金属管の接合構造
【課題】コストアップを抑制しつつ、金属管同士の接合部分における信頼性の低下を抑制できる金属管の接合構造を提供する。
【解決手段】第１金属Ｍ１を主成分とする第１金属管１１、及び第２金属Ｍ２を主成分とする第２金属管１２のうちの一方の金属管は、端部の内径がこの端部に隣接する隣接部１６の内径よりも大きい接続用拡径部１３を有している。ろう材１４と一方又は他方の金属管との間における第１金属Ｍ１と第２金属Ｍ２の界面には、第１金属Ｍ１と第２金属Ｍ２により形成された金属間化合物層１５が存在している。この金属間化合物層１５の厚さは、開口端１３ａ側の端部１５ａよりも基端１３ｂ側の端部１５ｂの方が小さい。
【解決手段】第１金属Ｍ１を主成分とする第１金属管１１、及び第２金属Ｍ２を主成分とする第２金属管１２のうちの一方の金属管は、端部の内径がこの端部に隣接する隣接部１６の内径よりも大きい接続用拡径部１３を有している。ろう材１４と一方又は他方の金属管との間における第１金属Ｍ１と第２金属Ｍ２の界面には、第１金属Ｍ１と第２金属Ｍ２により形成された金属間化合物層１５が存在している。この金属間化合物層１５の厚さは、開口端１３ａ側の端部１５ａよりも基端１３ｂ側の端部１５ｂの方が小さい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属管の接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば熱交換器などに用いられる金属管の接合構造として種々の技術が提案されている。金属管同士の接合部分には、例えば冷媒の圧力に耐えうる耐圧強度、及び冷媒の温度に起因する熱衝撃に耐えうる熱衝撃耐性が求められる。
【０００３】
特許文献１には、銅管とアルミニウム管とをフラッシュバット溶接により接合する方法が開示されている。また、特許文献２には、銅管とアルミニウム管とを共晶接合により接合する方法が開示されている。しかし、これらの接合方法では、管同士の接合面積が小さいため、耐圧強度及び熱衝撃耐性の点で必ずしも十分な性能を有しているとは言えない。
【０００４】
また、銅管とアルミニウム管のように異種金属同士を接合する場合、アルミニウムと銅との界面には、これらの金属間化合物層が生成する。この金属間化合物は脆弱であるので、金属間化合物の生成量が多くなると、その部分の強度が低下する。
【０００５】
特許文献３には、めっきを施したステンレス鋼製の継手を介して銅管とアルミニウム管とをろう付により接合する方法が開示されている。この特許文献３には、異種金属の接合界面に発生する金属間化合物が多少生じても、ステンレス鋼の強度がカバーして接合構造全体として変形しにくく強度が向上する、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１８２９７９号公報
【特許文献２】特開２００１−３３４３７１号公報
【特許文献３】特開平８−２６７２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献３の接合構造では、ステンレス鋼の継手を使用する必要があるのでコストアップにつながり、また、この継手にはめっきが施されるのでさらなるコストアップとなる。
【０００８】
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コストアップを抑制しつつ、金属管同士の接合部分における信頼性の低下を抑制できる金属管の接合構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の金属管の接合構造は、第１金属(M1)を主成分とする第１金属管(11)と、前記第１金属(M1)とは異なる第２金属(M2)を主成分とする第２金属管(12)とを備えている。これらのうちの一方の金属管は、端部の内径がこの端部に隣接する隣接部(16)の内径よりも大きい接続用拡径部(13)を有している。この接続用拡径部(13)には、その開口端(13a)から接続用拡径部(13)の基端(13b)側に向かって他方の金属管が挿入され、この他方の金属管の外面と前記接続用拡径部(13)の内面との間に、前記第１金属(M1)又は第２金属(M2)を主成分とするろう材(14)が介在している。前記ろう材(14)と一方又は他方の金属管との間における前記第１金属(M1)と前記第２金属(M2)の界面には、前記第１金属(M1)と前記第２金属(M2)により形成された金属間化合物層(15)が存在している。この金属間化合物層(15)の厚さは、前記開口端(13a)側の端部(15a)よりも前記基端(13b)側の端部(15b)の方が小さい。
【００１０】
この構成では、一方の金属管の端部を、上述したような接続用拡径部(13)としている。この接続用拡径部(13)は、これにつづく前記隣接部(16)よりも内径が大きい。したがって、接続用拡径部(13)の基端(13b)には応力集中が生じやすい。また、ろう付時には、異種金属同士の界面（第１金属(M1)と第２金属(M2)の界面）に脆弱な金属間化合物層(15)が生成する。
【００１１】
そこで、この構成では、金属間化合物層(15)の厚さを、前記開口端(13a)側の端部(15a)に比べて前記基端(13b)側の端部(15b)の方が小さくなるようにしている。これにより、接続用拡径部(13)の基端(13b)に応力集中が生じたとしても、金属間化合物層(15)は基端(13b)側の端部(15b)の厚さが小さいので、当該応力に対する耐久性（特に、剥離強度）の低下が抑制される。また、この構成では、上記のように金属間化合物層(15)の厚さを制御することにより耐久性の低下を抑制しているので、従来のようにステンレス鋼の継手などを用いる必要がない。以上のことから、本構成では、コストアップを抑制しつつ、金属管同士の接合部分における信頼性の低下を抑制できる。
【００１２】
前記金属管の接合構造において、例えば、前記金属間化合物層(15)の厚さが、前記開口端(13a)側の端部(15a)から前記基端(13b)側の端部(15b)に向かうにつれて次第に小さくなっている構成を例示することができ、この場合には、金属間化合物層(15)の厚さが、前記開口端(13a)側の端部(15a)と前記基端(13b)側の端部(15b)との間において急激に変化するのが抑制され、なめらかに変化する。これにより、応力に対する耐久性の低下をさらに抑制することができる。
【００１３】
前記金属管の接合構造において、前記金属間化合物層(15)の厚さは７５μｍ以下であるのが好ましく、この場合には、金属管同士の接合部分の信頼性が特に優れている。
【００１４】
前記金属管の接合構造において、前記第１金属管(11)がアルミニウム管であり、前記第２金属管(12)が銅管であるのが好ましい。銅とアルミニウムとの界面には、Ｃｕ−Ａｌ金属管化合物が生成しやすく、これに起因する強度低下が生じやすいので、本発明が有効である。
【００１５】
前記金属管の接合構造において、前記一方の金属管は、前記接続用拡径部(13)がフレア形状を有していてもよい。フレア形状の接続用拡径部(13)の場合、フレア形状の基端(13b)に応力集中が生じやすいので、本発明が有効である。
【００１６】
また、前記金属管の接合構造において、前記接続用拡径部(13)の内径が前記隣接部(16)の内径よりも大きく、前記接続用拡径部(13)の外径が前記隣接部(16)の外径と同じである形態であってもよい。この形態の場合、接続用拡径部(13)と前記隣接部(16)とは、外径の変化がなくつながっているので、前記フレア形状の形態に比べて接続用拡径部(13)の基端(13b)への応力集中の度合いを低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、コストアップを抑制しつつ、金属管同士の接合部分における信頼性の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造を備えた熱交換器を示す概略図である。
【図２】（Ａ）は、本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、前記金属管の接合構造の要部を拡大した断面図である。
【図３】金属間化合物層の厚さと耐圧強度との関係を示すグラフである。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、前記金属管の接合構造の製造方法を示す断面図である。
【図５】前記金属管の接合構造の変形例１の要部を拡大した断面図である。
【図６】（Ａ）は、前記金属管の接合構造の変形例２を示す断面図であり、（Ｂ）は、変形例２の要部を拡大した断面図である。
【図７】（Ａ）は、前記金属管の接合構造の変形例３を示す断面図であり、（Ｂ）は、前記金属管の接合構造の変形例４を示す断面図であり、（Ｃ）は、前記金属管の接合構造の変形例５を示す断面図である。
【図８】（Ａ）は、前記金属管の接合構造の変形例６を示す断面図であり、（Ｂ）は、前記金属管の接合構造の変形例７を示す断面図であり、（Ｃ）は、前記金属管の接合構造の変形例８を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造１０について図面を参照しながら詳細に説明する。まず、金属管の接合構造１０を備えた熱交換器について説明する。
【００２０】
＜熱交換器＞
図１に示す熱交換器５１は、例えば空気調和装置の蒸発器や凝縮器として用いることができる。この熱交換器５１は、例えば冷媒流路の内径が小さい熱交換器、いわゆるマイクロチャンネル熱交換器である。
【００２１】
熱交換器５１は、ヘッダ５２，５３、複数の扁平伝熱管５４、複数のフィン５５、及び接合構造１０を備えている。ヘッダ５２の上部と下部には、第１金属Ｍ１を主成分とする第１金属管１１，１１がそれぞれ接続されている。各第１金属管１１は、第２金属Ｍ２を主成分とする第２金属管１２と接合されている。接合構造１０については後述する。
【００２２】
各扁平伝熱管５４としては、例えば多穴管などの金属管を用いることができる。複数の扁平伝熱管５４は、互いに平行に配置されている。各扁平伝熱管５４の長手方向は、空気の流れ方向に対して直交している。各フィン５５は、金属板を波状に折り曲げた形状を有しており、扁平伝熱管５４の間に配置されている。フィン５５の板厚方向は、空気流れ方向に直交している。
【００２３】
例えば上部の第２金属管１２及び第１金属管１１を通じてヘッダ５２に流入した冷媒は、ヘッダ５２から複数の扁平伝熱管５４に分流し、又は複数の扁平伝熱管５４を順に流れる。複数の扁平伝熱管５４を流れる冷媒は、ヘッダ５３において合流する。また、合流した冷媒は、このヘッダ５３から扁平伝熱管５４に流入する。このように複数の扁平伝熱管５４を流れた冷媒は、最終的にヘッダ５２の下部に接続された第１金属管１１を通じて流出する。
【００２４】
＜金属管の接合構造＞
図２（Ａ）は、本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造１０を示す断面図であり、図２（Ｂ）は、この接合構造１０の要部を拡大した断面図である。本実施形態では、第１金属Ｍ１がアルミニウム又はアルミニウム合金であり、第２金属Ｍ２が銅又は銅合金である場合を例に挙げて説明する。第１金属管としてのアルミニウム管１１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、第２金属管としての銅管１２は、銅又は銅合金からなる。アルミニウム管１１と銅管１２とは、ろう材１４により接合されている。
【００２５】
アルミニウム管１１は、銅管１２との接続に用いられる接続用拡径部１３を有している。接続用拡径部１３は、アルミニウム管１１の端部に形成されている。接続用拡径部１３の内径は、接続用拡径部１３に隣接する隣接部１６の内径よりも大きい。この接続用拡径部１３には、その開口端１３ａから接続用拡径部１３の基端１３ｂ側に向かって銅管１２が挿入されている。基端１３ｂとは、接続用拡径部１３と隣接部１６との境界部分であり、内径が変わる部位である。
【００２６】
接続用拡径部１３は、アルミニウム管１１の端部をフレア加工することによって形成されている。アルミニウム管１１及び銅管１２のサイズは特に限定されるものではないが、一例を挙げると次のようになる。アルミニウム管１１における隣接部１６の内径と銅管１２の内径は、冷媒が管内を流れる際の抵抗を低減する観点からほぼ同程度とされている。また、アルミニウム管１１における隣接部１６の外径は、耐圧強度の観点から銅管１２の外径よりも大きい。
【００２７】
また、銅管１２が例えば１／８インチ管（外径３．１７ｍｍ）以上のサイズである場合の各寸法の一例を挙げると次のようになる。接続用拡径部１３の深さ、すなわち接続用拡径部１３の内周面の鉛直方向の長さＬ１は、管同士の接合面積を増加させる観点から５ｍｍ以上であるのが好ましい。接続用拡径部１３の前記対向領域の内径は、ろう材１４が流れ込む隙間を設けるために、銅管１２の外径よりも０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ程度大きくするのが好ましい。
【００２８】
図２（Ｂ）に示すように、ろう材１４は、銅管１２の外面と接続用拡径部１３の内面との間に介在している。ここで、銅管１２の外面は、銅管１２の外周面（外側面）と、銅管１２の先端面（下端面）とを含む。接続用拡径部１３の内面は、接続用拡径部１３の内周面（内側面）と、銅管１２の先端面に対向する接続用拡径部１３の段差面と、接続用拡径部１３の先端面（開口端１３ａ側の端面）とを含む。前記段差面とは、接続用拡径部１３の内周面と隣接部１６の内周面とをつなぐ傾斜した面のことである。
【００２９】
図２（Ｂ）に示す実施形態では、ろう材１４は、接続用拡径部１３の内面（内周面及び段差面）のほぼ全域をカバーするように配設されている。ろう材１４としては、第１金属Ｍ１又は第２金属Ｍ２を主成分とするものを用いることができる。本実施形態では、アルミニウムを主成分とするろう材、具体的には例えばアルミニウム−シリコン系のろう材（Ａｌ−Ｓｉろう材）を用いる場合を例に挙げて説明する。
【００３０】
ろう材１４と銅管１２との間におけるアルミニウムと銅の界面には、アルミニウムと銅により形成された金属間化合物層１５が存在している。この金属間化合物層１５は、ろう材１４と銅管１２の外面（外周面及び先端面）とが対向する領域のほぼ全体にわたって形成されている。したがって、金属管１１，１２の延びる方向において、金属間化合物層１５の両端部１５ａ，１５ｂは、接続用拡径部１３の開口端１３ａの近傍及び基端１３ｂの近傍にそれぞれ位置している。
【００３１】
アルミニウムと銅の金属間化合物層１５は脆弱である（固くて脆い）ので、その厚さは小さい方が好ましい。金属間化合物層１５は、金属管１１，１２同士のろう付時にアルミニウムと銅が高温に晒されることにより、アルミニウムと銅の界面においてこれらが反応して生成される反応層である。金属間化合物層１５の生成には、ろう付温度及びろう材１４が溶融している時間が影響し、特にろう付温度の影響が大きい。また、接続用拡径部１３と隣接部１６とは内径が異なっているので、これらの境界部分である接続用拡径部１３の基端１３ｂには応力集中が生じやすい。
【００３２】
そこで、本実施形態では、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２を、開口端１３ａ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ａの厚さｔ１よりも小さくしている。これにより、接続用拡径部１３の基端１３ｂに応力集中が生じたとしても、金属間化合物層１５は基端１３ｂ側の端部１５ｂの厚さが小さいので、当該応力に対する耐久性（特に、剥離強度）の低下が抑制される。
【００３３】
図２（Ｂ）の形態の場合、ろう材１４の下端部が接続用拡径部１３の基端１３ｂまで延びているので、厚さｔ２は、銅管１２の下面とろう材１４との間に形成された金属間化合物層１５の鉛直方向（アルミニウム管１１の長手方向）の寸法である。また、金属間化合物層１５の厚さは、開口端１３ａ側の端部１５ａから基端１３ｂ側の端部１５ｂに向かうにつれて次第に小さくなっている。
【００３４】
また、金属間化合物層１５の最大厚さも接合構造１０の耐久性（特に、剥離強度）に影響を与える。図３は、金属間化合物層１５の最大厚さと耐圧強度との関係を示すグラフである。このグラフは、金属間化合物層１５の最大厚さを１０μｍ〜４５μｍの間で変えた試料をそれぞれ作製し、各試料の耐圧強度を測定した結果を示すものである。
【００３５】
図３のグラフからわかるように、耐圧強度は、金属間化合物層１５の最大厚さが大きくなるほど低下する傾向にある。このようなグラフのデータに基づいて、金属間化合物層１５の最大厚さは、例えばＫＨＫ（高圧ガス保安協会）などの種々の基準を満足するように設定可能である。具体例を挙げると、例えば種々の基準のうち最も低い基準を満足するように、その基準とグラフのデータとから、許容できる金属間化合物層１５の最大厚さが決められる。この場合の金属間化合物層１５の最大厚さは、７５μｍ以下であるのが好ましい（この好適数値範囲は、図４のグラフのデータを外挿することにより求めたもの）。また、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、４５μｍ以下であるのが好ましい。耐圧強度をさらに向上させるためには、金属間化合物層１５の最大厚さは、５０μｍ以下であるのがより好ましい。
【００３６】
（製造方法）
次に、金属管の接合構造１０を製造する方法について説明する。本実施形態では、アルミニウム管１１と銅管１２とを接合する接合工程において、加熱手段として高周波加熱（誘導加熱）を用いる。
【００３７】
まず、フレア加工などが施されることにより接続用拡径部１３が形成されたアルミニウム管１１と銅管１２を所定の位置に配置し、これらを図略の支持部材によって固定して位置決めする。具体的には、例えば図４（Ａ）に示すように、アルミニウム管１１は、長手方向が鉛直方向に向き、接続用拡径部１３の開口端１３ａが上方に開口するように配置される。銅管１２は、長手方向が鉛直方向に向き、端部が開口端１３ａから接続用拡径部１３内に挿入される。
【００３８】
接続用拡径部１３の開口端１３ａの上面には、環状のリングろう材１４ａが配置される。リングろう材１４ａの量は、接続用拡径部１３の内面と銅管１２の外面との間の空間の大きさに応じて適宜調整される。
【００３９】
接続用拡径部１３に挿入される銅管１２の端部の外面には、アルミニウムを主成分とするリングろう材１４ａとのぬれ性を高めるために、予めフラックスを塗布しておくのが好ましい。これにより、接続用拡径部１３の内面と銅管１２の外面との隙間に、溶融したリングろう材１４ａをより円滑に流し込むことができるので、例えば図２（Ｂ）に示すように開口端１３ａから基端１３ｂまでろう材１４を配設することができる。接続用拡径部１３の内面にもフラックスを塗布してもよい。
【００４０】
アルミニウム管１１及び銅管１２の周囲には、高周波加熱に用いる加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３が配置される。これらの加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、渦巻状（螺旋状）につながる一体のコイルであってもよく、別体の３つのコイルであってもよい。加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、この順に鉛直方向に並んでいる。
【００４１】
真ん中に位置する加熱用コイルＣ２は、接続用拡径部１３の開口端１３ａの周囲に位置しており、リングろう材１４ａの加熱、及び開口端１３ａ近傍の加熱のために設けられている。加熱用コイルＣ１は、加熱用コイルＣ２よりも上方に位置しており、主に母材（銅管１２）を加熱するために設けられている。加熱用コイルＣ３は、加熱用コイルＣ２よりも下方に位置している。加熱用コイルＣ３は、接続用拡径部１３の基端１３ｂの近傍に位置しており、主に母材（アルミニウム管１１）の基端１３ｂの近傍を加熱するために設けられている。
【００４２】
これらの加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３には、図略の電源から高周波電流が流され、各部位が誘導加熱される。これにより、リングろう材１４ａが溶融し、図４（Ｂ）に示すように接続用拡径部１３の内面と銅管１２の外面との隙間に流れ込み、アルミニウム管１１と銅管１２とがろう付される。
【００４３】
誘導加熱されたときに、加熱用コイルＣ１の半径方向内側に位置する銅管１２の温度Ｔ１、接続用拡径部１３の開口端１３ａ及びその近傍の温度Ｔ２、並びに接続用拡径部１３の基端１３ｂ及びその近傍の温度Ｔ３は、リングろう材１４ａの融点以上で、かつ母材（アルミニウム管１１及び銅管１２）の融点を超えない温度に調整される。また、これらの温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、次のような温度分布となるように調整される。すなわち、温度Ｔ３は、温度Ｔ２よりも低くなるように調整される。これにより、金属間化合物層１５は、開口端１３ａ側の端部の厚さｔ１よりも基端１３ｂ側の端部の厚さｔ２の方が小さくなる。温度Ｔ１は、温度Ｔ２と同程度であってもよいが、銅管１２を補助的に加熱する役割を担っているので、温度Ｔ２よりも低くなるように調整してもよい。
【００４４】
また、加熱手段として高周波加熱を用いることにより、各部位を局所的に加熱することができ、各部位の温度を上記のように個別に調整することができる。また、高周波加熱は、局所的に加熱できるので、短時間で各部位の温度を上昇させることができるとともに、短時間で各部位の温度を降下させることができる。すなわち、急峻な熱サイクルを実現でき、金属管１１，１２及びろう材１４に対する余分な入熱を避けることができる。その結果、金属間化合物層１５の生成を抑制することができる。また、昇温後に各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に保持する保持時間は、溶融したリングろう材１４ａが所定の位置（例えば基端１３ｂ）まで流れ込むように予め設定される。
【００４５】
なお、上記の説明では、加熱手段として高周波加熱を用いる場合を例示したが、これに限定されない。例えば、加熱手段としては、高周波加熱に代えてレーザなどを用いることもできる。レーザを用いる場合にも高周波加熱と同様に局所的な加熱が可能であり、また、各部位の温度を個別に調整可能である。
【００４６】
レーザとしては、例えばランプ励起ＹＡＧレーザ、ダイオード励起ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザなどを用いることができる。レーザによる加熱の場合も各部位の温度を上述したように温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３などに調整するのが好ましい。これらの温度調整は、例えばレーザの出力を調整することにより可能である。
【００４７】
（変形例１）
図５は、金属管の接合構造１０の変形例１の要部を拡大した断面図である。この変形例１の接合構造１０は、ろう材１４の下端部が基端１３ｂよりも手前（開口端１３ａ側の位置）にある点で図２（Ｂ）に示す形態と異なっている。
【００４８】
ろう材１４は、銅管１２の外周面と接続用拡径部１３の内周面との間に介在しており、銅管１２の先端面と接続用拡径部１３の段差面との間には介在していない。ろう材１４の下端部は、銅管１２の下端部とほぼ同程度の高さにある。ろう材１４の下端部の位置は、例えば、上述したフラックスを塗布する銅管１２の外面の領域を調整することにより調節可能である。
【００４９】
この変形例１でも上記と同様に、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、開口端１３ａ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ａの厚さｔ１よりも小さい。この変形例１の場合、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、図５に示すように金属間化合物層１５の水平方向（銅管１２の厚さ方向）の寸法となる。
【００５０】
（変形例２）
図６（Ａ）は、金属管の接合構造１０の変形例２を示す断面図であり、図６（Ｂ）は、変形例２の要部を拡大した断面図である。図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、この変形例２の接合構造１０は、銅管１２が接続用拡径部１３を有している点で図２（Ｂ）に示す形態と異なっている。
【００５１】
この変形例２では、ろう材１４として、上記と同様のアルミニウムを主成分とするろう材、具体的には例えばアルミニウム−シリコン系のろう材を用いている。したがって、ろう材１４と銅管１２との間におけるアルミニウムと銅の界面には、アルミニウムと銅により形成された金属間化合物層１５が存在している。
【００５２】
この金属間化合物層１５は、ろう材１４と銅管１２の接続用拡径部１３の内面とが対向する領域のほぼ全体にわたって形成されている。したがって、金属管１１，１２の延びる方向（鉛直方向）において、金属間化合物層１５の両端部１５ａ，１５ｂは、接続用拡径部１３の開口端１３ａの近傍及び基端１３ｂの近傍にそれぞれ位置している。開口端１３ａ側の端部１５ａは、接続用拡径部１３の先端面とろう材１４との間に位置している。基端１３ｂ側の端部１５ｂは、接続用拡径部１３の段差面とろう材１４との間に位置している。
【００５３】
基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、開口端１３ａ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ａの厚さｔ１よりも小さい。図６（Ｂ）に示すように、この変形例２の場合、ろう材１４の上端部が接続用拡径部１３の開口端１３ａの先端面（上面）の一部に被さっているので、厚さｔ１は、開口端１３ａの先端面とろう材１４との間に形成された金属間化合物層１５の鉛直方向の寸法である。また、ろう材１４の下端部が接続用拡径部１３の基端１３ｂまで延びているので、厚さｔ２は、基端１３ｂにおける接続用拡径部１３の段差面とろう材１４との間に形成された金属間化合物層１５の厚さである。
【００５４】
（変形例３）
図７（Ａ）は、金属管の接合構造１０の変形例３を示す断面図である。この変形例３の接合構造１０は、接続用拡径部１３の上端部にさらにフレア部１３ｃが設けられている点で図２（Ａ）に示す形態と異なっている。この変形例３では、図２（Ａ）の形態と同様に、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、開口端１３ａ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ａの厚さｔ１よりも小さい。
【００５５】
この変形例３におけるフレア部１３ｃは、アルミニウム管１１の延びる方向（鉛直方向）に対して斜め上方に傾斜して広がっている。したがって、ろう付時にリングろう材１４ａは、フレア部１３ｃと銅管１２の外周面との間に安定して配置される。また、フレア部１３ｃの傾斜した内面は、ろう付時に溶融したリングろう材１４ａを下方に案内する役割も果たす。これにより、溶融したリングろう材１４ａが接続用拡径部１３と銅管１２との隙間に流れ込みやすくなる。また、フレア部１３ｃを有しているので、リングろう材１４ａを用いずにろう材を注入（差しろう）してろう付する場合、ろう材を注入しやすくなる点で変形例３の形状は有効である。
【００５６】
フレア部１３ｃが半径方向に拡径される大きさは、例えばリングろう材１４ａの直径と同程度に調整するのがよい。なお、フレア部１３ｃは、半径方向外側に（水平方向に）広がっていてもよい。
【００５７】
（変形例４）
図７（Ｂ）は、金属管の接合構造１０の変形例４を示す断面図である。この変形例４の接合構造１０は、アルミニウム管１１の延びる方向に対して接続用拡径部１３が全体的に
傾斜している点で図２（Ａ）に示す形態と異なっている。
【００５８】
この変形例４における接続用拡径部１３は、開口端１３ａから基端１３ｂに向かうにつれて内径が次第に小さくなるテーパー形状を有している。接続用拡径部１３の内周面が傾斜していることにより、溶融したリングろう材１４ａが接続用拡径部１３と銅管１２との隙間に流れ込みやすくなる。開口端１３ａにおける接続用拡径部１３の内周面と銅管１２の外周面との隙間の大きさは、例えばリングろう材１４ａの直径と同程度に調整するのがよい。これにより、ろう付時にリングろう材１４ａは、接続用拡径部１３の上端部に安定して配置される。
【００５９】
（変形例５）
図７（Ｃ）は、金属管の接合構造１０の変形例５を示す断面図である。この変形例５の接合構造１０は、変形例３と変形例４の特徴を両方とも備えている。すなわち、この変形例５における接続用拡径部１３は、開口端１３ａから基端１３ｂに向かうにつれて内径が次第に小さくなるテーパー形状を有している。しかも、接続用拡径部１３の上端部にはさらにフレア部１３ｃが設けられている。
【００６０】
（変形例６）
図８（Ａ）は、金属管の接合構造１０の変形例６を示す断面図である。この変形例６の接合構造１０は、接続用拡径部１３がフレア形状を有しておらず、金属管の端部の内径を切削加工（例えばボール盤による加工）などの加工手段を用いて広げることにより接続用拡径部１３が形成されている点で図２（Ａ）に示す形態と異なっている。この変形例６では、図２（Ａ）の形態と同様に、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、開口端１３ａ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ａの厚さｔ１よりも小さい。
【００６１】
この変形例６では、接続用拡径部１３の外径は、隣接部１６の外径とほぼ同じである。接続用拡径部１３は、ほぼ円筒形状を有している。この変形例６では、接続用拡径部１３と隣接部１６とは、外径の変化がなくつながっているので、フレア加工により接続用拡径部１３が形成されている場合と比べて、接続用拡径部１３の基端１３ｂへの応力集中の度合いを低減することができ、また、残留応力を低減することができる。
【００６２】
接続用拡径部１３の内周面は、段差面１３ｄを介して隣接部１６の内周面とつながっている。この段差面１３ｄは、銅管１２の下端部を当接させる場合には、銅管１２を位置決めする機能を果たす。
【００６３】
（変形例７）
図８（Ｂ）は、金属管の接合構造１０の変形例７を示す断面図である。この変形例７の接合構造１０は、接続用拡径部１３の上端部の半径方向内側の角部（縁部）１３ｅが面取り（Ｒ加工又はＣ面取り）されている点で変形例６と異なっている。
【００６４】
この変形例７では、ろう付時にリングろう材１４ａは、角部１３ｅと銅管１２の外周面との間に安定して配置される。また、角部１３ｅの傾斜した内面は、ろう付時に溶融したリングろう材１４ａを下方に案内する役割も果たす。これにより、溶融したリングろう材１４ａが接続用拡径部１３と銅管１２との隙間に流れ込みやすくなる。角部１３ｅの半径方向の寸法は、例えばリングろう材１４ａの直径と同程度に調整するのがよい。
【００６５】
（変形例８）
図８（Ｃ）は、金属管の接合構造１０の変形例８を示す断面図である。この変形例８の接合構造１０は、アルミニウム管１１の延びる方向に対して接続用拡径部１３の内周面が傾斜している点で変形例７と異なっている。
【００６６】
この変形例８における接続用拡径部１３は、開口端１３ａから基端１３ｂに向かうにつれて内径が次第に小さくなるテーパー形状を有している。接続用拡径部１３の内周面が傾斜していることにより、溶融したリングろう材１４ａが接続用拡径部１３と銅管１２との隙間に流れ込みやすくなる。この変形例８では、接続用拡径部１３は、変形例７と同様の面取りされた角部１３ｅを備えているが、テーパー形状のみを有し角部１３ｅの面取りを省略した形態であってもよい。
【００６７】
＜実施形態の概要＞
本実施形態をまとめると、以下の通りである。
【００６８】
本実施形態では、金属間化合物層１５の厚さは、開口端１３ａ側の端部１５ａに比べて基端１３ｂ側の端部１５ｂの方が小さい。これにより、接続用拡径部１３の基端１３ｂに応力集中が生じたとしても、金属間化合物層１５は基端１３ｂ側の端部１５ｂの厚さｔ２が小さいので、当該応力に対する耐久性の低下が抑制される。また、このように金属間化合物層１５の厚さを制御することにより耐久性の低下を抑制しているので、従来のようにステンレス鋼の継手などを用いる必要がない。以上のことから、本実施形態では、コストアップを抑制しつつ、金属管同士の接合部分における信頼性の低下を抑制できる。
【００６９】
また、本実施形態では、金属間化合物層１５の厚さは、開口端１３ａ側の端部１５ａから基端１３ｂ側の端部１５ｂに向かうにつれて次第に小さくなっている。したがって、金属間化合物層１５の厚さが、開口端１３ａ側の端部１５ａと基端１３ｂ側の端部１５ｂとの間において急激に変化するのが抑制され、なめらかに変化する。これにより、応力に対する耐久性の低下をさらに抑制することができる。
【００７０】
なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。
【００７１】
例えば、前記実施形態では、金属間化合物層１５の厚さが、開口端１３ａ側の端部１５ａから基端１３ｂ側の端部１５ｂに向かうにつれて次第に小さくなる場合を例示したが、これに限定されない。例えば、金属間化合物層１５の厚さを、応力集中しやすい基端１３ｂ側の端部１５ａ及びその近傍において局所的に小さくした形態であってもよい。また、開口端１３ａ側の端部１５ａから基端１３ｂ側に向かうにつれて金属間化合物層１５の厚さが次第に小さくなり、途中から基端１３ｂ側の端部１５ｂまでは金属間化合物層１５の厚さがほぼ一定であるような形態も例示できる。
【００７２】
また、前記実施形態では、アルミニウム管１１と銅管１２との接合構造を例に挙げて説明したが、これに限定されない。本発明は、異種金属同士の接合により金属間化合物層が形成される他の接合構造にも適用することができる。
【００７３】
また、前記実施形態では、ろう材としてＡｌ−Ｓｉろう材を用いる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。Ａｌ−Ｚｎろう材、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎろう材などの他のろう材を用いることもできる。
【００７４】
また、前記実施形態では、製造時にろう材としてリングろう材を用いる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えばシート状のろう材を金属管同士の間に配置してもよく、一方又は両方の金属管にろう材を塗布してもよく、金属管同士の隙間にろう材を注入してもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１１ アルミニウム管
１２ 銅管
１３ 接続用拡径部
１３ａ 開口端
１３ｂ 基端
１４ ろう材
１５ 金属間化合物層
１５ａ 開口端側の端部
１５ｂ 基端側の端部
１６ 隣接部
Ｍ１ 第１金属
Ｍ２ 第２金属
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属管の接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば熱交換器などに用いられる金属管の接合構造として種々の技術が提案されている。金属管同士の接合部分には、例えば冷媒の圧力に耐えうる耐圧強度、及び冷媒の温度に起因する熱衝撃に耐えうる熱衝撃耐性が求められる。
【０００３】
特許文献１には、銅管とアルミニウム管とをフラッシュバット溶接により接合する方法が開示されている。また、特許文献２には、銅管とアルミニウム管とを共晶接合により接合する方法が開示されている。しかし、これらの接合方法では、管同士の接合面積が小さいため、耐圧強度及び熱衝撃耐性の点で必ずしも十分な性能を有しているとは言えない。
【０００４】
また、銅管とアルミニウム管のように異種金属同士を接合する場合、アルミニウムと銅との界面には、これらの金属間化合物層が生成する。この金属間化合物は脆弱であるので、金属間化合物の生成量が多くなると、その部分の強度が低下する。
【０００５】
特許文献３には、めっきを施したステンレス鋼製の継手を介して銅管とアルミニウム管とをろう付により接合する方法が開示されている。この特許文献３には、異種金属の接合界面に発生する金属間化合物が多少生じても、ステンレス鋼の強度がカバーして接合構造全体として変形しにくく強度が向上する、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１８２９７９号公報
【特許文献２】特開２００１−３３４３７１号公報
【特許文献３】特開平８−２６７２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献３の接合構造では、ステンレス鋼の継手を使用する必要があるのでコストアップにつながり、また、この継手にはめっきが施されるのでさらなるコストアップとなる。
【０００８】
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コストアップを抑制しつつ、金属管同士の接合部分における信頼性の低下を抑制できる金属管の接合構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の金属管の接合構造は、第１金属(M1)を主成分とする第１金属管(11)と、前記第１金属(M1)とは異なる第２金属(M2)を主成分とする第２金属管(12)とを備えている。これらのうちの一方の金属管は、端部の内径がこの端部に隣接する隣接部(16)の内径よりも大きい接続用拡径部(13)を有している。この接続用拡径部(13)には、その開口端(13a)から接続用拡径部(13)の基端(13b)側に向かって他方の金属管が挿入され、この他方の金属管の外面と前記接続用拡径部(13)の内面との間に、前記第１金属(M1)又は第２金属(M2)を主成分とするろう材(14)が介在している。前記ろう材(14)と一方又は他方の金属管との間における前記第１金属(M1)と前記第２金属(M2)の界面には、前記第１金属(M1)と前記第２金属(M2)により形成された金属間化合物層(15)が存在している。この金属間化合物層(15)の厚さは、前記開口端(13a)側の端部(15a)よりも前記基端(13b)側の端部(15b)の方が小さい。
【００１０】
この構成では、一方の金属管の端部を、上述したような接続用拡径部(13)としている。この接続用拡径部(13)は、これにつづく前記隣接部(16)よりも内径が大きい。したがって、接続用拡径部(13)の基端(13b)には応力集中が生じやすい。また、ろう付時には、異種金属同士の界面（第１金属(M1)と第２金属(M2)の界面）に脆弱な金属間化合物層(15)が生成する。
【００１１】
そこで、この構成では、金属間化合物層(15)の厚さを、前記開口端(13a)側の端部(15a)に比べて前記基端(13b)側の端部(15b)の方が小さくなるようにしている。これにより、接続用拡径部(13)の基端(13b)に応力集中が生じたとしても、金属間化合物層(15)は基端(13b)側の端部(15b)の厚さが小さいので、当該応力に対する耐久性（特に、剥離強度）の低下が抑制される。また、この構成では、上記のように金属間化合物層(15)の厚さを制御することにより耐久性の低下を抑制しているので、従来のようにステンレス鋼の継手などを用いる必要がない。以上のことから、本構成では、コストアップを抑制しつつ、金属管同士の接合部分における信頼性の低下を抑制できる。
【００１２】
前記金属管の接合構造において、例えば、前記金属間化合物層(15)の厚さが、前記開口端(13a)側の端部(15a)から前記基端(13b)側の端部(15b)に向かうにつれて次第に小さくなっている構成を例示することができ、この場合には、金属間化合物層(15)の厚さが、前記開口端(13a)側の端部(15a)と前記基端(13b)側の端部(15b)との間において急激に変化するのが抑制され、なめらかに変化する。これにより、応力に対する耐久性の低下をさらに抑制することができる。
【００１３】
前記金属管の接合構造において、前記金属間化合物層(15)の厚さは７５μｍ以下であるのが好ましく、この場合には、金属管同士の接合部分の信頼性が特に優れている。
【００１４】
前記金属管の接合構造において、前記第１金属管(11)がアルミニウム管であり、前記第２金属管(12)が銅管であるのが好ましい。銅とアルミニウムとの界面には、Ｃｕ−Ａｌ金属管化合物が生成しやすく、これに起因する強度低下が生じやすいので、本発明が有効である。
【００１５】
前記金属管の接合構造において、前記一方の金属管は、前記接続用拡径部(13)がフレア形状を有していてもよい。フレア形状の接続用拡径部(13)の場合、フレア形状の基端(13b)に応力集中が生じやすいので、本発明が有効である。
【００１６】
また、前記金属管の接合構造において、前記接続用拡径部(13)の内径が前記隣接部(16)の内径よりも大きく、前記接続用拡径部(13)の外径が前記隣接部(16)の外径と同じである形態であってもよい。この形態の場合、接続用拡径部(13)と前記隣接部(16)とは、外径の変化がなくつながっているので、前記フレア形状の形態に比べて接続用拡径部(13)の基端(13b)への応力集中の度合いを低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、コストアップを抑制しつつ、金属管同士の接合部分における信頼性の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造を備えた熱交換器を示す概略図である。
【図２】（Ａ）は、本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、前記金属管の接合構造の要部を拡大した断面図である。
【図３】金属間化合物層の厚さと耐圧強度との関係を示すグラフである。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、前記金属管の接合構造の製造方法を示す断面図である。
【図５】前記金属管の接合構造の変形例１の要部を拡大した断面図である。
【図６】（Ａ）は、前記金属管の接合構造の変形例２を示す断面図であり、（Ｂ）は、変形例２の要部を拡大した断面図である。
【図７】（Ａ）は、前記金属管の接合構造の変形例３を示す断面図であり、（Ｂ）は、前記金属管の接合構造の変形例４を示す断面図であり、（Ｃ）は、前記金属管の接合構造の変形例５を示す断面図である。
【図８】（Ａ）は、前記金属管の接合構造の変形例６を示す断面図であり、（Ｂ）は、前記金属管の接合構造の変形例７を示す断面図であり、（Ｃ）は、前記金属管の接合構造の変形例８を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造１０について図面を参照しながら詳細に説明する。まず、金属管の接合構造１０を備えた熱交換器について説明する。
【００２０】
＜熱交換器＞
図１に示す熱交換器５１は、例えば空気調和装置の蒸発器や凝縮器として用いることができる。この熱交換器５１は、例えば冷媒流路の内径が小さい熱交換器、いわゆるマイクロチャンネル熱交換器である。
【００２１】
熱交換器５１は、ヘッダ５２，５３、複数の扁平伝熱管５４、複数のフィン５５、及び接合構造１０を備えている。ヘッダ５２の上部と下部には、第１金属Ｍ１を主成分とする第１金属管１１，１１がそれぞれ接続されている。各第１金属管１１は、第２金属Ｍ２を主成分とする第２金属管１２と接合されている。接合構造１０については後述する。
【００２２】
各扁平伝熱管５４としては、例えば多穴管などの金属管を用いることができる。複数の扁平伝熱管５４は、互いに平行に配置されている。各扁平伝熱管５４の長手方向は、空気の流れ方向に対して直交している。各フィン５５は、金属板を波状に折り曲げた形状を有しており、扁平伝熱管５４の間に配置されている。フィン５５の板厚方向は、空気流れ方向に直交している。
【００２３】
例えば上部の第２金属管１２及び第１金属管１１を通じてヘッダ５２に流入した冷媒は、ヘッダ５２から複数の扁平伝熱管５４に分流し、又は複数の扁平伝熱管５４を順に流れる。複数の扁平伝熱管５４を流れる冷媒は、ヘッダ５３において合流する。また、合流した冷媒は、このヘッダ５３から扁平伝熱管５４に流入する。このように複数の扁平伝熱管５４を流れた冷媒は、最終的にヘッダ５２の下部に接続された第１金属管１１を通じて流出する。
【００２４】
＜金属管の接合構造＞
図２（Ａ）は、本発明の一実施形態にかかる金属管の接合構造１０を示す断面図であり、図２（Ｂ）は、この接合構造１０の要部を拡大した断面図である。本実施形態では、第１金属Ｍ１がアルミニウム又はアルミニウム合金であり、第２金属Ｍ２が銅又は銅合金である場合を例に挙げて説明する。第１金属管としてのアルミニウム管１１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、第２金属管としての銅管１２は、銅又は銅合金からなる。アルミニウム管１１と銅管１２とは、ろう材１４により接合されている。
【００２５】
アルミニウム管１１は、銅管１２との接続に用いられる接続用拡径部１３を有している。接続用拡径部１３は、アルミニウム管１１の端部に形成されている。接続用拡径部１３の内径は、接続用拡径部１３に隣接する隣接部１６の内径よりも大きい。この接続用拡径部１３には、その開口端１３ａから接続用拡径部１３の基端１３ｂ側に向かって銅管１２が挿入されている。基端１３ｂとは、接続用拡径部１３と隣接部１６との境界部分であり、内径が変わる部位である。
【００２６】
接続用拡径部１３は、アルミニウム管１１の端部をフレア加工することによって形成されている。アルミニウム管１１及び銅管１２のサイズは特に限定されるものではないが、一例を挙げると次のようになる。アルミニウム管１１における隣接部１６の内径と銅管１２の内径は、冷媒が管内を流れる際の抵抗を低減する観点からほぼ同程度とされている。また、アルミニウム管１１における隣接部１６の外径は、耐圧強度の観点から銅管１２の外径よりも大きい。
【００２７】
また、銅管１２が例えば１／８インチ管（外径３．１７ｍｍ）以上のサイズである場合の各寸法の一例を挙げると次のようになる。接続用拡径部１３の深さ、すなわち接続用拡径部１３の内周面の鉛直方向の長さＬ１は、管同士の接合面積を増加させる観点から５ｍｍ以上であるのが好ましい。接続用拡径部１３の前記対向領域の内径は、ろう材１４が流れ込む隙間を設けるために、銅管１２の外径よりも０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ程度大きくするのが好ましい。
【００２８】
図２（Ｂ）に示すように、ろう材１４は、銅管１２の外面と接続用拡径部１３の内面との間に介在している。ここで、銅管１２の外面は、銅管１２の外周面（外側面）と、銅管１２の先端面（下端面）とを含む。接続用拡径部１３の内面は、接続用拡径部１３の内周面（内側面）と、銅管１２の先端面に対向する接続用拡径部１３の段差面と、接続用拡径部１３の先端面（開口端１３ａ側の端面）とを含む。前記段差面とは、接続用拡径部１３の内周面と隣接部１６の内周面とをつなぐ傾斜した面のことである。
【００２９】
図２（Ｂ）に示す実施形態では、ろう材１４は、接続用拡径部１３の内面（内周面及び段差面）のほぼ全域をカバーするように配設されている。ろう材１４としては、第１金属Ｍ１又は第２金属Ｍ２を主成分とするものを用いることができる。本実施形態では、アルミニウムを主成分とするろう材、具体的には例えばアルミニウム−シリコン系のろう材（Ａｌ−Ｓｉろう材）を用いる場合を例に挙げて説明する。
【００３０】
ろう材１４と銅管１２との間におけるアルミニウムと銅の界面には、アルミニウムと銅により形成された金属間化合物層１５が存在している。この金属間化合物層１５は、ろう材１４と銅管１２の外面（外周面及び先端面）とが対向する領域のほぼ全体にわたって形成されている。したがって、金属管１１，１２の延びる方向において、金属間化合物層１５の両端部１５ａ，１５ｂは、接続用拡径部１３の開口端１３ａの近傍及び基端１３ｂの近傍にそれぞれ位置している。
【００３１】
アルミニウムと銅の金属間化合物層１５は脆弱である（固くて脆い）ので、その厚さは小さい方が好ましい。金属間化合物層１５は、金属管１１，１２同士のろう付時にアルミニウムと銅が高温に晒されることにより、アルミニウムと銅の界面においてこれらが反応して生成される反応層である。金属間化合物層１５の生成には、ろう付温度及びろう材１４が溶融している時間が影響し、特にろう付温度の影響が大きい。また、接続用拡径部１３と隣接部１６とは内径が異なっているので、これらの境界部分である接続用拡径部１３の基端１３ｂには応力集中が生じやすい。
【００３２】
そこで、本実施形態では、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２を、開口端１３ａ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ａの厚さｔ１よりも小さくしている。これにより、接続用拡径部１３の基端１３ｂに応力集中が生じたとしても、金属間化合物層１５は基端１３ｂ側の端部１５ｂの厚さが小さいので、当該応力に対する耐久性（特に、剥離強度）の低下が抑制される。
【００３３】
図２（Ｂ）の形態の場合、ろう材１４の下端部が接続用拡径部１３の基端１３ｂまで延びているので、厚さｔ２は、銅管１２の下面とろう材１４との間に形成された金属間化合物層１５の鉛直方向（アルミニウム管１１の長手方向）の寸法である。また、金属間化合物層１５の厚さは、開口端１３ａ側の端部１５ａから基端１３ｂ側の端部１５ｂに向かうにつれて次第に小さくなっている。
【００３４】
また、金属間化合物層１５の最大厚さも接合構造１０の耐久性（特に、剥離強度）に影響を与える。図３は、金属間化合物層１５の最大厚さと耐圧強度との関係を示すグラフである。このグラフは、金属間化合物層１５の最大厚さを１０μｍ〜４５μｍの間で変えた試料をそれぞれ作製し、各試料の耐圧強度を測定した結果を示すものである。
【００３５】
図３のグラフからわかるように、耐圧強度は、金属間化合物層１５の最大厚さが大きくなるほど低下する傾向にある。このようなグラフのデータに基づいて、金属間化合物層１５の最大厚さは、例えばＫＨＫ（高圧ガス保安協会）などの種々の基準を満足するように設定可能である。具体例を挙げると、例えば種々の基準のうち最も低い基準を満足するように、その基準とグラフのデータとから、許容できる金属間化合物層１５の最大厚さが決められる。この場合の金属間化合物層１５の最大厚さは、７５μｍ以下であるのが好ましい（この好適数値範囲は、図４のグラフのデータを外挿することにより求めたもの）。また、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、４５μｍ以下であるのが好ましい。耐圧強度をさらに向上させるためには、金属間化合物層１５の最大厚さは、５０μｍ以下であるのがより好ましい。
【００３６】
（製造方法）
次に、金属管の接合構造１０を製造する方法について説明する。本実施形態では、アルミニウム管１１と銅管１２とを接合する接合工程において、加熱手段として高周波加熱（誘導加熱）を用いる。
【００３７】
まず、フレア加工などが施されることにより接続用拡径部１３が形成されたアルミニウム管１１と銅管１２を所定の位置に配置し、これらを図略の支持部材によって固定して位置決めする。具体的には、例えば図４（Ａ）に示すように、アルミニウム管１１は、長手方向が鉛直方向に向き、接続用拡径部１３の開口端１３ａが上方に開口するように配置される。銅管１２は、長手方向が鉛直方向に向き、端部が開口端１３ａから接続用拡径部１３内に挿入される。
【００３８】
接続用拡径部１３の開口端１３ａの上面には、環状のリングろう材１４ａが配置される。リングろう材１４ａの量は、接続用拡径部１３の内面と銅管１２の外面との間の空間の大きさに応じて適宜調整される。
【００３９】
接続用拡径部１３に挿入される銅管１２の端部の外面には、アルミニウムを主成分とするリングろう材１４ａとのぬれ性を高めるために、予めフラックスを塗布しておくのが好ましい。これにより、接続用拡径部１３の内面と銅管１２の外面との隙間に、溶融したリングろう材１４ａをより円滑に流し込むことができるので、例えば図２（Ｂ）に示すように開口端１３ａから基端１３ｂまでろう材１４を配設することができる。接続用拡径部１３の内面にもフラックスを塗布してもよい。
【００４０】
アルミニウム管１１及び銅管１２の周囲には、高周波加熱に用いる加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３が配置される。これらの加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、渦巻状（螺旋状）につながる一体のコイルであってもよく、別体の３つのコイルであってもよい。加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、この順に鉛直方向に並んでいる。
【００４１】
真ん中に位置する加熱用コイルＣ２は、接続用拡径部１３の開口端１３ａの周囲に位置しており、リングろう材１４ａの加熱、及び開口端１３ａ近傍の加熱のために設けられている。加熱用コイルＣ１は、加熱用コイルＣ２よりも上方に位置しており、主に母材（銅管１２）を加熱するために設けられている。加熱用コイルＣ３は、加熱用コイルＣ２よりも下方に位置している。加熱用コイルＣ３は、接続用拡径部１３の基端１３ｂの近傍に位置しており、主に母材（アルミニウム管１１）の基端１３ｂの近傍を加熱するために設けられている。
【００４２】
これらの加熱用コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３には、図略の電源から高周波電流が流され、各部位が誘導加熱される。これにより、リングろう材１４ａが溶融し、図４（Ｂ）に示すように接続用拡径部１３の内面と銅管１２の外面との隙間に流れ込み、アルミニウム管１１と銅管１２とがろう付される。
【００４３】
誘導加熱されたときに、加熱用コイルＣ１の半径方向内側に位置する銅管１２の温度Ｔ１、接続用拡径部１３の開口端１３ａ及びその近傍の温度Ｔ２、並びに接続用拡径部１３の基端１３ｂ及びその近傍の温度Ｔ３は、リングろう材１４ａの融点以上で、かつ母材（アルミニウム管１１及び銅管１２）の融点を超えない温度に調整される。また、これらの温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、次のような温度分布となるように調整される。すなわち、温度Ｔ３は、温度Ｔ２よりも低くなるように調整される。これにより、金属間化合物層１５は、開口端１３ａ側の端部の厚さｔ１よりも基端１３ｂ側の端部の厚さｔ２の方が小さくなる。温度Ｔ１は、温度Ｔ２と同程度であってもよいが、銅管１２を補助的に加熱する役割を担っているので、温度Ｔ２よりも低くなるように調整してもよい。
【００４４】
また、加熱手段として高周波加熱を用いることにより、各部位を局所的に加熱することができ、各部位の温度を上記のように個別に調整することができる。また、高周波加熱は、局所的に加熱できるので、短時間で各部位の温度を上昇させることができるとともに、短時間で各部位の温度を降下させることができる。すなわち、急峻な熱サイクルを実現でき、金属管１１，１２及びろう材１４に対する余分な入熱を避けることができる。その結果、金属間化合物層１５の生成を抑制することができる。また、昇温後に各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に保持する保持時間は、溶融したリングろう材１４ａが所定の位置（例えば基端１３ｂ）まで流れ込むように予め設定される。
【００４５】
なお、上記の説明では、加熱手段として高周波加熱を用いる場合を例示したが、これに限定されない。例えば、加熱手段としては、高周波加熱に代えてレーザなどを用いることもできる。レーザを用いる場合にも高周波加熱と同様に局所的な加熱が可能であり、また、各部位の温度を個別に調整可能である。
【００４６】
レーザとしては、例えばランプ励起ＹＡＧレーザ、ダイオード励起ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザなどを用いることができる。レーザによる加熱の場合も各部位の温度を上述したように温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３などに調整するのが好ましい。これらの温度調整は、例えばレーザの出力を調整することにより可能である。
【００４７】
（変形例１）
図５は、金属管の接合構造１０の変形例１の要部を拡大した断面図である。この変形例１の接合構造１０は、ろう材１４の下端部が基端１３ｂよりも手前（開口端１３ａ側の位置）にある点で図２（Ｂ）に示す形態と異なっている。
【００４８】
ろう材１４は、銅管１２の外周面と接続用拡径部１３の内周面との間に介在しており、銅管１２の先端面と接続用拡径部１３の段差面との間には介在していない。ろう材１４の下端部は、銅管１２の下端部とほぼ同程度の高さにある。ろう材１４の下端部の位置は、例えば、上述したフラックスを塗布する銅管１２の外面の領域を調整することにより調節可能である。
【００４９】
この変形例１でも上記と同様に、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、開口端１３ａ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ａの厚さｔ１よりも小さい。この変形例１の場合、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、図５に示すように金属間化合物層１５の水平方向（銅管１２の厚さ方向）の寸法となる。
【００５０】
（変形例２）
図６（Ａ）は、金属管の接合構造１０の変形例２を示す断面図であり、図６（Ｂ）は、変形例２の要部を拡大した断面図である。図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、この変形例２の接合構造１０は、銅管１２が接続用拡径部１３を有している点で図２（Ｂ）に示す形態と異なっている。
【００５１】
この変形例２では、ろう材１４として、上記と同様のアルミニウムを主成分とするろう材、具体的には例えばアルミニウム−シリコン系のろう材を用いている。したがって、ろう材１４と銅管１２との間におけるアルミニウムと銅の界面には、アルミニウムと銅により形成された金属間化合物層１５が存在している。
【００５２】
この金属間化合物層１５は、ろう材１４と銅管１２の接続用拡径部１３の内面とが対向する領域のほぼ全体にわたって形成されている。したがって、金属管１１，１２の延びる方向（鉛直方向）において、金属間化合物層１５の両端部１５ａ，１５ｂは、接続用拡径部１３の開口端１３ａの近傍及び基端１３ｂの近傍にそれぞれ位置している。開口端１３ａ側の端部１５ａは、接続用拡径部１３の先端面とろう材１４との間に位置している。基端１３ｂ側の端部１５ｂは、接続用拡径部１３の段差面とろう材１４との間に位置している。
【００５３】
基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、開口端１３ａ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ａの厚さｔ１よりも小さい。図６（Ｂ）に示すように、この変形例２の場合、ろう材１４の上端部が接続用拡径部１３の開口端１３ａの先端面（上面）の一部に被さっているので、厚さｔ１は、開口端１３ａの先端面とろう材１４との間に形成された金属間化合物層１５の鉛直方向の寸法である。また、ろう材１４の下端部が接続用拡径部１３の基端１３ｂまで延びているので、厚さｔ２は、基端１３ｂにおける接続用拡径部１３の段差面とろう材１４との間に形成された金属間化合物層１５の厚さである。
【００５４】
（変形例３）
図７（Ａ）は、金属管の接合構造１０の変形例３を示す断面図である。この変形例３の接合構造１０は、接続用拡径部１３の上端部にさらにフレア部１３ｃが設けられている点で図２（Ａ）に示す形態と異なっている。この変形例３では、図２（Ａ）の形態と同様に、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、開口端１３ａ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ａの厚さｔ１よりも小さい。
【００５５】
この変形例３におけるフレア部１３ｃは、アルミニウム管１１の延びる方向（鉛直方向）に対して斜め上方に傾斜して広がっている。したがって、ろう付時にリングろう材１４ａは、フレア部１３ｃと銅管１２の外周面との間に安定して配置される。また、フレア部１３ｃの傾斜した内面は、ろう付時に溶融したリングろう材１４ａを下方に案内する役割も果たす。これにより、溶融したリングろう材１４ａが接続用拡径部１３と銅管１２との隙間に流れ込みやすくなる。また、フレア部１３ｃを有しているので、リングろう材１４ａを用いずにろう材を注入（差しろう）してろう付する場合、ろう材を注入しやすくなる点で変形例３の形状は有効である。
【００５６】
フレア部１３ｃが半径方向に拡径される大きさは、例えばリングろう材１４ａの直径と同程度に調整するのがよい。なお、フレア部１３ｃは、半径方向外側に（水平方向に）広がっていてもよい。
【００５７】
（変形例４）
図７（Ｂ）は、金属管の接合構造１０の変形例４を示す断面図である。この変形例４の接合構造１０は、アルミニウム管１１の延びる方向に対して接続用拡径部１３が全体的に
傾斜している点で図２（Ａ）に示す形態と異なっている。
【００５８】
この変形例４における接続用拡径部１３は、開口端１３ａから基端１３ｂに向かうにつれて内径が次第に小さくなるテーパー形状を有している。接続用拡径部１３の内周面が傾斜していることにより、溶融したリングろう材１４ａが接続用拡径部１３と銅管１２との隙間に流れ込みやすくなる。開口端１３ａにおける接続用拡径部１３の内周面と銅管１２の外周面との隙間の大きさは、例えばリングろう材１４ａの直径と同程度に調整するのがよい。これにより、ろう付時にリングろう材１４ａは、接続用拡径部１３の上端部に安定して配置される。
【００５９】
（変形例５）
図７（Ｃ）は、金属管の接合構造１０の変形例５を示す断面図である。この変形例５の接合構造１０は、変形例３と変形例４の特徴を両方とも備えている。すなわち、この変形例５における接続用拡径部１３は、開口端１３ａから基端１３ｂに向かうにつれて内径が次第に小さくなるテーパー形状を有している。しかも、接続用拡径部１３の上端部にはさらにフレア部１３ｃが設けられている。
【００６０】
（変形例６）
図８（Ａ）は、金属管の接合構造１０の変形例６を示す断面図である。この変形例６の接合構造１０は、接続用拡径部１３がフレア形状を有しておらず、金属管の端部の内径を切削加工（例えばボール盤による加工）などの加工手段を用いて広げることにより接続用拡径部１３が形成されている点で図２（Ａ）に示す形態と異なっている。この変形例６では、図２（Ａ）の形態と同様に、基端１３ｂ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ｂの厚さｔ２は、開口端１３ａ側に位置する金属間化合物層１５の端部１５ａの厚さｔ１よりも小さい。
【００６１】
この変形例６では、接続用拡径部１３の外径は、隣接部１６の外径とほぼ同じである。接続用拡径部１３は、ほぼ円筒形状を有している。この変形例６では、接続用拡径部１３と隣接部１６とは、外径の変化がなくつながっているので、フレア加工により接続用拡径部１３が形成されている場合と比べて、接続用拡径部１３の基端１３ｂへの応力集中の度合いを低減することができ、また、残留応力を低減することができる。
【００６２】
接続用拡径部１３の内周面は、段差面１３ｄを介して隣接部１６の内周面とつながっている。この段差面１３ｄは、銅管１２の下端部を当接させる場合には、銅管１２を位置決めする機能を果たす。
【００６３】
（変形例７）
図８（Ｂ）は、金属管の接合構造１０の変形例７を示す断面図である。この変形例７の接合構造１０は、接続用拡径部１３の上端部の半径方向内側の角部（縁部）１３ｅが面取り（Ｒ加工又はＣ面取り）されている点で変形例６と異なっている。
【００６４】
この変形例７では、ろう付時にリングろう材１４ａは、角部１３ｅと銅管１２の外周面との間に安定して配置される。また、角部１３ｅの傾斜した内面は、ろう付時に溶融したリングろう材１４ａを下方に案内する役割も果たす。これにより、溶融したリングろう材１４ａが接続用拡径部１３と銅管１２との隙間に流れ込みやすくなる。角部１３ｅの半径方向の寸法は、例えばリングろう材１４ａの直径と同程度に調整するのがよい。
【００６５】
（変形例８）
図８（Ｃ）は、金属管の接合構造１０の変形例８を示す断面図である。この変形例８の接合構造１０は、アルミニウム管１１の延びる方向に対して接続用拡径部１３の内周面が傾斜している点で変形例７と異なっている。
【００６６】
この変形例８における接続用拡径部１３は、開口端１３ａから基端１３ｂに向かうにつれて内径が次第に小さくなるテーパー形状を有している。接続用拡径部１３の内周面が傾斜していることにより、溶融したリングろう材１４ａが接続用拡径部１３と銅管１２との隙間に流れ込みやすくなる。この変形例８では、接続用拡径部１３は、変形例７と同様の面取りされた角部１３ｅを備えているが、テーパー形状のみを有し角部１３ｅの面取りを省略した形態であってもよい。
【００６７】
＜実施形態の概要＞
本実施形態をまとめると、以下の通りである。
【００６８】
本実施形態では、金属間化合物層１５の厚さは、開口端１３ａ側の端部１５ａに比べて基端１３ｂ側の端部１５ｂの方が小さい。これにより、接続用拡径部１３の基端１３ｂに応力集中が生じたとしても、金属間化合物層１５は基端１３ｂ側の端部１５ｂの厚さｔ２が小さいので、当該応力に対する耐久性の低下が抑制される。また、このように金属間化合物層１５の厚さを制御することにより耐久性の低下を抑制しているので、従来のようにステンレス鋼の継手などを用いる必要がない。以上のことから、本実施形態では、コストアップを抑制しつつ、金属管同士の接合部分における信頼性の低下を抑制できる。
【００６９】
また、本実施形態では、金属間化合物層１５の厚さは、開口端１３ａ側の端部１５ａから基端１３ｂ側の端部１５ｂに向かうにつれて次第に小さくなっている。したがって、金属間化合物層１５の厚さが、開口端１３ａ側の端部１５ａと基端１３ｂ側の端部１５ｂとの間において急激に変化するのが抑制され、なめらかに変化する。これにより、応力に対する耐久性の低下をさらに抑制することができる。
【００７０】
なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。
【００７１】
例えば、前記実施形態では、金属間化合物層１５の厚さが、開口端１３ａ側の端部１５ａから基端１３ｂ側の端部１５ｂに向かうにつれて次第に小さくなる場合を例示したが、これに限定されない。例えば、金属間化合物層１５の厚さを、応力集中しやすい基端１３ｂ側の端部１５ａ及びその近傍において局所的に小さくした形態であってもよい。また、開口端１３ａ側の端部１５ａから基端１３ｂ側に向かうにつれて金属間化合物層１５の厚さが次第に小さくなり、途中から基端１３ｂ側の端部１５ｂまでは金属間化合物層１５の厚さがほぼ一定であるような形態も例示できる。
【００７２】
また、前記実施形態では、アルミニウム管１１と銅管１２との接合構造を例に挙げて説明したが、これに限定されない。本発明は、異種金属同士の接合により金属間化合物層が形成される他の接合構造にも適用することができる。
【００７３】
また、前記実施形態では、ろう材としてＡｌ−Ｓｉろう材を用いる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。Ａｌ−Ｚｎろう材、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎろう材などの他のろう材を用いることもできる。
【００７４】
また、前記実施形態では、製造時にろう材としてリングろう材を用いる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えばシート状のろう材を金属管同士の間に配置してもよく、一方又は両方の金属管にろう材を塗布してもよく、金属管同士の隙間にろう材を注入してもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１１ アルミニウム管
１２ 銅管
１３ 接続用拡径部
１３ａ 開口端
１３ｂ 基端
１４ ろう材
１５ 金属間化合物層
１５ａ 開口端側の端部
１５ｂ 基端側の端部
１６ 隣接部
Ｍ１ 第１金属
Ｍ２ 第２金属
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属(M1)を主成分とする第１金属管(11)と、前記第１金属(M1)とは異なる第２金属(M2)を主成分とする第２金属管(12)とを備え、
これらのうちの一方の金属管は、端部の内径がこの端部に隣接する隣接部(16)の内径よりも大きい接続用拡径部(13)を有し、この接続用拡径部(13)には、その開口端(13a)から接続用拡径部(13)の基端(13b)側に向かって他方の金属管が挿入され、この他方の金属管の外面と前記接続用拡径部(13)の内面との間に、前記第１金属(M1)又は第２金属(M2)を主成分とするろう材(14)が介在しており、
前記ろう材(14)と一方又は他方の金属管との間における前記第１金属(M1)と前記第２金属(M2)の界面には、前記第１金属(M1)と前記第２金属(M2)により形成された金属間化合物層(15)が存在し、この金属間化合物層(15)の厚さは、前記開口端(13a)側の端部(15a)よりも前記基端(13b)側の端部(15b)の方が小さい金属管の接合構造。
【請求項２】
前記金属間化合物層(15)の厚さは、前記開口端(13a)側の端部(15a)から前記基端(13b)側の端部(15b)に向かうにつれて次第に小さくなっている、請求項１記載の金属管の接合構造。
【請求項３】
前記金属間化合物層(15)の厚さは７５μｍ以下である、請求項１又は２に記載の金属管の接合構造。
【請求項４】
前記第１金属管(11)がアルミニウム管であり、前記第２金属管(12)が銅管である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属管の接合構造。
【請求項５】
前記一方の金属管は、前記接続用拡径部(13)がフレア形状を有している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属管の接合構造。
【請求項６】
前記接続用拡径部(13)の内径は、前記隣接部(16)の内径よりも大きく、前記接続用拡径部(13)の外径は、前記隣接部(16)の外径と同じである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属管の接合構造。
【請求項１】
第１金属(M1)を主成分とする第１金属管(11)と、前記第１金属(M1)とは異なる第２金属(M2)を主成分とする第２金属管(12)とを備え、
これらのうちの一方の金属管は、端部の内径がこの端部に隣接する隣接部(16)の内径よりも大きい接続用拡径部(13)を有し、この接続用拡径部(13)には、その開口端(13a)から接続用拡径部(13)の基端(13b)側に向かって他方の金属管が挿入され、この他方の金属管の外面と前記接続用拡径部(13)の内面との間に、前記第１金属(M1)又は第２金属(M2)を主成分とするろう材(14)が介在しており、
前記ろう材(14)と一方又は他方の金属管との間における前記第１金属(M1)と前記第２金属(M2)の界面には、前記第１金属(M1)と前記第２金属(M2)により形成された金属間化合物層(15)が存在し、この金属間化合物層(15)の厚さは、前記開口端(13a)側の端部(15a)よりも前記基端(13b)側の端部(15b)の方が小さい金属管の接合構造。
【請求項２】
前記金属間化合物層(15)の厚さは、前記開口端(13a)側の端部(15a)から前記基端(13b)側の端部(15b)に向かうにつれて次第に小さくなっている、請求項１記載の金属管の接合構造。
【請求項３】
前記金属間化合物層(15)の厚さは７５μｍ以下である、請求項１又は２に記載の金属管の接合構造。
【請求項４】
前記第１金属管(11)がアルミニウム管であり、前記第２金属管(12)が銅管である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属管の接合構造。
【請求項５】
前記一方の金属管は、前記接続用拡径部(13)がフレア形状を有している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属管の接合構造。
【請求項６】
前記接続用拡径部(13)の内径は、前記隣接部(16)の内径よりも大きく、前記接続用拡径部(13)の外径は、前記隣接部(16)の外径と同じである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属管の接合構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１３９７０９（Ｐ２０１２−１３９７０９Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９３３０１（Ｐ２０１０−２９３３０１）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
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