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Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Muminiumlegierung als Kühlrippenmaterial eines
Wärmeaustauschers mit hoher thermischer Leitfahigkeit. Sie betrifft genauer die Verwendung
einer Aluminiumlegierung als Kühlrippenmaterial, welches für Kühlrippen eines Kühlers, der den
Wärmeaustauscher für Automobile darstellt, Heizgeräte, Kondensatoren und dergleichen
verwendet wird, welche insbesondere durch das Hartlötverfahren hergestellt werden.
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Der Hauptteil an Wärmeaustauschern für Automobile verwendet Al oder Al-Legierungen und wird
mittels des Hartlötverfahrens hergestellt. Für gewöhnlich wird zum Löten eine Füllstofflegierung
vom M-Si-Typ verwendet, wodurch das Löten bei einer hohen Temperatur von um 600ºC
durchgeführt wird. Bei den Wärmeaustauschem von Kühlem etc., wie es in Figur 1 gezeigt ist,
wird zum Beispiel eine dünnwandige Kühlrippe (2), die zu einer gerippten Form verarbeitet wurde,
zwischen einer Vielzahl von flachen Rohren (1) gebildet, wobei beide Enden der flachen Rohre (1)
jeweils zu Räumen hin offen sind, welche durch einen Sammler (3) und einen Tank (4) aufgebaut
werden, wird ein Hochtemperaturkühlmittel von dem Raum einer Tankseite zum Raum einer
anderen Tankseite (4) durch flache Rohre (1) geführt, wodurch ein Wärmeaustausch an den Teilen
der flachen Rohre (1) und der dünnwandigen Kühlrippe (2) erfolgt, und wird das Kühlmittel, das
eine niedrige Temperatur angenommen hat, erneut zirkuliert.
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In jüngster Zeit geht es beim Wärmeaustauscher in Richtung auf eine Gewichtserleichterung und
einer Miniaturisierung, und deshalb ist eine verbesserte thermische Effizienz des
Wärmeaustauschers erforderlich und ist eine verbesserte thermische Leitfähigkeit beim Material
erwünscht. Insbesondere wird die verbesserte thermische Leitfähigkeit von Kühlrippenmaterial
untersucht, und es wird ein Kühlrippenlegierungsmaterial mit einer Legierungszusammensetzung,
die sich ganz in der Nähe von reinem Aluminium befindet, als eine Kühlrippe mit hoher
thermischer Leitfähigkeit vorgeschlagen. Wenn man die Kühlrippe dünner macht, liegen jedoch
insofern Probleme vor, als daß, wenn die Festigkeit der Kühlrippe unzureichend ist, dann die
Kühlrippe beim Zusammenbau des Wärmeaustauschers zusammenfallt, oder es darauf hinausläuft,
daß sie bei Einsatz des Wärmeaustauschers bricht. Insbesondere im Fall von Legierungskühlrippen
vom Typ aus reinem Aluminium liegt der Nachteil einer unzureichenden Festigkeit vor, mithin
wurde eine Kühlrippe mit hoher Festigkeit und verbesserter thermischer Leitfähigkeit noch nicht
entwickelt. Dies liegt daran, da die Zugabe von Legierungselementen wie Mn für eine hohe
Festigkeit wirksam ist, da das Herstellungsverfahren das Hartlöten auf eine Temperatur in der
Nahe von 600ºC einschließt, wobei die der Legierung hinzugesetzten Elemente eine
Feststofflösung wahrend des Hartlötens bilden, wodurch eine Verbesserung bezüglich der thermischen
Leitfahigkeit verhindert wird.
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Im Hinblick auf diese Situation zogen die Erfinder die Entwicklung eines Kühlrippenmaterials mit
hoher Festigkeit und thermischer Leitfahigkeit nach dem Löten in Betracht, wobei die Probleme
gelöst werden konnten, wenn die thermische Leitfahigkeit verbessert wurde, indem die Mengen an
Si und Fe in geeigneter Weise eingestellt wurden, und ferner, soweit möglich, herausfanden, daß
Legierungselemente einen signifikanten Verbesserungseffekt auf die Festigkeit ohne Abnahme der
thermischen Leitfahigkeit aufwiesen, was zu der Erfindung führt.
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Als Kühlrippenmaterialien für Wärmeaustauscher verwendete Aluminiumlegierungen mit
ausgezeichneter thermischer Leitfahigkeit und Festigkeit nach dem Hartlöten sind gemäß der Erfindung
entwickelt worden. Die Verwendung der Aluminiumlegierung ist in Anspruch 1 definiert.
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Die Figur list eine Schrägaufsicht eines einen Kühler zeigenden Teilabschnitts.
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Im nachfolgenden wird die Rolle von Additionselementen bei den Kühlrippenmaterialien und die
Gründe der Beschränkung bei den Legierungszusammensetzungen aufgeführt.
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Si ermöglicht eine Verbesserung der Festigkeit durch dessen Zugabe. Da Si die Wirkung der
Förderung des Ausfallens von Fe und Ni besitzt, insbesondere wenn es mit Fe und Ni darüber
hinaus zur Verbesserung der Festigkeit durch die Fest-Flüssig-Härtung von Si selbst vorliegt,
erhöht es die intermetallische Verbindung, wodurch zur Verstärkung der Dispergierung ein
Beitrag geleistet wird, um die Festigkeit zu verbessern. Da ferner Si die Menge der Feststofflösung
von Fe und Ni, die sich in dem Kühlrippenmaterial bildet, verringert, und zwar durch Förderung
des Prazipitierens von Fe und Ni, verbessert es die thermische Leitfahigkeit. Wenn Si unter 0,005
Gew.-% vorliegt, ist nicht nur der Effekt der Festigkeitsverbesserung unzureichend, sondern ist es
auch erforderlich, die Kühlrippe unter Verwendung von hochreinem Metall herzustellen, was
hinsichtlich des Kostenaspektes ungeeignet ist. Wenn es über 0,8 Gew.-% vorliegt, kann die
Diffiision des Füllstoffes beim Hartlöten unter Wärme signifikant werden, wodurch sich die
thermische Leitfähigkeit zusätzlich zu der Lötfähigkeit verschlechtert.
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Somit wird der Si-Bereich auf 0,005 bis 0,8 Gew.-% eingestellt, jedoch variiert die geeignete
Menge an Si innerhalb dieses Bereichs, und zwar in Abhängigkeit von den für die Kühlrippe
erforderlichen Charakteristika. Wenn die Menge an Si gering ist, kann zuallererst ein
Kühlrippenmaterial
mit besonders ausgezeichneter thermischer Leitfahigkeit der Kühlrippe aufgrund
der verminderten Menge an Si erhalten werden, und ferner kann, da das natürliche Potential der
Kühlrippe basischer wird, eine Kühlrippe erhalten werden, die hinsichtlich des Opfereffektes
vorteilhaft ist. Für solche Charakteristika zeigt insbesondere ein Bereich von 0,05 bis 0,2 Gew.-%
stabile Charakteristika. Wenn außerdem die Menge an Si hoch ist, kann eine Kühlrippe erhalten
werden, dessen thermische Leitfahigkeit nicht so hoch wie die vorstehend erwähnte ist, welche
jedoch eine ausgezeichnete Festigkeit nach dem Löten aufweist. Für solche Charakteristika zeigt
insbesondere ein Bereich von 0,4 bis 0,6 Gew.-% stabile Charakteristika.
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Fe erreicht die Fest-Flüssig-Härtung in einer bestimmten Menge in einer Legierung, und der Rest
liegt als intermetallische Verbindung vor. Das eben erwahnte verbessert die Festigkeit, vermindert
jedoch die thermische Leitfahigkeit signifikant. Das letztere verbessert die Festigkeit durch eine
Dispersionsverstärkung leicht, besitzt jedoch eine entgegengesetzte Wirkung, wodurch der
Verbesserungseffekt bezüglich der Festigkeit aufgrund der Si-Zugabe abnimmt, und zwar durch
Bildung einer intermetallischen Verbindung mit Si. Hierbei ist der Verbesserungseffekt auf die
Festigkeit unzureichend, wenn die Zugabemenge von Fe unter 0,5 Gew.-% liegt, und wenn sie
über 1,5 Gew.-% liegt, verschlechtert sich die Formbarkeit, was das rippenförmige Formen der
Kühlrippe schwierig macht.
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Bezüglich Ni hat sich als ein Ergebnis eifriger Untersuchungen durch die Erfinder herausgestellt,
daß es einen Effekt bezüglich der Verbesserung der Festigkeit besitzt, ohne daß es die thermische
Leitfähigkeit verringert. Dies ist ein wichtiges Element in der Erfindung. Das heißt, Ni verbessert
die Festigkeit durch die Fest-Flüssig-Härtung, gleichzeitig besitzt es jedoch eine Wirkung
hinsichtlich der Abnahme der Menge an Feststofflösung von Fe, entsprechend der Menge der
Feststofflösung an Ni. Obgleich Fe und Ni fast den gleichen Effekt auf eine Verbesserung
bezüglich der Festigkeit beim Bilden der Feststofflösung besitzen, ist die Abnahme der thermischen
Leitfahigkeit bei Ni weitaus geringer. Wenn somit Ni einer Legierung hinzugegeben wird, welche
die genannte Menge an Fe enthält, verbessert sich die Festigkeit ohne Abnahme der thermischen
Leitfähigkeit. Und wenn die Zugabemenge an Ni unter 0,1 Gew.-% liegt, ist der Effekt
unzureichend, und wenn mehr als 2,0 Gew.-% hinzugegeben werden, verschlechtert sich die
Formbarkeit, was das rippenförmige Formen einer Kühlrippe schwierig macht.
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Diesbezüglich haben wir als eine Legierung für Wärmeaustauscher, bei der reines Aluminium mit
Ni versetzt ist, jene gefünden, die in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. Sho
57-60046 gezeigt ist. Obgleich sich diese Erfindung auf eine Legierung für Wärmeaustauscher
bezieht, begründet sich die Tatsache, daß sie ein Bauteil für den Weg eines Kühlmittels für dessen
Anwendung in Betracht zieht und sich nicht mit der Kühlrippe beschäftigt, offensichtlicherweise
darauf, daß die Erfindung Verbesserungen in der Korrosionbeständigkeit und den
Absackeigenschaften
bereitstellt, und sie weist keine Beschreibung über den Anodenopfereffekt (welcher
der Korrosionsbeständigkeit erschwert) und der thermischen Leitfahigkeit, die für
Kühlrippenmaterial erforderlich sind, und die in Beispielen aufgeführte Plattendicke ist gegenüber
Kühlmittelmaterial viel dicker.
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Ferner ist bei der Erfindung der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. Sho 57-60046
kein Gedanke hinsichtlich einer Legierung für Kühlrippenmaterial mit ausgezeichneter thermischer
Leitfahigkeit beschrieben, und es erfolgt überhaupt keine Beschreibung der Beziehung zwischen
der Menge an Fe und der Menge an Ni, die eine Basis der Erfindung ist.
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Das heißt, die Erfindung und die vorliegende Erfindung sind ziemlich unterschiedlich in der
Anwendung und der Art des Denkens.
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Bezüglich der Legierungszusammensetzung berücksichtigt des weiteren die Erfindung der
ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. Sho 57-60046 Si und Fe als
Verunreinigungselemente, wodurch sie sich ziemlich von der vorliegenden Erfindung unterscheidet, bei der diese
Elemente unter Einstufüng dieser als positive Zugabeelemente hinzugesetzt werden.
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Darüber hinaus ist Co ein Element, von dem man erwartet, daß es den gleichen Effekt wie Ni
zeigt, und nicht mehr als 2,0 Gew.-% an Co können sicher neben Ni bei der Erfindung
hinzugesetzt werden.
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In einigen Fällen der Erfindung werden ferner 0,01 bis 0,2 Gew.-% Zr hinzugesetzt; Zr besitzt die
Funktion des Vergröberns der rekristallisierten Körnchen, die sich beim Löten bilden, und des
Verhinderns des Absackverhaltens der Kühlrippe und der Diffiision von Lötmittel bzw. Lötmetall
in die Kühlrippe. Da die erfindungsgemäße Legierung relativ große Mengen an Fe enthält, werden
die rekrisallisierten Körnchen häufig fein, und in solchen Fällen ist die Zugabe von Zr vorteilhaft.
Wenn Zr zu weniger als 0,01 Gew.-% hinzugegeben wird, ist seine Wirkung nicht ausreichend.
Gemäß den Untersuchungen der Erfinder hat Zr eine geringe Wirkung auf die Verbesserung der
Festigkeit, und es ist ein Element, welches die thermische Leitfähigkeit verringert, wodurch die
obere Grenze auf 0,2 Gew.-% bestimmt wurde.
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Zu der erfindungsgemäßen Legierung werden eine oder nicht weniger als zwei Arten von nicht
mehr als 2,0 Gew.-% Zn, nicht mehr als 0,3 Gew.-% In und nicht mehr als 0,3 Gew.-% Sn in
einigen Fällen hinzugesetzt. Diese werden hinzugegeben, um den Anodenopfereffekt beim
Kühlrippenmaterial zu erreichen, und wenn jeweils mehr als die vorstehend erwähnten Mengen
hinzugegeben wird, nimmt die thermische Leitfähigkeit ab.
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Die unvermeidbaren Verunreinigungen und Elemente, die aus anderen Grqnden als den obigen
hinzugegeben werden, schließen nun Ti, B etc. ein, welche hinzugesetzt werden, um die Struktur
des Ingots fein zu machen, und diese Elemente können jeweils sicher hinzugegeben werden, wenn
jeweils unter 0,03 Gew.-%. Außerdem können, wenn Verunreinigungen wie Cu, Nin, Mg, Na, Cd,
Pb, Bi, Ca, Li, Cr, K und V eingebracht sind, diese den Nebeneffekt der Verbesserung der
Festigkeit, der Verhinderung eines Risses vom Ingot, der Verbesserung der Formbarkeit und
dergleichen aufweisen, ein Anteil dieser Verunreinigungen von nicht mehr als 0,03 Gew.-% sollte
festgestellt werden. Dies liegt daran, daß wenn sie über 0,03 Gew.-% hinzugegeben werden, all
diese Elemente die thermische Leitfähigkeit verschlechtern.
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Die Legierungszusammensetzung der in der Erfindung verwendeten Aluminiumlegierung
entspricht der oben erwähnten. Das in der Erfindung verwendete Kühlrippenmaterial kann als ein
blankes bzw. ungeschütztes Material verwendet werden, und es kann ebenfalls als ein Kernmaterial
eines Hartlötkühlrippenblechs verwendet werden. Es kann ein herkönnnliches Lötmaterial zum
Einsatz kommen.
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Bezüglich des das erfindungsgemäße Kühlrippenmaterial verwendenden Wärmeaustauschers
können Kühler für Autos, Kondensatoren, Verdampfer, Ölkühler etc. erwähnt werden, jedoch sind
die Wärmeaustauscher nicht auf diese beschränkt.
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Außerdem sind als Verfahren des Lötens der erfindungsgemäßen Kühlrippe das nicht korrosive
Flußhartlöten, Vakuumhartlöten etc., die traditionell angewendet werden, allesamt möglich.
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Die erfindungsgemäße Kühlrippe kann durch Verfahren der Ingotherstellung mittels des
halbkontinuierlichen Gießens, Heißwalzens, Kaltwalzens und Temperns hergestellt werden, oder
sie kann ebenfalls durch Verfahren des kontinuierlichen Gießens und Walzens, Kaltwalzens und
Temperns hergestellt werden.
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Im nachfolgenden wird die Erfindung konkret auf Basis von Beispielen veranschaulicht.
Beispiel
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Eine Aluminiumlegierung für die Verwendung als Külllrippenmaterialen (Blechdicke: 60 µm, H14-
Veredlung) mit den in Tabelle 1 und Tabelle 2 gezeigten Legierungszusammensetzungen wurden
entsprechend des gangigen Verfahrens erzeugt. Von diesen Kühlrippenmaterialien wurden die
Festigkeit, die Elektroleitfähigkeit und das natürliche Potential, unter Verwendung einer
gesättigten Kalomelelektrode in einer wäßrigen 5 %-igen NaCl-Lösung, was bei einem Teil der
Probe durchgeführt wurde, nach dem Löten unter Wärme bestimint. Die Bedingungen des Lötens
unter Wärme waren 5 Minuten bei 600ºC in Sickstoffgas. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 und
Tabelle 4 gezeigt.
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Hierbei ist die Elektroleitfähigkeit ein Index der thermischen Leitfahigkeit, und wenn sich die
Elektroleitfähigkeit der Kühlrippe um 5 % IACS verbessert, verbessert sich die thermische
Effizienz des Wärmeaustauschers um etwa 1 %.
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Wie aus
Tabelle 3 und
Tabelle 4
offensichtlich ist, gibt es keine Kühlrippenmaterialien von
herkömmlichen Beispielen und Vergleichsbeispielen, die sowohl bezüglich der Zugfestigkeit als
auch der Elektroleitfahigkeit ausgezeichnet sind, wohingegen die Kühlrippenmaterialien der
erfindungsgemäßen Beispiele sowohl ausgezeichnete Werte in der Zugfestigkeit als auch der
Elektroleitfahigkeit zeigen.
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Hierbei betrifft Nr.39 ein Kühlrippenmaterial aus einer herkömmlichen Legierung vom Typ reinen
Aluminiums mit ausgezeichneter thermischer Leitfähigkeit, und Nr. 40 betrifft ein
Kühlrippenmaterial aus einer herkömmlichen Legierung vom Al-Mn-Typ. Wohingegen die
Nummern 1 bis 20 Beispiele mit relativ niedriger Menge an Si der Erfindung sind. Sie sind
ausgezeichnet bezüglich der thermischen Leitfähigkeit und der Festigkeit gegenüber der
herkömmlichen Legierung vom Typ reinen Aluminiums, wohingegen sie den gleichen Grad des
Opfereffektes wie das herkömmliche Material aulweisen und sie weisen die Charakteristiken auf,
daß die Festigkeit zu der der herkömmlichen Legierung vom Al-Mn-Typ gleich ist und die
thermische Leitfähigkeit ausgesprochen ausgezeichnet ist. Ferner betreffen die Nummern 21 bis 38
Kühlrippenmaterialien mit relativ hoher Menge an Si bei der Erfindung. Sie besitzen eine
thermische Leitfähigkeit, die gegenüber der herkömmlichen Legierung vom Typ reinen
Aluminiums gleich oder besser sind, und sie sind äußerst ausgezeichnet bezüglich der Festigkeit.
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Sie besitzen außerdem die Charakteristika, daß die Festigkeit gegenüber der der herkömmlichen
Legierung vom Al-Mn-Typ gleich oder überlegen ist, und die thermische Leitfähigkeit ist
ausgesprochen ausgezeichnet. Bei den Nummern 21 bis 38 besitzen jene, die mit irgendeinem von
Zn, In und Sn versetzt sind, den gleichen Opfereffekt wie die herkömmlichen Materialien, obgleich
die Potentiale nicht aufgelistet sind. Jene ohne den genannten Elementen sind bezüglich des
Opfereffektes schlecht, somit müssen sie für Wärmeaustauscher als Kühlrippen verwendet werden,
bei denen der Opfereffekt nicht erforderlich ist, was zu beschränkten Anwendungen führt.
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Das Vergleichsbeispiel Nr. 41 verwendet hochreines Metall, was bezüglich der Kosten
problematisch ist. Außerdem wurde das rippenförmige Formen mit allen Kühlrippen durchgeführt,
und es wurde herausgefünden, daß die Kühlrippenmaterialien Nr. 47, 49 und 51 zu einer
Rißbildung beim Formen führten und nicht gut geformt werden konnten.
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Wie oben beschrieben, besitzt das Kühlrippenmaterial der Erfindung eine hohe Festigkeit und eine
ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit und kann in geeigneter Weise insbesondere für
Wärmeaustauscher von Automobilen eingesetzt werden. Aus diesem und anderen Gründen kann die
Erfindung gut für den industriellen Einsatz zur Anwendung kommen.