本発明は、永久接合されたチタンプレートを有するチタンプレート熱交換器に関する。

また、本発明は、チタンから作製されたプレートを用いてプレート熱交換器を作製する方法と、チタン熱交換器を作製するために使用される金属コイルとに関する。

現行では、永久接合されたチタンプレートを有するプレート熱交換器が、プレート同士を相互にろう付けすることによりしばしば製造される。これは、プレート上にろう材を配置し、ろう材が溶融しプレート間に接合部を形成するようにこれらのプレートを加熱することによって実施される。ろう材は、いわゆる溶加材を含み、この金属が、チタンプレート同士を接合する接合部を形成する。このタイプのあらゆるろう付け技術に関して、ろう材は、相互に接合されるチタンプレートの溶融温度よりも低い温度において溶加材を溶融させる溶融抑制成分を含む。

チタンプレートをプレート熱交換器へと接合するための複数の技術が存在する。特許文献1は、1つのかような技術について記載しており、ろう材は、30〜50重量%チタン(Ti)、15〜25重量%ジルコニウム(Zr)、15〜25重量%銅(Cu)、および15〜25重量%ニッケル(Ni)を含む。さらに具体的には、使用されるろう材は、40重量%Ti、20重量%Zr、20重量%Cu、および20重量%Niを含む。チタンは、溶加材であり、他の金属は、チタンに対する溶融抑制成分として作用する。

溶加材および溶融抑制成分は、典型的には金属パウダーの形態を有する。この金属パウダーを結合するために、ろう材は、チタンプレート上に噴霧、塗装、または別の適切な方法にて塗布され得るペーストまたは液体の形態をこのろう材に与える結合剤成分を典型的にはさらに含む。このろう材は、正確な量でかつ正確な位置にチタンプレート上に適切に配置されることが重要となる。

チタンは、例えば海水などの高腐食性媒体に対する耐性を有することなどにより、ろう付けプレート熱交換器に関連する多数の利点を有する材料である。さらに、チタンは、軽量であり、温度が変化する用途において有利となる低い熱膨張係数を有する。しかし、ろう付けチタンプレート熱交換器が直面する問題は、例えばステンレス鋼から作製されたろう付けプレート熱交換器と比較した場合に低い耐圧性を有する点である。

したがって、典型的にはきわめて従来的なろう付け技術に依拠する高圧用途向けのチタンプレート熱交換器を改善する必要がある。

米国特許第7201973号

本発明の目的は、永久接合されたチタンプレートから作製される高圧用途向けの改良されたチタンプレート熱交換器を提供することである。

したがって、プレートパッケージに構成された複数のチタンプレートを備えるプレート熱交換器であって、1つおき(every second)のプレートが、プレートの各側において溶融抑制フォイルで被覆されたチタンプレートであり、少なくとも1つおきのチタンプレートが、頂部および底部がプレート中に形成されるような波形状パターンを有し、被覆されたチタンプレートは、チタンプレートのプレートパッケージを形成するように波形状チタンプレート上に積み重ねられ、接触エリアが、プレートパッケージ内の隣り合うチタンプレート間に形成され、チタンプレートのプレートパッケージは、加熱されており、それにより、溶融抑制フォイルが、被覆されたチタンプレート中のチタンのための溶融抑制剤として作用し、被覆されたチタンプレートの表面層を、溶融させ、隣り合うチタンプレート間の接触エリアへと流して、溶融されたチタンが固化することが可能となったとき隣り合うチタンプレート間の接触エリアにて接合部を形成させている、プレート熱交換器が提供される。

このプレート熱交換器は、高圧性能を改善し、依然として良好なチタンを維持し得る点において有利である。さらに、このプレート熱交換器は、結合剤成分が接合部を実現するために使用される必要性がまったくなく、ろう材などの材料が波形化後のプレート上に塗布される必要性がまったくない点において有利である。

プレート熱交換器を作製するための方法およびその方法と共に使用するのに適した金属コイルもまた説明され、これらは対応する利点をもたらす。

プレート熱交換器の他の目的、特徴、態様、および利点が、以下の詳細な説明からおよび図面から明らかになろう。

以下、添付の概略図を参照として本発明の実施形態を例として説明する。

チタンプレート熱交換器の側面図である。

図1のチタンプレート熱交換器の正面図である。

図1のプレート熱交換器の一部である略平坦状チタンプレートの正面図である。

図1のプレート熱交換器の一部である波形状チタンプレートの正面図である。

溶融抑制フォイルで被覆された図3のチタンプレートの断面図である。

チタンプレートが溶融抑制フォイルでどのように被覆されるかを示す図である。

接合前の、接触点における2つのチタンプレートの拡大部分図である。

接合後の、図7の2つのチタンプレートの拡大部分図である。

溶融抑制フォイルで被覆されたチタンプレートから作製されるコイルを示す図である。

図1におけるものと同様のチタンプレート熱交換器を作製する方法を示す流れ図である。

図1において得られるプレートパッケージの断面図である。

図1および図2を参照すると、プレート熱交換器1が図示される。プレート熱交換器1は、主としてチタンから作製され、したがって「チタンプレート熱交換器」と呼ばれる。プレート熱交換器1は、チタンプレート201、201'からなるプレートパッケージ301と、プレートパッケージ301の第1の側に配置される第1の端部プレート6と、プレートパッケージ301の第2の側に配置される第2の端部プレート7とを備える。端部プレート6、7は、プレートパッケージ301内のチタンプレートと同一の形状および形態を有し得るが、外力に対する保護をもたらすように前述のチタンプレートよりも若干厚い。

チタンプレート201、201'は、プレートパッケージ301を形成するように相互に対して永久接合され、これらのチタンプレート間に流入する第1の流体および第2の流体のための第1の流路および第2の流路を交互に有する。プレート熱交換器1は、第1の流体入口10および第1の流体出口11を有し得る。第1の流体入口10は、第1の流体を受け、プレートパッケージ301内のチタンプレート間の第1の流路へと第1の流体を導く。第1の流体出口11は、第1の流路から第1の流体を受け、プレート熱交換器1からこの流体を退出させ得る。プレート熱交換器1は、第2の流体入口12および第2の流体出口13を有する。第2の流体入口12は、第2の流体を受け、チタンプレート間の第2の流路へと第2の流体を導く。第2の流体出口13は、第2の流路から第2の流体を受け、プレート熱交換器1から第2の流体を退出させ得る。

コネクタ8が、入口および出口のそれぞれの周囲に配置され、各コネクタ8は、パイプの形態を有する。この場合に、2つの流体のための流体ラインが、コネクタ8を介してプレート熱交換器1に対して連結され得る。任意の適切な技術が、かかる連結を実現するために利用されてもよく、コネクタ8は、典型的にはプレートパッケージ301内のチタンプレートと同一の材料から作製される。図示するような向流ではなく流体が並流となるように、これらの流体の一方のための入口および出口が反転されてもよい。

図3を参照すると、第1のチタンプレート201が図示され、この第1のチタンプレート201は、平坦状、すなわち隆起部およびくぼみ部の波形状パターンを有さないか、または略平坦状であってもよい。略平坦状とは、プレートが例えば加圧成形などにより波形化された後の表面拡張率が5%未満であることを意味する。波形状プレート201'の表面拡張率は、25%未満である。図4では、波形状パターンを有する第2のチタンプレート201'が図示される。チタンプレート201'は、チタンプレート201および201'が相互の頂部の上に交互に配置されるように波形化されている。チタンプレート201および201'は、ポート開口とも呼ばれる4つの嵌通穴210〜213を有してもよく、これらの嵌通穴210〜213は、プレート熱交換器1の入口および出口10〜13と整列される。交互する頂部236および237の形態のパターン234が、例えばチタンプレート201'中への加圧成形などによって構成される。また、チタンプレート201は、交互する頂部および底部の波形状パターンを備えてもよく、または略平坦状であっても、すなわち波形状化後の表面拡張率が5%未満であってもよい。チタンプレート201、201'は、第1の側231と、第1の側231の反対側である第2の側232とを有する。周囲エッジ233が、チタンプレート201および201'の周囲に延在してもよく、第1の側231から第2の側232に向かって折りたたまれる。エッジ233は、下方に位置するチタンプレートに当接し、下方に位置するチタンプレートの外縁に対するシールを形成する。

プレート熱交換器1、流体用の流路、チタンプレート201'および201、ならびにコネクタ8の形態および形状は、当技術において実質的に知られたものであり、既知の技術により実現され得る。しかし、プレート熱交換器1は、チタンプレートをプレートパッケージ301へと効率的に接合する特殊な特性を有するプレート材料を使用することによって新規の方法で作製される。チタンプレート201'は、波形状パターンを有する高グレードチタンプレートから作製される。チタンプレート201'の厚さは、0.25〜2.0mmである。高グレードチタン材であることにより、このプレートは、最大で32バールまでの16バール超の高圧に耐え得る最大で25%の表面拡張率まで、クラックを発生させることなく波形化され得る。参照数字201は、主にチタンから作製されるが低グレードチタンから作製され得る、および周囲エッジ233を除いて加圧成形パターンを有さないチタンプレートを示す。チタンプレート201が波形化されない場合には、チタン材料に対する品質要件は、表面拡張率の観点においてより低い。しかし、チタンプレート201は、波形状パターンを備えてもよい。かかる場合には、チタンプレートの品質要件はより高い。

図5を参照すると、隣接する波形状チタンプレート201'と接合される前のチタンプレート201の断面が図示される。チタンプレート201は、チタンプレート200の形態の母材を有する。第1の溶融抑制フォイル208が、チタンプレート200の第1の側231に配置される。第1の溶融抑制フォイル208は、ニッケル(Ni)フォイル224および銅(Cu)フォイル225を備える。銅フォイル225のかわりに、ジルコニウム(Zr)フォイルが使用されてもよい。ニッケルフォイル224は、チタンプレート200の最も近くに配置される。チタンプレート200は、0.25〜2.0mmの厚さを有し、低グレードチタンから作製され得る。チタンプレート200は、溶融抑制フォイルがプレート200上に被覆される前において1.5〜5.0mmなどのより大きな厚さを有してもよい。被覆により、例えば冷間圧接によってこの被覆が実現される場合などにはチタンプレートの厚さが削減され得る。溶融抑制フォイルで被覆された後のチタンプレートの最終厚さは、典型的には0.25〜2.0mmである。チタン母材200は、チタンプレート201の主要部分である。

銅フォイル225は、少なくとも98%純度銅を含む、ニッケルフォイル224は、少なくとも98%純度ニッケルを含む。銅フォイル225およびニッケルフォイル224の残りのパーセンテージは、他の合金金属または不純物であり得る。ジルコニウムフォイルが使用される場合には、このフォイルは少なくとも98%純度ジルコニウムを含む。

銅フォイル225およびニッケルフォイル224はそれぞれ、溶融抑制フォイルを備えるチタンプレート200またはプレート201の厚さの20%未満、10%未満、または4%未満である厚さを有する。また、ジルコニウムフォイルが、チタンプレート200またはプレート201の厚さの20%未満、10%未満、または4%未満である厚さをさらに有する。したがって、銅フォイル225、ニッケルフォイル224、および使用される場合にはジルコニウムフォイルのそれぞれが、チタンプレート201の厚さすなわちチタンプレート200の厚さとチタンプレート200上に配置される全ての溶融抑制フォイルの厚さとの合計の、20%未満、10%未満、または4%未満である厚さを有する。例えば、チタンプレート200は1mmの厚さを有し、ニッケルフォイル224は0.015mmの厚さを有し、銅フォイル225は0.015mmの厚さを有し得る。

第2の溶融抑制フォイル209が、チタンプレート200の第2の側に配置される。第2の溶融抑制フォイル209は、ニッケルフォイル221および銅フォイル222を備える。銅フォイル225のかわりに、ジルコニウムフォイルが使用されてもよい。ニッケルフォイル221は、チタンプレート200の最も近くに配置される。第2の溶融抑制フォイル209のフォイル221、222は、第1の溶融抑制フォイル208のフォイルと同一である。以下において説明されるように、溶融抑制フォイルの他の構成が使用されてもよい。

図6を参照すると、チタンプレート201は、プレート201の各側231、232において、すなわちチタン母材200の各側において、第1の溶融抑制フォイル208および第2の溶融抑制フォイル209でチタンプレート200を被覆することにより得られる。この被覆は、例えば従来の冷間圧接技術によってなど圧延により実現され得る。この場合に、溶融抑制フォイル208、209は、チタンプレート200と共に効果的に結合される。当然ながら、任意の他の適切な技術が、チタンプレート201に対して溶融抑制フォイルを結合させるために利用されてもよい。

冷間圧接の最中に、高圧が、これらの層に対して、すなわち銅フォイル、ニッケルフォイルならびにチタンプレート200に対して印加される。これは、特にプレート201中におけるチタンの延性を望ましくない様態で変化させる場合がある。プレート201の延性を回復または少なくとも改善するために、プレート201が冷間圧延後に熱処理されてもよい。これは、所定の時間にわたりチタンの従来的な熱処理原理にしたがって約650〜850℃の温度にて実施される。

チタン母材200および溶融抑制フォイル208、209を有するプレート201は、所望の幅を有する連続ストリップとして形成され得る。このストリップは、図9により示されるようにコイル501へと圧延され得る。熱処理が、コイルの形成前または後に実施されてもよい。

図7および図8を参照すると、プレートパッケージ301内のチタンプレート201が、チタンの溶融温度の直下の温度まで加熱されると、溶融抑制フォイル208、209が、プレート201のチタン200のための溶融抑制剤として作用し、プレート201の表面層214を溶融させる。この温度は、850℃を超えチタンの融点未満、または1050℃未満である。溶融抑制フォイル208、209と接触状態にあるチタンプレート200の全ての表面層が、溶融し、溶融する表面層214の量が、溶融抑制フォイル208、209の銅フォイルおよびニッケルフォイルの厚さにより決定される。高グレードチタンのみにより作製される波形状プレート201'と、溶融抑制フォイルで被覆されたチタンプレート201は、相互に接触状態に配置され、溶融した表面層214中の溶融チタンが、毛管力によりプレート201、201'間の接触エリア240に向かって流れる。この後に、溶融チタンは、冷却されそれにより固化され得ることにより、結果として接合部241が、溶融チタンが流れる箇所にて隣り合うプレート201、201'間の接触エリア240に形成され得る。この場合に、接合部中の全てのチタンは、プレート201の表面層214の一部であったチタンを出所とするものとなる。したがって、自己ろう付け型チタンプレートが実現されている。チタンが、例えば溶融抑制フォイル中に幾分かを含むことによってなど何らかの他の方法で追加される場合には、全てのチタンが、プレートパッケージ301内のチタンプレート出所とするものとは限らない。しかし、典型的には接合部241中のチタンの少なくとも80%または少なくとも90%が、接合前には、チタンプレートのプレートパッケージ301内のチタンプレート201の一部となる。

図10を参照すると、図1におけるものと同様のチタンプレート熱交換器を作製する方法が、複数のステップを含む。第1のステップでは、チタンプレート201が取得される(102)。取得されたチタンプレート201は、例えばコイルの形態などであってもよく、プレート201の各側231、232において溶融抑制フォイル208で被覆されている(103)。必須ではないが、プレートは、上述のように被覆103の後に熱処理されてもよい(104)。

プレート201'中のパターン234を波形化する従来的な操作が実施され、これにより、プレート201'中に頂部236および底部237が形成される。この波形化は、典型的には、プレート中の最高頂部から最低底部にかけて見られるように、少なくとも1.5mmのプレス深さでチタンプレート201'を加圧形成することを含む。この操作後に、プレートは、波形状チタンプレート201'になる。任意には、被覆されたチタンプレート201もまた波形化されてもよく、加圧成形106は、典型的には、プレート中の最高頂部から最低底部にかけて見られるように、少なくとも1.5mmのプレス深さでチタンプレート201を加圧形成することを含む。したがって、チタンプレート201の表面は、溶融抑制フォイル208で覆われる。プレートは、この操作後には被覆された熱伝達プレート201になっており、チタンのみから作製されるわけではないが(その溶融抑制フォイルが別の材料から作製される)チタンプレートと呼ばれる。

プレート201は、所定の形状へと切断され得る(108)。これは、周囲エッジ233に沿ってプレート201を切断することと嵌通穴210〜213を切削することとを含む。

次に、1つおきのプレートが略平坦状の被覆されたプレート201であり、1つおきのプレートが波形状チタンプレート201'である、チタンプレート201、201'からなるプレートパッケージ301が形成されるように、複数のチタンプレート201、201'が相互の上に交互に積み重ねられる(110)。略平坦状の被覆されたチタンプレート201は、小さな波形状を有してもよく、例えば結果として表面拡張率が5%未満となる。しかし、波形状プレート201'の表面拡張率は、被覆されたチタンプレート201の表面拡張率よりも大きいべきである。積み重ねの最中に、これらのプレートは相互に接触状態になり、したがって接触エリア240は、プレートパッケージ301内の隣り合うチタンプレート201、201'間に形成される。

プレートを波形化し(106)、切断し(108)、積み重ねる(110)ための操作は、加圧成形などの既知の技術により実施される。端部プレート6、7は、チタン母材がより厚いという相違点を除いては、プレート201と同様である。コネクタ8は、プレート熱交換器1の意図される用途に応じて省かれてもよい。コネクタ8は、使用される場合には、プレート201'と同一のチタンから作製されてもよく、従来のチタンろう付け技術を利用することによりプレートパッケージ301に対して装着され得る。

次に、チタンプレートからなるプレートパッケージ301は、850℃を超えチタンの融点未満の温度へと加熱される(112)。既述のように、この場合に、溶融抑制フォイル208が、チタンプレート201中のチタンに対する溶融抑制剤として作用し、チタンプレート201の表面層214を溶融させる。次いで、溶融チタンは、隣り合うチタンプレート201、201'間の接触エリア240へと流れる。その後、溶融チタンは、固化(冷却)(114)され得ることにより、結果として接合部241が、隣り合うプレート201、201'間の接触エリア240に形成され得る。このようにして、プレートパッケージ301内のチタンプレートが、効果的に接合される。

加熱するステップ112および冷却するステップ114を実施するための時間および温度は、溶融抑制フォイルの構成および厚さにより決定され得る。チタン母材が0.45mm厚であり、各溶融抑制フォイルが3μm厚さの銅フォイル、6μm厚さのニッケルフォイル、および3μm厚さの銅フォイルを備えるプレートの場合には、加熱(112)および冷却(114)は、以下のサイクル例にしたがって実施される。この例では、ニッケル(Ni)フォイルは、2つの銅(Cu)フォイルの間に位置し、チタン(Ti)の両側は、溶融抑制フォイルで被覆される。したがって、この例は、いわゆるCu-Ni-Cu-Ti-Cu-Ni-Cuプレート構成である。従来のろう付けオーブンが、このサイクルを実施する場合に使用された。溶融抑制フォイルを形成する他のプレート構成、すなわちさらに続いて説明されるようなおよび先述のような(図5はCu-Ni-Ti-Ni-Cuプレート構成を示す)Cuフォイル、Niフォイル、および/またはZrフォイルの組合せが使用されてもよい。

このサイクルは、30分の期間の間に22℃から550℃まで、20個のプレートを有するプレートパッケージ301を加熱することと、20分の期間にわたり550℃に温度を保持することと、550℃にて10分間にわたりアルゴンガスでプレートパッケージをフラッシングすることと、その後に真空内で以降のステップを実施するためにアルゴンガスを排気することとを含むものであった。以降のステップは、20分の期間中に900℃まで温度を上昇させることと、30分間にわたり900℃に温度を保持することと、5分の期間の間に1025℃まで温度を上昇させることと、30分の期間の間1025℃に温度を保持することと、30分の期間の間に900℃まで温度を低下させることと、30分間にわたり900℃に温度を保持することとを含むものであった。その後、真空が解除され、オーブンが閉鎖され、プレートパッケージ301が22℃の温度(周囲温度)に達するまでオーブン内部で冷却され得る。

得られたプレートパッケージ301は、プレートパッケージ301内のチタンプレート間の全ての接触エリアにて完全に封止された。図11では、得られたプレートパッケージ301の断面図が示される。

チタンプレートのプレートパッケージ301をろう付けするための他のサイクルが利用されてもよく、従来のチタンろう付けサイクルが利用されることが推測される。

既述の例は、Cu-Ni-Cu-Ti-Cu-Ni-Cuプレート構成に対して実施した。フォイルの順序を示唆する以下のもの、すなわちNi-Cu-Ti-Cu-Ni、Cu-Ni-Ti-Ni-Cu、Zr-Ni-Ti-Ni-Zr、Zr-Ni-Cu-Ti-Cu-Ni-Zr、Ni-Ti-Ni、Cu-Ti-Cu、Ni-Ti-Cu、Cu-Ti-Niを含む(ここで「Cu」は銅フォイルを表し、「Ni」はニッケルフォイルを表し、「Zr」はジルコニウムフォイルを表し、「Ti」はチタンプレートを表す)、他の構成が利用されてもよい。他の組合せが可能であり、例えば、これらの実施形態の中の1つまたは複数に関してZrがCuに部分的にまたは完全に置き換わってもよい。また、より多数のNi、Cu、およびZr層が使用されてもよく、それらの順序は変更されてもよい。

既述のプレート熱交換器は、作製方法の使用目的となり得るタイプのプレート熱交換器の一例に過ぎない。プレート中に他のタイプのプレートパターン、他の個数のポート開口等を有するタイプを含む、任意の他の適切なプレート熱交換器タイプが、その方法にしたがって作製され得る。

上記の説明から、本発明の様々な実施形態を説明し示したが、本発明はそれらに限定されず、添付の特許請求の範囲内において定められる対象の範囲内において他の様式で具現化されてもよいことが理解されよう。

1 プレート熱交換器 6 第1の端部プレート 7 第2の端部プレート 8 コネクタ 10 第1の流体入口 11 第1の流体出口 12 第2の流体入口 13 第2の流体出口 200 チタンプレート、チタン母材 201 チタンプレート、第1のチタンプレート 201' チタンプレート、第2のチタンプレート、波形状チタンプレート 208 第1の溶融抑制フォイル 209 第2の溶融抑制フォイル 210 嵌通穴 214 表面層 221 ニッケルフォイル 222 銅フォイル 224 ニッケルフォイル 225 銅フォイル 231 第1の側 232 第2の側 233 周囲エッジ 234 パターン 236 頂部 237 底部 240 接触エリア 241 接合部 301 プレートパッケージ 501 コイル