(57)【要約】【課題】流路の閉塞や変形を生じさせずに十分な接合性を確保することのできる熱交換器の製造方法及び熱交換器を提供する。【解決手段】流路１を形成した流路形成板２の流路１内に溶解除去可能な充填材３を充填する。次に、流路形成板２を重ねて積層し、熱交換器形状とし、最上部には流路のない上板４を配置し、この状態でホットプレス等によって接合を行う。この後、流路１内に充填された充填材３を溶解して除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路が形成された板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合して熱交換器を製造する熱交換器の製造方法であって、
前記流路の部分に、溶解可能な充填材を充填した状態の前記板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合した後、前記充填材を溶解除去することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換器の製造方法であって、
前記流路と前記充填材との間、又は前記充填材の内部の少なくともいずれか一方に、前記充填材が充填されていない空隙部を設けることを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項３】
流路が形成された板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合して熱交換器を製造する熱交換器の製造方法であって、
前記板状部材を積層し仮固定した後、前記流路の部分に溶解可能な充填材を充填し、積層された前記板状部材を接合した後、前記充填材を溶解除去することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載の熱交換器の製造方法であって、
前記充填剤がセラミックスからなり、アルカリ溶液により前記充填剤を溶解除去することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項５】
流路が形成された板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合して熱交換器を製造する熱交換器の製造方法であって、
前記流路の部分に、金属材の周囲をセラミックスコーティングした充填材を充填した状態の前記板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合した後、前記充填材のセラミックスコーティング部分を溶解して、前記充填材を前記流路の部分から除去することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載の熱交換器の製造方法であって、
積層された前記板状部材を、ホットプレスを用いて拡散接合した後、熱間等方圧加圧処理することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項７】
流路が形成された板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合して製造される熱交換器であって、
請求項１〜６いずれか１項記載の熱交換器の製造方法によって製造されたことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路が形成された板状部材を複数積層し接合して構成される熱交換器の製造方法及び熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から熱交換器として、流路等が形成された板状部材を複数積層し接合した構造の熱交換器が知られている。このような熱交換器では、流路等が形成された板状部材を複数積層し、拡散接合によって接合したものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。また、流路等が形成された板状部材を複数積層し、ろう付けによって接合したものが知られている（例えば、特許文献３参照。）
【特許文献１】特開２００５−２８２９５１号公報
【特許文献２】特開２００３−２６９８８２号公報
【特許文献３】特開２００１−２１５０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した従来技術において、板状部材を複数積層した積層体の拡散接合、あるいはろう付けを行う場合には、種々の問題があり、実際には接合面全面を確実に接合することは容易ではない。
【０００４】
例えば、拡散接合では、ホットプレスなどを用いた加圧が必要であり、特に、耐熱性の高い材料の場合はそれに応じた高い加圧力が必要となる。このため、流路の溝が変形しやすくなったり、加圧力の高い大型のホットプレスが必要になる。また、加圧力の高い大型のホットプレスで高加圧をかけても、接合面への加圧のかかり方が不均一となって、接合性の劣る部分が生じる場合がある。
【０００５】
また、ろう付けによる接合を行う場合は、冶具による拘束や荷重などについては、簡易的な加圧固定でよいが、ろう材の流出により流路が塞がれたり、流路の形状が損なわれたりする。特に熱交換性能の向上を目指して微細な流路を形成した場合には、ろう材による影響が大きくなる。また、高温・高圧で使用される熱交換器の場合は、基材に高温強度に優れる材料を使用するが、この強度と比較してろう付け部の高温強度が劣り、積層体全体の耐熱・耐圧温度が低下する。また、ろう付け時のろうの流れは、ろう付け部のすき間の影響が大きく、面同士のろう付けでは全体に均一にろうを流すことが容易ではない。このため、ろう流れが不良となる欠陥が発生しやすい。
【０００６】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、流路の閉塞や変形を生じさせずに十分な接合性を確保することのできる熱交換器の製造方法及び熱交換器を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の熱交換器の製造方法の一態様は、流路が形成された板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合して熱交換器を製造する熱交換器の製造方法であって、前記流路の部分に、溶解可能な充填材を充填した状態の前記板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合した後、前記充填材を溶解除去することを特徴とする。
【０００８】
本発明の熱交換器の製造方法の他の一態様は、流路が形成された板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合して熱交換器を製造する熱交換器の製造方法であって、前記板状部材を積層し仮固定した後、前記流路の部分に溶解可能な充填材を充填し、積層された前記板状部材を接合した後、前記充填材を溶解除去することを特徴とする。
【０００９】
本発明の熱交換器の製造方法の他の一態様は、流路が形成された板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合して熱交換器を製造する熱交換器の製造方法であって、前記流路の部分に、金属材の周囲をセラミックスコーティングした充填材を充填した状態の前記板状部材を複数積層し、積層された前記板状部材を接合した後、前記充填材のセラミックスコーティング部分を溶解して、前記充填材を前記流路の部分から除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、流路の閉塞や変形を生じさせずに十分な接合性を確保することのできる熱交換器の製造方法及び熱交換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の熱交換器の製造方法及び熱交換器の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態の熱交換器の製造方法の工程を説明するための図である。第１実施形態では、図１（ａ）に示すように、流路１を形成した流路形成板２を複数用意する。この流路形成板２としては、例えば、フォトエッチング法を用いて、幅２ｍｍ×半径１ｍｍの半円状の流路１を形成したステンレス鋼製の板状部材（２００ｍｍ×５００ｍｍ×２ｍｍ）等を用いることができる。なお、図１に示した流路１、流路形成板２は、その一部を模式的に示したものである。実際の流路１は、１枚の流路形成板２に多数形成され、かつ、流路１の形状は、例えば、左右にくの字型に曲がりくねった形状等とされている。
【００１３】
次に、図１（ｂ）に示すように、各流路形成板２の各流路１の部分に、溶解除去可能な充填材３を充填する。本第１実施形態では、充填材３として、アルカリ溶液にて溶解除去可能なセラミックス、例えば、直径約０．１ｍｍの粉末状のアルミナ製セラミックス材等を用いる。
【００１４】
次に、図１（ｃ）に示すように、流路形成板２を複数重ねて積層し、熱交換器形状とし、最上部には流路のない上板４を配置する。そして、この状態でホットプレス等によって接合（拡散接合）を行う。拡散接合の条件は、例えば、約１０００℃×３０分×２５ＭＰａ等である。なお、図１では流路形成板２は２層となっているが、実際は数十層から数百層等と多層になっている。また、図１では流路１が同方向を向いているが、流路１が互い違いに交差するように積層する熱交換器もある。
【００１５】
この後、図１（ｄ）に示すように、流路１内に充填されたセラミックスからなる充填材３をアルカリ溶液を用いて溶解して除去する。アルカリ溶液としては、水酸化ナトリウムの他、水酸化カリウム等を使用することが可能である。
【００１６】
本第１実施形態では、さらに、この積層接合体をＨＩＰ処理（熱間等方圧加圧処理）する。処理条件は、例えば１０００℃×１ｈ×１０００気圧である。このとき、拡散接合により流路付近の接合面間は接合封止されているので、流路をつぶさずに積層体全体をＨＩＰ加圧できる。また、このＨＩＰ処理の際に、接合部周囲から処理ガスが入り込まないようにするためのシールを行う必要がない。
【００１７】
上記構成の第１実施形態によれば、流路形成板２を積層した積層体を接合する際、一方向に加圧されるため流路１がつぶれやすいホットプレス時に、流路１内に流路１のつぶれ防止するセラミックスからなる充填材３が充填されているので、流路１がつぶれることを抑制することができ、また、加圧不均一による未接合欠陥の発生も抑制することができる。さらに、この充填材３は、積層体を接合した後に溶解除去するので流路１を塞ぐことがない。さらに、ホットプレスでシール接合後、さらにＨＩＰ処理を施しているので、流路１をつぶさずに接合を強固にすることができる。
【００１８】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図２は、本発明の第２実施形態の熱交換器の製造方法の工程を説明するための図である。本第２実施形態では、図２（ａ）に示すように、高温強度を得るために、酸化物粒子を分散させた鉄基の合金（ＯＤＳ材）の板状部材からなる流路形成板２ａを用いる。
【００１９】
この流路形成板２ａ及び上板４ａを、図２（ｂ）に示すように積層し、流路形成板２ａ及び上板４ａの間に隙間が生じないように、図示しないプレス装置で密着させ、周囲を仮溶接（仮固定）する。その後、圧入装置５を用いて、アルミナ粉末からなる充填材３ａを流路１ａ内に吹き込む。
【００２０】
その後、第１実施形態と同様にホットプレス等を用いて流路形成板２ａ同士及び上板４ａを接合する。ホットプレスによる接合条件は、例えば、１１００℃×１ｈ×５０ＭＰａである。接合後は、第１の実施の形態と同様に、充填した充填材３ａをアルカリ溶液を用いて溶解除去し、この後ＨＩＰ処理を行う。なお、図２に示した流路１ａ、流路形成板２ａは、その一部を模式的に示したものである点は、前述した第１実施形態の場合と同様である。また、流路形成板２ａの積層枚数についても簡略化して図示している点は、前述した第１実施形態の場合と同様である。
【００２１】
本第２実施形態では、図１に示した第１実施形態と同様な効果を得られるとともに、流路形成板２ａを積層した後に、流路１ａに充填材３ａを充填するので、流路１ａ以外の接合面間等に充填材３ａが混入し、接合性を低下させることがない。また、流路１ａ内に一括して充填材３ａを吹き込んで充填するため、充填材３ａの充填を容易に行うことができる。
【００２２】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図３〜６は、本発明の第３実施形態の熱交換器の製造方法の工程の一部を説明するための図である。本第３実施形態では、流路内への充填材の充填、拡散接合、充填材の除去、ＨＩＰ処理などの製造工程の流れは、第１実施形態と同様である。この第３実施形態では、流路１の部分に充填する充填材６〜９が所定形状を有する点に特徴がある。なお、図３〜６に示した流路１、流路形成板２は、その一部を模式的に示したものである点は、前述した第１実施形態の場合と同様である。また、流路形成板２の積層枚数についても簡略化して図示している点は、前述した第１実施形態の場合と同様である。
【００２３】
図３に示す例は、流路１内に、この流路１の長さ方向と直行する断面の断面積より、その断面積が小さく、かつ、流路１の深さと略同一の高さを有する矩形状の充填材（セラミックス製）６を挿入したものである。
【００２４】
図４に示す例は、流路１内に、この流路１の長さ方向と直行する断面形状と略同様の形状を有し、かつ、内部に孔を有する孔付の充填材（セラミックス製）７を充填したものである。
【００２５】
図５に示す例は、図４に示した孔付の充填材７の場合と略同様であるが、より孔の断面積が大きい矩形の孔を有する孔付の充填材（セラミックス製）８を流路１に充填したものである。
【００２６】
図６に示す例は、その断面形状がＴ字形とされており、接合荷重による上板４等の変形を防止する効果の大きい異形の充填材（セラミックス製）９を流路１に充填したものである。
【００２７】
図３においては、流路１は矩形状の充填材６で全ては満たされてはいない状態であり、流路１内と矩形状の充填材６との間に空隙が形成されている。また、図６においては、流路１は異形の充填材９で全ては満たされてはいない状態であり、流路１内と異形の充填材９との間に空隙が形成されている。この状態で、第１の実施の形態と同様に、積層体の拡散接合、充填材の除去、ＨＩＰ処理を行い積層構造の熱交換器を製造する。
【００２８】
本第３実施形態では、図１に示した第１実施形態と同様な効果を得られるとともに、孔付き充填材７、８においてはその内部に空隙が設けられ、矩形状の充填材６、異形の充填材９においては、これらと流路１との間に間隙が設けられている。これによって、充填材６〜９を溶解して除去する際に、溶解のためのアルカリ溶液と充填材６〜９との接触面積を大きくすることができ、充填材６〜９の溶解、除去を速やかに行うことができる。
【００２９】
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図７は、本発明の第４実施形態の熱交換器の製造方法の工程を説明するための図である。なお、図７に示した流路１、流路形成板２は、その一部を模式的に示したものである点は、前述した第１実施形態の場合と同様である。また、流路形成板２の積層枚数についても簡略化して図示している点は、前述した第１実施形態の場合と同様である。
【００３０】
本第４実施形態では、図７（ａ）に示すように、金属材１０の表面をセラミックスコーティング層１１で覆った構造の充填剤１２を使用する。この場合、充填剤１２の形状は、図７（ａ）の左側にその断面形状を示すように矩形状（直方体、立方体等）としてもよく、また、図７（ａ）の右側にその断面形状を示すように球形状（球形、半球等）としてもよく、どのようにしてもよい。
【００３１】
上記構成の充填材１２を、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように、流路形成板２の流路１内に充填する。すなわち、図７（ｂ）では、流路１内に半球状の充填材１２を充填し、図７（ｃ）では、大きさの異なる複数の矩形状の充填材１２を、積層させるように充填している。そして、このように、流路１内に充填材１２を充填した状態で、第１実施形態と同様に、ホットプレス等によって接合（拡散接合）を行い、充填材１２の除去、ＨＩＰ処理を行う。
【００３２】
本第４実施形態では、内部が金属材１０で周囲がセラミックスコーティング層１１とされた充填材１２を用いているので、充填材１２を除去する際、表面のセラミックスコーティング層１１のみをアルカリ溶液で溶解除去すればよく、溶解量が少なくてすみ、充填材１２の除去が容易になる。充填材１２の周囲のセラミックスコーティング層１１が除去された段階で金属材１０のみとなった充填材１２は、流路１の断面積よりその断面積が少なくなり、流路１の内壁との間に間隙ができ、また金属材１０同士は互いに付着していないため、圧縮空気等を流路１の片側から噴出したり、あるいは吸引機で吸い出したりすることで除去することができる。
【００３３】
このように、本第４実施形態では、図１に示した第１実施形態と同様な効果を得られるとともに、充填材１２の溶解、除去が容易になるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態の工程を説明するための図。
【図２】本発明の第２実施の形態の工程を説明するための図。
【図３】本発明の第３実施形態の充填材の構成を説明するための図。
【図４】本発明の第３実施形態の充填材の構成を説明するための図。
【図５】本発明の第３実施形態の充填材の構成を説明するための図。
【図６】本発明の第３実施形態の充填材の構成を説明するための図。
【図７】本発明の第４実施形態の充填材の構成を説明するための図。
【符号の説明】
【００３５】
１……流路，２……流路形成板，３……充填材，４……上板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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