JPH03229667A - 高効率熱伝達表面の製造方法及びその方法によって製造された表面 - 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〕 本発明は熱伝達表面、及びががる表面を製造するための
方法に関し、特に、冷媒等の液体を効率的に沸騰させる
多孔質表面、及び、かがる表面を製造するための金属基
体の火炎溶射と処理の方法に関する。

〔従来の技術〕

加熱表面からその表面に接する液体に伝達する最も有効
な機構として、核沸騰は公知である。この核沸騰のプロ
セスでは、加熱面からの熱伝達により、この面に接触す
る液体を蒸発し、気泡を生じる。気泡中に捕らえられた
蒸気は過剰に熱せられ、気泡は大きくなる。この気泡が
十分な大きさになると、表面張力が課題となり、気泡は
表面破壊する。気泡が表面を離れると、気泡によって空
いた場所に液体が入り、空所に残っていた蒸気が新たな
液体の蒸発源となって多くの気泡を生成する。表面にお
ける気泡の連続的な生成、表面からの離脱、そして表面
の再湿潤が、気泡の上昇と液体との撹拌による対流効果
を伴って、熱伝達表面の熱伝達室を改善する。

また、この核沸騰プロセスが、蒸気を補足するための配
置を設けかつ蒸気の泡の生成を促進するところの核生成
サイトを有するよう、その熱伝達表面を成形することに
よって増強され得ることは公知である。例えば、単に、
熱伝達表面を粗面にすることによっても、同様の平滑面
よりも表面の熱伝達特性を改善し得る核生成サイトを提
供することとなる。

例えば、空調又は冷凍システムにおける液体冷媒の沸騰
では、凹型の核生成サイトは、空洞の開口部が空洞の表
面化の要領よりも小さい表面空洞である。周囲の液体が
過剰に流入すると、この凹型の核生成サイトは氾濫して
しまい、不活性になる。比較的小さな表面への開口部を
備え、表面化に比較的太きなれんつうチャネルを有する
よう、熱伝達表面を成形することにより、蒸気の補足に
よる氾濫又は核生成サイトの氾濫は防止され、表面の熱
伝達特性が改善される。

多年に渡り、上述の原理を認識しつつ、表面化の核生成
サイトを有する改善された効率の熱伝達表面を製造する
ため、多くの努力が行われてきた。

かかる表面を製造する一つの方法は、機械加工、圧延、
あるいは切削による方法である。この様な方法の幾つか
は、米国特許第３，６９６．８６．１号明細書、米国特
許第３，７６８，２９０号明細書、米国特許第４，１５
９，７３９号明細書、及び米国特許第４．４３８．８０
７号明細書に開示されている。しかしながら、これらの
方法は、チタニウムの様な硬質金属の基体上に熱伝達表
面を製造するのには役に立たない。他の方法が、米国特
許第４゜１２９．１８１号明細書に開示されている。そ
の方法では、金属表面に、まず網状の有機発泡層を施し
、次いでこの発泡層の上に薄い金属コーティングを鍍金
する。それから、発泡層は、５７５゜〜９８０’Ｆの範
囲の温度で熱分解される。この加熱は金属を焼きなまし
てその機械的な性質を低下させる。

他の製造方法は、金属基体に金属粉を火炎溶射する方法
である。この技術の幾つかの変形例が開発され、開示さ
れている。米国特許第３．９９０゜８６２号明細書に開
示された方法では、酸化剤と燃料ガスとの釣合が最も重
要である。米国特許第４．３５４，５５０号明細書に開
示された方法では、火炎溶射する前に、表面を予熱しな
ければならない。本発明の発明者に対して発行された米
国特許第４，７５３，８４９号明細書に開示された方法
では、２つの異なる金属を金属基体に火炎溶射し、金属
の一方を酸浴で腐食して取り除き、基体表面に表面化の
空洞を形成する。

米国特許第４，３５９，０８６号明細書に開示された方
法では、まず表面を圧延、切削加工し、それから下降表
面を火炎溶射して表面上の下降されたチャネル上に多孔
質の層を形成することにより、機械加工と火炎溶射とを
組み合わせたものである。

それ故、簡単に、経済的かつ安全に製造できる、液体を
沸騰させるための高効率の熱伝達表面が要求されている
。

従って、本発明の目的は、優れた熱伝達特性を持った熱
伝達表面を製造することにある。

本発明の他の目的は、大規模な製造作業において、経済
的で、簡単で、かつ安全な高効率の熱伝達表面を製造す
る方法を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、種々の液体の沸騰に用い
る各種金属塑性物の表面上で最適な熱伝達特性を発揮し
得る、高効率熱伝達表面の製造方法を提供することであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

これらの本発明の目的及び多の目的は、金属基体上に多
孔質コーティングを形成する新規な方法によって達成さ
れる。

本発明の方法では、金属基体は、金属粉と非金属粉との
混合物によって火炎溶射される。金属粉粒子は基体にあ
るいは金属粒子相互と融合し、非金属粉粒子は火炎溶射
されたコーティング内に埋め込まれる。金属粉粒子と非
金属粉粒子とを異なる割合で行うことにより、第２のコ
ーティングが第１のコーティング上に堆積されるであろ
う。結果として得られたコーティングは、その後、焼成
され、このステップによって非金属粒子はガス状態にな
り、コーティングから拡散し、コーティング内の非金属
粒子が埋め込まれていた所にボイドすなわち空洞を残す
こととなる。

〔実施例〕

ここに説明される本発明の実施例は、特に、空調あるい
は冷凍システムの蒸発器に用いられる熱交換チューブに
適している。この様な蒸発器は、チューブ型の熱交換器
であり、複数のチューブが単一のシェルの内部に配置さ
れている。チューブは、普通、冷却される液体に対して
、熱交換器を通る多重の平行流路を形成するように配置
されている。チューブは熱交換シェル中を流れる冷媒中
に浸漬されている。流体は、外周表面に接する冷媒を蒸
発するチューブの壁を通し、熱伝達により冷却される。

この様な蒸発器の熱伝達能力は、主に、ここのチューブ
の熱伝達特性によって決定される。

本発明の蒸気の実施例がここでは述べられているが、本
発明は、同様に、多の適用例に使用される高効率の熱伝
達表面を形成するのにも適している。

本発明の一つの実施例になる高効率の熱伝達表面の製造
方法が第１図に示されており、銅のチューブ２１は左側
から右側に移動し、同時に長軸の回りに回転している。

実施例では、チューブ２１の外周面がまず洗浄され、グ
リッドブラスティング（鋼粗粒の吹き付け）又はそれに
代わる適当な（図示されない）方法で調整され、ＭＥＴ
ＣＯＴｈｅｒｍｏＳｐｒａｙ又は同等の方法を使用して
、銅粉粒子とポリメチル・メタクリレート（例えば、Ｄ
ｕＰｏｎｔ　　Ｌｕｃｉｔｅ　　４Ｆ）の様なプラスチ
ック粉粒子との混合体を火炎溶射し、チューブ２１の外
周面にコーティング２２を形成する。火炎溶射プロセス
では、２つの粉体の混合物４４は吸引ガス４２によって
ガンのノズル４７から推進される。また、ガン４１には
燃料ガス４３が供給され、ノズル４７から流出して燃焼
する。

燃焼ガス４６は銅を溶かすが、プラスチック粉粒子は、
チューブ２１の外周面に堆積されているので溶けない。

チューブ２１の外表面に形成されたコーティング２２は
、チューブ及び金属粒子相互の双方に融合し、そして熔
融した銅粒子の中に埋め込まれたプラスチック材料の粒
子と融合した銅粒子から成っている。コーティングが施
されたチューブは、次に、炉４５の内部に置かれ、そこ
で、適当な温度で適当な時間焼成され、プラスチックを
完全に酸化させ（水蒸気と二酸化炭素になる）コーティ
ングから拡散させる。焼成ステップが完了すると、コー
ティングにおいて以前プラスチック粒子が埋まっていた
所にボイドが残る。ここでは、炉において以前プラスチ
ック粒子が、しかしながら、プラスチック粉粒子を、こ
れらを分解してコーティングから拡散させる温度にまで
加熱するのに適当な手段であれば如何なるものでも適用
できるであろう。

第２図は、本発明の他の実施例における高効率熱伝達表
面の製造方法を示している。ここでは銅のチューブ２１
は同様に左側から右側に移動し、その長軸の回りに回転
している。本実施例においては、図１に示された実施例
の説明で述べられた様に、コーティング２２はチューブ
２１の外部表面に形成される。それから、第２の火炎溶
射ガン５１を用いて、その他は以前に述べたと同じ方法
、装置により、第２の粉末混合物５２をチューブ２１に
火炎溶射し、第１のコーティング２２の上に第２のコー
ティング３１を形成する。もちろん、同一の火炎溶射ガ
ンを両方のコーティングの形成に用いることもできる。

コーティングが施されたチューブは、それから、第１図
に示されたプロセスに関連して説明した様に、加熱され
る。第２の粉末混合物５２も、同じく、銅粉粒子とポリ
メチル・メタクリレート等のプラスチック材料の粉体粒
子からなるが、しかし、第１のコーティングの形成に用
いた粉末混合物とは、混合物中の銅粉末とプラスチック
粉末との割合及び粉末粒子のサイズで異なっており、こ
れにより、プラスチックを焼成してコーティングから除
いた時、第１のコーティング構造に対し、第２のコーテ
ィングはより細かくて小さな孔や空洞の構造になる。そ
の結果、熱伝達表面は、表面では比較的小さな孔や空洞
を持つと共に、比較的大きな表面下の相互連結チャネル
を有する。

本発明で実施された製造方法は、例えば板状金属を、そ
してアルミニウム等の他の金属を基体とする他のタイプ
の熱伝達表面上の高効率の多孔性熱伝達表面を製造する
のに適用することも出来る。

溶射用粉末混合物に用いられる金属粉末は、基体と同じ
金属組成でも、例えば銅の上にアルミニウムの様な異な
った金属でも良い。金属及び非金属粉末の大きさ、溶射
用粉末混合物の２つの粉末の割合、そして、単一のコー
ティング方法をあるいは２層のコーティング方法を使用
するかは、沸騰される液体の沸騰性によって、特定の液
体に最適の熱伝達表面計上になるように様々に変えられ
得る。

〔発明の効果〕

本発明で実施された製造方法では、高効率の熱伝達表面
を形成するのに簡易でコスト的にも有効な方法を提供し
、これまでに用いられていた複雑な機械加工や有毒で腐
食性の化学薬品の使用を排除している。この方法は、熱
交換器のチューブの製造に用いた時、高効率のチューブ
を大量迅速に生産するのに適している。

ポリメチル・メタクリレートの粉末は、焼成操作で分解
してコーティングから拡散するガスが無毒である環境に
体しても無害であることから、特に、粉末溶射用混合物
の非金属組成物として適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例になる熱伝達表面の製造方法
を表す図であり、ここでは、単一の多孔質層を銅製の熱
交換チューブに適用したものである。 第２図は、本発明の他の実施例になる熱伝達表面の製造
方法を表す図であり、ここでは、第１の多孔質層をそれ
から、より細かい多孔質の第２の層を、銅製の熱交換チ
ューブに適用したものである。 〔符号の説明〕 ２１・・・銅チューブ、２２・・・コーティング３１・
・・第２のコーティング ４１．５１・・・火炎溶射ガン、４５・・・炉４４．５
２・・・粉末混合物

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属基体上に金属とポリメチル・メタクリレート
   の粉末粒子の混合物からなるコーティングを火炎溶射し
   、 上記コーティングを加熱し、上記コーティングから上記
   ポリメチル・メタクリレートの粉末粒子を取り除き、さ
   らに、 上記コーティング上に、金属とポリメチル・メタクリレ
   ートの粉末粒子の混合物から成る第２の混合物からを火
   炎溶射することを特徴とする高効率熱伝達表面の製造方
   法
2. （２）金属基体上に金属とポリメチル・メタクリレート
   の粉末粒子の混合物からなるコーティングを火炎溶射し
   、もって、上記金属粉末粒子部分は上記金属基体及び金
   属粒子と相互に融合し、上記ポリメチル・メタクリレー
   トの粉末粒子は上記金属粉末粒子の間に隙間を形成し、 上記コーティングを加熱し、上記コーティングから上記
   ポリメチル・メタクリレートの粉末粒子を取り除き、も
   って、上記ポリメチル・メタクリレートの粉末粒子によ
   って占められていた位置に空所を形成し、さらに、 上記コーティング上に、金属とポリメチル・メタクリレ
   ートの粉末粒子の混合物から成る第２の混合物からを火
   炎溶射し、もって、上記第２の混合物の上記金属粉末粒
   子部分は上記コーティング及び金属粒子と相互に融合し
   、上記第２の混合物の上記ポリメチル・メタクリレート
   の粉末粒子は上記第２の混合物の金属粉末粒子の間に隙
   間を形成するステップから成る方法によって製造された
   熱伝達表面。