JPS5993864A - 高能率沸騰熱伝達構造体及びその製造方法 - 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】 技術分野 本発明は、火炎溶射鉄基合金製高能率沸騰表面及びその
作製方法に関するものである。特には、本発明は、金属
基村上に形成される鉄基合金粒子の火炎溶射マトリック
スであって、内部に核沸騰点（核沸騰を生じる部位、＠
）とそこへの液一体の流入とそこからの蒸気の離脱を促
進するマクロな孔を具備するマトリックスに関係する。

技術背景 ここで使用される沸騰熱伝達即ち核沸騰は、蒸気泡が一
般には熱源に近接しそして加熱さるべき液体が流通する
孔である、沸騰点（部位、場）においてまず形成される
沸騰様式を云う。液体が核沸騰点に流入するに際して液
体は気化して気泡を形成し、気泡は大きくなって、やが
て気泡の一部は核沸騰点即ち活性点から離脱しそして流
出していく。核ｓａ点には核沸騰を継続するに充分の蒸
気が残留しており、そ−れより続いて流入した液体は迅
やかに気化し、熱源から液体への熱伝達を向上する。

沸騰熱伝達は、加熱及び冷却カラムに対して沸騰熱伝達
を利用する蒸留のような多くの分離プロセスにおいてま
た冷却の為沸垣ε熱伝達を利用する冷却プロセスにおい
て一般に広く使用されている。

一般に、金属管或いは金属板が熱伝達界面として使用さ
れる。平滑な金属表面が沸騰熱伝達用途においては比較
的乏しい性能しか持たないことが周知であるので、向上
せる沸騰熱伝達表面を創生ずるようこうした平滑金属表
面を改良する為の多くの試みが為されてきた。

熱伝達業界では高能率沸騰表面について多くの型式のも
のを実用化している。改善された沸騰表面の一つの主た
る型式は多孔質沸騰表面と一般に呼ばれるものである。

これら表面は熱伝達管のような平滑な金属基材に付着さ
れる多孔質金属マトリックスの一様な層から成る。金属
マトリックス内の細隙孔が核沸騰点として機能する。

米国特許第４３８４，１５４号は、基本的な多孔質沸騰
表面構造と考えられる熱伝達表面を記載している。この
特許は、核沸騰について詳しい説明を与えそして核沸騰
点としての名花が捕捉蒸気泡を維持しうるものでありそ
して核沸騰点から気泡を排除しそして液体を供給する連
続的な沸騰作用を与える為これら孔が相互連結されるよ
うな多孔沸騰表面の性状を記載している。実質上、液体
本体の過熱は全く起らない。この多孔質沸騰表面は熱伝
導性の粒子同志を互りに密集して結合して約０．００４
５インチ（ｏ、ｏｌｌｚ）以下の等価細孔半径を有する
毛管寸法の相互連結孔を形成した一様な層として定餞さ
れる。沸騰表面自体の組織は個々の粒子の実質上一様な
混合物即ち凝集物から成りそして層自体は基板に一様に
被覆される。多孔沸騰表面層を製造する為この特許に開
示された方法は、細い金属粒子の層を基材熱伝達表面に
熱的に結合して相互連結孔を持つ多孔金属マ）　ＩＪラ
ックス形成することから成る。

多孔質金属マトリックス沸騰表面は焼結法によって平滑
な基材上に適当な粉末或いは粒状物質を付着することに
より形成されうる。この場合金属マトリックス全体の温
度がその融点に近い温度まで昇温され、この温度におい
てマトリックスは隣りあうマトリックス粒同志間のまた
マトリックス粒子と基材との界面において接合されるよ
うになる。マトリックスを基材に接合するまた別の方法
は、ろう接によるものであり、ここでは適当な媒介接着
性物質がマトリックス粒子を互いにまた基材に結合する
のに使用される。これら方法はいずれも費用がかかり基
材及び金属マトリックスの制御された態様での加熱を必
要とする。

また別の型式の改善された沸騰表面は、表面模様付き表
面と定畿しうるちのである。これら表面は、表面上に核
沸騰点として機能するような適当な凹みを形成するよう
機械的手段により基材表面の一様な改質を計ったもので
ある。これら模様付き表面は、基材表面を、核９騰点を
創出するべく比較的一様な模様において隆起、トンネル
及び／或いは谷の組合せを機械的に刻印、切削その他の
方法で改質せんとするものである。

最近、一般にメタルスプレイングとしても知られる火炎
溶射技術が適当な多孔質Ｓ騰表面を平滑な基材に被覆す
るのに使用された。火炎溶射は、強熱火炎を使用して溶
融或いは部分溶融金属を基材表面に差向けそして付着す
るものである。火炎溶射は、焼結やろう接より一層適応
容易性のあるそして経済的な多孔質沸騰表面生成手段を
提供しうる。

米国特許第４９９へ８６２号は、酸化物皮膜形成用金属
粒を無秩序に互いに付着させそして金属基材に付着させ
て成る火炎溶射多孔質金属マトリックスを記゛載してい
る。粒間の非接合部分が液体から気体への状態変化を助
成することのできる相互連結オープンセル核生成点を定
義する。この特許に関連する開示は主に粒を取巻く酸化
物層の有益さに向けられており、記載によれば酸化物層
が個々の粒の相互連結を助成するとのことである。

この開示は、前記米国特許第４５８４．１５４号に記載
された表面と関連する多孔質沸騰表面を使用して得られ
たのと同様の核生成点形成の鼠ましさ−を強調している
。

この特許は、金属粉末の火炎溶射が、ガスバランス、溶
射距離及び角度、粒寸分布を含めての粉末の型式、合金
の延性や融点、慾料ガスの種類、粉末供給速度、基材表
面温度、汚染物の存在、基材の形状、溶射ノズルの型式
を含む様々のパラメータに依存することを述べ、ある特
定のパラメータへの依存の詳細には言及していない。こ
の特許及び他の火炎溶射関連技術は特定の用途に対する
適正な火炎溶射条件を選択することにＲ連する困難さを
示している。

米国特許第４．２３２．０５６号は、特別な機械的強度
と有効な沸騰熱伝達の為に必要とされる高度のオーブン
セル孔を有するアルミニウム多孔質沸騰表面を生成する
為の火炎溶射法を開示している。

この方法は、実質上酸化物物質を含有しない多孔質沸露
表面を生成する為不活性ガス、高還元性火炎及びアルミ
ニウムワイヤ原料を使用する火炎溶射銃の使用を含む。

ここに開示される方法は、先ず薄くて比較的高密な結合
層を形成し、続いて多孔ｔｔ　ｓ　側表面を提供する比
較的開口した多孔の上層を形成する２段技術を含んでい
る。

火炎溶射技術に関係する一般的教示は１９６７年メトコ
社より出版された［火炎溶射ハンドブック」に見出され
る。その一部において、ハンドブックは基（オに対する
溶射角度が溶射被覆の物理的性質及び組織に顕著な影響
を持つことを述べている。火炎溶射角とは、溶射火炎の
中心線と円筒晶相の場合には基材の中心線とによって或
いは平坦基材の場合には基材表面とによって形成される
角度を云う。ハンドブックは、４５°以下の火炎溶射角
は一般に不均一な波状組織を生成すると注意している。

火炎溶射による高能率沸騰表面への先行技術の試行方法
は一様な層の形成に向けられていたから、すべての先行
技術における火炎溶射角は約９０°即ち基材に対してほ
ぼ直角にすべきと教示されている。

今日まで、はんの２、乙の多孔ｌｌ金属４１着）６が高
能率沸騰表面として首尾よく火炎溶射により形成された
にすぎない。火炎溶射銅製高能率’ｅｌｌ騰表面は英国
特許第’Ｌ　３８８．７５３号に教示されている。火炎
溶射アルミニウム高能率沸騰表面は米国特許第４．０９
３．７５５及び４，２３４０５６号に教示されている。

銅及びアルミニウム多孔質沸騰表面は火炎溶射されうる
が、共に成る拙の環境に対する耐食性を欠く。多くのプ
ロセス用途、殊に水分や硫黄含有成分を取扱うプロセス
はこれら火炎溶射多孔質沸騰表面に対して有′ざである
。

熱伝達業界は長い間、廉価でありしかも高度の耐食性を
持ちうる炭素鋼或いはステンレス鋼製高能率沸騰表面の
ような火炎溶射による鉄基合金製沸騰表面を必要として
きた。鉄基合金多孔質沸騰表面は焼結成いはろう接によ
るなら作製しうるが、こうした製造技術は既述の通り高
価につく。従って、比較的費用の安い火炎溶射法によっ
て高性能の鉄基合金多孔質沸騰表面を製造することへの
要望が存するのである。

本発明の目的は、高い沸騰性能を有し、作製費が安くて
すみそして様々の使用条件下で高い耐食性を持ちうる鉄
基合金高能率沸騰表面を提供することである。

本発明のまた別の目的は、多孔質鉄基合金付着物を火炎
溶射技術により金属基村上に被桓しうる方法を提供する
ことである。

本発明は、金属基材と該基材上に形成される鉄基合金粉
末から成る火炎溶射マトリックとを包含し、該マトリッ
クスが核、１１　Ｋ１点を具Ｏｉｄすると共に、該マト
リックス外面がらマトリックス厚さの少くともＩＡに等
しい深さまで内方に伸延しそして基材表面と鋭角で交差
する無秩序に配置されるマクロな孔を具ｆＪｕシ、該マ
クロな孔がマトリックス全体を通して核沸騰点への液体
の流入そしてそこがらの蒸気の流出を改善することによ
り沸騰を向上することを特徴とする高能率ｙｈ　ｗｅ衣
表面提供する。

好ましくは、本発明は、金属基材への結合の為の高密度
下地層と沸騰向上の為核沸騰点及びマクロな孔を有する
少くとも１つの多孔質層を包含する鉄基合金粉末火炎溶
射マ）　ＩＪフックス関係する。

本発明はまた、沸騰向上の為マクロな孔を有する多孔質
鉄基合金沸騰表面を金属基材上に付着した高能率沸騰表
面を製造する方法であって、（ａ）　　酸素−燃料溶射
銃を金属基材に対して溶射銃のノズルと基材との間の中
心線距離が約４〜６インチ（１０，２〜ｊ　５．２　ｃ
ｒＲ）でありそして溶射銃が溶射火炎の角度が約３０〜
５ｏ０であるよう傾斜されるような関係で整列する段田
１と、（ｂ）　　不活性ガス流によって鉄基合金粉末を
搬送すする段階と、 （ｅ）　　不活性ガス流を還元性酸素−燃料火炎中に噴
出し、溶射銃のノズルから基材に向は衝突せしめる段階
と、 （ｄ）　　酸緊−燃料火炎と基材との間に相対運動を与
えて基材上に鉄基合金粉末の少くとも一つの層を被覆す
る段階と を包含する高能率沸騰表面製造方法を提供する。

「マクロな孔」とは鉄基合金マトリックス中の基材から
反対側の該マトリックス外面における開口を有する空洞
を云い、これら空洞は該沸騰点として機能するよう蒸気
を有効に捕捉しえないが、マトリックス内の核沸騰点へ
の液体の侵入とそこからの気泡の離脱の改善を与えるこ
とによりこの表面のきわめて高能率化した沸騰特性に寄
与する。

いわば核沸騰点への出入口としての開通空洞をいう。マ
クロな孔である核沸騰点に較べて大きいのでこう呼ぶ。

マクロな孔は鉄基合金粉末が基材表面に対して傾斜した
角度で基材上に溶射される時形成される。

鉄基合金粉末子は基材上に或いは別の粒子と衝突する際
、その背後の空所をやはりその傾斜角度で溶射され・る
その後の溶射粒子への曝露から遮蔽する。こうして、鉄
基合金マトリックスが火炎溶射される方向に向けて鋭角
で傾斜した中心軸線を有するマクロな孔が発現する。

火炎溶射鉄基合金マトリックスの上面図が第１図に示さ
れ、これはマクロな孔が無秩序に配置されている状況を
示す。マクキな孔自体はマトリックスの外面に不規則な
形の開口を有している。これら開口は約１：１〜１０：
１、好ましくは約４：１のＸ：ＹＭ巾比をとりうる。開
口巾は約０．００１インチ（０，００３ｃｍ）〜α０１
０インチ（α０２５ｃｒｎ）の範囲で変動する。

マトリックスが火炎溶射される方向に平行で且つ基材表
面に垂直な平面に沿っての垂直断面図が第２図に示され
、これはマクロな孔の形状と出現周期を示している。マ
クロな孔は基材表面から中心線に沿って約４０〜６０°
の鋭角で傾斜していることがわかる。

マクロな孔は、鉄基合金マトリックスの外面からマトリ
ックス厚さの少くとも兎に等しい深さまで伸延している
。鉄基合金マトリックスは、基材とマトリックスとの間
の界面からマトリックスの最大平均ピークと接触する表
面（この表面は基材／マ）　ＩＪツクス界而面ほぼ平行
であり界面から実質上等しい垂直距離にある）まで測定
した厚さを有するものとして示されている。マクロな孔
は金属基材にまで及んで伸延することもある。マクロな
孔は基材の表面から約４０〜６０°の範囲の鋭角で代表
的に傾斜されるから、その傾斜中心線に沿って測定した
ものとしてのマクロな孔の深さはマトリックス層厚みよ
り長いこともある。

垂直断面図において、マクロな孔は直線距離１α当り約
２０〜２００個の頻度で出現する。最適の沸８性能は、
マクロな孔が約３０〜８０個／　１　ｔ：Ｉｎ直線距離
の割合で長手方向に存在する時実現され、この範囲が核
沸騰が起る鉄基合金マトリックスと核沸騰の為の液体を
与えるマクロな孔とのバランスを表す。

核沸騰点（部位、場）は鉄基合金マトリックス全体を通
して存在する。こうした核沸騰点はマトリックスの外面
に或いはマクロな孔の側壁に連通し、従って多孔質沸騰
表面を覆う液体への接近口を持っている。核ａ騰点はマ
クロな孔の側壁に沿っても存在しうる。核沸騰点内部で
は、液体は連続的に沸几８液を補充し、補充液は迅やか
に液体から気体へと相変化を受けそして気泡として核沸
騰点を離れ、そこに液体が補充される過程が反復的に起
る。マトリックスの厚み内部に伸延するマクロな孔はマ
トリックス内部のこれら核沸騰点への液体の移入を促進
すると共にそこからの気泡の離脱を促進し、以って沸騰
作用のに％能率化に寄与する。

核沸騰は、マトリックス内部の約０．００００５インチ
（α０００１５国）〜α００７５インチ（０，０１９鋸
）の直径を有する微小孔において生じる。液体が水の場
合の最適の多孔質環り、作表面に対しては、核沸騰点が
約α００．１５−０．００７５インチ（ｏ、ｏ　Ｏ４〜
０．０１９ｃｍ）の孔径を有することが好ましい。液体
が寒剤である場合の最適高能率沸騰表面に対しては、核
沸騰点が約０．　ＯＯ，００５〜０、００２５インチ（
０，０００１３〜ａ００６４ｃｒｎ）の範囲の孔径を持
つことが好ましい。これら寸法の孔は本発明の火炎溶射
鉄基合金マトリックス中に生じうる。

−ｉに、鉄基合金マトリックスは約０．００５〜０、０
５０インチ（０，０１−０，０８副）、好ましくは約０
．０Ｏ６ＳＪ０．０１０インチ（０，０２〜０．０３譚
）の厚さを持つよう基材上に火炎溶射される。

もし多孔質マトリックス層がこれより厚すぎると、基材
からの熱伝導及び多孔質沸騰表面全体を通しての液体及
び蒸気の流通は制約を受は従って沸騰表面の効率は減少
する。逆に鉄基合金層が薄すぎると、高性能沸騰の為の
充分な核沸騰点が存在しない。

本発明の多孔質沸騰表面の特性表示において、鉄基合金
マトリックス層の厚さを通しての総空洞容積のめやすで
ある、多孔質沸騰表面の総空洞分率が使用しうる。総空
洞分率は更に大空洞分率と小空洞分率から成るものとし
て記述されうる。大空洞分率はマクロな孔の存在による
多孔質マトリックス層中の総容積の割合でありそしてマ
クロな孔により占められる多孔質沸騰表面の容積のおお
よそのめやすである。小空洞分率は核沸騰点及びその関
連する相互連結チャネル（導通路）を表す総多孔質マト
リックス層容積の割合である。本発明に従う鉄基合金高
能率沸討表面は約０．１０〜０．６０の大空洞分率と約
０．１０〜０．４０の小空洞分率を持つ。好ましくは、
大空洞分率は０．２０〜０．５０の範囲にあり、最適に
は約０．６２〜α４２の範囲にある。小空洞分率は好ま
しくは約０．１５〜ｃＬ３０、最適にはα１５〜０１８
の範囲にある。

火炎溶射マトリックスが少くとも２つの層、即ち高密度
下地層とマクロな孔を有する少くとも１つの多孔質層か
ら構成されることが、必須ではないが、好ましい。下地
層は、基材に密着状態で結合しそして多孔質層に対する
改善された結合表面を提供する鉄基合金或いは他の斯界
で周知の結合用合金の薄い付着物で基材を実質上覆う。

この結合層は約ｏ、　ｏ　ｏ　ｉ〜０．００４インチ（
Ｑ、ｌ］＋１５〜［ＬＤＩＤｍ）の厚さをとりうる。本
発明と関連して記載されるマクロな孔は一般にはこの結
合層内に伸延しない。

このような結合層は、基材と多孔質層との間の適当な接
着用層として働き、表面の沸騰特性の向上に著しく寄与
することを意図しない。ショットブラスティングや酸エ
ツチングの処理を施されたもののような粗化表面基材が
使用される時、多孔質層は基Ｎの粗面に充分に結合しう
るから、結合層は必要とされないことが多い。そのよう
な場合、マトリックス中のマクロな孔は基材表面まで達
しうる。

本多孔質沸騰表面を特性づけるマクロな孔を含む多孔＠
層は、代表的に、もし下地層が存在するなら、下地層の
少くとも４倍の厚さを持つ。

金属基材は、ニッケル、錦、アルミニウム、炭素鋼、ス
テンレス鋼、チタン或いはそれらの合金或いは所要の熱
伝達性質と意図する用途での耐食性を与える他の金属と
なしつる。鉄基合金表面は、炭素鋼、ステンレスｍ（例
えハ３０４ステンレス鋼）或いは任意のこうｔ７た鉄合
金でありうる。好ましい鉄基合金マトリックスと金属基
材の組合せ例は、ステンレス鋼基材上のステンレス鋼粒
、チタン基材上のステンレス鋼粒、炭素鋼基材上の炭素
鋼粒等である。金属基材は、フィンを伴った或いは伴わ
ない、平坦、彎曲、管状・表面のような周知の熱交換器
形態をとりうる。

本発明に従って火炎溶射されるべき鉄基合金は、好まし
くは少くとも５０重ｕ％の粉末が米国篩基準３２５メツ
シュ篩を通抜けるような、もつとも好ましくは少くとも
９５重ｈｋ％の粉末が同３２５メツシユ篩を通抜けるよ
うな粉末形態において提供される。

本発明における鉄基台金マ）　ＩＪラックス構造は、金
属基材に対して斜めに鉄基合金粉末を火炎溶射するのに
酸素−燃料金属溶射銃を使用することにより得られる。

火炎溶射プロセスはマトリックスと基材との間に強固な
機械的結合を生成する。火炎溶射プロセスにおける多く
の因子が溶射された鉄基台金マ）　ＩＪソックス構造に
影響を与える。本発明に従えば、成る種の因子が不規則
に離間した斜行したマクロな孔を有する火炎溶射鉄基合
金マトリックスを得るのに支配的な影響を持つことが見
出された。これら因子は、溶射銃の型式、銃が基材に向
けられる傾斜角及び火炎溶射に供給される鉄基合金の形
態である。こうした中で、火炎溶射角度が約３０〜５０
°の範囲にあるよう位置づけられた酸米−燃料溶射銃を
使用して鉄基合金粉末を溶射することによって多孔質層
が波器されねばならないことが見出された。

酸素−燃料溶射銃は一般に、還元性火炎を生じるよう比
率づけられたガスバランスを使用する。

還元″姓火炎とは、化学量論比の７５％以下の酸化性ガ
ス−燃料ガスモル比を有する反応性ガス混合物によって
発生される火炎である。プロパン、天然ガス及び水素の
ような燃料ガスが使用されうる。

アセチレンがその高い燃焼温度の故に好ましい燃料であ
る。アセチレンの二酸化炭素及び水生成物への完全酸化
を保証するに必要とされる酸素対アセチレンの化学量論
モル比は２．５　：　１である。従って、還元性火炎を
発生するよう本発明に従って金属粉末を火炎溶射するに
当って、１８：１以下の好ましくは約１４：１の酸素対
アセチレンモル比が使用される。

金属粉末を基材まで移送するのに非酸化性キャリヤガス
が使用される。好ましくは室床のような不活性ガスが使
用される。キャリヤガスの流量が約１２５〜２５０　ｆ
ｔ３／時間（６，５〜７ｍ３／７ｍ３／範囲の時キャリ
ヤガスは好ましくは毎分当り約１００〜３００りの鉄基
合金を搬送する。好ましくはキャリヤガス流量は約２０
　Ｏ５ＣＦＨ（５，６ｍ３／時間）でありそして鉄基合
金供給量は約３００２／分である。

酸素−燃料溶射銃は、ノズルから基材への中心線に沿っ
ての距離が約４〜６インチ（１０，２〜１５、２　ｃｎ
ｌ）　、好ましくは４．７５インチ（１２，１ｃｒｎ）
でありそして基材表面から約３０〜５０°、好ましくは
約４０〜４５°の範囲の角度で配向されるよう位置づけ
られる。火炎溶射技術界で周知のように、基板に向は鉄
基合金含有火炎を賦形しそして差向けるのに冷い空気ジ
ェットが使用されうる。

火炎溶射されるべき鉄基合金がバー或いはワイヤの形態
にある時、ここで述べる構造組織は得られない。先行技
術では定った融点を持つ銅やアルミニウムのような金属
が火炎溶射されたが、鉄基合金は成る設定温度において
一様に液化しない。

ワイヤ供送物を使用する火炎溶射鉄基合金表面はワイヤ
供送物が液化することを保証するのに高温を必要としそ
して所要の核沸臆点を具備しない比較的高密の材料被覆
層により特性づけられる。粉末供送物の使用は、火炎溶
射に際して粉末粒が完全には溶融しないまま完全に変形
することなく基材及び他の粒子に衝突しうるから本発明
構造を得るのを助成すると考えられる。このように粒子
がある程度固く形を保っていることがマクロな孔と核沸
肘点両方の形成に寄与−しよう。粉末供送物の使用は、
火炎溶射粒子の寸法についての管理を可能とし、ごく部
分的な溶融が起ることを可能としそして生産速度を増大
しよう。

好ましくは、本方法は結合強度を与える為の高密度下地
層と沸騰向上の為の少くとも１つの多孔質層という少く
とも２つの層の被覆を含む。少くとも１つの多孔質層は
既述した態様で被覆される。

高密下地層は既述の態様でもまた火炎溶射技術界で周知
の任意の態様でも被覆されうる。酸素−燃料溶射銃或い
は電気アーク金属溶射線いずれもが粉末或いはワイヤ供
送材料いずれをも使用して適宜使用されうる。下地層は
一般に約１〜４インチ（２，５〜１０．２α）の範囲の
中心線溶射ノズル−基材距離において被覆される。

暴利上に鉄基合金を付着するのに溶射銃ノズルと基材と
の間に相対運動が必要である。筒状基材の場合には、基
材を単数或いはＷ＆のノズルに対−して長手軸方向に送
ると同特に技手軸線を中心として基材を回転することに
より相対運動が与えられる。円運動対長手方向運動の比
率は代表的に約１：１〜５０　：　１、好ましくは約６
二１〜８：１の範囲をとる。

板或いはディスクのような平坦な基材表面上に多孔質鉄
基合金付着層を被覆する為には、平坦基材は水平運動或
いはらせん運動をなして一つ以上の火炎溶射ノズルに対
して移動されうる。管状基材により為される長手及び回
転運動に類似の水平及び横断運動を得る為に、所望なら
、ノズル或いは基材を揺動することによりノズル及び基
材に対して横断運動が賦与されうる。

マクロな孔の中心線の相対配向は基材の形状と鉄基合金
含有火炎及びマトリックスが形成されつつある基材間の
相対運動に依存する。−例として、鉄基合金マトリック
スが回転中の管状基材に向は軸線方向にある角度で溶射
されるなら、生成するマトリックス中のマクロな孔は管
の長手軸線と同じ軸方向にほぼ同じ鋭角において一様に
交叉する中心線を持とう。もし鉄基合金マトリックスが
火炎溶射方向と基材との間に一定の配向を維持する平坦
基板上にある角度で溶射されるなら、その場合にはマト
リックス中のマクロな孔の中心線は互いにほぼ平行に整
列しよう。また別の例として、ディスクのような平坦な
基板が下側の基材に対しである角度で鉄基合金粒子を噴
射する溶射銃をらせん回転することにより火炎溶射しえ
、その場合らせんの中心からの所定の半径に沿っての生
成マクロ孔中心線は基材を鋭角で交叉しそしてこれら中
心線の基材上への投影線は互いにほぼ平行となる。

図面に従っての詳しい説明 第１及び２図については既に簡単に説明を行ったが、も
う一度参照すると、そこには本発明の鉄基合金高能率沸
騰表面の（１４造特性が示されている。

鉄基合金高能率沸騰表面は鉄基合金マ）　ＩＪラックス
０から成り、これは約６０〜５０°の角度で斜め溶射さ
れる時壁のような集中域１２に累積する傾向を持ち、そ
れらの間にマクロな孔２を創出する。

ここで開示するような火炎溶射角を利用する時、基材に
衝突する粒子はそのｆ後の空間を他の粒子から遮蔽する
ので、マクロな孔２が火炎溶射粒壁の背後に形成される
。これらマクロな孔２は規則的でなく互いに必ずしも平
行でない。第１図に見られるように、マクロな孔はマト
リックス１０全体を通して不規則に分散されている。

マクロな孔２は一つの特徴的な特性を有し、それはマク
ロな孔の中心線が傾斜する角度である。

孔中心線傾斜角度は第２図によく示されている。

第２図は第１図の２−２線に沿う垂直断面図である。第
２図に示される図はマトリックス１０が火炎溶射された
方向に平行でありそして基材表面に垂直である。この断
面図は、多孔質沸騰表面が火炎溶射ノズルマクロな孔２
を遮蔽する壁１２として累積した鉄基合金マトリックス
１０から成り、またマトリックス１０が結合層２０を含
んでいることを示す。

Ｍい高密度結合層２０は多孔質鉄基合金マトリックス１
０を固体金属基材３０から分画している。

マクロな孔は結合層２０内に貫入しない。

鉄基合金マトリックパス１０は相互連結された核部１１
イ点ネットワークを構成する粒群から成り、その幾つか
が番号１６により表示されている。金属両相及び鉄基合
金マトリックスを通して伝わる熱は核沸騰点における液
体を急速に気化せしめる。

気泡が形成されそして核部ＩＩｔ点から脱離する。核沸
騰点は残留蒸気及び入来液体を次々と気泡に変えていく
。図面には示されていないけれども、各沸騰点はそこへ
の液体の流入とそこからの気泡の流出を一般には相互連
結チャネル（導通路）を通して効果的にもたらすもので
なければならない。

マクロな孔２は多孔質マトリックス層１０の厚さの少く
とも見に等しい深さまで伸延している。

幾つかのマクロな孔は結合層２０に至るまで伸ひている
。これらマクロな孔を通しての中心線は火炎溶射方向を
ほぼ指向しそして約４０〜６０°の鋭角で基材３０と交
差している。これらマクロな孔内を自由に循回しうる液
体は多孔質マトリックス全体を通して核沸騰点に容易に
侵入しうる。こうして、マクロな孔はこの表面の特に高
いＩＪＩ’　ｌｉｄ性能に貢献する。

第３図を参照すると、本発明の火炎溶射方法が概略示さ
れている。この」Ｉｈ合はｒ′ｆｓｏの形１ルにある被
覆されるべき全屈基材はＢｌ素−燃料火炎溶射銃６０を
横切って矢印５１により示される長手方向に移動される
。管５０の表面全体を被櫨する為に、管は矢印５２によ
り示されるようにその軸線を中心として回転される。基
材移動の長手及び回転方向は固定されない。基材は火炎
溶射の方向に近づいて或いはそこから離れて長手方向に
移動しうるしまた時計方向或いは反時計方間に回転され
うる。多パスが為されるなら、基材は先ず一方向に移動
されそして後反対方向に移動されうる。火炎溶射銃６０
は、銃ノズル６１の縁の中心から管表面まで中心線５５
に沿って測定したものどして管表面から成る距離に位置
決めされる。本発明に従えば、銃は管表面から約４〜６
インチ（１０，２〜ｉ　ｓ、　２　ｃｍ　）　ｎｔされ
る。軸中心線６２により決定されるものとして銃は管５
０の長手軸線から約６０〜５０°の範囲の角度で配向さ
、れる。

第３図において、火炎溶射銃６０は窒素のような非酸化
性ギヤリヤガスを使用する。キャリヤガスは通路６２を
通して流れて供送口６３がら鉄基合金粉末を吸収或いは
連行しそして粉末を溶射ノズル６２の端から管表面まで
延在しそして境界線６６及び６７により図示されている
酸素−燃料火炎中に噴射する。火炎は、通路６４を通し
て流れそして火炎溶射銃のノズルから環状口６５を通し
て流出する酸素−燃料混合物を着火することにより発生
される。還元性火炎は燃料ガスを完全に酸化するに必要
な化学量論酌量より充分に低い酸化剤量を使用すること
により実現される。

搬送鉄基合金粉末を溶融或いはその外表面を部分溶融す
るに必要な熱エネルギーは、酸素−燃料ガス混合物の燃
焼により供給される一０溶融した或いは部分溶融した粉
末及びガスは羽毛状体を形成し、これが皆５０上に所望
の篩能￥佛騰表面５４を形成するような角度において衝
突する。

第３図は単一層被ａの適用を例示するけれども、多数銃
配列によったりあるいは単−銃を同方向或いは反対方向
に、多動する多数バスによって多Ｊｉの適用がロエ能で
ある。

第３図の例におＩ、−１ては、管５０には未被濱管部分
５６により明らかなように下地層は設けられなかった。

これは、管がショット（グリッド）ブラスティング或い
は酸エツチングのような何らかの表面粗化準備を受だも
のと仮定したからである。

しかし、好ましい実施態様において、本発明方法により
多孔質鉄基合金層被覆前に、基材には標準的な金属溶射
技術を使用して任意に８！覆されうる高密下地層が設け
られうる。下地被覆の使用は沸騰表面の機械的性質を好
都合に向上する。

実施例■ 炭素刻高能率沸騰表面を本発明方法により管状炭素鋼基
材周囲に炭素鋼マトリックスを火炎溶射することにより
製造した。

次の火炎溶射パラメータを有する酸素−燃料銃を第３図
に示したように配列した： 火炎溶射角　−−−一−−−−−・４０゜中心線溶射距
離−−−−−−−４，７５インチ（１２，１ｔｙｎ　）
粉末寸法　−−−−−−−−−−−−−９５％　米国ｕ
６２５メツシュ通過粉末供給量−−−−−−−−−−−
３２２ｙ　７分キャリヤガス　−一一一一一一一屋素 キャリャガス流量−−−−−２０Ｏ５ＣＦＨ（５，６想
３／時間）燃料　−−一−−−−−−−−−−−−−−
−−アセチレン酸素対燃料比−−−−−−−−−１，４
：　１基材回転速度−−−−−−−−−−２９，５ｆ　
ｔ／分（９０％／分）基材長手方向移動速度−，１ｏ　
ｆｔ／分（＋０．５ｍ／分）上記条件の下で２パスが為
された。溶射表面は約０．００　ツイフチ（０，０１８
ｃｍ　）厚であった。マトリックスはその外面に開通す
るマクロな孔によって不規則に穿孔されていた。火炎溶
射方向及び基材長手中心縁を通る面に沿ってとられたこ
の炭素鋼マトリックスの垂直断面は、１ｃｎｔ直線距離
毎に約５５個のマクロな孔の発生頻度を示した。マクロ
な孔は、約０．００６インチ（ｏ、　ｏ　１ｃｍ　）の
平均深さ、約０．００１３インチ（ｏ、ｏｏ３Ｃｒｎ）
の平均開口巾を有し火炎溶射方向に基材表面から約５２
°の中心線角度において傾斜された。マトリックスは、
光学顕微鏡観察により約０，３３の大空洞分率と約０．
１６の小空洞分￥を持っているものと測定された。

沸騰表面は、Ｒ−１２（ジクロロジフルオロメタン）に
おいて１０，０ＯＯＢＴＵ／時間−ｆｔ２の熱束におい
て約０．７５下（０，４２℃）の温度差を示した。

この表面の沸騰性能が先行技術のろう接炭素鋼表面の沸
騰性能と第４図において比較された。本発明に従う表面
の沸騰性能が実線で示されている。

先行技術のろう接表面の沸騰性能は点線（左側）で示さ
れている。図面かられかるように、本発明の沸騰性能は
広範囲の熱束にわたってろう接表面より一層効率的であ
る。１へ０ＯＯＢＴＵ／時間−ｆｔ２（２７，１２４Ｋ
　ｃａｌ　７ｍ２・時間）の熱束において、火炎溶射表
面は僅かα７５°Ｆ　（０，４°Ｃ）の△Ｔしか持たな
いのに対し、先行技術のろう接表面は２．４’Ｆ　（１
，３℃）の△Ｔを有した。

実施例■ ステンレス鋼沸鷹表面を管状ステンレス鋼基材周囲に３
０４ステンレス鋼粉末を火炎溶射することにより作製し
た。

第３図に示すように配列した酸素〜燃料銃を使用した。

火炎溶射パラメータは次の通りとした：火炎溶射角−−
−−−−−−＝−，、、、４０゜中心線溶射距離−一−
−〜−−４，７５インチ（１２，１ｃｍ　）粉末寸法　
　−−−−−〜−−−−−，３８％　米国篩３２５メツ
シュ通過 粉末供給ｆｆｉ　　−−−−−−−−−−−２２５？　
／分キャリャガスーーーーーーーーーー窒素キャリヤガ
ス流量−−−−−２０Ｏ５ＣＦＨ（５，６ｍ３７時間）
燃料　−−一一一−−−−−−−−〜−−〜−−アセチ
レン酸素対燃料比　−〜−−−−−−−ｉ　４二１基材
回転速度−−−−−−−−−２９５ｆ　ｔ／分（ｑａｍ
１分）基材長手方向移動速度−４，８ｆｔ／分（１２，
２ｍ／分）６パスを行って３つの多孔ＪＢｊ層を付着し
た。ステンレス鋼マトリックスの厚さは約０．０２２イ
ンチ（ｏ、ｏ　ｓ　６６ｎ）であった。マトリックス内
のマクロな孔は溶射方向において基材表面から約５２゜
の角度で傾斜していた。マ）　ＩＪソックス外面におけ
る孔開口の平均中は約０．００５インチ（ｏ、ｏｏｓｔ
Ｙｎ）であった。マクロな孔の平均中心線深さは約０、
０２６インチ（０，０６６ｃｍ　）であった。マクロな
孔は１１Ｍ当り約３０個の頻度で発生した。

ステンレス鋼マトリックスは、約０．４０の大空洞分率
と約０．１７の小空洞分率を有することが目視観察によ
り判明した。

水中でのこのステンレス鋼表面の沸騰性能が第４図に点
線で示しである。１ｏ、ｏ　ｏ　ＯＢＴＵ／時間・ｆ　
ｔ２（２７，１２４Ｋｃｍｌ／ｍ２・時間）の熱束にお
いて、水中でのこのステンレス鋼表面は僅か３．５下（
１９°Ｃ）の温度差しか持たない。

３種の火炎溶射高能率沸騰表面を本発明に従ってまた鉄
基合金がワイヤ或いは粉末いずれがで供給されそして溶
射銃が酸素−燃料銃が或いはアーク銃いずれかであるよ
うな条件の下で作製した。

各場合、多孔質炭素ｗｉｗ　）　！Ｊソックス管状炭素
鋼基材周囲に火炎溶射された。サンプル１は酸素−燃料
溶射銃及び炭素鋼ワイヤ供送物を使用して火炎溶射され
た。サンプル２は電気アーク溶射銃及び炭素訃ｒｊワイ
ヤ供送物を使用して被覆された。

サンプル６は炭素鋼粉末を火炎溶射するのに酸素−燃料
溶射銃を使用する本発明方法に従って得た。

各サンプルに対する火炎溶射パラメータ、表面厚さ及び
表面性能を表１に示す。本発明に従うサンプル６のみが
本発明に従う構造特性を明瞭に示し、不規則に分散され
た弱行するマクキな孔がマトリックス中に見出された。

表１かられかるように、最適の沸騰性能は本発明に従っ
て作製された多孔質部層表面において生じ、サンプル３
の性能は１０，０ＯＯＢＴＵ／時聞・ｆｔ”（２４１２
４Ｋｃａｌ　７ｍ”一時間）の熱束においてサンプル２
の約４．７倍そしてサンプル１の約６．７倍の効率向上
を示す。

表　　１ サンプルＡ１ 材料 ′基材　　　　　　　　　　　炭素鋼 鉄基台金マ）　ＩＪラックス　　炭素嗣火炎溶射法 線型式　　　　　　　　　　酸紫−燃料供送物　　　　
　　　　　　ワイヤ 中心線溶対圧＠　（ｃｒｎ）　　　　　　６．４供送物
寸法　　　　　　　　α６２ｃｒｎ供給速度（２ｍ／ｍ
１ｎ）　　　　　　７６キヤリヤガス　　　　　　　　
音素 キャリヤガス流１ｔｓｃＦＨｉ２００（３４ｍ３／時間
）燃料　　　　　　　　　　　アセチレン酸素対燃料比
　　　　　　　２．に１ 基暴利度（ｍ　／　ｍｉ　ｎ） 回転　　　　　　　　　　１２０ 長手移動　　　　　　　　　１０ 表面ｊ厚さくｃｒｎ）　　　　　　　　　０．０２８表
面性能　　　　　　　　　　４（２，２）Ｒ−１２にお
ける１０，０００ ＢＴＵ／時間・ｆｔ２のＱ／Ａ におけるＴ’Ｆ（”Ｃ） ６ 炭素鋼　　　　　　　　炭素鋼 炭素鋼　　　　　　　炭素網 電気アーク　　　　　　酸紫−燃料 ワイヤ　　　　　　　　粉末 ３５　　　　　　　　４０ １４、０　　　　　　　　１２．１ ０、５２　ｃｍ　　　　　　　　９５％　米国篩６２５
メツシュ通過 １１４　　　　　　　　３２２ 窒累　　　　　　　　　窒素 １５００（４２ｍ８７時間）　　　　’２００　（５，
６ｍ５７時間）アセチレン　　　　　　アセチレン １４：１ １２０　　　　　　　　　９０ ｓ、　ｓ　　　　　　　　　　ｔ　ｓ Ｏ，０３００，０２０ ２、ｓ　（ｔ　６）、　　　　　　　０６（０，３）不
発、明の高能率沸騰表面は中心線が鋭角で基材表面に交
差するような、火炎溶射鉄基合金マ）　ＩＪラックス中
伸延するマクロな孔を有するものとして記載したが、マ
クロな孔の中心線が基材表面にほぼ直交するような貫通
マクロ孔を（ｌｉｆｔえる多孔質金属マトリックスを有
する構造も、本発明構造を特性づけるその金属マトリッ
クスにおける核沸騰点へのまたそこからの液体及び蒸気
の改善された流入及び流出を与えるものと予想される。

以上、本発明について具体的に説明したが、本発明の精
神内で多くの改変を為しうろことを銘記されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う鉄基合金高能率沸騰表面の平面図
、第２図は第１図の２−２線に沿う垂直断面図、第３図
は管状基材に対して配位された酸緊−燃料銃を示し、第
４図は熱伝達性能を比較するグラフである。 １０：マトリックス ２：マクキな孔 １２：壁 １６：核沸騰点 ２０：結合層 ３０：基材 ６０：溶射銃 ６１：ノズル ５５：中心線 ６２：キャリヤガス通路 ６３：粉末供送口 ６４．６５：酸素−燃料通路 ：″・　；１） 代理人の氏名　　倉　内　基　弘　、：１・−一〜−二 回　　　　　　　　ガ　　４２台　　　　　　映＼・　
　ノゝ（−〜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）金属基材と該基材上に形成される鉄基合金粒子から
   成る火炎溶射マトリックスとを包含し、該マトリックス
   が核沸騰点を具備すると共に、該マトリックス外面から
   マトリックス厚さの少くとも発に等しい深さまで内方に
   伸延しそして基材表面と鋭角で交差する無秩序に配置さ
   れるマク・口な孔を具備し、該マクｐな孔がマトリック
   ス全体を通して核沸騰点への液体の流入そしてそこから
   の蒸気の流出を改養することにより沸騰を向上すること
   を特徴とする高能率沸騰表面。 ２）マクロな孔が直線単位α当り約２０〜２００個の割
   合で長手方向に発生する特許請求の範囲第１項記載の沸
   騰表面。 の割合で長手方向に発生する特許請求の範囲第１項記載
   の沸騰表面。 ４）マクレな孔の中心線が基材の方に傾斜する角度が約
   ４０〜６０°である特許請求の範囲第１項記載の沸騰表
   面。 ５）マクｐな孔の巾がα００１〜０．００　フインチ（
   ０，００３〜０．０１８ｔＭ）である特許請求の範囲第
   １項記載の沸騰表面。 ６）鉄基合金マトリックスの厚さが約ｒ１．００３〜０
   、０３０インチ（０，０１〜０．０８ｃＩｎ）である特
   許請求の範囲第１項記載の沸騰表面。 ７）鉄基合金マトリックスの厚さが約０．　ＯＯ６〜０
   、０１０インチ（α０２〜ｏ、　０３ａｎ　）である特
   許請求の範囲第１項記載の沸騰表面。 ８）鉄基合金マトリックスの大空洞分率が該マトリック
   スの総容積の約０．１０ν０，６ｏである特許請求の範
   囲第１項記載の沸騰表面。 ９）鉄基合金マトリックスの小空洞分率が約α１゜〜Ｑ
   、４０である特許請求の範囲第１項記載の沸騰１０）鉄
   基合金マトリックスの大空洞分率が約０．２０〜０．５
   ０でありそしてその小空洞分率が約１１１５〜０，３０
   である特許請求の範囲第１項記載の沸騰表面。 １１）鉄基合金マトリックスの大空洞分率が約α３２〜
   ０．４２でありそしてその小空洞分率が約０．１５〜０
   ．１８である特許請求の範囲第１項記載の沸騰表面。 １２）火炎溶射粉末の少くとも９５％が米国標準３２５
   メツシユ師を通抜ける特許請求の範囲第１項記載の沸騰
   表面。 １３）鉄基合金マトリックスが高密度下地層と少くとも
   １つの多孔質上被層から成る特許請求の範囲第１項記載
   の沸騰表面。 １４）下地層が約０．００１〜０．００４インチ（０，
   ００３〜ｏ、　ｏ　１ｏ　ｃｍ　）の厚さを有する特許
   請求の範囲第１２項記載の沸騰表面。 １５）金属基材が管状である特許請求の範り第１項記載
   の沸騰表面。 １６）金属基材がニッケル、銅、アルミニウム、鋼、チ
   タン或いはその合金である特許請求の範囲第１項記載の
   沸騰表面。 １７）鉄基合金が炭素鋼或いはステンレス鋼である特許
   請求の範囲第１項記載の沸騰表面。 １８）基材が炭素鋼でありそして鉄基合金が炭素鋼であ
   る特許請求の範囲第１項記載の沸騰表面。 １９）ｎ騰向上の為マクロな孔を有する多孔質鉄基合金
   沸騰表面を金属基材上に付着した高能率沸騰表面を製造
   する方法であって、 （ａ）　　酸素−燃料溶射銃を金属基材に対して溶射銃
   のノズルと基材との間の中心線距離が約４〜６インチ（
   １０２〜１５．２　ｃｍ　）でありそして溶射銃が溶射
   火炎の角度が約３０〜５０°であるよう傾斜されるよう
   な関係で整列する段階と、（ｂ）　　不活性ガス流によ
   り鉄基合金粉末を搬送する段階と、 （ｃ）　　不活性ガス流を還元性酸素−燃料火炎中に噴
   出し、溶射銃のノズルから基材に向は徳突せしめる段階
   と、 （ｄ）　　酸素−燃料火炎と基材との間に相対運動を与
   えて基材上に鉄基合金粉末の少くとも一つの層を被覆す
   る段階と を包含する高能率沸騰表面製造方法。 ２０）下地層が溶射銃により基材上に予じめ付着される
   特許請求の範囲第１９項記載の方法。 ２１）還元性火炎が化学量論比の約７５％以下の酸化性
   ガス対燃料ガスモル比を有する反応性ガス混合物により
   発生される特許請求の範囲第１９項記載の方法。 ２２）燃料がアセチレンでありそして不活性ガスが窒素
   である特許請求の範囲第１９項記載の方法。