JP3554305B2 - ブレージングシートの製造方法並びに熱交換器の流路構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、熱交換器、電気機器部品、配管接合などにおいて部材同士をろう接する際に使用されるリン銅ろう合金をろう材層として備えたブレージングシートの製造方法、並びに前記リン銅ろう合金によって流路構成部材がろう接された熱交換器の流路構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器の流路を構成する各部材は、主としてＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金によって形成されており、これらの部材は従来からリン銅ろう材によってろう接されている。前記リン銅ろう材は、ＪＩＳ Ｚ ３２６４に規格されており、Ｐ：４．８〜７．５mass％含有し、一部の種類ではＡｇがさらに添加され、残部Ｃｕからなる。これらのリン銅ろう材は、加工性が非常に悪いため、主として線材、棒材、粉末材の形態をもって供給されている。熱交換器のろう接には、Ａｇは高価であり、また人体に対して金属アレルギーの原因になるおそれがあるため、通常、Ａｇを含まないリン銅ろう合金が使用される。
【０００３】
リン銅ろう材を用いてろう接作業を行う場合、ろう材の形態が棒や粉末では使用し難いため、薄板状のろう材が好ましい。このため、特開昭５８−１２８２９２号公報に記載されているように、Ｐ：４〜１０wt％を含有するリン銅ろうの溶湯を直接急冷凝固させて結晶性薄帯を得て、これを加熱処理して製造された、冷間加工性に富んだリン銅ろう材が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記リン銅ろう材を製造するには、リン銅ろうの溶湯を直接急冷凝固させることが必要であり、このため大掛かりで特殊な製造設備が必要である。また、結晶性薄帯の延性及び可撓性を改善するには特殊な加熱処理が必要である。このため、製造コストや生産性が必ずしも良好とは言えない。
【０００５】
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、特殊な製造設備、加熱処理を要することなく、冷間加工によって容易に薄板状に加工することができるリン銅ろう合金からなるろう材層を備えたブレージングシートの製造方法を提供する。また、かかるリン銅ろう合金よって流路構成部材がろう接された熱交換器の流路構造を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、種々のＰ含有範囲のＰＣｕ合金の加工性、ろう接性を詳細に研究した結果、Ｐ：２．０〜３．２mass％という特定のＰ含有領域を有するリン銅ろう合金において、ろう接接合性を犠牲にすることなく、著しい加工性の改善効果が得られることを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明のブレージングシートの製造方法は、金属基板の少なくとも一方の表面に mass ％でＰ：２．０〜３．２％を含有し、残部実質的にＣｕからなるリン銅ろう合金によって形成されたろう材基板を重ね合わせ、重ね合わされた両基板を冷間圧接し、前記金属基板が圧下された金属板の表面に前記ろう材基板が圧下されたろう材層を圧接一体化するものである。
前記ろう材基板は、mass％でＰ：２．０〜３．２％、好ましくは２．２〜２．９％を含有し、残部実質的にＣｕからなるリン銅ろう合金によって形成されたものであり、ろう接接合性を損なうことなく、極めて優れた冷間加工性を備える。
【０００８】
【０００９】
このため、金属板と、少なくともその一方の表面に圧接一体化されたろう材層とを有し、前記ろう材層が前記リン銅ろう合金によって形成されたブレージングシートを簡単、容易に製造することができる。
このブレージングシートによれば、Ｐ：２．０〜３．２％、好ましくは２．２〜２．９％の極めて冷間加工性に優れたリン銅合金からなるろう材層が金属板に圧接一体化されているので、前記金属板に他の金属部材をろう接する際、ろう材を別途に準備し、金属板と金属部材との間に配置するなどの煩瑣な作業が不要であり、ろう接作業性に優れる。
【００１０】
このブレージングシートにおいて、前記金属板をＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金によって形成することで、金属板とろう材層との圧接性が向上し、ブレージングシートの生産性が向上する。また、ろう接時にける両者の溶着性が向上するため、ろう接接合性にも優れる。
【００１１】
【００１２】
また、本発明の熱交換器の流路構造は、対向して配置された一対の第１壁部材および第２壁部材と、前記第１壁部材と第２壁部材との間に形成された流路を多数の細流領域に仕切る仕切部材とを備え、前記第１壁部材および第２壁部材は請求項１の製造方法によって製造されたブレージングシートから加工されたもので、金属板の表面にろう材層が圧接一体化され、前記仕切部材が前記第１壁部材および第２壁部材のろう材層によってろう接されたものである。
この流路構造によると、前記第１壁部材および第２壁部材は、前記ブレージングシートの製造方法により製造されたブレージングシートから加工されたものであるので、ブレージングシートの製造と同様、簡単、容易に製造することができ、また前記第１壁部材および第２壁部材に仕切部材をろう接する際、ろう材を別途に準備し、ろう接部に配置するというような作業が不要であり、前記仕切部材のろう接作業性が向上し、ひいては熱交換器の生産性を向上させることができる。
【００１３】
この流路構造において、前記第１、第２壁部材の金属板および仕切部材をＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金で形成することにより、これらの部材をろう材層を形成するリン銅ろう合金によって簡単かつ容易にろう接することができ、また優れた接合性を得ることができる。さらに、主成分のＣｕが比較的安価であるため、熱交換器の流路構造として経済性に優れる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
熱交換器などのＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなる部材同士をろう接する場合、ろう接部がＣｕの引張強度と同程度の接合強度を有し、かつ複雑な部材同士であっても容易にろう接することができ、さらにろう材自体が人体に無害なものが好ましい。このような作用を有するＣｕ合金の添加元素としてＰが好適である。Ｐ−Ｃｕ合金は、合金中に含まれるＣｕ₃Ｐ が酸化銅に対して還元性を有し、セルフフラックス効果を有するため、複雑形状の部材のろう接性に優れ、またＰは人体に対して無害だからである。
リン銅ろう合金中のＰの含有量（mass％）は、従来、Ｃｕの引張強度レベルの接合強度を実現するには少なくとも４％程度以上は必要と考えられており、このため加工性に問題があった。しかしながら、本発明者の研究により、従来より低濃度のＰ領域においても接合性（接合強度）を劣化させることなく、加工性を飛躍的に向上させる領域があることが知見され、本発明を完成するに至った。以下、リン銅ろう材を形成するリン銅ろう合金のＰ含有量とろう接接合性および加工性について詳細に説明する。
【００１５】
下記表１に示す種々のＰ含有量のＰ−Ｃｕ合金を真空誘導溶解によって溶製し、その鋳造片を５００〜６００℃にて熱間圧延し、これによって得られた熱延板（板厚８mm、板幅８０mm）をさらに冷間圧延した。冷間圧延は冷延後の目標板厚を０．４mm（全圧下率９５％）とし、目標板厚に至るまでに耳割れ、あるいは板割れが発生したものについては、その割れが発生するまでの全圧下率を求めた。圧下率が６５％以上で耳割れを発生した試料については、５００℃×１ｈｒ程度の焼鈍を行い、目標板厚まで冷間圧延を行った。なお、耳割れとは圧延材の側縁に高さ１〜２mm程度の鋸歯状の凹凸が発生することをいい、板割れとは板幅に沿って圧延板が完全に破断することをいう。板割れが発生すると、それ以後の圧延は不可能になる。
【００１６】
目標板厚まで冷間圧延された冷延板は、５００℃×１ｈｒ程度の焼鈍を行った後、さらに０．１mmまで冷間圧延し、薄板状のろう材を得た。一方、冷間圧延の際に板割れが発生した試料および圧下率が１０％以下で耳割れが発生した試料については、熱延板から板厚０．１mm（全圧下率９９％）のろう材を機械加工により採取した。これらのろう材を用いてろう接接合性を調べた。
ろう接接合性は、断面が１０mm×３mmの純Ｃｕ製の角棒材を準備し、一方の棒材と他方の棒材とをろう材片（１０mm×３mm）を介して突き合わせ、水素ガス雰囲気中で８２０℃×１０分間保持してろう接し、得られた接合棒材を長さ方向に破断するまで引っ張り、破断時の引張強さ（接合強さ）を測定した。
【００１７】
上記Ｐ−Ｃｕ合金の加工性評価、ろう接棒材の接合強度の測定結果を表１に併せて示す。表１中、全圧下率は既述のように目標板厚（９５％）まで、あるいは耳割れ、板割れ発生までの全圧下率を示す。また、Ｐ含有量と加工性評価（全圧下率）との関係を図１に、接合強度との関係を図２に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１および図１より、Ｐ≦３．２％で冷間加工性が良好であり、特にＰ＝２．９０％を臨界点としてＰ≦２．９０％では板割れは勿論のこと、耳割れも皆無であり、冷間加工性が飛躍的に向上していることがわかる。
本発明者はかかる加工性の良否を組織面から検討した。図３はＰ−Ｃｕ２元系状態図を示しており、１．７５％＜Ｐ＜１３．９８％（共晶組成）の領域では組織中に生成した初晶のＰ−Ｃｕ固溶体（Ｃｕリッチ部）と、Ｃｕ３ＰとＣｕとが層状に形成された共晶組織（Ｐリッチ部）とが共存した組織になる。実際のろう材の熱延板組織を顕微鏡観察したところ、Ｐが３．２％以下では大部分のＰリッチ部がＣｕリッチ部内に孤立して存在しているように観察され、一方Ｐが３．２％超ではＣｕリッチ部内のＰリッチ部が相互に連なり、この傾向はＰが多くなるほど顕著であった。そして、板割れが生じた冷延板の組織を観察すると、Ｐ＞３．２％のものでは、圧延により引き延ばされた前記Ｐリッチ部に沿ってクラックが多数発生していることが観察された。これより、Ｐ＝３．２％は脆くてクラックの発生し易いＰリッチ部がＣｕリッチ部の中にほぼ孤立し得る限界のＰ含有量であると知見された。
【００２０】
また、表１および図２より、Ｐ＝２．０％以上ではほぼ純Ｃｕと同レベルの引張強さ（１８kgf／mm²程度）を有し、特に２．２％以上では優れた接合強度が得られている。一方、Ｐ含有量が２．０未満〜１．２％程度であっても一応の接合強度が得られている。理論的には、図３の状態図から明らかなように、１．７５％以下ではＰ−Ｃｕ固溶体のみが生成し、共晶組織が生成しないため、ろう材として使用不可のはずであるが、Ｐの偏析により部分的にＰ＞１．７５％の領域が生じ、この部分がろう材として寄与しているものと推察される。なお、引張試験における破断部位は、すべてろう接接合部であった。
【００２１】
以上より、本発明にかかるリン銅ろう合金は、従来レベルの接合強度と、圧下率が９５％以上の冷間圧延が可能な加工性とを兼備するＰ含有量として、２．０〜３．２％、好ましくは２．２〜２．９％とした。残部は実質的にＣｕからなるが、残部実質的とは残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる場合のほか、前記Ｐ含有の作用、効果を妨げない範囲で他の合金元素の添加を妨げないことを意味する。本発明にかかるリン銅ろう材（合金）のろう接温度は、Ｐ−Ｃｕの共晶温度（７１４℃）超の温度とすればよいが、通常、７８０〜８５０℃程度とされる。ろう接は真空中、あるいは水素ガス等の還元ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
【００２２】
本発明にかかる前記Ｐ−Ｃｕろう合金は冷間加工性に優れるため、種々の形態に容易に加工することができ、薄板状、線状等の適宜の形態を有するろう材として提供することができる。板状に冷間圧延する場合、良好なろう接作業性と必要な接合強度を確保し、接合に寄与することなく流出するろう材量を抑制するには、板厚は０．０１〜０．１５mm程度とすることが好ましい。
【００２３】
前記リン銅ろう合金は、それ単独でも使用することができるが、冷間加工性が良好なため、適宜の金属板に圧接して、図４および図５に示すように、金属板２の片面あるいは両面に前記リン銅ろう合金からなるろう材層３を圧接一体化して積層したブレージングシート１，１Ａとすることができる。この場合においても、ろう材層３は０．０１〜０．１５mm程度とすることが好ましい。かかるブレージングシート１，１Ａによれば、このブレージングシートのろう材層３側にろう接する金属部材を当接させて加熱するだけで、ブレージングシート１，１Ａの金属板２と前記金属部材とを容易にろう接することができ、ろう接作業性に優れる。
【００２４】
前記金属板２の材質としては、純ＣｕあるいはＣｕを主成分としてＣｕ合金（以下、両者を併せてＣｕ基金属と呼ぶ。）が好ましい。これらのＣｕ基金属からなる金属板を用いることにより、金属板２とろう材層３との圧接性が向上し、ブレージングシートの生産性が向上する。また、ろう接時にける両者の溶着性が向上するため、ろう接接合性にも優れる。
【００２５】
前記Ｃｕ基金属としては、構成成分が完全に固溶状態をなす、例えばＣｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金を用いることができる。Ｃｕ含有量は、概ね８５％程度以上あればよい。前記Ｃｕ基合金には、Ｃｕに固溶し、ろう材の加工性、ろう接後のろう材部の特性を損なわない元素であれば、その微量添加は許容される。
【００２６】
前記ブレージングシート１，１Ａは、金属基板の片面あるいは両面に前記リン銅ろう合金によって形成されたろう材基板を重ね合わせ、重ね合わされた両基板を一対のロールに通してお互いの基板を冷間圧接することによって、簡単、容易に製造することができる。冷間圧接により、前記金属基板が圧下された金属板２の片面あるいは両面に、前記ろう材基板が圧下されたろう材層３が圧接一体化され、積層される。
【００２７】
本発明にかかるリン銅ろう合金は、ろう材として従来から知られる継手部材の接合、配管接合、電気接点のろう接など種々の用途に使用することができるが、先に説明したように、冷間加工性に優れるため、種々の形態に容易に加工することができる。このため、特にろう材を種々の形状に加工して部材接合部に配置し、ろう接するような用途に好適に使用することができる。例えば、大径管状部材の端部内側に小径管状部材の端部を挿入配置してろう接する場合に、これらの管状部材の端部間にリング状のろう材を挿入配置してろう接することができる。さらに、端部に形成された筒状孔部の内周に軸心に平行に複数条の凹部を形成した第１軸部材と、端部外周に前記凹部に係合する複数の凸部を形成した第２軸部材とを用いて、前記第１軸部材の筒状孔部内周に形成された凹部に前記第２軸部材の端部外周に形成された凸部を係合配置してろう接する場合に、筒状孔部内周と端部外周との間に前記複数の凹部と凸部とに係合する凹凸部が周方向に屈曲形成されたリング状のろう材を挿入配置してろう接することができる。
また、本発明にかかるリン銅ろう合金は、冷間加工性、冷間圧接性に優れるため、前記ブレージングシート１，１Ａのろう材層３としても好適であることは先に述べた通りであり、本発明にかかるブレージングシートによれば、ろう接作業性が容易になることのほか、金属板２とろう材層３とを一体的に種々の形態に容易に加工することができるので、種々形態を有するろう材層３付きの各種接合部材を容易に製作することができる。
【００２８】
次ぎに、上記実施形態にかかるブレージングシートを素材として用いたろう接構造物の実施形態について説明する。
図６は実施形態にかかる熱交換器の流路構造を示す斜視図である。一組のシート部材１１，１１が所定の間隔を隔てて対向して配置され、その間に断面が波形に屈曲形成された蛇腹状の仕切り部材１２が装着されている。前記シート部材１１は上記ブレージングシート１を適宜の形状に加工したものであり、また前記仕切り部材１２は、例えば薄銅板を蛇腹状に波形加工したものである。なお、この実施形態では、シート部材１１の素材となるブレージングシート１は、金属板２の片面にろう材層３を設けたタイプ（図４）が使用される。
【００２９】
前記仕切り部材１２は、波形凸部の最上部とこの仕切り部材１２を挟持する上側のシート部材１１の金属板２の下面とがシート部材１１のろう材層３によってろう接され、また波形凹部の最下部と仕切り部材１２を挟持する下側のシート部材１１の金属板２の上面とが同様にろう材層３によってろう接されている。なお、前記一対のシート部材１１，１１は本発明の第１壁部材および第２壁部材に相当する。
【００３０】
この実施形態では、前記一組のシート部材１１，１１の間で、前記仕切り部材１２により仕切られた多数の部分空間部が水などの被加熱（冷却）流体が流れる流路とされている。前記シート部材１１の外側には、図示省略した加熱（冷却）媒体が流れる加熱装置が付設されており、これによってシート部材１１を介して前記流路を流れる被加熱（冷却）流体が加熱（冷却）される。
【００３１】
本発明の熱交換器の流路構造は前記実施形態により限定的に解釈されるものではない。例えば、シート部材１１の枚数および一対の対向するシート部材１１の間に形成された被加熱（冷却）流体の流路の段数（シート部材１１の枚数−１）は、要求に応じて自由に設定することができる。シート部材１１の両側に仕切り部材１２をろう接する場合、そのシート部材の素材となるブレージングシート１Ａは、金属板２の両面にろう材層３を接合したタイプ（図５）のものが使用される。また、前記仕切り部材１２が装着された流路には、実施形態では被加熱（冷却）流体を流すこととしたが、加熱（冷却）媒体を流すようにして、シート部材１の外側に被加熱（冷却）物を配置し、加熱（冷却）するようにしてもよい。本発明の流路構造は、ビル等の空調機器、自動車・産業機器・電子機器などの加熱・冷却のために使用される各種熱交換器に適用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のブレージングシートの製造方法によれば、ろう材基板がＰ：２．０〜３．２％を含み、残部実質的にＣｕからなるリン銅ろう合金で形成されているので、ろう接接合性を損なうことなく、極めて優れた冷間加工性を備える。このため、金属基板に容易に圧接してブレージングシートを簡単、容易に製造することができる。また本発明の熱交換器の流路構造によれば、第１壁部材および第２壁部材を前記ブレージングシートと同様、簡単、容易に製造することができ、また前記第１壁部材および第２壁部材に仕切部材をろう接する際、ろう材を別途に準備し、ろう接部に配置するというような作業が不要であり、仕切部材のろう接作業性が向上し、ひいては熱交換器の生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｐ含有量と加工性（目標板厚あるいは割れ発生までの全圧下率）との関係を示すグラフである。
【図２】Ｐ含有量とろう接接合強度との関係を示すグラフである。
【図３】Ｐ−Ｃｕ合金の部分状態図である。
【図４】実施形態にかかるブレージングシートの部分断面図である。
【図５】他の実施形態にかかるブレージングシートの部分断面図である。
【図６】実施形態にかかる熱交換器の流路構造を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ ブレージングシート
２ 金属板
３ ろう材層
１１ シート部材
１２ 仕切り部材

Claims (3)

1. 金属基板の少なくとも一方の表面にmass％でＰ：２．０〜３．２％を含有し、残部実質的にＣｕからなるリン銅ろう合金によって形成されたろう材基板を重ね合わせ、重ね合わされた両基板を冷間圧接し、前記金属基板が圧下された金属板の表面に前記ろう材基板が圧下されたろう材層を圧接一体化するブレージングシートの製造方法。
2. 対向して配置された一対の第１壁部材および第２壁部材と、前記第１壁部材と第２壁部材との間に形成された流路を多数の細流領域に仕切る仕切部材とを備え、前記第１壁部材および第２壁部材は請求項１の製造方法によって製造されたブレージングシートから加工されたもので、金属板の表面にろう材層が圧接一体化され、前記仕切部材が前記第１壁部材および第２壁部材のろう材層によってろう接された熱交換器の流路構造。
3. 前記第１壁部材、第２壁部材の金属板および仕切部材がＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金で形成された請求項２に記載した熱交換器の流路構造。

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