JPH03291160A - 給湯用熱交換器 - 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】 産業上の利用分野 この発明は、例えば風呂釜、瞬間湯沸し器、給湯器等に
用いられる給湯用熱交換器に関する。

なお、この明細書において、鉄の語は純鉄のみならずス
テンレス鋼、普通鋼その地鉄系合金を含む意味で用いる
。またアルミニウムの語はアルミニウム合金を含む意味
で用いる。

従来の技術 上記のような給湯用熱交換器は、一般に、チューブの長
さ方向に、複数のプレート状フィンが平行配置で外装さ
れた構成を有し、燃焼ガスによりフィンの表面に付与し
た熱をチューブ内の流通水に伝達してこれを加熱するも
のとなされている。

かかる給湯用熱交換器の構成材料としては、従来、チュ
ーブ、フィンいずれも鋼材が用いられていた。チューブ
を銅材で形成するのは水に対する耐食性が良いからであ
り、またフィンにも鋼材を用いるのは、熱伝導性に優れ
ておりかつ同材質のチューブとの十分な接合を保ちうる
からである。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、このようにチューブとフィンのいずれも
が鋼材にて構成された給湯用熱交換器では、次のような
欠点があった。

即ち、使用中に出湯温度が低くなると、熱交換器表面に
結露水が発生し、その結露水に燃焼ガス中の不純物が混
入溶解し酸性水となって銅を腐食しく低温腐食）、その
腐食生成物がフィンを閉塞して不燃焼や点火不良、熱性
能の低下を引起こすというような欠点があった。また全
体が銅製であるため、重量が増大するとともにコスト高
につくという欠点もあった。

この発明はかかる技術的背景に鑑みてなされたものであ
って、耐低温腐食に優れ腐食生成物によるフィン閉塞を
防止しうる軽量、低コストな給湯用熱交換器の提供を目
的とする。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するためには、チューブ、フィンを低温
腐食に対して比較的強くかつＴＬ量的にも軽量なアルミ
ニウムで構成することが一応考えられるが、流通水に対
する耐食性の点からチューブをアルミニウム製とするの
は問題が大きい。また、フィンのみアルミニウム製とし
た場合には、銅製チューブとフィンとの接合が問題とな
る。即ち、銅製チューブとアルミニウムフィンとの拡管
等による機械的接合では熱抵抗が大きくなって伝熱性が
低下するとか、繰返し使用により接合が緩むとかの問題
を派生する。

また銅とアルミニウムとの直接ろう付ではエロージョン
が発生する。

そこで、この発明は、フィンをアルミニウム製とすると
たちに、チューブを流通水に対して比較的耐食性が良く
しかも耐低温腐食性も良いステンレス鋼等を含む鉄で形
成し、この鉄製チューブとアルミニウム製フィンとをろ
う付接合しようというものである。ただし、ろう付に際
して、ろう材として通常のＡ［材相互のろう付に用いら
れるＡＱ−８ｉ系ろう材を用いた場合、ろう材の融点が
概して高いことから、ろう付温度も５９５〜６１０℃程
度の高温にならざるを得ないが、ろう付温度が高いとチ
ューブとフィンとの接合界面に摩さ２０〜４０μｍ程度
のＦｅＡ［３、Ｆｅ２　Ａ、Ｑ５等の硬くて脆い金属間
化合物層が形成され、これが原因で接合面の十分な強度
が得られないという別の欠点を派生する。このため、こ
の発明に係る給湯用熱交換器は、接合界面における脆い
金属間化合物の形成を抑制し、十分な接合強度を有する
状態に鉄製チューブとアルミニウム製フィンとをろう付
したものである。

即ちこの発明は、鉄製チューブとアルミニウム製フィン
とが、Ａｐ−５ｉ−高Ｚｎ系ろう材を介して５７０℃以
下の温度でろう付接合されてなることを特徴とする給湯
用熱交換器を要旨とする。この場合、チューブとフィン
との接合界面に、チューブに被覆されたＮｉまたはＣｒ
層が介在されてなるものとすることによりさらに金属間
化合物層の形成に対する抑制効果がある。

作用 チューブはステンレス鋼等の鉄製でありフィンはアルミ
ニウム製であるから耐低温腐食性に優れたものとなり、
軽量化も図られる。また、Ａ、Ｑ−５ｉ−高Ｚｎ系ろう
材は低融点を示し、このろう材を用いて５７０℃以下の
温度でチューブとフィンとがろう付接合されているから
、接合界面ｚ：おける脆いＦｅＡ、Ｑ３等の金属開化合
物層の生成のないあるいは抑制された給湯用熱交換器と
なる。また、チューブに予めＮｉまたはＣｒ層を被覆し
ておくことで、上記金属間化合物層の生成がさらに抑制
される。

実施例 次にこの発明の詳細な説明する。

第１図〜第７図において、（１）はチューブ、（２）は
プレート状フィンである。

チューブ（１）は５Ｕ３３０４等のステンレス鋼で形成
されたものであり、上下方向に平行配置された３本の直
管部（ｌｌａ　）　　（ｌｌｂ　）　　（ＩＩＣ）を有
するものに蛇行形成されるとともに、チューブの一端が
給水口（１２）と他端が給湯口（１３）となさねでいる
。

一方、前記プレート状フィン（２）は、アルミニウムで
形成されている。このプレート状フィン（２）は第６図
及び第７図に示すように、その中央部にチューブ（１）
の外径よりわずかに大きい直径の３個のチシーブ挿通孔
（２１）が並設されるとともに、各挿通孔（２１）の周
縁には筒状のフィンカラー（２２）が立設されている。

そして、かかるプレート状フィン（２）の複数枚が各チ
ューブ挿通孔（２１）においてチューブ（１）の各直管
部（ｌｌａ　）　　（Ｈｂ　）　　（ｌｌｃ　）に挿通
されることにより、そのフィンカラー（２２）で直管部
外面を間断なく覆う態様で直管部の長さ方向に平行状に
外装されている。このように、フィンカラー（２２）で
直管部外面を覆うのは、アルミニウム材で覆うことによ
り一層優れた耐低温腐食性を付与するためである。また
、フィン（２）とチューブ（１）と・）接合面積を可及
的大きく確保して一層の接合強度の増大を図るためでも
ある。かかるフィン（２）はＡ３００３合金等からなる
心材＜２３）Ｔ１片面にろう材（２４）が被覆形成され
た片部アルミニ〜ムブレージングシートをもつでＩＭｂ
ｊ２され、フィンカラー　（２２）はその内面がろう材
層側となる向きで形成されている。そして、フィンカラ
ー（２２）とステンレス鋼製のチュ・−ブ（ＩＢ）とが
ろう材（２４）を介してろう付接合されている。ここに
、上記ろう材としては、Ｓｉを０．５〜１２νｔ％程度
、Ｚｎを１５〜８０ｖｔ％程度含有するＡΩ−５ｉ−高
Ｚｎ系ろう材である。このように、高Ｚｎ含有ろう材を
用いることによりろう材の低融点化が可能となり、ひい
ては接合界面にＦｅＡＱ３　、Ｆｅ２　ＡＵ５等の脆い
金属間化合物層を形成しない低温度でのろう付が可能と
なる。

ろう材の具体的組成の一例を挙げると次のとおりである
。

即ち、基本的には、Ｓ　ｉ　：　０．　５〜１２ｗｔ％
、Ｚｎ：１５〜８０νｔ％を含有し、残部アルミニウム
及び不可避不純物からなるろう材を用いれば良い。上記
において、Ｓｉはろう材の融点を低下させるとともに流
動性を高めるのに必要なものである。しかしその含有量
が０，５ｗｔ％未満ではそれらの効果に乏しくなる虞れ
がある。

一方、１２νｔ％を超えて含有されると却って融点の急
激な増大を招き、ろう材として使用できなくなる虞れが
ある。Ｓｉの特に好まし２い含有量は４ｗｔ％以上殊に
５〜８νｔ％である。前記Ｚｎはろう材の低融点化に極
めて有効な元素である。しかし、その含有量が１５νｔ
％未満ではその効果に乏しくなる虞れがあり、一方８０
ｖｔ％を超えると加工性の悪化を来す虞れがある。特に
好ましいＺｎの含有量は５５νｔ％以下殊に２０〜５０
ｗｔ％程度である。

また、他の高Ｚｎ含有ろう材として、上記Ｓｉ；　Ｚｎ
に加えて８ｅを１−１．０２〜１．　Ｏｖｔ％の範囲で
含有したものを用いても良い。ＢｅはＳｉ、Ｚｎの低融
点効果を損うことなくろう材の強度、伸び等の機械的性
質の向上に寄与するものであり、ひいてはる・）付後に
おけるろう付接合部の機械的性質を向上させる作用効果
がある。しかし、０，０２νｔ％未満では上記効果を発
揮できない虞れがあり、一方１゜Ｏｖｔ％を超えても効
果が飽和することから経済的な無駄を招く虞れがある。

Ｂｅを含有する場合の特に好ましい範囲は０，１０〜０
．５ｖｔ％である。

さらに、他の高Ｚｎ含＋′ｆろう材とＬ２て、上記５ｉ
ＳＺｎに加え°’Ｃ，Ｃｕ　：　０．　２−２．　０ｖ
ｔ％を含有したものを用いても良い。ＣｕはＺｎの高濃
度含有によりろう付後においての自然電極電位が卑とな
るのを防止し、電位を貴側にシフトさせることにより接
合部の腐食を防止する役割を果す。しかし、その含有量
が０．２ｖｔ％未満では上記効果に乏しくなる虞れがあ
り、２゜０ｗ１％を超えると加工性の劣化を派生する危
険がある。Ｃｕを含有する場合の好ましい範囲は０．５
〜１．５ｖｔ％である。なお、Ｃｕを含有する場合、接
合部の機械的性質の改善のためにｌｖｔ％程度以Ｆ、好
ましくは０．０５〜１ｖｔ％の範囲でＢｅを含有せしめ
ても良い。

さらに他の高Ｚｎ含有ろう材として、上記Ｓｔ％Ｚｎと
ともにＩ　ｎ　：　０．　０２〜０．　２ｖｔ％、Ｓｎ
　：　０．０５〜０．４ｖｔ％、Ｂｉ：０．０５〜０．
４ｖｔ％の１種または２種以上を含有するものを挙げう
る。上記において、Ｉ　ｎ　ｓ　Ｓ　ｎ　ｓＢｉはろう
何時に溶融したろう材が濡れ拡がるとき、表面の酸化膜
を弱く欠陥あるものにして良好なろう付を達成するのに
有効な元素である。

かかる効果の点でこれらはいずれも均等物として評価さ
れるものであり、少なくとも１種が含有されれば足りる
。しかし、Ｉｎが０．０２ｗｔ％未満、Ｓｎが０．０５
ｖｔ％未満、Ｂｉが０゜０５ｗｔ％未満では上記効果を
発揮できない虞れがある。一方、Ｉｎが０，２ｖｔ％を
超え、Ｓｎが０．４ｖｔ％を超え、Ｂｉが０．４ｖｔ％
を超えても効果が飽和することから経済的な無駄を招く
危険がある。Ｉｎ、５ｎＳＢｆの１ｆ！１１ｉまたは２
ｔＩｆ以上を含有する場合の特に好ましい含有範囲はＩ
ｎ　：　０．０３〜０．１５ｖｔ％、Ｓｎ：０゜１０〜
０．３０ν１９６、Ｂｉ：０．１０〜０．３０ｖｔ％で
ある。

図示実施例に係る熱交換器の製作は、次のようにして行
われたものである。即ち、チューブ（１）の各直管部（
ｌａ）　　（ｌｂ）　　（ｌｃ）にプレート状フィン（
２）を外装したのち、チューブを拡管することによりチ
ューブ（１）とフィンカラー（２２）との密着性を向上
させる。なお、チューブを拡管するのではなく、プレー
ト状フィン（２）の挿通孔（２１）をやや小径に形成し
ておき、フィンをチューブに圧入することにより両者を
密着させるものととしても良い。

次に、水や有機溶剤にフラックスを懸濁させた懸濁液を
上記フィン付チューブに浸漬法等により塗布したのち乾
燥する。フラックスとしては塩化物系またはフッ化物系
どちらでも良いが、ろう材の融点が５４０℃程度以下と
低いため、フラックスとしても融点が約５００℃以下の
ものが望ましい。

次に、Ｎ２ガス等の雰囲気中でろう付を行うが、ろう付
温度はこれを５７０℃以下に規定されなければならない
。５７０℃を超えるろう付温度では、チューブ（１）と
プレート状フィン（２）との接合界面に厚いＦｅＡＵ３
等の金属間化合物層が形成され、接合強度の低下をもた
らすからである。この金属間化合物層は、時間と共に成
長するため、ろう何時間は良好な接合が得られる範囲で
極力短くするのが好ましい。

特に、ろう付温度を５４０〜５７０℃の高温側に設定す
る場合は、ろう何時間を１０分以下好ましくは５分以下
にするのが良い。このろう付により、前肥ろう材（２４
）は第４図及び第５図に示すようにフィンカラー（２２
）の内周面とチューブ（１）の外周面との間に隙間なく
充填され、両者は強固に接合される。

なお、第１図及び第２図に示す（４）は、熱交換器の製
造工程において、直管部（ｌｌａ）（ｌｌｂ　）　　（
ｌｉｅ　）にＵ形連結部（５）やＬ形給水部（６）をろ
う付により連結したときのろう何部である。

図示した給湯用熱交換器では、給水口（１２）から流入
した水はチューブ（１）に沿って流通するが、この間に
プレート状フィン（２）の存在部分に付与される燃焼ガ
スにより加熱され、お湯となって給湯口（１３）から流
出する。

第８図、第９図はこの発明の他の実施例を示すもので、
ステンレス鋼製チューブ（１）の外面に予めメツキ等の
手段によりＮｉまたはＣｒ層（７）が被覆形成されてお
り、このＮｉまたはＣｒ層（７）を介してチューブ（１
）とプレート状フィン（２）とがろう付接合されている
。

このように、ＮｉまたはＣｒ層（７）が介在することで
、接合界面のＡ、Ｑ−Ｆ　ｅ系金属間化合物層の生成が
抑制され、さらに優れた接合強度を有する熱交換器とな
しうる。なお、第８図、第９図において、第１図〜第７
図と同一構成部分については同一符号を付し、その説明
は省略する。

ちなみに、本発明の優位性を示すために、以下の試験を
行った。即ち、５ＵＳ３０４からなるチューブと、Ａ３
００Ｂ合金心材の片面に第１表に示す各種組成のろう材
層がクラツド率１０％でクラッドされた厚さ０．４馴の
アルミニウムプレージングシートからなるプレート状フ
ィンを用いて図示のものと同じ給湯用熱交換器を複数個
組立てた。なお、Ｎｏ９．１０のチューブについては、
表面にＮｉメツキ層、Ｃｒメツキ層を被覆したものを用
いた。また、ろう材単体の融点（液相線温度）は第１表
に示すとおりであった。

次に、融点４８０℃であるフラックスを水に懸濁させた
懸濁液中に、上記各熱交換器組立物を浸漬したのち乾燥
し、次いでＮ２ガス雰囲気中において第１表に示す加熱
温度で各５分加熱することにより、チューブとプレート
状フィンとのろう付を行った。

上記により製作した熱交換器につき、チューブを切断し
てチューブとプレート状フィンとの接合界面におけるＦ
ｅＡｆ１３等の金属間化合物層の有無を顕微鏡により調
べた。その結果を併せて第１表に示す。

［以下余白］ 第１表の結果かられかるように、本発明実施品は接合部
界面における金属間化合物層の形成が抑制されているの
に対し、従来のＡｆ：１−５ｉ系ろう材を用いたＮｏ１
ｌでは厚い金属間化合物層が形成されていた。

また、第１表に示すＮｏ１〜１０の実施品と、チューブ
、プレート状フィンともに銅製である従来品につき、１
７分の作動と１０分の停止を１０４回繰返す実機試験を
行って腐食の発生状況を調べたところ、実施品ではフィ
ンに若干の腐食生成物しか認められなかったのに対し、
従来品では腐食生成物によりフィン間が閉塞状態を起し
ていた。従って、本発明実施品は腐食に対して有効であ
ることを確認しえた。

発明の効果 この発明は上述の次第で、まず、チューブを水に対する
耐腐食性、耐低温腐食性いずれにも優れたステンレス鋼
等の鉄で製作し、フィンをこれも耐低温腐食性に優れた
アルミニウムで製作し、両者をろう付したものであるか
ら、全体が銅製である従来品に較べて熱交換器全体の耐
低温腐食性を向上することができ、ひいてはフィン閉塞
の危惧を解消しうる。また、製品重量の多くを占めるフ
ィン部分を軽量、安価なアルミニウムで構成でき熱交換
器の軽量化、低コスト化を図りうる。さらに、チューブ
とフィンとを接合するろう材として／Ｊ−５ｉ−高Ｚｎ
系のものが用いられているから、良好なろう付性はこれ
を維持しつつろう材の融点のみを従来のＡ、Ｑ−Ｓｉ系
のものに較べて格段に低くすることができる。しかもろ
う材中に高濃度のＺｎが含有されているため、鉄製チュ
ーブとの濡れが良く、良好な接合が可能となる。そして
、このように良好なろう付性を確保しかつろう材の低融
点化を図ったうえで、５７０℃以下の温度でろう付が行
われているから、チューブとフィンとの接合界面におけ
るＦｅＡＲ３等の脆い金属間化合物層の形成を抑制ない
しはなくすことができ、従って該金属間化合物層の存在
によるチューブとフィンとの接合強度の低下を防止しえ
て、強度に優れた給湯用熱交換器となしうる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る給湯用熱交換器の正
面図、第２図は底面図、第３図は側面図、第４図はチュ
ーブとフィンとの接合状態を示す断面図、第５図は第４
図のｖ−ｖ線断面図、第６図はフィン単体の正面図、第
７図は第６図の■−■線断面図、第８図は他の実施例に
おけるチューブとフィンとの接合状態を示す断面図、第
９図は第８図のＩＸ−ＩＸ線断面図である。 （１）・・・チューブ、（２）・・・フィン、（２４）
・・・ろう材、（７）・・・Ｎｉ又はＣｒ層。 以上 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄製チューブとアルミニウム製フィンとが、Ａｌ
   −Ｓｉ高Ｚｎ系ろう材を介して５７０℃以下の温度でろ
   う付接合されてなることを特徴とする給湯用熱交換器。
2. （２）チューブとフィンとの接合界面に、チューブに被
   覆されたＮｉまたはＣｒ層が介在されてなる請求項１に
   記載の給湯用熱交換器。