JP2007178062A - 熱交換器の製造方法、アルミニウムクラッド板材および熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウムクラッド板材を組み付けて、ろう付けにより製造され、ろう付け接合部が組み付けられたクラッド板材の両面に存在し、組み付けられるクラッド板材の端部近傍に接合部位置している熱交換器の改良された製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウムクラッド板材として、心材の片面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材をクラッドし、他の片面にＳｉ：２．５〜６％を含有するアルミニウム合金材をクラッドしてなるクラッド板材を使用し、ろう付け時、組み付けられたクラッド板材の端部近傍において、片面にクラッドされたＡｌ−Ｓｉ系ろう材からの溶融ろうがクラッド板材の端部から他の片面にクラッドされたアルミニウム合金材面に流動することにより接合部が形成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器の製造方法、詳しくは、アルミニウムクラッド板材を組み付けて、ろう付けにより製造されるアルミニウム合金製熱交換器の改良された製造方法、該製造方法に用いられるアルミニウムクラッド板材および該製造方法により得られる熱交換器に関する。

板材を組み付けてろう付けにより製造される熱交換器のうち、成形加工した板材を積層して冷媒通路を形成する積層型熱交換器や、板材を曲成して閉断面を形成し冷媒通路としたパラレルフロー型熱交換器などにおいては、冷媒通路を形成する板材の内面側と、空気層との間で放熱あるいは吸熱を行う板材の外面側の両方において接合部を形成する必要があり、板材の内面側の接合については、内面側にろう材をクラッドするか、インナーフィンなど、ろう材を有する別の材料を挿入し、板材の外面側の接合についても、同様に外面側にろう材をクラッドするか、アウターフィンなど、ろう材を有する別の材料を挿入することによりろう付け接合部を形成している。

この場合、ろう付け接合部におけるろう材量の不足を補うために、例えば、アルミニウムブレージングシートからなるインナーフィンをアルミニウム板材の内面に組み付ける際などに、アルミニウム板材の内面に少量のSｉを含有するアルミニウム合金層を設け、当該アルミニウム合金層からろう材を補充して、ろう付け不良を無くし接合性を向上させることも行われている（特許文献１参照）。

一方、チューブ部とタンク部が一体構造となったドロンカップ型熱交換器においては、冷媒通路側と外気側を遮断するためのろう付け接合部（以下、境界接合部）が、熱交換器を構成する板材の内面側と外面側の両方に存在する。境界接合部は冷媒通路と外気を完全に遮断するとともに、内圧に耐える強度も必要であり、そのためドロンカップ型の熱交換器を構成する板材は両面にろう材をクラッドした板材が使われている。

ところが、ドロンカップ型熱交換器の境界接合部のように、接合部が熱交換器に組み付けられる板材の端部に近い部分にのみ存在する熱交換器においては、接合部については、前記のように、冷媒通路と外気を完全に遮断し内圧に耐えるに十分な接合が必要であるが、その他の部分については、接合部（境界接合部）に比べ少ないろうで接合すれば足りる場合が少なくない。例えばドロンカップ型熱交換器において、外気側のフィン接合部は、前記その他の部分に該当し、少ないろうで接合すれば十分である。ろうが多過ぎると、多過ぎるろうによってフィンが溶解座屈するため、フィンの薄肉化が妨げられているのが現状である。

また、耐食性を向上させるに、ろう材にＺｎなどを添加した犠牲陽極材クラッド層を有する場合、Ｚｎを含有した大量の溶融ろうが接合部でフィレットを形成することに起因して接合部に優先腐食が生じたり、ろう材が溶融して接合部に流れるため、接合部以外の一般部でのＺｎ拡散が不十分となり耐食性が不十分となるという問題が生じる。耐食性を確保するためにどちらかの面をＡｌ−Ｚｎ犠牲陽極クラッド層にする例もあるが、複雑な継ぎ手形状加工や他の接合材が必要となるなど、接合のための特別な処置が必要となってコスト高を招く要因となる。

このように、ドロンカップ型熱交換器のような熱交換器の製造においては、従来、ろう付け接合と耐食性を確保するために、場所によって異なる必要なろう材量を適切に供給することができず、従って、前記のように、多過ぎるろうによってフィンが溶解座屈するためにフィンの薄肉化が妨げられたり、ろう材にＺｎを添加した犠牲陽極材クラッド層を有する場合、Ｚｎを含有した大量の溶融ろうにより接合部に優先腐食が生じたり、接合部以外のＺｎが不足して接合部以外の部分でのＺｎ拡散が不十分となって耐食性を低下させるなどの問題が生じ、これらの問題をなくすために、材料コストを上昇させたり、設計の自由度を狭くする原因となっていた。
特開２００４−１５６１０８号公報

発明者らは、アルミニウムクラッド板材を組み付けて、ろう付けにより製造される熱交換器で、ドロンカップ型熱交換器のように、熱交換器に組み付けられる板材の端部に近い部分に接合部が存在しており、該接合部においては十分な接合が必要であるが、その他の部分については該接合部に比べ少ないろうで接合すれば足りる熱交換器を製造する場合における上記従来の問題点を解決するために、ろう材の配置とろう付け接合性との関係について種々の試験、検討を行った結果、熱交換器に組み付けられる板材の端部に近い部分においては、板材の片面にクラッドされたろう材が、ろう付け時に溶融して板材の端部を通って反対側の他の面に流動してくること、流動したろう材が他の面の接合部形成に機能することを見出した。

発明者らは、上記の知見に基づいて、前記他の面の接合部以外の部分、すなわち、接合部に比べ少ないろうで接合すれば足りる部分については、通常のろう材よりＳｉ量の少ないＡｌ−Ｓｉ合金ろう材をクラッドしておけば足りるという発想の下で、さらに試験、検討を重ねた。

本発明は、その結果としてなされたものであり、その目的は、境界接合部など、組み付けられるクラッド板材の端部に近い接合部、およびその他の部分に接合のために必要なろう材量を供給することができるとともに、Ｚｎなどを添加した犠牲陽極材クラッド層を有する場合にも、接合部に優先腐食を生じることなく、その他の部分の耐食性も十分に確保し得る低コストで設計自由度の高い熱交換器の製造方法、該製造方法に用いられるアルミニウムクラッド板材および該製造方法により得られる熱交換器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による熱交換器の製造方法は、アルミニウムクラッド板材を組み付けて、ろう付けにより製造される熱交換器で、ろう付け接合部が組み付けられたクラッド板材の両面に存在し、且つ該接合部が前記組み付けられたクラッド板材の端部近傍に位置している熱交換器を製造する方法において、アルミニウムクラッド板材として、心材の片面にＳｉ：６．５〜１３％を含有するＡｌ−Ｓｉ系ろう材をクラッドし、他の片面にＳｉ：２．５〜６％を含有するアルミニウム合金材をクラッドしてなるクラッド板材を使用し、ろう付け時、組み付けられたクラッド板材の端部近傍において、片面にクラッドされたＡｌ−Ｓｉ系ろう材からの溶融ろうがクラッド板材の端部から他の片面にクラッドされたアルミニウム合金材面に流動することにより接合部が形成されることを特徴とする。

請求項２による熱交換器の製造方法は、アルミニウムクラッド板材を組み付けて、ろう付けにより製造される熱交換器で、冷媒通路側と外気側を遮断するためのろう付け接合部が前記組み付けられたクラッド板材の両面に存在し、該接合部は冷媒通路と外気を完全に遮断するとともに内圧に耐える強度を必要とするものであり、且つ該接合部が前記組み付けられたクラッド板材の端部近傍に位置している熱交換器を製造する方法において、アルミニウムクラッド板材として、心材の片面にＳｉ：６．５〜１３％を含有するＡｌ−Ｓｉ系ろう材をクラッドし、他の片面にＳｉ：２．５〜６％を含有するアルミニウム合金材をクラッドしてなるクラッド板材を使用し、ろう付け時、組み付けられたクラッド板材の端部近傍において、片面にクラッドされたＡｌ−Ｓｉ系ろう材からの溶融ろうがクラッド板材の端部から他の片面にクラッドされたアルミニウム合金材面に流動することにより接合部が形成されることを特徴とする。

請求項３による熱交換器の製造方法は、請求項１または２において、前記他の片面にクラッドされるアルミニウム合金材として、さらに、Ｚｎ：１．５〜６．０％、Ｓｎ：０．０２〜０．３％、Ｉｎ：０．００１〜０．３％のうちの少なくとも１種を含有し、犠牲陽極層としての機能を持たせたアルミニウム合金材を使用することを特徴とする。

請求項４による熱交換器の製造方法は、前記請求項１〜３のいずれかにおいて、前記片面にクラッドされるＡｌ−Ｓｉ系ろう材および前記他の片面にクラッドされるアルミニウム合金材の少なくとも一方に、Ｓｒ：３０〜５００ｐｐｍを含有するものを使用することを特徴とする。

請求項５によるアルミニウムクラッド板材は、請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器の製造方法に使用されることを特徴とし、また、請求項６による熱交換器は、請求項１〜４のいずれかにより製造されたことを特徴とする。

本発明によれば、アルミニウムクラッド板材を組み付けて、ろう付けにより製造される熱交換器で、ろう付け接合部が組み付けられたクラッド板材の両面に存在し、且つ該接合部が前記組み付けられたクラッド板材の端部近傍に位置している熱交換器を製造する方法において、強固な接合を必要とする接合部には十分な量のろうを供給するとともに、該接合部以外の一般部には当該部分の接合程度に応じた少ない量のろうを供給することができ、Ｚｎなどを添加した犠牲陽極材クラッド層を有する場合にも、接合部に優先腐食を生じることなく、また、一般部ではろうの流動量が少ないため、クラッド板材の厚さ減少が僅かであるから、ろう材の溶融による厚さ減少により、ろう付け後の熱交換器の寸法を著しく縮ませたり、フィンとクラッド板材の間に隙間が生じて接合不良となるなどの不具合もなく、一般部の耐食性も十分に確保し得る低コストで設計自由度の高い熱交換器の製造方法、該製造方法に用いられるアルミニウムクラッド板材および該製造方法により得られる熱交換器が提供される。

とくに、本発明は、アルミニウムクラッド板材を組み付けて、ろう付けにより製造され、冷媒通路側と外気側を遮断するためのろう付け接合部が前記組み付けられたクラッド板材の両面に存在し、熱交換器に組み付けられる板材の端部に近い部分に境界接合部が存在しており、境界接合部は、冷媒通路と外気を完全に遮断し、内圧に耐える強度を有する十分な接合が必要なアルミニウム合金製ドロンカップ型熱交換器を製造する場合に有効である。

本発明は、アルミニウムクラッド板材を組み付けて、ろう付けにより製造される熱交換器で、ろう付け接合部が組み付けられたクラッド板材の両面に存在し、熱交換器に組み付けられる板材の端部に近い部分に接合部が存在している熱交換器を製造する方法に係るもので、本発明において使用されるアルミニウムクラッド材の基本構成を図１に示す。

本発明において使用されるアルミニウムクラッド板材は、Ａｌ−Ｍｎ系合金、Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金などのアルミニウム合金心材の片面１に、ろう材として通常用いられるＳｉ：６．５〜１３％を含有するＡｌ−Ｓｉ系合金１をクラッドし、その逆面２にＳｉ：２．５〜６．０％を含有するアルミニウム合金２をクラッドしたものである。

ろう付け加熱時に溶融した合金１は、片面１の接合部にフィレットを形成するとともに、図１の矢印で示すように、クラッド板材の端部を伝って逆面２にも流動し、合金２と接触した後は溶融した合金２とともに逆面２を流動して接合部を形成し、一方、逆面２にクラッドされたアルミニウム合金２は、ろう付け加熱時に一部が溶融し、流動してフィレットを形成するのであるが、溶融するろうの分量が少ないと残留した固相に進路を阻まれ、流動することが困難になる。

流動するろうの分量は流動係数K（＝流動するろう／ろう材の全量）で表すことができ、流動係数Kはろう材のＳｉ濃度C（％）と温度Ｔ（℃）によって、次の実験回帰式で表すことができる。
Ｋ＝０．１Ｃ＋０．００７７Ｔ−５．０（有効回帰範囲 ０．６≦Ｃ≦１３、５８０≦Ｔ≦６００）
一般に、ろう付けは５８０〜６０５℃の範囲に加熱して行われる。下限値の５８０℃はろう材の固相線温度（５７７℃）よりも高くする必要性からであり、上限値の６０５℃は心材の固相線温度（６０７〜６６０℃）よりも低いこと、さらには溶解反応によって薄肉のフィンが座屈しないことなどを理由にしている。

ここでＫ＞０であれば、ろうは流動してフィレットを形成することが可能となるが、冷媒通路と外気側を隔てる接合部などに十分な大きさのフィレットを形成させるためには、Ｋ≧０．３としなければならない。Ａｌ−６．５％Ｓｉ合金ろう材の場合、Ｋ≧０．３とするためには６０４℃まで加熱する必要がある。Ｓｉ：６．５％をろう材としてのＳｉ濃度の下限値とするのはこのためである。

本発明において使用されるアルミニウムクラッド板材の逆面２にクラッドされるアルミニウム合金２は、Ｓｉ：２．５〜６．０％を含有するものである。Ｓｉ濃度が２．５％以上になると、５７７℃以上の温度で、局部的にではあるが、明らかにろうの溶融が認められるようになる。Ｓｉ濃度が６．０％以下では、それが単独で溶融、流動して十分な大きさのフィレットを形成する能力においては不足するが、そこに別な溶融ろうが連結することによって流動性は飛躍的に向上する。

本発明においては、ろう付け時、アルミニウムクラッド板材の合金１のろうが溶融して板端部を伝って合金２のろうに連結し、板材の端部に近い接合部に十分な大きさのフィレットを形成することができる。接合部が板端部から１０mmまでの距離にある場合には、とくに効果的である。

合金２は、板端部に近い接合部では合金１による溶融ろうの流入によって、ろう材として機能し、板端部から離れた一般部においても、流動するろうの量こそ少ないが、他の部材と接合し得るろう材としても機能することができる。一般部においては、ろうの流動量が少ないためフィンを溶解座屈させることがなく、フィンの薄肉化が可能となる。また、流動量が少ないため、厚さ減少が僅かである。

両面に通常のＡｌ−Ｓｉ系ろう材をクラッドした板材を積層した熱交換器では、ろう材の溶融による厚さ減少が使用したクラッド材の分だけ加算されて多大となり、ろう付け後の熱交換器寸法を著しく縮ませたり、フィンとクラッド板材の間に隙間が生じて接合不良となるなどの不具合が頻繁に発生しているが、本発明において使用するクラッド板材は、厚さ減少量を、両面に通常のＡｌ−Ｓｉ系ろう材をクラッドした従来のクラッド板材の６０〜７０％程度にまで減ずる効果があるから、熱交換器を健全に製造する上できわめて有利となる。

さらに耐食性を向上させる手段として、合金２に、１．５〜６．０％のＺｎ、０．０２〜０．３％のＳｎ、０．０１〜０．３％のＩｎのうちの少なくとも１種を添加することができる。合金２は流動量が少ないため、一般部においては心材へのＺｎ拡散が十分に進行して犠牲腐食層を形成することができ、一方、近傍に接合部のあるクラッド板材の端部では、合金１のろうが大量に流入してフィレットを形成するため、フィレット中のＺｎ濃度が一般部の前記犠牲腐食層の表面Ｚｎ濃度よりも十分に低くなる。そのためフィレットに優先腐食は発生せず、接合部に早期貫通が生じることがない。Ｚｎに代えてＳｎやＩｎを添加した場合も同様であり、ろう付け後も犠牲腐食層の厚さが確保されるとともに、フィレットに優先腐食は生じることはない。また、Ｓｎ、ＩｎはＺｎと複合して添加しても効果を達成することができる。

合金２に単独で添加するＺｎ濃度、Ｓｎ濃度およびＩｎ濃度がそれぞれ１．５％、０．００２％および０．０１％未満では心材との電位差が小さく犠牲腐食効果が十分でない。それぞれ６．０%、０．３％および０．３％を超えると、自己腐食速度が大きくなって腐食寿命が短くなる。Ｚｎ濃度が６．０％を超えた場合はさらに、発生した腐食生成物による異臭が問題となる。

合金２において、合金１からのろうの連結によるろうの流動性向上をさらに促進させる方法として、合金２に３０〜５００ｐｐｍのＳｒを添加することができる。３０ｐｐｍ以上のＳｒを添加することにより、ろう材中での粗大Ｓｉ粒の形成が妨げられ、共晶も微細化されるため、ろう材中のＳｉ粒子径が小さくなり、互いに近距離に分散するようになる。

ろう付け加熱時にはそれらが個々に溶融し、互いに近距離に溶融域を形成するため、合金１からのろうが接触したときにろうが連結しやすくなって流動性が向上するとともに、合金１が接触しない一般部でも流動性の向上が得られ、とくに継ぎ手に近い部分において合金２の溶融ろうの流動が生ずるため、より少ないＳｉ量で接合部を形成することが可能となる。

また、Ｓｒを添加することにより、粗大Ｓｉ粒による井戸状溶融穴の発生が抑制されるため、合金２の厚さを２０μm以下にすることが可能となる。Ｓｒを合金１あるいは合金１と２の両方に添加した場合にも、上記の流動性向上と粗大Ｓｉ粒の発生防止の効果が同様に認められる。Ｓｒの添加量が３０ｐｐｍ未満ではその効果が十分でなく、５００ｐｐｍを超えて添加しても効果が飽和してそれ以上の効果の向上は認められない。

本発明においては、ろう付け時、アルミニウムクラッド板材の片面にクラッドされたろう材が溶融し、板端部を伝って逆面に流動し、逆面にクラッドされたＳｉ量の少ないアルミニウム合金の接合部位において十分なろう付け接合を行うとともに、接合部位以外の一般部においては、少ない流動ろうにより接合を行うことにより、接合部のろう付け性、耐食性を得るとともに、ろう付け後の熱交換器の寸法を著しく縮ませたり、フィンとクラッド板材の間に隙間が生じて接合不良となるなどの不具合もなく、一般部の耐食性も十分に確保し得る低コストで設計自由度の高い熱交換器の製造方法効果を達成するものであり、ろう付け接合部におけるろう材量の不足を補うために、ろう付け部位に少量のSｉを含有するアルミニウム合金層を設けることを特徴とする前記特許文献１に記載のものとは異なる考え方でなされたものである。

クラッドされるろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系またはこれらに微量の元素を添加したもので、ろう付け温度で十分に溶融するものであれば適用することができる。また、合金２の特性としては、ろう付け温度において部分的に溶融することが必要であり、Ａｌを低融点化させる元素としてＳｉを必須成分として含有し、低融点化や接合性向上の補助元素として例えばＭｇ、Ｃｕ、Ｚｎを添加したり、クラッド材の製造性向上や強度向上のためにＭｎ、Ｚｒなどを添加することもできる。

３００３合金からなる心材の片面にＳｉ：１０％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ系ろう材（合金１）をクラッドし、他の片面にＳｉ：４％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金材（合金２）をクラッドしてなるアルミニウムクラッド板材（厚さ：０．６ｍｍ、調質：Ｏ材、クラッド率：各々１５％）を使用し、外面側に合金２を、内面側に合金１を配置して、図２に示すように、ドロンカップ型熱交換器をろう付けにより製造した。

外面側には、組み付けられたクラッド板材の端部から近いところに接合部Ａがあり、ろう付け時、図3に示すように、内面側で溶融した合金１がクラッド板材の端部を伝って外面側の合金２と接触し、合金２と共に合金2同士が合わさって形成された面間に流動して接合部Ａにフィレットが形成された。

また、図4に示すように、内面側で溶融した合金１が流動して接合部Ｂ´にフィレットが形成され、さらに溶融した合金１が接合部Ｂ´と接合部Ｂの間の面間を流動して、接合部Ｂ側の内面側で溶融した合金１と共に接合部Ｂにフィレットを形成した。

なお、本実施例は、フィン材Ｆとして、ろう材がクラッドされていないベアフィン材を適用したもので、合金２の部分溶融によりフィンが接合されるが、ろう材をクラッドしたクラッドフィン材を適用すれば、さらに強固な接合が得られる。

本発明において使用されるアルミニウムクラッド材の基本構成を示す図である。 本発明によりろう付け製造されたドロンカップ型熱交換器の一部断面図である。 図２の○部（Ａ部）でのろうの流動を示す拡大図である。 図２の□部（Ｂ部、Ｂ´部）でのろうの流動を示す拡大図である。

Claims (6)

1. アルミニウムクラッド板材を組み付けて、ろう付けにより製造される熱交換器で、ろう付け接合部が組み付けられたクラッド板材の両面に存在し、且つ該接合部が前記組み付けられたクラッド板材の端部近傍に位置している熱交換器を製造する方法において、アルミニウムクラッド板材として、心材の片面にＳｉ：６．５〜１３％を含有するＡｌ−Ｓｉ系ろう材をクラッドし、他の片面にＳｉ：２．５〜６％を含有するアルミニウム合金材をクラッドしてなるクラッド板材を使用し、ろう付け時、組み付けられたクラッド板材の端部近傍において、片面にクラッドされたＡｌ−Ｓｉ系ろう材からの溶融ろうがクラッド板材の端部から他の片面にクラッドされたアルミニウム合金材面に流動することにより接合部が形成されることを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. アルミニウムクラッド板材を組み付けて、ろう付けにより製造される熱交換器で、冷媒通路側と外気側を遮断するためのろう付け接合部が前記組み付けられたクラッド板材の両面に存在し、該接合部は冷媒通路と外気を完全に遮断するとともに内圧に耐える強度を必要とするものであり、且つ該接合部が前記組み付けられたクラッド板材の端部近傍に位置している熱交換器を製造する方法において、アルミニウムクラッド板材として、心材の片面にＳｉ：６．５〜１３％を含有するＡｌ−Ｓｉ系ろう材をクラッドし、他の片面にＳｉ：２．５〜６％を含有するアルミニウム合金材をクラッドしてなるクラッド板材を使用し、ろう付け時、組み付けられたクラッド板材の端部近傍において、片面にクラッドされたＡｌ−Ｓｉ系ろう材からの溶融ろうがクラッド板材の端部から他の片面にクラッドされたアルミニウム合金材面に流動することにより接合部が形成されることを特徴とする熱交換器の製造方法。
3. 前記他の片面にクラッドされるアルミニウム合金材として、さらに、Ｚｎ：１．５〜６．０％、Ｓｎ：０．０２〜０．３％、Ｉｎ：０．００１〜０．３％のうちの少なくとも１種を含有し、犠牲陽極層としての機能を持たせたアルミニウム合金材を使用することを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記片面にクラッドされるＡｌ−Ｓｉ系ろう材および前記他の片面にクラッドされるアルミニウム合金材の少なくとも一方に、Ｓｒ：３０〜５００ｐｐｍを含有するものを使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器の製造方法に用いられることを特徴とするアルミニウムクラッド板材。
6. 請求項１〜４のいずれかにより製造されたことを特徴とする熱交換器。

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