JP2010127426A - アルミニウム製扁平管と銅管との接合構造および接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム製扁平管と銅管という異種異形の金属を熱硬化樹脂系接着剤で直接接合できるようにする。
【解決手段】銅管２のアルミニウム製扁平管１との接合側となる端部に、継手部２ｂとこれに連続する扁平拡管部２ｃを形成し、予め脱気処理および粘度調整した熱硬化樹脂系接着剤４を、アルミニウム製扁平管１の外周面に銅管２との軸方向接着代を所定量超える範囲まで塗布した後、このアルミニウム製扁平管１を銅管２の扁平拡管部２ｃに挿入することで、熱硬化樹脂系接着剤４により両管の嵌合部の隙間を埋めさせるとともに、熱硬化樹脂系接着剤４を両管嵌合部からはみ出させて互いの管端部を覆わせ、熱硬化樹脂系接着剤４を大気硬化炉６で硬化させ、アルミニウム製扁平管１と銅管２とを接着させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば空調機器や冷蔵庫等の熱交換器の配管に好適なアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造および接合方法に関する。

従来、アルミニウム管と銅管を直接接合する場合、フラッシュバット溶接が広く採用されている。フラッシュバット溶接は、アルミニウム管と銅管の端面相互を、電圧をかけながら接近させ、加熱と加圧の効果で接合する方法である。

しかしながら、フラッシュバット溶接は、接合後に管内面に酸化被膜が生成され、ドリル加工等で除去する工程が必要である。また、端面相互を突き合わせる接合であるため、厚肉円管相互の接合には向いているものの、薄肉のアルミニウム製扁平管の接合には不向きである。

また、アルミニウム管と銅管のいずれか一方の端部にテーパ部を形成し、管表面の酸化被膜が内面に生成しないように加熱しながら加圧接合する共晶接合も広く行われている。

しかしながら、共晶接合は、酸化被膜が管外面に生成することで健全な接合が達成されるものである。したがって、共晶接合においても、均一に外部に酸化被膜を流出させるためには円管相互が最適であり、アルミニウム製扁平管の接合においては健全な接合が保障されない。

さらに、これらフラッシュバット溶接や共晶接合においては、アルミニウムと銅管が絶縁物を介さずに直接接合しているため、水分の介在によりアルミニウムが選択的に腐食する電食が発生する。このため、塗装および熱収縮チューブ等の防食仕様を施す必要がある。

そこで、電食を防止する目的として、アルミニウム管と銅管を熱硬化樹脂系接着剤にて接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、アルミニウム製扁平管の接合に関しては、アルミニウム製扁平管とアルミニウム製ヘッダタンクを熱硬化樹脂系接着剤にて接合しているものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１３８４６８号公報（図１） 特開２００３−６５６８７号公報（図４、図５）

しかしながら、従来のアルミニウム管と銅管の熱硬化樹脂系接着剤による接合は、円管相互の接合に関するものであり、扁平管を使用した場合の接合に関しては何ら具体的な言及がなされていない。

また、アルミニウム製扁平管とアルミニウム製ヘッダタンクの熱硬化樹脂系接着剤による接合は、あくまで同種金属相互を熱硬化樹脂系接着剤で接合するものであって、アルミニウム製扁平管と銅管のような異種金属相互の接合に関しては具体的な言及がなされていない。

本発明の技術的課題は、アルミニウム製扁平管と銅管という異種異形の金属を熱硬化樹脂系接着剤で直接接合できるようにすることにある。

本発明に係るアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造は、銅管におけるアルミニウム製扁平管との接合部に、扁平形状を有する拡管部が形成されており、アルミニウム製扁平管が銅管の扁平拡管部に挿入され、両管がその嵌合部の隙間を埋める熱硬化樹脂系接着剤で接着され、この接着剤が嵌合部から軸方向にはみ出し、互いの管端部を覆ってなるものである。

本発明に係るアルミニウム製扁平管と銅管との接合方法は、アルミニウム製扁平管と円形の銅管とを接合する方法であって、銅管のアルミニウム製扁平管との接合側となる端部に、継手部とこれに連続する扁平拡管部を形成する工程と、予め脱気処理および粘度調整した熱硬化樹脂系接着剤を、アルミニウム製扁平管の外周面に銅管との軸方向接着代を所定量超える範囲まで塗布した後、このアルミニウム製扁平管を銅管の扁平拡管部に挿入することで、熱硬化樹脂系接着剤により両管の嵌合部の隙間を埋めさせるとともに、熱硬化樹脂系接着剤を両管嵌合部からはみ出させて互いの管端部を覆わせる工程と、熱硬化樹脂系接着剤を大気硬化炉、高周波装置、又は近赤外線装置で硬化させ、アルミニウム製扁平管と銅管とを接着させる工程と、を有することを特徴としている。

本発明においては、銅管におけるアルミニウム製扁平管との接合部に形成された扁平拡管部に、アルミニウム製扁平管が挿入され、両管がその嵌合部の隙間を埋める熱硬化樹脂系接着剤で接着されているので、アルミニウム製扁平管と銅管を他の継手配管を介さずに直接接合することができ、低コストで製造することができる。また、その接着剤が嵌合部から軸方向にはみ出し、互いの管端部を覆っているので、両管相互が直接接触することを防止できて、水分の介在によりアルミニウムが選択的に腐食する電食を防止することができる。

実施形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１の（ａ）（ｂ）は本発明の実施形態１に係るアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造を示す平面図および側面図、図２は図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、図３は図１（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視断面図、図４はその銅管の形状、板厚を変化させた継手部に８ＭＰa の内圧を負荷させた場合に生じる応力比較結果を示すグラフであり、縦軸にミーゼス相当応力（ＭＰa）を、横軸に銅管板厚（mm）をとったものである。図５は熱硬化樹脂系接着剤の硬化条件を示すグラフであり、縦軸に硬化温度（℃）を、横軸に硬化時間（min）をとったものである。図６は本発明の実施形態１に係るアルミニウム製扁平管と銅管との接合方法を示す工程図である。

本実施形態のアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造は、図１乃至図３のようにアルミニウム製扁平管１と銅管２が熱硬化樹脂系接着剤４で接合され、その接合部の周りが耐圧樹脂３で覆われている。

これを更に詳述すると、アルミニウム製扁平管１は、図３のように内部に複数のくり抜き穴３ａを有する、例えて言えば枠付きハニカム構造体のような構成を有しているものである。

銅管２は、そのアルミニウム製扁平管１との接合部に、扁平形状を有する拡管部（以下、「扁平拡管部」という）２ｃが形成され、この扁平拡管部２ｃにアルミニウム製扁平管１が挿入されるようになっている。すなわち、銅管２は基本的に円管２ａであり、そのアルミニウム製扁平管１との接合部は、この円管２ａから縮径されながら（図２）この縮径方向と交差する方向に拡径されて（図３）末広がり状に延びる継手部２ｂと、この継手部２ｂの末端から延びる前記扁平拡管部２ｃとで構成され、その継手部２ｂの軸方向長さａが３mm以下となるように設定されている。つまり銅管２の継手部２ｂ及び扁平拡管部２ｃは、バルジ加工または拡管・縮管加工により単一部材で構成されている。そして、アルミニウム製扁平管１と銅管２は、その嵌合部の隙間を埋める熱硬化樹脂系接着剤４（１液性のエポキシ系接着剤、２液性のエポキシ系接着剤、又はペースト状の反応硬化型エポキシ系接着剤）で接着され、この熱硬化樹脂系接着剤４が嵌合部から軸方向に所定量（例えば接着代に対し５mm程度）はみ出し、互いの管端部を覆うように構成されている。

耐圧樹脂３は、１液性のエポキシ系接着剤、２液性のエポキシ系接着剤、又はペースト状の反応硬化型エポキシ系接着剤でなり、熱硬化樹脂系接着剤４と同一の樹脂材としてもよく、又は熱硬化樹脂系接着剤４とは異なる樹脂材としてもよいものである。

このように構成されるアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造は、図６に示す手順で接合される。まず、基本的に円管２ａでなる銅管２の端部に、継手部２ｂの軸方向長さａが３mm以下となるようにバルジ加工または拡管・縮管加工によって、継手部２ｂとこれに連続する扁平拡管部２ｃを形成する。

次いで、アルミニウム製扁平管１に、予め脱気処理および粘度調整した１液性のエポキシ系接着剤、２液性のエポキシ系接着剤、又はペースト状の反応硬化型エポキシ系接着剤でなる熱硬化樹脂系接着剤４を、ディスペンサ５で軸方向接着代を５mm程度超える範囲まで塗布した後、アルミニウム製扁平管１を銅管２の扁平拡管部２ｃに挿入し、熱硬化樹脂系接着剤４により両管の嵌合部の隙間を埋めさせるとともに、熱硬化樹脂系接着剤４を両管嵌合部からはみ出させて互いの管端部を覆わせる〔図６（ａ）〕。

次に、熱硬化樹脂系接着剤４を塗布し接合部を嵌合させたアルミニウム製扁平管１と銅管２を、大気硬化炉６にて図５の硬化条件（例えば１５０℃で５分間）に従って熱硬化樹脂系接着剤４を硬化させ、これらアルミニウム製扁平管１と銅管２を接着させる。

その後、銅管２とアルミニウム製扁平管１の接合部を、ディスペンサ５で外側より耐圧樹脂３（ここでは熱硬化樹脂系接着剤４とは異なる樹脂材を使用）で覆うように塗布し〔図６（ｃ）〕、大気硬化炉６を用いて耐圧樹脂３を硬化させる。なお、ここでは熱硬化樹脂系接着剤４や耐圧樹脂３を硬化させる設備として大気硬化炉６を例に挙げて説明しているが、硬化させる設備としてはその他に高周波装置、近赤外線装置の使用も可能である。

図４に示す応力比較結果から明らかなように、銅材が破壊されない引張強度の限界値２３０ＭＰa 以下を使用可能範囲と考えた場合、銅管板厚０．５mm材で継手部２ｂの軸方向長さａを３mm以下にすることで、応力軽減を図れ、同時に銅管２の材料費を抑制することができる。そして、銅管２をバルジ加工または拡管・縮管加工により単一部材で作成することができて、部品点数を軽減することができる。このため、より薄肉な材料を使用でき、低コスト化が可能となる。また、継手部２ｂの軸方向長さａを限定することで、応力緩和が可能となるため、耐圧強度が高まり、より薄肉な材料を選択することができる。なお、継手部２ｂの軸方向長さａは、製作が可能であれば０mmでもよいものである。製作の容易性の観点から見れば、継手部２ｂの軸方向長さａを長くして銅管板厚を厚くする程よいが、銅材が高いため、銅管板厚を厚くすればする程、銅管２の材料費が高く付く。製作の容易性と材料費の抑制の２つの観点からみれば、継手部２ｂの軸方向長さａは３mm程度が望ましい。

このように、本実施形態においては、銅管２におけるアルミニウム製扁平管１との接合部に形成された扁平拡管部２ｃに、アルミニウム製扁平管１が挿入され、両管がその嵌合部の隙間を埋める熱硬化樹脂系接着剤４で接着されているので、アルミニウム製扁平管１と銅管２を他の継手配管を介さずに直接接合することができる。このため、部品点数を最小限に抑えることができ、低コストで製造することができる。

また、熱硬化樹脂系接着剤４が嵌合部から軸方向にはみ出し、互いの管端部を覆っているので、両管相互が直接接触することを防止できて、水分の介在によりアルミニウムが選択的に腐食する電食を防止することができる。

また、アルミニウム製扁平管１と銅管２の熱硬化樹脂系接着剤４による接合部の周りを耐圧樹脂３で覆っているので、熱硬化樹脂系接着剤４による電食防止効果と相俟って耐食性、耐圧性をより一層向上することができ、かつより高圧力な冷媒に対応することができる。

実施形態２．
図７は本発明の実施形態２に係るアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造および接合方法を示す工程図であり、図中、前述の実施形態１のものと同一又は相当部分には同一符号を付してある。

本実施形態のアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造は、図７のようにアルミニウム製扁平管１と銅管２が、予め脱気処理および粘度調整した１液性のエポキシ系接着剤、２液性のエポキシ系接着剤、又はペースト状の反応硬化型エポキシ系接着剤でなる熱硬化樹脂系接着剤４で接合され、その接合部の周りが熱硬化樹脂系接着剤４と同一の樹脂材でなる耐圧樹脂３Ａで覆われている。それ以外の構成は前述の実施形態１のものと同一である。

このように構成されるアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造は、図７に示す手順で接合される。まず、基本的に円管２ａでなる銅管２の端部に、継手部２ｂの軸方向長さａが３mm以下となるようにバルジ加工または拡管・縮管加工によって、継手部２ｂとこれに連続する扁平拡管部２ｃを形成する。

次いで、アルミニウム製扁平管１に、予め脱気処理および粘度調整した１液性のエポキシ系接着剤、２液性のエポキシ系接着剤、又はペースト状の反応硬化型エポキシ系接着剤でなる熱硬化樹脂系接着剤４を、ディスペンサ５で軸方向接着代を５mm程度超える範囲まで塗布した後、アルミニウム製扁平管１を銅管２の扁平拡管部２ｃに挿入し、熱硬化樹脂系接着剤４により両管の嵌合部の隙間を埋めさせるとともに、熱硬化樹脂系接着剤４を両管嵌合部からはみ出させて互いの管端部を覆わせる〔図７（ａ）参照〕。

次に、銅管２とアルミニウム製扁平管１の接合部を、ディスペンサ５で外側より耐圧樹脂３Ａ（熱硬化樹脂系接着剤４と同一の樹脂材）で覆うように塗布し〔図７（ａ）〕、大気硬化炉６を用いて熱硬化樹脂系接着剤４と耐圧樹脂３Ａとを前述した図５の硬化条件に従って同時に硬化させ、同時接着させる。なお、ここでも熱硬化樹脂系接着剤４や耐圧樹脂３Ａを硬化させる設備として大気硬化炉６を例に挙げて説明しているが、硬化させる設備としてはその他に高周波装置、近赤外線装置の使用も可能であることは言うまでもない。

下記表１に熱硬化樹脂系接着剤４と耐圧樹脂３Ａが異なる樹脂材からなる場合（実験例１）と、同一の樹脂材からなる場合（実験例２）で、それぞれ硬化工程が別途行われる場合と、それぞれ硬化工程が同時に行われる場合の信頼性評価を示す。

表１から明らかなように、銅管２の継手部２ｂの軸方向長さａが長く（７mm）なると、耐圧樹脂３又は３Ａの厚さを厚くしても保持しきれず、継手部２ｂの軸方向長さａが短い（３mm）場合よりも低い静水圧で銅管２の継手部２ｂの変形に伴う接合部の接着剤剥離が起こり、また熱硬化樹脂系接着剤４と耐圧樹脂３Ａの種類や硬化工程は全く影響を及ぼさないことが分かった。

本発明の実施形態１に係るアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造を示す平面図および側面図である。 図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。 図１（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 本発明の実施形態１に係るアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造の銅管の形状、板厚を変化させた継手部に内圧を負荷させた場合に生じる応力比較結果を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係るアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造の熱硬化樹脂系接着剤の硬化条件を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係るアルミニウム製扁平管と銅管との接合方法を示す工程図である。 本発明の実施形態２に係るアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造および接合方法を示す工程図である。

符号の説明

１ アルミニウム製扁平管、２ 銅管、２ａ 円管、２ｂ 継手部、２ｃ 扁平拡管部、３ 耐圧樹脂、４ 熱硬化樹脂系接着剤、６ 大気硬化炉。

Claims (8)

1. アルミニウム製扁平管と銅管との接合構造であって、
   前記銅管における前記アルミニウム製扁平管との接合部に、扁平形状を有する拡管部が形成されており、前記アルミニウム製扁平管が前記銅管の扁平拡管部に挿入され、両管がその嵌合部の隙間を埋める熱硬化樹脂系接着剤で接着され、この接着剤が前記嵌合部から軸方向にはみ出し、互いの管端部を覆ってなることを特徴とするアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造。
2. 前記銅管は基本的に円管であり、その前記アルミニウム製扁平管との接合部は、該円管から縮径されながらこの縮径方向と交差する方向に拡径されて末広がり状に延びる継手部と、この継手部の末端から延びる前記扁平拡管部とで構成され、その継手部の軸方向長さが３mm以下であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造。
3. 前記銅管の前記継手部及び前記扁平拡管部は、バルジ加工または拡管・縮管加工により単一部材で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造。
4. 前記熱硬化樹脂系接着剤として１液性のエポキシ系接着剤、２液性のエポキシ系接着剤、又はペースト状の反応硬化型エポキシ系接着剤を用い、硬化させてなることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造。
5. 前記銅管と前記アルミニウム製扁平管の接合部が外側より耐圧樹脂で覆われてなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアルミニウム製扁平管と銅管との接合構造。
6. アルミニウム製扁平管と円形の銅管とを接合する方法であって、
   前記銅管の前記アルミニウム製扁平管との接合側となる端部に、継手部とこれに連続する扁平拡管部を形成する工程と、
   予め脱気処理および粘度調整した熱硬化樹脂系接着剤を、前記アルミニウム製扁平管の外周面に前記銅管との軸方向接着代を所定量超える範囲まで塗布した後、このアルミニウム製扁平管を前記銅管の扁平拡管部に挿入することで、前記熱硬化樹脂系接着剤により両管の嵌合部の隙間を埋めさせるとともに、該熱硬化樹脂系接着剤を両管嵌合部からはみ出させて互いの管端部を覆わせる工程と、
   前記熱硬化樹脂系接着剤を大気硬化炉、高周波装置、又は近赤外線装置で硬化させ、前記アルミニウム製扁平管と前記銅管とを接着させる工程と、
   を有することを特徴とするアルミニウム製扁平管と銅管との接合方法。
7. 前記継手部は、軸方向長さが３mm以下の範囲で、円形の銅管から縮径されながらこの縮径方向と交差する方向に拡径されて末広がり状に延びるように、前記扁平拡管部は、前記継手部の末端から延びるように、形成されることを特徴とする請求項６記載のアルミニウム製扁平管と銅管との接合方法。
8. 前記銅管と前記アルミニウム製扁平管の接合部を外側より耐圧樹脂で覆った後、該耐圧樹脂を硬化させてなることを特徴とする請求項６又は請求項７記載のアルミニウム製扁平管と銅管との接合方法。

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