JP3434999B2

JP3434999B2 - ろう付性に優れた熱交換器および該熱交換器の製造方法

Info

Publication number: JP3434999B2
Application number: JP35270096A
Authority: JP
Inventors: 靖憲兵庫; 博人桃崎; 建当摩
Original assignee: 三菱アルミニウム株式会社
Priority date: 1996-12-14
Filing date: 1996-12-14
Publication date: 2003-08-11
Anticipated expiration: 2016-12-14
Also published as: JPH10175062A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウムまた
はアルミニウム合金製のヘッダー部とこれに接続された
チューブとを有するろう付性に優れた熱交換器および該
熱交換器の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に知られている熱交換器の構造を例
示すると、図３に示すように、２つのパイプ状ヘッダー
部１、１が複数のチューブ２…２で連結されており、該
チューブ２…２間には放熱フィン３、３が配置されてい
る。上記熱交換器を製造する際には、一般に、チューブ
２を図４に示すようにブレージングシートで構成された
ヘッダー部１の穴１ａ内に挿入するとともに、チューブ
２、２間にブレージングシートで構成された放熱フィン
３を配置して熱交換器用部材を組立て、これらを加熱す
ることによりチューブ２と放熱フィンをろう付し、さら
にヘッダー部１とチューブ２とを管状継手にてろう付す
る。なお、ヘッダー部１とチューブ２との管状継手は、
組立を用意に行えるように隙間を大きく設定しており、
この隙間を冷媒漏れが生じることなく完全に接合できる
ように、継手部分に置きろうやさしろうを供給すること
も行われている。なお、上記置きろうには、接合部の形
状に拘わらず配置が容易で、作業も用意に行うことがで
きる粉末ろう材が適している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ヘッダー部
とチューブとの接合部の隙間を完全に充填するために
は、ヘッダー部とチューブとの接合予定部に多量の粉末
ろう材を塗布しなければならず、例えば、チューブとフ
ィンとを粉末ろう材で接合する場合の塗布量の約５〜８
倍ほどが必要になる。しかし、粉末ろう材の塗布量を増
加させる場合、一度のコート（フローコート法等）で塗
布できる塗布量に限界があるため、重ね塗りが必要とな
り塗布回数が増加して製造コストアップを招くという問
題がある。また、粉末ろう材は高価なため使用量が増加
すると材料コストもアップする。また、ろう材の塗布量
が多くなると、必然的にろう材層も非常に厚くなり、熱
交換器組立時に他部材との擦れや振動等によりろう材が
脱落し易い。その脱落した箇所はろう付不良の原因とな
るため、接合用部材の取り扱いに注意が必要となり作業
性に劣るという問題もあった。上記問題点に対しては、
本発明者達の研究により、過共晶のＡｌ−Ｓｉ系合金粉
末ろう材を使用すると、ろう付時に母材が侵食（溶融）
され、その侵食された母材の一部が塗布されていた粉末
ろう材とともにろうとして作用するので、良好なろう付
性を維持したままで粉末ろう材の使用量および塗布回数
を低減できることが判明している。しかしながら、この
ろう材はＡｌ−Ｓｉ系（過共晶）合金であるため、Ｓｉ
晶出物のカソードによる局部腐食や孔食型の腐食形態に
より、ろう付後の接合部や粉末ろう材塗布部における耐
食性が低下するという問題があり、腐食環境で使用され
る熱交換器では上記問題は一層顕著なものとなる。

【０００４】本発明は、上記事情を背景としてなされた
ものであり、少ないろう材使用量によって良好にろう付
することができ、したがって製造時の部材の取り扱いが
容易になるとともに、接合部の耐食性が良好に維持され
た熱交換器および該熱交換器の製造方法を提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のうち、第１の発明のろう付性に優れた熱交
換器は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製ヘッダ
ー部とチューブとの接合部が、質量％でＳｉ：１５越〜
６０％、Ｚｎ：５〜３０％を含有し、残部がＡｌからな
る過共晶のＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金ろうと母材との融合
により形成されていることを特徴とする。

【０００６】第２の発明の熱交換器の製造方法は、アル
ミニウムまたはアルミニウム合金製ヘッダー部にチュー
ブを接合する際に、質量％でＳｉ：１５越〜６０％、Ｚ
ｎ：５〜３０％を含有し、残部がＡｌからなる過共晶の
Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金粉末ろう材を用いてろう付する
ことを特徴とする。第３の発明の熱交換器の製造方法
は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製ヘッダー部
のチューブ接合予定部に、質量％でＳｉ：１５越〜６０
％、Ｚｎ：５〜３０％を含有し、残部がＡｌからなる過
共晶のＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金粉末ろう材を付着させる
とともに、該ヘッダー部にチューブを組み込み、前記ろ
う材を加熱してチューブとヘッダー部とを接合すること
を特徴とする。第４の発明の熱交換器の製造方法は、第
２または第３の発明において、ろう材が、質量％でＳ
ｉ：１５越〜６０％、Ｚｎ：５〜３０％を含有し、残部
がＡｌからなるＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金粉末とフラック
スとの混合物からなることを特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の熱交換器は、自動車用等
の各種用途に使用することができ、本発明としては特に
用途が限定されるものではない。また、その具体的構造
においても、ヘッダー部とチューブとの接合部分を有す
ることが必要であるが、その継手形態やその他の構造に
ついて特に限定されるものでもない。

【０００８】本発明に用いられる合金は、Ｓｉ：１５越
〜６０％、Ｚｎ：５〜３０％を主成分とするＡｌ合金で
あり、上記Ｓｉ、Ｚｎ以外に少量の添加元素を含有する
ものであってもよい。また、当然にＳｉ、Ｚｎのみを含
有し、残部が不純物およびＡｌからなるものであっても
よい。なお、上記合金は、Ｓｉ含有量を１５％越とする
ことで過共晶合金となり、母材を溶解（侵食）する作用
が得られる。すなわち、Ｓｉ含有量が１５％以下である
と、ろう材は共晶または亜共晶合金となり、母材を溶解
させる作用が十分に得られず、ろう材量を低減する効果
が小さいため下限を１５％越とするのが望ましい。一
方、Ｓｉ含有量が６０％を越えると、母材深さ方向への
浸食が著しく、母材厚さの極端に薄い箇所ができて接合
部材の強度低下を招いたり、腐食による貫通孔が発生し
易くなったりして、強度面、耐食面において問題が生ず
る。また、Ｓｉ量が６０％を越えるろう材では、融点が
１１５０℃以上となり、粉末ろう材の製作時の溶解が困
難となる。これらのため、Ｓｉ含有量としては１５越〜
６０ｗｔ％とした。なお、同様の理由で上限を４５％と
するのが一層望ましく、さらには下限を２０％、上限を
３０％とするのが一層望ましい。これらの望ましい範囲
では、母材に対する適度な溶解が生じるため、良好なろ
う付性を維持したままでろう材量を効果的に減少させる
ことが可能になる。

【０００９】さらに、Ｚｎ含有量を５〜３０ｗｔ％とす
ることで、ろう付後に接合部や粉末ろう材塗布部に部材
表面から深部へＺｎ濃度勾配を持つＺｎ拡散層が形成さ
れる。このＺｎ拡散層により腐食形態が面状型となり深
さ方向への腐食を防止することができ、耐食性を向上さ
せることができる。ここでＺｎ含有量が５ｗｔ％未満で
あるとＺｎ拡散層の形成ができず十分な耐食性が得られ
ない。一方、Ｚｎ含有量が３０％を越えると溶解時にＺ
ｎが著しく酸化して酸化亜鉛となるため、それ以上はろ
う材中に固溶しない。また、耐食性も劣化する。これら
のため、Ｚｎ含有量としては５〜３０％とする。なお、
同様の理由でＺｎ含有量の下限を８％、上限を２５％と
するのが望ましく、さらに、下限を１０％、上限を２０
％とするのが一層望ましい。

【００１０】上記観点から成分を定めたＡｌ−Ｓｉ−Ｚ
ｎ系合金は、常法により粉末化することができ、適当な
粒径（例えば最大粒径７５μｍ）に調整する。このアル
ミニウム合金粉末は、所望によりフラックスと混合して
粉末ろう材とすることができ、これらは適宜の混合比で
混合される。上記フラックスには、フッ化物や塩化物フ
ラックス等を用いることができるが本発明としては、特
にその種別が限定されるものではない。

【００１１】上記粉末ろう材を接合部に付着させる際に
は、各種溶剤やバインダを混合して付着を容易にするこ
とができる。溶剤としては、水、アルコール類（特に炭
素数１〜８の脂肪族アルコール）などを用いることが出
来る。また、バインダーとしては、接合部の特性を低下
させないで、粉末を良好に固着できるものであればよ
く、カルボキシル基を有する水溶性高分子化合物また
は、アクリル系、メタクリル系樹脂等を挙げることがで
きる。上記した合金粉末は、適当に混合されて、接合材
に付着させる。その方法も本発明としては特に限定され
ないが、例えば、スプレー法、シャワー法、フローコー
ター法、ロールコータ法、刷毛塗り法、浸漬法といった
手段を利用することができる。

【００１２】本発明の製造方法においては、図１に示す
ようにヘッダー部１の穴１ａにチューブ２を差し込むと
ともに、ヘッダー部１におけるチューブ２の接合予定部
４の周囲を取り囲むように上記粉末ろう材５を付着さ
せ、さらに図３に示すようにこれらに放熱フィン３を配
置して熱交換器用組立体を得る。粉末ろう材５を付着さ
せた後は、適当な雰囲気で適温に加熱して、ろう材を溶
解させる。この際の加熱温度としては５８０〜６２０℃
が望ましい。５８０℃以下ではろう材および母材の一部
溶解が進まず、良好なろう付が難しく、一方、６２０℃
を越えると、著しい侵食のため、上記温度範囲が望まし
い。本発明に用いられる過共晶合金のろう材は、Ｓｉが
過剰となっているのでろう付時にそのＳｉが母材に拡散
流入し母材の融点を低下させその一部を溶融（浸食）す
る。この溶融した母材の一部が塗布されていた粉末ろう
とともに流動し、図２に示すようにこれらが融合して両
部材１、２間の隙間充填やフィレットの形成をして接合
部６を形成する。すなわち、母材の一部もろうとして作
用し接合に必要なろう材量を補完するので、ろう付性を
損なうことなく粉末ろう材の塗布（必要）量を減少させ
ることができる。その結果、粉末ろう材の使用量、塗布
回数を低減することでコストダウンが可能になる。さら
に、ろう材付着厚を減少できるので、熱交換器組立時の
ろう材の脱落が少なくなり、取り扱いが容易になって作
業効率が向上する。一方、ろう材に含まれるＺｎは、ろ
う付部にＺｎ拡散層を形成し、面状腐食を促進してＳｉ
晶出物による局部腐食や孔食を防止し、結果として耐食
性を改善する。

【００１３】なお、本発明の粉末ろう材でろう付する場
合、母材の一部がろうとなってろう付後の母材板厚が減
少するが、母材の許容溶融量を考えると、母材の板厚等
によっても異なるが、強度の低下および耐食性の低下を
避けるという観点から、母材における溶融深さが０．５
ｍｍ未満であるのが望ましい。また、上記の点から板厚
がある程度厚い部材（例えば板厚０．５ｍｍ以上）への
ろう付に適している。

【００１４】

【実施例】熱交換器におけるヘッダー部とチューブとの
ろう付性を評価するため、以下の試験片を用いたシミュ
レーション試験を行った。すなわち、表１に示すよう
に、Ｓｉ量、Ｚｎ量を変えたアルミニウム合金粉末（最
大粒径７５μｍ）を用意し、さらに、フラックスとして
フッ化物系フラックス、バインダとしてアクリル系樹脂
を用意し、これらを重量比で１０：１：１で混合して粉
末ろう材を調製した。また、比較例として発明の範囲外
のＡｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金粉末
ろう材を用意した。

【００１５】上記粉末ろう材を用い、塗布量を変えて図
５に示す逆Ｔ字型隙間充填性試験を行った。具体的に
は、ＪＩＳＡ３００３合金を相手材１０として水平に
置き、同じくＪＩＳＡ３００３合金を母材１１として
両面に上記粉末ろう材をフローコート法によって塗布し
た後、これを相手材１０上にＴ字状に配置するととも
に、その設置面の一端に棒状のスペーサ１２を配置して
相手材１０と母材１１との間に小隙間１３を形成した。
これらを６００℃×５分で加熱してノコロックろう付を
行うと、ろう材が溶解して上記小隙間１３にろう付部
（接合部）１４が形成された。なお、ろう付部１４は、
粉末ろう材と母材１１および相手材１０の一部とが溶融
して形成されていた。ろう付後、図６、７に示すように
ろう付部１４の充填長さＬと最大侵食深さＤとを測定
し、その結果を表１に示した。また、上記ろう付後の試
験片に試験サイクル・噴霧（５０℃×３０ｍｉｎ）・湿潤（５０℃×３０ｍｉｎ）試験液人工海水＋酢酸の条件でＳＷＡＡＴ試験（期間２０日）を行い、腐食深
さおよび腐食形態を調査し、その結果を表２に示した。
また、ヘッダー部、チューブともにＪＩＳＡ３００３
合金で構成された実機の熱交換器に対し、上記と同じろ
う材を同量、接合予定部に塗布して上記と同条件でろう
付試験を行い、ヘッダー部とチューブとの接合状態を観
察した。その結果、接合部でのリーク無をろう付良好、
リーク有をろう付不良と判定し、これらの結果も合わせ
て表２に示した。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】

【００１８】表２から明らかなように、ろう材Ｓｉ含有
量を１５ｗｔ％越とした試験片では、少ない塗布量、塗
布回数で良好なろう付性（隙間充填性）が得られてお
り、母材の溶解量（最大侵食深さ）も適度に得られてい
る。特にＳｉ含有量を２０〜３０ｗｔ％としたものでは
最大浸食深さが比較的浅く、良好なろう付接合部を得る
ことができる。これに対し、Ｓｉ含有量が６０ｗｔ％
を越えるものでは、最大侵食深さが深く、母材が過度に
侵食されていることが示されている。また、上記特性が
得られるものでもＺｎを全く含有しないか、少量含有す
るものでは、孔食の発生が見られ、腐食が深く進行して
いる。これに対し、Ｚｎを適量含有するものは、腐食深
さが顕著に浅くなっている。なお、Ｚｎを３０％を越え
て過剰に含有するものでは面状腐食形態で深く侵食され
た。したがって、上記実施例によりＳｉ、Ｚｎを適量含
有する粉末ろう材を用いた場合にのみ、少ないろう材量
で耐食性を損なうことなく良好にろう付でき、その接合
部で良好な接合性と耐食性とが得られていることが明ら
かになった。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱交換器
によれば、ヘッダー部とチューブとの接合部が、質量％
でＳｉ：１５越〜６０％、Ｚｎ：５〜３０％を含有し、
残部がＡｌからなる過過共晶のＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金
ろうと母材との融合により形成されているので、ろう材
の使用量を相対的に少なくでき、しかも接合部分が確実
かつ強固にろう付されている。また、接合部にＺｎが含
有されることにより腐食形態が面状となり腐食の深さ方
向への進行を防止することができる。

【００２０】また、本発明の熱交換器の製造方法によれ
ば、アルミニウムまたはアルミニウム合金製ヘッダー部
にチューブを接合する際に、質量％でＳｉ：１５越〜６
０％、Ｚｎ：５〜３０％を含有し、残部がＡｌからなる
過共晶のＡｌ−Ｓｉ系合金粉末ろう材を用いてろう付す
るので、従来公知のろう材よりも一段と少ないろう材量
で、ヘッダー部とチューブの接合部での良好なろう付性
を得ることができる。よって、粉末ろう材の使用量およ
び塗布回数を低減することができ、ろう付け性を損なう
ことなく製造コストを大幅に低減することができる。ま
た、接合部にＺｎの拡散層が形成され、孔食の発生を抑
制する。よって、本発明の製造方法によれば、ろう付性
を損なうことなく粉末ろう材の使用量（塗布量）および
塗布回数を低減することができ、かつ耐食性に優れるろ
う付製品を低コストで得ることが可能となる。

【００２１】また、上記製造に際し、チューブ接合予定
部に、質量％でＳｉ：１５越〜６０％、Ｚｎ：５〜３０
％を含有し、残部がＡｌからなる過共晶のＡｌ−Ｓｉ系
合金粉末ろう材を付着させるとともに、該ヘッダー部に
チューブを組み込み、前記ろう材を加熱してチューブと
ヘッダー部とを接合すれば、ろう材が付着された母材の
一部が効果的かつ適度に溶融し、上記作用が一層確実に
なる。また、ろう材として、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金粉
末とフラックスとの混合物からなるものを使用すれば、
ろう付工程でのフラックス塗布工程を省略でき、かつ、
ろう付時に上記合金粉末の表面酸化皮膜が効果的に除去
されて、良好なろう付が一層容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるヘッダー部とチ
ューブとの接合部分のろう付前の拡大断面図である。

【図２】同じくろう付後の拡大断面図である。

【図３】熱交換器の組立時または製品時の斜視図であ
る。

【図４】同じくヘッダー部にチューブを差し込んだ状
態の拡大断面図である。

【図５】本発明の実施例におけるろう付試験での試験
材の組立状態を示す斜視図である。

【図６】同じくろう付後のろう付部の拡大正面図であ
る。

【図７】同じくろう付後のろう付部の拡大側面図であ
る。

【符号の説明】

１ヘッダー部２チューブ３放熱フィン４接合予定部５粉末ろう材６接合部１０相手材１１母材１３小隙間１４ろう付部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−79493（ＪＰ，Ａ) 特開平７−314177（ＪＰ，Ａ) 特開平７−88689（ＪＰ，Ａ) 特開平７−331407（ＪＰ，Ａ) 特開平７−310162（ＪＰ，Ａ) 特開平６−79493（ＪＰ，Ａ) 特開平６−200344（ＪＰ，Ａ) 特公平４−74118（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/28 B23K 1/00 - 1/19

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムまたはアルミニウム合金製
ヘッダー部とチューブとの接合部が、質量％でＳｉ：１
５越〜６０％、Ｚｎ：５〜３０％を含有し、残部がＡｌ
からなる過共晶のＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金ろうと母材と
の融合により形成されていることを特徴とするろう付性
に優れた熱交換器。
【請求項２】アルミニウムまたはアルミニウム合金製
ヘッダー部にチューブを接合する際に、質量％でＳｉ：
１５越〜６０％、Ｚｎ：５〜３０％を含有し、残部がＡ
ｌからなる過共晶のＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金粉末ろう材
を用いてろう付することを特徴とする熱交換器の製造方
法
【請求項３】アルミニウムまたはアルミニウム合金製
ヘッダー部のチューブ接合予定部に、質量％でＳｉ：１
５越〜６０％、Ｚｎ：５〜３０％を含有し、残部がＡｌ
からなる過共晶のＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金粉末ろう材を
付着させるとともに、該ヘッダー部にチューブを組み込
み、前記ろう材を加熱してチューブとヘッダー部とを接
合することを特徴とする熱交換器の製造方法
【請求項４】ろう材は、質量％でＳｉ：１５越〜６０
％、Ｚｎ：５〜３０％を含有し、残部がＡｌからなるＡ
ｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金粉末とフラックスとの混合物から
なることを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換
器の製造方法