JP3929854B2

JP3929854B2 - 熱交換器用押出扁平チューブ並びにそれを使用した熱交換器

Info

Publication number: JP3929854B2
Application number: JP2002243689A
Authority: JP
Inventors: 靖憲兵庫; 晶渡部
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: JP2004083954A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、押出加工性及び耐食性に優れたアルミニウム合金を使用した熱交換器用押出扁平チューブ、並びにその熱交換器用押出扁平チューブを使用した熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空調機や自動車用クーラーに使用されている熱交換器においては、図１に示すように、ヘッダーパイプ１，２と称される左右一対の管体の間に、ヘッダーパイプと直角に互いに平行に間隔を保って多数の押出扁平チューブ３を架設し、各押出扁平チューブ３の端部をヘッダーパイプ１，２の側面に接続して、各チューブ３の内部空間とヘッダーパイプ１，２の内部空間とを連通させ、複数のチューブの間にフィン４を配置して、熱交換性を高めた構造の熱交換器１０が知られている。この形式の熱交換器においては、ヘッダーパイプの内部と各チューブの内部を熱媒体が循環し、各チューブ間に配置されたフィンを介して熱媒体が熱交換できるようになっている。
【０００３】
上記のような熱交換器では、チューブとフィン及びこれらを接合するろう材との材料の電位差に起因して孔食が発生する。すなわち、ろう材の電位がチューブ材の電位よりも貴となると、電気化学的腐食によりチューブに孔食が発生する。使用中の腐食によって生じる穴（孔食）から冷媒が漏れるのを防ぐため、フィンまたはろう材に亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）等の電位を卑にする元素を添加して、犠牲陽極効果により防食を行う方法が採られてきた。また、内側を冷媒が通るチューブ部材の表面から内部に向かって電位が高くなるような勾配（犠牲陽極層）を設け、チューブの肉厚方向へ腐食が進行するのを抑制する方法も採用されている。
【０００４】
しかし、これらの方法ではチューブ表面の犠牲陽極層や犠牲陽極フィンが腐食により失われてしまった場合には、チューブを防食する手段が全くなくなり、腐食が急速に進行して短時間で冷媒漏れに至ることとなる。
【０００５】
一方、チューブ材の合金組成を特定してチューブ材アルミニウム合金の電位をより貴なものとする方法も提案されている。たとえば、特開昭５７−１３４２９４号公報には、クロム（Ｃｒ）を０．０５〜０．５ｗｔ％含み、必要に応じて銅（Ｃｕ）を０．５〜２．０ｗｔ％含むチューブ用アルミニウム合金が提案されている。また、特開２００２−３８２３２号公報には、Ｃｕを０．１ｗｔ％超え０．５ｗｔ％以下、マンガン（Ｍｎ）を０．６ｗｔ％超え０．８５ｗｔ％以下、Ｃｒを０．１ｗｔ％超え０．３ｗｔ％以下、亜鉛（Ｚｎ）を０．２ｗｔ％超え０．６ｗｔ％以下、鉄（Ｆｅ）を０．６ｗｔ％以下、シリコン（Ｓｉ）を０．２ｗｔ％以下含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金配管材が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらのチューブ材料では扁平形状に成形する際の押出加工性に難点があり、加工時にひび割れが発生したり、押出圧力が高くなって高速成形が困難である等の難点があった。また耐食性においても孔食の発生を防ぐ満足な結果は得られていなかった。
本発明は押出加工性に優れ、耐食性にも優れたアルミニウム合金を用いた熱交換器用押出扁平チューブ並びにそれを使用した熱交換器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の熱交換器用押出扁平チューブは、重量％でＣｒ；０．０５〜０．６ｗｔ％、Ｓｉ；０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｎ；０．１０ｗｔ％超〜０．５ｗｔ％、Ｚｎ；０．０１〜０．５ｗｔ％、及びＣｕ；０．０１〜０．５ｗｔ％を含有し、残部が不可避的不純物を含むアルミニウムからなる組成を有するアルミニウム合金を、扁平状に押出成形してなる熱交換器用押出扁平チューブとした。
さらに、本発明の熱交換器用押出扁平チューブは、上記の組成に加え、Ｔｉ；０．０５〜０．３ｗｔ％またはＺｒ；０．０５〜０．３ｗｔ％のうち少なくとも１種以上を含有したアルミニウム合金が用いられたものであっても良い。また、さらに、Ｗ；０．００１〜０．２ｗｔ％、Ｐ；０．００１〜０．２ｗｔ％、Ｓｅ：０．００１．〜０．１ｗｔ％のうち少なくとも１種以上を含有したアルミニウム合金が用いられたものであっても良い。
【０００８】
このような組成のアルミニウム合金を扁平状に押出成形して熱交換器用押出扁平チューブとすれば、押出扁平チューブへの押出加工性に優れ、ひび割れの発生もないので製造歩留まりが高く、また、腐食形態が孔食となりにくく全面的に腐食していくので深さ方向への腐食の進行が遅く、耐食性（耐孔食性）にも優れた熱交換器用押出扁平チューブが得られる。
【０００９】
さらに本発明の熱交換器用押出扁平チューブは、亜鉛もしくは亜鉛合金の溶射層、または亜鉛、亜鉛合金もしくは亜鉛化合物の粉末層のうちいずれか１種を、上記押出扁平チューブの表面に具備してなるものであっても良い。
このような構成の熱交換器用押出扁平チューブとすれば、犠牲陽極効果を兼ね備えた一段と耐食性（耐孔食性）に優れた熱交換器用押出扁平チューブが得られる。
【００１０】
最後に、本発明の熱交換器は、上記の本発明の熱交換器用押出扁平チューブを使用した熱交換器である。
耐食性（耐孔食性）に優れた本発明による熱交換器用押出扁平チューブを使用しているので腐食環境に強く、特にカークーラー用の熱交換器として有用である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明の熱交換器用押出扁平チューブ（以下、押出扁平チューブと略称することがある）に用いられるアルミニウム合金の組成限定理由から説明する。
クロム（Ｃｒ）；Ｃｒは材料の強度を高め、耐孔食性を向上させる。Ｃｒ含有量が０．０５ｗｔ％未満ではその効果が期待できず、０．６ｗｔ％を超えると硬化して押出性を低下させる。
シリコン（Ｓｉ）；Ｓｉは電位を貴にし、耐食性を向上させる。Ｓｉ含有量が０．１ｗｔ％未満ではその効果が期待できず、１．０ｗｔ％を超えるとろう付け性が低下し、耐食性もかえって低下する。
マンガン（Ｍｎ）；Ｍｎは材料の強度を高め、電位を貴にして耐孔食性を向上させる。Ｍｎ含有量が０．１０ｗｔ％以下ではその効果が期待できず、０．５ｗｔ％を超えると硬化して押出性を低下させる。したがって、Ｍｎ含有量は０．１０ｗｔ％超え、０．５ｗｔ％以下とする。
【００１２】
亜鉛（Ｚｎ）；Ｚｎは若干の強度向上と、Ｃｒの働きを助長して耐食性を向上させる効果がある。Ｚｎ含有量が０．０１ｗｔ％未満ではその効果が期待できず、０．５ｗｔ％を超えると腐食速度が早くなり、かえって耐食性を低下させる。
銅（Ｃｕ）；Ｃｕは材料の強度を高め、電位を貴にし耐食性を向上させる。Ｃｕ含有量が０．０１ｗｔ％未満ではその効果が期待できず、０．５ｗｔ％を超えると耐食性を低下させる。
【００１３】
チタン（Ｔｉ）；Ｔｉは鋳造組織を微細化すると共に、Ｃｒの働きを助長して耐孔食性を向上させる効果がある。Ｔｉ含有量が０．０５ｗｔ％未満ではその効果が期待できず、０．３ｗｔ％を超えると押出性を低下させる。
ジルコニウム（Ｚｒ）；ＺｒはＣｒの働きを助長して耐孔食性を向上させる効果がある。Ｚｒ含有量が０．０５ｗｔ％未満ではその効果が期待できず、０．３ｗｔ％を超えると押出性を低下させる。
【００１４】
タングステン（Ｗ）；ＷはＣｒの働きを助長して耐孔食性を向上させる効果がある。Ｗ含有量が０．００１ｗｔ％未満ではその効果が期待できず、０．２ｗｔ％を超えてもそれ以上の効果は望めない。
リン（Ｐ）；ＰはＣｒの働きを助長して耐孔食性を向上させる効果がある。Ｐ含有量が０．００１ｗｔ％未満ではその効果が期待できず、０．２ｗｔ％を超えてもそれ以上の効果は望めない。
セレン（Ｓｅ）；ＳｅもＣｒの働きを助長して耐孔食性を向上させる効果がある。Ｓｅ含有量が０．００１ｗｔ％未満ではその効果が期待できず、０．１ｗｔ％を超えてもそれ以上の効果は望めない。
これら同じ効果を発揮するＷ，Ｐ，Ｓｅは、少なくとも１種以上を含有させることにより、Ｃｒの働きを助長して耐孔食性を向上させることができる。
【００１５】
次に、本発明の熱交換器用押出扁平チューブの断面形状を図２に例示する。図２に示す押出扁平チューブ３は、断面が幅Ｗで高さＨの扁平状をなしており、通常、幅Ｗは１０〜３０ｍｍ、高さＨは２〜１０ｍｍで肉厚は０．４〜０．８ｍｍ程度である。上下の平坦部１１を繋いで複数（図では３本）の補強リブ１３があり、補強リブ１３の間は冷却媒体が流れる冷媒通路１２を構成している。
チューブの断面形状を扁平にすることにより、平坦部の表面にフィンをろう付け接合するのが容易になるので熱伝導も良くなり、放熱面積が増えると同時に熱交換効率も高くすることができる。補強リブ１３はチューブの強度を高めると同時に冷媒通路１２を構成することにより熱交換のための接触面積を確保して、冷却効率を高めることができるようになる。図２では補強リブ１３を３本設けた例を示したが、冷却リブは１本でも良いし、勿論設けなくても良い。押出扁平チューブの幅に応じて適宜数を決めればよい。
【００１６】
さらに、本発明の押出扁平チューブは、その表面に亜鉛もしくは亜鉛合金溶射層、亜鉛、亜鉛合金もしくは亜鉛化合物の粉末層のうちいずれか１種を具備したものとすることができる。押出扁平チューブ表面に上記のような亜鉛を含む層を形成することにより、チューブ表面に犠牲陽極層が形成され、孔食の発生を一段と抑制することができる。
亜鉛合金としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系のろう材を利用することができる。ろう材を利用すればＺｎを含んでいるので母材よりも電位が卑となるので孔食の発生を抑制することができると同時に、母材の接合にも利用することができる利点がある。このような亜鉛合金としては、たとえばＪＩＳ４Ｎ４３（Ｓｉ：６．８〜８．２ｗｔ％、Ｚｎ：０．５〜２．５ｗｔ％）やＪＩＳ４Ｎ４５（Ｓｉ：９．０〜１１．０ｗｔ％、Ｚｎ：０．５〜２．５ｗｔ％）ろう材があげられる。
【００１７】
本発明の熱交換器は、上記のようにして得られた本発明の押出扁平チューブを使用して、図１に示すようにヘッダーパイプ及びフィンとをろう付けして組み立てる。
【００１８】
【作用】
本発明は合金組成、特にクロム含有量及び微量成分を特定範囲に規定することにより、耐孔食性を向上させるとともに、押出加工性を改善したアルミニウム合金を押出加工して熱交換器用押出扁平チューブに加工し、その押出扁平チューブを使用して熱交換器を構成した。
【００１９】
【実施例】
以下実施例、比較例を用いて本発明を説明する。
（実施例）
アルミニウム合金製の断面円形のヘッダーパイプ、押出扁平チューブ及びフィンを所定の位置に組み立てた後、窒素雰囲気中で６００℃×３分間の条件で加熱し、ろう付けして概略構成が図１の熱交換器を製造した。ヘッダーパイプ材には、内側が３００３合金で外側が４０４５合金のクラッド材からなる電縫管を使用した。チューブ材には表１に示す合金組成の押出扁平チューブを使用した。また、フィン材には４０４５合金／３００３合金のクラッド材からなるブレージングシートをコルゲート加工したものを使用した。
実施例１０の押出扁平チューブ表面には、亜鉛の溶射層を形成した。亜鉛溶射層は、押出し直後のチューブ表面に溶射ガンを用いて亜鉛溶射量が５〜１０ｇ／ｍ^２となるように溶射した。
また、実施例１１の押出扁平チューブ表面には、ＪＩＳ４Ｎ４３ろう材粉末の塗布層を形成したものを使用した。粉末ろうとフラックス、バインダー及び溶媒としてアルコールを混合した塗料を準備した。その塗料をチューブ表面に塗布量が６０ｇ／ｍ^２となるようにスプレー塗布した。
【００２０】
【表１】

【００２１】
（比較例）
比較のため表２に示す組成のアルミニウム合金を使用して、実施例と同様にして自動車用熱交換器を製造した。
【００２２】
【表２】

【００２３】
実施例及び比較例につき、チューブを押出加工した後、押出性と耐食性を評価した。押出性は押出圧力、押出チューブの形状を総合的に確認し、押出性が非常に良好な場合には◎印を、良好な場合には○印を、押出性が不良の場合は×印を付して評価した。また、耐食性はＪＩＳＺ２３７１に規定するＳＷＡＡＴを２０日間にわたって行い、チューブでの最大腐食深さで評価した。これらの結果を表３にまとめて示す。
【００２４】
【表３】

【００２５】
表３の結果から、本発明の組成を有するアルミニウム合金を使用した押出扁平チューブは、押出性及び耐食性に優れていることが判る。
【００２６】
得られた本発明の熱交換器の寿命は、比較例のチューブ材料を使用した熱交換器と比較して３〜７倍に延長された。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の熱交換器用押出扁平チューブは、本発明の組成を有するアルミニウム合金を使用しているので、押出性が良く製造歩留まりが高く、また、耐孔食性に優れており腐食はチューブの肉厚方向に平面的に進行するので、冷媒が漏洩するまでの寿命を長くすることができるようになり、チューブの肉厚も薄いものができるようになる。
さらに、本発明の熱交換器は、本発明の熱交換器用押出扁平チューブを使用しているので冷媒が漏洩するまでの寿命が延長される効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱交換器の構造を説明する外観図である。
【図２】本発明の熱交換器用押出扁平チューブの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２・・・・・ヘッダーパイプ、３・・・・・熱交換器用押出扁平チューブ、４・・・・・フィン、５・・・・・ろう材層、１０・・・・・熱交換器、１１・・・・・平坦部、１２・・・・・冷媒通路、１３・・・・・補強リブ

Claims

クロム（Ｃｒ）；０．０５〜０．６ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）；０．１〜１．０ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）；０．１０ｗｔ％超〜０．５ｗｔ％、亜鉛（Ｚｎ）；０．０１〜０．５ｗｔ％、及び銅（Ｃｕ）；０．０１〜０．５ｗｔ％を含有し、残部が不可避的不純物を含むアルミニウムからなる組成を有するアルミニウム合金を、扁平状に押出成形してなることを特徴とする熱交換器用押出扁平チューブ。
請求項１に記載の組成に加え、さらにチタン（Ｔｉ）；０．０５〜０．３ｗｔ％またはジルコニウム（Ｚｒ）；０．０５〜０．３ｗｔ％のうち少なくとも１種以上を含有し、残部が不可避的不純物を含むアルミニウムからなる組成を有するアルミニウム合金を、扁平状に押出成形してなることを特徴とする熱交換器用押出扁平チューブ。
請求項１又は請求項２に記載の組成に加え、さらにタングステン（Ｗ）；０．００１〜０．２ｗｔ％、リン（Ｐ）；０．００１〜０．２ｗｔ％、セレン（Ｓｅ）０．００１〜０．１ｗｔ％のうち少なくとも１種以上を含有し、残部が不可避的不純物を含むアルミニウムからなる組成を有するアルミニウム合金を、扁平状に押出成形してなることを特徴とする熱交換器用押出扁平チューブ。
亜鉛もしくは亜鉛合金の溶射層、または亜鉛、亜鉛合金もしくは亜鉛化合物の粉末層のうちいずれか１種を表面に具備してなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の熱交換器用押出扁平チューブ。
請求項１〜４の何れか１項に記載の熱交換器用押出扁平チューブを具備してなることを特徴とする熱交換器。