JP2004202547A - 耐高温酸化性熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐高温酸化性を有しつつ熱の線膨張率の低い丈夫な熱交換器の製造方法の提供。
【解決手段】フェライト系ステンレス鋼材からなる母材５の表面に、ニッケル被覆層３を形成して熱交換器用部品を成形し、それらの部品をろう材４を介して組立て、それを高温の炉内に入れてニッケル被覆層３と母材５成分とを相互に拡散させると共に、ろう材４を溶融させて熱交換器を製造する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の熱交換器やＭＧＴ用熱交換器（リキュピレター等）に用いる耐高温酸化性熱交換器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
６５０℃付近までの温度域で使用される熱交換器材料は、フェライト系ステンレス鋼を用いることができるが、それ以上８００℃付近までの温度域ではオーステナイト系ステンレス鋼を必要とする。さらにはそれ以上の温度域では、ニッケル基合金を使用せざるを得ない。そしてそれらをニッケル系ろう材（ＢＮｉ−２，ＢＮｉ−５）を用いてろう付けする必要がある。
これらの材料には、耐高温酸化性と優れた温度強度特性が要求される。しかしながら、通常の使用環境雰囲気では水分が含まれることが多く、フェライト系ステンレス鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼では、充分な耐高温酸化性を確保することが困難であり、高価なＮｉ基合金（Ｎｉ７０％，Ｃｒ２０％程度）を用いざるを得なかった。
【０００３】
燃料電池用の熱交換器としての蒸発器，改質器，高温再生器，燃料過熱器等は、６５０℃〜９５０℃の水蒸気を含む高温空気の環境化で使用される。このような使用温度では、オーステナイト系ステンレス鋼で且つより高級な材料を必要とする。さらには、ニッケル基合金を使用する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
より高級なオーステナイト系ステンレス鋼は高価であり、製品のコストアップに繋がる。しかも、そのオーステナイト系ステンレス鋼であっても、９００°以上の環境化では耐久性に問題がある。
また、ニッケル基合金の場合には熱交換器の製造工程においてプレス成形がし難い欠点がある。
さらには、オーステナイト系ステンレス鋼およびニッケル基合金両者共に、線膨張率が高く、熱歪みを起こすおそれがある。即ち、熱交換器の各部に温度分布が生ずると熱歪みが生じ、それにより亀裂が生ずるおそれがある。
そこで本発明は、熱の線膨張率が比較的低く且つ耐熱性の高い安価な熱交換器の製造方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フェライト系ステンレス鋼材からなる母材(5) の表面に、ニッケルをクラッドまたはメッキにより被覆してニッケル被覆層(3) を形成すると共に、その母材(5) で熱交換器用部品を成形する工程と、
前記部品を組み立てると共に、各部品の接触部間にろう材(4) を位置させて熱交換器組立て体を形成する工程と、
次いで、熱交換器組立て体を炉に入れて、被覆されたニッケル被覆層(3) と母材(5) 成分とを相互に拡散させると共に、前記ろう材(4) を溶融させる工程と、
次いで熱交換器組立て体を冷却することにより、各部品の接触部間をろう付け固定する工程と、
を具備する耐高温酸化性熱交換器の製造方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の熱交換器用部品の一例を示す分解図およびその部分拡大図であり、図２はそれをチューブに組立て状態を示す説明図およびその部分拡大図、図３はそのろう付け後の部分拡大図である。また、図４はろう付けの前後における材質の変化を示す説明図である。
本発明の熱交換器の製造方法は、先ず、図１（Ｂ）の如く、フェライト系ステンレス鋼材からなる母材５の両面にニッケル被覆層３を形成する。これは、ニッケルをメッキによりまたは、クラッドにより付着させる。クラッドによる場合は、その後に、両面にニッケル被覆層３を有する帯状金属板を、プレス成形或いはロールフォーミング等により、図１（Ａ）の如くチューブ２を構成するプレート２ａおよびフィン１に成形する。
【０００７】
次いで、一例として図２（Ａ）に示す如く一対のプレート２ａを組み合わせると共に、内部にフィン１を配置する。なお、図２（Ｂ）は（Ａ）のＢ部拡大図である。このとき一例として、プレート２ａ側の内面にニッケル系のろう材４が配置される。ろう材４は、粉末状のろう材をバインド剤によってプレート２ａのニッケル被覆層３の表面に塗布したり、箔状のアモルファスのろう材を配置する。
【０００８】
次に、ニッケル被覆層３をメッキによって形成するには、図１（Ａ）に示すようにフェライト系ステンレス鋼板からなる部材を先ず加工した後に、その表面に無電解メッキにより被覆することができる。
なお、ニッケル被覆層３の厚みは一例として０．００５〜０．０１程度とすることができる。
また、母材５の厚みは、フィン材の場合には０．０７〜０．２ｍｍとすることができ、プレートの場合にはその数倍以上とすることができる。
なお、母材５の表面にニッケルをクラッドするには、母材５とニッケル箔とを重ね合わせ、加熱状態で圧着しつつ圧延することにより製造することができる。
【０００９】
次いで、図２に示す如く組立てられた熱交換器部品は炉内に挿入され、先ず、ろう材４のろう付け温度以下で、ニッケル被覆層３と母材５とが相互に拡散する温度に保持される。すると、熱交換器部品の各材料は図４（Ａ）の状態から同（Ｂ）の状態に移る。即ち、フェライト系ステンレス鋼板中のクロームがニッケル被覆層に拡散すると共に、ニッケル被覆層のニッケルが母材中に拡散し、夫々濃度勾配を有する拡散層となり、その表面ではニッケルリッチのクローム合金が形成される。そしてそれらの濃度勾配によって、母材とニッケル拡散層３ａとが一体となる。
【００１０】
次いで、ろう材４が溶融する温度に昇温させると、ろう材が溶融し、毛管現象によりこの例ではフィン１とチューブ２との接触部に吸い寄せられ、両者間が一体に接合される。それと共に、一対のプレート２ａの継目部にそれが保持され、機密性のあるチューブ２を構成する。
なお、Ｎｉ層と母材成分を図４（Ｂ）の如く拡散させることにより、ニッケル層と母材が強固に結びつくと共に熱膨張差が緩慢となり、両者が剥離することなく母材以上の耐高温酸化性を有する改質層に変化する。そして、ニッケル基合金、オーステナイト系ステンレス鋼の熱膨張率に比べて、フェライト系ステンレス鋼の低い熱膨張係数を持ち、ニッケル基合金なみの耐高温酸化特性を有するものができる。しかもフェライト系ステンレス鋼を使用することができるので、大幅なコスト低下が可能となる。
【００１１】
【発明の作用・効果】
本発明の熱交換器の製造方法は、フェライト系ステンレス鋼材からなる母材５の表面にニッケル被覆層３を設けて熱交換器用部品を形成し、各部品を組立てて炉内に入れ、被覆されたニッケル被覆層３と母材５成分とを相互に拡散させると共に、ろう材４を溶融させて熱交換器を製造するものであるから、製造が容易で耐高温酸化性がよいと共に、より高級な母材であるオーステナイト系ステンレス鋼よりも耐熱性が高く且つ、それよりも熱膨張率が低いものとなり、熱交換器としての耐久性が高いものを提供できる。
【００１２】
即ち、熱膨張率はフェライト系ステンレス鋼材と同一であり、より高級なオーステナイト系ステンレス鋼よりも熱膨張率が低い、しかもそのフェライト系ステンレス鋼の母材５の表面にはニッケル拡散層３ａが形成されるため、オーステナイト系ステンレス鋼以上の耐熱性を有する。
従って、安価に且つ耐熱および熱膨張に強い熱交換器を製造することができる。特に、各部品表面はニッケル基合金と同程度の耐高温酸化性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器の要部分解説明図およびその部分拡大図。
【図２】同熱交換器の製造方法の組立て工程の要部縦断面図およびそのＢ部拡大図。
【図３】同熱交換器の製造方法のろう付け後の状態を示す部分拡大図。
【図４】同熱交換器の製造方法において母材からなるＳＵＳ材とその両面に被覆されたニッケル被覆層３の各成分のろう付け前と後の変化状態を示す説明図。
【符号の説明】
１ フィン
２ チューブ
２ａ プレート
３ ニッケル被覆層
３ａ ニッケル拡散層
４ ろう材
５ 母材

Claims (1)

1. フェライト系ステンレス鋼材からなる母材(5) の表面に、ニッケルをクラッドまたはメッキにより被覆してニッケル被覆層(3) を形成すると共に、その母材(5) で熱交換器用部品を成形する工程と、
   前記部品を組み立てると共に、各部品の接触部間にろう材(4) を位置させて熱交換器組立て体を形成する工程と、
   次いで、熱交換器組立て体を炉に入れて、被覆されたニッケル被覆層(3) と母材(5) 成分とを相互に拡散させると共に、前記ろう材(4) を溶融させる工程と、
   次いで熱交換器組立て体を冷却することにより、各部品の接触部間をろう付け固定する工程と、
   を具備する耐高温酸化性熱交換器の製造方法。

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