熱交換器の進化

拡散接合プロセスによって製造されたコンパクトなプリント回路熱交換器 (PCHE) は、極端な温度と圧力の環境において従来の代替品を上回ります。

従来のプレート熱交換器またはシェルアンドチューブ熱交換器は、加工産業で長い間使用されてきました。 しかし、今日では、高圧、高温、腐食環境への曝露を伴う多くの新しい用途に伴い、より多くのメーカーがコンパクトなプリント回路熱交換器 (PCHE) に注目しています。

PCE は、複雑な流れパターンを形成するために各層に流体フロー マイクロチャネルが化学的にエッチングされた、薄く平らな金属プレートで構成される多層熱交換器です。 次に、これらの層を拡散結合させて、優れた空気流と熱伝達特性を備えた高密度の熱交換器を作成します。

このように設計すると、熱交換器は従来のプレートまたはシェルアンドチューブ設計よりも最大 85% 小型軽量化できます。 さらに、PCHE は過剰な配管、フレーム、その他の関連構造要素を必要としないため、コストがさらに削減されます。

「高品質の拡散接合 PCHE は、数百バールの非常に高い圧力や 800°C を超える極端な温度に耐えることができます。 その結果、PCHE は、石油やガス、水素自動車燃料供給ステーション、航空宇宙など、要求の厳しい幅広い用途に適しています」と PVA 産業用真空システムのマネージング ディレクター、ウド ブロイヒ博士は述べています。

拡散接合は、他の方法では困難または不可能な高強度金属や高融点金属を接合するために長年使用されてきました。 このプロセスでは、PVA TePla が提供するような高真空ホットプレスで接合部分に高温と圧力を加えます。 これにより、固体金属表面上の原子が分散して結合します。 材料が類似している場合、最終的なピースには境界線や縞模様がほとんど、またはまったくありません。 一方のマテリアルの界面が他方のマテリアルに溶け込み、その逆も同様です。 適切な装置、材料の準備、およびプロセスを使用すれば、異なる材料でも同じ結果を達成できます。

このプロセスの鍵となるのは、真空ろう付けなどの他の方法ではなく、拡散接合を使用して層を接合することです。 ろう付けは通常の状態で金属を接合するために広く使用されていますが、高温、高圧、または腐食の状況では不十分な場合があります。 ろう付けは、溶加材を溶かして接合部に流し込むことによって 2 つ以上の金属アイテムを接合する接合プロセスです。 フィラー金属は毛細管現象によって層間のギャップに流れ込みます。

充填材とプロセスパラメータを適切に選択すると、ろう付けにより高強度で耐熱性の高い接合を作成することもできます。 ただし、フィラー金属は常に接合部品の材料とは異なる化学組成を持っているため、ろう付けされた部品の特性は通常、固体部品の特性に達することはできません。

「PCHE をろう付けする場合、エンジニアは別の問題を考慮する必要があります。ろう付け中に、溶けた金属フィラーがマイクロチャネルに浸透して固化し、空気の流れに必要なチャネルをブロックする可能性があります。 これにより、PCHE はまったく効果がなくなる可能性があります」と Broich 氏は言います。 「拡散接合は溶加材を必要とせず、固体状態の接合プロセスであるため、マイクロチャネルはそのまま残ります。

「PCHE の層が拡散結合されると、最終製品は母材の機械的、化学的、熱的特性を保持します。 材料の高い強度と完全性を考慮すると、PCHE は非常に厳しい動作条件に耐えることができます」と Broich 氏は説明します。

拡散接合 PCHE の大きな利点は、熱交換器のサイズが大幅に縮小されることです。 「PCHE は従来の熱交換器に比べて質量と体積が約 85% 削減されていますが、マイクロチャネルは熱交換に大きな表面積を提供します」と Broich 氏は言います。 「標準的な[プレート熱交換器、またはシェルアンドチューブ熱交換器]設計で同じ熱伝達率を達成するには、はるかに多くの質量と体積が必要です。」