JPS6376895A - 金属表面における多孔質層の形成方法 - 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、金属表面における多孔質層の形成方法に係わ
り、特に、熱交換器の伝熱面やヒートバイブのウィック
を形成する際に用いて好適な金属表面における多孔質層
の形成方法に関するものである。

「従来の技術ｊ 一般に、熱交換器等においては、加熱流体と被加熱流体
とを金属壁によって分離し、加熱流体の熱を前記金属壁
を介して被加熱流体へ伝達するようにしている。

一方、このような熱交換を行う場合に、その熱交換効率
を高めるための有効な手段として、以下に示す方法か挙
げられている。

（１）壁の伝熱面積を大きくする。

（２）流体の核沸騰を起こしやすくする。

（３）流体に乱流を発生させやすいようにする。

そして、これらの方法のうち、前記（２）の核沸騰を積
極的に利用することが最も効果的であるとされている。

そこで従来では、核沸騰の核を生成しやすくするために
、前記壁の表面、特に、加熱流体が接触させられる側の
面に、焼結あるいは鑞付は等により多孔質層を形成する
ことが行われている。

「発明が解決しようとする問題点」 本発明は、前述した従来の技術における次のような問題
点を解決仕んとするものである。

すなわち、金属壁の表面に、鑞付けや焼結によって多孔
質層を形成するに際して、前記金属壁の表面が平面であ
る場合には比較的容易に実施可能であるが、例えば、伝
熱管の内面のように小径な管状物の内面への適用が困難
であり、したがって、適用可能な範囲が制限されてしま
うといった問題点である。

このような問題点に鑑み、本願出願人は、金属製基体の
表面に疎水性の薄膜を形成し、該金属製基体を鍍金液中
に浸すとと乙に、該金属製基体を陰極として、前記鍍金
液中に配設された不溶性金属からなる陽極とのｕＭで電
気鍍金を行うことにより、前記金属製基体の表面に多孔
質層を形成する方法を既に提案した。

この技術は、面述した条件のもとに電気鍍金を行うこと
により、鍍金液中の水分を分解して酸素の微細気泡を生
成するとともに、該微細気泡を金属製基体の表面に付着
さ仕、該微細気泡を包み込むように鍍金液中の析出金属
を金属製基体の表面に成長させることにより、前記金属
製基体の表面に、微小径の空孔を有する多孔質層を形成
するようにしたものである。

これによって、小径管の内面といった狭隘部へ多孔質層
を容易に形成することができ、かつ、高い伝熱効率を得
ることができるようになったが、さらなる伝熱効率の向
上が要望されている。

「問題点を解決するための手段」 本発明は、面述した要望のらとになされたらので、特に
、疎水性を有する薄膜が形成された金属製基体の表面を
鍍金液中に浸し、該鍍金液中に発泡物質を混入して微細
気泡を生成するとともに、該微細気泡を前記金属製基体
の表面近傍に供給し５、　　つつ、該金属製基体を陰極
として、前記鍍金液中に配設した陽極との間で電気鍍金
を行うことを特徴とする。

「作用」 本発明に係わる方法によって金属表面に多孔質層が形成
される機構は、次のように考えられる。

金属製基体は、その表面に形成された疎水性のることか
ら、該金属製基体の近傍に供給された微細気泡が金属製
基体の表面に付着する。そして、電気鍍金の進行に伴っ
て、金属製基体の表面に電析金属が成長するが、前述し
たように金属製基体の表面に気泡が付性しているために
、前記電析金属は気泡を包み込むように成長し、これに
よって金属製基体の表面に微細な狭口空孔が形成される
。

また、前記微細気泡が発泡物質によって生成されること
から、高密度の微細気泡が金属製基体の表面に供給され
て、面述した狭口空孔が効率よく形成される。

「実施例」 以下、本発明を伝熱管に適用した一実施例に基づき説明
する。

まず、本発明を実施するための装置について説明する。

該装置は、第１図に示すように、鍍金液貯蔵容器Ｉと、
伝熱管２の両端部に液密状態で取り付けられるとともに
、該伝熱管２の内部に連通させられたチセンバ３・４と
、Ｔｕ　山チセンバ３・４）−前記鍍金液貯蔵容器１と
を連絡する鍍金液供給管５および鍍金液回収管６と、前
記鍍金液供給管５に取り付けられた圧送ポンプ７と、該
圧送ポンプ７の下流側に設けられたフローメータ８と、
前記伝熱管２の内部に配設された電極棒９と、該電極棒
９と伝熱管２とに電気的に接続された直流電源１０と、
前記鍍金液貯蔵容器１に連設され、該鍍金液貯蔵容器ｌ
内の鍍金液中に発泡物質を添加するホッパ１１と、前記
鍍金液回収管６の途中に設けられたフィルタ１２と、鍍
金液貯蔵容器１に取り付けられて、その内部の鍍金液を
攪拌する攪拌装置１３とを備えている。

前記伝熱管２は、本実施例では鋼管が用いられ、また、
鍍金液として硫酸銅溶液、さらに、発泡物質として炭酸
銅が用いられている。

前記電極棒９は、本実施例ではＴｉ表面に白金被覆加工
した不溶性電極が用いられており、図示してないが、伝
熱管２の内面に介装される電気絶縁材料によって形成さ
れたスペーサにより、あるいは、両端部に張力が加えら
れることにより、前記伝熱管２の中心軸線上に保持され
ている。

前記直流電源１０は、前記伝熱管２を陰極とし、かつ１
．前記電極棒９を陽極とするように電流を供給するよう
になっており、この電流は、単純な直流電流、断続電流
、通常のパルス電流、ＰＲ電流等が用いられる。

次いで、前述した構成を有する装置の作用とともに、本
発明方法を説明する。

まず、油、塗料等の疎水性物質を溶媒に分散あるいは溶
解させて形成した溶液を、伝熱管２の内面全面に付着さ
せて疎水性の薄膜を形成したのちに、該伝熱管２の内部
に電極棒９を挿入位置決めし、また、伝熱管２の両端部
に、鍍金液供給管５および鍍金液回収管６が取り付けら
れたチャンバ３・４を取り付け、さらに、伝熱管２と電
極棒９との間に直流電源■０を接続する。

前記疎水性の薄膜の厚さは、疎水性物質の種類によって
も異なるが、好適な範囲は０．１μｍ〜５μｍである。

この範囲以下であると後述する空孔の生成率が低下し、
以上であると絶縁性が高くなって均一な鍍金層が得られ
なくなるおそれがある。

これより、鍍金液貯蔵容器ｌ内の鍍金液を攪拌装置１３
によって均一に攪拌したのちに、該鍍金液を圧送ポンプ
７によって一方のチャンバ３へ向けて送り出して、第１
図に矢印（イ）で示すように、鍍金液を、鍍金液貯蔵容
器１から、鍍金供給管５、一方のチャンバ３、伝熱管２
内部、他方のチャンバ４、鍍金液回収管６を経て、再度
鍍金液貯蔵容器Ｉに戻るように循環させる。

この操作とともに、鍍金液貯蔵容器１において、ホッパ
１１から、発泡物質である炭酸銅を鍍金液としての硫酸
銅溶液中に混入して攪拌するとともに、硫酸銅溶液とと
もに循環させる。

このようにして硫酸銅溶液中に炭酸銅が混入されると、
該炭酸銅が硫酸銅溶液中において溶解する際に、銅イオ
ンが形成されるとともに、炭酸ガスによる微細気泡が生
成され、前記銅イオンは、硫酸銅溶液中の銅イオンの補
充に供され、また、前記微細気泡は、伝熱管２の内部に
運ばれるか、玉■］筈９のｒｊ：１面＋ｊ　Ｊ↓十社の
１謹＾く邦箭六ハアｈることから、該内面に均一に付着
する。

こののちに、前記直流電源１２により伝熱管２を陰極と
して電極棒９との間に電流を印加する。

この印加電流は、陰極電流密度が１．５Ａ／ｄｍ”以上
に設定することが好ましく、また、単純な直流電流より
も、断続電流、通常のパルス電流、さらに、ＰＲ電流を
用いることが好ましい。

このＰＲ電流は、伝熱管２を陰極とする正電流と、伝熱
管２を陽極とする逆電流とを交互に印加するしのである
か、正電流の印加時間を逆電流のそれに比して大きくし
て、全体として伝熱管２を陰極に保持するような７１Ｘ
流である。

そして、断続ＩＩ流やパルス電流を用いると、単純な直
流電流に比して、伝熱管２の内面に形成される空孔内へ
の金属イオンの搬送を容易なものとすることができ、こ
れによって、ＴＬ析速度を大きくすることが期待できる
とともに、局部的な析出を抑制して均一な電析膜の形成
を可能にする。また、ＰＲ電流を用いると逆電流が周期
的に印加されることによって、前述した電析膜の均一化
が促進される。

このように、電流が印加されると、前記伝熱管２の内面
でｒｉ折金金属成長させられるが、前述したように、伝
熱管２の内面には微細気泡が付着していることから、電
析金属の成長が前記微細気泡を包み込むように行われ、
この結果、伝熱管２の内面に、狭口空孔が形成されて、
多孔質層が形成される。

また、本実施例では、陽極として、不溶性陽極を用いて
いることから、鍍金液中の水分が電気分解されて酸素ガ
スが陽極において発生させられ、該酸素ガスの一部が、
気泡を形成して、前述したように供給される炭酸ガスの
気泡とともに伝熱管２の内面に付着さけられるから、鍍
金液中の気泡密度が高められて、狭口空孔が一層容易に
形成される。

次いで、以下に具体例を示す。

（具体例） 外径９．５２ｍｍ、肉厚０．３５ｍｍ１長さ１０００ｍ
ｍの銅管を抽伸により形成して伝熱管２とし、該伝熱管
２にトリクレン洗浄を施して内面を清浄化し、シリコン
オイルをエタノールで３倍に希釈した溶液を鋼管の内部
に通したのちに、エタノールを蒸発させて除去こて、伝
熱管２の内面に疎水性薄膜を形成し、さらに、該伝熱管
２の内部に、樹脂製のスペーサを取り付けるとともに、
該スペーサによって、前記伝熱管２の内部に白金被覆加
工されたＴｉワイヤからなる電極棒９を位置決めして陽
極を取り付ける。

そして、硫酸銅２００ｇ／１２、硫酸５０ｇ／（２の割
合で混入された硫酸銅溶液を流速　２　ｍ／ｓにて強制
循環させ、この硫酸銅溶液中に、炭酸銅を６　ｇ／ｍｉ
ｎの割合で混入し、前記伝熱管２を陰極として、陰極電
流密度５０人／ｄｍ”の条件で、約１０分間電気鍍金を
施した。

この結果、孔径１００μ〜１５０μの均質な空孔が、空
孔率で２８％形成された、厚さ１５０μの多孔質層が得
られた。

そして、前記多孔質層の比表面積率を画像解析により測
定し、陰極電流密度との関係を見てみたところ、第２図
にａで示すような結果が得られた。

一方、比較のために、前述した鍍金処理過程において発
泡物質である炭酸銅の供給を停止した状態で、鍍金液中
の水分の分解によって形成される気泡のみにより多孔質
層を形成した場合の比表面積率を測定したところ、第２
図にｂで示す結果が得られた。

この結果から明らかなように、本実施例に示す方法によ
って形成された多孔質層は、比表面積率において、例え
ば、陰極電流密度５０Ａ／ｄｍ”で、比較例に対し３０
％以上の向上が図られる。

さらに、前述したように製作した伝熱管２について、第
３図に示す熱特性試験装置により、熱特性を測定した。

第３図中、Ｔは温度センサ、Ｐは圧力計、ＰＤは差圧計
、１４はポンプ、１５はパルプ、１６は流量計、１７は
膨張弁、１８はコンプレッサ、１９はサブコンデンサ、
２０はサブエバポレータ、２１は恒温水槽であり、２２
か試供管としての鋼管である。

汰Ｍ４り混トｔｔ６灸七ζコフ？−七々１）プ訃士偏苧
ン９９ｔｎｒｊｓ窪ｒ（１，−コンプレッサ１８から供
給される冷媒が流され、外部には恒温水槽２１からの温
水が、前記冷媒に対向して流されるようになっている。

また、恒温水の温度は、各冷媒流量に対応して、冷媒系
が安定するように制御されている。

なお、第３図中、矢印Ａ、Ａ’は、それぞれ、蒸発試験
の場合の冷媒および水の流れの方向を示し、矢印Ｂ、Ｂ
’は、凝縮試験の場合の冷媒および水の流れの方向を示
している。

そして、試験条件は次表のとおりとした。

この試験結果、本実施例に示す方法によって多孔質層が
形成された銅管２２における陰極電流密度と沸騰熱伝達
率との関係は、第４図にＣで示す値となり、同図にｄで
示すところの、前記比較例の鋼管のそれに対し、例えば
陰極電流密度５０Ａ／ｄｍ’において、約２２％の性能
向上が見られた。

但し、前記試験時における冷媒循環量は、６０ｋｇ／ｈ
ｒとした。

なお、前記実施例は一例であって、各工程における処理
条件等は、目的とする金属製基体の諸特性等に対応して
種々変更可能である。

また、前記実施例において示したような管体への摘要の
みならず、平板への摘要も当然可能である。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係わる金属表面における
多孔質層の形成方法は、疎水性を有する薄膜が形成され
た金属製基体の表面を鍍金液中に浸し、該鍍金液中に発
泡物質を混入して微細気泡を生成するとともに、該微細
気泡を前記金属製基体の表面近傍に供給しつつ、該金属
製基体を陰極として、前記鍍金液中に配設した陽極との
間で電気鍍金を行うことを特徴とするもので、平板のみ
ならず、管状の金属の内面にも均一な狭口空孔を存する
多孔質層を容易に形成することができ、したがって、核
沸騰を利用した伝熱特性の良好な伝熱体を効率よく製造
することができるとともに、製造装置の繁雑化を抑制し
て、製造コストの低減を図ることができる等の優れた効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を実施するための装置を示す
概略図、第２図は本発明の一実施例によって製造された
鋼管の比表面積率と陰極電流密度との関係を示す図、第
３図は伝熱特性の試験を行うための装置の一例を示す概
略図、第４図は本発明の一実施例によって製造された鋼
管の伝熱特性を示す沸騰熱伝達率と陰極？Ｉｔ流密度と
の関係を示す図である。 ２・・・・・・伝熱管（金属製基体）、７・・・・・・
圧送ポンプ、９・・・・・・電極棒（陽極）、　　　１
０・・・・・・直流電源、１１・・・・・・ホッパ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）疎水性を有する薄膜が形成された金属製基体の表
   面を鍍金液中に浸し、該鍍金液中に発泡物質を混入して
   微細気泡を生成するとともに、該微細気泡を前記金属製
   基体の表面近傍に供給しつつ、該金属製基体を陰極とし
   て、前記鍍金液中に配設した陽極との間で電気鍍金を行
   うことを特徴とする金属表面における多孔質層の形成方
   法。
2. （２）電気鍍金をパルス電流によって行うことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の金属表面における多孔
   質層の形成方法。
3. （３）前記金属製基体が銅製であり、かつ、前記鍍金液
   が硫酸銅溶液であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項および第２項記載の金属表面における多孔質層の形
   成方法。
4. （４）前記発泡物質が炭酸銅であることを特徴とする特
   許請求の範囲第３項記載の金属表面における多孔質層の
   形成方法。
5. （５）前記金属製基体が管体であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第３項記載の金属表面におけ
   る多孔質層の形成方法。
6. （６）前記金属製基体と鍍金液とを相対移動させること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項および
   第５項記載の金属表面における多孔質層の形成方法。
7. （７）前記陽極が不溶性金属であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第６項記載の金属表面におけ
   る多孔質層の形成方法。