JPH11509616A - 炭素/炭素熱交換器およびその製造法 - Google Patents

炭素/炭素熱交換器およびその製造法

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JPH11509616A JP9529464A JP52946497A JPH11509616A JP H11509616 A JPH11509616 A JP H11509616A JP 9529464 A JP9529464 A JP 9529464A JP 52946497 A JP52946497 A JP 52946497A JP H11509616 A JPH11509616 A JP H11509616A
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アンダーソン,アレグザンダー・エフ
デワー,ダグラス・エム
ダンカン,クリストファー・ケイ
フェルマン,マイケル
ゴレッキ,イラン
モードルー,ウィリアム・エフ
ウォーカー,テランス・ビー
ズー,リアン
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、熱交換器、および実質的に平行な積み重ね関係で配置された複数の炭素/炭素プレートにして、隣接するプレートに間にあってそれらに結合されている炭素/炭素フィンにより相互に空間的に隔てられているそのような炭素/炭素プレートから構成されている熱交換器を製造する方法に関する。この熱交換器の炭素/炭素プレートおよび同フィンは、それらプレートによって形成されている隣接する流路とこれら流路中を流れる流体との間の熱伝達を最大にするように特別に組み立てられ、加工されている。

Description

【発明の詳細な説明】 炭素/炭素熱交換器およびその製造法 本発明は熱交換器、および実質的に平行な積み重ね関係で配置されている複数 の炭素/炭素プレートにして、隣接するプレート間にあってそれらプレートに結 合されている炭素/炭素フィンにより相互に空間的に隔てられているそれら炭素 /炭素プレートから構成されている熱交換器の製造法に関する。本出願は、炭素 /炭素複合材平行板型熱交換器についての出願中の米国特許出願第08/422 ,334号に関連するものである。この米国特許出願の開示をここに特に引用、 参照することにより、その開示が本明細書に含まれるものとする。この熱交換器 の炭素/炭素プレートおよび同フィンは、それらプレートによって形成されてい る隣接する流路とこれら流路中を流れる流体との間の熱伝達を最大にするように 、特別に組み立てられ、加工されている。発明の背景 例えば図1に示されている二流体、平行板タイプの熱交換器においては、熱交 換器10は金属板11a‐11hとフィン12aおよび12bのような金属部品 から構成されていることができる。普通、高温流体は第1および第2プレート1 1a‐11bの間をそれぞれ流れ、それらプレートに熱を伝達する。これは高温 流路13と呼ばれる。この高温流路13を横断する、または高温流路13に平行 な(図示されない)低温流路14は第2プレート11bの反対側に組み立てられ ている。この流路14の中を第2の低温流体が流れる。これらの高温および低温 流路は交互に配置されて一組の積み重ねられたアレイ(array)を形成している 。高温流路13中の流体からプレート11を介して第2流路14の中の低温流体 への熱の伝達を助けるために隣接するプレート11の間に金属フィン12が設け られている。これら金属フィン12はプレート11に結合されて伝熱面積を広げ 、そして好ましくはその中を通って流れる加圧流体を包含することを構造的に支 えるのに役立ち得る。流れが詰まるのを最少限に抑えるために、フィン12は普 通流体の流れに平行に置かれ、追加の流動抵抗が最小になるように流路を画成し て いる。さらに、フィン12の厚みと数は流体と接触する伝熱面積を最大にするそ のような値である。薄いフィン12がこれらの要件を満たし、多くの異なる細部 の幾何学的形状を利用して、与えられる何らかの設計上の問題の中の特定の要求 を最も良く満たすようにする。 これらの金属製熱交換器を製造する方法は十分確立されており、そのフィン1 2は常用の打抜機で形成され、また部品は全てろう付けされて完全な形に組み立 てられる。 これまで、炭素/炭素材料はコンパクトな平行板型熱交換器の組み立てには利 用できないと考えられていた。十分に薄くかつ十分に伝導性で、しかも二つの流 体間での熱の伝達を有効に行うのに許容できる形状に成形できる炭素/炭素フィ ンを創ることは不可能であると考えられていたのである。また、そのようなフィ ンは、積み重ね構造を支え、そして加圧流体を含み、流通させる堅牢な構造を提 供する十分な強さを示さなければならない。本出願が開示されなければ、薄い炭 素/炭素シートを作るのに利用できる製造法は無いし、また炭素/炭素フィン波 形品を作り、あるいは炭素/炭素構成部品を組み立てて完全な最終炭素/炭素熱 交換器にするのに利用できる製造法も無い。発明の要約 従って、本発明の目的は、利用できる金属が示すより大きい熱伝導率を示す炭 素/炭素フィンを特別に組み立てる方法を提供することである。かくして、この 特別に組み立てられた炭素/炭素フィンは平行板型熱交換器中の隣接プレート間 の熱の伝達を促進する。 本発明のもう一つの目的は、熱交換器中に炭素/炭素プレート構造物も使用し 、それによって改良された軽量の熱交換器を提供する方法を提供することである 。熱交換器構造物中で用いられる材料の評価に適した良度指数(figure of meri t)は、比伝導率(熱伝導率/密度)である。アルミニウムは全ての常用の熱交 換器用金属の中で最高の比伝導率、即ち81ワット/メートルK/g/cm3を 有する。本発明で用いられる炭素/炭素材料はアルミニウムより1.5から2. 5倍大きい比伝導率を有する。 本発明のもう一つの目的は、入手可能なピッチ系炭素繊維から、炭素/炭素熱 交換器を組み立てるのに必要な薄い炭素/炭素シートを作る製造法を提供するこ とである。 本発明のもう一つの目的は、炭素の薄いシートを成形して、炭素/炭素熱交換 器中で使用できる空間的に間隔の密な炭素/炭素フィンであって、その中に加圧 流体を含み、流通させるのに十分な強さを示し、かつ同程度の大きさのアルミニ ウム装置の実用性能に見合うか若しくはそれを超える十分に大きい熱伝導率を示 すそのような炭素/炭素フィンを製作する方法を提供することである。 本発明のもう一つの目的は、プレートと炭素/炭素フィンを堅牢な(ridid) 構造物に組み立てる方法を提供することである。 本発明のもう一つの目的は、炭素/炭素材料の剛性を増大させて容易に取り扱 えるようにするために、炭素/炭素材料を硬化し、熱分解する方法を提供するこ とである。 本発明のもう一つの目的は、空孔を除去して炭素の密度に大体等しい材料密度 、例えば2.1g/cm3を得るために、炭素/炭素熱交換器構造物を緻密化す るのに必要な炭素蒸着法を提供することである。 本発明のもう一つの目的は、炭素/炭素完成組立体に大きい熱伝導率や大きい 強度のような希望される性質を確立するために、高温でアニールおよび加熱加工 処理する方法を提供することである。 本発明のもう一つの目的は、考えられる高温用途に対して十分な酸化安定性と 同抵抗性を提供するために、全過程で適切な工程で行われる溶浸被覆法を提供す ることである。 従って、炭素/炭素複合材料の平行板型熱交換器の製造法にして、低モジュラ スのピッチ系炭素繊維より成る材料の織成シートを用意し、その織成シートをフ ェノール樹脂もしくはエポキシ樹脂から成る群より選ばれる適切な樹脂で含浸し ;その炭素/炭素シートを成形してプレート・シートおよびフィン・シートを作 り;このフィン・シートを平行なプレート・シート間に積み重ねて平行なプレー ト組立体にし;この組立体を適度な温度で硬化させてそのプレートとフィンとを お互いに結合させ;その硬化構造物を不活性雰囲気中もしくは真空中で1‐5℃ /分の速度で900‐1000℃の範囲の温度まで30分から5時間の範囲の時 間 加熱することによりその組立体を熱分解し;この熱分解された組立体構造物を化 学的蒸気浸透法および炭素の化学的蒸着法によって緻密化して総かさ密度を1. 70‐2.20g/cm3となし、かつ沈着炭素の微細構造を、例えば粗‐層状 (rough-laminar)炭素構造となし、ここで緻密化は、高温壁、等温、等圧CV I反応器中で、900‐1000℃の範囲の温度で、炭素含有気体前駆体である メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン、ペンタン、シクロペンタンもし くはヘキサンを含む群から選ばれる構成成分を含んでなる炭素を含む蒸気を用い て行うことができ;その組立体を、その構造物中に存在する繊維状炭素およびマ トリックス炭素の微細構造を秩序化することによりその構造物の物理的性質をさ らに改善するために、1800‐3000℃の範囲の温度でアニールし、それに より熱伝導率の面内成分および面貫通成分を少なくとも一桁増加させ、それによ って希望の機械的性質を達成し、かつその酸化安定性を改善し;その組立体を被 覆材料を用いて溶浸処理することにより空孔を減らして堅牢性を向上させる各工 程を含んでなる、上記の平行板型熱交換器の製造法が提供される。 また、実質的に平行な空間を隔てて配置された第1、第2および第3の炭素/ 炭素プレートにして、第1プレートと第2プレートとがその間に第1流体流路を 画成し、そして第2プレートと第3プレートとがその間に第2流体流路を画成し ているそのような第1、第2および第3プレート;第1流路の第1プレートと第 2プレートとの間に第1流路から第2プレートに熱を伝達すべく配置された複数 の第1炭素/炭素波形フィン;第2流路の第2プレートと第3プレートとの間に 第2プレートから第1流路に熱を伝達すべく配置された複数の第2炭素/炭素波 形フィン;二つの流れている流体の間で希望される熱の総伝達を達成するに足る 十分なサイズの集積積み重ねアレイを形成させるために、第1流路と第2流路と を交互に積み重ねた総スタック(overall stack)を含んで成り、そして上記の 炭素/炭素プレートおよび波形フィンはそれぞれ第1の厚みおよび第2の厚みを 有する薄い、低モジュラスの、織成されたピッチ系炭素繊維より成る薄いシート から作られており、またその織成シートは炭素を生成する樹脂で含浸されている 炭素/炭素複合材料から製造された平行板型熱交換器も提供される。図面の簡単な説明 本発明のこれらの目的および他の目的並びに利点は、添付図面と組み合せて説 明される以下の詳細な説明から更に明らかになるであろう。添付図面において: 図1は、常用の金属製平行板型熱交換器の説明図であり; 図2は、本発明に従って組み立てることができる炭素/炭素平行板型熱交換器 の説明図であり; 図3aおよび3bは、本発明による、織成炭素系シートをフィンに成形するの に有用なツール(tool)の説明図であり;そして 図4は、本発明で用いることができる織り構造を有する炭素プレフォームの説 明図であって、図4aは平織の説明図であり、そして図4bは目の荒い織り(op en weave)の説明図である。好ましい方法の詳細な説明 さて、図2を参照して説明すると、本発明による炭素/炭素平行板型熱交換器 20は、複数の平らな炭素/炭素平行プレート21を含むように示されている。 炭素/炭素フィン22は、流体を流す目的から、また熱交換器20に全体として の堅牢性を付与するために、プレート21を隔てるようにプレート21の間に配 置されている。空気もしくは任意の他の流体のような流体23および24が、交 互に並んだ層中のプレート間を流れる。かくして、流体23はプレート21aと 21bの間を流れ、一方流体24はプレート21bと21cの間を流れる。プレ ート21で形成されるこれら二つの流路が、高温流路29および低温流路30と 名付けられるものである。第2流路30は、非常にしばしば、第1流路29中の 第1流体23の流れに交差して、第2流体24の流れを容易にするように配向さ れている。第1および第2流路29および30は、交流式熱交換器の平行に流れ る流体配列となるように平行に配向されていてもよい。この場合、流体の入りと 出を助けるために特別の設備を付加しなければならない。好ましい態様では、プ レート21は、その組立体が全体として要求される熱伝達能もしくは熱交換能を 提供できるようになるまで、第1および第2流路29および30が交互配置とな るように積み重ねることができる。 炭素をベースとする複合材料からコンパクトな平行板型熱交換器を製作する場 合、以下に説明するような特定の順番の製造工程を含んでいるのが好ましい。一 般に、この方法は、プレートかフィンのいずれかに適した形状に容易に成形でき る低モジュラス・ピッチ系炭素繊維から構成される材料で始められ、次いで熱交 換器のコアの組立体を構成部品から組み立てた後、その組立体構造物の材料を熱 処理して希望の性質を示す最終コアを得る。プレート21およびフィン22用に は織成シートを使用するのが好ましい。プレート21は任意の目の荒い織りのシ ートから製作することができ、このプレート内の全ての空孔を実質的に除去する (下記で説明される)緻密化処理により熱伝導率が実質的に増大する。フィン・ シート22は、希望の波形フィン構造物に成形することができる最低の厚みのテ ープもしくは交叉織物であることができる。この平行プレート21に用いること ができる第1織成シートの厚みは、0.010‐0.020インチの範囲である のが好ましく、そして波形フィンを作るのに用いられる第2織成シートの厚みは 0.003‐0.010インチの範囲であるのが好ましい。 好ましい製造法は、以下において詳細に説明される次の工程を含んでいること ができる。プレートかフィンのいずれかにとって望ましい形状に容易に成形でき る低モジュラスのピッチ系炭素繊維を用意する。好ましいプレフォームは低価格 の低モジュラス・ピッチ系炭素繊維、例えばアモコ(Amoco)P30Xまたはニ ッポン(Nippon)XNC25の織成シートである。この織成マットは、希望の厚 みと表面特性を与えるように選ばれた幾つかの織り構造の中の任意のものでよい 。例えば、図4aに例示されるプレフォームは厚みが大体0.010‐0.02 0インチの範囲であり、平織りがプレートに許容できる結果を与えることが見い だされた。図4bは、目の荒い織りで、厚みが大体0.003‐0.010イン チの範囲であり、図3aおよび3bのツールと組み合せてフィン・プレートに用 いることができるシートを例示するものである。 このような織成シートは、好ましくは、例えばフェノール系もしくはエポキシ ・ノボラック系の適切な樹脂を用い、加圧ローリング法によって含浸処理でき、 この場合、例えば、シートは対向ローラ間で絞られる。樹脂は、ローラ処理の前 もしくは処理中にシートに適用することができる。得られるシートは、そのロー ラを離れた時点で手で取り扱うことができ、そして成形できる状態にある。樹脂 の量は熱分解後に希望の状態が得られるように注意深く調節される。熱分解中に 樹 脂はその大部分を焼失し、残ったも部分が炭素に転化される。樹脂残留物の望ま しい量は元の樹脂の大体20%以下、或いは好ましくは複合材繊維と樹脂構造物 を合わせた容量の3‐11%である。樹脂の熱分解後に残る炭素残留物は、高伝 導性の繊維に転化されないから、その構造物を保持するのに必要な最少量である べきである。 幾つかの処理シートが、実質的に平滑なプレート21に用いることができ、そ して他の処理シートが特別に形作られたフィン22を作るのに用いることができ る。このフィンは波形フィン構造のような形状であるのが好ましい。 樹脂含浸織成フィン・シートはしなやかであり、希望の幾何学的形状のフィン 用に形を整え、成形することができる。ここで、図3を参照して説明すると、希 望の波形フィン・シートを作るのに使用できる二つのツールが例示されている。 図3aには、フィン織布22を受け取る溝44を画成する一連の連結式の実質的 に平行な金属フィンガー42を有する切削加工プレート40から構成されるプレ スタイプの嵌め合せツール(press fit tool)が示されている。インチ当たりの 溝/フィンガーの数がインチ当たりのフィンの数と得られる波形フィン構造物の フィンの高さを規定する。この織成含浸シート・フィンは、好ましくはテフロン 製の挿入ストリップを用いて、溝の中に押し込まれ、成形される。 別法として、図3bに例示される交互配置式ツール(interleaved tool)50 は、波形フィン・シート22を作るために、各金属板もしくはリーブ(leave) の端の回りに樹脂含浸織成フィン・シート22を巻き付けるのに用いることがで きる。第1リーブ51を中心に向かって右に動かし、他方第2リーブ52を中心 に向かって左に動かしてフィン・シート22に波形を形成する。リーブを相次い で中心に向かって移動させると、それにつれて波形が更に形成される。インチ当 たりの溝/フィンガーの数がインチ当たりのフィンの数を規定し、そして得られ る波形フィン構造物のフィンの高さはリーブが重なり合う距離によって規定され る。 次いで、樹脂含浸炭素フィン22を複数の平行なプレート21から成る一組の アレイの間に挿入し、積み重ねて図2に示される構造物を得る。プレート21は フィン・シート22と同じタイプの織成シートから作られ、そして同じタイプの 樹脂で含浸されるのが好ましい。しかし、交互に並ぶこれらフィン・シートは異 なる幾何学的形状であってもよく、またプレート・シート21とフィン・シート 22の織りも異なっていていることができる。次いで、この積み重ねられたアレ イ20は大体200‐300℃の低温の炉の中で硬化されて、全ての炭素/炭素 ピースを相互に結合させる。この硬化は、含浸構造物を2℃/分を超えない速度 で180‐250℃の範囲の温度まで20分から5時間の範囲の時間、好ましく は0.01‐2Mpa(メガ・パスカル)の圧縮応力下でゆっくり加熱すること によって行われるのが好ましい。 この含浸、硬化された炭素繊維樹脂構造物は、ここで、予め決められた温度‐ 時間スケジュールに従って熱分解される。標準的な熱分解スケジュールは、硬化 構造物を不活性雰囲気中もしくは真空中で、1‐5℃/分(好ましくは、2℃/ 分)の速度で、900‐1000℃の範囲の温度まで、30分から5時間の範囲 の時間加熱することを含んでいる。含浸と硬化/熱分解の主な目的は、望ましい 形状 を有し、そして出発時のシートに比べて剛性が大きくなった構造物を提供す ることであり、それにより、その構造物の強度を高め、付加的取り扱いをさらに 容易にすることである。 次の工程は、炭素の化学的蒸気浸透法/化学的蒸着法(CVI/CVD)によ ってこの構造物を緻密化して総かさ密度を1.70‐2.20g/cm3の範囲 に上げ、そして沈着炭素の微細構造を、例えば粗‐層状炭素構造にする工程であ る。この緻密化は、高温壁、等温、等圧CVI反応器中で、900‐1000℃ の範囲の温度で、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン、ペンタン、シ クロペンタンもしくはヘキサンのような炭素含有蒸気もしくは気体前駆体を用い て行うことができる。特定の例としては、1.70‐1.95g/cm3の範囲 の密度を達成するために、純粋の、或いはアルゴンで稀釈したシクロペンタン蒸 気(C510)の流れを利用する方法であって、1000‐1100℃の温度範 囲で、12時間以内の時間で、6‐10%の範囲の全転化効率で行われる(転化 効率は、そのプレフォーム中に固体として混和された炭素の量をその反応器に導 入された前駆体中の炭素の量で割った値と定義される)。 このCVI/CVD処理は、(a)炭素/炭素プレフォームの残留空孔を炭素 で充填し、それにより追加処理後のこの複合材料の希望の機械的性質、熱的性質 および透過/漏出気密性を保証するのに足る十分に大きい密度を達成すること、 および(b)その残留空孔を、適切なさらなるアニール熱処理後にさらに秩序化 され、さらに黒鉛化されて、従って希望の熱伝導率を有するようになる希望され る微細構造、例えば粗‐層状炭素構造を有する炭素で充填することを意図するも のである。 緻密化後に、その熱交換器コアは、その繊維状炭素とその構造物中に存在する マトリックス炭素の両方をさらに秩序化する(それらをさらに黒鉛化する)こと によって、その構造物の物理的性質をさらに改善するために、1800‐300 0℃の温度範囲でアニールされる。これにより、熱伝導率の面内および面貫通成 分が少なくとも一桁増加し、希望の機械的性質が得られ、そしてその酸化安定性 が向上する。 ある種の高温用途の場合、本発明の炭素/炭素プレフォームは、その黒鉛化、 緻密化構造物を、適切な熱処理後に十分な酸化安定性と酸化抵抗性をもたらし、 意図する用途での漏出気密性を改善する適切な材料でさらに溶浸および/または 被覆処理することができる。例えば、炭素/炭素構造物を被覆/溶浸処理するの にホスフェート系溶液を用いることができ、そして不活性雰囲気中で約700℃ に熱処理した後では、このような被覆は中程度の高温で利用するには十分な酸化 抵抗性をこの炭素/炭素構造物に付与するすることができる。 さらに、この黒鉛化、緻密化された炭素/炭素構造物の中に或いはその上に、 SiC被覆、官能基含有品種の(SiC)x1-x被覆、Si34被覆、その他の 同様の材料を単独または組み合せで、ホスフェート系被覆と組み合せあるいは組 み合わせずに適用してその酸化の抵抗性と安定性をさらに改善することができる 。 本発明によれば、これらの炭素/炭素材料からある特定の製造法に従って炭素 /炭素平行板型熱交換器を製造し得ることが分かる。この技術分野の習熟者には 、本発明そのままの、および以下の請求の範囲で規定される本発明の真の精神と 範囲から逸脱しない限り、様々な他の変更を考えることが可能であろう。これら の方法に従って、図1に示された以外の他の幾何学的形状の熱交換器を製造する こ とが可能である。これには、二つの交互フィン流路が交差する方向ではなく、同 じ方向を向いて配置されている交流式設計が含まれ、さらに長方形以外の形状の 熱交換器も含まれる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダンカン,クリストファー・ケイ アメリカ合衆国カリフォルニア州90808, ロング・ビーチ,ハーベー・ウェイ 4909 (72)発明者 フェルマン,マイケル アメリカ合衆国カリフォルニア州94062, ダンヴィル,ブルー・オーク・コート 2003 (72)発明者 ゴレッキ,イラン アメリカ合衆国ニュージャージー州07054, パーシッパニー,ヴェイル・ロード 100, ナンバーエヌ―5 (72)発明者 モードルー,ウィリアム・エフ アメリカ合衆国カリフォルニア州94062, レッドウッド・シティ,ウエスト・カル・ ウェイ 608 (72)発明者 ウォーカー,テランス・ビー アメリカ合衆国インディアナ州46619,サ ウス・ベンド,ピー・オー・ボックス 3151 (72)発明者 ズー,リアン アメリカ合衆国ニュージャージー州07034, レイク・ヒアワサ,マラ・ロード 39

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.次の: 低モジュラス炭素繊維の複数の織成シートを用意し、 その織成シートを樹脂で含浸し、 それらシートを造形してプレートおよびフィンとなし、 それらプレート間にフィン22を積み重ねて積み重ねられたプレート組立体を 作り、 その組立体を適度の温度で硬化させてプレートとフィンとを相互に結合し、 その組立体を熱分解し、 その熱分解組立体を緻密化し、 1800‐3000℃の温度範囲でアニールし、そして その組立体を酸化防止剤で溶浸する 工程を含んでなる、炭素/炭素複合材料の平行板型熱交換器の製造法。 2.低モジュラス繊維の織成シートがピッチ系炭素繊維から成る、請求の範囲 第1項に記載の炭素/炭素複合材料からの平行板型熱交換器の製造法。 3.樹脂がフェノール系、エポキシ系および炭素生成樹脂からなる群より選ば れる、請求の範囲第1項に記載の炭素/炭素複合材料の平行板型熱交換器の製造 法。 4.熱分解加熱が、硬化組立体を不活性雰囲気中で、1‐5℃/分(好ましく は、2℃/分)の速度で900‐1000℃の範囲の温度まで30分から5時間 の範囲の時間加熱することを含む、請求の範囲第1項に記載の炭素/炭素複合材 料の平行板型熱交換器の製造法。 5.熱分解加熱が、硬化組立体を真空中で、1‐5℃/分(好ましくは、2℃ /分)の速度で900‐1000℃の範囲の温度まで30分から5時間の範囲の 時間加熱することを含む、請求の範囲第1項に記載の炭素/炭素複合材料の平行 板型熱交換器の製造法。 6.熱分解された組立体の緻密化工程を化学的蒸気浸透法および炭素の化学蒸 着法により行って、全かさ密度を1.70‐2.20g/cm3にし、かつ沈着 炭素の微細構造を粗‐層状炭素構造と実質的に同じにする、請求の範囲第1項に 記載の炭素/炭素複合材料の平行板型熱交換器の製造法。 7.緻密化工程を、高温壁、等温、等圧CVI反応器中で、900‐1100 ℃の範囲の温度で、炭素含有蒸気、気体前駆体であるメタン、エタン、エチレン 、プロパン、ブタン、ペンタン、シクロペンタンもしくはヘキサンから成る群よ り選ばれる成分を含んでなる雰囲気中で行う、請求の範囲第6項に記載の炭素/ 炭素複合材料の平行板型熱交換器の製造法。
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