JP6208848B2 - 複数の小径パラジウム合金管を共通のベースプレートに空間効率よく溶接するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は一般的に、並列管のマトリクスを製造するために使用する方法および手順に関する。より具体的には、本発明は、複数の管を共通のベースプレートに溶接する方法および手順に関する。

並列管のマトリクスは、装置の多くの部分に使用される。例えば、多くの熱交換器は並列管を使用する。並列管のマトリクスのより特殊な用途の１つは、水素ガス処理セルにある。

水素精製装置、および水素蒸気改質装置などの水素ガス処理セルでは、パラジウム合金の管が、水素を含むガスにさらされる。パラジウム合金は高温で水素を透過する。したがって、水素が管の壁を通過し、その他のガスから分離される。並列管のマトリクスを利用する水素処理装置の例は、「混合ガス源から水素を効率的に分離するための微細チャネル構造を有する水素ガス分離システム」と題する米国特許第７，９７２，４１７号に記載されている。

多くの理由から、水素ガス処理セルでは非常に小さな径の管を使用することが望ましい。また、管を接触することなく可能な限り近接して配置することが望ましい。所望のマトリクス配置に管を堅固に保持するために、共通のベースプレートに多様な管が典型的に設置される。従来は、ベースに穴がドリル形成される。次いで、管は穴内に配置されてろう付けされる。

特定の水素ガス処理セルの応用では、数百本の管が単一のベース内に設置される。管は、隣接する管の間に数ミリメートルのみを空けて非常に密集して充填される。溶接される領域が微細であり、各溶接部の周りに利用可能な空間がないため、伝統的な溶接技法は使用することができない。したがって、加熱ろう付け技法が適用される。

水素ガス処理セルでは、パラジウム合金の管は、ステンレス鋼端部キャップにろう付けされる。パラジウム管は次いで、漏れに関して試験され、商業利用のために調整される。パラジウム管が品質試験を受けた後、管のマトリクスに加えられる。これにより、管のマトリクスはマトリクス全体を不良品にする欠陥を有する管を含まなくなる。

試験済みの管がマトリクスに加えられると、試験済みの管には通常、管をマトリクスに接続する第２ろう付け工程が施される。第２ろう付け工程の間、予備試験された管の完全性は、熱応力によって損なわれる。さらに、第２ろう付け工程の間、初期にろう付けされた接続部が外れたりリークが形成されたりし得る。また、一般的なろう付け技法を大規模な管のマトリクスに使用する場合、全ての管の周りに一貫したろう付け封止を形成することは困難であることが示されている。多くの場合、管によっては適切なろう付け封止を有するが、そうでないものもある。単一のマトリクス中に数百の管が存在し得るため、９９．９％の効率を有するろう付け技法でさえ、少なくとも１つのろう付け封止の漏れのために、水素ガス処理セルが欠陥を有する結果となり得る。

米国特許第８，２３０，５９４号において、出願人は、ベースプレートに管を溶接するためにレーザー溶接を使用するシステムを示している。このシステムでは、管は、ベースプレート上に配置されたフレアを有して作製される。次いで、レーザー溶接は、下部に位置するベースプレートへとフレアを溶接する。このようなシステムは、従来のろう付け技法に対して非常に改善されている。しかしながら、依然としていくつかの問題が生じる。多くの場合、溶接に必要な領域は、管をマトリクス充填する密度を制限する。また、レーザー光および溶接によって生じる光からの反射が光学標的システムをくるわせる傾向にあるため、レーザーを密集したマトリクスに向ける際に問題が生じる。

したがって、数百の径の小さい管を共通のベースに非常に密集したマトリクスに並列させるための向上した技術が必要とされる。また、溶接部が形成されるときに、溶接部を目に見えるようにするための向上した技術が必要とされる。これらの要件は、以下で説明され、特許請求の範囲に記載された本発明によって満たされる。

米国特許第７，９７２，４１７号明細書 米国特許第８，２３０，５９４号明細書

本発明は、管マトリクス、および管マトリクスを作製するために組み合わせられる管アセンブリである。管アセンブリは、プレートによってマトリクスへと結合される。プレートは、第１表面、対向する第２表面、および第１表面から第２表面へと延びる複数の穴部を有する。各穴部は、第１表面からプレートへと傾斜する皿形領域を有する。

複数の管アセンブリが提供される。各管アセンブリは、第１端、対向する第２端、および第１端に近接するフレア構造を有する。フレア構造は、皿形領域内に完全に収容されるように寸法が調整される。管アセンブリは、プレート内の穴部内に延在する。各管アセンブリのフレア構造は、各管アセンブリがその中に入る各穴部の皿部領域内でプレートに溶接される。

本発明をより深く理解するために、添付の図面と合わせて考慮される以下の例示的実施形態の記載を参照する。

表面拡散領域を示す従来のレーザービーム溶接の図である。 表面下拡散領域を示す従来のレーザービーム溶接の断面図である。 管マトリクスの一部の断片断面図である。 溶接終端部を有する管アセンブリの分解組立図である。 溶接終端部上のフレア構造の拡大断面図である。 レーザー溶接機における管マトリクスの一部の概略図である。 管マトリクスの代替の実施形態の一部の断面図である。

図１および図２の両方を参照すると、レーザービーム１２を使用して溶接部１４を形成する場合に、該溶接部１４が第１直径Ｄ１の表面溶融領域１６を有することが理解され得る。溶融部１４はまた、最大深さＤ２の表面下溶融領域１８を有する。

溶融領域１６、１８内で、溶接される金属は、溶解および溶融して所望の溶接部を形成する。表面溶融領域１６の直径Ｄ１は、レーザービーム１２の径よりも典型的に著しく大きい。溶融領域１６、１８の直径Ｄ１および深さＤ２の両方は、レーザーの強度、レーザーのパルスの長さ、および溶接される材料の影響を受ける。

したがって、物体は密集パターンへとレーザー溶接されるため、密度を決定する主要因は、溶接によって形成される溶融領域１６、１８の寸法であることが理解される。形成される溶融領域が小さいほど、溶接部を密に形成することができる。

本発明のシステムおよび方法論を使用して、これまで可能であったものよりも密集した管のマトリクスを溶接することができる。マトリクスにおける管は、ステンレス鋼、パラジウム合金、および同様のものなど、多様な材料から作製することができる。選択される管の材料は、管マトリクスの目的とする用途に依存する。本発明は水素ガス処理装置に使用するための管のマトリクスの作製に特に有用である。水素処理セルのいくつかのモデルは、ステンレス鋼管のマトリクスおよびパラジウム合金管のマトリクスの両方を使用する。本出願は、マトリクスに溶接されたパラジウム合金の管およびステンレス鋼の管を示す２つの例示的実施形態を提示する。このような実施形態は、発明を実施するためのベストモードを表す。しかしながら、実施例は単に例示であり、特許請求の範囲を限定するものと考えるべきではない。

図３を参照すると、管マトリクス２０の一部が示されている。管マトリクス２０は、複数の管アセンブリ２２を含む。各管アセンブリ２２は、パラジウム合金の管２４を含む。溶接終端部２６は、パラジウム合金管２４の一端と接続される。溶接終端部２６は、パラジウム合金管２４の一端に被せる短い管状部材である。

図３とあわせて図４および図５を参照すると、溶接終端部２６が上端３０および下端３２を備えた円筒体２８を有することがわかる。溶接終端部２６は、最終的にそこに溶接されるベースプレートと同一の材料から好ましくは作製される。円筒体２８の上端３０および下端３２の両方は開放されており、開放中央管路３４の対向する端部を画定する。リッジ３６が開放中央管路３４内に形成され、開放中央管路３４の内径は、第１内径からより大きな第２内径まで変化する。リッジ３６は、溶接終端部２６の上端３０から長さＬ１のところに配置される。

溶接終端部２６の上端３０は、複雑なフレア構造４０を有する。溶接終端部２６の多くは、共通の外径Ｄ３を有する。フレア構造４０において、外径は、より大きな第２直径Ｄ４まで５％から２０％の間増加する。フレア構造４０の上部は、平坦面４２を有する。フレア構造４０は、平坦面４２から開放中央管路３４を画定する内壁４５まで延在する内斜面４４を有する。内斜面４４は鋭角Ａ１に傾斜しており、該角度は好ましくは水平面から下方に２０°から４５°の間である。

フレア構造４０はまた、平坦面４２から円筒体２８の外壁４８まで延在する外斜面４６を有する。外斜面４６は、好ましくは４０°から７５°の間である鋭角Ａ２に傾斜している。

パラジウム合金管２４は、パラジウム合金管２４がリッジ３６に対して位置するまで溶接終端部２６の開放された下端３２へと挿入される。パラジウム合金管２４は、別の工程で定位置にろう付けされる。溶接終端部２６がパラジウム合金管２４にろう付けされて管アセンブリ２２が形成された後、管アセンブリ２２は品質試験を受ける。管アセンブリ２２が品質試験を通過すると、溶接終端部２６とパラジウム合金管２４との間のろう付けが適切であることがわかる。さらに、パラジウム合金管２４自体に亀裂が入っておらず、破裂または異常がないことがわかる。

図３および４には、ベースプレート５０の一部が示されている。ベースプレート５０は金属であり、好ましくはステンレス鋼合金である。しかしながら、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）などの非反応性合金も使用することができる。溶接を容易にし、異なる膨張係数を有する合金の使用によって生じ得る応力を低減するために、ベースプレート５０および溶接終端部２６が同一の合金または適合性を有する合金であることが好ましい。ベースプレート５０は、第１表面５１および対向する第２表面５３を有する。ベースプレート５０内に第１表面５１から第２表面５３まで密集パターンで穴部５２が機械形成される。各穴部５２は、管アセンブリ２２の第１外径Ｄ３よりほんのわずかに大きい第１内径を有する。したがって、管アセンブリ２２は、穴部５２に入ることができ、穴部５２に入るとほぼ横方向の遊びを有さない。穴部５２の径は、管アセンブリ２２のフレア構造４０の径Ｄ４よりも小さい。したがって、フレア構造４０は、管アセンブリ２２が穴部５２を完全に通過することを防止する。

各穴部５２は、その第１表面５１からベースプレート５０内へと延在する皿形領域５５を有する。皿形領域５５は、溶接終端部２６のフレア構造４０を受けるように寸法が調整される。図示された実施形態では、皿形領域５５は、第１表面５１から穴部５２に向かって漏斗状に集中する斜面５４によって画定されている。斜面５４の角度は、溶接終端部２６のフレア構造４０の外斜面４６と一致する。さらに、皿形領域５５の深さは、フレア構造４０の高さと通常同等である。その結果、溶接終端部２６のフレア構造４０は、フレア構造４０が穴部５２の上部から全く出ることなく、対応する穴部５２の斜面５４に密着して配置される。

ここで図６を参照すると、溶接終端部２６のフレア構造４０は、ベースプレートの穴部５２の斜面５４と接して配置されていることが示されている。これにより、フレア構造４０の外斜面４６と穴部５２の上部の斜面５４の全長とが面対面当接される。

図６には、面対面当接もまたレーザー溶接機５６のレーザービーム１２によって溶接されることが示されている。レーザービーム１２は、少なくとも斜面４６の下部の深さまで侵入するように表面下溶融領域１６を形成するように動力供給される。しかしながら、斜面４６は、中央付近で最も深く、周縁部で浅い。したがって、周縁部付近に所望の溶接部を形成するためにはわずかなエネルギーしか必要としない。斜面５４の長さに沿った面対面接触は、表面下溶融領域１６において溶接される。表面下溶融領域１６は、周縁部から内部方向にシフトされ得る。そのため、わずかなオーバーフローしか形成されず、溶接部領域の径は溶接されるフレア構造４０よりもそれほど大きくない。さらに、溶接終端部２６のかたまりは一切ベースプレートの上部より上に出ないため、レーザー溶接は、下方に流出し得、ベースプレート５０の上面５１に広がる溶融流れを一切形成しないことが理解され得る。その結果、フレア構造４０の径よりほんのわずかに大きな径を有する表面溶融領域１８が得られる。

レーザービーム１２によって形成される溶融領域１６、１８は、効率よく形成される。したがって、溶接終端部２６とパラジウム合金管２４を接合するろう付けは、溶接から最少量の熱および応力しか受けない。結果として、品質試験を通過したパラジウム合金管アセンブリ２２は、レーザー溶接工程を通した条件において一貫して維持され得る。

したがって、ベースプレート５０の穴部５２の上部の斜面５４および溶接終端部２６のフレア構造４０は、３つの重要な機能を果たすことが理解され得る。第１に、これらの機能を組み合わせて溶接終端部２６をベースプレート５０の適切な深さに配置することができる。第２に、これらの特徴は、溶接によって接合される面対面当接の長い領域を形成する。これにより、特に強固かつ高品質の溶接部がもたらされる。第３に、溶接される材料がベースプレート５０の上部の上にないため、溶接によって形成される溶融領域が小さく、ベースプレート５０の斜面５４の径よりほんのわずかに大きいだけである。したがって、管アセンブリ２２は、共通のベースプレート５０内の穴部５２内に高密度パターンで溶接され得る。

本発明の溶接終端部および傾斜した穴部を使用することによって、さらに別の利点が得られる。図６を参照すると、特定のレーザー溶接システムでは、光学標的ソフトを使用してレーザー溶接機５６が制御されることが理解され得る。そのようなシステムは、ステンレス鋼などの光輝性金属が溶接される場合に、イメージを維持することが困難である。これは、照明光およびレーザービームの多くのエネルギーが金属の反射によって標的システムに向かって反射されるためである。

溶接終端部２６は、内斜面を有して形成される。内斜面４４は、水平面に対して鋭角である。光源６０は、レーザー溶接ユニットの側部に配置される。光源６０は、内斜面４４の角度と調和した角度で光のビーム６２を形成する。結果として、内斜面４４が光学標的システム６４に向かって垂直方向上方に光を反射する。したがって、光学標的システム６４は、レーザー溶接工程の間のより優れた標的制御を維持することができる。

すでに記載したように、水素ガス処理装置もまたステンレス鋼管を有する管マトリクスを含む。図７を参照すると、ステンレス鋼またはハステロイの管７０がベースプレート７２に直接溶接されたマトリクスの一部が示されている。この実施形態では、溶接終端部の一部として先に示されたフレア構造は、各管７０の端部上に直接機械形成され得る。ベースプレート７２は、先に記載したものと同一の傾斜付き穴部７４を有する。管７０は、各フレア構造７５が先に記載したように傾斜付き穴部７４内に位置するように穴部７４内に入る。フレア構造７５は次いで、先に説明した方法と同一の方法でベースプレート７２にレーザー溶接される。

図示および記載された本発明の実施形態は、単に例示であり、当業者であればそれらの実施形態に多くの変形を加えることができることが理解され得る。例えば、示された実施形態の最大密度以外にも、管の間に所望の距離を形成することが可能である。さらに、管およびフレア構造の径は、機能的制限の範囲内で変更することができる。同様に、円形以外の形状を有する管およびフレア構造を使用してもよい。例えば、四角形のフレアを有する四角形の管を使用することができる。このような変形、修正、および代替の実施形態は全て、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に含まれることが意図される。

２０ 管マトリクス
２２ 管アセンブリ
２４ 管
２６ 溶接終端部
３０ 上端
３２ 下端
３４ 開放中央管路
４０ フレア構造
４２ 平坦面
４４ 内斜面
４６ 外斜面
５０ ベースプレート
５１ 第１表面
５２ 穴部
５３ 第２表面
５５ 皿形領域

Claims (6)

1. 第１表面、対向する第２表面、および前記第１表面から前記第２表面へと延びる複数の穴部を有する金属プレートであって、前記複数の穴部の各穴部が、前記第１表面から前記穴部内に漏斗状に集中する、第１角度および第１深さを有する第１斜面を有する、金属プレートと、
   複数の水素透過金属管部材であって、前記複数の水素透過管部材の各管部材が、第１端、対向する第２端、および前記第１端に近接するフレア構造を有し、前記フレア構造が、前記第１斜面の前記第１角度および前記第１深さと一致する第２角度および第２深さを有する第２斜面を有し、それにより前記フレア構造が前記穴部の上部から出ることなく、前記フレア構造が前記第１斜面に密着して配置されている、複数の水素透過金属管部材と、
   を備える管マトリクスであって、
   前記複数の水素透過金属管部材が前記プレート内の前記複数の穴部内に延在し、前記管部材の各々の前記第２斜面が、前記管部材の各々がその中を通る前記穴部の各々の前記第１斜面に溶接されており、
   前記複数の水素透過金属管部材の前記管部材の各々が、パラジウム合金管と、前記パラジウム合金管に取り付けられた溶接終端部とを含むアセンブリであり、前記フレア構造が前記溶接終端部の一部であり、
   前記プレートおよび前記溶接終端部が同一の金属合金から成る、管マトリクス。
2. 前記金属合金がステンレス鋼を含む、請求項１に記載の管マトリクス。
3. 前記金属合金が非反応性金属合金を含む、請求項１に記載の管マトリクス。
4. 前記複数の穴部の各々が、前記金属管部材の第１外径よりもわずかに大きな第１内径を有し、それにより管アセンブリが前記穴部に入ると横方向の遊びを有さない、請求項１に記載の管マトリクス。
5. 前記フレア構造の各々が、内縁部および外縁部を備えた平坦な上面を有し、前記第２斜面が前記平坦な上面の前記外縁部から始まる、請求項１に記載の管マトリクス。
6. 前記フレア構造の前記内縁部から始まり、内部方向に漏斗状に集中する、第３斜面をさらに有する、請求項５に記載の管マトリクス。

Images