JPH05111751A - アルミニウム合金製熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ろう付け工法にてアルミニウム合金製熱交換
器を製造するにあたり、ろう付け加熱終了後 150℃以下
に冷却した熱交換器を、さらに 400〜 500℃にて10分〜
30時間加熱し、その後 200℃以上 400℃未満の温度範囲
を30℃／分以上の冷却速度で冷却するアルミニウム合金
製熱交換器の製造方法。 【効果】 アルミニウム合金製熱交換器の部材の熱伝導
性、強度、耐食性が向上し、熱交換器の小型化、軽量化
が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルミニウム合金製熱交
換器の製造方法に関するものであり、さらに詳しくはろ
う付け工法により製造された熱交換器の熱効率, 強度及
び耐食性を向上させる方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】自動車
等に使用されるラジエーター等の熱交換器は、例えば図
１に示すように複数本の偏平チューブ(1) の間にコルゲ
ート状に加工した薄肉フィン(2) を一体に形成し、これ
ら偏平チューブ(1) の両端をヘッダー(3) とタンク(4)
とで構成される空間にそれぞれ開口させた構造であり、
一方のタンク側の空間から偏平チューブ(1) 内を通して
高温の冷媒を他方のタンク（4)側の空間に送り、チュー
ブへ(1) 及びフィン(2) の部分で熱交換させることによ
って低温となった冷媒を再び外部に循環させるものであ
る。

【０００３】このような熱交換器のチューブ材及びヘッ
ダー材の材料としては、例えばＪＩＳ３００３（Ａｌ−
0.15wt％Ｃｕ−1.1 wt％Ｍｎ）合金を芯材とし、該芯材
の片面には内張材としてＪＩＳ７０７２（Ａｌ−１wt％
Ｚｎ）合金を、他の片面にはろう付材として通常ＪＩＳ
４０４５（Ａｌ−10wt％Ｓｉ）合金等をクラッドしたブ
レージングシートを用いて上記内張材側を内側、即ち冷
媒が常時触れている側になるように構成している。また
フィン材はコルゲート加工したＪＩＳ３００３合金やこ
れに犠牲効果を与える目的でＺｎ等を含有させた材料が
用いられる。そしてこれらはろう付けにより一体に組み
立てられている。

【０００４】次に積層型エバポレーターは図２に示すよ
うに、フィン(5) と冷媒通路(7)(7') を形成するブレー
ジングシートからなる通路構成シート(6)(6'）を交互に
積層してこれらをろう付け接合するもので、このフィン
(5) には通常板厚が0.1mm 前後のブレージングシートが
用いられ、また通路構成シート(7)(7') には板厚 0.5mm
程度のブレージングシートが用いられている。

【０００５】このようなエバポレーターでは冷媒通路を
外部腐食から防食するため、ＪＩＳ３００３合金やこれ
に犠牲効果を与える目的でＺｎ等を含有させた合金から
なるフィン材が用いられ、また冷媒通路材料としてはＡ
ｌ−１wt％Ｍｎ合金にＣｕやＺｒ等を必要に応じて添加
した合金を芯材とし、その表面にＪＩＳ４００４（Ａｌ
−9.7 wt％Ｓｉ−1.5 wt％Ｍｇ）合金やＪＩＳ４３４３
（Ａｌ−7.5 wt％Ｓｉ）合金等のろう材をクラッドした
ものを用いている。

【０００６】また図３にサーペンタインタイプのコンデ
ンサーを示す。これは熱間又は温間で管状に押し出し成
形したチューブ(8) を蛇行状に折り曲げ、このチューブ
(8)の間にブレージングシートからなるコルゲートフィ
ン(9) を取り付けたものである。なお図中(10)はコネク
ターを示す。

【０００７】このようなコンデンサーの材料としては、
上記チューブにはＪＩＳ３００３合金等を用い、コルゲ
ートフィンにはＪＩＳ３００３合金やこれに犠牲効果を
与える目的でＺｎ等を含有した合金を芯材とし、その両
面にＪＩＳ４００４合金やＪＩＳ４３４３合金等のろう
付けをクラッドしたものが用いられている。

【０００８】以上の熱交換器等はいずれも 600℃付近の
温度に加熱してろう付けするブレージングにより組み立
てられる。このブレージング法としては真空ブレージン
グ法, フラックスブレージング法及び非腐食性フラック
スを用いたノコロックブレージング法等がある。

【０００９】ところで近年熱交換器は軽量・小型化の傾
向にあり、そのため材料の薄肉化が望まれている。しか
し従来の材料で薄肉化を行うと、第１に材料の肉厚の減
少に伴って熱伝導性が低下してしまい熱交換器の熱効率
が低下するといった問題があった。これに対して従来フ
ィン材としてＡｌ−Ｚｒ系合金材料等が開発されている
が、これは強度が低いという新たな問題点がある。又第
２の問題としては薄肉化により強度が不足してしまうこ
とが上げられる。これに対しては高強度合金がいくつか
提案されているが依然充分な強度の合金が得られていな
い。これは高強度合金自体の成分が上記ろう付け性や耐
食性等の観点から制約を受け、さらに製品の最終工程で
600 ℃付近まで加熱されるブレージングがあるため加工
硬化等の強度向上のメカニズムが利用できないためであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明はこれに鑑み種々
検討の結果、熱効率に優れ、高強度且つ耐食性に優れた
アルミニウム合金製熱交換器の製造方法について開発し
たものである。

【００１１】即ち本発明は、ろう付け工法にてアルミニ
ウム合金製熱交換器を製造するにあたり、ろう付け加熱
終了後 150℃以下に冷却した熱交換器を、さらに 400〜
500℃にて10分〜30時間加熱し、その後 200℃以上 400
℃未満の温度範囲を30℃／分以上の冷却速度で冷却する
ことを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】次に本発明を詳細に説明する。先ず本発明で対
象とするろう付け工法としては、ＪＩＳ４００４，ＪＩ
Ｓ４３４３，ＪＩＳ４０４５等のろう材を用いる従来の
真空ブレージング法，フラックスブレージング法及びノ
コロックブレージング法等であればよく特に限定するも
のではない。これは本発明はろう付け加熱が完了した熱
交換器に上記の処理を施すことで熱交換器の特性を向上
させる方法であるため、それ以前のろう付け自体には無
関係であるためである。

【００１３】従ってろう付け前の組立，洗浄，場合によ
ってはフラックス塗布等は従来通りに行えばよい。即ち
ろう付け加熱を行い、その後冷却するまでは従来の方法
で処理し、この際ろう付け性やフィンの潰れ防止等で定
められているろう付け条件は特に変更する必要はない。
よって本発明によりろう付け性等のろう付けの際に付随
する特性は悪化することはない。

【００１４】次に本発明における数値限定理由について
説明する。本発明では上記のようにろう付け加熱終了後
150 ℃以下に冷却した熱交換器を再度加熱する。ここで
150 ℃以下に冷却した熱交換器と限定するのは、上記再
加熱処理の昇温中に析出の核なる金属間化合物を発生さ
せるためであり、150 ℃を越えた温度で再加熱を行って
も金属間化合物はほとんど発生しないからである。なお
150℃以下であれば例えば室温まで冷却した熱交換器を
用いても差し支えないことはもちろんである。

【００１５】上記再加熱は 400〜 500℃にて10分〜30時
間とする。これは本発明の要点の一つであり、発明者が
熱交換器に対して再加熱を行った時の特性の変化を鋭意
検討した結果得られたものである。即ちろう付け加熱は
通常 600℃付近の温度で行われるが、その際に材料中の
合金元素はかなりの量が固溶してしまう。例えばＪＩＳ
３００３合金の場合は1.0 wt％程度のＭｎ、0.025 wt％
程度のＦｅ及び全てのＳｉが固溶するまでろう付け加熱
での昇温と保持中に固溶が進行する。従来の熱交換器で
はこのように合金元素が固溶した材料を用いていたので
あるが、本発明はこのようなろう付け中に固溶した元素
を再加熱により析出させることで材料の熱伝導性を向上
させ、よって熱交換器の熱効率を向上させたのである。
即ち上記温度範囲で保持すると材料中の添加元素や不可
避的不純物として含有されている主としてＭｎ, Ｆｅ,
Ｓｉが析出するので材料の熱伝導性が向上し、その結果
この処理を行わない場合と比較して、用いる材料合金に
より若干異なるが、熱交換効率は３％程度向上する。

【００１６】本発明ではこのような処理を熱交換器の全
体に対して実施しているので、フィンはもちろん従来熱
伝導性が考慮されていなかった冷媒通路の熱伝導性も向
上するため熱交換器としては熱効率は極めて向上する。

【００１７】ここで上記再加熱温度を 400〜 500℃と限
定したのは、 500℃を越え、また400℃未満では熱伝導
性向上に大きく寄与するＭｎ, Ｆｅ, Ｓｉ等の析出の進
行が遅く、加えて保持時間が10分未満の場合は十分な析
出量が得られないために400〜 500℃にて10分以上保持
するように定めた。また保持時間を30時間を越えて保持
しても、それ以降の析出は少なく経済性の上で劣るため
保持は30時間以内とする。この場合特に 400℃未満で保
持を行うと、冷媒通路に昇温時に生じた耐食性に有害な
析出相が加熱により再固溶しないため、耐食性が低下し
てしまう。なお上記の本発明でいう保持とは一定の温度
に保つものではなく、 400〜 500℃お温度範囲であれば
どのように変動させても構わないものである。

【００１８】さらに本発明では上記温度での保持後に 2
00℃以上 400℃未満の温度範囲の冷却を30℃／分以上の
冷却速度で行う。これは単体Ｓｉ，Ｍｇ系の化合物，Ｃ
ｕ系の化合物が析出するのを防止するためである。これ
らの化合物は 300℃付近の温度で析出しやすいが、いず
れも冷媒通路の耐食性に有害であるため、その析出を抑
えることで耐食性を向上させ、さらにこれらの元素の固
溶効果, 常温時効効果により強度を向上させるものであ
る。ここで冷却速度が30℃／分未満の場合は冷却中に上
記析出が生じて耐食性が低下し、さらに強度向上に効果
がなくなる。また冷却を行う温度範囲を 200℃以上と定
めたのはこれ未満の温度では析出速度が遅いため冷却速
度が30℃／分未満の徐冷を行ってもあまり析出が生じな
いからである。なお従来の平均的な冷却速度は10℃／分
程度であったので特性を減ずる原因となっていた。

【００１９】上記冷却の方法は炉中空冷，送風空冷，水
冷，ミスト噴霧等いずれでもよく、特に定めない。

【００２０】以上で本発明の製造方法について説明した
が、以下に本発明に係る熱交換器の材料として用いるア
ルミニウム合金について説明する。

【００２１】通常工業的に使用されているアルミニウム
合金には不可避的不純物として、Ｆｅ，Ｓｉが必ず含有
されている。しかしながら本発明では上記のようにＦｅ
やＳｉを析出させるためこのような元素が含有されてい
るアルミニウム合金でも適用可能である。従って合金は
限定しないが、従来のＪＩＳ３００３系合金のＭｎを１
wt％程度含有した合金を使用した場合、Ｍｎの析出によ
る熱効率向上効果が顕著に現れ、またＭｇ，Ｃｕ，Ｓｉ
を添加して強度の向上を狙った材料においても、冷却速
度を規定しているためさらに強度向上が図れる。またＡ
ｌ−Ｚｒ系合金の場合Ｚｒの析出により、さらに熱効率
向上の効果がある。

【００２２】またろう材は上記のように、本発明には影
響与えるものではないので従来より用いられているＡｌ
−Ｓｉ系やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材を用いればよ
く、本発明ではいかなる限定も行わない。なおフラック
ス除去や熱交換器への塗装等の工程は、本発明の後に従
来通り行えばよい。

【００２３】

【実施例】次に本発明を実施例により具体的に説明す
る。 （実施例１）表１に示す組成からなる板厚0.08mmのフィ
ンＡ及びＢ（いずれもベア材）を常法により製造した。
また表２に示す組成の合金を芯材とし、その片面に表２
に示すろう材を片面10％の厚さでクラッドした厚さ0.4m
m のコイル状板材を常法により製造し、その後これら板
材を電縫管のサイズに合わせてスリッターにて幅35.0mm
の条材とした。さらにこれら条材を電縫管製造装置を用
いて幅16.0mm×厚さ2.2mm の通液管用の電縫管に加工し
て偏平チューブａ及びｂを製造した。また上記表２に示
す芯材合金と同一組成の合金を芯材とし、それら芯材の
片面にそれぞれＪＩＳ７０７２合金を片面10％の厚さで
クラッドした厚さ１mmのコイル状板材をスリッターして
幅60mmのヘッダー用プレートａ及びｂを製造した。即ち
表２の偏平チューブａの芯材と同一組成の芯材からなる
プレートをプレートａとし、偏平チューブｂの芯材と同
一組成の芯材からなるプレートをプレートｂとした。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】以上のフィン，偏平チューブ及びプレート
の各部材を表４のように組合せて、図１に示すラジエー
ターを組立てこれに弗化物系フラックスの10％濃度液を
塗布し、窒素ガス中で通常の条件で加熱してろう付けし
た。そして表３に示す各温度まで冷却させた後、これを
表３に示す温度に加熱してその温度に保持し、その後室
温まで表３に示す冷却速度で冷却する再加熱・冷却条件
で処理してラジエーターを得た。得られたラジエーター
について熱効率と耐食性について調べ、表４に示した。

【００２７】上記熱効率についてはＪＩＳ Ｄ１６１８
（自動車用冷房機試験方法）に準じて行い、それぞれ従
来法により得られたラジエーターの熱効率に対する向上
の度合いを百分率で表した。また耐食性についてはＣＡ
ＳＳ試験を720 時間行い、チューブに発生した孔食深さ
を測定し、最大孔食深さで示した。なお耐食性は最大孔
食深さが0.1mm 以下の場合に良好であるといえる。また
ラジエーターのろう付け加熱の際及び表３で示す各条件
で再加熱・冷却した際に、それに供したラジエーターの
フィン及び偏平チューブと同一の材料を同時にろう付け
加熱及び再加熱・冷却して強度を測定し、それぞれフィ
ン材強度及びチューブ材強度として表４に併記した。

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】表４により本発明の製造法によるラジエー
ターは熱効率の向上効果が大きく、且つ耐食性も優れて
いることが明らかである。さらに部材の強度について
は、本発明の再加熱・冷却の処理を行っても、従来法に
よるものと比較して同等もしくは優れており、従って本
発明製造方法は部材の強度に全く悪影響を与えないこと
が判る。

【００３１】（実施例２）表１に示すフィンＡ又はＢ
と、Ａｌ−0.31wt％Ｓｉ−0.22wt％Ｆｅ−0.45wt％Ｃｕ
−1.21wt％Ｍｎ−0.01wt％Ｔｉ合金板材の両面にそれぞ
れ10％の厚さにＪＩＳ４００４合金をクラッドした板厚
0.6mm のブレージングシートからなる通路構成シートと
を表５に示すように組み合わせて図２に示す積層型エバ
ポレーターのコアを組立て、通常の条件により真空ブレ
ージングを実施して一体とした。その後これらコアを表
３に示す再加熱・冷却条件でそれぞれ処理して積層型エ
バポレーターを得た。

【００３２】得られたエバポレーターについて上記（実
施例１）と同様に熱効率と耐食性について調べ、その結
果を表５に示した。また上記コアのろう付け加熱の際及
び表３で示す各条件で再加熱・冷却した際に、それに供
したコアのフィン及びプレートと同一の材料を同時にろ
う付け加熱及び再加熱・冷却して強度を測定し、それぞ
れフィン材強度及びプレート材強度として表５に併記し
た。

【００３３】

【表５】

【００３４】表５によれば本発明法による積層型エバポ
レーターは熱効率及び耐食性に優れ、さらに部材強度も
従来の製造法によるものと比較して同等もしくはそれ以
上であることが明らかである。

【００３５】（実施例３）表６に示す組成のアルミニウ
ム合金を芯材とし、その両面に表６に示すようにＪＩＳ
４０４５合金ろう材又はＪＩＳ４３４３合金ろう材を10
％の厚さにクラッドしたブレージングシートからなるフ
ィンＣ（板厚0.14mm）及びＤ（板厚0.16mm）を製造し
た。そしてＡｌ−0.21wt％Ｓｉ−0.54wt％Ｆｅ−0.15wt
％Ｃｕ−1.11wt％Ｍｎ−0.01wt％Ｔｉ合金（ＪＩＳ３０
０３合金）からなる板厚0.5mm の押し出し多穴チューブ
を蛇行状に曲げてこのチューブの間に上記のフィンＣ及
びＤを取り付け、塩化物系のフラックスを塗布し、図３
に示すコンデンサーのコアを組立て通常の条件によりろ
う付けを実施した。その後これらコアを表３に示す再加
熱・冷却条件でそれぞれ処理してサーペンタインタイプ
のコンデンサーを得た。

【００３６】

【表６】

【００３７】得られたコンデンサーについて上記（実施
例１）と同様に熱効率と耐食性について調べ、その結果
を表７に示した。また上記コアのろう付け加熱の際及び
表３で示す各条件で再加熱・冷却した際に、それに供し
たコアのフィン及び押し出しチューブと同一の材料を同
時にろう付け加熱及び再加熱・冷却して強度を測定し、
それぞれフィン材強度及びチューブ材強度として表７に
併記した。

【００３８】

【表７】

【００３９】表７によれば本発明法により製造したコン
デンサーは熱効率及び耐食性の双方に優れていることが
判る。さらに部材の強度においては従来法によるものと
同等もしくはそれ以上であった。

【００４０】

【発明の効果】このように本発明によれば、アルミニウ
ム合金製熱交換器の部材の熱伝導性、強度、耐食性が向
上し、熱交換器の小型化、軽量化が可能となる等工業上
顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ラジエーターの一部を切欠いて示す斜視図であ
る。

【図２】積層型エバポレーターの一部を切欠いて示す斜
視図である。

【図３】サーペンタインタイプのコンデンサーを示す斜
視図である。

【符号の説明】

１ 偏平チューブ ２ 薄肉フィン ３ ヘッダー ４ タンク ５ フィン ６，６’ 通路構成シート ７，７’ 冷媒通路 ８ 押し出しチューブ ９ コルゲートフィン 10 コネクター

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ろう付け工法にてアルミニウム合金製熱
   交換器を製造するにあたり、ろう付け加熱終了後 150℃
   以下に冷却した熱交換器を、さらに 400〜500℃にて10
   分〜30時間加熱し、その後 200℃以上 400℃未満の温度
   範囲を30℃／分以上の冷却速度で冷却することを特徴と
   するアルミニウム合金製熱交換器の製造方法。