JP7004207B2 - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば給湯装置などの温水装置において、潜熱回収用途に用いるのに好適な熱交換器、およびその製造方法に関する。

熱交換器の具体例として、特許文献１，２に記載のものがある。
これらの文献に記載された熱交換器は、伝熱管と、この伝熱管を内部に収容し、かつ伝熱管がロウ付けされる側板部を有するケースとを備えている。伝熱管の材質は、フェライト系ステンレスである。ケースの材質は、オーステナイト系ステンレスである。
このような構成によれば、熱交換器によって燃焼ガスから潜熱回収を行なった際に発生する強酸性の凝縮水に対し、伝熱管およびケースの双方に好ましい耐食性をもたせることが可能である。また、伝熱管をオーステナイト系ステンレスよりも廉価なフェライト系ステンレス製としているため、熱交換器全体のコストが高価になることを抑制することも可能である。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

すなわち、熱交換器の製造コストを低減する上では、伝熱管のみならず、ケースについてもフェライト系ステンレス製とすることが望まれる。ところが、伝熱管およびケースの双方をフェライト系ステンレスとした場合には、ロウ付け用の熱処理時において、アルミやチタンの酸化膜が表層部に形成されるため、オーステナイト系ステンレスの場合よりもロウ濡れ性が劣るものとなる。このため、ロウ材を伝熱管の周囲の全周にわたって十分かつ適切に廻り込ませることができない事態を生じ、強度の高い適切なロウ付けが困難となる虞がある。
これを解消する手段としては、ケースの側板部を、たとえば特許文献３に記載されているようなロウ濡れ性を向上させたフェライト系ステンレス製にすることが考えられる。ただし、このステンレス鋼材は、高価である。また、ロウ濡れ性が過剰となって、ロウ材が必要な箇所に留まらないことによるロウ付け不良を生じる可能性がある。

特許第５７４２０７４号公報 特許第６０５１８４４号公報 特許第５７８８９４６号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、耐食性、ロウ付け性が良好であり、かつ製造コストの低減を図ることが可能な熱交換器、およびその製造方法を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される熱交換器は、伝熱管およびこの伝熱管を収容するケースを備え、このケースの側板部に、前記伝熱管がロウ付けされており、かつ前記伝熱管および前記側板部は、ともにアルミを含むフェライト系ステンレス製とされている、熱交換器であって、前記側板部の表層部は、ロウ付け指数Ｂが、６０～８２の範囲であり、前記ロウ付け指数Ｂは、アルミおよびチタンの含有量〔質量％〕をパラメータとする次の式、
Ｂ＝３．８×Ａｌ〔質量％〕＋１．７×Ｔｉ〔質量％〕
で求められる値であり、前記伝熱管は、その表層部にチタンを含有しており、前記側板部は、その表層部にチタンを含有せず、またはチタンの含有率が前記伝熱管の表層部のチタンの含有率よりも低くされていることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、ロウ付け指数Ｂは、後述する実施形態の内容から理解されるように、ロウ濡れ性を阻害するアルミおよびチタンの酸化膜（Ａｌ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂）の存在比を示すものであり、このロウ付け指数Ｂが、過小であると、ロウ濡れ性が過剰となり、また反対に大きいと、ロウ濡れ性が悪くなる。図５を参照して後述する試験のデータから理解されるように、側板部の表層部のロウ付け指数Ｂが、６０～８２の範囲である場合には、伝熱管との関係において適度なロウ濡れ性が得られることとなる。
このため、本発明によれば、伝熱管とケースの側板部とのロウ付け性をよくし、それらを適切かつ強固に接合することが可能である。また、伝熱管およびケースの側板部は、ともにフェライト系ステンレス製であるため、側板部をオーステナイト系ステンレス製としていた従来技術よりも製造コストを廉価にすることが可能である。好ましい耐食性をもたせることも可能である。

さらに、前記構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、チタンは、フェライト系ステンレスの耐食性をよくする一方、ロウ付け性を悪化させる。このため、チタンを表層部に含有する伝熱管については、ロウ付け性は多少悪化する可能性はあるものの、耐食性を良好なものとすることができる。伝熱管は、その内部に流体が流通する中空状であるため、側板部よりも優れた耐食性が求められるのが通常であるが、前記構成によれば、そのような条件に合致したものとなる。
一方、側板部の表層部は、チタンを含有せず、または伝熱管の表層部よりもチタンの含有率が低いため、側板部のロウ付け性をよくすることができる。このため、伝熱管がチタンを多く含有していることに起因してそのロウ付け性が悪化しているにも拘わらず、伝熱管と側板部とのロウ付け性が悪化しないようにすることが可能である。側板部は、伝熱管ほど優れた耐食性は求められないため、チタンの含有率が低く、側板部の耐食性が伝熱管よりも低いものとされていたとしても、とくに不具合はないものとすることが可能である。
なお、耐食性を高めるための元素としては、たとえばモリブデンがあるが、このモリブデンはかなり高価であるのに対し、チタンはそれよりも廉価である。したがって、経済性にも優れる。

本発明の第２の側面により提供される熱交換器の製造方法は、伝熱管およびこの伝熱管を収容するケースを備え、このケースの側板部に、前記伝熱管がロウ付けされており、かつ前記伝熱管および前記側板部は、ともにアルミを含むフェライト系ステンレス製とされている熱交換器を製造するための方法であって、前記側板部については、前記ロウ付けのための熱処理により、表層部のロウ付け指数Ｂを、６０～８２の範囲とし、前記ロウ付け指数Ｂは、アルミおよびチタンの含有量〔質量％〕をパラメータとする次の式、
Ｂ＝３．８×Ａｌ〔質量％〕＋１．７×Ｔｉ〔質量％〕
で求められる値であり、前記伝熱管は、その表層部にチタンを含有するものとする一方、前記側板部は、その表層部にチタンを含有せず、またはチタンの含有率が前記伝熱管の表層部のチタンの含有率よりも低いものとすることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される熱交換器について述べたのと同様な効果が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明が適用された熱交換器の一例を示し、（ａ）は、その平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIb－Ib断面図である。 図１に示す熱交換器のロウ付けを行なう際の熱処理工程の一例を示す説明図である。 ロウ流れ試験の仕方の一例を簡略的に示す斜視図である。 伝熱管の外周面全周にロウ材が廻り込む状態の説明図である。 熱交換器の側板部の複数の試料についての評価を示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示す熱交換器Ａは、給湯装置などに組み込まれて湯水加熱に用いられるものであって、潜熱回収用であり、その基本的な構造は、従来既知である。簡単に説明すると、この熱交換器Ａは、ケース１内に、蛇行状の複数の伝熱管２が収容され、かつこれらの伝熱管２の端部が、ケース１の側板部１１に設けられた貫通孔１２からその外側方に引き出されている。側板部１１には、入水用および出湯用のヘッダ部を構成する一対のヘッダ部材１４が取り付けられており、一方のヘッダ部材１４の入水口１４ａに供給された湯水は、複数の伝熱管２内に送り込まれ、かつ複数の伝熱管２を通過して加熱された湯水は、他方のヘッダ部材１４の出湯口１４ｂから外部に出湯する。

ケース１は、両端開口状のケース本体１０、およびその両端開口部を塞ぐ側板部１１，１１ａを備えており、ケース本体１０には、燃焼ガスの流入出を行なわせるための給気口１０ａおよび排気口１０ｂが設けられている。前記燃焼ガスとしては、たとえばガスバーナよって発生された燃焼ガスが用いられるが、この燃焼ガスは熱交換器Ａに供給される以前に他の熱交換器を用いて顕熱回収がなされたものとされる。このため、各伝熱管２は、前記燃焼ガスから潜熱回収を行なうこととなり、ＰＨ３程度の強酸性の凝縮水が発生する。

この熱交換器Ａにおいては、各伝熱管２の外周面と側板部１１の各貫通孔１２の周縁部とをロウ付けするロウ付け部ｂ１が設けられている。ロウ付け部ｂ１のロウ材として、ニッケル製のロウ材が用いられている。前記以外のロウ付け部として、たとえばケース本体１０と側板部１１，１１ａとのロウ付け部ｂ２，ｂ３などがある。各ヘッダ部材１４については、側板部１１にロウ付けすることも可能であるが、各所のロウ付けを終えた後に、側板部１１に溶接する構成とすることもできる。伝熱管２には、たとえばこの伝熱管２に接続された配管部において発生したウォータハンマの衝撃が作用する場合があるなどの理由から、伝熱管２と側板部１１とのロウ付け部ｂ１の強度を高くする必要性はとくに高いと言える。

ケース１の全体、および伝熱管２は、ともにフェライト系ステンレスである。
伝熱管２の材質は、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＳ４４５ＪＩである。伝熱管２の表層部には、後述するロウ付け用の熱処理により、チタン濃度が２５％〔カチオン原子％〕以上のチタン酸化膜が形成されている。このチタン酸化膜は、ＰＨ３程度の強酸性に対しても優れた耐食性をもつ。
一方、ケース１は、脱酸素材としてのアルミを含む材質であるが、その詳細については、後述する。

ロウ付け部ｂ１などの熱交換器Ａの各部のロウ付けは、たとえば図２に示すような条件の熱処理により行なわれる。
図２に示す熱処理は、加熱炉として真空炉を使用しており、加熱炉内に図１に示した熱交換器Ａが搬入されて行なわれる。加熱条件としては、加熱炉内の温度を徐々に上昇させて１０００℃に達すると、その後１０００℃～１２００℃の範囲の加熱状態を約１２０分にわたって維持し、その後は加熱を停止して加熱炉内において徐冷する。一方、加熱温度が９００℃以上の温度域にある際には、加熱炉内を、１０^-2～１０^-3Ｐａの真空雰囲気に維持する。加熱停止時に伴って真空雰囲気状態を解除する際には、加熱炉内に不活性ガスを充填する。
なお、加熱炉としては、真空炉に代えて、水素炉を用いることも可能である。水素炉を用いる場合、加熱温度が９００℃以上の温度域にある際に、露点温度が－８０～２０℃の水素雰囲気に維持することにより、前記熱処理と同様な結果が得られる。

ケース１のうち、少なくとも側板部１１は、前記したロウ付け用の熱処理により、その表層部のロウ付け指数Ｂが、６０～８２の範囲内のものとされている。
ロウ付け指数Ｂは、アルミおよびチタンの含有量〔質量％〕をパラメータとする次の式１で求められる値である。
Ｂ＝３．８×Ａｌ〔質量％〕＋１．７×Ｔｉ〔質量％〕 …式１

ロウ付け指数Ｂは、次のような意義をもつ。
すなわち、前記したロウ付け用の熱処理時においては、側板部１１の表層部のアルミおよびチタンは、全て酸化物としてのＡｌ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂として存在するが、これらは、ロウ濡れ性を低くする要因である。
ここで、Ａｌ₂Ｏ₃について考察すると、アルミ（原子量２７）の１原子から１／２のＡｌ₂Ｏ₃（分子量５１）が生成する。このため、これら原子量および分子量の比率は、１：３．８となる。したがって、アルミの表層元素分析値を×３．８とすることで、Ａｌ₂Ｏ₃の存在比率が求められる。
同様に、ＴｉＯ₂の場合、チタン（原子量４８）の１原子からＴｉＯ₂（分子量８０）が生成するので、これら原子量および分子量の比率は、１：１．７となる。したがって、チタンの表層元素分析値を×１．７とすることで、ＴｉＯ₂の存在比率を求めることができる。
式１により求められるロウ付け指数Ｂは、ロウ濡れ性を低くするＡｌ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂の存在比を示すものである。

本件発明者らは、フェライト系ステンレス製の側板部１１の試料として、複数の試料を使用し、ロウ流れ試験、伝熱管２へのロウ付け、および耐食性（耐酸性）の確認を種々行なった。その一部のデータを、図５に示す。

図５において、試料Ｓ１～Ｓ６は、いずれも図２を参照して説明した熱処理を終えた後のものであり、これらの表層部におけるアルミ、チタンの含有量〔質量％〕は、図５に示すとおりである。これら以外の他の元素は、ロウ付け性に余り影響を与えないため、その記載は省略する。
図５における試料Ｓ１～Ｓ６のロウ付け指数Ｂは、前記した式１を用いて算出したものである。

図５におけるロウ流れ距離は、図３に示すような手法で行なわれた。すなわち、図３において、伝熱管２と同材質のフェライト系のステンレス鋼板２Ａ上に、板状の試料Ｓ１～
Ｓ６を１つずつ載せ、かつステンレス鋼板２Ａの上面と試料Ｓ１～Ｓ６のそれぞれの側面とが交差する箇所に、ニッケル製のロウ材３を載置する。この状態で、ロウ材３を加熱し、この加熱溶融ロウ材が流れる距離を測定する。

図５におけるロウ付けの可否は、試料Ｓ１～Ｓ６のそれぞれに伝熱管２を実際に貫通させた上で、これらのロウ付けを実際に行ない、その結果の可否を判断したものである。伝熱管２は、たとえば外径が８ｍｍの丸パイプ状であり、試料Ｓ１～Ｓ６は、板厚が０．５ｍｍの板状である。ロウ付けは、図４において、伝熱管２の上側にロウ材３を載せた状態において、加熱炉により伝熱管２および試料Ｓ１～Ｓ６を加熱した。溶融したロウ材３が伝熱管２の外周面の全周にわたって適切に廻り込むか否かなどを観察した。

図５における耐食性は、試料Ｓ１～Ｓ６がＰＨ３程度の強酸性に対する十分な耐食性を有するか否かを一定の基準で判断したものである。

図５の試験結果を考察すると、試料Ｓ１～Ｓ６のうち、試料Ｓ２～Ｓ５が、伝熱管２との関係において良好なロウ付け性を示しており、これらのロウ付け指数Ｂは、６０～８２の範囲内である。
試料Ｓ１は、ロウ濡れ性を阻害するＡｌ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂の存在比が他と比較して小さく、ロウ付け指数Ｂは１である。この試料Ｓ１においては、ロウ流れ距離が長いことからも理解されるように、ロウ濡れ性が過剰となり、ロウ付け試験では、溶融したロウ材が過剰に下方に流れてロウ付け不良を生じた。
試料Ｓ６は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂の存在比が大きく、ロウ付け指数Ｂは１４７である。この試料Ｓ６においては、ロウ流れ距離が極端に短いことからも理解されるように、ロウ濡れ性が悪く、ロウ付け試験ではロウ付け不良を生じた。

以上のことから、側板部１１のロウ付け指数Ｂを、６０～８２の範囲にすれば、側板部１１と伝熱管２とのロウ付け性を良好なものにし得ることが理解できる。なお、試料Ｓ４は、チタンを含有していないため、チタンを含有する他の試料と比較すると、耐食性が相対的に劣るものとなるが、側板部１１は、伝熱管２とは異なり、内部に流体を流通させる中空状ではないため、この側板部１１に要求される耐食性はやや低い。したがって、試料Ｓ４を、側板部１１の材質として選択することは許容される。

好ましくは、伝熱管２は、その表層部にチタンを含有するフェライト系ステンレス製とされ、耐食性が高いものとされる。チタンは、ロウ濡れ性を悪化させるが、耐食性を向上させる。これに対し、側板部１１は、その表層部にチタンを含有せず、またはチタンの含有率が伝熱管２よりも低いフェライト系ステンレス製とされる。伝熱管２が多くのチタンを含有し、そのロウ濡れ性が悪化したとしても、側板部１１のチタン含有率を低くし、この側板部１１のロウ濡れ性を良好なものとすることにより、伝熱管２と側板部１１とのロウ付け性を良好なものにすることが可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る熱交換器の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。本発明に係る熱交換器の製造方法の各工程の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に変更自在である。

熱交換器のケースの側板部は、その表層部のロウ付け指数Ｂが、本発明の意図する所定の範囲内にあるフェライト系ステンレス製であればよく、前記した試料Ｓ２～Ｓ５とは異なる成分とすることもできる。一方、伝熱管は、フェライト系ステンレスであればよく、ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４５ＪＩ以外の材質とすることができる。熱交換器は、給湯装置用のものに限定されない。

Ａ 熱交換器
１ ケース
１１ 側板部
２ 伝熱管

Claims (2)

1. 伝熱管およびこの伝熱管を収容するケースを備え、このケースの側板部に、前記伝熱管がロウ付けされており、かつ前記伝熱管および前記側板部は、ともにアルミを含むフェライト系ステンレス製とされている、熱交換器であって、
   前記側板部の表層部は、ロウ付け指数Ｂが、６０～８２の範囲であり、
   前記ロウ付け指数Ｂは、アルミおよびチタンの含有量〔質量％〕をパラメータとする次の式、
   Ｂ＝３．８×Ａｌ〔質量％〕＋１．７×Ｔｉ〔質量％〕
   で求められる値であり、
   前記伝熱管は、その表層部にチタンを含有しており、
   前記側板部は、その表層部にチタンを含有せず、またはチタンの含有率が前記伝熱管の表層部のチタンの含有率よりも低くされていることを特徴とする、熱交換器。
2. 伝熱管およびこの伝熱管を収容するケースを備え、このケースの側板部に、前記伝熱管がロウ付けされており、かつ前記伝熱管および前記側板部は、ともにアルミを含むフェライト系ステンレス製とされている熱交換器を製造するための方法であって、
   前記側板部については、前記ロウ付けのための熱処理により、表層部のロウ付け指数Ｂを、６０～８２の範囲とし、
   前記ロウ付け指数Ｂは、アルミおよびチタンの含有量〔質量％〕をパラメータとする次の式、
   Ｂ＝３．８×Ａｌ〔質量％〕＋１．７×Ｔｉ〔質量％〕
   で求められる値であり、
   前記伝熱管は、その表層部にチタンを含有するものとする一方、
   前記側板部は、その表層部にチタンを含有せず、またはチタンの含有率が前記伝熱管の表層部のチタンの含有率よりも低いものとすることを特徴とする、熱交換器の製造方法。

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