CN103097850A - 铝合金制内面带槽传热管 - Google Patents

铝合金制内面带槽传热管 Download PDF

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Abstract

本发明提供难以发生翅片破损，防蚀性出色，或者，可实现薄壁化的传热管。本发明所提供一种铝合金制内面带槽传热管，其内面形成有多个突条型的翅片，并含有Mn:0.8～1.8质量%(以下，将质量%记为%)，Mg:0.1～0.6％，剩余部分由Al与不可避免的杂质所构成。

Description

铝合金制内面带槽传热管
【技术领域】
本发明涉及一种铝制内面带槽传热管,其可作为家用空调机、商用空调机、热泵式热水器等的交叉翅片式热交换器的传热管而被使用。
【背景技术】
一般的交叉翅片式(别称为翅片管式)热交换器(图1)，是将传热管插入在铝散热翅片上开口的通孔内，之后向传热管内部塞进具有较其内径大的外径的扩管用芯棒对传热管的直径进行扩管，使传热管的外周面和铝散热翅片的通孔紧密接合(扩管加工，参照图2)，然后，将与铝散热翅片形成为一体的传热管弯曲成发夹形，将其它弯曲成U字形的传热管(U字管)以火焰钎焊进行接合来完成(非专利文献1)。
现有技术中有一种有关用于交叉翅片式热交换器的传热管的提案，即，通过使作为制冷剂的HFC等流过管内而进行热交换，在管内面使用具有截面形状为梯形或三角形的突条型翅片的铜制传热管(以下，称为内面带槽管。)，来实现热交换器的高效率化和节能化，并规定了如图4所示的突条型翅片间凹槽的深度、壁厚(突条型翅片基底部的壁厚)、翅片的形状(顶角等)，或是如图5所示的突条型翅片的导程角(相对于管长边方向的翅片排列的角度)的各种传热管(例如为专利文献1)。对于内面带槽管的传热性能出色，被认为是因为管内侧的表面积相较于平滑管增加，并且通过该凹槽在管内形成均匀的制冷剂液膜(非专利文献2)。
在内面带槽管的管内面，一般对管坯(平滑管)进行轧制加工来形成呈螺旋状连续排列的突条型的翅片。作为轧制加工方法，已知的有向管内插入自由旋转的带槽塞，并一边从管外推进自由旋转的滚子使其行星旋转，一边拔管的滚轧加工法(参照图3)，或代替滚子设置推球机构的球轧加工法(非专利文献1、专利文献2)。
截至目前，内面带槽管主要采用铜和铜合金等的铜系材料,但是为了适应降低材料费和轻量化的要求，正研究采用铝或铝合金等的铝系材料(以下，称为铝合金)。
但是，铝合金与铜系材料相比，推定铝合金的防蚀性较差。因此，例如在专利文献3中，提出了一种将传热管做成2层结构，其中，管内层采用Al-Mn系合金，外表面层上作为牺牲防蚀层而包覆Al-Zn系合金的内面带槽管的提案。
或者，在专利文献4中，有人提案使用传热管的内层采用A3003等的Al-Mn系合金，外表面层采用作为牺牲防蚀层包覆A7072等的Al-Zn系合金的内面带槽管及使用该内面带槽管的热交换器。
另一方面，除防蚀性问题以外，在对这些铝制内面带槽管进行扩管加工的情况下，由于会发生位于管内面的有的突条型翅片的顶部被破损的所谓“翅片破损”的现象、翅片形状损毁或铝散热翅片紧密接合不充分的现象，从而导致出现无法获得所期望的传热性能的问题。这是因为铝制或铝合金制的内面带槽管的材料强度较铜制的低。
为解决扩管加工时翅片破损的问题，专利文献5中提出了在铝管内面形成厚度为5μm以上的氧化膜的方案。
还有，专利文献6中提出了使用形成有突条型翅片的、内层由机械强度大的铝合金层构成，且在该铝合金层的外层包覆机械强度小的铝层的铝制内面带槽管的方案。作为具体的合金，举有内层采用A3003铝合金，外层采用A1050(纯铝)的例子。在同文献中，还揭示了由A1050构成的外周侧管底壁部最先变形使外径扩管，而由A3003构成的内周侧管底壁部的变形量小，因此即使进行扩管加工，也能将其内面的突起翅片的破损量控制在允许范围之内。
而且，在专利文献7中，提出了作为扩管加工性出色的内面带槽管，使用了在铝管的外层材料采用Al-Mn系合金(A3000系合金)中添加Zn的高强度的合金，在其内侧采用Al-Mn系合金(A3000系合金)，在更内侧的内层部件中采用高强度的Al-Mg-Si合金(A6000系合金)或Al-Mg系合金(A5000系合金)的3层包覆管的方案。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2003-287383号公报
【专利文献2】日本特开平4-262818号公报
【专利文献3】日本特开2000-121270号公报
【专利文献4】日本特开2009-250562号公报
【专利文献5】日本特开2000-205782号公报
【专利文献6】日本特开平11-351791号公报
【专利文献7】日本特开2008-266738号公报
【非专利文献】
【非专利文献1】伊藤正昭:传热，42，174(2003)，3
【非专利文献2】矶崎昭夫他:R&D神户制钢技报50，3(2000)，66
【发明内容】
【发明所要解决的课题】
然而，上述文献所记载的现有技术在以下方面仍存在改善的余地。
第一，在专利文献1、2，非专利文献1及2中，将铝合金用于传热管的情况下，防腐蚀性和翅片破损的问题并未得到改善。
第二，专利文献3及4中记载有提高传热管的防蚀性的方法,但是翅片破损的问题仍未得到改善。
第三，专利文献5～7中记载有改善传热管的翅片破损的方法，但仍然在以下方面存在改善的余地。即，在专利文献5中，作为在内部形成氧化膜的工序，增加了正极氧化处理等，这样导致加工费大幅度提高，因而并不现实。并且，一般来讲在长管内部进行此种处理本身就非常困难。
在专利文献6中，需要使作为外层的纯铝层的壁厚比率厚于作为内层的A3003合金层。在同文献的实施方式中所公开的两个例中，相对于0.8mm的A1050外层，其A3003内层为0.2mm，或相对于0.7mm的A1050外层，其A3003内层为0.3mm，且大部分由A1050构成。但是，此种构成会使管自身的强度变低，因此为了获得能抵抗制冷剂的内压的抗压强度，需要使用厚壁的管，但这样会增加材料费而不实惠。
专利文献7中，由于使用了3层包覆管，因此，其制造工序复杂，生产率和成品率也低，从而加工费也会随之变高。
鉴于以上问题，本发明的目的在于提供即使以芯棒机械地进行扩管加工，也难以发生翅片破损的铝合金制内面带槽传热管。或者，提供一种难以发生翅片破损的传热管，并且可实现良好的防蚀性、薄壁化的铝合金制内面带槽传热管。
【为了解决课题的技术手段】
本发明的发明人经过虔心的研究，发现下述的传热管可解决现有技术中存在的问题，并完成了本发明。
即，本发明所提供一种铝合金制内面带槽传热管，其内面形成有多个突条型的翅片，且由含有Mn:0.8～1.8质量%(以下，将质量%记载为%)，Mg:0.1～0.6％，剩余部分是Al与不可避免的杂质的材料所构成。
根据该构成，可获得难以发生翅片破损的传热管。
另外，本发明还提供一种铝合金制内面带槽传热管，其内面形成有多个突条型的翅片，且由含有Mn:0.8～1.8％、Mg:0.1～0.6％，进一步含有Fe:0.60％以下、Si:0.60％以下、Cu:0.30％以下、Zn:0.30％以下、Cr:0.20％以下、Ti:0.20％以下、Zr:0.20％以下中的1种或2种以上，剩余部分是Al与不可避免的杂质的材料所构成。
根据该构成，可获得难以发生翅片破损的传热管。
另外，本发明还提供具备上述任意一种传热管的热交换器。
根据该构成，由于具备难以发生翅片破损的传热管，可得到传热性能出色的热交换器。
另外，本发明还提供具备上述任意一种传热管的空调机。
根据该构成，由于具备难以发生翅片破损的传热管，可得到传热性能出色的空调机。
【发明效果】
本发明的铝合金制内面带槽传热管，具备即使以芯棒机械地进行扩管加工，也难以发生翅片破损的效果。或者，具备难以发生翅片破损，并有良好的防蚀性，可实现薄壁化而能控制材料费的效果。
【附图说明】
图1是交叉翅片式热交换器的局部放大图。
图2是表示芯棒扩管方法的图。
图3是举例表示滚轧加工装置的图。
图4是表示内面带槽管的截面的模式图。
图5是表示内面突条翅片的导程角的模式图。
【具体实施方式】
以下，对本发明的实施方式进行详细说明。对于相同内容，为避免重复的繁琐，进行了适当的省略说明。
<实施方式1:传热管>
(1-1)成分
本实施方式中所设定的传热管，是面向普通家庭的空调机用的热交换器，例如可以是外径为φ4.0～φ9.54mm，底壁厚为0.3～0.6mm左右的小径薄壁管。因此，在各种铝合金之中，采用的是将具备适当的强度，且小径薄壁管加工性(挤压性，抽伸性，轧制性)比较出色的Al-Mn系作为基料，通过调节元素，来获得在不破坏加工性的前提下提高强度，且防止扩管加工引起的翅片破损的铝合金。
本实施方式所提供的传热管，是内面形成有多个突条型的翅片，且由含有Mn:0.8～1.8质量%(以下，将质量%记载为%)，Mg:0.1～0.6％，剩余部分是Al与不可避免的杂质的材料所构成的铝合金制内面带槽传热管。该传热管如下述实施例所证实，可起到难以发生翅片破损的效果。该传热管，由于管的抗压强度高，因此根据其薄壁化可降低材料费。该传热管由于无需采用复杂生产工艺和特殊结构，因此在生产率和质量等方面出色。
该传热管即使是在内面形成有多个突条型的翅片，且由含有Mn:0.8～1.8％，Mg:0.1～0.6％，进一步含有Fe:0.60％以下、Si:0.60％以下、Zn:0.30％以下、Cr:0.20％以下、Ti:0.20％以下、Zr:0.20％以下中1种或2种以上的成分，剩余部分是Al与不可避免的杂质的材料所构成的铝合金制内面带槽传热管，也能起到相同的效果。
这里所述的铝合金，是以Al为主要成分的合金。铝合金中Al的含量，例如为90～99.9％。
【0035】
接着，将对本实施方式中的传热管成分的限制理由进行说明。
Mn是在3000系合金中可提高强度的主要添加元素，通过固溶于铝中，并析出一部分来产生使合金具有强度的效果，当其添加量少于0.8％时，作为传热管的强度不够充分，而多于1.8％时，强度提高效果饱和，从而导致粗大的金属间化合物的量变多，并在管的制造工序中，容易发生破裂等的问题。因此，将Mn添加量设为0.8～1.8％的范围为佳，更优选的范围为1.0～1.5％。
Mg是具有固溶于铝中而能进一步提高强度的效果且不影响加工性的元素。当Mg添加量若少于0.1％时，会导致合金的强度不够充分，从而不能防止由机械性扩管所引起的槽破损，而当Mg添加量多于0.6％时，挤压性、抽伸性防蚀性会降低。因此，将Mg的添加量设为0.1～0.6％的范围为佳，更优选的范围为0.2～0.5％。
作为杂质有Fe、Si、Cu、Zn等，而这些杂质是Fe：0.60％以下、Si：0.60％以下、Cu:0.30％以下、Zn：0.30％以下时，不会影响本发明的效果。从不影响本发明效果的角度考虑，这些杂质的含有率越少越好。对这些杂志的含有率的下限值没有特别的限定,例如，可以是0.01、0.001或0.0001以上，也可以是0％。
并且，由于Ti、Cr、Zr有均匀细微化铸块组织的效果，因此合金中含有这些元素也较好，但含量如果超过0.2％，则会形成巨大金属间化合物，或导致挤压性下降，因此将含量设为0.2％以下为佳。对这些元素的含有率的下限值没有特别的限定,例如，可以是0.01、0.001或0.0001以上，也可以是0％。
(1-2)翅片
在本实施方式中，突条翅片的硬度也可为HV(维氏硬度；Vickers-hardness)33以上。这是为了防止翅片在扩管加工中破损。为了控制硬度，具体而言，适当调整Mn、Mg的添加量的组合（基本上是成分范围内的高组合）的同时，进行退火且不会过度加热等的常规工序的管理即可。另外，当突条翅片的硬度在扩管加工前为HV33以上时，由于在扩管加工时突条翅片不会发生塑性变形，因此扩管加工后不会发生硬度变为低于HV33的现象。
(1-3)牺牲防蚀层
假设在沿海的盐害地等中将本实施方式的传热管用于室外机的热交换器中时，也可在传热管的外面作为牺牲防蚀层设置纯Al或Al-Zn系合金层。形成有牺牲防蚀层的本发明实施例中的传热管，由于防蚀性和翅片破损两方面均出色，因此可作为高品质的传热管。
相对于全壁厚，这些牺牲防蚀层的厚度优选为5～30％。当牺牲防蚀层的厚度相对于全壁厚不满5％时，用在热交换器上的牺牲防蚀层的有效使用期限不足，如果超过30％，会使传热管的强度下降，从而难以实现薄壁化。
对于牺牲防蚀层的成分，只要其自然电位比作为芯材的Al-Mn-Mg系合金差即可，例如，可适当使用A1050等的纯铝或A7072(Al-0.8～1.3％Zn合金)等的Al-Zn合金。
接着，对牺牲防蚀层的形成方法的实施方式进行举例说明。
将牺牲防蚀合金板材(纯Al或Al-Zn系合金)弯曲成圆筒状且将其包覆在圆筒状坯料外侧而做出了在本实施方式的传热管中的Al-Mn-Mg系合金的组合坯料，之后将组合坯料用加热炉加热到350～600℃并进行均质化处理。将该组合坯料夹持在挤压模具与挤压杆头（Ramnose）之间并插入容器内，在固定了挤压模具与挤压杆头（Ram nose）的状态下，推入外径大于芯材内径的芯棒，将芯材扩管以挤出芯材与外皮材料间的空气。然后将芯棒固定于所定的位置，使中空挤压杆(hollow stem)前进并通过模具挤出组合坯料，从而获得2层包覆挤压管。然后，将该挤压管以规定的外径、壁厚进行拉伸加工，而获得2层包覆结构的管坯(平滑管)。该拉伸加工优选使用生产率高的拉丝卷筒（draw block）式连续拉床。
或者，可将圆筒状的牺牲防蚀材的坯料加热到350～600℃，并在其内面热装圆筒状的芯材中空坯料而获得的2层中空坯料，挤压加工该中空坯料之后，同样地再进行拉伸加工，由此能获得2层包覆结构的管坯(平滑管)。
或者，也可在铝合金芯材片的单面侧设置包覆滚轧牺牲防蚀材片而成的2层包覆片，对该包覆片进行滚压成形而做成管状，然后熔接该包覆片的对接面而做成2层包覆结构的电缝管。
以上所说明的是通过包覆挤压、抽伸，或包覆滚轧来形成牺牲防蚀层的2层管坯(平滑管)的形成方法,但是作为其他方法，也可使用在本实施方式的传热管中的Al-Mn-Mg系合金挤压管(热挤压或连续挤压（Conform Extrusion）)，或者对抽伸管喷涂Zn之后，进行Zn扩散加热处理，从而形成Al-Zn扩散层的方法。在此种情况下，优选设定适当的扩散加热处理的温度和时间，使Zn扩散层的厚度相对于全壁的厚度在5～30％的范围内。在工业上，将扩散加热处理的温度大概设为400～500℃，将扩散加热处理的处理时间设为2～8小时左右为优选。另外，在采用Zn喷涂法的情况下，也可在进行后述轧制加工之后再进行Zn喷涂和扩散加热处理。
另外，为使作为后续工序的轧制加工变得容易，预先以上述方式对形成有牺牲防蚀层的管坯（平滑管）进行退火软化处理为佳。这种情况下，将退火条件设为300～400℃，时间设为2～8小时左右是工业上的优选。
而且，在后续的轧制加工中，这些平滑管的外径和壁厚会有一定程度的减少。因此，考虑到会减少的量，将管坯的尺寸(外径，壁厚)设定得比最终产品的内面带槽管的尺寸大。
接着，以滚轧加工法或球轧加工法等对平滑管进行轧制加工，并制造具备突条型翅片的内面带槽管。
(1-4)结构及加工方法
本实施方式的内面带槽管，可根据热交换器的用途而制造成各种尺寸,但是在用在家用空调机的情况下，从制造管的生产率的角度考虑，内面带槽管的优选的外径为φ4.0mm以上，从热交换器的小型化、轻量化的角度考虑，内面带槽管的优选的外径为φ9.54mm以下。
而且，关于底壁厚，从耐压强度的方面考虑，优选为0.3mm以上，从热交换器的小型化、轻量化的方面考虑，优选为0.6mm以下。
此外，内面突条翅片的高度H优选为0.1～0.4mm，内面突条翅片的顶角α优选为10～40°，内面突条翅片的个数优选为40条以上，升角β(内面突条翅片和管长边方向所呈角度)优选为20°以上。
在实施轧制加工之后，也可以实施退火软化处理。这是为了消除在轧制时被导致入的加工变形，从而使发夹弯曲加工(蛇形弯曲加工)变得容易。根据规则，在温度300～400℃下实施2～8小时左右的退火即可。
这样制得的本实施方式的内面带槽管，通过扩管加工与铝散热翅片的通孔紧密接合。为获得良好的紧密接合性，适当地设定通孔与传热管之间的间隙，以使扩管率(外径增加率)成为4～6％左右。并且，取代用芯棒的机械扩管法，也可以采用以油压或水压对管施加内压的液压扩管法，通过这样的方法能提高生产效率。
<实施方式2:热交换器>
本发明的其它实施方式涉及具备上述实施方式所述的传热管的热交换器。该热交换器由于具备难以发生翅片破损的传热管，因此传热性能好，且效率性出色。而且，该热交换器由于具备难以发生翅片破损，且防蚀性出色的传热管，因此传热性能及耐久性出色。
<实施方式3:空调机>
本发明的其它实施方式还涉及具备上述实施方式所述的传热管的空调机。该空调机由于具备难以发生翅片破损的传热管，因此传热性能好，且效率性出色。而且，该空调机由于具备难以发生翅片破损，且防蚀性出色的传热管，因此传热性能及耐久性出色。
以上，对发明的实施方式进行了叙述,但是这些仅为本发明的例示，本发明还可采用上述以外各种各样的构成。
【实施例】
接着，基于实施例对本发明进行更加详细的说明。
铸造出具有表1所示的成分构成的铝合金圆筒形坯料，并通过间接挤压法制得了外径φ47mm、壁厚3.5mm的挤压管。用拉丝卷筒式连续拉床机对该挤压管进行拉伸加工，而制得了外径φ10mm、壁厚0.45mm的抽伸管。
【表1】
Figure BDA00002902487600101
对于形成有牺牲防蚀层的No8～14、No22～28而言，将A1050或A7072等圆筒状的牺牲防蚀材的坯料加热到450℃，并在其内侧热装圆筒状芯材坯料而制得了2层中空坯料，对该中空坯料进行间接挤压，之后用拉丝卷筒式连续拉床机进行拉伸加工，从而同样地制得了外径φ10mm、壁厚0.48mm的抽伸管。
对这样制得的抽伸管在360℃下进行了2小时的退火软化处理，之后插入浮动塞（floating）、连杆、带槽塞为一体的插塞，并使插塞通过浮动模具、加工头、成形模具，而在内面进行付槽加工，从而制成了外径:φ7mm、底壁厚:0.35mm、突条翅片的高度H:0.22mm、突条翅片的数为50条、顶角α:15°、升角β:35°的内面带槽管。另外，对于No8～14、No21～26，为使牺牲防蚀层的厚度达到0.035mm(相对于底壁厚为10％的比率)，调节了在挤压工序中的牺牲防蚀材的坯料厚度。并且，最终在360℃下进行2小时的退火软化处理而制成了内面带槽管。
为了评价这样制得的本发明实施例及比较例所涉及的内面带槽管的特性，进行了如下试验。所得结果如表2所示。
【表2】
Figure BDA00002902487600121
(a)拉伸试验
为测量内面带槽管的强度，按照JIS Z2241实施了拉伸试验。
(b)扩管加工性
用钢制芯棒进行了扩管加工，使得上述外径φ7mm的内面带槽管的外径增加5％。之后，观察管子的截面，并测量突条翅片高度H的减少量，由此评价了翅片破损量。为获得作为热交换器的传热特性，该翅片破损量优选在0.01mm以下。另外，使用显微维氏硬度计测量了扩管加工前后的突条翅片的截面中央部的硬度。
(c)防蚀性
为了评价外部防蚀性，按照JIS Z8681对各内面带槽管进行了1500小时的CASS试验。试验后，除去取样管的表面腐蚀产物，之后观察管的腐蚀状况，并根据通孔的有无评价了外部防蚀性。
如表2所明确示出，本发明的铝制内面带槽管No1～No14的突条翅片高度H的减少量(翅片破损量)为0.01mm以下，其中扩管前的突条翅片部的硬度为HV35以上的No3～No7、No10～No14的翅片破损量为零，因此防蚀性极为良好。而且，形成有牺牲防蚀层的No8～No14，未见到通孔的发生，因此外部防蚀性良好。并且，本发明的铝制内面带槽管No1～No14的抗拉强度为119MPa以上，即使与比较例No16的抗拉强度91MPa(相当于A3003)相比，内面带槽管No1～No14的强度也高，从而管的耐压强度也高，因此可以实现薄壁化所带来的成本降低效果。
相对于此，Mn、Mg量少的No15～No18、No22～No25，在扩管时的突条翅片的破损大，管自身的强度也低。反之，Mn、Mg量多的No19～No21、No26～No28，在拉伸工序和轧制工序中发生了破裂，因而无法制造内面带槽管。
以上，根据实施例对本发明进行了说明。可以理解，这些实施例仅为例示，本发明还可以有各种变形例，且那些变形例也在本发明的范围内。
【符号说明】
1铝散热翅片
2传热管(内面带槽管)
3散热孔
4扩管塞(芯棒)
5管坯(平滑管)
6轧制头
7旋转辊
8内面螺旋带槽管
9突条翅片
10牺牲防蚀层

Claims (8)

1.一种铝合金制内面带槽传热管，其特征在于：内面形成有多个突条型的翅片，并含有Mn:0.8～1.8质量%(以下，将质量%记为%)，Mg:0.1～0.6％，剩余部分由Al与不可避免的杂质所构成。
2.一种铝合金制内面带槽传热管，其特征在于：内面形成有多个突条型的翅片，并含有Mn:0.8～1.8％，Mg:0.1～0.6％，进一步含有Fe:0.60％以下、Si:0.60％以下、Cu:0.30％以下、Zn:0.30％以下、Cr:0.20％以下、Ti:0.20％以下、Zr:0.20％以下之中的1种或2种以上成分，剩余部分由Al与不可避免的杂质所构成。
3.如权利要求1或2所述的铝合金制内面带槽传热管，其特征在于：所述突条型的翅片的硬度为HV33以上。
4.如权利要求1至3的任意一项所述的铝合金制内面带槽传热管，其特征在于：在外表面上作为牺牲防蚀材形成有纯Al层或Al-Zn系合金层。
5.如权利要求1至4的任意一项所述的铝合金制内面带槽传热管，其中，该传热管的外径为4.0～9.54mm。
6.如权利要求1至5的任意一项所述的铝合金制内面带槽传热管，其特征在于：该传热管的底壁厚为0.3～0.6mm。
7.一种热交换器，其具备：如权利要求1至6的任意一项所述的传热管。
8.一种空调机，其具备：如权利要求1至6的任意一项所述的传热管。
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