JP2006308119A

JP2006308119A - 熱交換器のろう付け方法

Info

Publication number: JP2006308119A
Application number: JP2005127559A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Ito; 智弘伊藤; Hirokazu Tanaka; 宏和田中; Hirotoki Arikawa; 弘時有川; Shinichi Nakamura; 真一中村; Takuya Ariga; 拓哉有我
Original assignee: Denso Corp; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Denso Corp; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: JP4745710B2

Abstract

【目的】ろう付けにより接合される熱交換器、特にエバポレータ，コンデンサ，ラジエータ，ヒータやオイルクーラなどの自動車用熱交換器のろう付けにおいて、ヘッダとチューブとの間に優れた隙間充填性を付与し得る熱交換器のろう付け方法を提供する。
【構成】作動流体が流通するチューブとフィンを積層し、チューブの両端にヘッダを組み付け、チューブとフィンおよびチューブとヘッダをろう付け接合してなる熱交換器のろう付け方法において、チューブとフィンをろう付け接合する第１工程と、チューブとヘッダをろう付け接合する第２工程からなることを特徴とする。
【選択図】図１１

Description

本発明は、エバポレータ、コンデンサ、ラジエータ、ヒータ、オイルクーラなどの熱交換器、とくにアルミニウム（アルミニウム合金を含む、以下同じ）製自動車用熱交換器のろう付け接合に好適な熱交換器のろう付け方法に関する。

自動車用熱交換器は、図１２に示すように、作動流体が流通するチューブＴ、チューブＴの外面にろう付け接合されるフィンＦ、チューブＴの両端にろう付け接合されるヘッダＨ、最外側のフィンとヘッダにろう付け接合されるサイドプレートＳ、およびヘッダにろう付け接合またはかしめ接合されるタンクＴＡから構成されている。

チューブＴとしては、板材を曲成し溶接して扁平チューブ形状としたもの１(図１)、板材を曲げ加工するだけで溶接することなくチューブ形状としたもの２、３（図２、図３）、チューブ内にフィンＩＦを装着したもの４（図４）、扁平多孔管５（図５）などが使用される。

図１〜４に示すチューブ材やヘッダ材がアルミニウムからなる場合には、３００３合金などのＡｌ−Ｍｎ系合金を心材６とし、片面にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材７、他の片面に必要に応じてＡｌ−Ｚｎ系合金からなる犠牲陽極材８またはＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材７をクラッドした２層または３層のクラッド材が用いられている。フィン材Ｆとしては、Ａｌ−Ｍｎ系合金やＡｌ−Ｍｎ−Ｚｎ系合金の裸材や、Ａｌ−Ｍｎ系合金やＡｌ−Ｍｎ−Ｚｎ系合金を心材とし、その片面または両面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材をクラッドした２層または３層のクラッド材が使用されている。図５の扁平多孔管５は純Ａｌ、Ａｌ−Ｍｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金からなる。

図６に示すように、チューブＴ、フィンＦおよびヘッダＨを組み付けてろう付け接合する場合、例えばチューブ２を使用した場合には、図７に示すように、チューブ２とヘッダＨの接合部には比較的大きな隙間９があり、この隙間９は、図６に示すように、チューブＴに沿って溝１０を形成しているから、ヘッダＨのろう材は、溝１０を通ってチューブＴとフィンＦとの接合に消費され（図６において矢印はろうの流れを示す）、チューブＴとヘッダＨとの接合のためのろう材が不足し、その結果、隙間９にろう材が充填されず、あるいは一旦充填されてもろう材の凝固時に引け巣状に隙間が形成されて、ろう付け欠陥が生じ、作動流体の漏れの原因となる。このような現象はチューブ３、４においても生じる。

チューブ１においては、溶接状態が良好な場合には上記の現象は生じないが、図８に示すように、溶接部Ｗに目違いによる段差１１が生じた場合には、段差１１がチューブ２に生じる溝１０と同様に作用して、ヘッダＨのろう材が段差１１を通ってチューブとフィンの接合に消費され、チューブとヘッダの接合のためのろう材が不足する場合がある。

チューブ５においては、図９に示すように、チューブの表面にダイスマークなど、長手方向に連続するキズ（凹み）１２が生じていると、そのキズがチューブ２に生じる溝１０と同様に作用して、ヘッダＨのろう材がキズ１２を通ってチューブとフィンの接合に消費され、チューブとヘッダの接合のためのろう材が不足する場合がある。

表面にＳｉを含有するろう材をクラッドしてなるチューブ、フィンおよびヘッダを用いる熱交換器のろう付け接合において、上記の問題への対策として、チューブのろう材中のＳｉ含有量をヘッダのろう材中のＳｉ含有量より２重量％以上多くして、チューブのろう材をより流動し易く、ヘッダのろう材をより流動し難いものとし、ろう付け接合時、チューブのろう材がヘッダのろう材より早く流動化し、チューブとフィンの当接部にフィレットを形成するとともに、ヘッダへも流動してヘッダのろう材と共にチューブとヘッダのろう付け接合を行うようにする手法が提案されている（特許文献１参照）が、例えば、チューブ２のように、複数本の溝１０が形成されるものにいては、十分な効果を得ることが難しい。
特開平１１−８３３７５号公報

発明者らは、ろう付け工程における前記従来の問題点を解消するために，ろうの流動状態の解析を行うとともに，溝を通ることにより生じるろうの流動を抑制することを目的として種々の試験、検討を行った結果，ろう付けを構成部材毎に２回以上に分けて行い，特にチューブとフィンをろう付け接合した後，チューブとヘッダをろう付け接合することにより，ヘッダのろうがチューブの溝を通って流動する現象が抑制され，ヘッダとチューブの隙間充填性が向上することを見出した。

本発明は、上記の知見に基いてさらに検討を加えた結果としてなされたものであり、その目的は、ろう付けにより接合される熱交換器、特にエバポレータ，コンデンサ，ラジエータ，ヒータやオイルクーラなどの自動車用熱交換器のろう付けにおいて、ヘッダとチューブとの間に優れた隙間充填性を付与し得る熱交換器のろう付け方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１による熱交換器のろう付け方法は、作動流体が流通するチューブとフィンを積層し、チューブの両端にヘッダを組み付け、チューブとフィンおよびチューブとヘッダをろう付け接合してなる熱交換器のろう付け方法において、チューブとフィンをろう付け接合する第１工程と、チューブとヘッダをろう付け接合する第２工程からなることを特徴とする。

請求項２による熱交換器のろう付け方法は、請求項１において、チューブとフィンの少なくとも一方、チューブとヘッダの少なくとも一方にろう材をクラッドしたものを使用し、第１工程としてチューブとフィンを優先的に加熱し、チューブとフィンをろう材の固相線温度を越えた温度に保持した後、ろう材の固相線温度未満の温度まで冷却してチューブとフィンをろう付け接合し、該第１工程中、ヘッダとヘッダに接続されるチューブをろう材の固相線温度未満の温度に保持し、第２工程としてヘッダとヘッダに接続されるチューブを優先的に加熱し、チューブとヘッダをろう材の固相線温度を越えた温度に保持した後、ろう材の固相線温度未満の温度まで冷却してチューブとヘッダをろう付け接合し、該第２工程中、チューブとフィンをろう材の固相線未満の温度に保持することを特徴とする。

請求項３による熱交換器のろう付け方法は、請求項２において、チューブ、フィンおよびヘッダをアルミニウム材で構成して、チューブとフィンの少なくとも一方、チューブとヘッダの少なくとも一方にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材をクラッドしたものを使用し、第１工程としてチューブとフィンを優先的に加熱し、チューブとフィンをろう材の固相線温度５７７℃を越えた温度に保持した後、５７７℃未満の温度まで冷却してチューブとフィンをろう付け接合し、該第１工程中、ヘッダとヘッダに接続されるチューブを５７７℃未満の温度に保持し、第２工程としてヘッダとヘッダに接続されるチューブを優先的に加熱し、チューブとヘッダを５７７℃を越えた温度に保持した後、５７７℃未満の温度まで冷却してチューブとヘッダをろう付け接合し、該第２工程中、チューブとフィンを５７７℃未満の温度に保持することを特徴とする。

本発明によれば、ろう付けにより接合される熱交換器、特にエバポレータ，コンデンサ，ラジエータ，ヒータやオイルクーラなどの自動車用熱交換器のろう付けにおいて、ヘッダとチューブとの間に優れた隙間充填性を付与し得る熱交換器のろう付け方法が提供される。

本発明によるろう付け方法は、例えば、図１０に示す熱交換器を図１１の加熱条件によりろう付け接合することにより実現することができる。図１１に示すように、図１０の熱交換器コアの領域Ａの範囲のチューブＴとフィンＦをろう材の固相線温度を越えた温度に保持した後、冷却してろう材の固相線温度未満にし、領域ＡのチューブＴとフィンＦを接合する。この間、領域ＢとＣの温度はろう材の固相線温度未満に抑制する。引き続き、図１０の領域ＢとＣの範囲をろう材の固相線温度を越えた温度に保持した後、冷却してろう材の固相線温度未満にし、領域ＢとＣのヘッダＨとチューブＴならびにチューブＴとフィンＦを接合する。この間，領域Ａの温度はろう材の固相線温度未満に抑制する。

上記の加熱条件により、領域ＢとＣの加熱の際、チューブの溝を通ることにより生じるヘッダのろうの流動は、領域ＢとＣの範囲に限定され(ろうが領域Ａに到達した時点でろうは凝固し流動が停止する)、ヘッダのろうがチューブとフィンの接合に消費される量は格段に減少する。その結果，チューブとヘッダの接合のためのろうが不足することがなく、チューブとヘッダの接合部の隙間には十分なろうが充填されるとともにフィレットが形成され、また、比較的大きな隙間がある場合においても、隙間に十分なろうが充填され，ろう付け不良が低減し、生産性が向上する。なお、領域Ａ、Ｂ、Ｃの３回に分けて加熱しても同様の結果を得ることができる。領域Ａ、Ｂ、Ｃの加熱順序はどのように選択してもよい。

自動車用熱交換器は、図１２に示す通り、少なくともチューブＴ、チューブＴの外表面にろう付けにより接合されたフィンＦ、チューブＴの両端にろう付けにより接合されるヘッダＨと、ヘッダＨにろう付けにより接合されたり、かしめ接合されるタンクＴＡから構成されている。サイドプレートＳは、必要に応じてチューブ、フィンとヘッダとともに一体ろう付け接合される。

各部材には、熱伝導性に優れる金属材料が用いられ、ろう材については各部材にクラッドされているもの、各部材の表面に塗装されているもの、置きろうとして配置されるもの等、その形態は特に限定されない。タンク材に関しては、各部材のろう付け接合後にかしめ接合する場合には、樹脂製でもよい。通常、タンクには、作動流体の入口と出口を形成するパイプ、ドレン管等が配置されている。

以下に、図１２に示す自動車用熱交換器のろう付け工程について順を追って説明する。サイドプレートは一体ろう付けにより接合し、タンクは各部材のろう付け接合後にかしめ接合するから、ろう付けはタンクの無い図１０の熱交換器の場合と同等に行われる。まず、図１０（図１２も同様）に示すように、チューブＴの間にフィンＦを配置し、その最外にサイドプレートＳを配置するとともに、ヘッダＨにあらかじめ設けられた穴にチューブＴを挿入してコア形状とし、線材，バンド，専用ジグ等でサイドプレートを固定する。

次に、必要に応じて脱脂とフラックス塗布を施す。加熱条件に関しては、図１１に示すように、まず、第１工程として、図１０の領域Ａの範囲のチューブとフィンを優先的に加熱し、あるいは領域ＢとＣの範囲のヘッダ(場合によっては領域ＢとＣに含まれるチューブとフィン)の加熱を抑制し、領域Ａの範囲をろう材の固相線温度を越えた温度に保持した後、冷却してろう材の固相線温度未満にして、領域Ａのチューブとフィンを接合する。この間、領域ＢとＣの温度はろう材の固相線温度未満に抑制する。

引き続き、第２工程として、図１０の領域ＢとＣの範囲のヘッダとヘッダに接するチューブ(場合によっては領域ＢとＣに含まれるチューブとフィン)を優先的に加熱し、あるいは領域Ａの範囲のチューブとフィンの加熱を抑制し、領域ＢとＣの範囲をろう材の固相線温度を越えた温度に保持した後、冷却してろう材の固相線温度未満にして領域ＢとＣのヘッダとチューブを接合する(場合によっては領域ＢとＣに含まれるチューブとフィンも接合される)。この間、領域Ａの温度はろう材の固相線温度未満に抑制する。

上記の加熱においては、領域Ａに対して、領域ＢかＣが重なっても問題はない。領域ＢとＣに関しては、図１０に示す通りヘッダからの距離が１００ｍｍ以内であることが望ましい。１００ｍｍを超えると、ろうの流動の抑制効果がヘッダからの距離に応じて減少してしまい、ろう付け欠陥改善に関して大きな改善効果が望めなくなる。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。この実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例として、アルミニウム合金製自動車用熱交換器のろう付け例を以下に示す。形態としては、サイドプレートが一体ろう付けにより接合され、タンクが各部材のろう付け接合後にかしめ接合される例である。チューブ材、ヘッダ材およびサイドプレート材は、Ａ３００３の心材にＡ４０４５のろう材をクラッドした板材から構成され、フィン材はＡ３２０３にＺｎを添加した合金の板材から構成される。

各板材をチューブ、ヘッダ、サイドプレートおよびフィンの所定の形状に成形した後、チューブの間にフィンを配置し、その最外にサイドプレートを配置するとともに、ヘッダにあらかじめ設けられた穴にチューブを挿入してコア形状とし、ステンレス製の線材でサイドプレートを固定する。

次に脱脂して、ヘッダを除くコアの全体にフッ化物系のフラックスを塗布する(フラックスはセシウム系やフッ化物系とセシウム系の混合物でも可)。フラックスの塗布量は１〜２０ｇ／ｍ^２とした。

加熱条件については、炉内温度を６００〜６６０℃の範囲に保持し、酸素濃度を２００ｐｐｍ以下とし、１回目の加熱の際に図１０に示す領域ＢとＣをステンレス製の遮熱板で覆い、領域Ａの範囲のチューブとフィンを優先的に昇温させ、領域Ａの範囲をろう材の固相線温度である５７７℃を越えた温度に保持した後、冷却して５７７℃未満にし、領域Ａのチューブとフィンを接合する。この間、領域ＢとＣの温度は、遮熱板の効果により５７７℃未満に抑制されている。

ここで一旦室温まで冷却し、ヘッダにフッ化物系のフラックスを１〜２０ｇ／ｍ^２塗布する。引き続いて行われる２回目の加熱の際には、領域Ａをステンレス製の遮熱板で覆うことにより領域ＢとＣの範囲のヘッダ(場合によっては領域ＢとＣに含まれるチューブとフィン)を優先的に加熱し、領域ＢとＣの範囲を５７７℃を越えた温度に保持した後、冷却して５７７℃未満とし、領域ＢとＣのヘッダとチューブを接合する(場合によっては領域ＢとＣに含まれるチューブとフィンも接合される)。この間、領域Ａの温度は、遮熱板の効果により５７７℃未満に抑制されている。以上の加熱を施した際の温度履歴を図１３に示す。

本発明に従って、図１３に示す加熱工程によりろうつけ接合された熱交換器コアと、従来通り、図１９に示す一回の加熱によりろう付け接合された熱交換器コアについて、チューブとヘッダの接合部のフィレット面積を測定し、その大きさからチューブとヘッダの隙間へのろうの充填性を評価した。

フィレット面積の測定方法は、図１５に示すＡ〜Ｆの６ヶ所から試料を採取し、図１６に示すように、チューブの上端からチューブ幅の１／４の位置で切断し、樹脂埋め研磨後、ケラー氏液でエッチングして撮影した断面ミクロ組織写真から測定した。

フィレット面積は、チューブとヘッダの接合部Ａ〜Ｆ（図１５）それぞれに関して２ヶ所づつ観察して測定し、計１２ヶ所の平均値として求めた。結果は、本発明のろう付け方法（本発明法）によるフィレット面積が０．２４３ｍｍ^２、従来のろう付け方法（従来法）によるフィレット面積が０．０５７ｍｍ^２で、本発明法では従来法と比較して、チューブとヘッダの接合部のフィレット面積が格段に大きくなっており、極めて良好な隙間充填性が得られることが確認された。本発明法および従来法で得られるフィレットの断面ミクロ組織を、それぞれ図１７および図１８に示す。

本実施例においては、チューブ材、ヘッダ材、サイドプレート材に、ろう材としてＡ４０４５を適用したが、ろう材としてＡ４１０１を適用して真空ろう付けした場合においても同様の結果を得ることができる。

また、上記本発明による加熱方法（図１３）の場合には、連続する２回の加熱の間に、コアを室温まで冷却することが必要であるが、炉内温度を６００〜６６０℃の範囲に、酸素濃度を２００ｐｐｍ以下に保持しながら、コアの領域毎の温度の制御を遮熱板ではなく、窒素ガスを領域毎に強制的に吹き付けることにより、図１４に示すように、領域Ａを５７７℃を越えた温度まで加熱した後、領域Ａ、ＢとＣを冷却して一旦５７７℃未満にし、領域Ａのチューブとフィンを接合し、その後連続的に領域ＢとＣを５７７℃を越えた温度まで加熱した後、領域Ａ、ＢとＣを冷却して５７７℃未満にして、領域ＢとＣのチューブとヘッダを接合するようにすれば、２回の加熱の間にコアを室温まで冷却することなくろう付け接合することができる。

さらに、本実施例では、チューブＴ、ヘッダＨ、フィンＦとサイドプレートＳを組みつけた後ろう付け加熱しているが、図２０に示すように、まずチューブＴ、フィンＦおよびサイドプレートＳを組み付けてろう付け接合した後、ヘッダＨにチューブＴを挿入して図１０に示すコアとし、領域ＢとＣを５７７℃を越えた温度に保持し、その間領域Ａの温度を５７７℃未満の温度に保持することによって領域ＢとＣのチューブとヘッダをろう付け接合するようにしても同様の結果が得られる。

熱交換器用チューブにうち、溶接扁平チューブを示す断面図である。熱交換器用チューブのうち、板材を曲げ加工してチューブ形成に成形したものを示す断面図である。熱交換器用チューブのうち、板材を曲げ加工してチューブ形成に成形したものの他の例を示す断面図である。熱交換器用チューブのうち、チューブ内部にフィンを挿入したものを示す断面図である。熱交換器用チューブのうち、扁平多孔菅を示す断面図である。熱交換器のろう付け時において、ろう材の流動状況を示す説明図である。チューブとヘッダの接合部に生じる隙間を示す説明図である。溶接扁平チューブに生じる段差を示す説明図である。扁平多孔菅に生じる凹みを示す説明図である。熱交換器コアの概略図である。本発明に従うろう付け時の加熱方法を示す説明図である。アルミニウム製自動車用熱交換器コアの概略図である。本発明に従うアルミニウム製自動車用熱交換器コアのろう付け加熱時の温度履歴を示す説明図である。本発明に従うアルミニウム製自動車用熱交換器コアのろう付け加熱時の温度履歴の他の例を示す説明図である。実施例における試料採取位置を示す図である。実施例における断面ミクロ組織観察方向を示す図である。実施例における本発明法による断面ミクロ組織を示す図である。同じく従来法による断面ミクロ組織を示す図である。従来法のろう付け加熱時の温度履歴を示す説明図である。自動車用熱交換器における各部材の他の組み付け例を示す説明図である。

符号の説明

１溶接扁平管
２板材を曲げ加工してチューブ形状に成形した管
３板材を曲げ加工してチューブ形状に成形した管
４内面フィンを有する管
５扁平多孔菅
６芯材
７ろう材
８犠牲陽極材
９隙間
１０溝
１１段差
１２凹み（キズ）
Ｔチューブ
Ｆフィン
Ｈヘッダ
Ｓサイドプレート
ＴＡタンク
ＩＦインナーフィン

Claims

作動流体が流通するチューブとフィンを積層し、チューブの両端にヘッダを組み付け、チューブとフィンおよびチューブとヘッダをろう付け接合してなる熱交換器のろう付け方法において、チューブとフィンをろう付け接合する第１工程と、チューブとヘッダをろう付け接合する第２工程からなることを特徴とする熱交換器のろう付け方法。
チューブとフィンの少なくとも一方、チューブとヘッダの少なくとも一方にろう材をクラッドしたものを使用し、第１工程としてチューブとフィンを優先的に加熱し、チューブとフィンをろう材の固相線温度を越えた温度に保持した後、ろう材の固相線温度未満の温度まで冷却してチューブとフィンをろう付け接合し、該第１工程中、ヘッダとヘッダに接続されるチューブをろう材の固相線温度未満に保持し、第２工程としてヘッダとヘッダに接続されるチューブを優先的に加熱し、チューブとヘッダをろう材の固相線温度を越えた温度に保持した後、ろう材の固相線温度未満の温度まで冷却してチューブとヘッダをろう付け接合し、該第２工程中、チューブとフィンをろう材の固相線温度未満に保持することを特徴とする請求項１記載の熱交換器のろう付け方法。
チューブ、フィンおよびヘッダをアルミニウム材で構成して、チューブとフィンの少なくとも一方、チューブとヘッダの少なくとも一方にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材をクラッドしたものを使用し、第１工程としてチューブとフィンを優先的に加熱し、チューブとフィンをろう材の固相線温度５７７℃を越えた温度に保持した後、５７７℃未満の温度まで冷却してチューブとフィンをろう付け接合し、該第１工程中、ヘッダとヘッダに接続されるチューブを５７７℃未満の温度に保持し、第２工程としてヘッダとヘッダに接続されるチューブを優先的に加熱し、チューブとヘッダを５７７℃を越えた温度に保持した後、５７７℃未満の温度まで冷却してチューブとヘッダをろう付け接合し、該第２工程中、チューブとフィンを５７７℃未満の温度に保持することを特徴とする請求項２記載の熱交換器のろう付け方法。