JP6001897B2 - 耐圧強度に優れるタンク材及び熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、過給機で高温・高圧とされた空気を冷却する熱交換器であるインタークーラに適したタンク材及び熱交換器に関する。

今日、多くの車両には、エンジン出力の向上を図る目的から過給機がエンジンの吸気系に搭載されているが、過給機で過給された吸気は高温となるため、これがエンジンに直接導入されると、充填効率の低減やノッキングといった問題が生じる。そこで、過給機を搭載した多くの車両には、過給された吸気を冷却するインタークーラが装着されている。そして、環境問題、資源問題による低公害，高燃費を図る一つの手段として車両の軽量化が図られており、その潮流に従い、この種のインタークーラにも軽量なアルミニウムが広く使用されている。

建設機械、例えば油圧ショベルにおいても同様であり、動力源であるエンジンの出力向上を目的として過給機が用いられ、さらに過給機で圧縮され、高温・高圧となった空気をインタークーラで冷却する。建設機械のように大きな動力に対応して、この種用途のインタークーラには高温で特に高い圧力に耐える材料が求められる。そして、インタークーラを構成する部材の中で、特に高温・高圧となった空気が吸入される側に配置されるタンクはその要求が顕著となる。
これまで、インタークーラを含む熱交換器の構成部材には、Ａｌ−Ｍｎ系合金が用いられている。特に、ろう付けを考慮してＡｌ−Ｍｎ系合金を芯材とするクラッド材として用いられることが多い（例えば、特許文献１、特許文献２）。

特開２０１０−２５５０１２号公報 特開２０１１−２０１２８号公報

高温における耐圧強度を向上するために、芯材の機械的強度を増すことが想定されるが、芯材の強度向上がタンクとしての耐圧強度に必ずしも繋がらず、高い内圧がタンクに繰り返して負荷されると、タンクの特に曲げＲ部、ろう付け部などに、応力集中に基づく、内面側から亀裂が生じて破断に至り、空気の漏れに繋がることも確認されている。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、高温・高圧の空気を繰り返して負荷されても優れた耐圧強度を具現するタンク材を提供することを目的とする。本発明はまた、このようなタンク材から構成されるタンクを備える熱交換器に関する。

芯材のＭｎ、Ｃｕの含有量を増加させることでタンク材自体の高強度化を図っても、前述したように、曲げＲ部への応力集中を抑制することができず、タンク材の高強度化が必ずしもタンクの耐圧強度向上に十分な効果が得られていない。
しかし、今回、本発明者等は、２層クラッド材のろう材が貼り合わされていない面に純アルミニウム系の皮材をクラッド率５〜１５％で貼り合せた３層のクラッド材を用い、皮材を内周面側に向けたタンクとした。
すなわち、本願発明の熱交換器用タンク材は、芯材と、芯材の一方の面に配置されるろう材と、芯材の他方の面に配置される皮材とが貼り合わされた３層のクラッド材からなり、芯材、ろう材及び皮材が下記の組成を有する。なお、本願において、断りがない限り、％は質量％を意味する。
芯材 Ｍｎ：１．０〜１．８％、 Ｓｉ：０．３〜１．０％、
Ｃｕ：０．３〜１．０％、 Ｆｅ：０．１〜１．０％、
残部：Ａｌ及び不可避不純物
ろう材 Ｓｉ：６．０〜９．０％、残部：Ａｌ及び不可避不純物
皮材 Ａｌの純度：９９．２％以上 残部：不可避不純物
本発明の熱交換器用タンク材において皮材は下記の組成を有することが好ましい。
皮材 Ａｌの純度：９９．４％以上 残部：不可避不純物

本発明のタンク材において、ろう材は、Ｚｎ：０．１〜３．０％を含有することができる。

本発明によれば、高温・高圧の空気が繰り返して負荷されても優れた耐圧強度を具現するタンク材が提供される。

本実施の形態におけるインタークーラの構成を示す正面図である。 本実施の形態におけるインタークーラの構成を示す側面図である。 本実施の形態におけるタンク本体の層構成を示す断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施の形態に係るインタークーラ１は、図１、図２に示すように、コア部２と、導入タンク５と、排出タンク７と、から構成される。
コア部２は、過給機で高温・高圧とされた空気が流通する複数本の断面扁平形状のチューブ３と、これらチューブ３間において、チューブ３の外表面に接合されて空気との伝熱面積を増大させる波状のフィン４と、最外側のチューブ３、フィン４を支えるコアサポート６と、備えている。
導入タンク５は、チューブ３の長手方向の一端側に配置される。導入タンク５は、タンク本体５ａと、ヘッダ５ｂと、高温・高圧とされた空気が導入される入口管５ｃと、を備えている。複数のチューブ３は、その一端側がヘッダ５ｂと互いにろう付けにより接合され、導入タンク５の内部空間と連通している。
排出タンク７は、チューブ３の長手方向の他端側に配置される。排出タンク７は、タンク本体７ａと、ヘッダ７ｂと、冷却された空気が排出される出口管７ｃと、を備えている。複数のチューブ３は、その他端側がヘッダ７ｂと互いにろう付けにより接合され、タンク本体７ａの内部空間と連通している。
入口管５ｃから導入された高温・高圧の空気は、タンク本体５ａ、チューブ３を通って排出タンク７に向けて流れる間に、フィン４を介して外気と熱交換されることで、冷却される。

タンク本体５ａは、図３に示すように、芯材１１と、ろう材１２と、皮材１３と、からなるクラッド材１０で構成される。なお、タンク本体７ａも同様にクラッド材１０から構成されるが、ここではタンク本体５ａを例にして説明する。芯材１１の一方の面１１ａにろう材１２が配置され、また、他方の面１１ｂに皮材１３が配置されている。そして、芯材１１と、ろう材１２と、皮材１３は、クラッド圧延により一体的に接合されている。タンク本体５ａとして使用される際には、皮材１３が内側に配置され、被冷却流体である高温・高圧の空気に接する。なお、ヘッダ５ｂ、ヘッダ７bは、芯材１１の表裏両面にろう材１２がクラッドされている。

以下、クラッド材１０をなす芯材１１、ろう材１２及び皮材１３の組成を限定する理由を説明する。
［芯材１１］
Ｍｎ：１．０〜１．８％
Ｍｎは、基地中に固溶することによって、また、Ａｌ−Ｍｎ系化合物として基地中に分散することによって、芯材１１の機械的強度を向上させる作用を有する。
ただし、１．０％未満では強度向上の効果が不十分であり、一方、１．８％より多いと鋳造性が低下し、また、粗大なＡｌ−Ｍｎ系化合物の形成により圧延性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．０〜１．８％とする。なお、上記と同様の理由で、好ましい範囲は１．２〜１．７％、より好ましい範囲は１．４〜１．６％である。

Ｓｉ：０．３〜１．０％
Ｓｉは、基地中に固溶することによって、また、Ｍｎと共存する事によりＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系化合物として基地中に分散することによって、芯材１１の機械的強度を向上させる作用を有する。
ただし、０．３％未満では強度向上の効果が不十分であり、一方、１．０％より多いと芯材１１の融点が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．３〜１．０％とする。なお、上記と同様の理由で、好ましい範囲は０．４〜０．８％、より好ましい範囲は０．５〜０．７％である。

Ｃｕ：０．３〜１．０％
Ｃｕは、基地中に固溶することによって、芯材１１の機械的強度を向上させる作用を有する。
ただし、０．３％未満では強度向上の効果が不十分であり、一方、１．０％より多いと鋳造性を低下させるとともに、芯材１１の融点が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０．３〜１．０％とする。なお、上記と同様の理由で、好ましい範囲は０．４〜０．８％、より好ましい範囲は０．５〜０．７％である。

Ｆｅ：０．１〜１．０％
Ｆｅは、Ａｌ−Ｆｅ系あるいはＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系化合物の生成および組織の微細化によって、芯材１１の機械的強度を向上させる作用を有する。
ただし、０．１％未満では強度向上の効果が不十分であり、一方、１．０％より多いと鋳造性が低下し、また、粗大な上記化合物の形成により圧延性が低下する。さらに、１．０％より多いと、耐食性を低下させる。したがって、Ｆｅ含有量は０．１〜１．０％とする。なお、上記と同様の理由で、好ましい範囲は０．２〜０．９％、より好ましい範囲は０．５〜０．７％である。
芯材１１は、上記元素を除くと、Ａｌと不可避的不純物からなる。

［ろう材１２］
Ｓｉ：６．０〜９．０％
ろう材１２は、タンク本体５ａとヘッダ５ｂをろう付けする際にろうの供給源として機能する。ろう材中に含まれるＳｉは融点を下げるとともに流動性を付与する成分であり、その含有量が６．０％未満ではこの効果が不十分である。一方、９．０％を越えて含有するとかえって流動性が低下して、ろう付け性が低下する。また、９．０％を越える含有は、耐エロージョン性を低下させるおそれがある。したがって、ろう材中の好ましいＳｉの含有量は６．０〜９．０％とする。なお、上記と同様の理由で、好ましい範囲は６．０〜８．５％、より好ましい範囲は６．５〜８．５％である。

Ｚｎ：０．１〜３．０％
Ｚｎは、ろう材１２の耐食性を向上させる作用を有する任意添加元素である。
ただし、０．１％未満では耐食性向上の効果が不十分であり、一方、３．０％より多いと腐食減量が増加する傾向にある。したがって、Ｚｎを含有させる場合には、０．１〜３．０％とする。なお、上記と同様の理由で、好ましい範囲は０．２〜０．９％、より好ましい範囲は０．５〜０．７％である。
ろう材１２は、Ｓｉ、Ｚｎを除くと、Ａｌと不可避的不純物からなる。

［皮材１３］
皮材１３は、タンク本体５ａの内面側に配置されることにより、タンク本体５ａの耐圧強度を大幅に向上させる。つまり芯材１１よりも強度が低く、かつ延性が高い皮材１３を芯材１１に貼り合せることで、タンク本体５ａに導入される高温・高圧空気の内圧によってコーナＲ部への局部的な応力集中を緩和させる。
皮材１３は以上の作用を得るために、Ａｌの純度を９９．０％以上、つまり不可避不純物を１．０％未満、とする。Ａｌの純度は、好ましくは９９．２％以上、より好ましくは９９．４％以上である。

［クラッド材１０の製造方法］
クラッド材１０は、以下のようにして作製される。
芯材１１、ろう材１２及び皮材１３を構成するアルミニウム合金鋳塊を、それぞれ、例えば半連続鋳造法により得る。
得られた鋳塊には、均質化処理が施される。均質化処理は、３８０〜５８０℃で１〜１２時間の範囲で適宜選択される。
その後、熱間圧延により所定厚さとされた板は、芯材１１を構成する鋳塊の一方の面側にろう材１２を構成する板を、さらに他方の面側に皮材１３を構成する板を重ね合わせて熱間圧延し、クラッド材１０の前駆体とする。
ついで、冷間圧延を行ない、所望する厚さのクラッド材１０を得る。この間、中間焼鈍を行なうことができる。

クラッド材１０は、芯材１１、ろう材１２及び皮材１３を合わせた全体の板厚Ｔが、典型的には２．５〜３．５ｍｍとされる。タンク本体５ａとしての機械的強度を確保することを前提に、タンク本体５ａへの加工性、コストを考慮して板厚Ｔを定めればよい。
クラッド材１０の中で、芯材１１、ろう材１２及び皮材１３のクラッド率ＣＲ_１１、ＣＲ_１２及びＣＲ_１３は、各々の機能を考慮し、以下の範囲で選択されればよい。
ＣＲ_１１（芯材１１）： ７５〜８５％
ＣＲ_１３（皮材１３）： ５〜１５％
ＣＲ_１２（ろう材１２）： （１００−（ＣＲ１１＋ＣＲ１３））％
なお、ここでいうクラッド率とは、クラッド材１０の全体の板厚に対する芯材１１、ろう材１２及び皮材１３の個々の板厚の比率である。例えば、芯材１１の板厚をｔ_１１とすると、ＣＲ_１１は以下により求められる。
ＣＲ_１１＝ｔ_１１／Ｔ×１００（％）

以上のようにして得られたクラッド材１０は、皮材１３が内面側に配置されるように折り曲げ加工、さらには必要な機械加工を施すことにより、タンク本体５ａを作製する。
その後、別途用意してあるチューブ３、フィン４なとの構成要素と組み付けられた状態で炉中にてろう付けをして、インタークーラ１が作製される。なお、ろう付け後には、タンク本体５ａの表面にはろう材１２の痕跡が残る。

［実施例］
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
表１に示す化学組成（残部はＡｌ及び不可避的不純物）を有する芯材、ろう材及び皮材からなるクラッド材（ブレージングシート）を作製し以下の評価を行った。評価結果を表１に併せて示す。なお、ブレージングシートの厚さＴ、芯材（ＣＲ_１１）、ろう材（ＣＲ_１２）及び皮材（ＣＲ_１３）のクラッド率は以下の通りである。
Ｔ：３ｍｍ
ＣＲ_１１：８０％，ＣＲ_１２：１０％，ＣＲ_１３：１０％

疲労強度：当該ブレージングシートにろう付け相当（６００℃，３ｍｉｎ)の熱処理を実施した後、疲労試験片（JISZ2275 1号試験片)を作製した。この試験片を常温にてブレージングシートの皮材側の平坦部に周波数２５Ｈｚにて一定応力（８０ＭＰａ）を繰り返し負荷する片振り平面曲げ疲労試験(JISZ2275)に準拠)を実施し、ブレージングシートの破断寿命を測定した。そして、破断寿命が200万回以上を◎、100万回以上200万回未満を○、100万回未満を×とした。
ろう付け性：逆Ｔ字型流動性試験により当該ブレージングシートのろう付性を以下の手順により評価した。当該ブレージングシートを垂直材とし、板厚１ｍｍのＡ３００３合金を水平材としてステンレス鋼製のワイヤーにて組み付けてろう付け熱処理を実施した。ろう付け熱処理後に垂直材と水平材の接合部において、ろう付け性良好なものを○、接合部不十分(流動ろう不足、エロージョン過多等)なものを×とした。

表１に示すように、芯材、ろう材及び皮材が本発明で規定する範囲にあるときに、疲労強度、ろう付け性ともに優れたインタークーラ１が得られることがわかる。

１ インタークーラ
２ コア部
３ チューブ
４ フィン
５ 導入タンク
５ａ タンク本体
５ｂ ヘッダ
５ｃ 入口管
６ コアサポート
７ 排出タンク
７ａ タンク本体
７ｂ ヘッダ
７ｃ 出口管
１０ クラッド材
１１ 芯材
１２ ろう材
１３ 皮材

Claims (5)

1. 芯材と、前記芯材の一方の面に配置されるろう材と、前記芯材の他方の面に配置される皮材と、が貼り合わされた３層のクラッド材からなり、
   前記芯材、前記ろう材及び前記皮材が下記の組成を有することを特徴とする熱交換器用タンク材。
   芯材 Ｍｎ：１．０〜１．８質量％、 Ｓｉ：０．３〜１．０質量％、
   Ｃｕ：０．３〜１．０質量％、 Ｆｅ：０．１〜１．０質量％、
   残部：Ａｌ及び不可避不純物
   ろう材 Ｓｉ：６．０〜９．０質量％、残部：Ａｌ及び不可避不純物
   皮材 Ａｌの純度：９９．２％以上 残部：不可避不純物
2. 前記ろう材は、
   Ｚｎ：０．１〜３．０質量％を含有する、
   請求項１に記載の熱交換器用タンク材。
3. 前記皮材が下記の組成を有する、
   請求項１又は請求項２に記載の熱交換器用タンク材。
   皮材 Ａｌの純度：９９．４％以上 残部：不可避不純物
4. 被冷却流体が流れる複数のチューブと、前記チューブの間に介在されるフィンと、を備えるコアと、
   前記コアの一端側に配置され、高温・高圧とされた前記被冷却流体を受け入れ、かつ、前記チューブに向けて前記被冷却流体が流れる導入タンクと、
   前記コアの他端側に配置され、前記チューブを通る過程で熱交換されることで冷却された前記被冷却媒体を受け入れ、かつ、外部に向けて前記被冷却流体が流れる排出タンクと、
   を備え、
   前記導入タンクが、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器用タンク材を用いて構成されることを特徴とする熱交換器。
5. 前記被冷却流体が高温・高圧とされた空気であり、インタークーラとして機能する、
   請求項４に記載の熱交換器。

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