JP3303778B2 - 0.2%耐力および疲労強度の優れた熱交換器用継目無銅合金管 - Google Patents

0.2%耐力および疲労強度の優れた熱交換器用継目無銅合金管

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、主として熱交換
器の伝熱管として用いられる0.2%耐力および疲労強
度の優れた継目無銅合金管に関するものであり、特にH
FC系フロンを熱媒体として使用した熱交換器の伝熱管
に使用できる耐力および疲労強度の優れた継目無銅合金
管に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、熱交換器の伝熱管として燐脱酸
銅からなる継目無銅管が用いられている。この燐脱酸銅
からなる継目無銅管を熱交換器の伝熱管として組み立て
るには、放熱および吸熱効果を高めるために、燐脱酸銅
からなる継目無銅合金管を所定の長さに切断し、これを
ヘアピン曲げ加工してU字形状に成形し、このU字形状
管を平行に並べたアルミニウムまたはアルミニウム合金
フィンの貫通孔に通し、U字形状管にプラグを通して拡
管するか、もしくは液圧により拡管してアルミニウムま
たはアルミニウム合金フィンを平行に伝熱管に固定す
る。
【0003】さらに、U字形状管の管端を押し広げるフ
レア加工、およびフレア加工された部分を再び押し広げ
るリフレア加工を施し、この拡管部分に別のU字形状管
を挿入し、燐銅ろうによりろう付けしてU字形状管同士
を接続する。
【0004】従来の燐脱酸銅からなるU字形状管の管端
を拡管した後ろう付けのために管端が加熱されると、加
熱された部分の結晶粒が粗大化し、ろう付け部に隣接し
た熱影響部の強度が著しく低下することがある。かかる
ろう付け時の結晶粒の粗大化を阻止するための熱交換器
用継目無銅合金管として、燐脱酸銅にFeを添加して結
晶粒が粗大化しにくくした熱交換器用継目無銅合金管が
知られている。この従来の燐脱酸銅にFeを必須成分と
して含有する熱交換器用継目無銅合金管として、例え
ば、Fe:0.005〜0.8%、P:0.01〜0.
026%、Zr:0.005〜0.3%、O2 :3〜3
0ppm を含み、残部:Cuからなる組成の熱交換器用継
目無銅合金管(特公昭58−39900号公報参照)お
よびFe:0.01〜1.0%、Cr,Si,Mn,A
s,Ni,Coのうち1種または2種以上:0.005
〜0.6%、P、Ca,Mgのうち1種または2種以
上:0.004〜0.04%を含み、残部:Cuからな
る組成の熱交換器用継目無銅合金管(特開昭52−15
6718公報参照)などが知られている。
【0005】これら継目無銅合金管は熱交換器の伝熱管
として組み込まれ、伝熱管には熱媒体を充填し、熱媒体
に凝縮圧力をかけたり解放したりして熱交換器を作動さ
せる。前記熱媒体として従来はHCFC系フロンが用い
られていたが、このHCFC系フロンは、地球のオゾン
層の破壊に寄与するところから、近年、オゾン層破壊の
ないHFC系フロンを使用するようになってきた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、HFC系フロ
ンを熱媒体として使用した場合の凝縮圧力は、従来のH
CFC系フロンを熱交換器の熱媒体として使用した場合
の凝縮圧力よりも大きくする必要がある。例えば、HC
FC系フロンの内でも代表的なR−22を熱交換器の熱
媒体として使用した場合に伝熱管内のHCFC系フロン
にかける凝縮圧力は20Kgf/cm2 で十分であった
が、HFC系フロンの内でも代表的なR−410aを熱
媒体として使用した場合の凝縮圧力は31Kgf/cm
2 を必要とし、熱交換器の伝熱管にかかる凝縮圧力は従
来の1.5倍以上の凝縮圧力を必要とする。かかる高い
凝縮圧力を周期的にかけられる環境下では、従来の伝熱
管では0.2%耐力および疲労強度が不足し、長年使用
していると伝熱管に亀裂が発生して故障したり、0.2
%耐力の不足により伝熱管の寸法が大きく変化して熱交
換器の性能が低下するなどの課題があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
従来よりも0.2%耐力および疲労強度の優れた銅合金
からなる熱交換器用継目無銅合金管を得るべく研究を行
った結果、(a)燐脱酸銅にCoを単独で0.02〜
0.2%添加すると0.2%耐力および疲労強度が飛躍
的に向上し、導電率も向上する、(b)燐脱酸銅にC
o:0.02〜0.2%とともに炭素を1〜20ppm 添
加すると、0.2%耐力および疲労強度がさらに向上す
る、(c)Pの含有量は0.01〜0.05%が好まし
く、さらに不可避不純物として含まれる酸素含有量は5
0ppm 以下に規定することが好ましい、などの知見を得
たのである。
【0008】この発明は、かかる知見にもとづいてなさ
れたものであって、 (1)重量%で、Co:0.02〜0.2%、P:0.
01〜0.05%を含有し、残りがCuおよび不可避不
純物からなり、前記不可避不純物として含まれる酸素含
有量を50ppm 以下に規制した組成の銅合金からなるH
FC系フロンを熱媒体として使用した熱交換器の伝熱管
に使用する0.2%耐力および疲労強度の優れた熱交換
器用継目無銅合金管、 (2)重量%で、Co:0.02〜0.2%、P:0.
01〜0.05%、C:1〜20ppm を含有し、残りが
Cuおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物と
して含まれる酸素含有量を50ppm 以下に規制した組成
の銅合金からなる0.2%耐力および疲労強度の優れた
熱交換器用継目無銅合金管、に特徴を有するものであ
る。
【0009】この発明の熱交換器用継目無銅合金管を製
造するには、通常の電気銅を還元雰囲気中で溶解して酸
素:50ppm 以下の低酸素銅溶湯を作製し、得られた低
酸素銅溶湯にCoおよびCu−P母合金を添加し、さら
に必要に応じて所定量のCをCo−C母合金として添加
したのち鋳造して円柱状鋳塊を製造する。
【0010】この円柱状鋳塊を850℃〜1050℃に
加熱し、水中押出し加工を施し、さらに冷間加工および
焼鈍を施すことにより所定の断面寸法の熱交換器用継目
無銅合金管を作製する。
【0011】つぎに、この発明の熱交換器用継目無銅合
金管を構成する銅合金の成分組成を上記の如く限定した
理由について説明する。
【0012】(a) Co Coは燐脱酸銅素地に固溶あるいは燐化合物相を形成
し、素材の0.2%耐力および疲労強度を向上させる成
分であるが、Co含有量が0.2%を越えると導電率が
70%未満となって熱伝導率が低下するので好ましくな
く、一方、Co含有量が0.01%未満では所望の効果
が得られない。したがって、Co含有量は0.02〜
0.2%の範囲となるようにそれぞれ定めた。Co含有
量の一層好ましい範囲は0.04〜0.1%である。
【0013】(b) P PはCoと共存することにより結晶粒を微細化し、もっ
て0.2%耐力および疲労強度を向上させる作用がある
が、その含有量が0.05%を越えると著しく導電率を
低下させるので好ましくなく、一方、その含有量が0.
01%未満では所望の効果が得られない。したがってP
の含有量は0.01〜0.05%に定めた。P含有量の
一層好ましい範囲は0.015〜0.04%である。
【0014】(c) 酸素 酸素は、不可避不純物として含まれているが、50ppm
を越えて含有すると粗大な酸化物が形成され、0.2%
耐力および疲労強度を低下させるので好ましくない。従
って、熱交換器用継目無銅合金管に含まれる酸素含有量
は50ppm 以下(好ましくは10ppm 以下)に定めた。
【0015】(d) C Cは、0.2%耐力および疲労強度を一層向上させるた
めに必要に応じて添加するが、その含有量が20ppm を
越えて含有させることは通常の溶解鋳造法では困難であ
り、一方、1ppm 未満の含有は所望の効果が得られな
い。従って、C含有量は1〜20ppm (好ましくは1〜
5ppm )に定めた。
【0016】
【発明の実施の形態】原料として電気銅を用意し、電気
銅を還元雰囲気中で溶解して酸素:50ppm以下の低酸
素銅溶湯を作製し、得られた低酸素銅溶湯にCoおよび
Cu−15%P母合金を添加し、さらに必要に応じて所
定量のCo−1%C母合金として添加したのち鋳型に鋳
込んで直径:320mm、長さ:710mの寸法を有し、
表1〜表3に示される成分組成の円柱状鋳塊を製造し
た。
【0017】この円柱状銅合金鋳塊をビレットヒータに
より、温度:950℃、1時間保持の条件で加熱したの
ち、水中押出し加工することにより溶体化処理と同時に
直径:100mm、厚さ:10mmの寸法を有する素管を作
製した。
【0018】かかる溶体化処理した素管をさらに冷間加
工することにより内径:6.5mm、肉厚:0.25mmの
寸法を有する継目無銅合金管に成形し、得られた継目無
銅合金管を、さらに光揮焼鈍炉に装入し、550℃に1
時間保持の焼鈍を施し、本発明熱交換器用継目無銅合金
管(以下、本発明管という)1〜14および比較熱交換
器用継目無銅合金管(以下、比較管という)1〜5を製
造した。さらにFeを必須成分として含有する表3に示
される成分組成の従来熱交換器用継目無銅合金管(以
下、従来管という)1〜3を用意した。
【0019】これら本発明管1〜14、比較管1〜5お
よび従来管1〜3の一端をそれぞれ密封し、他端から6
0kgf/cm2 の内圧をかけたのち解放する周期的内
圧を本発明管1〜14、比較管1〜5および従来管1〜
3にそれぞれ2×107 回繰り返し施し、亀裂発生の有
無を測定し、その結果を表1〜表3に示に表すことによ
り疲労強度を評価した。
【0020】さらに本発明管1〜14、比較管1〜5お
よび従来管1〜3と同じ組成の引張試験をそれぞれ用意
し、これら引張試験片を用い、JIS Z 2241に
準拠した方法により引張試験を行って0.2%耐力およ
び伸びを測定し、その結果を表1〜表3に示し、さらに
JIS C 3001に準拠した四端子法により測定
長:1mで導電率を測定してその結果を表1〜表3に示
すことにより伝熱特性を評価した。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
【表3】
【0024】
【発明の効果】表1〜表3に示される結果から、本発明
管1〜14はいずれも周期的内圧を2×107 回繰り返
し施しても亀裂が発生しないのに対し、従来管1〜3は
1×106 回以下の周期的内圧でいずれも亀裂が発生し
ているところから、本発明管1〜14は従来管1〜3に
比較して疲労強度が優れていることが分かる。また伸び
は従来管1〜3に比較して格段の差は無いが、0.2%
耐力については本発明管1〜14は従来管1〜3に比較
していずれも優れており、さらに導電率も向上している
ことが分かる。
【0025】しかし、組成がこの発明の範囲から外れた
組成を有する比較管1〜5は、疲労強度、0.2%耐
力、伸び、導電率の内の少なくとも1つに熱交換器用継
目無銅合金管としては好ましくない特性が現われている
ことがわかる。
【0026】上述のように、この発明の熱交換器用継目
無銅合金管は、特に疲労強度および0.2%耐力に優れ
ているので、熱交換器の伝熱管として有効であり、特に
HFC系フロンを熱交換器の熱媒体として使用する熱交
換器の普及に大いに貢献し得るものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−76428(JP,A) 特開 平10−130754(JP,A) 特開 昭54−92516(JP,A) 特開 昭63−26319(JP,A) 特開 平1−108332(JP,A) 特開 平3−180437(JP,A) 特開 平4−180549(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 9/00 F28F 21/08

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、Co:0.02〜0.2%、
    P:0.01〜0.05%を含有し、残りがCuおよび
    不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれ
    る酸素含有量を50ppm 以下に規制した組成の銅合金か
    らなることを特徴とするHFC系フロンを熱媒体として
    使用した熱交換器の伝熱管に使用する0.2%耐力およ
    び疲労強度の優れた熱交換器用継目無銅合金管。
  2. 【請求項2】 重量%で、Co:0.02〜0.2%、
    P:0.01〜0.05%、C:1〜20ppm を含有
    し、残りがCuおよび不可避不純物からなり、前記不可
    避不純物として含まれる酸素含有量を50ppm 以下に規
    制した組成の銅合金からなることを特徴とする0.2%
    耐力および疲労強度の優れた熱交換器用継目無銅合金
    管。
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