JP2013177655A

JP2013177655A - 熱交換器用アルミニウム合金管材

Info

Publication number: JP2013177655A
Application number: JP2012042130A
Authority: JP
Inventors: Munehisa Takahashi; 宗尚高橋; Yasunori Hyogo; 靖憲兵庫
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-09-09

Abstract

【課題】ろう材などの熱交換器を構成する他の部材と同等の電位を有し、かつ自己耐食性に優れるアルミニウム合金管材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｆｅ：０．３％以下、Ｓｉ：０．２％超〜０．５％、Ｍｎ：１．０〜１．５％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる組成を有するので、アルミニウム合金管材の電位を、ろう材などの熱交換器を構成する他の部材と同等の電位とするとともに、アルミニウム合金管材の自己耐食性を優れたものすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エアコンなどの熱交換器におけるチューブ材料として使用される熱交換器用アルミニウム合金管材に関するものである。

家庭用や業務用のエアコンは、熱媒を循環させる熱交換サイクルが採用されており、熱交換器によって熱媒の気化と液化を繰り返すことにより室内の冷房などを行っている。
これまで、これらの熱交換器には、熱媒が通過するチューブとして熱伝導性および加工性に優れた銅または銅合金製の管材が広く使用されている。

しかし、近年、熱交換器は高性能、高機能化だけでなく、省資源、省エネルギ、少スペースなどの環境側面も配慮した設計が求められている。さらには銅価格の高騰に伴い、安価な部材の使用によるコストダウンの要求も非常に高まっている。したがって、今後、熱交換器には高性能化、高品質化に加え、さらなるコストダウンや軽量化、リサイクル性などの向上が必要不可欠となっている。
そこで、エアコン用熱交換器の高性能化を進めるとともに、コストダウンや軽量化、さらにはリサイクル性を兼ね備えた熱交換器を得るため、チューブを軽量で銅に比べ安価なアルミニウム合金材で作製することが提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、アルミニウムやその合金は、一般的に、銅と比較して腐食性が劣り、孔食状の腐食形態になりやすいため、そのような腐食を防止する必要がある。アルミニウムの腐食を防止する方法としては、Ｚｎの溶射による防食処理が知られている。

特開２０１１−８０１２１号公報

しかしながら、上記Ｚｎの溶射による防食処理はコストが高く、熱交換器のコストダウンを図るためにアルミニウム合金管材を使用しても、熱交換器全体の作製という点ではコストダウンを実現できないという問題がある。
また、上記耐食性に優れるアルミニウム合金は、単体での耐食性には優れるものの、電位が低いため、ろう材などの熱交換器を構成する他の部材と組み合わせた場合に、優先腐食を生じてしまうという問題がある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ろう材などの熱交換器を構成する他の部材と同等の電位を有し、かつ自己耐食性に優れる熱交換器用アルミニウム合金管材を提供することにある。

すなわち、本発明の熱交換器用アルミニウム合金管材のうち、第１の本発明は、質量％で、Ｆｅ：０．３％以下、Ｓｉ：０．２％超〜０．５％、Ｍｎ：１．０〜１．５％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる組成を有することを特徴とする。

第２の本発明の熱交換器用アルミニウム合金管材は、前記第１の本発明において、前記組成において、さらに、質量％で、Ｚｎ：０．０５％以下を含有することを特徴とする。

第３の本発明の熱交換器用アルミニウム合金管材は、前記第１または第２の本発明において、前記組成において、さらに、質量％で、Ｃｕ：０．２％以下を含有することを特徴とする。

第４の本発明の熱交換器用アルミニウム合金管材は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記組成において、さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０６〜０．２５％を含有することを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、Ａｌマトリックスと局部電池を形成して孔食状腐食の発生を促進するＡｌＦｅ系化合物およびＡｌＭｎ（Ｓｉ）Ｆｅ系化合物の形成が低く抑えられることで、孔食状の腐食が抑制される。
さらに、ＡｌＦｅ系化合物をＡｌＭｎＦｅ系化合物に変態させてＡｌマトリックス近くまで電位を低下させるＭｎを適量含有することで、熱交換器用アルミニウム合金管材の電位を、ろう材などの熱交換器を構成する他の部材と同等の電位とすることができる。

以下に、本発明に規定する成分について説明する。なお、成分含有量は、いずれも質量％で示される。

Ｆｅ：０．３％以下
Ｆｅは、積極的に添加することは行わずに不可避不純物と同様に取り扱い、Ｆｅの含有量は０．３％以下に規制する。Ｆｅの含有量が０．３％を超えると、ＦｅはＡｌＦｅ系化合物を形成する。ＡｌＦｅ系化合物は、Ａｌマトリックスよりも電位が高く、Ａｌマトリックスと局部電池を形成して孔食状腐食を促進する。このため、Ｆｅの含有量は、０．３％以下に規制する。なお、同様の理由により、Ｆｅの含有量を０．２％以下に規制することが望ましい。

Ｓｉ：０．２％超〜０．５％
Ｓｉは、熱交換器用アルミニウム合金管材の強度を確保するうえで必要不可欠な元素である。ただし、Ｓｉの含有量が０．２％以下であると、十分な強度を確保することが困難である。また、Ｓｉの含有量が０．５％を超えると、素材融点を低下させ、トーチろう付け性を低下させる。また、Ｓｉの含有量が０．５％を超えると、ＳｉはＡｌＭｎ（Ｆｅ）Ｓｉ化合物を形成する。ＡｌＭｎ（Ｆｅ）Ｓｉ化合物は、Ａｌマトリックスよりも電位が若干高く、Ａｌマトリックスと局部電池を形成して孔食状腐食を促進する。このため、Ｓｉの含有量は、０．２％超〜０．５％の範囲に定める。なお、同様の理由により、下限を０．２５％、上限を０．４％に定めることが望ましい。

Ｍｎ：１．０〜１．５％
Ｍｎは、熱交換器用アルミニウム合金管材の強度および耐食性を確保するうえで必要不可欠な元素である。Ｍｎは、機械的強度の向上に寄与するとともに、不純物として素材中に存在するＡｌＦｅ系化合物をＡｌＭｎＦｅ系化合物に変態させてＡｌマトリックス近くまで電位を低下させる作用を有している。ただし、Ｍｎの含有量が１．０％未満であると、強度および耐食性が不足する。また、Ｍｎの含有量が１．５％を超えると、熱交換器用アルミニウム合金管材を押出成形する際の変形抵抗が増加して押出成形が困難となる。このため、Ｍｎの含有量は、１．０〜１．５％の範囲に定める。なお、同様の理由により、下限を１．０％、上限を１．３％に定めることが望ましい。

熱交換器用アルミニウム合金管材は、上記成分のほか、所望によりＺｎ、Ｃｕ、およびＴｉのうちの１成分または２成分以上を含有することもできる。これら選択成分を含有する場合の各成分の含有量は以下の範囲とすることができる。

Ｚｎ：０．０５％以下
Ｚｎは、アルミニウム合金の腐食形態を面状に変化させる作用を有する元素であるので所望により含有させる。ただし、Ｚｎの含有量が０．０５％を超えると、熱交換器用アルミニウム合金管材の電位が低下して自己腐食速度が増加することになる。このため、Ｚｎの含有量は、０．０５％以下の範囲に定める。また、Ｚｎを含有させる場合、その作用を十分に得るために、Ｚｎの含有量の下限を０．０２％に定めることが望ましい。

Ｃｕ：０．２％以下
Ｃｕは、熱交換器用アルミニウム合金管材の強度を向上するとともに、熱交換器用アルミニウム合金管材の電位を上昇させる作用を有する元素であるので、所望により含有させる。ただし、Ｃｕの含有量が０．２％を超えると、自己耐食性が著しく低下する。このため、Ｃｕの含有量は、０．２％以下の範囲に定める。なお、同様の理由により、Ｃｕの含有量を０．０５％以下に定めることが望ましい。また、Ｃｕを含有させる場合、上記作用を十分に得るため、Ｃｕの含有量の下限を０．１％に定めることが望ましい。

Ｔｉ：０．０６〜０．２５％
Ｔｉは、層状に分布し、腐食形態を層状にする効果を発揮する元素であるので、所望により含有させる。ただし、０．０６％未満では効果が薄く、０．２５％を越えると押出が困難となる。このため、Ｔｉの含有量は、０．０６〜０．２５％の範囲に定める。望ましくは、０．１０〜０．２０％である。

熱交換器用アルミニウム合金管材は、上記成分を含有するほか、残部がＡｌおよびその他の不可避不純物からなる組成を有するものである。

熱交換器用アルミニウム合金管材は、管状のものであれば特に限定されるものではないが、例えば、幅方向の断面形状が正円の丸管や、幅寸法に対して高さが小さい扁平形状の扁平管とすることができる。扁平管は、内部に複数の通路が形成された扁平多穴管構造とするものであってもよい。なお、扁平管は、丸管と比較して凝集水の排水が困難となる傾向があるため、丸管よりも高い耐食性が要求されるので、本発明材をより好適に利用することができる。

以上説明したように、本発明の熱交換器用アルミニウム合金管材によれば、質量％で、Ｆｅ：０．３％以下、Ｓｉ：０．２％超〜０．５％、Ｍｎ：１．０〜１．５％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる組成を有するので、熱交換器用アルミニウム合金管材の電位を、ろう材などの熱交換器を構成する他の部材と同等の電位とするとともに、熱交換器用アルミニウム合金管材の自己耐食性を優れたものとすることができる。

本発明の一実施形態の熱交換器を示す概略図である。同じく、熱交換器におけるチューブおよびフィンを示す概略図である。同じく、熱交換器の組み立てを説明する概略図である。本発明の他の実施形態の熱交換器におけるチューブおよびフィンを示す概略図である。

以下に、本発明の一実施形態の管材を用いた熱交換器を図１〜図３に基づいて説明する。
本発明の熱交換器用アルミニウム合金管材の製造方法は、特に限定されるものではなく、常法によって製造することができる。例えば、アルミニウム合金のビレットを半連続鋳造法により作製し、熱間押出をおこなうことにより、熱交換器用アルミニウム合金管材を製造することができる。該熱交換器用アルミニウム合金管材は、さらに必要に応じて適宜の加工を行うことでチューブとして用いられる。

図１に示す熱交換器１１は、熱媒を通す複数本のチューブ１２と、これらチューブ１２が串刺し状態に嵌合することによりチューブ１２の外表面に接触して熱を放散する多数のフィン１３と、各チューブ１２を連結するヘッダ管１４と、ヘッダ管１４を通して流体をチューブ１２に供給する供給管１５と、チューブ１２を経由した流体を回収する回収管１６とを備えている。

チューブ１２は、質量％で、Ｆｅ：０．３％以下、Ｓｉ：０．２％超〜０．５％、Ｍｎ：１．０〜１．５％を含有し、必要に応じて、Ｚｎ：０．０５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｔｉ：０．０６〜０．２５％をさらに含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる組成を有しており、本発明の熱交換器用アルミニウム合金管材によって製作されている。
また、フィン１３、ヘッダ管１４、供給管１５および回収管１６は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されている。

チューブ１２は、幅寸法に対して高さが小さい扁平形状とされた扁平管であり、図２に示すように、内部に複数の通路が形成された扁平多穴管構造を有している。チューブ１２は、長さ方向の途中で折り曲げ形成されることにより、直管部１７の間にＵ字状の曲管部１８が屈曲形成され、その直管部１７の各端部がヘッダ管１４に接続されている。ヘッダ管１４は、内部が複数に分割され、ヘッダ管１４の両端部に供給管１５および回収管１６が接続されていることにより、供給管１５から回収管１６に向けて各チューブ１２がヘッダ管１４内を経由して順次連結状態とされ、流路が蛇行状に形成される。

一方、フィン１３は、一定の間隔をおいて相互に平行に配置されており、図２に示すように、チューブ１２を部分的に嵌合する孔１９が複数形成されている。また、孔１９の周縁部にはバーリング加工が施されており、図３に示すように、孔１９の周縁部を垂直に立ち上げてなる立ち上げ部２０が一体に形成されている。
チューブ１２とフィン１３とは、一定間隔に並べたフィン１３を串刺しするように、フィン１３の孔１９内にチューブ１２の直管部１７が嵌合し、その直管部１７の部分でフィン１３がろう付けにより固定されている。
なお、フィン１３の孔１９とチューブ１２との間の隙間は、例えば１０μｍ以下とすることができる。

次に、上記熱交換器１１を組み立てる方法について説明する。
チューブ１２の表面には、ろう材を含むろう付組成物２１が塗布される。ろう付組成物２１は、チューブ１２の全長にわたって塗布されていてもよいが、フィン１３が接触する直管部１７の表面にろう付組成物２１が塗布されていればよい。ろう付組成物２１の塗布厚さは、例えば５〜２０μｍとされる。

次いで、このチューブ１２の直管部１７をフィンの孔１９内に挿入するようにしてフィン１３を一枚ずつ嵌め込む。この際には、図３に示すように、フィン１３の立ち上げ部２０が挿入方向の後方を向くように挿入される。そして、多数枚のフィン１３を順次嵌め込み、前方のフィン１３の立ち上げ部２０に後方のフィン１３の表面が接触した状態とすることにより、各フィン１３が立ち上げ部２０の長さに相当する一定の間隔を開けて配置される。このようにして多数枚のフィン１３をチューブ１２に嵌め込んだ後、全体を加熱炉に入れて加熱することにより、チューブ１２表面のろう付組成物２１を溶融させ、その後、冷却してろうを固化させフィン１３とチューブ１２とを一体化する。

なお、上記では、扁平管のチューブ１２を用いた熱交換器１１について説明したが、丸管のチューブを用いることもできる。図４は、丸管のチューブを用いた他の実施形態の熱交換器におけるチューブおよびフィンを示している。
図４に示すように、プレート状のフィン３０には、丸管のチューブ２２が挿入されて固定される孔３２が形成されている。孔３２の周縁は、チューブ２２の挿入方向に沿って張り出したカラー部３５が形成されている。
チューブ２２は、本発明の熱交換器用アルミニウム合金管材で製作されており、幅方向の断面形状が正円の丸管となっている。
また、フィン３０は、アルミニウム合金から構成されている。フィン３０を構成するアルミニウム合金は、１０５０ベアあるいはプレコートフィン（有機、無機）である。

フィン３０は、カラー部３５の高さによって間隔を規制するようにして多数を積層し、前記孔３２にチューブ２２を挿通して固定されている。なお、チューブ２２の固定に際しては、チューブ２２を、孔３２の内径よりも多少外径が小さい形状にしておき、積層したフィン３０の孔３２内にチューブ２２を挿入した状態で、チューブ２２をプラグ（図示しない）などで拡径してチューブ２２の外周部をカラー部３５に押付けることでフィン３０とチューブ２２との固定を行っている。

以下に、本発明の実施例について説明する。

表１に示す組成のアルミニウム合金（残部はＡｌおよび不可避不純物）を使用して作製したビレットを用い、常法に従い、均質化処理後、熱間押出を行い、外径７ｍｍ、内径６ｍｍ、肉厚０．５ｍｍの丸管（パイプ）、および幅１０ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ、高さ５ｍｍの扁平管をそれぞれ作製した。

（押出性）
作製した丸管および扁平管のそれぞれについて、表面の荒れを目視で観察して、以下の基準で押出性を評価した。評価結果を表２に示した。なお、押出性の評価結果は、丸管と扁平管とで共通である。
○：良好なもの
△：一部表面荒れが発生したもの
×：押出圧力が高いもの、または表面状態が悪いもの

（ヘアピン曲げ性）
次に、作製した丸管および扁平管のそれぞれについて、ヘアピン曲げ加工を実施して、それぞれヘアピン曲げ性を評価した。評価結果を表２に示した。なお、ヘアピン曲げ加工の条件および評価の基準は以下のとおりである。
銅管と同じ製法でヘアピン曲げ加工用パイプベンダを使用して、曲率半径１５ｍｍでヘアピン曲げ加工を実施した。
○：良好なもの
△：曲げ部に肌荒れが生じたもの
×：割れが生じたもの

（トーチろう付け性）
また、丸管については、Ａｌ−Ｓｉろうをトーチにてろう付けし、ろう材の接合状況を観察し、以下の基準でトーチろう付け性を評価した。評価結果を表２に示した。
○：良好なもの
△：気密性を保つものの一部溶融したもの
×：管が溶融し気密性を保てないもの

（破壊圧力）
また、作製した丸管を用い、１０５０合金からなる板厚０．１ｍｍのフィン材と組み合わせて熱交換器を作製して耐圧試験を行い、以下の基準で破壊圧力を評価した。評価結果を表２に示した。
○：破壊圧力が１４．０ＭＰａ以上
△：破壊圧力が１２．０ＭＰａ以上、１４．０ＭＰａ未満
×：破壊圧力が１２．０ＭＰａ未満

（耐食性：管単体）
また、作製した管単体について、ＳＷＡＡＴ（ＡＳＴＭＧ８５規格）により、貫通孔が発生するまでの日数である貫通日数を測定し、以下の基準で耐食性を評価した。評価結果を表２に示した。
◎：貫通日数が２５日以上
○：貫通日数が２０〜２４日
△：貫通日数が１５〜１９日
×：貫通日数が１５日未満

（耐食性：ろう材組合せ）
また、パイプ同士を４０４７ろう材を介してろう付けしたサンプルについて、ＳＷＡＡＴ（ＡＳＴＭＧ８５規格）により貫通日数を測定し、上記管単体の場合と同様の基準で耐食性を評価した。評価結果を表２に示した。
なお、実施形態に示すチューブでは、電位差によって腐食が生じやすいのはＵベンド部であり、ろう材と組み合わせた耐食性が重要になる。一方、フィンとの機械的な接合部は電位差による腐食は発生せず、単体での自己耐食性が重要になる。

（引張強さ）
一方、作製した扁平管について、ろう付け加熱後に引張試験を実施し、試験片を作製し、引張試験を実施し、引張強さを測定した。測定結果を表２に示した。

（耐食性：フィン材組合せ）
また、作製した扁平管をＺｎ溶射してフィン材と組み合せたものについて、ＳＷＡＡＴ（ＡＳＴＭＧ８５規格）により貫通日数を測定し、上記丸管単体の場合と同様の基準で耐食性を評価した。評価結果を表２に示した。フィン材としては、ＪＩＳＡ３００３合金に２．０質量％のＺｎを添加した芯材に４０４５合金を両面クラッドしたものを使用した。
◎：貫通日数が９０日以上
○：貫通日数が６０〜８９日
△：貫通日数が３０〜５９日
×：貫通日数が３０日未満

（孔食電位）
ろう付け熱処理したサンプルについて、アノード分極曲線の測定を行い、測定されたアノード分極曲線において電流密度が急増する屈曲点の電位を孔食電位とし、この孔食電位の貴卑により耐食性を評価した。孔食電位を表２に示した。表２には、ろう材との電位差もあわせて示した。孔食電位は、ろう材との電位差が小さい程、耐食性が良好である。なお、アノード分極曲線の測定では、高純度窒素ガスの拭き込みにて十分に脱気した４０℃の２．６７％ＡｌＣｌ_３水溶液中で、サンプルとキャピラリー先端との距離を約１ｍｍとし、参照電極に飽和カロメル電極を使用し、電位掃引速度０．５ｍＶ／ｓの条件で実施した。

（フィン白粉）
また、上記フィン材と組み合わせた扁平管のＳＷＡＡＴにおいて、２０日間暴露した時点で、フィン材の腐食生成物である白粉の発生の有無を観察し、以下の基準で評価した。評価結果を表２に示した。
◎：良好なもの
○：白粉が発生するが許容できるもの
△：フィン材が腐食により一部消失しているもの
×：箔分の発生が著しく、フィン材が消失しているもの

表２から明らかなように、本発明例では、丸管および扁平管のいずれの場合も、各加工性および特性について概ね良好な結果となった。
一方、本発明範囲外の比較例では、丸管および扁平管のいずれの場合も、加工性および特性のうちの少なくともいずれかが劣る結果となった。

１１熱交換器
１２チューブ
１３フィン
１４ヘッダ管
１５供給管
１６回収管
１７直管部
１８曲管部
１９孔
２０立ち上げ部
２１ろう付組成物
２２チューブ
３０フィン
３２孔
３５カラー部

Claims

質量％で、Ｆｅ：０．３％以下、Ｓｉ：０．２％超〜０．５％、Ｍｎ：１．０〜１．５％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる組成を有することを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金管材。
前記組成において、さらに、質量％で、Ｚｎ：０．０５％以下を含有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器用アルミニウム合金管材。
前記組成において、さらに、質量％で、Ｃｕ：０．２％以下を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器用アルミニウム合金管材。
前記組成において、さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０６〜０．２５％を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金管材。