JP2013142514A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程を短縮させて製造コストを低減させると共に、熱による変形や強度低下の問題を回避可能な管継手を具備させた熱交換器を提供すること。
【解決手段】ケース体(2)と、ケース体(2)内に収容されるとともに、ケース体(2)を貫通して延設された銅製のパイプ(20)と、一端がパイプ(20)の接続端部と接続され、他端が外部の配管(25)の接続端部と接続されるようにプレス成形された耐熱銅製の管継手(1)とを有し、ケース体(2)、パイプ(20)、及び管継手(1)におけるろう付け対象箇所(40)が炉中ろう付けで接合されてなること。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケース体に収容されるとともに、ケース体を貫通して延設されたパイプと、曲げ加工された外部の配管とを接続するための管継手を備えた熱交換器に関する。

給湯器等の熱交換器は、例えば、図３に示すように、ケース体(102)に複数の板状フィン(121)が並列するように内蔵されていると共に、これらケース体(102)及び板状フィン(121)を、被加熱流体が流れるパイプ(120)が複数回にわたって往復しながら貫通している。このパイプ(120)は、ケース体(102)内に収容される直管部(120a)と、ケース体(102)外部で隣接する直管部(120a)の外端相互を連結するＵ字管部(120b)と、給水管や給湯管などの外部の配管と管継手を介して接続するための連絡管部(120c)(120c)とが延設されて構成される。これらのパイプ(120)及び外部の配管は、曲げ加工により所定形状に形成するための加工性を考慮してリン脱酸銅製の銅管が汎用されている。

ところで、従来、管継手としては、切削加工にてパイプ(120)とは別途作製された真ちゅう製のものが使用されている。また、管継手とパイプ(120)との接続にあたっては、ケース体(102)や板状フィン(121)とパイプ(120)とをろう付け対象個所(140)で炉中ろう付けした後、ケース体(102)の外側に延設されたパイプ(120)の接続端部にトーチろう付けにて管継手を接続している。これは、真ちゅうは高温により脱亜鉛現象を起こすため、別体の管継手がパイプ(120)の接続端部にセットされた状態で炉中ろう付けを行うと、材質変化による強度不足、表面粗度不良および外観不良などの不具合が発生するためである。それゆえ、このようなパイプ(120)と別体の管継手を使用する場合、製造工程が煩雑になり、製作に時間とコストがかかるといった問題があった。

そこで、同図に示すように、パイプ(120)の接続端部をプレス加工等により拡管させて拡管部(122)を構成し、この拡管部(122)を管継手(123)として利用するとともに、炉中ろう付け工程前に、拡管部(122)の開放端に外部の配管との接続や端部の補強等を目的としてステンレス製のフランジ部材(124)を外嵌させたものが提案されている(例えば、特許文献１）。

このもののように、管継手(123)を予めパイプ(120)と一体に成形しておけば、炉中ろう付け工程後に別体の管継手を手作業によりトーチろう付けする作業が不必要となるため、製造工程が短縮され、製造コスト及び製造時間を低減することができる。又、真ちゅう製の管継手を使用する前記従来のものと比べて管継手の軽量化を図ることができるといった利点がある。

特開２００２−２４３２８１号公報

しかしながら、上記熱交換器において、パイプ(120)に加工性に優れるリン脱酸銅製の銅管を用いた場合、パイプ(120)の接続端部の拡管部(122)である管継手(123)も同材料からなるため耐熱性に劣る。そのため、約８００〜８５０℃の高温処理が行われる炉中ろう付け工程の際に、パイプ(120)の両端部において部品強度が低下し、耐圧性能が低下するといった問題がある。
又、ステンレス製のフランジ部材(124)も熱処理されるため、ステンレスの鋭敏化や、炉中ろう付け工程における熱変形によって、管継手(123)と外部の配管とのシール性が悪くなって漏れを生じさせる不都合がある。
さらに、拡管部(122)とフランジ部材(124)との接合にあたっては、拡管形成用の金型にフランジ部材(124)をセットし、フランジ部材(124)にパイプ(120)の端部を挿入した状態で拡管形成しており、フランジ部材(124)の接合と拡管形成とを同時に行っているため、特殊な金型を必要とするだけでなく、管継手(123)に形状不良が発生しやすいという問題もある。また、パイプ(120)と一体に形成された管継手(123)に熱変形等の不具合が発生すると、パイプ(120)全体を処分しなければならないだけでなく、廃棄にあたって銅製のパイプ(120)とステンレス製のフランジ部材(124)とを分別しなければならず処分が面倒であるといった問題もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、製造コストを低減できると共に、製造工程における熱変形や強度低下の問題を回避可能な熱交換器を提供することを課題とする。

本発明は、ケース体と、
ケース体内に収容されるとともに、ケース体を貫通して延設された銅製のパイプと、
一端がパイプの接続端部と接続され、他端が外部の配管の接続端部と接続されるようにプレス成形された耐熱銅製の管継手とを有し、
前記ケース体、パイプ、及び管継手におけるろう付け対象箇所が炉中ろう付けで接合されてなる熱交換器である。

上記技術的手段は次のように作用する。
管継手は耐熱銅により製作されているから、高熱に晒されても、脱亜鉛現象が生せず、また熱変形も少ないため、強度も低下し難い。よって、管継手をパイプの接続端部にセットした状態のアセンブリを炉中ろう付けすることにより、ケース体とパイプとの接合と同時に、パイプと管継手とを熱変形の少ない状態で接合させることが可能となる。また、管継手は一端でパイプと、他端で外部の配管と接続されるようにプレス成形されているから、一部品でパイプと外部の配管とを接続することができる。さらに、パイプと管継手とはいずれも銅製であるから、廃棄に当たってこれらを分離する必要もない。

また、上記熱交換器において、好ましくは、前記パイプの接続端部は、拡管部を有し、
前記管継手は、一端に拡管部に内嵌する小径筒部を、他端に外部の配管の接続端部が内嵌する大径筒部を有しており、
前記パイプの接続端部と管継手とは、パイプの接続端部の開放端周縁に沿ってろう付けされる。

言い換えれば、パイプの接続端部が管継手の一端に外嵌する態様で接続され、ろう材は、接続端部の開放端周縁に沿って配設されるため、接続端部の開放端が管継手の胴部外周面にろう付けされることとなる。これにより、炉中ろう付けの際にろう材が溶けて流れ出しても、管継手の内部へろう材を流れ込み難くすることができる。

又、炉中ろう付けにより、拡管部が形成された銅製のパイプの接続端部は耐熱性や強度の低下により熱変形しやすいが、本発明によれば、拡管部に耐熱銅製の管継手が内嵌するから、拡管部の変形を抑えることができる。又、パイプの接続端部に熱変形等が生じて拡管部と管継手との間に隙間が生じても、炉中ろう付け工程後に溶接等によって容易に隙間を修復することができる。

以上のように、本発明によれば、銅製のパイプと耐熱銅製のプレス成形された管継手とが炉中ろう付け工程で接合されるから、炉中ろう付け工程の熱によって強度や耐圧の低下が発生し難い熱交換器を、少ない製造工程で製作することが可能となり、製造コストも低減できる。

又、耐熱銅製の管継手は火炎による熱変形も発生し難いから、管継手のろう付け具合やパイプの接続端部の変形等を炉中ろう付け工程後に別途修正することも可能となる。そして、管継手は、一端でパイプと、他端で外部の配管と接続されるようにプレス成形されているから、一部品でパイプと外部の配管とを接続することができる。さらに、パイプと管継手とはいずれも銅製であるから、廃棄に当たってこれらを分離する必要もない。

又、管継手はプレス成形によって作製されるから、パイプの接続端部や外部の配管の構造に応じた形状を、高い寸法精度で成形することができると共に、成形時の加工硬化により強度アップを図ることができる。

又、管継手の作製時に不具合が生じた場合、管継手だけを交換することができるので、パイプ全体を処分していた従来のものに比べて無駄をなくすことができる。

さらに、管継手をパイプの接続端部に内嵌させ、パイプの接続端部の開放端周縁に沿ってろう付けすれば、管継手の一端からろう材が管継手の内部に浸入し難くなるから、管継手と連絡管とを高い気密性で接合することができる。

本発明の実施の形態における熱交換器の斜視図である。 本発明の実施の形態における熱交換器のパイプと管継手との接続構造を示す要部拡大断面図である。 従来の熱交換器の側面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、給湯器に適用される本発明の実施の形態に係る熱交換器の斜視図であり、図２はそのパイプと管継手との接続構造を示す要部拡大断面図である。

本実施の形態の熱交換器は、上下に開放する矩形箱状のケース体(2)と、ケース体(2)内に多数並設される吸熱用の銅板やステンレス板からなる板状フィン(21)と、板状フィン(21)及びケース体(2)の側壁を貫通するパイプ(20)とから構成されている。

パイプ(20)は、ケース体(2)内に収容される直管部(20a)と、ケース体(2)の外部で隣接する直管部(20a)の外端相互を連結するＵ字管部(20b)と、パイプ(20)の両端部に位置し、外部の配管(25)(25)と接続するための連絡管部(20c)(20c)とが延設されて構成されている。これらは、いずれも加工性に優れるリン脱酸銅製の銅管からなる。

ケース体(2)の外側に露出した連絡管部(20c)の接続端部は、外部の配管(25)と管継手(1)を介して接続される。
連絡管部(20c)の接続端部は、図２に示すように、それぞれ拡径させられて拡管部(22)が形成されており、拡管部(22)の開放端には外側へ曲折されて鍔部(22a)が一体成形されている。この拡管部(22)に内嵌するように、管継手(1)が接続される。なお、接続端部に拡管部(22)を形成したパイプ(20)は、予めプレス成形により拡径した拡管部(22)を有する連絡管部(20c)を作製し、炉中ろう付け工程前にこれをケース体(2)に収容した直管部(20a)と連結することにより作製してもよいし、ケース体(2)に収容した直管部(20a)から延設された連絡管部(20c)の端部に所定形状の金型に挿入し、プレス成形することにより作製してもよい。

パイプ(20)がケース体(2)の透孔を貫通する各部位、及びパイプ(20)の接続端部と管継手(1)との接合部位、さらに図示しないがケース体(2)内でパイプ(20)が複数の板状フィン(21)の透孔を貫通する各部位は、炉中ろう付けにより接合されるろう付け対象箇所(40)として、ろう材(10)がセットされる。

管継手(1)は、耐熱銅からなる金属板をプレス成形することにより、一端が連絡管部(20c)と接続され、他端が外部の配管(25)と接続される形状に作製されている。本実施の形態では、管継手(1)は、連絡管部(20c)の拡管部(22)に内嵌する小径筒部(11)と、外部の配管(25)が接続される大径筒部(12)とを有する形状に成形されている。耐熱銅としては、例えば、Ｎｉ系などの耐熱銅合金を用いることができる。
尚、外部の配管(25)の接続端近傍にはＯリング(13)を外嵌させると共に、配管固定用金具(14)によって位置決め状態に固定している。

本実施の形態において、管継手(1)の小径筒部(11)は、拡管部(22)に小径筒部(11)を接続させたとき、小径筒部(11)の内径と連絡管部(20c)の内径とが略一致するように設定されてある。さらに、大径筒部(12)は、大径筒部(12)に外部の配管(25)を接続させたとき、外部の配管(25)の内径と小径筒部(11)の内径とが略一致するように設定されてある。これにより、パイプ(20)と外部の配管(25)とを管継手(1)を介して接続すると、連絡管部(20c)内と外部の配管(25)内では、略同径の流路が形成されるため、被加熱流体をスムーズに流すことができる。

このように、本実施の形態では、管継手(1)が、一端で連絡管部(20c)と、他端で外部の配管(25)と接続されるようにプレス成形で作製されているから、管継手(1)以外に、補強部材を用いることなく、一部品でパイプ(20)と外部の配管(25)とを接続することができる。また、管継手(1)は、プレス成形により作製されるから、高い寸法精度で小径筒部(11)及び大径筒部(12)を形成できる。

本実施の形態の熱交換器の製造方法の一例を説明すると、まず板状フィン(21)の透孔(図示せず)に直管部(20a)を貫通させるとともに、ろう付け対象箇所である直管部(20a)と透孔の内周との間に線状のろう材(例えば、リン銅ろう)を介在させる。また、ケース体(2)の一部を構成する側壁の透孔（図示せず）に直管部(20a)を貫通させ、隣接する直管部(20a)の外端相互を曲げ加工されたＵ字管部(20b)で連結し、ろう付け対象箇所(40)であるＵ字管部(20b)と側壁の透孔の内周との間に線状のろう材を介在させる。なお、Ｕ字管部(20b)の両端部は、直管部(20a)を外挿するよう加工されてもよい。

上記とは別に、プレス成形により拡管部(22)を形成した連絡管部(20c)と、プレス成形により小径筒部(11)及び大径筒部(12)を形成した耐熱銅製の管継手(1)とを、小径筒部(11)が拡管部(22)に内嵌するように連結し、ろう付け対象箇所(40)である連絡管部(20c)の開放端にＣ形のろう材(10)を介在させる。

さらに、ケース体(2)の側壁を貫通する直管部(20a)の端部に、上記のようにして管継手(1)を具備させた連絡管部(20c)を連結し、ろう付け対象箇所(40)である連結箇所にＣ形のろう材を介在させる。なお、連絡管部(20c)の拡管部(22)と反対の端部は、直管部(20a) を外挿するよう加工されてもよい。

上記のようにして、ケース体(2)に、板状フィン(21)と、直管部(20a)、Ｕ字管部(20b)、及び連絡管部(20c)(20c)が連設されたパイプ(20)とが仮固定されたアセンブリを加熱炉内に投入し、約８２０℃で加熱処理することにより、ろう付け対象個所(40)で各部材がろう付けされて、熱交換器が作製される。次いで、給水管あるいは給湯管などの外部の配管(25)の接続端部が大径筒部(12)に内嵌され、Ｃリング等により管継手(1)と接続される。

上記実施の形態では、耐熱性のある耐熱銅製の管継手(1)を採用したから、炉中ろう付け工程での高熱に晒されても管継手(1)が熱変形することはなく、強度や耐圧性能の低下は見られない。また、パイプ(20)の両端部を構成する連絡管部(20c)はリン脱酸銅からなるが、連絡管部(20c)に耐熱性に優れる管継手(1)がセットされた状態で炉中ろう付けされるため、耐熱性に劣るパイプ(20)の両端部における熱変形も抑えられる。そして、ケース体(2)や板状フィン(21)と、パイプ(20)とがろう付けされると同時に、管継手(1)が連絡管部(20c)の接続端部にろう付けされる。これにより、別途、管継手(1)を接合させるための手作業によるトーチろう付け作業は不要となるから、その分、製造工程が短縮されて生産性が向上すると共に、製造コストも低減することとなる。

また、連絡管部(20c)に形成された拡管部(22)の鍔部(22a)に沿った管継手(1)の胴部外周にろう材(10)がセットされるから、ろう材(10)が熱で溶けて流れても、管継手(1)内に浸入し難く、管継手(1)の内周面におけるＯリング(13)の接触面にまで至ることはない。よって、ろう材(10)によって、管継手(1)と外部の配管(25)との間におけるＯリング(13)の気密性を低下させることはない。

さらに、炉中ろう付け工程後に、連絡管部(20c)の拡管部(22)に変形等が見られても、トーチろう付けで修正することができ、トーチろう付けの際の火炎が管継手(1)に作用しても熱変形することはない。このように、炉中ろう付け工程後もトーチろう付けによる修正が可能であるから、連絡管部(20c)の拡管部(22)や管継手(1)における変形、表面粗度不良、外観不良などを解消することができ、品質不良を防止することができる。

しかも、管継手(1)はパイプ(20)と別部品であるから、管継手(1)の作製時に変形等の不具合が発見された場合、管継手(1)だけを処分すれば良く、連絡管部(20c)を含むパイプ(20)は処分する必要がないから、無駄がない。

また、連絡管部(20c)と管継手(1)を共に処分する場合も、特許文献１に開示されているもののように、ステンレス製のフランジ部材のような別部品が設けられておらず、連絡管部(20c)と管継手(1)は共に銅系材料からなるものであるから、これらを分別する必要はなく、容易に処分することができる。

なお、上記実施の形態では、ケース体内に板状フィンが配設される熱交換器について説明したが、ケース体内に板状フィンが配設されない熱交換器にも、本発明を適用できる。
また、上記実施の形態では、パイプの両接続端部に本発明の管継手が接続された熱交換器について接続したが、使用形態に応じて、いずれか一方のパイプの接続端部に本発明の管継手が接続されてもよい。

(1) ・・・・・・・管継手
(2) ・・・・・・・ケース体
(10)・・・・・・・ろう材
(11)・・・・・・・小径筒部
(12)・・・・・・・大径筒部
(20)・・・・・・・パイプ
(20a) ・・・・・・直管部
(20b) ・・・・・・Ｕ字管部
(20c) ・・・・・・連絡管部
(21)・・・・・・・板状フィン
(22)・・・・・・・拡管部
(25)・・・・・・・外部の配管
(40)・・・・・・・ろう付け対象箇所

Claims (2)

1. ケース体と、
   ケース体内に収容されるとともに、ケース体を貫通して延設された銅製のパイプと、
   一端がパイプの接続端部と接続され、他端が外部の配管の接続端部と接続されるようにプレス成形された耐熱銅製の管継手とを有し、
   前記ケース体、パイプ、及び管継手におけるろう付け対象箇所が炉中ろう付けで接合されてなる熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記パイプの接続端部は、拡管部を有し、
   前記管継手は、一端に拡管部に内嵌する小径筒部を、他端に外部の配管の接続端部が内嵌する大径筒部を有しており、
   前記パイプの接続端部と管継手とは、パイプの接続端部の開放端周縁に沿ってろう付けされてなる熱交換器。

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