(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オフセット基板と、当該オフセット基板の上下表面全体にアモルファステープ形状のＮｉろう薄膜を真空ろう付けして形成された高強度ろう接反応層と、からなるろう材／基板／ろう材の三層構造体である矩形凹凸オフセットフィンプレート；及び
当該矩形凹凸オフセットフィンプレートにろう接されているセパレーター
を具備する、細密プレートフィン型熱交換器に使用するオフセットフィン。
【請求項２】
オフセット基板が厚さ０．１５ｍｍのＳＵＳ製基板である、請求項１に記載のオフセットフィン。
【請求項３】
オフセット基板の上下面全体にモルファステープ形状のＮｉろう薄膜を位置づけて、ろう材／基板／ろう材の三層構造体を形成し、
当該三層構造体を上部固定ダイと下部固定ダイに固定し、下部可動ダイで当該三層構造体を押し上げて上部固定ダイの切り欠き部に沿って変形させ、次いで、上部可動ダイで当該三層構造体を押し下げて下部固定ダイの切り欠き部に沿って変形させることを繰り返して矩形凹凸形状に加工して、矩形凹凸オフセットフィンプレートを形成し、
当該矩形凹凸オフセットフィンプレートの両側面にセパレーターを位置づけ、セパレーター／矩形凹凸オフセットフィンプレート／セパレーターからなる多段フィンを組み立て、
当該多段フィンを真空ろう付けして、当該矩形凹凸オフセットフィンプレートの表面全体に高強度のろう接反応層を形成する
ことを含む、細密プレート型熱交換器に使用するオフセットフィンの二層ろう接による積層構造強化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料を接合するろう接の技術に関し、特に、原子力産業及び一般工業分野において使用する細密プレートフィン型コンパクト熱交換器のろう接に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱交換器において、高い伝熱面密度と熱流束とが要求される場合には、プレートフィン型熱交換器が使用されてきた。また、例えば、ヘリウムガス冷却型高温ガス炉タービンシステムにおいて使用する再生熱交換器のように、特に高い熱交換能力を要する場合には、細密オフセットフィンを用いたプレートフィン型熱交換器の使用が考えられる。この細密プレートフィン型コンパクト熱交換器（図１）においては、一般に、従来のろう接技術ではろう接部強度があまり高くないため、耐圧性の確保が困難であるという問題がある。細密プレートフィンの強度試験を行うと、特に、細密プレートフィン側部（セパレーターと接合していない部分）において内圧による破壊がみられる（図２）ことが分かっている。
【０００３】
熱交換器の設計仕様において、更に、伝熱面積の拡大と熱交換器寸法の縮小とが要求される場合には、要求に応じてフィンを細密化する必要があり、フィンの部分厚みを極めて薄く設計せざるを得ないことから、フィン側部の強度を向上する必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１８１６８５号公報
【特許文献２】特開平０４−１４３０６６号公報
【特許文献３】特開平０２−１７２８７５号公報
【特許文献４】特開２０００−１０７８５７号公報
【特許文献５】特開２００１−３３０３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明は、細密プレートフィン型コンパクト熱交換器におけるろう接部の耐圧性の確保、細密プレートフィンの強度向上という従来技術の問題点を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記従来技術の問題点を解決するため、本発明者らは鋭意研究を行った結果、本発明を完成させた。
【０００７】
要するに、本発明は、プレートフィン型熱交換器に使用するオフセットフィンであって、ろう材／基材／ろう材の三層構造を有する矩形凹凸オフセットフィンプレートを用いることを特徴とする。本発明で用いる矩形凹凸オフセットフィンプレートは、オフセットフィン基板として０．１５ｍｍの薄板を用い、当該オフセットフィン基板の上下面にアモルファステープ形状のＮｉろう薄膜を位置づけて三層構造とした合板を矩形の組み立て治具を用いて凹凸形状に加工したものである（図３（ｂ））。本発明のオフセットフィンは、当該矩形凹凸オフセットフィンプレートを複数用い、当該矩形凹凸オフセットフィンプレート２枚の間にセパレーターを位置づけて当該矩形凹凸オフセットフィンプレートとセパレーターとをろう付けした多段フィンである（図３（ｂ））。したがって、当該多段フィンにおいて、矩形凹凸オフセットフィンプレートの全表面がろう付け層で被覆されていることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明は、上記のオフセットフィンを用いた高温耐圧構造を有するオフセットフィン型熱交換器を課題解決手段とする。
【０００９】
更に、本発明は、プレートフィン型熱交換器に使用するオフセットフィンの二層ろう接による積層構造強化方法であって、オフセットフィンプレートとしてＮｉろう材／基材／Ｎｉろう材の三層構造を有する矩形凹凸オフセットプレートを用い、前記プレートとセパレーターとの間に介在するＮｉろう材シートにより矩形凹凸オフセットプレートの全表面に高強度のろう接反応層を形成することにより母材を強化することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の三層構造の矩形凹凸オフセットプレートを具備するオフセットフィンを有する熱交換器を使用することにより、高温ガス炉ガスタービンシステムをよりコンパクトかつ高性能化することができ、プラントに経済的メリットが生まれる。また、本発明により、表２の条件でのガス／ガス熱交換が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、オフセットプレートフィン型熱交換器の概念図である。（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】図２は、積層構造を有する細密プレートフィン側部の強度試験の様子を示し、（ａ）は試験前、（ｂ）試験後の状態を示す図である。
【図３】図３は、本発明の二層ろう接法による三層構造の矩形凹凸オフセットプレートを具備するオフセットフィンを示す概念図であり、（ａ）は従来のろう接方法、（ｂ）は本発明によるろう接方法を示す。
【図４】図４は、二層ろう接によるフィン試験体の高温強度・疲労試験を示す図である。
【図５】図５は、三層薄板（ろう材／フィン材／ろう材）からの細密フィン加工手順（ダブルアクション法）の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、プレートフィン型熱交換器に使用するオフセットフィンであって、オフセットフィンプレートとしてろう材／基材／ろう材の三層構造を有する矩形凹凸オフセットプレートを用いる。矩形凹凸オフセットプレートは、オフセットフィン基板として０．１５ｍｍの薄板を用い、当該オフセットフィン基板の上下面にアモルファステープ形状のＮｉろう薄膜を位置づけて三層構造とした合板を矩形の組み立て治具を用いて凹凸形状に加工したものである。本発明のオフセットフィンは、当該矩形凹凸オフセットフィンプレートを複数用い、当該矩形凹凸オフセットフィンプレート２枚の間に１枚のセパレーターが位置するように当該矩形凹凸オフセットフィンプレートとセパレーターとをろう付けした多段フィンである。したがって、当該多段フィンにおいて、矩形凹凸オフセットフィンプレートの全表面がろう付け層で被覆されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明において、オフセットフィンプレート並びにプレートの材質は、運転温度、圧力等を考慮して許容されるものであればよく、例えばＳＵＳ製のものを使用することができ、その寸法は仕様に応じて設計すればよい。ろう材はＮｉろう材を用いることができる。
【００１４】
図３に、本発明の二層ろう接法によるオフセットフィン三層構造部を示す概念図を示す。（ａ）に示す従来のろう接方法では、図２に示す細密プレートフィン側部の強度試験のとおり、フィンプレートとセパレーターが接合していない部分（フィン側部）の強度が弱く強度試験による破断がみられたが、（ｂ）に示す本発明のフィンプレートの両面をろう接する二層ろう接法により、高温強度及び疲労強度が向上された三層構造体を実現することができた。
【実施例】
【００１５】
以下、実施例により本発明を説明するが本発明は実施例に限定されるものではない。
【００１６】
本実施例においては、三層構造強化オフセットフィン要素強度試験片を製作し、この試験片の高温強度・疲労試験を実施した。まず、製造手順を以下に示す。
【００１７】
（ア）三層構造フィンの製作・部品加工
図１に示すような構造のオフセットプレートフィン型熱交換器を作るため、ＳＵＳ３０４を用いて、表１に示す寸法の各部品を製作した。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
ここで特に重要なことは、オフセットフィン（コア）の三層構造化である。三層構造オフセットフィンを製作するためには、オフセットフィン基板として用いる０．１５ｍｍの薄板の上下面にＮｉろう薄膜（アモルファステープろう付けＭＢＦ２０（星電社製）、厚み３８μｍ）を敷き、この合板を図５に示すダブルパンチ法により、フィンを凸凹形状に折る。具体的には、図５において、まず上部固定ダイと下部固定ダイで合板を固定し（ａ→ｂ）、次いで、下部可動ダイで合板を押し上げて上部固定ダイの切り欠き部に沿って変形させ（ｂ→ｃ）、次いで、上部可動ダイで合板を押し下げて下部可動ダイの切り欠き部に沿って変形させ（ｃ→ｄ）、以後、同様の手順を繰り返すことにより凹凸形状を形成していく。この方法は、凸凹金型を用いて一回の作業でフィンを折る方法よりも、フィンの加工精度が高く、ろう薄膜の損傷が少ないため、三層構造合板の加工に有効である。
【００２０】
（イ）多段フィンの組み立て
矩形の組み立て治具を用いてプレートにろう材付、塞ぎ板（セパレーター）の順番でのせながら溶接固定し、その上に、凹凸形状を形成した三層構造フィンをのせた。次いで、同様に多段に積層し、治具で拘束しながら多段フィンの組み立てを行った。
【００２１】
（ウ）真空ろう付
多段フィンを拘束仮組した状態で真空炉に入れて真空度１×１０５ｔｏｒｒ、最高温度１，３２３〜１，３７３Ｋ、最高保持時間１０〜１５分間の処理条件により真空ろう付けを行った。
【００２２】
高温強度・疲労試験の結果を図４に示す。図中、クローズ（黒）シンボルは本発明による二層ろう接材、オープン（白）シンボルは従来材であり、○□印はそれぞれ強度と０．２％保証であり、破線は比較のためのＳＵＳ３０４母材である。図に示すように、高温強度についてはＳＵＳ３０４母材の約１．８倍の高温強度を達成した。
【００２３】
本発明にしたがって、ＳＵＳ３０４母材製フィン側壁部両面をＮｉろう材でろう接することにより、両面にＮｉベースの高強度のろう接反応層が形成され母材強化が図られた。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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