JP2012139708A - 金属管の接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】応力集中や残留応力を低減できる金属管の接合構造を提供する。
【解決手段】第２金属管１２は、端部の内径がこの端部に隣接する隣接部１６の内径よりも大きく、かつ端部の外径が隣接部１６の外径と同じである接続用拡径部１３を有している。接続用拡径部１３には第１金属管１１が挿入され、この第１金属管１１の外周面と接続用拡径部１３の内周面との間にろう材１４が介在している。接続用拡径部１３の内周面は、第１金属管１１の先端部１１ａが対向する段差面１３ｃを介して隣接部１６の内周面とつながっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属管の接合構造に関するものである。

従来、例えば熱交換器などに用いられる金属管の接合構造として種々の技術が提案されている。特許文献１には、アルミニウム管同士の接合構造が開示されている。この接合構造では、一方のアルミニウム管の端部がフレア加工され、この端部に他方のアルミニウム管が挿入され、互いにろう付されている。

特許文献２には、ステンレス鋼製の継手を介して銅管とアルミニウム管とをろう付により接合する接合構造が開示されている。この接合構造では、銅管の端部及びアルミニウム管の端部は、継手を挿入するためにフレア加工により拡径されている。

特開平１０−２９６４３３号公報 特開平８−２６７２２８号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２の接合構造では、金属管の端部をフレア加工して拡径しているので、拡径されている部位と拡径されていない部位の境界付近に応力が集中しやすく、また、前記境界付近に残留応力が生じやすい。金属管同士の接合構造においては、接合部分の耐久性の観点から上記のような応力集中や残留応力を低減するのが好ましい。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、応力集中や残留応力を低減できる金属管の接合構造を提供することにある。

本発明の金属管の接合構造は、第１金属(M1)を主成分とする第１金属管(11)と、前記第１金属(M1)とは異なる第２金属(M2)を主成分とし、前記第１金属管(11)よりも厚さ及び外径が大きい第２金属管(12)とを備えている。前記第２金属管(12)は、端部の内径がこの端部に隣接する隣接部(16)の内径よりも大きく、かつ端部の外径が前記隣接部(16)の外径と同じである接続用拡径部(13)を有している。前記接続用拡径部(13)には前記第１金属管(11)が挿入され、この第１金属管(11)の外周面と接続用拡径部(13)の内周面との間にろう材(14)が介在している。前記接続用拡径部(13)の内周面は、前記第１金属管(11)の先端部(11a)が対向する段差面(13c)を介して前記隣接部(16)の内周面とつながっている。

通常、金属管同士の接合部分には、例えば冷媒の圧力に耐えうる耐圧強度が求められる。例えば、銅管とアルミニウム管などのように異種金属の金属管同士をろう付により接合して熱交換器などの配管として用いる場合、両方の金属管の耐圧強度を同程度にする必要があるので、材質に応じて一方の金属管（例えばアルミニウム管）の肉厚を他方の金属管（例えば銅管）よりも大きくする。また、両方の金属管の内径を同程度にする場合には、アルミニウム管の外径は、銅管の外径よりも大きくなる。

そこで、この構成では、異種金属の金属管同士を接合する場合における上記した肉厚の違いに着目し、厚さ及び外径が大きい方の金属管である第２金属管(12)の端部の内径を隣接部(16)よりも大きくすることによって接続用拡径部(13)を形成している。この構成では、第２金属管(12)において、接続用拡径部(13)と隣接部(16)とは外径の変化がなくつながっているので、金属管同士の接続部分をフレア加工により拡径する従来の形態に比べて接続用拡径部(13)の基端(13b)への応力集中を抑制し、また、基端(13b)における残留応力を低減することができる。これにより、応力集中や残留応力に起因する不具合が生じる可能性をより低減することができる。

前記金属管の接合構造において、前記第１金属管(11)が銅管であり、前記第２金属管(12)がアルミニウム管である場合が例示できる。

また、前記金属管の接合構造において、前記接続用拡径部(13)は、金属管の端部の内径を切削加工により広げることにより形成されている形態が例示できる。

この構成では、フレア加工して金属管の端部を拡径する場合に比べて加工コストを低減することができる。仮に、厚さが大きい方の金属管である第２金属管(12)をフレア加工により拡径する場合、厚さが大きいためにフレア加工しにくく、場合によっては複数回にわけてフレア加工する必要がある。一方、第１金属管(11)をフレア加工により拡径する場合、外径の大きい方の金属管である第２金属管(12)を挿入できる内径にしなければならない（拡径率を大きくしなければならない）ので、場合によっては複数回にわけてフレア加工する必要がある。このようにいずれの場合もフレア加工にかかるコストが増大しやすい。

一方、本構成では、第２金属管(12)の端部を例えばボール盤などにより切削加工するだけで接続用拡径部(13)を形成できるので、フレア加工する場合に比べてコストダウンを図ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、金属管の接合構造において応力集中や残留応力を低減できる。

本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造を備えた熱交換器を示す概略図である。 （Ａ）は、本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、前記金属管の接合構造の変形例１を示す断面図であり、（Ｃ）は、前記金属管の接合構造の変形例２を示す断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、前記金属管の接合構造の製造方法を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造１０について図面を参照しながら詳細に説明する。まず、金属管の接合構造１０を備えた熱交換器について説明する。

＜熱交換器＞
図１に示す熱交換器５１は、例えば空気調和装置の蒸発器や凝縮器として用いることができる。この熱交換器５１は、例えば冷媒流路の内径が小さい熱交換器、いわゆるマイクロチャンネル熱交換器である。

熱交換器５１は、ヘッダ５２，５３、複数の扁平伝熱管５４、複数のフィン５５、及び接合構造１０を備えている。ヘッダ５２の上部と下部には、第２金属Ｍ２を主成分とする第２金属管１２，１２がそれぞれ接続されている。各第２金属管１２は、第１金属Ｍ１を主成分とする第１金属管１１と接合されている。接合構造１０については後述する。

各扁平伝熱管５４としては、例えば多穴管などの金属管を用いることができる。複数の扁平伝熱管５４は、互いに平行に配置されている。各扁平伝熱管５４の長手方向は、空気の流れ方向に対して直交している。各フィン５５は、金属板を波状に折り曲げた形状を有しており、扁平伝熱管５４の間に配置されている。フィン５５の板厚方向は、空気流れ方向に直交している。

例えば上部の第１金属管１１及び第２金属管１２を通じてヘッダ５２に流入した冷媒は、ヘッダ５２から複数の扁平伝熱管５４に分流し、又は複数の扁平伝熱管５４を順に流れる。複数の扁平伝熱管５４を流れる冷媒は、ヘッダ５３において合流する。また、合流した冷媒は、このヘッダ５３から扁平伝熱管５４に流入する。このように複数の扁平伝熱管５４を流れた冷媒は、最終的にヘッダ５２の下部に接続された第２金属管１２を通じて流出する。

＜金属管の接合構造＞
図２（Ａ）は、本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造１０を示す断面図である。図３（Ａ），（Ｂ）は、金属管の接合構造１０の製造方法を示す断面図であり、図３（Ａ）は、金属管同士を接合する前の状態を示しており、図３（Ｂ）は、金属管同士を接合した後の状態を示している。

本実施形態では、第１金属Ｍ１が銅又は銅合金であり、第２金属Ｍ２がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合を例に挙げて説明する。第１金属管としての銅管１１は、銅又は銅合金からなり、第２金属管としてのアルミニウム管１２は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる。銅管１１とアルミニウム管１２とは、ろう材１４により接合されている。

アルミニウム管１２は、銅管１１との接続に用いられる接続用拡径部１３を有している。接続用拡径部１３は、アルミニウム管１２の端部に形成されている。接続用拡径部１３の内径は、接続用拡径部１３に隣接する隣接部１６の内径よりも大きい。一方、接続用拡径部１３の外径は、隣接部１６の外径と同じである。接続用拡径部１３には、その開口端１３ａから接続用拡径部１３の基端１３ｂ側に向かって銅管１１が挿入されている。基端１３ｂとは、接続用拡径部１３と隣接部１６との境界部分であり、内径が変わる部位である。

図３（Ａ）に示すように、接続用拡径部１３の内周面は、銅管１１の先端面１１ａが対向する段差面１３ｃを介して隣接部１６の内周面とつながっている。段差面１３ｃは、アルミニウム管１２の延びる方向（鉛直方向）に対して傾斜している。段差面１３ｃが形成された部位は、開口端１３ａ側から基端１３ｂ側に向かうにつれて内径が小さくなるテーパー形状を有している。この段差面１３ｃは、図３（Ａ）に示すような傾斜した面に限定されない。例えば、段差面１３ｃは、接続用拡径部１３の内周面の端縁（下縁）から隣接部１６の内周面の端縁（上縁）に向かって半径方向内側に延び、アルミニウム管１２の延びる方向（鉛直方向）に垂直な平面であってもよい。また、段差面１３ｃは、接続用拡径部１３の内周面の端縁（下縁）から隣接部１６の内周面の端縁（上縁）に向かうにつれて内径が小さくなる湾曲面であってもよい。

アルミニウム管１２及び銅管１１のサイズは特に限定されるものではないが、一例を挙げると次のようになる。アルミニウム管１２における隣接部１６の内径と銅管１１の内径は、冷媒が管内を流れる際の抵抗を低減する観点からほぼ同程度とされている。また、アルミニウム管１２の外径は、耐圧強度の観点から銅管１１の外径よりも大きい。言い換えると、アルミニウム管１２の隣接部１６の肉厚は、銅管１１の肉厚よりも大きい。

また、銅管１１が例えば１／８インチ管（外径３．１７ｍｍ）以上のサイズである場合の各寸法の一例を挙げると次のようになる。接続用拡径部１３の深さ、すなわち接続用拡径部１３の内周面の鉛直方向の長さは、管同士の接合面積を増加させる観点から５ｍｍ以上であるのが好ましい。接続用拡径部１３の内径は、ろう材１４が流れ込む隙間を設けるために、銅管１１の外径よりも０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ程度大きくするのが好ましい。

ろう材１４は、銅管１１の外周面と接続用拡径部１３の内周面との間に介在している。図３（Ｂ）に示す実施形態では、ろう材１４は、接続用拡径部１３の内周面のほぼ全域をカバーするように配設されている。ろう材１４としては、第１金属Ｍ１又は第２金属Ｍ２を主成分とするものを用いることができる。本実施形態では、アルミニウムを主成分とするろう材、具体的には例えばアルミニウム−シリコン系のろう材（Ａｌ−Ｓｉろう材）を用いる場合を例に挙げて説明する。

ろう材１４と銅管１１との間におけるアルミニウムと銅の界面には、アルミニウムと銅により形成された金属間化合物層１５が存在している。この金属間化合物層１５は、ろう材１４と銅管１１の外周面とが対向する領域のほぼ全体にわたって形成されている。したがって、金属管１１，１２の延びる方向において、金属間化合物層１５の両端部は、接続用拡径部１３の開口端１３ａの近傍及び基端１３ｂの近傍にそれぞれ位置している。

（製造方法）
次に、金属管の接合構造１０を製造する方法について説明する。本実施形態では、アルミニウム管１２と銅管１１とを接合する接合工程において、加熱手段として高周波加熱（誘導加熱）を用いる。

まず、アルミニウム管１２の端部に接続用拡径部１３を形成する。この接続用拡径部１３は、ボール盤などを用いた切削加工によってアルミニウム管１２の端部の内径を大きくすることにより形成されている。具体的には、図略のボール盤のドリルの軸方向とアルミニウム管１２の延びる方向とを一致させた状態で、このドリルによってアルミニウム管１２の端部の内径を拡径する。

次に、接続用拡径部１３が形成されたアルミニウム管１２と銅管１１を所定の位置に配置し、これらを図略の支持部材によって固定して位置決めする。具体的には、例えば図３（Ａ）に示すように、アルミニウム管１２は、長手方向が鉛直方向に向き、接続用拡径部１３の開口端１３ａが上方に開口するように配置される。銅管１１は、長手方向が鉛直方向に向き、端部が開口端１３ａから接続用拡径部１３内に挿入される。

この配置状態において、銅管１１の先端面１１ａは、接続用拡径部１３の段差面１３ｃに対向している。図３（Ｂ）に示すように、先端面１１ａと段差面１３ｃとの間にろう材１４を流し込む場合には、先端面１１ａと段差面１３ｃとの間に隙間をあけて各金属管１１，１２を配置する。なお、図示は省略するが、銅管１１の先端部１１ａを段差面１３ｃに当接させた配置状態としてもよい。この場合には、段差面１３ｃは、アルミニウム管１２に対して銅管１１を位置決めする機能を果たす。

接続用拡径部１３の開口端１３ａの上面には、環状のリングろう材１４ａが配置される。リングろう材１４ａの量は、接続用拡径部１３の内周面と銅管１１の外周面との間の空間の大きさに応じて適宜調整される。

接続用拡径部１３に挿入される銅管１１の端部の外周面には、アルミニウムを主成分とするリングろう材１４ａとのぬれ性を高めるために、予めフラックスを塗布しておくのが好ましい。これにより、接続用拡径部１３の内周面と銅管１１の外周面との隙間に、溶融したリングろう材１４ａをより円滑に流し込むことができるので、例えば図３（Ｂ）に示すように開口端１３ａから基端１３ｂまでろう材１４を配設することができる。銅管１１の先端面１１ａや接続用拡径部１３の内周面や段差面１３ｃにもフラックスを塗布してもよい。

アルミニウム管１２及び銅管１１の周囲には、高周波加熱に用いる加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３が配置される。これらの加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、渦巻状（螺旋状）につながる一体のコイルであってもよく、別体の３つのコイルであってもよい。加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、この順に鉛直方向に並んでいる。

真ん中に位置する加熱用コイルＣ２は、接続用拡径部１３の開口端１３ａの周囲に位置しており、リングろう材１４ａの加熱、及び開口端１３ａ近傍の加熱のために設けられている。加熱用コイルＣ１は、加熱用コイルＣ２よりも上方に位置しており、主に母材（銅管１１）を加熱するために設けられている。加熱用コイルＣ３は、加熱用コイルＣ２よりも下方に位置している。加熱用コイルＣ３は、接続用拡径部１３の基端１３ｂの近傍に位置しており、主に母材（アルミニウム管１２）の基端１３ｂの近傍を加熱するために設けられている。

これらの加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３には、図略の電源から高周波電流が流され、各部位が誘導加熱される。これにより、リングろう材１４ａが溶融し、図３（Ｂ）に示すように接続用拡径部１３の内周面と銅管１１の外周面との隙間に流れ込み、アルミニウム管１２と銅管１１とがろう付される。

誘導加熱されたときに、加熱用コイルＣ１の半径方向内側に位置する銅管１１の温度Ｔ１、接続用拡径部１３の開口端１３ａ及びその近傍の温度Ｔ２、並びに接続用拡径部１３の基端１３ｂ及びその近傍の温度Ｔ３は、リングろう材１４ａの融点以上で、かつ母材（アルミニウム管１２及び銅管１１）の融点を超えない温度に調整される。また、これらの温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、次のような温度分布となるように調整される。すなわち、温度Ｔ３は、温度Ｔ２よりも低くなるように調整される。これにより、金属間化合物層１５は、開口端１３ａ側の端部の厚さよりも基端１３ｂ側の端部の厚さの方が小さくなる。温度Ｔ１は、温度Ｔ２と同程度であってもよいが、銅管１１を補助的に加熱する役割を担っているので、温度Ｔ２よりも低くなるように調整してもよい。

また、加熱手段として高周波加熱を用いることにより、各部位を局所的に加熱することができ、各部位の温度を上記のように個別に調整することができる。また、高周波加熱は、局所的に加熱できるので、短時間で各部位の温度を上昇させることができるとともに、短時間で各部位の温度を降下させることができる。すなわち、急峻な熱サイクルを実現でき、金属管１１，１２及びろう材１４に対する余分な入熱を避けることができる。その結果、金属間化合物層１５の生成を抑制することができる。また、昇温後に各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に保持する保持時間は、溶融したリングろう材１４ａが所定の位置（例えば基端１３ｂ）まで流れ込むように予め設定される。

上記の説明では、加熱手段として高周波加熱を用いる場合を例示したが、これに限定されない。例えば、加熱手段としては、高周波加熱に代えてレーザなどを用いることもできる。レーザを用いる場合にも高周波加熱と同様に局所的な加熱が可能であり、また、各部位の温度を個別に調整可能である。

レーザとしては、例えばランプ励起ＹＡＧレーザ、ダイオード励起ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザなどを用いることができる。レーザによる加熱の場合も各部位の温度を上述したように温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３などに調整するのが好ましい。これらの温度調整は、例えばレーザの出力を調整することにより可能である。

なお、接続用拡径部１３の基端１３ｂは、内径が変わる部分であるので、他の部位に比べて応力が集中しやすい。また、銅とアルミニウムの金属間化合物は脆弱である。そこで、本実施形態では、金属間化合物層１５の厚さを、開口端１３ａ側の端部に比べて基端１３ｂ側の端部の方が小さくなるようにしている。これにより、接続用拡径部１３の基端１３ｂへの応力集中が生じたとしても、金属間化合物層１５は基端１３ｂ側の端部の厚さが小さいので、当該応力に対する耐久性（特に、剥離強度）の低下が抑制される。

（変形例１）
図２（Ｂ）は、金属管の接合構造１０の変形例１を示す断面図である。この変形例１の接合構造１０は、接続用拡径部１３の上端部の半径方向内側の角部（縁部）１３ｄが面取り（Ｒ加工又はＣ面取り）されている点で図２（Ａ）の形態と異なっている。

この変形例１では、ろう付時にリングろう材１４ａは、角部１３ｄと銅管１１の外周面との間に安定して配置される。また、角部１３ｄの傾斜した内面は、ろう付時に溶融したリングろう材１４ａを下方に案内する役割も果たす。これにより、溶融したリングろう材１４ａが接続用拡径部１３と銅管１１との隙間に流れ込みやすくなる。角部１３ｄの半径方向の寸法は、例えばリングろう材１４ａの直径と同程度に調整するのがよい。

（変形例２）
図２（Ｃ）は、金属管の接合構造１０の変形例２を示す断面図である。この変形例２の接合構造１０は、アルミニウム管１２の延びる方向に対して接続用拡径部１３の内周面１３ｅが傾斜している点で変形例１と異なっている。

この変形例２における接続用拡径部１３は、開口端１３ａから基端１３ｂに向かうにつれて内径が次第に小さくなるテーパー形状を有している。接続用拡径部１３の内周面１３ｅが傾斜していることにより、溶融したリングろう材１４ａが接続用拡径部１３と銅管１１との隙間に流れ込みやすくなる。この変形例２では、接続用拡径部１３は、変形例１と同様の面取りされた角部１３ｄを備えているが、テーパー形状のみを有し角部１３ｄの面取りを省略した形態であってもよい。

＜実施形態の概要＞
本実施形態をまとめると、以下の通りである。

本実施形態では、厚さ及び外径が大きい方の金属管であるアルミニウム管１２の端部の内径を隣接部１６よりも大きくすることによって接続用拡径部１３を形成している。したがって、アルミニウム管１２において、接続用拡径部１３と隣接部１６とは外径の変化がなくつながっているので、金属管同士の接続部分をフレア加工により拡径する従来の形態に比べて接続用拡径部１３の基端１３ｂへの応力集中を抑制し、また、基端１３ｂにおける残留応力を低減することができる。これにより、応力集中や残留応力に起因する不具合が生じる可能性をより低減することができる。また、本実施形態では、特許文献２のような継手を設ける必要がないので、コストアップを抑制することもできる。

また、本実施形態では、接続用拡径部１３は、金属管の端部の内径を切削加工により広げることにより形成されているので、フレア加工して金属管の端部を拡径する場合に比べて加工コストを低減することができる。仮に、厚さが大きいアルミニウム管１２をフレア加工により拡径する場合、厚さが大きいためにフレア加工しにくく、場合によっては複数回にわけてフレア加工する必要がある。一方、銅管１１をフレア加工により拡径する場合、外径の大きいアルミニウム管１２を挿入できる内径にしなければならない（拡径率を大きくしなければならない）ので、場合によっては複数回にわけてフレア加工する必要がある。このようにいずれの場合もフレア加工にかかるコストが増大しやすい。

一方、本実施形態では、アルミニウム管１２の端部を例えばボール盤などにより切削加工するだけで接続用拡径部１３を形成できるので、フレア加工する場合に比べてコストダウンを図ることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。

また、前記実施形態では、アルミニウム管１２と銅管１１との接合構造を例に挙げて説明したが、これに限定されず、他の組合せの金属管同士の接合構造にも適用することができる。

また、前記実施形態では、ろう材としてＡｌ−Ｓｉろう材を用いる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。Ａｌ−Ｚｎろう材、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎろう材などの他のろう材を用いることもできる。

また、前記実施形態では、製造時にろう材としてリングろう材を用いる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えばシート状のろう材を金属管同士の間に配置してもよく、一方又は両方の金属管にろう材を塗布してもよく、金属管同士の隙間にろう材を注入してもよい。

また、前記実施形態では、接続用拡径部１３を切削加工によって形成する場合を例示したが、他の手段を用いてもよい。

１１ 銅管
１１ａ 先端面（先端部）
１２ アルミニウム管
１３ 接続用拡径部
１３ａ 開口端
１３ｂ 基端
１３ｃ 段差面
１４ ろう材
１６ 隣接部
Ｍ１ 第１金属
Ｍ２ 第２金属

Claims (3)

1. 第１金属(M1)を主成分とする第１金属管(11)と、前記第１金属(M1)とは異なる第２金属(M2)を主成分とし、前記第１金属管(11)よりも厚さ及び外径が大きい第２金属管(12)とを備え、
   前記第２金属管(12)は、端部の内径がこの端部に隣接する隣接部(16)の内径よりも大きく、かつ端部の外径が前記隣接部(16)の外径と同じである接続用拡径部(13)を有し、
   前記接続用拡径部(13)には前記第１金属管(11)が挿入され、この第１金属管(11)の外周面と接続用拡径部(13)の内周面との間にろう材(14)が介在しており、
   前記接続用拡径部(13)の内周面は、前記第１金属管(11)の先端部(11a)が対向する段差面(13c)を介して前記隣接部(16)の内周面とつながっている金属管の接合構造。
2. 前記第１金属管(11)が銅管であり、前記第２金属管(13)がアルミニウム管である、請求項１に記載の金属管の接合構造。
3. 前記接続用拡径部(13)は、金属管の端部の内径を切削加工により広げることにより形成されている、請求項１又は２に記載の金属管の接合構造。

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