JP2016183386A - アルミニウム系多孔質体 - Google Patents

Abstract

【課題】流体が多孔質体内を流れる際の圧力損失を抑制できるとともに、強固に結合して充分な強度を有するとともに熱伝導率が高い三次元網目状構造を有するアルミニウム系多孔質体を提供する。
【解決手段】連通孔サイズが２０ｐｐｉの連通孔発泡樹脂フォームに有機高分子結合剤とアルミニウム粉末との混練物を浸漬して付着させ、前記アルミニウム粉末の融点以上に加熱して得られるアルミニウム系多孔質体であって、連通孔を塞ぐ外径０．１ｃｍ以上の目詰まりの個数が８個／ｃｍ^３以下であるアルミニウム系多孔質体とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元状に連結する骨格を有し、前記骨格により三次元状に連通する連通孔が形成される三次元網目状構造を有する金属多孔質体に関する。

三次元状に連結する骨格を有し、その骨格により三次元状に連通孔が形成される三次元網目構造を有する金属多孔質体は、連通孔を有する発泡樹脂骨格表面を導電化処理して電気メッキした後、加熱して樹脂を分解除去する方法（特許文献１）や、連通孔を有する発泡樹脂に有機高分子結合剤と金属微小体との混練物を浸漬、スプレー等して塗着した後、加熱して樹脂を分解除去するとともに金属微小体を焼結する方法（特許文献２〜４）や、連通孔を有する発泡樹脂の骨格表面に粘着性を付与して粉体を付着させた後、加熱して樹脂を分解除去するとともに粉体を焼結する方法（特許文献５）により製造される。

このような三次元網目状構造を有する金属多孔質体は、流体との接触面積が大きいことから、熱交換器の熱交換部品への適用が検討されている（特許文献６）。熱交換器は、温度の高い物体から低い物体へ効率的に熱を移動させて加熱や冷却の用途に用いられる機器であり、一般に、熱交換の媒体として液体や気体等の流体を用いて流体に熱を与える（加熱）もしくは流体から熱を奪う（冷却）ことで加熱や冷却を行う。このような熱交換器においては、熱伝導率の高い金属材料で構成されたフィン等を設けるなどして流体との接触面積を増加させて、熱交換の効率を高めているが、フィン等に替えて熱伝導率の高い金属材料で構成された三次元網目状構造を有する多孔質体を用い、その連通する連通孔に流体を通過させれば、熱伝導率の高い金属材料と流体との接触面積をさらに大きくできるため、熱交換の効率がさらに大きくなるものと考えられる。

特開昭５７−１７４４８４号公報 特開平０５−３３９６０５号公報 特開平０８−０２０８３１号公報 特公昭６１−０５３４１７号公報 特開平０６−２３５０３３号公報 特公平０６−０８９３７６号公報

流体が多孔質体内を流れる場合、気孔率が大きくなれば流体の圧力損失が小さくなる。しかし、特許文献４のように、連通孔を有する発泡樹脂フォームに有機高分子結合剤とアルミニウム粉末との混練物を浸漬あるいはスプレー等して塗着する方法の場合、発泡樹脂フォームの連通孔にアルミニウム粉末が詰まり連通孔を塞いでしまう場合がある。その状態で焼結を行うと、アルミニウム多孔質体の連通孔も塞がれた状態になる。特に、発泡樹脂フォームの連通孔サイズが２０ｐｐｉ（pores per inch）と小さい場合に顕著である。それにより、アルミニウム系多孔質体の気孔率が９０％以上であっても流体の圧力損失が大きくなってしまうという問題がある。

また、アルミニウム粉末は表面に強固な酸化被膜（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）を有しているため、上記方法で焼結してもアルミニウム粉末のごく一部で結合するに過ぎず、脆く、強度が極めて低いものしか製造することができない。また、このような結合が不充分な多孔質体は、熱伝導率も低いものであり熱交換器へ適用可能なものではない。

よって本発明は、流体が多孔質体内を流れる際の圧力損失を抑制できるとともに、強固に結合して充分な強度を有するとともに熱伝導率が高い三次元網目状構造を有するアルミニウム系多孔質体を提供することを目的とする。

本発明のアルミニウム系多孔質体は、セルサイズが２０ｐｐｉの連通孔発泡樹脂フォームを、有機高分子結合剤が溶解した分散媒中にアルミニウム粉末を分散させた分散液に浸漬して付着させ、前記アルミニウム粉末の融点以上に加熱して得られるアルミニウム系多孔質体であって、連通孔を塞ぐ外径０．１ｃｍ以上の目詰まりの個数が８個／ｃｍ^３以下であることを特徴とする。

また、本発明のアルミニウム系多孔質体においては、アルミニウム粉末の平均粒径が５０μｍ以下であることが好ましく、アルミニウム粉末が、純アルミニウム粉末、アルミニウム合金粉末からなる群の内のいずれか１種、または２種以上を組み合わせたものであることが好ましい。さらに、本発明のアルミニウム系多孔質体は、気孔率が９０％以上であることが好ましい。

本発明のアルミニウム多孔質体によれば、三次元網目状構造体の連通孔を塞ぐ外径０．１ｃｍ以上の目詰まり個数が８個／ｃｍ^３以下であることにより、流体が多孔質体内を流れる際の圧力損失を抑制できる。また、三次元網目状構造体の骨格内部の密度比が９０％以上であるため、骨格の強度が高く、かつ熱伝導率も高いものとなる。

改良されたアルミニウム系多孔質体の製造方法における、粉末間の結合状態を示す模式図である。 従来のアルミニウム系多孔質体の製造方法における、粉末間の結合状態を示す模式図である。

［連通孔発泡樹脂フォーム］
本実施形態において、連通孔発泡樹脂フォームとしては、三次元状に連結する骨格を有し、その骨格により三次元状に連結する気孔が形成される三次元網目状構造体を用いる。この連通孔発泡樹脂フォームは骨格表面にアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を付着させて担持するものであり、加熱されて分解、消失する。具体的には、ポリウレタンフォームが最も一般的に用いられるが、他にシリコーン樹脂、ポリエステル樹脂のフォーム等を用いることができる。

［アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末］
本実施形態において、連通孔発泡樹脂フォームに付着させる粉末は、熱伝導率が高いアルミニウム粉末を用いるが、アルミニウム粉末に替えて、アルミニウムを強化する成分を予め合金化したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。たとえば、Ａｌ（アルミニウム）にＣｕ（銅）、Ｍｎ（マンガン）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（ケイ素）等の合金化元素を予合金化したアルミニウム合金粉末を用いた場合は、アルミニウム系多孔質体の骨格がアルミニウム合金で形成され、アルミニウム系多孔質体の強度を向上させることができる。ＡｌにＣｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ等の合金化元素を添加することにより、熱伝導率はＡｌ単体の場合よりも低下するが、ベース金属がＡｌであるため、充分に高い熱伝導率を維持することができる。アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末は、一般的なもの、すなわち表面に１０Å程度の酸化被膜（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）を有するものを用いる。また、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末は、いずれか１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

本実施形態において、連通孔発泡樹脂フォーム骨格に付着させるアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、連通孔発泡樹脂フォームの骨格表面に密に付着できることから微細なものが好ましい。粉末が大きくなると連通孔発泡樹脂フォームの骨格表面に密に付着させることが難しくなるとともに、粉末の質量が増加することにより、連通孔発泡樹脂フォームの骨格表面に付着し難くなったり、脱落し易くなったりする。この観点からアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、平均粒径が５０μｍ以下のものを用いることが好ましい。さらに、平均粒径が５０μｍ以下であるとともに、粒径が１００μｍを超える粉末を含まないものであることが好ましい。ただし、アルミニウムは活性な金属であるため、あまりに微細な粉末は取扱いが難しくなる。この観点からアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末は、平均粒径が１μｍ以上のものを用いることが好ましい。

［付着工程］
本実施形態において、連通孔発泡樹脂フォーム骨格にアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を付着させる付着工程は、アルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を、有機高分子結合剤を溶解した分散媒中に分散させた分散液を作製し、この分散液中に連通孔発泡樹脂フォームを浸漬した後、連通孔発泡樹脂フォームを乾燥させる方法である。分散媒としては、アルコール等の揮発性を有する液体や水を溶媒とし、これに結着剤等の有機高分子結合剤を溶解した液を用いることができる。この場合、粉末が沈降しないよう分散媒に分散剤を添加してもよい。また、分散媒としては、フェノール樹脂等の高分子有機物の溶液を用いてもよい。さらに、アルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末分散液は、単に混合してもよく、分散液の粘度が高い場合に混練して調整してもよい。

連通孔を塞ぐ外径０．１ｃｍ以上の目詰まりの個数は、例えば上記のアルミニウム分散液の粘度を調整することにより制御することができる。すなわち、分散液の粘度が高ければ、基体の樹脂骨格の表面に付着するアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末の量が多くなり目詰まりしやすくなる。逆に、分散液の粘度が低ければ、基体の樹脂骨格の表面に付着するアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末の量が少なくなり、目詰まりしにくくなる。アルミニウム分散液の粘度は、分散媒の粘度を変えることにより行うことができ、また、アルミニウム粉末の添加量を変えることによっても行うことができる。

［加熱工程］
上記付着工程により骨格表面にアルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末を付着させた連通孔発泡樹脂フォームは、非酸化性雰囲気中で、アルミニウム粉末および／またはアルミニウム合金粉末の融点以上に加熱される。この融点までの昇温過程で樹脂製の連通孔発泡樹脂フォームは分解し除去されて消失する。

加熱温度がアルミニウム（融点：６６０．４℃）もしくはアルミニウム合金の融点を超えると、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末が内部で溶融する。すなわち、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の表面は酸化被膜（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）で覆われており、アルミナの融点は２０７２℃と高いためアルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の表面の酸化被膜が溶融せず、これらの粉末の内部が溶融する。このようにして内部で溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金は、図１に示すように、粉末の表面の酸化被膜を破って粉末表面に濡れて覆うとともに、各粉末から発生した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金が混ざり合い結合する。このとき粉末表面に形成されていた酸化被膜が代用骨格となり、骨格の形状を維持するとともに、互いに結合した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金の表面張力により骨格表面は比較的滑らかとなりネック部が消失して連続する金属表面となる。この結果、三次元網目状構造体の骨格内部の密度比は９０％以上となり、骨格の強度が高く、かつ熱伝導率も高いものとなる。

一方、加熱温度がアルミニウムもしくはアルミニウム合金の融点未満の場合には、図２に示すように、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末の表面に形成された強固な酸化被膜がバリヤとなって、アルミニウム粉末どうし、またはアルミニウム合金粉末どうしの拡散による接合を阻害して焼結が進行しない。

加熱工程における雰囲気が大気等の酸化性の雰囲気であると、粉末表面の酸化被膜を破って露出した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金が直ちに酸化され、粉末表面に濡れて覆ったり各粉末から発生した溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金が混ざり合うことが阻止され、粉末どうしの結合が阻害される。このため、加熱工程における雰囲気は窒素ガス、不活性ガス等の非酸化性の雰囲気とすることが望ましい。なお、上記の加熱工程は、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の表面の酸化被膜を除去することは目的ではないため、水素ガスもしくは水素混合ガス等の還元性の雰囲気である必要はないが、還元性の雰囲気は非酸化性の雰囲気であるため、還元性の雰囲気としてもよい。また、圧力が１０^−３Ｐａ以下の減圧雰囲気（真空雰囲気）としてもよい。

なお、加熱温度は連通孔発泡樹脂フォームに付着させたアルミニウム粉末もしくはアルミニウム合金粉末の融点を超える温度であれば粉末を溶融できるが、融点を大きく超える温度で加熱するとその分余分なエネルギーが必要となるとともに、溶融したアルミニウムもしくはアルミニウム合金の粘度が低下して型崩れが生じ易くなることから、加熱温度は融点＋１００℃までとすることが好ましい。

なお、純アルミニウム粉末を用いた場合、得られるアルミニウム系多孔質体は、Ａｌ：９５質量％以上で残部がＣ、Ｎ、Ｏ等の不純物からなり、他の金属元素を含まないものとなる。

また、アルミニウム合金によりアルミニウム系多孔質体を構成する場合において、原料粉末としてＡｌと共晶液相を発生する成分（Ｃｕ、Ｍｇ等）を単味粉末あるいはアルミニウム合金粉末として、アルミニウム粉末に添加したアルミニウム系混合粉末を用い、三次元網目状構造を有する樹脂製の基体の表面にアルミニウム系混合粉末を付着させ、共晶液相が発生する温度で焼結を行う方法が考えられるが、この方法では、アルミニウム系多孔質体中の成分元素の分布が不均一となる。これに対して、上述のように予め成分元素をＡｌ中に合金化させたアルミニウム予合金粉末を用いることにより、アルミニウム系多孔質体中の成分元素の分布が均一となり、高い強度および熱伝導率を得ることができる。

［目詰まり］
アルミニウム系多孔質体の目詰まりを数える方法として、光学顕微鏡、電子顕微鏡、Ｘ線ＣＴを用いる方法がある。特に、アルミニウム系多孔質体は三次元網目構造を有しているため、三次元的情報を得られるＸ線ＣＴを用いることが好ましい。

［気孔率］
アルミニウム系多孔質体の気孔率は使用する連通孔発泡樹脂フォームの気孔率に依存する。気孔率が大きくなれば圧力損失は小さくなる。
また、連通孔発泡樹脂フォームの気孔率が小さいとアルミニウム粉末が連通孔に詰まりやすくなる。使用する連通孔発泡樹脂フォームの気孔率は９５％以上であることが好ましく、得られるアルミニウム系多孔質体の気孔率は９０％以上であることが好ましい。

三次元網目状構造を有する樹脂製の基体として、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、および厚さ１０ｍｍのポリウレタンフォームおよび縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、および厚さ１０ｍｍのポリウレタンフォームの２種類のポリウレタンフォームを用意した。このポリウレタンフォームは、気孔率（全体の体積に対する連通孔の体積の割合）が９５％であり、連通孔の大きさは２０ｐｐｉである。

次いで、分散媒として樹脂分２質量％のポリビニルアルコール（商品名：ゴーセノール、日本合成化学工業株式会社製（「ゴーセノール」は、登録商標。））を用意し、平均粒径６μｍのアルミニウム粉末を、用意した分散媒に混合し、アルミニウム粉末：分散媒の質量比が、５：３、６：３および７：３の３種類のアルミニウム粉末分散液を作製した。作製した各々のアルミニウム粉末分散液中に用意した基体を浸漬した後、余分なスラリーをロールにより除去してから、８０℃にて１２０分間乾燥させて、アルミニウム粉末が付着した基体を用意した。このようにして作製したアルミニウム粉末が付着した基体を、圧力が１０^−３Ｐａの減圧雰囲気（真空雰囲気）の下、６６５℃にて２１０分間加熱し、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、および厚さ１０ｍｍのアルミニウム多孔質体試料および縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、および厚さ１０ｍｍのアルミニウム多孔質体試料をそれぞれ３種類作製した。

上記のようにして作製した縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、および厚さ１０ｍｍのアルミニウム多孔質体の試料について、連通孔の大きさ、気孔率、１ｃｍ^３あたりの目詰まりの個数を測定したところ、いずれの試料も連通孔の大きさが２０ｐｐｉであり、気孔率が９５％であった。また、目詰まりの個数は、アルミニウム粉末：分散媒の質量比が５：３のアルミニウム粉末分散液を用いた試料は６個／ｃｍ^３、アルミニウム粉末：分散媒の質量比が６：３のアルミニウム粉末分散液を用いた試料は８個／ｃｍ^３、およびアルミニウム粉末：分散媒の質量比が７：３のアルミニウム粉末分散液を用いた試料は１０個／ｃｍ^３であった。なお、目詰まり個数の測定は、Ｘ線ＣＴ（ノードソン・アドバンスト・テクノロジー株式会社製、商品名：ＸＤ７６００ＮＴ）で撮影し、１０ｍｍ方向の断層図を変化させながら、外径０．１ｃｍ以上の目詰まりを数え、１ｃｍ^３当たりの目詰まり個数を算出した。

これらの試料について、圧力損失を測定した。圧力損失は、一定の風量を送風できる風洞の出口に断面が縦５０ｍｍ、横５０ｍｍであり、長さ３００ｍｍのアクリル製の筒を取り付け、このアクリル製の筒の風洞側とは反対側に縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、および厚さ１０ｍｍのアルミニウム多孔質体試料を取り付けた装置に、風洞から一定の風量（面風速１ｍ／ｓ）の風を送風し、アルミニウム系多孔質体端面（風洞側および反対側）の圧力を測定することにより算出した。この結果を表１に示す。

表１に示す結果から、目詰まり個数が８個／ｃｍ^３を超える比較例のアルミニウム系多孔質体は、圧力損失が大きいのに対し、目詰まり個数が８個／ｃｍ^３以下である実施例のアルミニウム系多孔質体は、圧力損失を抑制できることが確認された。

また、目詰まりの個数の制御は、アルミニウム粉末と分散液の質量比を変えてアルミニウム粉末分散液の粘度を調整することにより行うことができることが確認された。

Claims (4)

1. 連通孔サイズが２０ｐｐｉの連通孔発泡樹脂フォームを、有機高分子結合剤が溶解した分散媒中にアルミニウム粉末を分散させた分散液に浸漬して付着させ、前記アルミニウム粉末の融点以上に加熱して得られるアルミニウム系多孔質体であって、連通孔を塞ぐ外径０．１ｃｍ以上の目詰まりの個数が８個／ｃｍ^３以下であることを特徴とするアルミニウム系多孔質体。
2. アルミニウム粉末の平均粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム系多孔質体。
3. 気孔率が９０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム系多孔質体。
4. アルミニウム粉末が、純アルミニウム粉末、アルミニウム合金粉末からなる群の内のいずれか１種、または２種以上を組み合わせてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のアルミニウム系多孔質体。

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