JP3414294B2 - 0.2%耐力および疲労強度の優れた熱交換器用電縫溶接銅合金管 - Google Patents

0.2%耐力および疲労強度の優れた熱交換器用電縫溶接銅合金管

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JP3414294B2 JP00191399A JP191399A JP3414294B2 JP 3414294 B2 JP3414294 B2 JP 3414294B2 JP 00191399 A JP00191399 A JP 00191399A JP 191399 A JP191399 A JP 191399A JP 3414294 B2 JP3414294 B2 JP 3414294B2
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【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
度の優れた電縫溶接銅合金管に関するものであり、特に
HFC系フロンを熱媒体として使用した熱交換器の伝熱
管に使用できる0.2%耐力および疲労強度の優れた電
縫溶接銅合金管に関するものである。
【0002】
【従来の技術】熱交換器の伝熱管として、燐脱酸銅ビレ
ットを熱間押し出し加工したのち引抜加工することによ
って成形した継目無銅合金管が主に用いられている。こ
の従来の燐脱酸銅から継目無銅合金管は、所定の長さに
切断され、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銅または銅合金フィ
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銅または銅合金フィ
ンを平行にU字形状管に固定する。前記銅または銅合金
フィンを平行に固定したU字形状管は、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
した部分を再び押し広げるリフレア加工などが施され、
この拡管部分に別の銅または銅合金フィンを平行に固定
したU字形状管の管端を挿入し、燐銅ろうによりろう付
けしてU字形状管同士を接続し、熱交換器の伝熱管に作
製する。
【0003】従来の燐脱酸銅からなる継目無銅合金管
は、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。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
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銅合金管が知られている。
この燐脱酸銅に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として、例えば、Fe:
0.005〜0.8%、P:0.01〜0.026%、
Zr:0.005〜0.3%、O2 :3〜30ppm 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,As,Ni,
Coの内の1種または2種以上:0.005〜0.6
%、P:Ca,Mgの内の1種または2種以上:0.0
04〜0.04%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(特公昭52−156718公
報参照)が知られている。
【0004】一方、銅板を曲げ加工したのち電縫溶接す
ることにより成形した電縫溶接銅合金管も熱交換器用伝
熱管として用いられている。特に放熱および吸熱効果を
高めるために、内面に溝または凹凸を有する内面溝付銅
合金管は押出し加工により成形しようとすると、成形に
際して大きな抵抗を受けるところから加工効率が悪く、
したがって、内面溝付銅合金管などは片面に凹凸を形成
した銅板をO字状に曲げ加工したのち接合端面を電縫溶
接することにより成形した電縫溶接銅合金管が用いられ
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】これら継目無管成形用
として用いられている従来の燐脱酸銅または燐脱酸銅に
Feを添加した銅合金を圧延して薄板に成形し、この薄
板をO字状に曲げ加工したのち接合端面を電縫溶接して
電縫溶接管を製造すると、電縫溶接部およびその近傍の
強度が低下するので好ましくない。一般に、熱交換器に
組み込まれた伝熱管には熱媒体が充填され、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て
いるが、伝熱管に凝縮圧力が周期的にかかると、電縫溶
接管の特に溶接部に亀裂が発生しやすい。
【0006】また、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。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HCFC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、HCFC系フロンの内でも代表的なR−2
2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/cm
2 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/cm2 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
で長年使用していると、0.2%耐力および疲労強度が
不足し、電縫溶接管からなる伝熱管の特に溶接部に亀裂
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電縫溶接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
的に向上すると共に電縫溶接部およびその近傍の強度低
下がなく、また導電率も向上する、(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
ると共に電縫溶接部およびその近傍の強度低下がない、
(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50pp
m 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
器用電縫溶接銅合金管、 (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
熱交換器用電縫溶接銅合金管、に特徴を有するものであ
る。
【0009】この発明の熱交換器用電縫溶接銅合金管を
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鋳塊を製造する。
【0010】この鋳塊を850℃〜1050℃に加熱し
て熱間圧延したのち冷間圧延することにより薄板を作製
し、得られた薄板をO字状に曲げ加工し、さらに接合端
面を電縫溶接することにより所定の断面寸法の熱交換器
用電縫溶接銅合金管を作製する。
【0011】つぎに、この発明の熱交換器用電縫溶接銅
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、電縫溶接部およびその近傍の強度低下を防止し、さ
らに素材の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、熱交換器用電縫溶接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】実施例 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表1〜表3に示
される成分組成の鋳塊を製造した。
【0017】この銅合金鋳塊を温度:950℃、1時間
保持の条件で加熱したのち、熱間圧延し面削することに
より厚さ:9mmの寸法を有する熱延板を作製した。この
熱延板を厚さ:0.8mmまで冷間圧延し、400℃の
温度で1時間焼鈍後、50%の加工率で厚さ0.4mm
まで冷間圧延し、さらに400℃の温度で1時間焼鈍す
ることにより銅合金製帯を作製した。この銅合金製帯を
スリッターにより幅:31mm間隔で裁断し、溝付き圧
延ロールによりエンボス加工し、片面に凹凸を有する溝
付き銅合金薄板を作製した。
【0018】かかる溝付き銅合金薄板を多段階駆動ロー
ルおよびアイドラの間を通すことによりO字状に曲げ加
工したのち接合端面を電縫溶接することにより内面に凹
凸を有し外径が6.5mmの寸法を有する電縫溶接銅合金
管に作製し、得られた電縫溶接銅合金管を、さらに光揮
焼鈍炉に装入し、550℃で1時間保持の焼鈍を施すこ
とにより、本発明熱交換器用電縫溶接銅合金管(以下、
本発明管という)1〜14および比較熱交換器用電縫溶
接銅合金管(以下、比較管という)1〜5を製造した。
さらに比較のために、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銅合金鋳塊を作製し、これを実
施例と同様にして従来熱交換器用電縫溶接銅合金管(以
下、従来管という)1〜3を作製した。
【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電縫溶接部で
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、導電率の内の敷く無くとも1つに熱交換器用
電縫溶接銅合金管として好ましくない特性が現れること
が分かる。
【0026】上述のように、この発明の熱交換器用電縫
溶接銅合金管は、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 平10−130754(JP,A) 特開 平4−272148(JP,A) 特開 昭54−92516(JP,A) 特開 平3−180437(JP,A) 特開 平4−180549(JP,A) 特開 昭64−12538(JP,A) 特開 昭64−56841(JP,A) 特開 昭64−56842(JP,A) 特開 昭62−182239(JP,A) 特開 平10−130755(JP,A) 特公 昭58−39900(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 9/06 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電縫溶接銅合金管。
  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電縫溶接銅合金
    管。
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