特許 7583930 管束熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-06

(45)【発行日】2024-11-14

(54)【発明の名称】管束熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28F 9/16 20060101AFI20241107BHJP

   F28F 9/18 20060101ALI20241107BHJP

   F28D 7/16 20060101ALI20241107BHJP

【ＦＩ】

F28F9/16

F28F9/18

F28D7/16 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023522815

(86)(22)【出願日】2021-10-21

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-20

(86)【国際出願番号】 EP2021000127

(87)【国際公開番号】W WO2022106045

(87)【国際公開日】2022-05-27

【審査請求日】2023-05-19

(31)【優先権主張番号】102020007022.1

(32)【優先日】2020-11-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】592179160

【氏名又は名称】ヴィーラント ウェルケ アクチーエン ゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＷＩＥＬＡＮＤ－ＷＥＲＫＥ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ

(74)【代理人】

【識別番号】100092565

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100112449

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 哲也

(72)【発明者】

【氏名】ガイブラー ハラルド

(72)【発明者】

【氏名】ガターバーム アチーム

(72)【発明者】

【氏名】ホーマン フィリップ

(72)【発明者】

【氏名】オブスト ベレナ

(72)【発明者】

【氏名】シュルス ミッチェル

【審査官】大谷 光司

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５１－０９９８５７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５１－１１７２７０（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ ９／１６

Ｆ２８Ｆ ９／１８

Ｆ２８Ｄ ７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

管束熱交換器の内部空間を共同で画定する包囲する外殻と少なくとも１つの管底部とを備える管束熱交換器であって、
－前記内部空間に配置され、第１の流体によって貫流可能であり、選択的に追加の支持金属板によって支持される複数の熱交換管を有する管束であって、前記熱交換管が、管外面に成形された、リブ足とリブ側面とリブ先端とを含むねじ線状に周回する一体的な外側リブ部を有し、前記外側リブ部の間に溝底を含む溝が形成される、管束と、
－前記外殻における、第２の流体を前記内部空間に導入できる少なくとも１つの入口、および前記第２の流体を前記内部空間から導出できる少なくとも１つの出口と、
－選択的に、前記少なくとも１つの管底部に配置された前記第１の流体を分配、偏向、または収集するための少なくとも１つの接続箱と、を備え、
前記少なくとも１つの管底部が、貫通箇所としてのいくつかの空所を有し、各空所が内表面を具備する、管束熱交換器において、
－前記熱交換管が、前記熱交換管の前記外側リブ部により前記管底部の前記空所内に少なくとも突出し、それによって前記空所の前記内表面と前記熱交換管の前記空所内にある前記外側リブ部との間にそれぞれ接合隙間が形成されることと、
－前記熱交換管が前記管底部に溶接により接合されることと、
－前記熱交換管が、接合材料により、および前記外側リブ部を含めて前記管底部との材料結合的接続を有し、前記材料結合的接続は、前記熱交換管の端面から軸方向に延びる、前記空所の第１の部分において前記接合隙間に接合材料が充填されることにより、前記第１の部分にのみ形成され、それにより前記接合隙間に接合材料が充填されない前記空所の第２の部分が残り、前記熱交換管は、前記管外面の前記第２の部分の領域にさらに外側リブ部を有することと、を特徴とする管束熱交換器。

【請求項2】

前記接合材料が充填される前記第１の部分が、軸方向で前記接合隙間全体の長さの７０％未満であることを特徴とする、請求項１に記載の管束熱交換器。

【請求項3】

前記熱交換管の前記リブ先端と前記空所の前記内表面との間の内のり幅が、前記溝底から前記リブ先端まで測定されるリブ高さの最大で３０％であることを特徴とする、請求項１または２に記載の管束熱交換器。

【請求項4】

前記材料結合的接続が気密および耐圧に形成されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の管束熱交換器。

【請求項5】

前記熱交換管が、貫通箇所としての前記空所に、前記貫通箇所以外の前記熱交換管の管内径より大きい管内径を有することを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の管束熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、管束熱交換器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

管束熱交換器は、熱を第１の流体から第２の流体へ移動させるために用いられる。この目的で、管束熱交換器は、たいていの場合、内部に複数の管が配置される中空円筒を有する。２つの流体のうちの１つは管を通して、もう１つは中空円筒を通して、特に管の周りに導くことができる。管は、管の端で管束熱交換器の１つの管底部または複数の管底部に管の円周に沿って取り付けられる。管束熱交換器の製造プロセスの過程で、管は、その端で、例えば管底部と材料結合的に接続される。一般に、管束熱交換器の管を管束熱交換器の管底部と少ない手間とコストで高品質に互いに接続するための可能性を提供することが望ましい。

【0003】

特許文献１から、管束熱交換器の管を管底部と接続する方法が記載されている。管と管底部はそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金から製作され、レーザ溶接により管底部と（ｍｉｔ ｄｅｍ Ｒｏｈｒｂｏｄｅｎ）材料結合的に接続される。その際、生成されるレーザビームの強度は１ＭＷ／ｃｍ２を超える。レーザ溶接の前に管束熱交換器の管を管底部と形状結合的に接続することも考えられている。

【0004】

製造される管束熱交換器は、製造済ですぐに使える状態では中空円筒の内部に配置された複数の管を有する。管底部はプレートとして形成されてもよく、直径が実質的に管の外径に相当する孔を有している。各管は、一端でこれらの孔のうちの１つにそれぞれ取り付けられる。

【0005】

管は、直管熱交換器として中空円筒の内部に直線的に延びることができる。この場合、直管熱交換器の互いに向かい側に位置する端に配置された２つの管底部が設けられている。その場合、各管は、それぞれ１つの端でこれらの２つの管底部の１つにそれぞれに取り付けられる。

【0006】

これらの管は、中空円筒内でＵ管熱交換器としてＵ字状に延びることもできる。このようなＵ管熱交換器は、通常、管底部を１つしか有していない。この場合、管はＵ字状に曲げられるので、管をそれぞれ、その両端で同じ管底部に取り付けることができる。

【0007】

特許文献２から、レーザビームの送り運動に往復運動が重畳される排気ガス冷却用の熱交換器をレーザ溶接する方法が知られている。この往復運動は、送り方向に対して実質的に垂直方向に行われる。往復運動は、隙間をよりよく埋めるという理由で行われる。

【0008】

さらに、特許文献３から、管束熱交換器の管を管底部と接続する方法が知られている。管は、レーザ溶接によって管底部と材料結合的に接続される。接続のために、レーザビームを生成し、管と管底部との間の接続領域の溶接箇所に集束させる。この場合、レーザビームは、それが接続領域にわたって第１の運動を行い、かつ第１の運動に重畳される、第１の運動とは異なった第２の運動を行うように動かされる。第２の運動によって、溶融浴の動的挙動に的確に影響が及ぼされ、生じる蒸気毛細管が有利に改変される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】国際公開第２０１７／０２５１８４号 公報

【文献】独国特許出願公開第１０２００６０３１６０６号明細書

【文献】国際公開第２０１７／１２５２５３号 公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、管束熱交換器の管を管底部と確実かつ少ない手間で高品質に接続するという課題にもとづいている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、管束熱交換器の内部空間を共同で画定する包囲する外殻と少なくとも１つの管底部とを備える管束熱交換器であって、－前記内部空間に配置され、第１の流体によって貫流可能であり、選択的に追加の支持金属板によって支持される複数の熱交換管を有する管束であって、前記熱交換管が、管外面に成形された、リブ足とリブ側面とリブ先端とを含むねじ線状に周回する一体的な外側リブ部を有し、前記外側リブ部の間に溝底を含む溝が形成される、管束と、－前記外殻における、第２の流体を前記内部空間に導入できる少なくとも１つの入口、および前記第２の流体を前記内部空間から導出できる少なくとも１つの出口と、－選択的に、前記少なくとも１つの管底部に配置された前記第１の流体を分配、偏向、または収集するための少なくとも１つの接続箱と、を備え、前記少なくとも１つの管底部が、貫通箇所としてのいくつかの空所を有し、各空所が内表面を具備する、管束熱交換器において、－前記熱交換管が、前記熱交換管の前記外側リブ部により前記管底部の前記空所内に少なくとも突出し、それによって前記空所の前記内表面と前記熱交換管の前記空所内にある前記外側リブ部との間にそれぞれ接合隙間が形成されることと、－前記熱交換管が前記管底部に溶接により接合されることと、－前記熱交換管が、接合材料により、および前記外側リブ部を含めて前記管底部との材料結合的接続を有し、前記材料結合的接続は、前記熱交換管の端面から軸方向に延びる、前記空所の第１の部分において前記接合隙間に接合材料が充填されることにより、前記第１の部分にのみ形成され、それにより前記接合隙間に接合材料が充填されない前記空所の第２の部分が残り、前記熱交換管は、前記管外面の前記第２の部分の領域にさらに外側リブ部を有することと、を特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】外側リブ部を有する熱交換管の詳細図を含む管束熱交換器の模式的側面図である。

【図2】貫通箇所を有する管底部の一部の模式的正面図である。

【図3】熱交換管の貫通箇所の平面における管底部の模式的垂直断面図である。

【図4】管底部と熱交換管との材料結合的接続の断面の模式的詳細図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

模式的図面をもとにして本発明の実施例を詳しく説明する。

【0014】

互いに対応する部品には、すべての図において同じ参照符号が付されている。

【0015】

本発明の実施形態は、管束熱交換器の内部空間を共同で画定する包囲する外殻と少なくとも１つの管底部と、を備える管束熱交換器を含む。管束熱交換器は、内部空間に配置され、第１の流体によって貫流可能であり、選択的に追加の支持金属板によって支持される複数の熱交換管を有する管束を備えている。熱交換管は、管外面に成形された、リブ足（Ｒｉｐｐｅｎｆｕｓｓ）とリブ側面とリブ先端とを含むねじ線状に周回する一体リブを有し、リブの間に溝底を含む溝が形成される。管束熱交換器は、第２の流体を内部空間に導入することができる少なくとも１つの入口と、第２の流体を内部空間から導出することができる少なくとも１つの出口とを外殻に備えている。管束熱交換器は、選択的に、少なくとも１つの管底部に配置された、第１の流体を分配、偏向、または収集するための少なくとも１つの接続箱を備えている。少なくとも１つの管底部は、貫通箇所としてのいくつかの空所を有し、各空所は内表面を具備する。熱交換管は、熱交換管の外側リブ部（Ａｕｓｓｅｎｂｅｒｉｐｐｕｎｇ）により管底部の空所内に少なくとも突出し、それによって空所の内表面と熱交換管の空所内にある外側リブ部との間にそれぞれ接合隙間が形成される。熱交換管は、接合材料により、および外側リブ部を含めて管底部との材料結合的接続を有し、材料結合的接続は、熱交換管の端面から軸方向に延びる、空所の第１の部分において接合隙間に接合材料が充填されることにより、この第１の部分にのみ形成され、それにより接合隙間に接合材料が充填されない空所の第２の部分が残り、熱交換管は、管外面の第２の部分の領域にさらに外側リブ部を有する。

【0016】

換言すると、熱交換管は、それが管底部に入るかまたは管底部を通り抜ける貫通箇所内に外側リブ部を有する。この外側リブ部は、材料結合的接続のための材料によって包囲され、それにより気体または液体の通路がハーメチックにシールされる。純粋な材料結合に力結合および形状結合と合わせた組み合わせも有利に用いることができる。

【0017】

接合材料は、端面から接合隙間への第１の部分において軸方向にある程度までしか入り込まないが、これは、例えば平滑管の場合のような自由な通過を外側リブ部が妨げるからである。したがって、外側リブ部は、周りを流れるか、または溶かさなければならないバリアを形成する。特に、はんだ付けおよび接着といった接合方法の場合、周りを流れることが特に重要である。溶接の場合、端面側で熱交換管の外側リブ部が部分的に共に溶ける。その場合、好ましくは、溶融物の温度が内部に位置するリブを溶かすのに十分でなくなると直ちに溶融流が外側リブ部のうちの１つで停止する。このバリアは、溶融物が接合隙間にそれ以上入り込むことを停止させる。このようにして、接合過程において、管端面の近くで接合箇所をすでに完全に閉鎖する接合材料の所定の流動過程が行われる。

【0018】

熱交換管は、外側リブ部に加えて、選択的に内部構造を有することができる。内部構造は、予め定められたねじれ角を有する内部で周回する螺旋の形態で形成することができる。熱交換管の外面が螺旋状に周回する外側リブ部を有する場合、周回する外側リブ部のピッチを周回する螺旋のねじれ角によって予め定められたピッチと同じに、それより小さく、または大きく形成することができる。したがって、熱交換管の外面を容器壁と材料結合的に接続するために、外側リブ部と内部構造の形を互いに独立して形成して最適化できるという意味で２つの構造を区別することができる。

【0019】

しかし、熱交換器を最適化するために、２つの構造にある程度の範囲が設定される。外側リブ部の最大構造高さと内部構造の最大構造高さの比率は、液化管の場合、好ましくは１．２５～５の範囲、気化管の場合、好ましくは０．５～２の範囲である。

【0020】

本発明の実施形態による管束熱交換器は、はるかにコンパクトな構造にすることができるので、とりわけ投資コストが削減される。この場合、外側リブ部は管底部内まで延び、それにより１ユニット当たりの熱交換管の数を格段に少なくすることができる。リブ管は、要求に応じてより効率的なエネルギー使用または充填量の低減を可能にし、そのことが運転コストを下げる。

【0021】

その場合、本発明は、熱交換管と管底部との材料結合的接続が特に確実かつ少ない手間で高品質に達成されるという考察を出発点とする。本発明の実施形態によれば、熱交換管は、その外側の外側リブ部により管底部に入るか、または管底部を通り抜ける。その場合、管と管底部との材料結合的接続に直接隣接して外側リブ部が引き続き残る。これには、管束熱交換器の内部で熱交換管が効率的な熱伝達のために一貫した外側リブ部を有するという特別な利点がある。

【0022】

本発明の有利な実施形態では、接合材料が充填される第１の部分が、軸方向で接合隙間全体の長さの７０％未満であり得る。有利には、接合隙間の充填される第１の部分は全長の５０％未満にすぎない。特に溶接接合の場合、第１の部分の２０％の充填度でも流体密な材料結合的接続を作成するのに十分であり得る。

【0023】

有利には、熱交換管のリブ先端と空所の内表面との間の内のり幅が溝底からリブ先端まで測定されるリブ高さの最大で３０％であり得る。この内のり幅により外側リブ部のバリア効果が変化する。特にはんだ付けおよび接着といった接合過程の場合、充填される第１の部分を形成するために、接合材料を接合隙間のこの内のり幅にわたって的確に導入することができる。これに加えて、接合材料の別の流路は、成形されたねじ線状に周回する一体リブによって形成される溝である。ただし、溝断面は、リブ高さおよび隣り合うリブの間隔によって予め定められ、通常、選択される内のり幅より小さく作られる。

【0024】

有利には、材料結合的接続を気密かつ耐圧に形成することができる。効率的な熱伝達に関連する機械的安定性に関する機能の他に、ハーメチックシールは、あらゆる動作モードで周囲環境との流体交換を防ぐために重要である。

【0025】

本発明の有利な一実施形態では、熱交換管は、貫通箇所において、貫通箇所以外の熱交換管の管内径Ｄ１より大きい管内径Ｄ２を有する。

【0026】

熱交換管が管底部に入るか、または管底部を通り抜ける貫通箇所内に依然として外側リブ部を有する場合、プロセス側には、熱交換管の拡径の結果、貫通内径Ｄ２が拡大するということが根底にある。その場合、拡径によって、貫通箇所内で外側リブ部が圧潰される。それでも材料結合的接続が安定したハーメチックシールをもたらす。

【0027】

基本的に、外側リブ部は、熱交換管の外面において、好ましくは周方向に、または管軸線と平行の軸方向に延びることができる。本発明の有利な実施形態では、熱交換管の外面は、螺旋状に周回する外側リブ部を有することができる。螺旋状の外側リブ部の場合、残りの隙間と、外側リブ部と共に螺旋状に周回する溝とを材料結合的接続によって確実にシールしさえすればよい。

【0028】

通常、熱交換管には、適切な単一の材料が好ましいが、本発明の有利な実施形態では、少なくとも１つの第１の熱交換管が第１の材料からなり、少なくとも１つの第２の熱交換管が、第１の材料とは異なる第２の材料からなることができる。機械的安定性の点では、特に高強度の鋼管が特別な利点を提供できる。これに対して銅管は、効率的な熱伝達の点で最適化をもたらす。例えばチタン、アルミニウム、アルミニウム合金、銅ニッケル合金などの他の材料も考えられる。

【0029】

図１は、包囲する外殻２と２つの管底部３とを有し、これらが管束熱交換器１の内部空間４を共同で画定する管束熱交換器１の模式的側面図を示す。管束熱交換器１は、内部空間４に配置され、熱伝達のための第１の流体によって貫流可能であり、かつ追加の支持金属板６によって支持される複数の熱交換管５を有する管束を備える。それに加えて、このような支持金属板６は、多くの場合、流体流のための案内板としても用いられる。それに加えて、管束熱交換器１は、熱交換管の内部の第１の流体を要求に応じて分配、偏向、または収集する接続箱７を備えている。熱伝達のための第２の流体を内部空間に導入できる少なくとも１つの入口８と、第２の流体を内部空間から導出できる少なくとも１つの出口９とが外殻２に設けられている。外側リブ部５１を有する熱交換管５が詳細図に拡大されている。管外面に成形され、ねじ線状に管軸線Ａを中心に周回する一体リブ５１がそれ以外に（ｉｍ Ｕｅｂｒｉｇｅｎ）知られている圧延法によって形成されている。

【0030】

図２は、貫通箇所３１を有する管底部３の一部の模式的正面図を示す。貫通箇所３１において、管底部３の空所はちょうど、熱交換管５がその外側リブ部５１により挿入され、そこに材料結合的に接続され得る大きさであることが好ましい。貫通箇所３１において、端面から管底部３の壁厚さの第１の部分にわたって材料結合的接続２０としての溶接接合、接着接合、およびはんだ接合を行い、流体密に接続することができる。奥深くまで達する第２の部分には、図２に見えない充填されない接合隙間の残部が管底部壁（Ｒｏｈｒｂｏｄｅｎｗａｎｄｕｎｇ）３に残される。

【0031】

図３は、熱交換管５の貫通箇所３１の平面における管底部３の模式的垂直断面図を示す。図示された熱交換管５は外面に外側リブ部５１を有する。図示される実施例では、熱交換管５は、貫通箇所としての空所３１で管底部３を通り抜ける。熱交換管５は、この貫通箇所３１に一貫した外側リブ部５１を有する。図３ではまだ設けられていない、例えば管円周の周りの一貫した溶接継ぎ目の形態の管底部３との材料結合的接続２０が、接合過程後に接合隙間１０の一部分に設けられる。管底部３および熱交換管５からの材料の組み合わせに応じて、溶接箇所２０には、溶融浴中で有利な金属間の新たな相の形成が生じ得る。局部的な溶融流により材料結合的接続を作成するための適切な方法は、特にレーザ溶接である。

【0032】

図４は、熱交換管５との管底部３の材料結合的接続２０の断面の模式的詳細図を示す。図示される実施形態では、熱交換管５は、管軸線Ａの方向に、管底部３に設けられた空所３１に押し込まれ、端面５３が管底部の外表面で終わる。

【0033】

熱交換管５は、管外面に成形された、リブ足５１１とリブ側面５１２とリブ先端５１３とを含むねじ線状に周回する一体リブ５１を有する。隣り合うリブ５１間には、溝底５２１を有する溝５２が形成される。図４において、例えばレーザ溶接の場合に形成される溶接継ぎ目が材料結合的接続２０として示される。場合によっては、接合時に、材料側に適切な溶接添加材料（Ｓｃｈｗｅｉｓｓｚｕｓａｅｔｚｅ）が使用される。このようにして、材料流れと量を所望の接合結合に合わせて調整することもできる。図示される材料結合的接続では、プロセス条件により、レーザの入熱によって管底部３の特定の領域と熱交換管５のいくつかの外側リブ部５１とが少なくとも部分的に一緒に溶け、接合材料２０として一体化される。接合時に溶融物が端面５３から接合隙間１０に入り込むが、特定の浸入深さの後に遮られ、それによって接合隙間１０の第１の端面側の部分１０１のみが外側リブ部５１を含めて埋められる。溶融フロントで温度が低下することにより、それ以上溶けず、または周囲を流れず、それによってバリアとして機能するリブ５１が溶融物のさらなる通過を防ぐ。このようにして、接合過程において接合箇所を管端面５３の近くですでに完全に閉鎖することができる接合材料２０の所定の流動過程が提供される。

【0034】

したがって、熱交換管５は、熱交換管５の端面５３から軸方向に延びる、空所３１の第１の部分１０１のみに形成される管底部３との材料結合的接続２０を有する。空所３１の第２の部分１０２には接合材料が充填されない。熱交換管５は、第２の部分１０２において管外面にさらに外側リブ部５１を有する。

【符号の説明】

【0035】

１ 管束熱交換器
２ 外殻
３ 管底部
３１ 空所、貫通箇所
３１１ 空所の内表面
４ 内部空間
５ 熱交換管
５１ 一体リブ、外側リブ部
５１１ リブ足
５１２ リブ側面
５１３ リブ先端
５２ 溝
５２１ 溝底
５３ 端面
６ 支持金属板
７ 接続箱
８ 入口
９ 出口
１０ 接合隙間
１０１ 第１の部分
１０２ 第２の部分
２０ 材料結合的接続、接合材料
Ａ 管軸線、軸方向
Ｄ１、Ｄ２ 管内径
矢印 流体流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】