JP5003983B2 - Laminated structure strengthening method by two-layer brazing - Google Patents
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本発明は、材料を接合するろう接の技術に関し、特に、原子力産業及び一般工業分野において使用する細密プレートフィン型コンパクト熱交換器のろう接に関するものである。 The present invention relates to brazing technology for joining materials, and more particularly to brazing of a fine plate fin type compact heat exchanger used in the nuclear industry and general industrial fields.
従来、熱交換器において、高い伝熱面密度と熱流束とが要求される場合には、プレートフィン型熱交換器が使用されてきた。また、例えば、ヘリウムガス冷却型高温ガス炉タービンシステムにおいて使用する再生熱交換器のように、特に高い熱交換能力を要する場合には、細密オフセットフィンを用いたプレートフィン型熱交換器の使用が考えられる。この細密プレートフィン型コンパクト熱交換器(図1)においては、一般に、従来のろう接技術ではろう接部強度があまり高くないため、耐圧性の確保が困難であるという問題がある。細密プレートフィンの強度試験を行うと、特に、細密プレートフィン側部(セパレーターと接合していない部分)において内圧による破壊がみられる(図2)ことが分かっている。 Conventionally, in a heat exchanger, when a high heat transfer surface density and a heat flux are required, a plate fin type heat exchanger has been used. In addition, when a particularly high heat exchange capability is required, such as a regenerative heat exchanger used in a helium gas cooled HTGR turbine system, a plate fin type heat exchanger using fine offset fins may be used. Conceivable. This fine plate fin type compact heat exchanger (FIG. 1) generally has a problem that it is difficult to ensure pressure resistance because the strength of the brazed portion is not so high in the conventional brazing technique. When the strength test of the fine plate fin is performed, it has been found that the destruction due to the internal pressure is observed particularly in the fine plate fin side portion (portion not joined to the separator) (FIG. 2).
熱交換器の設計仕様において、更に、伝熱面積の拡大と熱交換器寸法の縮小とが要求される場合には、要求に応じてフィンを細密化する必要があり、フィンの部分厚みを極めて薄く設計せざるを得ないことから、フィン側部の強度を向上する必要性が存在する。 If the heat exchanger design specifications require further expansion of the heat transfer area and reduction of the heat exchanger dimensions, it is necessary to make the fins finer according to the requirements. There is a need to improve the strength of the fin side because it must be designed thin.
したがって、本発明は、細密プレートフィン型コンパクト熱交換器におけるろう接部の耐圧性の確保、細密プレートフィンの強度向上という従来技術の問題点を解決することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art, such as ensuring the pressure resistance of the brazed portion and improving the strength of the fine plate fins in the fine plate fin type compact heat exchanger.
上記従来技術の問題点を解決するため、本発明者らは鋭意研究を行った結果、本発明を完成させた。 In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present inventors have conducted intensive research and completed the present invention.
要するに、本発明は、プレートフィン型熱交換器に使用するオフセットフィンであって、ろう材/基材/ろう材の三層構造を有する矩形凹凸オフセットフィンプレートを用いることを特徴とする。本発明で用いる矩形凹凸オフセットフィンプレートは、オフセットフィン基板として0.15mmの薄板を用い、当該オフセットフィン基板の上下面にアモルファステープ形状のNiろう薄膜を位置づけて三層構造とした合板を矩形の組み立て治具を用いて凹凸形状に加工したものである(図3(b))。本発明のオフセットフィンは、当該矩形凹凸オフセットフィンプレートを複数用い、当該矩形凹凸オフセットフィンプレート2枚の間にセパレーターを位置づけて当該矩形凹凸オフセットフィンプレートとセパレーターとをろう付けした多段フィンである(図3(b))。したがって、当該多段フィンにおいて、矩形凹凸オフセットフィンプレートの全表面がろう付け層で被覆されていることを特徴とするものである。 In short, the present invention is an offset fin used in a plate fin type heat exchanger, and is characterized by using a rectangular concave and convex offset fin plate having a three-layer structure of brazing material / base material / brazing material. The rectangular concave and convex offset fin plate used in the present invention uses a 0.15 mm thin plate as an offset fin substrate, and an amorphous tape-shaped Ni brazing thin film is positioned on the upper and lower surfaces of the offset fin substrate to form a three-layer structure plywood. It is processed into a concavo-convex shape using an assembly jig (FIG. 3B). The offset fin of the present invention is a multi-stage fin that uses a plurality of the rectangular concave and convex offset fin plates, positions the separator between the two rectangular concave and convex offset fin plates, and brazes the rectangular concave and convex offset fin plate and the separator ( FIG. 3 (b)). Therefore, the multi-stage fin is characterized in that the entire surface of the rectangular uneven offset fin plate is covered with the brazing layer.
また、本発明は、上記のオフセットフィンを用いた高温耐圧構造を有するオフセットフィン型熱交換器を課題解決手段とする。 In addition, the present invention provides an offset fin heat exchanger having a high-temperature pressure-resistant structure using the above-described offset fin as a problem solving means.
更に、本発明は、プレートフィン型熱交換器に使用するオフセットフィンの二層ろう接による積層構造強化方法であって、オフセットフィンプレートとしてNiろう材/基材/Niろう材の三層構造を有する矩形凹凸オフセットプレートを用い、前記プレートとセパレーターとの間に介在するNiろう材シートにより矩形凹凸オフセットプレートの全表面に高強度のろう接反応層を形成することにより母材を強化することを特徴とするものである。 Furthermore, the present invention is a method for strengthening a laminated structure by two-layer brazing of offset fins used in a plate fin type heat exchanger, wherein a three-layer structure of Ni brazing material / base material / Ni brazing material is used as an offset fin plate. Using a rectangular concave / convex offset plate, and strengthening the base material by forming a high-strength brazing reaction layer on the entire surface of the rectangular concave / convex offset plate with a Ni brazing material sheet interposed between the plate and the separator. It is a feature.
本発明の三層構造の矩形凹凸オフセットプレートを具備するオフセットフィンを有する熱交換器を使用することにより、高温ガス炉ガスタービンシステムをよりコンパクトかつ高性能化することができ、プラントに経済的メリットが生まれる。また、本発明により、表2の条件でのガス/ガス熱交換が可能となる。 By using a heat exchanger having an offset fin having the three-layered rectangular uneven plate of the present invention, the HTGR gas turbine system can be made more compact and high performance, which is an economic advantage for the plant. Is born. Further, according to the present invention, gas / gas heat exchange can be performed under the conditions shown in Table 2.
本発明は、プレートフィン型熱交換器に使用するオフセットフィンであって、オフセットフィンプレートとしてろう材/基材/ろう材の三層構造を有する矩形凹凸オフセットプレートを用いる。矩形凹凸オフセットプレートは、オフセットフィン基板として0.15mmの薄板を用い、当該オフセットフィン基板の上下面にアモルファステープ形状のNiろう薄膜を位置づけて三層構造とした合板を矩形の組み立て治具を用いて凹凸形状に加工したものである。本発明のオフセットフィンは、当該矩形凹凸オフセットフィンプレートを複数用い、当該矩形凹凸オフセットフィンプレート2枚の間に1枚のセパレーターが位置するように当該矩形凹凸オフセットフィンプレートとセパレーターとをろう付けした多段フィンである。したがって、当該多段フィンにおいて、矩形凹凸オフセットフィンプレートの全表面がろう付け層で被覆されていることを特徴とするものである。 The present invention is an offset fin used in a plate fin type heat exchanger, and a rectangular uneven plate having a three-layer structure of brazing material / base material / brazing material is used as the offset fin plate. The rectangular concave and convex offset plate uses a 0.15 mm thin plate as the offset fin substrate, and uses a rectangular assembly jig to form a three-layer plywood by positioning amorphous tape-shaped Ni brazing thin films on the upper and lower surfaces of the offset fin substrate. And processed into a concavo-convex shape. The offset fin of the present invention uses a plurality of the rectangular uneven offset fin plates and brazes the rectangular uneven offset fin plate and the separator so that one separator is positioned between the two rectangular uneven offset fin plates. It is a multistage fin. Therefore, the multi-stage fin is characterized in that the entire surface of the rectangular uneven offset fin plate is covered with the brazing layer.
本発明において、オフセットフィンプレート並びにプレートの材質は、運転温度、圧力等を考慮して許容されるものであればよく、例えばSUS製のものを使用することができ、その寸法は仕様に応じて設計すればよい。ろう材はNiろう材を用いることができる。 In the present invention, the material of the offset fin plate and the plate may be any material as long as it is allowed in consideration of operating temperature, pressure, etc., for example, a SUS product can be used, and its dimensions are in accordance with the specifications. Just design. Ni brazing filler metal can be used as the brazing filler metal.
図3に、本発明の二層ろう接法によるオフセットフィン三層構造部を示す概念図を示す。(a)に示す従来のろう接方法では、図2に示す細密プレートフィン側部の強度試験のとおり、フィンプレートとセパレーターが接合していない部分(フィン側部)の強度が弱く強度試験による破断がみられたが、(b)に示す本発明のフィンプレートの両面をろう接する二層ろう接法により、高温強度及び疲労強度が向上された三層構造体を実現することができた。 In FIG. 3, the conceptual diagram which shows the offset fin three-layer structure part by the two-layer brazing method of this invention is shown. In the conventional brazing method shown in (a), the strength of the portion where the fin plate and the separator are not joined (fin side portion) is weak as shown in FIG. However, a three-layer structure having improved high-temperature strength and fatigue strength could be realized by the two-layer brazing method in which both surfaces of the fin plate of the present invention shown in FIG.
以下、実施例により本発明を説明するが本発明は実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to an Example.
本実施例においては、三層構造強化オフセットフィン要素強度試験片を製作し、この試験片の高温強度・疲労試験を実施した。まず、製造手順を以下に示す。 In this example, a three-layer reinforced offset fin element strength test piece was manufactured, and a high temperature strength / fatigue test was performed on the test piece. First, a manufacturing procedure is shown below.
(ア)三層構造フィンの製作・部品加工
図1に示すような構造のオフセットプレートフィン型熱交換器を作るため、SUS304を用いて、表1に示す寸法の各部品を製作した。
(A) Manufacture of three-layer structure fin and parts processing In order to make an offset plate fin type heat exchanger having a structure as shown in FIG. 1, each part having the dimensions shown in Table 1 was manufactured using SUS304.
ここで特に重要なことは、オフセットフィン(コア)の三層構造化である。三層構造オフセットフィンを製作するためには、オフセットフィン基板として用いる0.15mmの薄板の上下面にNiろう薄膜(アモルファステープろう付けMBF20(星電社製)、厚み38μm)を敷き、この合板を図5に示すダブルパンチ法により、フィンを凸凹形状に折る。具体的には、図5において、まず上部固定ダイと下部固定ダイで合板を固定し(a→b)、次いで、下部可動ダイで合板を押し上げて上部固定ダイの切り欠き部に沿って変形させ(b→c)、次いで、上部可動ダイで合板を押し下げて下部可動ダイの切り欠き部に沿って変形させ(c→d)、以後、同様の手順を繰り返すことにより凹凸形状を形成していく。この方法は、凸凹金型を用いて一回の作業でフィンを折る方法よりも、フィンの加工精度が高く、ろう薄膜の損傷が少ないため、三層構造合板の加工に有効である。 What is particularly important here is the three-layer structure of the offset fin (core). In order to manufacture a three-layer structure offset fin, a Ni brazing thin film (amorphous tape brazing MBF20 (manufactured by Hoshiden), thickness 38 μm) is laid on the upper and lower surfaces of a 0.15 mm thin plate used as an offset fin substrate. The fins are folded into an uneven shape by the double punch method shown in FIG. Specifically, in FIG. 5, first, the plywood is fixed by the upper fixed die and the lower fixed die (a → b), and then the plywood is pushed up by the lower movable die and deformed along the notch portion of the upper fixed die. (B → c) Next, the plywood is pushed down by the upper movable die and deformed along the cutout portion of the lower movable die (c → d), and thereafter, the same procedure is repeated to form the uneven shape. . This method is effective for processing a three-layer plywood because the fin processing accuracy is higher and the brazing thin film is less damaged than the method of folding a fin in a single operation using an uneven mold.
(イ)多段フィンの組み立て
矩形の組み立て治具を用いてプレートにろう材付、塞ぎ板(セパレーター)の順番でのせながら溶接固定し、その上に、凹凸形状を形成した三層構造フィンをのせた。次いで、同様に多段に積層し、治具で拘束しながら多段フィンの組み立てを行った。
(B) Assembling multi-stage fins Using a rectangular assembly jig, a brazing material is attached to the plate and welded and fixed in the order of a closing plate (separator), and a three-layer structure fin with an uneven shape is placed on it. It was. Subsequently, the multi-stage fins were assembled in the same manner, and the multi-stage fins were assembled while being restrained by a jig.
(ウ)真空ろう付
多段フィンを拘束仮組した状態で真空炉に入れて真空度1×105torr、最高温度1,323〜1,373K、最高保持時間10〜15分間の処理条件により真空ろう付けを行った。
(C) Vacuum brazing The multistage fins are placed in a vacuum furnace in a constrained temporary assembly, and are vacuumed according to processing conditions of a vacuum degree of 1 × 10 5 torr, a maximum temperature of 1,323 to 1,373 K, and a maximum holding time of 10 to 15 minutes. Brazed.
高温強度・疲労試験の結果を図4に示す。図中、クローズ(黒)シンボルは本発明による二層ろう接材、オープン(白)シンボルは従来材であり、○□印はそれぞれ強度と0.2%保証であり、破線は比較のためのSUS304母材である。図に示すように、高温強度についてはSUS304母材の約1.8倍の高温強度を達成した。 The results of the high temperature strength / fatigue test are shown in FIG. In the figure, the closed (black) symbol is the two-layer brazing material according to the present invention, the open (white) symbol is the conventional material, the □ mark indicates the strength and 0.2% guarantee, and the broken line is for comparison. SUS304 base material. As shown in the figure, the high temperature strength was about 1.8 times that of the SUS304 base material.
本発明にしたがって、SUS304母材製フィン側壁部両面をNiろう材でろう接することにより、両面にNiベースの高強度のろう接反応層が形成され母材強化が図られた。 In accordance with the present invention, by brazing both sides of the fin side wall portion made of SUS304 base material with Ni brazing material, a Ni-based high strength brazing reaction layer was formed on both sides, and the base material was strengthened.
Claims (3)
当該矩形凹凸オフセットフィンプレートにろう接されているセパレーター
を具備する、細密プレートフィン型熱交換器に使用するオフセットフィン。 A three-layer structure of brazing material / substrate / brazing material comprising an offset substrate and a high-strength brazing reaction layer formed by vacuum brazing an amorphous tape-shaped Ni brazing thin film over the entire upper and lower surfaces of the offset substrate and offset fins the rectangular unevenness offset fin plates comprising a separator that is soldered, using a fine plate-fin heat exchanger; rectangular unevenness offset fin plate is.
当該三層構造体を上部固定ダイと下部固定ダイに固定し、下部可動ダイで当該三層構造体を押し上げて上部固定ダイの切り欠き部に沿って変形させ、次いで、上部可動ダイで当該三層構造体を押し下げて下部固定ダイの切り欠き部に沿って変形させることを繰り返して矩形凹凸形状に加工して、矩形凹凸オフセットフィンプレートを形成し、
当該矩形凹凸オフセットフィンプレートの両側面にセパレーターを位置づけ、セパレーター/矩形凹凸オフセットフィンプレート/セパレーターからなる多段フィンを組み立て、
当該多段フィンを真空ろう付けして、当該矩形凹凸オフセットフィンプレートの表面全体に高強度のろう接反応層を形成する
ことを含む、細密プレート型熱交換器に使用するオフセットフィンの二層ろう接による積層構造強化方法。 A morphous tape-shaped Ni brazing thin film is positioned on the entire upper and lower surfaces of the offset substrate to form a three-layer structure of brazing material / substrate / brazing material,
The three-layer structure is fixed to the upper fixed die and the lower fixed die, and the three-layer structure is pushed up by the lower movable die and deformed along the cutout portion of the upper fixed die, and then the three movable layers are By repeatedly pressing down the layer structure and deforming along the notch portion of the lower fixed die , processing into a rectangular uneven shape, forming a rectangular uneven offset fin plate,
Positioning a separator on both sides of the rectangular unevenness offset fin plate, assembled multistage fins made of separator / rectangular unevenness offset fin plate / separator,
Two-layer brazing of offset fins for use in a fine plate heat exchanger, comprising vacuum brazing the multi-stage fins to form a high strength brazing reaction layer over the surface of the rectangular rugged offset fin plate. The laminated structure strengthening method by.
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