JP6598856B2 - ２回の溶接によりプレート式熱交換器を製造する方法およびこれに対応するプレート式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、プレート式熱交換器を製造する方法およびプレート式熱交換器自体に関する。特に本発明は、ろう接されたアルミニウム製のプレート式熱交換器を対象とする。

ろう付け（硬ろう付け）されたアルミニウム製のプレート式熱交換器は、様々な圧力および温度で熱を伝達する多数の設備において汎用されている。すなわちプレート式熱交換器は、たとえば空気の分解に際して、天然ガスの液化に際して、またはエチレンを生成する設備で使用されている。

この種のプレート式熱交換器は、たとえば”The Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufactures association”ALPEMA report (2000)に記述されている。そこから看取される図を、従来技術として図１に示し、以下に説明する。

図１に示されたプレート式熱交換器１により、たとえば図示のプロセス流れＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの異なる複数のプロセス流れの間の熱交換を実現することができる。プレート式熱交換器１は、直方体状に構成されていて、複数の、個々のプロセス媒体の供給兼排出手段６を備える。この手段６は、管片とも称される。熱交換器は、同じく個々のプロセス流れＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを分配するかつ集める複数の接続装置７も有する。接続装置７は、ヘッダとも称される。

主に、プレート式熱交換器１は、スタック状に配置された多数の通路３を有し、通路３は、金属薄板から成る仕切り板４により、互いに分離されている。個々の通路３には、様々な媒体が通流することができる。熱交換は、間接的な熱接触を介して行われ、この熱接触は、金属薄板から成るカバー板５と、通路に配置された波形構造（フィンとも称される）とにより実現される。管片６を介して、個々の媒体Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、接続装置またはヘッダ７に導かれ、そこで、スタック状に配置された、それぞれに設けられた通路３に分配される。通路の入口領域に、いわゆる分配フィン２が配置されており、分配フィン２は、個々の通路３の内部に媒体の均等な分配をもたらす。したがって、媒体は、フィン３の波形方向に対して直行する方向で通路３を通流する。フィン３は、仕切り板４と結合されており、これにより、集中的な熱伝導接触が形成される。これにより、隣り合う通路３内に流れる異なる２種の媒体の間の熱交換が可能となる。流れ方向で見て、通路の終端部には、同様の分配フィン２が存在し、その分配フィン２は、媒体を通路からヘッダ７へ導き、媒体はそこに集められ、管片６を介して排出される。個々の通路３は、縁条片８、いわゆるサイドバーにより、外部に対して閉鎖されている。全体の熱交換器ブロックの外側輪郭の画定は、カバー板５により実現されている。

この種のプレート式熱交換器は、少なくとも２種の媒体の間の熱交換のために極めて良好に適している。しかし、適切な構造により、図１に示されているように、３種以上の媒体を熱交換に関与させてもよい。これにより、極めて効率的なプロセスの実施と温度差の効果的な利用が可能となる。

プレート式熱交換器は、たとえばアルミニウムからろう付けにより形成される。個々の通路は、フィン、分配フィン、カバー板および縁条片と互いにスタックされ、ろうが施与され、炉内でろう付けされる。この場合、波形のフィンも、隣り合う仕切り板４とろう接される。波形のろう接されたフィンは、内圧により生成される力を伝達し、したがって、熱交換器ブロックの強度を決定する重要な要因である。この場合、形成されたブロック上に、接続装置７および管片６が溶接される。

接続装置７またはヘッダは、熱交換器ブロック１と、通常は、溶接により結合される。この場合、いわゆるヘッダの溶接は、従来の方式で、熱交換器ブロック１の、ろう接プロセス後に形成される、複数の仕切り板４およびその間に配置された複数の縁条片８の外面により構成される表面上で行われる。しかし、熱交換器ブロック１上への接続装置７の溶接時、各々の接続装置７により囲繞される室の不密性の危険が生じる。これは、一方では溶接プロセス時に熱交換器ブロック１の表面上に場合により生じる凹部が検知されないこと、または熱交換器ブロック１の表面上にろう接−不均一性が残ることにより生じる。

さらに、特にろう接された熱交換器ブロック１では、ろうは、多くの場合、ケイ素含有のかつ／またはマグネシウム含有のアルミニウム合金から成る。仕切り板４および分配フィン２を結合するろうにおける臨界的なケイ素濃度またはマグネシウム濃度の範囲において、過剰溶接時に、溶接の箇所で、溶接材料が約１％のケイ素含量またはマグネシウム含量を有する領域が生じるおそれがある。部分的にそのような合金が存在することにより、材料の亀裂発生率が増加し、ひいては場合により接続装置７および／または熱交換器ブロック１に不密性が生じる。

本発明の根底を成す課題は、プレート式熱交換器を製造する方法およびプレート式熱交換器自体をも提供することであり、その際、この方法により、より簡単でより安価にかつ時間を節約する方式でプレート式熱交換器を生産することができ、プレート式熱交換器は、少ない亀裂発生率と長い寿命とを有する。

この課題は、請求項１に記載の、本発明に係るプレート式熱交換器を製造する方法、および請求項４に記載の、本発明に係るプレート式熱交換器により解決される。

並列の独立請求項４で請求されるプレート式熱交換器は、好適には、請求項１に記載の、本発明に係るプレート式熱交換器を製造する方法により製造される。

本発明に係るプレート式熱交換器を製造する方法の好適な態様は、従属請求項２〜３に記述されている。本発明に係るプレート式熱交換器の好適な態様は、従属請求項５〜７に記述されている。

本発明に係る、プレート式熱交換器を製造する方法では、複数の仕切り板と仕切り板の間に配置された複数の縁条片、いわゆるサイドバーとを備える熱交換器ブロックが用意される。さらに、熱交換器ブロックに取り付けられるべき接続装置、いわゆるヘッダが用意される。熱交換器ブロックに接続装置を固定するために設けられた面領域に、第１の溶接により、緩衝ビードとも称される少なくとも１つの溶接ビードが設けられる。続いて、接続装置は、第２の溶接により、第１の溶接により形成された溶接ビード上に溶接される。その際、第１の溶接が行われる溶接法は、摩擦撹拌溶接である。

摩擦撹拌溶接時、回転しているピンが、工作物ひいては仕切り板および縁条片の材料において、設定された軌道に沿って案内され、その際、撹拌運動が行われる。この場合、従来慣用のアーク溶接とは異なり、摩擦撹拌溶接される材料は、融解液化するのではなく、ねり粉状又は糊状になる。これには、冶金に基づく亀裂発生率が低減される効果がある。さらに、従来慣用のアーク溶接の場合よりも極めてわずかな熱しか材料に導入されないので、熱応力に起因する亀裂発生も阻止される。

この摩擦撹拌溶接は、追加的な溶加材を添加してまたは添加せずに行ってよい。溶加材が使用されない場合には、摩擦撹拌溶接により、溶接ビードが、溶接される領域の体積の増加なく、専ら面領域の表面の再溶融により形成される。

溶接ビードへの、通常は矩形の横断面を有する接続装置の最適な接続のために、溶接ビードは、接続装置の輪郭および寸法に応じて枠状に構成されるべきである。第１の溶接により形成される溶接ビードの幅は、好適には、少なくとも、溶接ビード上に接続装置を、隅肉溶接を用いて第２の溶接により溶接することができ、その際、隅肉溶接により、溶接ビードが設けられたプレート式熱交換器の表面の領域だけが溶解されるように、寸法設定される。溶接ビードの幅は、たとえば、溶接されるべき領域における接続装置の肉厚の２倍〜３倍の厚さを有してよい。

本発明に係る、プレート式熱交換器を製造する方法は、好適には、アルミニウム製のプレート式熱交換器を生産するために利用されてよい。ヘッダとも称される接続装置は、熱交換器ブロックの流れ開口または通路の領域で熱交換器ブロックに取り付けられてよく、したがって、平行して配置された複数の仕切り板の縁部やその間に配置された縁条片、いわゆるサイドバーまたはその間に位置する隙間を覆う。この場合、熱交換器ブロックに接続装置を固定するために設けられた面領域は、熱交換器ブロック上に取付けられた状態で接続装置により覆われる実際の面よりも幾分か大きくてよい、または溶接ビードの縁は、溶接された状態で接続装置の該当する縁部に対して所定の間隔を有してよい。

この場合、溶接ビードまたはいわゆる緩衝ビードは、仕切り板と縁条片との間の結合部の材料または組織を均一化するかつ／または均質化するために取り付けられたまたは導入された溶接ビードである。この均一化は、たとえば表面の、５ｍｍの深さにまで達するろう接−不均一性における再融解により、このろう接−不均一性の取除きを伴って達成される。これにより、熱交換器ブロックの動作中に不密性が生じるおそれは、大幅に低減される。この場合、本発明に従って形成されるべき溶接ビードは、溶加材の導入の有無にかかわらず溶接可能である。

特に、仕切り板および分配フィンを結合するろうの臨界的なケイ素含量またはマグネシウム含量の場合、本発明に係る摩擦撹拌溶接を使用することができる。というのも、摩擦撹拌溶接により、溶接されるべき材料の軟化が、糊状の状態にまでしか実現されず、液化が生じないので、亀裂発生のおそれが大幅に低減されるからである。

熱交換器ブロックにおける第１の溶接により、方法の好適な態様では、熱交換器ブロックに接続装置を固定するために設けられた面領域の凹凸が少なくとも部分的に均される。この場合、５ｍｍの深さまたは高さ未満の凹凸または２ｍｍまでの振幅を有する凹凸を均すことが可能である。表面の均一化は、接続装置を溶接するためのこれに続く溶接ビードの用意に際して掛かる手間を低減させ、熱交換器ブロックと接続装置との間の、溶接に起因する不密性が生じるおそれを低減させる。

プレート式熱交換器を製造する方法の格別な態様では、第１の溶接は、場合により、この第１の溶接により仕切り板と縁条片との間のろう接−不均一性が少なくとも部分的に取り除かれるように、行ってよい。好適には、このようなろう接−不均一性は、完全に取り除かれる。これにより、ろう接プロセスで生じたエラーを後で補整することができる。

前述の課題を解決するために、さらに、特にアルミニウム製のプレート式熱交換器であってよい、本発明に係るプレート式熱交換器が提供される。このプレート式熱交換器は、複数の仕切り板と仕切り板の間に配置された複数の縁条片とを有する熱交換器ブロックと、接続装置とを備える。熱交換器ブロックと接続装置との間に、熱交換器ブロック上に第１の溶接により溶接された少なくとも１つの溶接ビードが存在する。接続装置は、溶接ビードと、第２の溶接により溶接技術的に結合されている。

要するに、熱交換器ブロックに接続装置を固定するために設けられた面領域に、第１の溶接により、少なくとも１つの溶接ビードが設けられており、接続装置は、溶接ビードと、第２の溶接により結合されている。この場合、好適には、接続装置は、第１の溶接により形成された溶接ビードに接してかつ／または溶接ビード上に溶接されている。

この場合、記述の溶接ビードは、摩擦撹拌溶接により溶接されている。好適な態様では、本発明に係るプレート式熱交換器は、ろう接されたプレート式熱交換器である。つまり、このプレート式熱交換器は、たとえば、ろう接により仕切り板と結合された波形の板およびフィンを仕切り板の間に有する。

プレート式熱交換器は、フィン、分配フィン、カバー板および縁条片と個々の通路とを結合するために、面状に構成されたろう接箇所を、また点状のろう接箇所をも有してよい。それぞれ使用されるろうは、ケイ素合金またはマグネシウム合金であってよい、またマグネシウムとケイ素とを含む合金であってもよい。アルミニウム製のプレート式熱交換器を製造するために、これらの合金は、それぞれアルミニウム合金成分を含んでもよい。

第１の溶接により形成される溶接ビームのケイ素含量またはマグネシウム含量は、好適には、１．５％超または０．５未満である。つまり、形成される溶接ビードのケイ素含量またはマグネシウム含量は、０．５％〜１．５％のケイ素またはマグネシウムの範囲外に位置するよう試みられている。

この場合、熱交換器ブロック上に形成される溶接ビードは、溶加材を含んでよく、溶加材により、場合により溶接ビードにおける所望のケイ素濃度またはマグネシウム濃度も調整されている。

摩擦撹拌溶接による溶接ビードの溶接と、これに伴う熱供給の低下とにより、アーク溶接時に通常生じる高い摩擦発生リスクの存在を阻止することができる。要するに、従来慣用のろう接またはろう接材料を引き続き使用することができ、ケイ素濃度に起因するまたはマグネシウム濃度に起因する亀裂発生リスクを甘受しなくとも、接続装置を、熱交換器ブロックに溶接することができる。接続装置を熱交換器ブロックに溶接することができる。

以下、本発明を、添付の図面に示された実施の態様に基づいて詳説する。

従来慣用のプレート式熱交換器を示す。 熱交換器ブロックの上側の領域の拡大斜視図である。

従来慣用のプレート式熱交換器の構造的な態様については、従来技術を説明するために、既に図１に関して言及した。

図２に示された熱交換器ブロック１においても、分配フィン２、プロセス流れＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを導くための通路３、仕切り板４およびカバー板５が看取される。ヘッダとも称される接続装置７に、プロセス流れＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの供給兼排出手段６が、管片６として配置されている。さらに、個々の仕切り板４の間に配置された、サイドバーとも称される縁条片８が看取される。

特に、不可避の製造公差および／またはろう接に起因する熱歪みに基づき、仕切り板４と縁条片８との間に隙間９が生じ得る。さらに、縁条片８と仕切り板４との間に存在するろうは、ある程度の不均一性を有し得る。さらに、仕切り板４および縁条片８の外側の表面が凹凸を有することは避けられない。その隙間、不均一性および凹凸により、特に熱交換器ブロック１に接続装置７を自動的に溶接するときに不密性が生じ得る。

したがって、本発明によれば、熱交換器ブロック１の表面に、熱交換器ブロック１に接続装置７を固定するために設けられた面領域１０において、第１の溶接１１により形成される溶接ビード１２が施与される。この溶接ビード１２により、面領域１０は、均一化され、面領域に場合により存在するろう接−不均一性が取り除かれる。この第１の溶接１１は、摩擦撹拌溶接により行われ、その際、図示されたピン状の溶接工具２０が、それ自体の縦軸線を中心に常時回転しながら、矢印で示唆された並進的な軌道２１に沿って、熱交換器ブロック１を通って、ひいては互いに平行に配置された複数の仕切り板４と縁条片８とを通って移動させられる。その際に形成される摩擦熱により、仕切り板４および縁条片８の材料は、糊状になり、これらの熱交換器要素の間に溶接結合が形成される。しかもその際、溶接される材料は、好適には、場合により存在する臨界的な０．５％〜１．５％のケイ素濃度またはマグネシウム濃度により溶接シーム領域で亀裂発生のおそれが生じ得るように加熱されることはない。

図２において、既に熱交換器ブロック１に配置された接続装置７の縁部に示唆されているように、溶接ビードの取付けが行われた後、第２の溶接１３により、溶接シーム１４が形成され、溶接シーム１４により、接続装置７は、溶接ビード１２上に、ひいては熱交換器ブロック１に溶接される。

１ 熱交換器ブロック
２ 分配フィン
３ 通路
４ 仕切り板
５ カバー板
６ 供給兼排出手段
７ 接続装置
８ 縁条片
Ａ， Ｂ， Ｃ， Ｄ， Ｅ プロセス流れ
９ 隙間
１０ 面領域
１１ 第１の溶接
１２ 溶接ビード
１３ 第２の溶接
１４ 溶接シーム
２０ 溶接工具
２１ 並進的な軌道

Claims (6)

1. プレート式熱交換器を製造する方法であって、
   −金属薄板から成る複数の仕切り板（４）と該仕切り板（４）の間に配置された複数の縁条片（８）とを有する熱交換器ブロック（１）を用意し、
   −該熱交換器ブロック（１）に取り付けられるべき桶状の接続装置（７）を用意し、
   −第１の溶接（１１）により、前記熱交換器ブロック（１）に前記接続装置（７）を固定するために設けられた該接続装置（７）の接続側の縁部の輪郭形状に対応する面領域（１０）に、少なくとも１つの溶接ビード（１２）を設けて、前記面領域（１０）を均一化し、
   −第２の溶接（１３）により、溶接シームを形成して、該溶接シームにより、前記接続装置（７）を、前記溶接ビード（１２）上に溶接する、方法において、
   第１の溶接（１１）が行われる溶接法は、摩擦撹拌溶接であることを特徴とする、プレート式熱交換器を製造する方法。
2. 前記摩擦撹拌溶接を追加的な溶加材を添加せずに行う、請求項１記載のプレート式熱交換器を製造する方法。
3. 前記第１の溶接（１１）により、前記仕切り板（４）と前記縁条片（８）との間のろう接−不均一性が少なくとも部分的に取り除かれる、請求項１または２記載のプレート式熱交換器を製造する方法。
4. プレート式熱交換器であって、
   複数の仕切り板（４）と該仕切り板（４）の間に配置された複数の縁条片（８）とを有する熱交換器ブロック（１）と、桶状の接続装置（７）とを備え、前記熱交換器ブロック（１）と前記接続装置（７）の接続側の縁部との間に、前記熱交換器ブロック（１）上に第１の溶接（１１）により溶接された少なくとも１つの、前記接続装置（７）の接続側の縁部の輪郭形状に相応する溶接ビード（１２）が存在し、前記溶接ビード（１２）により、該溶接ビード（１２）が施与される前記熱交換器ブロック（１）の面領域（１０）は均一化されており、前記接続装置（７）は、前記溶接ビード（１２）と、第２の溶接（１３）により形成された溶接シームによって、結合されている、プレート式熱交換器において、
   前記溶接ビード（１２）は、摩擦撹拌溶接により溶接されていることを特徴とする、プレート式熱交換器。
5. 前記溶接ビード（１２）は、溶加材を含む、請求項４記載のプレート式熱交換器。
6. 当該プレート式熱交換器は、ろう接されたプレート式熱交換器である、請求項４または５記載のプレート式熱交換器。

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