JP2015078399A - アルミニウム合金製熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】ろう付接合部分の耐食性に優れ、エアコン等の用途に適したアルミニウム合金製熱交換器を提供する。
【解決手段】ヘッダ管は、アルミニウム合金の心材と、心材の一方の面にクラッドされた犠牲陽極材とを備えるアルミニウム合金クラッド材からなる。心材は、Ｍｎ：０．３〜２．０ｍａｓｓ％（以下、％と略す）、Ｓｉ：１．５％以下、Ｆｅ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなり、犠牲陽極材は、Ｆｅ：０．０５〜１．０％、Ｚｎ：０．５〜５．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなる。ヘッダ管とチューブとの接合部の電位は、ヘッダ管表面の電位及びチューブ表面の電位よりも３０ｍＶ以下卑であり、接合部の電位は、ヘッダ管の表面から全厚の４分の１の位置の電位及びチューブの表面から全厚の４分の１の位置の電位よりも３０〜１００ｍＶ卑である。
【選択図】図１

Description

本発明は、成型されたアルミニウム合金クラッド材を用いてろう付により製造する、ろう付接合部分の耐食性に優れ、エアコン等の用途に適したアルミニウム合金製熱交換器に関するものである。
アルミニウム合金は軽量かつ高熱伝導性を備えており、適切な処理により高耐食性が実現できるため、エアコン用や自動車用の熱交換器などに用いられている。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Ａｌ合金材料技術が要求されている。このようなアルミニウム合金製熱交換器の一形態として、押出偏平チューブもしくは曲げ加工を施したブレージングシートのチューブと、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、さらに、チューブの両端を、クラッド材を筒状に成形加工されたヘッダ管に差し込み、これらの部材をろう付により接合する熱交換器が現用されている。
また、エアコンには冷房用の低温の冷風と室内の高温の熱気による温度差の激しい非常に苛酷な腐食環境下に置かれているため、さらなる耐食性向上技術が求められている。そのため、熱交換器として用いられるアルミニウム合金には、軽量化や耐久性のほかにも耐食性が求められており、チューブやヘッダ管にはＺｎを添加したＡｌ−Ｚｎ系合金、あるいはろう付機能を有するＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金を腐食環境に接する面に配し、ろう材（犠牲陽極材）、もしくはろう材（犠牲陽極材）と芯材に電位差をつけることによって犠牲防食を企てることが行われている。
上記のように、チューブやヘッダ管の耐食性が向上されてきているが、最近ではチューブやヘッダ管接合部の優先腐食による漏れが問題となっている。接合部には、ろう付け加熱でチューブやヘッダ管が接合される過程で、チューブやヘッダ管の犠牲陽極材に含まれる電位の卑なＺｎが接合部へ拡散されて、接合部の電位がチューブやヘッダ管の犠牲陽極材よりも卑となり、接合部の優先腐食を起こしてしまう。そのため、接合部に電位の貴な元素も拡散させることにより電位構成を調整する必要がある。
この接合部の腐食という課題に関して、チューブとヘッダ管との間の接合部の耐食性を向上させる方法が開示されている。
特許文献１には、チューブ表面の電位を接合部よりも相対的に２０ｍＶ以上卑とする熱交換器の製造方法が開示されている。しかしながら、この熱交換器では接合部よりも卑な部位を有することで優先腐食を抑制できるが、ヘッダ管に含まれるＺｎの接合部側への拡散や、ヘッダ管の電位については考慮されておらず、接合部がヘッダ管よりも電位が卑になると、接合部が優先腐食する可能性がある。
一方、特許文献２には、ヘッダ管表面と接合部の電位を、チューブ心材よりも３０ｍＶ以上卑とし、かつチューブ心材とヘッダ管心材の電位差を３０ｍＶ以内にすることでチューブの犠牲防食の効果を向上させることが記載されている。しかしながら、特許文献２では接合部の優先腐食には触れておらず、接合部がチューブよりも先に腐食漏れが生じる可能性がある。
特開２００９−１３９０５２号公報 特開２０１１−４２８５３号公報
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、チューブ、フィン、ヘッダ管をろう付により接合する熱交換器であって、特にろう付接合部分の耐食性に優れ、エアコン等の用途に適したアルミニウム合金製熱交換器を提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するべく本発明者らは、チューブ、ヘッダ管の構成の組み合わせが耐食性に及ぼす影響について詳細に検討した。その結果、チューブとヘッダ管との接合部においては、ヘッダ管とチューブの犠牲陽極材に含まれるＺｎや、心材に含まれるＣｕが接合部に拡散されることによって、接合部の孔食電位をチューブやヘッダ管の表層よりも貴にすることによって、接合部の優先腐食を抑え、ろう付接合部分の耐食性を向上させることができることを見出した。さらに、本発明者らは、チューブやヘッダ管の犠牲防食効果を両立することで、熱交換器としての寿命を著しく向上できることを見出した。本発明は、これら知見に基づきなすに至ったものである。
即ち、本発明のアルミニウム合金製熱交換器は、内部に流体通路を有する複数のチューブがそれぞれ並列に配置され、隣接する前記チューブ間に、コルゲート成型されたフィンが挟み込んで配置され、前記チューブの両端にヘッダ管が配置され、前記チューブ、前記フィン及び前記ヘッダ管がろう付け接合によって一体化されている熱交換器において、前記ヘッダ管は、アルミニウム合金の心材と、該心材の少なくとも一方の面にクラッドされた犠牲陽極材とを備えるアルミニウム合金クラッド材からなり、前記心材が、Ｍｎ：０．３〜２．０ｍａｓｓ％（以下、％と略す）、Ｓｉ：１．５％以下、Ｆｅ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなり、前記犠牲陽極材が、Ｆｅ：０．０５〜１．０％、Ｚｎ：０．５〜５．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなり、前記ヘッダ管と前記チューブとの接合部の電位が、前記ヘッダ管表面の電位及び前記チューブ表面の電位よりも３０ｍＶ以下卑であり、かつ前記接合部の電位が、前記ヘッダ管の表面から全厚の４分の１の位置の電位及び前記チューブの表面から全厚の４分の１の位置の電位よりも３０〜１００ｍＶ卑であることを特徴とする。
本発明によれば、ろう付接合部分の耐食性に優れ、エアコン等の用途に適したアルミニウム合金製熱交換器を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金製熱交換器の構造を示す概略図である。 図１のＡ部分の拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係るアルミニウム合金製熱交換器のＡ部分の拡大断面図である。
以下、本発明の実施形態に係るアルミニウム合金製熱交換器について詳細に説明する。
［１．熱交換器の構造］
図１に、本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金製熱交換器の構造を示す。
アルミニウム合金製熱交換器１は、内部に流体通路を有する複数のチューブ２がそれぞれ並列に配置され、隣接するチューブ２間に、コルゲート成型されたフィン３が挟み込んで配置、接合され、チューブ２の両端に、ヘッダ管４がろう付け接合によって一体化されている。
図２に、図１のＡ部分の拡大断面図を示す。
ヘッダ管４は、ヘッダ管心材４ａとその表面にクラッドされたヘッダ管犠牲陽極材４ｂとからなり、チューブ２は、チューブ心材２ａとその表面にクラッドされたチューブろう付機能付与犠牲陽極材２ｂとからなる。また、ヘッダ管犠牲陽極材４ｂとチューブろう付機能付与犠牲陽極材２ｂとが交差する表面部分には接合部５が形成されている。ヘッダ管４の表面からの全厚の４分の１の位置の面をαとし、チューブ２の表面から全厚の４分の１の位置の面をβとする。なお、この図では、ヘッダ管心材４ａの表面にクラッドされる層をヘッダ管犠牲陽極材４ｂとしたが、この代わりに、ヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’を用いることもできる。
図３に、本発明の他の実施形態に係るアルミニウム合金製熱交換器のＡ部分の拡大断面図を示す。この例のように、ヘッダ管犠牲陽極材４ｂがクラッドされている面とは反対側のヘッダ管心材４ａの表面にヘッダ管ろう材４ｃをクラッドすることもできる。以下、図２及び図３に示した熱交換器の各構成部分について詳しく説明する。
［２．ヘッダ管心材４ａの組成］
本発明に係るアルミニウム合金製熱交換器１のヘッダ管４のヘッダ管心材４ａには、Ｍｎ：０．３〜２．０ｍａｓｓ％（以下、％と記す）、Ｓｉ：１．５％以下、Ｆｅ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が用いられる。
（Ｓｉ：１．５％以下）
Ｓｉは、Ｍｎと共にＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の金属間化合物を形成し、分散強化により又はアルミニウム母相中に固溶して固溶強化により強度を向上させる。Ｓｉ含有量は、１．５％以下である。含有量が１．５％を超えると心材の融点が低下し、溶融が起こる可能性が高くなる。また、Ｓｉは添加量が少ないほど、結晶粒の粗大化を抑え成型加工性を向上させる効果があり、複雑な成形加工を有する場合はＳｉ無添加でも良いが、Ｓｉは不可避的に含有するため、０．０５％以上を含有する。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．１〜１．０％である。
（Ｆｅ：０．１〜１．０％）
Ｆｅは、金属間化合物として晶出または析出し、芯材強度を向上させる。またＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物相を形成してマトリックス中のＭｎ、Ｓｉ固溶度を低下させ、マトリックスの融点を上げることができる。Ｆｅ含有量は、０．１〜１．０％である。Ｆｅの含有量が０．１％未満ではその効果が小さい。一方１．０％を超えると、巨大晶出物の出現により鋳造性や圧延性を低下させる。Ｆｅの含有量は、好ましくは０．１〜０．３％である。
（Ｍｎ：０．３〜２．０％）
Ｍｎは、ＳｉとともにＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の金属間化合物を形成し、分散強化により又はアルミニウム母相中に固溶して固溶強化により強度を向上させる。Ｍｎ含有量は、０．３〜２．０％である。０．３％未満では上記効果が不十分となり、２．０％を超えると鋳造時に巨大金属間化合物が形成され易くなり、塑性加工性を低下させる。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．８〜１．８％である。
（Ｃｕ：０．０５〜１．０％）
Ｃｕは、固溶強化により強度を向上させる。また、Ｃｕには芯材の電位を貴化し、ろう材との電位差を大きくすることでろう材との間で犠牲防食効果を向上させる。さらに、熱交換器ではヘッダ管やチューブに含まれるＣｕがろう付け加熱の過程で接合部に拡散されて接合部の電位を貴化することにより、接合部の電位の卑化による優先腐食を抑え、熱交換器全体の腐食寿命を向上させる効果がある。Ｃｕ含有量は、０．０５〜１．０％である。０．０５％未満では上記効果が不十分となり、１．０％を超えると鋳造時におけるアルミニウム合金の割れ発生の可能性が高くなる。Ｃｕ含有量は、好ましくは０．１〜０．６％である。
（選択的添加元素）
また、本発明に用いるヘッダ管心材４ａは、選択的添加元素として、Ｍｇ：０．１〜１．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｖ：０．０５〜０．３％の中から選択される１種以上を更に含有してもよい。
Ｍｇは、芯材の強度を向上させる効果を有する。Ｍｇの含有量は、０．１〜１．０％とするのが好ましい。Ｍｇの含有量が０．１％未満ではその効果が小さい。一方１．０％を超えると芯材の電位が卑になり、ろう材との電位勾配が得られず、ろう材の犠牲防食効果が損なわれて芯材の耐食性が低下する。Ｍｇの含有量は、好ましくは０．１〜０．５％である。
Ｔｉは、固溶強化により強度を向上させる。Ｔｉ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が不十分となる場合があり、０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｔｉ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｚｒは、固溶強化により強度を向上させると共に、Ａｌ−Ｚｒ系の金属間化合物を析出させてろう付後の結晶粒粗大化に作用する。Ｚｒ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｚｒ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｃｒは、固溶強化により強度を向上させると共に、Ａｌ−Ｃｒ系の金属間化合物を析出させてろう付後の結晶粒粗大化に作用する。Ｃｒ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｃｒ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｖは、固溶強化により強度を向上させると共に、耐食性も向上させる。Ｖ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｖ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
［３．ヘッダ管犠牲陽極材４ｂ、ヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’］
ヘッダ管犠牲陽極材４ｂは、ヘッダ管４の心材に皮材としてクラッドすることによって、腐食環境下においてヘッダ管犠牲陽極材４ｂが優先して腐食され、心材の腐食を抑えてヘッダ管４の腐食寿命を向上させる効果を有する。また、ヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’は、前述した犠牲陽極材の効果に加えて、ろう付で接合に用いられるろうとしての機能も有しており、ろう付後に溶け残った皮材が犠牲陽極材として作用する。
ヘッダ管４のヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’のろうは、主にチューブ２との接合で使用される。熱交換器のサイズやチューブ２の本数などでより多くのろうが必要な場合や、接合性を向上させるなどの用途に応じて、ヘッダ管心材４ａにヘッダ管犠牲陽極材４ｂまたはヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’をクラッドしたクラッド材がヘッダ管４として用いられる。
ヘッダ管犠牲陽極材４ｂには、Ｆｅ：０．０５〜１．０％、Ｚｎ：０．５〜５．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が用いられる。
ヘッダ管心材４ａにクラッドされる犠牲陽極材４ｂまたはろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’のクラッド率については、犠牲ろう付性や防食効果を充分に得るためには、十分なクラッド率が必要になってくる。クラッド率が低すぎると、ろう付時のろうが不足して接合性が低下したり、犠牲防食効果が低下したりする虞がある。また、クラッド率が高すぎると溶融ろうが多くなり心材が溶解されやすくなる。したがって上記犠牲陽極材とろう付機能付与犠牲陽極材とろう材のクラッド率は８〜２０％が望ましい。
（Ｚｎ：０．５〜５．０％）
Ｚｎは、電位を卑にすることができ、心材との電位差を形成することで犠牲陽極効果により耐食性を向上することができる。さらに、熱交換器ではヘッダ管やチューブに含まれるＺｎがろう付け加熱の過程で接合部に拡散されて接合部の電位を卑化することにより、ヘッダ管やチューブの心材の腐食を抑える効果をもたらす。Ｚｎの含有量は０．５〜５．０％である。０．５％未満では、犠牲陽極効果による耐食性向上の効果が十分ではない。一方、５．０％を超えると、腐食速度が速くなり早期に犠牲陽極材が消失して耐食性が低下する。さらに、ろう付け加熱時に接合部に拡散されるＺｎ量が増大し、接合部の電位が著しく卑化し、接合部の優先腐食が促進されて、接合部の腐食漏れを引き起こす。Ｚｎ含有量は、好ましくは１．０〜４．０％である。
（Ｆｅ：０．０５〜１．０％）
Ｆｅは、Ｓｉ、ＭｎとともにＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の化合物を形成し、分散強化により強度を向上させる。Ｆｅの添加量は、０．０５〜１．０％である。含有量が０．０５％未満では、高純度アルミニウム地金を使用しなければならずコスト高となる。一方、１．０％を超えると鋳造時に巨大金属間化合物が形成され易くなり、塑性加工性を低下させる。さらに、ヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’としては、Ｆｅが１．０％を超えると、Ａｌ−Ｆｅ系やＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の化合物の形成によりろう付時におけるろうの流動性を低下させ、ろう付性を阻害する。Ｆｅ含有量は、好ましくは０．０５〜０．５％である。
ヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’には、Ｓｉ：２．５〜１５．０％、Ｆｅ：０．０５〜１．０％、Ｚｎ：０．５〜５．０％を含有し、残部が残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が用いられる。
（Ｓｉ：２．５〜１５．０％）
Ｓｉは、添加することにより犠牲陽極材の融点が低下して液相を生じさせ、これによってろう付けを可能にする。Ｓｉ含有量は２．５〜１５．０％である。２．５％未満では、液相が僅かしか生じないので外部ろう付けが機能し難い。一方、１５．０％を超えると、ろう付け加熱時に生じる液相量が多くなり過ぎ、残存固相として存在する犠牲陽極材部分が少なくなり、耐食性が低下する。Ｓｉ含有量は、好ましくは４．０〜１２．０％である。
（Ｚｎ：０．５〜５．０％）
Ｚｎは、電位を卑にすることができ、心材との電位差を形成することで犠牲陽極効果により耐食性を向上することができる。さらに、熱交換器ではヘッダ管やチューブに含まれるＺｎがろう付け加熱の過程で接合部に拡散されて接合部の電位を卑化することにより、ヘッダ管やチューブの心材の腐食を抑える効果をもたらす。Ｚｎの含有量は０．５〜５．０％である。０．５％未満では、犠牲陽極効果による耐食性向上の効果が十分ではない。一方、５．０％を超えると、腐食速度が速くなり早期に犠牲陽極材が消失して耐食性が低下する。さらに、ろう付け加熱時に接合部に拡散されるＺｎ量が増大し、接合部の電位が著しく卑化し、接合部の優先腐食が促進されて、接合部の腐食漏れを引き起こす。Ｚｎ含有量は、好ましくは１．０〜４．０％である。
（Ｆｅ：０．０５〜１．０％）
Ｆｅは、Ｓｉ、ＭｎとともにＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の化合物を形成し、分散強化により強度を向上させる。Ｆｅの添加量は、０．０５〜１．０％である。含有量が０．０５％未満では、高純度アルミニウム地金を使用しなければならずコスト高となる。一方、１．０％を超えると鋳造時に巨大金属間化合物が形成され易くなり、塑性加工性を低下させる。さらに、ヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’としては、Ｆｅが１．０％を超えると、Ａｌ−Ｆｅ系やＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の化合物の形成によりろう付時におけるろうの流動性を低下させ、ろう付性を阻害する。Ｆｅ含有量は、好ましくは０．０５〜０．５％である。
（選択的添加元素）
また、本発明に用いるヘッダ管犠牲陽極材４ｂまたはヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’は、選択的添加元素として、Ｍｎが０．０５〜１．０％、Ｔｉが０．０５〜０．３％、Ｚｒが０．０５〜０．３％、Ｃｒが０．０５〜０．３％、Ｖが０．０５〜０．３％、Ｎａが０．００１〜０．０５％、Ｓｒが０．００１〜０．０５％の中から選択される１種以上を更に含有してもよい。
Ｍｎは、強度と耐食性を向上させるので含有させるのが好ましい。Ｍｎの含有量は、０．０５〜１．０％が好ましい。１．０％を超えると鋳造時に巨大金属間化合物が形成され易くなり、塑性加工性を低下させる場合があり、また犠牲陽極材の電位を貴にするため、犠牲陽極効果を阻害して耐食性を低下させる場合がある。一方、０．０５％未満では、その効果が十分でない場合がある。Ｍｎのより好ましい含有量は、０．１〜０．５％である。
Ｔｉは、固溶強化により強度を向上させると共に、耐食性も向上させる。Ｔｉ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では、上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｔｉ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｚｒは、固溶強化により強度を向上させると共に、Ａｌ−Ｚｒ系の金属間化合物を析出させてろう付後の結晶粒粗大化に作用する。Ｚｒ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｚｒ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｃｒは、固溶強化により強度を向上させると共に、Ａｌ−Ｃｒ系の金属間化合物を析出させてろう付後の結晶粒粗大化に作用する。Ｃｒ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｃｒ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｖは、固溶強化により強度を向上させると共に、耐食性も向上させる。Ｖ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｖ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
ＮａおよびＳｒは、Ａｌ−Ｓｉ系ろうの皮材に添加することにより、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材中のＳｉ粒子のサイズを細かく均一に分散させて、粗大なＳｉ粒子の発生を制御し、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材の心材やフィンとの接合部の局部溶融やエロージョンを抑制させる。ＮａやＳｒが０．００１％未満では上記効果が十分に得られない。一方、０．０５％を超えるとろう付加熱時にろうの酸化が進み、ろうの流動性やろう付性を低下させてしまう。従ってＮａやＳｒの含有量は０．００１〜０．０５％が望ましく、さらに好ましくは０．００５〜０．０１５％が望ましい。
［４．ヘッダ管ろう材４ｃ］
アルミニウム合金クラッド材のヘッダ管４では、チューブ２等の接合性を向上させるために、ヘッダ管心材４ａにヘッダ管犠牲陽極材４ｂもしくはヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’がクラッドされている面とは他方の面のヘッダ管心材４ａに、ヘッダ管ろう材４ｃをクラッドして用いることができる。
ヘッダ管心材４ａにクラッドされるろう材４ｃのクラッド率については、犠牲ろう付性や防食効果を充分に得るためには、十分なクラッド率が必要になってくる。クラッド率が低すぎると、ろう付時のろうが不足して接合性が低下したり、犠牲防食効果が低下したりする虞がある。また、クラッド率が高すぎると溶融ろうが多くなり心材が溶解されやすくなる。したがって上記犠牲陽極材とろう付機能付与犠牲陽極材とろう材のクラッド率は８〜２０％が望ましい。
ヘッダ管ろう材４ｃには、Ｓｉ：２．５〜１５％、Ｆｅ：０．０５〜１．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が用いられる。
（Ｓｉ：２．５〜１５％）
Ｓｉは、融点を低下させて液相を生じ、ろう付けを可能にする。Ｓｉの含有量は、２．５〜１５％である。２．５％未満では、生じる液相が僅かでありろう付けが機能し難くなる。一方、１５％を超えると、例えばチューブなどの相手材へ拡散するＳｉ量が過剰となり、相手材の溶融が発生する。Ｓｉの好ましい含有量は４．０〜１２％である。
（Ｆｅ：０．０５〜１．０％）
Ｆｅは、Ａｌ−Ｆｅ系やＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の化合物を形成し易い。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物の形成によりろう材の有効Ｓｉ量を低下させ、また、Ａｌ−Ｆｅ系やＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の化合物の形成によりろう付時におけるろうの流動性を低下させ、ろう付性を阻害する。Ｆｅの含有量は、０．０５〜１．０％である。Ｆｅ含有量が１．０％を超えると、上述のようにろう付性を阻害してろう付が不十分となる。一方、Ｆｅ含有量が０．０５％未満では、高純度アルミニウム地金を使用しなければならなくなってコスト高を招く。Ｆｅの好ましい含有量は、０．１〜０．５％である。
（選択的添加元素）
また、本発明に用いるろう材は、選択的添加元素として、Ｍｎが０．０５〜１．０％、Ｔｉが０．０５〜０．３％、Ｚｒが０．０５〜０．３％、Ｃｒが０．０５〜０．３％、Ｖが０．０５〜０．３％、Ｎａが０．００１〜０．０５％、Ｓｒが０．００１〜０．０５％の中から選択される１種以上を更に含有してもよい。
Ｍｎは、強度と耐食性を向上させるので含有させるのが好ましい。Ｍｎの含有量は、０．０５〜１．０％が好ましい。１．０％を超えると鋳造時に巨大金属間化合物が形成され易くなり、塑性加工性を低下させる場合があり、また犠牲陽極材の電位を貴にするため、犠牲陽極効果を阻害して耐食性を低下させる場合がある。一方、０．０５％未満では、その効果が十分でない場合がある。Ｍｎのより好ましい含有量は、０．１〜０．５％である。
Ｔｉは、固溶強化により強度を向上させると共に、耐食性も向上させる。Ｔｉ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では、上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｔｉ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｚｒは、固溶強化により強度を向上させると共に、Ａｌ−Ｚｒ系の金属間化合物を析出させてろう付後の結晶粒粗大化に作用する。Ｚｒ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｚｒ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｃｒは、固溶強化により強度を向上させると共に、Ａｌ−Ｃｒ系の金属間化合物を析出させてろう付後の結晶粒粗大化に作用する。Ｃｒ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｃｒ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｖは、固溶強化により強度を向上させると共に、耐食性も向上させる。Ｖ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｖ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
ＮａおよびＳｒは、Ａｌ−Ｓｉ系ろうの皮材に添加することにより、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材中のＳｉ粒子のサイズを細かく均一に分散させて、粗大なＳｉ粒子の発生を制御し、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材の心材やフィンとの接合部の局部溶融やエロージョンを抑制させる。ＮａやＳｒが０．００１％未満では上記効果が十分に得られない。一方、０．０５％を超えるとろう付加熱時にろうの酸化が進み、ろうの流動性やろう付性を低下させてしまう。従ってＮａやＳｒの含有量は０．００１〜０．０５％が望ましく、さらに好ましくは０．００５〜０．０１５％が望ましい。
［５．チューブ心材２ａ］
本発明に係るアルミニウム合金製熱交換器１のチューブ２は、押出材もしくは、板状のチューブ心材２ａにろう材や犠牲陽極材、もしくはチューブろう付機能付与犠牲陽極材２ｂを皮材としてクラッドしたクラッド材を曲げ加工で折り曲げることにより、チューブの形状に成形加工して用いられる。
チューブ心材２ａには、Ｍｎが０．５〜２．０％、Ｓｉが１．５％以下、Ｆｅが０．１〜１．０％、Ｃｕが０．１〜１．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が用いられる。
（Ｓｉ：１．５％以下）
Ｓｉは、Ｍｎと共にＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の金属間化合物を形成し、分散強化により又はアルミニウム母相中に固溶して固溶強化により強度を向上させる。Ｓｉ含有量は、１．５％以下である。含有量が１．５％を超えると心材の融点が低下し、溶融が起こる可能性が高くなる。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．１〜１．０％である。また、Ｓｉは添加量が少ないほど、結晶粒の粗大化を抑え成型加工性を向上させる効果があり、複雑な成形加工を有する場合はＳｉ無添加でも良い。
（Ｆｅ：０．１〜１．０％）
Ｆｅは、金属間化合物として晶出または析出し、芯材強度を向上させる。またＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物相を形成してマトリックス中のＭｎ、Ｓｉ固溶度を低下させ、マトリックスの融点を上げることができる。Ｆｅ含有量は０．１〜１．０％である。Ｆｅの含有量が０．１％未満ではその効果が小さい。一方１．０％を超えると、巨大晶出物の出現により鋳造性や圧延性を低下させる。Ｆｅの含有量は、好ましくは０．１〜０．３％である。
（Ｍｎ：０．５〜２．０％）
Ｍｎは、ＳｉとともにＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の金属間化合物を形成し、分散強化により又はアルミニウム母相中に固溶して固溶強化により強度を向上させる。Ｍｎ含有量は、０．５〜２．０％である。０．５％未満では上記効果が不十分となり、２．０％を超えると鋳造時に巨大金属間化合物が形成され易くなり、塑性加工性を低下させる。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．８〜１．８％である。また、押出でチューブを製造する場合Ｍｎが含有されていると、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物がチューブのような緻密な形状への成形を阻害し、押出性が著しく低下するため、押出でチューブを製造する場合はＭｎを無添加にすることが好ましい。
（Ｃｕ：０．１〜１．０％）
Ｃｕは、固溶強化により強度を向上させる。また、Ｃｕには芯材の電位を貴化し、ろう材との電位差を大きくすることでろう材との間で犠牲防食効果を向上させる。さらに、熱交換器ではヘッダ管やチューブに含まれるＣｕがろう付け加熱の過程で接合部に拡散されて接合部の電位を貴化することにより、接合部の電位の卑化による優先腐食を抑え、熱交換器全体の腐食寿命を向上させる効果がある。Ｃｕ含有量は、０．１〜１．０％である。０．１％未満では上記効果が不十分となり、１．０％を超えると鋳造時におけるアルミニウム合金の割れ発生の可能性が高くなる。Ｃｕ含有量は、好ましくは０．１〜０．６％である。
（選択的添加元素）
本発明に用いるチューブ心材２ａは、選択的添加元素として、Ｍｇが０．１〜１．０％、Ｔｉが０．０５〜０．３％、Ｚｒが０．０５〜０．３％、Ｃｒが０．０５〜０．３％、Ｖが０．０５〜０．３％の中から選択される１種以上を含有してもよい。
Ｍｇは、芯材の強度を向上させる効果を有する。Ｍｇの含有量は、０．１〜１．０％とするのが好ましい。Ｍｇの含有量が０．１％未満ではその効果が小さい。一方１．０％を超えると芯材の電位が卑になり、ろう材との電位勾配が得られず、ろう材の犠牲防食効果が損なわれて芯材の耐食性が低下する。Ｍｇの含有量は、好ましくは０．１〜０．５％である。
Ｔｉは、固溶強化により強度を向上させる。Ｔｉ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が不十分となる場合があり、０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｔｉ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｚｒは、固溶強化により強度を向上させると共に、Ａｌ−Ｚｒ系の金属間化合物を析出させてろう付後の結晶粒粗大化に作用する。Ｚｒ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｚｒ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｃｒは、固溶強化により強度を向上させると共に、Ａｌ−Ｃｒ系の金属間化合物を析出させてろう付後の結晶粒粗大化に作用する。Ｃｒ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｃｒ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｖは、固溶強化により強度を向上させると共に、耐食性も向上させる。Ｖ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｖ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
［６．チューブろう付機能付与犠牲陽極材２ｂ］
チューブ心材２ａにクラッドされたチューブろう付機能付与犠牲陽極材２ｂには、Ｓｉが２．５〜１５．０％、Ｆｅが０．０５〜１．０％、Ｚｎが０．５〜５．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が用いられる。
チューブ心材２ａにクラッドされるろう付機能付与犠牲陽極材２ｂのクラッド率については、犠牲ろう付性や防食効果を充分に得るためには、十分なクラッド率が必要になってくる。クラッド率が低すぎると、ろう付時のろうが不足して接合性が低下したり、犠牲防食効果が低下したりする虞がある。また、クラッド率が高すぎると溶融ろうが多くなり心材が溶解されやすくなる。したがって上記犠牲陽極材とろう付機能付与犠牲陽極材とろう材のクラッド率は８〜２０％が望ましい。
（Ｓｉ：２．５〜１５．０％）
Ｓｉは、添加することにより犠牲陽極材の融点が低下して液相を生じさせ、これによってろう付けを可能にする。Ｓｉ含有量は２．５〜１５．０％である。２．５％未満では、液相が僅かしか生じないので外部ろう付けが機能し難い。一方、１５．０％を超えると、ろう付け加熱時に生じる液相量が多くなり過ぎ、残存固相として存在する犠牲陽極材部分が少なくなり、耐食性が低下する。Ｓｉ含有量は、好ましくは４．０〜１２．０％である。
（Ｚｎ：０．５〜５．０％）
Ｚｎは、電位を卑にすることができ、心材との電位差を形成することで犠牲陽極効果により耐食性を向上することができる。さらに、熱交換器ではヘッダ管やチューブに含まれるＺｎがろう付け加熱の過程で接合部に拡散されて接合部の電位を卑化することにより、ヘッダ管やチューブの心材の腐食を抑える効果をもたらす。Ｚｎの含有量は０．５〜５．０％である。０．５％未満では、犠牲陽極効果による耐食性向上の効果が十分ではない。一方、５．０％を超えると、腐食速度が速くなり早期に犠牲陽極材が消失して耐食性が低下する。さらに、ろう付け加熱時に接合部に拡散されるＺｎ量が増大し、接合部の電位が著しく卑化し、接合部の優先腐食が促進されて、接合部の腐食漏れを引き起こす。Ｚｎ含有量は、好ましくは１．０〜４．０％である。
（Ｆｅ：０．０５〜１．０％）
Ｆｅは、Ｓｉ、ＭｎとともにＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の化合物を形成し、分散強化により強度を向上させる。Ｆｅの添加量は、０．０５〜１．０％である。含有量が０．０５％未満では、高純度アルミニウム地金を使用しなければならずコスト高となる。一方、１．０％を超えると鋳造時に巨大金属間化合物が形成され易くなり、塑性加工性を低下させる。さらに、ろう付機能付与犠牲材としては、Ｆｅが１．０％を超えると、Ａｌ−Ｆｅ系やＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の化合物の形成によりろう付時におけるろうの流動性を低下させ、ろう付性を阻害する。Ｆｅ含有量は、好ましくは０．０５〜０．５％である。
（選択的添加元素）
本発明に用いるチューブろう付機能付与犠牲陽極材２ｂは、選択的添加元素として、Ｍｎが０．０５〜１．０％、Ｔｉが０．０５〜０．３％、Ｚｒが０．０５〜０．３％、Ｃｒが０．０５〜０．３％、Ｖが０．０５〜０．３％、Ｎａが０．００１〜０．０５％、Ｓｒが０．００１〜０．０５％を１種以上含有してもよい。
Ｍｎは、強度と耐食性を向上させるので含有させるのが好ましい。Ｍｎの含有量は、０．０５〜１．０％が好ましい。１．０％を超えると鋳造時に巨大金属間化合物が形成され易くなり、塑性加工性を低下させる場合があり、また犠牲陽極材の電位を貴にするため、犠牲陽極効果を阻害して耐食性を低下させる場合がある。一方、０．０５％未満では、その効果が十分でない場合がある。Ｍｎのより好ましい含有量は、０．１〜０．５％である。
Ｔｉは、固溶強化により強度を向上させると共に、耐食性も向上させる。Ｔｉ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では、上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｔｉ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｚｒは、固溶強化により強度を向上させると共に、Ａｌ−Ｚｒ系の金属間化合物を析出させてろう付後の結晶粒粗大化に作用する。Ｚｒ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｚｒ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｃｒは、固溶強化により強度を向上させると共に、Ａｌ−Ｃｒ系の金属間化合物を析出させてろう付後の結晶粒粗大化に作用する。Ｃｒ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｃｒ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
Ｖは、固溶強化により強度を向上させると共に、耐食性も向上させる。Ｖ含有量は、０．０５〜０．３％とするのが好ましい。０．０５％未満では上記効果が得られない場合がある。０．３％を超えると巨大金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる場合がある。Ｖ含有量は、より好ましくは０．１〜０．２％である。
ＮａおよびＳｒは、Ａｌ−Ｓｉ系ろうの皮材に添加することにより、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材中のＳｉ粒子のサイズを細かく均一に分散させて、粗大なＳｉ粒子の発生を制御し、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材の心材やフィンとの接合部の局部溶融やエロージョンを抑制させる。ＮａやＳｒの０．００１％未満では上記効果が十分に得られない。一方、０．０５％を超えるとろう付加熱時にろうの酸化が進み、ろうの流動性やろう付性を低下させてしまう。従ってＮａやＳｒの含有量は０．００１〜０．０５％が望ましく、さらに好ましくは０．００５〜０．０１５％が望ましい。
なお、前記チューブクラッド材は、圧延板として作製し、曲げ加工などでチューブの形状に成形加工するもので、熱交換器の用途に応じてチューブクラッド材を使用することができる。
［７．チューブ２表面のＺｎ溶射］
本発明に用いるアルミニウム合金製チューブ２には、その外面にＺｎを付与することができる。Ｚｎ付与方法は、Ｚｎ溶射、Ｚｎ塗布、メッキ等が挙げられる。Ｚｎ溶射では、Ｚｎ溶射層は、ろう付処理を施すことにより、Ｚｎの拡散した層となる。上記Ｚｎ拡散層は、Ａｌ合金のＺｎが拡散していない部分よりも孔食電位が卑であるため犠牲防食効果によってＡｌ合金を防食し、Ａｌ合金の耐久寿命を向上させることができる。Ｚｎ溶射量が３ｇ／ｍ２未満であると犠牲防食効果が十分に発現せず、Ｚｎ溶射量が１５ｇ／ｍ２を超えると腐食速度が増大し、早期でチューブ２の心材２ａまで腐食が進行し、チューブ２の腐食寿命が低下する。したがってＺｎ溶射量は３〜１５ｇ／ｍ２が望ましい。
前記Ｚｎ溶射を付与したチューブ２は、押出でチューブの形状として作製し、曲げ加工熱交換器の用途に応じて押出チューブを使用する。
［８．熱交換器の電位］
次に、本発明に係るアルミニウム合金製熱交換器１の電位について説明する。
ヘッダ管４とチューブ２はろう付け加熱の過程で皮材に含まれるＺｎなどが心材側へ拡散されることによって電位勾配が形成される。犠牲防食作用により皮材が消失した後も心材へ拡散されたＺｎなどの電位の卑な元素が心材に前記電位勾配をつくり、電位の卑な心材表面が犠牲防食効果を有して、深さ方向への腐食を抑えて、耐食寿命を向上させる。このとき、ヘッダ管４とチューブ２の各表面全厚の中央間の電位勾配が小さいと、犠牲防食効果を有する皮材が腐食で消失した後に電位勾配の小さい心材が早期で腐食漏れに達して熱交換器１の腐食寿命が短期化する。したがって、ヘッダ管４とチューブ２の各表面全厚の中央間には電位勾配が必要であり、さらにその中間の全厚の４分の１の位置において本発明で規定する熱交換器の電位構成であれば、皮材が消失した後も心材に犠牲防食効果が作用して、耐食寿命を向上させることができる。
本発明のクラッド率は８〜２０％であり、全厚の４分の１の位置における電位とは犠牲防食作用による腐食で心材に達する位置の電位を示すものである。
図２に示すように、本実施形態では、ヘッダ管４とチューブ２との接合部５の電位Ｖ０が、ヘッダ管４の表面の電位Ｖ１及びチューブ２の表面の電位Ｖ２よりも３０ｍＶ以下卑であり、かつ接合部５の電位Ｖ０がヘッダ管４の表面から全厚の４分の１の位置αの電位Ｖ３及びチューブ２の表面から全厚の４分の１の位置βの電位Ｖ４よりも３０〜１００ｍＶ卑であることを特徴としている。
腐食環境下において、電位の異なる異物が接触している場合、電位の卑な部位から優先的に腐食が進行する。この現象を利用してクラッド材において表層に電位の卑な異種金属を皮材としてクラッドして、この前記皮材を優先して腐食させることで、心材への腐食を遅延させ腐食寿命を向上させている。これを犠牲防食効果と呼んでいる。
アルミニウム合金製熱交換器１においては、チューブ２やフィン３、ヘッダ管４などの各部材が定法では６００℃程度の温度でろう付け加熱することによって接合される。その接合部５にはろう付け加熱によって溶融したＡｌ−Ｓｉ系合金のろうが充填されており、Ａｌ−Ｓｉ系合金のろうが凝固することにより熱交換器の各部材が接合されている。耐食性においてはチューブ２やヘッダ管４の内部には冷却水や冷媒が流れており、腐食漏れが生じると熱交換器としての機能が失われてしまうために、チューブ２やヘッダ管４には電位の卑なＺｎ粉末を塗布したり、前記犠牲防食効果を有する皮材（犠牲陽極材やろう付機能付与犠牲陽極材）をクラッドしたりして用いられることが多い。しかし、チューブ２とヘッダ管４の接合部５にはろう付け加熱の過程で犠牲陽極材やろう付機能付与犠牲陽極材に含まれるＺｎが拡散して、チューブ２表面とヘッダ管４表面よりも電位が卑となり、接合部５の優先腐食が生じて接合部５から腐食漏れが起こる可能性がある。
本発明においては、ろう付け加熱の過程で、電位の卑なＺｎの他にもＣｕなどの電位の貴な元素も拡散させることによって接合部５の電位の卑化を抑えている。このとき、ヘッダ管４とチューブ２との接合部５の電位Ｖ０がヘッダ管４表面の電位Ｖ１及びチューブ２表面の電位Ｖ２よりも３０ｍＶ以下卑であれば、接合部５の優先腐食を抑え、熱交換器全体の腐食寿命を向上させることができる。このとき、前記電位差が３０ｍＶを超えて卑になると、接合部５の優先腐食が進行し、チューブ２やヘッダ管４の犠牲防食効果が十分に作用せずに接合部５から早期腐食漏れが生じる。また、前記接合部５の電位Ｖ０がヘッダ管４表面の電位Ｖ１、チューブ２表面の電位Ｖ２よりも貴である場合、ヘッダ管４表面、チューブ２表面の犠牲防食が作用されるので、接合部５の優先腐食は起こり得ない。
また、犠牲陽極材とろう付機能付与犠牲陽極材、Ｚｎ溶射に含まれるＺｎはろう付け加熱の過程で、心材の厚さ方向へ拡散されて、表面から厚さ方向に対してＺｎの濃度勾配と電位勾配が形成される。これを利用して犠牲防食によって皮材が消失した後も、皮材と心材の界面近傍のＺｎが拡散された心材から犠牲防食効果を作用させる。この作用によって、接合部５の腐食寿命を向上させるとともに、ヘッダ管４やチューブ２と接合部５との電位差の拡大による接合部５の優先腐食を抑えて熱交換器全体の耐食寿命を向上させる。ヘッダ管４やチューブ２が腐食で深さ方向に表面が消失するにつれて電位が貴になるが、このときヘッダ管４やチューブ２と接合部５との電位差が離れていると、接合部５の早期腐食漏れ、もしくはヘッダ管４とチューブ２の早期腐食漏れを起こしてしまう。このとき、ヘッダ管４の表面から全厚の４分の１の位置α及びチューブ２の表面から全厚の４分の１の位置βで、接合部５の電位Ｖ０が位置αの電位Ｖ３及び位置βの電位Ｖ４よりも３０〜１００ｍＶ卑であれば、接合部５、もしくはヘッダ管４とチューブ２の優先腐食による早期腐食漏れを抑えることができる。
接合部５の電位Ｖ０が電位Ｖ３及び電位Ｖ４よりも３０ｍＶ未満卑であると、ヘッダ管４とチューブ２の皮材と心材の界面近傍のＺｎが拡散された心材の犠牲防食効果が作用せずに、ヘッダ管４とチューブ２の早期腐食漏れを起こしてしまう。また、接合部５の電位Ｖ０が１００ｍＶを超えて卑であると、接合部５の優先腐食が起こり、早期腐食漏れを起こす。
以上のことにより、ヘッダ管４とチューブ２との接合部５の電位Ｖ０が、ヘッダ管４の表面の電位Ｖ１及びチューブ２の表面の電位Ｖ２よりも３０ｍＶ以下卑であり、かつ接合部５の電位Ｖ０がヘッダ管４の表面から全厚の４分の１の位置αの電位Ｖ３及びチューブ２の表面から全厚の４分の１の位置βの電位Ｖ４よりも３０〜１００ｍＶ卑であるものとする。
［９．製造方法］
［９−１．ヘッダ管４の製造方法］
本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金製熱交換器１に用いるアルミニウム合金クラッド材のヘッダ管４は、クラッドした圧延材を電縫加工する方法、または押出加工する方法を用いて製造することができる。クラッド材を電縫加工する方法としては、例えば、鋳造によりスラブを作製した後、このスラブの均質化処理を経て、面削後、皮材（ヘッダ管犠牲陽極材４ｂまたはヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’）とヘッダ管心材４ａをクラッドして熱間圧延、冷間圧延を経て圧延板として作製する。このとき、前述の均質化処理は５２０℃以上で行うことが好ましい。５２０℃以上で行うことで、心材中の金属間化合物を再固溶させ、その後の工程で再び微細に析出させることが可能となる。また、用途によっては心材の均質化処理を行わなくても良く、この場合鋳造時に得られる金属間化合物が微細な状態を維持したままでその後の工程に入ることができる。
続いて前述の心材と皮材をクラッドして熱間圧延を実施する前に４００℃〜５５０℃で１〜１０時間保持するのが好ましい。温度が４００℃未満では圧延時の材料の温度が低すぎるため圧延中に割れを生じる虞があり、５５０℃を超えるとろう付機能付与犠牲材４ｂ’が溶融する虞があり、時間が１時間未満では材料温度が均一にならず、１０時間以上では生産性を著しく損なってしまう。その後冷間圧延を施して前述の圧延板を中空管の形状に曲げ加工を施し、電縫加工によるアーク溶接でつなぎ目を接合してヘッダ管４の形状の電縫管を作製する。
あるいは、押出加工する方法としては、例えば、鋳造によりビレットを作製した後、前述のビレットの均質化処理を経て、心材ビレットの中心に穴を開け心材の外側と用途に応じて穴を空けた内側に皮材をクラッドして、マンドレル法で熱間押出、ブルブロックなどの抽伸を経て、ヘッダ管４の形状に成形加工した押出管を作製する方法がある。このとき、前述の均質化処理は５２０℃以上で行うことが好ましい。５２０℃以上で行うことで、心材中の金属間化合物を再固溶させ、その後の工程で再び微細に析出させることが可能となる。また、用途によっては心材の均質化処理を行わなくても良く、この場合鋳造時に得られる金属間化合物が微細な状態を維持したままでその後の工程に入ることができる。
続いて前述のビレット心材と皮材をクラッドして熱間押出を実施する前に４００℃〜５５０℃で加熱した状態で熱間押出するのが好ましい。温度が４００℃未満では押出加工時の材料の温度が低すぎるため押出加工中でダイスにメタル詰まりが生じる虞があり、５５０℃を超えるとヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材４ｂ’が溶融する虞がある。
本発明においては前述の電縫管と押出管のどちらを用いても良いものとする。
［９−２．チューブ２（圧延板）の製造方法］
本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金製熱交換器１に用いるアルミニウム合金クラッド材のチューブ２は、鋳造によりスラブを作製した後、このスラブの均質化処理を経て、面削後、皮材（犠牲陽極材またはチューブろう付機能付与犠牲陽極材２ｂ）とチューブ心材２ａをクラッドして熱間圧延、冷間圧延を経て圧延板として作製し、曲げ加工などでチューブの形状に成形加工することによって製造することができる。このとき、前述の均質化処理は５２０℃以上で行うことが好ましい。５２０℃以上で行うことで、チューブ心材２ａ中の金属間化合物を再固溶させ、その後の工程で再び微細に析出させることが可能となる。また、用途によってはチューブ心材２ａの均質化処理を行わなくても良く、この場合鋳造時に得られる金属間化合物が微細な状態を維持したままでその後の工程に入ることができる。
続いて前述のチューブ心材２ａと皮材をクラッドして熱間圧延を実施する前に４００℃〜５５０℃で１〜１０時間保持するのが好ましい。保持温度が４００℃未満では圧延時の材料の温度が低すぎるため圧延中に割れを生じる虞があり、５５０℃を超えるとチューブろう付機能付与犠牲陽極材２ｂが溶融する虞があり、保持時間が１時間未満では材料温度が均一にならず、１０時間を超えると生産性を著しく損なってしまう虞がある。
また、熱交換器の用途に応じて、チューブ２の内部にはインナーフィンが設置される。
［９−３．チューブ２（押出材にＺｎ溶射）の製造方法］
本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金製熱交換器１に用いるチューブ２（押出材にＺｎ溶射）は、鋳造によりビレットを作製した後、前述のビレットの均質化処理を経て、熱間押出を経てチューブの形状に成形加工し、チューブ表面にＺｎ溶射によりＺｎを塗布して押出チューブとすることによって製造することができる。このとき、前述の均質化処理は５２０℃以上で行うことが好ましい。５２０℃以上で行うことで、ビレット心材中の金属間化合物を再固溶させ、その後の工程で再び微細に析出させることが可能となる。また、用途によってはビレット心材の均質化処理を行わなくても良く、この場合鋳造時に得られる金属間化合物が微細な状態を維持したままでその後の工程に入ることができる。
続いて前述の熱間押出を実施する前に４００℃〜５５０℃で加熱した状態で熱間押出するのが好ましい。温度が４００℃未満では押出加工時の材料の温度が低すぎるため押出加工中でダイスにメタル詰まりが生じる虞があり、５５０℃を超えると押出されたチューブが軟化して変形する虞がある。
［９−４．フィン３の製造方法］
本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金製熱交換器１に用いるフィン３の製造方法は、特に限定するものではないが、３０００系合金ベア材もしくは３０００系合金を心材とし、前記心材の両面にＡｌ−Ｓｉ系合金をろう材としてクラッドしたブレージングシートを、フィンの形状にコルゲート成形する方法が用いられる。
［９−５．熱交換器の製造方法］
本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金製熱交換器１は、例えば、両端部分をヘッダ管４に取り付けたチューブ２の外面にフィン３材を配置して組立て、１回のろう付け加熱によって同時に接合して製造することができる。
本発明において用いるろう付け方法としては、窒素雰囲気中でフッ化物系フラックスを用いたＮＢ法（ノコロックろう付法等）や、真空中や窒素雰囲気中で材料に含有されるＭｇによりアルミニウム材表面の酸化膜を還元して破壊する方法（真空ろう付、フラックスレスろう付）を用いることが好ましい。また、ろう付けは、通常５９０〜６１０℃の温度で２〜１０分間、好ましくは５９０〜６１０℃の温度で２〜６分間の加熱によって行なわれる。加熱時間が５９０℃未満であったり加熱時間が２分未満の場合には、ろう付不良が起こる可能性がある。一方、加熱時間が６１０℃を超えたり加熱時間が１０分を超える場合には、部材が溶融する可能性がある。
このようにして得られるアルミニウム合金製熱交換器１は、良好な耐食性を有しているので、厳しい腐食環境下において、局所的な優先腐食が抑えられ、熱交換器の腐食寿命を向上することができる。
以下に本発明の実施例を比較例と共に記載する。なお、以下の実施例は、本発明の効果を説明するためのものであり、実施例記載のプロセス、条件及び性能値が本発明の技術的範囲を制限するものではない。
表１に示す合金組成を有するヘッダ管心材合金、表２に示す合金組成を有するヘッダ管犠牲陽極材合金、表３に示す合金組成を有するヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材合金、表４に示す合金組成を有するヘッダ管ろう材合金、表５に示す合金組成を有するチューブ心材合金、表６に示す合金組成を有するチューブろう付機能付与犠牲陽極材合金をそれぞれＤＣ鋳造により鋳造し、ヘッダ管心材合金に関してはφ１４５ｍｍ×長さ２５０ｍｍサイズのビレット、チューブ心材合金のクラッド材に関しては、心材は２５８ｍｍ×７９０ｍｍ×１６００ｍｍサイズのスラブを作製し、チューブ心材合金の押出材に関してはφ１４５ｍｍ×長さ２５０ｍｍサイズのビレットを作製し、各々の心材合金については６００℃×３ｈの均質化処理工程に供し、各々両面を面削して仕上げた。なお、表１〜６において「−」は無添加であったこと示す。

Figure 2015078399
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これらの合金を用い、ヘッダ管心材合金、チューブ心材合金の一方もしくは両方の面に、ろう付機能付与犠牲陽極材、ろう材、犠牲陽極材のいずれかをそれぞれクラッド率がヘッダ管では１５％、チューブ材では１５％になるようにクラッドした。ヘッダ管のクラッド材の組み合わせを表７−１、７−２、チューブのクラッド材の組み合わせを表８に示す。このクラッド材を４８０℃で３時間の加熱に供した後、ヘッダ管はマンドレル押出による熱間押出加工、チューブ材は熱間圧延を行った。さらに、熱間押出後のヘッダ管は抽伸加工、焼鈍を経て外径φ２０ｍｍ×肉厚１．０ｍｍのパイプを作製し、熱間圧延後のチューブクラッド材は冷間圧延、焼鈍を経て、板厚０．３ｍｍのブレージングシートを作製した。チューブ押出材は、４８０℃で３時間の加熱に供した後、熱間押出加工を行い、幅２０ｍｍ×高さ３ｍｍ、肉厚０．３ｍｍの押出チューブを作製し、チューブ表面にＺｎ粉末を３ｇ／ｍ２溶射した。
以上の製造工程において問題が発生せず、外径φ２０ｍｍ×肉厚１．０ｍｍのサイズまで抽伸ができたパイプ、板厚０．３ｍｍのブレージングシートまで圧延できた場合は製造性を「○」とし、鋳造時の割れ、押出や抽伸、及び圧延中の割れが生じて正常に最終製品を製造できなかった場合は製造性を「×」として表７−１、７−２と表８に併せて示す。

Figure 2015078399
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続いて上記のパイプにヘッダ管を模擬した穴あけ加工を施し、上記のクラッド材にチューブを模擬した曲げ加工を加えて幅２０ｍｍ×長さ２００ｍｍの中空状のチューブを作製した。図１に示すような熱交換器１の形状にヘッダ管４の穴あけ部にチューブ２を差込み、さらに３００３合金をコルゲート成形したフィン３を、チューブ２の間に挟みこみ、５％のフッ化物フラックス水溶液中に熱交換器１を浸漬し、ＮＢ法の加熱炉で、６００℃で３分のろう付加熱に供した。
表９−１、９−２に、表７−１、７−２に記したヘッダ管と、表８に記したチューブの組み合わせを示し、下記の評価結果をまとめた。ここで、「ろう付性」は、上記のろう付け加熱で、各部材の溶融が起こらず、且つヘッダ管やチューブ、フィンの接合部が剥がれず、良好な接合状態を「○」とし、各部材の溶融が見られ、ヘッダ管やチューブ、フィンの接合部が剥がれたものを「×」とした。なお、表７−１、７−２と表８における製造性「×」のものについては試料を製造できなかったため、下記評価は行なうことができなかった。
（１）電位測定
上記ろう付け加熱をした熱交換器のヘッダ管表面、チューブ表面、ヘッダ管とチューブの接合部、ヘッダ管表面またはチューブ表面から全厚の４分の１の位置の電位測定は、評価面以外はマスキングを施して液温２５℃の５％ＮａＣｌ−１５ｍｌ/ＣＨ3ＣＯＯＨの溶液に浸して電位測定装置で電位測定を実施した。ここで、ヘッダ管表面およびチューブ表面から全厚の４分の１の位置の電位は、表面より液温５％ＮａＯＨ水溶液でエッチングを施し、常温の３０％ＨＮＯ3水溶液で洗浄して露出させることで測定した。また、表９−１，９−２において、前記接合部とヘッダ管表面との電位差を電位Ａ、前記接合部とチューブ表面との電位差を電位Ｂ、前記接合部とヘッダ管表面から全厚の４分の１の位置との電位差を電位Ｃ、前記接合部とチューブ表面から全厚の４分の１の位置との電位差を電位Ｄとした。
（２）熱交換器の耐食性試験
上記ろう付け加熱をした熱交換器を用いて、ＡＳＴＭ−Ｇ８５に基づいたＳＷＡＡＴ試験に供し、１０００時間で腐食貫通の生じなかったものを耐食性良好（○）とし、ヘッダ管やチューブ、ヘッダ管とチューブ接合部のいずれから腐食貫通の生じたものを不合格（×）とした。

Figure 2015078399
Figure 2015078399
表９−１の結果より、ヘッダ管及びチューブ共に本発明で規定する組成範囲を満たすＮｏ１〜４６（発明例）については、いずれも、電位Ａ及び電位Ｂが３０ｍＶ以下で、かつ電位Ｃ及び電位Ｄが３０〜１００ｍＶの範囲内であり、ろう付性及び耐食性が良好であった。
これに対して、表９−２の結果より、ヘッダ管が本発明で規定する組成範囲外であるＮｏ４７〜５４（比較例）では、Ｎｏ４８、４９、５１〜５３において、電位Ａ〜電位Ｄの少なくとも１つが本発明で規定する範囲外であり、耐食性試験結果は全て不合格であった。また、Ｎｏ４７、５０、５４においては、熱交換器の製造不能により、電位測定及び耐食性の評価を行うことができなかった。
また、チューブが本発明で規定する組成範囲外であるＮｏ５５〜６１（比較例）では、Ｎｏ５６、５８、５９、６１において、電位Ａ〜電位Ｄの少なくとも１つが本発明で規定する範囲外であり、耐食性試験結果は全て不合格であった。また、Ｎｏ５５、５７、６０においては、熱交換器の製造不能により、電位測定及び耐食性の評価を行うことができなかった。
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
本発明の熱交換器は、ヘッダ管やチューブ、ろう付接合部分の耐食性に優れ、特に腐食環境下において用いられるエアコン向け熱交換器として好適である。
１…熱交換器
２…チューブ
２ａ…チューブ心材
２ｂ…チューブろう付機能付与犠牲陽極材
３…フィン
４…ヘッダ管
４ａ…ヘッダ管心材
４ｂ…ヘッダ管犠牲陽極材
４ｂ’…ヘッダ管ろう付機能付与犠牲陽極材
４ｃ…ヘッダ管ろう材
５…ヘッダ管とチューブの接合部
α…ヘッダ管表面からの全厚の４分の１の位置
β…チューブ表面からの全厚の４分の１の位置

Claims (9)

  1. 内部に流体通路を有する複数のチューブがそれぞれ並列に配置され、隣接する前記チューブ間に、コルゲート成型されたフィンが挟み込んで配置され、前記チューブの両端にヘッダ管が配置され、前記チューブ、前記フィン及び前記ヘッダ管がろう付け接合によって一体化されている熱交換器において、
    前記ヘッダ管は、アルミニウム合金の心材と、該心材の少なくとも一方の面にクラッドされた犠牲陽極材とを備えるアルミニウム合金クラッド材からなり、
    前記心材が、Ｍｎ：０．３〜２．０ｍａｓｓ％（以下、％と略す）、Ｓｉ：１．５％以下、Ｆｅ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなり、
    前記犠牲陽極材が、Ｆｅ：０．０５〜１．０％、Ｚｎ：０．５〜５．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなり、
    前記ヘッダ管と前記チューブとの接合部の電位が、前記ヘッダ管表面の電位及び前記チューブ表面の電位よりも３０ｍＶ以下卑であり、
    かつ前記接合部の電位が、前記ヘッダ管の表面から全厚の４分の１の位置の電位及び前記チューブの表面から全厚の４分の１の位置の電位よりも３０〜１００ｍＶ卑であることを特徴とするアルミニウム合金製熱交換器。
  2. 前記犠牲陽極材に代えて、ろう付け機能付与犠牲陽極材を用い、該ろう付け機能付与犠牲陽極材が、Ｓｉ：２．５〜１５．０％、Ｆｅ：０．０５〜１．０％、Ｚｎ：０．５〜５．０％を含有し、残部が残部Ａｌと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製熱交換器。
  3. 前記ヘッダ管の前記心材の合金成分は、さらに、Ｍｇ：０．１〜１．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｖ：０．０５〜０．３％の中から選択される１種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム合金製熱交換器。
  4. 前記犠牲陽極材または前記ろう付機能付与犠牲陽極材の合金成分は、さらにＭｎ：０．０５〜１．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎａ：０．００１〜０．０５％、Ｓｒ：０．００１〜０．０５％の中から選択される１種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のアルミニウム合金製熱交換器。
  5. 前記ヘッダ管の前記心材に前記犠牲陽極材または前記ろう付機能付与犠牲陽極材がクラッドされている面とは他方の面の前記心材に、ろう材がクラッドされ、
    該ろう材が、Ｓｉ：２．５〜１５％、Ｆｅ：０．０５〜１．０％を含有し、さらにＭｎ：０．０５〜１．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎａ：０．００１〜０．０５％、Ｓｒ：０．００１〜０．０５％の中から選択される１種以上を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金製熱交換器。
  6. 前記ヘッダ管は電縫加工により加工される電縫管であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミニウム合金製熱交換器。
  7. 前記ヘッダ管はアルミニウム押出により加工される押出管であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミニウム合金製熱交換器。
  8. 前記チューブは、アルミニウム合金の心材と、該心材の少なくとも一方の面にクラッドされたろう付機能付与犠牲陽極材とを備えるアルミニウム合金クラッド材からなり、
    前記心材が、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｆｅ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％を含有し、さらにＭｇ：０．１〜１．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｖ：０．０５〜０．３％の中から選択される１種以上を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなり、
    前記ろう付機能付与犠牲陽極材が、Ｓｉ：２．５〜１５．０％、Ｆｅ：０．０５〜１．０％、Ｚｎ：０．５〜５．０％を含有し、さらにＭｎ：０．０５〜１．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎａ：０．００１〜０．０５％、Ｓｒ：０．００１〜０．０５％を１種以上含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のアルミニウム合金製熱交換器。
  9. 前記チューブは、アルミニウム合金の心材と、該心材の表面に形成されたＺｎ溶射材とからなり、
    前記心材が、Ｓｉ：１．５％以下、Ｆｅ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％を含有し、さらにＭｇ：０．１〜１．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｖ：０．０５〜０．３％の中から選択される１種以上を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のアルミニウム合金製熱交換器。
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