WO2018124253A1 - ニッケルろうで接合された構造体 - Google Patents

Abstract

プレートにニッケルろうのぬれ性が低いフェライト系ステンレスを用いた場合でも、ニッケルろうの使用量を抑えつつ、インナーフィンとの接合強度の高い多板式オイルクーラ等を提供すること。フェライト系ステンレス鋼板よりなるプレート３と、純鉄板又は炭素鋼板よりなるインナーフィン１０とをニッケルろうにより接合して多板式オイルクーラ等とする。

Description

ニッケルろうで接合された構造体

　本発明は、主に多板式オイルクーラとして最適なニッケルろうで接合された構造体に関する。

　一例として、多数の皿状に形成されたプレートを積層し、各プレートの１枚おきにオイル流路と冷却水流路とを交互に配置した多板式のものが知られている。そして、オイル流路にはインナーフィンが配置され、オイル側の伝熱性を向上している。そのプレートは、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６のオーステナイト系ステンレスや、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレスを使用し、各プレートが銅ろうによりろう付されている。

特開２０１５−０４５４２７号公報

　ところが、エンジンやギアボックス等の潤滑油を冷却するためのオイルクーラとして、銅ろうにより接合すると、次の問題点が生じる。
　オイルが流通するエンジン内部の銅ろうから、油中に銅イオンが溶出し、この銅イオンが油中の硫黄系添加物と反応して硫化銅となる。その硫化銅の生成反応により、摺動部付近やシール部でスラッジの堆積が起こり、油漏れが発生するという現象が確認されており、それを防止するため、銅ろうの使用の削減が求められている。
　その方策の一つとして、銅ろうに変えニッケルろうを使用して多板型オイルクーラを構成することが考えられる。しかし、このように、ろう材を銅ろうからニッケルろうに変更した場合、ニッケルを含む高価なオーステナイト系ステンレス鋼では問題にならないが、クローム系のフェライト系ステンレス鋼に対しては、ニッケルろうの広がりが著しく低下し、それによりろう切れが生じ、未接合部が発生することが判明した。
　これについて、ろう材の増量で対処しようとすると、特に、オイル流路側のインナーフィンとの接合部分は、フィンとプレートとの接触面積が極めて広いので、ニッケルろうの使用量が大きく増加する。また、単にろう材の量を増やすと、インナーフィンのオイル細流路が、ろう材で閉塞される等の不具合が発生する。
　そこで本発明者は、プレートに比較的安価なフェライト系ステンレス鋼板を用いても、ニッケルろうが十分に広がる条件を各種実験により見いだした。本発明はそれに基づき、オイルクーラの各種材質の組み合わせを最適化して、高価なニッケルろうの使用量を抑えつつ、接合強度の高い多板式オイルクーラ等を提供することを目的とする。

　請求項１に記載の本発明は、フェライト系ステンレス鋼と、純鉄または炭素鋼とが、ニッケルろうにより接合された構造体である。
　請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の構造体において、
　当該構造体は、フェライト系ステンレス鋼板よりなるプレート３と、炭素鋼板よりなるインナーフィン１０とが、ニッケルろうにより接合された熱交換器である。
　請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の構造体において、
　前記熱交換器は、オイル流路５と冷却水流路６とが交互に配置された多板型のものであり、そのオイル流路５に前記インナーフィン１０が配置されたオイルクーラである。

　請求項１に記載の発明は、フェライト系ステンレス鋼と純鉄または炭素鋼とをニッケルろうによって接合することにより、ろう付中に溶融するろう材の広がりが大きくなり、接合強度の大きな、確実な接合を行うことができる。
　即ち、従来、フェライト系ステンレス鋼どうしをニッケルろうにより接合しようとすると、ろうの広がりが著しく低いことから、ろう切れによる未接合部が発生するおそれがあった。そのろう切れを防止するには、より多くのろう材を必要としていた。
　これに対して、本発明のように、ニッケルろう付において、フェライト系ステンレス鋼と純鉄または炭素鋼との組み合わせとすると、純鉄または炭素鋼の高いぬれ性により、ろう材の広がりが大きくなり、ろう切れによる未接合部の発生が防止される。それと共に、少ないろう材で両者を接合できるので、ろう材費用が低減される。また、ろう材の過剰分が滞留することが無いので、細かな部品間の接合においても、部品間の流路に、ろう材による目つまりが生じることがない。
　ニッケルろうに対して、純鉄および炭素鋼が高いぬれ性を有することは、本発明者が実験によって見出したことであり、それは、ろう付する際の昇温により、純鉄および炭素鋼が８００~９００℃で体心立方構造から面心立方構造に変態し、ろう付温度（１１００℃程度）では面心立方構造であることに基づく。
　その結果、本発明は、（１）ろう切れに基づく接合不良を防止でき、（２）細かい部品間の隙間のろう詰まりに基づく製品流路の閉塞を防止し、（３）ろう材の使用を低減して、（４）安価な低炭素鋼の使用により製品コストを削減し、量産性の高いものを提供することができる。
　請求項２に記載の発明のように、構造体をフェライト系ステンレス鋼板よりなるプレート３と、炭素鋼板よりなるインナーフィン１０とを、ニッケルろうにより接合して熱交換器を形成した場合には、フェライト系ステンレスからなる流路に、安価で熱伝導率の高い低炭素鋼からなるフィンを施行性良くニッケルろう付することが可能となり、一方の流体に対してはフェライト系ステンレスによる高い耐食性を有し、他方の流体に対しては低炭素鋼製フィンによる高い熱伝達率を有する安価で高性能な熱交換器を得ることができる。また、少量のろう材で接合可能なので、過剰なろうの滞留によってインナーフィンが目詰まりするおそれがなく、品質の安定した熱交換器を得ることができる。
　請求項３に記載の発明のように、熱交換器がオイルクーラであり、それがオイル流路５と冷却水流路６とを交互に配置した多板型のもので且つ、そのオイル流路５に前記インナーフィン１０が配置された場合、インナーフィンとプレートとの接合を確実に行うことができる。それと共に、インナーフィンはオイル流路に配置されているため、腐食の問題も生じない。即ち、腐食するおそれのないオイルクーラを提供できる。

　図１は本発明のオイルクーラの分解斜視図。
　図２は図１の平面図。
　図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図。
　図４は図２のＩＶ−ＩＶ矢視断面図。
　図５は図４の部分拡大図。

　次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
　なお、このオイルクーラの形状自体は、本出願人が特開２０１５−４５４２７号公報（特許文献１）として公開した公知技術に属する。本発明は、そのプレート材料とフィン材料とろう材との、三者の組合せに特徴がある。
〔オイルクーラの構造〕
　このオイルクーラは、それぞれフェライト系ステンレス鋼からなる第１プレート３と、第２プレート４との積層体および同様の材料からなる上端板８、下端板２１を有する。そして、第１プレート３と第２プレート４とが交互に積層されてコア７を構成し、両プレート４、３の１枚おきに、オイル流路５と冷却水流路６とが形成され、そのオイル流路５に純鉄または炭素鋼の板材よりなるインナーフィン１０が配置されている。
　それらの第１プレート３および第２プレート４は、冷間圧延鋼板を皿状にプレス成形したものからなる。そのフェライト系ステンレス鋼板としては、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４４，ＳＵＳ４４５Ｊ１その他を用いることができる。
　また、インナーフィン１０を構成する炭素鋼板としては、ＪＩＳのＳＰＣＣ，ＳＰＣＤ，ＳＰＣＥ，ＳＰＣＦ，ＳＰＣＧ等の冷間圧延鋼板を、プレス成形により曲折して、コルゲート型のフィンやマルチエントリー型のフィン（オフセットフィン）を形成することができる。
　一例として、上記ＳＰＣＣの成分組成は炭素が０．１５重量％以下、マンガンが０．６０％以下、リンが０．１００％以下、硫黄が０．０３５％以下である。
　そして、フェライト系ステンレスの第１プレート３と、炭素鋼のインナーフィン１０とを接合するろう材は、ニッケルろうを用いる。そのニッケルろうとしては、例えば、ＪＩＳやＡＷＳ（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｓｏｃｉｅｔｙ）等の規格で規定されたニッケルろう材を使用できる。
　そのようなニッケルろう材を、第１プレート３とインナーフィン１０との間に介在させて、炉内で各部品をろう付する。実験によれば、前記フェライト系ステンレス鋼板のプレートと、上記炭素鋼のインナーフィンと、ニッケルろうとの組合せによるろう材の広がりは、フェライト系ステンレス板どうしのニッケルろうの広がりの６倍に近い結果となった。
　なお、図１は本発明のオイルクーラの分解斜視図、図２はその平面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図、図４は図２のＩＶ−ＩＶ矢視断面図、図５は図４の部分拡大図である。そしてそれぞれ１枚おきに配置されたフェライト系ステンレス鋼板の皿状の第１プレート３は、その底面が平坦に形成されて、皿の内側にオイル流路５を形成する。同様の皿状の第２プレート４は内部に冷却水流路６を形成し、その内面にはプレス成形による多数のディンプル２３が内面側に突出し分散配置されている。
　そして、平坦な第１プレート３の対角線上の一対の各隅部には、オイル連通孔１が配置され、それに直交する他方の対角線上の一対の隅部には、環状膨出部２ａが突出され、そこに一対の冷却水連通孔２が配置されている。多数のディンプル２３を有する第２プレート４には、第１プレート３と逆の対角線上の位置で、一対の各隅部に、環状膨出部１ａ、オイル連通孔１が配置され、それに直交する対角線上の位置に一対の冷却水連通孔２が形成されている。そして、第１プレート３のオイル連通孔１と、第２プレート４のオイル連通孔１とが互いに接続される。また、第２プレート４の多数のディンプル２３の先端と第１プレート３の底面とが当接する。
　前記一枚おきに積層される第１プレート３の内側と第２プレート４の内側とに、交互にオイル流路５と冷却水流路６が形成される。そのオイル流路５内には、インナーフィン１０が介装され、冷却水流路６内にはディンプル２３が存在する。そして、第１プレート３と第２プレート４とインナーフィン１０との積層体でコア７を形成し、それら各プレート３、４およびインナーフィン１０に粉末状のニッケルろうが、バインダを介して塗布される。このときインナーフィン１０には、その厚み方向の両面にニッケルろうが塗布される。そして、コア７の上端に上端板８が配置され、下端には下端板２１が配置されている。また上端板８の対角線上の両隅に一対の凸部１１が表面側に突出して配置される。
　このような第１プレート３、第２プレート４及びインナーフィン１０の組立て体からなるオイルクーラは、高温の炉内で一体的にろう付固定される。そして、第１プレート３、第２プレート４の周縁間、それらとインナーフィン１０との間が接合されると共に、第１プレート３と第２プレート４の周縁部間および、第２プレート４のディンプル２３と第１プレート３の底面との間が接合される。
　このとき、オイル流路５内のろう付面積は、冷却水流路６のろう付面積に比べて、著しく大きい。インナーフィン１０と第１プレート３、第２プレート４との接触面が大きいからである。そのため、オイル流路５内のニッケルろうの広がりを、冷却水流路６内のものより大きくする必要がある。オイル流路５内には炭素鋼板よりなるインナーフィン１０が、第１プレート３、第２プレート４間に配置されているため、ニッケルろうの広がりが、冷却水流路６における広がりより著しく大きくなる。
　そのオイルクーラは、一例として図３及び図４に示す如く、基部２２上に配置される。そして、一方のパイプ１４から他方のパイプ１４に冷却水２０が各冷却水流路６内を流通する。また、基部２２のオイル入口１５から各オイル流路５内に、オイル１９が流通する。そして冷却水２０とオイル１９との間に熱交換器が行われる。
　実施例の特徴は、プレート３、４としてフェライト系のステンレス鋼板を用い、インナーフィン１０にＳＰＣＣ等の低炭素鋼を用い、両者間をニッケル系ろう材で接合したことである。
　これにより、プレートにフェライト系ステンレス鋼板を用いても、少ないニッケルろうの使用量で、接合強度が高くかつ目詰まりのない、安価な多板式オイルクーラ等を提供することが可能となる。
　なお、各図において第１プレート３と第２プレート４との間の冷却水流路６間も同様のニッケルろうで接合される。冷却水流路６内の第１プレート３と第２プレート４との間は、ろう付部分が少ないので、ニッケルろうの消費量は少なくて足りる。
〔他の実施例〕
　前記実施例は、第１プレート３および第２プレート４が共に、フェライト系ステンレス鋼板で形成されていた。それに代えて、第１プレート３のみをフェライト系ステンレス鋼板とし、第２プレート４はオーステナイト系ステンレス鋼板とすることもできる。その場合にも、オイル流路５のインナーフィン１０は、炭素鋼板であるＳＰＣＣ，ＳＰＣＤ，ＳＰＣＥ，ＳＰＣＦ，ＳＰＣＧ等の冷間圧延鋼板を用いる。第２プレート４の材料にオーステナイト系ステンレス鋼板を用いると、冷却水流路６内においても、ろう付中のニッケルろうの広がりが大きくなる。
　なお、本発明は上記オイルクーラの実施例に制限されるものでは勿論なく、各種の多板型オイルクーラに好適に利用可能であり、さらに各種熱交換器、例えば空調用熱交換器、ヒートシンクその他にも利用できる。また、ろう付は真空炉内、各種雰囲気炉内の何れでもよい。

　本発明はオイルクーラとして最適な熱交換器に利用できると共に、空調用熱交換器、ヒートシンクにも利用できる。

　１　オイル連通孔
　１ａ　環状膨出部
　２　冷却水連通孔
　２ａ　環状膨出部
　３　プレート
　４　プレート
　５　オイル流路
　６　冷却水流路
　７　コア
　８　上端板
　１０　インナーフィン
　１０ａ　インナーフィン孔
　１１　凸部
　１４　パイプ
　１５　オイル入口
　１６　オイル出口
　１９　オイル
　２０　冷却水
　２１　下端板
　２２　基部
　２３　ディンプル

Claims (3)

1. 　フェライト系ステンレス鋼と、純鉄または炭素鋼とが、ニッケルろうにより接合された構造体。
2. 　請求項１に記載の構造体において、
   　当該構造体は、フェライト系ステンレス鋼板よりなるプレート（３）と、炭素鋼板よりなるインナーフィン（１０）とが、ニッケルろうにより接合された熱交換器。
3. 　請求項２に記載の構造体において、
   　前記熱交換器は、オイル流路（５）と冷却水流路（６）とが交互に配置された多板型のものであり、そのオイル流路（５）に前記インナーフィン（１０）が配置されたオイルクーラ。

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