(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数のプレート及びフィンの各接触部あるいは積層された複数のプレートの各接触部がろう付けして熱交換部が構成されるプレート式熱交換器において、少なくとも流体と接するプレート表面及びフィン表面が、重量比でクロム２５〜３５％、燐５〜７％、珪素３〜５％、アルミニウム、カルシウム、イットリウム及びミッシュメタルからなる群から選ばれる少なくとも一種０．００１〜０．１％、残部の主成分がニッケルである合金で覆われていることを特徴とするプレート式熱交換器。
【請求項２】
前記合金が１５％以下の量で鉄を含有する請求項１のプレート式熱交換器。
【請求項３】
前記合金が１０％以下の量でモリブデンを含有する請求項１又は２のプレート式熱交換器。
【請求項４】
プレートあるいはフィンの少なくとも一方に、バインダーをスプレイ法で塗布した後、該バインダー塗布面上に前記ニッケル合金からなる粉末状のろう材を付着させ、その後にこれを多数段積層し加熱してろう付けすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、複数のプレートとフィンあるいは複数のプレートを積層し、互いにろう付けすることによって熱交換部が構成されるプレート式熱交換器及びその製造方法に関する。
背景技術
プレート式熱交換器は、例えば複数のプレートとフィンを交互に積層し、各プレートとフィンの接触部をろう付けして熱交換部が構成される。また、プレート平面にスペーサや攪拌用の凹凸部を形成し、フィンを省略することも可能であり、この場合にはプレート同士の接触部がろう付けされる。
ろう付けに使用されるろう材としては、各分野で使用実績が豊富な銅ろうが多く使用されてきたが、高温特性や耐食性が要求される熱交換器にはこれらの特性が一般に銅ろうに比べて優れるニッケルろうも使用されるようになってきた。
加工性が悪いため、粉末状で使用されるニッケルろうをプレート式熱交換器に適用する場合、プレート上に形成された凸部やフランジ部等のろう付け部あるいはフィンを使用する場合には、フィンと接触するプレート面に粉末状ろう材を付着させた後、加熱することによりろう付けされる。
従来より、このようなプレート面への粉末状ろう材の付着方法として、ろう材とろう材固定用の液状バインダーを予めペースト状に混合したものをスクリーン印刷により付着させたり、ペースト状ろう材をディスペンサーを用いて付着させたり、ろう材とバインダーを同時にスプレイして付着させる方法が知られている。また、バインダーとしては、安全性や環境問題を考慮して水性バインダーが多く使用される。
最近、信頼性の一層の向上を目的に耐食性や強度特性により優れた熱交換器が要求されるようになり、これに対応するため耐食性に優れたろう付け強度の高いニッケルろうが要望されるようになってきた。
しかしながら、ニッケルろうとして多く使用されているニッケル−クロム−ボロン−シリコン合金ろう（例えば、ＪＩＳ  Ｚ  ３２６５  ＢＮｉ−２）は、ろう付け強度は高いが、耐食性に劣るという問題があり、また流動性が悪いため、ろう材とろう付け部品との境界付近における腐食が問題となっていた。
特開２０００−１７１１８８号公報には、流動性に優れるニッケル−クロム−燐合金ろうでろう付けしたプレート式熱交換器が開示されている。また、特開２０００−１９００６９号公報には、ニッケル−クロム−燐合金ろうを用いたプレート式熱交換器の製造方法が開示されている。しかし、代表的なニッケル−クロム−燐合金ろうとしてＪＩＳ規格に規定されたＢＮｉ−７は、他のニッケルろうに比べ、一般にろう付け強度が低く、また耐食性も劣るという問題があった。
本発明は、耐圧強度が高く、また耐食性に優れたプレート式熱交換器及びその製造方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明に係るプレート式熱交換器は、積層された複数のプレート及びフィンの各接触部あるいは積層された複数のプレートの各接触部がろう付けして熱交換部が構成されるプレート式熱交換器において、少なくとも流体と接するプレート表面及びフィン表面が重量比でクロム２５〜３５％、燐５〜７％、珪素３〜５％、アルミニウム、カルシウム、イットリウム及びミッシュメタルからなる群から選ばれる少なくとも一種０．００１〜０．１％、残部の主成分がニッケルである合金で覆われていることを特徴としている。なお、この合金は、鉄１５％以下及び／又はモリブデン１０％以下を含んでもよい。
また、本発明に係るプレート式熱交換器の作業性のよい製造方法は、プレートあるいはフィンの少なくともどちらか一方にバインダーをスプレー塗布し、該バインダー塗布面に前記合金からなる粉末状のろう材を付着させ、その後これを多数段積層し加熱してろう付けすることを特徴としている。
本発明に係るニッケル合金をろう材として使用した場合、ろう付け強度が高いため、耐圧強度が高いプレート式熱交換器を得ることができる。また、流動性に優れているため、ろう付け時に溶融すると熱交換部を構成するプレートやフィンの表面にも流出し、流体と接するプレート表面やフィン表面を覆わせることが可能となる。このため、ろう材が流れた先端部付近において、ろう材とプレートあるいはフィンとの腐食電位差などが原因となって発生する腐食を防止することができる。
従って、本発明に係るプレート式熱交換器は、腐食が問題となるような流体と接するプレート表面及びフィン表面が耐食性に優れたニッケル合金で覆われるため、腐食性流体への適用が可能となる。
次に、本発明に係るニッケル合金に含まれる各成分量の限定理由について説明する。
クロムは、ニッケルに固溶してニッケル−クロム固溶体となり、耐食性や耐酸化性を向上させるに必要な元素であるが、２５％未満では硫酸等に対する耐食性や強度向上の効果が少なく、また、多量に含有させると濡れ性を低下させることから、２５〜３５％とする。
燐は、５％未満では、合金の融点が上昇し、また、７％を越えると耐食性が劣化し、強度が低下するので、５〜７％とする。
珪素は、３％未満では耐食性が劣化し、強度が低下する。また、５％を越えると融点が上昇するので、３〜５％とする。
モリブデンと鉄はいずれも合金の強度を向上させるのに有効な元素であるが、多量に含有させると強度向上の効果が少なく、耐食性も劣化することからそれぞれ１０％以下、１５％以下とする。
アルミニウム、カルシウム、イットリウム及びミッシュメタルは、濡れ性を向上させるのに必要な元素であるが、０．００１％未満では効果が少なく、０．１％を超えると濡れ性や強度を低下させるので、０．００１〜０．１％とする。なお、アルミニウムの使用が特に好ましい。
更に、本発明で使用するニッケル合金は、ニッケルの一部をコバルトで置換してもよい。この場合、コバルトの使用量は、合金の１０％以下とするのが好ましい。
本発明では、プレート等に粉末状ろう材を付着させるためのバインダーとして有機溶媒系バインダー及び水性バインダーのいずれも使用できるが、安全性に優れた水性バインダーを使用するのが好ましい。従来、水性バインダーは一般に濡れ性が悪く、接着力も弱いため、粉末状ろう材をろう付け部品上に確実に付着させることが困難であったが、本発明では、バインダーをフプレイ塗布し、その後バインダー塗布面上に粉末状ろう材を散布等の方法で付着させることによって、均一にまた確実にろう材を固定することができ、迅速な処理が可能となった。
水性バインダーとしては、酢酸ビニル系樹脂、ポリビニールアルコール、ポリビニールピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール等の水性エマルジョンや水溶液が挙げられる。
本発明においては、ろう材の優れた耐食性や流動性を得るために、ろう付け熱処理雰囲気を、１０−３ｔｏｒｒよりも高真空雰囲気あるいは非酸化性雰囲気とするのが望ましい。
また、熱交換器を流れる流体の一方のみで腐食が問題となるような場合、該流体の流れる流路側のみプレート表面及びフィン表面を本発明に係るニッケル合金で覆ってもよい。
本発明は、プレートとフィンを交互に積層し、各プレートとフィンの接触部間をろう付けして構成される熱交換部に対しても、またプレートの平面にスペーサや攪拌用の凹凸部を形成してフィンを省略しプレート同士の接触部間をろう付けして構成される熱交換器に対しても、さらに一方の流体のみフィンを挿入して接触部間をろう付けして構成される熱交換部に対しても適用可能である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例では、図１の如く、複数のプレートとフィンを交互に積層し、互いにろう付けして構成されるプレート式熱交換器を、粉末状ろう材をプレート１に付着させ、フィン２及びバー３と積層して所定の形状にした後、ろう付けするという方法で製造した。
〔実施例１〕
表１に示す成分からなる合金Ａを溶解し、ガスアトマイズ法で粉末ろう材を作製した。
次に、ＳＵＳ３０４製のプレート１の両面にスプレイ法でバインダー（ポリビニルアルコール水溶液）を吹きつけた後、作製した粉末ろう材をバインダー上に付着させ、続いて、これらのプレート１とフィン２及びバー３を積層した後、１１００℃で１０分間、１０−４ｔｏｒｒの真空中でろう付けしてプレート式熱交換器を完成した。
完成した熱交換器について、耐圧試験を行った結果、耐圧強度は６３ｋｇ／ｃｍ２であった。また、耐圧試験後の熱交換器を切断してろう材の流れを調べた結果、ろう材がプレート及びフィンの表面を覆っていることが分かった。
なお、合金Ａを溶解し、シェル鋳型に鋳造したものから１０×１０×５ｍｍの試験片を作製し、この試験片を５％硫酸溶液中に浸漬し、腐食試験を実施した。その結果、腐食減量は０．０００１ｍｇ／ｍ２ｓであった。
〔実施例２〕
表１に示す成分からなる合金Ｂを溶解し、ガスアトマイズ法で粉末ろう材を作製した。
次に、実施例１と同様、ＳＵＳ３０４製のプレートに、この粉末ろう材を付着させた後、これをフィン、バーと積層し、１０９０℃で１０分間、１０−４ｔｏｒｒの真空中でろう付けしてプレート式熱交換器を完成した。
完成した熱交換器について、耐圧試験を行った結果、耐圧強度は５９ｋｇ／ｃｍ２であった。また、耐圧試験後の熱交換器を切断してろう材の流れを調べた結果、ろう材がプレート及びフィンの表面を覆っていることが分かった。
合金Ｂについて、実施例１と同様の腐食試験を実施した結果、腐食減量は０．０００３ｍｇ／ｍ２ｓであった。
〔実施例３〕
表１に示す成分からなる合金Ｃを溶解し、ガスアトマイズ法で粉末ろう材を作製した。
次に、バインダーとしてポリ酢酸ビニルエマルジョンを使用した以外は実施例１と同様の方法で、ＳＵＳ３０４製のプレートに、この粉末ろう材を付着させた後、これをフィン、バーと積層し、１０８０℃で１０分間、１０−４ｔｏｒｒの真空中でろう付けしてプレート式熱交換器を完成した。
完成した熱交換器について、耐圧試験を行った結果、耐圧強度は６１ｋｇ／ｃｍ２であった。また、耐圧試験後の熱交換器を切断してろう材の流れを調べた結果、ろう材がプレート及びフィンの表面を覆っていることが分かった。
合金Ｃについて、実施例１と同様の腐食試験を実施した結果、腐食減量は０．０００２ｍｇ／ｍ２ｓであった。
〔実施例４〕
表１に示す成分からなる合金Ｄを溶解し、ガスアトマイズ法で粉末ろう材を作製した。
次に、バインダーとしてポリ酢酸ビニルエマルジョンを使用した以外は実施例１と同様の方法で、ＳＵＳ３０４製のプレートに、この粉末ろう材を付着させた後、これをフィン、バーと積層し、１０８０℃で１０分間、１０−４ｔｏｒｒの真空中でろう付けしてプレート式熱交換器を完成した。
完成した熱交換器について、耐圧試験を行った結果、耐圧強度は５８ｋｇ／ｃｍ２であった。また、耐圧試験後の熱交換器を切断してろう材の流れを調べた結果、ろう材がプレート及びフィンの表面を覆っていることが分かった。
合金Ｄについて、実施例１と同様の腐食試験を実施した結果、腐食減量は０．０００３ｍｇ／ｍ２ｓであった。
〔実施例５〕
表１に示す成分からなる合金Ｅを溶解し、ガスアトマイズ法で粉末ろう材を作製した。
次に、バインダーとしてポリ酢酸ビニルエマルジョンを使用した以外は実施例１と同様の方法で、ＳＵＳ３０４製のプレートに、この粉末ろう材を付着させた後、これをフィン、バーと積層し、１０９０℃で１０分間、１０−４ｔｏｒｒの真空中でろう付けしてプレート式熱交換器を完成した。
完成した熱交換器について、耐圧試験を行った結果、耐圧強度は６０ｋｇ／ｃｍ２であった。また、耐圧試験後の熱交換器を切断してろう材の流れを調べた結果、ろう材がプレート及びフィンの表面を覆っていることが分かった。
合金Ｅについて、実施例１と同様の腐食試験を実施した結果、腐食減量は０．０００４ｍｇ／ｍ２ｓであった。
〔実施例６〕
表１に示す成分からなる合金Ｆを溶解し、ガスアトマイズ法で粉末ろう材を作製した。
次に、バインダーとしてポリビニルピロリドン水溶液を使用した以外は、実施例１と同様の方法で、ＳＵＳ３０４製のプレートに、この粉末ろう材を付着させた後、これをフィン、バーと積層し、１０９０℃で１０分間、１０−４ｔｏｒｒの真空中でろう付けしてプレート式熱交換器を完成した。
完成した熱交換器について、耐圧試験を行った結果、耐圧強度は５９ｋｇ／ｃｍ２であった。また、耐圧試験後の熱交換器を切断してろう材の流れを調べた結果、ろう材がプレート及びフィンの表面を覆っていることが分かった。
合金Ｆについて、実施例１と同様の腐食試験を実施した結果、腐食減量は０．０００３ｍｇ／ｍ２ｓであった。
〔比較例１〕
表１に示す成分からなる合金Ｇを溶解し、ガスアトマイズ法で粉末ろう材を作製した。
次に、バインダーとしてポリビニルピロリドン水溶液を使用した以外は、実施例１と同様の方法で、ＳＵＳ３０４製のプレートに、この粉末ろう材を付着させた後、これをフィン、バーと積層し、１０８０℃で１０分間、１０−４ｔｏｒｒの真空中でろう付けしてプレート式熱交換器を完成した。
完成した熱交換器について、耐圧試験を行った結果、耐圧強度は３４ｋｇ／ｃｍ２であった。また、耐圧試験後の熱交換器を切断してろう材の流れを調べた結果、ろう材がプレート及びフィンの表面を覆っていることが分かった。
合金Ｇを溶解し、実施例１と同様の腐食試験を実施した結果、腐食減量は０．００２ｍｇ／ｍ２ｓであった。
〔比較例２〕
合金ＢＮｉ−７を溶解し、ガスアトマイズ法で粉末ろう材を作製した。
次に、実施例１と同様の方法で、ＳＵＳ３０４製のプレートに、この粉末ろう材を付着させた後、これをフィン、バーと積層し、１０８０℃で１０分間、１０−４ｔｏｒｒの真空中でろう付けしてプレート式熱交換器を完成した。
完成した熱交換器について、耐圧試験を行った結果、耐圧強度は３１ｋｇ／ｃｍ２であった。また、耐圧試験後の熱交換器を切断してろう材の流れを調べた結果、ろう材がプレート及びフィンの表面を覆っていることが分かった。
合金ＢＮｉ−７を溶解し、実施例１と同様の腐食試験を実施した結果、腐食減量は０．０１５ｍｇ／ｍ２ｓであった。
実施例１〜７及び比較例１〜２の試験結果を使用材料と共に、表２に示す。
0003893110.tif 000002
0003893110.tif 000003
以上の如く、本発明に従った実施例て得られたプレート式熱交換器は、耐圧強度及び耐腐食性に非常に優れたものとなった。
なお、本明細書において、％とあるのは、特に断らない限り、重量％を示す。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のプレート式熱交換器におけるプレートとフィンの状態を示す組立概念図である。
【図１】
0003893110.tif 000004