JP6457271B2 - Al合金管の接合体、ならびに、これを用いた熱交換器 - Google Patents
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Description
前記Al合金管の内管が、Mn:0.8〜1.6質量%、Cu:0.22〜0.75質量%、Si:0.7質量%未満、Fe:0.7質量%未満を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、前記Al-Zn犠牲層が、Zn:1.8質量%以上5.0質量%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
ろう付け前の状態において、前記ストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、
ろう付け後の状態において、前記ストレート部の外表面とフレア部の内表面に接するフィレットが形成されており、当該フィレットがJIS4045又は4047から選択されるAl−Si系合金のろう材から成り、前記フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、
前記フィレットとストレート部のAl-Zn犠牲層の設けられていない外表面との接合界面におけるZn濃度が0.2質量%未満であることを特徴とするAl合金管の接合体とした。
前記Al合金管の内管が、Mn:0.8〜1.6質量%、Cu:0.22〜0.75質量%、Si:0.7質量%未満、Fe:0.7質量%未満を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、前記Al-Zn犠牲層が、Zn:1.8質量%以上5.0質量%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
ろう付け前の状態において、前記ストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、
ろう付け後の状態において、前記ストレート部の外表面とフレア部の内表面に接するフィレットが形成されており、当該フィレットがJIS4045又は4047から選択されるAl−Si系合金のろう材から成り、前記フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、前記フィレットの管軸方向におけるフレア部先端側でストレート部の外表面と接するフィレット端部が、ストレート部の外表面のAl-Zn犠牲層の端部に接しており、
前記フィレットとストレート部のAl-Zn犠牲層の設けられていない外表面との接合界面におけるZn濃度が0.2質量%未満であることを特徴とするAl合金管の接合体とした。
前記Al合金管の内管が、Mn:0.8〜1.6質量%、Cu:0.22〜0.75質量%、Si:0.7質量%未満、Fe:0.7質量%未満を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、前記Al-Zn犠牲層が、Zn:1.8質量%以上5.0質量%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
ろう付け前の状態において、前記ストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、
ろう付け後の状態において、前記ストレート部の外表面とフレア部の内表面に接するフィレットが形成されており、当該フィレットがJIS4045又は4047から選択されるAl−Si系合金のろう材から成り、前記フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、前記フィレットの管軸方向におけるフレア部先端側でストレート部の外表面と接するフィレット端部が、ストレート部の外表面のAl-Zn犠牲層の表面に接しており、前記フィレット端部からフィレットとストレート部の外表面に設けたAl-Zn犠牲層とが管軸方向に沿って連続して接している長さが、フィレットの管軸方向に沿った全体長さの60%未満であり、
前記フィレットとストレート部のAl-Zn犠牲層の設けられていない外表面との接合界面におけるZn濃度が0.2質量%未満であることを特徴とするAl合金管の接合体とした。
前記Al合金管の内管が、Mn:0.8〜1.6質量%、Cu:0.22〜0.75質量%、Si:0.7質量%未満、Fe:0.7質量%未満を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、前記Al-Zn犠牲層が、Zn:1.8質量%以上5.0質量%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
ろう付け前の状態において、前記ストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、
ろう付け後の状態において、前記ストレート部の外表面とフレア部の内表面に接するフィレットが形成されており、当該フィレットがJIS4045又は4047から選択されるAl−Si系合金のろう材から成り、前記フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、前記フィレットの管軸方向におけるフレア部先端側でストレート部の外表面と接するフィレット端部が、ストレート部の外表面のAl-Zn犠牲層の設けられていない部分において内管の表面に接しており、前記Al-Zn犠牲層の設けられていない部分の両端にあるAl-Zn犠牲層の端部のうちフィレットの形成されていない側のAl-Zn犠牲層端部と前記フィレット端部との管軸方向に沿った距離が、フィレットの管軸方向に沿った全体長さの60%未満であり、
前記フィレットとストレート部のAl-Zn犠牲層の設けられていない外表面との接合界面におけるZn濃度が0.2質量%未満であることを特徴とするAl合金管の接合体とした。
本発明者らは、Al−Zn犠牲層を設けたAl合金管をトーチろう付けによって接合した場合に、接合部においてAl−Zn犠牲層が優先腐食して貫通漏れに至る現象についてメカニズムを検討した。具体的には図1に示すように、端部をフレア加工にて拡管した一方のAl合金管のフレア部1に他方のAl合金管のストレート部2を挿入して、トーチろう材5を用いてトーチろう付けによって両管を接合する場合について検討した。ここで、フレア部1、ストレート部2の内管4の外面に形成された層3は、Al−Zn犠牲層を表す。
両端部がストレート部2又はストレート部2からなる複数のAl合金管を用いてこれらを接合するものである。図4に示すように、一方の端部をフレア部1とし他方の端部をストレート部2としたAl合金管を複数用いて、第1のAl合金管のストレート部2を第2のAl合金管のフレア部1に嵌合させ、次いで、第2のAl合金管のストレート部2を第3のAl合金管のフレア部1に嵌合させる。これを順次繰り返して、複数のAl合金管の全てについてストレート部2をフレア部1に嵌合させて嵌合体を作製する。そして、嵌合部分を順次又は一挙にトーチろう付け等のろう付けによって接合して接合体とするものである。
次に、接合部の具体的な形態について説明する。
図4に示すように、この第1形態では、ストレート部2の外表面とフレア部1の内表面に接するフィレット5が設けられる。図中において51は、フィレット5の管軸方向におけるフレア部1先端側の端面であり、511は、51がストレート部2の外表面と接する部位である。以下において、51をフィレット端面、511をフィレット端部と記す。また、フレア部1内に嵌入されていないストレート部2のうちフィレット端面51側の所定部分には、Al-Zn犠牲層3が設けられていない。そして、フィレット端部511は、フレア部1内に嵌入されていないストレート部2の外表面に設けられたAl-Zn犠牲層3のフィレット端面51側の端部33と接している。この第1形態では、フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分を存在させるが、このような部分は、フィレットに接するストレート部の外表面の少なくとも一部であり、全体にわたってもよい。このように、Al-Zn犠牲層が設けられていない部分が全体にわたっている場合には、一部の場合に比べてAl-Zn犠牲層除去の加工が容易になる。このことは、第2、3形態においても同様である。
図5に示すように、この第2形態においても、ストレート部2の外表面とフレア部1の内表面に接するフィレット5が設けられる。この形態では、ストレート部2のうちフレア部1内に嵌入されている部分の一部には、Al-Zn犠牲層3が設けられていない。そして、フィレット端部511は、フレア部1内に嵌入されていないストレート部2の外表面に設けられたAl-Zn犠牲層3の表面に存在している。この第2形態においても上記第1形態と同様に、フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分を存在させるが、このような部分は、フィレットに接するストレート部の外表面の少なくとも一部であり、全体にわたってもよい。なお、第1形態及び第2形態において、全体にわたってAl-Zn犠牲層が設けられていない部分が存在する場合には両者は同じ形態となる。
図6に示すように、この第3形態においても、ストレート部2の外表面とフレア部1の内表面に接するフィレット5が設けられる。この形態では、ストレート部2の一部にAl-Zn犠牲層3が設けられていない部分(乖離部分)があり、フィレット端部511は、この乖離部分において内管4と接している。この第3形態においても上記第1、2形態と同様に、フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分を存在させるが、このような部分は、フィレットに接するストレート部の外表面の少なくとも一部であり、全体にわたってもよい。
更に、犠牲層が除去された乖離部分が露出している構成により、手ろう付けのようなろう材浸透量がバラツキ易いろう付け方法においても、乖離部分を目視確認しながらろう付けができるため、乖離部分に確実にろう材を回すことができる。
本発明に係るAl合金管の接合体では、フィレット5とAl合金管ストレート部2のAl−Zn犠牲層が設けられていない外表面との接合界面におけるZn濃度が0.2質量%未満であることが望ましい。このZn濃度は0質量%であってもよい。接合界面の表面Zn濃度が0.2質量%以上では、接合界面のZn層から優先的に腐食が進行し、早期に貫通してしまうおそれがある。
次に、Al合金管の内管の合金組成について述べる。この合金組成は、Mn:0.8〜1.6質量%、Cu:0.1〜0.8質量%、Si:0.7質量%未満、Fe:0.7質量%未満を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなる合金が好ましい。以下に、前記各合金元素の役割について説明する。
Mnは、強度向上に大きく寄与する元素である。0.8質量%未満では、その効果が十分でなく、1.6質量%を超えると加工性が低下し、加工時に割れや破断が生じ易くなる。
Cuは、アルミニウム合金中に固溶して強度を向上させるのに寄与する元素である。また、接合部においてフィレットがAl−Zn犠牲層の無い内管と接している場合、トーチろう付の際に内管のCuがフィレット方向に拡散する。それよってフィレット部の自然電位が貴化し耐食性が向上する。0.1質量%未満ではその効果が十分でなく、0.8質量%を超えると耐食性が低下する。
Si及びFeは不純物として混入することが多いが、上記の濃度範囲であれば含有していてもかまわない。しかしながら、Siの含有量が0.7質量%以上では、合金の加工性が低下し、加工時に割れや破断が生じ易くなり、また耐食性が低下する。Feについても含有量が0.7質量%以上では耐食性が低下する。
内管の外表面に設けられたAl-Zn犠牲層は、Zn:0.5〜5.0質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からのが好ましい。以下に、Zn元素の役割について説明する。なお、上述のように敢えて設けない箇所を除いて、接合すべきAl合金管の全表面には、Al−Zn犠牲層を設けるのが好ましい。
Znは、耐食性を向上させるのに寄与する元素である。0.5質量%未満ではその効果が十分でなく、5.0質量%を超えると腐食速度が大きくなり過ぎてしまい、耐食性の向上に寄与しない
本発明において、ろう付に用いるろう材の合金組成については特に限定されるものではないが、JIS4045や4047などのAl−Si系合金が好適に用いられる。
Al合金管は以下のようにして作製される。ここでは、Al−Zn犠牲層がクラッド層の場合について説明する。まず、円筒状の内管の外面にクラッド層となる皮材スリーブを被せて、組み合わせビレットを作製する。所望のクラッド層厚さになるように、皮材スリーブの厚さを選定する。次いで、組み合わせビレットを加熱炉で350℃〜600℃に均熱する。次いで、組み合わせビレットをダイスとラムノーズ間に狭持してコンテナ内に挿入し、ダイスとラムノーズを固定した状態で芯材内径より大きな外径をもつマンドレルを圧入し、内管の内径を拡管して内管と皮材間の空気を追い出す。更に、マンドレルを所定の位置に固定して、ホローシステムを前進させダイスを通して組み合わせビレットを押し出し、継ぎ目無しの中空管材とするものである。最後に、抽伸工程を経て所定の外径と内径を有するAl合金クラッド管を作製する。
これに代わって、押し出し成形によって内管を作製し、その外面に溶射によってZn溶射層を形成しても、めっきによってZnめっき層を形成しても、或いは、Zn置換処理層によってZn置換処理層を形成しても良い。
一端を拡管した一方のAl合金管のフレアー部に、接合部にフラックスを塗布した他方のAl合金管を挿入する。次いで、接合部にトーチろう材を配置し、プロパン・エアー・トーチ等のトーチを用いたトーチろう付けによって両管をろう付け接合する。フラックスには、フッ化物系フラックス、セシウム系フラックスを用いることができる。このように、トーチろう付け方法は、一般的な方法を用いることができる。
本発明に係る熱交換器は、上述のAl合金管の接合体とフィン材とを接合することによって得られる。フィン材としては、JISA1200合金やJISA1100合金等が用いられる。これらの合金を用いることでAl合金管の接合体を入れるフィン穴の形状(バーリング形状)を、フィンとAl合金管の接合体を密着させる形状に成型できる。これらAl合金管の接合体とフィン材と組み合わせて、拡管用の治具を管内部に押し込み、Al合金管の接合体を広げフィン穴と密着させ接合する。この後に、拡管用の治具を入れたAl合金管同士を、拡管した同構成のU字管の部品でつなぎ、接合部にワイヤーろうを配置してトーチろう付けすることによって熱交換器が製造される。
まず、上記第1形態の例について説明する。各種評価には外径φは7mm、全肉厚tは0.8mm、クラッド率は20%、すなわちクラッド厚さは160μmの2層クラッド管を用いた。
次に、上記第2形態の例について説明する。評価に用いた材料及び形状、材料の製造方法、ろう付方法、ならびに、評価方法は第1形態と同じである。また、内管表面のAl−Zn犠牲層の一部を、ろう付前にあらかじめ機械的に除去して第2形態を形成した。
表1、2におけるのと同じである。結果を表3、4に示す。
更に、上記第3形態の例について説明する。評価に用いた材料及び形状、材料の製造方法、ろう付方法、ならびに、評価方法は第1形態及び第2形態と同じである。また、内管表面のAl−Zn犠牲層の一部を、ろう付前にあらかじめ機械的に除去して第3形態を形成した。
2・・・ストレート部
3・・・クラッド層、Zn溶射層、Znめっき層、Zn置換処理層
31・・・Al−Zn犠牲層
32・・・Al−Zn犠牲層
33・・・Al-Zn犠牲層のフィレット端面側の端部
4・・・内管
5・・・トーチろう材、ろう材フィレット
51・・・フィレットの管軸方向におけるフレア部先端側の端面
511・・・フィレットの管軸方向におけるフレア部先端側の端面がストレート部の外表面と接する部位
6・・・フィレットの管軸方向に沿った全体長さ
7・・・接合部
Claims (5)
- 両端部がストレート部又はフレア部のいずれかからなる複数のAl合金管を用い、内管の外表面にAl-Zn犠牲層を備えた一方のAl合金管のストレート部と他方のAl合金管のフレア部とを嵌合して複数のAl合金管をろう付けした接合体であって、
前記Al合金管の内管が、Mn:0.8〜1.6質量%、Cu:0.22〜0.75質量%、Si:0.7質量%未満、Fe:0.7質量%未満を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、前記Al-Zn犠牲層が、Zn:1.8質量%以上5.0質量%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
ろう付け前の状態において、前記ストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、
ろう付け後の状態において、前記ストレート部の外表面とフレア部の内表面に接するフィレットが形成されており、当該フィレットがJIS4045又は4047から選択されるAl−Si系合金のろう材から成り、前記フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、
前記フィレットとストレート部のAl-Zn犠牲層の設けられていない外表面との接合界面におけるZn濃度が0.2質量%未満であることを特徴とするAl合金管の接合体。 - 両端部がストレート部又はフレア部のいずれかからなる複数のAl合金管を用い、内管の外表面にAl-Zn犠牲層を備えた一方のAl合金管のストレート部と他方のAl合金管のフレア部とを嵌合して複数のAl合金管をろう付けした接合体であって、
前記Al合金管の内管が、Mn:0.8〜1.6質量%、Cu:0.22〜0.75質量%、Si:0.7質量%未満、Fe:0.7質量%未満を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、前記Al-Zn犠牲層が、Zn:1.8質量以上5.0質量%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
ろう付け前の状態において、前記ストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、
ろう付け後の状態において、前記ストレート部の外表面とフレア部の内表面に接するフィレットが形成されており、当該フィレットがJIS4045又は4047から選択されるAl−Si系合金のろう材から成り、前記フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、前記フィレットの管軸方向におけるフレア部先端側でストレート部の外表面と接するフィレット端部が、ストレート部の外表面のAl-Zn犠牲層の端部に接しており、
前記フィレットとストレート部のAl-Zn犠牲層の設けられていない外表面との接合界面におけるZn濃度が0.2質量%未満であることを特徴とするAl合金管の接合体。 - 両端部がストレート部又はフレア部のいずれかからなる複数のAl合金管を用い、内管の外表面にAl-Zn犠牲層を備えた一方のAl合金管のストレート部と他方のAl合金管のフレア部とを嵌合して複数のAl合金管をろう付けした接合体であって、
前記Al合金管の内管が、Mn:0.8〜1.6質量%、Cu:0.22〜0.75質量%、Si:0.7質量%未満、Fe:0.7質量%未満を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、前記Al-Zn犠牲層が、Zn:1.8質量%以上5.0質量%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
ろう付け前の状態において、前記ストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、
ろう付け後の状態において、前記ストレート部の外表面とフレア部の内表面に接するフィレットが形成されており、当該フィレットがJIS4045又は4047から選択されるAl−Si系合金のろう材から成り、前記フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、前記フィレットの管軸方向におけるフレア部先端側でストレート部の外表面と接するフィレット端部が、ストレート部の外表面のAl-Zn犠牲層の表面に接しており、前記フィレット端部からフィレットとストレート部の外表面に設けたAl-Zn犠牲層とが管軸方向に沿って連続して接している長さが、フィレットの管軸方向に沿った全体長さの60%未満であり、
前記フィレットとストレート部のAl-Zn犠牲層の設けられていない外表面との接合界面におけるZn濃度が0.2質量%未満であることを特徴とするAl合金管の接合体。 - 両端部がストレート部又はフレア部のいずれかからなる複数のAl合金管を用い、内管の外表面にAl-Zn犠牲層を備えた一方のAl合金管のストレート部と他方のAl合金管のフレア部とを嵌合して複数のAl合金管をろう付けした接合体であって、
前記Al合金管の内管が、Mn:0.8〜1.6質量%、Cu:0.22〜0.75質量%、Si:0.7質量%未満、Fe:0.7質量%未満を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、前記Al-Zn犠牲層が、Zn:1.8質量%以上5.0質量%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
ろう付け前の状態において、前記ストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、
ろう付け後の状態において、前記ストレート部の外表面とフレア部の内表面に接するフィレットが形成されており、当該フィレットがJIS4045又は4047から選択されるAl−Si系合金のろう材から成り、前記フィレットに接するストレート部の外表面においてAl-Zn犠牲層が設けられていない部分があり、前記フィレットの管軸方向におけるフレア部先端側でストレート部の外表面と接するフィレット端部が、ストレート部の外表面のAl-Zn犠牲層の設けられていない部分において内管の表面に接しており、前記Al-Zn犠牲層の設けられていない部分の両端にあるAl-Zn犠牲層の端部のうちフィレットの形成されていない側のAl-Zn犠牲層端部と前記フィレット端部との管軸方向に沿った距離が、フィレットの管軸方向に沿った全体長さの60%未満であり、
前記フィレットとストレート部のAl-Zn犠牲層の設けられていない外表面との接合界面におけるZn濃度が0.2質量%未満であることを特徴とするAl合金管の接合体。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載のAl合金管の接合体とフィン材とを接合した熱交換器。
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