JP2010132986A

JP2010132986A - ろう材層付きアルミニウム部材の製造方法及び熱交換器の製造方法

Info

Publication number: JP2010132986A
Application number: JP2008311244A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Sakaki; 和彦榊; Ichiro Iwai; 一郎岩井; Kazuhiko Minami; 和彦南; Shunsuke Ikawa; 俊輔伊川
Original assignee: Showa Denko KK; Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC; Resonac Holdings Corp
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-05
Also published as: JP5598946B2; WO2010064494A1

Abstract

【課題】アルミニウム部材の表面にろう材層を形成するに当たり、ろう付けの障害になる水や有機溶媒を使用することなく、ろう材層の厚さを均一に精度良く制御でき、ろう材層の極薄化を可能にする手段を提供する。
【解決手段】アルミニウム（その合金を含む）からなる部材表面に、コールドスプレー法によって平均粒径０．３〜２５μｍのＳｉ粒子を２００ｍ／秒以上の粒子速度で吹き付けてＳｉ粒子付着量０．４〜１２ｇ／ｍ²のろう材層を形成する。
【選択図】なし

Description

この発明は、ろう材層付きアルミニウム部材の製造方法及び該製造方法によって得られるアルミニウム部材の偏平チューブを用いた熱交換器の製造方法に関する。

なお、この明細書及び特許請求の範囲において、「アルミニウム」の語は、アルミニウム及びその合金を含む意味で用いる。

従来、アルミニウム又はその合金からなる部材表面にろう材層を形成する手段として、Ｓｉ粒子を水又は有機溶媒に分散させた分散液を当該部材表面に塗布する方法（特許文献１）や、Ａｌ−Ｓｉ粒子をコールドスプレー法によって当該部材表面に付着させる方法（特許文献２）が知られている。
特開平１０−３４３７５号公報特開２００８−１１５４６７号公報

しかるに、前者のＳｉ粒子の分散液を用いる方法では、分散媒の水や有機溶媒がろう付けの障害になるため、塗布後にこれら分散媒を除去する工程が必要になり、それだけ手間と時間を要して能率が悪いという難点がある。一方、後者のＡｌ−Ｓｉ粒子をコールドスプレーする方法では、部材表面に付着したＡｌ−Ｓｉ粒子上に更にＡｌ−Ｓｉ粒子が積み重なって付着するから、Ａｌ−Ｓｉ粒子層の厚さを均一に精度よく制御することが困難であり、特にろう材層を極薄にする場合には不適であった。例えば、カーエアコンのパラレルフロータイプコンデンサーでは、アルミ押出型材からなる多孔状の偏平チューブとコルゲートフィンとが交互に積層した熱交換コア部を備えるが、フロントグリル内の限られた空間に収める上で総高を低く抑えることが望ましいため、各偏平チューブの表面にろう材層を設けてコルゲートフィンと接合する場合、該ろう材層を極力薄くすべきであるが、前記のＡｌ−Ｓｉ粒子のコールドスプレーでは極薄化に対応できなかった。

この発明は、上述の事情に鑑みて、アルミニウム部材の表面にろう材層を形成するに当たり、ろう付けの障害になる水や有機溶媒を使用することなく、ろう材層の厚さを均一に精度よく制御でき、しかもろう材層の極薄化を可能にする手段を提供すると共に、この手段によって得られるろう材層付きアルミニウム部材である偏平チューブを用いた熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

この発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、アルミニウム部材の表面に対して特定の粒子を特定条件でコールドスプレーする方法によれば、ろう材層の厚さを均一に精度よく制御できて、且つろう材層の極薄化が可能になることを見出し、この発明をなすに至った。即ち、本発明は以下の手段を提供する。

［１］アルミニウムからなる部材の表面に、コールドスプレー法によって平均粒径０．３〜２５μｍのＳｉ粒子を２００ｍ／秒以上の粒子速度で吹き付けてＳｉ粒子付着量０．４〜１２ｇ／ｍ²のろう材層を形成することを特徴とするろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。

［２］Ｓｉ粒子の加速用ガスとして不活性ガス又は空気を用い、この加速用ガスの温度を５００℃以下とする前項１に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。

［３］Ｓｉ粒子の加速用ガスとして不活性ガス又は空気を用い、この加速用ガスの圧力を０．５〜３ＭＰａとする前項１または２に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。

［４］コールドスプレーに用いるスプレーノズルの前記部材表面に対する移動速度を１〜１５０ｍ／分とする前項１〜３のいずれか１項に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。

［５］Ｓｉ粒子の純度が９７質量％以上である前項１〜４のいずれか１項に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。

［６］前記部材表面にＳｉ粒子を粒径の１０％以上食い込ませることを特徴とする前項１〜５のいずれか１項に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。

［７］前記部材表面にＳｉ粒子を単層で付着させることを特徴とする前項１〜６のいずれか１項に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。

［８］前項１〜７のいずれか１項に記載の製造方法によって表面にろう材層を形成した偏平チューブと、コルゲートフィンとを交互に積層した状態で加熱することにより、前記ろう材層を介して前記偏平チューブとコルゲートフィンとを接合することを特徴とする熱交換器の製造方法。

［１］の発明によれば、アルミニウム部材の表面に、コールドスプレー法によって特定粒径のＳｉ粒子を特定の粒子速度で吹き付けることから、該Ｓｉ粒子がアルミニウム部材に強固に付着した状態になる上、Ｓｉ粒子同士は相互に付着しにくいため、部材表面にはＳｉ粒子が一層分しか付着せず、もってろう材層の厚さが均一になることに加え、その厚さを使用するＳｉ粒子の粒度と粒子速度とによって精度良く設定でき、粒径の小さいＳｉ粒子の使用でろう材層を極薄化することも可能となる。しかして、形成されるろう材層は、Ｓｉ粒子がアルミニウムの母材に対して強固に付着しているため、ろう付けの際の加熱でＳｉとＡｌの共晶反応を生起し易く、且つＳｉ付着量が特定範囲にあることから、良好なろう付け性が得られる。なお、このろう付け性は、従来のＡｌ−Ｓｉ粒子のコールドスプレーと比較して１／１０程度の粒子使用量で同程度になる。

［２］の発明によれば、Ｓｉ粒子の加速用ガスが不活性ガス又は空気であり、この加速用ガスの温度を５００℃以下に設定するから、アルミニウム部材の酸化を防止できる。

［３］の発明によれば、Ｓｉ粒子の加速用ガスが不活性ガスまたは空気であり、この加速用ガスの圧力を特定範囲に設定するから、過度にエネルギーを消費することなく充分な粒子速度を確保できる。

［４］の発明によれば、コールドスプレーに用いるスプレーノズルの移動速度を特定範囲に設定するから、充分なＳｉ粒子付着量のろう材層を効率良く形成できる。

［５］の発明によれば、Ｓｉ粒子として高純度のものを使用するから、良好なろう付け性を有したろう材層を確実に形成できる。

［６］の発明によれば、アルミニウム部材表面に付着したＳｉ粒子がその粒径の１０％以上が食い込んだ状態（即ち粒径の１０％以上がアルミニウム部材の内部に埋もれた状態）になっているから、ろう付け時にＳｉとＡｌの共晶反応がより生起し易く、ろう付け性がより向上する。

［７］の発明によれば、アルミニウム部材表面にＳｉ粒子を単層で付着させるから、ろう材層を均一な厚さに精度良く設定できると共に、極薄化が可能となる。

［８］の発明によれば、上記のＳｉ粒子のコールドスプレーによって表面にろう材層を形成した偏平チューブと、コルゲートフィンとを交互に積層し、所定温度に加熱して両者を接合することから、カーエアコンのパラレルフロータイプコンデンサー等として熱交換コア部の積層総高さを低く抑えた熱交換器を容易に製造できる。

この発明のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法においては、既述のようにアルミニウム部材の表面にコールドスプレー法によってＳｉ粒子を吹き付けてろう材層を形成する。この場合、Ｓｉ粒子同士は性状的に相互に付着しにくいため、コールドスプレーしたアルミニウム部材表面にはＳｉ粒子が一層分しか付着しない。従って、形成されるろう材層の厚さが均一になることに加え、その厚さを使用するＳｉ粒子の粒度と粒子速度とによって精度良く設定することができ、また粒径の小さいＳｉ粒子の使用でろう材層を極薄化することも可能となる。

しかして、Ｓｉ粒子としてはスタンピング粉（スタンプミルで得られる粉）が一般的であり、その平均粒径が１０μｍ程度であるため、そのまま上記コールドスプレーに使用できる。これに対し、従来のコールドスプレーによるろう材層形成に使用されていたＡｌ−Ｓｉ粒子は、平均粒径５０μｍ程度のアトマイズ粉が一般的であり、細かい粒子は篩にかける必要があるために高価であった。また、Ｓｉ粒子はＡｌ−Ｓｉ粒子に比べてコールドスプレー時の酸化が少ないため、この発明で得られるろう材層によれば、より正常なろう付けが可能になる。

この発明では、上記Ｓｉ粒子として平均粒径が０．３〜２５μｍの範囲にあるものを用いる。Ｓｉ粒子の平均粒径が０．３μｍ未満ではろう付け性が不充分になる。一方、平均粒径が２５μｍを越えると、形成されるろう材層が厚くなることから、熱交換器のコア部のように複数部材を積層してろう付けする構造で総高さや全幅を小さく抑制することが困難になる。中でも、前記Ｓｉ粒子としては平均粒径が１〜１０μｍのものを使用するのが好ましい。なお、前記「平均粒径」の語は、Ｓｉ粒子の断面形状に対するフィレット径（一定方向の２本の平行線で挟まれた線間の距離）を意味するものである。

また、Ｓｉ粒子には不純物としてＦｅやＣａが含まれることが多いため、良好なろう付け性を確保する上で、使用するＳｉ粒子の純度は９７質量％以上であるのが好ましく、中でも９９質量％以上であるのが特に好ましい。

コールドスプレーにおける粒子速度（アルミニウム部材の表面に対する粒子の衝突速度）は、２００ｍ／秒以上に設定する。この粒子速度が２００ｍ／秒未満では、アルミニウム部材の表面に対するＳｉ粒子の食込みが弱くなり、ろう付けの際にＳｉとＡｌの共晶反応を生じにくくなってろう付け性が低下する。しかして、アルミニウム部材の表面に対するＳｉ粒子の食込み度合は、その粒径の１０％以上になることが望ましい。即ち、図１に示すように、Ｓｉ粒子（１）の粒径を「ａ」とし、Ｓｉ粒子（１）の径方向の食込み量を「ｂ」としたとき、
（ｂ／ａ）×１００≧１０
の関係が成立するのが望ましい。１０％以上であれば、ろう付け時にＳｉとＡｌの共晶反応がより生起し易く、ろう付け性がより向上する。

また、コールドスプレーによるＳｉ粒子の付着量は、０．４〜１２ｇ／ｍ²の範囲に設定する。この付着量が０．４ｇ／ｍ²未満ではろう付けによる接合フィレットが小さ過ぎる一方、同付着量が１２ｇ／ｍ²を越えては接合フィレットが必要以上に大きくなる。中でも、Ｓｉ粒子の付着量は１〜７ｇ／ｍ²とするのが好適である。なお、アルミニウム部材表面に付着するＳｉ粒子は既述のように単層になる（図１参照）。

コールドスプレーおけるＳｉ粒子の加速用ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスの他、空気も使用できる。そして、この加速用ガスの温度は５００℃以下に設定する。この温度が５００℃を超えるとアルミニウム部材を酸化させてしまう懸念がある。また、前記温度が低過ぎては充分な粒子速度が得られ難くなることから、前記加速用ガスの温度は２００〜５００℃の範囲に設定するのが好ましい。

また、前記加速用ガスの圧力は、０．５〜３ＭＰａの範囲であるのが好ましい。０．５ＭＰａ以上であることで充分な粒子速度を得ることができるし、３ＭＰａ以下であることで、粒子速度の増加が少ないのに過度にエネルギーを消費することを回避できる。

なお、コールドスプレーの雰囲気は不活性ガスが好ましいが、空気中でも可能である。これに対し、従来のＡｌ−Ｓｉ粒子のコールドスプレー技術では空気中で行うことはできない。

コールドスプレーに用いるスプレーノズルのアルミニウム部材表面に対する移動速度は、１〜１５０ｍ／分の範囲とするのが好ましい。１ｍ／分以上とすることで製造効率が良くなるし、１５０ｍ／分以下とすることでＳｉ粒子を充分に付着させることができる。

このようなＳｉ粒子のコールドスプレーにて形成されるろう材層は、従来のＡｌ−Ｓｉ粒子のコールドスプレーと比較して、１／１０程度の格段に少ない粒子使用量で同程度のろう付け性が得られるものであり、このように従来法と比較して格別顕著な効果を奏するものである。

この発明のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法は、ろう付けする製品全般が適用対象となるが、ろう材層の極薄化が容易であるため、特にカーエアコンのパラレルフロータイプコンデンサー等の熱交換器における熱交換コア部を構成するろう材層付き偏平チューブの製造に好適である。即ち、このような熱交換器の熱交換コア部は、ろう材層付き偏平チューブとコルゲートフィンとを交互に積層した状態でろう付けして一体化するが、各偏平チューブのろう材層を薄く形成できることで、熱交換コア部の全体としての積層総高さを低減することができる。

次に、この発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に限定されるものではない。

＜実施例１〜９＞
アルミニウム部材としてＡＡ１１００アルミニウム合金の押出型材からなる多孔状の偏平チューブ（幅１６ｍｍ，高さ１ｍｍ，中空部個数４）を用い、その表面に、３５０℃に加熱した窒素ガスを加速用ガスとするコールドスプレー法により、表１に記載の平均粒径のＳｉ粒子（純度９９％以上）を粒子速度（アルミニウム部材の表面に対する粒子の衝突速度）４００ｍ／秒で吹き付け、同表記載のＳｉ付着厚さ、Ｓｉ粒子食込み深さ、Ｓｉ粒子付着量となるろう材層を形成した。なお、コールドスプレーにおけるスプレーノズルのノズル径は１０ｍｍであり、ノズルと偏平チューブとの距離は１５ｍｍに設定した。また、加速用ガスのガス圧は０．５〜３ＭＰａの範囲で、スプレーノズルの移動速度は１〜６０ｍ／分の範囲で、それぞれ上記粒子速度となるように調整した。

＜実施例１０＞
加速用ガスとして窒素ガスに代えて３５０℃に加熱した空気を用いた以外は、実施例１と同様にして偏平チューブの表面にろう材層を形成した。

＜比較例１〜３＞
Ｓｉ粒子の平均粒径、粒子速度、Ｓｉ付着厚さ、Ｓｉ粒子食込み深さ、Ｓｉ粒子付着量を表１記載のように設定した以外は、実施例１と同様にして偏平チューブの表面にろう材層を形成した。

＜ろう付け性試験＞
以上の実施例及び比較例で得られたろう材層付き偏平チューブと、３２０３アルミニウム合金ベア材からなるコルゲートフィン（幅１６ｍｍ，高さ６ｍｍ，厚さ０．１ｍｍ）とを交互に積層して熱交換器の熱交換コア部を仮組し、ＫＦ−ＡｌＦ₃共晶フラックスを５ｇ／ｍ²付着させ、これを炉中に配置して６００℃の窒素ガス中でろう付けを行った後、炉から取り出してろう付け性を評価した。その評価結果を表１に示す。

表１から明らかなように、この発明の製造方法によって製造したろう材層付き偏平チューブ（実施例１〜１０）は、いずれもろう材層が薄い厚さであるが、良好なろう付け性が得られている。特に、平均粒径５μｍのＳｉ粒子を用いて２０％の食込み深さで付着量を適正範囲にしたろう材層を有する偏平チューブ（実施例３、４）では、非常に優れたろう付け性が得られている。

これに対し、平均粒径が大き過ぎるＳｉ粒子を用いたろう材層を有する偏平チューブ（比較例１）では、良好なろう付け性が得られたものの、ろう材層が厚過ぎるために、熱交換器の熱交換コア部の総高さを低く抑えることができなかった。また、Ｓｉ粒子付着量が少な過ぎるろう材層を有する偏平チューブ（比較例２）では、ろう付け性が不良である。また、コールドスプレー時の粒子速度が不足する場合（比較例３）は、Ｓｉ粒子が付着しないため、ろう材層を形成することができなかった。

アルミニウム部材表面におけるＳｉ粒子の食い込み状態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１…Ｓｉ粒子

Claims

アルミニウムからなる部材の表面に、コールドスプレー法によって平均粒径０．３〜２５μｍのＳｉ粒子を２００ｍ／秒以上の粒子速度で吹き付けてＳｉ粒子付着量０．４〜１２ｇ／ｍ²のろう材層を形成することを特徴とするろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。
Ｓｉ粒子の加速用ガスとして不活性ガス又は空気を用い、この加速用ガスの温度を５００℃以下とする請求項１に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。
Ｓｉ粒子の加速用ガスとして不活性ガス又は空気を用い、この加速用ガスの圧力を０．５〜３ＭＰａとする請求項１または２に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。
コールドスプレーに用いるスプレーノズルの前記部材表面に対する移動速度を１〜１５０ｍ／分とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。
Ｓｉ粒子の純度が９７質量％以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。
前記部材表面にＳｉ粒子を粒径の１０％以上食い込ませることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。
前記部材表面にＳｉ粒子を単層で付着させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のろう材層付きアルミニウム部材の製造方法。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の製造方法によって表面にろう材層を形成した偏平チューブと、コルゲートフィンとを交互に積層した状態で加熱することにより、前記ろう材層を介して前記偏平チューブとコルゲートフィンとを接合することを特徴とする熱交換器の製造方法。