JP2010065915A - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【目的】アルミニウム製フィンと銅製の伝熱管からなる熱交換器において、伝熱管の内面溝を潰すことなく製造できる熱交換器及びその製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウムを主成分とする板状のフィンと、銅を主成分とするチューブとから構成される熱交換器であって、フィンは親水性及び半田濡れ性を備えた第1表面と、少なくとも親水性を備えた第2表面とを有し、チューブの外側表面と第1表面とは、Sn及びZnを含有する接合材を介して接合される。
【選択図】図1
【解決手段】アルミニウムを主成分とする板状のフィンと、銅を主成分とするチューブとから構成される熱交換器であって、フィンは親水性及び半田濡れ性を備えた第1表面と、少なくとも親水性を備えた第2表面とを有し、チューブの外側表面と第1表面とは、Sn及びZnを含有する接合材を介して接合される。
【選択図】図1
Description
本願発明は、熱交換器及び熱交換器の製造方法に関する。
エアコン等の空調機器や冷蔵・冷凍装置などに用いられる放熱部材として、内面溝を有する伝熱管の外側に複数のフィンを設けた熱交換器が使用されている。図9に、クロスフィン型の熱交換器を示す。伝熱管91の内部を相変化しながら流れる冷媒と、フィン92の間を流れる空気93とを間接的に熱交換するものである。
従来、伝熱管とフィンとの接合については、各種の方法が提案されている。例えば、図10は機械拡管方式による伝熱管とフィンとの接合を示す図である。伝熱管101には、内面溝102が形成され、伝熱管101の外側には、伝熱管101の外径よりも僅かに径の大きいフィンカラー部103を有する複数のフィン104を伝熱管101に設け、伝熱管101の中に拡管プラグ105を挿入し、伝熱管101を内部から拡管して、フィンカラー部103と伝熱管101の外側面106とを密着させる。(特許文献1、2参照)
従来、伝熱管とフィンとの接合については、各種の方法が提案されている。例えば、図10は機械拡管方式による伝熱管とフィンとの接合を示す図である。伝熱管101には、内面溝102が形成され、伝熱管101の外側には、伝熱管101の外径よりも僅かに径の大きいフィンカラー部103を有する複数のフィン104を伝熱管101に設け、伝熱管101の中に拡管プラグ105を挿入し、伝熱管101を内部から拡管して、フィンカラー部103と伝熱管101の外側面106とを密着させる。(特許文献1、2参照)
機械拡管方式以外にも、伝熱管とフィンとを半田付けやろう付けにより接合する方式や、クラッド材を用いて接合する方式も検討されている。(特許文献3、4、5参照)
またフィンの表面には、通常、熱交換器の特性を維持するため、親水性処理が施されている。親水性を付与する方法としては、アクリル、ポリビニルアルコールなどの有機系樹脂系、または、無機系シリカを含有した樹脂、水ガラスなどがある。
またフィンの表面には、通常、熱交換器の特性を維持するため、親水性処理が施されている。親水性を付与する方法としては、アクリル、ポリビニルアルコールなどの有機系樹脂系、または、無機系シリカを含有した樹脂、水ガラスなどがある。
しかし、機械拡管方式による伝熱管とフィンとの接合は、伝熱管の内面に形成された内面溝(リブ)が、拡管プラグにより押しつぶされ、変形する問題がある。内面溝の変形は、伝熱管の熱伝達効率の低下を引き起こす問題がある。機械拡管方式を用いても、内面溝が押しつぶされないよう、さまざまな検討が行われているが、伝熱管とフィンとの密着性が弱くなったり、接合の工程以外の工程が増えコスト増を引き起こす等の問題がある。
また機械拡管方式に対し、半田付けやろう付け、クラッド材による接合方法は、伝熱管やフィンの材質によっては、接合条件に大きな制約が加わる。
また機械拡管方式に対し、半田付けやろう付け、クラッド材による接合方法は、伝熱管やフィンの材質によっては、接合条件に大きな制約が加わる。
通常、アルミニウム材を半田により加熱接合する場合には、活性かつ腐食性の強いフラックス処理が必要となる。さらに、アルミニウム材の融点より十分低い温度、例えば300℃以下の接合は困難であり、また大気雰囲気炉での接合も極めて困難となる。
特許文献3には、アルミ材に半田濡れ性を向上させる表面処理することで、低温下におけるアルミフィンとアルミ伝熱管との接合を行うことが記載されている。しかし、表面処理を施したアルミ材であっても半田接合性は容易ではなく、例えばフィンと伝熱管との接合部に半田ペーストを精確に塗布する必要がある。そのため、熱交換器の製造コスト増加が避けられない問題となっていた。
特許文献3には、アルミ材に半田濡れ性を向上させる表面処理することで、低温下におけるアルミフィンとアルミ伝熱管との接合を行うことが記載されている。しかし、表面処理を施したアルミ材であっても半田接合性は容易ではなく、例えばフィンと伝熱管との接合部に半田ペーストを精確に塗布する必要がある。そのため、熱交換器の製造コスト増加が避けられない問題となっていた。
本発明の目的は、上記課題を解決し、内面溝の変形を防ぐと共に、伝熱管とフィンとの良好な接合を備える熱交換器、及び熱交換器の製造方法を提供するものである。
上記目的を達成するため、本発明の熱交換器は、アルミニウムを主成分とする板状のフィンと、銅を主成分とするチューブとから構成される熱交換器であって、上記フィンは親水性及び半田濡れ性を備えた第1表面と、親水性を備えた第2表面とを有し、上記チューブの外側表面と上記第1表面とは、Sn及びZnを含有する接合材を介して接合されることを特徴とする。
また、本発明の熱交換器の製造方法は、アルミニウムを主成分とする板状のフィンと、銅を主成分とするチューブとを接合して構成される熱交換器の製造方法であって、上記熱交換器を仮組みする第1工程は、上記チューブの外側表面と接合される上記フィンの第1表面に半田濡れ性を付与する工程と、上記フィンの第1表面及び/又は第2表面に親水性を付与する工程と、上記チューブの外側表面に、上記フィンの第1表面を対向させて設ける工程と、上記チューブの外側表面にSnを主成分とする接合材を設け、上記フィンの第1表面にZnを主成分とするZn接合材を設ける工程とを含み、上記第1工程により仮組みされた熱交換器を構成する上記フィンと上記チューブを接合する第2工程は、上記仮組みされた熱交換器を所定の温度で加熱処理する工程を含むことを特徴とするものである。
本発明に拠れば、伝熱管の内面溝をつぶすことなく、伝熱管とフィンとの良好な接合を実現すると共に、コスト低減を可能とするものである
図1(a)は、本発明の熱交換器であって、第1の実施形態である加熱処理前の仮組み断面図を示す。
本実施の形態では、アルミ製のフィン(以下、Alフィン)と伝熱管である銅製のチューブ(以下、Cuチューブ)を用いてクロス型の熱交換器を構成した。
図1のAlフィン2は、Cuチューブ3と接合される側の面(フィンの第1表面)4aに、表面処理により半田濡れ性が付与されている。Cuチューブ3の外側表面には、Alフィン2とCuチューブ3との半田接合のための、Sn−Zn成分を含む接合材10が設けられる。
図1のとおり、Alフィン2は、Cuチューブ3に接合される接合部7と、接合部7に対してフィン付け根部8において略90度の傾きが設けられた放熱部6とから形成される。
このように本実施の形態では、内面溝5を有するCuチューブ3に、Alフィン2の接合部7を、表面処理された第1表面4aがCuチューブ3に対向するように設けられることで、図9と同様のクロスフィン型の熱交換器1aを仮組みしている。
Alフィンは、表面処理されたAl板材に、金型を用いたプレス成型、例えば、深絞り成型、伸びフランジ成型、張り出し成型、又はこれらの組合せにより、Cuチューブが挿入される貫通穴が設けられて形成される。
本実施形態では、Cuチューブ3の外側表面に形成される接合材10は、内層がSn、外層がZnの2層構造としてもよい。2層構造の接合材としては、例えば、Cuチューブの表面に、純Snを電気メッキにより所定の厚さに形成し、その後、Znを電気メッキにより所定の厚さに形成されて設けられる。
本実施の形態では、アルミ製のフィン(以下、Alフィン)と伝熱管である銅製のチューブ(以下、Cuチューブ)を用いてクロス型の熱交換器を構成した。
図1のAlフィン2は、Cuチューブ3と接合される側の面(フィンの第1表面)4aに、表面処理により半田濡れ性が付与されている。Cuチューブ3の外側表面には、Alフィン2とCuチューブ3との半田接合のための、Sn−Zn成分を含む接合材10が設けられる。
図1のとおり、Alフィン2は、Cuチューブ3に接合される接合部7と、接合部7に対してフィン付け根部8において略90度の傾きが設けられた放熱部6とから形成される。
このように本実施の形態では、内面溝5を有するCuチューブ3に、Alフィン2の接合部7を、表面処理された第1表面4aがCuチューブ3に対向するように設けられることで、図9と同様のクロスフィン型の熱交換器1aを仮組みしている。
Alフィンは、表面処理されたAl板材に、金型を用いたプレス成型、例えば、深絞り成型、伸びフランジ成型、張り出し成型、又はこれらの組合せにより、Cuチューブが挿入される貫通穴が設けられて形成される。
本実施形態では、Cuチューブ3の外側表面に形成される接合材10は、内層がSn、外層がZnの2層構造としてもよい。2層構造の接合材としては、例えば、Cuチューブの表面に、純Snを電気メッキにより所定の厚さに形成し、その後、Znを電気メッキにより所定の厚さに形成されて設けられる。
熱交換器の耐食性要求としては、AlフィンよりもCuチューブが優先されるので、Alフィンを犠牲腐食させることでCuチューブの耐食性を向上させることを検討した。上記2層構造では、Cuチューブ側にSnを主成分とするSn接合材、Alフィン側にZnを主成分とするZn接合材を形成することで、Alフィンの犠牲腐食によりCuチューブの耐食性を向上させる構造とした。これにより、相対的に、化学的に活性の高い(イオン化傾向の高い)金属であるZnがAlフィン側に設けられ、安定な(イオン化傾向の低い)金属であるSnがCuチューブ側に設けられる構造となるので、Zn接合材側、つまりAlフィン側から腐食が起こる構造が形成できると考えられる。
図1(b)は、本発明の熱交換器であって、加熱処理後の熱交換器の断面図を示す。
仮組みした熱交換器1aを、所定の温度を有する炉中に設けて加熱処理すると、Cuチューブ3に形成された接合材10のSn成分と、Alフィン2のAl成分との間に半田接合の反応が起こり、図1(b)に示す、半田接合層15によりAlフィン2とCuチューブ3とが金属接合した熱交換器1bを得ることができる。
仮組みした熱交換器1aを、所定の温度を有する炉中に設けて加熱処理すると、Cuチューブ3に形成された接合材10のSn成分と、Alフィン2のAl成分との間に半田接合の反応が起こり、図1(b)に示す、半田接合層15によりAlフィン2とCuチューブ3とが金属接合した熱交換器1bを得ることができる。
図2は、第2の実施形態の熱交換器の加熱処理前を示す断面図である。
本実施の形態の熱交換器20では、Alフィン2の第1表面4aにSn−Zn成分を含む接合材12を形成している点で、第1の実施の形態と異なるものである。図2では、接合材12は、Alフィン2の第1表面4a前面に設けられているが、少なくとも接合部7とCuチューブ3との間に介在するように設けられればよい。
本実施形態においても、Alフィン側を犠牲腐食させるために、Alフィン2上に設けられる接合材12は、Alフィン側からZnを主成分とするZn接合材を設け、さらにZn接合材上にSnを主成分とするSn接合材を設ける構成としてもよい。
本実施の形態の熱交換器20では、Alフィン2の第1表面4aにSn−Zn成分を含む接合材12を形成している点で、第1の実施の形態と異なるものである。図2では、接合材12は、Alフィン2の第1表面4a前面に設けられているが、少なくとも接合部7とCuチューブ3との間に介在するように設けられればよい。
本実施形態においても、Alフィン側を犠牲腐食させるために、Alフィン2上に設けられる接合材12は、Alフィン側からZnを主成分とするZn接合材を設け、さらにZn接合材上にSnを主成分とするSn接合材を設ける構成としてもよい。
図3は、第3の実施形態の熱交換器の加熱処理前を示す断面図である。
本実施の形態の熱交換器30では、Cuチューブ3の外側表面にSn接合材31を設け、さらにAlフィン2の第1表面4a上にZn接合材32を設ける点で、第1又は第2の実施形態の熱交換器と異なるものである。
本実施の形態の熱交換器30では、Cuチューブ3の外側表面にSn接合材31を設け、さらにAlフィン2の第1表面4a上にZn接合材32を設ける点で、第1又は第2の実施形態の熱交換器と異なるものである。
図4は、第4の実施形態の熱交換器の加熱処理前を示す断面図である。
本実施の形態の熱交換器40では、第1の実施形態のようにCuチューブ3の外側表面に電気メッキにより接合層を形成する代わりに、Cuチューブ3の外側表面に、接合材をテープ状に形成した接合テープ11が設けられる。図4に示すとおり、Cuチューブ3に設けられた接合テープ11は、Alフィン2とCuチューブ3との間に介在させるよう形成される。また接合テープ11は、ヤニ入り・ヤニ無しのどちらでもよく、適宜、所定の厚さ、幅のものが選定される。一例として、テープサイズとして、テープ厚さ10μm、テープ幅5mmのものが使用され、Cuチューブ3にテープ巻きにより巻きまわして設けられる。
接合テープ11は、Znを主成分とするZn接合材とSnを主成分とするSn接合材の2層から構成され、本実施形態では、Sn接合材をCuチューブ側に、Zn接合材をAlフィン側に設ける構成とした。また、本実施の形態では、接合テープ11をCuチューブ3に設ける際に、ある周回の接合テープ11とその次の周回の接合テープ11とは、重なる部分が小さくなるよう形成した。これは、Alフィン側にZn接合材が設けられる構成とすることで、Alフィンの犠牲腐食を確実に行うためである。
本実施形態の変形例として、接合テープをZn接合テープ、Sn接合テープの2種類を用いても良い。この場合、Cuチューブの外側表面にSn接合材テープを巻き回し、Sn接合材テープ上にZn接合材が設けられるようにすればよい。また、Cuチューブ側のSn接合テープのみ、テープ間の隙間が生じないようテープを巻き回し、Zn接合テープは、隙間を生じるよう設けてもよい。
本実施の形態の熱交換器40では、第1の実施形態のようにCuチューブ3の外側表面に電気メッキにより接合層を形成する代わりに、Cuチューブ3の外側表面に、接合材をテープ状に形成した接合テープ11が設けられる。図4に示すとおり、Cuチューブ3に設けられた接合テープ11は、Alフィン2とCuチューブ3との間に介在させるよう形成される。また接合テープ11は、ヤニ入り・ヤニ無しのどちらでもよく、適宜、所定の厚さ、幅のものが選定される。一例として、テープサイズとして、テープ厚さ10μm、テープ幅5mmのものが使用され、Cuチューブ3にテープ巻きにより巻きまわして設けられる。
接合テープ11は、Znを主成分とするZn接合材とSnを主成分とするSn接合材の2層から構成され、本実施形態では、Sn接合材をCuチューブ側に、Zn接合材をAlフィン側に設ける構成とした。また、本実施の形態では、接合テープ11をCuチューブ3に設ける際に、ある周回の接合テープ11とその次の周回の接合テープ11とは、重なる部分が小さくなるよう形成した。これは、Alフィン側にZn接合材が設けられる構成とすることで、Alフィンの犠牲腐食を確実に行うためである。
本実施形態の変形例として、接合テープをZn接合テープ、Sn接合テープの2種類を用いても良い。この場合、Cuチューブの外側表面にSn接合材テープを巻き回し、Sn接合材テープ上にZn接合材が設けられるようにすればよい。また、Cuチューブ側のSn接合テープのみ、テープ間の隙間が生じないようテープを巻き回し、Zn接合テープは、隙間を生じるよう設けてもよい。
図5、図6は、それぞれ第5の実施形態、第6の実施形態の熱交換器50、60の加熱処理前を示す断面図である。第5、第6の実施形態では、加熱処理前の仮組みの際に、Alフィン2とCuチューブ3との間に、接合材を介在させない点で、これまでの実施形態と異なる。
まず、第5の実施形態では、Cuチューブ3の外径と略同じ内径又はわずかに内径の大きいリング状の接合材13を準備し、Cuチューブ3の所定の位置に接合材13を嵌めて、熱交換器50の仮組みを行った。
図5では、接合材13は各Alフィン2の間に設けられ、付け根部8に近接する位置に設けられている。これは、付け根部8に近接して設けることで、仮組みした熱交換器50を加熱処理して接合材13を溶融させた際に、溶融した接合材13がAlフィン2とCuチューブ3との間に、毛細管力により入り込む構造が好ましいからである。
図5では、接合材13は各Alフィン2の間に設けられ、付け根部8に近接する位置に設けられている。これは、付け根部8に近接して設けることで、仮組みした熱交換器50を加熱処理して接合材13を溶融させた際に、溶融した接合材13がAlフィン2とCuチューブ3との間に、毛細管力により入り込む構造が好ましいからである。
第6の実施形態では、リング状の接合材13に代わり、ワッシャ型の接合材14を用いた点で、第5の実施形態と異なる。本実施の形態では、Cuチューブ3の外径よりもわずかに内径の大きいSnメッキ付ワッシャ型の接合材14を準備した。例えば、真鍮を主成分とするワッシャに厚さ10μmのSnメッキを施すことで、接合材14が形成される。
接合材14を、第5の実施形態と同様に、Cuチューブ3の所定の位置に嵌めて、熱交換器60の仮組みを行った。
図7は、第6の実施形態の変形例を示す。第6の実施形態の接合材14(Snメッキ付ワッシャ)に加えて、Cuチューブ3に接合材10を設ける点で、第6の実施形態と異なる。接合材10を設けることで、接合材14だけの場合と比較し、接合不良の低減を図ることができる。
接合材14を、第5の実施形態と同様に、Cuチューブ3の所定の位置に嵌めて、熱交換器60の仮組みを行った。
図7は、第6の実施形態の変形例を示す。第6の実施形態の接合材14(Snメッキ付ワッシャ)に加えて、Cuチューブ3に接合材10を設ける点で、第6の実施形態と異なる。接合材10を設けることで、接合材14だけの場合と比較し、接合不良の低減を図ることができる。
以上の実施形態では、第1表面にのみ表面処理を施したAlフィンを用いて説明したが、第2表面にも表面処理を施してもよい。また、表面処理の方法としては、メッキによるものだけでなく、蒸着やスパッタにより行うことができる。通常、金属を最表面にこれらの表面処理により形成すると、その表面状態は親水性となる。また、スパッタによる表面処理では、半田濡れ性を向上させる表面処理だけでなく、親水性の付与も同時に制御する上で好ましい方法であり、工程削減・コスト低減が期待できる。
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明する。表1は、各実施形態に基づく実施例をまとめ、後述する評価方法により各実施例におけるAlフィンとCuチューブとの接合結果を評価したものである。
以下の実施例では、基本構造として、Alフィン用板材として、厚さ0.1mmのものを用意した。このAlフィン用板材の一方の面には、Niメッキ処理が施されている。Niメッキ処理としては、アルミ板材を酸洗し、Zn置換メッキを下地層として形成し、さらにNiメッキを所定の厚さに形成するものである。本発明の実施例では、Niメッキを1μmとした。この場合、金属の最表面には圧延とは別途の製法により形成された金属層を有するため、アルミの表面状態は撥水でなく親水性となる。また、Ni層が形成されている半田濡れ性及び親水性の付与されたAlフィン用板材が用意できる。
通常の仕上げの圧延加工の施された無垢の金属板材の厚さ数10ナノメートルの最表面層は、非晶質層(アモルフォスなど)を層となっており、このような表面層は金属表面を親水性でなく撥水性の表面状態となる。しかし、金属の再表面に圧延とは別途手法である、めっきなどにより金属層を形成すればその表面は、通常、親水性とすることができる。
なお、Cuチューブは、内面に溝リブを有するエアコン用の銅製伝熱管である。外径はφ9.52のものを使用した。
通常の仕上げの圧延加工の施された無垢の金属板材の厚さ数10ナノメートルの最表面層は、非晶質層(アモルフォスなど)を層となっており、このような表面層は金属表面を親水性でなく撥水性の表面状態となる。しかし、金属の再表面に圧延とは別途手法である、めっきなどにより金属層を形成すればその表面は、通常、親水性とすることができる。
なお、Cuチューブは、内面に溝リブを有するエアコン用の銅製伝熱管である。外径はφ9.52のものを使用した。
上記Alフィン用板材から形成されるAlフィン(サイズ:50mm×50mm)を10枚、Cuチューブ(長さ:100mm)を用いて、各実施形態に基づく熱交換器(実施例1〜47)を作製した。Alフィンは、予め半田濡れ性と親水性のための表面処理を施したAl板材に、金型工具を用いたプレス成型、すなわち、貫通孔を開け、及び、曲げと折り曲げ変形による伸びフランジ成型により、Alフィンは、Alフィン用板材にCuチューブ挿通用の穴を形成することで、接合部と放熱部とが形成される。
図8に各実施例における熱交換器の評価方法を説明するための概要図を示す。熱交換器の仮組みにおいては、各フィンのピッチは5.5mm、Cuチューブ3の一端側(図中X側)から、第1番目のフィンまでの距離を25mmとなるように仮組みした。このときの一端側のフィンと他端側のフィンの距離は略50mmである。
図8に各実施例における熱交換器の評価方法を説明するための概要図を示す。熱交換器の仮組みにおいては、各フィンのピッチは5.5mm、Cuチューブ3の一端側(図中X側)から、第1番目のフィンまでの距離を25mmとなるように仮組みした。このときの一端側のフィンと他端側のフィンの距離は略50mmである。
また、以下の実施例では、加熱処理のために、組み立て後にフラックス処理を施している。具体的には、千住金属のフラックス、型式ESR−250を用いた。このフラックスはRMA(弱活性)仕様であり、塩素含有濃度0.015%相当の、腐食性、活性ともに弱いタイプのものである。
加熱処理の条件を、最大温度を180℃〜300℃とし、最大温度までを5分で上昇させ、最大温度を1分保持するような温度プロファイルに設定した炉中加熱により、Alフィン2とCuチューブ3との接合を実施した。加熱処理を実施した炉は、両端が開放された連続炉である。炉中雰囲気は窒素を主成分とする雰囲気下に設定するが、炉の構造上、試料の加熱部は、大気成分よりもやや低い濃度の酸素を含む環境になっているものと考える。
実施例1−16は、第1の実施形態に基づく熱交換器である。
実施例1−5では、接合材10はSn接合材とZn接合材の2層からなる。例えば、実施例1では、Cuチューブ3の外側表面に、純Snを電気メッキによりSn接合材を10μm形成し、さらにZn接合材を電気メッキにより0.9μm形成した。実施例2−5についても同様に、Sn接合材とZn接合材のメッキ厚の異なる条件のサンプルを形成した。
各実施例による熱交換器1aを仮組みし、フラックス処理後、最大温度250℃の炉中加熱処理を行い、Alフィン2とCuチューブ3とを接合した。
実施例1−5では、Cuチューブに形成されたSn成分及びZn成分と、Alフィンのアルミニウム成分との間に半田接合の反応が起こり、図1bに示すようなSn半田接合層15が形成され、AlフィンとCuチューブとが金属接合した構造の熱交換器が形成される。
実施例1−5では、接合材10はSn接合材とZn接合材の2層からなる。例えば、実施例1では、Cuチューブ3の外側表面に、純Snを電気メッキによりSn接合材を10μm形成し、さらにZn接合材を電気メッキにより0.9μm形成した。実施例2−5についても同様に、Sn接合材とZn接合材のメッキ厚の異なる条件のサンプルを形成した。
各実施例による熱交換器1aを仮組みし、フラックス処理後、最大温度250℃の炉中加熱処理を行い、Alフィン2とCuチューブ3とを接合した。
実施例1−5では、Cuチューブに形成されたSn成分及びZn成分と、Alフィンのアルミニウム成分との間に半田接合の反応が起こり、図1bに示すようなSn半田接合層15が形成され、AlフィンとCuチューブとが金属接合した構造の熱交換器が形成される。
実施例6−10では、接合材10としてSn−12wt%Znを用いた。具体的には、Cuチューブ3の表面に、Sn−12wt%Znを電気メッキにより形成し、5種類のメッキ厚(5μm、10μm、20μm、30μm、60μm)のものを準備した。各実施例による熱交換器1aを仮組みし、フラックス処理の後、最大温度250℃の炉中加熱処理を行い、Alフィン2とCuチューブ3とを接合した。
実施例11−20は、第2の実施形態に基づく熱交換器である。
上記表面処理をしたAlフィン用板材の表面には、半田接合材を形成することができる。実施例11−15では、Alフィンの表面処理された第1表面に、電気メッキにより純ZnからなるZn接合材を形成し、Zn接合材上にSn接合材を形成した。例えば、実施例11では、Alフィンの第1表面(半田濡れ性を有する面)に、Zn接合材を電気メッキで、1.5μm厚さに形成し、その後、純Snを厚さ10μmで設けることで、Sn接合材を形成した。実施例12−15も同様に、Zn接合材とSn接合材の厚さが異なる条件のサンプルを作製した。
実施例16−20では、表1に示すように、半田濡れ性処理としてNiメッキの施された第1表面上に、Sn−10wt%Znからなる接合材を形成した。実施例6−10と同様に、5種類のメッキ厚(5μm、10μm、20μm、30μm、60μm)のものを準備した。各実施例による熱交換器20を仮組みし、フラックス処理の後、最大温度250℃の炉中加熱処理を行い、Alフィン2とCuチューブ3とを接合した。
第2の実施形態に基づく各実施例では、Alフィン上に形成されるSn成分、Zn成分と、Alフィンのアルミニウム成分、Cuチューブの銅成分により半田接合の反応が起こり、AlフィンとCuチューブが金属接合した構造の熱交換器が形成される。
上記表面処理をしたAlフィン用板材の表面には、半田接合材を形成することができる。実施例11−15では、Alフィンの表面処理された第1表面に、電気メッキにより純ZnからなるZn接合材を形成し、Zn接合材上にSn接合材を形成した。例えば、実施例11では、Alフィンの第1表面(半田濡れ性を有する面)に、Zn接合材を電気メッキで、1.5μm厚さに形成し、その後、純Snを厚さ10μmで設けることで、Sn接合材を形成した。実施例12−15も同様に、Zn接合材とSn接合材の厚さが異なる条件のサンプルを作製した。
実施例16−20では、表1に示すように、半田濡れ性処理としてNiメッキの施された第1表面上に、Sn−10wt%Znからなる接合材を形成した。実施例6−10と同様に、5種類のメッキ厚(5μm、10μm、20μm、30μm、60μm)のものを準備した。各実施例による熱交換器20を仮組みし、フラックス処理の後、最大温度250℃の炉中加熱処理を行い、Alフィン2とCuチューブ3とを接合した。
第2の実施形態に基づく各実施例では、Alフィン上に形成されるSn成分、Zn成分と、Alフィンのアルミニウム成分、Cuチューブの銅成分により半田接合の反応が起こり、AlフィンとCuチューブが金属接合した構造の熱交換器が形成される。
実施例21−33は、第3の実施形態に基づく熱交換器である。
表1に示すように、実施例21−33では、Cuチューブの接合材とAlフィンの接合材の材質及び厚さの異なるサンプルを作製した。そして、これまでの実施例と同様に、炉中加熱処理によりAlフィンとCuチューブとを接合し、熱交換器を形成した。
表1に示すように、実施例21−33では、Cuチューブの接合材とAlフィンの接合材の材質及び厚さの異なるサンプルを作製した。そして、これまでの実施例と同様に、炉中加熱処理によりAlフィンとCuチューブとを接合し、熱交換器を形成した。
実施例34−35は、第4の実施形態に基づく熱交換器である。
実施例34では、ヤニ無しのSn−9wt%Zn合金、厚さ30μmの接合テープを、隣り合うテープ間に隙間が生じないようにCuチューブにテープ巻きした。その後、表1に示すような最大温度設定にて炉中加熱処理を施し、AlフィンとCuチューブとを接合し、熱交換器を形成した。
実施例34では、ヤニ無しのSn−9wt%Zn合金、厚さ30μmの接合テープを、隣り合うテープ間に隙間が生じないようにCuチューブにテープ巻きした。その後、表1に示すような最大温度設定にて炉中加熱処理を施し、AlフィンとCuチューブとを接合し、熱交換器を形成した。
実施例35では、ヤニ入りの半田テープであるSn−0.7Cu合金(ホーザンHS−372)、厚さ40μmのものを用いた。これをCuチューブにテープ巻きにすることにより、Sn成分からなるSn接合材をCuチューブの外側表面に形成した。さらに、Sn−9wt%Znを重ね巻きして設けた。接合テープは、隣り合うテープ間に隙間が生じないようCuチューブにテープ巻きした。
Sn−0.7Cu合金は、ヤニ入り半田であり、半田のヤニ成分は、塩素含有量が0.1wt%以下であり、かつ弱活性である。一方、Sn−9wt%Znはヤニ無しとした。
熱交換器の仮組み後は、表1に示す炉中加熱処理を行うことにより、AlフィンとCuチューブとを接合した熱交換器が形成される。
Sn−0.7Cu合金は、ヤニ入り半田であり、半田のヤニ成分は、塩素含有量が0.1wt%以下であり、かつ弱活性である。一方、Sn−9wt%Znはヤニ無しとした。
熱交換器の仮組み後は、表1に示す炉中加熱処理を行うことにより、AlフィンとCuチューブとを接合した熱交換器が形成される。
実施例36は、第5の実施形態に基づく熱交換器である。
接合材13として、Cuチューブの外径(φ9.52)より内径の大きい半田リングを準備した。半田リングの形状は、内径:φ10、外径:φ13、リング太さ:φ1.5である。半田リングを構成する半田材は、Sn−9wt%Znのヤニ無しタイプを用いた。図5に示すように、接合材(半田リング)13をCuチューブ3の外側で、AlフィンとAlフィンとの間に挿入するよう(フィン付け根部8に位置するよう)熱交換器を仮組みし、その後、フラックス処理をし、同様に最大温度250℃の炉中加熱処理を行いAlフィンとCuチューブとを接合し、熱交換器を形成した。
炉中加熱処理により、接合材(半田リング)13が溶融し、毛細管力によりフィン付け根部8から、接合材がAlフィン2とCuチューブ3との間に入り込むことで、Alフィン2とCuチューブ3とは、熱交換器として十分な接合面積を得ることができる。
接合材13として、Cuチューブの外径(φ9.52)より内径の大きい半田リングを準備した。半田リングの形状は、内径:φ10、外径:φ13、リング太さ:φ1.5である。半田リングを構成する半田材は、Sn−9wt%Znのヤニ無しタイプを用いた。図5に示すように、接合材(半田リング)13をCuチューブ3の外側で、AlフィンとAlフィンとの間に挿入するよう(フィン付け根部8に位置するよう)熱交換器を仮組みし、その後、フラックス処理をし、同様に最大温度250℃の炉中加熱処理を行いAlフィンとCuチューブとを接合し、熱交換器を形成した。
炉中加熱処理により、接合材(半田リング)13が溶融し、毛細管力によりフィン付け根部8から、接合材がAlフィン2とCuチューブ3との間に入り込むことで、Alフィン2とCuチューブ3とは、熱交換器として十分な接合面積を得ることができる。
実施例37は、第6の実施形態に基づく熱交換器である。
接合材14として、Cuチューブの外径(φ9.52)より内径の大きい半田メッキのワッシャを準備した。半田メッキ前のワッシャの形状は、内径φ10mm、外径φ15、厚さ0.2mmであって、材質が真鍮のものを用いた。この真鍮のワッシャの両面に、接合材の厚さが10μmの厚さとなるよう、Sn−9wt%Znを全面にメッキすることで、接合材(半田メッキワッシャ)14を形成した。図6に示すように、接合材(半田メッキワッシャ)14をCuチューブ3の外側で、AlフィンとAlフィンとの間に挿入するよう(Alフィン1の第1表面の放熱部近傍に位置するよう)熱交換器を仮組みし、その後、フラックス処理をし、同様に最大温度250℃の炉中加熱処理により、AlフィンとCuチューブとを接合し、熱交換器を形成した。
Sn−ZnメッキワッシャのSnとZn成分を介して、アルミフィンとAlとSnとZnの間に半田接合反応が起こり、さらに、CuチューブのCuとも半田が接触しており、AlフィンとCuチューブとの間で金属接合が行われる。
炉中加熱処理の際に、接合材(半田メッキワッシャ)14は溶融し、毛細管力によりフィン付け根部8から、Alフィン2とCuチューブ3との間に入り込むことで、Alフィン2とCuチューブ3とは、熱交換器として十分な接合面積を得ることができる。
接合材14として、Cuチューブの外径(φ9.52)より内径の大きい半田メッキのワッシャを準備した。半田メッキ前のワッシャの形状は、内径φ10mm、外径φ15、厚さ0.2mmであって、材質が真鍮のものを用いた。この真鍮のワッシャの両面に、接合材の厚さが10μmの厚さとなるよう、Sn−9wt%Znを全面にメッキすることで、接合材(半田メッキワッシャ)14を形成した。図6に示すように、接合材(半田メッキワッシャ)14をCuチューブ3の外側で、AlフィンとAlフィンとの間に挿入するよう(Alフィン1の第1表面の放熱部近傍に位置するよう)熱交換器を仮組みし、その後、フラックス処理をし、同様に最大温度250℃の炉中加熱処理により、AlフィンとCuチューブとを接合し、熱交換器を形成した。
Sn−ZnメッキワッシャのSnとZn成分を介して、アルミフィンとAlとSnとZnの間に半田接合反応が起こり、さらに、CuチューブのCuとも半田が接触しており、AlフィンとCuチューブとの間で金属接合が行われる。
炉中加熱処理の際に、接合材(半田メッキワッシャ)14は溶融し、毛細管力によりフィン付け根部8から、Alフィン2とCuチューブ3との間に入り込むことで、Alフィン2とCuチューブ3とは、熱交換器として十分な接合面積を得ることができる。
実施例38は、第6の実施形態の変形例に基づく熱交換器である。
本実施例では、実施例23で作製した厚さ10μmのSnメッキを施したCuチューブ及び実施例37で準備したワッシャ(Sn−9wt%Znメッキ品)を用いた。図7に示すように、接合材14をSnメッキが施されたCuチューブ3の外側に、Alフィン2とAlフィン2との間に挿入されるよう熱交換器を仮組みする。その後、フラックス処理をし、同様に最大温度270℃の炉中加熱処理により、AlフィンとCuチューブとを接合し、熱交換器を形成した。
本実施例では、実施例23で作製した厚さ10μmのSnメッキを施したCuチューブ及び実施例37で準備したワッシャ(Sn−9wt%Znメッキ品)を用いた。図7に示すように、接合材14をSnメッキが施されたCuチューブ3の外側に、Alフィン2とAlフィン2との間に挿入されるよう熱交換器を仮組みする。その後、フラックス処理をし、同様に最大温度270℃の炉中加熱処理により、AlフィンとCuチューブとを接合し、熱交換器を形成した。
加熱接合後の熱交換器におけるAlフィンとCuチューブの接合の評価方法を、図8を用いて説明する。
図8に示すように、Cuチューブの一端側Xと、所定のAlフィンの端部Yとの間の電気抵抗値を測定し、仮組みした際の電気抵抗値と熱処理後の電気抵抗値とを比較することで、AlフィンとCuチューブ3との接合を評価した。本発明における実施例では、一端側のAlフィンから6枚目のAlフィンを評価点に用いているが、他のAlフィンとしても同様の比較はできることは言うまでもない。
図8に示すように、Cuチューブの一端側Xと、所定のAlフィンの端部Yとの間の電気抵抗値を測定し、仮組みした際の電気抵抗値と熱処理後の電気抵抗値とを比較することで、AlフィンとCuチューブ3との接合を評価した。本発明における実施例では、一端側のAlフィンから6枚目のAlフィンを評価点に用いているが、他のAlフィンとしても同様の比較はできることは言うまでもない。
各実施例の評価結果を検討した。
実施例1−38において、接合材が10μm以上形成されているものは、ほぼ電気抵抗が低くなったことが確認でき、良好な接合が実現していると考えられる。実施例1を用いて、接合性・熱交換性能を確認したが、熱交換器として良好な結果が得られた。
次に、電気抵抗が増加した、実施例6、16、21の接合性及び熱交換性能を確認した。いずれの熱交換器においても、実用に耐えうる接合性・熱交換性能を有しているものであった。電気抵抗値にほとんど変化のなかった実施例22については、接合性、熱交換性能の確認を省略したが、電気抵抗値が微増であった実施例で問題がなかったため、同様に熱交換器としての特性に問題がないものと考えられる。
実施例1−38において、接合材が10μm以上形成されているものは、ほぼ電気抵抗が低くなったことが確認でき、良好な接合が実現していると考えられる。実施例1を用いて、接合性・熱交換性能を確認したが、熱交換器として良好な結果が得られた。
次に、電気抵抗が増加した、実施例6、16、21の接合性及び熱交換性能を確認した。いずれの熱交換器においても、実用に耐えうる接合性・熱交換性能を有しているものであった。電気抵抗値にほとんど変化のなかった実施例22については、接合性、熱交換性能の確認を省略したが、電気抵抗値が微増であった実施例で問題がなかったため、同様に熱交換器としての特性に問題がないものと考えられる。
尚、上記実施例においては、半田濡れ性を付与したアルミ板材として、Niメッキしたアルミ板材を用いた例で説明したが、半田濡れ性を有する状態であれば、Niメッキでなくてもよい。また、フィン厚さについても特に限定されるものではない。さらに、半田濡れ性を付与する表面処理を両面に施してもよい。特に、スパッタによる表面処理では、Alフィン又はAlフィン用板材に半田濡れ性と、親水性を同時に付与することができるので、工程削減・コスト低減が可能となる。また、本発明構造が完成した後の工程にて、親水性付与をさらに強固にするために、追加として、従来手法である塗料系の材料をアルミフィンに塗布してもよい。
1a 加熱処理前の第1の実施形態の熱交換器
1b 加熱処理後の第2の実施形態の熱交換器
2 Alフィン
3 Cuチューブ
4a フィンの第1表面
4b フィンの第2表面
5 内面溝
6 放熱部
7 接合部
8 フィン付け根部
10 接合材
1b 加熱処理後の第2の実施形態の熱交換器
2 Alフィン
3 Cuチューブ
4a フィンの第1表面
4b フィンの第2表面
5 内面溝
6 放熱部
7 接合部
8 フィン付け根部
10 接合材
Claims (8)
- アルミニウムを主成分とする板状のフィンと、銅を主成分とするチューブとから構成される熱交換器において、
上記フィンは親水性及び半田濡れ性を備えた第1表面と、親水性を備えた第2表面とを有し、
上記チューブの外側表面と上記第1表面とは、Sn及びZnを含有する接合材を介して接合されることを特徴とする熱交換器。 - アルミニウムを主成分とする板状のフィンと、銅を主成分とするチューブとを接合して構成される熱交換器の製造方法において、
上記熱交換器を仮組みする第1工程は、
上記チューブの外側表面と接合される上記フィンの第1表面に半田濡れ性を付与する工程と、
上記フィンの第1表面及び/又は第2表面に親水性を付与する工程と、
上記チューブの外側表面に、上記フィンの第1表面を対向させて設ける工程と、
上記チューブの外側表面にSnを主成分とするSn接合材を設け、上記フィンの第1表面にZnを主成分とするZn接合材を設ける工程とを含み、
上記第1工程により仮組みされた熱交換器を構成する上記フィンと上記チューブを接合する第2工程は、
上記仮組みされた熱交換器を所定の温度で加熱処理する工程を含む、
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。 - アルミニウムを主成分とする板状のフィンと、銅を主成分とするチューブとを接合して構成される熱交換器の製造方法において、
上記熱交換器を仮組みする第1工程は、
上記チューブの外側表面と接合される上記フィンの第1表面に半田濡れ性を付与する工程と、
上記フィンの第1表面及び/又は第2表面に親水性を付与する工程と、
上記チューブの外側表面に、上記フィンの第1表面を対向させて設ける工程と、
上記チューブの外側表面上にSnを主成分とするSn接合材を設け、さらにSn接合材上にZnを主成分とするZn接合材を設ける工程とを含み、
上記第1工程により仮組みされた熱交換器を構成する上記フィンと上記チューブを接合する第2工程は、
上記仮組みされた熱交換器を所定の温度で加熱処理する工程を含む、
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。 - アルミニウムを主成分とする板状のフィンと、銅を主成分とするチューブとを接合して構成される熱交換器の製造方法において、
上記熱交換器を仮組みする第1工程は、
上記チューブの外側表面と接合される上記フィンの第1表面に半田濡れ性を付与する工程と、
上記フィンの第1表面及び/又は第2表面に親水性を付与する工程と、
上記チューブの外側表面に、上記フィンの第1表面を対向させて設ける工程と、
上記フィンの第1表面上にZnを主成分とするZn接合材を設け、さらに上記Zn接合材上にSnを主成分とするSn接合材を設ける工程とを含み、
上記第1工程により仮組みされた熱交換器を構成する上記フィンと上記チューブを接合する第2工程は、
上記仮組みされた熱交換器を所定の温度で加熱処理する工程を含む、
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。 - アルミニウムを主成分とする板状のフィンと、銅を主成分とするチューブとを接合して構成される熱交換器の製造方法において、
上記熱交換器を仮組みする第1工程は、
上記チューブの外側表面と接合する上記フィンの第1表面に半田濡れ性を付与する工程と、
上記フィンの第1表面及び/又は第2表面に親水性を付与する工程と、
上記チューブの外側表面に、上記フィンの第1表面を対向させて設ける工程と、
上記チューブの外側にSn及びZnを主成分とする環状の接合材を設ける工程とを含み、
上記第1工程により仮組みされた熱交換器を構成する上記フィンと上記チューブを接合する第2工程は、
上記仮組みされた熱交換器を所定の温度で加熱処理する工程を含む、
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。 - 請求項2〜4に記載の熱交換器の製造方法において、上記接合材はフラックス成分又はヤニ成分を含有したテープ半田である熱交換器の製造方法。
- 請求項5に記載の熱交換器の製造方法において、上記フィンは上記チューブの外側に複数形成されるものであって、上記環状の接合材は上記チューブに嵌められ、上記複数のフィンの間に設けられる熱交換器の製造方法。
- 請求項2〜7に記載の熱交換器の製造方法において、上記加熱処理は上記仮組みした熱交換器を180℃から300℃の温度に加熱する熱交換器の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008232112A JP2010065915A (ja) | 2008-09-10 | 2008-09-10 | 熱交換器及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2008232112A JP2010065915A (ja) | 2008-09-10 | 2008-09-10 | 熱交換器及びその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2010065915A true JP2010065915A (ja) | 2010-03-25 |
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JP2008232112A Pending JP2010065915A (ja) | 2008-09-10 | 2008-09-10 | 熱交換器及びその製造方法 |
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2008
- 2008-09-10 JP JP2008232112A patent/JP2010065915A/ja active Pending
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