JP6105561B2 - アルミニウム合金製内面溝付き伝熱管 - Google Patents

アルミニウム合金製内面溝付き伝熱管 Download PDF

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Description

本発明は、家庭用空気調和機、業務用空気調和機、ヒートポンプ式給湯機などに用いられるクロスフィン型の熱交換器の伝熱管として使用される、アルミニウム合金製内面溝付き伝熱管に関するものである。
一般的なクロスフィン型（別名フィンアンドチューブ型）の熱交換器（図１）は、アルミニウム放熱フィンの開口された挿通孔内に伝熱管を挿通し、次いで伝熱管の内部にその内径より大きい外径を有する拡管用マンドレルを押し込み伝熱管の径を拡管して伝熱管の外周面とアルミニウム放熱フィンの挿通孔を密着させる（拡管加工。図２）。その後、アルミニウム放熱フィンと一体となった伝熱管をヘアピン状に曲げ、別途Ｕ字状に曲げた伝熱管（Ｕ字管）をトーチろう付けにより接合して完成する（非特許文献１）。
クロスフィン型熱交換器に用いられる伝熱管は、管内に冷媒としてＨＦＣ等を流して熱交換を行わせるもので、管内面に断面形状が台形や三角形等の突条型フィンを持つ伝熱管（以後、「内面溝付き伝熱管」と呼ぶ。）を使用することによって熱交換器の高効率化や省エネルギー化が進められている。内面溝付き伝熱管は、図４に示す突状型フィン間の溝の深さ、底肉厚（突状型フィンの基底部の肉厚）、フィンの形状（頂角等）、あるいは図５に示す突状型フィンのリード角（管長手方向に対するフィンの配列の角度）を規定した各種フィン形状を有する内面溝付き伝熱管が提案されている（例えば、特許文献１）。内面溝付き伝熱管の伝熱性能が優れるのは、管内側の表面積がフィンを有さない平滑管と比較して大きく、さらにこの溝により管内に均一な冷媒液膜が形成されるためと言われている（非特許文献２）。
内面溝付き伝熱管の管内面には、一般に素管（平滑管）を転造加工することにより螺旋状に連続して配列した突状型のフィンを形成する。転造加工方法としては、管内に自由回転する溝付けプラグを挿入し、管外より自由回転するロールを押し付けて遊星回転させながら管を引き抜くロール転造法（図３参照）や、ロールの代わりにボールを押し付けるボール転造法が知られている（非特許文献１、特許文献２）。
内面溝付き伝熱管には、これまで主に銅や銅合金等の銅系材料が使用されてきたが、材料費低減や軽量化の要求に対応するため、アルミニウムやアルミニウム合金等のアルミニウム系材料（以下、アルミニウム合金と呼ぶ。）を使用することが検討されている。
しかし、アルミニウム合金は銅系材料に比較して耐食性が低下するため、特許文献３及び４では、伝熱管を２層構造とし、管の内側の層にはＡｌ−Ｍｎ系合金を使用し、外表面層には犠牲防食層としてＡｌ−Ｚｎ系合金をクラッドした内面溝付き伝熱管が提案されている。
一方、耐食性の問題のほかに、これらのアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管を拡管加工する場合、管の内面にある突状型フィンの頭頂部が潰れるいわゆる「フィン潰れ」が発生したり、拡管が不十分であるためにアルミニウム放熱フィンとの密着が不十分であったりすることにより、所期の伝熱性能が得られないという問題がある。これはアルミニウムやアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管の材料強度が銅に較べて低いために発生する問題である。
また、これらのアルミニウム製の内面溝付き伝熱管をヘアピン曲げ加工する際、曲げ部で破断するという問題がある。
その他、特許文献５では、皮材として、ＪＩＳ３００３にＺｎを添加した合金を用いることで拡管加工性の改善の検討が行われている。
特開２００３−２８７３８３号公報 特開平４−２６２８１８号公報 特開２０００−１２１２７０号公報 特開２００９−２５０５６２号公報 特開２００８−２６７７１４号公報
伊藤正昭：伝熱、４２、１７４（２００３）、３ 礒崎昭夫他：Ｒ＆Ｄ神戸製鋼技報５０、３（２０００）、６６
しかしながら、上記文献記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
特許文献１、特許文献２及び非特許文献１、２に関しては、ヘアピン曲げ加工時の割れの問題およびフィン潰れの問題に関しては解決されていない。特許文献３にはアルミニウム合金伝熱管の耐食性向上のための記載はあるが、ヘアピン曲げ加工時の割れ及びフィン潰れの問題に関しては解決されていない。特許文献４では、耐食性向上のために外面に心材より電位が卑な皮材を被覆することを特徴としているが、ヘアピン曲げ加工時の割れの問題のおよびフィン潰れの問題に関しては記載されていない。
さらに、耐食性向上のためにＡｌ−Ｚｎ系合金をクラッドした伝熱管の場合、表面が柔らかいため、転造加工前の素管製造時に表面に微小な傷が発生する。それら素管を用いて転造加工を実施するとこの微小な傷が数百ミクロンのクラックに成長する。これらのクラックがヘアピン曲げ加工時の割れ発生の起点になるという問題があった。
また、特許文献５の方法では、ヘアピン曲げ加工時の割れの問題は改善されていない。また、皮材にＣｕ、Ｆｅを添加しているため、皮材の耐食性が悪化し、期待した犠牲防食効果が得られない可能性がある。また心材に、ＪＩＳ３００３に相当する合金からなる心材を使用しているため、フィン潰れの問題も解決されていない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ヘアピン曲げ加工性に優れたアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管を提供することを目的とする。また、耐食性に優れたアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管を提供することを目的とする。さらに、フィン潰れが発生しにくいアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管を提供することを目的とする。
本発明者らは、アルミニウム合金製内面溝付き伝熱管に関して様々な検討を重ねた結果、心材の合金成分を特定の種類及び含有量にすることによって、ヘアピン曲げ加工性に優れ、かつフィン潰れが発生しにくい材料が提供可能であることを見出した。さらに、犠牲防食層のＺｎ分布を特定の範囲にすることによって、ヘアピン曲げ加工性に優れ、かつフィン潰れが発生しにくく、耐食性に優れた材料が提供可能であることを見出した。
請求項１に記載の第１の発明は、内面に複数の突条型のフィンが形成された伝熱管において、Ｍｎ：０．８〜１．８ｍａｓｓ％（以下、ｍａｓｓ％を単に％と記載する。）、Ｃｕ：０．３〜０．８％、及びＳｉ：０．０２〜０．２％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金製の伝熱管であり、且つ、上記伝熱管の断面平均結晶粒径が１５０μｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管である。
請求項２に記載の第２の発明は、請求項１に記載の伝熱管において、上記伝熱管表面に、表面Ｚｎ濃度が０．５％以上で、かつ平均表面Ｚｎ濃度が１〜１２％で、かつ任意表面における濃度が平均表面Ｚｎ濃度の±５０％以内であり、さらに表面からのＺｎ拡散深さ（以下「Ｚｎ拡散層厚さ」と称することもある）が１００〜３００μｍであるＺｎ拡散層を有することを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管である。
請求項３に記載の第３の発明は、請求項２に記載の伝熱管において、Ｍｎ：０．８〜１．８％、Ｃｕ：０．３〜０．８％、及びＳｉ：０．０２〜０．２％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金製の伝熱管であり、且つ、上記伝熱管の断面平均結晶粒径が１５０μｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製の伝熱管を心材とし、その外面にＡｌ−Ｚｎ系合金を皮材としてクラッドし、さらにＺｎ拡散熱処理を施したことを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管である。
請求項４に記載の第４の発明は、請求項３に記載の伝熱管において、上記Ｚｎ拡散熱処理後の上記心材と上記皮材との硬度差が１５Ｈｖ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管である。
請求項５に記載の第５の発明は、請求項３及び請求項４に記載の伝熱管において、上記皮材が、Ｚｎ：１．０〜７．０％、及びＭｎ：０．３〜１．５％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管である。
請求項６に記載の第６の発明は、請求項２に記載の伝熱管において、Ｍｎ：０．８〜１．８％、Ｃｕ：０．３〜０．８％、及びＳｉ：０．０２〜０．２％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金製の伝熱管であり、且つ、上記伝熱管の断面平均結晶粒径が１５０μｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製の伝熱管の外表面にＺｎを溶射し、さらにＺｎ拡散熱処理を施したことを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管である。
請求項７に記載の第７の発明は、請求項６に記載の伝熱管において、溶射されたＺｎの伝熱管外表面に対する被覆率が９０％以上であることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管である。
請求項８に記載の第８の発明は、請求項６及び請求項７に記載の伝熱管の製造方法において、上記伝熱管に溶射が施される際に、上記伝熱管断面の幾何学中心と複数のＺｎ溶射ガンの中心とを結ぶそれぞれの隣り合う線が上記幾何学中心で成す角度が、１２０°以下であることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管の製造方法である。
本発明のアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管は、ヘアピン曲げ加工時に割れの発生を抑制することが出来るという効果を有する。また、良好な耐食性を有し、フィン潰れが発生しにくいという効果を有する。
クロスフィン型熱交換器の部分拡大図の一例である。 マンドレル拡管方法の一例を示す図である。 ロール転造装置の一例を示す図である。 内面溝付き伝熱管の断面の一例を示す模式図である。 内面突条フィンのリード角を示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本実施形態において想定している伝熱管は、例えば、一般家庭向け空気調和機用の熱交換器に使用するものであり、その寸法は、例えば、外径φ４．０〜φ９．５４ｍｍ、底肉厚０．３〜０．６ｍｍ程度の小径薄肉管である。このため、各種のアルミニウム合金のうち、適度な強度を有し、かつ小径薄肉管を得るための加工性（押出性、抽伸性、転造性）に比較的優れている合金（例えば、Ａｌ−Ｍｎ系のＡ３００３合金（Ａｌ−１．０〜１．５％Ｍｎ−０．０５〜０．２０％Ｃｕ合金））をベースとして、添加元素調整により結晶粒の微細化と強度を向上させることでヘアピン曲げ加工時の割れおよびフィン潰れを防止するアルミニウム合金を得るものである。
伝熱管の成分
次に本実施形態における伝熱管の成分限定理由について説明する。
Ｍｎは３０００系合金において強度を向上させる主要な添加元素であり、アルミニウム中に固溶、一部は析出して強度を付与する効果をもち、その添加量が０．８％より少ないと伝熱管としての強度が不十分である。一方、１．８％より多いと強度向上効果が飽和するうえ、粗大な金属間化合物の量が多くなり管の製造工程において割れなどの不具合が発生しやすくなる。したがって、Ｍｎ添加量は０．８〜１．８％の範囲とする。更に好ましい範囲は１．０〜１．５％である。
Ｃｕはアルミニウム中に固溶して強度をさらに向上させる効果を有し、かつ加工性を阻害しない元素である。さらに、Ｃｕは孔食電位を貴にする働きがあり、Ｚｎ拡散層とＺｎの拡散していない管中央部との孔食電位差を大きくし、犠牲防食作用を高めることができる。その添加量が０．３％より少ないと強度が不十分であり機械的拡管による溝潰れを防止できず、さらに、孔食電位の貴化が不十分であり、犠牲防食作用が低い。０．８％より多いと押出性、抽伸性、耐食性が劣化する。したがって、Ｃｕ添加量は０．３〜０．８％の範囲とする。更に好ましい範囲は０．４〜０．６％である。
ＳｉはＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金に含有させるとＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｕ系の金属間化合物を形成し、強度を向上させる効果を有する。一方、これらの金属間化合物は熱間押出の際に再結晶を阻害する役割となり、その添加量が０．２％を超えた場合、平均結晶粒径１５０μｍ以上となり、ヘアピン曲げ加工の際の肌荒れ、破断の原因になる。一方、Ｓｉはアルミニウム合金中に不可避的に存在する元素であるため、０．０２％以下に規制することは実用上困難である。そのため、Ｓｉの添加量は０．０２〜０．２％とする。更に好ましい範囲は０．０２〜０．１％である。
不純物としてはＦｅ、Ｍｇ、Ｚｎなどがあるが、これらはＦｅ０．６％以下、Ｍｇ０．２％以下、Ｚｎ０．３％以下であれば本発明の効果を阻害するものではない。
またＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒは鋳塊組織を均一微細化する効果があるので含有しても良いが０．２％を超えると巨大金属間化合物を形成したり押出性が低下したりするので、その含有量は０．２％以下であることが好ましい。この範囲であれば、本実施形態における伝熱管の効果を阻害するものではない。なおこの含有量は、０〜０．１％であってもよく、０〜０．０５％であってもよい。
なお、本実施形態における伝熱管又は犠牲防食層に用いられる各種成分量は、後述する実施例のＳ１〜Ｓ１１、Ｋ１〜Ｋ８に記載の値であってもよく、それらの数値の範囲内であっても良い。
クラッドによる犠牲防食層の場合
次に本実施形態におけるクラッド管の犠牲防食層のＺｎ分布状態の限定理由について説明する。
本発明の実施形態に係るアルミニウム合金クラッド管には、Ａｌ−Ｚｎ合金を皮材としてクラッド、抽伸加工した後、Ｚｎ拡散熱処理を施すことにより、Ｚｎの拡散した層が設けられる。上記Ｚｎ拡散層は、管材のＺｎが拡散していない部分よりも孔食電位が卑であるため犠牲防食作用によって管材を防食し、管材の耐久寿命を向上させることができる。
本発明の実施形態に係るアルミニウム合金クラッド管は、Ｚｎ拡散熱処理後の表面Ｚｎ濃度が例えば０．５〜１２％となるように拡散熱処理の条件を調整する。表面Ｚｎ濃度とは、ＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー）等の分析装置によって、表面の任意点を測定したときのＺｎ濃度である。表面Ｚｎ濃度が０．５％より低いと、犠牲防食効果が十分でなく、早期に深い腐食が発生する。一方、表面Ｚｎ濃度が１２％より高いと、腐食速度の増大を招く。そのため、表面Ｚｎ濃度は、０．５〜１２％とする。より好ましい範囲は０．５〜１０．０％であり、更に好ましい範囲は３．０〜５．０％である。
本発明の実施形態に係るアルミニウム合金クラッド管のＺｎ拡散層厚さは、１００〜３００μｍとする。Ｚｎ拡散層厚さとは、Ｚｎ拡散処理によりＺｎが表面から板厚方向に拡散した深さである。本発明の実施形態に係るＺｎ拡散層厚さは、管材表面からＺｎ濃度が０．０５％になるまでの距離（厚さ）とした。Ｚｎ拡散層は、管全体の犠牲防食層として作用し、Ｚｎ拡散層厚さが小さすぎると、早期に犠牲防食層がなくなってしまう。Ｚｎ拡散層厚さが厚すぎると、Ｚｎ勾配がなだらかになって、犠牲防食効果が十分でなくなる。このため、Ｚｎ拡散層厚さは、１００〜３００μｍとした。このＺｎ拡散層厚さは１５０〜２５０μｍであってもよい。
次に本実施形態におけるクラッド管の皮材の成分限定理由について説明する。
Ｚｎは皮材の電位を下げて犠牲陽極として作用するようにし、伝熱管の耐食性を向上させる。その添加量が１．０％未満では心材との電位差が不十分で犠牲防食の効果が得られず、７．０％を超えると、自己耐食性が低下する。したがって、Ｚｎ添加量は１．０〜７．０％の範囲とする。更に好ましい範囲は４．０〜５．５％である。
Ｍｎは強度を向上させる主要な添加元素であり、その添加量が０．３％より少ないと強度が不十分であり、心材との強度差が大きくなる。その結果、ヘアピン曲げ加工時の割れの原因となる表面の微小なクラックが素管製造時に発生してしまう。一方、添加量が１．５％より多いと、皮材の電位が貴になるため、心材との電位差を確保することが難しくなる。したがって、Ｍｎ添加量は０．３〜１．５％の範囲とする。更に好ましい範囲は０．６〜１．０％である。
クラッド管の皮材の不純物としてはＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕなどがあるが、これらはＳｉ０．５％以下、Ｆｅ０．６％以下、Ｃｕ０．２％以下であれば本発明の効果を阻害するものではない。
またＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒは鋳塊組織を均一微細化する効果があるので含有しても良いが０．２％を超えると巨大金属間化合物を形成したり押出性が低下したりするので、その含有量は０．２％以下であることが好ましい。この範囲であれば、本実施形態における伝熱管の効果を阻害するものではない。なおこの含有量は、０〜０．１％であってもよく、０〜０．０５％であってもよい。
これらのクラッド管の皮材の厚さは、特に指定は無いが、全肉厚に対し、５〜３０％が好ましい。皮材の厚さが全肉厚に対し５％未満では、熱交換器として使用中の犠牲防食層としての有効期間が不十分であり、３０％を越えると伝熱管の強度が低下する。更に好ましい範囲は６〜１５％である。
また、心材と皮材の強度差が大きい場合、心材と皮材の変形抵抗の違いが原因で、素管製造時にヘアピン曲げ加工時の割れの原因となる表面の微小なクラックが発生してしまう。そのため、心材と皮材の硬度差は１５Ｈｖ以下とする。より好ましくは１０Ｈｖ以下である。
Ｚｎ溶射による犠牲防食層の場合
次に本実施形態における溶射管の犠牲防食層、すなわちＺｎ拡散層のＺｎ分布状態の限定理由について説明する。
本発明の実施形態において用いるアルミニウム合金溶射管には、その外面にＺｎ溶射した後、Ｚｎ拡散熱処理を施すことにより、Ｚｎの拡散した層が設けられる。上記Ｚｎ拡散層は、管材のＺｎが拡散していない部分よりも孔食電位が卑であるため犠牲防食作用によって管材を防食し、管材の耐久寿命を向上させることができる。
アルミニウム合金溶射管には、純ＺｎもしくはＺｎ−Ａｌ合金によるＺｎ成分を溶射した後、４００〜５５０℃で３０分〜１０時間のＺｎ拡散熱処理を施すのが望ましい。Ｚｎ溶射量は５〜２８ｇ／ｍ２とする。Ｚｎ溶射量が少なすぎると、管材表面にＺｎを均一に付着させるのが難しく、Ｚｎ溶射量が多すぎると、Ｚｎ拡散熱処理後のＺｎ量が多くなりすぎてしまい、腐食速度の増大を招く。そのため、Ｚｎ溶射量は５〜２８ｇ／ｍ２とした。さらには、Ｚｎ溶射量は５〜２５ｇ／ｍ２が望ましく、８〜２０ｇ／ｍ２がより望ましい。
本発明の実施形態に係るアルミニウム合金管において、Ｚｎ拡散熱処理後の表面Ｚｎ濃度は、０．５〜１５％とする。表面Ｚｎ濃度とは、ＥＰＭＡ等の分析装置によって、表面の任意点を測定したときのＺｎ濃度である。表面Ｚｎ濃度が低すぎると、犠牲防食効果が十分でなく、その一部で、早期に深い腐食が発生し、表面Ｚｎ濃度が高すぎると、腐食速度の増大を招くため、その一部で、肉厚が極端に減少してしまう。
本発明の実施形態に係るアルミニウム合金管において、Ｚｎ拡散熱処理後の平均表面Ｚｎ濃度は、１〜１２％とし、Ｚｎ拡散層厚さは、１００〜３００μｍとする。平均表面Ｚｎ濃度とは、表面でお互いに５ｍｍ以上離れている任意点の少なくとも４点を測定したときの平均値である。Ｚｎ拡散層厚さとは、Ｚｎ拡散処理によりＺｎが表面から板厚方向に拡散した深さであり、本発明の実施形態におけるＺｎ拡散層厚さは、管材表面からＺｎ濃度が０．０５％になるまでの距離とした。平均Ｚｎ濃度およびＺｎ拡散層厚さは、管全体の犠牲防食層の量をあらわしており、平均Ｚｎ濃度およびＺｎ拡散層厚さが小さすぎると、早期に犠牲防食層がなくなってしまう。また、平均Ｚｎ濃度が多すぎると、腐食速度の増大を招き、Ｚｎ拡散層厚さが厚すぎると、Ｚｎ勾配がなだらかになって、犠牲防食効果が十分でなくなる。このため、平均表面Ｚｎ濃度は、１〜１２％であり、より好ましい範囲は０．５〜１０．０％であり、更に好ましい範囲は３．０〜５．０％である。またＺｎ拡散層厚さは、１００〜３００μｍであり、１５０〜２５０μｍであってもよい。
本発明の実施形態に係るアルミニウム合金管において、Ｚｎ拡散熱処理後の任意表面におけるＺｎ濃度は、平均表面Ｚｎ濃度の±５０％以内とする。平均表面Ｚｎ濃度に対して表面Ｚｎ濃度が高すぎると、その部分だけが優先的に腐食してしまい、肉厚が極端に減少する。これを避けるためには、任意表面におけるＺｎ濃度を平均表面Ｚｎ濃度の±５０％以内とする必要がある。さらに、±３０％以内がより望ましい。
溶射によるＺｎ被覆率とは、全くＺｎが付着していない状態を０％、全面にＺｎが付着している場合を１００％としたものである。Ｚｎ被覆率が高いほど、均一なＺｎ分布となり耐食性が向上する。本発明では、Ｚｎ被覆率９０％以上とする。より好ましくは９５％以上である。
犠牲防食層の形成方法
次に犠牲防食層の形成方法の実施態様の例について説明する。
本実施形態の伝熱管におけるＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金の、円筒状ビレットの外側に犠牲防食合金板材を円筒状に曲げ被せた組み合わせビレットを作製し、これを加熱炉により３５０〜６００℃に加熱し均質化処理をおこなう。その後、間接押出機によってビレットを押出し、２層クラッド押出管を得る。次いで上記押出管を所定の外径、肉厚に抽伸加工し、２層クラッドの素管（平滑管）を得る。この抽伸加工は生産性の高いドローブロック式連続抽伸機を使用することが望ましい。
または、円筒状の犠牲防食材のビレットを３５０〜６００℃に加熱してその内側に、円筒状の心材中空ビレットを焼嵌めして得られる２層中空ビレットを押出し加工後、同様に抽伸加工を施して、２層クラッドの素管（平滑管）を得ることもできる。
または、アルミニウム合金の心材シートの片面側に犠牲防食材のシートをクラッド圧延した２層クラッドシートとし、このシートを管状にロール成形してからシート突合せ面を溶接し２層クラッドの電縫管としてもよい。
上述のようにして作製した２層クラッド管に拡散熱処理を施してＺｎ拡散層、すなわち犠牲防食層を得ることができる。
上記以外の犠牲防食層の形成方法として、押出（熱間押出またはコンフォーム押出）、または抽伸した伝熱管にＺｎもしくはＡｌ−Ｚｎ合金を溶射したのち、拡散加熱処理を施してＺｎ拡散層、すなわち犠牲防食層を形成しても良い。丸管の円周方向全面に所望量のＺｎを付着させるためには、管材の円周断面の中心とＺｎ溶射ガンとを結ぶ線を引いたとき、円周断面の中心における線同士の成す角度が、１２０°以下であることが好ましい。さらに、円周断面の中心における線同士の成す角度は、９０°以下であることがより望ましい。具体的な方法としては、Ｚｎ溶射ガン数を扁平管で一般的に用いられている２ガンから３ガン以上に増やす方法、溶射した後に管を回転させ、何回かに分けて溶射する方法、管もしくは溶射ガンを回転させる方法等が挙げられる。Ｚｎ溶射は、伝熱管の内面に溝を形成するための転造加工をした後に施しても良い。
なお、このようにして犠牲防食層を形成した素管（平滑管）に対し、次工程の転造加工を容易にするために、あらかじめ焼鈍軟化処理を施しておくことが望ましい。その場合、焼鈍温度は３００〜４００℃、時間は２〜８時間とすることが工業上好ましい。
内面溝付き伝熱管の製造方法
次いで、平滑管にロール転造法やボール転造法等により転造加工を施し、突条型フィンを有する内面溝付き伝熱管を製造する（図３）。
本実施形態の内面溝付き伝熱管は、熱交換器の用途に応じて種々の寸法で製造できるが、家庭用空気調和機に使用する場合、管の製造における生産性の面からは外径φ４．０ｍｍ以上が好ましく、熱交換器の小型化・軽量化の面からは外径φ９．５４ｍｍ以下が好ましい。
また、底肉厚ｔ（図４参照）は、耐圧強度の面からは０．３ｍｍ以上が好ましく、熱交換器の小型化・軽量化の面からは０．６ｍｍ以下が好ましい。
また、内面突条フィンの高さＨは０．１〜０．４ｍｍ、内面突条フィンの頂角αは１０〜４０°、内面突条フィンの数は４０条以上、リード角β（内面突条フィンと管長手方向のなす角度、図５参照）は２０°以上とすることが望ましい。
転造加工を施したのちには、焼鈍軟化処理を施しても良い。これは転造時に導入された加工歪を除去し、ヘアピン曲げ加工（蛇行曲げ加工）を容易にするためである。３００〜４００℃で２〜８時間程度の焼鈍を施せばよい。
このようにして製造された本実施形態の内面溝付き伝熱管は、拡管加工によりアルミニウム放熱フィンの挿通孔に密着させる（図２）。良好な密着を得るために拡管率（外径増加率）が４〜６％程度となるように挿通孔と伝熱管のクリアランスを設定することが適当である。なお、拡管加工は、マンドレルを利用する機械拡管法に変えて油圧または水圧により管に内圧を付与する液圧拡管法により、生産効率を向上することが可能である。
以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
＜実施例１＞
次に本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
連続鋳造により、表１に示す合金を鋳造し、間接押出法により外径φ４７ｍｍ、肉厚３．５ｍｍの押出管を得た。この押出管にドローブロック式連続抽伸機により抽伸加工を施し、外径φ１０ｍｍ、肉厚０．４５ｍｍの抽伸管を得た。
このようにして得られた抽伸管に３６０℃で２時間の焼鈍軟化処理を施した後、フローティングプラグ、ロッド、溝付きプラグが一体となったプラグを挿入し、フローティングダイス、加工ヘッド、成形ダイスを通過させることにより内面に溝付け加工を行い、外径：φ７ｍｍ、底肉厚：０．３５ｍｍ、突条フィンの高さＨ：０．２２ｍｍ、突条フィンの数は５０条、頂角α：１５°、リード角β：３５°の内面溝付き伝熱管を作製した。さらに最終的に３６０℃で２時間の焼鈍軟化処理を施し、内面溝付き伝熱管を完成した。
このようにして得られた本発明例および比較例の内面溝付き伝熱管の特性を評価するために、次の試験を行った。得られた結果を表２に示す。
（ａ）引張試験
内面溝付き伝熱管の強度を測定するため、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準じ引張試験を実施した。
（ｂ）平均結晶粒径
得られた内面溝付き伝熱管からミクロ組織観察用試験片を切出し、平均結晶粒径の測定を実施した。具体的には、平均結晶粒径の測定は、交線法を用いて、管の厚さ方向及び円周方向の２方向で実施してその平均値を求めた。
（ｃ）拡管加工性
上記外径φ７ｍｍの内面溝付き伝熱管を、鋼製マンドレルを使用し外径が５％増加するように拡管加工を行った。その後、管断面を観察し、突条フィン高さＨの減少量を測定してフィン潰れ量を評価した。熱交換器としての伝熱特性を得るためには、このフィン潰れ量は０．０２ｍｍ以下であることが望ましい。
（ｄ）ヘアピン曲げ加工性
φ７ｍｍの内面溝付管を曲げピッチ１６ｍｍのヘアピン曲げ加工を行った。曲げ加工後の表面を目視で観察し、表面の割れ発生の有無の確認を行った。このとき、Ｓ１〜Ｓ１７それぞれについて内面溝付管を各１０個用意し、下記の基準に従って評価した。○：１０個全てに割れ発生がない。△：１〜９個のみ割れ発生がない。×：１０個全てに割れ発生がある。
表２に示す評価結果について説明する。実施例Ｓ１〜Ｓ１１は本発明範囲内のものであり、機械的性質、フィン潰れ量、平均結晶粒径、ヘアピン曲げ加工時の割れの発生も無く、全て優れている。一方、比較例Ｓ１２、Ｓ１５は強度が低いためにフィン潰れ量が大きく、所望の伝熱特性を得られない。また、Ｓ１３、Ｓ１４は抽伸加工時に抽伸切れが発生し、製造することが出来なかった。また、Ｓ１６は平均結晶粒径が１５０μｍを超えているため、ヘアピン曲げ加工時に割れが発生した。また、Ｓ１７は結晶粒も微細で、ヘアピン曲げ加工時に割れも発生しないが、Ｓｉ量が極端に低いため、製造コストが高くなるという問題点がある。
＜実施例２＞
連続鋳造により、表３に示す皮材用の合金を鋳造し、心材として表１に示す合金と表４の組み合わせで間接押出法により外径φ４７ｍｍ、肉厚３．５ｍｍ、クラッド率１０％の押出管を得た。この押出管にドローブロック式連続抽伸機により抽伸加工を施し、外径φ１０ｍｍ、肉厚０．４５ｍｍの抽伸管を得た。さらに、Ｚｎ拡散熱処理を施した。
このようにして得られた抽伸管に３６０℃で２時間の焼鈍軟化処理を施した後、フローティングプラグ、ロッド、溝付きプラグが一体となったプラグを挿入し、フローティングダイス、加工ヘッド、成形ダイスを通過させることにより内面に溝付け加工を行い、外径：φ７ｍｍ、底肉厚：０．３５ｍｍ、突条フィンの高さＨ：０．２２ｍｍ、突条フィンの数は５０条、頂角α：１５°、リード角β：３５°の内面溝付き伝熱管を作製した。さらに最終的に３６０℃で２時間の焼鈍軟化処理を施し、内面溝付き伝熱管を完成した。
このようにして得られた内面溝付き伝熱管の特性を評価するために、次の試験を行った。得られた結果を表５に示す。
（ａ）引張試験
内面溝付き伝熱管の強度を測定するため、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準じ引張試験を実施した。
（ｂ）断面硬度
上記外径φ７ｍｍの内面溝付き伝熱管の心材と皮材の硬度を測定した。なお、硬度は溝付管断面を樹脂埋め、研磨後、マイクロビッカース硬度計（明石製作所社）を用いて荷重５０ｇで測定を行った。
（ｃ）ヘアピン曲げ加工性
φ７ｍｍの内面溝付き伝熱管を曲げピッチ１６ｍｍのヘアピン曲げ加工を行った。曲げ加工後の表面を目視で観察し、表面の割れ発生の有無の確認を行った。このとき、Ｃ１〜Ｃ１２それぞれについて内面溝付き伝熱管を各１０個用意し、下記の基準に従って評価した。○：１０個全てに割れ発生がない。△：２〜９個のみ割れ発生がない。×：９〜１０個に割れ発生がある。
（ｄ）耐食性
外部耐食性を評価するために、各内面溝付き伝熱管についてＪＩＳ Ｚ８６８１に準じＣＡＳＳ試験を１５００時間行った。試験後、供試管の表面腐食生成物を除去して、管の腐食状況を観察し、貫通孔の有無により外部耐食性を評価した。このとき、Ｃ１〜Ｃ１２それぞれについて内面溝付き伝熱管を各１０個用意し、下記の基準に従って評価した。○：１０個全てに貫通孔がない。△：２〜９個のみ貫通孔がない。×：９〜１０個に貫通孔がある。
表５に示す評価結果について説明する。Ｃ１〜Ｃ８は、心材と皮材の硬度差も少なく、ヘアピン曲げ加工時の割れも発生していない。また、耐食性も良好である。これに対し、Ｍｎ量の少ないＣ９は心材と皮材の硬度差が大きいため、抽伸加工時に表面に微小な傷が発生し、ヘアピン曲げ加工時にそれが起点となり割れが発生した。Ｍｎ量の多いＣ１０は心材と皮材の電位差が小さくなった結果、耐食試験において貫通孔が発生した。また、Ｚｎ量の多いＣ１１は耐食性が悪化した結果、耐食試験において貫通孔が発生した。さらにＺｎ量の少ないＣ１２は犠牲防食効果が十分に得られず、耐食試験において貫通孔が発生した。
＜実施例３＞
連続鋳造により、表１のＳ１０合金を鋳造し、間接押出法により外径φ４７ｍｍ、肉厚３．５ｍｍの押出管を得た。この押出管にドローブロック式連続抽伸機により抽伸加工を施し、外径φ１０ｍｍ、肉厚０．４５ｍｍの抽伸管を得た。
このようにして得られた抽伸管に３６０℃で２時間の焼鈍軟化処理を施した後、フローティングプラグ、ロッド、溝付きプラグが一体となったプラグを挿入し、フローティングダイス、加工ヘッド、成形ダイスを通過させることにより内面に溝付け加工を行い、外径：φ７ｍｍ、底肉厚：０．３５ｍｍ、突条フィンの高さＨ：０．２２ｍｍ、突条フィンの数は５０条、頂角α：１５°、リード角β：３５°の内面溝付き伝熱管を作製した。さらに最終的に３６０℃で２時間の焼鈍軟化処理を施し、内面溝付き伝熱管を得た。
このようにして得られた内面溝付き伝熱管に、ショットブラスト処理、Ｚｎ溶射、Ｚｎ拡散熱処理を行い、Ｚｎ拡散層を有する内面溝付き伝熱管を完成した。Ｚｎ溶射、Ｚｎ拡散熱処理条件を表６に示す。
このようにして得られた内面溝付き伝熱管の特性を評価するために、次の試験を行った。得られた結果を表７に示す。
（ａ）Ｚｎ分布
Ｚｎ拡散熱処理後の表面Ｚｎ濃度、Ｚｎ拡散距離を測定するために、ＥＰＭＡを実施した。測定は、１つのサンプルにつき５ｍｍ以上離れた１０点実施した。
（ｂ）Ｚｎ被覆率
Ｚｎ拡散熱処理後のＺｎ被覆率を測定するために、ＳＥＭのＣＯＭＰＯ像を用いた。Ｚｎが被覆されていれば白色、下地のＡｌが露出していれば黒色の像が得られる。像を画像解析することでＺｎ被覆率を算出した。
（ｃ）耐食性
外部耐食性を評価するために、各内面溝付き伝熱管についてＪＩＳ Ｚ８６８１に準じＣＡＳＳ試験を１５００時間行った。試験後、供試管の表面腐食生成物を除去して、管の腐食状況を観察し、貫通孔の有無により外部耐食性を評価した。このとき、Ｙ１０〜Ｙ２１それぞれについて内面溝付き伝熱管を各１０個用意し、下記の基準に従って評価した。○：１０個全てに貫通孔がない。△：２〜９個のみ貫通孔がない。×：９〜１０個に貫通孔がある。
表７に示す評価結果について説明する。Ｙ１〜Ｙ９は、貫通腐食が発生せず、良好な耐食性を示した。Ｙ１０、１２は、表面Ｚｎ濃度の下限未満、Ｙ１４は、平均表面Ｚｎ濃度の下限未満のため、犠牲防食が有効に作用せず早期に貫通に至るものがあった。Ｙ１１、１３は、表面Ｚｎ濃度の上限越え、Ｙ１５は、平均表面Ｚｎ濃度の上限越えのため、犠牲層の消耗が早く、早期に貫通に至るものがあった。Ｙ１６、１７は、Ｚｎ濃度差の上限越えのため、腐食が集中し、早期に貫通に至るものがあった。Ｙ１８は、Ｚｎ拡散距離の下限未満のため、犠牲層の量が少なく、早期に貫通に至るものがあった。Ｙ１９は、Ｚｎ拡散距離の上限越えのため、Ｚｎ勾配が緩やかになり、犠牲防食が有効に作用せず早期に貫通に至るものがあった。Ｙ２０、２１は、Ｚｎ被覆率の下限未満のため、腐食が集中し、早期に貫通に至るものがあった。
以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
１ アルミニウム放熱フィン
２ 伝熱管（内面溝付き伝熱管）
３ ルーバー
４ 拡管プラグ（マンドレル）
５ 素管（平滑管）
６ 転造プラグ
７ 回転ロール
８ 内面螺旋溝付き伝熱管
９ 突条フィン
１０ 犠牲防食層

Claims (7)

  1. 内面に複数の突条型のフィンが形成された伝熱管において、Ｍｎ：０．８〜１．８ｍａｓｓ％（以下、ｍａｓｓ％を単に％と記載する。）、Ｃｕ：０．３〜０．８％、及びＳｉ：０．０２〜０．２％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金製の伝熱管であり、且つ、前記伝熱管の断面平均結晶粒径が１５０μｍ以下であり、前記伝熱管表面に、表面Ｚｎ濃度が０．５％以上で、かつ平均表面Ｚｎ濃度が１〜１２％で、かつ任意表面における濃度が平均表面Ｚｎ濃度の±５０％以内であり、さらに表面からのＺｎ拡散深さが１００〜３００μｍであるＺｎ拡散層を有することを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  2. 請求項１に記載の伝熱管において、Ｍｎ：０．８〜１．８％、Ｃｕ：０．３〜０．８％、及びＳｉ：０．０２〜０．２％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金製の伝熱管であり、且つ、前記伝熱管の断面平均結晶粒径が１５０μｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製の伝熱管を心材とし、その外面にＡｌ−Ｚｎ系合金を皮材としてクラッドし、さらにＺｎ拡散熱処理を施したことを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  3. 請求項２に記載の伝熱管において、前記Ｚｎ拡散熱処理後の前記心材と前記皮材との硬度差が１５Ｈｖ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  4. 請求項２及び請求項３に記載の伝熱管において、前記皮材が、Ｚｎ：１．０〜７．０％、及びＭｎ：０．３〜１．５％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  5. 請求項１に記載の伝熱管において、Ｍｎ：０．８〜１．８％、Ｃｕ：０．３〜０．８％、及びＳｉ：０．０２〜０．２％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金製の伝熱管であり、且つ、前記伝熱管の断面平均結晶粒径が１５０μｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製の伝熱管の外表面にＺｎを溶射し、さらにＺｎ拡散熱処理を施したことを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  6. 請求項５に記載の伝熱管において、溶射されたＺｎの伝熱管外表面に対する被覆率が９０％以上であることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  7. 請求項５及び請求項６に記載の伝熱管の製造方法において、前記伝熱管に溶射が施される際に、前記伝熱管断面の幾何学中心と複数のＺｎ溶射ガンの中心とを結ぶそれぞれの隣り合う線が前記幾何学中心で成す角度が、１２０°以下であることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管の製造方法。
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