JP2016121821A - 耐食性に優れるプレートフィン型熱交換器に用いる偏平管およびそれを用いた熱交換器 - Google Patents
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Abstract
の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、溝部あるいは孔部を複数備えたプレート型のフィンが複数、所定の間隔をあけて配置され、各フィンに形成されている溝部あるいは孔部に嵌合されるプレートフィン型熱交換器用偏平管であって、Siを含むろう粉末とZnを含有したフッ化物フラックスとの混合物にバインダを添加してなるろう付け組成物の塗膜であり、表面粗さRa5μm以下、鉛筆引っ掻き硬度3B以上、H以下の塗膜が表面に形成されたことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
自動車用熱交換器は走行風を利用して熱交換するのに対し、空調用熱交換器はファン送風を利用して熱交換を行うため、フィン間に結露水が溜まると圧損が増加して熱交換性能低下を招く。このため、空調用熱交換器には偏平管を段方向に連通したフィンを用いる構造となっている。
特許文献1に記載の熱交換器は、上下に配列された偏平管の間にフィンの伝熱部を配置し、偏平管の間に通風路を区画し、この通風路を流れる空気と偏平管の内部を流れる流体との間で熱交換がなされる。
このプレートフィン型の熱交換器は、並列配置された複数のフィンに形成した孔部または溝部に嵌合状態で偏平管を一体化してなる。
ところが、プレート型フィンの孔部または溝部に偏平管を差し込んで組み立てを行う場合、圧入によって偏平管を孔部または溝部に嵌合するため、偏平管の表面に塗布したろう材組成物が剥離し、脱落する、というこの種の空調用熱交換器に特有の問題が生じる。
本発明の熱交換器用偏平管において、質量%でMn:0.2〜1.5%、Si:0.2〜0.5%、Cu:0.1%未満、残部Alと不可避不純物の組成のアルミニウム合金の押出材から構成されたことが好ましい。
本発明の熱交換器において、前記フィンが、質量%でMn:1.3〜1.8%、Si:0.7%以下、Fe:0.3%以下、Zn:0.7〜2.5%を含有し、残部Alと不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることが好ましい。
Siを含むろう粉末とZn含有フラックスとバインダを規定量含有する望ましい組成の塗膜を望ましい塗布量で表面に有した偏平管であるならば、良好なろう付け性と優れた耐食性を併せ持つろう付けができる。このため、フィンに対するろう付け強度の高い、ろう付け部分の優れた耐食性を有する偏平管を提供できる。
偏平管についてMnとSiとCuを望ましい範囲含有したアルミニウム合金から形成するならば、押出による製造が容易であり、強度が高く、曲げ性に優れた偏平管を提供することができ、この偏平管を用いたフィンとの接合構造を提供できる。
MnとSiとFeとZnを特定範囲としたアルミニウム合金からなるフィンならば、強度が高く、曲げ剛性に優れ、ろう付け性に優れ、犠牲陽極効果による耐食性にも優れた熱交換器を提供できる。
本実施形態の熱交換器1は、図1(A)に示すように、熱媒としての流体を通す複数の偏平型の偏平管(チューブ)2と、これら偏平管2の外表面に接触して熱を放散するための複数のプレート型のフィン3と備え、偏平管2内を流通する熱媒体としての流体と、フィン3間を流通する空気との間で熱交換がなされる。これら偏平管2及びフィン3は、いずれもアルミニウム合金から構成されている。
なお、一例として偏平管2は図1(A)(B)に詳細構造を示すように、20個程度の内部流路6を形成した構造が採用されるが、図2(B)では図を簡略化するために6個の内部流路6を形成した構造として示している。
一般的な規模の熱交換器1に適用される偏平管2において内部流路6は数個〜数10個形成される。また、偏平管2は高さ(総厚)1mm〜数mm程度、幅数10mm程度であって、内部流路6を区画する内柱5の肉厚は、0.1〜1.5mm程度の肉薄構造が採用される。
以下に偏平管2を構成するアルミニウム合金の組成限定理由について説明する。
「Mn:0.2〜1.5%」
Mnは偏平管2を構成するアルミニウム合金の曲げ性、強度に影響があり、0.2%未満では強度不足となり易く、1.5%を超える含有量では押出が困難となり易く、曲げ性も劣化する。
「Si:0.2〜0.5%」
Siは偏平管2を構成するアルミニウム合金の曲げ性、強度に影響があり、0.2%未満では強度不足となり易く、0.5%を超える含有量では曲げ性が劣化する。
「Cu:0.1%未満」
Cuは偏平管2を構成するアルミニウム合金の耐食性に影響があり、0.1%以上の含有量であると耐食性が劣化する。
以下に偏平管2を構成するアルミニウム合金の組成限定理由について説明する。
「Mn:1.3〜1.8%」
Mnはフィン3を構成するアルミニウム合金の強度に影響があり、1.3%未満では曲げ性が劣化し易く、フィン倒れを生じ易く、1.8%を超える含有量では生産性に問題を生じ易い。
Siはフィン3を構成するアルミニウム合金の強度に影響があり、0.7%を超える含有量では、ろう付け性劣化、フィン倒れを生じ易い。
「Fe:0.3%以下」
Feはフィン3を構成するアルミニウム合金の自己耐食性に影響があり、0.3%を超える含有量では自己腐食速度の劣化から、犠牲防食効果の不足になり易い。
「Zn:0.7〜2.5%」
Znはフィン3を構成するアルミニウム合金の耐食性(犠牲防食効果)に影響があり、0.7%未満では犠牲防食効果が不足し、2.5%を超える含有量では自己腐食速度の劣化から、犠牲防食効果の不足になり易い。
塗膜10を構成するろう付け用組成物は、例えば、ろう粉末とフラックスとバインダとからなるろう付け組成物である。ろう粉末としては、Si粉末、Al−Si粉末、Al−Si0−Zn粉末等が用いられ、フラックスとしては、K1−3AlF4−6、Cs1−3AlF4−6、Cs0.02K1−2AlF4−5、AlF3、KF、KZnF3、K2SiF6などのフッ化物系フラックスが用いられ、バインダとしてはアクリル系樹脂が用いられる。
ろう粉末とフラックスおよびバインダからなるろう付け用組成物の一例として、ろう粉末:2〜3g/m2およびフラックス:4〜7.5g/m2と、これらの合計量に対しバインダを固形分重量%で10〜20%含有したろう付け用組成物を用いることができる。
塗膜10において、フラックスの量が4g/m2未満では塗膜未反応となり、ろう付け困難となり易く、フラックスの量が12.0g/m2を超える場合、耐食性不良となり易い。
塗膜10において、バインダの量が10%未満では、塗膜硬度が少なくなり易く、バインダの量が20%を超える量では塗膜が未反応となり易い。
ろう付け組成物の塗布方法は、本実施形態において特に限定されるものではなく、スプレー法、シャワー法、フローコータ法、ロールコータ法、刷毛塗り法、浸漬法、静電塗布法などの適宜の方法によって行うことができる。
塗膜10の塗布量が8g/m2未満では、充分なフィンフィレットを築くことができず、耐食性不足となり易く、塗布量が20g/m2を超える量であると、塗膜が未反応となりやすく、ろう付け不良を引き起こすおそれがある。塗布量8〜20g/m2の範囲であるならば、前述の塗膜硬度を実現できる必要量の範囲であり、偏平管2とフィン3を確実にろう付けすることができ、耐食性も併せ持つことができる最適の範囲である。
そして、偏平管2とフィン3とは、一定間隔に並べた複数のフィン3の一側方から図1(A)の矢印で示すように、偏平管2を幅方向に沿って各溝部7内に嵌合し固定することで組み立てられている。この構造の場合、偏平管2は、幅方向一端部から扁平な表面にかけた部分が溝部7内に収容され、幅方向の他端部は溝部7の開口部に配置されており、また、溝部7の立ち上げ部8が偏平管2の扁平な表面(表面壁4Aに塗布されている塗膜10の表面)に接触している。そして、偏平管2の幅方向一端部から扁平な表面にかけた部分がフィン3に対し、以下に説明するろう付けにより固定されている。
しかし、本実施形態の塗膜10の表面粗さRaが5μm以下であり、塗膜10の硬度が鉛筆引っ掻き硬度3B以上、H以下であるので、フィン3の溝部7に沿って偏平管2がある程度の摩擦を生じながら嵌合されたとしても、嵌合時に立ち上げ部8によって削り取られる塗膜量を少なくすることができ、偏平管2の表面にろう付けに必要十分な量の塗膜10を残留させることができる。
即ち、塗膜10が表面粗さRaで5μm以下であるならば、嵌合時に偏平管2が溝部7に対しある程度低い摩擦でもって滑りつつ嵌合するので、塗膜10が削り取られる割合を少なくできる。また、嵌合する場合について、塗膜10の硬度が鉛筆引っ掻き硬度3B以上、H以下であり、適度な硬度を有しているため、嵌合時に偏平管2が溝部7に対してある程度低い摩擦でもって滑りつつ嵌合することができ、前記表面粗さRaの規定も関連し塗膜10が削り取られる割合を少なくできる。
したがって、偏平管2の表面に残留しているろう付け用組成物により、フィレット不足を生じることなく、フィン3と偏平管2を確実にろう付けできる。
塗膜10の鉛筆引っ掻き硬度が3B未満では塗膜10が柔らか過ぎてフィン3の溝部7に偏平管2を嵌合する際の摩擦により塗膜10の剥離量が大きくなり、ろう付け不良となるおそれがある。また、嵌合時に偏平管2がフィン3の溝部7の側縁に引っ掛かるという、かじり現象を生じ、塗膜の剥離によるろう付け不良に繋がるおそれもある。
ろう付けのための加熱温度は、上述したように、塗膜10の融点以上であるが、上述した組成からなるろう付け組成物の場合、580〜610℃の範囲に加熱することができ、1〜10分程度保持した後、冷却することができる。
良好なろう付けがなされた熱交換器1においては、偏平管2の表面および偏平管2とフィレットの電位がフィン3に対し0〜50mV卑となる電位バランスを有することが好ましい。
このような電位バランスを有することにより、耐食性に優れた熱交換器1とすることができる。偏平管2の表面および偏平管2とフィレットの電位差が−となる場合は耐食性が不足し、50mVを超えるようであると、腐食によってフィン3の早期脱落を生じるおそれがある。
なお、空調用熱交換器は、自動車用熱交換器とは異なり、フィレットが面接触(フィレット体積が大きい)となっており、脱落までの時間を稼ぐことができるので、以上のような耐食機構が可能となる。
一方、機械的性質が低い場合、耐圧強度が低下してしまう。この熱交曲げ加工と耐圧強度を両立できる合金組成範囲として、上述の合金組成範囲が望ましい。なお、合金組成は使用する偏平管形状によって上述の範囲から適宜選択して良い。
フィン3は犠牲防食の他、熱交曲げ加工時に変形し難い特性が要求されるので、これらを両立できる範囲として、上述の合金組成範囲を選択することが好ましい。
この実施形態の熱交換器11は、熱媒としての流体を通す複数本の偏平管(偏平管)12と、これら偏平管12が串刺し状態に嵌合することにより偏平管12の外表面に接触して熱を放散する多数のフィン13と、各偏平管12を連結するヘッダ管14と、このヘッダ管14を通して流体を偏平管12に供給する供給管15及び偏平管12を経由した流体を回収する回収管16とを備えている。これら偏平管12、フィン13、ヘッダ管14、供給管15及び回収管16は、いずれもアルミニウム合金から構成されている。
そして、偏平管12とフィン13とは、一定間隔に並べたフィン13を串刺しするように、フィン13の孔部19内に偏平管12の直管部17が嵌合し、その直管部17の部分でフィン13がろう付けにより固定されている。
この際には、図2(C)に示すように、フィン13の立ち上げ部20が挿入方向の後方を向くように挿入される。そして、多数枚のフィン13を順次嵌め込み、前方のフィン13の立ち上げ部20に後方のフィン13の表面が接触した状態とすることにより、各フィン13が立ち上げ部20の長さに相当する一定の間隔を開けて配置される。 このようにして多数枚のフィン13を偏平管12に嵌め込んだ後、全体を加熱炉に入れて加熱することにより、偏平管12表面のろう付け用組成物を溶融させ、その後、冷却して固化させフィン13と偏平管12とを一体化する。
このため、ろう付け部分に良好なフィレットを形成することができ、第1実施形態の熱交換器1の場合と同様、フィン13と偏平管12を良好な強度でろう付けすることができる。
各偏平管の表裏面に表3に示すSi粉末量、フラックス量(KZnF3量)、バインダ量のろう付け組成物からなる塗膜を表3に示す塗布量で塗布し、試験用の塗膜付き偏平管を得た。
表2に示す組成のアルミニウム合金の鋳塊を均質化処理した後、熱間圧延と冷間圧延を施して厚さ0.1mmのプレートフィンを複数作成した。これらのプレートフィンを図2に示す構造と同じように、50枚フィンピッチ1.4mmとして幅約70mm(積層フィン50枚が占める積層方向の全体幅)になるように積層し、前記偏平押出管を図2に示す構造と同じようにU字形に加工して3段、合計6段、高さ約85mm(U字形偏平管6段合計の全体高さ)になるように配置し、各プレートフィンに形成した溝に偏平押出管を通過させて図2に示す概形と類似形状となるように組み立て、熱交換器試験体を形成した。表3に各合金からなるフィレットの電位(vsカロメル飽和電極による電位測定:2.67%AlCl3水溶液)を併記した。
得られた熱交換器について、塗膜表面粗さ(算術平均粗さRa:JISB601規定)の測定、鉛筆引っ掻き試験による硬度測定、vsカロメル飽和電極による電位測定(2.67%AlCl3水溶液)、ろう付け性試験、破壊圧力測定、耐食性について試験した。
それらの試験結果について表8〜表10に示す。
「ろう付け性」
フィン接合率100%は○、70〜99%は△、70%未満は×で示す。
フィレットサイズがフィン厚さの2.0倍以上は◎、1.5倍以上〜2.0倍未満は○、1.0倍以上〜1.5倍未満は△、1.0倍未満は×で示す。
フィレットサイズとは、図3に示すように偏平管の表面とその上に設置されているフィンとの間にろう付けによりフィレットが形成されている場合、フィンの角部の外側に拡がるように形成されているフィレットの断面において、斜め45゜方向の厚さを示す。より詳しくは、フィレットが付着しているフィン外面に沿って垂線を偏平管の表面に降ろした位置から45゜斜め上方に向かう方向に沿うフィレットの厚さをフィレットサイズと称する。
ろう付け後の破壊圧力を測定した。破壊圧力の測定は、測定対象の偏平管に直接、手動ポンプで水圧を付与して破壊した時の圧力値(MPa)を読み取った。
「耐食性」
SWAAT試験(50日)後の評価を行った。SWAAT試験50日後の残存率70%以上は◎、60%以上〜70%未満は○、40%以上〜60%未満は●、20%以上〜40%未満は△、20%以下は×で示す。
残存率はフィンの残存率とフィンフィレットの残存率を個別に計測した。
「貫通孔発生時期」
SWAAT試験により偏平管に貫通孔が発生した時期を計測した。
これらに対し、表面粗さRa5μm以下、鉛筆引っ掻き硬度3B以上、H以下、バインダ量の何れかの条件を満足していない比較例1、2、3の試料は、フィン接合率が低く、フィレットサイズが小さく、破壊圧力も低くなった。
実施例1〜10の試料より実施例12〜21の試料の方がSWAAT50日後フィン残存率が悪いが、SWAAT50日後のフィンフィレット残存率が優れているので総括的耐食性は良い。
なお、表8〜表10に示す耐食性を示すSWAAT試験において、フィンによる犠牲防食効果を得るためには、SWAAT50日後フィン残存率とフィンフィレット残存率の比較において、フィンフィレット残存率の方がより重要と考えている。フィンフィレット残存率は重要であるが、Zn供給量を増やした場合は、チューブの自己耐食性も向上する。このため、フィン残存率が優れていれば、フィンフィレット残存率は×であっても耐食性は合格と考えることができる。逆に言えば、Zn供給量が少ない試料はチューブの自己耐食性が低くなるため、フィンによる犠牲防食が重要となり、フィンフィレット残存率は○か◎でなくてはならなくなる。
これらの実施例で重要なことは、偏平管に腐食で孔があかないこととなる。このため、偏平管・貫通孔発生時期までの日数が長い試料ほど有用となる。
Claims (5)
- 溝部あるいは孔部を複数備えたプレート型のフィンが複数、所定の間隔をあけて配置され、各フィンに形成されている溝部あるいは孔部に嵌合されるプレートフィン型熱交換器用偏平管であって、
Siを含むろう粉末とZnを含有したフッ化物フラックスとの混合物にバインダを添加してなるろう付け組成物の塗膜であり、表面粗さRa5μm以下、鉛筆引っ掻き硬度3B以上、H以下の塗膜が表面に形成されたプレートフィン型熱交換器用偏平管。 - Siを含むろう粉末:2〜6g/m2、Zn含有フラックス:4〜12.0g/m2を含有し、前記Siを含むろう粉末と前記Zn含有フラックスの合計量に対し、10〜20%のバインダを含む塗膜であり、この塗膜を8〜20g/m2の塗布量で表面に配置した請求項1に記載のプレートフィン型熱交換器用偏平管。
- 質量%でMn:0.2〜1.5%、Si:0.2〜0.5%、Cu:0.1%未満、残部Alと不可避不純物の組成のアルミニウム合金の押出材から構成された請求項1または請求項2に記載のプレートフィン型熱交換器用偏平管。
- 溝部あるいは孔部を複数備えたプレート型のフィンが複数、所定の間隔をあけて配置され、各フィンに形成されている溝部あるいは孔部に請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の偏平管が嵌合され、各偏平管表面に塗布された塗膜を加熱し溶融し凝固させてなるフィレットにより前記フィンと前記偏平管が接合されてなり、前記偏平管表面および偏平管ろう付け部分の電位が前記フィンに対し0〜50mV卑となる電位バランスを有することを特徴とするプレートフィン型熱交換器。
- 前記フィンが、質量%でMn:1.3〜1.8%、Si:0.7%以下、Fe:0.3%以下、Zn:0.7〜2.5%を含有し、残部Alと不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項4に記載のプレートフィン型熱交換器。
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