(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
恒久的に接合されるプレート式熱交換器（１）を作り出すための方法であって、前記プレート式熱交換器（１）は、複数の金属熱交換器プレート（２）を含み、前記複数の金属熱交換器プレート（２）は、１１００℃を上回る固相線温度を有し、互いに隣同士に設けられ、プレートパッケージ（３）を形成しており、前記プレートパッケージ（３）は、第１の媒体のために第１のプレート内部空間（４）を備え、第２の媒体のために第２のプレート内部空間（５）を備えており、前記第１のプレート内部空間（４）および前記第２のプレート内部空間（５）は、前記プレートパッケージ（３）の中で、交互の順序で設けられており、
それぞれの熱交換器プレート（２）は、熱伝達エリア（１０）と、前記熱伝達エリア（１０）の周りに延在するベント縁部（１５）を含む縁部エリア（１１）とを含み、
前記プレート（２）の第１の表面（１６）は、凸面形状を形成し、前記プレートの第２の表面（１７）は、凹面形状を形成しており、
前記熱伝達エリア（１０）は、隆起部（１８）および陥凹部（１９）のコルゲーションを含み、
前記プレートの前記コルゲーション、および前記ベント縁部（１５）は、前記プレート（２）をプレスすることによって設けられており、
前記方法は、
第１のプレート（２１）の第１の凸面表面（１６）の少なくとも一部分の上に溶融抑制組成物（２０）を塗布するステップ（２０１）であって、前記溶融抑制組成物（２０）は、
前記第１のプレート（２１）の溶融温度を減少させるために、ホウ素およびシリコンのうち少なくとも１つを含む溶融抑制成分であってホウ素およびシリコンの合計が２５重量％以上である溶融抑制成分
を含む、ステップと、
第２のプレート（２２）の第２の凹面表面（１７）を前記第１のプレート（２１）の前記第１の凸面表面（１６）の上の前記溶融抑制組成物（２０）に、前記プレート（２１、２２）をプレートパッケージ（３）へと積み重ねることによって、接触するようにさせるステップ（２０２）と、
前記第１および第２のプレート（２１、２２）を、１１００℃を上回る温度まで加熱するステップ（２０３）であって、前記第１のプレート（２１）の前記第１の凸面表面（１６）は、それによって溶融し、前記第１のプレート（２１）の表面層（２４）が溶融し、前記溶融抑制組成物（２０）とともに、溶融された金属層を形成するようになっており、前記溶融された金属層は、前記第１のプレート（２１）と前記第２のプレート（２２）との間の接触点（２３）において、前記第２のプレート（２２）に接触している、ステップと、
前記溶融された金属層が凝固することを可能にするステップ（２０４）であって、接合部（２６）が、前記プレートパッケージ（３）の中の前記プレート（２）同士の間の前記接触点（２３）において得られるように、および前記ベント縁部（１５）が、前記プレートパッケージ（３）の中の前記プレート（２）の前記ベント縁部（１５）同士の間にタイトフィットを形成するようになっている、ステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記溶融抑制組成物（２０）は、前記第１の凸面表面（１６）の上に前記溶融抑制組成物（２０）を塗布する前記ステップ（２０１）を容易にするためのバインダー成分をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ホウ素が、元素ホウ素、ならびに以下の化合物、すなわち、炭化ホウ素、ホウ化シリコン、ホウ化ニッケル、およびホウ化鉄のうちのいずれかから選択されるホウ素化合物のホウ素のうちのいずれかに由来する、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記シリコンが、元素シリコン、ならびに以下の化合物、すなわち、炭化ケイ素、ホウ化シリコン、およびケイ素鉄のうちのいずれかから選択されるシリコン化合物のシリコンのうちのいずれかに由来する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記溶融抑制成分が、ホウ素およびシリコンの合計が４０重量％以上である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記溶融抑制成分が、ホウ素およびシリコンの合計が少なくとも８５重量％以上である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
ホウ素が、溶融抑制化合物の前記ホウ素およびシリコン含有量の少なくとも１０重量％を構成する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
ホウ素が、溶融抑制化合物の前記ホウ素およびシリコン含有量の少なくとも５５重量％を構成する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記溶融抑制成分が、５０重量％未満の金属元素を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶融抑制成分が、１０重量％未満の金属元素を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のプレートが、０．３〜０．６ｍｍの厚さを有しており、前記溶融抑制組成物（２０）を塗布する前記ステップ（２０１）が、前記第１のプレート（２１）の前記第１の凸面表面（１６）の上に、１ｍｍ２当たり平均０．０２〜０．１２ｍｇのホウ素およびシリコンを塗布するステップを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
第１の金属部分が、０．６〜１．０ｍｍの厚さを含み、前記溶融抑制組成物（２０）を塗布する前記ステップ（２０１）が、前記第１のプレート（２１）の前記第１の凸面表面（１６）の上に、１ｍｍ２当たり平均０．０２〜１．０ｍｇのホウ素およびシリコンを塗布するステップを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記溶融抑制組成物（２０）を塗布する前記ステップ（２０１）が、
前記溶融抑制組成物が前記第１のプレート（２１）の前記第１の凸面表面（１６）と結合するまで、前記プレート（２）を加熱するステップ（２０３）と、
前記溶融抑制組成物（２０）の中のすべてのホウ素およびシリコンが、前記第１のプレート（２１）の中の金属とともに、化合物を形成する前に、前記プレート（２）の温度を減少させるステップと
を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記溶融抑制組成物（２０）を塗布する前記ステップ（２０１）が、前記プレートをプレスする前に行われる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記溶融抑制組成物（２０）を塗布する前記ステップ（２０１）が、前記プレートをプレスする後に行われる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記溶融抑制組成物（２０）を塗布する前記ステップ（２０１）が、前記溶融抑制組成物を含有する懸濁物を、プレートパッケージ（３）を通してフラッシングすることによって、前記プレートを前記プレートパッケージへと積み重ねる後に行われる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記溶融抑制組成物（２０）を塗布する前記ステップ（２０１）が、スクリーン印刷によって行われる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記溶融抑制組成物（２０）を塗布する前記ステップ（２０１）が、プレート（２）へと切断されたコイルの上にスパッタリングすることによって行われる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の表面（１６）が、前記第１の表面（１６）の上の前記接触点（２３）によって画定される面積（Ａ２）よりも大きい面積（Ａ１）を有しており、前記接合部（２６）が形成することを可能にするステップ（２０４）のときに、前記溶融された金属層（２５）の中の金属が、前記接触点（２３）へ流れるようになっている、請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の凸面表面（１６）の前記面積（Ａ１）が、前記接触点（２３）によって画定される前記面積（Ａ２）よりも少なくとも１０倍大きい、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の表面（１６）の前記面積（Ａ１）が、前記接合部（２６）の断面積（Ａ３）よりも少なくとも３倍大きい、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記接合部（２６）が、少なくとも５０重量％の金属を含み、前記金属は、加熱する前記ステップ（２０３）の前に、前記プレート（２）のうちのいずれかの一部分であった、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記プレート（２）が、５０重量％を超えるＦｅ、１３重量％未満のＣｒ、１重量％未満のＭｏ、１重量％未満のＮｉ、および３重量％を超えるＭｎを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記プレート（２）が、９０重量％を超えるＦｅを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記プレート（２）が、６５重量％を超えるＦｅ、および１３重量％を超えるＣｒを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記プレート（２）が、５０重量％を超えるＦｅ、１５．５重量％を超えるＣｒ、および６重量％を超えるＮｉを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記プレート（２）が、５０重量％を超えるＦｅ、１５．５重量％を超えるＣｒ、１〜１０重量％のＭｏ、および８重量％を超えるＮｉを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記プレート（２）が、９７重量％を超えるＮｉを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記プレート（２）が、１０重量％を超えるＣｒ、および６０重量％を超えるＮｉを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記プレート（２）が、１５重量％を超えるＣｒ、１０重量％を超えるＭｏ、および５０重量％を超えるＮｉを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記プレート（２）が、７０重量％を超えるＣｏを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１のプレートが、１０重量％を超えるＦｅ、０．１〜３０重量％のＭｏ、０．１〜３０重量％のＮｉ、および５０重量％を超えるＣｏを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
恒久的に接合されるプレート式熱交換器（１）であって、前記プレート式熱交換器（１）は、複数の金属熱交換器プレート（２）を含み、前記複数の金属熱交換器プレート（２）は、１１００℃を上回る固相線温度を有し、互いに隣同士に設けられ、プレートパッケージ（３）を形成しており、前記プレートパッケージ（３）は、第１の媒体のために第１のプレート内部空間（４）を備え、第２の媒体のために第２のプレート内部空間（５）を備えており、前記第１のプレート内部空間（４）および前記第２のプレート内部空間（５）は、前記プレートパッケージ（３）の中で、交互の順序で設けられており、
それぞれの熱交換器プレート（２）は、熱伝達エリア（１０）と、前記熱伝達エリア（１０）の周りに延在するベント縁部（１５）を含む縁部エリア（１１）とを含み、
前記プレート（２）の第１の表面（１６）は、凸面形状を形成し、前記プレートの第２の表面（１７）は、凹面形状を形成しており、
前記熱伝達エリア（１０）は、隆起部（１８）および陥凹部（１９）のコルゲーションを含み、
前記プレートの前記コルゲーション、および前記ベント縁部（１５）は、前記プレート（２）をプレスすることによって設けられており、
接合部（２６）によって第２のプレート（２２）に接合されている第１のプレート（２１）を含み、前記プレート（２）が、１１００℃を上回る固相線温度を有しており、前記接合部（２６）が、少なくとも５０重量％の金属元素を含み、前記金属元素は、前記接合部（２６）を取り囲む面積（Ａ１）から引き付けられたものであり、かつ前記第１のプレート（１）および前記第２のプレート（２）のうちのいずれかの一部分であった、プレート式熱交換器（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレート式熱交換器を作り出すための方法、およびその方法によって作り出されるプレート式熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高い溶融温度を有する合金を接合するには、様々な方法を使用することが可能である。この文脈では、「高い溶融温度」は、900℃を上回る溶融温度である。溶接が、一般的な方法であり、ここでは、母材金属は、追加的な材料の有無にかかわらず溶融され、すなわち、鋳造製品が、溶融および再凝固によって生成される。
【０００３】
ろう付けは、450℃を超えて溶融する液体金属を導入することによって、極めて接近して固体金属を接合するためのプロセスである。ろう付けされた接合部は一般に、適当なフィラー(filler)合金が選択されるときには、母材金属表は、ろう付け合金の流動温度まで加熱する間、清浄であり、清浄に保たれ、適切な接合部設計が使用されるという結果をもたらす。プロセスの間に、ろう付け用フィラーは、450℃を上回る温度で溶融され、すなわち、液体界面が、接合されることとなる母材金属の液相温度よりも低い温度で形成される。ろう付けを実現するために、液体界面は、良好な濡れ性および流動性を有しているべきである。
【０００４】
はんだ付けは、フィラー金属(すなわち、はんだ)の溶融、および接合部への流動によって、2つ以上の金属品目が接合されるプロセスであり、はんだは、ワークピースよりも低い融点を有している。ろう付けでは、フィラー金属が、はんだよりも高い温度で溶融するが、ワークピース金属は溶融しない。はんだ付けとろう付けとの間の区別は、フィラー合金の溶融温度に基づく。450℃という温度が、通常は、はんだ付けとろう付けとの間の実践的な線引き(delineating)点として使用されている。
【０００５】
一般に、ろう付けの手順は、接合されることとなる母材金属の間のギャップまたはクリアランスに接触して、ろう付け用フィラーを塗布することを必要とする。加熱プロセスの間に、ろう付け用フィラーは溶融し、接合されることとなるギャップを充填する。ろう付けプロセスでは、3つの主要な段階が存在しており、第1の段階は、物理的な段階と呼ばれる。物理的な段階は、ろう付け用フィラーを濡らすこと、および流動させることを含む。第2の段階は、通常、所与の接合温度で起こる。この段階の間に、固体-液体の相互作用が存在し、それは、実質的な質量移動によって達成される。液体フィラー金属に直接に隣接する母材金属体積は、溶解するか、またはこの段階において、フィラー金属と反応させられる。それと同時に、液相からの少量の元素が、固体の母材金属の中へ侵入する。接合部エリアにおけるこの成分の再分配は、フィラー金属組成物に対する変化を結果として生じさせ、ときには、フィラー金属の凝固の開始を生じさせる。最後の段階(それは、第2の段階と重複する)は、最終接合部の微細構造の形成によって、ならびに接合部の凝固および冷却の間の進展によって特徴付けられる。
【０００６】
2つの金属部分(母材)を接合するための別の方法は、過渡液相拡散ボンディング(TLPボンディング)であり、中間層からの融点抑制元素が、ボンディング温度で、金属部分の格子および粒界の中へ移動するときに、拡散が起こる。次いで、固体拡散プロセスは、ボンド界面における組成物の変化につながり、異種中間層は、母材よりも低い温度で溶融する。したがって、薄い層の液体が、界面に沿って広がり、金属部分のいずれかの融点よりも低い温度で接合部を形成する。ボンディング温度の低減は、溶融物の凝固につながり、この相は、その後に、一定期間にわたってボンディング温度で保持することによって、金属部分の中へ拡散され得る。
【０００７】
溶接、ろう付け、およびTLPボンディングなどの接合方法は、金属部分を上手く接合する。しかし、溶接は、非常に高価であるか、またはアクセスするのが困難であるときには、多数の接合部を生成することも不可能である可能性があるので、その限界を有する。また、ろう付けは、例えば、適正に塗布することが困難であるという点、または最も適切なフィラー金属を決定することも困難であるときもあるという点において、その限界を有する。異なる材料を接合するというときには、TLPボンディングは有利であるが、その限界を有する。例えば、それは、適切な中間層を見出すことが困難であることが多く、方法は、大きいギャップが充填されることとなる場所で、または比較的に大きい接合部が形成されることとなるときに、接合部を生成するのに全く適切ではない。
【０００８】
したがって、多くの要因が、特定の接合方法を選択するときに関与する。また、極めて重要な要因は、コスト、生産性、安全、プロセス速度、および金属部分を接合する接合部の特性、ならびに接合した後の金属部分自体の特性である。上述の方法は、それらの利点を有しているとしても、とりわけ、コスト、生産性、安全、およびプロセス速度などの要因が考慮される場合には、その方法に対する補完物として使用されることとなる接合方法に対する要求が依然として存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第2002/38327号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上記の技法および従来技術を改善することである。とりわけ、プレート式熱交換器のプレート同士の間に強い接合部を依然として作り出しながら、恒久的に接合されるプレート式熱交換器を簡単で信頼性の高い様式で作り出す方法を提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
これらの目的を解決するために、恒久的に接合されるプレート式熱交換器を作り出すための方法であって、プレート式熱交換器は、複数の金属熱交換器プレートを含み、複数の金属熱交換器プレートは、1100℃を上回る固相線温度を有する、方法が提供される。プレートは、互いに隣同士に設けられ、プレートパッケージを形成しており、プレートパッケージは、第1の媒体のために第1のプレート内部空間を備え、第2の媒体のために第2のプレート内部空間を備えており、第1および第2のプレート内部空間は、プレートパッケージの中で、交互の順序で設けられている。それぞれの熱交換器プレートは、熱伝達エリアと、伝達エリアの周りに延在するベント縁部を含む縁部エリアとを含む。プレートの第1の表面は、凸面形状を形成し、プレートの第2の表面は、凹面形状を形成しており、熱伝達エリアは、隆起部および陥凹部のコルゲーションを含む。プレートの前記コルゲーション、およびベント縁部は、プレートをプレスすることによって実現されている。方法は、
第1のプレートの第1の凸面表面の少なくとも一部分の上に溶融抑制組成物を塗布するステップであって、溶融抑制組成物は、
・第1のプレートの溶融温度を減少させるために、少なくとも25重量%のホウ素およびシリコンを含む溶融抑制成分、および
・随意的に、第1の表面の上に溶融抑制組成物を塗布するステップを容易にするためのバインダー成分
を含む、ステップと、
第2のプレートの第2の凹面表面を第1のプレートの前記第1の凸面表面の上の溶融抑制組成物に、プレートをプレートパッケージへと積み重ねることによって、接触するようにさせるステップと、
第1および第2のプレートを、1100℃を上回る温度まで加熱するステップであって、第1のプレートの前記第1の凸面表面は、それによって溶融し、第1のプレートの表面層が溶融して、溶融抑制成分とともに、溶融された金属層を形成するようになっており、溶融された金属層は、第1のプレートと第2のプレートとの間の接触点において、第2のプレートに接触している、ステップと、
溶融された金属層が凝固することを可能にするステップであって、接合部が、プレートパッケージの中のプレート同士の間の接触点において得られるように、およびベント縁部が、プレートパッケージの中のプレートのベント縁部同士の間にタイトフィットを形成するようになっている、ステップと
を含む。
【００１２】
プレートの金属は、典型的に、1100℃を上回る固相線温度を有するので、例えば、鉄ベースの金属合金、ニッケルベースの金属合金、およびコバルトベースの金属合金の形態を有することが可能である。プレートは、1100℃を上回る固相線温度を有さない純銅、銅ベースの合金、純アルミニウム、またはアルミニウムベースの合金とすることはできない。金属プレートの中の金属、またはさらに金属プレート自体も、「母材金属」または「母材」と称することが可能である。この文脈では、「鉄ベースの」合金は、合金の中のすべての元素の中で鉄が最も大きい重量パーセンテージ(重量%)を有する合金である。また、対応する状況は、ニッケルベースの合金、コバルトベースの合金、クロムベースの合金、およびアルミニウムベースの合金にも当てはまる。
【００１３】
示されているように、溶融抑制組成物は、少なくとも1つの成分を含み、それは、溶融抑制成分である。随意的に、溶融抑制組成物は、バインダー成分を含む。少なくとも第1のプレートの溶融温度を減少させるのに貢献するすべての物質、または溶融抑制組成物の一部分は、溶融抑制成分の部分であると考えられる。少なくとも第1のプレートの溶融温度を減少させるのには関与しないが、その代わりに、溶融抑制組成物を「結合させ」、例えば、ペースト、ペイント、またはスラリーなどを形成するようになっている溶融抑制組成物の一部分は、バインダー成分の部分であると考えられる。当然のことながら、溶融抑制成分は、少量のフィラー金属など、他の成分を含むことが可能である。しかし、溶融抑制成分の少なくとも25重量%は、ホウ素およびシリコンを構成するので、そのようなフィラー金属は、溶融抑制成分の75重量%を超えるものに対応することは可能でない。フィラー金属が溶融抑制組成物の中に含まれる場合には、フィラー金属は、常に、溶融抑制成分の一部分である。
【００１４】
この文脈では、「ホウ素およびシリコン」は、重量%で計算したときの、溶融抑制成分の中のホウ素およびシリコンの合計を意味している。ここで、重量%は、質量分率に100を掛けることによって決定される重量パーセンテージを意味している。知られているように、成分の中の物質の質量分率は、成分の密度に対するその物質の質量濃度(成分の中のその物質の密度)の比率である。したがって、例えば、少なくとも25重量%のホウ素およびシリコンは、100gの溶融抑制成分のサンプルの中で、ホウ素およびシリコンの全体重量が少なくとも25gであるということを意味している。明らかに、バインダー成分が溶融抑制組成物の中に含まれている場合には、溶融抑制組成物の中のホウ素およびシリコンの重量%は、25重量%未満であることが可能である。しかし、少なくとも25重量%のホウ素およびシリコンが、常に、溶融抑制成分の中に存在しており、また、溶融抑制成分は、示されているように、含まれ得る任意のフィラー金属も含み、すなわち、フィラー金属は、常に、溶融抑制組成物の一部分として見られる。
【００１５】
「ホウ素」は、溶融抑制成分の中のすべてのホウ素を含み、それは、元素ホウ素、およびホウ素化合物の中のホウ素を含む。それに対応して、「シリコン」は、溶融抑制成分の中のすべてのシリコンを含み、それは、元素シリコン、およびシリコン化合物の中のシリコンを含む。したがって、ホウ素とシリコンの両方は、溶融抑制成分の中において、様々なホウ素化合物およびシリコン化合物の中のホウ素およびシリコンによって表すことが可能である。
【００１６】
明らかに、溶融抑制組成物は、ホウ素およびシリコンなどの溶融抑制物質よりもさらに多くの充填(filling)金属を有するので、従来のろう付け物質とは非常に異なる。概して、ろう付け物質は、18重量%未満のホウ素およびシリコンを有している。
【００１７】
フィラー金属が、低減されるか、またはさらに排除され得るという点において、および様々な材料から作製されている金属プレートに塗布することが可能であるという点において、本方法は有利である。当然のことながら、溶融抑制組成物は、同様に、第2の金属プレートの上に塗布することも可能である。
【００１８】
ホウ素は、元素ホウ素、ならびに以下の化合物、すなわち、炭化ホウ素、ホウ化シリコン、ホウ化ニッケル、およびホウ化鉄のうちの少なくとも任意のものから選択されるホウ素化合物のホウ素のうちのいずれかに由来することが可能である。シリコンは、元素シリコン、ならびに以下の化合物、すなわち、炭化ケイ素、ホウ化シリコン、およびケイ素鉄のうちの少なくとも任意のものから選択されるシリコン化合物のシリコンのうちのいずれかに由来することが可能である。
【００１９】
溶融抑制成分は、少なくとも40重量%のホウ素およびシリコンを含むことが可能であり、またはさらには、少なくとも85重量%のホウ素およびシリコンを含むことが可能である。これは、任意のフィラー金属が存在する場合に、それは、60重量%未満(それぞれ、15重量%未満)の量が存在するということを意味している。溶融抑制成分は、さらには、少なくとも95重量%のホウ素およびシリコンを含むことが可能である。
【００２０】
ホウ素は、溶融抑制化合物のホウ素およびシリコン含有量の少なくとも10重量%を構成することが可能である。これは、溶融抑制成分が、少なくとも25重量%のホウ素およびシリコンを含むときに、溶融抑制成分が、少なくとも2.5重量%のホウ素を含むということを意味している。シリコンは、溶融抑制化合物のホウ素およびシリコン含有量の少なくとも55重量%を構成することが可能である。
【００２１】
溶融抑制成分は、50重量%未満の金属元素、または10重量%未満の金属元素を含むことが可能である。そのような金属元素は、上記に議論されている「金属フィラー」に対応する。そのような少量の金属元素または金属フィラーは、溶融抑制組成物を、例えば、既知のろう付け組成物から完全に差別化する。なぜなら、既知のろう付け組成物は、少なくとも60重量%の金属元素を含むからである。ここで、「金属元素」は、例えば、すべての遷移金属を含み、遷移金属は、周期表のdブロックの中の元素であり、それは、周期表の3〜12族を含む。これは、例えば、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、およびモリブデン(Mo)が「金属元素」であるということを意味している。「金属元素」でない元素は、希ガス、ハロゲン、および以下の元素:ホウ素(B)、炭素(C)、シリコン(Si)、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、酸素(O)、硫黄(S)、セレン(Se)、およびテルル(Tu)である。例えば、ホウ素が化合物のホウ化ニッケルによりもたらされる場合には、この化合物のニッケル部分は、一実施形態では、50重量%未満であり、他の実施形態では、10重量%未満であるべきである金属元素の中に含まれる金属元素であるということが留意されるべきである。
【００２２】
プレートは、0.3〜0.6mmの厚さを含むことが可能であり、溶融抑制組成物を塗布するステップは、第1の金属部分の表面の上に、1mm2当たり平均0.02〜0.12mgのホウ素およびシリコンを塗布するステップを含むことが可能である。第1のプレートの表面の上に、1mm2当たり平均0.02〜0.12mgのホウ素およびシリコンを塗布することは、例えば、第2のプレートを介した、例えば、第2のプレートから第1のプレートへ移動させられるホウ素およびシリコンの任意の間接的な塗布を含む。したがって、本明細書で参照されるホウ素およびシリコンは、第1のプレートの表面層の溶融に依然として貢献する限り、必ずしも、第1の金属部分の上に直接的に塗布されなければならないというわけではない。
【００２３】
第1のプレートは、0.6〜1.0mmの厚さを含むことが可能であり、溶融抑制組成物を塗布するステップは、第1のプレートの表面の上に、1mm2当たり平均0.02〜1.0mgのホウ素およびシリコンを塗布するステップを含むことが可能である。すでに述べたように、塗布は、第2のプレートを介した間接的な「塗布」も含む。
【００２４】
第1のプレートは、1.0mmを超える厚さを含むことが可能であり、溶融抑制組成物を塗布するステップは、第1のプレートの表面の上に、1mm2当たり平均0.02〜5.0mgのホウ素およびシリコンを塗布するステップを含むことが可能である。
【００２５】
溶融抑制組成物を塗布するステップは、プレートをプレスする前に行うことが可能である。代替的に、溶融抑制組成物を塗布するステップは、プレートをプレスする後に行うことが可能である。
【００２６】
溶融抑制組成物を塗布するステップは、溶融抑制組成物を含有する懸濁物(suspension)を、プレートパッケージを通してフラッシングすることによって、プレートをプレートパッケージへと積み重ねる後にさらに行うことが可能である。
【００２７】
溶融抑制組成物を塗布するステップは、スクリーン印刷によって、またはプレートへと切断されたコイルの上にスパッタリングすることによって行うことが可能である。
【００２８】
第1の表面は、前記第1の表面部分の上の接触点によって画定される面積よりも大きい面積を有することが可能であり、接合部が形成することを可能にするときに、溶融された金属層の中の金属が、接触点へ流れるようになっている。そのような流れは、典型的に、毛細管作用によって引き起こされる。
【００２９】
表面の面積は、接触点によって画定される面積の少なくとも10倍であることが可能である。表面の面積は、接触点によって画定される面積の少なくとも20倍または30倍などのように、さらに、より大きいことが可能である(または接触点が相対的に小さい)。表面の面積は、接合部を形成するために、溶融された金属がそこから流れる表面の面積を示している。
【００３０】
表面の面積は、接合部の断面積の少なくとも3倍であることが可能である。表面の面積は、接触点によって画定される面積の少なくとも6倍または10倍であるなど、さらに、より大きいことが可能である(または接合部の断面積が相対的に小さい)。接合部の断面積は、接合部がその最小の広がり(断面積)を有する場所において接触点が位置付けされている表面に平行な平面を横切って、接合部が有する断面積として定義することが可能である。
【００３１】
接合部は、加熱前に、第1の金属部分および第2の金属部分のうちのいずれかの一部分であった少なくとも50重量%の、または少なくとも85重量%の、またはさらには、100重量%の金属(金属元素)を含むことが可能である。金属部分の金属が接触点へ流れ、接合部を形成することを可能にすることによって、これは達成される。そのような接合部は、概して、ろう付け前に、接合部を形成するために使用されたろう付け物質のフィラー金属の一部分であった少なくとも90重量%の金属を含むので、このように形成される接合部は、ろう付けによって形成される接合部とは非常に異なる。
【００３２】
プレートは、以下のいずれかを含むことが可能である:
i)>50重量%Fe、<13重量%Cr、<1重量%Mo、<1重量%Niおよび<3重量%Mn
ii)>90重量%Fe
iii)>65重量%Fe、および>13重量%Cr
iv)>50重量%Fe、>15.5重量%Cr、および>6重量%Ni
v)>50重量%Fe、>15.5重量%Cr、1〜10重量%Mo、および>8重量%Ni
vi)>97重量%Ni
vii)>10重量%Cr、および>60重量%Ni
viii)>15重量%Cr、>10重量%Mo、および>50重量%Ni
ix)>70重量%Co、ならびに
x)>10重量%Fe、0.1〜30重量%Mo、0.1〜30重量%Ni、および>50重量%Co
【００３３】
上記は、第1のプレート(および第2のプレートも同様)が多数の異なる合金から作製することが可能であるということを意味している。明らかに、上記の例は、産業の中で一般的であるように、他の金属または元素とバランスがとられている。
【００３４】
別の態様によれば、1100℃を上回る固相線温度を有する複数の金属熱交換器プレートを含むプレート式熱交換器が提供される。プレートは、互いに隣同士に設けられ、プレートパッケージを形成しており、プレートパッケージは、第1の媒体のために第1のプレート内部空間を備え、第2の媒体のために第2のプレート内部空間を備えており、第1および第2のプレート内部空間は、プレートパッケージの中で、交互の順序で設けられている。それぞれの熱交換器プレートは、熱伝達エリアと、熱伝達エリアの周りに延在するベント縁部を含む縁部エリアとを含む。プレートの第1の表面は、凸面形状を形成し、プレートの第2の表面は、凹面形状を形成しており、熱伝達エリアは、隆起部および陥凹部のコルゲーションを含む。プレートの前記コルゲーション、およびベント縁部は、プレートをプレスすることによって実現されている。プレート式熱交換器は、上記の方法、またはその実施形態のいずれかによって作り出される。
【００３５】
本発明の別の態様によれば、プレート式熱交換器が、接合部によって第2のプレートに接合されている第1のプレートを含み、これらのプレートが、1100℃を上回る固相線温度を有しており、接合部が、少なくとも50重量%の金属元素を含み、金属元素は、接合部を取り囲む面積(A1)から引き出されたものであり、かつ第1のプレートおよび第2のプレートのうちのいずれかの一部分であった、プレート式熱交換器が提供される。
【００３６】
方法、製品、および溶融抑制組成物の異なる目的、特徴、態様、ならびに利点は、以下の詳細な説明から、および図面から明らかになろう。
【００３７】
ここで、本発明の実施形態が、例として、添付の概略図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来技術のプレート式熱交換器の側面図である。
【図２】図1によるプレート式熱交換器の平面図である。
【図３】図1によるプレート式熱交換器の断面図である。
【図４】本発明の方法による、プレート式熱交換器の中のプレートを接合するための方法のフローチャートである。
【図５】どのように2つの金属部分が接合され得るかということを説明した多数の実施例の中で使用された、プレスされたプレートを示す図である。
【図６】図5に示されているプレートと平坦なプレートとの間の接合部の断面の写真である。
【図７】溶融抑制組成物の塗布される量(g/3500mm2)の関数として、測定される接合部幅がプロットされており、傾向線を含む、ダイアグラムである。
【図８】測定される幅に基づいて計算された充填される接合部の面積が、溶融抑制組成物の塗布される量(g/3500mm2)の関数としてプロットされており、傾向線を含む、別のダイアグラムである。
【図９】接合部がプレート材料よりも強くなったか、またはプレート材料と同じであった、引張テストされたサンプルの%が、溶融抑制組成物の塗布される量(g/3500mm2)の関数としてプロットされており、傾向線を含む、別のダイアグラムである。
【図１０】接合された他のテストサンプルの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
添付されている図を参照すると、プレート式熱交換器が開示されている(図1、図2、および図3をそれぞれ参照)。プレート式熱交換器1は、複数の熱交換器プレート2を含み、複数の熱交換器プレート2は、プレートパッケージ3を形成するために互いに隣同士に設けられており、プレートパッケージ3は、第1の媒体のための第1のプレート内部空間4、および第2の媒体のための第2のプレート内部空間5を備えている。第1のプレート内部空間4および第2のプレート内部空間5は、プレートパッケージ3の中で、交互の順序で設けられており、すなわち、1つおきのプレート内部空間が、第1のプレート内部空間4であり、1つおきのプレート内部空間が、第2のプレート内部空間5である(図3を参照)。
【００４０】
図1〜図3に開示されているプレート式熱交換器1は、熱交換器プレート2を有しており、熱交換器プレート2は、恒久的に互いに接合されている。2つの最も外側の熱交換器プレートが、エンドプレートを形成するか、またはエンドプレートによって交換することが可能である。
【００４１】
また、プレート式熱交換器1は、入口部チャネル6と、出口部チャネル9とを含み、それらは、第1の媒体を、第1のプレート内部空間4の中へ搬送し、第1のプレート内部空間4から搬送するように配置され、第2の媒体を、第2のプレート内部空間5の中へ搬送し、第2のプレート内部空間5から搬送するように配置されている。それぞれの熱交換器プレート2は、主要延在平面pに延在し、熱伝達エリア10と、熱伝達エリア10の周りに延在する縁部エリア11とを含む。また、それぞれの熱交換器プレート2は、2つのポートホールエリアを含み、それらは、熱交換器プレート2の第1の端部と、熱交換器プレート2の第2の端部とにおいて、それぞれ設けられている。ポートホールエリアは、縁部エリア11の内側に位置付けされており、より具体的には、縁部エリア11と熱伝達エリア10との間に位置付けされている。それぞれのポートホールエリアは、それぞれの入口部チャネル6および出口部チャネル9と整合する少なくとも2つのポートホール14を含む。また、それぞれの熱交換器プレート2は、周囲の外側フランジまたはベント縁部15を含む。ベント縁部またはフランジ15は、外側に設けられ、または縁部エリア11の外側部を形成している。また、熱交換器プレート2は、熱交換器プレート2の周囲部の一部分に沿って延在する外側ベント縁部15も有しているということが留意されるべきである。したがって、プレート2は、凸面形状を有する第1の表面16と、凹面形状を有する第2の表面17とをそれぞれ有している。
【００４２】
熱伝達エリア10は、隆起部18および陥凹部19のコルゲーションを含む。そのような陥凹部および隆起部は、例えば、隆線部および溝部またはディンプルとして形成することが可能である。
【００４３】
プレート2は、典型的に、1100℃を上回る固相線温度を有するので、例えば、鉄ベースの金属合金、ニッケルベースの金属合金、およびコバルトベースの金属合金から作製することが可能である。プレートは、1100℃を上回る固相線温度を有さない純銅、純アルミニウム、またはアルミニウムベースの合金から作製することは可能でない。例えば、プレートは、典型的に、鉄ベースの合金、ニッケルベースの合金、およびコバルトベースの合金から作製することが可能である。
【００４４】
プレート2の中の金属、またはプレート2自体も、「母材金属」または「母材」と称することが可能である。この文脈では、「鉄ベースの」合金は、合金の中のすべての元素の中で鉄が最も大きい重量パーセンテージ(重量%)を有する合金である。また、対応する状況が、例えば、ニッケルベースの合金、銅ベースの合金、コバルトベースの合金、クロムベースの合金、およびアルミニウムベースの合金にも当てはまる。
【００４５】
図4を参照すると、プレート式熱交換器1のためのプレート2を接合するための方法のフローチャートが図示されている。プレート2は、上記に説明されているように、様々な材料から作製することが可能である。
【００４６】
第1のステップ201では、溶融抑制組成物20が、プレートの第1の凸面表面16の少なくとも一部分に塗布される。溶融抑制組成物20は、凸面表面16の一部分の上だけに、または凸面表面16の実質的にすべての上に塗布することが可能である。代替的な実施形態では、溶融抑制組成物20は、プレート2の第2の凹面表面17に塗布することも可能であるが、その量は、第1の凸面表面16に塗布される溶融抑制組成物の量よりも少ない。
【００４７】
塗布自体は、例えば、溶融抑制組成物がバインダー成分を含む場合には、スプレー法、スクリーン印刷法、ローリング法(rolling)、もしくはペインティング法によって、バインダー成分が使用されない場合には、PVDもしくはCVDによって、または融点抑制剤だけを用いて、従来の技法によって行うことが可能である。
【００４８】
溶融抑制組成物20は、少なくとも1つの成分を含み、それは、溶融抑制成分である。随意的に、溶融抑制組成物は、バインダー成分を含む。少なくとも第1の金属部分の溶融温度を減少させるのに貢献するすべての物質、または溶融抑制組成物の一部分は、溶融抑制成分の部分であると考えられる。少なくとも第1の金属部分の溶融温度を減少させるのには関与しないが、その代わりに、溶融抑制組成物を「結合させ」、例えば、ペースト、ペイント、またはスラリーなどを形成するようになっている溶融抑制組成物の一部分は、バインダー成分の部分であると考えられる。当然のことながら、溶融抑制成分は、少量のフィラー金属などの他の成分を含むことが可能である。しかし、溶融抑制成分の少なくとも25重量%は、ホウ素およびシリコンを構成するので、そのようなフィラー金属は、溶融抑制成分の75重量%を超えるものに対応することは可能でない。フィラー金属が溶融抑制組成物の中に含まれる場合には、フィラー金属は、常に、溶融抑制成分の一部分である。
【００４９】
この文脈では、「ホウ素およびシリコン」は、重量%で計算したときの、溶融抑制成分の中のホウ素およびシリコンの合計を意味している。ここで、重量%は、質量分率に100を掛けることによって決定される重量パーセンテージを意味している。知られているように、成分の中の物質の質量分率は、成分の密度に対するその物質の質量濃度(成分の中のその物質の密度)の比率である。したがって、例えば、少なくとも25重量%のホウ素およびシリコンは、100gの溶融抑制成分のサンプルの中で、ホウ素およびシリコンの全体重量が少なくとも25gであるということを意味している。明らかに、バインダー成分が溶融抑制組成物の中に含まれている場合には、溶融抑制組成物の中のホウ素およびシリコンの重量%は、25重量%未満であることが可能である。しかし、少なくとも25重量%のホウ素およびシリコンが、常に、溶融抑制成分の中に存在しており、また、溶融抑制成分は、示されているように、含まれ得る任意のフィラー金属も含み、すなわち、フィラー金属は、常に、溶融抑制組成物の一部分として見られる。
【００５０】
「ホウ素」は、溶融抑制成分の中のすべてのホウ素を含み、それは、元素ホウ素、およびホウ素化合物の中のホウ素を含む。それに対応して、「シリコン」は、溶融抑制成分の中のすべてのシリコンを含み、それは、元素シリコン、およびシリコン化合物の中のシリコンを含む。したがって、ホウ素とシリコンの両方は、溶融抑制成分の中において、様々なホウ素化合物およびシリコン化合物の中のホウ素およびシリコンによって表すことが可能である。
【００５１】
明らかに、溶融抑制組成物は、ホウ素およびシリコンなどの溶融抑制物質よりもさらに多くの充填金属を有するので、従来のろう付け物質とは非常に異なる。概して、ろう付け物質は、18重量%未満のホウ素およびシリコンを有している。
【００５２】
フィラー金属が、低減されるか、またはさらに排除され得るという点において、および様々な材料から作製されている金属部分に塗布することが可能であるという点において、本方法は有利である。また、そうでなければ、例えば、溶接または従来のろう付けによって接合される、例えば、熱伝達プレートまたは任意の適切な金属対象物を接合するために、幅の広い範囲の適用例の中で、それを使用することが可能である。
【００５３】
本発明の別の実施形態では、溶融抑制組成物20が、コイルの上に塗布され、コイルが、その後に、プレート2へと切断される。
【００５４】
次のステップ202では、第2のプレート22の第2の凹面表面17が、第1のプレート21の第1の凸面表面16の上の接触点23において、溶融抑制組成物20に接触するようになる。第1および第2のプレートを積み重ねることによって、プレートパッケージ3が生成される。これは、従来の自動化された製造システムを用いることによって、手動でまたは自動的に行うことが可能である。当然のことながら、溶融抑制組成物20は、同様に、第2のプレート22の第2の凹面表面17に塗布することも可能である。
【００５５】
ホウ素は、元素ホウ素、ならびに以下の化合物、すなわち、炭化ホウ素、ホウ化シリコン、ホウ化ニッケル、およびホウ化鉄のうちの少なくとも任意のものから選択されるホウ素化合物のホウ素のうちのいずれかに由来することが可能である。シリコンは、元素シリコン、ならびに以下の化合物、すなわち、炭化ケイ素、ホウ化シリコン、およびケイ素鉄のうちの少なくとも任意のものから選択されるシリコン化合物のシリコンのうちのいずれかに由来することが可能である。
【００５６】
溶融抑制成分は、少なくとも40重量%のホウ素およびシリコンを含むことが可能であり、またはさらには、少なくとも85重量%のホウ素およびシリコンを含むことが可能である。これは、任意のフィラー金属が存在する場合に、それは、60重量%未満(それぞれ、15重量%未満)の量が存在するということを意味している。溶融抑制成分は、さらには、少なくとも95重量%のホウ素およびシリコンを含むことが可能である。
【００５７】
ホウ素は、溶融抑制化合物のホウ素およびシリコン含有量の少なくとも10重量%を構成することが可能である。これは、溶融抑制成分が、少なくとも25重量%のホウ素およびシリコンを含むときに、溶融抑制成分が、少なくとも2.5重量%のホウ素を含むということを意味している。シリコンは、溶融抑制化合物のホウ素およびシリコン含有量の少なくとも55重量%を構成することが可能である。
【００５８】
溶融抑制成分は、50重量%未満の金属元素、または10重量%未満の金属元素を含むことが可能である。そのような金属元素は、上記に議論されている「金属フィラー」に対応する。そのような少量の金属元素または金属フィラーは、溶融抑制組成物20を、例えば、既知のろう付け組成物から差別化する。なぜなら、既知のろう付け組成物は、少なくとも60重量%の金属元素を含むからである。ここで、「金属元素」は、例えば、すべての遷移金属を含み、遷移金属は、周期表のdブロックの中の元素であり、それは、周期表の3〜12族を含む。これは、例えば、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、およびモリブデン(Mo)が「金属元素」であるということを意味している。「金属元素」でない元素は、希ガス、ハロゲン、および以下の元素:ホウ素(B)、炭素(C)、シリコン(Si)、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、酸素(O)、硫黄(S)、セレン(Se)、およびテルル(Tu)である。例えば、ホウ素が化合物のホウ化ニッケルによりもたらされる場合には、この化合物のニッケル部分は、一実施形態では、50重量%未満であり、他の実施形態では、10重量%未満であるべきである金属元素の中に含まれる金属元素であるということが留意されるべきである。
【００５９】
プレート2は、0.3〜0.6mmの厚さを有することが可能であり、溶融抑制組成物20を塗布するステップ201は、第1のプレート21の第1の凸面表面16の上に、1mm2当たり平均0.02〜0.12mgのホウ素およびシリコンを塗布するステップを含むことが可能である。第1の凸面表面16の表面の上に、1mm2当たり平均0.02〜0.12mgのホウ素およびシリコンを塗布することは、例えば、第2の凹面表面17を介した、例えば、第2のプレート22から第1のプレート21へ移動させられるホウ素およびシリコンの任意の間接的な塗布を含む。したがって、本明細書で参照されるホウ素およびシリコンは、第1のプレート21の第1の凸面表面16の表面層の溶融に依然として貢献する限り、必ずしも、第1のプレート21の上に直接的に塗布されなければならないというわけではない。
【００６０】
プレート2は、0.6〜1.0mmの厚さを有することが可能であり、溶融抑制組成物20を塗布するステップは、プレート2の表面の上に、1mm2当たり平均0.02〜1.0mgのホウ素およびシリコンを塗布するステップを含むことが可能である。
【００６１】
プレート2は、1.0mmを超える厚さを有することが可能であり、溶融抑制組成物を塗布するステップは、プレート2の表面の上に、1mm2当たり平均0.02〜5.0mgのホウ素およびシリコンを塗布するステップを含むことが可能である。
【００６２】
溶融抑制組成物は、接触点23によって画定される面積よりも大きい面積を有する表面の上に塗布することが可能であり、接合部が形成することを可能にするときに、溶融された金属層の中の金属が、接触点へ流れるようになっている。そのような流れは、典型的に、毛細管作用によって引き起こされる。
【００６３】
溶融する成分表面の面積は、接触点23によって画定される面積の少なくとも10倍であることが可能である。表面の面積は、接触点によって画定される面積の少なくとも20倍または30倍などのように、さらに、より大きいことが可能である(または接触点が相対的に小さい)。表面の面積は、接合部を形成するために、溶融された金属がそこから流れる表面の面積を示している。当然のことながら、溶融抑制組成物は、第1のプレート21の第1の凸面表面16のすべての上に塗布することが可能である。
【００６４】
表面の面積は、接合部の断面積の少なくとも3倍であることが可能である。表面の面積は、接触点によって画定される面積の少なくとも6倍または10倍であるなど、さらに、より大きいことが可能である(または接合部の断面積が相対的に小さい)。接合部の断面積は、接合部がその最小の広がり(断面積)を有する場所において接触点が位置付けされている表面に平行な平面を横切って、接合部が有する断面積として定義することが可能である。
【００６５】
接合部は、加熱前に、プレート2のいずれかの一部分であった少なくとも50重量%の、または少なくとも85重量%の、またはさらには、100重量%の金属(金属元素)を含むことが可能である。プレートの金属が接触点23へ流れ、接合部を形成することを可能にすることによって、これは達成される。そのような接合部は、概して、ろう付け前に、接合部を形成するために使用されたろう付け物質のフィラー金属の一部分であった少なくとも90重量%の金属を含むので、このように形成される接合部は、ろう付けによって形成される接合部とは非常に異なる。
【００６６】
プレート2は、以下のいずれかを含むことが可能である:
i)>50重量%Fe、<13重量%Cr、<1重量%Mo、<1重量%Ni、および<3重量%Mn
ii)>90重量%Fe
iii)>65重量%Fe、および>13重量%Cr
iv)>50重量%Fe、>15.5重量%Cr、および>6重量%Ni
v)>50重量%Fe、>15.5重量%Cr、1〜10重量%Mo、および>8重量%Ni
vi)>97重量%Ni
vii)>10重量%Cr、および>60重量%Ni
viii)>15重量%Cr、>10重量%Mo、および>50重量%Ni
ix)>70重量%Co、ならびに
x)>10重量%Fe、0.1〜30重量%Mo、0.1〜30重量%Ni、および>50重量%Co
【００６７】
上記は、プレート2が多数の異なる合金から作製することが可能であるということを意味している。明らかに、上記の例は、産業の中で一般的であるように、他の金属または元素とバランスがとられている。
【００６８】
次のステップ203では、プレートパッケージ3が、1100℃を上回る温度まで加熱される。正確な温度は、以下の例の中に見出すことが可能である。加熱する間に、第1のプレート21の第1の凸面表面16が溶融し、表面層24を形成して、溶融抑制成分とともに、溶融された金属層25を形成し、溶融された金属層25は、第1のプレート21と第2のプレート22との間の接触点23において、第2のプレート22の第2の凹面表面17に接触している。これが発生すると、溶融された金属層の金属が、接触点23に向かって流れる。
【００６９】
最終ステップ204では、溶融された金属層25が凝固することが可能にされ、接合部26が、プレートパッケージ3の中のプレート同士の間の接触点23において得られるようになっており、かつベント縁部15が、プレートパッケージ3の中のプレート2のベント縁部15同士の間にタイトフィットを形成するようになっており、すなわち、接触点23へ流れた金属が凝固する。プレート2の凸面表面16の上だけに溶融抑制組成物20を塗布するステップ201によって、驚くことには、プレート2の形状の変化が発生し、プレート2の凸面形状が、さらにより凸面になるようになっており、すなわち、ベント縁部15が、プレートパッケージ3の中で互いに対して非常にタイトなフィットおよびスナグフィットを生成し、それは、既知のろう付け技法の場合よりも緊密になるということが見出された。また、実際に、ベント縁部15同士の間は、最初の距離よりも緊密であった。比較すると、凹面表面17の上だけに溶融抑制組成物20を塗布する場合には、ギャップが、ベント縁部15同士の間で増加する。ブレンドが表面と合金になるときに、形状の変化が起こり、それは、また、合金化に起因して表面に圧縮応力が存在することとなるということを意味している。両方の溶融抑制組成物が、凸面表面16と凹面表面17の両方の上に塗布される場合には、両方の表面に存在する圧縮応力が存在することとなり、プレート2およびプレートパッケージ3の疲労強度の増加を結果として生じる。
【００７０】
凝固は、典型的に、通常の室温まで温度を減少させることを含む。しかし、また、温度が減少させられる前に、接合部エリアの中の成分(ホウ素およびシリコン)の再分配の物理的なプロセスの間に、凝固が発生する。
【００７１】
上記の説明から分かるように、本発明の様々な実施形態が説明されて示されてきたが、本発明は、それに限定されず、以下の請求項の中に定義される主題の範囲内において他の方式で具現化することも可能であるということになる。また、金属部分に関して、様々な溶融抑制組成物を様々な金属と組み合わせることも可能である。例えば、溶融抑制組成物(ブレンド)A3.3は、316鋼から作製された金属部分と組み合わせることが可能である。
【００７２】
(実施例)
ここで、多数の実験および実施例が、プレートにとって適切な材料、溶融抑制組成物20の組成物、どのくらいの量の溶融抑制組成物が使用されるべきか、加熱のために適切な温度、どのくらい長い時間にわたり加熱がなされるべきかなどを説明するために提示されている。したがって、これらの実験および実施例の結果は、第1のプレート、第2のプレート、溶融抑制組成物、接触点、接合部などの、先述の実体に関して使用される。すなわち、すべての先述の実体は、下記の実験および実施例に関連して説明されているそれぞれの関連の特徴を組み込むことが可能である。以下では、溶融抑制組成物は、「ブレンド」と称される。金属プレートは、「母材金属」と称され得る。
【００７３】
図5は、どのように2つの金属部分が接合され得るかということを例証するために使用されるプレート150を示している。プレート150は、円形のプレスされたプレートであり、それは、直径が42mmであり、0.4mmの厚さを有し、ステンレス鋼タイプ316L(SAE鋼種)から作製されている。プレスされたプレート150は、2つのプレスされたビームvおよびhを有しており、それぞれ、おおよそ20mmの長さである。ビームvは、左ビームを表しており、ビームhは、右ビームを表している。「v」および「h」は、下記の実施例5および実施例9において使用されている。
【００７４】
図6は、図5に示されているタイプのプレート150と平坦なプレートとの間の接合部の断面を示している。プレート150のビームと平坦なプレートとの間の接触点において、接合部が生成されている。接合部を形成する金属の量を推定するために、以下の近似および計算が行われてきた。
【００７５】
接合部の中央部の中の体積は無視できると推定されている。したがって、幅B(実施例では、1.21mm以下)のような幅にわたる接合部に関して生成される金属体積は、ゼロに設定される。ビームvの外側(それは、(X-B)/2の距離を有している)で、金属が蓄積されている。ブレンド(溶融抑制組成物)が、平坦なプレートの上に塗布されるときに、プレートが一緒に保持され、および加熱されたプレートの表面層が溶融し、および溶融された形態の金属が、毛細管作用によって隣接エリアから接合部のエリアへ輸送され、したがって、接合部を構成する金属の体積部を形成する。
【００７６】
2つの三角形が、接合部の中央部の両側に形成されているということを推定することによって、面積を計算することが可能である。三角形の中の角度αは、28°に測定される。測定される全体の幅は、Xであり、中央部幅は、Bである。したがって、2つの三角形の全体面積Aは、A=2・(((X-B)/2)・((X-B)/2)・tan(α))/2である。Bを1.21mmと測定すると、A=2・(((X-1.21)/2)・((X-1.21)/2)・tan(28))/2である。接合部を形成するために隙間へ流れた、ろう付け用合金の生成される全体体積は、面積と2つのビームv、hの長さとの積になることとなる。形成されるろう付け用合金のいくらかは、隙間へ流れず、ブレンドが塗布された表面の上に残されている。
【００７７】
図7は、傾向線を用いて、ブレンドの異なる実施形態の塗布される量(g/3500mm2、すなわち、3500平方mm当たりのグラム)の関数として、測定される幅を示すダイアグラムである。テストの結果は、Table 8(表7)およびTable 9(表8)(下記の実施例5を参照)、ならびに図7に示されている。図7の傾向線は、関数Y=K・X+Lに基づいており、ここで、Yは、面積であり、Kは、線の傾きであり、Xは、塗布されるブレンドの量であり、Lは、定数である。測定される幅、および推定面積の結果が、図7によって図示されている。塗布されるブレンドの量は、0.06g/3500mm2〜0.96グラム/3500mm2であり、それは、おおよそ0.017mg/mm2〜0.274mg/mm2に対応する(Table 8(表7)およびTable 9(表8)を参照)。
【００７８】
ブレンドに関する傾向線Y=K・X+Lが測定されており、ここで、Yは、接合部幅であり、Kは、線の傾きであり、Xは、塗布されるブレンドの量であり、Lは、定数である(図表面15 3を参照)。したがって、ろう付け接合部の幅は、以下の通りである:
Y(A3.3に関する幅)=1.554+9.922・(塗布されるブレンドA3.3の量)
Y(B2に関する幅)=0.626+10.807・(塗布されるブレンドB2の量)
Y(C1に関する幅)=0.537+8.342・(塗布されるブレンドC1の量)
Y(F0に関する幅)=0.632+7.456・(塗布されるブレンドF0の量)
【００７９】
図7から観察されるように、ブレンドA3.3、B2、C1、D0.5、E0.3、およびF0のうちのブレンドA3.3が、塗布されるブレンドの量の関数として、接合部の中の最も高い量のろう付け用合金を与えている。サンプルF0は、3500mm2当たり0.20グラムの下では、任意の実質的な接合部を与えていない。
【００８０】
図8は、別のダイアグラムを示しており、その中では、塗布されるブレンド量(グラム/3500mm2)の関数として、測定される幅に基づいて計算されたろう付け接合部の充填される面積が、傾向線とともにプロットされている。ブレンドに関する傾向線Y=K・X-Lが測定されており、ここで、Yは、面積であり、Kは、線の傾きであり、Xは、塗布されるブレンドの量であり、Lは、定数である(図8を参照)。図7に関して、ろう付け接合部の面積は、以下の通りである:
Y(A3.3に関する面積)=4.361・(塗布されるブレンドA3.3の量)-0.161
Y(B2に関する面積)=3.372・(塗布されるブレンドB2の量)-0.318
Y(C1に関する面積)=2.549・(塗布されるブレンドC1の量)-0.321
Y(F0に関する面積)=0.569・(塗布されるブレンドF0の量)-0.093
【００８１】
例えば、3500mm2当たり0.18グラムの量に関して、図8のダイアグラムに基づいて、生成される体積を推定することは(ろう付け接合部が「ない」ことに起因して、サンプルF0を除いており、およびデータがほとんどないということに起因して、サンプルD0.5を除いている)、プレート同士の間の接合部の中に生成されるろう付け用合金の体積に関するサンプルのための値を与える(以下を参照):
体積(A3.3)=0.63・長さ40(20・2)=25.2mm3
体積(B2)=0.30・長さ40(20・2)=12.0mm3
体積(C1)=0.12・長さ40(20・2)=4.8mm3
体積(E0.3)=0.10・長さ40(20・2)=4.0mm3
【００８２】
図9は、別のダイアグラムを示しており、その中では、%(パーセント)は、引張実験の成功率であり、ここで、塗布されるブレンドの量(すなわち、3500mm2当たりのグラム)の関数として、接合部は、プレート材料よりも強いか、またはプレート材料と同じであった。プレートが、接合部よりも強いときには、接合部の分裂を結果として生じ、結果はゼロに設定された。接合部がプレート材料よりも強かったサンプルに関して、結果の中の相違は、統計的に有意でなかった。
【００８３】
図10は、ブレンドによって接合部を形成することによって接合するさらなるサンプルを示している。写真は、2つのプレートの間に形成された接合部が存在するということを示している。サンプルは、実施例10からのものである。
【００８４】
以下では、より詳細な実施例が、本発明を図示するために提示されている。
【００８５】
これらの実施例についてのテストは、シリコンが母材金属のテストサンプルの表面の上に(すなわち、金属部分の上に)塗布されたときに、シリコン(Si)が、「ろう付け用合金」を生成することが可能であったかどうかを調査するために行われた。また、ろう付け用合金に関する融点を減少させるために、異なる量のホウ素(B)が加えられた。また、ホウ素は、ろう付け用合金の濡れ挙動を変化させるために使用されている。また、テストされるブレンドの特性も調査された。実施例では、重量%は、重量によるパーセントであり、原子%は、原子のパーセントである。ここで、「ろう付け用合金」は、シリコンおよびホウ素が母材金属(金属部分)の一部分(または層)を溶融させるときに生成される合金と称される。したがって、「ろう付け用合金」は、ブレンド、および母材金属からの金属元素を含む。
【００８６】
他に何も述べられていない場合には、すべてのテストに関する母材金属のテストサンプルは、シリコンおよびホウ素のブレンドのサンプルがテストサンプルに加えられる前に、皿洗いによって、アセトンを用いて洗浄された。
【００８７】
(実施例1)
実施例1は、テストされることとなるシリコンおよびホウ素のブレンドのサンプルの準備に関係する。ブレンドサンプル番号C1は、118.0グラムの結晶シリコン粉末(粒子サイズ325メッシュ、Alfa Aesar-Johnsson Matthey Company製の99.5%(金属含有率)の7440-21-3)と、13.06グラムの結晶ホウ素(粉末粒子サイズ325メッシュ、Alfa Aesar-Johnsson Matthey Company製の98%(金属含有率)の7440-42-8)、および77.0グラムのWall Colmonoy製のNicorobraz S-30バインダーとを、Busch & Holm製のVarimixer BEARの中でブレンドし、208グラムのペーストを作り出すことによって、準備された(サンプルC1を参照)。すべてのテストサンプルは、ブレンドサンプルC1と同じ手順に従って準備された。サンプルは、Table 2(表1)に要約されている。準備されたブレンドは、先述されている「溶融抑制組成物」に対応している。ブレンドの中のホウ素およびシリコンは、溶融抑制組成物の「溶融抑制成分」に対応しており、ブレンドの中のバインダーは、溶融抑制組成物の「バインダー成分」に対応している。
【００８８】
【表１】
0006042458.tif 000002
【００８９】
サンプルG15、H100、I66、およびJは、別のバインダーが使用されたという相違がある状態で、サンプルF0、E0.3、D0.5、C1、B2、およびA3.3と同じ方式で準備された。バインダーは、Wall Colmonoy製のNicorobraz S-20バインダーであった。これらのテストサンプルは、Table 3(表2)に要約されている。
【００９０】
【表２】
0006042458.tif 000003
【００９１】
ブレンドサンプルに関して、Table 4(表3)に示されているように、比率、重量によるパーセント、および原子によるパーセントを示すために、計算が行われた。
【００９２】
【表３】
0006042458.tif 000004
【００９３】
バインダー
S-20およびS-30バインダーの中の(ポリマーおよび溶媒の)バインダーの含有量が測定された。ゲルの中の「乾燥」材料の含有量がテストされた。S-20バインダーおよびS-30バインダーのサンプルは、重量を測られ、その後、オーブンの中に18時間にわたり98℃で設置された。サンプルは、オーブンから取り出された後に、再び重量を測られ、その結果が、Table 5(表4)に提示されている。
【００９４】
【表４】
0006042458.tif 000005
【００９５】
(実施例2)
実施例2は、ろう付けテストに関係し、すなわち、ブレンドサンプルが金属部分(テスト部分、またはテストプレート)の上に配置されたテストに関係する。金属部分は、直径83mmおよび厚さ0.8mmを有する円形テストピースの形態を有しており、金属部分は、ステンレス鋼タイプ316Lから作製されていた。2つの異なる量のブレンドが使用された(0.2gおよび0.4g)。ブレンドは、金属部分の上に塗布された。すべてのサンプルは、従来の真空炉の中で、1210℃で1時間にわたりろう付けされた。二重テストが実施された。2つの量のブレンド、二重サンプル、および6つの異なるブレンド(2・2・6=24サンプル)を意味している。テストされたブレンドは、F0、E0.3、D0.5、C1、B2、およびA3.3である。ブレンドは、おおよそ10〜14mmの直径、すなわち、78〜154mm2の表面を有する金属部分の円形エリアの上に塗布された。この1mm2当たりおおよそ1.3〜5.1mgのブレンドが塗布された。
【００９６】
金属部分の金属が溶融され、すなわち、溶融物が生成されたということが観察された。また、いくつかの態様の溶融物は、流れのあるろう付け用合金として現れたということも観察された。濡れ性のサイズを測定することなく、増加された量のブレンドの中のホウ素は、より良好な濡れ性を結果として生じさせたというように見えた。しかし、また、いくつかのサンプルに関して、金属部分の中間にホールが生成されるように、金属部分の全体の厚さが溶融されたということも見られた。「0.2グラムのサンプル」に関して、12個のテストピースのうちの5つがホールを有し、「0.4グラムのピース」に関して、12個のうちの10個がホールを有していた。さらに、テストによって、ホールを回避するために、金属部分が0.3〜0.6mmの厚さを有しているときに、1mm2当たり平均0.02〜0.12mgのホウ素およびシリコンを塗布することが適切であり得るということが示された。金属部分が0.6〜1.0mmの厚さを有しているときに、1mm2当たり0.02〜1.0mgのホウ素およびシリコンが適切であり得る。さらなるより適切な量は、実験的に決定することが可能である。
【００９７】
(実施例3)
実施例3は、表面の上にブレンドを塗布することに関係する。この実施例では、テストプレート(金属部分)が、フィレット(fillet)テスト、腐食テスト、および引張テストのために、同時に準備された。実施例2から、薄い壁のプレートの上に点状または線状にシリコンおよびホウ素のブレンドを塗布することは、プレートの中にホールを生成する可能性があるので、リスクになり得るということが結論付けられた。したがって、新しいテストサンプル(すなわち、テストプレート)が、フィレットテスト、腐食テスト、および引張テストのために、SiおよびBの異なるブレンドを塗布するために使用された。
【００９８】
新しいテストサンプルは、ステンレス鋼タイプ316Lから作製されたプレートであった。プレートのサイズは、100mmの幅、180〜200mmの長さであり、厚さは、0.4mmであった。すべてのプレートは、SiおよびBのブレンドのサンプルの塗布の前に、皿洗いによって、およびアセトンを用いて洗浄された。重量が、測定された。それぞれのプレートの上で、短辺から35mmがマスキングされて、一部分が測定された。
【００９９】
異なるテストブレンドA3.3、B2、C1、D0.5、E0.3、F0、G15、H100、およびI66が使用された。テストプレートは、(従来のブラシを使用することによって)プレートのマスキングされていない表面積(その表面積は、100mmx35mmのサイズを有する)の上に、ブレンドを用いてペイントされた。バインダーは、S-30であった。12時間を超える時間にわたり室温で乾燥させた後に、マスキングテープが除去され、それぞれのプレートに関して、プレート重量が測定された。下記のTable 6(表5)に提示されている重量は、100mmx35mm=3500mm2=35cm2の面積の上のブレンドの全体量の重量である。実施例は、ブレンドが金属表面の上に容易に塗布されるということを示している。
【０１００】
【表５】
0006042458.tif 000006
【０１０１】
(実施例4)
実施例4は、腐食曲げテストに関係する。テストプレートから、35mmの幅を有する(35mmx35mmの塗布される表面積を有するということを意味している)スライスが、切り出された。この表面積の上に、円形プレスされたプレートが設置され(図13を参照)、プレスされたプレートは、ステンレス鋼タイプ316Lから作製され、直径42mmおよび厚さ0.4mmのサイズを有していた。テストサンプルは、1時間にわたり1210℃で加熱された(「ろう付けされた」)。腐食テストのためにテストされたプレートは、ブレンドサンプルA3.3、B2、C1、D0.5、E0.3、H100、I66、およびJを適用した(Table 4(表3)を参照)。
【０１０２】
サンプルは、ASTM A262、「Standard Practices for Detecting Susceptibility to inter-granular Attack in Austenitic Stainless Steels」の腐食テスト方法に従ってテストされた。「Practice E-Copper-Copper Sulfate-Sulfuric Acid. Test for Detecting Susceptibility to Inter-granular Attack in Austenitic Stainless Steels」が、テスト方法から選択された。この腐食テストを選択する理由は、ホウ素が、主に粒界において、鋼の中のクロムと反応し、ホウ化クロムを生成し得るリスクが存在し、次いで、粒界腐食のリスクが増加するからであり、規格の中で「practice」と称されるものが使用され、16%硫酸を硫酸銅と一緒に20時間沸騰させ、その後に、規格の第30章に従って、曲げテストが行われた。
【０１０３】
以下の議論は、腐食曲げテスト、およびテストサンプルのセクショニング(sectioning)から結果として生じている。テストピースは、規格の第30.1章の腐食テスト方法に従って、曲げテストされた。いずれのサンプルも、曲げられた表面の視覚による調査において、粒界腐食の指示を与えなかった。ASTM調査の後に、曲げられたテストサンプルが切断され、研磨され、磨かれ、断面が、EDS(すなわち、エネルギー分散分光法)によって光学的顕微鏡の中で調べられた。結果は、Table 7(表6)に要約されている。
【０１０４】
【表６】
0006042458.tif 000007
【０１０５】
明らかに、サンプルH100、J、I66に関して、高い量のホウ素を加えたときに、壊れやすい相が表面の上に形成され、ホウ素の量とともに増加して、ほぼ確実にホウ化クロムの相が形成された。ほぼ確実に、表面の上の腐食に起因して、壊れやすい相は、H100サンプルの中には見られなかった。また、ホウ化物の量が、ホウ素の量とともに増加され、そのことは、腐食テストにおいて腐食されたサンプルH100に関して、高い量のホウ素を加えたときに腐食特性が減少し得るということを考慮に入れなければならないということを意味している。ホウ素によるこの「マイナスの」効果は、より厚い母材金属、および/またはより長い拡散時間(接合部が形成することを可能にするために使用される時間)を使用することによって、減少させることが可能である。母材金属の中のホウ素を希釈することが可能である。また、A3.3およびB2に関して、通常の量のホウ素についても、より薄く壊れやすい表面層が形成された。サンプルの中の低い量のホウ素に関して(サンプルE0.3)、非常に厚く壊れやすい表面層(概して>5重量%の高いシリコン含有量のシリコンを有する)が、A3.3、B2、H100、I66、およびJについての壊れやすい表面に関するものとは異なる性質で形成されたということが見られた。シリコンによる「マイナスの」効果は、より厚い母材金属、および/またはより長い拡散時間を使用することによって、減少させることが可能である。母材金属の中のシリコンを希釈することが可能である。
【０１０６】
(実施例5)
実施例5は、いくつかのサンプルのフィレットテストに関係する。実施例3に従って作製されたテストサンプルから、プレートのスライスが、35mmの幅で切り出された(それは、35mmx35mmの塗布される表面を意味する)。この表面の上に、ステンレス鋼タイプ316Lから作製された直径42mmおよび厚さ0.4mmのプレスされた円形プレートが、設置された(図5を参照)。プレスされたプレートは、2つのプレスされたビームを有しており、それぞれは、おおよそ20mmの長さであった。サンプルは、おおよそ1時間、おおよそ1200℃でろう付けされた。
【０１０７】
フィレットテストからの結果は、平坦な表面積(その上にブレンドが塗布された)と、図5に示されているテストサンプルのプレスされたビームとの間に生成される接合部エリアの中に、ろう付け用合金の所定量が存在していたということを示している。ろう付け用合金の量は、2つの三角形が接合部の中央部の両側に形成されているということを推定することによって、面積を計算することによって、近似(図6を参照)によって計算された。中間部分には、追加的に形成された「ろう付け合金」が存在しないか、または非常に少量の追加的に形成された「ろう付け合金」が存在している。高さ(h)および底辺(b)を測定することによって、2つの三角形を測定することが可能であり、2つの三角形が存在しているので、2つの三角形の全体面積は、(h)・(b)に合計される。この計算に伴う問題は、高さを測定することが困難であるということである。したがって、2つの三角形の面積を計算するために、以下の等式を使用する。
A=((X-B)/2)・((X-B)/2)・tanα
【０１０８】
Aは、2つの三角形の全体面積であり、Xは、形成される接合部の全体幅であり、Bは、形成される接合部の一部分であり、ここで、接合部の中央部の中に形成されるろう付け合金の体積は、無視できる。したがって、それぞれの三角形の底辺は、(X-B)/2である。高さは、角度αを測定することによって計算され、角度αは、底辺に対するプレスされたビームの正接の間の角度である。
【０１０９】
隙間へ流れて形成されたろう付け用合金の体積を計算するために、測定される表面に接触しているそれぞれの2つのビームの長さが、20mmと測定された。ビームの全体長さが、全体面積と掛けられた。
【０１１０】
2つの三角形の面積は、Table 8(表7)およびTable 9(表8)の中において、ろう付け後の推定面積である。体積は、ビームのうちの一方の上に形成されたろう付け合金の体積である。フィレットテストからの結果は、Table 8(表7)およびTable 9(表8)、ならびに図7に示されている。Table 8(表7)およびTable 9(表8)において、vおよびhは、v=左ビーム、およびh=右ビームを表している。
【０１１１】
【表７】
0006042458.tif 000008
【０１１２】
【表８】
0006042458.tif 000009
【０１１３】
測定された幅、および推定面積の結果は、Table 8(表7)およびTable 9(表8)に提示され、図7のダイアグラムに図示されている。塗布される量は、0.06グラム/3500mm2〜0.96グラム/3500mm2であり、それは、おおよそ0.017mg/m2〜0.274mg/mm2に対応する(Table 8(表7)およびTable 9(表8)を参照)。
【０１１４】
ブレンドに関する傾向線Y=K・X+Lが測定されており、ここで、Yは、接合部幅であり、Kは、線の傾きであり、Xは、塗布されるブレンドの量であり、Lは、定数である(図7を参照)。したがって、ろう付け接合部の幅は、以下の通りである:
Y(A3.3に関する幅)=1.554+9.922・(塗布されるブレンドA3.3の量)
Y(B2に関する幅)=0.626+10.807・(塗布されるブレンドB2の量)
Y(C1に関する幅)=0.537+8.342・(塗布されるブレンドC1の量)
Y(F0に関する幅)=0.632+7.456・(塗布されるブレンドF0の量)
【０１１５】
ダイアグラムから観察されるように、A3.3、B2、C1、D0.5、E0.3、およびF0のうちのブレンドA3.3が、塗布されるブレンドの量の関数として、接合部の中の最も高い量のろう付け用合金を与えている。サンプルF0は、3500mm2当たり0.20グラムの下では、任意の実質的な接合部を与えなかった。
【０１１６】
ブレンドに関する傾向線Y=K・X-Lが測定されており、Yは、面積であり、Kは、線の傾きであり、Xは、塗布されるブレンドの量であり、Lは、定数である(図8を参照)。
Y(A3.3に関する面積)=4.361・(塗布されるブレンドA3.3の量)-0.161
Y(B2に関する面積)=3.372・(塗布されるブレンドB2の量)-0.318
Y(C1に関する面積)=2.549・(塗布されるブレンドC1の量)-0.321
Y(F0に関する面積)=0.569・(塗布されるブレンドF0の量)-0.093
【０１１７】
例えば、3500mm2当たり0.18グラムの量に関して、図8のダイアグラムに基づいて、生成される体積を推定することは(ろう付け接合部が「ない」ことに起因して、サンプルF0を除いており、およびデータがほとんどないということに起因して、サンプルD0.5を除いている)、2つのビームの間の接合部の中に生成されるろう付け用合金の体積に関するサンプルのための値を与える(以下を参照)。
体積(A3.3)=0.63・長さ40(20・2)=25.2mm3
体積(B2)=0.30・長さ40(20・2)=12.0mm3
体積(C1)=0.12・長さ40(20・2)=4.8mm3
体積(E0.3)=0.10・長さ40(20・2)=4.0mm3
【０１１８】
また、より高い割合のホウ素を有するブレンドが、テストされた(例えば、サンプルG15、H100、I66、およびJ)。テストされたサンプルは、生成されたろう付け用合金の体積に関して、ブレンドA3.3およびB2と非常に類似した働きをした。しかし、ろう付けされたサンプルの冶金学的断面は、ホウ化物の量がより大きかったということを示し、また、サンプルH100(すなわち、純ホウ素)に関して、脆性の高いクロム相が、ブレンドがより早く塗布された表面の上に見出された。硬質の相は、ほぼ確実にホウ化クロムであり、それは、周囲の材料の中のクロム含有量を減少させ、耐腐食性を減少させる。これは、良好な耐腐食性が望まれるときには問題となる可能性があるが、非腐食性の環境に対しては問題ではない。熱処理を変化させることによって、および/またはより多くの量のホウ素を「吸収する」ことが可能なより厚い母材金属を使用することによって、ホウ素の効果を減少させることが可能である。より厚い材料(≧1mm)の場合、表面の中のこの効果は、厳しくはならないこととなる。なぜなら、母材金属体積と比較した表面体積の割合は、薄い材料(<1mm、または<0.5mm)に関するものよりも大きく下回るからである。より良好な耐摩耗性が望まれる場合には、ホウ化クロムは、利点となり得る。また、冶金学的調査は、サンプルF0(すなわち、純シリコン)に関して、相を含有する厚い脆性のシリコンが、調査されたサンプルの中のいくつかのエリアに関して、プレート厚さの>50%の厚さを有する状態で見出されたということを示した。また、同様の相が、接合部の中にも見出された。クラックは、プレート厚さの>30%の長さを有する状態で、この相の中に見出された。そのようなクラックは、接合された製品の機械的な性能を減少させることとなり、腐食および/または疲労クラックに関する開始点となることが可能である。平均測定された相の硬度は、400HV(ビッカース)を超えていた。この脆性の相は、確実に、より硬質であり、ホウ化物の相によるものと比較して、より厚い母材金属、または熱処理の変化を使用することを減少させることが可能である。さらに、より厚い母材金属の場合、この効果は、それほど厳しくならないことが可能である。
【０１１９】
(実施例6)
実施例6は、接合部に関する引張テストに関係する。実施例3において使用されたものに対応するテストプレートは、スライスとなるようにスライスされた。スライスされたサンプルのサイズは、おおよそ10mmの幅、180〜200mmの長さであり、0.4mmの厚さを有している。それぞれのスライスのために塗布される面積は、10mm×35mm=350mm2であった。塗布される面積の上に、ステンレス鋼タイプ316L製のより厚い部分(4mm)が設置され、全体35mmの塗布された表面のうちの30mmをカバーしていた。より厚い部分は、スライスの端部に設置され、厚いプレートによってカバーされていない5mmの塗布される表面を残していた。これを行うことによって、接合部がプレートよりも強い場合に引張テストを行うときに、塗布されるブレンドに起因して、プレート材料の強度の減少が検出されることとなる。また、より厚いプレートは、10mmのスライスよりも幅が広かった。すべてのテストサンプルは、おおよそ1200℃で、おおよそ1時間にわたり、ろう付けされた(加熱された)。
【０１２０】
加熱した後に、厚い部分が、引張テストマシンの中に水平に装着された。スライスは、垂直方向に対して90°までしっかりと曲げられた。サンプルは、水平方向に移動できるように装着された。次いで、サンプルは負荷をかけられ、接合部が分裂させられた。
【０１２１】
プレートが接合部よりも強く、接合部が分裂されるようになったときは、結果がゼロに設定された。接合部がプレート材料よりも強いサンプルに関して、結果の相違は、統計的に有意ではなかった。結果は、テストされたサンプルのパーセント(%)として示されており、ここで、接合部は、塗布される量の関数として、プレートよりも強いか、またはプレートと同じであり、それは、接合部が、テストされたときに分裂しなかったということを意味している。結果が、Table 10(表9)、および図9のダイアグラムに要約されている。
【０１２２】
【表９】
0006042458.tif 000010
【０１２３】
(実施例7)
塗布されるブレンドの量と、プレートを通るホールを生成するリスクとの間の関係を確立するために、新しいテストが実施された。すべてのテストに関して、ブレンドB2(Table 6(表5)を参照)が使用された。また、ブレンドB2は、バインダーS-30も含む。テストされたテストピースは、円形であり、0.8mmの厚さを有し、83mmの直径を有していた。テストプレートの中の母材金属は、ステンレス鋼タイプ316であった。すべてのサンプルに関して、ブレンドが、テストサンプルの中央部の中に塗布された。塗布される面積は、28mm2であり、すなわち、6mmの直径を有する円形スポットであった。すべてのテストサンプルは、塗布の前後で重量を測られ、その結果は、Table 11(表10)に要約されている。その後、テストサンプルは、炉の中に、室温で、12時間にわたり設置された。サンプルは、再び重量を測られた。
【０１２４】
テストサンプルは、すべて、炉の中に置かれ、かつ1210℃で、おおよそ1時間にわたり加熱された(また、「ろう付けされた」とも称される)。ろう付けの間、それぞれのサンプルの外側縁部だけが、固定材料に接触しており、プレート中央部底部表面が、ろう付けの間に任意の材料に接触しないように維持された。プレート中央部底部表面を接触がないように維持する理由は、中央部材料が固定材料によって下から支持されている場合には、崩壊または溶け落ち(burn through)を防止することが可能であるからである。
【０１２５】
0.8mmのサンプルに関して、塗布される量および溶け落ちの結果が、Table 11(表10)に要約されている。
【０１２６】
【表１０】
0006042458.tif 000011
【０１２７】
テストは、0.8mmの厚さを有するプレートに関して、サンプル10と11の間に溶け落ち(ホール)が存在するということを示している。サンプル10は、2.264mg/mm2の塗布されるブレンドの量を有しており、サンプル11は、2.491mg/mm2を有している。1mm未満の厚さを有するプレートを接合するために、約2.830mg/mm2〜約3.114mg/mm2の範囲内の量には、プレートを溶け落ちさせるリスクが存在しており、この範囲の中間の量は、2.972mg/mm2である。したがって、1mm未満の厚さを有するプレートに関して、2.9mg/mm2未満の量が、プレートの溶け落ちを回避するために適切であることとなる。
【０１２８】
(実施例8)
実施例8では、2つのプレスされた熱交換器プレートの間のろう付け接合部が、3つの異なる方式で作製されている。熱交換器プレートの厚さは、0.4mmである。
【０１２９】
第1および第2のテストサンプルでは、ステンレス鋼タイプ316に近い組成物を備えた鉄ベースのろう付け用フィラーが使用された。ろう付け用フィラーに関して、国際公開第2002/38327号を参照されたい。ろう付け用フィラーは、約10重量%まで増加された量のシリコン、約0.5重量%までの量のホウ素、および約10.5重量%の減少された量のFeを有していた。第1のテストサンプルでは、ろう付け用フィラーが、線状に塗布され、第2のテストサンプルは、ろう付け用フィラーが、表面の上に均一に塗布された。両方の場合において、プレス後に、フィラーが塗布された。
【０１３０】
テストサンプル1のろう付けは、線状に塗布されたろう付け用フィラーが、ろう付け接合部に引き付けられたということを示した。ろう付け用フィラーのいくつかは、ろう付け接合部へ流れず、したがって、塗布された線において局部的に厚さを増加させた。テストサンプル2に関して、ろう付け用フィラーがろう付け接合部へ流れたが、しかし、ろう付け用フィラーのいくらかが表面の上に残り、厚さを増加させた。テストサンプル1および2では、ろう付け用フィラーの量は、おおよそ15重量%のプレート材料の量に対応している。
【０１３１】
テストサンプル3では、A3.3ブレンドが使用された(Table 6(表5)を参照)。プレートの上に均一にプレスする前に、ブレンドが塗布された。ブレンドが、テストサンプル1および2に関するものと同様のサイズを有するろう付け接合部を生成することとなる量が塗布された。
【０１３２】
テストサンプル3には、おおよそ1.5重量%のプレート材料の重量に対応する厚さを有する層が塗布された。ブレンドA3.3を塗布することによって、ろう付け用合金が母材金属(金属部分)から形成され、形成されたろう付け用合金が、ろう付け接合部へ流れる。したがって、表面の上に加えられたブレンドよりも多くの材料が、ろう付け接合部に引き付けられたので、プレートの厚さが減少させられた。
【０１３３】
(実施例9)
実施例9は、異なるホウ素供給源およびシリコン供給源を有するテストに関係する。目的は、代替的なホウ素供給源およびシリコン供給源を調査することであった。ブレンドB2は、テストのための参照として選択された(Table 6(表5)を参照)。代替的な供給源は、接合部を生成するそれらの能力に関して、テストされた。それぞれの実験に関して、代替的なホウ素供給源または代替的なシリコン供給源のいずれかがテストされた。代替的な供給源を使用するときに、他の元素の影響はゼロであると仮定され、それは、「測定された」ものが、代替的な成分の中で、ホウ素またはシリコンの重量だけであったということを意味している(Table 12(表11)を参照)。参照ブレンドB2に関して、シリコンとホウ素との間の重量比率は、10グラム対2グラムであり、合計で12グラムになる。それぞれのブレンドは、S-30バインダーを含み、ブレンドは、実施例1による鋼プレートの上に塗布された。すべてのサンプルは、真空炉の中で、1210℃で、1時間にわたりろう付けされた。
【０１３４】
【表１１】
0006042458.tif 000012
【０１３５】
ブレンドB2に関する傾向線Y=K・X+Lが、測定されており、Yは、接合部幅であり、Kは、B2に関する線の傾きであり、Xは、塗布されるブレンドの量であり、Lは、塗布されるブレンドB2の量がないときの定数である(図7を参照)。したがって、ろう付け接合部の幅は、Y=0.626+10.807・(塗布されるブレンドの量)である。
【０１３６】
Table 13(表12)では、実施例5のように、vおよびhは、v=左ビーム、およびh=右ビームを表している。
【０１３７】
【表１２】
0006042458.tif 000013
【０１３８】
Table 13(表12)の結果は、ホウ素に対する代替的な供給源として、B4C、NiB、およびFeBを使用することが可能であるということを示している。NiBが使用されたときには、生成される量は、純ホウ素に関するものより少なかった。しかし、Ni合金化効果が望まれる場合には、NiBを使用することが可能であった。
【０１３９】
(実施例10)
実施例10では、多数の異なる母材金属、すなわち、図1の金属部分11および12に関して使用され得る金属がテストされた。軟鋼およびNi-Cu合金を除くすべてのテストが、「テストY」に従ってテストされた(下記参照)。
【０１４０】
テストYに関して、おおよそ0.8mmの厚さを有する2つのプレスされた円形テストピースが、互いの上に設置された。それぞれのサンプルは、プレスされた円形ビームを有していた。ビームの上部面は、互いに向かって設置され、ピース同士の間に円形隙間を生成していた。それぞれのサンプルに関して、B2ブレンド(この実施例では、バインダーS-20を含む)が、ペイントブラシを用いて塗布された。ペイントブラシを用いて塗布するときには、塗布することは均質でなかったので、加えられた量のブレンドの重量は測定されなかった。接合した後のサンプルのうちの1つの写真が、図10に提示されている。
【０１４１】
軟鋼サンプルおよびNi-Cuサンプルが、同じ方式で塗布されたが、軟鋼に関して、実施例5で行われたテストに従って「フィレットテスト」が行われ、Ni-Cuに関して、2つの平坦なテストピースを用いたテストが行われた。Ni-Cuを除くサンプルが、炉の中で、おおよそ1200℃で、すなわち、1210℃で、1hにわたり、真空雰囲気炉の中で「ろう付けされた」。Ni-Cuサンプルは、おおよそ1130℃で、おおよそ1hにわたり、同じ真空炉の中でろう付けされた。「ろう付け」後、接合部が、すべてのテストに関して、ピース同士の間に形成された。また、生成された「ろう付け用合金」(母材金属から作製されている)の接合部への流れが、すべてのテストされたサンプルに関して観察された。結果が、Table 14(表13)に示されている。
【０１４２】
【表１３】
0006042458.tif 000014
【０１４３】
Table 14(表13)の結果は、それぞれのサンプル1〜20に関して、ろう付け用合金が、ブレンドと母材金属との間に形成されているということを示している。また、結果は、それぞれのテストされたサンプルに関して、接合部が生成されたということを示している。
【０１４４】
実施例は、実質的な量のろう付け用合金を生成するためにホウ素が必要であったということを示しており、ろう付け用合金は、接合部を充填し、また、接合部の中の強度を生成することも可能である。また、ホウ素を有さないサンプルに関して、厚く壊れやすい相が見出されたので、ホウ素が微細構造のために必要であったということを実施例は示した。
【０１４５】
上記から、母材金属(すなわち、例えば、図1に関連して説明されている金属部分)は、鉄(Fe)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、マンガン(Mn)、銅(Cu)などのような元素を含む合金から作製することが可能であるということになる。金属部分に関して使用されることとなる合金のいくつかの実施例が、Table 15(表14)のリストの中に見出される。
【０１４６】
【表１４】
0006042458.tif 000015
【０１４７】
ブレンド(すなわち、溶融抑制組成物)は、上記に説明されているように、ペインティングによって塗布することが可能である。また、ブレンドは、物理蒸着(PVD)、または化学蒸着(CVD)などのような手段によって塗布することも可能であり、その場合には、ブレンドは、バインダー成分を含む必要はない。ペインティングによって、またはPVDもしくはCVDによって、1つの層の中にシリコンを塗布し、および1つの層の中にホウ素を塗布することが可能である。さらに、層の中に塗布される場合にも、ホウ素とシリコンの両方が、溶融抑制組成物の中に含まれるということが考慮される。なぜなら、それらは、塗布する前に混合されたかのように、加熱の間に相互作用することとなるからである。
【符号の説明】
【０１４８】
1  プレート式熱交換器
1A  第1の端部
1B  第2の端部
2  熱交換器プレート
3  プレートパッケージ
4  第1のプレート内部空間
5  第2のプレート内部空間
6  入口部チャネル
9  出口部チャネル
10  熱伝達エリア
11  縁部エリア
12  ポートホールエリア
13  ポートホールエリア
14  ポートホール
15  フランジ、ベント縁部
16  第1の凸面表面
17  第2の凹面表面
18  隆起部
19  陥凹部
20  溶融抑制組成物
21  第1のプレート
22  第2のプレート
23  接触点
24  表面層
25  溶融された金属層
26  接合部
150  プレート
201  ステップ
202  ステップ
203  ステップ
204  ステップ
A  全体面積
B  中央部幅
X  全体の幅
v  左ビーム
h  右ビーム
p  平面
α  角度
【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１０】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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