KR101924320B1 - 열교환기 및 이의 제조방법 - Google Patents

열교환기 및 이의 제조방법 Download PDF

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유타카 야나가와
노리히사 이소무라
유키 도타니
야스히로 야기타
데쓰로 하타
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가부시키가이샤 유에이씨제이
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Abstract

소형화, 경량화가 용이하고, 열팽창에 의한 변형이 작은 열교환기(1) 및 이의 제조방법을 제공한다. Mg를 포함하는 알루미늄 합금으로 이루어진 심재층(A)과, Si를 필수로 포함하고, Li, Be 및 Bi 중 1종 이상을 포함하고, Mg의 함유량이 규제 된 알루미늄 합금으로 이루어진 납재층(B)을 갖는 클래드판(200)을 준비한다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 이너 핀(3)을 준비한다. 클래드판(200)으로 이루어지고, 납재층(B)이 내측에 배치되어 있는 동시에, 납재층(B)끼리가 당접하는 당접부(201)를 갖는 중공 구조체(20)와, 중공 구조체(20)의 내부에 수용된 이너 핀(3)과, Cs를 함유하고, 당접부(201) 및 그 근방에 도포된 플럭스를 갖는 피처리물(10)을 조립한다. 불활성 가스 분위기 하에서 피처리물(10)을 가열하여 납땜을 실시하고, 열교환기(1)를 제작한다.

Description

열교환기 및 이의 제조방법{HEAT EXCHANGER AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 열교환기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
예를 들어 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 탑재된 구동용 모터의 제어 등의 다양한 용도에 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 소자에 의해 스위칭을 실시하는 인버터 유닛이 사용되고 있다. 인버터 유닛은 반도체 소자나 반도체 소자와 함께 전력 변환 회로를 구성하는 전자 부품 등의 발열체를 냉각하기 위한 열교환기를 갖고 있다.
열교환기는 발열체가 탑재되는 발열체 탑재면을 외표면에 구비한 중공 구조체와, 중공 구조체의 내부에 수용되는 이너 핀(inner fin)을 갖고 있다. 중공 구조체 및 이너 핀은 열전도율이 높고 비중이 작은 알루미늄 판이나 알루미늄 합금판으로 구성되어 있는 경우가 많다. 또한, 이너 핀은 중공 구조체의 내표면에 납땜됨으로써, 중공 구조체와 금속적으로 접합되어 있다.
열교환기의 납땜은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 심재와, 심재의 편면 또는 양면에 클래드된 납재를 갖는 클래드판을 사용하여 실시된다. 또한 열교환기의 납땜은 일반적으로, 피접합부에 K-Al-F(칼륨-알루미늄-불소)계의 플럭스를 도포하여 실시하는, 이른바 노코록(Nocolok) 납땜법에 의해 실시되고 있다.
최근, 열교환기의 소형 경량화가 요구되고 있고, 특히 자동차용 열교환기에서 소형 경량화가 강하게 요구되고 있다. 또한, 전력 변환 장치의 고출력화에 따라 반도체 소자의 발열량이 증대하고 있기 때문에, 열팽창에 의한 중공 구조체나 이너 핀의 변형을 억제하는 것이 어려워지고 있다. 그래서 열교환기를 소형화, 경량화하는 동시에 열팽창에 의한 변형을 억제하기 위해, 중공 구조체나 이너 핀에 보다 강도가 높고 판 두께가 얇은 판재를 사용하는 것이 검토되고 있다. 판재의 강도를 향상시키고, 판 두께를 얇게 하기 위해서는, 판재를 구성하는 알루미늄 합금에 Mg(마그네슘)를 첨가하는 것이 효과적이다.
그런데, 노코록 납땜법에 의해 Mg를 함유하는 알루미늄 합금의 납땜을 실시하려고 하면, 납땜 가열 중에 플럭스가 Mg와 반응하여 소비된다. 따라서, 플럭스에 의해 피접합부의 표면에 존재하는 산화 피막을 충분히 파괴할 수 없다. 또한, K-Al-F계의 플럭스와 Mg의 반응에 의해 생성되는 화합물은 납의 유동성의 저하를 초래한다. 이와 같이, 노코록 납땜법은 플럭스의 소비나 납의 유동성의 저하 때문에, Mg를 함유하는 알루미늄 합금의 납땜을 실시하는 것이 어렵다는 문제가 있었다.
이러한 문제에 대하여, Mg를 함유하는 알루미늄 합금의 납땜을 실시하기 위해 플럭스를 사용하지 않고, 납땜을 실시하는 기술이 여러 가지 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 납재층 이외의 브레이징(brazing) 시트 구성층에 Mg가 첨가된 알루미늄 합금제 브레이징 시트로 중공 구조체를 형성하고, 중공 구조체의 내측에 플럭스를 도포하지 않고 불활성 가스 분위기 중에서 납땜을 실시하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는, Li(리튬)가 첨가된 Al-Si(알루미늄-실리콘) 합금으로 이루어진 납재와, Mg가 첨가된 알루미늄 합금으로 이루어진 심재를 갖는 브레이징 시트를 사용하고, 불활성 가스 분위기 중에서 플럭스를 사용하지 않고 납땜을 실시하는 기술이 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 특개2004-25297호 일본 공개특허공보 특개2013-233552호
그러나, 특허문헌 1의 기술은, 중공 구조체의 외측에 K-Al-F계의 플럭스를 도포하기 때문에, 납땜 시의 가열에 의해 용융된 플럭스가 중공 구조체의 내부에 침입할 우려가 있다. 이 경우, 중공 구조체의 내부에 침입한 플럭스에 의해, Mg에 의한 플럭스 없이 납땜이 저해될 우려가 있다. 한편, 중공 구조체의 내부에 침입한 플럭스는 비교적 소량이기 때문에, 플럭스에 의해 산화 피막을 파괴하는 것이 어렵다. 그러므로, 특허문헌 1의 기술은, 예를 들어 중공 구조체와 이너 핀의 피접합부 등의, 중공 구조체의 내부에 존재하는 피접합부의 납땜성이 악화될 우려가 있다.
또한, 특허문헌 2의 기술은, 분위기 중의 산소 농도가 높아지면 납땜성이 악화된다는 문제가 있다. 따라서, 양산 설비에 적용하려고 하면, 피처리물의 형상이나 구조, 및 납땜 접합을 형성하는 위치에 따라서는 납땜성이 악화될 우려가 있다.
즉, 중공 구조체의 내부는 중공 구조체의 외부의 분위기가 유입하기 어렵기 때문에, 산소 농도가 낮은 상태를 비교적 용이하게 유지할 수 있다. 그러므로, 예를 들어 중공 구조체와 이너 핀의 피접합부 등의 중공 구조체의 내부에 존재하는 피접합부에서는, 플럭스를 사용하지 않고 양호한 납땜 접합을 형성할 수 있다. 그러나, 납땜로 내의 산소 농도는 다양한 요인에 의해 변동하기 때문에, 중공 구조체의 외부는 산소 농도가 낮은 상태를 유지하는 것이 어렵다. 따라서, 예를 들어 중공 구조체의 외벽끼리의 피접합부 등의 중공 구조체의 외부에 노출된 피접합부에서의 납땜성이 악화되기 쉽다. 또한, 중공 구조체의 외벽끼리의 피접합부는 중공 구조체의 내부와 외부 사이에서 납이 유통할 수 있는 구조를 갖고 있기 때문에, 납땜성이 우수한 중공부 내에 납이 모이기 쉽다. 그러므로, 납땜성이 떨어지는 중공 구조체의 외부측에서 납이 부족하고, 필렛 조각 등의 납땜 불량이 발생할 우려가 있다.
이상과 같이, Mg를 함유하는 알루미늄 합금을 사용하여 열교환기를 제작하기 위해서는, 중공 구조체와 이너 핀의 피접합부의 납땜성 및 중공 구조체의 외벽끼리의 피접합부의 납땜성의 양쪽을 개선할 필요가 있다.
본 발명은 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것으로, 소형화, 경량화가 용이하고, 열팽창에 의한 변형이 작은 열교환기 및 상기 열교환기의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 형태는, Mg(마그네슘): 0.40 내지 1.0질량%를 함유하고, 잔부가 Al(알루미늄) 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 심재층과, Si(실리콘): 4.0 내지 13.0질량%를 필수로 포함하고, Li(리튬): 0.0040 내지 0.10질량%, Be(베릴륨): 0.0040 내지 0.10질량% 및 Bi(비스무트): 0.010 내지 0.30질량% 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 포함하고, Mg의 함유량이 0.10질량% 미만으로 규제되고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖고, 상기 심재층의 적어도 한쪽 면에 클래드된 납재층을 갖는 클래드판을 준비하고,
Si: 0.30 내지 0.70질량% 및 Mg: 0.35 내지 0.80질량%를 함유하고, 잔부가 Al(알루미늄) 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 이너 핀을 준비하고,
상기 클래드판으로 구성되고, 상기 납재층이 내측에 배치되어 있는 동시에, 상기 납재층끼리가 당접하는 당접부를 갖는 중공 구조체와, 상기 중공 구조체의 내부에 수용된 상기 이너 핀과, Cs(세슘)를 함유하고, 상기 당접부 및 그 근방에 도포된 플럭스를 갖는 피처리물을 조립하고,
불활성 가스 분위기 하에서 상기 피처리물을 가열하여 상기 플럭스 및 상기 납재층을 용융시킴으로써, 상기 중공 구조체 및 상기 이너 핀을 일괄하여 납땜하는 열교환기의 제조방법에 있다.
본 발명의 다른 형태는, Mg: 0.40 내지 1.0질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 판재로 구성되고, 발열체를 탑재하는 발열체 탑재면을 외표면에 갖는 동시에, 냉매가 유통하는 냉매 유로를 내부에 구비한 재킷과,
알루미늄 합금으로 구성되고, 상기 냉매 유로에 배치된 이너 핀과,
Al-Si 합금으로 이루어지고, 상기 재킷에서의 상기 판재끼리를 접합하는 재킷 접합부와,
Al-Si 합금으로 이루어지고, 상기 재킷과 상기 이너 핀을 접합하는 핀 접합부를 갖고,
상기 재킷의 내표면에서의 상기 재킷 접합부로부터 상기 이너 핀까지의 사이에만 Cs가 존재하고 있는 열교환기에 있다.
상기 열교환기는, 상기 재킷과, 상기 재킷에서의 상기 냉매 유로에 배치된 상기 이너 핀을 갖고 있다. 상기 재킷은 Mg를 함유하고 있는 알루미늄 합금으로 구성되어 있기 때문에, 종래의 열교환기의 재킷에 비해 강도를 높일 수 있다. 그러므로, 상기 재킷의 소형화, 박육화(薄肉化)를 용이하게 실행할 수 있다. 또한, 상기 재킷의 강도를 높게 함으로써, 열팽창에 의한 상기 재킷의 변형을 억제할 수도 있다.
상기 열교환기는, 상기 특정된 구성을 갖는 상기 피처리물을 불활성 가스 분위기 하에서 가열함으로써 제작할 수 있다. 상기 피처리물에서의 상기 중공 구조체의 상기 당접부 및 그 근방에는 Cs를 함유하는 상기 플럭스가 도포되어 있다. 상기 플럭스는 납땜 시의 가열에 의해 용융하고, 상기 당접부에 존재하는 산화 피막을 파괴할 수 있다. 그러므로, 상기 플럭스를 사용함으로써, 상기 당접부의 납땜을 실시할 수 있다.
또한, 상기 중공 구조체를 구성하는 상기 클래드판은 Mg를 함유하는 알루미늄 합금으로 이루어진 상기 심재층과, Li, Be 및 Bi 중 1종 이상을 함유하는 알루미늄 합금으로 이루어진 상기 납재층을 갖고 있다. 상기 심재층 중의 Mg의 일부는 납땜 시의 가열에 의해 확산되어 상기 클래드판의 표면으로 이동한다. 그리고, 상기 클래드판의 표면으로 이동한 Mg와 상기 납재층 중의 Li 등이 납 중에 공존함으로써, 클래드판이나 상기 이너 핀의 표면에 존재하는 산화 피막을 효과적으로 파괴할 수 있다. 따라서, 불활성 가스 분위기 하에서 상기 피처리물을 가열함으로써, 상기 중공 구조체의 내부에 존재하는 산화 피막을 파괴할 수 있다. 그 결과, 상기 플럭스를 사용하지 않고, 상기 중공 구조체와 상기 이너 핀의 납땜을 실시할 수 있다.
상기 중공 구조체의 내부에는, 납땜 시의 가열에 의해 용융된 상기 플럭스가 침입하는 경우가 있다. 하지만, 상기 중공 구조체의 내부에는 상기 이너 핀이 배치되어 있기 때문에, 상기 중공 구조체의 내부에 침입한 상기 플럭스의 대부분을 상기 이너 핀에 의해 막을 수 있다. 또한, 상기 플럭스는 종래 사용되고 있는 K-Al-F계의 플럭스에 비해, Mg와의 반응에 의한 납땜성의 악화가 일어나기 어렵다. 따라서, 상기 중공 구조체와 상기 이너 핀의 납땜이 상기 플럭스에 의해 저해되는 경우는 없다.
이상과 같이, 상기 피처리물을 불활성 가스 분위기 하에서 가열함으로써, 비교적 산소 농도가 낮은 상기 중공 구조체의 내부에서는 플럭스를 사용하지 않고 납땜을 실시하고, 비교적 산소 농도가 높은 상기 중공 구조체의 외부에서는 플럭스를 사용하여 납땜을 실시할 수 있다. 그 결과, 상기 열교환기를 용이하게 제작할 수 있다.
도 1은 실시예에서의 열교환기의 요부를 도시하는 단면도이다.
도 2는 실시예에서의 피처리물의 요부를 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 2에서의 당접부 및 그 근방의 확대도이다.
상기 열교환기의 제조방법에 있어서, 상기 피처리물은 클래드판, 이너 핀 및 플럭스를 갖고 있다. 이하, 이것들의 상세에 대해 설명한다.
[클래드판]
클래드판은, 심재층과, 심재층의 적어도 한쪽 면에 클래드된 납재층을 갖고 있다. 또한, 심재층은 납땜을 실시한 후에, 상기 재킷을 구성하는 판재가 된다.
<심재층>
심재층은 Mg: 0.40 내지 1.0질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖고 있다.
·Mg: 0.40 내지 1.0질량%
심재층 중의 Mg는 클래드판의 강도를 높이는 작용을 갖고 있다. 심재층 중의 Mg량을 상기 특정 범위로 함으로써, 클래드판의 박육화, 나아가서는 상기 열교환기에서의 재킷의 박육화를 용이하게 실행할 수 있다. 또한, 심재층 중의 Mg의 일부는 납땜 시의 가열에 의해 납 중에 확산하여 클래드판의 표면으로 이동한다. 그리고, 클래드판의 표면에 도달한 Mg에 의해, 상기 클래드판이나 상기 이너 핀의 표면에 존재하는 산화 피막 등의, 중공 구조체의 내측에 존재하는 산화 피막이 파괴된다.
심재층 중의 Mg량을 상기 특정 범위로 함으로써, 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성을 향상시킬 수 있다. 심재층 중의 Mg의 함유량이 0.40질량% 미만인 경우에는 재킷의 박육화가 어려워진다. 또한, 이 경우에는 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성의 악화를 초래할 우려가 있다. 따라서, 이들 문제를 회피하는 관점에서, Mg의 함유량은 0.40질량% 이상으로 한다.
심재층 중의 Mg는, 납땜 시의 가열에 의해 납재층이 용융한 후에, 액체의 납 속에 신속하게 확산하여 클래드판의 표면에 도달한다. 이때, 표면에 도달한 Mg의 양이 과도하게 많아지면, 중공 구조체의 당접부(이하, 중공 구조체의 당접부를 「당접부」라고 약칭함)에 도포된 플럭스와 Mg의 반응 생성물이 다량으로 생긴다. 이 반응 생성물은 납의 유동성을 저하시킴으로써, 당접부의 납땜성 악화를 초래할 우려가 있다. 이러한 문제를 회피하는 관점에서, Mg의 함유량은 1.0질량% 이하로 한다. 같은 관점에서, Mg의 함유량을 0.80질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
·Mn: 0.050 내지 1.3질량%, Si: 1.0질량% 이하, Fe: 1.0질량% 이하, Cu: 0.90질량% 이하, Zn: 6.5질량% 이하, Ti: 0.20질량% 이하 및 Zr: 0.50질량% 이하
심재층은, Mn: 0.050 내지 1.3질량%, Si: 1.0질량% 이하, Fe: 1.0질량% 이하, Cu: 0.90질량% 이하, Zn: 6.5질량% 이하, Ti: 0.20질량% 이하, Zr: 0.50질량% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하고 있어도 좋다. 이들 원소를 심재층에 첨가함으로써, 클래드판의 강도나 내식성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이들 원소의 함유량이 과도하게 많은 경우에는, 클래드판을 제작할 때의 압연 공정에서 균열이 발생하기 쉬워질 우려가 있다.
<납재층>
납재층은 Si(실리콘): 4.0 내지 13.0질량%를 필수로 포함하고, Li(리튬): 0.0040 내지 0.10질량%, Be(베릴륨): 0.0040 내지 0.10질량% 및 Bi(비스무트): 0.010 내지 0.30질량% 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 포함하고, Mg(마그네슘)의 함유량이 0.10질량% 미만으로 규제되고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖고 있다.
·Si: 4.0 내지 13.0질량%
Si의 함유량을 상기 특정 범위로 함으로써, 납땜 시의 가열 중에 당접부 및 이너 핀과 중공 구조체의 피접합부에 충분한 납을 공급할 수 있다. 그 결과, 당접부의 납땜성 및 이너 핀과 중공 구조체의 납땜성을 향상시킬 수 있다.
Si의 함유량이 4.0질량% 미만인 경우에는, 납의 공급량이 부족한, 납의 유동성이 저하되는 등의 문제가 생겨서, 납땜성의 악화를 초래할 우려가 있다. 납땜성의 악화를 회피하는 관점에서, Si의 함유량은 4.0질량% 이상으로 한다. 같은 관점에서, Si의 함유량을 7.5질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Si의 함유량이 13.0질량%를 초과하는 경우에는, 납의 공급량이 과잉해지고, 심재층의 용해량이 과다해질 우려가 있다. 이러한 문제를 회피하는 관점에서, Si의 함유량은 13.0질량% 이하로 한다. 같은 관점에서, Si의 함유량을 10.0질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
·Li: 0.0040 내지 0.10질량%, Be: 0.0040 내지 0.10질량%
Li 및 Be는 중공 구조체나 이너 핀의 표면에 존재하는 산화 피막을 파괴하는 작용을 갖는다. Li 및 Be가 산화 피막을 파괴하는 메커니즘은 현시점에서 밝혀지지 않았지만, 이하의 메커니즘에 의해 산화 피막이 파괴되는 것으로 추측하고 있다. Li 및 Be는 모두 Al에 비해 산화되기 쉬운 원소이기 때문에, 피처리물의 표면에 존재하는 산화 피막으로부터 산소를 빼앗을 수 있다고 생각된다. 그리고, 산소를 빼앗긴 산화 피막이 산소를 빼앗기기 전에 비해 취약화됨으로써, 산화 피막에 균열이 생기기 쉬워진다. 그 결과, 산화 피막이 파괴된다고 생각된다.
또한, Li 및 Be는 플럭스와 전혀 반응하지 않기 때문에, 플럭스에 의한 당접부의 납땜을 거의 저해하지 않는다.
Li는, 함유량을 상기 특정 범위로 함으로써, 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성을 향상시킬 수 있다. Li의 함유량이 0.0040질량% 미만인 경우에는, 산화 피막을 파괴하는 효과가 낮아지고, 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성이 악화될 우려가 있다. 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성을 향상시키는 관점에서, Li의 함유량은 0.0040질량% 이상으로 한다. 같은 관점에서, Li의 함유량을 0.010질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 Li의 함유량이 0.10질량%를 초과하는 경우에는, 클래드판에서의 납재층의 표면에 Li의 산화물이 성장하고, 납땜성의 악화를 초래할 우려가 있다. 이러한 문제를 회피하는 관점에서, Li의 함유량은 0.10질량% 이하로 한다. 같은 관점에서, Li의 함유량을 0.050질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Be도 Li와 마찬가지로, 함유량을 상기 특정 범위로 함으로써, 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성을 향상시킬 수 있다. Be의 함유량이 0.0040질량% 미만인 경우에는, 산화 피막을 파괴하는 효과가 낮아지고, 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성이 악화될 우려가 있다. 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성을 향상시키는 관점에서, Be의 함유량은 0.0040질량% 이상으로 한다. 같은 관점에서, Be의 함유량을 0.010질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, Be의 함유량이 0.10질량%를 초과하는 경우에는, 납재층의 표면에 Be의 산화물이 성장하고, 납땜성의 악화를 초래할 우려가 있다. 이러한 문제를 회피하는 관점에서, Be의 함유량은 0.10질량% 이하로 한다. 같은 관점에서, Be의 함유량을 0.050질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
·Bi: 0.010 내지 0.30질량%
Bi는 알루미늄재의 표면에 존재하는 산화 피막을 취약화하는 작용을 갖는다. Bi를 Li나 Be, Mg와 공존시킴으로써, 이들 원소에 의한 산화 피막의 파괴를 촉진시키고, 나아가서는 납땜성을 향상시킬 수 있다. 또한, Bi는 납의 표면 장력을 저하시키는 작용을 갖기 때문에, 피처리물의 좁은 틈새에 납이 유입하기 쉬워진다. 그 결과, 납땜 접합의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Bi의 함유량을 상기 특정 범위로 함으로써, 당접부의 납땜성, 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성 및 이들의 개소에 형성되는 납땜 접합의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. Bi의 함유량이 0.010질량% 미만인 경우에는, 납땜성의 향상이나 납땜 접합의 신뢰성 향상의 효과를 충분히 얻을 수 없게 될 우려가 있다. 납땜성이나 납땜 접합의 신뢰성을 향상시키는 관점에서, Bi의 함유량은 0.010질량% 이상으로 한다. 한편, Bi의 함유량이 0.30질량%를 초과하는 경우에는, Bi의 양에 걸맞는 납땜성 향상의 효과를 얻는 것이 어렵다. 또한, Bi의 함유량이 과도하게 많은 경우에는, 납재층의 표면이 변색될 우려가 있고, 경우에 따라서는 납땜성의 악화를 초래할 우려가 있다. 이러한 문제를 회피하는 관점에서, Bi의 함유량은 0.30질량% 이하로 한다. 같은 관점에서, Bi의 함유량을 0.10질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
·Mg: 0.10질량% 미만
납재층 중의 Mg는 플럭스와 반응함으로써 플럭스를 소비하고, 산화 피막을 파괴하는 효과를 저하시킨다. 또한, Mg와 플럭스의 반응 생성물은 납의 유동성을 저하시킨다. 따라서, 납재층 중의 Mg의 함유량이 과도하게 많은 경우에는, 납땜성의 악화를 초래할 우려가 있다. 납땜성의 악화를 억제하는 관점에서, 납재층 중의 Mg의 함유량은 0.10질량% 미만으로 한다. 같은 관점에서, Mg의 함유량은 적을수록 바람직하고, 0.05질량% 이하로 규제하는 것이 보다 바람직하다.
납재층에는, Sr(스트론튬): 0.0020 내지 0.050질량%, Sb(안티몬): 0.0030 내지 0.070질량%, Fe(철): 0.050 내지 0.80질량%, Mn(망간): 0.050 내지 0.20질량%, Ti(티탄): 0.010 내지 0.15질량%, Cu(구리): 0.50 내지 5.0질량% 및 Zn(아연): 0.90 내지 6.0질량%로 이루어진 그룹 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 포함하고 있어도 좋다.
·Sr: 0.0020 내지 0.050질량%, Sb: 0.0030 내지 0.070질량%, Fe: 0.050 내지 0.80질량%, Mn: 0.050 내지 0.20질량% 및 Ti: 0.010 내지 0.15질량%
이들 원소는 납재층 중의 함유량을 상기 특정 범위 내로 함으로써, 납의 유동성을 조정하여, 납땜성을 보다 향상시킬 수 있다.
·Cu: 0.50 내지 5.0질량% 및 Zn: 0.90 내지 6.0질량%
이들 원소는, 납재층 중의 함유량을 상기 특정 범위 내로 함으로써, 납재층의 전위를 조정하고, 클래드판의 내식성을 보다 향상시킬 수 있다.
[이너 핀]
이너 핀으로서는, 예를 들어 플레이트 핀, 핀 핀(pin fin), 콜게이트 핀 등의 다양한 형태의 핀을 채용할 수 있다. 이너 핀은 중공 구조체의 내부에 수용된 상태에서, 중공 구조체의 내표면과 면접촉하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 중공 구조체의 내부에 침입한 플럭스를 막는 효과를 보다 높일 수 있다. 그 결과, 이너 핀과 중공 구조체의 납땜성을 보다 향상시킬 수 있다.
이너 핀과 중공 구조체가 선 접촉하도록 구성되어 있는 경우에는, 상기한 면접촉의 경우에 비해, 이너 핀과 중공 구조체의 접촉 면적이 좁아진다. 따라서, 이너 핀이 플럭스를 막는 것이 어려워지고, 플럭스가 이너 핀보다도 내측으로 용이하게 침입할 우려가 있다. 그리고, 이렇게 하여 침입한 플럭스는 Mg 등의 작용을 저해하고, 이너 핀과 중공 구조체의 납땜성의 저하를 초래할 우려가 있다.
이너 핀은 Si: 0.30 내지 0.70질량% 및 Mg: 0.35 내지 0.80질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 알루미늄 합금으로 구성되어 있다.
·Si: 0.30 내지 0.70질량%
Si의 함유량을 상기 특정 범위로 함으로써, 납땜 시의 가열 중에서의, 납재층에서 이너 핀으로의 Si의 확산을 억제할 수 있다. 그 결과, 납재층 중의 Si량의 저하를 억제하고, 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성을 향상시킬 수 있다. 또한, Si의 함유량을 상기 특정 범위로 함으로써, 이너 핀의 강도를 향상시킬 수 있다.
Si의 함유량이 0.30질량% 미만인 경우에는, 납재층에서 이너 핀으로의 Si의 확산에 의해 납재층 중의 Si량이 저하되어, 납땜성의 악화를 초래할 우려가 있다.
한편, Si의 함유량이 0.70질량%를 초과하는 경우에는, 이너 핀을 구성하는 알루미늄 합금의 융점의 저하를 초래할 우려가 있다. 따라서, 경우에 따라서는 납땜 시의 가열 중에 이너 핀이 용융하여, 납땜성의 저하를 초래할 우려가 있다.
·Mg: 0.35 내지 0.80질량%
이너 핀 중의 Mg는, 플럭스가 중공 구조체의 내측에 침입한 경우에 플럭스와 반응하여 반응 생성물을 생성시킬 수 있다. 이 반응 생성물은 플럭스의 유동성을 저하시키는 작용을 갖고 있다. 따라서, 이너 핀 중의 Mg의 함유량을 상기 특정 범위로 함으로써, 중공 구조체의 내부에 침입한 플럭스를 막는 효과를 높이고, 이너 핀과 중공 구조체의 납땜성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이너 핀 중의 Mg의 함유량을 상기 특정 범위로 함으로써, 이너 핀의 강도를 향상시킬 수 있다.
Mg의 함유량이 0.35질량% 미만인 경우에는, 상기한 이너 핀의 강도 향상 효과 및 플럭스를 막는 효과를 충분히 얻을 수 없게 될 우려가 있다.
Mg의 함유량이 0.80질량%를 초과하는 경우에는, 납땜 시의 가열 중에 이너 핀의 표면에 Mg의 산화물이 두껍게 퇴적할 우려가 있다. 이 경우에는, 클래드판의 납재층 중에 포함되는 Li, Be, Bi 및 심재층으로부터 확산된 Mg에 의한 산화 피막의 파괴가 충분히 이루어지지 않게 될 우려가 있다. 그 결과, 중공 구조체와 이너 핀의 납땜성 악화를 초래할 우려가 있다.
·Mn: 0.050 내지 1.30질량%, Fe: 1.0질량% 이하, Cu: 0.90질량% 이하, Zn: 6.5질량% 이하, Ti: 0.20질량% 이하 및 Zr: 0.50질량% 이하
이너 핀은, Mn: 0.050 내지 1.30질량%, Fe: 1.0질량% 이하, Cu: 0.90질량% 이하, Zn: 6.5질량% 이하, Ti: 0.20질량% 이하, Zr: 0.50질량% 이하로 이루어진 그룹 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하고 있어도 좋다. 이들 원소를 첨가함으로써, 이너 핀의 강도나 내식성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이들 원소의 함유량이 과도하게 많은 경우에는, 재료를 제작할 때의 압연 공정에서 균열이 발생되기 쉬워질 우려가 있다.
[플럭스]
중공 구조체의 당접부에 도포하는 플럭스는 Cs를 함유하고 있다. 플럭스는 통상, 납재층이 용융하는 온도보다도 낮은 온도에서 용융하고, 당접부의 표면에 존재하는 산화 피막을 파괴하기 시작한다. 이때, 심재층 중의 Mg의 대부분은 클래드판의 표면에 도달하지 않는다. 그러므로 플럭스는 심재층 중의 Mg와의 반응에 거의 영향을 받지 않고, 당접부의 표면에 존재하는 산화 피막을 파괴할 수 있다.
또한, 용융된 플럭스가 중공 구조체의 내부에 침입한 경우, 플럭스가 클래드판의 표면을 따라서 이너 핀측으로 이동하는 경우가 있다. 이때, 플럭스는 심재층으로부터 확산된 Mg와 서서히 반응하기 때문에, 유동성이 점차 저하된다. 따라서, 플럭스가 이너 핀까지 도달하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 플럭스가 이너 핀까지 도달한 경우라도, 상기한 바와 같이 이너 핀에 의해 플럭스의 대부분은 멈춰진다. 이러한 결과, 중공 구조체의 내부에 플럭스가 침입한 경우에도 중공 구조체와 이너 핀의 납땜을 실시할 수 있다.
플럭스로서는 예를 들면, 플루오로알루민산 세슘 등의 Cs-Al-F계 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 플럭스에는 납땜성을 악화시키지 않는 범위라면, 예를 들어 K-Al-F계 화합물 등의 Cs를 포함하지 않는 화합물이 포함되어 있어도 좋다. 통상, 플럭스는 물이나 알코올 등의 액체 중에 분산되어 있다. 또한, 당해 액체 중에는, 바인더 등의 첨가물이 포함되어 있어도 좋다.
Cs를 포함하는 플럭스는, 종래 사용되고 있는 K-Al-F계 플럭스에 비해, Mg와 접촉했을 때에 반응 생성물을 형성하기 어렵다. 또한, Cs를 포함한 플럭스와 Mg의 반응 생성물은 K-Al-F계의 플럭스와 Mg의 반응 생성물에 비해 납의 유동성을 저하시키기 어렵다. 그러므로, Cs를 포함하는 플럭스를 사용하여 납땜을 실시함으로써, 당접부의 납땜성을 보다 향상시킬 수 있다.
플럭스는, 전 고형분을 100질량%로 했을 때에 13 내지 58질량%의 Cs를 함유하고 있는 것이 바람직하다. 이 경우에는 중공 구조체의 당접부에서의 납땜성을 보다 향상시킬 수 있다. 플럭스 중의 Cs의 함유량이 13질량% 보다도 적은 경우에는, 플럭스와 Mg의 반응 생성물에 의해 납의 유동성이 저하되고, 당접부의 납땜성의 악화를 초래할 우려가 있다. 따라서, 납땜성을 보다 향상시키는 관점에서는, Cs의 함유량을 13질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 30질량% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.
당접부의 납땜성을 향상시키는 관점에서는, 플럭스 중의 Cs의 함유량을 많게 하는 것이 바람직하다. 그러나 Cs의 함유량이 58질량%를 초과하는 경우에는, 그 이상 Cs의 함유량을 늘려도, 함유량에 걸맞는 납땜성 개선의 효과를 얻는 것이 어렵다.
[납땜 방법]
상기 제조방법에 있어서는, 우선, 상기한 구성을 갖는 클래드판 및 이너 핀을 준비하여, 피처리물을 제작한다. 피처리물은 상기 클래드판으로 구성된 중공 구조체와, 이너 핀과, 플럭스를 갖고 있다. 피처리물을 조립하는 작업은, (1) 클래드판으로부터 중공 구조체를 제작하는 작업, (2) 중공 구조체의 내부에 이너 핀을 수용하는 작업, (3) 당접부에 플럭스를 도포하는 작업의 3공정을 갖고 있다. 이들 공정의 순서는 피처리물의 구조에 따라 적절히 변경할 수 있다.
즉, 상기 (1) 내지 (3)의 작업은, 상기한 순서로 실시해도 좋다. 또한, 예를 들어 당접부에 상당하는 위치에 미리 플럭스를 도포한 클래드판을 중공 구조체의 형상으로 성형하고, 그 후 이너 핀을 중공 구조체의 내부에 수용해도 좋다. 또한, 클래드판을 중공 구조체의 형상으로 성형하면서 이너 핀을 그 내부에 수용하는 등의 방법에 의해, 중공 구조체의 제작과 이너 핀의 수용을 병행하여 실시할 수도 있다.
클래드판 및 이너 핀의 표면에는 통상, 자연 산화 피막이 존재하고 있다. 이 자연 산화 피막의 두께를 얇게 하기 위해, 피처리물을 제작하기 전에 미리 클래드판 및 이너 핀에 에칭 처리를 하는 것이 바람직하다. 클래드판 및 이너 핀에 미리 에칭 처리를 실시함으로써, 이들의 표면에 존재하는 산화 피막의 두께를 얇게 할 수 있다. 그 결과, 플럭스나 Mg 등에 의해 산화 피막을 보다 용이하게 파괴할 수 있고, 납땜성을 보다 향상시킬 수 있다. 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는, 에칭 처리에 의해 표면에 존재하는 산화 피막의 두께를 5㎚ 이하까지 얇게 하는 것이 바람직하다.
에칭 처리로서는 예를 들어, 클래드판이나 이너 핀을 산 또는 알칼리에 침지하는 방법 등을 들 수 있다. 구체적으로, 산으로서는 불산의 희석 용액, 불산과 질산의 혼합 희석 용액, 인산과 황산의 혼합 희석 용액 등을 사용할 수 있다. 또한, 알칼리로서는 가성 소다의 용액 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기한 에칭 처리 후에, 클래드판 및 이너 핀의 표면에 불활성 가스 중에서의 열분해 온도가 380℃ 이하인 유제(油劑)를 도포하는 것이 보다 바람직하다. 이 경우에는, 유제에 의해 클래드판 및 이너 핀의 표면의 자연 산화를 억제할 수 있기 때문에, 에칭 처리에 의한 양호한 납땜성을 장기간에 걸쳐서 용이하게 유지할 수 있다.
또한, 상기 유제는 납땜 시의 가열 중에 용이하게 분해되기 때문에, 납땜 온도에서 피처리물의 표면에 잔류하기 어렵다. 그러므로, 피처리물의 표면에 상기 유제가 부착된 상태에서 납땜을 개시해도 납땜성을 해칠 우려가 작다. 따라서, 상기 유제를 사용함으로써, 양호한 납땜성을 유지하는 효과를 얻으면서, 탈지 처리를 생략하여 납땜의 작업 공정을 보다 간소화할 수 있다.
유제의 열분해 온도가 380℃를 넘는 경우에는, 납땜 중의 가열에 의해 유제가 클래드판 및 이너 핀의 표면에 소부(燒付)되어, 오히려 납땜성이 악화될 우려가 있다.
피처리물을 조립하는 작업에서의 플럭스의 도포량은, 당접부 1m당 0.05 내지 1.0g으로 하는 것이 바람직하다. 플럭스의 도포량을 상기 특정 범위로 함으로써, 중공 구조체에서의 당접부의 납땜성을 향상시키는 동시에, 플럭스 잔사에 의한 외관 품질의 저하나 표면 처리성의 저하를 회피할 수 있다. 또한, 플럭스의 도포량은 일반적으로는 단위 면적당 도포된 플럭스의 질량으로 나타낸다. 그러나, 상기 중공 구조체에서는 플럭스를 도포하는 폭이 좁기 때문에, 도포 면적을 정확하게 측정하는 것이 어렵다. 따라서, 플럭스의 도포량을 당접부 1m당 플럭스의 질량으로 규정하고 있다.
당접부 1m당 플럭스의 도포량이 0.05g 미만인 경우에는, 당접부의 표면에 존재하는 산화 피막을 충분히 파괴할 수 없고, 납땜성의 악화를 초래할 우려가 있다. 따라서, 납땜성 향상의 관점에서는, 당접부 1m당 플럭스의 도포량을 0.05g 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.15g 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.25g 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
납땜성 향상의 관점에서는, 플럭스의 도포량이 많을 수록 바람직하다. 그러나 플럭스의 도포량이 과잉이 되면, 도포량에 걸맞는 납땜성 향상의 효과를 얻는 것이 어려워질 우려가 있다. 또한, 도포량이 과도하게 많은 경우에는, 납땜 후의 열교환기에 부착하는 플럭스 잔사의 양이 많아져서, 오히려 외관 품질의 저하나 표면 처리성의 저하를 초래할 우려가 있다. 이들 과잉 플럭스에 기인하는 문제를 회피하는 관점에서, 당접부 1m당 플럭스의 도포량을 1.0g 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 피처리물을 조립하는 작업에서의 플럭스의 도포 폭은 5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.
피처리물을 조립한 후, 불활성 가스 분위기 하에서 피처리물을 가열하여 플럭스 및 납재층을 용융시킨다. 이로써, 중공 구조체 및 이너 핀을 일괄적으로 납땜할 수 있다.
불활성 가스로서는 종래 공지의 것을 사용할 수 있다. 양산 설비로의 적용의 관점에서는, 불활성 가스로서 질소, 아르곤 또는 질소와 아르곤의 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 납땜성을 향상시키기 위해서는, 불활성 가스 중의 산소 농도가 낮은 편이 바람직하고, 산소 농도가 100ppm 이하인 것이 보다 바람직하고, 50ppm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이러한 산소 농도는 종래부터 사용되고 있는 플럭스 납땜용 분위기 로(爐)에 의해 용이하게 실현할 수 있다.
납땜 시의 가열 온도는 585 내지 620℃로 하는 것이 바람직하고, 590 내지 610℃로 하는 것이 보다 바람직하다. 가열 온도가 585℃ 미만인 경우에는, 납의 유동성이 낮기 때문에, 납땜성이 악화될 우려가 있다. 가열 온도가 620℃를 초과하는 경우에는, 클래드판의 심재층이나 이너 핀의 일부가 용융하는 침식이 발생하여, 납땜 불량이 될 우려가 있다. 또한, 승온 중에서의 불필요한 산화를 억제하기 위해, 소정의 가열 온도에 도달할 때까지의 승온 속도가 빠른 편이 바람직하다.
실시예
(실시예)
상기 열교환기 및 이의 제조방법에 대해 도면을 사용하여 설명한다. 본 예의 열교환기(1)는 도 1에 도시한 바와 같이, 발열체를 탑재하는 발열체 탑재면(21)을 외표면에 갖는 동시에, 냉매가 유통되는 냉매 유로(22)를 내부에 구비한 재킷(2)과, 냉매 유로(22)에 배치된 이너 핀(3)을 갖고 있다. 재킷(2)은 Mg: 0.40 내지 1.0질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 판재로 구성되어 있다. 이너 핀(3)은 Si: 0.30 내지 0.70질량% 및 Mg: 0.35 내지 0.80질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 알루미늄 합금제의 압출 형재로 구성되어 있다.
재킷(2)을 구성하는 판재끼리는 Al-Si 합금으로 이루어진 재킷 접합부(23)를 통해 접합되어 있다. 또한 재킷(2)과 이너 핀(3)은 Al-Si 합금으로 이루어진 핀 접합부(24)를 통해 접합되어 있다. 본 예의 열교환기(1)에서는, 재킷(2)의 내표면에서의 재킷 접합부(23)로부터 이너 핀(3)의 단부, 즉 가장 외측의 핀 플레이트(313)(후술)까지의 사이에만 Cs가 존재하고 있다.
본 예의 재킷(2)은 도 1에 도시한 바와 같이, 재킷 상부(25)와, 재킷 하부(26)의 2개의 부품으로 구성되어 있고, 재킷 상부(25)와 재킷 하부(26) 사이에 통형상의 냉매 유로(22)가 형성되어 있다. 재킷 상부(25는 대략 직사각형상을 나타내는 정벽부(頂壁部)(251)와, 정벽부(251)의 폭 방향에서의 양단을 재킷 하부(26) 측에 굴곡하여 이루어진 측벽부(252)와, 측벽부(252)의 선단을 접어 이루어진 플랜지부(253)를 갖고 있다. 재킷 하부(26)와 플랜지부(253는 재킷 접합부(23)를 통해 접합되어 있다. 또한, 재킷 하부(26)의 외표면에는 발열체 탑재면(21)이 마련되어 있다.
본 예의 이너 핀(3)은 Si: 0.30 내지 0.70질량% 및 Mg: 0.35 내지 0.80질량%를 포함하는 알루미늄 합금으로 이루어진 압출 형재이다. 이너 핀(3)은 직사각형상을 나타내고, 서로 간격을 두고 판 두께 방향으로 늘어선 복수의 핀 플레이트(31)와, 인접한 핀 플레이트(31)를 연결하는 연결부(32)를 갖고 있다. 이너 핀(3)은 냉매 유로(22)의 중앙에 배치되어 있고, 핀 접합부(24)를 통해 정벽부(251)의 내표면 및 재킷 하부(26)의 내표면의 양쪽에 접합되어 있다.
열교환기(1)는 예를 들어 이하의 제조방법에 의해 제작할 수 있다. 우선, Mg: 0.40 내지 1.0질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 심재층(A)과, Si: 4.0 내지 13.0질량%를 필수로 포함하고, Li: 0.0040 내지 0.10질량%, Be: 0.0040 내지 0.10질량% 및 Bi: 0.010 내지 0.30질량% 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 포함하고, Mg의 함유량이 0.10질량% 미만으로 규제되고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖고, 심재층(A)의 적어도 한쪽 면에 클래드된 납재층(B)을 갖는 클래드판(200)을 준비한다. 또한 클래드판(200)과는 별도로 이너 핀(3)을 준비한다. 본 예에서는, 납재층(B)이 심재층(A)의 한쪽의 면에 클래드된 편면 클래드판을 준비했다.
이어서, 도 2에 도시한 바와 같이, 클래드판(200)으로 구성되고, 납재층(B)이 내측에 배치되어 있는 동시에, 납재층(B)끼리가 당접하는 당접부(201)를 갖는 중공 구조체(20)와, 중공 구조체(20)의 내부에 수용된 이너 핀(3)과, Cs를 함유하고, 당접부(201) 및 그 근방에 도포된 플럭스(도시 생략)를 갖는 피처리물(10)을 조립한다.
본 예의 중공 구조체(20)는 재킷 상부(25)에 상당하는 제1 클래드판(200a)과, 재킷 하부(26)에 대응하는 제2 클래드판(200b)의 2장의 클래드판(200)으로 구성되어 있다. 제1 클래드판(200a)은 중공 구조체(20)의 내표면측에 납재층(B)이 배치되도록 형성되어 있다.
제1 클래드판(200a) 및 제2 클래드판(200b)의 제작과는 별도로, Cs를 함유하는 플럭스를 준비했다. 본 예의 플럭스에는 Cs-Al-F계 화합물이 포함되어 있다. 플럭스는 분말상을 띠고 있고, 수중에 분산되어 있다.
제1 클래드판(200a) 및 제2 클래드판(200b)을 제작한 후, 이들 클래드판(200)의 납재층(B)에서의 당접부(201) 및 그 근방에 상당하는 부분에 플럭스를 도포했다. 플럭스를 건조시킨 후, 제2 클래드판(200b)의 중앙부에 이너 핀(3)을 재치(載置)하고, 납재층(B)과 핀 플레이트(31)의 판 폭 방향에서의 한쪽의 단면(311)을 면접촉시켰다. 그 후, 이너 핀(3)을 덮도록 하여 제1 클래드판(200a)을 제2 클래드판(200b)에 겹쳐서, 납재층(B)끼리를 당접시키는 동시에, 제1 클래드판(200a)의 납재층(B)과 핀 플레이트(31)의 판 폭 방향에서의 다른 쪽의 단면(312)을 면접촉시켰다. 그리고, 이 상태에서 제1 클래드판(200a)과 제2 클래드판(200b)을 지그(도시 생략)에 의해 고정하고, 도 2에 도시한 피처리물(10)의 조립을 완료했다.
피처리물(10)을 조립한 후, 불활성 가스 분위기 하에서 피처리물(10)을 가열하여 플럭스 및 납재층(B)을 용융시킴으로써, 중공 구조체(20) 및 이너 핀(3)을 일괄적으로 납땜했다. 이상에 의해, 도 1에 나타낸 열교환기(1)를 제작했다.
납땜 시에 피처리물(10)을 가열하면, 납재층(B)보다도 먼저 플럭스가 용융하여, 당접부(201)의 표면에 존재하는 산화 피막을 파괴한다. 이때, 도 3에 도시한 바와 같이, 용융된 플럭스(F)가 중공 구조체(20)의 내부에 침입하는 경우가 있다. 중공 구조체(20)의 내부에 침입한 플럭스(F)는 납재층(B)을 따라 유동하면서, 심재층(A)으로부터 확산된 Mg와 반응한다. 이로써, 플럭스(F)의 유동성은 점차 저하된다. 이에 의해, 이너 핀(3)에서의 가장 외측의 핀 플레이트(313)에 도달하기 전에 플럭스(F)의 유동을 정지시킬 수 있다.
또한, 본 예의 이너 핀(3)은 Mg를 함유하는 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 따라서 플럭스(F)가 핀 플레이트(313)에 도달한 경우라도, 플럭스(F)와 Mg의 반응에 의해, 플럭스(F)를 핀 플레이트(313)에 의해 막을 수 있다.
플럭스(F)가 용융한 후, 가열을 계속하여 피처리물(10)을 승온시키면, 납재층(B)이 용융된다. 이때, 당접부(201)의 표면에 존재하는 산화 피막은 이미 플럭스(F)에 의해 파괴되어 있다. 따라서, 당접부(201)에서는 플럭스(F)에 의한 납땜을 실시할 수 있다. 한편, 클래드판(200)의 내표면 및 핀 플레이트(31)의 표면에 존재하는 산화 피막은 심재층(A)으로부터 확산된 Mg 및 납재층(B)에 포함되는 Li나 Be, Bi에 의해 파괴된다. 이때, 중공 구조체(20)의 내부에 침입한 플럭스(F)는 도 3에 도시한 바와 같이, 당접부(201)에서 핀 플레이트(313)까지의 사이에 존재하고 있다. 따라서 플럭스(F)에 의해 저해되지 않고 핀 플레이트(313)보다도 내측의 핀 플레이트(314)와 중공 구조체(20)의 납땜을 실시할 수 있다.
이상과 같이, 피처리물(10)을 불활성 가스 분위기 하에서 가열함으로써, 비교적 산소 농도가 낮은 중공 구조체(20)의 내부에서는 플럭스를 사용하지 않고 납땜을 실시하고, 비교적 산소 농도가 높은 중공 구조체(20)의 외부에서는 플럭스를 사용하여 납땜을 실시할 수 있다. 그 결과, 도 1에 도시하는 열교환기(1)를 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 본 예의 열교환기(1)는 재킷(2)과, 재킷(2)에서의 냉매 유로(22)에 배치된 이너 핀(3)을 갖고 있다. 재킷(2)은 Mg를 함유하고 있는 알루미늄 합금으로 이루어진 판재로 구성되어 있기 때문에, 종래의 열교환기의 재킷(2)에 비해 강도가 높다. 그러므로, 재킷(2)의 소형화, 박육화를 용이하게 실시할 수 있다. 또한, 재킷(2)의 강도를 높임으로써, 열팽창에 의한 재킷(2)의 변형을 억제할 수도 있다.
(실험예)
본 예는, 심재층(A), 납재층(B) 및 이너 핀(3)을 구성하는 알루미늄 합금의 화학 성분을 다양하게 변경한 열교환기(1)의 예이다. 또한, 본 예에서 제작하는 열교환기(1)는 실시예와 동일한 형상을 갖고 있다. 또한, 본 예에서 사용하는 부호 중, 도 1 내지 도 3에서 사용한 부호와 동일한 것은 특별히 설명이 없는 한, 실시예와 동일한 구성 요소들을 나타낸다.
본 예에서는 우선, 이하와 같이 하여 클래드판(200) 및 이너 핀(3)을 제작했다.
[클래드판(200)]
표 1에 나타낸 화학 성분을 갖는 알루미늄 합금(A1 내지 A7)을 주조하고, 수득된 주괴를 560℃로 가열하여 균질화 처리를 실시했다. 이어서, 주괴의 양 판면을 면삭하여 두께 45㎜의 판재(A)를 제작했다. 이와는 별도로, 표 2에 나타낸 화학 성분을 갖는 알루미늄 합금(합금 B1 내지 합금 B22)을 주조하고, 수득된 주괴를 500℃로 가열하여 균질화 처리를 실시했다. 이어서, 주괴에 열간 압연을 실시하여, 두께 5㎜의 판재(B)를 제작했다. 또한, 표 1 및 표 2 중의 「Bal」은 잔부인 것을 나타내는 기호이다.
이상에 의해 수득된 판재(A) 및 판재(B)를 표 4에 나타낸 조합으로 겹쳐서 500℃로 가열했다. 그 후, 클래드 압연을 실시하여 판재(A) 및 판재(B)를 접합하여, 두께 3㎜의 판재를 제작했다. 이 판재에 냉간 압연을 실시하여 두께를 1.0㎜까지 압연한 후, 소둔을 실시했다. 이상에 의해, 표 4에 나타낸 클래드판(200)을 제작했다. 또한, 납재층(B)의 클래드율, 즉, 클래드판(200)의 판 두께에 대한 납재층(B)의 판 두께의 비율은 10%이다.
[이너 핀(3)]
표 3에 나타낸 화학 성분을 갖는 알루미늄 합금(C1 내지 C10)을 주조하고, 수득된 빌렛(billet)에 압출 가공을 실시하여, 이너 핀(3)을 제작했다. 또한, 표 3 중의 「Bal」은 잔부인 것을 나타내는 기호이다. 또한, 핀 플레이트(31) 및 연결부(32)의 두께는 0.8㎜로 했다.
이상과 같이하여 수득된 클래드판(200) 및 이너 핀(3)으로부터, 실시예와 동일한 방법에 의해 피처리물(10)을 조립했다. 클래드판(200)과 이너 핀(3)의 조합, 및 당접부 1m당 플럭스의 도포량(g/m)은 표 4에 나타내는 바와 같았다. 또한, 피처리물(10)의 길이는 100㎜, 폭은 100㎜로 했다. 또한, 플럭스의 도포 폭은 4㎜로 했다.
플럭스로서는 Cs-Al-F계 화합물과 K-Al-F계 화합물의 혼합물을 사용했다. 플럭스를 포함하는 도포액은 이하와 같이 하여 조제했다. 우선, Cs-Al-F계 화합물과 K-Al-F계 화합물을 혼합하고, Cs의 함유량이 표 4에 나타낸 값인 플럭스를 준비했다. 이 플럭스와 물을 1:1의 중량비로 혼합하여 플럭스를 수중에 현탁시켰다. 이상에 의해, 플럭스의 도포액을 조제했다.
본 예에서 당접부 1m당 플럭스의 도포량은 이하와 같이 하여 산출했다. 우선, 플럭스를 포함하는 도포액을 클래드판(200)에 도포하기 전에, 미리 제1 클래드판(200a), 제2 클래드판(200b) 및 이너 핀(3)의 질량을 측정했다. 이어서, 도포액을 각 클래드판(200)의 소정의 위치에 솔을 사용하여 도포하고, 피처리물(10)을 조립했다. 그 후, 도포액을 건조시킨 후의 피처리물(10)의 총 질량을 측정했다.
그리고 도포액을 건조시킨 상태의 피처리물(10)의 총 질량에서 제1 클래드판(200a), 제2 클래드판(200b) 및 이너 핀(3)의 질량을 빼서, 플럭스의 고형분의 총 질량을 산출했다. 이상에 의해 수득된 고형분의 총 질량을, 도면에 기초하여 산출되는 당접부(201)의 길이로 나눔으로써, 당접부 1m당 플럭스의 도포량을 산출했다.
피처리물(10)을 조립한 후, 질소 가스를 흘려 분위기 중의 산소 농도를 50ppm 이하로 조정한 가열로 내에서 피처리물(10)을 가열하여 납땜을 실시했다. 가열을 실시하고 있는 동안, 피처리물(10)의 온도를 계측하고, 온도가 600℃가 될 때까지의 도달 시간이 15분 정도가 되도록 피처리물(10)을 승온시켰다. 그리고, 피처리물(10)의 온도가 600℃에 도달한 후, 그 온도를 3분간 유지했다. 그 후, 가열로 내에서 피처리물(10)을 200℃까지 냉각하고나서 로 밖으로 꺼냈다. 이상에 의해, 표 4에 나타낸 열교환기(1)(시험체 1 내지 시험체 41)를 제작했다.
수득된 시험체의 길이 방향(냉매 유로(22)의 연신 방향)에서의 중앙부를 절단하고, 당해 단면에서의 재킷 접합부(23) 및 핀 접합부(24)의 각각에 대해 필렛의 형상을 관찰했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 표 4에서의 「필렛 형상」란에 기재한 기호는 필렛의 형상이 하기 상태인 것을 나타낸다.
A+: 연속해서 균일한 사이즈의 필렛이 형성되어 있었다
A: 필렛의 사이즈에 변동은 있지만, 연속된 필렛이 형성되어 있었다
B: 필렛이 부분적으로 끊어져 있고, 연속된 필렛이 형성되지 않았다
C: 대부분 필렛이 형성되어 있지 않거나, 또는 전혀 필렛이 형성되어 있지 않았다
Figure 112016128959612-pat00001
Figure 112016128959612-pat00002
Figure 112016128959612-pat00003
Figure 112016128959612-pat00004
표 1 내지 표 4에 나타낸 바와 같이, 시험체 1 내지 시험체 27은, 상기 특정 범위의 화학 성분을 갖는 클래드판(200)과, 이너 핀(3)을 사용하여 제작되었다. 따라서, 시험체 1 내지 시험체 27은 재킷 접합부(23) 및 핀 접합부(24) 중 어느 것에도 실용상 문제가 없는 레벨의 필렛을 형성할 수 있었다.
또한, 시험체 1, 시험체 7 내지 시험체 10, 시험체 13, 시험체 15 내지 시험체 21, 시험체 23 내지 시험체 24 및 시험체 26 내지 시험체 27은, 심재층(A) 중의 Mg량, 납재층(B) 중의 Si량, Li량, Be량, Bi량 및 Mg량, 플럭스의 도포량 및 플럭스 중의 Cs의 함유량이 보다 바람직한 범위였다. 따라서, 재킷 접합부(23) 및 핀 접합부(24) 중 어느 것에도 연속해서 균일한 사이즈의 필렛을 형성할 수 있었다.
시험체 28은 납재층(B) 중의 Li의 함유량이 적었기 때문에, 중공 구조체(20)의 내부에 존재하는 산화 피막이 충분히 파괴되지 않았다. 따라서, 핀 접합부(24)에서의 필렛의 형성이 불안정했다.
시험체 29는 납재층(B) 중의 Li의 함유량이 많았기 때문에, 중공 구조체(20)의 내부에 Li의 산화물이 다량으로 형성되었다. 따라서, 핀 접합부(24)에서 필렛이 형성되지 않았다.
시험체 30은 납재층(B) 중의 Be의 함유량이 적었기 때문에, 중공 구조체(20)의 내부에 존재하는 산화 피막이 충분히 파괴되지 않았다. 따라서, 핀 접합부(24)에서의 필렛의 형성이 불안정했다.
시험체 31은 납재층(B) 중의 Be의 함유량이 많았기 때문에, 중공 구조체(20)의 내부에 Li의 산화물이 다량으로 형성되었다. 따라서, 핀 접합부(24)에서 필렛이 형성되지 않았다.
시험체 32는 납재층(B) 중의 Bi의 함유량이 적었기 때문에, 중공 구조체(20)의 내부에 존재하는 산화 피막이 충분히 파괴되지 않았다. 따라서, 핀 접합부(24)에서의 필렛의 형성이 불안정했다.
시험체 33은 납재층(B) 중의 Bi의 함유량이 많았기 때문에, 중공 구조체(20)의 내부가 변색되었다. 또한, 시험체 33은 핀 접합부(24)에서의 필렛이 형성되지 않았다.
시험체 34는 납재층(B) 중의 Si의 함유량이 적었기 때문에, 납의 공급량이 부족했다. 따라서, 재킷 접합부(23)에서의 필렛의 형성이 불안정한 동시에, 핀 접합부(24)에서 필렛이 형성되지 않았다.
시험체 35는 납재층(B) 중의 Si의 함유량이 많았기 때문에, 납의 공급량이 과잉이 되고, 심재의 용해량이 증가했다. 그 결과, 재킷 접합부(23) 및 핀 접합부(24) 중 어느 것에도 필렛이 형성되지 않았다.
시험체 36은 납재층(B) 중의 Mg의 함유량이 많았기 때문에, Mg와 플럭스의 반응에 의해 당접부(201)에서의 납의 유동성이 저하되었다. 그 결과, 재킷 접합부(23)에서의 필렛 형성이 불안정했다.
시험체 37은 이너 핀(3) 중의 Si의 함유량이 적었기 때문에, 납땜 시의 가열 중에 납재층(B)으로부터 이너 핀(3)으로 확산되는 Si의 양이 많아졌다. 그 때문에, 납재층(B) 중의 Si량이 저하되었다. 또한, 시험체 37은 이너 핀(3) 중의 Mg의 함유량이 적었기 때문에, 가장 외측의 핀 플레이트(313)에 의해 플럭스를 막을 수 없었다. 그 때문에, 핀 플레이트(313)보다도 내측의 핀 플레이트(314)까지 플럭스가 침입했다. 이러한 결과, 시험체 37은 핀 접합부(24)에서의 필렛 형성이 불안정했다.
시험체 38은, 이너 핀(3) 중의 Mg의 함유량이 많았기 때문에, 이너 핀(3)의 표면에 Mg의 산화물이 다량으로 형성되었다. 그 결과, 핀 접합부(24)에서의 필렛 형성이 불안정했다.
시험체 39는, 이너 핀(3) 중의 Si의 함유량이 많았기 때문에, 이너 핀(3) 융점이 저하되고, 납땜 시의 가열 중에 이너 핀(3)의 일부가 용해했다. 그 결과, 핀 접합부(24)에서의 필렛 형성이 불안정했다.
시험체 40은, 심재층(A) 중의 Mg의 함유량이 적었기 때문에, 중공 구조체(20)의 내부에 존재하는 산화 피막이 충분히 파괴되지 않았다. 따라서, 핀 접합부(24)에서의 필렛의 형성이 불안정했다.
시험체 41은, 심재층(A) 중의 Mg의 함유량이 많았기 때문에, Mg와 플럭스의 반응에 의해 당접부(201)에서의 납의 유동성이 저하되었다. 그 결과, 재킷 접합부(23)에서의 필렛의 형성이 불안정했다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니고, 그 취지를 해치지 않는 범위에서 적절하게 구성을 변경할 수 있다. 예를 들어, 실시예 및 실험예에서는, 2장의 클래드판(200)으로 중공 구조체(20)를 조립하는 예를 설명했지만, 중공 구조체(20)는 1장의 클래드판(200)을 통형상으로 성형함으로써 제작해도 좋다.

Claims (9)

  1. Mg: 0.40 내지 1.0질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 심재층과, Si: 4.0 내지 13.0질량%를 필수로 포함하고, Li: 0.0040 내지 0.10질량%, Be: 0.0040 내지 0.10질량% 및 Bi: 0.01 내지 0.30질량% 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 포함하고, Mg의 함유량이 0.10질량% 미만으로 규제되고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖고, 상기 심재층의 적어도 한쪽의 면에 클래드된 납재층을 갖는 클래드판을 준비하고,
    Si: 0.30 내지 0.70질량% 및 Mg: 0.35 내지 0.80질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 이너 핀(inner fin)을 준비하고,
    상기 클래드판으로 구성되고, 상기 납재층이 내측에 배치되어 있는 동시에, 상기 납재층끼리가 당접하는 당접부를 갖는 중공 구조체와, 상기 중공 구조체의 내부에 수용된 상기 이너 핀과, Cs를 함유하고, 상기 당접부 및 그 근방에 도포된 플럭스를 갖는 피처리물을 조립하고,
    불활성 가스 분위기 하에서 상기 피처리물을 가열하여 상기 플럭스 및 상기 납재층을 용융시킴으로써, 상기 플럭스를 이용하여 상기 당접부의 납땜을 실시하는 것과 동시에 플럭스를 이용하지 않고 상기 중공 구조체와 상기 이너핀과의 납땜을 실시하는 것으로, 상기 중공 구조체 및 상기 이너 핀을 일괄하여 납땜하는, 열교환기의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 심재층은 Mn: 0.050 내지 1.3질량%, Si: 1.0질량% 이하, Fe: 1.0질량% 이하, Cu: 0.90질량% 이하, Zn: 6.5질량% 이하, Ti: 0.20질량% 이하 및 Zr: 0.50질량% 이하로 이루어진 그룹 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는, 열교환기의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이너 핀은 Mn: 0.050 내지 1.3질량%, Fe: 1.0질량% 이하, Cu: 0.90질량% 이하, Zn: 6.5질량% 이하, Ti: 0.20질량% 이하 및 Zr: 0.50질량% 이하로 이루어진 그룹 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는, 열교환기의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플럭스의 도포량은 상기 당접부 1m당 0.05 내지 1.0g인, 열교환기의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플럭스는 13 내지 58질량%의 Cs를 함유하는, 열교환기의 제조방법.
  6. Mg: 0.40 내지 1.0질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 판재로 구성되고, 발열체를 탑재하는 발열체 탑재면을 외표면에 갖는 동시에, 냉매가 유통되는 냉매 유로를 내부에 구비한 재킷과,
    알루미늄 합금으로 구성되고, 상기 냉매 유로에 배치된 이너 핀과,
    Al-Si 합금으로 이루어지고, 상기 재킷에서의 상기 판재끼리를 접합하는 재킷 접합부와,
    Al-Si 합금으로 이루어지고, 상기 재킷과 상기 이너 핀을 접합하는 핀 접합부를 갖고,
    상기 재킷의 내표면에서의, 상기 재킷 접합부로부터 상기 이너 핀까지의 사이에만 Cs가 존재하는, 열교환기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 판재는 Mn: 0.050 내지 1.3질량%, Si: 1.0질량% 이하, Fe: 1.0질량% 이하, Cu: 0.90질량% 이하, Zn: 6.5질량% 이하, Ti: 0.20질량% 이하, Zr: 0.50질량% 이하로 이루어진 그룹 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는, 열교환기.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 이너 핀은 Si: 0.30 내지 0.70질량% 및 Mg: 0.35 내지 0.80질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어진 화학 성분을 갖는 알루미늄 합금으로 구성되는, 열교환기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 이너 핀은 Mn: 0.050 내지 1.3질량%, Fe: 1.0질량% 이하, Cu: 0.90질량% 이하, Zn: 6.5질량% 이하, Ti: 0.20질량% 이하 및 Zr: 0.50질량% 이하로 이루어진 그룹 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는, 열교환기.
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