JP6856208B2 - 複雑な中空構造を有する金属製パイプ接合体の新規製造方法 - Google Patents
複雑な中空構造を有する金属製パイプ接合体の新規製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6856208B2 JP6856208B2 JP2016143682A JP2016143682A JP6856208B2 JP 6856208 B2 JP6856208 B2 JP 6856208B2 JP 2016143682 A JP2016143682 A JP 2016143682A JP 2016143682 A JP2016143682 A JP 2016143682A JP 6856208 B2 JP6856208 B2 JP 6856208B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal
- explosive
- pipes
- holes
- predetermined
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims description 165
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims description 165
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 33
- 239000002360 explosive Substances 0.000 claims description 71
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 70
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 55
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 38
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 28
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 18
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 17
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 11
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 10
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 claims description 10
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 7
- 238000005474 detonation Methods 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 5
- 229910000971 Silver steel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 4
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 3
- 240000002853 Nelumbo nucifera Species 0.000 description 16
- 235000006508 Nelumbo nucifera Nutrition 0.000 description 16
- 235000006510 Nelumbo pentapetala Nutrition 0.000 description 11
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 6
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 6
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 4
- PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 2-(3-bromo-2-fluorophenyl)acetic acid Chemical compound OC(=O)CC1=CC=CC(Br)=C1F PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 3
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 3
- SPSSULHKWOKEEL-UHFFFAOYSA-N 2,4,6-trinitrotoluene Chemical compound CC1=C([N+]([O-])=O)C=C([N+]([O-])=O)C=C1[N+]([O-])=O SPSSULHKWOKEEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- TZRXHJWUDPFEEY-UHFFFAOYSA-N Pentaerythritol Tetranitrate Chemical compound [O-][N+](=O)OCC(CO[N+]([O-])=O)(CO[N+]([O-])=O)CO[N+]([O-])=O TZRXHJWUDPFEEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000000015 trinitrotoluene Substances 0.000 description 2
- XTFIVUDBNACUBN-UHFFFAOYSA-N 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazinane Chemical compound [O-][N+](=O)N1CN([N+]([O-])=O)CN([N+]([O-])=O)C1 XTFIVUDBNACUBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000254173 Coleoptera Species 0.000 description 1
- SNIOPGDIGTZGOP-UHFFFAOYSA-N Nitroglycerin Chemical compound [O-][N+](=O)OCC(O[N+]([O-])=O)CO[N+]([O-])=O SNIOPGDIGTZGOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000006 Nitroglycerin Substances 0.000 description 1
- 239000000026 Pentaerythritol tetranitrate Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 229960003711 glyceryl trinitrate Drugs 0.000 description 1
- 235000012907 honey Nutrition 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- SFDJOSRHYKHMOK-UHFFFAOYSA-N nitramide Chemical compound N[N+]([O-])=O SFDJOSRHYKHMOK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 1
- 150000002828 nitro derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 229960004321 pentaerithrityl tetranitrate Drugs 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- -1 that is Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Description
本発明は、複雑な中空構造を有する金属製パイプ接合体の新規製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、熱伝導性に優れる熱交換器、反応器等としての利用が可能な、内表面に凹凸が少なく、かつ、所定長の直線又は曲線状の単数又は複数の貫通孔を有する一塊の金属材料の新規製造方法、及び該製造方法により製造された一塊の金属材料に関する。
近年、産業分野における製造プロセスは著しく高度化してきている。特に電子機器分野においては、効率化や特殊化のため、高温雰囲気での製造プロセスが多々見られる。このような高温雰囲気にさらされる装置や材料には、効率を悪化させないため、多くの場合、放熱性や冷却性が求められる。放熱性が求められる場合、放熱性の高い金属材料(アルミニウム、銀など)を、冷却させたい部材とするか、冷却したい場所に接合するといった方法が採用される。また、冷却性が求められる場合、基本的には金属材料の内部に冷媒を通す通路があり、その通路に各種冷媒を通すことで熱交換を行っている。
このような熱交換器には、様々な大きさ、種類があり、それぞれ用途に応じた製造方法により、多種多様な熱交換器が製造されている。
しかしながら、特に、小さな熱交換器を製造する場合、金属材料に細かい孔を多数ドリリングすることは技術的に極めて困難であり、また、製作コストも非常に高くなるため実際的でない。さらに、プレート式熱交換器のように、通路を有する金属材料をロウ付けなどで多数重ね合わせて接合させることも理論上は可能であるものの、通路空間つぶれが発生しやすく、また、製作コストも非常に高くなるため、実際的でない。
しかしながら、特に、小さな熱交換器を製造する場合、金属材料に細かい孔を多数ドリリングすることは技術的に極めて困難であり、また、製作コストも非常に高くなるため実際的でない。さらに、プレート式熱交換器のように、通路を有する金属材料をロウ付けなどで多数重ね合わせて接合させることも理論上は可能であるものの、通路空間つぶれが発生しやすく、また、製作コストも非常に高くなるため、実際的でない。
そのため、近年、ロータス型ポーラス金属という微細な多数の孔を有する金属材料が開発されたが、一般的には、金属を溶融させた状態から固体にする過程において、ガスをうまく利用することで連続した空間を形成しているため、孔断面は一方向に伸長されているものの、それぞれの孔断面は一様ではなく、凹凸があり、材料内を流れる流体が大きな抵抗をうけてしまい、熱交換性が必ずしも良好とならない。
以下の特許文献１には、主として金属材料の軽量化を目的とし、基材を貫通する方向性気孔を有するポーラス材料とその製造方法及び製造装置が開示されている。特許文献１に記載された方法においては、金属パイプに対して固液共存状態又は液体状態の基材材料をあわせ、その後冷却することによってポーラス構造体を得る方法が示されている。また、貫通孔の形状は、円形だけでなく、三角形、四角形など様々な形状とできることが示唆されている。しかしながら、貫通孔は一方向の直線状であり、貫通孔が交差する形態や、貫通孔が曲線状であることは記載されておらず、教示も示唆もされていない。
また、以下の特許文献２には、複数の金属パイプの束の周囲から爆薬によって発生する高圧力を用いた爆発圧着を用いて、金属パイプを一体化又は接合させる方法が開示されている。しかしながら、貫通孔は一方向の直線状であり、熱交換がさらに良好となると期待できる貫通孔が交差する形態や、貫通孔が曲線状であることは記載されておらず、教示も示唆もされていない。
また、以下の特許文献３には、金属薄板を波型に加工したものと平板とを金属円柱心棒に重ねて巻くことで孔を形成する技術が記載されている。この方法では、隣接する金属板同士の接触面積が少なく、熱伝導性がかなり低いことが推測される。この接触部の熱伝導性を高めるために、接触面を金属接合させ、かつ、接触面積を広くする方法として、ロウ付けなどが考えられるが、ロウ材の場合、巻き上げ品のロール接触面にロウ材をうまくセットし、溶融させることが非常に困難であり、かつ、製作コストも非常に高くなるので実際的でない。
また、以下の非特許文献１には、金属を１方向へ向かって鋳造する凝固過程で、ガスを注入することで、飽和ガスを放出し、連続した孔を形成する技術が記載されている。この技術は、前述したように、液体から固体への相変態過程で、ガスを利用し、連続的な空間を形成する方法であるため、孔断面は一方向に伸張されているものの直線的ではなく、また、それぞれの孔断面も不均一で、凹凸があり、材料内を流れる流体がかなりの抵抗をうけることが明らかである。
さらに、以下の非特許文献２には、２種類の金属線を多数束ねて圧縮静水圧を作用させることで、金属線を塑性加工によって固相接合させ、その後、一方の金属を化学的処理で除去し、ロータス金属を製造する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、化学的処理によって一方の金属のみを除去するため、使用できる材料に制限があり、かつ、長尺品においては、長い処理時間を必要とすることが考えられる。
まてりあ 第４７巻 第４号(２００８) pp.196-202
塑性と加工(日本塑性加工工学学会誌) 第５２巻 第６０１号(２０１１年２月) p.24-28
前記した従来の現状に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、熱伝導性に優れる熱交換器、反応器等としての利用が可能な、内表面に凹凸が少なく、かつ、所定長の直線又は曲線状の単数又は複数の貫通孔を有する一塊の金属材料の新規製造方法を提供することである。
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討し実験を重ねた結果、所定長の単数又は複数の直線又は曲線状の金属パイプの隙間に金属粉末を充填し、これを爆発圧着により接合一体化することにより、熱伝導性に優れる熱交換器、反応器等としの利用が可能な、内表面に凹凸が少なく、かつ、所定長の直線又は曲線状の単数又は複数の貫通孔を有する一塊の金属材料を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、本発明は、以下の通りのものである。
［１］爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、金属パイプ又は金属板と金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、配向が異なる複数の貫通孔又は少なくとも１つの曲線状の貫通孔を有する一塊の金属材料の製造方法。
［２］水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、該複数の貫通孔の各々の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する一塊の金属材料の製造方法であって、以下の工程：
複数の所定長の金属パイプを所定間隔で平面上に平行して長さ方向に配置した第１層の上に、複数の所定長の金属パイプを所定間隔で平面上に平行して該第１層における該長さ方向に４５〜１３５°の角度をもって配置した第２層を、載置・積層し、これを所定数繰り返す工程；
該各層の金属パイプが重なりあうことによって該金属パイプの外側に生じる空隙部に金属粉末を充填する工程；及び
これに、上方から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、該複数層の金属パイプ同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記［１］に記載の一塊の金属材料の製造方法。
［３］前記一塊の金属材料が、アルミ、銅、銀、及びステンレス鋼からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる、前記［１］又は［２］に記載の方法。
［４］前記金属粉末の材料が、前記金属パイプの材料と異なる、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の方法。
［５］隣接する層の金属パイプの材料が互いに異なる、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］前記圧力を発生させる際に、予め複数の金属パイプ各々の内部に液体又は有機系固体の充填材を充填しておき、該金属パイプの内部空間を、爆発圧着後にも保持する、前記［１］〜［５］のいずれかに記載の方法。
［７］前記充填材は、水又はパラフィンである、前記［６］に記載の方法。
［８］前記爆薬は、１，５００〜８，０００ｍ／秒の爆速を発生する爆薬である、前記［１］〜［７］のいずれかに記載の方法。
［１］爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、金属パイプ又は金属板と金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、配向が異なる複数の貫通孔又は少なくとも１つの曲線状の貫通孔を有する一塊の金属材料の製造方法。
［２］水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、該複数の貫通孔の各々の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する一塊の金属材料の製造方法であって、以下の工程：
複数の所定長の金属パイプを所定間隔で平面上に平行して長さ方向に配置した第１層の上に、複数の所定長の金属パイプを所定間隔で平面上に平行して該第１層における該長さ方向に４５〜１３５°の角度をもって配置した第２層を、載置・積層し、これを所定数繰り返す工程；
該各層の金属パイプが重なりあうことによって該金属パイプの外側に生じる空隙部に金属粉末を充填する工程；及び
これに、上方から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、該複数層の金属パイプ同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記［１］に記載の一塊の金属材料の製造方法。
［３］前記一塊の金属材料が、アルミ、銅、銀、及びステンレス鋼からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる、前記［１］又は［２］に記載の方法。
［４］前記金属粉末の材料が、前記金属パイプの材料と異なる、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の方法。
［５］隣接する層の金属パイプの材料が互いに異なる、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］前記圧力を発生させる際に、予め複数の金属パイプ各々の内部に液体又は有機系固体の充填材を充填しておき、該金属パイプの内部空間を、爆発圧着後にも保持する、前記［１］〜［５］のいずれかに記載の方法。
［７］前記充填材は、水又はパラフィンである、前記［６］に記載の方法。
［８］前記爆薬は、１，５００〜８，０００ｍ／秒の爆速を発生する爆薬である、前記［１］〜［７］のいずれかに記載の方法。
［９］水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の貫通孔が形成された、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する一塊の金属材料の製造方法であって、以下の工程：
所定厚の金属板の上に、水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の金属パイプを載置し、該金属パイプを覆い隠すことができる量の金属粉末を、その上に水平に堆積させ、さらに該堆積した金属粉末の上に、所定厚の金属板を載置する工程；
これに、上方から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、該所定厚の金属板と該金属パイプ同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記［１］に記載の一塊の金属材料の製造方法。
［１０］前記金属材料が、アルミ、銅、銀、及びステンレス鋼からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる、前記［９］に記載の方法。
［１１］前記金属粉末の材料が、前記金属板と金属パイプの材料と異なる、前記［９］又は［１０］に記載の方法。
［１２］前記金属板、及び前記金属パイプの材料が互いに異なる、前記［９］〜［１１］のいずれかに記載の方法。
［１３］前記圧力を発生させる際に、予め金属パイプの内部に液体又は有機系固体の充填材を充填しておき、かかる金属パイプの内部空間を、爆発圧着後にも保持する、前記［９］〜［１２］のいずれかに記載の方法。
［１４］前記充填材は、水又はパラフィンである、前記［１３］に記載の方法。
［１５］前記爆薬は、１，５００〜８，０００ｍ／秒の爆速を発生する爆薬である、前記［９］〜［１４］のいずれかに記載の方法。
所定厚の金属板の上に、水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の金属パイプを載置し、該金属パイプを覆い隠すことができる量の金属粉末を、その上に水平に堆積させ、さらに該堆積した金属粉末の上に、所定厚の金属板を載置する工程；
これに、上方から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、該所定厚の金属板と該金属パイプ同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記［１］に記載の一塊の金属材料の製造方法。
［１０］前記金属材料が、アルミ、銅、銀、及びステンレス鋼からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる、前記［９］に記載の方法。
［１１］前記金属粉末の材料が、前記金属板と金属パイプの材料と異なる、前記［９］又は［１０］に記載の方法。
［１２］前記金属板、及び前記金属パイプの材料が互いに異なる、前記［９］〜［１１］のいずれかに記載の方法。
［１３］前記圧力を発生させる際に、予め金属パイプの内部に液体又は有機系固体の充填材を充填しておき、かかる金属パイプの内部空間を、爆発圧着後にも保持する、前記［９］〜［１２］のいずれかに記載の方法。
［１４］前記充填材は、水又はパラフィンである、前記［１３］に記載の方法。
［１５］前記爆薬は、１，５００〜８，０００ｍ／秒の爆速を発生する爆薬である、前記［９］〜［１４］のいずれかに記載の方法。
本発明に係る一塊の金属材料は、内表面に凹凸が少なく、かつ、所定長の直線又は曲線状の単数又は複数の貫通孔を有するため、かかる貫通孔に流体を通す場合、熱伝導性に優れ、熱交換器、反応器等として有用である。
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本明細書中、用語「ロータス型金属材料」とは、蓮根のように方向性のある孔をもつ金属材料であり、前記［８］の一塊の金属材料、すなわち、「水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、該複数の貫通孔の各々の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする一塊の金属材料」、及び前記［１７］の一塊の金属材料、すなわち、「水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする一塊の金属材料」を包含する。また、貫通孔とは、該金属材料をつきぬけている穴（孔）をいう。
本明細書中、用語「ロータス型金属材料」とは、蓮根のように方向性のある孔をもつ金属材料であり、前記［８］の一塊の金属材料、すなわち、「水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、該複数の貫通孔の各々の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする一塊の金属材料」、及び前記［１７］の一塊の金属材料、すなわち、「水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする一塊の金属材料」を包含する。また、貫通孔とは、該金属材料をつきぬけている穴（孔）をいう。
本実施形態のロータス型金属材料の材質は、特に制限はなく、アルミ、銅、銀、ステンレス鋼等の中から用途によって適宜使用する材質を選ぶことが望ましいが、熱伝導性のよいアルミ、銅、銀が特に好ましい。また、材質の異なる数種類の金属材料を混在させることも可能であり、さらに樹脂などの非金属材料と混同して使用してもよい。
本実施形態のロータス型金属材料の材質においては、前記金属粉末の材料が、前記金属板と金属パイプの材料と異なるものであっても、また、前記金属板と前記金属パイプの材料が互いに異なるものであっても、さらに、各金属粉末、各金属板又は各金属パイプの材料が互いに異なるものであっても構わない。
貫通孔は、交差や曲線形など多様な方向をもちながら、個別に隔離されたものでることができる。
「水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、該複数の貫通孔の各々の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする一塊の金属材料」の一例としては、図１に示すように、貫通孔が金属材料内で層毎に交差（直交）しているロータス型金属材料を挙げることができる。交差とは、直交やすじかいに交わること、すなわち、水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、複数の配向をもつことをいう。複数の配向をもつことで、例えば、熱交換器に使用されるとき、複数種の冷媒を貫通孔内に通過させることができるため、様々な熱交換条件に対応可能な金属材料となり得る。
「水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、該複数の貫通孔の各々の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする一塊の金属材料」の一例としては、図１に示すように、貫通孔が金属材料内で層毎に交差（直交）しているロータス型金属材料を挙げることができる。交差とは、直交やすじかいに交わること、すなわち、水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、複数の配向をもつことをいう。複数の配向をもつことで、例えば、熱交換器に使用されるとき、複数種の冷媒を貫通孔内に通過させることができるため、様々な熱交換条件に対応可能な金属材料となり得る。
「水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする一塊の金属材料」の一例としては、図３に示すように、平板内部に曲線状の貫通孔を有するロータス型金属材料であって、貫通孔が金属材料内で曲がった通路を有するものであるが挙げられる。「曲線状」とは、らせん状、蛇状、Ｓ字等を含み、特に制限はなく、水平方向だけではなく、垂直方向にも所定の振幅をもって蛇行する波型を包含する。また、貫通孔は複数存在してもよい。
ロータス型金属材料の形状は、特に制限はなく、一塊であれば、熱交換器等への適用に応じて、の各種形状に加工されることができ、断面形状は、円形であっても方形でもよい。ロータス型金属材料の大きさも特に制限はない。熱交換器等への適用に際しては、貫通孔は略円形で、ロータス型金属材料の大きさは一辺の長さが100mm以上である直方体であることが好ましい。
本実施形態のロータス型金属材料は、以下の方法によって製造することができる。
水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、該複数の貫通孔の各々の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する一塊の金属材料の製造方法であって、以下の工程：
複数の所定長の金属パイプを所定間隔で平面上に平行して長さ方向に配置した第１層の上に、複数の所定長の金属パイプを所定間隔で平面上に平行して該第１層における該長さ方向に４５〜１３５°の角度をもって配置した第２層を、載置・積層し、これを所定数繰り返す工程；
該各層の金属パイプが重なりあうことによって該金属パイプの外側に生じる空隙部に金属粉末を充填する工程；及び
これに、上方から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、該複数層の金属パイプ同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記一塊の金属材料の製造方法。
尚、各層の金属パイプが重なりあうことによって金属パイプの外側に生じる空隙部に金属粉末を充填する工程は、各層の配置毎に行っても、複数層まとめて行っても構わない。
水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、該複数の貫通孔の各々の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する一塊の金属材料の製造方法であって、以下の工程：
複数の所定長の金属パイプを所定間隔で平面上に平行して長さ方向に配置した第１層の上に、複数の所定長の金属パイプを所定間隔で平面上に平行して該第１層における該長さ方向に４５〜１３５°の角度をもって配置した第２層を、載置・積層し、これを所定数繰り返す工程；
該各層の金属パイプが重なりあうことによって該金属パイプの外側に生じる空隙部に金属粉末を充填する工程；及び
これに、上方から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、該複数層の金属パイプ同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記一塊の金属材料の製造方法。
尚、各層の金属パイプが重なりあうことによって金属パイプの外側に生じる空隙部に金属粉末を充填する工程は、各層の配置毎に行っても、複数層まとめて行っても構わない。
水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の貫通孔が形成された、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する一塊の金属材料の製造方法であって、以下の工程：
所定厚の金属板の上に、水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の金属パイプを載置し、該金属パイプを覆い隠すことができる量の金属粉末を、その上に水平に堆積させ、さらに該堆積した金属粉末の上に、所定厚の金属板を載置する工程；
これに、上方から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、該所定厚の金属板と該金属パイプ同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記一塊の金属材料の製造方法。
所定厚の金属板の上に、水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の金属パイプを載置し、該金属パイプを覆い隠すことができる量の金属粉末を、その上に水平に堆積させ、さらに該堆積した金属粉末の上に、所定厚の金属板を載置する工程；
これに、上方から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、該所定厚の金属板と該金属パイプ同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記一塊の金属材料の製造方法。
すなわち、本実施形態の複雑な中空構造を有する一塊のロータス型金属材料は、特許文献１に記載されたポーラス構造体の製造方法ではなく、特許文献３に記載された「金属薄板を波型に加工したものと平板とを金属円柱心棒に重ねて巻くことで孔を形成し」その後ロウ付けする方法でもなく、非特許文献１に記載された「金属を１方向へ向かって鋳造する凝固過程で、ガスを注入することで、飽和ガスを放出し、連続した孔を形成する技術」による製造方法でもなく、また、非特許文献２に記載された「２種類の金属線を多数束ねて圧縮静水圧を作用させることで、金属線を塑性加工によって固相接合させ、その後、一方の金属を化学的処理で除去し、ロータス金属を製造する方法」でもなく、さらに、静的な圧力を用いた塑性加工や、焼結によって冶金的に接合させる方法によらず、前記した爆発圧着によってのみ実際的に製造できる。
尚、特許文献２には、複数の金属パイプの束の周囲から爆薬によって発生する高圧力を用いた爆発圧着を用いて、金属パイプを一体化又は接合させる方法が開示されているが、貫通孔は一方向の直線状であり、貫通孔が交差する形態や、貫通孔が曲線状ではない点で、本発明に係る方法と構成が相違する。
尚、特許文献２には、複数の金属パイプの束の周囲から爆薬によって発生する高圧力を用いた爆発圧着を用いて、金属パイプを一体化又は接合させる方法が開示されているが、貫通孔は一方向の直線状であり、貫通孔が交差する形態や、貫通孔が曲線状ではない点で、本発明に係る方法と構成が相違する。
爆薬の高い圧力を利用した金属接合方法、すなわち、爆発圧着は、特に異種金属同士を強固に接合することのできる技術である。この技術の大きな特徴は、金属素材に熱をほとんど負荷させることなく、接合させることができるので、通常の方法では接合できない金属同士の組み合わせでも強固に接合することができることである。また、金属同士を接合するだけでなく、金属粉末を、爆薬によって発生する高圧力を用いて、圧搾固化することも可能である。
図５に示すように、爆発圧着により接合された金属パイプ同士、又は金属パイプと金属粉末の間には、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する。当業者は、かかる接合界面を観察することで、総合的に判断して、対象の複雑な中空構造を有する一塊のロータス型金属材料が爆発圧着によって製造されたものであるか否かを判定することが可能であろう。
爆薬から発生する高圧力を金属同士の接合、金属と金属粉末との接合、金属粉末の固化に適用するとき、使用する爆薬としては、爆轟波を発生する火薬類取締法第１章第２条の２に定義される火薬類を使用することができる。本実施形態の一塊のロータス型金属材料の製造のためには、爆速が1000m/秒以上の、好ましくは1,500〜8,000m/秒の爆速を発生する爆薬を用いることが好ましい。爆薬としては、具体的には、硝酸アンモニウム、硝酸エステル類のＰＥＴＮ（ペンタエリスリトールテトラナイトレート）、ニトログリセリン、ニトロ化合物のＴＮＴ（トリニトロトルエン）、ニトラミンのシクロトリメチレントリニトラミン、シクロテトラメチレンテトラニトラミンなどが挙げられ、これらを単独又はその他爆薬成分あるいはその他爆薬以外の成分を混合したものを用いてもよい。
本明細書中、「爆薬によって発生する圧力」とは、金属材料を塑性変形させ、金属同士を接合させ、金属と金属粉末とを接合させ、金属粉末を固化させるために必要な圧力を意味し、接合させる金属材料や金属粉末に依存するが、好ましくは数百MPa以上であることができる。
本実施形態の一塊の金属材料の製造方法においては、「爆薬によって発生する圧力」を発生させる際に、金属パイプの内部に液体又は有機系固体の充填材、好ましくは水又はパラフィンを充填しておき、該金属パイプの内部空間を、爆発圧着後にも保持することで、内表面に凹凸が少なく、かつ、所定長の直線又は曲線状の単数又は複数の貫通孔を形成することができ、かかる貫通孔の内部に冷媒等を流すことで、熱交換器としての利用が可能である。
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。
[実施例１]
図４に示すように、液体又は有機系固体（パラフィン）(20)を内部に充填し蜜栓(30)で封止した外径φ3mm、肉厚0.2mmの（金属）銅パイプ（10）の第一の層を、約16cm3の方形容器(40)内の空間へ配置し、配置された銅パイプ(10)に直交する第二の層を配置し、次いで銅パイプ(10)が重なりあって生じる空隙部に金属（銅）粉末(15)を充填し、これを繰り返して所定数の層を形成し、方形容器(40)を爆薬箱(60)内にセットし、その上部にフタ(50)を置き、その上部に硝酸アンモニウムを主成分とする爆薬(70)を充填し、爆薬箱(60)を封止し、最上部にセットした雷管(80)を起爆することによって上方から下方に爆轟波を伝え、方形容器(40)を強く圧縮することで金属パイプ同士の接合と金属粉末の圧搾・固化を生ぜしめ、図１に示す直交した貫通孔を有するロータス(蓮根)型金属材料を製造した。その後、予め金属パイプに充填していたパラフィンを抜き出し、図２に示すように、貫通孔の断面を観察した結果、内表面に大きな凹凸も無く、流体を流した場合でも低い抵抗となることを確認した。
[実施例１]
図４に示すように、液体又は有機系固体（パラフィン）(20)を内部に充填し蜜栓(30)で封止した外径φ3mm、肉厚0.2mmの（金属）銅パイプ（10）の第一の層を、約16cm3の方形容器(40)内の空間へ配置し、配置された銅パイプ(10)に直交する第二の層を配置し、次いで銅パイプ(10)が重なりあって生じる空隙部に金属（銅）粉末(15)を充填し、これを繰り返して所定数の層を形成し、方形容器(40)を爆薬箱(60)内にセットし、その上部にフタ(50)を置き、その上部に硝酸アンモニウムを主成分とする爆薬(70)を充填し、爆薬箱(60)を封止し、最上部にセットした雷管(80)を起爆することによって上方から下方に爆轟波を伝え、方形容器(40)を強く圧縮することで金属パイプ同士の接合と金属粉末の圧搾・固化を生ぜしめ、図１に示す直交した貫通孔を有するロータス(蓮根)型金属材料を製造した。その後、予め金属パイプに充填していたパラフィンを抜き出し、図２に示すように、貫通孔の断面を観察した結果、内表面に大きな凹凸も無く、流体を流した場合でも低い抵抗となることを確認した。
[実施例２]
約16cm3の方形容器(40)内の空間に、該方形容器(40)の底面より小さな大きさの方形の厚さ3mmの金属（銅）板の上に、液体又は有機系固体（パラフィン）(20)を内部に充填し蜜栓(30)で封止した外径φ3mm、肉厚0.2mmの（金属）の水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の１の金属（銅）パイプ（10）を載置し、その上に該金属（銅）パイプ(10)を覆い隠すことができる量の金属（銅）粉末(15)を、水平に堆積させ、さらに該堆積した金属粉末の上に、厚さ3mmの金属（銅）板を、載置し、次いで、方形容器(40)を爆薬箱(60)内にセットし、その上部にフタ(50)を置き、その上部に硝酸アンモニウムを主成分とする爆薬(70)を充填し、爆薬箱(60)を封止し、最上部にセットした雷管(80)を起爆することによって上方から下方に爆轟波を伝え、方形容器(40)を強く圧縮することで蛇行する波型の１の金属パイプ（10）とその上下に配置された金属板と金属粉末との圧搾・固化を生ぜしめ、図３に示す水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の貫通孔が形成された、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在するロータス(蓮根)型金属材料を製造した。その後、予め金属パイプに充填していたパラフィンを抜き出し、貫通孔の断面を観察した結果、内表面に大きな凹凸も無く、流体を流した場合でも低い抵抗となることを確認した。
約16cm3の方形容器(40)内の空間に、該方形容器(40)の底面より小さな大きさの方形の厚さ3mmの金属（銅）板の上に、液体又は有機系固体（パラフィン）(20)を内部に充填し蜜栓(30)で封止した外径φ3mm、肉厚0.2mmの（金属）の水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の１の金属（銅）パイプ（10）を載置し、その上に該金属（銅）パイプ(10)を覆い隠すことができる量の金属（銅）粉末(15)を、水平に堆積させ、さらに該堆積した金属粉末の上に、厚さ3mmの金属（銅）板を、載置し、次いで、方形容器(40)を爆薬箱(60)内にセットし、その上部にフタ(50)を置き、その上部に硝酸アンモニウムを主成分とする爆薬(70)を充填し、爆薬箱(60)を封止し、最上部にセットした雷管(80)を起爆することによって上方から下方に爆轟波を伝え、方形容器(40)を強く圧縮することで蛇行する波型の１の金属パイプ（10）とその上下に配置された金属板と金属粉末との圧搾・固化を生ぜしめ、図３に示す水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の貫通孔が形成された、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在するロータス(蓮根)型金属材料を製造した。その後、予め金属パイプに充填していたパラフィンを抜き出し、貫通孔の断面を観察した結果、内表面に大きな凹凸も無く、流体を流した場合でも低い抵抗となることを確認した。
本発明に係る一塊の金属材料は、内表面に凹凸が少なく、かつ、所定長の直線又は曲線状の単数又は複数の貫通孔を有するため、かかる貫通孔に流体を通す場合、熱伝導性に優れ、熱交換器、反応器等のための工業的に利用価値の高い金属材料として好適に利用可能である。
１ 一塊の金属材料（ロータス(蓮根)型金属材料）
２ 貫通孔
１０ 金属（銅）パイプ
１５ 金属（銅）粉末
２０ 液体又は有機系固体の充填材（水又はパラフィン）
３０ 蜜栓
４０ 方形容器
５０ フタ
６０ 爆薬箱
７０ 爆薬
８０ 雷管
２ 貫通孔
１０ 金属（銅）パイプ
１５ 金属（銅）粉末
２０ 液体又は有機系固体の充填材（水又はパラフィン）
３０ 蜜栓
４０ 方形容器
５０ フタ
６０ 爆薬箱
７０ 爆薬
８０ 雷管
Claims (15)
- 爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、金属パイプ又は金属板と金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、配向が異なる複数の貫通孔又は少なくとも１つの曲線状の貫通孔を有する一塊の金属材料の製造方法。 - 水平な複数の貫通孔の列が、上方に向かって交互に、４５〜１３５°の角度をもって積層されて一体化され、該複数の貫通孔の各々の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する一塊の金属材料の製造方法であって、以下の工程：
複数の所定長の金属パイプを所定間隔で平面上に平行して長さ方向に配置した第１層の上に、複数の所定長の金属パイプを所定間隔で平面上に平行して該第１層における該長さ方向に４５〜１３５°の角度をもって配置した第２層を、載置・積層し、これを所定数繰り返す工程；
該各層の金属パイプが重なりあうことによって該金属パイプの外側に生じる空隙部に金属粉末を充填する工程；及び
これに、上方から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、該複数層の金属パイプ同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、請求項１に記載の一塊の金属材料の製造方法。 - 前記一塊の金属材料が、アルミ、銅、銀、及びステンレス鋼からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる、請求項１又は２に記載の方法。
- 前記金属粉末の材料が、前記金属パイプの材料と異なる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 隣接する層の金属パイプの材料が互いに異なる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記圧力を発生させる際に、予め複数の金属パイプ各々の内部に液体又は有機系固体の充填材を充填しておき、該金属パイプの内部空間を、爆発圧着後にも保持する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記充填材は、水又はパラフィンである、請求項６に記載の方法。
- 前記爆薬は、１，５００〜８，０００ｍ／秒の爆速を発生する爆薬である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
- 水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の貫通孔が形成された、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する一塊の金属材料の製造方法であって、以下の工程：
所定厚の金属板の上に、水平方向に所定の振幅をもって蛇行する波型の少なくとも１の金属パイプを載置し、該金属パイプを覆い隠すことができる量の金属粉末を、その上に水平に堆積させ、さらに該堆積した金属粉末の上に、所定厚の金属板を載置する工程；
これに、上方から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、該所定厚の金属板と該金属パイプ同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、請求項１に記載の一塊の金属材料の製造方法。 - 前記金属材料が、アルミ、銅、銀、及びステンレス鋼からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる、請求項９に記載の方法。
- 前記金属粉末の材料が、前記金属板と金属パイプの材料と異なる、請求項９又は１０に記載の方法。
- 前記金属板、及び前記金属パイプの材料が互いに異なる、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
- 前記圧力を発生させる際に、予め金属パイプの内部に液体又は有機系固体の充填材を充填しておき、かかる金属パイプの内部空間を、爆発圧着後にも保持する、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
- 前記充填材は、水又はパラフィンである、請求項１３に記載の方法。
- 前記爆薬は、１，５００〜８，０００ｍ／秒の爆速を発生する爆薬である、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016143682A JP6856208B2 (ja) | 2016-07-21 | 2016-07-21 | 複雑な中空構造を有する金属製パイプ接合体の新規製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016143682A JP6856208B2 (ja) | 2016-07-21 | 2016-07-21 | 複雑な中空構造を有する金属製パイプ接合体の新規製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018012129A JP2018012129A (ja) | 2018-01-25 |
| JP6856208B2 true JP6856208B2 (ja) | 2021-04-07 |
Family
ID=61019806
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016143682A Active JP6856208B2 (ja) | 2016-07-21 | 2016-07-21 | 複雑な中空構造を有する金属製パイプ接合体の新規製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6856208B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5044962U (ja) * | 1973-08-23 | 1975-05-07 | ||
| JPS5855184A (ja) * | 1981-09-29 | 1983-04-01 | Asahi Chem Ind Co Ltd | 溝部を有する母材への爆発圧着法 |
| US6851171B2 (en) * | 2002-11-27 | 2005-02-08 | Battelle Memorial Institute | Method of fabricating multi-channel devices and multi-channel devices therefrom |
-
2016
- 2016-07-21 JP JP2016143682A patent/JP6856208B2/ja active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2018012129A (ja) | 2018-01-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200300586A1 (en) | Oil Well Perforators | |
| US20140082943A1 (en) | Thin heat pipe structure and method of manufacturing same | |
| EP1278631B1 (en) | Method of making reactive multilayer foil and resulting product | |
| US10099325B2 (en) | Method for manufacturing a hybrid heat exchanger | |
| US8844796B1 (en) | Superplastically formed ultrasonically welded metallic structure | |
| JPH0444602B2 (ja) | ||
| CN103567585B (zh) | 换热器管、换热器管组件和制造它们的方法 | |
| US20170304964A1 (en) | Powdered metal as a sacrificial material for ultrasonic additive manufacturing | |
| CN104226870B (zh) | 一种用于铝-不锈钢复合管的热等静压成型的包套方法 | |
| JP4901283B2 (ja) | スタック及びその製造方法 | |
| JP6856208B2 (ja) | 複雑な中空構造を有する金属製パイプ接合体の新規製造方法 | |
| CN104227338B (zh) | 一种空间飞行器热控用铝‑不锈钢复合管的制备方法 | |
| CN102861982A (zh) | 一种复合板材的焊接方法及其使用的炸药 | |
| CN101524906A (zh) | T2-316l爆炸焊接超导高耐蚀超厚度复合板 | |
| JP6821150B2 (ja) | 複雑な中空構造を有する金属製パイプ接合体の新規製造方法 | |
| US9550342B2 (en) | TiAl joined body and manufacturing method for TiAl joined body | |
| JP5848016B2 (ja) | 金属製パイプ接合体の製造方法 | |
| US3222144A (en) | Polycellular tubular grid structures and method of manufacture | |
| KR20170134620A (ko) | 판형 열 교환기의 제조 방법 | |
| US9573324B2 (en) | Pressurized anneal of consolidated powders | |
| KR20220051215A (ko) | 금속계 통재의 제조방법 및 이에 이용되는 배킹 지그 | |
| JPH07504125A (ja) | 極低温リジェネレータ用多孔板および製造方法 | |
| RU2011103228A (ru) | Оборудование, включающее пучок труб, обработки коррозионно-активных текучих сред | |
| CN108161210A (zh) | 一种自硬化填充式中空结构爆炸复合板及其制作方法 | |
| JP2016088772A (ja) | 接合体の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190606 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200825 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200826 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20201015 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210302 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210310 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6856208 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |