JPH10121110A

JPH10121110A - 沸騰伝熱部材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10121110A
Application number: JP27192696A
Authority: JP
Inventors: Koji Nishimura; 厚司西村; Tatsuya Uchida; 達也内田; Toshiji Yoshikawa; 利次吉川
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1996-10-15
Publication date: 1998-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】伝熱効率をより一層高める構造を有する沸騰伝
熱部材とその製造方法を提供する。【解決手段】連続気孔の金属焼結体を厚み方向に圧縮し
た金属多孔質体を部材表面に有する沸騰伝熱部材。その
製造例として、（ａ）基体となる三次元網目構造体の骨
格表面に、金属または金属合金の粉体を被着させる工
程、（ｂ）粉体を被着した三次元網目構造体を部材(13
0)表面に積層し、加熱して三次元網目構造体を焼失除去
する工程、（ｃ）金属または金属合金の焼結を行い連続
気孔の金属焼結体(110)を得るとともに、部材表面に熱
融着一体化する工程及び、（ｄ）形成した金属焼結体を
厚さ方向に圧縮して所定の厚みを有する金属多孔質体(1
20)とする工程を含む沸騰伝熱部材(100)の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、種々の産業分野で
用いられる熱交換のための伝熱管や伝熱板等の伝熱部材
に関し、特に従来のフィン付き伝熱管や伝熱板の大幅な
伝熱効率向上を図ることができる伝熱管や伝熱板等の伝
熱部材及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液−液、液−ガス、ガス−ガス間
等の熱交換器や熱交換材には、一般的に熱伝導性の良い
銅材を用いた伝熱管や伝熱板が使用されている。熱交換
量は、それぞれの熱媒体間の温度差、熱伝達係数、伝熱
面積に比例するとされている。近年、省エネ、省スペー
スの要求から、熱交換器の小型化、高性能化が進んでい
る。小型化、高性能化を達成するために、熱伝導性の高
い材料を使用するのみならず、管表面や板表面にフィン
や溝を設けることで伝熱面積の増加を図り、さらにフィ
ン構造を工夫することで伝熱面表面に乱流を発生させ熱
伝達係数の増大を図っている。

【０００３】また、特に沸騰を伴う熱交換器の高性能化
を図るには、伝熱面構造に工夫が必要である。沸騰の熱
伝達を促進するには蒸気核が多数存在し、さらに、トラ
ップされた蒸気核が逃げ難い表面構造が適している。こ
の沸騰熱伝達の促進のため、伝熱面表面を粗くしたり、
特公昭６３−１６０３７号公報では機械加工により溝や
狭い開孔を有する空洞を伝熱面表面に設けたりしてい
る。さらに、特公昭６２−４２６９９号公報や特開平４
−１１０５９７号公報には、銅や銅合金の多孔質体ある
いは発泡体を一体成形もしくは被着することで、上記効
果を付加して小型化、高性能化を図る技術も見られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特公昭６３−１６０３
７号公報は、沸騰伝熱管を提供するものであり、伝熱面
の表皮下に微小空洞を設けその空洞を覆う表皮に微小孔
があけられた構造を持っている。この沸騰伝熱管は、同
じ熱流束を伝えるのに平滑管に比べ１／５から１／１０
の過熱度でよく、熱交換器の小型化、高性能化を可能に
するものであるが、製造費用が高いという問題があっ
た。特公昭６２−４２６９９号公報や特開平４−１１０
５９７号公報は、銅や銅合金の多孔質体もしくは、発泡
体を一体成形もしくは被着する際、熱媒体を移送するパ
イプと発泡体との結合や密着を図るため、前者では、発
泡体形状鋳型に溶融金属を注入凝固させる方法をとり、
後者では、圧着、ろう付け、めっき等の手段を必要と
し、単に必要面積を増加する以上の製造費用の増加を伴
い、また製造工程と設備費の増加につながるという問題
があった。さらにこれらの技術は、伝熱管内外同時に一
体成形できず本来目的とする効果が得られないことや被
着する多孔質体もしくは発泡体は同一径の連続空隙であ
り一定の乱流効果は得られるもののさらに大きな効果を
得ることができない。

【０００５】また、沸騰熱交換器の伝熱促進にこれら金
属多孔質体を適用する場合、沸騰熱伝達率は多孔質体の
厚さ、孔径に大きく依存する。すなわち、多孔質体が薄
く孔径が大きいと、気泡の保持ができないために、核沸
騰現象が見られず、伝熱促進の効果は得られない。逆に
多孔質体が厚く孔径が小さいと、気泡が離脱しにくくな
り膜沸騰現象と同様、熱伝達率が低下し伝熱面温度が非
常に高くなり溶融する場合がある。特公昭６２−４２６
９９号公報や特開平４−１１０５９７号公報の方法で
は、伝熱面に均一な厚さと孔径の金属多孔質体を設ける
ことは困難であり、部分的に熱伝達率の低い場所ができ
て伝熱促進の効果が得られなかったり、部分的な温度上
昇により溶融事故が発生する。本発明は、かかる問題点
の解決を図ろうとするもので、伝熱効率、特に沸騰伝熱
効率をより一層高めることができる構造を持つ伝熱管や
伝熱板等の沸騰伝熱部材及びその製造方法を提供するも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、連続気孔の金
属焼結体を厚み方向に圧縮した金属多孔質体を部材表面
に有する沸騰伝熱部材であり、このような沸騰伝熱部材
は、以下の工程を含むことにより製造することができ
る。（ａ）基体となる三次元網目構造体の骨格表面に、金属
または金属合金の粉体を被着させる工程、（ｂ）金属ま
たは金属合金の粉体を被着した三次元網目構造体を部材
表面に積層し、加熱して三次元網目構造体を焼失除去す
る工程、（ｃ）金属または金属合金の焼結を行い連続気
孔の金属焼結体を得るとともに、部材表面に熱融着一体
化する工程及び、（ｄ）形成した金属焼結体を厚さ方向
に圧縮して所定の厚みを有する金属多孔質体とする工
程。そして、工程（ｄ）において、金属焼結体をプレス
機により圧縮して金属多孔質体とする沸騰伝熱部材の製
造方法である。

【０００７】

【発明の実施の形態】高熱伝導性を有する金属あるいは
金属合金を用いて金属焼結体を形成すると、熱伝導率の
高い材料を用いているにもかかわらず、熱伝導性が低下
する。これは、空隙率が８０％以上では、空気の熱伝導
率が支配的となるため全体の熱伝導率は小さくなってし
まうためである。本発明では、金属焼結体の厚みを焼結
形成して得られた初期値に対して使用する際に、または
あらかじめ圧縮して空隙率を小さくすることにより熱伝
導率の高い、また蒸気核が多数存在し、トラップされた
蒸気核が逃げ難い沸騰伝熱部材とする。本発明では、金
属焼結体の空隙率を８０〜９８％にすることが好まし
く、８０％未満では、金属あるいは金属合金粉末を基体
となる三次元網目構造の骨格表面に被着させる工程で多
量に被着させなければならないが、被着にバラツキを生
じ均一な金属焼結体とすることが困難になる。また、空
隙率が９８％を越えると、金属または金属合金粉末の被
着量が少なく粉末を焼結できなくなったり、得られる金
属焼結体が脆くなり、取扱性が悪くなるためである。金
属焼結体の空隙率は、８５〜９６％とすることがより好
ましい。

【０００８】金属焼結体の厚みは、１〜５ｍｍにするこ
とが好ましく、１ｍｍ未満では、金属焼結体を形成させ
る三次元網目構造の基体とすることが困難であったり、
圧縮することが困難となるためである。また、５ｍｍを
越えると三次元網目構造の基体の内部にまで均一に金属
または金属合金粉末を被着させることが困難となるため
である。金属焼結体の厚みは、２〜４ｍｍとすることが
より好ましい。

【０００９】本発明で用いる部材は、通常の熱交換器に
用いられているものであれば特に制限なく使用できる。
一般的には、管形、プレート形、プレート・アンド・フ
ィン形やフィン・アンド・チューブ形などの拡大伝熱面
を有する構造の部材である。これらの部材は、ステンレ
ス、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル等の金属や合金か
ら作られ、金属焼結体をこれら金属部材に一旦形成し圧
縮した後、あるいはこれらを組みたててから圧縮し金属
多孔質体とすることもできる。例えば、フィン・アンド
・チューブ形のプレートフィン・アンド・チューブの場
合、プレートのみに金属多孔質体を形成する時は、プレ
ートの片面ないし両面に金属多孔質体を形成しチューブ
（管）を入れる箇所に穴開けしチューブを入れて位置あ
わせして溶接する。チューブに多孔質体を形成する場合
は、多孔質体付きチューブを入れる箇所のプレートに穴
開けを行いチューブを入れて溶接する。プレートとチュ
ーブの両者に多孔質体を形成する時は、形成した部材同
士を組み合わせて溶接する。部材への金属焼結体の焼結
形成は、部材表面に金属または金属合金粉末を基体とな
る三次元網目構造の骨格表面に被着させたものを積層
し、加熱して三次元網目構造体を焼失除去して焼結させ
る際に同時に焼結して形成する。そのために部材を金属
あるいは金属合金が焼結して接着を保つように組合せを
選んで使用したり、部材を粗面化したり、めっきあるい
はクラッドして金属あるいは金属合金と焼結形成できる
ようにする。

【００１０】本発明で得られる金属焼結体は、金属焼結
体の厚みを焼結形成して得られた初期値の１／２以下に
圧縮するのが、高熱伝導性、多数の蒸気核存在そしてト
ラップされた蒸気核が逃げ難くなるために好ましい。圧
縮する方法としては、金属焼結体をプレス機で圧縮して
用いるのが好ましい。これは、均一に圧縮できるからで
ある。金属焼結体の空隙率が高いときや厚みが厚いとき
に有効である。金属多孔質体が平面形状でないときは、
その形状にあわせた治具を作り、プレス機に取付けて圧
縮する。

【００１１】次に沸騰伝熱部材の製造方法について説明
する。沸騰伝熱部材の製造方法は、下記の製造工程を含
むものである。（ａ）基体となる三次元網目構造体の骨格表面に、金属
または金属合金の粉体を被着させる工程、（ｂ）金属ま
たは金属合金の粉体を被着した三次元網目構造体を部材
表面に積層し、加熱して三次元網目構造体を焼失除去す
る工程、（ｃ）金属または金属合金の焼結を行い連続気
孔の金属焼結体を得るとともに、部材表面に熱融着一体
化する工程及び、（ｄ）形成した金属焼結体を厚さ方向
に圧縮して所定の厚みを有する金属多孔質体とする工程
である。

【００１２】基体となる三次元網目構造体は、ウレタン
フォーム等の連続気泡構造を有する発泡性の樹脂、また
は、加熱して焼失する例えば樹脂でできた不織布、織布
等であり、形状は使用目的に応じ適宜選択されるが、厚
みが最終的に１〜５ｍｍとなるようにすることが好まし
い。金属焼結体の空隙率が８５〜９６％で厚みが１〜５
ｍｍとなるようにするためには、基体となる三次元網目
構造体の空隙率を８５％以上とし、厚みを１ｍｍ以上と
することが好ましい。これは、三次元網目構造体の骨格
表面に金属または金属合金の粉体が被着されるので、三
次元網目構造体の空隙率や厚みが金属焼結体の空隙率や
厚みに反映されるためであるが、焼結により、金属また
は金属合金が融着し収縮するので得られる金属焼結体の
空隙率や厚みが使用する三次元網目構造体の空隙率や厚
みに較べ小さくなることを配慮し、目的とする空隙率よ
り大きめの空隙率や厚みの厚い三次元網目構造体を選
ぶ。三次元網目構造体の空隙率は、発泡倍率を変えるこ
とにより容易に得ることができる。なお、ここで空隙率
とは、プラスチックフォームの発泡倍率と同義で、発泡
してない金属または金属合金の素材の密度を成形後の金
属焼結体または金属多孔質体の見掛け密度で除した値で
ある。

【００１３】この基体となる三次元網目構造体の骨格表
面に粉体の被着を容易にし剥離を防止するため粘着性を
付与することが好ましい。粘着性は、アクリル系、ゴム
系等の粘着剤溶液またはフェノール樹脂、エポキシ樹
脂、フラン樹脂等の接着性の樹脂溶液を三次元網目構造
体に塗布することにより付与される。また、基体が樹脂
であるときプラズマ処理等により基体そのものに粘着性
を付与することも可能である。基体の骨格表面に好まし
くは粘着性を付与した後、粉体中で基体を揺動させた
り、基体に粉体を吹き付ける等の方法により、骨格表面
に粉体を被着させる。これにより乾燥状態の粉体を直接
基体の表面に被着させることができる。粉体を被着させ
た後、さらに粘着性を付与して粉体を被着させることを
繰返し行っても良い。粉体の粒径は、基体表面に被着可
能な範囲であれば良く、通常０．０１〜１００μｍの範
囲にあることが望ましい。粉体の形状は特に制限される
ものでなく、粒径分布は大きな粒子の隙間を小さな粒子
が埋めるような密に充填できるような分布であるとその
後の焼結に有利となる。粉体には、目的により他の金属
あるいは金属合金を同一粉中にあるいは別の粉体として
混ぜても良い。

【００１４】本発明で使用する金属あるいは金属合金と
しては、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、チタ
ン、クロム、亜鉛、錫、マンガン、タングステン、コバ
ルト等の金属粉やその金属と他の元素との化合物、例え
ば、酸化物、硫化物、ハロゲン化物等、また、その金属
と他の金属との合金である。これらの粉体は、不活性も
しくは還元性雰囲気で加熱によりそれぞれ単独に、また
は、混合体として容易に焼結する性質を利用すること
で、金属板や金属管の内外面などの部材に三次元網目構
造の金属焼結体を一体被着した伝熱管や伝熱板を得るも
ので、さらにこの金属多孔質体は、単一孔径のみならず
孔径の異なる複数層の金属多孔質体とすることもでき
る。

【００１５】基体となる三次元網目構造体の骨格表面
に、金属または金属合金の粉体を被着させたものを部材
の表面に積層する。この際、単に積層しても良いが、部
材表面に粉体を被着させたり、部材表面あるいは粉体被
着三次元網目構造体の表面を水、有機溶剤、金属塩を含
む溶液等で濡らして積層すると得られる金属焼結体と部
材の接着性が良好となり好ましい。金属塩は、液体に溶
解するものであれば良いが、樹脂の基体が分解除去され
る温度付近で酸化物を形成するものが強度の向上効果が
大きく好ましい。このため、一般的な樹脂基体が分解す
る５００℃以下で酸化物を生成する硝酸塩、酢酸塩、ぎ
酸塩等の塩が好ましい。金属塩の種類は粉体と同種の金
属イオンを含有するものでも良いし、異種の金属イオン
を含有しても良い。これらは、粉体被着三次元網目構造
体に適用し、浸漬やスプレーなどにより粉体を濡らし、
乾燥させることにより粉体同士を凝集させることにより
加熱中の強度維持や得られる金属多孔質体層の強度を高
めることができる。

【００１６】部材の表面に積層した粉体被着三次元網目
構造体の加熱は、基体の除去と粉体の焼結を目的とした
ものである。加熱条件は、使用する基体及び粉体の性状
に応じて、処理温度、時間、雰囲気を適宜選択する。基
体に発泡樹脂を使用し、粉体に金属を使用した場合に
は、基体の焼失は酸化性雰囲気、金属粉体の焼結は還元
性雰囲気となるよう雰囲気を変えることが好ましい。工
程（ｄ）の形成した金属焼結体を厚さ方向に圧縮して所
定の厚みの金属多孔質体にする工程は、移動距離を制御
できるプレス機を用い、所定の厚みとなるように小さな
圧縮速度で圧縮することもできる。

【００１７】

【実施例】

（実施例１）図１（ａ）に本発明の沸騰伝熱部材の製造
工程と本発明により作製した沸騰伝熱部材の一例を示し
た。三次元網目構造体を持つ基体として、厚さ３ｍｍの
ポリウレタンフォーム（エバーライトＳＦ、（株）ブリ
ジストン製商品名）を使用した。このポリウレタンフォ
ームを下記の樹脂分８重量％のアクリル系の粘着剤溶液
に浸漬した後、余分な溶液をロールを通して除去し、基
体骨格表面に粘着性を付与した。アクリル系共重合体ＨＴＲ−６００ＬＢ（帝国化学産業（株）製商品名）５０重量部アクリル系共重合体Ｑ−１８５１（日本カーバイド工業（株）製商品名）５０重量部架橋剤コロネートＬ（日本ポリウレタン工業（株）製商品名）１重量部溶剤トルエン１１６１．５重量部これをさらに、１００℃で１０分間乾燥し、溶剤を除去
した後、平均粒径５μｍの銅粉中に基体を挿入し揺動さ
せることにより被着させた。一方、図１（ｂ）、（ｃ）
に示すように、部材として外寸法３００×２００ｍｍ、
厚み３ｍｍの銅板１３０を使用し、その片面に銅粉を被
着し、その上に銅粉を被着したポリウレタンフォームを
重ねて積層した。そして、５００℃で１０分間大気雰囲
気中で加熱保持し、基体のポリウレタンフォームを分解
除去させた。ついで、９００℃で２０分間、水素ガスを
流した還元性雰囲気中に保持した。これにより酸化銅が
還元され銅粉が焼結してポリウレタンフォームの三次元
網目構造を転写した形状をもつ三次元銅網目構造体であ
る金属焼結体１１０を表面に有した金属焼結体付き銅板
を得た。金属焼結体１１０の厚みは２ｍｍで、空隙率は
９５％であった。この金属焼結体付き銅板をプレス機の
プレス盤に設置し、金属焼結体付き銅板の周囲に厚み４
ｍｍの銅製スペーサーを配置し、室温で１０ｋｇｆ／ｃ
ｍ²の圧力でプレスした。金属焼結体１１０をプレスし
た後の厚みは、１ｍｍで空隙率４８％の金属多孔質体１
２０を得た。金属多孔質体の不要部分をカッターで切除
して沸騰伝熱板１００を得た。本発明で得られた沸騰伝
熱板の伝熱測定結果を表１に示した。

【００１８】（比較例１）実施例１の製造工程途中の金
属焼結体付き部材をプレスしないものを比較例１とし
た。

【００１９】（比較例２）実施例１で用いた部材のみ使
用したものを比較例２とした。実施例１と同様にして測
定して得られた比較例１、２の沸騰伝熱部材の伝熱測定
結果を表１に示した。項目中に示した模式図で、上の図
は沸騰伝熱部材の平面図を、下の図は、沸騰伝熱部材の
断面図をそれぞれ示す。プレスをしない比較例１の沸騰
伝熱部材では、比較例３の平滑板の約２倍の沸騰熱伝達
率であったが、本発明の圧縮を施した実施例１では、平
滑板の約３倍の沸騰熱伝達率であった。また、金属多孔
質体を部材表面に均一に形成するため、表面の沸騰熱伝
達率も均一となった。

【００２０】

【表１】

【００２１】（実施例２）図２に示すように、外径２０
ｍｍ、厚さ１．８ｍｍ、長さ３００ｍｍの銅管表面に、
実施例１で使用した粘着剤溶液に銅粉を混合し、塗布乾
燥した。また、実施例１と同様にして粘着剤を塗布し、
銅粉を被着させた長尺で幅１５ｍｍ、厚み３ｍｍのポリ
ウレタンフォームを用意し、粘着剤を塗布した銅管表面
に巻きつけ、実施例１と同様にして基体であるポリウレ
タンフォームの分解除去、金属焼結体の形成を行った。
得られた金属焼結体の厚みは、約２ｍｍで、空隙率９４
％であった。金属焼結体の銅管の端から１０ｍｍをカッ
ターで除去し、反対方向に回転する２本のロール間に入
れ、さらに金属焼結体付き銅管の上から別の上下に可動
なロールにより回転させながら圧縮し金属焼結体の厚み
を１ｍｍとした金属多孔質体とし沸騰伝熱管を得た。実
施例１、２で示した以外に、金属多孔質体を形成する面
は、その用途により板の両面でも良い。また、管の場
合、金属多孔質体を形成する面は、管の内壁あるいは外
壁どちらでも良いし両方でも良い。

【００２２】（実施例３）実施例１で得られた沸騰伝熱
部材を、下記の黒化処理液により９５℃で２分間浸漬処
理することにより、銅を酸化させ酸化銅とした。亜塩素酸ナトリウム３０ｇ／ｌ水酸化ナトリウム１５ｇ／ｌ燐酸三ナトリウム１２ｇ／ｌ実施例１で得られる伝熱部材は、使用条件により酸化さ
れやすい場合がある。このため予め酸化しておくことに
より、特性の安定した伝熱部材となる。この他に、ペル
オキソアンモニウム、過マンガン酸カリウム、過塩素酸
ナトリウム等の溶液を用いて酸化させることができる。
また、腐食に対して二酸化珪素を含んだ親水性塗料をコ
ーティングすると酸化処理と同様、濡れ性向上による伝
熱性能が高まったり、伝熱性能の長期間の維持が可能で
ある。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、伝熱部材表面の金属焼
結体を厚み方向に圧縮し金属多孔質体とし、金属焼結体
より孔径の小さい孔を形成することができるため、沸騰
発生時に気泡が離脱しにくくなり核沸騰現象が持続する
ようになる。そのため、沸騰熱伝達率が大きくなり、熱
交換器の小型化や高性能化を図ることができる。本発明
では、圧縮量を制御することで、任意の沸騰伝達率が得
られ、熱交換器の伝熱設計が容易になる。製造面でも、
複雑な機械加工なしで沸騰熱伝達に優れた伝熱部材が得
られ、かつ伝熱部材と金属多孔質体との接着が焼結工程
中に行われるため安価に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施例を説明するため
の各工程を示す図であり、（ｂ）は、本製造方法で製造
した沸騰伝熱部材の平面図、（ｃ）は、そのａ−ａ断面
図である。

【図２】（ａ）は、本発明の沸騰伝熱管の平面図、
（ｂ）は、そのａ−ａ断面図である。

【符号の説明】

１００．沸騰伝熱部材１１０．金属焼結体１２０．金属多孔質体１３０．部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】連続気孔の金属焼結体を厚み方向に圧縮
した金属多孔質体を部材表面に有したことを特徴とする
沸騰伝熱部材。
【請求項２】以下の工程を含む沸騰伝熱部材の製造方
法。（ａ）基体となる三次元網目構造体の骨格表面に、金属
または金属合金の粉体を被着させる工程、（ｂ）金属ま
たは金属合金の粉体を被着した三次元網目構造体を部材
表面に積層し、加熱して三次元網目構造体を焼失除去す
る工程、（ｃ）金属または金属合金の焼結を行い連続気
孔の金属焼結体を得るとともに、部材表面に熱融着一体
化する工程及び、（ｄ）形成した金属焼結体を厚さ方向
に圧縮して所定の厚みを有する金属多孔質体とする工
程。
【請求項３】請求項２に記載の工程（ｄ）において、
金属焼結体をプレス機により圧縮して金属多孔質体とす
る沸騰伝熱部材の製造方法。