(57)【要約】【課題】  ステンレス鋼を主体としながら、銅製部材をりん銅ろう材によって容易にろう付けすることができる熱交換器用クラッド材および熱伝導性に優れた熱交換器の流路構造を提供する。【解決手段】  本発明クラッド材は、ステンレス鋼で形成された基板２と、前記基板２の少なくとも一方の表面に接合され、りん銅ろう材によりろう付け用部材がろう付けされる銅層３とを備え、前記銅層３は純ＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金で形成されたものである。前記銅層３の厚さは１０μm 以上が好ましく、また前記銅層３の上にりん銅ろう材で形成されたろう材層を接合形成することができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼で形成された基板と、前記基板の少なくとも一方の表面に接合され、リン銅ろう材によりろう付け用部材がろう付けされる銅層とを備え、前記銅層は純ＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金で形成された熱交換器用クラッド材。
【請求項２】
前記銅層はその厚さが１０μm 以上である請求項１に記載した熱交換器用クラッド材。
【請求項３】
前記ステンレス鋼はフェライト系ステンレス鋼である請求項１又は２に記載した熱交換器用クラッド材。
【請求項４】
前記銅層の上にりん銅ろう材で形成されたろう材層が接合された請求項１から３のいずれか１項に記載した熱交換器用クラッド材。
【請求項５】
前記りん銅ろう材は、mass％でＰ：２．０〜３．２％を含有し、残部実質的にＣｕからなるリン銅ろう合金によって形成された請求項４に記載した熱交換器用クラッド材。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか１項に記載されたクラッド材によって製作された複数のプレートと、純ＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金で形成されたフィンとを備え、
前記フィンはりん銅ろう材によって前記プレートの銅層にろう付けされた熱交換器の流路構造。
【請求項７】
前記りん銅ろう材は、mass％でＰ：２．０〜３．２％を含有し、残部実質的にＣｕからなるリン銅ろう合金によって形成された請求項６に記載した熱交換器の流路構造。
【請求項８】
請求項４又は５に記載されたクラッド材によって製作された複数のプレートと、純ＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金で形成されたフィンとを備え、
前記フィンは前記プレートのろう材層によって前記プレートの銅層にろう付けされた熱交換器の流路構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば熱交換器のプレートの素材として好適な熱交換器用クラッド材及びそのクラッド材を素材として製作された熱交換器の流路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機や冷凍機などに使用される熱交換器は、熱交換される一方の媒体として排気ガスや臭化リチウムなどの腐食性流体が用いられ、他方の媒体として工業用水などが用いられる。熱交換器の使用の際に、一方の媒体と他方の媒体とが熱交換器内で混じり合うと媒体の回収、供給システムや装置全体が致命的な打撃を受ける。このため、両媒体が流れる流路は耐食性に優れたステンレス鋼によって形成されたプレートによって仕切られている。このプレートは熱交換器の強度を保持する役目をも有する。また、各流路において、媒体の流れを制御し、媒体同士の熱交換を促進させるため、プレートとプレートとの間に形成された流路には蛇腹状に屈曲形成されたステンレス鋼製のフィンが設けられる。前記プレートとフィンとは、通常、銅ろうによってろう付けされ、特にろう付け部の耐食性が要求される場合はＮｉを含有するキュプロ銅ろうによってろう付けされる。
【０００３】
前記銅ろうやキュプロ銅ろうは、ろう付け温度が１１２０℃以上と高いものであるが、ろう付け温度が８００℃程度と低く、自己フラックス性を有する銅合金ろう材として、例えばＪＩＳ  Ｚ  ３２６４に規定されたりん銅ろう材がある。前記りん銅ろう材は、加工性の非常に悪いものであるが、近年、特開２００３−１３６２７８号公報に記載されているように、冷間加工性に優れたりん銅ろう材が提供されるようになった。このりん銅ろう材は、Ｐ：２．０〜３．２mass％を含み、残部実質的にＣｕからなるりん銅ろう合金で形成されたものである。
【特許文献１】特開２００３−１３６２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記フィンはプレートほど強度、耐食性は要求されないため、フィンを熱伝導性に優れた銅材で形成することにより熱交換効率を向上させることができる。銅製のフィンを銅ろうやキュプロ銅ろうでろう付けすることはろう付け温度（１１２０℃以上）の点から不可能であるが、りん銅ろう材を用いた場合、８００℃程度の温度でろう付けすることができる。しかしながら、従来のりん銅ろう材や前記Ｐ量の低いりん銅ろう材を用いて銅製フィンをステンレス鋼製のプレートにろう付けしようとすると、ろう付けの際に前記りん銅ろう材とステンレス鋼とが激しく反応し、プレートとフィンとの間にＦｅ−Ｐ系の脆弱な金属間化合物が形成され、フィンの接合強度が確保できないという問題がある。
【０００５】
なお、前記特許文献１には、熱交換器の流路構造として、プレートおよびフィンを共に銅材で形成し、これらを前記りん銅ろう材でろう付けしたものが記載されているが、プレートも銅材で形成されているため、フィンのろう付けが困難であるという問題は生じない。
【０００６】
本発明はかかる問題に鑑みなされたものであり、ステンレス鋼を主体としながら、銅製部材をりん銅ろう材によって容易にろう付けすることができる熱交換器用クラッド材および熱伝導性に優れた熱交換器の流路構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の熱交換器用クラッド材は、ステンレス鋼で形成された基板と、前記基板の少なくとも一方の表面に接合され、りん銅ろう材によりろう付け用部材がろう付けされる銅層とを備え、前記銅層は純ＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金（両者を特に区別しない場合、単に「銅」という。）で形成されたものである。
【０００８】
このクラッド材によると、ステンレス鋼製の基板に銅層が接合されているので、前記銅層に銅製フィンのようなろう付け用部材をりん銅ろう材を用いてろう付けしても、ろう材はステンレス鋼と直接接触せず、反応し難いため、脆弱なＦｅ−Ｐ系金属間化合物が形成され難く、ろう付け用部材を容易にろう付けすることができる。また、ステンレス鋼製の基板は銅層で被覆されているため、熱伝導性が向上し、ろう付け作業性の向上や熱交換効率を改善することができる。
【０００９】
前記クラッド材において、前記銅層の厚さは、ろう付けの際のステンレス鋼とりん銅ろう材との反応をほぼ確実に抑制するには１０μm 以上とすることが好ましく、また前記ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼が好ましい。オーステナイト系ステンレス鋼のようにろう付けに際して鋭敏化による脆化が生じ難いからである。
【００１０】
また、前記クラッド材において、前記銅層の上にりん銅ろう材で形成されたろう材層を接合することができ、ろう材層を一体的に積層形成しておくことで、ろう付け作業性が向上する。前記りん銅ろう材としては、mass％でＰ：２．０〜３．２％を含有し、残部実質的にＣｕからなるリン銅ろう合金が冷間加工性に優れ、クラッド化が容易であるため好ましい。
【００１１】
また、本発明の熱交換器の流路構造は、前記クラッド材によって製作された複数のプレートと、純ＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金（両者を特に区別しない場合、単に「銅」という。）で形成されたフィンとを備え、前記フィンはりん銅ろう材によって前記プレートの銅層にろう付けされたものであり、クラッド材のステンレス鋼製基板を被覆する銅層および銅製フィンを備えるため、熱伝導性に優れ、引いては熱交換効率が向上する。
【００１２】
前記ろう付けの際に、クラッド材がろう材層を有しない場合は別途準備したりん銅ろう材を用いればよく、クラッド材にろう材層を有する場合は当該ろう材層を形成するりん銅ろう材を用いればよい。りん銅ろう材を別途準備する場合も、冷間加工性に優れ、所期の形状に加工容易であるためろう付け作業性に優れる、mass％でＰ：２．０〜３．２％を含有し、残部実質的にＣｕからなるリン銅ろう合金からなるろう材が好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる熱交換器用クラッド材は、ステンレス鋼で形成された基板に銅層が接合形成されているので、基板の熱伝導性が向上するとともに、フィンなどの他の部材をりん銅ろう材によってろう付けする際にりん銅ろう材とステンレス鋼との反応を防止することができ、前記部材のろう付けを容易に行うことができる。また、本発明にかかる熱交換器は、前記クラッド材によって製作されたプレート間に銅製のフィンをりん銅ろう材によってろう付けしたものであるので、ろう付け作業が容易で生産性に優れ、しかも全体として熱伝導性に優れるため、熱交換効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して実施形態にかかるクラッド材について説明する。
図１は第１実施形態にかかるクラッド材１を示しており、ステンレス鋼で形成された基板２の片面に銅層３が接合されている。一方、図２は第２実施形態にかかるクラッド材を示しており、ステンレス鋼で形成された基板２の両面に銅層３、３が接合されている。前記第１実施形態に係るクラッド材１はステンレス鋼製の基板２の片側に、前記第２実施形態に係るクラッド材１Ａは基板２の両側にろう付け用部材をろう付けする際に用いられる。
【００１５】
上記クラッド材１，１Ａを用いてろう付けを行う場合、りん銅ろう材を別途準備し、ろう付けする部分に付設する作業が必要になるが、銅層３の上にさらにりん銅ろう材で形成されたろう材層を接合しておくことにより、前記ろう材の設置付設は不要になり、ろう付け作業性が向上する。例えば、第２実施形態のクラッド材１Ａに対応した第３実施形態のクラッド材１Ｂは、図３に示すように、銅層３，３の上にさらにりん銅ろう材によって形成されたろう材層４，４が接合形成される。
【００１６】
前記基材２を形成するステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４３６，ＳＵＳ４１０などのフェライト系ステンレス鋼のほか、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレス鋼を用いることができる。もっとも、オーステナイト系ステンレス鋼はろう付けの際に鋭敏化が起こり、脆化する傾向があるのでフェライト系ステンレス鋼が好ましい。前記基材２の厚さは、使用する熱交換器のサイズによって適宜設定することができるが、通常、２００〜２０００μm 程度、好ましくは３００〜１０００μm 程度とされる。
【００１７】
前記銅層３を形成する銅材としては、純Ｃｕのほか、Ｃｕを主成分として９０mass％程度以上含有するＣｕ合金を用いることができる。Ｃｕはステンレス鋼やＮｉなどに比して熱伝導率が非常に高く、またりん銅ろう材によるろう付け性にも優れる。もっとも、銅層３の厚さがあまり薄いと、りん銅ろう材による８００℃程度のろう付けの際に、基板２を形成するステンレス鋼とりん銅ろう材とが接触するようになり、両者が反応して脆弱なＦｅ−Ｐ金属間化合物が形成されるようになる。このため、厚さの下限は１０μm 程度とするのがよく、好ましくは１５μm とするのがよい。この程度の厚さでも、基板２の熱伝導性の向上効果は大きく、特にろう付け性は大きく改善される。一方、その上限は特に限定されないが、あまり厚くすると材料コスト高を招来するので、２００μm 程度、好ましくは１００μm 程度とするのがよい。
【００１８】
前記りん銅ろう材としては、ＪＩＳ  Ｚ  ３２６４に規定されるＰ：４．８〜７．５mass％の各種ろう材や特許文献１に開示されたＰ：２．０〜３．２mass％、好ましくはＰ：２．２〜２．９mass％、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなるろう材を用いることができる。もっとも、ＪＩＳ規定のろう材は、冷間加工性、延性に乏しく、クラッド化が困難であったり、適宜の形状に加工することが困難であるため、冷間加工性に富み、クラッド化が可能な後者のりん銅ろう材が推奨される。図３のクラッド材１Ｂの場合、ろう材層４の厚さは、通常、１０〜１００μm 程度でよい。
【００１９】
前記クラッド材１，１Ａは、ステンレス鋼製の基板２の片面あるいは両面に銅製の薄板を、クラッド材１Ｂの場合はさらにその上に前記りん銅ろう材のろう材薄板を重ね合わせ、重ね合わされた積層材を一対のロールに通してお互いを冷間圧接することによって、簡単、容易に製造することができる。冷間圧接後、必要に応じて６００〜８００℃程度の温度で拡散焼鈍を施してもよく、さらにその後、厚さ調整を目的として仕上圧延を行ってもよい。なお、拡散焼鈍は軟化焼鈍としての役目も有する。
【００２０】
次に、前記クラッド材１，１Ａを素材として用いた熱交換器の流路構造を図４を参照して説明する。
前記熱交換器の流路構造は、前記クラッド材１，１Ａから製作した複数のプレート１１，１１Ａと、上下一対のプレート（１１，１１Ａあるいは１１Ａ，１１Ａ）間の媒体流路（図例ではＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）に設けられた蛇腹状に屈曲形成されたフィン１２を備えている。互いに隣接する媒体流路（例えばＰ１とＰ２，Ｐ２とＰ３）には熱交換する異なる媒体が流される。図例では最下段のプレート１１は、下方にフィン１２が付設されることがないので、基板２の片面のみに銅層３が設けられた第１実施形態のクラッド材１によって製作されている。他のプレート１１Ａは基板２の両面に銅層３，３が被覆形成されたクラッド材１Ａによって製作されている。
【００２１】
前記フィン１２は熱伝導性に優れた純ＣｕあるいはＣｕを主成分（好ましくは９０mass％以上）とするＣｕ合金（両者を特に区別しない場合、単に「銅」という。）で形成されている。前記フィン１２は、その屈曲上部の外面が上側プレート１１Ａの下方の銅層３に、その屈曲下部の外面が下側プレート１１Ａ（最下段ではプレート１１）の上方の銅層３にりん銅ろう材によってろう付けされている。前記ろう付けは、別途準備したりん銅ろう材をプレート１１，１１Ａとフィン１２との間に付設し、その状態で加熱炉にて８００℃程度の温度で加熱することによって行われる。勿論、クラッド材１Ｂのように、予めりん銅ろう材で形成されたろう材層４を備えたクラッド材から製作されたプレートを用いる場合、りん銅ろう材の付設作業を省略することができる。
【００２２】
この熱交換器の流路構造によると、フィン１２が薄銅板で形成され、またプレート１１，１１Ａも基板２としてステンレス鋼板を用いる一方、そのフィン１２のろう付け側の面に銅層３が接合形成されているので、全体として熱伝導性に優れ、熱交換効率を向上させることができる。
【００２３】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【実施例】
【００２４】
ステンレス鋼薄板（材質ＳＵＳ４３０）の両面に、種々の厚さの純Ｃｕ（無酸素銅）の薄板を重ね合わせて圧下率６０％にて冷間でロール圧接し、厚さ８００μm のステンレス基板の両面に厚さ４〜２００μm の銅層が圧接された一次クラッド材を得た。この一次クラッド材を６００℃で３分程度保持する拡散焼鈍を施し、板厚調整のため仕上圧延（冷間圧延）を行い、厚さ４００μm の基板の両面に２〜１００μm の銅層が接合されたクラッド材を得た。
一方、３．０mass％Ｐ−Ｃｕ合金を真空誘導溶解によって溶製し、そのインゴットを５００℃にて熱間圧延し、得られた熱延板（板厚５mm）に冷間圧延を施すことによって厚さ５０μm のりん銅ろう材箔を得た。
【００２５】
前記クラッド材から幅１０mmの試験片２１を採取し、図５に示すように、この試験片２１と別途準備した幅１０mm、厚さ０．５mmの純Ｃｕ製銅帯２２とを前記りん銅ろう材箔２３を介して重ね合わせ（重ね代５mm）、水素ガス雰囲気中で８００℃で１０分間保持してろう付けを行い、引張試験片を製作した。
【００２６】
前記引張試験片を用いて、両端を２mm／min の速度で引っ張り、ろう付け部の破断強度を測定した。その結果を図６に示す。図６より、銅層の厚さを１０μm 以上とすることによって接合強度を１５kgf／mm2 以上に安定して得ることができ、１５μm 以上にすることによって、接合強度が最高レベルに安定的に得られることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態にかかるクラッド材の部分断面図である。
【図２】第２実施形態にかかるクラッド材の部分断面図である。
【図３】第３実施形態にかかるクラッド材の部分断面図である。
【図４】実施形態にかかる熱交換器の流路構造を示す部分断面図である。
【図５】引張試験片の要部側面図である。
【図６】実施例における銅層の厚さとろう付け部の接合強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１、１Ａ、１Ｂ  クラッド材
２  基板
３  銅層
４  ろう材層
１１、１１Ａ  プレート
１２  フィン
【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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