熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材
【課題】各部品の隙間にバラつきが存在していても、全ての部品の接触部間を確実にろう付け固定できるとともに、ろう付け後のフィレット部の耐食性が高く、一定以上の強度を有するステンレス製熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材を提供する。
【解決手段】重量％で、Ｃｕが５〜１５％、Ｃｒが２０〜３０％、Ｓｉが３〜５％、Ｐが３〜６％、残部がＮｉと不可避不純物よりなる熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材を用いる。各隙間にろう材が浸透するとともに、その隙間にろう材を保持して流れ出ることがなく、信頼性の高い熱交換器を提供できる。また、ろう材のフィレット部の耐食性が高く、高温で繰り返し温度変化の起こる熱交換器を永続的に使用しうる。さらに融点が比較的低いので、ろう付け時の母材の材料劣化を効果的に防止できる。
【解決手段】重量％で、Ｃｕが５〜１５％、Ｃｒが２０〜３０％、Ｓｉが３〜５％、Ｐが３〜６％、残部がＮｉと不可避不純物よりなる熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材を用いる。各隙間にろう材が浸透するとともに、その隙間にろう材を保持して流れ出ることがなく、信頼性の高い熱交換器を提供できる。また、ろう材のフィレット部の耐食性が高く、高温で繰り返し温度変化の起こる熱交換器を永続的に使用しうる。さらに融点が比較的低いので、ろう付け時の母材の材料劣化を効果的に防止できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス製熱交換器に用いられるＮｉ−Ｃｕ系ろう材に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材はろう付け時の濡れ性がよく、比較的安価である特徴がある。このようなろう材として、下記特許文献１の「ステンレス鋼用ろう材」、特許文献２の「金属ロウ」、特許文献３の「Ｎｉ基耐熱ろう材」、その他が知られている。
文献１のろう材は、３０〜７０％のＣｕと、５〜２０％Ｓｎとを含み、残部をＮｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする。また文献２は、Ｎｉ５〜４０％、Ｃｒ２〜２０％、Ｃｕ２０〜６０％、残部が２５％以上のＰｄと不可避的な不純物とからなることを特徴とする。
さらには、文献３の「ぬれ性・耐食性に優れたＮｉ基耐熱ろう材」は、Ｃｒを１０〜３０％、Ｐを２〜１１％、Ｓｉを１〜１０％でＰ＋Ｓｉの合計が１０〜１３％含み、Ｃｕを１％以下含み、残部はＮｉおよび７％以下の不純物を含むろう材が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２８５８８８号公報
【特許文献２】特開昭５４−１０９０９４号公報
【特許文献３】特許第３１６８１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者の経験によれば、一例として図１に示すＥＧＲクーラ（排気ガス再循環装置用冷却器）のごとく、多数の部品の組合せ体からなる熱交換器は、その接触部の隙間が各部でバラつきがあり、炉内での一体ろう付けが難しいものである。
この例の熱交換器は、多数のチューブ５とチューブプレート６とケーシング８と一対のタンク７（一方側を省略）とを有し、それぞれステンレス鋼材料よりなる。そして、各チューブ５の外面には多数のディンプル４が突設され、そのチューブ５の内部に波形に曲折されたフィン３が挿入されていると共に、そのチューブ５の両端部がチューブプレート６のチューブ挿通孔に挿通されてコアを構成する。このとき、隣り合うチューブ５のディンプル４は互いに接触する。このようなコアの外周にケーシング８を被嵌する。
【０００５】
このケーシング８には、その長手方向両端部に膨出部12が設けられ、その膨出部12にそれぞれパイプ9,10が突設されている。そして、チューブプレート６の周縁またはケーシング８の両端開口に一対のタンク７を被嵌し、各部品の接触部間には粉末状のろう材がバインダーとともに付着され、高温の炉内で一体的にろう付け固定されて熱交換器を完成する。そして、高温の排ガス11が一方のタンクからコアの各チューブ５内に導かれ、他方タンク７からそれが流出する。また、冷却水13が一方のパイプ９からケーシング８内に導かれ、排ガス11との間で熱交換され、他方のパイプ10より流出するものである。
【０００６】
このように組立てられる、ろう付け前の各部品の隙間は必ずしも一定ではなく、大小の各隙間が存在する。その隙間が比較的大きいと溶融したろう材はそこから流れ出してしまい、ろう付け不良を起こすことがある。また、隙間が極めて小さい場合には、溶融ろう材がその隙間に十分浸透できないことがあり、その場合にもろう付け不良が起こる。
そこで本発明は、各部品の隙間にバラつきが存在していても、全ての部品の接触部間を確実にろう付け固定できるとともに、ろう付け後のフィレット部の耐食性が高く且つ、一定以上の強度を有するＮｉ−Ｃｕ系ろう材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明は、重量％で、Ｃｕが５〜１５％、Ｃｒが２０〜３０％、Ｓｉが３〜５％、Ｐが３〜６％、残部がＮｉと不可避不純物よりなる熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材である。
請求項２に記載の本発明は、上記構成において、Ｐが５〜６％よりなる熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材によれば、特にろう材の濡れ性が３．０〜８．０の範囲にあるため、多数の部品と、多数のろう付け部を有する熱交換器において、各隙間にろう材が浸透するとともに、その隙間にろう材を保持して流れ出ることがない。それによって、信頼性の高い熱交換器を提供できる。また、ろう材のフィレット部の耐食性が高く、高温で繰り返し温度変化の起こる熱交換器を永続的に使用しうる。
また、請求項２に記載の発明によれば、融点が比較的低いので、ろう付け時の母材の材料劣化を効果的に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者の実験によれば、多数の部品の組立て体からなる熱交換器において、各部品の接触部の隙間が異なっていても、ろう材がその隙間に浸透し且つ、その隙間に保持されるためのろう材の濡れ性は、次の範囲であることが分かった。
即ち、粉末状のろう材（バインダーで練合せたもの）をステンレス鋼表面に円形に広げ、１１５０℃に加熱したとき、そのろう材の広がり直径の平均が元の直径の３．０〜８．０の範囲であれば、良好なろう付けが可能であることが分かった。この範囲であれば、ろう付け時に溶融したろう材が極めて小さな隙間にも浸透するとともに、比較的大きな隙間であっても、ろう材がそこから流出することなく、ろう材がその表面張力により保持される。それによって、通常起こり得る、熱交換器の各部品間のあらゆる隙間に対処できるものとなる。そこで、本発明のろう材はその濡れ性として、上記範囲を採用する。
【００１０】
また、本発明が使用されるステンレス製熱交換器のごとく、比較的高温の流体と冷却水とが熱交換を行うものにおいては、ろうフィレット部の耐食性が極めて高いものが求められる。本発明者は、実際の熱交換器の使用条件を考慮し、交互侵食腐食試験を行った。
即ち、ろう材フィレットのサンプルを腐食液に浸漬した後、昇温し、次いで空冷し、再度腐食液に浸漬し、同様のことを繰り返し実験を行い、ろうフィレット部の侵食深さを測定した。本発明者の各種他の実験から、その侵食深さが６０μｍ以下であれば、ろう材の適正な侵食限度とした。
【００１１】
〔実験例〕
Ｃｕ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｐの各成分を適宜範囲で換え、その濡れ性とフィレット部の耐食性を測定した。その結果が表１の通りである。
【００１２】
【表１】
【００１３】
同表において、No.１〜No.１２のＮｉ−Ｃｕ系合金がステンレス製熱交換器用として最適なものである。これは、Ｃｕが５％〜１５％、Ｃｒが２０〜３０％、Ｓｉが３〜５％、Ｐが３〜６％であり、残りがＮｉである。この範囲にあるろう材は濡れ性が３．０〜８．０の範囲に入るとともに、耐食性が６０μｍ以下に維持されている。
これに対し、Ｃｕが２０％を超える（No.１３合金〜No.２１合金）と、ろうフィレット部の耐食性が極めて悪くなる。また、Ｃｕが３％以下（No.２８合金〜No.３６合金）になると、表１のごとく濡れ性が悪くなり、極めて小さな隙間にはろう材が浸透し難い欠点がある。
【００１４】
また、Ｃｒにおいては３０％を超えると（No.２２合金）濡れ性が悪くなり、それが１８％以下ではろうフィレット部の耐食性が悪化する。また、Ｓｉにおいては５％を超えると（No.２４合金）濡れ性が良くなりすぎ、熱交換器の比較的大きな隙間に保持されず、ろう材が流出してしまうおそれがある。また、Ｓｉが３％に満たないと（No.２５合金）濡れ性が悪く、ろう材が小さな隙間に浸透し得ないおそれがある。次に、Ｐについては６％を超えると(No.２６合金）濡れ性が良くなりすぎて、熱交換器の比較的大きな隙間に、ろう材が保持されず、それが流出してしまうおそれがある。またそれが３％満たないと（No.２７合金）濡れ性が悪くなり、小さな隙間に浸透できないおそれがある。
【００１５】
次に、前記実施例合金No.１〜No.１２の各ろう材において、ＥＧＲクーラのエレメントを製作し、繰り返し加圧試験を行い、いずれも異常が認められなかった。さらに、ろう付けされたサンプル品を常温における剪断強さの実験を行った結果は、ＳＵＳ３０４において５％Ｃｕの場合、１２４（Ｎ／ｍｍ２）、１５％Ｃｕにおいて１３６（Ｎ／ｍｍ２）であり、公知のろう材ＢＮi-５（Ｃｒ１８．５〜１９．５％、Ｓｉ９．７５〜１０．５％、Ｃ ０．０６％、残部Ｎｉ）の１５０（Ｎ／ｍｍ２）と同等のレベルであった。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のろう材が使用される熱交換器の一部破断要部斜視図。
【符号の説明】
【００１７】
３ フィン
４ ディンプル
５ チューブ
６ チューブプレート
７ タンク
８ ケーシング
９ パイプ
10 パイプ
11 排ガス
12 膨出部
13 冷却水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス製熱交換器に用いられるＮｉ−Ｃｕ系ろう材に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材はろう付け時の濡れ性がよく、比較的安価である特徴がある。このようなろう材として、下記特許文献１の「ステンレス鋼用ろう材」、特許文献２の「金属ロウ」、特許文献３の「Ｎｉ基耐熱ろう材」、その他が知られている。
文献１のろう材は、３０〜７０％のＣｕと、５〜２０％Ｓｎとを含み、残部をＮｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする。また文献２は、Ｎｉ５〜４０％、Ｃｒ２〜２０％、Ｃｕ２０〜６０％、残部が２５％以上のＰｄと不可避的な不純物とからなることを特徴とする。
さらには、文献３の「ぬれ性・耐食性に優れたＮｉ基耐熱ろう材」は、Ｃｒを１０〜３０％、Ｐを２〜１１％、Ｓｉを１〜１０％でＰ＋Ｓｉの合計が１０〜１３％含み、Ｃｕを１％以下含み、残部はＮｉおよび７％以下の不純物を含むろう材が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２８５８８８号公報
【特許文献２】特開昭５４−１０９０９４号公報
【特許文献３】特許第３１６８１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者の経験によれば、一例として図１に示すＥＧＲクーラ（排気ガス再循環装置用冷却器）のごとく、多数の部品の組合せ体からなる熱交換器は、その接触部の隙間が各部でバラつきがあり、炉内での一体ろう付けが難しいものである。
この例の熱交換器は、多数のチューブ５とチューブプレート６とケーシング８と一対のタンク７（一方側を省略）とを有し、それぞれステンレス鋼材料よりなる。そして、各チューブ５の外面には多数のディンプル４が突設され、そのチューブ５の内部に波形に曲折されたフィン３が挿入されていると共に、そのチューブ５の両端部がチューブプレート６のチューブ挿通孔に挿通されてコアを構成する。このとき、隣り合うチューブ５のディンプル４は互いに接触する。このようなコアの外周にケーシング８を被嵌する。
【０００５】
このケーシング８には、その長手方向両端部に膨出部12が設けられ、その膨出部12にそれぞれパイプ9,10が突設されている。そして、チューブプレート６の周縁またはケーシング８の両端開口に一対のタンク７を被嵌し、各部品の接触部間には粉末状のろう材がバインダーとともに付着され、高温の炉内で一体的にろう付け固定されて熱交換器を完成する。そして、高温の排ガス11が一方のタンクからコアの各チューブ５内に導かれ、他方タンク７からそれが流出する。また、冷却水13が一方のパイプ９からケーシング８内に導かれ、排ガス11との間で熱交換され、他方のパイプ10より流出するものである。
【０００６】
このように組立てられる、ろう付け前の各部品の隙間は必ずしも一定ではなく、大小の各隙間が存在する。その隙間が比較的大きいと溶融したろう材はそこから流れ出してしまい、ろう付け不良を起こすことがある。また、隙間が極めて小さい場合には、溶融ろう材がその隙間に十分浸透できないことがあり、その場合にもろう付け不良が起こる。
そこで本発明は、各部品の隙間にバラつきが存在していても、全ての部品の接触部間を確実にろう付け固定できるとともに、ろう付け後のフィレット部の耐食性が高く且つ、一定以上の強度を有するＮｉ−Ｃｕ系ろう材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明は、重量％で、Ｃｕが５〜１５％、Ｃｒが２０〜３０％、Ｓｉが３〜５％、Ｐが３〜６％、残部がＮｉと不可避不純物よりなる熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材である。
請求項２に記載の本発明は、上記構成において、Ｐが５〜６％よりなる熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材によれば、特にろう材の濡れ性が３．０〜８．０の範囲にあるため、多数の部品と、多数のろう付け部を有する熱交換器において、各隙間にろう材が浸透するとともに、その隙間にろう材を保持して流れ出ることがない。それによって、信頼性の高い熱交換器を提供できる。また、ろう材のフィレット部の耐食性が高く、高温で繰り返し温度変化の起こる熱交換器を永続的に使用しうる。
また、請求項２に記載の発明によれば、融点が比較的低いので、ろう付け時の母材の材料劣化を効果的に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者の実験によれば、多数の部品の組立て体からなる熱交換器において、各部品の接触部の隙間が異なっていても、ろう材がその隙間に浸透し且つ、その隙間に保持されるためのろう材の濡れ性は、次の範囲であることが分かった。
即ち、粉末状のろう材（バインダーで練合せたもの）をステンレス鋼表面に円形に広げ、１１５０℃に加熱したとき、そのろう材の広がり直径の平均が元の直径の３．０〜８．０の範囲であれば、良好なろう付けが可能であることが分かった。この範囲であれば、ろう付け時に溶融したろう材が極めて小さな隙間にも浸透するとともに、比較的大きな隙間であっても、ろう材がそこから流出することなく、ろう材がその表面張力により保持される。それによって、通常起こり得る、熱交換器の各部品間のあらゆる隙間に対処できるものとなる。そこで、本発明のろう材はその濡れ性として、上記範囲を採用する。
【００１０】
また、本発明が使用されるステンレス製熱交換器のごとく、比較的高温の流体と冷却水とが熱交換を行うものにおいては、ろうフィレット部の耐食性が極めて高いものが求められる。本発明者は、実際の熱交換器の使用条件を考慮し、交互侵食腐食試験を行った。
即ち、ろう材フィレットのサンプルを腐食液に浸漬した後、昇温し、次いで空冷し、再度腐食液に浸漬し、同様のことを繰り返し実験を行い、ろうフィレット部の侵食深さを測定した。本発明者の各種他の実験から、その侵食深さが６０μｍ以下であれば、ろう材の適正な侵食限度とした。
【００１１】
〔実験例〕
Ｃｕ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｐの各成分を適宜範囲で換え、その濡れ性とフィレット部の耐食性を測定した。その結果が表１の通りである。
【００１２】
【表１】
【００１３】
同表において、No.１〜No.１２のＮｉ−Ｃｕ系合金がステンレス製熱交換器用として最適なものである。これは、Ｃｕが５％〜１５％、Ｃｒが２０〜３０％、Ｓｉが３〜５％、Ｐが３〜６％であり、残りがＮｉである。この範囲にあるろう材は濡れ性が３．０〜８．０の範囲に入るとともに、耐食性が６０μｍ以下に維持されている。
これに対し、Ｃｕが２０％を超える（No.１３合金〜No.２１合金）と、ろうフィレット部の耐食性が極めて悪くなる。また、Ｃｕが３％以下（No.２８合金〜No.３６合金）になると、表１のごとく濡れ性が悪くなり、極めて小さな隙間にはろう材が浸透し難い欠点がある。
【００１４】
また、Ｃｒにおいては３０％を超えると（No.２２合金）濡れ性が悪くなり、それが１８％以下ではろうフィレット部の耐食性が悪化する。また、Ｓｉにおいては５％を超えると（No.２４合金）濡れ性が良くなりすぎ、熱交換器の比較的大きな隙間に保持されず、ろう材が流出してしまうおそれがある。また、Ｓｉが３％に満たないと（No.２５合金）濡れ性が悪く、ろう材が小さな隙間に浸透し得ないおそれがある。次に、Ｐについては６％を超えると(No.２６合金）濡れ性が良くなりすぎて、熱交換器の比較的大きな隙間に、ろう材が保持されず、それが流出してしまうおそれがある。またそれが３％満たないと（No.２７合金）濡れ性が悪くなり、小さな隙間に浸透できないおそれがある。
【００１５】
次に、前記実施例合金No.１〜No.１２の各ろう材において、ＥＧＲクーラのエレメントを製作し、繰り返し加圧試験を行い、いずれも異常が認められなかった。さらに、ろう付けされたサンプル品を常温における剪断強さの実験を行った結果は、ＳＵＳ３０４において５％Ｃｕの場合、１２４（Ｎ／ｍｍ２）、１５％Ｃｕにおいて１３６（Ｎ／ｍｍ２）であり、公知のろう材ＢＮi-５（Ｃｒ１８．５〜１９．５％、Ｓｉ９．７５〜１０．５％、Ｃ ０．０６％、残部Ｎｉ）の１５０（Ｎ／ｍｍ２）と同等のレベルであった。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のろう材が使用される熱交換器の一部破断要部斜視図。
【符号の説明】
【００１７】
３ フィン
４ ディンプル
５ チューブ
６ チューブプレート
７ タンク
８ ケーシング
９ パイプ
10 パイプ
11 排ガス
12 膨出部
13 冷却水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃｕが５〜１５％、Ｃｒが２０〜３０％、Ｓｉが３〜５％、Ｐが３〜６％、残部がＮｉと不可避不純物よりなる熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材。
【請求項２】
Ｐが５〜６％である請求項１に記載の熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材。
【請求項１】
重量％で、Ｃｕが５〜１５％、Ｃｒが２０〜３０％、Ｓｉが３〜５％、Ｐが３〜６％、残部がＮｉと不可避不純物よりなる熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材。
【請求項２】
Ｐが５〜６％である請求項１に記載の熱交換器用Ｎｉ−Ｃｕ系ろう材。
【図１】
【公開番号】特開２００９−２０２１９８（Ｐ２００９−２０２１９８Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４６４６６（Ｐ２００８−４６４６６）
【出願日】平成２０年２月２７日（２００８．２．２７）
【出願人】（０００２２２４８４）株式会社ティラド (289)
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２７日（２００８．２．２７）
【出願人】（０００２２２４８４）株式会社ティラド (289)
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