JP2015521544A - 複合材料の製造装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、分散媒を供給する第１の注入管と、第１の注入管と連結され、第１の注入管を介して分散媒を受け取る貯蔵部と、貯蔵部と連結され、分散質を供給する第２の注入管と、貯蔵部及び第２の注入管とそれぞれ連結され、貯蔵部から流入する分散媒と第２の注入管から流入する分散質とが混合されて排出される吐出管と、吐出管で分散媒と分散質とが混合されるように第２の注入管内で液体の自由表面が下側を向くようにさせる自由表面反転部とを含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、複合材料の製造装置に関し、より詳細には、比重の軽い分散質を相対的に比重の重い分散媒の内部に連続的に均一に分散させ得る複合材料の製造装置に関する。
産業技術の発達と共に、材料に要求される特性が漸次多様化され、材料自体の物性のみでは要求特性を満足させにくいことから、材料の複合化に対する開発の要求が増大している。
早くから、熱交換器やヒートシンク素材として銅及びアルミニウムが広く用いられてきたが、近年では、装置の高機能及び高効率化によってエネルギー密度が高くなり、放熱素材に対しても、軽量化及び高強度化はもちろん、より高い熱伝導度が要求されている。
早くから、軽量材料であるアルミニウムがこのような放熱材料として注目されてきたが、放熱用構造材料として適当な機械的性質を得るためには合金化が不可避である。このような合金化は、アルミニウム素材の加工性や機械的特性は向上させ得るが、熱伝導度及び電気伝導度を低下させるようになる。
したがって、機械的性質、熱伝導度及び電気伝導度を同時に改善するためには、従来の冶金学的な方法ではなく、熱的特性及び電気的特性がアルミニウムより優れた炭素ナノチューブなどのナノ物質とアルミニウムとを複合化することによって、ナノ物質の熱的性質及び電気的性質を活用すると同時に、分散強化による構造材の機械的性質を改善しようとする技術が台頭している。
このような複合材料の製造方法としては、早くから粉末冶金法が広く使用されており、炭素ナノチューブの複合化にも粉末冶金法が適用され、一定部分の成果を表している。しかし、粉末冶金法は、複合材料の需要増大に対応するには経済性とスケールアップに問題があり、鋳造法による複合化技術に関心が集められている。
炭素ナノチューブ―アルミニウム複合材料を通常の鋳造法で製作しようとする場合、分散質である炭素ナノチューブを分散媒であるアルミニウム溶湯に浸漬させなければならない問題を優先的に解決しなければならないが、炭素ナノチューブ―アルミニウム系複合材料では分散質の比重が分散媒より小さいので、浮力によって浸漬が難しい。
本発明は、炭素ナノチューブ―アルミニウム系複合材料のように分散質が分散媒より軽い材料の複合化に関する技術である。
本発明の背景技術は、大韓民国公開特許公報１０―２０１０―０００８７３３号（２０１０年１月２６日公開、発明の名称：共有結合炭素ナノチューブを有する複合素材で構成されたヒートシンク）に開示されている。
一般的な炭素ナノチューブは、アルミニウムに比べて比重が軽く、アルミニウムに対する分散性が低く、アルミニウム溶湯中に容易に混入できないので、粉末冶金法やアルミ箔に炭素ナノチューブを積層する技術が適用されて、アルミニウム炭素ナノチューブ複合材料を量産しにくいという問題を有する。
したがって、前述の問題を改善する必要性が要請されている。
本発明は、比重の軽い分散質を相対的に比重の重い分散媒の内部に均一に分散させ得る複合材料の製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、分散媒を供給する第１の注入管と、
前記第１の注入管と連結され、前記第１の注入管を介して分散媒を受け取る貯蔵部と、
前記貯蔵部と連結され、分散質を供給する第２の注入管と、
前記貯蔵部及び前記第２の注入管とそれぞれ連結され、前記貯蔵部から流入する分散媒と前記第２の注入管から流入する分散質とが混合されて排出される吐出管と、
前記吐出管で分散媒と分散質とが混合されるように前記第２の注入管内で液体の自由表面が下側を向くようにさせる自由表面反転部と、
を含むことを特徴とする。
また、前記貯蔵部は、閉回路型管材からなり、前記吐出管は、前記貯蔵部と連通し、前記貯蔵部から上側に延長されることを特徴とする。
また、本発明の前記自由表面反転部は、
前記貯蔵部の内部に誘導電流を供給するコイルと、
前記第２の注入管と前記吐出管との連結部位に設置される電磁石と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明の前記電磁石は、前記コイルの誘導電流の方向と直交する方向に磁場が形成されるように設置し、ローレンツ力を制御することを特徴とする。
また、本発明は、前記吐出管に設置され、複合材料を冷却させる冷却部と、
前記冷却部から排出される複合材料を上側に引き上げる引き出し部と、
をさらに含むことを特徴とする。
本発明に係る複合材料の製造装置は、重力場内で比重の軽い分散質を比重の重い分散媒の下部に供給することによって、分散質が分散媒の上部に浮力によって含浸されて自然に移動することによって、分散質が均一に分布された複合材料を容易に製造することができる。
また、本発明に係る複合材料の製造装置は、分散媒の内部に分散質が均一に分散された溶湯を上側に移動させながら連続的に冷却・凝固させて排出するので、複合材料を量産することができる。
本発明の一実施例に係る複合材料の製造装置を示した斜視図である。 本発明の一実施例に係る複合材料の製造装置を示した正面図である。 本発明の一実施例に係る複合材料の製造装置を示した側面図である。
以下、添付の各図面を参照して本発明に係る複合材料の製造装置の一実施例を説明する。
このような過程で、図面に示した各線の太さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性と便宜上、誇張して図示する場合がある。
また、後述する各用語は、本発明での機能を考慮して定義した用語であって、これは、使用者及び運用者の意図または慣例によって変わり得る。
そのため、これら用語は、本明細書全般にわたる内容に基づいて定義しなければならない。
図１は、本発明の一実施例に係る複合材料の製造装置を示した斜視図で、図２は、本発明の一実施例に係る複合材料の製造装置を示した正面図で、図３は、本発明の一実施例に係る複合材料の製造装置を示した側面図である。
図１〜図３を参照すると、本発明の一実施例に係る複合材料の製造装置は、分散媒を供給する第１の注入管１２と、第１の注入管１２と連結され、第１の注入管１２を介して分散媒を受け取る貯蔵部１０と、貯蔵部１０と連結され、分散質を供給する第２の注入管１４と、貯蔵部１０及び第２の注入管１４とそれぞれ連結され、貯蔵部１０から流入する分散媒と第２の注入管１４から流入する分散質とが混合されて排出される吐出管１６とを含む。
また、本発明の一実施例に係る複合材料の製造装置は、吐出管１６で分散媒と分散質とが混合されるように第２の注入管１４内で液体の自由表面が下側を向くようにさせる自由表面反転部３０を含む。
自由表面反転部３０は、貯蔵部１０の内部に誘導電流を供給するコイル３４と、第２の注入管１４と吐出管１６との連結部にローレンツ力を発生させるために設置される電磁石３２とを含む。
貯蔵部１０は、「ロ」字状または「Ｏ」字状の閉回路型管材からなる。第１の注入管１２と吐出管１６は、貯蔵部１０と連通した状態で貯蔵部１０から上側に延長され、第２の注入管１４は、貯蔵部１０と連通した状態で貯蔵部１０から下側に延長される。
貯蔵部１０には、管内の分散媒の温度を測定するための１個以上の熱電対などの温度計１１が適当な位置に付着している。
コイル３４は、貯蔵部１０が貫通する形状からなり、必要に応じて１個以上のコイル３４が貯蔵部１０の適当な位置に設置されてもよい。
電磁石３２は、吐出管１６と貯蔵部１０との連結部位にコイル３４の誘導電流の方向と直交する方向に磁場が形成されるように設置され、ローレンツ力が吐出管１６の方向に作用するように磁極が配置される。
また、本発明の一実施例に係る複合材料の製造装置は、吐出管１６に沿って上昇する分散媒と分散質とが混合された複合材料を冷却させる冷却部５０と、冷却部５０から排出される複合材料を上側に引き上げる引き出し部７０とをさらに含む。本実施例では、冷却部５０によって複合材料が冷却されて凝固されるので、引き出し部７０は、凝固された複合材料を上側に引き上げる役割をする。
冷却部５０は、水冷、空冷または複合冷却方式であってもよく、冷却部５０には、凝固界面の位置を把握するための熱電対などの凝固界面温度計５１が設置される。
引き出し部７０は、作業性と冷却条件を考慮して、冷却部５０と適当な距離を置いて冷却部５０の上方に設置される。
引き出し部７０は、冷却部５０で凝固された複合材料を上側に引き上げる引き出しローラー７２を含む。引き出しローラー７２は、引き出し作業を効率的に行うために一対以上が配置されてもよい。
ここで、分散媒は、加熱されて溶湯に供給され得る銅、アルミニウム、鉄、ステンレス鋼などの金属材料を含み、分散質は、炭素ナノチューブのような炭素質物質、金属酸化物、セラミック材料などを含んで構成される。
以下では、前記のように構成された本発明の一実施例に係るアルミニウム―炭素ナノチューブ複合材料の製造装置の動作を説明する。
第２の注入管１４を閉鎖した状態で第１の注入管１２を介してアルミニウム溶湯を注入し、これをコイル３４に通電すると、溶湯内に誘導電流が流れることによって溶湯が加熱される。
溶湯の温度が適正温度に到逹すると、これを電磁石３２に通電する。これにより、吐出管１６と第２の注入管１４との間には吐出管１６の方向にローレンツ力が発生するが、この力の大きさが溶湯の静圧と同一になると、第２の注入管１４を開放しても溶湯が下側に溢れ出なくなる。
したがって、第２の注入管１４の入口のアルミニウム溶湯液面が地面を向く反転された自由表面が形成される。
このときから、第２の注入管１４を介して炭素ナノチューブをアルミニウム溶湯中に供給できるようになる。
貯蔵部１０内の溶湯温度は、熱電対などの温度計１１で計測し、コイル３４に加えられる電流を制御することによって一定に維持することができる。ローレンツ力の大きさは、コイル３４から誘導される誘導電流の電流値と磁力との積に比例するので、貯蔵部１０内部の溶湯温度によって電磁石３２に加えられる電流値を反比例制御することによって、ローレンツ力も一定に維持できるようになる。
吐出管１６に沿って上昇するアルミニウムの量は、引き出し部７０が引き上げる複合材料の量に比例するので、貯蔵部１０に沿って水平方向に移動し、吐出管１６に沿って上昇しながら第２の注入管１４を介して供給される炭素ナノチューブと混合される。
炭素ナノチューブは、溶湯の反転自由表面を介して注入されるので、通常の重力計の場合とは反対に、炭素ナノチューブの浮力作用によってアルミニウム溶湯の内部を自然に上昇させ、冷却部５０の中間位置で形成されている凝固界面に固着する。
冷却部５０の温度を熱電対などの凝固界面温度計５１で測定することによって凝固界面の位置を把握し、引き出し部７０の引き出し速度は、炭素ナノチューブ注入量と連動させながら一定に制御して維持する。
したがって、操業を安定化し、アルミニウム溶湯の凝固界面に炭素ナノチューブが均一に分散された炭素ナノチューブ―アルミニウム複合材料を得ることができる。
前記のような作動を連続的に進めると、アルミニウム炭素ナノチューブ複合材料を連続的に生産する量産作業を行えるようになる。
これによって、比重の軽い分散質を相対的に比重の重い分散媒の内部に均一に分散させ得る複合材料の製造装置を提供できるようになる。
本発明は、図面に示した一実施例を参照して説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術の属する分野で通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解するだろう。
また、アルミニウム炭素ナノチューブ複合材料の製造装置を例に挙げて説明したが、これは例示的なものに過ぎず、アルミニウム炭素ナノチューブ複合材料の製造装置以外の他の製品に本発明の複合材料の製造装置が使用されてもよい。
したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、下記の特許請求の範囲によって定めなければならない。

Claims (5)

  1. 分散媒を供給する第１の注入管と、
    前記第１の注入管と連結され、前記第１の注入管を介して分散媒を受け取る貯蔵部と、
    前記貯蔵部と連結され、分散質を供給する第２の注入管と、
    前記貯蔵部及び前記第２の注入管とそれぞれ連結され、前記貯蔵部から流入する分散媒と前記第２の注入管から流入する分散質とが混合されて排出される吐出管と、
    前記吐出管で分散媒と分散質とが混合されるように前記第２の注入管内で液体の自由表面が下側を向くようにさせる自由表面反転部と、
    を含むことを特徴とする複合材料の製造装置。
  2. 前記貯蔵部は、閉回路型管材からなり、前記吐出管は、前記貯蔵部と連通し、前記貯蔵部から上側に延長される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の複合材料の製造装置。
  3. 前記自由表面反転部は、
    前記貯蔵部の内部に誘導電流を供給するコイルと、
    前記第２の注入管と前記吐出管との連結部位に設置される電磁石と、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の複合材料の製造装置。
  4. 前記電磁石は、前記コイルの誘導電流の方向と直交する方向に磁場が形成されるように設置し、ローレンツ力を制御する、
    ことを特徴とする請求項３に記載の複合材料の製造装置。
  5. 前記吐出管に設置され、複合材料を冷却させる冷却部と、
    前記冷却部から排出される複合材料を上側に引き上げる引き出し部と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の複合材料の製造装置。


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