(57)【要約】  複数の部品を、鉄に基づくろうを使用してろう付けする。部品は、一般にステンレス鋼を含み、ろう接組立体は、有効な耐食性及び通過する流体中へのニッケルの低い浸出の速度を特徴とする熱交換器を形成する。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を処理する際に使用するのに特に適している。【特許請求の範囲】
【請求項１】
式：ＦｅａＣｒｂＢｃＳｉｄＸｅ［式中、Ｘはモリブデン、タングステン、またはモリブデン及びタングステンの組合せ、及び偶発的な不純物であり、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”は全て原子％単位であり、“ｂ”は約０〜５であり、“ｃ”は約１０〜約１７であり、“ｄ”は約４〜約１０であり、“ｅ”は約０〜約５であり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”はほぼ１００に等しい。］を有する組成物から本質的になるろう。
【請求項２】
金属が、均一延性リボン；粉末；箔；ワイヤ；または予備成形物のうちの１つの形態である、請求項１に記載のろう。
【請求項３】
ろう材料は、少なくとも６３％の鉄を含み、０〜５％のクロム、１０〜１７％のホウ素、４〜１０％のケイ素、及び０〜５％のＸを含む合金からなり、ここでＸはモリブデン、タングステン、またはモリブデン及びタングステンの組合せ、及び偶発的な不純物であり、全て重量％単位で述べられ、ホウ素及びケイ素の量を変化させて、前記ろう材料の液相線及び固相線温度を所望の液相線及び固相線温度に調節する、ことを特徴とする、ろう付けによって物体を接合するためのろう材料。
【請求項４】
前記ろう材料は：均一延性リボン；粉末；箔；ワイヤ；または予備成形物のうちの１つの形態である、請求項３に記載のろう。
【請求項５】
ろう付け箔は、少なくとも６３％の鉄を含み、０〜５％のクロム、１０〜１７％のホウ素、４〜１０％のケイ素、及び０〜５％のＸを含む合金からなり、ここでＸはモリブデン、タングステン、またはモリブデン及びタングステンの組合せ、及び偶発的な不純物であり、全て重量％単位で述べられ、前記箔は、少なくとも５０％のガラス状構造を有する、ことを特徴とする、ろう付けによって物体を接合するためのろう箔。
【請求項６】
前記箔は、約１８〜５０μmの範囲にわたる厚さを有する、請求項５に記載のろう箔。
【請求項７】
ろう付けによって物体を接合するためのろう組成物であって、該ろう組成物は、少なくとも６３％の鉄を含み、０〜５％のクロム、１０〜１７％のホウ素、４〜１０％のケイ素、及び０〜５％のＸを含む合金からなり、ここでＸはモリブデン、タングステン、またはモリブデン及びタングステンの組合せ、及び偶発的な不純物であり、全て重量％単位で述べられ、前記組成物は、約１０４２℃〜約１１７４℃の固相線温度範囲及び約１１４８℃〜１１８２℃の液相線温度範囲を特徴とする、ろう組成物。
【請求項８】
金属が、均一延性リボン；粉末；箔；ワイヤ；または予備成形物のうちの１つの形態である、請求項７に記載のろう組成物。
【請求項９】
鉄−ホウ素−ケイ素合金であって、該合金はステンレス鋼組立体をろう付けするために特に有用であり、有効な全面耐食性及び前記ステンレス鋼組立体のどちらの面でも通過する流体中へのニッケルの浸出の最小の速度を示し、前記鉄−ホウ素−ケイ素合金は（重量％単位で）約１０〜１７％のホウ素、４〜１０％のケイ素、及び残部として：
鉄、
０〜５％のクロム、及び
０〜５％のモリブデンまたはタングステンから本質的になる、合金。
【請求項１０】
ろう付けするべき物体中の材料はステンレス鋼であることを特徴とする、請求項１に記載のろうを用いて物体をろう付けすることによって製造されたろう接製品。
【請求項１１】
前記製品は、少なくとも２つの熱交換媒体用であるシェル及びチューブ型熱交換器であることを特徴とする、請求項１に記載のろうを用いて物体をろう付けすることによって製造されたろう接製品。
【請求項１２】
前記製品は、ステンレス鋼材料の複数の薄壁伝熱板をろうによって一緒にろう付けすることによって製造されたなくとも１つのプレートパッケージを含み、そこで、それら自体の間の前記伝熱板は、熱交換媒体用であるプレート内部空間を規定する、少なくとも２つの前記熱交換媒体用であるプレート−プレート型熱交換器であることを特徴とする、請求項１に記載のろうを用いて物体をろう付けすることによって製造されたろう接製品。
【請求項１３】
前記製品は、少なくとも２つの熱交換媒体用であるプレート及びフィン型熱交換器であることを特徴とする、請求項１に記載のろうを用いて物体をろう付けすることによって製造されたろう接製品。
【請求項１４】
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ことと；
前記１つ以上の継手に鉄−ホウ素−ケイ素ろう合金を供給し、ホウ素及びケイ素の量を変化させて、ろう材料の液相線及び固相線温度を所望の液相線及び固相線温度に調節することと；
前記ろうを溶解するために、予め定められた条件下で並置された部品及び前記ろうを加熱することと；
前記ろうを冷却して、ろう接継手を生成することと；
を含む方法。
【請求項１５】
前記鉄−ホウ素−ケイ素ろう合金は、式：ＦｅａＣｒｂＢｃＳｉｄＸｅ［式中、Ｘはモリブデンまたはタングステン、及び偶発的な不純物であり、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”は全て原子％単位であり、“ｂ”は約０〜５であり、“ｃ”は約１０〜約１７であり、“ｄ”は約４〜約１０であり、“ｅ”は約０〜約５であり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”はほぼ１００に等しい。］を有する組成物から本質的になる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ニッケル浸出の低い速度を提供する、請求項１４に記載のプロセスに従って前記鉄−ホウ素−ケイ素ろう合金を用いてろう付けされた少なくとも１つの継手を含む耐食性熱交換器。
【請求項１７】
前記鉄−ホウ素−ケイ素ろう合金は、式：ＦｅａＣｒｂＢｃＳｉｄＸｅ［式中、Ｘはモリブデンまたはタングステン、及び偶発的な不純物であり、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”は全て原子％単位であり、“ｂ”は約０〜５であり、“ｃ”は約１０〜約１７であり、“ｄ”は約４〜約１０であり、“ｅ”は約０〜約５であり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”はほぼ１００に等しい。］を有する組成物から本質的になる、請求項１６に記載の熱交換器。
【請求項１８】
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つの部品を含む請求項１７に記載の熱交換器であって：
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ことと；
前記１つ以上の継手に、延性のあるアモルファスのろう付け箔の形態の鉄−ホウ素−ケイ素ろう合金を供給することと；
前記ろう合金を溶解するために、並置された部品及び前記ろう合金を加熱することと；
溶解したろう合金を冷却して、ろう接部品を有する前記ろう接組立体を生成することと；
を含むプロセスによって製造される熱交換器。
【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に基づくろう付け材料、及び、ステンレス鋼構成要素をろう付けして、製造物品を形成する方法に関し、ここで、ろう接ステンレス鋼構成要素は、水中のこのような物品からニッケルが浸出する傾向を減少させる。
【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プロセスである。典型的に、一緒に接合するべき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、溶加材を溶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の選択は、接合するべき構成要素及び組立体が最終的に稼働しなければならない条件に関連する要件を含む様々なファクターに依存する。
【０００４】
１つの基本的な考慮すべき事柄は温度である。ろうは、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。いかなるろう付けプロセスにおいても、ろうは、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。
【０００５】
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、系がさらされる気体または液体及び典型的な稼働温度に強く影響される。
【０００６】
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、流体が気体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。
【０００７】
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の処理の分野である。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。このような金属材料は、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デゾリューション（desolution）もないという要件である。有害な種または望ましくな味が存在する場合、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、通過する流体中に浸出することが許容されるかもしれない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。
【０００８】
“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、典型的に“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、気体）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、気体）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、再度、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、その高い強度及び有効な熱伝達特性が理由となって、最も一般的に使用される。典型的に、このような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、物理的健全性（physical integrity）を維持し並びに互いから及び外界からの流体の分離を保持することが、絶対に必要である。加えて、熱交換器及び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可能な有害な影響にも耐えなければならない。
【０００９】
このような望ましくない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％までのニッケルを含むステンレス鋼は非常に一般的に利用され、というのは、ステンレス鋼は、流体または気体中への低い浸出速度及び一般的に有効な耐食性を含む望ましい特性を示すからである。しかしながら、高温で実行されるろう付け製造プロセスはまた、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、元素銅がろうとして使用され、というのは、銅は、流体、特に水中へのニッケルの低い浸出を特徴としていたからである。しかしながら、銅をろう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。典型的に、このような熱交換器は、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に基づく組成を有するろうを、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、このようなニッケルに基づくろうを使用した場合、しばしば、望ましくない程多量のニッケルが、このような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。
【００１０】
このようなニッケルに基づくろうは、かなりの比率のニッケルを含むので、ニッケルに基づくろう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、ニッケルに基づくろうの使用は、熱交換器を通過する材料が人間の摂取または消費のために使用される予定である場合と同様、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は、人間の摂取または消費のための流体中に浸出するかもしれないニッケルの量に厳しい制限を課した。本発明が関するのは、こうした技術的必要性のうちの１つ以上である。
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、構成要素を鉄に基づくろう組成物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、有効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。
【００１２】
第１の態様においては、本発明は、組立体、特にステンレス鋼を含む部品を含む組立体を製造する方法を提供する。このような組立体は、鉄に基づくろう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、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ことと；１つ以上の継手に、延性のあるアモルファスのろう付け箔である鉄に基づくろう組成物を供給することと；鉄に基づくろうを溶解するために、並置された部品及びろうを加熱することと；溶解した鉄に基づくろうを冷却して、ろう接継手と接触する流体中に浸出するニッケルの量を最小にするろう接継手を生成することと；を含む。加熱及び冷却作業を一般に保護ガス雰囲気中または真空中で実行する。
【００１３】
第２の態様においては、鉄に基づくろう合金を使用する。典型的に、式：ＦｅａＣｒｂＢｃＳｉｄＸｅ［式中、Ｘはモリブデンまたはタングステン及び偶発的な不純物であり、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”は全て原子％単位であり、“ｂ”は約０〜５であり、“ｃ”は約１０〜約１７であり、“ｄ”は約４〜約１０であり、“ｅ”は約０〜約５であり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”はほぼ１００に等しい。］を有する組成物を本質的に有する、鉄に基づくろう。
【００１４】
鉄に基づくろうは、低いニッケル浸出速度を必要とする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。一般に、鉄に基づくろうは均一延性リボンまたは条片の形態で製造される。
【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結晶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１８〜５０μm（約０．０００７〜０．００２インチ）の範囲にわたる厚さを有する準安定の材料である。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これで構成される箔の機械的粉砕によって粉末形態で製造してよい。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、このような合金を製造してよい。
【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。
【００１７】
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。
【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を製造する方法に関し、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、このような製造プロセスに適した鉄に基づくろうを提供する。
【００１９】
本発明によれば、鉄に基づくろう合金を使用する。一般に、鉄に基づくろうは、式：ＦｅａＣｒｂＢｃＳｉｄＸｅ［式中、Ｘはモリブデンまたはタングステン、及び偶発的な不純物であり、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”は全て原子％単位であり、“ｂ”は約０〜５であり、“ｃ”は約１０〜約１７であり、“ｄ”は約４〜約１０であり、“ｅ”は約０〜約５であり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”はほぼ１００に等しい。］を有する組成物を本質的に有する。
【００２０】
いかなるろう付けプロセスにおいても、ろうは、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。溶加材はまた、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に基づくろうは、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してよい金属合金である。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、最も一般に、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溶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プロセスの中で最も典型的なプロセスは、溶融合金が入射し、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の製造に適した１つのこのようなプロセスは、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、本発明の鉄に基づくろうは、容易に取り扱うことができる延性箔の形態である。このような形態で、本発明の鉄に基づくろうは便利に、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ってよい。
【００２３】
一般に、本発明のろう付け箔は、組成が本質的に均一であり、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。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、均一な溶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】
合金の均一溶解物から生成した急速凝固生成物は、固体状態において通常均一である。生成物は、合金の組成及び処理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％がガラス状である生成物は通常、箔、リボン、及びワイヤ形態の合金が、破壊することなく、箔、リボンまたはワイヤの厚さの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。典型的に、本発明の鉄に基づくろうは、少なくとも約１０５℃／秒の急冷速度で金属合金の溶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。より典型的に、本発明の合金は少なくとも約８０％がガラス状である。最も典型的に、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、かなり高い延性度を示す。
【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として使用するのに特に適している。最も一般に、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１８〜５０マイクロメートル（約０．０００７インチ及び約０．００２インチ）である。多くの場合、箔の厚さはろう付けするべき部品間の所望の隙間にほぼ相当する。
【００２６】
本発明のろうは、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、最終的には人間が消費するために意図された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、１０〜１４重量％のニッケル、１６〜１８重量％のクロム、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有すると説明される。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てよいと予想される。非限定例として、このような材料としては、他の等級のステンレス鋼、並びにニッケルを含むもののような他の耐食性合金が挙げられる。
【００２７】
本発明の最も典型的なろうは、式：ＦｅａＣｒｂＢｃＳｉｄＸｅ［式中、Ｘはモリブデンまたはタングステン、及び偶発的な不純物であり、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”は全て原子％単位であり、“ｂ”は約０〜５であり、“ｃ”は約１０〜約１７であり、“ｄ”は約４〜約１０であり、“ｅ”は約０〜約５であり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”はほぼ１００に等しい。］を有する組成物を本質的に含む、鉄に基づくろう合金を含む。
【００２８】
典型的なろうは、容易に急冷されてかなり延性のある金属条片となり、一般にろう付けするべき材料の液相線温度未満である低い液相線温度を示す。さらに、典型的なろう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、有利に平均浸出速度よりも低いニッケル浸出の速度及び全面耐食性を特徴とする。
【００２９】
本発明の別の態様においては、ろう付け方法を使用して、ろう接部品を含む熱交換器及び他の設備のような装置を製造する。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処理のために選択され、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、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ことと、１つ以上の継手に、延性のあるアモルファスのろう付け箔の形態の鉄に基づくろうを供給することと、ろうを溶解するために、並置された部品及びろうを加熱することと、溶解したろうを冷却して、ろう接継手と接触する流体中へのニッケル浸出の量を最小にする少なくとも１つのろう接継手を生成することと、の作業を含む。
【００３０】
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、別の流体は、チューブ８４によって占有されないシェル８２の内側部分を通って流れる。従来のように、シェル８４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の内径内部にはまるように選択される。プレート９０の縁部９２を一般にわずかなデ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、チューブの末端の配置及び寸法と一致するように選択され、配置される。
【００３１】
１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ことと；タブ１４を折り畳んで、テーパ状縁部９２に接触させるかまたはこれに沿って少なくとも延在させることと；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を配向させることと；の作業を含む。その後、組立品をシェル８２中に挿入し；組立体の構造材料にとって必要であり、ろう付け箔予備成形物１０を構成する鉄に基づくろうに関する特定の要件に従って、組立品をろう付けする。
【００３２】
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、各々は鉄に基づくろうを含む予め選択されたサイズのろうの予め選択されたシートであることと、ろう付けによって接合するべき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ことと、の作業を含む。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鉄に基づくろうに関する特定の要件に従って、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。
【００３３】
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、予め定められた数の予備成形物を製造し、各々は鉄に基づくろうを含むろうの予め選択されたサイズのシートを有することと、ろう付けによって接合するべき隣接するプレート１の各々の間に予備成形物を配置することと、の作業を含む。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鉄に基づくろう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。
【００３４】
上記に説明した方法の典型的な具体例においては、鉄に基づくろうは、式：ＦｅａＣｒｂＢｃＳｉｄＸｅ［式中、Ｘはモリブデンまたはタングステン、及び偶発的な不純物であり、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”は全て原子％単位であり、“ｂ”は約０〜５であり、“ｃ”は約１０〜約１７であり、“ｄ”は約４〜約１０であり、“ｅ”は約０〜約５であり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”はほぼ１００に等しい。］を有する組成物を本質的に含む。
【００３５】
典型的に、上記に説明したプロセスにおいて、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、このような条件は典型的である。このろう付け条件は、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、産業界において典型的に使用される。
【００３６】
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−クロムに基づく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％、典型的に少なくとも約７０％、最も典型的に少なくとも約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、一方は鉄に基づくろう付け溶加材及び本明細書において説明する任意のろう付け後の状態調節作業の使用を含むプロセスにおいて製造され、他方は従来のように例えばニッケルまたはニッケル／クロムに基づく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）の同一の試験条件下でのニッケル浸出速度の比較に基づく。例えば、任意のろう付け後の状態調節は、微細構造及び継手の関連するダクティビティー（ductivity）を改良するために、予め定められた時間、固相線よりも下の温度に加熱することによってアニールすることを含んでよい。
【００３７】
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。腐食は、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、有効な全面耐食性を示す。すなわち、このような組立体は、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、銅に基づく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％、典型的に少なくとも約４０％、最も典型的に少なくとも約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、一方は鉄に基づくろうの使用を含むプロセスにおいて製造された２つの同一の熱交換器（または他の製造された組立体）の同一の試験条件下での腐食度の比較に基づく。本明細書において説明するプロセス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。増大した運用寿命は、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。
【００３８】
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内並びにこのような技術領域以外の両方で有用な他の装置または物品の製造において使用してよい。
【００３９】
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有効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プロセスに関し、このプロセスは、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ことと；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し、延性のあるアモルファスのろう付け箔である組成物を有する鉄に基づくろうを供給することと；ろうを溶解するために、並置された部品及びろうを加熱することと；溶解したろうを冷却して、ろう接継手と接触する流体中に浸出するニッケルの量を最小にする少なくとも１つのろう接継手を生成することと；の作業を含む。
【００４０】
部品を接合する方法の典型的な具体例においては、鉄に基づくろう付け充填剤は、式：ＦｅａＣｒｂＢｃＳｉｄＸｅ［式中、Ｘはモリブデンまたはタングステン、及び偶発的な不純物であり、添字“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”、“ｅ”は全て原子％単位であり、“ｂ”は約０〜５であり、“ｃ”は約１０〜約１７であり、“ｄ”は約４〜約１０であり、“ｅ”は約０〜約５であり、合計“ａ”＋“ｂ”＋“ｃ”＋“ｄ”＋“ｅ”はほぼ１００に等しい。］を有する組成物を本質的に含む。
【００４１】
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】
【００４２】
実施例１
鉄に基づくろう条片の製造
【００４３】
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、予め選択された組成、例えば上記に言及した式：ＦｅａＣｒｂＢｃＳｉｄＸｅを有する組成の溶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％）を本質的に含む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、ここで鉄の“ｂａｌ．”は、残部（１００％マイナス組成物の他の成分に関して述べた値）を示す。
【表１】
2008518786.tif 000002
実施例２
鉄に基づくろう条片のキャラクタリゼーション
【００４４】
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、個々の試料と不活性な参照材料との間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溶解の始まりと溶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。
【表２】
2008518786.tif 000003
【００４５】
表ＩＩに列記する固相線及び液相線温度を有する本発明の合金を、ステンレス鋼をろう付けするための溶加材として使用してよい。このような合金は溶解し、ステンレス鋼に基づく金属部品を損傷しないであろう温度で流れようし、同時に、産業用ろう付け処理のために便利である。表ＩＩから了解されるように、ホウ素及びケイ素の量を変化させて、ろう材料の液相線及び固相線温度を所望の液相線及び固相線温度に調節してよい。
【００４６】
本発明の幾つかの具体例を示し、説明してきたが、本発明の原理及び精神、請求の範囲において定義される範囲及びそれらの同等物から逸脱することなく、こうした具体例において変更を行ってよいことは、当業者であれば了解できると思われる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の具体例に従う、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】本発明の具体例に従う、鉄に基づくろう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】本発明の具体例に従う、鉄に基づくろう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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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