(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器を構成する方法であって、
沸騰側、冷却側、および、少なくとも１つの結合表面を有する複数の金属壁を用意するステップと、
複数の金属構成要素の沸騰側にフッ化カリウムアルミニウムを有する熱伝導粒子を塗布するステップと、
強化沸騰表面を形成することを目的として、フッ化カリウムアルミニウムが塗布された前記複数の金属壁を第１の温度まで加熱して、前記フッ化カリウムアルミニウムを一緒にして一体に結合し、前記強化沸騰表面を有する複数の金属壁を冷却するステップと、
前記強化沸騰表面を有する複数の金属壁をスペーシング部材を用いて組み立てるステップであって、その結果、前記強化沸騰表面を有する複数の金属壁の前記沸騰側が沸騰通路を画定し、前記強化沸騰表面を有する複数の金属壁の前記冷却側が冷却通路を画定し、それにより前記強化沸騰表面を有する複数の金属壁の前記結合表面と前記スペーシング部材の隣接する表面との間に金属の層が形成される、ステップと、
前記フッ化カリウムアルミニウムの残留量を排ガスするのを可能にするために前記第１の温度より低い第２の温度まで真空アルミニウムろう付けプロセスを使用した真空炉で前記組立体を加熱し、次いで、前記スペーシング部材の前記隣接する表面のうちの少なくとも１つと前記強化沸騰表面を有する複数の金属壁の前記結合表面とに前記金属の層を結合するために前記組立体を前記第２の温度より１００℃高く、前記第１の温度より低い第３の温度まで加熱するステップと
を含み、
前記熱交換器が、
複数の金属壁であって、各金属壁が、一緒になって一体に結合されるフッ化カリウムアルミニウムを含む強化沸騰層を備える沸騰側と、冷却側との２つの側を備え、前記複数の金属壁の前記沸騰側が沸騰通路を画定し、前記複数の金属壁の前記冷却側が冷却通路を画定し、前記複数の金属壁の各々が結合表面をさらに含む、複数の金属壁と、
金属壁を互いに間隔を空けて配置するためのスペーサ部材と、
前記熱交換器内の前記金属壁の前記結合表面と前記スペーサ部材との間の金属の層であって、前記強化沸騰層の溶融温度より低い溶融温度を有する、金属の層と、
前記沸騰通路に液体を送出するための沸騰入口と、
前記冷却通路に流体を送出するための冷却入口と、
前記沸騰通路から蒸気を回収するための沸騰出口と、
前記冷却通路から流体を回収するための冷却出口とを備え、
前記強化沸騰層が、アルミニウムとシリコンとの共晶合金に混合される高比率のアルミニウム合金粉末で構成される、
方法。
【請求項２】
前記沸騰通路の入口に流体連通されるように前記熱交換器に沸騰ヘッダを装着するステップと、
前記冷却通路の入口に流体連通されるように前記熱交換器に冷却ヘッダを装着するステップと、
前記沸騰通路の出口に流体連通されるように前記熱交換器に沸騰マニホルドを装着するステップと、
前記冷却通路の出口に流体連通されるように前記熱交換器に冷却マニホルドを装着するステップと
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の温度が５００℃である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第３の温度が５９０℃から６００℃である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記強化沸騰層が０．５重量％から１．５重量％までの間のシリコンを含む、請求項１の記載の方法。
【請求項６】
前記高比率のアルミニウム合金が前記強化沸騰層の９２重量％を構成し、前記共晶合金が前記強化沸騰層の８重量％を構成する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記金属の層が前記共晶合金で構成される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（先の国内出願の優先権の主張）
[0001]本出願は、２０１０年１２月１５日に出願された米国特許出願第６１／４２３，３３４号および２０１１年１２月１日に出願された米国特許出願第１３／３０９，２４６号の優先権を主張するものである。
【０００２】
[0002]本発明は、高い熱伝達効率を有する金属熱交換器を製作するための改善された方法に関する。詳細には、本発明は、強化パーティングシートを含むろう付け熱交換器を製作するための改善された方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]現在、低温用途、精製用途および化学用途における復水器−再沸器には、一般に２つのデザインの熱交換器が使用される。現在使用されている熱交換器の１つのタイプは、垂直型のシェル−管熱交換器（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｓｈｅｌｌ  ａｎｄ  ｔｕｂｅ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）である。この設計の場合、比較的小さい温度差で十分に高度な熱伝達を行うためには、強化沸騰層（ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｂｏｉｌｉｎｇ  ｌａｙｅｒｓ（ＥＢＬ））が使用される。ＥＢＬは、通常、沸騰を促進するための沸騰核形成部位（ｂｏｉｌｉｎｇ  ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ  ｓｉｔｅ）を提供する多数の細孔を備える構造を有する。ＥＢＬは管の内側に塗布され、熱伝達を促進するために管の外側には長手方向の溝が設けられる。
【０００４】
[0004]強化沸騰層は、米国特許第３，３８４，１５４号において熱交換器用に最初に提案された。この特許は、溶媒内にプラスチック結合剤内の金属粉末を混合し、ベース金属表面にスラリを塗布することを開示する。被覆金属が還元雰囲気に晒されてある温度まで十分な時間加熱され、それにより、金属粒子が一体に焼結されてベース金属表面に固着する。米国特許第３，４５７，９９０号には、凹型溝が機械的または化学的に形成された強化沸騰表面が開示されている。
【０００５】
[0005]ＥＢＬを塗布する別の方法も開示されている。英国特許第２  ０３４  ３５５号が、金属熱伝達部材に有機発泡体層（ｏｒｇａｎｉｃ  ｆｏａｍ  ｌａｙｅｒ）を塗布し、最初に無電解堆積を行い次いで電着を行うことにより発泡体に銅などの金属をめっきすることを開示する。米国特許第４，２５８，７８３号が、熱伝達表面内に窪みを機械的に形成し、次いで窪み表面（ｐｉｔｔｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ）に金属を電着することを開示する。英国特許第２  ０６２  ２０７号が、粉末式火炎溶射により金属ベースに金属粒子を塗布することを開示する。欧州特許第３０３  ４９３号が、火炎溶射またはプラズマ溶射によりベース金属に金属とプラスチック材料との混合物を溶射することを開示する。米国特許第４，７６７，４９７号および米国特許第４，８４６，２６７号が、析出物を生成するためにアルミニウム合金プレートを熱処理し、次いで、窪み表面を残すようにその析出物を化学エッチング除去することを開示する。欧州特許第１１２  ７８２号が、ろう付け合金球粒子の混合物を金属壁に塗布し、被覆壁を加熱してろう材を溶解させることを開示する。
【０００６】
[0006]低温用途、精製用途および化学用途で使用される一般的な熱交換器は、複数の流体通路を形成するためにアルミニウムパーティングシート間または壁間に波形アルミニウムシートを配置することによって製造されるプレートフィン型のろう付けアルミニウム熱交換器（ｐｌａｔｅ−ｆｉｎ  ｂｒａｚｅｄ  ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）である。これらのシートはアルミニウムろう付け層でクラッディングされるか、または、ろう付け箔の層が、接着される表面の間に挿入される。所定の時間で所定の温度まで加熱されると、ろう付け箔またはクラッディングが溶解し、隣接するシートと金属結合する。結果的任得られる熱交換器は、狭い間隔で配置されるフィンの交互層から構成される多数の通路を含む。交互層の通路の通常の構成は、各々が、６ｆｉｎｓ／ｃｍから１０ｆｉｎｓ／ｃｍ（１５ｆｉｎｓ／ｉｎｃｈから２５ｆｉｎｓ／ｉｎｃｈ）の密度および０．５ｃｍから１ｃｍ（０．２インチから０．４インチ）の高さのフィンを含む。一般的な用途では、第１の列の交互通路が凝結のための蒸気を搬送し、第２の列の交互通路が沸騰のための液体を搬送する。通常のろう付けアルミニウム熱交換器は、２０６８ｋＰａから２７５８ｋＰａ（３００ｐｓｉａから４００ｐｓｉａ）に耐えることができなければならない。
【０００７】
[0007]ろう付け熱交換器の沸騰通路においてフィンの代わりに強化沸騰層を使用することを提案する特許には、米国特許第５，８６８，１９９号、米国特許第４，７１５，４３１および米国特許第４，７１５，４３３号が含まれる。これらの特許は、沸騰チャンネルを画定するために一方の側に塗布されるＥＢＬと、凝結チャンネルを画定するためにもう一方の側にフィンを各々が備えるアルミニウムシートを積層することを提案する。ろう材の層が積層体内の結合表面間に配置され、この積層体が、ろう付け熱交換器コアを得るために一定時間にわたって加熱される。これらの特許に記載されるこれらのろう付けアルミニウム熱交換器は、通常はＥＢＬが５６５℃から５９３℃（１０５０°Ｆから１１００°Ｆ）でろう付けされ、さらに金属構成要素の次のろう付けが約５９３℃から６２１℃（１１００°Ｆから１１５０°Ｆ）で行われることから、商用化されていない。ろう付けを行うための２回目のより高温の熱処理時にＥＢＬの完全性および有効性を維持すること、具体的には、相互に結合される金属粒子により形成される多孔性構造を維持することが困難である。この課題が、沸騰通路内にＥＢＬを備えるろう付け熱交換器が商用的に利用可能でないことの理由である。
【０００８】
[0008]米国特許第７，６７７，３００号では、ろう付け熱交換器を作るための方法およびその熱交換器が開示されている。しかし、ハイフラックス（ｈｉｇｈ  ｆｌｕｘ）ろう付けアルミニウム熱交換器製品のために行われる製造開発の試みでは、ハイフラックスコーティングをＡＡ−３００３アルミニウムパーティングシートに塗布するための最初の制御雰囲気ろう付け（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ  ｂｒａｚｉｎｇ（ＣＡＢ））プロセスにより、アルミニウムシート基体に金属結合される多孔性金属マトリクス全体にわたって、フッ化カリウムアルミニウム（ＫＡｌＦｘ）の集合体の残留ろう付けフラックスが一部存在することになることが分かっている。このこと自体は驚くべきことではないが、この残留ろう付けフラックスは、ハイフラックス被覆シートの超音波洗浄後に残る量が比較的少量でありさらにその蒸気圧が比較的低い場合であっても、ＡＡ−３００３パーティングシートを使用してＢＡＨＸコアを製造するのに慣例的に使用されるその後の真空アルミニウムろう付け（ｖａｃｕｕｍ  ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｂｒａｚｉｎｇ（ＶＡＢ））プロセスに悪影響を与える可能性があることが分かっている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
[0009]本発明は、ろう付け金属熱交換器を製作するための改善された方法およびその結果得られる装置である。沸騰通路の壁には強化沸騰層（ＥＢＬ）が設けられる。ろう材の溶融温度は、強化沸騰層内の金属粒子の溶融温度より低い。一実施形態では、強化沸騰層内および／またはろう付け層内の金属は、第１の金属と第２の金属との合金であり、この合金は、第１の金属より低い溶融温度を有する。第２の金属によりより低い溶融温度を有する合金が得られる限りにおいて、ＥＢＬ内およびろう材内で異なる第２の金属が使用され得る。一実施形態では、ろう材内の第２の金属の濃度は、ＥＢＬ内での濃度より高い。このようにすることで、長時間にわたってろう付け温度がＥＢＬ内の金属の融点の摂氏８．３度（華氏１５度）以内である場合に、ＥＢＬが予期せずに多孔性を有し、したがってその有効性を有することを発見した。一実施形態では、凝結通路が、熱伝達を促進するためのフィンを含む。
【００１０】
[0010]加工物を５９０℃から６００℃の最終的なろう付け温度まで上昇させる前に残留フッ化カリウムアルミニウムのろう付けフラックスを排ガスするために５００℃の温度安定状態が長時間にわたって採用されるような改善された真空アルミニウムろう付け熱サイクルを使用することにより、高品質のろう付け接合部が得られるが、伝統的なＶＡＢ熱サイクルを使用する場合では、ろう付けの温度範囲内で残留フッ化カリウムアルミニウムのろう付けフラックスを排ガスすることがろう付け合金と干渉することから、ろう付けの質が低下するはずである。これは、５００℃でかなりの時間が経過するまで５００℃において排ガスが開始されないことを理由として、当業者にとっての明確な選択肢となることはない。これは、さらに、５００℃の温度が、構成要素を接合するのに使用されるろう付け合金の溶融温度に比較的近いことを理由として、当業者に選択肢とみなされにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】[0011]３つの熱交換器を示す斜視図である。
【図２】[0012]内部を明らかにするために層を剥がした、図１の熱交換器のコアを示す斜視図である。
【図３】[0013]図２とは異なる視点から見た、図１の熱交換器のコアを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[0014]本発明の方法は、シェルおよび管を含む熱交換器の任意の構成をろう付けによって構築するのに使用され得るが、プレート熱交換器に最も適切に適用され得る。本発明の熱交換器の沸騰通路および冷却通路は、直交流、向流または並流を可能にするような向きであってもよい。さらに、本発明の熱交換器は、低温空気分離、炭化水素処理、または、熱交換を行うのに沸騰に依存する任意の別の処理の文脈でも適用され得る。熱交換器を構成するのに複数の種類の金属が使用され得る。ろう付け熱交換器で最も広く使用される金属はアルミニウムである。アルミニウムは、低温において脆化しにくいことから、低温用途に適する。鋼または銅は、アルミニウムに対して腐食させる可能がある流体を加熱または冷却するのに使用され得る。説明のため、低温空気分離の文脈で有用な向流、アルミニウム、プレート熱交換器に関連させて本発明を説明する。
【００１３】
[0015]図１は、低温空気分離に使用される一連の典型的なプレート熱交換器１０を示す。熱交換器１０は、コア２０内に沸騰通路１２と冷却通路１４とを交互に備えている。液体酸素などの液体が導管１６によりマニホルド１８まで送出され、沸騰通路１２へと分配される。沸騰通路１２の底部でのサーモサイフォンなどの、コア２０の下方の導管１６またはマニホルド１８以外の手段により沸騰通路１２まで液体を送出することも企図される。さらに、液体は、ディストリビュータフィンを備えることができる分配網を場合によっては介して、コア２０の側部または上部から沸騰通路１２まで送出され得る。液体が沸騰通路１２内で沸騰し、それにより、冷却通路１４から伝導される熱が間接的に抜き取られる。沸騰通路１２からの気体酸素が、ヘッダ２２などにより収集され、導管２４を介して除去される。コア２０の上方の導管２４またはヘッダ２２以外でも、サーモサイフォン構成などとして設けられてもよい別の手段により沸騰通路１２からガスを収集することも企図される。さらに、ガスは、収集フィンを備えることができる収集網を場合によっては介して、コア２０の側部または上部において沸騰通路１２から収集されてもよい。気体窒素などの流体が導管２６によりマニホルド２８まで送出され、冷却通路１４へと分配される。導管２６またはマニホルド２８以外の手段により送出することも企図される。冷却通路１４内で液体またはガスが冷却され得る。また、冷却通路１４までガスが送出される場合、ガスは、このプロセスの必要に応じて、温度変化の有無にかかわらず相変化が起こる程度まで冷却され得る。沸騰通路１２内での沸騰を補助するために冷却通路１４と沸騰通路１２との間の壁を横断して伝導される熱が冷却通路１４内の流体を冷却し、それにより、空気分離の場合には窒素ガスが凝結される。冷却通路１４からの液化窒素などの流体がヘッダ３０などによって収集され、導管３２を介して除去される。ヘッダ３０および導管３２以外の手段により冷却通路１４から冷却流体を収集することも企図される。また、図１の実施形態で示される送出用および収集用のマニホルドおよび導管は本発明の範囲内に留まりながら修正され得る。
【００１４】
[0016]図２は、内部を明らかにするために一部が剥がされた熱交換器１０のうちの１つの熱交換器のコア２０を示す。キャップシート４０がコア２０の両端部に配置され、それにより各端部に最終的なチャンネルが画定される。沸騰通路１２を明らかにするために、図２に示されるキャップシート４０の一部が剥がされている。垂直スペーサバーまたはスペーサ部材４２が、キャップシート４０の対向する縁部と金属壁４４との間に配置され、沸騰側４４ａは、強化沸騰層（ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｂｏｉｌｉｎｇ  ｌａｙｅｒ（ＥＢＬ））４６で被覆されている。ＥＢＬ４６は、沸騰側４４ａに結合されさらには互いに結合される熱伝導粒子を含み、それにより、中に核沸騰形成部位が形成される細孔のテクスチャが形成される。一実施形態では、熱伝導粒子は金属粒子である。このように、沸騰通路１２が、キャップシート４０の内側表面と、垂直スペーサバー４２の内側縁部と、金属壁４４の沸騰側とによって画定される。沸騰側４４ａの外側垂直縁部４８はＥＢＬ４６がなく、結合表面を形成する。蒸気は沸騰出口４９を介して沸騰通路１２から出て、図１の実施形態に示されるように沸騰ヘッダ２２によって収集され得る。さらに、熱伝達をさらに促進するために沸騰通路１２がフィンを備えることができることも企図される。剥がされた金属壁４４および垂直スペーサバー４２の後ろには、波形シートの主フィンストック５４を備える主フィン５２を含む冷却通路１４がある。主フィン５２は、冷却通路１４の両端部のところにある垂直スペーサバー４２の内側縁部の間を側方に延在する。主フィン５２によって形成されるチャンネルの上部に沿って冷却入口５０から冷却流体を均等に分配するために、ディストリビュータフィンストック５８を備えるかまたは主フィンストック５４と一体であるディストリビュータフィン５６が傾斜構成として配置される。図２の実施形態では、図１の実施形態で示されるように冷却マニホルド２８から入ることができる冷却流体は冷却入口５０内で受けられる。冷却流体を分配するのに、フィンの有無にかかわらず別のタイプの分配構成も使用され得る。別の実施形態では、冷却入口５０は、主フィン５２によって形成されるチャンネルの上部とみなされてもよい。主フィン５２の上部を示すために、図２では１組のディストリビュータフィン５６のみが示される。収集フィン６６によって画定され得る冷却出口６４により、冷却流体がコア２０から出ることが可能となる。図２の実施形態では、冷却流体は冷却出口６４を介して外に出て、図１の実施形態の冷却ヘッダ３０に入ることができる。水平スペーサバー６０が冷却通路１４の上部および底部を密閉する。スペーサバー４２、６０およびフィン５２、５６、６６が、金属壁４４の冷却側４４ｂ（反対側）と隣接する金属壁４４の冷却側４４ｂとの間に間隔を設ける。一実施形態では、流体が沸騰通路１２に入ることおよび流体が沸騰通路１２から出ることをそれぞれ可能にするために、沸騰通路１２内には水平スペーサバー６０は設けられない。このように、垂直スペーサバー４２が各一対の隣接する金属壁４４の対向する端部の間に挟まれ、水平スペーサバー６０が隣接する冷却側４４ｂの間のみに挟まれる。しかし、フィン５��、５６、６６が動作圧力に耐え得るように配置構成されて適切に結合される場合では、冷却通路１４内の冷却側４４ｂの間でスペーサバー４２、６０が省略され得ることも企図される。このように、フィン５２、５６、６６はスペーシング機能を有する。壁４４は交互の向きを有する。キャップシート４０に隣接する場合を除いて、金属壁４４の冷却側４４ｂは隣接する壁の冷却側４４ｂに常に対向し、壁の沸騰側４４ａは隣接する金属壁４４の沸騰側４４ａに常に対向する。また、複数の実施形態では、冷却通路１４がフィンを含まないこと、および、沸騰通路１２がフィンを備えることも企図される。
【００１５】
[0017]図３は図２のコア２０を示すが、コア２０の底部を示す視点から見ている。図３で見ることができる図２のすべての要素は、符号を用いて参照される。さらに、沸騰通路１２への沸騰入口５１が示される。一実施形態では、沸騰入口５１は沸騰マニホルド１８（図１）からの沸騰液体を受けることができる。また、第３のフィンストック６８の収集フィン６６を明らかにするために、キャップシート４０および第１の金属壁４４の底部が剥がれている。主フィン５２によって形成されるチャンネルの底部に沿って冷却出口６４から冷却流体を均等に収集するために、第３のフィンストック６８を備えるかまたは主フィンストック５４と一体である収集フィン６６が傾斜構成として配置される。冷却流体を収集するのに、フィンの有無にかかわらず別のタイプの収集構成も使用され得る。別の実施形態では、冷却出口６４は主フィン５２によって形成されるチャンネルの底部とみなされてもよい。主フィン５２の底部を示すために、図３では１組の収集フィン６６のみが示される。
【００１６】
[0018]ＥＢＬは、スラリを塗布すること、火炎溶射、プラズマ溶射または電着などの、当技術分野で既知の任意の方法によって沸騰側に追加され得るが、本明細書で説明される方法は、ＥＢＬと基体との間に金属結合を形成するものであり、これは上で言及した方法では得られない。しかし、重要なことは、その後のろう付けステップにより、一度塗布されたＥＢＬの熱交換効率が低下しないことである。一実施形態では、ＥＢＬの融点はろう付け金属の融点より高い。ろう付け金属とＥＢＬとのこの相対的な融点は、第１の金属の融点より低い融点を有する合金を作製することを目的として第２の金属と第１の金属とを合金化することによって得られる。ろう付け金属内の第２の金属の濃度はＥＢＬ材料内での濃度より高くてもよく、したがって、ＥＢＬは、構造的完全性を損なうことなくろう付けステップに耐え得るような高い融点を有する。ろう付けアルミニウム熱交換器では、アルミニウムが第１の金属であり、シリコン、マンガン、マグネシウムまたはそれらの合金が第２の金属であってもよい。ろう付け鋼熱交換器では、ニッケルが第１の金属であってよく、リンが第２の金属であってもよい。ろう付け銅熱交換器では、銅が第１の金属であってよく、リンが第２の金属であってもよい。
【００１７】
[0019]ＥＢＬおよびろう材を提供するのに使用される第１の金属が銅である場合、ろう付けは、銅の溶融温度よりも１００℃（１８０°Ｆ）低い温度、または９６０℃（１７６０°Ｆ）で行われる。アルミニウムが第１の金属である場合、ろう付けは、その融点である６４９℃（１２００°Ｆ）よりも４５℃から５４℃（１２０°Ｆから１３０°Ｆ）低い温度で行われる。ニッケルが第１の金属である場合、炉内でのろう付けステップは、鋼の融点よりも３８°（１００°Ｆ）低い温度、または１０３７℃（１９００°Ｆ）で行われる。これらの温度では、第２の金属により、第１の金属を含む合金の融点が下げられる。液化されたろう付け金属がベース金属内へと流れて拡散され、それにより金属結合が形成される。ＥＢＬ材料内よりろう材内でより多くの第２の金属と第１の金属とを合金化することにより、一度塗布されたＥＢＬが、その後のより低温のろう付け熱処理に耐えることができるようになる。
【００１８】
[0020]ＥＢＬを形成するためにろう付けを使用する代わりに焼結が使用され得ることも企図される。焼結の場合、金属が分子振動温度（ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ａｇｉｔａｔｉｏｎ）まで加熱され、比較的長時間にわたって隣接する金属内へと拡散され、それにより金属結合が形成される。熱交換器の構成要素を一体に結合することを目的として、低温でろう付けを行うことによりＥＢＬを提供するために、焼結が使用され得る。
【００１９】
[0021]一実施形態では、ＥＢＬを塗布することの第１のステップは、高分子結合剤を金属壁の沸騰側に塗布することである。次いで、第１の金属および第２の金属を含み得る金属粉末がプラスチック結合剤に散布される。プラスチックによって固定される金属粉末を有する金属壁が窒素などの不活性雰囲気によって覆われ、その温度は、金属粉末粒子同士の間および金属粉末粒子と金属壁の沸騰側との間に金属結合を形成するのに十分な時間、ろう付け温度まで上げられる。プラスチック結合剤が熱を受けて分解して蒸発する。循環する不活性ガスが酸化膜が形成されるのを低減し、さらには、結合剤材料から分解生成ガスを除去する。結合された金属粉末は、高い多孔性を有する３次元基質を形成し、これが核沸騰形成部位をＥＢＬに提供する。
【００２０】
[0022]適切なプラスチック結合剤には、ポリイソブチレン、ＭＥＴＨＯＣＥＬとして市販されている少なくとも４０００ｃｐｓの粘度を有するポリメチルセルロース、および、９０，０００の分子量を有するポリスチレンが含まれる。結合剤は適切な溶媒に溶解され得、この適切な溶媒は、ポリイソブチレンおよびポリメチルセルロースの結合剤の場合にはケロシンまたは四塩化炭素などであり、ポリスチレンの結合剤の場合は、キシレンまたはトルエンなどである。沸騰側は、グリース、オイルまたは酸化物を除去するために洗浄されるべきであり、それによりＥＢＬが適切に結合され得るようになる。プラスチック溶液を塗布する前に、沸騰側は、湿潤が行われるのを促進するためにプラスチック溶液でフラッシュされてよく、それによりより一様なプラスチック結合剤の分配が得られるようになる。プラスチック溶液は、吹付け、浸漬、ブラッシングまたはペイントローリング（ｐａｉｎｔ  ｒｏｌｌｉｎｇ）などによって一様な層が得られるような形で、沸騰側に塗布され得る。塗布後、溶媒の大部分を蒸発させるために金属粉末の塗布中またはその塗布後に、層が空気乾燥される。金属粉末および結合剤の固体の自立層が結合剤によって金属壁上の定位置に残る。
【００２１】
[0023]第１の金属および第２の金属を含む金属粉末がフラックスに混合される。フラックスは加熱されると溶解し、金属粒子が互いに結合されるのをさらには金属粒子が沸騰側に結合されるのを妨害する可能性がある酸化物を金属から抜き出す。このフラックスは、ＫＡＩＦ４とＫＡＩＦ６との混合物である市販されるフッ化カリウムアルミニウムなどの鉱物塩であってもよい。別のフラックスが適切である場合もある。
【００２２】
[0024]熱交換器１０のコア２０は、構成要素の層を積層することにより組み立てられる。コア２０のろう付けが真空炉内で実施されない場合、各構成要素は積層される前にフラックスで被覆されなければならない。構成要素をフラックス構成要素で被覆する適切な手法は、１：１の体積比でフラックスと変性アルコールとを混合し、そのフラックス溶液を構成要素上にブラッシングするかまたは吹き付け、その後積層を行うことである。積層の順番は、図２に示される底部、および図３に示される側部で説明される。キャップシート４０が積層表面の底部に、キャップシート４０の外側表面を下方にして配置される。ろう付け箔の層が少なくともキャップシート４０の内側表面の２つの垂直縁部４８上に層状に配置されるが、これは場合よってはキャップシート４０の内側表面全体の上に配置される。垂直スペーサバー４２がキャップシート４０の内側表面の垂直縁部４８上に積層される。この場合は沸騰通路１２を画定するキャップシート４０の内側表面に対して垂直スペーサバー４２のみがろう付けされるため、ろう付け箔はキャップシート４０の垂直縁部４８のところにのみ設けられてもよい。通常、沸騰通路１２内に水平スペーサバー６０は積層されない。しかし、一実施形態では、キャップシート４０が冷却通路１４を画定する場合、水平スペーサバー６０がキャップシート４０上に積層されてろう付けされるべきである。ろう付け箔の層が垂直スペーサバー４２の上部に積層される。ろう付け箔のストリップが垂直スペーサバー４２に直接に配置されてもよい。キャップシート４０に向かって下を向いている沸騰側４４ａと上を向いている冷却側４４ｂとの上にＥＢＬ４６を備える金属壁４４が、垂直スペーサバー４２の上部に積層される。ＥＢＬ４６を有さない、沸騰側４４ａの垂直縁部４８が、垂直スペーサバー４２の上部のろう付け箔上に載置される。ろう付け箔の層が金属壁４４の冷却側４４ｂの上部に置かれる。主フィン５２を備える主フィンストック５４と、ディストリビュータフィン５６を備えるディストリビュータフィンストック５８と、収集フィン６６を備える収集フィンストック６８と、水平スペーサバー６０および垂直スペーサバー４２とが、金属壁４４の冷却側４４ｂの上部に置かれるろう付け箔の層の上部にすべて積層される。ろう付け箔の層が、主フィンストック５４と、ディストリビュータフィンストック５８と、収集フィン６６を備える収集フィンストック６８と、スペーサバー４２、６０との上に置かれる。次いで、下を向く冷却側４４ｂと上を向く沸騰側４４ａとを備える別の金属壁４４が、ろう付け箔の層の上に置かれる。金属壁４４の上部には、ろう付け箔のストリップが、ＥＢＬ４６の外側の、沸騰側４４ａの垂直縁部４８のすぐ下に置かれる。垂直スペーサバー４２が、垂直縁部４８内のろう付け箔のストリップの上部に下ろされる。ろう付け箔のストリップが垂直スペーサバー４２の上部に置かれる。下を向く沸騰側４４ａを備える追加の金属壁４４が上に積層され、ここでは、垂直縁部４８が、垂直スペーサバー４２の上部のろう材のストリップに対合する。熱交換器１０のコア２０の残りの部分が上述したように積層され、最後に、キャップシート４０が積層体の上部に積層される。主フィンストック５４の両側、スペーサバー４２、６０、および／または、金属壁４４の冷却側４４ｂが、ろう材の層に一体にクラッディングされ得ることも企図される。これにより、コア２０を構成する積層体内にろう付け箔の層を追加することの必要性が排除される。しかし、両側にクラッディングされるろう材により、ちょうど、フィンストック５４、５８、６８および／またはスペーサバー４２、６０が得られる場合、ろう付け箔を使用することが排除され得る。
【００２３】
[0025]コア２０が完全に積層された後、コア２０は、不活性ガス雰囲気を有する炉内に挿入され、コアの中心部２０が高温に達するように加熱される。コア２０は、その上昇温度で一定時間保持された後、冷却されてもよい。この上昇温度は、ろう材の溶融温度より高く、かつ、塗布されるＥＢＬ４６の材料の溶融温度およびベース金属の溶融温度より低い。一実施形態では、この上昇温度は、塗布後のＥＢＬ４６の材料の溶融温度より低くてもよい。制御雰囲気のろう付け環境では、ろう材にはアルミニウム合金４０４７が使用され得、この場合、上昇したろう付け温度は６０７℃から６１８℃（１１２５°Ｆから１１４５°Ｆ）となる。本明細書で与えられるアルミニウム合金の呼称は、アルミニウムろう付けの技術分野の当業者によって使用される合金の慣例に従う。ろう材は、溶解して、隣接する金属部材との金属結合を形成し、それにより、堅牢性を有する金属熱交換器コアが提供される。ＥＢＬ４６はその高い多孔性構造の完全性（ｈｉｇｈｌｙ  ｐｏｒｏｕｓ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）を維持する。コア２０の表面上にフラックスの残留物が残る場合もあるが、これらは通常は動作に影響することなく洗い落とされる。
【００２４】
[0026]コア２０を一体にろう付けした後、図１の実施形態に示されるように、マニホルド１８、２８およびヘッダ２２、３０がコア２０に溶接され得る。導管１６、２４、２６、３２はすべて、適切なマニホルド１８、２８またはヘッダ２２、３０に装着される。図１の実施形態で示されるもの以外の別の送出装置、分配装置、収集装置および回収装置も本発明の範囲内で使用され得る。
【００２５】
[0027]別法として、ろう付けステップのうちの１つまたは両方が真空オーブン内で行われてもよい。フラックスは必要なく、ろう付けで使用される温度は通常はより低くなる。しかし、真空ろう付けプロセスでは、コアがろう付け温度に達するまでにより長い時間がかかり、その後で冷却を行うことが可能となる。積層されたコアが真空環境内でろう付けされる場合、ろう材としてアルミニウム合金４１０４が使用されてもよく、この場合、上昇したろう付け温度は５８２℃から５９３℃（１０８０°Ｆから１１００°Ｆ）となる。
【００２６】
[0028]本発明の目的において重要なことは、ＥＢＬが最終的なろう付け熱処理に耐え得ることである。ろう付けアルミニウム熱交換器では、ろう材は、粉末、箔またはクラッディングのいずれであっても、少なくとも８０重量％のアルミニウムと１０重量％から１５重量％のシリコンとの共晶合金で構成してもよい。一実施形態では、共晶合金は、１１重量％から１３重量％のシリコンと少なくとも８５重量％のアルミニウムとで構成される。別の一実施形態では、ろう付け共晶合金はアルミニウム合金４０４７であってもよく、１２重量％のシリコンと８８重量％のアルミニウムとで構成してもよい。壁、フィンストックおよびスペーサバーなどの、コア２０の別の構成要素は、９８重量％と少ない程度のアルミニウムと、２重量％と多いマンガンとの高比率の（ｈｉｇｈｌｙ  ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｅｄ）アルミニウム合金で構成されたアルミニウム合金３００３を含むことができる。アルミニウム合金３００３には少量のマグネシウムおよび鉄が存在してもよい。「高比率」という用語は９０重量％より高いことを意味する。実質的に純アルミニウムを含むかまたは高比率のアルミニウム合金を含む別の構成要素が適切である場合もある。真空ろう付けの用途では、１重量％から２重量％のマグネシウムが高比率のアルミニウム合金内に含まれてもよい。ＥＢＬを含む材料は、０．５重量％から１．５重量％のシリコンと、少なくとも９５重量％の実質的な純アルミニウムまたは高比率のアルミニウム合金とで構成してもよい。一実施形態では、ＥＢＬは、５重量％から１１重量％のろう材と、少なくとも８５重量％の実質的な純アルミニウムまたは高比率のアルミニウム合金とで構成してもよい。一実施形態では、ＥＢＬは、少なくとも９０重量％の純アルミニウムまたは高比率のアルミニウムと、１１重量％から１３重量％のシリコンおよび少なくとも８５重量％のアルミニウムを含む共晶合金とで構成される。一実施形態では、粉末形態の共晶合金が、粉末状の実質的な純アルミニウムまたは高比率のアルミニウムに混合される。非真空のろう付けオーブン内でアルミニウムが酸化するのを防止するために、塗布されるＥＢＬ材料内には、５重量％から１０重量％の粉末状鉱物塩で構成されるフラックスが含まれるべきである。
【００２７】
[0029]何らかの特定の理論に拘束されることを望むわけではないが、加熱すると、上述の粉末状ＥＢＬ材料の混合物、すなわちろう付け共晶合金粉末は、溶解していない固体の実質的にアルミニウムの粉末を溶解し湿潤させ、それにより合金が形成されると考えられる。塗布後、アルミニウム合金内のシリコン金属の濃度が低いことから、ＥＢＬ内の得られた合金は、ろう付け共晶合金より高い温度で溶解すると考えられる。したがって、ＥＢＬは、積層された熱交換器コアを結合させるときに関連するろう付け温度に性能を損なわせることなく耐えることができ、この温度は、ＥＢＬ材料を最初にろう付けするときの温度に危険なほど近い。
【００２８】
[0030]ＥＢＬが焼結される場合、純アルミニウム合金３００３の粉末が１１８５°Ｆ（６４１℃）で焼結され得る。制御された不活性雰囲気の場合は６０４℃から６１３℃（１１２０°Ｆから１１３５°Ｆ）であり、真空環境の場合には５６６℃から５９６℃（１０５０°Ｆから１１０５°Ｆ）であるろう付け温度でコアを一体に結合するのに、上で言及したシリコンとアルミニウムとの共晶物を含むろう付け箔が使用され得る。
【００２９】
[0031]加工物の温度が５９０℃から６００℃の最終的なろう付け温度まで上昇する前に残留するフッ化カリウムアルミニウムのろう付けフラックスを排ガスするために５００℃の温度安定状態が長時間にわたって採用されるような、修正された真空アルミニウムろう付けプロセスの熱サイクルを使用する場合、高品質のろう付け接合部が得られるが、伝統的なＶＡＢ熱サイクルを使用する場合では、ろう付けの温度範囲内で残留フッ化カリウムアルミニウムを排ガスすることがろう付け合金と干渉することから、ろう付けの質が低下することが分かっている。これは、５００℃でかなりの時間が経過するまでこの温度において排ガスが開始されないことを理由として、当業者にとっての明確な選択肢となることはない。これは、さらに、５００℃の温度が、構成要素を接合するのに使用されるろう付け合金の溶融温度に比較的近いことを理由として、当業者に選択肢とみなされにくい。
【００３０】
[0032]５９０℃から６００℃の最終的なろう付け温度まで上昇する前に最初に温度を５００℃の温度安定状態で維持するような上で言及した修正された熱サイクルとの組合せで、実際に少量のろう付けを行ってみると、沸騰通路内でＡＡ−４００４Ｓｉ−Ａｌ−Ｍｇのろう付け合金を使用して、真空アルミニウムろう付け炉（ｖａｃｕｕｍ  ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｂｒａｚｉｎｇ  ｆｕｒｎａｃｅ）内で高品質のろう付け接合部が得られた。対照的に、真空アルミニウムろう付けで通常の伝統的な熱サイクルを使用して同様の少量のろう付けを行っても、低品質のろう付け接合部しか得られず、良好な結果が得られなかった。
【実施例１】
【００３１】
[0033]８３．６重量％のアルミニウム合金３００３の粉末と、フッ化カリウムアルミニウムを含む８．４重量％のろう付けフラックスと、８．０重量％アルミニウム合金４０４７のろう付け粉末とを混合することにより、強化沸騰粉末（ｂｏｉｌｉｎｇ  ｐｏｗｄｅｒ）が得られた。Ｃｌｉｆｔｏｎ  ＡｄｈｅｓｉｖｅｓからＣＳ−２００Ａ３として市販されている、ポリイソブチレンを３８重量％含む接着剤と、６２重量％のＶＡＲＳＯＬ軽ケロシン溶媒を混合して、それらを、アルミニウム合金３００３から成る３つの管状壁にブラッシングした。次いで、強化沸騰粉末を接着剤の上に散布し、小型炉内で窒素下で加熱した。各被覆管状壁を６２１℃（１１５０°Ｆ）まで９分間加熱した。接着剤および溶媒が蒸発し、０．３ミリメートルから０．４ミリメートル（１０ｍｉｌｓから１５ｍｉｌｓ）の厚さのＥＢＬが残った。結果的に得られたＥＢＬは高い多孔性の構造を有し、２０４，４１８ｋＪ／ｈｒ／ｍ２Ｋ（１０，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｆｔ２°Ｆ）を超える沸騰熱伝達係数を有することが分かった。
【実施例２】
【００３２】
[0034]２つの金属管状壁を、実施例１で説明したように接着剤および強化沸騰粉末で被覆した。各管状壁を、大気圧の密閉レトルト内の制御された窒素雰囲気下で、６２３℃（１１５３°Ｆ）のろう付け温度まで加熱し、その後冷却した。
【００３３】
[0035]第１の管状金属壁に対して加熱し、４８分間にわたって冷却を行った。第１の管状金属壁を試験すると、ＥＢＬを備える表面に適したものよりも大きい、２０４，４１８ｋＪ／ｈｒ／ｍ２Ｋ（１０，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｆｔ２／°Ｆ）を超える熱伝達係数を有することが分かった。次いで、熱交換器コア全体の真空ろう付けをシミュレートするために、第１の管状金属壁を５９３℃（１１００°Ｆ）の温度まで加熱してさらにその温度で２４時間にわたって放置してその後冷却するという形で、第１の管状金属壁を第２の炉内処理にかけた。目視検査により、ＥＢＬの品質が影響を受けていないことが分かった。第１の管状金属壁に対して再び試験を行い、２０４，４１８ｋＪ／ｈｒ／ｍ２Ｋ（１０，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｆｔ２／°Ｆ）を超える熱伝達係数を有することが分かった。
【００３４】
[0036]第２の管状金属壁に対して加熱し、３６分間にわたって冷却を行った。第２の管状金属壁を試験すると、ＥＢＬを備える表面に適したものよりも大きい、２０４，４１８ｋＪ／ｈｒ／ｍ２Ｋ（１０，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｆｔ２／°Ｆ）を超える熱伝達係数を有することが分かった。次いで、制御雰囲気下での熱交換器コア全体のろう付けをシミュレートするために、第２の管状金属壁を６１３℃（１１３５°Ｆ）の温度まで加熱して大気圧の窒素下でその温度で２時間にわたって放置してその後冷却するという形で、第２の管状金属壁を第２の炉内処理にかけた。目視検査により、ＥＢＬの品質が影響を受けていないことが分かった。第２の管状金属壁に対して再び試験を行い、２０４，４１８ｋＪ／ｈｒ／ｍ２Ｋ（１０，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｆｔ２／°Ｆ）を超える沸騰熱伝達係数を有することが分かった。ＥＢＬのろう付け温度から摂氏８．３度（華氏１５度）の温度まで加熱した後のＥＢＬの構造は、構造または性能を著しく損なうことなく熱処理に耐えた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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