JP2014206246A - 配管接合構造及びその配管接合構造を有する熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】配管同士の接合強度の確保及びコストアップの抑制をしながら、配管の破損を抑制する配管接合構造及びその配管接合構造を有する熱交換器を提供する。【解決手段】第１の管１及び第１の管１の内側に接続される第２の管２を有し、第１の管１と第２の管２の接続部分が接合されて形成される配管接合部３を有する配管接合構造において、第１の管１は、配管接合部３側を中心側に突出させて形成された凹部４を有しているものである。【選択図】図１

Description

本発明は、配管接合構造及びその配管接合構造を有する熱交換器に関するものである。

圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器などを有する冷凍サイクル装置には、地球温暖化係数が低く、引火しないため安全性を確保することができるなどといった観点から、たとえば二酸化炭素冷媒が採用されることがある。
しかし、冷媒として二酸化炭素を用いる場合には、従来のフロンなどと比較すると著しく配管内部の冷媒圧力が高くなる。

ここで、たとえば二酸化炭素冷媒などのように冷媒圧力が高い場合には、耐圧の観点から、高耐圧の設計が必要となる。特に、冷凍サイクル装置の冷媒回路のうち、配管同士の接合部は、配管と配管との接続部分であり、配管同士の接合部以外と比較すると構造上、配管の破損などといった問題が生じやすい箇所である。

そこで、セラミック材の筒状体とステンレス鋼の筒状体との加熱接合時において、セラミック材の筒状体とステンレス鋼の筒状体との接続部分と、この接続部分からステンレス鋼の筒状体側にはみ出している部分とに、ロー材料からなるロー材層を設けるようにした配管接合構造が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の技術は、セラミック材の筒状体及びステンレス鋼の筒状体の肉厚を、配管接合部の方が、配管接合部以外の部分よりも薄くしたものである。
これにより、ステンレス鋼などのセラミック材との熱膨張係数の差が大きい金属材であっても、接合強度などを確保しているものである。

特開平７−１７２９４８号公報（たとえば、図１参照）

特許文献１に記載の技術は、配管接合部の薄肉化をして接合強度を高くすることができるが、セラミック材の筒状体及びステンレス鋼の筒状体の単体の耐圧強度を低下させてしまうという課題があった。これにより、セラミック材の筒状体及びステンレス鋼の筒状体を流れる冷媒の圧力が作用することで、セラミック材の筒状体及びステンレス鋼の筒状体の応力集中部などから、セラミック材の筒状体及びステンレス鋼の筒状体が破損してしまう可能性がある。
すなわち、特許文献１に記載の技術は、配管同士の接合強度を向上させることはできるが、配管自体が冷媒圧力によって破損してしまう可能性があるという課題がある。

このような事態を避けるには、金属管に低弾性率かつ高強度材を用いることも考えられる。しかし、金属管の材料変更により、配管接合部、さらには、熱交換器などの冷凍サイクル装置の設計自由度を低下させ、コストアップしてしまう可能性がある。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、配管同士の接合強度の確保及びコストアップの抑制をしながら、配管の破損を抑制する配管接合構造及びその配管接合構造を有する熱交換器を提供することを目的としている。

本発明に係る配管接合構造は、第１の管及び第１の管の内側に接続される第２の管を有し、第１の管と第２の管の接続部分が接合されて形成される配管接合部を有する配管接合構造において、第１の管は、配管接合部側を中心側に突出させて形成された凹部を有しているものである。

本発明に係る配管接合構造によれば、上記構成を有しているので、配管同士の接合強度の確保及びコストアップの抑制をしながら、配管の破損を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る配管接合構造の説明図である。 図１に示すＩ−Ｉにおける断面図である。 図１に示すＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。 本発明の実施の形態２に係る配管接合構造の説明図である。 本発明の実施の形態３に係る配管接合構造の説明図である。 本発明の実施の形態４に係る配管接合構造の説明図である。 本発明の実施の形態５に係る熱交換器の概要構成例図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る配管接合構造１００の説明図である。図２は、図１に示すＩ−Ｉにおける断面図である。図３は、図１に示すＩＩ−ＩＩにおける断面図である。図４は、図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。
なお、図１は、第１の管１及び第２の管２の長手方向と平行な縦断面図である。図２は、図１に示す第１の管１の配管接合部３の紙面上側に形成されている凹部４の形成位置における水平断面図である。また、図３は、図１に示す凹部４の形成位置よりも紙面上側における水平断面図である。さらに、図４は、図１に示す配管接合部３よりも紙面下側の位置における第２の管２の水平断面図である。
本実施の形態に係る配管接合構造１００は、配管同士（第１の管１及び第２の管２）の接合強度の確保及びコストアップの抑制をしながら、配管の破損を抑制する改良が加えられたものである。

配管接合構造１００は、図１に示す紙面上側の第１の管１に、第１の管１の内側に挿入される第２の管２が接続されて構成されたものである。すなわち、後述する凹部４の形成位置を除いて、第１の管１の内径が、第２の管２の外径よりも大きくなっており、第１の管１の内側に第２の管２を挿入することができるようになっている。
第１の管１は、第２の管２が差し込まれる部分である配管接合部３と、第２の管２が第１の管１に差し込まれた状態において第２の管２の端部に対応する位置に形成される凹部４とを有しているものである。そして、第１の管１は、第２の管２に連通するように接続され、第２の管２とともに冷媒流路５を形成している。
配管接合部３は、第１の管１の内表面のうち、第２の管２の外表面とが重なり合う部分（重合部分）であり、ロー付け、或いは溶接などによって接合がなされている部分である。このロー付け、或いは溶接などをしやすくするために、第１の管１は、熱伝導性を確保しやすい材料で構成するとよく、たとえばアルミ合金、銅、およびステンレスなどで構成するとよい。

凹部４は、図１に示すように、第１の管１の外側からみたとき第１の管１に凹状に形成され第１の管１の内側からみたとき凸状に形成されている。すなわち、凹部４は、第１の管１の外径側から内径側に向かって突出するように形成されたくびれた部分である。第１の管１の外側から冷媒流路５側に向かって突出し、第１の管１は、凹部４の形成位置において第１の管１の中心側に縮径しているということである。
ここで、第１の管１のうちの凹部４を境として配管接合部３とは反対側の部分の外径寸法をＤ１とする（図３参照）。また、凹部４における第１の管１の外径寸法をＤ１ａとする（図２参照）。また、第２の管２の外径寸法をＤ２とする（図４参照）。なお、図２のｄ１ａは、凹部４における第１の管１の内径寸法であり、図４のｄ２は、第２の管２の内径寸法である。
このとき、外径寸法Ｄ１ａ及び外径寸法Ｄ１が、「外径寸法Ｄ１ａ＜外径寸法Ｄ１」の関係を満たすように第１の管１は形成されている。なお、本実施の形態１では、「外径寸法Ｄ１＞外径寸法Ｄ２」となっている。
図示省略の圧縮機などで圧縮された冷媒は、配管接合部３の冷媒流路５を通ることにより、配管接合部３の内面に、冷媒圧力が均等に作用する。この際、配管接合部３の溶接箇所には冷媒圧力による応力が作用することになるが、第１の管１には「外径寸法Ｄ１ａ＜外径寸法Ｄ１」の関係を満たすように凹部４が形成されているため、剛性向上効果がもたらされる。
これにより、凹部４が形成されていない従来の配管接合構造と比較すると、「配管接合部３に作用する応力、及び第１の管１及び第２の管２の配管接合部３側の部分に作用する応力」によって、「配管接合部３の変形、及び、第１の管１及び第２の管２の配管接合部３側の部分の変形」を抑制することができる。
このように、配管接合構造１００は、第１の管１及び第２の管２の破損を抑制することができる。そして、この第１の管１及び第２の管２に、熱交換器などの冷凍サイクル装置が接続されている場合には、この熱交換器などの冷凍サイクル装置などの破損を抑制することができる。

第１の管１は、図２に示すように、凹部４の形成位置において、水平断面形状が円形に形成されているものである。より詳細には、第１の管１を内側から見たとき、第１の管１の円筒状に形成されている内表面が、凹部４の形成位置にて、内径方向に向かって縮径しているということである。これにより、凹部４の形成位置とそれ以外の部分で、応力集中を低減させることができ、第１の管１及び第２の管２の耐圧強度を確保できるようになっている。

また、第１の管１は、図１に示すように、凹部４が曲面で形成されているため、凹部４の形成位置とそれ以外の部分で、応力集中を低減させる効果をより一層得ることができ、第１の管１及び第２の管２の耐圧強度をより確保できる構造となっている。

なお、本実施の形態１では、予め凹部４が形成された第１の管１に、第２の管２を接続してから、ロー付け、或いは溶接などによって接合をするものとして説明するがそれに限定されるものではない。たとえば、第１の管１と第２の管２とを接続してから凹部４を形成してもよい、すなわち後加工をすることで配管接合構造１００を構成してもよい。
これにより、設計自由度向上にもつながり、軽量化および低コスト化も期待できる。

また、本実施の形態１では、第１の管１に凹部４が１つ形成されている場合を例に説明したが、それに限定されるものではない。たとえば、第１の管１の長手方向に沿って複数の凹部４が形成されていてもよい。これによっても、従来の配管接合構造と比較すると、作用する応力が集中してしまうことを抑制し、剛性向上効果を得ることができる。また、複数の凹部４を形成した場合には、凹部４における外径寸法Ｄ１ａは、同じでもよいし、それぞれが異なっていてもよい。

第２の管２は、図１に示す紙面下側の配管であり、第１の管１の内側に接続された後に、ロー付け、或いは溶接などによって第１の管１と接合がなされるものである。第２の管２は、第２の管２の端部が、第１の管１に形成される凹部４のうちの配管接合部３側と対向するように、第１の管１に接続されているものである。
第２の管２も、第１の管１と同様に、熱伝導性を確保しやすい材料で構成するとよく、たとえばアルミ合金、銅、およびステンレスなどで構成するとよい。

［本実施の形態１に係る配管接合構造１００の有する効果］
本実施の形態１に係る配管接合構造１００は、第１の管１及び第２の管２を有し、第１の管１に「外径寸法Ｄ１ａ＜外径寸法Ｄ１」を満たすような凹部４が形成されており、第１の管１及び第２の管２同士の接合強度の確保及びコストアップの抑制をしながら、第１の管１及び第２の管２同士の破損を抑制することができる。
より詳細には、次の通りである。
第２の管２を第１の管１に嵌め込む構成のため、凹部４によって第１の管１と第２の管２とが確実に位置決めされ、第１の管１と第２の管２との接合をより確実とすることができ、第１の管１及び第２の管２の接合強度を確保することができる。また、凹部４が形成するものであり、材料変更などを要しないため、コストアップの抑制をすることができる。さらに、「外径寸法Ｄ１ａ＜外径寸法Ｄ１」の関係を満たすように凹部４が形成されているので、剛性向上効果がもたらされ、第１の管１及び第２の管２の破損を抑制することができる。

本実施の形態１に係る配管接合構造１００は、凹部４のみ外径を小さくするため、省スペース化を図ることができると共に、余計な補強部材を取り付けることもないので、第１の管１の重量が増加することを抑制することができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る配管接合構造１０１の説明図である。本実施の形態２では、実施の形態１と相違する部分について中心に説明するものとし、共通する部分については同一符号を付している。

実施の形態２においても、「外径寸法Ｄ１ａ＜外径寸法Ｄ１」の関係を満たすように第１の管１は形成されているが、次の点で実施の形態１とは異なっている。
第１の管１のうちの凹部４を境として配管接合部３とは反対側の部分の外径寸法をＤ１とし、凹部４における第１の管１の外径寸法をＤ１ａとし、第２の管２の外径をＤ２とする。
実施の形態２では、第１の管１の外径寸法Ｄ１と等しい外径寸法Ｄ２の第２の管２が、第１の管１に接続されている。すなわち、実施の形態１では、「外径寸法Ｄ１＞外径寸法Ｄ２」となっていたが、本実施の形態２では、「外径寸法Ｄ１＝外径寸法Ｄ２」となっている。
また、第１の管１の配管接合部３の形成位置において、第１の管１の径が広がる方向に拡管などの加工がなされている。

［本実施の形態２に係る配管接合構造１０１の有する効果］
本実施の形態２に係る配管接合構造１０１は、第１の管１と第２の管２とのが「外径寸法Ｄ１＝外径寸法Ｄ２」を満たしていても、第１の管１の配管接合部３の形成位置において、第１の管１の径が広がる方向に拡管などがなされることにより、実施の形態１に係る配管接合構造１００と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る配管接合構造１０２の説明図である。本実施の形態３では、実施の形態１、２と相違する部分について中心に説明するものとし、共通する部分については同一符号を付している。

実施の形態３においては、実施の形態１と同様に、「外径寸法Ｄ１ａ＜外径寸法Ｄ１」の関係を満たすように第１の管１は形成されているが、実施の形態１、２とは異なり、図６に示すように、凹部４の水平断面形状が円形状ではなく、四角形状となっている。これにより、第１の管１の凹部４の形成時における、加工性を向上させることができる。

［本実施の形態３に係る配管接合構造１０２の有する効果］
本実施の形態３に係る配管接合構造１０２は、実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、凹部４の水平断面形状を四角形状としたので、加工性を向上させることができるようになっている。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る配管接合構造１０３の説明図である。本実施の形態４では、実施の形態１〜３と相違する部分について中心に説明するものとし、共通する部分については同一符号を付している。

実施の形態４においては、実施の形態１と同様に、第１の管１と第２の管２とが「外径寸法Ｄ１＞外径寸法Ｄ２」の関係を満たすように形成され、第１の管１が「外径寸法Ｄ１ａ＜外径寸法Ｄ１」の関係を満たすように形成されている。
一方、実施の形態４では、凹部４の内径減少率が、凹部４が最も縮径する位置（図７のＳ参照）を境として異なっている。
すなわち、実施の形態４では、第１の管１には、配管接合部３側に形成される第１湾曲部４Ａと、第１湾曲部４Ａから連続して形成され、第１の管１の内径の減少率が第１湾曲部４Ａと比較すると小さい第２湾曲部４Ｂとを有する凹部４が形成されている。
第１湾曲部４Ａは、配管接合部３側から凹部４が最も縮径する位置Ｓにかけて縮径している。すなわち、紙面下から上に向かうにつれ、第１の管１の径が減少している。
第２湾曲部４Ｂは、凹部４よりも上側の外径寸法がＤ１である部分と、凹部４との接続位置から凹部４が最も縮径する位置Ｓにかけて縮径している。すなわち、紙面上から下に向かうにつれ、第１の管１の径が減少している。
ここで、本実施の形態４では、第１の管１の長手方向における単位長さあたりの、第１湾曲部４Ａの内径減少率及び第２湾曲部４Ｂの内径減少率であるが、内径減少率及び第２湾曲部４Ｂの方が小さくなっている。これにより、第１の管１及び第２の管２を流れる冷媒の圧力損失を低減させることができ、熱交換器などの冷凍サイクル装置の性能向上が見込める。

なお、凹部４における第１の管１の内径寸法をｄ１ａとし、第２の管２の内径をｄ２とする。このとき、「ｄ１ａ＝ｄ２」を満たすように第１の管１及び第２の管２を形成してもよい。これにより、第１の管１及び第２の管２を流れる冷媒の圧力損失を低減させることができ、熱交換器などの冷凍サイクル装置の性能向上が見込める。

なお、本実施の形態１〜４は、適宜組み合わせてもよい。たとえば、実施の形態２の配管接合構造１０１に、実施の形態３の配管接合構造１０２を組み合わせ、長手方向に平行な方向における断面を図５の態様としながら、凹部４における水平断面形状を図６の態様となるように構成してもよいということである。

［本実施の形態４に係る配管接合構造１０３の有する効果］
本実施の形態４に係る配管接合構造１０３は、実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、冷媒の圧力損失を低減させることができる。

実施の形態５．
図８は、実施の形態５に係る熱交換器７の概要構成例図である。本実施の形態５では、実施の形態１〜４と相違する部分について中心に説明するものとし、共通する部分については同一符号を付している。
熱交換器７は、第１冷媒８が流れる第１冷媒流路を有する扁平状の第１枝管１２と、第２冷媒９が流れる第２冷媒流路を有する扁平状の第２枝管１３と、第１枝管１２の一方の端部側に接続された管状の第１主管１０Ａ及び第１枝管１２の他方の端部側に接続された管状の第１主管１０Ｂと、第２枝管１３の一方の端部側に接続された管状の第２主管１１Ａ及び第２枝管１３の他方の端部側に接続された管状の第２主管１１Ｂとを有している。
なお、第１枝管１２及び第２枝管１３は、６列の枝管で構成されている場合を一例に示している。また、以下の説明においては、第１主管１０Ａ、１０Ｂをまとめて第１主管１０と称し、第２主管１１Ａ、１１Ｂをまとめて第２主管１１と称する。

熱交換器７は、熱伝導性の良い材質、たとえば、アルミ合金、銅およびステンレスなどで構成され、押し出し成形、引抜き成形することによって構成するとよい。
また、第１主管１０及びおよび第２主管１１の円周側面には、それぞれ第１枝管１２または第２枝管１３の端部を差し込む差込み口１５が設けられている。そして、第１枝管１２と第１主管１０とを接続する、及び、第２枝管１３と第２主管１１とを接続するつなぎ部１６には、アルミ−シリコン系などのロー材を用いてロー付けされる。

第１枝管１２及び第２枝管１３は、ロー付け部１７を構成しており、第１枝管１２を流れる第１冷媒８と、第２枝管１３を流れる第２冷媒９との間で熱交換する構成となっている。また、第１主管１０及び第２主管１１は、配管１４とロー付けあるいは溶接などによって接合がなされており、熱交換器７を搭載するヒートポンプ機器などの冷熱システムの冷媒回路と接続されている。
ここで、実施の形態１〜４で説明した第１の管１が、第１主管１０及び第２主管１１に対応している。また、実施の形態１で説明した第２の管２が、配管１４に対応している。すなわち、第１主管１０及び第２主管１１は、「外径寸法Ｄ１ａ＜外径寸法Ｄ１」の関係を満たすように形成されている。

なお、第１冷媒８及び第２冷媒９の両方ともに二酸化炭素などの動作圧力がフロン冷媒と比較すると高い冷媒が用いられている場合には、第１主管１０、第２主管１１及び配管１４の全てについて、実施の形態１〜４で説明した配管接合構造１００〜１０３を具備させてもよいが、それに限定されるものではない。第１冷媒８にたとえば二酸化炭素冷媒などの動作圧力が高い冷媒を採用し、第２冷媒９にたとえばフロン冷媒などといった第１冷媒８と比較すると動作圧力の低い冷媒が採用されている場合には、第１主管１０及び第１主管１０に接続されている配管１４についてのみ実施の形態１〜４で説明した配管接合構造１００〜１０３を具備させるようにし、第２主管１１及び第２主管１１に接続される配管１４については配管接合構造１００〜１０３を具備させなくてもよい。

［本実施の形態５に係る熱交換器７の有する効果］
本実施の形態５に係る熱交換器７は、実施の形態１〜４に係る配管接合構造１００〜１０３を有しているので、実施の形態１〜４に係る配管接合構造１００〜１０３の有する効果と同様の効果を得ることができる。

１ 第１の管、２ 第２の管、３ 配管接合部、４ 凹部、４Ａ 第１湾曲部、４Ｂ 第２湾曲部、５ 冷媒流路、７ 熱交換器、８ 第１冷媒、９ 第２冷媒、１０、１０Ａ、１０Ｂ 第１主管、１１、１１Ａ、１１Ｂ 第２主管、１２ 第１枝管、１３ 第２枝管、１４ 配管、１５ 差込み口、１６ つなぎ部、１７ ロー付け部、１００〜１０３ 配管接合構造。

Claims (9)

1. 第１の管及び前記第１の管の内側に接続される第２の管を有し、前記第１の管と前記第２の管の接続部分が接合されて形成される配管接合部を有する配管接合構造において、
   前記第１の管は、
   前記配管接合部側を中心側に突出させて形成された凹部を有している
   ことを特徴とする配管接合構造。
2. 前記凹部は、
   前記凹部の形成位置における前記第１の管の外径が、前記第１の管のうち、前記凹部の形成位置を境にして前記配管接合部とは反対側の部分における外径よりも小さくなるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の配管接合構造。
3. 前記凹部は、
   前記第１の管の長手方向に垂直な断面において、円形状となるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の配管接合構造。
4. 前記凹部は、
   前記第１の管の長手方向に垂直な断面において、四角形状となるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の配管接合構造。
5. 前記凹部のうちの最も外径が小さくなる位置を境にして、前記配管接合部側の部分を第１湾曲部とし、前記配管接合部とは反対側の部分を第２湾曲部としたとき、
   前記凹部は、
   前記第１湾曲部よりも前記第２湾曲部の方が内径減少率が小さくなるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の配管接合構造。
6. 前記第１の管及び前記第２の管は、
   前記凹部の前記第１の管の内径が、前記第２の管の内径と等しくなるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の配管接合構造。
7. 前記凹部が曲面で形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の配管接合構造。
8. 前記第１の管及び前記第２の管は、
   前記凹部の形成位置を境にして前記配管接合部とは反対側の部分の前記第１の管の外径が、前記第２の管の外径と等しくなるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の配管接合構造。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の配管接合構造を有する熱交換器。

Images