JP2009127995A - 熱交換器用チューブ及びこれと外部フィンとを結合した熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性に優れた熱交換器用チューブ、ならびに、チューブ自体及び外部フィン自体が高い耐食性を有しつつ、これらの接合部においても優れた耐食性を有する熱交換器を提供する。
【解決手段】Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなる外部フィンと結合する熱交換器用チューブであって、Ｃｕ含有量が０．１５〜１．０ｍａｓｓ％であり融点が６００℃以上のＡｌ材からなる心材と、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなりチューブの内面側の心材上に設けられたろう材と、融点が６００℃以上のＡｌ材からなりチューブの外面側の心材上に設けられた犠牲防食材とを備え、ろう付け時において心材に含有されるＣｕがろう材の溶融ろう中に拡散して当該溶融ろうとともにチューブ外面に滲み出る間隙を有することを特徴とする熱交換器用チューブ。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換器用チューブ及びこれと外部フィンとを結合した熱交換器に関し、詳細には耐久性に優れた熱交換器用チューブ、ならびに、これを用いた熱交換器であってチューブとフィンとの接合部の腐食にすぐれた熱交換器に関し、特に、カーエアコン用コンデンサ、エバポレータ、オイルクーラー、ラジエータなどの自動車用途において有用な熱交換器用チューブ及びこれを用いた熱交換器に関する。

アルミニウム合金は軽量で熱伝導性に優れていること、適切な処理により高耐食性が実現できること、ならびに、ブレージングシートを利用したろう付けによって効率的な接合が可能であることから、自動車用などの熱交換器用材料として重用されてきた。しかし、近年、自動車の高性能化或いは環境対応として、より軽量で高耐久性を有するように熱交換器の性能向上が求められており、これに対応できるアルミニウム合金材料技術が要求されている。

例えば、カーエアコンのコンデンサやエバポレータに代表される熱交換器において、チューブ、外部フィンなどの薄肉化による軽量化がさらに進められ、また、防食効果の高いクロメートタイプの化成表面処理が環境面の規制により排除される傾向にある。さらに、融雪剤の大量使用や大気汚染・酸性雨など腐食を促進する要因も高まっている。

例えばこのような自動車用熱交換器の一形態として、ろう材、心材、犠牲防食層をクラッドした３層ブレージングシートを成形加工したチューブと、単層の外部フィン材をコルゲート成形した外部フィンとを組み合わせ、ろう付け接合したものが現用されている。このチューブは冷媒などの流体を流通させる目的のものであるから、孔食によるリークが生じると熱交換器として使用するには致命傷となる。チューブの孔食を抑制する有力な防食手法としては、クラッド圧延等の方法でチューブ表面にＡｌ−Ｚｎ層を形成することによって、Ａｌ−Ｚｎ層による犠牲防食効果による心材の防食方法が一般に採用されている。また、外部フィンに若干の犠牲効果を持たせるために、Ｚｎ等を外部フィン材に添加することもチューブの耐食性確保の目的で実施されている。

この他に、外部フィン自体やチューブとの接合部の腐食による外部フィンの剥がれや欠落も、熱交換機能を低下させるため問題となる。外部フィンとチューブの接合部の耐食性を向上させるための手法が下記特許文献に示されている。

特許文献１に記載の熱交換器は、チューブ表面部、チューブ心部、外部フィン及び外部フィンとチューブ接合部のフィレットの電位を各々Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤとしてＡ≦Ｃ≦Ｄ＜Ｂの関係に規定することによって、フィレットの優先腐食を抑制して外部フィン剥がれを防止するものである。チューブとしては、選定された組成のＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金であって表面に２〜８ｇ／ｍ^２のＺｎが溶射されたものが用いられ、外部フィンの皮材としては、Ｃｕ：０．１〜０．３ｍａｓｓ％及びＭｎ：０．１〜０．３ｍａｓｓ％を含有するろう材が用いられている。
：特開２００４−１７００６１号公報

特許文献２に記載の熱交換器は、Ｍｎ：０．５〜１．８ｍａｓｓ％及びＺｎ：０．５〜３．０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金の心材と、前記心材の両面に設けられＳｉ：６．５〜１３．０ｍａｓｓ％及びＣｕ：０．１５〜０．６ｍａｓｓ％を含有するＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材とによって構成される３層クラッド材から成る外部フィン材と、Ｚｎ濃縮表面を有するアルミニウム合金チューブとをろう付けしたもので、ろう付け後の外部フィンの長手断面における前記心材の再結晶粒の平均長さが１００〜１０００μｍであり、かつ、前記長手断面の厚さ方向における前記心材の再結晶粒の平均個数が４個以下であることを特徴としている。
：特開２００６−２３４３７４号公報

これら２つの文献では、チューブ表面からフィレットに拡散してくるＺｎによりフィレットの電位が卑になり過ぎるのを、電位を貴にするＣｕの作用によって防止している。しかしながら、この手法ではろう付加熱時に外部フィン材にＣｕが拡散するために、外部フィンの耐食性及びチューブに対する犠牲防食効果が劣る。

また、外面にＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ合金を配置したブレージングシートをチューブとし、外部フィンとしてベア外部フィンを用い、熱交換器を作製する組み合わせに係る熱交換器もある。チューブの心材から外面ろう材にＣｕが拡散してくるため、フィレットにＣｕが含有されるが、チューブ表面にもＣｕが含有されるためにチューブの耐食性が劣る。

本発明の解決課題は、外面に犠牲防食層を有するチューブと外部フィンとの組合せによってろう付される熱交換器について、外部フィン自体及びチューブ自体が高い耐食性を有しつつ、チューブと外部フィンの接合部の優れた耐食性も確保することにある。

本発明者らは、外部フィン自体及びチューブ自体が高い耐食性を有しつつ、チューブと外部フィンの接合部の優れた耐食性も確保するために、チューブの形状について詳細に検討し本発明を完成するに至った。具体的には、チューブ内面側のろうを外部フィンとチューブの接合部のみに流れさせることで、Ｃｕを含有したろうによって接合させることができる。これにより、定法では電位が卑になり過ぎて優先腐食する接合部の電位を貴にし、接合部の優先腐食を抑制できる。さらに、チューブ及び外部フィン単独での耐食性を低下させるＣｕは、チューブ外面犠牲材及び外部フィンには少量しか含有されないために外部フィン自体及びチューブ自体は高い耐食性を維持している。

また、外部フィン材として両面にろう材がクラッドされたブレージングシートを用いることにより、外部フィンのろうとチューブ内面側のろうとによって接合部が大きくなり、外部フィン剥離までの寿命を延ばすことができる。

すなわち、本発明は請求項１において、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなる外部フィンと結合する熱交換器用チューブであって、Ｃｕ含有量が０．１５〜１．０ｍａｓｓ％であり融点が６００℃以上のＡｌ材からなる心材と、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなりチューブの内面側の心材上に設けられたろう材と、融点が６００℃以上のＡｌ材からなりチューブの外面側の心材上に設けられた犠牲防食材とを備え、ろう付け時において心材に含有されるＣｕがろう材の溶融ろう中に拡散して当該溶融ろうとともにチューブ外面に滲み出る間隙を有することを特徴とする熱交換器用チューブとした。

本発明は請求項２において、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなる外部フィンと結合する熱交換器用チューブであって、Ｃｕ含有量が０．１〜０．６ｍａｓｓ％であり融点が６００℃以上のＡｌ材からなる心材と、Ｃｕ含有量が０．１〜０．６ｍａｓｓ％のＡｌ材からなりチューブの内面側の心材上に設けられたろう材と、融点が６００℃以上のＡｌ材からなりチューブの外面側の心材上に設けられた犠牲防食材とを備え、ろう付け時においてろう材の溶融ろうがチューブ外面に滲み出る間隙を有することを特徴とする熱交換器用チューブとした。

本発明は請求項３において、チューブと、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなる外部フィンとを結合した熱交換器であって、前記チューブが、Ｃｕ含有量が０．１５〜１．０ｍａｓｓ％であり融点が６００℃以上のＡｌ材からなる心材と、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなりチューブの内面側の心材上に設けられたろう材と、融点が６００℃以上のＡｌ材からなりチューブの外面側の心材上に設けられた犠牲防食材とを備え、ろう付け時において心材に含有されるＣｕがろう材の溶融ろう中に拡散して当該溶融ろうとともにチューブ外面に滲み出る間隙を有し、ろう付け時において、前記拡散したＣｕを含有しチューブ外面に滲み出た溶融ろうがチューブ外面と外部フィンとの接触部に溜まり冷却時において凝固して形成されるチューブと外部フィンとの接合部を備えることを特徴とする熱交換器とした。

本発明は請求項４において、チューブと、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなる外部フィンとを結合した熱交換器であって、前記チューブが、Ｃｕ含有量が０．１〜０．６ｍａｓｓ％であり融点が６００℃以上のＡｌ材からなる心材と、Ｃｕ含有量が０．１〜０．６ｍａｓｓ％のＡｌ材からなりチューブの内面側の心材上に設けられたろう材と、融点が６００℃以上のＡｌ材からなりチューブの外面側の心材上に設けられた犠牲防食材とを備え、ろう付け時においてろう材の溶融ろうがチューブ外面に滲み出る間隙を有し、ろう付け時において、前記チューブ外面に滲み出た溶融ろうがチューブ外面と外部フィンとの接触部に溜まり冷却時において凝固して形成されるチューブと外部フィンとの接合部を備えることを特徴とする熱交換器とした。

本発明は請求項５、６において、外部フィンを、心材と、その両側に形成されたろう材とを備えるブレージングシートとした。

Ａ．チューブ
本発明に係るチューブは、心材と、チューブの内面側の心材上に設けられたろう材と、チューブの外面側の心材上に設けられた犠牲防食材とから成る。そして、ろう付加熱時において、Ｃｕを含有する溶融ろうがチューブ外面に滲み出るための間隙も備える。なお、チューブの心材、ろう材及び犠牲防食材はいずれもＡｌ材からなる。ここで、Ａｌ材とは、アルミニウム合金又は純アルミニウムをいうものとする。

ろう付加熱時においてＣｕが溶融ろうとともにチューブ外面に滲み出るには、（１）ろう材中に含有されるＣｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満と少量又は含有されていない場合には、心材中に含有されるＣｕ含有量を０．１５〜１．０ｍａｓｓ％と多く含有させる必要があり、（２）ろう材中に含有されるＣｕ含有量が０．１〜０．６ｍａｓｓ％と多量の場合には、心材中に含有されるＣｕ含有量を０．１〜０．６ｍａｓｓ％と少量とすることができる。（１）の場合には、ろう付加熱時において、心材に含有されるＣｕがろう材が溶融したろう中に拡散し、多量のＣｕを含有するろうが間隙を介してチューブ外面に滲み出る。（２）の場合には、ろう付加熱時において、Ｃｕを多量に含有するろう材の溶融ろうが間隙を介してチューブ外面に滲み出る。

上記（１）の場合における心材及びろう材中のＣｕ、ならびに、（２）の場合のろう材中のＣｕは、ろう付加熱時においてチューブ外面に滲み出し、チューブと外部フィンの接触部に溜まる。次いで、冷却過程において凝固してチューブと外部フィンとの接合部を形成する。これによって、接合部のＣｕ濃度が高められ、電位を貴にすることにより接合部の耐食性を向上させる効果が得られる。

Ａ−１．心材
上述の接触部の耐食性を向上させる効果を十分に発揮するためには、上記（１）の場合における心材のＣｕ含有量を０．１５ｍａｓｓ％以上、上記（２）の場合には、０．１ｍａｓｓ％以上とする必要がある。一方、多量にＣｕを含有し過ぎると、接合部のＣｕ濃度が高くなり過ぎて、その近傍のフィン及びチューブの腐食が促進されてしまう。この弊害を回避するために、上記（１）の場合における心材のＣｕ含有量は１．０ｍａｓｓ％以下、上記（２）の場合における場合には、０．６ｍａｓｓ％以下とする必要がある。

本発明においてチューブ心材のＳｉ含有量は、０．１〜２．０ｍａｓｓ％の成分範囲が好ましい。Ｓｉは、マトリックスに固溶したり、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系金属間化合物を生成することによって、ろう付後の強度を向上させる効果を発揮する元素である。さらに、Ｓｉの添加は、心材の電位を貴にして心材と犠牲陽極材の電位差を大きくする働きがあり、これにより外部耐食性が向上する。これらのＳｉ添加の効果を得るためには、０．１ｍａｓｓ％以上のＳｉの含有が好ましい。一方、過剰にＳｉが含有されると、単独で晶出したＳｉにより耐食性を低下させるおそれがあると共に、合金の融点を低下させてろう付時に材料の溶融を招いてしまう。これら過剰なＳｉの含有による悪影響を回避するためには、Ｓｉ量の上限は２．０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

本発明においてチューブの心材のＦｅ含有量は、０．６ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。Ｆｅは鋳造中にＦｅ系金属間化合物として晶出し、耐食性を低下させるおそれがあるため、０．６ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。

本発明においてチューブの心材のＭｎ含有量は、０．１〜２．０ｍａｓｓ％の成分範囲が好ましい。ＭｎはＡｌ−Ｍｎ系金属間化合物として晶出又は析出して、ろう付加熱後の強度の向上に寄与し、強度を向上させる効果を果たす元素である。また、Ａｌ−Ｍｎ系金属間化合物はＦｅを取り込むために、Ｆｅによる耐食性阻害効果を抑制する効果も有する。これらの効果を得るためには、０．１ｍａｓｓ％以上のＭｎを添加することが好ましい。但し、Ｍｎ含有量が２．０ｍａｓｓ％を超えると巨大な金属間化合物が晶出し、製造性を阻害するおそれがある。したがって、Ｍｎ含有量の上限は２．０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

本発明においてチューブ心材のＴｉ含有量は、０．０５〜０．２ｍａｓｓ％の成分範囲が好ましい。Ｔｉは、耐食性、特に耐孔食性の向上に寄与する。すなわち、アルミニウム合金中に添加されたＴｉは、その濃度の高い領域と濃度の低い領域とに分かれ、それらが板厚方向に交互に積層状に分布する。そして、Ｔｉ濃度の低い領域がＴｉ濃度の高い領域よりも優先的に腐食することにより腐食形態が層状となり、その結果、板厚方向への腐食の進行が妨げられ耐孔食性が向上する。このような耐孔食性向上の効果を十分に得るためには、Ｔｉ含有量が０．０５ｍａｓｓ％以上であることが好ましい。一方、Ｔｉ含有量が０．２ｍａｓｓ％を超えれると鋳造時に粗大な化合物が生成されて製造性を阻害するおそれがある。したがって、Ｔｉ含有量の上限は０．２ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

Ａ−２．ろう材
本発明においてチューブのろう材のＣｕ含有量は、上記（１）の場合には０．１ｍａｓｓ％以下とする。結合部のＣｕ源として、心材中のＣｕを利用できるので腐食促進の原因となるＣｕ含有量を低く抑えるためである。一方、上記（２）の場合には０．１〜０．６ｍａｓｓ％とする。下限値を０．１ｍａｓｓ％としたのは、接合部のＣｕ濃度を高めて電位を貴にすることにより接触部の耐食性を向上させる効果を得るためである。上限値を０．６ｍａｓｓ％としたのは、接合部のＣｕ濃度が高くなり過ぎて、その近傍のフィン及びチューブの腐食が促進されるのを防止するためである。

本発明においてチューブのろう材のＳｉ含有量は、６．５〜１３．０ｍａｓｓ％の成分範囲が好ましい。ろう材に含有されるＳｉはろう材の融点を低下させる作用を有し、良好なろう流れに寄与しフィンとチューブの接合に有利に作用する。十分な融点低下を得るためには、６．５ｍａｓｓ％以上のＳｉを含有させることが好ましい、一方、Ｓｉ含有量が１３．０ｍａｓｓ％を越えると加工性の低下を招くため、Ｓｉ含有量の上限は１３．０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

Ａ−３．犠牲防食材
本発明においてチューブの犠牲防食材のＣｕ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以下であるのが好ましい。Ｃｕは、材料製造時の熱履歴及びろう付加熱によって、Ａｌ合金中にＣｕ系金属間化合物として析出する。このＣｕ系金属間化合物はマトリックスをアノードとした際のカソード反応を促進させるため、犠牲防食材の腐食速度が増大する。また、Ｃｕ添加はＡｌ合金の自然電位を貴にする働きもあり、犠牲材によるチューブ心材の防食効果を減ずる。以上の理由から、チューブの犠牲防食材のＣｕ含有量は０．１ｍａｓｓ％以下に制限するのが好ましい。

本発明においてチューブの犠牲防食材のＭｎ含有量は、１．６ｍａｓｓ％まで含有されていても良い。ＭｎはＡｌ−Ｍｎ系金属間化合物として晶出又は析出して、ろう付加熱後の強度の向上に寄与して強度を向上させる効果を発揮する元素である。また、Ａｌ−Ｍｎ系金属間化合物はＦｅを取り込むためにＦｅによる耐食性阻害効果を抑制する働きがあり、この効果のために犠牲防食材にＭｎを添加している。Ｍｎ含有量が１．６ｍａｓｓ％を超えれば、巨大な金属間化合物が晶出して製造性を阻害するおそれがある。したがって、Ｍｎ含有量の上限は１．６ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

本発明においてチューブの犠牲防食材にはＺｎを３．０ｍａｓｓ％まで含有させても良い。犠牲防食材のＺｎは、犠牲防食効果を向上させる働きがある。Ｚｎ含有量が３．０ｍａｓｓ％を越えると、犠牲防食材の消費が促進されて寿命が短くなる。したがって、Ｚｎ含有量の上限は３．０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

本発明においてチューブの心材には、強度及び耐食性を満たすためにＭｇ、Ｃｒ、Ｖ、Ｉｎ、Ｓｎ等を更に添加しても良く、犠牲防食材にはこれら元素に加えてＴｉを添加しても良い。また、本発明において心材及び犠牲防食材はろう付加熱時に溶融しないことが必要であり、これらの融点は６００℃以上であることが必要であり、６１０℃以上であることが好ましい。

Ａ−４．チューブの形状
本発明に係るろう付け前のチューブＴと外部フィンＯＦを組み合わせた構造例の正面断面図を図１に、部分側面図を図２に示す。この構造例では、チューブＴは二つのＬ字状の板材Ｔ１、Ｔ２を互いの長辺と短辺が平行となるように組み合わされ、これら板材Ｔ１、Ｔ２によって囲まれた空間部分が流体の流路となる。二つの板材Ｔ１、Ｔ２の端面が接する境界部位Ｇ１、Ｇ２においては、少なくとも一点で両者が接しつつ、不可避的に狭い間隙（不図示）が形成される。このような間隙の両板材間における幅は１ｍｍ以下とするのが好ましい。

図１において、チューブＴの内面側の心材Ｃ上にはろう材Wが設けられ、チューブＴの外面側の心材Ｃ上には犠牲防食材Ｓが設けられている。境界部位Ｇ１における不可避的な間隙はチューブＴの内面と外部フィンＯＦに接するチューブ外面ＯＳ１との間に介在する。境界部位Ｇ２における不可避的な間隙はチューブＴの内面と外部フィンＯＦに接するチューブ外面ＯＳ２との間に介在する。

図２に示すように、チューブＴの外面ＯＳ１、ＯＳ２上に外部フィンＯＦが配置される。ここで、チューブＴと外部フィンＯＦとの境界部位においても、間隙を残しつつ少なくとも一点で接するように外面ＯＳ１、ＯＳ２上に外部フィンＯＦが配置される。チューブＴの外面ＯＳ１（ＯＳ２）と外部フィンＯＦとの間における間隙の幅は１ｍｍ以下とするのが好ましい。

ろう付け前のチューブＴと外部フィンＯＦを組み合わせた他の構造例の正面断面図を図３に示す。部分側面図は図２と同様なので省略する。この構造例では、チューブＴは二つのコ字状の板材Ｔ１、Ｔ２を端面同士が向き合うように組み合わされ、これら板材Ｔ１、Ｔ２によって囲まれた空間部分が流体の流路となる。この構造例においても、二つの板材Ｔ１、Ｔ２の端面が接する境界部位Ｇ１とＧ２において、少なくとも一点で両者が接しつつ、不可避的に狭い隙間（不図示）が形成される。境界部位Ｇ１、Ｇ２の不可避的な間隙は、チューブＴの内面とチューブ外面ＯＳ１、ＯＳ２との間にそれぞれ介在する。この構造例においても、両板材間の間隙幅を１ｍｍ以下とするのが好ましい。

図１及び３に示すように、ろう付加熱時においてＣｕが溶融ろうとともにチューブ外面に滲み出る間隙は、外部フィンと接合するチューブにおける両方の外面（図ではＯＳ１とＯＳ２の両方）とチューブ内面との間に形成されるようにするのが好ましい。
なお、チューブ形状やその内部構造は、ろう付加熱時においてＣｕ含有溶融ろうがチューブ外面に滲み出ることができれば、図１〜３に示すものに限定されるものではない。

Ｂ．外部フィン
本発明に係る外部フィンには、心材の両面にろう材がクラッドされた３層ブレージングシートを用いるのが好ましい。しかしながら、心材のいずれか一方の面にのみろう材がクラッドされた２層ブレージングシートでも、心材のみでろう材がクラッドされていない単層のものも用いられる。心材のチューブ側にろう材がクラッドされていれば、チューブのろう材と一緒に大きな結合部を形成できる。また、心材のチューブ側とは反対側にろう材がクラッドされていても、溶融ろうがチューブ側に流出するので、これまたチューブ内面側のろう材と一緒に大きな結合部を形成できる。一方、ろう材がクラッドされていない単層の場合であっても、チューブ内面側の溶融ろうのみでも外部フィンとチューブを接合できる。以下、外部フィンにおいて「ブレージングシート」と記す際には、３層ブレージングシート及び２層ブレージングシートの両方を意味するものとする。
なお、外部フィンの心材及びろう材はいずれもＡｌ材からなる。ここで、Ａｌ材とは、アルミニウム合金又は純アルミニウムをいうものとする。

Ｂ−１．心材
本発明において、外部フィンとしてブレージングシートを用いた際における心材のＣｕ含有量、ならびに、単層を用いた際における心材のＣｕ含有量は、いずれも０．１ｍａｓｓ％以下とする。Ｃｕは、材料製造時の熱履歴及びろう付加熱によって、Ａｌ合金中にＣｕ系金属間化合物として析出する。このＣｕ系金属間化合物はマトリックスをアノードとした際のカソード反応を促進させるため、フィンの腐食速度が増大する。また、Ｃｕ添加はＡｌ合金の自然電位を貴にする働きもあり、フィンによるチューブの防食効果を減ずる。以上の理由から、ブレージングシートの場合における心材のＣｕ含有量、ならびに、単層の場合におけるＣｕ含有量はともに、０．１ｍａｓｓ％以下に制限される。

本発明において、外部フィンとしてブレージングシートを用いた際における心材のＳｉ含有量、ならびに、単層を用いた際における心材のＳｉ含有量は、いずれも０．１〜２．０ｍａｓｓ％の成分範囲とするのが好ましい。Ｓｉは、マトリックスに固溶したり、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系金属間化合物を生成することによって、ろう付後の強度を向上させる元素である。さらに、Ｓｉの添加は、心材の電位を貴にして心材と犠牲陽極層材の電位差を大きくする働きがあり、これにより外部耐食性が向上する。これらのＳｉ添加の効果を得るためには、０．１ｍａｓｓ％以上のＳｉ含有量とするのが好ましい。一方、過剰にＳｉが含有されれば、単独で晶出したＳｉにより耐食性を低下させるおそれがあると共に、合金の融点を低下させてろう付時に材料の溶融を招いてしまう。これら過剰なＳｉの含有による悪影響を回避するためには、Ｓｉ量の上限は２．０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

本発明において、外部フィンとしてブレージングシートを用いた際における心材のＦｅ含有量、ならびに、単層を用いた際における心材のＦｅ含有量は、いずれも０．６ｍａｓｓ％以下の成分範囲とするのが好ましい。Ｆｅは鋳造中にＦｅ系金属間化合物として晶出し、耐食性を低下させるおそれがあるため、０．６ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。

本発明において、外部フィンとしてブレージングシートを用いた際における心材のＭｎ含有量、ならびに、単層を用いた際における心材のＭｎ含有量は、いずれも０．１〜２．０ｍａｓｓ％の成分範囲とするのが好ましい。ＭｎはＡｌ−Ｍｎ系金属間化合物として晶出又は析出して、ろう付加熱後の強度の向上に寄与し、強度を向上させる効果を有する元素である。また、Ａｌ−Ｍｎ系金属間化合物はＦｅを取り込むために、Ｆｅによる耐食性阻害効果を抑制する働きがある。これらの効果を得るためには、０．１ｍａｓｓ％以上のＭｎを添加するのが好ましい。但し、Ｍｎ量が２．０ｍａｓｓ％を超えると巨大な金属間化合物が晶出し、製造性を阻害するおそれがある。したがって、Ｍｎ量の上限は２．０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

本発明において、外部フィンとしてブレージングシートを用いた際における心材のＺｎ含有量、ならびに、単層を用いた際における心材のＺｎ含有量は、いずれも０．５〜３．０ｍａｓｓ％の成分範囲とするのが好ましい。フィンに含有されるＺｎは、フィンの自然電位を卑にすることによって、フィンによるチューブの犠牲防食効果を向上させる働きを有する。このような働きによる効果を確実に得るためには、０．５ｍａｓｓ％以上のＺｎを添加するのが好ましい。一方、Ｚｎが３．０ｍａｓｓ％を越えると、フィンの消費が促進されて寿命が短くなる。したがって、Ｚｎ含有量の上限は３．０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

本発明において、外部フィンとしてブレージングシートを用いた際における心材、ならびに、単層を用いた際における心材には、強度及び耐食性を満たすために、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｉｎ、Ｓｎ等を添加しても良い。

Ｂ−２．ろう材
本発明において、外部フィンとしてブレージングシートを用いた際におけるろう材のＳｉ含有量、ならびに、単層を用いた際におけるろう材のＳｉ含有量は、いずれも６．５〜１３．０ｍａｓｓ％の成分範囲とするのが好ましい。ろう材に含有されるＳｉは融点を低下させる作用を有し、良好なろう流れに寄与する。融点低下の十分な効果を得るためには、６．５ｍａｓｓ％以上のＳｉを添加するのが好ましい。一方、Ｓｉ含有量が１３．０ｍａｓｓ％を越えると加工性の低下を招くため、Ｓｉ量の上限は１３．０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

本発明において、外部フィンとしてブレージングシートを用いた際におけるろう材のＣｕ含有量、ならびに、単層を用いた際におけるろう材のＣｕ含有量は、いずれも０．１ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。外部フィンの心材におけるＣｕ含有量と同じ理由からである。

Ｃ．熱交換器
本発明に係る熱交換器は、上記チューブ及び外部フィンを必須の構成要素とし、他の部材が適宜組み合わされこれらをろう付けして製造される。ろう付加熱方法、ろう付加熱条件は特に限定しないが、ろう付け方法としては、フラックスを用いるノコロックブレージング法が好適に用いられる。ろう付け操作における、４００℃からろう付け温度に達してろう凝固が終了するに至るまでのろう付加熱工程に要する時間と、その後の冷却工程に要する時間とは特に限定されるものではないが、７〜６０分が好適に用いられる。また、チューブ内面側のろう材が溶融してチューブ外面に溶融ろうが滲み出るのに要する時間として、５８０℃以上に保持される時間は３〜２０分が好適に用いられる。

このようなろう付け工程によって、図１〜３に示すチューブと外部フィンにおいては、まずチューブ内面側の心材Ｃ上のろう材Ｗが溶融する。溶融ろうは、いわゆる毛管現象によって境界部位Ｇ１、Ｇ２の不可避的な間隙を伝ってチューブ外面ＯＳ１、ＯＳ２にそれぞれ滲み出る。このような毛管現象の発生は、境界部位Ｇ１、Ｇ２のチューブ材の濡れ性、溶融ろうの表面張力、不可避的間隙の幅や長さに依存する。本発明におけるチューブ材やろう材を用いた場合には、境界部位Ｇ１、Ｇ２における両板材間の間隙を１ｍｍ以下とすることにより十分な毛管現象が発生する。

上記毛管現象によってチューブ外面ＯＳ１、ＯＳ２に滲み出た溶融ろうは、チューブＴと外部フィンＯＦとの境界部位の不可避的な間隙を埋めつつチューブと外部フィンとの間に溜まり、その後の冷却工程で凝固してフィレット状の接合部Ｊを形成する（図４、５）。なお、チューブＴの外面ＯＳ１（ＯＳ２）と外部フィンＯＦとの不可避的間隙幅を１ｍｍ以下とすることにより、この間隙における溶融ろうの流動性が良好となる。その結果、この間隙が溶融ろうで容易に埋められ良好なフィレットの形成が可能となる。

以下、実施例と比較例に基づいて本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。

実施例１〜５及び比較例１〜５
（１）外部フィンの作成
外部フィン材は通常の半連続鋳造を行い、鋳塊の両面を１０ｍｍずつ面削し、ブレージングシートの場合は重ね合わせを行い、総厚さが５５０ｍｍとなるようにした。次いで、５００℃で６時間の予備加熱を行い、熱間圧延で５ｍｍまで圧延し、０．２５ｍｍまで冷間圧延を行い、４００℃で３時間の中間焼鈍を行い、最終冷間圧延により厚さ０．１ｍｍのシートを得た。Ａｌ−０．２ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．４ｍａｓｓ％Ｆｅ−１．０ｍａｓｓ％Ｍｎ−２．０ｍａｓｓ％Ｚｎに表１に示すＣｕを添加したＡｌ合金を心材の素材として用い、Ａｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．４ｍａｓｓ％Ｆｅ−０．０５ｍａｓｓ％ＣｕのＡｌ合金をろう材の素材として用いた。心材の両面にクラッド率１０％のろう材を設けて、全体板厚０．１ｍｍのブレージングシートを作製した（表１のイ、ロ）。また、同様の工程によりろう材を備えていない心材のみのＡｌ合金シートも作製した（表１のハ、ニ）。次いで、このブレージングシート及びＡｌ合金シートにコルゲート加工を施して外部フィンを作製した。

（２）チューブの作製
Ａｌ−０．２ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．４ｍａｓｓ％Ｆｅ−１．０ｍａｓｓ％Ｍｎ−０．１０ｍａｓｓ％Ｔｉに表２に示す量のＣｕを添加したＡｌ合金を心材の素材として、Ａｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．４ｍａｓｓ％Ｆｅに表２に示す量のＣｕを添加したＡｌ合金をろう材の素材として、表２に示す組成のＡｌ合金を犠牲防食材の素材として用いた。これらの素材板を、通常の半連続鋳造を行い、鋳塊の両面を１０ｍｍずつ面削し、3層重ね合わせ総厚さが５５０ｍｍとなるようにした。次いで、５００℃で６時間の予備加熱を行い、熱間圧延により板厚５ｍｍまで圧延し、更に板厚０．３ｍｍまで冷間圧延を行い、３５０度で３時間の最終焼鈍を行なって、厚さ０．３ｍｍの板状チューブ材を作製した。次いで、この板状チューブ材を折り曲げ加工によって所定のチューブ形状とした。これら実施例及び比較例では図１に示す形状Ａのチューブを用いた。

（３）熱交換器の作製
上記のようにして作製したチューブと外部フィンを組合せ、チューブの内面及び外面に非腐食性フラックスを１０ｇ／ｍ^２塗布し、窒素雰囲気中で４００℃で３０分間加熱処理を施し、次いで６００℃まで４０℃／ｍｉｎの速度で昇温し、５８０℃〜６００℃の温度範囲に５分間保持しろう付を行った。次いで、これを室温で冷却して熱交換器コアを作製した。なお、表２に示すように、各実施例及び比較例において外部フィンとしては表１に示す外部フィン用シートを用いた。

このようにして作製した熱交換器コアについて、ＥＰＭＡによってフィレットのＣｕ濃度を測定した。測定例を図６（実施例１に対応）及び図７（比較例１に対応）に示す。図８、９において、ＯＦはフィレットの外部フィンの部分、Ｊはフィレットの接合部の部分、Ｔはフィレットのチューブの部分をそれぞれ示す。縦軸は各部分におけるＣｕ濃度（ｍａｓｓ％）を、横軸は外部フィンの所定の基準点からの距離（μｍ）である。接合部における最も高いＣｕ濃度を接合部ピークＣｕ濃度とした。接合部ピークＣｕ濃度は、０．４０ｍａｓｓ％以上を合格とした。

更に、熱交換器コアについて、ＳＷＡＴＴ（ＡＳＴＭ Ｇ８５−０２）の３００サイクル（６００時間）試験を行なった。ＳＷＡＴＴ後の全接合部に対する健全な接合部の割合、ならびに、ＳＷＡＴＴ後におけるチューブの最大孔食深さを測定した。全接合部に対する健全な接合部の割合は９０％以上を、チューブの最大孔食深さは０．１０μｍ以下をそれぞれ合格とした。

接合部ピークＣｕ濃度、全接合部に対する健全な接合部の割合及びチューブの最大孔食深さの結果を表３に示す。

表３に示す通り、実施例１〜５では、接合ピークＣｕ濃度が高濃度で、全接合部に対する健全な接合部の割合が高く、かつ、最大孔食深さが浅く、優れた耐食性を示した。

比較例１では、チューブのろう材及び心材にＣｕが含有されていないために接合部のＣｕ濃度が低かった。その結果、接合部が優先的に腐食するために全接合部に対する健全な接合部の割合が低くなり、耐食性を満足できなかった。
比較例２では、チューブのろう材のＣｕ含有量が多いために、接合部のＣｕ濃度が高かった。そのため、接合部近傍のチューブ及びフィンの腐食が促進されたため、最大孔食深さが深くなり耐食性を満足できなかった。

比較例３では、チューブの犠牲防食材が１０ｍａｓｓ％のＳｉを含有しているので融点が６００℃未満となりろう付加熱時に溶解した。その結果、チューブ心材のＣｕが犠牲防食材中に拡散してしまい、最大孔食深さが深くなり耐食性を満足できなかった。
比較例４、５では、フィンのＣｕ含有量が多いために、接合部のＣｕ濃度が高かった。そのため、接合部近傍のチューブ及びフィンの腐食が促進されたため、最大孔食深さが深くなり耐食性を満足できなかった。

本発明により、耐食性に優れら熱交換器用チューブ、ならびに、チューブ自体及び外部フィン自体が高い耐食性を有しつつ、これらの接合部においても優れた耐食性を有する熱交換器を提供できる。

形状Ａのチューブと外部フィンとのろう付け前の状態を示す正面断面図。 形状Ａのチューブと外部フィンとのろう付け前の状態を示す側面図。 形状Ａの変更例のチューブと外部フィンとのろう付け前の状態を示す正面断面図。 図１のろう付け後の状態を示す正面断面図。 図３のろう付け後の状態を示す正面断面図。 フィレット部分におけるＣｕ濃度分布を示すグラフ。 フィレット部分におけるＣｕ濃度分布を示すグラフ。

符号の説明

Ｃ‥‥‥チューブの心材
Ｇ１、Ｇ２‥‥‥不可避的な間隙
Ｊ‥‥‥接合部
ＯＦ‥‥‥外部フィン
ＯＳ１、ＯＳ２‥‥‥外部フィン側のチューブ外面
Ｓ‥‥‥チューブの犠牲防食材
Ｔ‥‥‥チューブ
Ｔ１、Ｔ２‥‥‥チューブの板材
Ｗ‥‥‥チューブのろう材

Claims (6)

1. Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなる外部フィンと結合する熱交換器用チューブであって、Ｃｕ含有量が０．１５〜１．０ｍａｓｓ％であり融点が６００℃以上のＡｌ材からなる心材と、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなりチューブの内面側の心材上に設けられたろう材と、融点が６００℃以上のＡｌ材からなりチューブの外面側の心材上に設けられた犠牲防食材とを備え、ろう付け時において心材に含有されるＣｕがろう材の溶融ろう中に拡散して当該溶融ろうとともにチューブ外面に滲み出る間隙を有することを特徴とする熱交換器用チューブ。
2. Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなる外部フィンと結合する熱交換器用チューブであって、Ｃｕ含有量が０．１〜０．６ｍａｓｓ％であり融点が６００℃以上のＡｌ材からなる心材と、Ｃｕ含有量が０．１〜０．６ｍａｓｓ％のＡｌ材からなりチューブの内面側の心材上に設けられたろう材と、融点が６００℃以上のＡｌ材からなりチューブの外面側の心材上に設けられた犠牲防食材とを備え、ろう付け時においてろう材の溶融ろうがチューブ外面に滲み出る間隙を有することを特徴とする熱交換器用チューブ。
3. チューブと、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなる外部フィンとを結合した熱交換器であって、
   前記チューブが、Ｃｕ含有量が０．１５〜１．０ｍａｓｓ％であり融点が６００℃以上のＡｌ材からなる心材と、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなりチューブの内面側の心材上に設けられたろう材と、融点が６００℃以上のＡｌ材からなりチューブの外面側の心材上に設けられた犠牲防食材とを備え、ろう付け時において心材に含有されるＣｕがろう材の溶融ろう中に拡散して当該溶融ろうとともにチューブ外面に滲み出る間隙を有し、
   ろう付け時において、前記拡散したＣｕを含有しチューブ外面に滲み出た溶融ろうがチューブ外面と外部フィンとの接触部に溜まり冷却時において凝固して形成されるチューブと外部フィンとの接合部を備えることを特徴とする熱交換器。
4. チューブと、Ｃｕ含有量が０．１ｍａｓｓ％未満のＡｌ材からなる外部フィンとを結合した熱交換器であって、
   前記チューブが、Ｃｕ含有量が０．１〜０．６ｍａｓｓ％であり融点が６００℃以上のＡｌ材からなる心材と、Ｃｕ含有量が０．１〜０．６ｍａｓｓ％のＡｌ材からなりチューブの内面側の心材上に設けられたろう材と、融点が６００℃以上のＡｌ材からなりチューブの外面側の心材上に設けられた犠牲防食材とを備え、ろう付け時においてろう材の溶融ろうがチューブ外面に滲み出る間隙を有し、
   ろう付け時において、前記チューブ外面に滲み出た溶融ろうがチューブ外面と外部フィンとの接触部に溜まり冷却時において凝固して形成されるチューブと外部フィンとの接合部を備えることを特徴とする熱交換器。
5. 前記外部フィンが、心材と、その両側に形成されたろう材とを備えるブレージングシートである、請求項１又は２に記載の熱交換器用チューブ。
6. 前記外部フィンが、心材と、その両側に形成されたろう材とを備えるブレージングシートである、請求項３又は４に記載の熱交換器。

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