JPH0788634A

JPH0788634A - アルミニウム合金製熱交換器の製造方法

Info

Publication number: JPH0788634A
Application number: JP21804193A
Authority: JP
Inventors: Takenobu Dokou; 武宜土公; Koji Okada; 光司岡田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1993-08-10
Filing date: 1993-08-10
Publication date: 1995-04-04

Abstract

(57)【要約】【構成】アルミニウム合金ブレージングシートを用い
フラックスを用いるブレージング法によりアルミニウム
合金製熱交換器を製造するにあたり、ろう付加熱温度を
570℃を越え 585℃以下の温度で行うことを特徴とする
アルミニウム合金製熱交換器の製造方法。【効果】本発明法により、熱交換器を製造した場合、
ろう付中のフィンの座屈が少なく、部材の熱伝導性、強
度向上効果があり、熱交換器の小型、軽量化が可能であ
り、工業上顕著な効果を奏するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム合金製熱
交換器の製造方法に関するものであり、さらに詳しく
は、アルミニムウ合金ブレージングシートを用いてブレ
ージング法により熱交換器を製造する方法である。本発
明により製造された熱交換器は、高強度のアルミニウム
合金の使用が可能で、ブレージング時のろうの拡散量が
少なく、フィンの熱伝導性が高く、さらに熱交換器とし
た後の耐食性に優れたものであり、従来より小型、軽量
化が可能である。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ラジエ
ーター等の熱交換器は例えば図１に示すように複数本の
偏平チューブ（１）の間にコルゲート状に加工した薄肉
フィン（２）を一体に形成し、該偏平チューブ（１）の
両端はヘッダー（３）とタンク（４）とで構成される空
間にそれぞれ開口しており、一方のタンク側の空間から
偏平チューブ（１）内を通して高温冷媒を他方のタンク
（４）側の空間に送り、チューブ（１）およびフィン
（２）の部分で熱交換して低温になった冷媒を再び循環
させるものである。

【０００３】このような熱交換器のチューブ材およびヘ
ッダー材は例えばＪＩＳ３００３（Ａｌ−0.15wt％Ｃｕ
− 1.1wt％Ｍｎ）合金を芯材とし、該芯材の内側、すな
わち冷媒に常時触れている側には内張材としてＪＩＳ７
０７２（Ａｌ−１wt％Ｚｎ）合金を、そして、該芯材の
外側には、通常ＪＩＳ４０４５（Ａｌ−10wt％Ｓｉ）合
金等のろう材をクラッドしたブレージングシートを用
い、コルゲート加工を行ったフィン等の他の部材ととも
にブレージングにより一体に組み立てられている。

【０００４】また、図２はサーペンタインタイプのコン
デンサーであるが、熱間または温間で管状に押し出し成
形した管材（５）を蛇行状に折り曲げ、管材の間にブレ
ージングシートからなるコルゲートフィン（６）を取付
けたものである。ここで（７）はコネクターを示す。管
材にはＪＩＳ３００３合金等が用いられ、フィンにはＪ
ＩＳ３００３合金やそれに犠牲効果を与える目的でＺｎ
等を含有した合金を芯材とし、ＪＩＳ４０４５合金やＪ
ＩＳ４３４３（Ａｌ− 7.5wt％Ｓｉ）合金等のろう材を
両面にクラッドしている。これらは、いずれも 600℃付
近の温度に加熱してろう付けするブレージングにより組
み立てられるが、ブレージング工法としては、フラック
スブレージング法、非腐食性のフラックスを用いたノコ
ロックブレージング法等が行われる。

【０００５】ところで、近年、熱交換器は軽量・小型化
の方向にあり、そのために材料の薄肉化が望まれてい
る。しかし、従来の方法で薄肉化を行った場合、多くの
問題点が生じる。

【０００６】まず、冷媒通路構成部材（チューブ材等）
にしても、フィンにしても材料の肉厚が減少する分強度
を向上させる必要があり、高強度合金がいくつか提案さ
れているが十分な強度が得られていない。これは、材料
の強度を向上させるためには合金元素の添加が必要であ
るが、合金元素を添加すると該材料の融点が低下し、60
0 ℃付近の温度に加熱するブレージング工程時に溶融し
てしまうためである。

【０００７】また、犠牲層を有する冷媒通路構成部材で
は、芯材にＣｕを含有した合金を用いるとブレージング
時にＣｕが犠牲層に拡散し、犠牲層が犠牲層としての効
果を有さなくなって耐食性が低下する。そのため、強度
向上のために添加できる芯材へのＣｕ量は限られてしま
う。

【０００８】また、ブレージング時にフィンが座屈した
り、フィンにろうが拡散し溶融してしまう現象は、フィ
ンが薄くなるほど生じやすくなり、ベアのフィンでは板
厚50μｍ、ブレージングシートフィンで板厚 100μｍが
限界とされている。このように座屈が生じると通風抵抗
の増加により熱交換器の熱効率が低下する。

【０００９】さらに、材料の薄肉化に伴い熱交換器の熱
効率が低下する問題を解決するために、熱伝導性に優れ
たフィンの開発がなされており、例えばＡｌ−Ｚｒ系合
金のフィン材が提案されている。しかし、そのようなフ
ィン材は強度が低く、さらにろう付加熱時にろうが拡散
し易いという問題点がある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明はこれに鑑み、ブ
レージング法による小型、軽量化が可能なアルミニウム
合金製熱交換器の製造方法について開発したものであ
る。すなわち、本発明は、アルミニウム合金ブレージン
グシートを用いフラックスを用いるブレージング法によ
りアルミニウム合金製熱交換器を製造するにあたり、ろ
う付加熱温度を 570℃を越え 585℃以下の温度で行うこ
とを特徴とするアルミニウム合金製熱交換器の製造方法
である。

【００１１】まず、本発明の考え方について説明する。
アルミニウム合金製熱交換器を上記のようにブレージン
グ工法にて製造する場合、その加熱は通常 600℃付近の
温度で行われている。この 600℃という温度はアルミニ
ウム合金にとってかなりの高温であるため、下記の４つ
の問題が生じる。すなわち、加熱中にフィンが座屈す
る、合金中の金属間化合物が再固溶してフィンの熱伝
導性が低下する、低融点の高強度合金が使用できな
い、犠牲層を有する冷媒通路構成部材では芯材のＣｕ
が犠牲層に拡散して耐食性が低下する。

【００１２】発明者らは、これらの問題を解決するため
に鋭意検討を行い、ブレージング加熱温度を下げること
が有効ではないかと考え、何℃以下に下げたらこのよう
な問題点を解決できるか検討したところ、 585℃以下で
あれば、ろう付中のフィンの座屈が生じにくくなり、熱
伝導性の低下がわずかとなり、Ｓｉの添加量を増やすこ
とで合金の強度を向上できること、さらに、Ｃｕの拡散
量が減り耐食性が向上することを見出した。上記４点を
さらに詳しく説明する。

【００１３】フィンの座屈の大部分は、高温でのフ
ィンに高温クリープ現象が生じることで発生するもので
あり、 590℃付近を境にそれより高い温度で急激に生じ
る（フィンが弱くなる）ことを見出した。そのため、 5
85℃以下であればこれを原因とする座屈は生じないので
ある。さらに、フィンにろうが拡散することを原因とす
る座屈があるが、ろうの拡散は 595℃付近を境にそれよ
り高い温度で急激に生じることを見出した。そのため、
585℃以下であればろう拡散は少なくなり、全体として
フィンの座屈は生じにくくなるのである。

【００１４】ブレージングを行うフィン材の熱伝導
性は、アルミニウム合金中に析出していた金属間化合物
がろう付加熱時に再固溶するために低下する。そして加
熱温度が高いほど合金元素の固溶限が大きくなりかつ拡
散速度が大きくなるので、再固溶は進行しやすくなる。
そのため、ブレージング温度を下げることはフィンの熱
伝導性を高めるのに効果があることを見出し、 585℃以
下であれば再固溶の進行速度が小さく、熱伝導性の低下
は少ないことを見出した。

【００１５】強度については、高強度アルミニウム
合金として添加される元素はＣｕ，Ｍｇ，Ｓｉ等がある
が、冷媒通路構成部材として用いる場合、耐食性やろう
付性を考慮しなければならないし、フィンとして用いる
場合、犠牲効果、熱伝導性やろう付性を考慮しなければ
ならない。よって、強度向上のために添加量を増すこと
ができる元素は限られ、具体的にはＳｉの添加が有力で
ある。 600℃のろう付で添加可能のＳｉ量は１wt％程度
であるのが、 585℃以下では 2.5wt％程度の添加が可能
となる。

【００１６】冷媒通路構成部材として犠牲層を有し
た材料では、これまで、高強度化が難しかった。それ
は、高強度化のために、芯材にＣｕを添加すると冷媒通
路構成部材の耐食性が急激に低下するためである。この
原因について発明者らが鋭意検討を行ったところ、芯材
中のＣｕが犠牲層に拡散することおよび犠牲材の成分
（例えばＺｎ）が芯材に拡散することで、犠牲層の成分
がブレージング前と比べ大きく変化し、これが原因で犠
牲効果が減じ耐食性が低下することを見出した。そこで
拡散を防止する方法を種々検討したが、高温での原子の
拡散が原因で生じるために通常の方法では防止効果がな
く、加熱温度を低下させることが有効な手段であること
を見出し、その温度を検討した。その結果、上記〜
の上限温度である 585℃と通常のブレージング温度であ
る 600℃とを比較してみたところ、585 ℃の場合の方が
拡散量が減り、耐食性が向上することを見出したもので
ある。

【００１７】さて、このように通常のろう付温度より低
い温度でろう付を行う方法に、低温ろう付と言われてい
る 500℃前後の温度でろう付を行う方法が知られてい
る。この方法はＺｎを20％以上を含有したＡｌ−Ｚｎ系
合金やＺｎ合金を通常ろうとして用いるために、ろう付
後にろう材が腐食されやすいという問題点があり、現実
的には熱交換器として使用されていない。さらに、Ａｌ
−Ｚｎ系合金でＺｎの添加量が８％を越えると圧延性が
非常に悪くなるので合わせ圧延によるブレージングシー
トの製造は不可能であり、工業的に安定して低温ろう付
用のブレージングシートを供給する製造方法は確立され
ていない。そのため、置きろう等としてろうを用いねば
ならず、製造できる部材の種類は限られている。しか
し、発明者らは上記のように低温ろう付よりはるかに高
温である 585℃以下のろう付温度でも熱交換器の特性向
上が可能なことを見出しており、それならば、ブレージ
ングシートとして使用できるろうの開発が可能であると
考え、実用性を見出したのである。

【００１８】ところで、従来より低融点のアルミニウム
合金ろうとして知られている合金がある（例えば特開平
3-57588 号公報）。これらは、主に鋳物をろう付するた
めに開発されたものであり、多量のＣｕが含有されてい
たり、上記のように８％を越えるＺｎを添加しているた
め、圧延加工を行うと割れてしまう問題があったのでブ
レージングシートの製造ができなかったのである。ブレ
ージングシートとして使用できなければ、工業的に熱交
換器を製造するのに実用性が乏しく、従って本発明で開
示した方法は行われていなかった。

【００１９】そこで、発明者らは 585℃以下の温度でろ
う付可能で、合わせ圧延によりブレージングシートとし
て製造可能なろう合金の検討を行い、Ａｌ−11％Ｓｉ−
0.3％Ｆｅ− 2.5％Ｃｕ−４％Ｚｎ合金を代表とする合
金を見出したのである。この組成の合金は、ブレージン
グシートの製造ができ、 570℃を越えた温度でブレージ
ングできるものであり、本発明に到ったのである。以下
に本発明に用いるアルミニウム合金材料等について詳し
く説明する。

【００２０】本発明の熱交換器はアルミニウム合金製ブ
レージングシートを用いて、ブレージングにより製造す
るものであるが、この際ろう合金として従来用いられて
いる合金を用いると、圧延加工性が悪くてブレージング
シートに製造できないか、または融点が高くてろう付で
きない。

【００２１】そこで、本発明に用いるろう材の合金組成
としては 7.0wt％を越え12.0wt％以下のＳｉ、 0.1wt％
を越え 8.0wt％以下のＣｕ、0.05wt％を越え 0.5wt％以
下のＦｅを含有し、さらに 0.5wt％を越え 6.0wt％以下
のＺｎ、 0.002wt％を越え0.3 wt％以下のＩｎ、 0.002
wt％を越え 0.3wt％以下のＳｎのうち１種または２種以
上を含有したアルミニウム合金が推奨される。以下にそ
の限定理由を説明する。

【００２２】Ｓｉは合金の融点を下げるが、その量が
7.0wt％以下では十分に融点が低下せず、 585℃以下の
温度でろう付できない。さらに、その量が11.0wt％を越
えると逆に融点が上がるため、 585℃以下の温度でろう
付できなくなる。

【００２３】Ｃｕは合金の融点を下げ、ろう流れ性を向
上する。さらにＣｕは冷媒通路構成部材にＣｕを添加し
た合金を用いる場合に熱交換器の外部耐食性を高める働
きを有する。すなわち、熱交換器の外部耐食性について
さまざまな検討を行い、ろう材にＣｕを添加しない場
合、通路構成部材中に添加されているＣｕがろう付中に
ろう材に拡散し、ろう材と通路構成部材との境界付近に
低Ｃｕ領域が生じてそこが優先的に腐食されるため、膨
れをともなう激しい腐食を生じるのを見出した。本発明
ではろうにＣｕを添加することで、通路構成部材からろ
う材へのＣｕの拡散を防止し、ろう材と犠牲材との境界
付近に低Ｃｕ領域が生じないようにし、耐食性を向上さ
せた。ここで、Ｃｕの量が 0.1wt％以下では上記の効果
が十分でなく、その量が 8.0wt％を越えるとろうの電位
が貴になりすぎて、冷媒通路構成部材が優先的に腐食す
るようになり、耐食性が低下する上に、合金の圧延加工
性が低下し、熱交換器用のブレージングシートに用いる
ろうとしては適さなくなる。したがって、Ｃｕは 0.1wt
％を越え 8.0wt％以下とするが、特に 0.5〜3.5 wt％で
安定した特性を示す。

【００２４】Ｆｅはろうが溶融後凝固するときの結晶粒
を微細化し、フィレットの強度を高める働きを有する
が、その量が0.05wt％以下では十分に効果を発揮しな
い。さらに、Ｆｅは凝固時に金属間化合物を形成し、こ
れが腐食の起点となる。そのため、Ｆｅ量は結晶粒の微
細化効果と腐食性とのバランスからその上限を 0.5wt％
と定める。

【００２５】Ｚｎの添加は合金の融点を下げる。さら
に、本発明のようにＣｕを添加したろう合金では外部腐
食によるふくれの発生は抑えられるものの、ろうの電位
が芯材の電位より貴になり、外部腐食がピット状に進行
しその速度が速いという問題がある。そこでＺｎを添加
することによりろうの電位を下げ、ろうの電位を芯材合
金の電位に近づけ、耐食性を向上させる。しかし、その
量が 0.5wt％以下では効果が十分でなく、その量が 6.0
wt％を越えるとろうの自己耐食性が低下する上に、合金
の圧延加工性が低下し、熱交換器用のブレージングシー
トに用いるろうとしては適さなくなる。

【００２６】ＩｎおよびＳｎはろうの電位を卑にし冷媒
通路構成部材の耐食性を向上させる。従ってＺｎの効果
を助ける意味で添加する。その量が 0.002wt％以下では
効果が十分でなく、その量が 0.3wt％を越えると合金の
圧延加工性が低下する。

【００２７】ろうの合金元素は以上の通りであるが、不
可避的不純物として、他の元素もそれぞれ0.05wt％以下
であれば含有しても本発明を実施するろう材として使用
できる。

【００２８】ろう材以外は特に限定しない。従来と同じ
冷媒通路構成部材やフィンを用いればよい。即ち 600℃
付近の温度でろう付を行うための合金（例えば３００３
合金をベースに各種元素を添加した合金や１０００系の
合金）をそのまま用いて構わない。これは、本発明を用
いて 585℃以下の温度でろう付を行った場合、フィンの
高温座屈性および熱伝導性は必ず向上するからである。
また、合金の高強度を狙って、耐食性等の条件が許せ
ば、例えば１０００系合金や３０００系合金でＳｉやＣ
ｕを 1.2wt％以上添加したアルミニウム合金の使用も可
能である。

【００２９】本発明は、アルミニウム合金製熱交換器の
ろう付に用いられる。ここでいうアルミニウム合金製熱
交換器は、ラジエーター、コンデンサー、エバポレータ
ー等が上げられるがこれに限定するものでない。ここで
本発明の用途を熱交換器に限定したのは、本発明を実施
した場合、材料の熱伝導の向上効果により熱交換器の熱
効率の向上の効果があり、さらに、熱交換器には通常フ
ィンを有しているが、フィンの対高温座屈性向上に効果
があるためである。

【００３０】ここで、本発明のろう付条件は上記のよう
に、温度は限定されるが、それ以外の条件は従来とほと
んど同様でよい。すなわち、フラックスブレージング
法、非腐食性のフラックスを用いたノコロックブレージ
ング法等であればよく特に限定するものではない。ろう
付け前の組み立て、洗浄、場合によってフラックス塗布
等は従来通り行えばよい。この場合フラックスは、例え
ばセシウム系のフラックスを用いても、本発明の温度域
でろう付可能である。

【００３１】なお、本発明では、加熱の後の工程は特に
限定しない。従来より行われているように、時効処理や
フラックス除去や塗装等の工程を行えばよい。

【００３２】

【実施例】以下に実施例により本発明を具体的に説明す
る。

【００３３】（実施例１）表１の右欄の合金組成のベア
材からなるフィン、および同表の左欄の合金組成のろう
材と右欄の前記ベア材と同じ合金組成の芯材との組合せ
からなるブレージングシートフィンを作製した。フィン
の板厚はベアフィンで0.06mm、ブレージングシートフィ
ンで0.11mmであり、かつブレージングシートフィンの場
合ろう材は芯材の両面に10％ずつクラッドしたＨ１４調
質である。これらを、表２のろう付加熱条件でＮ₂ガス
中で加熱を行い、垂下試験、引張試験、導電率測定を行
った。

【００３４】垂下試験は突き出し長さ50mmで実施した。
またブレージングシートフィンの場合ろうが表面に存在
し、ろう付加熱後のフィンの正確な断面積の測定が困難
なため、強度と導電率を測定してもその信頼性が十分で
ない。そこで強度と導電率についてはベアフィンの測定
値のみを示した。なおブレージングシートフィンの導電
率と強度は芯材と同一の組成を有するベアフィンの導電
率と強度にほぼ対応した傾向を示すことが知られてい
る。また、導電率は熱伝導性の指標であり、フィンの導
電率が５％ＩＡＣＳ向上すると熱交換器の熱効率は１％
程度向上する。これらの結果を表２に記した。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】表２から従来例及び比較加熱条件を実施し
たフィン材は引張強さと導電率と垂下性の全てに優れて
いるものがないのに対して、本発明加熱条件を実施した
フィン材は優れた値を示している。

【００３８】（実施例２）表３に示す組成の芯材の両面
にそれぞれ同表に示す組成のろう材と犠牲材をクラッド
したアルミニウム合金チューブ材用の板厚0.25mmの３層
ブレージングシート板材を通常の方法により製造した。
なおろう材のクラッド率は10％、犠牲材のクラッド率は
15％である。また、犠牲材中には不純物元素として、Ｆ
ｅ、Ｓｉがそれぞれ0.01〜0.2 wt％の範囲内で含まれて
いる。これらを、表４のろう付加熱条件でＮ₂ガス中で
加熱を行った。得られた板材に引張試験、並びにろう材
部を外側、犠牲材部を内側として、外部耐食性試験およ
び内部耐食性試験を行った。

【００３９】外部耐食性試験はろう材の表面中央部のみ
を露出させ、他の面をすべてシールし、ＣＡＳＳ試験
（ＪＩＳＨ８６８１）を 360時間行い、孔食の発生状況
を調べた。結果を表４に記した。内部耐食性試験は、ろ
う材部をマスキングした板材をＣｕ²⁺イオンを 10ppm添
加した水道水中に５カ月間浸漬し、80℃×８時間と室温
×16時間のサイクル腐食試験を行い、犠牲材表面に発生
したピット深さを光学顕微鏡による焦点深度法によって
求めた。この結果を表４に併記した。

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】表４より比較加熱条件Ｎo.３は芯材のＳｉ
およびＣｕ添加量が多いため、 600℃のろう付温度では
溶融している。また比較加熱条件Ｎo.４は芯材中のＣｕ
が犠牲層に拡散したため、発明例と比較して、内部耐食
性が低下している。他方従来例はＣｕを比較的多く芯材
に含有した例であるが、耐食性に劣っている。これらに
対して、本発明加熱条件によれば、高強度材の使用が可
能であり、耐食性にも優れている。

【００４３】（実施例３）表５のＮo.１，２に示す組成
のベア材からなる板厚0.06mmのアルミニウム合金フィン
材と、Ｎo.３〜７に示す組成の芯材の片面に同じくＮo.
３〜７に示す組成のろう材を10％の厚さでクラッドし、
他の片面に下記組成の犠牲材を15％の厚さでクラッドし
た構成の板厚 0.3mmの電縫チューブ材および同じ構成の
板厚１mmのヘッダープレート材とを表６に示すように組
合せ図１に示すラジエーターを組み立てた。即ち部材番
号Ｎo.３、Ｎo.４、Ｎo.７の犠牲材組成はＡｌ−４wt％
Ｚｎ−２wt％Ｍｇ合金、部材番号Ｎo.５のものはＡｌ−
４wt％Ｚｎ、部材番号Ｎo.６のものはＡｌ−１wt％Ｚｎ
である。ここでチューブ材は、表５に示す板厚 0.3mmの
コイル状板材を通常の方法により製造し、このコイル状
板材を電縫管のサイズに合わせスリッターして幅35.0mm
の条材にした。そしてこの条材を電縫管製造装置を用
い、幅16.0、厚さ 2.2mmの通液管用の電縫管に加工し
た。また、同一の構成の板厚 1.0mmのコイル状板材を幅
60mmにスリッターしてヘッダープレート用の条材とし
た。

【００４４】組み立てられたラジエーターは、フッ化カ
リウム系フラックスにセシウム系フラックスを３％混合
したフラックスの10％濃度液を塗布し、Ｎ₂ガス中で表
６のろう付加熱条件で加熱を行い、ろう付けした。得ら
れたラジエーターについて、外観観察によりフィンおよ
びチューブの潰れ具合、およびろう付性としてフィレッ
トの形成について良好か否かを調査した。結果を表６に
示す。また、正常にろう付されていた熱交換器は熱効率
を調査した。なお熱効率は、ＪＩＳＤ１６１８（自
動車用冷房機試験方法）に準じて行い、それぞれ従来法
の熱交換器（表６中ののもの）の熱効率に対する向上
の割合を表６に記した。また、ろう付加熱後のチューブ
材に引張試験を行った結果も合わせて記した。

【００４５】

【表５】

【００４６】

【表６】

【００４７】表６より本発明法では、フィンの潰れが生
じることなく熱交換器が製造されており、高強度材の使
用が可能であり、製造されたラジエーターは熱効率に優
れている。

【００４８】

【発明の効果】以上のように本発明法により、熱交換器
を製造した場合、ろう付中のフィンの座屈が少なく、部
材の熱伝導性、強度向上効果があり、熱交換器の小型、
軽量化が可能であり、工業上顕著な効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ラジエーターを示す一部断面の斜視図である。

【図２】サーペンタインタイプのエバポレーターを示す
一部断面の斜視図である。

【符号の説明】

１偏平チューブ２フィン３ヘッダー４タンク５管材６フィン７コネクター

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム合金ブレージングシートを
用いフラックスを用いるブレージング法によりアルミニ
ウム合金製熱交換器を製造するにあたり、ろう付加熱温
度を 570℃を越え 585℃以下の温度で行うことを特徴と
するアルミニウム合金製熱交換器の製造方法。