JP5710946B2 - 熱交換器用偏平管および熱交換器 - Google Patents
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Description
この熱交換器100は、次のように作製される。表面にろう付用塗膜5が塗布されたアルミニウム合金製の偏平管本体31の一端をヘッダーパイプ1のスリット6に挿入し、アルミニウム合金製の波形のフィン4を偏平管本体31に組み付ける(図2(a))。このように組み付けられた熱交換器組立体をろう材の融点以上の温度に加熱してろう付用塗膜5を溶解させ、偏平管本体31とヘッダーパイプ1、偏平管本体31とフィン4とをそれぞれ接合される(図2(b))。
アルミニウム合金におけるSi及びFeの含有量は、Si:0.47〜1.0質量%、Fe:0.1〜0.45質量%であることが好ましい。
また本発明では、偏平管本体をなすアルミニウム合金がZn:0.01〜0.5質量%をさらに含有することが好ましい。
また、本発明によれば、表面にZn含有フッ化物系フラックスを含むろう付用塗膜が表面に塗布されていることにより、ろう付け後に偏平管本体の表面に均一なZn犠牲層が形成され、偏平管の耐食性を確保することがでる。
さらに本発明において、偏平管本体が上述の範囲にてCu、Mg、Ti、Zr、Crの一種または二種以上を含有することにより、偏平管のさらなる高強度化を図ることができる。
また本発明において、偏平管本体が上述の範囲にてZnを含有することにより、耐食性を向上することができる。
本発明の偏平管本体において、フィンとろう付けされた後の偏平管本体の肉厚方向に複数の結晶粒を形成すると、破壊圧力に対する強度を向上することができる。
偏平管本体31は、Si:0.05〜1.0質量%、Fe:0.1〜0.7質量%、Mn:0.8〜1.5質量%、残部がAl及び不可避不純物からなる組成を有する。
<Si:0.05〜1.0質量%>
Siは添加量に応じてアルミニウムマトリックス中に固溶し、強度および耐食性を向上させる。
また、Siの添加により生成するAl−Si系金属間化合物が再結晶の起点となり、結晶粒径を微細にし、破壊圧力に対する強度を向上させる効果を有する。また、合金中にFeが含まれる場合、合金中に析出するAl−Fe系金属間化合物が強カソードになり耐食性低下を引き起こすが、FeとSiとを同時に添加すると、Al−Fe系金属間化合物をAl−Fe−Si系金属間化合物として析出させることにより耐食性低下を抑制する。さらに、Siの添加により電位が上昇するため、偏平管本体31の表面に形成されたろう付用塗膜5の防食効果を増大させる。
強度および耐食性向上の効果を得るために、本発明はSiを0.05質量%以上含有させる。しかし、含有量が多くなると融点を低下させ、また、押出性を低下させる。そこで、本発明はSiの含有量を1.0質量%以下とする。好ましいSiの含有量は0.30〜0.90質量%、より好ましいSiの含有量は0.3〜0.7質量%である。
Feは、Al−Fe系あるいはAl−Fe−Mn系金属間化合物の生成および組織の微細化により強度を向上させる。また、Feは、偏平管本体31とフィン4とのろう付け時にろう付用塗膜5から拡散するSiの析出を促進し、ろう付用塗膜5の犠牲防食効果を増大させる。さらに、Mnの析出も促し押出性を向上させる。さらに、Fe系の晶出物が材料中に微細に存在するため、それらが孔食の発生源となり深い孔食の発生を抑制する効果がある。
これら効果を得るために、本発明はFeを0.1質量%以上含有させる。しかし、含有量が多くなるとAl−Fe系金属間化合物が過剰に生成し、カソードの過剰分布による耐食性低下、Al−Fe−Mn系の巨大金属間化合物の生成による鋳造性と押出性の低下を引き起こすので、Feの含有量は0.7質量%以下とする。好ましいFeの含有量は0.1〜0.60質量%、より好ましいFeの含有量は0.15〜0.45質量%である。
Mnは、添加量に応じてアルミニウムマトリックス中に固溶しあるいはAl−Mn系金属間化合物として析出し、強度を向上させる。また、Mnの添加は、偏平管本体31とフィン4とのろう付け時にろう付用塗膜5から拡散するSiの析出を促進し、ろう付用塗膜5の犠牲防食効果を増大させる。さらに高温での変形抵抗が高まるのでろう付け性を向上させる効果を有する。またさらにMn添加により、Al−Fe系金属間化合物がAl−Fe−Mn系金属間化合物として析出するので耐食性低下を抑制する。
これら効果を得るために、本発明はMnを0.8質量%以上含有させる。しかし、含有量が多くなると粗大なAl−Mn系金属間化合物が多数生成し、押出性が著しく低下する。そこで、本発明はMnの含有量を1.5質量%以下とする。好ましいMnの含有量は0.85〜1.45質量%、より好ましいMnの含有量は1.0〜1.30質量%である。
<Cu:0.3質量%以下>
Cuの添加は、強度の向上と電位の上昇に効果がある。しかし、含有量が多くなると、融点を低下させ、押出性が低下するとともに腐食速度が増加し、耐食性が低下する。そこで、本発明はCuの含有量を0.3質量%以下とする。好ましいCuの含有量は、0.01〜0.2質量%である。
Mgは強度を向上させる目的で添加する。しかし、含有量が多くなると高温変形抵抗が大きくなり特に押出性が低下し、ろう付け性も低下する恐れがある。そこで、本発明はMgの含有量を0.5質量%以下とする。好ましいMgの含有量は0.01〜0.35質量%である。
Tiは強度を向上させる目的で添加する。しかし、含有量が多くなると押出性が低下する恐れがある。そこで、本発明はTiの含有量を0.3質量%以下とする。好ましいTiの含有量は0.02〜0.15質量%である。
Zrは強度を向上させる目的で添加する。しかし、含有量が多くなると押出性が低下する恐れがある。そこで、本発明はZrの含有量を0.3質量%以下とする。好ましいZrの含有量は0.02〜0.15質量%である。
Crも強度を向上させる目的で添加する。しかし、含有量が多くなると押出性が低下する恐れがある。そこで、本発明はCrの含有量を0.3質量%以下とする。好ましいCrの含有量は0.02〜0.15質量%である。
<Zn:0.01〜0.5質量%>
Znは耐食性の向上にとって有効な元素である。しかし、0.5質量%を超えて含有すると、耐食性が劣化するとともに、合金の融点が低下することにより押出性の低下を招く恐れがある。したがって、Znを含有させる場合、Zn:0.01〜0.5質量%とする。好ましいZnの含有量は0.05〜0.25質量%である。
ろう付用塗膜5は、Si粉末:1.0〜5.0g/m2、KZnF3からなるフラックス:4.0〜10.0g/m2、バインダ:0.5〜3.0g/m2を含有する。
<Si粉末>
Si粉末は、ろう付時に溶融してろう液となり偏平管本体31を構成するAlと反応し、ヘッダーパイプ1、2と偏平管本体31を、また、偏平管本体31とフィン4を、各々接合するろうを形成する。このろう液にフラックス中のZnが均一に拡散し、偏平管本体31の表面に均一に広がる。液相であるろう液内での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、偏平管本体31の表面の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、偏平管本体31の耐食性を向上することができる。
Si粉末の塗布量が少ないと、ろう付性が低下し、一方、過剰に塗布しても、ろう付性が十分に得られない。このため、塗膜におけるSi粉末の含有量は1.0〜5.0g/m2とする。
通常、Si粉末粒度D(50)は1〜6μmのものが用いられる。なお、D(50)とは、体積割合で小さい粒から累積し、全体の50%となる粒の粒径のことである。これはレーザ光散乱法で測定することができる。
KZnF3からなるフラックスは、ろう付けに際し、偏平管本体31の表面にZn拡散層を形成し、耐孔食性を向上させる効果がある。また、ろう付け時に偏平管本体31の表面の酸化物を除去し、ろうの広がり、ぬれを促進してろう付性を向上させる作用を有する。
フラックス塗布量:4.0〜10.0g/m2
KZnF3からなるフラックスの塗布量が4.0g/m2未満であると、Zn拡散層の形成が不十分になり、偏平管本体31の耐食性が低下する。また、被ろう付材(偏平管本体31)の表面酸化皮膜の破壊除去が不十分なためにろう付不良を招く。一方、塗布量が10.0g/m2を超えると、フィレット7(図2(b))の特に共晶部のZn濃縮が顕著になり、フィレット7の耐食性が低下して、フィン4の偏平管本体31からの脱落を加速する。このため、KZnF3からなるフラックスの塗布量を4.0〜10.0/m2とする。
通常、フラックス粒度D(50)は1〜6μmのものが用いられる。D(50)は、Si粉末粒の度と同じである。
ろう付用塗膜5には、Si粉末、KZnF3からなるフラックスに加えてバインダを含む。バインダの例としては、好適にはアクリル系樹脂を挙げることができる。
バインダの塗布量が0.5g/m2未満であると、ろう付性が低下する。一方、バインダの塗布量が3.0g/m2を超えても、ろう付性が低下する。このため、バインダの塗布量を0.5〜3.0/m2とする。なお、バインダは、通常、ろう付の際の加熱により蒸散する。
偏平管本体31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。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。
それぞれの通路壁3fに1個又はそれ以上の個数の結晶粒が形成される。例えば、図3の図中左側の通路壁3fには結晶粒Cが1つ形成された例を示し、また、図中右側の通路壁3fには結晶粒Cが2つ形成されている例を示している。
すなわち、図2(a)に示すように、ろう付用塗膜5が塗布された偏平管本体31の一端をヘッダーパイプ1のスリット6に挿入し、また、フィン4を偏平管本体31に組み付ける。このように組み付けられた熱交換器組立体101をろう材の融点以上の温度に加熱しろう付用塗膜5を溶解させ、図2(b)に示すようにヘッダーパイプ1、2と偏平管本体31、偏平管本体31とフィン4とが接合された熱交換器100が製造される。
表1、2に示す組成のアルミニウム合金(表1、2の残部はAl及び不可避不純物)を溶製し、均質化処理後、熱間押出を行い図3に示す横断面形状(肉厚0.5mm×幅10mm×全体厚5mm:側面のR2.5mm)の偏平管本体31を作成した。
熱間押出の後、チューブ表面の荒れを観察し、以下の基準で押出性を評価した。
押出性:良好;○ 荒れ発生;△ 割れ発生;×
その結果を表5、6に示す。
ろう付性:接合率90%以上;○ 接合率70%以上90%未満;△ 接合率70%未満;×
また、ろう付後の熱交換器100をSWAAT(ASTM規格G85−85)20日の腐食試験に供し、試験後の偏平管本体31に生じた腐食深さを測定し、耐食性を評価した。
チューブ耐食性:腐食深さが肉厚の1/4未満;○
腐食深さが肉厚の1/4以上1/2未満;△
腐食深さが肉厚の1/2以上;×
さらに、ろう付後の偏平管本体31に耐圧試験を行った。具体的には、偏平管本体31の通路3cに内圧を負荷し、破壊が生じる圧力を測定した。評価基準は以下の通りである。
破壊圧力:15MPa以上;○ 15MPa未満;×
また、ろう付後に、偏平管本体31の結晶粒Cの平均粒径と、通路壁3fの幅方向における結晶粒Cの個数とを求めた。
以上の結果を表5、6に示す。
Si、Fe、Mnを本発明の範囲内で含むと、押出性、ろう付け性、耐食性、破壊圧力に対する強度がともに優れる。
これに対し、Siが本発明の範囲より少ないと、破壊圧力に対する強度が劣り、Siが本発明の範囲より多いと、押出性が劣る(比較例1、2)。
Feが本発明の範囲より少ないと、破壊圧力に対する強度が劣り、Feが本発明の範囲より多いと、耐食性が劣化する(比較例3、4)。
Mnが本発明の範囲より少ないと、破壊圧力に対する強度が劣り、Mnが本発明の範囲より多いと、押出性が劣る(比較例5、6)。
また、ろう付用塗膜を構成するSi粉末、KZnF3からなるフラックス、バインダが本発明の範囲内で塗布されると、押出性、ろう付け性、耐食性、破壊圧力に対する強度がともに優れる。
これに対し、Si粉末の塗布量が本発明の範囲を外れると、ろう付け性が劣る(比較例7、8)。
KZnF3からなるフラックスの塗布量が本発明の範囲より少ないと、ろう付け性が劣り、ろう付用塗膜の塗布量が本発明の範囲より多いと、耐食性が劣る(比較例9、10)。
バインダの塗布量が本発明の範囲を外れるとろう付け性が劣る(比較例11、12)。
また、偏平管本体31の通路壁3fの幅方向における結晶粒の数が2個以上であると、破壊圧力に対する強度が優れる(実施例41、実施例42)。
Claims (6)
- 偏平管本体と、前記偏平管本体の表面に形成されたろう付用塗膜と、からなる熱交換器用偏平管であって、
前記偏平管本体が、
Si:0.11〜1.0質量%、
Fe:0.1〜0.7質量%、
Mn:0.8〜1.5質量%、
残部がAl及び不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなり、
前記ろう付用塗膜が、
Si粉末1.0〜5.0g/m2と、
KZnF3からなるフラックス4.0〜10.0g/m2と、
バインダ0.5〜3.0g/m2と、
からなり、
ろう付け後の前記偏平管本体における結晶粒の平均粒径が60〜200μmである、
ことを特徴とする熱交換器用偏平管。 - 前記アルミニウム合金が、
Cu:0.3質量%以下、Mg:0.5質量%以下、Ti:0.3質量%以下、Zr:0.3質量%以下、及びCr:0.3質量%以下、の1種又は2種以上を含有する、
請求項1に記載の熱交換器用偏平管。 - 前記アルミニウム合金が、
Zn:0.01〜0.5質量%をさらに含有する、
請求項1又は2に記載の熱交換器用偏平管。 - ろう付け後の前記偏平管本体の肉厚方向における前記結晶粒の数が2個以上である、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱交換器用偏平管。 - 前記アルミニウム合金におけるSi及びFeの含有量が、
Si:0.47〜1.0質量%、
Fe:0.1〜0.45質量%である、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱交換器用偏平管。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の前記偏平管本体を使用した熱交換器。
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