JP4980390B2 - 熱交換器用チューブ - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器用チューブに関するものであり、特に、耐食性に優れた熱交換器用チューブに関するものである。

一般に、熱交換器は、図２に示されるように、ヘッダーパイプ５と称される左右一対の管体と、そのヘッダーパイプ５の間に互いに平行に間隔を空けて設けられたアルミニウム合金からなる多数のチューブ１と、チューブ１、１同士の間に設けられたフィン６とで構成されている。そして各チューブ１…の内部空間とヘッダーパイプ５の内部空間を連通させ、ヘッダーパイプ５の内部空間と各チューブ１の内部空間に媒体を循環させ、前記フィン６を介して効率良く熱交換ができるようになっている。

この熱交換器を構成する各チューブ１は、図１の斜視図に示されるような複数の冷媒通路穴４を有する断面偏平状のＡｌ合金押出管３の表面に、ろう材粉末を含有したフラックスを塗布することによりフラックス層２を形成した熱交換器用チューブ１１を用いて作られることが知られており、前記Ａｌ合金押出管３には押出し加工性の優れたＪＩＳ１０５０が用いられており、前記フラックス層２に含まれるろう材としては、Ｓｉ粉末、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末、またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金粉末が使用されることも知られている。

これら従来の熱交換器用チューブ１１を用いて熱交換器を作製するには、互いに平行に間隔を空けて設けられたヘッダーパイプ５に対して熱交換器用チューブ１１を直角に架設し、各熱交換器用チューブ１１の端部をヘッダーパイプ５の側面に設けられた開口（図示せず）に挿入し、この熱交換器用チューブ１１の間に波形のフィン６を配置して組み立て、得られた組立体を加熱炉に装入し加熱すると、熱交換器用チューブ１１のろう材によりヘッダーパイプ５とチューブ１がろう付けされ固定されるとともにチューブ１、１同士の間に波形のフィン６がろう付けされ固定された熱交換器が得られる。

熱交換器を構成するチューブ１の肉厚は、熱交換を効率よく行う観点から、ヘッダーパイプ５などに比べて薄くなっている。このため、チューブとヘッダーパイプがほぼ同一の速度で腐食した場合、先にチューブに穴が空き、そこから媒体が漏れるおそれがある。従って熱交換器では、主にチューブの防食対策が重要な課題になっている。
そこで、従来の熱交換器では、熱交換器用チューブ１１の耐食性を向上するために、Ｚｎを主体として含む犠牲陽極層をチューブ表面に形成している。この犠牲陽極層を形成するには、通常、Ｚｎ溶射法や、Ｚｎ含有フラックスを塗布するなどの方法が知られている。下記特許文献１にはＺｎ含有フラックスの例が開示されている。

特開平７−２２７６９５号公報

しかし、溶射法で犠牲陽極層を形成しようとした場合は、溶射量を正確に制御することが困難であり、犠牲陽極層をチューブ表面上に均一に形成できず、チューブの防食効果を高めることができないといった問題があった。
また、上記特許文献１に記載のＺｎ含有フラックスを用いた場合、フラックスとＺｎを同時にチューブ表面に供給するので確かにチューブの耐食性が向上するように思えるが、実際には、浸積塗布やロールコートといった一般的な塗布方法では安定した塗布条件を得るのが難しいため、Ｚｎ含有フラックスを均一に塗布するのが困難であった。そのため、犠牲陽極層におけるＺｎ分布が不均一となり、その結果Ｚｎが高濃度の部分から優先的に腐食され、チューブの耐食性が不十分な状況であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、耐腐食性がより優れた熱交換器用チューブを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の熱交換器用チューブは、複数の通路穴を有する断面偏平状のＡｌ合金押出管の外表面に、Ｓｉ粉末とＫＺｎＦ_３からなるＺｎ含有フラックスとが含まれてなるフラックス層を形成させてなり、前記Ａｌ合金押出管に対する前記Ｓｉ粉末の塗布量が１ｇ／ｍ^２以上５ｇ／ｍ^２以下の範囲であり、前記Ｚｎ含有フラックスの塗布量が５ｇ／ｍ^２以上１０ｇ／ｍ^２未満の範囲であり、前記Ｓｉ粉末の最大粒径が１０μｍ以下であり、Ａｌ合金押出管の外表面に波形のフィンが配置されてろう付け温度加熱による前記フラックス層の溶融により前記フィンが前記外表面にフィレット部を介してろう付けされることを特徴とする。
本発明の熱交換器用チューブは、内部の通路穴を冷媒が流れる前記断面偏平状のＡｌ合金押出管が、その端部をヘッダーパイプの側面に設けられた開口に挿入して前記ヘッダーパイプに直角に架設され、前記ヘッダーパイプより肉薄のものであり、前記Ａｌ合金押出管がその外表面に塗布された前記フラックス層の溶融によりフィレット部を形成して前記フィンにろう付けされるものであることを特徴とする。

係る熱交換器用チューブによれば、Ｓｉ粉末とＺｎ含有フラックスとが混合されて塗布されるので、ろう付け時にＳｉ粉末が溶融してろう液となり、このろう液にフラックス中のＺｎが均一に拡散し、チューブ表面に均一に広がる。ろう液のような液相内でのＺｎの拡散速度は固相内の拡散速度より著しく大きいので、チューブ表面のＺｎ濃度がほぼ均一となり、これにより均一な犠牲陽極層が形成され、熱交換器用チューブの耐食性を向上することができる。

また、前記Ｓｉ粉末の最大粒径は３０μｍ以下の範囲であることが好ましく、１０μｍ以下とすることもできる。最大粒径が３０μｍを越えるとチューブのエロージョン深さが増加するので好ましくない。尚、Ｓｉ粉末の最大粒径が０．１μｍ未満だとＳｉ粉末同士が凝集し、やはりチューブのエロージョンの深さが増加するので、０．１μｍ以上が好ましい。

尚、前記Ａｌ合金押出管は、Ｓｉと、Ｍｎと、残部Ａｌおよび不可避不純物とを含有し、Ｓｉの含有量が０．５質量％以上１．０質量％以下であり、Ｍｎの含有量が０．０５質量％以上１．２質量％以下であるＡｌ合金からなることが好ましい。

以上、詳細に説明したように、本発明の熱交換器用チューブによれば、Ｓｉ粉末とＺｎ含有フラックスとが混合されて塗布されるので、ろう付け時にＳｉ粉末が溶融してろう液となり、このろう液にフラックス中のＺｎが均一に拡散し、チューブ表面に均一に広がる。ろう液のような液相内でのＺｎの拡散速度は固相内の拡散速度より著しく大きいので、チューブ表面のＺｎ濃度がほぼ均一となり、これにより均一な犠牲陽極層が形成され、熱交換器用チューブの耐食性を向上することができる。

従来の熱交換器用チューブの斜視図。 従来の熱交換器の斜視図。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明の熱交換器用チューブは、Ａｌ合金押出管の外表面に、Ｓｉ粉末とＺｎ含有フラックスとが含まれてなるフラックス層を形成させて構成されている。
熱交換器用チューブを構成するＡｌ合金押出管は、Ｓｉと、Ｍｎと、残部Ａｌおよび不可避不純物とを含有し、Ｓｉの含有量が０．５質量％以上１．０質量％以下であり、Ｍｎの含有量が０．０５質量％以上１．２質量％以下のＡｌ合金から構成されている。

Ａｌ合金押出管の成分組成の限定理由について説明すると、まず、Ｓｉは、Ａｌ合金押出管にＳｉを多く固溶させることで押出管の電位を貴にし、熱交換器を構成する際にチューブにろう付けするヘッダーパイプやフィンを優先的に腐食させることができ、これにより押出管への深い孔食の発生を抑制させ、またろう付け性を向上させると共に良好な接合部を形成してろう付け後の強度を向上させる作用を有する。Ｓｉの含有量が０．５％未満では所望の効果が得られないので好ましくなく、一方、Ｓｉを１．０％より多く含有させると、合金の融点を低下させてろう付け時の過剰な溶融を招き、さらに押出し性を低下させるので好ましくない。したがって、Ａｌ合金押出管に含まれるＳｉは０．５〜１．０％に定めた。Ｓｉ含有量の一層好ましい範囲は０．６％以上０．８％以下である。

Ｍｎは、Ａｌ合金押出管の電位を貴にし、ろう中に拡散し難いためにフィンまたはヘッダーパイプとの電位差を大きくとれ、フィンまたはヘッダーパイプによる防食効果をより有効にし、外部耐食性を向上させ、さらにろう付け後の強度を向上させる作用を有する。Ｍｎの含有量が０．０５％未満ではＡｌ合金押出管の電位を貴にする効果が少なくなってしまうので好ましくなく、含有量が１．２％を超えると、押出性が低下してしまうので好ましくない。
したがって、Ａｌ合金押出管に含まれるＭｎ量は、０．０５〜１．２％に定めた。

次に、チューブ表面に形成するフラックス層には、Ｚｎ含有フラックスと、Ｓｉ粉末が含まれており、ろう付け後はチューブの表面全面に溶融したろう材層が形成される。このろう材層中にはＺｎが均一に分散しているので、このろう材層が犠牲陽極層と同等の働きをし、ろう材層が優先的に面状に腐食されるため、深い孔食の発生が抑制され、耐食性が向上する。

熱交換器用チューブに対するＳｉ粉末の塗布量は１ｇ／ｍ^２以上５ｇ／ｍ^２以下の範囲が好ましい。塗布量が１ｇ／ｍ^２未満であると、ろう材量が不足して十分なろう付け強度が得られず、さらにＺｎの拡散が不十分になるので好ましくない。また塗布量が５ｇ／ｍ^２を超えると、チューブ表面のＳｉ濃度が高くなり、腐食速度が速まるので好ましくない。

次にフラックス層には、Ｚｎ含有フラックスが少なくとも含まれる。尚、Ｚｎ含有フラックスの他に、Ｚｎを含まないＺｎ非含有フラックスが含まれていても良い。
Ｚｎ含有フラックスには、例えばＺｎＦ_２、ＺｎＣｌ_２、ＫＺｎＦ_３等のＺｎ化合物が少なくとも１種以上含まれることが好ましい。また、Ｚｎ非含有フラックスには、例えば、ＬｉＦ，ＫＦ，ＣａＦ_２、ＡｌＦ_３、ＳｉＦ_４などの弗化物や、前記弗化物の錯化合物であるＫＡｌＦ_４、ＫＡｌＦ_３などが少なくとも１種以上含まれることが好ましい。
熱交換器用チューブのフラックス層にＺｎ含有フラックスを含有させることで、ろう付け後のチューブ表面にＺｎ拡散層（ろう材層）が形成され、このＺｎ拡散層が犠牲陽極層として機能することによりチューブの防食効果を高めることができる。

また、Ｓｉ粉末とＺｎ含有フラックスとが混合されて塗布されるので、ろう付け時にＳｉ粉末が溶融してろう液となり、このろう液にフラックス中のＺｎが均一に拡散し、チューブ表面に均一に広がる。ろう液のような液相内でのＺｎの拡散速度は固相内の拡散速度より著しく大きいので、チューブ表面のＺｎ濃度がほぼ均一となり、これにより均一なＺｎ拡散層が形成され、熱交換器用チューブの耐食性を向上することができる。

熱交換器用チューブに対するＺｎ含有フラックスの塗布量は５ｇ／ｍ^２以上２０ｇ／ｍ^２以下の範囲が好ましい。塗布量が５ｇ／ｍ^２未満であると、Ｚｎ拡散層の形成が不十分となって防食効果が充分に得られないので好ましくなく、塗布量が２０ｇ／ｍ^２を超えると、チューブと他の部品との接合部であるフィレット部に過剰のＺｎが集中し、その接合部において腐食速度が速まるので好ましくない。

上記の熱交換器用チューブに、熱交換器用ヘッダーパイプやフィンをろう付けすることにより、熱交換器を構成することができる。
すなわち、この熱交換器は、本発明に係る熱交換器用チューブと、熱交換器用ヘッダーパイプとフィンとが接合されて構成される。即ち、従来の技術において説明した熱交換器と同様に、熱交換器用ヘッダーパイプと称される左右一対の管体と、その熱交換器用ヘッダーパイプの間に互いに平行に間隔を空けて設けられた複数の熱交換器用チューブと、熱交換器用チューブ同士の間に設けられたフィンとで構成されている。そして各熱交換器用チューブの内部空間と熱交換器用ヘッダーパイプの内部空間を連通させ、熱交換器用ヘッダーパイプの内部空間と各熱交換器用チューブの内部空間に媒体を循環させ、フィンを介して効率良く熱交換ができるようになっている。

Ｓｉが０．７質量％、Ｍｎが０．５質量％含まれるＡｌ合金でビレットを作製し、このビレットを押出加工することにより、冷媒通路用穴を１０個有し、断面寸法が幅２０ｍｍ、高さ２ｍｍ、肉厚０．２０ｍｍのＡｌ合金押出管を製造した。
次に、Ｓｉ粉末に、Ｚｎ含有フラックスを混合してフラックス混合物を調整した。そして、このフラックス混合物を先に製造したＡｌ合金押出管の外表面にスプレー塗布してフラックス層を形成した。Ａｌ合金押出管に対するＳｉ粉末及びフラックス混合物の塗布量を表１に示す。このようにして、実施例１〜６及び比較例１〜４の熱交換器用チューブを作製した。

次に、ＪＩＳ３００３またはＪＩＳ３００３／ＪＩＳ４０４５クラッド材からなるフィンを用意し、実施例１〜６及び比較例１〜４の熱交換器用チューブにフィンを組み付け、窒素雰囲気中６００℃で３分間保持してろう付けを行った。ろう付け後のフィン付きチューブに対して腐食試験（ＳＷＡＡＴ２０日間）を行い、チューブの最大腐食深さを測定した。結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜６のフィン付チューブでは、最大腐食深さがいずれも１００μｍ以下であり、チューブの腐食が抑制されていることが判る。実施例６は、Ｓｉ粉末の最大粒径が大きいので、エロージョンがやや深くなっている。
一方、比較例１ではフラックスにＺｎが添加されず、また比較例２ではＺｎ含有フラックス（ＫＺｎＦ_３）の添加量が２ｇ／ｍ^２と少なく、更に比較例３及び４ではＳｉ粉末が添加されなかったためにＺｎ分布が不均一となり、腐食量が大きくなったものと考えられる。

１…チューブ、
２…フラックス層、
３…押出管、
４…冷媒通路穴、
５…ヘッダーパイプ、
６…フィン、
１１…熱交換器用チューブ。

Claims (3)

1. 複数の通路穴を有する断面偏平状のＡｌ合金押出管の外表面に、Ｓｉ粉末とＫＺｎＦ_３からなるＺｎ含有フラックスとが含まれてなるフラックス層を形成させてなり、
   前記Ａｌ合金押出管に対する前記Ｓｉ粉末の塗布量が１ｇ／ｍ^２以上５ｇ／ｍ^２以下の範囲であり、前記Ｚｎ含有フラックスの塗布量が５ｇ／ｍ^２以上１０ｇ／ｍ^２未満の範囲であり、前記Ｓｉ粉末の最大粒径が１０μｍ以下であり、Ａｌ合金押出管の外表面に波形のフィンが配置されてろう付け温度加熱による前記フラックス層の溶融により前記フィンが前記外表面にフィレット部を形成してろう付けされることを特徴とする熱交換器用チューブ。
2. 内部の通路穴を冷媒が流れる前記断面偏平状のＡｌ合金押出管が、その端部をヘッダーパイプの側面に設けられた開口に挿入して前記ヘッダーパイプに直角に架設され、前記ヘッダーパイプより肉薄のものであり、前記Ａｌ合金押出管がその外表面に塗布された前記フラックス層の溶融によりフィレット部を形成して前記フィンにろう付けされるものであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用チューブ。
3. 前記Ａｌ合金押出管はＳｉを０．５質量％以上１．０質量％以下の範囲で含有し、Ｍｎを０．０５質量％以上１．２質量％以下の範囲で含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器用チューブ。

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