JP2016050748A - 伝熱部材および伝熱部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の設備又は装置等へ追加・改造等を容易に行うことができる伝熱部材及びその製造方法を提供すること。【解決手段】熱交換器の放熱面に設置する箔状の伝熱部材であって、前記放熱面に沿って配置される平坦部と、前記平坦部から少なくとも一方の面側に突出する複数の突出部と、を有し、前記突出部は、前記突出部の先端に位置する第１開口、及び前記平坦部側に位置する第２開口が形成された空隙を備えること。【選択図】図２

Description

本発明は、核沸騰を介して熱伝達を行う沸騰伝熱面として用いられる伝熱部材およびその製造方法に関する。

従来から、冷媒が蒸発する際の気化熱を利用して熱源を冷却する装置として、例えば、ヒートポンプ又は冷凍機等の熱交換器が知られている。また、熱源を利用して液体を気体に変換することによるガスの体積膨張又は圧力増加を利用する装置として、火力発電、原子力発電、地熱発電、又は海洋温度差発電等の各種発電に用いられる発電機が知られている。これらの装置は、熱伝達効率を向上させるために、伝熱面積の増大、及び冷媒又は液体の核沸騰促進が要求されており、当該要求を満足するための研究及び開発が行われてきていた。

例えば、特許文献１及び特許文献２には、大型冷凍機の蒸発器に組み込まれる伝熱管の外表部に複数のフィン及び空洞部を形成した沸騰用伝熱管が開示されている。また、特許文献３には、２種類の多孔質層を積層してなる多孔質体を発熱体上に設置した構造を有する沸騰冷却装置が開示されている。

特開２０１１−１２７７８４号公報 特開２０１２−１６７８５４号公報 特開２０１３−２４３２４９号公報

近時、エネルギーの消費を削減するために、熱の段階的利用及び回収を目的とした設備、装置等の研究開発が積極的に進められている一方で、既存の熱交換器を適切に管理しつつ効率的に使用することも求められている。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示されている伝熱管は、伝熱管の外表面に複雑な機械加工を施すことにより製造され、特許文献３に開示されている多孔質層は、金属粒子を成形して焼成することによって製造されているため、各特許文献に開示されている伝熱管は、既存の設備、装置等への追加・改造等は困難であった。また、複雑な機械加工によって伝熱管を形成する場合には、その加工性の制約等から材質が制限されることも少なくはなかった。例えば、特許文献１及び特許文献２においては、主な材質として銅が選択されているが、銅は酸化しやすく、また、耐酸性に乏しいため、自ずと設置条件が限られたものとなってしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、既存の設備又は装置等へ追加・改造等を容易に行うことができる伝熱部材及びその製造方法を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明の伝熱部材は、熱交換器の放熱面に設置する箔状の伝熱部材であって、前記放熱面に沿って配置される平坦部と、前記平坦部から少なくとも一方の面側に突出する複数の突出部と、を有し、前記突出部は、前記突出部の先端に位置する第１開口、及び前記平坦部側に位置する第２開口が形成された空隙を備えている。

このように、本発明の伝熱部材は、全体として箔状でありつつも、空隙を備える突出部が複数形成されているため、既存の熱交換器の放熱面の形状に起因することなく、当該放熱面に対して容易に設置することができ、且つ冷媒等の核沸騰の促進を図ることができる。また、形成される突出部の形状によっては、伝熱面積の増加という副次的な効果も得られる。すなわち、本発明の伝熱部材は、既存の設備又は装置等へ追加・改造等を容易に行うことができ、既存の設備又は装置の熱伝達効率を向上させることができる。

上述した伝熱部材において、前記空隙は、突出方向に向かって開口断面積が徐々に小さくなっていてもよい。このように空隙を形成することによって、冷媒等が核沸騰して気泡が離脱する際に気泡核を空隙内に良好に保持することができ、断続的に核沸騰をおこすことにより熱伝達効率をより一層向上することができる。

また、上述した伝熱部材のいずれかにおいて、前記放熱面に対して前記平坦部を固着させる接着層が前記平坦部に形成されていてもよい。このような接着層を形成することにより、放熱面に対する伝熱部材の設置をより容易且つ確実に行うことができる。

上述した目的を達成するため、本発明の伝熱部材の製造方法は、金属箔を準備する準備工程と、前記金属箔の少なくとも一方の面側に突出する複数の突出部を形成する箔加工工程と、を有し、前記箔加工工程において、突出方向の先端に第１開口及び前記先端とは反対側に第２開口を備える空隙を形成する。

このように、本発明の伝熱部材の製造方法においては、伝熱部材を全体として箔状としつつも、空隙を備える突出部を複数形成するため、既存の熱交換器の放熱面の形状に起因することなく、当該放熱面に対して容易に設置することができ、冷媒等の核沸騰の促進を図ることができる伝熱部材の製造を可能としている。また、形成される突出部の形状によっては、伝熱面積が増加した伝熱部材の製造も可能となる。すなわち、本発明の伝熱部材の製造方法は、既存の設備又は装置等へ追加・改造等を容易に行うことができ、既存の設備又は装置の熱伝達効率を向上させることができる伝熱部材の製造を可能としている。

上述した伝熱部材の製造方法において、前記箔加工工程では、前記空隙の開口断面積を突出方向に向かって徐々に小さくしてもよい。このように空隙を形成することによって、冷媒等が核沸騰する際に生じる気泡核を空隙内に良好に保持することができ、熱伝達効率をより一層向上することができる伝熱部材の製造を可能としている。

また、上述した伝熱部材の製造方法のいずれかにおいて、前記突出部が形成されている突出形成面とは反対側に位置する表面に接着層を形成する接着層形成工程を備えてもよい。このような接着層を形成することにより、放熱面に対する伝熱部材の設置をより容易且つ確実に行うことができる伝熱部材の製造を可能としている。

更に、上述した接着層形成工程を備える場合に、前記接着層形成工程は、前記箔加工工程の前に行われてもよい。このような順序で各工程を実施すると、平坦な面に対して接着層を形成することになり、突出部が形成された状態よりも、容易且つ確実に接着層を形成することができる。

本発明によれば、既存の設備又は装置等へ追加・改造等を容易に行うことができる伝熱部材、及び伝熱部材の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態である伝熱部材の表面を示す模式図である。 図１の線II-IIに沿った伝熱部材の断面図である。 本発明の一実施形態である伝熱部材の使用状態を示す断面図である。 本発明に係る箔加工装置を示す模式図である。 図２と同様にして示す、他の実施形態に係る伝熱部材の断面図である。 図２と同様にして示す、他の実施形態に係る伝熱部材の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の伝熱部材の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施形態の説明に用いる図面は、いずれも本発明に係る伝熱部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部分の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施形態で用いる様々な数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。

＜伝熱部材の構造＞
先ず、図１乃至図３を参照しつつ、本発明の一実施形態である伝熱部材１００の構造について説明する。ここで、図１は、本発明の一実施形態である伝熱部材１００の表面を示す模式図である。また、図２は図１における線II−IIに沿った伝熱部材１００の断面図であり、図３は伝熱部材１００の使用状態を示す断面図である。

図１及び図２から分かるように、伝熱部材１００は、１枚の金属箔１０１及び金属箔１０１の第１の面１０１ａ上に形成された接着層１０２から構成され、全体として箔状に形成されている。金属箔１０１は、貫通孔等の形成を容易に行うことができ、且つ薄箔であっても冷媒の流動に伴う圧力等による破損、欠け等が生じることがない強度を備える金属から構成されている。例えば、金属箔１０１の材料には、伝熱性及び加工性の良い銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等に限られず、耐酸化性及び耐食性に優れたチタン、チタン合金、ステンレス等の金属を用いることができる。接着層１０２は、金属箔１０１を後述する放熱面に固着するために用いられており、例えば、はんだ、ろう材（銀ろう、銅ろう、りん銅ろう、アルミろう、金ろう等）、又は導電性ペースト（銀ペースト、グラファイトペースト等）等を用いることができる。

図２に示すように、金属箔１０１は、平坦部１０３、及び接着層１０２が形成されている面側（すなわち、金属箔１０１の第１の面１０１ａ側）とは反対の面側（すなわち、金属箔１０１の第２の面１０１ｂ側）に向かって突出する複数の突出部１０４から構成されている。すなわち、第２の面１０１ｂは、突出形成面となっている。ここで、図１及び図２から分かるように、複数の突出部１０４は、マトリックス状に形成されている。また、突出部１０４のそれぞれは、突出部１０４の先端に位置する円形の第１開口１０５と、平坦部１０３側に位置する円形の第２開口１０６とが形成された空隙１０７を備えている。更に、空隙１０７の開口断面積Ｓは、突出部１０４の突出方向に向かって徐々に小さくなっている。すなわち、金属箔１０１には、円錐台状の空隙１０７が金属箔１０１を貫通するように形成されている。なお、ここでいう開口断面積Ｓとは、突出部１０４を任意の高さで平坦部１０３と水平方向に切断した際に、突出部１０４の突出方向（平坦部１０３に対して垂直方向）から見ることのできる空隙１０７の開口部の面積のことであり、例えば、空隙１０７の形状が円錐台である場合の開口断面積は、その断面形状である円の面積と同様である。特に、本明細書においては、突出部１０４の先端側に位置する第１開口１０５の開口断面積をＳ１、平坦部１０３側に位置する第２開口１０６の断面積をＳ２と定義する。なお、空隙１０７の形状は幾何学上にいう厳密な意味での円錐台に限定されることなく、例えば、略円錐台であってもよく、更には角錐台や略角錐台であってもよい。このような場合に、図１における第１開口１０５の開口形状は、略円形、又は四角形、その他の多角形若しくは類似の形状となり、その開口断面積Ｓは、当該形状の面積と同様である。

金属箔１０１の平坦部１０３の厚みＴは、例えば、約６〜２００μｍの範囲で調整することができる。特に、核沸騰を介して熱伝達を実現する観点からは、約１０〜１４０μｍとすることが好ましいが、熱交換器や熱源の寸法、使用される冷媒等の特性、及び冷媒等の流速に応じて適宜変更することができる。また、マトリックス上に形成される複数の突出部１０４は、０．３〜１．４ｍｍの間隔Ｉで配置され、その高さＨは、間隔Ｉの１／２以下が望ましい。

更に、図２に示すように、接着層１０２は、金属箔１０１の第１の面１０１ａ上に形成されている。このように接着層１０２を形成することにより、接着層１０２を介して金属箔１０１の平坦部１０３を後述する放熱面に対して強固に固着することができる。なお、接着層１０２は、熱交換率の低下をまねくことがなければ、空隙１０７内にも形成されてもよい。また、接着層１０２は伝熱部材１００の必須の構成部材とせず、金属箔１０１のみから伝熱部材１００を構成してもよい。このような場合には、金属箔１０１を熱源に設置する際に、接着材を別途準備することになる。

伝熱部材１００を使用する場合には、例えば図３に示すように、熱交換器２００内の熱源である伝熱管２０１の放熱面に伝熱部材１００が設置される。また、伝熱管２０１の放熱面側には冷媒２０２が充填されており、伝熱部材１００は冷媒２０２に浸されることになる。伝熱部材１００の設置方法として、上述したように、接着層１０２を介して金属箔１０１の平坦部１０３を伝熱管２０１の放熱面に沿って強固に固着している。本実施形態の伝熱部材１００は、箔状に形成されているため、熱源である伝熱管２０１の放熱面が湾曲している場合であっても、伝熱管２０１の放熱面の湾曲に沿って伝熱部材１００を的確に設置することができる。すなわち、本実施形態の伝熱部材１００は、放熱面の形状に起因することなく、放熱面に対して容易かつ確実に設置することができる。

また、本実施形態の伝熱部材１００には、略円錐台状又は略角錐台状の空隙１０７を備えた突出部１０４が形成されているため、冷媒が核沸騰する際に生じる気泡核を空隙１０７内に良好に保持することができ（すなわち、気泡核の保持能力が向上されており）、熱伝達効率をより一層向上することができる。すなわち、本実施形態の伝熱部材１００における空隙１０７は、いわゆるリエントラント型キャビティーとして機能することになる。更に、伝熱管２０１と比較して、冷媒２０２と接触する面積が大きくなっている、すなわち、伝熱面積の増大による熱伝達効率の向上も期待される。

＜伝熱部材の製造方法＞
次に、上述した伝熱部材１００の製造方法について、図４を参照しつつ説明する。ここで、図４は、本実施形態に係る伝熱部材１００の製造に用いられる箔加工装置３００を示す模式図である。

先ず、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ステンレス等の金属からなる金属箔１０１を準備する（準備工程）。次に、金属箔１０１の第１の面１０１ａ上にはんだ、ろう材、又は導電性ペーストを塗布して接着層１０２を形成する（接着層形成工程）。突出部１０４を形成する前に接着層１０２を形成すると、平坦な面に対して接着層１０２を形成することになり、突出部１０４が形成された状態よりも、容易且つ確実に接着層１０２を形成することができる。

次に、接着層１０２が形成された状態の金属箔１０１に対して、複数の突出部１０４を同時に形成する（箔加工工程）。例えば、図４に示すように、箔搬送ローラ３０１によってＬ方向に搬送された金属箔１０１を、基台３０２に取り付けられ、複数の微細な凸部（本実施形態において、その形状は円錐状である）がマトリックス状に形成された金型３０３と、基台３０４に取り付けられ、複数の微細な凹部（本実施形態において、その形状は円錐台状である）がマトリックス状に形成された金型３０５と、によって挟み込む。この際、金属箔１０１が金型３０５側に位置し、接着層１０２が金型３０３側に位置するように搬送する。より具体的には、基台３０２、３０４を所望のタイミングにてＭ方向に昇降させることで、金属箔１０１を上下に配置された金型３０３、３０５によって挟み込む。ここで、金型３０３の凸部は、金型３０５の凹部に嵌挿するように位置決めがなされている。このため、第１開口１０５及び第２開口１０６が形成された空隙１０７を備える突出部１０４をマトリックス上に同時に複数形成することができる。

なお、マトリックス上に形成された複数の突出部１０４間の間隔Ｉは、金型３０３に形成される微細な凸部の間隔よって決定されるが、突出部１０４の高さＨ及び空隙１０７の開口断面積Ｓは、金属箔１０１を上下に配置された金型３０３、３０５によって挟み込む際の挟み込み方を変更する、すなわち、金型の挟み込み速度によって調整することが可能である。

一例として、微細な凸部が円錐形状であり、且つ複数の突出部１０４間の間隔Ｉが０．５６ｍｍとなるような金型３０３及びそれに対応する金型３０５によって、厚さ１０−２０μｍのアルミまたは銅からなる金属箔１０１を挟み込んで、第１開口１０５及び第２開口１０６が形成された空隙１０７を備える突出部１０４をマトリックス上に同時に複数形成する場合に、挟み込み方を変更する、すなわち、金型の挟み込み速度を変更することによって、突出部１０４の高さＨは、約３０−１００μｍの範囲で、また、第１開口の開口断面積Ｓ１は、約１２００−１２０００μｍ^２の範囲で調整することができた。

このことは、金型３０３、３０５を変更することなく、金属箔の挟み込み方を変更するだけで、突出部１０４及び空隙１０７の形状を変更することができるということを示しており、例えば、液体窒素、水素、ヘリウム、二酸化炭素、アンモニア、水、フロン類といった多様な冷媒に対応することができる製造方法であることをも示している。

なお、上述のようないわゆるパンチングプレス加工は、箔加工手段の一例に過ぎず、複数の微細な凸部が表面に形成された一対のロール間に箔を通すことで突出部１０４を形成する、いわゆるロールプレス加工等の他の手段に置き換えてもよい。

以上の各工程を経て、本発明の一実施形態である伝熱部材１００が完成する。なお、接着層形成工程は、箔加工工程後に施してもよい。すなわち、突出部１０４を形成した後に、金属箔１０１の第１の面１０１ａであって平坦部１０３上に接着層１０２を構成するはんだ、ろう材又は導電性ペーストを塗布してもよい。

＜伝熱部材の他の実施形態＞
上述した実施形態において、突出部１０４が円錐台状の空隙１０７を備え、且つ金属箔１０１の第２の面１０１ｂ側のみに突出していたが、突出部１０４の構成はこれに限定されることはない。例えば、突出部１０４の構成を図５又は図６に示すような他の形態としてもよい。ここで、図５及び図６は、図２と同様にして示す、他の実施形態に係る伝熱部材の断面図である。

図５に示すように、他の実施形態に係る伝熱部材４００においては、第１開口４０５と第２開口４０６との開口断面積（開口径）を同一にして、空隙４０７を円柱状に形成している。すなわち、金属箔４０１は、突出部４０４の形成部分において、直角に折れ曲がっていることになる。なお、接着層４０２は、上述した実施態様と同様に、平坦部４０３上であって金属箔４０１の第１の面４０１ａ上に形成されることになる。

また、図６に示すように、他の実施形態に係る伝熱部材５００においては、突出部５０４が金属箔５０１の第２の面５０１ｂ側だけでなく、第１の面５０１ａ側にも形成されている。すなわち、伝熱部材５００においては、突出部５０４が金属箔１０１の両面に突出するように形成されている。そして、伝熱部材５００においては、第１の面５０１ａ側に突出する突出部５０４の周囲を覆うように、接着層５０２が形成されている。すなわち、接着層５０２の層厚は、金属箔５０１の第１の面５０１ａから接着層５０２側に突出する突出部５０４の第１開口５０５までの距離と等しくなっている。このような接着層５０２の層厚により、接着層５０２に形成された突出部５０４が接着層５０２から突出することがなくなり、伝熱部材５００を接着層５０２を介して放熱面に対して良好に設置することができる。なお、突出部５０４の空隙５０７の形状は、上述した実施態様と同様に、円錐台状としてもよいが、他の形状であってもよい。

本発明の伝熱部材は、箔状に形成されているため、熱伝達効率の向上が望まれる既存の熱交換器、発電機等に対して利用することができる。

１００ 伝熱部材
１０１ 金属箔
１０１ａ 第１の面
１０１ｂ 第２の面
１０２ 接着層
１０３ 平坦部
１０４ 突出部
１０５ 第１開口
１０６ 第２開口
１０７ 空隙
２００ 熱交換器
２０１ 伝熱管（熱源）
２０２ 冷媒
３００ 箔加工装置
３０１ 箔搬送ローラ
３０２、３０４ 基台
３０３、３０５ 金型

Claims (7)

1. 熱交換器の放熱面に設置する箔状の伝熱部材であって、
   前記放熱面に沿って配置される平坦部と、
   前記平坦部から少なくとも一方の面側に突出する複数の突出部と、を有し、
   前記突出部は、前記突出部の先端に位置する第１開口、及び前記平坦部側に位置する第２開口が形成された空隙を備える伝熱部材。
2. 前記空隙は、突出方向に向かって開口断面積が徐々に小さくなる請求項１に記載の伝熱部材。
3. 前記放熱面に対して前記平坦部を固着させる接着層が前記平坦部に形成されている請求項１又は２に記載の伝熱部材。
4. 金属箔を準備する準備工程と、
   前記金属箔の少なくとも一方の面側に突出する複数の突出部を形成する箔加工工程と、を有し、
   前記箔加工工程において、突出方向の先端に第１開口及び前記先端とは反対側に第２開口を備える空隙を形成する伝熱部材の製造方法。
5. 前記箔加工工程において、前記空隙の開口断面積を突出方向に向かって徐々に小さくする請求項４に記載の製造方法。
6. 前記突出部が形成されている突出形成面とは反対側に位置する表面に接着層を形成する接着層形成工程を備える請求項４又は５に記載の製造方法。
7. 前記接着層形成工程は、前記箔加工工程の前に行われる請求項６に記載の製造方法。

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