JP2014185793A - ヒートパイプ及びヒートパイプ用複合材 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒートパイプの内面における酸化を抑制することが可能なヒートパイプ及びヒートパイプ用複合材を提供する。
【解決手段】ヒートパイプ１は、水５が収容される密閉された収容空間１０ａを有する金属製の筒状体からなり、その一端部に設けられ、水５の蒸発により熱を吸熱する吸熱部１０１と、他端部に設けられ、水５の蒸発により生じた水蒸気の凝縮により熱を放熱する放熱部１０２とを有し、ステンレスを主成分とする基材２と、基材２の内面に設けられ、ニッケルを主成分とするニッケル層３と、ニッケル層３の内面に設けられ、銅を含有する銅層４とを有し、銅層４の表面４ａが収容空間１０ａに露出している。
【選択図】図２
【解決手段】ヒートパイプ１は、水５が収容される密閉された収容空間１０ａを有する金属製の筒状体からなり、その一端部に設けられ、水５の蒸発により熱を吸熱する吸熱部１０１と、他端部に設けられ、水５の蒸発により生じた水蒸気の凝縮により熱を放熱する放熱部１０２とを有し、ステンレスを主成分とする基材２と、基材２の内面に設けられ、ニッケルを主成分とするニッケル層３と、ニッケル層３の内面に設けられ、銅を含有する銅層４とを有し、銅層４の表面４ａが収容空間１０ａに露出している。
【選択図】図２
Description
本発明は、水の蒸発及び凝縮により熱交換を行うためのヒートパイプ及びヒートパイプ用複合材に関する。
従来、例えばエンジンを有する車両に設けられ、排気ガスの熱によってエンジン冷却水を加熱するためのヒートパイプが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のヒートパイプは、ステンレス鋼からなる筒状である。ヒートパイプの密閉された収容空間は、真空引きされ、液体の水からなる液相部と水蒸気が収容される空間部とが形成されている。この空間部は、液相部の上方に位置している。そして、液相部の水が排気ガスの熱によって水蒸気となり、この水蒸気が上方に移動してエンジン冷却水によって冷やされて凝縮することにより、排気ガスの熱がエンジン冷却水に伝わり、エンジン冷却水が加熱される。
ステンレス鋼に含まれるクロム（Ｃｒ）等の金属は、酸化されやすい性質を有するため、空間部における水蒸気が高温になると、水蒸気（Ｈ２Ｏ）に含まれる酸素（Ｏ）がこれらの酸化されやすい金属と結びついて酸化物となり、ステンレスの表面が酸化されると共に、気体としての水素（Ｈ２）が発生する。この水素は、冷却されても液体になることはないので、高温状態が継続すると、ヒートパイプの空間部の圧力が高圧となる。このため、ステンレス鋼の肉厚をこの高圧に耐えられる厚みとする必要があり、熱交換効率の低下やコスト及び重量の増大を招来することとなっていた。
従って、本発明の目的は、ヒートパイプの内面における酸化を抑制することが可能なヒートパイプ及びヒートパイプ用複合材を提供することにある。
本発明は、上記課題を解決することを目的として、水が収容される密閉された収容空間を有する金属製の筒状体からなり、前記筒状体の一端部に設けられ、前記水の蒸発により熱を吸熱する吸熱部と、前記筒状体の他端部に設けられ、前記蒸発により生じた水蒸気の凝縮により熱を放熱する放熱部とを有するヒートパイプであって、前記筒状体は、ステンレスを主成分とする基材と、前記基材の内面に設けられ、ニッケルを主成分とする第１の金属層と、前記第１の金属層の内面に設けられ、銅を含有する第２の金属層とを有し、前記第２の金属層が前記収容空間に露出しているヒートパイプを提供する。
また、前記第２の金属層は、銅を主成分とする金属層であるとよい。
また、前記第２の金属層は、銅及びニッケルからなる合金を主成分とする金属層であってもよい。
また、前記第２の金属層は、前記基材となるステンレス板に圧接されたニッケル板及び銅板が熱によって互いに溶融して形成された金属層であるとよい。
また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、水が密閉される収容空間を有する金属製の筒状体からなり、前記筒状体の一端部に設けられ、前記水の蒸発により熱を吸熱する吸熱部と、前記筒状体の他端部に設けられ、前記蒸発により生じた水蒸気の凝縮により熱を放熱する放熱部とを有するヒートパイプに用いられ、ステンレスを主成分とする基材と、前記基材の上に設けられ、ニッケルを主成分とする第１の金属層と、前記第１の金属層の上に設けられ、銅を含有する第２の金属層とを有するヒートパイプ用複合材を提供する。
本発明に係るヒートパイプ及びヒートパイプ用複合材によれば、ヒートパイプの内面における酸化を抑制することが可能となる。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るヒートパイプ及びその周辺の構成例を示し、（ａ）は車両の構成図、（ｂ）はヒートパイプを用いた熱交換器の構成図である。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るヒートパイプ及びその周辺の構成例を示し、（ａ）は車両の構成図、（ｂ）はヒートパイプを用いた熱交換器の構成図である。
図１（ａ）に示すように、車両９は、ガソリン等の液体燃料を用いる内燃機関であるエンジン９０と、エンジン９０の排気ガスを浄化する触媒装置９１と、浄化された排気ガスを車外に排出するマフラー９２と、排気ガスを流通させる排気ガス流路１１とを備えている。また、車両９は、エンジン９０の冷却水を冷却するラジエータ９３と、この冷却水を流通させる冷却水流路１２と、冷却水流路１２と排気ガス流路１１との間に介在して熱交換を行う熱交換器１とを備えている。なお、エンジン９０の駆動力によって車輪を駆動する駆動系の構成等については、図示を省略している。
熱交換器１は、エンジン９０の排気ガスの熱によってエンジン９０の冷却水を加熱する。これにより、例えば冬季等の低温環境におけるエンジン９０の始動時に、冷却水が適温になるまでの時間を短縮する。
図１（ｂ）に示すように、熱交換器１は、複数（図１（ｂ）に示す例では３本）のヒートパイプ１０からなる。ヒートパイプ１０は、金属製の筒状体からなり、その密閉された収容空間には、液体としての水（Ｈ２Ｏ）が収容されている。
ヒートパイプ１０には、鉛直方向の下方における一端部が排気ガス流路１１の内部に位置し、鉛直方向の上方における他端部が冷却水流路１２の内部に位置している。ヒートパイプ１０内部の水は、ヒートパイプ１０の下方における一端部に収容されている。
排気ガス流路１１は、管状のパイプ部１１１と、パイプ部１１１よりも鉛直方向の幅が大きく形成された膨大部１１２とを有している。この膨大部１１２の内部には、ヒートパイプ１０の一端部が収容されている。このヒートパイプ１０の一端部は、エンジン９０の排気ガスに晒される。
冷却水流路１２は、管状のパイプ部１２１と、パイプ部１２１よりも鉛直方向の幅が大きく形成された膨大部１２２とを有している。この膨大部１２２の内部には、ヒートパイプ１０の他端部が収容されている。このヒートパイプ１０の他端部の周辺部には、エンジン９０の冷却水が流通する。
排気ガス流路１１の膨大部１１２に収容されたヒートパイプ１０の一端部は、排気ガスの熱を吸熱する吸熱部１０１として機能する。また、冷却水流路１２の膨大部１２２に収容されたヒートパイプ１０の他端部は、吸熱部１０１で吸熱した熱を放熱する放熱部１０２として機能する。
図２は、ヒートパイプ１０を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。
ヒートパイプ１０は、ステンレスを主成分とする基材２と、基材２の内面に設けられ、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする第１の金属層としてのニッケル層３と、ニッケル層３の内面に設けられ、銅（Ｃｕ）を主成分として含有する第２の金属層としての銅層４とを有している。ヒートパイプ１０の両端は、加締めにより縮径されると共に、溶接によって気密に閉塞されている。
ヒートパイプ１０は、密閉された収容空間１０ａを内部に有し、この収容空間１０ａに熱媒液としての水５が収容されている。この水５は、吸熱部１０１となるヒートパイプ１０の一端部に収容されている。収容空間１０ａは、真空引きにより減圧されている。銅層４の表面４ａは収容空間１０ａに露出している。
基材２の厚みは、例えば０．８ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。ニッケル層３の厚みは、例えば１０μｍ以上１５μｍ以下である。銅層４の厚みは、ニッケル層３の厚みよりも厚く、例えば３０μｍ以上７０μｍ以下である。本実施の形態では、銅層４の厚みが５０μｍである。
次に、このヒートパイプ１０における熱交換の仕組みについて説明する。エンジン９０の排気ガスによってヒートパイプ１０の吸熱部１０１が加熱されると、この熱が吸熱部１０１における基材２の外周面から吸収される。吸収された熱は、基材２、ニッケル層３、及び銅層４を厚さ方向に熱伝導し、銅層４の表面４ａに接触する水５が加熱される。加熱された水５は、水蒸気（気相）となって収容空間１０ａ内を上方に移動する。
放熱部１０２は、エンジン９０の冷却水によって吸熱部１０１よりも低い温度に維持されているため、収容空間１０ａ内の上方に移動した水蒸気が放熱部１０２における銅層４の表面４ａに接触すると、凝縮して水（液相）に戻る。この際、水蒸気から銅層４に熱が移動する。
銅層４に移動した熱は、銅層４、ニッケル層３、及び基材２を厚さ方向に熱伝導し、基材２の外周面から放熱される。これにより、エンジン９０の冷却水が加熱される。
水蒸気が凝集した水は、重力によって銅層４の表面４ａをつたって下方に移動し、吸熱部１０１において再び加熱されると、水蒸気となって上方に移動する。熱交換器１は、この繰り返しによって熱交換を行い、排気ガスから吸熱した熱によって冷却水を加熱する。
（ヒートパイプ１０の製造方法）
次に、ヒートパイプ１０の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
次に、ヒートパイプ１０の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
図３は、ヒートパイプ１０の製造工程を示し、（ａ）は円筒状に形成される前の板状部材の断面図、（ｂ）は板状部材を円筒状の素管に形成した状態の断面図である。
ヒートパイプ１０の製造工程ではまず、ステンレス板、ニッケル板、及び銅板の３つの板材を重ねて圧延（接着圧延）することにより圧接し、この圧接された三層の金属板を拡散焼鈍し、さらに圧延する。これにより、図３（ａ）に示すように、板状の基材２の一方の表面にニッケル層３が形成され、さらにニッケル層３の表面（基材２とは反対側の面）に銅層４が形成されたクラッド材からなる板状部材１００が得られる。ここで、クラッド材とは、異種金属の境界面が拡散結合している金属材料をいう。また、板状部材１００は、本発明に係るヒートパイプ用複合材の一例である。
なお、銅層４の形成に用いる銅素材としては、純銅（ＪＩＳ Ｈ３１００規格における純度９９．９質量％以上の銅）を用いるとよい。また、ニッケル層３の形成に用いるニッケル素材としては、純ニッケル（純度９９重量％以上のニッケル）を用いるとよい。
この板状部材１００は長方形状であり、図３（ａ）では、板状部材１００の長手方向に対して直交する断面を示している。板状部材１００の短手方向（図３（ａ）の左右方法）における銅層４の幅は、基材２及びニッケル層３の同方向における幅よりも短く形成されている。これにより、板状部材１００の短手方向における一端部１００ａ及び他端部１００ｂでは、ニッケル層３の表面が銅層４に覆われていない領域が存在している。
ヒートパイプ１０の製造工程では次に、板状部材１００をその短手方向に沿って湾曲させ、一端部１００ａと他端部１００ｂとを向かい合わせて溶接し、円筒状の素管１００Ａを形成する。この素管１００Ａの内部には、銅層４が形成されていないニッケル層３の露出部３ｂが存在する。この露出部３ｂの存在により、一端部１００ａと他端部１００ｂとを溶接する際、銅層４の銅が溶接部に入り込むことを防ぐことができ、これによってヒートパイプ１０の強度を保つことが可能となる。
図４は、ヒートパイプ１０の製造工程を示し、（ａ）は素管１００Ａの中心軸線を含む断面における断面図、（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）に示す素管１００Ａに加工を施した状態の断面図である。
素管１００Ａをヒートパイプ１０に加工する工程では、図４（ｂ）に示すように、素管１００Ａの長手方向の一端部１００ｃ付近及び他端部１００ｄ付近における銅層４の一部を除去する。銅層４を除去する方法としては、例えば硝酸によるエッチングを用いることができる。
次に、図４（ｃ）に示すように、素管１００Ａの一端部１００ｃを加締めて溶接し、素管１００Ａ内に水５を注入する。その後、一端部１００ｃが鉛直方向の下方に位置する姿勢を維持し、真空引きしながら素管１００Ａの他端部１００ｄを加締めて溶接する。一端部１００ｃ及び他端部１００ｄにおける銅層４を除去しておくことで、一端部１００ｃ及び他端部１００ｄの溶接を確実に行うことが可能となる。これにより、図２に示すヒートパイプ１０が得られる。
（水蒸気酸化試験）
次に、本実施の形態の効果を確認するために行った水蒸気酸化試験の結果を、図５を参照して説明する。
次に、本実施の形態の効果を確認するために行った水蒸気酸化試験の結果を、図５を参照して説明する。
図５（ａ）〜（ｄ）は、後述する第１乃至第４のサンプルを用いて水蒸気酸化試験を行った結果を示すＥＤＸ（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置）スペクトルである。
図５（ａ）は、第１のサンプルとして、ステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いた場合のＥＤＸスペクトルである。図５（ｂ）は、第２のサンプルとして、ステンレス（ＥＭ−３（日新製鋼株式会社製））を用いた場合のＥＤＸスペクトルである。図５（ｃ）は、第３のサンプルとして、銅を主体としてニッケルを３０％含むキュプロニッケル（白銅）とステンレス（ＥＭ−３）とを圧接したクラッド材を用いた場合のＥＤＸスペクトルである。図５（ｄ）は、第４のサンプルとして、ステンレスの基材にニッケル層及び銅層を圧接したクラッド材（本実施の形態に係るヒートパイプ１０の相当品）を用いた場合のＥＤＸスペクトルである。
この試験では、１２５０℃の不活性ガス（Ａｒ）中で１５分間加熱した第１乃至第４のサンプルを６ｍｍ角に形成し、これらのサンプルを真空引きしながら純水と共に石英管に封入し、この石英管をマッフル炉にて９００℃・１時間の条件で加熱した。その後、石英管をマッフル炉から取り出して空冷し、各サンプルを取り出してその表面の酸化度合いをＳＥＭ／ＥＤＸ定量分析によって解析した。なお、１２５０℃・１５分間の加熱は、ヒートパイプ１０の両端部の溶接を模擬したものである。
第１及び第２のサンプルでは、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、酸素（Ｏ）の存在を示す大きなピークが観測された。これは、加熱された水蒸気によって、ステンレスに含まれるクロム（Ｃｒ）及び鉄（Ｆｅ）や、より酸化されやすいニオブ（Ｎｂ）等の金属の酸化物が形成されたためと考えられる。なお、大気中におけるステンレスの酸化では、表面にクロム酸化物（ＣｒＯ）が緻密に形成され、さらなる酸化を防ぐ効果を示すが、水蒸気による酸化では、この効果が発現しないことが本発明者らによって確認されている。
第３及び第４のサンプルでは、図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、酸素（Ｏ）のピークが第１及び第２のサンプルに比較して大きく低減されている。これは、主として次の２つの理由によるものと考えられる。第１の理由は、両サンプルの最表面が、酸化されにくい銅を主成分とする金属であることである。第２の理由は、第３のサンプルにおけるキュプロニッケル層ならびに第４のサンプルにおけるニッケル層及び銅層によって、基材のステンレスに含まれるクロム（Ｃｒ）等の酸化されやすい金属が最表面まで拡散することが抑制されていることである。
特に、第４のサンプルでは、ステンレスに含まれる酸化されやすい金属の拡散が、ニッケル層によって抑えられていると考えられる。つまり、ニッケル層がバリア層として機能し、表面における酸化を抑制していると考えられる。
この試験結果により、本実施の形態に係るヒートパイプ１０によれば、高温時における水蒸気による内面の酸化が抑えられ、水素の発生が抑制されることが分かる。
このように、本実施の形態によれば、基材２の上にニッケル層３を形成し、さらにニッケル層３の上に銅を主成分として含有する銅層４を形成することで、高温環境下におけるヒートパイプ１０の内面における酸化が抑制される。これにより、水素の発生によるヒートパイプ１０の内圧の上昇を抑制できるので、ニッケル層３及び銅層４を有しない場合に比較して、素材２の厚みを薄くすることができ、熱交換効率を高めると共に、コスト及び重量の増大を抑制することが可能となる。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について、図６を参照して説明する。
次に、本発明の第２の実施の形態について、図６を参照して説明する。
図６は、本発明の第２の実施の形態に係るヒートパイプ１０Ａを示し、（ａ）はヒートパイプ１０Ａの中心軸線を含む断面における断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図である。図６において、第１の実施の形態について説明したものと実質的に共通する機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。
このヒートパイプ１０Ａは、第１の実施の形態に係る銅層４に替えて、第２の金属層として、銅及びニッケルからなる合金を主成分とする合金層４Ａを有している。ニッケル層３と合金層４Ａとの間には、合金層４Ａに近づくほどニッケルの含有量が減少する傾斜組成層３０が形成されている。
合金層４Ａでは、ニッケルがほぼ均一に分布している。この合金層４Ａは、例えばニッケルを１０〜３０質量％の割合で含むキュプロニッケルからなる。すなわち、上記の水蒸気酸化試験における第３のサンプルが、本実施の形態に係るヒートパイプ１０Ａに相当する。
合金層４Ａは、例えば上記製造方法の拡散焼鈍における温度を第１の実施の形態に係るヒートパイプ１０を製造する場合よりも高温にすることで形成することができる。すなわち、合金層４Ａは、基材２となるステンレス板に圧接されたニッケル板及び銅板が熱によって互いに溶融して形成された金属層である。この溶融の際には、ニッケル板における銅板側の一部が溶融し、銅板側に拡散する。銅板の融点（例えば１０８３℃）はニッケル板の融点（例えば１４５３℃）よりも低いので、銅板側に拡散したニッケルは、ほぼ均一に銅板内に分布する。
本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様、ヒートパイプ１０Ａの内面における酸化が抑制されてヒートパイプ１０Ａの内圧の上昇を抑制できる効果に加え、合金層４Ａの融点が第１の実施の形態に係る銅層４の融点よりも高くなるので、ヒートパイプ１０Ａの一端部及び他端部を溶接する際に、合金層４Ａが熱により溶融して下方に流れてしまうことを抑制できる。従って、より確実に内圧の上昇を抑制することが可能となる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
また、本発明は、上記第１及び第２の実施の形態に記載したものに限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
例えば、ヒートパイプ１０，１０Ａ及びこれを用いた熱交換器１は、車両の排気ガスの熱を冷却水に熱交換する用途に限らず、他の用途にも適用することが可能である。また、熱交換器１の構成も、図１に例示したものに限定されず、用途等に応じて適宜変形することが可能である。
１…熱交換器、２…基材、３…ニッケル層、３ｂ…露出部、４…銅層、４Ａ…合金層、４ａ…表面、５…水、９…車両、１０，１０Ａ…ヒートパイプ、１０ａ…収容空間、１１…排気ガス流路、１２…冷却水流路、３０…傾斜組成層、９０…エンジン、９１…触媒装置、９２…マフラー、９３…ラジエータ、１００…板状部材、１００Ａ…素管、１００ａ，１００ｃ…一端部、１００ｂ，１００ｄ…他端部、１０１…吸熱部、１０２…放熱部、１１１，１２１…パイプ部、１１２．１２２…膨大部
Claims (5)
- 水が収容される密閉された収容空間を有する金属製の筒状体からなり、前記筒状体の一端部に設けられ、前記水の蒸発により熱を吸熱する吸熱部と、前記筒状体の他端部に設けられ、前記蒸発により生じた水蒸気の凝縮により熱を放熱する放熱部とを有するヒートパイプであって、
前記筒状体は、ステンレスを主成分とする基材と、前記基材の内面に設けられ、ニッケルを主成分とする第１の金属層と、前記第１の金属層の内面に設けられ、銅を含有する第２の金属層とを有し、前記第２の金属層が前記収容空間に露出している
ヒートパイプ。 - 前記第２の金属層は、銅を主成分とする金属層である、
請求項１に記載のヒートパイプ。 - 前記第２の金属層は、銅及びニッケルからなる合金を主成分とする金属層である、
請求項１に記載のヒートパイプ。 - 前記第２の金属層は、前記基材となるステンレス板に圧接されたニッケル板及び銅板が熱によって互いに溶融して形成された金属層である、
請求項３に記載のヒートパイプ。 - 水が密閉される収容空間を有する金属製の筒状体からなり、前記筒状体の一端部に設けられ、前記水の蒸発により熱を吸熱する吸熱部と、前記筒状体の他端部に設けられ、前記蒸発により生じた水蒸気の凝縮により熱を放熱する放熱部とを有するヒートパイプに用いられ、
ステンレスを主成分とする基材と、前記基材の上に設けられ、ニッケルを主成分とする第１の金属層と、前記第１の金属層の上に設けられ、銅を含有する第２の金属層とを有する
ヒートパイプ用複合材。
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