JPS645111B2 - - Google Patents

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
構造体及びその作製方法に関するものである。特
には、本発明は、金属基材上に形成される鉄基合
金粒子の火炎溶射マトリツクスであつて、内部に
核沸騰点（核沸騰を生じる部位、場）とそこへの
液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ツクスに関係する。 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と云う。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、気泡は大きくなつて、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。核沸騰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。本明細書において、「核沸騰点（部位、
場）」とは、上記沸騰熱伝達を効率的にもたらす
べくマトリツクス全体に無数に分布せしめられそ
してマトリツクス外面上の沸騰されるべき液体と
流通状態にある小さな孔或いは空洞を云い、ここ
に流入した液体を孔周囲壁からの加熱により急速
に加熱して気化せしめ、所定の大きさに成長する
まで気泡を保持する。その後成長した気泡は孔か
ら離脱し、液体中に浮上していき、同時に新たな
液体が孔内に補充される。 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騰熱伝達を利用する
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
生す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
リツクスの一様な層から成る。金属マトリツクス
内の細隙孔が核沸騰点として機能する。 米国特許第3384154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各孔が捕捉蒸気泡を維
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いに密集して結合して約
0.0045インチ（0.011cm）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
として定義される。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トリツクス
を形成することから成る。 多孔質金属マトリツクス沸騰表面は焼結法によ
つ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
マトリツ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ツクスは隣
りあうマトリツクス粒同志間のまたマトリツクス
粒子と基材との界面において接合されるようにな
る。マトリツ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ツ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ツクスの制
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
様付き表面と定義しうるものである。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
の一様な改質を計つたものである。これら模様付
き表面は、基材表面を、核沸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沸騰表面を平滑
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3990862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ツクス
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3384154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望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、燃料ガスの種類、
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関連する困
難さを示している。 米国特許第4232056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
プ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
騰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、続いて多孔質
沸騰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「火炎溶射ハンドブツク」
に見出される。その一部において、ハンドブツク
は基材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基材の
場合には基材の中心線とによつて或いは平坦基材
の場合には基材表面とによつて形成される角度を
云う。ハンドブツクは、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、ほんの２、３の多孔質金属付着層が
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沸騰表
面は英国特許第1388733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
4093755及び4232056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、共に或る種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
対して有害である。 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
表面は焼結或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。
従つて、比較的費用の安い火炎溶射法によつて高
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 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材上に被覆しうる
方法を提供することである。 本発明の概要 本発明は、金属基材と、該基材上に形成されそ
して互いに溶着した鉄基合金粒子から成り且つ該
溶着粒子間のミクロな間〓における粒子表面を多
数の核沸騰点とする多孔質マトリツクスを備える
沸騰熱伝達構造体において、該マトリツクスが該
マトリツクスの外面からマトリツクス厚さの少な
くとも1/3に等しい深さまで内方に傾斜して伸延
する無秩序に配列されるマクロな孔を更に具備す
ることを特徴とする高能率沸騰熱伝達構造体を提
供する。 本発明はまた、上記高能率沸騰熱伝達構造体の
製造方法として、 (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４〜６
インチ（10.2〜15.2cm）でありそして溶射銃が
溶射火炎の角度が30〜50゜であるよう傾斜した
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) 鉄基合金粉末と搬送する不活性ガス流を還元
性酸素−燃料火炎中に噴出し、そして後溶射銃
のノズルから基材に向け衝突せしめる段階と、 (d) 酸素−燃料火炎と基材とを相対的に移動して
基材上にマクロな孔を有する、少なくとも１層
の多孔質鉄基合金沸騰熱伝達層を形成する段階
と を包含する高能率沸騰熱伝達構造体製造方法を提
供する。 本発明における「マクロな孔」の定義 「マクロな孔」とは金属合金マトリツクス中の
基材から反対側の該マトリツ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、
マトリツ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。ミクロな孔である核沸騰点に較べて大き
いのでこう呼ぶ。マクロな孔はマトリツクス全体
を通して核沸騰点への液体の流入そしてそこから
の蒸気の流出を改善することにより沸騰を向上す
る。もし、マクロな孔が存在しないなら、マトリ
ツクスの外面近くの核沸騰点は活発に沸騰を行な
うが、マトリツクスの深部にある核沸騰点はそこ
への液体の流通と気泡の離脱が速やかに行なわれ
ないので不活性のままである。マクロな孔を形成
することによつて、そこに液体が侵入するから、
マトリツクスの深部にある核沸騰点も液体と近く
なり、活発に沸騰作用を行なうことが出来るよう
になる。このように、マクロな孔は深部の核沸騰
点にも液体と蒸気との都合のよい出入口を与え、
液体とマトリツクスとの接触表面積を孔凹入面積
分増大するものである。マクロな孔を傾斜状態で
形成することにより垂直孔より一層長い孔を形成
出来、液体との接触面積を増大し得る。 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。鉄基合金各粒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、鉄基合金マトリツクスが火炎
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。 本発明の具体的説明 火炎溶射鉄基合金マトリツクスの上面図が第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。マクロな孔自体はマトリツ
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：Ｙ軸巾比をとりうる。円と近以した場合
の開口の平均直径は約0.001インチ（0.003cm）〜
0.010インチ（0.025cm）の範囲で変動する。 マトリツ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つての垂直断面図即
ちマクロな孔の傾斜方向を垂直断面図が第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
つて約40〜60゜の鋭角で傾斜していることがわか
る。 マクロな孔は、鉄基合金マトリツクスの外面か
らマトリツクス厚さの少くとも1/3に等しい深さ
まで伸延している。鉄基合金マトリツクスは、基
材とマトリツクスとの間の界面からマトリツクス
の最大平均ピークと接触する表面（この表面は基
材／マトリツクス界面に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
つて測定したものとしてのマクロな孔の深さはマ
トリツ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１
cm当り約20〜200個の頻度で出現する。最適の沸
騰性能は、マクロな孔が約30〜80個／１cm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ツクスと核沸
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）は鉄基合金マトリツクス
全体を通して存在する。こうした核沸騰点はマト
リツクスの外面に或いはマクロな孔の側壁に連通
し、従つて多孔質沸騰表面を覆う液体への接近口
を持つている。核沸騰点はマクロな孔の側壁に沿
つても存在しうる。核沸騰点内部では、液体は連
続的に沸騰液を補充し、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。マトリツクスの厚み内部に伸延するマク
ロな孔はマトリツ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、以つて沸騰作用の高能率化に寄与す
る。 核沸騰は、マトリツクス内部の約0.00005イン
チ（0.00013cm）〜0.0075インチ（0.019cm）の直
径を有する微小孔において生じる。液体が水の場
合の最適の多孔質沸騰表面に対しては、核沸騰点
が約0.0015〜0.0075インチ（0.004〜0.019cm）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0.00005〜0.0025インチ（0.00013〜0.0064cm）
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ツクス中
に生じうる。 一般に、鉄基合金マトリツクスは約0.003〜
0.030インチ（0.01〜0.08cm）、好ましくは約0.006
〜0.010インチ（0.02〜0.03cm）の厚さを持つよう
基材上に火炎溶射される。もし多孔質マトリツク
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
流通は制約を受け従つ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、
鉄基合金マトリツ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。総空洞分率は更にマクロな孔の
容積分率と核沸騰点の容積分率から成るものとし
て記述されうる。マクロな孔の容積分率はマクロ
な孔の存在による多孔質マトリツクス層中の総容
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。核沸騰点の容積分率は核沸騰点及びその関連
する相互連結チヤネル（導通路）を表す総多孔質
マトリツクス層容積の割合である。本発明に従う
鉄基合金高能率沸騰表面は約0.10〜0.60のマクロ
な孔の容積分率と約0.10〜0.40の核沸騰点の容積
分率を持つ。好ましくは、マクロな孔の容積分率
は0.20〜0.50の範囲にあり、最適には約0.32〜
0.42の範囲にある。核沸騰点の容積分率は好まし
くは約0.15〜0.30、最適には0.15〜0.18の範囲に
ある。 高密度の下地層を設けることが、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0.001〜0.004インチ（0.003〜0.010cm）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。シヨツト
プラステイ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
質層は基材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、マトリツ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
む多孔質層は、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、ニツケル、銅、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うる。鉄基合金表面
は、炭素鋼、ステンレス鋼（例えば304ステンレ
ス鋼）或いは任意のこうした鉄合金でありうる。
好ましい鉄基合金マトリツ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、フインを伴つた
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。 本発明に従つ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重量％の粉末が米国篩
基準325メツシユ篩を通抜けるような、もつとも
好ましくは少くとも95重量％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合金マトリツクスの構造
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ツ
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
された鉄基合金マトリツクスの構造に影響を与え
る。本発明に従えば、或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
合金マトリツ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
位置づけられた酸素−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つて多孔質層が被覆
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。
還元性火炎とは、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
によつ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
つて、還元性火炎を発生するよう本発明に従つて
金属粉末を火炎溶射するに当つて、1.8：１以下
の好ましくは約1.4：１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ヤ
リヤガスが使用される。好ましくは窒素のような
不活性ガスが使用される。キヤリヤガスの流量が
約125〜250ft³／時間（3.5〜７m³／時間）の範囲
の時キヤリヤガスは好ましくは毎分当り約100〜
300gの鉄基合金を搬送する。好ましくはキヤリ
ヤガス流量は約200SCFH（5.6m³／時間）であり
そして鉄基合金供給量は約300g／分である。 酸素−燃料溶射銃は、ノズルから基材への中心
線に沿つての距離が約４〜６インチ（10.2〜15.2
cm）、好ましくは4.75インチ（12.1cm）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、基材に向け
鉄基合金含有火炎を賦形しそして差向けるのに冷
い空気ジエツトが使用されうる。 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。先行技術では定つ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
合金は或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騰点を具備しない比
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。このような粒子が
ある程度固く形を保つていることがマクロな孔と
核沸騰点両方の形成に寄与しよう。粉末供給物の
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銃いずれ
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（2.5〜10.2cm）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。 基材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、基材を単数或いは複数のノズルに対
して長手軸方向に送ると同時に長手軸線を中心と
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
１：１〜30：１、好ましくは約３：１〜８：１の
範囲をとる。 板或いはデイ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ツクスが形成されつ
つある基材間の相対運動に依存する。一例とし
て、鉄基合金マトリツクスが回転中の管状基材に
向け軸線方向にある角度で溶射されるなら、生成
するマトリツ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ツクス
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
の場合にはマトリツ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、デイスクのような平坦な基板が下側の基材に
対して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つての生
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。 図面に従つての詳しい説明 第１及び２図については既に簡単に説明を行つ
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構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トリツ
クス１０から成り、これは約30〜50゜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背後の空間を他の
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ツクス１
０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ツクス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
炎溶射過程中マクロな孔２を遮蔽する壁１２とし
て累積した鉄基合金マトリツクス１０から成り、
またマトリツクス１０が結合層２０を含んでいる
ことを示す。 薄い高密度結合層２０は多孔質鉄基合金マトリ
ツクス１０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。 鉄基合金マトリツクス１０は相互連結された核
沸騰点ネツ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
基材及び鉄基合金マトリツ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沸騰点から脱離する。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ヤネル（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は多孔質マトリツクス層１０の厚
さの少くとも1/3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に至るまで伸び
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ツクス全
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沸騰性能に
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。この場合は管５０の形態にあ
る被覆されるべき金属基材は酸素−燃料火炎溶射
銃６０を横切つて矢印５１により示される長手方
向に移動される。管５０の表面全体を被覆する為
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向に回転され
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に沿つて測定したものとして
管表面から或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〜
15.2cm）離される。軸中心線６２により決定され
るものとして銃は管５０の長手軸線から約30〜
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
な非酸化性キヤリヤガスを使用する。キヤリヤガ
スは通路６２を通して流れて供送口６３から鉄基
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的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。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、これが管５０上に所望の高能率沸騰表面５４
を形成するような角度において衝突する。 第３図は単一層被覆の適用を例示するけれど
も、多数銃配列によつたりあるいは単一銃を同方
向或いは反対方向に移動する多数パスによつて多
層の適用が可能である。 第３図の例においては、管５０には未被覆管部
分５３により明らかなように下地層は設けられな
かつた。これは、管がシヨツト（グリツト）プラ
ステイング或いは酸エツチングのような何らかの
表面粗化準備を受た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被覆されうる
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 Ｉ 炭素鋼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ツクスを火炎溶射
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 ………40゜ 中心線溶射距離 ………4.75インチ（12.1cm） 粉末寸法 ………95％米国篩325メツシユ通過 粉末供給量 ………322g／分 キヤリヤガス ………窒素 キヤリヤガス流量
………200SCFH（5.6m³／時間） 燃 料 ………アセチレン 酸素対燃料比 ………1.4：１ 基材回転速度 ………29.5ft／分（90m／分） 基材長手方向移動速度
………10ft／分（30.5m／分） 上記条件の下で２パスが為された。溶射表面は
約0.007インチ（0.018cm）厚であつた。マトリツ
クスはその外面に開通するマクロな孔によつて不
規則に穿孔されていた。火炎溶射方向及び基材長
手中心線を通る面に沿つてとられたこの炭素鋼マ
トリツクスの垂直断面は、１cm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（0.01cm）の平均深さ、約
0.0013インチ（0.003cm）の平均開口直径を有し
た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。マトリツクスは、光学顕
微鏡観察により約0.33のマクロな孔の容積分率と
約0.16の核沸騰点の容積分率を持つているものと
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10000BTU／時間−ft²の熱束にお
いて約0.75〓（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。図面からわかるように、本
発明の沸騰性能は広範囲の熱束にわたつてろう接
表面より一層効率的である。10000BTU／時間−
ft²（27124Kcal／m²・時間）の熱束において、火
炎溶射表面は僅か0.75〓（0.4℃）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〓
（1.3℃）の△Ｔを有した。 実施例 ステンレス鋼沸騰表面を管状ステンレス鋼基材
周囲に304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 ………4.75インチ（12.1cm） 粉末寸法 ………38％米国篩325メツシユ通過 粉末供給量 ………225g／分 キヤリヤガス ………窒素 キヤリヤガス流量
………200SCFH（5.6m³／時間） 燃 料 ………アセチレン 酸素対燃料比 ………1.4：１ 基材回転速度 ………29.5ft／分（90m／分） 基材長手方向移動速度
………4.8ft／分（12.2m／分） ３パスを行つて３つの多孔質層を付着した。ス
テンレス鋼マトリツクスの厚さは約0.022インチ
（0.056cm）であつた。マトリツクス内のマクロな
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。マトリツクスの外面における孔
開口の平均直径は約0.003インチ（0.008cm）であ
つた。マクロな孔の平均中心線深さは約0.026イ
ンチ（0.066cm）であつた。マクロな孔は１cm当
り約30個の頻度で発生した。 ステンレス鋼マトリツクスは、約0.40のマクロ
な孔の容積分率と約0.17の核沸騰点の容積分率を
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図に点線で示してある。10000BTU／時間・
ft²（27124Kcal／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〓（1.9
℃）の温度差しか持たない。 実施例及び参考例 ３種の火炎溶射高能率沸騰表面を本発明に従つ
てまた鉄基合金がワイヤ或いは粉末いずれかで供
給されそして溶射銃が酸素−燃料銃か或いはアー
ク銃いずれかであるような条件の下で作製した。 各場合、多孔質炭素鋼マトリツクスは管状炭素
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
及び炭素鋼ワイヤ供給物を使用して被覆された。
サンプル３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つて得
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３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斜行するマクロな孔がマ
トリツクス中に見出された。 表１からわかるように、最適の沸騰性能は本発
明に従つて作製された多孔質沸騰表面において生
じ、サンプル３の性能は10000BTU／時間・ft²
（27124Kcal／m²・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】 本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トリ
ツクス中に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備える多孔質
金属マトリツ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ツ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ることを銘記
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
素−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：マトリツクス、２：マクロな孔、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：キヤリヤガス通路、６３：粉末供送
口、６４，６５：酸素−燃料通路。

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そして互い
   に溶着した鉄基合金粒子から成り且つ該溶着粒子
   間のミクロな間〓における粒子表面を多数の核沸
   騰点とする多孔質マトリツクスを備える沸騰熱伝
   達構造体において、該マトリツクスが該マトリツ
   クスの外面からマトリツクス厚さの少なくとも1/
   ３に等しい深さまで内方に傾斜して伸延する無秩
   序に配列されるマクロな孔を更に具備することを
   特徴とする高能率沸騰熱伝達構造体。 ２ マクロな孔が傾斜方向を含む垂直断面におい
   て直線単位cm当たり約20〜200個の割合で存在す
   る特許請求の範囲第１項記載の高能率沸騰熱伝達
   構造体。 ３ マクロな孔が傾斜方向を含む垂直断面におい
   て直線単位cm当たり約30〜80個の割合で存在する
   特許請求の範囲第１項記載の高能率沸騰熱伝達構
   造体。 ４ マクロな孔の中心線の基材に対する傾斜角度
   が40〜60度である特許請求の範囲第１項記載の高
   能率沸騰熱伝達構造体。 ５ マクロな孔のマトリツクス外面での開口の平
   均直径が0.001〜0.007インチ（0.003〜0.018cm）
   である特許請求の範囲第１項記載の高能率沸騰熱
   伝達構造体。 ６ 鉄基合金マトリツクスの厚さが0.003〜0.030
   インチ（0.01〜0.08cm）である特許請求の範囲第
   １項記載の高能率沸騰熱伝達構造体。 ７ 鉄基合金マトリツクスの厚さが0.006〜0.010
   インチ（0.02〜0.03cm）である特許請求の範囲第
   １項記載の高能率沸騰熱伝達構造体。 ８ 鉄基合金マトリツクス総容積におけるマクロ
   な孔の容積分率が0.10〜0.60である特許請求の範
   囲第１項記載の高能率沸騰熱伝達構造体。 ９ 鉄基合金マトリツクス総容積における核沸騰
   点の容積分率が0.10〜0.40である特許請求の範囲
   第１項記載の高能率沸騰熱伝達構造体。 １０ 鉄基合金マトリツクス総容積におけるマク
   ロな孔の容積分率が0.20〜0.50でありそして核沸
   騰点の容積分率が0.15〜0.30である特許請求の範
   囲第１項記載の高能率沸騰熱伝達構造体。 １１ 鉄基合金マトリツクス総容積におけるマク
   ロな孔の容積分率が0.32〜0.42でありそして核沸
   騰点の容積分率が0.15〜0.18である特許請求の範
   囲第１項記載の高能率沸騰熱伝達構造体。 １２ 鉄基合金マトリツクスと基材との間に高密
   度の下地層を有する特許請求の範囲第１項記載の
   高能率沸騰熱伝達構造体。 １３ 下地層が0.001〜0.004インチ（0.003〜
   0.010cm）の厚さを有する特許請求の範囲第１２
   項記載の高能率沸騰熱伝達構造体。 １４ 金属基材が管状である特許請求の範囲第１
   項記載の高能率沸騰熱伝達構造体。 １５ 金属基材がニツケル、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項記載の高能率沸騰熱伝達構造体。 １６ 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項記載の高能率沸騰熱伝達
   構造体。 １７ 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項記載の高能率沸騰
   熱伝達構造体。 １８ 金属基材と、該基材上に形成されそして互
   いに溶着した鉄基合金粒子から成り且つ該溶着粒
   子間のミクロな間〓における粒子表面を多数の核
   沸騰点とする多孔質マトリツクスを備え、該マト
   リツクスが該マトリツクスの外面からマトリツク
   ス厚さの少なくとも1/3に等しい深さまで内方に
   傾斜して伸延する無秩序に配列されるマクロな孔
   を更に具備する高能率沸騰熱伝達構造体を製造す
   る方法であつて、 (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４〜６
   インチ（10.2〜15.2cm）でありそして溶射銃が
   溶射火炎の角度が30〜50゜であるよう傾斜した
   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) 鉄基合金粉末を搬送する不活性ガス流を還元
   性酸素−燃料火炎中に噴出し、そして後溶射銃
   のノズルから基材に向け衝突せしめる段階と、 (d) 酸素−燃料火炎と基材とを相対的に移動して
   基材上にマクロな孔を有する、少なくとも１層
   の多孔質鉄基合金沸騰熱伝達層を形成する段階
   とを包含する高能率沸騰熱伝達構造体製造方
   法。 １９ 鉄基合金粉末の少なくとも95％が米国標準
   篩基準で325メツシユ篩を通り抜けるものである
   特許請求の範囲第１８項記載の方法。 ２０ 高密度の下地層を溶射銃により基材上にあ
   らかじめ付着する特許請求の範囲第１８項記載の
   方法。 ２１ 還元性火炎が化学量論比の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１８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１８項記載の方
   法。