JP4440550B2 - アルミニューム製熱交換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ろう付け性と耐蝕性に優れ、軽量で高強度のアルミニューム製熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用のラジエータやヒーターコア等に用いられるアルミニューム製熱交換器のチューブ材やヘッダープレート材には、ＪＩＳ３００３等のＡｌ−Ｍｎ系アルミニューム合金を用い、そのヘッダープレートの内面側に犠牲陽極材としてＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系のアルミニューム合金をクラッドし、外面側にはろう材としてＡｌ−Ｓｉ系のアルミニューム合金をクラッドした３層構造のクラッド材が使用されている。
【０００３】
ヘッダープレート用のろう材はそれとチューブとのろう付けを行うものであり、チューブの外表面のろう材はチューブとフィンとのろう付けを行うものである。最近多くの熱交換器は、不活性ガス雰囲気中でフッ化物系フラックスを用いてそのろう付けを行うが、一部には真空ろう付けが行われるものもある。
ヘッダープレートおよびチューブの内面側にクラッドされた犠牲陽極材は、作動流体と接して犠牲陽極効果を発揮し、芯材の孔蝕発生や隙間腐蝕を防ぐものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、自動車の軽量化の観点およびコスト低減の観点から、自動車用熱交換器に用いられるヘッダープレートおよびチューブ並びにフィン材の薄肉化が要求されている。しかしながら、薄肉化によって強度低下をもたらさないため、チューブ材やヘッダープレート材に各種元素を添加して強度を高める試みが行われており、その添加元素としてＣｕ，Ｓｉ，Ｍｎ等の成分を適切な量に調整添加した材料が開発されている。
【０００５】
しかしながら、種々の成分の添加により強度、耐蝕性、ろう付け性等が良好な材料が生まれるが、それにより新たな問題が生じる。即ち、これらの成分を添加すると腐蝕環境における材料の電位が卑な方向へシフトし、特にヘッダープレート材にこれらの材料を使用すると、組合せ使用する薄肉のチューブ材の腐蝕を促進させ、早期に孔開き等の事故に至る場合があった。
そこで本発明者らは各種実験研究を重ねた結果、組み合わせて使用される薄肉チューブ材と、ヘッダープレート並びにフィンとの関係において最適な条件を見つけ出し、その知見に基づいて本発明を完成する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の高強度アルミニューム合金の芯材（１） の内面側に犠牲陽極材（２） がクラッドされると共に、外面側にろう材（３） がクラッドされ、多数のチューブ挿通孔（４） がその孔縁部を内面側に突出させるようにバーリング加工されて並列されたヘッダプレート（５） と、
芯材がＡｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の高強度アルミニューム合金からなり、夫々のチューブ挿通孔（４） に端部が挿通して液密にろう付け固定され、そのヘッダプレート（５） の厚みの半分に満たない肉厚を有する薄肉の多数の偏平チューブ（６） と、
その偏平チューブ（６） の外面にろう付け固定され、前記偏平チューブ（５） より電位が卑なる多数のコルゲートフィン（７） と、を具備し、
そのコルゲートフィン（７） の波の進行方向の端とヘッダプレート（５） との隙間が、そのコルゲートフィン（７） のフィンピッチを越えるように配置され、
前記ろう付け後のヘッダプレート（５） の芯材（１） の電位が、前記偏平チューブ（６） の芯材のそれより５０ｍＶ（５％食塩水中）以内で卑になるように、そのヘッダプレート（５） の芯材のＺｎの量を０．２〜１．０重量％の範囲で混入したことを特徴とするアルミニューム製熱交換器である。
【０００７】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記ヘッダプレート（５） の芯材（１） が重量％で、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｓｉ：０．０６〜１．２％、Ｚｎ：０．２〜１．０％を含有し、Ｍｇ：０．０４％以下に規制し、残部Ａｌおよび不純物からなり、
そのヘッダプレート（５） にクラッドされた前記犠牲陽極材（２） は、Ｚｎ：１．０〜４．０％、Ｍｇ：０〜１．０％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、
そのヘッダプレートにクラッドされた前記ろう材は、Ｓｉ：６〜１４％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなるアルミニューム製熱交換器である。
【０００８】
請求項３に記載の本発明は、請求項２において、
前記犠牲陽極材(2) が、さらにＩｎ：０．００５〜０．１％、Ｓｎ：０．０１〜０．１％のうち１種または２種を含有するアルミニューム製熱交換器である。
【０００９】
請求項４に記載の本発明は、請求項２または請求項３において、
前記ろう材(3) が、さらにＢｉ：０．０１〜０．４％含有するアルミニューム製熱交換器である。
請求項５に記載の本発明は、請求項２〜請求項４のいずれかにおいて、
前記芯材(1) が、さらにＴｉ：０．０６〜０．３５％含有するアルミニューム製熱交換器である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の熱交換器の要部縦断面図であって、図２のＩ部拡大断面図である。図２は同熱交換器の全体的正面図であり、図３はチューブとヘッダープレートとの間に各種電位差を設けた場合、その電位差の値とチューブおよびヘッダープレートの夫々の腐蝕状態を示す実験データーである。
この熱交換器は、いわゆるコルゲートフィン型のアルミニューム製熱交換器である。即ち、多数の偏平チューブ６とコルゲートフィン７とが交互に並列され、夫々の偏平チューブ６の両端がヘッダープレート５のチューブ挿通孔４に貫通固定されたものである。そして、そのヘッダープレート５の周縁にヘッダ本体が接合されヘッダ８を形成している。
【００１１】
ヘッダ８のヘッダ本体およびヘッダープレート５は、夫々従来のヘッダープレートよりも薄肉として板厚が１．２〜１．６ｍｍのものを用い且つ、従来と同様の強度を得る必要からその芯材にＭｎ−Ｃｕ−Ｓｉを有する。即ち、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｓｉ：０．０６〜１．２％とし、Ｍｇを０〜０．０４％含む。さらにＺｎが０．２〜１．０％の範囲であって且つ、偏平チューブ６との電位差がろう付け後において０〜５０ｍＶ（５％食塩水中）になるようにＺｎ濃度を調節し、さらに好ましくは、Ｔｉ：０．０６〜０．３５％含有し、残部がＡｌおよびと不可避的不純物からなる。
【００１２】
次に、その芯材１の内面側には犠牲陽極材２としてＺｎ：１．０〜４．０％、Ｍｇ：０〜１．０％を含み、好ましくはさらにＩｎ：０．００５〜０．１％、Ｓｎ：０．０１〜０．１％のうちの何れか１種または２種を含有する。
また、芯材１の外面側にはろう材としてＳｉ：６〜１４％を含有し、好ましくはさらにＢｉ：０．０１〜０．４％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる。
【００１３】
次に、偏平チューブ６は板厚が０．２〜０．４ｍｍの３層クラッド材からなり、その芯材はヘッダープレート５の芯材１とＺｎを除いて同一とすることができる。
また、その芯材の内表面に被覆される犠牲陽極材２もヘッダープレート５のそれと同一とすることができる。さらには、芯材の外表面に設けられるろう材もヘッダープレート５のそれと同一とすることができる。
しかしながら、ヘッダープレート５の芯材１は、偏平チューブ６の芯材よりも５０ｍＶ以内で、卑であることを条件とする。なお、その理由は後述する。
【００１４】
次に、偏平チューブ６の外表面に接触するコルゲートフィン７は、偏平チューブ６の芯材の電位よりも１００〜１５０ｍＶ卑になるように材料が選ばれる。
そして、このコルゲートフィン７の材質の一例として、ＪＩＳ７０７２アルミニューム合金，ＪＩＳ３００３アルミニューム合金等を用いることができる。
コルゲートフィン７の板厚は、ヘッダープレート５および偏平チューブ６のそれに比べて極めて薄い材料が使われ、図１において、コルゲートフィン７の上端と上部側ヘッダ８のヘッダープレート５の下面との隙間ｔは、コルゲートフィン７のフィンピッチｐの二倍以上、一例として５ｍｍ程度空間を開けて組み立てられる。これは、芯材１の外面側のろう材をそのチューブ挿通孔４と偏平チューブ６との間に優先的に行き渡らせるためのものである。
【００１５】
これは仮に、コルゲートフィン７の上端を芯材１の下面に近接すると、芯材１の外面側のろう材が溶融したとき、コルゲートフィン７側により多く引き込まれ、その分だけ偏平チューブ６とチューブ挿通孔４との間のろう材が少なり、結果としてチューブの付根から漏れを起こすおそれがあるからである。この例では、コルゲートフィン７のフィンピッチが一例として２．５〜３．５ｍｍであり、コルゲートフィン７の上端とヘッダープレート５の下面との間が３．０〜５．０ｍｍである。なお、芯材１に穿設された多数のチューブ挿通孔４の孔縁は、その内面側にバーリング加工されている。
また、コルゲートフィン７の下端と下側のヘッダープレート５との間も、上端と上側のヘッダープレート５と同様に形成されている。
【００１６】
【実験例】
次に、本発明のヘッダープレート５と偏平チューブ６とが、共にＡｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の高強度アルミニューム合金を用い且つ、ヘッダープレート５の電位を偏平チューブ６のそれより０〜５０ｍＶ卑とした理由につき、下記実験に基づき述べる。
本発明者らは、ヘッダープレート５と偏平チューブ６との間の電位差を０〜１００ｍＶの範囲で各種変化させ、そのときの偏平チューブ６のチューブ挿通部近傍における腐蝕深さと、同様にヘッダープレート５のチューブ挿通孔４の近傍の腐蝕深さとの関係を調べた結果、それが図３の如くなることが判った。
【００１７】
この実験は、ヘッダープレート５のＺｎの混入量を各種変化させ、それによって偏平チューブ６の芯材の電位よりもヘッダープレート５の芯材１の電位が１００ｍＶ以内で卑になるようにして実験を行った。
その結果、偏平チューブ６の中間部における腐蝕はその両端部でより強く発生し、中間部では極めて少なかった。これは中間部にはコルゲートフィン７が高密度で接触固定されているため、コルゲートフィン７の犠牲陽極作用が働くからと推測できる。
【００１８】
また、偏平チューブ６の上下両端ではそのコルゲートフィン７が存在しないため腐蝕が進行するが、その進行の度合いは、ヘッダープレートと偏平チューブとの電位差が０〜５０ｍＶ程度では緩やかにヘッダープレートの犠牲陽極作用が働く。５０ｍＶを越えると急激にヘッダープレート５の犠牲陽極効果が過度に表れ、偏平チューブ６を防蝕する。しかしながら、ヘッダープレート５自体の腐蝕が急激に増加する。
【００１９】
即ち、ヘッダープレート５の外面側腐蝕は、電位差が５０ｍＶを越えたあたりから急にが増大することが判った。
【００２０】
従って、ヘッダープレート５と偏平チューブ６との電位差の最大値は、前者が後者より５０ｍＶを越えない卑の値とすることがよい。また、ヘッダープレートの方が偏平チューブ５より貴になると、より薄肉の偏平チューブに犠牲陽極効果が生じ、腐蝕するので、ヘッダープレート側が常に卑である必要があるから、前者は後者に対して０でない卑とする。
そこで、本発明はヘッダープレートの電位が偏平チューブのそれより５０ｍＶ以内で卑の範囲にあることを条件とする。
【００２１】
次に、ヘッダープレート５の芯材１の各成分範囲を、本発明のように決定した根拠につき説明する。
芯材中のＭｎは強度を向上させると共に、芯材の電位を貴にしてヘッダの内面側の犠牲陽極材２との電位差を大きくして、タンク内流体に対して耐蝕性を高めるように機能する。
Ｍｎの好ましい含有範囲は０．６〜２．０％であり、０．６％未満ではその効果が小さく、２．０％を越えて含有するとその鋳造時に粗大な化合物が生成し、圧延加工性が害される結果、薄い板材が得難いものとなるからである。
【００２２】
次に、芯材１中のＣｕは前記Ｍｎと同様、強度を向上させると共に、芯材の電位を貴にし、内面側の犠牲陽極材２及び外面側のろう材３との電位差を大きくして耐蝕性を高めるように機能する。また、そのＣｕはろう付け加熱時に犠牲陽極材２中およびろう材３中に拡散し、なだらかな濃度勾配を形成する。その結果、芯材側の電位は貴となり、犠牲陽極材２の表面側およびろう材の表面側の電位は卑となって、犠牲陽極材２中およびろう材中になだらかな電位勾配が形成され、腐蝕形態を横拡がりの全面腐蝕型にする。
Ｃｕの好ましい含有量は０．３〜１．０％の範囲であり、これは０．３％未満ではその効果が小さく、１．０％を越えると芯材の耐蝕性が低下し、また融点が低下して、ろう付け時に局部的な溶融が生じ易くなり、好ましくない。
【００２３】
また、芯材１中のＳｉは強度を向上させる効果を有する。Ｓｉの好ましい含有量は０．０６〜１．２％の範囲であり、これは０．０６％未満ではその効果が充分ではなく、１．２％を越えると芯材の耐蝕性を低下させ、また融点が低下して、ろう付け時に局部溶融が生じ易くなるので好ましくない。
【００２４】
さらに芯材１中のＺｎは、芯材を卑に下げる機能を有する。強度向上のためＭｎ−Ｃｕ−Ｓｉを通常のＪＩＳ３００３アルミニューム合金より多く添加した結果、過剰に貴にシフトした電位をＺｎの添加により緩和するものである。
Ｚｎの好ましい含有量は０．２〜１．０％の範囲であり、それが０．２％以下ではその効果が充分ではなく、１．０％を越えると芯材の耐蝕性が低下するので好ましくない。
さらに、このＺｎは上記範囲内で且つ、組み合わせて使用するチューブ材の電位に応じて添加量を調整する必要がある。即ち、ヘッダープレート５の芯材１の電位が偏平チューブ６の芯材のそれよりも０〜５０ｍＶ卑になるように調整する。
【００２５】
ヘッダープレート５の芯材１中のＭｇは、ろう付け性低下の観点から、０．０４％以下に制限するのが好ましい。０．０４％を越えて含有すると、フッ化物系のフラックスを使用する不活性ガス雰囲気のろう付けの場合、Ｍｇがフラックスと反応してＭｇＦ2 等の化合物を生成するため、フラックスの絶対量が不足しろう付け性が低下するので好ましくない。
【００２６】
次に、ヘッダープレート５の芯材中にＴｉを０．０６〜０．３５％の含ませることが好ましい。これは芯材の耐蝕性をより一層向上させる効果を有する。即ち、Ｔｉは濃度の高い領域と低い領域とに分かれ、それが板厚方向に交互に分布して層状となる。そしてＴｉ濃度の低い領域が高い領域に比べて優先的に腐蝕することにより、腐蝕形態が層状となる結果、板厚方向への腐蝕の進行が妨げられ耐孔蝕性が向上する。
Ｔｉの好ましい含有量は０．０６〜０．３５％の範囲であり、０．０６％未満では効果が充分ではなく、０．３５％を越えると鋳造時に粗大な化合物が生成して材料の圧延を疎外し、健全なクラッド材が得難くなるので好ましくない。
【００２７】
次に、ヘッダープレート５の犠牲陽極材２中のＺｎは、犠牲陽極材２の電位を芯材１に対して卑にし、芯材１に対する犠牲陽極効果を保持しクラッド材の腐蝕を全面腐蝕型にして、芯材の孔蝕や隙間腐蝕を防止するように機能する。
Ｚｎの好ましい含有範囲は１．０〜４．０％の範囲であり、その含有量が１．０％未満ではその効果が充分ではなく、４．０％を越えると自己耐蝕性が低下して犠牲陽極材の腐蝕消耗が激しくなり、犠牲陽極効果が長期に持続されない。それと共に４．０％を越えて含有しても、犠牲陽極効果が飽和するので無駄である。
【００２８】
なお、ヘッダープレート５の犠牲陽極材２において、さらにＩｎがＳｎの何れか一方を小量加えることが好ましい。
Ｉｎは犠牲陽極材２の電位を卑にし、芯材１に対して犠牲陽極効果を確実に付与するのに役立つ。Ｉｎの好ましい含有範囲は０．００５〜０．１％の範囲であり、その含有量が０．００５％未満ではその効果が小さく、０．１％を越えて含有すると効果が飽和すると共に、犠牲陽極材２の自己耐蝕性が低下し圧延加工性も劣化するので好ましくない。
Ｓｎは犠牲陽極材２の電位を卑にし、芯材１に対して犠牲陽極効果を確実に付与するために役立つ。Ｓｎの好ましい含有範囲は０．０１〜０．１％の範囲であり、その含有量が０．０１％未満ではその効果が小さく、０．１％を越えて含有すると効果が飽和すると共に、犠牲陽極材２の自己耐蝕性が低下し圧延加工性も劣化するので好ましくない。
【００２９】
犠牲陽極材２中のＭｇは強度の向上に寄与する。
一方フッ化物系のフラックスを使用してろう付けを行う場合、フラックス成分のフッ素と反応してＭｇＦ2 等の化合物を生成するため、フラックスの絶対量を不足してろう付け性が低下するから、Ｍｇを１％以下に規制するのが好ましい。
【００３０】
ヘッダープレート５のろう材中のＳｉはろう材の融点を下げ、ろうの流動性を高める機能をする。
Ｓｉの好ましい含有量は６〜１４％の範囲であり、それがが６％未満ではその効果が充分でなく、１４％を越えるとろう材の融点が高くなり、ろう付け製造時の加工性が低下する。
ヘッダープレート５のろう材のＢｉは、ろう材の表面張力を下げ、ろうの流れ性および拡がり性を改善する。
Ｂｉの好ましい含有量は０．０１〜０．４％の範囲であり、それがが０．０１％未満ではその効果が小さく、０．４％を越えるとその効果が飽和すると共に、ろう材の自己耐蝕性が低下する。
【００３１】
なお、本発明のヘッダープレート５および偏平チューブ６は、芯材，犠牲陽極材及びろう材を構成するアルミニューム合金を、夫々半連続鋳造により造塊し、必要に応じて均質化処理をした後、夫々所定厚さまで熱間圧延する。次いで各材料を組合せ、常法に従って熱間圧延によりクラッド材とし、最終的に所定厚さまで冷間圧延し、必要ににより焼鈍工程を経て製造される。
このようなクラッド材によりヘッダープレート５および偏平チューブ６を形成する。そして、それらのヘッダープレート５および多数の偏平チューブ６ならびにコルゲートフィン７を用いて自動車用ラジエータやヒーターコア等の熱交換器を組立て、炉内で一体にろう付けすることにより熱交換器を完成することができる。
【００３２】
【発明の作用・効果】
本発明のアルミニューム製熱交換器は、夫々Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の強度の高いアルミニューム合金を芯材とした熱交換器において、コルゲートフィン７の端とヘッダープレート５との隙間がコルゲートフィン７のフィンピッチを越えるように配置され且つ、偏平チューブ６の端部を挿通するチューブ挿通孔４がヘッダープレート５の内面側にバーリング加工され、ヘッダープレート５の芯材１の電位が偏平チューブ６のそれよりも５０ｍＶ以内で卑になるように、そのヘッダープレート５の芯材のＺｎの量を０．２〜１．０重量％の範囲で混入したことを特徴とするものである。
【００３３】
そのため、特にコルゲートフィン７の犠牲陽極効果の影響を受けない、偏平チューブ６とチューブ挿通孔４との接合部において、その偏平チューブ６の付根に腐蝕が起こることを効果的に防止し得ると共に、ヘッダープレート５の芯材１自体の過大な腐蝕をも防止できる。しかも、ヘッダープレートおよび偏平チューブが夫々Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の強度の高いアルミニューム合金を芯材としたので、材料の薄肉化を実現でき、結果として熱交換器の軽量化を図ることができる。
【００３４】
上記構成において、ヘッダープレート５の芯材１の各成分をＭｎ：０．６〜２．０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｓｉ：０．０６〜１．２％、Ｚｎ：０．２〜１．０％を含有し、Ｍｇ：０．０４％以下に規制し、残部をＡｌおよび不純物からなるものとし、そのヘッダプレート５にクラッドされた犠牲陽極材２は、Ｚｎ：１．０〜４．０％、Ｍｇ：０〜１．０％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、そのヘッダプレート５にクラッドされたろう材３は、Ｓｉ：６〜１４％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなるものとすることができる。
このようにすることにより、強度が強く且つ耐蝕性の強いアルミニューム製熱交換器を提供できる。
【００３５】
上記構成において、さらに犠牲陽極材２をＩｎ：０．００５〜０．１％、Ｓｎ：０．０１〜０．１％のうち１種または２種を含有するものとすることができる。このようにすることにより、ヘッダープレート５自体の強度及び耐蝕性をさらに向上することができる。
上記構成において、ろう材にさらにＢｉ：０．０１〜０．４％含有させることができる。これにより、ヘッダープレート５と偏平チューブ６とのろう付けを確実に行うことができる。
さらに上記構成において、ヘッダープレート５の芯材１にＴｉ：０．０６〜０．３５％を含有させることができる。それによって、さらに強度及び耐蝕性の強いアルミニューム製熱交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器の要部縦断面図であって、図２のＩ部拡大図。
【図２】同熱交換器の正面図。
【図３】ヘッダープレート５と偏平チューブ６との電位差を横軸とし、夫々の一定時間内における腐蝕量を縦軸とした電位差−腐蝕量曲線。
【符号の説明】
１ 芯材
２ 犠牲陽極材
３ ろう材
３ａ ろう材
４ チューブ挿通孔
５ ヘッダープレート
６ 偏平チューブ
７ コルゲートフィン
８ ヘッダ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ろう付け性と耐蝕性に優れ、軽量で高強度のアルミニューム製熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用のラジエータやヒーターコア等に用いられるアルミニューム製熱交換器のチューブ材やヘッダープレート材には、ＪＩＳ３００３等のＡｌ−Ｍｎ系アルミニューム合金を用い、そのヘッダープレートの内面側に犠牲陽極材としてＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系のアルミニューム合金をクラッドし、外面側にはろう材としてＡｌ−Ｓｉ系のアルミニューム合金をクラッドした３層構造のクラッド材が使用されている。
【０００３】
ヘッダープレート用のろう材はそれとチューブとのろう付けを行うものであり、チューブの外表面のろう材はチューブとフィンとのろう付けを行うものである。最近多くの熱交換器は、不活性ガス雰囲気中でフッ化物系フラックスを用いてそのろう付けを行うが、一部には真空ろう付けが行われるものもある。
ヘッダープレートおよびチューブの内面側にクラッドされた犠牲陽極材は、作動流体と接して犠牲陽極効果を発揮し、芯材の孔蝕発生や隙間腐蝕を防ぐものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、自動車の軽量化の観点およびコスト低減の観点から、自動車用熱交換器に用いられるヘッダープレートおよびチューブ並びにフィン材の薄肉化が要求されている。しかしながら、薄肉化によって強度低下をもたらさないため、チューブ材やヘッダープレート材に各種元素を添加して強度を高める試みが行われており、その添加元素としてＣｕ，Ｓｉ，Ｍｎ等の成分を適切な量に調整添加した材料が開発されている。
【０００５】
しかしながら、種々の成分の添加により強度、耐蝕性、ろう付け性等が良好な材料が生まれるが、それにより新たな問題が生じる。即ち、これらの成分を添加すると腐蝕環境における材料の電位が卑な方向へシフトし、特にヘッダープレート材にこれらの材料を使用すると、組合せ使用する薄肉のチューブ材の腐蝕を促進させ、早期に孔開き等の事故に至る場合があった。
そこで本発明者らは各種実験研究を重ねた結果、組み合わせて使用される薄肉チューブ材と、ヘッダープレート並びにフィンとの関係において最適な条件を見つけ出し、その知見に基づいて本発明を完成する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の高強度アルミニューム合金の芯材（１） の内面側に犠牲陽極材（２） がクラッドされると共に、外面側にろう材（３） がクラッドされ、多数のチューブ挿通孔（４） がその孔縁部を内面側に突出させるようにバーリング加工されて並列されたヘッダプレート（５） と、
芯材がＡｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の高強度アルミニューム合金からなり、夫々のチューブ挿通孔（４） に端部が挿通して液密にろう付け固定され、そのヘッダプレート（５） の厚みの半分に満たない肉厚を有する薄肉の多数の偏平チューブ（６） と、
その偏平チューブ（６） の外面にろう付け固定され、前記偏平チューブ（５） より電位が卑なる多数のコルゲートフィン（７） と、を具備し、
そのコルゲートフィン（７） の波の進行方向の端とヘッダプレート（５） との隙間が、そのコルゲートフィン（７） のフィンピッチを越えるように配置され、
前記ろう付け後のヘッダプレート（５） の芯材（１） の電位が、前記偏平チューブ（６） の芯材のそれより５０ｍＶ（５％食塩水中）以内で卑になるように、そのヘッダプレート（５） の芯材のＺｎの量を０．２〜１．０重量％の範囲で混入したことを特徴とするアルミニューム製熱交換器である。
【０００７】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記ヘッダプレート（５） の芯材（１） が重量％で、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｓｉ：０．０６〜１．２％、Ｚｎ：０．２〜１．０％を含有し、Ｍｇ：０．０４％以下に規制し、残部Ａｌおよび不純物からなり、
そのヘッダプレート（５） にクラッドされた前記犠牲陽極材（２） は、Ｚｎ：１．０〜４．０％、Ｍｇ：０〜１．０％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、
そのヘッダプレートにクラッドされた前記ろう材は、Ｓｉ：６〜１４％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなるアルミニューム製熱交換器である。
【０００８】
請求項３に記載の本発明は、請求項２において、
前記犠牲陽極材(2) が、さらにＩｎ：０．００５〜０．１％、Ｓｎ：０．０１〜０．１％のうち１種または２種を含有するアルミニューム製熱交換器である。
【０００９】
請求項４に記載の本発明は、請求項２または請求項３において、
前記ろう材(3) が、さらにＢｉ：０．０１〜０．４％含有するアルミニューム製熱交換器である。
請求項５に記載の本発明は、請求項２〜請求項４のいずれかにおいて、
前記芯材(1) が、さらにＴｉ：０．０６〜０．３５％含有するアルミニューム製熱交換器である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の熱交換器の要部縦断面図であって、図２のＩ部拡大断面図である。図２は同熱交換器の全体的正面図であり、図３はチューブとヘッダープレートとの間に各種電位差を設けた場合、その電位差の値とチューブおよびヘッダープレートの夫々の腐蝕状態を示す実験データーである。
この熱交換器は、いわゆるコルゲートフィン型のアルミニューム製熱交換器である。即ち、多数の偏平チューブ６とコルゲートフィン７とが交互に並列され、夫々の偏平チューブ６の両端がヘッダープレート５のチューブ挿通孔４に貫通固定されたものである。そして、そのヘッダープレート５の周縁にヘッダ本体が接合されヘッダ８を形成している。
【００１１】
ヘッダ８のヘッダ本体およびヘッダープレート５は、夫々従来のヘッダープレートよりも薄肉として板厚が１．２〜１．６ｍｍのものを用い且つ、従来と同様の強度を得る必要からその芯材にＭｎ−Ｃｕ−Ｓｉを有する。即ち、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｓｉ：０．０６〜１．２％とし、Ｍｇを０〜０．０４％含む。さらにＺｎが０．２〜１．０％の範囲であって且つ、偏平チューブ６との電位差がろう付け後において０〜５０ｍＶ（５％食塩水中）になるようにＺｎ濃度を調節し、さらに好ましくは、Ｔｉ：０．０６〜０．３５％含有し、残部がＡｌおよびと不可避的不純物からなる。
【００１２】
次に、その芯材１の内面側には犠牲陽極材２としてＺｎ：１．０〜４．０％、Ｍｇ：０〜１．０％を含み、好ましくはさらにＩｎ：０．００５〜０．１％、Ｓｎ：０．０１〜０．１％のうちの何れか１種または２種を含有する。
また、芯材１の外面側にはろう材としてＳｉ：６〜１４％を含有し、好ましくはさらにＢｉ：０．０１〜０．４％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる。
【００１３】
次に、偏平チューブ６は板厚が０．２〜０．４ｍｍの３層クラッド材からなり、その芯材はヘッダープレート５の芯材１とＺｎを除いて同一とすることができる。
また、その芯材の内表面に被覆される犠牲陽極材２もヘッダープレート５のそれと同一とすることができる。さらには、芯材の外表面に設けられるろう材もヘッダープレート５のそれと同一とすることができる。
しかしながら、ヘッダープレート５の芯材１は、偏平チューブ６の芯材よりも５０ｍＶ以内で、卑であることを条件とする。なお、その理由は後述する。
【００１４】
次に、偏平チューブ６の外表面に接触するコルゲートフィン７は、偏平チューブ６の芯材の電位よりも１００〜１５０ｍＶ卑になるように材料が選ばれる。
そして、このコルゲートフィン７の材質の一例として、ＪＩＳ７０７２アルミニューム合金，ＪＩＳ３００３アルミニューム合金等を用いることができる。
コルゲートフィン７の板厚は、ヘッダープレート５および偏平チューブ６のそれに比べて極めて薄い材料が使われ、図１において、コルゲートフィン７の上端と上部側ヘッダ８のヘッダープレート５の下面との隙間ｔは、コルゲートフィン７のフィンピッチｐの二倍以上、一例として５ｍｍ程度空間を開けて組み立てられる。これは、芯材１の外面側のろう材をそのチューブ挿通孔４と偏平チューブ６との間に優先的に行き渡らせるためのものである。
【００１５】
これは仮に、コルゲートフィン７の上端を芯材１の下面に近接すると、芯材１の外面側のろう材が溶融したとき、コルゲートフィン７側により多く引き込まれ、その分だけ偏平チューブ６とチューブ挿通孔４との間のろう材が少なり、結果としてチューブの付根から漏れを起こすおそれがあるからである。この例では、コルゲートフィン７のフィンピッチが一例として２．５〜３．５ｍｍであり、コルゲートフィン７の上端とヘッダープレート５の下面との間が３．０〜５．０ｍｍである。なお、芯材１に穿設された多数のチューブ挿通孔４の孔縁は、その内面側にバーリング加工されている。
また、コルゲートフィン７の下端と下側のヘッダープレート５との間も、上端と上側のヘッダープレート５と同様に形成されている。
【００１６】
【実験例】
次に、本発明のヘッダープレート５と偏平チューブ６とが、共にＡｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の高強度アルミニューム合金を用い且つ、ヘッダープレート５の電位を偏平チューブ６のそれより０〜５０ｍＶ卑とした理由につき、下記実験に基づき述べる。
本発明者らは、ヘッダープレート５と偏平チューブ６との間の電位差を０〜１００ｍＶの範囲で各種変化させ、そのときの偏平チューブ６のチューブ挿通部近傍における腐蝕深さと、同様にヘッダープレート５のチューブ挿通孔４の近傍の腐蝕深さとの関係を調べた結果、それが図３の如くなることが判った。
【００１７】
この実験は、ヘッダープレート５のＺｎの混入量を各種変化させ、それによって偏平チューブ６の芯材の電位よりもヘッダープレート５の芯材１の電位が１００ｍＶ以内で卑になるようにして実験を行った。
その結果、偏平チューブ６の中間部における腐蝕はその両端部でより強く発生し、中間部では極めて少なかった。これは中間部にはコルゲートフィン７が高密度で接触固定されているため、コルゲートフィン７の犠牲陽極作用が働くからと推測できる。
【００１８】
また、偏平チューブ６の上下両端ではそのコルゲートフィン７が存在しないため腐蝕が進行するが、その進行の度合いは、ヘッダープレートと偏平チューブとの電位差が０〜５０ｍＶ程度では緩やかにヘッダープレートの犠牲陽極作用が働く。５０ｍＶを越えると急激にヘッダープレート５の犠牲陽極効果が過度に表れ、偏平チューブ６を防蝕する。しかしながら、ヘッダープレート５自体の腐蝕が急激に増加する。
【００１９】
即ち、ヘッダープレート５の外面側腐蝕は、電位差が５０ｍＶを越えたあたりから急にが増大することが判った。
【００２０】
従って、ヘッダープレート５と偏平チューブ６との電位差の最大値は、前者が後者より５０ｍＶを越えない卑の値とすることがよい。また、ヘッダープレートの方が偏平チューブ５より貴になると、より薄肉の偏平チューブに犠牲陽極効果が生じ、腐蝕するので、ヘッダープレート側が常に卑である必要があるから、前者は後者に対して０でない卑とする。
そこで、本発明はヘッダープレートの電位が偏平チューブのそれより５０ｍＶ以内で卑の範囲にあることを条件とする。
【００２１】
次に、ヘッダープレート５の芯材１の各成分範囲を、本発明のように決定した根拠につき説明する。
芯材中のＭｎは強度を向上させると共に、芯材の電位を貴にしてヘッダの内面側の犠牲陽極材２との電位差を大きくして、タンク内流体に対して耐蝕性を高めるように機能する。
Ｍｎの好ましい含有範囲は０．６〜２．０％であり、０．６％未満ではその効果が小さく、２．０％を越えて含有するとその鋳造時に粗大な化合物が生成し、圧延加工性が害される結果、薄い板材が得難いものとなるからである。
【００２２】
次に、芯材１中のＣｕは前記Ｍｎと同様、強度を向上させると共に、芯材の電位を貴にし、内面側の犠牲陽極材２及び外面側のろう材３との電位差を大きくして耐蝕性を高めるように機能する。また、そのＣｕはろう付け加熱時に犠牲陽極材２中およびろう材３中に拡散し、なだらかな濃度勾配を形成する。その結果、芯材側の電位は貴となり、犠牲陽極材２の表面側およびろう材の表面側の電位は卑となって、犠牲陽極材２中およびろう材中になだらかな電位勾配が形成され、腐蝕形態を横拡がりの全面腐蝕型にする。
Ｃｕの好ましい含有量は０．３〜１．０％の範囲であり、これは０．３％未満ではその効果が小さく、１．０％を越えると芯材の耐蝕性が低下し、また融点が低下して、ろう付け時に局部的な溶融が生じ易くなり、好ましくない。
【００２３】
また、芯材１中のＳｉは強度を向上させる効果を有する。Ｓｉの好ましい含有量は０．０６〜１．２％の範囲であり、これは０．０６％未満ではその効果が充分ではなく、１．２％を越えると芯材の耐蝕性を低下させ、また融点が低下して、ろう付け時に局部溶融が生じ易くなるので好ましくない。
【００２４】
さらに芯材１中のＺｎは、芯材を卑に下げる機能を有する。強度向上のためＭｎ−Ｃｕ−Ｓｉを通常のＪＩＳ３００３アルミニューム合金より多く添加した結果、過剰に貴にシフトした電位をＺｎの添加により緩和するものである。
Ｚｎの好ましい含有量は０．２〜１．０％の範囲であり、それが０．２％以下ではその効果が充分ではなく、１．０％を越えると芯材の耐蝕性が低下するので好ましくない。
さらに、このＺｎは上記範囲内で且つ、組み合わせて使用するチューブ材の電位に応じて添加量を調整する必要がある。即ち、ヘッダープレート５の芯材１の電位が偏平チューブ６の芯材のそれよりも０〜５０ｍＶ卑になるように調整する。
【００２５】
ヘッダープレート５の芯材１中のＭｇは、ろう付け性低下の観点から、０．０４％以下に制限するのが好ましい。０．０４％を越えて含有すると、フッ化物系のフラックスを使用する不活性ガス雰囲気のろう付けの場合、Ｍｇがフラックスと反応してＭｇＦ2 等の化合物を生成するため、フラックスの絶対量が不足しろう付け性が低下するので好ましくない。
【００２６】
次に、ヘッダープレート５の芯材中にＴｉを０．０６〜０．３５％の含ませることが好ましい。これは芯材の耐蝕性をより一層向上させる効果を有する。即ち、Ｔｉは濃度の高い領域と低い領域とに分かれ、それが板厚方向に交互に分布して層状となる。そしてＴｉ濃度の低い領域が高い領域に比べて優先的に腐蝕することにより、腐蝕形態が層状となる結果、板厚方向への腐蝕の進行が妨げられ耐孔蝕性が向上する。
Ｔｉの好ましい含有量は０．０６〜０．３５％の範囲であり、０．０６％未満では効果が充分ではなく、０．３５％を越えると鋳造時に粗大な化合物が生成して材料の圧延を疎外し、健全なクラッド材が得難くなるので好ましくない。
【００２７】
次に、ヘッダープレート５の犠牲陽極材２中のＺｎは、犠牲陽極材２の電位を芯材１に対して卑にし、芯材１に対する犠牲陽極効果を保持しクラッド材の腐蝕を全面腐蝕型にして、芯材の孔蝕や隙間腐蝕を防止するように機能する。
Ｚｎの好ましい含有範囲は１．０〜４．０％の範囲であり、その含有量が１．０％未満ではその効果が充分ではなく、４．０％を越えると自己耐蝕性が低下して犠牲陽極材の腐蝕消耗が激しくなり、犠牲陽極効果が長期に持続されない。それと共に４．０％を越えて含有しても、犠牲陽極効果が飽和するので無駄である。
【００２８】
なお、ヘッダープレート５の犠牲陽極材２において、さらにＩｎがＳｎの何れか一方を小量加えることが好ましい。
Ｉｎは犠牲陽極材２の電位を卑にし、芯材１に対して犠牲陽極効果を確実に付与するのに役立つ。Ｉｎの好ましい含有範囲は０．００５〜０．１％の範囲であり、その含有量が０．００５％未満ではその効果が小さく、０．１％を越えて含有すると効果が飽和すると共に、犠牲陽極材２の自己耐蝕性が低下し圧延加工性も劣化するので好ましくない。
Ｓｎは犠牲陽極材２の電位を卑にし、芯材１に対して犠牲陽極効果を確実に付与するために役立つ。Ｓｎの好ましい含有範囲は０．０１〜０．１％の範囲であり、その含有量が０．０１％未満ではその効果が小さく、０．１％を越えて含有すると効果が飽和すると共に、犠牲陽極材２の自己耐蝕性が低下し圧延加工性も劣化するので好ましくない。
【００２９】
犠牲陽極材２中のＭｇは強度の向上に寄与する。
一方フッ化物系のフラックスを使用してろう付けを行う場合、フラックス成分のフッ素と反応してＭｇＦ2 等の化合物を生成するため、フラックスの絶対量を不足してろう付け性が低下するから、Ｍｇを１％以下に規制するのが好ましい。
【００３０】
ヘッダープレート５のろう材中のＳｉはろう材の融点を下げ、ろうの流動性を高める機能をする。
Ｓｉの好ましい含有量は６〜１４％の範囲であり、それがが６％未満ではその効果が充分でなく、１４％を越えるとろう材の融点が高くなり、ろう付け製造時の加工性が低下する。
ヘッダープレート５のろう材のＢｉは、ろう材の表面張力を下げ、ろうの流れ性および拡がり性を改善する。
Ｂｉの好ましい含有量は０．０１〜０．４％の範囲であり、それがが０．０１％未満ではその効果が小さく、０．４％を越えるとその効果が飽和すると共に、ろう材の自己耐蝕性が低下する。
【００３１】
なお、本発明のヘッダープレート５および偏平チューブ６は、芯材，犠牲陽極材及びろう材を構成するアルミニューム合金を、夫々半連続鋳造により造塊し、必要に応じて均質化処理をした後、夫々所定厚さまで熱間圧延する。次いで各材料を組合せ、常法に従って熱間圧延によりクラッド材とし、最終的に所定厚さまで冷間圧延し、必要ににより焼鈍工程を経て製造される。
このようなクラッド材によりヘッダープレート５および偏平チューブ６を形成する。そして、それらのヘッダープレート５および多数の偏平チューブ６ならびにコルゲートフィン７を用いて自動車用ラジエータやヒーターコア等の熱交換器を組立て、炉内で一体にろう付けすることにより熱交換器を完成することができる。
【００３２】
【発明の作用・効果】
本発明のアルミニューム製熱交換器は、夫々Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の強度の高いアルミニューム合金を芯材とした熱交換器において、コルゲートフィン７の端とヘッダープレート５との隙間がコルゲートフィン７のフィンピッチを越えるように配置され且つ、偏平チューブ６の端部を挿通するチューブ挿通孔４がヘッダープレート５の内面側にバーリング加工され、ヘッダープレート５の芯材１の電位が偏平チューブ６のそれよりも５０ｍＶ以内で卑になるように、そのヘッダープレート５の芯材のＺｎの量を０．２〜１．０重量％の範囲で混入したことを特徴とするものである。
【００３３】
そのため、特にコルゲートフィン７の犠牲陽極効果の影響を受けない、偏平チューブ６とチューブ挿通孔４との接合部において、その偏平チューブ６の付根に腐蝕が起こることを効果的に防止し得ると共に、ヘッダープレート５の芯材１自体の過大な腐蝕をも防止できる。しかも、ヘッダープレートおよび偏平チューブが夫々Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の強度の高いアルミニューム合金を芯材としたので、材料の薄肉化を実現でき、結果として熱交換器の軽量化を図ることができる。
【００３４】
上記構成において、ヘッダープレート５の芯材１の各成分をＭｎ：０．６〜２．０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｓｉ：０．０６〜１．２％、Ｚｎ：０．２〜１．０％を含有し、Ｍｇ：０．０４％以下に規制し、残部をＡｌおよび不純物からなるものとし、そのヘッダプレート５にクラッドされた犠牲陽極材２は、Ｚｎ：１．０〜４．０％、Ｍｇ：０〜１．０％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、そのヘッダプレート５にクラッドされたろう材３は、Ｓｉ：６〜１４％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなるものとすることができる。
このようにすることにより、強度が強く且つ耐蝕性の強いアルミニューム製熱交換器を提供できる。
【００３５】
上記構成において、さらに犠牲陽極材２をＩｎ：０．００５〜０．１％、Ｓｎ：０．０１〜０．１％のうち１種または２種を含有するものとすることができる。このようにすることにより、ヘッダープレート５自体の強度及び耐蝕性をさらに向上することができる。
上記構成において、ろう材にさらにＢｉ：０．０１〜０．４％含有させることができる。これにより、ヘッダープレート５と偏平チューブ６とのろう付けを確実に行うことができる。
さらに上記構成において、ヘッダープレート５の芯材１にＴｉ：０．０６〜０．３５％を含有させることができる。それによって、さらに強度及び耐蝕性の強いアルミニューム製熱交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器の要部縦断面図であって、図２のＩ部拡大図。
【図２】同熱交換器の正面図。
【図３】ヘッダープレート５と偏平チューブ６との電位差を横軸とし、夫々の一定時間内における腐蝕量を縦軸とした電位差−腐蝕量曲線。
【符号の説明】
１ 芯材
２ 犠牲陽極材
３ ろう材
３ａ ろう材
４ チューブ挿通孔
５ ヘッダープレート
６ 偏平チューブ
７ コルゲートフィン
８ ヘッダ
Claims (5)
- Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の高強度アルミニューム合金の芯材（１） の内面側に犠牲陽極材（２） がクラッドされると共に、外面側にろう材（３） がクラッドされ、多数のチューブ挿通孔（４） がその孔縁部を内面側に突出させるようにバーリング加工されて並列されたヘッダプレート（５） と、
芯材がＡｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系の高強度アルミニューム合金からなり、夫々のチューブ挿通孔（４） に端部が挿通して液密にろう付け固定され、そのヘッダプレート（５） の厚みの半分に満たない肉厚を有する薄肉の多数の偏平チューブ（６） と、
その偏平チューブ（６） の外面にろう付け固定され、前記偏平チューブ（６） より電位が卑なる多数のコルゲートフィン（７） と、を具備し、
そのコルゲートフィン（７） の波の進行方向の端とヘッダプレート（５） との隙間が、そのコルゲートフィン（７） のフィンピッチを越えるように配置され、
前記ろう付け後のヘッダプレート（５） の芯材（１） の電位が、前記偏平チューブ（６） の芯材のそれより５０ｍＶ（５％食塩水中）以内で卑になるように、そのヘッダプレート（５） の芯材のＺｎの量を０．２〜１．０重量％の範囲で混入したことを特徴とするアルミニューム製熱交換器。 - 請求項１において、
前記ヘッダプレート（５） の芯材（１） が重量％で、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｕ：０．３〜１．０％、Ｓｉ：０．０６〜１．２％、Ｚｎ：０．２〜１．０％を含有し、Ｍｇ：０．０４％以下に規制し、残部Ａｌおよび不純物からなり、
そのヘッダプレート（５） にクラッドされた前記犠牲陽極材（２） は、Ｚｎ：１．０〜４．０％、Ｍｇ：０〜１．０％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、
そのヘッダプレート（５） にクラッドされた前記ろう材は、Ｓｉ：６〜１４％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなるアルミニューム製熱交換器。 - 請求項２において、
前記犠牲陽極材（２） が、さらにＩｎ：０．００５〜０．１％、Ｓｎ：０．０１〜０．１％のうち１種または２種を含有するアルミニューム製熱交換器。 - 請求項２または請求項３において、
前記ろう材（３） が、さらにＢｉ：０．０１〜０．４％含有するアルミニューム製熱交換器。 - 請求項２〜請求項４のいずれかにおいて、
前記芯材（１） が、さらにＴｉ：０．０６〜０．３５％含有するアルミニューム製熱交換器。
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