JP6822958B2 - 熱交換器用クラッドシート - Google Patents
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Description
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、2014年12月22日に出願された米国仮出願第62/095,146号の利益を主張する。
1つの実施形態において、本発明は、耐腐食性金属合金コアと、片面クラッドシートを形成するために、金属合金コアに溶融鋳造される金属合金クラッディングとを含む材料を提供する。溶融鋳造は、以下の米国特許:第7748434号、第7762310号、第7789124号、第7882887号、第7975752号、第8336603号、第8347949号、第8415025号、及び第8418748号に示されるように当該技術分野において既知である。
本発明はまた、高含有量のスクラップ金属を含み、コアの片面に溶融鋳造された第1の金属クラッディングと、コアの反対側に溶融鋳造された第2の金属クラッディングを有する2つの側面を有する金属コアを含む材料を提供する。材料は、シートの形状であり得る。次に、これらのクラッドシートの2つをロール圧接して、第1のシートのクラッド層と第2のシートのクラッド層の領域間に永久的な金属結合を生成する(図2)。
金属材料の耐腐食性は、材料科学の分野において、特に、材料が浸食性環境で使用される場合において、危急の問題である。浸食性環境の一例に海洋環境がある。一般に、通常条件下では耐腐食性であるアルミニウムのような幾つかの金属は、海洋環境においては腐食しやすい。アルミニウムは、極めて酸化を受け易く、金属表面上に保護的な不動態酸化膜を形成する。アルミニウム表面上に安定した酸化膜を形成することにより、全体的に優れた腐食耐性が得られる。しかしながら、酸化膜が損傷された場合、または海水中などの塩化物アニオンの存在を含む特定の電気化学的条件下では、アルミニウムの腐食が起こる可能性がある。孔食は、金属表面に生じる高度に局所的な腐食の一形態であり、金属間介在物または粒子などの不動態膜の弱点で開始することがしばしば観察される。局所的な点で不動態膜が破壊されると、イオン/電子対が生成され、陽極及び陰極サイトで起こる半反応によって腐食が進行する可能性がある。耐孔食性は、直線偏光実験などの電気化学的試験方法によって評価することができる。
ロール圧接は、特定の複合金属、材料形態及び物体の製造に非常に有用な費用効率の高い製造技術である。本発明者らは、アルミニウム材料をロール圧接する利点を利用することが可能であり、さらにロール圧接に通常適した合金よりも高い耐腐食性を達成できることを発見した。この目的は、ロール圧接に適した合金と同じ材料の耐腐食性合金を組み合わせることによって達成することができる。1つの特定の例では、ロール圧接に適したアルミニウム合金及び耐腐食性の高い合金の両方を組み込んだ金属シート及び他の関連する形態を生成することができる。
本明細書に記載のクラッドシート合金の幾つかの実施形態は、従来の圧接工程に適合するコアアルミニウム合金を含む。さらに、コア合金は、成形性、温冷海水中での長期耐腐食性などの耐腐食性、腐食環境に曝された縁部でのクラッドシート合金の自己保護を確実にするコア合金とクラッディング合金間の適切な流電バランス、及び従来の圧接工程のうちの1つ以上の特性を選択することができる。
本明細書記載のクラッドシート合金は、シートの片面または両面にクラッディングを含む。クラッディングに使用される合金、すなわち「クラッディング合金」はアルミニウム合金である。一部のクラッディング合金は、耐腐食性のために選択される。例えば、幾つかの実施形態では、クラッディング合金は、高い耐腐食性のために、またはロール圧接を容易にするためのために、またはその両方のために選択される。例えば、クラッディング合金は、温冷海水中で長期間の耐食性を誇示するように選択することができる。クラッディング合金の選択に使用される幾つかの他の要因は、ロール圧接との適合性、溶融鋳造との適合性、成形性、温冷海水中での長期耐腐食性などの耐腐食性、腐食環境に曝された縁部でクラッドシート合金の自己保護を確実にするために、コア合金とクラッディング合金間の適切な流電バランス、再溶融との適合性、及び従来の圧接工程のうちの1つ以上である。
片面クラッドシート
クラッドシートの1つの例示的な実施形態は、片面クラッドシート合金である。片面クラッドシート合金は、ロール圧接との適合性のために選択されたアルミニウム合金のクラッドと、海洋環境のような浸食性環境における孔食に対する最大耐性に基づいて選択されたアルミニウム合金の片面コアとを含む。海洋環境に適した一般的なアルミニウム合金は、そのような合金中にMgベースの熱酸化物が存在するため、耐食性が高く、ロール圧接ができないことに注意することが重要である。1つの実施形態では、クラッディングは、溶融鋳造技術、次いで熱間圧延及び冷間圧延によってシートに塗布される。別の実施形態において、クラッド層は、従来のロール圧接技術によってコア層に貼付される。
本発明のクラッドシート合金の別の実施形態は、両面クラッドシート合金である(図2)。一例では、両面クラッドシート合金は、耐腐食性との適合性のために選択されたクラッディングの少なくとも1つの面を含む。第2の面のクラッディングは、同じ耐腐食性合金(対称シート)または異なる合金(非対称シート)であってもよい。コアとクラッディングの異なる組み合わせを用いることにより、様々な合金特性及び製造工程を利用して、所望の特性を有する費用効果の高いクラッドシート合金を製造することが可能になる。両面クラッドシート合金の一例は、スクラップ金属含有量の高いコアと、海洋用途に適した高い耐腐食性の合金の片面クラッディングと、中程度の耐腐食性のロール圧接に適合した合金の第2の面のクラッディングとを組み込んだ非対称両面クラッドシート合金である。この非対称両面シート合金は、高スクラップ金属含有量及びロール圧接を利用し、製造を簡素化して、製造コストを低減すると同時に、高度の耐腐食性を提供する。
本明細書に記載のクラッドシート合金は、本明細書に記載の技術のうちの少なくとも幾つかを含む工程によって製造することができる。キャストシート合金を製造する工程は、本開示の範囲内に含まれる。
下側シートの上面は、通常、上側シートの下面に接触する前に、所望のパターンの溶接停止インクでスクリーン印刷される。ロール圧接後、2枚のシートの間に永久的な金属結合が生成される(効果的に単一シートを生成する)。しかしながら、溶接停止インクを組み込んだ合わせ面の領域では、永久的な結合を形成しない。これらの領域は分離することができ、その後の隙間は膨張して、熱交換器作動流体に適した一体的な流路を形成する。
本明細書記載のクラッドシート合金は、様々な用途に使用することができる。1つの例示的な用途は、発電所用のアルミニウムパネル熱交換器モデルの製造である。より一般的には、高い耐腐食性のクラッディングを有するクラッドシート合金は、海洋環境での様々な使途に適している。これらのクラッドシート合金は、上部海洋の温水などの比較的低品位の熱廃棄物から、また、例えば、発電所からの排出物、または他の工業工程に関連する排出物などの他の廃熱流量から、有用なエネルギーを抽出するために使用することができる。
本明細書記載のクラッドシート合金は、様々な構造的及び機能的特徴及び特性を有することができる。これらの特徴及び特性は、説明目的及び区別目的のために使用することができるが、本明細書に記載した組み合わせコーティングの様々な使途及び用途に有利に用いることもできる。すべてではないが、フィルム及びコーティングの幾つかの特徴及び特性は、例えば、ロール圧接技術及び/またはスクラップ金属、ならびに優れた耐腐食性を利用することによって達成され得る、製造の容易性及び低コストである。特定の用途に適したクラッドシート合金の実施形態は、幾つかの用途特有の特徴を有することができる。
AA5005Aコア及びAA3003クラッドを含む鋳塊を、1900mm幅の型で鋳造した。鋳塊は約12,000kgであり、10%(重量%)のクラッドを有していた。コア表面は約12mmの厚さにした。ライナー表面は約11mmの厚さにした。鋳塊は生産効率を高めるために中央分割されていた。スカルプされた鋳塊は、温間ラインで底面を、冷間及び完成ラインでは上面をライナー3003付可逆圧延機に通した。2つのエッジカットが作成された。冷間鋳塊は、クロッピング後に可逆圧延機を通り、次いで仕上げ圧延機に送られた。特定の研削を施した研削ロールを用いて、シートのクラッド表面を示した。
実施例1と同様に製造された片面クラッドシートからなるアルミニウムパネルを、実施例1と同様に製造された第2の片面クラッドシートに、2枚のクラッド層を対向させてロール圧接し、一体型チューブツインプレート熱交換器を製造した。
この実施例では、両面クラッドシートからなるアルミニウムパネルを、別の両面クラッドシートにロール圧接して、一体型チューブツインプレート熱交換器を製造する。下側シートの被覆上面は、通常、所望のパターンの溶接停止インクでスクリーン印刷される。この実施形態において、両面クラッドシートは、耐腐食性クラッド合金と、低コストの高スクラップコアとからなる。溶接停止インクでスクリーン印刷された領域に圧力を加えることにより、上側シートと下側シートとの間に作動流体用の一体的な流路が形成される。流路の膨張は、使用される合金及び全体的なゲージに応じて、圧縮空気または水圧液(高圧が必要な場合)など、当業者に既知の技術によって達成することができる。ロール圧接を用いて上側及び下側の溶融シート間の接合領域を通る断面は、永久的な金属結合を示す。このようにして、低コストのスクラップを含む腐食に敏感なコア合金は、作動流体(一体的な流路内の)または外部環境(例えば、海水)のいずれかとの接触を防止するような方法で、耐腐食性クラッディングによってカプセル封止される。
Claims (8)
- Mg含有量が0.2重量%未満であるAA3XXXのアルミニウム合金から形成された第1のクラッド層とAA5XXXのアルミニウム合金から形成されたコア層とを備える複合金属シートであって、
前記第1のクラッド層は前記コア層の第1の側面に隣接する、複合金属シート。 - 前記第1のクラッド層と前記コア層とをロール圧接することを含む、請求項1に記載の複合金属シートを製造する方法。
- スクラップ金属インプットを含むアルミニウムから形成されたコア層と、
Mg含有量が0.2重量%未満であるAA3XXXのアルミニウム合金から形成された第1のクラッド層と、
Mg含有量が0.2重量%未満であるAA3XXXのアルミニウム合金から形成された第2のクラッド層とを備える複合金属シートであって、
前記第1のクラッド層は前記コア層の第1の側面に隣接に隣接し、かつ前記第2のクラッド層は前記コア層の第2の側面に隣接する、複合金属シート。 - 前記第1のクラッド層、前記コア層、及び前記第2のクラッド層を溶融鋳造して、鋳塊を形成し、その後、前記鋳塊を圧延して前記複合金属シートを製造することを含む、請求項3に記載の複合金属シートを製造する方法。
- 熱交換器の形成における、請求項1または3に記載の複合金属シートの使用。
- 請求項1または3に記載の複合金属シートを備える、熱交換器。
- 熱交換器を製造する方法であって、
a.Mg含有量が0.2重量%未満のAA3XXXのアルミニウム合金から形成された第1のクラッド層と、AA5XXXのアルミニウム合金から形成されたコア層とから形成された第1の複合金属シートを取得することであって、前記第1のクラッド層は、前記コア層の第1の側面に隣接する、第1の複合金属シートを取得すること、
b.Mg含有量が0.2重量%未満のAA3XXXのアルミニウム合金から形成された第1のクラッド層と、AA5XXXのアルミニウム合金から形成されたコア層とから形成された第2の複合金属シートを取得することであって、前記第1のクラッド層は、前記コア層の第1の側面に隣接する、第2の複合金属シートを取得することと、
c.溶接停止インクを、第1の複合金属シートの前記第1のクラッド層の選択された領域に塗布することと、
d.前記第1の複合金属シートの前記第1のクラッド層を、前記第2の複合金属シートの前記第1のクラッド層に隣接して配置することであって、前記選択された領域が、前記第1の複合金属シートと前記第2の複合金属シートとの間にあることと、
e.前記2つの複合金属シートをロール圧接することと、
f.前記選択された領域を膨張させて流路を形成することと、を含む、方法。 - 熱交換器を製造する方法であって、
a.Mg含有量が0.2重量%未満のAA3XXXのアルミニウム合金から形成された第1のクラッド層と、アルミニウムスクラップ金属を含むコア層と、Mg含有量が0.2重量%未満のAA3XXXのアルミニウム合金から形成された第2のクラッド層とから形成された第1の複合金属シートを取得することであって、前記第1のクラッド層は、前記コア層の第1の側面に隣接し、前記第2のクラッド層は、前記コア層の第2の側面に隣接する、第1の複合金属シートを取得することと、
b.Mg含有量が0.2重量%未満のAA3XXXのアルミニウム合金から形成された第1のクラッド層と、アルミニウムスクラップ金属を含むコア層と、Mg含有量が0.2重量%未満のAA3XXXのアルミニウム合金から形成された第2のクラッド層とから形成された第2の複合金属シートを取得することであって、前記第1のクラッド層は、前記コア層の第1の側面に隣接し、前記第2のクラッド層は、前記コア層の第2の側面に隣接する、第2の複合金属シートを取得することと、
c.溶接停止インクを、前記第1または第2の複合金属シートの選択された領域に塗布することと、
d.前記選択された領域が前記第1の複合金属シートと前記第2の複合金属シートとの間にあるように、前記第1の複合金属シートを前記第2の複合金属シートと接触させることと、
e.前記2つの複合金属シートをロール圧接することと、
f.前記選択された領域を膨張させて流路を形成することと、を含む、方法。
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