JP6977208B2 - 熱交換器とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高温側流体からの熱を低温側流体で冷却するための熱交換器に関する。

熱交換器は、例えばロケットエンジンに用いられる。ロケットエンジンは、燃焼器とノズルを備える。燃焼器は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼室を内部に有する。ノズルは、燃焼室で発生した燃焼ガスを外部に噴出することにより、ロケットの推力を発生させる。

ロケットエンジンの燃焼器は、燃焼ガスの熱により損傷しないように熱交換器として構成される。すなわち、燃焼器には、燃焼ガスからの熱を冷却する冷却媒体が流れる冷却流路が形成されている。このようなロケットエンジンの燃焼器は、例えば特許文献１に記載されている。

特許文献１では、燃焼器は、燃焼室を囲み銅で形成された内筒と、内筒の外周面に形成された外層と、外層の外周面に形成されたＬＭＤ層とを備える。内筒の外周面には、内筒の軸方向に延びる溝が周方向に間隔をおいて複数本形成されている。これらの溝は、外層に覆われることにより上述の冷却流路となる。外層は、内筒の外周面に形成される銅層と、この銅層上に形成されたニッケル層とを有する。ＬＭＤ層は、ＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）処理によりニッケル層上に形成される。このＬＭＤ処理では、ニッケル基合金の粉体をレーザ光で溶かしてニッケル層に結合させる。これにより、ニッケル基合金からなるＬＭＤ層を形成する。ＬＭＤ層は、内筒と外層の変形を抑制するために設けられている。

特許文献１のように、銅は、レーザ光の反射率が高いため、銅層に直接ＬＭＤ処理を行うことが困難であると考えられている。そのため、特許文献１では、銅層に直接ＬＭＤ処理を行わずに、上述のように、銅層に、レーザ光の反射率が銅層よりも低いニッケル層を設け、このニッケル層にＬＭＤ処理を行っている。

特許第５８２３０６９号

しかし、ロケットエンジンの燃焼器を、銅で形成された伝熱体（例えば上述の内筒と外層からなる構造体）と、伝熱体を補強するＬＭＤ層とにより構成する場合に、低コスト化のために、上述したニッケル層を設けるための工程を省略することが望まれる。

また、ロケットエンジンの燃焼器以外でも、高温側流体からの熱を低温側流体で冷却するための熱交換器を、銅で形成された伝熱体と、伝熱体を補強するＬＭＤ層とにより構成する場合に、両者の間に、上述したようなニッケル層を設けるための工程を省略することが望まれる。

そこで、本発明の目的は、高温側流体からの熱を低温側流体で冷却するための熱交換器において、銅で形成された伝熱体の外周面にＬＭＤ層を形成する場合に、両者の間にレーザ光の反射率が銅よりも低い材料の層（例えばニッケル層）を形成することを不要にする技術を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明による方法は、高温側流体からの熱を、前記高温側流体よりも低温である低温側流体で冷却するための熱交換器の製造方法であって、
（Ａ）前記高温側流体と前記低温側流体の一方を存在させる内部空間を有する伝熱体を用意し、該伝熱体は、前記熱交換器の構成要素であり、前記内部空間を囲む壁として純銅または銅合金を含む材料で形成されており、該壁内には、前記高温側流体と前記低温側流体の他方を流す流路が形成されており、
（Ｂ）ＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）処理により、ＬＭＤ層を前記伝熱体の外周面に直接形成し、
前記ＬＭＤ処理では、前記伝熱体の外周面における供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、純銅または銅合金を含む前記材料で形成された前記外周面と前記金属材料の両方を溶融させて前記金属材料の前記ＬＭＤ層を形成し、
前記レーザ光のエネルギー密度を、前記金属材料と前記外周面の両方を溶融させる高さにする。

本発明による熱交換器は、高温側流体からの熱を、前記高温側流体よりも低温である低温側流体で冷却するための熱交換器であって、
前記高温側流体と前記低温側流体の一方を存在させる内部空間を有する伝熱体を備え、
該伝熱体は、前記内部空間を囲む壁として純銅または銅合金を含む材料で形成されており、該壁内には、前記高温側流体と前記低温側流体の他方を流す流路が形成されており、
前記熱交換器は、前記伝熱体の外周面に直接形成されたＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）層を備える。

本発明によると、ＬＭＤ処理において、レーザ光のエネルギー密度を、伝熱体の純銅または銅合金を含む材料とＬＭＤ層の金属材料の両方を溶融させられる高さにする。これにより、伝熱体とＬＭＤ層との結合強度が十分に高くなるように、伝熱体における純銅または銅合金を含む材料の外周面にＬＭＤ層を直接形成できる。よって、レーザ光の反射率が純銅または銅合金を含む材料よりも低い材料の層を伝熱体の外周面に形成する工程を省くことができる。

本発明の実施形態による熱交換器の構造を示す。 本発明の実施形態による熱交換器の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による熱交換器の製造方法の説明図である。 ＬＭＤ処理における隣接するビード同士の位置関係の説明図である。 図４（Ａ）のＶ−Ｖ矢視図であり、先行のビードと次のビードとの位置関係を示す。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

（熱交換器の構造）
図１（Ａ）は、本発明の実施形態による熱交換器１０の構造を示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ断面図である。なお、図１（Ａ）は図１（Ｂ）の１Ａ−１Ａ断面図である。熱交換器１０は、高温側流体からの熱を、高温側流体よりも低温である低温側流体で冷却するためのものである。熱交換器１０は、伝熱体３とＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）層５を備える。

伝熱体３は、高温側流体と低温側流体の一方を存在させる内部空間７を有する。例えば、内部空間７には、高温側流体が発生し又は流れる。高温側流体は、例えば燃焼ガスや水蒸気などの気体であるが、液体であってもよい。伝熱体３は、内部空間７を囲む壁として形成され、この壁内に流路９が形成されている。伝熱体３は、図１のように、内部空間７を有する筒状に形成されていてよい。伝熱体３は、その全体が純銅または銅合金（銅を主成分として含む銅合金）で形成されている。したがって、伝熱体３の外周面３ａも純銅または銅合金を含む材料で形成されている。なお、以下において、「銅材料」とは、純銅または銅合金を含む材料を意味する。純銅または銅合金を含む材料（すなわち、以下における「銅材料」）は、純銅または銅合金であってもよい。

図１の例では、熱交換器１０は、ロケットエンジンの燃焼器１０ａを構成している。ただし、熱交換器１０は、産業で用いられる他の熱交換器として用いられてもよい。例えば、熱交換器１０は、蒸気発生器や復水器などとして用いられるものであってもよいし、船舶又は自動車において用いられるものであってもよい。

熱交換器１０は、ロケットエンジンの燃焼器１０ａを構成する場合、伝熱体３は、筒状であり、伝熱体３の内部空間７は、ロケットエンジンの燃焼器１０ａの燃焼室７ａを含む。燃焼室７ａは、液体燃料または固体燃料を燃焼させて燃焼ガスを上述の高温側流体として発生させる空間領域である。ロケットエンジンは、燃焼器１０ａの他に、ノズル１０ｂを備える。

ノズル１０ｂは、燃焼室７ａで発生した燃焼ガスを外部に噴出することにより、ロケットの推力を発生させる。図１では、熱交換器１０は、燃焼器１０ａだけでなくロケットエンジンのノズル１０ｂも構成している。すなわち、図１では、燃焼器１０ａとノズル１０ｂとが一体的に形成されている。ただし、燃焼器１０ａとノズルとは、別箇に製造された後、互いに結合されてもよい。すなわち、熱交換器１０は、燃焼器１０ａを構成するが、ノズルを構成していなくてもよい。なお、図１（Ａ）では、伝熱体３の内部空間７は、燃焼室７ａと、燃焼室７ａから燃焼ガスが流入するノズル１０ｂの流路７ｂを含む。

流路９には、高温側流体と低温側流体の他方が流れる。流路９は、図１の例では伝熱体３の軸Ｃと内周面３ｂに沿った方向に延びており、周方向に間隔をおいて複数形成されている。図１（Ａ）において、流路９は、この図の右側から左側に流れる液体燃料を流す流路であってもよい。この場合、液体燃料は、流路９を流れた後、（例えば図示しない配管により）燃焼室７ａへ導入されて燃焼させられることにより、燃焼ガスとなる。この燃焼ガスの熱は、流路９を流れる液体燃料と熱交換する。液体燃料は、この熱交換で温度が上昇するので、燃焼しやすい状態で燃焼室７ａへ導入される。

ＬＭＤ層５は、ＬＭＤ処理によって、伝熱体３の外周面３ａに直接形成されている。ＬＭＤ層５は、高温側流体の熱と圧力の一方又は両方により伝熱体３が変形することを抑える機能を有する。すなわち、ＬＭＤ層５は、伝熱体３を形成している銅材料よりも強度が高い。また、ＬＭＤ層５は、流路９を流れる冷却媒体（低温側流体）の圧力により伝熱体３が変形することを抑える機能を更に有していてよい。ＬＭＤ層５は、このような機能を果たす金属材料により形成される。この金属材料は、ニッケルを主成分として含むニッケル基合金であってよい。例えば、この金属材料は、インコネル（登録商標）であってよい。

伝熱体３とＬＭＤ層５との結合箇所における引張強さは、伝熱体３自体（すなわち、伝熱体３を形成する銅材料自体）の引張強さよりも大きい。

また、ＬＭＤ層５を形成する金属材料がニッケル基合金である場合、一例では、ＬＭＤ層５において、その全体にわたってニッケルの濃度が均一である。
これに対し、仮に、特許文献１のように、伝熱体３の外周面３ａに、伝熱体３の外周面３ａよりもレーザ光の反射率が低い低反射率層（例えば純ニッケル）を薄く形成し、この層の外周面に、ニッケルの含有率が所定の重量パーセントであるニッケル基合金のＬＭＤ層を形成するとする。この場合、ＬＭＤ処理時のレーザ光の熱により低反射率層が溶融してＬＭＤ層と一体化したとき、低反射率層とニッケル基合金とはニッケル濃度が互いに異なるので、低反射率層およびニッケル基合金を含むＬＭＤ層において、ニッケルの濃度が、低反射率層の部分とニッケル基合金の部分とで異なる。このように特許文献１に従って形成したＬＭＤ層における外周面３ａ近傍のニッケルの濃度は、本実施形態において外周面３ａに直接形成したＬＭＤ層５の場合と異なる。本実施形態では、後述の第１のＬＭＤ副層５ａは、外周面３ａの銅材料と混ざり合うが、第１のＬＭＤ副層５ａの外周側部分は、外周面３ａの銅材料と混ざらず、後述の金属材料（例えばインコネル）の部分となり、後述の第２のＬＭＤ副層５ｂと、金属材料の主成分（例えばニッケル）の濃度がほぼ同じである。すなわち、本実施形態では、ＬＭＤ層５において、外周面３ａの銅材料と混ざり合っている部分以外は、その全体にわたって、金属材料の主成分（例えばニッケル）の濃度が均一である。

（熱交換器の製造方法）
図２は、本発明の実施形態による熱交換器１０の製造方法を示すフローチャートである。図３は、この製造方法の説明図である。熱交換器１０の製造方法は、ステップS１とステップS２を含む。

ステップＳ１において、上述した伝熱体３を用意する。例えば、図３（A）に示す伝熱体３を用意する。

ステップＳ１で用意する伝熱体３は、外周面に複数本の溝を有し銅材料で形成された内筒と、この内筒の外周面に形成された銅材料の外層とを有するものであってもよい。この場合、複数本の溝は、外層に覆われることにより流路９となる。なお、内筒は、鍛造素材を機械加工したものであってよく、銅材料の外層は、電鋳法又は他の方法で形成されてよい。

あるいは、ステップＳ１で用意する伝熱体３は、その壁内に流路９を有するように一体的に形成されたものであってもよい。この場合、伝熱体３は、例えば３Ｄ（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）プリンタで形成されたものであってよい。この場合、伝熱体３は、全体にわたって、同じ物理的性質（例えば、強度、熱伝導率、および誘電率等）の材料で形成されていてよい。すなわち、伝熱体３は、全体にわたって同じ物理的性質を有していてよい。

ステップＳ２において、ステップＳ１で用意した伝熱体３の外周面３ａに、直接、ＬＭＤ層５を形成する。このＬＭＤ層５の形成は、ＬＭＤ処理により行われる。ステップＳ２は、ＬＭＤ装置１１により行われる。ＬＭＤ装置１１の構成は、出力するレーザ光のエネルギーに関する点を除いて、特許文献１に記載のＬＭＤ装置１１と同じであってよい。

このＬＭＤ処理では、ＬＭＤ装置１１は、図３（Ｂ）に示すように、伝熱体３の外周面３ａにおける供給位置へ粉末状の金属材料（金属パウダー）を供給し、この供給位置へレーザ光を照射する。これにより、伝熱体３の外周面３ａと金属材料の両方を溶融させて、外周面３ａに結合した金属材料のＬＭＤ層５（図３（Ｂ）では後述する第１のＬＭＤ副層５ａ）を形成する。この時、外周面３ａにおける供給位置において、レーザ光のエネルギー密度を、伝熱体３の外周面３ａと金属材料の両方を溶融させる高さにする。なお、ステップＳ２で用いる金属材料は、本実施形態では、ニッケル基合金であってよい。以下において、供給位置とは、金属材料が供給され、かつ、レーザ光が照射される位置を意味する。

また、ＬＭＤ装置１１は、外周面３ａの供給位置を囲むように不活性ガス（例えばアルゴンガス）を供給することにより、供給位置を周囲の空気から不活性ガスで遮断して供給位置における外周面３ａと金属材料の酸化を防止する。

ステップＳ２のＬＭＤ処理では、供給位置を移行させることにより、外周面３ａの対象範囲（例えば外周面３ａの全体）にＬＭＤ層５を形成する。すなわち、供給位置を移行させながら、当該供給位置への金属材料の供給とレーザ光の照射を行うことで、対象範囲にわたってＬＭＤ層５を形成する。この移行の方向（以下で単に移行方向ともいう）は、図３の例では、伝熱体３の周方向（例えば伝熱体３の軸Ｃを回る螺旋方向）であるが、伝熱体３の軸Ｃに沿う方向であってもよい。移行方向が伝熱体３の周方向である場合には、把持装置１３（図３の一点鎖線で示す）により、伝熱体３は把持され軸Ｃを中心に回転させられながら、ＬＭＤ装置１１を伝熱体３の軸Ｃに沿う方向に少しずつ移動させる。移行方向が軸Ｃに沿う方向である場合には、例えば、ＬＭＤ装置１１を、伝熱体３の軸方向一端部から軸方向他端部まで移動させ、次いで、伝熱体３の周方向に位置を少しずらして、伝熱体３の軸方向他端部から軸方向一端部まで移動させることを繰り返す。

ステップＳ２はステップＳ２１〜Ｓ２４を含む。
ステップＳ２１において、ＬＭＤ装置１１は、図３（Ｂ）に示すように、伝熱体３の外周面３ａにおける供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射する。これにより、外周面３ａと金属材料の両方を溶融させて、外周面３ａに結合した金属材料の第１のＬＭＤ副層５ａを形成する。すなわち、この供給位置を移行させることにより、対象範囲にわたって第１のＬＭＤ副層５ａを形成する。なお、第１のＬＭＤ副層５ａの外周側部分は、外周面３ａの銅材料と混ざらない。すなわち、伝熱体３が溶けた池に金属材料（パウダー）が投入され、この金属材料も溶融して当該池に混ざるが、この混ざった部分の外側部分には金属材料のみの層が形成される。

ステップＳ２２において、ＬＭＤ処理で使用するレーザ光の出力エネルギー（単位時間当たりのエネルギー（単位は例えばワット））を下げる。これにより、次のステップＳ２３、Ｓ２４では、供給位置におけるレーザ光のエネルギー密度が、上述のステップＳ２１の場合よりも低くなる（例えば、ステップＳ２１の場合の半分以下になる）。すなわち、ステップＳ２３、Ｓ２４では、伝熱体３の外周面３ａよりもレーザ光の反射率が低い第１および第２のＬＭＤ副層５ａ，５ｂの外周面を溶融できればよいので、供給位置でのレーザ光のエネルギー密度を下げる。

なお、ステップＳ２２により供給位置でのエネルギー密度を下げることは、レーザ光の出力エネルギーを下げることに加えて、または、その代わりに、供給位置におけるレーザ光のスポット径の拡大によりなされてもよい。

ステップＳ２３において、ＬＭＤ装置１１は、図３（Ｃ）に示すように、第１のＬＭＤ副層５ａの外周面における供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、当該外周面と金属材料の両方を溶融させて、当該外周面に結合した金属材料の第２のＬＭＤ副層５ｂを形成する。すなわち、この供給位置を移行させることにより、対象範囲にわたって第２のＬＭＤ副層５ｂを形成する。

ステップＳ２４において、ＬＭＤ装置１１は、第２のＬＭＤ副層５ｂの外周面における供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、当該外周面と金属材料の両方を溶融させて、当該外周面に結合した金属材料の第３のＬＭＤ副層５ｃを形成する。すなわち、この供給位置を移行させることにより、図３（Ｄ）のように対象範囲に第３のＬＭＤ副層５ｃを形成する。

本実施形態では、ＬＭＤ層５を構成するＬＭＤ副層の数は、上述のように伝熱体３の変形を抑制できれば、第１〜第３のＬＭＤ副層５ａ〜５ｃの３つに限定されず、１つ、２つ、又は４つ以上であってもよい。また、各ＬＭＤ副層（上述ではＬＭＤ副層５ａ〜５ｃ）を形成するための金属材料は同じであってよい。

＜ＬＭＤ処理の隣接するビード同士の位置関係＞
図４（Ａ）は、図３（Ｂ）の部分拡大図である。上述のように供給位置を移行させることにより、図４（Ａ）と図５のように、金属材料の溶着金属であるビードＢ、Ｂ１、Ｂ２を、当該移行の方向（（図３と図４では周方向）に線状に延びるように形成し、当該ビードＢ、Ｂ１、Ｂ２によりＬＭＤ層５を形成する。図４（Ａ）は、各ビードＢの後に、先のビードＢ１と次のビードＢ２がこの順で形成された状態を示す。なお、各ビードＢ、Ｂ１、Ｂ２は、（例えば螺旋状に）連続して延びる１つのビードをなしていてよい。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に対応する図であり、先のビードＢ１が形成されたが、次のビードＢ２が未だ形成されていない状態を示す。

図５は、図４（Ａ）のＶ−Ｖ矢視図に対応し、図４（Ａ）における先のビードＢ１と次のビードＢ２を移行方向に展開した図である。図５において斜線部分は、供給位置へのレーザ光の照射範囲であるレーザ光スポットを示す。

図４（Ａ）と図５のように、既に形成された先のビードＢ１に対して、外周面３ａに沿う方向に隣接する次のビードＢ２を形成する時に、先のビードＢ１を部分的に覆うように次のビードＢ２を形成する。このように、先のビードＢ１の外面の一部（例えば、当該外面の１／４以上であって２／３以下、１／３以上であって２／３以下、または１／３以上であって１／２以下）が、次のビードＢ２に覆われるようにする。言い換えると、次のビードＢ２を形成するレーザ光で、先のビードＢ１の外面の一部（例えば、当該外面の１／４以上であって２／３以下、１／３以上であって２／３以下、または１／３以上であって１／２以下）を照射し溶融させて、先のビードＢ１と次のビードＢ２とを結合（一体化）させる。次のビードＢ２は、形成されると先のビードになり、当該先のビードＢ２に対して上述と同じように次のビードが形成される。これをステップＳ２の開始時から終了時まで繰り返し行う。

これにより、先のビードＢ１と次のビードＢ２の間に酸化物が残存することを防止できる。酸化物は、ビードＢ，Ｂ１，Ｂ２が上述の不活性ガスの領域から外れた後に空気に触れることによりビードＢ，Ｂ１，Ｂ２の外面に生じる。図４（Ａ）（Ｂ）において、酸化物は、破線で示されている。先のビードＢ１の外面のうち次のビードＢ２に覆われる部分の酸化物は、次のビードＢ２の形成する時のレーザ光の熱で溶けることにより、ＬＭＤ層５に融合し又はＬＭＤ層５（当該ビードによる副層５ａ，５ｂ又は５ｃ）の外表面に移動する。その結果、隣接するビード同士の間に酸化物が残存することを防止して、酸化物によるクラックの発生が回避される。例えば、図４（Ａ）（Ｂ）においては、隣接するビードＢ，Ｂ１，Ｂ２同士の間に、破線で示す酸化物が存在していない。

一方、図４（Ｃ）のように、先のビードを次のビードで部分的に覆わない場合には、隣接するビードＢ同士の間に、この図において破線で示す酸化物が残存しやすくなる。

なお、図４では、互いに隣接するビードＢ，Ｂ１，Ｂ２同士の境界が説明のために描かれているが、実際には、互いに隣接するビード同士の境界は存在せず、ビード同士は融合し一体化されている。また、図５のように、ビードの幅は、供給位置におけるレーザ光のスポット径により定まり、次のビードＢ２を形成するレーザ光は、当該ビードＢ２の形成箇所とほぼ同じ位置に照射される。第１のＬＭＤ副層５ａを形成した段階で、第１のＬＭＤ副層５ａの外周面の酸化物は、第２のＬＭＤ副層５ｂを形成する時のレーザ光で溶けてＬＭＤ層５に融合し又はＬＭＤ層５の外表面に移動する。

＜レーザ光のエネルギー密度＞
次の表１は、上述の製造方法におけるステップＳ２１に関する条件と結果を示す実験データである。

表１の各用語は、次の通りである。
「レーザ密度」は、供給位置におけるレーザ光のエネルギー密度である。
「材料入射エネルギー」は、単位時間あたりに供給位置へ供給される金属材料（ニッケル基合金）の単位質量あたりのレーザ光の出力エネルギーである。

「接合状態」は、上述のステップＳ２１で形成されたＬＭＤ層５と伝熱体３の外周面３ａとの接合状態である。接合状態に関して、「不適」は、伝熱体３へのＬＭＤ層５の溶け込み量が浅く、内部応力によりＬＭＤ層５に部分的な剥離が生じていることを示す。「可能」は、伝熱体３へのＬＭＤ層５の溶け込み量が浅いが、外周面３ａとＬＭＤ層５との結合強度が適切であることが期待できることを示す。「良好」は、伝熱体３へのＬＭＤ層５の溶け込み量が適切であり、外周面３ａとＬＭＤ層５との結合強度が十分であることが期待できることを示す。「最適」は、伝熱体３へのＬＭＤ層５の溶け込み量が十分であり、外周面３ａとＬＭＤ層５との結合箇所の引張強さが、伝熱体３の銅材料（この例では銅合金）自体の引張強さよりも高いことが確認されたことを示す。

上記表１の実験データを考慮すると、上述のステップＳ２１において、伝熱体３の外周面３ａにおける供給位置へ照射するレーザ光のエネルギー密度は、当該供給位置において４２０Ｗ／ｍｍ２以上（例えば４２４Ｗ／ｍｍ２以上）、４６０Ｗ／ｍｍ２以上（例えば４６７Ｗ／ｍｍ２以上）、または４９０Ｗ／ｍｍ２以上（例えば４９５Ｗ／ｍｍ２以上）であってよい。当該エネルギー密度の上限は、５００Ｗ／ｍｍ２または６００Ｗ／ｍｍ２程度であってよいが、これらに限定されない。

また、上記表１の実験データを考慮すると、上述のステップＳ２１において、単位時間あたりに供給位置へ供給される金属材料（ニッケル基合金）の単位質量あたりのレーザ光の出力エネルギーは、３６０Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上（例えば３６５Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上）、４００Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上（例えば４０２Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上）、または４２０Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上（例えば４２６Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上）であってよい。ただし、当該レーザ光の出力エネルギーは、金属材料を十分に溶融できれば、これらの範囲に限定されず、適宜に設定可能な事項である。

次の表２は、上述の製造方法におけるステップＳ２３、Ｓ２４に関する条件と結果を示す実験データである。

表２において、「接合状態」の「良好」は、第２または第３のＬＭＤ副層５ｂ，５ｃが下層側のＬＭＤ副層５ａ，５ｂに良好に一体的に結合されていることを示す。表２の各用語は、表１の場合と同じである。

上記表２の実験データを考慮すると、上述のステップＳ２３、Ｓ２４において、供給位置へ照射するレーザ光のエネルギー密度は、一例では、当該供給位置において１７５Ｗ／ｍｍ２以上（例えば１７６Ｗ／ｍｍ２以上）であるが、金属材料を溶融して下層側のＬＭＤ副層に一体的に結合できれば、これに限定されない。

また、上記表２の実験データを考慮すると、上述のステップＳ２３、Ｓ２４において、単位時間あたりに供給位置へ供給される金属材料（ニッケル基合金）の単位質量あたりのレーザ光の出力エネルギーは、１４０Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上であってよい。ただし、当該レーザ光のエネルギーは、金属材料を十分に溶融できれば、これらの範囲に限定されず、適宜に設定可能な事項である。

（実施形態による効果）
ＬＭＤ処理において、レーザ光のエネルギー密度を、伝熱体３の外周面３ａを形成する銅材料とＬＭＤ層５の金属材料の両方を溶融させられる高さにする。これにより、伝熱体３とＬＭＤ層５との結合強度が十分に高い状態で、伝熱体３における銅材料の外周面３ａにＬＭＤ層５を直接形成できる。よって、レーザ光の反射率が銅材料よりも低い材料の層を伝熱体３の外周面３ａに形成する工程を省くことができる。

上述のように、先のビードＢ１を部分的に覆うように次のビードＢ２を形成するので、次のビードＢ２を形成する時のレーザ光により、先のビードＢ１の外面に生成された酸化物のうち、先のビードＢ１と次のビードＢ２との間に位置する酸化物を溶かしてＬＭＤ層５に融合させ又はＬＭＤ層５（当該ビードによる副層５ａ，５ｂ又は５ｃ）の外表面に移動させることができる。その結果、先のビードＢ１と次のビードＢ２との間に酸化物が残存することを防止して、この酸化物によりＬＭＤ層５にクラックが発生することを回避できる。

第２および第３のＬＭＤ副層５ｂ，５ｃを形成する時には、銅材料を溶融する高いエネルギー密度のレーザ光は不要になる。したがって、第２および第３のＬＭＤ副層５ｂ，５ｃを形成する時には、第１のＬＭＤ副層５ａを形成する場合よりも、レーザ光のエネルギー密度を下げることができる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

３ 伝熱体、３ａ 外周面、３ｂ 内周面、５ ＬＭＤ層、５ａ 第１のＬＭＤ副層、５ｂ 第２のＬＭＤ副層、５ｃ 第３のＬＭＤ副層、７ 内部空間、７ａ 燃焼室、７ｂ ノズル流路、９ 流路、１０ 熱交換器、１０ａ 燃焼器、１０ｂ ノズル、１１ ＬＭＤ装置、１３ 把持装置、Ｂ ビード、Ｂ１ 先のビード、Ｂ２ 次のビード、Ｃ 軸

Claims (8)

1. 高温側流体からの熱を、前記高温側流体よりも低温である低温側流体で冷却するための熱交換器の製造方法であって、
   （Ａ）前記高温側流体と前記低温側流体の一方を存在させる内部空間を有する伝熱体を用意し、該伝熱体は、前記熱交換器の構成要素であり、前記内部空間を囲む壁として純銅または銅合金を含む材料で形成されており、該壁内には、前記高温側流体と前記低温側流体の他方を流す流路が形成されており、
   （Ｂ）ＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）処理により、ＬＭＤ層を前記伝熱体の外周面に直接形成し、
   前記ＬＭＤ処理では、前記伝熱体の外周面における供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、純銅または銅合金を含む前記材料で形成された前記外周面と前記金属材料の両方を溶融させて前記金属材料の前記ＬＭＤ層を形成し、
   前記供給位置におけるレーザ光のエネルギー密度をレーザ密度とし、単位時間あたりに前記供給位置へ供給される金属材料の単位質量あたりのレーザ光の出力エネルギーを材料入射エネルギーとして、前記レーザ密度および前記材料入射エネルギーを、前記金属材料と前記外周面の両方を溶融させつつ、前記外周面と前記ＬＭＤ層との結合箇所の引張強さが前記伝熱体自体の引張強さよりも高くなるような高さにする、熱交換器の製造方法。
2. 前記金属材料は、ニッケル基合金であり、
   前記レーザ密度は、４９０Ｗ／ｍｍ^２以上であり、材料入射エネルギーは、４２０Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上である、請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記ＬＭＤ処理では、前記供給位置を移行させながら、当該供給位置への金属材料の供給とレーザ光の照射を行うことで、前記金属材料の溶着金属であるビードを、当該移行の方向に線状に延びるように形成し、該ビードにより前記ＬＭＤ層を形成し、
   既に形成された先の前記ビードに対して、前記外周面に沿う方向に隣接する次のビードを形成する時に、該先のビードを部分的に覆うように前記次のビードを形成する、請求項１又は２に記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記ＬＭＤ処理では、
   （Ｂ１）前記伝熱体の外周面における供給位置へ前記金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、前記外周面と前記金属材料の両方を溶融させて、前記外周面に結合した前記金属材料の第１のＬＭＤ副層を形成し、
   （Ｂ２）前記第１のＬＭＤ副層の外周面における供給位置へ前記金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、当該外周面と前記金属材料の両方を溶融させて、当該外周面に結合した前記金属材料の第２のＬＭＤ副層を形成し、
   前記ＬＭＤ層は、前記第１および第２のＬＭＤ副層を含み、
   前記（Ｂ１）では、前記レーザ光を、前記レーザ密度で前記供給位置に照射し、
   前記（Ｂ２）では、前記レーザ光を、前記レーザ密度よりも低いエネルギー密度で前記供給位置に照射する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
5. 前記熱交換器はロケットエンジンの燃焼器を構成するものであり、前記内部空間は前記燃焼器の燃焼室を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
6. 高温側流体からの熱を、前記高温側流体よりも低温である低温側流体で冷却するための熱交換器であって、
   前記高温側流体と前記低温側流体の一方を存在させる内部空間を有する伝熱体を備え、
   該伝熱体は、前記内部空間を囲む壁として純銅または銅合金を含む材料で形成されており、該壁内には、前記高温側流体と前記低温側流体の他方を流す流路が形成されており、
   前記熱交換器は、前記伝熱体の外周面に直接形成されたＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）層を備え、前記外周面は、純銅または銅合金を含む前記材料で形成されており、
   前記外周面と前記ＬＭＤ層との結合箇所の引張強さが、前記伝熱体自体の引張強さよりも高い、熱交換器。
7. 前記熱交換器はロケットエンジンの燃焼器を構成するものであり、前記内部空間は前記燃焼器の燃焼室を含む、請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記ＬＭＤ層は、ニッケル基合金で形成されている、請求項６又は７に記載の熱交換器。

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