(57)【要約】      （修正有）【課題】鉄／クロムろう材を用いてろう付けされた少なくとも１つの継手を含む熱交換器およびその製造方法を提供する。【解決手段】鉄／クロムろう材は、式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は原子％単位であり、“ａ”は２７〜６８の範囲にわたり、“ｂ”は５〜２０の範囲にわたり、“ｃ”は０〜３０の範囲にわたり、“ｄ”は０〜２０の範囲にわたり、“ｅ”は０〜５の範囲にわたり、“ｆ”は０〜５の範囲にわたり、“ｇ”は８〜１５の範囲にわたり、“ｈ”は８〜１５の範囲にわたり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、残部は、総組成物の最高１重量％までの量で存在する不可避不純物である。］を有する組成物から本質的になる。【選択図】図１
2010264509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろう接部品を有する熱交換器及び装置の製造方法であって：
間に１つ以上の継手を規定する少なくとも２つの部品を並置する工程と；
前記１つ以上の継手に鉄／クロムろう材を供給する工程と；
前記ろう材を融解するために、適切な条件下で前記並置された部品及び前記ろう材を加熱する工程と；
前記並置された部品及び前記ろう材を冷却して、ろう接組立体の固体ろう接継手を生成する工程と；
酸素含有雰囲気中、前記ろう接組立体のろう接継手に接触する水または他の流体中に浸出するニッケルの量を７５％まで減少させるのに十分な時間、高温にさらすことによって前記ろう接部品を状態調節する工程；
を含み、前記ろう材は、式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は原子％単位であり、“ａ”は２７〜６８の範囲にわたり、“ｂ”は５〜２０の範囲にわたり、“ｃ”は０〜３０の範囲にわたり、“ｄ”は０〜２０の範囲にわたり、“ｅ”は０〜５の範囲にわたり、“ｆ”は０〜５の範囲にわたり、“ｇ”は８〜１５の範囲にわたり、“ｈ”は８〜１５の範囲にわたり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、残部は、総組成物の最高１重量％までの量で存在する不可避不純物である。］を有する組成物から本質的になる、製造方法。
【請求項２】
前記酸素含有雰囲気は空気である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記高温は３００℃〜６００℃の範囲にわたる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記高温は３５０℃〜５００℃の範囲にわたる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記時間は８〜２４時間の範囲にわたる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
２つ以上の金属部品を接合して、ろう接組立体中のろう接継手を形成する方法であって：
間に１つ以上の継手を規定する前記部品を並置する工程と；
前記１つ以上の継手に鉄／クロムろう材を供給する工程と；
前記ろう材を融解するために、並置された部品及び前記ろう材を加熱する工程と；
前記並置された部品及び融解したろう材を冷却して、ろう接部品を有するろう接継手を生成する工程と；
酸素含有雰囲気中、前記ろう接組立体中のろう接継手に接触する水または他の流体中に浸出するニッケルの量を７５％まで減少させるのに十分な時間、前記ろう接継手を高温にさらすことによって前記ろう接部品を状態調節する工程；
を含み、前記ろう材は、式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は原子％単位であり、“ａ”は２７〜６８の範囲にわたり、“ｂ”は５〜２０の範囲にわたり、“ｃ”は０〜３０の範囲にわたり、“ｄ”は０〜２０の範囲にわたり、“ｅ”は０〜５の範囲にわたり、“ｆ”は０〜５の範囲にわたり、“ｇ”は８〜１５の範囲にわたり、“ｈ”は８〜１５の範囲にわたり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、残部は、総組成物の最高１重量％までの量で存在する不可避不純物である。］を有する組成物から本質的になる、形成方法。
【請求項７】
前記酸素含有雰囲気は空気である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記高温は３００℃〜６００℃の範囲にわたる、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記高温は３５０℃〜５００℃の範囲にわたる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記時間は８〜２４時間の範囲にわたる、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
鉄／クロムろう材を用いてろう付けされた少なくとも１つの継手を含む熱交換器であって、前記鉄／クロムろう材は、式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は原子％単位であり、“ａ”は２７〜６８の範囲にわたり、“ｂ”は５〜２０の範囲にわたり、“ｃ”は０〜３０の範囲にわたり、“ｄ”は０〜２０の範囲にわたり、“ｅ”は０〜５の範囲にわたり、“ｆ”は０〜５の範囲にわたり、“ｇ”は８〜１５の範囲にわたり、“ｈ”は８〜１５の範囲にわたり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、残部は、総組成物の最高１重量％までの量で存在する不可避不純物である。］を有する組成物から本質的になる、熱交換器。
【請求項１２】
ろう接組立体中の複数のろう接継手のうちの１つを形成する少なくとも２つの部品を含む熱交換器であって：
間に１つ以上の継手を規定する前記少なくとも２つの部品を並置する工程と；
前記１つ以上の継手に鉄／クロムろう材を供給する工程と；
前記ろう材を融解するために、並置された部品及び前記ろう材を加熱する工程と；
前記並置された部品及び融解したろう材を冷却して、ろう接部品を有するろう接継手を生成する工程と；
酸素含有雰囲気中、前記ろう接組立体中のろう接継手に接触する水または他の流体中に浸出するニッケルの量を７５％まで減少させるのに十分な時間、前記ろう接継手を高温にさらすことによって前記ろう接部品を状態調節する工程；
を含む方法によって製造され、前記ろう材は、式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は原子％単位であり、“ａ”は２７〜６８の範囲にわたり、“ｂ”は５〜２０の範囲にわたり、“ｃ”は０〜３０の範囲にわたり、“ｄ”は０〜２０の範囲にわたり、“ｅ”は０〜５の範囲にわたり、“ｆ”は０〜５の範囲にわたり、“ｇ”は８〜１５の範囲にわたり、“ｈ”は８〜１５の範囲にわたり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、残部は、総組成物の最高１重量％までの量で存在する不可避不純物である。］を有する組成物から本質的になる、熱交換器。
【請求項１３】
式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は原子％単位であり、“ａ”は２７〜６８の範囲にわたり、“ｂ”は５〜１０の範囲にわたり、“ｃ”は０〜１０の範囲にわたり、“ｄ”は０〜１０の範囲にわたり、“ｅ”は０〜３の範囲にわたり、“ｆ”は０〜３の範囲にわたり、“ｇ”は８〜１５の範囲にわたり、“ｈ”は８〜１５の範囲にわたり、合計“ｇ”＋“ｈ”は１８〜２５の範囲にわたり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、残部は、総組成物の最高１重量％までの量で存在する不可避不純物である。］を有する組成物から本質的になるろう材。
【請求項１４】
ろう材が均一延性リボンの形態である、請求項１３に記載のろう材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部品のろう付けに関し、より詳細には、ステンレス鋼をろう付けする際に有用な均一延性鉄−クロムベースのろう付け材料、及び、水中の製造物品からニッケルが浸出する傾向を減少させる、上述の物品を形成するステンレス鋼構成要素をろう付けする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ろう付けは、しばしば異なる組成を有する金属部品を互いに接合する方法である。一般的に、一緒に接合される金属部品のものよりも低い融点を有する溶加材を金属部品の間に挿入して組立体を形成する。次に、組立体を、溶加材を融解させるのに十分な温度に加熱する。冷却すると、強力で、耐漏洩性の継手が形成される。組立てられた部品は、完成製造物品を構成することがあり、またはさらなる製造作業において使用するための副構成要素を形成することがある。
【０００３】
特定の用途のための特定のろう材の選択は、接合される構成要素に関連する要件及び組立体が最終的に稼働しなければならない条件を含む様々なファクターに依存する。
１つの基本的な考慮すべき事柄は温度である。ろう材は、その固相線及び液相線温度を特徴とする。“固相線”という用語は、金属または合金が完全に固体である最高温度を指し、“液相線”という用語は、金属または合金が完全に液体である最低温度を指す。いかなるろう付け方法においても、ろう材は、所望の操業要件を満たすための十分な健全性（integrity）を有するろう接組立体を提供するのに十分に高い固相線温度を有しなければならず、しかもなお、接合される部品の温度能力に適合するのに十分に低い液相線を有しなければならない。
【０００４】
別の考慮すべき事柄は耐食性である。多くのろう接組立体は、特にろう付け付近の腐食を促す環境条件下で稼働しなければならない。与えられた系が腐食する傾向は、系がさらされるガスまたは液体及び典型的な稼働温度に強く影響される。
【０００５】
しばしばろう付けを接合技術として使用して組立てられる１つのクラスの装置は、熱交換器である。こうした装置は様々な形状で周知である。一般的に述べると、熱交換器は、１つの循環流体を別の循環流体から分離する界面を越えて熱が移動することを可能にする。一般に、流体がガス状であっても液体であっても、これを分離したままに保つことが不可欠である。従って、少なくとも部分的に界面を規定するろう接継手は、全範囲の稼働条件下で、長期間の運用寿命の間、構造健全性（structural integrity）を維持することが極めて重要である。
【０００６】
熱交換器が有用性を見出す１つの使用分野は、最終的には人間が摂取及び消費するために意図された材料加工の分野である。こうしたものとしては、食品、並びに、水、飲料、ジュース及びその他同様なもののような流体が挙げられる。このような用途のために指定される熱交換器の構成のために使用する金属材料は、極めて重要である。これは、熱伝達に関して優れた動作特性を提供する必要があるのみならず、これがさらされる物質に適合しなければならない。１つの特定の関心事は、有害であるかまたは流体に望ましくない味を加える構造材料のいかなる元素または分子成分種の望ましくない浸出も溶出もないという要件である。有害な種または望ましくない味が存在する場合、原因となる材料のいかなる浸出も最小にすることが絶対に必要である。しばしば、地方自治体または監督機関は、通過する流体中への浸出が許容される金属イオンのような材料の最大量を確立している。規格は通常、処理される流体の単位体積当り存在してよい浸出液の最大量として表される。理想的には、熱交換器中に取り入れられる材料（ろう材を含む）及び関連製造方法は、予測可能な稼働条件下で適用可能な規制規格を満たすかまたは超える装置をもたらす。
【０００７】
“シェル及びチューブ”型、“プレート／プレート”型、並びに“プレート／フィン”型の熱交換器は最も一般的に見られる。第１の形状においては、一般的に“シェル”と呼ばれるより大きな直径のハウジングは、１つ以上の小さな直径のチューブまたはパイプを包含する。この形状によれば、第１の流体（すなわち、液体、ガス）はシェル及びチューブの外側の周囲を通過し、同時に、第２の流体（液体、ガス）はチューブの内部を通過する。第１及び第２の流体間に物理的接触は許容されないが、より高温の流体からより低温の流体へとチューブの壁を越えて熱伝達が生じる。“プレート／プレート”及び“プレート／フィン”型熱交換器においては、やはり、物理的部材、すなわち、１つ以上のプレートは、第１の流体を第２の流体から分離し、その間に熱伝達がプレートを超えて生じる。こうした型の熱交換器において（並びに他の組立体において）、金属は、その高い強度及び良好な熱伝達特性が理由となって、最も一般的に使用される。一般的に、これらの型の熱交換器を構成するために使用される個々の部品はろう付けによって接合される。熱交換器は、その物理的健全性（physical integrity）並びに互いから及び外界からの流体の分離を維持することが、絶対に必要である。加えて、熱交換器及びその内部構成要素を固定する継手は、流体の１つまたは両方と接触することから生じる可能性があるいかなる有害な影響にも耐えなければならない。
【０００８】
この望ましくない技術的影響を最小にするために、熱交換器用の構造材料、特に食品用に使用されるものは非常に注意深く選択する必要がある。最高約２０％までのＮｉを含むステンレス鋼は、流体またはガス中への低い浸出速度及び一般的に良好な耐食性を含む望ましい特性を示すので、非常に一般的に見られる。しかしながら、高温で実行されるろう付け製造方法はまた、ステンレス鋼が浸出する傾向に悪影響を及ぼすこともある。以前には、元素銅が、流体、特に水中へのニッケルの低い浸出を特徴とするろう材として使用された。しかしながら、銅をろう材として使用してろう付けされた構成要素を有する熱交換器の耐食性は不満足なものである。一般的に、こうした熱交換器は、頻繁な交換を必要とし、交換用装置及び関連する労力のためのかなりのコスト、並びに製造停止時間から生じる経済的損失をもたらす。耐食性を改良するために、主にニッケル及びクロム（“Ｎｉ／Ｃｒ”）に基づく組成を有するろう材を、このような組立体において使用されるステンレス鋼の部品を接合するために用いることができることが、最近見い出された。残念ながら、このようなＮｉ／Ｃｒベースのろう材を使用した場合、しばしば、望ましくない程多量のニッケルが、こうした組立体を通って流れる水または他の流体中に浸出することも見い出された。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このようなＮｉ／Ｃｒベースのろう材は、かなりの比率のニッケルを含むので、これは望ましくないニッケル浸出液の源であると考えられている。こうした理由で、Ｎｉ／Ｃｒベースのろう材の使用は、材料が人間の摂取または消費のために使用するように指定される場合と同様、流体中へのニッケルの浸出が懸念を提起する用途においては避けるべきである。驚くべきことではないが、一部の国の政府の規制により、こうした流体中に浸出するかもしれないニッケルの量が厳密に制限されている。本発明が目指すものは、こうした技術的要求のうちの１つ以上である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、構成要素を鉄／クロムろう材を用いてろう付けすることによる、熱交換器及び他の製造物品を製造する方法を提供する。ろう接組立体は有利に、良好な全面耐食性及び熱交換器のどちらの面でも通過する流体中へのニッケルの低い浸出の速度を示す。この結果、本熱交換器は、人間または動物による摂取のために意図された品目にさらされることに非常に適している。
【００１１】
第１の態様においては、本発明は、組立体、特にステンレス鋼で製造した部品を含むものの製造方法を提供する。こうした組立体は、鉄／クロムベースのろう材を使用して接合した部品を含む。製造した場合、組立体は全面耐食性及びニッケルの低い浸出速度を特徴とする。本方法は、（ａ）間に１つ以上の継手を規定する少なくとも２つの部品を並置する工程と、（ｂ）１つ以上の継手に鉄／クロムろう材を供給する工程と、（ｃ）ろう材を融解するために、適切な条件下で並置された部品及びろう材を加熱する工程と、（ｄ）融解したろう材を冷却して、ろう接継手を生成する工程と、を含む。加熱及び冷却工程を好ましくは保護ガス雰囲気中または真空中で実行する。
【００１２】
上記第１の態様においては、さらに、ろう接熱交換器を処理するための、ろう付け後の状態調節工程を含む。状態調節工程は、酸素含有雰囲気中、ろう接組立体のろう接継手に接触する水または他の流体中に浸出するニッケルの量を実質的に減少させるための保護酸化物層を形成するのに十分な時間、ろう接継手を高温にさらすことを含む。好ましくは、状態調節工程を、空気中、約１５０〜６００℃の範囲にわたる温度で実行する。より好ましくは、状態調節を、約１５０〜４００℃の範囲にわたる温度で行う。製造された熱交換器は、全面耐食性及び熱交換器を通過する流体中へのニッケルの減少した浸出速度を特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の態様においては、鉄／クロムベースのろう材によって接合された部品を含む製造された組立体が提供され、ここで、組立体は、全面耐食性及び減少したニッケルの浸出速度を特徴とする。
【００１４】
第３の態様においては、鉄／クロムベースのろう材合金が提供される。鉄／クロムベースのろう材は、式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は全て原子％単位であり、“ａ” は約２７〜６８であり、“ｂ”は約５〜２０であり、“ｃ”は０〜約３０であり、“ｄ”は０〜約２０であり、“ｅ”は０〜約５であり、“ｆ”は０〜約５であり、“ｇ”は約８〜１５であり、“ｈ”は約８〜１５であり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、不可避不純物及び他の元素は所望により、総組成物の最高約１重量％までの量で存在する。］を有する組成物から本質的になる。この鉄／クロムろう材は、低いＮｉ浸出速度を示す本発明の熱交換器及び他の組立体の製造に特に適している。鉄／クロムろう材は均一延性リボンまたは条片の形態で製造することが好ましい。
【００１５】
本発明の合金は、硬質で脆いホウ化物及びケイ化物の形態で固体状態で存在する実質的な量のホウ素及びケイ素を含む。従って、本発明の合金は、急速凝固技術による可撓性の薄い箔への製造に特に適している。このように製造された箔は、少なくとも５０％のガラス状構造、及び約０．０００７〜０．００２インチ（１８〜５０μm）の範囲にわたる厚さを有する準安定の材料で構成される。薄く可撓性で均一な箔の溶加材としての使用は、かみ合う面（mating surface）が狭い隙間を有し広い面積を有するろう付け及び複雑な形状を有する継手のろう付けにとって特に有益である。本発明の合金はまた、合金のガス若しくは水噴霧によってまたは合金で構成される箔の機械的粉砕によって粉末形態で製造できる。他の方法の例えば圧延、鋳込み、及び他の粉末冶金学的技術もまた使用して、こうした合金を製造できる。
【００１６】
本発明のさらなる態様及び特徴は以下の説明からより明瞭になろう。
本発明の様々な具体例の以下の詳細な説明及び添付図面を参照すれば、本発明はより十分に理解され、さらなる利点が明瞭になろう。幾つかの図の全体にわたって、同様の参照符号は同様の要素を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】熱交換器の構成要素をろう付けする際に使用するために適合させたろう付け箔予備成形物と、部分的に分解された状態の従来のシェル及びチューブ熱交換器の一部分の斜視図である。
【図２】Ｆｅ／Ｃｒろう材を使用してろう付けされたプレート及びフィン型の熱交換器の断面図である。
【図３】Ｆｅ／Ｃｒろう材を使用してろう付けされたプレート−プレート型の熱交換器の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、ろう接金属構成要素を含む組立体の製造方法に関し、ここで、製造された組立体は有利に、製造された組立体を通って流れる流体へのニッケルの低い浸出速度及び全面耐食性を特徴とする。本発明はさらに、本製造方法に適したＦｅＣｒベースろう材を提供する。
【００１９】
本発明によれば、式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は原子％単位であり、“ａ” は約２７〜６８の範囲にわたり、“ｂ”は約５〜２０の範囲にわたり、“ｃ”は０〜約３０の範囲にわたり、“ｄ”は０〜約２０の範囲にわたり、“ｅ”は０〜約５の範囲にわたり、“ｆ”は０〜約５の範囲にわたり、“ｇ”は約８〜１５の範囲にわたり、“ｈ”は約８〜１５の範囲にわたり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、残部は、総組成物の最高約１重量％までの範囲にわたる量で存在する不可避不純物である。］を有する組成物から本質的になるろう材が提供される。
【００２０】
いかなるろう付け方法においても、ろう材は、ろう接金属部品の操業要件を満たすような締結強度を提供するのに十分に高い融点を有しなければならない。高すぎる融点は卑金属を弱体化するかまたは増感することがある。加えて、高すぎる融点は継手領域付近の卑金属を浸食することがある。溶加材は、ろう付けされる材料に対して化学的及び冶金学的に適合しなければならない。
【００２１】
本発明の方法及び組立体において特に有用な鉄／クロムベースのろう材は、周知の技術に従って、粉末、箔、リボン及びワイヤが挙げられるがこれらに限定されるものではない様々な形態に製造される金属合金である。粉末形態で合金を製造するために一般に使用される方法としては、ガスまたは水噴霧並びに機械的粉砕が挙げられる。本発明の合金は、最も好ましくは、急速凝固によって、延性箔、リボンまたはワイヤへと形成される。急速凝固による金属合金の製造は典型的に、少なくとも約１０３℃／秒の速度で急冷することによる、必要な組成を有する融解物の急冷を伴うが、より高い速度は周知であって、より一般的に使用されている。今日利用できる急速凝固方法の中で最も好ましい方法は、溶融合金が射出され、広いリボンへと鋳込まれる急速回転冷却ホイールを用いる。広い延性リボンとしての本発明のろう材の製造に適した１つのこのような方法は、米国特許第4,221,257号によって開示されている。
【００２２】
理想的には、本発明の鉄／クロムベースのろう材は、容易に取り扱うことができる延性箔の形態である。この形態で、本発明の鉄／クロムベースのろう材は便利に、複雑な部品組立体の組立てにおいて使用される輪郭に一致する様々な形状で製造される。複雑な形状への形成は、延性箔を折り曲げるか、または打ち抜くことにより行うことができる。
【００２３】
本発明のろう付け箔は、その組成が本質的に均一であるべきであり、すなわち、これは、ろう付けの最中のボイド形成または汚染残留分の堆積の可能性を与えると思われる有機結合剤のような結合剤を含まないことが好ましい。箔の均一な組成は、全体にわたって均一な液相線及び固相線温度をもたらし、均一な融解及び強力かつ均一でボイドを含まないろう接継手の形成をさらに促進する。
【００２４】
合金の均一融解物から製造された急速凝固生成物は、固体状態において通常均一である。この生成物は、合金の組成及び加工パラメータに依存してガラス状または結晶性となることがある。加えて、少なくとも５０％がガラス状の生成物は通常、箔、リボン、及びワイヤ形態の合金が、破壊することなく、それらの厚さの１０倍も小さい半径にまで折り曲げられることを可能にするのに十分な延性を示す。好ましくは、本発明の鉄／クロムベースのろう材は、少なくとも約１０５℃／秒の急冷速度で金属合金の融解物を急速に凝固させることによって形成される金属合金である。このような急冷速度は典型的に、少なくとも約５０％がガラス状であり、その結果、十分に延性となって、合金を複雑な形状に打ち抜くことが可能になるような合金を生じる。より好ましくは、本発明の合金は少なくとも約８０％がガラス状である。最も好ましくは、合金は実質的に完全にガラス状（すなわち、少なくとも９０％がガラス状）であり、従って、最高の延性度を示す。
【００２５】
本発明によって提供される合金は、本明細書において説明する方法においてろう材として使用するのに特に適している。最も好ましくは、合金は箔形態で製造され、箔がガラス状であるかまたは微結晶性であるかにかかわらず有用である。他に、合金を、結晶性固溶体（crystalline solid solution）またはガラス状の金属構造を有する箔の形態で製造してよく、両方の場合に、熱処理して、複雑な形状の打ち抜きが予想される場合により長い型寿命を促進する微細粒結晶性構造をその中に得てよい。本発明の箔は、典型的に厚さが約０．０００７インチ〜約０．００２インチ（約１８〜５０マイクロメートル）である。多くの場合、箔の厚さはろう付けされる部品間の所望の隙間にほぼ相当する。
【００２６】
本発明のろう材は、金属部品、特にステンレス鋼部品を接合するために特に有用である。ステンレス鋼は、ジュースまたは他の飲料の例えば水のような食品を含む流体（最終的には人間が消費するために意図された）を処理する際に最も頻繁に使用される。このようなステンレス鋼の模範的な等級としては、ＵＮＳ分類に従う鋼Ｓ３１６０３、並びに、タイプ３１６Ｌステンレス鋼が挙げられ、これは約０．０３重量％の炭素、２．００重量％のマンガン、１．０重量％のケイ素、１６〜１８重量％のクロム、１０〜１４重量％のニッケル、２〜３重量％のモリブデン、０．１重量％の窒素及び１００重量％までの残部としての鉄を典型的に含むと説明される。本明細書における教示から恩恵を受ける他の材料も本発明に従って使用して、減少したニッケル浸出速度及び増大した耐食性を与えることが予想される。非限定例として、こうした材料としては、他の等級のステンレス鋼、並びにニッケルまたはクロムを含むもののような他の耐食性合金が挙げられる。
【００２７】
本発明のより好ましいろう材は、式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は原子％単位であり、“ａ” は約２７〜６８の範囲にわたり、“ｂ”は約５〜１０の範囲にわたり、“ｃ”は０〜約１０の範囲にわたり、“ｄ”は０〜約１０の範囲にわたり、“ｅ”は０〜約３の範囲にわたり、“ｆ”は０〜約３の範囲にわたり、合計“ｇ”＋“ｈ”は約１８〜２５の範囲にわたり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、残部は、総組成物の最高約１重量％までの範囲にわたる量で存在する不可避不純物である。］を有する組成物から本質的になる。好ましいろう材は、容易に急冷されて高度延性金属条片となり、低い液相線温度を示す。さらに、好ましいろう材を使用してろう付けされた熱交換器及び他の同様の組立体は、有利に低いＮｉ浸出の速度及び全面耐食性を特徴とする。
【００２８】
本発明の別の態様においては、ろう接部品を含む熱交換器及び他の設備のような装置の製造方法が提供される。装置は、人間が摂取するかまたは人間が消費するための材料の加工のために指定され、装置と接触した状態になっている流体中へのニッケルの減少した浸出速度を特徴とする。本方法は、ろう付け工程、並びに、装置を処理するための、ろう付け後の状態調節工程を含む。本方法は、（ａ）間に１つ以上の継手を規定する少なくとも２つの部品を並置する工程と、（ｂ）１つ以上の継手に鉄／クロムろう材を供給する工程と、（ｃ）ろう材を融解するために、適切な条件下で並置された部品及びろう材を加熱する工程と、（ｄ）並置された部品及び融解したろう材を冷却して、少なくとも１つの固体ろう接継手を生成する工程と、（ｅ）ろう接部品を状態調節する工程と、を含む。
【００２９】
ここから図１を参照すると、部分的に分解された状態の従来のシェル及びチューブ形態の熱交換器８０の一部分が示される。熱交換器８０は、シェル８２及び複数のチューブ８４を含み、各々はプレート９０を通る適切に寸法を決めた通路を通って延在する末端８６を有する。稼働中は、１つの流体はチューブを通って流れ、一方、別のものは、チューブ８４によって占有されないシェル８２の部分の内側を通って流れる。従来のように、シェル８２内部に位置するチューブ８４の合わせた外部表面積によって規定される界面を越えて熱を交換する。プレート９０の直径は、シェル８２の内径の範囲内に合わせられるように寸法を決められている。プレート９０の縁部９２を好ましくはわずかなテーパーを有して形成して、組立ての最中のシェル８２中へのその挿入を促進する。またプレート９０の外径は、シェル８２の内径と比較して小さな隙間を有するべきであるということが予想される。シェル８２とプレート９０との間のこの隙間は通常、ろう付け箔予備成形物１０の厚さよりも少なくともわずかに大きい。この隙間の理由は、予備成形物１０の主要な平坦な面１８から懸垂するタブ１４は、ろう付け作業の前にプレート９０の縁部９２と接触した状態になっているように置かれることが予想されるからというものである。同様に、存在し、平坦な面１８を通過する穿孔１６も、チューブの末端８６の配置及び寸法と一致するように寸法を決められ、配置される。
【００３０】
一つの態様においては、熱交換器８０の組立ては、ろう付け箔予備成形物１０をプレート９０の主要な面９４に対して位置決めする工程と；タブ１４を折り畳んで、テーパ状縁部９２の少なくとも側面に接触させるかまたはこれに沿って延在させる工程と；位置決めされたチューブ末端８６及びプレート９０と穿孔１６が適切に対応するように、予備成形物１０を配向させる工程と、を含む。その後、この組立品をシェル８２中に挿入でき；組立体の構造材料にとって必要であり、ろう付け予備成形物１０を構成するＦｅ／Ｃｒろう材に関する特定の要件に従って、組立品をろう付けする。
【００３１】
図２は、複数のプレート１及びフィン２を含むプレート−フィン型の熱交換器１５を示す。熱交換器１５の組立ては、必要な数の予備成形物を製造し、各々はＦｅ／Ｃｒろう材で構成されるろう材の適切に寸法を決めたシートである工程と、ろう付けによって接合される隣接するフィン及びプレートの各々の間に予備成形物を配置する工程と、を含む。組立体の構造材料にとって必要であり、ろう付け予備成形物を構成するＦｅ／Ｃｒろう材に関する特定の要件に従って、この組立品を次にろう付けする。ろう付け作業の完了後に、ろう材のすみ肉４は、隣接するプレート１とフィン２との間の接触の実質的に全領域中に存在する。
【００３２】
図３は、複数のプレート１を含むプレート−プレート型の熱交換器２５を示す。熱交換器２５の組立ては、必要な数の予備成形物を製造し、各々はＦｅ／Ｃｒろう材で構成されるろう材の適切に寸法を決めたシートである工程と、ろう付けによって接合される隣接するプレート１の各々の間に予備成形物を配置する工程と、を含む。組立体の構造材料にとって必要であり、ろう付け予備成形物を構成するＦｅ／Ｃｒろう材に関する特定の要件に従って、この組立品を次にろう付けする。ろう付け作業の完了後に、ろう材のすみ肉４は、隣接するプレート１同士の間の接触の実質的に全領域中に存在する。
【００３３】
本発明の方法は所望により、酸素含有雰囲気中、ろう接組立体のろう接継手に接触する水または他の流体中に浸出するニッケルの量を実質的に減少させる保護酸化物層を形成するのに十分な時間、ろう接継手の少なくとも各々を約３００℃〜約６００℃の範囲にわたる高温にさらすことによって、ろう接部品を状態調節するさらなる工程を含む。さらす時間は好ましくは約８〜２４時間の範囲にわたる。
【００３４】
好ましくは、状態調節工程を、空気中、約３００℃〜６００℃の範囲にわたる温度で、より好ましくは、約３５０℃〜５００℃の範囲にわたる温度で実行する。
上記に説明した方法の好適な具体例においては、鉄／クロムベースのろう材は、式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は原子％単位であり、“ａ” は約２７〜６８の範囲にわたり、“ｂ”は約５〜２０の範囲にわたり、“ｃ”は０〜約３０の範囲にわたり、“ｄ”は０〜約２０の範囲にわたり、“ｅ”は０〜約５の範囲にわたり、“ｆ”は０〜約５の範囲にわたり、“ｇ”は約８〜１５の範囲にわたり、“ｈ”は約８〜１５の範囲にわたり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、残部は、総組成物の最高約１重量％までの範囲にわたる量で存在する不可避不純物である。］を有する組成物から本質的になる。
【００３５】
好ましくは、上記に説明した方法において、ろう付けするための並置された部品の加熱及び冷却は、アルゴン、ヘリウムまたは窒素のような保護ガスの存在下で密閉炉中で行われる。代わりに、加熱及び冷却はまた真空条件下で密閉炉中で行ってもよく、特定の場合には、このような条件は好ましい。こうしたろう付け条件は、ホウ素、ケイ素、及びリンのような酸素活性元素を含む溶加材を使用する場合、高い締結強度及び健全性を実現するために、産業界において一般的に使用される。ろう付けサイクルの間中、真空条件下で、または保護雰囲気下で存在する部品及び継手表面は、周囲雰囲気にさらされた場合に鉄−酸化クロムの薄層を得ると考えられている。鉄−クロム酸化物層は、全面腐食及び組立体を通過する流体中へのろう接継手からのニッケルの部分的浸出に対して保護するのに十分なバリアを提供する。
【００３６】
鉄−クロム酸化物層を追加の工程によってさらに増量させてよく、ここで、熱交換器または他の装置のような組立体は、空気のような酸素含有雰囲気中、表面酸化物層の追加の蓄積に対処するのに十分な時間高温で維持される。好ましくは、この工程は、ろう接組立体を、酸素含有雰囲気、好ましくは空気の下で、約１５０℃〜約６００℃の温度で、組立体のろう接継手を十分に酸化するのに十分な時間さらすことを含む。最適処理条件は、処理される組立体のタイプ及びサイズに依存することは理解できようが、特定の組立体のための最適処理条件は、高温にさらすための時間及び温度を変化させることのような常用の実験によって決定してよい。
【００３７】
製造された組立体、特に本明細書において説明する方法に従って製造した熱交換器は、ニッケル及びニッケル−クロムベースの溶加材を使用してろう付けすることを含む周知の方法に従って製造した組立体と比較した場合に、その中を通過する水性流体中へのニッケルの減少した浸出速度を特徴とする。特に水のような液体中へのニッケル浸出のいかなる減少も本発明の範囲内に含まれるとみなされるはずであることは理解できるはずであるが、ほぼ少なくとも５０％、好ましくは少なくとも約７０％の減少が、最も好ましくは少なくとも約８５％の減少が達成される。このようなパーセンテージは、同様に製造されたが、一方はＦｅ／Ｃｒろう付け溶加材及びろう付け後の状態調節工程の使用を含む方法において製造され、他方は従来のように例えばＮｉまたはＮｉ／Ｃｒベースろう付け溶加材を使用して製造された２つの同一の熱交換器（または他の製造された組立体）の同じ試験条件下でのニッケル浸出速度の比較に基づく。
【００３８】
金属部品の腐食が電食作用の結果であることは広く理解されている。腐食は、劣化の様々な形態で発現する。侵食は、与えられた表面の大きな部分にわたって生じることがあり、または、ろう付け内若しくはこの周囲の領域のような領域内に局在化することがある。有利に、本発明の製造された組立体及び熱交換器は、良好な全面耐食性を示す。すなわち、こうした組立体は、材料の一般化または局在化された除去、表面酸化、発錆、孔食、及びその他同様なものを含む腐食の広く様々な局在化された発現及び一般化された発現を生じにくい。与えられた状況において作動する特定の機構は、組立体を構成する際に使用される材料、組立体がさらされる材料、並びにさらす時間、温度、及び持続時間に依存する。特に、製造された組立体、特に本明細書において説明する方法に従って構成した熱交換器は、銅ベースの溶加材を使用して構成した組立体と比較した場合に、水性流体中の腐食に対する優れた耐性を特徴とする。腐食に対する耐性のいかなる改良も本発明の範囲内に含まれるとみなされるはずであることは理解できるはずであるが、ほぼ少なくとも２０％、好ましくは少なくとも約４０％の減少が、最も好ましくは少なくとも約６０％の減少が達成される。このようなパーセンテージは、同様に製造されたが、一方はＦｅ／Ｃｒろう付け溶加材及びろう付け後の状態調節工程の使用を含む方法において製造され、他方は従来のように例えばＣｕベースろう付け溶加材を使用して製造された２つの同一の熱交換器（または他の製造された組立体）の同じ試験条件下での腐食度の比較に基づく。
【００３９】
本明細書において説明する方法に従って製造された熱交換器及び他の組立体の全面耐食性は有利に、組立体の実質的により長い予想運用寿命をもたらす。この増大は、稼働最中の故障の危険を減少させるのみならず、このような熱交換器及び他の組立体の交換または維持の予想頻度並びに操業の附随する中断を減少させる。
【００４０】
本明細書において説明する方法に従って製造された本発明の熱交換器及び他の組立体の大きな用途の分野は、飲料水または他の飲料の冷却を含む。もちろん、本明細書において説明する方法は、食料及び飲料処理に関連する技術領域並びにこの技術領域以外の領域の両方の範囲内で有用な他の装置または物品の製造において使用できる。
【００４１】
本発明は、熱交換器の製造におけるのみならず、ろう接金属部品を含む組立体から浸出することがあるニッケルの量を減少させること及び有利な良好な全面耐食性を維持することが望まれるいかなる用途においても有用性を有することは理解できよう。より一般に、本発明はさらに、２つ以上の金属部品、特に２つ以上のステンレス鋼部品を接合する方法に関し、この方法は、（ａ）間に１つ以上の継手を規定する少なくとも２つの部品を並置する工程と、（ｂ）１つ以上の継手にいずれかの部品のもの未満の融解温度を有する鉄／クロムろう材を供給する工程と、（ｃ）ろう材を融解するために、適切な条件下で並置された部品及びろう材を加熱する工程と、（ｄ）並置された部品及び融解したろう材を冷却して、少なくとも１つの固体ろう接継手を生成する工程と、を含む。
【００４２】
本方法はさらに、酸素含有雰囲気中、ろう接組立体のろう接継手に接触する水または他の流体中に浸出するニッケルの量を実質的に減少させるのに十分な時間、ろう接継手の少なくとも各々を約１５０℃〜約６００℃の範囲にわたる高温にさらすことによって、ろう接部品を状態調節する工程を含む。
【００４３】
好ましくは、状態調節工程を、空気中、約１５０℃〜４５０℃の温度で実行する。
部品を接合する方法の好適な具体例においては、鉄／クロムろう材は、式：ＦｅａＣｒｂＣｏｃＮｉｄＭｏｅＷｆＢｇＳｉｈ［式中、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”、“ｆ”、“ｇ”、及び“ｈ”は原子％単位であり、“ａ” は約２７〜６８の範囲にわたり、“ｂ”は約５〜２０の範囲にわたり、“ｃ”は０〜約３０の範囲にわたり、“ｄ”は０〜約２０の範囲にわたり、“ｅ”は０〜約５の範囲にわたり、“ｆ”は０〜約５の範囲にわたり、“ｇ”は約８〜１５の範囲にわたり、“ｈ”は約８〜１５の範囲にわたり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”＋“ｆ”＋“ｇ”＋“ｈ”＝１００であり、残部は、総組成物の最高約１重量％までの範囲にわたる量で存在する不可避不純物である。］を有する組成物から本質的になる。
【００４４】
以下の実施例を、本発明のより完全な理解を提供するために提出する。本発明の原理及び実施を示すために説明する特定の技術、条件、材料、比率及び報告するデータは模範例であり、本発明の範囲を限定するものと解釈するべきではない。
【実施例】
【００４５】
実施例１
Ｆｅ／Ｃｒベースろう材条片の製造
幅約２．５〜２５mm（約０．１０〜１．００インチ）及び厚さ約１８〜５０μm（約０．０００７〜０．００２インチ）の条片が、急速に回転する銅製冷却ホイール（表面速度約３０００〜約６０００ft／分）上にアルゴンを過圧にすることにより特定の組成の融解物を噴出することで形成される。表Ｉに説明する組成（原子％）から本質的になる実質的にガラス状の合金の準安定な延性均一リボンが製造される。
【００４６】
【表１】
2010264509.tif 000003
【００４７】
実施例２
Ｆｅ／Ｃｒベースろう材条片のキャラクタリゼーション
表Ｉに説明した組成を有する選択されたリボンの液相線及び固相線温度は、示差熱分析（ＤＴＡ）技術によって決定される。個々の試料は、不活性な参照材料と一緒に並べて均一な速度で加熱され、それらの温度差が温度の関数として測定される。得られる曲線はサーモグラムとして従来周知であり、同時加熱の最中の試料及び参照材料の温度の相対的変化対温度のグラフであって、これから、それぞれ固相線及び液相線温度を表す融解の始まりと融解の終わりを決定する。このように決定した値を下記の表ＩＩに説明する。
【００４８】
【表２】
2010264509.tif 000004
【００４９】
実施例３
Ｆｅ／Ｃｒベース溶加材を用いてろう付けした熱交換器の製造及び試験
実質的に同一の構造及び従来のプレート／プレート設計を有する３つの熱交換器を製造する。熱交換器を、タイプ３１６Ｌステンレス鋼プレートを用いて製造する。第１の熱交換器（比較試料＃１）を参照として使用し、これは銅ろう材を使用してろう付けされたタイプ３１６Ｌステンレス鋼のプレートを含む。タイプ３１６Ｌステンレス鋼の同一のプレートを含む第２の熱交換器（比較試料＃２）を、ＢＮｉ−５ｂニッケルベースのアモルファスろう材を使用してろう付けする。ＡＷＳ分類に従えば、ＢＮｉ−５ｂ溶加材は、１００％までのＮｉ残部、１５％のクロム、７．２５％のケイ素、及び約１．４０％のホウ素（最高約１％までの不純物を有する）の組成（重量％）を有する。この組成は、ほぼ、式：Ｎｉ６５．４Ｃｒ１４．６Ｓｉ１３．５Ｂ６．５［式中、添字は原子％単位である。］に相当する。第３の熱交換器（試料７）を、そのタイプ３１６Ｌステンレス鋼プレートを、合金７の組成を有する鉄／クロムろう材を用いたろう付けによって製造する。ろう材は、実質的に完全にアモルファスの幅約７５mm及び厚さ約２５μmの延性箔の形態で供給される。３つの熱交換器の全てを真空炉中において、以下の条件で、すなわち、＃１を約１１５０℃未満で約３０分間、＃２を約１２００℃未満で６０分間、及び＃３を約１２５０℃未満で６０分間ろう付けする。このような条件を、それぞれのろう材を使用した高品質ろう付けを達成するために適切であるとして選択する。
【００５０】
“ろう付けしたままの（as-brazed）”熱交換器中へのニッケル浸出の最初の試験を以下のプロトコルに従って実行する。
ろう付けしたままの熱交換器の各々の２つの区画室の各々を、多量の水道水で濯ぎ、その後２つの区画室に水道水を充填する。水を充填した熱交換器を室温で７２時間放置する（“よどませる”）。このよどみ期間の後、水の試料を各区画室から採取する。こうした試料の各々を、試料中のニッケルの濃度を測定するために、誘導結合プラズマ発光分析によって分析する。この分析のために、標準的分析機器であるオプティマ３３００  ＤＶ（Optima 3300 DV）を使用する。この機器は、水溶液中のニッケルの量を測定する場合、±０．００２ppmの精度を有する。こうした試験の結果は、銅を用いてろう付けされた熱交換器比較試料＃１から得られた水は、Ｂ−Ｎｉ５ｂＮｉ／Ｃｒベース溶加材を用いてろう付けされた比較試料＃２のものよりも約２５％少ないＮｉ濃度を示し、一方、組成式：Ｆｅ６０Ｃｒ５Ｃｏ１０Ｂ１３Ｓｉ１２を有する本発明による鉄／クロムベースろう材である合金６を用いてろう付けされた熱交換器試料＃３から得られた水は、比較試料＃２のものよりも約７５％少ないＮｉ濃度を示す。熱交換器試料＃３にさらした水中のＮｉの減少した濃度は、熱交換器の製造におけるＦｅ／Ｃｒベースろう材の使用に伴うＮｉ浸出の減少を証明する。
【００５１】
実施例４
Ｆｅ／Ｃｒベース溶加材を用いてろう付けし、後処理した熱交換器の製造及び試験
試料＃１〜＃３のものと同じ設計を有する３１６Ｌステンレス鋼プレートを含む熱交換器（試料＃４）を構成し、合金７の組成を有する鉄／クロムろう材を使用してろう付けする。試料＃４を、試料＃３の場合と同じように約１２５０℃未満の温度で６０分間ろう付けした。ろう付け後、熱交換器試料＃４を、約４００℃の温度で約１２時間、空気中で加熱して後処理する。
【００５２】
後処理後、実施例３におけるように交換器試料＃４をＮｉ浸出に関して試験する。後処理済み熱交換器＃４の２つの区画室の各々を、多量の水道水で濯ぎ、その後２つの区画室に水道水を充填する。水を充填した熱交換器を室温で７２時間放置する。このよどみ期間の後、水の試料を各区画室から採取する。こうした試料の各々を、実施例１において使用したのと同じ誘導結合プラズマ発光分析によってＮｉに関して分析する。本発明に従って鉄／クロムベースろう材を用いてろう付けされ、後処理された熱交換器＃４から得られた水は、熱交換器試料＃２から得られた水中のものの約６０％の浸出したＮｉのレベルを示し、Ｎｉ浸出の減少における後処理の効力を裏付ける。
【００５３】
上に述べたように、本発明をかなり十分に詳細に説明したが、このような詳細に厳密に固執する必要は無く、様々な変更及び修正は当業者には連想され、全ては、付記する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は理解できよう。
【図１】
2010264509.tif 000005
【図２】
2010264509.tif 000006
【図３】
2010264509.tif 000007