(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数積層されるプレートと、該各プレート間の各々に配設されるコルゲートフィンとを備えた熱交換器の製造方法であって、前記プレートと前記コルゲートフィンとの間にろう材を導入するとともに、真空炉内に円状に配列されたヒータの中心に前記熱交換器を配置し、前記各プレートと前記コルゲートフィンとの間の空間に、該空間に対し細径な複数の線状加熱手段を挿入し、前記ヒータと線状加熱手段とによって、真空炉内で前記コルゲートフィンが熱応力によって変形しない程度の温度上昇となるように徐々に前記ろう材を加熱して溶解させることで、前記プレートと前記コルゲートフィンとを接合することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項２】
複数積層されるプレートと、該各プレート間の各々に配設されるコルゲートフィンとを備えた熱交換器を製造する製造装置であって、真空炉内で前記熱交換器を中心に円状に配列されたヒータと、前記各プレート間の空間に対し細径とされ、該空間に複数挿入される線状加熱手段とを備え、前記プレートと前記コルゲートフィンとの間に導入されるろう材を前記ヒータと線状加熱手段とによって、真空炉内で前記コルゲートフィンが熱応力によって変形しない程度の温度上昇となるように徐々に加熱して溶解させることを特徴とする熱交換器の製造装置。
【請求項３】
前記線状加熱手段は、前記ろう材と反応しない高融点の材質により構成されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力発電所におけるタービン部等において利用される熱交換器の製造方法及び製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器としては、現今様々な形態のものが提案されているが、それらのうちの１つにプレートフィン型熱交換器とよばれるものがある。これは、図７に示すようなもので、複数の積層されるプレート１と、これらプレート１間の各々に配設されるコルゲートフィン２とにより概略構成されたものとなっている。なお、このとき垂直方向に互いに隣り合うコルゲートフィン２同士は、図に示すように直交する関係で設置されている。熱交換器には、この他、これらＸ及びＹ方向それぞれのコルゲートフィン２に対して流体の流通を実現するための図示しない流体導入口及び流体導出口が備えられている。
【０００３】
このような構造となるプレートフィン型熱交換器においては、Ｘ方向のコルゲートフィン２中に導入された流体とＹ方向のそれに導入された流体との間で熱交換が実現されるようになっている。すなわち例えば、Ｘ方向に高温流体が、Ｙ方向に低温流体が、それぞれ流れるようにされるのならば、Ｘ方向を流れる流体からＹ方向に流れる流体へと熱が与えられることになる。
【０００４】
ところで、このプレートフィン型熱交換器は、上記プレート１とコルゲートフィン２との間の接合が、通常、ろう付けにより行われるようになっている。すなわち、積層された各プレート１間において、当該プレート１の面とこれに対向するコルゲートフィン２の面との間にろう材を敷設し、これを何らかの加熱手段によって溶解させることで、プレート１とコルゲートフィン２との接合を果たすようになっている。なお、このろう付け作業は、通常、真空炉内にて実施される。
【０００５】
上記プレート１とコルゲートフィン２との接合は、プレートフィン型熱交換器の性能を規定する最も重要な製作工程のうちの一つである。というのは、コルゲートフィン２には、上述したように高温流体が流れることになるから、プレート１とコルゲートフィン２との間に未接合部等の欠陥が生じていると、その部分より高温流体が外部へと流出してしまう等の不具合が発生し、熱交換器としての機能を発揮することが不可能となる場合が考えられるからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のろう付け方法においては、以下のような問題点があった。すなわち、真空炉内での加熱は、従来、図８に示すように、当該真空炉内に円形に配設されたヒータＨにより行われていた。したがって、上記ろう付けは、その対象となる熱交換器を前記円内の中心付近に位置するように載置し、これを周囲より加熱することによって行われる。しかし、このような方法においては、熱交換器内方、つまり、ヒータＨより遠い場所に位置するろう材は十分に溶解されない場合が生じる。これはつまり、ヒータからの輻射熱が、その部分まで十分に到達しないからである。この結果、未接合部分等の欠陥を生成する可能性があった。
【０００７】
また、上記のような問題があるため、従来のろう付けにおいては、その時間を十分に長くとる必要があった。つまり、熱交換器のすべてのろう材が十分溶解するまで、当該熱交換器を真空炉内に長期間とどめておかなければならなかった。より具体的にいえば、一の熱交換器のろう付けを完了するまでに、従来においては約一週間程度の期間を要するものとなっていた。また、熱交換器が大型化すれば、この期間はさらに長めにとる必要があるのは当然である。さらに、その期間中は、基本的に、真空炉内の圧力を常に一定に保つ等の維持作業が必要であって、その相応分手間がかかることになる。これらのことから、結局、従来方法においては全般的に製作コストが高くかかってしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、プレートフィン型熱交換器において、プレートとコルゲートフィンとの間に敷設されるろう材を十分に溶解させ欠陥のない接合部を、低コストに得られるような熱交換器の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段をとった、すなわち、請求項１記載の熱交換器の製造方法は、複数積層されるプレートと、該各プレート間の各々に配設されるコルゲートフィンとを備えた熱交換器の製造方法であって、前記プレートと前記コルゲートフィンとの間にろう材を導入するとともに、真空炉内に円状に配列されたヒータの中心に前記熱交換器を配置し、前記各プレートと前記コルゲートフィンとの間の空間に、該空間に対し細径な複数の線状加熱手段を挿入し、前記ヒータと線状加熱手段とによって、真空炉内で前記コルゲートフィンが熱応力によって変形しない程度の温度上昇となるように徐々に前記ろう材を加熱して溶解させることで、前記プレートと前記コルゲートフィンとを接合することを特徴とするものである。
【００１０】
これによれば、各プレート間の空間に複数の線状加熱手段が挿入されることから、熱交換器の内方におけるろう材も十分に溶解することとなる。換言すれば、熱交換器全体に関して熱を均等に行き渡らせることが可能となる。また、上述した従来法のように、ヒータ輻射熱によって周囲より加熱するのではなく、いわば熱交換器の「内部」にも加熱源が備わっていることになるから、ろう材を十分に溶解させる時間も短縮されることになる。
【００１１】
また、請求項２記載の熱交換器の製造装置は、複数積層されるプレートと、該各プレート間の各々に配設されるコルゲートフィンとを備えた熱交換器を製造する製造装置であって、真空炉内で前記熱交換器を中心に円状に配列されたヒータと、前記各プレート間の空間に対し細径とされ、該空間に複数挿入される線状加熱手段とを備え、前記プレートと前記コルゲートフィンとの間に導入されるろう材を前記ヒータと線状加熱手段とによって、真空炉内で前記コルゲートフィンが熱応力によって変形しない程度の温度上昇となるように徐々に加熱して溶解させることを特徴とするものである。
【００１２】
この熱交換器の製造装置は、前記した請求項１記載の製造方法を適用するための最も適した構成となる製造装置であるということがいえる。すなわち、この製造装置は、プレートとコルゲートフィンとの間のろう材の溶解を十分に行い、未接合部分を生じさせない高品位な接合作業を実現できるとともに、その溶解時間も短くて済むという作用を有する製造装置であるといえる。
【００１３】
さらに、請求項３記載の熱交換器の製造装置は、前記線状加熱手段は、前記ろう材と反応しない高融点の材質により構成されていることを特徴とする。
【００１４】
これによれば、線状加熱手段がろう材と反応して癒着する等の不具合が発生しない。また、高融点材質であるから、プレートとコルゲートフィンとの間に線状加熱手段の溶解物等、すなわち不要な物質が混入するようなことがない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。図１は、プレートフィン型熱交換器及びその製造装置の概要を示す説明図である。なお、以下の説明において従来の技術等で参照した図面に付した符号であって、本実施形態においても同一の対象を指示するものについては、同一の符号を付して説明することとする。
【００１６】
プレートフィン型熱交換器は、図１に示すように、複数の積層されるプレート１と、これら各プレート１間の各々に配設されるコルゲートフィン２とから概略構成されたものとなっている。コルゲートフィン２は、前記プレート１間の各々一層おき毎に、そのそれぞれがＸ方向及びＹ方向を向くよう、互い違いになるように配置されている。すなわち、コルゲートフィン２は、垂直方向に隣り合うもの同士が互いに直交した関係となっている。これらコルゲートフィン２の各々においては、その両側端部２ａにおいてスペーサ７が設けられている。これはプレート１間の間隔を適正に保つことを目的として設けられているとともに、コルゲートフィン２中を流通する流体が熱交換器外に流出しないようにする「堰」としての働きを担うものである。
【００１７】
プレートフィン型熱交換器の各側面には、図示しない流体導入口及び流体導出口がそれぞれ設けられている。このうち、一方の対となる流体導入口及び流体導出口は、Ｘ方向に配向設置されたコルゲートフィン２に対して、流体の導入及び導出を行うためのものである。また、残る流体導入口及び流体導出口は、Ｙ方向に配向設置されたコルゲートフィン２に対して、同様に流体の導入及び導出を行うためのものである。コルゲートフィン２における流体は、当該コルゲートフィン２の流通孔２ｂ内を流通することになる。
【００１８】
流体導入口及び流体導出口には、そのそれぞれに図示しない配管等が接続される。そして、これら配管等を通して流体の供給が行われることによって、所望の流体がプレートフィン型熱交換器内において直交して流れることになり、熱交換が実現されることとなる。例えば、Ｘ方向に高温流体を、Ｙ方向に低温流体を、それぞれ流通させることとすれば、Ｘ方向の高温流体からＹ方向の低温流体に熱が与えられることになる。なお、本発明は、この流体として気体、液体のいずれかを規定するものではないが、例えば、このプレートフィン型熱交換器を原子力発電所におけるタービン部に設置するような場合においては、高温流体として蒸気、低温流体としてＨｅガス、をそれぞれ流通させるようなことが考えられる。
【００１９】
前記コルゲートフィン２の具体的な形態としては、図２に示すように、ストレートフィンタイプ２１とオフセットフィンタイプ２２との二つのタイプに一般的に大別できる。ストレートフィンタイプ２１は前記流通孔２ｂが直線的なものとなっているものであり、オフセットフィンタイプ２２は、図に示すように、流体の流通方向に垂直な方向にスリット２２ａが形成されて流通孔２ｂが断絶され、かつその断絶された流通孔２ｂが、流体流通方向において「ずれて（オフセットされて）」配置されるような形態となっているものである。つまり、この場合において流体は、直線的には流れずに蛇行しながら流れることになる。したがって、オフセットフィンタイプ２２では、流体が熱交換器を通過するに際して時間的、距離的により多くの他方の流体との接触機会を与えられていることになり、熱交換効率の向上が図られたものとなっている。これらのうち本実施形態においては、ストレートフィンタイプ２１を採用したものについての説明を中心に行うものとする。ただし、本発明は、これらストレートフィンタイプ２１、オフセットフィンタイプ２２のいずれを採用した熱交換器に対しても適用可能であって、本発明にとってその選択は本質的なものではない。このことについては、後に述べることとする。
【００２０】
このような構成となるプレートフィン型熱交換器は、図１に示すように、製作時において図示しない真空炉の中に載置される。真空炉は、ろう材が溶解した後にその酸化を防ぐために使用される。また、この真空炉の内部には、円状に配列された複数のカーボンヒータＨが設置されている。これらカーボンヒータＨは、真空炉外部に設置される図示しない加熱ヒータ電源と接続されている。プレートフィン型熱交換器は、これら円状に配列されたカーボンヒータＨにおけるその円の中心に位置するように載置されることになる。なおこの際、前記プレート１と前記コルゲートフィン２との間には、ろう材１０が敷設された状態とされる。ろう材１０は、図３に示すように、板状の形態であって融点の低いろう材本体１０ａと、このろう材本体１０ａの両面を挟むようにフラックス１０ｂとにより構成されたものとなっている。
【００２１】
さらに、プレートフィン型熱交換器を構成する各プレート１間の空間には、図に示すように、本発明の特徴となる複数の細径ヒータ（線状加熱手段）Ｐが挿入されている。より具体的にいえば、細径ヒータＰはコルゲートフィン２における前記流通孔２ｂ内に挿入されていることになる。本実施形態においては、これら細径ヒータＰが、プレートフィン型熱交換器における流通孔２ｂ全体中の半数において挿入された状態とする。ただし、本発明は当該流通孔２ｂに対して、何本の細径ヒータＰを挿入するかについて特に限定するものでない。
【００２２】
細径ヒータＰの材質としては、前記ろう材１０と反応しない高融点のものが選択されている。具体的には、図４の一部拡大図に示すように、ヒータメタルＰ１を核として、その周囲をＭｏ層で被覆したものとなっている。このような細径ヒータＰは、また、その断面直径ができるかぎり小さいものの方が好ましい。というのは、これがあまりに小さいと通電加熱に耐えられず、また、あまりに大きければ流通孔２ｂ内への挿入が困難となるからである。本実施形態では、この断面直径が約１ｍｍの細径ヒータＰを利用している。
【００２３】
ところでいま、コルゲートフィン２はストレートフィンタイプ２１であったから、流通孔２ｂは直線的であって上記細径ヒータＰの挿入は何ら問題なく行われる。また、コルゲートフィン２として上記オフセットタイプ２２を利用するような場合、すなわちスリット２２ａにより流通孔２ｂが断絶されそれが「ずれて」配置されているような場合、細径ヒータＰは図２に示すように、その「ずれ」に応じて斜めに挿入するようにすればよい。また、細径ヒータＰを、この「ずれ」量、つまりピッチが、流体流通方向に沿って一巡（一周期）するところの流通孔２ｂに通すようにして、当該細径ヒータＰを直線的に挿入するような方法をとってもよいことは当然である。
【００２４】
以上のような構成となるプレートフィン型熱交換器及びその製造装置においては、プレート１とコルゲートフィン２との接合が以下のようにして実施される。まず、真空炉内に、プレート１とコルゲートフィン２との間にろう材１０を予め敷設したプレートフィン型熱交換器を導入する。この際、コルゲートフィン２における流通孔２ｂ全体の半数に対して、前記細径ヒータＰを挿入しておくとともに、熱交換器における適当な位置に加熱温度計測用の熱電対を備えておく。そして、真空炉内が所望の真空度となるよう、真空排気ポンプ等を用いてその内部の圧力を下げる。
【００２５】
やがて、真空炉内の圧力が所望の値となったら、円形状に配置されたカーボンヒータＨ及び細径ヒータＰに対して通電を開始し、各ヒータＨ及びＰの温度を上昇させる。この通電は、加熱時間と加熱温度との関係が、図５に示すようなチャートを描くように調整して行う。すなわち、まず通電開始から１２時間までは、常温から徐々に温度が上昇するような加熱を行う。これはプレート１あるいはコルゲートフィン２が、急激な加熱による熱応力によって変形することを防止するためである。そして、加熱温度が1050℃に達した時点で、およそ１０〜１５分程度その状態を保持する。この後、先とは逆に、１２時間かけて再び常温となるまで徐冷を行う。プレート１とコルゲートフィン２との間のろう材１０は、この期間内に、各ヒータＨ及びＰから発せられる輻射熱によって溶解せしめられ、結果、プレート１とコルゲートフィン２との接合がなされることになる。
【００２６】
このように、本実施形態におけるプレートフィン型熱交換器の製造装置においては、コルゲートフィン２における流通孔２ｂに細径ヒータＰを挿入しておくことから、熱交換器に関するすべての領域で、均等な加熱を実施することが可能となる。つまり、真空炉内に配設されているヒータＨの輻射熱が十分届かないような、プレートフィン型熱交換器内方に位置するろう材１０も、すみやかに溶解されることになる。したがって、本実施形態においては、プレート１とコルゲートフィン２との間に、未接合部分等の欠陥が生じる可能性は極めて小さく、高品質な製品を製造することができる。
【００２７】
また、加熱が均等に行われるということによって、従来およそ一週間程度の加熱期間を必要としていたものが、上述したように約１日でその接合工程を完了できる。したがって、本実施形態によれば、製作コストの大幅な低減を達成することができる。
【００２８】
さらに、前記細径ヒータＰは、ろう材１０と反応しない高融点の材質により構成されていたから、プレート１とコルゲートフィン２との間に当該細径ヒータＰの溶解物等、すなわち不要な物質が混入して、その結合部分の信頼性をおとしめるような事態を発生させることがない。
【００２９】
以上要すれば、本実施形態におけるプレートフィン型熱交換器の製造装置及び製造方法によれば、プレート１とコルゲートフィン２との接合を、高品位にかつ低コストに実施することが可能となる。
【００３０】
なお、上記プレートフィン型熱交換器の構造に係る説明において、コルゲートフィン２をＸ方向及びＹ方向に向くように配置する旨の記載を行ったが、これらＸ方向、Ｙ方向という区別はあくまで相対的なものであって、どちらがより本質的かということは特に問題ではない。要するに、この熱交換器においては、Ｘ方向又はＹ方向から、Ｙ方向又はＸ方向へと、熱を与える又は奪うという作用が生じるものであるという認識で十分である。
【００３１】
また、このことに関連して、上記コルゲートフィン２はその垂直方向に隣り合うもの同士が互いに直交（Ｘ方向及びＹ方向）した関係となっている「直交流型」とされていたが、本発明は、このことに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、互いに隣り合うコルゲートフィン２が同一の方向（Ｙ方向）を向いているが、流体の流れが図中矢印Ｑに示すように互いに対向するようにされた、いわば「向流型」のプレートフィン型熱交換器においても、本発明は適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の熱交換器の製造方法は、線状加熱手段のによるろう材に対する加熱によって、熱交換器内方における前記ろう材も十分に溶解させることが可能となる。換言すれば、熱交換器全体に関して、加熱を均等に行うことが可能となる。したがって、プレートとコルゲートフィンとの間に、未接合部分等の欠陥を生じさせる可能性は極めて小さく、高品質な熱交換器を提供することができる。また、加熱期間を短縮することが可能となるから、製造に係る全体的なコストを削減することができる。
【００３３】
また、請求項２記載の熱交換器の製造装置によれば、前記した請求項１の製造方法を適用するのに最も適した構成となる製造装置であるということができる。すなわち、これは、プレートとコルゲートフィンとの間に欠陥が存在しない高品質な熱交換器を提供することができるとともに、製造コストを削減することができる製造装置であるということができる。
【００３４】
さらに、請求項３記載の熱交換器の製造装置によれば、前記線状加熱手段がろう材と反応しない高融点の材質により構成されているから、当該線状加熱手段がろう材と癒着する等の不具合が発生することなく、また、プレートとコルゲートフィンとの間に、不要な物質が混入するおそれがない。したがって、これによれば前記効果にも増して、プレートとコルゲートフィンとが高品位に接合された熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  プレートフィン型熱交換器及びその製造装置の構成を示す説明図である。
【図２】  コルゲートフィンの形態を示した斜視図である。
【図３】  ろう材の断面図である。
【図４】  プレート間に挿入された細径ヒータの詳細を示す拡大図である。
【図５】  加熱時間と加熱温度との関係を示すチャート図である。
【図６】  図１等に示すプレートフィン型熱交換器とは別形態となるものの斜視図である。
【図７】  プレートフィン型熱交換器を示す斜視図である。
【図８】  従来のプレートフィン型熱交換器の製造装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１  プレート
２  コルゲートフィン
１０  ろう材
Ｐ  細径ヒータ（線状加熱手段）
【図１】
0003752084.tif 000002
【図２】
0003752084.tif 000003
【図３】
0003752084.tif 000004
【図４】
0003752084.tif 000005
【図５】
0003752084.tif 000006
【図６】
0003752084.tif 000007
【図７】
0003752084.tif 000008
【図８】
0003752084.tif 000009