JP2011068948A

JP2011068948A - スターリングエンジンの熱交換器

Info

Publication number: JP2011068948A
Application number: JP2009220439A
Authority: JP
Inventors: Sadayuki Nakamura; 定幸中村; Yoshiaki Hori; 芳明堀; Naohito Kumano; 尚仁熊野; Manabu Oku; 学奥
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-04-07

Abstract

【課題】スターリングエンジンの熱交換器用ステンレス鋼および構造を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．２〜３．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｎｂ：０．８％以下、Ｎ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらに、Ｍｏ、ＣｕおよびＷの１種または２種の合計で０．０５〜４．０質量％を含有するフェライト系ステンレス鋼、および、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：８．０〜１６．０％、Ｃｒ：１６．０〜２０．０％、Ｎ：０．０４％以下、Ｎｂ：０．８％以下、さらに、Ｍｏ、ＣｕおよびＷの１種または２種の合計で０．５０〜４．０質量％を含有するオーステナイト系ステンレス鋼で構成され、これらのステンレス鋼をろう付けにより接合するスターリングエンジンの熱交換器。
【選択図】図１

Description

本発明は、スターリングエンジンの熱交換器に関するものである。

従来のスターリングエンジンの熱交換器は、約５００〜９００℃の高温排ガス環境にさらされるため、ＳＵＳ３１０Ｓ等の耐熱鋼が用いられている（例えば、特許文献１）。また、製造方法としては、溶接構造も考えられるが、接合後の残留ひずみが原因で、加熱時に熱交換器が変形し、内部でわずかな隙間で作動しているディスプレーサーが円滑に作動しなくなる恐れがある。このため、加工後に残留ひずみ等による熱変形が発生しにくい切削等で製造されることが一般的であった。

特開２００５−１３３６５３

しかし、近年スターリングエンジンが使用される環境は、産業廃棄物等の燃焼雰囲気等からの廃熱回収が主目的となりつつあり、熱交換器に求められる耐熱性はさらに厳しくなっている。また、燃焼条件も省エネの目的から加熱一冷却を繰り返されるようになり、いわゆる熱疲労特性も重要視されるようになってきた。
さらには、スターリングエンジンの製造コストも重要となってきており、ＳＵＳ３１０Ｓよりも低コストの耐熱鋼で安価な製造方法が要求されてきている。

本発明は、低コストで、安価なろう付け接合による製造が可能で、従来の耐熱鋼よりも性能が向上させるスターリングエンジンの熱交換器用ステンレス鋼を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明においては質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．２〜３．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｎｂ：０．８％以下、Ｎ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼で作製されていることを特徴とするスターリングエンジンの熱交換器、または更にＭｏ、ＣｕおよびＷの１種または２種の合計で０．０５〜４．０質量％を含有しているフェライト系ステンレス鋼で作製されているスターリングエンジンの熱交換器とする。
又は、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：８．０〜１６．０％、Ｃｒ：１６．０〜２０．０％、Ｎ：０．０４％以下、Ｎｂ：０．８％以下を含有しているオーステナイト系ステンレス鋼、更にＭｏ、ＣｕおよびＷの１種または２種の合計で０．５０〜４．０質量％を含有している請求項３記載のオーステナイト系ステンレス鋼、あるいはさらに、ＲＥＭおよびＣａの１種または２種を合計で０．０１〜０．２０質量％を含有しているオーステナイト系ステンレス鋼で作成されているスターリングエンジンの熱交換器とする。
また、発明鋼の特性を生かし、スターリングエンジンの熱交換器の接合部をろう付けとすることがより好ましい。

本発明によれば、ＳＵＳ３１０Ｓに比べて同等以上の高温強度および耐スケール剥離性を示し、なおかつ、Ｎｉろう付け性に優れたスターリングエンジンの熱交換器用ステンレス鋼を提供することができる。

発明者らは、スターリングエンジンに要求される耐熱性としては、内圧がかかるための高温強度、加熱−冷却を繰り返し受けても減肉しない耐スケール剥離性と、良好なろう付け性を確保できる最適成分を検討した結果以下の知見を得た。
オーステナイト系ステンレス鋼の高温強度を改善するためにはＮｂ、ＭｏおよびＣｕの添加が有効で、耐スケール剥離性の改善にはＳｉ、ＲＥＭおよびＣａの添加が有効であるとの知見を得た。しかし、６００℃以下の温度域ではオーステナイト系ステンレス鋼は高温強度が得られにくい。そこでフェライト系ステンレス鋼における適正成分を検討した結果、高温強度に対してはＮｂ、Ｍｏ、ＣｕおよびＷの添加が有効であり、耐スケール剥離性に対してはＳｉおよびＭｎの添加が有効であるとの知見を得た。
さらに、これらの鋼のろう付け性を調査した結果、ＴｉおよびＡｌの添加は両鋼種においてろうの濡れ性を阻害するが、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、ＲＥＭおよびＣａについてはろうの濡れ性を阻害しないことを確認した。

以下に本発明における成分限定理由を詳細に述べる。
Ｃ：Ｃはフェライト系ステンレス鋼において高温強度を上昇させるが、Ｎｂとの複合添加においては、Ｎｂ炭化物を生成しＮｂ固溶量を低下させ逆に高温強度を低下させる。したがって、０．０８質量％以下とする。
Ｓｉ：本特許において重要な元素であり、添加するにしたがって高温酸化特性を改善させる。しかし、過剰な添加はフェライト相を硬質化させ、加工性を悪化させる。したがって、フェライト系においては０．２〜３．０質量％、オーステナイト系においては２．０〜４．０質量％とする。
Ｍｎ：Ｍｎも本特許において重要な元素であり、Ｓｉと同様に添加するにしたがって高温酸化特性、特に耐スケール剥離性を改善させる。しかし、過剰に添加するとフェライト系ステンレス鋼においては高温でオーステナイト相の生成を助長するため、２．０質量％以下とする。

Ｃｒ：Ｃｒは高温における耐酸化特性を安定させる。しかし、過剰に添加すると製造性および加工性を阻害する。したがって、本発明ではフェライト系においては１２．０〜２０．０質量％、オーステナイト系においては１６．０〜２０．０質量％とする。
Ｎｂ：Ｎｂも本発明において重要な元素であり、ＣやＮを炭窒化物として固定し、鋼中に微細分散析出することで高温強度を上昇させるとともに、過剰なＮｂが固溶強化となって高温強度を上昇させる。しかし、過剰の添加は熱間加工性や表面品質特性を阻害する。したがって、上限は０．８質量％とする。
Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ：Ｍｏ、ＣｕおよびＷも高温強度を改善する。しかし、過剰な添加は熱間加工性を阻害するため、１種または２種以上の合計で０．０５〜４．０質量％とする。Ｎｉ：オーステナイト系におけるＮｉはオーステナイト相の安定化を促進する。しかし、過剰な添加はコスト増を招くため８．０〜１６．０％質量％とする。
ＲＥＭ、Ｃａ：ＲＥＭおよびＣａはオーステナイト系の耐スケール剥離性を向上させる。しかし、過剰に添加すると低温靭性等の低下により製造性が悪化する。したがって、１種または２種の合計で０．０１〜０．２質量％とする。

表１に本発明例および比較例における供試鋼の化学成分を示す。これらの鋼は、３０ｋｇの真空溶解で溶製した。得られた鋼塊はφ１５ｍｍの丸棒および３０ｍｍｔの板に鍛造し、丸棒は８００〜１１００℃の溶体化処理を施した。板は熱間圧延で４ｍｍｔの熱延板とし、焼鈍後、２．０ｍｍｔまでの冷間圧延と８００〜１１００℃の最終焼鈍を施して冷延焼鈍板とした。

得られた丸棒は、平行部φ１０ｍｍの高温引張り試験片に加工後、ＪＩＳＧ０５６に準拠した５００℃および７００℃の高温引張り試験を実施し、０．２％耐力を測定した。
一方、冷延焼鈍板は、高温酸化試験は全面を＃４００研磨し、大気＋６０℃飽和水蒸気の雰囲気において９００℃で２５分加熱−室温で１０分冷却を５００サイクル施し、試験前と試験後の質量変化を表面積で除した。また、ろう付け性は、Ｎｉろうを用いてろう付け時の濡れ性で評価した。２枚の試験片の間にＮｉろうを０．５ｍｍ厚みで塗布し、真空炉中１１５０℃でろう付けを実施し冷却後に試験片を取り出し、試験前にＮｉろうを塗布しなかった上面のＮｉろうが濡れた表面積で判定した。判定は、元の表面積に対し５０％以上Ｎｉろうが覆ったものをＡとし、２０〜５０％のものをＢ、２０％以下をＣとした。なお、Ｎｉろうについては、Ｃｒ：１９質量％−Ｓｉ：１０質量％−Ｎｉ７１質量％のもの（ＪＩＳＺ３２６５で規定するＢＮｉ−５相当）を使用し行った。

これらの評価結果を表２に示す。Ａ７は比較のＳＵＳ３１０Ｓで、Ｆ５はＴｉが添加されているためＮｉろう付け性が劣り、Ｆ６は高温強度および耐スケール剥離性が劣る。また、Ａ５はオーステナイト系であるが、ＳＵＳ３１０Ｓに比べて高温強度および耐スケール剥離性が劣り、Ａ６も耐スケール剥離性が劣る。

一方、発明鋼のＦｌ〜Ｆ４鋼は、フェライト系であっても５００℃の高温強度がＳＵＳ３１０Ｓよりも高く、耐スケール剥離性も優れ、なおかつ、Ｎｉろう付け性にも優れる。また、Ａｌ〜Ａ４はＳＵＳ３１０Ｓに比べて同等以上の高温強度および耐スケール剥離性を示し、なおかつ、Ｎｉろう付け性に優れることがわかる。

本発明鋼を用いＮｉろう付けされた熱交換器の断面形状例である。

１熱交フィン
２ディスプレーサー外筒
３フランジ
４外筒端板

Claims

質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．２〜３．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｎｂ：０．８％以下、Ｎ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼で作製されていることを特徴とするスターリングエンジンの熱交換器。
請求項１記載のフェライト系ステンレス鋼に、更にＭｏ、ＣｕおよびＷの１種または２種の合計で０．０５〜４．０質量％を含有しているフェライト系ステンレス鋼で作製されていることを特徴とする、請求項１記載のスターリングエンジンの熱交換器。
質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：８．０〜１６．０％、Ｃｒ：１６．０〜２０．０％、Ｎ：０．０４％以下、Ｎｂ：０．８％以下を含有しているオーステナイト系ステンレス鋼で作成されていることを特徴とするスターリングエンジンの熱交換器。
請求項３記載のオーステナイト系ステンレス鋼に、更にＭｏ、ＣｕおよびＷの１種または２種の合計で０．５０〜４．０質量％を含有している請求項３記載のオーステナイト系ステンレス鋼で作成されていることを特徴とする、スターリングエンジンの熱交換器。
請求項３および請求項４のオーステナイト系ステンレス鋼に、さらに、ＲＥＭおよびＣａの１種または２種を合計で０．０１〜０．２０質量％を含有しているオーステナイト系ステンレス鋼で作成されていることを特徴とする、スターリングエンジンの熱交換器。
接合部がろう付けにより形成されていることを特徴とする、請求項１乃至５に記載のスターリングエンジンの熱交換器。