JP2000171188A - プレ―ト式熱交換器 - Google Patents

プレ―ト式熱交換器

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JP2000171188A
JP2000171188A JP10377015A JP37701598A JP2000171188A JP 2000171188 A JP2000171188 A JP 2000171188A JP 10377015 A JP10377015 A JP 10377015A JP 37701598 A JP37701598 A JP 37701598A JP 2000171188 A JP2000171188 A JP 2000171188A
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Kaoru Tada
薫 多田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ニッケルろうを使用し、高温特性および耐食性
に優れたプレート式熱交換器を提供する。 【解決手段】積層された複数のプレートおよびフィンの
各接触部間をろう付けして熱交換部が構成されるプレー
ト式熱交換器において、流体と接するプレート表面およ
びフィン表面が耐食性や流動性に優れクロムおよび燐を
含むニッケル合金で覆われたものである。これにより、
熱処理時にろう材と接するプレートあるいはフィンとの
相互拡散によって生ずるろう材の耐食性低下を防止する
ことができる。また、熱処理時に溶融凝固したろう材の
凝固先端部付近において、ろう材とプレートあるいはフ
ィンとの腐食電位差などが原因となって発生する腐食を
防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数のプレートお
よびフィンあるいは複数のプレートを積層し、各接触部
をろう付けすることによって熱交換部を構成したプレー
ト式熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】プレート式熱交換器は、例えば複数のプ
レートとフィンを交互に積層し、各プレートとフィンの
接触部をろう付けして熱交換部が構成される。また、プ
レート平面にスペーサや撹拌用の凹凸部を形成し、フィ
ンを省略することも可能であり、この場合にはプレート
同士の接触部がろう付けされる。
【0003】ろう付けに使用されるろう材としては、各
分野で使用実績が豊富な銅ろうが使用されている。しか
しながら、銅ろうは高温特性が劣るためおよそ200℃
以上の高温流体への適用が困難であった。また、銅ろう
は耐食性も劣るため腐食性流体への適用も困難であり、
銅に比べ高温特性や耐食性に優れるニッケルろうが使用
されるようになってきた。
【0004】粉末状のニッケルろうをプレート式熱交換
器に適用する場合、一般にプレート上に形成された凸部
やフランジ部等のろう付け部あるいはフィンを使用する
場合にはフィンと接触するプレート面にろう材を均一に
付着させ、加熱することによりろう付けされる。
【0005】従来よりこのようなプレートの凸部等への
粉末状ろう材の付着方法として、ろう材とろう材固定用
の液状バインダーを予めペースト状に混合したものをス
クリーン印刷により付着させたり、ペースト状ろう材を
ディスペンサーやはけなどを用いて付着させたり、ろう
材とバインダーを同時にスプレイして付着させる方法が
知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このような方法でろう
付け部に均一に粉末状ろう材を供給しても、ろう付け熱
処理の工程で溶融したろう材の一部はろう付け部から隣
接するプレート表面やフィン表面へ流出し、凝固する。
この際、流れ出たろう材の凝固先端部近傍においてはろ
う材とプレートあるいはフィンとの腐食電位差などが原
因となって熱交換部に腐食性流体を流した場合等に腐食
が発生するという問題があった。このような腐食は、耐
食性の優れたろう材を使用しても発生するため、ニッケ
ルろうを適用する場合の問題となっていた。
【0007】また、ニッケルろうとして多く使用されて
いるニッケル−クロム−ボロン−シリコン合金はろう付
け温度がおよそ1100℃以上と高く、また原子半径が
小さく拡散しやすいボロンを含有しているため熱処理の
工程でろう材とステンレス鋼等からなるプレートあるい
はフィンとの相互拡散によって、ろう材中へプレートあ
るいはフィン素材中の鉄元素が多量に拡散し、ろう材の
耐食性を低下させるという問題があった。
【0008】本発明は、このような従来のニッケルろう
を使用したプレート式熱交換器の難点を解消するために
成されたものであり、高温特性および耐食性に優れた熱
交換器を提供することを、その目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明のプレート式熱交
換器は、積層された複数のプレートおよびフィンの各接
触部あるいは積層された複数のプレートの各接触部がク
ロムおよび燐を含むニッケル合金でろう付けして熱交換
部が構成されることを特徴としている。また、少なくと
も流体と接するプレート表面およびフィン表面がクロム
および燐を含むニッケル合金で覆われていることを特徴
としている。また、クロムおよび燐を含むニッケル合金
は、重量比でクロムが10〜30%、燐が8〜13%、
残部が実質的にニッケルからなることを特徴としてい
る。
【0010】本発明に係るクロムおよび燐を含むニッケ
ル合金ろうは耐食性および高温特性に優れ、同時にろう
付け熱処理時の流動性が銅ろうやボロンを含むニッケル
ろうに比べて優れているため、プレート上に形成された
凸部やフランジ部等のろう付け部に各種方法で付着させ
た粉末状のろう材を接合部だけでなく熱交換部を構成す
るプレートやフィンの表面にも流出させて、図1に示す
ように流体と接するプレート表面やフィン表面を覆わせ
ることが可能となる。このためろう材が流れた先端部付
近において、ろう材とプレートあるいはフィンとの腐食
電位差などが原因となって発生する腐食を防止すること
ができる。
【0011】しかも、本発明に係るクロムおよび燐を含
むニッケル合金は極めて流動性に優れるためにろう付け
部においてろう材不足によるろう切れや接合強度の低下
を引き起こさずにろう材をろう付け部から流出させ、プ
レート表面やフィン表面を覆わせることができる。
【0012】また、本発明に係るクロムおよび燐を含む
ニッケル合金ろうは、ボロンを含むニッケルろうに比べ
て融点が低いためにろう付温度を低くすることができ、
また合金元素として拡散しやすいボロンを含有していな
いためろう材とプレートあるいはフィンとの相互拡散を
少なくすることが可能である。このためろう材中への鉄
の多量の拡散にともなうろう材の耐食性低下を防ぐこと
ができる。
【0013】次に、本発明に係るクロムおよび燐を含む
ニッケル合金組成の限定理由について説明する。クロム
は、ニッケルに固溶してニッケル−クロム固溶体とな
り、耐食性や耐酸化性を向上させるに必要な元素であ
り、少なくとも10%は必要である。しかし、多量の含
有は濡れ性を低下させることから30%までとした。燐
は、合金の融点を下げ、ろう付け性を向上させるに必要
な元素であり、少なくとも8%は必要である。しかし、
多量の含有は融点を上昇させるとともに合金を脆くさせ
ることから13%までとした。
【0014】本発明に係るクロムおよび燐を含むニッケ
ル合金は、燐の一部をシリコンで置換してもよい。ま
た、耐食性をさらに向上させるためにモリブデンを含む
こともできる。
【0015】ニッケルろうとして多く使用されているニ
ッケル−クロム−ボロン−シリコン合金に合金元素とし
て添加されているボロンは、ろう付け熱処理中に主とし
てプレートやフィン素材の結晶粒界に沿って拡散しやす
く、プレートが薄い場合には貫通穴を生じさせるという
問題があった。このエロージョンと呼ばれる現象は、特
に熱効率の向上や軽量化の観点から熱交換器のプレート
を薄くしたい場合に大きな問題となっていたが、本発明
に係るクロムおよび燐を含むニッケル合金ろうはエロー
ジョンの原因となるボロンを合金元素として含まないた
めに薄板構造物で大きな問題となるエロージョンを防ぐ
ことが可能となる。さらに本発明に係るプレート式熱交
換器においてはプレートなどの構成部品を一層薄くする
こともでき、熱交換器の軽量化も可能となる。
【0016】プレート式熱交換器においては、表面が流
体と接するプレートやフィンの素材として、一般に耐食
性に優れるステンレス鋼等が使用されているが、本発明
においてはプレート表面やフィン表面が耐食性に優れる
クロムおよび燐を含むニッケル合金で覆われるため、安
価な炭素鋼等をプレートやフィンの素材として使用する
ことができる。
【0017】フィンは薄平板を複雑な波板に加工し、ま
たプレートは薄平板にスペーサや撹拌用の凹凸部や流体
出入口のフランジ部等を加工するためにプレートやフィ
ンの素材としては優れた加工性が要求される。炭素鋼は
ステンレス鋼に比較するとプレス性や深絞り性等の加工
性が優れているため、本発明においてプレートやフィン
に炭素鋼を使用することによってさらに高い加工性がプ
レートやフィンに要求された場合への適用も可能とな
る。
【0018】本発明においては、ろう材の優れた耐食性
や流動性を得るために、ろう付け熱処理雰囲気として
は、10−3torrよりも高真空雰囲気あるいは非酸
化性雰囲気が望ましい。
【0019】本発明においては、熱交換器を流れる流体
の一方のみで腐食が問題となるような場合には、該流体
が流れる流路側のみプレート表面およびフィン表面をク
ロムおよび燐を含むニッケル合金で覆っても良い。
【0020】本発明は、プレートとフィンを交互に積層
し各プレートとフィンの接触部間をろう付けして構成さ
れる熱交換部に対しても、またプレートの平面にスペー
サや撹拌用の凹凸部を形成してフィンを省略しプレート
同士の接触部間をろう付けして構成される熱交換部に対
しても、さらに一方の流体通路のみにフィンを挿入して
接触部間をろう付けして構成される熱交換部に対しても
適用可能である。
【0021】
【発明の実施の形態】2枚の10x100x0.8mm
のSUS304板をT字型にスポット溶接し、ボロンを
含むニッケル−クロム−ボロン−シリコン合金ろう材
JIS Z3265 BNi−1と有機溶媒系のバイン
ダーを混合してペースト状にしたものを一端に塗布した
後、10−4torrの真空中で、1120℃、5分間
の条件でろう付けした。ニッケル−クロム−燐合金ろう
材BNi−7についても同様に塗布した後、10−4
orrの真空中で、1050℃、5分間の条件でろう付
けした。
【0022】ろう付けした試験片について外観観察でろ
う材の流動性を調べた。その結果、BNi−1は2枚の
SUS板の接合部からおよそ2mmまでの範囲にろう材
が流れていたが、BNi−7ろう材はSUS板の全面を
ろう材が覆っていた。
【0023】また、ろう付けした試験片を10%濃度の
硫酸溶液中に1週間浸漬し、腐食状況の比較を行った。
その結果、BNi−7の試験片では硫酸浸漬による外観
の変化は見られなかった。一方、BNi−1の試験片で
はろう材に若干の腐食が見られ、またろう材とSUS板
との界面に腐食による隙間が生じていた。
【0024】さらに、ろう付けした試験片の接合界面を
光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡で調べ、ろう材元素
の拡散状況の比較を行った。その結果、BNi−1の試
験片ではろう材と接するSUS板においてSUSの結晶
粒界に沿っておよそ0.1mmの深さまで拡散が認めら
れたが、BNi−7の試験片ではこのような粒界拡散は
認められなかった。
【0025】次に、図2(a)に示すように0.4mm
厚さのSUS304製のプレートにBNi−7ろう材と
有機溶媒系のバインダーを同時にスプレイ法により付着
させた。この際、ろう材の付着量は1cmのプレート
表面に対しおよそ0.05gとした。このようにろう材
を付着させたプレートと0.3mm厚さのSUS304
製のフィンを複数枚用意し、図2(b)に示すように交
互に積層して所定の形状とした後、10−4torrの
真空中で、1060℃、10分間の条件でろう付けして
プレート式熱交換器を完成した。
【0026】同様にBNi−1ろう材をスプレイ法でプ
レートに付着させ、フィンと積層して所定の形状とした
後、10−4torrの真空中で、1120℃、10分
間の条件でろう付けしてプレート式熱交換器を完成し
た。
【0027】完成した2台の熱交換器について漏洩試験
を3kg/cmで行い、いずれもろう切れによる漏洩
が生じていないことを確認した後、耐圧試験を行った。
その結果、BNi−1でろう付けした熱交換器の破壊強
度が31kg/cmであったのに対して、BNi−7
でろう付けした熱交換器では32kg/cmと同等の
破壊強度を示した。
【0028】また、熱交換器を切断してろう材の流れを
調べた結果、BNi−1でろう付けした熱交換器ではろ
う材がプレートとフィンの接合部でフィレットを形成し
ていたが、接合部から離れた表面までろう材は流れてい
なかった。一方、BNi−7でろう付けした熱交換器で
はろう材がプレートおよびフィンの表面を覆っているこ
とが判った。さらに、BNi−7でろう付けした熱交換
器についてろう材の厚さをフィンとの接合部を除いたプ
レートの平面部10箇所で測定した結果、平均で12μ
mの厚さであることが判った。
【0029】
【発明の効果】本発明のプレート式熱交換器は、ろう材
として耐食性や流動性に優れるクロムおよび燐を含むニ
ッケル合金を使用し、また熱交換部の流体と接するプレ
ート表面およびフィン表面がクロムおよび燐を含むニッ
ケル合金で覆われているため、従来ニッケルろうを適用
する際に問題となっていたろう材凝固先端部近傍での腐
食や熱処時の相互拡散にともなうろう材の耐食性低下を
解決することができる。また、エロージョンの原因とな
るボロンを含まないろう材を使用するために、プレート
などの構成部品を薄くすることができ熱交換器の軽量化
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】プレートおよびフィン表面がろう材で覆われて
いる本発明のプレート式熱交換器断面の説明図である。
【図2】プレート式熱交換器の製造法の工程説明図であ
る。
【符号の説明】
1 ろう材 2 プレート 3 フィン 4 バインダーとろう材の混合層 5a、5b 流路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】積層された複数のプレートおよびフィンの
    各接触部あるいは積層された複数のプレートの各接触部
    がクロムおよび燐を含むニッケル合金でろう付けして熱
    交換部が構成されることを特徴とするプレート式熱交換
    器。
  2. 【請求項2】少なくとも流体と接するプレート表面およ
    びフィン表面がクロムおよび燐を含むニッケル合金で覆
    われていることを特徴とする特許請求の範囲請求項1記
    載のプレート式熱交換器。
  3. 【請求項3】クロムおよび燐を含むニッケル合金は、重
    量比でクロムが10〜30%、燐が8〜13%、残部が
    実質的にニッケルからなることを特徴とする特許請求の
    範囲請求項1あるいは請求項2記載のプレート式熱交換
    器。
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