JP2010185647A - フィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブ - Google Patents

Abstract

【課題】エアコン用熱交換器のチューブとして強度や耐食性に優れるアルミニウム合金製押出チューブを提供することを目的としている。
【解決手段】Ｓｉ：０．０１〜１．０質量％、Ｍｇ：０．０１〜１．０質量％、Ｃｕ：０．０５質量％以下、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブを提供する。本発明では、Ｆｅ：０．５質量％以下、さらにＮａ：２０質量ｐｐｍ以下にするとより好ましく、また、Ｚｎ：０．０５〜１．０質量％を含むことが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱交換器に組み込まれる伝熱管に関し、特にエアコン用の熱交換器に組み込まれるのが好適な、強度及び耐食性に優れるフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブに関する。

近年、家庭用や業務用のエアコン等の熱交換器の普及は目覚しく、日常生活における快適さの実現にはなくてはならないものになっている。これらの熱交換器には、熱伝導性および加工性に優れた銅または銅合金製配管材が使用され、銅管の周囲に複数のアルミニウム合金製薄肉フィン材を平行に配設しているフィンチューブ型熱交換器が使用されている（例えば、特許文献１）。図１、図２に基づいてフィンチューブ型熱交換器の概略構成を説明する。
図１（ａ）はフィンチューブ型熱交換器の構成を示す側面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すフィンチューブ型熱交換器をヘアピン管側から見た斜視図である。図２（ａ）はフィンチューブ型熱交換器をＵベンド管側から見た斜視図であり、図２（ｂ）は図１（ａ）の一部拡大図である。

図１（ａ）に示すようにフィンチューブ型熱交換器は、次のようにして作製される。銅又は銅合金からなる伝熱管（チューブ）をその中央でヘアピン状に曲げ加工をしてＵ字型のヘアピン管２を作製し、所定の間隔をおいて平行に配置したアルミニウム又はアルミニウム合金製のフィン材１にヘアピン管２を挿通した後、拡管により両者を密着させて固定する。次に、隣接するヘアピン管２の管端に予め曲げ加工を施してあるＵベンド管３を嵌合し、ヘアピン管２とＵベンド管３とをろう付けすることにより複数個のヘアピン管２をＵベンド管３と連結させる。

ヘアピン管２、Ｕベンド管３を構成するチューブとしては、熱伝導性、耐食性、加工性、強度等に優れている銅管が広く使用されている。また、フィン材１としては軽量性、加工性および熱伝導性に優れるという観点からアルミニウムやアルミニウム合金が広く用いられている。フィン材１は、薄肉化、高強度化が進められるとともに、表面処理を施すことで表面の親水性や耐食性の向上が図られている。

しかし、近年、熱交換器は高性能、高機能化だけでなく、少資源、少エネルギ、少スペースなどの環境側面も配慮した設計が求められている。さらには銅価格の高騰に伴い、安価な部材の使用によるコストダウンの要求も非常に高まっている。したがって、今後、熱交換器には高性能化、高品質化に加え、さらなるコストダウンや軽量化、リサイクル性などの向上も必要不可欠となっている。

エアコン用熱交換器の高性能化を進めるとともに、コストダウンや軽量化さらにはリサイクル性を兼ね備えた熱交換器を得るためには、チューブを軽量で銅に比べ安価なアルミニウム合金から作製することが有効となる。

特開２００２−１４７９８１号公報

しかし、アルミニウムは銅に比べ素材強度（機械的強度）が低いため、ヘアピン加工やチューブ拡管時に局部変形を生じ、成形不良や割れが発生しやすいなどの問題がある。また、熱交換器としての構造強度や耐久強度確保のため、チューブには高い強度も要求される。さらにはヘアピン管２とＵベンド管３はろう付で接合されるため、ろう付が可能な合金を選定しなければならない。

また、アルミニウムは銅に比べて耐食性が劣るため、耐食性に優れる合金選定も必要となる。耐食性については、アルミニウム合金製押出チューブを熱間押出によって製造すると、ウエルドラインと一般的に呼ばれている線状痕が発生し、このウエルドラインが優先的に腐食されるという問題もある。ウエルドラインとは、加熱されて軟化した金属を金型に押し込んで成形を行う場合に、金型内で２つ以上の軟化金属の流れが合流した部分を示す。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、エアコン用熱交換器のチューブとして強度及び耐食性に優れるアルミニウム合金製押出チューブを提供することを目的としている。

熱交換器製造時、チューブの拡管はチューブ内径よりやや大きい拡管ロッドをチューブ内部に挿入、通過させ、内部から押し拡げることでフィンとの隙間をなくして固着させている。しかし、チューブ強度が低すぎると拡管ロッドにアルミニウムが付着し、挿引時の圧力が著しく増大したり、また、拡管後に都度アルミ片の除去が必要になるなど、生産性が低下する要因となる。また、チューブ強度が高すぎて伸びが低くなると拡管時に一部で減肉等の局部変形が生じ、割れが発生する原因となる。さらにはヘアピン加工の曲げ部やＵベンド管との接合部となるフレア加工部でも成形時に割れや減肉の発生が問題となる。

以上のようにエアコン用チューブは成形性や拡管性向上のため、チューブを構成するアルミニウム合金成分の最適化を行なう必要がある。また、機械的性質や調質の最適化により加工性を向上することが必要となる。
また、熱交換器としての構造強度や熱交換器として使用する際の耐久強度確保のため、チューブを構成するアルミニウム合金としての強度向上も必要となる。肉厚の増加により強度を確保することも可能だが、拡管性や成形性が低下するため、できるだけ高い強度の合金が必要となる。一般的な純アルミニウムでは強度が不足するため、添加元素を含むアルミニウム合金として強度向上が必要となる。

さらに、一般的なアルミニウム合金、例えばＪＩＳ ３００３合金では、チューブ製造時に発生したウエルドラインが優先的に腐食する。この問題を解決するため、チューブの表面にＺｎを溶射した後にＺｎをアルミニウム合金に拡散させて、チューブ表面にＺｎ濃度の高いＺｎ層を形成し、このＺｎ層を犠牲層にすることでチューブ本体の耐食性を確保するという検討を行った。しかし、銅を用いた場合よりもコストがかかり、アルミニウムの採用によるコストダウンという優位性が得られない。したがって、ウエルドラインでの優先的な腐食のない高い耐食性を有する合金選定も必要となる。

本発明者等は、フィンチューブ型熱交換器用アルミニウム合金押出チューブとして上記課題を解決するための合金組成について鋭意検討の結果、Ｓｉ：０．０１〜１．０質量％、Ｍｇ：０．０１〜１．０質量％、Ｃｕ：０．０５質量％以下、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブが強度および耐食性に優れることを見出した。
本発明では、Ｆｅ：０．５質量％以下、さらにはＮａ：２０質量ｐｐｍ以下にすることが好ましい。
また本発明において、Ｚｎ：０．０５〜１．０質量％を含むことが、耐食性の向上にとって好ましい。

本発明のフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブは、優れた強度と耐食性を有しており、本チューブを使用することで部材コストの低減及び軽量化を図ることができる。また、現行の銅管と同じ製造設備で熱交換器を作成することが可能なため、新たな設備投資を必要とせず、工業上顕著な効果を有する。

（ａ）はフィンチューブ型熱交換器の構成を示す側面図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示すフィンチューブ型熱交換器をヘアピン管側から見た斜視図である。 （ａ）はフィンチューブ型熱交換器をＵベンド管側から見た斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。

本発明は、フィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブ（以下、単にチューブと略記する場合もある）の組成に特徴を有しており、以下では本発明において規定している組成の限定理由を説明する。

＜Ｓｉ：０．０１〜１．０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。特にウエルドラインの優先的な腐食を低減させる効果が得られる。これについて本発明者等は次のように推察している。熱間押出の金型内で２つ以上の軟化金属の流れの先端がウエルド部に到達して合流する時に、Ｓｉを含まないアルミニウム合金では軟化金属の流れの先端が互いに固相の状態で合流するが、Ｓｉを含むアルミニウム合金では融点が低いため半溶融状態（固相成分と液相成分とが共存した状態）で合流させることができるので、ウエルド部の圧着性が高まり、ウエルドラインの優先的な腐食を防止できると考えている。

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。さらにまた、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、成形性を向上させる効果を有する。
耐食性および強度の向上の効果を得るために本発明はＳｉを０．０１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、押出性およびトーチろう付け性を低下させる。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０．２〜０．４質量％である。

＜Ｍｇ：０．０１〜１．０質量％＞
Ｍｇは強度を向上させる目的で０．０１質量％以上添加する。Ｍｇ添加により強度が向上するが、熱間押出成形した後に時効硬化処理を行うことでさらに強度が向上する。しかし、含有量が多くなると高温変形抵抗が大きくなり押出性が低下し、またフラックスとＭｇの反応によりトーチろう付け性を低下させるので、１．０質量％以下とする。好ましいＭｇの含有量は０．１〜０．３質量％である。

＜Ｆｅ：０．５質量％以下＞
Ｆｅは、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物を生成するが、このＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物は強カソードであるため、過剰に存在すると耐食性低下を引き起こすので、Ｆｅの含有量は０．５質量％以下に規制するのが好ましい。より好ましいＦｅの量は０．２質量％以下である。

＜Ｃｕ：０．０５質量％以下＞
Ｃｕは、含有量が多くなると、チューブの腐食速度が増加し、耐食性が低下する。そこで、本発明はＣｕの含有量を０．０５質量％以下と低く規制する。好ましいＣｕの含有量は、０．０２質量％以下である。

＜Ｚｎ：０．０５〜１．０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、含有量が０．０５質量％未満では耐食性向上効果が不十分である。一方、１．０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ろう付け不良を招くおそれがある。したがって、Ｚｎを含有させる場合、Ｚｎ：０．０５〜１．０質量％とするのが好ましく、Ｚｎ：０．１〜０．７質量％とするのがより好ましい。

＜Ｎａ：２０質量ｐｐｍ以下＞
Ｎａは、２０質量ｐｐｍを超えると高温加工性が低下し、熱間押出時にクラックが発生する。Ｎａは１０質量ｐｐｍ以下とすることがより好ましい。

なお、本発明のチューブは、以上の元素の他に強度や成形性、耐食性の向上のために微量添加元素としてそれぞれ０．３質量％以下のＺｒ,Ｔｉ,Ｃｒ,Ｖ,Ｓｒ,Ｂｉを添加することもできる。

本発明のチューブの製造方法は、常法に従えばよい。つまり、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。Ｍｇの時効硬化による強度向上の効果を得るためには、８０〜１５０℃で１００〜５００ｈｒ保持することが好ましい。

本発明のチューブはいずれの形状でも耐食性に影響を及ぼすものではない。具体的には熱交換性能向上のために内面に溝を有したチューブが通常使用されるが、その内面形状は問わない。チューブの外径（直径）は、５〜１２ｍｍの範囲から適宜選択される。チューブの耐食性を高めるために、チューブ外表面にＺｎの拡散層等の表面処理を行うことを本発明は許容する。

＜熱交換器＞
本発明のチューブを使用したエアコン用熱交換器は、チューブとして銅管を使用する場合とほぼ同じ工程で製造される。
すなわち、チューブをその中央でヘアピン状に曲げ加工をしてＵ字型のヘアピン管２を作製し、所定の間隔をおいて平行に配置したアルミニウム又はアルミニウム合金製のフィン材１にヘアピン管２を挿通する。その後、拡管により両者を密着させて固定し、隣接するヘアピン管２の管端に予め曲げ加工を施してあるアルミニウム合金製Ｕベンド管３を嵌合し、ヘアピン管２とＵベンド管３とをアルミニウム合金ろう材を使用してろう付けすることにより複数個のヘアピン管２がＵベンド管３と連結されて熱交換器となる。ろう付けはトーチろう付けが好ましい。

表１に示す組成のアルミニウム合金（表１の残部はＡｌ及び不可避不純物）を使用して作製したビレットを用い、常法に従い、均質化処理後、熱間押出を行い、外径７ｍｍ、内径６ｍｍ、肉厚０．５ｍｍの丸管（チューブ）を作製した。
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：荒れなし；○ 軽微な荒れ；△ 著しい荒れ；×

熱間押出されたチューブを用いて、ヘアピン曲げ加工、チューブ拡管試験、Ｕベンド部と接合を行うためのフレア加工を実施し、さらにトーチによりろう付を行い、チューブの形状変化や割れの発生について評価した。また、チューブの耐食性を評価した。その結果を表２に示す。なお、ヘアピン曲げ加工、チューブ拡管試験及びフレア加工の条件、各評価の基準は以下の通りである。

ヘアピン曲げ加工：上記アルミニウム管を銅管と同じ製法でヘアピン曲げ加工用パイプ
ベンダを使用して、ヘアピン曲げ（曲率半径８ｍｍ）を実施
正常；○ 表面あれ；△ 割れ発生；×
チューブ拡管試験：拡管率（チューブ外径変化）が１０％と一定となるように拡管ロッ
ドのサイズを変えて拡管を実施
正常；○ 座屈発生；×
フレア加工：フレア加工寸法９ｍｍで加工し、Ｕベンド管挿入部へ割れが発生するかを
観察
正常；○ 一部割れ；△ 全て割れ；×
トーチろう付け性：Ａｌ−Ｓｉ合金粉末を含むろう材組成物をトーチにてろう付し、ろ
う材の接合状況を観察
正常；○ 管が溶融し、接合不可；×
チューブ耐食性：ＳＷＡＴＴ（ＡＳＴＭ Ｇ８５規格）にて、２０日間暴露
肉厚の１／４未満の孔食；◎
肉厚の１／４以上１／２未満の孔食；○
肉厚の１／２以上の孔食；△
貫通孔の発生；×

次に、作製したヘアピン管と、ＪＩＳ １０５０合金からなる板厚０．１ｍｍのアルミニウム合金製フィン材とを組み合わせて熱交換器を作製し、耐圧試験を行い、破壊圧力を評価した。評価基準は、以下の通りである。その結果を表２に示す。
破壊圧力：１２ＭＰａ未満；× １２〜１４ＭＰａ未満；△ １４ＭＰａ以上；○

表２より、以下のことがわかった。
ＳｉおよびＭｇを本発明の範囲内で含むと、耐圧試験時の破壊圧力、押出性、チューブ成形性、耐食性がともに優れる。
これに対して、Ｓｉが本発明の範囲より少ないと、チューブ成形性（チューブ拡管性）が劣り、Ｓｉが本発明の範囲より多いと、押出性、チューブ成形性（フレア加工，トーチろう付け性）が劣る。
Ｍｇが本発明の範囲より少ないと、破壊圧力、チューブ成形性（チューブ拡管性）が劣り、Ｍｇが本発明の範囲より多いと、押出性、チューブ成形性（ヘアピン曲げ、フレア加工、トーチろう付け性）が劣る。
また、Ｃｕが本発明の範囲より多いと、耐食性が劣る。
さらに、Ｆｅが本発明の範囲より多いと、チューブ成形性（フレア加工）、耐食性が若干劣り、Ｎａが本発明の範囲より多いと、押出性が若干劣る。
さらにまた、Ｚｎは耐食性の向上に効果があるが、含有量が１．０質量％を超え１．２質量％になると、押出性、チューブ成形性（トーチろう付け性）が劣る。

１…フィン材、２…ヘアピン管、３…Ｕベンド管

Claims (4)

1. Ｓｉ：０．０１〜１．０質量％、Ｍｇ：０．０１〜１．０質量％、Ｃｕ：０．０５質量％以下、残部がＡｌおよび不可避不純物からなることを特徴とするフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブ。
2. Ｆｅ：０．５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブ。
3. Ｎａ：２０質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブ。
4. Ｚｎ：０．０５〜１．０質量％を含有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィンチューブ型エアコン熱交換器用アルミニウム合金押出チューブ。

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