JP2014515989A - Method for producing metal foam with channels and metal foam thus produced - Google Patents
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Abstract
本発明は、少なくとも1つのチャンネル(12)を備え、ボールのプリフォーム(1)を使用する、すなわち熱交換器の製造向けの金属フォーム(10)の製造方法に関する。
中心コア(3、9)によって構成された鋳造コア(2)および低温で可溶性の材料のコーティング(4)が鋳造モールド内に配置され、プリフォーム(1)は、次いでコアのまわりに密に配置され、可溶性材料は次いで低温で加熱することによって除去され、次いでボール間およびボールと中心コア(3)との間の自由空間を満たすために、溶融金属塊がモールド内に鋳造され、最後にボールは除去される。The present invention relates to a method for producing a metal foam (10) comprising at least one channel (12) and using a ball preform (1), ie for the production of a heat exchanger.
A cast core (2) constituted by a central core (3, 9) and a coating of cold soluble material (4) are placed in the casting mold, and the preform (1) is then placed tightly around the core The soluble material is then removed by heating at a low temperature, and then a molten metal mass is cast into the mold to fill the free space between the balls and between the balls and the central core (3), and finally the balls Is removed.
Description
本発明の技術的範囲は、両側に開いたチャンネルを組み込む金属フォームの製造の技術的範囲である。 The technical scope of the present invention is that of manufacturing metal foam that incorporates open channels on both sides.
これらの金属フォームは、熱を散逸するまたは循環させるために、特に熱交換器で使用されてもよい。しかし、交換器内で第2の流体の循環あるいは好ましい通路(バイパスとして知られている)を形成することを可能にするより複雑な交換器を製造するように、金属フォームの一方の側から反対側に通る1つまたはいくつかのチャンネルを有することが重要である。 These metal foams may be used in particular heat exchangers to dissipate or circulate heat. However, the opposite from one side of the metal foam is to produce a more complex exchanger that allows a second fluid circulation or a preferred passage (known as a bypass) to be formed within the exchanger. It is important to have one or several channels that pass to the side.
金属フォーム内部に1つ以上のチャンネルを設けることがすでに提案されている。このように、文献の米国特許出願公開第2009/0085520号明細書は、圧入またはチューブを導入した後にろう付けによってチューブを導入するようにフォームを穿孔し、チューブをフォームと一体化させることを提案している。この技術は、まず、金属フォームの製造、次いでその穿孔、最後にフォームと一体的にチューブを設置することを必要とすることが理解される。この文献によれば、チューブは、例えば、ろう付けによって、チューブのまわりでフォームを圧縮することによって、チューブの締り嵌めによって、などの様々な方法でフォーム内の適所に保持される。最後に、このシステムは、直線状のチューブを挿入することのみを可能にすることが理解される。 It has already been proposed to provide one or more channels inside the metal foam. Thus, the document US 2009/0085520 proposes perforating the foam to introduce the tube by press fitting or brazing after introducing the tube and integrating the tube with the foam. doing. It will be appreciated that this technique requires first the manufacture of the metal foam, then its perforation, and finally the installation of the tube integrally with the foam. According to this document, the tube is held in place in the foam in various ways, for example by brazing, compressing the foam around the tube, by an interference fit of the tube. Finally, it is understood that this system only allows the insertion of straight tubes.
欧州特許第1808241号明細書は、金属フォームを通るチャンネルの製造方法を開示し、それによれば、金属チューブは、溶融アルミニウムまたはアルミニウム合金が鋳造される前、あるいはそれが鋳造された後に予めプリフォームに挿入される。このシステムは、プリフォームされたチューブの挿入を提供する。 EP 1808241 discloses a method of manufacturing a channel through a metal foam, whereby the metal tube is preformed before the molten aluminum or aluminum alloy is cast or after it is cast. Inserted into. This system provides for the insertion of preformed tubes.
金属フォーム技術は周知であり、塩化ナトリウムなどの塩系顆粒またはボールの形態でプリフォームの製造を推奨する欧州特許第1808241号明細書、米国特許第3236706号明細書、および欧州特許第2118328号明細書が参照されてもよい。後に、顆粒間の自由空間は、溶融金属によって満たされ、塩は金属フォームを回復するために溶解される。 Metal foam technology is well known and EP 1808241, U.S. Pat. No. 3,236,706, and EP 2138328 recommend making preforms in the form of salt-based granules or balls such as sodium chloride. Documents may be referenced. Later, the free space between the granules is filled with molten metal and the salt is dissolved to recover the metal foam.
金属フォーム内にチャンネルを得るために使用される方法は何でも、チューブとフォームの多孔性媒体との間の接合個所で伝導性が劣化する問題に遭遇する。さらに、時間とともに、2つの部分を形成するチューブとフォームとの間の機械的強度は変化する。最後に、今まで、チャンネルと金属フォームの両方を同じ材料を使用して単一操作で形成することはできない。 Whatever the method used to obtain the channels in the metal foam, the problem of reduced conductivity at the junction between the tube and the porous media of the foam is encountered. Furthermore, over time, the mechanical strength between the tube forming the two parts and the foam changes. Finally, to date, both channels and metal foams cannot be formed in a single operation using the same material.
本発明の目的は、チューブを組み込む金属フォームを供給することであり、チューブは金属フォームを通り、フォーム自体の製造中に得られる。 The object of the present invention is to provide a metal foam incorporating a tube, which passes through the metal foam and is obtained during the manufacture of the foam itself.
フォームは、例えば、以下に引用される文献で、記載されるように顆粒を備えたプリフォームを標準的に使用して製造される。 Foams are produced, for example, using preforms with granules as described in the literature cited below.
確かに、欧州特許第2118328号明細書は、粒子粉末の顆粒を使用してプリフォームを製造することを提案することによって特に有利な方法を開示する。このプリフォームは、このように、顆粒の炭素鎖を破壊するために金属が鋳造される前にベークされる。この特許は、このように、第1に、粉末、塩化ナトリウム、および水から形成されたペーストの製造を提供する。プリフォームを製造するためにその後に使用される顆粒は、このペーストを使用して調製される。 Indeed, EP 2138328 discloses a particularly advantageous method by proposing to produce a preform using granules of particulate powder. This preform is thus baked before the metal is cast to break the carbon chains of the granules. This patent thus firstly provides for the production of a paste formed from powder, sodium chloride and water. Granules that are subsequently used to produce the preform are prepared using this paste.
このように、本発明は、少なくとも1つのチャンネルを備え、ボールのプリフォームを使用する、すなわち熱交換器の製造向けの金属フォームの製造方法であって、鋳造コア、中心コア、および低温で可溶性の材料のコーティングが鋳造モールド内に配置され、プリフォームは、次いでコアのまわりに密に配置され、可溶性材料は次いで低温で加熱することによって除去され、次いでボール間およびボールと中心コアとの間の自由空間を満たすために、溶融金属塊がモールド内に鋳造され、最後にボールは除去されることを特徴とする製造方法に関する。 Thus, the present invention is a method of producing metal foam with at least one channel and using a ball preform, i.e. for the production of heat exchangers, which is soluble at the casting core, the central core and at low temperatures A coating of material is placed in the casting mold, the preform is then placed tightly around the core, the soluble material is then removed by heating at a low temperature, and then between the balls and between the balls and the central core. In order to fill this free space, a molten metal mass is cast in a mold, and finally the ball is removed.
特有の実施形態によれば、チャンネルは、金属塊が鋳造された後に、ワックスコーティングに代わる金属塊によって構成される。 According to a particular embodiment, the channel is constituted by a metal mass that replaces the wax coating after the metal mass has been cast.
他の具体的な実施形態によれば、コアの中心コアは、セラミック、鋼、砂、可溶性材料、またはプリフォームを形成する材料と同一の材料から形成される。 According to other specific embodiments, the central core of the core is formed from the same material as the ceramic, steel, sand, soluble material, or material forming the preform.
他の実施形態によれば、コアは3つの要素から形成され、第1の要素はセラミック、鋼、または砂のコアによって構成され、第2の要素は耐熱材料の周辺層によって構成され、第3の要素は低温で可溶性の材料のコーティングによって構成される。 According to another embodiment, the core is formed from three elements, the first element is constituted by a ceramic, steel or sand core, the second element is constituted by a peripheral layer of refractory material, The element is constituted by a coating of a low temperature soluble material.
さらに他の実施形態によれば、コアは4つの要素から形成され、第1の要素はセラミック、鋼、または砂のコアによって構成され、第2の要素は耐熱材料の周辺層によって構成され、第3の要素はセラミック材料の層によって構成され、第4の要素は低温で可溶性の材料のコーティングによって構成される。 According to yet another embodiment, the core is formed from four elements, the first element is constituted by a ceramic, steel or sand core, the second element is constituted by a peripheral layer of refractory material, The third element is constituted by a layer of ceramic material and the fourth element is constituted by a coating of a material that is soluble at low temperatures.
他の実施形態によれば、コアは直線的である。 According to another embodiment, the core is straight.
他の実施形態によれば、コアは曲線を有する。 According to another embodiment, the core has a curve.
他の実施形態によれば、コアはチューブ状である。 According to another embodiment, the core is tubular.
他の実施形態によれば、低温可溶性材料はワックスである。 According to another embodiment, the low temperature soluble material is a wax.
他の実施形態によれば、コーティングはその内面上に連続または不連続の突起部を有する。 According to other embodiments, the coating has continuous or discontinuous protrusions on its inner surface.
本発明は、また、本発明の方法に従って得られ、少なくとも1つのチャンネルを備える金属フォームに関する。 The invention also relates to a metal foam obtained according to the method of the invention and comprising at least one channel.
有利には、チャンネルは直線または曲線状のチューブの形状である。 Advantageously, the channel is in the form of a straight or curved tube.
有利には、再び、チャンネルおよびフォームはアルミニウムまたはアルミニウム合金系である。 Advantageously, again, the channels and foam are aluminum or an aluminum alloy system.
本発明の第1の利点は、フォーム自体と同じ性質のチャンネルを組み込むフォームの製造にある。 A first advantage of the present invention resides in the production of foams that incorporate channels of the same nature as the foam itself.
本発明の他の利点は、金属フォームおよび1つのチャンネルまたは複数のチャンネルの初めての同時の製造にある。 Another advantage of the present invention resides in the first simultaneous production of the metal foam and one channel or multiple channels.
本発明の他の利点は、いずれかの形状、例えば、直線、曲線状、その他のチャンネルを製造することにある。 Another advantage of the present invention is to produce any shape, eg, straight, curved, or other channels.
本発明のさらに他の利点は、チャンネルと金属フォームとの間の負の相互作用がないことにある。 Yet another advantage of the present invention is that there is no negative interaction between the channel and the metal foam.
本発明のさらに他の利点は、1つのチャンネルまたは複数のチャンネルと金属フォームとの間の機械的強度または熱伝導率のいずれかの問題の除去にある。 Yet another advantage of the present invention is the elimination of either mechanical strength or thermal conductivity problems between a channel or channels and the metal foam.
本発明の他の特性、利点、および詳細は、一例として、添付図面を参照して以下に付与される実施形態のさらなる説明からより明らかになるであろう。 Other characteristics, advantages and details of the invention will become more apparent from the further description of embodiments given below, by way of example, with reference to the accompanying drawings.
説明の次の部分では、プリフォームは、公知の方法、つまり、塩化ナトリウムなどの塩からなる凝視したボールを使用して作製され、公知の方法で使用されて金属フォームを製造したと考えられるべきである。金属フォームを構成する材料も公知であり、例として、アルミニウム、アルミニウム合金、および鋳造において使用されるいずれかの他の公知の材料が使用されることができる。より詳細については上記特許が参照されてもよい。 In the next part of the description, the preform should be considered to have been made using a known method, i.e. a stared ball of salt such as sodium chloride, and used in a known manner to produce a metal foam. It is. The materials that make up the metal foam are also known, for example, aluminum, aluminum alloys, and any other known materials used in casting can be used. Reference may be made to the above patent for more details.
前に言及されたように、本発明によれば、コアはプリフォームに挿入され、そのようなコアは、異なる方法で調製されることができる。一般的に言えば、本発明は、インサイチュでチャンネルを製造するように、金属フォームと同じ構成材料での可溶性コーティング材料の層の置換に基づく。 As previously mentioned, according to the present invention, the core is inserted into the preform and such a core can be prepared in different ways. Generally speaking, the present invention is based on the replacement of a layer of soluble coating material with the same construction material as the metal foam so as to produce the channel in situ.
図1は、コア2が配置された、圧縮または圧縮されていないボール1から構成されたプリフォームの図を示す。このコアは中心コア3およびコーティング4によって構成される。明瞭さのために、プリフォーム6はそのモールドから取り除かれて示されている。このプリフォームは形状が平行六面体であり、図1によるコア2はその内部に挿入される。ボール1はすべて互いに密接に接触していると見られることができる。コーティング4の先端はプリフォームの側壁と同一平面であるのに対して、コア3は突出している。この実例は全く限定されず、本発明は、ワックスが表皮を作成するように突出する、またはフォームに対して突出するチューブを得ることを可能にすることによってなされることが都合がよい可能性がある。
FIG. 1 shows a diagram of a preform made up of a
当然、コア2は、初めに、ユーザの必要による垂直または傾斜位置に溶融金属注入モールド内に配置され、次いで、ボールはモールドに注がれる。フォームは、次いで、ここでさらなる説明を必要としない公知技術を使用して製造される。いくつかのコアがいくつかのチャンネルを得るように挿入されることができることは言うまでもない。
Of course, the
図2は、中心コア3およびコーティング4から形成されたコア2の第1の実施形態の断面図を示す。中心コア3は、例えば、鋳造技術で通常使用されるセラミック材料、鋼、または砂によって構成される。ここでコーティングは、ワックスまたは低温で可溶性の他の材料の層によって構成される。低温可溶性材料は、その融点が40℃〜150℃であると考えられる。当然、中心コアの直径およびコーティングの層の厚さは、金属フォームを意図した用途によって決定される。このように、2mmを超える中心コア3の直径が想像され、0.5mm〜10mm(好ましくは0.5〜3mm)のコーティング厚さが採用されることができる。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of a first embodiment of a
図は直線コアを示すが、任意の形状のコアが使用されてもよいことは言うまでもない。この場合、砂の中心コアが好ましい。 Although the figure shows a straight core, it will be appreciated that any shape of core may be used. In this case, a sand core is preferred.
コア2を一体にするこのプリフォーム1は標準的に使用されて金属フォームを製造する。このように、モールド内の温度が上昇するにつれて、ボールは固いプリフォームを作成するように凝集し、次いで、コーティング4は、溶解、単に流して捨てることによって除去される。溶融金属は、公知の方法で注入されて、ボールと、プリフォームと残留コアとの間のコーティングによって残された自由空間との間の空間を占め、チャンネルを構成する。冷却後、中心コア3は、砂からなるなら、形成されたチャンネルをきれいにするように、抜き出されまたは除去される。
This
図3は、3つの部分からなるコア2の異なる実施形態の断面図を示し、耐熱材料5の層が中心3に適用され、その後、ワックスまたは低温可溶性材料のコーティング4が適用される。この耐熱材料の利点は、それは、金属が冷却した後にモールドからコアを除去することを容易にするが、中心コア3はその剛性を確実にするという点にある。この耐熱材料は、また、最終チャンネルの直径が中心コアを変更する必要なく変更されることを可能にする。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a different embodiment of a three-
図4は、チャンネル6を形成するために中心コア3が長手方向にくり抜かれた図3によるコア2を示す。この実施形態の利点は、中心コア3を構成する材料を低減することにある。そのような実施形態のさらなる利点は、鋳造後の冷却を改善するために、このチャンネルを介して気流を循環させることができる可能性にある。中心コアは、この場合、多かれ少なかれ厚いチューブの形状である。
FIG. 4 shows the
図5は、4つの部分で作製されたコア2の他の実施形態の断面図を示す。中心コア3は、それ自体、セラミック材料7の層および最後に、コーティング層4で被覆された耐熱材料の層5によって被覆される。セラミック材料を使用することによって、耐熱材料の剛性が向上されることが可能であり、耐熱材料中に溶融アルミニウムが任意に潜在的に浸透されることが防止され、それによって、ミクロクラッキングを回避する。
FIG. 5 shows a cross-sectional view of another embodiment of the
図6は、チューブ形状の中空中心コア3が設けられた図5に示されたものの異なる実施形態を示す。この実施形態は、中心コアの構成材料の軽減を可能にする。
FIG. 6 shows a different embodiment of that shown in FIG. 5 in which a tube-shaped hollow
図を参照して前に説明されたコアはすべて、金属フォーム内部の1つまたはいくつかのチャンネルを製造することができるようにプリフォームに挿入される。この目的のために、コアはフォーム製造モールド内に配置され、次いで、ボールは適所に置かれ、それらの相互の接触を確実にするように凝縮される。必要ならば、プリフォームは圧縮される。 All the cores previously described with reference to the figures are inserted into the preform so that one or several channels inside the metal foam can be produced. For this purpose, the core is placed in a foam-making mold and then the balls are put in place and condensed to ensure their mutual contact. If necessary, the preform is compressed.
これらのコアはすべて、セラミック材料、鋼、または砂、より一般的に、鋳造作業に適する任意の材料からなる中心コアを組み込んでもよい。中心コアは、それがその抜き出しを確実にするように直線棒状の形状であるなら、セラミック材料または鋼からなり、得られたチャンネルは直線状であることは言うまでもない。コアはプリフォーム内部の任意の位置に設置されてもよく、チューブは、金属フォームの任意の面上の任意の点、入口、または出口で開いていてもよい。 These cores may all incorporate a central core made of ceramic material, steel or sand, more generally any material suitable for casting operations. It goes without saying that the central core is made of ceramic material or steel if it is in the shape of a straight bar so as to ensure its extraction, and the resulting channel is straight. The core may be placed at any location within the preform and the tube may be open at any point, inlet, or outlet on any face of the metal foam.
図7は、その中心コア9がいくつかの曲線を組み込み、ワックスまたは他の低温可溶性材料のコーティング4によって被覆されるコア2の他の実施形態を示す。この場合、中心コア9は砂または他の砕けやすい材料からなる。フォーム内部で得られたチャンネルは、金属フォームを循環する流体と、チャンネル内を循環する流体との間により大きな表面積をもたらす。
FIG. 7 shows another embodiment of the
図8は、コーティングが溶解された後に、ボールと中心コアとの間の自由空間内に管状チャンネル12が形成されたワイヤーメッシュ11によって形成された金属フォーム10のブロックの断面図を示す。チャンネル12の厚さはワックス層の厚さと実質的に等しいことが理解される。
FIG. 8 shows a cross-sectional view of a block of
本発明の利益は、溶融金属が鋳造される場合に、フォーム10およびチャンネル12が同時に作製されるので容易に理解される。それらは、このように、同じ性質であり、それによって、これらの2つの要素の同一の伝導性を確実にし、機械的強度のいかなる問題も取り除く。
The benefits of the present invention are readily understood as
図9は、チャンネル12に沿った長手方向断面図を示し、チャンネル12が、材料の溶融とともに金属フォームのメッシュ11に十分に埋め込まれることが観察されることができる。
FIG. 9 shows a longitudinal cross-sectional view along the
図10および図11は、中心コア3の外面上(または耐熱材料上)に溝または切込みを形成することにある異なる実施形態を示す。前記溝または切込みはコーティング4で満たされ、それらは、金属が鋳造される場合に、熱交換を改善するようにチャンネル内部に配置された交換表面を作成するコーティング4の内面に沿った連続または不連続の突起部13を引き起こす。これらの突起部13は、三角形および長方形の断面の形態で限定しない実例としてここに示される。それらがチャンネル内部の流体の流れを保つ間に熱交換を改善するように他の形態であってもよいことは当業者にとって言うまでもない。この実施形態の1つの利点は、チャンネル内部で交換表面、したがって装置の性能の増大にある。
10 and 11 show different embodiments in which grooves or notches are formed on the outer surface of the central core 3 (or on the refractory material). Said grooves or notches are filled with
本発明を示す図は、限定しない例として、実質的に円形断面を備えた、コア、コーティング、および管類を示し、当業者が異なる断面、すなわち楕円形または長方形を使用して本発明を実行することができることは言うまでもない。 The figures illustrating the present invention show, by way of non-limiting example, cores, coatings, and tubing with a substantially circular cross-section, with one skilled in the art implementing the invention using different cross-sections, i.e., oval or rectangular It goes without saying that you can do it.
本発明によるフォームは、いかなるタイプ、液体/液体、液体/ガス、またはガス/ガス、または相変化流体(液体−>ガス)の熱交換器の製造に特に適する。 The foam according to the invention is particularly suitable for the manufacture of heat exchangers of any type, liquid / liquid, liquid / gas or gas / gas or phase change fluid (liquid-> gas).
Claims (13)
中心コア(3、9)によって構成されたコア(2)および低温で可溶性の材料のコーティング(4)が鋳造モールド内に配置され、プリフォーム(1)は、次いでコアのまわりに密に配置され、可溶性材料は次いで低温で加熱することによって除去され、次いでボール間およびボールと中心コア(3、9)との間の自由空間を満たすために、溶融金属塊がモールド内に鋳造され、最後にボールは除去されることを特徴とする、製造方法。 A method of manufacturing a metal foam (10) comprising at least one channel (12) and using a ball preform (1), ie for the manufacture of a heat exchanger,
A core (2) constituted by a central core (3, 9) and a coating of cold soluble material (4) are placed in the casting mold, and the preform (1) is then placed tightly around the core. The soluble material is then removed by heating at a low temperature, and then a molten metal mass is cast into the mold to fill the free space between the balls and between the balls and the central core (3, 9), and finally A manufacturing method, wherein the balls are removed.
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