JP3179093B2 - 熱交換器の管継手用アルミニウム合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明に係る熱交換器の管継手用アルミニウム合金
は、例えば自動車用空調機のコンデンサ或はエバポレー
タとして機能する熱交換器のヘッダに、冷媒移送用の管
の端部を接続する為の管継手を構成するのに利用する。

（従来の技術） コンデンサ、或はエバポレータとして利用する熱交換
器として、例えば実開昭64−8081号公報には、第１図に
示す様な構造の熱交換器が開示されている。

この従来の熱交換器は、上端綿に入口管１を接続した
入口側ヘッダ２と、この入口側ヘッダ２と平行に配置さ
れ、下端綿に出口管３を接続した出口側ヘッダ４とを、
複数の伝熱管５、５により互いに接続し、隣り合う伝熱
管５、５の間に、コルゲート型のフィン６、６を挟持す
る事で構成されている。

冷媒等の流体と空気との間で熱交換を行なわせる場合
には、入口管１から流体を送り込み、出口管３から取り
出せば、この流体は、入口側ヘッダ２から出口側ヘッダ
４に向けて、多数の伝熱管５、５を流れる間に、周囲を
流れる空気との間で熱交換を行なう。

各ヘッダ２、４の外側面上下２個所位置には、それぞ
れ取付ブロック７、７をろう付け固定し、この取付ブロ
ック７、７により、熱交換器を車体の所定部分に、支持
固定自在としている。

即ち、各取付ブロック７、７と各ヘッダ２、４とは、
Al（アルミニウム）又はアルミニウム合金により造られ
たもので、各取付ブロック７、７の内側面を、各ヘッダ
２、７の外側面と密接する様に湾曲させる事により、当
接面８としている。そして、この当接面８と各ヘッダ
２、４の外側面とを互いにろう付けする事により、各取
付ブロック７、７を各ヘッダ２、４の外側面に固定して
いる。又、各取付ブロック７、７には、熱交換器支持用
のボルト（図示省略）を挿通する通孔９、９を形成し、
各通孔９、９を挿通したボルト等により、熱交換器を車
体の所定部分に支持固定出来る様にしている。

ところで、上述の様に構成される熱交換器に於いて、
各ヘッダ２、４に接続する入口管１又は出口管３を、上
記取付ブロック７、７に類似した管継手を用いて、上記
ヘッダ２、４の外側面に接続する事が考えられている。

即ち、第２図に示す様に、熱交換器を構成するヘッダ
２（又は４。以下同様。）の外側面に、やはりその内側
面を上記ヘッダ２の外側面と密接する当接面10とした管
継手11をろう付け固定する。この管継手11には、上記当
接面10から外側面12迄貫通する接続孔13を設けている。
又、上記管継手11には、上記接続孔13と平行に結合孔14
を設け、この結合孔14に、結合ナット19を嵌装してい
る。

熱交換器に出し入れする流体を移送する管15の端部
は、結合フランジ16の外側面に、ろう付け等により接合
固定されている。そして、この管15を上記ヘッダ２の外
側面に結合する場合には、結合フランジ16に形成した通
孔17を外側面側から挿通したボルト18と、上記管継手11
に嵌装した結合ナット19とを螺合し、更に緊締する。結
合フランジ16の内側面には、外周にＯリング20を装着し
たソケット21を固定すると共に、このソケット21の内側
を上記管15内に通じさせており、このソケット21が前記
接続孔13内に、密に挿入される様にしている。この為、
上記ボルト18とナット19との緊締により、管15とヘッダ
２とが密に結合される。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上述の様に管継手11を介して管15をヘッダ
２の外側面に結合する場合、管継手11を構成するアルミ
ニウム合金の性質に基づき、次に述べる様な問題を生じ
る。

即ち、管継手11は、ヘッダ２（４）の外側面に液密に
ろう付け固定する必要上、上記ヘッダ２（４）を構成す
るアルミニウム合金とろう付け性が良好である事が必要
である。

この為従来は、上記管継手11を、上記ヘッダ２（４）
を構成するJIS 4343材｛Zn（亜鉛）を0.20重量％以下、
Mn（マンガン）を0.10重量％以下、Si（珪素）を6.8〜
8.2重量％、Cu（銅）を0.25重量％以下、Fe（鉄）を0.8
重量％以下、それぞれ含有し、残りを不可避不純物とAl
（アルミニウム）とした合金｝或はJIS 4045材｛Znを0.
10重量％以下、Mnを0.05重量％以下、Siを9.0〜11.0重
量％、Cuを0.30重量％以下、Feを0.8重量％以下、Mg
（マグネシウム）を0.05重量％以下、Ti（チタン）を0.
20重量％以下、それぞれ含有し、残りを不可避不純物と
Alとした合金｝とのろう付け性の良好な、JIS 3003材
（Znを0.10重量％以下、Mnを1.0〜1.5重量％、Siを0.6
重量％以下、Cuを0.05〜0.20重量％、Feを0.7重量％以
下、それぞれ含有し、残りを不可避不純物とAlとした合
金）としていた。

ところが、JIS 3003材は、ろう付けに伴う加熱の後、
比較的軟質となる為、これによって造られた管継手11に
直接螺子孔を形成しても、十分な強度を得られない。こ
の為従来は、前述した第２図に示す様に、JIS 7N01材
｛Znを4.0〜5.0重量％、Mnを0.20〜0.7重量％、Siを0.3
0重量％以下、Cuを0.20重量％以下、Feを0.35重量％以
下、Mgを1.0〜2.0重量％、Tiを0.20重量％以下、Cr（ク
ロム）を0.30重量％以下、Ｖ（バナジウム）を0.10重量
％以下、Zr（ジルコニウム）を0.25重量％以下、それぞ
れ含有し、残りを不可避不純物とAlとした合金｝の様
な、加熱後に於いても比較的高硬度が得られるアルミニ
ウム合金により結合ナット19を造り、この結合ナット19
を管継手11に形成した結合孔14内にインサート固定する
と共に、この結合ナット19とボルト18とを螺合させる事
で、管継手11と結合フランジ16とを結合固定していた。

この為、互いに別々に造られた結合ナット19と管継手
11とを組み合わせる作業が必要になり、管継手11の製作
費が高くなる原因となっていた。

特開平１−225736号公報、同１−279728号公報には、
管継手用のアルミニウム合金に関する発明が記載されて
いるが、何れの公報に記載されたアルミニウム合金も、
厳しい使用条件の下では、必ずしも十分な強度を得る事
が出来ない。

又、特開昭63−118046号公報に記載されたアルミニウ
ム合金の場合、前記JIS 4343材やJIS 4045材のろう付け
性が良くない為、やはり第２図に示す様に、他のアルミ
ニウム合金により造られた部品と組み合わせた状態で使
用せざるを得ず、管継手の製作費低廉化を図れない。

更に、特願平１−263709号には、Znを３〜５重量％、
Mnを0.8〜1.2重量％、Siを0.3〜0.9重量％、Cuを0.15〜
0.45重量％、Mgを0.15〜0.5重量％、それぞれ含有し、
残りを不可避不純物とAlとした事を特徴とする熱交換器
の管継手用アルミニウム合金に関する発明が開示されて
いる。

この様な組成を有する、先発明に係る管継手用アルミ
ニウム合金は、使用条件さえ整えば、ヘッダを構成する
アルミニウム管に対するろう付け性が良好で、しかもろ
う付け後に於いても十分な硬度を得られるが、使用条件
によっては、必ずしも十分な効果を得られない場合があ
る。

即ち、一部のフラックス（例えば、特公昭58−27037
号公報に開示され、アルキャン社から『ノコロック フ
ラックス』の商品名で市販されている弗化物系のフラッ
クス）は、大気圧下で十分なろう付け性を得られ、しか
もろう付け後の洗浄作業が不要若しくは簡単で済む為、
アルミニウム製熱交換器の製造にしばしば利用される。
ところが、この様な弗化物系のフラックスによるろう付
け性を確保する為には、アルミニウム合金中のMgの含有
量を少なくする事が好ましい。何となれば、弗化物系の
フラックスを使用して、Mgの含有量が多いアルミニウム
合金のろう付けを行なおうとすると、上記フラックス中
のＦとMgが反応して、上記アルミニウム合金表面の酸化
皮膜の除去に寄与する成分が減少してしまう為である。

ところが、ろう付け性の確保のみを考えてMgの含有量
を少なくした場合、Znの含有量を多くしないと、十分な
強度を得る事が出来なくなり、Znを前記範囲（３〜５重
量％）の上限値（５重量％）含有させても、必ずしも十
分な強度を得る事が出来なくなる。

本発明の熱交換器の管継手用アルミニウム合金は、上
述の様な事情に鑑みて発明されたものである。

（課題を解決する為の手段） 本発明の熱交換器の管継手用アルミニウム合金は、熱
交換器を構成するヘッダの一部に流体移送用の管の端部
を接続する為、上記ヘッダに対し、Mgとの反応によりろ
う付け性向上効果が低減するフラックスを使用してろう
付け固定される管継手を構成する。

この様な本発明のアルミニウム合金のうち、請求項１
に記載したものは、Zn5.0重量％を越えて6.0重量％以
下、Mnを0.8〜1.2重量％、Siを0.3〜0.9重量％、Cuを0.
15〜0.45重量％、Mgを0.15〜0.5重量％、それぞれ含有
し、残りを不可避不純物とAlとしている。

更に、請求項２に記載されたものは、上記請求項１に
記載されたアルミニウム合金に、0.01〜0.10重量％のTi
と0.01〜0.15重量％のZrと0.05〜0.3重量％のCrとの１
種又は２種以上を加えている。

（作 用） 上述の様に構成する、本発明の熱交換器の管継手用ア
ルミニウム合金の場合、何れも、ろう付け後に於いても
十分な強度（硬度）を得られ、しかもJIS 4343材やJIS
4045材等、熱交換器のヘッダを構成するアルミニウム合
金とのろう付け性も良好である。

特に、Mgとの反応によるろう付け性向上効果が低減す
るフラックスを使用して、しかも十分なろう付け性を確
保すべく、Mgの含有量を少なくした場合でも、十分な強
度を得る事が出来る。

この為、ヘッダに対してろう付け固定可能な管継手に
対し螺子孔を、直接形成する事が可能となり、管継手の
製作費低減を図れる。

尚、本発明の熱交換器の管継手用アルミニウム合金を
前述の各元素により構成し、且つ、各元素の割合を前述
の範囲に限定したのは、次の理由による。

先ず、Znは、Mgとの共存でMgZn₂を析出させ、アルミ
ニウム合金の強度を向上させる為に加える。この様なMg
Zn₂の析出に伴う強度の向上は、Znの混入割合が５重量
％以下とすると、ろう付け時にMgとの反応によりろう付
け性向上効果が低減するフラックスを使用して、しかも
十分なろう付け性を確保すべく、Mgの含有量を少なくし
た場合には不十分となる。反対に６重量％を越えてZnを
混入すると、得られたアルミニウム合金のろう付け性が
不十分となる。この為、前述の範囲で混入する。

又、Mgは、上述の様なZnとの共存でMgZn₂を析出さ
せ、アルミニウム合金の強度を向上させる為に加える。
この様なMgZn₂の析出に伴う強度の向上は、Mgの混入割
合が0.15重量％未満の場合不十分となる。反対にMgを0.
5重量％以上混入すると、上記フラックスのろう付け性
向上効果を低減させて、ろう付け部でブローホールが発
生し易くなり、十分に信頼出来るろう付けを行なう事が
難しくなる。この為、前述の範囲で混入する。

又、Mnは、Al−Mn−Si化合物の形成により、アルミニ
ウム合金の強度を向上させる為に加える。この様なAl−
Mn−Si化合物の形成による強度の向上は、Mnの混入割合
が0.8重量％未満の場合、不十分となる。反対に、1.2重
量％を越えてMnを混入すると、熱間押し出し加工等の熱
間加工を行なう際に於ける変形抵抗が大きくなり、アル
ミニウム合金により所望形状の管継手を製作する手間を
要する為、生産性低下を招来する。この為、前述の範囲
で混入する。

又、Siは、上記Mnの場合と同様に、Al−Mn−Si化合物
の形成により、アルミニウム合金の強度を向上させる為
に加える。この様なAl−Mn−Si化合物の形成による強度
の向上は、Siの混入割合が0.3重量％未満の場合不十分
となる。反対に0.9重量％を越えてSiを混入すると、得
られたアルミニウム合金の溶解温度が低くなり過ぎ、ろ
う付け時にこのアルミニウム合金が溶解する傾向となっ
て、ろう付け作業が難しくなる。この為、前述の範囲で
混入する。

又、Cuは、素地に固溶し、この素地を固溶強化させる
もので、上記Al−Mn−Si化合物との相乗効果によって強
度を向上させる為に加える。このCuの添加割合が0.15重
量％未満の場合は、強度を向上させる効果が不十分であ
る。反対に0.45重量％を越えて加えた場合には、得られ
るアルミニウム合金の押し出し加工性が低下すると共
に、耐食性が低下する。この為、前述の範囲で混入す
る。

更に、Ti、Cr、Zrは、それぞれアルミニウム合金の強
度を安定的に向上させる為に加えるが、各元素の割合が
前述の範囲よりも少ない場合には、安定した強度向上を
得られない。反対に前述の範囲を越えて混入した場合に
は、粗大な金属間化合物を生成し、押し出し加工時等で
の塑性加工性を損なう。この為、前述の範囲で混入す
る。

（実施例） 次に、本発明の効果を確認する為に行なった実験例に
就いて説明する。

実験は、第１表に示した18種類のアルミニウム合金に
就いて行なった。この18種類のアルミニウム合金のう
ち、第１表の上から11種類は本発明によるアルミニウム
合金を、次の６種類は比較の為に用意した、本発明の技
術的範囲から外れるアルミニウム合金を、最下段のもの
は、JIS 7N01材を、それぞれ表わしている。

実験を行なうに当たり、上記18種類のアルミニウム合
金のブロックを切削加工して、第２図に示す様な管継手
11に類似した形状の試料片を造り、この試料片を、ヘッ
ダ２（４）として使用されるアルミニウム管の外側面に
ろう付け固定した。アルミニウム管としては、芯材とし
てのJIS 3003材の表面にろう付けとしてのJIS 4343材
を、10％のクラッド率で積層したものを使用した。又、
ろう付け作業は、ろう付け部分にフラックスを塗布した
後、600℃で５分間加熱する事により行なった。

ろう付け後、試料片とアルミニウム管とのろう付け部
分に形成されたフィレットの形状を目視する事により、
上記試料片とアルミニウム管とのろう付け性の良否を判
断した。そして、フィレットがろう付け部の全長に亙っ
て形成されている場合にはろう付け性が良好であると
し、フィレットが断続していたり、或は全く形成されて
いない場合には、ろう付け性が不良であると判断した。

又、ろう付け後３日経過した後、試料片表面の硬度を
ビッカース硬度計により測定し、試料片表面の硬度がビ
ッカース硬度（Hv）で50以上ある場合には、螺子孔形成
が可能であると判断した。

更に、試料片の耐食性に就いて、所定の腐食試験（SW
AAT 2weeks）を行ない、試料片表面に生じた腐食生成物
の量により、各試料片の耐食性を判断した。これら一連
の試験を、第１表に示した18種類のアルミニウム合金に
より造られた、各試料片に就いて行ない、第２表に示し
た様な結果を得た。この第２表に於いて、『○』は対応
する試験の結果が良好であった事を、『×』は対応する
試験の結果が不良であった事を、それぞれ表わしてい
る。そして、総合評価は、総ての試験結果が良好（硬度
はHv50以上）であった場合にのみ、良好としている。

この第２表の記載から明らかな通り、本発明の熱交換
器の管継手用アルミニウム合金は、ヘッダを構成するア
ルミニウム管に対するろう付け性が良好で、しかもろう
付け後に於いても十分な硬度を得られる。

尚、前記先発明（特願平１−263709号）を記載した明
細書中には、本願発明の技術的範囲に属する合金が比較
素材として記載されており、この合金が、水道水浸漬に
よる耐食性試験の結果が悪かった旨の記載があるが、水
道水浸漬による耐食性試験は、ラジエータの様に、内部
に水道水等の腐食性液体を充填する熱交換器の耐食性試
験としては重要であるが、コンデンサやエバポレータの
様に、内部に充填する液体に腐食性がない場合には、あ
まり重要性を持たない。即ち、コンデンサやエバポレー
タの場合、外部からの腐食に対する耐食性が重要であ
る。

本発明に係るアルミニウム合金は、腐食条件がそろえ
ば孔蝕が発生し易いとしても、外部からの腐食に対する
耐食性は良好である為、コンデンサやエバポレータの管
継手用として利用する場合には、十分実用となる。尚、
前記所定の腐食試験（SWAAT 2weeks）は、外部耐食性を
試験するものである。

（発明の効果） 本発明の熱交換器の管継手用アルミニウム合金は、以
上に述べた通り、Mgとの反応によりろう付け性向上効果
が低減するフラックスを使用してろう付けを行なう場合
でも、ヘッダを構成するアルミニウム管に対するろう付
け性が良好で、しかもろう付け後に於いても十分な硬度
を得られる。この為、管継手に対して直接螺子孔を形成
する事が可能となり、部品点数と組み立て工数との低減
により、管継手及びこの管継手を組み込んだアルミニウ
ム製熱交換器の低廉化を図る事が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来から知られた熱交換器の１例を示す正面
図、第２図は本発明のアルミニウム合金により造られる
管継手設置部分の断面図である。 1:入口管、2:入口側ヘッダ、3:出口管、4:出口側ヘッ
ダ、5:伝熱管、6:フィン、7:取付ブロック、8:当接面、
9:通孔、10:当接面、11:管継手、12:外側面、13:接続
孔、14:結合孔、15:管、16:結合フランジ、17:通孔、1
8:ボルト、19:結合ナット、20:Oリング、21:ソケット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 雅彦 静岡県裾野市稲荷82―１ 三菱社宅131 号 (72)発明者 齊藤 洋 静岡県裾野市稲荷82―１ 三菱社宅112 号 (56)参考文献 特開 平１−279728（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 21/00 - 21/18 F28F 21/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱交換器を構成するヘッダの一部に流体移
   送用の管の端部を接続する為、上記ヘッダに対し、Mgと
   の反応によりろう付け性向上効果が低減するフラックス
   を使用してろう付け固定される管継手を構成するアルミ
   ニウム合金であって、Znを5.0重量％を越えて6.0重量％
   以下、Mnを0.8〜1.2重量％、Siを0.3〜0.9重量％、Cuを
   0.15〜0.45重量％、Mgを0.15〜0.5重量％、それぞれ含
   有し、残りを不可避不純物とAlとした事を特徴とする熱
   交換器の管継手用アルミニウム合金。
2. 【請求項２】請求項１に記載された熱交換器の管継手用
   アルミニウム合金に、更に0.01〜0.10重量％のTiと、0.
   01〜0.15重量％のZrと、0.05〜0.3重量％のCrとの１種
   又は２種以上を加えた事を特徴とする熱交換器の管継手
   用アルミニウム合金。