JP4969471B2 - 熱交換器用アルミ円管の製造方法及び熱交換器 - Google Patents

Description

この発明は、空調機や冷蔵庫などに用いる熱交換器用アルミ円管の製造方法及び熱交換器用アルミ円管を用いた熱交換器に関するものである。

従来の熱交換器用円管は、一般にアルミ製のものが多く採用され、所定の組成を有するアルミ合金を熱間押出しすることにより扁平孔のアルミ管体とし、このアルミ管体の扁平部に所定組成のＺｎ−Ａｌ合金あるいはＡｌ−Ｚｎを溶射することによりＺｎを含み犠牲陽極効果を有する合金層を被覆形成し、所定の組成を備えたアルミ合金を芯材とし、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材を皮材とするブレージング（ろう付け）シートからなるフィン材を組み合わせ、不活性ガス雰囲気、真空雰囲気など各種雰囲気中において加熱ろう付けを行うことにより製造されていた（例えば、特許文献１、特許文献３参照）。
また、アルミ管体表面への犠牲陽極合金の溶射は、全周ではなく、設備や材料コストが低く工業的に有用な上下方向のみの配置の溶射ノズルで処理していた（特許文献２参照）。

特開平９−１３７２４５号公報（段落番号００２７） 特開平２−１３８４５５号公報（図１） 特開平８−３５７８７号公報

扁平形状の熱交換器用アルミ円管体に溶融液を溶射する従来例では、平坦な表面部分には容易に均一溶射できるが、この方法を円形のアルミ管体に実施すると、均一溶射することが困難であるため、それを回避するために溶射ノズルを増設したり、あるいはアルミ円管体の外周に犠牲陽極効果を有する金属をクラッドしたりするなど設備費用が増加したり、工程が増加したりするなどの問題があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものである。

この発明に係わる熱交換器用アルミ円管の製造方法は、加熱したアルミ円管材を、押出しダイスで径方向の断面が扁平状となるよう整形し、中空状アルミ扁平管を形成する第１工程、溶射ノズルから犠牲陽極効果を有する金属の溶融液を、上記中空状アルミ扁平管の表面に溶射し、被膜を形成する第２工程、上記被膜を形成した上記中空状アルミ扁平管を加熱して上記中空状アルミ扁平管の母材部に、犠牲陽極効果を有する上記金属を拡散させた金属拡散層を形成する第３工程、及び上記中空状アルミ扁平管を、円形の中空状アルミ円管に整形する第４工程を含む工程によるものである。

また、上記熱交換器用アルミ円管を用いた熱交換器は、上記の製造方法で製造された熱交換器用アルミ円管によって形成されたヘアピン状主円管とＵ字型接続円管とを備え、上記Ｕ字型接続円管により互いに隣接する上記ヘアピン状主円管を連結して蛇行状の管路を形成する共に上記ヘアピン状主円管に複数の薄板状放熱フィンを配列し構成したものである。

この発明の熱熱交換器用アルミ円管の製造方法によれば、所定の方向にしか噴射できない溶射であるにもかかわらず、犠牲陽極効果を有する金属をアルミ円管の外表面の大半部分に塗布できるので、全周にわたって未溶射部の少ないアルミ円管を形成でき、特に亜鉛を母材に拡散処理した後で形状を円形に修正するので亜鉛が脱落、剥離する心配も少ない。
また、この発明の製造方法によるアルミ円管を用いた熱交換器によれば、その管壁に生じる孔食を防止できるので長期間の使用に耐え信頼性の高い熱交換器を提供できる。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１にかかるフィンアンドチューブ式熱交換器は、この発明の実施の形態２にかかるに製造方法によって製造された中空状アルミ円管１５を熱交換器用冷媒管として用いたものである。
図１は、この発明の実施の形態１にかかる熱交換器用アルミ円管（以下「中空状アルミ円管」という）１５（２、３）を用いたフィンアンドチューブ式熱交換器を示す外観図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、図２は、ヘアピン状主円管２と放熱フィン１の固着前の状態を示す断面図、図３はフィンアンドチューブ式熱交換器の中空状アルミ円管１５の断面図である。

図１に示したフィンアンドチューブ式熱交換器は、後述する熱交換器用アルミ円管の製造方法で製造された中空状アルミ円管１５を切断加工し、ヘアピン状に曲成された主円管２とＵ字状に曲成された接続円管３、及びアルミ薄板よりなる放熱フィン１で構成されている。
ヘアピン状主円管２は、互いに隣接する両端部２ａがＵ字状接続円管３により連結され、ろう付などの方法で結合して蛇行状の管路を形成する共にその外周面に後述するように複数の薄板状放熱フィン１が配列されている。

図２は、ヘアピン状主円管２と放熱フィン１との固着前の状態を示し、放熱フィン１には、所定の間隔をおいてヘアピン状主円管貫通用のバーリング穴１ａが設けられている。この放熱フィン１を複数枚積層配列することにより、バーリング穴１ａに、ヘアピン状主円管２の直管部を貫通させる。そしてヘアピン状主円管２を燒結金属などで成形された拡管ビレット（図示せず）によって所定の外径に拡管することにより、ヘアピン状主円管２をバーリング穴１ａ部に形成された膨出筒部１ｂに密着させてヘアピン状主円管２と放熱フィン１を一体化する。

また、ヘアピン状主円管２とＵ字状接続円管３の部材からなる中空状アルミ円管１５（図４の製造工程参照）は、図３に示すような特徴のある断面構造を有している。
一般にアルミニウムチューブを構成するＡｌまたはＡｌ合金より電位が卑な金属被膜を外面に形成し、この被膜の犠牲腐食により、チューブの孔食を抑制することは、すでによく知られているが、図３に示すアルミ円管１５（２、３）では、その円管外表面が、亜鉛などの犠牲陽極効果を有する一方の亜鉛拡散層（合金層）１５ａと他方の亜鉛拡散層（合金層）１５ｂで覆われ、一方の合金層１５ａと他方の合金層１５ｂの境界に合金層が無い未溶射部４０で構成されている。フィンアンドチューブ式熱交換器の動作時に、中空状アルミ円管２、３の外表面に水などの電解質物質が付着した場合に、中空状アルミ円管２、３の側面で合金層の無い部分４０が卑となり、合金層が存在する部分が貴となって、中空状アルミ円管２、３の表面上で局部電池が形成される。この局部電池で生じた電流は、中空状アルミ円管２、３の表面上に流れるのでアルミ円管肉厚方向への孔食が抑制される。

この構成により、フィンアンドチューブ式熱交換器のヘアピン状主円管２、Ｕ字状接続円管３の管壁に生じる孔食を防止できるので長期信頼性の高い熱交換器を安価に提供できる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２にかかる中空状アルミ円管１５の製造方法は、アルミ円管材を扁平中空形状に押出成形し、上下の溶射ノズルから亜鉛溶射を施し、高周波誘導加熱で扁平管の平坦両表面に亜鉛などの金属を拡散させ、その後、ビレット、形状修正ダイスでアルミ扁平管を円管に整形する一貫生産に関するものである。
以下、この発明の実施の形態２にかかる中空状アルミ円管１５の製造方法を図４〜図５に基づき説明する。

図４は、この発明の実施の形態２にかかる中空状アルミ円管１５の製造工程を示すフロー図、図５（ａ）は矯正工程における形状矯正用ビレットの外観図、（ｂ）は中空状アルミ扁平管１３の断面図、（ｃ）は円形に整形された中空状アルミ円管１５の断面図である。

図４によって、アルミ円管材から中空状アルミ円管１５完成までの製造工程を説明する。
（１）扁平管形成工程：５００℃程度まで加熱したアルミ円管材を押出しシリンダー１０で加圧し、併設した押出しダイス９で径方向の断面が扁平状となるよう整形し、扁平中空状のアルミ扁平管１４を形成する（図５（ｂ）参照）。
（２）送り工程：扁平中空状に形成されたアルミ扁平管１４は、その直後に設置された溶射装置４に送り出される。
（３）溶射工程：溶射装置４に互いに対向して設けられた一対の溶射ノズル５ａ、５ｂから、亜鉛などの犠牲陽極効果を有する金属の溶融液６を、中空状アルミ扁平管１４の上下両平坦面に向かってそれぞれ溶射（霧状に噴霧）し溶射被膜を形成する。
（４）拡散層形成工程：溶射被膜を形成した中空状アルミ扁平管１４を、高周波誘導コイル１１で加熱すると共に中空状アルミ扁平管１４の母材部へ亜鉛を拡散させ上下両平坦面の近傍に亜鉛拡散層１５ａ、１５ｂを形成する。
（５）矯正工程：その後、図５に示すように、あらかじめ管内に挿入しておいた形状矯正用ビレット１３で中空状アルミ扁平管１４を円形に矯正する。
（６）修正工程：円形に矯正された中空状アルミ円管１５は、形状修正ダイス１２に送出され図３に示すように真円状に修正整形される。
（７）真円状に修正整形された中空状アルミ円管１５は、巻き取りコイル１６に巻き取られ一貫生産を完了する。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３は、実施の形態１の矯正工程（５）、修正工程（６）において用いた形状矯正用ビレット１２や形状修正ダイス１３の代わりに、管内に圧縮空気（図示せず）を送り込んで中空状アルミ扁平管を真円状の中空状アルミ円管１５に修正整形するものである。
この実施の形態３の場合、亜鉛などの犠牲陽極層処理を施したアルミ扁平管１４は、巻き取りコイル１６に一旦巻き取ったあと、巻き戻しながら圧縮した乾燥空気を送り込み中空状アルミ円管１５を形成するものである。

このような方法によれば、形状修正が不要になり、しかも管体の外表面がダイスに高圧下で接触しないので、犠牲陽極層の剥離や脱落の危険がさらに少なくなる利点がある。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４は、生産性向上のため複数の中空状アルミ円管１５を同時に製造する場合の溶射工程に係わるものである。すなわち、実施の形態４のかかる溶射工程は、複数の中空状アルミ扁平管１３を、所定の間隔をおいて配列すると共に、複数の溶射ノズル５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄから、金属溶融液６を中空状アルミ扁平管の表面に溶射し溶射被膜を形成するものである。

図６は、実施の形態４にかかる押出しダイス２０からアルミ扁平管１４を押出す配置を示す外観図である。
図６における溶射装置４は、上下左右方向から中空状アルミ扁平管１４に向いて配置された複数の溶射ノズル５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを備え、複数の中空状アルミ扁平管１４は、互いに重なり合わないよう所定の間隔をおいて階段状に配列され、すなわち水平方向に偏芯し正面からみると斜めに配列された状態で、押出しダイス２０の扁平管排出口から押出される。なお、扁平管排出口は、図示しないが互いに重なり合わないよう所定の間隔をおいて階段状に配列されている。
このようにして押出された複数のアルミ扁平管１４は、その表面に溶射ノズル５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの上下左右から犠牲陽極効果を有する金属溶融液６が溶射されるので死角が無く、未溶射部が生じない。
また、図７に示すように、円管排出口（図示せず）を互いに重なり合わないよう所定の間隔をおいて階段状に配列した円管押し出しダイス２ｏａから押し出された円管１４ａに、直交に配置された複数の溶射ノズル５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄから金属溶融液６を溶射することで、円管１４ａを押し出し、溶射することでも未溶射部が少ない溶射が可能である。但し、円管表面の溶射皮膜は偏平管の場合と比べて均一になり難い。

この方法によれば、溶射金属の投入量と溶射ノズルなどの設備費が大きくなるが、決まった方向にしか噴射できない溶射であっても、犠牲陽極効果を有する金属を管体の外表面にすべて塗布することができ、フィンアンドチューブ式熱交換器のアルミ円管２、３の管壁に生じる腐食（孔食）を防止できるので長期信頼性の高い熱交換器を安価に提供できる。

この発明の実施の形態１における熱交換器用アルミ円管１５（２、３）を用いたフィンアンドチューブ式熱交換器を示す外観図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 ヘアピン状主円管２と放熱フィン１の固着前の状態を示す断面図である。 フィンアンドチューブ式熱交換器の中空状アルミ円管１５の断面図である。 この発明の実施の形態２における中空状アルミ円管１５の製造工程を示すフロー図である。 （ａ）は矯正工程における形状矯正用ビレットの外観図、（ｂ）は中空状アルミ扁平管１３の断面図、（ｃ）は円形に整形された中空状アルミ円管１５の断面図である。 この発明の実施の形態４における、押出しダイス２０からアルミ扁平管１４を押出す配置を示す外観図である。 この発明の実施の形態４の変形例を示し、押出しダイス２０ａから円管１４ａを押出す配置を示す外観図である。

符号の説明

１ 放熱フィン
１ａ ヘアピン状主円管貫通用バーリング穴
１ｂ 膨出筒部
２ ヘアピン状主円管
３ Ｕ字状接続円管
４ 溶射装置
４０ 未溶射部
５ａ 上方の溶射ノズル
５ｂ 下方の溶射ノズル
５ｃ 左方の溶射ノズル
５ｄ 右方の溶射ノズル
６ 金属の溶融液
６ａ 金属の溶融液（上）
６ｂ 金属の溶融液（下）
６ｃ 金属の溶融液（左）
６ｄ 金属の溶融液（右）
９ 押出しダイス
１０ 押出しシリンダー
１１ 高周波誘導コイル
１２ 形状修正ダイス
１３ 形状矯正用ビレット
１４ 中空状アルミ扁平管
１４ａ 円管
１５ 熱交換器用アルミ円管（中空状アルミ円管）
１５ａ、１５ｂ 亜鉛拡散層（合金層）
１６ 巻き取りコイル
２０、２０ａ 押出しダイス。

Claims (6)

1. 加熱したアルミ円管材を、押出しダイスで径方向の断面が扁平状となるよう整形し、中空状アルミ扁平管を形成する第１工程、
   溶射ノズルから、犠牲陽極効果を有する金属の溶融液を、上記中空状アルミ扁平管の表面に溶射し被膜を形成する第２工程、
   上記被膜を形成した上記中空状アルミ扁平管を加熱して上記中空状アルミ扁平管の母材部に、犠牲陽極効果を有する上記金属を拡散させた金属拡散層を形成する第３工程、及び
   上記中空状アルミ扁平管を、円形の中空状アルミ円管に整形する第４工程を含む熱交換器用アルミ円管の製造方法。
2. 上記第４工程は、管内に挿入された形状矯正用ビレットを用いて上記中空状アルミ扁平管を円形の中空状アルミ円管に整形することを特徴とする請求項１記載の熱交換器用アルミ円管の製造方法。
3. 上記第４工程は、管内に圧縮空気を送り込んで上記中空状アルミ扁平管を円形の中空状アルミ円管に整形することを特徴とする請求項１記載の熱交換器用アルミ円管の製造方法。
4. 複数の熱交換器用アルミ円管を同時に製造する場合の上記第２工程は、複数の上記中空状アルミ扁平管を、互いに重なり合わないよう所定の間隔をおいて階段状に配列すると共に、上記中空状アルミ扁平管に向いて配置された複数の溶射ノズルから、上記金属溶融液を上記中空状アルミ扁平管の表面に溶射し被膜を形成することを特徴とする請求項１記載の熱交換器用アルミ円管の製造方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の熱交換器用アルミ円管の製造方法で製造された熱交換器用アルミ円管によって形成されたヘアピン状主円管とＵ字型接続円管とを備え、上記Ｕ字型接続円管により互いに隣接する上記ヘアピン状主円管を連結して蛇行状の管路を形成する共に上記ヘアピン状主円管に複数の薄板状放熱フィンを配列したことを特徴とする熱交換器。
6. 上記薄板状放熱フィンに所定の間隔をおいて配設された複数のバーリング穴、このバーリング穴部に形成された膨出筒部、及びこの膨出筒部に挿通され且つ拡管された上記ヘアピン状主円管を備え、
   上記ヘアピン状主円管と上記膨出筒部とを密着固定させたことを特徴とする請求項５記載の熱交換器。

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