JP2005262277A - 熱交換パイプおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱パイプに対してフィンを接合する場合でもスパッタの付着がなく、厳格な基準に適合することができるとともに、伝熱パイプやフィンの組成によってはより高い精度保証を可能とする熱交換パイプの製造方法を提供する。
【解決手段】熱交換用の伝熱パイプの外周に放熱フィンを巻回し、少なくともこの放熱フィンと前記伝熱パイプの接線面にろう粉末をペーストに混練したろう材を塗布してワークとし、その後水素ガスによる還元雰囲気を有するブレージング炉中で前記ワークをろう付けする。ブレージング炉１０は予熱部分１１と、これに続く本炉部分１２からなる。ブレージング直後のワークを外気雰囲気よりも強い温度勾配で急速に冷却する冷却工程をさらに有している。ワークのうち、少なくとも伝熱パイプはオーステナイト鋼である。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換装置に広く用いられるフィンつきの熱交換パイプに係り、熱交換効率のよいパイプに関するものである。

従来から、熱交換装置には広く熱交換用の伝熱パイプが利用されており、熱交換効率を向上させるために伝熱パイプ外周に多数のフィンを備えている。例えばフィンの構造としては、伝熱パイプ外周に対してスパイラル状に巻きつけたり、円盤状のフィンを等間隔で設けるなど、複数のものがあるが、全て放熱効果を上げるために表面積を広くとるような構成である。そして、放熱フィンは先ず両端を伝熱パイプに溶接し、その後高周波溶接やアーク溶接などで点接合する技術が知られている。

しかしながら、高周波溶接やアーク溶接では溶接中にスパッタが発生し、スラグや金属粒が伝熱パイプ表面やフィン表面に付着してしまう。このとき、完成した熱交換パイプをプラント等に設置した場合には、稼動中にスラグや金属粒が振動などで脱落するが、環境基準が厳格な設備ではこれらの脱落物は極めて問題が大きい。しかも、溶接継手の部分は組織が変成しているので、強度が低下したり腐食の原因となることがあり、根本的な解決が望まれていた。しかも、高周波溶接にしてもアーク溶接にしても、伝熱パイプとフィンの接合面の全面にわたって均一に接合することは困難であり、結果的にスポット溶接の状態になるので、放熱効率はフィンの面積ほどには高くない。

本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、伝熱パイプに対してフィンを接合する場合でもスパッタの付着がなく、厳格な基準に適合することができるとともに、伝熱パイプやフィンの組成によってはより高い精度保証を可能とする熱交換パイプを開示することを目的とするものである。

本発明では上述した従来の課題を解決するために、熱交換用の伝熱パイプの外周に放熱フィンを巻回し、少なくともこの放熱フィンと前記伝熱パイプの接線面にろう粉末をペーストに混練したろう材を塗布してワークとし、その後水素ガスによる還元雰囲気を有するブレージング炉中でワークをろう付けするという手段を用いた。この手段では、ろう材がワークの接合材として機能するが、水素ガスを充填したブレージング炉においてろう付けすることによって、ペーストが完全に焼却されるとともに、加熱処理時における金属表面の酸化を防止する。また、ブレージング温度をろう材の熔融温度より高く、伝熱パイプおよび放熱フィンの溶解温度より低く設定する手段では、ワークを構成する伝熱パイプおよび放熱フィンが変形することなく接合される。

さらに、ブレージング炉として、予熱部分と、これに続く本炉部分の２つの部分から構成した手段では、予熱によってワークを急激な温度上昇によるストレスから回避すると同時に、予熱部分における外部空気と水素雰囲気とを確実に置換する機能を有している。

また、ブレージング直後のワークを外気雰囲気よりも強い温度勾配で急速に冷却する冷却工程をさらに有する手段では、特にワークが処理前にオーステナイト系である場合には加熱処理時にマルテンサイト変態を引き起こしていたものがオーステナイト変態によって当初と同じ組成に回復する。

本発明方法によると、伝熱パイプと放熱フィンはろう材によって一体的に接合され、しかも接合面積が従来の点接合よりもはるかに広い面接合となるので、放熱フィンに対する伝熱効果が高く、有効な熱交換パイプを実現することができる。しかも、放熱フィンは伝熱パイプに対して全面が接合されているので、接合強度が高く、外部から衝撃を受けた場合でも容易に倒れることがない。さらに、本発明の熱交換パイプでは伝熱パイプと放熱フィンが全面で接合しているので、パイプに対して曲げ加工を行う場合でも放熱フィンは曲げ面に対して均等に起立することになり、フィン倒れを起こすことなく曲管を実現することができる。

さらにまた、本発明によって得られた熱交換パイプでは、伝熱パイプと放熱フィンの間に隙間や凹凸がないので、従来のように凝縮水がその間に浸入することもないし、接合面表面が平滑であるから凝縮水は容易に落下することになる。したがって、結露による障害を防止することができる。

また、本発明方法ではワークを還元雰囲気において結果的に固溶処理することになるので、金属組成に酸化部分を形成せず、信頼性の高い製品を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を添付した図面に従って説明する。図１は本発明における熱交換パイプの一例を示した斜視図であって、１は媒体流路である伝熱パイプ、２は伝熱パイプ外周面に接合された放熱フィンである。放熱フィン２はこの実施形態では一連のスパイラル状としている。

上記実施形態の熱交換パイプを製造するための装置を、図２に示す。図中、１０はブレージング炉であり、予熱部分１１と本炉部分１２によって構成されている。１３は水素ガス供給ノズルであって、ブレージング炉１０中を水素ガスによる還元雰囲気に維持している。なお、ブレージング炉１０の内部には耐熱コンベアが走行しており、ワークをラインに沿って搬送する。１４はワーク投入口、１５はワーク取出口である。水素ガス供給ノズル１３はワーク取出口１５側に対して開口しており、余分なガスは燃焼筒１６によって完全に燃焼させてから放出される。このように、水素ガスはワーク取出口１５側からワーク投入口１４側に向って流路を形成しているため、ワークがワーク投入口１４からブレージング炉１０に進入した場合には酸素を含んだ空気がワークと共に流入するが、本炉部分１２は水素ガスによる還元雰囲気を維持することができる。そのためには、予熱部分１１のワーク投入口１４を極力小さく設定すると共に、炉径も本炉部分１２と比較して狭くし、かつ長くすることが好ましい。

さらに、図２のなかで、１７は適宜選択的に採用される急冷装置である。急冷装置１７は、ブレージング炉１０のワーク取出口１５に連続して設けられ、高熱下で処理されたワークを外気雰囲気よりも急速に冷却することを目的としている。この急冷装置１７における処理については後述するが、ワークの組成によっては省略して外気雰囲気下で徐冷することもある。

次に、図１に示した伝熱パイプ１と放熱フィン２の接合に要する構成について説明する。熱交換パイプとして利用される材料としては、鋼系あるいは軟鉄系の鉄パイプ、ステンレス鋼パイプ、銅パイプなどを代表的なものとして採用するが、放熱フィンとの接合の良さを考えると、鉄パイプには鉄、ステンレス鋼、あるいは銅製のフィンを適合する。また、ステンレス鋼パイプに対しては、ステンレス鋼、あるいは銅製の放熱フィンを接合する。なお、銅製の伝熱パイプに対しては銅製の放熱フィンを接合する。接合材料としては、ろう粉末をペーストに練りこんだろう材を用いる。それぞれの材質に対する接合に用いるろう粉末としては、表１に示した組成を適合する。なお、各欄に開示されたろう材は、それぞれ公知のろう材であるが、これらを混合して用いるという意味ではなく、銅ろうであればそれを単独で、ニッケルろうであればそれを単独にて用いる。ペーストに求められる条件としては、ろう粉末がペーストに対して極力均一に練りこまれ、かつブレージング炉において加熱した場合には完全に焼却されて残留しない材質が選択される。ろう粉末は、ろう継手を構成するものであるから、母材よりも低い温度で熔融することが必要である。

上述した装置、および構成を用いて熱交換パイプを製造するには、先ず図３に示したように伝熱パイプ１が放熱フィン２の内周に挿通されるように押込んで仮装着を行う。この状態では放熱フィン２は伝熱パイプ１に対して摩擦およびかしめられただけであり、フィンによる放熱効果は期待できない。続いて、ペーストにろう粉末を練りこんだろう材を伝熱パイプ１とフィン２の接合部に塗布する。ペーストはこの種のろう付けに一般的に用いられるフラックスとは異なり、高熱下で完全に焼却される性質であるから、長時間放置すれば乾燥してしまい、ろう粉末が塗布面から脱落するので、ペーストが乾燥しない状態にて図２に示したブレージング炉１０に投入する。ブレージング炉１０における加熱温度は、母材の材質によって異なるが、母材の溶解温度よりも低く、ろう材の熔融温度よりも高い温度にて処理を行うことはいうまでもない。炉中では、水素ガスが充満していることによって還元雰囲気にあるので、ろう材が熔融しても表面に酸化被膜が生成されることはなく、安定した状態の熱交換パイプが完成する。

ところで、本発明では特定の組成の伝熱パイプおよび放熱フィンについて、さらなる効果を発揮する。即ち、ステンレス鋼や一般の鋼材からなる伝熱パイプおよび放熱フィンの場合には、オーステナイト系の組成であればブレージング炉において高熱を与えるとマルテンサイト系に変態してしまう。そして、これを徐冷すればマルテンサイト変態を維持し、硬いが脆く、かつ加工硬化を引き起こして容易に発錆するような組成になってしまう。ところが、本発明のように還元雰囲気においてブレージングを行えば伝熱パイプ、放熱フィンおよびろう材表面は酸化されないので、発錆に強い構成とすることができる。さらに、図２の急冷装置１７を経由させ、ワーク取出口１５直後のワーク温度が１０００℃以上のものを１秒あたり３℃以上の温度降下で７００℃程度まで急冷すれば、いったんマルテンサイト変態をしたものがオーステナイト系に復元するという固溶化が行われる。したがって、本発明においては、この種の変態を引き起こす素材にはより効果的結果を得ることができる。なお、ステンレス鋼としてはオーステナイト系だけでなく、フェライト系、マルテンサイト系もあるが、本発明ではこれらのステンレス鋼を伝熱パイプ材として採用することも、もちろん可能である。

本発明に適用される熱交換パイプの数例を次に示すと、図３は平板をスパイラル加工したストレートフィンを伝熱パイプに巻き回したものであり、図１に示したものと実質的に同じである。図４は図３のフィンに予めしわ加工やギャザー加工を施したものであり、放熱フィン全体の表面積を広くしたものである。図５はＬ字状の板をスパイラル加工してＬ字フィンとしたものを伝熱パイプに巻き回したものである。このようにすると、伝熱パイプとフィンとの接触面積が広いので、より放熱効果を高めることができる。図６はさらにフィンの外周側に多数の切り込みを設けたものであって、スパイラル加工を容易としたものである。このように、放熱フィンの構造は複数採用することができるが、少なくとも図示したものについては本発明の範囲内に入ることはいうまでもなく、伝熱パイプに対して放熱フィンを巻き回す構成については、考えられるものは全て本発明が予定するところである。また、伝熱パイプの断面形状についても、実施形態では円形としているが、矩形の伝熱パイプを排除するものではない。

本発明方法および熱交換パイプは、出荷時には発錆を確実に抑えることができるので、高い精度の製品を提供できると共に、従来の高周波溶接のようにスパッタは全く発生することがないので、パイプラインを設置後でもスパッタの脱落による故障や事故を防止することができ、産業上の適用用途は非常に広いものである。

本発明によって得られた熱交換パイプの一例を示す斜視図 本発明方法を実現するための装置を示す模式図 伝熱パイプと放熱フィンの組み合わせを示す平面図 本発明の熱交換パイプの別の実施形態を示す平面図 同、別の実施形態を示す平面図 同、さらに別の実施形態を示す平面図

符号の説明

１ 伝熱パイプ
２ 放熱フィン
１０ ブレージング炉
１１ 予熱部分
１２ 本炉部分
１３ 水素ガス供給ノズル
１４ ワーク投入口
１５ ワーク取出口
１６ 燃焼
１７ 急冷装置

Claims (6)

1. 熱交換用の伝熱パイプの外周に放熱フィンを巻回し、少なくともこの放熱フィンと前記伝熱パイプの接線面にろう粉末をペーストに混練したろう材を塗布してワークとし、その後水素ガスによる還元雰囲気を有するブレージング炉中で前記ワークをろう付けすることを特徴とする熱交換パイプの製造方法。
2. ブレージング温度は、ろう材の熔融温度より高く、伝熱パイプおよび放熱フィンの溶解温度より低く設定される請求項１記載の熱交換パイプの製造方法。
3. ブレージング炉は、予熱部分と、これに続く本炉部分からなる請求項１に記載の熱交換パイプの製造方法。
4. ブレージング直後のワークを外気雰囲気よりも強い温度勾配で急速に冷却する冷却工程をさらに有する請求項１記載の熱交換パイプの製造方法。
5. ワークのうち、少なくとも伝熱パイプはオーステナイト鋼である請求項４記載の熱交換パイプの製造方法。
6. 請求項１〜４の何れかの方法によって製造された熱交換パイプ。

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