特許 5961114 熱交換器およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5961114

(24)【登録日】2016年7月1日

(45)【発行日】2016年8月2日

(54)【発明の名称】熱交換器およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F28F 1/40 20060101AFI20160719BHJP

【ＦＩ】

   F28F1/40 N

【請求項の数】18

【全頁数】34

(21)【出願番号】特願2012-542722(P2012-542722)

(86)(22)【出願日】2012年8月15日

(86)【国際出願番号】JP2012070772

(87)【国際公開番号】WO2013080611

(87)【国際公開日】20130606

【審査請求日】2015年6月23日

(31)【優先権主張番号】特願2011-265116(P2011-265116)

(32)【優先日】2011年12月2日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000107538

【氏名又は名称】株式会社ＵＡＣＪ

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100109449

【弁理士】

【氏名又は名称】毛受 隆典

(74)【代理人】

【識別番号】100172041

【弁理士】

【氏名又は名称】小畑 統照

(74)【代理人】

【識別番号】100172409

【弁理士】

【氏名又は名称】松谷 朗宏

(72)【発明者】

【氏名】枝 義弥

(72)【発明者】

【氏名】細川 俊之

(72)【発明者】

【氏名】村瀬 崇

【審査官】 柿沼 善一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０５５０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０１０４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７３３７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−３０７０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９９９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１３２３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２１８７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−０３８５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２４９４２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１５５６７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２２６６１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−０８３５６２（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｆ １／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

密閉容器と、前記密閉容器内に配置された複数のインナーフィンと、を備える熱交換器であって、
前記密閉容器が第１のアルミニウム合金から形成され、
前記複数のインナーフィンが第２のアルミニウム合金から形成され、
前記複数のインナーフィンが、前記熱交換器の冷却媒体の進行方向に対してオフセットされて配置され、
前記複数のインナーフィンが、前記熱交換器の厚み方向に複数積層され、
厚み方向に隣接された前記複数のインナーフィンが、前記複数のインナーフィンの互いの凸部同士が対向するように配置され、
対向されて配置された前記凸部同士の接合箇所が、前記冷却媒体の進行方向に対してずれるように配置された、
ことを特徴とする熱交換器。

【請求項2】

前記凸部同士の前記接合箇所の長さが、前記冷却媒体の進行方向における前記凸部の長さの１０％以上５０％以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁との間の接合が金属的接合である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記複数のインナーフィンと前記密閉容器との間の接合領域のフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱交換器。

【請求項5】

前記密閉容器が上部容器部材と下部容器部材とを備え、
前記上部容器部材と前記下部容器部材との間の接合が金属的接合である、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱交換器。

【請求項6】

前記上部容器部材と前記下部容器部材との間の接合領域のフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下である、
ことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。

【請求項7】

第３のアルミニウム合金から形成される接合部材をさらに備え、
前記接合部材と前記上部容器部材の下面との間の接合が金属的接合であり、
前記接合部材と前記下部容器部材の上面との間の接合が金属的接合である、
ことを特徴とする請求項５または６に記載の熱交換器。

【請求項8】

前記接合部材と前記上部容器部材の下面との間の接合領域のフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下であり、
前記接合部材と前記下部容器部材の上面との間の接合領域のフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下である、
ことを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。

【請求項9】

前記接合部材と前記複数のインナーフィンとの間の接合が金属的接合である、
ことを特徴とする請求項７または８に記載の熱交換器。

【請求項10】

前記接合部材と前記複数のインナーフィンとの間の接合領域のフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下である、
ことを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。

【請求項11】

前記接合部材が曲面部を有し、
前記接合部材の前記曲面部と前記複数のインナーフィンとが接合された、
ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の熱交換器。

【請求項12】

前記第２のアルミニウム合金のＺｎ含有率が０．３質量％以上５重量％以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の熱交換器。

【請求項13】

熱交換器の密閉容器内に複数のインナーフィンを配置する配置工程と、
前記密閉容器と前記複数のインナーフィンとを接合する接合工程と、
を含み、
前記密閉容器が第１のアルミニウム合金から形成され、
前記複数のインナーフィンが第２のアルミニウム合金から形成され、
前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金のＭｇ含有率が０．５質量％以下であり、
前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁との接触面にフッ化物系または塩化物系のフラックスを塗布し、
前記接合工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気であり、
前記接合工程で前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とし、
前記配置工程において、
前記複数のインナーフィンを、前記熱交換器の厚み方向に複数積層し、
厚み方向に隣接された前記複数のインナーフィンを、前記複数のインナーフィンの互いの凸部同士が対向するように配置し、
対向されて配置された前記凸部同士の接合箇所が、前記熱交換器の冷却媒体の進行方向に対してずれるように配置する、
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。

【請求項14】

熱交換器の密閉容器内に複数のインナーフィンを配置する配置工程と、
前記密閉容器と前記複数のインナーフィンとを接合する接合工程と、
を含み、
前記密閉容器が第１のアルミニウム合金から形成され、
前記複数のインナーフィンが第２のアルミニウム合金から形成され、
前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金のＭｇ含有率が０．２質量％以上２．０質量％以下であり、
前記接合工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気であり、
前記接合工程で前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とし、
前記配置工程において、
前記複数のインナーフィンを、前記熱交換器の厚み方向に複数積層し、
厚み方向に隣接された前記複数のインナーフィンを、前記複数のインナーフィンの互いの凸部同士が対向するように配置し、
対向されて配置された前記凸部同士の接合箇所が、前記熱交換器の冷却媒体の進行方向に対してずれるように配置する、
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。

【請求項15】

前記配置工程が、接合部材を配置する工程をさらに含み、
前記接合部材が第３のアルミニウム合金から形成され、
前記第１のアルミニウム合金、前記第２のアルミニウム合金および前記第３のアルミニウム合金からなる群のうち少なくとも１つのアルミニウム合金のＭｇ含有率が０．５質量％以下であり、
前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁との接触面、前記接合部材と上部容器部材との接触面、および前記接合部材と下部容器部材との接触面からなる群から選択される少なくとも１つの接触面にフッ化物系または塩化物系のフラックスを塗布し、
前記接合工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気であり、
前記接合工程において、
前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、および／または、
前記複数のインナーフィンと前記接合部材とを接合する温度を、前記第２のアルミニウム合金および／または前記第３のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、および／または、
前記接合部材と前記密閉容器とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第３のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、
ことを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器の製造方法。

【請求項16】

前記配置工程が、接合部材を配置する工程をさらに含み、
前記接合部材が第３のアルミニウム合金から形成され、
前記第１のアルミニウム合金、前記第２のアルミニウム合金、および前記第３のアルミニウム合金からなる群のうち少なくとも１つのアルミニウム合金のＭｇ含有率が０．２質量％以上２．０質量％以下であり、
前記接合工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気であり、
前記接合工程において、
前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、および／または、
前記複数のインナーフィンと前記接合部材とを接合する温度を、前記第２のアルミニウム合金および／または前記第３のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、および／または、
前記接合部材と前記密閉容器とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第３のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、
ことを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器の製造方法。

【請求項17】

前記接合工程において、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下である温度範囲とする時間を３０秒間以上３６００秒間以下とする、
ことを特徴とする請求項１３または１４に記載の熱交換器の製造方法。

【請求項18】

前記接合工程において、前記第１のアルミニウム合金、前記第２のアルミニウム合金、および前記第３のアルミニウム合金からなる群から選択される少なくとも１つのアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下である温度範囲とする時間を３０秒間以上３６００秒間以下とする、
ことを特徴とする請求項１５または１６に記載の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、発熱したパワー半導体モジュール等を高効率で冷却するのに適した微細な流路構造を有する熱交換器およびその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

現在、パワー半導体モジュール、マイクロガスタービン、燃料電池、小型冷凍空調機器などのエネルギーシステムの開発が活発に行われている。このようなエネルギーシステムでは、車搭載用や家庭用に適した小型化の要請が大きく、これらを実現するための研究・開発が進められている。

【0003】

こういったエネルギーシステムの冷却には空冷型の熱交換器を用いることが一般的であったが、空冷型の熱交換器は熱交換効率が悪く、近年のエネルギーシステムの小型化に伴い、体積あたりの発熱量が増加し、より熱交換効率の高い水冷式の熱交換器が用いられようになってきた。

【0004】

水冷式の熱交換器においては、冷却水の流路が小さくなるほど、均一に冷却することができて、冷却水を効率的に活用することが可能になるが、単に流路を微細にしただけでは、伝熱面積が小さくなり、熱交換量が不十分となることがある。そのため、微細な流路を多数配置して、そこに冷媒を流すことによって十分な熱交換量を確保し、小型でも効率が高く、なおかつ十分な熱交換量を有する熱交換器がある。たとえば、微細な寸法のコルゲートフィンを使った熱交換器などである。

【0005】

しかし、コルゲートフィンを使った熱交換器よりも更に小型で高効率な熱交換器にするためには、微細な流路を多数配置し、この流路の間隔を狭くして伝熱部分の表面積を増やすだけでは十分ではないことが知られている。

【0006】

高効率な熱交換器として、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載されているようなオフセットフィンがあり、その構造は、金属板を矩形状に曲折し、各波の稜線に沿って一定間隔で、各波の立ち上がり面と立下り面とに、その波の進行方向へ平行に切り起こしてオフセットした形状である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平１０−１４８４９３号公報

【特許文献2】特開２００５−１４７５７２号公報

【特許文献3】特開２００２−２７７１９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、オフセットフィンは一般に高さを高くする成形が難しいので流路内の断面積が小さくなり、冷却フィンが１枚だけの単品では放熱する表面積が足りないので、冷却性能が不十分であることがあった。そのため、特許文献２および特許文献３のように積層して使用される例もあるが、板を介して放熱フィンを接合しているため、流路内でオフセットフィンが放熱に作用する表面積が小さくなり、熱交換器内のスペースが無駄になってしまうことがあった。

【0009】

また、アルミニウム合金の接合方法としては一般にろう付けが挙げられるが、接合するろう材で小さなへこみ（凹部）を埋めてしまうため、冷却用フィンの表面積が減ることがあった。

【0010】

また、表面積の増加や冷却水の攪拌を促進させるために、流路内のオフセットフィンのサイズを小さくすると、接合部材であるロウが流路に流れ込み、流路を塞いでしまうこともあった。

【0011】

さらに、水冷式の熱交換器において、特に内部循環する冷却水や使用環境などによって耐食性に懸念がある場合、容器に穴が開いてしまうと、内部の冷却水が漏れだして発熱素子を冷却することが出来なくなるので、腐食性能および防食性能も検討された材料により構成される必要もあった。

【0012】

そのため、十分な放熱面積を確保することができ、流路内に無駄なスペースや、冷却フィンが放熱する表面積のロスが無い水冷式の熱交換器が求められている。

【0013】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱交換性に優れた熱交換器およびそ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】

【0014】

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる熱交換器は、
密閉容器と、前記密閉容器内に配置された複数のインナーフィンと、を備える熱交換器であって、
前記密閉容器が第１のアルミニウム合金から形成され、
前記複数のインナーフィンが第２のアルミニウム合金から形成され、
前記複数のインナーフィンが、前記熱交換器の冷却媒体の進行方向に対してオフセットされて配置され、
前記複数のインナーフィンが、前記熱交換器の厚み方向に複数積層され、
厚み方向に隣接された前記複数のインナーフィンが、前記複数のインナーフィンの互いの凸部同士が対向するように配置され、
対向されて配置された前記凸部同士の接合箇所が、前記冷却媒体の進行方向に対してずれるように配置された、
ことを特徴とする。

【0017】

前記凸部同士の前記接合箇所の長さが、前記冷却媒体の進行方向における前記凸部の長さの１０％以上５０％以下であってもよい。

【0018】

前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁との間の接合が金属的接合であってもよい。

【0019】

前記複数のインナーフィンと前記密閉容器との間の接合領域のフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下であってもよい。

【0020】

前記密閉容器が上部容器部材と下部容器部材とを備え、
前記上部容器部材と前記下部容器部材との間の接合が金属的接合であってもよい。

【0021】

前記上部容器部材と前記下部容器部材との間の接合領域のフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下であってもよい。

【0022】

第３のアルミニウム合金から形成される接合部材をさらに備え、
前記接合部材と前記上部容器部材の下面との間の接合が金属的接合であり、
前記接合部材と前記下部容器部材の上面との間の接合が金属的接合であってもよい。

【0023】

前記接合部材と前記上部容器部材の下面との間の接合領域のフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下であり、
前記接合部材と前記下部容器部材の上面との間の接合領域のフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下であってもよい。

【0024】

前記接合部材と前記複数のインナーフィンとの間の接合が金属的接合であってもよい。

【0025】

前記接合部材と前記複数のインナーフィンとの間の接合領域のフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下であってもよい。

【0026】

前記接合部材が曲面部を有し、
前記接合部材の前記曲面部と前記複数のインナーフィンとが接合されてもよい。

【0027】

前記第２のアルミニウム合金のＺｎ含有率が０．３質量％以上５重量％以下であってもよい。

【0028】

本発明の第２の観点に係る熱交換器の製造方法は、
熱交換器の密閉容器内に複数のインナーフィンを配置する配置工程と、
前記密閉容器と前記複数のインナーフィンとを接合する接合工程と、
を含み、
前記密閉容器が第１のアルミニウム合金から形成され、
前記複数のインナーフィンが第２のアルミニウム合金から形成され、
前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金のＭｇ含有率が０．５質量％以下であり、
前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁との接触面にフッ化物系または塩化物系のフラックスを塗布し、
前記接合工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気であり、
前記接合工程で前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とし、
前記配置工程において、
前記複数のインナーフィンを、前記熱交換器の厚み方向に複数積層し、
厚み方向に隣接された前記複数のインナーフィンを、前記複数のインナーフィンの互いの凸部同士が対向するように配置し、
対向されて配置された前記凸部同士の接合箇所が、前記熱交換器の冷却媒体の進行方向に対してずれるように配置する、
ことを特徴とする。

【0029】

本発明の第３の観点に係る熱交換器の製造方法は、
熱交換器の密閉容器内に複数のインナーフィンを配置する配置工程と、
前記密閉容器と前記複数のインナーフィンとを接合する接合工程と、
を含み、
前記密閉容器が第１のアルミニウム合金から形成され、
前記複数のインナーフィンが第２のアルミニウム合金から形成され、
前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金のＭｇ含有率が０．２質量％以上２．０質量％以下であり、
前記接合工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気であり、
前記接合工程で前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とし、
前記配置工程において、
前記複数のインナーフィンを、前記熱交換器の厚み方向に複数積層し、
厚み方向に隣接された前記複数のインナーフィンを、前記複数のインナーフィンの互いの凸部同士が対向するように配置し、
対向されて配置された前記凸部同士の接合箇所が、前記熱交換器の冷却媒体の進行方向に対してずれるように配置する、
ことを特徴とする。

【0030】

前記配置工程が、接合部材を配置する工程をさらに含み、
前記接合部材が第３のアルミニウム合金から形成され、
前記第１のアルミニウム合金、前記第２のアルミニウム合金および前記第３のアルミニウム合金からなる群のうち少なくとも１つのアルミニウム合金のＭｇ含有率が０．５質量％以下であり、
前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁との接触面、前記接合部材と上部容器部材との接触面、および前記接合部材と下部容器部材との接触面からなる群から選択される少なくとも１つの接触面にフッ化物系または塩化物系のフラックスを塗布し、
前記接合工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気であり、
前記接合工程において、
前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、および／または、
前記複数のインナーフィンと前記接合部材とを接合する温度を、前記第２のアルミニウム合金および／または前記第３のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、および／または、
前記接合部材と前記密閉容器とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第３のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度としてもよい。

【0031】

前記配置工程が、接合部材を配置する工程をさらに含み、
前記接合部材が第３のアルミニウム合金から形成され、
前記第１のアルミニウム合金、前記第２のアルミニウム合金、および前記第３のアルミニウム合金からなる群のうち少なくとも１つのアルミニウム合金のＭｇ含有率が０．２質量％以上２．０質量％以下であり、
前記接合工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気であり、
前記接合工程において、
前記複数のインナーフィンと前記密閉容器の内壁とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、および／または、
前記複数のインナーフィンと前記接合部材とを接合する温度を、前記第２のアルミニウム合金および／または前記第３のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、および／または、
前記接合部材と前記密閉容器とを接合する温度を、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第３のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下となる温度としてもよい。

【0032】

前記接合工程において、前記第１のアルミニウム合金および／または前記第２のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下である温度範囲とする時間を３０秒間以上３６００秒間以下としてもよい。

【0033】

前記接合工程において、前記第１のアルミニウム合金、前記第２のアルミニウム合金、および前記第３のアルミニウム合金からなる群から選択される少なくとも１つのアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下である温度範囲とする時間を３０秒間以上３６００秒間以下としてもよい。

【発明の効果】

【0034】

本発明によれば、熱交換性に優れた熱交換器およびその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本実施形態に係る熱交換器の構成を模式的に示す斜視図である。

【図2】図１の熱交換器のＡ−Ａ’断面模式図である。

【図3】本実施形態に係る熱交換器に使用されるインナーフィンの全体形状を模式的に示す斜視図である。

【図4】本実施形態に係る熱交換器に使用されるインナーフィンの断面形状を模式的に示す断面図である。

【図5A】本実施形態に係るインナーフィン同士の接合部のフィレット形状とその断面積の大きさを模式的に示す断面図である。

【図5B】本実施形態に係るインナーフィン同士の接合部で、フィンがわずかにずれた場合のフィレット形状とその断面積の大きさを模式的に示す断面図である。

【図5C】関連技術に係るインナーフィン同士の接合部のフィレット形状とその断面積の大きさを模式的に示す断面図である。

【図5D】関連技術に係るインナーフィン同士の接合部で、フィンがわずかにずれた場合のフィレット形状とその断面積の大きさを模式的に示す断面図である。

【図6】Ａｌ−Ｓｉ合金の２元系合金の状態図を模式的に示す図である。

【図7】（ａ）は図５の２元系合金の液相の生成過程の一つの過程を模式的に説明する図である。（ｂ）は図５の２元系合金の液相の生成過程の一つの過程を模式的に説明する図である。（ｃ）は図５の２元系合金の液相の生成過程の一つの過程を模式的に説明する図である。（ｄ）は図５の２元系合金の液相の生成過程の一つの過程を模式的に説明する図である。

【図8】（ａ）は図５の２元系合金の液相の生成過程の一つの過程を模式的に説明する図である。（ｂ）は図５の２元系合金の液相の生成過程の一つの過程を模式的に説明する図である。（ｃ）は図５の２元系合金の液相の生成過程の一つの過程を模式的に説明する図である。（ｄ）は図５の２元系合金の液相の生成過程の一つの過程を模式的に説明する図である。

【図9】密閉容器の内部にインナーフィンが１枚配置された変形例を模式的に示す図である。

【図10A】密閉容器が接合用板を介して接合され、その両側にインナーフィンが２枚配置された変形例を模式的に示す図である。

【図10B】インナーフィンが２枚配置された変形例を模式的に示す図である。

【図11A】密閉容器が接合用板を介して接合され、その両側にインナーフィンが２枚ずつ積層された変形例を模式的に示す図である。

【図11B】インナーフィンが４枚積層された変形例を模式的に示す図である。

【図12】本実施形態に係る熱交換器のインナーフィンの積層構造および熱交換器内の冷却水の流れ方を模式的に示す斜視図である。

【図13】本実施形態に係る熱交換器において、冷却水の進行方向と平行な方向に位置をずらしてインナーフィンを積層配置した状態を模式的に示す図である。

【図14】密閉容器がインナーフィンを兼ねた接合用板を介して接合され、その両側にインナーフィンが２枚ずつ積層された変形例を模式的に示す図である。

【図15A】実施例および比較例に係る熱交換器に使用される密閉容器を構成する部材の熱交換器外側から見た模式図である。

【図15B】実施例および比較例に係る熱交換器に使用される密閉容器を構成する部材のインナーフィンを入れる側から見た模式図である。

【図16】実施例および比較例に係る熱交換器における冷却水流量と熱性能との関係を示すグラフ図である。

【図17】実施例に係る熱交換器におけるインナーフィンのずらし量と対ずらし無しの冷却性能向上との関係を示すグラフ図である。

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下、本発明の実施形態に係る熱交換器１００およびその製造方法について説明する。

【0037】

本明細書において、「金属的接合」とは、２つ以上のアルミニウム合金が金属的に接合され、接合部の金属組織が、該アルミニウム合金に由来するアルミニウム合金の金属組織のみを含むことを指す。

【0038】

図１および図２に示すように、水冷式のアルミニウム合金製の熱交換器１００は、密閉容器１０２と、密閉容器内に設けられた放熱用の複数のインナーフィン１０４と、冷却水入口１０６と、冷却水出口１０８と、を備える。密閉容器１０２は、上部容器部材１１０と、下部容器部材１１２と、接合部材１１４と、を備える。

【0039】

インナーフィン１０４、冷却水入口１０６、冷却水出口１０８、上部容器部材１１０、下部容器部材１１２、接合部材１１４の材料としては、以下に限定されるものではないが、たとえば、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金などが用いられる。ここで、上部容器部材１１０および下部容器部材１１２を形成するアルミニウム合金（第１のアルミニウム合金）、インナーフィン１０４を形成するアルミニウム合金（第２のアルミニウム合金）および接合部材を形成するアルミニウム合金（第３のアルミニウム合金）は、それぞれ別の合金であってもよいし、同じ合金であってもよい。

【0040】

図２に示すように、上部容器部材１１０は下に凹となる領域を有し、下部容器部材１１２は上に凹となる領域を有する。すなわち、上部容器部材１１０の凹部および下部容器部材１１２の凹部が密閉容器１０２の内側にあり、密閉容器１０２の内部に、接合部材１１４の一部およびインナーフィン１０４を配置する空間が確保されている。上部容器部材１１０および下部容器部材１１２はそれぞれ、その接合面にフランジ（図示せず）を有する。フランジの形状および材質は本実施形態の効果を奏する範囲で適宜選択される。上部容器部材１１０のフランジと接合部材１１４の上面とが金属的に接合され、下部容器部材１１２のフランジと接合部材１１４の下面とが金属的に接合されることによって、接合部材１１４を介して上部容器部材１１０と下部容器部材１１２とが金属的に接合され、密閉容器１０２の気密性が保たれる。密閉容器１０２は、冷却流体が流れ込む冷却水入口１０６と、冷却流体が流れ出す冷却水出口１０８を除いて密閉されている。そのため、冷却水などが熱交換器１００の外部に漏れ出すことを防ぐことができる。また、冷却水入口１０６と冷却水出口１０８の形状は、本実施形態の効果を奏する範囲で、使用状況や製造方法を考慮して適宜選択される。

【0041】

本実施形態において、熱交換器１００の冷却用のインナーフィン１０４はオフセットされている（オフセットフィン）。すなわち、図３に示すように、インナーフィン１０４は、第２のアルミニウム合金製の金属板を矩形状に曲折し、各波の稜線１に沿って、一定間隔で、各波の立ち上がり面２と立下り面３とに、その波の進行方向へ平行に切り起こしてオフセットしたものであり、インナーフィン１０４は、熱交換器１００の冷却水（冷却媒体）の進行方向（Ｄ１）に対して直角にオフセットされている（Ｄ２：インナーフィンのオフセットの方向）。すなわち、熱交換器１００の内部において、冷却水は一直線に進むのではなく、冷却水流路（１つのインナーフィンの側面とそれに隣接する別のインナーフィンの側面との間）を冷却水が通過した後、オフセットされて設置されたまた別のインナーフィンに当たり、Ｄ２の正方向および負方向に向けて冷却水が進路を変える。次に、進路を変えられた冷却水が別のインナーフィンの側面に当たり、冷却水出口に向かう方向（Ｄ１）に進路を変える。これを繰り返して、冷却水は、熱交換器１００内の複数のインナーフィンに接触しながら、冷却水出口方向に向かう。金属板の板厚、曲折された後の矩形の寸法、オフセットの寸法（幅）、各波の稜線の長さ等については、本実施形態の効果を奏する範囲で、使用条件に応じて適宜選択される。

【0042】

熱交換器１００のインナーフィン１０４がオフセット構造を有することによって、水冷式の熱交換器である熱交換器１００において、熱交換器１００の内部を流れる水と熱交換するインナーフィン１０４近傍とに発生する温度境界層を分断させることができる。

【0043】

温度境界層とは、熱交換器１００内部における水温の急変領域である。熱交換器１００の内部を流れる冷却水と、冷却水に接するインナーフィン１０４との間に温度差があるとき、冷却水の温度はインナーフィン１０４から十分離れたところでは主流温度（すなわち、熱交換器１００に注入された際の冷却水の温度に近い温度）であるが、インナーフィン１０４に近づくにつれて急激に冷却水の温度が変わり、インナーフィン１０４の表面近傍における冷却水の温度はインナーフィン１０４の表面温度と等しくなる。このような温度の急変領域が温度境界層と呼ばれている。熱交換器１００において、インナーフィン１０４がオフセットされていることによって、温度境界層を、冷却水が流れる方向で分断する事が可能となる。そのため、インナーフィン１０４に常に冷たい冷却水を当てるようにすることができるため、熱交換器１００の熱交換性能を向上させることができる。

【0044】

また、インナーフィン１０４がオフセットされていることにより、インナーフィン１０４にせん断された表面が現れ、冷却水と熱交換するために用いられ得るインナーフィン１０４の表面積を増加させることができる。そのため、インナーフィン１０４を同じ体積で比べた場合、単位体積あたりの放熱面積を向上させることができるので、熱交換器１００の熱交換性能を向上させることができる。

【0045】

また、熱交換器１００の熱交換性能を向上させるためには、熱交換器１００の単位体積あたりの放熱面積を上げることが好ましい。そのためには、オフセットのピッチ長さＰおよびフィン高さＨを小さくして放熱面積を増加させることが好ましい（図４）。フィン高さを小さくした場合には、効率よく単位体積内にインナーフィン１０４を配置させるため、インナーフィン１０４を積層して配置することが好ましい。インナーフィン１０４の積層の枚数は、本実施形態の効果を奏する範囲で、熱交換器１００の使用条件に応じて適宜選択される。

【0046】

熱源となる半導体素子（図示せず）は密閉容器１０２の外壁と接するように配置され、半導体素子と密閉容器とは、熱伝導の観点からみて十分に接合される。また、密閉容器１０２と、密閉容器１０２内側の冷却水と熱交換する冷却用のインナーフィン１０４との間の接合は、後述されるように、金属的接合である。さらに、接合部材１１４とインナーフィン１０４との間の接合も金属的接合である。

【0047】

また、積層されたインナーフィン１０４同士の接触が熱伝導の観点からみて十分であることによって、発熱素子からの熱が熱交換器１００内部に積層配置されたインナーフィン１０４の全てに伝導されやすくなる。そのため、熱交換器１００においては、オフセットされたインナーフィン１０４の凸部同士が、後述されるように、金属的に接合されることによって、発熱素子から、密閉容器１０２およびその内部に複数積層して配置されるオフセットされたインナーフィン１０４への熱伝導の経路をより確実に確保することができる。インナーフィン１０４の凸部同士は全くずれがなく相対（対向）していてもよいし、わずかにずれていてもよい。

【0048】

オフセットされたインナーフィン１０４の凸部は板材が曲げ加工されて成形されるので、インナーフィン１０４の凸部同士が、全くずれがなく対向する場合も、わずかにずれる場合も、凸部の曲がり部に円弧状にＲが残る（図５Ａおよび図５Ｂ）。このため、オフセットされたインナーフィン１０４を凸部同士が相対するように積層した場合およびわずかにずれて積層した場合、その接合部において、あるいは、オフセットされたインナーフィン１０４と密閉容器１０２との接合部において、凸部のＲのところに窪みが残る。この窪みの部分の表面積Ａも伝熱面積として熱交換器の冷却性能に寄与する。

【0049】

オフセットされたインナーフィン１０４によって区画された１列目のインナーフィン１０４の流路の中央部には、インナーフィン１０４の表面に比べて比較的温度が低く、まだ十分に熱交換されていない冷却水が流れている。インナーフィン１０４に上記の窪みＲがあることによって、この温度の低い冷却水は、オフセットされた２列目のフィンのところでは、ちょうど窪みＲの部分を流れることになる。窪みＲの部分の表面積Ａが確保されることによって、この温度の低い冷却水が熱交換に、より大きく寄与するために有効に活用することができ、熱交換器１００の熱交換の効率を向上させることができる。一方、ろう付法のように、この窪みの部分が、たとえば、ろう付け後のフィレット１２１（ろう材等の接合部材で埋められる部分）で無くなってしまうと（図５Ｃおよび図５Ｄ）、温度の低い冷却水を有効に活用することによる熱交換効率の向上を図ることが難しくなる。
通常のろう付け法でも、ろう材量を少なくすることでフィレット断面積を小さくできる場合もあるが、接合部全てを同様なフィレット断面積で接合させる事が難しく、また接合不良箇所が生じる懸念もあることから、少ないろう材量で接合させることは一般的でない。このため、ろう付けの場合のフィレット断面積は０．０５ｍｍ^２程度である。
一方、本実施形態に係る金属的接合領域近傍における、冷却水の進行方向におけるフィレットの断面積は、本実施形態の効果を奏する範囲で、フィレットの断面積は小さければ小さいほどよく、以下に限定されるものではないが、好ましくは０．００１ｍｍ^２以上０．０２ｍｍ^２以下であり、より好ましくは０．００１ｍｍ^２以上０．０１ｍｍ^２以下、より一層好ましくは０．００１ｍｍ^２以上０．００６ｍｍ^２以下であり、そのため、本実施形態においては、熱交換器１００の冷却水流路内を冷却水がスムースに流れるとともに、窪みＲの部分にも冷却水が流れることにより、温度の低い冷却水を有効に活用することができる。
さらに凸部の窪みＲの大きさは、本実施形態の効果を奏する範囲で、製造容易性等に応じて、適宜選択される。

【0050】

以下、本実施形態に係る金属的接合のメカニズムについて述べる。ここでは、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との間の金属的接合のメカニズムについて述べるが、インナーフィン１０４同士の金属的接合、インナーフィン１０４と接合部材１１４との金属的接合などの本明細書における他の金属的接合についても同様のメカニズムである。

【0051】

本実施形態に係るアルミニウム合金材の接合においては、一方の被接合部材であるインナーフィン１０４（第２のアルミニウム合金）の全質量に対する当該アルミニウム合金材内に生成する液相の質量の比（以下、「液相率」と記す）が５％以上３５％以下となる温度で接合される。本明細書において、液相率は以下のように表される。
液相率（％）＝（被接合部材内部の液相の質量）／（被接合部材の全質量）×１００
液相率が３５％を超えると、生成する液相の量が多過ぎて（すなわち、固相の量が少なすぎて）被接合部材であるインナーフィン１０４がその形状を維持出来なくなり、インナーフィン１０４が大きな変形を起こしてしまう。一方、液相率が５％未満であると、被接合部材であるインナーフィン１０４の表面への液相の供給量が少なくなってしまい、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との間の接合が困難になってしまう。そのため、本実施形態においては、被接合部材内部の液相の質量の比が５％以上３５％以下となる温度において、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との金属的な接合が行われる。なお、上記金属的接合における好ましい液相率は５％以上３０％以下であり、より好ましい液相率は１０％以上２０％以下である。

【0052】

加熱中における実際の液相率を測定することは、極めて困難である。そこで、本明細書においては、アルミニウム合金の状態図を利用して、アルミニウム合金の組成と接合温度とを用いた平衡計算によって液相率を規定するものとする。たとえば、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＢ社製）などの熱力学平衡計算ソフトを用いることによって、アルミニウム合金組成と加熱時の最高到達温度（接合温度）とから液相率が計算される。

【0053】

以下、液相の生成メカニズムについて説明する。図６に代表的な２元系共晶合金であるＡｌ−Ｓｉ合金の状態図を模式的に示す。Ｓｉ濃度がｃ１であるアルミニウム合金材を加熱すると、共晶温度（固相線温度）Ｔｅを超えた付近の温度Ｔ１で液相の生成が始まる。共晶温度Ｔｅ以下では、図７（ａ）に示すように、結晶粒界で区分されるマトリクス中に晶析出物が分布している。ここで液相の生成が始まると、図７（ｂ）に示すように、晶析出物分布の偏析の多い結晶粒界が溶融して液相となる。次いで、図７（ｃ）に示すように、アルミニウム合金のマトリクス中に分散する主添加元素成分であるＳｉの晶析出物粒子や金属間化合物の周辺が球状に溶融して液相となる。更に図７（ｄ）に示すように、マトリクス中に生成したこの球状の液相は、界面エネルギーにより時間の経過や温度上昇と共にマトリクスに再固溶し、固相内拡散によって結晶粒界や表面に移動する。

【0054】

温度がＴ２に上昇すると、図６の状態図に示すようにアルミニウム合金内の液相量が増加する。図６に示すように、一方のアルミニウム合金材のＳｉ濃度が最大固溶限濃度より小さいｃ２の場合には、固相線温度Ｔｓ２を超えた付近で液相の生成が始まる。但し、ｃ１の場合と異なり、溶融直前の組織は図８（ａ）に示すように、マトリクス中に晶析出物が存在しない場合がある。この場合、図８（ｂ）に示すように粒界でまず溶融して液相となった後、図８（ｃ）に示すようにマトリクス中において局所的に溶質元素濃度が高い場所から液相が発生する。図８（ｄ）に示すように、マトリクス中に生成したこの球状の液相は、ｃ１の場合と同様に、界面エネルギーにより時間の経過や温度上昇と共にマトリクスに再固溶し、固相内拡散によって結晶粒界や表面に移動する。温度がＴ３に上昇すると、状態図より液相量は増加する。このように、本実施形態に係る接合は、アルミニウム合金材内部の部分的な溶融によって生成される液相を利用するものであり、良好な接合と形状維持との両立を実現できる。

【0055】

以下、液相が生じた後から接合に至るまでの金属組織の挙動を説明する。前述のように、本実施形態に係る接合において、アルミニウム合金材からなるインナーフィン１０４の表面に生成するごく僅かな液相は、フラックス等の作用によって酸化皮膜が破壊された相手側のアルミニウム合金材（密閉容器１０２）との隙間を埋める。次に、両方のアルミニウム合金材の接合界面近傍にある液相が密閉容器１０２内へと移動していき、それに伴い、接合界面に接しているインナーフィン１０４の固相であるα相の結晶粒が密閉容器１０２を構成するアルミニウム合金内に向かって成長していく。一方、密閉容器１０２を構成するアルミニウム合金材の結晶粒もインナーフィン１０４を構成するアルミニウム合金材側へと成長していく。

【0056】

密閉容器１０２を構成するアルミニウム合金材が液相を生成しない合金の場合には、接合界面付近の密閉容器１０２中に、インナーフィン１０４を構成するアルミニウム合金材の組織が入り込んだような組織となって接合される。したがって、接合界面には、インナーフィン１０４を構成するアルミニウム合金材と、密閉容器１０２を構成するアルミニウム合金材以外の金属組織が生じない。また、インナーフィン１０４を構成するアルミニウム合金材だけでなく密閉容器１０２を構成するアルミニウム合金材も液相を生成する合金の場合には、両方のアルミニウム合金材が完全に一体化した組織となり、接合界面が判別できないほどとなる。

【0057】

一方、インナーフィン１０４を構成するアルミニウム合金材としてろう材をクラッドしたブレージングシートを用い、密閉容器１０２を構成するアルミニウム合金材として液相を生成しない合金を用いて、ろう付法によって接合した場合には、接合部にフィレットが形成され、共晶組織が見られる。すなわち、本実施形態に係る接合方法によって形成される接合組織とは異なるものとなる。ろう付法では接合部を液相のろうが埋めてフィレットを形成するため、接合部には周囲と異なる共晶組織が形成される。また、溶接法においては、接合部が局部的に溶融するため、他の部位とは異なる金属組織となる。それに対して、本実施形態に係る金属的接合においては、接合部の金属組織がインナーフィン１０４を構成するアルミニウム合金材および密閉容器１０２を構成するアルミニウム合金材だけで構成され、あるいは、インナーフィン１０４を構成するアルミニウム合金材と密閉容器１０２を構成するアルミニウム合金材とが一体化したもので構成される点で、ろう付や溶接による接合組織と相違する。

【0058】

接合組織が一体化していることに加えて、このような接合挙動のため、本実施形態に係る接合工程の後においては、接合部近傍の形状変化がほとんど発生しない。すなわち、溶接法におけるビードや、ろう付法におけるフィレットのような接合後の形状変化が、本実施形態に係る金属的接合にはほとんど発生しない。そのため、溶接法やろう付法と同様に金属同士の結合による金属的接合が可能でありつつ、溶接法やろう付け法などの他の金属接合方法とは異なり、熱交換器１００の冷却水の流路のコーナー部近傍（金属的接合された接合領域近傍）に冷却水の流れを阻害する突起物などがほとんど形成されないため、冷却水の流れをスムースに保つことが可能となる。また、たとえば、ブレージングシート（ろう材クラッド率が片面５％）を用いてドロンカップタイプの積層型熱交換器を組み立てた場合、ろう付け加熱後には溶融したろう材が接合部に集中するため、積層した熱交換器の高さが５〜１０％減少する。したがって、ろう付法を用いる場合、製品設計において、その減少分を考慮する必要がある。一方、本実施形態に係る接合においては、接合後における寸法変化が極めて小さいため、高精度の製品設計が可能となる。

【0059】

また、アルミニウム合金からなる密閉容器１０２およびインナーフィン１０４の表層に形成されている酸化皮膜を破壊することによって、密閉容器１０２とインナーフィン１０４との間の接合がより容易になる。本実施形態においては、以下に限定されるものではないが、酸化被膜を破壊するために、たとえば、以下に示す方法が採用される。

【0060】

（１）フラックスによる酸化皮膜の破壊
本破壊方法においては、酸化皮膜を破壊するために、密閉容器１０２とインナーフィン１０４との接合部にフラックスを塗布する。フラックスは、以下に限定されるものではないが、たとえば、アルミニウム合金のろう付で用いるＫＡｌＦ_４やＣｓＡｌＦ_４などのフッ化物系フラックス、または、たとえば、ＫＣｌやＮａＣｌなどの塩化物系フラックスなどが用いられる。これらのフラックスは、インナーフィン１０４の液相が溶融する前に、または接合温度に至る前に溶融し、インナーフィン１０４の表層および密閉容器１０２の内部表層に形成された酸化皮膜と反応して、酸化皮膜を破壊する。さらに、本方法においては、インナーフィン１０４の表層および密閉容器１０２の内部表層への酸化皮膜の形成を抑制するために、たとえば、真空、または窒素ガスやアルゴンガスなどの非酸化性雰囲気中で、インナーフィン１０４と密閉容器１０２とを接合する方法が用いられる。特にフッ化物系のフラックスを用いる場合は、酸素濃度を２５０ｐｐｍ以下に抑え、露点を−２５℃以下に抑えた非酸化性ガス雰囲気中で接合するのが好ましい。本明細書において、「真空」とは、真空の状態だけでなく、面接合や閉塞空間における接合のように、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との間の接合面に空気の流入がほとんどない状態をも含むものとする。

【0061】

また、フッ化物系のフラックスを用いる場合、インナーフィン１０４および／または密閉容器１０２のアルミニウム合金中のＭｇ含有率を０．０１質量％以上０．５質量％以下とすることによって、フッ化物系のフラックスとＭｇとが反応してフッ化物系フラックスの酸化皮膜破壊作用がより一層向上し得る。そのため、フッ化物系のフラックスを用いる場合には、インナーフィン１０４を構成するアルミニウム合金および密閉容器１０２を構成するアルミニウム合金のいずれのＭｇ含有率も０．０１質量％以上０．５質量％以下とすることがより一層好ましい。なお、本実施形態に係る効果を奏する範囲で、アルミニウム合金に含有される他の元素の種類や含有量は適宜選択される。

【0062】

（２）Ｍｇのゲッター作用による酸化皮膜の破壊
インナーフィン１０４および密閉容器１０２の両方のアルミニウム合金材にＭｇが所定量添加されている場合は、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との接合部にフラックスを塗布しなくても、酸化皮膜が破壊されて、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との接合が、より容易になる。アルミニウム合金材に所定のＭｇが含有されている場合、真空フラックスレスろう付と同様に、アルミニウム合金が溶融して液相が表層に出てくる際に、アルミニウム合金中から蒸発するＭｇのゲッター作用によって酸化皮膜が破壊されるためである。なお、本方法においては、フラックスを塗布しないことによって、Ｍｇのゲッター作用をより高めることができるため、フラックスを塗布しない方がより一層好ましい。

【0063】

Ｍｇのゲッター作用によって酸化皮膜を破壊する場合、酸化皮膜の形成を抑制するために、非酸化性雰囲気（窒素ガス、アルゴンガスなど）中で接合することが好ましい。また、真空中でインナーフィン１０４と密閉容器１０２とを接合することも好ましい。たとえば、面接合や閉塞空間においてインナーフィン１０４と密閉容器１０２とを接合する場合には、接合面への酸素の流入がほとんど無いため、インナーフィン１０４および密閉容器１０２の、ごく周囲の雰囲気によって酸化皮膜が成長したとしても、酸化皮膜の厚さがＭｇのゲッター作用によって十分破壊しうる厚さにしかならず、インナーフィン１０４と密閉容器１０２とを良好に接合することができるからである。非酸化性雰囲気中や乾燥空気中での接合の場合には、露点をマイナス２５℃以下とすることがより好ましい。

【0064】

Ｍｇのゲッター作用により酸化皮膜を破壊するためには、インナーフィン１０４を形成するアルミニウム合金が、０．２質量％以上５．０質量％以下のＭｇを含有するアルミニウム合金であることが好ましい。Ｍｇ含有率が０．２質量％以上であることによって、十分なゲッター作用を得ることができ、より良好な接合を得ることができる。一方、Ｍｇ含有率が５．０質量％以下であることによって、接合部分の表面において、Ｍｇが雰囲気中の酸素と反応して生成される酸化物（ＭｇＯ）の量を低減することができ、より一層良好な接合を得ることができる。本実施形態の効果を奏する範囲で、インナーフィン１０４を形成するアルミニウム合金および密閉容器１０２を形成するアルミニウム合金に含有される他の元素の種類や含有量は適宜選択される。

【0065】

本実施形態に係る接合方法においては、密閉容器１０２内にインナーフィン１０４を設置した後（設置工程）、通常、被接合部材であるインナーフィン１０４および密閉容器１０２は炉内で加熱される（接合工程）。本実施形態の効果を奏する範囲で、炉の形状や方式は適宜選択され、以下に限定されるものではないが、たとえば、１室構造のバッチ炉、自動車用熱交換器の製造などに用いられる連続炉などを用いることができる。本実施形態に係る接合方法においては、酸化皮膜を破壊するために接合部にフラックスを塗布し、かつ、酸化皮膜の形成を抑制するために、窒素などの非酸化性ガスの雰囲気中で接合することが、より好ましい。なお、アルミニウム合金材にＭｇが添加されている場合は、接合部にフラックスを塗布しなくても、真空あるいは非酸化性雰囲気の炉を用いることによって、アルミニウム合金表面の酸化皮膜をＭｇのゲッター作用により除去し、良好な接合を得ることが可能である。

【0066】

本実施形態に係るインナーフィン１０４と密閉容器１０２との接合においては、接合部およびその近傍において酸化皮膜が破壊された後、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との間に液相が充填され、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との接合がなされる。本実施形態においては、この液相は、一方の被接合部材であるインナーフィン１０４を形成するアルミニウム合金材中において生成される。液相率が５％以上３５％以下である時間が３０秒間以上３６００秒間以下であることが、より好ましい。３０秒間以上であることによって液相が接合部に十分に充填され、３６００秒間以下であることによってインナーフィン１０４の変形をより抑制することができる。より一層好ましくは、液相率５％以上３５％以下の時間が６０秒間以上１８００秒間以下であると、さらに十分な充填が行われ、より確実な接合がなされるとともに、インナーフィン１０４の変形をより一層抑制することができる。なお、本実施形態に係る接合においては、液相は接合部の極近傍においてのみ移動するので、液相の充填に必要な時間は接合部の面積の大きさには依存しない。なお、他方の被接合部材である密閉容器１０２を形成するアルミニウム合金材中においても液相が生成してもよく、密閉容器１０２を形成するアルミニウム合金材中の液相率が５％以上３５％以下である時間も、インナーフィン１０４同様、３０秒間以上３６００秒間以下であることがより好ましく、より一層好ましくは６０秒間以上１８００秒間以下である。

【0067】

一方の被接合部材であるインナーフィン１０４のアルミニウム合金材として、Ｓｉ元素を必須成分として含有するＡｌ−Ｓｉ合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金を用いてもよい。このようなアルミニウム合金では、Ｓｉの含有量Ｘ（質量％）が０．６質量％以上３．５質量％以下のものが、より好ましい。Ｓｉの含有量Ｘが０．６質量％以上であることによって、インナーフィン１０４の液相率が５％以上３５％以下となる温度範囲を十分に確保することが可能となり、より安定した接合が可能となる。また、Ｓｉの含有率Ｘが３．５質量％以下であることによって、固相線温度＝共晶温度で発生する液相の量が３５％よりも十分に低く、かつ、５％よりも高い範囲となり、固相線温度から液相率３５％となる温度までの温度範囲がより広くなり、より安定した接合が可能となる。また、より一層好ましいＳｉの含有量Ｘは、１．２質量％以上３．０質量％以下であり、より一層安定した接合が可能となる。

【0068】

また、上記Ａｌ−Ｓｉ合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金は、０．０５質量％以上０．５質量％以下のＣｕ、０．０５質量％以上１．０質量％以下のＦｅ、０．３質量％以上５．０質量％以下のＺｎ、０．１質量％以上１．８質量％以下のＭｎ、および０．０１質量％以上０．３質量％以下のＴｉから選択される群のうち、１種または２種以上の元素をさらに含有してもよい。

【0069】

すなわち、０．６質量％以上３．５質量％以下のＳｉを必須元素として含有し、０．２質量％以上２．０質量％以下のＭｇを含有し、０．０５質量％以上０．５質量％以下のＣｕ、０．０５質量％以上１．０質量％以下のＦｅ、０．３質量％以上５．０質量％以下のＺｎ、０．１質量％以上１．８質量％以下のＭｎおよび０．０１質量％以上０．３質量％以下のＴｉからなる群から選択される１種または２種以上の元素を選択的添加元素としてさらに含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金を用いたインナーフィン１０４を用いてもよい。特に、インナーフィン１０４に０．３質量％以上５．０質量％以下のＺｎを添加することによって、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との間に電位差が生じ、犠牲防食作用によって、密閉容器１０２の耐食性をより一層向上させ、熱交換器１００の熱交換性能および安全性をより一層向上させることができる。Ｚｎの含有率が０．３質量％以上であることによって、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との間に電位差を生じさせて、犠牲防食作用を機能させるために十分なＺｎをインナーフィン１０４が有することとなり、Ｚｎの含有率が５．０質量％以下であることによって、インナーフィン１０４自体の耐食性が維持される。

【0070】

上記選択的添加元素を含有するＡｌ−Ｓｉ合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金からなる合金材を一方の被接合部材（インナーフィン１０４）として他方の接合部材（密閉容器１０２）と接合する場合、接合時における一方の被接合部材（インナーフィン１０４）の温度Ｔ（℃）を、
６６０−３９．５Ｘ≦Ｔ≦６６０−１５．７Ｘ、かつ
Ｔ≧５７７
（Ｘ＝Ｓｉの含有率（質量％））
となるように制御することが、より一層好ましい。こうすることによって、より一層良好な接合が得られる。

【0071】

一方の被接合部材であるインナーフィン１０４のアルミニウム合金材として、Ｃｕ元素を必須成分として含有するＡｌ−Ｃｕ合金やＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金を用いてもよい。このようなアルミニウム合金においては、Ｃｕの含有量Ｙ（質量％）が０．７質量％以上１５．０質量％以下であることが、より好ましい。Ｃｕの含有量Ｙが０．７質量％以上であることによって、インナーフィン１０４の液相率が５％以上３５％以下となる温度範囲を十分に確保することが可能となり、より安定した接合が可能となる。また、Ｃｕの含有率Ｙが１５．０質量％以下であることによって、固相線温度＝共晶温度で発生する液相の量が３５％よりも十分に低く、かつ、５％よりも高い範囲となり、固相線温度から液相率３５％となる温度までの温度範囲がより広くなり、より安定した接合が可能となる。また、より一層好ましいＣｕ含有量Ｙは、１．５質量％以上１２．０質量％以下であり、より一層安定した接合が可能となる。

【0072】

また、上記Ａｌ−Ｃｕ合金又はＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金は、０．０５質量％以上０．８質量％以下のＳｉ、０．０５質量％以上１．０質量％以下のＦｅ、０．２質量％以上１．０質量％以下のＺｎ、０．１質量％以上１．８質量％以下のＭｎ、および０．０１質量％以上０．３質量％以下のＴｉからなる群から選択される１種又は２種以上の元素をさらに含有してもよい。

【0073】

すなわち、０．７質量％以上１５．０質量％以下のＣｕを必須元素として含有し、Ｍｇ含有量が０．２質量％以上２．０質量％以下であり、０．０５質量％以上０．８質量％以下のＳｉ、０．０５質量％以上１．０質量％以下のＦｅ、０．２質量％以上１．０質量％以下のＺｎ、０．１質量％以上１．８質量％以下のＭｎ、および０．０１質量％以上０．３質量％以下のＴｉからなる群から選択される１種又は２種以上の元素を選択的添加元素としてさらに含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金を用いてもよい。

【0074】

上記選択的添加元素を含有するＡｌ−Ｃｕ合金又はＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金からなるアルミニウム合金材を一方の被接合部材（インナーフィン１０４）として他方の接合部材（密閉容器１０２）と接合する場合、接合時における一方の被接合部材（インナーフィン１０４）の温度Ｔ（℃）を、
６６０−１５．６Ｙ≦Ｔ≦６６０−６．９Ｙ、かつ
Ｔ≧５４８
（Ｙ＝Ｃｕの含有率（質量％））
となるように制御することが、より一層好ましい。こうすることによって、より一層良好な接合が達成される。

【0075】

また、本実施形態に係る接合においては、液相を生成するアルミニウム合金材の固相線温度と液相線温度との差を１０℃以上２００℃以下とすることが、より好ましい。固相線温度を超えると液相の生成が始まるが、固相線温度と液相線温度との差が１０℃以上であることによって、固体と液体とが共存する温度範囲が大きくなり、発生する液相の量を制御することがより容易となる。したがって、この差を１０℃以上２００℃以下とすることが、より好ましく、液相率が５％以上３５％以下にある固相線温度と液相線温度との温度差が２０℃以上２００℃以下であることが、より一層好ましく、本実施形態の効果を奏する範囲で、固相線温度と液相線温度の差が大きくなるほど、適切な液相量に制御することが容易になる。

【0076】

上記数値範囲を満たす組成を有する２元系の合金としては、以下に限定されるものではないが、たとえば、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｎｉ系合金などが挙げられる。上記数値範囲を満たすためには、上述のような共晶型合金の方が固液共存領域を大きく有するのでより有利であるが、たとえば、他の、全率固溶型、包晶型、偏晶型などの他の合金であっても、固相線温度と液相線温度との差が１０℃以上２００℃以下であることによって、より良好な接合が可能となる。また、上記の２元系合金は主添加元素以外の添加元素を含有することができ、３元系合金や４元系合金、さらに５元以上の多元系の合金を用いることも可能である。多元系合金としては、以下に限定されるものではないが、たとえば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金などが挙げられる。

【0077】

以上に説明したように、インナーフィン１０４がオフセットされていることと、インナーフィン１０４と密閉容器１０２とが金属的に接合されつつ、インナーフィン１０４と密閉容器１０２との間の接合領域の冷却水の進行方向におけるフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下であること、および／または、インナーフィン１０４同士等、他の接合箇所が金属的に接合されつつ、該接合領域の冷却水の進行方向におけるフィレットの断面積が０．０２ｍｍ^２以下であることによって、微細な流路構造を有しつつ、優れた熱交換効率を有する熱交換器１００を得ることができる。

【0078】

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。たとえば、本実施形態においては、製造容易性を考慮して密閉容器１０２が上部容器部材１１０と下部容器部材１１２とからなる分割構造を有する形態について説明したが、密閉容器１０２が一体構造を有していてもよい。

【0079】

また、本実施形態においては、接合部材１１４を介して、上部容器部材１１０と下部容器部材１１２とが接合される形態について説明したが、上部容器部材１１０と下部容器部材１１２とが直接接合されてもよい。

【0080】

また、本実施形態においては、図２に示すように、インナーフィンが熱交換器１００に多数配置されている形態について説明したが、図９に示すように、密閉容器１０２内部にインナーフィンが１枚のみ配置され、金属的に接合されてもよい。また、図１０Ａに示すように、密閉容器１０２が接合部材１１４を介して接合され、その両側にインナーフィン１０４が配置され、金属的に接合されてもよい（一層配置）。また、図１０Ｂに示すように、密閉容器１０２の内側にインナーフィン１０４が２枚配置されてもよい（二層配置）。また、図１１Ａに示すように、密閉容器１０２が接合部材１１４を介して接合され、その両側にインナーフィン１０４が２枚ずつ、互いの凸部同士が対向するように積層して配置され、金属的に接合されてもよい（四層配置）。また、図１１Ｂに示すように、密閉容器１０２の内側にインナーフィン１０４が４枚、互いの凸部同士が対向するように積層して配置され、金属的に接合されてもよい（四層配置）。

【0081】

図１２は、インナーフィンが４層積層された状態を斜め方向から見た模式図であり、図１３は、インナーフィンが４層積層された状態を横から見た模式図である。図１２および図１３に示すように、冷却水の進行方向（Ｄ１の方向）と垂直な方向にオフセットされて配置された４層のコルゲート状のインナーフィンを、さらに、冷却水の進行方向（Ｄ１の方向）に対して前後にずらして積層配置して、冷却水の上下方向の移動を可能にしてもよい。すなわち、対向されて配置されたインナーフィン１０４の凸部同士の接合箇所が、隣接する層間において、冷却水の進行方向に対して平行な方向に前後にずれて配置されるようにインナーフィン１０４を積層してもよい。たとえば、図１３に示すｒ＝２０％におけるインナーフィンの積層においては、第１層（Ｌ１）のインナーフィンＢの凸部の上面と第２層（Ｌ２）のインナーフィンＣの凸部の下面とが重なり合っている箇所（インナーフィンＢの凸部とインナーフィンＣの凸部との接合箇所）が、図１３に示すｒ＝０％におけるインナーフィンの積層とは異なり、冷却水の進行方向と平行な方向にずれている。
こうすることによって、積層方向に隣接する層の間での冷却水の移動も可能となる（図１２の矢印Ｄ３の方向）。すなわち、第１層（Ｌ１）から第２層（Ｌ２）、第２層（Ｌ２）から第３層（Ｌ３）、第３層（Ｌ３）から第４層（Ｌ４）へのそれぞれの冷却水の移動が可能になり、熱源である半導体素子に近い側の冷却水の温度の過度な上昇が一層抑制される。そのため、熱源から離れた側にある冷却水と熱源に近い側の冷却水との間の温度差の増大が一層抑制され、熱交換器１００の冷却性能の向上に一層顕著な効果を得ることができる。

【0082】

熱交換器１００の厚み方向に積層されたインナーフィン１０４の凸部同士の接合箇所の長さ（Ｔ１）と、冷却水の進行方向におけるインナーフィン１０４の凸部の長さ（Ｔ２）との比ｒは、本発明の実施形態の効果を奏する範囲で適宜選択され、以下に限定されるものではないが、たとえば、インナーフィン１０４の凸部同士の接合箇所の長さが、冷却水の進行方向におけるインナーフィン１０４の凸部の長さの１０％以上５０％以下が、より好ましい。

【0083】

ここで、インナーフィン１０４の凸部同士の接合箇所の長さと、冷却水の進行方向における凸部の長さとの比ｒは以下の式で表される。
ｒ（％）＝（Ｔ１／Ｔ２）×１００
Ｔ１：インナーフィン１０４の凸部同士の接合箇所の長さ
Ｔ２：冷却水の進行方向におけるインナーフィン１０４の凸部の長さ
たとえば、図１３のｒ＝２０％のインナーフィンの積層においては、インナーフィンＢの凸部の上面とインナーフィンＣの凸部の下面とが重なり合う箇所（インナーフィンＢの凸部とインナーフィンＣの凸部との接合箇所）の長さは、インナーフィンＢの凸部の長さ（図１３においては、図１３中、水平方向のインナーフィンＢの長さ）の２０％である。

【0084】

インナーフィン１０４の凸部同士の接合箇所の長さを、冷却水の進行方向におけるインナーフィン１０４の凸部の長さの１０％以上５０％以下とすることによって、熱源から離れた側にある冷却水と熱源に近い側の冷却水との温度差の過度な増大が、より一層抑制され、熱交換器１００の冷却性能の向上に、より一層顕著な効果を得ることができる。

【0085】

また、本実施形態においては、接合部材１１４が平面形状を有し、平面状の接合に寄与する機能を有する形態について説明したが、図１４に示すように、インナーフィン１０４と接合される部分がフィンと同様の形状に曲面を有するように成形されて（曲成されて）、放熱用のフィンとしての機能を有していてもよい。すなわち、接合部材１１４が、インナーフィン１０４同様に、各波の稜線１に沿って、一定間隔で、各波の立ち上がり面２と立下り面３とに、その波の進行方向へ平行に切り起こしてオフセットされて、フィンと同様の形状を有し、放熱する機能を有していてもよい。図１４に示す熱交換器１００においては、密閉容器１０２がインナーフィンを兼ねた接合部材１１４を介して接合され、その両側にインナーフィン１０４が２枚ずつ、互いの凸部同士が相対するように積層して配置され、金属的に接合されるとともに、接合部材１１４の凸部がインナーフィン１０４の凸部と相対するように配置され、それぞれ金属的に接合されている（五層配置）。こうすることによって、各部材が有効に働いて、流路内断面積のスペースが増加するため、より一層好ましい熱交換効率を得ることができる。

【実施例】

【0086】

以下に実施例を示し、本発明をさらに詳しく説明する。なお、以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明を何ら限定するものではない。

【0087】

本実施例に用いた熱交換器は、以下の３つの形状のうちのいずれか１つを有した。
形状１：図１１Ａに示すような、接合部材を有する構成であった。
形状２：図１１Ｂに示すような、接合部材を有しない構成であった。
形状３：図９に示すような、接合部材を有さず、密閉容器の内側にインナーフィンが１枚ある構成であった。

【0088】

図１５Ａおよび図１５Ｂに、本実施例で用いた熱交換器の各部分の寸法の位置を示す。図１５Ａは実施例および比較例に係る熱交換器に使用される密閉容器を構成する部材の熱交換器外側の模式図である。図１５Ｂは実施例および比較例に係る熱交換器に使用される密閉容器を構成する部材のインナーフィンを入れる側の模式図である。

【0089】

表１に示す合金番号１〜２２の合金成分の鋳塊を作製した後、熱間圧延および冷間圧延を行って、厚さ０．１ｍｍの圧延板と、厚さ０．２ｍｍの圧延板とを得た。作製した圧延板を用いて、以下の部材の加工を行った。表１において、「−」は、当該元素が不純物として、微量に、合金１〜合金２２にそれぞれわずかに含まれていることを示す。

【0090】

【表1】

【0091】

厚さ０．１ｍｍの冷間圧延板をプレス加工して、オフセットされたインナーフィン（高さｈ＝０．５ｍｍ、Ｐ＝０．８ｍｍ、１つのオフセットフィン長さ＝５ｍｍ）を得た。熱交換器に配置するインナーフィンの外形（全体寸法）は、幅Ｗが３５ｍｍであり、長さＬが６０ｍｍであった。

【0092】

厚さ０．２ｍｍの冷間圧延板を絞り成形して、図１５Ａに示す形状の容器部材を得た。容器部材の外形は、幅ｗが４０ｍｍであり、長さＬ６５ｍｍであった。また、内側にインナーフィンを配置できるように、高さｔを１．２ｍｍとした。

【0093】

形状１の熱交換器を製作する際には、厚さ０．１ｍｍの冷間圧延板を加工して接合部材を製作し、容器部材のフランジ部の間に配置した。インナーフィンは接合部材の両側に二枚、互いの凸部同士が相対するように配置して、合計四枚を積層させた。

【0094】

形状２の熱交換器を製作する際には、接合部材を用いず、容器部材の内側にインナーフィンを四枚、互いの凸部同士が相対するように配置した。

【0095】

接合後に内部へ冷却水を入れて評価するため、冷却水入口および冷却水出口として、容器部材の流路方向の両側に、外径４ｍｍ・肉厚１ｍｍのアルミニウム製パイプを配置した。次に、これらの部材を組み合わせて、表２および表３に示す接合条件で加熱して熱交換器を作製した。接合のための加熱は、真空または窒素雰囲気の炉中で所定の温度まで昇温後、所定の時間保持した後、冷却した。なお、昇温速度は、５２０℃以上で１０℃／分とした。また、保持中の温度は接合温度±１℃以内となるように制御した。なお、表２および表３に記載の平衡液相率は、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＢ社製）によって、それぞれの合金組成および接合温度から求めた。表２および表３中、「Ｆ」はＫＡｌＦ_４系のフラックスを塗布したことを表し、「Ｃ」はＣｓＡｌＦ_４系のフラックスを塗布したことを表す。

【0096】

【表2】

【0097】

【表3】

【0098】

（接合性評価：実施例１〜４１、比較例１〜１１）
以下、水漏れ、接合率、流路断面形状の３つの観点から、実施例１〜４１、比較例１〜１１の熱交換器の接合性を評価した。

【0099】

（水漏れ試験）
容器部材の接合による密閉性を評価するため、試作した熱交換器の口金部分に冷却水を流すホースを取り付け、圧力０．５ＭＰａで冷却水を流し、容器外側への水漏れの有無を評価した。評価の判定方法は、十分な接合で水が漏れなかったものを○、接合が不十分で水が漏れたものを×とした。なお、水漏れ試験で「×」となった熱交換器については、接合部の断面評価を実施しなかった。表３において、「−」は、接合部の断面評価を実施しなかったことを示す。

【0100】

（接合率）
接合状態を評価するため、製作した熱交換器について流路方向に対して垂直の面を３つの断面について切り出した。３つの断面は、容器とインナーフィンとの接合部位の断面、積層されたインナーフィン同士の接合部位の断面、接合部材とインナーフィンとの接合部位の断面であった。これらの断面を金属顕微鏡で観察し、接合状態の評価を行った。評価の判定方法は、各接合部位を各２０箇所観察し、設計接合部長さに対する接合された長さの比率の合計を接合率とし、接合率８０％以上を◎、５０％以上８０％未満を○、５０％未満を×とした。本実施例において、接合率を以下のように定義した。
接合率（％）＝接合された長さ（ｍｍ）／設計接合部の長さ（ｍｍ）

【0101】

（流路断面形状）
流路のろう詰まり等による断面積の変化を評価するため、上記流路方向に対して、上記３つの断面内におけるインナーフィン同士で構成された流路部分を各２０箇所観察し、流路内の断面積を画像処理により測定した。評価は流路内断面健全率で表し、流路内断面健全率８０％以上を◎、５０％以上８０％未満を○、５０％未満を×とした。
本実施例において、流路内断面健全率を以下のように定義した。
流路内断面健全率（％）＝接合後の流路内断面積（ｍ^２）／設計流路内断面積（ｍ^２）

【0102】

（結果）
表２に示すように、実施例１〜４１では容器部材同士の接合が十分であり、水漏れ試験で内部の水が漏れ出す事は無かった。また、接合部分の断面観察の結果、容器部材の接合率および流路内断面健全率も高かった。
一方、表３に示すように、比較例１、３〜５、７〜９、１１は、容器部材の接合が不十分であったため、水漏れ試験で内部の水が漏れ出した。
比較例１、５においては、接合温度が低かったため、接合に必要な十分な液相が得られず、接合が不十分であったため、水漏れ試験で内部の水が漏れ出した。
比較例３においては、接合時の雰囲気が大気中であったため、フラックスによる接合面の酸化膜の除去ができず、接合することができなかったため、水漏れ試験で内部の水が漏れ出した。
比較例７においては、接合時の雰囲気が大気中であり、比較例８では接合部材およびインナーフィンのＭｇ量が少ないため、Ｍｇによるゲッター作用が働かず、接合することができなかったため、水漏れ試験で内部の水が漏れ出した。
比較例４、９においては、接合部材およびインナーフィン両方の液相率が低かったため、接合部材とインナーフィンとを接合することができなかったため、水漏れ試験で内部の水が漏れ出した。
比較例１１は、形状２の容器部材のフランジ部分で接合する構成であるが、容器部材に液相が生じず、接合することができなかったため、水漏れ試験で内部の水が漏れ出した。
比較例２、６、１０においては、接合後の水漏れ試験で内部の水が漏れ出すことは無かったが、流路内断面健全率が低かった。
比較例２、６においては、インナーフィンの液相率が大きすぎたため、インナーフィンの流路内断面に液相が溜まって冷却水の流路を塞いだため、流路内断面健全率が低かった。
比較例１０においては、インナーフィンのＭｇ量が多すぎたためにＭｇの酸化皮膜が生成してしまい、流路内断面健全率が低かった。

【0103】

（耐食性評価：実施例４２〜５８）
熱交換器の耐食性を評価するため、表４に示す容器部材とインナーフィンとの組み合わせによって形状１および形状２の熱交換器を作製した。以下、特に説明するものを除き、合金塊、熱交換器などの作製方法は、実施例１〜４１、比較例１〜１１と同様であった。接合条件は表２に示す熱交換器番号で示した条件で行った。作製した熱交換器の耐食性評価として、ＯＹ水を用いた内部循環試験を６７２時間（４週間）実施した。

【0104】

【表4】

【0105】

（ＯＹ水の組成）
ＯＹ水の組成は、Ｃｌ⁻が１９５ｐｐｍ、ＳＯ_４^２−が６０ｐｐｍ、Ｆｅ^３＋が３０ｐｐｍ、Ｃｕ^２＋が１ｐｐｍ、残りは水であった。

【0106】

（内部循環試験の試験条件）
８０℃のＯＹ水を８時間、熱交換器内に循環させた後、常温のＯＹ水を１６時間、熱交換器内に循環させることを１サイクルとして、２８サイクルにわたって実施した。

【0107】

（水漏れ試験）
ＯＹ水を用いた内部循環試験後、容器接合部分の密閉性を評価するため、熱交換器の口金部分に冷却水を流すホースを取り付け、圧力０．５ＭＰａで冷却水を流して水漏れ有無を評価した。評価の判定方法は、容器部材部材から水が漏れなかったものを◎、腐食によって容器部材から水がにじむ程度を○とした。

【0108】

（流路壁健全率）
インナーフィンの腐食状態を評価するため、試作した熱交換器について流路方向に対して垂直の断面を３つ切り出し（容器とインナーフィンとの接合部位の断面、積層されたインナーフィン同士の接合部位の断面、接合部材とインナーフィンとの接合部位の断面）、流路の断面形状を金属顕微鏡によって観察した。観察箇所はインナーフィンで構成された流路を各２０流路観察し、流路壁に穴が開いて流路が短絡している箇所の数を測定した。評価は流路壁健全率で表し、流路壁健全率９０％以上を◎、流路壁健全率８０％以上を○、流路壁健全率８０％未満を×とした。本実施例において、流路壁健全率を以下のように定義した。
流路壁健全率（％）＝（全流路観察箇所−流路壁短絡箇所）／全流路観察箇所

【0109】

（結果）
表４に示すように、実施例４２〜５０においては、インナーフィンのＺｎ含有量が０．３質量％以上５．０質量％以下であったため、容器接合部分および容器の耐食性が、より一層良好であり、水漏れ試験で内部の水が漏れ出すことは無かった。またインナーフィンの流路断面観察の結果、流路壁健全率は９０％以上で、より一層良好な耐食性を示した。
実施例５１〜５２、５５、５７においては、容器接合部分および容器の耐食性が良好であった。また、インナーフィンの流路断面観察の結果、流路壁健全率は８０％で、良好な耐食性を示した。
実施例５３においては、容器接合部分および容器の耐食性が良好であった。また、インナーフィンの流路断面観察の結果、流路壁健全率は８０％で、より一層良好な耐食性を示した。
実施例５４、５６、５８では水が漏れ出す事はなかったが、インナーフィンのＺｎ量が多すぎたためフィンの腐食が大きく、流路壁の健全率が低かった。
水冷式の熱交換器において、特に内部循環する冷却水や使用環境などによって耐食性に懸念がある場合、容器に穴が開いてしまうと、内部の冷却水が漏れだして発熱素子を冷却することが出来なくなるので、耐食性評価で良好な性能を示す材料構成とする必要がある。ただ、耐食性の懸念が少ない場合は、その状況に合わせた必要十分な耐食性を有する材料構成とすればよい。実施例５４、５６、５８は、耐食性以外の評価項目は良好であるので、耐食性の懸念が少ない場合の材料構成として採用することは問題ない。

【0110】

（実施例５９〜６１、比較例１２〜１４）
（冷却性能評価）
熱交換器の冷却性能評価のため、表５に示す容器部材とインナーフィンとの組み合わせにより、形状１〜３の熱交換器を作製した。接合条件は、表２および表５に示す熱交換器番号で示した条件で行った。以下、特に示されない限り、合金塊の作製方法および実施例５９〜６１の熱交換器の作製方法は、実施例１〜４１、比較例１〜１１と同様であった。表５中、「Ｆ」はＫＡｌＦ_４系フラックスを接合面に塗布したことを表し、「ＢＲシート」は、芯材Ａ３００３の両面にＡ４０４５を片側５％のクラッド率で両面にクラッドしたものを接合部材として用いたことを表す。

【0111】

【表5】

【0112】

比較例１２、１３においては、容器部材に合金番号２２のアルミニウム合金を用いて、インナーフィンと接合部材とをＢＲシートで接合した。ＢＲシートには、芯材Ａ３００３アルミニウム合金の両面にＡ４０４５アルミニウム合金を片側５％のクラッド率で両面にクラッドしたものを使用した。窒素雰囲気の炉中で６１０℃まで昇温して加熱した後、５分間保持した後に冷却することで、インナーフィン、容器部材、接合部材が接合された。

【0113】

比較例１２のインナーフィンのオフセットフィン形状は、高さ２ｍｍ、オフセット幅Ｐ＝３．６ｍｍであった。比較例１３のインナーフィンのオフセットフィン形状は、高さ０．５ｍｍ、オフセット幅Ｐ＝０．８ｍｍ、フィン長さ５ｍｍであった。比較例１４においては、容器部材およびインナーフィンに合金２２を用いた。比較例１４のインナーフィンのオフセットフィン形状は、高さ０．５ｍｍ、オフセット幅Ｐ＝０．８ｍｍ、フィン長さ５ｍｍであった。比較例１２および比較例１３においては、ろう付法によって接合された。比較例１４の熱交換器の構成は、容器部材の内側にインナーフィンが４枚入った構成とし、容器部材のフランジ部分およびインナーフィン同士をエポキシ系接着剤で接着した。

【0114】

作製した熱交換器の冷却性能を測定するため、熱交換器の口金部分と液送ポンプとをホースで繋ぎ、冷却水（入口温度：２０±１℃）を、流量０．４リットル／分、０．８リットル／分、１．２リットル／分の条件で流した。この時、発熱素子を模した銅ブロックに加熱用のヒーターを入れた熱源を載せ、８００Ｗの熱を加え、銅ブロック直下の容器部材側の温度を測定した。測定した温度から冷却水の温度を引いた値ΔＴ（Ｋ）を冷却性能として、冷却水の流量と冷却性能との関係を図１６に示す。

【0115】

図１６に示すように、実施例５９〜６１の熱交換器は冷却水の流量増加に伴ってΔＴが低下し、十分な冷却性能を備えていることがわかった。一方、比較例１２〜１４の熱交換器は、いずれも実施例５９〜６１の熱交換器よりもΔＴが大きく、冷却性能が劣ることがわかった。
比較例１２は、ろう付法による接合で、ろう付け可能なフィン形状のためオフセットフィン形状が大きく、流路断面積が大きいため、放熱フィンに必要な面積が足りず、冷却性能が劣ることがわかった。
比較例１３は、ろう付け接合するにはオフセットフィンの形状が大きく、積層されたオフセットフィンの接合部のＲ部分が、ろうで埋まり、放熱フィンに必要な面積が足りず、冷却性能が劣ることがわかった。
比較例１４は、フィン同士、およびフィンと容器部材とが、エポキシ系接着剤で接合されているため、フィン同士、および容器部材とフィンとの間の熱伝導効率が低く、発熱ヒーターの入熱を十分に冷却する事が出来なかった。

【0116】

これらの熱交換器の冷却性能評価後、冷却水の流路方向に対して垂直の断面を３つ切り出し、積層されたインナーフィン同士の接合部位を金属顕微鏡によって各２０箇所観察した。観察画像から画像処理装置によってフィレット断面積を計測し、実施例５９〜６１ではその最大断面積が０．００３ｍｍ^２以上０．００６ｍｍ^２以下であることが観察されたが、比較例１３では０．０５ｍｍ^２と大きなフィレットであることが観察された。

【0117】

（実施例６２〜７５）
実施例６２〜７５に用いられた熱交換器は、図１１Ｂに示すような、接合部材を有しない複数のインナーフィンが積層された構成であった。

【0118】

図１５Ａおよび図１５Ｂに、本実施例で用いた熱交換器の各部分の寸法の位置を示す。図１５Ａは実施例６２〜７５に係る熱交換器に使用される密閉容器を構成する部材の熱交換器外側の模式図である。図１５Ｂは実施例６２〜７５に係る熱交換器に使用される密閉容器を構成する部材のインナーフィンを入れる側の模式図である。

【0119】

表１に示す合金番号１および合金番号２２の合金成分の鋳塊を作製した後、熱間圧延および冷間圧延を行って、厚さ０．１ｍｍの圧延板および厚さ０．２ｍｍの圧延板を得た。作製した圧延板を用いて、以下の部材の加工を行った。合金番号１の鋳塊から得られた圧延板から容器部材を作製し、合金番号２２の鋳塊から得られた圧延板から後述のフィン１〜フィン４を作製した。

【0120】

厚さ０．１ｍｍの冷間圧延板をプレス加工して、オフセットされたコルゲート状のインナーフィン（高さｈ＝０．５ｍｍ、Ｐ＝０．８ｍｍ）を得た。１つのオフセットフィン長さについては、表６に示すように、５ｍｍ、１０ｍｍ、２．５ｍｍのものをそれぞれ得た。また、フィンの凸部同士を冷却水の進行方向に平行な方向に前後にずらして積層配置できるように、フィン部材の端部寸法を表６に示す寸法に加工した（フィン１、フィン２、フィン３、フィン４）。実施例６２〜７５で用いられるフィン１〜フィン４の端部寸法が、オフセット長さＬと同じ寸法となるように加工した。熱交換器内に配置されたインナーフィン群の全体外形（全体寸法）は、幅Ｗが３５ｍｍであり、長さＬが６０ｍｍであった。その他、インナーフィンの寸法は表６に示す通りであり、「内−内」はインナーフィンの内壁間の長さを示し、「外−外」はインナーフィンの外壁間の長さを示す。

【0121】

【表6】

【0122】

厚さ０．２ｍｍの冷間圧延板を絞り成形して、図１５Ａに示す形状の容器部材を得た。容器部材の外形は、幅ｗが４０ｍｍであり、長さＬが６５ｍｍであった。また、内側にインナーフィンを配置できるように、高さｔを１．２ｍｍとした。

【0123】

熱交換器を製作する際には、容器部材の内側に４枚のインナーフィンを互いの凸部同士が相対するように積層し、実施例６２〜７２においては、冷却水の進行方向と平行な方向に対する隣接する層間でのインナーフィンの凸部のずらし量が表６に示す数値（１２％〜４８％）となるように配置され、実施例７３〜７５においては、隣接する層間でのインナーフィンの凸部のずらし量が表６に示すように０％となるように配置された。

【0124】

接合後に内部へ冷却水を入れて評価するため、冷却水入口および冷却水出口として、容器部材の流路方向の両側に、外径４ｍｍ・肉厚１ｍｍのアルミニウム製パイプを配置した。次に、これらの部材を組み合わせて、表２の実施例１と同様の接合条件で加熱して熱交換器を作製した。接合のための加熱は、真空または窒素雰囲気の炉中で所定の温度まで昇温後、所定の時間保持した後、冷却した。なお、昇温速度は、５２０℃以上で１０℃／分とした。また、保持中の温度は接合温度±１℃以内となるように制御した。

【0125】

（冷却性能評価）
作製した熱交換器の冷却性能を測定するため、熱交換器の口金部分と液送ポンプとをホースで繋ぎ、冷却水（入口温度：２０±１℃）を、流量０．８リットル／分の条件で流した。この時、発熱素子を模した銅ブロックに加熱用のヒーターを入れた熱源を載せ、８００Ｗの熱を加え、銅ブロック直下の容器部材側の温度を測定した。測定した温度から冷却水の温度を引いた値ΔＴ（Ｋ）を冷却性能として表６に示し、オフセットずらし量と冷却性能との関係を図１７に示す。

【0126】

（結果：実施例６２〜６６、７３）
実施例７３はインナーフィンの凸部のずらしが無い実験であった。実施例７３の冷却性能ΔＴを基準とし、対ずらし無し冷却性能向上（％）を算出した。以下に換算式を示す。
「対ずらし無し冷却性能向上」＝（[ずらし有りの冷却性能ΔＴ]−[ずらし無しの冷却性能]）÷[ずらし無しの冷却性能]×１００
表６および図１７に示すように、実施例６２〜６６においては、「対ずらし無しの冷却性能向上」が有り、冷却性能が１０％〜１４％向上することがわかった。

【0127】

（結果：実施例６７〜６９、７４）
実施例７４はインナーフィンの凸部のずらしが無い実験であった。実施例７４の冷却性能ΔＴを基準とし、対ずらし無し冷却性能向上（％）を算出した。換算式は実施例７３と同様であった。
表６および図１７に示すように、実施例６７〜６９においては、「対ずらし無し冷却性能向上」が有り、冷却性能が１０％〜１７％向上することがわかった。

【0128】

（結果：実施例７０〜７２、７５）
実施例７５はインナーフィンの凸部のずらしが無い実験であった。実施例７５の冷却性能ΔＴを基準とし、対ずらし無し冷却性能向上（％）を算出した。換算式は実施例７３と同様であった。
表６および図１７に示すように、実施例７０〜７２においては、「対ずらし無しの冷却性能向上」が有り、冷却性能が１１％〜１６％向上することがわかった。

【0129】

実施例６２〜７５の実験結果より、冷却水の進行方向と平行な方向に対する隣接する層間でのインナーフィン凸部のずらし量が１０％以上５０％以下の場合に、熱交換器の冷却性能がより一層向上することがわかった。

【0130】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年１２月２日に出願された日本国特許出願第２０１１−２６５１１６号に基づく。本明細書中にその明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

【産業上の利用可能性】

【0131】

本発明は、熱交換器およびその製造方法に好適に用いられる。

【符号の説明】

【0132】

１ 稜線
２ 立ち上がり面
３ 立ち下がり面
１００ 熱交換器
１０２ 密閉容器
１０４ インナーフィン
１０６ 冷却水入口
１０８ 冷却水出口
１１０ 上部容器部材
１１２ 下部容器部材
１１４ 接合部材
１２０ インナーフィン
１２１ フィレット
Ａ 表面積

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図13】

【図14】

【図15A】

【図15B】

【図16】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図12】

【図17】