JPH03189072A

JPH03189072A - 熱交換器とその製造方法

Info

Publication number: JPH03189072A
Application number: JP15391989A
Authority: JP
Inventors: Masataka Noguchi; 昌孝野口
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-06-16
Filing date: 1989-06-16
Publication date: 1991-08-19

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】（産業上の利用分野）本発明は、外部熱を吸収し、管体内の流体に熱を伝達す
る熱交換器とその製造方法に関する。

（従来の技術及び解決しようとする課題）熱交換器用管
体は、主として、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニ
ウム合金が使用されており、熱交換器の効率を高める目
的で、管体の外部に線材若しくは板材を接合してフィン
を形成し、熱源との接触面積の増大が図られている。

各種工業排熱の回収、及びガス湯沸器の燃焼ガスの熱吸
収などの気体熱を吸収する熱交換器においては、銅製の
管体の外部に結露が生じるが、排ガス及び燃焼ガスには
、塩素系、硫酸系、硝酸系の組成物質を含む場合があり
、結露によって腐食性液体が生成し、熱交換器の機能を
無にする欠陥、すなわち、管体の肉厚を貫通する孔が発
生する。

この対策としては、銅製管体の外部に、例えば。

Ｃｕよりも腐食物質に対する耐食性の良いＴｉなどを設
けて２重管とする手法が考えられ、従来からもこのよう
なタイプの２重管自体は公知である（例、実開昭６０−
１０５９９０号など）。

また、銅管の内側にＴｉを介してＣｕ層を設けた３重管
自体も公知である（例、実開昭６３−３６８８９号など
）。

しかしながら、前記用途のうちの特に家庭用のガス湯沸
器の熱交換器などは、全体のコンパクト化が図られてい
る故に、管体自身が小径で、しかも多数の流路を構成す
るため、多数本の直管が多数本の曲げ半径の小さいＵ字
管によって溶接される構造となっている。

しかも、Ｕ字管と直管との接続法としては、熱交換器と
しての機能発揮のためのフィンを直管に設けて、直管と
フィンとの組立て１本を作成した後、直管端部を拡管し
、しかる後にこの拡管部にＵ字管を嵌め込み、溶接する
手法が熱交換器製作の効率的手法として確立されている
。

したがって、まず、このような接続法を前記２重管に適
用した場合、小径管或いは曲げ半径の小さいＵ字管の製
造自体がＴｉの加工性の悪さからして困難であり、この
ため、予めＴｉとＣｕとの複合ビレットを作成して熱間
静水圧押出しで複合管を製作するなどの効率的手法が採
用できず、コストアップとなる。更には、Ｕ字管と直管
の接続に際しても、第３図に示すように、拡管部１０の
接合は、Ｕ字管（２重管）１１の外側のＴｉと、直管（
２重管）１２の内側のＣｕとの異種金属接合となるため
、溶接自体が困難となる。

一方、３重管に適用する場合、難加工のＴｉの両側を易
加工のＣｕでサンドイッチした構造であるため、Ｃｕが
潤滑材としても働き、前記静水圧押出しなどで容易に複
合直管が製造できる。

しかしながら、前述の通り、湯沸器の熱交換器のＵ字管
は曲げ半径が小さく、Ｕ字管作成の曲げ加工の場合に、
Ｔｉの肉厚を薄くすることは元々の耐食性アップの意図
（一定の肉厚は必要）からも限度があるので、必然的に
Ｔｉ、Ｃｕの両者の弾性係数の相違から、加工困難が生
じてしまう。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになさ
れたものであって、熱交換器の組立てが容易であり、し
かも熱交換器の機能を損なう配管肉厚の貫通孔の発生な
どの問題がない熱交換器を提供し、またその管体の製造
方法を提供することを目的とするものである。

（ｇＡ題が解決するための手段）か＼る目的を達成するため、本発明者は、貫通孔発生が
なく管体の組立が容易となる方策について鋭意研究を重
ねた。

その結果、直管とＵ字管を共に３層構造にした場合、前
述の如くＵ字管を曲げ半径の小さい曲げ成形することが
困難となるが、もともとＵ字管の部分は燃焼ガスが直接
接触しない部分であるため、問題が少なく、敢えて３層
構造のものを使用する必要がなく、シたがって、Ｕ字管
としては単管である銅管を使用することにより、Ｕ字管
の成形加工上の問題が解決できることを知見した。更に
。

直管としては特定材料からなる３層構造にすることによ
り、耐食性並びに熱間静水圧押出しによる加工を容易に
できることを知見し、ここに本発明をなしたものである
。

すなわち、本発明は、多数の直管と、直管に設けられた
フィンと、直管同士を結合するＵ字管より構成される熱
交換器おいて、前記直管は、銅を基体とする複合管であ
って、内側の内層が銅からなり、肉厚内部の中間層がバ
ルブ金属が層状に嵌挿されており、外側の外層が銅、銅
合金、ニッケル或いはニッケル合金からなる少なくとも
３層の構造を有し、かつ、各金属が金属間化合物を生成
せずに金属接合しているクラッド管であり、一方、前記
Ｕ字管は銅管であり、更に、該クラッド管の端部を拡管
した拡管部に該銅管が内挿されてろう付け接合されてい
ることを特徴とする熱交換器を要旨とするものである。

また、該クラッド管の製造に係る本発明は、上記クラッ
ド管における内層、中間層、外層などの各材料を機械的
嵌合状態に組合せた後、バルブ金属と銅又は銅合金が金
属間化合物を生成しない温度領域で熱間静水圧押出しを
行い、金属結合させることを特徴とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（作用）耐食性に優れた材料としては、タンタル、ニオブ、チタ
ン、ジルコニウムなどのバルブ金属や、ニッケル基合金
、ステンレス鋼、更には非金属等々の多くの材料が知ら
れているが、熱交換器用材料としては、次の１〜４の機
能を兼備することが必要不可欠である。

１、熱伝導性の良いこと。

２、気密、液密構造で管体の継ぎ接合が容易であること
。

３、吸熱効率の向上を目的とする板及び線状材（フィン
）を管外周に接合することが容易であること。

４、耐食性に優れ、肉厚部を貫通する孔が発生しないも
のであること。

熱交換器用管体として、他に必要な要因もあるが、必要
不可欠な項目として上記４項目に絞り込んで種々検討し
たところ、単一素材で対応することは困難であるとの結
論に至り、各種機能材の組合せと加工法を鋭意検討を重
ねた結果、以下に説明する３層構造のクラッド管とした
ものである。

まず、各種機能材料を適所配置し、異種材料の接触熱抵
抗を理想状態に小さくし、熱交換器への組込みの管体の
接続を容易にする耐食性機能を有する熱交換器用管体と
しては、以下に示すように、直管としては銅を基体とし
且つ少なくとも３層を有するクラッド管を用いることが
必要である。

すなわち、クラッド管体内面には銅を内層として使用す
る。これは、銅は熱伝導性がよく、また管体の継ぎ接合
がろう付で良く、従来よりも容易に施工されるためであ
る。

一方、クラッド管体の外面（外層）は、吸熱効率向上の
ための板及び線状材（フィン）との接合を容易にするた
めに、銅が好ましく、更に耐食性を付加するには銅合金
、ニッケル又はニッケル基合金も接合可能な材料として
適用できる。この場合、銅合金やニッケル基合金は従来
と同程度の施工技術ではフィンとの接合が困難となる恐
れはあるものの、実現可能な技術範囲である。

更に、耐食性を保持するためにクラッド管体の中間層と
して、肉厚内部にバルブ金属を層状に嵌挿して設ける。

バルブ金属はタンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウム
等を示しているが、いずれも耐食性に優れた材料であり
、それぞれの材料は特徴を有しているので、目的に応じ
て選択して使用する。例えば、タンタルは、耐食性には
極めて優れるが高価である。チタンはタンタル、ニオブ
に比べて安価であるが、結晶構造が比較的加工性の良く
ない稠密六方晶であり、厚みを薄くすると欠陥を生じ易
い。また、これらの金属は全ての腐食物質に対して優れ
た耐食性を発揮するものではないので、腐食物質、用途
等に応じて使用する。

このような３層構造のクラッド管は、以下に説明する観
点から、内層、中間層、外層の各材料を機械的嵌合状態
に組合せ、熱間静水圧押出しにより特定温度域で金属接
合させて製造する。

すなわち、まず、熱交換は管体の外面から内部の流体に
熱を伝達するので、管体の肉厚内部での熱伝達抵抗を極
力小さくすることが好ましい。そのためには、第１に、
異種金属材の金属接合を達成すること、第２に、熱伝達
抵抗の大きい材料の厚みを薄くすることが肝要である。

前者の金属接合については、高温域で大きな変形加工を
加えることにより達成できるという知見により、本発明
では熱間静水圧押出し法を適用するものである。この場
合、加工温度域は一般的に高温になるほど変形抵抗は小
さくなり、強加工が可能となる。したがって、高温と強
加工で金属接合は容易になる。

しかし、採用する金属材料の組合せによってそれぞれの
適温域があるので留意する。例えば、バルブ金属のうち
、チタンの場合、９００℃以上に加熱すると、結晶構造
がαからβに変態し、結晶粒が粗大化し、チタンの薄肉
化加工に支障を来たすので、適温域として６００〜８５
０℃が好ましい。一方、ニオブ、タンタルはチタンの場
合よりも高温にしても支障はないが、高温にしすぎると
銅が軟かくなりすぎるので、１０００℃以下に制限する
のが好ましい。

但し、これら選択される金属に共通する問題として、銅
と脆い金属間化合物を生成し易い点があり、金属間化合
物が生じると複合管としての機能が損なわれるため、熱
間静水圧押出しの温度は、金属間化合物が生じる温度以
下とすることが必須となる。

後者の肉厚に関しては、銅が熱伝導率の最も高い金属で
あるので、熱伝導率の低い耐食性材料の方を薄くするこ
とが、管体の熱伝導抵抗を小さくすることになる。しか
し、クラッド管を構成する各層のいずれの材料も、肉厚
部を貫通する欠陥が生じないようにするためには、ある
程度の厚みが必要である。その目安は以下のとおりであ
る。

耐食性材料の欠陥検査として、外皮材を酸洗除去し、そ
の後も酸に浸漬すれば欠陥の有無が確認できるが、この
ような欠陥検査力によれば、例えば、ニオブは１０μｍ
程度まで薄くしても内部の銅の溶出はなく、ニオブ層の
貫通孔は発生しない。

一方、タンタルはニオブに比べて若干加工性が悪く、２
０μｍで銅の溶出が検出され、貫通孔が発生する。チタ
ンはニオブ、タンタルの豆方晶に比べて加工性の悪い六
方晶であり、４０μｍでタンタルの２０μｍと同様に欠
陥が発生する。

このように、それぞれの材料で適当な厚みを選定する必
要があるが、概してクラッド管の全肉厚０．４〜１．Ｏ
ｎ＋ｍ程度の管体において、耐食性材料の厚さは１００
μｍ程度を目安にするのが好ましい。

上記構成のクラッド管は直管として用いるが、この直管
に接合するＵ字管には銅管単管を用いる点が本発明の１
つの特徴である。これは、従来のように銅以外の材料を
クラッドした２重管又は３重管のクラッド管を直管と同
様にＵ字管として用いると、Ｕ字管曲げ成形上に問題が
あるからであり、またＵ字管部分は、第１図に示すよう
にシェル８が設けられるので燃焼ガスが直接接触するこ
とがないため、腐食の問題がなく敢えて直管と同様にク
ラッド管を使用する必要がないためである。

次に、上記直管のクラッド管と、Ｕ字管の銅管の組立と
しては、クラッド管の端部を拡管し、この拡管部にＵ字
管の端を内挿した状態で、ろう相接合して組み立てる。

この場合、Ｕ字管として単管である銅管を使用するので
、曲げ成形加工によるＵ字管の製造は容易であり、従来
一部にチタンを用いるクラッド管の場合のような曲げ成
形上の問題は生じない。

なお、直管にフィンを設ける方法は従来と同様で良い。

かくして得られる熱交換器は、第１図に示すように、プ
レートフィン又はワイヤフィン７を設けた直管２が銅か
らなる内層５と耐食材料からなる中間層４と外層６の３
層構造であり、その拡管部において銅単管からなるＵ字
管１とろう付けされている。図中５３はろう材、７はシ
ェルである。

（実施例）次に本発明の実施例を示す。

３１１例」３内径１４３φ、３を寸法の外層用銅管と、外径１３４．
５φ、内径５１φ寸法の内層用銅管と、これらの中間に
中間層としてＱ、５ｎｖ＋厚のニオブ板を二重巻きで円
筒状に挿入した三層構造のものを準備した。

次いで、ニオブの周囲空間を脱ガス状態に気密封止した
後、熱間静水圧押出しにより押出した。

押出し加熱温度は７５０℃、押出し寸法は外径３６ｍｍ
、内径３０ｍｏ＋である。その後、冷間抽伸により１２
．７φＸ０，６を寸法に加工し、ベルマウス拡管した。

この拡管部に銅単管を挿入してろう付けを実施した。

このような施工は従来の銅管と全く同様に施工できた。

また、拡管部にはニオブ層に欠陥はなく、各金属間に剥
離は全（認められなかった。

失ＩＬス内径１４３φＸ３を寸法の外層用銅管と、外径１２２φ
、内径５１φ寸法の内層用銅管と、これらの中間に中間
層として肉厚ｆ３．５ｍｍ＋のチタンの溶接円筒を挿入
した三層構造のものを準備した。

次いで、チタンの周囲空間を脱ガス状態に気密封止した
後、熱間静水圧押出しにより押出した。

押出し加熱温度は７５０℃、押出し寸法は外径３６ｍｍ
、内径３０ｍｍである。その後、冷間抽伸により１２７
φＸ０．６を寸法に加工し、ベルマウス拡管した。この
拡管部に銅単管を挿入してろう付けを実施した。

このような施工は従来の銅管と全く同様に施工できた。

また、拡管部にはチタン層に欠陥はなく、各金属間に剥
離は全く認められなかった。

尖嵐涯ｙ内径１４３φＸＳｔ寸法の外層用銅−ニッケル合金管（
７０％Ｃｕ、３０％Ｎｉ）と、外径１１２φ、内径５１
φ寸法の内層用銅管と、これらの中間に中間層として肉
厚６．５＋ｎ＋ｎのチタンの溶接円筒を挿入した三層構
造のものを準備した。

押出し加熱温度は８００℃、押出し寸法は外径４４ｍｍ
、内径３５ｍｍである。その後、冷間抽伸により１２．
７φＸ０．６を寸法に加工し、ベルマウス拡管した。こ
の拡管部に銅単管を挿入してろう付けを実施した。

このような施工は従来の銅管と同様に施工できた。また
、拡管部には外層の銅合金及び中間層のチタン層に欠陥
はなく、各金属間の剥離は全く認められなかった。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、配管肉厚の貫通
孔の発生を防止できると共に、金属層間が金属接合して
いるので接触熱抵抗が極小であるから、熱交換器の機能
を損なうことがなく、しかもＵ字管として銅管を用いる
ので、曲げ成形、拡管、ろう付けが従来の銅管と同様に
容易に施工できる。また、金属間化合物を生成すること
なくクラッド管を製造できる。したがって、工業的生産
に寄与するところが大である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係る熱交換器の直管とＵ字
管を示す図で、第１図は熱交換器の断面図であり、第２
図の（ａ）はろう付け部近傍の断面図、（ｂ）はその拡
大図であり、第３図は従来の２重管を用いた直管とＵ字管との接合部
を示す説明断面図である。１・・・銅単管（Ｕ字管）、２・・・クラッド管（直管
）、３・・・ろう材、４・・・中間層（耐食材料）、５
・・・内層（銅）、６・・・外層、７・・・プレートフ
ィン（又はワイヤーフィン）、８・・・シェル。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）多数の直管と、直管に設けられたフィンと、直管
同士を結合するＵ字管より構成される熱交換器おいて、
前記直管は、銅を基体とする複合管であって、内側の内
層が銅からなり、肉厚内部の中間層がバルブ金属が層状
に嵌挿されており、外側の外層が銅、銅合金、ニッケル
或いはニッケル合金からなる少なくとも３層の構造を有
し、かつ、各金属が金属間化合物を生成せずに金属接合
しているクラッド管であり、一方、前記Ｕ字管は銅管で
あり、更に、該クラッド管の端部を拡管した拡管部に該
銅管が内挿されてろう付け接合されていることを特徴と
する熱交換器。
（２）請求項１に記載のクラッド管の製造方法において
、前記内層、中間層、外層などの各材料を機械的嵌合状
態に組合せた後、バルブ金属と銅又は銅合金が金属間化
合物を生成しない温度領域で熱間静水圧押出しを行い、
金属結合させることを特徴とする熱交換器用クラッド管
の製造方法。