JP2007225237A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気側ろう材面の耐食性と接合部の耐食性とを確保する。
【解決手段】ろう材１０、２０を両面にクラッドしたアルミニウムの板材から成形したプレート１１１、１１２で構成される熱交換器において、耐食性が要求される面には犠牲腐食作用を示すＺｎろう材１０をクラッドし、他方の面にはアルミニウム合金の自然電位を貴とするＣｕを添加させたＣｕろう材２０をクラッドし、ろう付時に接合部３０でＺｎろう材１０とＣｕろう材２０とを混合させる。
これにより、耐食性が要求される面では犠牲腐食作用を示すＺｎろう材１０によって耐食性が確保される。また、犠牲腐食作用を発揮するためＺｎを添加したＺｎろう材１０は電位が卑となっている。このようなＺｎろう材１０に、電位を貴とするＣｕを添加させたＣｕろう材２０を混合させることで、接合部３０では電位が貴となり、接合部３０のろう材にも耐食性を確保することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、アルミニウム合金製の熱交換器およびその製造方法に関するものである。

従来、車両用空調装置などにはアルミニウム合金製の熱交換器が用いられており、いろいろな地域で使用されることより大気側（熱交換器外側）面の耐食性の確保が重要となる。一般に、大気側にろう材がクラッドされている板材を採用するアルミニウム合金製の熱交換器では、下記特許文献１にも記されているように、このろう材にＺｎを添加して犠牲腐食作用を用いるという耐食性の向上手段が知られている。

また、ろう付部の耐食性確保のために下記特許文献２では、材料としてろう材と犠牲腐食層とをクラッドした材料を用い、犠牲腐食層を大気側として構成し、タンク部にてU字形に折り曲げ、この部分でろう付を実施している。
特開平７−２４５９３号公報 特開２０００−２０５７８５号公報

しかしながら、上記従来のろう材にＺｎを添加する方法においては、接合部のろう材にＺｎが含まれることでその接合部に選択腐食が起こり易くなるため、Ｚｎの添加量を多くすることはできない。また、上記従来のろう材と犠牲腐食層とをクラッドした材料を用いる方法においては、タンク部のU字形加工は加工が容易ではなく、製造コストが高くなるという問題点がある。

すなわち、大気側にろう材をクラッドしたアルミニウムの板材から成形したプレートで構成した熱交換器では、ろう材クラッド面と接合部との耐食性の確保が容易ではなく、安価に両立する方法が望まれている。本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、大気側ろう材クラッド面の耐食性とその接合部との耐食性を確保することのできる熱交換器およびその製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項６に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、耐食性が要求される一方の面に犠牲腐食作用を示す第１ろう材（１０）を施し、他方の面にアルミニウム合金の自然電位を貴とする成分を添加させた第２ろう材（２０）を施したプレート（１１１、１１２）同士をろう付接合して形成し、ろう付接合による接合部（３０）で第１ろう材（１０）と第２ろう材（２０）とが混合していることを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、ろう材（１０、２０）を両面にクラッドしたアルミニウムの板材から成形したプレート（１１１、１１２）で構成される熱交換器において、耐食性が要求される面には犠牲腐食作用を示す第１ろう材（１０）をクラッドし、他方の面にはアルミニウム合金の自然電位を貴とする成分、例えばＣｕやＳｉを添加させた第２ろう材（２０）をクラッドし、ろう付時に接合部（３０）で第１ろう材（１０）と第２ろう材（２０）とを混合させるようにしたものである。

これにより、耐食性が要求される面では犠牲腐食作用を示す第１ろう材（１０）によって耐食性が確保される。また図３は、各添加成分の添加量に対するアルミニウム合金の自然電位の変化を表すグラフである。このグラフから分かるように、犠牲腐食作用を発揮するため、例えばＺｎを添加した第１ろう材（１０）は電位が卑となっている。このような第１ろう材（１０）に、電位を貴とする成分、例えばＣｕやＳｉを添加させた第２ろう材（２０）を混合させることで、接合部（３０）では電位が貴となり、接合部（３０）のろう材にも耐食性を確保することができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の熱交換器において、第１ろう材（１０）を施した面を熱交換器の外側面とし、第２ろう材（２０）を施した面を熱交換器の内側面としたことを特徴としている。この請求項２に記載の発明によれば、耐食性が要求される熱交換器の外側面、および熱交換器の外側に露出する接合部（３０）での耐食性を確保できることで、耐食性の高い熱交換器とすることができる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の熱交換器において、第１ろう材（１０）としてＺｎろう材（１０）、第２ろう材（２０）としてＣｕろう材（２０）とし、接合部（３０）のろう材はＺｎとＣｕとが混合していることを特徴としている。これは、第１、第２ろう材（１０、２０）をより具体的にしたものである。この請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２の記載の発明による効果を、より確実なものとすることができる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の熱交換器において、Ｚｎろう材（１０）としてＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう材（１０）、Ｃｕろう材（２０）としてＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ろう材（２０）としたことを特徴としている。これは、Ｚｎろう材（１０）とＣｕろう材（２０）とをより具体的にしたものである。この請求項４に記載の発明によれば、請求項１または請求項２の記載の発明による効果を、より確実なものとすることができる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の熱交換器において、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう材（１０）は、少なくとも５ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下のＳｉと、１．５ｍａｓｓ％以上６ｍａｓｓ％以下のＺｎとを含むアルミニウム合金であり、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ろう材（２０）は、少なくとも５ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下のＳｉと、１ｍａｓｓ％以上４ｍａｓｓ％以下のＣｕとを含むアルミニウム合金であることを特徴としている。

これは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう材（１０）とＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ろう材（２０）とをより具体的にしたものである。この請求項５に記載の発明によれば、請求項１または請求項２の記載の発明による効果を、より確実なものとすることができる。

また、請求項６に記載の発明では、アルミニウム合金製の熱交換器をろう付接合によって製造するうえでの製造方法であり、外側となる面にＺｎろう材（１０）、内側となる面にＣｕろう材（２０）を施したプレート（１１１、１１２）を用いてチューブ（１１０）を形成し、ろう付接合時に接合部（３０）でＺｎろう材（１０）とＣｕろう材（２０）とを混合させることを特徴としている。

この請求項６に記載の発明によれば、外側となって耐食性が要求される面では犠牲腐食作用を示すＺｎろう材（１０）によって耐食性が確保される。また図３は、各添加成分の添加量に対するアルミニウム合金の自然電位の変化を表すグラフである。このグラフから分かるように、犠牲腐食作用を発揮するためにＺｎを添加したＺｎろう材（１０）は、電位が卑となっている。

このようなＺｎろう材（１０）に、ろう付接合時に電位を貴とする成分であるＣｕを添加させたＣｕろう材（２０）を混合させることで、接合部（３０）では電位が貴となり、接合部（３０）のろう材にも耐食性を確保することができる。このように、耐食性が要求される熱交換器の外側面、および熱交換器の外側に露出する接合部（３０）での耐食性を確保できることで、耐食性の高い熱交換器とすることができる。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態について添付した図１〜図３を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態における熱交換器１００を示す平面図である。また図２は、図１中の接合部Ｓを部分拡大した断面模式図であり、（ａ）はろう付け接合前、（ｂ）はろう付け接合後を示す。また図３は、各添加成分の添加量に対するアルミニウム合金の自然電位の変化を表すグラフである。

本発明の熱交換器は、車両用空調装置などに使用されて、扁平チューブ（本発明におけるチューブに対応）１１０内を流通する冷媒と、熱交換フィン（以下、フィン）１２０の領域を流通する空調用空気との間で熱交換を行う冷媒蒸発器１００に適用したものである。この熱交換器１００は、図１に示すように、複数のチューブ１１０をフィン１２０と共に積層して構成される、いわゆるドロンカップタイプと呼ばれる熱交換器である。

この熱交換器１００を構成する各部材（以下で説明）は、全てアルミニウム合金の材料でできており、各部材が熱交換器１００の形状に組み立てられた後、一体的にろう付け接合される。チューブ１１０は、図１に示すように、一対のチューブプレート（本発明におけるプレートに対応）１１１、１１２を互いに対向させて接合することで形成されている。

両チューブプレート１１１、１１２は、細長で略矩形状の外形を成し、絞り加工によって全体に浅い絞り部が形成されており、その外周部にはフランジ部１１１ａ、１１２ａが設けられている。また、両チューブプレート１１１、１１２の長手方向の両端側には、両チューブプレート１１１、１１２の短辺に沿って外周形状が扁平状を成して、絞り部から更に絞られた（外方に膨出する）打出し部がそれぞれ設けられており、各打出し部の平坦部１１１ｂ、１１２ｂには、これらの各打出し部の外周形状に沿うようにして、内周側に連通口１１１ｃ、１１２ｃがそれぞれ設けられている（図２参照）。

そして、チューブプレート１１１側の開口部１１１ｃの全周上の一部には、チューブ１１０を積層した際に相手側となるチューブプレート１１２側の開口部１１２ｃに挿入される図示しないバーリング部が設けられている。上記両チューブプレート１１１、１１２から成るチューブ１１０においては、絞り部によって扁平状の流路と成る扁平管部１１０ａが形成される。

また、扁平管部１１０ａは、一端側の打出し部によって形成される第１タンク部１１０ｂの内部空間に連通しており、同様に、他端側の打出し部によって形成される第２タンク部１１０ｃの内部空間とも連通している。複数のチューブ１１０は、図１に示すように、互いの第１タンク部１１０ｂ、第２タンク部１１０ｃ同士が当接するように水平方向に積層され、図示しないバーリング部が連通口１１２ｃに挿入されて、各平坦部１１１ｂ、１１２ｂ同士が接合される。

これにより、第１タンク部１１０ｂ同士が各連通口１１１ｃ、１１２ｃによって互いに連通し、扁平筒状の入口タンク部１０１が形成され、同様に、第２タンク部１１０ｃ同士が各連通口１１１ｃ、１１２ｃによって互いに連通し、扁平筒状の出口タンク部１０２が形成される。そして、複数の扁平管部１１０ａ（チューブ１１０）は、入口タンク部１０１、出口タンク部１０２にそれぞれ連通することになる。

フィン１２０は、空調用空気の流通方向から見た形状が波形に形成されたコルゲートタイプのフィンであり、各チューブ１１０の扁平管部１１０ａ間に介在されている。扁平管部１１０ａとフィン１２０とによって、コア部（熱交換部）１００ａが形成される。そして、チューブ積層方向の両側の端部となるチューブ（図１中の上下側のチューブ）１１０、１２０には、それぞれサイドプレート１５０が接合される。

そして、図１中の下側のサイドプレート１５０には、冷媒導入口１３０および冷媒導出口１４０が設けられており、冷媒導入口１３０は第１タンク部１１０ｂ（入口タンク部１０１）の最下端側に連通するように接続され、冷媒導出口１４０は第２タンク部１１０ｃ（出口タンク部１０２）の最下端側に連通するように接続されている。

次に、上記構成に基づく熱交換器１００の作動について説明する。冷媒は、熱交換器１００の冷媒導入口１３０から入口タンク部１０１内に流入し、各チューブ１１０の扁平管部１１０ａを流れて、出口タンク部１０２から冷媒導出口１４０を通って流出する。一方、空調用空気は、熱交換器１００の手前側から奥側へと向かって流れ、コア部１００ａを通過する際に冷媒との熱交換を行い、空調用空気を冷却する。そして、冷却された空調用空気は、車室内に設けられた吹出口から車室内へ吹き出される。

次に、本発明に係わる部分について説明する。各チューブ１１０は、図２（ａ）に示すように、ろう材１０、２０を両面にクラッドしたアルミニウムの板材から成形したチューブプレート１１１、１１２で構成している。そして、耐食性が要求される熱交換器外面の大気側面となる部分には、犠牲腐食作用を示す第１ろう材としてＺｎろう材、より具体的にはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう材、更に具体的には、少なくとも５ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下のＳｉと、１．５ｍａｓｓ％以上６ｍａｓｓ％以下のＺｎとを含むアルミニウム合金のろう材１０をクラッドしている。

また、他方の熱交換器内面の冷媒側面となる部分にはアルミニウム合金の自然電位を貴とする成分、例えばＣｕやＳｉを添加させた第２ろう材としてＣｕろう材、より具体的にはＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ろう材、更に具体的には、少なくとも５ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下のＳｉと、１ｍａｓｓ％以上４ｍａｓｓ％以下のＣｕとを含むアルミニウム合金のろう材２０をクラッドしている。なお、ろう材２０のＳｉの量は、少なくとも７ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下とされても良い。

そして、ろう付時のフィレット部（接合部）３０で第１ろう材１０と第２ろう材２０とが混ざり合い、フィレット部３０のろう材で含有しているＺｎとＣｕとが混ざるようにしている。これにより、耐食性が要求される熱交換器外面の大気側面では犠牲腐食作用を示すＺｎろう材１０によって耐食性が確保される。

また図３のグラフから分かるように、犠牲腐食作用を発揮するため、例えばＺｎを添加したＺｎろう材１０は電位が卑となっている。このようなＺｎろう材１０に、電位を貴とする成分としてＣｕを添加させたＣｕろう材２０を混合させることで、フィレット部３０では電位が貴となり、フィレット部３０のろう材にも耐食性を確保することができる。

下記表１は、評価に用いた大気側、冷媒側それぞれのろう材材料と、ミストスプレーによる腐食試験結果を示すものである。なお、評価用プレートは板厚０．２ｍｍ、クラッド率１０％のブレージングシートを用いてサイクル腐食試験を行い、腐食試験条件として、腐食液噴霧５０℃２時間→湿潤５０℃６時間→乾燥５０℃４時間のサイクルを、１〜５サイクルはＡ液（Ｃｌ⁻：６０６０ｐｐｍ、ＳＯ４^２−：２００ｐｐｍ、Ｃｕ^２＋：１０ｐｐｍ）噴霧、６サイクル以降はＢ液（Ｃｌ⁻：６０６０ｐｐｍ、ＳＯ４^２−：２００ｐｐｍ）噴霧とした。

上記腐食試験の結果、本発明の含有量範囲のクラッド材においては、一般板部およびろう付け部のいずれにおいても、ミストスプレー１５００時間以上でも洩れば発生しないことが確認できた。これに対して、比較品の表上段の条件では、大気側ろう材の犠牲腐食作用を発揮するＺｎの量が少ないため、ミストスプレー１５００時間未満で一般板部から洩れが発生した。また、比較品の表下段の条件では、ろう付け部で両側のろう材が混ざり合い、大気側のろう材に含まれるＺｎがろう付け部にも混ざり込んだため、ろう付け部で選択腐食が起こり、ミストスプレー１５００時間未満でろう付け部から洩れが発生した。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。まず、耐食性が要求される一方の面に犠牲腐食作用を示す第１ろう材１０を施し、他方の面にアルミニウム合金の自然電位を貴とする成分を添加させた第２ろう材２０を施したプレート１１１、１１２同士をろう付接合して形成し、ろう付接合による接合部３０で第１ろう材１０と第２ろう材２０とが混合している。

これによれば、ろう材１０、２０を両面にクラッドしたアルミニウムの板材から成形したプレート１１１、１１２で構成される熱交換器において、耐食性が要求される面には犠牲腐食作用を示す第１ろう材１０をクラッドし、他方の面にはアルミニウム合金の自然電位を貴とする成分、例えばＣｕやＳｉを添加させた第２ろう材２０をクラッドし、ろう付時に接合部３０で第１ろう材１０と第２ろう材２０とを混合させるようにしたものである。

これにより、耐食性が要求される面では犠牲腐食作用を示す第１ろう材１０によって耐食性が確保される。また図３のグラフから分かるように、犠牲腐食作用を発揮するため、例えばＺｎを添加した第１ろう材１０は電位が卑となっている。このような第１ろう材１０に、電位を貴とする成分、例えばＣｕやＳｉを添加させた第２ろう材２０を混合させることで、接合部３０では電位が貴となり、接合部３０のろう材にも耐食性を確保することができる。

また、第１ろう材１０を施した面を熱交換器の外側面とし、第２ろう材２０を施した面を熱交換器の内側面としている。これによれば、耐食性が要求される熱交換器の外側面、および熱交換器の外側に露出する接合部３０での耐食性を確保できることで、耐食性の高い熱交換器とすることができる。

また、第１ろう材１０としてＺｎろう材１０、第２ろう材２０としてＣｕろう材２０とし、接合部３０のろう材はＺｎとＣｕとが混合している。これは、第１、第２ろう材１０、２０をより具体的にしたものである。これによれば、上述した効果をより確実なものとすることができる。

また、Ｚｎろう材１０としてＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう材１０、Ｃｕろう材２０としてＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ろう材２０としている。これは、Ｚｎろう材１０とＣｕろう材２０とをより具体的にしたものである。これによれば、上述した効果をより確実なものとすることができる。

また、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう材１０は、少なくとも５ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下のＳｉと、１．５ｍａｓｓ％以上６ｍａｓｓ％以下のＺｎとを含むアルミニウム合金であり、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ろう材２０は、少なくとも５ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下のＳｉと、１ｍａｓｓ％以上４ｍａｓｓ％以下のＣｕとを含むアルミニウム合金である。これは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう材１０とＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ろう材２０とをより具体的にしたものである。これによれば、上述した効果をより確実なものとすることができる。

また、アルミニウム合金製の熱交換器をろう付接合によって製造するうえでの製造方法として、外側となる面にＺｎろう材１０、内側となる面にＣｕろう材２０を施したプレート１１１、１１２を用いてチューブ１１０を形成し、ろう付接合時に接合部３０でＺｎろう材１０とＣｕろう材２０とを混合させるようにしている。

これによれば、外側となって耐食性が要求される面では犠牲腐食作用を示すＺｎろう材１０によって耐食性が確保される。また図３のグラフから分かるように、犠牲腐食作用を発揮するためにＺｎを添加したＺｎろう材１０は、電位が卑となっている。このようなＺｎろう材１０に、ろう付接合時に電位を貴とする成分であるＣｕを添加させたＣｕろう材２０を混合させることで、接合部３０では電位が貴となり、接合部３０のろう材にも耐食性を確保することができる。このように、耐食性が要求される熱交換器の外側面、および熱交換器の外側に露出する接合部３０での耐食性を確保できることで、耐食性の高い熱交換器とすることができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明の熱交換器１００を冷媒蒸発器に適用した例で説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、冷媒の熱を放熱させる冷媒放熱器に適用しても良いし、冷媒の他に水やブライン（熱交換媒体）など、流体の熱交換に用いられる熱交換器に広く適用することができる。

本発明の一実施形態における熱交換器１００を示す平面図である。 図１中の接合部Ｓを部分拡大した断面模式図であり、（ａ）はろう付け接合前、（ｂ）はろう付け接合後を示す。 各添加成分の添加量に対するアルミニウム合金の自然電位の変化を表すグラフである。

符号の説明

１０…第１ろう材、Ｚｎろう材、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう材
２０…第２ろう材、Ｃｕろう材、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ろう材
３０…フィレット部（接合部）
１１０…扁平チューブ（チューブ）
１１１…チューブプレート（プレート）
１１２…チューブプレート（プレート）

Claims (6)

1. 耐食性が要求される一方の面に犠牲腐食作用を示す第１ろう材（１０）を施し、他方の面にアルミニウム合金の自然電位を貴とする成分を添加させた第２ろう材（２０）を施したプレート（１１１、１１２）同士をろう付接合して形成し、前記ろう付接合による接合部（３０）で前記第１ろう材（１０）と前記第２ろう材（２０）とが混合していることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１ろう材（１０）を施した面を熱交換器の外側面とし、前記第２ろう材（２０）を施した面を熱交換器の内側面としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１ろう材（１０）としてＺｎろう材（１０）、前記第２ろう材（２０）としてＣｕろう材（２０）とし、前記接合部（３０）のろう材はＺｎとＣｕとが混合していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記Ｚｎろう材（１０）としてＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう材（１０）、前記Ｃｕろう材（２０）としてＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ろう材（２０）としたことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう材（１０）は、少なくとも５ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下のＳｉと、１．５ｍａｓｓ％以上６ｍａｓｓ％以下のＺｎとを含むアルミニウム合金であり、前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ろう材（２０）は、少なくとも５ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下のＳｉと、１ｍａｓｓ％以上４ｍａｓｓ％以下のＣｕとを含むアルミニウム合金であることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. アルミニウム合金製の熱交換器をろう付接合によって製造するうえでの製造方法であり、外側となる面にＺｎろう材（１０）、内側となる面にＣｕろう材（２０）を施したプレート（１１１、１１２）を用いてチューブ（１１０）を形成し、前記ろう付接合時に接合部（３０）で前記Ｚｎろう材（１０）と前記Ｃｕろう材（２０）とを混合させることを特徴とする熱交換器の製造方法。

Images