WO2013153972A1 - アルミニウム合金製内面溝付き伝熱管 - Google Patents

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transfer tube
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tube
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良行 大谷
聡史 若栗
康人 原
紘一 石田
洋一 兒島
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古河スカイ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heat transfer tube with an inner surface groove made of an aluminum alloy used as a heat transfer tube of a cross fin type heat exchanger used in a domestic air conditioner, a commercial air conditioner, a heat pump type hot water heater and the like. is there.
  • a general cross fin type (also known as fin and tube type) heat exchanger inserts a heat transfer tube into an open insertion hole of an aluminum radiation fin, and then has a larger inside diameter than the inside of the heat transfer tube.
  • a mandrel for tube expansion having an outer diameter is pushed in to expand the diameter of the heat transfer tube, and the outer peripheral surface of the heat transfer tube and the insertion hole of the aluminum radiation fin are brought into close contact (tube expansion processing: FIG. 2). Thereafter, the heat transfer tube integrated with the aluminum radiation fin is bent into a hairpin shape, and a heat transfer tube (U-shaped tube) bent in a separate U shape is joined by torch brazing to complete (Non-patent Document 1).
  • a heat transfer tube used in a cross fin type heat exchanger is one in which HFC or the like flows as a refrigerant in the tube to perform heat exchange.
  • the heat transfer tube has a rib-shaped fin with a cross-sectional shape of a trapezoid or triangle on the inner surface of the tube ( In the following, the efficiency of heat exchangers and energy savings have been promoted by using “inner grooved heat transfer tubes”).
  • the inner surface grooved heat transfer tube has a groove depth, a bottom wall thickness (a thickness of a base portion of the protruding fin), a fin shape (vertical angle, etc.) shown in FIG.
  • An internally grooved heat transfer tube having various fin shapes that define the lead angle of the protruding fin shown in FIG.
  • Patent Document 1 angle of fin arrangement with respect to the longitudinal direction of the tube
  • Patent Document 2 It is said that the heat transfer performance of the internally grooved heat transfer tube is excellent because the surface area inside the tube is larger than that of a smooth tube without fins, and a uniform refrigerant liquid film is formed in the tube by this groove.
  • copper-based materials such as copper and copper alloys have been mainly used for internally grooved heat transfer tubes
  • aluminum-based materials such as aluminum and aluminum alloys have been used to meet demands for reducing material costs and weight. (Hereinafter referred to as an aluminum alloy) has been studied.
  • the heat transfer tube has a two-layer structure, and an Al—Mn-based alloy is used for the inner layer of the tube.
  • an internally grooved heat transfer tube clad with an Al—Zn alloy has been proposed as a sacrificial anticorrosive layer.
  • Patent Document 5 the improvement of tube expansion workability is studied by using an alloy obtained by adding Zn to JIS3003 as a skin material.
  • Patent Document 1 Patent Document 2
  • Patent Document 3 has a description for improving the corrosion resistance of an aluminum alloy heat transfer tube, but the problem of cracking and fin crushing at the time of hairpin bending is not solved.
  • Patent Document 4 is characterized in that the outer surface is covered with a skin material having a lower potential than the core material in order to improve corrosion resistance.
  • Patent Document 5 does not improve the problem of cracking during hairpin bending. Further, since Cu and Fe are added to the skin material, the corrosion resistance of the skin material is deteriorated, and the expected sacrificial anticorrosive effect may not be obtained. Further, since a core material made of an alloy corresponding to JIS 3003 is used as the core material, the problem of fin crushing has not been solved.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an aluminum alloy internally grooved heat transfer tube excellent in hairpin bending workability. It is another object of the present invention to provide an aluminum alloy internally grooved heat transfer tube excellent in corrosion resistance. It is another object of the present invention to provide an aluminum alloy internally grooved heat transfer tube that is less prone to fin collapse.
  • the present inventors have excellent hairpin bending workability and fin crushing by making the alloy component of the core material into a specific type and content. It has been found that materials that are difficult to generate can be provided. Furthermore, it has been found that by making the Zn distribution of the sacrificial anticorrosive layer within a specific range, a material excellent in hairpin bending workability, hardly causing fin crushing, and excellent in corrosion resistance can be provided.
  • Mn 0.8 to 1.8 mass% (hereinafter, mass% is simply described as%)
  • a heat transfer tube made of an aluminum alloy containing Cu: 0.3 to 0.8% and Si: 0.02 to 0.2%, with the balance being Al and inevitable impurities; and
  • the heat transfer tube is an aluminum alloy inner surface grooved heat transfer tube, wherein the heat transfer tube has an average crystal grain size of 150 ⁇ m or less.
  • the surface Zn concentration is 0.5% or more and the average surface Zn concentration is 1 to 12% on the surface of the heat transfer tube.
  • a Zn diffusion whose concentration at an arbitrary surface is within ⁇ 50% of the average surface Zn concentration and whose Zn diffusion depth from the surface (hereinafter also referred to as “Zn diffusion layer thickness”) is 100 to 300 ⁇ m.
  • An aluminum alloy internally grooved heat transfer tube characterized by having a layer.
  • a third invention according to claim 3 is the heat transfer tube according to claim 2, wherein Mn: 0.8 to 1.8%, Cu: 0.3 to 0.8%, and Si: 0.02
  • An aluminum alloy comprising a heat transfer tube made of an aluminum alloy containing ⁇ 0.2%, the balance being Al and inevitable impurities, and the cross-sectional average crystal grain size of the heat transfer tube being 150 ⁇ m or less
  • An aluminum alloy inner grooved heat transfer tube characterized in that an alloy heat transfer tube is used as a core, an outer surface thereof is clad with an Al—Zn alloy as a skin material, and further subjected to Zn diffusion heat treatment.
  • the difference in hardness between the core material and the skin material after the Zn diffusion heat treatment is 15 Hv or less. It is a heat transfer tube with an inner surface groove.
  • the skin material contains Zn: 1.0 to 7.0%, and Mn: 0.3 to 1. It is an aluminum alloy internally grooved heat transfer tube characterized by containing 0.5% and the balance being made of Al and inevitable impurities.
  • Mn 0.8 to 1.8%
  • Cu 0.3 to 0.8%
  • Si 0.02
  • An aluminum alloy comprising a heat transfer tube made of an aluminum alloy containing ⁇ 0.2%, the balance being Al and inevitable impurities, and the cross-sectional average crystal grain size of the heat transfer tube being 150 ⁇ m or less
  • This is an aluminum alloy internally grooved heat transfer tube characterized in that Zn is thermally sprayed on the outer surface of the alloy heat transfer tube and further subjected to Zn diffusion heat treatment.
  • the coverage ratio of the sprayed Zn to the outer surface of the heat transfer tube is 90% or more. It is a heat transfer tube.
  • the geometric center of the cross section of the heat transfer tube An angle formed by each geometrical center between adjacent lines connecting the centers of a plurality of Zn spray guns is 120 ° or less.
  • the aluminum-tube inner surface grooved heat transfer tube of the present invention has the effect of being able to suppress cracking during hairpin bending. Moreover, it has favorable corrosion resistance and has the effect that fin crushing is difficult to occur.
  • the heat transfer tube assumed in the present embodiment is used, for example, in a heat exchanger for an air conditioner for general households, and has an outer diameter of, for example, ⁇ 4.0 to ⁇ 9.54 mm, bottom wall It is a small diameter thin tube with a thickness of about 0.3 to 0.6 mm.
  • an alloy having an appropriate strength and relatively excellent workability (extrudability, drawability, rollability) for obtaining a small-diameter thin-walled tube for example, Al— Based on Mn-based A3003 alloy (Al-1.0 to 1.5% Mn-0.05 to 0.20% Cu alloy), refinement of crystal grains and improvement of strength by adjusting additive elements
  • An aluminum alloy that prevents cracking and fin collapse during hairpin bending is obtained.
  • Mn is a main additive element for improving the strength of 3000 series alloys, and has the effect of giving solid solution, part of which is precipitated and imparting strength, and if the addition amount is less than 0.8%, the heat transfer tube The strength as is insufficient. On the other hand, if it exceeds 1.8%, the effect of improving the strength is saturated, and the amount of coarse intermetallic compound is increased, so that defects such as cracks are likely to occur in the manufacturing process of the tube. Therefore, the amount of Mn added is in the range of 0.8 to 1.8%. A more preferred range is 1.0 to 1.5%.
  • Cu is an element that has the effect of further improving the strength by dissolving in aluminum and does not impair the workability. Further, Cu has a function of making the pitting corrosion potential noble, and can increase the difference in pitting corrosion between the Zn diffusion layer and the central portion of the tube where Zn is not diffused, thereby enhancing the sacrificial anticorrosive action. If the added amount is less than 0.3%, the strength is insufficient, and the crushing of the groove due to mechanical expansion cannot be prevented, and further, the noxification of the pitting potential is insufficient and the sacrificial anticorrosive action is low. If it exceeds 0.8%, extrudability, drawability, and corrosion resistance deteriorate. Therefore, the Cu addition amount is set in the range of 0.3 to 0.8%. A more preferred range is 0.4 to 0.6%.
  • Si When Si is contained in an Al—Mn—Cu alloy, it forms an Al—Mn—Si or Al—Mn—Si—Cu intermetallic compound, and has the effect of improving strength. On the other hand, these intermetallic compounds play a role of inhibiting recrystallization during hot extrusion. When the amount of addition exceeds 0.2%, the average crystal grain size becomes 150 ⁇ m or more, and the skin becomes rough during hairpin bending. Cause breakage. On the other hand, since Si is an element unavoidably present in the aluminum alloy, it is practically difficult to regulate it to 0.02% or less. Therefore, the addition amount of Si is set to 0.02 to 0.2%. A more preferred range is 0.02 to 0.1%.
  • Impurities include Fe, Mg, Zn and the like, but these do not impair the effects of the present invention as long as Fe is 0.6% or less, Mg is 0.2% or less, and Zn is 0.3% or less.
  • Ti, Cr, Zr may be contained because it has the effect of uniformly refining the ingot structure. However, if it exceeds 0.2%, a giant intermetallic compound is formed or the extrudability is lowered.
  • the content is preferably 0.2% or less. If it is this range, the effect of the heat exchanger tube in this embodiment will not be inhibited. This content may be 0 to 0.1% or 0 to 0.05%.
  • the amounts of various components used in the heat transfer tube or sacrificial anticorrosive layer in this embodiment may be the values described in S1 to S11 and K1 to K8 in the examples described later, and are within the range of those values. May be.
  • An aluminum alloy clad tube according to an embodiment of the present invention is provided with a Zn-diffused layer by clad and drawn with an Al—Zn alloy as a skin material and then subjected to Zn diffusion heat treatment. Since the Zn diffusion layer has a lower pitting corrosion potential than the portion of the pipe material where Zn is not diffused, the sacrificial anticorrosive action can prevent the pipe material and improve the durability of the pipe material.
  • the conditions of the diffusion heat treatment are adjusted so that the surface Zn concentration after the Zn diffusion heat treatment is, for example, 0.5 to 12%.
  • the surface Zn concentration is the Zn concentration when an arbitrary point on the surface is measured by an analyzer such as EPMA (X-ray microanalyzer). If the surface Zn concentration is lower than 0.5%, the sacrificial anticorrosive effect is not sufficient, and deep corrosion occurs early. On the other hand, if the surface Zn concentration is higher than 12%, the corrosion rate is increased. Therefore, the surface Zn concentration is set to 0.5 to 12%. A more preferred range is 0.5 to 10.0%, and a further preferred range is 3.0 to 5.0%.
  • the thickness of the Zn diffusion layer of the aluminum alloy clad tube according to the embodiment of the present invention is 100 to 300 ⁇ m.
  • the Zn diffusion layer thickness is a depth at which Zn is diffused from the surface in the plate thickness direction by the Zn diffusion treatment.
  • the thickness of the Zn diffusion layer according to the embodiment of the present invention was a distance (thickness) from the surface of the tube material until the Zn concentration reached 0.05%.
  • the Zn diffusion layer acts as a sacrificial anticorrosion layer for the entire tube. If the thickness of the Zn diffusion layer is too small, the sacrificial anticorrosion layer disappears at an early stage. If the Zn diffusion layer is too thick, the Zn gradient becomes gentle and the sacrificial anticorrosive effect is not sufficient. Therefore, the thickness of the Zn diffusion layer is set to 100 to 300 ⁇ m.
  • the Zn diffusion layer thickness may be 150 to 250 ⁇ m.
  • Zn lowers the potential of the skin material so that it acts as a sacrificial anode, and improves the corrosion resistance of the heat transfer tube. If the added amount is less than 1.0%, the potential difference from the core material is insufficient and the effect of sacrificial corrosion protection cannot be obtained, and if it exceeds 7.0%, the self-corrosion resistance is lowered. Therefore, the added amount of Zn is set in the range of 1.0 to 7.0%. A more preferable range is 4.0 to 5.5%.
  • Mn is a main additive element for improving the strength. If the added amount is less than 0.3%, the strength is insufficient, and the strength difference from the core material becomes large. As a result, micro cracks on the surface that cause cracks during the hairpin bending process occur during the production of the blank tube. On the other hand, when the addition amount is more than 1.5%, the potential of the skin material becomes noble, and it is difficult to secure a potential difference from the core material. Therefore, the amount of Mn added is in the range of 0.3 to 1.5%. A more preferred range is 0.6 to 1.0%.
  • Si, Fe, Cu, etc. as impurities in the cladding material of the clad tube, but these do not hinder the effect of the present invention if Si is 0.5% or less, Fe is 0.6% or less, and Cu is 0.2% or less. Absent.
  • Ti, Cr, Zr may be contained because it has the effect of uniformly refining the ingot structure. However, if it exceeds 0.2%, a giant intermetallic compound is formed or the extrudability is lowered.
  • the content is preferably 0.2% or less. If it is this range, the effect of the heat exchanger tube in this embodiment will not be inhibited. This content may be 0 to 0.1% or 0 to 0.05%.
  • the thickness of the cladding material of these cladding tubes is not particularly specified, but is preferably 5 to 30% with respect to the total thickness. If the thickness of the skin material is less than 5% of the total thickness, the effective period of the sacrificial anticorrosive layer in use as a heat exchanger is insufficient, and if it exceeds 30%, the strength of the heat transfer tube is lowered. A more preferred range is 6 to 15%.
  • the hardness difference between the core material and the skin material is 15 Hv or less. More preferably, it is 10 Hv or less.
  • the aluminum alloy spray tube used in the embodiment of the present invention is provided with a Zn diffused layer by performing Zn diffusion heat treatment after Zn spraying on the outer surface thereof. Since the Zn diffusion layer has a lower pitting corrosion potential than the portion of the pipe material where Zn is not diffused, the sacrificial anticorrosive action can prevent the pipe material and improve the durability of the pipe material.
  • the aluminum alloy spray tube is preferably subjected to Zn diffusion heat treatment at 400 to 550 ° C. for 30 minutes to 10 hours after spraying a Zn component of pure Zn or Zn—Al alloy.
  • the amount of sprayed Zn is 5 to 28 g / m 2 . If the amount of sprayed Zn is too small, it is difficult to uniformly deposit Zn on the surface of the tube. If the amount of sprayed Zn is too large, the amount of Zn after the Zn diffusion heat treatment becomes too large, resulting in an increase in corrosion rate. Therefore, the Zn spraying amount is set to 5 to 28 g / m 2 .
  • Zn thermal spraying amount is desirably 5 ⁇ 25g / m 2, and more preferably 8 ⁇ 20g / m 2.
  • the surface Zn concentration after the Zn diffusion heat treatment is 0.5 to 15%.
  • the surface Zn concentration is the Zn concentration when an arbitrary point on the surface is measured by an analyzer such as EPMA. If the surface Zn concentration is too low, the sacrificial anticorrosive effect is not sufficient, and in some of them, deep corrosion occurs at an early stage, and if the surface Zn concentration is too high, the corrosion rate is increased. The wall thickness is extremely reduced.
  • the average surface Zn concentration after the Zn diffusion heat treatment is 1 to 12%, and the Zn diffusion layer thickness is 100 to 300 ⁇ m.
  • the average surface Zn concentration is an average value when at least four arbitrary points separated from each other by 5 mm or more on the surface are measured.
  • the Zn diffusion layer thickness is the depth at which Zn is diffused from the surface in the plate thickness direction by the Zn diffusion treatment, and the Zn diffusion layer thickness in the embodiment of the present invention is such that the Zn concentration is 0.05% from the tube surface. The distance to be.
  • the average Zn concentration and the Zn diffusion layer thickness represent the amount of the sacrificial anticorrosion layer of the entire tube.
  • the average Zn concentration and the Zn diffusion layer thickness are too small, the sacrificial anticorrosion layer disappears at an early stage.
  • the average Zn concentration is 1 to 12%, a more preferable range is 0.5 to 10.0%, and a further preferable range is 3.0 to 5.0%.
  • the thickness of the Zn diffusion layer is 100 to 300 ⁇ m, and may be 150 to 250 ⁇ m.
  • the Zn concentration on the arbitrary surface after the Zn diffusion heat treatment is within ⁇ 50% of the average surface Zn concentration. If the surface Zn concentration is too high with respect to the average surface Zn concentration, only that portion is preferentially corroded and the thickness is extremely reduced. In order to avoid this, it is necessary that the Zn concentration on an arbitrary surface be within ⁇ 50% of the average surface Zn concentration. Further, it is more preferable that the difference is within ⁇ 30%.
  • the Zn coverage by thermal spraying is 0% when no Zn is attached and 100% when Zn is attached to the entire surface.
  • the Zn coverage is 90% or more. More preferably, it is 95% or more.
  • a combined billet of the Al—Mn—Cu alloy in the heat transfer tube of the present embodiment in which a sacrificial anticorrosion alloy plate is bent cylindrically outside the cylindrical billet, is produced and heated to 350 to 600 ° C. in a heating furnace. Perform homogenization. Thereafter, the billet is extruded by an indirect extruder to obtain a two-layer clad extruded tube. Next, the extruded tube is drawn to a predetermined outer diameter and thickness to obtain a two-layer clad elementary tube (smooth tube). For this drawing process, it is desirable to use a draw block type continuous drawing machine with high productivity.
  • the cylindrical sacrificial anticorrosive billet is heated to 350 to 600 ° C., and a cylindrical core billet hollow billet is extruded into the inside thereof. It is also possible to obtain a two-layer clad blank (smooth tube).
  • a two-layer clad sheet obtained by clad rolling a sacrificial anti-corrosion material sheet on one side of an aluminum alloy core material sheet is formed into a tubular shape, and then the sheet abutting surface is welded to form a two-layer clad electric resistance tube. Also good.
  • a Zn diffusion layer that is, a sacrificial anticorrosion layer can be obtained by subjecting the two-layer clad tube produced as described above to diffusion heat treatment.
  • a diffusion heat treatment is performed to obtain a Zn diffusion layer, that is, A sacrificial anticorrosion layer may be formed.
  • the angle formed by the lines at the center of the circumferential cross section it is preferable that it is 120 degrees or less.
  • the angle formed by the lines at the center of the circumferential cross section is more preferably 90 ° or less.
  • a method of increasing the number of Zn spray guns from 2 guns generally used in flat tubes to 3 guns or more, a method of rotating a tube after spraying, and spraying in several times examples include a method of rotating a tube or a spray gun.
  • the Zn spraying may be performed after rolling to form grooves on the inner surface of the heat transfer tube.
  • the raw pipe (smooth pipe) on which the sacrificial anticorrosive layer is formed in this way be subjected to annealing softening treatment in advance.
  • the annealing temperature is 300 to 400 ° C. and the time is 2 to 8 hours.
  • the inner surface grooved heat transfer tube of the present embodiment can be manufactured in various dimensions according to the use of the heat exchanger, but when used in a domestic air conditioner, the outer diameter ⁇ 4 from the viewpoint of productivity in manufacturing the tube.
  • the outer diameter is preferably 9.95 mm or less from the viewpoint of reducing the size and weight of the heat exchanger.
  • the bottom wall thickness t (see FIG. 4) is preferably 0.3 mm or more from the viewpoint of pressure resistance, and 0.6 mm or less from the viewpoint of miniaturization and weight reduction of the heat exchanger.
  • the height H of the inner surface ridge fin is 0.1 to 0.4 mm
  • the apex angle ⁇ of the inner surface ridge fin is 10 to 40 °
  • the number of inner surface ridge fins is 40 or more
  • the lead angle ⁇ inner surface protrusion
  • the angle formed between the strip fin and the longitudinal direction of the pipe is preferably 20 ° or more.
  • annealing softening treatment may be performed. This is for removing the processing distortion introduced at the time of rolling and facilitating hairpin bending (meandering bending). Annealing may be performed at 300 to 400 ° C. for about 2 to 8 hours.
  • the inner surface grooved heat transfer tube of the present embodiment manufactured in this way is brought into close contact with the insertion hole of the aluminum heat radiating fin by tube expansion processing (FIG. 2).
  • tube expansion processing FOG. 2
  • the pipe expanding process can improve production efficiency by a hydraulic pipe expanding method in which an internal pressure is applied to the pipe by hydraulic pressure or water pressure instead of a mechanical pipe expanding method using a mandrel.
  • Example 1 Next, the present invention will be described in more detail based on examples.
  • the alloys shown in Table 1 were cast by continuous casting, and an extruded tube having an outer diameter of 47 mm and a wall thickness of 3.5 mm was obtained by an indirect extrusion method.
  • the extruded tube was subjected to a drawing process using a draw block type continuous drawing machine to obtain a drawn tube having an outer diameter of 10 mm and a wall thickness of 0.45 mm.
  • the drawn tube thus obtained is annealed and softened at 360 ° C. for 2 hours, and then a floating plug, a rod and a plug with a grooved plug are inserted, and a floating die, a machining head, and a molding die are inserted.
  • the inner surface is grooved by outer diameter, the outer diameter is ⁇ 7mm, the bottom wall thickness is 0.35mm, the height H of the ridge fin is 0.22mm, the number of ridge fins is 50, the apex angle ⁇
  • a heat transfer tube with an inner groove with an angle of 15 ° and a lead angle ⁇ of 35 ° was produced. Furthermore, the annealing softening process was finally performed at 360 degreeC for 2 hours, and the heat exchanger tube with an internal groove was completed.
  • (B) Average crystal grain size A test piece for microstructural observation was cut out from the obtained heat transfer tube with inner groove, and the average crystal grain size was measured. Specifically, the average crystal grain size was measured in the two directions of the tube thickness direction and the circumferential direction using an intersection method, and the average value was obtained.
  • Examples S1 to S11 are within the scope of the present invention, and are all excellent in mechanical properties, fin crushing amount, average crystal grain size, and occurrence of cracks during hairpin bending.
  • the comparative examples S12 and S15 have low strength, the amount of crushed fins is large and desired heat transfer characteristics cannot be obtained.
  • S13 and S14 were not able to be produced due to the occurrence of drawing breaks during drawing.
  • the average crystal grain size of S16 exceeded 150 ⁇ m, cracking occurred during hairpin bending.
  • S17 has fine crystal grains and does not generate cracks at the time of hairpin bending, but has a problem that the manufacturing cost increases because the amount of Si is extremely low.
  • Example 2 An alloy for skin material shown in Table 3 is cast by continuous casting, and an alloy having an outer diameter of 47 mm, a wall thickness of 3.5 mm, and a cladding rate of 10% is obtained by indirect extrusion using a combination of the alloy shown in Table 1 and Table 4 as a core material. Got the tube. The extruded tube was subjected to a drawing process using a draw block type continuous drawing machine to obtain a drawn tube having an outer diameter of 10 mm and a wall thickness of 0.45 mm. Furthermore, Zn diffusion heat treatment was performed.
  • the drawn tube thus obtained is annealed and softened at 360 ° C. for 2 hours, and then a floating plug, a rod and a plug with a grooved plug are inserted, and a floating die, a machining head, and a molding die are inserted.
  • the inner surface is grooved by outer diameter, the outer diameter is ⁇ 7mm, the bottom wall thickness is 0.35mm, the height H of the ridge fin is 0.22mm, the number of ridge fins is 50, the apex angle ⁇
  • a heat transfer tube with an inner groove with an angle of 15 ° and a lead angle ⁇ of 35 ° was produced. Furthermore, the annealing softening process was finally performed at 360 degreeC for 2 hours, and the heat exchanger tube with an internal groove was completed.
  • (B) Cross-sectional hardness
  • the hardness of the core material and the skin material of the heat transfer tube with the inner surface groove having the outer diameter of ⁇ 7 mm was measured.
  • the hardness was measured with a load of 50 g using a micro Vickers hardness meter (Akashi Seisakusho Co., Ltd.) after polishing the cross section of the grooved tube with resin.
  • Example 3 The S10 alloy shown in Table 1 was cast by continuous casting, and an extruded tube having an outer diameter of 47 mm and a wall thickness of 3.5 mm was obtained by an indirect extrusion method. The extruded tube was subjected to a drawing process using a draw block type continuous drawing machine to obtain a drawn tube having an outer diameter of 10 mm and a wall thickness of 0.45 mm.
  • the drawn tube thus obtained is annealed and softened at 360 ° C. for 2 hours, and then a floating plug, a rod and a plug with a grooved plug are inserted, and a floating die, a machining head, and a molding die are inserted.
  • the inner surface is grooved by passing it through, the outer diameter: ⁇ 7 mm, the bottom wall thickness: 0.35 mm, the height H of the ridge fins: 0.22 mm, the number of ridge fins is 50, the apex angle ⁇
  • a heat transfer tube with an inner groove with an angle of 15 ° and a lead angle ⁇ of 35 ° was produced. Furthermore, the annealing softening process was finally performed at 360 degreeC for 2 hours, and the heat exchanger tube with an internal groove
  • the inner grooved heat transfer tube thus obtained was subjected to shot blasting, Zn spraying, and Zn diffusion heat treatment to complete the inner grooved heat transfer tube having a Zn diffusion layer.
  • Table 6 shows Zn spraying and Zn diffusion heat treatment conditions.
  • (B) Zn coverage In order to measure the Zn coverage after the Zn diffusion heat treatment, a SEM COMPO image was used. A white image can be obtained if Zn is coated, and a black image can be obtained if the underlying Al is exposed. The Zn coverage was calculated by image analysis of the image.
  • Y1 to Y9 did not cause penetration corrosion and exhibited good corrosion resistance. Since Y10 and 12 are less than the lower limit of the surface Zn concentration and Y14 is less than the lower limit of the average surface Zn concentration, sacrificial anticorrosion did not act effectively and some of them penetrated early. Since Y11 and 13 exceeded the upper limit of the surface Zn concentration, and Y15 exceeded the upper limit of the average surface Zn concentration, the sacrificial layer was consumed quickly, and some of them penetrated early. Since Y16 and 17 exceeded the upper limit of the Zn concentration difference, corrosion was concentrated and some of them penetrated early.

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Abstract

ヘアピン曲げ加工性に優れ、フィン潰れが発生し難く、さらに耐食性に優れた伝熱管を明らかにする。　内面に複数の突条型のフィンが形成され、Ｍｎ：０．８～１．８質量％（以下、質量％を、％と記載）、Ｃｕ：０．３～０．８％、及びＳｉ：０．０２～０．２％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなり、且つ成形品の平均結晶粒径が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を提供する。

Description

アルミニウム合金製内面溝付き伝熱管
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　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 (8)

  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、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。
  3. 　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、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。
  4. 　請求項３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。
  5. 　請求項３及び請求項４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。
  6. 　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、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。
  7. 　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。
  8. 　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、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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