JP2023170390A - 熱交換器のコア部の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温流体と低温流体との間の熱交換のための流路にコルゲートフィンを有する熱交換器のコア部であって、コルゲートフィン表面を酸化腐食保護する処理が必要なコア部の製造方法に於いて、製造工程を低減できるようにする。【解決手段】 複数のプレート６ｗの間にてコルゲートフィン６ｃが配置されて該コルゲートフィンの頂部６ｔがプレートに接合されている熱交換器６のコア部の製造方法に於いて、ロウ材から成りコルゲートフィンの波状形状に沿うように成形されたロウ付けシート６ｍをその波状形状がコルゲートフィンの波状形状に重なるようにコルゲートフィンに積層してその積層体を複数のプレートの間に挟持させ、その状態で、複数のプレートとそれらの間に挟持された積層体とを加熱して、ロウ付けシートのロウ材を溶融してコルゲートフィンの頂部をプレートにロウ付けすると共に、コルゲートフィンの表面全域をロウ材にて被覆する。【選択図】 図１

Description

本発明は、高温流体と低温流体との間にて熱交換を行う熱交換器に係り、より詳細には、熱交換器に於ける流体の通過するコア部の製造方法に係る。

高温流体と低温流体との間にて熱交換を行う熱交換器は、種々の産業用の機械、プラントなどに於いて使用されている。例えば、ガスタービンエンジンに於いては、熱交換器に燃焼器からタービンを経て排出される高温の排ガスと燃焼器へ送られる低温の圧縮空気とを通して、高温の排ガスから低温の圧縮空気へ熱を伝達して、圧縮空気を昇温して、エンジンのエネルギー効率の向上が図られる。かかる熱交換器のコア部、即ち、高温流体と低温流体を熱的に接触させながら流通させる流路を画定する部分の典型的な構造に於いては、例えば、図３（Ｂ）に模式的に描かれている如く、流路に於いて、薄い金属板を波状に変形されてなるコルゲートフィンが、波の間に形成される溝が流体の流れ方向に沿うように配置され、これにより、流体間の伝熱面積の増大が図られている。

上記の如き熱交換器のコア部に於いては、コルゲートフィンが流路を画定する仕切り板等からなる内壁に対して、流体の漏れやフィンの脱落や変形が起きないように、より適切に接合する必要があり、そのための技術が種々提案されている。例えば、特許文献１では、複数のプレートの間にコルゲートフィンを挟持した構造に於いて、プレートとフィンとの間にシート状ろう材を介在させ、フィンの両側縁に側壁材を隣接させた状態で、複数のプレートに押付け力を加えながらプレートと側壁材とを溶接し、しかる後に、プレートと側壁材との間の接合部に外面から粉末状ろう材を塗布し、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気下にてプレート、フィンおよび側壁材よりなる積層物を加熱してろう接することにより、漏れの惧れのないコアを製造することが提案されている。また、特許文献２に於いては、熱交換器等に適用可能な新たな複合材の製造方法として、ロウ材を少なくとも基板の片面に焼結してクラッドロウ材を形成し、次いでクラッドロウ材を凹部と凸部とが繰返し並んだ形状に塑性変形させ、複数の変形されたクラッドロウ材を互いの凹部あるいは凸部を接触させた状態で複数枚積層し、ロウ材の温度をロウ付け温度まで上昇させることにより、互いに接触した状態の凹部あるいは凸部をロウ付けすることが提案されている。特許文献３に於いては、箱型で上面の開放したフレーム内に冷却媒体が流れるフィン流路を備える波形状のコルゲートフィンを配置し、天板にてフレームの開口を密閉して蓋をする構造に於いて、コルゲートフィンをフレームと天板に対して接合する際に、コルゲートフィン及び天板の形状が変形しないようにするために、コルゲートフィンと天板との間を接合するためのロウ材として、薄板状のロウ箔であって蛇腹折りの弾性体を用いることが提案されている。そして、特許文献４に於いては、蛇行状に屈曲された扁平な伝熱管の間に空気流入側と空気流出側のコルゲートフィンを互いに所定の間隔をおいて固定するために、突起を有する板状ろう材を用いて、かかる突起が空気流入側と空気流出側のコルゲートフィンの間に配置されることで、コルゲートフィンの位置決めがされた状態で、加熱ろう付けすることが提案されている。

特開平０６－２３８４３２号 特開２００６－２９７４５０ 特開２０１２－１３５７７３ 特開平０２－８９５６２号

上記の如き熱交換器のコア部に於いて、特に、コルゲートフィンの配置された流路内に、ガスタービンの燃焼器からの高温の排ガスなど、コルゲートフィンの表面を酸化腐食させる可能性のある流体が流通する場合には、コルゲートフィンの表面の劣化を防止するために、コルゲートフィンの表面を保護するコーティングが施される。従って、通常、コルゲートフィンを流路内壁に接合する前又は後にコルゲートフィンの表面に保護膜をコーティングする処理が実行される。

ところで、熱交換器のコア部の製造方法の一つの態様に於いて、コルゲートフィンを流路内壁に対してロウ付けして接合する際には、流路内壁とコルゲートフィンとの間にロウ材から成るシートを配置し、その状態にて真空炉内で加熱し、ロウ材シートが溶融して、コルゲートフィンが流路内壁へ接合される。かかるコルゲートフィンの接合方法に於いては、ロウ材が、そのぬれ性により、コルゲートフィンの接合部の近傍にも拡がって付着するところ、本発明の発明者等の研究によれば、ロウ材で覆われたコルゲートフィンの部分は、保護膜がなくとも、流体による酸化腐食が発生し難くなることが見出された。このことから、コルゲートフィンを流路内壁へロウ付け接合する際に、コルゲートフィンの表面全域がロウ材で被覆されるようにロウ材シートを配置すれば、ロウ材が保護膜として機能することとなり、コルゲートフィンの表面を、別途、保護膜にてコーティングする処理が不要となり、熱交換器のコア部の製造工程が減り、有利である。本発明に於いては、この知見が利用される。

かくして、本発明の一つの課題は、ガスタービンエンジンなどに於いて、高温流体と低温流体との間の熱交換のために用いられる流路にコルゲートフィンを有する熱交換器のコア部であって、コルゲートフィンの表面を流体による酸化腐食から保護するための処理が必要なコア部の製造方法に於いて、製造工程を低減できるようにすることである。

本発明によれば、上記の課題は、複数のプレートの間にてコルゲートフィンが配置されて該コルゲートフィンの頂部が前記プレートに接合されている熱交換器のコア部の製造方法であって、
ロウ材から成り前記コルゲートフィンの波状形状に沿うように成形されたロウ付けシートをその波状形状が前記コルゲートフィンの波状形状に重なるように前記コルゲートフィンに積層してその積層体を前記複数のプレートの間に挟持させる工程と、
前記複数のプレートとそれらの間に挟持された前記積層体とを加熱して、前記ロウ付けシートのロウ材を溶融して前記コルゲートフィンの頂部を前記プレートにロウ付けすると共に、前記コルゲートフィンの表面全域をロウ材にて被覆する工程と
を含む方法
によって達成される。

上記の構成に於いて、「熱交換器」は、既に述べた如く、典型的には、ガスタービンエンジンなどの燃焼器へ供給される燃焼用空気（低温流体）と燃焼器からの排ガス（高温流体）との間の熱交換を行う熱交換器であってよいが、これに限定されない。「コア部」に於いては、「複数のプレート」が、金属製の板状部材（仕切り板）であってよく、熱交換される流体の流路を画定するように成形されて配置され、その表面が流路内壁となる。「コルゲートフィン」は、金属製の薄板を多数の波状形状に湾曲してなる部材であり、複数のプレートにより画定される流路内に配置され、コルゲートフィンの頂部、即ち、波状形状の凸状に湾曲した部部位、が、プレートの表面にロウ付けにより接合される。かかるロウ付けは、任意のロウ付けの手法で実行されてよいところ、典型的には、複数のプレート間にロウ付けシートを介してコルゲートフィンを挟持したものを真空炉内にて加熱し、ロウ材を溶融することにより達成されてよい。

そして、上記の如き熱交換器のコア部の製造方法に於いて、本発明の場合には、ロウ材から成るロウ付けシートとして、コルゲートフィンの波状形状に沿うように波状形状に成形されたシートが採用され、コルゲートフィンは、かかるロウ付けシートがそれらの波状形状が重なるように積層された状態で、複数のプレート間に挟持され、加熱され、ロウ付け処理が実行される。そうすると、コルゲートフィンの頂部がプレートの表面にロウ付けされるだけでなく、溶融したロウ材のぬれ性によって、コルゲートフィンの表面全域がロウ材にて被覆されることとなる。既に触れた如く、本発明の発明者等の知見によれば、コルゲートフィンのロウ材が被覆された部位では、例えば、高温の排ガスが流通してもコルゲートフィンの酸化腐食が防止されることとなるので、上記の本発明の構成によれば、コルゲートフィンに対して、別途、酸化腐食防止用の保護膜を適用する処理を行わなくてもよくなり、製造工程が低減されることとなる。

なお、波状形状に成形されたロウ付けシートは、コルゲートフィンを形成する型を用いて成形可能である。

上記の構成に於いて、波状形状に成形されたロウ付けシートは、酸化腐食作用のある流体が流通する流路に於けるコルゲートフィンの接合に対してのみ使用されてよい。例えば、ガスタービンエンジンの燃焼器へ供給される燃焼用空気などの酸化腐食作用のない流体が流通する流路に於いては、コルゲートフィンとプレートとの間には、そのロウ付けのために、平面状の、通常のロウ付けシートが用いられてよい。

かくして、上記の本発明の構成によれば、熱交換器のコア部の酸化腐食作用のある流体が流通する流路の部位の製造に於いて、コルゲートフィンとプレートとの接合と同時に、コルゲートフィンの表面全域を酸化腐食防止効果のあるロウ材により被覆することができるので、コルゲートフィンを別途、酸化腐食防止用の保護膜で被覆する工程が不要となり、保護膜被覆のための費用も節約できることとなる。本発明は、ガスタービンエンジン用の熱交換器だけでなく、任意の、酸化腐食作用のある流体が流通する流路を有する熱交換器の製造に採用されてよい。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）は、コルゲートフィンとその表面に積層されるロウ付けシートの模式的な断面図である。図１（Ｂ）、（Ｃ）は、本実施形態による熱交換器のコア部の模式的な断面図であり、（Ｂ）は、ロウ付け処理前の状態であり、（Ｃ）は、ロウ付け処理後の状態である。 図２（Ａ）は、本実施形態による熱交換器のコア部の製造工程のフローチャートであり、図２（Ｂ）は、従前の熱交換器のコア部の製造工程のフローチャートである。 図３（Ａ）は、本実施形態による熱交換器が利用可能なガスタービンエンジンの概略構成を表わした模式図である。図３（Ｂ）は、熱交換器のコア部の模式的な断面図である。 図４（Ａ）、（Ｂ）は、従前の熱交換器のコア部の模式的な断面図であり、（Ａ）は、ロウ付け処理前の状態であり、（Ｂ）は、ロウ付け処理後の状態である。 図５（Ａ）は、実際の熱交換器のコア部のコルゲートフィンとプレートとの接合部の断面の近傍の電子顕微鏡写真である。図５（Ｂ）は、表面に酸化層が形成されているコルゲートフィンの一部の断面の電子顕微鏡写真である。

１…ガスタービンエンジン
２…燃焼器
３…圧縮機
４…回転軸
５…タービン
６…熱交換器
６ａ…熱交換器の圧縮空気流路（低温流路）
６ｂ…熱交換器の排ガス流路（高温流路）
６ｃ…コルゲートフィン
６ｍ…ロウ付けシート
６ｔ…コルゲートフィンの頂部
Ａｒ…空気
ｐＡｒ…圧縮空気
ＢＧ…燃焼ガス
ＷＧ…排ガス

ガスタービンエンジンと装置の構成
図３（Ａ）を参照して、本実施形態の熱交換器のコア部の製造方法は、例えば、ガスタービンエンジン１に装備される熱交換器６のコア部の製造のために用いられてよい。ガスタービンエンジン１としては、例えば、燃焼器２、圧縮機３及びタービン５を有する通常のガスタービンエンジンであってよい。燃焼器２は、燃料供給ラインから供給される燃料ＦＬと、圧縮機３が大気中から取り込んだ空気Ａｒを圧縮し熱交換器６を通過して供給される圧縮空気ｐＡｒとを混合して燃焼し、高温高圧の燃焼ガスＢＧを送出する。タービン５は、燃焼器２からの燃焼ガスＢＧにより回転され、その回転によって、圧縮機３が回転し、上記の如く大気中から取り込んだ空気Ａｒを圧縮して、燃焼器２へ送出する。また、タービン５の回転軸４には、発電機などの任意の機械器具が接続され、タービン５の回転エネルギーが、発電機等の機械器具にて回収され或いは機械の作動のためのエネルギーとして使用される。更に、タービン５から排出される排出ガスＷＧは、高温なので、その熱エネルギーを燃焼器２へ与えられる圧縮空気ｐＡｒの昇温に利用し、エネルギー効率を向上できるように、熱交換器６に於いて、排ガスＷＧの流路６ｂと圧縮空気ｐＡｒの流路６ａとが熱的に接触しながら通過し、排ガスＷＧの熱エネルギーが圧縮空気ｐＡｒへ伝達される。熱交換器６に於ける低温流体と高温流体とが流通して熱的に接触するコア部は、より詳細には、例えば、図３（Ｂ）に模式的に描かれている如く、圧縮空気ｐＡｒの流通する流路６ａと排ガスＷＧの流通する流路６ｂとが交互に、熱伝導性のある隔壁６ｗにて物理的に仕切られ、できるだけ広い面積にて、熱的に接触するように、各流路内には、コルゲートフィン６ｃが配置されたコア部を有する。かかる構成に於いて、圧縮空気流路６ａでは、圧縮機３から圧力により圧縮空気が燃焼器２へ向けて圧送され、排ガス流路６ｂでは、燃焼器２からタービン５を経て排ガスが圧力を受けて圧送されることとなる。

上記の熱交換器のコア部に於いて、熱伝導性のある隔壁（プレート）６ｗは、例えば、鉄鋼材などの通常用いられる金属材料に形成されてよい。コルゲートフィン６ｃは、例えば、アルミニウム薄板などの通常用いられる熱伝導性の高い金属板材料から波状形状を象った型を用いてプレス加工又は板金加工により成形されてよい。そして、コルゲートフィン６ｃは、上記の如き金属材料を接合する通常用いられるロウ材により、隔壁６ｗに対してロウ付けされて接合される。

熱交換器のコア部の基本的な製造方法
上記のコルゲートフィン６ｃを隔壁６ｗの間に挟持して接合した構造のコア部の基本的な製造方法に於いては、先ず、図４（Ａ）に模式的に描かれている如く、複数の隔壁６ｗの間にコルゲートフィン６ｃを配置する際に、コルゲートフィン６ｃの頂部６ｔと隔壁６ｗの表面との間にロウ材から成るロウ付けシート６ｍを挟み、この状態で、真空炉にて、加熱される。真空炉に於ける加熱条件は、通常、金属材料のロウ付けに用いられる条件と同様であってよい。そうすると、図４（Ｂ）に模式的に描かれている如く、ロウ付けシート６ｍが溶融して、隔壁６ｗの表面とコルゲートフィン６ｃの頂部６ｔとの間を接着し、温度が下がると、ロウ付けされることとなる。

コア部の基本的な製造方法は、上記の如くであるが、ガスタービンエンジンの燃焼排ガスを流通させる流路に配置されるコルゲートフィン６ｃは、排ガスによる酸化腐食を防止するために表面を保護膜で被覆されることが好ましい。実際、ガスタービンエンジンの燃焼排ガスが流通する流路に配置されたコルゲートフィンに於いては、図５（Ａ）、（Ｂ）に示されている如く、表面に酸化腐食した層が形成される。従って、コルゲートフィンの酸化腐食を防止するために、従前では、隔壁６ｗへの接合処理に前後して、コルゲートフィンを保護膜でコーティングする処理が必要となっていた。

ロウ材による酸化腐食防止効果
ところで、本発明の発明者等の研究によれば、コルゲートフィンが、酸化腐食性のガスに曝されてもロウ材で被覆されている領域には、酸化腐食が殆ど発生しないことが見出された。図５（Ａ）の顕微鏡写真に於いても、隔壁６ｗに接合されているコルゲートフィンの頂部近傍のロウ材がそのぬれ性によって拡がっている領域では、酸化腐食が進んでいないことが観察される。従って、もしコルゲートフィンを隔壁６ｗにロウ付けする工程に於いて、コルゲートフィンの表面全域もロウ材で覆われるようにすれば、別途、保護膜を適用しなくても、コルゲートフィンの酸化腐食を防止できることとなる。

本実施形態による熱交換器のコア部の製造方法の改良
上記の知見に基づき、本実施形態に於いては、コルゲートフィンを隔壁６ｗにロウ付けする工程に於いて、コルゲートフィンの表面全域もロウ材で被覆されるように、ロウ付けシート６ｍとして、図１（Ａ）に模式的に描かれているように、コルゲートフィン６ｃの波状形状に沿うように波状形状に成形されたシートが用いられ、シート６ｍが、矢印の如く、コルゲートフィン６ｃの両面に積層される。その後の製造工程に於いては、シート６ｍが積層されたコルゲートフィン６ｃが、従前と同様に、図１（Ｂ）に模式的に描かれている如く、隔壁６ｗに挟持され、ロウ付けのために真空炉内にて加熱される。なお、波状に変形されたシート６ｍは、ガスタービンエンジンの燃焼排ガスなどの酸化腐食性のあるガスの流通する流路６ｂに於いてのみ用いられてよい。ガスタービンエンジンの圧縮空気など、酸化腐食性のおそれのないガスが流通する流路６ａに於いては、従前と同様に、平面状のロウ付けシート６ｍが用いられてよい。加熱すると、ロウ材は、溶融して、そのぬれ性により、コルゲートフィン６ｃの表面全域に広がり、温度が下がると、図１（Ｃ）の如く、コルゲートフィン６ｃの頂部６ｔが、隔壁６ｗにロウ付けされると共に、コルゲートフィン６ｃの表面全域がロウ材により被覆されることとなる。

かくして、従前のコア部の製造工程に於いては、コルゲートフィンの酸化腐食防止のためには、図２（Ｂ）の如く、コルゲートフィンのコーティング処理が、別途、必要であったが、上記の本実施形態によれば、図２（Ａ）に示されている如く、コア部の製造工程に於いて、コルゲートフィンのコーティング処理が不要となり、製造工程数が低減されることとなる。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (1)

1. 複数のプレートの間にてコルゲートフィンが配置されて該コルゲートフィンの頂部が前記プレートに接合されている熱交換器のコア部の製造方法であって、
   ロウ材から成り前記コルゲートフィンの波状形状に沿うように成形されたロウ付けシートをその波状形状が前記コルゲートフィンの波状形状に重なるように前記コルゲートフィンに積層してその積層体を前記複数のプレートの間に挟持させる工程と、
   前記複数のプレートとそれらの間に挟持された前記積層体とを加熱して、前記ロウ付けシートのロウ材を溶融して前記コルゲートフィンの頂部を前記プレートにロウ付けすると共に、前記コルゲートフィンの表面全域をロウ材にて被覆する工程と
   を含む方法。

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