JP2019111556A - 熱交換器用片面ろうフィン材および熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、フィンの耐食性に優れ、長時間使用してもフィンの残存面積が大きいとともに、偏平管の耐食性に優れ偏平管に貫通孔が形成され難く、ろう付け性に優れた熱交換器用フィン材および熱交換器の提供を目的とする。【解決手段】本発明のフィン材は、芯材の片面側にのみＳｉ含有層を有し、ろう付け後に、その厚さ方向片面側でＳｉ濃度が高く、反対面側でＳｉ濃度が低いＳｉの濃度勾配が生成され、表裏面の電位差が１０ｍｖ以上生成する。本発明の熱交換器は、複数のフィンと、これら複数のフィンにろう付けされた偏平管とを有し、前記フィンがろう付け前の状態において芯材の片面側のみにＳｉ含有層を有したフィン材からなり、ろう付け後において、その厚さ方向片面側でＳｉ濃度が高く、反対面側でＳｉ濃度が低いＳｉの濃度勾配が生成され、表裏面の電位差が１０ｍｖ以上生成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器用片面ろうフィン材および熱交換器に関する。

アルミニウム熱交換器には、アルミニウム製の偏平チューブとコルゲートフィンを組み合わせてろう付けにより金属接合するろう付けタイプの熱交換器と、銅管及びフィンを組み合わせてから銅管を拡管し、フィンと銅管を機械的に接合する拡管タイプの熱交換器が知られている。
ろう付けタイプの熱交換器は、偏平管を用いてコルゲート型のフィンを上下から挟み込むようにろう付け接合する構成であるのに対し、拡管タイプの熱交換器は、丸孔を設けたフィンに銅管を差し込み、差し込み後に銅管を機械的に拡管することでフィンと銅管を接合する構成を採用している。

コルゲート型フィンを用いた熱交換器用プレート材として、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇを規定量含み、更に、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｂの１種又は２種以上を規定量含むアルミニウム合金からなる芯材の片面又は両面に、Ｓｉを規定量以上含むろう材をクラッドしたブレージングシートが知られている（特許文献１参照）。
このブレージングシートは、ろう付け加熱後の強度、ろう付け性、繰り返し曲げ性に優れた上に耐孔食性にも優れるという特徴を有している。

また、コルゲート型のフィンを用いた熱交換器において、コルゲートフィンをアルミニウム合金製のブレージングシートから構成し、ブレージングシートの芯材に含まれるＭｎ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｚｎの１種又は２種以上の含有量を規定し、ろう材層に含まれるＳｉ、Ｚｎの量を規定した熱交換器が知られている（特許文献２参照）。
この熱交換器は、ブレージングシートをろう付けした場合、ろう材表面にＳｉが一部残留し、ここに結露水などが存在すると、Ｓｉ残渣によりろう材層の表面電位が貴となり、フィンの芯材とろう材層との間に電位差が生じ、フィンの腐食摩耗量が多くなるという不具合を改善している。

特開平０２−０５０９３４号公報 特開２０１４−０８４５２１号公報

ろう付けタイプの熱交換器に適用される偏平管では、腐食による冷媒の漏れを抑制するため、偏平管の上下両面に亜鉛溶射層などのような犠牲防食層を設けることがなされているが、偏平管の短側面側には亜鉛溶射層を設けていない構成が一般的である。
偏平管の短側面側に犠牲防食層を設けていない場合、偏平管の上下両面に犠牲防食層を設けていたとしても、短側面側の長さや幅の大きさによっては犠牲防食効果が不充分となり、短側面側の一部に腐食を生じるおそれがある。
また、長期間に渡り、熱交換器の性能を維持するためには、腐食によるフィンの脱落やフィンの伝熱面積の減少を抑制する必要がある。

本願発明は、これらの背景に鑑み、フィンの耐食性に優れ、長時間使用してもフィンの残存面積が大きいとともに、フィンにろう付けされる偏平管の耐食性を優れたものとすることができ、偏平管に貫通孔が形成され難く、ろう付け性に優れた特徴を有する熱交換器用片面ろうフィン材および熱交換器の提供を目的とする。

本発明の熱交換器用片面ろうフィン材は、芯材の片面側のみにＳｉ含有層を有し、ろう付け後に、その厚さ方向片面側でＳｉ濃度が高く、反対面側でＳｉ濃度が低いＳｉの濃度勾配が生成され、熱交換器用チューブにろう付けされることを特徴とする。
本発明の熱交換器用フィン材は、先に記載のＳｉの濃度勾配による表裏面の電位差が１０ｍＶ以上生成され、熱交換器用チューブにろう付けされることを特徴とする。

本発明の熱交換器用片面ろうフィン材において、前記Ｓｉ含有層が質量％で、Ｓｉ：２〜１２％、残部アルミニウムと不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることが好ましい。
本発明の熱交換器用片面ろうフィン材において、前記Ｓｉ含有層が質量％で、Ｓｉ：５〜１０％、Ｚｎ：０．３％以下、Ｓｒ：０．０１〜０．１％、残部アルミニウムと不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることが好ましい。

本発明の熱交換器用片面ろうフィン材において、前記芯材が、質量％で、Ｍｎ：０．７〜２％、残部アルミニウムと不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることが好ましい。
本発明の熱交換器用片面ろうフィン材において、前記芯材が、質量％で、Ｍｎ：０．７〜２％、Ｚｎ０．２〜３％、残部アルミニウムと不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることが好ましい。

本発明の熱交換器は、複数のフィンと、これら複数のフィンがろう付けされたチューブとを有し、前記フィンがろう付け前の状態において芯材の片面側のみにＳｉ含有層を有したフィン材からなり、前記フィンにろう付け後において、その厚さ方向片面側でＳｉ濃度が高く、反対面側でＳｉ濃度が低いＳｉの濃度勾配が生成され、表裏面の電位差が１０ｍＶ以上生成されていることを特徴とする。
本発明の熱交換器において、前記チューブが偏平管であり、その短側面側と前記フィンの卑側の電位差が１０ｍＶ以上あり、前記短側面側よりも前記フィンの卑側が卑であることが好ましい。

本発明の熱交換器用フィン材であるならば、芯材の片面側のみにＳｉ含有層を有し、ろう付け後に、その厚さ方向片面側でＳｉ濃度が高く、反対面側でＳｉ濃度が低いＳｉの濃度勾配を生成でき、表裏面の電位差を１０ｍＶ以上生成するので、フィン材にろう付けされる熱交換器用チューブの電位に対しフィン材を電位的に卑とすることができ、フィン材を面状腐食とすることができる。このため、フィン材にろう付けされるチューブを防食することができ、チューブの腐食が進行し難くなるので、長期間使用しても腐食によりチューブに貫通孔が生成され難い構造を提供できる。よって、チューブからの冷媒漏れなどを生じ難い熱交換器を提供できる。
また、フィンの芯材を電位的に卑として面状腐食とすることができ、フィンの伝熱面積を長期間維持し、優れた熱交換性能を長期間維持することができ、更にフィン脱落も生じ難い熱交換器を提供できる。

フィンに偏平管をろう付けした熱交換器を構成した場合、偏平管の表裏面に犠牲陽極層を設けた構成を採用することで偏平管の表裏面側の防食効果を得ることができる。偏平管の短側面側に犠牲陽極層を設けていない場合、偏平管の表裏面側の犠牲防食層の犠牲防食効果が偏平管の短側面側全面には及ばないおそれがある。ここで、偏平管の短側面側の電位より、その周囲のフィンの芯材面が電位的に卑となるのでフィンの芯材が面状に腐食することで偏平管の短側面側の腐食を抑制できる。このため、優れた熱交換性能を長期間維持することができる熱交換器を提供できる。

本発明に係るフィン材をチューブにろう付けして得られた熱交換器の一例を示す正面図である。 同熱交換器において、ヘッダーパイプ、チューブ及びフィン材を組み立ててろう付けした状態を示す部分拡大断面図である。 同熱交換器において、ろう付け前にヘッダーパイプ、チューブ及びフィン材を組み立てた状態を示す部分拡大断面図である。 同熱交換器において、ろう付け前に組み立てたチューブとフィン材を示す部分拡大図である。 同熱交換器において、ろう付け前に組み立てたチューブとフィン材を示す斜視図である。 同熱交換器において、ろう付け後のチューブの上に設置されたフィンの一部を示す簡略図である。 同熱交換器において、ろう付け後のチューブの下に設置されたフィンの一部を示す簡略図である。 実施例に係る熱交換器用フィンにおいてその厚さ方向におけるＳｉとＺｎとＭｎの濃度分布を示すグラフである。 比較例に係る熱交換器用フィンにおいてその厚さ方向におけるＳｉとＺｎとＭｎの濃度分布を示すグラフである。

以下、添付図面に示す第１実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係わるフィン材を適用した熱交換器の一例を示すものである。この熱交換器１００は左右に離間し平行に配置されたヘッダーパイプ１、２と、これらのヘッダーパイプ１、２の間に相互に間隔を保って平行に、かつ、ヘッダーパイプ１、２に対して直角に接合された複数の扁平状のチューブ（偏平管）３と、各チューブ３にろう付けされた波形のフィン（コルゲートフィン）４を主体として構成されている。ヘッダーパイプ１、２、チューブ３及びフィン４は、後述するアルミニウム合金から構成されている。

より詳細には、ヘッダーパイプ１、２の相対向する側面に図２、図３に示すように複数のスリット６が各パイプの長さ方向に定間隔で形成され、これらヘッダーパイプ１、２の相対向するスリット６にチューブ３の端部を挿通してヘッダーパイプ１、２間にチューブ３が架設されている。また、ヘッダーパイプ１、２間に所定間隔で架設された複数のチューブ３、３の間にフィン４が配置され、これらのフィン４がチューブ３の表面側あるいは裏面側にろう付されている。
即ち、図２に示す如く、ヘッダーパイプ１、２のスリット６に対してチューブ３の端部を挿通した部分においてろう材により第１のフィレット部８が形成され、ヘッダーパイプ１、２に対しチューブ３がろう付されている。また、波形のフィン４において波の頂点の部分を隣接するチューブ３の表面または裏面に対向させてそれらの間の部分に生成されたろう材により第２のフィレット部９が形成され、チューブ３の表面側と裏面側に波形のフィン４がろう付されている。

本実施形態の熱交換器１００は、後述する製造方法において詳述するように、ヘッダーパイプ１、２とそれらの間に架設された複数のチューブ３と複数のフィン材４Ａとを組み付けて図３に示す如く熱交換器組立体１０１を形成し、これを加熱してろう付けすることにより製造されたものである。なお、ろう付け時の加熱によってチューブ３の表面側と裏面側には後に詳述するＺｎ溶融拡散層からなる犠牲陽極層３Ｅが形成されている。また、フィン材４Ａはろう付けによりフィン４となる。

ろう付前のチューブ３には、図３、図４に示すようにフィン材４Ａが当接される表面側と裏面側に、Ｓｉ粉末：１〜５ｇ／ｍ^２、Ｚｎ含有フラックス（ＫＺｎＦ_３）：３.０〜２０ｇ／ｍ^２、バインダー（例えば、アクリル系樹脂）：０．５〜８．５ｇ／ｍ^２からなるろう付用塗膜７が塗布されている。また、ろう付け前のフィン材４Ａは、芯材４ａの片面側にのみＳｉ含有層４ｂが形成されている。図３に示す形態ではチューブ３の下方に組み付けられているフィン材４Ａの上端部にＳｉ含有層４ｂが配置され、チューブ３の上方に組み付けられているフィン材４Ａの下端部にＳｉ含有層４ｂが配置されている。このため、チューブ３の上面側のフィン材４においてその下端部の芯材４ａがろう付用塗膜７に接するように配置され、チューブ３の下面側のフィン材４においてその上端部のＳｉ含有層４ｂがろう付用塗膜７に接するように配置されている。

本実施形態のチューブ３は、図５に示すように幅に対して高さ（厚さ）が小さい偏平管形状であり、その内部に複数の冷媒通路３Ｃが形成されるとともに、平坦な表面（上面）３Ａ及び裏面（下面）３Ｂと、これら表面３Ａ及び裏面３Ｂに隣接する短側面３Ｄとを具備する偏平多穴管とされている。チューブ３において左右に隣接する冷媒通路３Ｃの間は隔壁３Ｆにより仕切られている。本実施形態にあっては、ろう付前のチューブ３の表面３Ａと裏面３Ｂにろう付用塗膜７が塗布されているが、短側面３Ｄにはろう付用塗膜７が塗布されていない。

以下、ろう付用塗膜７を構成する組成物について説明する。
＜Ｓｉ粉末＞
Ｓｉ粉末は、チューブ３を構成するＡｌと反応し、フィン４とチューブ３を接合するろうを形成するが、ろう付時にＳｉ粉末が溶融してろう液となる。このろう液にフラックス中のＺｎが拡散し、チューブ３の表面に均一に広がる。液相であるろう液内でのＺｎの拡散速度は固相内の拡散速度より著しく大きいので、チューブ３表面のＺｎ濃度がほぼ均一となり、これにより均一なＺｎ溶融拡散層（犠牲陽極層）３Ｅが形成され、チューブ３の耐食性を向上することができる。

「Ｓｉ粉末塗布量：１〜５ｇ／ｍ^２」
Ｓｉ粉末の塗布量が１ｇ／ｍ^２未満であると、ろう付性が低下する。一方、Ｓｉ粉末の塗布量が５ｇ／ｍ^２を超えると、過剰なろう形成によりフィレットにＺｎが濃縮しやすくなり、未反応Ｓｉ残渣が発生するとともに、チューブの腐食深さが大きくなり、フィンの分離を防止しようとする目的の効果が得られない。このため、塗膜におけるＳｉ粉末の含有量は１〜５ｇ／ｍ^２とする。好ましくは、塗膜におけるＳｉ粉末の含有量は、１．５〜４．５ｇ／ｍ^２、より好ましくは２．０〜４．０ｇ／ｍ^２である。ここで用いるＳｉ粉末の粒径は、一例としてＤ（９９）で１５μｍ以下である。Ｄ（９９）は小径粒側からの体積基準の積算粒度分布が９９％となる径である。

＜Ｚｎ含有フラックス、非Ｚｎ含有フラックス＞
Ｚｎ含有フラックスは、ろう付に際し、チューブ３の表面に犠牲陽極層３Ｅを形成し、耐孔食性を向上させる効果がある。また、ろう付時にチューブ３の表面の酸化物を除去し、ろうの広がり、ぬれを促進してろう付性を向上させる作用を有する。このＺｎ含有フラックスは、Ｚｎを含まないフラックスに比べ活性度が高いので、比較的微細なＳｉ粉末を用いても良好なろう付け性が得られる。
非Ｚｎ含有フラックスは、Ｋ_３ＡｌＦ₆＋ＫＡｌＦ_４なる組成のものや、ＬｉＦ、ＫＦ、ＣａＦ_２、ＡｌＦ_３、Ｋ₂ＳｉＦ₆等のフッ化物系に加えて、ＫＣｌ、ＢａＣｌ、ＮａＣｌ等の塩化物系がある。市販されている商品（製品）では、例えば、フッ化物系フラックスあるいはフルオロアルミン酸カリウム系のフラックスがあり、４フッ化カリウムアルミニウムを主成分とするフラックスであり、添加物を加えた種々の組成が知られており、Ｋ_３ＡｌＦ₆＋ＫＡｌＦ_４なる組成のものや、Ｃｓ_（ｘ）Ｋ_（ｙ）Ｆ_（ｚ）などを例示できる。また、他に、ＬｉＦ、ＫＦ、ＣａＦ_２、ＡｌＦ_３、Ｋ_２ＡｌＦ_５・５Ｈ_２Ｏ等のフッ化物を添加したフッ化物系フラックスあるいはフルオロアルミン酸カリウム系のフラックスを用いることもできる。
Ｚｎ含有フラックスを用いるか、Ｚｎ含有フラックスに加えてこれらの非Ｚｎ含有フラックスを添加することでろう付け性向上に寄与する。

「Ｚｎ含有フラックス塗布量：３．０〜２０ｇ／ｍ^２」
Ｚｎ含有フラックスの塗布量が３．０ｇ／ｍ^２未満であると、犠牲陽極層の形成が不十分になり、第１のフィレット部８の耐食性が低下する。一方、塗布量が２０ｇ／ｍ^２を超えると、フィレット部におけるＺｎ濃縮が顕著になり、フィレット部の耐食性が低下して、フィン分離を加速する。このため、Ｚｎ含有フラックスの塗布量を３．０〜２０ｇ／ｍ^２とする。
Ｚｎ含有フラックスは、ＫＺｎＦ_３を主体として用いることが好ましいが、ＫＺｎＦ_３に、必要に応じて、Ｋ_１−３ＡｌＦ_４−６、Ｃｓ_０．０２Ｋ_１−２ＡｌＦ_４−５、ＡｌＦ_３、ＫＦ、Ｋ_２ＳｉＦ_６などのＺｎを含有しないフラックスを混合した混合型のフラックスを用いても良い。塗布量はＺｎ含有フラックスが３．０〜２０ｇ／ｍ^２の範囲であれば良い。
なお、本明細書において数値範囲を表示するために、上限値と下限値を「〜」を用いて連続表記した場合、特に説明しない限り、上限値と下限値を含むものとする。このため、３．０〜２０ｇ／ｍ^２は３．０ｇ／ｍ^２以上２０ｇ／ｍ^２以下を意味する。

「非Ｚｎ含有フラックス塗布量：１〜１０ｇ／ｍ^２」
非Ｚｎ含有フラックス塗布量が１ｇ／ｍ^２未満であると、非Ｚｎ含有フラックスを添加した効果が得られず、非Ｚｎ含有フラックス塗布量が１０ｇ／ｍ^２を超えると、ろうの流動性が過剰に向上する事によって想定以上のＺｎがフィレットに濃縮して、フィン剥離に繋がる問題がある。

＜バインダー＞
ろう付用塗膜７には、Ｓｉ粉末、Ｚｎ含有フラックス、非Ｚｎ含有フラックスに加えてバインダーを含む。また、非Ｚｎ含有フラックスは略しても良い。バインダーの例としては、好適にはアクリル系樹脂を挙げることができる。
「バインダー塗布量：０．２〜８．３ｇ／ｍ^２」
バインダーの塗布量が０．２ｇ／ｍ^２未満であると、塗膜硬度が低下し、加工性（耐塗膜剥離性）が低下する。一方、バインダーの塗布量が８．３ｇ／ｍ^２を超えると、塗膜未反応によるフィレット未形成の影響でろう付性が低下する。このため、バインダーの塗布量は、０．２〜８．３ｇ／ｍ^２とすることが好ましい。なお、バインダーは、通常、ろう付の際の加熱により蒸散する。

Ｓｉ粉末、Ｚｎ粉末、Ｚｎ含有フラックス及びバインダー、あるいはこれらに非Ｚｎ含有フラックスを添加したろう付組成物の塗布方法は、本発明において特に限定されるものではなく、スプレー法、シャワー法、フローコータ法、ロールコータ法、刷毛塗り法、浸漬法、静電塗布法などの適宜の方法によって行うことができる。また、ろう付組成物の塗布領域は、チューブ３の全表面としてもよく、また、チューブ３の一部表面または裏面とするものであってもよく、要は、少なくともフィン４をろう付するのに必要なチューブ３の表面領域または裏面領域に塗布されていればよい。また、前記ろう付け用組成物をチューブ３に塗布するために、ろう付け用組成物に３−メトキシ−３−メチル−１−ブタノールやイソプロピルアルコールなどの溶剤を適宜添加して粘度を調整し、上述の塗布法によって塗布できるようにすることが好ましい。

チューブ３は、質量％で、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｕ：０．１％未満を含有し、残部不可避不純物およびアルミニウムからなるアルミニウム合金などからなる。チューブ３は、これらのアルミニウム合金を押出し加工することによって作製されたものである。
以下、チューブ３を構成するアルミニウム合金の各構成元素の限定理由について説明する。

＜Ｓｉ：０．０５〜１．０％＞
ＳｉはＭｎと同様に強度向上効果を有する元素である。
Ｓｉの含有量が０．０５％未満では、強度向上の効果が不十分である。一方、Ｓｉが１．０％を超えて含有されると、押出性が低下する。従って本発明におけるチューブ３のＳｉ含有量は、０．０５〜１．０％に設定することが好ましい。
＜Ｍｎ：０．１〜１．５％＞
Ｍｎは、チューブ３の耐食性を向上するとともに、機械的強度を向上させる元素である。また、Ｍｎは、押出し成形時の押出性を向上する効果をも有する。更にＭｎは、ろうの流動性を抑制し、フィレットとチューブ表面のＺｎ濃度差を小さくする効果がある。
Ｍｎの含有量が０．１％未満では、耐食性及び強度向上の効果が不十分であり、ろうの流動性を抑制する効果も低下する。一方、Ｍｎを１.５％を超えて含有させると、押出圧力増により押出性が低下する。従って本発明におけるＭｎ含有量は、０．１〜１．５％にすることが好ましい。

＜Ｃｕ：０．１％未満＞
Ｃｕは、チューブ３の耐食性に影響を与える元素であり、０．１％未満では問題ないが０．１％以上含有させると自己腐食速度の増加により耐食性が低下し、チューブ表面の犠牲陽極層作製が困難になる傾向となる。

次に、フィン材４Ａについて説明する。ろう付け前のフィン材４Ａは、芯材４ａと芯材４ａの片面側のみに積層されたＳｉ含有層４ｂとからなる。
芯材４ａは、質量％で、Ｍｎ：０．７〜２％を含有し、残部不可避不純物およびアルミニウムからなるアルミニウム合金から形成されていることが好ましい。また、芯材４ａは、質量％で、Ｍｎ：０．７〜２％、Ｚｎ：０．２〜３％を含有し、残部不可避不純物およびアルミニウムからなるアルミニウム合金から形成されていても良い。なお、前記アルミニウム合金において、Ｆｅ：０．２％以下、あるいは、Ｓｉ：０．１５％以下であることが好ましい。
以下、芯材４ａを構成するアルミニウム合金の各構成元素含有量とそれらの限定理由について個別に説明する。

＜Ｍｎ：０．７〜２％＞
Ｍｎはフィン３を構成するアルミニウム合金の強度に影響があり、０．７％未満では強度低下によりプレス成型性に劣り、２％を超える含有量では強度が高くプレス成型性に劣り、生産性に問題を生じ易い。
＜Ｚｎ：０．２〜３％＞
Ｚｎはフィン３を構成するアルミニウム合金の耐食性（犠牲防食効果）に影響があり、０．２％未満では犠牲防食効果が不足し、３％を超える含有量では自己腐食速度の劣化から、犠牲防食効果の不足になり易いなどの問題がある。

＜Ｆｅ：０．２％以下＞
Ｆｅはフィン３を構成するアルミニウム合金の自己耐食性に影響があり、０．２％を超える含有量では自己腐食速度の劣化から、犠牲防食効果の不足になり易い。
＜Ｓｉ：０．１５％以下＞
Ｓｉはフィン３を構成するアルミニウム合金の強度に影響があり、０．１５％を超える含有量では、心材との電位差が得られにくくなるという面で問題がある。

以下、Ｓｉ含有層４ｂを構成するアルミニウム合金の各構成元素含有量とそれらの限定理由について説明する。
Ｓｉ含有層４ｂは、質量％でＳｉ：２〜１２％を含有し、残部アルミニウム及び不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることが好ましい。また、このアルミニウム合金において、Ｚｎ：０．３％以下、あるいは、Ｓｒ：０．０１〜０．１％を含んでいても良い。
＜Ｓｉ：２〜１２％＞
ＳｉはＳｉ含有層４ｂ中にＳｉ粒子として含まれる。Ｓｉ含有層４ｂ中にＳｉを２〜１２％含有させるのは、ＳｉがＳｉ含有層４ｂの融点を下げ、溶融ろうとしての流動性を高めるとともに、ろう付け時の加熱温度で溶融したＳｉ含有層から芯材４ａの厚さ方向にＳｉを拡散させ、ろう付け後のフィン４の厚さ方向にＳｉ濃度の傾斜を生成するためである。Ｓｉ濃度の傾斜を生成することでＳｉ含有層４ｂを設けた側のフィン４の表面とＳｉ含有層４ｂを設けていない側のフィン４の表面の電位差を１０ｍＶ以上生成することができる。

＜Ｚｎ：０．３％以下＞
Ｚｎ含有量を０．３％以下とするのは、Ｓｉ含有層との電位差を取りやすくし、面状腐食の効果を得るためである。
＜Ｓｒ：０．０１〜０．１％＞
Ｓｒは、Ｓｉ含有層４ｂ中に添加することによりＳｉ粒子を微細化する効果を奏する。また、ＳｒはマトリックスのＳｉ固溶量を大きくするので、電位を貴にできる。これにより、フィン４とチューブ３の電位差を設け易くすることができる。

フィン材４Ａは、上記組成を有する芯材４ａ用のアルミニウム合金とＳｉ含有層４ｂ用のアルミニウム合金を個々に常法により溶製し、熱間圧延工程、冷間圧延工程などを経て、積層し、積層板を必要幅に切断後、波形形状に加工して得られる。なお、フィン材４Ａの製造方法は、本発明としては特に限定をされるものではなく、既知の製法を適宜採用することができる。

「ヘッダーパイプ」
ヘッダーパイプ１、２を構成するアルミニウム合金は、Ａｌ−Ｍｎ系をベースとしたアルミニウム合金が好ましい。
例えば、Ｍｎ：０．０５〜１．５０％を含有することが好ましく、他の元素として、Ｃｕ：０．０５〜０．８％、Ｚｒ：０．０５〜０．１５％を含有することができる。

次に、以上説明したヘッダーパイプ１、２チューブ３及びフィン４を主たる構成要素とする熱交換器１００の製造方法について説明する。
図３は、フィン材４Ａとの接合面にろう付用塗膜７を塗布したチューブ３を使用し、ヘッダーパイプ１、２、チューブ３及びフィン材４Ａを組み立てた状態を示す熱交換器組立体１０１の部分拡大図であって、ろう付けする前の状態を示している。
図３に示す熱交換器組立体１０１において、チューブ３はその一端をヘッダーパイプ１に設けたスリット６に挿入し取り付けられている。また、ヘッダーパイプ１、２の芯材１１の表面側にろう材層１３が設けられている。

図３に示すように組み立てられた熱交換器組立体１０１をろう材の融点以上の温度に加熱し、加熱後に冷却すると、ろう材層１３、ろう付用塗膜７が溶けた後に固化して図２に示すようにヘッダーパイプ１とチューブ３、チューブ３とフィン４が各々接合され、図１と図２に示す構造の熱交換器１００が得られる。なお、Ｓｉ含有層４ｂからはろう付け時に主にＳｉが芯材４ａ側に拡散する。

ろう付けの際、ヘッダーパイプ１、２の内周面のろう材層１３は溶融してスリット６近傍に流れ、第１のフィレット部８を形成してヘッダーパイプ１、２とチューブ３とが接合される。また、チューブ３の表裏面のろう付用塗膜７は溶融してＡｌ−ＳｉろうあるいはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎろうとなり、毛管力によりフィン材４Ａ近傍に流れ、第２のフィレット部９を形成してチューブ３とフィン４とが接合される。また、ヘッダーパイプ１、２の表面に設けられていたろう材層１３はろう付け後に僅かに表面に残留する。

ろう付に際し、不活性雰囲気などの適切な雰囲気で適温に加熱して、ろう付用塗膜７、ろう材層１３を溶融させる。そうすると、フラックスの活性度が上がって、フラックス中のＺｎがチューブ３の表面側または下面側に拡散し、それらの肉厚方面に拡散するのに加え、ろう材及び被ろう付材の双方の表面の酸化皮膜を破壊してろう材と被ろう付材との間のぬれを促進する。
ろう付の条件は特に限定されない。一例として、炉内を窒素雰囲気とし、熱交換器組立体１０１を昇温速度５℃／分以上でろう付温度（実体到達温度）５８０〜６２０℃に加熱し、ろう付温度で必要時間保持し、ろう付温度から常温まで冷却すればよい。

チューブ３の上面側と下面側ではろう付によってフラックス中のＺｎが拡散してチューブ３の表面側または下面側にＺｎ溶融拡散層からなる犠牲陽極層３Ｅが形成され、チューブ表面側または下面側でＺｎの拡散を受けている領域がチューブ３の肉厚方向の内部側（Ｚｎの拡散を受けていない領域）よりも卑になる。ここで、チューブ３の肉厚方向の内部側とは犠牲陽極層３Ｅが形成されているチューブ３の表面領域あるいは裏面領域よりチューブ３の肉厚方向に深い領域を示す。
なお、ろう付け時の加熱によりＳｉ含有層４ｂに含まれているＳｉが芯材４ａ側に拡散される。

第２のフィレット部９に含まれるＺｎ量は、ろう付け用塗膜７に含まれるＺｎ量とチューブ３に含まれるＺｎ量に応じて変化し、塗膜７からのＺｎの拡散とチューブ３からのＺｎの拡散に影響を受ける。フィン４にはＺｎが多く含まれているのでチューブ３より電位は低くなる。また、フィン４の芯材４ａにはＳｉ含有層４ｂからＳｉとＺｎが拡散され、芯材４ａにはその厚さ方向にＳｉの濃度勾配が形成される。
即ち、芯材４ａの厚さ方向においてＳｉ含有層４ｂを形成していた側に高い濃度のＳｉが含有され、芯材４ａの厚さ方向においてＳｉ含有層４ｂを形成していない側には殆どＳｉが拡散されず、殆どＳｉを有していないか、芯材４ａに元々含まれていたＳｉが存在する。一例として、後述する実施例において得られたＳｉの濃度勾配について図８に示すように、芯材４ａの厚さ方向一側のみの厚さ半分ほどの領域にＳｉの濃度勾配を有するＳｉ拡散層が形成される。

以上説明した構成の熱交換器１００においては、腐食環境において使用されると、貴な部分に対し、より卑な部分から腐食が進行する。
ろう付けがなされて構成された熱交換器１００において、上述の組成のチューブ３とフィン４と犠牲陽極層３Ｅであるならば、一例として、芯材４ａの表面電位が−７６７ｍＶ〜−７７０ｍＶ、チューブ３の表面の犠牲陽極層３Ｅの表面電位が−９００ｍＶ、チューブ３において短側面側の表面電位が−７１０ｍＶ〜−７４０ｍＶの電位関係とすることができる。

本実施形態の構造において、ろう付け後に得られるフィン４の表面電位（フィン４の厚さ方向においてＳｉ含有層４ｂを設けていなかった側の表面電位）とチューブ３の短側面側の表面電位との差が１０ｍＶ以上となる電位バランスを有することが好ましい。
このような電位バランスを有することにより、耐食性に優れた熱交換器１００とすることができる。具体的には、腐食環境にあると、フィン４が面状腐食となるので、フィン４に近い位置であるチューブ３の短側面側を防食できる。
フィン４の表面電位とチューブ３の短側面側の表面電位の差が１０ｍＶ未満の場合、フィン３を面状に腐食させる効果が不足し、チューブ３の短側面側の孔食に繋がるおそれがある。

また、上述の構造によりフィン４のろう付け部分をフィン４と同じもしくは若干卑になるようにすることで、フィン４に覆われていない部位の犠牲陽極層を充実化し、この部位にて耐食目標前に貫通孔があくことを抑制できる。例えば、チューブ３の短側面壁表面を防食できる。
図６にチューブ３の上面側にろう付けされているフィン４についてＳｉ含有層４ｂが設けられていた側の位置を鎖線で示し、図７にチューブ３の下面側にろう付けされているフィン４についてＳｉ含有層４ｂが設けられていた側の位置を鎖線で示す。
図６に示す構造において、チューブ３の短側面３Ｄ側にろう付け前にろう付塗膜７が形成されていないため、チューブ３の短側面３Ｄ側には犠牲陽極層３Ｅが形成されていない。このため、チューブ３の短側面側の電位は近傍のフィン４の電位よりも貴となる。
図７に示す構造においても、チューブ３の短側面３Ｄ側には犠牲陽極層３Ｅが形成されていないため、チューブ３の短側面３Ｄ側の電位は近傍のフィン４の電位より貴となる。
従って、図６に示す構造と図７に示す構造のいずれにおいてもチューブ３の短側面３Ｄ側に対し近傍のフィン４を面状腐食とすることができ、チューブ３の短側面３Ｄ側に腐食による貫通孔を生成し難い構造を提供できる。このため、腐食環境において長期間使用してもチューブ３に貫通孔の生成し難い、冷媒漏れの生じ難い熱交換器１００を提供できる。

図１に示す構成の熱交換器１００では、ろう付け前のフィン材４Ａの片面側にのみＳｉ含有層４ｂを設けた。フィン材４Ａを金型により打ち抜き加工あるいは切断加工で所定幅に加工して製造する場合、フィン材４Ａの両面にＳｉ含有層４ｂを設けた構造より、片面側にのみ設けた構造の方が金型摩耗を抑制できる。
Ｓｉ含有層４ｂにはろう付け前の状態でＳｉ粒子が含まれており、Ｓｉ粒子は硬度が高い。このため、金型による打ち抜き加工を想定すると、Ｓｉ粒子を含むＳｉ含有層４ｂをフィン材４Ａの両面に形成する構造よりも片面側にのみ形成する構造の方が金型の摩耗を抑制することができる。

質量％でＳｉ：０．３５％、Ｆｅ０．２５％、Ｍｎ：０．３０％、Ｍｇ：０．０１％、Ｚｎ：０．０１％、Ｔｉ：０．０２％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金（供試材と称する）から、押出加工により厚さ４ｍｍ、外壁厚さ０．５ｍｍ、内柱太さ０．５ｍｍ、穴幅２ｍｍ、孔高さ３ｍｍ、孔数６のチューブ（偏平管）を製造した。
表１に示す組成のアルミニウム合金からなる厚さ０．１３ｍｍ、幅１７ｍｍのコルゲートフィンを複数作成した。また、コルゲートフィンの片面に表１に示す組成のＳｉ含有層（アルミニウム合金層）をクラッド層として貼り合わせた。

Ｓｉ含有層付きのコルゲートフィンとチューブを６段、図１、図３に示す構造と同じように、上下に交互に重なるように組み付け、熱交換器のミニコア試験体を作製した。

各ミニコア試験体に対し、１００％窒素を満たした加熱炉において６００℃に３分間加熱後、冷却するろう付け処理を行ってろう付け構造の熱交換器を得た。
得られた熱交換器について、ｖｓカロメル飽和電極による電位測定（２.６７％ＡｌＣｌ_３水溶液）、耐食性、貫通孔発生時期、金型摩耗、ろう付け性について試験した。
「フィン材面積減少率」
ＳＷＡＡＴ試験（４０日）後の評価を行った。腐食によるフィン材面積の残存率は投射面積で評価を行い、ＳＷＡＡＴ試験４０日後の残存率９０％以上は合格と判断できる。

「貫通孔発生日数」
ＳＷＡＡＴ試験により偏平管（前述の供試材からなる偏平管）に貫通孔が発生した日数を計測した。２００日以上であれば合格と判断できる。
「金型摩耗性」
１０万ショット切断加工を行い切断金型の直角部が摩耗し丸みを帯びるため、表面粗さ径で任意の箇所の丸みの形状を測定し１０万ショット前の形状と比較し、摩耗面積を求める。Ａ１２００（ＪＩＳ）を比較材として測定し、Ａ１２００の摩耗量を１００とし、供試材の摩耗面積）が８０以上の場合、金型摩耗性を良好と判断した。
「ろう付け性」
ろう付けされた各フィンをチューブからはぎ取り、チューブ表面に残存するフィン接合跡を観察した。そして、未接合箇所（ろう付を行なったが接合部跡が残らなかった箇所）の数をカウントした。一つの試験体に対して１００か所の観察を行ない、９０か所以上（９０％以上）が正常に接合されているものを良好なろう付性を有すると判断した。
「プレス成型性」
コルゲートフィン成型において、所定のフィンピッチが得られているかを評価し、設定値に対し±３％以内であれば○と判断し、±３％を超える場合は×と判断した。

表１のＮｏ.１の試料はＳｉ含有層のＳｉ含有量を低くした試料であるが、フィン表裏面の電位差を１０ｍＶ以上にできないため、フィン残存面積が小さく、貫通に至る日数が短く耐食性に問題を生じた。
表１のＮｏ.７の試料はＳｉ含有層のＳｉ含有量を多くした試料であるが、金型摩耗が増加した。

表１のＮｏ.９の試料はＳｉ含有層のＺｎ含有量を多くした試料であるが、フィン表裏面の電位差を１０ｍＶ以上にできないため、フィン残存面積が小さく、貫通に至る日数が短く、耐食性に問題を生じた。
表１のＮｏ.９の試料はＳｉ含有層のＳｒ含有量を少なくした試料であるが、フィン表裏面の電位差を１０ｍＶ以上にできないため、フィン残存面積が小さく、貫通に至る日数が短く、耐食性に問題を生じた。

表１のＮｏ.１６の試料はＳｉ含有層のＳｒ含有量を多くした試料であるが、貫通に至る日数が短く、耐食性に問題を生じた。
表１のＮｏ.１７の試料は芯材のＭｎ含有量を少なくした試料であるが、強度が低く、プレス成型性が劣る結果となった。

表２のＮｏ.２２の試料は芯材のＭｎ含有量を多くした試料であるが、Ｍｎの過剰添加により強度が増加し、プレス成型性に劣る結果となった。
表２のＮｏ.２３の試料は芯材のＺｎ含有量を低くした試料であるが、フィン表裏面の電位差を１０ｍＶ以上にできず、偏平管とフィンの電位差を１０ｍＶ以上にできないため、フィン残存面積が小さく、貫通に至る日数が短く、耐食性に問題を生じた。
表２のＮｏ.３１の試料は芯材のＺｎ含有量を多くした試料であるが、フィン残存面積が小さく、貫通に至る日数が短く、耐食性に問題を生じた。
表２のＮｏ.３２の試料は、Ｓｉ含有層を両面に形成した例である。この例では金型摩耗が増加した。

これらの試料に対し、表１、表２に示すＮｏ.２〜６の試料と、Ｎｏ.８、Ｎｏ.１１〜１５、１８〜２１、２４〜３０の試料は、芯材の片面側のみに適正量のＳｉ、Ｚｎ、Ｓｒを含むＳｉ含有層を設け、芯材に適量のＭｎを含み、ろう付け後に芯材表裏面の電位差を１０ｍＶ以上に調整した熱交換器である。このため、ろう付け部分のろう付け性に優れ、耐食性に優れ、貫通孔に至る日数が長く、溝部形成時の金型摩耗も少ない特徴を有する熱交換器を提供できる。

図８は表１に示すＮｏ.４の試料のフィンにおける芯材について、その厚さ方向にＳｉとＺｎとＭｎの濃度分布を調べた結果を示す。
Ｎｏ.４の試料の芯材の厚さ方向について、Ｓｉ含有層に近い側にピーク濃度２.０％前後、ピーク幅２０μｍ程度、Ｓｉ分布幅４０μｍ程度のＳｉ濃度勾配層が形成されていることが判る。また、この試料の芯材に含まれているＺｎ濃度は０.５質量％前後であり、Ｍｎ含有量は１．５質量％前後であることがわかる。

図９は表２に示すＮｏ.３２の試料のフィンにおける芯材について、その厚さ方向にＳｉとＺｎとＭｎの濃度分布を調べた結果を示す。
Ｎｏ.３２の試料の芯材の厚さ方向について、ろう材層に近い側とろう材層から離れた側の両方にピーク濃度を示すようにＳｉが含有され、芯材に含まれているＺｎ濃度は０.５質量％前後であり、Ｍｎ含有量は１．５質量％前後であることがわかる。
これらの対比から明らかなように、芯材の両面側にろう材層を設けた場合、両方のろう材層からＳｉが芯材側に拡散され、芯材の表裏面両側にＳｉ濃度のピークを生じるため、芯材の表裏面に電位差１０ｍＶ以上を確保できないことがわかる。

１００…熱交換器、３…チューブ（偏平管）、３Ａ…上面、３Ｂ…下面、３Ｃ…冷媒通路、３Ｄ…短側面、３Ｅ…犠牲陽極層、４…フィン、４Ａ…フィン材、４ａ…芯材、４ｂ…Ｓｉ含有層、７…ろう付用塗膜、８…第１のフィレット部、９…第２のフィレット部、１３…ろう材層、１０１…熱交換器組立体。

Claims (8)

1. 芯材の片面側のみにＳｉ含有層を有し、ろう付け後に、その厚さ方向片面側でＳｉ濃度が高く、反対面側でＳｉ濃度が低いＳｉの濃度勾配が生成され、熱交換器用チューブにろう付けされることを特徴とする熱交換器用片面ろうフィン材。
2. 請求項１に記載のＳｉの濃度勾配による表裏面の電位差が１０ｍＶ以上生成され、熱交換器用チューブにろう付けされることを特徴とする熱交換器用片面ろうフィン材。
3. 前記Ｓｉ含有層が質量％で、Ｓｉ：２〜１２％、残部アルミニウムと不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器用片面ろうフィン材。
4. 前記Ｓｉ含有層が質量％で、Ｓｉ：５〜１０％、Ｚｎ：０．３％以下、Ｓｒ：０．０１〜０．１％、残部アルミニウムと不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器用片面ろうフィン材。
5. 前記芯材が、質量％で、Ｍｎ：０．７〜２％、残部アルミニウムと不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器用片面ろうフィン材。
6. 前記芯材が、質量％で、Ｍｎ：０．７〜２％、Ｚｎ０．２〜３％、残部アルミニウムと不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器用片面ろうフィン材。
7. 複数のフィンと、これら複数のフィンがろう付けされたチューブとを有し、前記フィンがろう付け前の状態において芯材の片面側のみにＳｉ含有層を有したフィン材からなり、前記フィンにろう付け後において、その厚さ方向片面側でＳｉ濃度が高く、反対面側でＳｉ濃度が低いＳｉの濃度勾配が生成され、表裏面の電位差が１０ｍＶ以上生成されていることを特徴とする熱交換器。
8. 前記チューブが偏平管であり、その短側面側と前記フィンの卑側の電位差が１０ｍＶ以上あり、前記短側面側よりも前記フィンの卑側が卑であることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。

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