JP5808892B2 - アルミニウム合金クラッド材を用いた熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金クラッド材を用いた熱交換器に関するものである。

従来、チューブとフィンとが複数積層されるとともに、チューブの両端部がヘッダタンクに挿入されている熱交換器は、チューブとヘッダタンクとを組み付けた後、ろう付することによって形成されている。

このような熱交換器では、チューブおよびヘッダタンクを形成するために、アルミニウム合金の芯材にＡｌ−Ｓｉ系のろう材がクラッドされたアルミニウム合金クラッド材が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３０５９９４号公報

ところで、チューブは成形方法から大別して２種類のタイプに分けられる。１つは押出成形によって成形された押出タイプであり、もう１つはクラッド材等の板材を折り曲げることによって成形された板タイプである。

押出タイプのチューブを用いた熱交換器では、チューブの耐食性確保のためにチューブの外面に亜鉛溶射を実施している。

一方、板タイプのチューブを用いた熱交換器では、フィン材に亜鉛を添加して、フィンの電位をチューブより卑にすることにより、フィンによる犠牲腐食作用によってチューブに耐食性を持たせている。

しかし、板タイプのチューブを用いた従来の熱交換器では、チューブのうちヘッダタンクに近い部分には、フィンが配置されていないため、チューブのうちヘッダタンクからフィンまでの間のフィンが無い部分では、フィンによる犠牲腐食作用が得られないという問題があった。

ここで、チューブのうちヘッダタンクに近い部分にフィンが配置されなかった理由は、フィンをヘッダタンク近傍やヘッダタンクに接触するように配置すると、ろう付時にヘッダタンクの形成に用いられるクラッド材のろう材が流動してフィンに接触し、ろう材中のＳｉ成分によってフィンが溶融してしまうからである。ちなみに、フィン材自体の融点は、ろう付時の加熱温度よりも高いが、ヘッダタンクのろう材中のＳｉ成分がフィン材に拡散すると、フィン材の融点が低下するので、ろう付時の加熱温度でフィンの溶融が生じてしまう。

このため、フィンによる犠牲腐食作用によってチューブに耐食性を持たせた従来の熱交換器では、フィンはヘッダタンクからある程度（５ｍｍ以上）距離を離して設置されるので、フィンによる犠牲腐食作用をチューブ全体に活用できず、熱交換器全体としての耐食性が悪かった。

本発明は上記点に鑑みて、フィンによる犠牲腐食作用によってチューブの耐食性を持たせた熱交換器において、フィンによる犠牲腐食作用をチューブ全体に活用して、従来よりも熱交換器の耐食性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部に熱媒体が流通する熱媒体通路を有し、板材を折り曲げて成形された複数のチューブ（２）と、複数のチューブ（２）の長手方向端部にろう付にて接合され、熱媒体通路と内部が連通するヘッダタンク（４）と、複数のチューブ（２）の間に配置されるとともに、チューブの構成材料よりも電位が卑となる材料で構成されたコルゲート状のフィン（３）とを備えるアルミニウム合金製の熱交換器であって、
ヘッダタンク（４）は、Ｓｉ含有率が重量％で３．５％以上４．５％以下であるアルミニウム合金からなるろう材が、アルミニウム合金からなる芯材のヘッダタンク外方側の面にクラッドされたアルミニウム合金クラッド材を用いて形成されており、
チューブ（２）の長手方向におけるヘッダタンク（４）からフィン（３）までの距離（Ｌ１）は、０ｍｍ以上４ｍｍ以下であることを特徴としている。

これによると、ヘッダタンクを、Ｓｉ含有率が３．５％以上４．５％以下のろう材が、芯材のヘッダタンク外方側の面にクラッドされたアルミニウム合金クラッド材を用いて形成しているので、ヘッダタンクからフィンまでの距離を、従来よりも短い０ｍｍ以上４ｍｍ以下としても、ろう付の際のフィンの溶融を防止できる。

この結果、チューブの構成材料よりも電位が卑となる材料でフィンを構成することにより、フィンによる犠牲腐食作用をチューブ全体に活用でき、熱交換器の耐食性を従来よりも向上させることができる。

請求項１に記載の発明において、ろう材のＳｉ含有率は、請求項２に記載の発明のように、４．０％以上であることが好ましい。これにより、ヘッダタンクとチューブとの接合性を高めることができる。

ヘッダタンク（４）からフィン（３）までの距離（Ｌ１）については、請求項３に記載のように、２ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、後述の実施例の評価結果からわかるように、従来よりも熱交換器の耐食性をより向上させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るコンデンサの正面図である。 図１中の領域Ａ１の拡大図である。 本発明の実施例であって、ろう材のＳｉ含有率が４．０Ｗｔ％、距離Ｌ１が０ｍｍである熱交換器のヘッダタンク４近傍のフィン３の金属顕微鏡写真である。 本発明の実施例であって、ろう材のＳｉ含有率が５．０Ｗｔ％、距離Ｌ１が０ｍｍである熱交換器のヘッダタンク４近傍のフィン３の金属顕微鏡写真である。 本発明の参考例であって、ろう材のＳｉ含有率が６．０Ｗｔ％、距離Ｌ１が０ｍｍである熱交換器のヘッダタンク４近傍のフィン３の金属顕微鏡写真である。

（一実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を、図示しない車両用冷凍サイクル（空調装置）内を循環する冷媒と空気とを熱交換させて冷媒を冷却するコンデンサ（凝縮器）に適用したものである。

図１に、本実施形態に係るコンデンサ１０の正面図を示す。図１に示すように、コンデンサ１０は略直方体形状のコア部１を備えており、コア部１は、複数のチューブ２と複数のフィン３が上下方向に沿って交互に積層されて構成されている。

チューブ２は、熱媒体としての冷媒が流通する冷媒通路を内部に有し、後述する板材であるアルミニウム合金製のクラッド材を所定の形状に折り曲げて成形された板タイプである。本実施形態では、チューブ２は、チューブ２の長手方向（以下、チューブ長手方向という）が水平方向と一致し、かつ、その断面形状は長径方向が冷却用空気の流通方向と一致するような扁平形状に形成されている。

フィン３は、チューブ２の外面にろう付にて接合されており、チューブ２の内部を流通する冷媒と冷却用空気との熱交換を促進するものである。フィン３は、アルミニウム合金製であって、断面が波形状（コルゲート状）のコルゲートフィンである。

チューブ２におけるチューブ長手方向の両端部には、チューブ長手方向と略直交する方向に延びるとともに内部に空間が形成されたヘッダタンク４が配置されている。ヘッダタンク４には、チューブ２におけるチューブ長手方向の端部がろう付にて接合されており、多数のチューブ２の各流路とヘッダタンク４内の空間とが連通している。

また、ヘッダタンク４は、チューブ２がろう付にて接合された後述するアルミニウム合金製のコアプレート４ａと、コアプレート４ａにろう付にて接合され、コアプレート４ａと共にヘッダタンク４内の空間を構成するアルミニウム合金製のタンク本体部４ｂとを有して構成されている。

ここで、図２に、図１中のヘッダタンク４とチューブ２の接合部付近である領域Ａ１の拡大図を示す。図２に示すように、本実施形態では、フィン３が従来よりもヘッダタンク４の近くに配置されており、具体的には、チューブ長手方向におけるヘッダタンク４からフィン３までの距離Ｌ１が０ｍｍ以上４ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下に設定されている。ちなみに、距離Ｌ１が０ｍｍとは、フィン３がヘッダタンク４に接触した状態である。

また、図１に示すように、コア部１におけるチューブ２の積層方向の両端部には、コア部１を補強するサイドプレート５が配置されている。サイドプレート５は、アルミニウム合金製であり、チューブ長手方向と平行な方向に延びてその両端がヘッダタンク４にろう付にて接合されている。

上記した構成のコンデンサ１０は、チューブ２、フィン３、コアプレート４ａ、タンク本体部４ｂおよびサイドプレート５を組み付けた後、炉中にて所定のろう付温度で加熱して、これらを一体ろう付することで製造される。なお、チューブ２は、一体ろう付の際に、チューブ２を構成するクラッド材同士でのろう付によって、チューブ２が形成されるが、一体ろう付の前に、チューブ２の形成のための接合を行っても良い。

このとき、チューブ２を形成するための材料として、芯材の片面（チューブ外方側の面）にろう材が被覆されたクラッド材が用いられる。このチューブ２用のクラッド材は、芯材がＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金（例えば、ＪＩＳに規定の合金記号Ａ３００３等）からなり、ろう材がＡｌ―Ｓｉ系合金（例えば、ＪＩＳに規定の合金記号Ａ４０４５等）またはＡｌ―Ｓｉ−Ｚｎ系合金からなるものである。本実施形態では、チューブ２用のクラッド材におけるろう材中のＳｉ含有率は、後述のコアプレート４ａ用のクラッド材におけるろう材中のＳｉ含有率も高くなっている。

また、フィン３は、Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕ−Ｚｎ系合金（例えば、ＪＩＳに規定の合金記号Ａ３Ｎ０３等）から構成されたものである。このように、フィン３の構成材料にはＺｎが添加されているので、フィン３の構成材料の方がチューブ２の構成材料（クラッド材の芯材）よりも、電位が卑となっている。これにより、フィン３による犠牲腐食作用によってチューブ２に耐食性を持たせることができる。

また、タンク本体部４ｂおよびサイドプレート５は、Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金（例えば、ＪＩＳに規定の合金記号Ａ３００３等）で構成されたものである。

また、コアプレート４ａを形成するための材料として、芯材の片面（ヘッダタンク外方側の面）にろう材が被覆されたクラッド材が用いられる。このコアプレート４ａ用のクラッド材は、芯材がＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金（例えば、ＪＩＳに規定の合金記号Ａ３００３等）からなり、ろう材がＡｌ―Ｓｉ系合金であって、このろう材全体に対するＳｉ含有率が３．５ｗｔ％以上５．０ｗｔ％以下、好ましくは４．０ｗｔ％以上４．５ｗｔ％以下であり、残部がＡｌおよび不純物からなるものである。

このように、本実施形態では、コアプレート４ａ用のクラッド材として、ろう材中のＳｉ含有率が５．０ｗｔ％以下のものを用いているので、ろう付時のろう材の流動を抑制できる。この結果、後述の実施例に示す評価結果からわかるように、フィン３とヘッダタンク４との間隔を従来よりも狭くしても、ろう付の際のフィン３の溶融を防止できる。

また、コアプレート４ａ用のクラッド材のろう材のＳｉ含有率が３．５ｗｔ％以上であれば、後述の実施例に示す評価結果からわかるように、ヘッダタンク４とチューブ２とのとの良好な接合が得られる。

そして、本実施形態のコンデンサ１０では、ヘッダタンク４からフィン３までの距離Ｌ１が、０ｍｍ以上４ｍｍ以下となっており、従来よりも短い距離となっているので、従来のコンデンサと比較して、フィン３による犠牲腐食作用をチューブ全体に活用でき、コンデンサ１０全体の耐食性を向上させることができる。特に、ヘッダタンク４からフィン３までの距離Ｌ１を０ｍｍ以上２ｍｍ以下としたとき、後述の実施例に示す評価結果からわかるように、コンデンサ１０全体の耐食性をより向上させることができる。

ここで、フィン３がヘッダタンク４から離れていても、ヘッダタンク４からフィン３までの距離Ｌ１が４ｍｍ以下であれば、後述の実施例に示す評価結果からわかるように、フィン３による犠牲腐食作用が得られる。これは、距離Ｌ１がこのように短い場合であれば、チューブ２とフィン３との間に所定の電位差が生じているためであると考えられる。

（他の実施形態）
（１）上述の実施形態では、コアプレート４ａ用のクラッド材のろう材は、Ｓｉ含有率が３．５ｗｔ％以上５．０ｗｔ％以下のＡｌ―Ｓｉ系合金であって、残部がＡｌおよび不純物からなるものであったが、ろう材全体におけるＳｉ含有率が上述の実施形態と同じであれば、Ｚｎ、Ｃｕ等の他の元素が含有されていても良い。

（２）上述の実施形態では、本発明に係る熱交換器をコンデンサに適用したが、ラジエータ、ヒータコア等の自動車用熱交換器や他の熱交換器に適用することも可能である。

（３）上述の実施形態では、このコアプレート４ａ用のクラッド材として、芯材がＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金のものを採用したが、芯材の組成は、これに限らず、Ｃｕ以外の成分を含むＡｌ−Ｍｎ系合金であっても良く、他のアルミニウム合金であっても良い。

（４）上述の実施形態では、コアプレート４ａ用のクラッド材は、片面にろう材がクラッドされていたが、両面にろう材がクラッドされていても良い。

（５）上述の実施形態では、ヘッダタンクがコアプレートとタンク本体部とを有する構成であったが、他の構成であっても良い。本発明のヘッダタンク用のアルミニウム合金クラッド材は、ヘッダタンクのうちチューブと接合される部位に適用して有用である。

以下、本発明の実施例を説明する。

チューブ２、フィン３およびヘッダタンク４を下記の材料を用いて形成し、これらを組み付けた後、全体加熱ろう付により、熱交換器を製造した。ろう付時の加熱温度は６００℃である。

チューブ２用のクラッド材として、芯材の組成がＡｌ−１．２Ｍｎ−０．５Ｃｕ（数値はＷｔ％、残部がＡｌおよび不純物からなる）であり、ろう材の組成がＳｉ：１０Ｗｔ％を含有し、残部がＡｌおよび不純物であるもの（Ａｌ−１０Ｓｉ）を使用した。また、チューブ２用のクラッド材は、全体の板厚が０．２ｍｍであり、ろう材厚さが２８μｍである。

フィン３は、Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１Ｃｕ−１．５Ｚｎ（数値はＷｔ％、残部がＡｌおよび不純物からなる）で構成されたコルゲートフィンを使用した。

コアプレート４ａ用のクラッド材として、芯材の組成がＡｌ−１．２Ｍｎ−０．５Ｃｕ（数値はＷｔ％、残部がＡｌおよび不純物からなる）であり、下記の表１に示すように、ろう材の組成が、ろう材全体に対してＳｉ：３．５〜５．０Ｗｔ％を含有し、残部がＡｌおよび不純物であるものを使用した。なお、参考例として、芯材の組成は同じであり、ろう材の組成がＳｉ：３．０もしくは６．０Ｗｔ％を含有し、残部がＡｌおよび不純物であるコアプレート４ａ用のクラッド材を使用した。また、コアプレート４ａ用のクラッド材は、全体の板厚が１．２ｍｍであり、ろう材厚さが１４０μｍである。

ヘッダタンク４のタンク本体部４ｂ、サイドプレート５の構成材料は、どちらもＡｌ−１．２Ｍｎ−０．５Ｃｕ（数値はＷｔ％、残部がＡｌおよび不純物からなる）である。

また、製造した熱交換器の各寸法については以下の通りである。

熱交換器（コア部１＋両側のヘッダタンク４）の幅Ｗは５００ｍｍであり、熱交換器（コア部１）の高さＨは３６０ｍｍである。また、チューブ２の空気流れ方向（図２の紙面垂直方向）での幅は１６ｍｍであり、チューブ２の積層方向（図２の上下方向）での厚さＴｈは１．８ｍｍである。フィン３のフィンピッチＦｐは２．８ｍｍであり、フィン山高さＦｈは８ｍｍである。

そして、チューブ長手方向におけるヘッダタンク４からフィン３までの距離Ｌ１を、０ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍとした。なお、参考例として、ヘッダタンク４からフィン３までの距離Ｌ１を５ｍｍとした場合の熱交換器を製造した。

そして、製造した各熱交換器に対して、（１）ヘッダタンクとチューブの接合性、（２）フィンの溶融防止、（３）耐食性について、下記の通り、評価した。

（１）ヘッダタンクとチューブの接合性の評価
各熱交換器に対して洩れ検査（Ｈｅリークテスト）を実施した。この洩れ検査では、真空チャンバー内でＨｅガスを熱交換器内に導入し、質量分析器を用いて熱交換器からのＨｅガスの洩れの有無を調べた。

また、洩れ検査で洩れ無しの結果が得られた熱交換器については、ヘッダタンク４のコアプレート４ａとチューブ２との接合部に形成されたフィレットのサイズが基準サイズよりも大きいか小さいかを判定した。基準サイズとは、静圧破壊試験、加圧繰返試験等で所定の強度を有するのに必要なフィレットのサイズであり、出願人の経験から定められたものである。

そして、洩れ検査の結果と、フィレットサイズとに基づいて、ヘッダタンク４とチューブ２のろう付後の接合性を、下記の通り、◎、○、×で判定した。
◎：洩れ検査で洩れ無し、かつ、フィレットが基準サイズよりも大きい
○：洩れ検査で洩れ無し、かつ、フィレットが基準サイズよりも小さい
×：洩れ検査で洩れ有り
（２）フィンの溶融防止の評価
各熱交換器におけるヘッダタンク４近傍のフィン３を金属顕微鏡にて観察し、ろう付時にコアプレート４ａ用のクラッド材のろう材によるフィン３の溶融の有無を調べた。そして、その観察結果より、下記の通り、◎、○、×で判定した。
◎：フィン（母材）の溶融の形跡無し（図３参照）
○：フィン（母材）の溶融の形跡無しだが、フィンが溶融直前の状態（図４参照）
×：フィン（母材）の溶融の形跡あり（図５参照）
（３）耐食性の評価
試験装置（スガ試験機株式会社製の塩乾湿複合サイクル試験機：ＣＹＰ−９０）を用いて、塩素イオンを含む酸性溶液（ｐＨ＝３）による乾湿サイクル試験(噴霧→乾燥→湿潤)を行い、試験開始からチューブ２に貫通穴が発生した貫通時間に基づいて、チューブ２の耐食性を、下記の通り、◎、○、×で判定した。
◎：貫通時間が第１基準値（２０００時間）以上
○：貫通時間が第２基準値（７５０時間）以上
×：貫通時間が第２基準値（７５０時間）未満
ここで、第１基準値を２０００時間としたのは、ヘッダタンク４からフィン３までの距離Ｌ１が０ｍｍのときの貫通時間が２０００時間だからである。また、第２基準値を７５０時間としたのは、押出タイプのチューブを用いた従来の熱交換器について、同様の試験を実施したときの最低時間が７５０時間であったからである。

表１に、製造した各熱交換器の評価結果を示す。表１中の総合判定は、上記（１）〜（３）の評価項目を総合的に判定したものであり、
◎：すべての評価項目を十分に満足する
○：すべての評価項目を満足する
×：各評価項目のうち１つでも満足しない

表１に示すように、ヘッダタンク４とチューブ２の接合性の評価結果より、コアプレート４ａ用のクラッド材におけるろう材のＳｉ含有率は３．５Ｗｔ％以上であれば良く、４．０％以上とすることが好ましいことがわかる。

フィン３の溶融防止の評価結果については、ろう材のＳｉ含有率が４．５％以下の場合、ヘッダタンク４とフィン３との距離Ｌ１を従来よりも小さい０〜４ｍｍとしても、図３に示すように、フィン３の溶融の形跡はみられなかった。また、ろう材のＳｉ含有率が５．０％の場合も、ヘッダタンク４とフィン３との距離Ｌ１を０〜４ｍｍとしても、フィン３の外形は維持されており、フィン３の溶融の形跡はみられなかったが、図４に示すように、フィン３の母材の結晶粒界に、ろう材によって溶融した形跡がみられた。これに対して、ろう材のＳｉ含有率が６．０％の場合、ヘッダタンク４とフィン３との距離Ｌ１を０〜４ｍｍとしたとき、図５に示すように、フィン３が破断しており、フィン３の溶融の形跡が見られた。したがって、コアプレート４ａ用のクラッド材におけるろう材のＳｉ含有率は、５．０Ｗｔ％以下であることが必要があり、４．５％以下であることが好ましいと言える。

チューブ２の耐食性の評価結果については、ろう材のＳｉ含有率がいずれの場合においても、ヘッダタンク４とフィン３との距離Ｌ１が０ｍｍのとき、貫通時間が２０００時間程度であり、このときでは、チューブ２ではなくヘッダタンク４で貫通穴（腐食）が発生していた。また、距離Ｌ１が２ｍｍのときでは、０ｍｍのときと同様の結果が得られ、距離Ｌ１が４ｍｍのとき、貫通時間が７５０時間をわずかに超えていた。したがって、ヘッダタンク４とフィン３との距離Ｌ１は、０ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが必要であり、２ｍｍ以下であることが好ましいと言える。

１ コア部
２ チューブ
３ フィン
４ ヘッダタンク
４ａ コアプレート
４ｂ タンク本体部
１０ コンデンサ

Claims (3)

1. 内部に熱媒体が流通する熱媒体通路を有し、板材を折り曲げて成形された複数のチューブ（２）と、
   前記複数のチューブ（２）の長手方向端部にろう付にて接合され、前記熱媒体通路と内部が連通するヘッダタンク（４）と、
   前記複数のチューブ（２）の間に配置されるとともに、前記チューブの構成材料よりも電位が卑となる材料で構成されたコルゲート状のフィン（３）とを備えるアルミニウム合金製の熱交換器であって、
   前記ヘッダタンク（４）は、Ｓｉ含有率が重量％で３．５％以上４．５％以下であるアルミニウム合金からなるろう材が、アルミニウム合金からなる芯材のヘッダタンク外方側の面にクラッドされたアルミニウム合金クラッド材を用いて形成されており、
   前記チューブ（２）の長手方向における前記ヘッダタンク（４）から前記フィン（３）までの距離（Ｌ１）は、０ｍｍ以上４ｍｍ以下であることを特徴とする熱交換器。
2. 前記ろう材のＳｉ含有率は４．０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記距離（Ｌ１）は、２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。