JP2008023536A - アルミニュウム熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性の優れたアルミニュウム熱交換器の製造方法を実現する。
【解決手段】ＣｓＦ入り非腐食性フラックスと亜鉛からなる低融点ろう材との混合物を用いて、複数のアルミニュウム部材相互間をろう付けして構成されるアルミニュウム熱交換器の製造方法において、低融点ろう材は、亜鉛の純度が９９．９重量％以上、その粒径が４５μのふるい目を通過しない大きさのものを用いる。これにより、耐食性の優れるアルミニュウム熱交換器が製造できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数のアルミニュウム部材相互間をろう付けして構成されるアルミニュウム熱交換器の製造方法に関するものであり。例えば、車両用空調装置における冷媒凝縮器、冷媒蒸発器、暖房用温水式放熱器（ヒータコア）、車両用エンジンの冷却水放熱器（ラジエータ）などに用いて好適なものである。

従来、アルミニュウム部材相互間をろう付けする製造方法として、例えば、特許文献１に示すように、ＣｓＦ入り非腐食性フラックスと亜鉛または亜鉛を主成分とする亜鉛、アルミニュウム合金からなる低融点ろう材との混合物を用いて、低温（４００℃〜５３０℃）でろう付けを行う方法が知られている。
特開２００５−１１１５２７号公報

しかしながら、その後の発明者らの研究によると、上記特許文献１による方法でろう付けを行うと、そのろう付け部の耐食性が劣ることを見出した。特に、腐食環境で使用するとアルミニュウム部材同士がろう付け部から剥がれたり、内部を流通する流体の漏れが発生することが分った。

そこで、本発明の目的は、耐食性の優れたアルミニュウム熱交換器の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項３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、ＣｓＦ入り非腐食性フラックスと亜鉛からなる低融点ろう材との混合物を用いて、複数のアルミニュウム部材相互間をろう付けして構成されるアルミニュウム熱交換器の製造方法において、
低融点ろう材は、亜鉛の純度が９９．９重量％以上、その粒径が４５μのふるい目を通過しない大きさのものを用いることを特徴としている。

この発明によれば、耐食性の優れたろう付け部は接合部におけるフィレットが大きい。このことから、純度が高く、粒径の大きい亜鉛はフラックスとよく反応して還元されやすいことが分った。従って、純度が９９．９重量％以上、粒径が４５μのふるい目を通過しない大きさ以上の亜鉛を用いることで耐食性の優れたろう付けができる。

請求項２に記載の発明では、亜鉛の粒径は、好ましくは、６００μのふるい目を通過し、４５μのふるい目を通過しない範囲の大きさであることを特徴としている。この発明によれば、粒径の最大値を６００μのふるい目を通過する大きさ以下とすることで、アルミニュウム部材相互間のクリアランスとのマッチングも良好である。

請求項３に記載の発明では、ろう付けは、大気雰囲気中において、低融点ろう材の融点を超える４３０℃〜５３０℃のろう付け温度で行うことを特徴としている。この発明によれば、ろう付け温度の下限値を４３０℃以上とすることにより、ＣｓＦ入り非腐食性フラックスの溶融活性開始温度よりも高いので低融点ろう材とＣｓＦ入り非腐食性フラックスとの溶融が良好となる。

なお、ろう付け温度が５３０℃を超えると、亜鉛がアルミニュウム部材中に過剰に拡散して、材料強度の低下が起きるとともに、加熱エネルギーを無駄に消費することになるので、好ましくない。従って、ろう付け温度は４３０℃〜５３０℃の範囲が好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態におけるアルミニュウム熱交換器の製造方法を図１ないし図４に基づいて説明する。図１は車両用空調装置の冷媒凝縮器１であり、本実施形態による製造方法により製造されるアルミニュウム熱交換器の一例を示す。

冷媒凝縮器１は、図１に示すように、冷凍サイクルの高圧冷媒が流れる冷媒通路をなすチューブ１０を有している。このチューブ１０は扁平多穴チューブからなる。この扁平多穴チューブは周知のごとく、アルミニュウム材料を押し出し成形して、多数の冷媒通路穴を断面扁平形状の内部に並列に形成したものである。このチューブ１０の全体形状は所定の間隙を保って蛇行状に曲げ形成される。

そして、この蛇行状のチューブ曲げ形状においてチューブ平行部相互間にコルゲートフィン１１が挿入され、接合される。このコルゲートフィン１１は、アルミニュウム薄板材を波状に曲げ形成したものである。また、蛇行状のチューブ１０の一端部には冷媒入口パイプ１２が、他端部には冷媒出口パイプ１３がそれぞれ接合される。この両パイプ１２、１３もアルミニュウム材料により形成される。

次に、本実施例によるアルミニュウム熱交換器の製造方法を具体的に説明する。まず、アルミニュウム熱交換器の組付工程を行う。すなわち、図１に示すように、扁平多穴チューブからなるチューブ１０を図１のごとく蛇行状に曲げ形成し、この蛇行状チューブ１０のうち、チューブ平行部相互間にコルゲートフィン１１を挿入し、また、チューブ１０の両端部に冷媒入口パイプ１２と冷媒出口パイプ１３を組み付ける。これらの各部材１０〜１３からなる組付体の組付状態を図示しない治具により保持する。

そして、上記の組付体に対して、低温活性型の非腐食性フラックスと亜鉛からなる低融点ろう材との混合物を付着する付着工程を行う。この低温活性型の非腐食性フラックスとは、低融点ろう材による低温ろう付け温度において溶融して活性化し、ろう付け促進作用、すなわち、アルミニュウム表面の酸化膜除去、ろう付け時の再酸化防止、ろう材の濡れ性向上等の作用を果たすものである。

低温活性型の非腐食性フラックスはＣｓＦ入り非腐食性フラックスであり、具体的には、ＣｓＦ：５８ｍｏｌ％、ＡｌＦ3：４２ｍｏｌ％の組成割合からなる非腐食性フラックス粉末を用いた。また、このときの平均粒径は１４μとしている。また、溶融活性開始温度は４２０℃であり溶融活性温度範囲は４２０〜５００℃である。

そして、低融点ろう材として、具体的には、亜鉛の純度９９．９重量％以上、その粒径は、６００μのふるい目を通過し、４５μのふるい目を通過しない範囲内の大きさの粉末を用いている。なお、亜鉛の融点は４１９℃である。

そして、亜鉛粉末とＣｓＦ入り非腐食性フラックス粉末とを均一に混合して、ろう材−フラックス粉末混合物を作製する。ここで、亜鉛粉末とＣｓＦ入り非腐食性フラックス粉末との混合割合は、亜鉛粉末：４０重量％、ＣｓＦ入り非腐食性フラックス粉末：６０重量％である。

そして、混合された粉末混合物を水、アルコール等の液体中に有機溶剤中に懸濁させて、ろう材−フラックス粉末混合物の溶液を作製する。そして、ろう材−フラックス粉末混合物の溶液を噴霧ノズルに供給し、この噴霧ノズルによってこの溶液を上記組付体の各部材１０〜１３表面に噴霧する。この溶液の噴霧は室温（常温）にて行う。

このように、ろう材−フラックス粉末混合物の溶液を室温にて単に噴霧するだけでも、亜鉛粉末を非腐食性フラックス粉末とともに上記組付体の各部材１０〜１３表面に付着することができる。なお、ろう材−フラックス粉末混合物の溶液を室温にて噴霧した後に、室温より若干高めの温度（例えば、６０℃程度）に上記組付体を加熱して、ろう材−フラックス粉末混合物の乾燥の促進、接着力の向上等を図るようにしてもよい。

次に、上記組付体をろう付け用の加熱炉内に搬入して、アルミニュウム熱交換器のろう付け工程を行う。このろう付け工程の具体的条件を説明すると、ろう付け温度は４６０℃、ろう付け（加熱）時間は１分間、加熱炉内雰囲気は大気雰囲気である。

このろう付け工程では、低融点ろう材としての亜鉛粉末が溶融するとともに非腐食性フラックス粉末が溶融して前述の酸化膜除去等のろう付け促進作用を発揮して、熱交換器の各部材１０〜１３相互間を接合する。

以上のような工程による製造方法によれば、亜鉛粉末からなる低融点ろう材とフラックス粉末混合物を予め作製しておき、この混合物の溶液を熱交換器組付体の各部材１０〜１３表面に噴霧した後に、熱交換器組付体の各部材１０〜１３を低融点ろう材の融点（４１９℃）およびＣｓＦ入り非腐食性フラックスの溶融活性開始温度（４２０℃）以上の温度（４６０℃）に加熱して熱交換器組付体のろう付けを行うから、各アルミニュウム部材１０〜１３の熱履歴による強度低下を最小限に抑制でき、各アルミニュウム部材１０〜１３の薄肉化を効果的に実現できる。

ところで、発明者らによる研究で、一般に亜鉛によるろう付け部は過酷な環境で使用された場合に耐食性が劣るけれども、亜鉛の純度、およびその粒径わコントロールすれば耐食性の向上が図れることを見出した。具体的には、亜鉛端末の純度、および粒径をパラメータとして、ろう付け部のテストピースを作製し、そのテストピースを促進腐食試験であるＳＷＡＡＴ試験（ＡＳＴＭ：Ｇ８５−０２）による耐食性評価試験で評価するようにした。

これを、図２ないし図３に基づいて以下説明する。図２は耐食性評価試験に用いたテストピースと、そのテストピースの引っ張り強度を測定する測定法とを示す説明図である。テストピースはアルミニュウム板（例えば、Ａ１１００）とアルミニュウムパイプ（例えば、Ａ１０５０）とからなっている。

そして、アルミニュウムパイプには、貫通棒とワイヤとが、ろう付け部を上方向に引っ張るように配設されている。そして、アルミニュウム板とアルミニュウムパイプを別々にろう材−フラックス粉末混合物の溶液中に浸漬して、ろう材−フラックス混合物を各々の部品に付着させる。このアルミニュウム板の上にアルミニュウムパイプを置いて、加熱炉中でろう付け（ろう付け温度５３０℃、空気中雰囲気）を行う。

そして、ろう付け後のテストピースをＳＷＡＡＴ試験にかけ、２週間毎に約８ｋｇの力でワイヤをプッシュプルゲージで引っ張って接合強度を測定した。そして、ろう付け部が剥がれた時点をそのテストピースの耐食性とした。なお、試験期間として１２週間まで続行し、１２週間後の引っ張り強度が満足するものを耐食性が良好と評価した。

図３は亜鉛の純度および粒径を変化させたときにおける耐食性評価試験の結果を示す特性図である。具体的には、図３に示すように、亜鉛の純度を９９．６重量％、９９．７重量％、９９．９重量％、９９．９９重量％、および９９．９９９重量％の５種類に変化させている。

そして、それぞれの純度における粒径を、小（ふるい目１６μ）、中（ふるい目４５μ）、大（ふるい目１００μ）の３種類に変化させている。また、テストピースはそれぞれＮ＝６である。ここで、粒径のなかで、ふるい目１６μとは、ふるい目の大きさが１６μのふるいを通過した亜鉛粉末のことである。

さらに、耐食性が良好のテストピースは図３中に実線で示し、１２週間未満に剥がれたテストピースは図３中に破線で示している。図３に示す結果によれば、亜鉛の純度９９．９重量％以上で、粒径の大きいほど耐食性が良好であった。

ここで、その理由を調べるために、耐食性評価試験を行う前の状態におけるテストピースを観察比較したところ、耐食性が良好のテストピースのほうがろう付け部のフィレットが大きいことが分った。このことから、純度を高めて、かつ粒径を大きくすることで、亜鉛粉末がＣｓＦ入り非腐食性フラックスによく反応され、かつ還元されていることが分った。

さらに、詳細に亜鉛の粒径と耐食性との関係を示したのが図４である。ここでは亜鉛純度は入手が容易な純度９９．９重量％および９９．９９重量％の２種類とし、粒径は最大粒径（ふるい目６００μ）とした。ここで、最大粒径をふるい目６００μとしたのは、アルミニュウム熱交換器のろう付けに用いる実用性から６００μとした。

また、図４中に示す粒径分布は、粒径がふるい目２５０μまではレーザ解析、散乱法で測定し、ふるい目２５０μ以上を乾式ふるい方で測定している。なお、粒径分布は１０％累積、５０％累積、および９０％累積で示し、テストピースはそれぞれＮ＝６である。また、例えば、粒径欄で示す４５μ〜７５μは、ふるい目の大きさが４５μでは通過せず、ふるい目の大きさが７５μでは通過する亜鉛粉末をいう。

図４に示す結果によれば、粒径はふるい目が４５μ以上ならば最大の６００μであっても耐食性が良好であり、ふるい目が４５μ未満であれば耐久性が劣ることが分った。これにより、上記実施例のように、亜鉛の純度９９．９重量％以上、その粒径は、６００μのふるい目を通過し、４５μのふるい目を通過しない範囲内の大きさの低融点ろう材を用いれば、耐食性評価試験の結果により耐食性が良好である。

なお、ＣｓＦ入り非腐食性フラックスは、各アルミニュウム部材１０〜１３およびろう材（亜鉛）に対する腐食作用がないから、ろう付け後にフラックス成分が残存していてもアルミニュウム熱交換器の耐食性に悪影響を及ぼすことがない。

そのため、ろう付け後にアルミニュウム熱交換器を洗浄する後洗浄の必要がない。従って、ろう付け後に加熱炉から搬出して冷却したアルミニュウム熱交換器をそのまま、塗装等の後工程の処理に回すことができ、アルミニュウム熱交換器の製造工程を更に簡略化できる。

以上の一実施形態によるアルミニュウム熱交換器の製造方法によれば、低融点ろう材は、亜鉛の純度が９９．９重量％以上、その粒径が４５μのふるい目を通過しない大きさのものを用いることにより、耐食性の優れたろう付け部は接合部におけるフィレットが大きい。このことから、純度が高く、粒径の大きい亜鉛はフラックスとよく反応して還元されやすいことが分った。従って、純度が９９．９重量％以上、粒径が４５μのふるい目を通過しない大きさ以上の亜鉛を用いることで耐食性の優れたろう付けができる。

また、亜鉛の粒径を６００μのふるい目を通過する大きさとすることにより、粒径の最大値を６００μのふるい目を通過する大きさ以下とすることで、アルミニュウム部材相互間のクリアランスとのマッチングも良好である。

さらに、大気雰囲気中において、低融点ろう材の融点を超える４３０℃〜５３０℃のろう付け温度で行うことにより、ろう付け温度の下限値を４３０℃以上とすることでＣｓＦ入り非腐食性フラックスの溶融活性開始温度よりも高いので低融点ろう材とＣｓＦ入り非腐食性フラックスとの溶融が良好となる。

また、ろう付け温度が５３０℃を超えると、亜鉛がアルミニュウム部材中に過剰に拡散して、材料強度の低下が起きるとともに、加熱エネルギーを無駄に消費することになるので、好ましくない。従って、ろう付け温度は４３０℃〜５３０℃の範囲が好ましい。

（他の実施形態）
以上の一実施形態では、粒径の最大値を６００μのふるい目を通過する大きさ以下としたが、これに限らず、アルミニュウム部材相互間のクリアランスが６００μ以上を許容するならば、クリアランスの最大値まで許容しても良い。

本発明の一実施形態を適用する冷媒凝縮器１の全体構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態における耐食性評価試験に用いたテストピースと、そのテストピースの引っ張り強度を測定する測定法とを示す説明図である。 本発明の一実施形態における亜鉛の純度および粒径を変化させたときにおける耐食性評価試験の結果を示す特性図である。 本発明の一実施形態における亜鉛の粒径を数種に変化させたときにおける耐食性評価試験の結果を示す特性図である。

符号の説明

１…冷媒凝縮器
１０…チューブ
１１…フィン

Claims (3)

1. ＣｓＦ入り非腐食性フラックスと亜鉛からなる低融点ろう材との混合物を用いて、複数のアルミニュウム部材相互間をろう付けして構成されるアルミニュウム熱交換器の製造方法において、
   前記低融点ろう材は、前記亜鉛の純度が９９．９重量％以上、その粒径が４５μのふるい目を通過しない大きさのものを用いることを特徴とするアルミニュウム熱交換器の製造方法。
2. 前記亜鉛の粒径は、好ましくは、６００μのふるい目を通過し、４５μのふるい目を通過しない範囲内の大きさであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニュウム熱交換器の製造方法。
3. 前記ろう付けは、大気雰囲気中において、前記低融点ろう材の融点を超える４３０℃〜５３０℃のろう付け温度で行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアルミニュウム熱交換器の製造方法。

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