JPH0724980B2 - 管形熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は管形熱交換器の製造方法に関し、そして詳しく
は、特に高密度で、高性能形の熱交換器において、管を
ヘツダに対し機械的に結合する相対的に簡単でかつ有効
な手段に関する。

以上述べたように、本発明の管形熱交換器の製造方法に
おいては、管端部が取り付けられるヘッダに多数の密接
して離隔された貫通穴を、そこに組付けられる管の外径
よりいくらか小さい直径にしてあけられ、ヘッダを所定
の遷移温度以下の温度に降下させて、穴の各々をそこに
組付けられる管の外径よりもいくらか大きい直径に拡大
して管端部を組付け、そしてヘッダの温度を遷移温度へ
およびそれ以上に上昇させ、その各穴位置におけるヘッ
ダの変形された材料をその初期の形状に戻すようにし
て、それぞれの管を把持してそこでシールおよび結合部
を形成するようにしたので、ヘッダにおいて面を横切る
全ての管の取り付け継手部分が同時にシール結合されて
従来のろう付けと同様な利点を得ることができ、その際
に従来のろう付けで必要とするようなリベットも必要と
せず、管内の流体の自由な流れに障害となるものもな
く、このようなシール結合を提供する際にヘッダの貫通
穴への管の挿入も簡単化されるという優れた効果があ
る。

従来技術の説明 多数の管が密集して納められる関係で組み立てられてい
る熱交換器は、特に飛行機において、瀕繁な使用が知ら
れており、これにおいてはそれらのコンパクトな構造お
よび強くされた熱伝達能力を重要な利点として提供して
いる。このような熱交換器の製造は、支持ヘツダに対す
る管の取り付けにおいておよびヘツダ継手に対する多数
の管の密封においてのように、ある問題を提起してい
る。典形的な例においては、コンパクトな管形熱交換器
は152.4mm（６インチ）あるいはそれ以下の直径のヘツ
ダ間に取り付けられる約600の管から成つている。管は
3.175mm（one−eighth inch）のような直径および0.254
mm（0.010）から0.127mm（0.005）までの壁厚みを有す
る。ヘツダにおける管に適応する穴は、挿入される管を
相対的に密接して受け止める直径を有し、かつ作用応力
および構造的な完全度でできるだけ一貫して狭く作られ
た一体のヘツダ材料のリガメントにより分離されてい
る。管はシールおよび結合の両方を達成する装置により
ヘツダに結合される必要がある。

歴史的には、管形熱交換器において、ヘツダへの管の結
合は、すえ込みおよび圧延の技法によりなされる。これ
は一般的には、相対的に狭いヘツダのリガメントにおい
て引き起こされる相対的に薄い管および永久応力に対す
る損傷の可能性および管の小さな内部寸法により、熱交
換器をコンパクトにすることを不適にしている。従つ
て、普通に使用されている結合工程はろう接の一つであ
る。それぞれのろう接の工程においては、スラリ、箔ま
たは類似の状態のはんだ合金はヘツダ継手に対して各管
へ導入され、そしてヘツダおよび取り付けられた管を包
含する完全な組立体は特殊な炉内に置かれる。そこで
は、不活性の環境で調節された状態下にあり、組立体の
温度は決められた値へ上昇されそして次に降下される。
はんだ合金は、溶けて、流れ、継手内に満たされ、その
中に前記合金が収納され、次に硬化される。

結合の技法として、ろう接は、多くの利点を有しかつ一
般に首尾よく使用されている。しかしながら、ろう接
は、個々の継手に関して修理の進行の困難さにおけるよ
うに、いくつかの欠点がある。また、苛酷のサービス条
件のもとでは、割れ目があまり強くないろう接継手に生
じて、漏れを許すことになる。これらの欠点は、ある場
合には主な考慮すべき事項となり、これらの場合には機
械的に取り付けられた管のための要求へ導くことにな
る。この要求に出合つた場合には、従来技術の工程では
中空のリベツト即ち口論が特殊な工具および軸線方向運
動を用いて管端部に挿入されそして次に拡大されること
が開発された。1979年５月８日発行の米国特許第4,152,
818号明細書をみよ。従来技術の工程はその所望の目的
を達成する。しかしながら、それは、むしろ経費のかか
る工程であり、そして管を通る流路においてリベツトの
ような装置を設置するので、管を通る流体流において圧
力降下を起こさせる。ある種の熱交換器の適用のために
は、管側部の流体における許される圧力降下が重要な設
計上の考慮すべき事項である。

発明の概要 本発明の目的は、米国特許第4,152,828号の発明によっ
てなされる同じ問題を概ね処理する機械的な管取付けに
よる管形熱交換器の製造方法を提供することにある。本
発明によって、この管形熱交換器の製造方法は、熱交換
器の面を横切る全ての継手が同時に密封されるろう接と
同じ利点の一つを有している。また、挿入されるリベツ
トは必要なく、そしてそれ故、管を通る流体の自由流れ
には障害にならない。さらに、本発明は管装填工程を簡
単化し、すなわち、該工程により管は結合工程に先だつ
てヘツダ板穴内に挿入される。

これらの目的を達成する際に、本発明は、“Nitinol"と
して知られている熱回復可能な金属材料の適応性を認
め、かつその材料が機械的な管取付け問題の解決におい
て使用される工程の段階を考慮している。一つの開示さ
れた実施例において、ヘツダは熱回復可能な材料により
作られ、そして他の実施例においても管はそのように作
られている。両実施例は簡単化された管取付けにおける
確かな利点を有している。その上、両者は、不注意にあ
るいは考慮された工程の段階によることのいずれかで、
隣接した穴をゆがめるというヘツダのリガメントにおけ
る応力の伝達を除去している。例えば、ヘツダが熱回復
可能な材料により作られた実施例を参照すると、ヘツダ
は多数の密接して離隔された穴があけられている。各穴
の直径は、そこに取り付けられる管の直径よりいくらか
小さい。マルテンサイト状態を生じさせる降下された温
度では、各穴は穴材料を長手方向に変位する装置および
方法によつて拡大され、小さな応力だけを解放し、ヘツ
ダのリガメント内へ吸収する。管は、管の端部の適応す
る穴内への挿入が穴の拡大で容易になされて、取り付け
られる。ヘツダの温度は、その際遷移温度値までおよび
その温度値をずつと上昇させ、オーステナイト状態を達
成する。この相変化しておいて、変形された穴部分は、
それらの予め拡大されたまたは初めからの穴をあけた形
状に復帰し、そしてその工程において適応した管におい
て閉じてしまう。管は、その薄い壁構造によりしつかり
と把持されかつ保持され、閉じた穴壁により押さえられ
る。その作用はヘツダ継手に対し管にはシールおよび結
合をなさせる。その上、ヘツダの面上におけるヘツダ継
手に対するこのような管は、マルテンサイト状態からオ
ーステナイト状態までヘツダが経過するにつれ、単一の
作用で密封される。さらに、対向して離隔されたヘツ
ダ、および中間のじやま板部材は、もしあるなら熱回復
可能部材により作られ、管で組み立てられ、そして同時
にオーステナイト状態にもたらすようにしてもよい。こ
の方法では、管形熱交換器の完成されたコアの部品は単
一の作業においていつしよに結合されてもよい。

本発明の目的は、概ね以上述べたように、管形熱交換器
を製造する方法を提供することである。

他の目的および方法段階の詳細は添付図面に関した以下
の説明からさらにはつきりと明らかになろう。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

コンパクトで、高密度の管形熱交換器のコアは、管17に
より相互に連結された一対の長手方向に離隔された板ヘ
ツダ15および16を含む。ヘツダは管のそれぞれの両端部
を受け止める貫通穴18を有する。コア組立体は、さらに
そこを管が貫通するために穴があけられかつヘツダ間に
長手方向に離隔された位置を占有する欠円じやま板19を
含む。じやま板は、振動および同様な運動に抗した管の
保持において補助し、そして加えて、流動する流体を隣
接する一方のヘツダから他方のヘツダへ管束と呼ばれて
もよい部分を横切つた連続した横方向通過で移動させ
る。理解されるように、コアは、普通に包囲する形状に
取り付けられ、そして管を通つて流れる第一の即ち管の
側部流体と管を越えてかつそのまわりを流れる第二の即
ち外殻側部流体との間に熱の伝達を行う機能を有してい
る。

穴18は、密集した管束を成し得るという概念に従つて密
接して離隔されている。穴間のヘツダは、それらが互い
にかつ周縁のヘツダ部分に対し相互に連結する関係にあ
るので、リガメントと呼ぶ中実ランド21を形成する。穴
は列になつていて、そして隣接した列は相殺する関係に
あり、従つてより大きな管密度および概ね一様な幅のリ
ガメントを成し得る点で有役な千鳥足状の穴模様を提供
している。コンパクトな管形熱交換器の設計において考
慮することは、有効な穴あけの実施およびリガメント21
により表わされているような結合部における十分な安全
性の保持に従つて最小の空間のヘツダにおける穴模様を
提供することである。ヘツダは、平らで、平坦な前面お
よび後面を有する剛性の板状部材として作られている。
それらは、少なくとも一つの例では、リガメント21の幅
を越える一様な厚みを有している。

本発明の第一の考慮された形態に従うと、ヘツダ15およ
び16、そして所望ならば同様にじやま板切片19は、熱回
復可能な材料により作られ、すなわち、マルテンサイト
相からオーステナイト相まで通過する際に変形された形
状から初期の形状に復帰する特性を有する記憶材料によ
り作られている。この特性を示す一つのこのような材料
は、コバルトまたは他の材料が結合されて遷移温度を選
択するニツケルとチタニウムの合金である“Nitinol"と
して知られているものである。特許請求の範囲および以
下の説明において、熱回復可能な材料を参照するものは
“Nitinol"または機能的に均等な材料と同一のものであ
る。

組立ての工程は、単一のヘツダを参照して、およびヘツ
ダ継手に対して単一の管に関したほとんどの部品として
説明されている。しかしながら、両方のヘツダは同じ形
で準備されており、そして管が手または機械のいずれか
によつて同じ工程の一部分として両方のヘツダ内に装填
される。穴18は、滑らかな穴壁、および一貫して一様な
直径を生ずる工程である穴あけにより従来どうりに形成
される。

穴あけは、常温すなわち室温で実施され、第２図および
第３図に示されているように概ねヘツダをなす。穴18
は、一様な直径にあけられ、その直径は、指示されるよ
うに、そこに取り付けられるべき管17の直径よりいくら
か小さくなつている。

ヘツダを次の段階のために適当な状態にするには、ヘツ
ダは非常に低い温度、例えば−62.2℃（−80゜F）に急
速に冷却される。この温度にまたはその近くに保持する
間に、個々の穴18は、管直径よりもいくらか大きな直径
に拡大される。第４図に示すように、このことはタツプ
22すなわち手または機械的作業における工具のようなも
のを使用することでなされる。いずれにしても、タツプ
または他の拡大用工具が一方法で適用され、半径向きと
いうよりむしろ全体的に軸線方向に穴壁の材料を取り去
る。結果として、球状構造23および24は各穴18のまわり
の板の前面および後面から突出する。さらに、半径方向
というよりはむしろ軸線方向の向きに材料を取り去る際
に、隣接した穴の向きにおよびこのような隣接した穴か
ら作用される応力に対し反対方向に作用される応力が避
けられまたは最少にされる。相対的に狭いリガメント21
は、必要とせずにこのような応力を吸収し、あるいはそ
れらは隣接した穴の結果として生じるゆがみでもつてゆ
がめられることはない。ヘツダ材料の相対的な柔軟性
は、マルテンサイト状態において、金属の変位を容易に
行わせる。このような変位は、穴の両端部で生じるもの
として示されているが、一方の端部だけに対し、拡大用
工具または使用される方法に依存して制限されてもよ
い。

拡大された穴18は、そこへ管17を即座に設置すべく提供
され、拡大された穴における挿入された管端部の位置が
第５図に示されている。全ての管は、離隔されたヘツダ
へ、およびもし使用されるなら、概ね図示されるよう
に、じやま板19へ組み立てられる。所望なら、部品は周
知の間に合せの有効な装置により組み立てられた関係で
保持される。その際、組立体は加熱され、あるいは室温
すなわち作用温度へと上昇させることができる。このよ
うな温度上昇のうちに、熱回復可能な材料により作られ
た部品は、遷移温度、すなわちその金属がマルテンサイ
トの状態からオーステナイト状態へ変化する温度の範囲
を通過する。このことが生じるにつれ、熱回復可能部品
は、それらが変形されるまえであるが、マルテンサイト
状態にある形状に戻り、あるいは戻ろうとする。特に、
球状の構造23および24はそれぞれの穴18内で収縮し、穴
自身は第４図の形状から第３図の形状へ逆戻りする。こ
のことは取り付けられた管17の面前でなされるので、穴
壁は、それぞれの取り付けられた管上を閉じ、そして第
６図に示すように、相対的に薄い管壁をへこませる。そ
の結果として、管をヘツダにおよび各管においてヘツダ
継手に積極的に固定し、シールおよび結合部を生成す
る。全てのこのような継手は、ヘツダが遷移温度を通過
するにつれ、同時に閉じられる。継手は、熱交換器の作
用寿命においてずつとしつかりと閉じられかつ密封され
たままであるが、しかしながら、このような作用寿命が
遷移温度でまたはそれ以下の温度では存在しないであろ
うということは理解されよう。

第７図には、ヘツダ26の変更された形状が管の適応する
穴27を有するものとして示されている。しかしながら、
この場合には、各穴27のまわりの材料は、穴の各端部に
おいて、さら穴にしたまたは類似の工程で形成するくぼ
み28および29にして減縮される。このことは、管を把持
する穴壁における局所のランド区域を残し、かつ突出部
31および32がマルテンサイト状態で形成されて変形する
工程を容易にさせる。

第８図においては、ヘツダ33は変形可能な管の薄板の特
徴を有する。管に適応する穴34は、穴あけ即ち35で穴の
まわりの環形を円形にゆがめる類似した作業において成
形される。マルテンサイト状態で実行される変形段階に
おいて、舌部35は付加的に破線で示される位置へ変位さ
れる。このようにさらに変位される位置から戻ると、ヘ
ツダが温度を遷移値までおよびそれ以上に上昇されるに
つれ、舌部35が取り付けられた管を概ね第６図に示され
る状態に把持しかつ密封する。

第９図に示されるヘツダの変更は第７図の変更に類似し
ている。しかしながら、ここでは、ヘツダ36において、
各穴35に隣接した環状区域は、各ヘツダ面において下を
切り取り、Ｖ字形くぼみ37を形成する。穴の近くのまわ
りのヘツダ部分は、このように突出部38および39へ即座
に変形され、これらをオーステナイト状態において管の
把持形状に復帰させる。

第10図および第11図は、実施例における進行段階を示
し、該実施例においてはヘツダよりむしろ管が熱回復可
能な部材である。この場合には、ヘツダ41はそこに受け
止められる管43の直径よりいくらか小さい直径の管に適
応する穴42を有する。それゆえ、管はヘツダに取り付け
られるように締りばめを有することが期待されうる。ヘ
ツダは、例えばステンレススチールような熱交換器の使
用に適した材料により作られている。管は、第１図から
第９図までの実施例において考慮されると同じかまたは
類似した特性を有する熱回復可能な材料により作られて
いる。組立て工程において、取付けられた管は非常に低
温度に、即ち−62.2℃（−80゜F）程度まで引き下げら
れる。その温度で、管の端部は押しつぶされて、収縮し
た直径の先端部44を形成する。第10図に示されるよう
に、先端部44は穴42に即座に挿入される寸法にされる。
管はヘツダに組み付けられ、そして前に考慮された実施
例の場合におけるように、組立体は加熱され、または管
材料がオーステナイトになる遷移温度までおよびそれ以
上の温度に上昇することができる。このことが生じるに
つれ、変形された先端部44は拡張し、あるいはそれらの
初期の形状へ拡張しようとする。その工程において、先
端部44は穴42の壁に係合しかつそれによりしつかりと把
持される。ヘツダに密封されかつ結合されて十分に取り
付けられた管は、ヘツダに対し概ね第11図に示されるよ
うな形状および関係を有してもよい。

本発明の実施例はここには限られた数だけ開示されてい
る。これらの実施例より以前の現在開示されたものを有
する当業者に、明白にこれらの実施例自体を示唆するこ
れらの実施例および他の実施例が本発明により包含され
ることは理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は管形熱交換器の組み立てられたコアの部分的な
概略斜視図、第２図は穴をあけられたヘツダ板の前面ま
たは端面における破断拡大図、第３図は管の挿入に適応
してあけられた代表的な穴を示し、穴を拡大する前の状
態を示したヘツダの破断断面図、第４図はヘツダがマル
テンサイト状態にあつて、あけられた穴の拡大を示す第
３図と同様な断面図、第５図は拡大された穴に挿入され
た管を示す第４図と同様な断面図、第６図はヘツダに固
定されかつその内部を密封する管を具備したオーステナ
イト段階への移行後の部品を示す第５図と同様な断面
図、第７図は別の穴の形状を示す第３図および第４図と
同様な断面図、第８図は他のヘツダおよび穴の形状を示
す第７図と同様な断面図、第９図はさらに他のヘツダお
よび穴の形状を示す第７図および第８図と同様な断面
図、第10図はヘツダというよりむしろ管が熱回復可能な
材料により作られ、部品がヘツダに挿入されるべく変形
されかつそれに近くされた管を具備して示された本発明
の他の形態を示す第５図および第６図と同様な断面図、
および第11図はヘツダに対し密封された関係で拡張され
た管を示す第10図と同様な断面図である。 15,16,26,33,36,46……ヘツダ;17,43……管;18,27,34,4
2……穴;21……リガメント;22……タツプ;28,29,37……
くぼみ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長手方向に離隔して離れたヘッダに対して
   多数の管を組み立てて管形熱交換器のコアを形成する管
   形熱交換器の製造方法であって、 （ａ） 多数の管と該管を取り付けるヘッダとを提供
   し、該ヘッダの少なくとも１個が熱回復可能な金属の板
   状部品として作られかつ前および後の外側面を有するよ
   うにし、 （ｂ） 前記１個のヘッダにおける多数の密接して離隔
   された貫通穴を、そこに組付けられる管の外径よりいく
   らか小さい直径におのおの穴あけして、あけられた穴が
   中実板材の相対的に狭いリガメントによって分離される
   ようにし、 （ｃ） 前記ヘッダの温度を、所定の遷移温度以下の温
   度に降下させて、前記穴の各々を前記穴に組付けられる
   管の外径よりもいくらか大きい直径に拡大する変形圧力
   を穴壁に作用させ、前記変形圧力を前記穴に個々に作用
   させて、前記ヘッダの長手方向の向きに隣接した穴の壁
   に向かって前記リガメント内へ応力のかなりの移動がな
   くても変形された材料を転移させ、 （ｄ） 前記１個のヘッダにおけるそれぞれの拡大され
   た穴に管端部を組付け、前記管端部が実質的に前記穴を
   通って延びる段階を含んで、熱交換器コアを組み立て、
   そして （ｅ） 前記ヘッダの温度を前記遷移温度へおよびそれ
   以上に上昇させ、その結果各穴位置における前記ヘッダ
   の変形された材料が他の穴の位置における変形された材
   料とは無関係にかつ同時にその初期の形状に戻すかまた
   は戻すように試み、そしてその過程においてそれぞれの
   管を把持してそこでシールおよび結合部を形成する、 段階を含む管形熱交換器の製造方法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
   て、前記管が薄壁金属構造を有し、かつそれぞれの拡大
   された穴内に十分に密接して嵌合して、拡大された穴が
   それらの初期の形状に戻るにつれて変形された穴壁部分
   によって接合される管形熱交換器の製造方法。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
   て、前記穴が、穴壁を前方向および後方向に画成して前
   方および後方のヘッダ面から突出する材料を物理的に変
   位させる工具を用いたすえ込みのような工程によって拡
   大される管形熱交換器の製造方法。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
   て、前記ヘッダが平坦な金属部品であり、該部品の前面
   および後面が平坦でありかつ平行な関係にあり、前記部
   品が前記リガメントの最大幅を越える厚さを有する管形
   熱交換器の製造方法。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項に記載の方法におい
   て、前記ヘッダにおける穴が垂直方向に離隔して離され
   た横列にあけられ、隣接した列の対応する穴が互いに偏
   倚していて、隣接した列間の空間がヘッダの面の亙って
   一様でありそして各列の穴間の空間が一様であり、それ
   により前記ヘッダの面に亙る穴が互いに実質的に一様に
   離隔されかつ実質的に一様な幅および形状の分離用リガ
   メントを画成する管形熱交換器の製造方法。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第３項に記載の方法におい
   て、前記ヘッダが前と後の平坦面を有する平坦な板状部
   材であり、前記穴の各々が前記ヘッダの両面間で一様な
   直径を有する管形熱交換器の製造方法。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項に記載の方法におい
   て、各穴に対して隣接した取り巻き関係でそして各ヘッ
   ダ面における環状のヘッダ部分がほぼＶ字形に切り離さ
   れている管形熱交換器の製造方法。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第３項に記載の方法におい
   て、前記ヘッダが前と後の平坦面を有する平坦な板状部
   材であり、各穴位置における対向するヘッダ面がさらに
   穴形にされてくぼみ内の各面で終端になっている短くさ
   れたながさの穴壁部分を形成する管形熱交換器の製造方
   法。
9. 【請求項９】長手方向に離隔して離れたヘッダに対して
   多数の管を組み立てて管形熱交換器のコアを形成する管
   形熱交換器の製造方法であって、 （ａ） 管要素とその管を取り付けるヘッダ要素とを提
   供し、前記管の少なくとも１個が熱回復可能な材料から
   なり、前記ヘッダが前記管を受け入れる穴を有しそして
   前記穴と管が締まりばめの寸法にされて提供し、 （ｂ） 熱回復可能材料からなる前記要素の温度を低下
   させ、そして所定の遷移温度以下の温度で前記要素に変
   形圧力を作用して、それにより前記管が非締まりばめで
   前記ヘッダ穴に挿入されるようにし、 （ｃ） 前記ヘッダに前記管を挿入し、そして （ｄ） 前記変形された要素の温度を遷移温度へおよび
   それ以上に上昇させ、その温度でその要素を最初に予め
   変形された形状に逆戻りさせかつその適応した穴におけ
   る管の締まりばめを達成する、 段階を含む管形熱交換器の製造方法。
10. 【請求項１０】特許請求の範囲第９項に記載の方法にお
    いて、熱回復可能材料からなる前記要素が前記ヘッダで
    あり、変形圧力がそこにおける穴の直径の拡大において
    適用される管形熱交換器の製造方法。
11. 【請求項１１】特許請求の範囲第９項に記載の方法にお
    いて、熱回復可能材料からなる要素が前記管であり、前
    記変形圧力が前記ヘッダの穴に適応される位置において
    前記管の直径の減少において適用される管形熱交換器の
    製造方法。
12. 【請求項１２】特許請求の範囲第10項に記載の方法にお
    いて、前記ヘッダが相対的に狭いリガメントによって分
    割された多数の穴を有し、各穴のための各があって、そ
    して前記ヘッダを遷移温度にもたらすことによりヘッダ
    継ぎ手に対し前記多数の管の同時の閉鎖のためにすべて
    のヘッダあっての直径を同時に減少させる管形熱交換器
    の製造方法。