JP5480521B2 - 薄い伝熱板どうしの蝋付け方法およびこの方法で製造された蝋付け型のプレート熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、鉄を主成分とした材料で作られ、複数のポート孔と、各板の熱交換領域および存在するときには分散した領域に形成された、突起とくぼみからなる押し型とを備えている、プレート熱交換器の薄い伝熱板どうしの接合方法に関する。各板は蝋付け工程の前に蝋付け材料で覆われる。各板は、隣接する板どうしで突起とくぼみとが接触するように配置されている。複数の板からなる製造すべきパッケージは、蝋付け材料が上記接触部で溶けて各板が一体に蝋付けされるように加熱される。本発明はまた、鉄を主成分とした材料で作られ、複数のポート孔と、熱交換領域および存在するときには分散した領域に形成された、突起とくぼみからなる押し型とを備え、本発明の方法により一体に蝋付けされた薄い伝熱板で組み立てられている蝋付け型のプレート熱交換器を含む。

プレート熱交換器を製造する場合、一体に蝋付けすべき伝熱板の間に配置される、好適な蝋付け材料で作られた金属箔が一般に用いられる。金属箔がそれぞれの間に配置された複数の伝熱板は、熱交換するべき媒体用の所望数の流路を備えたプレートパッケージを形成する。このプレートパッケージは加熱炉内に配置され、蝋付け材料が溶ける温度まで加熱される。蝋付けは真空状態で、または挿入物、すなわち、窒素、水素、ヘリウム、アルゴン、またはそれらの混合物などのような活性化遮蔽ガスが存在する状態で行われる。

蝋付けによる接合を実現するために蝋付け材料は、一体に蝋付けされる対象物の表面を湿らせる必要があり、かつ、一体に接合されるそれらの対象物の融点より低い融点を備えている必要がある。

粉末の蝋付け材料を使う場合、それに結合剤を混合してもよいし、あるいは２回の工程でそれを各板に加えてもよい。

また、蝋付け材料を、結合剤と液体との混合物の状態で分散させてもよいし、ベースとなる材料の表面に塗布またはスプレーしてもよい。他の方法として、最初に結合剤を塗布し、次いで粉末の蝋付け材料を塗布する方法がある。結合剤を用いると、プレートパッケージは、材料が蝋付け温度に達する前に結合剤が蒸発するように、徐々に適切に加熱される。

熱交換器の十分な強度を得るために、脆弱相または亀裂群のない完全な蝋付け接合を実現するための努力がなされている。脆弱相や亀裂群は疲労破壊の起点となる亀裂を構成し、また、熱交換器における重大な故障の原因となるような腐食セルを形成する前提条件となることがある。結果として生じる起点となる亀裂はまた、合金の成分が熱交換媒体内へ溶出することを引き起こすことがあり、これは食料品の用途のための蝋付け構造においては不適当である。

活性化蝋付け材料、すなわち融点を下げる成分を含む蝋付け材料を使用すると、脆弱相が形成されるおそれは高くなる。このことは、融点を下げる成分が蝋付け接合部の内部およびその周辺に拡散する速度に影響する処理に依存している。拡散の推進力および力学的条件が適切であると、接合部に脆弱相が形成されない、いわゆる臨界接合クリアランスが大きくなる。

Ａ．Ｓ．マクドナルド、「ステンレス鋼製の薄い鋼材どうしを蝋付けするための合金（Ａｌｌｏｙｓ ｆｏｒ ｂｒａｚｉｎｇ ｔｈｉｎ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）」、１９５７年３月、溶接ジャーナル

今日使用されている蝋付け材料は、亀裂に浸透し、ベースの材料に対する良好な接合を実現するために、優れた流動および湿潤特性を備えていることが多い。一体に蝋付けされる複数の板が突起とくぼみとを備えた押し型を有するプレート熱交換器では、蝋付け接合部は、通常、点状となっている。一般に、ポート孔を除いて板の全体を覆う、均一な厚さの箔形の蝋付け材料が使用される。このことは、蝋付け接合部に十分な量の蝋付け材料を備えるために過剰な蝋付け材料が使用されることを意味している。蝋付け接合部における蝋付け材料の量を制御することは困難なため、一部の蝋付け接合部での蝋付け材料の量が多くなりすぎるおそれが高くなる。そして脆弱相の可能性は大きくなる。

１９５７年３月の溶接ジャーナルの、Ａ．Ｓ．マクドナルドによる論文「ステンレス鋼製の薄い鋼材どうしを蝋付けするための合金（Ａｌｌｏｙｓ ｆｏｒ ｂｒａｚｉｎｇ ｔｈｉｎ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）」は、どの合金が薄い鋼材要素、例えば熱交換器に蝋付けするのに適しているかについて論じている。論文の著者によれば、理想的な合金とは湿ったものであって、かつ、遮蔽された雰囲気の中で蝋付け工程中にフラックス剤を全く必要とせずにステンレス鋼の表面上を流れることができなければならない。それはベースの材料を溶解させたり、その材料に浸透して同材料を損傷させたりするものであってはならず、また、得られた蝋付け接合部は、優れた機械的強度を備え酸化しにくいものでなければならない。

前述の論文には、ボロンを含み、他の結合部では非常に有用である、ニッケルを主成分する一般的な合金は、その溶解特性および浸透特性により使用できないとの記載が続いている。

本発明によれば、全体的にみて蝋付け材料の使用量を減らすことによって、上記の蝋付け材料を使用するときと、好適な蝋付け材料を塗布する他のときの両方で蝋付け型熱交換器の強度を増すことができることが驚くべきことに見出された。

本発明による方法は、熱交換領域および存在するときには分散した領域の５〜４０％、好ましくは１０〜３０％を、蝋付け工程の前に蝋付け材料で覆うことを主な特徴とする。板どうしを、ポート孔の近くおよびその縁部の近くで一体に蝋付けすることは、通常のやり方で行われ、本発明によって影響されることはない。蝋付け型のプレート熱交換器に使用される各板は最大で０．８ｍｍの厚さを有している。より厚い板材を使用すると熱交換能力は非常に悪くなる。加圧された蝋付け型のプレート熱交換器では、荷重を受けるのは板どうしの間の蝋付け接合部だけである。蝋付け接合部に備えられた蝋付け材料の量のみが、その接合部がさらされる歪に耐える能力に影響する。

本発明による方法は、蝋付け材料が、点状の全ての接触領域および線状の全ての接触領域いずれにも選択的に塗布されるという利点を備え用いられている。あるいは、蝋付け材料を、点状の接触領域のうちのいくつか、または線状の接触領域の一部のみに選択的に塗布してもよい。通常、押し型のデザイン、板の厚み、およびプレート熱交換器が受ける圧力条件に応じて、それらの２つの方法のうちの１つが選択される。圧力は、用途に応じて１〜４０ｂａｒの間で変更してもよい。

最大の強度を有するプレート熱交換器を得るために、主として延性のある蝋付け接合部が得られる程度の量の蝋付け材料が加えられる。そのような蝋付け接合部は脆弱相を全く含まないか、またはごく少量しか含まない。蝋付け接合部の脆弱相は、蝋付け接合部が疲労により早期に壊れ（寿命が短くなる）、また、腐食破壊の亀裂を形成することをともなうことがある。延性のある蝋付け接合は、蝋付け材料の量が接触部の領域を少しだけ超えるときに得られる。

本発明の方法では、蝋付け材料は、活性蝋付け材料、すなわち、鉄を主成分とした板材内に拡散してその蝋付け接合部での材料の溶融間隔を変化させる成分を含む蝋付け材料からなることが有利である。そのような蝋付け材料は、クロムと融点を下げる添加物を含んだニッケル合金、または融点を下げる添加物を含んだステンレス鋼からなるものであってもよい。コバルトまたは銀を主成分とした蝋付け材料も存在する。

使用される蝋付け材料は、好ましくは、伝熱板の主成分材料の中で成分が蝋付け用フィラー内へ移動し、それにより蝋付け接合部の強度を高めるように、主成分の材料と相互に作用する、銅や銀といった周知の蝋付け材料からなることが有利である。

本発明によれば、蝋付け材料は、例えばセルロースを主成分とした結合剤として不活性充填材料を含んでいてもよい。

本発明は、複数のポート孔と、各板の熱交換領域および存在するときには分散した領域に突起とくぼみからなる押し型とを備え、鉄を主成分とした材料からなり、請求項１にしたがって製造された薄い複数の伝熱板で組み立てられている蝋付け型熱交換器も含む。

本発明の蝋付け型のプレート熱交換器は、活性蝋付け材料、すなわち蝋付け工程中に主成分の材料の中に拡散可能な、融点を下げる成分を含む蝋付け材料を用いて板どうしを接合することにより有利に製造される。接合した後、蝋付け材料は、鉄を主成分とした板材の内部に拡散してしまった、融点を下げる成分を除いて主に蝋付け接合部に存在している。

本発明の方法によれば、蝋付け材料は様々な方法で塗布可能であり、蝋付け材料をノズルを通じて押し出すことにより滴状または糸状に塗布してもよい。また、結合剤を滴状または糸状に塗布し、その表面上に蝋付け用粉末を散布してもよい。余分な蝋付け材料は、その後、蝋付け工程前に取り除いておかなければならない。例えばスクリーン印刷などのある種の印刷によって、蝋付け材料を伝熱板上に塗布してもよい。この方法によって蝋付け材料を板上に素早く塗布できる。

結合剤およびその使用量の選択は、塗布後の形状が永続性することに対する要求、および吐出ノズルの、供給、圧力、および寸法といったパラメータに依存する。通常はセルロースを主成分とするゲル状の結合剤が、それらが保存中および塗布後に蝋付け材料の粒子が固まることを遅らせるために分配用に用いられる。このペーストは歯磨き粉と同じ働きをする。通常、９〜１５％の結合剤が使用される。その量は蝋付け用粉末内の粒子の粒度分布に依存する。微細な成分の割合が多くなれば、滑らかなペーストを得るにはより多量の結合剤が必要となる。

シルクスクリーンによる印刷であるスクリーン印刷では、粉末粒子の薄いスラリーが使用される。結合剤は、最大約２０００ｃｐｓ程度のとりわけ大きい粘性である必要はほとんどなく、そして最大で２０％の多量の結合材が使用可能である。

開口部による印刷であるステンシル印刷では、蝋付け用粉末と結合剤との混合物は細粒の顆粒粘土と同じぐらいの粘性を有していなければならない。このペーストは押されて、ブレードの前で「ソーセージ」のように転がり、ステンシルの穴を通らなければならない。この種のペースト、結合剤、および粉末用の代表的な粘度は５００００ｃｐｓより大きい。

細かく細分した主成分材料、または蝋付け工程中に溶融しない粒子を公知の蝋付け材料に加えることによって蝋付け材料の粘度を上げてもよい。

所望量の蝋付け材料は、上記方法または他の方法のうちの任意の方法で、一括に蝋付けされる各接触点に供給される。そして蝋付け材料は、その接触点よりやや広い領域を覆う。接触点の直径は２ｍｍであってもよい。蝋付け材料は、接合すべき２枚の伝熱板間の割れ目内に毛管力によって吸引される。そうすることを望むのであれば、蝋付け材料を蝋付け工程前に接触点を囲む環状となるように塗布してもよい。

蝋付け型熱交換器で使用される板は、熱交換領域上に杉綾模様型の押し型を有していることが多い。パターン形状に応じて、加えられる蝋付け材料の量はいくらか変わるが、一例として、蝋付け材料が全ての接触点に塗布されるときには熱交換領域の１３〜１５％が蝋付け材料で覆われているようにしてもよい。蝋付け材料を糸状に塗布する場合、蝋付け材料はある種類の押し型の熱交換領域のうちの約３０％を覆う。突起とくぼみとが交差したパターンではなく、板どうしの間が他のある種類の接触をなすパターンを有している熱交換器では、１０％をいくらか超える熱交換領域が蝋付け材料で覆われる。各蝋付け点には１〜３０ｍｇの蝋付け材料が塗布される。

本発明によれば、蝋付け接合部が脆弱相をごく少量しか含まないようにすることが実現される。脆弱相の量は、疲労強度に悪影響を及ぼすことが知られている。脆弱相の量は、接合部の間隔、板の厚さ、蝋付け材料の量、蝋付け材料の塗り方、および蝋付け工程中の時間−温度の関係に依存している。

延性のある蝋付け接合部についての引張荷重のグラフである。 多量の脆弱相を含む蝋付け接合部についての引張荷重のグラフである。 蝋付け接合部とその蝋付けされた熱交換器の各特性が、蝋付け材料の量によってどのように影響を受けるかを示す主要なグラフである。

蝋付け材料の量を変化させながら所定の方法で一体に接合される、所定の板厚の円形の素材を試験用に使用した。得られた蝋付け接合部（４ユニット）についての引張荷重を試験した。接合された板状の素材は、ある一定のひずみ率で互いに離れるように引っ張られる。

蝋付け材料を点状に塗布した後に一括に蝋付けされた試験用素材についての引張試験のグラフである図１から分かるように、延性の蝋付け部は、最大引張荷重で最初の蝋付け部が破断するまで一様なカーブで伸びている。その後、他の蝋付け部が次々と破断する。

表面の全体にわたって蝋付け材料で覆われた試験用素材についての引張試験のグラフを示す図２では、そのカーブは、最大引張荷重に達する前に既に、脆弱相および亀裂の開始を示唆する切欠きを示していることが分かる。その切欠きは、例えば疲労特性に対して、臨界的である初期亀裂を示している。

図３は、存在するときには分散した領域も含む熱交換領域上への蝋付け用フィラーの量を変化させた結果、蝋付け型のプレート熱交換器の様々な特性がどのように変化するかについての主要な図を示している。特性が同様に変化するグラフが、コバルト、ネッケル、または鉄合金を主成分とした活性蝋付け材料でも得られる。グラフから分かるように、脆弱相の量は、蝋付け用フィラーの量の増加にともなって全表面領域のパーセントとして増える。脆弱相の量が増えると延性は小さくなる。破断までのサイクル数（寿命）は、表面上の蝋付け用フィラーの割合の関数として最初の頂点までは増え、そこから、寿命後は一定に近い値に下がる。

プラスの要素とマイナスの要素がバランスしていることは、蝋付け用フィラーの表面に５〜４０％の範囲内で塗布することが、蝋付け型熱交換器に静的および動的な改善された強度、長寿命で延性の蝋付け接合部を与えるといえる。

１０〜３０％の範囲内ではより最高の結果が得られる。

Claims (8)

1. 各伝熱板の熱交換領域に、または各伝熱板の熱交換領域と分散領域に、突起とくぼみとからなる押し型と、複数のポート孔とを備える、鉄を主成分とした材料からなる薄い伝熱板どうしを接合する方法であって、前記各伝熱板を接合する前に、蝋付け材料を前記各伝熱板に塗布し、隣り合う前記伝熱板の突起とくぼみとが接触するように前記各伝熱板を配置し、形成された接触部において前記伝熱板どうしを蝋付け一体化する、伝熱板どうしの接合方法において、
   前記熱交換領域の１０〜３０％、または前記熱交換領域および前記分散領域の合計の１０〜３０％に、蝋付け前に蝋付け材料が塗布される、伝熱板どうしの接合方法。
2. 前記蝋付け材料は、点状の全ての接触部または線状の全ての接触部のいずれにも選択的に塗布されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記蝋付け材料は、点状の接触部のうちのいくつか、または線状の接触部の一部のみに選択的に塗布されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記蝋付け材料は、前記蝋付け工程中に鉄を主成分とした前記板材内に拡散し、蝋付け接合部での前記材料の溶融間隔を変化させる、融点を下げる成分を含む蝋付け材料からなることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記蝋付け材料は、不活性充填材料を含んでいる、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 複数のポート孔および、各板の熱交換領域に形成された突起とくぼみからなる押し型、または、各板の熱交換領域と分散領域に形成された突起とくぼみからなる押し型を備え、鉄を主成分とした材料からなる薄い伝熱板で組み立てられた蝋付け型のプレート熱交換器において、
   前記熱交換器は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の方法により製造され、
   蝋付けに使用される蝋付け材料が、融点を下げる成分を含む一つ又は複数の鉄合金からなる活性蝋付け材料であることを特徴とする、蝋付け型のプレート熱交換器。
7. 前記接触部のうち互いに接合している接触部に存在している前記蝋付け材料は、前記伝熱板の鉄を主成分とした材料内に拡散していることを特徴とする、請求項６に記載の蝋付け型プレート熱交換器。
8. 活性蝋付け材料は、蝋付け前はペースト状である、請求項６または７に記載の蝋付け型プレート熱交換器。

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