JP2022045702A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、積層型プレートフィンの熱交換器において、小型化および効率化を達成すると共に、所望の断面形状および所望の耐圧性能を有する冷媒流路を備える信頼性の高い機器およびその製造方法の提供を目的とする。【解決手段】熱交換器の製造方法においては、プレートフィンが、表面にロウ材層を含み、流路形成領域を有するブレージングシートを重ねてロウ付けして形成され、対向する流路形成領域により冷媒流路が構成されており、重ねたブレージングシートにおいて、ロウ付け前の未接合状態における流路形成領域により形成される未接合流路断面積に対するロウ付け後の接合状態の流路断面積の割合を示す流路断面比率が所定の範囲内となるように製造される。【選択図】図１５

Description

本開示は、熱交換器に関し、特に、冷媒が流れる流路を有する板状のプレートフィンを積層して構成された積層型プレートフィンの熱交換器およびその製造方法に関する。

異なる熱エネルギーを有する流体間において、熱エネルギーを交換するために使用される熱交換器は、多くの製品に用いられており、特に積層型プレートフィンの熱交換器は、例えば、家庭用および車両用の空気調和機、コンピュータ、および各種電気機器に用いられる。

積層型プレートフィンの熱交換器は、板状のプレートフィンに形成された流路を流れる流体（冷媒）と、積層されたプレートフィンの間を流れる流体（空気）との間で熱交換を行う形式である。

上記のような積層型プレートフィンの熱交換器の分野においては、小型化および軽量化を図り、信頼性の高い製品の提供を目的として、各種の構成が提案されている（例えば、特許文献１－４参照）。

特開２０１２－１１２５６２号公報 特開平０９－００１３８５号公報 特許第３２８３４７１号公報 特許第５７１４３８７号公報

積層型プレートフィンの熱交換器の分野においては、軽量化、小型化および熱交換の効率化を図る目的として、プレートフィンを熱伝導率の高い材料で厚みを薄く構成し、プレートフィンに形成された流路に従来の熱交換器に比べて高い圧力の流体（冷媒）を流すことが検討されている。

熱交換器において、流路に対して高圧の冷媒を流すためには、冷媒が安定して流れるように、冷媒の流量と流速にバラツキの生じることがない所望の流路断面を有する構成とする必要がある。特に、複数のプレートフィンを積層して構成する積層型プレートフィンの熱交換器においては、複数のプレートフィンをロウ付けにより接合して積層型プレートフィンを形成する構成であり、プレートフィンに形成される冷媒の流れる流路が、所望の断面形状を有して、安定して確実に形成されることは重要な課題であった。

本開示は、軽量化、小型化および効率化を達成すると共に、熱交換器における冷媒流路が所望の断面形状および所望の耐圧性能を確実に有して、信頼性の高い熱交換器の提供を目的とする。

本開示は、上記の課題を解決するものであり、複数のプレートフィンをロウ付けにより接合して構成される積層型プレートフィンの熱交換器において、小型化および効率化を達成すると共に、所望の断面形状および所望の耐圧性能を有する冷媒流路を備える信頼性の高い機器およびその製造方法の提供を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本開示の一態様の熱交換器の製造方法は、
冷媒流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体を備えた熱交換器の製造方法であって、
前記プレートフィンは、表面にロウ材層を含み、流路形成領域を有するブレージングシートを重ねてロウ付けして、対向する流路形成領域により冷媒流路が形成され、
重ねた前記ブレージングシートにおいて、ロウ付け前の未接合状態における流路形成領域により形成される未接合流路断面積に対するロウ付け後の接合状態の流路断面積の割合を示す流路断面比率が所定の範囲内となるように製造される。

また、本開示の一態様の熱交換器は、
冷媒流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体を備えた熱交換器であって、
前記プレートフィンは、表面にロウ材層を含み、流路形成領域を有するブレージングシートを重ねてロウ付けして形成された冷媒流路を備え、
重ねた前記ブレージングシートにおいて、ロウ付け前の未接合状態における流路形成領域により形成される未接合流路断面積に対するロウ付け後の接合状態の流路断面積の割合を示す流路断面比率が所定の範囲を有する。

以上のように、本開示の熱交換器およびその製造方法によれば、軽量化、小型化および効率化を達成すると共に、熱交換器における冷媒流路が所望の断面形状および所望の耐圧性能を確実に有して、信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

本開示に係る実施の形態１の積層型プレートフィンの熱交換器の外観を示す斜視図 実施の形態１の熱交換器においてプレートフィンを構成するブレージングシートの一例を示す平面図 実施の形態１におけるプレートフィン積層体を、その長手方向に直交する面で切断した端面図 実施の形態１におけるブレージングシートが接合（ロウ付け）される前の状態を拡大して模式的に示す断面図 実施の形態１の熱交換器において用いられるブレージングシートの積層構造を模式的に示す断面図 ブレージングシートがロウ付けされて冷媒流路が形成された状態を示す断面写真 Ａｌ－Ｓｉ（アルミニウム－シリコン）二元系状態図 ロウ付け時において溶融したロウ材が芯材の内部に浸入した状態を示す断面写真 対向するブレージングシートがロウ付けされて形成された冷媒流路の流路断面形状の具体例を示す断面写真 実験において形成された冷媒流路について算出した結果を示すグラフ 実験において形成された冷媒流路について算出した結果を示すグラフ 実施の形態１におけるブレージングシートがロウ付けされた後の状態を拡大して模式的に示す断面図 実験結果において、「ロウ材層厚み」と「補正流動指数」との関係を示すグラフ 実験結果において、「ロウ材層中のシリコン濃度」と「補正流動指数」との関係を示すグラフ 実験結果において、熱交換器における好ましい冷媒流路を形成するための材料因子である「ロウ材層厚み」および「ロウ材層におけるシリコン濃度（Ｓｉ濃度）」の領域を示すグラフ

以下、本開示の熱交換器の具体的な実施の形態として積層型プレートフィンの熱交換器について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本開示の熱交換器は、以下の実施の形態に記載した具体的な積層型プレートフィンの熱交換器の構成に限定されるものではなく、以下の実施の形態において説明する技術的特徴を有する技術的思想と同等の技術に基づくものを含むものである。

また、以下の実施の形態において示す形状、構成、方法（工程、工程の順序）などは、一例を示すものであり、発明を本開示の内容に限定するものではない。以下の実施の形態における要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない要素については、任意の要素として説明される。なお、図面においては、理解しやすくするために、それぞれの要素を主体として模式的に描いている。

先ず始めに、本開示の熱交換器およびその製造方法における各種態様を例示する。
本開示に係る第１の態様の熱交換器の製造方法は、
冷媒流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体を備えた熱交換器の製造方法であって、
前記プレートフィンは、表面にロウ材層を含み、流路形成領域を有するブレージングシートを重ねてロウ付けして、対向する流路形成領域により冷媒流路が形成され、
重ねた前記ブレージングシートにおいて、ロウ付け前の未接合状態における流路形成領域により形成される未接合流路断面積に対するロウ付け後の接合状態の流路断面積の割合を示す流路断面比率が所定の範囲内となるように製造される。

本開示に係る第２の態様の熱交換器の製造方法は、前記の第１の態様における前記流路断面比率が、３１．０％≦Ｒ≦８１．８％、の範囲内でもよい。

本開示に係る第３の態様の熱交換器の製造方法は、前記の第１の態様における前記流路断面比率（Ｒ）は、４５．３％≦Ｒ≦８１．８％、の範囲内でもよい。

本開示に係る第４の態様の熱交換器の製造方法は、前記の第１の態様から第３の態様におけるいずれかの態様において、前記ブレージングシートにおけるロウ材層の厚みとロウ材層のシリコン濃度との関係が所定の選択領域の範囲内の関係を有して製造されてもよい。

本開示に係る第５の態様の熱交換器の製造方法は、前記の第１の態様から第３の態様におけるいずれかの態様において、前記ブレージングシートにおけるロウ材層の厚みとロウ材層のシリコン濃度との相関関係を示す材料の散布図において、略平行四辺形で示す選択領域（Ｍ）内の範囲から選択されたロウ材層の厚みとロウ材層のシリコン濃度を示す材料を用いて製造されてもよい。

本開示に係る第６の態様の熱交換器は、冷媒流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体を備えた熱交換器であって、
前記プレートフィンは、表面にロウ材層を含み、流路形成領域を有するブレージングシートを重ねてロウ付けして形成された冷媒流路を備え、
重ねた前記ブレージングシートにおいて、ロウ付け前の未接合状態における流路形成領域により形成される未接合流路断面積に対するロウ付け後の接合状態の流路断面積の割合を示す流路断面比率が所定の範囲を有する。

本開示に係る第７の態様の熱交換器は、前記の第６の態様において、前記流路断面比率が、３１．０％≦Ｒ≦８１．８％、の範囲内でもよい。

本開示に係る第８の態様の熱交換器は、前記の第６の態様において、前記流路断面比率が、４５．３％≦Ｒ≦８１．８％、の範囲内でもよい。

本開示に係る第９の態様の熱交換器の製造方法は、前記の第６の態様から第８の態様におけるいずれかの態様において、前記ブレージングシートが、芯材の少なくとも一方の面にロウ材層を有し、
前記芯材および前記ロウ材層を構成する材料が、アルミニウム合金であり、前記ロウ材層は、シリコンを含有するアルミニウム合金で構成されてもよい。

本開示に係る第１０の態様の熱交換器は、前記の第９の態様において、前記ブレージングシートが、前記芯材の両側に前記ロウ材層を有する構成としてもよい。

（実施の形態１）
以下、本開示の実施の形態１の熱交換器およびその製造方法について、添付の図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１の積層型プレートフィンの熱交換器（以下、単に熱交換器と称する）１の外観を示す斜視図である。図１に示すように、実施の形態１の熱交換器１は、第１流体Ａである冷媒が給入される給入管４と、長方形の板状である複数のプレートフィン２ａが隙間を有して積層して構成されたプレートフィン積層体２と、プレートフィン２ａに形成された冷媒流路を流れた冷媒を排出する排出管５とを備える。

なお、実施の形態１の熱交換器１においては、給入管４および排出管５が実質的に同じ構成を有しており、そのときの動作に対応する機能を名称として用いる。なお、本開示においては、給入管４および排出管５を合わせてスリーブ（４、５）と称する。

プレートフィン積層体２の積層方向（図１に示す熱交換器１では上下方向）の両端にはエンドプレート３が配設されており、エンドプレート３は長方形のプレートフィン２ａと平面視（図１に示す熱交換器１では上方から見た形状）おいてはが略同一形状である。一方のエンドプレート３の長手方向の両端側には給入管４または排出管５が接合されている。なお、実施の形態１の構成においては、一方のエンドプレート３の両端側にそれぞれ給入管４または排出管５を接合した構成で説明するが、熱交換器１が用いられる装置の仕様に応じて、一方のエンドプレート３に給入管４を接合し、他方のエンドプレート３に排出管５を接合する構成としてもよい。

なお、以下の実施の形態１においては、図１に示し熱交換器１におけるプレートフィン積層体２の積層方向を上下方向とし、プレートフィン積層体２に設けた一方のエンドプレート３の位置を上側とし、他方のエンドプレート３の位置を下側にとして説明する。但し、当該熱交換器１が装置（例えば、空調機器）に設けられた状態においては、その積層方向が上下方向（鉛直方向）に特定されるものではない。

プレートフィン積層体２の積層方向の両端に配設されたエンドプレート３は、位置決め手段（例えば、位置決めボルトなど）により所定間隔を有して互いに固定されており、プレートフィン積層体２を挟着している。両端のエンドプレート３を所定間隔に維持して固定する位置決め手段は、積層された各プレートフィン２ａに対する位置決めの機能を有する。エンドプレート３は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属材により形成された板材で構成してもよく、後述するブレージングシートを積層して形成された積層体で構成してもよい。

実施の形態１の熱交換器１においては、第１流体Ａである冷媒がプレートフィン積層体２の各プレートフィン２ａに形成された流路形成領域１３で構成される冷媒流路６０（図３参照）を流れる構成である。一方、第２流体Ｂである空気は、プレートフィン積層体２におけるプレートフィン２ａの積層間に形成された隙間を通り抜ける構成である。このように構成された熱交換器１は、プレートフィン積層体２において第１流体Ａと第２流体Ｂとの間で熱交換が行われる。

実施の形態１の熱交換器１におけるプレートフィン積層体２を構成する複数のプレートフィン２ａのそれぞれは、２枚のブレージングシート（第１フィン部材１０、第２フィン部材２０）を対向するように張り合わせて接合（ロウ付け）され、冷媒流路６０が形成される構成である。このように構成されるプレートフィン２ａは、複数積層された状態で加圧および加熱されて接合（ロウ付け）され、プレートフィン積層体２が構成されている。なお、プレートフィン積層体２が加熱されて接合されるとき、同時に、エンドプレート３およびスリーブ４、５を同時に加熱して接合（ロウ付けして熱交換器を作製してもよい。

図２は、プレートフィン２ａを構成するブレージングシート５０（図４参照）の第１フィン部材１０と第２フィン部材２０の一例を示す平面図である。図２において、（ａ）が第１フィン部材１０の平面図であり、（ｂ）が第２フィン部材２０の平面図である。第１フィン部材１０および第２フィン部材２０は、アルミニウム合金製の薄板であり、詳細な構成については後述する。第１フィン部材１０および第２フィン部材２０は、ブレージングシート５０の薄板を用いて所定形状に加工される。所定形状に加工された第１フィン部材１０および第２フィン部材２０は、所定位置で対向して配置されて互いに密着するように加圧され、加熱されることにより、対向する平坦な所定領域が互いに確実に接合（ロウ付け）される。

図２の（ａ）に示す第１フィン部材１０には、給入管４からの冷媒が供給され、または排出管５へ冷媒を排出する環状のヘッダ流路１１のための凹みが、長手方向の両端側に形成されている。ヘッダ流路１１の外周部分の一カ所からは、所定距離だけ導出するヘッダ連通流路１２が形成されており、ヘッダ連通流路１２の導出方向の延長線上には、プレートフィン２ａにおける熱交換領域に形成される流路形成領域１３の端部が配設される。

第１フィン部材１０における流路形成領域１３は、ヘッダ連通流路１２と同様に、凹みにより形成されている。流路形成領域１３は、プレートフィン２ａの熱交換領域の全体を蛇行するように形成されている。なお、実施の形態１におけるヘッダ流路１１、ヘッダ連通流路１２および流路形成領域１３の構成は例示であり、この例示の構成に本開示を特定するものではない。

実施の形態１の構成において、第１フィン部材１０に接合（ロウ付け）される第２フィン部材２０には、図２の（ｂ）に示すように、流路形成領域２１、２２が形成されている。実施の形態１においては、第１フィン部材１０と第２フィン部材２０との接合（ロウ付け）により、ヘッダ流路１１から連通流路１２を介して流路形成領域１３が連通する冷媒流路６０が形成される。この結果、実施の形態１の熱交換器１においては、給入管４から供給された冷媒が、ヘッダ流路１１、ヘッダ連通流路１２、流路形成領域２１、流路形成領域１３（流路形成領域２２）、流路形成領域２１、ヘッダ連通流路１２、およびヘッダ流路１１に流れて排出管５から排出される。

図２の（ｂ）に示すように、第２フィン部材２０においては、第１フィン部材１０における直線状の流路形成領域１３に対向する領域に流路形成領域２２が形成されている。この流路形成領域２２は、流路形成領域１３の同様に同じ方向に突出する凸形状の領域であり、流路形成領域１３より突出高さが低く形成されている。この流路形成領域２２が第１フィン部材１０の直線状の流路形成領域１３に対向して配置されることにより、流路形成領域１３の直線部分の冷媒流路６０が確保され、冷媒の流れ方向に直交する断面形状の変形が抑制されている。

なお、第１フィン部材１０および第２フィン部材２０には、伝熱遮断スリット６が形成されており、近接した流路形成領域１３間の伝熱作用を抑制して、熱交換効率を高めている。

図３は、実施の形態１におけるプレートフィン積層体２を、その長手方向に直交する面で切断した端面図である。図３においては、第１フィン部材１０および第２フィン部材２０が接合（ロウ付け）されて第１フィン部材１０の流路形成領域１３と第２フィン部材２０の流路形成領域２２とにより冷媒流路６０が形成された状態を模式的に示している。図４は、第１フィン部材１０と第２フィン部材２０が接合（ロウ付け）される前の状態を拡大して模式的に示す断面図である。図４に示すように、実施の形態１における第１フィン部材１０と第２フィン部材２０としては、芯材５１の両面にロウ材層（５２、５３）が形成された３層構造のブレージングシート５０が用いられている。なお、プレートフィン積層体２においては、後述するように、芯材５１の一方の面に犠牲材層が形成された４層構造のブレージングシート５０を用いてもよい。

〈ブレージングシート〉
図５は、実施の形態１の熱交換器１において、第１フィン部材１０と第２フィン部材２０として用いられるブレージングシート５０の積層構造を模式的に示す断面図である。図５における（ａ）は３層構造のブレージングシート５０ａを示し、（ｂ）は４層構造のブレージングシート５０ｂを示す。

図５の（ａ）に示す３層構造のブレージングシート５０ａは、アルミニウム合金層が積層された構造を有しており、芯材５１の両面に第１ロウ材層５２、第２ロウ材層５３が積層された３層構造である。３層構造のブレージングシート５０ａの具体例としては、例えば、芯材５１がマンガン（Ｍｎ）を含有するアルミニウム合金であり、第１ロウ材層５２および第２ロウ材層５３がシリコン（Ｓｉ）を含有するアルミニウム合金である。
なお、芯材５１の材料としては、例えば、代表的には、３０００系（アルミニウム－マンガン（Ａｌ－Ｍｎ）系合金）、５０００系（アルミニウム－マグネシウム（Ａｌ－Ｍｇ）系合金）、または６０００系（アルミニウム－マグネシウム－シリコン（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ）系合金）等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。本開示におけるブレージングシート５０（５０ａ，５０ｂ）における芯材５１としては、熱交換器の種類または構造等の諸条件に応じて求められる物性を実現し得るアルミニウム合金であればよい。

なお、また、第１ロウ材層５２および第２ロウ材層５３としては、ロウ材として用いられるシリコン（Ｓｉ）を含有するアルミニウム合金であり、すなわち、アルミニウム－シリコン（Ａｌ－Ｓｉ）系合金であればよい。また、ロウ材としてのＡｌ－Ｓｉ系合金には、ロウ材としての機能に影響を及ぼさない範囲で、Ｓｉ以外の元素を含有してもよい。また、ロウ材としてのＡｌ－Ｓｉ系合金には、不可避的不純物として種々の元素が含有されてもよい。

また、図５の（ｂ）に示す４層構造のブレージングシート５０ｂは、３層構造のブレージングシート５０ａと同様にアルミニウム合金層が積層された構造であるが、芯材５１の一方の面には第１ロウ材層５２との間に犠牲材層５４が形成されている。犠牲材層５４が芯材５１の一方の面を被覆しており、第２ロウ材層５３が芯材５１の他方の面、即ち、犠牲材層５４が被覆している面とは反対側の面を被覆している。犠牲材層５４の材料は、芯材５１、第１ロウ材層５２および第２ロウ材層５３と同様にアルミニウム合金であるが、亜鉛（Ｚｎ）を含有するアルミニウム合金である。

犠牲材層５４の材料として用いられるアルミニウム合金は、犠牲防食作用を発揮するために、亜鉛（Ｚｎ）を含有している。なお、犠牲材層５４の材料としては、犠牲防食作用としての機能に影響を及ぼさない範囲で、Ｚｎ以外の元素を含有してもよい。また、犠牲材層５４の材料としてのＡｌ－Ｚｎ系合金には、不可避的不純物として種々の元素を含有してもよい。

実施の形態１の熱交換器の製造においては、上記の材料で構成されたブレージングシート５０で形成された第１フィン部材１０および第２フィン部材２０が重ね合わされて、高温（５８０℃以上）の炉の中においてロウ付けされて、互いに接合され、冷媒流路が形成される。このようにして製造されるプレートフィン積層体２が実施の形態１の熱交換器１に用いられる。

図６は、第１フィン部材１０および第２フィン部材２０がロウ付けされて冷媒流路６０が形成された状態を示す断面写真である。即ち、図６の断面写真は、前述の図４に示した重ね合わされた第１フィン部材１０および第２フィン部材２０が高温度でロウ付けされた状態を示す、具体例である。図６に示す断面写真の冷媒流路６０は、所望の流路断面を有しており、対向して配設された第１フィン部材１０の第２ロウ材層５３と、第２フィン部材２０の第１ロウ材層５２が溶融して互いに接合された状態となると共に、所望の冷媒流路６０が形成されている。

図６の断面写真に示すように、第１フィン部材１０の芯材５１と、第２フィン部材２０の芯材５１との間の領域にロウ材層（５３、５２）が溶融してフィレット（接合部）６１が形成される。このフィレット（接合部）６１は、ロウ付け前における第１フィン部材１０の第２ロウ材層５３と、第２フィン部材２０の第１ロウ材層５２とが所定高温度の加熱により溶融して、第１フィン部材１０と第２フィン部材２０との接合領域６１ａ、および冷媒流路６０の両側の流路形成領域６１ｂで凝集し、第１フィン部材１０と第２フィン部材２０がロウ付けされ、接合されている。このときのロウ付け時のロウ材層（５３、５２）の溶融量に対しては、それぞれの芯材５１へ浸入する浸入量（減肉量）が減じられた溶融量（実質溶融量）によりフィレット（接合部）６１の量（形状と大きさ）、即ち、接合領域６１ａおよび流路形成領域６１ｂの接合量（形状と大きさ）が決定される。

ロウ付けされた第１フィン部材１０と第２フィン部材２０との接合強度（耐圧性能）は、フィレット（接合部）６１の量（形状と大きさ）に影響されるものであり、一定以上の量が確保されていなければプレートフィン積層体２において使用中の破壊、冷媒漏れなどに繋がるものとなる。また、冷媒流路６０を形成する流路形成領域６１ｂにおいては、所望の流路断面形状とならない場合には、所定の熱交換能力を担保することができないという問題を有する。

上記のように、第１フィン部材１０と第２フィン部材２０とのロウ付けより、第１フィン部材１０と第２フィン部材２０とが所望の接合強度（耐圧性能）となり、冷媒流路が所望の流路断面形状に形成されるための影響因子としては、少なくとも以下のものが存在する。

（１）材料因子としてのロウ材層厚み、
（２）材料因子としてのロウ材層におけるシリコン濃度（Ｓｉ濃度）、
（３）条件因子としてのロウ付け温度、および
（４）条件因子としてのロウ付け時間。

上記の影響因子において、（１）～（３）はロウ材層の溶融量を決定し、（４）は芯材５１への浸入量（減肉量）を決定する。

〈ロウ付け時のＳｉ拡散〉
図７は、Ａｌ－Ｓｉ（アルミニウム－シリコン）二元系状態図であり、縦軸が温度Ｔ［℃］、横軸がＳｉ濃度［％］を示す。図７に示す二元系状態図において、共晶等温線を示す共晶温度は５７７℃であり、二相共存領域はＳｉ濃度が１．６～１２．１％を示している。また、Ｓｉ濃度が０％におけるＡＬ液相温度は６６０℃である。

図７の状態図に示すように、基本的には、ある特定温度Ｔにおける液相比率σは、アルミニウム合金のＳｉ濃度［Ｓｉ］により決定される。従って、ロウ付け時におけるロウ材層（５３、５２）の溶融量は、「ロウ材層の厚み」、「ロウ材層中のＳｉ濃度」、および「ロウ付け温度」により決定することが可能である。しかしながら、ロウ付け時においては、ロウ材層におけるＳｉ原子の一部が芯材５１中に拡散するため、ロウ材層のロウ材量の全てがフィレット（接合部）６１に形成されることはない。

上記のように、ロウ付け時においてロウ材層におけるＳｉ原子が芯材５１の中に拡散するため、ロウ材層においてフィレット（接合部）６１を形成するためのＳｉ量は、合金材料のミルシートに記載されたＳｉ濃度から計算された算出値よりは減少する。即ち、ロウ付け時におけるロウ材層における溶融量を決定する液相比率σは、ミルシートに記載されたＳＩ濃度から計算された液相比率算出値より小さくなる。

従って、ロウ付け時におけるＳｉ拡散量の定量化が可能であれば、正確な実質的な液相比率σの算出は可能となるが、Ｓｉ拡散量は実績におけるバラツキが大きく、実験値などからの定量化は困難である。

そこで、本開示においては、拡散の理論式からＳｉ拡散量を簡易モデル化することにより、ロウ付け時におけるＳｉ拡散の影響を考慮に入れた実質的な液相比率（補正液相比率）σ_２を用いて、ロウ付け持のロウ材層の溶融量を算出することを可能としたものである。

〈Ｓｉ拡散量の簡易モデル化〉
次に、ロウ付け時におけるＳｉ拡散による液相比率σの変化を簡便モデル化するための考え方について説明する。

図７に示した二元系状態図から、Ｓｉ濃度［Ｓｉ］による液相比率σの変化は、下記式［１］に示すＳｉ濃度［Ｓｉ］の一次式で表現される。

上記の式［１］に示すように、液相比率σの変化がＳｉ濃度［Ｓｉ］の一次式で表現されるため、ロウ付け時におけるＳｉ拡散による液相比率σの変化もＳｉ濃度［Ｓｉ］の一次式で表現できると考察される。

ロウ付け時におけるＳｉ拡散量は、発明者の実験などから、「ロウ付け時間の平方根（√ｔ_１）」、「拡散係数（Ｄ）」、および「芯材とロウ材層のＳｉ濃度勾配（Ｃ_ｂ－Ｃ_ｃ）」に比例することが確認された。従って、Ｓｉ拡散を考慮に入れた場合のロウ付け時における実質的な液相比率（補正液相比率）σ_２は、下記式［２］により表すことが可能である。

上記の式［２］において、「Ｋ_１」はフィッティング用の係数であり、「Ｄ」は拡散係数、「Ｃ_ｂ」はロウ材層中のＳｉ濃度、「Ｃ_ｃ」は芯材中のＳｉ濃度、および「ｔ_１」はロウ付け時間を示している。

発明者は、上記の検討結果から、ロウ付け時において形成される実質的な溶融量（実質溶融量）は、「ロウ材層の厚み」と「補正液相比率σ_２」との乗算により求めることが可能であることを見出した（下記式［３］参照）。

〈ロウ付け時の減肉量〉
前述のように、ロウ付け時において、ロウ材層が溶融してフィレット（接合部）６１が形成される。このフィレット（接合部）６１を形成するためのロウ材量は、ロウ材層の溶融量から、芯材５１へ浸入した浸入量（減肉量）が減じられた量である。このロウ材量によりフィレット（接合部）６１の形成量（形状と大きさ）、即ち、接合領域６１ａおよび流路形成領域６１ｂの形成量（形状と大きさ）が決定される。

図８は、ロウ付け時において溶融したロウ材が芯材５１の内部に浸入した状態を示す断面写真である。前述の図６に示した断面写真においては、溶融したロウ材により芯材５１の間にフィレット（接合部）が形成されており、互いのブレージングシート５０が確実に接合された状態を示している。一方、図８に示した断面写真においては、溶融したロウ材がそれぞれの芯材５１の内部に浸入しており、ブレージングシート５０間の接合強度が低下していることが理解できる。

図８の断面写真に示す状態は、ロウ付け時間が所定の時間を過ぎて長くなった場合の状態を示しており、このような状態においては、溶融したロウ材が芯材５１の内部に徐々に侵入していく。このように、ロウ材が芯材５１に侵入すると、その侵入した分（減肉量）、即ち、減少した分だけ接合強度が低下する。

ロウ付け時においてロウ材が芯材５１に侵入した減肉量は、「ロウ付け時間」と密接な関係を有しており、「減肉量」が「ロウ付け時間」の平方根に比例することが知られている。従って、「減肉量」と「ロウ付け時間」との関係を下記式［４］で表すことができる。

〈補正流動指数Ｆ_２〉
次に、ロウ付け時においてロウ材層から実質的に溶融する「実質溶融量」と、上記の「減肉量」とを考慮に入れて定義される「補正流動指数Ｆ_２」について説明する。「補正流動指数Ｆ_２」は、所望の流路断面を有する冷媒流路６０を形成し、接合すべき対向するブレージングシート５０間において、所定の接合強度（耐圧性能）を確保するための指標となる数値である。「補正流動指数Ｆ_２」としては、下記の式［５］に示すように定義される。

上記のように、「補正流動指数Ｆ_２」は、前述の（１）材料因子としての「ロウ材層の厚み」、（２）材料因子としての「ロウ材層におけるシリコン濃度（Ｓｉ濃度）」、（３）条件因子としての「ロウ付け温度」、および（４）条件因子としての「ロウ付け時間」という、ロウ付け時の影響因子が加味された指標である。

従って、接合すべき対向するブレージングシート５０間において所定の接合強度（耐圧性能）が確実に確保され、所望の流路断面を有する冷媒流路６０が形成されたときの「補正流動指数Ｆ_２」を求めることにより、ロウ付け時の所望の材料因子となる「ロウ材層の厚み」および「ロウ材層におけるシリコン濃度（Ｓｉ濃度）」における範囲を決定することができる。

図９は、対向するブレージングシート５０がロウ付けされて形成された冷媒流路６０において、その冷媒流路６０の流路断面の具体的な形状を示す断面写真である。なお、流路断面とは、冷媒流路６０における冷媒が流れる方向に直交する方向に切断したときの断面である。

図９の（ａ）は、冷媒流路６０の流路断面が所望形状を有する場合を示しており、設計上の理想形状である略山形形状と相似形を示す断面写真である。図９の（ｂ）は、流路断面が略楕円形状であり、実質溶融量が多くフィレット（接合部）の占める面積が多くなり、接合強度（耐圧性能）は高くなるが、冷媒流路６０の流路断面が小さくなっている。図９の（ｃ）は、実質溶融量がさらに多くなって、フィレット（接合部）の占める面積がさらに多くなり、冷媒流路６０の流路断面が小さな円形形状となっている。図９の（ｄ）は、ロウ付けされたブレージングシート５０間の冷媒流路６０が塞がれており、流路閉塞状態である。

発明者は、熱交換器１のプレートフィン積層体２の製造において、条件を変えて各種のロウ付け実験を行い、以下の実験結果を得た。

〈冷媒流路の流路断面形状と流路断面積の関係〉
各種ロウ付け実験においては、形成された冷媒流路６０の具体的な実験結果として、流路断面積Ｓを測定した。前述の図４に示したように、対向して配置されたブレージングシート５０が未接合状態の場合における設計上の未接合断面積Ｓａは、２０３，０００μｍ^２であった。

図９の（ａ）に示した設計上の理想形状である略山形形状の場合においては、流路断面積Ｓが、９２，０００μｍ^２≦Ｓ≦１６６，０００μｍ^２の範囲であった。

図９の（ｂ）に示した略楕円形状の場合においては、流路断面積Ｓが、６３，０００μｍ^２≦Ｓ＜９２，０００μｍ^２の範囲であった。

図９の（ｃ）に示した小さな円形形状の場合においては、流路断面積Ｓが、Ｓ＜６３，０００μｍ^２であった。

上記の実験結果から、ロウ付けにより形成された冷媒流路６０において、所定の冷媒流量および冷媒流速を担保するためには、望ましい流路断面形状としては図９の（ａ）に示した形状である。また、流路断面形状として許容される流路断面積Ｓの範囲としては、６３，０００μｍ^２≦Ｓ＜１６６，０００μｍ^２の範囲である。

本開示においては、冷媒流路形成の標準化のために、ロウ付け前の未接合状態における流路形成領域（１３、２１，２２）により形成される未接合断面積Ｓａ（図４参照）に対する流路断面積Ｓの比率である流路断面比率Ｒを用いる。即ち、冷媒流路６０に関して、未接合流路断面積（Ｓａ）に対するロウ付け後の接合状態の流路断面積（Ｓ）の割合を示す流路断面比率（Ｒ）が所定の範囲内となるようにロウ付けされる。望ましい流路断面形状における流路断面比率Ｒとしては、４５．３％≦Ｒ≦８１．８％の範囲で示すことができる。また、許容される流路断面形状における流路断面比率Ｒとしては、３１．０％≦Ｒ≦８１．８％の範囲で示すことができる。

図１０および図１１は、前述の「補正流動指数Ｆ_２」の実験において形成された冷媒流路６０について算出した結果を示すグラフである。図１０においては、横軸が「補正流動指数Ｆ_２」を示し、縦軸が「流路断面積Ｓ［μｍ^２］」を示す。図１１においては、横軸が「補正流動指数Ｆ_２」を示し、縦軸が「接合断面積Ｊ［μｍ^２］」を示す。図１２は、第１フィン部材１０と第２フィン部材２０が接合（ロウ付け）された後の状態を拡大して模式的に示す断面図である。図１２に示す断面図において、冷媒流路６０の断面積である流路断面積を「Ｓ」にて表示している。また、接合断面積Ｊは、前述の図４に示した接合（ロウ付け）前の状態を模式的に示した断面図において冷媒流路の未接合断面積Ｓａに対して、図１２に示した流路断面積Ｓを減算した値の１／２として定義している。即ち、［接合断面積Ｊ＝（未接合断面積Ｓａ－流路断面積Ｓ）／２］、と示すことができる。ロウ付け後（接合後）においては、冷媒流路６０の両側に略三角形の断面を有する接合領域（フィレット）が形成されているためである。図１２の断面図においては、接合断面積Ｊをクロスハッチングで示している。

図１０のグラフにおいて、許容される範囲内の流路断面積Ｓを有し、且つ、形成された冷媒流路６０が望ましい接合強度（耐圧性能）を示したときには「○」で示している。また、図１０において、形成された冷媒流路６０の流路断面積Ｓが許容範囲を超えた場合には細い×印で示し、形成された冷媒流路６０の接合強度（耐圧性能）が所定値以下を示した場合には太い×印で示している。図１０における破線曲線は近似曲線である。

熱交換器の冷媒流路６０において、必要な熱交換能力を担保するためには、前述したように、許容される流路断面形状における流路断面比率Ｒとして、３１．０％≦Ｒ≦８１．８％の範囲であることが必要である。このため、発明者の実験結果から算出すると、好ましい補正流動指数Ｆ_２としては、「３６６」以下の範囲となり、図１０に示したグラフにおいては、一点鎖線より以下を示す矢印の領域である（Ｆ_２≦３６６）。

また、図１１のグラフにおいて、形成された冷媒流路６０が望ましい接合強度（耐圧性能）を示し、且つ、許容される範囲内の流路断面積Ｓを有しているときには「○」で示している。また、図１１において、形成された冷媒流路６０の接合強度（耐圧性能）が所定値以下を示した場合には太い×印で示し、形成された冷媒流路６０の流路断面積Ｓが許容範囲を超えた場合には細い×印で示している。図１１における破線曲線は近似曲線である。

図１１のグラフに示すように、発明者の実験結果から算出すると、好ましい補正流動指数Ｆ_２としては、「１３０」以上の範囲となり、図１１に示したグラフにおいては、一点鎖線より以上を示す矢印の領域である（１３０≦Ｆ_２）。

従って、冷媒流路６０の流路断面積Ｓおよび接合面積Ｊに関して補正流動指数Ｆ_２を指標とすると、以下に示す不等式の範囲となる。

発明者は、上記の不等式［６］を導き出したことにより、不等式［６］を満足する材料因子「ロウ材層厚み」および「ロウ材層におけるシリコン濃度（Ｓｉ濃度）」の範囲を指定することが可能であることを知見した。

図１３は、縦軸が「ロウ材層厚み［ｍｍ］」を示し、横軸が「補正流動指数Ｆ_２」を示している。また、図１４は、縦軸が「Ｓｉ濃度［％］」を示し、横軸が「補正流動指数Ｆ_２」を示している。図１３および図１４のグラフにおいては、前述の図１０および図１１と同様に、許容される範囲内の流路断面積Ｓを有し、且つ、形成された冷媒流路６０が望ましい接合強度（耐圧性能）を示したときには「○」で示し、流路断面積Ｓが許容範囲を超えた場合には細い×印で示し、接合強度（耐圧性能）が所定値以下を示した場合には太い×印で示している。図１３および図１４のグラフにおいては、２本の一点鎖線の間の領域が、補正流動指数Ｆ_２における好ましい領域となる。

図１５は、熱交換器１の製造において、好ましい冷媒流路６０を形成するための材料因子である「ロウ材層厚み」および「ロウ材層におけるシリコン濃度（Ｓｉ濃度）」の領域を示すグラフである。図１５において、縦軸が「ロウ材層厚み［ｍｍ］」を示し、横軸が「ロウ材層におけるシリコン濃度（Ｓｉ濃度）」を示している。図１５のグラフにおいて、略平行四辺形で囲まれた領域が、好ましい冷媒流路６０を形成するための材料因子（「ロウ材層厚み」、および「ロウ材層におけるシリコン濃度（Ｓｉ濃度）」）の選択領域Ｍを示している。この選択領域Ｍ内であれば、図１５の（ａ）に示す断面写真のように、冷媒流路６０が所望の流路断面形状となる。一方、図１５のグラフに示す略平行四辺形で囲まれた選択領域Ｍから外れた場合には、図１５の（ｂ）に示す断面写真のように、冷媒流路６０が閉塞されるか、所定の流路断面積に満たない形状、若しくは、図１５の（ｃ）に示す断面写真のように、接合面が小さく、接合強度（耐圧性能）が所定の強度を満たさない状態である。

次に、図１５のグラフにおいて、選択領域Ｍが右下方向に下降する略平行四辺形の形状となる理由について説明する。

まず、選択領域Ｍを示す略平行四辺形における下側２辺（第１境界線Ｌ１および第２境界線Ｌ２）が右下方向に下降する理由は、以下の理由による。

選択領域Ｍにおける第１境界線Ｌ１および第２境界線Ｌ２は、接合強度（耐圧性能）に関する下限線である。所定の接合強度を担保するためには、一定量以上のロウ材の溶融量を確保する必要がある。前述のように、ロウ材層の厚み厚く、およびロウ材層中のＳｉ濃度が高ければ、ロウ材の溶融量は増加する。即ち、一定量以上のロウ材の溶融量を担保するためには、ロウ材層厚みが薄い場合には、ロウ材層中のＳｉ濃度を高くする必要があり、反対に、ロウ材層厚みが厚い場合には、ロウ材層中のＳｉ濃度を低くする必要がある。その結果、図１５に示すグラフにおいては、選択領域Ｍにおける下側２辺である第１境界線Ｌ１および第２境界線Ｌ２が右下方向に下降する線となる。

次に、選択領域Ｍを示す略平行四辺形における上側２辺（第３境界線Ｌ３および第４境界線Ｌ４）が右下方向に下降する理由は、以下の理由による。

選択領域Ｍにおける第３境界線Ｌ３および第４境界線Ｌ４は、冷媒流路６０の流路断面に関する下限線である。所定の流路断面を担保するためには、一定量以下のロウ材の溶融量とする必要がある。前述のように、ロウ材層厚み厚く、およびロウ材層中のＳｉ濃度が高ければ、ロウ材の溶融量は増加する。即ち、一定量以上のロウ材の溶融量を担保するためには、ロウ材層厚みが薄い場合には、ロウ材層中のＳｉ濃度を高くする必要があり、反対に、ロウ材層厚みが厚い場合には、ロウ材層中のＳｉ濃度を低くする必要がある。その結果、図１５に示すグラフにおいては、選択領域Ｍにおける上側２辺である第３境界線Ｌ３および第４境界線Ｌ４が右下方向に下降する線となる。

上記のように、実施の形態１の熱交換器の製造においては、特定のブレージングシート５０を重ね合わせてロウ付けを行い、所望の冷媒流路６０を形成するためには、図１５のグラフにおける選択領域Ｍの領域内となるように、材料因子である「ロウ材層厚み」および／または「ロウ材層におけるシリコン濃度（Ｓｉ濃度）」を選択することにより可能となることが理解できる。

実施の形態１において説明した構成において上記の選択領域Ｍを特定する第１境界線Ｌ１、第２境界線Ｌ２、第３境界線Ｌ３、および第４境界線Ｌ４で囲まれた範囲は、下記の不等式［７］、［８］、［９］および［１０］で示すことが可能となる。なお、不等式［７］、［８］、［９］および［１０］において、ロウ材層厚みを「ｙ」とし、ロウ材層Ｓｉ濃度を「ｘ」としている。

実施の形態１においては、選択領域Ｍを特定する平行四辺形の内部は上記の不等式［７］、［８］、［９］および［１０］の全てを満足する範囲となる。この、選択領域Ｍの範囲内であれば、プレートフィン２ａに形成される冷媒流路６０が所望の断面形状を有し、プレートフィン２ａが所望の接合強度（耐圧性能）でロウ付けされた信頼性の高い熱交換器を構成することが可能となる。

なお、実施の形態１においては、ブレージングシート５０として、芯材５１の両面にロウ材層（５２、５３）を備えた構成について説明したが、ロウ材層としては犠牲防食層としての機能を有していてもよく、芯材５１のいずれか一方の面にシリコン（Ｓｉ）と亜鉛（Ｚｎ）を含有するアルミニウム合金層が形成された構成としてもよい。また、犠牲防食層においては、犠牲防食作用としての機能に影響を及ぼさない範囲でZn以外の元素を含有しても良い。また、不可避的不純物として種々の元素を含有してもよい。

以上のように、実施の形態１において詳細に説明したように、本開示の熱交換器においては、ブレージングシートを積層して形成されるプレートフィン積層体が用いられている。このように構成された熱交換器においては、プレートフィン積層体に形成される冷媒流路が所望の断面形状を有するとともに、それぞれのプレートフィンが所望の接合強度（耐圧性能）でロウ付けされて接合部分における冷媒のリーク発生が防止された熱交換器を提供することができる。この結果、本開示の熱交換器およびその製造方法においては、軽量化、小型化および効率化を達成すると共に、熱交換器における冷媒流路が所望の断面形状および所望の耐圧性能を確実に有して、信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

本開示をある程度の詳細さをもって実施の形態において説明したが、これらの構成は例示であり、実施の形態の開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものである。本開示においては、実施の形態における要素の置換、組合せ、および順序の変更は請求された本発明の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。

本開示に係る熱交換器は、小型で軽量化を図ることができ、所望の断面形状および所望の耐圧性能を確実に有する構成であるため、各種製品に用いることが可能であり、市場価値の高い製品を提供することができる。

１ 熱交換器
２ プレートフィン積層体
２ａ プレートフィン
３ エンドプレート
４ 給入管
５ 排出管
６ 伝熱遮断スリット
１２ ヘッダ連通流路
１３ 流路形成領域
２１、２２ 流路形成領域
５０ ブレージングシート
５１ 芯材
５２ 第１ロウ材層
５３ 第２ロウ材層
５４ 犠牲材層
６０ 冷媒流路
６１ フィレット（接合部）
６１ａ 接合領域
６１ｂ 流路形成領域

Claims (10)

1. 冷媒流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体を備えた熱交換器の製造方法であって、
   前記プレートフィンは、表面にロウ材層を含み、流路形成領域を有するブレージングシートを重ねてロウ付けして、対向する流路形成領域により冷媒流路が形成され、
   重ねた前記ブレージングシートにおいて、ロウ付け前の未接合状態における流路形成領域により形成される未接合流路断面積に対するロウ付け後の接合状態の流路断面積の割合を示す流路断面比率が所定の範囲内となるように製造される熱交換器の製造方法。
2. 前記流路断面比率は、３１．０％≦Ｒ≦８１．８％、の範囲内である、請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記流路断面比率は、４５．３％≦Ｒ≦８１．８％、の範囲内である、請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記ブレージングシートにおけるロウ材層の厚みとロウ材層のシリコン濃度との関係が所定の選択領域の範囲内の関係を有して製造される、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
5. 前記ブレージングシートにおけるロウ材層の厚みとロウ材層のシリコン濃度との相関関係を示す材料の散布図において、略平行四辺形で示す選択領域内の範囲から選択されたロウ材層の厚みとロウ材層のシリコン濃度を示す材料を用いて製造される、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
6. 冷媒流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体を備えた熱交換器であって、
   前記プレートフィンは、表面にロウ材層を含み、流路形成領域を有するブレージングシートを重ねてロウ付けして形成された冷媒流路を備え、
   重ねた前記ブレージングシートにおいて、ロウ付け前の未接合状態における流路形成領域により形成される未接合流路断面積に対するロウ付け後の接合状態の流路断面積の割合を示す流路断面比率が所定の範囲を有する熱交換器。
7. 前記流路断面比率は、３１．０％≦Ｒ≦８１．８％、の範囲内である請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記流路断面比率は、４５．３％≦Ｒ≦８１．８％、の範囲内である請求項６に記載の熱交換器。
9. 前記ブレージングシートは、芯材の少なくとも一方の面にロウ材層を有し、
   前記芯材および前記ロウ材層を構成する材料は、アルミニウム合金であり、前記ロウ材層は、少なくともシリコンを含有するアルミニウム合金で構成された、請求項６から８のいずれか一項に記載の熱交換器。
10. 前記ブレージングシートは、前記芯材の両側に前記ロウ材層を有する、請求項９に記載の熱交換器。

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