JP2010036250A - アルミニウム部材と銅部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アルミニウム部材と銅部材を十分な接合強度を保って接合することができ、特に、管内を水が流通する銅管の外周面に、アルミニウム部材である放熱部材を接合した熱交換器に適用し、安価で軽量の熱交換器を製作可能とするアルミニウム部材と銅部材の接合方法を提案する。
【解決手段】 アルミニウム部材の接合面にニッケルメッキ５を施し、その上面に銅メッキ６を施し、この銅メッキ膜と銅部材の接合面との間に、銅入りはんだ７を設置してはんだ付けすることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、異種金属材料であるアルミニウム部材と銅部材の接合方法に関し、特に、管内を水が流通する銅管の外周面に、アルミニウム部材である放熱部材を接合した熱交換器に適用するアルミニウム部材と銅部材の接合方法に関するものである。

アルミニウム部材と銅部材は共に熱伝導性に優れ、各種熱関連装置に組み込む熱交換器の素材として多用されている。熱交換する流体が水である一般的な熱交換器は、接水部分は銅部材である必要があるために銅管が用いられ、その外周面に放熱（又は吸熱）部材を接合した構造が採られ、管内を流通する水の放熱（又は吸熱）作用が行われる。放熱部材の素材としては、価格、加工性、軽量性等から銅よりもアルミニウムの方が好ましい。

一方、構成部材が全て銅材である熱交換器は、接合部位にリン銅ろう等のろう材を設置又は塗布して組み立て、この組立品を加熱炉に投入してろう付けして製作されるが、アルミニウム部材と銅部材を十分な接合強度を保って直接接合することは困難であった。アルミニウム部材と銅部材の接合性の改善を図るため、アルミニウム部材と銅部材の接合面の間に他の金属層を介在させる接合方法（特許文献１及び２参照）も提案されているが、必ずしも具体的に確立した手段とまでは至っていない。
特開２００１−８７８６６号公報 特開２００４−１０６９号公報

この発明は、アルミニウム部材と銅部材を十分な接合強度を保って接合することができ、特に、管内を水が流通する銅管の外周面に、アルミニウム部材である放熱部材を接合した熱交換器に適用し、安価で軽量の熱交換器を製作可能とするアルミニウム部材と銅部材の接合方法を提案することを目的とするものである。

こうした目的を達成するため、この発明のアルミニウム部材と銅部材の接合方法は、アルミニウム部材の接合面にニッケルメッキ５を施し、その上面に銅メッキ６を施し、この銅メッキ膜と銅部材の接合面との間に、銅入りはんだ７を設置してはんだ付けすることを特徴とするものである。

また、この発明のアルミニウム部材と銅部材の接合方法は、銅部材が管内を水が流通する銅管１であり、アルミニウム部材が銅管１の外周面に接合される放熱部材２である熱交換器に適用するものである。

また、こうしたアルミニウム部材と銅部材の接合方法において、銅メッキの膜厚は30μｍ以下が適切であり、ニッケルメッキ５の膜厚は10μｍ以下が適切である。

この発明のアルミニウム部材と銅部材の接合方法は、アルミニウム部材の接合面にニッケルメッキ５を施し、その上面に銅メッキ６を施すことで、アルミニウム部材と銅メッキ膜が直接接触することがなく、銅メッキ膜と銅部材の接合面との間に銅入りはんだ７を設置することで、ニッケルメッキ５に用いるリン成分とはんだ７の錫成分が銅メッキ膜の介在で反応が防止される。さらに、予めはんだ７中に銅を融合させた銅入りハンダ７を用いてはんだ付けすることで、銅メッキ膜がはんだ７の錫成分で浸食される銅食われ現象が抑止され、その結果、アルミニウム部材と銅部材を十分な接合強度を保って接合することができる。

また、この発明のアルミニウム部材と銅部材の接合方法を、管内を水が流通する銅管１の外周面に、アルミニウム部材である放熱部材２を接合した熱交換器に適用することで、放熱部材の素材として、価格、加工性、軽量性等の利点を有するアルミニウムを用いた安価で軽量の熱交換器を製作可能とするものである。

以下に、この発明を実施するための最良の形態について説明する。
この発明のアルミニウム部材と銅部材の接合方法は、アルミニウム部材と銅部材を用いた各種熱関連装置に組み込む熱交換器等に適用され、アルミニウム部材の接合面に薄膜状にニッケルメッキ５を施し、さらにその上面に薄膜状に銅メッキ６を施す。そして、銅メッキ膜と銅部材の接合面との間に銅入りはんだ７を設置して組み立て、この組立品を真空炉等で所定時間加熱してハンダ付けするものである。

表１は、この発明に係る金属元素アルミニウム、銅、ニッケルの特性を比較したものである。銅と錫系はんだとの界面にはCu-Sn系金属間化合物が成長する。銅メッキの膜厚は、銅メッキのすべてが硬くてもろい金属間化合物に変化しないことを考慮するとともに、製品における要求高温保持特性、メッキ厚の精度等から30μｍ以下程度が適切である。また、ニッケルメッキの膜厚は、ニッケルの熱伝導率が低いのでより薄膜であることが好ましく、10μｍ以下が適切である。その他、装置や機器の用途や能力に応じ、メッキコスト等を考慮してメッキの膜厚を設定するものである。

この発明の最初の実施例として実験結果を具体的に説明する。
５ｍｍ厚のアルミニウム合金(A5052P)板を準備し、その表面に膜厚5.1μｍの無電解ニッケルメッキ（Ni-8.5wt%P）を施した。次に、無電解ニッケルメッキの表面に、膜厚12.8μｍの電解銅メッキを施して試料片を作成した。次に、この試料片と５ｍｍ厚の銅板とを、0.2ｍｍ厚の箔状Sn-0.7Cu-0.05Ni(wt%)はんだを用いて接合した。接合条件は、１Paの真空中にて有機酸系水溶性フラックスを用い、雰囲気温度400度、時間20分で実施した。

こうして得られた接合部材から２ｍｍ×10ｍｍの接合断面積を有する試験片を切り出し、７個の試験片について、室温にて引張速度0.5mm/minで引張試験を実施した。その結果、平均値で30MPaの引張強度が得られた。この数値は、Sn-0.7Cu(wt%)はんだの引張強度とほぼ同等の強度を示し、この発明の接合方法により、良好な接合部が形成されていることが確認できた。

図面は、管内を高温水が流通する銅管１の外周面に、アルミニウム部材である放熱部材２を接合した熱交換器に、この発明のアルミニウム部材と銅部材の接合方法を適用した実施例である。図示の熱交換器において、銅管１がサーペンタイン形に折り曲げ加工され、入口１ａから出口１ｂに至る蛇行した通水路が形成されている。放熱部材２ａ、２ｂは、アルミニウムの押出成形によるアルミ押出形材を上下二枚用い、銅管１の外周面に接合される。放熱部材２ａ、２ｂの接合面には銅管１が嵌る溝列が形成され、接合面を対向させて銅管１を挟んだ状態で、二枚の放熱部材２ａ、２ｂは間隙Ｌを形成している。

次に、この熱交換器の製作方法について説明する。
放熱部材２ａ、２ｂの接合面に薄膜状にニッケルメッキ５を施し、さらにその上面に薄膜状に銅メッキ６を施す。そして、溝列に半円筒形の箔状の銅入りはんだ７を設置し、上下二枚の放熱部材２ａ、２ｂで銅管１を溝列に嵌入して挟持し、この組立品を真空炉等で加熱してハンダ付けし、銅管１の外周面に放熱部材２ａ、２ｂを接合して製作される。さらに、放熱部材２ａ、２ｂの四隅に形成した貫通孔３にてボルト締めし、機械的強度の向上を図った構造とすることもできる。

この実施例の熱交換器における具体的数値としては、メッキの膜厚は、上記のように銅メッキが30μｍ以下、ニッケルメッキが10μｍ以下で、放熱部材２ａ、２ｂの間隙Ｌは数十〜数百μｍである。したがって、図２では理解を助けるために膜厚等を拡大表示したが、実際はより薄膜状に表れる。

以上、図面の実施例に基づいて説明したが、熱交換器の構造はこれに限定されるものではなく、例えば放熱部材２はコルゲート板等のフィン形状のものにも適用可能である。また、銅入りはんだ７は、箔の他ワンヤー、ペースト等、接合部材の継手形状に応じて適宜用いるものである。さらに、この発明は、各種熱関連装置に組み込む熱交換器の他、様々な装置や機器の素材として用いられるアルミニウム部材と銅部材の接合に適用するものである。

この発明の実施例の斜視図 要部の断面図。

符号の説明

１ 銅管
２ 放熱部材
５ ニッケルメッキ
６ 銅メッキ
７ 銅入りはんだ

Claims (4)

1. アルミニウム部材の接合面にニッケルメッキ５を施し、その上面に銅メッキ６を施し、この銅メッキ膜と銅部材の接合面との間に、銅入りはんだ７を設置してはんだ付けすることを特徴としたアルミニウム部材と銅部材の接合方法。
2. 請求項１に記載のアルミニウム部材と銅部材の接合方法であって、
   銅部材が管内を水が流通する銅管１であり、アルミニウム部材が銅管１の外周面に接合される放熱部材２である熱交換器に適用したアルミニウム部材と銅部材の接合方法。
3. 銅メッキの膜厚が30μｍ以下である請求項１又は２に記載のアルミニウム部材と銅部材の接合方法。
4. ニッケルメッキ５の膜厚が10μｍ以下である請求項１、２又は３に記載のアルミニウム部材と銅部材の接合方法。

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