JP2007136490A - 熱交換器用部材および熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 接合に必要な高温加熱を必要としない、ハンダ付けが可能なAlからなる熱交換器用部材およびそれを用いた熱交換器を提供する。
【解決手段】 Al製チューブ材およびAl製フィン材からなるAl基材に、基材側から順にZn層、Ni層またはNi−Zn合金層、Sn層を形成してなる表面処理Al材とし、表面処理を施したAl製チューブ材に表面処理を施したAl製フィン材を嵌合して嵌合部にクリームハンダを塗布した後、300℃以下に加熱してハンダ付けし、フィン付きチューブの熱交換器用部材とし、これを熱交換器に適用する。
【選択図】 なし
【解決手段】 Al製チューブ材およびAl製フィン材からなるAl基材に、基材側から順にZn層、Ni層またはNi−Zn合金層、Sn層を形成してなる表面処理Al材とし、表面処理を施したAl製チューブ材に表面処理を施したAl製フィン材を嵌合して嵌合部にクリームハンダを塗布した後、300℃以下に加熱してハンダ付けし、フィン付きチューブの熱交換器用部材とし、これを熱交換器に適用する。
【選択図】 なし
Description
本発明は、ハンダ付けが可能なAlからなる熱交換器用部材およびそれを用いた熱交換器に関する。
自動車のラジエーター、エバポレーター、コンデンサー冷蔵庫やエアコンなどの家電製品のエバポレーター、ノートパソコンや携帯電話などの事務機器などの放熱用の熱交換器として、軽量で耐食性に優れたAl部材が用いられることが多くなっている。例えばラジエータやエバポレータの熱交換器として、Al製のチューブ材とAl製のフィン材からなり、どちらか一方の部材としてAl材にロウ材をクラッドした部材を用いて両者をロウ付けしたものが用いられている。しかし、ロウ付する際にはAlの融点直下の600℃まで加熱する必要があり、良好な接合状態を得るためには温度を厳密に制御することが困難であるとともに、加熱された部位のAl材の強度低下を招くことが不可避である。
また、上記のようにして構成されるAl製熱交換器が過酷な環境で使用された場合のAlチューブに生じる孔食を防止するため、Al製のチューブ材の表面にZnを溶射被覆し、Zn層の上にフィン材をロウ付けする対策も取られている。さらに、Znを溶射被覆したAl製のチューブ材をロウ付けする際に、Alチューブ材とフィン材のフィレット部にZnが拡散して、フィレット部がAlチューブ材およびフィン材よりも電気化学的に卑になることにより、フィレット部が優先的に腐食するようになるので、チューブ材として特定の組成を有するAl合金を用い、特定の組成を有するZn合金を溶射した熱交換器用Alチューブも提案されている(特許文献1)。しかし、この熱交換器用Alチューブもロウ付けする際にAlの融点直下の600℃まで加熱する必要があるので、強度低下を摩部が免れることはできず、チューブの肉厚を強度低下を見込んだ厚さにしなくてはならず、ゲージダウンによるコストダウンを図ることができない。
本出願に関する先行技術文献情報として次のものがある。
特開平09−137245号公報
本発明は、接合に必要な高温加熱を必要としない、ハンダ付けが可能なAlからなる熱交換器用部材およびそれを用いた熱交換器を提供することを目的とする。
上記の目的を達成する本発明の熱交換器用部材は、融点が300℃以下のハンダ材により接合可能な表面処理Al材を用いてなる熱交換器用部材(請求項1)であり、
上記(請求項1)の熱交換器用部材において、前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni層、Sn層を形成してなること(請求項2)、
前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni−Zn合金層、Sn層を形成してなること(請求項3)、
前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni層を形成してなること(請求項4)を特徴とし、または
前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni−Zn合金層を形成してなること(請求項5)を特徴とし、さらに
上記(請求項2または3)の熱交換器用部材において、前記Sn層上にハンダ性を向上させる有機樹脂層を形成してなること(請求項6)を特徴とし、またさらに
上記(請求項4)の熱交換器用部材において、前記Ni層上にハンダ性を向上させる有機樹脂層を形成してなること(請求項7)を特徴とし、またさらに
上記(請求項5)の熱交換器用部材において、前記Ni−Zn合金層上にハンダ性を向上させる有機樹脂層を形成してなること(請求項8)を特徴とし、またさらに
上記(請求項6〜8)の熱交換器用部材において、前記有機樹脂層がウレタン系樹脂層であること(請求項9)を特徴とする。
上記(請求項1)の熱交換器用部材において、前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni層、Sn層を形成してなること(請求項2)、
前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni−Zn合金層、Sn層を形成してなること(請求項3)、
前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni層を形成してなること(請求項4)を特徴とし、または
前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni−Zn合金層を形成してなること(請求項5)を特徴とし、さらに
上記(請求項2または3)の熱交換器用部材において、前記Sn層上にハンダ性を向上させる有機樹脂層を形成してなること(請求項6)を特徴とし、またさらに
上記(請求項4)の熱交換器用部材において、前記Ni層上にハンダ性を向上させる有機樹脂層を形成してなること(請求項7)を特徴とし、またさらに
上記(請求項5)の熱交換器用部材において、前記Ni−Zn合金層上にハンダ性を向上させる有機樹脂層を形成してなること(請求項8)を特徴とし、またさらに
上記(請求項6〜8)の熱交換器用部材において、前記有機樹脂層がウレタン系樹脂層であること(請求項9)を特徴とする。
また、本発明の熱交換器は上記(請求項1〜9)のいずれかの熱交換器用部材を用いてなる熱交換器(請求項10)である。
本発明の熱交換器用部材は、Al基材に基材側から順にZn層、Ni層またはNi−Zn合金層、Sn層を形成してなる表面処理Al材を用いているので300℃以下のハンダ材により接合可能であり、従来行なわれていたロウ付けのような接合に必要な高温加熱を必要とせず、そのためにAl部材の加熱による強度低下を招くことがなく、強度低下を見込んで部材を余分の肉厚としておく必要がないので、ゲージダウンによるコストダウンを行なう上で有利である。
以下、本発明を詳細に説明する。本発明の熱交換器用部材に適用する表面処理Al部材の基材となるAlとしては、純Al材およびJIS規格の1000系、2000系、3000系、5000系、6000系、7000系のいずれのAl合金材も用いることができる。これらのAl合金材を脱脂し、次いで酸性エッチングし、引き続きスマットを除去した後、Znを置換めっきする。Znの置換めっきは、硝酸浸漬処理した後、Znによる置換めっき処理を行う。Zn置換めっき処理は第一Zn置換めっき処理、第二Zn置換めっき処理の2回の工程に分けて行ってもよい。この場合、各工程の処理後には水洗処理を実施する。この第一Zn置換めっき処理および第二Zn置換めっき処理により形成するZnめっき層は、この置換めっき処理後にNiめっきを施す際にわずかに溶解するので、Zn層の皮膜量としてはNiめっき後の状態で5〜500mg/m2 であることが好ましく、30〜300mg/m2 であることがより好ましい。皮膜量は処理液中のZnイオン濃度および第二Zn置換めっき処理において処理液中に浸漬する時間を適宜選択して調整する。皮膜量が5mg/m2 未満であるとZn層の上に形成するNiめっき層との密着性に乏しくなり、曲げ加工を施した際にめっき層が剥離しやすくなる。一方、皮膜量が500mg/m2 を超えるとNiめっきが不均一になり、ハンダ強度が低下する。
次いで、このようにして形成されたZn層の上にNi層をめっきにより形成する。Niめっきは電気めっき法または無電解めっき法のいずれを用いて形成してもよい。無電解めっき法を用いる場合は、還元剤としてP化合物やB化合物を用いるので、Niめっき皮膜はNi−P合金やNi−B合金からなる皮膜として形成するが、電気めっき法による純Niからなる皮膜と同様に、めっき皮膜のAl基板に対する密着性や、優れたハンダ濡れ性およびハンダ強度が得られる。このようにして得られるNi層は、Ni層上にSn層を形成する場合、皮膜量として0.2〜50g/m2 であることが好ましく、1〜10g/m2 であることがより好ましい。皮膜量が0.2g/m2 未満であるとNi層がZn層の全面を均一に被覆することができないので十分なハンダ強度が得られない。一方、皮膜量が50g/m2 を超えるとハンダ濡れ性およびハンダ強度の向上効果が飽和し、コスト的に有利でなくなる。一方、Ni層上にSn層を形成しない場合、Ni層は、皮膜量として0.2〜50g/m2 であることが好ましく、1〜10g/m2 であることがより好ましい。0.1g/m2未満では、Ni層がZn層の全面を均一に被覆することができないので十分なハンダ強度が得られない。一方、皮膜量が50g/m2 を超えるとハンダ濡れ性およびハンダ強度の向上効果が飽和し、コスト的に有利でなくなる。
上記のようにZnを置換めっきし、次いでNiをめっきする場合、Al基材上に析出したZnがNiめっき時にNiめっき浴中にわずかに溶解するので、長時間の連続めっき作業によりNiめっき浴中にZnが増加した結果、置換めっきにより形成したZn層上にNi−Zn合金として形成するようになる。Niめっき浴中に溶解したZnを除去手段を用いて除去してもよいが、Zn層上にNiめっき層の替りにNi−Zn合金層が形成しても特に問題はない。
次いで、公知の電気めっき法を用いてNi層上またはNi−Zn合金層上にSn層を形成する。Sn層はめっき皮膜量として0.2〜20g/m2 であることが好ましく、1〜10g/m2 であることがより好ましい。皮膜量が0.2g/m2 未満であると非活性のフラックスを用いた場合にハンダが濡れにくくなる。一方、皮膜量が20g/m2 を超えるとハンダ濡れ性およびハンダ強度の向上効果が飽和し、コスト的に有利でなくなる。また、Snめっき層を形成した後にSnの融点未満または融点以上の温度に加熱してNi層とSn層の間に合金層を形成して密着性を向上してもよい。
このようにしてAl基材上に基材側から順にZn層、Ni層またはNi−Zn合金層、Sn層を形成するか、基材側から順にZn層、Ni層またはNi−Zn合金層を形成し、本発明の熱交換器用部材である表面処理Al材としてもよいが、さらにSn層上にハンダ性を向上させるために、ウレタン系樹脂などの有機樹脂層を形成してもよい。ウレタン系樹脂などの有機樹脂層を形成する場合、Sn層がなくても良い。このハンダ性を向上させる有機樹脂層を形成することにより、Pb−Sn系ハンダよりもハンダ濡れ性の劣るPbフリーハンダや低融点ハンダなどを用いても、良好なハンダ接着強度が得られるようになる。すなわち、水系ウレタン樹脂または水溶性ロジンを含有させた水系アクリル樹脂をSn層上に塗布し乾燥させて有機樹脂層を形成する。これらの有機樹脂はフラックス効果を有しているのでハンダ濡れ性を向上させる。水系樹脂の濃度は100〜900g/Lであることが好ましい。乾燥後の有機樹脂層の厚さは0.01〜1μmであることが好ましい。0.01μm未満では充分なフラックス効果が得られず、1μmを超えてもフラックス効果の向上は飽和してコスト的に有利でなくなる。
以上のようにして、本発明の熱交換器用部材である表面処理Al材を得ることができる。
以上のようにして、本発明の熱交換器用部材である表面処理Al材を得ることができる。
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明する。
[フィン付きチューブのモデルの作成]
熱交換器として用いるAl製のフィン付きチューブのモデルを作成した。AlチューブとしてAl引抜管(JIS 5052、外径:25mm、長さ:200mm)を、フィン材としてドーナツ状のAl板(JIS 5052、外径:45mm、内径:25.1mm、厚さ:0.5mm)を用いた。ハンダ付け前後の熱影響を比較するため、Al引抜管およびフィン材に下記に示すめっきを施す前にビッカース硬度を測定したところ、Al引抜管:74.7kg/mm2、Al板:73.6kg/mm2であった。
[フィン付きチューブのモデルの作成]
熱交換器として用いるAl製のフィン付きチューブのモデルを作成した。AlチューブとしてAl引抜管(JIS 5052、外径:25mm、長さ:200mm)を、フィン材としてドーナツ状のAl板(JIS 5052、外径:45mm、内径:25.1mm、厚さ:0.5mm)を用いた。ハンダ付け前後の熱影響を比較するため、Al引抜管およびフィン材に下記に示すめっきを施す前にビッカース硬度を測定したところ、Al引抜管:74.7kg/mm2、Al板:73.6kg/mm2であった。
次いで、上記のAl引抜管およびドーナツ状のAl板25枚をめっき基材として、アルカリ液中で脱脂し、次いで硫酸中に浸漬するエッチング処理を施し、引き続いて硝酸中で脱スマット処理を施した後、水酸化ナトリウム:150g/L、ロッシェル塩:50g/L、酸化亜鉛:25g/L、塩化第一鉄:1.5g/Lを含む処理液中に浸漬する第一Zn置換めっき処理を行い、次いで400g/Lの硝酸水溶液中に浸漬して置換析出したZnを除去した後、第一Zn置換めっき処理で用いたのと同一の処理液中に浸漬して第二Zn置換めっき処理を行い、約200mg/m2の皮膜量のZn層を形成したZnめっきAl基材を得た。
次いで、これらのZnめっきAl基材に無電解めっき法を用いて、Zn層上にNi−12重量%P合金めっき皮膜を、約15g/m2の皮膜量で形成し、引き続いてZn層とNi層を形成したAl基材に下記に示す条件で電気めっき法を用いてNi層上にSnめっき皮膜を、約5g/m2の皮膜量で形成して供試材とした。なお、Al引抜管の場合は、管の外面側にのみSnめっき層を電気めっきした。
[Snめっき条件]
浴組成 硫酸第一スズ 30g/L
フェノールスルホン酸 60g/L
エトキシ化α−ナフトール 5g/L
陽極 Sn板
撹拌 めっき浴の循環
浴温 50〜55℃
電流密度 10A/dm2
浴組成 硫酸第一スズ 30g/L
フェノールスルホン酸 60g/L
エトキシ化α−ナフトール 5g/L
陽極 Sn板
撹拌 めっき浴の循環
浴温 50〜55℃
電流密度 10A/dm2
次に、めっきを施したAl引抜管2本のそれぞれに、めっきを施したドーナツ状のAl板25枚を6mmの間隔で嵌合し、嵌合部に鉛フリーのクリームハンダ(M705(Sn−3.0Ag−0.5Cu)融点:220℃、千住金属(株)製)を塗布した後、250℃および300℃に加熱した電気オーブン中にそれぞれ1分間挿入して加熱してハンダ付けした後、取り出して冷却し、熱交換器用のフィン付きチューブのモデルとした。このようにして得られた2本のフィン付きチューブのそれぞれのモデルのチューブ部分およびフィン部分から硬度測定用の試験片を切り出し、ビッカース硬度を測定した。測定結果をめっき前の測定結果、およびロウ付けの場合と同様の600℃の温度で加熱した場合の測定結果と併せて表1に示す。
表1に示すように、ハンダ付け前後のチューブおよびフィンの硬度には殆ど変化が認められず、ハンダ付けによるフィン付きチューブのモデルの機械的特性に与える熱影響はなかった。
Al基材に基材側から順にZn層、Ni層またはNi−Zn合金層、Sn層を形成するか、あるいは基材側から順にZn層、Ni層またはNi−Zn合金層を形成してなる表面処理Al材を用いてなる本発明の熱交換器用部材は、300℃以下のハンダ材により接合可能であり、従来行なわれていたロウ付けのような接合に必要な高温加熱を必要とせず、そのためにAl部材の加熱による強度低下を招くことがなく、熱交換器用部材として好適に適用可能であり、強度低下を見込んで部材を余分の肉厚としておく必要がないので、ゲージダウンにより熱交換器としてのコストダウン有利に行なうことができる。
Claims (10)
- 融点が300℃以下のハンダ材により接合可能な表面処理Al材を用いてなる熱交換器用部材。
- 前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni層、Sn層を形成してなることを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器用部材。
- 前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni−Zn合金層、Sn層を形成してなることを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器用部材。
- 前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni層を形成してなることを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器用部材。
- 前記表面処理Al材が、Al基材に基材側から順にZn層、Ni−Zn合金層を形成してなることを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器用部材。
- 前記Sn層上にハンダ性を向上させる有機樹脂層を形成してなることを特徴とする、請求項2または3に記載の熱交換器用部材。
- 前記Ni層上にハンダ性を向上させる有機樹脂層を形成してなることを特徴とする、請求項4に記載の熱交換器用部材。
- 前記Ni−Zn合金層上にハンダ性を向上させる有機樹脂層を形成してなることを特徴とする、請求項5に記載の熱交換器用部材。
- 前記有機樹脂層がウレタン系樹脂層であることを特徴とする、請求項6乃至8のいずれか1項に記載の熱交換器用部材。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱交換器用部材を用いてなる熱交換器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005332137A JP2007136490A (ja) | 2005-11-16 | 2005-11-16 | 熱交換器用部材および熱交換器 |
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JP2005332137A JP2007136490A (ja) | 2005-11-16 | 2005-11-16 | 熱交換器用部材および熱交換器 |
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ID=38199969
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JP2005332137A Withdrawn JP2007136490A (ja) | 2005-11-16 | 2005-11-16 | 熱交換器用部材および熱交換器 |
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