JP5903444B2 - 熱交換器の製造方法及びそれによって得られた熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器の製造方法及びそれによって得られた熱交換器に係り、特に、水管の周りに冷媒管を巻き付けて接合してなる給湯用熱交換器を有利に製造し得る技術に関するものである。

従来から、管内が水通路とされる大径の水管と、この水管の外周面に接合されて、管内が冷媒通路とされる、かかる水管よりも細径の冷媒管とからなる熱交換器が、知られており、その一つである給湯用熱交換器は、大径の水管がトラック形状乃至は渦巻き形状に曲げ加工されてなる形態とされていると共に、かかる水管の周りに、細径の冷媒管の一本又は複数本が螺旋状に巻き付けられて、接合されてなる形態において、用いられている。

そして、そのような熱交換器を製造するために、例えば、特許文献１においては、水通路を構成する芯管の外周に、冷媒通路を構成する細管を、所定ピッチで螺旋状に巻き付けた後、それを渦巻き形状に曲げ加工し、次いで、ロウ材をセットして、ロウ付け、例えば炉中ロウ付けを行なう方法が、明らかにされている。しかしながら、そのような細管の巻付け−曲げ加工−炉中ロウ付けの工程による製造方法にあっては、ロウ付け温度が８００℃にも達する高温となるために、母材である芯管や細管の温度が高くなる結果、結晶粒度が大きくなって、材料が軟化し、そのために強度が低くなって、漏れの原因となるという不具合を有する問題が内在している。また、曲げ工程の後にロウ付けを行なうこととなるために、芯管と細管が未接合であることに起因して、曲げ部において芯管が扁平し、水通路側の圧力損失が大きくなる問題もあり、更には、芯管から細管が離れ、それらの間に隙間が発生して、接合が困難となり、大きな熱抵抗が発生する問題も内在している。

また、特許文献２においては、直管に対して、小径の細管と細線状のロウ材とを同時に巻き付けた後、炉内で加熱して、細管を直管にロウ付けすることにより、熱交換器を製造する方法が明らかにされ、更に、特許文献３においては、芯管に対して細管を巻き付けるに際し、ハンダの線材を同時に巻き付けた後、母材温度が５００℃以下となるように加熱して、それら芯管と細管との接合を行なうことからなる熱交換器の製造方法が、明らかにされている。しかし、それら細管と共に、同時に巻き付けられる線状のロウ材やハンダ線材は、細管と直管又は芯管との接触部に対して、必然的に所定の間隙が存在する形態において、直管や芯管上に巻き付けられて、細管の一方の側に位置せしめられることとなるところから、それら線状のロウ材やハンダ線材が加熱により溶融せしめられたときに、その溶融物が細管の一方の側に偏在するようになってしまい、細管と直管又は芯管との接触部に対して充分に供給され得ず、また溶融物が接合に先立って直管又は芯管から溶け落ちてしまうことがあり、そのために、細管と直管又は芯管との間の接合が有効に行なわれ難くなり、甚だしい場合には、それら細管と直管又は芯管との間に隙間が生じて、未接合部が発生する等の問題を内在している。

特開２００２−３６４９８９号公報 特開２０１１−９２９８３号公報 特開２００８−１８０４６０号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、管内が水通路とされる大径の水管に対して、管内が冷媒通路とされる細径の冷媒管を接合して、熱交換器を製造するに際し、接合材としてハンダ材を用いて、接合温度を低く抑えることによって、母材の強度低下を効果的に抑制しつつ、ハンダ材の適用形態を工夫することによって、接合部へのハンダの供給を効果的に実現し、またハンダの溶け落ちを有利に阻止して、それら水管と冷媒管との有効な接合を実現することの出来る熱交換器の製造方法を提供することにあり、また、そのような製造方法によって得られた、健全な接合部を有する、品質に優れた熱交換器を提供することにある。

そして、本発明にあっては、かかる課題を解決するために、管内が水通路とされる、外径が９．０〜１６．０ｍｍの水管と、該水管の外周面に接合されて、管内が冷媒通路とされる、外径が２．０〜５．０ｍｍの冷媒管の１本又は複数本とからなる熱交換器を製造するに際し、かかる水管と冷媒管との接合に、２．５〜８．０ｍｍの板幅と０．１〜０．５ｍｍの板厚を有する帯状のハンダ板材を用いて、該ハンダ板材が該水管の外周面上に配置され、更に該ハンダ板材の上に該冷媒管が配置されるように、それら水管とハンダ板材と冷媒管とを重ね合わせ形態において組み付けた後、３５０℃を越えない温度に加熱することにより、該ハンダ板材を溶融せしめて、それら水管と冷媒管との接合を行なうことを特徴とする熱交換器の製造方法を、その要旨とするものである。

また、かかる本発明に従う熱交換器の製造方法の好ましい態様の一つによれば、前記ハンダ板材が前記水管の外周面に巻き付けられる一方、該ハンダ板材の巻付けに先立ち又はそれと同時に或いはその後に、該ハンダ板材の上に、前記冷媒管が供給されることにより、前記水管に対する前記ハンダ板材と前記冷媒管との組み付けが行なわれている構成が、有利に採用されることとなる。

さらに、本発明の望ましい態様の他の一つによれば、前記ハンダ板材が、円形断面形状のハンダ線材を圧延して扁平化することによって、形成された後、前記水管の外周面上に供給され、配置せしめられるようになっている。

加えて、本発明に従う熱交換器の製造方法の更に他の望ましい態様の一つによれば、前記加熱操作が火炎を用いて実施され、かかる火炎により前記ハンダ板材を溶融せしめて、前記水管と前記冷媒管との接合を行なった後、空気の噴射による冷却が実施されるようになっている。

また、本発明の望ましい態様の別の一つによれば、前記水管が銅製である一方、前記冷媒管が銅合金製である。

さらに、本発明の望ましい態様の更に別の一つによれば、前記ハンダ板材が、Ｓｎ：９６．５％とＡｇ：３．５％との合金にて構成されており、又は３．０〜６．０ｍｍの板幅と０．２〜０．３ｍｍの板厚を有している。

加えて、本発明に従う熱交換器の製造方法の別の望ましい態様の一つによれば、前記水管と前記冷媒管とを接合して得られる接合体を、渦巻き形状乃至はトラック形状の形態に曲げ加工する工程を、更に含んでいる。

そして、本発明にあっては、上述の如き製造方法によって得られた熱交換器をも、その要旨としているのである。

このような本発明に従う熱交換器の製造方法によれば、水管と冷媒管とを接合するハンダ板材を溶融するための加熱温度が制御されて、それら母材の温度が高温とならないようにされているところから、結晶粒度が大きくならず、特に、冷媒管の強度低下を効果的に抑制することが出来ることとなる。そして、これに加えて、ハンダ板材を挟んで、冷媒管が水管の外周面上に配置され、それら冷媒管と水管との間にハンダ板材が介在乃至は挟持されてなる形態において、ハンダ板材が加熱されて、溶融せしめられるものであるところから、それら水管と冷媒管との接合部に対して、ハンダ板材の溶融物が効果的に供給され得て、それら水管と冷媒管との接合が有利に実現され得ることとなるのであり、しかも、ハンダ板材の溶融物が溶け落ちるようなことも効果的に阻止せしめられ得て、ハンダの使用量も有利に低減され得ることとなるのである。

また、それら水管と冷媒管との間に介在せしめられるハンダ板材の厚さを均一にすることが出来るところから、それによって、それら水管と冷媒管との接合部に対する一定量のハンダの安定的な供給が実現し、以て、ハンダを無駄使いすることがなく、必要最低限のハンダ量にて、均一な接合が可能となるところから、低コストで、冷媒管の接合を効果的に行なうことが出来るという特徴も有している。

そして、本発明に従って得られた熱交換器にあっては、低コストで、均一なハンダ接合を実現すると共に、冷媒管の強度低下を効果的に抑制乃至は阻止し得た熱交換器として、提供され得るのである。

本発明に従う熱交換器の製造方法の一例における、水管に対する冷媒管とハンダ板材の巻付けの工程を示す斜視説明図である。 図１におけるII−II断面拡大説明図である。 図１において水管上に供給されるハンダ板材を形成するロール圧延工程を示す斜視説明図である。 ハンダ板材が溶融せしめられて、冷媒管が水管に接合されてなる形態を示す、図２に対応する拡大断面説明図である。 本発明に従う熱交換器の製造方法の一例における、各工程の形態を示す説明図であって、（ａ）は、水管の外周面上にハンダ板材と冷媒管とが巻き付けられてなる形態を示す拡大平面説明図であり、（ｂ）は、火炎によるハンダ板材の溶融工程と、その後の空気による冷却工程を示す拡大平面説明図であり、（ｃ）は、水管に冷媒管が接合されてなる接合体を渦巻き状に曲げ加工して、目的とする熱交換器形態とする曲げ工程を示す平面説明図である。

ところで、本発明の対象とする熱交換器の一つである、炭酸ガスを冷媒として用いる給湯用熱交換器を製造するに際しては、よく知られているように、直管状の水管の外周面に対して、１本又は複数本の冷媒管を巻き付ける巻き工程と、かかる冷媒管を水管の外周面に接合する接合工程と、得られた接合体を渦巻き形状乃至はトラック形状に曲げ加工する曲げ工程とを含む製造手法が採用されるのであるが、そこにおいて、本発明によれば、接合材として帯状のハンダ板材を用いて、冷媒管の巻き工程が実施されることとなるのである。

具体的には、図１に示されるように、管内が水通路とされる直管状の大径の水管２に対して、その外周面上に、管内が冷媒通路とされる、水管２よりも細径の冷媒管４の１本乃至複数本、ここでは３本が螺旋状に巻き付けられる際に、３条の帯状のハンダ板材６が、それら冷媒管４と共に供給され、水管２の外周面上においてハンダ板材６と冷媒管４とが積層されてなる形態において、巻き付けられることとなる。即ち、図２に拡大して示される如く、水管２の外周面上に帯状のハンダ板材６が配置され、更にハンダ板材６の上に、冷媒管４が配置されてなる重ね合わせ形態において、それら水管２とハンダ板材６と冷媒管４とが組み付けられるのである。

なお、かかる水管２や冷媒管４の材質としては、従来から公知の金属材質が適宜に採用され得るものであるが、一般に、銅又は銅合金材質が有利に用いられ、中でも、水管２は銅製とされる一方、冷媒管４は銅合金製とされることが望ましい。そして、それら水管２や冷媒管４のサイズは、何れも公知の範囲内で選定され、例えば水管２は、９．０〜１６．０ｍｍφ程度の外径を有するものとされ、また冷媒管４は、２．０〜５．０ｍｍφ程度の外径を有するものとされる。更に、水管２には、公知の如く、その内面に、各種の加工が施され得るものであって、例えば、多数の溝や凸起が形成されていても、また外周面に螺旋状に設けた溝に対応して螺旋状の凸条が内周面に形成されてなる、所謂スパイラル管とされていても、何等差し支えない。

一方、ハンダ板材６の材質としては、後述する３５０℃を越えない温度での加熱条件下において、溶融し得るものであれば、公知の如何なる材質のものをも採用可能であるが、特に、本発明にあっては、重量基準で、Ｓｎ：９６．５％−Ａｇ：３．５％なる合金組成のハンダ（融点：２２１℃）が、有利に用いられることとなる。そして、かかるハンダ板材６は、一般に、板幅：２．５〜８．０ｍｍ程度、好ましくは３．０〜６．０ｍｍ程度、板厚：０．１〜０．５ｍｍ程度、好ましくは０．２〜０．３ｍｍ程度のサイズにおいて用いられることとなる。けだし、板幅が小さくなり過ぎたり、板厚が薄くなり過ぎたりすると、水管２と冷媒管４の接合を有効に行ない難くなるからであり、また板幅が大きくなり過ぎると、ハンダ材の無駄が生じるようになるからである。更に、板厚が厚くなり過ぎると、水管２と冷媒管４との間に隙間が生じ易くなり、好ましくないのである。

また、そこにおいて、水管２に対する冷媒管４やハンダ板材６の供給には、それぞれが巻回されてなるロールやコイル等を供給源として、それらから、冷媒管４やハンダ板材６を取り出して供給する方式が採用される他、ハンダ板材６においては、図３に示される如く、円形断面形状のハンダ線材８を圧延ロール１０、１０にて圧延して、扁平化することにより、帯状のハンダ板材６を形成し、これを水管２の外周面上に連続的に供給する手法も、好適に採用されることとなる。こうすることによって、帯状のハンダ板材６が容易に形成され得て、一定量のハンダ供給が容易に実現され得ることとなる。なお、このロール圧延方式を採用すれば、例えば、１．６ｍｍφのハンダ線材をロール圧延することによって、板幅が３〜６ｍｍ程度、厚みが０．２〜０．３ｍｍ程度となる帯板状のハンダ材が容易に得られるのである。

さらに、かかる水管２の外周面上へのハンダ板材６と冷媒管４との巻付けに際しては、それらハンダ板材６と冷媒管４とを同時に巻き付ける方式が採用される他、ハンダ板材６の巻付けに先立ち、ハンダ板材６上に冷媒管４を引き揃えて重ね合わせ、配置せしめてなる形態において、水管２の外周面上に巻き付けるようにすることも可能であり、また、水管２の外周面上にハンダ板材６を巻き付けた後、かかる巻き付けられたハンダ板材６上に冷媒管４を巻き付けて、それら水管２とハンダ板材６と冷媒管４との組付けを行なうようにすることも可能である。

そして、かくの如くして得られる水管２とハンダ板材６と冷媒管４とからなる組付け体には、ハンダ板材６の溶融のために加熱が実施されることとなるが、その際、結晶粒度が大きくならないようにして、特に冷媒管４の強度低下を効果的に抑制すべく、母材たる水管２や冷媒管４の温度が高くならないように、換言すれば母材温度が３５０℃を越えないように、加熱が施され、これによって、ハンダ板材６を溶融せしめて、水管２と冷媒管６との接合が行われることとなるのである。なお、そのような加熱操作は、有利には、トーチ等による火炎を用いて局所的に実施され、そしてその火炎によって、ハンダ板材６が溶融せしめられるようにして、水管２と冷媒管４との接合を実現し、更にその後、空気の噴射等による冷却が実施されることとなる。このように、水管２と冷媒管４との接合は、それらの間に介在せしめたハンダ板材６の溶融によって実現されるものであるところから、上記の加熱温度は、低い温度での加熱ではあるものの、ハンダ板材６が溶融する温度以上に加熱する必要があり、特に実用的には、母材温度が２５０℃以上となるように加熱されることが望ましい。

かくして、ハンダ溶融物の効果的な供給によって、水管２と冷媒管４とは、図４に示される如く、ハンダ６’にて確実に且つ安定的に接合せしめられることとなるのであるが、その際、母材の温度が高温とならないようにして接合が行なわれることによって、母材、特に冷媒管４の強度低下を効果的に抑制することが出来ることに加えて、結晶粒度の肥大化も抑制乃至は阻止することが出来るところから、その腐食防止も効果的に図ることが出来ることとなるのである。

しかも、水管２と冷媒管４とが、それらの間にハンダ板材６を挟んだ形態において、かかるハンダ板材６を溶融せしめて接合されることとなるところから、それら水管２と冷媒管４との接合部位には、常にハンダ溶融物が存在することとなり、これによって、水管２と冷媒管４との接合が有効に行なわれ得ることとなるのであり、またそれによって、ハンダの溶け落ちが生じたり、ハンダ溶融物が水管２と冷媒管４との接合界面に供給されなくなって、それら水管２と冷媒管４との間に接合不良を惹起せしめる等の問題の発生も、効果的に解消せしめられ得ることとなるのである。

また、それら水管２と冷媒管４とのハンダ接合を採用する場合において、従来の一方法の如く、ハンダをディッピングにて付与して、それら水管２と冷媒管４との接合を行なうと、それらの管表面に必要以上にハンダが乗ってしまい、無駄が生ずるようになるのであるが、本発明の如く、水管２と冷媒管４との間にハンダ板材６を配置せしめて、接合が行なわれるようにすることによって、必要最小限度のハンダ量において冷媒管４の接合が可能となるのであって、これにより、熱交換器の製造コストを低減することも可能となる。

ところで、上述の如き冷媒管４の巻き工程とハンダ付け工程とを含む、熱交換器の製造方法の一例が、図５に示されている。

そこにおいて、（ａ）は、図１に示される如くして、ハンダ板材６と冷媒管４とが水管２の外周面に巻き付けられてなる組付け体１２を示している。そのような組付け体１２は、例えば、水管２をその軸心回りに回転せしめ且つその軸心方向に移動させつつ、ハンダ板材６と冷媒管４とが重なり合うように、水管２の外周面に供給することによって、製造することが出来る。

そして、そのような組付け体１２は、（ｂ）に示される如く、その軸心回りに回転せしめられつつ軸心方向に移動させられてなる状態下において、トーチ１４にて発生する火炎１６に曝されることにより局所的に加熱され、これによって、水管２の外周面と冷媒管４との間に挟持されているハンダ板材６が溶融せしめられるようになっており、更にその溶融したハンダ溶融物にて、それら水管２と冷媒管４とが接合されるようになっているのである。このように、トーチ火炎１６にて加熱するようにした場合においても、水管２と冷媒管４とが接合温度に達する前に、融点の低いハンダ板材６が先に溶融して溶け落ちてしまうということも、より効果的に阻止され得ることとなるのである。更にその後、火炎１６にて生じるハンダ板材６の溶融物にて接合された水管２と冷媒管４の接合体２０には、それらの周りに配置された空気吹出しノズル１８から噴出せしめられる空気によって冷却されることにより、それら水管２や冷媒管４を迅速に冷却せしめて、ハンダ溶融物を凝固させる。

次いで、かくの如くして得られる水管２と冷媒管４との接合体２０には、従来と同様にして曲げ加工が施されて、（ｃ）に示されるように、渦巻き形状乃至はトラック形状の形態において、熱交換器２２として、用いられることとなるのであるが、そのような曲げ加工においても、上述の如き巻付けの工程やハンダ付けの工程を経た接合体２０にあっては、水管２と冷媒管４との間に確実に溶融ハンダが供給されて、充分な面積において、また隙間等の欠陥も発生させることなく、確実に接合せしめられているところから、角部の如き大きな曲げ加工部位においても、水管２と冷媒管４との間に隙間が惹起される等の問題の発生が、有利に阻止され得ているのである。

以上、本発明の代表的な実施形態ついて詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

例えば、例示の実施形態においては、給湯用熱交換器を対象として説明してきたが、それに限定されるものではなく、公知の各種の熱交換器に適用することが可能であることは、言うまでもないところである。

また、目的とする熱交換器のタイプに応じて、前記した曲げ工程を採用することなく、水管２を直管形態のままで用いる等、公知の各種の構造乃至は形態を採用することが可能である。

さらに、例示の実施形態においては、水管２の外周面に冷媒管４を巻き付けて接合するタイプの熱交換器が、その対象とされているのであるが、水管２の外周面に対して、冷媒管４を、水管２の軸心と平行に沿わせるように配置して、接合するタイプの熱交換器にも、本発明は、同様に適用可能である。

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、そして、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。

２ 水管 ４ 冷媒管
６ ハンダ板材 ６’ ハンダ
８ ハンダ線材 １０ 圧延ロール
１２ 組付け体 １４ トーチ
１６ 火炎 １８ 空気吹出しノズル
２０ 接合体 ２２ 熱交換器

Claims (9)

1. 管内が水通路とされる、外径が９．０〜１６．０ｍｍの水管と、該水管の外周面に接合されて、管内が冷媒通路とされる、外径が２．０〜５．０ｍｍの冷媒管の１本又は複数本とからなる熱交換器を製造するに際し、
   かかる水管と冷媒管との接合に、２．５〜８．０ｍｍの板幅と０．１〜０．５ｍｍの板厚を有する帯状のハンダ板材を用いて、該ハンダ板材が該水管の外周面上に配置され、更に該ハンダ板材の上に該冷媒管が配置されるように、それら水管とハンダ板材と冷媒管とを重ね合わせ形態において組み付けた後、３５０℃を越えない温度に加熱することにより、該ハンダ板材を溶融せしめて、それら水管と冷媒管との接合を行なうことを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 前記ハンダ板材が前記水管の外周面に巻き付けられる一方、該ハンダ板材の巻付けに先立ち又はそれと同時に或いはその後に、該ハンダ板材の上に、前記冷媒管が供給されることにより、前記水管に対する前記ハンダ板材と前記冷媒管との組付けが行なわれている請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記ハンダ板材が、円形断面形状のハンダ線材を圧延して扁平化することによって、形成された後、前記水管の外周面上に供給され、配置せしめられる請求項１又は請求項２に記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記加熱操作が火炎を用いて実施され、かかる火炎により前記ハンダ板材を溶融せしめて、前記水管と前記冷媒管との接合を行なった後、空気の噴射による冷却が実施される請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の熱交換器の製造方法。
5. 前記水管が銅製であり、前記冷媒管が銅合金製である請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の熱交換器の製造方法。
6. 前記ハンダ板材が、Ｓｎ：９６．５％とＡｇ：３．５％との合金にて構成されている請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の熱交換器の製造方法。
7. 前記水管を軸心回りに回転せしめつつ且つ軸心方向に移動させつつ、前記ハンダ板材と前記冷媒管とを巻き付けた後、前記加熱が実施されるようになっている請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の熱交換器の製造方法。
8. 前記ハンダ板材が、３．０〜６．０ｍｍの板幅と０．２〜０．３ｍｍの板厚を有している請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の熱交換器の製造方法。
9. 前記水管と前記冷媒管とを接合して得られる接合体を、渦巻き形状乃至はトラック形状の形態に曲げ加工する工程を、更に含んでいる請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の熱交換器の製造方法。
   

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