JP2010214378A - 高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィン材およびそれを使用した熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 板厚８５μｍ以下の薄肉のブレージングシートフィン材を用いて、６１０℃を越える高温でろう付けを行なっても、フィン端部の倒れ変形が生じないようにしたブレージングシートフィン材を提供する。
【解決手段】 心材として、Ｍｎ０．７〜１．５％、Ｓｉ０．３〜０．８％、Ｆｅ０．０５〜０．７５％、残部実質的にＡｌよりなるＡｌ−Ｍｎ系合金を用い、芯材両面に接合されたろう材として、Ｓｉ量が５．５〜８．０％のＡｌ−Ｓｉ系合金を用い、かつろう材の片面平均クラッド率が６．０〜９．８％であって、しかもろう材のＳｉ量（Ｓｉｆ）とろう材の片面平均クラッド率（ＣＲ）との関係が、次の式を満たすように調整した。
Ｑ＝Ｓｉｆ（ｍａｓｓ％）×ＣＲ（％）≦６７
【選択図】図１

Description

この発明は、アルミニウム合金製熱交換器に用いられるブレージングシートフィンと、これを用いた熱交換器の製造方法に関するものであり、より詳細には、コルゲート加工したフィンとして、６１０℃を越え６２２℃以下の高温到達温度でろう付けして用いるに適したフィン、およびそれを用いた熱交換器の製造方法に関するものである。

アルミニウム合金製熱交換器は、素材のアルミニウム合金が軽量でかつ良好な熱伝導性を持つことに加え、ろう材が予めクラッドされたアルミニウムブレージングシートを用いた炉内ろう付けによる接合が量産に適することから、従来から広く使用されており、特に自動車用のラジエータ、エアコンエバポレータ、コンデンサなどに広く使用されている。

近年、自動車用熱交換器はさらに軽量化される傾向にあり、そのためブレージングシートフィンなどの各構成材料の薄肉化が強く求められている。ブレージングシートフィンは、主として押出多穴チューブなど、ろう材を表面に持たない部材と接合する場合に用いられるものであり、一般には心材がＡｌ−Ｍｎ系合金からなり、その心材の両面に、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を接合した構成の３層クラッド材が用いられている。

従来、この種のブレージングシートフィンとしては、板厚が１００μｍ以上のものが主流であったが、最近ではこれより薄いフィン材も使用されるようになっている。ここでは、板厚８５μｍ以下のものを薄肉のフィンと称するが、このような薄肉のフィンでは、ろう付け時のろうによる心材の侵食や高温変形に対する抵抗などの種々の特性について、従来の肉厚のフィン（例えば板厚１００μｍ以上のもの）と比べて、不利な点が生じているのが実情である。

また材料の薄肉化と同時に、熱交換器の生産効率の向上も重要な課題であるが、ろう付け工程を短時間の加熱で終了させることができれば、直接的に量産の効率を上げることができる。さらに、従来ろう付け後に別の工程で付けていた付属部品なども、フィンとチューブとのろう付け時に同時に接合することができれば、生産効率をより向上させることが可能となる。

このような生産性効率の具体的向上策の一つとしては、ろう付け炉内温度を材料温度より高くすること、すなわちいわゆる温度ヘッドを取付けることによって、ろう付け加熱の短時間化を図ることが考えられる。このような手法によれば、熱交換器の構成部材のうち熱容量が大きいヘッダタンクなどの部材についても、比較的短時間での昇温が可能となり、また熱容量の大きい取り付け具などの付属部材についても同時にろう付け接合が可能となる。

前述のように温度ヘッドを取付けたろう付け加熱の場合でも、ろう付けされる熱交換器構成部材のうち、最も熱容量が大きい部材の昇温速度が最も遅くなるため、このような熱容量の大きい部材の接合部が充分にろう付けされるに足りる温度（例えば６００℃）まで昇温させることが必要となる。一方、フィンは熱交換器構成部材のうちでも薄肉で最も熱容量の小さい部材であり、他の部材より高温（例えば６１０℃を越えた温度）に達することになる。したがってこのような温度ヘッド付きろう付け加熱方法を適用する場合には、通常よりも高温で正常にろう付けされ得るフィン材が必要であるが、これを薄肉ブレージングシートで実現する技術はこれまで確立されていなかったのが実情である。

ところで薄肉のブレージングシートフィンに関する技術としては、既に特許文献１、特許文献２に示すようなものが提案されてはいるが、これらの提案の技術によるブレージングシートフィンは、いずれも６１０℃を越えるような高温ろう付け条件には耐え得ない、と考えられる。

すなわち、特許文献１に示される技術は、板厚４０μｍ以上、１００μｍ未満のブレージングシートフィンに関するものであり、特定の組成のＡｌ−Ｍｎ系合金心材とＡｌ−Ｓｉ系ろう材とを組合せ、ろう材および心材のＳｉ量とろうクラッド率とを制御することにより、ろう付け時において接合部に流動する溶融ろうの不足による未接合を防止し、他の耐高温座屈性（耐サグ性）をも良好とすることを骨子としている。この特許文献１の請求項では、６００℃で３分加熱した場合の接合状況を規定しており、本文中の記述でも熱交換器のろう付けが通常約６００℃で行われていると言及されているだけであり、したがってそれより高温でろう付けされた場合についての問題点については全く認識されておらず、当然のことながら６１０℃を越える高温でのろう付け時の問題に対する解決策を全く示唆し得ない。

一方、特許文献２に示されている技術は、板厚６０μｍ以下のブレージングシートフィンに関するものであり、主にろう材中のＳｉ粒子の平均円相等径を３μｍ以下に調整することにより、耐粒界腐食性、耐高温座屈性などが良好になるとされている。この特許文献２の場合も、ろう付け条件については通常６００℃程度まで昇温されるとの記述があり、また実施例も同様であり、したがってこの特許文献２の技術も、薄肉のフィンが、６１０℃を越える高温でろう付けされた場合について考慮されていないことが明らかである。

特許第３１７０２０２号公報 特開２００８−６４８０号公報

前述のような温度ヘッドを付けた加熱によるろう付けを可能とするためには、材料のろう付け時の最高到達温度が６１０℃を越えても、正常なコルゲート加工形状を保って接合されるブレージングシートフィンが必要であり、しかもこれを８５μｍ以下という薄肉フィンで実現することが強く望まれる。しかしながら、それを実現するためには、従来の一般的な６００℃程度のろう付け温度でのろう付けや、より肉厚のフィンでは生じていなかった技術的問題を乗り越える必要がある。

すなわち本発明者等は、６１０℃を越える高温における、８５μｍ以下の薄肉のフィン材のコルゲート加工した状態でのろう付けでは、通常のフィンの高温座屈とは異なる、コルゲートフィンの端部の倒れ変形という独特の問題が発生することを知見した。

この問題について図１、図２を参照して具体的に説明すると、図１、図２は、熱交換器コアを作成するために、予めコルゲート加工が施されたブレージングシートフィン１と、多穴押出チューブ等のチューブ２と、ヘッダタンク３とを組合せ、６１０℃を越える高温ろう付け温度まで加熱して、それらの熱交換器コア要素を高温ろう付け接合する状況を示すものであり、この場合コルゲート加工されたブレージングシートフィン１の端部１Ａ（例えばヘッダタンク３の側の端部）は、立ち上がった（もしくは立ち下がった）自由端として存在していることが多い。この場合、ブレージングシートフィン１の厚みが８５μｍ以下と薄肉であれば、ろう付けのための６１０℃を越える高温での加熱時に、前述のようなブレージングシートフィン１の自由端の端部１Ａが、図１、図２の矢印Ｐでに示すように変形し、チューブの側に倒れ込んでしまう現象が生じることがある。このようにフィン端部１Ａで倒れ込みの変形が生じれば、設計形状との相違により製品外観不良とされるばかりでなく、最悪の場合は、その変形したフィン端部１Ａが、ヘッダタンク（通常はブレージングシートからなるもの）と接触して、ヘッダタンク側の溶融ろうによりフィンが溶融してしまうおそれがある。

このようなフィン端部の特異な変形は、コルゲート加工されたフィンの山部の形状の崩れやフィンの座屈が生じないような場合でも、６１０℃を越える高温ろう付けでフィン厚みが８５μｍ程度以下の薄肉では生じてしまうことがあり、しかも従来の通常の６００℃程度でのろう付け加熱では耐高温座屈性能が優れている筈のブレージングシートフィンでも生じることが、本発明者等の実験により確認されている。

ここで、前述のフィン端部１Ａの特異な倒れ込み変形は、自由端である端部１Ａに加わる重力が影響しているとも考えられるが、本発明者等がさらに検討を重ねたところ、フィン端部１Ａの先端側が倒れ込む方向に重力が加わらないような方向性でコアの各各要素をセットした場合でも生じること、すなわち単に重力のみ起因するのではないことが判明している。したがって単にコアの組立て、ろう付け時の配置方向を変えただけでは解決し得ない問題であることが確認されている。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、８５μｍ以下の薄肉ブレージングシートフィンについてコルゲート加工を施して、熱交換器コアを組立て、例えば６１０℃を越えるような高温でろう付け加熱するにあたり、前述のようなフィン端部の倒れこみ変形の発生を確実かつ有効に防止し得るようにしたブレージングシートフィンを提供することを課題とするものである。

前述のような課題を解決するため、コルゲート加工した薄肉ブレージングシートフィンを用いて熱交換器コアを組立てて、６１０℃を越える高温でろう付けを行なう際に生じる、フィン端部での倒れ込み変形について種々調査、検討を重ねたところ、ろう付け加熱時におけるフィン表面の過剰な溶融ろうによる表面張力が影響していることを見出した。すなわち、コルゲート加工を施したフィンが、たとえ設計上は山部の頂点で切断されていたとしても、チューブ等と組上げた際には、ある頻度で浮いた状態（チューブに接していない状態）となり、その場合、ろう付け加熱時に近接する山部付近のフィレット（図１の部分Ｆ）の溶融ろうの表面張力により、図１の矢印Ｑで示すようにチューブ側に引張られることが判明した。そして特に６１０℃を越えるような高温ろう付けでは、従来の通常の６００℃程度でのろう付け加熱と比較して溶融ろうの量が急激に増大して、近接するフィレットＦの側からの溶融ろうの表面張力による引張り力Ｑが強くなり、８５μｍ程度以下という薄肉のフィレットでは、高温で材料強度も下がっていることも相俟って、フィン端部１Ａが矢印Ｐで示すようにチューブ側に倒れ込んでしまうことが判明した。

ここで、従来の通常の６００℃程度でのろう付けや、１００μｍ程度以上の比較的厚肉のフィンを用いた場合には、このような現象はほとんど生じることがなく、そのため従来は全く認識されていなかったのである。

そして本発明者等が、前述のようにフィン端部の倒れ込み変形が、過剰な溶融ろうの表面張力に起因することから、６１０℃を越えるような高温ろう付けでも溶融ろうが過剰とならないように適切に制御すれば、フィン端部の倒れ込み変形の発生を防止し得る筈であると考え、それに基いてブレージングシートフィンのろう材中のＳｉ量とろう材クラッド率について再検討を加えたところ、これらを相互の関係のもとに適切に調整することによって前述の課題を解決し得ることを見出し、この発明をなすに至った。

具体的には、請求項１の発明の高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィンは、心材の両面にろう材を接合した板厚４０〜８５μｍのクラッド材よりなり、コルゲート加工を施して、高温でろう付けが施される薄肉ブレージングシートフィンであって、心材がＭｎ０．７〜１．５ｍａｓｓ％、Ｓｉ０．３〜０．８ｍａｓｓ％、Ｆｅ０．０５〜０．７５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物元素からなるＡｌ−Ｍｎ系合金よりなり、ろう材が、Ｓｉを５．５〜８．０ｍａｓｓ％の範囲内で含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなり、しかもろう材の片面平均クラッド率が６．０〜９．８％の範囲内であって、かつろう材のＳｉ含有量Ｓｉｆ（ｍａｓｓ％）とろう材の片面平均クラッド率ＣＲ（％）とによって下記式（１）により定まるＱの値が６７以下であることを特徴とするものである。
Ｑ＝Ｓｉｆ（ｍａｓｓ％）×ＣＲ（％）≦６７ ・・・（１）

また請求項２の発明は、請求項１に記載の高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィンにおいて、前記心材が、前記各元素のほか、さらにＣｕ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｚｎ０．３〜３．０ｍａｓｓ％のうちの一方または双方を含有するＡｌ−Ｍｎ系合金からなることを特徴とするものである。

さらに請求項３の発明は、請求項１に記載の高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィンにおいて、前記心材が、前記各元素のほか、さらにＴｉ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｚｒ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｃｒ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｖ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有するＡｌ−Ｍｎ系合金からなることを特徴とするものである。

そしてまた請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィンにおいて、ろう材層中において、厚さ方向の粒子寸法が片面平均ろう材厚さの８割を越えるＳｉ粒子が、ろう材の厚み方向に平行でかつフィンの長さ方向に平行な断面において、フィンの長さ方向分布として０．２個／ｍｍを越えて存在しないことを特徴とするものである。

さらに請求項５の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかの請求項に記載の高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィンにおいて、そのブレージングシートフィンが、材料到達温度６１０℃を越え６２２℃以下の範囲内でろう付けが施されるものであることを特徴とするものである。

一方請求項６は、請求項１〜請求項４のいずれかの請求項に記載された高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィンを用いて熱交換器を製造する方法について規定したものであり、この請求項６の発明は、請求項１〜請求項４のうちのいずれかの請求項に記載されたフィン材をコルゲート加工し、かつそのコルゲート加工されたブレージングシートフィンを少なくとも構成要素の一部として熱交換器コアを組立て、フィンの最高到達温度が６１０℃を越え６２２℃以下の範囲内となるように、非酸化性雰囲気中で炉内フラックスろう付けを行うことを特徴とするものである。

この発明のブレージングシートフィンによれば、その板厚が８５μｍ以下と薄肉であるにもかかわらず、コルゲート加工を施して熱交換器コアとして組立て、６１０℃を越えるような高温でろう付けを行なっても、フィンの端部で倒れ込みの変形が生じることを確実かつ有効に防止することができ、そのため前述のフィン端部の倒れ込み変形によって熱交換器コアとしての商品価値が損なわれてしまうことを有効に防止でき、またフィン端部の倒れ込みに起因してその先端がヘッダタンクと接触してヘッダタンク側の溶融ろうによりフィンが溶融してしまうおそれもない。

したがってこの発明のフィンを用いれば、上述のような８５μｍ以下の薄肉のフィンを用いての６１０℃を越えるような高温でのろう付けが、特に問題を招くことなく実際的に可能となることから、フィンの薄肉化に寄与して自動車軽量化等に寄与すると同時に、ろう付け温度の高温化により熱交換器製品の生産効率を確実かつ有効に高めることが可能となった。

図１はこの発明で解決課題としているフィン端部の倒れ込み変形の現象を説明するために、コルゲート加工されたブレージングシートフィンとチューブ、ヘッダタンクを組合せて熱交換器コアを構成した状態を示す略解図である。 図２は図１の要部、特にフィン端部付近の状況を拡大して示す略解図である。 図３はこの発明の実施例におけるろう材中のＳｉ量およびろう材のクラッド率と、フィン端部倒れ現象の発生状況との関係を示す図表である。

この発明では、熱交換器の軽量化に寄与するべく、板厚４０〜８５μｍのブレージングシートフィンを対象としている。これより板厚が小さい場合は、健全なブレージングシートを製造することが困難となり、一方これより板厚が大きい場合には、フィンのろう付け時の変形を防ぐためには有利となってこの発明のような精緻な対策を必要としないが、薄肉化ひいては熱交換器の軽量化に寄与するものとはいえない。

この発明の薄肉ブレージングシートフィンは、最高到達温度が６１０℃を越え、６２２℃以下の範囲内となるような高温ろう付けでコルゲートフィン端部の変形に対する抵抗が大きいことを特徴としており、これを実現するための材料構成を規定している点が重要である。但し、熱交換器用フィン材として望まれる他の特性、例えば通常の耐座屈性、ろう付け後のフィン強度、犠牲陽極性、フィン自体の耐食性などを兼ね備えていることも必要であることは当然である。

この発明のブレージングシートフィンでは、ろう材のＳｉ量およびろう材の片面平均クラッド率をそれぞれ特定の範囲内とすると同時に、両者が特定の関係式を満たすように調整することによって、高温ろう付け時の溶融ろう量が過多にならないように直接的に制御している。このような手法を適用することにより、確実に溶融ろうの量を制限して、フィン端部の倒れ込み変形の発生を防止することができる。

さらにこの発明について詳細に説明する。

この発明で対象とするブレージングシートは、前述のように４０〜８５μｍの板厚のものであり、そのクラッド構成としては、コルゲート加工して熱交換器コアに適用するべく、心材の両面にろう材層を接合したものとする。ここで心材としては、通常のブレージングシートフィンの心材として最も適切と考えられているＡｌ−Ｍｎ系合金を用い、ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いている。

そこで先ず心材であるＡｌ−Ｍｎ系合金の成分限定理由について説明する。

Ｍｎ：
Ｍｎは、強度や高温での耐変形性に寄与する合金元素であり、０．７〜１．５ｍａｓｓ％の範囲内とする。心材のＭｎ量が０．７ｍａｓｓ％未満では、ろう付け加熱後の強度や高温変形に対する抵抗が不充分となるため好ましくない。また、心材にＭｎが１．５ｍａｓｓ％を越えて添加されれば、鋳造時に粗大な晶出化合物が形成されて不均質な組織となるため、不適当である。

Ｓｉ：
Ｓｉは、強度に寄与するとともに間接的に溶融ろう量に影響する元素であり、０．３〜０．７ｍａｓｓ％の範囲内とする。心材のＳｉ量が０．３ｍａｓｓ％未満であれば、ろう付け時における心材へのＳｉ拡散が顕著となり、実質的に溶融ろう量が減少してフィンのチューブに対する接合が不完全になる場合があり、不適当である。一方心材のＳｉ量が０．７ｍａｓｓ％を越えれば、心材自体の高温耐久性が低下してフィン全体の耐座屈性能が悪くなり、不適当となる。

Ｆｅ：
Ｆｅは、通常のアルミニウム合金の不可避的不純物の一つであるが、強度や結晶組織の安定化に寄与することから、場合にっては若干積極的に添加しても良く、そのＦｅ量は０．０５〜０．７ｍａｓｓ％の範囲内とする。Ｆｅ量を０．０５ｍａｓｓ％未満とするには、高価格の高純度地金を必要として高コスト化を招くばかりでなく、特性改善にもつながらないため、不適当である。一方Ｆｅを０．７ｍａｓｓ％を越えて添加した場合、結晶粒が細かくなってろう付け時に溶融ろうの心材への浸透(エロージョン)の原因となり、耐高温座屈性も低下するため、不適当となる。

さらに請求項２に規定しているように、心材合金にはＣｕ、Ｚｎを選択的に添加しても良い。但しこれらを過剰に添加すれば、心材の固相線温度が下がり、高温での強度が不足して、熱交換器コアのろう付け時に全体的にフィンの変形が起こる場合があり、不適当となる。そこでこれらを配慮してＣｕ、Ｚｎの添加量を次のように定めた。

Ｃｕ：
Ｃｕは強度向上に寄与する合金元素であり、０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％の範囲内で選択的に添加する。Ｃｕ量が０．０５ｍａｓｓ％未満では、ろう付け加熱後の強度向上効果が充分に得られない。一方０．２５ｍａｓｓ％を越えてＣｕを添加すれば、フィン変形の問題に加え、ろう付け後のブレージングシートフィンの耐粒界腐食性を低下させるため、不適当である。

Ｚｎ：
Ｚｎは、０．０３〜３．０ｍａｓｓ％の範囲内で選択的に添加する。これは、ブレージングシートフィンに犠牲陽極としての性質を持たせて、チューブの耐食性を向上させる目的からである。Ｚｎ量が０．３ｍａｓｓ％未満では、充分な犠牲陽極作用が得られず、一方３．０ｍａｓｓ％を越えてＺｎを添加すれば、フィン変形の問題に加え、フィンの自己耐食性が低下するため、不適当となる。

さらに心材のＡｌ−Ｍｎ系合金としては、請求項３で規定しているように、Ｔｉ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｚｒ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｃｒ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｖ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％のうち、１種または２種以上を含有していても良い。

これらのＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖは、いずれも強度および耐高温座屈性を向上させるために選択的に添加される元素であり、特にろう付け後の強度の向上に寄与し、したがって薄肉かつろう付け後に高い強度を有するフィンが求められる場合にこれらを添加することが有効である。いずれも０．０５ｍａｓｓ％未満の添加では、特段の効果が得られず、一方いずれも０．２５ｍａｓｓ％を越えて添加すれば、鋳造時に粗大な晶出物が形成されるため不適当となる。

なお、通常のアルミニウム合金の鋳造においては、鋳造組織微細化のためＴｉを含有する微細化剤、具体的にはＡｌ−Ｔｉ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ系あるいはＡｌ−Ｔｉ−Ｃ系の母合金からなる微細化剤が添加される場合が多い。これらに含まれるＴｉは、Ａｌ_３Ｔｉ、ＴｉＢ、ＴｉＣなどの化合物粒子として凝固核形成に関与し鋳塊結晶微細化に効果をもたらすもので、これらの粒子は強度向上に関して直接の効果を生じない。そこで、強度向上を目的とした前述の選択元素としてのＴｉとは別に、この発明でも微細化剤由来の成分としてＴｉ０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％未満を添加することが可能で、これと組み合わせてＢ０．０００５〜０．０１ｍａｓｓ％あるいはＣ０．０００３〜０．０１ｍａｓｓ％が添加されていてもかまわない。

次にこの発明のブレージングシートフィンにおけるろう材の成分組成、特にろう材中のＳｉ含有量、およびろう材のクラッド率、さらにはそれらの関係について説明する。

ブレージングシートフィンのろう材については、そのろう材中のＳｉ含有量が高いほど、ろう付け時の溶融ろうの量が増すことになる。そこでこの発明では、ろう材のＳｉ量は、５．５〜８．０ｍａｓｓ％の範囲内とする必要がある。ここで、ろう材が８．０ｍａｓｓ％を越えてＳｉを含む場合には、高温でのろう付け時に溶融ろうが過多になって、フィンの端部変形の原因となるから、不適当となる。逆にろう材のＳｉ量が５．５ｍａｓｓ％よりも少なければ、ろう付けが充分に行われず、部分的にフィンとチューブの接合が不良となることがあるため、不適当となる。

ろう材の成分元素としては、基本的にはＳｉのほかはＡｌおよび不可避的不純物とすれば良いが、後述するようにこの発明のブレージングシートフィンでは、ろう材中における粗大なＳｉ粒子ができるだけ少ないことが望ましく、そこで鋳造時にＳｉ粒子の微細化を図るため、微量のＮａやＳｒを添加する改良処理を行っても良い。このようにＳｉ粒子の微細化のためのＮａ、Ｓｒの添加量は、それぞれ０．００２〜０．０５ｍａｓｓ％の範囲内が好適である。

なおこの発明のブレージングシートフィンのろう材には、その他の不可避的元素としてＦｅが含まれるのが通常であるが、ろう材中のＦｅ量は０．６ｍａｓｓ％以下が好ましい。さらに通常のろう材では、ＣｕやＺｎが添加される場合があるが、この発明の場合は、これらの添加によりろう材の融点が下がれば、フィンの倒れ変形を助長する問題が生じるから、それぞれ０．２ｍａｓｓ％以下に抑制することが望ましい。またろう材には溶融ろうの流動性を高めるための元素として、Ｂｉを０．１ｍａｓｓ％以下添加しても良い。

さらにこの発明のブレージングシートフィンのろう材については、そのＳｉ含有量を前述のように５．５〜８．０ｍａｓｓ％の範囲内に規制するばかりでなく、そのＳｉ含有量と、ろう材片面平均クラッド率との関係を規制することも重要である。

ここで、ろう材の片面当り平均クラッド率は、６．０〜９．８％の範囲にあることが必要である。この範囲を越えるクラッド率では、溶融ろうが過剰になってフィンの端部変形を引起しやすくなり、一方この範囲より低ければ、接合不良が起こるため、不適当となる。

そしてろう材のＳｉ量とクラッド率は、Ｓｉ量をＳｉｆ（ｍａｓｓ％）、クラッド率（％）をＣＲとすれば、それらを乗じた値Ｑが、６７以下となるように規制する必要がある。すなわち、次の（１）式を満たす必要がある。
Ｑ＝Ｓｉｆ（ｍａｓｓ％）×ＣＲ（％）≦６７ ・・・（１）

この（１）式は後述する実施例１でも示しているように、本発明者等の詳細かつ多数の実験により求められたものである。すなわち（１）式の左辺の値Ｑが６７を越える場合には、溶融ろうの量が過多となってコルゲートフィン端部の変形が生じてしまうことが判明している。

さらにこの発明のブレージングシートフィンにおいては、ろう材中に存在するＳｉ粒子について、請求項４で規定しているように、ろう材中において、厚さ方向の粒子寸法が平均ろう材厚さの８割を越えるようなＳｉ粒子が、ろう材の厚み方向に平行でかつフィンの長さ方向（コルゲート加工した状態で山と谷が交互に位置する方向、すなわち通常は圧延方向に沿う方向）に平行な断面において、フィンの長さ方向における分布密度として０．２個／ｍｍを越えて存在しないように規制することが望ましい。

ここで、ろう材中において平均ろう材厚さの８割を越える厚みを有する粗大なＳｉ粒子が存在する部分では、ろう材の厚みが局部的に大きくなり、その結果、その付近では高温ろう付け時に溶融ろうが局部的に多くなり、逆に心材の実質厚さが小さくなってしまう。Ｓｉ粒子はフィンの断面観察により調べることができるが、フィン長さ１００ｍｍ以上を観察域とし、この観察長の中で上記規定の粒子が０．２個／ｍｍを越えて存在すれば、溶融ろうが多い部位が多くなって、高温ろう付け時のコルゲートフィン端部の倒れ変形を引起しやすくなり、またフィンの心材を貫通するような顕著なエロージョンも生じてしまうおそれがある。

上述のようなＳｉ粒子条件を満たさせるための具体的手段としては、ろう材となるＡｌ−Ｓｉ合金のＳｉ量を規定範囲内で低目とすること、また鋳造時の冷却速度を上げること、さらには鋳造時にＳｉ粒子の微細化を図るべく既に述べたようなＮａやＳｒの微細添加による改良処理を行うこと、などが挙げられる。

以上のようなこの発明の薄肉ブレージングシートフィンを製造するための具体的な方法は、特に限定されるものではなく、通常の３層クラッドブレージングシートの製造と同様に行えば良いが、その代表的な望ましい例について次に説明する。

先ず、ブレージングシートフィンの構成要素となる心材およびろう材の合金鋳塊を半連続鋳造法（ＤＣ鋳造法）により作製する。その後、面削や予備熱間圧延などにより厚さを調整して、所定のクラッド率となるように心材の両面にろう材を配して組み合わせ、４００〜５４０℃で０．５〜１５ｈ保持する条件で熱間圧延のための予備加熱を行い、その後の熱間圧延によりクラッド接合する。熱間圧延に続いては、圧下率８５〜９８％の冷間圧延を行い、３２０〜５００℃で０．５〜１０ｈ保持する条件で中間焼鈍し、さらに圧下率１０〜６０％の冷間圧延により所定の板厚のＨ１ｎ材とすれば良い。

このようにして製造されたブレージングシートフィンは、所定の幅にスリットし、その後、コルゲート加工および切断を行い、チューブ、ヘッダタンク、サイドプレートなどと組み合わせて、熱交換器コアを構成する部材となる。

さらにこの発明のブレージングシートフィンを用いて熱交換器コアを製造するための具体的条件としては、請求項６に規定しているように、前述のようなブレージングシートフィン材をコルゲート加工し、かつそのコルゲート加工されたブレージングシートフィンを少なくとも構成要素の一部として熱交換器コアを組立て、フィンの最高到達温度が６１０℃を越え６２２℃以下の範囲内となるように、非酸化性雰囲気中で炉内フラックスろう付けすることが適切である。

そこでこのような熱交換器の製造方法の条件について次に詳細に説明する。

ブレージングシートフィン材のコルゲート加工は、従来の一般的な手法によれば良く、特に限定されるものではない。コルゲート加工後のブレージングシートフィン材は、適宜切断して所要の寸法とし、チューブやヘッダタンク等の他の熱交換器コア構成要素とともに組立て、非酸化性雰囲気での炉内フラックスろう付けを行なう。非酸化性雰囲気での炉内フラックスろう付け法としては、具体的には、ノコロックブレージング法として知られる一般的なろう付け方法を適用することができる。なお真空ろう付け法の場合には、ノコロックブレージング法とはろう流れ挙動が異なるため、この発明で規定する条件により課題を解決できる保証はなく、したがって真空ろう付けは適用しないことが望まれる。

ろう付け加熱では、フィン材の材料到達温度を、６１０℃を越え６２２℃以下の範囲内とすることが適切である。到達温度が６１０℃以下では、ろう付け工程を充分に短時間化しまた高熱容量部材の同時接合をも可能にするという、高温ろう付けによる利点が得られない。一方フィン材の到達温度が６２２℃を越えるような極端な高温ろう付けでは、フィンの全体的な高温座屈やコルゲートフィン端部の変形が生じるおそれがあり、実用的ではない。

なおここで、短時間でのろう付けを目的とする場合、ろう付けのための昇温加熱時に、４７０℃以上の温度域にフィンがある時間を１２分以内とすることが望ましく、さらに、８分以内とすることがより望ましい。またろう付け時の最高温度到達後の冷却は５０℃／分以上の速度とすることが望ましい。

以下にこの発明の実施例を比較例とともに示す。なお以下の実施例は、この発明の効果を示すためのものであり、その実施例がこの発明の技術的範囲を限定するものでないことはもちろんである。

実施例１：
この実施例１は、フィン端部の変形を防ぐために必要なろう材中のＳｉ量とろう材片面平均クラッド率についての条件を求めるための予備検討結果に相当するものである。

この実施例１では、心材としてＡｌ−１．１ｍａｓｓ％Ｍｎ−０．３５ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．４ｍａｓｓ％Ｆｅ合金を用い、その心材の両面にＳｉ量およびクラッド率を種々変化させたＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を接合した板厚７０μｍのブレージングシートフィンを作製した。ろう材中のＦｅ量は０．２〜０．２５ｍａｓｓ％の範囲内とし、さらに、粗大なＳｉ粒子の形成を抑えるため、鋳造時に０．００３ｍａｓｓ％相当のＮａを添加した。ここで心材およびろう材は通常のＤＣ鋳造で作製し、その後の工程も、熱間圧延によるクラッド接合、冷間圧延および中間焼鈍を施すという通常の方法に従った。

フィン端部変形を調べるため、幅１６ｍｍのブレージングシートフィン材をコルゲート成形（高さ７ｍｍ、フィン山間各２ｍｍ）し、長さを約８０ｍｍに揃え、これを、表面にＺｎ溶射した純Ａｌ系合金からなる押出多穴チューブと組み合わせて、熱交換器を模したフィン５段のミニコアサンプルに組立て、フッ化物系フラックスを表面に塗布して乾燥させた後、窒素雰囲気炉中で加熱する高温ろう付け試験に供した。なおろう付け時には、フィン端部が倒れる方向に重力が働かないように、ミニコアサンプルを配置した。

この試験では、ろう付け時の材料到達温度を６２１℃とし、昇温過程での４７０〜５７０℃の間での昇温速度がいずれも約９０℃／ｍｉｎ、４７０℃から到達温度までの時間が約６〜７ｍｉｎとなるように加熱した。ろう付け加熱後の冷却は、平均で約１２０℃／ｍｉｎの冷却速度とした。このようなろう付け処理後、フィン端部を目視観察し、合計１０箇所のフィン端部のすべてにおいて元の位置から３０°以上の倒れ変形がなかった場合をフィン端部変形無し（合格）とし、それ以外を不合格とした。その結果を、ろう材中のＳｉ量（Ｓｉｆ）およびろう材片面平均クラッド率（ＣＲ）に対応して、図３に示す。なお図３において、○印は合格（フィン端部発生無し）、×印は不合格（フィン端部発生有り）を示す。また図３において、実線は前述の式（１）に相当し、破線はこの発明で規定するろう材のＳｉ量およびクラッド率の各上限に相当する。

図３から明らかなように、クラッド率およびＳｉ量がそれぞれ高くなれば、フィン倒れが生じる傾向が認められたが、これらの両要因はそれぞれ単独で倒れ変形に影響するのではなく、両要因の兼ね合いでフィン端部の倒れ変形の問題が発生することが判明した。そしてクラッド率（ＣＲ）が９．８％以下でかつろう材Ｓｉ量（Ｓｉｆ）が８．０ｍａｓｓ％以下では、図３の実線の下側の領域、すなわち式（１）で定まるＱの値が６７以下の領域で、確実にフィン端部の倒れ変形を防止し得ることが判明した。

そこでこの発明では、ろう材Ｓｉ量およびろう材片面平均クラッド率の各々の上限のほか、前記（１）式を定めたのである。このように、ろう材Ｓｉ量の上限、およびクラッド率の上限を満たすと同時に、式（１）を満たすこの発明の適正領域では、６２１℃に材料温度が到達する高温ろう付けでも、フィン端部変形を確実に防止することができるのである。

実施例２：
この実施例２は、より多くの条件を種々変化させたものである。

先ず通常の方法により表１に示す組成の心材および表２に示すろう材を、それぞれＤＣ鋳造し、均質化処理を施した。ここで、ろう材の鋳造では、一部条件でＮａ、Ｓｒを添加するＳｉ粒子微細化処理を実施した。ろう材を熱間圧延して所定の板厚とし、面削した心材鋳塊の表裏両面に組合せて重ね、さらに熱間圧延を施してクラッド接合した。この後、冷間圧延、中間焼鈍および最終冷間圧延を施して、所定の板厚のクラッド材（ブレージングシートフィン材）とした。表３にクラッド材であるブレージングシートフィン材の材料構成を示す。

ブレージングシートフィン材のろう材片面クラッド率（ＣＲ）およびろう材中のＳｉ粒子分布に関しては、フィンの長さ方向に沿った厚み方向断面の光学顕微鏡観察により測定した。Ｓｉ粒子については、観察長さ１００ｍｍ中で規定より大きい厚さ寸法の粒子を数え、１ｍｍあたりの個数として存在密度を評価した。

さらに上述のような各ブレージングシートフィン材について、フィン端部変形と接合性の評価を以下のように実施した。

すなわち、幅１６ｍｍのブレージングシートフィン材をコルゲート成形（高さ７ｍｍ、フィン山間各２ｍｍ）し、長さ８０ｍｍに揃えた。これを、表面にＺｎを溶射した純Ａｌ系合金からなる押出多穴チューブと組み合わせて、熱交換器を模したフィン５段のミニコアサンプルに組立て、フッ化物系フラックスを表面に塗布して乾燥させた後、窒素雰囲気炉中で加熱する高温ろう付け試験に供した。ろう付け時には、フィン端部が倒れる方向に重力が働かないようにミニコアサンプルを配置した。この試験は、この発明で目標とするろう付け時材料到達温度範囲内のうちの２水準の温度（６１４℃、６２１℃）を選択して実施した。なおろう付け加熱の昇温過程で材料温度４７０〜５７０℃の間は昇温速度がいずれも約９０℃／ｍｉｎで、４７０℃から到達温度までの時間は約６〜７ｍｉｎであった。このような短時間の昇温は、材料の目標到達温度よりも１０〜１５℃高い炉内温度とすることで可能となった。

比較のため、従来の通常のろう付けに近い到達温度６０２℃での試験も実施した。この場合は、４７０℃から到達温度まで１１ｍｉｎかかる条件とした。なおろう付け加熱後の冷却は、いずれの場合も平均で約１２０℃／ｍｉｎの冷却速度とした。

冷却後のミニコアのフィン端部合計１０箇所のうち、所定位置から３０°以上変形したものを数え、フィン端部倒れ変形の評価を行なった。

また、フィンの接合部の健全性評価として、フィンを機械的に剥がして表面を観察し、フィンとチューブの各接合部で充分なフィレットが形成されているか否かを確認した。そして全ての接合部で充分なフィレットが形成されているものを良好と判断した。

さらに、フィンのろう付け後の引張強度を、コルゲート加工無しのフィン単独で、到達温度６１４℃となる条件で前述のミニコアサンプルと同様に加熱した後に、長手方向に引張試験を行って求めた。

これらの特性評価結果を表４に示す。

表４に示す特性評価結果から、この発明の実施例では、到達温度が６１０℃を越え、６２２℃以下となる高温ろう付けで、フィン端部変形は生じておらず、フィンとチューブの接合も良好であり、加えて、高温ろう付け後のフィン強度も高いことが確認された。

なおこの発明の実施例によるフィンの一部のものでは、到達温度６０２℃での通常のろう付け条件でフィン接合不良が生じる場合があった（Ｇ１）が、この発明は、より高温でのろう付けを前提にしており、したがってこのことは特に問題とならない。

一方、比較例でも、到達温度６０２℃での通常ろう付け条件では問題なく使用できるものがあったが、到達温度が６１０℃を越える高温ではフィン端部の変形などの問題が生じている。このことは、通常のろう付け温度用としては充分に適正なクラッドフィンであっても、高温ろう付け用としては通用せず、この発明の技術で初めてこの点が解決されたことを示している。

さらに各比較例ＮＧ１〜ＮＧ１６のそれぞれについて説明する。

比較例ＮＧ１は、ろう材Ｓｉ量が低く、ろう付け後にフィンとチューブの接合不良となったものである。

ＮＧ２は、ろう材Ｓｉ量が高く、（１）式のＱの値が規定より大で、高温ろう付けでフィン端部変形が生じてしまった。

ＮＧ３、ＮＧ４は、いずれもろう材Ｓｉ量が高く、Ｑ値が大で、厚み方向の寸法が大きいＳｉ粒子がろう層中に多いため、高温ろう付けでフィン端部変形が生じてしまった。

ＮＧ５でも、ろう材が高Ｓｉで、Ｓｉ粒の大きいものが規定より多いため、高温ろう付けでフィン端部変形が生じた。

ＮＧ６、ＮＧ７は、クラッド率が高く、Ｑ値が大であって、高温ろう付けでフィン端部変形が生じた例である。

ＮＧ８は、ろう材のクラッド率が低く、高温ろう付けでも接合不良が生じた例である。

ＮＧ９では、心材中のＭｎ量が低く、高温ろう付け後の強度が低かった。

ＮＧ１０は、心材のＭｎ量が高く、鋳造後に粗大晶出物が観察されたため、組織均一性に問題があり、クラッド材まで作製しなかった例である。

ＮＧ１１は、心材のＳｉ量が低く、ろう材のＳｉが心材に拡散される影響により接合不良が生じた例である。

ＮＧ１２は、心材が高Ｓｉで、６１４℃でのろう付けでコルゲートフィンのほぼ全域でフィンのコルゲート山部の変形が生じた例である。

ＮＧ１３は、心材が高Ｃｕで、６１４℃でのろう付けでフィンのほぼ全域で変形し、フィンのコルゲート山部の変形が生じた例である。

ＮＧ１４〜ＮＧ１６は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖの添加量が多く、鋳造後に粗大晶出物が観察されたため、組織均一性に問題があり、クラッド材まで作製しなかった例である。

なお、表には記載していないが、ＮＧ４、ＮＧ６と同じ構成でも板厚のみ９５μｍとしたフィンでは、到達温度６１４℃での高温ろう付けでフィン端部変形は生じず、したがってこの発明で解決課題としている問題は、薄肉化したフィンに特有の問題であることも確認された。

１ ブレージングシートフィン
１Ａ フィン端部
２ チューブ
３ ヘッダタンク

Claims (6)

1. 心材の両面にろう材を接合した板厚４０〜８５μｍのクラッド材よりなり、コルゲート加工を施して、高温でろう付けが施される薄肉ブレージングシートフィンであって、
   心材がＭｎ０．７〜１．５ｍａｓｓ％、Ｓｉ０．３〜０．８ｍａｓｓ％、Ｆｅ０．０５〜０．７５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物元素からなるＡｌ−Ｍｎ系合金よりなり、ろう材が、Ｓｉを５．５〜８．０ｍａｓｓ％の範囲内で含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなり、しかもろう材の片面平均クラッド率が６．０〜９．８％の範囲内であって、かつろう材のＳｉ含有量Ｓｉｆ（ｍａｓｓ％）とろう材の片面平均クラッド率ＣＲ（％）とによって下記式（１）により定まるＱの値が６７以下であることを特徴とする、高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィン。
   Ｑ＝Ｓｉｆ（ｍａｓｓ％）×ＣＲ（％）≦６７ ・・・（１）
2. 請求項１に記載の高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィンにおいて、
   前記心材が、前記各元素のほか、さらにＣｕ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｚｎ０．３〜３．０ｍａｓｓ％のうちの一方または双方を含有するＡｌ−Ｍｎ系合金からなることを特徴とする、高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィン。
3. 請求項１に記載の高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィンにおいて、
   前記心材が、前記各元素のほか、さらにＴｉ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｚｒ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｃｒ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｖ０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有するＡｌ−Ｍｎ系合金からなることを特徴とする、高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィン。
4. 請求項１〜請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィンにおいて、
   ろう材層中において、厚さ方向の粒子寸法が片面平均ろう材厚さの８割を越えるＳｉ粒子が、ろう材の厚み方向に平行でかつフィンの長さ方向に平行な断面において、フィンの長さ方向分布として０．２個／ｍｍを越えて存在しないことを特徴とする、高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィン。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかの請求項に記載の高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィンにおいて、
   そのブレージングシートフィンが、材料到達温度６１０℃を越え６２２℃以下の範囲内でろう付けが施されるものであることを特徴とする、高温ろう付け用薄肉ブレージングシートフィン。
6. 請求項１〜請求項４のうちのいずれかの請求項に記載されたフィン材をコルゲート加工し、かつそのコルゲート加工されたブレージングシートフィンを少なくとも構成要素の一部として熱交換器コアを組立て、フィンの最高到達温度が６１０℃を越え６２２℃以下の範囲内となるように、非酸化性雰囲気中で炉内フラックスろう付けを行うことを特徴とする、アルミニウム合金製熱交換器の製造方法。

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