JP2008151422A

JP2008151422A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2008151422A
Application number: JP2006340146A
Authority: JP
Inventors: Haruo Nakada; 春男中田; Yasuhiko Oka; 恭彦岡; Junichiro Tanaka; 順一郎田中; Mitsuharu Numata; 光春沼田; Masako Sakamoto; 雅子坂本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】応力腐食割れを確実に防止することができる熱交換器を提供する。
【解決手段】内部が水通路となる芯管１と、該芯管１の外周に接合されて内部が冷媒通路となる細管２とからなり、尿素が残渣として残る断熱材３に覆われて使用される熱交換器において、前記細管２の材料として、アンモニウムイオン濃度が４００ｐｐｍの条件で割れ発生に至る時間が５０００時間以上確保できるりん脱酸銅を用いて、細管２の応力腐食割れを確実に防止することができるようにしている。
【選択図】図１

Description

本願発明は、熱交換器に関し、さらに詳しくは、内部が水通路となる芯管と、該芯管の外周に接合されて内部が冷媒通路となる細管とからなり、尿素が残渣として残る断熱材に覆われて使用される熱交換器に関するものである。

例えば、炭酸ガスと水とを熱交換させる熱交換器としては、内部が水通路となる芯管と、該芯管の外周に接合されて内部が冷媒通路となる細管とからなる熱交換器が従来から知られている（特許文献１参照）。

特開２００３−２８５８３号公報。

ところで、上記特許文献１に開示されている熱交換器の場合、炭酸ガスが流通する細管（伝熱管）として、りん脱酸銅からなる細管が使用されるが、りん脱酸銅は、尿素が残渣として残る断熱材に覆われて使用された場合、尿素が分解して発生するアンモニアによって応力腐食割れを発生し、割れや冷媒漏れを生じるおそれがある。特に、細管を芯管にろう付けした場合には、短時間で応力腐食割れが発生する場合が多くなる。

一般的に、応力腐食割れを発生させるには、アンモニアの存在、酸素の存在、水分の存在が必要であり、りん脱酸銅製の細管を用いた熱交換器の使用環境を見ると、アンモニアは、成形残渣として断熱材に含まれている尿素が分解して発生するし、酸素は、断熱材の隙間から常時供給されるし、水分は、製造過程で入り、断熱材に覆われているため蒸発速度が遅くなり、長期間残る。従って、熱交換器の使用環境は、応力腐食割れを発生させ易い環境であることが分かる。ただし、水分は、いずれは蒸発して無くなる（最大で、５０００時間程度）ため、水分の残留している期間だけ割れを防止できればよいことになる。本願発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、応力腐食割れを確実に防止することができる熱交換器を提供することを目的としている。

本願発明では、上記課題を解決するための第１の手段として、内部が水通路となる芯管１と、該芯管１の外周に接合されて内部が冷媒通路となる細管２とからなり、尿素が残渣として残る断熱材３に覆われて使用される熱交換器において、前記細管２の材料として、アンモニウムイオン濃度が４００ｐｐｍの条件で割れ発生に至る時間が５０００時間以上確保できるりん脱酸銅を用いている。

上記のように構成したことにより、細管２の応力腐食割れを確実に防止することができる。ところで、熱交換器の使用環境では、断熱材３に含まれている尿素が水に溶解し、一部解離してアンモニウムイオンになる。時間とともに、水分が蒸発し、尿素の濃縮が行われる。このとき、水分中のアンモニウムイオン濃度はどのように変化するかを見るために、放置尿素溶液中のアンモニウムイオン濃度を測定したところ、図２に示す結果が得られた。これによれば、時間の経過に従い、水分が蒸発して溶液濃度が増加するとともにアンモニウムイオン濃度も増加するが、アンモニウムイオンは大気中へアンモニアとして放出されるため、尿素ほどは増加しないことが分かる。このことは、断熱材３の中では、水分の蒸発による尿素濃縮が起こっても、アンモニウムイオン濃縮は４００ｐｐｍ以上には増加しないことを意味する。従って、使用する環境は、使用する断熱材３の種類（尿素の残渣量が違う）や初期水分量の違いにかかわらず、水分中のアンモニウムイオン濃度は最大４００ｐｐｍとなるのである。このことからも、細管２の材料として、アンモニウムイオン濃度が４００ｐｐｍの条件で割れ発生に至る時間が５０００時間以上確保できるりん脱酸銅を用いたことにより、細管２の応力腐食割れを確実に防止できることが分かる。

本願発明では、さらに、上記課題を解決するための第２の手段として、上記第１の手段を備えた熱交換器において、前記りん脱酸銅として、結晶粒度が０．２ｍｍ以下のものを用いることもでき、そのように構成した場合、細管２の応力腐食割れをより確実に防止できる。応力腐食割れの感受性は、使用材料面ではりん脱酸銅の結晶粒度が大きいほど高いことが知られている。そこで、りん脱酸銅の結晶粒度と冷媒漏れ発生時間との関係を調べたところ、図３に示す結果が得られた。これによれば、結晶粒度が０．２ｍｍ以下において、冷媒漏れ発生時間が５０００時間以上となることが分かる。

本願発明では、さらに、上記課題を解決するための第３の手段として、上記第１又は第２の手段を備えた熱交換器において、前記細管２の材料であるりん脱酸銅として、最大引っ張り応力３０^±3Ｎ／ｍｍ²が作用している条件で割れ発生に至る条件が５０００時間以上確保できるものを用いることもでき、そのように構成した場合、冷媒として炭酸ガスを用いても、細管２の応力腐食割れをより一層確実に防止できる。

本願発明では、さらに、上記課題を解決するための第４の手段として、上記第１、第２又は第３の手段を備えた熱交換器において、前記芯管１の外周に前記細管を接合するに当たって、ろう材としてＢＣｕＰ₂を用いたろう付けにより接合することもでき、そのように構成した場合、ろう付け温度を低く抑えることが可能となるところから、細管２を構成するりん脱酸銅の結晶粒度を小さく抑えることが可能となり、細管２の応力腐食割れをより一層確実に防止できる。

本願発明では、さらに、上記課題を解決するための第５の手段として、上記第１、第２、第３又は第４の手段を備えた熱交換器において、前記芯管１の外周に前記細管２を接合するに当たって、７５０℃以下の温度での炉中ろう付けにより接合することもでき、そのように構成した場合、ろう付けに要する製品コストを低くできるとともに、ろう付け温度を低く抑えることが可能となるところから、低コストで細管２を構成するりん脱酸銅の結晶粒度を小さく抑えることが可能となり、製品コストを低く抑えつつ、細管２の応力腐食割れをより一層確実に防止できる。

本願発明では、さらに、上記課題を解決するための第６の手段として、上記第１、第２、第３、第４又は第５の手段を備えた熱交換器において、前記細管２内の冷媒通路を流通する冷媒として炭酸ガスを採用することもでき、そのように構成した場合、給湯用として最適な熱交換器となる。

本願発明の第１の手段によれば、内部が水通路となる芯管１と、該芯管１の外周に接合されて内部が冷媒通路となる細管２とからなり、尿素が残渣として残る断熱材３に覆われて使用される熱交換器において、前記細管２の材料として、アンモニウムイオン濃度が４００ｐｐｍの条件で割れ発生に至る時間が５０００時間以上確保できるりん脱酸銅を用いているので、細管の応力腐食割れを確実に防止することができるという効果がある。ところで、熱交換器の使用環境では、断熱材３に含まれている尿素が水に溶解し、一部解離してアンモニウムイオンになる。時間とともに、水分が蒸発し、尿素の濃縮が行われる。このとき、水分中のアンモニウムイオン濃度はどのように変化するかを見るために、放置尿素溶液中のアンモニウムイオン濃度を測定したところ、図２に示す結果が得られた。これによれば、時間の経過に従い、水分が蒸発して溶液濃度が増加するとともにアンモニウムイオン濃度も増加するが、アンモニウムイオンは大気中へアンモニアとして放出されるため、尿素ほどは増加しないことが分かる。このことは、断熱材３の中では、水分の蒸発による尿素濃縮が起こっても、アンモニウムイオン濃縮は４００ｐｐｍ以上には増加しないことを意味する。従って、使用する環境は、使用する断熱材３の種類（尿素の残渣量が違う）や初期水分量の違いにかかわらず、水分中のアンモニウムイオン濃度は最大４００ｐｐｍとなるのである。このことからも、細管２の材料として、アンモニウムイオン濃度が４００ｐｐｍの条件で割れ発生に至る時間が５０００時間以上確保できるりん脱酸銅を用いたことにより、細管２の応力腐食割れを確実に防止できることが分かる。

本願発明の第２の手段におけるように、上記第１の手段を備えた熱交換器において、前記りん脱酸銅として、結晶粒度が０．２ｍｍ以下のものを用いることもでき、そのように構成した場合、細管２の応力腐食割れをより確実に防止できる。応力腐食割れの感受性は、使用材料面ではりん脱酸銅の結晶粒度が大きいほど高いことが知られている。そこで、りん脱酸銅の結晶粒度と冷媒漏れ発生時間との関係を調べたところ、図３に示す結果が得られた。これによれば、結晶粒度が０．２ｍｍ以下において、冷媒漏れ発生時間が５０００時間以上となることが分かる。

本願発明の第３の手段におけるように、上記第１又は第２の手段を備えた熱交換器において、前記細管２の材料であるりん脱酸銅として、最大引っ張り応力３０^±3Ｎ／ｍｍ²が作用している条件で割れ発生に至る条件が５０００時間以上確保できるものを用いることもでき、そのように構成した場合、冷媒として炭酸ガスを用いても、細管２の応力腐食割れをより一層確実に防止できる。

本願発明の第４の手段におけるように、上記第１、第２又は第３の手段を備えた熱交換器において、前記芯管１の外周に前記細管２を接合するに当たって、ろう材としてＢＣｕＰ₂を用いたろう付けにより接合することもでき、そのように構成した場合、ろう付け温度を低く抑えることが可能となるところから、細管２を構成するりん脱酸銅の結晶粒度を小さく抑えることが可能となり、細管２の応力腐食割れをより一層確実に防止できる。

本願発明の第５の手段におけるように、上記第１、第２、第３又は第４の手段を備えた熱交換器において、前記芯管１の外周に前記細管２を接合するに当たって、７５０℃以下の温度での炉中ろう付けにより接合することもでき、そのように構成した場合、ろう付けに要する製品コストを低くできるとともに、ろう付け温度を低く抑えることが可能となるところから、低コストで細管２を構成するりん脱酸銅の結晶粒度を小さく抑えることが可能となり、製品コストを低く抑えつつ、細管２の応力腐食割れをより一層確実に防止できる。

本願発明の第６の手段におけるように、上記第１、第２、第３、第４又は第５の手段を備えた熱交換器において、前記細管２内の冷媒通路を流通する冷媒として炭酸ガスを採用することもでき、そのように構成した場合、給湯用として最適な熱交換器となる。

以下、添付の図面を参照して、本願発明の好適な実施の形態について説明する。

本実施の形態にかかる熱交換器は、図１に示すように、内部が水通路（水Ｗの通路）となる芯管１と、該芯管１の外周に螺旋状に巻き付けられて内部が冷媒通路（例えば、冷媒である炭酸ガスの通路）となる細管２とからなり、尿素が残渣として残る断熱材３に覆われて使用されることとなっている。符号４は細管２を接合するためのろう材である。

本実施の形態においては、前記細管２の材料として、アンモニウムイオン濃度が４００ｐｐｍの条件で割れ発生に至る時間が５０００時間以上確保できるりん脱酸銅が用いられている。

また、本実施の形態においては、芯管１の外周に細管２を巻き付けるに当たって、ろう材としてＢＣｕＰ₂を用いたろう付けにより接合することとなっている。このようにすると、ろう付け温度を低く抑えることが可能となるところから、細管２を構成するりん脱酸銅の結晶粒度を小さく抑えることが可能となり、細管２の応力腐食割れをより一層確実に防止できる。

ちなみに、りん脱酸銅の結晶粒度と冷媒漏れ発生時間との関係を調べたところ、図３に示す結果が得られた。これによれば、結晶粒度が０．２ｍｍ以下において、冷媒漏れ発生時間が５０００時間以上となることが分かる。ところで、結晶粒度を０．２ｍｍ以下に抑えるには、細管２を芯管１の外周にろう付けするときの温度を７５０℃以下に管理する必要がある。従って、前記したＢＣｕＰ₂を用いたろう付けによる場合は勿論のこと、７５０℃以下の温度での炉中ろう付けにより接合する場合においても、結晶粒度を０．２ｍｍ以下とすることが可能である。

また、細管２の材料であるりん脱酸銅として、最大引っ張り応力３０^±3Ｎ／ｍｍ²が作用している条件で割れ発生に至る条件が５０００時間以上確保できるものを用いる場合もある。このようにすると、冷媒として炭酸ガスを用いても、細管２の応力腐食割れをより一層確実に防止できる。

上記実施の形態においては、芯管１の外周に細管２を巻き付けるタイプについて説明したが、芯管１の外周に細管２を平行に接合するタイプとする場合もある。

また、本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜設計変更可能なことは勿論である。

本願発明の実施の形態にかかる熱交換器の断面図である。水分中のアンモニウムイオン濃度はどのように変化するかを見るために、放置尿素溶液中のアンモニウムイオン濃度を測定した結果を示す特性図である。りん脱酸銅の結晶粒度と冷媒漏れ発生時間との関係を示す特性図である。

符号の説明

１は芯管
２は細管
３は断熱材
４はろう材

Claims

内部が水通路となる芯管（１）と、該芯管（１）の外周に接合されて内部が冷媒通路となる細管（２）とからなり、尿素が残渣として残る断熱材（３）に覆われて使用される熱交換器であって、前記細管（２）の材料として、アンモニウムイオン濃度が４００ｐｐｍの条件で割れ発生に至る時間が５０００時間以上確保できるりん脱酸銅を用いたことを特徴とする熱交換器。
前記りん脱酸銅として、結晶粒度が０．２ｍｍ以下のものを用いたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記細管（２）の材料であるりん脱酸銅として、最大引っ張り応力３０^±3Ｎ／ｍｍ²が作用している条件で割れ発生に至る条件が５０００時間以上確保できるものを用いたことを特徴とする請求項１および２のいずれか一項記載の熱交換器。
前記芯管（１）の外周に前記細管（２）を接合するに当たって、ろう材としてＢＣｕＰ２を用いたろう付けにより接合したことを特徴とする請求項１、２および３のいずれか一項記載の熱交換器。
前記芯管（１）の外周に前記細管（２）を接合するに当たって、７５０℃以下の温度での炉中ろう付けにより接合したことを特徴とする請求項１、２、３および４のいずれか一項記載の熱交換器。
前記細管（２）内の冷媒通路を流通する冷媒として炭酸ガスを採用したことを特徴とする請求項１、２、３、４および５のいずれか一項記載の熱交換器。