JPS6059033A - ヒ−トパイプ用管材料 - 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】 本発明は、ヒートパイプ用管材料に係り、特に高温水、
例えば２００″Ｃ以上の温度の水を作動媒体とする排熱
回収等のためのヒー１バ・イブ用管祠料に関するもので
ある。

近年、排熱回収用の熱交換器への通用等において注目を
浴びているし−トパイプは、金属パイプ中に封入した作
動媒体の潜熱を利用し７た；ｉハ輸送体として認識され
、これまでに各種の構造のものが提案されているが、そ
れらは、何れも、基本的には、所定のパイプ内において
作動媒体の蒸発と凝縮を繰り返して、その蒸発場所と凝
縮場所との間において熱輸送を行なわしめようとする原
理を採用している。

ところで、このようなヒートパイプの作動媒体としては
、従来から２００℃以下の温度では純水が用いられ、一
方その管材料としては純銅が用いられている。そして、
作動温度が２００℃以上のものにおいては、許容応力の
点から鋼管の使用は困難となるのであり、事実ＡＳＭＥ
規格でも最高使用温度は２０４℃である旨規定されてい
る。従って、作動温度が２００℃を越えるような高温水
を対象とするヒートパイプにあっては、その管材料とし
て黄銅、青銅、白銅等のＪＩＳ規格に定められた熱交換
管用の銅合金が対象として考えられ、とりわけ許容応力
の大きい白銅管が最有力材料として考えられる。

しかしながら、それら銅合金は高温水と反応してＨ２ガ
スを発生せしめる作用を有し、このためヒートパイプ内
の真空度の低下をもたらし、作動媒体の正常な働きを阻
害する問題を内在している。

例えば、白銅管の場合、次のような反応が生し得るので
ある。

Ｃｕ−Ｎ　ｉ　＋ＩＩ２０−−＋Ｃｕ＋Ｎ　ｉ　Ｏ＋Ｈ
２↑従って、このような高温水による酸化反応に対し゛
ζ耐久性のある月利をヒートパイプの管材料として用い
ることが、高温の純水を作動媒体とするヒートパイプに
おいて好適とされ、またそれが望まれているのである。

なお、純銅材料は、上式の如き反応を示さず、耐高温水
酸化性に優れているが、前記指摘したように、その許容
応力が著しく低く、実用上使用することが困）：１〔で
あったのであり、また従来より耐？；Ｊ！　１ｌｆｆｉ
Ｊ合金として知られ゛（いる砒素鋼、カドミウム銅、ク
ロム銅、銀入り銅、ジル−１ニウム銅、チタン銅等にあ
っても、それらは、許容応力上においては好適な管材料
と考えられるものの、それら銅合金材料が高温水との間
におい−Ｃどのような反応を惹起するかについては、全
く知られておらず、当然のことながら、それら銅合金材
料がヒートパイプ用管材料として使用され得るものであ
るか、どうかについて、これまで何等の検ａ］も為され
ていなかったのである。

ここにおいて、本発明者らは、かかる事情に鑑み、従来
から知られていた耐熱銅合金について種々検討している
うちに、高温水による酸化反応に対して抵抗が大きく、
その結果としてＨ２発生量が皆無に近い材料の存在する
ことを見い出したのであり、そしてその結果、それに基
づいて本発明を完成するに至ったのである。

すなわち、本発明の目的とするところは、高温強度を有
すると同時に、高温水に対する耐食性を有し、Ｈ２の発
生による性能低下を招くことのないヒートパイプ用管材
料（銅合金４Ａ利）を提供することにあり、そしてその
ために、Ｚｒを０．０３〜０．５重量％含み、残部がＣ
ｕ及び不可避的不純物からなる銅合金を、ヒートパイプ
用管材料に用いたのである。また、このような本発明に
従う二元合金の他に、所定量のＣｒ及びＡｓを単独で或
いは複合しζ、上記Ｚｒと共に添加した、三元系、四元
系合金であっても、上記本発明の１」的は良好に達成さ
れ、２００℃を越える高温度においても許容応力の１ｒ
Ｇい月利となり、それ故純水を作動媒体とするし−トパ
イプ用管月オ″２１とし、て有利に用いられ得るもので
あることも明らかとなったのである。

ずなわら、そのような三元または四元系合金は、Ｚｒを
０．０３〜０．５重量％含の、」］つ０．２〜１．８重
量％のＣｒ及び／又はＯ，［１５〜０．３重量％のＡｓ
を更に含む、残部がＣＩＪ及び不１ｉＪＷ的不純物から
なるものであり、これら銅合金から構成されるし−トパ
イプ用管材料により、−に述の如き、本発明の目的かイ
ｊ刊に達成され（；、′るのである。

ところで、これら本発明に従うし−トパイプ用管材料を
構成する二元、三元、或いは四元系銅合金は高温水との
反応が極めて緩やかで、その結果Ｈ２ガスの発生が極め
ζ少ない合金系であり、且つ２００°Ｃを越える高温度
においても許容応力の高い材料であり、それ故純水を作
動媒体とするヒートパイプ用管材料として有利に用いら
れｉＭるものであるが、それらの合金におりるＺｒ、Ｃ
ｒ。

Ａｓの添加量（含有量）は、その高温強度と高温水耐食
性より規定されるものであって、本発明者らの検問結果
によると、それら元素の添加は、その量と共に、高温強
度を増大せしめ、特にＣｕ−Ｚｒ二元合金にＣｒ、Ａｓ
を添加↓た場合、その効果が顕著であり、各々０．２％
（重量基４に以下間じ）以上、０．０５％以上の添加に
おいて、その優れた効果を期待することが可能である。

また、ＺｒＭに関しては、かかるＺｒの０．０３％以上
の添加により、その十分な強度向上効果を発揮すること
が出来るのである。

一方、高温水に対する耐食性に関して、Ｚｒ量が０．５
％を越えるようになると、主として、粒界析出物が腐食
を受けるようになるところから、腐食速度が急増する現
象が認められている。また、Ｃｒの添加は、そのような
腐食現象に影響を及ぼしてはいないが、Ａｓの添加はか
かる腐食を抑制する傾向にあるのである。

これらの事実を踏まえ−ｃ１本発明におけるＺｒ。

Ｃｒ、ＡＳの添加量は、二元系合金の場合であっても、
また三元系或い４．Ｊ四元系合金の場合であっても、一
般に下記の如き範囲内で設定されることとなるのである
。

Ｚ　ｒ　：　０．０３〜（１，５％ Ｃｒ：０．２〜１．８％ Ａ　ｓ　：　０．０５〜（１，３％ なお、かかる本発明に従・）合金系は、何れも析出硬化
型であり、語造工程によりその機械的性質が変化するよ
うになるが、通常、それらの合金月利に対しては、〆容
体化処理、焼入れ、冷間加工、焼戻しの各工程を経て、
ト１的とする管４４料が製造の悪いものであっても、純
銅からなる材料に劣ることはなく、大略ＪＯ％キュプＩ
Ｊニッケル拐料程度の物性を有しているのである。なお
、ｉ：％処理の差異による耐食性の相違は、殆ど認めら
れていない。

また、目的とするし一ドパイブの！！Ｉ！！造において
、より安定した（幾械的性質を得るために通常の焼入れ
、焼戻し処理を採用するのが望ましく、これにより管肉
厚を従来のものより薄くすることか可能となり、コスト
セーヒングをもたらす。更に本発明合金系においては、
高温での溶体化処理を行なわず、冷間加工、焼鈍処理た
りてあっても（褒れた機械的性質を得るごとが出来、こ
れによって、型造工程簡略化によるメリットを享受する
ことか可能である。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の幾つかの実施例を示すが、本発明がそれらの実施例
の記載によって限定的に解釈されるものではないこと、
言うまでもないとごろである。なお、実施例中、特に断
りのない）恨り、百分率は何れも重量基〆（（で表示す
イ）ものと′３−　／’、。

実施例　１ 下記第１表に示される合金組成の幾つかの代表的な銅合
金について、クリープ線図をめ、クリープ速度：０．０
１％／　１．　（１００ｌＩｒにＸＩ応する応力値をも
って、許容応力とした。第１図に、３００℃の温度下に
おりる応力／クリープ速度線図を示し、またこの図より
めたｚ′１容応カを下記第２表に示す。

これら図及び表より明らかなように、評価された各種の
１ｌｊｔ　Ｆｌハ銅合金月Ｅ＋中に、１５いて、本発明
に従うＺｒを含む銅合金（合金Ｎｏ、Ｇ、７）が大きな
応力値を示し、キコプＩ：Ｉニッケルの２〜３イＫ、純
銅のＥｉ　０〜８０倍となっている。また、許容応力値
より３００℃飽和茂気圧下での肉厚を１ｉ’ｌ算し、そ
の結果が第２表に４Ｍ記されているが、純銅に比べ、キ
ュプロ二ノゲル系祠１１−ご約３ｏシロ、本発明に従う
Ｚｒ入り合金糸では約５０％のｔル肉化が可能となるこ
とが明らかでｌゑ」す、その経路面メリットは極めて大
きいのである。

第２表 １）×Ｄ ｔ　−−−−−−−−□−−−−− ２σ　４０．８　Ｐ 実施例　２ 前記第１表の合金組成のものより、幅４　（ｌ　ｉｉ　
Ｘ長さ１２５＋＋ｍｘ厚みｌ〜１．５　ｍｍの大きさの
試片を作製し、それら試片について完全脱気した２００
℃又は３００℃高温水中で１０００時間の／３：漬試験
を行ない、それら試片の重量変化量を測定した。

その結果を第３表に示す。

各試料とも、高温水との間において、前述の反応式で示
される如きＨ，Ｏによる酸化反応が惹起され、合金元素
の酸化による重量増加とＨ２の発生をみるのである。本
テスト（オートクレーブテスト）では、全試料を一時に
オートクレーブ内に収容された水中に浸？Ｍしていると
ころから、個々の試料についての発生水素量を把握する
ことは出来なかったが、第３表に示した腐食速度の大き
いものほど、水素量’ＪＥ（ｉｔも多かったものと推定
される。第３表の結果から明らかなように、合金Ｎ０．
１〜７の低合金銅系は、試片表面の変色も極めてわずか
であり、腐食を受けた兆候が殆ど認められなかったのに
対し、合金洩８，９の黄１１４系は）挽面ξ１）１１θ
食を受り、その表面が赤色化しＣいることが認められ、
また合金隔１　（１〜１２の白銅系におい°ＣもＪＩＱ
　Ｎ　ｉ　１７５食を受り、赤色化している部分の存在
が認められた。そして、このような高温水腐食は、２０
０　’ｃから３００°Ｃに温度が上昇することによっ”
Ｃ更に激しくなっ“（いるのである。

第３表 実施例　３ 前記第１表に示す合金陽１．６，９．１０よりなる、長
さ２０７０ＩＩ１１、内容積８６０　ｃｃの銅合金管／
アルミバイメタルフィン構成のヒートパイプ、及び合金
Ｎｏ、１．１０からなるものに更に黄銅製金網（ウィフ
ク）を入れたヒートパイプを、それぞれ製作し、その両
端部を封じた後、封入管部より真空ポンプにて脱気し、
その後蒸溜水を１００ｃｃ注入した。さらに、１１０℃
の温度で約１分間沸騰脱気せしめた後、各封入管をそれ
ぞれ封し、以後の試験の試料とした。

このようにして得られた各試料（ヒートパイプ）を、２
５０℃の温度のか中に１〜２４０１１、冒１１１静置し
、管内面と脱気高温水との腐食反応を生ぜしめた。その
後、炉から各試料を取り出し、加熱ゾーンが約１０００
１１１１１の加熱器内に、各ピー１−パイプ試料を１０
〜３０°それぞれ１頃斜させて静置し、１１０℃×５分
間程度の加熱により、試料管内に発生していた非凝縮性
ガスを追い出し、捕集１ヱ内にｉ１５めた後、該非凝縮
性ガス中のＨ２量について分析し、その結果を下記第４
表に示した。

第４表の結果から明らかなように、合金Ｎｏ、　１及び
６から構成されるし−トパイプにあっては、完全な耐食
性を示し、ヒートパイプの乳・材料として好適なもので
あるものと判断されノこ。しかし、合金Ｎｏ、　１から
なるヒートパイプにあっては、前記実施例において明ら
かにしたように、許容応力上において難点が存在するの
である。

また、合金Ｎｏ、１．１０にてＩｔｌ’ｒ成されたヒー
トパイプのうちのウィックありのものにおける、１時間
後のガスの発生は、ウィックに用いた黄銅製金網のＨ２
Ｏによる酸化に乱づくものと判断された。

これは、ウィックを構成する金網が黄銅色から銅色に変
化しており、そしてその顕微鏡観察の結果、数μ厚めの
脱Ｚ（Ｉ　Ｐｉの形成が確認されたからである。その酸
化反応は、次のように進行するものと考えられる。

（Ｃｕ　−１−Ｚ　１１　）　→ｌＩ２０Ｃｕ　十Ｚ　
ｎ　０−１ＩＩ　２１ さらに、合金１１１ｏ、　９にて構成されたヒートパイ
プにあっては、次の反応により、パイプの合金成分であ
るＺｎ、Ａβがｌ−１２０による酸化反応を受り、ガス
を発生したものと考えられるのである。

（Ｃｕ＋Ｚｎ＋Ａ］）＋１−１２０ Ｃｕ　十Ｚ　ｎ　Ｏ＋　Ａ　Ｉ！　２０３　→−Ｈ２７
また、合金Ｎｏ、１０から構成されたヒートパイプにあ
っては、加熱時間が良い場合には、ウィックなしでもガ
スの発生が確認され、本用途において耐食性のある材料
とは認められなかった。

実施例　４ 下記第５表に示される合金組成の＋４料の１０ｋｇを高
周波溶解炉にて溶解ゼしめた後、アフレコ゛ンカ′ス雰
囲気下に板状鋳塊に造塊し、次いでこの鋳塊を面前して
、２０龍の厚さと為し、次いで９００℃の温度で熱間圧
延することにより、１．５ＩＩＩｌｌ厚さの圧延板を得
た。次いで、この圧延板を９５０°Ｃで溶体化処理し、
そしてその後水冷した後、冷間□圧延を施して、厚さが
ｌ　＋ｉｉの圧延板と為し、更にその後４５０℃×５時
間の焼戻し処理を施し、それぞれの試料板とした。

かくして得られた各種の試料板について、実施例１及び
２と間柱にして、その腐食速度（３００℃脱気高温水、
２４０時間’／’；ｔ　？３′り及び３００°Ｃでの引
張強さを評価し、その結果を下記第６表に示した。

これら第５表及び第６表の結果から明らかなように、Ｚ
ｒ、Ｃｒ、Ａｓの添加は、その添加量と共に、高温強度
を増大せしめ、特にＣｕ−Ｚｒ二元系合金にＣｒ、Ａｓ
を添加した場合において、その９Ｊノ果が顕著となるこ
とが認められるのである。

なお、両立性に関し、Ｚ　ｒ　ｆｉｔが多（なると、主
とし゛Ｃ粒界ＪＪｉ’出物がｊ品食を受＆Ｊるとごイ）
から、ｊｊ九食速度が急増しているが、Ａｓの添加は、
そのような１７７５食を抑制するｌ１４’ｊ向に沙、る
ごとが認められる。

また、Ｃｒの添加は、その桐材の高４１−強度を著しく
　１＋：１めるごとが認められているのである。

１Ｌ、た、第７表に示される、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系系合
金科料製造」−稈におりる機械的性質の変化は、最も条
件のｊｉｌｔい場合におい−（も、純銅材料に劣ること
はなく、１０％キュプし１ニノゲル月料と同程度である
ものと認められる。また、ピー１〜パイプにおいて、そ
の管材料の薄肉化によるコストセーじングを、らえると
、通常の焼入れ−・焼戻し処理が望ましいが、特に高’
ＩＡでの溶体化処理を加えず、冷間加」ニー・焼鈍（５
０［１〜７００℃）だけであっても、合金Ｎｏ、３３か
らなる相料の結果から明らかなように、純銅の機械的性
質を大幅に上回り、１０％キュプヘコニッケル月料４１
４めのものが得られているのである。

第５表 第６表 第７表

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１においてめた応力−クリープ速度線図
（３００℃）である。 出願人　住友軽金属］二業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１Ｚｒを０．０３〜０．５重量％含め、残部がＣｕ
   及び不可避的不純物からなるヒートパイプ角管４Ａ料。 （２１Ｚｒを０．０３〜０．５１量％含み、且つ０．２
   〜１．８重量％のＣｒ及び／又は０．０５〜０．３重量
   ％のＡｓを更に含む、残部がＣｕ及び不可避的不純物か
   らなるヒートパイプ用管材料。