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発明の名称 耐食性に優れた熱交換器およびその製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−291088
公開日 平成10年(1998)11月4日
出願番号 特願平9−99891
出願日 平成9年(1997)4月17日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】富田 和夫 (外1名)
発明者 兵庫 靖憲 / 桃崎 博人 / 当摩 建
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 重量%で(以下、%は重量%を示す)Si:15%を越え〜60%以下、Zn:5〜30%を含有し、残りがAlと不可避不純物からなる組成のAl−Si−Zn三元系過共晶合金からなるろう材を設置してヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けしてなることを特徴とする耐食性に優れた熱交換器。
【請求項2】 Si:13〜45%、Zn:6〜35%を含み、残りがAlと不可避不純物からなる組成のAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末とSi粉末からなる混合粉末であって、この混合粉末に含まれるAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末とSi粉末とは、Si量が合計で15%を越え〜60%以下、Zn量が合計で5〜30%となるように混合されている混合粉末を使用してヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けすることを特徴とする耐食性に優れた熱交換器の製造方法。
【請求項3】 平均粒径が5〜100μmの範囲内にありかつSi:13〜45%、Zn:6〜35%を含み、残りがAlと不可避不純物からなる組成のAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末と、平均粒径は1〜50μmの範囲内にあるSi粉末からなり、かつAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の平均粒径はSi粉末の平均粒径よりも相対的に大きい平均粒径を有する混合粉末であって、この混合粉末に含まれるAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末とSi粉末とは、Si量が合計で15%を越え〜60%以下、Zn量が合計で5〜30%となるように混合されている混合粉末を使用してヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けすることを特徴とする耐食性に優れた熱交換器の製造方法。
【請求項4】 請求項2または3記載の混合粉末にフラックスを混合してなるろう材を用いてヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けすることを特徴とする耐食性に優れた熱交換器の製造方法。
【請求項5】 請求項2または3記載の混合粉末にバインダ樹脂および溶剤と共に混合してスラリー状にしてなるろう材を用いてヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けすることを特徴とする耐食性に優れた熱交換器の製造方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、耐食性に優れた熱交換器およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、熱交換器は、図1に示されるように、ヘッダー部1、チューブ2および放熱用の波形に成形されたフィン3で構成されていることは知られている。この従来の粉末ろう材を用いてろう付けされた熱交換器は、図2に示されるように粉末ろう材塗布層7を形成したヘッダー部1の穴4内に粉末ろう材塗布層7を形成したチューブ2を挿入し、チューブ2と2の間に波形のフィン3を配置して組み立て、得られた組立体を加熱炉に装入し加熱すると、ヘッダー部1とチューブ2は図3に示されるようにフィレット6を形成してろう付けされ、同時にチューブ2とフィン3も図4に示されるようにフィレット6を形成してろう付けされて作られる。
【0003】ヘッダー部1とチューブ2をろう付けするためにヘッダー部1に明けた穴4は、組み立てが容易に行えるようにチューブ2の外径よりも大きな隙間5を形成するように設けられる。ところが、ヘッダー部1に明けた穴4を大きめに設けると、普通に塗布されている量のろう材では隙間5を完全に埋めるには不足し、満足なフィレットが得られない。そのため、ヘッダー部1とチューブ2の間に置きろうまたは重ね塗りをしてろう材を補充し、完全なフィレット6を形成している。
【0004】前記粉末ろう材塗布層7は、Si:6.8〜13.0重量%を含み、残部がAlおよび不可避不純物からなる組成のAl合金粉末をフラックスと混合したり、バインダ樹脂および溶剤と共に混合してスラリー状にしたろう材を接合個所に置きろうまたは重ね塗りして形成し、ついで不活性ガス雰囲気下で加熱することによりろう付けが行われる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来のSi:6.8〜13.0重量%を含むAl合金粉末ろう材は、置きろうまたは重ね塗りして完全なフィレット6を形成しようとすると、その使用量は極めて多くなり、高価なろう材粉末の使用量の増加は製造コストの増加および熱交換器の重量増加の原因になっていた。
【0006】さらに前記従来のSi:6.8〜13.0重量%を含むAl合金粉末ろう材を使用して得られた接合部や粉末ろう材塗布部には腐食形態としては好ましくない孔食が発生するために、従来の熱交換器を長期間使用すると、腐食による貫通孔が発生し、それによって冷媒漏れが発生することがあり、特に、海岸などの空気に塩分を含む地帯、または工場地帯などの空気に腐食性ガスを含む地帯など過酷な環境下において走る車に搭載された熱交換器での腐食が著しいという問題があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、上述のような観点から、少量でろう付け可能でかつ孔食が発生することのないろう材粉末を開発すべく研究を行なった結果、(a)重量%で、Si:13〜45%、Zn:6〜35%を含み、残りがAlと不可避不純物からなる組成のAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末とSi粉末からなる混合粉末であって、この混合粉末に含まれるSi量が合計で15%を越え〜60%以下、Zn量が合計で5〜30%となるように混合されている混合粉末で構成されたろう材粉末は、これを用いてAlまたはAl合金をろう付けすると、比較的少量でろう付けすることができるとともに、Znを含有することによりSi晶出物のカソードによる局部腐食や孔食型の腐食形態によるろう付け後の接合部やろう材粉末塗布部の腐食を防止することができる、(b)前記Si粉末の融点は前記Al−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の融点よりも高いために、Si粉末の粒径はAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の粒径よりも微細にすることが好ましく、したがって、Al−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の平均粒径は5〜100μmの範囲内にあり、前記Si粉末の平均粒径は1〜50μmの範囲内にあり、かつAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の平均粒径はSi粉末の平均粒径よりも相対的に大きい平均粒径を有するようにする必要がある、という研究結果を得たのである。
【0008】この発明は、上記の研究結果にもとづいてなされたものであり、(1)重量%で(以下、%は重量%を示す)Si:15%を越え〜60%以下、Zn:5〜30%を含有し、残りがAlと不可避不純物からなる組成のAl−Si−Zn三元系過共晶合金からなるろう材を設置してヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けしてなる耐食性に優れた熱交換器、(2)Si:13〜45%、Zn:6〜35%を含み、残りがAlと不可避不純物からなる組成のAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末とSi粉末からなる混合粉末であって、この混合粉末に含まれるAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末とSi粉末とは、Si量が合計で15%を越え〜60%以下、Zn量が合計で5〜30%となるように混合されている混合粉末を使用してヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けする耐食性に優れた熱交換器の製造方法、(3)平均粒径が5〜100μmの範囲内にありかつSi:13〜45%、Zn:6〜35%を含み、残りがAlと不可避不純物からなる組成のAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末と、平均粒径は1〜50μmの範囲内にあるSi粉末からなり、かつAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の平均粒径はSi粉末の平均粒径よりも相対的に大きい平均粒径を有する混合粉末であって、この混合粉末に含まれるAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末とSi粉末とは、Si量が合計で15%を越え〜60%以下、Zn量が合計で5〜30%となるように混合されている混合粉末を使用してヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けする耐食性に優れた熱交換器の製造方法、に特徴を有するものである。
【0009】前記(2)または(3)記載の混合粉末は、フラックスと混合したり、バインダ樹脂および溶剤と共に混合してスラリー状にしたりしてろう材を製造し、このろう材を用いてヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けしている。したがって、この発明は、(4)前記(2)または(3)記載の混合粉末にフラックスを混合してなるろう材を用いてヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けする耐食性に優れた熱交換器の製造方法、(5)前記(2)または(3)記載の混合粉末にバインダ樹脂および溶剤と共に混合してスラリー状にしてなるろう材を用いてヘッダー部、チューブおよび放熱フィンをろう付けする耐食性に優れた熱交換器の製造方法、に特徴を有するものである。
【0010】この発明の耐食性に優れた熱交換器およびその製造方法で使用する混合粉末の構成を前記のごとく限定した理由を説明する。
Al−Si−Zn三元系過共晶合金粉末:混合粉末を構成するAl−Si−Zn三元系合金粉末が亜共晶〜共晶の場合、混合するSi粉末の量が多くなり、著しい局部侵食を招いてしまう。従って、Si粉末の量を低減して局部侵食を防止するためには、過共晶のAl−Si−Zn三元系合金粉末を使用する必要があり、具体的には、Si含有量が13〜45%、Zn含有量が6〜35%の範囲内にあるAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末を使用する必要がある。前記Al−Si−Zn三元系過共晶合金粉末のSi含有量は15〜40%、Zn含有量は8〜32%の範囲であることが一層好ましく、Si:20〜30%、Zn:10〜30%の範囲であることがさらに一層好ましい。
【0011】Al−Si−Zn三元系過共晶合金粉末に対するSi粉末の配合量:この発明の耐食性に優れた熱交換器およびその製造方法で使用する混合粉末は、前記Al−Si−Zn三元系過共晶合金粉末にさらにSi粉末を配合したものであるが、このSi粉末の配合は、混合粉末のSi合計量で15%を越え〜60%以下となるように添加混合されることが好ましく、Si粉末がAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末に対してSi合計量で15%以下となるように含有した混合粉末ろう材では母材を溶解させる作用が十分得られず、一方、Si量が合計で60%を越えて含有する混合粉末からなるろう材では母材に対する侵蝕が過度になり、強度低下の原因になって好ましくない。したがって、この発明のAlまたはAl合金ろう付け用混合粉末は、Si粉末をAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末に対してSiの合計量が15%を越え〜60%以下となるように混合するようにした。Si粉末は、Si量の合計で20〜45%の範囲であることが一層好ましく、25〜35%の範囲であることがさらに一層好ましい。AlまたはAl合金ろう付け用混合粉末に含まれるZn量の合計を5〜30%の範囲とすることで、ろう付け後に接合部やろう材粉末塗布部に部材表面から深部へZn濃度勾配を持つZn拡散層が形成される。このZn拡散層により腐食形態が面状型となり、深さ方向への腐食を防止することができ、従って、耐孔食性などの耐食性を向上させることができる。Zn量の合計が5%未満では十分に耐孔食性のあるZn拡散層が得られないので好ましくなく、一方、Zn量の合計が30%を越えると腐食速度が早くなり、腐食が著しくなるので好ましくない。AlまたはAl合金ろう付け用混合粉末に含まれるZn量は合計で8〜25%の範囲にあることが一層好ましく、10〜20%の範囲であることがさらに一層好ましい。
【0012】Al−Si−Zn三元系過共晶合金粉末に対するSi粉末の平均粒径:この発明のAlまたはAl合金ろう付け用混合粉末に含まれるSi粉末はAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末よりも融点が高いところから、Si粉末の粒径をAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の粒径よりも微細にし、AlまたはAl合金ろう付け用混合粉末中に均一に分散させると共にSi粉末による局部侵蝕を低減し、母材表面の侵蝕を穏やかにする必要がある。したがって、この発明のAlまたはAl合金ろう付け用混合粉末は、Al−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の平均粒径は5〜100μmの範囲内にあり、Si粉末の平均粒径は1〜50μmの範囲内にあり、かつAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の平均粒径はSi粉末の平均粒径よりも相対的に大きい平均粒径を有することが好ましい。この発明のAlまたはAl合金ろう付け用混合粉末に含まれるAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の平均粒径は10〜70μmの範囲内にあり、Si粉末の平均粒径は1〜30μmの範囲内にあり、かつAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の平均粒径はSi粉末の平均粒径よりも相対的に大きい平均粒径を有することが一層好ましい。さらに一層好ましい範囲は、Al−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の平均粒径が15〜40μmの範囲内にあり、Si粉末の平均粒径は1〜20μmの範囲内にありかつAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末の平均粒径はSi粉末の平均粒径よりも相対的に大きい平均粒径を有することである。
【0013】この発明のAlまたはAl合金ろう付け用混合粉末を使用することによりろう材粉末の使用量を減らすことができる理由として、Al−Si−Zn三元系過共晶合金粉末とSi粉末からなる混合粉末は、全体としてSi過剰の過共晶合金粉末となっているので、ろう付け時にSiが母材に拡散流入し、母材の融点を低下させて母材の一部を溶融侵蝕し、この溶融侵蝕した母材の一部が塗布された混合粉末と共に流動し、これが接合部の隙間を充填したりフィレットを形成することによるものと考えられる。
【0014】この発明のAlまたはAl合金ろう付け用混合粉末はSi粉末を含むため、Si粉末がろうとなってフィレットを形成する前に母材深さ方向への侵蝕が著しく、母材厚さが極端に薄いと侵食による貫通孔が発生することがある。したがって、この発明のAl−Si−Zn三元系過共晶合金粉末とSi粉末からなる混合粉末で構成するAlまたはAl合金ろう付け用混合粉末は、板厚さが0.5mm以上の比較的厚いAlまたはAl合金板のろう付けに特に適している。
【0015】
【発明の実施の形態】表1および2に示される成分組成をもったAl合金製溶湯をアトマイズして、表1および2に示される平均粒径を有するAl−Si−Zn三元系合金粉末およびAl−Si二元系合金粉末を作製し、Al−Si−Zn三元系合金粉末に対して表1および2に示される平均粒径を有する純Si粉末を表1および2に示される割合に配合し、混合してSi量が合計で表1および2に示される値となる混合粉末を用意し、これら混合粉末10重量部に対してフラックス:1重量部、バインダー:1重量部の割合で混合し、スラリー状ろう材を作製した。なお、混合粉末の構成成分のうちこの発明の範囲から外れたものに*印しを付して示した。
【0016】一方、図4に示される穴4を設けたJIS A3003からなるヘッダー部1、JIS A3003からなるチューブ2および放熱用の波形に成形されたJIS A3003からなるフィン3を用意し、これらヘッダー部1、チューブ2およびフィン3を組立てて図1に示されるごとき組立て体を作製した。得られた組立体の接合部に表1および2の混合粉末で作製したスラリー状ろう材を表1および2に示される量だけ塗布し、これを加熱炉に装入し不活性ガス雰囲気下で600℃に保持された加熱炉に5分間保持することにより加熱し、ヘッダー部1、チューブ2およびフィン3をフィレット6を介して接合した熱交換器を作製し、本発明熱交換器の製造方法(以下、本発明法という)1〜9、比較熱交換器の製造方法(以下、比較法という)1〜6および従来熱交換器の製造方法(以下、従来法という)1〜2を実施した。これら方法で得られた熱交換器のろう付け部の接合状態を目視により検査し、その結果を表1および2に示した。
【0017】この本発明法1〜9、比較法1〜6および従来法1〜2で得られた熱交換器の接合状態を検査し、さらにこの熱交換器に人口海水および酢酸からなる試験液を50℃の温度下で30分間噴霧した後、30分間噴霧を停止して湿潤雰囲気下に保持時する操作を20日間繰り返すSWAAT試験を行い、腐食深さおよび腐食形態を調査し、その結果を表1および2に示した。
【0018】
【表1】

【0019】
【表2】

【0020】
【発明の効果】表1〜2に示される結果から、本発明法1〜9で作製した熱交換器のろう材接合部は、従来法1〜2で作製した熱交換器のろう材接合部に比べて接合状態が良く、ろう材塗布量が少なく、さらに腐食形態も面状腐食となって優れく、さらに最大侵食深さおよび腐食深さ少ないところから、本発明法1〜9で作製した熱交換器は従来法で作製した熱交換器に比べて優れていることが分かる。さらにこの発明の範囲から外れた比較混合粉末(表2において、この発明の範囲から外れている値に*印をつけて示した)を用いた比較法1〜6は、塗布量、接合状態、最大侵食深さ、耐食性のいずれかの特性の内の少なくとも1つの特性が劣るので好ましくないことが分かる。
【0021】上述のように、この発明の熱交換器の製造方法は、少ないろう材で隙間を充填することができるので熱交換器の軽量化をはかることができ、さらに耐食性も付与するので、工業上有用な効果をもたらすものである。




 

 


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