JP5574595B2 - フィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブ - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に組み込まれるチューブに関し、特にエアコン用の熱交換器に組み込まれるのが好適な、表層部にＺｎの犠牲陽極層を有する耐食性に優れるフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブに関するものである。

近年、家庭用や業務用のエアコン等の熱交換器の普及は目覚しく、日常生活における快適さの実現にはなくてはならないものになっている。これらの熱交換器には、熱伝導性および加工性に優れた銅または銅合金製配管材が使用され、銅管の周囲に複数のアルミニウム合金製薄肉フィン材を平行に配設しているフィンチューブ型熱交換器が使用されている（例えば、特許文献１）。図１、図２に基づいてフィンチューブ型熱交換器の概略構成を説明する。

図１（ａ）に示すようにフィンチューブ型熱交換器は銅又は銅合金からなるチューブをその中央でヘアピン状に曲げ加工をしてＵ字型のヘアピン管２を作製し、所定の間隔をおいて平行に配置したアルミニウム又はアルミニウム合金製のフィン材１にヘアピン管２を挿通した後、拡管により両者を密着させて固定し、隣接するヘアピン管２の管端に予め曲げ加工を施してあるＵベンド管３を嵌合し、ヘアピン管２とＵベンド管３とをろう付けすることにより複数個のヘアピン管２がＵベンド管３と連結される。

特開２００２−１４７９８１号公報

ヘアピン管２、Ｕベンド管３を構成するチューブとしては、熱伝導性、耐食性、加工性、強度等に優れている銅管が広く使用されている。また、フィン材１としては軽量性、加工性および熱伝導性に優れるという観点からアルミニウムやアルミニウム合金が広く用いられている。フィン材１は、薄肉化、高強度化が進められるとともに、表面処理を施すことで表面の親水性や耐食性の向上が図られている。
しかし、近年、熱交換器は高性能、高機能化だけでなく、少資源、少エネルギ、少スペースなどの環境側面も配慮した設計が求められている。さらには銅価格の高騰に伴い、安価な部材の使用によるコストダウンの要求も非常に高まっている。したがって、今後、熱交換器には高性能化、高品質化に加え、さらなるコストダウンや軽量化、リサイクル性などの向上も必要不可欠となっている。
本発明はエアコン用熱交換器の高性能化を進めるとともに、コストダウンや軽量化さらにはリサイクル性を兼ね備えた熱交換器を実現するチューブを提供することを目的とする。

エアコン用の熱交換器は、空気中に塩分を含む海岸などの地帯、あるいは空気中に腐食性のガスを含む工業地帯などの過酷な環境の使用においても優れた耐食性が要求される。
しかしながら、通常、アルミニウム又はアルミニウム合金は孔食型の腐食形態となることが知られており、上記のような環境では特に腐食が促進され、チューブに早期に貫通孔が発生し、冷媒の漏れや耐圧強度が低下するなど重大な欠陥が発生し、熱交換器の機能が失われるおそれがある。
ところが、本発明者らはアルミニウム合金製チューブの表層部にＺｎ拡散層を設け、内部より電位が卑な犠牲陽極層を表層部に付与するとともに、拡散層におけるＺｎの分布状態を制御することで優れた耐孔食性が得られることを見出した。これに基づき、本発明は熱交換器のチューブとして熱伝導性や加工性に優れ、かつ銅管と同等以上の耐食性(腐食寿命)を有するアルミニウム合金製のチューブを提供する。すなわち本発明の耐食性に優れたフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブは、外径が５〜１２ｍｍの丸管からなり、拡管されることによりフィンと固定されるチューブ本体と、チューブ本体の表層部に形成されるＺｎ拡散層と、チューブ本体の外表面においてＺｎ拡散層で覆われていない帯状の未Ｚｎ被覆部と、を備え、チューブ本体の外表面を覆っているＺｎ拡散層の外表面に対する比率であるＺｎ被覆率が７０％以上、未Ｚｎ被覆部が、外表面の円周長に対して占める比率が３０％以下、チューブ本体の円周方向外表面の平均Ｚｎ濃度が３．０〜１５．０質量％、チューブ本体表面からのＺｎ拡散層の深さが２５〜２００μｍであることを特徴とする。

本発明のチューブは、優れた耐食性を有しているため、海岸などの空気中に塩分を含む過酷な環境下でも、長期間使用することが可能となる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本発明によるフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブ（以下、単にチューブという）１０は、図３に示すように、チューブ本体１１と、チューブ本体１１の表層部に設けられたＺｎ拡散層１２とから構成される。
Ｚｎ拡散層１２を形成するには、チューブ本体１１の表面に溶射法によりＺｎを付着させた後に拡散熱処理を行なうのが好ましい。しかし、チューブ本体１１が丸管形状の場合、溶射法ではチューブ外表面の一部にＺｎが付着しない未溶射部が発生する。特にエアコン用のチューブ１０として最適な外径（直径）が５〜１２ｍｍの丸管では、このＺｎが存在しない部位の耐食性をいかに確保するかが重要となる。そこで、チューブ本体１１外表面のＺｎ被覆率や濃度、拡散深さなどを最適化することを検討した結果、外径が５〜１２ｍｍの丸管形状アルミニウム合金製押出チューブにおいて、円周方向外表面のＺｎ被覆率が７０％以上かつ平均Ｚｎ濃度が３．０〜１５．０質量％で、さらにチューブ本体１１表面からのＺｎ拡散層の深さを２５〜２００μｍの範囲とすれば、十分な耐孔食性が確保できることを見出した。

エアコン用の熱交換器に用いられるチューブ１０のチューブ本体１１は、上述したように、外径（直径）が５〜１２ｍｍの範囲にある。この外径を有するチューブ本体１１の周方向の全周にわたりＺｎ拡散層を低コストで均一に形成することは技術的に困難である。Ｚｎ層の形成は溶射によることが好ましいが、溶射によりＺｎ層を形成する場合は、コストをかけない限りかならず外表面にＺｎが溶射されない部分（未溶射部）が発生する。溶射は、溶射材の供給が一方向に限られるからである。未溶射部にはＺｎが存在しないため、周辺に形成されるＺｎ拡散層で犠牲防食する必要がある。外径が５〜１２ｍｍのチューブ本体１１の場合、未溶射部の割合が多くなりやすく、当該部位の腐食速度(消耗度)が増大し、長期間にわたり防食作用を発揮するのが困難となる。

チューブ本体１１はいずれの形状でも耐食性に影響を及ぼすものではない。具体的には熱交換性能向上のため通常内面に溝を有したチューブが使用されるが、本発明のチューブ本体１１はその内面形状は問わない。また、チューブ本体１１の断面形状も真円に限らず、楕円形状、その他の形状を適用できる。
また、チューブ本体１１を構成するアルミニウム合金の組成も、本発明のＺｎ拡散層を有すれば、いずれの合金でも耐孔食性は確保される。その中で、ＪＩＳ １０５０合金に代表される１０００系合金やＪＩＳ ３００３合金に代表される３０００系合金がチューブ本体１１を構成する材料として好ましい。

次に、本発明のチューブ１０の特徴部分について説明する。
(ｉ)チューブ１０外表面のＺｎ被覆率
本実施の形態によるチューブ１０は、外表面の円周方向のＺｎ被覆率を７０％以上とする。
上述したようにチューブ本体１１の表面にＺｎ拡散層１２が存在する部位が犠牲材として作用し、Ｚｎ未溶射部の防食やチューブ本体１１内部への孔食の進行を抑制する。外表面のＺｎ被覆率が７０％を下回る場合はチューブ本体１１を防食することが困難となり、深い孔食が発生する。外表面のＺｎ被覆率は８０％以上（１００％）であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。
なお、本発明において、Ｚｎ被覆率の測定対象となるＺｎ拡散層１２とは、Ｚｎ含有量が０．５質量％以上の部位を言うものとする。

Ｚｎ被覆率は、以下のようにして求めることができる。
図４は、チューブ本体１１を展開して示している。
展開されたチューブ本体１１は、幅をＷ、高さ（円周長）をＨとおくと、外表面の面積ＳがＷ×Ｈで与えられる。外表面の中で、未溶射部に基づく二つの帯状の未Ｚｎ被覆層をハッチングで示す。未Ｚｎ被覆層の高さを各々Ｈ１、Ｈ２とすると、未Ｚｎ被覆層の表面積Ｓ１は、（Ｈ１＋Ｈ２）×Ｗで与えられる。そして、この場合のＺｎ被覆率は、以下の式（１）により求められる。
Ｚｎ被覆率＝｛（Ｗ×Ｈ）−（Ｈ１＋Ｈ２）×Ｗ｝／（Ｗ×Ｈ）…（１）

(ii)チューブ１０外表面の平均Ｚｎ濃度（３．０〜１５．０質量％）
チューブ本体１１の外表面の平均Ｚｎ濃度は、３．０〜１５．０質量％とする。平均Ｚｎ濃度が３．０質量％未満では防食効果が小さく、チューブ本体１１に短期間で貫通孔が発生するおそれがあり、一方、平均Ｚｎ濃度が１５．０質量％を超えると腐食速度が増大し、チューブ本体１１の肉厚低下が問題となるからである。好ましい平均Ｚｎ濃度は３．０〜８．０質量％である。
ここで、Ｚｎ濃度が高い部位は上記のように腐食速度が増大する。したがって、周方向における最大Ｚｎ濃度をなるべく低くし、Ｚｎ濃度のバラツキを低減することが、腐食速度の増大を防止する上で好ましい。

平均Ｚｎ濃度は、以下のようにして求めることができる。
図４において、円周周りのラインＬ１を考える。ラインＬ１上の始点ｓｔから終点ｅｎにかけてＺｎ濃度を測定し、その平均が３．０〜１５．０質量％の範囲内にあることを本発明は要件としている。なお、未Ｚｎ被覆部のＺｎ濃度は低く、平均Ｚｎ濃度は、Ｚｎ拡散層１２のみならず、未Ｚｎ被覆部をも考慮したものである。
ここで、ラインＬ１上の始点ｓｔから終点ｅｎにかけての全ての位置のＺｎ濃度を測定することなく、始点ｓｔ及び終点ｅｎを含む複数の地点のＺｎ濃度を測定することにより、平均Ｚｎ濃度を求めることもできる。一方、一つのラインＬ１についてのみ平均Ｚｎ濃度を求めるだけでなく、幅方向（チューブ本体１１の軸方向）に設定された複数のラインＬ１〜Ｌ４について平均Ｚｎ濃度を求め、平均Ｚｎ濃度が３．０〜１５．０質量％の範囲にあるか否かを総合的に判断する。

(iii)チューブ本体１１表面からのＺｎ拡散層の深さ（２５〜２００μｍ）
Ｚｎ拡散処理を実施することで、Ｚｎが存在しない部位の面積率を低下させ、表面Ｚｎ濃度の均一化を図るとともに、表面Ｚｎ濃度低下により腐食速度も低減して、長期間耐食性を確保する効果が得られる。
しかし、チューブ本体１１表面からのＺｎ拡散層１２の深さが２５μｍ未満だと、早期に拡散層が消耗し、チューブ本体１１を防食することができない。一方、Ｚｎ拡散層１２の深さが２００μｍを超えると、Ｚｎ拡散層１２を除くチューブ本体１１（母材）に対して電位が卑なＺｎ拡散層１２が、母材よりも優先的に腐食してまうことにより、チューブ本体１１の肉厚が減少し、チューブ本体１１の強度低下が問題となる。したがって、本発明におけるチューブ本体１１表面からのＺｎ拡散層の深さは、２５〜２００μｍとする。Ｚｎ拡散層１２の深さは、好ましくは５０〜１５０μｍ、より好ましくは７５〜１００μｍである。なお、前述したように、Ｚｎ含有量が０．５質量％以上の部位をＺｎ拡散層１２という。

以下、本発明によるチューブ１０の好ましい製造方法を説明する。
チューブ１０を製造する基本的な工程は、チューブ本体１１を作製する工程、チューブ本体１１の外表面にＺｎ層を形成する工程、チューブ本体１１の表層部へＺｎを拡散処理する工程、から構成される。以下、順に説明する。

＜チューブ本体１１の作製＞
チューブ１０のチューブ本体１１は、アルミニウム合金ビレットを半連続鋳造法によって作製し、熱間押出を行なうことで製造される。押出性の向上のためにビレットの均質化処理を行うことが好ましいが、実施可否を問わず、耐食性は良好な結果が得られる。なお、熱間押出前にビレットを加熱する工程は均質化処理を兼ねているとみなすことができる。

＜Ｚｎ層の形成＞
次に、チューブ本体１１の外表面へのＺｎ層を形成するには、Ｚｎ溶射、Ｚｎメッキ、Ｚｎ置換フラックスの塗布、Ｚｎ粉体塗料の塗布など様々な方法を採用できる。いずれの方法でも、最終的に得られるＺｎ拡散層１２が本発明の範囲を満足していれば、優れた耐孔食性を確保できる。一例としてＺｎ溶射によるＺｎ層の形成方法を以下に示す。
熱間押出後の高温状態にあるチューブ本体１１に、図５に示されるように、押出方向（図５の紙面奥行き方向）に対して上下方向からＺｎを溶射する。Ｚｎの溶射後に、チューブ本体１１はコイル状に巻き取られる。
チューブ本体１１の径が小さい場合には、溶射したＺｎのロスが多く、製造コストが増加する要因となる。
Ｚｎの溶射方向と接線が略平行となる部位（図５では左右両端部の近傍）には、Ｚｎ付着量が少なくなる。この部位にもＺｎを付着させるためには、Ｚｎの溶射方向を図５の左右方向とすればよいが、Ｚｎの使用量および溶射ロスが増大し、さらなるコストアップの原因となる。したがって、少ないＺｎ溶射量でも最大限の効果が得られるＺｎ分布状態に制御することが望ましい。なお、Ｚｎ溶射法としては、一般的な線爆溶射法が適しているが、火炎溶射法、プラズマ溶射法、アーク溶射法なども適用できる。

＜Ｚｎ拡散処理＞
チューブ本体１１の外表面にＺｎ層を形成した後に、Ｚｎ拡散層１２が所定の深さとなるように熱処理を実施してＺｎの拡散処理を行う。Ｚｎ拡散層１２の深さは加熱温度と保持時間によって変化する。生産性およびロット間の温度のバラツキ等を考慮し、最適な条件を設定することが必要となる。
Ｚｎ拡散処理の加熱温度は３５０〜５５０℃の範囲が望ましい。３５０℃未満ではＺｎの拡散が十分に行われず、５５０℃を超えるとＺｎ付着量が多い部位が局部溶融したり、拡散深さの制御が困難となるからである。
保持時間は目標とする拡散層の深さによって変化させるが、上記加熱温度で２５〜２００μｍのＺｎ拡散層の深さを得るには、０．５〜１２時間保持する。
Ｚｎ拡散処理の際の昇温は、チューブ本体１１の均熱がある程度得られるように、２００℃／ｈｒ以下の速度で行うことが好ましい。また、Ｚｎ拡散処理後の冷却は、粒腐食抑制のため加熱温度から３００℃までは、５０℃／ｈｒ以上でできるだけ速やかに行なうことが好ましい。なお、Ｚｎ拡散処理は熱間押出時の加工ひずみを除去し、熱交換器製造時の曲げ加工時に割れ発生を抑制する効果もある。

＜熱交換器＞
チューブ１０を使用したエアコン用熱交換器は、チューブとして銅管を使用する場合とほぼ同じ工程で製造できる。
Ｚｎ拡散処理を行なったチューブ１０を、その中央でヘアピン状に曲げ加工をしてＵ字型のヘアピン管２を作製し、所定の間隔をおいて平行に配置したアルミニウム又はアルミニウム合金製のフィン材１にヘアピン管２を挿通する。その後、拡管により両者を密着させて固定し、隣接するヘアピン管２の管端に予め曲げ加工を施してあるアルミニウム合金製Ｕベンド管３を嵌合し、ヘアピン管２とＵベンド管３とをアルミニウム合金ろう材を使用してろう付けすることにより複数個のヘアピン管２がＵベンド管３と連結されて熱交換器となる。

表１に示す組成のＪＩＳ ３００３合金を使用して作製したビレットを５９５℃×１２ｈrの条件で均質化処理実施後、５００℃で均熱して後に熱間押出を行い、外径７ｍｍ、内径６ｍｍ、肉厚０．５ｍｍの丸管（チューブ本体）を作製した。
熱間押出されたチューブ本体１１に下記のようにしてＺｎ溶射を行った。
Ｚｎ溶射：チューブ本体１１の上下２方向から溶射を行いチューブの押出速度を２０〜６０ｍ／ｍｉｎとし、Ｚｎ溶射機の電流値を制御することで、Ｚｎ付着量やＺｎ被覆率を変量した種々の供試材を作製した。
その後、表２に示した各種条件でＺｎ拡散を実施し、拡散処理後に以下の測定を行った。
Ｚｎ被覆率：前述した式（１）に基づいて、円周×２０ｍｍＬの範囲のチューブ１０表面のＺｎ濃度分布をＥＰＭＡ（Electron Probe Microanalyzer）で面分析を行い、Ｚｎ量が０．５質量％以上の面積率を求めた。
外表面の平均Ｚｎ濃度：図４を用いて説明した方法で、各チューブ１０外表面の円周方向任意部Ｌ１〜Ｌ４の４か所についてＥＰＭＡ線分析を行い、表面から深さ２μｍの範囲の平均Ｚｎ濃度を測定した。
Ｚｎ拡散深さ：チューブ１０を樹脂埋めし、任意の５か所のＺｎ被覆部についてチューブ表面から深さ方向のＺｎ分布とＥＰＭＡ線分析を行ない、Ｚｎ含有量が０．５質量％以上の距離を求め、平均値を算出した。
これら供試材について耐食性評価のためＡＳＴＭ Ｇ８５−Ａ３で規定されているＳＷＡＡＴを５００ｈｒ実施し、チューブの最大腐食深さと腐食速度を測定した。その結果を表２に示す。

表２より以下のことが判る。
（１）Ｚｎ被覆率が７０％未満になると、防食効果が小さくなり、最大腐食深さが大きくなる（Ｎｏ.１〜４、１７，１８）。
（２）平均Ｚｎ濃度が低いと、防食効果が小さくなり、最大腐食深さが大きくなる（Ｎｏ.１９）。一方、平均Ｚｎ濃度が高いと、腐食速度が速くなる（Ｎｏ.２０）。
（３）Ｚｎ拡散深さが小さいと、早期に拡散層１２が消耗するために、耐食性が不十分である（Ｎｏ．２１）。また、Ｚｎ拡散深さが大きくても、耐食性が不十分である（Ｎｏ．２２）。
（４）以上に対して、Ｚｎ被覆率、平均Ｚｎ濃度、Ｚｎ拡散深さが本発明の範囲内にあると、最大腐食深さ、腐食速度ともに、銅管と同等以上の耐食性を示している。

（ａ）はフィンチューブ型熱交換器の構成を示す側面図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示すフィンチューブ型熱交換器をヘアピン管２側から見た斜視図である。 （ａ）はフィンチューブ型熱交換器をＵベンド管側から見た斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。 本発明によるチューブを作製する手順を示す断面図である。 Ｚｎ被覆率の求め方、及び平均Ｚｎ濃度の求め方を示す図である。 Ｚｎ溶射の様子を示す図である。

符号の説明

１…フィン材、２…ヘアピン管、３…Ｕベンド管
１０…チューブ、１１…チューブ本体、１２…Ｚｎ拡散層

Claims (1)

1. 外径が５〜１２ｍｍの丸管からなり、拡管されることによりフィンと固定されるチューブ本体と、
   前記チューブ本体の表層部に形成されるＺｎ拡散層と、
   前記チューブ本体の外表面において前記Ｚｎ拡散層で覆われていない帯状の未Ｚｎ被覆部と、を備え、
   前記チューブ本体の外表面を覆っている前記Ｚｎ拡散層の前記外表面に対する面積の比率であるＺｎ被覆率が７０％以上、
   前記未Ｚｎ被覆部が、前記外表面の円周長に対して占める範囲が３０％以下、
   前記チューブ本体の円周方向外表面の平均Ｚｎ濃度が３．０〜１５．０質量％、
   前記チューブ本体表面からの前記Ｚｎ拡散層の深さが２５〜２００μｍであることを特徴とする耐食性に優れるフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブ。

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