JP2022541891A - 耐食性に優れる長寿命アルミニウム合金及びその合金から製造された螺旋溝付管 - Google Patents
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Abstract
耐食性に優れるアルミニウム合金及びその合金から製造された螺旋溝付管。アルミニウム合金は、好ましくは、１．０～１．５重量％のＭｎ、０．１重量％までのＭｇ、０．３重量％までのＳｉ、０．３重量％までのＦｅ、０．１重量％までのＣｕ、０．２５重量％までのＣｒ、０．１重量％までのＮｉ、０．３重量％までのＺｎ、０．１重量％までのＴｉ、０．２重量％までのＺｒ、及び不可避不純物（それぞれ最大０．０５重量％であり、不純物の合計が最大０．１５重量％である）、残部アルミニウムを含む。管とフィンとを備える熱交換器であって、前記管が前記アルミニウム管から製造されている熱交換器。【選択図】図１
Description
本発明は、熱交換器用管に使用されるアルミニウム合金及びその合金から製造された管に関する。この管は、好ましくは、内面螺旋溝、又は内面直線溝、又は直線溝と螺旋溝との組み合わせを有する。また、本発明は、この管を備える熱交換器にも関する。
熱交換器用の伝熱管を製造する際には、伝熱管の効率的な伝熱性能を保証することが重要である。内面に溝を交互に設けた伝熱管を提供することが知られている。この溝は、管内に供給される水などの流体熱伝達媒体の乱流を促進するために協力する。この乱流により、管の内面近くでの流体の混合が促進され、管の熱伝達抵抗を増加させる可能性のある管の内面近くでの流体媒体の境界層の形成を減少するか又は実質的に排除することができる。また、この溝及び隆起は、更なる熱交換のための追加の表面積を提供する。
螺旋溝付管（以下、ＨＧ管）は、家庭用及び業務用エアコン、ヒートポンプ給湯器などの熱交換器に広く使用されている。熱交換器の管に溝を付ける方法は、欧州特許第１８６６１１９号などで知られている。市場で使用されているＨＧ管の合金は、主に、ＡＡ３００３又は耐食性向上のための亜鉛アーク溶射コーティングを有するＡＡ３００３である。耐食性のある熱交換器が求められており、その要求を満たすために、いわゆる「長寿命」合金が多くの用途で使用されている。しかし、既存の長寿命合金は、絞り加工性及び引張強度に限界があるため、螺旋溝付管の製造に適用することができない。ＡＡ３００３合金製ＨＧ管は、優れた絞り加工性及び高い引張強度を有し、厳しい螺旋溝加工にも耐えられるが、市場の耐食性要件を満たしていない。耐食性は、管にＺｎコーティングを施すことで改善される可能性がある。しかし、亜鉛アーク溶射を追加してＡＡ３００３製ＨＧ管の耐食性を改善する場合、亜鉛アーク溶射及び亜鉛拡散焼鈍の工程があるため、コストが大幅に上昇する。そのため、螺旋溝付管の製造に適した長寿命合金が求められている。
上述の課題を解決するために、本発明の一態様は、好ましくは、１．０～１．５重量％のＭｎ、０．１重量％までのＭｇ、０．３重量％までのＳｉ、０．３重量％までのＦｅ、０．１重量％までのＣｕ、０．２５重量％までのＣｒ、０．１重量％までのＮｉ、０．３重量％までのＺｎ、０．１重量％までのＴｉ、０．２重量％までのＺｒ、及び不可避不純物であって、それぞれ最大０．０５重量％であり、不純物の合計が最大０．１５重量％である不可避不純物、残部アルミニウムを含むアルミニウム合金に関する。
本発明の別の態様は、本発明による合金から製造されたアルミニウム管に関する。
本発明の更なる態様は、管とフィンとを備える熱交換器であって、管が本発明によるアルミニウム管から製造される熱交換器に関する。
本発明による合金は、熱交換器用の耐食性管の製造に適している。特に、この合金は、その機械的強度及び成形性と耐食性との組み合わせにより、螺旋溝付管の製造に適している。伝熱管は、自動車及びＨＶＡＣ＆Ｒ分野で使用されるエバポレーター、コンデンサー、クーラー及びヒーターなどの機器に一般的に使用される。これらの用途では、限定されるものではないが、純水、水グリコール混合物、任意のタイプの冷媒（Ｒ－２２、Ｒ－１３４ａ、Ｒ－１２３、Ｒ４１０ａなど）、アンモニア、石油化学流体及びその他の混合物を含む様々な熱伝達媒体を使用してもよい。
表１の合金は、熱交換器管を製造するための本発明による長寿命合金の仕様である。その化学組成は、１．０～１．５重量％のＭｎ、０．１重量％までのＭｇ、好ましくは０．０８重量％までのＭｇ、０．３重量％までのＳｉ、０．３重量％までのＦｅ、０．１重量％までのＣｕ、０．２５重量％までのＣｒ、０．１重量％までのＮｉ、０．３重量％までのＺｎ、０．２重量％までのＴｉ、０．２重量％までのＺｒ、及び不可避不純物であって、それぞれ最大０．０５重量％であり、不純物の合計が最大０．１５重量％である不可避不純物、残部アルミニウムを含む。
好ましくは、本発明の合金は、１．０～１．２重量％のＭｎ、０．１重量％までのＭｇ、好ましくは０．０８重量％までのＭｇ、０．１０～０．１５重量％のＳｉ、０．３重量％までのＦｅ、０．０５重量％までのＣｕ、最大０．０３～０．２重量％のＣｒ、０．０５重量％までのＮｉ、最大０．２～０．３重量％のＺｎ、０．１重量％までのＴｉ、０．２重量％までのＺｒ、及び不可避不純物であって、それぞれ最大０．０５重量％であり、不純物の合計が最大０．１５重量％である不可避不純物、残部アルミニウムを含むアルミニウム合金に関する。
最も好ましくは、本発明の合金は、１．０～１．１重量％のＭｎ、０．０５重量％までのＭｇ、０．１０～０．１５重量％のＳｉ、０．３重量％までのＦｅ、０．０５重量％までのＣｕ、０．０５～０．１重量％のＣｒ、好ましくは０．０～０．０５重量％までのＮｉ、０．２～０．２５重量％のＺｎ、０．０５重量％までのＴｉ、０．０５重量％までのＺｒ、及び不可避不純物であって、それぞれ最大０．０５重量％であり、不純物の合計が最大０．１５重量％である不可避不純物、残部アルミニウムを含むアルミニウム合金に関する。
本発明は、そのようなアルミニウム合金から製造されたアルミニウム管、特に内面に溝付きの表面を有する管にも関する。内面の溝は、好ましくは、少なくとも０．０５ｍｍの高さを有する。
本発明は、管とフィンとを備える熱交換器であって、その管が本発明のアルミニウム管から製造される熱交換器にも関し、熱交換器は、好ましくは、熱交換器のフィンを形成するプレートの穴に管を挿入して製造される。
また、熱交換器は、波型アルミニウムフィンがろう付けされた平行な多孔押出管で形成されたサーペンタイン熱交換器であってもよい。
本発明の合金は、内面に溝を有する熱交換器管に特に適した特性が得られる範囲で、慎重に選択された元素を組み合わせたものである。
Ｍｎは、合金強度を向上させるための主な添加元素であり、Ｍｎ含有量が１．０重量％未満であると、螺旋溝加工に耐える合金強度が不足し、管破損が起こるおそれがある。Ｍｎ含有量が１．５重量％を超えると、材料が硬くなりすぎて拡管に大きな力が必要になるため拡管が困難になり、管内のフィンが潰れたり、拡管時にフィンとビレットとの間の摩擦が大きくなって管が曲がったりして、ろう付け後の管の耐食性に影響を与える危険性がある。Ｍｎの好ましい含有量は１．０～１．２重量％、より好ましくは１．０～１．１重量％である。
Ｍｇは、ノコロック（Ｎｏｃｏｌｏｋ）フラックスを塗布した熱交換器の良好なろう付けを得るために、０．１重量％以下、好ましくは０．０８重量％以下、最も好ましくは０．０５重量％以下とする。
耐食性を向上させるために、Ｓｉ及びＦｅは、それぞれ０．３重量％以下に制御される。Ｓｉの含有量は、耐食性を向上させるために、０．１０～０．１５重量％とすることが望ましい。
Ｃｒは、結晶粒組織を微細化し、合金強度及び耐食性を向上させるために添加されるが、良好な押出成形性及び螺旋溝加工時の良好な成形性のために、０．２５重量％以下、好ましくは０．０５～０．２重量％、より好ましくは０．０５～０．１重量％に制御する必要がある。
Ｃｕは０．１重量％以下とし、管の良好な耐食性のために、好ましくはＣｕ含有量は０．０５重量％以下とする。
Ｚｎは、耐孔食性を向上させ、管の表面を均一に腐食させるために、０．３重量％まで添加する重要な元素である。好ましくは、Ｚｎの含有量は０．１重量％～０．３重量％、好ましくは０．２～０．３重量％、より好ましくは０．２５～０．３重量％である。
Ｆｅは、０．３重量％までのＦｅに制御される。これより多く含有すると耐食性に悪影響を及ぼす可能性があるためである。Ｆｅ高含有粒子は、アノード周囲を溶解するカソードとして作用する。
Ｎｉは耐粒界腐食性に非常に悪影響を与えることが知られており、０．１重量％以下、好ましくは０．０５重量％以下に制限されるべきである。
Ｔｉは主に結晶粒の微細化に用いられるが、耐食性を向上させるためにも用いられる。Ｔｉの含有量は、０．２重量％以下、０．１重量％以下、好ましくは０．０５重量％以下に制限されるべきである。
Ｚｒは、金属間化合物の大きさにプラスの効果があるため、腐食にプラスと考えられ、０．２重量％まで添加してもよい。形成される金属間化合物Ａｌ３Ｚｒは、腐食環境で活性化することが知られていないため、耐食性に悪影響を与えない。０．２重量％を超えるＺｒを添加すると、Ｚｒが高価な元素であるため、合金コストが高くなる。また、０．２重量％を超えるＺｒを含む合金は、リサイクルが困難になり且つ成形性が低下する。
本発明による合金Ａの耐食性を、Ｓｉ、Ｆｅ及びＴｉの含有量がやや多く、Ｚｎ及びＣｒの含有量が少ない合金Ｂと比較する試験を行った。本発明による合金中の亜鉛、Ｓｉ及びＦｅの組み合わされた含有量が、優れた耐食性の主な理由である。Ｃｒは合金強度を向上させ、Ｓｉ及びＦｅの含有量が少ないことによる強度低下をある程度補っている。合金Ａ及びＢ（Ｚｎコーティング「ＺＡＳ」を施したもの及び施さないもの）の螺旋溝付管の試験から得られたＳＷＡＡＴの結果を示す図１及び図２に見られるように、合金Ａの耐食性は、合金Ｂの管よりも遥かに高い。合金ＢのＺｎコーティングされていない全ての管が、わずか７日間の暴露で漏れる。
図２ａは、合金Ｂから製造された管の断面の写真であり、ＳＷＡＡＴでの試験の７日後には既に漏れが発生している。腐食の形態は孔食であるが、図２ｂの合金Ａの管の断面では、より均一な腐食が起きており、合金Ａの管はＳＷＡＡＴで１１８日後に初めて漏れた。
螺旋溝付管の製造装置を図３に示す。
合金ビレットは押出プレスでベース管（１）を形成するために押し出され、ベース管は連続絞り加工機で管（８）の大きさに絞り加工される（図３参照）。管は、固定プラグ（３）の位置にある絞り加工ステーション（２）を通過した後、スチールシャフト（５）の接続によって螺旋溝加工プラグ（４）の位置に固定される。管は、管の膨張を伴わずに管の内側に螺旋溝を形成するための螺旋溝加工プラグ（４）によって絞り加工される。管の内側に入れられたプラグは、管を必要な内径に成形する。螺旋溝加工の際には、ギアボックス６の中に管を取り囲むように鋼球（７）があり、その鋼球がモーターによって高速回転し、アルミニウムを螺旋溝加工用の金型に押し込む。外径は、ギアボックスの大きさと、管を取り囲むように回転する鋼球の直径との組立寸法によって決まる。溝加工を通過するためには、合金が良好な成形性及び高い強度を有することが必要である。
螺旋溝加工後の管（１）にはボールマークが付く場合があり、外面を平滑にするための絞り加工金型及び絞り加工プラグを備えるへこみ絞り加工部（sink drawing unit）を通過させて、最終的な管の大きさを得る必要があることもある。
図４は、ＥＮ ７５５－２に基づく試験を行った管の引張強度を示す。
本発明による合金Ａから製造されたＨＧ管の引張強度は、合金Ｂから製造された管に比べて若干低いが、その強度は螺旋溝加工による確実な製造を保証するのに十分なものである。
図５は、２００ｍ／分の絞り加工速度での絞り加工中に、管を４５０～５５０℃に加熱してインライン焼鈍した後の螺旋管の機械的特性を示している。
図６には、絞り加工ステーションを異なる回数通過した後の、絞り加工中の管寸法の減少を示している。試験した管のサイズは、外径（ＯＤ）＝７ｍｍ、肉厚（ＷＴ）＝０．４７ｍｍ、フィン高さ（ＦＨ）＝０．２５ｍｍ、溝数（ＦＮ）＝５０である。絞り加工試験の概要を図６に示します。グラフの柱は、各絞り加工での寸法減少率を示している。管の総絞り加工変形量は８１％であった。
本発明による合金から製造された管の絞り加工性に基づいて、外径は５～１０ｍｍ、肉厚は０．３５～０．７ｍｍ、フィン高さは最大０．３５ｍｍ、フィン数は最大５０とすることができる。
アルミニウム製放熱フィン（フィンチューブ式熱交換器ともいう）に開けられた挿入孔に挿入される管の内側に内面溝を形成し、伝熱管の内径よりも大きな外径を有する拡管用マンドレルを挿入して、伝熱管の外周面をアルミニウム製放熱フィンの挿入孔に密着させることにより、伝熱性能を高めた熱交換器が製造される。
本発明による合金は、通常の円管の製造及びマイクロチャネルフラットチューブ（ＭＰＥ）の押出成形にも用いることができる。円管の好ましい寸法は、直径が５～３０ｍｍであり且つ肉厚が０．３ｍｍ以上である。ＭＰＥの好ましい寸法は、幅が８ｍｍ以下であり、最小高さが１ｍｍであり且つ肉厚が０．１５ｍｍ以上である。
Claims (10)
- 好ましくは１．０～１．５重量％のＭｎ、０．１重量％までのＭｇ、０．３重量％までのＳｉ、０．３重量％までのＦｅ、０．１重量％までのＣｕ、０．２５重量％までのＣｒ、０．１重量％までのＮｉ、０．３重量％までのＺｎ、０．１重量％までのＴｉ、０．２重量％までのＺｒ、及び不可避不純物であって、それぞれ最大０．０５重量％であり、不純物の合計が最大０．１５重量％である不可避不純物、残部アルミニウムを含むアルミニウム合金。
- 前記合金が、０．０８％未満のＭｇを含む、請求項１に記載のアルミニウム合金。
- 前記合金が、１．０～１．２重量％のＭｎ、０．１重量％までのＭｇ、０．１０～０．１５重量％のＳｉ、０．３重量％までのＦｅ、０．０５重量％までのＣｕ、最大０．０３～０．２重量％のＣｒ、０．０５重量％までのＮｉ、最大０．２～０．３重量％のＺｎ、０．１重量％までのＴｉ、０．２重量％までのＺｒ、及び不可避不純物であって、それぞれ最大０．０５重量％であり、不純物の合計が最大０．１５重量％である不可避不純物、残部アルミニウムを含む、請求項１又は２に記載のアルミニウム合金。
- 前記合金が、１．０～１．１重量％のＭｎ、０．０５重量％までのＭｇ、０．１０～０．１５重量％のＳｉ、０．３重量％までのＦｅ、０．０５重量％までのＣｕ、０．０５～０．１重量％のＣｒ、好ましくは０．０～０．０５重量％までのＮｉ、０．２～０．２５重量％のＺｎ、０．０５重量％までのＴｉ、０．０５重量％までのＺｒ、及び不可避不純物であって、それぞれ最大０．０５重量％であり、不純物の合計が最大０．１５重量％である不可避不純物、残部アルミニウムを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。
- 請求項１～４のいずれか一項に記載の合金から製造されたアルミニウム管。
- 内面に溝付きの表面を有する、請求項５に記載のアルミニウム管。
- 前記溝の高さが少なくとも０．０５ｍｍである、請求項５又は６に記載のアルミニウム管。
- 管とフィンとを備える熱交換器であって、前記管が請求項５に記載のアルミニウム管から製造される熱交換器。
- 前記管が多孔押出管によって形成されている、請求項８に記載の熱交換器。
- 前記管が熱交換器のフィンを形成するプレートの穴に挿入されている、請求項８に記載の熱交換器。
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