JP2006529023A - ろう付け熱交換器を製作するための方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

金属壁部の対向する側面によって画定される沸騰通路と冷却通路で構成される熱交換器が開示される。上記金属壁部とスペーサ部材の間のろう付け材料の層は、上記熱交換器を合わせて接合する。金属粒子同士が互いに、または上記金属壁部の沸騰側面に接着された金属粒子で構成される強化沸騰層（EBL）は、核沸騰細孔を提供し、熱移動を促進する。上記EBLはろう付け材料の融点よりも高い融点を有する。上記熱交換器を組み立てるためのプロセスも開示される。

Description

発明の背景

本発明は、高い熱移動効率を有する金属製熱交換器を製作するための改善された方法に関するものである。具体的には、本発明は、強化された沸騰表面を有するろう付け熱交換器を製作するための方法に関するものである。

低温、精製装置及び化学的用途のためのリボイラ-コンデンサでは２つのタイプの設計の熱交換器が、現在一般に用いられている。現在利用されている１つのタイプの熱交換器は、垂直シェル及びチューブ熱交換器である。この設計では比較的小さな温度差で十分高度な熱交換を達成するために、強化沸騰層（EBL）が用いられる。EBLは沸騰を容易にするための沸騰核サイトを提供する多数の細孔で構成される構造を有する。EBLは上記チューブの内部に用いられ、熱交換を容易にするために縦溝がチューブの外側に備えられる。

強化沸騰層は米国特許第3,384,154で初めて熱交換器用に提案された。この特許は、溶媒中のプラスチック結合剤中の金属粉末を混合し、そのスラリーを母材表面に塗布することを開示している。上記被覆された金属は還元性雰囲気に暴露され、上記金属粒子が互いに、そして上記母材表面と共に焼結するような温度に十分な時間加熱される。米国特許第3,457,990は、機械的または化学的にそこに形成される凹部溝を有する強化沸騰層を開示している。

EBLを利用するその他の方法も開示されている。ドイツ特許第2 034 355は、有機泡沫層を金属製熱交換器部材に用いて、初めは電気分解、その後電着によって上記泡沫を銅のような金属に導入することを開示している。米国特許第4,258,783は、熱交換器表面に圧痕を機械的に形成し、その後金属を上記圧痕のある表面に電着することを開示している。ドイツ特許第2 062 207は、粉末式フレーム溶射によって金属粒子を金属母材に塗布することを開示している。欧州特許第303 493は、フレームまたはプラズマ溶射によって金属とプラスチック材料の混合物を母材に溶射することを開示している。米国特許第4,767,497及び米国特許第4,846,267は、アルミ合板を熱処理して沈殿物を生成し、上記沈殿物を化学的にエッチングして取り除いて圧痕のある表面を残すことを開示している。欧州特許第112 782は、金属ろうと球状粒子の混合物を金属製壁部に塗布し、上記被覆された壁面を加熱して上記ろう付け材料を溶かすことを開示している。

低温、精製装置及び化学的用途に用いられる一般的な熱交換器は、アルミニウム仕切り板または壁の間にアルミ波板を配置して複数の流体通路を形成することによって製作されるプレート-フィンろう付けアルミニウム熱交換器である。上記板は、接着される表面同士の間に挿入されるアルミニウムろう付け層またはろう付け箔の層で被覆される。所定の温度で所定の時間加熱されると、上記ろう付け箔またはクラッドが溶け、隣接する板と金属結合を形成する。その結果得られる熱交換器は、間隔が詰まったフィンの交互層で構成される多数の通路を有する。厚さ６から10フィン／ｃｍ（15から25フィン／インチ）で高さ0.5から１ｃｍ（0.2から0.4インチ）のフィンをそれぞれが有する通路の交互層の典型的な配置は、一般的な用途において、第１列の交互通路が凝縮のための蒸気を通し、一方第２列の交互通路は沸騰のための液体を通す。典型的なろう付けアルミニウム熱交換器は2068から2758 kPA（300から400 psia）に耐えることができなければならない。

ろう付け熱交換器の沸騰通路においてフィンに代えて強化沸騰層を用いることを提案している特許には、米国特許第5,868,199、米国特許第4,715,431及び米国特許第4,715,433などがある。これらの特許は、沸騰チャンネルを画定するため一方に用いられるEBLと濃縮チャンネルを画定ため他方にフィンをそれぞれ有するアルミニウム板を積層することを提案している。ろう付け材料の層は、上記積層の接着表面の間に配置され、そして、上記積層は一定時間加熱されてろう付け熱交換コアが得られる。これら特許に述べられたそのようなろう付けアルミニウム熱交換器は商品化されていない。EBLは、通常565℃から593℃（1050^ｏＦから1100^ｏＦ）でろう付けされるが、続く金属成分のその後のろう付けは約593℃から621℃（1100^ｏＦから1150^ｏＦ）で起こる。EBLの一体性と効力を維持すること、特に、互いに接着した金属粒子によってもたらされる多孔性構造は、ろう付けを達成するための２番目に高温の熱処理の間は困難である。この困難さが、沸騰通路にEBLを有する商品化されたろう付け熱交換器がないことの原因である。

発明の概要

本発明は、ろう付け熱交換器を製作するための改善された方法及びその結果得られる装置を提供する。強化沸騰層（EBL）は、沸騰通路の壁部に提供される。ろう付け材料の融解温度は、強化沸騰層内の金属粒子の融解温度よりも低い。１つの実施の形態で、強化沸騰層及び／またはろう付け層内の金属は、第１の金属と第２の金属の合金であり、その合金は、上記第１の金属よりも融解温度が低い。より低い融解温度を有する合金を第２の金属が提供する限り、種々の第２の金属をEBL及びろう付け材料に用いることができる。１つの実施の形態で、ろう付け材料中の第２の金属の濃度は、EBL中におけるよりも大きい。従って、ろう付け温度が、長時間にわたってEBL中の上記金属の融点の摂氏8.3度（華氏15度）の範囲内にある場合でさえ、EBLは意外にもその多孔性、従ってその効力を保持することをわれわれは発見した。１つの実施の形態で、上記凝縮通路は熱交換を容易にするためのフィンを有する。

本発明の１つの目的は、製造中にろう付け温度に暴露されるにもかかわらず熱交換能力が低下しない、沸騰通路のEBLを有する金属製熱交換器を提供することである。

本発明による方法は、シェル及びチューブを有する、ろう付けによる熱交換器のいかなる構成を構築するためにも用いることができるが、プレート交換器に適用するのがもっとも適切であろう。本発明による熱交換器の沸騰及び冷却通路は、横流、向流または並流を提供するために方向を定めて配置することができる。さらに、本発明による熱交換器は、低温エア分離、炭化水素処理、あるいは熱交換を達成するために沸騰を基にするその他あらゆるプロセスとの関連で用いることができる。いくつかのタイプの金属を熱交換器の構築のために用いることができる。アルミニウムは、ろう付け熱交換器に最も広く用いられる金属である。アルミニウムはより低い温度で脆化に耐えるので、低温での用途に適している。鋼鉄または銅は、アルミニウムに対して腐食性のある流体を加熱または冷却するために用いることができる。説明の目的のために、本発明では、低温エア分離との関連において有用な向流、アルミニウム、プレート熱交換器に関して述べられる。

図１は、低温エア分離に用いられる一連の典型的なプレート熱交換器10を示す。熱交換器10は、コア20に備えられて、交互に配置された沸騰通路12及び冷却通路14を有する。液体酸素のような液体は、導管16によってマニホルド18へ送られ、沸騰通路12へ分配される。コア20下部の導管16またはマニホルド18以外の手段による液体の沸騰通路12への送出は、沸騰通路12の底部での熱サイフォンによる方法などが考えられる。さらに、液体は、恐らくはディストリビュータ・フィンを構成する分配網を通って、コア20の側面または上端から沸騰通路12へ送ることができる。上記液体は沸騰通路12で沸騰し、その結果冷却通路14から運ばれる熱を間接的に回収する。沸騰通路12からの気体酸素は、例えばヘッダー22によって回収され、導管24を通って除去される。コア20上方の導管24またはヘッダー22以外の手段による沸騰通路12からの気体の回収は、熱サイフォンの配列で提供されることなどが考えられる。さらに、気体は、恐らくは回収フィンを構成する回収網を通って、コア20の側面または上端からの沸騰通路12から回収することができる。気体窒素のような流体は、導管26によってマニホルド28へ送られ、冷却通路14へ分配される。導管26またはマニホルド28以外の手段によって送ることも考えられる。液体または気体は、冷却通路14内で冷却される。さらに、気体が冷却通路14へ送られる場合、その気体は、上記プロセスの必要に応じた温度変化の有無にかかわらず相転移を達成するような程度まで冷却することができる。沸騰通路12での沸騰を維持するために冷却通路14と沸騰通路12の間の壁を横切って運ばれる熱は、冷却通路14内の上記流体を冷却し、その結果、エア分離の場合は窒素ガスを凝縮する。冷却通路14からの液化窒素のような流体は、例えばヘッダー30によって回収され、導管32を通じて除去される。ヘッダー30及び導管32以外の手段による冷却通路14からの冷却された流体の回収が考えられる。さらに、図１の実施の形態に示された送出及び回収マニホルドと導管は、本発明の範囲内で変更されたり、現状が維持されたりすることができる。

図２は、内部を示すために部品を破断した熱交換器10のうちの１つのコア20を示す。キャップ・シート40がコア20の両端に配置されて各端部の最後のチャンネルを画定する。図２に示されているキャップ・シート40の一部が破断され、沸騰通路を示している。垂直スペーサ・バーまたはスペーサ部材42は、キャップ・シート40と金属壁44の対向する縁部の間に配置され、沸騰側面44aは強化沸騰層（EBL）46で被覆されている。EBL46は、沸騰側面44a及び相互に接着された熱伝導性粒子で構成され、その内部に核沸騰サイトが備えられている細孔の組織を形成する。上記熱伝導性粒子は、１つの実施の形態において金属粒子である。従って、沸騰通路12は、キャップ・シート40の内表面、垂直スペーサ・バー42の内側縁部、及び金属壁44の沸騰側面によって画定される。沸騰側面44aの外側垂直縁部48にはEBL46がなく、接着表面になっている。蒸気は沸騰通路12から出て沸騰排気口49を通り抜け、図１の実施の形態に示された沸騰ヘッダー22によって回収することができる。さらに、沸騰通路12は、熱移動をさらに容易にするフィンを有することができると考えられる。破断された金属壁44及び垂直スペーサ・バー42の後ろには、一次フィン・ストックの波板で構成される一次フィン52を有する冷却通路14がある。一次フィン52は、冷却通路14の反対端で垂直スペーサ・バー42の内側縁部の間に側面に沿って伸びる。ディストリビュータ・フィン・ストック58で構成されるか、または一次フィン・ストック54といったになっているディストリビュータ・フィン56は、傾斜した構成で配置され、冷却取入口50からの冷却流体を、一次フィン52によって提供されるチャンネルの上端に沿って一様に分配する。図２の実施の形態で、図１の実施の形態に示されたような冷却マニホルド28から来る冷却流体は、冷却取入口50に取り入れられる。フィンの有無にかかわらず別のタイプの分配構成を用いて、冷却流体を分配することができる。別の実施の形態で、冷却取入口50は、一次フィン52によって提供されるチャンネルの上端とみなすことができる。一次フィン52の上端を説明する目的のために、一組のディストリビュータ・フィン56のみが図２に示される。回収フィン66によって画定することができる冷却排出口64は、冷却された流体がコア20から出ることを可能にする。図１の実施の形態で冷却ヘッダー30に入ることができる冷却流体は、図２の実施の形態では、冷却排出口64を通って出ていく。水平スペーサ・バー60は、冷却通路14の上端及び底部を封止する。スペーサ・バー42、60及びフィン52、56、66は、隣接する金属壁44の冷却側面44bから、金属壁44の冷却側面44b（反対側）への間隔をとる。１つの実施の形態で、水平スペーサ・バー60は、沸騰通路12に備えられず、流体が沸騰通路12に流入し、沸騰通路12から流出することを可能にする。従って、垂直スペーサ・バー42は、隣接する金属壁44の各一対の反対側端部の間に挟まれ、一方、水平スペーサ・バー60は、隣接する冷却側面44bの間だけに挟まれる。しかし、フィン52、56、66が運転圧力に耐えるよう適切に配置、接着されるならば、スペーサ・バー42、60は、冷却通路14の冷却側面44bの間から省略することが可能であると考えられる。従って、フィン52、56、66は間隔をとる機能を提供することになるであろう。金属壁44は方向が交互になっている。キャップ・シート40に隣接している場合を除き、金属壁44の冷却側面44bは、常に隣接する壁の冷却側面44bの方を向いており、壁の沸騰側面44aは、常に隣接する壁の沸騰側面44aの方を向いている。実施の形態では、冷却通路14にはフィンがなく、沸騰通路12はフィンを備えることも検討される。

図３は、図２のコア20を示すが、コア20の底面を示す視点からのものである。図３に見ることができる図２のすべての要素は番号を用いて参照される。また、沸騰通路12への沸騰取入口51が示される。１つの実施の形態で、沸騰取入口51は沸騰マニホルド18から沸騰する液体を受け取ることができる（図１）。さらに、キャップ・シート40の底面及び第１の金属壁44は、第３のフィン・ストック68から回収フィン66が見えるように破断されている。第３のフィン・ストック68で構成されるか、または一次フィン・ストックと一体になっている回収フィン66は、傾斜した構成で配置され、冷却取入口64からの冷却流体を、一次フィン52によって提供されるチャンネルの底部に沿って一様に分配する。フィンの有無にかかわらず別のタイプの回収の構成を用いて、冷却流体を回収することができる。別の実施の形態で、冷却取入口64は、一次フィン52によって提供されるチャンネルの底部とみなすことができる。一次フィン52の底部を説明する目的のために、一組の回収フィン66のみが図３に示される。

例えばスラリーの塗布、フレーム溶射、プラズマ溶射によって、あるいは電着によって、本技術分野で周知のいずれかの方法によって、EBLは沸騰側面に添加される。しかし、その後のろう付けステップが、一旦塗布されたEBLの熱交換効率を減少させないことが重要である。１つの実施の形態で、EBLの融点は金属ろうの融点よりも高い。金属ろうとEBLの相対的な融点は、第２の金属に第１の金属を混ぜて合金をつくることによって得られ、それは、第１の金属の融点よりも上記合金の融点を低くする効果を有する。第２の金属の濃度は、EBL原料中よりも金属ろう中で高く、そのため、EBLは、構造の一体性を失うことなしにろう付けステップに耐えることが可能な、より高い融点を有する。ろう付けアルミニウム熱交換器では、アルミニウムが第１の金属であり、ケイ素、マンガンまたはそれらの合金が第２の金属であってもよい。ろう付け鋼鉄製熱交換器では、ニッケルが第１の金属であり、リンが第２の金属であってもよい。ろう付け銅熱交換器では、銅が第１の金属であり、リンが第２の金属であってもよい。

EBLとろう付け原料を提供するために用いられる第１の金属が銅である場合、ろう付けは銅の融点よりも100℃（180^ｏＦ）低いまたは960℃（1760^ｏＦ）で起こる。アルミニウムが第１の金属である場合、ろう付けは、その融点である649℃（1200^ｏＦ）よりも低い49℃から54℃（120^ｏＦから130^ｏＦ）で起こる。ニッケルが第１の金属である場合、炉内のろう付けステップは、鋼鉄の融点よりも38℃（100^ｏＦ）低い1037℃（1900^ｏＦ）で起こる。これらの温度では、第２の金属は、第１の金属との合金の融点を低下させる。液化された金属ろうは母材に流れ込んで拡散し、金属結合を形成する。EBL原料中よりもろう付け原料中でより多くの第２の金属を第１の金属と混ぜて合金をつくることによって、いったん塗布されたEBLは、次のより低温でのろう付け熱処理に耐えることができるようになる。

EBLを形成するためにろう付けの代わりに焼結を用いることも検討される。焼結では、金属は分子攪拌点まで加熱され、比較的長時間にわたって隣接する金属へ拡散して、金属結合を形成する。焼結を用いて、熱交換器の構成部品を共に接着するためにより低い温度でろう付けされたEBLを提供することができる。

１つの実施の形態で、EBLを塗布する第１のステップは、ポリマー結合剤を金属壁の沸騰側面に塗布することである。次に第１の金属と第２の金属で構成される金属粉末末がプラスチック結合剤の上に撒布される。プラスチックによって接合された金属粉末を有する金属壁は、窒素のような不活性雰囲気で覆われ、その温度は、金属粉末同士及び金属粉末と金属壁の沸騰側面の間に金属結合ができるのに十分な時間ろう付け温度まで上げられる。プラスチック結合剤は熱を受けて分解、蒸発する。循環する不活性気体は酸化膜の形成を減少させ、結合剤物質からの分解生成ガスも除去する。接着された金属粉末はEBLに核沸騰サイトを提供する、極めて多孔性で３次元の基質を提供する。

適切なプラスチック結合剤には、ポリイソブチレン、少なくとも4000 cpsの粘度を有しMETHOCELとして市販されているポリメチルセルロース、及び分子量90,000のポリスチレンなどがある。上記結合剤は、ポリイソブチレン及びポリメチルセルロース結合剤に対してはケロシンまたは四塩化炭素のような適切な溶媒、そして、ポリスチレン結合剤に対してはキシレンまたはトルエンに溶解することができる。上記沸騰側面は、EBLがそれに対する適切な接着を得るために油脂、油分あるいは酸化物がないよう汚れを取り除かなければならない。プラスチック溶液を塗布する前に、濡れを促進するため上記沸騰側面にプラスチック溶液をフラッシュし、それによってさらに一様な分配を得る。プラスチック溶液は、溶射、浸漬、ブラッシングまたは塗料のローリングのような、均一な層が得られる方法で沸騰側面に塗布することができる。塗布後、上記層は、金属粉末塗布の最中または後のいずれかで空気乾燥され、溶媒の殆どが蒸発消散する。金属粉末と結合剤の固体自耐層が、結合剤によって金属壁上に留まる。

第１の金属と第２の金属で構成される金属粉末は融剤と混合される。加熱すると、上記融剤は融解し、金属粒子同士及び金属粒子の沸騰側面への結合を妨げる場合がある酸化物を上記金属から取り出す。上記融剤は、KALF₄とKALF₆の混合物である市販のフッ化カリウムアルミニウムのような鉱物塩でもよい。その他の融剤も適切している。

熱交換器10のコア20は、構成部品の層を積み重ねることによって組み立てられる。コア20のろう付けが真空炉で行われないならば、各構成部品は、積み重ねの前に融剤で被覆されなければならない。融剤で構成部品を被覆する適切な方法は、融剤と変性アルコールを１：１の容積比で混合し、上記融剤溶液を積み重ねの前に構成部品上にブラッシングまたは溶射することである。積み重ねの順番を、図２に示される側面と図３に示される底部を用いて説明する。キャップ・シート40は、積み重ね側面の底部に、キャップ・シート40の外面を下にして設置される。ろう付け箔の層は、キャップ・シート40の内面の少なくとも２つの垂直縁部48上に、または恐らくはキャップ・シート40の内面全体を覆って積層される。垂直スペーサ・バー42は、キャップ・シート40の内面の垂直縁部48上に積み重ねられる。垂直スペーサ・バー42だけが、この場合沸騰通路12を画定するキャップ・シート40の内面へろう付けされるので、ろう付け箔は、キャップ・シート40の垂直縁部48だけに備えられてもよい。通常、沸騰通路12内に水平スペーサ・バー60を積み重ねることはない。しかしながら、１つの実施の形態で、キャップ・シート40が冷却通路14を画定している場合、水平スペーサ・バー60はキャップ・シート40上に積み重ねられて、キャップ・シート40にろう付けされなければならない。ろう付け箔の層は、垂直スペーサ・バー42上に積み重ねられる。ろう付け箔の帯状片は、ちょうど垂直スペーサ・バー42を覆って設けられてもよい。キャップ・シート40に対して下向きに面している沸騰側面44aと上向きに面している冷却側面44bにEBLを有する金属壁44は、垂直スペーサ・バー42上に積み重ねられる。EBL46のない沸騰側面44aの垂直縁部48は、垂直スペーサ・バー42の上部のろう付け箔上に載置される。ろう付け箔の層は、金属壁44の冷却側面44bの上部に設けられる。一次フィン52で構成される一次フィン・ストック54、ディストリビュータ・フィン56で構成されるディストリビュータ・フィン・ストック58、回収フィン66で構成される回収フィン・ストック68、及び水平スペーサ・バー60と垂直スペーサ・バー42は、すべて金属壁44の冷却側面44bの上に設けられるろう付け箔の層の上部に積み重ねられる。ろう付け箔の層は、一次フィン・ストック54、ディストリビュータ・フィン・ストック58、回収フィン66で構成される回収フィン・ストック68、及びスペーサ・バー42、60の上に設けられる。次に、下向きに面している冷却側面44bと上向きに面している沸騰側面44aを有する別の金属壁44は、ろう付け箔の層の上に設けられる。金属壁44の上部に、ろう付け箔の帯状片がちょうどEBL46の外側の沸騰側面44aの垂直縁部48に下ろされる。垂直スペーサ・バー42は、垂直縁部48のろう付け箔の帯状片の上部に下ろされる。ろう付け箔の帯状片は、垂直スペーサ・バー42の上部に設けられる。下向きに面している沸騰側面44aを有する別の金属は、垂直スペーサ・バー42上部のろう付け材料の帯状片と接合している垂直縁部48と共に上部に積み重ねられる。熱交換器10のコア20の残り部分は、キャップ・シート40が上記積み重ねの上部に積み重ねられるまで、既に述べられたように積み重ねられる。一次フィン・ストック54の両面、スペーサ・バー42、60及び／または金属壁44の冷却側面44bは、ろう付け材料の層と一体的に被覆されることも検討される。これは、コア20を構成する上記積み重ねのろう付け箔の層を追加する必要性をなくす。しかし、ろう付け材料が両側に被覆されて、フィン・ストック54、58、68及び／またはスペーサ・バー42、60だけを得ることができる場合、ろう付け箔の使用を不要にすることができる。

コア20が完全に積み重ねられた後、コア20は、不活性気体雰囲気を有する炉に入れられ、コアの中心部20が高温に達するよう加熱される。一定時間高温のままにした後、コア20を冷ましておく。上記高温は、ろう付け材料の融点よりも高く、塗布時のEBL46材料の融点及び母材の融点よりも低い。１つの実施の形態で、上記高温は、塗布後のEBL46の融点より低くてもよい。制御雰囲気ろう付け環境において、Aluminum Alloy 4047がろう付け材料として用いられてもよく、その場合、高いろう付け温度とは、約607℃から618℃（1125^ｏＦから1145^ｏＦ）であろう。ここでアルミニウム合金と称されるものは、アルミニウムろう付けの技術分野の当業者によって用いられる合金の慣例に従うことになる。ろう付け材料は融解して隣接する金属部材と金属結合を形成し、強固な金属熱交換器コアを提供する。EBL46は、その高度な多孔性構造の一体性を維持する。コア20の表面上の融剤の残留物はそのまま残る場合もあるが、通常は影響を及ぼす作用なしに洗い流される。

コア20を続けてろう付けした後、マニホルド18、28及びヘッダー22、30が、図１の実施の形態に示されるようにコア20に溶接される。導管16、24、26、32は、適切なマニホルド18、28及びヘッダー22、30にすべて溶接される。図１の実施の形態に示された以外のその他の送出、分配、回収及び再生装置は、本発明の範囲内で用いることができる。

あるいは、ろう付けステップのうち１つあるいは両方が真空オーブンで行われてもよい。融剤は不要になり、より低い温度が通常ろう付けに用いられる。しかし、真空ろう付けプロセスでは、コアがろう付け温度に達するまでにより長い時間がかかり、その後冷却が可能になる。積み重ねられたコアが真空環境でろう付けされるならば、Aluminum Alloy 4104をろう付け材料として用いることができ、その場合、高いろう付け温度とは582℃から593℃（1080^ｏＦから1100^ｏＦ）であろう。

本発明の目的のため、EBLが最後のろう付け熱処理に耐えられることが重要である。ろう付けアルミニウム熱交換器において、ろう付け材料は、それが粉末、箔またはクラッドであれ、少なくとも80重量％のアルミニウムと10から15重量％のケイ素の共晶合金で構成されることができる。１つの実施の形態で、上記共晶合金は、11から13重量％のケイ素と少なくとも85重量％のアルミニウムで構成される。別の実施の形態で、上記共晶合金はAluminum Alloy 4047でもよく、12重量％のケイ素と88重量％のアルミニウムで構成される。金属壁、フィン・ストック及びスペーサ・バーのような、コア20のその他の構成部品は、アルミニウムが98重量％と少なく、マンガンが２重量％と多い極めて釣り合いのとれたアルミニウム合金で構成されるAluminum Alloy 3003で構成されてもよい。少量のマグネシウムと鉄がAluminum Alloy 3003に存在してもよい。『極めて釣り合いのとれた』という語は、90重量％より多いことを意味する。実質的に純粋なアルミニウムまたは極めて釣り合いのとれたなアルミニウム合金で構成されるその他の構成部品も適している。真空ろう付け塗布において、１から２重量％のマグネシウムが極めて釣り合いのとれたアルミニウム合金に提供されてもよい。EBLを構成する材料は、0.5から1.5重量％のケイ素と少なくとも95重量％の実質的に純粋なアルミニウムまたは極めて釣り合いのとれたアルミニウム合金で構成されてもよい。１つの実施の形態で、EBLは、５から11重量％のろう付け材料と少なくとも85重量％の実質的に純粋なアルミニウムまたは極めて釣り合いのとれたアルミニウム合金で構成されてもよい。１つの実施の形態で、EBLは、少なくとも90重量％の純粋または極めて釣り合いのとれたアルミニウム合金、及び11から13重量％のケイ素と少なくとも85重量％のアルミニウムを含んでいる共晶合金で構成されてもよい。１つの実施の形態で、粉末の共晶合金は、粉末状の実質的に純粋なまたは極めて釣り合いのとれたなアルミニウムと混合される。非真空ろう付けオーブンにおいて上記アルミニウムの酸化防止のため、５から10重量％の粉末鉱物塩で構成される融剤が塗布時にEBL材料に含有されなければならない。

いずれの特定の見解に結び付けられることを望むものではないが、加熱すると、上に述べられた粉末状EBL材料混合物、すなわちろう付け共晶合金粉末は、固体の溶融していない実質的なアルミニウム粉末を溶融、湿潤させ、それによって合金を形成するとわれわれは考える。塗布後、EBL内の得られた合金は、アルミニウム合金中のシリコン金属のより低い濃度のおかげで、ろう付け共晶合金よりも高い温度で融解するとわれわれは考える。その結果、EBL材料が初めにろう付けされた温度に危険なほど近い、積み重ねられた熱交換器コアを接着することに用いられるろう付け温度に、性能を失うことなく耐えることができるとわれわれは考える。

EBLが焼結される場合、純粋なAluminum Alloy 3003の粉末は、1185^ｏＦ（641℃）で焼結することができる。上に述べられたケイ素とアルミニウムの共晶で構成されるろう付け箔を用いて、制御された不活性雰囲気下では604℃から613℃（1120^ｏＦから1135^ｏＦ）の温度で、そして、真空環境では566℃から596℃（1050^ｏＦから1105^ｏＦ）の温度で上記コアと合わせて接着することができる。
（実施例I）

83.6重量％のAluminum Alloy 3003粉末、フッ化カリウムアルミニウムを含んでいる8.4重量％のろう付け融剤、及び8.0重量％のAluminum Alloy 4047ろう付け粉末を混合することによって強化沸騰粉末を得た。Clifton AdhesivesによってCS-200 A3として販売されている38重量％のポリイソブチレンで構成される接着剤と62重量％のVARSCL 軽ケロシン溶媒を混合し、Aluminum Alloy 3003で構成される3つの管状壁部上にブラッシングした。その後上記強化沸騰粉末を上記接着剤の上に撒布し、窒素下で小炉内で加熱した。被覆された管状壁部のそれぞれを621℃（1150^ｏＦ）で９分間加熱した。上記接着剤と溶媒は蒸発消散し、厚さ0.3から0.4ミリメートル（10から15 mils）のEBLが残った。得られたEBLは高度な多孔性構造を有し、204,418 kl/hr/m²K（10,000 BTU/hr/ft²/^ｏＦ）よりも大きい沸騰熱移動係数を有すると判定した。
（実施例II）

２つの管状壁部を、実施例Iで説明された接着剤と強化された沸騰粉末で被覆した。それぞれの管状壁部を制御された窒素雰囲気で623℃（1153^ｏＦ）のろう付け温度に、密封したレトルト内でほぼ大気圧で加熱し、その後冷ました。

第１の管状壁部を加熱し、48分間以上冷ました。第１の管状壁部をテストし、204,418 kl/hr/m²K（10,000 BTU/hr/ft²/^ｏＦ）よりも大きい、すなわちEBLを有する表面に適したものよりも大きい沸騰熱移動係数を有すると判定した。その後第１の管状壁部を第２の炉内処理にかけ、熱交換器コア全体を593℃（1100^ｏＦ）に加熱すると共に冷却する前に熱交換器コア全体をその温度に24時間以上置くことによって、熱交換器コア全体の真空ろう付けを模した。目視検査によって、上記EBLの質は損なわれていないことがわかった。第１の管状壁部を再度テストし、204,418 kl/hr/m²K（10,000 BTU/hr/ft²/^ｏＦ）よりも大きい沸騰熱移動係数を有すると判定した。

第２の管状壁部を加熱し、36分間以上冷ました。第２の管状壁部をテストし、204,418 kl/hr/m²K（10,000 BTU/hr/ft²/^ｏＦ）よりも大きい、すなわちEBLを有する表面に適したものよりも大きい沸騰熱移動係数を有すると判定した。その後第２の管状壁部を第２の炉内処理にかけ、熱交換器コア全体を613℃（1135/^ｏＦ）に加熱すると共に冷却する前に熱交換器コア全体をその温度に２時間以上窒素下で大気圧力に置くことによって、熱交換器コア全体の制御された大気ろう付けを模した。目視検査によって、上記EBLの質は影響を損なわれていないことがわかった。第２の管状壁部を再度テストし、204,418 kl/hr/m²K（10,000 BTU/hr/ft²/^ｏＦ）よりも大きい沸騰熱移動係数を有すると判定した。EBLをEBLのろう付け温度から摂氏8.3度（華氏15度）高い温度に加熱した後、EBLの構造は、顕著な構造または性能の損失なしに熱処理に耐えた。

本発明による３台の熱交換器の透視図である。 内部を示すために層を破断した図１の熱交換器のコアの透視図である。 図２とは異なる視点からの図１の熱交換器のコアの透視図である。

Claims (10)

1. 熱交換器（10）において：
   複数の金属壁（44）において、各金属が２つの側面、すなわち、一体的に接合された熱伝導粒子で構成される強化沸騰層（46）を有する沸騰側面（44a）及び冷却側面（44b）で構成され、前記複数の金属壁の前記沸騰側面が沸騰通路（12）を画定し、前記複数の金属壁の前記冷却側面が冷却通路（14）を画定し、前記複数の金属壁のそれぞれがさらに接着表面（48）を含んでいることを特徴とする複数の金属壁と；
   金属壁（44）同士の間隔をあけるためのスペーサ部材（42）と；
   前記金属壁（44）の前記接着表面（48）と前記熱交換器（10）の前記スペーサ部材（42）の間の金属層において、前記金属層が前記強化沸騰層（46）の融点よりも低い融点を有することを特徴とする金属層と；
   液体を前記沸騰通路（12）へ送るための沸騰取入口（51）と；
   流体を前記冷却通路（14）へ送るための冷却取入口（50）と；
   蒸気を前記沸騰通路（12）から回収するための沸騰排出口（49）と；そして
   流体を前記冷却通路（14）から回収するための冷却排出口（64）とで構成される熱交換器（10）。
2. 前記金属壁（44）が圧倒的にアルミニウムで構成されることを特徴とする請求項１記載の熱交換器（10）。
3. 前記熱伝導粒子が圧倒的にアルミニウムで構成されることを特徴とする請求項１及び２記載の熱交換器（10）。
4. 前記強化沸騰層（46）が0.5と1.5重量％の間のケイ素を含んでいることを特徴とする請求項１から３記載の熱交換器（10）。
5. 前記強化沸騰層（46）が、アルミニウムとケイ素の共晶合金が混合された高度に釣り合いのとれたアルミニウム合金粉末で構成されることを特徴とする請求項１から４記載の熱交換器（10）。
6. 前記高度に釣り合いのとれたアルミニウム合金が、92重量％えの強化沸騰層（46）で構成され、そして、前記共晶合金が８重量％の強化沸騰層（46）で構成されることを特徴とする請求項５記載の熱交換器（10）。
7. 前記金属層が前記共晶合金で構成されることを特徴とする請求項５及び６記載の熱交換器（10）。
8. 前記共晶合金が12重量％のケイ素と88重量％のアルミニウムであることを特徴とする請求項５及び７記載の熱交換器（10）。
9. 少なくとも85重量％のアルミニウムと10から15重量％の共晶合金で構成される金属と、少なくとも80重量％のアルミニウムとで構成される組成物。
10. 熱交換器（10）を製作する方法において、前記方法が：
    沸騰側面（44a）、冷却側面（44b）及び少なくとも１つの接着表面（48）を有する複数の金属壁（44）を提供するステップと；
    熱伝導粒子を前記複数の金属壁（44）の沸騰側面（44a）に塗布するステップと；
    熱伝導粒子を塗布された前記金属壁（44）を第１の温度まで加熱して前記熱伝導粒子を一体的に接合し、強化沸騰表面（46）を形成するステップと；
    前記複数の金属壁（44）の前記沸騰側面（44a）が沸騰通路（12）を画定し、前記複数の金属壁の前記冷却側面（44b）が冷却通路（14）を画定するように、スペーサ部材（42）を有する前記複数の金属壁を組み立てて、前記金属壁の前記接着表面（48）とスペーサ部材（42）の隣接表面の間に金属層を提供するステップと；そして
    前記組立て体を、前記第１の温度よりも低い第２の温度まで加熱し、金属層を前記スペーサ部材（42）の隣接表面と金属壁（44）の接着表面（48）のうち少なくとも１つに接合するステップとで構成される熱交換器（10）を製作する方法。
    

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