JP2007508523A - プレート熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、プレート熱交換器と、プレート熱交換器を製造する方法とに関する。プレート熱交換器は、互いに隣接して配置され、かつろう付け結合によって互いに結合された多数の熱交換プレート（１，１’，１”）を含んでいる。熱交換プレートはクロムを含んでいるステンレス鋼で実質的に作られている。プレート熱交換器は、少なくとも数枚の熱交換プレートを通って延びている多数のポートチャネルを含んでいる。ポートチャネルは、ポートチャネルを管部材（６）に連結する連結面（５）によって取り囲まれている。連結面は、ステンレス鋼よりも簡単な手法で管部材を連結面にろう付けすることを可能にする材料を含んでいる。

Description

本発明は、互いに隣接して配置され、かつろう付け結合によって互いに結合された多数の熱交換プレートを含んでいるプレート熱交換器であって、熱交換プレートはクロムを含んでいるステンレス鋼で実質的に作られており、プレート熱交換器は、少なくとも数枚の熱交換プレートを通って延びている多数のポートチャネルを含んでおり、１または２以上のポートチャネルは、ポートチャネルを管部材に連結する連結面によって取り囲まれているプレート熱交換器に関する。

本発明はまた、クロムを含むステンレス鋼で実質的に作られた多数の熱交換プレートを含み、かつ少なくとも数枚の熱交換プレートを通って延びている多数のポートチャネルを含み、１または２以上のポートチャネルは、ポートチャネルを管部材に連結する連結面によって取り囲まれているプレート熱交換器を製造する方法に関する。

プレート熱交換器内の熱交換プレートは、熱交換器を通して運ばれる様々な媒体による腐食に耐性を持たせるためにステンレス鋼で作られることが多い。これらの媒体は金属材料を腐食することが多い。熱交換プレートは、たとえば銅、ニッケル、鉄あるいは銀をベースとするろう付け材料によるろう付け工程中に、ろう付けによって互いに連結される。ろう付け工程は通常、密閉された空間内において、真空状の圧力条件またはガス雰囲気中で、比較的高い温度、たとえば、銅がろう付け材料の場合は約１１００℃、ニッケルがろう付け材料の場合は約１２００℃で行われる。

プレート熱交換器のチャネルを外部の媒体搬送導管に連結するために、様々な種類の管および導管をポートチャネルの周囲のプレート熱交換器の連結面にろう付けすることが望ましいことが多い。しかし、比較的高い割合、たとえば１２％を超えるクロムを含むステンレス鋼にろう付けするのは困難である。ある理論によれば、この難点は、ステンレスチールの表面層が高い割合の二酸化クロムを含むことによるものである。ろうをステンレスチールに付着させるには、二酸化クロムを還元する必要がある。しかしながら、毒性または腐食性の低い一般的な融剤によって二酸化クロムを還元するのは困難であり、腐食性および毒性のより高い融剤、たとえば、フッ素を含む融剤を使用する必要がある。したがって、環境および健康上の理由で、密閉された空間内で管部材のろう付けを行う必要もある。

本発明の目的は、上述した問題を解決することである。より詳しくは、本発明の目的は、ろう付けによって連結導管を取り付ける能力を向上させるプレート熱交換器を提供することである。

この目的は、連結面がステンレス鋼よりも簡単な手法で管部材を連結面にろう付けすることを可能にする材料を含んでいることを特徴とする、冒頭に述べたプレート熱交換器によって達成される。

ポートチャネルにこのような材料を備えたプレート熱交換器を構成することによって、外部導管等の管部材は、通常の環境条件中に行うことができるろう付け工程によって、それぞれのポートチャネルに簡単なやり方で連結することができる。したがって、このような連結を任意の場所、たとえば、プレート熱交換器が使用される場所で行うことが可能である。有利なことに、前記の材料は二酸化クロムよりも還元されやすく、すなわち、材料上に形成される酸化物を二酸化クロムよりも容易に還元することができ、したがって、強力で確実なろう付け結合が容易な手段によって実現される。適切な材料は、銅およびニッケルの一方の材料をベースとするか、それらを含んでいる。

本発明の一態様によれば、多数の熱交換プレートのろう付け結合はろう付け工程によってなされている。ろう付け工程は、真空中または実質的に不活性のガスもしくは還元ガスを含むガス雰囲気中で行われてもよい。さらに、前記材料は、前記ろう付け工程中になされている拡散によってステンレス鋼に結合されていてもよい。このように原子を材料からステンレス鋼内に拡散させ、かつステンレス鋼から材料内に拡散させることによって、強力な金属結合が得られる。

多数の熱交換プレートのうちの１枚は、それぞれのポートチャネルを取り囲むそれぞれの外面領域を有する外側の熱交換プレートを形成している。本発明の他の態様によれば、前記材料は連結面を形成するために外面領域に塗布されている。したがってこの場合、連結面は、連結管のろう付けを可能にするように構成された外側の熱交換プレート上に直接形成される。

本発明の他の態様によれば、プレート熱交換器は、連結部材を各ポートチャネルに含んでおり、連結部材は連結面を形成している。有利なことに、連結部材は外面領域に取り付けられている。連結部材は、連結面を形成するために前記材料が塗布される主面を有していてもよい。さらにこの場合、前記材料は、主面に塗布され、かつろう付け工程中に行われる拡散によって連結部材に結合されていてもよい。

本発明の他の態様によれば、主面は、ブラスト処理または任意の同様の粗化工程によって得られ、かつ主面を前記材料で濡らすのを容易にする粗面仕上げを有している。有利なことに、前記材料は、ろう付け工程によって、かつろう付け工程中に主面上に塗布されていてもよく、その材料は粗化された表面によって流れ出して主面上に分散される。連結部材はクロムを含むステンレス鋼で実質的に作られていてもよい。

本発明の他の態様によれば、連結部材は銅とニッケルとを実質的に含む合金で作られていてもよい。その場合には、連結面は、連結面上で酸化して、どちらも比較的容易に還元可能な酸化ニッケルおよび酸化銅になる、この合金によって形成される。この合金は、５５〜９５重量％の銅と５〜４５重量％のニッケルとを含んでいてもよく、特に、７０〜８０％の銅と２０〜３０％のニッケルとを含んでいてもよい。

本発明の他の態様によれば、連結部材は管継ぎ手として構成され、管継ぎ手の実質的に円筒形の内面または外面が連結面を形成している。あるいは、連結部材は座金として構成されていてもよい。

また、上記の目的は、連結面を形成し、かつステンレス鋼よりも簡単な手法で管部材を連結面にろう付けすることを可能にする材料を塗布するステップと、多数の熱交換プレートを互いに隣接させて配置するステップと、多数の熱交換プレートをろう付け連結によって互いに連結するステップとを含む、冒頭に述べた方法によって達成される。

この方法の好ましい態様は、従属請求項２０〜３０に記載されている。

図１〜６は、プレート熱交換器の種々の実施形態を示している。プレート熱交換器は、すべての実施形態において、互いに隣接して配置されてプレートパッケージ２を構成する多数の熱交換プレート１を含んでいる。各熱交換プレート１は、熱伝達を向上させるコルゲーション３と、プレートパッケージ２を通って延びている、対応する数のポートチャネル４を形成する４つのポートホールとを、公知のように本質的に含んでいる。プレートパッケージ２は、図１〜６の実施形態に開示されている４つ以外の数のポートチャネル４を含んでいてもよいことに留意されたい。

プレートパッケージ２は、第１の外側の熱交換プレート１’と第２の外側の熱交換プレート１”とを含んでいる。これらの熱交換プレートの間に残りの熱交換プレート１が配置されている。開示した各実施形態では、第１の外側の熱交換プレート１’はポートチャネル４に位置合わせされたポートホール４も備えているのに対し、第２の外側の熱交換プレート１”はポートホールを有していない。熱交換プレート１，１’，１”は、共通の主延長面ｐに対して実質的に平行に延びるように配置されている。

熱交換プレート１，１’，１”は、クロムを含むステンレススチールで実質的に作られている。クロムの割合は、熱交換プレート１，１’，１”の表面層が還元し難い二酸化クロムを含んでいることを意味する。熱交換プレート１，１’，１”はろう付け連結によって互いに連結されている。ろう付けは、銅、ニッケル、鉄または銀をベースとするかそれらを含むろう付け材料と、場合によっては、フッ素を含んでいてもよく、かつ二酸化クロムの還元を可能にする任意の適している融剤とによって行われる。薄いろう付け材料箔を、熱交換プレート１，１’，１”同士の間の各空間内に配置する。その後、プレートパッケージ２を圧縮する。圧縮されたプレートパッケージ２は、真空状の圧力条件または実質的に不活性のガスもしくは還元ガスから成るガス雰囲気で、ろう付け材料として銅を用いる場合には約１１００℃まで、ろう付け材料としてニッケルを用いる場合には約１２００℃までであってもよい所望のろう付け温度の、真空炉のような密閉された空間（不図示）内に配置することができる。

次に、本発明の第１の実施形態について、図１および図２を参照して詳しく説明する。各ポートチャネル４は、ポートチャネル４をたとえば外部導管の形態の管部材６に連結する連結面５によって取り囲まれている。したがって、連結面５は、各ポートチャネル４を取り囲む外面領域を有する第１の外側の熱交換プレート１’上に位置されている。したがって、連結面５は、熱交換プレート１，１’，１’’の主延長面ｐに対して実質的に平行に延びており、外面領域に塗布された材料によって形成されている。この材料は、ステンレス鋼よりも簡単な手法で管部材６をそれぞれの連結面にろう付けすることを可能にし、かつ二酸化クロムよりも還元しやすい。特に、この材料は、銅、ニッケル、鉄または銀をベースとするかそれらを含んでいてもよい。場合によっては、その材料は適切な融剤を含んでいてもよい。

この第１の実施形態によれば、外面領域を、たとえばニッケルの薄い層で被覆することができる。この層は、約２０〜５０μｍの厚さを有していてもよい。この層は、種々の方法、たとえば溶融や化学めっきや電気めっきによって塗布することができる。有利なことに、材料のこのような塗布は、プレートパッケージ２のろう付けの前、つまり、プレートパッケージ２が上述の真空／ガス雰囲気および上述のろう付け温度に晒される前に行うことができる。ニッケル材料は、このろう付け工程中に、拡散によって非常に強力な結合が得られるように、第１の熱交換プレート１’の外面領域のステンレス鋼に結合される。

上述したろう付け工程に従って、プレートパッケージがろう付けされた後にニッケル材料層を塗布してもよいことに留意されたい。さらにこの場合、ニッケルまたは任意のその他の材料を、溶融や化学めっきや電気めっきによって塗布することができる。

図３および図４に示した第２の実施形態によれば、プレート熱交換器は４つの連結部材を含んでいる。この実施形態では、各連結部材は管継ぎ手８として構成されている。管継ぎ手８は、４つのポートチャネル４のそれぞれの外面領域に取り付けられている。この実施形態の各管継ぎ手８は、熱交換プレート１，１’，１”と同様に、クロムを含むステンレス鋼で実質的に作られている。各管継ぎ手８は、連結面５を形成するために上述の材料を含む層が塗布される主面を有している。開示した実施形態では、主面は管継ぎ手８の外側の円筒形状面によって形成されている。しかしながら、管継ぎ手８の内側の円筒形状面に、材料を含む層が塗布される主面を形成することも可能である。管継ぎ手８は有利なことに、プレートパッケージ２がろう付けされる前にプレートパッケージ２に塗布することが可能である。ろう付け材料の箔が、ろう付け工程の前に、管継ぎ手８と第１の外側の熱交換プレート１’との間に貼り付けられ、管継ぎ手８が第１の外側の熱交換プレート１’にろう付けされる。管継ぎ手８は、他の方法、たとえば溶接によって取り付けることもできる。

この実施形態の第１の変形例によれば、材料層は、上述の第１の実施形態と同様の方法で塗布される。したがって、主面を、たとえばニッケルの薄い層によって被覆することができる。この層は、約２０〜５０μｍの厚さを有していてもよい。この層は、種々の方法、たとえば溶融や化学めっきや電気めっきによって塗布することができる。有利なことに、材料のこの塗布は、プレートパッケージ２と管継ぎ手８をろう付けする前、つまり、プレートパッケージ２と管継ぎ手８が上述の真空またはガス雰囲気および上述したろう付け温度に晒される前に行うことができる。管継ぎ手８の主面に塗布されたニッケル材料は、このろう付け工程中に、拡散によって非常に強力な金属結合が得られるように、管継ぎ手８上の主面のステンレス鋼に結合される。

この層が銅をベースとする材料を含んでいてもよいことに留意されたい。しかしながら、この場合、銅よりも低い融点を有するろう付け材料を熱交換プレート１，１’，１”のろう付けに用いることが重要である。管継ぎ手８に塗布される材料が溶融して管継ぎ手８から流れ出してはならないので、ろう付け中のろう付け温度は、管継ぎ手８に塗布される材料の融点よりも低くする必要がある。

第２の実施形態の第２の変形例によれば、主面は粗面仕上げを備えている。この粗化された主面は、ブラスト処理または任意の同様の粗化法によって得ることができる。粗化は、管継ぎ手８がプレートパッケージ２に取り付けられる前に初期ステップとして行われる。このような粗化された主面は上述の材料による濡れを容易にし、かつ、このような粗化された主面によって、材料が、プレートパッケージ２の上述したろう付け中に、強固な材料層が主面上に形成されるように主面上に流れ出すようになる。例えば銅、ニッケル、鉄または銀の材料のうちのいずれかを含んでいてもよいこの層は、厚さが約２０〜５０μｍであってもよく、かつ適切なろう付け特性を有する連結面５を形成することができる。この場合には、簡単な従来のろう付け方法によって、様々な種類の管部材６をこの連結面５にろう付けすることができる。

第３の実施形態が図５および図６に示されている。この実施形態も、各々がそれぞれのポートホール４の周囲を取り囲む４つの連結部材を含んでいる。しかしながら、この実施形態では、各連結部材は座金９として構成されている。座金９は、外側の熱交換プレート１’の外面領域の各ポートチャネル４の位置に取り付けられている。各座金９は、図１および図２に示した実施形態と同様に管部材６を取り付けることのできる実質的に平面の連結面５を形成する、外側の平面を有している。さらに、この実施形態の各座金９は、主として銅とニッケルとを含む合金で作られている。銅にニッケルを添加することによって、合金の融点を高くすることができ、ニッケルの割合が高くなればなるほど、融点も高くなる。この合金は、融点がプレートパッケージのろう付けおよび外側の熱交換プレート１’への座金９のろう付けに使用されるろう付け材料の融点よりも高くなるだけの量のニッケルを含むことが好ましい。たとえば、合金は５５，６０，６５，７０，７５，８０，８５，９０または９５重量％の銅およびこれらに対応する割合のニッケル、すなわち５，１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０または４５重量％のニッケルを含んでいてもよい。座金９は、図３および図４に示した実施形態と同様に、様々な手法で外側の熱交換プレート１’に取り付けることができる。

ステンレス鋼で作られ、かつ代替手段として図３および図４に示されている連結部材を座金９として構成してもよいし、銅とニッケルとの合金で作られ、かつ図５および図６に代替手段として示されている連結部材を管継ぎ手８として構成してもよいことに留意されたい。さらに、開示した連結部材の、管継ぎ手８および座金９以外の形状も可能である。

本発明は、開示した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲内において変形および変更することができる。

本発明の第１の実施形態によるプレート熱交換器の概略平面図である。 図１のプレート熱交換器の概略側面図である。 本発明の第２の実施形態によるプレート熱交換器の概略平面図である。 図３のプレート熱交換器の概略側面図である。 本発明の第３の実施形態によるプレート熱交換器の概略平面図である。 図５のプレート熱交換器の概略側面図である。

Claims (30)

1. 互いに隣接して配置され、かつろう付け結合によって互いに結合された多数の熱交換プレート（１，１’，１”）を含んでいるプレート熱交換器であって、
   前記熱交換プレート（１，１’，１”）はクロムを含んでいるステンレス鋼で実質的に作られており、
   前記プレート熱交換器は、少なくとも数枚の前記熱交換プレートを通って延びている多数のポートチャネル（４）を含んでおり、
   １または２以上の前記ポートチャネル（４）は、前記ポートチャネルを管部材（６）に連結する連結面（５）によって取り囲まれているプレート熱交換器において、
   前記連結面（５）は、ステンレス鋼よりも簡単な手法で前記管部材（６）を前記連結面（５）にろう付けすることを可能にする材料を含んでいることを特徴とするプレート熱交換器。
2. 前記材料は二酸化クロムよりも還元されやすい、請求項１に記載のプレート熱交換器。
3. 前記材料は銅およびニッケルの少なくとも一方の材料を含んでいる、請求項１または２に記載のプレート熱交換器。
4. 前記多数の熱交換プレートの前記ろう付け結合はろう付け工程によってなされている、請求項１から３のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
5. 前記材料は拡散によって前記ステンレス鋼に結合されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
6. 前記拡散は前記ろう付け工程中になされている、請求項４および５に記載のプレート熱交換器。
7. 前記多数の熱交換プレート（１，１’，１”）のうちの１枚は、それぞれのポートチャネルを取り囲むそれぞれの外面領域を有する外側の熱交換プレート（１’）を形成している、請求項１から６のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
8. 前記材料は前記連結面（５）を形成するために前記外面領域に塗布されている、請求項７に記載のプレート熱交換器。
9. 前記プレート熱交換器は、連結部材（８；９）を各ポートチャネル（４）に含んでおり、該連結部材（８，９）は前記連結面（５）を形成している、請求項１から８のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
10. 前記連結部材（８，９）は外面領域に取り付けられている、請求項７および９に記載のプレート熱交換器。
11. 前記連結部材（８，９）は、前記連結面（５）を形成するために前記材料が塗布される主面を有している、請求項９または１０に記載のプレート熱交換器。
12. 前記主面は、ブラスト処理または任意の同様の粗化工程によって得られ、かつ前記主面を前記材料で濡らすのを容易にする粗面仕上げを有している、請求項に記載のプレート熱交換器。
13. 前記材料は、前記ろう付け工程によって、かつ前記ろう付け工程中に前記主面上に塗布されている、請求項４および１２に記載のプレート熱交換器。
14. 前記連結部材（８，９）はクロムを含むステンレス鋼で実質的に作られている、請求項９から１０のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
15. 前記連結部材（８，９）は銅とニッケルとを実質的に含む合金で作られている、請求項９または１０に記載のプレート熱交換器。
16. 前記合金は、５５〜９５重量％の銅と、５〜４５重量％のニッケルとを含んでいる、請求項１５に記載のプレート熱交換器。
17. 前記連結部材は管継ぎ手（８）として構成されている、請求項９または１６に記載のプレート熱交換器。
18. 前記連結部材は座金（８）として構成されている、請求項９または１６に記載のプレート熱交換器。
19. クロムを含むステンレス鋼で実質的に作られた多数の熱交換プレートを含み、かつ少なくとも数枚の前記熱交換プレートを通って延びている多数のポートチャネルを含み、
    １または２以上の前記ポートチャネルは、前記ポートチャネルを管部材に連結する連結面によって取り囲まれているプレート熱交換器を製造する方法において、
    前記連結面を形成し、かつステンレス鋼よりも簡単な手法で前記管部材を前記連結面にろう付けすることを可能にする材料を塗布するステップと、
    前記多数の熱交換プレートを互いに隣接させて配置するステップと、
    前記多数の熱交換プレートをろう付け連結によって互いに連結するステップと、
    を含む、プレート熱交換器を製造する方法。
20. 前記材料は二酸化クロムよりも還元されやすい、請求項１９に記載の方法。
21. 前記材料は銅およびニッケルの少なくとも一方の材料を含んでいる、請求項１９または２０に記載の方法。
22. 前記連結ステップは、真空状の圧力条件または実質的に不活性のガスもしくは還元ガスを含む雰囲気中での前記多数の熱交換プレートのろう付けを有するろう付け工程を含んでいる、請求項１９から２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記ろう付けは、前記材料が拡散によって前記ステンレス鋼に結合されるように行われる、請求項１９から２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 前記多数の熱交換プレートのうちの１枚は、それぞれのポートチャネルを取り囲むそれぞれの外面領域を有する外側の外側の熱交換プレートを形成しており、
    前記塗布ステップは、前記材料を前記連結面を形成するために前記外面領域に塗布することを含んでいる、請求項１９から２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記多数の熱交換プレートのうちの１枚は、それぞれのポートチャネルを取り囲むそれぞれの外面領域を有する外側の外側の熱交換プレートを形成しており、
    前記方法は、前記連結面を形成する連結部材を各ポートチャネルの前記外面領域に取り付けるステップを含んでいる、請求項１９から２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 前記連結部材は主面を有しており、前記塗布ステップは、前記ろう付け工程によって、かつ前記ろう付け工程中に前記材料を前記主面上に塗布して前記連結面を形成することを含んでいる、請求項２５に記載の方法。
27. 前記ろう付け工程中に前記材料によって前記主面を濡らすのを容易にする粗面仕上げを成すために、ブラスト処理または任意の同様の処理によって前記主面を粗化する初期ステップを含んでいる、請求項２６に記載の方法。
28. 前記連結部材（８，９）はクロムを含むステンレス鋼で実質的に作られている、請求項２５から２７に記載の方法。
29. 前記連結部材（８；９）は銅とニッケルとを実質的に含む合金で作られている、請求項２５に記載の方法。
30. 前記合金は、５５〜９５重量％の銅と、５〜４５重量％のニッケルとを含んでいる、請求項２９に記載の方法。

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