JP5468809B2

JP5468809B2 - アルミニウム製排ガス用熱交換器の製造方法およびその熱交換器

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Publication number: JP5468809B2
Application number: JP2009099919A
Authority: JP
Inventors: 洋一郎吉田
Original assignee: T.RAD CO., L T D.
Current assignee: T.RAD CO., L T D.
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: JP2010249426A

Description

本発明は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンの熱機関から排出される排ガスを主として冷却水で冷却する熱交換器に関し、特に排気再循環装置に用いられる排気ガスを冷却する熱交換器（ＥＧＲクーラ）或いは排熱回収用に最適なものである。

排ガス用熱交換器であるＥＧＲクーラは、それぞれインナーフィンを有する多数のチューブを有し、そのチューブ内に排ガスが流通すると共にチューブの外面側に冷却水を流通させて、熱交換を行うものである。そのとき、排ガスが冷却水により冷却され、チューブ内には腐食性凝縮水が付着する。そのため、耐食性を確保するため、排ガスが流通するチューブおよびインナーフィンはステンレス材とする必要があった。なお、ガスが流通するものであっても、凝縮水が生成しないインタークーラではアルミニウム材を使用していた。また、チューブは一般に偏平チューブを用い、インナーフィンとしてストレートフィン、ウェーブフィン、オフセットフィンを用いていた。

特表２００７−５１０１１９号公報

ステンレス製ＥＧＲクーラは、偏平チューブを一対の溝状部材を逆向きに嵌着し、その内面にニッケル（Ｎｉ）ろうの粉末をバインダーを介して付着させ、内部にインナーフィンを装着していた。その偏平チューブとヘッダとの間にも同様にＮｉろうを付着させ、全体を組立てて、炉内で一体にろう付け固定していた。
そのため、そのろう材の付着工程が複雑になると共に、高価なＮｉろう、その他の材料を必要とし、結果、ＥＧＲクーラが高価にならざるをえなかった。
インタークーラでは、ステンレス材の代わりにアルミニウム材を使用して、そのチューブの内面側にろう材がクラッドされたアルミニウム製クラッド材を用い、インナーフィンにはろう材の付着されていないベア材を用い、それらを組立てていた。
アルミニウム製熱交換器をＥＧＲクーラに用いた場合には、ステンレス製熱交換器のような粉末ろうの塗布工程は不要となり、製造原価が低下することができる。しかし、排ガスが流通する偏平チューブ内に腐食性凝縮水が生成すると、それにより腐食が起こり、寿命が短いものとならざるをえなかった。

そこで、本発明はステンレス製熱交換器に比べて、各素材が安価で且つ製造しやすいアルミニウム製熱交換器であっても、腐食性凝縮水に耐えうる熱交換器の製造方法およびその熱交換器を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、端部を排ガスタンク(1)に連通させた複数の偏平チューブ(2)が並列され、その偏平チューブ(2) の内部にインナーフィン(3) が介装され、その偏平チューブ(2) 内に腐食性凝縮水が生成される排ガス用熱交換器の製造方法において、
それぞれアルミニウム製で、前記偏平チューブ(2) 材及び排ガスタンク(1)の少なくとも内面側全面にZnを1.5〜3.0％含むろう材が被覆されると共に、インナーフィン(3) 材の両面の全面にZnを1.0〜2.0％を含むろう材が被覆された各部品を組み立てる工程と、その組み立体を炉内に挿入して、前記ろう材を溶融し、次いでそれを固化して、各部品間を一体にろう付け固定すると共に、その偏平チューブ(2) の内面全体およびインナーフィン(3) の全体及び排ガスタンク(1)の内面全体を固化した前記ろう材で被覆する工程とを有することを特徴とするアルミニウム製排ガス用熱交換器の製造方法である。

請求項２に記載の本発明は、端部を排ガスタンク(1) に連通させた複数の偏平チューブ(2) が並列され、その偏平チューブ(2) の内部にインナーフィン(3) が介装され、その偏平チューブ(2) 内に腐食性凝縮水が生成される排ガス用熱交換器の製造方法において、
それぞれアルミニウム製で、前記偏平チューブ(2) 材の内面側にZnを1.5〜3.5％含むろう材が被覆されると共に、インナーフィン(3) 材の両面にZnを1.0〜1.5％を含むろう材が被覆された各部品を組み立てる工程と、その組み立体を炉内に挿入して、前記ろう材を溶融し、次いでそれを固化して、各部品間を一体にろう付け固定すると共に、その偏平チューブ(2) の内面全体およびインナーフィン(3) の全体を固化した前記ろう材で被覆する工程とを有することを特徴とするアルミニウム製排ガス用熱交換器の製造方法である。

請求項３に記載の本発明は、端部を排ガスタンク(1) に連通させた複数の偏平チューブ(2) が並列され、その偏平チューブ(2) の内部にインナーフィン(3) が介装され、その偏平チューブ(2) 内に腐食性凝縮水が生成される排ガス用熱交換器の製造方法において、
それぞれアルミニウム製で、前記偏平チューブ(2) 材の内面側にZnを1.5〜2.5％含むろう材が被覆されると共に、インナーフィン(3) 材の両面にZnを1.0〜2.5％を含むろう材が被覆された各部品を組み立てる工程と、その組み立体を炉内に挿入して、前記ろう材を溶融し、次いでそれを固化して、各部品間を一体にろう付け固定すると共に、その偏平チューブ(2) の内面全体およびインナーフィン(3) の全体を固化した前記ろう材で被覆する工程とを有することを特徴とするアルミニウム製排ガス用熱交換器の製造方法である。
請求項４に記載の本発明は、請求項１〜請求項３のうち、何れか一つの製造方法により製造されたアルミニウム製排ガス用熱交換器である。

本発明の製造方法によれば、排ガスが流通する偏平チューブ２内面およびその偏平チューブ２に内装されるインナーフィン３の両面及び排ガスタンク(1)の内面側にそれぞれ所定量の亜鉛（Ｚｎ）を含むろう材が被覆されたものを用い、そのろう材により一体的にろう付け固定しかつ、偏平チューブ２内面全体およびインナーフィン３全体及び排ガスタンク(1)の内面全体をろう材で被覆することができる。そのろう材によって、排ガスの腐食性凝縮水からアルミニウム（Ａｌ）の芯材を保護し、耐食性の高いアルミニウム製排ガス用熱交換器を提供できる。

本発明の偏平チューブ２およびインナーフィン３の組立て状態を示す説明図であって、そのろう付け前の状態を示す。同ろう付け後の状態を示す。そのインナーフィン３を有する偏平チューブ２の要部斜視図。インナーフィン３の一例を示す説明図。図３におけるＶ−Ｖ矢視においてカットした試験体９の説明図。本熱交換器の一例を示す分解斜視図。同熱交換器の斜視図。同熱交換器の要部縦断面図。

次に図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
本発明の熱交換器は、アルミニウム製のＥＧＲクーラまたは排熱回収に最適なものである。一例として図６に示す如く、インナーフィン３を内装した複数の偏平チューブ２が並列されてコア１０を構成し、そのコア１０の外周がケーシング本体４ａとケーシング蓋４ｂとからなるケーシング４で被嵌され、その長手方向の両端部に一対の排ガスタンク１が嵌着し、その排ガスタンク１にそれぞれフランジ５が取り付けられる。

このコア１０を構成する偏平チューブ２は、図３に示す如く溝型に形成された一対のアルミニウム材からなり、その両端部の厚み方向に拡開部2dが形成されている。各溝型アルミニウム材の外周には多数のディンプル２ｅが突設され、その高さが拡開部2dの拡開高さに整合する。各偏平チューブ２内には、一例として図４に示すオフセット型のインナーフィン３が挿入される。なお、このオフセットフィンの代わりにストレートフィンあるいはウェーブフィンを挿入してもよい。図４に示すオフセットフィンを用いる場合には、その高さｈは好ましくは１ｍｍ〜５ｍｍとし、フィンピッチＬはその高さｈの０．５倍〜０．６倍、横ピッチＱは高さｈの０．５倍〜０．８倍である。また、偏平チューブ２の高さと幅の比は５〜５０が好ましい。

このようなインナーフィン３を有する偏平チューブ２は図６に示す如く、その両端部のみが多数隙間なく積層されて、ヘッダープレートを不要とした、コア１０を構成する。そして、そのコア１０の両端に一対の排ガスタンク１が被嵌され、それらの外周をケーシング４が被嵌する。それと共に、一対の冷却水パイプ６がケーシング本体４ａの開口に嵌着し、各排ガスタンク１にフランジ５が被着される。そして、全体が炉内に挿入され一体的にろう付け固定されるものである。そして、排ガスタンク１および偏平チューブ２内に図８の如く排ガス７が流通し、偏平チューブ２の外面側に冷却水８が流通して熱交換が行われるものである。その熱交換により、偏平チューブ２内部には腐食性凝縮水が生成される。

ここにおいて、本発明の特徴とするところは、その腐食性凝縮水に耐えうるアルミニウム製熱交換器の提供である。図１は偏平チューブ２およびインナーフィン３のろう付け前の状態を示す要部拡大図であり、図２はそのろう付け後の要部拡大図である。本発明の熱交換器は、腐食性のある凝縮水が接する側をすべてＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金で被覆するものである。またチューブの芯材としてはＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系あるいはＡｌ−Ｍｎ系合金を用いるものである。すなわち偏平チューブ２の芯材２ａは、Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系で、インナーフィン３の芯材３ａは、Ａｌ−Ｍｎ−Ｚｎ系あるいはＡｌ−Ｍｎ系合金とする。そして偏平チューブ２、インナーフィン３のろう材２ｂ、２ｃ、３ｂ、３ｃは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金をクラッドしたブレージングシートを用いる。なお、偏平チューブ２の芯材２ａの外面側にもろう材２ｂを用いている。これは偏平チューブ２を積層したとき、隣接する偏平チューブ２どうしを接合するものである。

〔実験例〕
本発明では各種実験の結果、偏平チューブ２の内面側のろう材２ｃとインナーフィン３のろう材３ｂ、３ｃにおけるＺｎの成分範囲は、異なる方が好ましいことをつきとめた。一例として、アルミニウム製（アルミニウム合金、以下同じ）の偏平チューブ２のろう材２ｃのＺｎ量を全体の１．５〜３．０重量％（以下全て重量％）としたとき、アルミニウム製インナーフィン３のろう材３ｂ、３ｃのＺｎ量は１．０〜２．０％とすることが最も好ましい。

次に偏平チューブ２のろう材２ｃのＺｎ量を１．５〜３．５％としたときには、インナーフィン３のろう材３ｂ、３ｃのＺｎ量は１．０〜１．５％である。
また、偏平チューブ２のろう材２ｃのＺｎ量を１．５〜２．５％としたときには、インナーフィン３のろう材３ｂ、３ｃは１．０〜２．５％が好ましい。このようなブレージングシートを用いたインナーフィン３内装の偏平チューブ２を積層してコア１０を構成すると共に、排ガスタンク１も、偏平チューブ２同様にその内外面に同一のろう材を被覆したブレージングシートを用いて、そのコア１０の両端に嵌着する。また、ケーシング４は少なくとも内面側にろう材が被覆されたものを用いる。そして、フランジ５、冷却水パイプ６を取付け、全体を高温の炉内に挿入し、各部品間を一体的にろう付け固定する。すると、偏平チューブ２の内面側およびインナーフィン３の両面側全体にろう材が被覆される。このように、排ガス７が流通し、その凝縮水が発生する内面側にろう材が被覆されると、その各ろう材のＺｎ成分量により腐食しにくくなることが下記実験により明らかとなった。

先ず偏平チューブ２の芯材２ａとしてＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金を用いる。具体的にはＡｌ−１％Ｍｎ−０．５％Ｃｕである。そのろう材２ｂ、２ｃとしてＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金を用いる。具体的にはＳｉが７．５％、Ｚｎを０．５〜４．０％、残部をＡｌとする。
次にインナーフィン３はその芯材３ａとして、Ａｌ−Ｍｎ−Ｚｎ系合金あるいは、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金を用いる。具体的にはＭｎが１％、Ｚｎが１％、残部Ａｌである。そして、インナーフィン３のろう材３ｂ、３ｃとして、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系を用い、Ｓｉを７．５％、Ｚｎを０．５〜３．０％、残部Ａｌとする。

そして、図４におけるインナーフィン３を、図３の如く、偏平チューブ２内に挿入する。そして、炉内でろう付け後、偏平チューブ２の厚み方向に、中心線上で二分割し、図５に示す試験体９を作る。
そして、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンの燃焼ガスから生じる凝縮液の相当液をあらかじめ用意する。この模擬的な凝縮水成分は、水にＳＯ_４ ^2-が５０００ｐｐｍ、ＣＨ₃ＣＯＯ^-が２５００ｐｐｍ、ＨＣＯＯ^-が５０００ｐｐｍ、ＮＯ_３ ^-が５００ｐｐｍ、Ｃｌ^-が５０ｐｐｍである。
そして、試験条件として、模擬凝縮水に２分間試験体９を浸漬し、次いで２８０℃で５分間高温乾燥させ、次に空冷を１０分間行う。これを１サイクルとして１００サイクル繰返し行う。

そして、各部を切断し、その侵食深さを顕微鏡により判定した。
その結果が表１である。この表において、白丸は各部とも侵食深さが極めて小さいものであり、ろう材による模擬凝縮水による耐食性が証明された範囲である。黒丸はチューブの侵食深さが大で侵食形態は孔食状である。黒三角はフィンの腐食量が多いあるいは、フィンに粒界腐食が発生している。黒四角はろうフィレット部の腐食が大である。あるいは共晶部が選択腐食している。

○ ・・各部位とも腐食深さが小さい
●・・チューブ腐食深さが大で、腐食形態は孔食状
▲・・フィン腐食量が多い。あるいは、粒界腐食状形態が発生
■・・ろう付フィレット部の腐食が大。あるいは、共晶部が選択腐食発生

この結果から、クラッドチューブのろう材のＺｎ量が１．５％〜３．０％の条件ではクラッドフィン材のろう材のＺｎ量が１．０〜２．０％の範囲でフィンおよびチューブ各部とも腐食深さが小さいことが分かる。
またクラッドチューブのろう材のＺｎ量が１．５〜３．５％の範囲ではクラッドフィンのろう材のＺｎ量が１．０〜１．５％の範囲で各部とも侵食深さが小さいことが分かる。
さらにクラッドチューブのろう材のＺｎ量が１．５〜２．５％の範囲では、クラッドフィン材のろう材のＺｎ量が１．０〜２．５％までの範囲で各部とも侵食深さが小さいことが分かる。
次に、上記表１では、チューブ芯材としてＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系を用いたが、それに代えてＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｕでも同様の実験を行ったが、同様の実験結果が得られた。また、ろう材としてＡｌ−７．５％Ｓｉ−ＺｎにおけるＳｉ量を５．０〜１０．０％に変化させても、同様の結果を得られた。

〔比較実験〕
チューブ材のみにクラッドろう材を用い、フィン材にはろう材を被覆せず（ベア材）、そのフィンの芯材のみとし、それ自体にＺｎを有するアルミニウム合金を用いた。クラッドチューブ材としては、表１の場合と同様に、その芯材にＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ合金を用いクラッドろう材としてＡｌ−７．５％Ｓｉ−Ｚｎを用い、そのＺｎを１．０〜４．０％とした。そして、フィン材の芯材成分は表２の如く用い、そのＺｎ量を１．０〜１．５％とする。
その結果は表２に示す通りである。

フィン材にろう材を被覆しなかった場合には、芯材にＺｎを有するものを用いても、フィンの腐食が大きく、かついずれもフィン材に粒界腐食が発生することが分かった。これはそのフィン腐食により熱交換性能を永続的に維持することができないものである。

1 排ガスタンク
２偏平チューブ
2a 芯材
2b ろう材
2c ろう材
2d 拡開部
2e ディンプル

３インナーフィン
3a 芯材
3b ろう材
3c ろう材
４ケーシング
4a ケーシング本体
4b ケーシング蓋

５フランジ
６冷却水パイプ
７排ガス
８冷却水
９試験体
10 コア

Claims

端部を排ガスタンク(1)に連通させた複数の偏平チューブ(2)が並列され、その偏平チューブ(2) の内部にインナーフィン(3) が介装され、その偏平チューブ(2) 内に腐食性凝縮水が生成される排ガス用熱交換器の製造方法において、
それぞれアルミニウム製で、前記偏平チューブ(2) 材及び排ガスタンク(1)の少なくとも内面側全面にZnを1.5〜3.0％含むろう材が被覆されると共に、インナーフィン(3) 材の両面の全面にZnを1.0〜2.0％を含むろう材が被覆された各部品を組み立てる工程と、その組み立体を炉内に挿入して、前記ろう材を溶融し、次いでそれを固化して、各部品間を一体にろう付け固定すると共に、その偏平チューブ(2) の内面全体およびインナーフィン(3) の全体及び排ガスタンク(1)の内面全体を固化した前記ろう材で被覆する工程とを有することを特徴とするアルミニウム製排ガス用熱交換器の製造方法。
端部を排ガスタンク(1) に連通させた複数の偏平チューブ(2) が並列され、その偏平チューブ(2) の内部にインナーフィン(3) が介装され、その偏平チューブ(2) 内に腐食性凝縮水が生成される排ガス用熱交換器の製造方法において、
それぞれアルミニウム製で、前記偏平チューブ(2) 材の内面側にZnを1.5〜3.5％含むろう材が被覆されると共に、インナーフィン(3) 材の両面にZnを1.0〜1.5％を含むろう材が被覆された各部品を組み立てる工程と、その組み立体を炉内に挿入して、前記ろう材を溶融し、次いでそれを固化して、各部品間を一体にろう付け固定すると共に、その偏平チューブ(2) の内面全体およびインナーフィン(3) の全体を固化した前記ろう材で被覆する工程とを有することを特徴とするアルミニウム製排ガス用熱交換器の製造方法。
端部を排ガスタンク(1) に連通させた複数の偏平チューブ(2) が並列され、その偏平チューブ(2) の内部にインナーフィン(3) が介装され、その偏平チューブ(2) 内に腐食性凝縮水が生成される排ガス用熱交換器の製造方法において、
それぞれアルミニウム製で、前記偏平チューブ(2) 材の内面側にZnを1.5〜2.5％含むろう材が被覆されると共に、インナーフィン(3) 材の両面にZnを1.0〜2.5％を含むろう材が被覆された各部品を組み立てる工程と、その組み立体を炉内に挿入して、前記ろう材を溶融し、次いでそれを固化して、各部品間を一体にろう付け固定すると共に、その偏平チューブ(2) の内面全体およびインナーフィン(3) の全体を固化した前記ろう材で被覆する工程とを有することを特徴とするアルミニウム製排ガス用熱交換器の製造方法。
請求項１〜請求項３のうち、何れか一つの製造方法により製造されたアルミニウム製排ガス用熱交換器。