JP2007136490A - 熱交換器用部材および熱交換器 - Google Patents

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

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。

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／ｍ^２ であることが好ましく、３０〜３００ｍｇ／ｍ^２ 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／ｍ^２ 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／ｍ^２ 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／ｍ^２ であることが好ましく、１〜１０ｇ／ｍ^２ であることがより好ましい。皮膜量が０．２ｇ／ｍ^２ 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／ｍ^２ 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／ｍ^２ であることが好ましく、１〜１０ｇ／ｍ^２ であることがより好ましい。０．１ｇ／ｍ^２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／ｍ^２ 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／ｍ^２ であることが好ましく、１〜１０ｇ／ｍ^２ であることがより好ましい。皮膜量が０．２ｇ／ｍ^２ 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／ｍ^２ 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／ｍｍ^２、Ａｌ板：７３．６ｋｇ／ｍｍ^２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／ｍ^２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／ｍ^２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／ｍ^２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／ｄｍ^２

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。