JP4907186B2 - ステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ステンレス鋼製熱交換器の各部品のろう付け部分であって、そこに大きな隙間が生ずる場合のろう付け方法に関する。
筒状に形成されたケーシングの開口端にヘッダプレートをろう付けする場合において、ケーシングが金属板を曲折したものからなり、その端部間が重ね合わせられたものにおいては、そこに段差が生じ、その段差部におけるヘッダプレートとの接合部には大きな隙間が生じる。
このような大きな隙間が生じると、ろう付け時にその隙間からろう材が漏れて、ろう付け不良を起こす。そこで従来、その隙間部分を適宜な治具でかしめ、隙間をなくしてからろう付けを行なっていた。
例えば、ケーシングの板厚が１ｍｍのステンレス鋼板を用いる場合、その重ね合わせ部は、その一端側を板厚分階段状に形成してその内面側に他端側を嵌着して取付けていた。 このとき階段状の立ち上がり部分が傾斜するため、継目に板厚分程度またはそれ以上の隙間が生じる。
ところが、従来のステンレス鋼製熱交換器のろう付けではNi系ろう材を用いてろう付けを行うとき、そのろう付け隙間の好ましい値は50μｍ以下である。
このような大きな隙間が生じると、ろう付け時にその隙間からろう材が漏れて、ろう付け不良を起こす。そこで従来、その隙間部分を適宜な治具でかしめ、隙間をなくしてからろう付けを行なっていた。
例えば、ケーシングの板厚が１ｍｍのステンレス鋼板を用いる場合、その重ね合わせ部は、その一端側を板厚分階段状に形成してその内面側に他端側を嵌着して取付けていた。 このとき階段状の立ち上がり部分が傾斜するため、継目に板厚分程度またはそれ以上の隙間が生じる。
ところが、従来のステンレス鋼製熱交換器のろう付けではNi系ろう材を用いてろう付けを行うとき、そのろう付け隙間の好ましい値は50μｍ以下である。
なお、Ni系ろう材を用いてろう付け強度を増す方法として、特開平１１−１１４６９２号等が提案されている。このろう付け方法は、Ni系ろう材にNi、Cｒ、Ni-Cr合金、SuSの内選ばれた金属粉末を１〜10％未満添加したものである。
また、下記文献によれば、隙間の間隔が0.1〜0.2ｍｍ程度の場合には、粒系が３〜７μｍのNi粉末をNi系ろう材中に混入することにより、その隙間を塞げる事が記載されている。
しかしながら、隙間の大きさが最大１ｍｍ以上の場合にはこの文献の方法では、閉塞することができない。
また、下記文献によれば、隙間の間隔が0.1〜0.2ｍｍ程度の場合には、粒系が３〜７μｍのNi粉末をNi系ろう材中に混入することにより、その隙間を塞げる事が記載されている。
しかしながら、隙間の大きさが最大１ｍｍ以上の場合にはこの文献の方法では、閉塞することができない。
ろう付け部分に大きな隙間が生じるのを避けるため、外周からケーシングの継目等を叩いてかしめる作業は、経験と多くの作業時間と労力を要し、面倒であるという欠点があった。
そこで本発明は、重ね合わせ部に大きな隙間が生じても、かしめ等の作業を要することなく、確実に隙間を閉塞するろう付け方法を提供することを課題とする。また、隙間の最大長が0.5mm前後またはそれ以上であっても確実にその隙間を埋めることができるろう付け条件を実験的にみつけ、それに基づき本発明を完成するものである。
そこで本発明は、重ね合わせ部に大きな隙間が生じても、かしめ等の作業を要することなく、確実に隙間を閉塞するろう付け方法を提供することを課題とする。また、隙間の最大長が0.5mm前後またはそれ以上であっても確実にその隙間を埋めることができるろう付け条件を実験的にみつけ、それに基づき本発明を完成するものである。
請求項１に記載の本発明は、ステンレス鋼製板材の一方の縁部(1) をその板厚分段付き状に曲折し、その段付き部(2) の内側に他方の縁部(3) を重ね合わせると共に、その他方の縁部(3) の内側および前記一方の縁部の内側に渡って他のステンレス鋼製板材(4) を重ね合わせ、それらの間およびそれらの間以外の接合部をNi系のろう材で一体にろう付けするステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法において、
前記他方の縁部(3) の先端面と前記段付き部(2) の曲折の根元部と前記他のステンレス鋼製板材との三者間に形成される隙間(5) には、前記ろう材と非溶融性金属粉末との混合体がバインダによりペースト状とされた充填剤(12)を充填し、全体が一体にろう付けされ、
前記段付き部(2) の隙間(5)以外では、前記非溶融性金属粉末を含まないろう材がバインダによりペースト状とされたもので、全体を一体にろう付けし、
前記非溶融性金属粉末がステンレス鋼材からなり、それを含む前記充填剤(12)が前記段付き部(2)の隙間(5) のみに充填され、前記隙間(5) の断面の最大部長さが0.5ｍｍ以上であり、
前記粉末ろう材の粒子径が前記非溶融性金属粉末の粒子の最大長さの平均より小さく且つ、
前記粉末ろう材の粒子径が40μｍ以下で、前記非溶融性金属粉末の粒子の最大長の平均が100〜300μｍであるステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法である。
前記他方の縁部(3) の先端面と前記段付き部(2) の曲折の根元部と前記他のステンレス鋼製板材との三者間に形成される隙間(5) には、前記ろう材と非溶融性金属粉末との混合体がバインダによりペースト状とされた充填剤(12)を充填し、全体が一体にろう付けされ、
前記段付き部(2) の隙間(5)以外では、前記非溶融性金属粉末を含まないろう材がバインダによりペースト状とされたもので、全体を一体にろう付けし、
前記非溶融性金属粉末がステンレス鋼材からなり、それを含む前記充填剤(12)が前記段付き部(2)の隙間(5) のみに充填され、前記隙間(5) の断面の最大部長さが0.5ｍｍ以上であり、
前記粉末ろう材の粒子径が前記非溶融性金属粉末の粒子の最大長さの平均より小さく且つ、
前記粉末ろう材の粒子径が40μｍ以下で、前記非溶融性金属粉末の粒子の最大長の平均が100〜300μｍであるステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法である。
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記非溶融性金属粉末がステンレス鋼材からなり、
前記隙間の最大部長さが0.5mm 以上であり、前記粉末ろう材の粒子径が40μｍ以下で、前記非溶融性金属粉末の粒子の最大長が50〜300μｍであるステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法である。
前記非溶融性金属粉末がステンレス鋼材からなり、
前記隙間の最大部長さが0.5mm 以上であり、前記粉末ろう材の粒子径が40μｍ以下で、前記非溶融性金属粉末の粒子の最大長が50〜300μｍであるステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法である。
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
板厚が夫々0.5ｍｍ以上の一対のステンレス鋼製金属板(6) (7) を断面コ字状に曲折すると共に、夫々の一方の縁部(1) に前記段付き部(2)を形成し、筒状になるように両金属板(6) (7) を互いに逆向きに対向して、その段付き部(2) の内側に他方の縁部(3) を互いに嵌着してケーシング(8) を構成し且つ、
そのケーシング(8) の開口に皿状のヘッダプレート(9) を嵌着したステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法である。
板厚が夫々0.5ｍｍ以上の一対のステンレス鋼製金属板(6) (7) を断面コ字状に曲折すると共に、夫々の一方の縁部(1) に前記段付き部(2)を形成し、筒状になるように両金属板(6) (7) を互いに逆向きに対向して、その段付き部(2) の内側に他方の縁部(3) を互いに嵌着してケーシング(8) を構成し且つ、
そのケーシング(8) の開口に皿状のヘッダプレート(9) を嵌着したステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、
前記非溶融性金属粉末は外周に多数の刺状物が突出したものを用いたステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法である。
前記非溶融性金属粉末は外周に多数の刺状物が突出したものを用いたステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法である。
本発明のステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法は、３部材の重ね合わせ部に形成される隙間５にのみ、非溶融性金属粉末とNi系ろう材との混合物をバインダーによりペースト状にした充填剤12を用い、その充填剤を隙間５に充填するとともに、その他の接合部にはNi系ろう材を塗布して、ろう付けしたものであるから、ろう付け時にその隙間５部分においては、非溶融性金属粉末の存在により、Ni系ろう材の流動性を低下させ、充填剤12中の金属粉末とNi系ろう材とがその隙間５に保持されて、確実に隙間５を閉塞することができる。それにより信頼性の高いステンレス鋼製熱交換器を提供できる。
その非溶融性金属粉末を含む充填剤12が前記段付き部２の隙間５のみに充填され、その隙間５の断面の最大部長さが0.5ｍｍ以上であり、
非溶融性金属粉末の粒子の最大長の平均が100〜300μｍであって、粒子径が40μｍ以下の粉末ろう材より充分大きく、両者を含むペースト状の充填材12が隙間５に充填されたとき、長い非溶融性金属粉末に溶融ろう材が保持され、大きな隙間であっても、そこにろう材を保持して、確実にろう付けできる。
また、段付き部２の隙間５以外では、非溶融性金属粉末を含まないろう材がバインダによりペースト状とされたものが配置され、非溶融性金属粉末に邪魔されることなく、僅かの隙間にもろう材が浸透して、段付き以外の部分のろう付けの信頼性を向上する。
非溶融性金属粉末の粒子の最大長の平均が100〜300μｍであって、粒子径が40μｍ以下の粉末ろう材より充分大きく、両者を含むペースト状の充填材12が隙間５に充填されたとき、長い非溶融性金属粉末に溶融ろう材が保持され、大きな隙間であっても、そこにろう材を保持して、確実にろう付けできる。
また、段付き部２の隙間５以外では、非溶融性金属粉末を含まないろう材がバインダによりペースト状とされたものが配置され、非溶融性金属粉末に邪魔されることなく、僅かの隙間にもろう材が浸透して、段付き以外の部分のろう付けの信頼性を向上する。
上記構成において、板厚が夫々0.5ｍｍ以上の一対のステンレス鋼製金属板６によって、筒状のケーシング８を構成し、そのケーシング８の開口に皿状のヘッダープレート９が嵌着され、それらの継目間に隙間５が設けられ、その最大部長さが0.5ｍｍ以上となるものにおいては、ケーシング８およびヘッダープレート９を比較的容易に組立てることができるとともに、それらの間に形成された隙間５を確実に閉塞して、信頼性の高いステンレス鋼製熱交換器を提供できる。
上記構成において、非溶融性金属粉末として、外周に多数のとげ状物が突出したものを用いた場合には、ろう付け時におけるろう材の流出を効果的に阻止して、隙間５内にそれらを確実に保持して閉塞し、信頼性の高いステンレス鋼製熱交換器を提供しうる。
上記構成において、非溶融性金属粉末として、外周に多数のとげ状物が突出したものを用いた場合には、ろう付け時におけるろう材の流出を効果的に阻止して、隙間５内にそれらを確実に保持して閉塞し、信頼性の高いステンレス鋼製熱交換器を提供しうる。
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。図１は本発明のろう付け方法が適用されるステンレス鋼製熱交換器の一例を示す要部分解斜視図である。また、図２は、その隙間に充填剤12を充填した状態の横断面説明図である。
このステンレス鋼製熱交換器は、一例として燃料電池システムの熱交換器やＥＧＲクーラその他に使用できるものである。
この例の熱交換器は、断面方形に形成されたケーシング８と、多数並列された偏平チューブ10と、その偏平チューブ10の上下両端が貫通されるヘッダープレート９と、ヘッダープレート９またはケーシング８の開口に接続される図示にない上下一対のタンクとからなる。ケーシング８はステンレス鋼製金属板６,７が断面コ字状に曲折されるとともに、そのコ字状に一方の縁部１のみに板厚分だけ段付き部２が形成され、その一対のステンレス鋼製金属板６,７が互いに逆向きに対向して、その一方の縁部１に他方の縁部３が互いに嵌着して断面方形の筒状を形成するものである。なお、ステンレス鋼製金属板６,７の長手方向両端には僅かに膨大部13が形成されている。
このようにしてなるケーシング８の両開口端にはヘッダープレート９が嵌着される。ヘッダープレート９の外周は、ケーシング８の開口に整合する。それとともに、その外周縁は外側に立ち上げられている。
このステンレス鋼製熱交換器は、一例として燃料電池システムの熱交換器やＥＧＲクーラその他に使用できるものである。
この例の熱交換器は、断面方形に形成されたケーシング８と、多数並列された偏平チューブ10と、その偏平チューブ10の上下両端が貫通されるヘッダープレート９と、ヘッダープレート９またはケーシング８の開口に接続される図示にない上下一対のタンクとからなる。ケーシング８はステンレス鋼製金属板６,７が断面コ字状に曲折されるとともに、そのコ字状に一方の縁部１のみに板厚分だけ段付き部２が形成され、その一対のステンレス鋼製金属板６,７が互いに逆向きに対向して、その一方の縁部１に他方の縁部３が互いに嵌着して断面方形の筒状を形成するものである。なお、ステンレス鋼製金属板６,７の長手方向両端には僅かに膨大部13が形成されている。
このようにしてなるケーシング８の両開口端にはヘッダープレート９が嵌着される。ヘッダープレート９の外周は、ケーシング８の開口に整合する。それとともに、その外周縁は外側に立ち上げられている。
〔ろう材〕
次に、上記熱交換器のろう付け方法に用いるろう材は、一例としてNi系の粉末ろう材、例えばNi-Cr-Si-P系を用いることができる。ろう材の粒径は、40μm以下のものが好ましい。小さな隙間にも均等に塗布される必要があるからである。その粉末状Ni系ろう材にNiろう材用バインダーとして、粘度調整剤・水等を混ぜ合わせペースト状態にして、それを各部品の接合部の少なくとも一方側に塗布する。
〔隙間用充填剤〕
次に、上記熱交換器において、ケーシング８の他方の縁部３と一方の縁部１とヘッダープレート９との間に生じる横断面が略三角形状の大きな隙間５に充填する充填剤12は、次のものを用いる。
ステンレス鋼を粉末にして、その粒子の最大長さの平均が５0〜300μｍ（より好ましくは100μｍ〜300μｍ）のものと、前記Ni系ろう材であって、その粒子径が40μm以下のものとを混ぜ合わせると共に、それらとバインダーとを混ぜ合わせてペースト状の充填剤12を造る。そして、図１および図２における大きな隙間５のみにその充填剤12を充填する。そして、全体を組み立てた状態で、高温の炉内に挿入し、前記Ni系ろう材を溶融し、次いでそれを固化することにより、熱交換器を完成する。
次に、上記熱交換器のろう付け方法に用いるろう材は、一例としてNi系の粉末ろう材、例えばNi-Cr-Si-P系を用いることができる。ろう材の粒径は、40μm以下のものが好ましい。小さな隙間にも均等に塗布される必要があるからである。その粉末状Ni系ろう材にNiろう材用バインダーとして、粘度調整剤・水等を混ぜ合わせペースト状態にして、それを各部品の接合部の少なくとも一方側に塗布する。
〔隙間用充填剤〕
次に、上記熱交換器において、ケーシング８の他方の縁部３と一方の縁部１とヘッダープレート９との間に生じる横断面が略三角形状の大きな隙間５に充填する充填剤12は、次のものを用いる。
ステンレス鋼を粉末にして、その粒子の最大長さの平均が５0〜300μｍ（より好ましくは100μｍ〜300μｍ）のものと、前記Ni系ろう材であって、その粒子径が40μm以下のものとを混ぜ合わせると共に、それらとバインダーとを混ぜ合わせてペースト状の充填剤12を造る。そして、図１および図２における大きな隙間５のみにその充填剤12を充填する。そして、全体を組み立てた状態で、高温の炉内に挿入し、前記Ni系ろう材を溶融し、次いでそれを固化することにより、熱交換器を完成する。
（実施例）
ステンレス鋼製金属板６,７の板厚を１ｍｍとしたとき、図２における大きな隙間５の最大長は１ｍｍ以上となった。このとき非溶融性金属粉末11の大きさを５0μｍ未満とすると、ろう付け時に大きな隙間５に空洞もしくはボイドが生じることがわかった。また、300μｍ以上とすると、大きな隙間５に充填した充填剤12表面を滑らかにしにくくなり作業性が低下するとともに、ろう付け後の信頼性が低下することがわかった。
また、非溶融性金属粉末11の混入割合は、ろう材と非溶融性金属粉末11との和の25〜50％が最適であることがわかった。その下限値25％以下となると、ろう付け中に充填剤12の一部が漏れ出して空洞が生じることがある。また、上限値50％を超えると、非溶融性金属粉末11と各板材との接触部近傍にボイドが生じることがあり、ろう付けの信頼性に欠ける欠点がある。
ステンレス鋼製金属板６,７の板厚を１ｍｍとしたとき、図２における大きな隙間５の最大長は１ｍｍ以上となった。このとき非溶融性金属粉末11の大きさを５0μｍ未満とすると、ろう付け時に大きな隙間５に空洞もしくはボイドが生じることがわかった。また、300μｍ以上とすると、大きな隙間５に充填した充填剤12表面を滑らかにしにくくなり作業性が低下するとともに、ろう付け後の信頼性が低下することがわかった。
また、非溶融性金属粉末11の混入割合は、ろう材と非溶融性金属粉末11との和の25〜50％が最適であることがわかった。その下限値25％以下となると、ろう付け中に充填剤12の一部が漏れ出して空洞が生じることがある。また、上限値50％を超えると、非溶融性金属粉末11と各板材との接触部近傍にボイドが生じることがあり、ろう付けの信頼性に欠ける欠点がある。
これらのことから、非溶融性金属粉末11の粒子の最大長の平均が５0〜300μｍで且つ、その混合率が25〜50％である場合には、ろう付け時の充填剤12の粘性が増し、大きな隙間５からそれが流出することがないとともに、ろう付けの信頼性を向上させることが本発明者の実験により初めて明らかとなった。
なお、上記実験において、非溶融性金属粉末11の最も好ましい形状は、針状粉（細い針状の粒子からなる粉末あるいは不規則状粉（対象性を欠く粒子からなる粉末））であって、公知のアトマイズ法や粉砕法で処理し、その粒子をフルイにかけて大きさを選別したものが好ましい。
なお、上記実験において、非溶融性金属粉末11の最も好ましい形状は、針状粉（細い針状の粒子からなる粉末あるいは不規則状粉（対象性を欠く粒子からなる粉末））であって、公知のアトマイズ法や粉砕法で処理し、その粒子をフルイにかけて大きさを選別したものが好ましい。
図３は本発明のろう付け部断面の顕微鏡写真を示す。この例は、ステンレス鋼パウダー混合率が30％であり、その粒子の最長長さの平均が200μｍで、ろう材の粒子径が40μｍ以下の例であって、図２における大きな隙間５内が完全に充填剤12中の非溶融性金属粉末11およびろう材によって閉塞されていることが明らかである。なお、その閉塞断面の白色部分は、Niα固溶体相であると考えられる。これらの白色部分は不連続であり、全体に分散されていることによって、強度および水密性を保持している。
１ 一方の縁部
２ 段付き部
３ 他方の縁部
４ 他のステンレス鋼製板材
５ 大きな隙間
６，７ ステンレス鋼製金属板
８ ケーシング
９ ヘッダープレート
10 偏平チューブ
11 非溶融性金属粉末
12 充填剤
13 膨大部
２ 段付き部
３ 他方の縁部
４ 他のステンレス鋼製板材
５ 大きな隙間
６，７ ステンレス鋼製金属板
８ ケーシング
９ ヘッダープレート
10 偏平チューブ
11 非溶融性金属粉末
12 充填剤
13 膨大部
Claims (3)
- ステンレス鋼製板材の一方の縁部(1) をその板厚分段付き状に曲折し、その段付き部(2) の内側に他方の縁部(3) を重ね合わせると共に、その他方の縁部(3) の内側および前記一方の縁部の内側に渡って他のステンレス鋼製板材(4) を重ね合わせ、それらの間およびそれらの間以外の接合部をNi系のろう材で一体にろう付けするステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法において、
前記他方の縁部(3) の先端面と前記段付き部(2) の曲折の根元部と前記他のステンレス鋼製板材との三者間に形成される隙間(5) には、前記ろう材と非溶融性金属粉末との混合体がバインダによりペースト状とされた充填剤(12)を充填し、全体が一体にろう付けされ、
前記段付き部(2) の隙間(5)以外では、前記非溶融性金属粉末を含まないろう材がバインダによりペースト状とされたもので、全体を一体にろう付けし、
前記非溶融性金属粉末がステンレス鋼材からなり、それを含む前記充填剤(12)が前記段付き部(2)の隙間(5) のみに充填され、前記隙間(5)の断面の最大部長さが0.5ｍｍ 以上であり、
前記粉末ろう材の粒子径が前記非溶融性金属粉末の粒子の最大長さの平均より小さく且つ、
前記粉末ろう材の粒子径が40μｍ以下で、前記非溶融性金属粉末の粒子の最大長の平均が100〜300μｍであるステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法。 - 請求項１において、
板厚が夫々0.5ｍｍ以上の一対のステンレス鋼製金属板(6) (7) を断面コ字状に曲折すると共に、夫々の一方の縁部(1) に前記段付き部(2)を形成し、筒状になるように両金属板(6) (7) を互いに逆向きに対向して、その段付き部(2) の内側に他方の縁部(3) を互いに嵌着してケーシング(8) を構成し且つ、
そのケーシング(8) の開口に皿状のヘッダプレート(9) を嵌着したステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法。 - 請求項１または請求項２において、
前記非溶融性金属粉末は外周に多数の刺状物が突出したものを用いたステンレス鋼製熱交換器のろう付け方法。
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