JP6329924B2 - 熱交換器用アルミニウム合金管および熱交換器コア - Google Patents

Description

本発明は、Ｚｎ拡散層を有する熱交換器用アルミニウム合金管および熱交換器コアに関する。

一般的に、アルミニウム押出扁平管などでは、溶射法等で表面にＺｎ層が設けられ、ろう付時にＺｎが内部へと拡散することで犠牲防食層を形成することで耐食性を高めたものが提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。

特開２０１０−８５０６６号公報 特開２０１３−１９０１９１号公報 特開２０１３−２１７５４７号公報

しかし、近年、ろう付けによって生産される熱交換器は、生産性向上を目的としてろう付け熱処理時間が短縮される傾向にある。ろう付け熱処理時間が短縮されると、亜鉛拡散量が少なくなるため、亜鉛拡散層が薄くなってしまう。結果として、充分な耐食性が得られない。特に、沿岸地域など厳しい腐食環境下では耐食性が不十分となる問題がある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、アルミニウム合金管の合金組成を選択し、押出後にＺｎ拡散熱処理を行うことで、短時間のろう付組立工程であっても必要な耐食性が付与された熱交換器を製造することができる。

すなわち、熱交換器アルミニウム合金管およびその製造方法のうち、第１の本発明の熱交換器アルミニウム合金管は、ろう付に供される熱交換器用アルミニウム合金管であって、
Ｓｉ：０．０１〜０．１５質量％、Ｆｅ：０．１〜０．３質量％、Ｃｕ：０．３〜０．７質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．３質量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有し、
内部にＺｎ拡散層が形成された管表面の８０％以上がＺｎ層で覆われ、前記管表面からの深さとして、１．０質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第１拡散層が６０μｍ以上、０．２質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第２拡散層が８０μｍ以上の深さを有し、前記第２拡散層の最大深さと最小深さの比が１．４以下であり、５００時間におけるＳＷＡＡＴ耐食性試験における最大腐食深さが１５０μｍ以下、５００時間での平均腐食減量が５０ｍｇ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする。

第２の本発明の熱交換器アルミニウム合金管は、前記第１の本発明において、前記熱交換器用アルミニウム合金管が扁平管からなり、Ｚｎ拡散層が形成された管表面が平坦部表面であることを特徴とする。

第４の本発明の熱交換器コアは、前記第１〜第３の本発明のいずれかに記載された熱交換器用アルミニウム合金管が使用されていることを特徴とする。

以下に、本発明における成分および製造方法の限定理由について説明する。

Ｓｉ：０．０１〜０．１５質量％
Ｓｉは、アルミニウム合金管の強度を高める効果がある。Ｓｉを０．１５質量％を超えて含有すると押出性（押出速度）の低下を招き、生産性が大きく低下する。一方、Ｓｉを０．０１％未満にするためには高純度地金を使用しなければならないため、コストアップとなる。なお、同様の理由で、Ｓｉの含有量を０．０１〜０．１５質量％とするのが望ましい。

Ｆｅ：０．１〜０．３質量％
Ｆｅは、ＡｌとＡｌ−Ｆｅ系化合物を生成し強度を向上させる。０．３％を超えた含有では化合物の量が多くなり、押出性が低下する。Ｆｅを０．１％未満にするためには高純度地金を使用しなければならないため、コストアップとなる。

Ｃｕ：０．３〜０．７質量％
Ｃｕは、Ａｌ合金中に固溶あるいは析出して化合物として存在し、材料強度を高める効果がある。ただし、０．３％未満ではその効果は小さく、０．７％を超えると強度が高くなりすぎて押出性が低下するほか、Ｃｕを含む化合物が腐食の起点となるため、アルミニウム合金管の耐食性を低下させる原因となる。

Ｍｎ：０．０５〜０．３質量％
Ｍｎは、ＡｌとＡｌ−Ｍｎ系化合物を形成し、合金中に晶出または析出してアルミニウム合金管の強度を高める効果がある。０．０５％未満ではその効果は充分でなく、一方０．３％を超えて含有すると押出性の低下を招く。

内部にＺｎ拡散層が形成された管表面のＺｎ被覆率：８０％以上
溶射法等で広い範囲の表面がＺｎ層で覆われていることで、Ｚｎ拡散熱処理、ろう付け熱処理と組み合わせることで必要な拡散層を得ることができ、防食効果が期待できる。単位面積当たりの被覆率が８０％未満であると、アルミニウム合金管を防食することが困難になり、深い孔食が発生する。
なお、内部にＺｎ拡散層が形成された管表面とは、Ｚｎ拡散熱処理後においてその内側にＺｎ拡散層が形成されている表面を指す。例えば、アルミニウム合金管が扁平管からなり、平坦部に対しＺｎ層を形成する場合には、内部にＺｎ拡散層が形成された管表面は平坦部となる。

Ｚｎ拡散熱処理条件（最高到達温度＜４３０℃、かつ３００℃以上の保持時間３〜１５時間）
アルミニウム合金管に最高到達温度４３０℃未満でかつ３００℃以上で保持時間が３〜１５時間の範囲でＺｎ拡散熱処理を施すことで、ろう付け時の加熱と合わせて必要なＺｎ拡散層を得ることができる。この熱処理を４３０℃以上の高温で実施すると、Ｚｎの拡散に必要な加熱時間は短時間となるが、Ｚｎ拡散層が深さ方向に不均一に分布しバラつきが大きくなるため、４３０℃未満で実施することが好ましい。さらに、４３０℃以上の熱処理は、空気炉雰囲気中で加熱した場合、酸化被膜厚さが大きくなるため、ろう付けによるフィンと管の接合性能を低下させる原因となるため、好ましくない。一方、Ａｌ中のＺｎ拡散を考慮すると、熱処理は３００℃未満では充分でなく、所望のＺｎ拡散深さを得るためには長時間の熱処理が必要となり、生産性を考慮すると好ましくない。なお、Ｚｎ拡散熱処理は、温度を３００〜４３０℃の範囲とし、保持時間を３〜１５時間とするのが望ましい。

管表面からの深さとして、１．０質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第１拡散層が６０μｍ以上、０．２質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第２拡散層が８０μｍ以上のＺｎ拡散層
熱交換器に使用されるアルミニウム合金管に関しては、１．０質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第１拡散層が６０μｍ以上、０．２質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第２拡散層が８０μｍ以上であれば、第１拡散層と第２拡散層との間でＺｎが適当な濃度勾配を有していることを示し、腐食環境においても管を防食できる時間が長くなり、通常環境での使用に対して充分な防食効果が期待できる。
ここで、第１拡散層の深さが６０μｍ未満であれば、Ｚｎ拡散層の犠牲防食効果は不十分で短時間で孔食が発生し貫通する懸念があり、また、第２拡散層の深さが８０μｍ未満であれば、第１拡散層とＺｎが適当な濃度勾配が得られず、腐食環境においても管を防食できる時間が短くなる。

第２拡散層の最大深さと最小深さの比が１．４以下
Ｚｎ拡散熱処理後の第２拡散層において、拡散距離の最大深さと最小深さを測定したとき、最大／最小が１．４以下であれば、ろう付後の製品の各場所で等しい防食性能を有していると判断できる。
なお、拡散距離は、例えば管表面の任意６箇所を測定して、拡散距離の最大深さと最小深さを測定したときの測定結果に基づいて判断して、最大／最小が１．４以下であれば、管の多くの断面においても犠牲防食層内の腐食速度は同程度であり、深さ方向に速い腐食の進行を避けることができるため、ろう付後の製品の各場所で等しい防食性能を有しているとみなすことができる。

側面に３０％以上の開口部を有したボビンを使用
側面に開口部を有するボビンを使用すれば、Ｚｎ拡散熱処理での入熱がよく、長手方向全長に渡って均一なＺｎ拡散層を有するアルミニウム合金管を製造することができる。通常、扁平管はスチール製のボビンに巻きつけて熱処理を施すが、外周部がスチールで覆われると開口部とスチールとが接する面で熱伝導が異なることにより、入熱量のバラつきがより大きくなる。そのバラつきを低減させるために、ボビンの側面に３０％以上の開口部を設けることで、より均一な熱伝導を得ることができてＺｎ拡散層のバラつきを小さくできる。
なお、ボビンの材質としては、スチール製に限定されないが、例えば、熱伝導率が１〜４００Ｗ／ｍ・℃程度のものを好適に使用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、短時間のろう付組立工程であっても必要な耐食性が付与された熱交換器用アルミニウム合金管を製造することができる。

本発明の一実施形態に用いられるアルミニウム合金扁平管を示す斜視図である。 同じく、拡大断面図である。 同じく、熱交換器コアの組み立て状態を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態を示す。
本発明のアルミニウム合金管で使用されるアルミニウム合金は、常法により溶製することができ、半連続鋳造や連続鋳造により得ることができる。
アルミニウム合金管は、既知の方法により製造することができ、押出や引き抜きなどの方法を採用することができる。
図１は、アルミニウム合金管の一例を示すものであり、アルミニウム合金扁平管１が準備される。アルミニウム合金扁平管１は、内側に長手方向に沿って複数の穴２が形成されている。アルミニウム合金扁平管１は、両側に平坦部３を有しており、平坦部３にフィンのろう付けが予定される。

アルミニウム合金管は、表面にＺｎ層を形成する。
管外表面へのＺｎ層の形成は、Ｚｎ溶射、Ｚｎめっき、Ｚｎ置換フラックスの塗布、Ｚｎ粉末塗料の塗布など、さまざまな方法を採用できる。いずれの方法でも、最終的に得られるＺｎ拡散層が本発明の範囲を満足していれば、優れた耐食性を確保できる。
Ｚｎ層の形成は、少なくとも、内側にＺｎ拡散層を形成することが意図される管表面に行えばよく、管表面の全体にＺｎ層を形成することが必須となるものではない。例えば、アルミニウム合金扁平管１である場合、平坦部３を選択してＺｎ層を形成するようにしてもよい。なお、Ｚｎ層の形成を行わず、Ｚｎ層が形成されたアルミニウム合金管を得て処理を行うものであってもよい。

表面にＺｎ層を有するアルミニウム合金管は、予備加熱としてＺｎ拡散熱処理を行う。
Ｚｎ拡散熱処理は、最高到達温度４３０℃未満でかつ３００℃以上で、保持時間が３〜１５時間の範囲で行う。熱処理は、加熱炉内などで行うことができ、雰囲気調整は特に限定されない。

Ｚｎ拡散熱処理後には、図２に示すようにアルミニウム合金管１の表面が、８０％以上の被覆率でＺｎ層４を有している。対象となる表面は、Ｚｎ拡散処理前にＺｎ層が形成されていた表面である。なお、Ｚｎ層の被覆率は、ＨＮＯ_３などの弱酸溶液に短時間浸漬後、ＺｎとＡｌ扁平管の表面を画像処理により二値化してその面積割合を算出する。
また、Ｚｎ拡散熱処理によって、管表面からの深さとして、１．０質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第１拡散層１Ａが６０μｍ以上の深さを有し、０．２質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第２拡散層１Ｂが８０μｍ以上の深さを有している。第１拡散層１Ａは、第２拡散層１Ｂに含まれている。
拡散層の深さは、ＥＰＭＡ線分析により行うことができる。深さの測定位置は特に限定されないが、例えば予め定めた測定点（面方向で位置が異なる例えば６点）において行うことができる。また、本実施形態では、面方向における拡散層の深さのバラつきは小さくなっており、例えば、第２拡散層の最大深さＤ_Ｍと最小深さＤ_Ｌの比が１．４以下であるのが望ましい。

なお、Ｚｎ拡散処理では、側面に３０％以上の開口部を有するボビンを使用して行うことができ、ボビンとしては熱伝導率が１〜４００Ｗ／ｍ・℃程度のスチールなどを用いることができる。

Ｚｎ拡散処理が施されたアルミニウム合金管は、他の熱交換器用部材、例えばフィンと組み込むことによりろう付組み付け体（熱交換器コア）として、ろう付を行う。ろう付条件は、本発明としては特に限定されるものではないが、比較的短時間でのろう付に対応することができ、例えば、最高到達温度５８０〜６１０℃で保持時間なしの短時間ろう付けでも良好なＺｎ拡散層が得られる。図３は、ろう付によって得られた熱交換器コア５を示すものであり、熱交換器用アルミニウム合金管６、６間にフィン７が配置されてろう付されている。

以下に、本発明の実施例を説明する。
表１に示す組成のφ２５０ｍｍのアルミニウム合金ビレットを鋳造し、得られたビレットに５８０℃で６時間保持する均質化処理を行った。続いてビレットを５５０℃に加熱後、熱間押出で肉厚０．３ｍｍ、幅２０ｍｍの押出扁平管を作製した。
押出直後、扁平管平坦部の表裏面に１０〜２０ｇ／ｃｍ^２の付着量となるように、純Ｚｎを溶射して、スチール製ボビンに巻き取りコイル状に束ねた。
その後、表１に示す所定の温度でＺｎ拡散熱処理を実施し、熱処理後の抜き取りサンプルについて、チューブ平坦部表面の平均Ｚｎ被膜率を算出し、平均Ｚｎ濃度と、またＺｎ拡散層の濃度分布をＥＰＭＡ線分析によって測定した。その後、ＳＷＡＡＴ耐食性試験を実施し、扁平管の最大腐食深さと平均腐食減量を調査した。続いて、長さ３００ｍｍの扁平管１５本と両面にろう材をブレージングしたアルミコルゲートフィンと組み合わせてノコロックフラックスを５ｇ／ｍ^２ 塗布して最高到達温度５９５℃、保持時間なしのろう付条件で、熱交換器コアを作製し、ろう付け性を評価した。同時に扁平管単体のろう付熱処理も実施し、引張試験を行い扁平管の材料強度を測定した。
各試験の評価基準は以下の通りである。

（押出性の評価）
通常操業程度の押出速度で実施し、扁平管の表面に基準以上の肌荒れを生じた場合を×とした。

（Ｚｎ拡散層の深さ）
Ｚｎ拡散層の深さは扁平管を樹脂埋めして、任意の６ヶ所のＺｎ被膜部について扁平管の表面から深さ方向へのＺｎ濃度分布をＥＰＭＡ線分析により測定し、１．０質量％以上のＺｎ濃度を有する第１拡散層と、０．２質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第２拡散層の深さを算出した。

（耐食性試験）
ＡＳＴＭ Ｇ８５−Ａ３で規定されているＳＷＡＡＴ耐食性試験を５００時間実施し、チューブの最大腐食深さと腐食減量を測定した。試験後に最大腐食深さが１５０μｍ、平均腐食減量が５０ｍｇ／ｃｍ^２ 以下であるものを合格とした。なお、電位が卑なフィンとの組み合わせによるろう付組み付け体（熱交換器コア）は、扁平管単体の耐食性試験と比較して、フィンによる犠牲防食効果を付与できるため、耐食性試験の難易度は易しい。ここで、実施する扁平管単体の試験で耐食性に優れていれば、コアとしても当然耐食性を満たしていることを意味する。

以上、本発明について上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明は、これら説明の範囲に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは、前記実施形態および実施例において適宜の変更を行うことができる。

１ アルミニウム合金管
１Ａ 第１拡散層
１Ｂ 第２拡散層
２ 穴
３ 平坦部
４ Ｚｎ層
５ 熱交換器コア
６ 熱交換器用アルミニウム合金管
７ フィン

Claims (3)

1. ろう付に供される熱交換器用アルミニウム合金管であって、
   Ｓｉ：０．０１〜０．１５質量％、Ｆｅ：０．１〜０．３質量％、Ｃｕ：０．３〜０．７質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．３質量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有し、
   内部にＺｎ拡散層が形成された管表面の８０％以上がＺｎ層で覆われ、前記管表面からの深さとして、１．０質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第１拡散層が６０μｍ以上、０．２質量％以上の平均Ｚｎ濃度を有する第２拡散層が８０μｍ以上の深さを有し、前記第２拡散層の最大深さと最小深さの比が１．４以下であり、５００時間におけるＳＷＡＡＴ耐食性試験における最大腐食深さが１５０μｍ以下、５００時間での平均腐食減量が５０ｍｇ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金管。
2. 前記熱交換器用アルミニウム合金管が扁平管からなり、Ｚｎ拡散層が形成された管表面が管の平坦部表面であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器用アルミニウム合金管。
3. 請求項１または２に記載された熱交換器用アルミニウム合金管が使用されていることを特徴とする熱交換器コア。

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