JPH028691A

JPH028691A - 熱交換装置の製造方法

Info

Publication number: JPH028691A
Application number: JP15825788A
Authority: JP
Inventors: Keiji Suzumura; 恵司鈴村; Noriaki Hattori; 服部　憲明; Shigeru Akiyama; 茂秋山; Toru Nishikawa; 西河　徹; Shozo Fujimoto; 藤本　省三
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Aisin Seiki Co Ltd; Shinko Wire Co Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Kobelco Wire Co Ltd; Aisin Corp
Priority date: 1988-06-27
Filing date: 1988-06-27
Publication date: 1990-01-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JP2580003B2

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】［発明の目的］［産業上の利用分野コ本発明は、熱交換装置及びその製造方法に関し、特に、
発泡アルミニウムなどの多孔質材料と中空金属物とを一
体に形成した複合構造物を利用する熱交換装置に関する
。用途としては、例えば自動車用排熱回収装置や、工場
等で利用される高温流体の放熱装置が考えられる。

［従来の技術］発泡アルミニウムを用いた熱交換装置は、特開昭５０−
５２１９８号公報に開示されている。この熱交検装置は
、予め所定の形状に形成した発泡アルミニウムに、伝熱
管を通し、かつ通気用の多数の貫通孔を穿設したもので
ある。この種の熱交換装置においては、通気用の貫通孔
がフィン形状をもち、大きな伝熱面積が得られ、またそ
こを通る流体が発泡空孔により乱流になるため高い伝熱
効率が得られ、かつ製造が容易である、というメリット
を有している。

［発明が解決しようとする問題点］ところで、この種の熱交換装置においては、伝熱管と発
泡アルミニウムとの接合部における伝熱性の優劣が、熱
交換性能を大きく左右することが知られている。

しかしながら、この種の従来の熱交換装置においては、
伝熱管と発泡アルミニウムとの伝熱性は十分ではない。

発泡アルミニウムとパイプとの複合構造物を作る方法と
しては、従来より次のような方法が機業されている。

（ａ）アルミニウムなどの溶融金属に発泡剤を加えて鋳
造したものを一次成形して形成される発泡成形体に、一
体化すべきパイプの外径に相当する大きさの挿通孔をガ
ンドリル等の切削工具で搾孔し、その後該挿通孔にパイ
プを圧入してそれらを一体化する。

（ｂ）１Ｍ型内に、予熱されたパイプを予めセットして
おき、そのＳＢ型内に、製造途中の発泡成形体、即ち添
加された発泡剤が発泡を開始し内部に気泡が形成されつ
つある溶融金属を注入し、それらを冷却・凝固させる。

しかしながら、上記（ａ）、　（ｂ）いずれの方法を用
いろ場合でも、金属発泡成形体とパイプとの境界部分（
接合箇所）に空隙が形成され、十分な接合状態が得られ
ない。

（ａ）の方法で得られた複合構造物のパイプ４１と多孔
質材料４２との接合部分の断面を第５ａ図に拡大して示
す。第５ａ図を参照すると、この例では、パイプ４１と
多孔質材料４２とは、多孔質材料４２の切削された多数
の気泡を介して接触していることが分かる。つまり、多
孔質材料の気孔率が高いほど５両者の接触面積は小さく
なる。

（ｂ）の方法で得られた複合構造物のパイプ４３と多孔
質材料４４との接合部分の断面を第５ｂ図に拡大して示
す。第５ｂ図を参照すると、この例では、パイプ４３に
対向する部分の多孔質材料４４の表面は波打ち、即ち凹
凸形状になっており、パイプ４３と多孔質材料４４との
境界に空気層４５が存在するのが分かる。従って、パイ
プ４３と多孔質材料４４との接触面積は小さい。この種
の空気Ｊ？Ｊ４５が形成されるのは、鋳型内に注湯され
る溶融金属の粘性が上昇し、その流れが悪化するためで
ある。

いずれにしても、従来の方法で作られる多孔質材料とパ
イプとの複合構造物においては、パイプと多孔質材料と
の接触面積が小さい。従って、両者の間の熱抵抗は比較
的大きい。このため、発泡アルミニウムと伝熱管とで構
成される従来の熱交換装置においては、熱交換性能が低
くなるのは避けられない。

本発明は１発泡アルミニウムのような多孔質材料を用い
た、熱交換性能の高い熱交換装置及びその製造方法を提
供することを目的とする。

［発明の構成］［問題点を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明においては、金属多
孔質材料と、その熱膨張係数が前記金属多孔質材料と同
等もしくはそれ以下であって、前記金属多孔質材料の内
部を貫通する中空金属部材とが１両者の境界部分におい
て空気層の存在しない密着状態でそれらが一体に形成さ
れた複合構造物；を用い、該複合構造物に複数の１通孔
を形成して熱交換装置を構成する。

上述の、金属多孔質材料と中空金属部材とが密着状態で
一体に形成された複合構造物は、鋳型内に、アルミニウ
ムまたはアルミニウム合金等の溶融金属、カルシウムな
どの増粘材及び水素化チタンなどの発泡材を加えて、粘
性の調整及び攪拌を行ない、溶融金属中の発泡材の気泡
が膨張し、独立した気泡が薄膜状のセルＭ造を形成する
以前の気泡成長時に、前記溶融金属と同等もしくはそれ
以下の熱膨張率を有する中空金属部材を前記鋳型内に挿
入し、該鋳型内の溶融金属中の発泡が完了した後、それ
を冷却・凝固させることによって得られろ。

［作用］上述のように構成される熱交換装置においては、通気用
の貫通孔がフィン形状をもち、大きな伝熱面積が得られ
、またそこを通る流体が発泡空孔により乱梳になるため
高い伝熱効率が得られる。しかも、金属多孔質材料と中
空金属部材とが密着し。

それらの接触面積が大きいので５両者の間の熱抵抗は充
分に小さく、従って高い熱交換性能が得られろ。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の、図面を参照した
実施例説明により明らかになろう。

［実施例］第１図及び第３図は、それぞれ、本発明を実施する熱交
換装置の縦断面図及び斜視図を示し、第２図は第１図の
■−■線断面図を示す。各回を参照して説明する。熱交
換装置の本体１０は１円筒状に形成された発泡アルミニ
ウム１１と、その中心部に配置されたアルミニウム製の
パイプ１２とを一体に形成した複合構造物である０発泡
アルミニウム１１は、後述するように、溶融したアルミ
ニウムを発泡させて成形したものであって、第２図に示
すように、その全域に渡って小さな無数の気泡１１ａを
有している。

本体ＩＯの発泡アルミニウム１１の部分には、第３図に
示すように、パイプ１２と同方向に向けて多数の貫通孔
１３が穿設しである。発泡アルミニウム１１の部分の全
体が、カバー１４によって覆われている。カバー１４に
は、流路１４ａ及び１４ｂが形成されており、これらの
流路は発泡アルミニウム１１に形成した多数の貫通孔の
開口部と連通している。

従って、カバー１４に形成された一方の流路から流体を
流入させれば、流体は、発泡アルミニウムの貫通孔１３
を通って他方の流路に流出する。この際、流体と発泡ア
ルミニウム１１との間に温度差があれば、両者の間で熱
交換が行なわれる。また、流体をパイプ１２に通すと、
パイプ１２の壁面が発泡アルミニウム１１と接している
ので、この流体と発泡アルミニウム１１との間に温度差
がある場合にも、それらの間で熱交換が行なわれる。

つまり、パイプ１２に流体（１）を通し、カバー１４に
形成した流路に流体（２）を通すと、流体（１）と流体
（２）との間で熱交換が行なわれる。

パイプ１２の両端には、それぞれフランジ１５及び１６
が固着され、カバー１４の流路の両端には、それぞれフ
ランジ１７及び１８が形成されている。

これらのフランジは、この熱交換装置自体を固定するた
め及び流路を外部のパイプと結合するために利用される
。

ここに示した熱交換装置においては、貫通孔１３の周囲
の壁面が、フィン形状を有しその表面積が非常に大きい
ので、流体（２）と発泡アルミニウム１１との間の伝熱
効率は非常に大きい。また、流体（１）と発泡アルミニ
ウム１１との間の伝熱効率は、パイプ１２と発泡アルミ
ニウム１１との接触部分の接触面積に応じて、その効率
が定まる。この実施例で用いている発泡アルミニウム１
１とパイプ１２との複合構造物においては、接触面積は
非常に大きい。従って、流体（１）と流体（２）との間
の熱変換効率は非常に良好である。

発泡アルミニウム１１とパイプ１２との複合構造物を＠
造する方法を、以下に説明する。

第６ａ図は、複合構造物を製造するための装置構成の概
略を示している。第６ａ図を参照して説明する。鋳型Ｍ
の鋳型ケース６は、パイプ１の下端を埋入設置しうろ凹
型保持孔２が形成された下蓋３を底部に備え、またパイ
プ１が貫通する貫通孔４を穿設した上蓋５を上部に備え
ている。鋳型Ｍは、その底部が底板７の内側に嵌合する
ように配置される。

鋳型Ｍの内部には、アルミニウムやアルミニウム合金な
どの溶融金属と、カルシウムなどの粘結材を入れる。そ
の後、溶融金属の融点温度（アルミニウムでは７００〜
７２０℃）まで加熱して内容物を充分に溶融させ、図示
しない攪拌機を用いて攪拌するとともに、溶融金属が所
定の粘性になるように、添加する粘結材の量を調整する
。所定の粘性が得られた後、水素化チタンなどの発泡剤
を添加し。

更に鋳型の内容物を攪拌する。これによって、添加され
た発泡剤は発泡を開始する。

発泡剤が膨張して気泡の成長が開始された段階で、３０
０〜５００℃の温度で予備加熱されたパイプ１を、上Ｍ
５の貫通孔４を貫通させ、下端を下蓋３の保持孔２内に
固定する。このパイプ１の下端には、シール材（パイプ
１と同質材料あるいはパイプ１より融点の高い材料）８
が嵌着されている。

しばらくすると、添加された発泡剤の発泡が完了し、気
泡が充分に成長して、その結果、溶融金属が発泡金属と
して溶製される。この後、放冷その他の手段によって、
鋳型Ｍの内容物を冷却すると、溶融金属は凝固する。溶
融金属が凝固した後で鋳型Ｍを解体すると、図に示すよ
うな発泡金属（アルミニウム）９とパイプ１とが一体に
なった複合構造物が得られる。

第６ａ図の例では、パイプ１の一端のみが発泡金属９か
ら突出した複合構造物が得られる。パイプの両端が発泡
金属から突出した複合構造物を得るための装置の概略を
、第６ｂ図に示す。第６ｂ図を参照すると、この例では
、下￥Ｌ３が、パイプ１の一端ｔｂを突出させるのに充
分な高さをもつように、その下端に複数の支脚３ａが形
成されている。また、保持孔２は、パイプ１を挿通可能
な大きさに形成しである。その他の構成は、第６ａ図の
ものと同一である。

第６ｂ図の装置においても、第６ａ図の装置の場合と同
一の方法及び条件で、パイプ１と発泡金属との複合構造
物が得られる。なお、第６ａ図の例では、パイプ１の下
端に１発泡金属の流入を阻止するためにシール材８を充
填しているが、第６ｂ図の例では、パイプ１の端部１ｂ
が下蓋３の保持孔２を貫通して配設されるので、該パイ
プ１の端部１ｂから溶融金属が流入することはなく、シ
ール材は不要である。

実際に複合構造物を製造した時の具体的な諸条件の一例
を次に示す。

溶融金属・・・純度９９．７％のアルミニウム増粘剤・
・・・カルシウム　２．０重量％発泡剤・・・・水素化
チタン　２．０重量％シール材（８）・・アルミニウムパイプ（１）・・・アルミニウム（ＡＯＩＩ−Ｔ５）５
０＋ｓｍφ　肉厚：　１．２ｍｍ発泡鋳型構成部材の材質・・ＳＳ４１複合摺造物の大きさ・・・直径：２５０ｍｍ高さ：２３
０ｍｍ即ち、鋳型Ｍ内に純度９９．７％のアルミニウムを入れ
、鋳型Ｍの全体をヒータで７００℃に加熱してアルミニ
ウムを溶かし、次いで２．０重量％のカルシラ１１を増
粘剤として添加して攪拌し、増粘した。続いて、溶融金
属の粘性調整後、溶融金属の温度を７００℃に維持しな
がら、発泡剤として水素化チタンの粉末を２．０重量％
添加して攪拌し。

予熱した上蓋５を取付けた。更に、鋳型Ｍの内部で発泡
剤が発泡を開始し、溶融アルミニウム中の気泡が膨張し
成長する際に、アルミニウム製のパイプｌを上蓋５の貫
通孔４から下Ｍ３の保持孔２へその下端１ｂを挿入して
固定し、その状態のまま１ｇ型Ｍを加熱して溶融金属中
の発泡剤が完全に発泡して気泡が均一な薄膜状のセル構
造になった時点で、鋳型Ｍの加熱を停止し、常温で冷却
し、溶融金属を凝固させた。凝固した後、鋳型Ｍを解体
し、複合構造物を得た。

この製造方法によって得られた複合構造物の断面を第４
ａ図及び第４ｂ図に示す。

第４ａ図に示した複合構造物は、鋳型Ｍの冷却期間、増
粘剤を加えた後の攪拌時間などを調整し、溶融アルミニ
ウム中の気泡を十分に成長させた場合に得られた。第４
ａ図を参照すると、この複合構造物においては、発泡ア
ルミニウム９中の気泡Ｘの大きさは、発泡アルミニウム
９とパイプｌとの境界部分Ｓに近づくにつれて徐々に小
さくなり、しかも境界部分Ｓには、気泡Ｘの存在しない
アルミニウムの層が形成されている。

第４ｂ図に示した複合構造物は、鋳型Ｍの冷却期間、増
粘剤を加えた後の攪拌時間などを調整し、溶融アルミニ
ウム中の気泡をあまり成長させなかった場合に得られた
。第４ｂ図を参照すると、この複合構造物においては、
発泡アルミニウム９中の気泡Ｙの大きさは、全体でほぼ
均一である。発泡アルミニウム９とパイプｌとの境界部
分Ｓには、気泡Ｙの存在しないアルミニウムの層が形成
されている。

いずれにしても、前述の方法を用いて製造した複合構造
物においては、パイプと発泡アルミニウムとの接触部分
が、完全に独立した薄膜セル構造になり、その部分に空
気層は存在しないので、パイプと発泡アルミニウムとの
接触面積は非常に大きい。従ってパイプと発泡アルミニ
ウムとの間の熱抵抗が小さく、伝熱効率は非常に高い。

［効果］以上のとおり、本発明によれば、構造が単純なため製造
が容易で、しかも熱交換性能の高い熱交換装置が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図は、それぞれ、本発明を実施する熱交
換装置の縦断面図及び斜視図である。第２図は、第１図の■−■線断面図である。第４ａ図及び第４ｂ図は、それぞれ、本発明の方法で得
られた複合構造物のパイプと発泡アルミニウムとの境界
部分を示す縦断面図である。第５ａ図及び第５ｂ図は、それぞれ、従来の方法で得ら
れる複合構造物のパイプと発泡アルミニウムとの境界部
分を示す縦断面図である。第６ａ図及び第６ｂ図は、実施例の複合構造物を製造す
る装置の構成を示す斜視図である。１．１２：パイプ（中空金属部材）２：凹型保持孔３：下蓋　　　　　　　３ａ：支脚４：貫通孔　　　　　　　５：上蓋６：鋳型ケース　　　　　７：底板８：シール材　　　　　９：発泡金属１０：本体（複合構造物）１１：発泡アルミニウム（金属多孔質材料）１３：貫通
孔　　　　　　１４：カバー１４ａ、１４ｂ：流路１５．１６，１７．１８：フランジ４１．４３：パイプ　　４２，４４：多孔質材料４５：
空気層Ｍ：鋳型Ｓ：境界部分Ｘ、Ｙ、ｌｌａ：気泡出願人　アイシン精機株式会社（他２名）戸図声図事６８図東６ｂ図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属多孔質材料と、その熱膨張係数が前記金属多
孔質材料と同等もしくはそれ以下であって、前記金属多
孔質材料の内部を貫通する中空金属部材とが、両者の境
界部分において空気層の存在しない密着状態でそれらが
一体に形成された複合構造物；及び前記複合構造物に形成した複数の貫通孔；を備える熱交換装置。
（２）前記金属多孔質材料は、アルミニウムを含む発泡
成形体である、前記特許請求の範囲第（１）項記載の熱
交換装置。
（３）鋳型内に、アルミニウムまたはアルミニウム合金
等の溶融金属、カルシウムなどの増粘材及び水素化チタ
ンなどの発泡材を加えて、粘性の調整及び攪拌を行ない
、溶融金属中の発泡材の気泡が膨張し、独立した気泡が
薄膜状のセル構造を形成する以前の気泡成長時に、前記
溶融金属と同等もしくはそれ以下の熱膨張率を有する中
空金属部材を前記鋳型内に挿入し、該鋳型内の溶融金属
中の発泡が完了した後、それを冷却・凝固させて、金属
多孔質材料と中空金属部材との複合構造物を形成し、該
複合構造物に対し、金属多孔質材料の部分にそれを貫通
する複数の貫通孔を形成する、熱交換装置の製造方法。