JP2017124429A - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Mgを含むアルミニウム合金からなる心材層Aと、Siを必須に含み、Li、Be及びBiのうち1種以上を含み、Mgの含有量が規制されたアルミニウム合金からなるろう材層Bとを有するクラッド板200を準備する。アルミニウムまたはアルミニウム合金よりなるインナーフィン3を準備する。クラッド板200からなり、ろう材層Bが内側に配置されているとともに、ろう材層B同士が当接する当接部201を有する中空構造体20と、中空構造体20の内部に収容されたインナーフィン3と、Csを含有し、当接部201及びその近傍に塗布されたフラックスとを有する被処理物10を組み立てる。不活性ガス雰囲気下で被処理物10を加熱してろう付を行い、熱交換器1を作製する。
【選択図】図2
Description
Si:0.30〜0.70%及びMg:0.35〜0.80%を含有し、残部がAl(アルミニウム)及び不可避的不純物からなる化学成分を有するインナーフィンを準備し、
上記クラッド板から構成され、上記ろう材層が内側に配置されているとともに、上記ろう材層同士が当接する当接部を有する中空構造体と、該中空構造体の内部に収容された上記インナーフィンと、Cs(セシウム)を含有し、上記当接部及びその近傍に塗布されたフラックスとを有する被処理物を組み立て、
不活性ガス雰囲気下で上記被処理物を加熱して上記フラックス及び上記ろう材層を溶融させることにより、上記中空構造体及び上記インナーフィンを一括してろう付する、熱交換器の製造方法にある。
アルミニウム合金より構成され、上記冷媒流路に配置されたインナーフィンと、
Al−Si合金からなり、上記ジャケットにおける上記板材同士を接合するジャケット接合部と、
Al−Si合金からなり、上記ジャケットと上記インナーフィンとを接合するフィン接合部とを有し、
上記ジャケットの内表面における、上記ジャケット接合部から上記インナーフィンまでの間のみにCsが存在している、熱交換器にある。
クラッド板は、心材層と、心材層の少なくとも一方の面にクラッドされたろう材層とを有している。なお、心材層は、ろう付を行った後に、上記ジャケットを構成する板材となる。
心材層は、Mg:0.40〜1.0%を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる化学成分を有している。
心材層中のMgは、クラッド板の強度を高くする作用を有している。心材層中のMg量を上記特定の範囲にすることにより、クラッド板の薄肉化、ひいては上記熱交換器におけるジャケットの薄肉化を容易に行うことができる。また、心材層中のMgの一部は、ろう付時の加熱によりろう中に拡散してクラッド板の表面に移動する。そして、クラッド板の表面に到達したMgにより、上記クラッド板や上記インナーフィンの表面に存在する酸化皮膜などの、中空構造体の内側に存在する酸化皮膜が破壊される。
心材層は、さらに、Mn:0.050〜1.3%、Si:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.90%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.20%以下、Zr:0.50%以下の1種または2種以上を含有していてもよい。これらの元素を心材層に添加することにより、クラッド板の強度や耐食性を向上させることができる。なお、これらの元素の含有量が過度に多い場合には、クラッド板を作製する際の圧延工程において割れが発生しやすくなるおそれがある。
ろう材層は、Si(シリコン):4.0〜13.0%を必須に含み、更にLi(リチウム):0.0040〜0.10%、Be(ベリリウム):0.0040〜0.10%及びBi(ビスマス):0.010〜0.30%のうち1種または2種以上を含み、Mg(マグネシウム)の含有量が0.10%未満に規制され、残部がAlおよび不可避的不純物からなる化学成分を有している。
Siの含有量を上記特定の範囲とすることにより、ろう付時の加熱中に、当接部及びインナーフィンと中空構造体との被接合部に十分なろうを供給することができる。その結果、当接部のろう付性及びインナーフィンと中空構造体とのろう付性を向上させることができる。
Li及びBeは、中空構造体やインナーフィンの表面に存在する酸化皮膜を破壊する作用を有する。Li及びBeが酸化皮膜を破壊するメカニズムは現時点において明らかになっていないが、以下のメカニズムにより酸化皮膜が破壊されると推測している。Li及びBeはいずれもAlに比べて酸化されやすい元素であるため、被処理物の表面に存在する酸化皮膜から酸素を奪うことができると考えられる。そして、酸素を奪われた酸化皮膜が酸素を奪われる前に比べて脆弱化することにより、酸化皮膜に亀裂が生じやすくなる。その結果、酸化皮膜が破壊されると考えられる。
Biは、アルミニウム材の表面に存在する酸化皮膜を脆弱化する作用を有する。BiをLiやBe、Mgと共存させることにより、これらの元素による酸化皮膜の破壊を促進させ、ひいてはろう付性を向上させることができる。また、Biは、ろうの表面張力を低下させる作用を有するため、被処理物の細い隙間にろうが流入しやすくなる。その結果、ろう付接合の信頼性を向上させることができる。
ろう材層中のMgは、フラックスと反応することによりフラックスを消費し、酸化皮膜を破壊する効果を低下させる。また、Mgとフラックスとの反応生成物は、ろうの流動性を低下させる。そのため、ろう材層中のMgの含有量が過度に多い場合には、ろう付性の悪化を招くおそれがある。ろう付性の悪化を抑制する観点から、ろう材層中のMgの含有量は0.10%未満とする。同様の観点から、Mgの含有量は少ないほど好ましく、0.05%以下に規制することがより好ましい。
これらの元素は、ろう材層中の含有量を上記特定の範囲内とすることにより、ろうの流動性を調整し、ろう付性をより向上させることができる。
これらの元素は、ろう材層中の含有量を上記特定の範囲内とすることにより、ろう材層の電位を調整し、クラッド板の耐食性をより向上させることができる。
インナーフィンとしては、例えばプレートフィン、ピンフィン、コルゲートフィン等の種々の態様のフィンを採用することができる。インナーフィンは、中空構造体の内部に収容した状態において、中空構造体の内表面と面接触するように構成されていることが好ましい。この場合には、中空構造体の内部に浸入したフラックスをせき止める効果をより高くすることができる。その結果、インナーフィンと中空構造体とのろう付性をより向上させることができる。
Siの含有量を上記特定の範囲とすることにより、ろう付時の加熱中における、ろう材層からインナーフィンへのSiの拡散を抑制することができる。その結果、ろう材層中のSi量の低下を抑制し、中空構造体とインナーフィンとのろう付性を向上させることができる。さらに、Siの含有量を上記特定の範囲とすることにより、インナーフィンの強度を向上させることができる。
インナーフィン中のMgは、フラックスが中空構造体の内側に浸入した場合に、フラックスと反応して反応生成物を生じさせることができる。この反応生成物はフラックスの流動性を低下させる作用を有している。そのため、インナーフィン中のMgの含有量を上記特定の範囲とすることにより、中空構造体の内部に浸入したフラックスをせき止める効果を高め、インナーフィンと中空構造体とのろう付性を向上させることができる。また、インナーフィン中のMgの含有量を上記特定の範囲とすることにより、インナーフィンの強度を向上させることができる。
インナーフィンは、さらに、Mn:0.050〜1.30%、Fe:1.0%以下、Cu:0.90%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.20%以下、Zr:0.50%以下からなる群のうち1種または2種以上を含有していてもよい。これらの元素を添加することにより、インナーフィンの強度や耐食性を向上させることができる。なお、これらの元素の含有量が過度に多い場合には、材料を作製する際の圧延工程において割れが発生しやすくなるおそれがある。
中空構造体の当接部に塗布するフラックスは、Csを含有している。フラックスは、通常、ろう材層が溶融する温度よりも低い温度で溶融し、当接部の表面に存在する酸化皮膜を破壊し始める。このとき、心材層中のMgの大部分はクラッド板の表面に到達していない。それ故、フラックスは、心材層中のMgとの反応にほとんど影響されることなく、当接部の表面に存在する酸化皮膜を破壊することができる。
上記製造方法においては、まず、上記の構成を有するクラッド板及びインナーフィンを準備し、被処理物を作製する。被処理物は、上記クラッド板から構成された中空構造体と、インナーフィンと、フラックスとを有している。被処理物を組み立てる作業は、(1)クラッド板から中空構造体を作製する作業、(2)中空構造体の内部にインナーフィンを収容する作業、(3)当接部にフラックスを塗布する作業、の3工程を有している。これらの工程の順序は、被処理物の構造に応じて適宜変更することができる。
上記熱交換器及びその製造方法について、図を用いて説明する。本例の熱交換器1は、図1に示すように、発熱体を搭載する発熱体搭載面21を外表面に有するとともに、冷媒が流通する冷媒流路22を内部に備えたジャケット2と、冷媒流路22に配置されたインナーフィン3とを有している。ジャケット2は、Mg:0.40〜1.0%(質量%、以下同じ)を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる化学成分を有する板材から構成されている。インナーフィン3は、Si:0.30〜0.70%及びMg:0.35〜0.80%を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる化学成分を有するアルミニウム合金製の押出形材から構成されている。
本例は、心材層A、ろう材層B及びインナーフィン3を構成するアルミニウム合金の化学成分を種々変更した熱交換器1の例である。なお、本例において作製する熱交換器1は、実施例と同一の形状を有している。また、本例において用いる符号のうち、図1〜図3において用いた符号と同一のものは、特に説明のない限り実施例と同一の構成要素等を示す。
表1に示す化学成分を有するアルミニウム合金(A1〜A7)を鋳造し、得られた鋳塊を560℃で加熱して均質化処理を行った。次いで、鋳塊の両板面を面削して厚さ45mmの板材Aを作製した。これとは別に、表2に示す化学成分を有するアルミニウム合金(合金B1〜B22)を鋳造し、得られた鋳塊を500℃で加熱して均質化処理を行った。次いで、鋳塊に熱間圧延を施して厚さ5mmの板材Bを作製した。なお、表1及び表2中の「Bal」は、残部であることを示す記号である。
表3に示す化学成分を有するアルミニウム合金(C1〜C10)を鋳造し、得られたビレットに押出加工を施してインナーフィン3を作製した。なお、表3中の「Bal」は、残部であることを示す記号である。また、フィンプレート31及び連結部32の肉厚は0.8mmとした。
A:フィレットのサイズに変動はあるが、連続したフィレットが形成されていた
B:フィレットが部分的に途切れており、連続したフィレットが形成されなかった
C:ほとんどフィレットが形成されていないか、あるいは全くフィレットが形成されていなかった
試験体29は、ろう材層B中のLiの含有量が多かったため、中空構造体20の内部にLiの酸化物が多量に形成された。そのため、フィン接合部24においてフィレットが形成されなかった。
試験体31は、ろう材層B中のBeの含有量が多かったため、中空構造体20の内部にLiの酸化物が多量に形成された。そのため、フィン接合部24においてフィレットが形成されなかった。
試験体33は、ろう材層B中のBiの含有量が多かったため、中空構造体20の内部が変色した。また、試験体33は、フィン接合部24におけるフィレットが形成されなかった。
試験体35は、ろう材層B中のSiの含有量が多かったため、ろうの供給量が過剰となり、心材の溶解量が増加した。その結果、ジャケット接合部23及びフィン接合部24のいずれにもフィレットが形成されなかった。
試験体39は、インナーフィン3中のSiの含有量が多かったため、インナーフィン3融点が低下し、ろう付時の加熱中にインナーフィン3の一部が溶解した。その結果、フィン接合部24におけるフィレット形成が不安定であった。
試験体41は、心材層A中のMgの含有量が多かったため、Mgとフラックスとの反応により当接部201におけるろうの流動性が低下した。その結果、ジャケット接合部23におけるフィレットの形成が不安定であった。
2 ジャケット
21 発熱体搭載面
22 冷媒流路
23 ジャケット接合部
24 フィン接合部
3 インナーフィン
10 被処理物
20 中空構造体
200 クラッド板
201 当接部
A 心材層
B ろう材層
Si:0.30〜0.70%及びMg:0.35〜0.80%を含有し、残部がAl(アルミニウム)及び不可避的不純物からなる化学成分を有するインナーフィンを準備し、
上記クラッド板から構成され、上記ろう材層が内側に配置されているとともに、上記ろう材層同士が当接する当接部を有する中空構造体と、該中空構造体の内部に収容された上記インナーフィンと、Cs(セシウム)を含有し、上記当接部及びその近傍に塗布されたフラックスとを有する被処理物を組み立て、
不活性ガス雰囲気下で上記被処理物を加熱して上記フラックス及び上記ろう材層を溶融させ、上記フラックスを用いて上記当接部のろう付を行うとともに上記フラックスを用いずに上記中空構造体と上記インナーフィンとのろう付を行うことにより、上記中空構造体及び上記インナーフィンを一括してろう付する、熱交換器の製造方法にある。
Claims (9)
- Mg:0.40〜1.0%(質量%、以下同じ)を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる化学成分を有する心材層と、Si:4.0〜13.0%を必須に含み、更にLi:0.0040〜0.10%、Be:0.0040〜0.10%及びBi:0.01〜0.30%のうち1種又は2種以上を含み、Mgの含有量が0.10%未満に規制され、残部がAl及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、上記心材層の少なくとも一方の面にクラッドされたろう材層とを有するクラッド板を準備し、
Si:0.30〜0.70%及びMg:0.35〜0.80%を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる化学成分を有するインナーフィンを準備し、
上記クラッド板から構成され、上記ろう材層が内側に配置されているとともに、上記ろう材層同士が当接する当接部を有する中空構造体と、該中空構造体の内部に収容された上記インナーフィンと、Csを含有し、上記当接部及びその近傍に塗布されたフラックスとを有する被処理物を組み立て、
不活性ガス雰囲気下で上記被処理物を加熱して上記フラックス及び上記ろう材層を溶融させることにより、上記中空構造体及び上記インナーフィンを一括してろう付する、熱交換器の製造方法。 - 上記心材層は、更にMn:0.050〜1.3%、Si:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.90%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.20%以下及びZr:0.50%以下からなる群のうち1種または2種以上を含有している、請求項1に記載の熱交換器の製造方法。
- 上記インナーフィンは、更にMn:0.050〜1.3%、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.20%以下及びZr:0.50%以下からなる群のうち1種または2種以上を含有している、請求項1または2に記載の熱交換器の製造方法。
- 上記フラックスの塗布量は、上記当接部1mあたり0.05〜1.0gである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器の製造方法。
- 上記フラックスは、13〜58質量%のCsを含有している、請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱交換器の製造方法。
- Mg:0.40〜1.0%(質量%、以下同じ)を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる化学成分を有する板材から構成され、発熱体を搭載する発熱体搭載面を外表面に有するとともに、冷媒が流通する冷媒流路を内部に備えたジャケットと、
アルミニウム合金より構成され、上記冷媒流路に配置されたインナーフィンと、
Al−Si合金からなり、上記ジャケットにおける上記板材同士を接合するジャケット接合部と、
Al−Si合金からなり、上記ジャケットと上記インナーフィンとを接合するフィン接合部とを有し、
上記ジャケットの内表面における、上記ジャケット接合部から上記インナーフィンまでの間のみにCsが存在している、熱交換器。 - 上記板材は、更にMn:0.050〜1.3%、Si:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.90%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.20%以下、Zr:0.50%以下からなる群のうち1種または2種以上を含有している、請求項6に記載の熱交換器。
- 上記インナーフィンは、Si:0.30〜0.70%及びMg:0.35〜0.80%を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなる化学成分を有するアルミニウム合金から構成されている、請求項6または7に記載の熱交換器。
- 上記インナーフィンは、更にMn:0.050〜1.3%、Fe:1.0%以下、Cu:0.90%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.20%以下及びZr:0.50%以下からなる群のうち1種または2種以上を含有している、請求項8に記載の熱交換器。
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