(57)【要約】【課題】製造コストを抑えつつ、高強度でろう付け性の良好な熱交換器用チューブ及び熱交換器を提供する。【解決手段】Ｍｇが添加された芯材層２１と、芯材層２１の一方の表面に形成された融点６００℃未満のろう材層２０と、芯材層２１の他方の表面に形成された融点６００℃以上の犠牲材層２２とを有するアルミニウム合金の３層クラッド材を、少なくとも一部に重複部分１５が形成されるように折曲げ成形し、重複部分１５をろう付けにより接合した熱交換器用チューブであって、芯材層２１は、ろう付け後において０．２ｗｔ％以上のＭｇを含み、ろう材層２０の厚さは、ろう付け前において２５μｍ以上であり、重複部分１５は、ろう材層２０と犠牲材層２２とが対面して接合された構造であり、ろう付け時における４５０℃以上での加熱時間は１２分以内である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇが添加された芯材層（２１）と、前記芯材層（２１）の一方の表面に形成された融点６００℃未満のろう材層（２０）と、前記芯材層（２１）の他方の表面に形成された融点６００℃以上の高融点材層（２２）とを有するアルミニウム合金の３層クラッド材を、少なくとも一部に重複部分（１５）が形成されるように折曲げ成形し、前記重複部分（１５）をろう付けにより接合した熱交換器用チューブであって、
前記芯材層（２１）は、ろう付け後において０．２ｗｔ％以上のＭｇを含み、
前記ろう材層（２０）の厚さは、ろう付け前において２５μｍ以上であり、
前記重複部分（１５）は、前記ろう材層（２０）と前記高融点材層（２２）とが対面して接合された構造であり、
ろう付け時における４５０℃以上での加熱時間は１２分以内であることを特徴とする熱交換器用チューブ。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器用チューブを有することを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金の３層クラッド材を用いた熱交換器用チューブ及び熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ろう材層、芯材層及び犠牲材層を有するアルミニウム合金の３層クラッド材を用いて作製される熱交換器が知られている。熱交換器は、３層クラッド材を折曲げ成形して扁平チューブを形成し、扁平チューブを含む構成部品同士を組み付けた後に、加熱して構成部品同士をろう付けすることにより作製される。近年、熱交換器の軽量化のため、構成材料の薄肉化が必要とされている。これに伴い、熱交換器の機械的強度や耐久性を維持しつつ構成材料を薄肉化するために、特にチューブ材の高強度化が求められている。例えば特許文献１には、芯材層にＭｇを添加して強度を高めたアルミニウム合金クラッド材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１３１９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、芯材層にＭｇが添加されていると、ろう付け工程において芯材層中のＭｇがろう材層表面にまで拡散してフラックスと反応する。これにより、ろう付け時に溶融しないＭｇＦ２等の高融点化合物が生成され、さらにフラックス成分が減少するため、ろう付け性が低下してしまうという問題がある。
【０００５】
特許文献１に開示されたアルミニウム合金クラッド材は、芯材層とろう材層との間に中間材層が形成された構造を有している。この構造では、芯材層からろう材層へのＭｇの拡散が中間材層によって抑制されるようになっている。しかしながらこの場合、クラッド材がろう材層、中間材層、芯材層及び犠牲材層の４層構造となるため、熱交換器の製造コストが増加してしまうという別の問題が生じる。
【０００６】
本発明の目的は、製造コストを抑えつつ、高強度でろう付け性の良好な熱交換器用チューブ及び熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、Ｍｇが添加された芯材層（２１）と、芯材層（２１）の一方の表面に形成された融点６００℃未満のろう材層（２０）と、芯材層（２１）の他方の表面に形成された融点６００℃以上の高融点材層（２２）とを有するアルミニウム合金の３層クラッド材を、少なくとも一部に重複部分（１５）が形成されるように折曲げ成形し、重複部分（１５）をろう付けにより接合した熱交換器用チューブであって、芯材層（２１）は、ろう付け後において０．２ｗｔ％以上のＭｇを含み、ろう材層（２０）の厚さは、ろう付け前において２５μｍ以上であり、重複部分（１５）は、ろう材層（２０）と高融点材層（２２）とが対面して接合された構造であり、ろう付け時における４５０℃以上での加熱時間は１２分以内であることを特徴とする熱交換器用チューブである。
【０００９】
この発明によると、芯材層（２１）が０．２ｗｔ％以上のＭｇを含んでいるため、熱交換器用チューブにおいて十分な強度を得ることができる。また、ろう材層（２０）の厚さを２５μｍ以上とし、重複部分（１５）においてろう材層（２０）と高融点材層（２２）とを対面させ、ろう付け時における４５０℃以上での加熱時間を１２分以内とすることによって、芯材層（２１）に含まれるＭｇの接合面への拡散を抑制することができるため、良好なろう付け性を得られる。さらに、ろう材層（２０）、芯材層（２１）及び高融点材層（２２）の３層からなる３層クラッド材を用いることができるため、製造コストが抑えられる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、上記発明の熱交換器用チューブを有することを特徴とする熱交換器である。これにより、熱交換器において上記発明と同様の効果が得られる。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係の一例を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態における熱交換器の全体構成を示す図である。
【図２】図１のＡ部の構成を示す部分的な断面図である。
【図３】第１実施形態における熱交換器用チューブの構成を示す断面図である。
【図４】第１実施形態における熱交換器用チューブの構成の他の例を示す断面図である。
【図５】ろう付け工程での加熱パターンの例を示すグラフである。
【図６】ろう付け性評価に用いる隙間充填試験片を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１乃至図６を用いて説明する。図１は、本実施形態における熱交換器としてラジエータ１の全体構成を示す図である。図２は、図１のＡ部の構成を示す部分的な断面図である。図１及び図２に示すように、ラジエータ１は、例えばアルミニウム合金製の複数の構成部品をろう接により一体的に結合して形成されたコアサブアッセンブリ５と、コアサブアッセンブリ５に取り付けられた例えば樹脂製の一対のタンク５２、６２とを有している。タンク５２には外部からエンジン冷却水を流入させる流入口５３が設けられ、タンク６２にはエンジン冷却水を外部に流出させる流出口６３が設けられている。
【００１４】
コアサブアッセンブリ５は、エンジン冷却水と空気との熱交換を行うコア部４０を有している。コア部４０は、概ね鉛直方向に延伸し、エンジン冷却水を流通させる複数の扁平チューブ１０と、扁平チューブ１０に熱的に接続され、空気に対する伝熱面積を増大させる複数のコルゲートフィン３０とが交互に積層された構造を有している。コア部４０の積層方向外側の両側端部には、コア部４０の機械的強度を補強する一対のインサート（サイドプレート）４１、４２が設けられている。
【００１５】
またコアサブアッセンブリ５は、コア部４０の上端辺に設けられ、タンク５２と共に上部ヘッダ５０を構成するコアプレート５１と、コア部４０の下端辺に設けられ、タンク６２と共に下部ヘッダ６０を構成するコアプレート６１とを有している。コアプレート５１、６１にはそれぞれ、複数の扁平チューブ１０の長手方向先端部が嵌入される複数の嵌入孔５４が形成されている。
【００１６】
図３（ａ）は扁平チューブ１０の構成の一例を示す断面図であり、図３（ｂ）は扁平チューブ１０の接合部を拡大して示す断面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、扁平チューブ１０は、全体として扁平な略長円状の断面形状を有している。扁平チューブ１０は、芯材層２１と、芯材層２１の一方の表面に形成されたろう材層２０と、芯材層２１の他方の表面に形成された犠牲材層（高融点材層）２２とを有する３層クラッド材からなる金属板を同一方向に折曲げ成形することにより形成されている。扁平チューブ１０は、互いに対向する一対の平板部１０ａ、１０ｂと、外側に凸の半円筒状に湾曲する一対の湾曲部１０ｃ、１０ｄとを有している。扁平チューブ１０の内部には、エンジン冷却水を流通させる長円形状の流路１８が形成されている。一方の湾曲部１０ｃには、金属板の一方の縁部１１と他方の縁部１２とが重複した重複部分１５が形成されている。重複部分１５では、金属板の一方の縁部１１の犠牲材層２２と、他方の縁部１２のろう材層２０とが対面している。重複部分１５で対面するろう材層２０と犠牲材層２２との間は、溶融したろう材により形成されるろう材フィレット（図示せず）を介して接合され、接合部を形成している。この接合部により、チューブ内の流路１８の気密性又は液密性が保持されている。
【００１７】
芯材層２１、ろう材層２０及び犠牲材層２２はいずれもアルミニウム合金からなり、このうち芯材層２１は０．２ｗｔ％以上のＭｇを含んでいる。犠牲材層２２は、芯材層２１よりも電位を卑にするために１．０ｗｔ％以上のＺｎを含んでいる。これにより犠牲材層２２は、芯材層２１に対する犠牲陽極効果を保持し、芯材層２１の孔食や隙間腐食を防止するようになっている。ろう材層２０は、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金からなり、芯材層２１及び犠牲材層２２よりも低い融点を有している。ろう材層２０の融点は６００℃未満であり、芯材層２１及び犠牲材層２２の融点は６００℃以上である。
【００１８】
図４（ａ）は、本実施形態の扁平チューブの構成の他の例を示す断面図であり、図４（ｂ）は扁平チューブの接合部を拡大して示す断面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、扁平チューブ８０は、２つの流路８８、８９を備え、全体として扁平な略Ｂ字状の断面形状を有している。扁平チューブ８０は、扁平チューブ１０と同様に、ろう材層２０、芯材層２１及び犠牲材層２２とを備えた３層クラッド材を用いて作製されている。扁平チューブ８０は、金属板の幅方向中央部において犠牲材層２２が外側となるように凸状に折り返された折返し凸部８３を有している。
【００１９】
金属板の一方の縁部８１は、折返し凸部８３の一方の側面との間に重複部分８５を形成するように折り曲げられている。重複部分８５では、折返し凸部８３の犠牲材層２２と、一方の縁部８１のろう材層２０とが対面している。重複部分８５で対面するろう材層２０と犠牲材層２２との間は、溶融したろう材により形成されるろう材フィレットを介して接合され、接合部を形成している。この接合部により、チューブ内の流路８８の気密性又は液密性が保持されている。
【００２０】
金属板の他方の縁部８２は、折返し凸部８３の他方の側面との間に重複部分８６を形成するように折り曲げられている。重複部分８６では、折返し凸部８３の犠牲材層２２と、他方の縁部８２のろう材層２０とが対面している。重複部分８６で対面するろう材層２０と犠牲材層２２との間は、溶融したろう材により形成されるろう材フィレットを介して接合され、接合部を形成している。この接合部により、チューブ内の流路８９の気密性又は液密性が保持されている。
【００２１】
このように、扁平チューブ１０、８０のいずれにおいても、外部からの気密性又は液密性を保持する接合部は、ろう材層２０と犠牲材層２２とが対面して接合された構成となっている。
【００２２】
次に、本実施形態の扁平チューブ１０及びラジエータ１の製造方法について説明する。まず、ろう材層２０、芯材層２１及び犠牲材層２２の３層構造を有するクラッド材を用い、帯状の金属板を作製する。ここで、クラッド材の芯材層２１には、ろう付け後の濃度が０．２ｗｔ％以上となるように所定量のＭｇが添加されている。また、ろう材層２０の厚さは２５μｍ以上である。次に、ろう材層２０が外周側となるように金属板を折曲げ成形し、金属板の一方の縁部１１を他方の縁部１２に重複させて、断面長円形状の扁平チューブ１０を形成する。本例の扁平チューブ１０は、金属板の曲げ方向を反転させることなく同一方向に折曲げ成形することにより形成される。
【００２３】
次に、複数の扁平チューブ１０と、別工程で形成された複数のコルゲートフィン３０とを交互に積層してコア部４０の組立て体を作製する。次に、コア部４０に対してコアプレート５１、６１を組み付け、コアサブアッセンブリ５の組立て体を作製する。コアプレート組付け工程では、各扁平チューブ１０の長手方向両端部が、コアプレート５１、６１の嵌入孔５４にそれぞれ嵌入される。
【００２４】
次に、コアサブアッセンブリ５の組立て体にノコロックフラックスを塗布し、当該組立て体を加熱してろう材層２０を溶融させ、扁平チューブ１０の重複部分や構成部品同士をろう付けする。図５は、ろう付け工程における加熱パターンの例を示すグラフである。グラフの横軸は時間を表しており、縦軸は加熱温度（材料温度）を表している。本実施形態では、ろう材層２０の融点よりも高く芯材層２１及び犠牲材層２２の融点よりも低い６００℃程度を加熱温度としており、４５０℃以上での加熱時間を１２分以内としている。
【００２５】
次に、コアサブアッセンブリ５に樹脂製のタンク５２、６２を組み付ける。以上の工程を経て、本実施形態の扁平チューブ１０及びラジエータ１が作製される。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態の扁平チューブ１０は、以下の４つの条件（１）〜（４）を満たしている。
（１）芯材層２１は、ろう付け後において０．２ｗｔ％以上のＭｇを含むこと。
（２）扁平チューブ１０の重複部分１５は、ろう材層２０と犠牲材層２２とが対面して接合された構造であること。
（３）ろう付け時における４５０℃以上の加熱時間は１２分以内であること。
（４）ろう付け前におけるろう材層２０の厚さが２５μｍ以上であること。
【００２７】
本願発明者は、本実施形態のように条件（１）〜（４）を満たすことによって、強度が高くろう付け性の良好な熱交換器用チューブが得られることを見出した。まず、条件（１）の芯材層中のＭｇ量について以下のように決定した。
【００２８】
芯材層２１中のＭｇ量を異ならせた４種類の３層クラッド材（厚さ０．２ｍｍ、ろう材層の厚さ４０μｍ、犠牲材層の厚さ４０μｍ）からなる板材を、図５に示したろう付け時の加熱パターンと同様の加熱パターンで４５０℃以上の加熱時間を１２分以内として加熱した。加熱後の板材について芯材層２１中のＭｇ量を分析するとともに、引張試験を行って強度を評価した。近年のチューブ材の薄肉化に伴う必要強度の増大を考慮して、引張強度１８５ＭＰａ以上を良判定（○）とし、それ未満を不良判定（×）とした。その結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
次に、本願発明者は、芯材層２１にＭｇを添加したチューブにおいて良好なろう付け性が得られる条件を決定するために、加熱後の芯材層２１中のＭｇ量が０．２ｗｔ％となる３層クラッド材を用い、４５０℃以上での加熱時間（１２分／１８分）、ろう材層２０の厚さ（２０μｍ／２５μｍ）、及び接合面の組合せ（ろう材−犠牲材／ろう材−ろう材）を異ならせたときのろう付け性の評価を行った。
【００３１】
図６は、ろう付け性評価に用いる隙間充填試験片を示している。評価対象の３層クラッド材をろう材層２０が上面となるように水平に配置して、ろう材層２０表面にフラックスを１０ｇ／ｍ２で塗布し、図６（ａ）に示す水平材７０とした。また、水平材７０と同一構成の３層クラッド材を犠牲材層２２又はろう材層２０が外側となるようにＵ字状に折り曲げ（図６（ｂ）参照）、垂直材７１とした。垂直材７１の折曲げ部７１ａの一端を水平材７０の上面（ろう材層２０）に当接させ、この当接位置から４０ｍｍ離れた位置に配置したＳＵＳ製のスペーサロッド７２（φ２ｍｍ）を、折曲げ部７１ａの他端側と水平材７０との間に介在させた。この状態で、ＳＵＳ製の細線を用いて水平材７０と垂直材７１とを互いに固定した。これにより、水平材７０のろう材層２０と、垂直材７１の犠牲材層２２又はろう材層２０とが、くさび状の隙間を介して対面する試験片を作製した。この試験片を所定の加熱時間で加熱し、隙間に充填されたろう材フィレット７３の長さ（隙間充填長さ）を測定した。以上のような手順により、条件を異ならせた試験片Ｂ１〜Ｂ６についてろう材フィレット７３の長さを測定し、ろう付け性を評価した。ここで、実際にチューブをろう付けする際に良好な接合を得るのに必要となる隙間充填長さを考慮して、隙間充填長さ１５ｍｍ以上を良判定（○）とし、それ未満を不良判定（×）とした。その結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
接合面の組合せをろう材−ろう材とした場合、加熱時には接合面の両側のろう材層２０が液相となるため、接合面には両側の芯材層２１からＭｇが拡散する。これに対し、接合面の組合せをろう材−犠牲材とした場合、接合面の片側の犠牲材層２２は加熱時に固相を維持するため、芯材層２１からのＭｇの拡散を抑制するストッパとして機能する。これにより、接合面に対し片側の芯材層２１からのＭｇの拡散が抑えられるため、ろう付け性が向上するものと考えられる。ただし、試験片Ｂ１、Ｂ３のように、接合面の組合せをろう材−犠牲材としても、他の条件によっては必ずしも良好なろう付け性を得られないことも分かった。
【００３４】
次に、加熱時間以外の条件が同一である試験片Ｂ２と試験片Ｂ３とを対比することによって、良好なろう付け性を得るためには、４５０℃以上の加熱時間を１２分以内とする必要があることが分かった（条件（３））。
【００３５】
Ｍｇの拡散は約４５０℃で開始されるため、４５０℃以上の加熱時間を短縮することによりＭｇの拡散が抑えられ、ろう付け性が向上するものと考えられる。ただし、試験片Ｂ１、Ｂ４、Ｂ５のように、４５０℃以上の加熱時間を１２分以内としても、他の条件によっては必ずしも良好なろう付け性を得られないことも分かった。
【００３６】
次に、ろう材層２０の厚さ以外の条件が同一である試験片Ｂ２と試験片Ｂ１とを対比することによって、良好なろう付け性を得るためには、ろう材層２０の厚さを２５μｍ以上とする必要があることが分かった（条件（４））。
【００３７】
ろう材層２０の厚さを厚くすることにより、芯材層２１と接合面との距離を離すことができるため、結果的に芯材層２１から接合面へのＭｇの拡散が抑えられ、ろう付け性が向上するものと考えられる。ただし、試験片Ｂ３、Ｂ５、Ｂ６のように、ろう材層２０の厚さを２５μｍ以上としても、他の条件によっては必ずしも良好なろう付け性を得られないことも分かった。
【００３８】
すなわち、条件（１）を満たす高強度のろう付けチューブにおいて、良好なろう付け性を得るためには、３つの条件（２）〜（４）を全て満たす必要があることが分かった。
【００３９】
したがって本実施形態によれば、条件（１）〜（４）の全てを満たしていることにより、高強度でかつろう付け性の良好な扁平チューブ１０を得ることができる。また本実施形態では、Ｍｇの拡散を抑制する中間材層を必要とせず、ろう材層２０、芯材層２１及び犠牲材層２２からなる３層クラッド材を用いることができるため、扁平チューブ１０及びラジエータ１の製造コストを抑えることができる。
【００４０】
（その他の実施形態）
上記実施形態では、熱交換器用チューブとして扁平な略長円状の断面形状を有する扁平チューブ１０、８０を例に挙げたが、チューブの断面形状は扁平に限らず、他の形状であってもよい。
【００４１】
また上記実施形態では、熱交換器としてラジエータ１を例に挙げたが、他の熱交換器にも適用可能である。
【００４２】
さらに上記実施形態では、芯材層２１に対する犠牲陽極効果を保持する犠牲材層２２を高融点材層の例に挙げたが、ろう材層２０の融点よりも高い６００℃以上の融点を有する層であれば、犠牲材層２２以外の層を高融点材層として用いることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  ラジエータ（熱交換器）
１０、８０  扁平チューブ（熱交換器用チューブ）
１１、１２、８１、８２  縁部
１５、８５、８６  重複部分
２０  ろう材層
２１  芯材層
２２  犠牲材層（高融点材層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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