(57)【要約】【課題】伝熱管が細く構成されている場合であっても、捻り板を伝熱管内に簡単に溶着させることができるようにする。【解決手段】筒状をなすシェル５と、当該シェル５の軸方向に沿って設けられる伝熱管２と、当該伝熱管２の内部に挿入される捻り板２２と、前記伝熱管２の端部近傍に取り付けられ、シェル５の両側にヘッダ３の空間を形成するヘッダ壁面４１とを備えてなる熱交換器１において、伝熱管２をヘッダ壁面４１の複数の挿入孔４３に挿入する工程と、伝熱管２の端部開口部２１に対してヘッダ壁面４１と反対側から溶着材７を流し込む工程と、伝熱管２の側面を伝ってヘッダ壁面４１の挿入孔４３から溶着材７を浸透させるとともに、伝熱管２の端部開口部２１から毛細管現象によって前記捻り板２２との隙間に回り込ませ、伝熱管２の内側と捻り板２２とを溶着させる工程とを備えるようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状をなすシェルと、当該シェルの軸方向に沿って設けられる伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入される挿入材と、前記伝熱管の端部近傍に取り付けられ、シェルの両側にヘッダの空間を形成するためのヘッダ壁面とを備えてなる熱交換器の製造方法において、
前記伝熱管の端部開口部近傍における側面に溶着材を付着させる工程と、
当該伝熱管の側面を伝って端部開口部から毛細管現象によって前記挿入材との隙間に溶着材を回り込ませ、伝熱管の内側と挿入材とを溶着させる工程と、
を備えるようにしたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項２】
筒状をなすシェルと、当該シェルの軸方向に沿って設けられる伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入される挿入材と、前記伝熱管の端部近傍に取り付けられ、シェルの両側にヘッダの空間を形成するためのヘッダ壁面とを備えてなる熱交換器の製造方法において、
前記伝熱管をヘッダ壁面の複数の挿入孔に挿入する工程と、
前記伝熱管の端部開口部に対してヘッダ壁面と反対側から溶着材を流し込む工程と、
当該伝熱管の側面を伝ってヘッダ壁面の挿入孔から溶着材を浸透させるとともに、伝熱管の端部開口部から毛細管現象によって前記挿入材との隙間に回り込ませ、伝熱管の内側と挿入材とを溶着させる工程と、
を備えるようにしたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項３】
筒状をなすシェルと、当該シェルの軸方向に沿って設けられる伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入される挿入材と、前記伝熱管の端部近傍に取り付けられ、シェルの両側にヘッダの空間を形成するためのヘッダ壁面とを備えてなる熱交換器の製造方法において、
前記ヘッダ壁面と平行な壁面要素を設け、当該ヘッダ壁面および壁面要素に設けられた複数の挿入孔に伝熱管を挿入する工程と、
前記ヘッダ壁面を伝熱管の端部開口部近傍に配置するとともに壁面要素を当該ヘッダ壁面から所定の隙間を隔てた状態で配置し、当該ヘッダ壁面と壁面要素の隙間に溶着材を流し込む工程と、
当該溶着材を伝熱管の側面を伝ってヘッダ壁面の挿入孔から浸透させるとともに、伝熱管の端部開口部から毛細管現象によって前記挿入材との隙間に回り込ませ、伝熱管の内側と挿入材とを溶着させる工程と、
を備えるようにしたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項４】
筒状をなすシェルと、当該シェルの軸方向に沿って設けられる伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入される挿入材と、前記伝熱管の端部近傍に取り付けられ、シェルの両側にヘッダの空間を形成するためのヘッダ壁面とを備えてなる熱交換器において、
ヘッダ壁面に設けられた複数の挿入孔と伝熱管の隙間、および、前記伝熱管の内部に挿入される挿入材と伝熱管との隙間を溶着した溶着部を一体的に形成したことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェルの内部に複数の伝熱管を収納したシェルアンドチューブ式の熱交換器に関し、より詳しくは、伝熱管の内部に捻り板を挿入して溶着できるようにした熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のシェルアンドチューブ式の一般的な熱交換器を図６に示す。このシェルアンドチューブ式の熱交換器は、筒状のシェル７１と、そのシェル７１の内部に収納される複数の伝熱管７２とを備えて構成される。
【０００３】
このシェル７１は、一方の端部に熱交換の対象となる第一流体を流入させる流入口７３を設け、他方側の端部に、熱交換された第一流体を排出する排出口７４を設けている。この流入口７３から第一流体を流入させると、その第一流体は、流入口７３側に設けられたヘッダ７５に流入し、そこから各伝熱管７２に分岐していく。この流入口７３側のヘッダ７５に設けられたヘッダ壁面７５ａと排出口７４側に設けられたヘッダ壁面７５ａとの間には仕切空間Ｓが設けられており、その仕切空間Ｓに第二流体を通して伝熱管７２を流れる第一流体と熱交換させるようにしている。
【０００４】
ところで、このようなシェルアンドチューブ式の熱交換器において、より熱交換率を向上させるように、伝熱管の内部に細長い捻り板を挿入した構造も提案されている（特許文献１や特許文献２など）。
【０００５】
このような捻り板を伝熱管内に挿入すれば、伝熱管を流れる第一流体の流路長を長くすることができるとともに、伝熱管内に乱流を起こさせることができるため、熱境界層の発生を抑制して、熱交換の効率を向上させることができるというメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３１６９６６号公報
【特許文献２】特開平１１−８３３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような捻り板を伝熱管に挿入した熱交換器を製造する場合においては、次のような問題を生じる。
【０００８】
すなわち、捻り板を伝熱管に挿入して溶着させる場合、伝熱管の内径を大きくすると（例えば、内径を数センチ程度にすると）、伝熱管の内壁に捻り板を比較的容易に溶着することができるが、内径が大きくなり過ぎると、伝熱管の表面近傍でしか熱交換を行うことができず、熱交換の効率が悪くなる。
【０００９】
一方、伝熱管の内径を小さくすると（例えば、内径を１〜３ｍｍ程度にすると）、熱交換の効率を良くすることができるが、今度は逆に、内径を小さくし過ぎると、捻り板を伝熱管の内壁に溶着させることが難しくなる。この場合、伝熱管の端部開口部から溶着材などを塗布して溶着させることも考えられるが、伝熱管の内径が小さいと場合、その溶着材によって伝熱管の端部開口部を塞いでしまい、目詰まりを起こしてしまう可能性がある。また、伝熱管の端部開口部側から溶着材を塗布する方法であると、一本ずつ捻り板を溶着しなければならず、作業時間が長くなって作業効率が悪くなってしまうといった問題を生じる。
【００１０】
そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、伝熱管が細く構成されている場合であっても、捻り板を伝熱管内に溶着させることができるような製造方法、および、これによって製造された熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、筒状をなすシェルと、当該シェルの軸方向に沿って設けられる伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入される挿入材と、前記伝熱管の端部近傍に取り付けられ、シェルの両側にヘッダの空間を形成するためのヘッダ壁面とを備えてなる熱交換器の製造方法において、前記伝熱管の端部開口部近傍における側面に溶着材を付着させる工程と、当該伝熱管の側面を伝って端部開口部から毛細管現象によって前記挿入材との隙間に溶着材を回り込ませ、伝熱管の内側と挿入材とを溶着させる工程とを備えるようにしたものである。
【００１２】
このようにすれば、溶着材を毛細管現象によって溶着材を側面から回り込ませることができるため、伝熱管の端部開口部を塞ぐことなくなり、確実に挿入材を溶着させることができるようになる。
【００１３】
また、このような発明において、前記伝熱管をヘッダ壁面の複数の挿入孔に挿入する工程と、前記伝熱管の端部開口部に対してヘッダ壁面と反対側から溶着材を流し込む工程と、当該伝熱管の側面を伝ってヘッダ壁面の挿入孔から溶着材を浸透させるとともに、伝熱管の端部開口部から毛細管現象で前記挿入材との隙間に回り込ませ、伝熱管の内側と挿入材とを溶着させる工程とを備えるようにする。
【００１４】
このようにすれば、ヘッダ壁面と伝熱管の溶着、および、伝熱管と挿入材の溶着とを同時に行うことができ、短時間で熱交換器を製造することができるようになる。
【００１５】
さらには、前記ヘッダ壁面と平行な壁面要素を設け、当該ヘッダ壁面および壁面要素に設けられた複数の挿入孔に伝熱管を挿入する工程と、前記ヘッダ壁面を伝熱管の端部開口部近傍に配置するとともに壁面要素を当該ヘッダ壁面から所定の隙間を隔てた状態で配置し、当該ヘッダ壁面と壁面要素の隙間に溶着材を流し込む工程と、当該溶着材を伝熱管の側面を伝ってヘッダ壁面の挿入孔から浸透させるとともに、伝熱管の端部開口部から毛細管現象で前記挿入材との隙間に回り込ませ、伝熱管の内側と挿入材とを溶着させる工程とを備えるようにすることもできる。
【００１６】
このようにすれば、壁面要素によって溶着材が伝熱管の反対側に流れることを防止することができ、端部開口部側へ多くの溶着材を流し込んで確実にヘッダ壁面や挿入材を溶着させることができるようになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、筒状をなすシェルと、当該シェルの軸方向に沿って設けられる伝熱管と、当該伝熱管の内部に挿入される挿入材と、前記伝熱管の端部近傍に取り付けられ、シェルの両側にヘッダの空間を形成するためのヘッダ壁面とを備えてなる熱交換器の製造方法において、前記伝熱管の端部開口部近傍における側面に溶着材を付着させる工程と、当該伝熱管の側面を伝って端部開口部から毛細管現象によって前記挿入材との隙間に溶着材を回り込ませ、伝熱管の内側と挿入材とを溶着させる工程とを備えるようにしたので、溶着材を毛細管現象によって溶着材を側面から回り込ませることができ、伝熱管の端部開口部を塞ぐことなくなり、確実に挿入材を溶着させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態を示す熱交換器の縦断面図
【図２】同形態におけるヘッダ近傍を示す拡大図
【図３】同形態におけるヘッダ壁面側から見た伝熱管を示す図
【図４】同形態における製造工程を示す図
【図５】本発明の他の実施の形態を示す熱交換器のヘッダ近傍を示す図
【図６】従来例におけるシェルアンドチューブ式の熱交換器
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。この実施の形態における熱交換器１は、図１に示すように、筒状をなすシェル５の内部に、捻り板２２（図２参照）を挿入した複数の伝熱管２と、その伝熱管２の左右両端近傍に設けられるヘッダ３とを設けてなるものであって、そのシェル５の第一流入口６１を介してヘッダ３に第一流体を流入させ、そのヘッダ３を介して第一流体を伝熱管２に分岐させるとともに、伝熱管２を通る途中で左右両側の壁面要素４２で囲まれた仕切空間内に他の流体（第二流体）を流入させて熱交換させるようにしたものである。そして、特徴的には、このような熱交換器１を製造する場合に、図２に示すように、伝熱管２に捻り板２２を挿入して伝熱管２の側面に溶着材７を流し込み、ヘッダ壁面４１に設けられた挿入孔４３と伝熱管２との隙間、および、伝熱管２の側面を介して捻り板２２と伝熱管２の内壁との隙間に毛細管現象で浸透させて溶着するようにしたものである。以下、本実施の形態における熱交換器１の構成について詳細に説明する。
【００２０】
この熱交換器１におけるシェル５は、中空状の胴体をなすものであって、両端側を開口させ、その両端からヘッダ壁面４１に取り付けられた伝熱管２のユニットを挿入できるようにしたものである。このシェル５の両端には、熱交換の対象となる第一流体を流入させる第一流入口６１や、熱交換された第一流体を排出させる第一排出口６２が設けられており、その第一流入口６１や第一排出口６２に図示しないチューブを連結させて第一流体を通すようにしている。また、このシェル５の端部近傍における側面には、第一流体と熱交換させるための第二流体を流入させる第二流入口６３や、その第二流体を排出させる第二排出口６４が設けられており、同様に、図示しないチューブを連結させて第二流体を通せるようにしている。さらに、この第二流入口６３や第二排出口６４の両外側には、後述する溶着材７を流入させるための溶着材流入部６５が設けられており、そこからヘッダ壁面４１と壁面要素４２の間に溶着材７を流し込めるようにしている。
【００２１】
このシェル５の内部に挿入される伝熱管２は、従来の熱交換器１における伝熱管２と同様に、断面円形状をなす細い金属製の部材で構成されるものであって、内部の軸方向に沿って熱交換の対象となる流体（例えば、高温高圧の二酸化炭素などの冷媒）を流通させるようにしている。なお、ここでは伝熱管２として、例えば、外径寸法が０．８ｍｍ〜２．０ｍｍ、好ましくは、０．９ｍｍ〜１．５ｍｍ、内径寸法が０．７ｍｍ〜１．９ｍｍ、好ましくは、０．８ｍｍ〜１．４ｍｍ程度の極細のものが用いられる。
【００２２】
この伝熱管２に挿入される捻り板２２は、図２に示すように、所定のピッチを有するスパイラル状に捻ったもので、伝熱管２と同一の長さを有するように構成される。この捻り板２２における外径寸法は、ほぼ伝熱管２の内径寸法と同じ寸法か、もしくは、伝熱管２の内壁よりも若干小さく（例えば、３０〜７０ミクロン程度小さく）構成されている。なお、本実施の形態では、捻り板２２の長さを伝熱管２の長さとほぼ同一に設定しているが、伝熱管２よりも長くなるように設定してもよい。このような長く設定しておくと、伝熱管２の端部開口部２１から捻り板２２を突出させることができ、端部開口部２１から溶着材７を回り込ませる際に、先に捻り板２２に接触させて、そこから伝熱管２の内壁との隙間に溶着材７を浸透させることができるようになる。
【００２３】
一方、この伝熱管２の両端に取り付けられるヘッダ壁面４１は、シェル５の第一流入口６１や第一排出口６２との間で密閉されたヘッダ３の空間を形成できるようにしたものであって、その表面に図３に示すような複数の挿入孔４３を設けて構成される。この挿入孔４３は、伝熱管２の外径寸法より若干大きく設定されており、例えば、伝熱管２を挿入することができ、かつ、溶着材７を浸透させることができる程度の寸法に設定されている。一方、このヘッダ壁面４１における外径寸法は、シェル５の内径とほぼ同じ寸法を有するように構成されており、溶着材流入部６５を介して流入される溶着材７によってその隙間を封止できるようにしている。
【００２４】
これら左右のヘッダ壁面４１の中央側（すなわち、端部開口部２１とは反対側）には、図１や図２に示すように、ヘッダ壁面４１と平行な面をなす壁面要素４２が取り付けられる。この壁面要素４２は、ヘッダ壁面４１と同様に、伝熱管２を通すための挿入孔４３（図２参照）を有する薄めの金属板で構成されるものであって、ヘッダ壁面４１と、例えば、１ｃｍ以下の隙間をもって取り付けられる。この挿入孔４３は、ヘッダ壁面４１の挿入孔４３を形成するのと同時に形成され、溶着材７が伝熱管２の中央側へと多く流れ込まないようにしている。
【００２５】
このヘッダ壁面４１の挿入孔４３や捻り板２２と伝熱管２との隙間に流入される溶着材７としては、例えば、４５０℃程度の温度で溶解する銅や錫、銀などを主成分とするロウ材などが用いられる。この溶着材７を流し込む場合、粉末状にしたロウ材にバインダーを混入させて液状にし、その状態で、溶着材流入部６５から流し込ませる。すると、その液体である溶着材７は、図２に示すように、ヘッダ壁面４１の挿入孔４３と伝熱管２の側面との隙間を通って端部開口部２１まで流れていき、そこから、伝熱管２の壁面に沿って内側に流れ込む。このとき伝熱管２の内側には捻り板２２が設けられているため、その捻り板２２と伝熱管２の内壁の接触部分を伝って毛細管現象によって溶着材７が流れ込んでいく。そして、このように溶着材７を浸透させた状態で、ペースト状にしたロウ材を高温加熱させてバインダーを蒸発させ、主成分であるロウ材を融解させる。すると、ヘッダ壁面４１の挿入孔４３と伝熱管２との隙間や、ヘッダ壁面４１とシェル５との隙間、伝熱管２同士の隙間、捻り板２２と伝熱管２との接触部分などを溶着させることができる。
【００２６】
次に、このように構成された熱交換器１を製造する場合の各工程について、図４を用いて説明する。
【００２７】
まず、熱交換器１を製造する場合、複数本の伝熱管２と、ヘッダ壁面４１および壁面要素４２を二枚ずつ用意し、これらのヘッダ壁面４１や壁面要素４２に伝熱管２の外径寸法に合わせた挿入孔４３を形成する。また、これと並行して、各伝熱管２に捻り板２２を挿入しておく（図４（ａ））。この捻り板２２を挿入する場合、あらかじめ、その捻り板２２に溶着材７を塗布しておいてもよい。そして、このように捻り板２２を挿入した伝熱管２を、ヘッダ壁面４１および壁面要素４２の挿入孔４３に挿入していく（図４（ｂ））。この挿入作業においては、ヘッダ壁面４１、壁面要素４２、壁面要素４２、ヘッダ壁面４１と順になるように積層し、その状態で挿入孔４３を位置合わせして一気に伝熱管２を挿入する。そして、ヘッダ壁面４１や壁面要素４２を挿入した後、ヘッダ壁面４１を両端部に位置させるようにスライドさせるとともに、壁面要素４２をそこから１ｃｍ程度の隙間をもって配置させる（図４（ｃ））。このとき、軽くヘッダ壁面４１や壁面要素４２を仮止めしておくとよい。なお、この実施の形態では、先に捻り板２２を伝熱管２に挿入してヘッダ壁面４１の挿入孔４３に挿入するようにしているが、これとは逆に、先にヘッダ壁面４１に伝熱管２を挿入し、その後、捻り板２２を伝熱管２に挿入するようにしてもよい。
【００２８】
次に、このように伝熱管２にヘッダ壁面４１や壁面要素４２と取り付けた後、これをシェル５の開口部から挿入する（図４（ｄ））。このとき、ヘッダ壁面４１と壁面要素４２の間にシェル５の溶着材流入部６５を位置させるようにしておく。そして、この状態で、溶着材流入部６５から溶着材７を流入させる（図４（ｅ））。
【００２９】
すると、その溶着材７は、図２に示すように、伝熱管２の隙間を通ってヘッダ壁面４１と壁面要素４２の空間内に流れ込み、そこから、伝熱管２の側面を伝ってヘッダ壁面４１の挿入孔４３から端部開口部２１まで表面張力によって浸透していく。また、端部開口部２１まで浸透した溶着材７は、伝熱管２の内側へと回り込み、そこから捻り板２２と伝熱管２の内壁との隙間を伝って表面張力によって浸透していく。
【００３０】
次に、このように溶着材７を浸透させた後、伝熱管２のユニットを高温加熱する。すると、溶着材７のバインダーが溶着材流入部６５やシェル５の開口部を介して蒸発していき、ヘッダ壁面４１の挿入孔４３の隙間、ヘッダ壁面４１とシェル５の内壁との隙間、伝熱管２と捻り板２２との隙間を溶着させて溶着部を形成する。
【００３１】
このように上記実施の形態によれば、筒状をなすシェル５と、当該シェル５の軸方向に沿って設けられる伝熱管２と、当該伝熱管２の内部に挿入される捻り板２２と、前記伝熱管２の端部近傍に取り付けられ、シェル５の両側にヘッダ３の空間を形成するヘッダ壁面４１とを備えてなる熱交換器１において、伝熱管２をヘッダ壁面４１の複数の挿入孔４３に挿入する工程と、伝熱管２の端部開口部２１に対してヘッダ壁面４１と反対側から溶着材７を流し込む工程と、伝熱管２の側面を伝ってヘッダ壁面４１の挿入孔４３から溶着材７を浸透させるとともに、伝熱管２の端部開口部２１から毛細管現象によって前記捻り板２２との隙間に回り込ませ、伝熱管２の内側と捻り板２２とを溶着させる工程とを備えるようにしたので、伝熱管２の端部開口部２１を塞ぐことなく捻り板２２を確実に溶着させることができるようになる。また、ヘッダ壁面４１と伝熱管２の溶着と、伝熱管２と挿入材の溶着とを同時に行うことができるため、作業効率を極めて簡素化することができるようになる。
【００３２】
さらには、ヘッダ壁面４１に対して所定の隙間をもって平行な壁面要素４２を設けるようにしたので、その壁面要素４２によって溶着材７が反対側に流れることを防止でき、端部開口部２１側への溶着材７の流れ込み量を多くして、確実にヘッダ壁面４１や捻り板２２を溶着させることができるようになる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。
【００３４】
例えば、上記実施の形態では、挿入材として所定のピッチでスパイラル状にした捻り板２２を用いるようにしたが、伝熱管２内の第一流体を乱流にするものや、もしくは、第一流体の流路長を長くするようなものであれば、どのようなものを用いてもよい。このような挿入材の他の例としては、壁面が網目状に構成された筒状の部材や、コイルバネなどを挙げることができる。
【００３５】
また、上記実施の形態では、ヘッダ壁面４１に対向させて壁面要素４２を設け、その隙間に溶着材７を流し込むようにしたが、壁面要素４２を設けることなく溶着材７を流し込んで溶着させるようにしてもよい。この場合、例えば、伝熱管２の端部開口部２１が下側になるように起立させ、溶着材流入部６５から所定の溶着材７を流入させることもできる。すると、重力および表面張力によって溶着材７がヘッダ壁面４１の挿入孔４３へと浸透し、また、捻り板２２と伝熱管２との接触部分から上昇させることができる。この状態で高温加熱させると、同様にヘッダ壁面４１の穴埋めと捻り板２２の溶着とを同時に行えるようになる。このように構成する場合、壁面要素４２は不要となるため、図５（ａ）に示すように、壁面要素４２を取り付けない構造にすることができる。
【００３６】
あるいは、端部開口部２１が上向きとなるように起立させ、ヘッダ壁面４１の上側に溶着材７を流し込むようにすることもできる。このようにすれば、自重および表面張力によってヘッダ壁面４１の挿入孔４３を穴埋めすることができるとともに、表面張力によって伝熱管２の端部開口部２１まで溶着材７を上昇させ、そこから捻り板２２と伝熱管２との接触部分に溶着材７を浸透させることもできる。このように構成する場合も同様に、壁面要素４２は不要となるため、図５（ｂ）に示すように、壁面要素４２を取り付けないような構造にすることができる。
【００３７】
さらに、上記実施の形態では、溶着材７としてロウ材を用いるようにしたが、表面張力によって挿入孔４３や捻り板２２との隙間を埋めるようなものであれば、どのような溶着材を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・熱交換器
２・・・伝熱管
２１・・・端部開口部
２２・・・捻り板
３・・・ヘッダ
４１・・・ヘッダ壁面
４２・・・壁面要素
４３・・・挿入孔
５・・・シェル
６１・・・第一流入口
６２・・・第一排出口
６３・・・第二流入口
６４・・・第二排出口
６５・・・溶着材流入部
７・・・溶着材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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