JPH08303986A

JPH08303986A - 熱伝達部材および該部材の伝熱性向上方法

Info

Publication number: JPH08303986A
Application number: JP12751595A
Authority: JP
Inventors: Kimiharu Yuyama; 公春湯山; Minoru Suzuki; 実鈴木; Masakazu Nakanishi; 正和仲西
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 1996-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】熱交換器の熱伝達効率を向上させる。【構成】他の熱媒体４との間で熱伝達を行う熱伝達
部材１の表面に多数の粒状金属突部５を形成する。熱伝
達部材１の表面に金属粉末を付着させ、加熱雰囲気下
（望ましくはろう付加熱雰囲気下）で金属粉末を溶着さ
せて粒状金属突部５を形成する。【効果】熱伝達面の表面積が増大して熱伝達効率が
大幅に向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は熱交換器等に使用され
る熱伝達部材および該部材の伝熱性向上方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】熱交換器の加熱器、冷却器、凝縮器、蒸
発器、再熱器等では、熱媒体を収容する容器や雰囲気に
晒されるフィン等に熱伝達部材が用いられており、この
熱伝達部材は、その表面において熱媒体との間で熱の伝
達を行う機能を有している。上記した熱伝達部材は、熱
の伝達が効率よく速やかに行われるように、できるだけ
熱伝導性の良好な材料で構成するのが望ましく、多くの
熱交換器では高い熱伝導率を有するアルミニウム材料が
用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した熱
交換器では、装置の小型化、性能の向上等の観点から、
熱交換効率の大幅な向上が望まれており、装置の形状を
工夫する等の各種の改善が行われてきている。ところ
で、熱伝達部材における熱の伝達は、熱伝達部材自身の
熱伝導性だけでなく、熱伝達部材と熱媒体との界面にお
ける熱の伝達性も大きく影響する。従来、この伝熱性を
改善する方法として、例えば、容器形状の熱伝達部材の
内表面にフィンを形成し表面積を増やすことによって熱
の伝達効率を上げる方法が提案されている。しかし、こ
の方法では、製造工程が煩雑になる他に、装置構造が複
雑になり製造コストが嵩むという問題があり、また容器
の形状等によっては採用自体が困難で適用範囲が限定さ
れるという問題がある。

【０００４】そこで本発明者らは、従来、熱伝達部材の
表面が圧延や機械加工の結果として比較的平滑な面を呈
していることに着目し、この表面を研削することによっ
て熱伝達面を粗面化し、ミクロ的に表面積を増大させる
ことによって熱伝達効率を向上させることができるので
はないかと考えた。しかし、この方法は、研削作業が面
倒で製造効率を低下させる割には、熱交換効率の向上は
僅かであり、有効な解決方法にはならないことが判明し
た。

【０００５】本発明は、上記事情を背景としてなされた
ものであり、面倒な作業を必要とすることなく効率よ
く、かつ有効に熱伝達部材の表面を粗面化し、よって熱
伝達部材の伝熱性を向上させることができる熱伝達部材
および該部材の伝熱性向上方法を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明のうち第１の発明の熱伝達部材は、表面を通して
他の熱媒体との間で熱の伝達が行われる熱伝達部材であ
って、前記表面に多数の粒状金属突部が形成されている
ことを特徴とする。また、本願発明のうち第２の発明の
熱伝達部材の伝熱性向上方法は、熱伝達部材の表面に、
該部材を構成する材料よりも融点が低い金属粉末を付着
させ、加熱雰囲気下で該金属粉末を熱伝達部材の表面に
溶着させることを特徴とする。さらに、第３の発明の熱
伝達部材の伝熱性向上方法は、第２の発明において、金
属粉末の溶着を、熱伝達部材をろう付する加熱雰囲気下
で行うことを特徴とする。第４の発明の熱伝達部材の伝
熱性向上方法は、第２または第３の発明において、アル
ミニウム製熱伝達部材の表面に、少なくともＳｉを５〜
１３ｗｔ％含有し、粒径が５０μｍ以上のアルミニウム
合金粉末を付着させ、５７５〜６１０℃の温度で加熱し
て前記アルミニウム合金粉末を熱伝達部材の表面に溶着
させることを特徴とする。

【０００７】本発明は、前述した熱交換器等に使用さ
れ、熱の伝達を機能の一つとして有する熱伝達部材に適
用される。熱の伝達が行われる表面とは、該部材の内外
表面を問わず、熱の伝達が行われる面の全てをいう。し
たがって、容器状の熱伝達部材の内面だけでなく、この
外面や内外面に露出するフィンの表面に適用することも
可能である。なお、本発明が上記表面の全てに適用され
ることは必ずしも必要ではなく、所望の面のみに適用す
るものであってもよい。また、熱伝達部材との間で熱の
伝達を行う熱媒体の種別も特に限定されるものではな
く、各種液体、気体等が該当する。本発明の熱伝達部材
において、表面に粒状金属突部を形成する方法としては
特に限定はされないが、第２の発明以降において示され
るように加熱雰囲気下で金属粉末を溶着するのが作業効
率の点で好ましい。

【０００８】熱伝達部材の伝熱性向上方法に用いる金属
粉末は、５０μｍ以上の粒径を有するのが望ましく、さ
らに、７５μｍ以上が一層望ましい。該金属粉末を熱伝
達部材の表面に付着させる際には、金属粉末を単独で付
着させる他に、所望により、各種溶剤やバインダ等を混
合して付着させることも可能であり、これらを混合する
ことにより付着を容易に行うことが可能になる。バイン
ダとしては、例えば、分子量１０００〜１０００００の
アクリル系やメタクリル系の熱可塑性樹脂を用いること
ができる。また、溶剤としては、例えば、アセトン、ト
リクロルエタンやメタノール、エタノール等の各種アル
コール等が挙げられるが、その混合量としては、重量比
で溶剤を５０％以上とするのが望ましい。金属粉末の付
着は、所定の表面に対し一様に行うのが望ましく、１０
０μｍ以上の厚さで付着させるのが望ましい。この金属
粉末の付着方法も特に限定されるものではなく、表面へ
の単なる載置や、フローコータ、ロールコータ、刷毛塗
り等の塗布、噴霧等、適宜の方法により行うことができ
る。なお、溶剤を用いる場合には、混合物を付着させた
後、溶剤を乾燥させるのが望ましい。

【０００９】多くの熱伝達部材は装置として組み立てる
際に、熱伝達部材同士をろう付したり、他の部材とろう
付する作業が行われており、第３の発明に示すように、
金属粉末の溶着をろう付時の加熱雰囲気下で行うのが好
ましい。この場合には、金属粉末は、熱伝達部材よりは
融点が低く、ろう材よりは融点が高い材料とするのが望
ましい。なお、上記したろう付の雰囲気も特に限定され
るものではなく、例えば、フラックスを用いた炉中ろう
付、フラックスを用いない真空ろう付、非腐食性フラッ
クスを用いて非酸化性雰囲気で行ういわゆるノコロック
法等が挙げられる。前記した熱伝達部材の材質は特に限
定されるものではないが、第４の発明に示すように熱伝
導性が高いアルミニウム材を用いるのが望ましい。アル
ミニウム材としては純アルミニウム、アルミニウム合金
のいずれでもよくアルミニウム合金の成分も特に限定さ
れないが、ＪＩＳＡ５０００番台やＪＩＳＡ６０００
番台のアルミニウム合金が好適である。

【００１０】

【作用】すなわち本発明の熱伝達部材によれば、熱伝達
が行われる表面に形成された多数の粒状金属突部によっ
て、表面積が有効に増大し、熱の伝達が良好になされ
る。また、熱媒体の沸騰を伴う熱の伝達では、金属突部
の凸形状が沸騰による気泡の核の起点になりやすく、沸
騰が促進されて熱交換効率が大幅に向上する。

【００１１】また、本発明の熱伝達部材の伝熱性向上方
法によれば、金属粉末が効率よく熱伝達部材の所望の表
面に溶着される。金属粉末は、その成分や加熱温度によ
って形状が異なるものの凸形状が維持され、前記表面に
粒状の突部が形成され、熱伝達部材の表面を有効に粗面
化することができる。粗面化の程度としては、例えば中
心線平均粗さＲａでいえば、１０μｍ以上とするのが望
ましい。なお、金属粉末の溶着を熱伝達部材のろう付加
熱に際して行えば、溶着のための加熱工程を別途設ける
必要がなく、効率よく溶着を行うことができ、またろう
付のための加熱エネルギを利用して溶着できるのでエネ
ルギ効率もよく、製造コストを増大させることなく所望
の処理を行うことが可能になる。

【００１２】上記溶着に用いられる金属粉末は、５０μ
ｍ以上の粒径を有するのが望ましく、５００μｍ以下の
粒径であるのが望ましい。これは、５０μｍ未満である
と、金属粉末同士の溶着現象が顕著になり粗面が有効に
形成されないためであり、特に、熱媒体の沸騰を伴う蒸
発部等では気泡の核が良好に形成されないためである。
同様の理由で７５μｍ以上がさらに望ましい。また５０
０μｍを超えると、単位面積当たりの突部の数が少なく
て熱伝達効率が十分に向上せず、また沸騰の際の気泡の
核にもなりにくいので、上限を５００μｍとするのが望
ましい。なお、同様の理由でさらに、３００μｍ以下が
望ましい。

【００１３】また、金属粉末の付着厚さは、前述したよ
うに１００μｍ以上が望ましく、その理由は、十分な高
さを有する突部を形成するためである。また、必要以上
に厚さも大きくしても突部の高さを有効に大きくするこ
とはできず無駄であるので、上限を２ｍｍ程度にするの
が実用的であり、さらに上限を５００μｍとするのが一
層実用的である。この付着では、粉末が少なくとも２層
の状態で付着されるのが望ましい。これにより、熱伝達
部材に接触している粉末は積極的に溶着するとともに、
上層の粉末は粒形状を維持して、粒状突部を良好に形成
することが可能になる。この点では、付着厚さは、粉末
が２層以上になる厚さが望ましいといえる。

【００１４】上記金属粉末としては、アルミニウム製の
熱伝達部材に使用する場合には、Ｓｉを５〜１３ｗｔ％
含有するアルミニウム合金粉末を用いるのが望ましい。
ここでＳｉが５ｗｔ％未満であると、金属粉末の融点と
熱伝達部材の融点が近く、熱伝達部材に熱損傷を与える
ことなく、金属粉末を良好に溶着することが困難にな
る。また、Ｓｉが１３ｗｔ％を超えると、金属粉末の固
液相温度範囲が狭く、金属粉末を良好に溶着させるため
の温度管理が難しくなるため、Ｓｉ含有量は上記範囲が
望ましい。また、同様の理由でさらに７〜１１ｗｔ％が
望ましい。

【００１５】また、上記アルミニウム合金粉末には、所
望により、その他の成分を含有させることも可能であ
る。但し、ＭｇやＺｎは、金属粉末の溶融性を高め、
粉末が十分な凸形状を維持する妨げになるので０．１％
以下に制限するのが望ましい。また、真空ろう付や不活
性ガス中のろう付では、アルミニウム合金粉末は、粉末
中の酸素濃度を５ｐｐｍ以上とするのが望ましく、さら
に１０ｐｐｍ以上とするのが一層望ましい。この酸素濃
度により、アルミニウム合金粉末の溶融が適度に抑制さ
れ、アルミニウム製熱伝達部材に良好に溶着される。

【００１６】上記アルミニウム合金粉末を溶着させる際
の加熱雰囲気としては、５７５〜６１０℃の温度範囲と
するのが望ましい。これは、５７５℃未満では金属粒子
が良好に溶着せず、また、６１０℃を越えると、金属粉
末が過度に溶融して凸形状が十分に維持されず、表面積
が十分に増加しなかったり、沸騰の核の起点になりにく
かったりするためである。なお、ろう付加熱の間に、金
属粉末を溶着させる場合には、ろう付温度を上記温度範
囲内とするのが望ましい。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を添付図面に基づ
き説明する。先ず、実施例の熱伝達部材が適用される冷
却器について説明する。ＪＩＳＡ６０６３アルミニウ
ム合金からなる熱伝達部材によって蒸発器１と放熱器２
とが容器状に構成されており、蒸発器１と放熱器２とは
内部通路によって連通している。また、蒸発器１の外面
には、発熱部品であって冷却対象となるパワートランジ
スタを取り付ける発熱材取付板１ａが固定されており、
放熱器２の外面には、熱伝達部材の一つである放熱フィ
ン３が固定されている。上記蒸発器１内部、内部通路、
放熱器２内部は作動流体（熱媒体８）が封入されてい
る。

【００１８】次に、上記冷却器の製造過程を説明する。
組立前の各部材は、所要箇所に、Ｓｉを９ｗｔ％含有す
るろう材がクラッドされたブレージングシートが使用さ
れているが、蒸発器１および放熱器２内部の熱の伝達が
行われる内面には、ブレージングシートは使用されてお
らず、前記６０６３合金が露出している。これら部材を
組み立てる前に、以下に述べるアルミニウム合金粉末を
用意しておく。粉末とするアルミニウム合金は、Ｓｉを
７．５ｗｔ％含有し、残部は不可避不純物とＡｌからな
るものであり、酸素濃度は１０ｐｐｍである。この合金
を常法によって粉末化し、７５〜１５０μｍの粒径に選
別した。この粉末に対し、アセトン液を重量比で５５％
混合し、刷毛によって前記蒸発器１および放熱器２の内
面に約２００μｍ厚で塗布した。

【００１９】次いで、上記アセトンを蒸発させた後、各
部品を組み立てて真空炉に収容し、１０^-5Ｔｏｒｒの雰
囲気下で５８５℃で５分間加熱し、各部材をろう付し
た。このろう付に際し、前記したアルミニウム合金粉末
は、ろう材よりも融点が高く、酸素濃度が高いため（前
記ろう材は殆ど酸素を含まない）完全には溶融せず、一
部が溶融して、蒸発器１および放熱器２の内面に溶着さ
れ、図２に示すように粒状突部５が形成された。なお、
図中６は、粉末の一部が溶融した溶着部である。この粒
状突部５によって、蒸発器１および放熱器２の内面は、
中心線平均粗さＲａで１２．２μｍに粗面化された。そ
の後、冷却器内部に作動流体を封入し冷却器が完成し
た。上記製造工程では、従来法に比べても金属粉末の塗
布程度の簡単な作業が増える程度であり、作業の負担の
増加や効率の低下は極めて小さいものであった。なお、
上記実施例では、蒸発器と放熱器の内面に金属粉末を溶
着させたが、本発明としては、大気を熱媒体とする放熱
フィンの外面に溶着させることも可能である。

【００２０】次に、上記実施例による粗面化の効果を比
較、確認するため、蒸発器および放熱器の内面を圧延面
のままにしたもの、研削したもの、ブレージングシート
を用いたものを比較例として用意し、それぞれ上記と同
様のろう付を行った。その結果、各内面のＲａは、圧延
ままで０．２４μｍ、研削したもので０．２８μｍ、ブ
レージングシートを使用したもので２．８μｍとなって
いた。上記実施例および各比較例について発熱材取付板
に対する加熱温度を変えることによって熱媒体の熱流速
を変化させ、それぞれの熱流速における熱伝達率を測定
した。その結果は図３に示すように、熱流速に拘わらず
実施例の熱伝達率は高い数値を示しており、実施例によ
る粗面化の効果が現れている。また、実施例のものは特
に小さな熱流速の場合に顕著な効果を有している。これ
は、図２に示すように蒸発器内部で粒状突部５が沸騰核
７の起点になって熱媒体８の沸騰を促進することによっ
て、小さな熱流速でも熱の伝達を効率よく伝達できるた
めと思われる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱伝達部
材によれば、熱媒体との間で熱の伝達が行われる表面に
多数の粒状金属突部を形成したので、表面積が増大して
伝熱性が向上し、また蒸発部では、粒状金属突部が沸騰
核の起点になって熱の伝達を一層効率よくする。また本
発明の熱伝達部材の伝熱性向上方法によれば、熱伝達部
材の表面に、該部材を構成する材料よりも融点が低い金
属粉末を付着させ、加熱雰囲気下で該金属粉末を熱伝達
部材の表面に溶着させるので、効率よく上記表面に粒状
金属突部を形成することができ、得られた熱伝達部材で
上記の効果が有効に得られる。なお、金属粉末の溶着を
熱伝達部材のろう付過程で行えば、効率よく溶着を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例が適用される冷却器の概略
図である

【図２】同実施例の拡大断面図である。

【図３】実施例および比較例の熱伝達率を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１蒸発器１ａ発熱材取付板２放熱器３放熱フィン５粒状突部６溶着部７沸騰核

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面を通して他の熱媒体との間で熱の伝
達が行われる熱伝達部材であって、前記表面に多数の粒
状金属突部が形成されていることを特徴とする熱伝達部
材
【請求項２】熱伝達部材の表面に、該部材を構成する
材料よりも融点が低い金属粉末を付着させ、加熱雰囲気
下で該金属粉末を熱伝達部材の表面に溶着させることを
特徴とする熱伝達部材の伝熱性向上方法
【請求項３】金属粉末の溶着は、熱伝達部材をろう付
する加熱雰囲気下で行うことを特徴とする請求項２記載
の熱伝達部材の伝熱性向上方法
【請求項４】アルミニウム製熱伝達部材の表面に、少
なくともＳｉを５〜１３ｗｔ％含有し、粒径が５０μｍ
以上のアルミニウム合金粉末を付着させ、５７５〜６１
０℃の温度で加熱して前記アルミニウム合金粉末を前記
伝熱伝達部材表面に溶着させることを特徴とする請求項
２または３に記載の熱伝達部材の伝熱性向上方法