JPS6289567A - 伝熱管にフインをはんだ付けする方法及びかかる伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、金属溶融結合に関し、特に錫含有率の高いは
んだを用いて銅基材のフィンを銅基材の伝熱管に接合す
る方法及びこの方法による製品に関する。

［従来の技術］ フィン付きの伝熱管は各種の気体・液体熱交換器で使用
されている。本明細書中で使用する「気体」という語句
は、たとえば蒸気類を含む全ての弾性流体を意味する。

更に、「銅基材」という語句は、銅及び銅を少なくとも
５０＊含有する銅合金類を含む。電力業界では、フィン
付き銅基材伝熱管が、たとえば水素冷却器、強制空気冷
却器及びオイル冷却器等で使用されている。

銅製フィンを銅製伝熱管に付設する従来の方法には、錫
・鉛はんだを利用する方法と、フロー・ソルダー法また
はディップ・ソルダー型式の方法とがある。銅基材の部
品を手作業ではんだづけするために錫含有率の高いはん
だが使用されているが、この種のはんだは製造効率を考
えると、極めて用途が限られる。銅基材の材料を錫含有
率の高いはんだに浸漬してはんだづけを行う際に、はん
だ貯槽中のはんだが（温度にもよるが）短時間で約２零
の銅を取り込む。このはんだは銅基材の表面部と更に反
応して、銅と錫とが金属間化合物類、最もよく知れられ
ているものとしては１エタ相Ｊ　　（ｅｔａ　ｐｈａｓ
ｅ）の化合物ＣｕａＳｎｓを形成する。はんだよりも融
点が高いエタ相は沈積してスラッジを形成して堆積し、
はんだを使用不能の状態にする場合もある。スラッジ含
有はんだなポンプにより圧送するのが困難であるために
、上記の如き錫含有率の高いはんだづけは流しはんだづ
け（ｆｌｏｗ　ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）よりも浸漬はんだ
づけ法で行われる。エタ相スラッジを再処理装置にポン
プにより圧送するのが不可能ではないにしても困難であ
るために、槽からエタ相を取り除くために錫含有率の高
いはんだ槽を連続再処理することは現実には実施できな
い。スラッジの蓄積という問題のため、たとえば浸漬法
で実施したとしても、はんだの交換もしくは再処理の費
用が嵩むので、錫含有率の高いはんだづけは一般に極め
て高価なものになる。本明細書中ではｒ錫含有率の高い
」という語句は、少なくとも７５零の錫を含有すること
を意味する。

錫含有率の高いはんだづけを行う際の上記の如き諸問題
のために、水素冷却器（発電プラント中の発電機の冷却
に使用される水素ガスの冷却に使用される）のような熱
交換器では、銅基材のフィンな銅基材の伝熱管にはんだ
づけするために錫・鉛はんだ（たとえば、錫２０と鉛８
０とから成る）が使用されている。しかしながら、系内
の不純物類がはんだ中の鉛と反応して炭酸鉛を形成し、
炭酸鉛が発電機の電気巻線を短絡させる可能性があると
いう知見が得られた。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、銅基材のフィンを銅基材の伝熱管に取り付け
る実質的に連続法である錫含有率の高いはんだの流しは
んだづけ法並びにこの流しはんだづけ法によって製造さ
れる製品を提供せんとするものである。

エタ相は形成されるけれども、銅基材の表面付近に保持
されて、改良された製品を提供するとともに槽内のスラ
ッジの蓄積は回避できる。この結果、連続製造が可能に
なる（本明細書中で使用する「連続」とは、はんだ浴の
交換または再処理のためにプロセスを周期的に中断する
必要がないことを意味す る）。

得られる製品は、高強度の実質的に鉛を含有しない接合
部を持つ銅基材伝熱管と銅基材フィンである。見方によ
れば、接合部は表面上に金属間化合物層を持つろうづけ
に似ている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明方法は、はんだ槽の再処理を行うことなく銅基材
のフィンな銅基材の伝熱管に連続的に金属溶融結合する
方法であって、フィン材料を伝熱管に組みつけ、フィン
と伝熱管の組立体に融剤（フラックス）を塗布し、実質
的に鉛を含有しない錫含有率の高いはんだ槽の温度を制
御温度に制御しく好ましくは、はんだの溶融温度範囲の
上限より摂氏で約８３．３度（華氏で約１５０度）高い
温度より低い温度に制御する）、槽から組立体にはんだ
を流し、はんだづけ開始から１５秒以内に組立体に空気
を吹きつけて急冷することにより、はんだを急速に固化
させ形成される高融点の銅・錫合金（エタ相）をフィン
と伝熱管の表面付近に保持し、槽内の銅の蓄積を制限し
槽内のスラッジの形成を回避することを特徴とする。好
ましくは、はんだ槽は約５〜６＊のアンチモンと１．８
〜２．２零の銅と約０．２２以下の鉛と残部を占める錫
とから成り、２９３乃至２９９ｔ　（５６０乃至５７０
　”　Ｆ　）に保持されており、はんだはフィンを巻き
つけた伝熱管の所定部分に約１０秒未満の時間内に流し
つけられる。

一般的に言えば、溶融状態のはんだが伝熱管上にある時
間（即ち、伝熱管部分がはんだカスケードに入った時点
から急冷されるまでの時間）に溶融温度範囲の上限以上
である華氏単位のはんだ温度を乗じた積が約２５００　
（好ましくは１５００）未満になるようにする。

実際には、カスケード及び空気吹付は後のフィン付き伝
熱管上に残留するはんだ（封じ込められたエタ相を含む
）の量は、カスケード中で流された全はんだの一部分で
ある。フィンと伝熱管の組立体上を流れた後においても
エタ相を含有しない余剰のはんだは、加熱された楢に接
続された適宜なパイプによって捕捉され保持されてカス
ケードに再循環される。

本発明による改良されたフィン付き伝熱管は、銅基材伝
熱管面に溶融結合された銅基材フィン面を持ち、銅基材
フィン面に隣接する第一内側層と、銅基材伝熱管面に隣
接する第二内側層とを有し、両内側層はエタ相銅・錫か
ら成る。実質的に鉛を含有しない（鉛含有率が０．２２
９ｇ未満）錫含有率の高いはんだ外側層が両内側層に隣
接した位置にある。はんだ層は、好ましくは、５乃至６
％のアンチモンと、ｔ、ａ乃至２．２に＋７）銅と、約
０．２２！４未満の鉛と、残部を占める錫とから成る。

［実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。

本発明は、流し式法（ｆｌｏｗ−ｔｙｐｅ　ｐｒｏｃｅ
ｓｓ）の連続法で実質的に鉛を含有しない錫含有率の高
いはんだにより銅基材のフィンを銅基材の伝熱管に取り
付ける方法及びこのような方法による製品を提供する。

本発明は、フィン付き伝熱管の製造時に招ける槽中のス
ラッジ蓄積を回避し、熱交換器の運転時における炭酸鉛
の形成を回避するものである。スラッジ蓄積の回避によ
り流しはんだづけが可能になり、ろうづけ状の接合部を
持つ新規な構造が得られる。

好ましい実施例では、錫・アンチモンはんだ（好ましく
は９５錫・５アンチモンはんだ）を使用し、はんだ槽に
開始時及び周期的に上記の錫・アンチモンはんだを添加
する。

（補充はんだを連続的に供給することもできる。）本発
明実施中、カスケード流しの余剰はんだは槽に戻され、
（フィンと伝熱管からの）銅が槽中に蓄積され始めて、
槽温度における湯中への銅の溶解限度に近づく。銅含有
率が３＊（以下、本明細書中の百分率は全て重量百分率
である）になるもつと高い槽温度で装置を作動させるこ
ともできるけれども、約２９３乃至２９９℃（５６０乃
至５７０　”　Ｆ　）である好ましい温度下では銅含有
率は約１．８乃至２．２零程度にまで上昇する。このよ
うな状態のはんだが銅基材面と接触すると、接触面から
追加された銅ははんだ中に入り込んでエタ相を形成し、
形成されたエタ相は（槽中に保持されている過剰のはん
だの流れに追従しないで）伝熱管上に保持される。これ
により、より良好な接合が形成されるとともに、槽中で
のスラッジの形成が回避される。本発明にとって、フィ
ンと伝熱管の組立体上でのエタ相の保持は重要であり、
高温度にさらされる時間を制限する結果として得られる
効果である。

伝熱管フィン組立体は、はんだづけの前に、予熱する必
要はない。好ましくは、はんだの温度を溶融温度範囲（
液化点）の上限よりも摂氏で約５５．６乃至６６．７度
　（華氏で１００乃至１２０度）高い温度にし、はんだ
を約１０秒未満の時間だけ伝熱管上に流す。温度低下が
比較的少ない（たとえば摂氏で１１．１度（華氏で２０
度））場合でも槽内にエタ相が沈積するおそれがあるの
で、槽の温度変化は最小限に抑制しなければならず、槽
温度制御が必須の要件になる。余剰のはんだを除去する
目的だけでなく組立体をはんだの溶融温度範囲以下に急
速に冷却するためにも、はんだづけ後約５秒以内（好ま
しくは約２秒以内）に空気吹付は冷却を行う。好ましく
は急冷用の空気の予熱は行わず、最も好ましくは室温の
空気を使用する。

上記が銅または銅合金製のフィンを銅または銅合金製の
伝熱管に取り付ける方法及び製品である。従来法の９５
錫・５アンチモン（ＡＳＴＭ規格Ｂ３Ｚでグレード５ｂ
５）はんだを使用できるが、本発明ははんだと槽の不純
物についての組成上の限界を持つはんだの新規な使用法
を提供するものと言える。本発明方法では、更に、錫含
有率の高いはんだを狭い溶融温度範囲（摂氏で６．６７
度、華氏で１２度以下）で使用して、エタ相を捕捉する
という効果が得られる。本発明方法は、はんだの廃棄（
または高価な銀回収のための再ｌ！！１理）の必要性を
なくすことにより、大幅な経費節減をもたらす。使用す
るはんだの組成と本発明方法により鉛を低い不純物レベ
ルに制御し水素冷却器の伝熱管部が炭酸鉛による短絡と
発電機巻線部のトラッキングの原因となるおそれを取り
除くので、本発明方法は特に水素冷却器の伝熱管部に使
用すると有用である。

同様に重要な利点は、本発明によりはんだ槽内の銅蓄積
を制御する特異な手段が提供され、錫含有率の高いはん
だの再処理と回収費を必要とする高コストの方法に換え
ることかできる極めて経済的な代替法が提供されフィン
付き伝熱管製造のコストを低減できることである。

本発明方法によれば、従来の方法によるよりも均買なフ
ィンと伝熱管との接合ができる。実験によれば、以下に
記載するカスケードはんだづけ法で錫含有率の高いはん
だを銅製フィンの銅合金伝熱管への接合に使用した場合
、得られるフィン付き伝熱管は（水素冷却器に使用した
場合）発電機巻線の白い（または酸性の）炭酸鉛２Ｐｂ
ＣＯ３−Ｐｂ　（ＯＨ）　２汚染源にはならないこと確
かめられた。

望ましい伝熱特性を持つ点から、銅製フィンと銅合金伝
熱管材料を使用するのが好ましい。しかしながら、銅は
錫含有率の高いはんだの溶融物に溶解し、最もよく知ら
れているものとしては「エタ相」化合物であるＣｕ５Ｓ
ｎｓを代表とする各種の金属間化合物を形成する。はん
だよりも遥かに融点が高いエタ相化合物は従来法の浴壁
式の浸漬はんだつけ装置内で沈積して、時間経過に伴っ
て次第に蓄積し最終的にはんだを使用不能の状態にする
。

これに対し、本発明では、浸漬はだづけ法の代わりに、
カスケード型式の流し工程を採用１ノでいる。本発明方
法では、はんだのカスケード即ち湾状に流れ落ちるはん
だを伝熱管とフィンの組立体（好ましくは伝熱管外壁に
フィンを螺線状に張力で巻きつけておく）に流しつける
。はんだづけの前（好ましくは、はんだづけの直前）に
伝熱管とフィンの組立体を融剤浴につける。融剤及びは
んだを均一にかつ完全に塗布するために、伝熱管とフィ
ンの組立体を同時に長手方向軸を中心として回転させる
とともに融剤及びはんだを流下させつつ長手方向軸に沿
りて前進させる。はんだづけステーションを離れたフィ
ンと伝熱管の組立体をノズルから出る空気ジェットに当
てて、フィン付き伝熱管組立体から余分の溶融はんだを
除去し、エタ相をフィン面と伝熱管面に隣接した位置で
保持させてはんだを固化させる。フィンと伝熱管の組立
体の回転速度及び前進速度と、空気吹付けの位置・方向
及び力は、はんだづけされた組立体のツイン引き抜き試
験によって測定される所望のフィンと伝熱管面の接合が
得られるように制御すればよい。上記の各変数は、伝熱
管寸法、フィン寸法及び単位長さ当たりのフィンの数に
よって定まる。カスケード及び空気吹付けからの余分の
はんだは、槽に戻して再びカスケードに循環する。

上記のカスケード法を採用し、通常の錫２０！ｋ　、鉛
８０％のはんだを使用してフィンを伝熱管部にはんだづ
けすると、得られる接合部は引き抜き強度の低い（約２
ボンド）ものになることが多い。もちろん、このはんだ
は特に水素冷却器の場合には望ましくない鉛を含んでい
る。これに対して、本発明方法によれば最低限３ボンド
、平均４ボンドの引抜き強度が得られ、鉛不純物は極め
て少量である。

錫含有率が高く鉛含有率が低いはんだは、固体から液体
に変わる範囲（溶融温度範囲）が極めて狭い。本発明は
、この溶融温度範囲が狭い特性を利用し、はんだ槽のエ
タ相汚染を回避しつつ優れた結合をつくるものである。

好ましくは、使用時の槽温度を約２９３乃至２９９℃（
５６０乃至５７０　’　Ｆ　）にし、使用中の銅の蓄積
量は約２＊になる。はんだを流しながらフィンと伝熱管
の組立体（一般には、２１．１乃至３７，８℃（７０乃
至１００　＠Ｆ　）の温度である）を回転させ前進させ
ると、はんだは９８Ｓｎ−５Ｓｂはんだの摂氏で約６．
６７度（華氏で約１２度）の溶融範囲を短時間で通過す
るため、空気吹付けの助けによって高融点のエタ相の実
質的に全部が銅製のフィン及び調合金製の伝熱管に隣接
して捕捉される速度で固化する。

金属組織学的検査によれば、フィンと伝熱管ははんだ塗
膜によって覆われた捕捉エタ相のほぼ均一な塗膜を有し
、上記のはんだ塗膜は溶融はんだ槽中の組成と同一の組
成、即ち最大限０．２２にの鉛と、１．８乃至２．２零
の銅と、５乃至６％のアンチモンと、残部を占める錫と
、はんだインゴットに不可避的に存在する不純物類とか
ら成る組成を持つことが判明した。はんだ槽の試斜を金
属組織学的に検査したところ、エタ相沈殿の混入汚染は
実質的に認められず、銅含有率（１，８乃至２．２％）
は２９３乃至２９９℃（５６０乃至５７０°Ｆ）の工程
温度における銅と錫との溶解限度の含有率を示した。

第１図は、本発明方法の工程図である。銅基材のフィン
を銅基材の伝熱管に組みつけ、組立体に融剤をつけ、温
度を制御した槽から錫含有率の高いはんだを組立体状に
流す。冷却空気吹付けにより、組立体からはんだを吹き
除き、はんだを急速に固化させる。この操作により、高
融点の銅・錫エタ相合金は、槽に戻入されるはんだとと
もに槽には入らずに、組立体上に残留する。

第２図に製品の一実施例を示しであるが、内側エタ相槽
１０．１２が銅基材の伝熱管面１４及び銅製フィン面１
６に隣接しており、外側層１８は製品製造時の槽内のは
んだ組成と実質的に同一の組成を持つ錫含有率の高いは
んだから成る。エタ相の層厚は目盛では図示していない
が、実際の厚さの測定結果は約０．００３５５６ｍｍ（
０，０００１４インチ）であった。本発明方法は、基本
的にははんだづけ法であり、はんだづけに類似した４２
７℃（８００°Ｆ）未満の温度で行うものであるが、製
品は幾分かはろうづけに類似した特性を持ち、特にフィ
ン面と伝熱管面に金属間化合物が存在する。この結果と
して、極めて堅固で望ましい熱膨張率（伝熱管とフィン
の間の熱膨張率及びはんだの熱膨張率）を持つ著しく強
度の高い接合部が得られる。

第３図に本発明の実施に使用する装置の立面図を示す。

本実施例の場合、張力によって巻きつかせた複数のフィ
ンが伝熱管外壁に組みつけられており、組立体２０は融
剤付着操作ステーション２２、はんだづけ操作ステーシ
ョン２４及び空気冷却／吹付は操作ステーション２６を
通じて長手方向軸に沿って前進し、長手方向軸を中心と
して回転する。図中には、残留する融剤の除去に用いる
熱水流２８が図示されている。融剤は水溶性の有機物融
剤であり、アンモニア及び塩素を含まないものであるの
が好ましい。はんだ層３２から、はんだをはんだノズル
３４にポンプで圧送する。好ましい実施例では、ノズル
３４によって長さ約２２．９ｃｍ　（９インチ）のカス
ケードが形成され、組立体を１秒当たり５．０８ｃｍ（
２インチ）よりも僅かに遅い速度で移動させて、伝熱管
の所定部分に約５秒間カスケードが流れ落ちるようにす
る。空気ノズルは、はんだカスケード終端部から１２乃
至１５ｃｍ程度（約数インチ）離して位置させ、はんだ
をはんだ槽に戻す。かくして、急冷固化によって、はん
だづけ部分がはんだカスケードに入った時点から１５秒
未＃４（好ましくは約８秒未満）の時間内ではんだが組
立体の所定部分上で固化する。上述の通り、融剤は好ま
しくは水溶性であり、熱水を使用して残留融剤を除去で
きる。

［効果コ 本発明による錫含有率の高いはんだを流すカスケード法
により、（錫−鉛はんだによって得られる結合と比較し
て）より優れたより均一な銅製フィンと銅合金伝熱管と
の接合が得られ、槽中のはんだのエタ相混入汚染はほぼ
回避できる。この結果、はんだの再処理が不要になるの
でフィン付き伝熱管のコストが下がり鉛含有率は低い（
不純物）レベルになる。従って、フィン付き伝熱管では
白い炭酸鉛汚染の汚染源とはならない。白い炭酸鉛によ
る汚染はあらゆる用途で望ましくない現象であるが、上
述の通り、特に水素冷却を利用する発電機中では避けね
ばならない現象である。

本明細書中に記載した実施例は例示にために記載したも
のであり本発明を限定するものではないから、本発明は
記載の実施例のみに限定解釈されるものではない。本発
明は、本発明の思想及び技術的範囲から逸脱しないすべ
ての方法及び製品を包むものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法の各工程を示す工程図である。 第２図は、本発明による製品の一部分の断面図であり、
伝熱管面とフィン面に隣接する工タ相銅・錫層が図示さ
れている。 第３図は、本発明方法を実施し本発明による製品を製造
する装置の一部分を概略化して示す立面図であり、カス
ケード型流れはんだづけ装置を示す図である。 １０．１２・・・・内側エタ相層 １４・・・・伝熱管面 １６・・・・フィン面 １８・・・・外側（はんだ）層 ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、銅基材伝熱管に銅基材フィンを連続的に金属溶融結
   合する方法であって、 ａ、伝熱管にフィンを組み付け、 ｂ、フィンと伝熱管の組立体に融剤を塗布 し、 ｃ、実質的に鉛を含有しない錫含有率の高いはんだ槽の
   温度を制御し、 ｄ、はんだ槽からフィンと伝熱管の組立体にはんだを流
   し、 ｅ、はんだづけしたフィン付き伝熱管の各部をはんだを
   流した時点から１５秒未満以内に空気で急冷することに
   より、はんだを急速に固化させて形成される高融点の銅
   ・錫合金をフィンの表面及び伝熱管の表面付近に保持し
   て、槽内でのスラッジの形成を回避することを特徴とす
   る方法。 ２、融剤が水溶性でアンモニア及び塩素を実質的に含有
   しないことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   方法。 ３、はんだが銅含有量が約２．２％未満の錫・アンチモ
   ンはんだであり、はんだ槽の温度がはんだの液化温度よ
   りも摂氏で約８３．３度（華氏で約１５０度）高い温度
   より低い温度に制御されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の方法。 ４、はんだが、５．０乃至６．０％のアンチモンと、１
   ．８乃至２．２％の銅と、約０．２２％未満の鉛とを含
   有することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
   方法。 ５、はんだ槽に実質的に９５錫・５アンチモンのはんだ
   を少なくとも周期的に添加することを特徴とする特許請
   求の範囲第４項に記載の方法。 ６、はんだ槽の温度を約２９３乃至２９９℃（５６０乃
   至５７０°Ｆ）の温度に保持することを特徴とする特許
   請求の範囲第４項に記載の方法。 ７、フィンと伝熱管の組立体の所定の部分にはんだを約
   １０秒未満の時間流すことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の方 法。 ８、はんだ槽の再処理を伴うことなく、銅基材伝熱管に
   銅基材フィンを連続金属溶融結合する方法であって、 ａ、伝熱管にフィンを組みつけ、 ｂ、水溶性で実質的にアンモニア及び塩素を含有しない
   融剤をフィンと伝熱管の組立体に塗布し、 ｃ、実質的に５．０乃至６．０％のアンチモンと１．８
   乃至２．２％の銅と約０．２２％未満の鉛と残部を占め
   る錫とから成るはんだ槽の温度を２９３乃至２９９℃（
   ５６０乃至５７０°Ｆ）に制御し、ｄ、はんだをフィン
   を巻きつけた伝熱管の所定部分に流す時間を１０秒未満
   に制限しかつフィンと伝熱管の組立体を予熱することな く、はんだ槽からフィンと伝熱管の組立体にはんだを流
   し、 ｅ、はんだつけから空気吹付けまでの時間を５秒未満に
   制限してフィンを巻き付けた伝熱管に予熱しない空気を
   吹付けて急冷することにより、はんだを急速に固化させ
   て形成される高融点の銅・錫合金をフィンの表面及び伝
   熱管の表面付近に保持して、槽内でのスラッジの形成を
   回避し、 ｆ、実質的に９５錫・５アンチモンのはんだを少なくと
   も周期的にはんだ槽に添加することを特徴とする方法。 ９、銅基材伝熱管の表面に金属溶融結合された銅基材フ
   ィン面を持つフィン付き伝熱管であって、 ａ、銅基材フィン面に隣接する第一内側槽 と、 ｂ、銅基材伝熱管の表面に隣接する第二内側槽とを有し
   、両内側槽は基本的にエタ相銅・錫から成り、 ｃ、両内側層に隣接して、実質的に鉛を含有しない錫含
   有率の高いはんだから成る外側層があることを特徴とす
   るフィン付き伝熱 管。 １０、はんだから成る外側層が、実質的に ５．８乃至６．０％のアンチモンと１．８乃至２．２％
   の銅と約０．２２％未満の鉛と残部を占める錫とから成
   ることを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の伝熱
   管。