JPH05263172A - 熱交換器フィン材用アルミニウム合金 - Google Patents

熱交換器フィン材用アルミニウム合金

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JPH05263172A
JPH05263172A JP4091785A JP9178592A JPH05263172A JP H05263172 A JPH05263172 A JP H05263172A JP 4091785 A JP4091785 A JP 4091785A JP 9178592 A JP9178592 A JP 9178592A JP H05263172 A JPH05263172 A JP H05263172A
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brazing
alloy
fin
heat exchanger
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Takenobu Dokou
武宜 土公
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Furukawa Aluminum Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ろう付け加熱終了後に再加熱処理することに
より、熱交換器の熱効率を向上させることのできる、熱
交換器フィン材用アルミニウム合金を提供する。 【構成】 Si:0.05〜1.1wt%,Fe:0.0
5〜1.1wt%、Zr:0.03〜0.3wt%を含有
し、残部Alと不可避的不純物とからなる合金であっ
て、ろう付け加熱終了後に400〜500℃の温度で1
0分以上30時間以内の再加熱処理を施されて使用され
ることを特徴とする熱交換器フィン材用アルミニウム合
金。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ろう付け加熱終了後に
400〜500℃の温度で10分以上30時間以内の再
加熱処理を施されて使用される熱交換器フィン材用アル
ミニウム合金に関するものであり、熱交換器の熱効率を
向上させるものである。
【0002】
【従来の技術およびその課題】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、該偏平チューブ(1) の両端はヘッダー(3) とタ
ンク(4) とで構成される空間にそれぞれ開口しており、
一方のタンク側の空間から偏平チューブ(1) 内を通して
高温冷媒を他方のタンク(4) 側の空間に送り、チューブ
(1) およびフィン(2) の部分で熱交換して低温になった
冷媒を再び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およびヘ
ッダー材は例えばJIS 3003合金を芯材とし、該
芯材の内側、すなわち冷媒に常時触れている側には犠牲
効果を有する内張材としてJIS 7072合金を、そ
して、該芯材の外側には、通常JIS 4045等のろ
う材をクラッドしたブレージングシートを用いている。
また、フィン材はコルゲート加工して用いられるが、J
IS 3003やそれに犠牲効果を与える目的でZn等
を含有した合金が用いられている。これらは、ブレージ
ングにより一体に組み立てられている。
【0004】また、積層型エバポレーターを図2に示す
が、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、ろう付け接合するもので、フィンには通
常0.1mm前後のものが用いられ、通路構成シートには
板厚0.5mm程度のブレージングシートが用いられてい
る。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、JIS 3003やそれに犠牲効
果を与える目的でZn等を含有した合金のフィン材が通
常用いられ、冷媒通路にはAl−1%Mn合金にCu、
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JIS 4004やJIS 4343等のろう材を
クラッドしている。
【0005】また、図3はサーペンタインタイプのコン
デンサーであるが、熱間または温間で管状に押し出し成
形した管材(8) を蛇行状に折り曲げ、管材の間にブレー
ジングシートからなるコルゲートフィン(9) を取付けた
ものである。ここで(10)はコネクターを示す。管材には
JIS 3003合金等が用いられ、フィンにはJIS
3003やそ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、JIS 4004やJIS 4
343等のろう材を両面にクラッドしている。
【0006】これらは、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
るが、ブレージング工法としては、真空ろう付け法、フ
ラックスブレージング法、非腐食性のフラックスを用い
たノコロックブレージング法等が行われる。
【0007】ところで、近年、熱交換器は軽量・小型化
の方向にあり、そのために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った場合、材料の
肉厚が減少する分熱伝導性が低下し、熱交換器の熱効率
が低下するという問題がある。また、薄肉化により、強
度が不足してしまうため、高強度合金フィン材がいくつ
か提案されているが、その場合、前記のように合金の熱
伝導率が低下し、熱交換器の熱効率が低下してしまう。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明はこれに鑑み、熱
効率に優れて薄肉化可能なフィン材用アルミニウム合金
を考えたところ、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当たり、ろう付け加熱終了後に4
00〜500℃にて10分以上30時間以内再加熱する
処理を行うフィン材のうちに熱伝導性に優れた合金があ
ることを見出し、本発明に到った。
【0009】すなわち、第1発明は、Si:0.05〜
1.1wt%、Fe:0.05〜1.1wt%、Zr:0.
03〜0.3wt%を含有し、残部Alと不可避的不純物
とからなる合金であって、ろう付け加熱終了後に400
〜500℃の温度で10分以上30時間以内の再加熱処
理を施されて、使用されることを特徴とする熱交換器フ
ィン材用アルミニウム合金であり、第2発明は、Si:
0.05〜1.1wt%、Fe:0.05〜1.1wt%、
Zr:0.03〜0.3wt%を含有し、さらにCu:
0.5wt%以下、Mg:1.0wt%以下、Cr:0.3
wt%以下、Mn:0.09wt%以下、Ti:0.3wt%
以下のうちの1種または2種以上を含有し、残部Alと
不可避的不純物とからなる合金であって、ろう付け加熱
終了後に400〜500℃の温度で10分以上30時間
以内の再加熱処理を施されて使用されることを特徴とす
る熱交換器フィン材用アルミニウム合金であり、第3発
明は、Si:0.05〜1.1wt%、Fe:0.05〜
1.1wt%、Zr:0.03〜0.3wt%を含有し、さ
らにZn:2.5wt%以下、In:0.3wt%以下、S
n:0.3wt%以下のうちの1種または2種以上を含有
し、残部Alと不可避的不純物とからなる合金であっ
て、ろう付け加熱終了後に400〜500℃の温度で1
0分以上30時間以内の再加熱処理を施されて、使用さ
れることを特徴とする熱交換器フィン材用アルミニウム
合金であり、第4発明は、Si:0.05〜1.1wt
%、Fe:0.05〜1.1wt%、Zr:0.03〜
0.3wt%を含有し、さらにCu:0.5wt%以下、M
g:1.0wt%以下、Cr:0.3wt%以下、Mn:
0.3wt%、Ti:0.3wt%以下のうちの1種または
2種以上を含有し、またさらにZn:2.5wt%以下、
In:0.3wt%以下、Sn:0.3wt%以下のうちの
1種または2種以上を含有し、残部Alと不可避的不純
物とからなる合金であって、ろう付け加熱終了後に40
0〜500℃の温度で10分以上30時間以内の再加熱
処理を施されて使用されることを特徴とする熱交換器フ
ィン材用アルミニウム合金である。
【0010】
【作用】本発明フィン材用アルミニウム合金の組成を上
記のように決定した理由を説明する前に、まず、このフ
ィン材が用いられる加熱条件について詳細に説明する。
本発明のろう付け工法であるが、JIS 4004やJ
IS 4343、JIS 4045等のろう材を用いる
従来からの、真空ろう付け法、フラックスブレージング
法、非腐食性のフラックスを用いた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を再加熱
処理することにより、性能を高めるものであるため、そ
れ以前のろう付け自体については関係しないためであ
る。したがって、ろう付け前の組み立て、洗浄、場合に
よってフラックス塗布等は通常通り行えばよい。すなわ
ち、ろう付け加熱を行い、その冷却するまでは通常の方
法で行えばよく、ろう付け性の向上、フィンの潰れ防止
等の目的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。したがって、ろう付け性等のろう付けに付
随する問題は悪化することはないのである。
【0011】さて、本発明ではろう付け加熱終了後フィ
ン材を400〜500℃の温度で10分以上30時間以
内再加熱処理する。ろう付け加熱後の再加熱処理である
ため、加熱はフィン材だけでなく熱交換器全体で行われ
るものである。この再加熱処理の条件は本発明の構成要
件の一つであり、発明者が、各種合金フィン材に再加熱
処理を行った時の特性の変化を鋭意検討して得られたも
のである。
【0012】すなわち、ろう付け加熱は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
りが固溶してしまう。合金元素がフィン材中に固溶した
場合、フィンの熱伝導性は低下するが、たとえば、Fe
であれば0.025wt%(以下単に%と略記する)程度
まで、そしてSiは全て固溶するまで、ろう付け加熱の
昇温、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フィンを用いていたのであ
る。
【0013】ろう付け中に固溶した元素を再加熱により
析出させれば、フィンの熱伝導性が向上し、熱交換器の
熱効率が向上するが、その再加熱条件とフィン材組成と
は密接に関係しており、この両者が最適に設定されない
と析出は十分に生じず、熱伝導性の向上効果が望めない
のである。ここで、再加熱条件は400〜500℃の温
度で10分以上30時間以内であり、500℃を超えた
り400℃未満で保持を行っても、熱伝導性向上に寄与
が大きいMn、Feの析出の進行は遅く、保持時間が1
0分未満では十分な析出量が得られない。また、30時
間を超えて保持を行っても、それ以降の析出は少なく、
経済性の上で劣るので、保持は30時間以内とする。ま
た、400℃未満で保持を行った場合、フィンは問題な
いが冷媒通路の耐食性が低下する。本発明でいう保持と
は一定の温度に保つ必要はなく、400〜500℃の温
度範囲であれば、どのように変動してもかまわないし、
ろう付け加熱後の冷却中に再加熱処理を行ってもよい。
【0014】さらに、フィンの熱伝導性には関係ない
が、上記温度での保持後に、冷却を30℃/分以上の冷
却速度で行うと単体SiやMg系の化合物やCu系の化
合物が析出するのを防止するため強度が向上する。ここ
で冷却方法は炉中空冷、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。さらに、冷却後時効処
理を行うと強度が向上する。
【0015】さて、本発明のフィン材用アルミニウム合
金は以上の背景で、ろう付け加熱後に400〜500℃
の温度範囲で再加熱を行ったときに、熱伝導性の向上が
顕著である合金を開発したものであり、その第1は、S
i:0.05〜1.1%、Fe:0.05〜1.1%、
Zr:0.03〜0.3%を含有し、残部Alと不可避
的不純物とからなる合金であり、第2は、Si:0.0
5〜1.1%、Fe:0.05〜1.1%、Zr:0.
03〜0.3%を含有し、さらにCu:0.5%以下、
Mg:1.0%以下、Cr:0.3%以下、Mn:0.
09%以下、Ti:0.3%以下のうちの1種または2
種以上を含有し、残部Alと不可避的不純物とからなる
アルミニウム合金であり、第3は、Si:0.05〜
1.1%、Fe:0.05〜1.1%、Zr:0.03
〜0.3%を含有し、さらにZn:2.5%以下、I
n:0.3%以下、Sn:0.3%以下のうちの1種ま
たは2種以上を含有し、残部Alと不可避的不純物とか
らなるアルミニウム合金であり、第4は、Si:0.0
5〜1.1%、Fe:0.05〜1.1%、Zr:0.
03〜0.3%を含有し、さらにCu:0.5%以下、
Mg:1.0%以下、Cr:0.3%以下、Mn:0.
09%、Ti:0.3%以下のうちの1種または2種以
上を含有し、またさらにZn:2.5wt%以下、In:
0.3%以下、Sn:0.3%以下のうちの1種または
2種以上を含有し、残部Alと不可避的不純物とからな
るアルミニウム合金である。
【0016】以下にこの合金成分を決定した理由を以下
に述べる。Siは合金の強度を高める働きを有する。さ
らに、FeやZrと化合物を形成し、再加熱中の析出に
よる熱伝導性を高める働きを促進する作用を有する。こ
こで、Siが0.05%未満の場合、以上の働きが十分
でなく、1.1%を超えると、ろう付け加熱中にフィン
が溶融する。よって、Siは0.05〜1.1%と添加
量を定める。Feも合金の強度を高める働きを有する。
Feは再加熱処理による熱伝導性の向上効果が大きく、
再加熱処理によりFeは0.001%程度まで固溶量が
減じる。ここで、Feは0.05%未満の場合、強度向
上の働きが十分でなく、1.1%を超えるとフィンの再
結晶粒径が微細になり、ろう付け加熱時にフィンの座屈
を引き起こす。Zrは、再加熱中にSiと化合物を形成
し、Siの析出を促進し熱伝導性を向上させる元素であ
り、さらに合金の強度とフィンの耐高温座屈性を向上さ
せる効果を有する。ここで、Zrの添加量が0.03%
未満では再加熱処理時の熱伝導性の向上がなく、0.3
%を超えるとフィンの成形性が低下する。以上が本発明
の必須元素であるが、このような合金フィンでは、再加
熱による熱伝導性の向上が顕著である。
【0017】さらに、本発明では、必要に応じて、C
u:0.5%以下、Mg:1.0%以下、Cr:0.3
%以下、Mn:0.09%以下、Ti:0.3%以下の
うちの1種または2種以上を含有する。これらの元素は
主に強度の向上を目的として添加する。ここで0.5%
を超えてCuを添加するとフィンの犠牲効果が低下し、
1.0%を超えてMgを添加するとフィンの耐高温座屈
性が低下し、0.3%を超えてCrを添加するとフィン
の成形性が低下し、0.09%を超えてMnを添加する
とフィンの熱伝導性が低下し、0.3%を超えてTiを
添加するとフィンの成形性が低下する。
【0018】また、本発明では犠牲効果を高めるため
に、必要に応じて、Zn:2.5%以下、In:0.3
%以下、Sn:0.3%以下のうちの1種または2種以
上を添加する。2.5%を超えてZnを添加するとフィ
ンの耐高温座屈性が低下し、0.3%を超えてInを添
加するとフィンの成形性が低下し、0.3%を超えてS
nを添加するとフィンの成形性が低下する。
【0019】以上が本発明のフィン材用アルミニウム合
金であるが、本合金を芯材として、その両面にろう材を
クラッドした合わせ材フィンとして用いてもよいし、そ
のままベアのフィンとして用いてもよい。ここで、ろう
材は本発明には影響を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、本発明はろう材に対する限定を
一切行わない。
【0020】
【実施例】以下に実施例により本発明を具体的に説明す
る。 〔実施例1〕表1に示す組成のアルミニウム合金フィン
材とチューブ材およびヘッダープレート材と組合せ図1
に示すラジエーターを組み立てた。チューブ材は、芯材
に3003合金を用い、片面にクラッド率10%の40
45合金を、他の片面にクラッド率10%の7072合
金をクラッドした板厚0.4mmのコイル状板材を通常の
方法により製造し、コイル状板材は電縫管のサイズに合
わせスリッターして35.0mmの条材にした。この条材
を電縫管製造装置を用い、幅16.0、厚さ2.2mmの
通液管用の電縫管に加工した。また、同一の構成の板厚
1.0mmのコイル状板材を幅60mmにスリッターしてヘ
ッダー用の条材とした。組み立てられたラジエーター
は、弗化物系フラックスの10%濃度液を塗布し、N2
ガス中で600℃×10分の条件でろう付け加熱を行
い、ろう付けし、室温まで冷却した。その後、480℃
に再加熱し5h保持する再加熱を行った。得られたラジ
エーターの熱効率について調査した。熱効率について
は、JIS D 1618(自動車用冷房機試験方法)
に準じて行い、3003合金フィンを用いた熱交換器を
基準としたときの向上の割合とそれぞれのフィン材を従
来の製造方法(再加熱なし)で製造した熱交換器の熱効
率に対する向上の割合を表2に記した。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】表2から明らかなように本発明合金No.1
〜6を用いた本発明例No.1〜6は再加熱による熱効率
の向上効果が優れている。これに対し、必須元素が本発
明の範囲より少ない比較合金No.10〜12を用いた比
較例No.7〜9は熱効率の向上効果が見られないことが
判る。
【0024】〔実施例2〕表1に示す組成のアルミニウ
ム合金フィン材と、3003合金を芯材とし、その両面
に10%のクラッド率で4004合金をクラッドした厚
さ0.6mmのプレートを組み合わせ、図3に示すコアを
組み立て、595℃×5分の真空ろう付けを行った。そ
の後室温まで冷却した熱交換器を450℃に再加熱し1
時間保持する再加熱を行った。得られた熱交換器につい
て、実施例1と同様に熱効率について調査した。結果を
表3に示す。
【0025】
【表3】
【0026】表3から明らかなように本発明合金No.1
〜6を用いた本発明例No.11〜16は再加熱による熱
効率の向上効果が優れている。これに対し、必須元素が
本発明の範囲より少ない比較合金No.10〜12を用い
た比較例No.17〜19は熱効率の向上効果が見られな
いことが判る。
【0027】〔実施例3〕表1に示す組成のアルミニウ
ム合金フィン材と、3003合金押し出し多穴チューブ
(厚さ0.5mm)に塩化物系のフラックスを塗布し、図
3に示すコアを組み立て、600℃×10分のろう付け
加熱を行い冷却中に470℃×3hの加熱処理を行っ
た。得られた熱交換器について、実施例1と同様に熱効
率について調査した。結果を表4に示す。
【0028】
【表4】
【0029】表4から明らかなように本発明合金No.7
〜9を用いた本発明例No.21〜23は再加熱による熱
効率の向上効果が優れている。これに対し、必須元素が
本発明の範囲より少ない比較合金No.13、14を用い
た比較例No.24、25は熱効率の向上効果が見られな
いことが判る。
【0030】
【発明の効果】以上述べたように本発明のフィン材用ア
ルミニウム合金を用いて、ろう付け加熱終了後に400
〜500℃の温度で10分以上30時間以内の再加熱処
理を行って熱交換器を製造した場合、熱伝導性向上効果
があり、熱交換器の小型、軽量化が可能であり、工業上
顕著の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】ラジエーターを示す一部断面の斜視図。
【図2】積層型エバポレーターを示す一部断面の斜視
図。
【図3】積層型エバポレーターを示す一部断面の斜視
図。
【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 管材 9 コルゲートフィン 10 コネクター

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Si:0.05〜1.1wt%、Fe:
    0.05〜1.1wt%、Zr:0.03〜0.3wt%を
    含有し、残部Alと不可避的不純物とからなる合金であ
    って、ろう付け加熱終了後に400〜500℃の温度で
    10分以上30時間以内の再加熱処理を施されて、使用
    されることを特徴とする熱交換器フィン材用アルミニウ
    ム合金。
  2. 【請求項2】 Si:0.05〜1.1wt%、Fe:
    0.05〜1.1wt%、Zr:0.03〜0.3wt%を
    含有し、さらにCu:0.5wt%以下、Mg:1.0wt
    %以下、Cr:0.3wt%以下、Mn:0.09wt%以
    下、Ti:0.3wt%以下のうちの1種または2種以上
    を含有し、残部Alと不可避的不純物とからなる合金で
    あって、ろう付け加熱終了後に400〜500℃の温度
    で10分以上30時間以内の再加熱処理を施されて、使
    用されることを特徴とする熱交換器フィン材用アルミニ
    ウム合金。
  3. 【請求項3】 Si:0.05〜1.1wt%、Fe:
    0.05〜1.1wt%、Zr:0.03〜0.3wt%を
    含有し、さらにZn:2.5wt%以下、In:0.3wt
    %以下、Sn:0.3wt%以下のうちの1種または2種
    以上を含有し、残部Alと不可避的不純物とからなる合
    金であって、ろう付け加熱終了後に400〜500℃の
    温度で10分以上30時間以内の再加熱処理を施され
    て、使用されることを特徴とする熱交換器フィン材用ア
    ルミニウム合金。
  4. 【請求項4】 Si:0.05〜1.1wt%、Fe:
    0.05〜1.1wt%、Zr:0.03〜0.3wt%を
    含有し、さらにCu:0.5wt%以下、Mg:1.0wt
    %以下、Cr:0.3wt%以下、Mn:0.09wt%、
    Ti:0.3wt%以下のうちの1種または2種以上を含
    有し、またさらにZn:2.5wt%以下、In:0.3
    wt%以下、Sn:0.3wt%以下のうちの1種または2
    種以上を含有し、残部Alと不可避的不純物とからなる
    合金であって、ろう付け加熱終了後に400〜500℃
    の温度で10分以上30時間以内の再加熱処理を施され
    て使用されることを特徴とする熱交換器フィン材用アル
    ミニウム合金。
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