JP2022141175A - 熱交換用パイプ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換性に優れ、かつ、金属製多孔質体が金属製パイプから脱落しにくい熱交換用パイプを提供する。【解決手段】金属製パイプと、金属製パイプの内壁面に接合された、複数の金属繊維を結合してなる金属製多孔質体と、を備え、金属製多孔質体の一部は金属製パイプの内壁面に接合され、金属製多孔質体の断面における凹凸度を（断面における周囲長２／断面の面積）×１／４π、線形度を（断面における絶対最大長２／断面の面積）×π／４とするとき、これら凹凸度及び線形度を金属製多孔質体の縦断面で求めて凹凸度と線形度とを乗じてなる繊維度を算出し、以下の式１で表される縦断面の壁面に垂直な繊維度が１．９以上である。（内壁面に垂直な繊維度）＝（繊維度）×ｃｏｓ（２α）・・・（式１）α：金属繊維の傾き（ただし、４５度＜α＜１３５度のときは、α＝０とする）【選択図】図１

Description

本発明は、多孔質体をパイプの内壁面に接合してなる熱交換用パイプ及びその製造方法に関する。

多孔質体をパイプの内壁面に接合してなる熱交換用パイプとして、例えば特許文献１に示すように、アルミニウムバルク体であるアルミニウム管の内周面に多孔質アルミニウム体を接合した多孔質アルミニウム複合体が開示されている。この特許文献１の多孔質アルミニウム体は、複数のアルミニウム基材が焼結されて一体化されたものであり、気孔率が３０％以上９０％以下の範囲内に設定されている。

アルミニウム基材としては、アルミニウム繊維とアルミニウム粉末粒子とが用いられており、アルミニウム基材は、その外方に向けて突出する複数の柱状突起を介して相互に結合した構造とされている。この場合、アルミニウム繊維の繊維径は２０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内とされ、アルミニウム繊維同士の間に立体的かつ等方的な空隙が確保されると記載されている。

また、このような繊維の配向性を持たせた多孔体として、特許文献２に記載の通液部材が知られている。この通液部材は、非連続強化繊維が分散した構造の少なくとも交点が熱可塑性樹脂で接着され、連通孔である空隙を３０～９０％有し、非連続強化繊維の面内方向の繊維配向角の平均値αが０～４０°で、面外方向の繊維配向角の平均値βが０～２５°であることを特徴とする多孔質複合体で構成されている。

特開２０１６‐００６２２６号公報 国際公開２０１９／０６５６２５号公報

しかし、特許文献１に記載の多孔質アルミニウム体は、アルミニウム繊維同士の間の空隙が等方的であり、また、アルミニウム繊維の繊維径が小さいために、パイプ（アルミニウム管）の内壁面との間の熱交換が制限され、パイプ外面と多孔質アルミニウム体との間で十分に熱交換することが難しい。また、多孔質アルミニウム体とパイプとの接合が不十分であると、多孔質アルミニウム体がパイプから脱落するおそれもある。一方、特許文献２の多孔質複合体は、繊維の配向性を持たせてはいるものの、繊維同士が樹脂などによって接合されたものであるため、界面熱抵抗の発生や、接合樹脂の熱伝導が低いことなどから、繊維に熱を効率的に伝達できる構造ではない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、熱交換性に優れ、かつ、金属製多孔質体が金属製パイプから脱落しにくい熱交換用パイプを提供することを目的とする。

本発明の熱交換用パイプは、金属製パイプと、前記金属製パイプの内壁面に接合された、複数の金属繊維を結合してなる金属製多孔質体と、を備え、前記金属製多孔質体の一部は前記金属製パイプの前記内壁面に接合され、前記金属製多孔質体の断面における凹凸度を（断面における周囲長^２／断面の面積）×１／４π、線形度を（断面における絶対最大長^２／断面の面積）×π／４とするとき、これら凹凸度及び線形度を前記金属製多孔質体の縦断面で求めて前記凹凸度と前記線形度とを乗じてなる繊維度を算出し、以下の式１で表される縦断面の内壁面に垂直な繊維度が１．９以上である。
（内壁面に垂直な繊維度）＝（繊維度）×ｃｏｓ（２α）・・・（式１）
α：金属繊維の傾き（ただし、４５度＜α＜１３５度のときは、α＝０とする）

上記縦断面の内壁面に垂直な繊維度は、金属繊維が内壁面から垂直方向（半径方向）に如何に伸びているかを示す値であり、この数値が大きいほど、金属繊維が内壁面から垂直方向に延びている金属繊維の比率が大きくなる。なお、上記金属繊維の傾きαは、Ｘ軸と金属繊維断面における金属繊維の絶対最大長とがなす角度である。
また、上記繊維度は、上述したように、以下の式２で表される。
繊維度＝凹凸度×線形度・・・（式２）
また、凹凸度及び線形度は、ＣＴ（Computed tomography）スキャン装置により検出される画像データ（ＣＴ画像）から画像解析ソフトを用いて算出され、凹凸度は以下の式３で表され、線形度は以下の式４で表される。
凹凸度＝（金属繊維断面における周囲長^２／面積）×１／４π ・・・（式３）
線形度＝（金属繊維断面における絶対最大長^２／面積）×π／４ ・・・（式４）
なお、凹凸度及び線形度で用いられる面積とは、断面の金属繊維の面積であり、凹凸度で用いられる周囲長とは断面における金属繊維外周の長さであり、これら凹凸度の面積及び周囲長は、画像データに表示された穴（具体的には、金属繊維がループ状である場合、そのループ部分に形成される穴）を含めずに計算する。一方、線形度で用いられる絶対最大長は、選択境界に沿った任意の２点間の最長距離（断面における金属繊維の最大長さ）である。これら凹凸度及び線形度は、画像データに表示される金属繊維の形状が円に近いほど１．０に近い値となり、細長いほど大きな値となる。

本発明では、縦断面の内壁面に垂直な繊維度が１．９以上であるので、金属繊維に金属製パイプの半径方向に向けて延びるような配向性を持たせることができる。つまり、金属製パイプと金属多孔質体との接合部分から離間して延びる金属繊維の延出方向を内壁面から垂直方向に揃えることができる。
また、金属製多孔質体の一部が金属製パイプの内壁面に接合されているので、接合部分の全体で金属製パイプと金属多孔質体との間の熱交換がなされる。かつ、金属繊維の配向方向が内壁面から垂直方向に揃えられているので、金属製パイプの横断面の中心部にも効果的に金属繊維を配置することができ、金属製パイプ内を流通する流体との熱交換も良好になされる。さらに、金属繊維は端部ではなく長さ方向の一部が内壁面に接合されているから、金属製パイプから脱落するおそれがなく、長期的に安定した熱交換性能を維持することができる。
なお、縦断面の壁面に垂直な繊維度が１．９未満となると、金属製パイプの内壁面から垂直に金属繊維が配向している割合が少なくなり、熱交換性能が低下する。さらに、この値が１．０未満となると、内壁面に対して平行な金属繊維の割合が多くなることから、さらに熱交換性能が低下する。

本発明の熱交換用パイプの好ましい態様としては、前記金属製多孔質体の気孔率は、８０％以上９０％以下であるとよい。
金属製多孔質体の気孔率が８０％未満では、内部を流通する空気の流路が狭まり、圧力損失が高くなる可能性があり、９０％を超えると金属製多孔質体の表面積を確保しにくいため、電熱効率を確保できなくなる可能性がある。

本発明の熱交換用パイプの製造方法は、複数の金属繊維を積み重ねて前駆体を形成する前駆体形成工程と、前記前駆体を金属製パイプの一端から押し込み、前記金属製パイプ内に装填するパイプ内装填工程と、前記金属製パイプ内に前記前駆体を装填した状態で焼結する焼結工程とを有し、前記前駆体形成工程では、前記金属繊維の配向性を該金属製パイプの半径方向に向けて延びるように少量ずつ揃えながら形成した小前駆体を複数形成し、前記パイプ内装填工程では、複数の前記小前駆体を複数回に分けて前記金属製パイプ内に装填する。

本発明では、複数の金属繊維の配向性を少量ずつ揃えながら形成した小前駆体を金属製パイプ内に複数回に分けて装填することで、前駆体がパイプ内に装填されるので、前駆体の外周部において、金属繊維は金属製パイプの内壁面で折れ曲がった後に、内壁面から離間するように垂直方向に延びた状態に設けられる。したがって、金属繊維は、金属製パイプの内壁面に部分的に接合され、横断面方向（垂直方向）に延びて配置されることから、縦断面の壁面に垂直な繊維度を１．９以上にすることができ、優れた熱交換性を有する熱交換用パイプを製造することができる。

本発明によれば、熱交換性に優れ、かつ、金属製多孔質体が金属製パイプから脱落しにくい熱交換用パイプを提供することができる。

本発明の実施形態の熱交換用パイプの縦断面図である。 図１のＡ－Ａ線に沿う横断面図である。 本発明の製造方法の実施形態を示すフローチャートである。 金属製多孔質体（多孔質アルミニウム焼結体）の模式図である。 焼結用アルミニウム原料の模式図である。 焼結用アルミニウム原料において柱状突起が形成される状態を示す模式図である。 柱状突起の状態を示す模式図である。 前駆体を形成する工程を示す模式図である。 前駆体をアルミニウム製パイプに押し込む状態を示す模式図である。左側の円で囲った部分は要部の拡大図である。 熱交換用パイプの断面における金属繊維の周囲長、絶対最大長及び金属繊維の傾きを示す模式図である。 実験例における熱交換パイプを用いた熱交換評価方法を示す模式図である。 実施例１の熱交換パイプの横断面のＣＴ画像である。 実施例１の熱交換パイプの縦断面のＣＴ画像である。 実施例２の熱交換パイプの横断面のＣＴ画像である。 実施例２の熱交換パイプの縦断面のＣＴ画像である。 実施例３の熱交換パイプの横断面のＣＴ画像である。 実施例３の熱交換パイプの縦断面のＣＴ画像である。 比較例の熱交換パイプの横断面のＣＴ画像である。 比較例の熱交換パイプの縦断面のＣＴ画像である。

以下、本発明の実施形態を説明する。この実施形態の熱交換用パイプ１０は、図１及び図２に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム製パイプ（本発明の金属製パイプに相当）２０と、このアルミニウム製パイプ２０内に装填されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる多孔質アルミニウム焼結体（本発明の金属製多孔質体に相当。以下、「多孔質体」）３０と、から構成されている。

この熱交換用パイプ１０において、多孔質体３０が装填されている部位の外側に高温又は低温の熱源（図示略）が設けられ、アルミニウム製パイプ２０の内部に熱媒としての気体又は液体の流体を流通させ、その流体が多孔質体３０内を通過する際に熱源との間で熱交換する。

アルミニウム製パイプ２０は、Ａ１０７０等の純アルミ系合金やＡ３００３等のＡｌ－Ｍｎ系合金等の押出成形等によって形成された一般的な横断面円形のパイプである。このアルミニウム製パイプ２０は、例えば、外径が５ｍｍ～１５０ｍｍ、肉厚が０．８ｍｍ～１０ｍｍとされる。

多孔質体３０は、図４に示すように、複数のアルミニウム基材（金属基材）３１が焼結されて一体化されたものであり、気孔率が８０％以上９０％以下の範囲内に設定されている。アルミニウム基材３１としては、アルミニウム繊維３１ａ（金属繊維）とアルミニウム粉末粒子３１ｂとの混合体が用いられている。

このアルミニウム基材３１の外表面には、外方に向けて突出する複数の柱状突起３２が形成されており、複数のアルミニウム基材３１は基材結合部３５を介して結合されている。この基材結合部３５は、柱状突起３２同士が結合した部分や、柱状突起３２とアルミニウム基材３１の表面とが結合した部分、さらにはアルミニウム基材３１の表面同士が結合した部分である。

基材結合部３５には、Ｔｉ－Ａｌ系化合物１６及びＡｌと共晶反応する共晶元素を含む共晶元素化合物１７が存在している。本実施形態では、Ｔｉ－Ａｌ系化合物１６はＴｉとＡｌの化合物であり、より具体的には、Ａｌ_３Ｔｉ金属間化合物である。

Ａｌと共晶反応する共晶元素としては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｂａ、Ｂｅ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｇｄ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｌａ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｍ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｙ、Ｚｎ等が挙げられる。このうち、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｉが好適である。

この多孔質体３０の一部は、アルミニウム製パイプ２０の内壁面に接合されている。具体的には、多孔質体３０においては、アルミニウム基材３１はアルミニウム製パイプ２０の内壁面に接合されている。また、アルミニウム基材３１は、他のアルミニウム基材３１に接合されていてもよい。

アルミニウム製パイプ２０の内壁面に接合されているアルミニウム繊維３１ａは、所定長さの範囲で長さ方向に沿って接触した状態で接合しており、（換言すると、内壁面に対してアルミニウム繊維３１ａは長さ方向の一部分が接合されており、）アルミニウム製パイプ２０の内壁面上でアルミニウム繊維３１ａの途中が折れ曲がり、内壁面に接触していない残部は内壁面から離間して延びており、縦断面の内壁面に垂直な繊維度が１．９以上とされている。

上記縦断面の内壁面に垂直な繊維度は、上述したように、以下の式１で表される。
内壁面に垂直な繊維度＝（繊維度）×ｃｏｓ（２α） ・・・（式１）
α：金属繊維の傾き（ただし、４５度＜α＜１３５度のときは、α＝０とする）
この縦断面の内壁面に垂直な繊維度は、金属繊維が内壁面から垂直方向（半径方向）に如何に伸びているかを示す値であり、この数値が大きいほど、金属繊維が内壁面から垂直方向に延びている金属繊維の比率が大きくなる。なお、上記金属繊維の傾きαは、図１０に示すように、Ｘ軸と金属繊維断面における金属繊維Ｒ１の絶対最大長とがなす角度である。
上記繊維度は、上述したように、以下の式２で表される。
繊維度＝凹凸度×線形度・・・（式２）
また、凹凸度及び線経度は、ＣＴ（Computed tomography）スキャン装置により検出される画像データ（ＣＴ画像）から画像解析ソフトを用いて算出され、凹凸度は以下の式３で表され、線形度は以下の式４で表される。
凹凸度＝（断面における周囲長^２／面積）×１／４π ・・・（式３）
線形度＝（断面における絶対最大長^２／面積）×π／４ ・・・（式４）
なお、凹凸度及び線形度で用いられる面積とは、図１０に示すように、金属繊維Ｒ１の断面の面積であり、凹凸度で用いられる周囲長Ｌ１とは断面における金属繊維Ｒ１の外周の長さであり、これら凹凸度の面積及び周囲長は、画像データに表示された穴（具体的には、金属繊維がループ状である場合、そのループ部分に形成される穴）を含めずに計算する。一方、線形度で用いられる絶対最大長Ｌ２は、図１０に示すように、選択境界に沿った任意の２点間の最長距離（断面における金属繊維Ｒ１の最大長さ）である。これら凹凸度及び線形度は、画像データに表示される金属繊維の形状が円に近いほど１．０に近い値となり、細長いほど大きな値となる。本実施形態では、ＣＴで得られるすべてのスライス画像に対して、断面内の全ての金属繊維ごとに凹凸度及び線形度を算出し、これらの平均値を断面の凹凸度、及び線形度として用いている。
なお、縦断面の凹凸度及び線形度と同じように、横断面の凹凸度及び線形度を求め、これらを乗じて横断面の繊維度を算出することも可能である。この場合、横断面の繊維度は、１４以上であることが好ましい。また、横断面の繊維度は１４以上２１以下であることがより好ましい。

つまり、多孔質体３０の縦断面の内壁面に垂直な繊維度が大きくなるほど、多孔質体３０のアルミニウム繊維３１ａがアルミニウム製パイプ２０の内壁面への接合部から直角に折れ曲がり、アルミニウム製パイプ２０の内壁面から垂直（アルミニウム製パイプ２０の半径方向）に延びているアルミニウム繊維３１ａの比率が多くなる。この点、熱交換率を向上させる観点から、アルミニウム繊維３１ａは、アルミニウム製パイプ２０の内壁面への接合部から直角に折れ曲がり、アルミニウム製パイプ２０の内壁面から垂直に延びているのが好ましい。このため、多孔質体３０の縦断面の内壁面に垂直な繊維度の値は、１．９以上とされており、好ましくは２．０以上、さらに好ましくは２．３以上であるとよい。

なお、縦断面の内壁面に垂直な繊維度の値が２．０未満となると、アルミニウム製パイプ２０の内壁面から垂直にアルミニウム繊維３１ａが配向している割合が少なくなり、熱交換性能が低下する。さらに、この値が１．０未満となると、内壁面に対して平行なアルミニウム繊維３１ａの割合が多くなることから、さらに熱交換性能が低下する。また、一つのアルミニウム繊維３１ａがアルミニウム製パイプ２０の内壁面に２箇所以上で接触した状態に接合しているものも存在してよい。

アルミニウム繊維３１ａがアルミニウム製パイプ２０の内壁面に所定長さの範囲で接触した状態に接合されていることから、アルミニウム製パイプ２０に対するアルミニウム繊維３１ａの接合面積（総面積）は、この多孔質体３０が設けられる領域Ｅのアルミニウム製パイプ２０の内壁面の面積に対して５％以上が好ましい。

つまり、多孔質体３０が設けられる領域Ｅにおいて、（アルミニウム繊維３１ａの接合面積）／（アルミニウム製パイプ２０の内壁面の面積）の百分率を壁面に対する接合面積率とすると、接合面積率≧５％が良い。この接合面積率が５％未満では、アルミニウム製パイプ２０に対するアルミニウム繊維３１ａの接合が弱いために接合部が剥がれて、熱伝達性を阻害するとともに、多孔質体３０がアルミニウム製パイプ２０の内壁面から脱落するおそれがある。

多孔質体３０は、アルミニウム製パイプ２０の内壁面付近にアルミニウム基材３１が偏在していると効果的な熱伝達が行われないので、アルミニウム製パイプ２０の横断面積の全体に分散して配置されているのが好ましい。

具体的には、図２に示すように、アルミニウム製パイプ２０の横断面の面積の１／２に相当する中心部の領域Ｆ内においてアルミニウム繊維３１ａが占める平均面積率と、横断面全体の領域Ｇにおけるアルミニウム繊維３１ａの平均面積率との差が５％以内である。この平均面積率の差が５％を超えると、多孔質体３０において、アルミニウム基材３１がアルミニウム製パイプ２０の内壁面に偏在しているおそれがある。

アルミニウム基材３１とアルミニウム製パイプ２０の内壁面とが柱状突起３２を介して接合されている箇所も存在する。その接合部には、前述したＴｉ－Ａｌ系化合物１６及びＡｌと共晶反応する共晶元素を含む共晶元素化合物１７が存在している。

次に、本実施形態の熱交換用パイプ１０の製造方法について説明する。図３はそのフローチャートを示している。

アルミニウム基材３１としては、上述したように、アルミニウム繊維３１ａとアルミニウム粉末粒子３１ｂとが用いられている。

ここで、アルミニウム基材３１のアルミニウム繊維３１ａについては、溶融紡績法により作製する。すなわち、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる材料を加熱溶融させ、ノズルから空中又は水中に一定速度で押し出し、繊維状に冷却固化させたものを、所定長さで切断する

アルミニウム繊維３１ａの繊維径Ｒは２０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内、好ましくは５０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされている。アルミニウム繊維３１ａの繊維長さＬは０．２ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内、好ましくは１ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内とされている。

アルミニウム繊維３１ａは、例えば、長さＬと繊維径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４以上２５００以下の範囲内とすることができる。

アルミニウム繊維３１ａの繊維径Ｒが２０μｍ未満の場合には、アルミニウム繊維同士の結合面積が小さく、焼結強度が不足するおそれがある。一方、アルミニウム繊維３１ａの繊維径Ｒが１０００μｍを超える場合には、アルミニウム繊維同士が接触する接点の数が不足し、やはり、焼結強度が不足するおそれがある。

アルミニウム繊維３１ａの長さＬと繊維径Ｒとの比Ｌ／Ｒが４未満の場合には、多孔質アルミニウム焼結体の製造方法において、アルミニウム繊維３１ａを積層配置したときの多孔質体３０の嵩密度ＤＰをアルミニウム繊維の真密度ＤＴの５０％以下とすることが難しく、気孔率の高い多孔質体３０を得ることが困難となるおそれがある。一方、アルミニウム繊維３１ａの長さＬと繊維径Ｒとの比Ｌ／Ｒが２５００を超える場合には、アルミニウム繊維を均一に分散させることができなくなり、均一な気孔率を有する多孔質体３０を得ることが困難となるおそれがある。

さらなる気孔率の増大を図る場合には、アルミニウム繊維３１ａの長さＬと繊維径Ｒとの比Ｌ／Ｒを１０以上とすることが好ましい。また、より均一な気孔率を備えた多孔質体３０を得るためには、アルミニウム繊維３１ａの長さＬと繊維径Ｒとの比Ｌ／Ｒを５００以下とすることが好ましい。

アルミニウム粉末粒子３１ｂとしては、アトマイズ粉末を用いることができる。アルミニウム粉末粒子３１ｂの粒径は５μｍ以上５００μｍ以下の範囲内、好ましくは２０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされている。

アルミニウム繊維３１ａとアルミニウム粉末粒子３１ｂとの混合比率を調整することで、気孔率を調整することが可能となる。すなわち、アルミニウム繊維３１ａの比率を増やすことにより、多孔質体３０の気孔率を増大させることが可能となる。例えば、気孔率を８０％以上９０％以下とするには、アルミニウム基材３１中のアルミニウム粉末粒子３１ｂの比率を０質量％以上５質量％以下、アルミニウム繊維３１ａの比率を９５質量％以上１００質量％以下とすることが好ましい。なお、多孔質体３０の気孔率が８０％未満では、内部を流通する空気の流路が狭まり、圧力損失が高くなる可能性があり、９０％を超えると多孔質体３０の表面積を確保しにくいため、伝熱効率を大幅に向上できない可能性がある。

アルミニウム繊維３１ａ及びアルミニウム粉末粒子３１ｂとしては、純アルミニウムの他、アルミニウム合金を用いてもよい。例えば、ＪＩＳに規定されるＡ３００３合金(Ａｌ－０．６質量％Ｓｉ－０．７質量％Ｆｅ－０．１質量％Ｃｕ－１．５質量％Ｍｎ－０．１質量％Ｚｎ合金)やＡ５０５２合金（Ａｌ－０．２５質量％Ｓｉ－０．４０質量％Ｆｅ－０．１０質量％Ｃｕ－０．１０質量％Ｍｎ-２．５質量％Ｍｇ合金-０．２質量％Ｃｒ-０．１質量％Ｚｎ合金）などからなるアルミニウム基材を好適に用いる事ができる。

アルミニウム繊維３１ａ及びアルミニウム粉末粒子３１ｂが同じ組成である必要はない。例えば、純アルミニウムからなるアルミニウム繊維３１ａとＪＩＳＡ３００３合金からなるアルミニウム粉末粒子３１ｂとを用いるなど、目的に応じて適宜調整することができる。

上記のように構成されるアルミニウム繊維３１ａ及びアルミニウム粉末粒子３１ｂからなるアルミニウム基材３１に対して、チタン粉末粒子４２及び共晶元素粉末粒子４３を固着させて、焼結用アルミニウム原料４０とする。

この焼結用アルミニウム原料４０は、図５に示すように、アルミニウム基材３１（図５及び図６には、左側にアルミニウム繊維３１ａ、右側にアルミニウム粉末粒子３１ｂを示す）と、このアルミニウム基材３１の外表面に固着された複数のチタン粉末粒子４２及び共晶元素粉末粒子（ニッケル粉末粒子、マグネシウム粉末粒子、銅粉末粒子、シリコン粉末粒子）４３と、を備えている。

チタン粉末粒子４２としては、金属チタン粉末粒子及び水素化チタン粉末粒子のいずれか一方又は両方を用いることができる。共晶元素粉末粒子４３としては、金属ニッケル粉末粒子、金属マグネシウム粉末粒子、金属銅粉末粒子、金属シリコン粉末粒子およびこれらの合金粉末が用いられている。

焼結用アルミニウム原料４０においては、チタン粉末粒子４２の含有量が０．０１質量％以上２０質量％以下の範囲内とされている。

チタン粉末粒子４２の粒径は、１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている。なお、水素化チタン粉末粒子は、金属チタン粉末粒子よりも粒径を細かくすることが可能であることから、アルミニウム基材３１の外表面に固着するチタン粉末粒子４２の粒径を微細にする場合には、水素化チタン粉末粒子を用いることが好ましい。

アルミニウム基材３１の外表面に固着された複数のチタン粉末粒子４２、４２同士の間隔は、５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

焼結用アルミニウム原料４０における共晶元素粉末粒子４３の各成分の含有量は、ニッケル粉末粒子が０．０１質量％以上５．０質量％以下の範囲内、マグネシウム粉末粒子が０．０１質量％以上５．０質量％以下の範囲内、銅粉末粒子が０．０１質量％以上５．０質量％以下の範囲内、シリコン粉末粒子が０．０１質量％以上１５．０質量％以下の範囲内とされている。

ニッケル粉末粒子は１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内、好ましくは、２μｍ以上１０μｍ以下の範囲内である。マグネシウム粉末粒子は２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内、好ましくは、２０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内である。銅粉末粒子は５μｍ以上５００μｍ以下の範囲内、好ましくは、２０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内である。シリコン粉末粒子は５μｍ以上２００μｍ以下の範囲内、好ましくは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とされている。

図３に示すように、各工程を順次行う。まず、常温にて、アルミニウム繊維３１ａ及びアルミニウム粉末粒子３１ｂからなるアルミニウム基材３１とチタン粉末粒子４２と共晶元素粉末粒子（例えば、ニッケル粉末粒子、マグネシウム粉末粒子、銅粉末粒子、シリコン粉末粒子）４３とを混合する（混合工程）。

このとき、バインダー溶液を噴霧する。バインダーとしては、大気中で５００℃に加熱した際に燃焼・分解されるものが好ましく、具体的には、アクリル系樹脂、セルロース系高分子体を用いることが好ましい。バインダーの溶剤としては、水系、アルコール系、有機溶剤系の各種溶剤を用いることができる。

この混合工程においては、例えば、自動乳鉢、パン型転動造粒機、シェーカーミキサー、ポットミル、ハイスピードミキサー、Ｖ型ミキサー等の各種混合機を用いて、アルミニウム基材３１とチタン粉末粒子４２と共晶元素粉末粒子４３とを流動させながら混合する。

次に、混合工程で得られた混合体を乾燥する（乾燥工程）。この混合工程及び乾燥工程により、図５の上段に示すアルミニウム繊維３１ａ及びアルミニウム粉末粒子３１ｂからなるアルミニウム基材３１に、下段に示すようにチタン粉末粒子４２及び共晶元素粉末粒子４３が分散して固着され、本実施形態である焼結用アルミニウム原料４０が製造される。

次に、図８に示す円筒状のカーボン製容器５０内に焼結用アルミニウム原料４０を散布して圧力を加えずに充填する（原料散布工程）。このカーボン製容器５０は、例えば、円筒体５１と、その底部を開閉可能な底蓋５２とにより構成される。円筒体５１は、アルミニウム製パイプ２０の内径より大きい内径に形成される。

底蓋５２上に焼結用アルミニウム原料４０を散布した後、振動を加えることにより、アルミニウム基材３１のアルミニウム繊維３０ａは、その大部分が底蓋５２上に横たわるように、言い換えれば、底蓋５２の表面にほぼ平行に配置され、順次、下方から積層される。

カーボン製容器５０内に焼結用アルミニウム原料４０を所定高さ（例えば、アルミニウム製パイプ２０内に充填される前駆体全体の１／２以下の高さ）まで圧力をかけずに充填した状態で、これらを脱脂炉内に装入して、大気雰囲気で加熱してバインダーを除去する（脱バインダー工程）。

以上説明した、混合工程から脱バインダー工程までが前駆体形成工程である。つまり、前駆体形成工程では、アルミニウム繊維３１ａの配向性を金属製パイプ２０の半径方向に向けて延びるように少量ずつ揃えながら形成した小前駆体４１を複数形成する。

次いで、カーボン製容器５０から焼結用アルミニウム原料４０を取り出して、アルミニウム製パイプ２０内に小前駆体４１を複数回に分けて装填する（パイプ内装填工程）。焼結用アルミニウム原料４０は、脱バインダー工程にてカーボン製容器５０内で相互に固着した状態となっており、カーボン製容器５０から取り出すと、その充填高さに応じて円盤状又は円柱状の小前駆体４１となっている。この小前駆体４１は、アルミニウム製パイプ２０の内径より大きい外径を有している。その外径はアルミニウム製パイプ２０の内径より、例えば１ｍｍ以上１０ｍｍ以下大きく、その高さは、アルミニウム製パイプ２０内に充填される前駆体の高さの１／２以下であるとよい。また、小前駆体４１の高さは、より好ましくは、上記前駆体の高さの１／３以下であるとよく、さらに好ましくは、上記前駆体の高さの１／５以下であるとよい。

これら小前駆体４１がアルミニウム製パイプ２０の内径より大きい外径を有しているため、図９に示すように、押し込み棒５３を用いて、小前駆体４１を１個ずつ順次、又は複数個を積層状態として複数回に分けてアルミニウム製パイプ２０の一端から押し込むようにアルミニウム製パイプ２０内に装填すると、図９の二点鎖線で示すように、アルミニウム製パイプ２０の内壁面において小前駆体４１の外周部がほぼ直角に折れ曲がり、その折れ曲がった外周部がアルミニウム製パイプ２０の内壁面に密接する。

アルミニウム製パイプ２０の内壁面への接触部分では、小前駆体４１のアルミニウム繊維３１ａはアルミニウム製パイプ２０の軸方向にほぼ沿って接触する。アルミニウム製パイプ２０の内側では、アルミニウム繊維３１ａはアルミニウム製パイプ２０の内壁面から離間し、アルミニウム製パイプ２０のほぼ横断面方向に沿って延びた状態となる。つまり、小前駆体４１においても、縦断面の内壁面に垂直な繊維度が１．９以上となる。

その後、複数の小前駆体４１からなる前駆体を装填したアルミニウム製パイプ２０を不活性ガス雰囲気の焼成炉内に装入して、添加した共晶元素粉末粒子４３の種類や添加量に応じて５７５～６６５℃の温度範囲で０．５～６０分間保持する（焼結工程）。保持時間は１～２０分間とすることが好ましい。

この焼結工程においては、前駆体（複数の小前駆体４１）に形成されている焼結用アルミニウム原料４０中のアルミニウム基材３１は溶融するが、アルミニウム基材３１の表面には酸化膜が形成されていることから、溶融したアルミニウムが酸化膜によって保持され、アルミニウム基材３１の形状が維持される。

アルミニウム基材３１の外表面のうちチタン粉末粒子４２が固着された部分においては、チタンとの反応によって酸化膜が破壊され、内部の溶融アルミニウムが外方へと噴出する。噴出した溶融アルミニウムはチタンとの反応によって融点の高い化合物を生成して固化する。

これにより、図６の下段に示すように、アルミニウム基材３１の外表面に、外方に向けて突出する複数の柱状突起３２が形成される。柱状突起３２には、Ｔｉ－Ａｌ系化合物１６が存在しており、このＴｉ－Ａｌ系化合物１６によって柱状突起３２の必要以上の成長が抑制される。

なお、チタン粉末粒子４２として水素化チタンを用いた場合には、３００～４００℃付近で水素化チタンが分解し、生成したチタンがアルミニウム基材３１の表面の酸化膜と反応する。

本実施形態では、アルミニウム基材３１の外表面に固着された共晶元素粉末粒子４３によって、アルミニウム基材３１には局所的に融点が低くなる箇所が形成される。よって、添加した共晶元素粉末粒子４３の種類や添加量に応じて、５７５～６５５℃といった比較的低温条件でも柱状突起３２が確実に形成される。

隣接するアルミニウム基材３１，３１同士が、互いの柱状突起３２を介して溶融状態で一体化あるいは固相焼結することによって結合され、図４に示すように、柱状突起３２を介して複数のアルミニウム基材３１、３１同士が結合された多孔質体３０が製造される。

柱状突起３２を介してアルミニウム基材３１、３１同士が結合された基材結合部３５には、図７に示すようにＴｉ－Ａｌ系化合物（本実施形態では、Ａｌ_３Ｔｉ金属間化合物）１６及び共晶元素化合物１７が存在する。

アルミニウム製パイプ２０の内壁面においては、前駆体（複数の小前駆体４１）が折れ曲がって外周部が接触しているので、アルミニウム基材３１のアルミニウム繊維３１ａの一部が長さ方向に沿って接触しており、その状態で焼結されることによりアルミニウム繊維３１ａとアルミニウム製パイプ２０とが結合される。したがって、アルミニウム繊維３１ａが線状に接触した状態で結合している。

アルミニウム基材３１の一部の柱状突起３２もアルミニウム製パイプ２０と結合する。アルミニウム製パイプ２０の表面にチタン粉末粒子４２及び共晶元素粉末粒子４３が接触する場合には、アルミニウム製パイプ２０の表面からも柱状突起３２が形成され、アルミニウム製パイプ２０と多孔質体３０とが接合される。

以上のような構成とされた熱交換用パイプ１０は、縦断面の内壁面に垂直な繊維度の値が１．９以上であるので、アルミニウム繊維３１ａに金属製パイプ２０の半径方向に向けて延びるような配向性を持たせることができる。つまり、金属製パイプ２０と多孔質体３０との接合部分から離間して延びるアルミニウム繊維３１ａの延出方向を内壁面から垂直方向に揃えることができる。また、多孔質体３０の一部が金属製パイプ２０の内壁面に接合している、より具体的には、多孔質体３０のアルミニウム繊維３１ａがアルミニウム製パイプ２０の内壁面において屈曲し、一部がアルミニウム製パイプ２０の内壁面に線状に接触した状態で接合しているため、多孔質体３０と内壁面との間で速やかに熱交換がなされる。

アルミニウム製パイプ２０の内側においては、アルミニウム繊維３１ａの配向方向がアルミニウム製パイプ２０の内壁面から垂直方向（径方向）に揃えられているので、熱媒との間の熱交換性にも優れている。

しかも、アルミニウム繊維３１ａがアルミニウム製パイプ２０の内壁面に長さ方向に沿って接触した状態に接合していることから、アルミニウム製パイプ２０から剥がれにくく、長期的に安定した熱交換性能を維持することができる。

柱状突起３２により結合している部分にはＴｉ－Ａｌ系化合物１６が存在しているので、このＴｉ－Ａｌ系化合物１６によってアルミニウム製パイプ２０及び多孔質体３０の表面の酸化膜が除去されており、アルミニウム製パイプ２０と多孔質体３０、あるいは多孔質体３０同士の接合強度が向上する。

また、Ｔｉ－Ａｌ系化合物１６によって柱状突起３２の成長が抑制されることから、溶融アルミニウムが多孔質体３０側に噴出することを抑制でき、多孔質体３０の気孔率を確保することができる。

特に、本実施形態では、Ｔｉ－Ａｌ系化合物１６としてＡｌ_３Ｔｉが存在しているので、アルミニウム製パイプ２０及び多孔質体３０の表面に形成された酸化膜が確実に除去され、アルミニウム製パイプ２０と多孔質体３０との接合強度を大幅に向上させることができる。

本実施形態では、柱状突起３２に共晶元素化合物１７が存在しているので、アルミニウム基材３１において局所的に融点が低下し、柱状突起３２が太く形成されやすく、アルミニウム製パイプ２０と多孔質体３０との接合強度をさらに向上させることができる。

本実施形態では、焼結用アルミニウム原料４０におけるチタン粉末粒子４２の含有量が０．０１質量％以上２０質量％以下とされているので、アルミニウム基材３１の外表面に適切な間隔で柱状突起３２を形成することができ、アルミニウム製パイプ２０と多孔質体３０とを確実に接合することができる。

本実施形態においては、アルミニウム基材３１の外表面に固着された複数のチタン粉末粒子４２、４２同士の間隔が５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とされているので、柱状突起３２の間隔が適正であり、十分な強度と高い気孔率を有する多孔質体３０を得ることができる。

本実施形態では、焼結用アルミニウム原料４０における共晶元素粉末粒子４３の含有量がニッケル粉末粒子は０．０１質量％以上５．０質量％以下の範囲内、マグネシウム粉末粒子は０．０１質量％以上５．０質量％以下の範囲内、銅粉末粒子は０．０１質量％以上５．０質量％以下の範囲内、シリコン粉末粒子は０．０１質量％以上１５．０質量％以下の範囲内とされているので、アルミニウム基材３１における局所的に融点が低下した箇所を適切な間隔で形成することができるとともに、余分な溶融アルミニウムが流出することを抑制でき、十分な強度と高い気孔率を有する多孔質体３０を得ることができる。

また、添加した共晶元素粉末粒子の種類や添加量に応じて、５７５～６６５℃といった比較的低温条件でも柱状突起３２が確実に形成されるので、焼結工程の温度条件を低く設定することが可能となる。

本実施形態においては、アルミニウム基材３１としてアルミニウム繊維３１ａ及びアルミニウム粉末粒子３１ｂを用いているので、これらの混合比を調整することにより、多孔質体３０の気孔率を制御することが可能となる。

本実施形態の多孔質体３０においては、気孔率が８０％以上９０％以下の範囲内とされているので、伝熱部材として用いられる多孔質アルミニウム複合体３０において表面積を確保することができ、伝熱効率を大幅に向上させることが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態ではパイプをアルミニウム製とし、アルミニウム繊維とアルミニウム粉末粒子とを有する多孔質アルミニウム焼結体を装填したが、アルミニウムに限らず、焼結可能な種々の金属を用いることができる。本発明では、金属製パイプに、複数の金属繊維を結合した金属製多孔質体が接合されている。

上記実施形態では金属製多孔質体を金属繊維と金属粉末粒子の混合体により構成したが、金属製多孔質体は金属繊維のみからなるものとしてもよい。その場合、焼結により金属繊維同士が接合し、金属繊維と金属製パイプの内壁面とが結合した状態となる。

また、金属製パイプも断面円形に限らず、多角形等の断面としてもよい。

ＪＩＳ Ａ１０５０のアルミニウム合金からなるアルミニウム製パイプと、アルミニウム基材としてアルミニウム繊維及びアルミニウム粉末と、チタン粉末と、共晶元素粉末としてＭｇ粉末とを用意した。アルミニウム製パイプは、図１１（ｂ）に示すように、断面５０ｍｍ×５０ｍｍの矩形状で、内径を１８ｍｍ、熱電対Ｐ４を内壁面から１ｍｍの位置に３つずつ配置した。アルミニウム繊維は直径３００μｍ、長さ１０ｍｍ～２５ｍｍの範囲内で多数作製した。

アルミニウム基材、チタン粉末及び共晶元素粉末を混合して焼結用アルミニウム原料を作製し、直径２２ｍｍの円盤状の前駆体を作製した。その前駆体をアルミニウム製パイプ内に押し込んだ後、６００℃で３０分焼結することにより、アルミニウム製パイプの所定長さの範囲で多孔質アルミニウム焼結体が接合した熱交換用パイプを作製した。なお、実施例１では、前駆体となる直径２２ｍｍ、厚さ２ｍｍの小前駆体を５個作成し、５回に分けてアルミニウム製パイプ内に充填し、実施例２では、前駆体となる直径２２ｍｍ、厚さ３．３ｍｍの小前駆体を３個作成し、３回に分けてアルミニウム製パイプ内に充填し、実施例３では、前駆体となる直径２２ｍｍ、厚さ５ｍｍの小前駆体を２個作成し、２回に分けてアルミニウム製パイプ内に充填し、比較例では、直径２２ｍｍ、厚さ１０ｍｍの前駆体を作成し、一度でアルミニウム製パイプ内に充填した。

得られた熱交換用パイプの横断面のＸ線ＣＴ（ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：コンピュータ断層撮影）像について、画像処理ソフトウェア（ＩｍａｇｅＪ（１．５２ａ））を使って以下のように解析を行った。

実施例１～３及び比較例のそれぞれのＣＴ像については、上記Ｘ線ＣＴ装置を用いて、各試料のＸ線ＣＴデータを測定（分解能約３０μｍ／ｖｏｘｅｌ）し、多孔質体の長さ１０ｍｍに対して、約３０μｍ間隔でのスライス画像（横断面）と、円筒部の中心を通るように１０度間隔で０度～１７０度までスライスした画像（縦断面）を用意した。例えば、図１２が実施例１の横断面の一例であり、図１３が実施例１の縦断面の一例であり、図１４が実施例２の横断面の一例であり、図１５が実施例２の縦断面の一例であり、図１６が実施例３の横断面の一例であり、図１７が実施例３の縦断面の一例であり、図１８が比較例１の横断面の一例であり、図１９が比較例の縦断面の一例である。これら図のうち、実施例１について説明すると、図１２の最外周のリング状部分、図１３の上下の太い直線状部分を除く、黒い部分が多孔質アルミニウム焼結体である。図１３に比べて図１２は多孔質アルミニウム焼結体の長い部分（アルミニウム繊維）が多く存在している。

これら各解析対象（ＣＴ像）に対してＡｎａｌｙｚｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ（粒子解析）を行い、各粒子に対して数値処理を行った。数値の２値化は大津法を用いて行い、多孔質体の部分のみを解析対象として解析を行った。凹凸度及び線形度で用いる面積、周囲長及び絶対最大長は、縦断面の粒子ごとに算出するとともに、それぞれの凹凸度は上記式３、線形度は上記式４に算出された数値を入力して算出し、これら算出された粒子ごとの凹凸度及び線形度の平均値から上記式２を用いて縦断面の繊維度を算出するとともに、上記式１を用いて縦断面の壁面に垂直な繊維度を算出した。

次に、実施例１～３及び比較例の試料に対して、図１１に示す熱交換評価を行った。具体的には、図１１（ｂ）に示すように、アルミニウムパイプＰ１内に厚さ１０ｍｍの多孔質体Ｐ２を形成し、この多孔質体Ｐ２が形成された部位の対向する部分に幅３０ｍｍ角のヒーターＰ３を配置し、多孔質体Ｐ２の手前側及び奥側に熱電対Ｐ４を配置した上、手前側から約２５℃の空気を５０Ｌ／ｍｉｎで流通させ、手前側の熱電対Ｐ４の温度と奥側の熱電対Ｐ４の温度とを測定し、その結果を表１に示した。なお、壁面温度、入口温度及び出口温度は、図１１（ｂ）に示す３つの熱電対Ｐ４の平均値を示した。

熱伝達率（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）については、以下の式６を用いて算出した。
（熱伝達率）ｈ ＝ Ｑ ／ （Ａ×ΔＴ）・・・（式６）
上記式６のＱは、入口温度と出口温度で計算された空気の熱量差であり、Ａは多孔質体が接合している部分のパイプの内面積（長さ１０ｍｍ×φ１８ｍｍ）であり、ΔＴは、壁面温度から対数平均温度を引いて算出した。この対数平均温度は、以下の式７を用いて算出した。
（対数平均温度）＝平均壁面温度＋（出口温度－入口温度）／ＬＮ｛（出口温度－平均壁面温度）／（入口温度－平均壁面温度）｝ ・・・（式７）

実施例１～３及び比較例の各試料における多孔質体の気孔率は、多孔質体を接合したパイプ重量からパイプ重量を引いた値を多孔体重量として、パイプ内径の面積と多孔質体の充填長さを乗じて多孔質体の体積を算出し、多孔質体の重量を多孔質体の体積で除して多孔質体の見掛け密度を算出するとともに、多孔質体を接合したハイプを水中法で測定した密度を基材密度）として、以下の式８を用いて算出した。
気孔率＝｛１－（多孔質体の見掛け密度）÷（基材密度）｝×１００・・・（式８）

多孔質体の縦断面の壁面に垂直な繊維度が１．９以上である実施例１～３では、熱伝達率が９９２（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）以上と高くなり、熱交換性に優れていることが分かった。また、充填分割数（小前駆体の数、小前駆体のアルミニウム製パイプへの充填回数）が多いほど、熱伝達率が高いことが分かった。特に、厚さ２ｍｍの小前駆体を５回に分けてアルミニウム製パイプに充填した実施例１は、熱伝達率が１２８３（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）と、熱交換性を極めて高くすることができた。

熱交換性に優れ、かつ、金属製多孔質体が金属製パイプから脱落しにくい熱交換用パイプを提供できる。

１０ 熱交換用パイプ
２０ アルミニウム製パイプ（金属製パイプ）
３０ 多孔質アルミニウム焼結体（金属製多孔質体）
３１ アルミニウム基材
３１ａ アルミニウム繊維
３１ｂ アルミニウム粉末粒子
４０ 焼結用アルミニウム原料
４１ 小前駆体
５０ カーボン製容器
５３ 押し込み棒

Claims (3)

1. 金属製パイプと、前記金属製パイプの内壁面に接合された、複数の金属繊維を結合してなる金属製多孔質体と、を備え、
   前記金属製多孔質体の一部は前記金属製パイプの前記内壁面に接合され、前記金属製多孔質体の断面における凹凸度を（断面における周囲長^２／断面の面積）×１／４π、線形度を（断面における絶対最大長^２／断面の面積）×π／４とするとき、これら凹凸度及び線形度を前記金属製多孔質体の縦断面で求めて前記凹凸度と前記線形度とを乗じてなる繊維度を算出し、以下の式１で表される縦断面の内壁面に垂直な繊維度が１．９以上である
   （内壁面に垂直な繊維度）＝（繊維度）×ｃｏｓ（２α）・・・（式１）
   α：金属繊維の傾き（ただし、４５度＜α＜１３５度のときは、α＝０とする）
   ことを特徴とする熱交換用パイプ。
2. 前記金属製多孔質体の気孔率は、８０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換用パイプ。
3. 複数の金属繊維を積み重ねて前駆体を形成する前駆体形成工程と、前記前駆体を金属製パイプの一端から押し込み、前記金属製パイプ内に装填するパイプ内装填工程と、前記金属製パイプ内に前記前駆体を装填した状態で焼結する焼結工程とを有し、
   前記前駆体形成工程では、前記金属繊維の配向性を該金属製パイプの半径方向に向けて延びるように少量ずつ揃えながら形成した小前駆体を複数形成し、前記パイプ内装填工程では、複数の前記小前駆体を複数回に分けて前記金属製パイプ内に装填することを特徴とする熱交換用パイプの製造方法。

Images