JP2010507772A - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

次の工程：ａ）鋼薄板を溶融浸漬により精密加工し、耐蝕層（３）を形成させ、この場合この耐蝕層（３）は、亜鉛およびアルミニウム０．５％〜６０％を含有し；ｂ）耐蝕層（３）を鋼薄板の片面から除去し；ｃ）前記の鋼薄板からなる熱交換管（２）を製造し、この場合耐蝕層（３）は、外側に配置されており；ｄ）アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるフィン（６）を準備し；ｅ）融剤を準備し；ｆ）アルミニウムおよび珪素を含有するロウ付け材料（８）を、フィン（６）間と熱交換管（２）の外面との結合範囲に準備し；ｇ）熱交換管（２）をフィン（６）と硬質ロウ付け工程で結合させることを有する熱交換管の製造法。

Description

本発明は、請求項１の特徴を有する熱交換器の製造方法に関する。

殊に、発電所技術において、水蒸気の再冷却のために、久しく、空冷式の熱交換器が使用されている。この熱交換器は、水蒸気が管内で凝縮される、Ａ字形に配置された熱交換管束の列である。管と結合されたフィンによって、周囲空気への熱伝達は、改善される。この種の空冷式の熱交換器の際に本質的なことは、できるだけ数十年間に亘り運転能力を保証する耐蝕性にある。従って、この種の熱交換器の熱交換管を耐蝕性になるように構成する一連の努力が為された。例えば、米国特許第５０４２５７４号明細書の記載によって、アルミニウムメッキされた平面管をアルミニウム−シリコンロウを使用しながら、波形に折りたたまれたアルミニウムフィン帯状体と熱処理炉内で結合させることは、公知である。この種の結合は、ロウ付けがアルミニウムメッキされた平面管によるかまたはメッキされたアルミニウムフィンにより形成されうるという欠点を有する。更に、多種多様な材料の準備による比較的高い費用と共に、少なくとも１つの長手方向の溶接継目によって周面側で閉鎖された平面管が溶接帯域中でアルミニウムメッキされていてはならないという欠点を有する。それというのも、さもなければ満足した溶接を保証することができないからである。鋼からなる平面管を折り畳まれたアルミニウムフィンバンドと硬質ロウ付けする場合には、このロウ付けを約６００℃の程度の大きさの比較的高い温度で、即ちアルミニウムの軟化温度付近で行なわなければならないことは、問題である。必要とされるロウは、一般に例えばアルミニウムの軟化点未満で溶融するアルミニウム−珪素共融合金からなる。ロウの溶融前に結合面の酸化物層を除去しなければならないが、しかし、同様に軟化温度付近でも液状になる融剤の選択は、困難である。従って、ロウ付けの際の正確な温度管理は、しばしば経験的にのみ算出することができる。

アルミニウムと鋼の異なる温度膨脹係数のために、高いロウ付け温度に基づいて、および周囲温度への引続く冷却に基づいて、強い材料応力が生じる可能性があり、したがって、互いに結合した部材は、歪む可能性があるが、この場合には、アルミニウムメッキが満足に施されなかったならば、むしろロウ付け結合が破壊される可能性があるか、或いは硬質ロウ付けの際のアルミニウム層の溶融によって必然的に鋼管とアルミニウムメッキとの間に鉄−アルミニウム中間層が形成されたので、むしろロウ付け結合が破壊される可能性がある。

従って、欧州特許第１２５０２０８号明細書Ｂ１には、ロウ付け温度を亜鉛−アルミニウム合金の使用およびセシウム−アルミニウムテトラフルオリドの形での特殊な融剤の使用によって、これまでの約６００℃から３７０℃〜４７０℃の範囲に減少させることが提案された。よりいっそう低い温度のために、材料応力もよりいっそう僅かになるが、しかし、融剤の取扱は、重金属含分のために特殊な保護予防措置を取ることが要求され、環境汚染が回避されます。

このことから出発して、本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるフィンを、外面にロウ付け可能な耐蝕層を有する鋼薄板からなる熱交換管上に固定し、その際重金属含有融剤の使用を省略することができると同時に支障のある鉄−アルミニウム中間金属結合またはこの結合の中間段階が耐蝕層と鋼管との間で形成されないことが保証されており、よりいっそう高いロウ付け温度でもフィンと熱交換管との間に堅固な結合が保証される、熱交換管の製造方法を提示するという課題を基礎とする。

この課題は、請求項１および４の特徴を有する方法によって解決される。

本発明思想の好ましい他の実施態様は、従属請求項の対象である。

本発明による方法の場合には、使用される鋼薄板を熱交換管の製造のために溶融浸漬により精密加工することが設けられている。溶融浸漬による精密加工のプロセスは、精密加工される製品上に耐蝕層を堆積させ、基体を腐蝕攻撃から保護することを生じる。

典型的には、溶融浸漬による精密加工の際に使用される平面物（Flachzeug）は、清浄化され、通過炉内で再結晶されるかまたは加熱され、金属溶融液の温度に冷却され、その後に固有の溶融浸漬による精密加工が溶融液状の金属浴中で行なわれる。浴への通過の際に、基体の両面は、耐蝕保護層で被覆される。

しかし、熱交換管の場合、耐蝕層は、外面だけに必要とされる。実際に、フィンを含めて熱交換管全体を、管端部を閉鎖しながら金属溶融液中に浸漬することは、公知であり、フィンを含めて熱交換管全体に耐蝕層を備えさせることができる。しかし、フィンの表面積は、熱交換管の表面積よりもはるかに大きいので、極めて大量の金属溶融液が必要とされ、このことは、発電所で水蒸気を凝縮するための熱交換器の寸法決定に関連して費用をつり上げることになる。典型的には、熱交換管の長さは、６〜１２メートルであり、その上、このことは、大型の溶融浸漬装置に相応することが必要とされる。その上、高い温度によって事後の溶融浸漬の際に構成部材中で応力が発生することになり、したがってこの構成部材は歪む。

これとは異なり、本発明による方法の場合には、耐蝕層を溶融浸漬法で先に施こし、鋼薄板の側から殊に機械的に除去される。こうして、耐蝕層を有しない側には、後に熱交換管の内面が形成され、この場合この熱交換管は、前記鋼薄板から製造されている。従って、耐蝕層は、熱交換管の外面上にだけ存在する。外面が被覆された熱交換管の前記製造方法は、耐蝕層を除去するために機械装置が設けられていなければならないという事実を考慮しても結果として安価であり、ひいては格別に経済的である。

殊に、本発明による方法は、発電所で水蒸気を凝縮するための熱交換器の製造に適している。それというのも、食用水のための水化学では、一般に水蒸気と接触する表面上には、非鉄金属、例えばアルミニウムまたは銅は存在していてはならないと定められているからである。その上、凝縮プロセスの場合には、熱交換管を内部腐蝕から保護するマグネタイト層が形成され、したがって内面には、付加的な腐蝕層が不要である。

本発明の本質的な利点は、全ての場合に亜鉛およびアルミニウム０．５％〜６０％、特に４％〜５５％を含有する耐蝕層が外面に使用されることである。亜鉛の存在は、後の硬質ロウ付けの際にこれまでアルミニウムメッキされた鋼管の剥離をまねく、金属間鉄−アルミニウム中間層または鉄−アルミニウム化合物の中間相の支障のある形成を阻止するかまたは減少させる。支障のある金属間鉄−アルミニウム中間相の形成に対して以前のようにはもはや配慮する必要はないので、製造方法は、明らかに簡易化される。それというのも、硬質ロウ付け結合の形成の際の温度および時間に関連するパラメーター範囲は、アルミニウムメッキされた鋼管に関連してこれまでの硬質ロウ結合の場合によりも広く選択することができる。

もう１つの利点は、セシウム含有融剤を省略することができることである。その代わりに、カリウム−アルミニウム−テトラフルオリドを基礎とする融剤を、アルミニウムおよび珪素を含有するロウ付け材料と一緒に使用することができる。

本発明による方法の第１の変法には、フィンをロウ付け材料で少なくとも範囲的にメッキすることが設けられている。殊に、波形のフィンベルトの構成成分であるフィンの場合には、フィンの両面でロウ付け材料がメッキされるように形成されており、この種のフィンベルトは、熱交換管の表面に対向したそれぞれの面上で熱交換管と結合する。この場合、フィンとのロウ付けは、波形のフィンベルトの湾曲した形の範囲で行なわれる。メッキされたロウ付け材料は、ロウ付け工程で溶融され、結合すべき構造部材間のそれぞれのロウ付け間隙内に流入する。

他の選択可能な実施態様によれば、フィンは、メッキされておらず、即ちロウ付け剤を備えておらず、この場合ロウ付け剤は、別々にフィンと熱交換管との間のロウ付け間隙中に導入される。

この方法は、フィンに関連してよりいっそう好ましい出発材料を使用することができるという利点を有する。また、ロウ付け材料をロウ付け間隙中に別々の導入しながら、確実なロウ付けが可能である。

第３の変法においては、ロウ付け材料の供給およびフィンのロウメッキを省略することを考えることができるが、しかし、この場合この耐蝕層は、亜鉛およびアルミニウム０．５％〜６０％ならびに珪素を含有する合金から形成され、この場合ロウ付け材料は、耐蝕層それ自体から形成される。この方法の場合にも、鋼薄板は、アルミニウム層でメッキされるのではなく、溶融浸漬法で施こされた耐蝕層が備えられ、この耐蝕層は、同時にロウ付け材料を形成する。勿論、この変法の場合にもロウ付け材料を結合範囲内で別々に添加することが可能である。勿論、フィンがロウメッキされていることも排除されていない。全部で３つの変法は、最終的に組み合わされてよく、この場合熱交換管上の耐蝕層が同時にロウ付け工程に必要とされるロウ付け材料を形成するような変法は、処理技術的および経済的な理由から最も魅力的な解決である。

どの変法を使用するかどうかとは無関係に、耐蝕層を溶融浸漬による精密加工によってアルミニウム５５％、亜鉛４３．４％および珪素１．６％を有する浴から製造することは、好ましいと見なされる。本発明による方法の場合、耐蝕層中でアルミニウム６０％の上限は、好ましいと見なされる。しかし、原則的に前記方法で明らかに僅かなアルミニウム含量を有する耐蝕層を使用することも考えられる。殊に、アルミニウム含分は、５０％未満であることができる。もう１つの実施態様において、耐蝕層は、溶融浸漬による精密加工によってアルミニウム５％、珪素および希土類の痕跡を有する亜鉛浴から製造されることができる。

また、使用される融剤は、アルミニウムのロウ付けの際に決定的な役を演じる。ロウ付けのために、継目帯域の表面は、常に存在する酸化物層を除去することによって金属的に平滑で光沢のあるように清浄化されていなければならず、ロウ付け中も融剤の使用によって新たな酸化物形成から保護されていなければならない。フッ化カリウムおよびフッ化アルミニウム（ＫＡｌＦ₄）からなる融剤は、特に有効であることが実証されることが判明した。殊に、本方法は、制御された雰囲気（ＣＡＢ）下、殊に窒素雰囲気中で実施される。

本発明による方法の場合、耐蝕層は、機械的に除去されるので、耐蝕層を異なる厚さで鋼薄板上に施こすことは、有利であり、この場合耐蝕層のよりいっそう薄手の耐蝕層が除去される。こうして、鋼に対して最良の被覆材料の損失は、よりいっそう僅かになり、その上、耐蝕層を削って平らにする費用は、減少される。

耐蝕層を削って平らにすることは、特に機械的に、殊に切削加工によって行なわれる。これは、回転ブラシにより行なうことができ、それというのも、ブラシの幾何学的形状によって表面の精密機械加工も同時に可能であるからである。原則的に溶融浸漬法の際に施こされた耐蝕層は、僅かな厚さを有し、したがって回転するブラシ工具は、有利に、まさに前記の僅かな厚さを経済的な方法で削って平らにするために適している。勿論、よりいっそう厚手の層厚の場合には、ブラシ加工に鉋工具またはスクレーパー工具を前接続することも可能であり、ベルト材料の粗製機械加工を行なうことができる。試験は、特にダイヤモンドを装備したブラシヘッドが良好な処理結果を生じることを示した。この種のブラシヘッドは、該ブラシヘッドが高い可使時間を有し、かつ同時に、削って平らにする高い作用度を有するように構成することができる。

勿論、本発明の範囲内で、必要な場合には、機械的に削って平らにすることを回転ブラシにより精密機械加工工程に続けることができることは、排除されていない。表面をブラシ機械加工に続けて研磨機械加工に掛けることは、考えられ得ることであり、この場合には、既に研磨ヘッドについての精密機械加工なしに専らブラシ加工によって粒度２４０〜１０００μｍの表面を達成することができる。

図１は、周面側のフィンを備えた伝熱体の管の壁面を示す長手方向の断面図を示す。 図２は、もう１つの実施態様に記載の図１の描写を示す。 図３は、第３の実施態様に記載の図１の描写を示す。

次に、本発明を図に示した実施例につき詳説する。

図１〜３において、水蒸気タービン用の空冷凝縮装置の形の詳細には図示されていない熱交換器のための、炭素鋼からなる熱交換管２の壁面は、１で示されている。熱交換管２は、６〜１２メートルの長さを有することができる。熱交換管２には、図１の実施態様によれば、耐蝕層３が備えられており、この耐蝕層は、亜鉛（Ｚｎ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含有する。耐蝕層３は、浸漬溶融法によって壁面１の外側表面４上に施こされている。

更に、図１は、熱交換管２の図示された壁面１に波形のフィン帯状体５が固定されていることを示す。フィン帯状体５は、数多くの互いに平行に整列されたフィン６から構成されており、このフィンは、湾曲した形の区間７によって一片になるように互いに結合されている。フィン帯状体５は、アルミニウムからなる。このフィン帯状体は、両面でアルミニウムおよび珪素を含有するロウ付け材料でメッキされており、このロウ付け材料は、ロウ付け工程中に溶融する。ロウ付け材料８は、珪素７．５％〜１２％を含有する。制御された炉雰囲気中でのロウ付け工程には、ＫＡｌＦ₄（カリウム−アルミニウムテトラフルオリド）が融剤として添加される。ロウ付け工程中、ロウ付け材料８は、詳細には図示されていない融剤を排除し、耐蝕層３とフィン帯状体５の湾曲した形の区間７との間の結合を生じる。ロウ付け工程中、互いに結合すべき建築部材の境界面内で極めて薄手の帯域内で原子間の拡散交換が行なわれる。耐蝕層３は、有利にアルミニウム５５％、亜鉛４３．４％および珪素１．６％を含有するので、亜鉛の存在は、鋼からなる熱交換管２と耐蝕層３との堅固な複合体を生じるが、しかし、強度の損傷をまねくであろうような鉄−アルミニウム中間層の顕著な形成を生じることはない。

図２の実施態様は、ロウ付け材料８がフィン６上にメッキされるのではなく、別々にロウ付け間隙中に導入され、勿論、フッ化カリウムとフッ化アルミニウムとからなる融剤を使用しながらロウ付け間隙中に導入されることによって図１の実施態様と区別される。

図３に図示されているような第３の実施態様の場合には、図１に図示されているようなメッキされたフィンの形の融剤の添加は、省略された。また、図２に図示されているように別々のロウ付け材料は、添加されなかった。むしろ、耐蝕層３は、アルミニウム５５％、亜鉛４３．４％および珪素１．６％から製造された合金からなり、この合金は、溶融浸漬による精密加工によって熱交換管２上に施こされており、かつロウ付け工程中に融剤としてのＫＡｌＦ₄を使用しながら溶融されており、したがって耐蝕層３は、一面でフィン６間で直接に接触し、他面熱交換管２に直接に接触している。耐蝕層３中での亜鉛含分およびアルミニウム含分によって、アルミニウムからなるフィン６間と鋼材料からなる熱交換管２との複合体を製造することができる。

１ 壁面、 ２ 熱交換管、 ３ 耐蝕層、 ４ 壁面１の表面、 ５ フィン帯状体、 ６ フィン、 ７ フィン６の湾曲した形の区間、 ８ ロウ付け材料

Claims (9)

1. 次の工程：
   ａ）鋼薄板を溶融浸漬により精密加工し、耐蝕層（３）を形成させ、この場合この耐蝕層（３）は、亜鉛およびアルミニウム０．５％〜６０％を含有し；
   ｂ）耐蝕層（３）を鋼薄板の片面から除去し；
   ｃ）前記の鋼薄板からなる熱交換管（２）を製造し、この場合耐蝕層（３）は、外側に配置されており；
   ｄ）アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるフィン（６）を準備し；
   ｅ）融剤を準備し；
   ｆ）アルミニウムおよび珪素を含有するロウ付け材料（８）を、フィン（６）間と熱交換管（２）の外面との結合範囲に準備し；
   ｇ）熱交換管（２）をフィン（６）と硬質ロウ付け工程で結合させることを有する熱交換管の製造法。
2. フィン（６）をロウ付け材料（８）で少なくとも範囲的にメッキする、請求項１記載の方法。
3. メッキされていないフィン（６）を熱交換管（２）でロウ付け材料（８）を導入しながらフィン（６）と熱交換管（２）との間のロウ付け間隙内でロウ付けする、請求項１記載の方法。
4. 次の工程：
   ａ）鋼薄板を溶融浸漬により精密加工し、耐蝕層（３）を形成させ、この場合この耐蝕層（３）は、亜鉛およびアルミニウム０．５％〜６０％ならびに珪素を含有し；
   ｂ）耐蝕層（３）を鋼薄板の片面から除去し；
   ｃ）前記の鋼薄板からなる熱交換管（２）を製造し、この場合耐蝕層（３）は、外側に配置されており；
   ｄ）アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるフィン（６）を準備し；
   ｅ）融剤を準備し；
   ｆ）アルミニウムおよび珪素を含有するロウ付け材料を、フィン（６）間と熱交換管（３）の外面との結合範囲に耐蝕層（３）の形で準備し；
   ｇ）熱交換管（２）をフィン（６）と硬質ロウ付け工程で結合させることを有する熱交換管の製造法。
5. 耐蝕層（３）を溶融浸漬による精密加工によってアルミニウム５５％、亜鉛４３．４％および珪素１．６％を有する浴から製造する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 耐蝕層（３）を溶融浸漬による精密加工によってアルミニウム５％、珪素および希土類の痕跡を有する亜鉛浴から製造する、請求項１記載の方法。
7. 融剤は、カリウム−アルミニウム−テトラフルオリド化合物である、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 耐蝕層（３）を異なる厚さで鋼薄板上に施こし、この場合この耐蝕層のよりいっそう薄手の耐蝕層は、削って平らにされる、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 耐蝕層（３）は、機械的に削って平らにされる、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。

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