JP2016530477A - 接着された熱交換器マトリックスとこれに対応した接着方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、特にエッチングプレート又はウェーブプレート（ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ）（４）、分離金属シート（５）及びバー（６）である、構成要素（４、５）のスタック、又は両方のタイプのスタックの組合せであって、上記構成要素（４、５）の少なくとも一部分が、腐食防止剤を含み且つ２−５Ｗ／ｍ／Ｋの接着剤の熱伝導率をその接着剤に与える２０−６０質量％の熱導体で充填されているエポキシド樹脂構造接着剤の、好ましくは厚さ２０−１５０μｍを有する層（１５）によって、互いに接合されていることを特徴とする金属熱交換器マトリックスに関する。好ましくは、本発明は、腐食性環境、特に、海洋環境に適用可能である。
Description
本発明は、エッチングプレートを有するタイプの、分離金属シート、バー及びフィンを有するタイプの、又はこれらのタイプの両方の組合せを含む、特にアルミニウム製である、金属熱交換器の分野に関する。
こうした熱交換器は、その非常に良好なエネルギー性能特性と、極低温度における機械的強度及び軽量性とのために、現在は、ガスを空気から分離するための方法と天然ガスを液化するための方法とにおいて使用されている。
既知であるように、こうした熱交換器のマトリックスはろう付けによって組み立てられ、その流体分注ヘッドは、そのろう付けされたマトリックス上に溶接される。
このようにして形成された熱交換器は純粋に金属的な性質を有し、腐食による損傷を受けやすい。この熱交換器の応用分野は、したがって、清浄であり且つあまり腐食性ではない環境に制限されている。特に、こうした熱交換器は、海水と海洋大気とに対しては対応していない。
この不適合性の原因は、熱交換器の構成要素とろう付けとの境界面に関係した拡散現象から生じ、このろう付けは初期材料の冶金学的変更を引き起こす。冷却後に、金属間析出物が、隣接する金属ベースのエッチングに有利になる電気化学的セルの形成の後の腐食ピットの発生の主要な原因の１つであると考えられている。
耐食性被覆が存在するが、これらのタイプの装置に対する耐食性被覆の適用は依然として問題のままである。耐食性被覆は、組立及びろう付け段階の前のマトリックスの個別的な構成要素に対して適用されるか、又は、ろう付け後の完成したマトリックスに適用されるだろう。
この第１の方法は、ろう付け温度において安定した状態のままであり且つろう付けを攪乱しない耐食性被覆だけしか使用できないという欠点を有する。第２の方法は、到達困難な数多くの裂け目をろう付けマトリックスが含むので、耐食性被覆を均一に且つろう付けマトリックスの全体にわたって付着させることを可能にしない。
したがって、本発明の目的は、堅固であり且つ適切な熱導体のままであると同時に、腐食に対してより適切に耐える、熱交換器金属マトリックスを形成することである。こうしたマトリックスは、特に、海洋用途に対して適合化されなければならない。
本発明によって、この目的が、特にエッチングプレート又はフィンである構成要素のスタック、分離金属シート及びバーである構成要素のスタック、又は、これら両方のタイプのスタックの組合せによって特徴付けられる熱交換器金属マトリックスによって実現され、上記構成要素の少なくとも一部分が、腐食防止剤を含むエポキシ樹脂を主成分としており且つ２−５Ｗ／ｍ／Ｋの接着剤の熱伝導率を確実なものにする２０−６０質量％の熱導体で充填されている構造接着剤の、好ましくは２０−１５０μｍの厚さを有する層によって、一体状に接着されている。
上記接着剤によってそのマトリックスの構成要素の少なくとも一部分を接着することによって、ろう付けと、腐食による損傷を受けやすい従来の充填剤金属とを省略することが可能である。選択された接着剤調合物によって、マトリックスが腐食から保護され、及び、その機械的性能及び熱的性能を保持する。
本発明によるマトリックスは、その熱交換器が水中に沈められるか又は海洋大気内に入れられるかどうかに係わらず、特に海洋媒体のような腐食性環境の中に置かれる熱交換器において、特に有利に適用される。
好ましい実施態様では、本発明によるマトリックスは、任意の技術的に実現可能な組合せの形で、次の特徴の１つ又は幾つか又はすべてを備える。
− 接着剤の熱導体が金属及び／又はセラミックを主成分とする。
− 接着剤の腐食防止剤が酸化亜鉛を主成分とする。
− 構成要素が、接着剤ホルダ（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｈｏｌｄｅｒ）、特に変換層（ｃｏｎｖｅｒｉｏｎ ｌａｙｅｒ）及び／又は接着剤保持プライマー（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｈｏｌｄｉｎｇ ｐｒｉｍｅｒ）の層で被覆される。
− 変換層は、１−５０μｍの厚さ、及び、好ましくは５−２０μｍの厚さを有する。
− 構成要素はアルミニウム又はアルミニウム合金製であり、及び、変換層はアルミナ製である。
− 構成要素の一部分は互いにろう付けされている。
− 接着剤の熱導体が金属及び／又はセラミックを主成分とする。
− 接着剤の腐食防止剤が酸化亜鉛を主成分とする。
− 構成要素が、接着剤ホルダ（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｈｏｌｄｅｒ）、特に変換層（ｃｏｎｖｅｒｉｏｎ ｌａｙｅｒ）及び／又は接着剤保持プライマー（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｈｏｌｄｉｎｇ ｐｒｉｍｅｒ）の層で被覆される。
− 変換層は、１−５０μｍの厚さ、及び、好ましくは５−２０μｍの厚さを有する。
− 構成要素はアルミニウム又はアルミニウム合金製であり、及び、変換層はアルミナ製である。
− 構成要素の一部分は互いにろう付けされている。
本発明は、さらに、上記定義の通りのマトリックスを含み、及び、好ましくは、特に上記接着剤によってマトリックスに接着されている、流体分注のための少なくとも１つのヘッドを含む、熱交換器にも関する。
本発明の別の目的が、腐食性環境に適合化させられた熱交換器金属マトリックスを組み立てるための方法を実現することである。
本発明によって、この目的が、熱交換器マトリックスを組み立てる方法であって、
ａ）マトリックスの構成要素を提供する段階と、
ｂ）腐食防止剤を含むエポキシ樹脂を主成分とする構造接着剤であって、２−５Ｗ／ｍ／Ｋの当該接着剤の熱伝導率を確実なものにする２０−６０質量％の熱導体で充填されている構造接着剤を、構成要素の少なくとも一部分上に付着させる段階と、
ｃ）スタックを得るように構成要素を積み重ねる段階と、
ｄ）上記接着剤を硬化させるために、及び、これによってマトリックスを得るように、スタックをオーブン硬化させる段階と、
によって特徴付けられる方法によって実現される。
ａ）マトリックスの構成要素を提供する段階と、
ｂ）腐食防止剤を含むエポキシ樹脂を主成分とする構造接着剤であって、２−５Ｗ／ｍ／Ｋの当該接着剤の熱伝導率を確実なものにする２０−６０質量％の熱導体で充填されている構造接着剤を、構成要素の少なくとも一部分上に付着させる段階と、
ｃ）スタックを得るように構成要素を積み重ねる段階と、
ｄ）上記接着剤を硬化させるために、及び、これによってマトリックスを得るように、スタックをオーブン硬化させる段階と、
によって特徴付けられる方法によって実現される。
好ましい実施態様では、本発明による方法は、任意の技術的に実現可能な組合せの形で、次の特徴の１つ又は幾つか又はすべてを含む。
− 段階ｂ）の前に構成要素上に接着剤ホルダを適用することから成る段階。
− 接着剤ホルダの適用は、陽極酸化又はリン酸化である第１の段階、及び／又は、プライマーの中に構成要素を漬けることによって、又は、構成要素上にプライマーを発射することによって、保持プライマーを適用する第２の段階を含む。
− 構成要素に保持プライマーを結合させるように、３０−１２０分の時間にわたって、且つ、５０−２００℃の温度で、保持プライマーで被覆した構成要素を乾燥させて加熱することから成る段階。
− 段階ｂ）は、
ｉ）接着剤をペーストとして提供することと、ドクターブレードによって構成要素上に接着剤を拡げること、又は、
ｉｉ）構成要素上の接着剤を相互積層すること（ｃｏ−ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）、
を含む。
− 段階ｄ）は、３０分間の最短期間にわたって５０−１２０℃の温度にスタックを維持する第１の段階と、その後の、１時間の最短持続時間にわたって１５０−２５０℃の温度にスタックを維持する第２の段階とを含む。
− 段階ｄ）は、１００ｋＰａよりも高い圧力においてスタックを圧縮状態に維持するための段階を含む。
− 段階ｂ）の前に構成要素上に接着剤ホルダを適用することから成る段階。
− 接着剤ホルダの適用は、陽極酸化又はリン酸化である第１の段階、及び／又は、プライマーの中に構成要素を漬けることによって、又は、構成要素上にプライマーを発射することによって、保持プライマーを適用する第２の段階を含む。
− 構成要素に保持プライマーを結合させるように、３０−１２０分の時間にわたって、且つ、５０−２００℃の温度で、保持プライマーで被覆した構成要素を乾燥させて加熱することから成る段階。
− 段階ｂ）は、
ｉ）接着剤をペーストとして提供することと、ドクターブレードによって構成要素上に接着剤を拡げること、又は、
ｉｉ）構成要素上の接着剤を相互積層すること（ｃｏ−ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）、
を含む。
− 段階ｄ）は、３０分間の最短期間にわたって５０−１２０℃の温度にスタックを維持する第１の段階と、その後の、１時間の最短持続時間にわたって１５０−２５０℃の温度にスタックを維持する第２の段階とを含む。
− 段階ｄ）は、１００ｋＰａよりも高い圧力においてスタックを圧縮状態に維持するための段階を含む。
本発明は、上述した構成を別にして、添付図面を参照して説明する例示的な実施形態に関して以下でより明確に説明される特定の数の他の構成にあり、及び、これらの実施形態は非限定的なものである。
その次に、本発明の説明を分かりやすくするために、分離金属シート、バー、及び、フィンを有する熱交換器マトリックス、又は、エッチングプレートを有する熱交換器にも本発明が適用されることを考えて、分離金属シート、バー、及び、フィンとエッチングプレートとの組合せを備える熱交換器について言及する。さらに、その次に、アルミニウムマトリックスについて説明する。しかし、本発明は、さらに、特にスチールのような他の金属から成るマトリックスも範囲内に含む。
図１を参照すると、形成されたマトリックス２のスタックが概略的に示されている。公知のように、マトリックス２は、構成要素、即ち、フィン４と分離金属シート５とアルミニウムバー６のスタック３から成る。
マトリックス２の特徴が図２に見てとれる。図１に示されているマトリックス２の区域７の拡大図がこの図において識別される。フィン４は２つの分離金属シート５の間に配置されており、及び、分離金属シート５に接着されている。両方の分離金属シート５は２つの互いに反対側に位置した面８、９を有し、及び、フィン４は２つの互いに反対側に位置した面１０、１１を有する。
本発明によって、分離金属シート５とフィン４は、接着剤ホルダ１２によって、その２つの互いに反対側に位置した面８、９、１０、１１上を覆われている。接着剤ホルダ１２は、２つの層、即ち、面８、９、１０、１１上を延びる変換層１３と、変換層１３上に付着させられている接着剤保持プライマーの層１４とから成る。変換層１３はアルミナから成る。プライマー層１４は、例えば亜鉛塩のような腐食防止剤が一体化されているエポキシド樹脂のグループからの樹脂から成る。変換層１３は、１−５０μｍの厚さＩ、好ましくは５−２０μｍの厚さＩを有する。プライマー層１４が数マイクロメートルの厚さｄを有することが好ましい。
金属分離シート５の両側の面８、９上に付着させられている接着剤層１５は、分離金属シート５とフィン４との間の連結を確実なものにする。好ましくは、接着剤層１５の厚さｅは２０−１００μｍである。
接着剤１５は、エポキシド樹脂のグループの中からの構造接着剤である。この接着剤１５は、例えば亜鉛塩又は酸化亜鉛のような腐食防止要素を含む。接着剤１５は、さらに、例えば金属又はセラミック由来の、その熱伝導率を大きく増大させる２０−６０質量％の追加の要素で充填されている。したがって、接着剤１５の熱伝導率は２−５Ｗ／ｍ／Ｋの間である。
次に、マトリックス２を組み立てるための方法を、図３から図９を参照して説明する。
第１の段階では、マトリックス６の分離金属シート５（一例が図３に示されている）とフィン４（一例が図７に示されている）とバー６とがアルミニウムで作られる。
第２の段階では、分離金属シート５の互いに反対側の面８、９と、フィン４の互いに反対側の面１０、１１と、バー６とが、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の変換層１３を成長させるために陽極酸化される。この陽極酸化が硫酸陽極酸化又はクロム酸陽極酸化であることが好ましい。この結果が図４と図８に示されている。
マトリックス２がスチール構成要素から組み立てられる場合には、陽極酸化がリン酸化処理によって置き換えられるだろう。
第３の段階では、変換層１３は保持プライマー層１４で被覆される。この段階が、バー６とフィン４と分離金属シート５とを保持プライマーの水性溶液中に漬けることによって行われることが好ましい。こうして、構成要素４、５、６は保持プライマーによって被覆される。代替案としては、保持プライマー１４が発射によって構成要素４、５、６上に付着させられる。
構成要素４、５、６全体の適切な接着をその後で確実なものにするために、保持プライマー１４の適用が表面全体に均一な形で行われることが確保されるだろう。この第３の段階の結果が図５と図９に示されている。
保持プライマー１４の適用の後に、処理された表面に対して保持プライマー１４を化学的に接合させるために乾燥と加熱とが行われる。保持プライマー１４と陽極酸化表面１３との間の連結が、３０−１２０分間の範囲内であることが好ましい時間にわたって、５０−２００℃の温度で行われる熱風処理によって得られることが好ましい。特に好ましい形では、保持プライマー１４で被覆された陽極酸化構成要素４、５、６は約１２０分間にわたって約９０℃に維持される。
第４の段階では、接着剤１５は、分離金属シート５の保持プライマー１４上だけに適用される。これは、十分で且つ均一な厚さになるようにドクターブレードによって層内に均一に付着させられる接着剤ペーストとして行われてもよく、又は、分離金属シート５上に相互積層される薄膜を付着させることによって、又は、分離金属シート５上に接着剤の付着物を提供することを可能にする任意の他の手段によって、行われてもよい。接着剤１５の適用は、バインダの役割と、下に位置する分離金属シート５を保護する役割との両方を確実なものにするために、可能に限り約２０−１５０μｍの残留厚さを遵守するべきである。第４の段階の結果が図６に示されている。
表面に容易に接近可能である個別の構成要素４、５、６に対して段階２から段階４を行うことが可能であるという事実は、明らかな利点である。付着物の厚さ又は均一性のような予め決められたパラメータの調整が、この方法を遵守することによって容易化される。したがって、本発明による方法は、構成要素４、５、６の表面の準備がスタック３の組立後に事後に行われる方法から有利な形に区別される。
第５の段階では、構成要素４、５、６はスタック３を得るために積み重ねられる。
第６の段階は、接着剤１５を硬化させる（重合させる）ために、スタック３の１５０℃未満の温度におけるオーブン硬化段階から成る。このオーブン硬化の終了時に、堅固であり且つ耐食性であるマトリックス２が得られる。このオーブン硬化は、例えば、４時間にわたって９０℃にスタック３を加熱して維持し、その次に、１時間にわたって１２０℃にスタック３を加熱して維持することにある。これは、プレスオーブン（ｐｒｅｓｓ ｏｖｅｎ）内で、強制対流を伴うオーブン内で、又は、任意の他の同等の加熱方法によって行われてもよい。重合プロセス中に構成要素４、５、６の連結を最適化するために、スタックを締め付けるための装置が使用されることが好ましい。この締め付け装置は、例えば、１００ｋＰａを越える一定不変の荷重下に構成要素４、５、６を維持してもよい。
その次に、完成したマトリックス２は、熱交換器を形成するために流体分注用のヘッドを備えてもよい。この流体分注ヘッドは、上記接着剤１５によってマトリックス２の表面上に直接的に接着接合されてもよい。
あるいは、代案として、流体分注ヘッドは、雌形／雄形の構成にしたがって積み重ねの際にマトリックス２の形に予め入れ子にされた中間部品を介してマトリックス２に溶接される。上記中間部品は、溶接中に優勢である高温度によるマトリックス２の接着接合部の劣化を防止するために、マトリックス２から十分に遠くに溶接区域を移動させることを可能にする。この場合には、中間部品とマトリックス２との間の連結部のシールが、シリコーンを主成分とするエラストマーによって確実なものにされる。
本発明による組立方法によって、各々の金属構成要素４、５、６は、腐食原因の拡散と伝播とに対する障壁として機能する多重層で覆われる。
本発明の別の実施形態では、マトリックス２の特定の構成要素４、５、６はろう付けされ、及び、その他は接着によって接合される。例えば、海水のような腐食性流体を受け入れることが意図されているマトリックス２の流体通路が、接着接合された構成要素４、５、６によって画定され、一方、例えばアンモニアのような、使用圧力が接着剤１５の使用範囲の外側にある流体のために使用が意図されている、マトリックス２の流体通路が、ろう付けされた構成要素４、５、６によって画定される。
この混合型の組立を実現するために、第１の段階では、ろう付けされなければならない構成要素４、５、６が、ろう付けされた熱交換器を製造するための通常の方法によってろう付けされる。ろう付けされなければならない表面上にだけろう付けが存在しているということに留意して、マトリックス２のサブアセンブリが、これらの構成要素４、５、６の全体と共に形成される。ろう付け後に、ろう付けされたサブアセンブリと残りの構成要素４、５、６とが接着剤１５で覆われ、スタック３を形成するために積み重ねられる。その次に、スタック３に対して、上述したオーブン硬化が行われる（第６の段階）。オーブン硬化の低温度が、第１の段階で行われたろう付けを劣化させないことを可能にする。
本発明の別の実施形態では、接着接合／ろう付けされた混合型マトリックスが、低温ろう付け（２００℃未満のろう付けの溶融温度）を使用して組み立てられる。このことが、スタック全体３をそのサブアセンブリと共に接着剤とろう付けを用いて最初に組み立てることと、その次に、接着剤を硬化させると同時にろう付けを融合させるために上記スタック３をオーブン硬化することを可能にする。
本発明の接着接合によって、提案されている熱交換器マトリックスが、必要とされる熱性能と圧力耐性とを保持すると同時に、腐食性環境内で適用されることが可能である。さらに、本発明による方法は、大きな体積の熱交換器マトリックスを組み立てることを可能にする。
Claims (15)
- 特に、エッチングプレート又はフィン（４）、分離金属シート（５）及びバー（６）である、構成要素（４、５、６）のスタック、又は、両方のタイプのスタックの組合せによって特徴付けられた熱交換器金属マトリックス（２）であって、
前記構成要素（４、５、６）の少なくとも一部分が、腐食防止剤を含むエポキシド樹脂を主成分とし且つ２−５Ｗ／ｍ／Ｋの接着剤の熱伝導率を確実なものにする２０−６０質量％の熱導体で充填されている構造接着剤の、好ましくは２０−１５０μｍの厚さを有する層（１５）によって、一体状に接合されている、
熱交換器金属マトリックス（２）。 - 前記接着剤（１５）の前記熱導体は金属及び／又はセラミックを主成分とする、
請求項１に記載のマトリックス。 - 前記接着剤（１５）の前記腐食防止剤は酸化亜鉛を主成分とする、
請求項１から２のいずれか一項に記載のマトリックス。 - 前記構成要素（４、５、６）は、接着剤ホルダ（１２）、特に変換層（１３）及び／又は接着剤保持プライマーの層（１４）で被覆されている、
請求項１から３のいずれか一項に記載のマトリックス。 - 前記変換層（１３）は、１−５０μｍの厚さ、好ましくは５−２０μｍの厚さを有する、
請求項４に記載のマトリックス。 - 前記構成要素（４、５、６）はアルミニウム又はアルミニウム合金で作られており、
前記変換層（１３）はアルミナで作られている、
請求項４又は５に記載のマトリックス。 - 前記構成要素（４、５、６）の一部分は一体状にろう付けされている、
請求項１から６のいずれか一項に記載のマトリックス。 - 請求項１から７のいずれか一項に記載のマトリックス（２）と、
好ましくは、特に前記接着剤（１５）によって、前記マトリックス（２）に接着されている少なくとも１つの流体分注ヘッドと、
を含む、熱交換器。 - 熱変換器金属マトリックス（２）を組み立てるための方法であって、
ａ）前記マトリックス（２）の構成要素（４、５、６）を提供する段階と、
ｂ）腐食防止剤を含むエポキシド樹脂を主成分とする構造接着剤（１５）であって、２−５Ｗ／ｍ／Ｋの前記接着剤の熱伝導率を確実なものにする２０−６０質量％の熱導体で充填されている構造接着剤（１５）を、前記構成要素（４、５、６）の少なくとも一部分上に適用する段階と、
ｃ）スタック（３）を得るように前記構成要素（４、５、６）を積み重ねる段階と、
ｄ）前記接着剤（１５）を硬化させるために、及び、これによって前記マトリックス（２）を得るように、前記スタック（３）をオーブン硬化させる段階と、
によって特徴付けられた、
方法。 - 前記段階ｂ）の前に前記構成要素（４、５、６）上に接着剤ホルダ（１２）を適用する段階をさらに含む、
請求項９に記載の方法。 - 接着剤ホルダ（１２）を適用する段階は、第１の陽極酸化又はリン酸化段階、及び／又は、保持プライマー（１４）を適用する第２の段階であって、前記プライマーの中に前記構成要素を漬けることによって、又は、前記構成要素上に前記プライマーを発射することによって前記保持プライマー（１４）を適用する、第２の段階を含む、
請求項１０に記載の方法。 - 前記構成要素に前記保持プライマー（１４）を結合させるように、３０−１２０分の時間にわたって５０−２００℃の間の温度で、前記保持プライマー（１４）で被覆された前記構成要素（４、５、６）を乾燥させて加熱する段階をさらに含む、
請求項１１に記載の方法。 - 前記段階ｂ）は、
ｉ）前記接着剤（１５）をペーストとして提供することと、ドクターブレードによって前記構成要素上に前記接着剤を拡げること、又は、
ｉｉ）前記構成要素（５）上の前記接着剤（１５）を相互積層すること、
を含む
請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。 - 前記段階ｄ）は、３０分間の最短期間にわたって５０−１２０℃の温度に前記スタック（３）を維持する第１の段階と、その後の、１時間の最短期間にわたって１５０−２５０℃の温度に前記スタック（３）を維持する第２の段階と、を含む、
請求項９から１３のいずれか一項に記載の方法。 - 前記段階ｄ）は、１００ｋＰａよりも高い圧力において前記スタック（３）を圧縮状態に維持ことを含む、
請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
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