(57)【要約】【課題】金属部材（基材）に熱影響を与えることなくロウ材等を塗布することができる合金塗布方法、ロウ材塗布方法及び熱交換器の製造方法を提案する。【解決手段】同種又は異種の金属部材Ｂ，Ｂ２同士を接合するロウ材を金属部材Ｂ，Ｂ２の少なくとも一方に対して塗布するロウ材塗布方法であって、常温又は加熱した高圧ガスＧとロウ材粉末Ａとをノズルから超音速で噴射し、ロウ材粉末Ａを融解させることなく金属部材Ｂに衝突させてロウ材皮膜Ｒを形成することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
延性材料と脆性材料を含む合金を基材上に塗布する塗布方法であって、
常温又は加熱した高圧ガスと材料粉末とをノズルから超音速で噴射し、前記材料粉末を融解させることなく前記基材に衝突させて合金皮膜を形成することを特徴とする合金塗布方法。
【請求項２】
前記材料粉末は、延性材料及び脆性材料からなる合金粉末であることを特徴とする請求項１に記載の合金塗布方法。
【請求項３】
前記材料粉末は、延性材料からなる第一粉末及び脆性材料からなる第二粉末であり、
前記基材に前記第一粉末を衝突させて延性材料皮膜を形成した後に、前記延性材料皮膜に対して前記第二粉末を衝突させて前記合金皮膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の合金塗布方法。
【請求項４】
同種又は異種の金属部材同士を接合するロウ材を前記金属部材の少なくとも一方に対して塗布するロウ材塗布方法であって、
常温又は加熱した高圧ガスとロウ材粉末とをノズルから超音速で噴射し、前記ロウ材粉末を融解させることなく前記金属部材に衝突させてロウ材皮膜を形成することを特徴とするロウ材塗布方法。
【請求項５】
複数の波箔同士又は複数の波箔と平箔とをロウ材を用いて接合する工程を含む熱交換器の製造方法であって、
前記平箔及び／又は前記波箔に前記ロウ材を塗布する方法として、請求項４に記載のロウ材塗布方法を用いることを特徴とする熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金塗布方法、ロウ材塗布方法、熱交換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
同種又は異種の金属部材同士を接合する方法として、金属部材同士の接合部に溶融したロウ材を流し込んでロウ付けする技術が古くから知られている。また、接合される金属部材の一方又は両方に予めロウ材を付着（塗布）しておき、金属部材同士を密着させた状態で加熱して付着させたロウ材を溶融することでロウ付けする技術も知られている。
金属部材（基材）の一方又は両方に予めロウ材を付着（塗布）させる方法としては、メッキ法、高温溶射法（プラズマ溶射法等）、ロウ材粉末を基材と共に圧延して付着させる方法（特許文献１）、シート状に形成したロウ材シートを基材に貼り付ける方法（特許文献２）等がある。
【特許文献１】特開２００４−２５２５１号公報
【特許文献２】特開２００４−８２２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、メッキ法の場合には、基材にロウ材を付着させるのに長時間を要する、また、ロウ材を均一に付着させることが困難である場合が少なくないという問題がある。
高温溶射法では、基材が熱影響を受けて変形してしまうという問題がある。すなわち、基材を機械加工した後に、ロウ材を高温溶射法で塗布すると、熱変形の影響で基材に寸法ずれが発生してしまう場合がある。更に、ロウ材の材料組織に、意図せぬ偏析や第二相の析出が発生してしまうという問題もある。
ロウ材粉末を基材と共に圧延したり、シート状に形成する方法では、粉末の粒子径や含水率が大きく製造性に関わり、その制御が難しい、また、粉末圧延装置の導入コストが大きい、更に、板材にしかロウ材を付着（塗布）させることができない、という問題がある。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、金属部材（基材）に熱影響を与えることなくロウ材等を塗布することができる合金塗布方法、ロウ材塗布方法及び熱交換器の製造方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る合金塗布方法、ロウ材塗布方法、熱交換器の製造方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、延性材料と脆性材料を含む合金を基材上に塗布する塗布方法であって、常温又は加熱した高圧ガスと材料粉末とをノズルから超音速で噴射し、前記材料粉末を融解させることなく前記基材に衝突させて合金皮膜を形成することを特徴とする。
【０００６】
また、前記材料粉末は、延性材料及び脆性材料からなる合金粉末であることを特徴とする。
また、前記材料粉末は、延性材料からなる第一粉末及び脆性材料からなる第二粉末であり、前記基材に前記第一粉末を衝突させて延性材料皮膜を形成した後に、前記延性材料皮膜に対して前記第二粉末を衝突させて前記合金皮膜を形成することを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、同種又は異種の金属部材同士を接合するロウ材を前記金属部材の少なくとも一方に対して塗布するロウ材塗布方法であって、常温又は加熱した高圧ガスとロウ材粉末とをノズルから超音速で噴射し、前記ロウ材粉末を融解させることなく前記金属部材に衝突させてロウ材皮膜を形成することを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、複数の波箔同士又は複数の波箔と平箔とをロウ材を用いて接合する工程を含む熱交換器の製造方法であって、前記平箔及び／又は前記波箔に前記ロウ材を塗布する方法として、第２の発明に係るロウ材塗布方法を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば以下の効果を得ることができる。
常温又は加熱した高圧ガスと材料粉末とをノズルから超音速で噴射するコールドスプレーを用いて、材料粉末を基材に対して塗布・付着させるので、比較的容易、かつ、基材及び材料粉末（ロウ材等）に酸化や熱の影響を与えることなく、ロウ付を行うことができる。また、合金粉末や、複数の粉末を混合した混合粉を、付着させることができる。
【００１０】
また、基材に延性材料からなる皮膜を形成した後に、脆性材料からなる粉末を吹きつけることで、脆性材料を基材上に良好に塗布・付着させることができる。このようにして作製した皮膜は下地に延性を有し、表面が脆性であるので、ハニカム等に適用すればシール性を上げることができる。
【００１１】
また、コールドスプレーを用いるので、複雑形状の部材にも付着させることができる。すなわち局所的な施工が可能である。また、必要な範囲（領域）にのみ合金やロウ材を塗布・付着させることができるので、合金やロウ材の量を最小限に抑えることができる。したがって、熱交換器等の製造コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る合金塗布方法、ロウ材塗布方法、熱交換器の製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
〔ロウ材塗布装置〕
図１は、コールドスプレー装置の概略を示す模式図である。
コールドスプレー装置１０は、材料粉末Ｆを超音速で基材Ｂの表面に固体状態で衝突させて皮膜Ｒを成膜するための装置であって、材料粉末Ｆを高圧の作動ガスＧと共に噴射するスプレーガン１１、所望量の材料粉末Ｆを高圧ガスと共にスプレーガン１１に供給する粉末供給部１２、作動ガスＧを所定温度に加熱してスプレーガン１１に供給するガス加熱器１３、粉末供給部１２及びガス加熱器１３に対して作動ガスＧを供給する不図示のガス供給部１４等を備えている。
【００１４】
ガス供給部１４から供給される高圧の作動ガスＧは２つの経路に分岐され、一方の作動ガスＧ１はガス加熱器１３を経て、室温以上、材料粉末Ｆの融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱された後、スプレーガン１１に供給される。他方の作動ガスＧ２は、粉末供給部１２へ送気され、キャリアガスとして材料粉末Ｆと共にスプレーガン１１に供給される。
【００１５】
そして、スプレーガン１１に供給された作動ガスＧ（Ｇ１，Ｇ２）と材料粉末Ｆは、スプレーガン１１の先端のノズル１１Ｎを経て超音速流となり、ノズル１１Ｎの出口から噴出される。材料粉末Ｆの吹き付け速度は、３００〜８００ｍ／ｓ程度である。
なお、高圧ガス（作動ガス）Ｇとしては、空気、窒素、ヘリウムなどが用いられる。特に、不活性ガス（ヘリウム）が好適である。ガス圧力は、０．２７〜０．６９ＭＰａ程度である。
【００１６】
ノズル１１Ｎの出口から噴出した材料粉末Ｆは、固体のまま基材Ｂに衝突する。そして、高速で基材Ｂに衝突した材料粉末Ｆは、塑性変形して基材Ｂに付着（皮膜Ｒを形成）する。また、材料粉末Ｆが基材Ｂに衝突した際に運動エネルギーが熱エネルギーに変わり、材料によっては材料表面が融点を超え結合し強固な密着力を得ることができる。
【００１７】
このように、コールドスプレー装置１０は、材料粉末Ｆを溶融またはガス化させること無く、作動ガスＧと共に超音速流で固相状態のまま基材Ｂに衝突させて皮膜Ｒを形成することができる。
従来のプラズマ溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法などに比べ、材料粉末をあまり加熱せずに固相状態のまま基材Ｂに付着させることができる。
これによって得た皮膜Ｒは、緻密で密度、熱伝導率・導電性が高い、密着性も良好である等の優れた性質を有する。特に、材料粉末Ｆを加熱して溶融させないので、酸化や熱変質が殆どないという優れた性質を有する。
【００１８】
〔ロウ材〕
上述した材料粉末Ｆとしては、異種又は同種の金属部材を接合するために用いられるロウ材の粉末（以下、ロウ材粉末Ａという）を用いる。
ロウ材粉末Ａは、具体的には、ニッケルロウ（ＢＮｉ−２，ＢＮｉ−３，ＢＮｉ−５，ＢＮｉ−６等：ＪＩＳ規格）やリン銅ロウ（ＢＣｕＰ−１，ＢＣｕＰ−２，ＢＣｕＰ−３，ＢＣｕＰ−４，ＢＣｕＰ−５，ＢＣｕＰ−６等：ＪＩＳ規格）である。
【００１９】
ニッケルロウやリン銅ロウは、それぞれ延性材料と脆性材料を含む合金である。
ニッケルロウやリン銅ロウには、延性材料として、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌが含まれている。脆性材料として、Ｃｒ，Ｐが含まれている。
【００２０】
ロウ材粉末Ａは、ニッケルロウやリン銅ロウの合金（延性材料と脆性材料を含む合金）を粉砕（粉末化）したものが用いられる（以下、合金粉末Ａｇと呼ぶ）。
なお、延性材料と脆性材料を含む合金粉末Ａｇの他に、延性材料からなる延性材料粉末Ａ１と脆性材料からなる脆性材料粉末Ａ２を所定の割合で混合した混合粉Ａｍを用いてもよい。
【００２１】
〔ロウ材塗布方法〕
以下、基材Ｂ上にロウ材を塗布する方法等について説明する。
図２は、本発明の実施形態に係るロウ材塗布方法を工程順に説明する図である。
まず、コールドスプレー装置１０の粉末供給部１２に、ロウ材粉末Ａ（合金粉末Ａｇ又は混合粉Ａｍ）を投入する。そして、ガス供給部１４を作動させて、高圧の作動ガスＧを粉末供給部１２及びガス加熱器１３に供給する。すると、スプレーガン１１から、ロウ材粉末Ａ（Ａｇ，Ａｍ）が超音速で噴射される。
この際、ガス加熱器１３は、作動ガスＧを、ロウ材粉末Ａの融点又は軟化温度よりも低い温度（例えば、６５０℃以下）に加熱する。
【００２２】
例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）や銅等の金属材料からなる基材Ｂに対して、スプレーガン１１から噴射されたロウ材粉末Ａ（Ａｇ，Ａｍ）を吹き付ける。ロウ材粉末Ａは、３００〜８００ｍ／ｓ程度の速度で基材Ｂに衝突し、これにより基材Ｂ上にロウ材からなる皮膜Ｒが形成される。
【００２３】
ロウ材の合金からなる合金粉末Ａｇを基材Ｂに吹き付けた場合には、合金粉末Ａｇと略同一組織を有する皮膜Ｒが形成される。つまり、皮膜Ｒには偏析が発生しない。
【００２４】
そして、スプレーガン１１から基材Ｂに対してロウ材粉末Ａを吹き付けつつ、スプレーガン１１を基材Ｂに対して所定速度（例えば、０．１３〜６３．５ｍ／ｓ程度）で平行移動（走査）させることで、基材Ｂ上の任意の範囲（領域）にロウ材からなる皮膜Ｒを形成（塗布・付着）することができる（図２（ａ））。
スプレーガン１１からロウ材粉末Ａを吹き付ける方法では、任意の範囲（領域）にのみロウ材（皮膜Ｒ）を塗布・付着することができるので、高温溶射法等を用いる場合に比べて、ロウ材の量を最小限に抑えることができる。
【００２５】
更に、ロウ材からなる皮膜Ｒを付着させた基材Ｂに対して、異種又は同種金属からなる他の部材Ｂ２を接合する場合には、まず、基材Ｂの皮膜Ｒ上に部材Ｂ２を密着させて仮固定する。
次に、基材Ｂと部材Ｂ２とを密着させた状態で加熱して、皮膜Ｒ（すなわちロウ材）を溶融させる（図２（ｂ））。
そして、基材Ｂと部材Ｂ２を自然冷却することで、溶融したロウ材が固化して基材Ｂと部材Ｂ２が接合（ロウ付け）される（図２（ｃ））。
【００２６】
図３は、ロウ材塗布方法の他の実施形態を工程順に説明する図である。
上述したように、ロウ材の合金粉末Ａｇや、延性材料粉末Ａ１と脆性材料粉末Ａ２を所定の割合で混合した混合粉Ａｍを基材Ｂに対して一度に吹き付ける場合の他、以下の方法を用いることもできる。すなわち、延性材料からなる延性材料粉末Ａ１と脆性材料からなる脆性材料粉末Ａ２を別々に分けて吹き付け（塗布）てもよい。
【００２７】
つまり、まず、延性材料からなる延性材料粉末Ａ１を基材Ｂに対して吹き付けて延性材料からなる皮膜Ｒ１を形成する（図３（ａ））。
その後に、この皮膜Ｒ１上に更に脆性材料からなる脆性材料粉末Ａ２を吹き付けることで、皮膜Ｒを形成する（図３（ｂ））。
【００２８】
延性材料からなる皮膜Ｒ１と、この皮膜Ｒ１に衝突した脆性材料粉末Ａ２とは、それぞれ衝突の際に材料表面が融点を超えて結合する。このため、延性材料からなる延性材料粉末Ａ１と脆性材料からなる脆性材料粉末Ａ２とを別々に基材Ｂ上に塗布する場合であっても、合金粉末Ａｇと略同一組織を有する皮膜Ｒが形成される。
なお、延性材料粉末Ａ１や脆性材料粉末Ａ２を基材Ｂに対して吹き付ける方法は、上述の場合と同様である。また、延性材料粉末Ａ１と脆性材料粉末Ａ２の割合は、混合粉Ａｍにおける延性材料粉末Ａ１と脆性材料粉末Ａ２の割合と略同一に調整する。具体的には、スプレーガン１１からの噴射量及びスプレーガン１１の走査速度を調整する。
【００２９】
延性材料からなる延性材料粉末Ａ１を最初に塗布し、その後に脆性材料からなる脆性材料粉末Ａ２を塗布するのは、脆性材料を単独で基材Ｂ上に付着させることが困難だからである。また、基材Ｂ上に付着しやすい延性材料を一旦付着させた後に、この延性材料を媒介として、脆性材料を基材Ｂ上に付着させるためである。
【００３０】
そして、更に、ロウ材からなる皮膜Ｒを付着させた基材Ｂに対して、異種又は同種金属からなる他の部材Ｂ２を接合する場合には、上述した手順と同一の手順を経ればよい。
つまり、基材Ｂの皮膜Ｒ上に部材Ｂ２を密着させて仮固定し（図３（ｃ））、その状態で加熱して皮膜Ｒを溶融させ、自然冷却する（図３（ｄ））。
これにより、溶融したロウ材が固化して基材Ｂと部材Ｂ２が接合（ロウ付け）される。
【００３１】
〔熱交換器〕
図４は、本発明の実施形態に係る熱交換器５０の主要部の構成を示す模式図である。
熱交換器５０は、複数の波板５２を、互いの山部分５２ａが接触するように積層して接合させたものを備えている。
複数の波板５２は、冷媒Ｗと空気Ｈとの間で効率的に熱伝達を行うために、アルミニウム、銅或いはステンレス鋼等により形成されている。また、複数の波板５２は、互いにロウ付けされている。
なお、各波板５２同士の間に形成される各空間は、冷媒Ｗや空気Ｈの流路となる。
【００３２】
熱交換器５０の各波板５２を接合する方法としては、まず、各波板５２の山部分５２ａに、上述したコールドスプレー装置１０からロウ材粉末Ａを吹き付けて、ロウ材からなる皮膜Ｒを予め形成しておく。
次に、各波板５２を互いの山部分５２ａ（皮膜Ｒ）が接触するように積層して仮固定する。
【００３３】
次に、各波板５２を仮固定した状態のまま加熱してロウ材からなる皮膜Ｒを溶融させる。その後、そのまま自然冷却させることで、ロウ材が固化して、複数の波板５２が接合する。
【００３４】
このように、コールドスプレー装置１０からロウ材粉末Ａを吹き付けているので、必要な領域（山部分５２ａ）にのみ、ロウ材からなる皮膜Ｒを形成することができる。このため、ロウ材の量を最小限に抑えることができる。
したがって、本実施形態に係るロウ材塗布方法を各波板５２の接合工程に適用することにより、熱交換器５０の製造コストを低減することができる。
【００３５】
なお、図５に示すように、熱交換器５０としては、複数の波板５２と平板５５とを交互に積層させたものであってもよい。この場合には、波板５２の山部分５２ａに皮膜Ｒを形成してもよいし、平板５５に皮膜Ｒを形成してもよい、或いは両方に形成してもよい。いずれの場合であっても、必要な領域にのみロウ材の皮膜Ｒを形成すればよい。
【００３６】
図６は、他の実施形態に係る熱交換器６０の主要部の構成及び組立方法を示す模式図である。
熱交換器６０は、多管式の熱交換器であって、冷媒Ｗが流通するパイプ６２と、パイプ６２の外周面に対して略直交するように接合された複数のフィン６５等から構成される。
パイプ６２及びフィン６５は、冷媒Ｗと空気Ｈとの間で効率的に熱伝達を行うために、アルミニウム、銅或いはステンレス鋼等により形成されている。また、パイプ６２とフィン６５とは、ロウ付けされている。
【００３７】
パイプ６２とフィン６５とを接合する方法としては、まず、任意の形状に屈曲させたパイプ６２に対して、上述したコールドスプレー装置１０からロウ材粉末Ａ（合金粉末Ａｇ、混合粉Ａｍ、延性材料粉末Ａ１の後に脆性材料粉末Ａ２）を吹き付けて、ロウ材からなる皮膜Ｒを予め形成しておく。皮膜Ｒを形成する領域（ロウ材を塗布する領域）としては、パイプ６２とフィン６５との接触部分のみでよい。
【００３８】
次いで、パイプ６２に形成された皮膜Ｒ上に、複数のフィン６５を接触させて仮固定する。
そして、パイプ６２とフィン６５を加熱してロウ材からなる皮膜Ｒを溶融させる。その後、そのまま自然冷却させることで、ロウ材が固化して、パイプ６２とフィン６５が接合する。
【００３９】
このように、コールドスプレー装置１０からロウ材粉末Ａを吹き付けているので、必要な領域にのみ、ロウ材からなる皮膜Ｒを形成することができる。このため、ロウ材の量を最小限に抑えることができる。
したがって、本実施形態に係るロウ材塗布方法をパイプ６２とフィン６５に適用することにより熱交換器５０の製造コストを低減することができる。
また、パイプ６２のように複雑な形状であっても、容易にロウ材からなる皮膜Ｒを形成（塗布）することができる。
なお、パイプ６２に代えてフィン６５にのみ皮膜Ｒを形成（塗布）してもよいし、或いは、パイプ６２とフィン６５の両方に皮膜Ｒを形成（塗布）してもよい。
【００４０】
上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において各種条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４１】
上述した実施形態では、基材Ｂ上に塗布する金属材料として、ロウ材の場合について説明したが、これに限らない。例えば、基材Ｂの耐摩耗性向上を目的として、ＷＣ−Ｃｏを塗布したり、耐酸化性向上を目的として、ＭＣｒＡｌＹを塗布したりする場合であってもよい。
すなわち、ロウ材の場合のように、複数の部材を接合させることを目的とするものに限られず、単に基材Ｂ上に合金を塗布する場合であってもよい。この場合においても、コールドスプレー装置１０からは、合金粉末や、延性材料からなる粉末と脆性材料からなる粉末を所定の割合で混合した混合粉を吹き付けて、基材Ｂ上に皮膜を形成する。
また、延性材料からなる粉末を基材Ｂ上に吹き付けて、延性材料からなる皮膜を形成した後に、脆性材料からなる粉末を吹き付けて、所望の組成の皮膜を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】コールドスプレー装置の概略を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るロウ材塗布方法を工程順に説明する図である。
【図３】ロウ材塗布方法の他の実施形態を工程順に説明する図である。
【図４】本発明の実施形態に係る熱交換器の主要部の構成を示す模式図である。
【図５】熱交換器の変形例を示す模式図である。
【図６】他の実施形態に係る熱交換器の主要部の構成及び組立方法を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…コールドスプレー装置
１１Ｎ…ノズル
５０…熱交換器
５２…波板（波箔）
５５…平板（平箔）
６０…熱交換器
６２…パイプ
６５…フィン
Ｂ…基材（金属部材）
Ｂ２…部材（金属部材）
Ｇ…作動ガス（高圧ガス）
Ａ…ロウ材粉末（材料粉末）
Ａ１…延性材料粉末（第一粉末）
Ａ２…脆性材料粉末（第二粉末）
Ｒ…皮膜（合金皮膜、ロウ材皮膜）
Ｒ１…皮膜（延性材料皮膜）
Ｆ…材料粉末
【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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