JP5834624B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

この発明は、アルミニウム及びアルミニウム合金製の熱交換チューブとフィンとをろう付けしてなる熱交換器に関するものである。

一般に、対峙する一対のヘッダーパイプ間に、互いに平行な複数の扁平状のアルミニウム製押出形材からなる熱交換チューブを水平方向に配置し、これら熱交換チューブ間にコルゲートフィンをろう付けにより接合してなるアルミニウム製のパラレルフロー型の熱交換器が広く使用されている。ここで、アルミニウムとはアルミニウム及びアルミニウム合金を含む意味である。

この種の熱交換器においては、耐食性を高めるための一般的な方法として、熱交換チューブ表面にＺｎ溶射を行うことによってろう付け時のＺｎ拡散層を形成し、これが犠牲防食層となって腐食形態を面食傾向にして貫通する腐食を防ぐ方法が採られている。

しかし、Ｚｎ溶射は制御が難しいため、Ｚｎ量が過多になると、犠牲防食層の消耗を早めたり、フィン脱落を引き起こす問題があり、また、逆にＺｎ量が過小になると、犠牲防食層が十分構成されず必要な耐食性が得られないという問題があった。

この問題を解決するために、熱交換チューブ表面に溶射するＺｎの量を制限し、各部間の電位差を適切なものとする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、Ｚｎ溶射ではなくＺｎ置換フラックスを用いてＺｎ拡散層を形成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４４３１３６１号公報（特許請求の範囲） 国際公開第２０１０／１５０７２７号公報（特許請求の範囲）

しかしながら、前者すなわち特許文献１に記載の技術においては、Ｚｎ溶射の制御が難しいため、均一なＺｎ溶射層が得難く、Ｚｎの溶射量範囲を広いものとせざるを得ず、熱交換チューブ毎で耐食性にバラツキが生じる問題があった。

また、後者すなわち特許文献２に記載の技術においては、Ｚｎ置換フラックスを用いてＺｎ拡散層を形成する方法であるため、特許文献１に比べてＺｎの塗布量を均一にすることができるが、Ｚｎ置換フラックスの塗布量範囲が広いために上限値と下限値では熱交換チューブ個体毎で耐食性にバラツキが生じる問題があった。

したがって、特許文献１，２に記載の技術においては、熱交換チューブ個体毎の耐食性バラツキが大きくなる他、Ｚｎ量過多となり易くフィンと熱交換チューブの接合部が優先して腐食しフィンが脱落してしまう懸念がある。

また、熱交換チューブの材質が１０００系の場合、犠牲防食層がなくなると、深さ方向の腐食が急激に進行してしまう懸念もある。

また、熱交換チューブ芯部・表面及びフィンの各部間に適切な電位差を維持するために熱交換チューブ材の電位を指定する必要があり、更に、ろう付け時強度を維持する必要がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱交換チューブ個体毎の耐食性バラツキをなくし、耐食性の向上を図れるようにした熱交換器を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、請求項１記載の発明は、Ｃｕ，Ｍｎ，Ｚｒ等を含有するアルミニウム合金製の熱交換チューブと、ろう材をクラッドしないＺｎ含有のフィンとを、上記熱交換チューブ表面に設けられた、Ｓｉ粉末、非腐食性フラックス、Ｚｎ置換フラックスを介して接合された状態の熱交換器であって、上記熱交換チューブは、Ｃｕ含有量が０．３５％〜０．４３％、Ｍｎ含有量が０．０２％以下、Ｚｒ含有量が０．０２％〜０．０６％であり、上記熱交換チューブ表面におけるＺｎ濃度が０．３％〜１．０％であり、上記熱交換チューブ表面におけるＺｎ拡散深さが８０μｍ以下であり、上記フィン、熱交換チューブ表面及び熱交換チューブ芯部の電位が、（貴）熱交換チューブ芯部＞熱交換チューブ表面＞フィン（卑）の関係にあり、かつ、上記熱交換チューブ芯部と熱交換チューブ表面、及び上記熱交換チューブ表面とフィンの電位差が、それぞれ４０ｍＶ〜６０ｍＶの範囲である、ことを特徴とする。

ここで、熱交換チューブ表面のＺｎ濃度が０．３％〜１．０％である理由は、Ｚｎ濃度が０．３％より少ないと、熱交換チューブ芯部との電位差が十分得られず、１．０％よりも多いと、電位差が大きくなりすぎて防食効果が過多となりフィン脱落が発生するためである。また、Ｚｎ拡散深さが８０μｍ以下とした理由は、Ｚｎ拡散深さが８０μｍを超えると、犠牲防食層が大きくなりすぎて腐食が進んだ際に残存する熱交換チューブの厚さが薄くなる。

また、ろう付け後のフィン、熱交換チューブ表面及び熱交換チューブ芯部の電位が、
（貴）熱交換チューブ芯部＞熱交換チューブ表面＞フィン（卑）の関係にあるとした理由は、熱交換チューブ表面が最も「卑」の場合、熱交換チューブ芯部より優先して腐食すると同時にフィンに対しても優先して腐食してしまい、結果として熱交換チューブ表面が集中して腐食してしまい、熱交換チューブ表面と熱交換チューブ芯部の電位差による防食効果のみとなり、フィンによる防食効果が得られない。これに対し、フィンを最も「卑」とすることによって、フィンと熱交換チューブ表面の電位差による防食、及び熱交換チューブ表面と熱交換チューブ芯部の電位差による防食という２段構えの防食効果が得られる。

ろう付け後の上記熱交換チューブ芯部と熱交換チューブ表面、及び上記熱交換チューブ表面とフィンの電位差が、それぞれ４０ｍＶ〜６０ｍＶの範囲とした理由は、上記熱交換チューブ芯部と熱交換チューブ表面、及び上記熱交換チューブ表面とフィンの電位差が４０ｍＶ未満の場合、防食効果が薄くなり、また、上記電位差が６０ｍＶを超えると防食効果が過剰となるからである。

この発明において、熱交換チューブ表面に最適なＺｎ拡散犠牲防食層を生成するために、Ｚｎ置換フラックスとＺｎ含有フィンにより必要最低限のＺｎ量を確保する必要があり、そのために、上記熱交換チューブ表面に設けられたＺｎ置換フラックスの塗布量は３ｇ／ｍ2〜５ｇ／ｍ2であり、上記フィンはＺｎ含有量が１．５％〜２％である方が好ましい。

ここで、熱交換チューブ表面に設けられたＺｎ置換フラックスの塗布量を３ｇ／ｍ2〜５ｇ／ｍ2以下とした理由は、Ｚｎ置換フラックスの量を５ｇ／ｍ2を超えて塗布しても反応が進まず期待するＺｎ拡散層が得られないからである。また、Ｚｎ置換フラックスの量を３ｇ／ｍ2より少なく塗布すると、熱交換チューブ表面に供給されるＺｎ量が不足して十分な犠牲防食層を確保できなくなる。

また、フィンのＺｎ含有量が２％を超えると、熱交換チューブ表面との電位差が大きくなってフィン腐食が相対的に早まり、フィンの脱落を早めさせてしまうからである。また、フィンはＺｎ含有量が１．５％より少ないと、電位を熱交換チューブ表面（犠牲防食層）よりも「卑」とすることが達成できなくなる。

また、請求項１記載の発明によれば、適切な電位差を保持して耐食性を確保し、併せて熱交換チューブの強度を維持することができる。

この発明によれば、上記のように構成されているので、熱交換チューブ個体毎の耐食性バラツキをなくし、耐食性の向上を図れるようにした熱交換器を提供することができる。

この発明に係る熱交換器の一例を示す正面図である。 この発明に係る熱交換器の一部を断面で示す斜視図である。 この発明における熱交換チューブとフィンとのろう付け状態を示す拡大断面図である。

以下に、この発明を実施するための形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

この発明に係る熱交換器１は、図１に示すように、それぞれアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製の左右に対峙する一対のヘッダーパイプ２ａ，２ｂと、これらヘッダーパイプ２ａ，２ｂ間に互いに平行に水平方向に架設（連結）される複数の扁平状の熱交換チューブ３（以下にチューブ３という）及び隣接する熱交換チューブ３間に介在されるコルゲートフィン４（以下にフィン４という）をろう付けしてなる。なお、チューブ３には複数に区画された熱媒体流路３ｃが形成されている。また、上下端のフィン４の上部外方側及び下部開放側には、それぞれアルミニウム製のサイドプレート５がろう付けされている。また、ヘッダーパイプ２ａ，２ｂの上下開口端にはアルミニウム製のエンドキャップ６がろう付けされている。

また、上記ヘッダーパイプ２ａ，２ｂのうちの一方のヘッダーパイプ２ａ（図１において左側）の上部には熱媒体（以下に冷媒という）の流入管７ａが接続され、該ヘッダーパイプ２ａの上部側の約１／３の位置には第１の仕切板８ａが配置されている。他方のヘッダーパイプ２ｂ（図１における右側）の下部には冷媒の流出管７ｂが接続され、該ヘッダーパイプ２ｂの下部側の約１／３の位置には第２の仕切板８ｂが配置されている。

上記のように構成される熱交換器１において、冷媒は流入管７ａを介して第１の仕切板８ａによって区画されたヘッダーパイプ２ａ内の上部側に流入した後、チューブ３を介して第２の仕切板８ｂによって区画されたヘッダーパイプ２ｂ内の上部側に流れ、次いで、チューブ３を介して第１の仕切板８ａによって区画されたヘッダーパイプ２ａ内の下部側に流入し、その後流出管７ｂを介して外部に流れる。

この場合、熱交換器１のコア部を構成するチューブ３は、Ｃｕ，Ｍｎ，Ｚｒ等を含有するアルミニウム合金製押出形材によって、複数の熱媒体流路３ｃを有する扁平チューブにて形成され、フィン４はろう材をクラッドしないＺｎ含有のアルミニウム製板材にて形成されている。チューブ３とフィン４とのろう付けは、ろう付け前にチューブ３にＺｎ溶射を施さず、チューブ３の表面にろう付け効果を有するＳｉ粉末、非腐食性フラックス（例えばＫＡｌＦ4＋Ｋ3ＡｌＦ6）等のフッ化物系フラックス及び犠牲陽極効果を有するＺｎ置換フラックス（具体的には、ＫＺｎＦ3フラックス）をアクリル系バインダーに混合して固着したものをろう付けする。

この場合、ろう付け後のチューブ３の表面３ａにおけるＺｎ濃度が０．３％〜１．０％であり、ろう付け後のチューブ３の表面３ａにおけるＺｎ拡散深さＤが８０μｍ以下であり、ろう付け後のフィン４、チューブ表面３ａ及びチューブ芯部３ｂの電位が、
（貴）チューブ芯部３ｂ＞チューブ表面３ａ＞フィン４（卑）の関係にあり、かつ、ろう付け後のチューブ芯部３ｂとチューブ表面３ａ、及びチューブ表面３ａとフィン４の電位差が、それぞれ４０ｍＶ〜６０ｍＶの範囲である。

ここで、Ｚｎ濃度が０．３％〜１．０％である理由は、Ｚｎ濃度が０．３％より少ないと、チューブ芯部３ｂとの電位差が十分得られず、１．０％よりも多いと、電位が大きくなりすぎて防食効果が過多となりフィン４の脱落が発生するためである。

また、Ｚｎ拡散深さＤが８０μｍ以下とした理由は、Ｚｎ拡散深さＤが８０μｍを超えると、犠牲防食層が大きくなりすぎて腐食が進んだ際に残存する熱交換チューブの厚さが薄くなる。

また、ろう付け後のフィン４、チューブ表面３ａ及びチューブ芯部３ｂの電位が、
（貴）チューブ芯部３ｂ＞チューブ表面３ａ＞フィン４（卑）の関係にあるとした理由は、チューブ表面３ａが最も「卑」の場合、チューブ芯部３ｂより優先して腐食すると同時にフィン４に対しても優先して腐食してしまい、結果としてチューブ表面３ａが集中して腐食してしまい、チューブ表面３ａとチューブ芯部３ｂの電位差による防食効果のみとなり、フィン４による防食効果が得られない。これに対し、フィン４を最も「卑」とすることによって、フィン４とチューブ表面３ａの電位差による防食、及びチューブ表面３ａとチューブ芯部３ｂの電位差による防食という２段構えの防食効果が得られる。

また、ろう付け後のチューブ芯部３ｂとチューブ表面３ａ、及びチューブ３とフィン４の電位差が、それぞれ４０ｍＶ〜６０ｍＶの範囲とした理由は、チューブ芯部３ｂとチューブ表面３ａ、及びチューブ表面３ａとフィン４の電位差が４０ｍＶ未満の場合、防食効果が薄くなり、また、電位差が６０ｍＶを超えると防食効果が過剰となり腐食が進んだ際の残存する熱交換チューブの厚さが薄くなる。

また、上記熱交換器１において、チューブ３に最適なＺｎ拡散犠牲防食層を生成するために、Ｚｎ置換フラックスとＺｎ含有フィン４により必要最低限のＺｎ量を確保する必要がある。そのために、チューブ３に固着されるＺｎ置換フラックスの量は３ｇ／ｍ2〜５ｇ／ｍ2以下とし、フィン４はＺｎ含有量が１．５％〜２％とする。

ここで、チューブ３の表面３ａに固着されるＺｎ置換フラックスの量を３ｇ／ｍ2〜５ｇ／ｍ2以下とした理由は、Ｚｎ置換フラックスの量を５ｇ／ｍ2を超えて塗布しても反応が進まず期待するＺｎ拡散層が得られないからである。また、Ｚｎ置換フラックスの量を３ｇ／ｍ2より少なく塗布すると、熱交換チューブ表面に供給されるＺｎ量が不足して十分な犠牲防食層を確保できなくなる。

また、フィン４のＺｎ含有量が２％を超えると、チューブ３との電位差が大きくなってフィン４の腐食が相対的に早まり、フィン４の脱落を早めさせてしまうからである。また、フィンはＺｎ含有量が１．５％より少ないと、電位を熱交換チューブ表面（犠牲防食層）よりも「卑」とすることが達成できなくなる。

また、上記熱交換器１において、適切な電位差を保持して耐食性を確保し、併せてろう付け時の強度を維持するためには、チューブ３は、Ｃｕ含有量が０．３５％〜０．４３％、Ｍｎ含有量が０．０２以下、Ｚｒ含有量が０．０２％〜０．０６％である方が好ましい。

ここで、Ｃｕ含有量を０．３５％〜０．４３％とした理由は、Ｃｕは、押出形材に８０Ｎ／ｍｍ2以上の強度を与えるために添加する。またＺｎと同様に孔食電位の保持に寄与する元素であって、好ましい孔食電位を確保するには０.３５％以上含有させることが必要である。しかしこのＣｕが多量となるとＳｉと同様に金属間化合物を発生させ、押出圧力増加を必要として押出速度が低下することとなるので０．４３％以下に制限することが必要である。

Ｍｎ含有量を０．０２以下とした理由は、Ｍｎを過度に投入すると、ＣｕやＺｒと相俟って押出性を悪化させるため、これを避けるために含有量を０．０２％以下とした。

Ｚｒ含有量を０．０２％〜０．０６％とした理由は、Ｚｒは、高温条件下における有効な材料強度を得しめ、また押出中に微細な３０μｍ以下のような微細再結晶粒を得しめるものであり、押出性特に高速での押出時における表面肌荒れ防止に効果を有するものであって、押出速度向上のために非常に大切な元素である。このためには０.０２％以上が必要である。一方その上限を０．０６％とすることによって他の元素との間における金属間化合物の発生を的確に制御し、押出力増大を回避して薄肉複雑な微小断面構造材としてピックアップ等の欠陥部の発生を防止し好ましい特性を得しめるもので、特に０．０６％以下としたことにより熱交換器押出チューブとして適切な製品を得ることができる。

次に、チューブ３とフィン４のろう付けに最適な耐食性とろう付け性についての評価試験を行った結果について説明する。

＜実験試料＞
・熱交換器コア：約３００ｍｍ×３６０ｍｍ
・フィン：コルゲートフィン
・チューブ間距離：約７ｍｍ
＜評価試験１＞
チューブ表面Ｚｎ濃度０．１％〜１．２％、チューブ表面Ｚｎ拡散深さ２０μｍ〜１００μｍ、チューブ芯，チューブ表面，フィンの電位関係及び電位差４０ｍＶ〜６０ｍＶの範囲にある比較例Ｉ−１〜Ｉ−１２と、実施例Ｉ−１〜Ｉ−７について、電位差４０ｍＶ〜６０ｍＶの範囲内（○）、範囲外（×）と、熱交換器耐食性についての３評価（○，△，×）を調べたところ、表１に示すような結果が得られた。

上記評価試験１の結果、チューブ表面Ｚｎ濃度が０．３％〜１．０％であり、チューブ表面Ｚｎ拡散深さが８０μｍ以下であり、フィン，チューブ表面及びチューブ芯部の電位が、（貴）チューブ芯部＞チューブ表面＞フィン（卑）の関係にあり、かつ、ろう付け後のチューブ芯部とチューブ表面、及びチューブ表面とフィンの電位差が、４０ｍＶ〜６０ｍＶの範囲である実施例Ｉ−１〜Ｉ−７においては、十分な耐食性が得られた。これに対して、上記範囲から外れた比較例Ｉ−１〜Ｉ−１２においては、十分な耐食性は得られなかった。

＜評価試験２＞
次に、耐食性について良好な結果が得られた実施例Ｉ−３すなわち、チューブ表面Ｚｎ濃度が０．７％、チューブＺｎ拡散深さが６０μｍ、フィン，チューブ表面及びチューブ芯部の電位が、（貴）チューブ芯部＞チューブ表面＞フィン（卑）の関係にあり、かつ、ろう付け後のチューブ芯部とチューブ表面、及びチューブ表面とフィンの電位差が、４０ｍＶ〜６０ｍＶの範囲にあるサンプルについて以下の評価試験２を行った。

すなわち、Ｚｎ置換フラックス塗布量１ｇ／ｍ2〜１０ｇ／ｍ2、フィンＺｎ含有量１．０％〜３．０％にある比較例II−１〜II−９と、実施例II−１〜II−５について、Ｚｎ置換フラックス反応｛一般に、ＫＺｎＦ3＋（Ａｌ）→ＫａｌＦ4＋（Ｚｎ）の反応式で現される｝と、フィン−チューブ表面電位差｛４０ｍＶ〜６０ｍＶ｝と、３段階の総合判定を調べたところ、表２に示すような結果が得られた。

上記評価試験２の結果、Ｚｎ置換フラックス塗布量が３ｇ／ｍ2〜５ｇ／ｍ2、フィンＺｎ含有量が１．５％〜２％の範囲である実施例II−１〜II−５においては、Ｚｎ置換フラックス反応、フィン-チューブ表面電位差及び総合評価において満足な結果が得られた。これに対して、上記範囲から外れた比較例II−１〜II−９においては、Ｚｎ置換フラックス反応、フィン-チューブ表面電位差及び総合評価において満足な結果が得られなかった。

＜評価試験３＞
次に、評価試験２において良好な結果が得られた実施例II−２すなわち、Ｚｎ置換フラックス塗布量４ｇ／ｍ2、フィンＺｎ含有量１．８％の範囲にあるサンプルについて以下の評価試験３を行った。

すなわち、チューブ組成のＣｕ含有量が０．３０％〜０．４５％、Ｍｎ含有量が０．０２％〜０．０５％、Ｚｒ含有量が０．０１％〜０．１０％の範囲にある比較例III−１〜III−７と、実施例III−１〜III−２について、電位差、チューブ耐食性、ろう付性、押出性及び総合判定を調べたところ、表３に示すような結果が得られた。

上記評価試験３の結果、Ｃｕ含有量が０．３５％〜０．４３％、Ｍｎ含有量が０．０２以下、Ｚｒ含有量が０．０２％〜０．０６％である実施例III−１〜III−２においては、電位差、チューブ耐食性、ろう付性、押出性及び総合判定において満足な結果が得られた。これに対して、上記範囲から外れた比較例III−１〜III−７においては、電位差、チューブ耐食性、ろう付性、押出性及び総合判定において満足な結果が得られなかった。

１ 熱交換器
２ａ，２ｂ ヘッダーパイプ
３ 熱交換チューブ
３ａ チューブ表面
３ｂ チューブ芯部
４ コルゲートフィン
Ｄ 拡散深さ

Claims (2)

1. Ｃｕ，Ｍｎ，Ｚｒ等を含有するアルミニウム合金製の熱交換チューブと、ろう材をクラッドしないＺｎ含有のフィンとを、上記熱交換チューブ表面に設けられた、Ｓｉ粉末、非腐食性フラックス、Ｚｎ置換フラックスを介して接合された状態の熱交換器であって、
   上記熱交換チューブは、Ｃｕ含有量が０．３５％〜０．４３％、Ｍｎ含有量が０．０２％以下、Ｚｒ含有量が０．０２％〜０．０６％であり、
   上記熱交換チューブ表面におけるＺｎ濃度が０．３％〜１．０％であり、
   上記熱交換チューブ表面におけるＺｎ拡散深さが８０μｍ以下であり、
   上記フィン、熱交換チューブ表面及び熱交換チューブ芯部の電位が、
   （貴）熱交換チューブ芯部＞熱交換チューブ表面＞フィン（卑）の関係にあり、
   かつ、上記熱交換チューブ芯部と熱交換チューブ表面、及び上記熱交換チューブ表面とフィンの電位差が、それぞれ４０ｍＶ〜６０ｍＶの範囲である、ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１記載の熱交換器において、
   上記熱交換チューブ表面に設けられたＺｎ置換フラックスの塗布量は３ｇ／ｍ2〜５ｇ／ｍ2であり、上記フィンはＺｎ含有量が１．５％〜２％である、ことを特徴とする熱交換器。

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