。胴体２の左方には半
球状の管側鏡板８が、それぞれのフランジ２ｂ，８ａを
貫通するボルト８ｂとナット８ｃとにより締結されてい
る。これらのフランジ２ｂ，８ａの間には円板状の管板
７が挾まれた状態で保持されており、耐圧容器構造とな
っている。この管板７には各伝熱管５が貫通するととも
に貫通部を溶接されており、各伝熱管５は、管板７およ
び管側鏡板８により構成される空間に連通している。

【００２６】管側鏡板８は内部を仕切板９により上下の
２室１０，１１に仕切られており、これらの２室１０，
１１は複数のＵ字管からなる伝熱管５の入側５ａ，出側
５ｂとそれぞれ連通している。仕切板９は管側鏡板８の
内面に溶接され、管板７に設けられた溝部７ａに嵌め込
まれて固定される。

【００２７】さらに、胴体２の内部空間に連通する胴側
管台１２，１３が胴体２の側部の一端部と他端部とに溶
接されて管外流体の入口および出口とされており、一
方、上室１０に連通する管側管台１４が，下室１１に連
通する管側管台１５が管側鏡板８にそれぞれ溶接されて
管内流体の入口および出口とされる。なお、符号１６は
熱交換器１の支持脚である。

【００２８】次に、図１に示す本発明にかかる多管円筒
形熱交換器１の製造法を図面に基づき詳細に説明する。

【００２９】図２は、本発明にかかる熱交換器の製造法
の概略を模式的に示す説明図であり、図２（ａ）は管束
を胴体に挿入する前を，図２（ｂ）は管束挿入後に胴体
外面を加熱している時を，図２（ｄ）は管束を胴体に締
結した後をそれぞれ示しており、図２（ｃ）は図２
（ｂ）の丸印部の拡大図であり、図２（ｅ）は図２
（ｄ）の丸印部の拡大図である。なお、図２の説明にお
いても同一部分については図１と同一の図中符号を付し
て示す。

【００３０】まず、図２（ａ）に示すように、筒状の胴
体２の外周部の２箇所に内部に連通するようにして胴側
管台１２，１３を例えば溶接により接合するとともに、
胴体２の他端側に半球状の胴側鏡板６を例えば溶接によ
り固定する。

【００３１】次に、図２（ａ）に示すように、じゃま板
３の切欠部が上下に交互に配置されるようにして端から
順に管板７および４枚のじゃま板３を図示しない治具に
より固定し、各じゃま板３および管板７に多数穿設され
た伝熱管貫通孔（図示しない）に、最も端側に位置する
じゃま板３側からＵ字管状の伝熱管５を管板７に向けて
順次挿入し、全ての伝熱管５を挿入することにより、多
数のＵ字管からなる伝熱管５を伝熱管長手方向の複数箇
所で挿通させて並列した状態で、じゃま板３および管板
７により保持した管束２０として組み立てる。管板７と
伝熱管５との貫通部だけは溶接しておくとともに、伝熱
管５の熱膨脹に対応するため、じゃま板３とは接合せず
に貫通した状態としておく。

【００３２】このようにして組み立てた管束２０を前述
の胴体２の内部に挿入する。この挿入に際しては、図２
（ｂ）に示すように、胴体２の内面とじゃま板３の端面
との引っ掛かりを防止するため、じゃま板３の円弧部中
央の外縁部に設けた嵌め込み部にそれぞれ長板状のバン
ドルランナ１７を２本嵌め込み、管板７の表面に突き当
てるとともに、図２（ｃ）に示すように各じゃま板３の
切り欠き部を除く端面であって胴体２の内面との間に隙
間を生じる部分にアモルファス合金箔からなるインサー
ト材２１を介在させる。

【００３３】本実施例ではバンドルランナ１７は２本と
したが、１本または３本以上としてもよく、２本に限定
するものではない。

【００３４】このインサート材２１であるアモルファス
合金箔は、Ｆｅ，Ｓｉ，Ｂ，Ｐ，Ｃｒ，ＭｏさらにはＷ
等の融点降下元素を適宜添加した例えばＮｉ基合金を溶
解炉で溶製し、溶融状態にあるこのＮｉ基合金を急冷用
の回転ホイールに薄い噴射流として噴射してから約１０
０万℃／秒の冷却速度で超急却する，いわゆる急冷凝固
法により製造される。アモルファス合金箔の幅は、じゃ
ま板３の端面に介在させて挿入する際の脱落防止の観点
から、じゃま板３の厚さよりも大きくすることが望まし
く、例えばじゃま板３の厚さの３〜５倍程度とする。

【００３５】本発明においてインサート材２１としてア
モルファス合金箔を用いたのは、アモルファス合金箔は
酸化物等の介在物を含んでいないために表面活性性，流
動性さらには間隙浸透性等に優れるとともに、アモルフ
ァス合金箔は柔軟性に富み、じゃま板３の円周状の端面
に容易に倣わせて保持させることができるからである。

【００３６】このアモルファス合金箔をじゃま板３の端
面に介在させるには、例えばアモルファス合金箔の柔軟
性を利用してじゃま板３の端面を中心として対向する二
つの表面側（図２（ｃ）の矢印側）に折り返しておくこ
とが例示できる。なお、バンドルランナ１７と胴体２の
内面との間には挿入時の滑りを確保するためにアモルフ
ァス合金箔を介在させないようにしておくことが望まし
い。

【００３７】このようにして、切欠部（望ましくはさら
にバンドルランナ１７端面）を除く各端面にアモルファ
ス合金箔からなるインサート材２１を介在させたじゃま
板３，多数のＵ字管状の伝熱管５および管板７を組んで
構成された管束２０をじゃま板３側から胴体２の内面
に、管板７の表面が胴体２のフランジ２ｂに突き当たる
まで挿入する。そして、管板７の外側に管側鏡板８を合
わせて、ボルト８ｂおよびナット８ｃにより胴体２，管
板７および管側鏡板８を締結する。

【００３８】管束２０の固定後に、胴体２の外面のうち
じゃま板３の端面が近接する部分を加熱する。加熱範囲
はじゃま板３の端面が近接する胴体２の外部を加熱する
必要があるが、この範囲のみに限定する必要があるもの
ではなく、例えば胴体２の外面全部を加熱するようにし
てもよい。

【００３９】インサート材２１であるアモルファス合金
箔には前述のようにＳｉ，Ｂ等の融点降下元素が添加さ
れているため、加熱により、母材である胴体２およびじ
ゃま板３それぞれの融点以下の温度でアモルファス合金
箔が溶融するが、母材であるじゃま板３，胴体２はいず
れも溶融・変形しない。その後、等温保持すると、溶融
したアモルファス合金と胴体２およびじゃま板３との間
で相互拡散が発生し、融点降下元素が存在することによ
り最終的に等温凝固して、図２（ｅ）に示すように、拡
散層である接合部１９が形成されて、胴体２の内面とじ
ゃま板３の端面との間で拡散ろう接が完了し、最終的に
図１に示す多管円筒形熱交換器１が製造される。

【００４０】本実施例では、加熱装置は部分的な加熱を
行うことができるために高周波加熱装置２２を用い、高
周波加熱装置２２の環状の加熱コイル２３で胴体２の外
面のうちのじゃま板３設置相当部を覆うようにして加熱
を行ったが、この高周波加熱装置２２を必ず用いる必要
があるものではなく、じゃま板３の端面に介在させたア
モルファス合金箔からなるインサート材２１を所定の温
度に加熱できる加熱装置であればよい。

【００４１】図１に示す本発明にかかる多管円筒形熱交
換器１では、管内流体は、管側管台１４→上室１０→伝
熱管入側５ａ→伝熱管５→伝熱管出側５ｂ→下室１１→
管側管台１５の順に流れる。もう一方の管外流体は胴側
管台１２→胴体２→胴側管台１３の順に流れる。図１に
示す本発明にかかる多管円筒形熱交換器１では、じゃま
板３と胴体２の内面との間に隙間１８が生じていないた
め、胴体２の内部を流れる流体は全てが各じゃま板３に
設けられた切欠部を通過して、図１に実線矢印および破
線矢印で図示するように上下方向に蛇行して流れ、胴体
２の内面とじゃま板３の端面との間を流れる流体は生じ
なくなる。

【００４２】そのため、胴体２の内部を流れる流体のう
ち、胴体２の内面とじゃま板３の端面との間を流れてし
まい伝熱管５に充分に接触しない流体がなくなり、伝熱
管５を介する熱授受量が従来よりも１０〜１５％程度増
加する。

【００４３】このようにして、図１に示す本発明にかか
る熱交換器を適用した多管円筒形熱交換器１によれば熱
交換器の効率を１０〜１５％程度向上することができる
とともに、熱交換器の能力を一定とすれば熱交換器の効
率が向上した分だけ熱交換器全体を小形化できる。

【００４４】また、本発明にかかる熱交換器の製造法で
は、じゃま板３と胴体２とを液相拡散接合するに際し、
じゃま板３を管束２０として胴体２内に挿入した後胴体
２の外面を加熱するだけでよいため、簡単および確実に
じゃま板３と胴体２との接合を行うことができる。

【００４５】

【発明の効果】請求項１記載の本発明にかかる熱交換器
は、胴体の内面とこの内面に近接するじゃま板の端面と
が液相拡散接合されて隙間が存在しないように構成した
ため、胴体の内部を流れる流体の全てがじゃま板により
蛇行しながら流れて伝熱管に接触するため、熱交換器の
効率が向上する。

【００４６】また、請求項１記載の本発明にかかる熱交
換器では、熱交換器の能力を従来と同程度とすれば熱交
換器を従来よりも小型化できる。

【００４７】請求項２記載の本発明にかかる熱交換器の
製造法では、胴体の内部にじゃま板を挿入する際に、じ
ゃま板の端面にアモルファス合金箔からなるインサート
材を介在させておき、このインサート材がじゃま板の端
面に介在したままの状態でじゃま板を挿入してから胴体
外部を加熱することにより液相拡散接合を行うため、複
数のじゃま板それぞれと胴体とが液相拡散接合され隙間
が生じないようになるとともに、じゃま板を管束として
胴体内に挿入した後胴体の外面を加熱するだけでよいた
め、簡単および確実にじゃま板と胴体との接合を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる熱交換器を多管円筒形熱交換器
に適用した一実施例を示す断面図であり、図１（ａ）は
縦断面図，図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部を拡大して示
す縦断面図，さらに図１（ｃ）は図１（ａ）中のＢ−Ｂ
断面図である。

【図２】本発明にかかる熱交換器の製造法の概略を模式
的に示す説明図であり、図２（ａ）は管束を胴体に挿入
する前を，図２（ｂ）は管束挿入後に胴体外面を加熱し
ている時を，図２（ｄ）は管束を胴体に締結した後をそ
れぞれ示しており、図２（ｃ）は図２（ｂ）の丸印部の
拡大図であり、図２（ｅ）は図２（ｄ）の丸印部の拡大
図である。

【図３】熱交換器の一つである多管円筒形熱交換器の一
例を示す縦断面図であり、図３（ａ）は外面を一部含む
縦断面図，図３（ｂ）は図３（ａ）中のＡ部を拡大して
示す縦断面図，さらに図３（ｃ）は図３（ａ）中のＢ−
Ｂ断面図である。

【符号の説明】

１ 熱交換器 ２ 胴体 ３ じゃま板 ５ 伝熱管 ２１ インサート材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状の胴体と，当該胴体の内面に長手方
   向に離間して複数配置されたじゃま板と，複数の前記じ
   ゃま板それぞれに挿通されて並列した状態で保持される
   複数の伝熱管とを備える熱交換器であって、前記胴体の
   内面と当該内面に近接する前記じゃま板の反流路側の端
   面とは液相拡散接合されてなることを特徴とする熱交換
   器。
2. 【請求項２】 筒状の胴体の内部に、複数の伝熱管を伝
   熱管長手方向の複数の位置で挿通させて並列した状態で
   保持する複数のじゃま板を有する熱交換器を製造するに
   際し、前記じゃま板を挿入する前に、前記胴体の内面と
   近接する複数の前記じゃま板それぞれの端面にアモルフ
   ァス合金箔からなるインサート材を介在させておき、当
   該インサート材が前記端面に介在したままの状態で前記
   じゃま板を挿入してから、前記端面が近接する前記胴体
   の外部を加熱することにより複数の前記じゃま板それぞ
   れと前記胴体とを液相拡散接合することを特徴とする熱
   交換器の製造法。