JP3572862B2

JP3572862B2 - 耐食性に優れた熱交換器およびその製造方法

Info

Publication number: JP3572862B2
Application number: JP09989197A
Authority: JP
Inventors: 靖憲兵庫; 博人桃崎; 建当摩
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2017-04-17
Also published as: JPH10291088A

Description

【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ＪＩＳＡ３００３からなるヘッダー部１、ＪＩＳＡ３００３からなるチューブ２および放熱用の波形に成形されたＪＩＳＡ３００３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。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱交換器の斜視図である。
【図２】ヘッダー部の穴内にチューブを装入した状態を示す説明図である。
【図３】ヘッダー部とチューブをろう付けしてフィレットを形成した状態を示す説明図である。
【図４】チューブとフィンをろう付けしてフィレットを形成した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ヘッダー部
２チューブ
３フィン
４穴
５隙間
６フィレット
７ろう材粉末塗布層

Claims

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。
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。
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。