JP2005098617A

JP2005098617A - Laminated structure strengthening method by two-layer brazing and soldering

Info

Publication number: JP2005098617A
Application number: JP2003333509A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Ishiyama; 新太郎石山
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: JP4423400B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To secure the pressure resistance of a brazing and soldering part of a minute plate fin type compact heat exchanger, and to solve a problem of conventional technology by improving the strength of the minute plate fin. <P>SOLUTION: In an offset fin used in the plate fin type heat exchanger, a base material having a three layered structure of a brazing filler metal/base material/brazing filler metal is used as an offset fin plate, a brazing filler metal sheet is inserted between the plate and a separator and melted to braze and solder the plate and the separator, and its entire surface is coated with a brazing layer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

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。 The present invention relates to brazing technology for joining materials, and more particularly to brazing of a fine plate fin type compact heat exchanger used in the nuclear industry and general industrial fields.

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。 Conventionally, in a heat exchanger, when a high heat transfer surface density and a heat flux are required, a plate fin type heat exchanger has been used. In addition, when a particularly high heat exchange capability is required, such as a regenerative heat exchanger used in a helium gas cooled HTGR turbine system, a plate fin type heat exchanger using fine offset fins may be used. Conceivable. This fine plate fin type compact heat exchanger (FIG. 1) generally has a problem that it is difficult to ensure pressure resistance because the strength of the brazed portion is not so high in the conventional brazing technique. When the strength test of the fine plate fin is performed, it has been found that the destruction due to the internal pressure is observed particularly in the fine plate fin side portion (portion not joined to the separator) (FIG. 2).

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。 If the heat exchanger design specifications require further expansion of the heat transfer area and reduction of the heat exchanger dimensions, it is necessary to make the fins finer according to the requirements. There is a need to improve the strength of the fin side because it must be designed thin.

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。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art, such as ensuring the pressure resistance of the brazed portion and improving the strength of the fine plate fins in the fine plate fin type compact heat exchanger.

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。
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、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基材を用い、前記プレートとセパレーターとの間にろう材シートを挿入し、これを融解して前記プレートと前記セパレーターとをろう接することにより形成され、そ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。 In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present inventors have conducted intensive research and completed the present invention.
In short, the present invention is an offset fin used in a plate fin type heat exchanger, wherein a base material having a three-layer structure of brazing material / base material / brazing material is used as the offset fin plate, and the plate and separator are used. It is formed by inserting a brazing material sheet between them, melting it and brazing the plate and the separator, and covering the entire surface with a brazing layer.

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。
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基材を用い、前記プレートとセパレーターとの間にNiろう材シートを介在させてろう接し、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。 In addition, the present invention provides an offset fin heat exchanger having a high-temperature pressure-resistant structure using the above-described offset fin as a problem solving means.
Further, the present invention is a method of strengthening a laminated structure by two-layer brazing of offset fins used in a plate fin type heat exchanger, wherein a three-layer structure of Ni brazing material / base material / Ni brazing material is used as an offset fin plate. A base material is used, brazing is performed by interposing a Ni brazing material sheet between the plate and the separator, and the base material is strengthened by forming a high strength brazing reaction layer. .

本発明の三層構造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。 By using the heat exchanger having the three-layer structure fin of the present invention, the high-temperature gas furnace gas turbine system can be made more compact and high-performance, and an economic merit is born in the plant. Further, according to the present invention, gas / gas heat exchange can be performed under the conditions shown in Table 2.

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基材を用い、前記プレートとセパレーターとの間にろう材シートを挿入し、これを融解して前記プレートと前記セパレーターとをろう接することにより形成され、そ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。 The present invention relates to an offset fin used in a plate fin type heat exchanger, wherein a base material having a three-layer structure of brazing material / base material / brazing material is used as an offset fin plate, and between the plate and the separator. It is formed by inserting a brazing material sheet, melting it and brazing the plate and the separator, and covering the entire surface with a brazing layer.

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。 In the present invention, the material of the offset fin plate and the plate may be any material as long as it is allowed in consideration of operating temperature, pressure, etc., for example, a SUS material can be used, and its dimensions are in accordance with the specifications. Just design. Ni brazing filler metal can be used as the brazing filler metal.

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。 In FIG. 3, the conceptual diagram which shows the offset fin three layer structure part by the two-layer brazing method of this invention is shown. In the conventional brazing method shown in (a), the strength of the portion where the fin plate and the separator are not joined (fin side portion) is weak as shown in FIG. However, a three-layer structure having improved high-temperature strength and fatigue strength could be realized by the two-layer brazing method in which both surfaces of the fin plate of the present invention shown in FIG.

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。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to an Example.

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。
（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、表１に示す寸法の各部品をSUS304を用いて製作した。 In this example, a three-layer reinforced offset fin element strength test piece was manufactured, and a high temperature strength / fatigue test was performed on the test piece. First, a manufacturing procedure is shown below.
(A) Manufacture of three-layer structure fin and parts processing In order to make an offset plate fin type heat exchanger having a structure as shown in FIG. 1, each part having the dimensions shown in Table 1 was manufactured using SUS304.

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６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６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。 What is particularly important here is the three-layer structure of the offset fin (core). In order to manufacture a three-layer offset fin, a Ni brazing thin film (amorphous tape brazing MBF20 (manufactured by Hoshiden), thickness 38 μm) is laid on the top and bottom surfaces of a 0.15 mm thin plate used as an offset fin substrate. The fin is folded into an uneven shape by the double punch method shown in FIG. Specifically, in FIG. 6, the plywood is first fixed by the upper fixed die and the lower fixed die (a → b), and then the plywood is pushed up by the lower movable die and deformed along the notch portion of the upper fixed die. (B → c) Next, the plywood is pushed down by the upper movable die and deformed along the cutout portion of the lower movable die (c → d), and thereafter, the same procedure is repeated to form the uneven shape. . This method is effective for processing a three-layer plywood because the fin processing accuracy is higher and the brazing thin film is less damaged than the method of folding a fin in a single operation using an uneven mold.

（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。 (B) Assembling multi-stage fins Using a rectangular assembly jig, a brazing material is attached to the plate and welded and fixed in the order of a closing plate (separator). It was. Subsequently, the multi-stage fins were assembled in the same manner, and the multi-stage fins were assembled while being restrained by a jig.

（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。 (C) Vacuum brazing Placed in a vacuum furnace with multistage fins constrained temporarily assembled, vacuum brazing is performed under the processing conditions of vacuum degree 1 × 10 ⁵ torr, maximum temperature 1,323 ~ 1,373K, maximum holding time 10 ~ 15 minutes. went.

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。 The results of the high temperature strength / fatigue test are shown in FIG. In the figure, the closed (black) symbol is the two-layer brazing material according to the present invention, the open (white) symbol is the conventional material, the ○ □ is the strength and 0.2% guarantee, respectively, and the broken line is the SUS304 mother for comparison It is a material. As shown in the figure, the high temperature strength was about 1.8 times that of the SUS304 base material.

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。 In accordance with the present invention, both sides of the fin side wall portion made of SUS304 base material were brazed with Ni brazing material to form a Ni-based high-strength brazing reaction layer on both sides, thereby strengthening the base material.

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。FIG. 1 is a conceptual diagram of an offset plate fin heat exchanger. (A) is a top view, (b) is a side view. 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。FIG. 2 shows a state of a strength test of a fine plate fin side portion having a laminated structure, and (a) shows a state before the test and (b) a state after the test. 図３は、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。FIGS. 3A and 3B are conceptual diagrams showing a three-layer structure of an offset fin according to the two-layer brazing method of the present invention. FIG. 3A shows a conventional brazing method and FIG. 3B shows a brazing method according to the present invention. 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。FIG. 4 is a diagram showing a high-temperature strength / fatigue test of a fin specimen by two-layer brazing. 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。FIG. 5 is a conceptual diagram of a fine fin processing procedure (double action method) from a three-layer thin plate (brazing material / fin material / brazing material).

Claims

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基材を用い、前記プレートとセパレーターとの間にろう材シートを挿入し、これを融解して前記プレートと前記セパレーターとをろう接することにより形成され、そ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前記オフセットフィン。 An offset fin used in a plate fin type heat exchanger, wherein a base material having a three-layer structure of brazing material / base material / brazing material is used as an offset fin plate, and a brazing material sheet is interposed between the plate and the separator. The offset fin, which is formed by inserting, melting, and brazing the plate and the separator, and the entire surface thereof is covered with a brazing layer.

オフセットフィンプレートがSUS製で厚さ0.15mmであり、ろう材がNiろう材である、請求項１記載のオフセットフィン。 The offset fin according to claim 1, wherein the offset fin plate is made of SUS and has a thickness of 0.15 mm, and the brazing material is a Ni brazing material.

請求項１又は２に記載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。 An offset fin type heat exchanger having a high-temperature pressure resistance structure using the offset fin according to claim 1.

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基材を用い、前記プレートとセパレーターとの間にNiろう材シートを介在させてろう接し、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方法。 A method for strengthening a laminated structure by two-layer brazing of offset fins used in a plate fin type heat exchanger, wherein a substrate having a three-layer structure of Ni brazing material / base material / Ni brazing material is used as an offset fin plate, A method comprising reinforcing a base material by brazing a Ni brazing material sheet between the plate and the separator to form a high strength brazing reaction layer.