JP5858805B2 - 異種金属管接合構造及び空調機器 - Google Patents

Description

本発明は、異種金属管同士の接合構造及び空調機器に関するものである。

従来より、空気調和機の冷媒回路に用いられる熱交換器には銅管を用いることが主流であったが、近年、銅価高騰対策として熱交換器にアルミニウム配管を使用している。冷媒回路において、熱交換器との接続配管が鉄製パイプの場合には、軽金属製パイプ（アルミニウム配管）と鉄製パイプとの異種金属同士の接合が必要となり、従来、アルミニウムパイプと鉄製パイプとの接合はノコロックロウ付けで行われている。しかし、ロウ材とアルミニウムパイプとの融点差が少ない（ロウ材融点：約６００℃、アルミニウム融点：６６０℃）こと、また、高い性能を実現するために熱交換器中のパスが複雑となることから、周辺部材に熱影響を与えずに高い信頼性を保った接合を確保することが困難である。このため、高い信頼性を保つ上で、ロウ付け作業者の負担が増大している現状がある。

そこで、近年では、異種金属同士の接合構造の開発が盛んであり、軽金属製パイプと鉄製パイプとの接合構造として、例えば「前記鉄製パイプの接合端部の基部側外面が平坦部で先端側外面に凹凸部を有するとともに、該鉄製パイプの外側に前記接合端部を覆うソケットが設けられてており、該ソケットに前記軽金属製パイプの接合端部が挿入され、該ソケットの内面と前記軽金属製パイプの接合端部の外面の隙間、及び前記鉄製パイプの接合端部の外面と前記軽金属製パイプの接合端部の内面の隙間（クリアランス）に、熱硬化性樹脂が介在した状態で前記鉄製パイプ及び軽金属製パイプの両接合端部を加締めにより接合」するようにした技術がある（特許文献１参照）。

特開２００５−３１５３８１号公報（請求項１）

しかしながら、特許文献１の接合構造では、鉄製パイプと軽金属製パイプとを加締めする必要があり、熱交換器内のパイプ構造が複雑な場合には、加締めを行う作業域を確保することが困難である。このため、狭い作業域内で無理に加締めを行おうとすると作業性が低下するという問題があった。また、鉄製パイプと軽金属製パイプとの間のクリアランスに熱硬化性樹脂を注入する工程の他に、更に加締め工程が必要であるため、作業工程数が多く、この面においても作業性が悪いという問題があった。

また、この種の異種金属管同士の接合においては、高い接合強度を確保することも重要課題とされており、更なる改良が求められている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、より簡易的で且つ高い信頼を確保して、作業性と信頼性を両立した軽金属製パイプと鉄製パイプとの異種金属管接合構造及び空調機器を提供することを目的とする。

本発明に係る異種金属管接合構造は、軽金属製パイプと鉄製パイプとの接合構造であって、軽金属製パイプ及び鉄製パイプのどちらか一方のパイプが、接合側の端部を拡径した拡管部を有し、他方のパイプの端部が拡管部に挿入された状態で、一方のパイプの拡管部と他方のパイプとの間のクリアランスにフィラー入り熱硬化性樹脂が充填されて両パイプが接合された構造を有し、一方のパイプの拡管部の内周には、内側に突出して他方のパイプの半径方向の位置決めを行う複数の位置決め凸部が形成され、複数の位置決め凸部により、クリアランスの半径方向の長さがフィラーのフィラー径の１．５倍〜３倍の間の所定倍数に設定されているものである。

本発明によれば、軽金属製パイプの内周に複数の位置決め凸部を設け、クリアランスの半径方向の長さを、フィラー径の１．５倍〜３倍の間の所定倍数に一様として必要な強度を確保することができるため、従来の加締め工程を省略可能であり、接合作業をより簡易化することができ、且つ信頼性の高い接合を得ることができる。

本発明に係る異種金属管接合構造が適用された代表的な空調機器の冷媒回路を示す図である。 図１の室内熱交換器の側面図である。 図１の室内熱交換器において本発明に係る異種金属管接合構造が適用された電磁弁とアルミニウム製パイプとの接合部分を示す図である。 図３のＡ部分（異種金属管接合構造部分）の拡大横断面図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 エポキシ樹脂接着剤を接着剤として用い、クリアランスを変化させた場合の、両パイプの重ね代に対するエポキシ樹脂接着剤の浸透率（％）を計測した結果を示す図である。 図６のクリアランスをフィラー径で除して一般化し、両パイプの重ね代に対する接着剤の浸透率（％）との関係を整理した図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る異種金属管接合構造が適用された代表的な空調機器の冷媒回路を示す図である。
図１に示す空調機器は、圧縮機１、マフラ２、四方弁３、室外熱交換器４、毛細管５、ストレーナ６、電子制御式膨張弁７、ストップバルブ８、室内熱交換器１３及び補助マフラ１４を順次接合して冷凍サイクルを構成している。室内熱交換器１３は、フィン＆チューブ形態の第１熱交換器９と第２熱交換器１０とを有し、第１熱交換器９と第２熱交換器１０との間に電磁弁１１と除湿弁１２とが並列に接合された構成を有している。そして、室内熱交換器１３では、室内熱交換器１３内に吸い込まれた室内空気が、第１熱交換器９、第２熱交換器１０の順に通過した後、室内に供給される流路が形成されている。

このように構成された空調機器において除湿運転を行う場合には、電子制御式膨張弁７及びストップバルブ８を全開、電磁弁１１を全閉とする。そして、圧縮機１で高温高圧に圧縮されたガス冷媒は、四方弁３を経由して室外熱交換器４で一部凝縮液化し、二相高圧高温冷媒のまま電子制御式膨張弁７を通り、室内熱交換器１３に入る。

電磁弁１１を閉にすると室内熱交換器１３に流入した高圧高温の二相冷媒は第２熱交換器１０で凝縮液化し、除湿弁１２で絞られて低圧低温の二相冷媒となり、第１熱交換器９で蒸発ガス化し、再び室外に循環し、四方弁３を通って圧縮機１に吸入される。

以上のように冷媒が循環するなか、室内熱交換器１３が設置された室内では、室内吹込空気が室内熱交換器１３に吸い込まれ、まず第１熱交換器９で除湿冷却される。そして、除湿冷却後の室内吹込空気は、その後、第２熱交換器１０で再加熱され、低湿度高温空気となって室内に吹き出される。すなわち、室内熱交換器１３の中に接合した電磁弁１１を閉じることによって、見かけ上、低温・高温の２つの熱交換器（第１熱交換器９及び第２熱交換器１０）を構成することができ、これによって取り込んだ空気を冷却した後に再熱することが可能となる。

本実施の形態では、室内熱交換器１３の中にある第１熱交換器９と第２熱交換器１０とを繋ぐ電磁弁１１の接合部分において、異種金属間接合部分を有している。以下、具体的に説明する。

図２は、図１の室内熱交換器の側面図である。図３は、図１の室内熱交換器において本発明に係る異種金属管接合構造が適用された電磁弁とアルミニウム製パイプとの接合部分を示す図である。図４は、図３のＡ部分（異種金属管接合構造部分）の拡大横断面図である。図５は、図４のＡ−Ａ断面図である。

図２に示すように、電磁弁１１と第１熱交換器９の間には配管を分配するためにアルミニウム製のディストリビュータ１５が接合されている。そして、ディストリビュータ１５からは軽金属製パイプとしてのアルミニウム製パイプ１７Ａが延びている。図３に示すように、電磁弁１１はステンレス鋼などで構成された２つの鉄製パイプ１６を有しており、一方の鉄製パイプ１６にアルミニウム製パイプ１７Ａが接合されている。また、他方の鉄製パイプ１６に、第２熱交換器１０から延びる軽金属製パイプとしてのアルミニウム製パイプ１７Ｂが接合されている。

ところで、上述したように室内熱交換器１３の配管として銅管が用いられていた場合には、空調機用熱交換器（室内熱交換器１３）内の電磁弁１１から出るパイプとして銅管が用いられていた。しかし、室内熱交換器１３において熱交換器部分のオールアルミニウム化により、電磁弁１１と接合するパイプがアルミニウム製へと変化したため、耐食の関係上、電磁弁１１から出るパイプはステンレス製とした。よって、電磁弁１１の鉄製パイプ１６と第１熱交換器９のアルミニウム製パイプ１７Ａとの接合部分、電磁弁１１の鉄製パイプ１６と第２熱交換器１０のアルミニウム製パイプ１７Ｂとの接合部分はそれぞれ、異種金属間接合となり、この部分に、本実施の形態の特徴的な異種金属間接合構造が採用されている。以下、詳細に説明する。なお、以下ではアルミニウム製パイプ１７Ａとアルミニウム製パイプ１７Ｂとを区別せず、総称してアルミニウム製パイプ１７と符号を付すことにする。

図４及び図５に示すように、アルミニウム製パイプ１７は、鉄製パイプ１６との接合側の端部を拡径した拡管部１７ａと、拡管部１７ａの先端にリフレア加工を施し、鉄製パイプと接する側とは反対側に折り曲げ成形されたリフレア部１７ｂとを有している。なお、リフレア加工とは塗布した接着剤やロウ材などを保持するために管に施す加工のことである。また、拡管部１７ａの内周には、拡管部１７ａの中心を通過する中心軸を中心とした同心円上に、内側に突出する高さが同一の複数の位置決め凸部１７ｃが形成されている。位置決め凸部１７ｃは、拡管部１７ａ内での鉄製パイプ１６の半径方向の位置決めを行うためのもので、拡管部１７ａの外周に対する溝加工により形成されている。

このように構成されたアルミニウム製パイプ１７の拡管部１７ａにステンレス製パイプ１６が差し込まれ、アルミニウム製パイプ１７とステンレス製パイプ１６との隙間（クリアランス）に、接合材（接着剤）としての熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂接着剤１８が充填されて、両パイプが接合されている。

ここでは、接合材（接着剤）として、下の表１に示した接着剤の選定リストより、熱硬化性であり加水分解に強いエポキシ樹脂接着剤を選定したが、その他の使用方法や使用環境に応じて選定すればよく、ポリイミド樹脂等でもかまわない。

使用するエポキシ樹脂接着剤は、塗布が簡易であるという理由から一液性が適していると思われるが、塗布方法などによっては二液性でもかまわない。

接合に必要な強度を保持するために、金属や無機物のフィラーをエポキシ樹脂接着剤に添加するが、その添加剤はアルミニウムを腐食させないよう、アルミニウムより卑な金属又はケイ素などの無機化合物とする。なお、フィラーとは、補強材及び粘度の調整材として樹脂に添加される充填剤のことである。ここでは、熱硬化性樹脂の粘度が１×１０⁵（ｍＰａ・s）以上となるようにしている。これは、接着剤が管内部へ流入することを防止し、内部異物による圧損によって性能低下するのを防ぐためである。

これらステンレス製パイプ１６とアルミニウム製パイプ１７とを接合するにあたっては、拡管部１７ａが上側となるようにアルミニウム製パイプ１７を配置し、その拡管部１７ａに向けてステンレス製パイプ１６を下方向に移動させて挿入する。そして、アルミニウム製パイプ１７のリフレア部１７ｂに注入器を用いてエポキシ樹脂接着剤１８を塗布する。塗布されたエポキシ樹脂接着剤１８は、自重でクリアランスに浸透する方向に流れて移動する。

このとき、エポキシ樹脂接着剤１８の流れ性を良好にするために、最低硬化温度の２０〜３０％程度の温度で、ステンレス製パイプ１６、アルミニウム製パイプ１７及び熱硬化性樹脂１８を予熱しておくと、より信頼性の高い接合を行うことができる。

そして、アルミニウム製パイプ１７のリフレア部１７ｂにエポキシ樹脂接着剤１８を塗布した状態で、指定温度に設定した炉で加熱することによって、エポキシ樹脂接着剤１８を硬化させる。

エポキシ樹脂接着剤１８にフィラーが添加されている場合、接合に必要な強度を確保するためには、クリアランス（アルミニウム製パイプ１７とステンレス製パイプ１６との間の隙間）とフィラー径との関係が重要となる。すなわち、クリアランスと比較してフィラー径が大きすぎるとクリアランス全体に接着剤が浸透せず、反対に小さすぎると流れ落ちる可能性がある。

ここで、エポキシ樹脂接着剤１８を接着剤として用い、クリアランスを変化させた場合の、両パイプの重ね代に対するエポキシ樹脂接着剤１８の浸透率（％）を計測した結果を図６に示す。図６のクリアランスとは、半径クリアランス（半径方向の長さ）Ｗ（図４参照）である。なお、今回使用したエポキシ樹脂接着剤１８はフィラー径が７０μｍ程度である。フィラー径よりも小さなクリアランスではフィラーが浸透しないので、クリアランスはフィラー径（６０μｍ〜７０μｍ程度）以上で検討した。

また、空気調和機内の配管（アルミニウム製パイプ１７）に使用されるパイプの外径は約５ｍｍ〜４０ｍｍ程度であり、この場合、ロウ付けに必要なクリアランスは、ロウ付け強度などを考慮すると最大２１０μｍである。よって、図６では、クリアランスの最大値を２１０μｍとした。また、ここでいう重ね代とは、アルミニウム製パイプ１７とステンレス製パイプ１６とが重なっている長さＬ（図４参照）のことであり、浸透率とは、重ね代に対するエポキシ樹脂接着剤１８の浸透長さのことである。重ね代の全てにエポキシ樹脂接着剤１８が浸透する、すなわち浸透率１００％にすることによって高い信頼性を保てる。

図６より、フィラー径が７０μｍ程度のエポキシ樹脂接着剤１８を用いる場合には、クリアランスが１００μｍ以上のとき、重ね代に対する浸透率が１００％となることが分かった。

図６は、フィラー径が７０μｍの場合のクリアランスと浸透率との関係であるが、クリアランスをフィラー径で除して一般化し、両パイプの重ね代に対する接着剤の浸透率（％）との関係を整理すると、図７に示すようになる。図７より、クリアランス／フィラー径が約１．５倍以上のときに重ね代に対する浸透率が１００％となることが分かった。また、上限値としては、クリアランスの最大値が上述したように２１０μｍであるため、７０μｍで除して「３」となる。

よって、エポキシ樹脂接着剤１８にフィラーが添加されている場合において、接合に必要な強度を確保するための最適なクリアランスとフィラー径との関係は、クリアランスをフィラー径の１．５倍以上、３倍以下とすればよいことが分かる。

本実施の形態では、ステンレス製パイプ１６をアルミニウム製パイプ１７に挿入した際に、アルミニウム製パイプ１７の拡管部１７ａに設けられた位置決め凸部１７ｃによって、アルミニウム製パイプ１７とステンレス製パイプ１６とのクリアランスを周方向に一定に保つことができる。このため、フィラー径の１．５倍〜３倍の間で設定した所定倍数のクリアランスが得られるように位置決め凸部１７ｃの高さを設定してアルミニウム製パイプ１７を形成すればよい。このように形成したアルミニウム製パイプ１７とフィラーが添加された熱硬化性樹脂とを用いてステンレス製パイプ１６との接合を行うことにより、信頼性の高い接合が可能となる。

本発明の効果を確認するために、実際にアルミニウム製パイプ１７とステンレス製パイプ１６とをエポキシ樹脂接着剤１８で接合した。上記の通り、パイプ間のクリアランスはフィラー径の１．５倍〜３倍とした。

上記接合構造を試験片として、初期耐圧試験、ヒートサイクル試験後耐圧試験を行った。試験片はクリアランスを１００μｍ、２００μｍの２種類とし、浸透率を１００％、７０％の２種類とした。なお、浸透率は接着剤の塗布量を変化させることによって制御した。

これら試験の概要を下記に示し、試験結果を表２に示す。

１． 初期耐圧試験：
試験片に静水圧を負荷し、接合部からの漏れ、剥離等の異常がないことを確認する。
２． ヒートサイクル試験後耐圧試験：
試験片にヒートサイクル試験（−２０℃⇔８０℃、４００サイクル）を実施した後、試験片に静水圧を負荷し、接合部からの漏れ、剥離等の異常がないことを確認する。
なお、試験片は各パイプ間及び接着剤との熱膨張率の差によるひずみの影響を確認するため、各パイプを固定し、ひずみが逃げないような状態で行った。

表２の結果より、本発明の場合は各試験において異常なく、接合に必要な強度を確保しているといえる。また、重ね代に対する接着剤の浸透率が７０％でも、耐圧には問題ないことが確認されたが、より高い信頼性を確保するため浸透率は１００％であることが望ましい。浸透率が７０％よりも小さくなるとロウ付け部の強度が保てなくなり、ロウ付け部より漏れが発生し、問題となるので、クリアランス／フィラー径は１倍以上３倍以下が良いが、好ましくは浸透率が１００％となる１．５倍以上３倍以下が良い。

なお、上記試験において使用したエポキシ樹脂接着剤には、引張試験（初期強度）、耐油性試験、耐腐食性試験、耐ヒートサイクル性試験を行い、異常がないものを用いた。

これら試験の概要を下記に示し、試験結果を表３に示す。試験片は、２本のアルミニウム板を熱硬化性樹脂接着剤で接合したものとした。

１．引張試験：
試験片の下部を固定し上部に引張力を与えることによって引張試験（接着剤にはせん断の負荷がかかる）を行った。ここで出た結果を初期強度とした。
２．耐油性試験：
上記試験片を１５０℃の冷凍機油に１６８ｈｒ浸漬した後、引張試験を行い初期強度と比較して顕著な強度低下、剥離などの異常なきことを確認する。
３．耐腐食性試験：
上記試験片に腐食試験（５％ＮａＣｌ連続噴霧、２４０ｈｒ）を実施した後、引張試験を行い、初期強度と比較して顕著な強度低下、腐食などの異常なきことを確認する。
４．耐ヒートサイクル性試験：
上記試験片にヒートサイクル試験（−２０℃⇔８０℃、４００サイクル）を実施した後、引張試験を行い、初期強度と比較して顕著な強度低下、剥離などの異常なきことを確認する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、軽金属製パイプ１７の拡管部１７ａの内周に複数の位置決め凸部１７ｃを設け、クリアランスの半径方向の長さを、フィラー径の１．５倍〜３倍の間の所定倍数とするようにしたので、必要な強度を確保でき、信頼性の高い接合が可能である。このように信頼性の高い接合が行えるため、従来の加締め工程を省略でき、より簡易的な接合が可能となる。その結果、両パイプの接合に際し、従来と比較してランニングコストの低減も期待できる。

また、本実施の形態によれば、軽金属製パイプと鉄製パイプとの間のクリアランスをフィラー入り熱硬化性樹脂で充填する構造であるため、融点の低い軽金属製パイプに熱影響を与えず、且つ耐食性に優れた接合が得られるという効果を有する。

更に、軽金属製パイプにリフレアを設けることによって、熱硬化性樹脂の塗布を容易にするという効果を有する。

なお、本実施の形態では、拡管部１７ａ、リフレア部１７ｂ及び位置決め凸部１７ｃを軽金属製パイプ１７側に設けた構成について示したが、軽金属製パイプ１７側に限定するものではなく、鉄製パイプ１６側に設けた構成としてもよい。

１ 圧縮機、２ マフラ、３ 四方弁、４ 室外熱交換器、５ 毛細管、６ ストレーナ、７ 電子制御式膨張弁、８ ストップバルブ、９ 第１熱交換器、１０ 第２熱交換器、１１ 電磁弁、１２ 除湿弁、１３ 室内熱交換器、１４ 補助マフラ、１５ ディストリビュータ、１６ ステンレス製パイプ（鉄製パイプ）、１７ アルミニウム製パイプ（軽金属製パイプ）、１７Ａ アルミニウム製パイプ、１７Ｂ アルミニウム製パイプ、１７ａ 拡管部、１７ｂ リフレア部、１７ｃ 位置決め凸部、１８ エポキシ樹脂接着剤（熱硬化性樹脂）。

Claims (8)

1. 軽金属製パイプと鉄製パイプとの接合構造であって、
   前記軽金属製パイプ及び前記鉄製パイプのどちらか一方のパイプが、接合側の端部を拡径した拡管部を有し、他方のパイプの端部が前記拡管部に挿入された状態で、前記一方のパイプの前記拡管部と前記他方のパイプとの間のクリアランスにフィラー入り熱硬化性樹脂が充填されて両パイプが接合された構造を有し、
   前記一方のパイプの前記拡管部の内周には、内側に突出して前記他方のパイプの半径方向の位置決めを行う複数の位置決め凸部が形成され、前記複数の位置決め凸部により、前記クリアランスの半径方向の長さが前記フィラーのフィラー径の１．５倍〜３倍の間の所定倍数に設定されていることを特徴とする異種金属管接合構造。
2. 前記軽金属製パイプはアルミニウム製パイプであり、前記フィラーが、アルミニウムに対して耐腐食性を有する材料であることを特徴とする請求項１記載の異種金属管接合構造。
3. 前記フィラーは、アルミニウムより卑な金属又は無機化合物であることを特徴とする請求項２記載の異種金属管接合構造。
4. 前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂接着剤であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の異種金属管接合構造。
5. 前記フィラー径は、６０μｍ〜７０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の異種金属管接合構造。
6. 前記クリアランスの大きさは、１０５μｍ〜２１０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の異種金属管接合構造。
7. 前記パイプの外径は、５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の異種金属管接合構造。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の異種金属管接続構造を有することを特徴とする空調機器。

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