JP2015178679A - 熱交換管用の銅合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】所望の圧力破壊強度と加工性を有する熱交換器用高力銅合金の提供。【解決手段】熱交換器において使用するための銅合金であって、ａ）0.2〜1.0重量％のニッケル；ｂ）0.2〜1.0重量％の錫；及びｃ）0.01〜0.07重量％のリン；を含み、残部が銅及び不純物からなり、10ミクロン〜50ミクロンの粒子サイズを有する銅合金。【効果】高い引張強度と高い破裂圧力が望ましく、破裂圧力が高いほど、管設計は頑丈になり、また、所定の破裂圧力最小値のために、前記合金は、より肉厚（壁の厚み）の薄い管を可能にする。【選択図】図２
Description
本発明は、一般に、銅合金及び熱交換器用の管における前記銅合金の使用に関する。具体的には、本発明は、高力銅合金管であって、所望の圧力破壊強度と加工性を有する管に関する。前記合金は、厚みを減じるのに好適であり、それ故、既存の冷凍空調（ＡＣＲ）熱交換器のための材料を節約するのに好適であり、及び、ＣＯ２のような冷却媒体を使用する熱交換器における使用に好適である。
空調装置用の熱交換器は、ヘアピンのように曲がったＵ字型の銅管とアルミニウムもしくはアルミニウム合金プレートからなるフィンから構成される。
したがって、前記タイプの熱交換器に使用される銅管は、適切な伝導性、成形性及びろう付性を要求する。
ＨＣＦＣ（ヒドロクロロフルオロカーボン）系フッ化炭素は、空調装置などの熱交換器に使用される冷却媒体として広く使用されてきた。しかしながら、ＨＣＦＣは、環境上の理由のために他の冷却媒体が選択されるほど大きなオゾン破壊性を有する。環境に優しい冷媒（グリーン冷媒）、例えばＣＯ２は、熱交換器のために使用されている自然冷却媒体である。
ＣＯ２を冷却媒体として使用すると、ＨＣＦＣ系フッ化炭素と同じ伝熱性能を維持するためには、動作中の凝縮圧力を増加させる必要がある。通常、熱交換器において、これらの冷却媒体が使用された場合の圧力（熱交換管中を流れる流体の圧力）は、冷却器（ＣＯ２を用いたガス冷却器）中で最大になる。この冷却器もしくはガス冷却器において、例えば、Ｒ２２（ＨＣＦＣ系フッ化炭素）は、約１．８ＭＰａの凝縮圧力を有する。一方、ＣＯ２冷却媒体は、約７〜１０ＭＰａ（超臨界状態）の凝縮圧力を必要とする。それ故、新しい冷却媒体の作動圧力は、従来の冷却媒体であるＲ２２の作動圧力と比べて増加する。
上記増加した圧力が原因で、及び管形成プロセス中のろう付けに起因する強度の多少の低下が原因で、従来の銅材料はより厚くされる必要があり、それにより、管の重さは増加し、管にかかる材料費も増加する。
必要なのは、高い引張強度、優れた加工性、及び良好な熱伝導率を有し、肉厚（壁の厚み）を薄くするのに好適で、それ故、材料費を削減するのに好適な、ＡＣＲ熱交換器用の熱交換管（伝熱管）であり、及びＣＯ２のような新しい「グリーン」冷却媒体を用いた高圧適用に耐えるのに好適な熱交換管である。
本発明は、熱交換管に使用するための銅合金であって、例えば、高い引張強度、優れた加工性、及び良好な熱伝導度を有する銅合金を提供する。
本発明の一形態において、銅合金組成物は、以下のものを含む（％は重量％を示す）。前記組成物は、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、及び錫(Sn)を含む。一実施形態では、前記合金は、99重量％の銅、0.5重量％のニッケル、及び0.5重量％の錫からなる組成を有する［CuNi(0.5)Sn(0.5)と表記する］。別の実施形態において、ニッケルは0.2％〜1.0％の範囲で存在し、錫は0.2％〜1.0％の範囲で存在し、そして、残部が銅と不純物を含む。前記組成物は、任意にリンを0.01％〜0.07％の範囲で含む。
別の形態において、本発明は、前記銅合金組成物を有するＡＣＲ用途のための管を提供する。また、本発明の別の形態において、前記合金組成物は、ＡＣＲ用途のための管に形成される。
本発明は、高力合金、例えば、肉厚を減じることができ、それ故、既存のＡＣＲ管に関する費用を減じることができる高力合金を提供し、及び／又は、ＣＯ２などの冷却媒体に付随する増加した圧力に耐えることができるＡＣＲ管を提供する。ここで、高強度とは、前記合金及び／又は前記合金から作られる管が、少なくとも本明細書中に述べるレベルの引張強度及び／又は破裂圧力及び／又はサイクル疲労破損を有することを意味する。前記銅合金は、材料、コスト、環境への影響及びエネルギー消費をセーブすることができる。
例えば、ＣＯ２などの冷却媒体とともに使用することができる熱交換管用の銅合金を提供するために、選択される合金は、適切な材料特性を有し、良好な加工性を有するべきである。重要な材料特性は、例えば、破裂圧力／強度、延性、伝導性、及びサイクル疲労等の特性を含む。明細書中に記載する合金及び／又は管の性質は、それらがＡＣＲ動作環境に耐えれることが望ましい。
高い引張強度と高い破裂圧力は、望ましい管の性質である。なぜなら、それらは、管が欠陥を生じる前に耐え得る作動圧力を規定する。例えば、破裂圧力が高いほど、管設計は頑丈になり、また、所定の破裂圧力最小値のために、本発明の合金は、より肉厚（壁の厚み）の薄い管を可能にする。引張強度と破裂圧力の間には、相関関係が存在する。前記合金、及び／又は前記合金からなる管は、例えば、最低でも38ksi（平方インチ当たりキロポンド）の材料引張強度を有する。材料引張強度は、当該技術分野において既知の方法、例えば、ASTM E-8試験プロトコルで測定することができる。様々な実施形態において、前記合金、及び／又は前記合金からなる管は、39、40、41、または42ksiの材料引張強度を有する。
前記合金、及び／又は前記合金からなる管の延性は、望ましい性質である。なぜなら、一実施形態において、管はコイルに使用されるために、破砕または皺を生じることなく、ヘアピン状に１８０度曲げられることを必要とする。伸び（エロンゲーション）は、材料の延性の指標である。前記合金、及び／又は前記合金からなる管は、例えば、最小でも40％の伸びを有する。前記伸びは、当該技術分野において既知の方法、例えば、ASTM E-8の試験プロトコルによって測定することができる。様々な実施形態において、前記合金、及び／又は前記合金からなる管は、41、42、43、44、45、46、47、48、49、もしくは50％の伸び最小値を有する。
伝導性は、望ましい特性である。なぜなら、それは伝熱能力に関係し、それ故、ＡＣＲコイルの性能の一要素となる。また、伝導性は、管形成のために重要となり得る。前記合金、及び／又は前記合金からなる管は、例えば、最小でも35％IACSの伝導率を有する。伝導性は、当該技術分野において既知の方法、例えば、ASTM E-1004試験プロトコルによって測定することができる。様々な実施形態において、前記合金、及び／又は前記合金からなる管は、36、37、38、39、40、45、50、55、60、もしくは65％(IACS)の最小伝導率を有する。
前記合金及び／又は管は、例えば、表２に示すように、現在用いられている合金（例えば、C122）と少なくとも等しいサイクル疲労破損への耐性を有する。さらに、前記合金及び／又は管は、例えば、一以上のタイプの腐食（例えば、ガルバニック腐食及び蟻の巣状腐食）に対し、現在使用されている合金（例えば、C122）と少なくとも等しい耐性を有することが望ましい。
一実施形態において、本発明の合金からなる管は、標準の銅管（例えば、C122からなる管）と比較して、向上した軟化抵抗性（ろう付けのために重要である）及び／又は増加した疲労強度を有する。
一実施形態において、本発明の合金からなり、薄い肉厚ｔ（C122等の従来の合金からなる管と比較して薄い肉厚）を有する図３(ａ)〜(ｃ)に描かれた管は、従来の合金（例えばC122）からなる管と比較して同等もしくは向上した破裂圧力、及び／又は、サイクル疲労を有する。例えば、本発明の管の肉厚は、標準の管（例えば、C122管）に対して最小化され（標準の管と比較して肉厚を薄くされ）、それにより総材料費が低くなり、且つ、両方の管は、同じ破裂圧力を示す。様々な実施形態において、管の肉厚は、同じ破裂圧力を有するC122管より、少なくとも10、15、もしくは20％薄い。破裂圧力は、当該技術分野で既知の方法（例えば、CSA-C22.2 No.140.3 節6.1 強度試験‐UL207 節13等）によって測定できる。サイクル疲労は、当該技術分野において既知の方法（例えば、CSA-C22.2 No.140.3 節6.4 疲労試験‐UL207 節14等）によって測定できる。
本発明の合金は、当該技術分野において既知の方法によって製造することができる。合金製造プロセス及び／又は管形成プロセスにおいて、温度をコントロールすることが重要となり得る。温度のコントロールは、溶液中の元素を維持し（沈殿を防ぐ）、及び粒子サイズを制御するために重要となり得る。例えば、処理が不正確であれば、伝導性は増加し、成形性は劣る可能性がある。
例えば、合金製造プロセス及び／又は管形成プロセスにおいて、所望の粒子サイズと沈殿物形成防止の両方を維持するために、生産工程における熱処理は、前記合金及び／又は管の温度が急速な（例えば、10〜500℃／秒）上向き及び下向きの温度勾配で400〜600℃の間となるよう、短時間で行なわれる。
前記合金、及び／又は前記合金からなる管は、所望の粒子サイズを有することが望ましい。一実施形態において、粒子サイズは、1ミクロン〜50ミクロンであり、これは、1ミクロンと50ミクロンの間の全ての整数を含む。もう一つの実施形態において、粒子サイズは10ミクロン〜25ミクロンである。また別の実施形態において、粒子サイズは10ミクロン〜15ミクロンである。粒子サイズは、当該技術分野において既知の方法（例えば、ASTM E-112試験プロトコル等）によって測定することができる。
本発明の合金組成物は、以下のものを含み、合金中の成分の相対量は、重量パーセントで表わされる。重量パーセントの範囲には、表示した範囲内の全てのパーセントの分数（パーセントの1/10及び1/100を含むが、これらに限定されない）が含まれる。
一実施形態において、前記組成物は、銅、ニッケル、錫、及び任意にリンを含む。ニッケルは、0.2％〜1.0％の範囲で存在し、さらに具体的には、0.3％〜0.7％の範囲で存在する。錫は、0.2％〜1.0％の範囲で、さらに具体的には、0.3％〜0.7％の範囲で存在する。その残部は銅と不純物を含む。一実施形態において、前記合金の組成は、CuNi(0.5)Sn(0.5) である。別の実施形態において、前記合金の組成は、CuNi(0.5)Sn(0.5)P(0.020)である。
不純物は、例えば、自然発生、もしくは処理の結果として発生し得る。不純物の例には、例えば、亜鉛、鉄、鉛が含まれる。一実施形態において、不純物は、最大でも0.6％である。様々な他の実施形態において、前記不純物は、最大でも0.5、0.45、0.3、0.2、もしくは0.1％である。
リンは、任意に0.01％〜0.07％の範囲で、さらに具体的には、0.015％〜0.030％の範囲、もしくは、0.02％で存在する。特定の理論に拘束されることを意図しないが、合金中のリンの適切な量の含有は、流量特性及び金属の酸素含有量に影響を与えることによって、合金の溶接性を増加させると考えられる。一方、多すぎるリンの添加は、粒子構造を悪化させ、不要な沈殿物を生じさせると考えられる。
一実施形態において、前記組成物は、本質的に前述の範囲内の銅、ニッケル及び錫からなる。別の実施形態において、前記組成物は、本質的に上述した範囲の銅、ニッケル、錫及びリンからなる。様々な実施形態において、銅、ニッケル、錫（及び第２の実施形態の場合はリン）以外の成分の添加は、本発明の合金の性質（例えば、破裂圧力／強度、延性、伝導性、及びサイクル疲労など）に5、4、3、2、もしくは1％を越える不利な変化をもたらさない。
一実施形態において、前記合金の組成は、前述した範囲内の銅、ニッケル及び錫からなる。もう一つの実施形態において、前記合金の組成は、上述した範囲の銅、ニッケル、錫及びリンからなる。
本発明の合金は、鋳造及び圧延、押出もしくは圧延と溶接のような様々な工程によって使用のために加工されることができる。加工の要件には、例えば、ろう付性が含まれる。ろう付けは、管が以下に記述するように接続される際に行われる。
一般に、圧延と溶接工程において、前記合金は棒状に鋳造され、薄いゲージに圧延され、熱処理され、適当なサイズにスリットされ、エンボス加工され、管に成形され、溶接され、焼きなまされ、及び包装される。一般に、鋳造と圧延工程において、前記合金は、「マザー」チューブに鋳造され、小さいサイズにされ、焼きなまされ、機械加工され、内溝を形成され、所定の大きさにされ、焼きなまされ、及び包装される。一般に、押出法において、前記合金は、固形の鋼片に鋳造され、再加熱され、押出プレスされ、引き伸ばされ且つ溝が彫られて最終寸法にされ、焼きなまされ、及び包装される。
一形態において、本発明は、銅−ニッケル−錫合金（明細書中に記載された）からなる管を提供する。一実施形態において、前記管は、0.100インチ（2.54mm）〜1インチ（25.4mm）の外径を有し（0.100インチ〜1インチ間の全てのインチの分数が含まれる）、且つ、0.004インチ（0.1016mm）〜0.040インチ（1.016mm）の肉厚を有する（0.004インチ〜0.040インチの間の全てのインチの分数が含まれる）。本発明の一つの利点は、肉厚の薄い管（壁の厚みが薄い管）をＡＣＲ用途で使用できることである。これは材料コストの減少をもたらす（図１参照）。
一実施形態において、銅−ニッケル−錫合金（明細書中に記載されたもの）からなる管は、ＡＣＲ用途に使用される。前記管は、十分な伝導性（例えば、前記管が溶接によって連結されるような）、及び成形性（例えば、管形成後に形作られる能力、例えば、曲げられる能力）を有することが望ましい。また、前記管は、内部溝強化を施すことができるような性質を持つことが望ましい。
本発明の合金に適したプロセスの一例は、圧延と溶接プロセスで形成された管を有する熱交換器コイルである。最初の工程において、本発明の銅合金は、スラブ（厚板）に鋳造され、その後、フラット・ストリップに熱間冷間圧延される。前記冷間圧延ストリップは、ソフトアニール（軟化焼鈍）される。前記ソフトアニールされた銅合金ストリップは、その後、連続圧延成形と溶接プロセスによって熱交換管に形成される。前記圧延成形と溶接プロセスの前に、前記管は、内部強化を施されてもよい（管の内壁上の溝やリブ等、これは当業者に明らかである）。前記管は、連続圧延溶接プロセスにおいて形成され、生産物は大きなコイルに巻かれてもよい。前記大きなコイルは、その後、別のエリアに移され、そこで、より小さなセクションに切断され、Ｕ字型もしくはヘアピン型に形成される。
熱交換器を構成するために、前記ヘアピンは、アルミニウムフィンの貫通孔内を縫うようにして通され、および、治具が前記Ｕ字型銅管を拡張するために前記管に挿入され、それによって、前記銅管とアルミニウムフィンを互いに密着させる。その後、前記Ｕ字型銅管の開口端は拡張され、同じようにＵ字型に曲げられたより短いヘアピンが、前記拡張された端部に挿入される。前記の曲がった銅管は、ろう付け用合金を使用して、前記の拡張された開口端にろう付けされ、それによって、隣接するヘアピンに接続され、熱交換器を構成する。
以下の実施例は、本発明をさらに説明するために存在し、如何なる方法による限定も意図しない。
異なるニッケルと錫の含有量を有する銅合金が、パイロットスケールで製造され、機械的及び物理的性質について試験された。結果を表１に示す。
結果を、ニッケルあるいは錫の含有量に対してプロットした（図２参照）。試験された全ての合金は、所望の最小伝導率である35％IACSを満たす。38ksiの最小引張強度の機械的性質が試験合金すべてで達成される。所望の強度及び伝導率を満たすために、前記組成は、ニッケルと錫の両方に関し、0.2重量％〜1.0重量％であるべきである。
0.5％ニッケル及び0.5％錫の組成［CuNi(0.5)Sn(0.5)］を有する材料が、本格的な生産スケールで製造され、圧延及び溶接方法を用いて管が形成された。前記管は、標準的な肉厚（例えば、0.0118インチ[0.2997mm]）と13％薄い肉厚の両方で製造された。管の機械的特性は、ＡＳＴＭ及びＵＬを使用して試験された（例えば、ＵＬ試験プロトコルを使用し、且つ、標準的な肉厚を有する「現在使用されている」銅合金C12200からなる管と比較する）。結果を表２に示す。本発明の合金［CuNi(0.5)Sn(0.5)］は、標準的な肉厚において、より高い強度とより高い破裂圧力を有する。薄い肉厚で製造された管でさえ、本発明の合金［CuNi(0.5)Sn(0.5)］の破裂圧力は、標準的な肉厚のC122と比較して、なお高い。
本発明は、特定の実施形態を参照して、具体的に示され説明されたが、明細書中に開示された本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、形態および細部において様々な変更が行われることが当業者に理解される。
Claims (14)
- 熱交換器において使用するための銅合金であって、
ａ）0.2重量％〜1.0重量％のニッケル；
ｂ）0.2重量％〜1.0重量％の錫；及び
ｃ）0.01重量％〜0.07重量％のリン；を含み、
前記合金の残部が銅及び不純物からなること、及び、前記合金が10ミクロン〜50ミクロンの粒子サイズを有することを特徴とする銅合金。 - ニッケルが前記合金中に0.3重量％〜0.7重量％存在し、錫が前記合金中に0.3重量％〜0.7重量％存在することを特徴とする、請求項１に記載の合金。
- ニッケルが前記合金中に0.5重量％存在し、錫が前記合金中に0.5重量％存在することを特徴とする、請求項１に記載の合金。
- リンが前記合金中に0.020重量％存在することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の合金。
- 前記合金が10ミクロン〜25ミクロンの粒子サイズを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の合金。
- 前記合金が10ミクロン〜15ミクロンの粒子サイズを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の合金。
- 熱交換器において使用するためのＡＣＲ管であって、
ａ）0.2重量％〜1.0重量％のニッケル；
ｂ）0.2重量％〜1.0重量％の錫；及び
ｃ）0.01重量％〜0.07重量％のリン；を含み、
残部が銅及び不純物からなり、且つ、10ミクロン〜50ミクロンの粒子サイズを有する銅合金
を有することを特徴とするＡＣＲ管。 - ニッケルが0.3重量％〜0.7重量％存在し、錫が0.3重量％〜0.7重量％存在することを特徴とする、請求項７に記載のＡＣＲ管。
- ニッケルが0.5重量％存在し、錫が0.5重量％存在することを特徴とする、請求項７に記載のＡＣＲ管。
- リンが、前記合金中に0.020重量％存在することを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載のＡＣＲ管。
- 前記合金が10ミクロン〜25ミクロンの粒子サイズを有することを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか１項に記載のＡＣＲ管。
- 前記合金が10ミクロン〜15ミクロンの粒子サイズを有することを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか１項に記載のＡＣＲ管。
- 前記管が0.100インチ（2.54mm）〜1インチ（25.4mm）の外径を有することを特徴とする、請求項７〜１２のいずれか１項に記載のＡＣＲ管。
- 前記管が0.004インチ（0.1016mm）〜0.040インチ（1.016mm）の肉厚を有することを特徴とする、請求項７〜１３のいずれか１項に記載のＡＣＲ管。
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