JP6529749B2 - 熱交換器、及び熱交換器の製造方法 - Google Patents
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Description
このような背景から、アルミニウム製のフィンの表面に親水基を備えた有機皮膜を塗布し、この皮膜を乾燥定着させて親水性皮膜とする技術が採用されている。
また、上記熱交換器は、前記露出部が、前記基材の前記第1の面に20%以上60%以下形成されたものでも良い。
また、上記熱交換器は、前記ケイ酸塩がケイ酸ナトリウムまたはケイ酸リチウムであるものでも良い
また、上記の熱交換器に係る製造方法は、前記親水性皮膜の付着量を50mg/m 2 以上350mg/m 2 以下とし、前記露出部を前記基材の前記第1の面に20%以上60%以下形成することが好ましい。
また、本発明によれば、並列配置された隣り合うフィン同士の隙間は、フィンの第1の面と第2の面とが互いに向かい合った状態となる。したがって、フィンの間の隙間の一方の面には、親水性皮膜が施された第1の面が配された状態となり、フィンの間に雨水や結露水が保水されにくい。これにより、熱交換効率の高い熱交換器を提供できる。
また、本発明によれば、基材の第1の面に20%以上70%以下露出部を形成し、ろう材層を管体及びフィンよりも孔食電位で卑としているので、フィンの犠牲陽極効果によりチューブの孔食を防止することができる。
本実施形態の熱交換器11は、ルームエアコンディショナーの室内・室外機用の熱交換器、あるいは、HVAC(Heating Ventilating Air Conditioning)用の室外機、自動車用の熱交換器などの用途に使用されるオールアルミニウム熱交換器である。
図2に示すように、チューブ12の内部には幅方向に沿って並ぶ複数(本実施形態では6つ)の冷媒流路12aが形成されている。
また、図2に示すようにフィン13には、チューブ12の断面形状に対応する切り欠き部19が、複数形成されている。切り欠き部19には、それぞれチューブ12が嵌合、ろう付けされることで固定されている。
フィン13は、複数枚並列配置されるとともに切り欠き部19においてチューブ12が挿通されている。複数のフィン13は、一定の間隔をおいて相互に平行に配置されている。複数枚並列配置されたフィン13同士の隙間は、1mm以上2mm以下とすることが好ましい。
フィン13は、切り欠き部19の周縁部にチューブ12の外面12bに沿って屈曲した屈曲部20を有している。屈曲部20は、バーリング加工により形成することができる。
ろう付け前の状態において、フィン13の切り欠き部19に形成された屈曲部20とチューブ12の外面12bとの間の隙間は10μm以下とすることが好ましい。
本実施形態のフィン13は、切り欠き部19においてチューブ12が挿通するが、切り欠き部19に代えて貫通孔を設け貫通孔にチューブ12が挿通される構成としても良い。
フィン13は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状の基材3と、基材3の第1の面3aに設けられた親水性皮膜1と、基材3の第2の面3bに設けられたろう材層2と、を有している。
基材3は、JIS3003系のアルミニウム合金を主体とした合金からなる。また、基材3は、JIS3003系のアルミニウム合金に質量%で1%程度のZnを添加したアルミニウム合金からなるものであっても良い。さらに、基材3は、その表面に耐食性下地処理を施したものであっても良い。
基材3は、チューブ12の孔食電位よりも卑の孔食電位となる材質を用いることが好ましい。チューブ12の腐食は冷媒の漏れ出しにつながるおそれがある。基材3の孔食電位をチューブ12の孔食電位より卑とすることで、フィン13が優先的に腐食しチューブ12に孔食が生じることを遅延させることができる。
基材3は、上記組成を有するアルミニウム合金を常法により溶製し、熱間圧延工程、冷間圧延工程、プレス工程などを経て加工される。なお、基材3の製造方法は、本発明としては特に限定されるものではなく、既知の製法を適宜採用することができる。
ろう材層2としては、アルミニウム合金からなる。ろう材層2は、基材3の第2の面3bに被着(クラッド圧着)されたアルミニウム合金とすることができる。ろう材層2の被着は、一般に熱間圧延により行われ、さらに冷間圧延を行うことで所望の厚さとすることができる。これにより、基材3と基材3に被着されたろう材層2を有するクラッド材を作製できる。
アルミニウム合金からなるろう材層2に含まれるSiは融点を下げるとともに流動性を付与する成分であり、その含有量が6質量%未満では所望の効果が不十分である。一方、Siの含有量が11質量%を越えるとかえって流動性が低下するので好ましくない。したがって、ろう材層2中のSiの含有量は6.0〜11.0質量%の範囲が好ましい。
フィン13は、基材3の第1の面3aに、親水性皮膜1を有している。
親水性皮膜1は、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウムなどのケイ酸塩を主体とする。親水性皮膜1は、ろう付け処理の前に、塗布された塗料を乾燥(焼き付け)することで形成されたプレコート皮膜である。親水性皮膜1の具体例として、ケイ酸塩の皮膜、ケイ酸塩にアクリル樹脂を混合した皮膜であって、後述するろう付け処理を経た後に残留するものを例示できる。
露出部4を、基材3の第1の面3aに対し30%以上とすることで、十分な犠牲防食効果を得ることができるが、30%を下回ると、基材3が十分に腐食せずにチューブ12の孔食を防ぐことができない。
露出部4を、基材3の第1の面3aに対し90%以下とすることで、第1の面3aに十分な親水性を付与できる。露出部4が多すぎる場合には、親水性皮膜1が不足し十分な親水性を得ることができないおそれがある。露出部4を90%以下とすることで、親水性皮膜1の皮膜量を確保し、これにより第1の面3aに十分な親水性を与えることができる。
親水性皮膜1を多孔状とする場合には、ケイ酸塩とアクリル樹脂との混合物を塗料として用いることが好ましい。アクリル樹脂はケイ酸塩に溶け合わない(相溶性が低い)。したがって、このような塗料は、ケイ酸塩の中にアクリル樹脂の塊が浮いているような状態となる。この塗料を基材3の第1の面3aに塗布し焼き付け(乾燥)することで、シリカが固化する。さらにこの皮膜を水洗いすることでアクリル樹脂の大部分が除去されて多孔状の親水性皮膜1を形成することができる。
図6は、ケイ酸塩として水ガラスを用いた場合の、水ガラスに対するアクリル樹脂の重量比(アクリル/水ガラス)と、基材3の第1の面3aの全体に対する露出部4の面積と、の関係を示すグラフである。図6に示すように、水ガラスに対して混合させるアクリル樹脂の量を増やすことで、露出部4の面積が増加する。また、水ガラスに対するアクリル樹脂の重量比(アクリル/水ガラス)を13%以上150%以下とすることで、基材3の露出部4を、基材3の第1の面3aの全体に対し30%以上90%以下とすることができる。
チューブ12は、図2に示すようにその内部に複数の冷媒流路12aが形成された偏平多穴管である。
チューブ12は、JIS1050系などの純アルミニウム系あるいはJIS3003系のアルミニウム合金を主体とした合金からなる。一例として、Si:0.10〜0.60%、Fe:0.1〜0.6質量%、Mn:0.1〜0.6質量%、Ti:0.005〜0.2質量%、Cu:0.1質量%未満、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金を押出することにより作製されたものである。チューブ12の表面には亜鉛溶射層が10g/m2施されている。
チューブ12は、ろう付け工程を経て形成されたフィレット2A、並びにフィン13の基材3の孔食電位よりも貴の孔食電位となる材質を用いることが好ましい。これにより、チューブ12の腐食が開始する前にフィレット2A及びフィン13の基材3の腐食が開始し、チューブ12の腐食を遅延させることができる。
上述したフィン13及びチューブ12を備えた熱交換器11の製造方法の一例を説明する。
まず、チューブ12、及びフィン13、を用意する。フィン13は、基材3の第1の面3aに予め多孔状の親水性皮膜1を形成し、第2の面3bに予めろう材層2を形成しておく。また、フィン13には、切り欠き部19とその周縁の屈曲部20とが形成されている。
次に、図3に示すように、複数枚のフィン13を並列に配置し、切り欠き部19にチューブ12を挿通させる。
基材3の第2の面3bには、ろう材層2の一部が残留し、フィレット2Aから連続したろう材層2が形成された状態となる。
ろう付けのための加熱温度は、580〜615℃に加熱され、1〜10分程度保持される。
本実施の形態の構造によれば、ろう付け工程を経ることで、チューブ12とフィン13との間に十分なサイズのフィレット2A(ろう材層)が形成される。
このフィレット2Aは、チューブ12及びフィン13よりも孔食電位が卑となっている。したがって、チューブ12及びフィン13と比較して優先的に腐食し、チューブ12及びフィン13の孔食を遅延させることができる。
また、ろう材層2を溶融、固化させる工程を経た後であっても、親水性皮膜1は残留し、フィン13に親水性を付与することができる。
また、並列配置された隣り合うフィン13同士の隙間は、親水性皮膜1が形成された第1の面3aと、ろう材層2が残留する第2の面3bとが互いに向かい合った状態となっている。したがって、隙間の一方の面には、親水性皮膜1を施された第1の面3aが配置された状態となり、互いに隣り合うフィン13の間に雨水や結露水が保水されにくい。これにより、フィン13の隙間を水分で塞ぐことがなく、熱交換効率が低下しないフィン構造を備えた熱交換器11を提供できる。
1.0質量%〜2.0質量%Mnと0.3質量%〜1.0質量%Znと、残部不可避不純物とAlとからなる板状の基材の一方の面に対し、ろう材層を組み合わせて熱間圧延してクラッド材とし、さらに冷間圧延を行った。ろう材層としては、JISに規定されたろう材A4343を用いた。所定の圧延率とした最終の冷間圧延により厚さ0.11mmのクラッド材を作製した。
幾つかのサンプルは、親水性皮膜の形成に用いた塗料にアクリル樹脂を表1に示す重量混合比で混合した。このアクリル樹脂は、乾燥後の水洗いにより大部分が除去される。これにより、親水性皮膜は多孔状となり、親水性皮膜が形成された基材の第1の面に露出部が形成される。親水性皮膜が形成された第1の面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)により観察し、第1の面に形成された露出部の面積の割合を表1に示す。
<<試験>>
また、これらの熱交換器試験体を用いて以下に説明するろう付け性評価、親水性評価、並びに耐食性評価を行った。
ろう付接合された熱交換器試験体の複数のろう付け箇所を目視評価し、接合が不十分(未接合)である箇所を数えた。1つのサンプルに対して、100か所の接合部を確認して、95か所以上(95%以上)が正常に接合されているものを合格とする。
600℃×3分のろう付け後、流水に24時間浸漬し、フィン表面の接触角を測定した。接触角が30°以下であれば合格とする。
600℃×3分のろう付け後、得られた各熱交換器試験体について、ASTM G85−A3で規定されているSWAAT試験を実施し、チューブに貫通孔が確認されるまでの日数を評価した。200日以上であれば合格とする。
ろう付け性評価、親水性評価、並びに耐食性評価の評価結果を表1にまとめて示す。
表1から、サンプルNo.1〜No.3の熱交換器試験体は、親水性が悪いことが分かる。サンプルNo.1〜No.3の熱交換器試験体は、フィンの親水性皮膜として親水基を備えた有機皮膜を有している。このような有機皮膜は、ろう付けにおける加熱(600℃×3分)によって、消失してしまい、十分な親水性を付与することができないためであると考えられる。
図7(A)はサンプルNo.15(露出部20%)の親水性皮膜に対応し、図7(B)はサンプルNo.16(露出部50%)の親水性皮膜に対応し、図7(C)はサンプルNo.17(露出部60%)の親水性皮膜に対応し、図7(D)はサンプルNo.18(露出部70%)の親水性皮膜に対応する。
図7の画像に例示されるように、ケイ酸塩とアクリル樹脂とを混合した塗料を用いることで、多孔状の親水性皮膜を形成することができる。また、ケイ酸塩とアクリル樹脂との重量比を調整することで、露出部の面積比を調整できることが確認された。
Claims (11)
- 内部に冷媒流路を備えたチューブと、
複数枚並列配置されて前記チューブが挿通され前記チューブとろう付け接合された板状のフィンと、を有し、
前記フィンは、板状の基材と、前記基材の第1の面にろう付け前に設けられたケイ酸塩を主体とする親水性の親水性皮膜と、前記基材の第2の面に設けられたろう材層と、を備え、
前記親水性皮膜が、複数の微小な孔を有する多孔状に形成され、前記基材の前記第1の面に前記親水性皮膜の前記孔を介して露出する露出部が形成され、
前記露出部が、前記基材の前記第1の面に20%以上70%以下形成され、前記ろう材層が前記管体及び前記フィンよりも孔食電位で卑とされている熱交換器。 - 前記チューブを構成する材料の孔食電位は、前記フィンを構成する材料の孔食電位よりも貴である請求項1に記載の熱交換器。
- 前記管体の表面にろう付け前の前記ろう材層に含まれていたZnの拡散による犠牲陽極層が形成された請求項1または請求項2に記載の熱交換器。
- 前記複数のフィンの間隔が1mm以上、2mm以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記露出部が、前記基材の前記第1の面に20%以上60%以下形成された請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記ケイ酸塩がケイ酸ナトリウムまたはケイ酸リチウムである請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記フィンの前記基材、並びに前記チューブが、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる請求項1〜6の何れか一項に記載の熱交換器。
- 板状の基材の第1の面にケイ酸塩を主体とし、アクリル樹脂を添加した親水性の親水性皮膜が設けられ、前記基材の第2の面にろう材層が設けられたフィンを、内部に冷媒流路を備えたチューブに複数枚並列配置して挿通させた後に、加熱、冷却し、ろう材層を溶融、固化させ、チューブとフィンとを接合する熱交換器の製造方法であり、
前記親水性皮膜として複数の微小な孔を有する多孔状であり、前記基材の前記第1の面に前記親水性皮膜の前記孔を介して露出する露出部を有し、塗布後、加熱乾燥し水洗して付着量を50mg/m 2 以上350mg/m 2 以下とした親水性皮膜を形成し、前記露出部として前記基材の前記第1の面に20%以上70%以下開口させ、前記ろう材層を前記管体及び前記フィンよりも孔食電位で卑とする熱交換器の製造方法。 - 前記ケイ酸塩がケイ酸ナトリウムまたはケイ酸リチウムであることを特徴とする請求項8に記載の熱交換器の製造方法。
- 前記ケイ酸塩に対する前記アクリル樹脂の重量比を10%以上80%以下とする請求項8〜9のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
- 前記親水性皮膜の付着量を150mg/m 2 以上350mg/m 2 以下とし、前記露出部を前記基材の前記第1の面に20%以上60%以下形成する請求項8〜10のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
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