JP2007333271A - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大規模で高価な設備が不要で、短時間で健全な焼鈍を行うことができる熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】外壁側に少なくとも１条の管外壁側螺旋状凹部と、この管外壁側螺旋状凹部の両端に位置する管外壁側螺旋状凸部とが螺旋状に形成される水配管と、この水配管の管外壁側螺旋状凹部に接合される冷媒配管とを有し、冷媒配管が巻き付けられる水配管が平面上において渦巻き形状に形成される熱交換器の製造方法において、管外壁側螺旋状凹部と、この管外壁側螺旋状凹部の両端に位置する管外壁側螺旋状凸部とが螺旋状に形成された水配管を、高周波焼鈍装置を用いて軟化させた後、水配管に冷媒配管を巻き付け、冷媒配管が巻き付けられた水配管を平面上において渦巻き形状に形成することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

この発明は、水と冷媒との間の熱交換を行う熱交換器、例えばヒートポンプ式給湯機等の熱交換器の製造方法に関する。

従来、加工硬化した銅管の調質をＨ（硬質）からＯ（軟質）にするために、５５０℃以上の温度帯で焼鈍を実施している。焼鈍に使用される設備としては、主に大型のバッチ式真空加熱炉もしくは連続式加熱炉が一般的である。炉内は管内外の酸化を防止するために不活性ガス雰囲気となっている。
特開平０６−０４９６２０号公報 特開２００１−０９６３３７号公報

しかしながら、大型のバッチ式真空加熱炉を用いる場合、自動化が難しく、人手による作業が必要となる。また、昇温から冷却までの処理に半日を要する場合が多く、終夜運転させる必要性が生じる恐れがある。銅管の形状によっては、バッチに入れるための冶具や人手が必要であり、自動化には適さないという課題がある。

また、真空式の連続炉を用いる場合、設置場所が必要であるとともに、設備費用が高くなるという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、大規模で高価な設備が不要で、短時間で健全な焼鈍を行うことができる熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る熱交換器の製造方法は、外壁側に少なくとも１条の管外壁側螺旋状凹部と、この管外壁側螺旋状凹部の両端に位置する管外壁側螺旋状凸部とが螺旋状に形成される水配管と、この水配管の管外壁側螺旋状凹部に接合される冷媒配管とを有し、冷媒配管が巻き付けられる水配管が平面上において渦巻き形状に形成される熱交換器の製造方法において、管外壁側螺旋状凹部と、この管外壁側螺旋状凹部の両端に位置する管外壁側螺旋状凸部とが螺旋状に形成された水配管を、高周波焼鈍装置を用いて軟化させた後、水配管に冷媒配管を巻き付け、冷媒配管が巻き付けられた水配管を平面上において渦巻き形状に形成することを特徴とする。

この発明に係る熱交換器の製造方法は、上記構成により、大規模で高価な設備が不要で、短時間で健全な焼鈍を行うことができる。

実施の形態１．
図１乃至図９は実施の形態１を示す図で、図１は熱交換器１の平面図（ａ）とＡ−Ａ断面図（ｂ）、図２は熱交換器１の部分斜視図、図３は図２のＢ−Ｂ断面図、図４は水配管２と冷媒配管３との接合後の状態を示す断面図、図５は高周波焼鈍装置４の概略図、図６は燐脱酸銅管の軟化特性を示す図、図７はアルミ管の軟化特性を示す図、図８は高周波焼鈍温度を示す図、図９は水配管曲げ強度測定結果を示す図である。

図１（ａ）に示すように、熱交換器１は、平面上において長円形状となるように渦巻き形状に、上下に二段（図１（ｂ）参照）に形成された水通路となる水配管２と、水配管２の外周に螺旋状に巻き付けられた冷媒通路となる冷媒配管３とを備える。但し、熱交換器１の段数は任意でよい。

熱交換器１は、例えば、ヒートポンプ式給湯機の室外ユニットの水側熱交換器に使用される。水配管２を流れる水と、冷媒配管３を流れる冷媒とは対向流となるように逆向きに流れる。冷媒には、ＣＯ_２、ＨＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＣ等が用いられる。

図２乃至図４により、本実施の形態の熱交換器１の構成を具体的に説明する。図２に示すように、水配管２は、外壁側に管外壁側螺旋状凹部２ａが螺旋状に、ここでは３条並列に形成されている。条数は少なくとも１条あればよい。

管外壁側螺旋状凹部２ａの両端には、管外壁側螺旋状凸部２ｂがやはり螺旋状に形成されている。

そして、３条の管外壁側螺旋状凹部２ａに、管外壁側螺旋状凹部２ａの形状に沿って冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃが巻き付けられ、水配管２と冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃはロウ材または半田等の伝熱金属１０により接合されている（図４参照）。

外壁側に管外壁側螺旋状凹部２ａ及び管外壁側螺旋状凸部２ｂが螺旋状に形成される水配管２は、例えば、材質が燐脱酸銅の平滑管（燐脱酸銅平滑管）の両端を固定し、内径側にマンドレルを挿入して捩り加工を施すことにより製造する。平滑管の素材は、燐脱酸銅以外に、銅合金（例えば、コバルトを含み、薄肉化が可能なもの）、アルミニウム等の一般的に用いられている材料でもよい。

冷媒配管３は、水配管２の外壁側の管外壁側螺旋状凹部２ａに接合されるので、水配管２が平滑管である場合に比べ、水配管２と冷媒配管３との接触面積は大幅に増加する。従って、水配管２と冷媒配管３との間の伝熱性能が向上する。

一方、水配管２の内壁側は、図３に示すように、管外壁側螺旋状凹部２ａが管内壁側螺旋状凸部２ｃとなる。また、管外壁側螺旋状凸部２ｂが管内壁側螺旋状凹部２ｄとなる。

捩り加工を施す前の平滑管の材料質別は、Ｈ材からＯ材まで使用することが可能であり、目的とする水配管の形状に合わせて、任意の質別を選択する。

任意の質別で選択された平滑管は、任意の条件で設定された捩り加工によって、加工硬化により、最終的にＨ材に近い質別となる。

捩り加工後、３条の管外壁側螺旋状凹部２ａに、管外壁側螺旋状凹部２ａの形状の沿って冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃが巻きつけられる。任意の曲げ半径によって所定の形状になるよう水配管２と、冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃを同時に曲げるためには、捩り加工によって加工硬化した水配管２を熱処理により軟化させる必要がある。

捩り加工によって加工硬化した水配管２を焼鈍して軟化し、焼鈍後の水配管２に、Ｏ材（詳しくは、ＯＬ材）の冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃを巻き付ける。冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃはＯ材であるから、焼鈍は不要である。その後、冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃを巻き付けた水配管２を、平面上において渦巻き形状に形成する。

図５の高周波焼鈍装置４の概略図に示すように、高周波焼鈍装置４は、主に加熱コイル５と、ガス冷却部６と、水冷却部７とを備える。この高周波焼鈍装置４は、２本のワークを同時に焼鈍する例である。捩り加工を施した管（以下、捩り管と呼ぶ）は、矢印で示す搬入側から投入し、内部を冷却用の水が流れる加熱コイル５が螺旋状に巻かれた石英管９の中を有る一定の速度で通過する。その後、冷却還元ガス（Ｎ_２）雰囲気のＳＵＳ管１１（耐熱性、耐候性を有する材料であればよい）で構成されるガス冷却部６と、水冷却部７を連続して通過することで、捩り管は冷却される。さらに、エアーパージ部８にて、捩り管の表面に残る水を除去し、矢印で示す搬出側から搬出される。一連の焼鈍は、自動化された生産ラインの一環として行われる。

加熱時における酸化抑制手段として、加熱コイル５内に、Ｈ_２、ＣＯなどの還元ガスや、Ｈｅ、Ｎ_２、Ａｒなどの不活性ガスを流す方法は有効である。濃度に関しては、捩り管に対しての許容酸化レベルにもよるが、例えばＮ_２ガスであれば、９９．０％以上であれば問題ない。

また、流量に関しては、加熱時間と加熱温度によって、適正な量の調整が必要となる。

捩り管は、還元ガスまたは不活性ガスがある濃度で充満している加熱コイル５に、開口している管端より任意の速度で搬入されるため、元々捩り管内部に残留している空気は自然に後方の管端に押し出される。従って、捩り管内面は、加熱時に還元または不活性ガス雰囲気で加熱されるので酸化は抑制される。

冷却時における酸化抑制手段として、Ｈ_２、ＣＯなどの還元ガスや、Ｈｅ、Ｎ_２、Ａｒなどの不活性ガスを流す方法がある。

さらに急冷可能な素材を使用する場合、水による冷却が最も有効な手段と言える。水冷却の場合は、捩り管表面の温度が、少なくとも１００℃以下に低下するまで、捩り管を大気、特に酸素に触れないような方法をとると良い。
高周波焼鈍装置４は、ガス冷却と水冷却の両方を兼ね備えた設備である。

通常、炉内における焼鈍は、温度と時間で調整する。銅管における焼鈍条件は、目的とする調質によって様々であるが、少なくとも温度５００℃以上、時間２０分（昇温・冷却を含めると数時間）が一般的である。そのため必要数量によっては、大型な炉を必要とし、さらに炉の大型化に伴い、均熱加熱させるためには、昇温、焼鈍、冷却時間を多くとる必要がある。

これに対し、高周波の焼鈍においては、発振器電源の出力（電圧×電流）と焼鈍対象ワークの搬送速度で、焼鈍条件が決まる。また、この高周波焼鈍装置４の冷却には、水を使用しているため、瞬時に冷却可能であり、水量調整により冷却時間を多くとる必要はない。つまり大量の捩り管を焼鈍する必要がある場合、出力アップと搬入速度アップとを行うことで対応が可能となる。さらに加熱コイル５を複数設置することで、同時に複数の焼鈍処理を行うことができる。つまり、大規模で高価な設備は不要で、短時間で軟化させることができる。さらに捩り管自体がフレキシブルな形状であることから、通常の焼鈍温度（銅の場合、５００〜６００℃）より低い温度（銅の場合、３５０〜４５０℃）で焼鈍しても、曲げ加工を行うことができる。

図６は燐脱酸銅管の軟化特性、図７はアルミニウム管の軟化特性を示している。一般に金属材料の引張強さと耐力（永久伸びを生じる時の加重を断面積で除した値）は、温度の上昇に伴い低下傾向を示し、それとは逆に伸びは高くなる傾向がある。

銅においては、常温では、管の形状、つまり直径、肉厚に関係なく引張強さと耐力はほぼ同等であるが、３５０℃を超えるあたりから、引張強さは５０％程度低下に留まるのに対し、耐力は７５〜８０％程度低下する。銅の場合は、この３５０℃を軟化点とする。

このことから、通常の焼鈍温度（銅の場合、５００〜６００℃）に対し２００℃程度低い温度、軟化点である３５０℃より高く、３５０℃に近い温度、３５０〜４５０℃で焼鈍すれば、銅管における軟化点に到達することになる。

捩り管においても例外でなく、３５０℃から４５０℃程度の焼鈍温度条件に匹敵する出力を加えることで、水配管２と、冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃとを同時曲げが可能となる。仮に焼鈍せずに、水配管２と、冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃとを同時曲げを行う場合は、引張強さと耐力がほぼ同等であるため、水配管２が挫屈するか、もしくは冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃが水配管２の管外壁側螺旋状凹部２ａに潰される。

一方、アルミニウム管においては、図７に示すように、軟化点は約３００℃である。通常の焼鈍温度は、４００〜４５０℃であるが、捩り管の場合、軟化点に近い３００〜３５０℃で焼鈍すれば渦巻き状の曲げ加工が可能となる。

図８は高周波焼鈍温度を示している。３５０℃から４５０℃程度の焼鈍温度条件に匹敵する条件を作り出すには、最高到達温度５２０℃かつ３５０℃以上を２０秒以上保持できるような発振器電源の出力と搬入速度を与えることが必要である。

また、高周波焼鈍装置４の加熱コイル５を長くすることで、搬入速度をより早くすることができる。

図９は水配管２の全長における任意の１２点の曲げ強度測定結果と、バッチ炉式真空炉でＯ材まで焼鈍した捩り管及び焼鈍前の捩り管の曲げ強度測定結果を示している。曲げ強度試験はプッシュプル測定器で行い、測定限界は２０ｋｇｆ／ｃｍ^２である。

バッチ炉焼鈍と比較しても、ほぼ同等の曲げ性を持っており、かつ、全長においてもほぼ均一に加熱されていることを示している。

また、結晶粒度もＯ材レベル（結晶粒度０．０２５ｍｍ〜０．０４ｍｍ）まで微細化しており、強度的にも問題ないレベルである。

以上のように、燐脱酸銅平滑管又はアルミニウム管に捩り加工を施して製作した水配管２を、高周波焼鈍装置４を用い、軟化点より高く、軟化点に近い温度で焼鈍すれば、大規模で高価な設備は不要で、短時間で健全な捩り管である水配管２の軟化が可能となる。

実施の形態１を示す図で、熱交換器１の平面図（ａ）とＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 実施の形態１を示す図で、熱交換器１の部分斜視図である。 実施の形態１を示す図で、図２のＢ−Ｂ断面図である。 実施の形態１を示す図で、水配管２と冷媒配管３との接合後の状態を示す断面図である。 実施の形態１を示す図で、高周波焼鈍装置４の概略図である。 実施の形態１を示す図で、燐脱酸銅管の軟化曲線を示す図である。 実施の形態１を示す図で、アルミニウム管の軟化曲線を示す図である。 実施の形態１を示す図で、高周波焼鈍温度を示す図である。 実施の形態１を示す図で、水配管曲げ強度測定結果を示す図である。

符号の説明

１ 熱交換器、２ 水配管、２ａ 管外壁側螺旋状凹部、２ｂ 管外壁側螺旋状凸部、２ｃ 管内壁側螺旋状凸部、２ｄ 管内壁側螺旋状凹部、３ 冷媒配管、３ａ 冷媒配管、３ｂ 冷媒配管、３ｃ 冷媒配管、４ 高周波焼鈍装置、５ 加熱コイル、６ ガス冷却部、７ 水冷却部、８ エアーパージ部、９ 石英管、１０ 伝熱金属、１１ ＳＵＳ管。

Claims (4)

1. 外壁側に少なくとも１条の管外壁側螺旋状凹部と、この管外壁側螺旋状凹部の両端に位置する管外壁側螺旋状凸部とが螺旋状に形成される水配管と、この水配管の前記管外壁側螺旋状凹部に接合される冷媒配管とを有し、前記冷媒配管が巻き付けられる前記水配管が平面上において渦巻き形状に形成される熱交換器の製造方法において、
   前記管外壁側螺旋状凹部と、この管外壁側螺旋状凹部の両端に位置する管外壁側螺旋状凸部とが螺旋状に形成された前記水配管を、高周波焼鈍装置を用いて軟化させた後、前記水配管に前記冷媒配管を巻き付け、前記冷媒配管が巻き付けられた前記水配管を平面上において渦巻き形状に形成することを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 前記水配管を前記高周波焼鈍装置にて、該水配管の材料の軟化点より高く、且つ前記軟化点に近い温度で焼鈍することを特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記水配管の材質は、燐脱酸銅であり、３５０〜４５０℃で焼鈍を行うことを特徴とする請求項２記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記水配管の材質は、アルミニウムであり、３００〜３５０℃で焼鈍を行うことを特徴とする請求項２記載の熱交換器の製造方法。