JP6094873B2 - 熱交換器のケースおよび熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、給湯装置の構成要素などとして用いられる熱交換器のケース、およびこれを備えた熱交換器に関する。

給湯装置用の熱交換器の具体例としては、バーナを用いて発生された燃焼ガスを内部に流入させることが可能なケース内に伝熱管を収容し、この伝熱管内を流通する湯水を燃焼ガスによって加熱し、温水を加熱生成させるようにしたものがある。このような熱交換器におけるケースは、端部が開口した筒状のケース本体と、このケース本体の端部開口を塞ぐための側板とを備えた構成とされている場合が多い。従来において、このような構成のケースを構成する場合、側板の外周縁部には、この側板の厚み方向に突出した筒状フランジ部を連設しておき、この筒状フランジ部をケース本体の端部開口周縁部に嵌合させてから、この嵌合部分を溶接する手段がある（たとえば、特許文献１，２を参照）。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるような不具合があった。

図８を参照して説明すると、従来においては、ケース９の側板９１の外周縁に筒状フランジ部９１ａを形成しているものの、この筒状フランジ部９１ａは、側板９１の厚み方向に非傾斜状で単に突出しているだけのものに過ぎない。このため、ケース本体９０の端部開口部９２に側板９１を嵌入させた際に、筒状フランジ部９１ａの全周域をケース本体９０の開口周縁部９３の全周域に対して隙間の無い状態に設定することが困難な場合があった。ケース本体９０を形成する際には、開口周縁部９３に歪みや寸法誤差が生じている場合があるが、このような場合に、筒状フランジ部９１ａの全周を開口周縁部９３の全周に積極的に接触させることは困難であり、それらの間に隙間９８が発生してしまう。一方、筒状フランジ部９１ａと開口周縁部９３とを溶接する場合、前記したような隙間９８が存在していると、この部分に溶接不良が生じる虞があり、ケース９の耐久強度や気密性を確保する上で好ましいものではない。

特開２０１１−２７３６３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、ケース本体に多少の歪みや寸法誤差が生じているような場合であっても、ケース本体と側板との溶接箇所の耐久強度や気密性を適切に確保することが可能な熱交換器のケース、およびこれを備えた熱交換器を提供することを、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。

本発明の第１の側面により提供される熱交換器のケースは、内部に伝熱管を収容し、かつ前記伝熱管との間で熱交換を図るための流体を内部に流入させるための筒状のケース本体と、外周縁部に筒状フランジ部を有し、かつこの筒状フランジ部が前記ケース本体の端部の開口周縁部に嵌合されて溶接されていることにより前記ケース本体の端部開口部を塞
ぐ側板と、を備えている、熱交換器のケースであって、前記ケース本体の開口周縁部および前記側板の筒状フランジ部のうち、一方は、他方に対する嵌合方向の前寄り部分ほど外形寸法が小さくなる傾斜筒状部とされ、かつ他方は、外周面が非傾斜状または前記傾斜筒状部よりも傾斜角度が小さい非傾斜筒状部とされており、前記傾斜筒状部は、前記非傾斜筒状部の内側に差し込まれて、前記非傾斜筒状部の先端部と前記傾斜筒状部とが溶接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、ケース本体の開口周縁部に歪みや寸法誤差が多少生じている場合であっても、傾斜筒状部の外周面の全周が非傾斜筒状部の先端部の全周に適切に当接するように設定し、これらの間に隙間を生じないようにすることができる。傾斜筒状部については、非傾斜筒状部の先端部との当接によって弾性変形させることができるために、その弾性復元力を利用して非傾斜筒状部の先端部に対して傾斜筒状部の外周面を積極的に圧接させることが可能である。このような状態で溶接を施せば、非傾斜筒状部の先端部と傾斜筒状部との溶接箇所に溶接不良を生じないようにし、溶接強度や気密性を適切に確保することが可能となる。その結果、熱交換器の製造に際しての歩留りも良くすることができる。

本発明において、好ましくは、前記傾斜筒状部の外周面と前記非傾斜筒状部の内周面との相互間には、前記溶接のビード部による壁面部が前記ケースの内部に対面した状態で形成されており、前記ケース本体および前記側板の溶接箇所においては、前記ケース本体の内側面が前記ビード部による壁面部に繋がった第１の角部と、前記側板の内側面が前記ビード部による壁面部に繋がった第２の角部とが互いに離間して形成されている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
第１に、ケースは、内部への熱交換用媒体の流出入に伴って熱膨張や熱収縮を生じるために、ケース本体と側板との溶接箇所に応力が発生する場合がある。これに対し、前記溶接箇所には、第１の角部と第２の角部とが離間して形成されているために、溶接箇所に１つの角部のみが形成されている場合と比較すると、溶接箇所に応力集中を生じ難くする作用が得られる（溶接箇所に１つの角部のみが形成されている場合には、この角部に応力が集中し易いが、２つの角部が形成されていれば、そのような応力集中は生じ難い）。したがって、ケースの強度・耐久性能をより高めることができる。
第２に、ケース本体と側板との溶接箇所に、微小幅の隙間を生じないようにすることが可能である。本発明では、傾斜筒状部を非傾斜筒状部内に差し込んでいるために、本来ならば、傾斜筒状部の外周面と非傾斜筒状部の内周面との間に微小幅の隙間が形成されるが、溶接のビード部の壁面部の存在によって、そのような微小幅が形成されないようにすることが可能である。微小幅の隙間が比較的長寸法で形成された場合には、この部分に隙間腐食を生じる虞があるが、前記構成によれば、そのような虞もなくすことが可能である。
潜熱回収用の熱交換器においては、強酸性のドレインが発生し、このドレインがケースの底部上などを流れるために、ケースの耐腐食性を高める必要性が高いが、前記構成によれば、このような用途にも適するものとなる。

本発明において、好ましくは、前記溶接は、レーザ溶接であり、前記傾斜筒状部の外周面と前記非傾斜筒状部の内周面との夾角は、１６〜２４°の範囲内とされている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
第１に、レーザ溶接は、高速かつ低入熱での溶接が可能であり、母材の熱歪みを少なくできるといった利点を有することに加え、局所加熱による高密度エネルギ加工が可能であるため、深い溶融層を母材の所望の位置に正確に形成することが可能である。したがって、レーザ溶接を用いれば、ケース本体と側板との溶接箇所において、溶接のビード部による壁面部をケースの内部に向けて対面させた状態で形成することが、容易かつ適切に実現
できることとなる。
第２に、前記の夾角を１６〜２４°の範囲内に設定することにより、次のような効果が得られる。
まず、前記夾角が、１６°未満である場合には、傾斜筒状部の外周面と非傾斜筒状部の内周面との間に形成される隙間の幅が過小となる。この場合においては、前記隙間の奥部に溶接のビード部を仮に形成したとしても、傾斜筒状部の外周面と非傾斜筒状部の内周面とは、隙間の奥部において直接繋がってしまい、隙間の奥部には、実質的に１つの角部が形成されるに過ぎない状態になり易い。これに対し、前記夾角を１６°以上とすれば、隙間の奥部に第１の角部と第２の角部とを適切に形成することが可能となる。
一方、前記夾角が、２４°を超える角度とされた場合には、傾斜筒状部と非傾斜筒状部とが隙間を介して大きく離間することとなる。この場合には、非傾斜筒状部に対してその外側からレーザ溶接を施す際に、この非傾斜筒状部に形成された溶融池が破れ、溶接不良（非傾斜筒状部の孔あき）が生じ易くなる。これに対し、前記構成によれば、そのようなことも適切に防止することができる。

本発明の第２の側面により提供される熱交換器は、本発明の第１の側面により提供される熱交換器のケースを備えていることを特徴としている。
このような構成によれば、本発明の熱交換器のケースについて述べたのと同様な効果が得られる。

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観斜視図である。 （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），（ｂ）は、図１および図２に示す熱交換器の製造工程の一例を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、図１および図２に示す熱交換器との対比例を示す要部断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の他の例を示す要部断面図である。 本発明の他の例を示す要部断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の他の例を示す要部断面図である。 従来技術の一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用いられる。
この熱交換器ＨＥは、ケースＣと、このケースＣ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とされており、これらの先端開口部はヘッダ３（３Ａ，３Ｂ）内のチャンバ３６に連通している。複数の伝熱管１内への入水は、入水用のヘッダ３Ａからなされ、複数の伝熱管１を通過して加熱生成された湯水は、出湯用のヘッダ３Ｂから出湯する。

ケースＣは、略直方体状であり、矩形筒状のケース本体２と、左右一対の側板６（６Ａ，６Ｂ）とを組み合わせて構成されている。ケース本体２および側板６のそれぞれは、たとえばステンレス板にプレス加工などを施して形成されたものである。ケース本体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Ｃ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に到達し、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。ケース本体２の上壁部２０ａおよび下壁部２０ｂには、伝熱管１との間に形成される隙間を小さくするための突出段部２０',２０”が形成されている。

ケースＣの一対の側板６（６Ａ，６Ｂ）は、ケース本体２の端部開口部２１を塞ぐための部材である。端部開口部２１は、略矩形状であり、各側板６もこれに対応した形状である。一方の側板６Ｂには、ケースＣの外方に向けて膨出した一対の膨出部６２が形成されている（図３も参照）。直状管体部１０ａ，１０ｂは、一対の膨出部６２に設けられた複数の貫通孔６８に挿入されて側板６Ｂに溶接されている。複数の貫通孔６８および伝熱管１の端部は、比較的接近した間隔で略水平方向に並んでいる（図２（ａ）のヘッダ３Ｂの部分を参照）。膨出部６２には、ヘッダ３が外嵌されて溶接されている。ヘッダ３は、膨出部６２に外嵌可能な開口縁部３３を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とを有するものである。他方の側板６Ａには、膨出部６２やヘッダ３は設けられていない。

各側板６の外周縁部には、各側板６の本体部（中央寄り領域）６０からケース本体２の外側方に向けて突出した筒状フランジ部６１が形成されている。本実施形態では、この筒状フランジ部６１の全体は、ケース本体２の内側方向に進むほど外形寸法が小さくなる傾斜筒状部７Ｂとされている。図３（ａ）に示すように、傾斜筒状部７Ｂの傾斜角度α１（後述する夾角α１と同一）は、好ましくは、１６〜２４°の範囲内であり、より好ましくは、２０°である。一方、ケース本体２の各開口周縁部２２は、外形寸法が略一定の非傾斜筒状部７Ａである。

ケース本体２と各側板６とは、傾斜筒状部７Ｂが非傾斜筒状部７Ａの内側に差し込まれる態様で嵌合されており、かつ非傾斜筒状部７Ａの先端部と傾斜筒状部７Ｂとは互いに溶接されている。この溶接は、後述するように、たとえば溶加材を用いないレーザ溶接である。

図２（ｂ）の要部拡大断面図に示すように、傾斜筒状部７Ｂの外周面７０と非傾斜筒状
部７Ａの内周面７１との間には、隙間８が形成されている。外周面７０と内周面７１との夾角α１は、前記した傾斜角α１と同一である。一方、隙間８の奥部には、溶接のビード部４（溶融凝固金属部）による壁面部４０が隙間８に対面（露出）した状態で形成されている。隙間８の奥部においては、内周面７１が壁面部４０と交差して繋がった第１の角部ｃ１と、外周面７０が壁面部４０と交差して繋がった第２の角部ｃ２とが互いに離間して形成されている。

次に、前記したケースＣおよびこれを備えた熱交換器ＨＥの製造方法の一例について説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、ケース本体２内に複数の伝熱管１を収容した状態において、同図（ｂ）に示すように、側板６をケース本体２の端部開口部２１に嵌合させる組付工程を行なう。この組付工程では、各側板６の傾斜筒状部７Ｂをケース本体２の非傾斜筒状部７Ａ内に差し込み、傾斜筒状部７Ｂの外周面を非傾斜筒状部７Ａの先端部に当接させる。この作業は、たとえば左右一対の適当な押圧部材９９を用いて一対の側板６をケース本体２側に押圧することにより行なわせればよい。傾斜筒状部７Ｂの外周面を非傾斜筒状部７Ａの先端部に押し付けると、傾斜筒状部７Ｂを弾性変形させることができる。したがって、その弾性復元力を利用し、非傾斜筒状部７Ａの先端部の全周に対して傾斜筒状部７Ｂの外周面を適切に圧接させることが可能である。

前記組付工程の後には、傾斜筒状部７Ｂが非傾斜筒状部７Ａ内に差し込まれた状態を維持させたまま、レーザ溶接装置を構成するレーザ溶接加工ヘッド５から非傾斜筒状部７Ａの先端部周辺に対してレーザ光５０を照射し、非傾斜筒状部７Ａの先端部を傾斜筒状部７Ｂに溶接する。この溶接に用いられるレーザは、たとえば半導体レーザであり、その波長はステンレスが吸収可能な波長域（波長１０００ｎｍ近辺）である。レーザ溶接時には、溶接対象領域に不活性ガスがシールドガスとして供給される。前記レーザ溶接は、非傾斜筒状部７Ａの先端部および傾斜筒状部７Ｂの全周にわたって行なう。このようなレーザ溶接に際し、溶加材は必要ではなく、本実施形態では、溶加材を用いていない。このようなレーザ溶接により、図２（ｂ）の要部拡大断面図に示したビード部４を形成し、ケースＣを適切に製造することができる。
なお、その後は、各伝熱管１を膨出部６２に溶接する作業、およびヘッダ３を膨出部６２に外嵌させて溶接する作業を行なうことにより、熱交換器ＨＥを適切に製造することができる。各伝熱管１やヘッダ３の溶接は、たとえばＴＩＧ溶接であるが、レーザ溶接を用いることも可能である。

次に、前記した熱交換器ＨＥの作用について説明する。

まず、ケース本体２に各側板６を溶接するための前提構造として、傾斜筒状部７Ｂを非傾斜筒状部７Ａの内部に差し込む構造を採用しているために、この構造においては、非傾斜筒状部７Ａに多少の歪みや寸法誤差が生じていても、傾斜筒状部７Ｂを弾性変形させて、非傾斜筒状部７Ａの先端部の全周に傾斜筒状部７Ｂの外周面を隙間のないように積極的に当接させることが可能である。このような状態で溶接を施せば、溶接不良を生じ難くし、溶接強度や気密性を適切に確保することが可能となる。熱交換器ＨＥの製造に際しての歩留りも良くすることができる。

図２（ｂ）の要部拡大断面図に示した構造では、隙間８の奥部に２つの角部ｃ１，ｃ２が形成されている。このため、隙間８の奥部に１つの角部のみが形成されている構成（後述する図４（ａ）の対比例１が相当）と比較すると、ケースＣが熱膨張や熱収縮したような際に、隙間８の奥部に応力集中が生じ難くなる。その結果、ケースＣの耐久性がより向上する。

また、隙間８の奥部が前記したような構造とされていれば、隙間８の奥部がかなりの微小幅になることが回避される。したがって、隙間腐食も生じ難くなる。たとえば、ＳＵＳ４４４などのステンレス鋼においては、臨界隙間深さが４０μｍであり、溶接隙間の幅が４０μｍとなる位置が、溶接隙間の奥部から２ｍｍ以下であれば、隙間腐食は生じないとの報告がある（日本材料学会 Number267, Volume48, Part2 March 9, 2009「最近のステンレス鋼の開発・適用状況」）。このような報告内容に照らせば、本実施形態のケースＣを、隙間８に腐食（隙間腐食）が生じないものとすることが可能である。熱交換器ＨＥは、いわゆる潜熱回収型であるために、潜熱回収に伴って発生した強酸性のドレインが隙間８に進入する虞があり、前記したような隙間腐食を防止する要請は強い。本実施形態によれば、そのような要請に的確に応えることが可能である。

図４（ａ），（ｂ）は、本実施形態との対比例を示しており、本実施形態では、これらの対比例との比較において、次に述べるような好ましい効果が得られる。

図４（ａ）は、隙間８を形成する傾斜筒状部７Ｂの外周面７０と非傾斜筒状部７Ａの内周面７１との夾角α２が、１６°未満とされた対比例１を示している。この場合には、隙間８の全体の幅がかなり微小となり、溶接のビード部４の一部が隙間８の奥部に仮に形成されたとしても、実質的には、このビード４の一部は隙間８に対面するように形成されず、外周面７０と内周面７１とが直接繋がった状態となる。このため、図２（ｂ）の要部拡大断面図で示した隙間８の奥部に計２つの角部ｃ１，ｃ２を形成した構成を実現することは難しい。加えて、夾角α２が１６°未満の場合には、傾斜筒状部７Ｂを開口周縁部２２の内側に差し込む作業も難しくなる。

一方、図４（ｂ）は、夾角α３が、２４°よりも大きな角度とされた対比例２を示している。この場合には、非傾斜筒状部７Ａの外周面にレーザ光を照射して溶融池を形成した場合に、この溶融池の下方直近に傾斜筒状部７Ｂが存在しないために、溶融池が破れて溶融金属が流れ落ち、穴あき１９を生じる可能性が高くなる。

本実施形態では、夾角α１が、１６〜２４°の範囲とされているために、前記した対比例１，２のような不具合を生じないようにし、図２（ｂ）の要部拡大断面図に示した構造を適切かつ容易に実現することが可能である。
なお、本実施形態では、溶接手段として、レーザ溶接を用いているために、高速かつ低入熱での溶接が可能となり、溶接箇所近辺の熱歪みを少なくし、ケースＣの品質をより良好にしつつ、熱交換器ＨＥの生産効率を高めることも可能となる。加えて、レーザ溶接は、深い溶融池を所望の位置に正確に形成することが可能であるため、ビード部４の一部を、隙間８の奥部に存在させることも容易かつ適切に実現できる利点が得られる。

図５〜図７は、本発明の他の実施形態を示している。

図５に示す実施形態においては、同図（ａ）に示すように、非傾斜筒状部７Ａの先端部近辺にレーザ光を照射して溶接を施す場合に、同図（ロ）に示すように、溶接のビード部４を、側板６の本体部６０寄りに形成し、ビード部４によって隙間８の略全域が塞がれるようにしている。ケースＣの内部において、ケース本体２と側板６との溶接箇所には、第１および第２の角部ｃ１，ｃ２が離間して形成されている。
本実施形態によれば、隙間８が塞がれているために、隙間腐食を防止する上でより好ましいものとなる。

図６に示す実施形態においては、傾斜筒状部７Ｂと非傾斜筒状部７Ａとの先端部どうしが溶接されている。本発明においては、この溶接態様としてもよい。

図７（ａ）に示す実施形態においては、側板６の傾斜筒状部７Ｂ（筒状フランジ部６１）が本体部６０よりもケース本体２側に突出するように形成されており、側板６に対する傾斜筒状部７Ｂの突出方向が、先の実施形態とは反対とされている。このような構成であっても、本発明が意図する作用を得ることが可能である。

図７（ｂ）に示す実施形態においては、側板６の筒状フランジ部６１が非傾斜筒状部７Ａとされているのに対し、ケース本体２の開口周縁部２２が傾斜筒状部７Ｂとされている。このような構成においても、やはり本発明が意図する作用を得ることが可能である。本実施形態から理解されるように、本発明では、ケース本体の開口周縁部と側板の筒状フランジ部のうち、いずれを傾斜筒状部または非傾斜筒状部とするかは問わない。

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ケース、および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において種々に設計変更自在である。

本発明でいう非傾斜筒状部は、基本的には、外周面が非傾斜状とされた筒状部であるが、傾斜筒状部よりも小さい傾斜角度で傾斜した筒状部とされていてもかまわない。ケース本体は、その基本的な形態が端部が開口した筒状であればよく、矩形筒状以外の筒状に形成することもできる。ケース本体は、単一部材で形成されている必要もない。側板は、外周縁部に筒状フランジ部を有する基本的形態を有し、ケース本体の端部開口部を塞ぐことが可能であればよく、やはりその具体的な形状などは限定されない。

レーザ溶接の種類は半導体レーザによるものに限定されず、他の種類のレーザを用いてもよい。レーザ溶接では、溶加材を用いる必要がないが、あえて溶加材を用いてもよい。本発明に係る熱交換器の伝熱管は、螺旋タイプのものに限らず、直管状あるいは蛇行状の伝熱管を用いることが可能であり、ケース内に流入される熱交換用の流体も、燃焼ガスに限らない。本発明に係る熱交換器は、給湯装置用あるいは湯水加熱用に限らない。

ＨＥ 熱交換器
Ｃ ケース
ｃ１，ｃ２ 第１および第２の角部
α１ 夾角
１ 伝熱管
２ ケース本体
４ ビード部（溶接の）
６ 側板
８ 隙間
２１ 端部開口部（ケース本体の）
２２ 開口周縁部（ケース本体の）
４０ 壁面部（ビード部による）
６１ 筒状フランジ部（側板の）
７Ａ 非傾斜筒状部
７Ｂ 傾斜筒状部

Claims (2)

1. 内部に伝熱管を収容し、かつ前記伝熱管との間で熱交換を図るための流体を内部に流入させるための筒状のケース本体と、
   外周縁部に筒状フランジ部を有し、かつこの筒状フランジ部が前記ケース本体の端部の開口周縁部に嵌合されて溶接されていることにより前記ケース本体の端部開口部を塞ぐ側板と、
   を備えている、熱交換器のケースであって、
   前記ケース本体の開口周縁部および前記側板の筒状フランジ部のうち、一方は、他方に対する嵌合方向の前寄り部分ほど外形寸法が小さくなる傾斜筒状部とされ、かつ他方は、外周面が非傾斜状または前記傾斜筒状部よりも傾斜角度が小さい非傾斜筒状部とされており、
   前記傾斜筒状部は、前記非傾斜筒状部の内側に差し込まれて、前記非傾斜筒状部の先端部と前記傾斜筒状部とは溶接されており、
   前記傾斜筒状部の外周面と前記非傾斜筒状部の内周面との相互間には、前記溶接のビード部による壁面部が前記ケースの内部に対面した状態で形成されており、
   前記ケース本体および前記側板の溶接箇所においては、前記ケース本体の内側面が前記ビード部による壁面部に繋がった第１の角部と、前記側板の内側面が前記ビード部による壁面部に繋がった第２の角部とが互いに離間して形成されており、
   前記溶接は、レーザ溶接であり、
   前記傾斜筒状部の外周面と前記非傾斜筒状部の内周面との夾角は、１６〜２４°の範囲内とされていることを特徴とする、熱交換器のケース。
2. 請求項１に記載の熱交換器のケースを備えていることを特徴とする、熱交換器。

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