特許 7542204 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】

(24)【登録日】2024-08-22

(45)【発行日】2024-08-30

(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 3/08 20060101AFI20240823BHJP

   F28D 9/02 20060101ALI20240823BHJP

   F28F 9/18 20060101ALI20240823BHJP

   F28F 21/08 20060101ALI20240823BHJP

   B23K 1/00 20060101ALI20240823BHJP

【ＦＩ】

F28F3/08 311

F28D9/02

F28F9/18

F28F21/08 D

B23K1/00 330K

B23K1/00 S

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020107218

(22)【出願日】2020-06-22

(65)【公開番号】P2022001817

(43)【公開日】2022-01-06

【審査請求日】2023-03-07

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106518

【弁理士】

【氏名又は名称】松谷 道子

(74)【代理人】

【識別番号】100132241

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 博史

(72)【発明者】

【氏名】中島 孝仁

(72)【発明者】

【氏名】李 泰行

(72)【発明者】

【氏名】名越 健二

【審査官】河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－１１８７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０５－０７９２７４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０００－０９６１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１１１７５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１６９５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０７－５０４９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１２０６７８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ ３／０８

Ｆ２８Ｄ ９／０２

Ｆ２８Ｆ ９／１８

Ｆ２８Ｆ ２１／０８

Ｂ２３Ｋ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体と、
前記プレートフィン積層体の積層方向の両端に配設されたエンドプレートと、
前記エンドプレートに接合され、前記プレートフィンの流路と連通する給入管または排出管のスリーブと、備えた熱交換器であって、
前記エンドプレートは、複数のブレージングシートの積層体構造であり、
前記ブレージングシートは、芯材の少なくとも一方の面に第１クラッド層を有し、前記第１クラッド層は、シリコンを含有するアルミニウム合金層を、亜鉛を含有するアルミニウム合金層で挟んだ積層構造である、熱交換器。

【請求項2】

前記芯材を構成する材料は、アルミニウム合金である、請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記ブレージングシートは、前記芯材の他方の面に第２クラッド層を有する、請求項１または２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記第２クラッド層は、シリコンを含有するアルミニウム合金で構成された、請求項３に記載の熱交換器。

【請求項5】

前記ブレージングシートの積層体構造の一部が前記ブレージングシートとは異なる他の金属で構成された補強シートを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。

【請求項6】

流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体と、
前記プレートフィン積層体の積層方向の両端に配設されたエンドプレートと、
前記エンドプレートに接合され、前記プレートフィンの流路と連通する給入管または排出管のスリーブと、備えた熱交換器であって、
前記エンドプレートは、複数のブレージングシートの積層体構造であり、
前記ブレージングシートの積層体構造の一部が前記ブレージングシートとは異なる他の金属で構成された補強シートを含む、熱交換器。

【請求項7】

流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体と、
前記プレートフィン積層体の積層方向の両端に配設されたエンドプレートと、
前記エンドプレートに接合され、前記プレートフィンの流路と連通する給入管または排出管のスリーブと、備えた熱交換器の製造方法であって、
前記エンドプレートが複数のブレージングシートを積層して合金化して形成され、
前記ブレージングシートは、芯材の少なくとも一方の面に第１クラッド層が形成され、前記第１クラッド層は、シリコンを含有するアルミニウム合金層を、亜鉛を含有するアルミニウム合金層で挟んだ積層構造である、熱交換器の製造方法。

【請求項8】

流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体と、
前記プレートフィン積層体の積層方向の両端に配設されたエンドプレートと、
前記エンドプレートに接合され、前記プレートフィンの流路と連通する給入管または排出管のスリーブと、備えた熱交換器の製造方法であって、
前記エンドプレートが複数のブレージングシートを積層して合金化して形成され、
前記ブレージングシートは、芯材の少なくとも一方の面に第１クラッド層が形成され、前記第１クラッド層は、シリコン、亜鉛を含有するアルミニウム合金で形成され、
前記ブレージングシートは、前記芯材の他方の面に第２クラッド層を有し、
前記エンドプレートと前記スリーブとの対向する接合部分のクリアランス体積は、前記エンドプレートにおける前記第１クラッド層および前記第２クラッド層のシリコン濃度に応じて設定される、熱交換器の製造方法。

【請求項9】

前記第２クラッド層は、シリコンを含有するアルミニウム合金で形成された、請求項８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】

本開示は、熱交換器に関し、特に、冷媒が流れる板状のプレートフィンを積層して構成された積層型プレートフィンの熱交換器およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

異なる熱エネルギーを有する流体間において、熱エネルギーを交換するために使用される熱交換器は、多くの製品に用いられており、特に積層型プレートフィンの熱交換器は、例えば、家庭用および車両用の空気調和機、コンピュータ、および各種電気機器に用いられる。

【0003】

積層型プレートフィンの熱交換器は、板状のプレートフィンの中に形成された流路を流れる流体（冷媒）と、積層されたプレートフィンの間を流れる流体（空気）との間で熱交換を行う形式である。

【0004】

上記のような積層型プレートフィンの熱交換器の分野においては、小型化および軽量化を図り、信頼性の高い製品の提供を目的として各種の構成が提案されている（例えば、特許文献１－４参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１２－１１２５６２号公報

【文献】特開平０９－００１３８５号公報

【文献】特許第３２８３４７１号公報

【文献】特許第５７１４３８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

積層型プレートフィンの熱交換器は、プレートフィンの積層方向の両端にはエンドプレートが配設されている。エンドプレートは、プレートフィンと平面視の形状（積層方向から見た形状）が略同一形状であり、一方のエンドプレートの両端側に冷媒が供給される給入管と、冷媒が排出される排出管とが接合されている。

【0007】

上記のように、積層型プレートフィンの熱交換器においては、積層したプレートフィンの両側から挟むようにエンドプレート設けられており、そのエンドプレートに給入管や排出管が接合される構成である。このため、熱交換器においては、給入管や排出管に対して確実に接合可能であり、且つ強度を有して剛性の高いエンドプレートを設けて、信頼性の高い構成とすることが必要であった。しかしながら、このようなエンドプレートは、重く、加工が難しく、また腐食性においても課題を有するものであった。

【0008】

本開示は、従来の課題を解決するものであり、エンドプレートが給入管や排出管に対して確実に接合できる構造を有し、軽量化を図りつつ高い剛性を保持する、信頼性の高い熱交換器およびその製造方法の提供を目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本開示の一態様の熱交換器は、
流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体と、
前記プレートフィン積層体の積層方向の両端に配設されたエンドプレートと、
前記エンドプレートに接合され、前記プレートフィンの流路と連通する給入管または排出管のスリーブと、備えた熱交換器であって、
前記エンドプレートは、複数のブレージングシートの積層体構造である。

【0010】

また、本開示の一態様の熱交換器の製造方法は、
流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体と、
前記プレートフィン積層体の積層方向の両端に配設されたエンドプレートと、
前記エンドプレートに接合され、前記プレートフィンの流路と連通する給入管または排出管のスリーブと、備えた熱交換器の製造方法であって、
前記エンドプレートが複数のブレージングシートを積層して合金化して形成される。

【発明の効果】

【0011】

以上のように、本開示の熱交換器およびその製造方法によれば、エンドプレートが給入管や排出管などのスリーブに対して確実に接合できる構造を有し、軽量化を図りつつ高い剛性を保持して、信頼性の高い熱交換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本開示に係る実施の形態１の積層型プレートフィンの熱交換器の外観を示す斜視図

【図2】実施の形態１において用いられるブレージングシートを模式的に示す断面図

【図3】熱交換器のエンドプレートに対する強度実験の結果を示すグラフ

【図4】リーク実験１における、アルミニウム合金単体のエンドプレートで構成された熱交換器を模式的に示す断面図

【図5】リーク実験１における、積層体構造のエンドプレートで構成された熱交換器を模式的に示す断面図

【図6】リーク実験１における、アルミニウム合金単体のエンドプレートで構成された熱交換器の断面写真

【図7】リーク実験１における、積層体構造のエンドプレートで構成された熱交換器の断面写真

【図8】アルミニウム－シリコン（Ａｌ－Ｓｉ）二元系状態図

【図9】リーク実験２における、実験結果を断面写真と共に示すグラフ

【図10】アルミニウム合金単体のエンドプレートで構成された熱交換器に対して腐食性実験を行った時の断面写真

【図11】積層体構造のエンドプレートで構成された熱交換器に対して腐食性実験を行った時の断面写真

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示の熱交換器の具体的な実施の形態として積層型プレートフィンの熱交換器について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本開示の熱交換器は、以下の実施の形態に記載した積層型プレートフィンの熱交換器の構成に限定されるものではなく、以下の実施の形態において説明する技術的特徴を有する技術的思想と同等の技術に基づくものを含むものである。

【0014】

また、以下の実施の形態において示す形状、構成、方法（工程、工程の順序）などは、一例を示すものであり、発明を本開示の内容に限定するものではない。以下の実施の形態における要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない要素については、任意の要素として説明される。なお、図面においては、理解しやすくするために、それぞれの要素を主体として模式的に描いている。

【0015】

先ず始めに、本開示の熱交換器およびその製造方法における各種態様を例示する。
本開示に係る第１の態様の熱交換器は、
流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体と、
前記プレートフィン積層体の積層方向の両端に配設されたエンドプレートと、
前記エンドプレートに接合され、前記プレートフィンの流路と連通する給入管または排出管のスリーブと、備えた熱交換器であって、
前記エンドプレートは、複数のブレージングシートの積層体構造である。

【0016】

本開示に係る第２の態様の熱交換器は、前記の第１の態様における前記ブレージングシートが、芯材の少なくとも一方の面に第１クラッド層を有する構成としてもよい。

【0017】

本開示に係る第３の態様の熱交換器は、前記の第２の態様において、前記芯材および前記第１クラッド層を構成する材料が、アルミニウム合金であり、前記第１クラッド層が、シリコン、亜鉛を含有するアルミニウム合金で構成されてもよい。

【0018】

本開示に係る第４の態様の熱交換器は、前記の第２または第３の態様において、前記ブレージングシートが、前記芯材の他方の面に第２クラッド層を有する構成でもよい。

【0019】

本開示に係る第５の態様の熱交換器は、前記の第４の態様における前記第２クラッド層が、シリコンを含有するアルミニウム合金で構成されてもよい。

【0020】

本開示に係る第６の態様の熱交換器は、前記の第２から第５の態様のいずれかの態様における前記第１クラッド層が、シリコンを含有するアルミニウム合金層を、亜鉛を含有するアルミニウム合金層で挟んだ積層構造であってもよい。

【0021】

本開示に係る第７の態様の熱交換器は、前記の第１から第６の態様のいずれかの態様において、前記ブレージングシートの積層体構造の一部が前記ブレージングシートとは異なる他の金属で構成された補強シートを含むものでもよい。

【0022】

本開示に係る第８の態様の熱交換器の製造方法は、
流路を有するプレートフィンが隙間を有して積層されたプレートフィン積層体と、
前記プレートフィン積層体の積層方向の両端に配設されたエンドプレートと、
前記エンドプレートに接合され、前記プレートフィンの流路と連通する給入管または排出管のスリーブと、備えた熱交換器の製造方法であって、
前記エンドプレートが複数のブレージングシートを積層して合金化して形成される。

【0023】

本開示に係る第９の態様の熱交換器の製造方法は、前記の第８の態様において、前記ブレージングシートが、芯材の少なくとも一方の面に第１クラッド層が形成され、前記第１クラッド層が、シリコン、亜鉛を含有するアルミニウム合金で形成されてもよい。

【0024】

本開示に係る第１０の態様の熱交換器の製造方法は、前記の第９の態様において、前記第１クラッド層が、シリコンを含有するアルミニウム合金層を、亜鉛を含有するアルミニウム合金層で挟んだ積層構造であってもよい。

【0025】

本開示に係る第１１の態様の熱交換器の製造方法は、前記の第９の態様において、前記ブレージングシートが、前記芯材の他方の面に第２クラッド層を有するものでもよい。

【0026】

本開示に係る第１２の態様の熱交換器の製造方法は、前記の第１１の態様において、前記第２クラッド層が、シリコンを含有するアルミニウム合金で形成されたものでもよい。

【0027】

本開示に係る第１３の態様の熱交換器の製造方法は、前記の第１１または第１２の態様において、前記エンドプレートと前記スリーブとの対向する接合部分のクリアランス体積が、前記エンドプレートにおける前記第１クラッド層および前記第２クラッド層のシリコン濃度に応じて設定されるものでもよい。

【0028】

（実施の形態１）
以下、本開示の実施の形態１の熱交換器およびその製造方法について、添付の図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１の積層型プレートフィンの熱交換器（以下、単に熱交換器と称する）１の外観を示す斜視図である。図１に示すように、実施の形態１の熱交換器１は、第１流体である冷媒が給入される給入管４と、長方形の板状である複数のプレートフィン２ａが隙間を有して積層して構成されたプレートフィン積層体２と、プレートフィン２ａに形成された流路を流れた冷媒を排出する排出管５とを備える。

【0029】

なお、実施の形態１の熱交換器１においては、給入管４および排出管５が実質的に同じ構成を有しており、そのときの動作に対応する機能を名称として用いる。なお、本開示においては、給入管４および排出管５を合わせてスリーブ（４、５）と称する。

【0030】

プレートフィン積層体２の積層方向の両端にはエンドプレート３が配設されており、エンドプレート３は長方形のプレートフィン２ａと平面視が略同一形状である。一方のエンドプレート３の長手方向の両端側には給入管４または排出管５が接合されている。なお、実施の形態１の構成においては、一方のエンドプレート３の両端側にそれぞれ給入管４または排出管５を接合した構成で説明するが、熱交換器１が用いられる装置の仕様に応じて、一方のエンドプレート３に給入管４を接合し、他方のエンドプレート３に排出管５を接合する構成としてもよい。

【0031】

なお、以下の実施の形態１においては、図１に示し熱交換器１におけるプレートフィン積層体２の積層方向を上下方向とし、プレートフィン積層体２に設けた一方のエンドプレート３の位置を上側とし、他方のエンドプレート３の位置を下側にとして説明する。但し、当該熱交換器１が装置（例えば、空調機器）に設けられた状態においては、その積層方向が上下方向（鉛直方向）に特定されるものではない。

【0032】

プレートフィン積層体２の積層方向の両端に配設されたエンドプレート３は、位置決め手段（例えば、位置決めボルトなど）により所定間隔を有して互いに固定されており、プレートフィン積層体２を挟着している。両端のエンドプレート３を所定間隔に維持して固定する位置決め手段は、積層された各プレートフィン２に対する位置決めの機能を有する。

【0033】

実施の形態１の熱交換器１においては、第１流体である冷媒がプレートフィン積層体２の各プレートフィン２ａに形成された流路を流れる構成である。一方、第２流体である空気は、プレートフィン積層体２におけるプレートフィン２ａの積層間に形成された隙間を通り抜ける構成である。このように構成された熱交換器１は、プレートフィン積層体２において第１流体と第２流体との間で熱交換が行われる。

【0034】

実施の形態１の熱交換器１におけるプレートフィン積層体２を構成する複数のプレートフィン２ａのそれぞれは、２枚のブレージングシートを対向するように張り合わせて接合（ロウ付け）され、流路が形成される構成である。このように構成されるプレートフィン２ａは、複数積層された状態で加圧および加熱されて接合（ロウ付け）され、プレートフィン積層体２が構成されている。なお、プレートフィン積層体２が加熱されて接合されるとき、同時に、エンドプレート３およびスリーブ４、５を同時に加熱して接合（ロウ付けして熱交換器を作製してもよい。

【0035】

実施の形態１の熱交換器１において、プレートフィン積層体２の両側に接合されるエンドプレート３は、複数のブレージングシート１０（図２参照）を積層して合金化した積層体構造が用いられている。図２は、実施の形態１において用いられるブレージングシート１０を模式的に示す断面図である。

【0036】

[ブレージングシート]
実施の形態１の熱交換器１におけるエンドプレート３として積層して用いるブレージングシート１０は、熱交換器に用いられるアルミニウム合金製である。具体的には、例えば、図２に示すように、各ブレージングシート１０は、心材１１の両面にクラッド層を備えており、一方の面に第１クラッド層(犠牲防食層)１２が形成され、他方の面に第２クラッド層（ロウ材層）１３が形成されている。第１クラッド層１２はロウ材層としても機能する。第１クラッド層１２は、心材１１の一方の面に被覆され、第２クラッド層１３は心材１１の他方の面、即ち、第１クラッド層１２が被覆されている面とは反対側の面に被覆されている。心材１１、第１クラッド層１２、および第２クラッド層１３を構成する材料は、いずれもアルミニウム合金である。なお、実施の形態１においては、後述するように、第１クラッド層１２がシリコン（Ｓｉ）、亜鉛（Ｚｎ）を含有するアルミニウム合金であり、第２クラッド層１３が少なくともＳｉを含有するアルミニウム合金である。

【0037】

なお、本開示におけるブレージングシート１０としては、心材１１の一方の面にのみクラッド層を備えた構成でもよい。この場合のクラッド層としては、Ｓｉ、Ｚｎを含有するアルミニウム合金となる。心材１１としては、熱交換器の種類または構造等の諸条件に応じて求められる物性を実現し得るアルミニウム合金であればよい。

【0038】

本開示において用いられる心材１１のアルミニウム合金としては、例えば、熱交換器の分野では、代表的には、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）、または６０００系（アルミニウム－マグネシウム－シリコン（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ）系合金）等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

【0039】

実施の形態１の第２クラッド層（ロウ材層）１３のロウ材として用いられるアルミニウム合金は、シリコン（Ｓｉ）を含有するもの、すなわち、アルミニウム－シリコン（Ａｌ－Ｓｉ）系合金であればよい。ロウ材におけるＳｉの含有量（濃度）は特に限定されず、ロウ材として好適な使用が可能な範囲内であればよい。

【0040】

ロウ材としてのＡｌ－Ｓｉ系合金には、ロウ材としての機能に影響を及ぼさない範囲で、Ｓｉ以外の元素を含有してもよい。また、ロウ材としてのＡｌ－Ｓｉ系合金には、不可避的不純物として種々の元素が含有されてもよい。

【0041】

第１クラッド層（犠牲防食層）１２の材料として用いられるアルミニウム合金は、犠牲防食作用を発揮するために、亜鉛（Ｚｎ）を含有している。また、実施の形態１におけるブレージングシート１０においては、第１クラッド層１２がロウ材層を兼ねているため、ロウ材と同様にＳｉを含有している。したがって、第１クラッド層１２として用いられるアルミニウム合金は、アルミニウム－シリコン－亜鉛（Ａｌ－Ｓｉ－Ｚｎ）系合金であればよい。

【0042】

なお、第１クラッド層１２の材料としてのＡｌ－Ｓｉ－Ｚｎ系合金には、犠牲防食作用およびロウ材としての機能に影響を及ぼさない範囲で、ＳｉおよびＺｎ以外の元素を含有してもよい。また、第１クラッド層１２の材料としてのＡｌ－Ｓｉ－Ｚｎ系合金には、不可避的不純物として種々の元素が含有されてもよい。

【0043】

第１クラッド層１２および第２クラッド層１３の材料として具体的に用いられるアルミニウム合金の種類は特に限定されないが、代表的には、いずれも４０００系（アルミニウム－シリコン（Ａｌ－Ｓｉ）系合金）を用いることができる。第１クラッド層１２では、４０００系のアルミニウム合金に対してＺｎを添加したものを用いる。

【0044】

実施の形態１の熱交換器におけるブレージングシート１０においては、第１クラッド層１２および第２クラッド層１３の材料におけるクラッド率は特に限定されず、一般的な範囲内を挙げることができる。一般的なクラッド率（総厚みに対するクラッド層の厚みの比率）として は、例えば、２～３０％の範囲内を挙げることができ、３～２０％の範囲内であってもよい。また、ブレージングシート１０の厚さ、並びに、心材１１、第１クラッド層１２および第２クラッド層１３のそれぞれの厚さについても特に限定されず、当該ブレージングシート１０の構成または製造しようとする熱交換器の種類または部品等に応じて適宜設定することができる。

【0045】

実施の形態１の熱交換器におけるブレージングシート１０においては、複数枚のブレージングシート１０を重ね合わせて、高温（５８０℃以上）の温度で第１クラッド層１２および第２クラッド層１３を溶融させてロウ付けすることにより、積層されたブレージングシート１０同士が接合される。このようにして製造されるブレージングシート１０の積層体がエンドプレート３として実施の形態１の熱交換器に用いられている。

【0046】

［強度実験］
発明者は、本開示における積層体構造のエンドプレート３と、従来から用いられているアルミニウム合金単体（Ａｌ－Ｍｎ系合金）で構成された従来のエンドプレート３０（図４参照）とに関する強度実験を行った。

【0047】

図３は、発明者が行った強度実験の結果を示すグラフである。図３において、（ａ）は引張試験の結果を示し、（ｂ）は曲げ試験の結果を示す。図３の（ａ）に示す引張試験のグラフにおいて、縦軸が応力[MPa]を示し、横軸が伸び[mm]を示す。また、（ｂ）に示す曲げ試験のグラフにおいて、縦軸が応力[MPa]を示し、横軸が変位[mm]を示す。

【0048】

図３に示す強度実験においては、本開示における積層体構造のエンドプレート３の例として、０．２ｍｍ厚のクラッド材を１０枚積層して形成された積層体Ａと、０．８ｍｍ厚のクラッド材を２枚重ねて積層して形成された積層体Ｂと、従来のエンドプレート３０としてアルミニウム合金の３００３単体の２．０ｍｍ厚を単体Ｃとして用いた。積層体Ａおよび積層体Ｂは、クラッド材にフラックスを塗布して、積層し、上から重しを載せてロウ付けして作製した。積層体Ａおよび積層体Ｂのロウ付け温度は、６１０℃であり、同一バッチで加熱した。

【0049】

積層体Ａにおいて、芯材１１としては、３００３のアルミニウム合金（０．１５６ｍｍ厚）を用い、第１クラッド層１２としては、Ａｌ－４．４Ｓｉ－２．０Ｚｎのアルミニウム合金（０．０１５ｍｍ厚）を用い、第２クラッド層１３としては、Ａｌ－１１．０Ｓｉのアルミニウム合金（０．０２１ｍｍ厚）を用いた。積層体Ａの総厚みの実測値は、引張試験のとき２．０９ｍｍであり、曲げ試験のとき１．９８ｍｍであった。

【0050】

また、積層体Ｂにおいて、芯材１１としては、３００３＋０．５Ｃｕのアルミニウム合金（０．６４ｍｍ厚）を用い、第１クラッド層１２としは、４３４３＋１Ｚｎのアルミニウム合金（０．０８ｍｍ厚）を用い、第２クラッド層１３としは、第１クラッド層１２と同じであり、４３４３＋１Ｚｎのアルミニウム合金（０．０８ｍｍ厚）を用いた。積層体Ｂの総厚みの実測値は、引張試験のとき１．６０ｍｍであり、曲げ試験のとき１．５６ｍｍであった。

【0051】

なお、アルミニウム合金（３００３）の単体Ｃの総厚みの実測値は、引張試験のとき２．０２ｍｍであり、曲げ試験のとき２．０１ｍｍであった。

【0052】

図３の（ａ）の引張試験のグラフに示すように、積層体Ａおよび積層体Ｂは、明らかに単体Ｃに比べて引張り強度が強いことが理解できる。また、図３の（ｂ）の曲げ試験のグラフに示すように、積層体Ａ（総厚み実測値１．９８ｍｍ）は、単体Ｃ（総厚み実測値２．０１ｍｍ）比べて厚みが薄いにもかかわらず、単体Ｃより強い曲げ強度を有していた。

【0053】

上記のように、本開示におけるエンドプレート３が高い剛性を有しており、積層体構造とすることにより強度が上昇している理由については、ブレージングシートにおける合金成分（Ｓｉ、Ｚｎなど）の添加により固溶強化、析出強化されているためと考えられる。Ｓｉ、Ｚｎなどの元素がアルミニウム合金に添加されることにより、転位の運動が阻害されて、強度が上昇したものと考えられる。また、芯材１１に関しては、ロウ付け時に融点に近い温度まで加熱されると、結晶粒が粗大化してしまい強度が低下するが、本開示の構成のブレージングシート１０の積層構造においては、ブレージングシート１０の初期の芯材１１の厚み以上のサイズにはなれないため、芯材１１の厚みによって結晶粒成長を制限することが可能である。

【0054】

［リーク実験］
発明者は、本開示における積層体構造のエンドプレート３と、従来から用いられているアルミニウム合金単体（Ａｌ－Ｍｎ系合金）で構成された従来のエンドプレート３０とを用いた熱交換器における冷媒のリーク実験１を行った。

【0055】

図４および図５は、冷媒のリーク実験１を行ったときの熱交換器におけるスリーブ（給入管４または排出管５）とエンドプレート３０、３との接合部を拡大して模式的に示した断面図である。図４に示す拡大断面図は、アルミニウム合金の３００３単体で構成されたエンドプレート３０を用いた熱交換器の構成を模式的に示している。図５に示す拡大断面図は、実施の形態１の熱交換器の構成を模式的に示した図であり、クラッド材のシート（１０）を積層した積層体構造のエンドプレート３を用いた構成である。

【0056】

図６および図７は、冷媒のリーク実験１を行った時の熱交換器の断面写真である。図６は、アルミニウム合金の３００３単体を用いたエンドプレート３０で構成された熱交換器の断面写真である。図６において、（ａ）の断面写真における四角で囲ったスリーブ４（５）とエンドプレート３０との接合部分を拡大した写真が（ｂ）である。図７は、積層体構造のエンドプレート３で構成された熱交換器の断面写真である。図７において、（ａ）の断面写真における四角で囲ったスリーブ４（５）とエンドプレート３との接合部分を拡大した写真が（ｂ）である。

【0057】

図７の（ｂ）に示すように、エンドプレート３におけるスリーブ４（５）との対向する接合面の全体において、エンドプレート３を構成する各ブレージングシート１０の第１クラッド層１２および第２クラッド層１３がロウ材として溶け出して固化している。即ち、冷媒が流れるスリーブ４（５）と対向するエンドプレート３との接合部分においては、ロウ材を新たに塗布するような作業を行うことなく、接合部分の全体が確実にロウ付けされる。

【0058】

一方、図６に示すように、アルミニウム合金の単体で構成されたエンドプレート３０を用いる熱交換器においては、スリーブ４（５）とエンドプレート３０との対向する接合部分には、ペースト状のロウを塗り付ける工程の後にロウ付けを行う必要がある。また、図６に示す構成においては、接合部分の信頼性を高めるために、スリーブ４（５）の端面を受けるための段差がエンドプレート３０には形成されている。

【0059】

上記のように、第１クラッド層１２および第２クラッド層１３を備えたブレージングシート１０を積層した構成をエンドプレート３として用いた熱交換器１においては、スリーブ４（５）とエンドプレート３との接合部分が確実にロウ付けされる構成であることが理解できる。

【0060】

次に、発明者は、ブレージングシート１０を積層した構成をエンドプレート３として用いた熱交換器１において、異なる仕様のブレージングシート１０を用い、異なるロウ付け温度で熱交換器を作製して冷媒のリーク実験２を行った。リーク実験２においては、８．００ｍｍの外径を持つスリーブ４（５）をエンドプレート３にロウ付けすることにより行った。

【0061】

リーク実験２において用いたエンドプレート３のブレージングシート１０としては、２種類のクラッド材Ｄ、Ｅを用いた。クラッド材Ｄは、芯材１１上の第１クラッド層１２が、３層に分かれており、芯材１１の表面側（一方の面側）に、Ａｌ－４．５Ｚｎの第１層、Ａｌ－１０Ｓｉの第２層、およびＡｌ－４．５Ｚｎの第３層となっている。芯材１１としては、３００３＋０．５Ｃｕのアルミニウム合金を用いた。また、芯材１１の裏面側（他方の面側）には第２クラッド層１３として、Ａｌ－１０Ｓｉの層が形成されている。クラッド材Ｄのブレージングシート１０は、厚みが２００μｍである。このブレージングシート１０を１２枚積層してエンドプレート３とし、このエンドプレート３とプレートフィン積層体２とスリーブ４（５）とをロウ付けした熱交換器Ｆを作製した。

【0062】

クラッド材Ｅは、図２に示した断面図のように、第１クラッド層１２が、Ａｌ－４．０Ｓｉ－４．０Ｚｎの層である。芯材１１としては、３００３＋０．５Ｃｕのアルミニウム合金を用いた。また、第２クラッド層１３としては、Ａｌ－７．５Ｓｉの層が形成されている。クラッド材Ｅのブレージングシート１０は、厚みが２００μｍである。このブレージングシート１０を１２枚積層してエンドプレート３とし、このエンドプレート３とプレートフィン積層体２とスリーブ４（５）をロウ付けした熱交換器Ｇを作製した。

【0063】

【表1】

【0064】

表１は、作製した熱交換器Ｆおよび熱交換器Ｇのそれぞれにおいて、冷媒のリーク実験２を行った時の各条件のパラメータおよびそのリーク実験結果を示している。表１に示すように、熱交換器Ｆおよび熱交換器Ｇのそれぞれの作製において、ロウ付け温度を６００℃の場合と、６１０℃の場合に分けた。また、エンドプレート３に穿設する孔径を変え、エンドプレート３とスリーブ４（５）との間のクリアランス体積を変えてリーク実験２を行った。

【0065】

表１において、第１クラッド層１２および第２クラッド層１３における液相率ｆｋは、シリコン（Ｓｉ）濃度Ｃｋと、ロウ付け時の最高到達温度Ｔとの関数である。液相率ｆｋは、Ａｌ－Ｓｉ二元系状態図より、てこの原理から算出した。液相率ｆｋの算出式を下記に示す。図８には、Ａｌ－Ｓｉ二元系状態図を示し、横軸に組成［at %］、縦軸に温度［℃］であり、例示として、特定のアルミニウム合金における液相率と固相率との関係を示している。

【0066】

【数1】

【0067】

なお、液相率としては、本来、０から１．０までの範囲であるが、本開示において用いる液相率ｆｋでは、１．０を超える場合がある。シリコン（Ｓｉ）は、ロウ付け時に周囲に拡散する。即ち、ロウ材層は実質的に周囲に広がるため、その広がりを加味して液相率が１．０以上の値をとることの物理的意味としている。厳密には、より複雑な計算式となるが、この開示においては近似式として扱う。

【0068】

表１における液相量は、第１クラッド層１２における液相率と厚みとの乗算値と、第２クラッド層１３における液相率と厚みとの乗算値とを加算した値として定義して算出したものである。

【0069】

図９は、前述の表１に示したリーク実験２の結果を断面写真と共にグラフで表したものである。図９のグラフにおいては、クラッド材Ｄを用いた６種類の熱交換器Ｆのリーク実験結果を［１］～［６］の番号で示し、クラッド材Ｅを用いた６種類の熱交換器Ｇのリーク実験結果を［７］～［１２］の番号で示す。図９のグラフから明らかなように、クリアランス体積が小さい場合には、液相量が少なくてもリークがなく、クリアランス体積が大きい場合には、液相量が多く必要であり、比例関係を有していた。リーク発生の有無の境界線としては、Y＝（１／３２）×Xで表すことができる。ここで、Yが液相量［ｍｍ^３］を示し、Xがクリアランス体積［ｍｍ^３］である。

【0070】

図９においては、リーク実験２の結果でリーク発生が無かった場合と、リーク発生が有った場合の熱交換器におけるスリーブ４（５）とエンドプレート３との接合部分の断面写真を示す。リーク発生が無かった場合の断面写真に示すように、ブレージングシート１０の積層体で構成されたエンドプレート３と、スリーブ４（５）との間にはエンドプレート３の積層体からのロウ材が溶融して固化して確実に結合していることが理解できる。一方、図９のグラフにおいて、リーク発生の有無の境界線（Y＝（１／３２）×X）の下方にある場合においては、液相量に比べてクリアランス体積が大きく、完全な接合状態となっていない。エンドプレート３とスリーブ（４、５）との対向する接合部分のクリアランス体積は、エンドプレート３における第１クラッド層１２および第２クラッド層１３のシリコン濃度に応じて設定することが好ましい。このように、実施の形態１における熱交換器の製造方法によれば、液相量に対応するクリアランス体積に設定して、エンドプレート３とスリーブ（４、５）との間は確実に接合され、リーク発生が生じることのない、信頼性の高い熱交換器を作製することができる。

【0071】

［腐食性実験］
次に、実施の形態１の熱交換器の構成において、エンドプレート３に対する腐食性実験を行った。ブレージングシート１０の積層体構造の耐食性は、ＡＳＴＭ Ｇ８５－Ａ３で規定されるＳＷＡＡＴ試験（Sea Water Acidified Test）に基づいて評価した。比較対象とした熱交換器としては、前述の図４に示した熱交換器を用いた。図４に示した熱交換器は、アルミニウム合金の３００３単体で構成されたエンドプレート３０を用いた熱交換器である。

【0072】

図１０は、エンドプレート３０を用いた熱交換器に対して腐食性実験を行った時の断面写真である。図１０の（ａ）の断面写真における四角で囲ったエンドプレート３０を拡大した写真が（ｂ）である。図１１は、積層体構造のエンドプレート３で構成された熱交換器に対して腐食性実験を行った時の断面写真である。図１１において、（ａ）の断面写真における四角で囲ったエンドプレート３を拡大した写真が（ｂ）である。

【0073】

図１１の（ｂ）の断面写真に示すように、ブレージングシート１０を積層した積層体構造のエンドプレート３においては、図１０の（ｂ）の断面写真のエンドプレート３０に比べて、腐食の深度が浅く、積層体構造におけるクラッド層においてその腐食が止まっていることが理解できる。実施の形態１の構成においては、第１クラッド層１２が犠牲防食層として機能しており、第１クラッド層１２の材料として用いられるアルミニウム合金には、犠牲防食作用を発揮するために、亜鉛（Ｚｎ）を含有しているためと考えられる。このように、エンドプレート３が犠牲防食層を備えたブレージングシート１０の積層体構造であるため、エンドプレート３の深さ方向への腐食が抑制された構成となっている。

【0074】

上記のように、実施の形態において説明した熱交換器においては、エンドプレート３がブレージングシート１０の積層体構造であるため、熱交換器の製造方法においては、プレス加工により容易に成形することが可能であり、スリーブ４（５）などの接合のためにペースト状のロウ材を塗布するような工程も不要となる。また、エンドプレート３がブレージングシート１０の積層体構造を合金化した構成であるため、強度性能が高い材料となっている。さらに、ブレージングシート１０には犠牲防食層（Ｚｎ成分）が存在しているため、エンドプレート３の積層方向（深さ方向）への腐食抑制機能を備えている。

【0075】

なお、実施の形態における熱交換器のエンドプレート３は、アルミニウム合金のブレージングシート１０の積層体構造で説明したが、一部のフレージングシート１０をアルミニウム合金より強度を有する他の金属、例えば、鋼板などを補強シートとして挟み込んでエンドプレートを構成してもよい。即ち、ブレージングシートの積層体構造の一部がブレージングシートとは異なる他の金属で構成された補強シートを含む構成でもよい。このように構成されたエンドプレートは、更に強度を有する構成となり、熱交換器としての信頼性を更に高めることが可能となる。

【0076】

また、本開示における熱交換器のエンドプレートにおいては、センサーやアース線などの異種の金属を埋設する孔を形成して、容易に対応することが可能である。異種金属がアルミニウムと接触すると、異種金属接触腐食と呼ばれる現象が起こる。これは、異種金属同士の接触界面が腐食環境に露出している場合、電位の低い側の金属が一方的に激しく腐食する現象である。センサーやアース線はブレージングシートと同一材質ではないため、ブレージングシート側が腐食しても、またはセンサーやアース線側が腐食してもその機能を失うため、問題である。通常、エンドプレートとアース線・温度センサーとの接点においてはビス止めにより接続するが、そのとき使用するビスも異種金属である。本開示のエンドプレートの構成のおいては、異種金属の接触部分（接点部分）を積層体の中に埋め込む構成とすることが可能な構成であり、このような構成とすることにより、接触部分（接点部分）が腐食環境に露出しにくい構成となるため、異種金属接触腐食を回避できる、信頼性の高い熱交換器を構築することができる。

【0077】

なお、実施の形態においては、ブレージングシート１０として、芯材１１の両面にクラッド層（１２、１３）を備えた構成について説明したが、クラッド層としてはロウ材層と犠牲防食層としての機能を有していればよく、芯材１１のいずれか一方の面にシリコン（Ｓｉ）と亜鉛（Ｚｎ）を含有するアルミニウム合金層が形成されていればよい。

【0078】

以上のように、実施の形態において詳細に説明したように、本開示の熱交換器においては、複数のブレージングシートを積層して合金化した積層体構造のエンドプレートが用いられている。このように構成された熱交換器においては、エンドプレートが所望の強度を有し、給入管や排出管などのスリーブとの接合を容易なものとし、その接合部分における冷媒のリーク発生が防止され、且つエンドプレートの積層体構造が耐食性に優れた構成である。本開示の熱交換器およびその製造方法によれば、積層されたプレートフィン両側に設けられるエンドプレートが重く、加工が難しく、且つ腐食性において課題を有するという従来の熱交換器における問題を解決するものであり、給入管や排出管などのスリーブに対して確実に接合できる構造を有し、軽量化を図りつつ高い剛性を保持するエンドプレートを設けた熱交換器となる。この結果、本開示の熱交換器およびその製造方法においては、信頼性が高く、優れた効果を奏する熱交換器を提供することができる。

【0079】

本開示をある程度の詳細さをもって実施の形態において説明したが、これらの構成は例示であり、実施の形態の開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものである。本開示においては、実施の形態における要素の置換、組合せ、および順序の変更は請求された本発明の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。

【産業上の利用可能性】

【0080】

本開示に係る熱交換器は、小型で軽量化を図ることができる構成であるため、各種製品に用いることが可能であり、市場価値の高い製品を提供することができる。

【符号の説明】

【0081】

１ 熱交換器
２ プレートフィン積層体
３ エンドプレート
４ 給入管
５ 排出管
１０ ブレージングシート
１１ 芯材
１２ 第１クラッド層
１３ 第２クラッド層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】