JP2009276058A - 熱伝達装置およびこれを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度、耐食性および耐熱性が改善された熱伝達装置が必要とされている。
【解決手段】熱伝達装置１０が、第１の金属材料からなる第１の保護層３２と、第２の金属材料からなる第２の保護層３４と、第１の金属層と第２の金属層との間に接合された熱伝達層３６と、を含む。この熱伝達層３６は、銅マトリクス内に酸化アルミニウム強化剤を分散させたものなどの金属マトリクス複合材料からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱伝達装置に関し、詳しくは、高い強度、高い熱伝導率および高い耐熱性を有する熱伝達装置に関する。

なお本発明は、米国航空宇宙局との契約番号ＮＡＳ２−０３１４６に基づき米国政府の支援によってなされたものであり、米国政府は所定の権利を有する。

熱交換器などの熱伝達装置は、比較的高い温度において、腐食性の流体と接触させて使用することがある。熱伝達装置の部品は、例えば、時効硬化された銅合金から形成することができ、この銅合金は、一般に約６００°Ｆ〜約８００°Ｆ（約３１６℃〜約４２７℃）の閾値温度まで所望の程度の強度および耐食性を備えている。閾値温度範囲より高い温度では、強度に寄与する析出物が粗くなり、それによって強度および／または耐食性が低下してしまうことがある。

銅合金は、多くの熱伝達装置において有効であるが、さらに高温の条件において、さらに大きな強度および熱伝導率を要求するアプリケーションでの要望がある。耐熱性、強度および耐食性がさらに高い代替的な合金が考えられているが、そのような合金は、銅よりも熱伝導率が低く、所望の性能の需要を満たさない。熱伝導率が高い他の代替品となる可能性のある合金は、所望の強度および耐食性を備えていない。

従って、強度、耐食性および耐熱性の特性が改善された熱伝達装置が必要とされている。

開示の実施例および様々な熱伝達装置は、従来の装置では得られない、高い強度、高い熱伝導率および高い耐熱性の所望の組み合わせを提供することを意図するものである。

熱伝達装置の一例が、例えば、第１の金属材料からなる第１の保護層と、第２の金属材料からなる第２の保護層と、第１の保護層と第２の保護層との間に接合された熱伝達層と、を含む。この熱伝達層は、比較的高い強度および熱伝導率を提供する金属マトリクス複合材料から形成され、第１の保護層および第２の保護層は、比較的高い耐食性を提供する。

いくつかの例においては、第１の保護層および第２の保護層は、ステンレススチールから形成され、金属マトリクス複合材料は、銅マトリクス内に酸化アルミニウム強化剤を分散させたものとすることができる。さらに、拡散を制御するために、保護層と、熱伝達層と、の各間に、拡散バリア層を含ませてもよい。これらの拡散バリア層は、耐熱性材料から形成することができる。

開示した熱伝達装置は、熱伝達層に、第１の金属材料からなる第１の保護層と、第２の金属材料からなる第２の保護層と、を接合させることを含む様々なプロセシング方法を用いて製造することができる。

熱伝達装置の一部を示す図。 熱伝達装置に使われるフィンの断面を示す図。 両側に選択的に被覆が施されたフィンを示す図。 熱伝達装置に使用される他の実施例のフィンを示す図。

図１は、一例としての熱伝達装置ないし熱伝達デバイス１０の一部を示す。この例においては、特定の種類の熱伝達装置１０のおよびその設計を示しているが、本明細書中の例は、他の種類の熱伝達装置および設計にも適用することができることを理解されたい。この例においては、熱伝達装置１０は、分離シート（ｐａｒｔｉｎｇ ｓｈｅｅｔｓ）１６によって分離された交互のチャネル１２，１４を備える。流れチャネル１２，１４は、各々の端部ではクロージャバー（ｃｌｏｓｕｒｅ ｂａｒｓ）１８に結合され、側面では端壁板（ｅｎｄ ｓｈｅｅｔｓ）２０に結合されている。フィン２２は、熱伝達を容易にするように、流れチャネル１２，１４の各々の内部で延在している。一例においては、流れチャネル１２および流れチャネル１４は、異なる種類の作動流体（例えば、冷媒、油、空気など）を運搬し、フィン２２は、一方の作動流体を選択的に加熱または冷却するように熱伝達を向上させる。

容易に理解できるように、一方または両方の作動流体が、腐食性で、かつ約１０００°Ｆ〜約１５００°Ｆ（約５３８℃〜約８１６℃）の温度で作動することがある。これに関して、上記のフィン２２は、高い強度、高い熱伝導率および高い耐熱性の特性を備え、熱伝達装置１０全体として、熱伝達装置１０の熱交換能力を大きくし、あるいは所定の熱交換能力に対して重量／体積を小さくするという利点を提供する。

図２は、一実施例のフィン２２の断面を示す。この例においては、フィン２２は、第１の保護層３２と、第２の保護層３４と、第１の保護層３２と第２の保護層３４との間に接合された熱伝達層３６と、を含む。このように、フィン２２は複合材料であって、第１の保護層３２および第２の保護層３４は、作動流体および／または高温環境に対する所望の程度の耐食性を提供し、熱伝達層３６は、作動流体間の高い熱交換に応える所望の程度の熱伝導率を提供する。

第１の保護層３２および第２の保護層３４は、所望の程度の耐食性および耐熱性を有する金属材料から形成することができる。例えば、第１の保護層３２および第２の保護層３４は、熱伝達層３６よりも耐食性が高いことが知られている種々の金属材料から形成することができる。一例においては、第１の保護層３２と第２の保護層３４はステンレススチール（例えば、約１１．５重量％よりも多くのクロムを含むスチール）から形成される。

所望の耐食性の程度、所望の熱伝導率の程度、所望の強度の程度などの熱伝達装置１０の特定の設計または他の設計ファクタに応じて、第１の保護層３２、第２の保護層３４および熱伝達層３６の各々は、所望の厚さにすることができる。いくつかの例においては、第１の保護層３２、第２の保護層３４、および熱伝達層３６は、約１ミル〜約１５ミル（約２５．４マイクロメートル〜約３８１マイクロメートル）の厚さにすることができる。他の例においては、熱伝達層３６は、第１の保護層３２や第２の保護層３４の約３倍の厚さにすることができる。さらに他の例においては、熱伝達層３６は、約１５ミルの厚さに、第１の保護層３２および第２の保護層３４の各々は、約５ミル（約１２７マイクロメートル）の厚さにすることができる。厚さ、組成または他の値に関して本明細書中に用いる「約」という語句は、当技術分野で通常許容される範囲の変動や誤差などの所定の値に生じうる変動について言及するものである。

熱伝達層３６は、所望のレベルの熱伝導率を有する種々の材料から形成することができる。一例においては、熱伝達層３６は、第１の保護層３２および第２の保護層３の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有することができる。こうして、第１の保護層３２および第２の保護層３４は、耐食性が劣る熱伝達層３６を保護し、熱伝導率の高い熱伝達層３６は、第１の保護層３２および第２の保護層よりも大きな程度で、フィン２２における熱伝達の機能を受け持つ。

一例においては、熱伝達層３６は、金属マトリクス複合材料から形成される。この金属マトリクス複合材料は、銅のマトリクス４０内に酸化アルミニウム強化剤３８を分散させたものとすることができるが、他の種類の金属マトリクス複合材料を代替的に使用してもよい。酸化アルミニウム強化剤３８は、純粋な銅と比較して強度をさらに高くするように、銅マトリクス４０を強化する。この銅マトリクス４０は、純粋な銅と比較して熱伝導率が高いという利点がある。

銅マトリクス４０は、様々な複合材料とすることができる。例えば、銅マトリクス４０は、ほぼ純粋な銅とすることができ、この銅は、銅の特性に物質的に影響を与えない微量不純物を含んでいてもよいし、測定ないし検出できない程度の元素を含んでいてもよい。

金属マトリクス複合材料３６は、１０００°Ｆ（約５３８℃）の温度に対して耐性を有し、さらには１５００°Ｆ（約８１６℃）までの高温に対して耐性を有する可能性がある。一例においては、一般的な銅合金または析出強化型銅合金は、６００°Ｆ〜８００°Ｆ（約３１６℃〜約４２７℃）よりも低温での用途に限定され、その理由は、時効硬化温度が一般にこの範囲にあるからである。しかし、酸化アルミニウム強化剤３８は、析出硬化による生成物ではないので、析出強化型合金を形成するのと同じ溶解／析出のメカニズムを受けない。従って、この酸化アルミニウム強化剤３８は、時効硬化温度において不活性であり、従って、金属マトリクス複合材料３６は、１０００°Ｆ（約５３８℃）の温度に耐えることができ、さらには１５００°Ｆ（約８１６℃）までの温度に耐える可能性がある。

酸化アルミニウム強化剤３８の量に対する金属マトリクス複合材料３６の組成は、該金属マトリクス複合材料３６の所望される特性に応じて変えることができる。一例においては、金属マトリクス複合材料３６は、約２．０重量％までの酸化アルミニウム強化剤３８を含む。他の例においては、金属マトリクス複合材料３６は、約０．３重量％〜約１．５重量％の酸化アルミニウム強化剤３８を含む。一般に、比較的少ない量の酸化アルミニウム強化剤３８を選択することによって、熱伝導率は比較的高いが強度は比較的低い金属マトリクス複合材料３６とすることができ、比較的多い量の酸化アルミニウム強化剤を選択することによって、強度は比較的高いが熱伝導率は比較的低い金属マトリクス複合材料３６とすることができる。

フィン２２の構造は、様々なプロセシング方法を用いて形成することができる。一例においては、フィン２２は、ロール接合(ｒｏｌｌ ｂｏｎｄｉｎｇ)、拡散接合（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ）、爆発接合（ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ）または他の接合／形成方法を使用することができる。一例においては、ロール接合を用いて、第１の保護層３２と第２の保護層３４との間に熱伝達層３６を配置し、これを圧延ミル内に送る。圧延ミルのローラは、比較的高い圧力で、第１の保護層３２、第２の保護層３４、および熱伝達層３６を一緒に圧縮する。この圧力によって、第１の保護層３２、第２の保護層３４および熱伝達層３６を物理的に一体化させる機械的な変形が生じる。あるいは、第１の保護層３２、第２の保護層３４および熱伝達層３６を加熱して、拡散接合を生じさせてもよい。他の例においては、爆発接合や溶射（ｓｐｒａｙｉｎｇ）などのコーティングプロセスを用いて、熱伝達層３６上に第１の保護層３２および第２の保護層３４を形成することができる。

図２から理解されるように、フィン２２の端縁５０は、周囲環境に露出したままとしてもよい。しかし、いくつかの例においては、図３に示すように、被覆（ｃｌａｄｄｉｎｇ）５２を使って端縁をシールすることが望ましい。一例においては、被覆５２は、仕切りシート１６にフィン２２を結合するのにも使用されるろう付け合金とすることができる。フィン２２を仕切りシート１６に結合させるろう付けプロセスの際に、周知のろう付け技術を用いて、銅基ろう付け合金などのろう付け合金を形成することができる。あるいは、被覆５２は、フィン２２に耐食性を追加するニッケル基材料とすることができる。このニッケル基材料は、周知のコーティング技術を用いて施すことができる。

図４は、熱伝達装置１２２の他の実施例を示す。この開示例においては、同様の参照番号は同様の適切な要素を指し、１００または１００の倍数を加算した参照番号は、修正された要素を指す。修正された要素は、特に示さない限りは、修正された要素に対応する同様の特性および利点を有する。この例においては、フィン１２２は、前述の実施例のフィン２２に類似しているが、第１の保護層３２と熱伝達層３６との間に第１の拡散バリア層６０を含み、第２の保護層３４と熱伝達層３６との間に第２の拡散バリア層６２を含むという点で異なる。

比較的高温での長時間に及ぶ使用の間に、フィン１２２は、第１の保護層と、第２の保護層と、熱伝達層３６と、の間で相互拡散が生じるような温度に達することがある。相互拡散が生じると熱伝達層３６の化学組成が実質的に変化し、それによって、熱伝達層３６の熱伝導率が低下することがある。これに関して、第１の拡散バリア層６０および第２の拡散バリア層６２は、相互拡散を制限し、熱伝達層３６の熱伝導率を維持するという利点を提供する。

第１の拡散バリア層６０および第２の拡散バリア層６２は、相互拡散を防ぐのに適した種々の材料から形成することができる。選択された材料は、また、第１の保護層３２、第２の保護層３４および熱伝達層３６の内部への拡散率が低いものとする。一例においては、第１の拡散バリア層６０、第２の拡散バリア層６２は、他の層に使用される材料と比較して、一般に高い融点をもつ材料である。いくつかの例においては、第１の拡散バリア層６０および第２の拡散バリア層６２は、セラミック材料または耐熱性金属から形成される。このセラミック材料としては、窒化チタンや炭窒化チタンなどの窒化物または炭窒化物などがある。しかし、他の種類のセラミック材料を使用してもよいことが理解されよう。耐熱性金属としては、チタン、ニオブ、タングステン、白金、レニウム、タンタル、クロム、モリブデンまたはこれらの組み合わせがある。

いくつかの例においては、第１の拡散バリア層６０および第２の拡散バリア層６２を形成する材料は、フィン１２２の形成方法に基づいて選択することができる。例えば、フィン１２２がロール接合で形成され、続いて最終的な所望の形状に曲げられる場合には、延性を考慮して、１つまたは複数の耐熱性金属を選択することができる。一例において使用されるニオブは、比較的安価であり、圧延あるいは他の機械的変形を受けたときにクラッキングが生じない所望の程度の延性を呈する。大きな角度の曲がりのあるものや曲がりのないフィンの設計に応じて、種々の耐熱性金属を使用することができる。延性を必要としない場合のコーティングプロセスなどの形成プロセスにおいては、セラミック材料を使用してもよい。

こうして、開示例のフィン２２，１２２は、高い強度、高い熱伝導率および高い耐熱性の所望の組み合わせを提供する。一例としては、第１の保護層３２および第２の保護層３４は、フィン２２，１２２に優れた耐食性を提供し、熱伝達層３６は、フィン２２，１２２に優れた熱伝導率を提供する。

図示した例に特徴の組み合わせを示しているが、この開示の様々な実施例の利点を実現するために、すべての特徴を組み合わせる必要はない。換言すれば、本開示の実施例によって設計されたシステムは、いずれか１つの図に示される特徴のすべて、または各図に概略的に示される部分のすべてを含む必要はない。さらに、一実施例の選択された特徴を他の実施例の選択された特徴と組み合わせることができる。

前述の記述は、例示するためのものであり、本質を限定するものではない。当業者であれば、本開示の本質を逸脱することなく、いくつかの変更および修正がなされ得ることを理解されるであろう。

２２…フィン
３２…第１の保護層
３４…第２の保護層
３６…熱伝達層
６０…第１の拡散バリア層
６２…第２の拡散バリア層
１２２…フィン

Claims (20)

1. 第１の金属材料からなる第１の保護層と、
   第２の金属材料からなる第２の保護層と、
   前記第１の保護層と第２の保護層との間に接合され、金属マトリクス複合材料からなる熱伝達層と、
   を備える熱伝達装置。
2. 前記金属マトリクス複合材料は、銅マトリクス内に酸化アルミニウム強化剤を分散させたものからなることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達装置。
3. 前記金属マトリクス複合材料は、約２．０重量％までの酸化アルミニウム強化剤を含むことを特徴とする請求項２に記載の熱伝達装置。
4. 前記金属マトリクス複合材料は、約０．３重量％〜約１．５重量％の酸化アルミニウム強化剤を含むことを特徴とする請求項３に記載の熱伝達装置。
5. 前記銅は、ほぼ純粋な銅であることを特徴とする請求項２に記載の熱伝達装置。
6. 前記第１の金属材料および第２の金属材料は、ステンレススチールであることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達装置。
7. 前記第１の保護層、第２の保護層および前記熱伝達層の端縁に、被覆をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達装置。
8. 前記被覆は、ろう付け合金であることを特徴とする請求項７に記載の熱伝達装置。
9. 前記被覆は、ニッケル基材料であることを特徴とする請求項７に記載の熱伝達装置。
10. 前記第１の保護層と前記熱伝達層との間に接合された第１の拡散バリア層と、前記第２の保護層と前記熱伝達層との間に接合された第２の拡散バリア層と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達装置。
11. 前記第１の拡散バリア層および第２の拡散バリア層の各々は、耐熱性金属からなることを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達装置。
12. 第１のステンレススチール層と、
    第２のステンレススチール層と、
    前記第１のステンレススチール層と前記第２のステンレススチール層との間に接合され、銅マトリクス内に酸化アルミニウム強化剤が分散された金属マトリクス複合材料からなる熱伝達層と、
    前記第１のステンレススチール層と前記熱伝達層との間に接合され、耐熱性材料からなる第１の拡散バリア層と、
    前記第２のステンレススチール層と前記熱伝達層との間に接合され、耐熱性材料からなる第２の拡散バリア層と、
    を備える熱伝達装置。
13. 前記金属マトリクス複合材料は、約２．０重量％までの酸化アルミニウム強化剤を含むことを特徴とする請求項１２に記載の熱伝達装置。
14. 前記金属マトリクス複合材料は、約０．３重量％〜約１．５重量％の酸化アルミニウム強化剤を含むことを特徴とする請求項１３に記載の熱伝達装置。
15. 前記耐熱性材料は、セラミック材料であることを特徴とする請求項１２に記載の熱伝達装置。
16. 前記セラミック材料は、窒化物および炭窒化物の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１５に記載の熱伝達装置。
17. 前記耐熱性材料は、チタン、ニオブ、タングステン、白金、レニウム、タンタル、クロム、モリブデンおよびこれらの組み合わせからなる群から選択された金属材料であることを特徴とする請求項１２に記載の熱伝達装置。
18. 前記耐熱性材料はニオブであることを特徴とする請求項１２に記載の熱伝達装置。
19. 金属マトリクス複合材料からなる熱伝達層に、第１の金属材料からなる第１の保護層と、第２の金属材料からなる第２の保護層と、を接合させること、
    を含む、熱伝達装置を製造する方法。
20. 前記第１の保護層と前記熱伝達層との間に耐熱性材料からなる第１の拡散バリア層を接合させることと、前記第２の保護層と前記熱伝達層との間に耐熱性材料からなる第２の拡散バリア層を接合させることと、をさらに含む請求項１９に記載の方法。

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