JP5944626B2 - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、芯材にろう材をクラッドしたクラッド材を用いて形成された熱交換器の製造方法に関する。

従来、特許文献１に、芯材にろう材をクラッドしたクラッド材からなるプレート状部材等の構成部材をろう付け接合することによって形成された熱交換器が開示されている。

この特許文献１の熱交換器は、半導体素子を冷却するために用いられており、一対のプレート状部材同士をろう付け接合することによって形成される複数の冷却管を備え、各冷却管の間に形成される隙間空間に半導体素子を挟み込むように配置し、冷却管内に冷却水を流通させることによって半導体素子を冷却する構成になっている。

また、特許文献２には、蒸気圧縮式冷凍サイクル用の熱交換器を形成するために利用可能なクラッド材として、アルミニウム合金からなる芯材に、シリコン等を含有するろう材をクラッドしたものが開示されている。

特許第４１０７２６７号公報 特許第４４９１４７８号公報

ところで、複数の構成部材をろう付け接合することによって製品を形成する際のろう付け方法として、ノコロックブレージング法（以下、ＮＢ法という）およびバキュームブレージング法（以下、ＶＢ法という）が知られている。

ＮＢ法では、クラッド材同士を大気圧環境下でろう付け接合することができるので、真空環境下でろう付け接合する必要のあるＶＢ法と比較して、ろう付け炉内の真空引き等に要する設備エネルギーを低減できるとともに、製品の製造時間を短縮できることから、製品の生産性を向上できる。

その一方で、ＮＢ法では、クラッド材同士のろう付け不良を抑制するために、クラッド材のろう付け接合面の酸化皮膜を化学的に除去するフラックスを塗布しておく必要がある。これに対して、ＶＢ法では、真空環境下でろう付け接合するので、ろう材にマグネシウムを添加しておくことで、マグネシウム自体が酸化されてしまうことなく接合面の酸化皮膜を除去することができる。従って、ＶＢ法ではフラックスの塗布を必要としない。

ここで、クラッド材にフラックスを塗布する際に、乾式フラックスをスプレーにて塗布する手段やフラックス溶液に浸漬させて塗布する手段等を採用することで、クラッド材の表面にフラックスを容易に一括塗布することができる。従って、一般的には、製品をろう付け接合によって形成する際には、ＶＢ法よりも生産性を向上できるＮＢ法が採用されることが多い。

しかしながら、特許文献１の熱交換器をＮＢ法で製造する場合、ろう付け接合後に冷却管の外表面と半導体素子との接触面にフラックスが残存しないように構成部材に対して部分的にフラックスを塗布しなければならない。その理由は、ろう付け接合後に冷却管の外表面と半導体素子との接触面にフラックスが残存していると、半導体素子を冷却する冷却性能の低下や半導体素子の破損を招く恐れがあるからである。

従って、上述した一括塗布によるフラックスの塗布を採用することができず、特許文献１の熱交換器をＮＢ法にて形成しても、ＮＢ法を採用することによる生産性向上効果を充分に得ることができなくなってしまう。

また、特許文献１のように冷却水が流通する熱交換器を形成する場合は、クラッド材として、ろう付け接合後に耐食性を有するものを採用する必要がある。しかしながら、特許文献２のクラッド材は、冷媒と空気とを熱交換させる熱交換器を形成するためのものであるから、特許文献２には、ろう付け接合後に耐食性を有し、フラックスの塗布による製品の生産性の悪化を抑制可能なクラッド材は開示されていない。

本発明は、上記点に鑑みて、複数の構成部材をろう付け接合することによって形成される熱交換器の生産性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
クラッド材（４０）からなる複数の構成部材（３１、３２、３３、３４）を、加熱炉内の空気圧を大気圧と同等とする大気圧環境下で、かつ、フラックスを塗布しない状態においてろう付け接合するろう付け接合工程を有する熱交換器の製造方法であって、
クラッド材として、芯材（４１）に対して、犠牲腐食材（４２）からなる犠材層、ろう付け接合用のろう材（４３）からなるろう材層が順にクラッドされた３層構造になっているものを用い、
クラッド材（４０）の表層となるろう材（４３）はアルミニウム−シリコン合金であって、マグネシウムが添加されないものであり、
クラッド材（４０）の中間層となる犠牲腐食材（４２）はアルミニウム−亜鉛合金であって、マグネシウムが添加されており、
犠牲腐食材（４２）に対して添加されるマグネシウムの添加量Ｘをマグネシウムが添加された犠牲腐食材（４２）の重量に対する重量パーセントで表したとき、添加量Ｘは、
０．１≦Ｘ≦１．５
であり、
ろう付け接合工程では、加熱炉内の酸素濃度を大気の酸素濃度よりも低くすることを特徴とする。

これによれば、クラッド材（４０）の表層となるろう材（４３）（ろう材層）にマグネシウムが添加されていないから、マグネシウム自体が酸化物（ＭｇＯ）となって、クラッド材表層の接合面に酸化皮膜を形成することがない。
そして、３層構造のクラッド材（４０）の中間層となる犠牲腐食材（４２）に対して添加されるマグネシウムの添加量Ｘを上記範囲とすることで、ろう付け接合時に犠材層のマグネシウムが拡散し、マグネシウムの還元作用によってクラッド材表層の接合面の酸化皮膜（４３ａ、後述の図３参照）を破ることができる。これにより、フラックスの塗布を必要とすることなく、良好なろう付け接合を実現できる。さらに、空気に晒される表層部にマグネシウムが露出しないので、マグネシウム自体が酸化されて酸化物を形成してしまうことがない。従って、ＶＢ法のような真空環境下でのろう付け接合を要しない。よって、熱交換器の生産性を向上させることができる。

さらに、犠牲腐食材（４２）を有することで、ろう付け接合後の耐食性を確保できる。
さらに、ろう付け接合工程では、加熱炉内の酸素濃度を大気よりも低くして、ろう付け接合を行うので、マグネシウムによって酸化膜が除去された後の構成部材（３１〜３４）に炉内で再び酸化膜が形成されてしまうことを抑制できる。従って、良好なろう付け性を得ることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の熱交換器の製造方法において、熱交換器は、構成部材（３１〜３４）のうち、犠材層およびろう材層がクラッドされたクラッド面側に液体が流通し、かつ、クラッド面の反対面側に気体が存在する条件で用いられることを特徴とする。

これによれば、複数の構成部材（３１〜３４）をろう付け接合することによって形成され、さらに、クラッド面側に液体が流通することに対する耐食性が要求される熱交換器の生産性を向上させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

一実施形態のプレート積層型の熱交換器の正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 一実施形態のクラッド材を説明するための説明図である。 犠牲腐食材に添加されるマグネシウムの添加量Ｘの変化に対する、ろう付け性と耐食性との変化を示すグラフである。

以下、図面を用いて、本発明の一実施形態を説明する。本実施形態では、本発明のクラッド材４０からなる構成部材をろう付け接合することによって、いわゆるプレート積層型の熱交換器１を形成した例を説明する。図１は、本実施形態のプレート積層型の熱交換器１の正面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。この熱交換器１は、通電時に発熱を伴う発熱部材である電子部品２を冷却する冷却用熱交換器として用いられる。

具体的には、熱交換器１は、内部に冷却水を流通させる複数の冷却管３を有して構成されている。この冷却管３は、板状に形成された構成部材である一対の第１、第２プレート状部材３１、３２を、内部に冷却水を流通させる冷却水通路Ｗが形成されるように、最中合わせ状に貼り合わることによって形成されたものである。また、冷却管３の冷却水通路Ｗを流れる冷却水としては、水、エチレングリコール水溶液を採用できる。

さらに、冷却管３は、その長手方向（冷却水の流れ方向）に垂直な断面が扁平形状に形成されており、その扁平面（平坦面）同士が互いに平行となるように、間隔を開けて積層配置されている。また、隣り合う冷却管３の冷却水通路Ｗ同士は、図２に示すように、冷却管３の長手方向両端部に設けられた第１、第２フランジ部３１ａ、３２ａを介して連通している。

第１フランジ部３１ａは、第１プレート状部材３１に設けられ、冷却管３の扁平面に垂直方向に突出する円筒状に形成され、第１フランジ部３１ａの軸方向は、扁平面に垂直となっている。同様に、第２フランジ部３２ａは、第２プレート状部材３２に設けられ、冷却管３の扁平面に垂直方向に突出する円筒状に形成され、第２フランジ部３２ａの軸方向は、扁平面に垂直となっている。

第１フランジ部３１ａの外径および第２フランジ部３２ａの内径は、略一致しており、第１フランジ部３１ａの先端側を第２フランジ部３２ａ内部へ挿入した際に隙間バメとなる寸法関係になっている。さらに、第１フランジ部３１ａおよび第２フランジ部３２ａは、一つの冷却管３を構成する第１フランジ部３１ａの先端が、隣り合う別の冷却管３の第２フランジ部３２ａの内部に挿入された状態で接合されている。

そして、複数の冷却管３が接合されると、図１に示すように隣り合う冷却管３の扁平面同士の間に隙間空間Ｓが形成されるとともに、各冷却管３を接続する複数の第１、第２フランジ部３１ａ、３２ａによって、流入管３３を介して外部から流入した冷却水を各冷却管３へ分配する分配用タンク部４ａ、および、各冷却管３から流出した冷却水を集合させて流出管３４を介して外部へ流出させる集合用タンク部４ｂが形成される。

また、図２に示すように、冷却管３内の冷却水通路Ｗには、冷却水と電子部品２との熱交換を促進するインナーフィン３５が配置されている。このインナーフィン３５としては、例えば、冷却管３の長手方向から見たときに、板状部材を台形波状に折り曲げることによって形成されたストレートフィン等を採用できる。

さらに、隣り合う冷却管３の扁平面の間に形成される隙間空間Ｓには、電子部品２が配置されている。この電子部品２は略直方体状に形成されており、冷却管３の積層方向に対向する１組の面が、それぞれ隣り合う冷却管３の双方の扁平面に接触するように配置されている。換言すると、電子部品２は、隣り合う冷却管３に挟み込まれるように配置されている。

従って、本実施形態の熱交換器１では、冷却水を流通させることによって、冷却管３の積層方向に垂直な２つの面から電子部品２を冷却することができる。また、本実施形態の電子部品２は、具体的に、ＩＧＢＴ等の半導体素子とダイオードとを内蔵した半導体モジュールである。

次に、図３を用いて、第１、第２プレート状部材３１、３２等の熱交換器１の構成部材を形成するクラッド材４０について説明する。このクラッド材４０は、芯材４１に対して、犠牲腐食材４２からなる犠材層、ろう付け接合用のろう材４３からなるろう材層が順に張り合わされた（クラッドされた）３層構造になっている。

芯材４１は、アルミニウム合金で形成されている。本実施形態では、具体的に、芯材４１として、日本工業規格（ＪＩＳ）の材料記号が３０００番台のアルミニウム合金、すなわちアルミニウム−マンガン（Ａｌ−Ｍｎ）系合金が採用されている。

芯材４１の表面にクラッドされる犠牲腐食材４２は、芯材４１に対して電位的に卑となる材料で構成されており、芯材４１に対して優先的に腐食することで、芯材４１の腐食を抑制する機能を果たす。本実施形態では、具体的に、犠牲腐食材４２として、アルミニウム−亜鉛（Ａｌ−Ｚｎ）合金であって、犠牲腐食材４２の全重量に対する亜鉛（Ｚｎ）の重量パーセントが、１．５％以上、７．５％以下のものを採用している。

さらに、本実施形態では、犠牲腐食剤４２にマグネシウム（Ｍｇ）が添加されており、このマグネシウムの添加量Ｘは、以下数式Ｆ１で表される値になっている。
０．１≦Ｘ≦１．５…（Ｆ１）
なお、Ｘは、マグネシウムが添加された犠牲腐食材４２の全重量に対するマグネシウムの重量パーセントである。

犠材層の表面にクラッドされるろう材４３は、ろう付け接合時に加熱されて融解して各構成部材の接合面間に流れ込み、その状態で冷却されることによって凝固して、構成部材の接合面同士を接合する接合媒体である。

本実施形態では、具体的に、ろう材４３として、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）合金であって、ろう材４３の全重量に対するシリコン（Ｓｉ）の重量パーセントが、４％以上、１２％以下のものを採用している。このため、ろう材層の表層には、ろう材４３のアルミニウムが大気中の酸素に酸化されることによってアルミニウムの酸化皮膜４３ａ（Ａｌ₂Ｏ₃）が形成される。

また、第１、第２プレート状部材３１、３２は、平板状に形成されたクラッド材４０にプレス加工を施すことによって成形されており、第１、第２プレート状部材３１、３２の接合面側が、芯材４１のうち犠材層およびろう材層がクラッドされたクラッド面側（図２の太線で示す範囲）となっている。

次に、本実施形態の熱交換器１の製造方法について説明する。まず、上述した第１、第２プレート状部材３１、３２を仮組して、仮組状態の冷却管３を形成する（冷却管仮組工程）。この冷却管仮組工程では、第１、第２プレート状部材３１、３２の少なくとも一方のプレート状部材に形成された図示しない仮組用ツメ部を他方のプレート状部材側へ折り曲げること等によって、仮組状態の冷却管３を形成すればよい。

次に、仮組状態の冷却管３の第１フランジ部３１ａの先端を、隣り合う仮組状態の冷却管３の第２フランジ部３２ａの内部に挿入することで、複数の冷却管３が積層配置された仮組状態の熱交換器１を形成する（熱交換器仮組工程）。

この熱交換器仮組工程では、前述した流入管３３、流出管３４等も積層方向一端側（図１では、紙面上端側端部）に位置付けられる冷却管３の第２フランジ部３２ａの内部に挿入されてカシメ等によって仮固定すればよい。また、積層方向他端側（図１では、紙面下端側端部）に位置付けられる冷却管３には、第１フランジ部３１ａが設けられていないもの、あるいは、第１フランジ部３１ａが閉塞されているものが配置される。

さらに、この状態で、仮組状態の熱交換器１を加熱手段である図示しない加熱炉内に投入し、仮組状態の熱交換器１が投入された加熱炉内へ窒素を充填して炉内の酸素濃度を炉外の大気の酸素濃度よりも低くする。より具体的には、加熱炉内へ窒素を充填することによって、加熱炉内の酸素を加熱炉外へ押し出す窒素パージを行っている。この窒素パージでは、加熱炉内の空気圧を大気圧と同等とし、加熱炉内の真空引きなどは行わない。

そして、加熱炉内温度を約６００℃程度に加熱して、クラッド材４０のろう材４３を融解させる（ろう付け接合工程）。その後、熱交換器１を加熱炉内から取り出し、再びろう材４３が凝固するまで冷却することによって、第１、第２プレート状部材３１、３２、流入管３３、流出管３４等の各構成部材が一体にろう付けされて熱交換器１が製造される。そして、製造された熱交換器１の隙間空間Ｓに電子部品２を配置する。

また、この加熱炉は、その内壁面に炭素（Ｃ）を主成分とするカーボン層で覆った、いわゆるカーボン・マッフル炉であり、さらに、加熱炉内にて熱交換器１と接触する部位（例えば、搬送手段としてのベルトコンベアのベルト部等）に、カーボン（炭素）で形成されたものを用いている。これにより、ろう付け接合工程時における加熱炉内の酸素濃度は、少なくとも１０ｐｐｍ以下（好ましくは、５ｐｐｍ以下）に維持されている。

本実施形態では、上記の如く熱交換器１の構成部品をクラッド材４０で形成することによって、以下のような優れた効果を得ることができる。

まず、本実施形態のクラッド材４０によれば、ろう付け接合時にろう材４３（ろう材層）が融解すると、図３に示すように、犠牲腐食材４２（犠材層）に添加されたマグネシウムによって接合面に形成された酸化皮膜４３ａ（Ａｌ₂Ｏ₃）を破ることができるので、従来のＮＢ法のようにフラックスの塗布を必要とすることなく、良好なろう付け接合を実現できる。

ここで、クラッド材４０の表層となるろう材４３（ろう材層）にマグネシウムが添加されていると、マグネシウム自体が酸化物（ＭｇＯ）となって、接合面に酸化皮膜を形成してしまうので、良好なろう付け接合を実現することができない。これに対して、本実施形態のクラッド材４０では、表層に出現しないマグネシウム自体が酸化物を形成することがないので、低酸素濃度の大気圧環境下でのろう付け接合が可能となる。

さらに、本実施形態のクラッド材４０では、芯材４１とろう材層との間に犠材層を配置する３層構造として、ろう材層と犠材層とを分割しているので、ろう付け接合後に犠性腐食材４２（犠材層）による安定した耐食性を確保することができる。つまり、本実施形態のクラッド材４０によれば、ろう付け接合後に耐食性を持たせることができるとともに、フラックスの塗布等によって熱交換器の生産性が悪化してしまうことを抑制できる。

さらに、本実施形態のクラッド材４０では、犠牲腐食材４２に添加されるマグネシウムの添加量Ｘが、上記数式Ｆ１を満足する値となっているので、図４に示すように、高いろう付け性と高い耐食性との双方を両立させることができる。なお、図４は、犠牲腐食材４２に添加されるマグネシウムの添加量Ｘの変化に対する、ろう付け性と耐食性との変化を示すグラフである。

また、図４におけるろう付け性としては、例えば、各構成部材の接合部分にろう付けフィレットが形成されるか否かを定量化した値等を採用できる。一方、耐食性としては、例えば、熱交換器１の内部に、塩素イオン（Ｃｌ^-）等を添加した所定の腐食液を循環させた際の腐食量等を採用できる。

図４から明らかなように、マグネシウムの添加量Ｘを増加させることによって、酸化皮膜を取り除きやすくなるので、ろう付け性が向上するものの、犠牲腐食材４２の量が減少してしまうので、耐食性が悪化する。従って、ろう付け性と耐食性との双方を両立させるためには、マグネシウムの添加量Ｘに適切な範囲が存在する。

そこで、本実施形態では、犠牲腐食材４２に添加されるマグネシウムの添加量Ｘを、数式Ｆ１を満足する値として、高いろう付け性と高い耐食性の双方の両立を図っている。より好ましくは、マグネシウムの添加量Ｘを、０．１≦Ｘ≦０．８とすればよい。

また、本実施形態の熱交換器１では、ろう付け接合後に、芯材４１のうちクラッド面側に冷却水（液体）を流通させ、クラッド面の反対面側に大気（気体）および電子部品２が存在するように用いられているので、クラッド材４０が有するろう付け接合後の耐食性を有効に活用することができる。

さらに、冷却管３の外周面（クラッド面の反対側の面）と電子部品２との接触面にフラックスが残存してしまうことがないので、電子部品２を冷却水する冷却性能の低下や半導体素子の破損を招くことがない。

また、本実施形態の熱交換器１の製造方法によれば、クラッド材４０からなる構成部材３１、３２、３３、３４を用いていることにより、フラックスを塗布する必要がなく、さらに、大気圧環境下で、ろう付け接合工程を行うことができるので、熱交換器１の生産性を向上させることができる。

さらに、ろう付け接合工程時に、加熱炉内を窒素パージするとともに、加熱炉としてカーボン・マッフル炉を採用し、さらに、少なくとも構成部材３１、３２、３３、３４が接触する部位がカーボンで形成されたものを用いているので、加熱炉内の酸素濃度を１０ｐｐｍに維持することができる。従って、犠材層のマグネシウムによって酸化膜が除去された後の熱交換器１に炉内で再び酸化膜が形成されてしまうことを抑制でき、良好なろう付け性を得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、クラッド材４０にて構成された構成部材をろう付け接合することによって、電子部品２を冷却する冷却用の熱交換器１を形成した例を説明したが、熱交換器１はこれに限定されない。例えば、上述の熱交換器１に対して電子部品２を配置することなく、冷却水と空気とを熱交換させて冷却水を放熱させる放熱用の熱交換器を形成してもよい。すなわち、液体と気体とを熱交換させる熱交換器を形成してもよい。さらに、クラッド材４０にて構成された構成部材をろう付け接合して熱交換器以外の製品を形成してもよい。もちろん、この場合にも、ろう付け接合後にクラッド面側に液体が流通するように形成されることが望ましい。

（２）上述の実施形態では、発熱部材である電子部品２として半導体モジュールを採用した例を説明したが、発熱部材はこれに限定されない。パワートランジスタ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の電子部品であってもよし、回転電動機等を採用してもよい。

（３）上述の実施形態では、クラッド材４０が有するろう付け接合後の耐食性を有効に活用するための一例として、クラッド面側を流通する液体として、水、エチレングリコール水溶液を採用した例を説明したが、もちろんオイル等を流通させてもよい。

（４）上述の実施形態では、インナーフィンとして、ストレートフィンを採用した例を説明したが、ストレートフィンに対して、台形波状に折り曲げられた部位を冷却水の流れ方向に向かってさらに波状に折り曲げたウェーブフィン、あるいは、ストレートフィンに対して、台形波状に折り曲げられた部位に切り欠き部を設けて、当該切り欠き部を断続的に折り曲げたオフセットフィンを採用してもよい。

もちろん、インナーフィンを本実施形態のクラッド材４０で構成してもよい。この場合は、板状の芯材の両面に、犠材層、ろう材層をこの順でクラッドしてもよい。つまり、インナーフィンの両面をクラッド面としてもよい。

１ 熱交換器
３１、３２ 第１、第２プレート状部材
３３ 流入管
３４ 流出管
４０ クラッド材
４１ 芯材
４２ 犠牲腐食材
４３ ろう材

Claims (2)

1. クラッド材（４０）からなる複数の構成部材（３１、３２、３３、３４）を、加熱炉内の空気圧を大気圧と同等とする大気圧環境下で、かつ、フラックスを塗布しない状態においてろう付け接合するろう付け接合工程を有する熱交換器の製造方法であって、
   前記クラッド材として、アルミニウム合金からなる芯材（４１）に対して、犠牲腐食材（４２）からなる犠材層、ろう付け接合用のろう材（４３）からなるろう材層が順にクラッドされた３層構造になっているものを用い、
   前記クラッド材（４０）の表層となる前記ろう材（４３）はアルミニウム−シリコン合金であって、マグネシウムが添加されないものであり、
   前記クラッド材（４０）の中間層となる前記犠牲腐食材（４２）はアルミニウム−亜鉛合金であって、マグネシウムが添加されており、
   前記犠牲腐食材（４２）に対して添加されるマグネシウムの添加量Ｘをマグネシウムが添加された犠牲腐食材（４２）の重量に対する重量パーセントで表したとき、前記添加量Ｘは、
   ０．１≦Ｘ≦１．５
   であり、
   前記ろう付け接合工程では、前記加熱炉内の酸素濃度を大気の酸素濃度よりも低くすることを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 前記熱交換器は、前記構成部材（３１〜３４）のうち、前記犠材層および前記ろう材層がクラッドされたクラッド面側に液体が流通し、かつ、前記クラッド面の反対面側に気体が存在する条件で用いられることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の製造方法。

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