JPS6044236A - 管形熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
ヘッ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。

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゛熱伝達能カ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、支持ヘッダに対
する管の取り付けにおいておよびヘッダ継手に苅する多
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１
５２．４＋＋＋ｍ（６インチ）あるいはそれ以下の直往
のヘッダ間に取り付けられる約６００の管から成ってい
る。管は３．１７５　ａｍ　（ｏｎｅ−ｅｉｇｈｔｈ　
１ｎｃｈ）のような直径および０．２５４韮（０，０１
０）から０．１２７朋（０，００５）ｔでの壁厚みを有
する。

ヘッ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封して狭く作られた一
体のヘッ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ッダ
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、ヘッダへの管の結
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、相対的に狭いヘッ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。従って
、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ッダ継手に対して容管へ導
入され、そしてヘッ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イづけられた管のた
めの要求へ導くことになる。この要求に出合った場合に
は、従来技術の工程では中空のリベット即ち日輪が特殊
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ッ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 本発明は、米国特許第４，１５２，８１８号の発明がな
すような同じ問題な概ね処理する機械的な管の取付けに
関する。しかしＩＬがら、本発明は、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
一つな有している。また、挿入されるリベットは必要な
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ってヘッダ板
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、Ｎ１ｔｉｎｏ
ｌ　”として知られている熱回収可能な金属拐料の適応
性を認め、かつその材料が機械的な管取付は問題の解決
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、ヘッダは熱回収可能な材料
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、瞬接した穴をゆがめるというヘッダのリガメント
における応力の伝達を除去している。例えば、ヘッダが
熱回収可能な材料により作られた実施例を参照すると、
ヘッダは多数の密接して！ｌｆ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、各穴は穴拐料を長手方向に変位する
装貯および方法によって拡大され、小さな応力だけを解
放し、ヘッダのリガメント内へ吸収する。管は、管の端
部の適応する大向への挿入が穴の拡大で容易になされて
、取り付けられる。ヘッダの温度は、七の際遷移温度値
までおよびその温度値をずっと上昇させ、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
大部分は、それらの予め鰺、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
よりしっ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。その作用はヘッ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、ヘッダの面上にお
けるヘッ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ッダが経過するに
つれ、単一の作用で密封される。さらに、対向して離隔
されたヘッダ、および中間のじゃま板部材は、もしある
なら熱回収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っしょに結合されてもよ
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っ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
ヘッダ１５および１６を含む。ヘッ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
ッ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。じゃま板は、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ッダから他方のヘッダへ管束
と呼ばれてもよい部分を横切っ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、そして管を通って流れる第一の
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５　ｍ＜
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って
密接して離隔されている。穴間のヘッダは、それらが互
いにかつ周縁のヘッ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
。穴は列になっていて、そして隣接した列は相殺する関
係にあり、従ってより大きな骨密度および概ね一様な幅
のリガメントを成し得る点で右投な千鳥足状の大模様を
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って最小の空間のヘッダにおける大
模様を提供することである。ヘッダは、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、ヘッダ１５お
よび１６、そして所望ならば同様にじやま板切片１９は
、熱回収可能な材料により作られ、すなわち、マルテン
サイト和からオーステナイト相まてＪｍ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
移温度を逆捩するニッケルとチタニウムの合金である”
　Ｎ１ｔｉｎｏｌ　”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、熱回収可能
な材料を参照するものは“Ｎ１ｔｉｎｏｌ　”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、単一のヘッダを参照して、およびヘッ
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、両方のヘッダは同じ形
で準備されており、そして管が手または機械のいずれか
によって同じ工程の一部分として両方のヘッダ内に装填
される。穴１８は、滑らかな穴壁、および−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ッダをなす。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ルヘき管１７の直径よりいく
らか小さくなっている。

ヘッダを次の段階のために適当な状態にするには、ヘッ
ダは非常に低い温度、例えば−６２，２°Ｃ（−８０°
Ｆ）に急速に冷却される。この湿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、このことはタップ２２ずなわち手
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、タップまたは他の拡
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失る。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ってゆがめ
られろことはない。ヘッ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
ッダへ、およびもし使用されるなら、概ね図示されるよ
うに、じゃま板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、熱回収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
範囲な通過する。このことが生じるにつれ、熱回収可能
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（、−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図の形状がら第６図の形状へ
逆戻りする。このことは取り（ｑ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
壁をへこまぜる。その結果として、管をヘッダにおよび
容管においてヘッ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、ヘッダ
が剋移湛度を通過するにつれ、同時に閉じられる。綜手
は、熱交換器の作用寿命においてずつとしっかりと閉じ
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、ヘッダ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
、管な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、ヘッダ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、ヘッダが
温度な遡移値までおよびそれ以上に上昇されるにつれ、
舌部３５が取り何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図に示されるヘッダの変更は第７図の変更、・・′ に類似している。？かしながら、ここでは、−ラダ３６
において、各穴３５に隣接した環状区域は、各ヘッダ面
において下を切り取り、７字形くぼみ３７を形成する。

穴の近くのまわりのヘッダ部分は、このように突出部３
８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ッダよりむしろ管が熱回収
可能な部材である。この場合には、ヘッダ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、管はヘッダに
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。ヘッダは、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拐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収可能な４シ料によ
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°Ｃ（−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。

管はヘッダに組み付けられ、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。このことか生じるに
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っか
りと把持される。ヘッ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、ヘッダに対し概ね第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ッダ板の前面ま
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な示し、穴な拡大する前の状
態を示したヘッダの破断断面図、第４図はヘッダがマル
テンサイト状態にあって、あけられた穴の拡大を示す第
６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図はへ・ラダに
固定されかつその内部を密封する管を其備したオーステ
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６図および第４図と
同様な断面図、第８図は他のヘッダおよび穴の形状を示
す第７図と同様な断面図、第９図はさらに他のヘッダお
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図はヘッダというよりむしろ管が熱回収可能な
材料により作られ、部品がヘッ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図はヘッダに対し密封された関係で拡張さ
れたｇな示す第１０図と同様な断面図である。 １５．１６．２６．３３．３６．４１・・・ヘッダ；１
７．４３・・・管；１Ｂ、２７，３４．４２・・・穴；
２１・・・リガメント；２２・・・タップ：２８．２９
゜３７・・・くぼみ 代理人浅村　皓

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）多数の管を長手方向に離隔したヘッダに組み立て
   管形熱交換器のコアを形成する方法において：（ａ）　
   多数の管および該管を取り付けるヘッダを提供し、前記
   ヘッダの少なくとも一個が熱回収可能な金属によって板
   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
   うにした段階と； （ｂ）　前記−個のヘッダにおいて多数の密接して離隔
   された貫ｉ１穴を、各々そこに取り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、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り分離されるよう
   にした段階と； （Ｃ）　前記ヘッダの温度を降下させ、そして決められ
   た遷移温度以下の温度でそこに取り付けられる管の外径
   よりいくらか大きな直径に前記穴を各々拡大させる変形
   圧力を穴壁に受けさせ、前記変形圧力が作用して、隣接
   した穴の壁に向って前記リガメント内へ応力のかなりの
   移動がなくても前記ヘッダの長手方向向きにおいて変形
   された材料を転移させる段階と； （ｄ）　前記−個のヘッダにおけるそれぞれの拡大され
   た穴に管端部を取り伺け、管端部分が前記穴を通って概
   ね延びていく段階を含む熱交換器コアを組み立てる段階
   と； （ｅ）　前記ヘッダの温度を前記遷移温度へそしてそれ
   以上に上昇させ、その後で各々の穴の位置において前記
   ヘッダの変形された材料が元に戻り、または他の穴位置
   で変形された材料の独立したそしてそれによって同時に
   その初期の形状に戻ろうとし、そしてその工程において
   そこでシールと結合部を形成してそれぞれの管を把持す
   る段階と； を含む管形熱交換器の製造方法。 （２、特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
   記管は、薄い壁の金属構造を有し、そしてそれぞれの拡
   大された大向に十分に密接して嵌合し、変形された穴壁
   部分がそれらの初期の形状に戻るにつれ、変形された穴
   壁部分により押されるようにしたことを特徴とする管形
   熱交換器の製造方法。 （３）　特許請求の範囲第１項に記載の方法において、
   前記穴は、前および後のヘッダ面を保護すべく穴壁を形
   成する材料を前方向および後方向に変位させる工具を物
   理的に用いたすえ込みのような工程により拡大されるこ
   とを特徴とする管形熱交換器の製造方法。 （４）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
   記ヘッダは平坦な金属部品であり、該部品の前面および
   後面が平面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みを有することを特徴
   とする管形熱交換器の製造方法。 （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された横方列に
   あけられ、隣接した列間の空間はヘッダの面において一
   様でありそして各列の穴の間の空間が一様であり、これ
   によりヘッダの面における穴は、互いに概ね一様に離隔
   されかつ概ね一様な幅と形状の分離したリガメントを形
   成することを特徴とする管形熱交換器の製造方法。 （６）特許請求の範囲第６項に記載の方法において、前
   記ヘッダが前および後の平らな面を有する平坦な板状部
   材であり、前記穴が各々ヘッダの面から面まで一様な直
   径を有することを特徴とする管形熱交換器の製造方法。 （力　特許請求の範囲第６項に記載の方法において、各
   穴に対し隣接して取り巻いた関係でかつ各ヘッダ面にお
   いて環状のヘッダ部分がほぼ７字形に切り離されている
   ことを特徴とする管形熱交換器の製造方法。 （８）　特許請求の範囲第３項に記載の方法において、
   前記ヘッダが前方および後方の平らな面を有する平坦な
   板状部材であり、各穴の位置における対向したー・ラダ
   面がさらに穴をあけられ、くぼみにおける各面において
   終端とする減縮された長さの穴壁部分を生ずることを特
   徴とする管形熱交換器の罪造方法。 （９）多数の管を長手方向に部間されたヘッダに対し組
   み立て、管形熱交換器のコアを形成する方法において： （ａ）　管要素および管な取り付けるヘッダ要素を提供
   し、その一方が熱回収可能な材料により作られ、ヘッダ
   が管を受け止める穴を有し、そして穴および管は締りば
   めの寸法にする工程と； （ｂ）　熱回収材料により作られた要素の温度な降下さ
   せかつ決められた遷移温度以下の温度において前記要素
   に変形圧力を受けさせ、これにより管がヘッダの穴に非
   線りばめで挿入されるようにした工程と； （Ｃ）　前記ヘッダに管を挿入する工程と：（ｄ）　変
   形された要素がその初期の予め変形された形状に復帰し
   かつ管に適応する穴に管の締つばめを成し遂げる遷移温
   度までおよびそれ以上に変形された要素の温度を上昇さ
   せる工程と； を含む管形熱交換器の製造方法。 ０■　特許請求の範囲第９項に記載の方法において、熱
   回収可能な材料により作られた要素が前記ヘッダであり
   、変形圧力はヘッダにおける穴の直径の拡大において作
   用されることを特徴とする管形熱交換器の製造方法。 （１１）　特許請求の範囲第９項に記載の方法において
   、熱回収可能な材料により作られた要素が前記管であり
   、変形圧力はヘッダ穴に適合されるべき位置において管
   の直径を減少させる際に作用されることを特徴とする管
   形熱交換器の製造方法。 （Ｉ２、特許請求の範囲第１０項に記載の方法において
   、ヘッダは相対的に狭いリガメントにより分離された多
   数の穴を有し、各大川の管を存在させそしてヘッダの継
   手に対し多数の管の同時の密閉のために全てのヘッダ穴
   の直径を同時に減縮させることになる遷移温度までおよ
   びそれ以上にヘッダをもたらすことを特徴とする管形熱
   交換器の製造方法。