JP2015205299A - 熱交換器の銅管とアルミ管の接合体及びその接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ方式の高圧の冷媒配管のように高強度、高気密性が求められる熱交換器の銅管とアルミ管の接合体及びその接合方法に関する。【解決手段】熱交換器における銅管とアルミ管の接合体及びその接合方法において、アルミ管の内径側に、銅管の先端に形成したテーパ部のテ-パ角と同一のテーパ角を有したテーパ部を設け、前記銅管をアルミ管に加熱圧入する際、前記銅管とアルミ管の接合面の切削量を抑制し、高強度、高気密性が求められる厚肉のアルミ管においても低荷重で高品質な銅管とアルミ管の共晶接合を可能とする。【選択図】図６

Description

本発明は、熱交換器に関し、より詳細には、例えば冷凍サイクルやヒートポンプサイクル等を構成する自動販売機の熱交換器の銅管とアルミ管の接合体及びその接合方法に関するものである。

従来、例えば缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を販売する自動販売機では、自動販売機本体である本体キャビネットの商品収容庫の内部（庫内）や機械室における床面等の設置部位に、冷凍サイクル等の構成機器である蒸発器（庫内熱交換器）や凝縮器（庫外熱交換器）が載置されている。

このような熱交換器は、冷媒通路管とフィンをアルミで形成している。いっぽう冷凍サイクルの熱交換器、圧縮機などの構成機器を接続する冷媒配管は、銅で形成している。このため、冷媒が流れる熱交換器の冷媒通路管と冷媒配管は、アルミニウムと銅の異種金属で接続されることになる。

銅管とアルミニウム管を接合する方法として、ろう付けやレーザ接合等さまざまな方法が実施されているが、銅、アルミニウムの各材料の融点以下の温度で銅とアルミニウムの合金液相化が生じる共晶反応（５４８℃）を利用して、銅―アルミニウム接合部のみ溶融させる共晶接合がある。高い気密性と接合強度が得られる高品質な接合方法である。

共晶接合では、高信頼、高品質な接合体を得るために、銅とアルミ管の嵌め合い部を共晶温度以上に加熱した後、銅管もしくはアルミ管を相手管に押し込み挿入し、接合部を得る。この接合プロセスにおいて、押し込み挿入することにより、（１）銅管とアルミ管の表面に存在する酸化膜を摩擦除去し、新生面同士を接触させる、（２）銅管とアルミ管をもれなく接触させ、共晶反応を促進させる、ことが可能となり、ボイドや共晶未反応部のない良好な接合部が得られる。よって、共晶反応を用いた接合において、良好な接合を得るためには接合時の押し込み挿入が必須となる。

特開平１０−３０５３７０号公報

特開平１０−３０５３７０号公報では先端をテーパ加工した銅管を、アルミ管内側に嵌め合わせ、銅管を押し込むことで、アルミ管を拡管させながら挿入し接合を行っている（図８参照）。しかしながら、この方法はアルミ管の肉厚が薄く、拡管できる場合には有効な接合方法ではあるが、近年のヒートポンプ方式冷媒回路の高圧の冷媒配管のように高強度、高気密性が求められる製品に適用することは接合品質、製造設備上、困難を伴う。

また、高強度確保のために厚肉化されたアルミ管の接合では、拡管させるための高価な加圧設備が要求され、アルミ管内側を銅管の押し込みによって塑性変形させる必要がある。そのため、高加圧荷重が可能な設備が必要となり製造コストが高くなる問題がある。また、高加圧荷重により、銅管とアルミ管の塑性変形によりクラックや割れ等が発生する可能性があり、気密性の確保ができないばかりか、規定寸法精度を確保することもできなくなるという課題がある。

本発明では、上記実情に鑑みて、ヒートポンプ方式の高圧の冷媒配管のように高強度、高気密性が求められる熱交換器の銅管とアルミ管の接合体及びその接合方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る熱交換器の銅管とアルミ管の接合体は、銅管にアルミ管が外嵌めされ、銅管とアルミ管の両管の接合部が加熱によって共晶反応を生じさせて共晶接合させる銅管とアルミ管の接合体において、銅管の外径側は先細り形状のテーパ部を有し、銅管の外径側に外嵌めされるアルミ管の内径側は、銅管の外径側のテーパ部と同一のテーパ部を有し、銅管の外径側のテーパ部のテーパ角と、アルミ管の内径側のテーパ部のテーパ角を同一のテーパ角で形成したことを特徴とする。また、本発明の請求項２に係る熱交換器の銅管とアルミ管の接合体は、請求項１に記載の銅管の外径側のテーパ部のテーパ角と、アルミ管の内径側のテーパ部のテーパ角を６〜８°で形成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る熱交換器の銅管とアルミ管の接合方法は、銅管にアルミ管が外嵌めされ、銅管とアルミ管の両管の接合部を加熱によって共晶反応を生じさせて共晶接合させる銅管とアルミ管の接合方法において、銅管の外径側は先細り形状のテーパ部を有し、銅管の外径側に外嵌めされるアルミ管の内径側は、銅管の外径側のテーパ部と同一のテーパ部を有し、銅管の外径側のテーパ部のテーパ角と、アルミ管の内径側のテーパ部のテーパ角は同一のテーパ角で形成され、銅管とアルミ管の接合部を加熱する加熱手段は高周波誘導加熱であり、高周波誘導加熱によるアルミ管の加熱温度を５６０〜５８０℃の範囲で銅管とアルミ管を共晶接合させることを特徴とする。また、本発明の請求項４に係る熱交換器の銅管とアルミ管の接合方法は、請求項３に記載の銅管の外径側のテーパ部とアルミ管の内径側のテーパ部を嵌合させた後に、押込み時の圧入速度２０ｍｍ/ｓ、押込み量１〜３ｍｍの範囲で共晶接合させることを特徴とする。

共晶接合される熱交換器の銅管とアルミ管の接合体において、銅管にアルミ管が外嵌めされ、銅管の外径側は先細り形状のテーパ部を有し、銅管の外径側に外嵌めされるアルミ管の内径側は、銅管の外径側のテーパ部と同一のテーパ部を有し、銅管の外径側のテーパ部のテーパ角と、アルミ管の内径側のテーパ部のテーパ角は同一のテーパ角で形成することにより、銅管とアルミ管の接合面は、従来のアルミ管の拡管による線接触接合より、銅管のテーパ面とアルミ管内側のテーパ面を均一に面接触させることができ、銅管をアルミ管に嵌合させた後、さらに押込み挿入する際に、銅管の外径側テーパ部とアルミ管内径側との接合面における切削量を減少させ、ヒートポンプ方式の高圧の冷媒配管のように肉厚のアルミ管においても押込み挿入時の荷重を従来のアルミ管を拡管させる押込み荷重に対して低荷重にて銅管とアルミ管の押込み挿入による共晶接合が可能となり、低コストで高品質な熱交換器の銅管とアルミ管の接合体を提供できるという効果を奏する。

また、熱交換器の銅管とアルミ管の接合方法として、銅管とアルミ管の接合部の加熱手段として高周波誘導コイルによる高周波誘導加熱で行なうことにより、熱交換器の一部であるヘッダー部（アルミ管）に冷媒配管として加工成形されている接続パイプ（銅管）をそのまま併設させながら加熱させることができ、密閉空間での加熱接合を不要とするとともに、加熱・加圧設備を最小限の設備スペースで行なうことができる。また、共晶反応温度（５４８℃）以上、アルミ管の融点温度（６６０℃）以下の接合温度域において、高周波誘導加熱温度をアルミ管の加熱温度（５６０〜５８０℃）による温度管理とすることにより、銅管とアルミ管の共晶接合を適切に管理し、また、銅管の外径側のテーパ部と外嵌めされるアルミ管の内径側のテーパ部を嵌合させ、圧入速度２０ｍｍ/ｓ、押込み量１〜３ｍｍにて押込み加圧することにより、銅管とアルミ管の共晶反応が適切に行われ、銅管とアルミ管の接合面はボイドや共晶未反応部のない良好な共晶接合面が得られるとともに、銅管とアルミ管の接合部の端部全周に良好な共晶組織を有する共晶溶液の外フィレットが形成され、バラツキのない高強度、高気密性を有する銅管とアルミ管の接合方法として製造管理することができる。

図１は、本発明の実施の形態である冷媒回路装置が適用された自動販売機の内部構造を正面から見た場合を示す断面図である。 図２は、図１に示した自動販売機の内部構造を示すものであり右側の商品収容庫を示す断面側面図である。 図３は、本発明の実施の形態である冷却・加熱装置の冷凍回路図である。 図４は、本発明の実施の形態である接続パイプ（銅管）とヘッダー部（アルミ管）を示す庫内熱交換器の外観斜視図である。 図５は、本発明の実施の形態である接続パイプ（銅管）とヘッダー部（アルミ管）の接合部の断面寸法図であり、図５（ａ）は、本発明の熱交換器の接続パイプ（銅管）、図５（ｂ）はヘッダー部（アルミ管）５０の断面寸法図である。 図６は、本発明に係るヘッダー部（アルミ管）５０と、銅管の接続パイプ（銅管）５１の共晶接合過程および共晶接合状態を示す断面図、及びその外観写真であり、図６（ａ）は、本発明の熱交換器の接続パイプ（銅管）とヘッダー部（アルミ管）との嵌合過程状態図、図６（ｂ）は接続パイプ（銅管）とヘッダー部（アルミ管）の共晶接合状態図、図６（ｃ）は共晶接合された接続パイプ（銅管）とヘッダー部（アルミ管）の外観写真図である。 図７は、本発明の実施の形態である接合条件において、接続パイプ（銅管）とヘッダー部（アルミ管）の各テーパ角における接合時の押込み荷重を示す実験値をグラフ化した図である。 図８は、従来のアルミ管と銅管の接合方法を示す図である。

以下に添付図面を適宜参照しながら、本発明に係る熱交換器の銅管とアルミ管の接合体とその接合方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態である熱交換器の銅管とアルミ管の接合体が適用された自動販売機の内部構造を正面から見た場合を示す断面図である。ここで例示する自動販売機は、本体キャビネット１を備えている。

本体キャビネット１は、前面が開口した直方状の形態を成すものである。この本体キャビネット１には、その内部に例えば２つの断熱仕切板２によって仕切られた３つの独立した商品収容庫３が左右に並んだ態様で設けてある。この商品収容庫３は、缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を所望の温度に維持した状態で収容するためのもので、断熱構造を有している。

図２は、図１に示した自動販売機の内部構造を示すものであり、右側の商品収容庫３ａを示す断面側面図である。尚、本実施の形態では右側の商品収容庫（以下、適宜右庫とも称する）３ａの内部構造について示すが、中央の商品収容庫（以下、適宜中庫とも称する）３ｂ及び左側の商品収容庫（以下、適宜左庫とも称する）３ｃの内部構造も右庫３ａと同一の構成である。尚、本明細書における右側とは、自動販売機を正面から見た場合の右方を示し、左側とは、自動販売機を正面から見た場合の左方を示す。

かかる図２に示すように、本体キャビネット１の前面には、外扉４及び内扉５が設けてある。外扉４は、本体キャビネット１の前面開口を開閉するためのものであり、内扉５は、商品収容庫３の前面を開閉するためのものである。この内扉５は、上下に分割してあり、上側の内扉５ａは商品を補充する際に開閉するものである。

上記商品収容庫３ａには、商品収納ラック６、搬出機構７及び搬出シュータ８が設けてある。商品収納ラック６は、商品を上下方向に沿って並ぶ態様で収納するためのものである。搬出機構７は、商品収納ラック６の下部に設けてあり、この商品収納ラック６に収納された商品群の最下位にある商品を１つずつ搬出するためのものである。搬出シュータ８は、搬出機構７から搬出された商品を外扉４に設けられた商品取出口４ａに導くためのものである。

図３は、本発明の実施の形態である冷却・加熱装置を示す冷凍回路図である。ここで例示する冷却・加熱装置は、内部に二酸化炭素を冷媒として封入した冷媒回路１０を有しており、この冷媒回路１０は、主経路２０、高圧冷媒導入配管３０及び戻配管３２を備えて構成してある。

主経路２０は、圧縮機２１、庫外熱交換器２２及び庫内熱交換器２４を冷媒配管２５にて順次接続して構成してある。

圧縮機２１は、図２にも示すように機械室９に配設してある。機械室９は、本体キャビネット１の内部であって商品収容庫３と区画され、かつ商品収容庫３の下方側の室である。この圧縮機２１は、吸引口を通じて冷媒を吸引し、吸引した冷媒を圧縮して高温高圧の状態（高圧冷媒）にして吐出口より吐出するものである。なお、冷却運転においては、三方弁４０を庫外熱交換器２２側に冷媒を送出状態として、電磁弁２８（右室は２８１）を開放して膨張機構２３で断熱膨張して庫内熱交換器２４（右室は２４ａ）を冷却する。また、ヒートポンプ運転においては三方弁４０の冷媒流路を切換制御し、加熱用熱交換器２６に高温高圧冷媒を流すことにより冷凍回路システムを構成する。

Ｆ１は庫内送風ファン、Ｆ２は庫外送風ファンで、庫内の循環空気用と外気通風用であり、Ｆ１により循環した空気は商品収納ラック６の商品を通過してダクトＤに戻り、庫内熱交換器２４または加熱用熱交換器２６と熱交換して、商品を冷却または加熱する。

図４は、本発明に係る本発明の実施の形態である接続パイプ（銅管）とヘッダー部（アルミ管）を示す庫内熱交換器２４の外観斜視図であり、本発明に係る自動販売機においては３つの商品収容庫に各１つ配設してある。この庫内熱交換器２４の熱交換部のフィン２４１と冷媒通路管２４２およびヘッダ５０はコスト、軽量、性能等を勘案してアルミニウムで形成している。一方冷媒配管２５との接続パイプ５１は銅で形成している。前述のようにヒートポンプ冷媒回路は高温高圧の冷媒が通過するために、特にこの接続パイプ（銅管）とヘッダー部（アルミ管）の接合は高強度、高気密性が要求される。そこで銅とアルミニウムの接合について、以下でより詳しく説明する。

図５は、本発明の実施の形態である接続パイプ（銅管）５１とヘッダー部（アルミ管）５０の接合部の断面寸法図である。図５（ａ）に示す接続パイプ（銅管）５１はその端部において、先端に向かつて太くなる拡管部と先端に向かって細くなる先細り状のテーパ部５１ａを有している。この接合部の断面寸法図からもわかる通り、図５（ａ）に示す接続パイプ（銅管）５１の外径テーパ角と図５（ｂ）に示すヘッダー部（アルミ管）５０の内径側テーパ角は同一（本実施の形態においてはテーパ角８°）であり、接続パイプ（銅管）５１の先細り状のテーパ部５１ａの長さは９ｍｍ、ヘッダー部（アルミ管）５０の内径側のテーパ部５０ａの長さは４ｍｍとしている。

接続パイプ（銅管）５１のテーパ部はヘッダー部（アルミ管）５０との接合時に十分な機械的強度を得るための共晶接合面積を得るとともに、接続パイプ（銅管）５１、ヘッダー部（アルミ管）５０の接合時に十分な共晶反応を生じさせるため、両管の摩擦による管表面にある酸化膜を除去できるテーパ角が必要であり、テーパ角は６〜１０°が好ましく、最適なテーパ角は６〜８°である。また、接続パイプ（銅管）５１とヘッダー部（アルミ管）５０の接合部は十分な機械的強度、高気密性が得られる接合部の長さが必要であり、接合部であるテーパ部長さは３ｍｍ以上が好ましい。

そして、接続パイプ（銅管）５１とヘッダー部（アルミ管）５０の接合部を高周波誘導加熱により、ヘッダー部（アルミ管）５０を５６０℃〜５８０℃の範囲内で加熱し、接続パイプ（銅管）５１をヘッダー部（アルミ管）５０に嵌合させたのち、さらに圧入速度２０ｍｍ/ｓ、押込み量１〜３ｍｍの押込み荷重を加える。これにより、接続パイプ（銅管）５１とヘッダー部（アルミ管）５０との接合面は摩擦が発生し、接合面が切削され、接続パイプ（銅管）５１の先端の先細り状のテーパ部５１ａの表面に酸化膜除去のために塗布されていたフラックスが除去され、接合時に不活性ガス（例えば窒素）をパージして酸素濃度を１％以下として共晶接合面の酸化膜成長を抑制し、また、接続パイプ（銅管）５１とヘッダー部（アルミ管）５０の接合面は同一のテーパ角のテーパ面で形成されていることから、接続パイプ（銅管）５１とヘッダー部（アルミ管）５０のテーパ部５０ａは均一な面接触をしながら、ボイドや共晶未反応部のない良好な共晶接合面が形成される。

図６は本発明に係るヘッダー部（アルミ管）５０と、銅管の接続パイプ（銅管）５１の共晶接合過程および共晶接合状態を示す断面図、及びその外観写真である。

図６（ａ）に示すように、接続パイプ（銅管）５１は、ヘッダー部（アルミ管）５０を外嵌め嵌合させ、接続パイプ（銅管）５１の外径側テーパ面とヘッダー部（アルミ管）５０の内径側テーパ面を面接触させた後、上述した共晶接合条件下で押込み荷重を加えることにより、図６（ｂ）のように接続パイプ（銅管）５１はアルミ管のヘッダ５０の内側へ入り込み、ボイドや共晶未反応部の無い良好な共晶接合面が得られる。また、接続パイプ５１銅管に塗布したフラックスと、接合面への不活性ガス（例えば窒素）パージにより共晶接合面の酸化膜成長が抑制され、共晶接合により溶融した共晶溶液が外フィレット５２として銅管の接続パイプ（銅管）５１とヘッダー部（アルミ管）５０の接合端部全周に形成されるため、高強度、高気密性を有する接続パイプ（銅管）５１とヘッダー部（アルミ管）５０の共晶接合体を得ることができる。ここで、図６（ｃ）は図６（ｂ）の実際の共晶接合状態を示す外観写真図である。

図７は接続パイプ（銅管）とヘッダー部（アルミ管）の各テーパ角における接合時の押込み荷重を示す実験データをグラフ化した図である。縦軸の荷重（ｋｇｆ）は押込み荷重であり、量産性を考慮して既存設備の加圧能力５０ｋｇｆ以下を基準としている。

また、図７に示す実験データは、ヘッダー部（アルミ管）の加熱温度５６０〜５８０℃、接続パイプ（銅管）のヘッダー部（アルミ管）への嵌合後の押込み時の圧入速度２０ｍｍ/ｓ、接続パイプ（銅管）の押込み量２ｍｍの接合条件での実験データの平均値を示すグラフである。

この実験データのグラフ（図７）からわかる通り、例えば図８に示すような従来の共晶接合（アルミ管の拡管による接合）では押込み荷重は５０ｋｇｆを超えているが、接続パイプ（銅管）５１、ヘッダー部（アルミ管）５０のテーパ角が、６°、７°、８°の時はいずれも押込み荷重は５０ｋｇｆ以下の実験結果となっている。

そして、上述した共晶接合条件、同一テーパ角における接続パイプ（銅管）５１とヘッダー部（アルミ管）５０の共晶接合を行った結果、接続パイプ（銅管）５１とヘッダー部（アルミ管）５０の接合部は共晶反応が十分に行われ、ボイドや共晶未反応部のない良好な共晶接合面と、接合端部全周に共晶融液を有する外フィレット５２が形成され、適切な共晶接合が行われていることが、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による分析結果で確認している。

以上説明したように、本発明の銅管とアルミ管接合体において、銅管の外径側テーパ角と、外嵌めされるアルミ管内径側のテーパ角を同一で形成することにより、加熱加圧する共晶接合時、銅管とアルミ管の接合面は、従来のアルミ管拡管による線接触接合に対し、均一な面接触が可能となり、銅とアルミの異種金属同士の共晶接合を良好に行うことができる。また、従来のようにアルミ管を拡管させながら共晶接合させるよりも銅管の押込み荷重を低減でき、製造設備も安価となる。さらに高圧冷媒（例えばＣＯ２冷媒）使用時に、配管強度確保のために配管の厚肉化が必要な場合であっても、共晶接合時の押込み荷重が低減できるため、汎用の製造設備での共晶接合が可能となり、低コストで銅管とアルミ管の共晶接合体を提供できる。

また、銅管とアルミ管の接合部の加熱を高周波誘導加熱で行ない、アルミ管の温度、銅管の圧入速度と押込み量を製造管理することで、バラツキのない高強度、高気密性を有する銅管とアルミ管の接合方法を提供することができる。

１ 本体キャビネット
２ 断熱仕切板
３ 商品収容庫
４ 外扉
５ 内扉
６ 商品収納ラック
７ 搬出機構
８ 搬出シュータ
９ 機械室
１０ 冷媒回路
２０ 主経路
２１ 圧縮機
２２ 庫外熱交換器
２３ 膨張機構
２４（２４ａ） 庫内熱交換器（右室用）
２４１ フィン
２４２ 冷媒通路管
２５ 冷媒配管
２６ 加熱用熱交換器
２８（２８１） 電磁弁（右室用）
３０ 高圧冷媒導入配管
３２ 戻配管
４０ 三方弁
５０ ヘッダー部（アルミ管）
５０（ａ） テーパ部（テーパ面）
５１ 接続パイプ（銅管）
５１（ａ） テーパ部（テーパ面）
５２ 外フィレット
Ｆ１ 庫内送風ファン
Ｆ２ 庫外送風ファン
Ｄ ダクト

Claims (4)

1. 銅管にアルミ管が外嵌めされ、銅管とアルミ管の両管の接合部が加熱によって共晶反応を生じさせて共晶接合させる銅管とアルミ管の接合体において、
   前記銅管の外径側は先細り形状のテーパ部を有し、前記銅管の外径側に外嵌めされるアルミ管の内径側は、銅管の外径側のテーパ部と同一のテーパ部を有し、銅管の外径側のテーパ部のテーパ角と、アルミ管の内径側のテーパ部のテーパ角は同一のテーパ角であることを特徴とする熱交換器の銅管とアルミ管の接合体。
2. 前記銅管の外径側のテーパ部のテーパ角と、前記アルミ管の内径側のテーパ部のテーパ角を６〜８°で形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の銅管とアルミ管の接合体。
3. 銅管にアルミ管が外嵌めされ、前記銅管と前記アルミ管の両管の接合部を加熱によって共晶反応を生じさせて共晶接合させる銅管とアルミ管の接合方法において、
   前記銅管の外径側は先細り形状のテーパ部を有し、前記銅管の外径側に外嵌めされる前記アルミ管の内径側は、前記銅管の外径側のテーパ部と同一のテーパ部を有し、前記銅管の外径側のテーパ部のテーパ角と、前記アルミ管の内径側のテーパ部のテーパ角は同一のテーパ角であり、前記接合部を加熱する加熱手段は高周波誘導加熱であり、当該高周波誘導加熱によるアルミ管の加熱温度を５６０〜５８０℃としたことを特徴とする熱交換器の銅管とアルミ管の接合方法。
4. 前記銅管の外径側のテーパ部と前記アルミ管の内径側のテーパ部を嵌合させた後に、押込み時の圧入速度２０ｍｍ/ｓ、押込み量１〜３ｍｍの範囲で共晶接合させることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器の銅管とアルミ管の接合方法。

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