(57)【要約】【課題】ろう付け後の強度および熱伝導性に加えて耐食性を備えるアルミニウム合金製のフィン材を提供することを目的とする【解決手段】芯材２１は、Fe:0.80〜2.0%、Ni:0.2〜1.5%の１種または２種、必要に応じてZn:0.1〜5.0％を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなり、片面または両面に、Si:5.0〜12.5％、Zn:0.1〜5.0%、Sr:0.01〜0.05%含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなるろう材３１がクラッドされている。さらに、有機系耐食皮膜とプレートフィン材の密着性を向上させるために、ろう材３１の表面３１ｓに円相当径1.0〜5.0μmの金属間化合物が数密度102〜105個/mm2で存在するよう、金属化合物の分散状態を適正に制御する。【選択図】図２
2013204076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱管とろう付けされることでエアコン用の熱交換器を構成するプレート状のフィン材であって、
前記フィン材が、質量%で、Fe:0.80〜2.0%、Ni:0.2〜1.5%の１種または２種を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなり、
前記ろう付け処理後に前記フィン材の表面に、円相当径1.0〜5.0μmの範囲の金属間化合物が数密度102〜105個/mm2で存在し、その表面に有機系耐食皮膜の表面処理が施される、
ことを特徴とするエアコン熱交換器用フィン材。
【請求項２】
前記フィン材の一方の面又は双方の面にろう材がクラッドにより設けられ、
前記ろう材は、質量%で、Si: 5.0〜12.5%を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなり、
前記ろう付け処理後に前記ろう材の表面に、円相当径1.0〜5.0μmの範囲の金属間化合物が数密度102〜105個/mm2で存在する、
請求項１に記載のエアコン熱交換器用フィン材。
【請求項３】
前記フィン材は、さらにZn:0.10〜5.0%を含有する、
請求項1または２に記載のエアコン熱交換器用フィン材。
【請求項４】
前記ろう材は、さらにZn:0.10〜5.0%およびSr:0.01〜0.05%の、１種または２種を含有する、
請求項２又は３に記載のエアコン熱交換器用フィン材。
【請求項５】
前記フィン材のろう付け後における、芯材またはろう材表面の中心線平均粗さ（Ra）が0.2〜2.0μmである請求項１〜４のいずれか一項に記載のエアコン熱交換器用フィン材。
【請求項６】
前記フィン材のろう付け後における、芯材またはろう材表面のフラックス残渣量が6.5g/m2以下である請求項１〜５のいずれか一項に記載のエアコン熱交換器用フィン材。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器用フィン材を素材とするプレートフィンの接合部位に伝熱管がろう付け接合されていることを特徴とするエアコン熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアコンの熱交換器に用いられるフィン材に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用および業務用エアコンの熱交換器には、板状に加工された複数のプレートフィンとこれらを貫通して設けられた伝熱管(チューブ)とを組み合わせて構成されるタイプが用いられている。上記プレートフィンには軽量で加工性や伝熱性に優れるアルミニウム合金が、また、伝熱管には主に熱伝導性、加工性、強度等が優れる銅管(丸管)が広く用いられている。熱交換器の組立工程としては、プレートフィンに設けられた固定用孔に伝熱管を挿入した後、伝熱管を内部から押し広げて拡管することで一体に接合される。なお、固定用孔は伝熱管の外径より径が大きく設定されている。この場合、拡管された伝熱管とプレートフィンの間に未接触部分が発生すると熱交換性能(放熱性)が大幅に低下してしまう。そこで近年、熱交換性能の向上を目的に従来の拡管接合タイプから、伝熱管とプレートフィンの間の熱伝達を確実にできるろう付け処理による接合が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３２９３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、フィンと伝熱管をろう付けにより接合するには、置きろう付け法によるか、Al-Si合金ろう材が表面に貼りあわされたクラッドフィンを用い、約600℃のろう付け熱処理によりろう材のみを溶融させることで接合させる。しかし、これらのろう付けによると、約600℃と高温のろう付け熱処理によりプレートフィンは軟化するため、ろう付け後のフィン材の強度が大幅に低下して、熱交換器の取り扱い時に容易にフィンの変形が生じてしまう問題がある。
【０００５】
ろう付け後の強度向上のために、フィン材にMn、Cu等の固溶強化型の元素を添加すること、または、Fe、Ni等の分散強化型の元素を添加すること、がこれまでに提案されている（例えば、特許文献１）。
しかし、固溶強化型の元素を添加した場合、フィン材の熱伝導性が大幅に低下する。分散強化型の元素であるFe、Niはアルミニウムへの固溶限が小さく、主に金属間化合物としてマトリクス中に存在するため、フィンの熱伝導を低下させない利点がある。しかし、必要な強度を得るためにFe、Niを添加すると、フィン材の耐食性が低下する問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の技術的課題に基づいてなされたもので、ろう付け後の強度および熱伝導性に加えて耐食性を備えるアルミニウム合金製のフィン材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】
【０００７】
本発明は、ろう付け後の強度と熱伝導性を確保するために、分散強化型の元素であるFe、Niを適正量添加させる。また、本発明は、耐食性を確保するために、有機系耐食皮膜をフィンの表面に施すことを前提とし、当該皮膜のフィンへの密着性を向上するべく、当該皮膜が接触する面における金属間化合物の分散状態を制御する。
本発明において、ろう付けの方法、つまり置きろう付け法による場合と、クラッド材を用いる場合とで、有機系耐食皮膜が接触する面が相違する。
前者の場合にはフィン材の上に有機系耐食皮膜が形成される。
一方、後者の場合は、ろう材の上に有機系耐食皮膜が形成される。ただし、ろう材が芯材の一方の面にしか形成されていない場合には、有機系耐食皮膜は、一方の面ではろう材と接触し、他方の面では芯材と接触する。なお、ここでいう芯材は、置きろう付け法による場合のフィン材に対応する。
そして、本発明は、有機系耐食皮膜と接触するフィン材又は芯材の表面、有機系耐食皮膜と接触するろう材の表面に、円相当径1.0〜5.0μmの範囲の金属間化合物が数密度102〜105個/mm2で存在することを特徴とする。なお、この数密度は、ろう付け処理後の値である。
本発明のフィン材は、質量%で（以下、同じ）、Fe:0.80〜2.0%、Ni:0.2〜1.5%の1種または２種を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなる組成を有する。
また、本発明のフィン材がクラッド材として提供される場合、芯材は、質量%で、Fe:0.80〜2.0%、Ni:0.2〜1.5%を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなり、ろう材は、Si:5.0〜12.5%を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなる。この芯材には、Zn:0.10〜5.0％を含有させることができる。また、このろう材には、Zn:0.10〜5.0%及びSr:0.01〜0.05%の、１種または２種を含有させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高強度と熱伝導性に加え、耐食性を備えるエアコン用熱交換器のフィン材が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】置きろう付け法により接合されたフィンと伝熱管の接合部近傍を模式的に示す断面図である。
【図２】クラッド材(両面ろう材)を用いて接合されたフィンと伝熱管の接合部近傍を模式的に示す断面図である。
【図３】クラッド材(片面ろう材)を用いて接合されたフィンと伝熱管の接合部近傍を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本発明は、前述したように、置きろう付け法と、クラッド材を用いる２つのろう付け法に対応する。
置きろう付け法を適用した場合、図１に示すように、伝熱管１０とフィン材２０の境界部のろう材３０により伝熱管１０とフィン材２０が接合される。この接合境界部近傍を除くと、ろう材３０は存在しておらず、ろう付け後に形成された有機系耐食皮膜４０は、フィン材２０の表面２０ｓの上に接触する。したがって、この場合、本発明で要求される金属間化合物の数密度は、フィン材表面２０ｓが備えている必要がある。なお、数密度については後述する。なお、図１は、理解を容易にするために、各部材の寸法割合を変えて描いている。
クラッド材を用いる場合は、芯材２１の表裏両面にろう材３１が設けられる場合（図２）と、芯材２１の片面にのみろう材３１が設けられる場合（図３）と、で相違する。つまり、図２に示すように、表裏両面にろう材３１が設けられると、有機系耐食皮膜４０は、ろう材３１の表面３１ｓの上に接触する。したがって、この場合、本発明で要求される金属間化合物の数密度は、表面３１ｓが備えている必要がある。一方、図３に示すように、片面にのみろう材３１が設けられると、有機系耐食皮膜４０は、一方の面側ではろう材３１の表面３１ｓの上に接触し、他方の面側では芯材表面２１sと接触する。したがって、この場合、本発明で要求される金属間化合物の数密度は、一方の面側では表面３１ｓが備え、他方の面側では芯材表面２１sが備えている必要がある。
【００１１】
以下、本発明における成分、その他の限定理由を説明する。
（１）フィン材、芯材の成分
本発明のフィン芯材は、Fe及びNiの１種または２種を含有する。各々の含有量を規定する理由は以下の通りである。
［Fe：0.8〜2.0%］
Feは、芯材の強度を高める効果がある。しかし、Fe量が0.8％未満ではその効果が充分に発揮されず、2.0％を超えると鋳造性が劣り、また、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成するためその後の圧延性が劣る。したがって、本発明の芯材のFe量は、0.8〜2.0%とする。なお、同様の理由から下限を0.8%、上限を1.5%とすることが望ましく、さらには下限を0.9%、上限を1.2%にすることがより望ましい。
なお、本発明をクラッド材に適用する場合の芯材は、クラッド材を用いない場合のフィン材に相当するが、以下では区別が必要な場合を除いて芯材と称する。
【００１２】
［Ni：0.2〜1.5%］
Niは、芯材の強度を高める効果がある。しかし、Ni量が0.2％未満ではその効果が充分に発揮されず、1.5％を超えると鋳造性が劣り、また、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成するためその後の圧延性が劣る。したがって、本発明の芯材のNi量は、0.2〜1.5%とする。なお、同様の理由から下限を0.2%、上限を1.0%とすることが望ましく、さらには下限を0.2%、上限を0.5%にすることがより望ましい。
【００１３】
以下のZnは本発明の芯材に含有させることが好ましい元素である。
［Zn：0.10〜5.0%］
Znは犠牲陽極効果がある。芯材に添加した場合、ろう材との電位差が大きくなり、耐食性に有効な電位勾配ができることで、フィン芯材の耐食性を向上させ、腐食減量を低減する効果がある。しかし、Zn量が0.10％未満ではその効果が充分に発揮されず、5.0％を超えると腐食速度が速くなり腐食減量が増加する。したがって、本発明の芯材のZn量は、0.10〜5.0%とする。なお、同様の理由により、下限を1.0%、上限を4.0%とすることが望ましく、さらには下限を1.5%、上限を3.5%とすることがより望ましい。
なお、芯材における上記元素以外は、Alおよび不可避不純物である。
【００１４】
（２）ろう材の成分
［Si：5.0〜12.5％］
Siはろう付け性を向上させる作用がある。しかし、Si量が5.0%未満ではろう付け性を向上させる作用が不十分である一方、12.5%を超えるとろう付け時に溶融してしまい、ろう付け性が低下してしまう。したがって、本発明のろう材のSi量は、5.0〜12.5%とする。なお、同様の理由により、下限を6.0％、上限を9.0％とすることが望ましく、さらには下限を6.0％、上限を8.0％とすることがより望ましい。
【００１５】
以下のZnおよびSrは本発明のろう材に含有させることが好ましい元素である。
［Zn：0.10〜5.0％］
Znは電位を卑にする作用があり、ろう材に添加した場合、芯材との電位差が大きくなり、耐食性に有効な電位勾配ができることで、フィン材の耐食性を向上させ、腐食減量を低減する効果がある。しかし、Zn量が0.10％未満ではその効果が充分に発揮されず、5.0％を超えると腐食速度が速くなり腐食減量が増加する。したがって、本発明のろう材のZn量は、0.10〜5.0%とする。なお、同様の理由により、下限を1.0％、上限を4.0％とすることが望ましく、さらには下限を1.5％、上限を3.5％とすることがより望ましい。
【００１６】
［Sr：0.01〜0.05％］
Srはろう付け性を向上させる作用がある。しかし、Sr量が0.01%未満ではろう付け性を向上させる作用が不十分である一方、0.05%を超えると、鋳造性や圧延性が低下し、製造性が悪化する。したがって、本発明のろう材のSr量は、0.01〜0.05%とする。なお、同様の理由により、下限を0.01%、上限を0.045%とすることが望ましく、さらには下限を0.01%、上限を0.04%とすることがより望ましい。
なお、ろう材における上記元素以外は、Alおよび不可避不純物である。
【００１７】
（３）金属間化合物の数密度
ろう付け処理後に有機系耐食皮膜が形成される表面に存在する金属間化合物の数密度を適正に制御することで、有機系耐食皮膜の密着性を向上させ、耐食性を大幅に向上させることが可能である。
具体的には、円相当径1.0〜5.0μmの金属間化合物の数密度を102〜105個/mm2に制御することで、アンカー効果が有効に働き、当該表面への有機系耐食皮膜の密着性が向上する。
しかし、各材料表面における金属間化合物の数密度が102個/mm2より小さいときおよび105個/mm2より大きいときは塗膜の損傷が多数見られ、アンカー効果は有効に働かない。したがって、本発明の各材料表面における金属間化合物の数密度の適正値は、102〜105個/mm2とする。なお、同様の理由から、下限を5.0×102個/mm2、上限を5.0×104個/mm2とすることが望ましく、さらには、下限を1.0×103個/mm2、上限を1.0×104個/mm2とすることがより望ましい。
なお、有機系耐食皮膜が形成される表面にいくつかの形態があることは前述の通りである。
【００１８】
（４）中心線平均表面粗さ
ろう付け処理後に有機系耐食皮膜が形成される表面の中心線平均表面粗さ（Ｒａ）を制御することで、有機系耐食皮膜の密着性を向上させ、耐食性を大幅に向上させることができる。
具体的には、Ｒａを０．２〜２．０μmに制御することで、アンカー効果が有効に働き、当該表面への有機系耐食皮膜の密着性が向上する。
しかし、Ｒａが０．２μmより小さいときおよび２．０μmより大きいときは、アンカー効果が有効に働かず、密着性が低下する。なお、同様の理由から０．５〜１．５μmが望ましく、さらには、０．８〜１．３μmとすることがより望ましい。
【００１９】
（５）フラックス残渣量
ろう付け処理の際、塗布されるフラックスの残渣量を制御することで、有機系耐食皮膜の密着性を向上させ、耐食性を向上させることができる。有機系耐食皮膜を塗膜した際、フラックスがろう材または芯材表面に残存していると、ろう材または芯材表面と有機系耐食皮膜間の密着性が失われる。フラックス残渣量は、6.5g/m2より多いと、密着性が低下するため、6.5g/m2以下とする。
【００２０】
［実施例］
以上説明した本発明の熱交換器の効果を確認するために行った具体例を説明する。
［材料の製造工程］
半連続鋳造によりフィン材及びろう材の各要素に用いるアルミニウム合金を鋳造した。なお、各合金の化学組成は表１に示した通りである。
得られた各種アルミニウム合金は、いずれも500℃で6hrの均質化処理を行った。この均質化処理の条件は一例である。
均質化処理の後に、フィン芯材用合金の片面にろう材用合金を組み合わせて熱間圧延し、クラッド材とした。このクラッド材を所定の厚さまで冷間圧延を行った後、中間焼鈍を400℃で3hr行い、最終の冷間圧延により厚さ0.10mmのH14調質のフィン材を作製した。
なお、クラッド材の板厚は、0.10mmに限られず、0.05〜0.15mmの範囲で変更可能である。また、中間焼鈍についても上記は一例であり、温度：200〜400℃、保持時間：1〜6hrの範囲から選択することができる。表１の比較例２は、芯材のFe量が多すぎたため、鋳造時に巨大晶が発生し、これが起点となって圧延時に破断が頻発し、健全なクラッド材を製造できなかった。また、比較例５は、ろう材のSi成分が少なすぎたため、クラッド材と伝熱管を健全に接合できなかった。また、一部はろう材をクラッドすることなく、以上と同様の工程で芯材を作製した。
【００２１】
［強度測定］
ろう付け相当熱処理を行った各試料からJIS H 4000に基づいて引張試験片を作製し、これら試験片を用いて引張試験を行うことによりろう付け後の強度(引張強さ)を得た。チューブの引張強さは、130MPa以上を「◎」、120〜129MPaを「○」、120MPa未満を「×」と判断し、表１に示した。以下の評価結果も同様に、表１に示す。
【００２２】
［金属間化合物の密度評価]
各試料の断面のSEM（Scanning Electron Microscope）画像を、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)測定を行い、金属間化合物を二値化処理することで、円相当径1.0〜5.0μmの金属間化合物の個数を算出した。
【００２３】
［電気伝導率測定]
ろう付け相当熱処理後の各試料を用いて、ダブルブリッジ(四端子)にて電気抵抗を測定し、ろう付け後の各試料の電気伝導率(％IACS)を求めた。
【００２４】
［塗膜の密着性評価]
有機系耐食皮膜の材質としてはエポキシ樹脂を選択し、浸漬法を用いて塗膜した。塗膜処理後のフィン材に対し、キムタオル（(株)クレシア製 商品名）を載置し、500gの加重をかけたまま５０回擦り、目視観察により塗膜の密着性を評価した。塗膜に全く損傷が認められなかった場合には「◎」、ごく一部に損傷が認められた場合には「○」、多数の損傷が認められた場合には「×」と評価した。なお、有機耐食皮膜の材質および塗膜法について上記は一例であり、特に限定されるものではない。例えば、皮膜の材質としては、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂、その他の樹脂から選択でき、また、塗膜法としては、塗布法、電解処理法等から選択できる。
【００２５】
［ろう付け性評価]
作成したフィン材に所定の伝熱管を組み付け、フッ化物系のフラックスを塗布後、窒素ガス雰囲気中で、６００℃で３min保持するろう付け処理を行った。次に、ろう付け後の試料の断面観察を行い、接合部のフィン総断面積に対するろう侵食の面積を画像解析装置にて測定し、侵食の面積率（侵食率）を算出した。侵食率が３０％未満のものを非常に良好「◎」、３０％以上で５０％未満のものを良好「○」、５０％以上のものを不良「×」とした。
なお、置きろう付け法に用いるろう材は、Al-7.5%Siの組成を有する合金を使用した。
【００２６】
[表面粗さ測定]
作製したフィン材の表面粗さをＪＩＳ  Ｂ０６０１−２０００により測定し、中心線平均粗さ（Ｒａ）によって評価した。
【００２７】
[フラックス残渣量測定］
作製したフィン材に適正量のフッ化物系のフラックスを塗布後、窒素ガス雰囲気中で、６００℃で３min保持し、ろう付け処理を行った。その後、一定面積におけるフラックス残渣量を測定した。
【００２８】
【表１】
2013204076.tif 000003
【符号の説明】
【００２９】
１０    伝熱管
２０    フィン材
２１    芯材
２０ｓ  フィン材表面
２１ｓ  芯材表面
３０，３１  ろう材
４０    有機系耐食皮膜
【図１】
2013204076.tif 000004
【図２】
2013204076.tif 000005
【図３】
2013204076.tif 000006