JP2023055020A - 立体編物構造体、および、熱交換器、フィルター部材、電極 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部を有する箇所に配設した場合であっても、可動部の動きに追従して伸縮し、塑性変形を抑制することが可能な立体編物構造体、および、この立体編物構造体を備えた熱交換器、フィルター部材、電極を提供する。【解決手段】複数の単層編物１５を積層した立体編物構造体１０であって、単層編物１５は、金属繊維１１がループ形状を有して編み込まれた構造であり、積層された単層編物１５の層間を層間金属繊維１３が接続していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、金属繊維を編んだ立体編物構造体、この立体編物構造体を備えた熱交換器、フィルター部材、電極に関するものである。

従来、例えば各種電池における電極及び集電体、熱交換器用部材、消音部材、フィルター部材、衝撃吸収部材等として、例えば、銅、アルミニウム、チタン等の金属の多孔質体が使用されている。
例えば、特許文献１には、金属管表面に金属多孔質層を形成した熱交換部材が提案されている。
特許文献２には、三次元網目構造の金属多孔質焼結体からなるフィルター部材が提案されている。
特許文献３には、アルミニウム繊維を焼結した構造の多孔質アルミニウム焼結体が開示されている。
特許文献４には、水電解装置の電極として、チタン繊維の焼結体を用いたものが開示されている。

また、特許文献５には、金属線を編み込んだ金属線構造体が提案されている。この金属線構造体は平板状をなす単層構造とされており、これを複数積層した後に焼結することで、３次元構造とし、上述の熱交換器、フィルター部材、電極等として使用することが考えられる。
さらに、特許文献６には、人型ロボットを覆う排熱服と、送風機と、を有し、人型ロボットの外郭と排熱服との間に送風経路を設けて、人型ロボットの冷却を行う冷却装置が提案されている。

特開２０１４－０９５５２９号公報 特開２００４－３００５２６号公報 特開２０１６－１９４１１７号公報 特開２０１８－１５６７９８号公報 特開平０５－２６１１４６号公報 特開２０２０－０７５３５０号公報

ところで、特許文献６に示す人型ロボットの冷却装置において、冷却効率を向上させるために、送風経路に特許文献１－４の金属多孔質体や特許文献５の金属線構造体を放熱フィンとして配置することが考えられる。
しかしながら、上述の金属多孔質体や金属線構造体においては、焼結によって固定された箇所が存在するために、人型ロボットの外郭のように可動部を有する箇所に配設した場合には、可動部の動作に追従して金属多孔質体や金属線構造体が伸縮せず、放熱フィン同士が緩衝して塑性変形してしまうおそれがあった。
なお、可動部を有する箇所に配設された熱交換器、フィルター部材、電極等においても、上述の問題が生じるおそれがあった。

本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、可動部を有する箇所に配設した場合であっても、可動部の動きに追従して伸縮し、塑性変形を抑制することが可能な立体編物構造体、および、この立体編物構造体を備えた熱交換器、フィルター部材、電極を提供することを目的としている。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の立体編物構造体は、複数の単層編物を積層した立体編物構造体であって、前記単層編物は、金属繊維がループ形状を有して編み込まれた構造であり、積層された前記単層編物の層間を層間金属繊維が接続していることを特徴としている。

この構成の立体編物構造体によれば、金属繊維がループ形状を有して編み込まれた構造の単層編物が積層され、積層された前記単層編物の層間を層間金属繊維が接続している構造とされているので、金属繊維が焼結等によって固定されておらず、可動部の動作に追従して伸縮することができ、塑性変形を抑制することが可能となる。また、金属繊維が編み込まれた構造とされているので、金属多孔質体と同様に、熱伝導性、導電性を確保することができる。
よって、熱交換器（放熱フィン）、フィルター部材、電極等の各種部材として安定して利用することができる。

ここで、本発明の立体編物構造体においては、前記層間金属繊維が、前記単層編物を構成する前記金属繊維の一部であって、前記層間金属繊維が、ループ形状を有して複数の前記単層編物を接続していることが好ましい。
この場合、前記単層編物を構成する前記金属繊維の一部が前記層間金属繊維とされ、複数の前記単層編物を接続しているので、さらに熱伝導性および導電性に優れている。

また、本発明の立体編物構造体においては、前記金属繊維は、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、チタン又はチタン合金のいずれかで構成されていることが好ましい。
この場合、前記金属繊維は、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、チタン又はチタン合金のいずれかで構成されているので、熱伝導性、導電性を確保することができ、熱交換器（放熱フィン）、フィルター部材、電極等の各種部材としてさらに安定して利用することができる。

さらに、本発明の立体編物構造体においては、空隙率が８５％以上９９％以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、空隙率が上述の範囲内とされているので、立体編物構造体の内部に流体を円滑に流通させることができるとともに、金属繊維と流体との接触面積を確保することができる。よって、熱交換器（放熱フィン）、フィルター部材、電極等の各種部材としてさらに安定して利用することができる。なお、空隙率は、立体編物構造体に対する空隙率である。

本発明の熱交換器は、上述の立体編物構造体を備えていることを特徴としている。
この構成の熱交換器においては、上述の立体編物構造体を備えているので、可動部を有する箇所に配設して使用することができる。また、立体編物構造体の内部を流通する流体と金属繊維との接触により、熱交換効率を向上させることができる。

本発明のフィルター部材は、上述の立体編物構造体を備えていることを特徴としている。
この構成のフィルター部材においては、上述の立体編物構造体を備えているので、可動部を有する箇所に配設して使用することができる。また、立体編物構造体の内部に流体を流通させることで、流体中の物質をフィルタリングすることができる。

本発明の電極は、上述の立体編物構造体を備えていることを特徴としている。
この構成の電極においては、上述の立体編物構造体を備えているので、可動部を有する箇所に配設して使用することができる。また、立体編物構造体の内部を流通する流体と金属繊維との接触により、反応を促進することができる。

本発明によれば、可動部を有する箇所に配設した場合であっても、可動部の動きに追従して伸縮し、塑性変形を抑制することが可能な立体編物構造体、および、この立体編物構造体を備えた熱交換器、フィルター部材、電極を提供することができる。

本発明の実施形態である立体編物構造体の概略説明図である。（ａ）が通常状態の説明図、（ｂ）が収縮状態の説明図、（ｃ）が伸長状態の説明図である。 本発明の実施形態である立体編物構造体の単層編物の拡大説明図である。 本発明の実施形態である立体編物構造体の製造方法の説明図である。 本発明の実施形態である立体編物構造体を備えた熱交換器（放熱フィン）の説明図である。 本発明の実施形態である立体編物構造体を備えたフィルター部材の説明図である。 本発明の実施形態である立体編物構造体を備えた電極の説明図である。

以下に、本発明の実施形態である立体編物構造体について、添付した図面を参照して説明する。
本実施形態である立体編物構造体１０は、例えば、熱交換器（放熱フィン）、フィルター部材、電極として用いられるものである。

図１に示すように、本実施形態である立体編物構造体１０は、金属繊維１１を編み込んで形成されたものであり、複数の単層編物１５が積層された構造とされている。
単層編物１５は、図２に示すように、金属繊維１１がループ形状１２を有して編み込まれた構造とされている。

そして、積層された前記単層編物の層間を層間金属繊維１３が接続している構造とされている。
本実施形態では、単層編物１５を構成する金属繊維１１の一部が層間金属繊維１３とされており、積層された単層編物１５の層間を、層間金属繊維１３によってループ形状１２に編み込んで接続している。
すなわち、本実施形態である立体編物構造体１０は、単層編物１５の面方向（図１の左右方向および奥行き方向）のみでなく、単層編物１５の積層方向（図１のＺ方向）においても、編み込み構造とされている。

単層編物１５においては、編み込み構造とされていることから、単層編物１５の面方向において伸縮可能となる。
本実施形態においては、上述のように、単層編物１５の積層方向においても編み込み構造とされていることから、図１に示すように、単層編物１５の積層方向（図１のＺ方向）にも伸縮可能となる。
また、図２に示すように、例えば図２のＸ方向は金属繊維１１が連続しているため、熱伝導性および導電性がＹ方向に比べて大きく、単層編物１５内であっても方向によって熱伝導性および導電性が異なる構造となっている。さらに、積層方向においても編み込みの密度や頻度等を変更することで、熱伝導性および導電性を変化させることができる。

ここで、金属繊維１１は、使用用途に応じて各種金属で構成することができ、本実施形態では、例えば、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、チタン又はチタン合金のいずれかで構成されたものとすることが好ましい。
金属繊維１１が、銅又は銅合金で構成されている場合には、導電性および熱伝導性に特に優れることになる。
金属繊維１１が、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている場合には、導電性および熱伝導性に優れるとともに耐食性にも優れる。また、立体編物構造体１０の軽量化を図ることもできる。
金属繊維１１が、チタン又はチタン合金で構成されている場合には、導電性および熱伝導性に優れるとともに耐食性にも優れる。また、立体編物構造体１０のさらなる軽量化を図ることもできる。

また、本実施形態である立体編物構造体１０においては、金属繊維１１が編み込まれた構造とされていることから、内部に空隙が存在することになる。そして、本実施形態では、立体編物構造体１０の空隙率は８５％以上９９％以下の範囲内であることが好ましい。
なお、本実施形態である立体編物構造体１０においては、上述のように、単層編物１５の面方向および積層方向に伸縮可能とされているが、伸長した状態および収縮した状態においても、上述の空隙率を満足することが好ましい。

次に、本実施形態である立体編物構造体１０の製造方法について、図３を参照して説明する。
まず、金属繊維１１を編み込んで第一層目の単層編物１５を形成する。次に、第一層目の単層編物１５の一部の金属繊維１１を用いて、第一層目の単層編物１５のループ形状１２に編み込みつつ第二層目の単層編物１５を形成する。つまり、ループ形状１２が層間金属繊維１３を兼ねている。これを繰り返すことにより、本実施形態である立体編物構造体１０が製造される。
本実施形態では、１本の金属繊維１１を編み込むことにより、上述の構成の立体編物構造体１０が構成されている。

ここで、本実施形態である立体編物構造体１０を備えた熱交換器２０について、図４を用いて説明する。
この熱交換器２０は、立体編物構造体１０からなる放熱フィン２１を有している。この放熱フィン２１（立体編物構造体１０）は、図４に示すように、発熱源となるロボット筐体２５と、このロボット筐体２５を覆う排熱服２６と、の間に形成された送風経路２７に挿入されて使用される。

このとき、図４に示すように、放熱フィン２１（立体編物構造体１０）の一の単層編物１５Ａとロボット筐体２５とが接合され、放熱フィン２１（立体編物構造体１０）の他の単層編物１５Ｂと排熱服２６とが接合されており、放熱フィン２１（立体編物構造体１０）は、単層編物１５がロボット筐体２５側から排熱服２６側へ積層されるように配置されている。

この状態で、排熱服２６とロボット筐体２５との間の送風経路２７に送風する。すると、送風経路２７が膨らみ、排熱服２６とロボット筐体２５とが離間する方向に移動することになる。このとき、放熱フィン２１（立体編物構造体１０）は、単層編物１５がロボット筐体２５側から排熱服２６側へ積層されるように配置されているので、積層方向（図４のＺ方向）に伸びるように変形する。このとき、積層された単層編物１５同士の接触点が増加し、熱伝導が効率良く行われることになる。

以上のような構成とされた本実施形態である立体編物構造体１０によれば、金属繊維１１がループ形状を有して編み込まれた構造の単層編物１５が積層され、積層された単層編物１５の層間を層間金属繊維が接続している構造とされているので、金属繊維１１が焼結等によって固定されておらず、この立体編物構造体１０を、可動部を有する各種装置に配設しても、可動部の動作に追従して立体編物構造体１０が伸縮することになり、塑性変形を抑制することが可能となる。
また、金属繊維１１が編み込まれた構造とされているので、金属多孔質体と同様に、熱伝導性、導電性を確保することができる。

本実施形態において、前記層間金属繊維が、単層編物１５を構成する金属繊維１１の一部であって、前記層間金属繊維が、ループ形状を有して複数の単層編物１５を接続する構成とされている場合には、層間金属繊維と単層編物１５とが同一の金属繊維１１で構成されることから、さらに熱伝導性および導電性に優れている。

本実施形態において、金属繊維１１が、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、チタン又はチタン合金のいずれかで構成されている場合には、熱伝導性、導電性を確保することができ、熱交換器（放熱フィン）、フィルター部材、電極等の各種部材としてさらに安定して利用することができる。

また、本実施形態において、空隙率が８５％以上９９％以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、空隙率が上述の範囲内とされているので、立体編物構造体の内部に流体を円滑に流通させることができるとともに、金属繊維と流体との接触面積を確保することができる。よって、熱交換器（放熱フィン）、フィルター部材、電極等の各種部材としてさらに安定して利用することができる。

本実施形態の熱交換器２０は、放熱フィン２１として本実施形態である立体編物構造体１０を備えているので、単層編物１５の面方向および積層方向に伸縮することができ、可動部を有する箇所に配設して使用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本実施形態では、図１および図２に示す構造の立体編物構造体を例に挙げて説明したが、これに限定されることはない。

例えば、図２に示すような構造の単層編物ではなく、ループ形状を有していれば、他の構造の単層編物であってもよい。
また、本実施形態では、単層編物を構成する金属繊維の一部を層間金属繊維として使用するものとして説明したが、これに限定されることはなく、単層編物を構成する金属繊維とは別の金属繊維を、層間金属繊維として用いてもよい。つまり、図２に示すような単層編物を積層し、複数のリング状の金属繊維で層間を接続してもよく、複数の螺旋形状の金属繊維で層間を接続してもよい。

また、本実施形態では、立体編物構造体を熱交換器（放熱フィン）に用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、図５に示すように、フィルター部材３０として使用してもよいし、図６に示すように、電極４０として使用してもよい。
図５に示すフィルター部材３０は、管本体３１と、管本体３１に挿入されたフィルター３２とを有しており、フィルター３２として立体編物構造体１０を備えている。なお、立体編物構造体は、方向によって熱伝導性に差があるため、熱伝導性が最も大きい方向を伝熱方向に配置することが望ましい。

図６に示す電極４０は、水電解装置５０に用いられるものである。この水電解装置５０においては、対向配置された一対の電極４０，４０と、これら一対の電極４０，４０の間に配置されたイオン透過膜５４と、を備えた水電解セル５１を備えている。なお、イオン透過膜５４の両面（一対の電極４０，４０との接触面）には、それぞれ触媒層５５，５６が形成されている。そして、一対の電極４０，４０が立体編物構造体１０で構成されている。

１０ 立体編物構造体
１１ 金属繊維
１２ ループ形状
１３ 層間金属繊維
１５ 単層編物
２０ 熱交換器
３０ フィルター部材
４０ 電極

Claims (7)

1. 複数の単層編物を積層した立体編物構造体であって、
   前記単層編物は、金属繊維がループ形状を有して編み込まれた構造であり、
   積層された前記単層編物の層間を層間金属繊維が接続していることを特徴とする立体編物構造体。
2. 前記層間金属繊維が、前記単層編物を構成する前記金属繊維の一部であって、
   前記層間金属繊維が、ループ形状を有して複数の前記単層編物を接続していることを特徴とする請求項１に記載の立体編物構造体。
3. 前記金属繊維は、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、チタン又はチタン合金のいずれかで構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の立体編物構造体。
4. 空隙率が８５％以上９９％以下の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の立体編物構造体。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の立体編物構造体を備えていることを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の立体編物構造体を備えていることを特徴とするフィルター部材。
7. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の立体編物構造体を備えていることを特徴とする電極。

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