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WO2012043492A1 - アルミニウム合金製内面溝付き伝熱管 - Google Patents

アルミニウム合金製内面溝付き伝熱管 Download PDF

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WO2012043492A1
WO2012043492A1 PCT/JP2011/071915 JP2011071915W WO2012043492A1 WO 2012043492 A1 WO2012043492 A1 WO 2012043492A1 JP 2011071915 W JP2011071915 W JP 2011071915W WO 2012043492 A1 WO2012043492 A1 WO 2012043492A1
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heat transfer
tube
transfer tube
fin
less
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PCT/JP2011/071915
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English (en)
French (fr)
Inventor
東海林　了
Original Assignee
古河スカイ株式会社
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Publication date
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    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements
    • F28F1/325—Fins with openings
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    • F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F28F21/084—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from aluminium or aluminium alloys

Definitions

  • the present invention relates to an aluminum inner surface grooved heat transfer tube used as a heat transfer tube of a cross fin type heat exchanger used in a domestic air conditioner, a commercial air conditioner, a heat pump type hot water heater and the like. .
  • a general cross fin type (also known as fin and tube type) heat exchanger inserts a heat transfer tube into an insertion hole opened in an aluminum heat radiating fin and then has a larger inside diameter than the inside of the heat transfer tube.
  • a mandrel for tube expansion having an outer diameter is pushed in to expand the diameter of the heat transfer tube, and the outer peripheral surface of the heat transfer tube and the insertion hole of the aluminum radiation fin are brought into close contact (tube expansion processing: FIG. 2). Thereafter, the heat transfer tube integrated with the aluminum radiation fin is bent into a hairpin shape, and a heat transfer tube (U-shaped tube) bent in a separate U shape is joined by torch brazing to complete (Non-patent Document 1).
  • the heat transfer tube used in the cross fin type heat exchanger is one that causes HFC or the like to flow through the tube as a refrigerant to exchange heat, and a copper heat transfer tube having a trapezoidal or triangular protrusion fin on the inner surface of the tube (Hereinafter referred to as an internally grooved tube) is used to improve the efficiency and energy saving of the heat exchanger.
  • the depth and bottom thickness of the groove between the projecting fins shown in FIG. Thiickness of the base of the projecting fin), the shape of the fin (vertical angle, etc.), or various transmissions that define the lead angle of the projecting fin shown in FIG.
  • a heat pipe has been proposed (for example, Patent Document 1). It is said that the heat transfer performance of the internally grooved tube is superior because the surface area inside the tube is increased compared to the smooth tube, and a uniform refrigerant liquid film is formed in the tube by this groove (non- Patent Document 2).
  • the projecting fins arranged in a spiral manner are generally formed on the inner surface of the inner grooved tube by rolling a raw tube (smooth tube).
  • a rolling method a roll rolling method (see Fig. 3) in which a grooved plug that freely rotates into the pipe is inserted, a roll that freely rotates from the outside of the pipe is pressed, and the pipe is pulled out while rotating planetary (see Fig. 3), or instead of a roll
  • a ball rolling method using a ball pressing mechanism is known (Non-patent Document 1, Patent Document 2).
  • copper-based materials such as copper and copper alloys have been mainly used for internally grooved pipes, but aluminum-based materials such as aluminum and aluminum alloys (hereinafter referred to as “reducing costs”) , And aluminum alloys) are being studied.
  • the heat transfer tube has a two-layer structure, the inner layer of the tube is made of an Al—Mn alloy, and the outer surface layer is coated with an Al—Zn alloy as a sacrificial anticorrosion layer. Grooved tubes have been proposed.
  • Patent Document 4 an Al—Mn alloy such as A3003 is used for an inner layer of a heat transfer tube, and an outer surface layer is a sacrificial anticorrosive layer clad with an Al—Zn alloy such as A7072 and the inner grooved tube. Heat exchangers using internally grooved tubes have been proposed.
  • Patent Document 5 proposes to form an oxide film having a thickness of 5 ⁇ m or more on the inner surface of the aluminum pipe.
  • the inner surface of the aluminum in which the inner layer on which the protruding fins are formed is made of an aluminum alloy layer having a high mechanical strength and the outer layer of the aluminum alloy layer is clad with an aluminum layer having a low mechanical strength.
  • Grooved tubes have been proposed.
  • an inner layer uses an A3003 aluminum alloy and an outer layer uses A1050 (pure aluminum).
  • the outer peripheral tube bottom portion made of A1050 is preferentially deformed and the outer diameter is expanded, and the inner peripheral tube bottom portion made of A3003 is on the inner surface even when the tube is expanded because the deformation amount is small. It is described that the collapse amount of the projection fin can be suppressed to an allowable range or less.
  • Patent Document 7 uses a high-strength alloy obtained by adding Zn to an Al—Mn alloy (A3000 alloy) as an outer layer material of an aluminum tube as an internally grooved tube excellent in tube expansion workability. Three layers using an Al-Mn alloy (A3000 alloy) on the inside, and an Al-Mg-Si alloy (A6000 alloy) or Al-Mg alloy (A5000 alloy) with high strength on the inner layer A cladding tube has also been proposed.
  • Patent Documents 1 and 2 Non-Patent Documents 1 and 2
  • the problems of corrosion resistance and fin crushing when an aluminum alloy is used for a heat transfer tube have not been improved.
  • Patent Documents 3 and 4 describe methods for improving the corrosion resistance of heat transfer tubes, but the problem of fin crushing has not been improved.
  • Patent Documents 5 to 7 describe methods for improving the fin crushing of heat transfer tubes, but there is room for improvement in the following points. That is, in Patent Document 5, an anodizing process or the like is added as a process for forming an oxide film inside, which causes a significant increase in processing costs and is not realistic. In addition, it is very difficult to perform such treatment on the inside of a generally long tube.
  • Patent Document 6 it is necessary to make the thickness ratio of pure aluminum of the outer layer thicker than the A3003 alloy of the inner layer.
  • the A1050 outer layer is 0.8 mm and the A3003 inner layer is 0.2 mm, or the A1050 outer layer is 0.7 mm and the A3003 inner layer is 0.3 mm.
  • since such a structure reduces the strength of the pipe itself, it is necessary to make the pipe itself a thick-walled pipe in order to obtain a pressure resistance that can withstand the internal pressure of the refrigerant, which increases the material cost and is uneconomical. .
  • Patent Document 7 since a three-layer clad tube is used, the manufacturing process is complicated, and productivity and yield are low, so that there is a problem that processing costs increase.
  • the present invention has been made from such a viewpoint, and an object of the present invention is to provide an aluminum alloy internally grooved heat transfer tube that is less likely to cause fin crushing even when the tube is mechanically expanded by a mandrel. It is. Another object is to provide an aluminum alloy internally grooved heat transfer tube which is a heat transfer tube in which such fin crushing is unlikely to occur, and which has better corrosion resistance and can be thinned.
  • a plurality of fin-shaped fins are formed on the inner surface, Mn: 0.8 to 1.8% by mass (hereinafter referred to as “%”), Mg: 0.1 to Provided is an aluminum alloy internally grooved heat transfer tube containing 0.6%, the balance being made of Al and inevitable impurities.
  • a plurality of protrusion-shaped fins are formed on the inner surface, containing Mn: 0.8 to 1.8%, Mg: 0.1 to 0.6%, and further Fe: 0 .60% or less, Si: 0.60% or less, Cu: 0.30% or less, Zn: 0.30% or less, Cr: 0.20% or less, Ti: 0.20% or less, Zr: 0.20
  • An aluminum alloy inner surface grooved heat transfer tube is provided, which contains one or two or more of the following elements, and the balance is made of Al and inevitable impurities.
  • a heat exchanger including any one of the above heat transfer tubes is provided.
  • an air conditioner including any one of the above heat transfer tubes is provided.
  • the aluminum alloy internally grooved heat transfer tube of the present invention has the effect that fin crushing is less likely to occur even when the tube is mechanically expanded with a mandrel. Or it has the effect that it is hard to generate
  • Heat transfer tube> (1-1) Component
  • the heat transfer tube assumed in the present embodiment is used for a heat exchanger for an air conditioner for general households, and the dimensions thereof are, for example, outer diameters ⁇ 4.0 to ⁇ 9. It is a small-diameter thin tube with a thickness of 54 mm and a bottom wall thickness of about 0.3 to 0.6 mm.
  • it is based on the Al-Mn base that has moderate strength and relatively excellent workability (extrudability, drawability, rollability) for obtaining small-diameter thin-walled tubes.
  • an aluminum alloy that prevents the crushing of the fins due to the pipe expansion process by improving the strength without impairing the workability by adjusting the element is obtained.
  • a plurality of fin-shaped fins are formed on the inner surface, Mn: 0.8 to 1.8% by mass (hereinafter referred to as “%”), Mg: 0.1 to It is an aluminum alloy internally grooved heat transfer tube characterized by containing 0.6% and the balance being made of Al and inevitable impurities.
  • This heat transfer tube has an effect that the fin crushing hardly occurs, as demonstrated in the examples described later. Since this heat transfer tube has high pressure resistance, the material cost can be reduced by thinning. Since this heat transfer tube does not necessarily require a complicated production process or a special structure, it is excellent in productivity and quality.
  • This heat transfer tube is formed with a plurality of fins on the inner surface, contains Mn: 0.8 to 1.8%, Mg: 0.1 to 0.6%, and further Fe: 0.60. % Or less, Si: 0.60% or less, Zn: 0.30% or less, Cr: 0.20% or less, Ti: 0.20% or less, Zr: 0.20% or less Even if it is an aluminum alloy inner surface grooved heat transfer tube containing the above, and the balance being made of Al and inevitable impurities, it is considered that the same effect can be obtained.
  • the aluminum alloy is an alloy containing Al as a main component.
  • the Al content in the aluminum alloy is, for example, 90 to 99.9%.
  • Mn is a main additive element for improving the strength of 3000 series alloys, and has the effect of giving solid solution, a part of which precipitates to give strength, and if the added amount is less than 0.8%, the heat transfer tube Insufficient strength, and if it exceeds 1.8%, the effect of improving the strength is saturated, and the amount of coarse intermetallic compound increases, so that defects such as cracks are likely to occur in the manufacturing process of the tube. Therefore, the amount of Mn added is in the range of 0.8 to 1.8%. A more preferred range is 1.0 to 1.5%.
  • Mg is an element that has the effect of further improving the strength by dissolving in aluminum and does not impair the workability. If the amount added is less than 0.1%, the strength is insufficient and crushing of the groove due to mechanical expansion cannot be prevented, and if it exceeds 0.6%, the extrudability and the drawability deteriorate. Therefore, the amount of Mg added is in the range of 0.1 to 0.6%. A more preferred range is 0.2 to 0.5%.
  • Impurities include Fe, Si, Cu, Zn, etc. These may be Fe: 0.60% or less, Si: 0.60% or less, Cu: 0.30% or less, Zn: 0.30% or less. It does not hinder the effects of the present invention. These content ratios are preferably as small as possible from the viewpoint of not inhibiting the effects of the present invention. Moreover, the lower limit of these content rates is not specifically limited, For example, 0.01, 0.001, 0.0001 or more, or 0% may be sufficient.
  • Ti, Cr, Zr may be contained because it has the effect of uniformly refining the ingot structure. However, if it exceeds 0.2%, a giant intermetallic compound is formed or the extrudability is lowered.
  • the content is 0.2% or less. Although the lower limit of these content rates is not specifically limited, For example, 0.01, 0.001, 0.0001 or more, or 0% may be sufficient.
  • the protrusion fin may have a hardness of HV (Vickers hardness) 33 or more. This is to prevent the occurrence of fin crushing in the pipe expansion process.
  • HV Vander hardness
  • Mn and Mg addition amount is optimized (basically, a higher combination within the component range) and normal processes such as annealing and not overheating. Management should be performed.
  • the hardness of the ridge fin is HV33 or more before the pipe expansion process, the ridge fin will not be plastically deformed during the pipe expansion process, so the hardness after the pipe expansion process will also change to a value of HV lower than HV33. Absent.
  • the heat transfer tube of this embodiment is assumed to be used as a heat exchanger for an outdoor unit in a salt damage area along the coast, and pure Al or Al- A Zn-based alloy layer may be provided.
  • the heat transfer tube of the present embodiment in which the sacrificial anticorrosion layer is formed is a high-quality heat transfer tube because it is excellent in both corrosion resistance and fin crushing.
  • the thickness of these sacrificial anticorrosive layers is preferably 5 to 30% with respect to the total thickness. If the thickness of the sacrificial anticorrosive layer is less than 5% of the total thickness, the effective period of the sacrificial anticorrosive layer in use as a heat exchanger is insufficient, and if it exceeds 30%, the strength of the heat transfer tube decreases and the wall thickness decreases. May become difficult.
  • the sacrificial anticorrosive layer may have a lower natural potential than the core Al—Mn—Mg alloy, such as pure aluminum such as A1050 or A7072 (Al-0.8 to 1.3%).
  • An Al—Zn alloy such as a Zn alloy may be used as appropriate.
  • a combined billet of a sacrificial anti-corrosion alloy plate (pure Al or Al—Zn alloy) bent in a cylindrical shape on the outer side of the cylindrical billet of the Al—Mn—Mg alloy in the heat transfer tube of this embodiment was produced. Is heated to 350 to 600 ° C. in a heating furnace and homogenized. The combination billet is inserted between the extrusion die and the extrusion ram nose and inserted into the container. With the extrusion die and the extrusion ram nose fixed, a mandrel having an outer diameter larger than the inner diameter of the core material is press-fitted to expand the core material.
  • the mandrel is fixed at a predetermined position, the extrusion hollow stem is advanced, the combination billet is extruded through a die, and a two-layer clad extruded tube is obtained.
  • the extruded tube is drawn to a predetermined outer diameter and thickness to obtain a two-layer clad elementary tube (smooth tube). For this drawing process, it is desirable to use a draw block type continuous drawing machine with high productivity.
  • a cylindrical sacrificial anticorrosive billet is heated to 350 to 600 ° C., and a hollow hollow billet obtained by shrink-fitting a cylindrical core hollow billet inside is extruded, and similarly drawn. It is also possible to obtain a two-layer clad base tube (smooth tube).
  • a two-layer clad sheet obtained by clad rolling a sacrificial anti-corrosion material sheet on one side of an aluminum alloy core sheet, and roll-forming the sheet into a tubular shape, and then welding the sheet abutting surface to form a two-layer clad electro-resistance tube It is good.
  • the raw pipe (smooth pipe) on which the sacrificial anticorrosive layer is formed in this way be subjected to annealing softening treatment in advance.
  • the annealing condition is 300 to 400 ° C. and the time is about 2 to 8 hours.
  • these smooth tubes have a slightly reduced outer diameter and wall thickness in the next rolling process. Therefore, the dimensions (outer diameter, wall thickness) of the raw pipe are set larger than the inner grooved pipe as the final product in consideration of the decrease.
  • the smooth tube is subjected to rolling by a roll rolling method, a ball rolling method, or the like to produce an internally grooved tube having a ridge-shaped fin.
  • the internally grooved tube of the present embodiment can be manufactured in various dimensions according to the use of the heat exchanger, but when used in a domestic air conditioner, production in the manufacture of the tube
  • the outer diameter is preferably 4.0 mm or more from the viewpoint of performance, and the outer diameter is preferably 9.95 mm or less from the viewpoint of reducing the size and weight of the heat exchanger.
  • the thickness of the bottom wall is preferably 0.3 mm or more from the viewpoint of pressure resistance, and 0.6 mm or less from the viewpoint of reducing the size and weight of the heat exchanger.
  • the height H of the inner surface ridge fin is 0.1 to 0.4 mm
  • the apex angle ⁇ of the inner surface ridge fin is 10 to 40 °
  • the number of inner surface ridge fins is 40 or more
  • the lead angle ⁇ (inner surface protrusion) is preferably 20 ° or more.
  • annealing softening treatment may be performed. This is for removing the processing distortion introduced at the time of rolling and facilitating hairpin bending (meandering bending). Annealing may be performed at 300 to 400 ° C. for about 2 to 8 hours by a conventional method.
  • the inner grooved tube of the present embodiment manufactured in this way is brought into close contact with the insertion hole of the aluminum heat radiating fin by pipe expansion processing.
  • the pipe expanding process can improve production efficiency by a hydraulic pipe expanding method in which an internal pressure is applied to the pipe by hydraulic pressure or water pressure instead of a mechanical pipe expanding method using a mandrel.
  • Heat exchanger> Other embodiment of this invention is a heat exchanger provided with the heat exchanger tube which concerns on said embodiment. Since this heat exchanger includes a heat transfer tube in which fin crushing is difficult to occur, heat transfer performance is good and efficiency is excellent. Or since this heat exchanger is equipped with the heat exchanger tube which is hard to generate
  • Air conditioner> Other embodiment of this invention is an air conditioner provided with the heat exchanger tube which concerns on said embodiment. Since this air conditioner includes a heat transfer tube in which fins are not easily crushed, heat transfer performance is good and efficiency is high. Or since this air conditioner is equipped with the heat exchanger tube which is hard to generate
  • a cylindrical billet of an aluminum alloy having the composition shown in Table 1 was cast, and an extruded tube having an outer diameter of 47 mm and a wall thickness of 3.5 mm was obtained by an indirect extrusion method.
  • the extruded tube was subjected to a drawing process using a draw block type continuous drawing machine to obtain a drawn tube having an outer diameter of 10 mm and a wall thickness of 0.45 mm.
  • the cylindrical sacrificial anticorrosive billet of A1050 or A7072 was heated to 450 ° C., and the cylindrical core billet was shrink-fitted inside to form two layers A hollow billet was obtained, this was indirectly extruded, and then subjected to a drawing process using a draw block type continuous drawing machine to obtain a drawing tube having an outer diameter of ⁇ 10 mm and a wall thickness of 0.48 mm.
  • the drawn tube thus obtained is annealed and softened at 360 ° C. for 2 hours, and then a floating plug, a rod and a plug with a grooved plug are inserted, and a floating die, a machining head, and a molding die are inserted.
  • the inner surface is grooved by passing it through, the outer diameter: ⁇ 7 mm, the bottom wall thickness: 0.35 mm, the height H of the ridge fins: 0.22 mm, the number of ridge fins is 50, the apex angle ⁇ :
  • An internally grooved tube having a lead angle ⁇ of 35 ° was prepared. For Nos. 8 to 14 and Nos.
  • the sacrificial anticorrosive layer was adjusted by the billet thickness of the sacrificial anticorrosive material in the extrusion process so that the sacrificial anticorrosive layer was 0.035 mm (ratio of 10% with respect to the bottom wall thickness). . Furthermore, the annealing softening process was finally performed at 360 degreeC for 2 hours, and the internally grooved pipe was completed.
  • the aluminum inner grooved tubes No1 to No14 of the present invention have a reduction amount of the fin height H (fin collapse amount) of 0.01 mm or less.
  • the fin crush amounts of No. 3 to No. 7 and No. 10 to No. 14 where the hardness of the fin portion is HV35 or higher are zero and extremely good.
  • No. 8 to No. 14 formed with the sacrificial anticorrosive layer no through-holes are observed and the external corrosion resistance is good.
  • the tensile strength of the tube is 119 MPa or more, and the strength is higher than that of, for example, 91 MPa (corresponding to A3003) of Comparative Example No. 16, and therefore the pressure resistance of the tube is also high.
  • No15 to No18 and No22 to No25 with a small amount of Mn and Mg have a large crushing of the fins at the time of pipe expansion, and the strength of the pipe itself is also low.
  • No. 19 to No. 21 and No. 26 to No. 28 with large amounts of Mn and Mg were cracked in the drawing process and rolling process, and the inner grooved tube could not be manufactured.

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Abstract

フィン潰れが発生し難く、耐食性に優れ、または薄肉化が可能な伝熱管を明らかにする。 内面に複数の突条型のフィンが形成され、Ｍｎ：０.８～１．８質量％（以下、質量％を、％と記載）、Ｍｇ：０．１～０．６％、を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管を提供する。

Description

アルミニウム合金製内面溝付き伝熱管
　本発明は、家庭用空気調和機、業務用空気調和機、ヒートポンプ式給湯機などに用いられるクロスフィン型の熱交換器の伝熱管として使用される、アルミニウム製内面溝付き伝熱管に関するものである。
　一般的なクロスフィン型（別名フィンアンドチューブ型）の熱交換器（図１）は、アルミニウム放熱フィンに開口された挿通孔内に伝熱管を挿通し、次いで伝熱管の内部にその内径より大きい外径を有する拡管用マンドレルを押し込み伝熱管の径を拡管して伝熱管の外周面とアルミニウム放熱フィンの挿通孔を密着させる（拡管加工。図２）。その後、アルミニウム放熱フィンと一体となった伝熱管をヘアピン状に曲げ、別途Ｕ字状に曲げた伝熱管（Ｕ字管）をトーチろう付けにより接合して完成する（非特許文献１）。
　クロスフィン型熱交換器に用いられる伝熱管は、管内に冷媒としてＨＦＣ等を流して熱交換を行わせるもので、管内面に断面形状が台形や三角形の突条型フィンを持つ銅製の伝熱管（以後、内面溝付き管と呼ぶ。）を使用することによって熱交換器の高効率化や省エネルギー化が進められており、図４に示す突状型フィン間の溝の深さ、底肉厚（突状型フィンの基底部の肉厚）、フィンの形状（頂角等）、あるいは図５に示す突状型フィンのリード角（管長手方向に対するフィンの配列の角度）を規定した各種伝熱管が提案されている（例えば、特許文献１）。内面溝付き管の伝熱性能が優れるのは、管内側の表面積が平滑管と比較して増加し、さらにこの溝により管内に均一な冷媒液膜が形成されるためと言われている（非特許文献２）。
　内面溝付き管の管内面には、一般に素管（平滑管）を転造加工することにより螺旋状に連続して配列した突状型のフィンが形成される。転造加工方法としては、管内に自由回転する溝付けプラグを挿入し、管外より自由回転するロールを押し付けて遊星回転させながら管を引き抜くロール転造法（図３参照）や、ロールの代わりにボール押し付け機構としたボール転造法が知られている（非特許文献１、特許文献２）。
　内面溝付き管にはこれまで主に銅や銅合金等の銅系材料が使用されてきたが、材料費低減や軽量化の要求に対応するため、アルミニウムやアルミニウム合金等のアルミニウム系材料（以下、アルミニウム合金とする。）を使用することが検討されている。
　しかし、アルミニウム合金は銅系材料に比較した場合、耐食性が低下することが想定される。そのため、例えば特許文献３では、伝熱管を２層構造とし、管の内側の層にはＡｌ－Ｍｎ系合金をしようし、外表面層には犠牲防食層としてＡｌ－Ｚｎ系合金をクラッドした内面溝付き管が提案されている。
　あるいは、特許文献４では、Ａ３００３などのＡｌ－Ｍｎ系合金を伝熱管の内側層に用い、外表面層には犠牲防食層としてＡ７０７２などのＡｌ－Ｚｎ系合金をクラッドした内面溝付き管及び該内面溝付き管を使用した熱交換器が提案されている。
　一方、耐食性の問題のほかに、これらのアルミニウム製の内面溝付き管を拡管加工する場合、管の内面にある突状型フィンの頭頂部が潰れるいわゆる「フィン潰れ」が発生し、フィン形状の崩れや、アルミニウム放熱フィンとの密着が不十分であることにより、所期の伝熱性能が得られないという問題がある。これはアルミニウムやアルミニウム合金内面溝付き管の材料強度が銅に較べて低いためである。
　拡管加工時のフィン潰れを解決するために、特許文献５ではアルミニウム管内面に厚さが５μｍ以上の酸化被膜を形成することが提案されている。
　また、特許文献６では突条型フィンが形成された内側層が機械的強度の大きいアルミニウム合金層から成り、かつ該アルミニウム合金層の外側層に機械的強度の小さいアルミニウム層をクラッドしたアルミニウム製内面溝付き管が提案されている。具体的な合金としては内側層がＡ３００３アルミニウム合金、外側層としてＡ１０５０（純アルミニウム）を使用した例が示されている。同文献では、Ａ１０５０から成る外周側管底肉部は優先的に変形して外径が拡管され、Ａ３００３から成る内周側管底肉部は変形量が小さいため拡管加工しても内面にある突起フィンの潰れ量を許容範囲以下に抑えることができる、と説明されている。
　さらに、特許文献７には、拡管加工性に優れた内面溝付き管として、アルミニウム管の外層材としてＡｌ－Ｍｎ系合金（Ａ３０００系合金）にＺｎを添加した強度の高い合金を使用し、その内側にＡｌ－Ｍｎ系合金（Ａ３０００系合金）を、さらに内側の内層材を強度の高いＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ合金（Ａ６０００系合金）やＡｌ－Ｍｇ系合金（Ａ５０００系合金）を使用した３層クラッド管も提案されている。
特開２００３－２８７３８３号公報 特開平４－２６２８１８号公報 特開２０００－１２１２７０号公報 特開２００９－２５０５６２号公報 特開２０００－２０５７８２号公報 特開平１１－３５１７９１号公報 特開２００８－２６６７３８号公報
伊藤正昭：伝熱、４２、１７４（２００３）、３ 礒崎昭夫他：Ｒ＆Ｄ神戸製鋼技報５０、３（２０００）、６６
　しかしながら、上記文献記載の従来技術は以下の点で改善の余地を有していた。
　第一に、特許文献１、２、非特許文献１，および２においては、アルミニウム合金を伝熱管に使用した際の耐食性やフィン潰れの問題が改善されていなかった。
　第二に、特許文献３および４には伝熱管の耐食性を向上するための方法が記載されているが、フィン潰れの問題は改善されていなかった。
　第三に、特許文献５～７には伝熱管のフィン潰れを改善するための方法が記載されているが、以下の点で改善の余地を有していた。即ち、特許文献５においては、内部に酸化被膜を形成する工程として陽極酸化処理などが加わるため大幅な加工費の向上を招き、現実的でない。また一般に長尺である管の内部にこのような処理を施すこと自体、非常に困難である。
　特許文献６においては、外側層の純アルミニウムの肉厚比率を内側層のＡ３００３合金よりも厚くする必要がある。同文献の実施態様に開示されている二例においてもＡ１０５０外側層が０．８ｍｍに対しＡ３００３内側層が０．２ｍｍ、またはＡ１０５０外側層が０．７ｍｍに対しＡ３００３内側層が０．３ｍｍと、大部分がＡ１０５０となっている。しかし、このような構成は管自体の強度が低くなるため、冷媒の内圧に耐える耐圧強度を得るには管そのものを厚肉の管とすることが必要となり、材料費が高くなり不経済である。
　特許文献７においては、３層クラッド管を使用しているため、その製造工程は複雑であり生産性や歩留まりも低いため、加工費が高くなってしまうという問題がある。
　本発明はこのような観点に立ってなされたものであって、その目的は、マンドレルによって機械的に拡管加工をおこなってもフィン潰れが発生し難いアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管を提供することである。または、そのようなフィン潰れが発生し難い伝熱管であり、さらに良好な耐食性を有し、薄肉化が可能なアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管を提供することである。
　本発明者らは鋭意検討した結果、下記伝熱管が課題を解決することを知見し本発明を完成した。
　すなわち、本発明によれば、内面に複数の突条型のフィンが形成され、Ｍｎ：０．８～１．８質量％（以下、質量％を、％と記載）、Ｍｇ：０．１～０．６％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管が提供される。
　この構成によれば、フィン潰れが発生しにくい伝熱管を得ることができる。
　また本発明によれば、内面に複数の突条型のフィンが形成され、Ｍｎ：０.８～１．８％、Ｍｇ：０．１～０．６％、を含有し、更にＦｅ：０．６０％以下、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｚｎ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｚｒ：０．２０％以下の中から１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管が提供される。
　この構成によれば、フィン潰れが発生しにくい伝熱管を得ることができる。
　また本発明によれば、上記いずれかの伝熱管を備える熱交換器が提供される。
　この構成によれば、フィン潰れが発生しにくい伝熱管を備えているため、伝熱性能に優れた熱交換器を得ることができる。
　また本発明によれば、上記いずれかの伝熱管を備える空気調和機が提供される。
　この構成によれば、フィン潰れが発生しにくい伝熱管を備えているため、伝熱性能に優れた空気調和機を得ることができる。
　本発明のアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管は、マンドレルにより機械的に拡管加工をおこなってもフィン潰れが発生し難いという効果を有する。または、フィン潰れが発生し難く、良好な耐食性を有し、さらに薄肉化が可能で材料費の抑制も可能であるという効果を有する。
クロスフィン型熱交換器の部分拡大図である。 マンドレル拡管方法を示す図である。 ロール転造装置の一例である。 内面溝付き管の断面の模式図である。 内面突条フィンのリード角を示す模式図である。
　以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同様な内容については、
繰り返しの煩雑を避けるために、適宜説明を省略する。
　＜実施形態１：伝熱管＞
　（１－１）成分
　本実施形態において想定している伝熱管は、一般家庭向け空気調和機用の熱交換器に使用するものであり、その寸法は、例えば、外径φ４．０～φ９．５４ｍｍ、底肉厚０．３～０．６ｍｍ程度の小径薄肉管である。このため、各種のアルミニウム合金のうち、適度な強度を有し、かつ小径薄肉管を得るための加工性（押出性、抽伸性、転造性）に比較的優れているＡｌ－Ｍｎ系をベースとして、元素調整により加工性を損なわずに強度を向上させることで拡管加工によるフィン潰れを防止するアルミニウム合金を得るものである。
　本実施形態の伝熱管は、内面に複数の突条型のフィンが形成され、Ｍｎ：０.８～１．８質量％（以下、質量％を、％と記載）、Ｍｇ：０．１～０．６％、を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管である。この伝熱管は後述する実施例で実証されているように、フィン潰れが発生し難いという効果を奏する。この伝熱管は、管の耐圧強度が高いため、薄肉化による素材費低減が可能である。この伝熱管は、複雑な生産工程や特殊な構造を必ずしも必要としないため、生産性や品質等に優れている。
　この伝熱管は、内面に複数の突条型のフィンが形成され、Ｍｎ：０.８～１．８％、Ｍｇ：０．１～０．６％、を含有し、更にＦｅ：０．６０％以下、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｚｎ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｚｒ：０．２０％以下の中から１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管であっても、同様の効果を奏すると考えられる。
　ここでアルミニウム合金とは、Ａｌを主成分とする合金である。アルミニウム合金中のＡｌの含有量は、例えば、９０～９９．９％である。
　次に本実施形態における伝熱管の成分限定理由について説明する。
　Ｍｎは３０００系合金において強度を向上させる主要な添加元素であり、アルミニウム中に固溶、一部は析出して強度を付与する効果をもち、その添加量が０.８％より少ないと伝熱管としての強度が不十分であり、１．８％より多いと強度向上効果が飽和するうえ、粗大な金属間化合物の量が多くなり管の製造工程において割れなどの不具合が発生しやすくなる。したがって、Ｍｎ添加量は０.８～１．８％の範囲とする。更に好ましい範囲は１．０～１．５％である。
　Ｍｇはアルミニウム中に固溶して強度をさらに向上させる効果を有し、かつ加工性を阻害しない元素である。その添加量が０.１％より少ないと強度が不十分であり機械的拡管による溝潰れを防止できず、０.６％より多いと押出性、抽伸性が劣化する。したがって、Ｍｇ添加量は０.１～０.６％の範囲とする。更に好ましい範囲は０．２～０．５％である。
　不純物としてはＦｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどがあるが、これらはＦｅ：０．６０％以下、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｚｎ：０．３０％以下であれば本発明の効果を阻害するものではない。これらの含有率は、本発明の効果を阻害しないという観点からは少ないほど好ましい。またこれらの含有率の下限値は特に限定されないが、例えば、０．０１、０．００１、もしくは０．０００１以上、または０％であってもよい。
　またＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒは鋳塊組織を均一微細化する効果があるので含有しても良いが０．２％を超えると巨大金属間化合物を形成したり押出性が低下したりするので、その含有量は０．２％以下とする。これらの含有率の下限値は特に限定されないが、例えば、０．０１、０．００１、もしくは０．０００１以上、または０％であってもよい。
　（１－２）フィン
　本実施形態においてはさらに突条フィンの硬さをＨＶ（ヴィッカース硬さ）３３以上であっても良い。これは拡管加工においてフィン潰れが発生しないようにするためである。この硬さを制御するために、具体的には上記Ｍｎ、Ｍｇ添加量の組合せを適正化（基本的には成分範囲内で高めの組合せ）するとともに、焼鈍で過加熱しない等の通常の工程管理をおこなえばよい。なお、突条フィンの硬さは拡管加工前にＨＶ３３以上であれば、拡管加工時に突条フィンが塑性変形することは無いので、拡管加工後の硬さもＨＶ３３より低いＨＶの値に変わることはない。
　（１－３）犠牲防食層
　本実施形態の伝熱管は、海岸沿いの塩害地等において室外機の熱交換器として使用する場合を想定し、伝熱管外面に犠牲防食層として純ＡｌまたはＡｌ－Ｚｎ系合金層を設けても良い。犠牲防食層を形成した本実施例の伝熱管は、耐食性とフィン潰れの両面から優れているため、高品質の伝熱管である。
　これらの犠牲防食層の厚さは、全肉厚に対し、５～３０％が好ましい。犠牲防食層の厚さが全肉厚に対し５％未満では、熱交換器として使用中の犠牲防食層としての有効期間が不十分であり、３０％を越えると伝熱管の強度が低下し薄肉化が困難となる場合がある。
　該犠牲防食層の成分は、芯材のＡｌ－Ｍｎ－Ｍｇ系合金よりも自然電位が卑であればよく、例えば、Ａ１０５０などの純アルミニウムや、Ａ７０７２（Ａｌ－０．８～１．３％Ｚｎ合金）などのＡｌ－Ｚｎ合金を適宜使用すればよい。
　次に犠牲防食層の形成方法の実施態様の例について説明する。
　本実施形態の伝熱管におけるＡｌ－Ｍｎ－Ｍｇ系合金の、円筒状ビレットの外側に犠牲防食合金板材（純ＡｌまたはＡｌ－Ｚｎ系合金）を円筒状に曲げ被せた組み合わせビレットを作製し、これを加熱炉により３５０～６００℃に加熱し均質化処理をおこなう。この組み合わせビレットを押出ダイスと押出ラムノーズ間に挟持してコンテナ内に挿入し、押出ダイスと押出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持つマンドレルを圧入し、芯材を拡管して芯材と外皮材間の空気を追い出す。次にマンドレルを所定の位置に固定して、押出ホロー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出し、２層クラッド押出管を得る。次いで該押出管を所定の外径、肉厚に抽伸加工し、２層クラッドの素管（平滑管）を得る。この抽伸加工は生産性の高いドローブロック式連続抽伸機を使用することが望ましい。
　または、円筒状の犠牲防食材のビレットを３５０～６００℃に加熱してその内側に、円筒状の芯材中空ビレットを焼嵌めして得られる２層中空ビレットを押出し加工後、同様に抽伸加工を施して、２層クラッドの素管（平滑管）を得ることもできる。
　または、アルミニウム合金の芯材シートの片面側に犠牲防食材のシートをクラッド圧延した２層クラッドシートとし、このシートを管状にロール成形してからシート突合せ面を溶接し２層クラッドの電縫管としてもよい。
　上記はクラッド押出・抽伸、またはクラッド圧延による犠牲防食層を形成した２層素管（平滑管）の形成方法の説明であったが、それ以外の方法として本実施形態の伝熱管におけるＡｌ－Ｍｎ－Ｍｇ系合金の押出管（熱間押出またはコンフォーム押出による）、または抽伸管にＺｎを溶射したのち、Ｚｎ拡散加熱処理をほどこしてＡｌ－Ｚｎ拡散層を形成する方法を採用しても良い。この場合、拡散加熱処理の温度と時間を適宜設定し、Ｚｎ拡散層が全肉厚に対し５～３０％の範囲とすることが望ましい。その温度はおおむね４００～５００℃で２～８時間程度とするのが工業上好ましい。なお、このＺｎ溶射法を採用する場合に限り、後述する転造加工を施した後にＺｎ溶射と拡散加熱処理を施しても構わない。
　なお、このようにして犠牲防食層を形成した素管（平滑管）に対し、次工程の転造加工を容易にするために、あらかじめ焼鈍軟化処理を施しておくことが望ましい。その場合、焼鈍条件は３００～４００℃、時間は２～８時間程度とすることが工業上好ましい。
　また、これら平滑管は、次工程の転造加工において外径と肉厚が若干減少する。したがって素管の寸法（外径、肉厚）はその減少分を考慮し、最終製品である内面溝付き管よりも大きく設定する。
　次いで、平滑管にロール転造法やボール転造法等により転造加工を施し、突条型フィンを有する内面溝付き管を製造する。
　（１－４）構造および加工方法
　本実施形態の内面溝付き管は、熱交換器の用途に応じて種々の寸法で製造できるが、家庭用空気調和機に使用する場合、管の製造における生産性の面からは外径φ４．０ｍｍ以上が好ましく、熱交換器の小型化・軽量化の面からは外径φ９．５４ｍｍ以下が好ましい。
　また底肉厚においては、耐圧強度の面からは０．３ｍｍ以上が好ましく、熱交換器の小型化・軽量化の面からは０．６ｍｍ以下が好ましい。
　また、内面突条フィンの高さＨは０．１～０．４ｍｍ、内面突条フィンの頂角αは１０～４０°、内面突条フィンの数は４０条以上、リード角β（内面突条フィンと管長手方向のなす角度）は２０°以上とすることが望ましい。
　転造加工を施したのちには、焼鈍軟化処理を施しても良い。これは転造時に導入された加工歪を除去し、ヘアピン曲げ加工（蛇行曲げ加工）を容易にするためである。定法により、３００～４００℃で２～８時間程度の焼鈍を施せばよい。
　このようにして製造された本実施形態の内面溝付き管は、拡管加工によりアルミニウム放熱フィンの挿通孔に密着させる。良好な密着を得るために拡管率（外径増加率）が４～６％程度となるように挿通孔と伝熱管のクリアランスを設定することが適当である。なお、拡管加工は、マンドレルを利用する機械拡管法に変えて油圧または水圧により管に内圧を付与する液圧拡管法により、生産効率を向上することが可能である。
　＜実施形態２：熱交換器＞
　本発明の他の実施形態は、上記の実施形態に係る伝熱管を備える熱交換器である。この熱交換器は、フィン潰れが発生し難い伝熱管を備えているため、伝熱性能が良く、効率性に優れている。または、この熱交換器はフィン潰れが発生し難く、且つ耐食性に優れた伝熱管を備えているため、伝熱性能および耐久性に優れている。
　＜実施形態３：空気調和機＞
　本発明の他の実施形態は、上記の実施形態に係る伝熱管を備える空気調和機である。この空気調和機は、フィン潰れが発生し難い伝熱管を備えているため、伝熱性能が良く、効率性に優れている。または、この空気調和機はフィン潰れが発生し難く、且つ耐食性に優れた伝熱管を備えているため、伝熱性能および耐久性に優れている。
　以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
　次に本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
　表１に示す成分組成のアルミニウム合金の円筒状ビレットを鋳造し、間接押出法により外径φ４７ｍｍ、肉厚３．５ｍｍの押出管を得た。この押出管にドローブロック式連続抽伸機により抽伸加工を施し、外径φ１０ｍｍ、肉厚０．４５ｍｍの抽伸管を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　犠牲防食層を形成したＮｏ８～１４、Ｎｏ２２～２８については、Ａ１０５０またはＡ７０７２の円筒状の犠牲防食材のビレットを４５０℃に加熱しその内側に円筒状の芯材ビレットを焼嵌めして２層中空ビレット得、これを間接押出し、次いでドローブロック式連続抽伸機により抽伸加工を施し、同じく外径φ１０ｍｍ、肉厚０．４８ｍｍの抽伸管を得た。
　このようにして得られた抽伸管に３６０℃で２時間の焼鈍軟化処理を施した後、フローティングプラグ、ロッド、溝付きプラグが一体となったプラグを挿入し、フローティングダイス、加工ヘッド、成形ダイスを通過させることにより内面に溝付け加工を行い、外径：φ７ｍｍ、底肉厚：０．３５ｍｍ、突条フィンの高さＨ：０．２２ｍｍ、突条フィンの数は５０条、頂角α：１５°、リード角β：３５°の内面溝付き管を作成した。なお、Ｎｏ８～１４、Ｎｏ２１～２６については、その犠牲防食層が０．０３５ｍｍ（底肉厚に対し１０％の比率）となるように、押出工程での犠牲防食材のビレット厚さで調整した。さらに最終的に３６０℃で２時間の焼鈍軟化処理を施し、内面溝付き管を完成した。
　このようにして得られた本発明例および比較例の内面溝付き管の特性を評価するために、次の試験を行った。得られた結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　（ａ）引張試験
　内面溝付き管の強度を測定するため、ＪＩＳ　Ｚ２２４１に準じ引張試験を実施した。
　（ｂ）拡管加工性
　上記外径φ７ｍｍの内面溝付き管を、鋼製マンドレルを使用し外径が５％増加するように拡管加工を行った。その後、管断面を観察し、突条フィン高さＨの減少量を測定してフィン潰れ量を評価した。熱交換器としての伝熱特性を得るためには、このフィン潰れ量は０．０１ｍｍ以下であることが望ましい。また拡管加工前後の突条フィン断面の中央部の硬さをマイクロヴィッカース硬度計で測定した。
　（ｃ）耐食性
　外部耐食性を評価するために、各内面溝付き管についてＪＩＳ　Ｚ８６８１に準じＣＡＳＳ試験を１５００時間行った。試験後、供試管の表面腐食生成物を除去して、管の腐食状況を観察し、貫通孔の有無により外部耐食性を評価した。
　表２から明らかなように、本発明のアルミニウム製内面溝付き管Ｎｏ１～Ｎｏ１４は、突条フィン高さＨの減少量（フィン潰れ量）は０．０１ｍｍ以下で、その中でも拡管前の突条フィン部の硬さがＨＶ３５以上であるＮｏ３～Ｎｏ７、Ｎｏ１０～Ｎｏ１４のフィン潰れ量はゼロであり極めて良好である。また犠牲防食層を形成したＮｏ８～Ｎｏ１４は、貫通孔の発生は見られず外部耐食性が良好である。また管の引張強さも１１９ＭＰａ以上あり、たとえば比較例Ｎｏ１６の９１ＭＰａ（Ａ３００３に相当）に較べても強度が高く、したがって管の耐圧強度も高いため、薄肉化による素材費低減が可能である。
　これに対し、Ｍｎ、Ｍｇ量の少ないＮｏ１５～Ｎｏ１８、Ｎｏ２２～Ｎｏ２５は拡管時の突条フィンの潰れが大きく、管自体の強度も低い。逆にＭｎ、Ｍｇ量の多いＮｏ１９～Ｎｏ２１、Ｎｏ２６～Ｎｏ２８は抽伸工程や転造工程で割れが発生し、内面溝付き管の製造自体ができなかった。
　以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
１　アルミニウム放熱フィン
２　伝熱管（内面溝付管）
３　ルーバー
４　拡管プラグ（マンドレル）
５　素管（平滑管）
６　転造プラグ
７　回転ロール
８　内面螺旋溝付管
９　突条フィン
１０　犠牲防食層

Claims (8)

  1. 　内面に複数の突条型のフィンが形成され、Ｍｎ：０.８～１．８質量％（以下、質量％を、％と記載）、Ｍｇ：０．１～０．６％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  2. 　内面に複数の突条型のフィンが形成され、Ｍｎ：０.８～１．８％、Ｍｇ：０．１～０．６％を含有し、更にＦｅ：０．６０％以下、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｚｎ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｚｒ：０．２０％以下の中から１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  3. 　請求項１または２に記載の伝熱管であって、
    　前記突条型のフィンの硬さがＨＶ３３以上であることを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  4. 　請求項１乃至３いずれかに記載の伝熱管であって、
    　外面に犠牲防食材として純ＡｌまたはＡｌ－Ｚｎ系合金層を形成したことを特徴とするアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  5. 　請求項１乃至４いずれかに記載の伝熱管であって、
    　前記伝熱管の外径が、４．０～９．５４ｍｍであるアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  6. 　請求項１乃至５いずれかに記載の伝熱管であって、
    　前記伝熱管の底肉厚が、０．３～０．６ｍｍであるアルミニウム合金製内面溝付き伝熱管。
  7. 　請求項１乃至６いずれかに記載の伝熱管を備える、熱交換器。
  8. 　請求項１乃至６いずれかに記載の伝熱管を備える、空気調和機。
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