JPH03189034A - 積層型熱交換器の製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はヘリウム冷凍機等に使用される積層型熱交換器
の製作方法に関するものである。

（従来の技術） 極低温を発生させるヘリウム液化冷凍機等に使用される
積層型熱交換器は、一般に、第１図に示すように構成さ
れている。

すなわち、多数の孔を有する熱伝導率の良好な金属から
なる複数枚の伝熱板１と、熱伝導率の低い材料からなる
複数枚の断熱材（以下、「スペーサ」という）２とを、
その間にろう材を介して交互に重積し結合して積層材を
構成し、この積層材の上下に上ヘッダー３及び下ヘッダ
ー４とが一体に結合されて全体が構成されている。

伝熱板としては、ＡＱ材やＣｕ材が用いられており、ス
ペーサとしてはＴｉ材、ステンレス鋼又はアルミナ等が
用いられている。また、上下へラダーとしては、配管の
取り合い等の関係がらステンレス鋼が多く用いられてい
る。

そして、このような積層型熱交換器を製作するに際して
は、例えば、伝熱板１がＡＱ材で、スペーサ２がＴｉ材
の場合について述べると、伝熱板１とスペーサ２との間
にＡＱ−３ｉ系のろう材、又はＡＱ−８ｉ系のろう材を
両面にクラッドした３ＭのＡｎプレージングシートを介
在させ１次いで前記伝熱板１−とスペーサ２とを交互に
重積し、Ａｎ−８ｉ合金の固相線以２Ｊ二の温度でろう
＋ｊ又は拡散接合が行われる（例、特開昭５８−１．３
２３３４号公報）７ 二の場合、接合面の密着性を良くするために、第２図に
示すように、組み立て治具として、積層材の上Ｆに」二
押え板６及び上押え板７を配して２ボルト８で締め付け
、更に重し９又はプレスにより接合面を圧縮しつつ、ろ
う付又は拡散接合が行わ九でいる（例、特開昭５２−７
０５５号公報）。

このような接合面の圧縮は、比較的小型の積層型熱交換
器の製作には、気密性を確保するという点で非常に効果
がある方法であった。

（発明が解決１７ようとする課題） 一方、ヘリウム液化冷凍機は超伝へ線の冷却用に広く適
用されており、その用途は益々拡大しているが、近年、
ヘリウム液化冷凍機の大型化が求められており、それに
伴って積層型熱交換器の大型化が要求されている。この
場合においても、積層型熱交換器の要求特性として、基
本的な熱伝導効率の他に、気密性、）−Ｉ　ｅリーク性
及び接合強度等が求められることは云うまでもない。

しかるに、従来に比較して大型の積層型熱交換器、例え
ば円柱型の場合、外径が１−２０ｍｍ、段数が８０段を
超えるような場合には、従来の製作方法でろう伺又拡散
接合した場合、気密試験で洩ｔ１、不良が多く発生し、
更に寸法が大きくなると、洩れ不良により製作不可能と
なるという欠点があった。

本発明は、大型化に伴う上記従来技術の欠点を解消し、
段数の増加及び・］゛法の増大等の大型化によっても優
れた要求特性を有する積層型熱交換器の製作技術を提供
することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者は、従来の製作方法を段数を増加した積層型熱
交換器に適用した場合に気密不良が発生する原因を究明
したところ、段数の増加に伴って伝熱材の伸びが変形と
なって発生し、この変形は前述の従来の接合面密着性向
上手段では抑制できないために積層部間にギャップが生
じることが判明した。そこで、その対策について種々研
究を重ねた結果、ここに本発明をなしたものである。

すなわち、本発明は、熱伝導率の低い材料からなる断熱
材と多数の孔を有する熱伝導率の良好な金属からなる伝
熱板とを、その間にろう材を介して交互に重積した積層
材のＬ下にヘッダー部を設けた積層型熱交換器を製作す
るに当り、積層材の中間部に、断熱材及び伝熱板に比較
して厚く、かつろう材より融点が高い材料を１枚若しく
は複数枚組み込み、しかる後に真空又は不活性ガス雰囲
領１でろう付又は拡散接合して製作することを特徴とす
る積層型熱交換器の製作方法を要旨とするものである。

以丁に本発明を更に詳細に説明する。

（作用） 本発明者の研究により、積層型熱交換器の製作が、他の
型式の熱交換器、例えばＡｌ２材のみからなるドロンカ
ップ型やプレートフィン型に比べて困難であるのは、使
用する材料が単一の材料でなく、異材の糾合ぜ゛（・あ
る、二とに起因していることが判明した。

ずなわち、１−−−一材料の場合には、加熱時の温度分
布を均一どすることにより、熱交換器内部の変形は殆ど
生じない。

しかし、積層型熱交換器の場合には、前述のどおり、線
膨張係数及び熱伝導率の異なる材料から構成されている
。

例えば、伝熱板がＡＱ材で、スペーサがＴｉ材の場合、
ろう付又は拡散接合の加熱時において、Ｔｉ材に比較し
て線膨張係数の大ぎいＡＱ材からなる伝熱板は、スペー
サ（Ｔｉ材）より大きく伸びようとする。この場合、先
に述べた組み立て治具のボッ１月・の締めつけ及び重し
やプレスの圧縮力が作用している。このため、伝熱板（
ＡＱ材）とスペーサ（Ｔｉ材）との間に摩擦力が働き、
伸びようとする伝熱板はスペーサに妨げられて、伝熱板
は上下方向に座屈又は波打ち等の変形を生じる。

この変形は、積層型熱交換器の段数が小さい場合には、
ろう材の厚さに吸収されるので、気密不良は発生しない
。しかし、段数が多くなった場合は、変形は重畳されて
大きくなり、ついには伝熱板（ＡＱ材）とスペーサ（Ｔ
ｉ材）との間でギャップが生じ、洩れ、すなわち、気密
不良が発生する。

また、積層型熱交換器の径が大きい場合にも、伝熱板（
ＡＱ材）とスペーサ（Ｔｉ材）の膨張量の差が大きくな
ることから、変形量が増し、気密不良が発生し易くなる
。

このような変形の重畳等に起因する気密不良は。

伝熱板及びスペーサがＡＱ材とＴｉ材の組合せ以外の材
料組合せの場合にも同様に発生する。

これらの知見から、本発明では、重積される伝熱板とス
ペーサからなる積層材の中間部に、伝熱板及びスペーサ
に比較して厚く、ろう材より融点が高い材料を補強板と
して１枚若しくは複数枚組み込み、しかる後にろう付又
は拡散接合を行うものである。

すなわち、第３図に示すように、伝熱板１とスペーサ２
とを、ろう材を介在させて交互に重積して積層材を構成
するが、その際、積層材の中間に、すなわち、所定の段
数毎に、上記補強板１ｏを組み込むのである。なお、３
．４は上下へラダーである。

このように段数の多い積層型熱交換器の中間部に上記補
強板を組み込むと、先に述べた変形が重畳される段数は
、従来の上ヘッダーから下へラダーまでの全段数であっ
たのに対し、上ヘッダーから補強板までの段数、補強板
から補強板までの段数、補強板から下ヘッダーまでの段
数の如く、段数を小さく区分でき、したがって、重畳さ
れる変形量は、段数の小さい積層型熱交換器と同様、少
なくなり、気密不良が生じなくなる。

なお、この補強板の材料は、加熱中に変形しないという
要求特性から、ろう材より融点が高く、かつろう付性の
良い材料、例えば、ＡＱ材からなる伝熱板とＴｉ材から
なるスペーサの組合せの場合はＴｉ材又はステンレス鋼
が望ましく、板厚は３ｍｍ程度以上が望ましい。

当然のことながら、補強板には各パスの流体を通すため
の孔を設けることが必要である。

また、補強板は、積層型熱交換器の段数及び外径を勘案
して使用するかどうかを適宜決定するが、一応の目安と
して、段数が１２０段を超える場合、或いは段数が１２
０段以下の場合であっても外径が１２０１以上の場合に
使用する。

伝熱板、スペーサ、八ツダー及びろう材の材質及び形状
寸法や、重し又はプレスによる圧縮、ろう付及び拡散接
合の条件等は特に制限がなく、従来と同様でよい。

次に本発明の実施例を示す。

（実施例） 伝熱板として０．５ｍｍ厚の純ＡＲ材を用い、スペーサ
として０．３ｍｍ厚の純Ｔｉ材を用い、上下へラダーと
してステンレス鋼を用いると共に、ろう材として、ＡＱ
−３ｉ合金を両面にクラッドしたＱ、２ｍｍ厚のプレー
ジングシートを用いて、各種寸法の積層型熱交換器を真
空ろう相法により試作した。

なお、ろう付温度は６１０℃、保持時間は３０分、真空
度は１０−５Ｔ　ｏｒｒ台とし、補強板は純Ｔｉ材で板
厚３ｍｍ、５■及び１０ｍｍのものを用いた。

得られた積層型熱交換器について気密試験を実施した。

その結果を第１表に示す。

同表において、比較例＆１〜恥２、Ｎａ６〜Ｎ＋１７、
Ｎｏ１２．Ｎα１７は段数が小さく、従来の製作技術で
気密試験で合格し、また、比較例＆３は段数は大きいが
、外径が小さく、従来の製作技術で合格した。

しかし、比較例Ｎ［Ｌ４、Ｎａ　８、Ｎｏ１３、翫１８
は段数が大きく、従来の製作技術で不合格となった。

これらに対し、本発明例勲５、Ｎα９．ＮＱＩＯ〜ＮＱ
Ｉ　１．Ｎｏ１４〜Ｎｎｌ　６．Ｍａ１９〜Ｎｎ２０は
、補強板を組み込んだため、段数が多いか或いは外径が
大きいものの、いずれも気密試験に合格した。

【以下余白］ （発明の効果） 以北に詳述したように、本発明によれば、従来製作が困
難であった段数が大きく或いは外径が大きい大型の積層
型熱交換器が気密不良等の特性劣化を招くことなく容易
に製作可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の積層型熱交換器の構成を示す概略説明図
で、（ａ）は伝熱板の平面図、（１））はスペーサの平
面図、（ｅ）は積層型熱交換器の略示側断面図であり、 第２図は積層型熱交換器を治具で組み立てた状態を示す
概略説明図。 第３図は本発明において補強板を組み込んだ状態の積層
型熱交換器の構成を示す略示側断面図である。 １・・・伝熱板、２・・・スペーサ、３・・・上ヘッダ
ー４・・・下ヘッダー　５・・・積層型熱交換器、６・
・・上押え板、７・・・上押え板、８・・・ボルト、９
・・・重し、１−０・・・補強板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 熱伝導率の低い材料からなる断熱材と多数の孔を有する
   熱伝導率の良好な金属からなる伝熱板とを、その間にろ
   う材を介して交互に重積した積層材の上下にヘッダー部
   を設けた積層型熱交換器を製作するに当り、積層材の中
   間部に、断熱材及び伝熱板に比較して厚く、かつろう材
   より融点が高い材料を１枚若しくは複数枚組み込み、し
   かる後に真空又は不活性ガス雰囲気でろう付又は拡散接
   合して製作することを特徴とする積層型熱交換器の製作
   方法。