JP6182876B2 - 熱交換器用チューブおよび熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に搭載される熱交換器用チューブおよび熱交換器の製造方法に関するものである。

従来、アルミニウム製の熱交換器用チューブ（以下、単にチューブともいう）として、チューブの内部に、チューブの耐圧強度を高めるための内柱部が設けられたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなチューブは、扁平管状に折り曲げられた金属板の幅方向（曲げ方向）両端部を互いにろう付け接合することによって形成されている。

特表２００５−５１０６８８号公報

一般に、水を主成分とする流体をチューブ内に流通させる場合、チューブ内面（当該流体と接触する面）には、Ｚｎを添加した犠牲材層がクラッドされている。また、チューブの外面には、アウターフィンとの接合や、内柱部の接合のために、Ｓｉを添加したろう材層がクラッドされている。つまり、チューブは、犠牲材層−芯材−ろう材層を有する三層構造になっている。

ところで、チューブの薄肉化を図る場合、チューブの板厚を低下させるので強度が低下し、ひいては耐久性が低下する。これに対し、チューブの耐久性を向上させるために、芯材を構成するアルミニウムにＭｇを添加して強度を高める手法が考えられる。その際、芯材だけではなく、犠牲材にもＭｇを添加することで、さらにチューブの強度を向上させることができる。

しかしながら、Ｍｇは、アルミニウムのろう付け時に酸化皮膜を除去するフラックスの広がり性を阻害するため、ろう付け性が悪化するおそれがある。特に、上述したような内柱部を有するチューブでは、チューブ内面と内柱部との接合部、つまり、犠牲材層とろう材層との接触部分のろう付けを行う必要があるため、犠牲材に添加されたＭｇがろう付け性を悪化させるという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、ろう付け性を悪化させる材料を含有する熱交換器用チューブにおいて、被接合部材とのろう付け性の悪化を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部を流体が流通するとともに、折り曲げられた板材（２００）からなり、板材はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる芯材（２０１）を有している熱交換器用チューブであって、チューブ本体部（２１）と、フラックス（３００）が塗布されたろう材（２０２、８０２）でチューブ本体部とろう付けされる被接合部材（２２、８）とを有し、チューブ本体部の表面には、フラックスと反応する反応材料を含有し、かつ、芯材よりも電位が卑である犠牲材でクラッドされた犠牲材層（２０３）が形成され、チューブ本体部の一部には、チューブ本体部と被接合部材とが接合するろう付け面構成部（２１ａ）が形成されており、犠牲材層のうち、ろう付け面構成部に対応する部位は、ろう材以外の材料であって、かつ、反応材料以外の材料により構成された被覆材（４００）によって被覆されており、被覆材（４００）は、純アルミニウムまたは反応材料が含まれていないアルミニウム合金により構成されていることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明では、チューブ本体部と被接合部材とが前記ろう付け接合面においてろう付けされる熱交換器の製造方法であって、板材において、犠牲材がクラッドされた一方の面のうちろう付け接合面となる部位に、反応材料以外の材料により構成された被覆材（４００）を被覆する工程と、被覆材が被覆された板材を折り曲げ、チューブ本体部と被接合部材とが接するようにチューブを成形する工程と、成形された複数本のチューブをコアプレートに仮固定する工程と、複数本のチューブとコアプレートとを仮固定した仮組み付け体を加熱炉内で加熱し、ろう付けする工程とを備えることを特徴としている。

これによれば、フラックス（３００）と反応する反応材料を含有する材料により構成されているろう付け面構成部（２１ａ）を、当該反応材料以外の材料により構成される被覆材（４００）によって被覆する、すなわち、フラックス（３００）とろう付け面構成部（２１ａ）との間に被覆材（４００）を配置することで、ろう付け時に、ろう付け面構成部（２１ａ）から反応材料が被覆材（４００）へ拡散される。したがって、ろう付け面構成部（２１ａ）からの反応材料がフラックス（３００）へ拡散することを抑制できるので、反応材料とフラックス（３００）とが反応してろう付け性が悪化することを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１本実施形態におけるラジエータを示す正面図である。 第１実施形態に係るチューブの冷却水流通方向と直交する断面を示す断面図である。 図２のＩＩＩ部拡大図である。 第１実施形態におけるチューブの製造装置を示す模式図である。 第２実施形態に係るチューブの冷却水流通方向と直交する断面を示す断面図である。 図５のＶＩ部拡大図である。 他の実施形態に係るチューブの冷却水流通方向と直交する断面を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る熱交換器用チューブを、車両用エンジン（内燃機関）を冷却したエンジン冷却水と空気とを熱交換するラジエータ１のチューブ２に適用したものである。

図１中、チューブ２はエンジン冷却水が流れる管であり、このチューブ２は、空気の流通方向（紙面垂直方向）が長径方向と一致するように扁平状に形成されているとともに、その長手方向が水平方向に一致するように鉛直方向に複数本平行に配置されている。

また、チューブ２の両側の扁平面には波状に成形されたアウターフィン３が接合されており、このアウターフィン３により空気との伝熱面積を増大させてエンジン冷却水と空気との熱交換を促進している。以下、チューブ２およびアウターフィン３からなる略矩形状の熱交換部をコア部４と呼ぶ。

ヘッダタンク５は、チューブ２の長手方向端部（本実施形態では、左右端）にて、チューブ２の長手方向と直交する方向（本実施形態では、鉛直方向）に延びて複数のチューブ２と連通するものである。ヘッダタンク５は、チューブ２が挿入接合されたコアプレート５ａと、コアプレート５ａとともにタンク内空間を構成するタンク本体５ｂとを有して構成されている。なお、本実施形態では、コアプレート５ａは金属（例えば、アルミニウム合金）製であり、タンク本体５ｂは樹脂製である。

コアプレート５ａの縁部全周には、凹状の溝部（図示せず）が設けられている。この溝部には、ゴム等の弾性材からなるパッキン（図示せず）が配置されており、このパッキンにてタンク本体５ｂとコアプレート５ａとの隙間を液密に密閉している。コアプレート５ａの周縁部には爪部（図示せず）が立設されており、この爪部をタンク本体５ｂの外周縁に形成されたフランジにカシメ固定することによって、タンク本体５ｂはコアプレート５ａに組み付けられている。

コア部４の両端部には、チューブ２の長手方向と略平行に延びてコア部４を補強するインサート６が設けられている。

次に、本実施形態の特徴点であるチューブ２の形状について、図２および図３に基づいて説明する。

図２に示すように、チューブ２は、内部に冷却水が流通する冷却水流路（流体流路）２０を形成するチューブ本体部２１を有している。チューブ本体部２１の内部には、二つの扁平面同士を接続するように形成され、チューブ本体部２１の耐圧強度を高める内柱部２２が設けられている。内柱部２２は、チューブ本体部２１の内部における空気の流通方向の中央部に配置されている。この内柱部２２により、チューブ本体部２１内部の冷却水流路２０が二つに仕切られている。

チューブ本体部２１および内柱部２２は、アルミニウム合金製の板状部材２００を折り曲げることにより、一体に形成されている。具体的には、板状部材２００における両端部近傍の部位を、幅方向と交差する長手方向にわたって連続して、板状部材２００の裏面としてのチューブ内面１１側に突出するように略直角に折り曲げることにより、第１ろう付け部１２が形成されている。

板状部材２００における第１ろう付け部１２の内側を、幅方向と交差する長手方向にわたって連続して、板状部材２００の裏面としてのチューブ内面１１側に突出するように略直角に折り曲げることにより、第２ろう付け部１３が形成されている。チューブ２の長手方向（冷却水の流通方向）に垂直な断面において、第２ろう付け部１３の長さは、第１ろう付け部１２の長さよりも長くなっており、冷却水流路２０の高さＨｉとほぼ等しくなっている。なお、冷却水流路２０の高さＨｉとは、冷却水流路２０におけるチューブ積層方向の長さである。

そして、チューブ２は、板状部材２００における第２ろう付け部１３の内側を、チューブ内面１１側へ、すなわち反対側のチューブ外面１４側を外側にして曲げて、第１ろう付け部１２の表面側（チューブ外面１４側）の面が、板状部材２００における幅方向の中央部の裏面側（チューブ内面１１側）の面と、長手方向にわたって接するとともに、第２ろう付け部１３の表面側（チューブ外面１４側）の面同士が、長手方向にわたって接するように形成される。

これにより、第１ろう付け部１２および第２ろう付け部１３によって、内柱部２２が形成されている。また、板状部材２００における第１ろう付け部１２および第２ろう付け部１３以外の部位によって、チューブ本体部２１が形成されている。

第１ろう付け部１２を板状部材２００にろう付けすることにより、内柱部２２がチューブ本体部２１にろう付け接合されている。したがって、本実施形態の内柱部２２（より詳細には第１ろう付け部１２）が、本発明の被接合部材に相当している。

図３に示すように、板状部材２００は、アルミニウム合金製の芯材２０１を有している。本実施形態では、具体的に、芯材２０１として、アルミニウム−マグネシウム（Ａｌ−Ｍｇ）系合金が採用されている。

芯材２０１の表面（チューブ外面１４）には、アウターフィン３、第１ろう付け部１２および第２ろう付け部１３のろう付けを行うためのろう材２０２がクラッドされている。本実施形態では、具体的に、ろう材２０２として、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）系ろう材が採用されている。

芯材２０１の裏面（チューブ内面１１）には、芯材２０１よりも電位が卑となる材料で構成された犠牲材２０３がクラッドされている。犠牲材２０３は、芯材２０１に対して優先的に腐食することで、芯材２０１の腐食を抑制する機能を果たす。本実施形態では、具体的に、犠牲材２０３として、アルミニウム−亜鉛−マグネシウム（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ）合金が採用されている。

板状部材２００における、チューブ本体部２１と第１ろう付け部１２とのろう付け接合面には、当該ろう付け接合面の酸化皮膜を化学的に除去するフラックス３００が塗布されている。

上述したように、芯材２０１および犠牲材２０３の構成材料であるアルミニウム合金には、それぞれ、チューブ２の強度を高めるためにＭｇが添加されている。ここで、Ｍｇは、ろう材２０２には含有されておらず、かつ、フラックス３００と反応する材料である。したがって、本実施形態のＭｇが、特許請求の範囲の反応材料に相当している。

上述したように、芯材２０１および犠牲材２０３の構成材料にＭｇが添加されているので、チューブ本体部２１における第１ろう付け部１２との接合面を構成する部位（以下、ろう付け面構成部２１ａという）は、Ｍｇを含有するアルミニウム合金材料で構成されているといえる。本実施形態では、ろう付け面構成部２１ａは、板状部材２００の幅方向の略中央部に配置されている。

チューブ本体部２１のろう付け面構成部２１ａは、Ｍｇ以外の材料により構成された被覆材としてのコーティング材４００に被覆されている。本実施形態では、コーティング材４００として、純アルミニウムを採用している。

次に、本実施形態のチューブ２の製造方法について説明する。図４に示すように、チューブ製造装置は、材料ロール７１、コーティング装置７２、成形装置７３等から構成されている。

材料ロール７１は、チューブ材料である板状部材２００が巻かれたものである。コーティング装置７２は、材料ロール７１から取り出された板状部材２００の幅方向中央部に、コーティング材４００を塗布するものである。

成形装置７３は、コーティング装置７２によってコーティング材４００が塗布された板状部材２００をその長手方向に送りながら、板状部材２００に対して複数機の成形ローラ７３０にて塑性加工を施すことにより、板状部材２００を徐々に所定形状に成形するものである。具体的には、板状部材２００を上述したように折り曲げることにより、チューブ本体部２１および内柱部２２を一体に形成する。

次に、本実施形態のラジエータ１の製造方法について述べる。

まず、上記した方法で製造した複数本のチューブ２、タンク外方側の面、すなわちコア部４と対向する側の面にろう材がクラッドされたコアプレート５ａ、アウターフィン３、およびインサート６を用意する。

次に、所定間隔毎に整列配置された複数本のチューブ２間にアウターフィン３を装填してコア部４を仮組みした後、ヘッダタンク５のコアプレート５ａに形成された貫通孔（図示せず）内に各チューブ２およびインサート６を挿入する。これにより、ヘッダタンク５のコアプレート５ａ、各チューブ２、アウターフィン３、およびインサート６の仮固定（仮組み付け）が完了する。

次に、この仮組み付け体を加熱炉内に搬入し、コア部４（すなわちチューブ２およびアウターフィン３）、インサート６およびコアプレート５ａをろう付けにて一体接合する。より詳細には、上記仮組み付け体を加熱炉内で加熱することで、コアプレート５ａにクラッドされたろう材により、チューブ２およびインサート６がコアプレート５ａにろう付け接合されるとともに、チューブ２の表面にクラッドされたろう材２０２により、アウターフィン３がチューブ２の外表面にろう付け接合される。

このとき、チューブ２の表面にクラッドされたろう材２０２により、内柱部２２の第１ろう付け部１２がチューブ本体部２１にろう付け接合されるとともに、内柱部２２の対向する第２ろう付け部１３同士がろう付け接合される。

次に、タンク本体５ｂをコアプレート５ａに組み付ける。このようにして、図１に示すラジエータ１が完成する。

以上説明したように、本実施形態では、チューブ２を構成する板状部材２００の芯材２０１および犠牲材２０３にＭｇを添加している。このため、チューブ２の強度を高めることができるので、チューブ２の耐久性を向上させることが可能となる。一方、Ｍｇは、ろう付け時にフラックス３００と反応し、フラックス３００の広がり性を阻害し、ろう付け性が悪化するおそれがある。

これに対し、本実施形態では、Ｍｇを含有するアルミニウム合金により構成されているろう付け面構成部２１ａ（犠牲材２０３）を、Ｍｇを含有しない純アルミニウムにより構成されるコーティング材４００によって被覆している。すなわち、フラックス３００とろう付け面構成部２１ａとの間に、コーティング材４００を配置している。これによれば、板状部材２００のろう付け時に、ろう付け面構成部２１ａからのＭｇがコーティング材４００へ拡散されるので、Ｍｇがフラックス３００へ拡散することを抑制できる。したがって、Ｍｇとフラックス３００とが反応してろう付け性が悪化することを抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、第１実施形態と比較して、チューブ本体部２１の内部にインナーフィン８を設けた点が異なるものである。

図５に示すように、本実施形態のチューブ２は、チューブ本体部２１と、当該チューブ本体部２１内に設けられるとともに、冷却水との伝熱面積を増大させるインナーフィン８とから構成されている。チューブ本体部２１とインナーフィン８は、それぞれ異なる板状部材２００、８００で構成されている。ここで、インナーフィン８を構成する板状部材８００として、例えばアルミニウム合金を用いることができる。

本実施形態のチューブ本体部２１は、短径方向において並行に対向する第１平板部２１１および第２平板部２１２と、長径方向一端側（紙面左側）において外側に突出し円弧状に形成された円弧状湾曲部２１３と、長径方向他端側（紙面右側）において第１、第２平板部２１１、２１２をカシメ接合するカシメ部２１４から構成されている。円弧状湾曲部２１３は、第１、第２平板部２１１、２１２と一体に繋がって屈曲しており、第１、第２平板部２１１、２１２を接続している。

インナーフィン８のうちカシメ部２１４側には、第１、第２平板部２１１、２１２と平行な平板状に形成されたフィン側平板部８１が設けられている。このフィン側平板部８１は、チューブ本体部２１の第１、第２平板部２１１、２１２で挟まれた状態で、第１平板部２１１により、第２平板部２１２と共に巻きカシメされている。

ここで、巻きカシメとは、チューブ本体部２１の第１、第２平板部２１１、２１２のうち一方側の平板部（本実施形態では第１平板部２１１）を他方側の平板部（本実施形態では第２平板部２１２）に巻き付けるように一方側の平板部を塑性変形させて両平板部２１１、２１２を機械的に固定するものである。

インナーフィン８のうちフィン側平板部８１を除く部位は、冷却水流れ方向と略平行な平面部８２と、隣接する平面部８２間を繋ぐ頂部８３とを有するように波形状に形成されている。そして、頂部８３が、チューブ本体部２１の第１、第２平板部２１１、２１２と接するように形成されている。

インナーフィン８の頂部８３をチューブ本体部２１の第１、第２平板部２１１、２１２にろう付けすることにより、インナーフィン８がチューブ本体部２１にろう付け接合されている。したがって、本実施形態のインナーフィン８が、本発明の被接合部材に相当している。

図６に示すように、インナーフィン８を構成する板状部材８００は、アルミニウム合金製の芯材８０１を有している。本実施形態では、具体的に、芯材８０１として、アルミニウム−マグネシウム（Ａｌ−Ｍｇ）系合金が採用されている。

芯材８０１の両面には、チューブ本体部２１とのろう付けを行うためのろう材８０２がクラッドされている。本実施形態では、具体的に、ろう材８０２として、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）系ろう材が採用されている。

チューブ本体部２１とインナーフィン８とのろう付け接合面には、当該ろう付け接合面の酸化皮膜を化学的に除去するフラックス３００が塗布されている。

上述したように、板状部材２００の芯材２０１および犠牲材２０３の構成材料にＭｇが添加されているので、チューブ本体部２１におけるインナーフィン８との接合面を構成する部位（以下、ろう付け面構成部２１ａという）は、Ｍｇを含有するアルミニウム合金材料で構成されているといえる。

以上説明したように、本実施形態では、Ｍｇを含有するアルミニウム合金により構成されているろう付け面構成部２１ａを、Ｍｇを含有しない純アルミニウムにより構成されるコーティング材４００によって被覆している。これによれば、板状部材２００のろう付け時に、ろう付け面構成部２１ａからのＭｇがコーティング材４００へ拡散されるので、Ｍｇがフラックス３００へ拡散することを抑制できる。したがって、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記第１実施形態では、板状部材２００を両端部からチューブ内面１１側に向かって折り曲げることにより、チューブ本体部２１の内部に内柱部２２が設けられたチューブ２を形成した例について説明したが、チューブ２の形成方法はこれに限定されない。例えば、図７に示すように、板状部材２００の幅方向中央部に突起２４を屈曲形成し、その突起２４の対向する内面をろう付け接合するとともに、当該突起２４の厚さ方向（板状部材２００の幅方向）側部に板状部材２００の幅方向両端部２５をろう付け接合することによって、チューブ２を形成してもよい。

このとき、突起２４、および当該突起２４ろう付けされた板状部材２００の幅方向両端部２５によって、内柱部２２が形成されている。また、チューブ本体部２１における内柱部２２との接合面を構成する部位、すなわち板状部材２００の幅方向両端部２５が、ろう付け面構成部２１ａを構成している。

（２）上記実施形態では、コーティング材４００として、純アルミニウムを採用した例について説明したが、これに限らず、Ｍｇを含有していないアルミニウム合金や、Ｍｇを含有していないろう材を採用してもよい。

（３）上記実施形態では、チューブ２の強度を高めるために、チューブ２を構成する板状部材２００の芯材２０１および犠牲材２０３に、フラックス３００と反応する反応材料であるＭｇを添加した例について説明したが、これに限定されない。例えば、チューブ２を構成する板状部材２００の芯材２０１および犠牲材２０３に、ＴｉおよびＭｎの少なくとも一方を添加してもよい。

ここで、ＴｉおよびＭｎは、ろう付け時に溶融したろう材２０２の流動を阻害する流動阻害材料であるため、ろう材２０２にＴｉまたはＭｎが拡散すると、ろう付け性が悪化するおそれがある。

これに対し、ＴｉおよびＭｎの少なくとも一方を含有するアルミニウム合金により構成されているろう付け面構成部２１ａを、ＴｉおよびＭｎを含有しない材料により構成されるコーティング材４００によって被覆することで、板状部材２００のろう付け時に、ろう付け面構成部２１ａからＴｉやＭｎがコーティング材４００へ拡散される。したがって、ＴｉやＭｎがろう材２０２へ拡散することを抑制できるので、溶融したろう材２０２の流動が阻害されてろう付け性が悪化することを抑制できる。

この場合、コーティング材４００としては、純アルミニウム、ＴｉおよびＭｎを含有していないアルミニウム合金、または、ＴｉおよびＭｎを含有していないろう材を採用することができる。

２１ チューブ本体部
２１ａ ろう付け面構成部
２２ 内柱部（被接合部材）
２０１ 芯材
２０２ ろう材
３００ フラックス
４００ コーティング材（被覆材）

Claims (4)

1. 内部を流体が流通するとともに、折り曲げられた板材（２００）からなり、前記板材はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる芯材（２０１）を有している熱交換器用チューブであって、
   チューブ本体部（２１）と、
   フラックス（３００）が塗布されたろう材（２０２、８０２）で前記チューブ本体部とろう付けされる被接合部材（２２、８）とを有し、
   前記チューブ本体部の表面には、前記フラックスと反応する反応材料を含有し、かつ、前記芯材よりも電位が卑である犠牲材でクラッドされた犠牲材層（２０３）が形成され、
   前記チューブ本体部の一部には、前記チューブ本体部と前記被接合部材とが接合するろう付け面構成部（２１ａ）が形成されており、
   前記犠牲材層のうち、前記ろう付け面構成部に対応する部位は、前記ろう材以外の材料であって、かつ、前記反応材料以外の材料により構成された被覆材（４００）によって被覆されており、
   前記被覆材（４００）は、純アルミニウムまたは前記反応材料が含まれていないアルミニウム合金により構成されていることを特徴とする熱交換器用チューブ。
2. 前記チューブ本体部（２１）は、折り曲げられた板状部材（２００）により構成されているとともに、前記チューブ本体部（２１）内の流体流路（２０）を複数に仕切る内柱部（２２）を有しており、
   前記板状部材（２００）のうち前記内柱部（２２）を構成する部分が、前記被接合部材であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用チューブ。
3. 前記チューブ本体部（２１）は、折り曲げられた板状部材（２００）により構成され、
   前記被覆材（４００）は、前記チューブ本体部（２１）においては、前記板状部材（２００）の幅方向中央部のみに配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器用チューブ。
4. 内部を流体が流通するとともに、積層配置される複数本のチューブ（２）と、前記複数本のチューブの端部が挿入接合されたコアプレート（５ａ）を有し、
   前記チューブは、
   アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる芯材（２０１）を有する板材（２００）を折り曲げて形成され、
   チューブ本体部（２１）と被接合部材（２２、８）とのろう付け接合面に形成される酸化皮膜を化学的に除去するフラックス（３００）が前記ろう付け接合面に塗布されるとともに、
   前記芯材の一方の面に前記フラックスと反応する反応材料を含有し、かつ、前記芯材よりも電位が卑である犠牲材（２０３）がクラッドされており、
   前記チューブ本体部と前記被接合部材とが前記ろう付け接合面においてろう付けされる熱交換器の製造方法であって、
   前記板材において、前記犠牲材がクラッドされた前記一方の面のうち前記ろう付け接合面となる部位に、前記反応材料以外の材料により構成された被覆材（４００）を被覆する工程と、
   前記被覆材が被覆された前記板材を折り曲げ、前記チューブ本体部と前記被接合部材とが接するように前記チューブを成形する工程と、
   成形された複数本の前記チューブを前記コアプレートに仮固定する工程と、
   複数本の前記チューブと前記コアプレートとを仮固定した仮組み付け体を加熱炉内で加熱し、ろう付けする工程とを備えることを特徴とする熱交換器の製造方法。

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