(57)【要約】【課題】座板に形成されたチューブ挿入孔とチューブとの隙間からタンク部へとフラックスが侵入するのを防止できる熱交換器を提供する。【解決手段】チューブ１１とコルゲートフィン１２とを交互に積層した積層部の両端に座板１７とタンクカバー１８からなるタンク部１３、１４を組み付けて構成された熱交換器４において、前記チューブ１１は、前記座板１７に形成されたチューブ挿入孔２０から前記タンク部１３、１４内に突出させた先端部１１ａを外側に押し広げながら潰して、該チューブ挿入孔２０の開口周縁部２０ａに隙間なく密着させた。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チューブ（１１）とコルゲートフィン（１２）とを交互に積層した積層部の両端に座板（１７）とタンクカバー（１８）からなるタンク部（１３、１４）を組み付けて構成された熱交換器（４）において、
前記チューブ（１１）は、前記座板（１７）に形成されたチューブ挿入孔（２０）から前記タンク部（１３、１４）内に突出させた先端部（１１ａ）を、外側に押し広げながら潰して該チューブ挿入孔（２０）の開口周縁部（２０ａ）に隙間なく密着させた
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器（４）であって、
冷媒にエチレングリコールを使用した場合、エチレングリコールが接する面が、熱交換器（４）の構成材料としてＪＩＳ規格の１０００系、３０００系、５０００系のアルミニウム合金を使用若しくはそれらを組み合わせた
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１に記載の熱交換器（４）であって、
冷媒に純水を使用した場合、純水が接する面が、熱交換器（４）の構成材料としてＪＩＳ規格の１０００系、３０００系、４０００系、５０００系、７０００系のアルミニウム合金をチューブ材、プレート材、及びタンク材の内面にクラッドしたものを使用した
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
チューブ（１１）とコルゲートフィン（１２）とを交互に積層した積層部の両端に座板（１７）とタンクカバー（１８）からなるタンク部（１３、１４）を組み付けて構成された熱交換器（４）の製造方法において、
前記チューブ（１１）は、前記座板（１７）に形成されたチューブ挿入孔（２０）から前記タンク部（１３、１４）内に突出させた先端部（１１ａ）を、外側に押し広げながら潰して該チューブ挿入孔（２０）の開口周縁部（２０ａ）に隙間なく密着させて組み立てる組み付け工程（Ｓ１）と、
ろう付け用フラックスを塗布してろう付けするろう付け工程（Ｓ４）と、
５０℃〜８０℃の純水を熱交換器内部に導入しフラックスを洗い流す洗浄工程（Ｓ６）と、を備えた
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、熱交換器及び熱交換器の製造方法に関し、特に燃料電池自動車用の熱交換器に使用して好適な熱交換器及び熱交換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、駆動源として燃料電池を搭載した燃料電池自動車であるＦＣＥＶ車（fuel cell electric vehicle）用の燃料電池として、例えば、高分子電解膜型の燃料電池システムが開発されている。このシステムは、燃料電池スタック内の水素燃料を、高分子電解質膜に担持したプロトン触媒の作用でプロトン化し、高分子電解質膜を隔てて存在する酸素との共働により電位発生を行うように構成されている。
【０００３】
かかる燃料電池システムでは、発電時に発熱することから燃料電池を最適温度に保つ必要があり、冷媒を循環させた熱交換器を使用している。また、この燃料電池システムでは、熱交換器を循環する冷却水が、プロトン触媒に直接接触するため、触媒被毒の観点から、金属等のイオンの冷却水中への混入を抑制することが要望されている。
【０００４】
ここで、ラジエータやエバポレータ等の熱交換器のコアは、波形状に成形された複数個のコルゲートフィンと、扁平状に成形された複数個のチューブと、を交互に積層配列して構成される。そして、かかる熱交換器のコアは、その後、コア表面にフラックスが塗布され、ろう付けされた後、チューブと座板の接合部分及びチューブ内部に入り込んだ残渣フラックスを取り除く洗浄を行った後、コア内面に樹脂コーティング層を塗布形成して製造される。
【０００５】
燃料電池自動車用の熱交換器には、軽量化を目的として熱交換器構成部品にアルミニウム材料が使用されるが、製造時のろう付け用フラックスが洗浄工程で残ってしまうと、冷却水中にイオンが溶出して導電率を上昇させる要因となる。
【０００６】
そこで、ろう付け用フラックスを使用せずに、部品表面にアルミニウム合金からなるろう材を被覆した熱交換器構成部品を使用し、これを高温の真空炉内で真空ろう付けした後、チューブ及びタンク内を７０℃以上の純水或いはエチレングリコール液で洗浄する技術が開示されている（例えば、特許文献１など参照）。
【特許文献１】特開２００４−２３３０１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術におけるように高温の真空炉内で真空ろう付けする方法であれば、ろう付け用フラックスは不要となるが、その反面コスト高となる。コスト面を考えると、やはり、ろう付け用フラックスを使用せざるを得ない。フラックスを使用した場合、コア外側から座板内面へのフラックス侵入はマスキングなどで防止できるが、座板に形成したチューブ挿入孔とこのチューブ挿入孔に挿入されたチューブとの隙間からのフラックスの侵入を防止することは難しい。冷却水中にイオンが溶出して導電率が上昇すると、燃料電池スタックの寿命低下、熱交換器接触時の感電など、の課題が生じる。
【０００８】
そこで、本発明は、上記した従来の課題に鑑みてなされたものであり、座板に形成されたチューブ挿入孔とチューブとの隙間からタンク部内へとフラックスが侵入するのを防止できる熱交換器及び熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、チューブとコルゲートフィンとを交互に積層した積層部の両端に座板とタンクカバーからなるタンク部を組み付けて構成された熱交換器において、前記チューブは、前記座板に形成されたチューブ挿入孔から前記タンク部内に突出させた先端部を、外側に押し広げながら潰して該チューブ挿入孔の開口周縁部に隙間なく密着させたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器であって、冷媒にエチレングリコールを使用した場合、エチレングリコールが接する面が、熱交換器の構成材料としてＪＩＳ規格の１０００系、３０００系、５０００系のアルミニウム合金を使用若しくはそれらを組み合わせたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器であって、冷媒に純水を使用した場合、純水が接する面が、熱交換器の構成材料としてＪＩＳ規格の１０００系、３０００系、４０００系、５０００系、７０００系のアルミニウム合金をチューブ材、プレート材、及びタンク材の内面にクラッドしたものを使用したことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、チューブとコルゲートフィンとを交互に積層した積層部の両端に座板とタンクカバーからなるタンク部を組み付けて構成された熱交換器の製造方法において、前記チューブは、前記座板に形成されたチューブ挿入孔から前記タンク部内に突出させた先端部を、外側に押し広げながら潰して該チューブ挿入孔の開口周縁部に隙間なく密着させて組み立てる組み付け工程と、ろう付け用フラックスを塗布してろう付けするろう付け工程と、５０℃〜８０℃の純水を熱交換器内部に導入しフラックスを洗い流す洗浄工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の熱交換器によれば、座板に形成されたチューブ挿入孔からタンク部内に突出させたチューブの先端部を外側に押し広げながら潰して、該チューブ挿入孔の開口周縁部に隙間なく密着させた構造であるので、チューブ挿入孔とチューブとの隙間からコア部外側に塗布されたフラックスが前記隙間を通してタンク部内へ侵入するのが防止される。したがって、冷却水へのイオンの溶出が抑制でき、ろう付け用フラックスを塗布するノコロックろう付けによる安価な熱交換器を提供することが可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の熱交換器によれば、エチレングリコールが接する面が、熱交換器の構成材料としてＪＩＳ規格の１０００系、３０００系、５０００系のアルミニウム合金をチューブ材、プレート材、及びタンク材の内面にクラッドしたものを使用するこれらのクラッド材料は、エチレングリコールの酸化劣化の抑制効果が大きく、ギ酸など有機酸の発生が抑えられるため導電率上昇を規定の範囲内にすることが可能になる。
【００１５】
請求項３に記載の熱交換器によれば、純水が接する面が、熱交換器の構成材料としてＪＩＳ規格の１０００系、３０００系、４０００系、５０００系、７０００系のアルミニウム合金をチューブ材、プレート材、及びタンク材の内面にクラッドしたものを使用するため、これらの材料は純水中への金属イオンの溶出が少なく、低い導電率のレベルを保持できる。
【００１６】
請求項４に記載の熱交換器の製造方法によれば、組み付け工程において座板に形成されたチューブ挿入孔からタンク部内に突出させたチューブの先端部を外側に押し広げながら潰して、該チューブ挿入孔の開口周縁部に隙間なく密着させることにより、チューブ挿入孔とチューブとの隙間からコア部外側に塗布されたフラックスが前記隙間を通してタンク部内へ侵入するのが防止される。したがって、冷却水へのイオンの溶出が抑制でき、ろう付け用フラックスを塗布するノコロックろう付けによる安価な熱交換器を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
先ず、本実施の形態の燃料電池用熱交換器の製造方法について説明する前に、本発明の熱交換器が使用されるＦＣＥＶ冷却系システムについて簡単に説明する。
【００１９】
「ＦＣＥＶ冷却系システムの概略構成」
図１は、燃料電池を搭載した電気自動車の冷却系システム図である。燃料電池を駆動源とするいわゆる燃料電池自動車は、当該燃料電池を約８０〔℃〕に加温保持することで水素と酸素による反応が行われて電気を最も効率よく生成（発電）するため、加温し過ぎないように冷媒を循環させて燃料電池を冷却している。
【００２０】
この冷却系システム１では、加温された燃料電池を冷却する冷媒は、燃料電池本体２に形成された流路を流れると、ポンプ３によって熱交換器４へ送られ、発電により暖められた冷媒が熱交換器４によって冷却される。そして、冷却された冷媒は、再び燃料電池本体２へと送られ、加温された燃料電池を所定温度に保つように冷却する。このような経路を循環する冷媒には、例えば導電性の低いエチレングリコールが使用される。これは、燃料電池本体２の内部には導電性材料からなる電極などが設けられているため、その内部を循環する冷媒が導電性を持っていると、水素と酸素の反応に悪影響を与えるためである。
【００２１】
「燃料電池用熱交換器の概略構成」
次に、本実施の形態の燃料電池用熱交換器の構成について簡単に説明する。
【００２２】
図２は本実施の形態の燃料電池用熱交換器の一例を示す図である。熱交換器４は、アルミニウムからなるチューブ１１とコルゲートフィン１２とが交互に積層されてなる積層部の両端に、一対のヘッダタンク部（タンク部）１３、１４が配置されるとともに、これらヘッダタンク部１３、１４に入口パイプ１５、出口パイプ１６が連通して設けられている。
【００２３】
ヘッダタンク部１３、１４は、それぞれ座板１７と、この座板１７に取り付けられるタンクカバー１８とから構成され、内部にタンク室（図示省略する）が形成されている。また、座板１７には、図３に示すように、各チューブ１１の先端部を挿入させるチューブ挿入孔２０が形成されている。そして、このチューブ挿入孔２０には、チューブ１１の先端部１１ａがヘッダタンク１３、１４内に突出するように挿入されている。
【００２４】
かかるチューブ１１の先端部１１ａは、開口内側から外側に向けて押し広げられるようにして潰され、チューブ挿入孔２０の開口周縁部２０ａに隙間なく密着されている。このチューブ挿入孔２０の開口周縁部２０ａは、座板１７にチューブ挿入孔２０を打ち抜き加工したときにヘッダタンク１３、１４の内方に円弧状に盛り上がる形状とされている。この円弧状に盛り上がった開口周縁部２０ａに密着するようにして、前記チューブ１１の先端部１１ａが押し潰されている。
【００２５】
これにより、チューブ１１とこのチューブ１１が挿入されるチューブ挿入孔２０との間に僅かな隙間があっても、該チューブ挿入孔２０の開口が当該チューブ１１の先端部１１ａにより塞がれているため、この隙間を通してコア部表面に塗布されたフラックスのヘッダタンク１３、１４内への侵入を阻止することができる。したがって、冷媒へのイオンの溶出が抑制され、熱交換器接触時の感電並びに燃料電池スタックの寿命低下を図ることができる。
【００２６】
これに対して、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、チューブ１１の先端部１１ａをチューブ挿入孔２０の開口周縁部２０ａに密着させていない場合は、チューブ１１とチューブ挿入孔２０との隙間から矢印Ａで示す如くコア部外面に塗布されたフラックスがヘッダタンク１３、１４内へと侵入してしまう。
【００２７】
一方で、凍結防止を目的としてエチレングリコールを使用した場合、エチレングリコールは６０℃以上の高温の環境下において酸化劣化しギ酸などの有機酸が発生することにより導電率が著しく上昇するが、特定の金属または有機物を介在させると酸化劣化が抑制される。
【００２８】
本実施の形態の熱交換器４において、冷媒にエチレングリコールを使用した場合、ＪＩＳ規格の１０００系（純アルミニウム系）、３０００系（アルミニウム−マンガン（Al-Mn）系合金）、５０００系（アルミニウム−マグネシウム（Al-Mg）系合金）のアルミニウム合金をチューブ材、プレート材及びタンク材の内面にクラッドしたものを使用する。
【００２９】
これらのアルミニウムのクラッド材を使用すれば、燃料電池システム運転時の温度である冷媒温度を８５℃としたときの冷媒の導電率を示す図５のグラフから判るように、冷媒にエチレングリコールを使用した場合、Ａ７０００系のアルミニウム合金では導電率が高いが、Ａ１０００系、Ａ３０００系、Ａ４０００系、Ａ５０００系では導電率が低く有機酸発生が抑えられていることが判る。つまり、これらのアルミニウム合金をチューブ材、プレート材及びタンク材の内面にクラッドしたものを使用すれば、エチレングリコールの酸化劣化が抑制され、有機酸の発生が抑えられるため、導電率上昇を低くすることができる。
【００３０】
尚、冷媒（冷却水）を純水としたときの導電率を示す図６のグラフから、３０００系、５０００系、１０００系、７０００系、４０００系は全て導電率が低く、純水中へのイオン溶出が抑えられていることが判る。従って、純水の環境下では、これらの材料を内面にクラッドした材料を使用すればイオン溶出を最小限に抑え、低い導電率のレベルを保持することが可能になる。
【００３１】
「燃料電池用熱交換器の製造方法」
次に、前記した熱交換器４の製造方法について説明する。図７は熱交換器の製造プロセスを示す工程図、図８は熱交換器の製造プロセスを示し、コア部を組み立てる組み付け工程を示す図、図９は組み付け工程で組み付けられたチューブと座板の取付け部分を示し、（ａ）はその要部拡大斜視図、（ｂ）はその要部拡大断面図、図１０はチューブ突き出し部分の圧着工程を順次示す要部拡大図である。
【００３２】
本実施の形態の熱交換器４を製造するには、先ず、図７の工程図にある組み付け工程Ｓ１を行う。組み付け工程Ｓ１では、図８に示すように、チューブ１１とコルゲートフィン１２とを交互に積層させる。次に、そのチューブ１１とコルゲートフィン１２とからなる積層部の両端に座板１７を組み付ける。チューブ１１と座板１７及びタンクカバー１８には、ＪＩＳ規格の３０００系，５０００系，７０００系のアルミニウム合金を使用する。座板１７を組み付けることで、コア部１９が形成される。
【００３３】
座板１７には、図９（ａ）及び（ｂ）で示すように、各チューブ１１の端部を挿入させるためのスリットであるチューブ挿入孔２０が形成されている。このチューブ挿入孔２０には、チューブ１１の先端部１１ａが挿入される。かかるチューブ１１の先端部１１ａは、チューブ挿入孔２０に挿入されて座板１７のタンク部内側に突き出る。
【００３４】
次に、チューブ突き出し部分の圧着工程Ｓ２を行う。チューブ突き出し部分の圧着工程Ｓ２では、図１０に示すように、圧着治具３０を使用してチューブ１１の先端部１１ａを外側に押し広げながら潰して前記チューブ挿入孔２０の開口周縁部２０ａに隙間無く密着させる。
【００３５】
圧着治具３０は、チューブ１１の先端部１１ａを外側に押し広げてチューブ挿入孔２０の開口周縁部２０ａに密着させた最終形状と同じ角度に自動的に変化してゆく押し広げ部３１を有している。押し広げ部３１は、可動自在なヒンジ部３２に取り付けられており、このヒンジ部３２を支点として動くようになっている。
【００３６】
図１０（ａ）の初期状態から圧着治具３０をチューブ１１に接近させて行き、その先端の押し広げ部３１を、同図（ｂ）で示すようにしてチューブ１１の先端部１１ａに押し付けながら圧力を加える。すると、この圧着治具３０の加圧Ｆにより、チューブ１１の先端部１１ａは、同図（ｃ）で示すように開口内側から外側に押し広げられてチューブ開口が次第に大きくなって行く。そして、同図（ｄ）で示すように、押し広げられたチューブ１１の先端部１１ａがチューブ挿入孔２０の円弧状に盛り上がった開口周縁部２０ａに隙間なく密着するまで加圧する。
【００３７】
チューブ挿入孔２０の開口周縁部２０ａにチューブ１１の先端部１１ａが隙間なく密着したら圧着治具３０を元の位置に上昇させてチューブ突き出し部分の圧着工程Ｓ２を終了する。
【００３８】
次に、フラックス塗布工程Ｓ３を行う。フラックス塗布工程Ｓ３では、粉体のフラックスを使用する。粉体のフラックスとしては、ろう付け後に残渣が残り難い塩化物系フラックスではなくフッ化物系フラックスが好適である。
【００３９】
フッ化物系フラックス粉末の代表例としては、ＡＬＣＡＮ社で開発されたノコロックフラックスが挙げられる。ノコロックフラックスの化合物形態としては、ＫＡＩＦ4とＫ2ＡＩＦ5・Ｈ2Ｏの混合物があり、例えば古河アルミニウム工業株式会社製のＦＬ７が使用できる。
【００４０】
フラックス塗布工程では、例えばノズルの先端から粉末フラックスを、コア部１９の外表面にふりかける。粉末フラックスをコア部１９の外表面にふりかける場合、座板１７の内面に粉末フラックスが掛からないようにマスキング部材を座板１７に取り付けておくようにする。これにより、座板１７の内面への粉末フラックスの侵入が抑制される。
【００４１】
次に、ろう付け工程Ｓ４を行う。ろう付け工程Ｓ４では、前記マスキング部材を取り外した後、ろう付けされたコア部１９を炉内に入れ加熱処理してろう付けを行い、チューブ１１とコルゲートフィン１２を接合すると共にチューブ１１と座板１７とを接合する。
【００４２】
次に、タンク取付け工程Ｓ５を行う。タンク取付け工程Ｓ５では、コア部１９を炉から取り出し冷却した後、座板１７にタンクカバー１８を取り付ける。座板１７にタンクカバー１８を取り付けることで、ヘッダタンク１３、１４が形成される。
【００４３】
そして最後に、洗浄工程Ｓ６を行う。洗浄工程Ｓ６では、純水貯蔵タンク内に貯蔵した５０℃〜８０℃の純水を、熱交換器４の内部に導入して流路内部に付着するフラックスを洗い流す。
【００４４】
以上のようにして製造された熱交換器４によれば、フラックス塗布工程Ｓ３でコア部１９の外表面にふりかけられたフラックスが、チューブ挿入孔２０の開口周縁部２０ａにチューブ１１の先端部１１ａが外側に押し広げられながら潰されて隙間なく密着しているために、チューブ１１とチューブ挿入孔２０間の隙間からヘッダタンク内（タンク部内）に入り込むことが防止される。これにより、ヘッダタンク１３、１４内に入り込んだ残渣フラックスによる冷媒へのイオン溶出を限りなく低減することができる。
【００４５】
また、エチレングリコールを冷却水として使用する場合はＡ１０００系、Ａ３０００系、Ａ５０００系のアルミニウム合金を内面にクラッドした材料を使用することで、エチレングリコールの酸化劣化を抑制し有機酸の発生を抑えることができる。また、純水を冷却水として使用する場合はＡ１０００系、Ａ３０００系、Ａ４０００系、Ａ５０００系、Ａ７０００系のアルミニウム合金を内面にクラッドした材料を使用することで、冷却水中へのイオン溶出を抑えることができる。このように、使用する冷却水（冷媒）に応じてアルミニウム合金の材料を選定することにより、樹脂内面コートをしたときと同等の導電率を達成することができる。
【００４６】
従って、本実施の形態によれば、樹脂コーティング層を形成する必要がなく、そのための樹脂コーティング塗布工程及び樹脂コーティング層を乾燥させる乾燥工程も必要無くなる。したがって、製造コストを抑えることが可能となり、安価でイオン溶出の少ない信頼性の高い熱交換器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】燃料電池自動車における冷却系システムの概略構成図である。
【図２】本実施の形態の熱交換器の一例を示す図である。
【図３】図２の熱交換器におけるチューブと座板の取付け部分を示す要部拡大断面図である。
【図４】チューブの先端部をチューブ挿入孔の開口周縁部に密着させていない場合の従来構造におけるチューブと座板の取付け部分を示す要部拡大断面図である。
【図５】冷媒にエチレングリコールを使用し、その冷媒温度を８５℃としたときの冷媒の導電率を示すグラフである。
【図６】冷媒に純水を使用し、その冷媒温度を８５℃としたときの冷媒の導電率を示すグラフである。
【図７】熱交換器の製造プロセスを示す工程図である。
【図８】熱交換器の製造プロセスを示し、コア部を組み立てる組み付け工程を示す図である。
【図９】組み付け工程で組み付けられたチューブと座板の取付け部分を示し、（ａ）はその要部拡大斜視図、（ｂ）はその要部拡大断面図である。
【図１０】チューブ突き出し部分の圧着工程を順次示す要部拡大図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…冷却系システム
２…燃料電池本体
３…ポンプ
４…熱交換器
１１…チューブ
１１ａ…チューブの先端部
１２…コルゲートフィン
１３、１４…ヘッダタンク（タンク部）
１７…座板
１９…コア部
２０…チューブ挿入孔
２０ａ…チューブ挿入孔の開口周縁部
３０…圧着治具
３１…押し広げ部
３２…ヒンジ部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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