WO2021060103A1 - 熱交換器 - Google Patents

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WO2021060103A1
WO2021060103A1 PCT/JP2020/035060 JP2020035060W WO2021060103A1 WO 2021060103 A1 WO2021060103 A1 WO 2021060103A1 JP 2020035060 W JP2020035060 W JP 2020035060W WO 2021060103 A1 WO2021060103 A1 WO 2021060103A1
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WO
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heat exchanger
metal
tube
copper
bonding material
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PCT/JP2020/035060
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智教 菊野
樹 末竹
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ダイキン工業株式会社
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    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/04—Fastening; Joining by brazing

Definitions

  • This disclosure relates to heat exchangers.
  • heat exchangers equipped with a core tube and a winding tube have been known.
  • a winding tube is spirally wound around the outer circumference of the core tube.
  • the fluid flowing in the core tube is heat-exchanged with the fluid flowing in the winding tube.
  • the core tube and the winding tube are joined by soldering or brazing.
  • Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a heat exchanger including a core tube and a winding tube.
  • the manufacturing method of Patent Document 1 includes a winding step of spirally winding a winding tube around a core tube, a heating step of heating a part of the core tube around which the winding tube is wound, and a heated core tube and winding. It is provided with a joining process of supplying solder between the pipes and joining the core pipe and the wound pipe. Then, after the joining process, the supplied solder is cooled and solidified to form a joint.
  • the thermal conductivity between the core tube and the winding tube of the heat exchanger is ensured through the joint portion.
  • solder used as a bonding material for heat exchangers is composed of tin in 95% or more.
  • the thermal conductivity of tin is about 64 W / m ⁇ K, and the thermal conductivity of tin is low. Therefore, since the heat exchanger joined by using the solder as described above contains a large amount of tin in the joint portion, the heat exchange efficiency between the core tube and the wound tube is low.
  • the purpose of the present disclosure is to improve the heat transfer coefficient of the joint in the heat exchanger.
  • the first aspect of the present disclosure is the first metal pipe (20), the second metal pipe (30), and the first metal pipe (20) and the first metal pipe (20) formed by solidifying the molten bonding material.
  • a metal joint (J) for joining the two metal pipes (30) is provided, and the fluid flowing through the first metal pipe (20) is heat-exchanged with the fluid flowing through the second metal pipe (30).
  • the joint portion (J) contains copper, and the melting temperature of the joint portion (J) is the first metal pipe (20) and the second metal pipe (30).
  • the tensile strength of the first metal pipe (20) and the second metal pipe (30) is higher than the baking temperature of the above, and is larger than the classification symbol or the tempering symbol O.
  • the thermal conductivity of copper is about 370 W / m ⁇ K, and copper has high thermal conductivity.
  • the heat transfer coefficient of the joint portion (J) in the heat exchanger (1) can be improved.
  • the bonding material contains copper particles having a particle size of 1 ⁇ m or less, and the melting temperature of the bonding material is the first metal tube (20) and the first metal tube (20). 2 It is characterized in that it is lower than the annealing temperature of the metal tube (30).
  • the joint material can be melted at a temperature lower than the annealing temperature of the first metal pipe (20) and the second metal pipe (30) to form the joint portion (J).
  • a third aspect of the present disclosure is characterized in that, in the first or second aspect, the bonding material contains tin.
  • tin has a lower melting temperature and a lower price.
  • the melting temperature can be lowered while lowering the price of the bonding material.
  • the fourth aspect of the present disclosure is characterized in that, in any one of the first to third aspects, the void ratio of the joint portion (J) is 30% by volume or less.
  • the strength of the joint portion (J) can be maintained.
  • FIG. 1 is an overall view showing the configuration of the heat exchanger according to the embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged perspective view showing the configuration of a main part of the heat exchanger.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the heat exchanger.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the rate of temperature rise and the void rate at the joint.
  • the heat exchanger (1) of the present embodiment constitutes, for example, a water heat exchanger used in a heat pump type hot water supply device or the like.
  • the heat exchanger (1) of the present embodiment includes a core tube (20) and a winding tube (30).
  • the core tube (20) and the winding tube (30) are joined by a metal joint (J).
  • the heat exchanger (1) exchanges heat between the fluid flowing through the core tube (20) and the fluid flowing through the winding tube (30).
  • the winding tube (30) is wound around the outer circumference of the core tube (20).
  • the heat exchanger (1) is formed into an oval spiral shape by bending the core tube (20).
  • the core tube (20) is the first metal tube, and the winding tube (30) is the second metal tube.
  • the core tube (20) is a copper circular tube. As shown in FIG. 2, a water passage (20a) having a circular cross section for passing water is formed inside the core tube (20).
  • the core tube (20) has a predetermined length and a predetermined diameter.
  • the tensile strength of the core tube (20) of the present embodiment is larger than the tensile strength corresponding to the classification symbol O.
  • the classification symbol is a symbol defined in the JIS standard.
  • the quality of copper material refers to the state of the material that has been subjected to the necessary treatment in order to impart specific physical or mechanical properties to the copper product, as specified in JIS H 0500.
  • the quality code ⁇ indicates that the product is completely recrystallized or annealed and has the lowest tensile strength value.
  • a classification symbol larger than the quality symbol ⁇ of the copper pipe means, for example, 1 / 8H, 1 / 4H, 1 / 2H, etc. (see JIS H 0500).
  • the classification symbol 1 / 8H in the copper tube means that the tensile strength is work-hardened so as to be between the quality ⁇ and 1 / 4H, and the quality symbol 1 / 4H means that the tensile strength is quality.
  • ⁇ Winding tube> As shown in FIG. 2, in the heat exchanger (1) of the present embodiment, two winding tubes (30A, 30B) are wound around the core tube (20).
  • the first winding tube (30A) and the second winding tube (30B) are wound around the core tube (20) in a state of being parallel to each other to form a double helix extending in the central axis direction of the core tube (20). ..
  • the first winding tube (30A) and the second winding tube (30B) are copper circular tubes.
  • the winding tube (30) has a smaller outer diameter and inner diameter than the core tube (20).
  • first refrigerant passage (30a) having a circular cross section for passing the refrigerant is formed inside the first winding pipe (30A.
  • second refrigerant passage (30b) having a circular cross section is formed inside the second winding pipe (30B) to allow the refrigerant to pass therethrough.
  • the tensile strength of the wound tube (30) of the present embodiment is larger than the tensile strength corresponding to the quality code ⁇ specified in JIS H 0500, like the core tube (20).
  • the classification symbol larger than the classification symbol ⁇ of the copper pipe means, for example, 1 / 8H, 1 / 4H, 1 / 2H, etc. (see JIS H 0500).
  • the joint portion (J) is formed by supplying a molten joint material between the core tube (20) and the winding tube (30), and cooling and solidifying the molten joint material.
  • the joining material will be described.
  • the bonding material includes at least copper powder, copper particles having a particle size of 1 ⁇ m or less (hereinafter referred to as copper fine particles), and low melting point metal powder.
  • the bonding material may contain a solvent for adjusting the viscosity. Further, the bonding material may contain an activator for removing oxygen atoms contained in the bonding material.
  • Copper fine particles are copper particles having a particle size of 1 ⁇ m or less.
  • the particle size of the copper fine particles is preferably 1 nm or more and 1 ⁇ m or less, and more preferably 1 nm or more and 500 nm or less.
  • the particle size is the particle size of the primary particles.
  • the particle size of the primary particles means the diameter of the primary particles of fine particles such as individual metals constituting the secondary particles.
  • the primary particle size is a value measured using an electron microscope.
  • the primary particle size is the diameter including not only the core portion made of fine metal element particles but also the coating material existing on the surface.
  • the particle size of the metal fine particles is reduced to the nanometer size, the number of constituent atoms per particle is reduced and the surface area with respect to the volume of the particles is rapidly increased, and as a result, the bulk state (melting point drop depends on the metal particle size). It is known that the melting point and the sintering temperature are lower than those of metals (in a state where they do not appear remarkably). This tendency becomes remarkable when the particle size of the metal fine particles is 100 nm or less, and particularly when the particle size of the metal fine particles is about 10 to 20 nm, the surface of the metal fine particles melts even at a temperature considerably lower than the melting point of the metal in the bulk state. Then, they will be sintered on each other.
  • the bonding material containing the metal fine particles melts at a low temperature, while an alloy having a high melting point is formed at the joint portion (J) where the bonding material is solidified. Will be done.
  • the melting point of the copper constituting the copper powder in the bulk state is about 1085 ° C.
  • the melting temperature of the copper fine particles is about 300 ° C.
  • the melting temperature of the copper fine particles is lower than the annealing temperature of the core tube (20) and the winding tube (30) of the present embodiment, which is about 400 ° C. to 600 ° C.
  • the low melting point metal powder is a metal powder made of a metal or alloy that is dispersed in a bonding material.
  • the low melting point metal powder is a metal powder made of a metal or alloy whose bulk melting point is lower than the annealing temperature of the core tube (20) and the winding tube (30).
  • the low melting point metal powder forms an alloy with all or part of copper in a state where copper can be diffused from the surface of copper fine particles in a molten state to form a bonding portion (J). To do.
  • the low melting point metal powder is made of a metal or alloy having a melting point of 400 ° C. or less in a bulk state because it is melted at a temperature at which general solder is melted at the time of heat bonding. Further, the low melting point metal powder can form an alloy with copper. Specifically, the low melting point metal powder is a tin metal powder capable of bonding materials at a low temperature, or at least one selected from copper, silver, phosphorus, aluminum and bismuth is solid-dissolved with tin. It is preferably a tin alloy powder. Further, the particle size of the low melting point metal powder is preferably a particle size capable of quickly forming a molten state at the time of heat bonding. Specifically, the low melting point metal powder preferably has a particle size of more than 500 nm and 50 ⁇ m or less, and more preferably more than 1 ⁇ m and 50 ⁇ m or less.
  • the particle size of the copper powder is also the particle size capable of quickly forming a molten state at the time of heat bonding, as in the case of the low melting point metal powder.
  • the particle size of the copper powder is preferably larger than 500 nm and 50 ⁇ m or less, and more preferably larger than 1 ⁇ m and 50 ⁇ m or less.
  • the bonding material contains copper fine particles, copper, and tin, which is a low melting point metal powder, and the melting temperature of the bonding material is lower than the annealing temperature of the core tube (20) and the winding tube (30).
  • the content of the copper fine particles is preferably 0.5% by mass or more and 80% by mass or less, and more preferably 1% by mass or more and 30% by mass or less. If the proportion of the copper fine particles is less than 0.5% by mass, the melting point improving effect of the bonding layer may decrease. On the other hand, if the proportion of the copper fine particles exceeds 80% by mass, the copper fine particles may aggregate with each other and the alloy layer formation with the low melting point metal powder may be insufficient.
  • the ratio of the total amount of metal of the copper fine particles and the low melting point metal powder is preferably 5% by mass or more and 95% by mass or less, and more preferably 30% by mass or more and 90% by mass or less. If the ratio of the amount of metal is less than 5% by mass, the film thickness of the bonding layer becomes non-uniform, and cracks and voids may occur. On the other hand, if the proportion of this metal amount exceeds 95% by mass, the reducing action of the activator may decrease, resulting in a bonded state having insufficient strength. It is desirable to use a value for the ratio of the copper fine particles and the low melting point metal powder according to the alloy / metal type to be formed.
  • the joint portion (J) is formed by solidifying the molten joint material. Specifically, as shown in FIG. 3, the joint portion (J) is formed so as to fill the gap between the core tube (20) and the winding tube (30), and the core tube (20) and the winding tube (30) are formed. ) Is in close contact with the core tube (20) and the winding tube (30).
  • the joint (J) is an alloy containing copper and tin.
  • the melting temperature of the joint (J) is higher than the annealing temperature of the core tube (20) and the winding tube (30).
  • a bonding layer having a void ratio of 30% by volume or less is formed in the bonding portion (J) by changing the bonding conditions such as the heating rate and heating temperature of the bonding material and the holding time of the heating temperature.
  • the temperature rise rate of the joint portion (J) formed at about 0.8 K / s, about 1.5 K / s, and 2.5 K / s.
  • water for hot water supply (W1) flows into the water passage (20a) from one end of the core tube (20). Then, water (W1) flows through the water passage (20a) in the core tube (20).
  • the core tube (20), and the water (W1) flowing in the water passage (20a) are transmitted in this order, and the water (W1) is heated and the temperature is raised efficiently. Then, the water (W1) heated while flowing through the water passage (20a) is supplied to the outside from the other end of the core tube (20) as hot water (W2) having a desired temperature.
  • the winding tube (30) is spirally wound around the core tube (20), and the core tube (20) and the winding tube (30) are combined.
  • the process of producing the melt-bonded material is performed.
  • the bonding material is heated to a temperature equal to or higher than the melting temperature to melt the bonding material, thereby producing the molten bonding material.
  • the melting temperature of the bonding material at this time is lower than the annealing temperature of the core tube (20) and the winding tube (30).
  • the bonding material supply process is performed.
  • the molten bonding material is supplied between the core tube (20) and the winding tube (30).
  • the joining process is performed.
  • the joint portion (J) is formed by cooling and solidifying the molten bonding material supplied between the core tube (20) and the winding tube (30).
  • the heat exchanger (1) of the present embodiment is formed by solidifying the core tube (20), the winding tube (30), and the molten bonding material, and the core tube (20) and the winding tube (30). ) Is provided, and the fluid flowing through the core tube (20) is heat-exchanged with the fluid flowing through the winding tube (30).
  • the joint portion (J) of the heat exchanger (1) contains copper, and the melting temperature of the joint portion (J) is higher than the annealing temperature of the core tube (20) and the winding tube (30).
  • the tensile strength of (20) and the winding tube (30) is greater than the tempering symbol or tempering symbol O.
  • the thermal conductivity of copper is about 370 W / m ⁇ K, and copper has high thermal conductivity.
  • the heat transfer coefficient of the joint portion (J) in the heat exchanger (1) can be improved as compared with general solder. ..
  • the bonding material of the heat exchanger (1) of the present embodiment contains copper particles having a particle size of 1 ⁇ m or less, and the melting temperature of the bonding material is higher than the annealing temperature of the core tube (20) and the winding tube (30). Low.
  • the joint material can be melted at a temperature lower than the annealing temperature of the core tube (20) and the winding tube (30) to form the joint portion (J).
  • the core tube (20) and the wound tube (30) are brazed together using a copper-rich phosphorus copper brazing, a copper-rich joint (J) is formed, and the joint (J) is formed.
  • the heat transfer coefficient of the wax is 800 ° C. or higher, when the core tube (20) and the winding tube (30) are joined at the melting temperature, the core tube (20) and the winding tube (30) are annealed and the core is formed. The tensile strength of the tube (20) and the wound tube (30) decreases.
  • the bonding material forming the bonding portion (J) of the present embodiment contains copper particles of 1 ⁇ m or less, and the melting temperature thereof is about 300 ° C.
  • the temperatures of the core tube (20) and the winding tube (30) are kept lower than the annealing temperature. Therefore, the joint portion (J) having a high heat transfer coefficient can be formed without lowering the tensile strength of the core tube (20) and the winding tube (30).
  • the bonding material of the heat exchanger (1) of the present embodiment contains tin.
  • tin Compared to other metals, tin has a lower melting temperature and a lower price.
  • the melting temperature can be lowered while lowering the price of the bonding material.
  • the void ratio of the joint portion (J) in the heat exchanger (1) of the present embodiment is 30% by volume or less.
  • the void ratio of the joint portion (J) is not high, so that the strength of the joint portion (J) can be maintained.
  • the above embodiment may have the following configuration.
  • the core tube (20) and the winding tube (30) may be made of stainless steel.
  • the tensile strength of the core tube (20) and the wound tube (30) is larger than the tensile strength corresponding to the tempering symbol ⁇ .
  • the tempering symbol is a symbol defined in JIS G 4313.
  • this disclosure is useful for heat exchangers.

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Abstract

熱交換器（1）は、第１金属管（20）と、第２金属管（30）と、溶融した接合材が凝固することによって形成されて該第１金属管（20）と該第２金属管（30）とを接合する金属製の接合部（J）とを備える。熱交換器（1）は、第１金属管（20）を流れる流体を、第２金属管（30）を流れる流体と熱交換させる。熱交換器（1）の接合部（J）は、銅を含む。接合部（J）の溶融温度は、第１金属管（20）及び第２金属管（30）の焼きなまし温度よりも高い。第１金属管（20）及び第２金属管（30）の引張強さは、質別記号または調質記号Ｏより大きい。

Description

熱交換器
　本開示は、熱交換器に関するものである。
　従来より、芯管と巻管とを備える熱交換器が知られている。この熱交換器は、芯管の外周に螺旋状に巻管が巻き付けられている。そして、この熱交換器では、芯管内を流れる流体を、巻管内を流れる流体と熱交換させている。このような熱交換器は、芯管と巻管とをはんだ付けやろう付けすることで接合している。
　特許文献１には、芯管と巻管とを備える熱交換器の製造方法が開示されている。特許文献１の製造方法は、芯管に巻管を螺旋状に巻き付ける巻付工程と、芯管のうち巻管が巻き付けられた部分の一部分を加熱する加熱工程と、加熱された芯管と巻管との間へはんだを供給して芯管と巻管とを接合する接合工程とを備えている。そして接合工程の後に、供給したはんだを冷却して固形化し、接合部を形成している。特許文献１の熱交換器では、この接合部を介して熱交換器の芯管と巻管との熱伝導性を確保している。
特開２０１１－２２４６５７号公報
　ところで、熱交換器の接合材として使用されるはんだの多くは、９５％以上がスズで構成されている。スズの熱伝導率は約６４Ｗ／ｍ・Ｋであり、スズの熱伝導性は低い。したがって、上記のようなはんだを使用して接合された熱交換器は、接合部にスズを多く含むため、芯管と巻管との間で熱交換効率が低い。
　本開示の目的は、熱交換器における接合部の熱伝達率を向上させることにある。
　本開示の第１の態様は、第１金属管（20）と、第２金属管（30）と、溶融した接合材が凝固することによって形成されて該第１金属管（20）と該第２金属管（30）とを接合する金属製の接合部（J）とを備え、上記第１金属管（20）を流れる流体を、上記第２金属管（30）を流れる流体と熱交換させる熱交換器（1）であって、上記接合部（J）は、銅を含み、上記接合部（J）の溶融温度は、上記第１金属管（20）及び上記第２金属管（30）の焼きなまし温度よりも高く、上記第１金属管（20）及び上記第２金属管（30）の引張強さは、質別記号または調質記号Ｏより大きいことを特徴とする。
　ところで、銅の熱伝導率は約３７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、銅は熱伝導性が高い。第１の態様では、接合部（J）に銅を含むので、熱交換器（1）における接合部（J）の熱伝達率を向上できる。
　本開示の第２の態様は、第１の態様において、上記接合材は、粒子径が１μｍ以下の銅粒子を含み、上記接合材の溶融温度が、上記第１金属管（20）及び上記第２金属管（30）の焼きなまし温度よりも低いことを特徴とする。
　粒子径が１μｍ以下の銅粒子を含む銅は、該銅粒子を含まない銅と比較して、溶融温度が低い。第２の態様では、上記第１金属管（20）及び上記第２金属管（30）の焼きなまし温度よりも低い温度で接合材を溶融させて、接合部（J）を形成できる。
　本開示の第３の態様は、第１又は第２の態様において、上記接合材は、スズを含むことを特徴とする。
　スズは、他の金属に比べ、溶融温度が低く、価格が低い。第３の態様では、接合材の価格を下げつつ、溶融温度を下げることができる。
　本開示の第４の態様は、第１～第３の態様のいずれか１つにおいて、上記接合部（J）のボイド率が、３０体積％以下であることを特徴とする。
　第４の態様では、接合部（J）のボイド率が高くないので、接合部（J）の強度が維持できる。
図１は、実施形態に係る熱交換器の構成を示す全体図である。 図２は、熱交換器の要部の構成を示す拡大斜視図である。 図３は、熱交換器の要部の拡大断面図である。 図４は、接合部における昇温速度とボイド率との関係を示すグラフである。
　実施形態について説明する。本実施形態の熱交換器（1）は、例えばヒートポンプ式の給湯装置等に用いられる水熱交換器を構成している。
　　－熱交換器－
　本実施形態の熱交換器（1）は、芯管（20）と巻管（30）とを備える。芯管（20）と巻管（30）とは、金属製の接合部（J）によって接合される。熱交換器（1）は、芯管（20）を流れる流体を、巻管（30）を流れる流体と熱交換させる。
　図１に示すように、熱交換器（1）は、巻管（30）が芯管（20）の外周に巻き付けられている。熱交換器（1）は、芯管（20）を曲げることによって長円形の渦巻形状に成形される。芯管（20）は第１金属管であり、巻管（30）は第２金属管である。
　　〈芯管〉
　芯管（20）は、銅製の円管である。図２に示すように、芯管（20）の内側には、水を通すための断面円形状の水通路（20a）が形成されている。芯管（20）は、所定の長さと所定の直径を有する。本実施形態の芯管（20）の引張強さは、質別記号Ｏに相当する引張強さよりも大きい。ここで、質別記号は、ＪＩＳ規格に規定されている記号である。例えば銅材における質別とは、ＪＩＳ　Ｈ　０５００に規定されているように、伸銅品に特定の物理的または機械的性質を付与するために、必要な処理を施した材料の状態をいう。
　質別記号Оは、完全に再結晶したもの又は焼きなましたもので、引張強さの値が最も低いことを表している。そして、銅管の質別記号Оより大きい質別記号とは、例えば１／８Ｈ，１／４Ｈ，１／２Ｈ等を意味する（ＪＩＳ　Ｈ　０５００を参照）。銅管における質別記号１／８Ｈとは、引張強さが質別Оと１／４Ｈの中間のように加工硬化したものを意味し、質別記号１／４Ｈとは、引張強さが質別１／８Ｈと１／２Ｈの中間のように加工硬化したものを意味し、質別記号１／２Ｈとは、引張強さが質別１／４Ｈと３／４Ｈの中間のように加工硬化したものを意味する。（ＪＩＳ　Ｈ　０５００を参照）。
　　〈巻管〉
　図２に示すように、本実施形態の熱交換器（1）では、芯管（20）に２本の巻管（30A,30B）が巻き付けられている。第１巻管（30A）と第２巻管（30B）とは、互いに平行となる状態で芯管（20）に巻き付けられ、芯管（20）の中心軸方向に延びる二重螺旋を形成する。図３に示すように、第１巻管（30A）及び第２巻管（30B）は、銅製の円管である。巻管（30）は、芯管（20）よりも外径及び内径が小さい。
　第１巻管（30A）の内側には、冷媒を通すための断面円形状の第１冷媒通路（30a）が形成されている。同様に、第２巻管（30B）の内部にも冷媒を通すための断面円形状の第２冷媒通路（30b）が形成されている。
　本実施形態の巻管（30）の引張強さは、芯管（20）と同様に、ＪＩＳ　Ｈ　０５００に規定された質別記号Оに対応する引張強さよりも大きい。ここで、銅管の質別記号Оより大きい質別記号とは、例えば１／８Ｈ，１／４Ｈ，１／２Ｈ等を意味する（ＪＩＳ　Ｈ　０５００を参照）。
　　〈接合材〉
　接合部（J）は、芯管（20）と巻管（30）との間に溶融した接合材を供給し、溶融した接合材を冷却して凝固させることによって形成される。ここでは、接合材について説明する。
　接合材は、少なくとも銅粉と、粒子径が１μｍ以下の銅粒子（以下、銅微粒子という）と、低融点金属粉とを含む。なお、接合材は、粘度を調整するための溶媒を含んでいてもよい。また、接合材は、接合材に含まれる酸素原子を除去するための活性化剤を含んでいてもよい。
　銅微粒子は、粒子径が１μｍ以下の銅粒子である。銅微粒子は、その粒子径が１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
　ここで、粒子径とは、一次粒子の粒子径のことである。一次粒子の粒子径とは、二次粒子を構成する個々の金属等の微粒子の一次粒子の直径の意味である。該一次粒子径は、電子顕微鏡を用いて測定された値である。一次粒子径は、金属元素微粒子からなるコア部だけでなく、表面に存在する被覆物も含めた径である。
　ところで、金属微粒子の粒子径がナノメートルサイズまで小さくなると、1粒子あたりの構成原子数が少なくなると共に粒子の体積に対する表面積が急激に増加し、その結果、バルク状態（融点降下が金属粒子径によって顕著に表れない状態）の金属と比較して、融点や焼結温度が低下することが知られている。金属微粒子の粒子径が１００ｎｍ以下になるとその傾向は顕著になり、特に、金属微粒子の粒子径が１０～２０ｎｍ程度になると、バルク状態の該金属の有する融点より相当に低い温度でもその表面が溶融して、相互に焼結するようになる。この金属微粒子の融点降下の性質により、金属微粒子を含む接合材を加熱した際には、接合材が低温で溶融する一方、接合材が凝固した接合部（J）には融点が高い合金が形成される。
　銅粉を構成する銅のバルク状態での融点は、約１０８５℃である。一方、銅微粒子の状態での溶融温度は、約３００℃である。銅微粒子の状態の溶融温度は、本実施形態の芯管（20）及び巻管（30）の焼きなまし温度である約４００℃～６００℃よりも低い。
　低融点金属粉は、接合材に分散して存在している金属または合金からなる金属粉である。低融点金属粉は、バルク状態の融点が芯管（20）及び巻管（30）の焼きなまし温度よりも低い金属または合金からなる金属粉である。低融点金属粉は、加熱接合の際に、銅微粒子の表面から銅が拡散可能となった状態で銅の全部または一部と、溶融状態で合金を形成して、接合部（J）を形成する。
　低融点金属粉は、加熱接合する際に、一般的なはんだを溶融する温度で溶融させるため、バルク状態の融点が４００℃以下の金属または合金からなる。また、低融点金属粉は、銅と合金を形成することができる。具体的には、低融点金属粉は、低温での材料間の接合が可能なスズ金属粉、又は銅、銀、リン、アルミニウム及びビスマスの中から選択される少なくとも1種がスズと固溶しているスズ合金粉であることが好ましい。また、低融点金属粉の粒子径は、加熱接合の際に速やかに溶融状態を形成できる粒子径であることが好ましい。具体的には、低融点金属粉は、その粒子径が５００ｎｍよりも大きく５０μｍ以下であることが好ましく、１μｍよりも大きく５０μｍ以下であることがさらに好ましい。
　また、銅粉の粒子径も、低融点金属粉と同様に、加熱接合の際に速やかに溶融状態を形成できる粒子径であることが好ましい。具体的には、銅粉は、その粒子径が５００ｎｍよりも大きく５０μｍ以下であることが好ましく、１μｍよりも大きく５０μｍ以下であることがさらに好ましい。
　まとめると、接合材は、銅微粒子と、銅と、低融点金属粉であるスズとを含み、接合材の溶融温度は、芯管（20）及び巻管（30）の焼きなまし温度よりも低い。
　接合材において、銅微粒子の含有量は、０．５質量％以上８０質量％以下が好ましく、１質量％以上３０質量％以下がより好ましい。銅微粒子の割合が０．５質量％未満であると接合層の融点向上効果が低下する虞がある。一方、銅微粒子の割合が８０質量％を超えると銅微粒子同士の凝集が生じて低融点金属粉との合金層形成が不十分になる虞がある。
　接合材において、銅微粒子と低融点金属粉を合わせた金属量の割合は、５質量％以上９５質量％以下が好ましく、３０質量％以上９０質量％以下がより好ましい。この金属量の割合が５質量％未満であると接合層の膜厚が不均一となって、クラックやボイドが発生する虞がある。一方、この金属量の割合が９５質量％を超えると活性化剤の還元作用が低下して強度が不十分な接合状態になる虞がある。なお、銅微粒子と低融点金属粉の割合は、形成される合金・金属種に応じた値を用いることが望ましい。
　　〈接合部〉
　接合部（J）は、溶融した接合材が凝固することによって形成される。具体的には、図３に示すように、接合部（J）は、芯管（20）と巻管（30）との隙間を埋めるように形成され、芯管（20）及び巻管（30）の外面に密着し、芯管（20）及び巻管（30）を接合している。接合部（J）は、銅及びスズを含む合金である。
　芯管（20）と巻管（30）とを加熱して接合する際に、銅微粒子が銅粉及び低融点金属粉に溶け込み、接合部（J）には、銅微粒子が消失する。そのため、接合部（J）は、銅微粒子の融点降下の効果を得ることができなくなる。したがって、接合部（J）の溶融温度は芯管（20）及び巻管（30）の焼きなまし温度よりも高くなる。
　接合部（J）には、接合材の昇温速度及び加熱温度、該加熱温度の保持時間といった接合条件を変更することにより、３０体積％以下のボイド率の接合層が形成される。図４に示すように、本実施形態の接合部（J）について、昇温速度を約０．８Ｋ／ｓ、約１．５Ｋ／ｓ、２．５Ｋ／ｓとして形成した接合部（J）のボイド率を調べたところ、どの昇温速度においても、その平均値（図４におけるダイヤ印）は３０体積％以下であることが確認された。
　　－熱交換器の動作－
　次に、熱交換器（1）の動作について説明する。
　図１に示すように、熱交換器（1）では、芯管（20）の一端から水通路（20a）に給湯用の水（W1）が流入する。そして、芯管（20）内の水通路（20a）に水（W1）が流れる。第１冷媒通路（30a）及び第２冷媒通路（30b）を流れる高温の冷媒（例えばＣО２）の熱が、第１巻管（30A）及び第２巻管（30B）、接合部（J）、芯管（20）、水通路（20a）内を流れる水（W1）の順に伝わり、水（W1）が加熱されて効率よく昇温される。そして、水通路（20a）を流れる間に加熱された水（W1）は、所望の温度の湯（W2）として、芯管（20）の他端から外部に供給される。
　　－熱交換器の製造方法－
　次に、熱交換器（1）の製造方法について説明する。
　まず、巻付工程において、巻管（30）が芯管（20）に螺旋状に巻き付けられ、芯管（20）と巻管（30）とが組み合わせられる。
　次に、溶融接合材生成工程が行われる。溶融接合材生成工程では、接合材を溶融温度以上にまで加熱して、接合材を溶融させることによって溶融接合材を生成する。このときの接合材の溶融温度は、芯管（20）及び巻管（30）の焼きなまし温度よりも低い。
　次に、接合材供給工程が行われる。接合材供給工程では、溶融接合材が芯管（20）と巻管（30）との間に供給される。
　次に、接合工程が行われる。接合工程では、芯管（20）及び巻管（30）の間に供給された溶融接合材が冷却され凝固することによって接合部（J）が形成される。
　　－実施形態の特徴（１）－
　本実施形態の熱交換器（1）は、芯管（20）と、巻管（30）と、溶融した接合材が凝固することによって形成されて該芯管（20）と該巻管（30）とを接合する金属製の接合部（J）とを備え、芯管（20）を流れる流体を、巻管（30）を流れる流体と熱交換させる。そして、熱交換器（1）の接合部（J）は、銅を含み、接合部（J）の溶融温度は、芯管（20）及び巻管（30）の焼きなまし温度よりも高く、芯管（20）及び巻管（30）の引張強さは、質別記号または調質記号Ｏより大きい。
　ところで、銅の熱伝導率は約３７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、銅は熱伝導性が高い。本実施形態の熱交換器（1）では、接合部（J）に銅を含むので、一般的なはんだに比べて、熱交換器（1）における接合部（J）の熱伝達率を向上できる。
　　－実施形態の特徴（２）－
　本実施形態の熱交換器（1）の接合材は、粒子径が１μｍ以下の銅粒子を含み、該接合材の溶融温度が、芯管（20）及び巻管（30）の焼きなまし温度よりも低い。
　粒子径が１μｍ以下の銅粒子を含む銅は、該銅粒子を含まない銅と比較して、溶融温度が低い。本実施形態の熱交換器（1）では、芯管（20）及び巻管（30）の焼きなまし温度よりも低い温度で接合材を溶融して、接合部（J）を形成できる。
　例えば、銅を多く含むリン銅ろうを用いて芯管（20）と巻管（30）とをろう付けで接合すれば、銅を多く含む接合部（J）が形成され、接合部（J）の熱伝達率が高くなる。しかし、該ろうの溶融温度は８００℃以上なので、該溶融温度で芯管（20）及び巻管（30）を接合すると、芯管（20）及び巻管（30）が焼きなまされ、芯管（20）及び巻管（30）の引張強さが低下する。
　一方、本実施形態の接合部（J）を形成する接合材は、１μｍ以下の銅粒子を含んでおり、その溶融温度は約３００℃である。接合材を溶融させて接合部（J）を形成する過程において、芯管（20）及び巻管（30）の温度は、その焼きなまし温度よりも低く保たれる。このため、熱伝達率の高い接合部（J）を、芯管（20）及び巻管（30）の引張強さを低下させずに形成できる。
　　－実施形態の特徴（３）－
　本実施形態の熱交換器（1）の接合材は、スズを含む。
　スズは、他の金属に比べ、溶融温度が低く、価格が低い。本実施形態の熱交換器（1）では、接合材の価格を下げつつ、溶融温度を下げることができる。
　　－実施形態の特徴（４）－
　本実施形態の熱交換器（1）における接合部（J）のボイド率が、３０体積％以下である。
　本実施形態の熱交換器（1）では、接合部（J）のボイド率が高くないので、接合部（J）の強度が維持できる。
　《その他の実施形態》
　上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
　上記実施形態の熱交換器（1）において、芯管（20）及び巻管（30）はステンレス製であってもよい。この場合、芯管（20）及び巻管（30）の引張強さは、調質記号Оに対応する引張強さより大きい。ここで調質記号とは、ＪＩＳ　Ｇ　４３１３に規定されている記号である。
　以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。
　以上説明したように、本開示は、熱交換器について有用である。
　 1　　熱交換器
　20　　芯管（第１金属管）
　20a 　水通路
　30　　巻管（第２金属管）
　30a 　第１冷媒通路
　30b 　第２冷媒通路
　 J　　接合部

Claims (4)

  1. 　第１金属管（20）と、第２金属管（30）と、溶融した接合材が凝固することによって形成されて該第１金属管（20）と該第２金属管（30）とを接合する金属製の接合部（J）とを備え、
    　上記第１金属管（20）を流れる流体を、上記第２金属管（30）を流れる流体と熱交換させる熱交換器（1）であって、
    　上記接合部（J）は、銅を含み、
    　上記接合部（J）の溶融温度は、上記第１金属管（20）及び上記第２金属管（30）の焼きなまし温度よりも高く、
    　上記第１金属管（20）及び上記第２金属管（30）の引張強さは、質別記号または調質記号Ｏより大きいことを特徴とする熱交換器。
  2. 　請求項１において、
    　上記接合材は、粒子径が１μｍ以下の銅粒子を含み、
    　上記接合材の溶融温度が、上記第１金属管（20）及び上記第２金属管（30）の焼きなまし温度よりも低いことを特徴とする熱交換器。
  3. 　請求項１又は２において、
    　上記接合材は、スズを含むことを特徴とする熱交換器。
  4. 　請求項１～３のいずれか１つにおいて、
    　上記接合部（J）のボイド率が、３０体積％以下であることを特徴とする熱交換器。
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