JPH08112667A

JPH08112667A - アルミニウム製熱交換器コアおよびそのろう付方法

Info

Publication number: JPH08112667A
Application number: JP27312694A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Oki; 義人沖; Haruo Sugiyama; 治男杉山
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 1994-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1996-05-07

Abstract

(57)【要約】【目的】熱交換器コア表面に非腐食性フラックスと珪
素粉末などの金属粉末との混合物を塗布してろう付けを
なす際に、塗布された該混合物が不均一状であってもろ
う付後におけるフィンの局部的溶解をなくし、健全なろ
う付けのなされた熱交換器コアを提供し、またその好ま
しいろう付け方法を得る。【構成】非腐食性フラックスと金属粉末を用いてろう
付されるフィンとチューブからなる熱交換器コアであっ
て、フィンが0.２〜１％のMgを含有したアルミニウム合
金であり、チューブがMgを0.２％未満に規制したアルミ
ニウム合金とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム製熱交換
器コアおよびそのろう付方法に係り、例えば、熱交換器
コア表面に非腐食性フラックスと珪素粉末などの金属粉
末との混合物を塗布してろう付けをなすに当って、塗布
された前記混合物が不均一状であっても、ろう付後にお
けるフィンの局部的溶解をなくし、健全なろう付のなさ
れた熱交換器コアを提供し、またその好ましいろう付方
法を得ようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムまたはアルミニウム合金材
をろう付けして機器を形成することは軽量性、熱伝導性
などにおいて他の金属材などに求めることのできない有
利性があることから従来から広く採用されて来たところ
であって、特に車輌用熱交換器などにおいてはチューブ
材に対してフィン材をろう付けしたものが一般的に用い
られている。

【０００３】然して、上記したようなアルミニウムまた
はアルミニウム合金材を採用したろう付けは接合部にろ
う材とフラックスとを夫々添加供給して加熱する手法に
よるものが作業操作上煩雑で、コスト高となり、しかも
ろう付不良、ろう付け品質の不均一性などの不利が伴う
ことから芯材にろう材および皮材層をクラッドしたプレ
ージングシートを用いることが広く採用されている。即
ちろう材層を相手部材に接合するように組合わせた状態
で炉内に装入し加熱することによってろう付けを一挙に
達成するものである。

【０００４】然し、近年においては上記したようなクラ
ッド材を使用しないでろう付けする方法についてもそれ
なりの提案がなされており、そうした方法の１つに弗化
アルミニウムカリウム系の非腐食性弗化物フラックスと
金属珪素粉末の混合物でろう付けすることが米国特許第
５１０００４８号に発表されている。即ちこの方法では
アルミニウム材料表面に塗布された珪素がろう付温度で
アルミニウム材料中へ急速に拡散し、アルミニウム材料
表層部がAl−Si共晶組成近くになると溶融（共晶温度：
５７７℃）し、ろうとなって部材相互間の接合がなされ
る。

【０００５】具体的には弗化物系フラックスと金属珪素
粉末の混合物がドライパウダーまたは水やアルコール等
の揮発性液体に懸濁して塗布され、該混合物の配合は重
量比で１：１〜３：１程度で、混合物の塗布量は５〜３
０ｇ／m²、ろう付温度は５７７℃以上、その時間は２〜
５分であるが、最適条件としては珪素約３０％の混合物
を２０〜３０ｇ／m²塗布し、またろう付用材料としては
純Al材やAl−１％Mn材などが示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような米国特許
第５１０００４８号による方法はクラッド材とする必要
がないことから工程ないしコスト的にメリットが大であ
り、またスクラップの再利用等素材利用上においても有
利であるなどのメリットを有しているが、アルミニウム
材料表面および塗布物の性状如何により非腐食性フラッ
クスと金属珪素の混合物を均一に塗布することが容易で
なく、特別な塗布手法の要求されることが一般で、それ
なりに入念な工数を必要とし、しかも部分的に不均一と
なり易く、不均一に塗布された場合には珪素粉末の多く
付着した部分でアルミニウム材料が局部的に大きく溶解
する。このため板厚の特に薄いフィンでは貫通孔が多発
し、外観不良および強度や耐食期間の低下を来すという
不利がある。

【０００７】上記のようにスラリーの塗布においては不
均一となることを避け難いことから、フィンにはスラリ
ーを塗布せず、チューブのみに塗布し、その後フィンと
チューブを組付けてろう付するようなことも行われてい
るが、この場合にはチューブに塗布したスラリーが剥げ
落ちることがあり、このためバインダーを入れる方法も
あるが、このときにはバインダーの分解によるガスや分
解残渣などが発生し、何れにしてもフィンとチューブと
がろう付けされない部分が発生する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記のような従
来技術における課題を解決し、上述したような混合物が
不均一に塗布される条件下においても、フィンにおける
局部的な溶解がなく、貫通孔のない熱交換器コアを得る
ことについて検討を重ね、熱交換器コアを構成するフィ
ンおよびチューブに含まれるMg量を各別に制御すること
によってフィン、チューブをセットし混合物を附着せし
め、組付に殊更の注意を必要とせず、また剥げ落ちるこ
となしに好ましい結果を得ることに成功したものであっ
て、以下の如くである。

【０００９】（１）非腐食性フラックスと金属粉末を
用いてろう付されるフィンとチューブからなる熱交換器
コアであって、フィンが0.２〜１％のMgを含有したアル
ミニウム合金であり、チューブがMgを0.２％未満に規制
したアルミニウム合金であることを特徴とするアルミニ
ウム製熱交換器コア。

【００１０】（２）金属粉末が珪素粉末若しくは珪素
粉末に他の金属粉末を混合したものであることを特徴と
する前記（１）項に記載のアルミニウム製熱交換器コ
ア。

【００１１】（３）前記（１）項に記載のアルミニウ
ム製熱交換器コアを得るに当って、該熱交換器コア構成
部材に非腐食性フラックスと金属粉末を含んだ混合物を
施し、加熱ろう付することを特徴とするアルミニウム製
熱交換器コアのろう付方法。

【００１２】（４）金属粉末が珪素粉末若しくは珪素
粉末に他の金属粉末を混合したものであることを特徴と
する前記（３）項に記載のアルミニウム製熱交換器コア
のろう付方法。

【００１３】

【作用】本発明で用いる非腐食性フラックスはLiF 、Na
F 、KF、CaF₂、AlF₃、SiF₄等の弗化物の粉末混合物、も
しくはこれらを溶融後粉末としたもの、あるいは上記弗
化物の錯化合物、たとえばKAlF₄、K₂AlF₅、K₃AlF₆、K₂
SiF₆等の単味もしくは混合物、またはこれらを溶融後粉
末としたもの等であって、このような弗化物系のフラッ
クスは何れのものもアルミニウムに対して塩化物の如き
腐食性を持たない。このものの粉末としての寸法は平均
で0.１〜３０μm 程度のもので、好ましくは平均で１〜
１０μm である。

【００１４】アルミニウム材と合金化として溶融し、ろ
うを形成する金属粉末としては珪素粉末の外に亜鉛粉末
等があり、またZnを含有し、好ましくは１０〜３０％Zn
含有する珪素−亜鉛合金粉末等がある。そしてこのよう
な金属粉末は前記フラックスの粉末と混合してフィンと
チューブを組合わせた熱交換器コア表面に塗布される。
この場合、珪素粉末の他に３０％以下の亜鉛粉末や２０
％以下の銅粉末を添加混合して塗布してもよい。特に珪
素を前もって合金化することはコストがかさむ不利があ
り、好ましくは金属の単体を粉体として熱交換器コアに
塗布して用いるのがよい。なかでも珪素はフラックス粉
末との混合物スラリーの媒体として水を用いた場合に、
水との反応がほとんど無いので特に好ましい。金属粉末
の寸法は平均で0.５〜５０μm 程度、好ましくは平均で
１〜２０μm である。

【００１５】フラックス粉末と金属粉末はドライパウダ
ーまたは水やアルコール等の揮発性液体に懸濁して混合
物のスラリーとする。該混合物の配合は重量比で0.５：
１〜１０：１程度で、金属が珪素のときは１：１〜４：
１が好ましい。揮発性液体に懸濁する場合の混合物と揮
発性液体の配合比率は金属粉末や揮発性液体の種類およ
び塗布方法によって適宜選定すればよいが、概ね重量比
で0.１：１から３：１程度である。

【００１６】熱交換器コアにフラックス粉末と金属粉末
の混合物を塗布する方法は本発明において特に規定され
るものでなく、混合物がドライパウダーのときは静電や
エアスプレー法が、スラリーのときはスプレーや浸漬法
が適用でき、能率的に実施できる。混合物の塗布量とし
ては、チューブ面積に対して３〜５０ｇ／m²程度であ
り、珪素粉末約３０％の混合物では１０〜３０ｇ／m²が
好ましい。

【００１７】上記のようにしてフラックス粉末と金属粉
末との混合物を塗布し得られた熱交換器コアのろう付は
従来の非腐食性フラックスろう付法とほぼ同様の条件で
行われる。珪素粉末を使用したときのろう付温度は５８
０〜６２０℃で、保持時間は０〜１０分程度である。

【００１８】また、上記したようなろう付法における反
応メカニズムは前記のような金属珪素粉末と弗化アルミ
ニウムカリウム共晶系非腐食性フラックスを用いた場合
について具体的に示すと、以下のような過程に解析する
ことができる。５６２℃前後における弗化アルミニウムカリウム系
非腐食性フラックスの溶融アルミニウム材料表面の酸化皮膜破壊金属珪素粉末のアルミニウム材料表層部への拡散珪素濃度の高くなった表層部がAl−Si共晶温度（５
７７℃）で溶融開始金属珪素粉末の完全消滅までアルミニウム材料を溶
かしながらAl−Si共晶溶融液を生成。共晶溶融液がろう材となり接合部に流動しフィレッ
トを形成（６００℃程度まで）。

【００１９】本発明においては、熱交換器コアのフィン
を、Mgが0.２〜１％含有されたアルミニウム合金材とす
ることにより、上記したようなろう付解析過程中におけ
る前記の過程で溶融したフラックスがフィンに添加さ
れたMgと反応してMgF₂やKMgF₃等を生成し、フラックス
の役割として重要な前記の過程が阻害される。そのた
め、フィン表面に珪素粉末が不均一に付着していたとし
ても、表面の酸化皮膜の存在により上記した以降の過
程が起らずフィンが溶損することを防止する。従って非
腐食性フラックスと金属粉末の混合物はスプレー塗布そ
の他の平易な手法で能率的に実施することができる。

【００２０】一方、本発明のチューブにおいては、Mgを
0.2 ％未満に規制することにより上記したろう付過程が
阻害されることなく進行し、その結果、チューブとフィ
ンが良好に接合された熱交換器コアが得られる。なお、
塗布された混合物がチューブに不均一に付着し局部的な
溶解が生じたとしても、チューブの肉厚はフィンに比べ
ると３〜５倍程度厚いため貫通孔になることはない。

【００２１】フィンに添加するMgを0.2 〜１％としたの
は、Mgが0.2 ％未満だとフィンに付着したフラックスと
反応してフラックスの酸化皮膜破壊作用を阻害する効果
が少ないためフィンの局部的な溶解が生じ、一方、１％
を上限としたのはフィン表面の酸化皮膜がろう付加熱中
に一段と厚く成長するため、チューブ表面で生成した溶
融ろうとのぬれ性が低下してろう付不良が生ずることを
防止するためである。

【００２２】また上記のようにチューブに含有されるMg
を0.２％未満に規制したのは、0.２％以上Mgを含有する
とフラックスがMgと反応してその酸化皮膜除去作用が低
下するため、珪素の拡散とそれに伴う溶融ろうの形成が
阻害され、ろう付不良を生ずるようになるからである。
チューブにおけるMg含有量は好ましくは0.１５％以下で
ある。

【００２３】なお、本発明のフィン材は、Mgを添加する
ことによりろう付後の強度が高まる効果もあるが、これ
をさらに高めるための２％までのMn、1.５％までのSi、
２％までのFe、0.５％までのCu、また、チューブを防食
するためにフィンの電位を卑にする作用のある３％まで
のZn、0.２％までのSn、0.２％までのIn、さらに、高温
強度を高めるための各々0.３％までのCr、Ti、Zrの単独
または複合添加は、本発明の効果を妨げるものではな
く、むしろ、用途に応じて要求される各種特性に合わせ
て必要量を適宜選択して添加するのが望ましい。

【００２４】同様に本発明におけるチューブ材は、Mgを
0.２％未満に規制したものであれば、強度および耐食性
向上のための２％までのMn、1.５％までのSi、0.７％ま
でのFe、1.５％までのCu、各々0.３％までのCr、Ti、Zr
の単独または複合添加は、本発明の効果を妨げるもので
はない。むしろ、用途に応じて要求される各種特性に合
わせて必要量を適宜選択して添加するのが望ましい。さ
らに、一段と強度を高めるために芯材にMgを高濃度に含
有した２０００系、５０００系、６０００系または７０
００系合金を用い、フィンと接合される面の皮材に本発
明のMgを0.２％未満に規制したアルミニウム合金材を用
いたクラッド材としてもよい。また、チューブの耐食性
を高めるために必要に応じて表面に溶射等の手段により
Znを付着させることもできる。

【００２５】

【実施例】本発明によるものの具体的な実施例について
説明すると、以下の如くである。実施例１次の表１に示したような組成を有するアルミニウム合金
Ａ〜Ｇを各々ＤＣ鋳造し、板厚６mmに熱間圧延後、冷間
圧延と中間焼鈍を繰返して最終冷延率３５％、板厚0.１
０mmのフィン材を作製した。Ａ〜Ｄ材はMgが0.２〜１％
の本発明材であるのに対し、Ｅ、Ｆ材はMgが0.２％に達
せず、またＧ材はMgが１％を超えたもので何れも比較材
である。

【００２６】

【表１】

【００２７】上記のような各フィン材を幅２１mmにスリ
ットした後、フィン高さ８mm、ピッチ３mmのコルゲート
成形加工を行った。次いで長さ５０mmに切断したコルゲ
ートフィンの両側に次の表２に示した組成の１０５０押
出多穴扁平管（幅２０mm、高さ２mm、長さ７０mm、壁厚
0.４mm）をセットし、ろう付用試験品を組付けた。

【００２８】

【表２】

【００２９】ろう付はフラックスと珪素粉末の重量比
２：１の割合による混合物１００ｇを純水４００ｇに懸
濁し、前記したように組付けた試験品にスプレーで塗布
後、１５０℃で５分加熱して乾燥した。乾燥後の試験品
を目視で観察したところ、混合物はフィンとチューブの
両者とも相当に不均一に付着しているものであった。な
お上記のような混合物の平均塗布量については、塗布前
後の試験品重量を測定し求めた結果、チューブ面積に対
して１９〜２４ｇ／m²であった。

【００３０】上記のようにして準備された各試験品を窒
素ガス雰囲気中で、５０℃／分の昇温速度で６００℃ま
で昇温し、該温度で保持時間３分間のろう付をなした。
得られた各ろう付試験品について、外観を目視観察した
結果およびフィンとチューブの接合状態を断面観察した
結果は表３に示す如くであった。

【００３１】

【表３】

【００３２】即ち、本発明のフィン材Ａ〜Ｄによるもの
は珪素粉末とフラックスの混合物が不均一に付着してい
てもフィンに貫通孔が生じることなく良好な接合状態が
得られるのに対し、Mg含有量が0.２％未満のフィン材Ｅ
およびＦでは多数の貫通孔が生じていた。またMgが１％
を越えて含有されているフィン材Ｇでは、貫通孔発生は
無かったもののフィン表面の酸化皮膜が厚くなり、チュ
ーブ表面における溶融ろうとのぬれ性劣化によってチュ
ーブとのろう付不良が生じていた。

【００３３】実施例２次の表４に示したような組成を有するアルミニウム合金
Ｈ〜Ｋを各々ＤＣ鋳造し、板厚６mmに熱間圧延後、冷間
圧延と中間焼鈍を繰返して最終冷延率３５％、板厚0.４
mmのチューブ材を作製した。

【００３４】

【表４】

【００３５】上記チューブ材を幅２２mm、長さ７０mmに
切断した後、該チューブ材を実施例１に記載の長さ５０
mmに切断したMg：0.３３％のコルゲートフィンＢの両側
にセットし、ろう付用試験品を組付けた後ろう付した。
即ち、ろう付のための準備としてはフラックスと珪素粉
末の重量比２：１の割合による混合物１００ｇを純水４
００ｇに懸濁し、前記したように組付けた試験品にスプ
レーで塗布後、１５０℃で５分加熱して乾燥した。乾燥
後の試験品を目視で観察したところ、混合物はフィンと
チューブ材の両者とも不均一に付着しているものであっ
た。なお上記のような混合物の平均塗布量について塗布
前後の試験品重量を測定し求めた結果は、チューブ材面
積に対して２１〜２５ｇ／m²であった。

【００３６】上記のようにして準備された各試験材を窒
素ガス雰囲気中で、５０℃／分の昇温速度で６００℃ま
で昇温し、該温度で保持時間３分間のろう付をなした。
得られた各ろう付試験材について、外観を目視観察した
結果およびフィンとチューブ材の接合状態を断面観察し
た結果は次の表５に示す如くであった。

【００３７】

【表５】

【００３８】即ち、本発明のチューブ材ＨおよびＩによ
るものは珪素粉末とフラックスの混合物が不均一に付着
していてもフィンに貫通孔が生じることなく良好な接合
状態が得られているのに対し、Mg含有量が0.２％以上の
チューブ材ＪおよびＫではフィン材に貫通孔発生は無か
ったもののフィンとチューブ材とのろう付についてはや
はり不良が生じていることが確認された。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したような本発明によるときは
アルミニウム合金製熱交換器用の各種製品コアを予め組
み付けた状態でろう付するに当り、非腐食性フラックス
と金属粉末の混合物をスプレー塗布等により簡易且つ適
宜の操作で付着させることができ、即ち該混合物が不均
一に付着していたとしてもフィンにおいて局部的に大き
な溶解が発生することを適切に防止し、貫通孔の発生を
なからしめ、組付に殊更の注意を必要とせず、また剥げ
落ちるようなことなく、強度や耐食性の低下、外観不良
などをも防止して接合状態の良好なろう付を簡易且つ低
コストに達成し得るものであるから工業的にその効果の
大きい発明である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ２８Ｆ 21/08 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非腐食性フラックスと金属粉末を用いて
ろう付されるフィンとチューブからなる熱交換器コアで
あって、フィンが0.２〜１％のMgを含有したアルミニウ
ム合金であり、チューブがMgを0.２％未満に規制したア
ルミニウム合金であることを特徴とするアルミニウム製
熱交換器コア。
【請求項２】金属粉末が珪素粉末若しくは珪素粉末に
他の金属粉末を混合したものであることを特徴とする請
求項１に記載のアルミニウム製熱交換器コア。
【請求項３】請求項１に記載のアルミニウム製熱交換
器コアを得るに当って、該熱交換器コア構成部材に非腐
食性フラックスと金属粉末を含んだ混合物を施し、加熱
ろう付することを特徴とするアルミニウム製熱交換器コ
アのろう付方法。
【請求項４】金属粉末が珪素粉末若しくは珪素粉末に
他の金属粉末を混合したものであることを特徴とする請
求項３に記載のアルミニウム製熱交換器コアのろう付方
法。