JP2020067092A - 配管の接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】受口部と挿口部との周面間が溶接材によって溶接された異種金属からなる管体同士の密封性能を安定させた配管の接続構造を提供する。【解決手段】金属材からなる一方の管体１２の受口部１３と、一方の管体１２とは異種の金属材からなる他方の管体１０の挿口部１０ａとの周面間が溶接材によって溶接された継手部を備えた配管の接続構造であって、一方の管体１２は、受口部１３の外周側に該管体１２の周方向に亘り肉厚が切り欠かれた外周切欠部１７を少なくとも有する。【選択図】図３

Description

本発明は、冷媒等を密封状態で移送若しくは循環させるための配管の接続構造に関する。

従来、冷凍装置や空調装置等を構成する冷媒循環用の配管として、例えば耐食性の高い鋼管や熱伝導率の高い銅管などを適用する場合が多く、異種金属材であるこれら鋼管と銅管との端部同士をロウ付け等の溶接材によって密封状に接続することで、冷媒配管を構成するものがある。

このようにロウ付け等で溶接される管体同士の接続部について詳述すると、一方の管体の端部である受口部内に、他方の管体の挿口部を所定長さ挿入し、この受口部を予め加熱して、これら受口部と挿口部との周面間に、これらの管体よりも融点の低い溶接材を加熱して溶融させながら流し込むことで、管体の端部同士を一体的に接合するものがある（例えば、特許文献１参照）。

実開昭６０−３７６８８号公報（第１頁、第２図）

しかしながら、特許文献１にあっては、受口部の口径に応じた管径方向の肉厚寸法が当該管体の規格または公差によって一律でないため、溶接材を溶融状態にするために高温に加熱され入熱される受口部の熱容量にバラつきが生じ、この受口部と挿口部との周面間に流し込まれる溶接材の加熱温度や溶接時間が安定せずに、例えば受口部の加熱が十分にされなかったり、あるいは許容量を超えた過熱により管体の熱変形が発生したりして、溶接部の密封性能を維持できず冷媒漏洩の虞が生じるという問題がある。特に冷媒配管において、銅管を使用する場合、汎用性の高い鋼管等の一般鋼材と比較して、口径に応じた肉厚の種類が密でないことから、受口部の熱容量のバラつきが大きく、上記した溶接部の品質上の問題が発生し易かった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、受口部と挿口部との周面間が溶接材によって溶接された異種金属からなる管体同士の密封性能を安定させた配管の接続構造を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の配管の接続構造は、
金属材からなる一方の管体の受口部と、前記一方の管体とは異種の金属材からなる他方の管体の挿口部との周面間が溶接材によって溶接された継手部を備えた配管の接続構造であって、
前記一方の管体は、前記受口部の外周側に該管体の周方向に亘り肉厚が切り欠かれた外周切欠部を少なくとも有することを特徴としている。
この特徴によれば、受口部の肉厚寸法を外周切欠部によって調整することで、ガスバーナー等の加熱手段により加熱した受口部と挿口部との間に溶接材を溶融させながら流し込み溶接する際に、この加熱手段により入熱した受口部に伝わる熱伝導の態様を所望に設定することができるため、継手部における密封性能を安定させることができる。

前記一方の管体は、前記受口部の内周側に該管体の周方向に亘り肉厚が切り欠かれ、前記挿口部の先端が係合される内周切欠部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、受口部内に挿入される挿口部の先端が内周切欠部に係合することで、受口部に対する挿口部の挿入長さを、設計通りに正確に設定できる。

前記内周切欠部と前記外周切欠部とは、前記受口部の管端から管軸方向に略同じ位置まで延設されていることを特徴としている。
この特徴によれば、外周切欠部が、挿口部と溶接材によって溶接される部位である内周切欠部への入熱を、管軸方向に差熱を生じることなく伝達することができる。

前記受口部は、前記内周切欠部と前記外周切欠部とにより全周に亘り略均一な肉厚に形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、一方の管体の周方向に亘り熱伝導の態様を一律にすることができる。

前記内周切欠部と、該内周切欠部に隣接する前記一方の管体の本管部の内周面とに架けて、段差部が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、受口部内に挿入した挿口部の先端を内周切欠部の段差部に当接させることで、溶接の領域となる受口部及び挿口部の対向する周面間の領域を容易に設定することができる。

前記外周切欠部と、該外周切欠部に隣接する前記一方の管体の本管部の外周面とに架けて、管軸方向にテーパ面が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、外周切欠部から管軸方向に生じる熱勾配を滑らかにすることができる。

前記一方の管体の前記受口部と反対側の他端部は、該一方の管体と同種の金属材からなる別の管体と溶接されていることを特徴としている。
この特徴によれば、同種金属からなる管体同士の溶接の際に、一方の管体に入熱した熱エネルギが、一律の肉厚を有する受口部に均等に分散されるため、この受口部の溶接材の溶融を防止し、高い密封状態を維持することができる。

実施例１における配管の接続構造が適用された冷媒循環サイクルを示す図である。 （ａ）は銅管、鋼管継手及び鋼管を配置した接続前の状態を示す図であり、（ｂ）は銅管と鋼管継手とをロウ付け溶接した状態を示す図である。 鋼管継手と鋼管とを溶接した状態を示す図である。 （ａ）は肉厚の大きい鋼管継手を示す図であり、（ｂ）は肉厚の小さい鋼管継手を示す図である。

本発明に係る配管の接続構造を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る配管の接続構造及び接続方法につき、図１から図４を参照して説明する。先ず図１の符号１は、本発明の配管に接続構造が適用された冷媒循環サイクルである。

図１に示されるように、冷凍装置あるいは空調装置等として適用される冷媒循環サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２から順に、凝縮器３、受液器４、膨張弁５、蒸発器６及び付帯する圧力ゲージ７等の各機器が、配管部材８を介して連通状態で接続されており、これら機器内及び配管部材８内に冷媒が循環するように構成されている。

圧縮機２や凝縮器３、蒸発器６等の各機器には、冷媒を機内に導入若しくは機外に導出するための開口部９が設けられ、またこれら機器の開口部９には、この冷媒を機器間で移送するための配管部材８が密封状に接続されている。また配管部材８は、隣接した端部同士を互いに密封状に接続した複数の管体から構成されている。このような開口部９及び配管部材８に適用される金属材料としては、耐食性の高い鋼材や熱伝導率の高い銅材など、その金属の属性や機能又はコストを考慮して適宜選択された複数種類の金属材が適用される場合が多い。

これらの異種金属材の配管部材同士の接続構造について説明する。図２，３に示されるように、熱交換器や圧縮機等の各機器間に介設される配管部材として、主たる配管部が銅製の銅管１０と、主たる金属材料が鋼製の鋼管１１とを密封状に繋げる場合、これら異種金属材同士の接続作業を簡便に行うために、銅管１０と鋼管１１との間に短管状に形成された鋼製の鋼管継手１２を介設する。すなわち本発明の一方の管体として銅管１０、他方の管体として鋼管継手１２、及び別の管体として鋼管１１が構成されている。

より詳しくは、例えば銅管１０の端部である挿口部１０ａと、鋼管継手１２の一方の端部である受口部１３とを後述するロウ付け溶接により接続する工程を経て、鋼管継手１２の他端部１５と鋼管１１の端部１１ａとを溶接する工程によって、銅管１０と鋼管１１とを鋼管継手１２を介し繋げる。このように鋼管継手１２は、銅管１０と鋼管１１とを繋ぐ取扱いを簡便にするために介設されるものであることから、鋼管継手１２自体は短管の直管であることが好ましい。

なお、本願において異種金属材とは、互いに接続される各配管部材を構成する主たる金属同士が異種であることを意味するものであり、例えば一方の金属材が、他方の金属材を構成する主たる金属を微量に含むものであってもよい。また、これら銅管１０、鋼管１１若しくは鋼管継手１２の外面又は内面に、防錆、防食、防汚等を目的とした被覆材が吹付けや塗布、貼付によって被膜されていてもよい。

次に、銅管１０は、管軸方向に直交する断面視で略円形状の直管であって、その管径に対し管軸方向に十分な延長を有しており、その端部が挿口部１０ａとして構成されている。また鋼管継手１２は、管軸方向に直交する断面視で略円形状の直管であって、その管径及び肉厚に後述のように相関する管軸方向に所定の延長寸法を有しており、その管軸方向の一端部である受口部１３、本管部１４、及び他端部１５から構成されている。受口部１３は、後述するように銅管１０の挿口部１０ａを管軸方向に所定長さ受容れ可能に切欠き形成されている。また鋼管継手１２の受口部１３よりも管軸方向の中央側である本管部１４は、受口部１３の内径よりも小径で、且つ銅管１０の外径よりも小径の内径を有している。

次に、鋼管継手１２の一端部である受口部１３について説明する。図２（ａ）に示されるように、鋼管継手１２の受口部１３は、その内周側に全周に亘り切り欠き形状の内周切欠部１６を有するとともに、外周側にも全周に亘り切り欠き形状の外周切欠部１７を有する。受口部１３の内周切欠部１６は、受口部１３の先端面１３ａから面取部１６ｂを介し管軸方向に所定長さ切削加工され、その奥端面１６ａを介し本管部１４の内周面に連なる。内周切欠部１６の奥端面１６ａは、管軸方向に略直交する方向に延びており、銅管１０の挿口部１０ａの先端面１０ｂが当接する段差部として機能する。

また受口部１３の外周切欠部１７は、受口部１３の先端面１３ａから管軸方向に所定長さ切削加工され、管軸方向に本管部１４に向けて漸次拡径されるテーパ面１７ａを介し本管部１４の外周面に連なる。内周切欠部１６の終点である奥端面１６ａと、外周切欠部１７のテーパ面１７ａの終点である最外径部とは、管軸方向に同じ位置に形成されている。また、内周切欠部１６と外周切欠部１７とにより、受口部１３の径方向の肉厚寸法（ｔ）は、管軸方向及び周方向に一律の寸法に形成されており、本実施例では２ｍｍに形成されている。

なお、この冷媒循環サイクル１の管路には、この形状仕様の鋼管継手１２のみならず、鋼管継手１２とは本管部の肉厚が異なり、且つ受口部の肉厚が同じく形成された、別の形状仕様の鋼管継手が複数種類設けられている。より詳しくは、図４（ａ）に示される鋼管継手２２は、鋼管継手１２よりも本管部２４の肉厚寸法が大きいが、これに応じて大きく切り欠かれた外周切欠部２７、及びこの外周切欠部２７から本管部２４の外周面に向けて広いテーパ面２７ａを有しており、鋼管継手２２の受口部２３の肉厚寸法（ｔ１）は、鋼管継手１２と同じく２ｍｍに形成される。また図４（ｂ）に示される鋼管継手３２は、鋼管継手１２よりも本管部３４の肉厚が２ｍｍを僅かに超える寸法であるため、鋼管継手３２の受口部３３は内周切欠部３６のみを有し、外周切欠部は有さず本管部３４の外周面と面一に形成されており、鋼管継手３２の受口部３３の肉厚寸法（ｔ２）は、鋼管継手１２と同じく２ｍｍに形成される。

更に、鋼管継手１２の他端部１５について説明すると、この他端部１５は、管軸方向に略直交する方向に延びる端面１５ａと、この端面１５ａから本管部１４の外周面に向けて漸次拡径されるテーパ面１５ｂとから構成されている。

次に、上記したこれら銅管１０、鋼管継手１２及び鋼管１１を接続する工程について順に説明する。先ず図２（ｂ）に示されるように、銅管１０の先端部である挿口部１０ａと鋼管継手１２の受口部１３とをロウ付け溶接により接続する工程を行い、この後、図３に示されるように、鋼管継手１２の他端部１５と鋼管１１の端部１１ａとを溶接により接続する工程を行う。

先ず図２（ａ）に示されるように、銅管１０の挿口部１０ａを鋼管継手１２の受口部１３に対し管軸方向に挿入する。このとき挿口部１０ａは、その先端面１０ｂが受口部１３の内周切欠部１６の奥端面１６ａに当接することで、挿入延長を過不足なく容易に設定することができる。この挿入状態で、鋼管継手１２の受口部１３を例えば図示しないガスバーナー等の加熱手段により加熱するとともに、挿口部１０ａの外周面と受口部１３の内周面との間に形成される僅かな隙間に、加熱した受口部１３との接触により漸次溶融状態となったロウ材Ｖを管軸方向に流し込む。このロウ材Ｖは、銅材のロウ付けに適した材料（例えばりん銅ロウ等）からなり、銅の融点及び鋼の融点よりも低い融点を有することから、上記した加熱手段により、ロウ材Ｖの融点よりも高い温度であって、且つ母材である銅管１０や鋼管継手１２の融点よりも低い温度に加熱することで、母材である銅管１０や鋼管継手１２が溶融する虞はなく、ロウ材Ｖのみを溶融状態とすることができる。

ただし、少なくともロウ材Ｖの融点を超える高熱に加熱された受口部１３の外周面等を受熱面として、鋼管継手１２の管体に入熱がされ、この熱エネルギは管軸方向に鋼管継手１２の他端部１５側に向けて伝導される。

このとき上記したように、受口部１３の径方向の肉厚寸法（ｔ）は、管軸方向及び周方向の略全面に亘り一律の寸法に形成されているため、受口部１３の外周面等を受熱面として鋼管継手１２に入熱された熱エネルギの伝導の態様を一律にすることができる。よって鋼管継手１２の他端部１５が周方向に局所的な熱変形を生じることなく、後の工程で行われる鋼管継手１２の他端部１５と鋼管１１との溶接の密封性を高く維持することができる。

次に、図３に示されるように、上記したように受口部１３が銅管１０に対しロウ付け溶接された鋼管継手１２の他端部１５と、鋼管１１の端部１１ａとを、これらに共通する母材である鋼材を溶融させるアーク溶接等の溶接により接続する。ここで用いられるアーク材Ｗは、鋼管継手１２の他端部１５のテーパ面１５ｂと、このテーパ面１５ｂに対向する鋼管１１の端部１１ａのテーパ面１１ｂとの間に加熱状態で生成される。この溶接は、同種金属である鋼材同士の溶接であることから、この鋼管継手１２の他端部１５を受熱面として、上記したロウ付け溶接よりも高い温度であって母材である鋼材の融点を超えた高温のアークの熱エネルギが鋼管継手１２の管体に入熱され、この高温の熱エネルギは管軸方向に受口部１３側に向けて伝導される。

このとき上記したように、受口部１３の径方向の肉厚寸法（ｔ）は、管軸方向及び周方向の略全面に亘り一律の寸法に形成されているため、鋼管継手１２に入熱された熱エネルギの受口部１３に対する伝導の態様を一律にすることができる。よって既にロウ付けされ自然温度となったロウ材Ｖが局所的な熱変形を生じることなく、受口部１３におけるロウ付け溶接の密封性を高く維持することができる。

特に上記したようにロウ材Ｖは融点が比較的低く、鋼管継手１２の他端部１５における同種金属である鋼材同士の溶接の際に発生する高い熱エネルギによって、既にロウ付けされたロウ材Ｖが再び溶融する虞を生じるが、当該熱エネルギが受口部１３の略全面に均一に分散されるため、ロウ付け後のロウ材Ｖの再溶融を防止することができる。

また、本実施例の鋼管継手１２は、以下の数式を満たす管軸方向の延長寸法（Ｌ）を有することが望ましい。

（数１）
鋼管継手１２の管軸方向の延長寸法（Ｌ）≧本管部１４の外径寸法（Ｄ）÷本管部１４の肉厚寸法（Ｔ）^２×５０

このように鋼管継手１２が延長寸法（Ｌ）を有することで、鋼管継手１２の管体全体の熱容量を確保できるため、その受口部１３と他端部１５との両端に架けて伝導される熱エネルギを、これら受口部１３と他端部１５との間に架設される所定長の本管部１４にて十分に吸収することができる。

以上説明したように、本発明の配管の接続構造は、鋼材からなる鋼管継手１２（一方の管体）の受口部１３と、鋼管継手１２とは異種の金属材である銅材からなる銅管１０（他方の管体）の挿口部１０ａとの周面間がロウ材Ｖ（溶接材）によって溶接された継手部を備え、鋼管継手１２は、受口部１３の外周側に鋼管継手１２の周方向に亘り肉厚が切り欠かれた外周切欠部１７を少なくとも有しており、このように受口部１３の肉厚寸法を外周切欠部１７によって調整することで、ガスバーナー等の加熱手段により加熱した受口部１３と挿口部１０ａとの間にロウ材Ｖを溶融させながら流し込み溶接する際に、この加熱手段により入熱した受口部１３に伝わる熱伝導の態様を所望に設定することができるため、継手部における密封性能を安定させることができる。

また、鋼管継手１２は、受口部１３の内周側に周方向に亘り肉厚が切り欠かれ、銅管１０の挿口部１０ａの先端が係合される内周切欠部１６を有しており、このように受口部１３内に挿入される挿口部１０ａの先端が内周切欠部１６に係合することで、受口部１３に対する挿口部１０ａの挿入長さを、設計通りに正確に設定できる。

また、鋼管継手１２の内周切欠部１６と外周切欠部１７とは、受口部１３の管端から管軸方向に略同じ位置まで延設されており、このようにすることで、外周切欠部１７が、挿口部１０ａとロウ材Ｖによって溶接される部位である内周切欠部１６への入熱を、管軸方向に差熱を生じることなく伝達することができる。

更に、受口部１３は、内周切欠部１６と外周切欠部１７とにより全周に亘り略均一な肉厚に形成されており、このようにすることで、鋼管継手１２の周方向に亘り熱伝導の態様を一律にすることができる。

また、内周切欠部１６と、この内周切欠部１６に隣接する本管部１４の内周面とに架けて、奥端面１６ａ（段差部）が形成されており、受口部１３内に挿入した挿口部１０ａの先端を内周切欠部１６の奥端面１６ａに当接させることで、溶接の領域となる受口部１３及び挿口部１０ａの対向する周面間の領域を容易に設定することができる。

また、外周切欠部１７と、この外周切欠部１７に隣接する本管部１４の外周面とに架けて、管軸方向にテーパ面１７ａが形成されており、このようにすることで、外周切欠部１７から管軸方向に生じる熱勾配を滑らかにすることができる。

更に、鋼管継手１２の受口部１３と反対側の他端部１５は、この鋼管継手１２と同種の金属材からなる鋼管１１（別の管体）と溶接されており、このようにすることで、同種金属からなる鋼管継手１２及び鋼管１１同士の溶接の際に、鋼管継手１２に入熱した熱エネルギが、管軸方向に伝導され一律の肉厚を有する受口部１３に均等に分散されるため、この受口部１３のロウ材Ｖの溶融を防止し、高い密封状態を維持することができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、異種金属材からなる配管として、銅管１０及び短管状の鋼管継手１２との接続構造が説明されたが、これに限らず例えば、鋼管及び短管状の銅管継手であってもよいし、本実施例とは異なる別の金属素材からなる管同士の接続構造であってもよい。

また例えば、前記実施例では、異種金属である銅管１０と鋼管継手１２の受口部１３とをロウ付け溶接する工程の後、同種金属である鋼管継手１２の他端部１５と鋼管１１とを溶接したが、これに限らず例えば、同種金属の管継手の一端部と管とを溶接する工程の後、当該管継手の他端部と異種金属からなる管とをロウ付け等により溶接してもよい。

また例えば、前記実施例では、異種金属の管である銅管１０と鋼管継手１２とを、ロウ付け溶接によって密封状に接合したが、ロウ付け溶接に限らず、種々の溶接材を用いて溶接するものであってもよい。更に前記実施例では、同種金属の管である鋼管継手１２と鋼管１１とを、アーク溶接によって密封状に接合したが、アーク溶接に限らず、種々の溶接材を用いて溶接するものであっても構わない。

１ 冷媒循環サイクル
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 蒸発器
８ 配管部材
９ 開口部
１０ 銅管（他方の管体）
１０ａ 挿口部
１１ 鋼管（別の管体）
１１ａ 端部
１２ 鋼管継手（一方の管体）
１３ 受口部
１４ 本管部
１５ 他端部
１６ 内周切欠部
１６ａ 奥端面（段差部）
１７ 外周切欠部
１７ａ テーパ面
２２ 鋼管継手
２３ 受口部
２４ 本管部
３２ 鋼管継手
３３ 受口部
３４ 本管部
３６ 内周切欠部
Ｖ ロウ材（溶接材）
Ｗ アーク材

Claims (7)

1. 金属材からなる一方の管体の受口部と、前記一方の管体とは異種の金属材からなる他方の管体の挿口部との周面間が溶接材によって溶接された継手部を備えた配管の接続構造であって、
   前記一方の管体は、前記受口部の外周側に該管体の周方向に亘り肉厚が切り欠かれた外周切欠部を少なくとも有することを特徴とする配管の接続構造。
2. 前記一方の管体は、前記受口部の内周側に該管体の周方向に亘り肉厚が切り欠かれ、前記挿口部の先端が係合される内周切欠部を有することを特徴とする請求項１に記載の配管の接続構造。
3. 前記内周切欠部と前記外周切欠部とは、前記受口部の管端から管軸方向に略同じ位置まで延設されていることを特徴とする請求項２に記載の配管の接続構造。
4. 前記受口部は、前記内周切欠部と前記外周切欠部とにより全周に亘り略均一な肉厚に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の配管の接続構造。
5. 前記内周切欠部と、該内周切欠部に隣接する前記一方の管体の本管部の内周面とに架けて、段差部が形成されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の配管の接続構造。
6. 前記外周切欠部と、該外周切欠部に隣接する前記一方の管体の本管部の外周面とに架けて、管軸方向にテーパ面が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の配管の接続構造。
7. 前記一方の管体の前記受口部と反対側の他端部は、該一方の管体と同種の金属材からなる別の管体と溶接されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の配管の接続構造。

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