JPH0292631A - 流体流路を内蔵した複合金属板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、Ｐ８交換器等のように水、空気等の流体の流
路を必要とする装置の構造部材として好適に用いられる
流体流路を内蔵した複合金属板に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より流体を用いて加熱、冷却等の熱交換を行う装置
においては、流体を流すために金属材料を使用した複雑
な構造体が用いられている。例えば熱交換器には、重ぬ
られた金属板間に波型に成形加工されたフィンが挿入さ
れて一体化され、このフィンによる間隔に流体が流され
る構造となっているものがある。また炉の外壁等を冷却
するのには、金属板に溶接された銅管内を冷却水が流さ
れる構造体が採用されたりしている。

これらの構造体は、その中に流体流路を形成するために
金属板や管を用いて行う成形加工１組み立て、溶接等の
複雑な工作を必要としていたため工期は長くなり、また
製作費用が多額となる欠点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、前記従来技術の欠点を解消し流体流路を必要
とする装置を製作するに当って流路形成のための複雑な
工作を全く必要としないように構造部材自体を構成する
ことを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者等は種々検討した結果、構造部材の主要なもの
である従来の金属板が単一の板から成っていてこれに複
雑な工作を施さなければ流体流路が形成されなかったの
に対し、複数枚の金属板を積層してその層間に間隔を設
けて流体が通じるようにした複数金属板によって前記課
題が解決されることを究明して本発明を成した。

以下、本発明に係る流体流路を内蔵した複合金属板を図
面によって詳細に説明する。

第１図は本発明に係る流体流路を内蔵した複合金属板の
１例の一部を簡略化して示す側面図、第２図は第１図中
のＡ−Ａ線断面図、第３図及び第４図は本発明に係る流
体流路を内蔵した複合金属板の製造工程を示し、第３図
は積層工程の説明図で第４図は焼鈍による接合工程の説
明図である。

本発明に係る流体流路を内蔵した複合金属板１（以下、
単に複合金属板１と言うことがある）は、第１図に示す
如く複数枚（回倒は２枚）の金属板２が積層された複合
金属板であって、金属板２間の各層間３（回倒は一つ）
には第２図に示す如く同一厚さの多数の金属小片４がほ
ぼ均一に分布せしめられている（第１図及び第２図では
図面を見易くするため金属小片４の数を簡略して少なく
しである）。この金属小片４は第１図に示す如くほぼ平
行な表裏両面を有していてその各片面側がそれが分布し
ている層間３を形成している両側の各金属板２とそれぞ
れ冶金学的に接合している。ここで言う冶金学的接合、
とは、金属板２に金属小片４が食い込んでいるだけのよ
うな機械的接合ではなく、原子レベルでの接合すなわち
金属板２と金属小片４との境界における溶融や固体拡散
等により両者の原子がミキシングされた状態を言う、こ
のような冶金学的な接合は極めて強固な接合であるから
、多数の金属／Ｊ％片４を両側から挟んだ各金属板２が
これと冶金学的な接合をすることによって一体化された
複合金属板１は構造部材としての充分な強度を有してい
る。

各層間３すなわち金属板２と金属板２との間では、金属
小片４が存在しない部分は間隙５となっている。この間
隙５は第２図に見られるように複合金属板１の内部にお
いて縦横に連続しているから、この複合金属板１の任意
の２個所に入口と出口とを設け、それ以外の周端面を閉
塞した状態で間隙５を流体流路として流体を流すことが
出来る。

すなわち、構造部材であるこの複合金属板１自体が流体
流路を内蔵しているのである。従って複合金属板１の金
属板２を介してその内外を流れる流体間、すなわち間隙
５を流れる流体と金属板２の外側を流れる流体との間で
熱交換を行わせることが出来る。また、他の使途として
例えば流体に圧力をかけて送り込めば複合金属板１の開
放端から流体を噴射させる等のことも可能である。

本発明に係る流体流路を内蔵した複合金属板１において
、各層間３に存在する金属小片４と金属板２との接合面
積の総計の当該金属板２の片側総面積に対する割合（以
下、総接合面積比と言う）が小さ過ぎると、間隙５が広
くなって流体は流れ易くなるが、金属小片４の接合面積
が減少するため構造部材としての強度が不足する恐れが
ある。

逆に総接合面積比が大き過ぎると、接合強度は大となる
が、流体が流れ戴くなる。間隙５における流体の流れの
難易は流体の粘度等にも影響されるため、流体の種類に
よって適切な総接合面積比は変るが、空気、窒素ガスや
水のような一般的な流体が使用される場合には総接合面
積比は０．１％〜１０％が適当である。

１個の金属小片４の片面側と金属板２との接合面Ｍｔ（
以下、単一接合面積と言う）が大きいと、金属小片４の
１個当りの受は持つ接着強度が増大して複合金属板１の
強度の点で幾分か有利な面はあるとしても複合金属板１
全体からみた均質性が失われ、流体の流れの面でも金属
小片４周辺の可成り広い部分で流体が流れないなどの不
均一さが生じる。一方、単一接合面精が過小で、あると
、均質性は向上するが、間隙５の大きさと単一接合面積
とのバランス（つまり金属小片４の形状のバランスに該
当する）が不適当となり、複合金属板１の構造部材とし
ての強度の面で不利が生じる。このため、単一接合面積
は２ｍｍ２〜１００−が適当である。

金属板２間に形成される間隙５の高さについては、これ
が小さいと流体は流れ灘くなり、大きいと流体は流れ易
くなるが大き過ぎると金属小片４を介して金属板２の一
体化が不安定となって複合金属板１の構造部材としての
強度が低下し、従って工作もし難くなる。前記総接合面
積比の場合と同様に流体の種類も考慮すると、間隙５の
高さは０．４箇〜３ｍが適当である。

なお、金属小片４の金属板２に対する投影形状（両者の
接合面の形状にほぼ該当する）は、円形。

矩形、又はこれらに近いものが普通であるが、これに限
定されず、任意の形状を採り得る。しかしながら、幅と
長さの比率（アスペクト比）はあまり大きくないものが
流体の流れの均一性から好ましいが、流れの方向が複合
金属板１のある特定の方向に限定される場合には、アス
ペクト比の大きなもの例えば線状のものを金属小片４と
して使用しても差し支えはない。

複合金属板１を構成する金属板２の枚数は、第１図の例
では２枚としたが、３枚以上であっても良い。金属板２
の材質は特に限定されないが、熱交換の効果をより上げ
るためには熱伝導性の良い銅、銅合金、アルミ、アルミ
合金等が適している。

また構造部材としての強度をより強く必要とするときは
、鋼が適しており、耐食性を得るためには表面処理（め
っき処理）を施した鋼が好ましい。

そして特に高強度、耐摩耗性等を必要とするときは調質
熱処理された特殊鋼が、また耐食性も兼ね備える必要が
あるときはステンレス鋼が適している。

金属小片４の材質としては特に限定されないが、−殻内
には金属板２との接合性、金属小片４自身の強度等から
限定される。例えば、複合金属板１全体の材質の均一性
が必要な時には、金属小片４の材質としては金属板２と
同種の金属板から成るものが好ましく使用される。更に
例を上げると。

金属板２が鋼板であっても、金属小片４には同相拡散に
有利なチタンが選ばれていても良い、また金属小片４は
単一の材質から成る必要はなく、表面にめっき処理が施
される等の複合材であっても良い、特に、溶融によって
金属板２と金属小片４との接合を行わしめようとする場
合には、金属板２や金属小片４本体の材質より融点の低
い材質で被覆された金属小片４を用いると、後で述べる
製造工程中の焼鈍においてその部分が溶融し、金属板２
と金属小片４とが充分に接合された複合金属板１が得ら
れる。

〔製造方法の説明〕

次に、金属板２と金属小片４とを冶金学的により複合化
して上記の複合金属板１を製造する方法について説明す
る。

本発明では金属板２と金属小片４とが原子レベルでミキ
シングされて接合されているが、このような接合状態を
得るためには、先に述べたように金属板２と金属小片４
とを同相拡散で接合させるか、又は溶融させて接合させ
るかの手段がある。

同相拡散による接合は、溶接技術の１種である拡散接合
における現象に類するものであるが、工業的に複合金属
板１を製造する場合、金属板２と金属小片４との界面に
圧力を加えながら焼鈍炉で加熱焼鈍してこの接合を得る
のが効率的である。

溶融による接合は、いわゆる溶接での現象に類するもの
である。従って例えば接合個所毎のスポット溶接により
この接合を得ることが出来るが非能率的である。効率的
に製造するには、固相拡散による接合と同様に加圧しな
がら加熱焼鈍するのが良い。

このような加熱焼鈍によって接合する複合金属板１の製
造方法の１例を説明する。

先ず第３図（イ）に示す如く金属板２の上に金属小片４
をほぼ均一に散布し、その上に第３図（ロ）に示す如く
更に金属板２を重ねる（この際、金属板２や金属小片４
の表面は予め脱脂洗浄しておくのが良い）。層を増す場
合には、更に金属小片４を散布し、その上に更に金属板
２を重ねることを所定回数繰り返す、このようにして層
間３に金属小片４を介在させながら金属板２を重ねたセ
ット１′を更に幾つか積み重ねたものを加熱焼鈍工程に
廻わす。積み重ねたセット１′間には、加熱焼鈍工程に
おいて各セット１′が接着状態にならないように剥離剤
を予め塗布しておくのが有効である。積み重ねたセット
１′は、第４図に示す如く焼鈍炉６中にボックス７に入
れて装入し、例えば回倒の如き重錘８により加圧する。

焼鈍炉６中のボックス７内の雰囲気としては、真空、ア
ルゴンガス、窒素ガス等の不活性雰囲気、あるいは水素
ガスや一酸化炭素等を含む還元ガス雰囲気を選び、ガス
出入ロアａより雰囲気ガスを排出、供給する。

加熱焼鈍をこのような雰囲気下で行うのは、得られた複
合金属板１が酸化した商品価値の低いものになったりあ
るいはデスケーリングが必要になるといった問題を避け
るためばかりでなく、金属板２と金属小片４との境界に
酸化が生じて接合状態が劣化するのを防止することをも
目的としている。

加熱焼鈍の温度及び時間は、金属板２及び金属小片４の
材質によって適切に設定する。例えば、同相拡散によっ
て接合する場合には拡散が速やかに生じる温度に設定し
、また拡散の量等から時間を設定する。溶融によって接
合する場合には溶融させようとする材料の融点以上の温
度に設定するが、あまり高温にするのは好ましくない場
合がある。

それは、例えば金属小片４が過度に溶融して間隙５の大
きさが保てなくなるようなことが生じるからである。

〔実施例〕

次に実施例により本発明を更に詳細に説明する。

実施例１ 厚さ１．０ｍｍ　＊　＄ｉ３００ｓｍ　、長さ４００ｍ
ｍ（７）黄銅の冷延板から成る金属板２と、厚さ０．５
ｍｍの銅の冷延板から得た直径３．４閣の円形の金属小
片４とを使用し、前記説明の加熱焼鈍により接合する製
造方法により本発明に係る複合金属板１を得た。すなわ
ち、前記金属板２の３枚を積層してその各層間３に前記
金属小片４の約２００枚づつをほぼ均一（金属小片４間
の中心間隔は約３０ｍｍ）に散布したセット１′を、焼
鈍炉６中で厚さ２００ｍ、幅３００ｍ＋、長さ４００ｍ
ｍの鋼製のスラブより成る重錘８による加圧と７５％Ｈ
２＋２５％Ｎ２がら成る還元性混合ガスの雰囲気下に７
００℃で２時間保持した後、室温まで冷却した。

このようにして得られた複合金属板１の総接合面積比は
１．５％であり、単接合面積は約９−であり１間隔５の
高さは０．５閣であった。

また構造部材としての強度を調べるために第５図に示す
形状のＴ字型剥離試験片を作製して剥離破断荷重を測定
した。すなわち、試験片の幅は２゜■、長さは約２００
１１ＩＩ！ｌであり、第５図においてＡ部及びＢ部は試
験片全体の長さの約１／２に渡って予め強制的にタガネ
を用いて剥離させてあり、未剥離部分のＴ字の付は根部
の幅中央部分Ｃに金属板間に挟まれた金属小片が位置す
るように加工しである。上記の試験片のＡ部及びＢ部の
端部を引張試験機を用いて引張り、金属小片１個当りの
引張荷重、即ち接合面の剥離破断荷重を測定した。その
結果、剥離破断荷重１６４ｋｇｆが得られ、複合金属板
全体で平均すると、　２７ｋｇｆ／ａＪに相当する値に
なることから、充分構造部材としての強度を有するもの
と考えられた。

この複合金属板１を幅１００ｍｎ＋、長さ４００ｍｍに
切断し、面長辺側の切断面に現われている２層の間隙５
を接着剤を塗布充填することにより閉塞した。

そして両短辺側にはガス出入管を設けられている治具で
短辺側切断面に現われた間隙５の全体を覆ってガス洩れ
しないように取り付け、一方のガス出入管をＮ２ガスボ
ンベに継ぎ、他方のガス出入管には流量計を取り付けた
。そしてＮ２ガスボンベ調圧器の圧力をゲージ圧０．２
ｋｇｆ／ｃｄに調整したところ、流量計は２ＯＮＩ２／
分の値を示し、この複合金属板１の間隙５を通してガス
を送風することが出来ることが確認出来た。

実施例２ 厚さ１．８＋ｍｙ幅６００ｍｍ、長さ１２００　ｙｎの
５５５Ｃの冷延鋼板から成る金属板２と、厚さ１．２ｍ
ｍの５ｐｃｃの冷延鋼板を裁断して得た幅２．５ｗａ、
長さ４．Ｏｍ＋＋の矩形の金属小片４とを使用し、前記
説明の加熱焼鈍により接合する製造方法により本発明に
係る複合金属板１を得た。すなわち前記金属板２の２枚
を積層してその各層間３に前記金属小片４の約２２００
個をほぼ均一（金属小片４間の中心間隔は約２２ｍ）に
散布したセット１′の２５個を各セット間に焼付は防止
剤として有機溶媒に懸濁したアルミナ微粉末を塗布しな
がら順次積み重ね、焼鈍炉６中で厚さ２５０＋ｍ、幅７
００ｏｉ、長さ１２５０　ｍの鋼製のスラブの重錘８よ
り加圧しながらアルゴンガスの雰囲気下に、８５０℃で
５時間加熱して２５個の複合金属板１を得た。この複合
金属板１の総接合面積比は３．１％であり、単接合面積
は１０−であり、間隔５の大きさは１．２ｎｎであった
。

また構造部材としての強度を実施例１と同様にして調べ
たところ、１３７ｋｇｆの剥離破断荷重が得られ、複合
金属板全体で平均して４２ｋｇｆ／ａＪの値が得られた
。

得られた複合金属板１の中からサンプルを選んで次のよ
うな実験を行った。複合金属板１から直径５００Ｉ［ｌ
！１の円板を切り出し、この円板の中心に直径５０１１
１Ｂの中心穴を貫通させ、円板の外周端面及び中心穴内
周端面は間隙５が現われるよう切削加工で仕上げた。中
心穴はその両側から２枚の直径８０Ｉの閉塞板で挟み付
けてその周縁部で円板を貫通する８個のボルトとナツト
とより固定した。このとき円板、閉塞板、ボルト及びナ
ツトの各当接部から水洩れしないようにワッシャー状の
ゴム板を挟んで密閉性を高めた。このような円板加工体
の一方の閉塞板に取り付けられている注水用のパイプに
約３　ｋｇｆ／ｃｄの水圧を持つ水道管を接続し、中空
状となった前記中心穴部に水を注水したところ、円板状
の全外周端面か水が流出し、この複合金属板１を通して
送水することが出来た６また外周端面からの水の流出は
全周に亘って殆んどムラが見られず、流路の均一性の保
たれていることが確認出来た。

〔発明の効果〕

以上詳述した如き本発明に係る流体流路を内蔵した複合
金属板は、それ自体に流体流路を内蔵しているために流
体の流通を目的とした構造物特に熱交換を目的とする構
造物の構造部材として使用すると、従来の如くフィンや
管を組み立てて金属板に接合する等の複雑な工作によっ
て流路を別に造る必要は全くなく、従って工作に要する
費用を大きく減少させ、また工期も短縮させることが出
来、その工業的価値の非常に大きなものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流体流路を内蔵した複合金属板の
１例の一部を簡略化して示す側面図、第２図は第１図中
のＡ−Ａ線断面図、第３図及び第４図は本発明に係る流
体流路を内蔵した複合金属板の製造工程を示し、第３図
は積層工程の説明図、第４図は焼鈍による接合工程の説
明図、第５図はＴ字型剥離試験片の形状を示す斜視図で
ある。 図面中 １・・・・本発明に係る複合金属板 １′・・・・セット ２・・・・金属板 ３・・・・層間 ４・・・・金属小片 ５・・・・間隙 ６・・・・焼鈍炉 ７・・・・ボックス ７ａ・・・・ガス出入口 ８・・・・重錘

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　複数枚の金属板（２）が各層間（３）に金属小片（
   ４）をほぼ均一に分布せしめられて積層された複合金属
   板であつて、該金属小片（４）のほぼ平行な両面の各片
   面側が前記層間（３）を形成している両側の金属板（２
   ）とそれぞれ冶金学的に接合せしめられていて、各層間
   （３）の金属小片（４）が存在しない部分に流体の流通
   可能な間隙（５）を有していることを特徴とする流体流
   路を内蔵した複合金属板（１）。 ２　各一つの層間（３）に存在する全ての金属小片（４
   ）と金属板（２）との接合面積の総計の当該金属板（２
   ）の片側面積に対する割合が０．１％〜１０％の範囲に
   ある請求項１に記載の流体流路を内蔵した複合金属板。 ３　１個の金属小片（４）の片面側と金属板（２）との
   接合面積が２ｍｍ＾２〜１００ｍｍ＾２である請求項１
   又は２に記載の流体流路を内蔵した複合金属板。 ４　流体の流通可能な間隔（５）の高さが０．４ｍｍ〜
   ３ｍｍである請求項１から３までのいずれか１項に記載
   の流体流路を内蔵した複合金属板。