JP2015504371A - チューブプレートフィン型熱交換器の製造方法 - Google Patents

チューブプレートフィン型熱交換器の製造方法 Download PDF

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Abstract

主としてアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属構成部品をろう付けすることによりチューブフィン（ＴＦＰ）型熱交換器を製造する方法であって、以下の工程：チューブ（２）及びカラー（７）を備えるプレートフィン（６）を含むＴＦＰ熱交換器構成部品を作製する工程と、フィラー材料を含む予備ろう付けコーティングを前記チューブ（２）上に提供するか、又はフラックスコーティングを含む（溶接）クラッドチューブ（２）を提供する工程と、前記フィン（６）を前記チューブ（２）に取り付けることを含む、前記構成部品を組み立てる工程と、組み立てられた前記構成部品を加熱し、前記チューブ（２）と前記フィン（６）との間にろう付け接合部を形成する工程とを含む、方法。

Description

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるチューブフィン（ＴＦＰ）型熱交換器を製造する方法に関する。
アルミニウム合金の軽量で且つ優れた伝熱特性は、アルミニウム合金をとりわけ熱交換器における使用のための魅力的な対象にする。アルミニウム熱交換器は、自動車用途によく使用されている。そのような熱交換器は、空調系統、エンジン冷却系統、エンジンオイル冷却系統及び自動車用エンジンターボチャージャー系統に使用されている。自動車用途に加えて、現在、アルミニウム熱交換器は、自動車用途と同じような機能を果たす工業用途及び住宅用途のような自動車以外の用途に用いられつつある。
上記チューブプレートフィン（tube plate fin）型の熱交換器は、フィンとチューブとの間の機械的接合を良好にしてフィンとチューブとの間の良好な伝熱を得るために、機械的に組み立てられることが最も多い。
熱交換器の他の様式のための確立された代替的接合法は、アルミニウムのろう付けである。
そのうえ、所謂ＣＡＢ法（管理雰囲気ろう付けを表す）でアルミニウム熱交換器をろう付けすることが当該技術分野の状況である。ろう付けが不活性ガスの保護下で行われるので、管理された雰囲気と呼ばれる。一般的には、そのガスは窒素である。
フルオロアルミン酸カリウム複合体導入後の１９８０年代初期にＣＡＢは普及した。接合されるべき表面にフィラー材料が強く接合するために、表面は清浄でなければならない。ろう付け業界における主な問題は、そのような表面における金属酸化物の形成である。例えば、アルミニウムは、空気中からの酸素もしくは金属表面に吸着した酸素の存在下で酸化されて酸化アルミニウムを形成する。酸化アルミニウムは約２０３８℃という極めて高い融点を有する。アルミニウム金属自体が融解する温度で酸化アルミニウムが融解することもアルミニウムに容易に還元することもない。
フラックスは、接合されるべき表面に塗布される材料であり、ろう付けフィラー金属は表面を清浄にし、且つ酸化物を取り除き、それらの結合を促進する。フラックスは、ろう付け温度で接合されるべき金属と反応することなく金属酸化物を溶解するように働くか或いはそうでなければ除去するように働く。それは、接合されるべき表面の周囲及び接合されるべき表面間におけるフィラー金属の流れも促進する。
管理雰囲気ろう付け法を用いる熱交換器のろう付けは、以下：
・フラックス（一般的にフッ化カリウムアルミニウム）
・フィラー材料又はクラッド材料（一般的にＡＡ４ＸＸＸシリーズ）
・保護雰囲気（一般的に窒素）の特性、及び
・金属結合形成ためにフィラー材料又はクラッド材料を溶融するのに必要な高温での曝露
に大きく左右される。
工程パラメーターは、ろう付けされるべき熱交換器の種類／大きさ並びに使用されるフィラー金属及びフラックス化合物の種類に応じて変更される。熱交換器において金属結合を形成するための一般的な方法は、接合される２つの構成部品のうちの１つをＡＡ４ＸＸＸシリーズでクラッドすることである（例えば、クラッドフィン及び非クラッドチューブ）。（これまでに規定したような）フラックスの一般的な塗布は、ろう付け前に熱交換器組立品全体に施される。
ろう付けされた熱交換器は通常はパラレルフロータイプ（parallel flow type）であるものの、従来の円形タイププレートフィン型（round type plate fin）熱交換器は機械的に組み立てられる。次に、ろう付けされた熱交換器に対し、溶接又は押出されたチューブが波形フィン材料と共に取り付けられる。波形フィン構造を有するろう付けされたチューブ熱交換器は艶消しの問題（frosting issues）を有する可能性があるので、機械的に組み立てられた熱交換器は、自動車用途以外の中では、特に蒸発器又は分流器熱交換器（ＨＸ）に従来用いられてきた。しかし、ろう付けに伴う利点を活用すれば、従来の構造が不要となり得る。欧州特許第０１３１４４４号により、円形タイププレートフィン型熱交換器及びその製造方法が知られており、そこでは、熱交換器がフィン及びチューブの形をした金属部材からなり、その金属部材がろう材をクラッドしたブレージングシートで作られており、更にフッ化物フラックスを備え、ろう付けに必要な温度に熱交換器を加熱することによってその金属部材はチューブに接合される。
熱交換器のような複数の材料／合金系において、腐食は最も犠牲的な部分（不活性の度合いが最も低い部分）で起こる。全体がアルミニウムである熱交換器を製造する場合、標準的な技法は、最も重大な部分が保護されるようにアルミニウム部材を適合させるべきであるということを示唆する。すなわち、熱交換器の寿命までチューブが漏れないように保護すべきである。
ろう付けされたアルミニウム構成部品の腐食防止のために、チューブ上又は必要な場合は構成部品全体上に保護層を用いることができる。この保護層は、一般的に、以下の２種類であり得る。
・不動態
・犠牲
不動態層は、化学的に不活性（不活発）であり且つ表面を覆うコーティングである。一方、犠牲層は、芯材よりも不活性でない層である。攻撃的な環境下に曝露した場合には内部の腐食がもたらされるであろう。アルミニウム上の一般的な犠牲層は、亜鉛層の塗布である。この亜鉛層は、例えば亜鉛アーク溶射によってアルミニウム表面に塗布することができる。金属亜鉛は、押出工程の間にインラインで所謂マルチポート押出（Multi Port Extruded）（ＭＰＥ）チューブ又はマイクロチャネルチューブの表面に一般的に塗布される。そのチューブがろう付けサイクルを経て、亜鉛拡散勾配がチューブに形成された後、完全な腐食防止が生じる。
上述したような亜鉛アーク溶射によるアルミニウム構成部品表面への亜鉛塗布の代替として、現在、アルミニウム表面に反応性Ｚｎフラックスを用いることが特に注目を集めている。反応性Ｚｎフラックスを含有するＨＹＢＲＡＺ（登録商標）コーティングされた製品は、腐食防止のための、ろう付け用フラックス及びチューブへのＺｎ拡散勾配を提供するであろう。亜鉛フラックスは、ろう付けサイクルの間に、ろう付けフラックス及び金属亜鉛を生成するフルオロ亜鉛酸カリウム類からの、所謂、反応性フラックスである。金属亜鉛は、犠牲層として、ＡｌチューブにＺｎ勾配を形成する。Ｚｎフラックスを用いる場合、フィンとチューブとの接合部をろう付けするのに、クラッドフィンが必要である。
本発明によれば、多層コーティングの変形例が、ＨＹＢＲＡＺ工程：
・接合部形成用のろう付け材料
・腐食防止のためのＺｎ
・チューブ上の腐食防止のための、ろう付け材料からのＳｉ
・酸化層を除去するためのフラックス
・フラックス残渣の水溶性を制限し、それにより動かない水（stationary water）からの攻撃を制限されたものとするためのＬｉ
を用いて得ることができる。
本発明によれば、フィンがチューブに機械的に取り付けられる代わりにろう付けにより取り付けられたチューブフラットフィン型熱交換器の製造方法が提供される。本発明に従うそのような発明方法によれば、改善された腐食性を備える熱交換器のみならず、より早くて安価である製造という点に関して改善をもたらす。同時に、従来のろう付けされた熱交換器（すなわち、チューブ及び波形フィン）に見られた艶消しの問題が、より広い範囲で回避される。本明細書において、チューブプレートフィン（ＴＦＰ）という用語は、円形チューブプレートフィン（ＲＴＰＦ）と同じ文脈で用いられるが、任意の形状、例えば円形、四角形、平板又は楕円形のチューブを備えるこの種の任意の熱交換器を意味する。
本発明は、添付の独立請求項１に規定されるような構成によって特徴付けられる。好ましい実施形態は、従属する請求項２〜９に更に規定される。
図１は、本発明による熱交換器を示す。 図２は、従来、フィンが円形チューブにどのように機械的に取り付けられるかを示す。 図３は、本発明に従い、フィンが熱交換器のチューブにろう付けされた熱交換器を示す。 図４は、図３に示したチューブ及びフィンの一部を拡大した断面を示す。
本発明は、例示として図面を参照しながら以下に更に記載されるであろう。
本発明による円形チューブフィン型熱交換器（ＴＦＰ）１は図１に示されるようなものを包含する。ヘアピン（hair pin）２はフィンチューブ型熱交換器の基本要素である。ヘアピンは積み重ねたフィン６に挿入される。拡管後、戻し曲管がはめ込まれ、循環する流体（図示せず）のための連絡入口及び出口管端部４、５とろう付け３される。チューブには、フィン６が順次設けられる。
図２ａ）及びｂ）に示されるように、フィンカラー７がそれぞれに設けられたフィン６は、通常、管の外壁がフィンカラー７に機械的に取り付けられるように管２を拡管することにより、円形管に取り付けられる。図２ｂ）に示されるように、各管に押し込まれるマンドレル８を用いて拡管が実施される。
従来技術において知られているような機械的な接合を用いる代わりに、本発明による方法は、図３及び４に示されるように、ＴＦＰの円形管にフィンをろう付けすることに基づいている。従って、本発明によるＴＦＰ型熱交換器の製造方法は、以下：
・ＴＦＰ型熱交換器の構成部品を、チューブ２及びカラー７を備えるプレートフィン６の形態で提供する工程、
・フィラー材料を含む予備ろう付けをチューブ２上に提供するか、又はフラックスコーティングを含む（溶接）クラッドチューブ２を提供する工程、
・フィン６を円形チューブ２に取り付ける工程、
・円形チューブ２及びフィン６を加熱し、それらの間にろう付け接合部を形成する工程
を含む。
予備ろう付けコーティングは、好ましくは、フッ化カリウムアルミニウム（Ｋ１〜３ＡｌＦ４〜６）、トリフルオロ亜鉛酸カリウム（ＫＺｎＦ３）、フッ化リチウムアルミニウム（Ｌｉ３ＡｌＦ６）の形態のフラックスと、金属Ｓｉ粒子、Ａｌ−Ｓｉ粒子及び／又はフルオロケイ酸カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）の形態のフィラー材料と、溶剤と、メタクリル酸ホモポリマー又はメタクリル酸コポリマーを主成分とする合成樹脂を少なくとも１０重量％含む結合材とから構成されてもよい。
フィラー材料を含むプリフラックスコーティングの代わりに、ＡＡ４ＸＸＸシリーズ合金で典型的に作製されてよく且つそのフラックスがフッ化カリウムアルミニウムであるクラッドチューブを用いてもよい。
本発明による有利な点は、以下のように要約される。
１．チューブ上の腐食防止の改善（高密度の帯状の沈殿物）、電気防食の改善
２．金属と金属との直接的な接触（伝熱の改善）
３．フィンピッチ縮小の可能性？（カラーの必要高さにより決定される）
４．フィン厚減少の潜在的な可能性？（洗浄時に必要とされるフィンの機械的強度により決定される？）
５．熱交換器（ＨＸ）はいまだにＲＴＰＦであり、ろう付けされた波形フィンの解決策ではない
本発明によれば、不動態及び犠牲の両方の保護を提供し、それに加えて、接合部形成のためのろう付け（フィラー）材料と酸化層除去のためのフラックスとを提供するプリフラックスコーティングを用いるろう付けに基づいて、ＲＴＰＦ熱交換器を製造する新規な方法が提供される。
従って、本発明のプリフラックスコーティングは、異なる特性を有する異なるフラックスからのフラックス粒子と、フィラー材料としてのＳｉ粒子との混合物に基づいており、溶剤及び結合材を含むものである。より正確には、本発明は、フッ化カリウムアルミニウム（Ｋ１〜３ＡｌＦ４〜６）、トリフルオロ亜鉛酸カリウム（ＫＺｎＦ３）、フッ化リチウムアルミニウム（Ｌｉ３ＡｌＦ６）の形態のフラックスと、金属Ｓｉ粒子、Ａｌ−Ｓｉ粒子及び／又はフルオロケイ酸カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）の形態のフィラー材料と、溶剤と、メタクリル酸ホモポリマー又はメタクリル酸コポリマーを主成分とする合成樹脂を少なくとも１０重量％含む結合材とから構成される。
上述したフッ化カリウムアルミニウム（Ｋ１〜３ＡｌＦ４〜６）は、ＫＡｌＦ４、Ｋ２ＡｌＦ５、Ｋ３ＡｌＦ６又はこれらの組合せであることができる。これは、天然合成からの生成物である。トリフルオロ亜鉛酸カリウムＫＺｎＦ３は、腐食防止のために添加される。
フルオロケイ酸カリウムＫ２ＳｉＦ６は、Ａｌと反応して、フィラー金属としてのＡｌＳｉ１２を形成するＳｉ金属を生じる。更に、フッ化リチウムアルミニウムＬｉ３ＡｌＦ６は、フラックス残渣の水溶性を制限し、それにより動かない水からの攻撃を制限するために添加される。
ろう付け後のフラックス残渣の効果を得るためには的確な組成が必要である。
Ｍｇ含有量の高い合金に対しては、任意でフッ化カリウムアルミニウム（上記参照）に機械的に混合されるフッ化セシウムアルミニウムＣｓＡｌＦ４を添加してもよい。
コーティング材料の組成に関し、溶剤の含有量は、所望の用途特性にもよるが、好ましくは、約３０重量％である。更に、粒子と結合材との比は、３：１〜４：１で変化する。
追加の増粘剤がコーティング材料に添加されてもよく（セルロース）、アクリルポリマーに関連して約１４重量％の含有量。
異なるフラックスの粒子の比は、下記表から明らかであるように変化する。
アルミニウム構成部品に塗布されるコーティングは、８ｇ／ｍ２〜１６ｇ／ｍ２の間の様々な全塗布量により更に変化し得る。これに関しては下記表を参照。
Figure 2015504371
コーティングは、次の順序：
・適当な混合器内で攪拌することにより溶剤及び結合材を混合すること、
・攪拌を継続しながら溶剤及び結合材の組成物にフラックス粒子を添加すること、
・コーティング材料の特定のパラメーターに対して所望の性質が得られるまで組成物を完全に混合すること
に基づいて混合することにより製造される。
ろう付けされる構成部品へのコーティングの塗布に際し、均質なコーティング材料を保証するためにコーティングは再度攪拌される。攪拌操作の際に、塗布法及び装置に応じてコーティングの粘度が調整される。
コーティングされた構成部品の乾燥は、別個の乾燥工程（例えばＩＲ光又は他の加熱源を用いて）で行われてもよい。
特許請求の範囲に規定される本発明は上述した例示に制限されるものではないということが強調されるべきである。従って、コーティングは、混合されて、１層コーティング又は多層コーティングとして塗布されてもよい。
１層コーティングとは、本発明の好ましい実施形態を表し、全フラックス成分が結合材及び溶剤と混合されて１工程でアルミニウム表面に塗布されるということを意味する。
多層コーティングとは、コーティングが別々のコーティングとして結合材及び溶剤と混合されて以下のように２、３又は４層に塗布されたものであると理解される。
＜２層コーティング＞
・第一層でフラックス、フッ化カリウムアルミニウム、及びフィラー材料又はフィラー生成材料がアルミニウム表面に塗布される
・第二層でトリフルオロ亜鉛酸カリウムが塗布される
・Ｌｉフラックス分を有するコーティングが第一層又は第二層のずれかに塗布され得る
（２つの層が逆であること、第一層としてトリフルオロ亜鉛酸カリウムを有することも可能である。）
＜３層コーティング＞
・各成分が単一のコーティング層として塗布される
・フラックスのコーティング層
・フィラー材料又はフィラー生成材料のコーティング層
・トリフルオロ亜鉛酸カリウムのコーティング層
・Ｌｉ分がそれぞれのコーティング層内に塗布され得る
＜４層コーティング＞
・各成分が上記３層コーティングのように別々のコーティング層として塗布されるが、
・Ｌｉ分は単一の層としても塗布される
多層コーティングの場合、有機樹脂の含有量が多過ぎることによる不都合及びそれによるろう付けの不都合を回避するために、結合材の全量を制御することが重要であろう。
多層コーティングの場合、一部の層は不連続に塗布されてもよい。
プリフラックスコーティングをアルミニウム構成部品上にどのように提供するかに関しては、ロールコーティング法、ディップコーティング法、スプレーコーティング法、更にはスクリーン印刷法のような如何なる技術を用いてもよい。

Claims (9)

  1. 主としてアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属構成部品をろう付けすることによりチューブフィン（ＴＦＰ）型熱交換器を製造する方法であって、以下：
    チューブ（２）及びフィンカラー（７）を備えるプレートフィン（６）を含む熱交換器構成部品を作製する工程と、
    フィラー材料を含む予備ろう付けコーティングを前記チューブ（２）上に提供するか、又はフラックスコーティングを含む（溶接）クラッドチューブ（２）を提供する工程と、
    前記フィン（６）を前記チューブ（２）に取り付けることを含む、前記構成部品を組み立てる工程と、
    組み立てられた前記構成部品を加熱し、前記チューブ（２）と前記フィン（６）との間にろう付け接合部を形成する工程と
    を含む、方法。
  2. 前記コーティングが、フッ化カリウムアルミニウムＫ１〜３ＡｌＦ４〜６、トリフルオロ亜鉛酸カリウムＫＺｎＦ３、フッ化リチウムアルミニウムＬｉ３ＡｌＦ６の形態のフラックスと、金属Ｓｉ粒子、Ａｌ−Ｓｉ粒子及び／又はフルオロケイ酸カリウムＫ２ＳｉＦ６の形態のフィラー材料と、溶剤と、メタクリル酸ホモポリマー又はメタクリル酸コポリマーを主成分とする合成樹脂を少なくとも１０重量％含む結合材とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記コーティングを１層コーティング又は多層コーティングとして混合することであって、１層コーティングとしては、全てのフラックス成分及びフィラー材料を結合材及び溶剤と混合し、また、多層コーティングとしては、フラックス成分及びフィラー材料を別々のコーティングとして結合材及び溶剤と混合することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記多層コーティングが、結合材及び溶剤を１種以上のフラックス成分及び／又はフィラー材料若しくはフィラー生成材料と個々に混合したものにそれぞれが基づく２つ、３つ又は４つのコーティング要素を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
  5. 前記フルオロアルミン酸カリウムＫ１〜３ＡｌＦ４〜６が、ＫＡｌＦ４、Ｋ２ＡｌＦ５、Ｋ３ＡｌＦ６を含有するフラックスであるか、又はこれらのフラックスの組合せであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
  6. 前記アルミニウム構成部品が、Ｍｇ含有量の高いアルミニウム合金をベースとするものであり、フッ化セシウムアルミニウムＣｓＡｌＦ４の形態の追加フラックスが添加されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
  7. 粒子と結合材との比が３：１〜４：１であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 前記コーティング中の成分の異なる粒子の比が、０〜５．２ｇ／ｍ２のＳｉ、１．４１〜１６ｇ／ｍ２のＺｎフラックス（ＫＺｎＦ３）、２．２〜９．２ｇ／ｍ２のカリウムフラックス（ＫＡｌＦ４／Ｋ３ＡｌＦ６）及び０．１〜５ｇ／ｍ２のＬｉフラックス（Ｌｉ３ＡｌＦ６）の塗布量に対応することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
  9. 前記コーティングが、スプレーコーティング法又はディップコーティング法により前記構成部品上に提供されることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
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