JP6192564B2 - プレート式熱交換器およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、複数枚の伝熱プレートが積層されたプレート式熱交換器に関する。
熱交換器としては種々のタイプのものが存在するが、プレート式熱交換器は熱交換性能が極めて高いために、電気給湯機や産業用機器、或いは自動車の空調装置等に使用されている。
プレート式熱交換器は、積層したプレートにより熱交換媒体の通路、つまり高温媒体と低温媒体の通路を隣接して構成し、これら高温媒体の通路と低温媒体の通路に流す温度差を有する媒体に熱の授受により相互に熱交換作用を行うように構成されている。
プレート式熱交換器は、積層したプレートにより熱交換媒体の通路、つまり高温媒体と低温媒体の通路を隣接して構成し、これら高温媒体の通路と低温媒体の通路に流す温度差を有する媒体に熱の授受により相互に熱交換作用を行うように構成されている。
例えば、特許文献１には、流路となる波形状が付与されたプレートを積層させ、各種接合方法（ガスケットとネジによる締結、溶接、ろう付け）により接合することで高温流路と低温流路が交互に存在する構造を造り出している。
一方、熱交換器そのものの耐久性向上の観点から、素材金属板として耐食性に優れたステンレス鋼板が用いられるようになっている。そして、小中型の熱交換器については耐圧性を考慮し、ろう付けで接合されることが多くなっている。
一方、熱交換器そのものの耐久性向上の観点から、素材金属板として耐食性に優れたステンレス鋼板が用いられるようになっている。そして、小中型の熱交換器については耐圧性を考慮し、ろう付けで接合されることが多くなっている。
しかしながら、波形状が付与されたプレート型部品を積層してろう付けにより接合しようとすると、接合時に生じる溶損やろう部の割れ、耐食性の低下、溶融したろうによる流路埋没等、ろう材特有の接合不具合が発生する場合がある。また、ろう材の使用によるコストもかかる。
一方、接合部の耐食性低下を抑制する方法として、ろう付けに替えて固相拡散接合の適用が考えられる。固相拡散接合は高温圧力下で接合界面に生じる母材原子の相互拡散を利用した接合方法であり、接合部は母材なみの強度、耐食性を呈している。一方で、固相拡散による接合性は、接合面での加圧力や温度等が影響する。
一方、接合部の耐食性低下を抑制する方法として、ろう付けに替えて固相拡散接合の適用が考えられる。固相拡散接合は高温圧力下で接合界面に生じる母材原子の相互拡散を利用した接合方法であり、接合部は母材なみの強度、耐食性を呈している。一方で、固相拡散による接合性は、接合面での加圧力や温度等が影響する。
特に、素材金属板としてステンレス鋼板を用いる場合、ステンレス鋼の拡散接合には添加元素が強く影響し、易酸化元素であるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉが多く含まれると接合界面表層に強固な酸化物または酸化皮膜を形成し接合を阻害することがある。
また、積層したプレート型部品を上下方向から加圧して固相拡散接合させようとするとき、上下関係の接合面での固相拡散接合は十分に行われるが、側面方向からの押圧力が不十分になりやすいため、上下のプレートの側端面の接合が不十分になりやすい。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、プレート式熱交換器を構成するプレート型部品の側端面の形状を規定し、側端面および上下のプレート型部品の流路の接合を、ろう付けに替えて固相拡散接合で行うことにより、特に素材としてステンレス鋼板を用いたものであっても、気密性を確保したプレート式熱交換器を簡便に製造することを目的とする。なお、加重付与されにくい領域には、一部ろう材を供給することが許容される。
また、積層したプレート型部品を上下方向から加圧して固相拡散接合させようとするとき、上下関係の接合面での固相拡散接合は十分に行われるが、側面方向からの押圧力が不十分になりやすいため、上下のプレートの側端面の接合が不十分になりやすい。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、プレート式熱交換器を構成するプレート型部品の側端面の形状を規定し、側端面および上下のプレート型部品の流路の接合を、ろう付けに替えて固相拡散接合で行うことにより、特に素材としてステンレス鋼板を用いたものであっても、気密性を確保したプレート式熱交換器を簡便に製造することを目的とする。なお、加重付与されにくい領域には、一部ろう材を供給することが許容される。
本発明のプレート式熱交換器は、その目的を達成するため、熱交換器ケースを構成する矩形プレート型部品が、周縁に縦壁部を備えた箱型部品であり、当該箱型部品と同形の箱型部品が水平面の向きを反転させて前記箱型部品に積層されるとともに、当該積層された積層下部品の縦壁部上部が当該積層された積層上部品の縦壁部下部に嵌入されており、前記縦壁部の角度（θ）がθ≦３０°であって、前記縦壁部上部と前記縦壁部下部との当接部位において少なくとも一部が固相拡散接合されていることを特徴とする。
また、必要とする接合強度によっては、前記当接部位の少なくとも一部にろう付け接合を適用できる。その他の前記積層上部品と前記積層下部品との当接部においても、固相拡散接合またはろう付け接合により接合することが好ましい。
また、必要とする接合強度によっては、前記当接部位の少なくとも一部にろう付け接合を適用できる。その他の前記積層上部品と前記積層下部品との当接部においても、固相拡散接合またはろう付け接合により接合することが好ましい。
前記箱型部品は、その上面において対象位置に二種の開口が、一方は当該箱型部品の上方に張出して開口し、他方は当該箱型部品の内方に同じ高さで張出して開口した形で形成されたプレス成型品であり、前記積層下部品の上方張出開口部上面と前記積層上部品の下方張出開口部上下面の当接部において両者が固相拡散接合またはろう付け接合されていることが好ましい。
また、前記積層箱型部品の上面平坦部に、断面形状が三角または台形または四角形で高さがフランジ高さと同じフィンが形成されており、積層上部品の先端片が積層下部品のパンチ肩近傍平坦部に当接させた際に、前記フィンの先端同士が当接し、当該当接部で両者が固相拡散接合またはろう付けされて形成された流路接合部が、母材強度と同等並みの良好な接合強度を有することが好ましい。
積層された二つの箱型部品の間に、断面形状が三角または台形または四角形で高さがフランジ高さと同じフィン部品が挿入され、積層上部品の先端片が積層下部品のパンチ肩近傍平坦部に当接させた際に、前記フィン部品の先端が箱型部品の上面平坦部に当接し、当該当接部で両者が固相拡散接合またはろう付けされて流路接合部が形成されているものであってもよい。
積層された二つの箱型部品の間に、断面形状が三角または台形または四角形で高さがフランジ高さと同じフィン部品が挿入され、積層上部品の先端片が積層下部品のパンチ肩近傍平坦部に当接させた際に、前記フィン部品の先端が箱型部品の上面平坦部に当接し、当該当接部で両者が固相拡散接合またはろう付けされて流路接合部が形成されているものであってもよい。
前記形状のプレート式熱交換器を、ステンレス鋼板を素材として製造する場合、化学成分が０．１Ｓｉ＋Ｔｉ＋Ａｌ＜０．１５質量％、表面粗さＲａ≦０．３μｍのフェライト単相系ステンレス鋼板またはオーステナイト系ステンレス鋼板またはマルテンサイト系ステンレス鋼板を用いた積層組立体を、加熱温度が１１００℃以上、加圧力が０．３ＭＰａ以上、１×１０−２Ｐａ以下の雰囲気で加熱して固相拡散接合することにより製造される。ここで１×１０−２Ｐａ以下は、加熱温度に達したときの雰囲気圧力を示す。加熱中の炉中の雰囲気圧力がこの圧力まで低下した後であれば、このあと、炉中にＡｒやＮ２などの不活性ガスを含有していても構わない。
化学成分が０．１Ｓｉ＋Ｔｉ＋Ａｌ＜０．１５質量％の２相系ステンレス鋼板を使用し、加熱温度が１０００℃以上、加圧力が０．１ＭＰａ以上、雰囲気圧力１×１０−２Ｐａ以下の雰囲気で加熱する場合、表面粗さＲａ≦２．０μｍのステンレス鋼板でも十分に固相拡散接合することができる。
化学成分が０．１Ｓｉ＋Ｔｉ＋Ａｌ＜０．１５質量％の２相系ステンレス鋼板を使用し、加熱温度が１０００℃以上、加圧力が０．１ＭＰａ以上、雰囲気圧力１×１０−２Ｐａ以下の雰囲気で加熱する場合、表面粗さＲａ≦２．０μｍのステンレス鋼板でも十分に固相拡散接合することができる。
本発明によれば、プレート式熱交換器を構成するプレート型部品の側端面の接合および上下のプレート型部品の流路の接合の少なくとも一部が、ＣｕやＮｉ等のろう材を用いることのない固相拡散接合で行われているため、気密性が十分に確保されたプレート式熱交換器が低コストで提供される。
また、素材鋼板としてステンレス鋼板を使用することにより、耐久性に優れたプレート式熱交換器が低コストで提供できることになる。
また、素材鋼板としてステンレス鋼板を使用することにより、耐久性に優れたプレート式熱交換器が低コストで提供できることになる。
前記した通り、プレート式熱交換器は、積層したプレートにより熱交換媒体の通路、つまり高温媒体と低温媒体の通路を隣接して構成し、これら高温媒体の通路と低温媒体の通路に流す温度差を有する媒体が熱の授受により相互に熱交換作用を行うように構成されている。
簡便な構造としては、例えば図１、２に見られるように、同形状の箱型部品を複数製造し、この箱型部品に水平面で１８０°程度回転し、向きを反転させた箱型部品を積み重ね、さらに箱型部品を積み重ねることを繰り返して、熱交換器を構築することが想定される。
簡便な構造としては、例えば図１、２に見られるように、同形状の箱型部品を複数製造し、この箱型部品に水平面で１８０°程度回転し、向きを反転させた箱型部品を積み重ね、さらに箱型部品を積み重ねることを繰り返して、熱交換器を構築することが想定される。
そして、上記積層体を熱交換器として機能させるためには、積層した箱型部品の周縁縦壁部および開口周縁部の当接部位において、上部品と下部品を気密接合する必要がある。
箱型部品として、鋼板にプレス加工を施し、周縁縦壁部を僅かに下開きにするとともに、対象位置に二種の開口が、一方は周縁縦壁部高さの１／２より低い高さで当該矩形プレート型部品の上方に開口し、他方は同じく周縁縦壁部高さの１／２より低い高さで当該矩形プレート型部品の内方に開口した形で形成された部品を作製し、この箱型部品を底板の上に載置した後、この箱型部品上に同形の箱型部品を水平面で１８０°程度回転し、向きを反転させて載置する操作を繰り返すと、図２に見られるような熱交換器構造が得られる。なお上側の箱型部品の周縁縦壁部は下側の箱型部品の周縁縦壁部にラップするように差し込まれる形態となっている。
箱型部品として、鋼板にプレス加工を施し、周縁縦壁部を僅かに下開きにするとともに、対象位置に二種の開口が、一方は周縁縦壁部高さの１／２より低い高さで当該矩形プレート型部品の上方に開口し、他方は同じく周縁縦壁部高さの１／２より低い高さで当該矩形プレート型部品の内方に開口した形で形成された部品を作製し、この箱型部品を底板の上に載置した後、この箱型部品上に同形の箱型部品を水平面で１８０°程度回転し、向きを反転させて載置する操作を繰り返すと、図２に見られるような熱交換器構造が得られる。なお上側の箱型部品の周縁縦壁部は下側の箱型部品の周縁縦壁部にラップするように差し込まれる形態となっている。
ここで、上部品と下部品を気密接合する必要がある。気密接合する部位としては、上部品の流路となる下方開口端と下部品の流路となる上方開口端との当接部及び上側箱型部品の周縁縦壁部と下側箱型部品の周縁縦壁部のラップ部である。
前記各部位をろう付けはなく、固相拡散接合しようとすると、上記のような積層構造では、上部品の下方開口端と下部品の上方開口端との当接部への加重付与は問題ないが、周縁縦壁部のラップ部への加重付与が困難となる。すなわち、周縁縦壁部のラップ部に上下方向から加重を掛けることは極めて難しくなって、十分に固相拡散接合が行えなくなる。
したがって、周縁縦壁部のラップ部位について接合方法を再検討する必要がある。
前記各部位をろう付けはなく、固相拡散接合しようとすると、上記のような積層構造では、上部品の下方開口端と下部品の上方開口端との当接部への加重付与は問題ないが、周縁縦壁部のラップ部への加重付与が困難となる。すなわち、周縁縦壁部のラップ部に上下方向から加重を掛けることは極めて難しくなって、十分に固相拡散接合が行えなくなる。
したがって、周縁縦壁部のラップ部位について接合方法を再検討する必要がある。
そこで、本発明では、上部品の下方開口端と下部品の上方開口端の当接部は、固相拡散接合を行い、上側箱型部品の周縁縦壁部と下側箱型部品の周縁縦壁部のラップ部は、形状を規定し、接合性を確保しようとするものである。
具体的には、図３（ｂ）に示すように、鋼板にプレス加工を施し周縁に縦壁部を有するとともに、その上面において対象位置に二種の開口が、一方は当該箱型部品の上方に張出して開口し、他方は当該箱型部品の内方に同じ高さで張出して開口した形で形成されたプレス成形で形成された箱型部品を作製した。なお、図３（ａ）中、箱型部品１と箱型部品２は、単に水平面の向きを反転させたものであり、同形状を有している。そして、上方及び下方に張出して開口した開口部の高さを足し合わせた高さが箱型の矩形プレート型部品単品の高さとなる。
具体的には、図３（ｂ）に示すように、鋼板にプレス加工を施し周縁に縦壁部を有するとともに、その上面において対象位置に二種の開口が、一方は当該箱型部品の上方に張出して開口し、他方は当該箱型部品の内方に同じ高さで張出して開口した形で形成されたプレス成形で形成された箱型部品を作製した。なお、図３（ａ）中、箱型部品１と箱型部品２は、単に水平面の向きを反転させたものであり、同形状を有している。そして、上方及び下方に張出して開口した開口部の高さを足し合わせた高さが箱型の矩形プレート型部品単品の高さとなる。
上記の箱型部品を底板の上に載置した後、この箱型部品上に同形の箱型部品を水平面で１８０°程度回転し、向きを反転させて載置する操作を繰り返し、別途準備した継手や天板を積層体に組み付けると、図３（ａ）に見られるような熱交換器構造が得られる。
なお、上側の箱型部品の周縁縦壁部は下側の箱型部品の周縁縦壁部にラップするように、差し込まれる形態となっている。このため、縦壁部の高さは前記上方及び下方に張出して開口した開口部の高さを足し合わせた高さよりも高くする必要がある。
なお、上側の箱型部品の周縁縦壁部は下側の箱型部品の周縁縦壁部にラップするように、差し込まれる形態となっている。このため、縦壁部の高さは前記上方及び下方に張出して開口した開口部の高さを足し合わせた高さよりも高くする必要がある。
本発明では、上側箱型部品の周縁縦壁部と下側箱型部品の周縁縦壁部との少なくとも一部が固相拡散接合される。このため、上側箱型部品の周縁縦壁部および下側箱型部品の下開きの角度、すなわち図５（ｂ）に示す縦壁角度（θ）は、固相拡散接合させる際には、上下方向からの加重が縦壁部に付与されるように、１５°≦θ≦３０°であることが望ましい。気密性を十分確保するため、縦壁部の一部をろう付けする際は、縦壁部がわずかに下開きの形態で、かつ、プレート式熱交換器そのものの大きさが大きくならないために、０≦θ≦１５°と極力小さくすることが好ましい。
箱型部品１と、それを向きを反転させたものである箱型部品２を、別途準備した底板や天板、継手とともに、図３（ａ）に示すように組み付けた積層体を上下方向から加重をかけた状態で高温下に保持すると、図３（ａ）中ａ、ｂ、ｃ、及びｄで示される部位で固相拡散接合されることになる。
ところで、熱交換器では、熱交換媒体の通路、つまり高温媒体と低温媒体の通路を隣接して構成し、高温媒体の通路と低温媒体の通路に流す温度差を有する媒体に熱の授受により相互に熱交換作用を行うように構成されている。このため、熱交換作用の効率を高めるためには、高温媒体と低温媒体の通路を分ける隔壁面を広くすることが有効である。
そこで、本発明では、積層箱型部品の上面平坦部に、断面形状が三角または台形または四角形で高さが箱型部品の高さと同じフィンを設けることにした。
そこで、本発明では、積層箱型部品の上面平坦部に、断面形状が三角または台形または四角形で高さが箱型部品の高さと同じフィンを設けることにした。
具体的には、図４に示すように、断面形状が三角形、台形、または四角形で高さが箱型部品の高さと同じフィンを箱型部品の上面平坦部に当該箱型部品の内側方向に形成する。この上面平坦部にフィンを形成した箱型部品を積み重ねる。なお、図４中、箱型部品２は箱型部品１を向きを反転させたものであり、箱型部品３は箱型部品１と同じ形の同じ方向に配置したものである。
上側箱型部品の縦壁部に下側箱型部品の縦壁部が差し込まれるように積み重ねると、前記フィンの先端同士が当接することになる。したがって、この状態で上下方向から加重をかけた状態で高温下に保持すると、図５中、○部、□部で固相拡散接合される。なお、フィン部品同士をろう付け接合してもよい。
箱型部品自体にフィンを設けるのではなく、フィン部品と箱型部品を別々に作製し、積層した上下の箱型部品の間にフィン部品を挿入してもよい。
上側箱型部品の縦壁部に下側箱型部品の縦壁部が差し込まれるように積み重ねると、前記フィンの先端同士が当接することになる。したがって、この状態で上下方向から加重をかけた状態で高温下に保持すると、図５中、○部、□部で固相拡散接合される。なお、フィン部品同士をろう付け接合してもよい。
箱型部品自体にフィンを設けるのではなく、フィン部品と箱型部品を別々に作製し、積層した上下の箱型部品の間にフィン部品を挿入してもよい。
縦壁部の一部をろう付けする場合、ろう材としては、ＪＩＳＺ３２６５に規定されるＮｉろうのＢＮｉ−５や、ＢＮｉ−５をベースにＰを添加したもの、ＪＩＳＺ３２６２に規定されるＣｕろうのＢＣｕ−１（無酸素銅）を主に用いることができる。形態としては、粉末およびバインダーを混合してペースト状にしたもの、ろう材を箔状に成形したものを使用できる。箱型部品の素材、形状などに応じてろう材の種類、形態、使用量を選択することができる。例えば、フィン部品を配置した箱型部品を積層したときに形成される縦壁部の隙間にろう材を０．１ｇ／ｃｍ２以上１．０ｇ／ｃｍ２以下を塗布することが好ましい。
以上、本発明のプレート式熱交換器の構造について説明してきたが、課題の項中にも記載しているように、耐食性が必要な環境下で本発明のプレート式熱交換器に耐久性を持たせるには、素材鋼板としてステンレス鋼板を用いることが好ましい。
しかしながら、素材鋼板としてステンレス鋼板を用いる場合、ステンレス鋼の拡散接合には添加元素が強く影響し、易酸化元素であるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉが多く含まれると接合界面表層に強固な酸化物または酸化皮膜を形成し接合を阻害することがある。
そこで、本発明のプレート式熱交換器を、ステンレス鋼板を素材として製造する際には、易酸化元素であるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉの含有量を制限し、かつ素材ステンレス鋼板の表面性状や固相拡散接合時の加圧力と加熱温度を規定することにした。
しかしながら、素材鋼板としてステンレス鋼板を用いる場合、ステンレス鋼の拡散接合には添加元素が強く影響し、易酸化元素であるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉが多く含まれると接合界面表層に強固な酸化物または酸化皮膜を形成し接合を阻害することがある。
そこで、本発明のプレート式熱交換器を、ステンレス鋼板を素材として製造する際には、易酸化元素であるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉの含有量を制限し、かつ素材ステンレス鋼板の表面性状や固相拡散接合時の加圧力と加熱温度を規定することにした。
用いるステンレス鋼の基本組成に制限はない。ＪＩＳ等で規定される一般的な組成を有するフェライト単相系ステンレス鋼板、オーステナイト系ステンレス鋼板、マルテンサイト系ステンレス鋼板あるいは２相系ステンレス鋼板を用いることができる。
易酸化元素であるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉが多く含まれると接合界面表層に強固な酸化物または酸化皮膜を形成し、接合を阻害するので、その総量については制限する。詳細は実施例の記載に譲るが、０．１Ｓｉ＋Ｔｉ＋Ａｌが０．１５％以上になると、接合品内部の酸化が進んだ状態となり、接合も不十分となる。
易酸化元素であるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉが多く含まれると接合界面表層に強固な酸化物または酸化皮膜を形成し、接合を阻害するので、その総量については制限する。詳細は実施例の記載に譲るが、０．１Ｓｉ＋Ｔｉ＋Ａｌが０．１５％以上になると、接合品内部の酸化が進んだ状態となり、接合も不十分となる。
用いるステンレス鋼板としては、質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．１５％、Ｓｉ：１．５％未満、Ｍｎ：０．００１〜１．２％、Ｐ：０．００１〜０．０４５％、Ｓ：０．０００５〜０．０３％、Ｎｉ：０〜０．６％、Ｃｒ：１１．５〜３２．０％、Ｃｕ：０〜１．０％、Ｍｏ：０〜２．５％、Ａｌ：０．１５％未満、Ｔｉ：０．１５％未満、Ｎｂ：０〜１．０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｎ：０〜０．０２５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるフェライト単相系のものが好ましい。
また、質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．１５％、Ｓｉ：１．５％未満、Ｍｎ：０．００１〜２．５％、Ｐ：０．００１〜０．０４５％、Ｓ：０．０００５〜０．０３％、Ｎｉ：６．０〜２８．０％、Ｃｒ：１５．０〜２６．０％、Ｃｕ：０〜３．５％、Ｍｏ：０〜７．０％、Ａｌ：０．１５％未満、Ｔｉ：０．１５％未満、Ｎｂ：０〜１．０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｎ：０〜０．３％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるオーステナイト系のものであってもよい。
さらに、質量％で、Ｃ：０．１５〜１．５％、Ｓｉ：１．５％未満、Ｍｎ：０．００１〜１．０％、Ｐ：０．００１〜０．０４５％、Ｓ：０．０００５〜０．０３％、Ｎｉ：０．０５〜２．５％、Ｃｒ：１３．０〜１８．５％、Ｃｕ：０〜０．２％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ａｌ：０．１５％未満、Ｔｉ：０．１５％未満、Ｎｂ：０〜０．２％、Ｖ：０〜０．２％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるマルテンサイト系のものであってもよい。
さらにまた、質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．１５％、Ｓｉ：１．５％未満、Ｍｎ：０．００１〜１．０％、Ｐ：０．００１〜０．０４５％、Ｓ：０．０００５〜０．０３％、Ｎｉ：０．０５〜６．０％、Ｃｒ：１３．０〜２５．０％、Ｃｕ：０〜０．２％、Ｍｏ：０〜４．０％、Ａｌ：０．１５％未満、Ｔｉ：０．１５％未満、Ｎｂ：０〜０．２％、Ｖ：０〜０．２％、Ｎ：０．００５〜０．２％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるフェライト＋マルテンサイト２相系またはフェライト＋オーステナイト２相系のものであってもよい。
以上述べたステンレス鋼は、製造性を確保するためにＢを０〜０．０１％、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭを１種以上で０〜０．１％添加することが可能である。
以上述べたステンレス鋼は、製造性を確保するためにＢを０〜０．０１％、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭを１種以上で０〜０．１％添加することが可能である。
また固相拡散接合では接合しようとする金属を互いに強く押し当てた状態で接合するため、その接合性には両者の表面粗さが影響することになる。
この表面粗さについても詳細は実施例の記載に譲るが、接合しようとする金属間の接触面圧にもよるが、０．３ＭＰａの加圧力で固相拡散接合する場合、比較的の拡散接合し易い２相系ステンレス鋼板では表面粗さはＲａ≦２．０μｍに、拡散接合し難い他のフェライト単相系ステンレス鋼板またはオーステナイト系ステンレス鋼板またはマルテンサイト系ステンレス鋼板ではＲａ≦０．３μｍにする必要がある。
この表面粗さについても詳細は実施例の記載に譲るが、接合しようとする金属間の接触面圧にもよるが、０．３ＭＰａの加圧力で固相拡散接合する場合、比較的の拡散接合し易い２相系ステンレス鋼板では表面粗さはＲａ≦２．０μｍに、拡散接合し難い他のフェライト単相系ステンレス鋼板またはオーステナイト系ステンレス鋼板またはマルテンサイト系ステンレス鋼板ではＲａ≦０．３μｍにする必要がある。
拡散接合に供する両ステンレス鋼板間に付加する加圧力は２相系ステンレス鋼では０．１ＭＰａ以上、フェライト単相系またはオーステナイト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼板では０．３ＭＰａ以上とする。加圧力がこれらの値以下であれば、健全な接合界面を形成するためにより高温まで加熱が必要となり、後述するように製品として好ましくない。加圧力がこれらの値以上であれば比較的簡便な設備にて拡散接合が行える。
上下方向への加圧力の付与には金属製の錘を使用することが好ましい。錘には耐熱性に優れ、熱膨張が小さい耐熱フェライト系ステンレス鋼の使用が好ましい。加圧力は錘の荷重を上下接合面積で除すことで求める。
上下方向への加圧力の付与には金属製の錘を使用することが好ましい。錘には耐熱性に優れ、熱膨張が小さい耐熱フェライト系ステンレス鋼の使用が好ましい。加圧力は錘の荷重を上下接合面積で除すことで求める。
加熱時に加圧力が大きいほど接合阻害要因となる接合表面の不動態皮膜や酸化皮膜を破壊し易くなり、鋼板表面の微視的な凹凸の接触面積(境界接触面積)が拡大し易くなるため、原子拡散範囲が拡大し拡散接合し易くなる。一方、加圧力拡大により錘が大きくなることで、重心不安定による荷崩れや、荷重不均一による形状不良が発生し易くなる。また錘の荷重が拡大することで炉床または送りレールの許容荷重に占める錘の割合が大きくなるため搭載可能な製品量が制限され、量産性を著しく低下する。そのため加圧力は接合に必要な最小値である０．８ＭＰａ以下にすることが望ましい。
拡散接合の加熱温度は２相系ステンレス鋼では１０００℃以上、フェライト単相系またはオーステナイト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼板では１１００℃以上とする。これらの温度に満たないと十分に拡散接合できない。
一般的にステンレス鋼表層の固相拡散は９００℃前後より始まる。とくに１１００℃以上に加熱すると原子拡散が活発化するため短時間で拡散接合し易くなるが、１２００℃以上に加熱すると高温強度が低下し、結晶粒も粗大化し易くなる。高温強度が低下すると接合部品は加熱中に著しい熱変形を生じる。また結晶粒が粗大化すると母材強度が低下し耐圧性が劣化する。そのため極力低温度で拡散接合できる加熱温度を検討するに至った。その結果、上述した化学成分、表面粗さ、加圧力に従うとともに、接合時の加熱温度をフェライト単相系またはオーステナイト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼板においては１１００℃〜１２００℃、２相系ステンレス鋼板では１０００℃〜１２００℃、これらの異材接合においては１１００℃〜１２００℃の範囲とすればよいことを知見した。なお、部分的にろう材を用いる場合には、ろう接の適正温度である１１００℃以上とすることが好ましい。
一般的にステンレス鋼表層の固相拡散は９００℃前後より始まる。とくに１１００℃以上に加熱すると原子拡散が活発化するため短時間で拡散接合し易くなるが、１２００℃以上に加熱すると高温強度が低下し、結晶粒も粗大化し易くなる。高温強度が低下すると接合部品は加熱中に著しい熱変形を生じる。また結晶粒が粗大化すると母材強度が低下し耐圧性が劣化する。そのため極力低温度で拡散接合できる加熱温度を検討するに至った。その結果、上述した化学成分、表面粗さ、加圧力に従うとともに、接合時の加熱温度をフェライト単相系またはオーステナイト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼板においては１１００℃〜１２００℃、２相系ステンレス鋼板では１０００℃〜１２００℃、これらの異材接合においては１１００℃〜１２００℃の範囲とすればよいことを知見した。なお、部分的にろう材を用いる場合には、ろう接の適正温度である１１００℃以上とすることが好ましい。
ステンレス鋼板同士の拡散接合は、真空引きにより圧力を１×１０−２Ｐａ以下とした雰囲気中で被接合部材を加熱保持することによって行うことができる。１×１０−２Ｐａを超える雰囲気下では十分に拡散接合できない。
雰囲気圧力が１×１０−２Ｐａより高いと（＞１×１０−２Ｐａ）、接合するステンレス鋼板の隙間に内包する酸素が残存し、加熱時に接合面表層に酸化皮膜が生成することで接合性を著しく阻害する。雰囲気圧力を１×１０−２Ｐａより低く、すなわち雰囲気圧力を１×１０−２Ｐａ以下にすると表層の酸化皮膜は極薄となり拡散接合に最適な条件となる。なお、前述したように雰囲気圧力１×１０−２Ｐａ以下とした後にＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２、などの不活性ガスを封入して接合させることも可能である。
雰囲気圧力が１×１０−２Ｐａより高いと（＞１×１０−２Ｐａ）、接合するステンレス鋼板の隙間に内包する酸素が残存し、加熱時に接合面表層に酸化皮膜が生成することで接合性を著しく阻害する。雰囲気圧力を１×１０−２Ｐａより低く、すなわち雰囲気圧力を１×１０−２Ｐａ以下にすると表層の酸化皮膜は極薄となり拡散接合に最適な条件となる。なお、前述したように雰囲気圧力１×１０−２Ｐａ以下とした後にＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２、などの不活性ガスを封入して接合させることも可能である。
加熱方法はヒーターにより炉内の部材全体を均一に加熱する方法を採用する。加熱保持時間は３０〜１２０ｍｉｎの範囲で設定すればよい。
量産性の観点から、加熱保持時間は極力短い方が良い。ただし、接合部品全体へ均一に熱を付与し、原子拡散を十分に励起するためには３０ｍｉｎ以上の加熱時間が必要であった。一方、１２０ｍｉｎ以上の保持時間を与えると母材強度に影響を及ぼす程度まで結晶粒が成長するため、好適な保持時間を３０〜１２０ｍｉｎとした。
量産性の観点から、加熱保持時間は極力短い方が良い。ただし、接合部品全体へ均一に熱を付与し、原子拡散を十分に励起するためには３０ｍｉｎ以上の加熱時間が必要であった。一方、１２０ｍｉｎ以上の保持時間を与えると母材強度に影響を及ぼす程度まで結晶粒が成長するため、好適な保持時間を３０〜１２０ｍｉｎとした。
実施例１：
まず、供試材の接合性を確認するために、表１に記載の成分組成を有する鋼板を用い、板厚０．４ｍｍの箱型部品のみを成形し、図５（ａ）に示すように３枚積層させた。このときの縦壁角度θは、３０°とし、ろう材の塗布は行わなかった。また、成形部の表面粗さＲａは０．３μｍ≦である。
この仮組した加工品を表２に記載の条件および図６にヒートパターンより選択した条件で拡散接合を行った。すなわち、横型真空炉に入れ、雰囲気圧力を１×１０−２Ｐａ以下に到達させた後、図６に示すヒートパターン（３）にて加熱し、加熱温度を１２００℃、均熱時間を２．０ｈ、負荷面圧を０．５ＭＰａとした。この条件は、量産性の観点から上限と考えられる温度、面圧である。
負荷は、加工品の上下をアルミナ製のセラミックス板で挟み、その上にＳＵＳ４３０製の錘を乗せることにより付与した。加圧力は縦壁部の接触総面積Ｓ（ｍｍ２），錘の重量Ｐ（Ｎ）よりＰｓｉｎθ／Ｓ＝０．５ＭＰａとなるよう簡易的に調整した。
まず、供試材の接合性を確認するために、表１に記載の成分組成を有する鋼板を用い、板厚０．４ｍｍの箱型部品のみを成形し、図５（ａ）に示すように３枚積層させた。このときの縦壁角度θは、３０°とし、ろう材の塗布は行わなかった。また、成形部の表面粗さＲａは０．３μｍ≦である。
この仮組した加工品を表２に記載の条件および図６にヒートパターンより選択した条件で拡散接合を行った。すなわち、横型真空炉に入れ、雰囲気圧力を１×１０−２Ｐａ以下に到達させた後、図６に示すヒートパターン（３）にて加熱し、加熱温度を１２００℃、均熱時間を２．０ｈ、負荷面圧を０．５ＭＰａとした。この条件は、量産性の観点から上限と考えられる温度、面圧である。
負荷は、加工品の上下をアルミナ製のセラミックス板で挟み、その上にＳＵＳ４３０製の錘を乗せることにより付与した。加圧力は縦壁部の接触総面積Ｓ（ｍｍ２），錘の重量Ｐ（Ｎ）よりＰｓｉｎθ／Ｓ＝０．５ＭＰａとなるよう簡易的に調整した。
得られた３枚重ねの加工品について内部の酸化状況の状態と縦壁部の接合状態を確認した。内部の酸化状態の確認は、断面を切断し目視観察にて着色状況により判断し、縦壁部の接合状態は、５断面を顕微鏡観察し全く接合していない箇所が１断面あった場合を不可と判断した。
結果を表３に示す。
サンプルＮｏ．７〜１１、Ｎｏ．１５〜１９、Ｎｏ．２１〜２８の発明材は、１２００℃、２．０ｈ、０．５ＭＰａの条件において酸化する着色が認められず、また良好な接合性を有していた。一方、比較材のサンプルＮｏ．１〜６、Ｎｏ．１２〜１４、Ｎｏ．２０は、着色していたとともに接合状態も不十分であった。そこで、以下の実験には、発明材のみを用いて好適な接合状態を確認した。
結果を表３に示す。
サンプルＮｏ．７〜１１、Ｎｏ．１５〜１９、Ｎｏ．２１〜２８の発明材は、１２００℃、２．０ｈ、０．５ＭＰａの条件において酸化する着色が認められず、また良好な接合性を有していた。一方、比較材のサンプルＮｏ．１〜６、Ｎｏ．１２〜１４、Ｎｏ．２０は、着色していたとともに接合状態も不十分であった。そこで、以下の実験には、発明材のみを用いて好適な接合状態を確認した。
実施例２：
実施例１のＮｏ．１０、Ｎｏ．１６、Ｎｏ．２４で作製した３枚の箱型部品の間に、０．４ｍｍの鋼板を成形した断面が（１）三角形、（２）台形、（３）四角形からなるフィン型部品を２枚挿入した。そして、図３（ａ）に示すような板厚１．０ｍｍの天板と底板を、前記箱型部品およびフィン型部品に組み込んで、仮組みの熱交換器とした。なお、縦壁の角度θをプレスにて矯正し種々変化させた。図３にａ（天板−箱型部品）、ｂ（底板−箱型部品）、ｃ（フィン部）、ｄ（箱型部品縦壁部）で示す各当接箇所において拡散接合処理を施すための試験体を作製した。また、前記ｃ、ｄで示す当接箇所については、当接領域の一部に純Ｃｕろうを塗布した試験体も作製した。このときのＣｕろうは、０．３ｇ／ｃｍ２とした。
実施例１のＮｏ．１０、Ｎｏ．１６、Ｎｏ．２４で作製した３枚の箱型部品の間に、０．４ｍｍの鋼板を成形した断面が（１）三角形、（２）台形、（３）四角形からなるフィン型部品を２枚挿入した。そして、図３（ａ）に示すような板厚１．０ｍｍの天板と底板を、前記箱型部品およびフィン型部品に組み込んで、仮組みの熱交換器とした。なお、縦壁の角度θをプレスにて矯正し種々変化させた。図３にａ（天板−箱型部品）、ｂ（底板−箱型部品）、ｃ（フィン部）、ｄ（箱型部品縦壁部）で示す各当接箇所において拡散接合処理を施すための試験体を作製した。また、前記ｃ、ｄで示す当接箇所については、当接領域の一部に純Ｃｕろうを塗布した試験体も作製した。このときのＣｕろうは、０．３ｇ／ｃｍ２とした。
上記の仮組みされた熱交換器に、１１００℃、２．０ｈ、０．３ＭＰａの加熱加圧条件で接合処理を施した。接合強度の測定には耐圧試験を用いた。耐圧試験は、図４に記載した箱形部品の上面平坦部に配置された４つのジョイント（開口）のうち３つを塞ぎ、残りの１箇所より、熱交換器の内部に水圧を付与し、設定圧力の３ＭＰａで漏れの発生状況を把握した。
結果を表４にまとめて示す。本発明例に含まれるＮｏ．１〜９は、全て３ＭＰａの耐圧試験にて漏れが発生せず、良好な接合性を有していた。一方、比較例のＮｏ．１０およびＮｏ．１１は、縦壁角度が大きく、また、Ｎｏ．１２は、内部にフィンを用いなかったため、試験中に箱型部品が潰れてしまい、十分な耐圧性を有しなかった。
結果を表４にまとめて示す。本発明例に含まれるＮｏ．１〜９は、全て３ＭＰａの耐圧試験にて漏れが発生せず、良好な接合性を有していた。一方、比較例のＮｏ．１０およびＮｏ．１１は、縦壁角度が大きく、また、Ｎｏ．１２は、内部にフィンを用いなかったため、試験中に箱型部品が潰れてしまい、十分な耐圧性を有しなかった。
表４の発明例のうち、Ｎｏ．７は、ａ〜ｃの箇所で拡散接合を行い、ｄの箇所で一部ろう付けを行った例であり、Ｎｏ．８は、ａ〜ｄの箇所で拡散接合した例である。これら代表的な試験例を用いて、温度、時間、加圧力、雰囲気圧力の接合条件を変化させて、適した接合条件を確認した。
結果を表５に示す。Ｎｏ．１３およびＮｏ．１５は、ろうの溶融が不十分で接合が不完全であった。また、Ｎｏ．１４およびＮｏ．１６は、温度および時間が高温長時間側で外れており、Ｎｏ．１８は、加圧力が高すぎ、加熱中の変形が大きく耐圧性に劣った。Ｎｏ．１７は、加圧力が低すぎ、またＮｏ．１９は、雰囲気の雰囲気圧力が低すぎて、いずれも十分に接合できず、耐圧性に劣った。
このように接合条件が、本規定の範囲から外れると十分な耐圧性を有しないことがわかる。なお、本規定の範囲に含まれる条件で接合を行うと、表３およびＮｏ．２０に示すように十分な耐圧性を有することがわかる。
結果を表５に示す。Ｎｏ．１３およびＮｏ．１５は、ろうの溶融が不十分で接合が不完全であった。また、Ｎｏ．１４およびＮｏ．１６は、温度および時間が高温長時間側で外れており、Ｎｏ．１８は、加圧力が高すぎ、加熱中の変形が大きく耐圧性に劣った。Ｎｏ．１７は、加圧力が低すぎ、またＮｏ．１９は、雰囲気の雰囲気圧力が低すぎて、いずれも十分に接合できず、耐圧性に劣った。
このように接合条件が、本規定の範囲から外れると十分な耐圧性を有しないことがわかる。なお、本規定の範囲に含まれる条件で接合を行うと、表３およびＮｏ．２０に示すように十分な耐圧性を有することがわかる。
Claims (8)
- 熱交換器ケースを構成する矩形プレート型部品が、周縁に縦壁部を備えた箱型部品であり、当該箱型部品と同形の箱型部品が水平面の向きを反転させて前記箱型部品に積層されるとともに、当該積層された積層下部品の縦壁部上部が当該積層された積層上部品の縦壁部下部に嵌入されており、上面平坦部の垂直方向に対する前記縦壁部の角度（θ）が１５°≦θ≦３０°であって、前記縦壁部上部と前記縦壁部下部との当接部位において少なくとも一部が固相拡散接合されていることを特徴とするプレート式熱交換器。
- 前記当接部位において少なくとも一部がろう付け接合されていることを含む請求項１に記載のプレート式熱交換器。
- 前記当接部位以外の前記積層上部品と前記積層下部品との当接部が固相拡散接合またはろう付け接合されている請求項１または２に記載のプレート式熱交換器。
- 前記箱型部品は、その上面において対称位置に二種の開口が、一方は当該箱型部品の上方に張出して開口し、他方は当該箱型部品の内方に同じ高さで張出して開口した形で形成されたプレス成型品であり、前記積層下部品の上方張出開口部上面と前記積層上部品の下方張出開口部上下面の当接部において両者が固相拡散接合またはろう付け接合されている請求項１〜３のいずれかに記載のプレート式熱交換器。
- 前記箱型部品の上面平坦部に、断面形状が三角形または台形または四角形で高さがフランジ高さと同じフィンが形成されており、積層上部品の先端片が積層下部品のパンチ肩近傍平坦部に当接させた際に、前記フィンの先端同士が当接し、当該当接部で両者が固相拡散接合またはろう付けされて形成された流路接合部が良好な接合強度を有する請求項１〜４のいずれかに記載のプレート式熱交換器。
- 積層された二つの箱型部品の間に、断面形状が三角または台形または四角形で高さがフランジ高さと同じフィン部品が挿入され、積層上部品の先端片が積層下部品のパンチ肩近傍平坦部に当接させた際に、前記フィン部品の先端が箱型部品の上面平坦部に当接し、当該当接部で両者が固相拡散接合またはろう付けされた流路接合部が良好な接合強度を有する請求項１〜４のいずれかに記載のプレート式熱交換器。
- 請求項１〜６のいずれかに記載のプレート式熱交換器の製造方法であって、化学成分が０．１Ｓｉ＋Ｔｉ＋Ａｌ＜０．１５質量％、表面粗さＲａ≦０．３μｍのフェライト単相系ステンレス鋼板またはオーステナイト系ステンレス鋼板またはマルテンサイト系ステンレス鋼板を用いた箱型部品の積層組立体を、加熱温度が１１００℃以上、加圧力が０．３ＭＰａ以上、雰囲気圧力１０−２Ｐａ以下の雰囲気で加熱して固相拡散接合することを特徴とするプレート式熱交換器の製造方法。
- 請求項１〜６のいずれかに記載のプレート式熱交換器の製造方法であって、化学成分が０．１Ｓｉ＋Ｔｉ＋Ａｌ＜０．１５質量％、表面粗さＲａ≦２．０μｍの２相系ステンレス鋼板を用いた箱型部品の積層組立体を、加熱温度が１０００℃以上、加圧力が０．１ＭＰａ以上、雰囲気圧力１０−２Ｐａ以下の雰囲気で加熱して固相拡散接合することを特徴とするプレート式熱交換器の製造方法。
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