JP4257649B2

JP4257649B2 - 耐アベック性に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材

Info

Publication number: JP4257649B2
Application number: JP2003365796A
Authority: JP
Inventors: 直人碓井; 堅勝又
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2023-10-27
Also published as: JP2005126799A

Description

この発明は、熱交換器のフィンに用いられるアルミニウム合金フィン材であって、ドローレス加工によってカラー成形部を形成してチューブなどとともに熱交換器を構成する熱交換器用アルミニウム合金フィン材に関する。

熱交換器の作製に際し、フィンに形成されたカラー成形部にチューブを挿通することで多数のフィンを所定ピッチの間隔で積層した状態にし、さらに前記チューブを拡管することでチューブとフィンとを固定して熱交換器の組み立てを行うものが知られている（例えば特許文献１）。すなわち、図３に示すように、プレートフィン３０にカラー成形部３１を形成し、カラー成形部３１の内側の貫通孔３２にチューブ２０を挿通する。その後、チューブ２０を拡管することで積層したプレートフィン３０とチューブ２０とが固定される。
ところで、近年、エアコンの小型化に伴い熱交換器も小型化してきており、これによって熱交換器のフィンピッチが小さくなり、またチューブ径の小径化、フィンパターンも簡素化してきている。また、コスト低減としてフィン板厚の薄肉化が進んでおり、過去は板厚１１０μｍ程度であったが、近年では１００〜９０μｍの厚みになっている。
特開昭５５−１７０２号公報

しかし、フィンの薄肉化はフィンの剛性を低下させる要因となり、したがって拡管工程時に、図３に示すようにアルミニウムフィンを用いた熱交換器のフィンピッチが乱れるアベック現象が発生するという問題がある。旧来のように、１１０μｍを超える板厚ではフィンの剛性がありアベックは発生しにくいが、１１０μｍ未満、特に１００μｍ以下になるとフィンの剛性が低下し、アベックが発生しやすくなる。
アベック現象は熱交換器の外観を損なうだけでなく、通風抵抗を増大させ、熱交換器性能の低下にもつながるため大きな問題となるため、フィンの薄肉化を妨げる原因になっている。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、薄肉とした場合にも上記アベック現象が生じ難い熱交換器用アルミニウム合金フィン材を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するべく研究を重ね、フィン材に含まれるＣｕ、Ｍｇについて着目した。すなわち、Ｃｕ、Ｍｇの添加は加工硬化量を増大させるので、カラー成形部を成形することによってカラー成形部が加工硬化して強度が高くなり、未成形部の強度よりカラー成形部の強度が上回ることになる。このため拡管時に比較的強度の低い未加工部が曲がってアベックが発生する。特にドローレス加工によってＣｕ、Ｍｇを含有するフィン材にカラー成形部を形成する場合には、しごぎ加工時に加わる応力によってカラー成形部の縦壁部分が顕著に加工硬化し、拡管時にアベックが発生しやすくなる。
そこで、本発明では、Ｃｕ、Ｍｇ量の含有量とともに他成分を適切に調整することで上記アベック現象が生じ難いものとしている。

すなわち、上記課題を解決するため本発明の耐アベック性に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材のうち、請求項１記載の発明は、質量％で、Ｓｉ：０．０５〜０．９％、Ｆｅ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜０．６％、Ｚｒ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％を含有するとともに、不純物としてＣｕ：０．０２５％以下に規制し、残りがＡｌと不純物からなる組成を有し、ドローレス加工に供されるものであることを特徴とする。

請求項２記載の耐アベック性に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材は、請求項１記載の発明において、さらに質量％で、不純物としてＭｇ：０．０２５％以下に規制することを特徴とする。

請求項３記載の耐アベック性に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材の発明は、請求項１または２に記載の発明において、板厚が０．１１ｍｍ未満であることを特徴とする。

以下に、本発明で規定する成分の限定理由について説明する。なお、各成分の含有量はいずれも質量％で示されている（以下、同じ）。

Ｓｉ：０．０５〜０．９％
この発明の合金においては不純物としてＳｉを含有するが、０．９％を超えて含有すると合金特性が阻害されるようになるので、上限を０．９％とする。また不純物であるＳｉは発明合金に悪影響を及ぼさない範囲での含有が許容されることと、あまりに不純物量を厳格に管理すると材料コストが嵩むことからＳｉについての下限を０．０５％とする。なお、上記と同様の理由でＳｉ含有量の上限を０．５％とするのが望ましい。

Ｆｅ：０．１〜０．５％
Ｆｅ成分は合金に固溶して合金の強度及び耐食性を向上させると共に、成形性を改善する均等的作用があり、これら作用を得るために０．１％以上の含有が必要である。一方、０．５％を超えて含有させると耐食性が低下するようになる。したがって、Ｆｅ含有量を０．１〜０．５％に限定する。なお、同様の理由で下限を０．１％、上限を０．３％とするのが望ましい。

Ｍｎ：０．１〜０．６％
Ｍｎ成分には、合金素地中に固溶して合金の再結晶温度を上昇させると共に、合金を固溶強化させ、更に結晶粒の微細化及び成形性改善に寄与し、耐食性に対して悪影響を及ぼすＦｅ成分と化合物を形成して合金の耐食性を改善する作用がある。その含有量が０．１％未満では、前記作用に効果が得られず、一方、０．６％を超えて含有させると、粗大化合物が析出して成形性が劣化するようになることから、その含有量を０．１〜０．６％と定めた。なお、同様の理由で下限を０．２％、上限を０．４％とするのが望ましい。

Ｚｒ：０．０１〜０．１５％
Ｚｒ成分には、合金の再結晶温度を更に上昇させて冷間加工材の焼鈍軟化曲線を緩やかにしてＨ２ｎ系調質処理を容易にする作用がある。しかしＺｒ含有量が０．０１％未満では上記作用が十分に得られないので、０．０１％以上の含有が必要である。また、Ｚｒ含有量が０．１５％を超えても、上記作用に更に一段の効果向上は見られず、鋳造性を阻害する等、製造上（品質安定上）困難になることもあるので、経済的理由も踏まえて上限値を前記のように定めた。なお、同様の理由で下限を０．０１％、上限を０．０５％とするのが望ましい。

Ｔｉ：０．００５〜０．１％
Ｔｉ成分は鋳造組織の微細化に効果があり、該効果を十分に得るために０．００５％以上の含有が必要である。一方、０．１％を超えて含有させると粗大結晶の形成によって成形性が劣化するようになることから、Ｔｉ含有量を０．００５〜０．１％に定めた。

Ｃｕ：０．０２５％以下
Ｃｕは、加工硬化を顕著にする成分であり、不可避不純物中のＣｕ含有量を０．０２５％以下に規制することでカラー成形部の加工硬化量を低く抑えることができ、熱交換器を組み立てる際のアベック現象を防止することができる。なお、同様の理由によりＣｕ含有量をさらに０．０２％以下に規制するのが望ましい。上記の点より、Ｃｕ含有量はできるだけ少なくすることが望まれるが、あまりにＣｕ含有量を低く規制すると材料費が嵩んで工業性に劣るため、０．００５％を下限としてもよい。

Ｍｇ：０．０２５％以下
ＭｇもＣｕと同様に加工硬化を増大させる成分であり、所望により不可避不純物中のＭｇ量をＣｕとともに０．０２５％以下に規制することができる。Ｍｇ含有量の規制によってカラー成形部の加工硬化量をさらに低く抑えてアベック現象の防止をより一層効果的にすることができる。なお、同様の理由によりＭｇ含有量をさらに０．０２％以下に規制するのが望ましい。また、Ｍｇ含有量もＣｕと同様にできるだけ少なくすることが望まれるが、Ｃｕと同様に工業性を考慮して０．００５％を下限としてもよい。

本願発明のフィン材は、その板厚が特定のものに限定されるものではないが、特に０．１１ｍｍ未満の厚さでアベック現象が生じやすいことから、０．１１ｍｍ未満（さらには０．１ｍｍ以下）の厚さの薄板で特に顕著な効果が得られる。また、カラー成形部の成形に用いられるドローレス加工においては、特にしごき加工時での加工硬化量が大きいことから、ドローレス加工に供されるフィン材において特に顕著な効果が得られる。

すなわち、本発明によれば、Ｃｕ含有量の規制（さらに望ましくはＣｕ、Ｍｇ量の規制）によって加工硬化が低く抑えられ、加工部と未加工部との硬度差が小さくなってアベック現象の発生を極力防止する。本発明によれば、耐アベック性に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材が得られるもので、今後、フィン材の薄肉化によるアベック現象低減に大きく貢献するものである。

以下に、本発明の一実施形態を説明する。
本発明のフィン材は、例えば常法により製造することができ、本発明組成に調製して鋳造、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延などを経て薄板状とすることができる。また、本発明組成に調製して連続鋳造圧延によって板材とした後、冷間圧延を経て薄板状とするものであってもよい。その後は、例えば２００〜３５０℃に加熱してＨ２６調質を行う。
なお、上記製造工程において、本発明としては特にその内容が限定されるものではなく、適宜の工程によって製造することができる。
本発明組成に調整されたアルミニウム合金フィン材は、ドローレス加工によってカラー成形部を設ける。

図１は、本発明のフィン材１にドローレス加工によってカラー成形部４を設ける工程を示す図である。
すなわち、フィン材１の所望の箇所にカラー成形部用にピアスパーリングを行い、次いで、第１、第２アイアニングを行ってカラー粗部２を形成する。このカラー粗部２にはさらにリフレア加工を行って貫通孔３を有するカラー成形部４を形成する。

このような成形を経て得られるプレートフィン１０は、図２に示すように、カラー成形部４の高さによって間隔を規制するようにして多数を積層し、前記貫通孔３にチューブ２０を挿通する。なお、チューブ２０の固定に際しては、チューブ２０を貫通孔３の内径よりも多少外径が小さい形状にしておき、積層したプレートフィン１０の貫通孔３内にチューブ２０を挿入した状態で、チューブ２０をプラグ（図示しない）などで拡径してチューブ２０の外周部をカラー成形部４に押付けることでプレートフィン１０とチューブ２０との固定を行う。
本発明のフィン材によって製作されたプレートフィン１０は、このチューブ２０の拡管に際し、アベックが生じにくく、各プレートフィンが所定の間隔を保って整然と積層された熱交換器が得られる。

表１に示されている組成（残部：Ａｌおよびその他の不純物）のＡｌ合金鋳塊に通常の条件で熱間圧延を施して熱延板とした後、６０〜９９％の圧下率で冷間圧延を施して板厚０．１ｍｍの薄板を成形し、さらに、上記薄板に２７５℃の温度で６時間保持の調質焼鈍により、Ｈ２６調質材を作製した。その後、ドローレス加工法によりフィン内径φ３／８、φ５／１６インチ、フィンピッチ１．１〜１．８ｍｍの条件でフィンプレス加工を行い、プレス加工後のフィンについて熱交換器を製作し、拡管試験機にて拡管評価を行った。
また、プレス加工後フィンについてフィンカラー断面のビッカース硬度の測定を行い、カラー成形部の硬度及び加工硬化量の比較を行った。その結果を表２に示した。
拡管評価については、拡管後の熱交換器のアベック発生状態について観察を行い、アベックが発生していないものは○、アベックが軽度に発生したものは△、アベックが著しく発生したものは×とした。その結果を表２に示した。

表２より明らかなように、本発明例はＣｕ、Ｍｇ量を低減したことにより、アベックの発生を無くすことができ、これはフィンカラー成形部の硬度が低くなったいわゆる加工硬化量が減少したことによるものである。
一方、本発明範囲外の組成については、アベックが発生し、フィンカラー成形部の硬度が高く、よって加工硬化量も増加した。

本発明のフィン材を用いたドローレス加工工程を示す図である。同じく、本発明のフィン材により作製されたフィンとチューブとの組付けを示す図である。従来のフィン材により作製されたフィンとチューブとの組付けによって、アベック現象が発生した状態を示す図である。

符号の説明

１フィン材
２カラー粗部
３貫通孔
４カラー成形部
１０プレートフィン
２０チューブ

Claims

質量％で、Ｓｉ：０．０５〜０．９％、Ｆｅ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜０．６％、Ｚｒ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％を含有するとともに、不純物としてＣｕ：０．０２５％以下に規制し、残りがＡｌと不純物からなる組成を有し、ドローレス加工に供されるものであることを特徴とする耐アベック性に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材。
さらに質量％で、不純物としてＭｇ：０．０２５％以下に規制することを特徴とする請求項１記載の耐アベック性に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材。
板厚が０．１１ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の耐アベック性に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材。