JPH09222294A - アルミニウム製熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルミニウム製熱交換管の内面に耐食性をも
たせるト共に、熱交換器の作製を容易にすること。 【解決手段】 熱交換管１を構成するアルミニウム製素
材の少なくとも片面に亜鉛層を形成し、この亜鉛層を熱
交換管の内面に向くように加工すると共に、ろう付可能
状態に組み立て、亜鉛層をろう付時の加熱温度により亜
鉛拡散層９とすることにより、熱交換管１内を流通する
冷却水に対して耐食性をもたせることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はアルミニウム製熱
交換器及びその製造方法に関するもので、更に詳細に
は、アルミニウム製熱交換管に水系の冷媒液を流通する
アルミニウム製熱交換器及びその製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車用のラジエータ、ヒーター
コアやコンデンサ、あるいはエバポレータとして、アル
ミニウム製の熱交換器が広く使用されている。このアル
ミニウム製熱交換器は、軽量で熱伝導性に富む上、安価
であるため、自動車用の装備品として有効であるが、ア
ルミニウム材は腐食し易く、特に電食や塩害に対して弱
い性質を有していることから、特に自動車用ラジエータ
やカークーラ用コンデンサのような高温下に晒される熱
交換器においては、孔食が短期間のうちに多発し、熱交
換器機能を劣化するばかりでなく、熱交換機能が不能に
なる虞れがある。

【０００３】そこで、従来では、図７に示すようなＡ
３００３のアルミニウム製母材ａの両面にそれぞれＡ７
０７２等のＡｌ−Ｚｎ系合金層ｂ、Ａ４３４３等のＡｌ
−Ｓｉ系合金層ｃとからなる３層クラッド材を用いてい
る。そして、この３層クラッド材を加工してＡ７０７２
等のＡｌ−Ｚｎ系合金層ｂを内面とする熱交換管ｄを形
成し、この熱交換管ｄと冷却フィンｅ（裸材）とをろう
付して熱交換器を形成している（図８参照）。

【０００４】また、熱交換管の外表面に予めメッキに
より亜鉛（Ｚｎ）層を形成して、この熱交換管と冷却フ
ィンとを組み付け、非腐食性フラックスを施し、ろう付
によって熱交換管と冷却フィンとをろう付すると共に、
ろう付時の加熱温度で、熱交換管の外表面に予め施され
たＺｎ層がＺｎ拡散層を形成するようにした方法が採用
されている（特公平１−３０９０８号公報，特公平３−
４６５４７号公報参照）。

【０００５】上記，の方法によって製造される熱交
換器においては、Ｚｎの犠牲陽極効果により耐食性の向
上が図れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
の製造方法すなわち３層クラッド材を加工して熱交換管
を形成する製造方法においては、母材や単材等の他の素
材に比較して３層クラッド材の加工性が悪いため、複雑
な形状の熱交換管を形成することが難しい上、コストも
高くつくという問題があった。また、の製造方法すな
わち外面にＺｎ拡散層を形成する方法によって作製され
る熱交換器は、外表面の耐食を問題としているため、熱
交換管の内面に水系の冷媒液を流通するラジエータやヒ
ーターコアとして使用した場合、冷媒液によって熱交換
管の内面が腐食して、熱交換機能が著しく低下するた
め、ラジエータ等のような水系の冷媒液を使用する熱交
換器として使用できない。

【０００７】この発明は上記事情に鑑みなされたもの
で、加工を容易にし、かつアルミニウム製熱交換管の内
面に耐食性をもたせるようにしたアルミニウム製熱交換
器及びその製造方法を提供することを目的とするもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、アルミニウム製熱交換管内
に水系の冷媒液を流通するアルミニウム製熱交換器であ
って、上記熱交換管の内面に亜鉛拡散層を形成してなる
ことを特徴とする。

【０００９】上記熱交換管の内面に形成された亜鉛拡散
層内の最大亜鉛濃度は０．７％以上３．０％以下である
ことが好ましい（請求項２）。

【００１０】請求項３記載の発明は、アルミニウム製熱
交換管内に水系の冷媒液を流通するアルミニウム製熱交
換器の製造方法において、上記熱交換管を構成するアル
ミニウム製素材の少なくとも片面に亜鉛層を形成し、上
記亜鉛層を熱交換管の内面に向くように加工すると共
に、ろう付可能状態に組み立て、上記亜鉛層をろう付時
の加熱温度により亜鉛拡散層とすることを特徴とする。

【００１１】この発明において、上記アルミニウム製素
材に亜鉛層を形成する方法としては、例えば溶射、蒸
着、析出、浸漬あるいは塗布等のいずれの方法であって
もよい。このうち、上記アルミニウム製素材の表面に溶
射によって亜鉛層を形成する場合には、その溶射量を３
〜１０ｇ／ｍ²とし、ろう付後の上記熱交換管内の亜鉛
拡散層内の最大亜鉛濃度を０．７％以上で３％以下とす
る方が好ましい（請求項４）。

【００１２】この発明によれば、アルミニウム製熱交換
管を構成するアルミニウム製素材の少なくとも片面に亜
鉛層を形成し、この亜鉛層を熱交換管の内面に向くよう
に加工すると共に、ろう付可能状態に組み立て、亜鉛層
をろう付時の加熱温度により亜鉛拡散層とすることによ
り、熱交換管内を流通する水系の冷媒液に対する耐食性
の向上を図ることができる。また、従来の３層クラッド
材に比べて加工が容易となり、複雑な形状の熱交換管を
容易に加工することができると共に、熱交換器の作製を
容易にすることができる。

【００１３】この発明による熱交換器のろう付は、上記
熱交換管の外面に、５８０〜６２０℃でのろう付加熱時
に溶融してろうを形成する、いわゆるろう材を施すこと
によりなされる。そのようなろう材を施す方法として
は、金属珪素粉末と非腐食性フラックスの混合物を塗
布する（特表平６−５０４４８５号公報）、Ａｌ−Ｓ
ｉ系合金ろう材粉末と非腐食性フラックスの混合物を塗
布する、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材又は金属珪素粉末を
溶射又は塗布した後、非腐食性フラックスを塗布する、
などの方法がとられる。中でもの方法は、製造コスト
低減の観点から最も好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施の形態を
添付図面に基いて詳述する。図１はこの発明の熱交換器
の一例を示す概略正面図、図２は図１のＡ部拡大断面図
である。

【００１５】上記熱交換器は、横方向に互いに平行に配
列される複数のアルミニウム製熱交換管１と、これら熱
交換管１間に介在されるアルミニウム製のコルゲートフ
ィン２と、熱交換管１の上端部に連結される上部タンク
３と、熱交換管１の下端部に連結される下部タンク４と
を具備してなり、上部タンク３に設けられた注水口５か
ら上部タンク３内に供給される冷却水（冷媒液）が熱交
換管１内を循環流通するように構成されて、ラジエータ
を構成している。なお、各熱交換管１の上端部及び下端
部は、それぞれ上部座板６及び下部座板７によって固定
されている。また、両側には、上部タンク３と下部タン
ク４に渡って補強材８が取り付けられている。

【００１６】上記熱交換管１の内面には、図２に示すよ
うに、亜鉛（Ｚｎ）拡散層９が形成されている。したが
って、このＺｎ拡散層９のＺｎによる犠牲陽極効果によ
り冷却水に対して耐食性を有する。

【００１７】次に、上記熱交換管１にＺｎ拡散層９を形
成する方法の一例について、図３ないし図５を参照して
説明する。まず、図３に示すように、熱交換管１を構成
するアルミニウム製例えばＡ３００３等の素材１０を用
意し、この素材１０の少なくとも片面に例えばノズル１
１からＺｎ粉末１２を溶射して、Ｚｎ層１３を形成す
る。この場合、Ｚｎ層の形成は必ずしも溶射による方法
である必要はなく、溶射以外に例えば蒸着、析出あるい
はブラシによる塗布等によってＺｎ層を形成することも
可能である。

【００１８】素材１０の表面にＺｎ層１３を形成した
後、図４（ａ）に示すように、その素材１０を成形ロー
ルにより円弧状ないし円形化してから端縁部を突き合わ
せて溶接２１し（図４（ｂ）参照）、次いで、その外面
を平滑に切削してから正円形状管２２とし（図４（ｃ）
参照）、これを次第に楕円化管２３ないし長円化管２４
としてから、偏平管２５として順次成形する（図４
（ｄ），（ｅ），（ｆ）参照）。

【００１９】また、別の実施形態としては、図５（ａ）
に示すように、Ｚｎ層１３が熱交換管の内面に向くよう
に素材１０を例えばプレス加工によって折り曲げて、断
面略ハット形の熱交換管半体１４を形成する。この際、
熱交換管半体１４の基部１４ａに凹凸模様（図示せず）
を形成することにより、熱交換管１に強度をもたせるこ
とができる。

【００２０】次に、上記のように形成された偏平管２５
もしくは２つの熱交換管半体１４を互いに向い合わせた
後にフィン（図示せず）と組み立てると共に、熱交換管
半体１４のフランジ部１４ｂ同士の接合部にろう材１５
を介在させて、図示しないろう付炉中に入れる。そし
て、所定の温度例えば６００℃にて加熱して熱交換管半
体１４同士及びフィンを一体ろう付する。この時のろう
付温度によってＺｎ層１３がＺｎ拡散層９を形成する
（図５（ｂ）参照）。

【００２１】上記実施形態では、熱交換管１の内面のみ
にＺｎ拡散層９を形成する場合について説明したが、上
部タンク３及び下部タンク４をアルミニウム製部材にて
形成する場合には、上部タンク３及び下部タンク４の内
面も同様にＺｎ拡散層とする方が好ましい。また、図４
に示すような、熱交換管１とヘッダ部１６とを一体に形
成するタイプの熱交換器においては、熱交換管１及びヘ
ッダ部１６の内面にＺｎ拡散層９を形成する必要があ
る。また、上記実施形態では、フィンがコルゲートフィ
ンにて形成される熱交換器について説明したが、コルゲ
ートフィンに代えてフレートフィンを有する熱交換器に
も適用できることは勿論である。

【００２２】

【実施例】次に、上記熱交換管１に形成されるＺｎ拡散
層９の具体的な形成方法及びＺｎの量と耐食性との関係
を調べるための実験について説明する。

【００２３】◎実施例１ 表１に示した組成のＡ３００３材（大きさ１００ｍｍ×
１００ｍｍ，厚さ１．０ｍｍ）の片面にＺｎ粉末をプラ
ズマ溶射した。このときの目標Ｚｎ付着量は２．５〜１
２．５ｇ／ｍ²である。

【００２４】

【表１】 次いで、Ｚｎ溶射Ａ３００３材及び比較としてＺｎ溶射
を行わないＡ３００３材を窒素ガス雰囲気中で昇温速度
５０℃／分，６００℃×５分間のろう付加熱を行い、耐
食性評価用試験片を得た。このときの溶射前後の試料の
重量変化から求めたＺｎ付着量及び溶射表面から厚さ方
向へのＸＭＡライン分析を行って測定した最大Ｚｎ濃度
とＺｎの拡散距離は表２に示す通りであった。

【００２５】

【表２】 耐食性評価試験は、端部及び裏面をテープでシールした
試験片を塩素イオン濃度１９５ｐｐｍ，硫酸イオン濃度
６０ｐｐｍ，銅イオン濃度１ｐｐｍ，鉄イオン濃度３０
ｐｐｍ及びｐＨ３に調整した水溶液中に浸漬し、８８℃
×８時間，室温×１６時間のサイクルの試験を４週間行
った。

【００２６】耐食性試験終了後、テープを剥離，腐食生
成物を除去して試験片に生じた腐食深さを顕微鏡焦点深
度法で測定し、最大孔食深さを求めた。また、試験前後
の試験片の重量変化から腐食減量を算出した。これらの
結果は表３に示す通りであった。

【００２７】

【表３】 上記実験の結果、比較例であるＺｎ溶射無しの試料１に
は貫通孔が発生した。Ｚｎ付着量２．７ｇ／ｍ²ではＺ
ｎ拡散層による犠牲陽極作用が見られるものの、最大Ｚ
ｎ濃度が０．６０％と低いため、その効果が十分ではな
く、０．３ｍｍ以上の比較的深い孔食が生じた。Ｚｎ付
着量３．４ｇ／ｍ²では最大濃度が０．７９％であり、
Ｚｎ拡散層による犠牲陽極作用により最大孔食深さは
０．１５ｍｍと浅く十分効果が得られた。また、この結
果よりＺｎ付着量３．０ｇ／ｍ²では最大Ｚｎ濃度が
０．７％となり、最大孔食深さも約０．２７ｍｍ程度と
浅く十分効果が得られる。また、Ｚｎ付着量が多くなる
程孔食深さは急激に減少し、付着量５．２ｇ／ｍ²の試
料４ではＺｎ拡散層内で横に拡がった浅い孔食となり、
付着量７．６ｇ／ｍ²以上で腐食形態は全面腐食に移行
した。

【００２８】一方、腐食減量はＺｎ付着量が多くなる程
増大し、最大Ｚｎ濃度が３．５５％と高いＺｎ付着量１
２．４ｇ／ｍ²の試料７では０．８３ｇ／ｄｍ²以上にな
った。最大Ｚｎ濃度が３．０％を超えると、Ｚｎ拡散層
の自己腐食が激しく生じるようになり、熱交換管の寿命
が短くなるため好ましくない。したがって、最大Ｚｎ濃
度が３．０％以下の最大Ｚｎ付着量１０ｇ／ｍ²以下で
あることが好ましい。

【００２９】◎実施例２ 図６に示すように、上記表１の組成のＡ３００３材コイ
ル３０（幅４０．４ｍｍ，厚さ０．３２ｍｍ）を２０ｍ
／分の速度で送り出し、溶射前処理として熱風加熱装置
３１にて２５０〜３００℃に加熱した後、コイル３０の
片面に溶射ガン３２によって連続的に亜鉛線３３（線径
１．６ｍｍφ，純度９９．９％以上）のアーク溶射を行
った。このときの亜鉛付着量は５．７ｇ／ｍ²であっ
た。

【００３０】次いで、図４に示すように、コイルの溶射
面が内面側になるようにラジエータ用チューブ造管設備
で幅１８．５ｍｍ×高さ２．５ｍｍ×長さ２５０ｍｍの
偏平チューブ（偏平管２５）を造管した。また、比較と
してＺｎ溶射を行わない同サイズのチューブも造管し
た。

【００３１】次に、上記２種のチューブ外面の両面に、
バインダとしてアクリル系樹脂を加えたイソプロピルア
ルコールに懸濁したＫＡｌＦ₄とＫ₃ＡｌＦ₆との混合組
成からなる非腐食性フラックスと珪素系粉末の混合物
（重量比２：１）のスラリーをスプレーで塗布後、１５
０℃で５分加熱して乾燥した。このときのバインダを含
む混合物の付着量は１８ｇ／ｍ²であった。

【００３２】次いで、図１に示すように、上記２種のチ
ューブ１（１５本）と、別に用意した幅２１ｍｍ×高さ
８ｍｍ×ピッチ３ｍｍのＪＩＳ−Ａ３Ｎ０３製コルゲー
トフィン２（１６本），板厚１．３ｍｍのＪＩＳ−ＢＡ
Ｓ３１１をプレス加工した上部座板６及び下部座板７，
補強材８（２本）を組み合わせ、窒素ガス雰囲気中で５
００℃からの平均昇温速度３０℃／分，６００℃×４分
保持，冷却速度４０℃／分のろう付を行い、耐食性評価
用熱交換器コアを作製した。このときのＺｎ溶射チュー
ブのＺｎの拡散状態を、同手順でろう付した熱交換器コ
アを解体してチューブ内面側より厚さ方向のＸＭＡ分析
で確認したところ、最大Ｚｎ濃度は１．２３％，拡散距
離は１０５μｍであった。

【００３３】内部耐食性試験は、上記２種の熱交換器コ
アの上部座板６及び下部座板７にタンク４及び５を取り
付けた後、駆動用モータを取り付けた自動車エンジンブ
ロック，銅／黄銅製ヒーターコア及び温水槽からなる内
部循環試験装置にセットして、塩素イオン濃度１９５ｐ
ｐｍ，硫酸イオン濃度６０ｐｐｍ，銅イオン濃度１ｐｐ
ｍ，鉄イオン濃度３０ｐｐｍ及びｐＨ３に調整した水溶
液を用いて、８８℃×８時間（循環），室温×１６時間
（静止）のサイクル試験を３カ月行った。なお、比較と
して作製したＺｎ溶射無しチューブを用いた熱交換器
は、試験開始後２週間でチューブに貫通孔が生じたた
め、試験を中止した。

【００３４】耐食性試験終了後、熱交換器チューブを解
体，腐食生成物を除去してＺｎ溶射チューブ内面に生じ
た腐食深さを顕微鏡焦点深度法で測定したところ、最大
孔食深さは０．６ｍｍであり、腐食形態はＺｎ拡散層内
を横に拡がった浅い孔食であった。

【００３５】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、アルミニウム製熱交換管を構成するアルミニウム製
素材の少なくとも片面に亜鉛層を形成し、この亜鉛層を
熱交換管の内面に向くように加工すると共に、ろう付可
能状態に組み立て、亜鉛層をろう付時の加熱温度により
亜鉛拡散層とすることにより、熱交換管内を流通する水
系の冷媒液に対する耐食性の向上を図ることができるの
で、熱交換器の寿命の増大を図ることができる。

【００３６】また、従来の３層クラッド材に比べて加工
が容易となり、複雑な形状の熱交換管を容易に加工する
ことができると共に、熱交換器の作製を容易にすること
ができるので、構成部材の削減及びコストの削減が図れ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の熱交換器の一例を示す概略正面図で
ある。

【図２】図１のＡ部の拡大断面図である。

【図３】この発明における熱交換管を作製する前処理の
素材に亜鉛層を形成する状態を示す説明図である。

【図４】この発明における熱交換管を作製する手順を示
す説明図である。

【図５】別の熱交換管を作製する手順を示す説明図であ
る。

【図６】実施例２の亜鉛層の形成状態を示す説明図であ
る。

【図７】３層クラッド材の拡大断面図である。

【図８】熱交換器の概要を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 熱交換管 ２ コルゲートフィン ９ Ｚｎ拡散層 １０ アルミニウム製素材 １３ Ｚｎ層 ２５ 偏平管 ３０ コイル ３１ 熱風加熱装置 ３２ 溶射ガン ３３ 亜鉛線

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【手続補正書】

【提出日】平成８年３月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】上記実施形態では、熱交換管１の内面のみ
にＺｎ拡散層９を形成する場合について説明したが、上
部タンク３及び下部タンク４をアルミニウム製部材にて
形成する場合には、上部タンク３及び下部タンク４の内
面も同様にＺｎ拡散層とする方が好ましい。また、熱交
換管とヘッダ部とを一体に形成するタイプの熱交換器に
おいては、熱交換管及びヘッダ部の内面にＺｎ拡散層を
形成する必要がある。また、上記実施形態では、フィン
がコルゲートフィンにて形成される熱交換器について説
明したが、コルゲートフィンに代えてプレートフィンを
有する熱交換器にも適用できることは勿論である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】内部耐食性試験は、上記２種の熱交換器コ
アの上部座板６及び下部座板７にタンク３及び４を取り
付けた後、駆動用モータを取り付けた自動車エンジンブ
ロック，銅／黄銅製ヒーターコア及び温水槽からなる内
部循環試験装置にセットして、塩素イオン濃度１９５ｐ
ｐｍ，硫酸イオン濃度６０ｐｐｍ，銅イオン濃度１ｐｐ
ｍ，鉄イオン濃度３０ｐｐｍ及びｐＨ３に調整した水溶
液を用いて、８８℃×８時間（循環），室温×１６時間
（静止）のサイクル試験を３カ月行った。なお、比較と
して作製したＺｎ溶射無しチューブを用いた熱交換器
は、試験開始後２週間でチューブに貫通孔が生じたた
め、試験を中止した。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】耐食性試験終了後、熱交換器チューブを解
体，腐食生成物を除去してＺｎ溶射チューブ内面に生じ
た腐食深さを顕微鏡焦点深度法で測定したところ、最大
孔食深さは０．０６ｍｍであり、腐食形態はＺｎ拡散層
内を横に拡がった浅い孔食であった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 祐一 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 日本軽金属株式会社・グループ技術センタ ー内 (72)発明者 市川 雄庸 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 日本軽金属株式会社・グループ技術センタ ー内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム製熱交換管内に水系の冷媒
   液を流通するアルミニウム製熱交換器であって、 上記熱交換管の内面に亜鉛拡散層を形成してなることを
   特徴とするアルミニウム製熱交換器。
2. 【請求項２】 アルミニウム製熱交換管内に水系の冷媒
   液を流通するアルミニウム製熱交換器であって、 上記熱交換管の内面に形成された亜鉛拡散層内の最大亜
   鉛濃度が０．７％以上３．０％以下であることを特徴と
   するアルミニウム製熱交換器。
3. 【請求項３】 アルミニウム製熱交換管内に水系の冷媒
   液を流通するアルミニウム製熱交換器の製造方法におい
   て、 上記熱交換管を構成するアルミニウム製素材の少なくと
   も片面に亜鉛層を形成し、 上記亜鉛層を熱交換管の内面に向くように加工すると共
   に、ろう付可能状態に組み立て、 上記亜鉛層をろう付時の加熱温度により亜鉛拡散層とす
   る、ことを特徴とするアルミニウム製熱交換器の製造方
   法。
4. 【請求項４】 請求項３記載のアルミニウム製熱交換器
   の製造方法において、 上記アルミニウム製素材の表面に溶射によって亜鉛層を
   形成すると共に、その溶射量を３〜１０ｇ／ｍ²とし、 ろう付後の上記熱交換管内の亜鉛拡散層内の最大亜鉛濃
   度を０．７％以上で３％以下としたことを特徴とするア
   ルミニウム製熱交換器の製造方法。