JP6334180B2 - ろう付け方法及びプレートアセンブリ - Google Patents

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Description

本発明は、製作方法及び製作されたアセンブリに関する。より特定的には、本発明は、ろう付け方法及びろう付けされた構成部品を含むアセンブリに関する。
ある種の構成部品を製作するためのろう付けは課題を提示する可能性がある。幾つかの構成部品はその部品の材料及び／又は部分の間に、互いに固定するために必要とされる継ぎ目を有する可能性がある。かかる構成部品は、例えば熱交換器及びマイクロミキサーのようなチューブ−プレート構成部品に存在する。
大量のかかる継ぎ目を一時にろう付けする従来の試みでは（例えば、約１００本ものチューブを約２、４又はそれ以上のプレート間にろう付けする場合など）費用のかかる相当な再加工が必要とされている。かかる再加工は部分的に厳しい許容範囲に起因する（例えば、ニッケルろう付けのギャップ範囲は約０．０００５インチ〜約０．００４インチである）。チューブとプレートの機械加工作業をこれらの許容範囲内に維持するのは困難である。厳しい許容範囲のために、追加の変動原因を導入するのは望ましくないであろう。
追加の変動の導入を防止する機械加工作業のため、ろう付けにより導入される追加の変動は殊に望ましくない。公知のろう付け方法ではチューブをプレートに固定するためにろう付けペーストを使用する。しかしながら、かかるろう付けペーストは手作業で適用しなければならず、高価となる可能性があり、ろう付けペーストの配置が一定しない可能性があり、ろう付けペーストの量が一定しない可能性があり、またしばしば構成部品の片側のみに適用される可能性があり、これはギャップを通って流れるろう付けペーストの毛管作用に依存する可能性がある。従って、この流れはギャップの大きさに依存し、これもまた変動する可能性がある。これらの一貫性のなさのため、決められた許容範囲を超える変動に至る可能性がある。かかる変動を改善するために、高価な再ろう付け工程を使用する可能性がある。かかる再ろう付け工程を回避することは望ましいであろう。
米国特許第７６８５７１６号
上記欠点の１以上をもたないろう付け方法及びろう付けされた構成部品は当技術分野で望ましいであろう。
ある代表的な実施形態ではでは、ろう付け方法は、ろう付けフォイルを第１の被加工物上に配置し、次いでろう付けフォイルを第１の被加工物に固定してろう付け可能な構成部品を形成し、その後ろう付け可能な構成部品に近接して第２の被加工物を配置し、次に第２の被加工物をろう付け可能な構成部品にろう付けすることを含んでいる。固定することには、メッキ、タック溶接、焼結又はこれらの組合せが含まれる。
別の代表的な実施形態では、ろう付け方法は、ろう付けフォイルをチューブ上に配置し、次にろう付けフォイルをチューブに固定してろう付け可能なチューブを形成し、その後プレートアセンブリのプレートをろう付け可能なチューブに近接して配置し、次いでプレートをろう付け可能なチューブにろう付けすることを含んでいる。固定することには、メッキ、タック溶接、焼結又はこれらの組合せが含まれる。
もう１つ別の代表的な実施形態では、プレートアセンブリは、プレートと、チューブに固定されたろう付けフォイルによりプレートにろう付けされたチューブとを含んでいる。ろう付けフォイルをチューブに固定することには、メッキ、タック溶接、焼結又はこれらの組合せが含まれる。
本発明のその他の特徴及び利点は、例として本発明の原理を示す添付の図面を参照した好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなろう。
図１は、本開示に従う代表的なろう付け方法の概略図を示す。 図２は、本開示に従う燃焼器における代表的なプレートアセンブリの断面図を示す。 図３は、本開示に従う図２に示した燃焼器におけるプレートアセンブリの１つの実施形態の拡大図を示す。 図４は、本開示に従う図２に示した燃焼器におけるプレートアセンブリの１つの実施形態の拡大図を示す。 図５は、本開示に従う図２に示した燃焼器におけるプレートアセンブリの１つの実施形態の拡大図を示す。
可能な限り、全図面を通じて同じ参照番号を用いて同じ部分を示す。
代表的なろう付け方法及びプレートアセンブリが提供される。本開示の実施形態は、例えば、本明細書に開示されている特徴の１以上を含まないろう付け方法と比較して、所定の許容範囲内で構成部品の歩留まりを改良し、再ろう付けに伴うコストを低減又は削減し、（例えば、ギャップの高まった精度のため）ろう付けされた継ぎ目の品質と強度を上昇させ、所定の位置（例えば、継ぎ目）への制御された量のろう付け材料の適用を可能にし、約１００％の第１時間降伏を提供し、他の場合には（例えば、検査のために）アクセスすることができない領域でのろう付けを可能にし、複雑なアセンブリの単一工程のろう付けを可能にし又はこれらの組合せをもたらす。
図１を参照して、一実施形態では、ろう付け方法１００は、ろう付けフォイルを第１の被加工物上に配置し（工程１０２）、次いでろう付けフォイルを第１の被加工物に固定することにより（工程１０４）、ろう付け可能な構成部品を形成し、その後第２の被加工物をろう付け可能な構成部品に近接して配置し（工程１０６）、次に第２の被加工物をろう付け可能な構成部品にろう付けする（工程１０８）ことを含んでいる。固定すること（工程１０４）には、メッキ、タック溶接、焼結又はこれらの組合せが含まれる。
ろう付けフォイルはニッケル基ろう付け合金のような任意の適切なろう付け材料である。一実施形態では、ろう付けフォイルは、図４〜図５に関連して以下にさらに記載するように予備焼結フォイル５４である。適切な材料としては、限定されることはないが、重量基準で、約７９．９％のＮｉ、約１５％のＣｒ、約３．６％のＢ、及び約１．５％のＦｅを有する拡散ろう付け合金、並びに重量基準で、約７０．９％のＮｉ、約１９％のＣｒ、及び約１０．１％のＳｉを有するホウ素を含まないろう付け合金がある。一実施形態では、ろう付けフォイルは所定のろう付け温度、例えば、約１５００°Ｆ〜約２３００°Ｆ、約１８００°Ｆ〜約２３００°Ｆ、約２０００°Ｆ〜約２３００°Ｆ、約２１００°Ｆ〜約２２００°Ｆ、約２０００°Ｆ〜約２１００°Ｆ、約１５００°Ｆ〜約１８００°Ｆ、約１５００°Ｆ、約１８００°Ｆ、約２０００°Ｆ、約２０５０°Ｆ、約２１００°Ｆ、約２１５０°Ｆ、その任意の適切な組合せ、下位の組合せ、範囲又は下位の範囲を有する。
ろう付けフォイルはろう付けを可能にする任意の適切な厚さを含む。一実施形態では、ろう付けフォイルは約２ミルの厚さを有する。一実施形態では、ろう付けフォイルを配置すること（工程１０２）は、ろう付けフォイルを所定の長さ及び／又は幅に切断することを含む。切断されたろう付けフォイルを、１以上のチューブ（例えば、約１／４インチのような外径を有する）と１以上のプレートとの間の継ぎ目のような所定の位置に配置する。加えて又は代わりに、所定の長さ及び／又は幅を有する予め切断されたろう付けフォイルを使用する。
チューブ及びプレートは、任意の適切な材料、例えばステンレス鋼、ニッケル基合金、鉄基合金又はその他任意の適切な金属若しくは金属性材料を含む。１つの適切なニッケル基合金は、重量基準で、約５％の鉄、約２０％〜約２３％のクロム、約０．５％以下のケイ素、約８％〜約１０％のモリブデン、約０．５％以下のマンガン、約０．１％以下の炭素、及び残部のニッケルという組成を有する。別の適切なニッケル基合金は、重量基準で、約１５．５％のクロム、約８％の鉄、約０．５％以下のケイ素、約１％のマンガン、約０．１５％以下の炭素、約０．５％以下の銅、約０．０１５％以下のイオウ、及び残部のニッケルという組成を有する。１つの適切な鉄基合金は、重量基準で、約０．００３％以下の炭素、約２％以下のマンガン、約０．０４５％以下のリン、約０．０３％以下のイオウ、約０．７５％以下のケイ素、約１８％〜約２０％のクロム、約８％〜約１２％のニッケル、約０．１％以下の窒素、及び残部の鉄という組成を有する。
固定（工程１０４）は、ろう付けフォイルを第１の被加工物上の所定の位置にろう付け可能な構成部品として少なくとも一時的に維持する。この固定（工程１０４）のための適切な技術としては、限定されることはないが、タック溶接（例えば、ポークタック又は抵抗スポット溶接）とそれに続くろう付けフォイルのろう付け温度未満の焼結温度での焼結、電気メッキ、無電解メッキ、中間メッキ法又はこれらの組合せがある。
固定すること（工程１０４）により、ろう付けフォイル及び第１の被加工物をろう付け可能な構成部品として所定の位置に維持し、ろう付け可能な構成部品が第２の被加工物に対して所定の位置に配置されることが可能になる。
一実施形態では、固定すること（工程１０４）には、無電解メッキ及び／又は電気メッキのようなメッキが含まれる。メッキする実施形態では、固定すること（工程１０４）は、望ましくない位置のメッキを防ぐためにマスクする工程を含み、中間層（例えば、純粋又は実質的に純粋なニッケル層）の設置を含む。
一実施形態では、固定すること（工程１０４）には、タック溶接と、それに続く焼結温度での焼結が含まれる。一実施形態では、焼結温度はろう付け温度より約２００°Ｆ低いか、ろう付け温度より約１００°Ｆ低いか、ろう付け温度より約５０°Ｆ低いか、ろう付け温度より約５０°Ｆ〜約２００°Ｆ低いか、ろう付け温度より約５０°Ｆ〜約１００°Ｆ低いか、ろう付け温度より約１００°Ｆ〜約２００°Ｆ低いか又は任意の適切な組合せ、下位の組合せ、範囲、若しくは下位の範囲である。加えて又は代わりに、焼結温度は約１３００°Ｆ〜約２２００°Ｆ、約１３００°Ｆ〜約２０００°Ｆ、約１３００°Ｆ〜約１８００°Ｆ、約１３００°Ｆ〜約１６００°Ｆ、約１５００°Ｆ〜約１８００°Ｆ、約１８００°Ｆ〜約２１００°Ｆ又は任意の適切な組合せ、下位の組合せ、範囲、若しくは下位の範囲である。
一実施形態では、固定すること（工程１０４）には、ろう付け可能な構成部品を、約１分〜約３０分、約５分〜約１５分、約５分〜約１０分、約１０分〜約１５分、約１５分〜約３０分、約１分、約５分、約１０分、約１５分、約３０分又は任意の適切な組合せ、下位の組合せ、範囲、若しくは下位の範囲のような所定の持続時間、炉内に配置することが含まれる。
挿入又は組立を可能にする任意の適切な技術に従って第２の被加工物をろう付け可能な構成部品と共に配置する（工程１０６）。適切な技術には、限定されることはないが、機械的な結合の使用、留め具の使用、接着剤の使用、結合部品の使用、スロットの使用、固定具の使用又はこれらの組合せがある。第２の被加工物がプレートであり、ろう付け可能な構成部品がろう付け可能なチューブである一実施形態では、ろう付け可能なチューブが（例えば、熱により）膨張できる場合、ろう付け可能なチューブはプレート（又は図２を参照して以下に記載するように、複数のプレート又はプレートアセンブリ１１の一部分）内に挿入される。この膨張により、ろう付け可能なチューブは、例えばろう付け（工程１０８）の開始前、所定の位置に固定される。
ろう付け（工程１０８）は、ろう付け温度及び／又はろう付け時間のような任意の適切な技術及び／又は作動パラメーターを含む。一実施形態では、ろう付け（工程１０８）はろう付けペーストを使用することなく行われる。一実施形態では、ろう付け（工程１０８）は単一工程のろう付け方法であり、複数のろう付け工程の統合が可能である。一実施形態では、ろう付け温度は約１５００°Ｆ〜約２３００°Ｆ、約１５００°Ｆ〜約２３００°Ｆ、約１５００°Ｆ〜約１８００°Ｆ、約２０００°Ｆ〜約２３００°Ｆ、約１８００°Ｆ〜約２３００°Ｆ、約１８００°Ｆ〜約２１００°Ｆ又は任意の適切な組合せ、下位の組合せ、範囲又は下位の範囲である。一実施形態では、ろう付け時間は約１分〜約３０分、約５分〜約３０分、約１５分〜約３０分、約２０分〜約３０分、約１０分、約１５分、約２０分、約３０分又は任意の適切な組合せ、下位の組合せ、範囲又は下位の範囲である。
図２を参照して、方法１００によって形成されるプレートアセンブリ１１の一実施形態では、第１の被加工物はろう付け可能なチューブであるろう付け可能な構成部品により形成されたチューブ２０であり、第２の被加工物はプレート３２である。例えば、ケーシング１２は、プレートアセンブリ１１の少なくとも一部分を形成する燃焼器１０を広く包囲し、燃焼器１０に向かって流れる作動流体１４を収容する。ケーシング１２は一端にエンドカバー１６を含んでいて、燃料、希釈剤、及び／又はその他の添加物を燃焼器１０に供給するための界面を提供する。流体導管１８はエンドカバー１６からチューブ２０まで概して軸方向に延びる。流体導管１８はチューブ２０及び燃料源（図には示してない）と流体連通している。
一実施形態では、ライナー２２がチューブ２０の少なくとも一部分を広く包囲し、概してチューブ２０の下流に延びる。ライナー２２は少なくとも部分的にチューブ２０の下流に燃焼チャンバ２４を画定する。ケーシング１２はチューブ２０及び／又はライナー２２を円周方向に包囲して、例えば、チューブ２０及びライナー２２を少なくとも部分的に包囲する環状通路２６を画定する。これにより、作動流体１４はライナー２２の外側に沿って環状通路２６を通って流れ、ライナー２２に対流冷却を提供することが可能になる。作動流体１４がエンドカバー１６に到達すると、作動流体１４は方向を逆転し、チューブ２０の少なくとも一部分を通って流れ、そこで燃料と混合された後燃焼チャンバ２４中に射出される。チューブ２０は一般に、下流端３０から軸方向に離れた上流端２８を含んでいる。チューブ２０は１以上のプレート３２にろう付けされる。プレート３２は概して半径方向で円周方向に延びる。
図３は、図２に示した燃焼器１０内のプレートアセンブリ１１の拡大概略図である。一実施形態では、通路４２がプレート３２を通って概して軸方向に延びている。通路４２は任意の大きさ又は形状である。チューブ２０はプレート３２を通って概して軸方向に延びている。チューブ２０の特定の形状、大きさ、数、及び配列は燃焼器１０の作動パラメーターに対応する。
プレートアセンブリ１１はマイクロミキサー、熱交換器、及び／又はその他の応用に適した任意の特徴を含んでいる。図４〜図５は、図２に示した燃焼器１０内のプレートアセンブリ１１の実施形態の拡大概略図である。一実施形態では、プレートアセンブリ１１は、チューブ２０の１以上の部分を少なくとも部分的に包囲し、ろう付け（工程１０８）によりチューブ２０をプレート３２に連結する予備焼結フォイル５４を含んでいる。一実施形態では、チューブ２０及びプレートは、１以上のＴ字状の継ぎ目として、例えば、約４の継ぎ目、約６の継ぎ目、約１２の継ぎ目又はその他の任意の適切な数に配列されている。さらに別の実施形態では、予備焼結フォイル５４は流体漏出からチューブ２０をシールする。
好ましい実施形態を参照して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更をなし得、またその要素に代えて等価物を使用し得る。加えて、個々の状況又は材料を本発明の教示に適合させるべく、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく多くの修正をなし得る。従って、本発明は、本発明を実施する上で考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、後記特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を包含する。

Claims (8)

  1. ろう付け方法であって、
    チューブ上にろう付けフォイルを配置し、次に
    ろう付けフォイルをチューブに固定してろう付け可能なチューブを形成し、次に
    プレートアセンブリのプレートが備えている通路にろう付け可能なチューブを通し、ろう付け可能なチューブを通路の周囲においてろう付けフォイルで包囲し、ろう付け可能なチューブをプレートに配置し、その後
    プレートをろう付け可能なチューブにろう付けする
    ことを含んでおり、
    固定がタック溶接した後に加熱することによって行われ、加熱が、７０４℃〜１２０４℃（１３００°Ｆ〜２２００°Ｆ）であって、ろう付け可能なチューブのろう付け温度未満の温度で１分〜３０分間行われる、ろう付け方法。
  2. 固定が炉内で行われ、炉がろう付けフォイルのろう付け温度の１１１℃（２００°Ｆ）以内の温度を有する、請求項１記載のろう付け方法。
  3. さらに、ろう付けフォイルを配置する前にろう付けフォイルを所定の長さに切断することを含む、請求項１又は請求項２記載のろう付け方法。
  4. ろう付けをろう付け時間の間行い、ろう付け時間が１分〜３０分である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のろう付け方法。
  5. 設置することが、ろう付け可能なチューブをプレートアセンブリ内に機械的に固定することを含む、請求項１乃至４のいずれか１項記載のろう付け方法。
  6. プレートアセンブリが流体を収容するように配列され配置される、請求項１乃至５のいずれか１項記載のろう付け方法。
  7. プレートアセンブリは流体の漏れがない、請求項１乃至６のいずれか１項記載のろう付け方法。
  8. プレートアセンブリの流体の漏れを検査することを含む、請求項１乃至７のいずれか１項記載のろう付け方法。
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