WO2018221437A1 - 熱交換器とその製造方法 - Google Patents

熱交換器とその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2018221437A1
WO2018221437A1 PCT/JP2018/020293 JP2018020293W WO2018221437A1 WO 2018221437 A1 WO2018221437 A1 WO 2018221437A1 JP 2018020293 W JP2018020293 W JP 2018020293W WO 2018221437 A1 WO2018221437 A1 WO 2018221437A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lmd
peripheral surface
outer peripheral
side fluid
temperature side
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/020293
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
井出夫 増田
俊樹 加藤
琢磨 井上
正裕 笹木
Original Assignee
株式会社Ｉｈｉエアロスペース
国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社Ｉｈｉエアロスペース, 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 filed Critical 株式会社Ｉｈｉエアロスペース
Priority to US16/615,209 priority Critical patent/US11383326B2/en
Priority to EP18810397.2A priority patent/EP3633299A4/en
Publication of WO2018221437A1 publication Critical patent/WO2018221437A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/60—Constructional parts; Details not otherwise provided for
    • F02K9/62—Combustion or thrust chambers
    • F02K9/64—Combustion or thrust chambers having cooling arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/97—Rocket nozzles
    • F02K9/972—Fluid cooling arrangements for nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F28F21/085—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from copper or copper alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/04—Tubular or hollow articles
    • B23K2101/14—Heat exchangers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for cooling heat from a high temperature side fluid with a low temperature side fluid.
  • the heat exchanger is used for a rocket engine, for example.
  • the rocket engine includes a combustor and a nozzle.
  • a combustor has a combustion chamber in which fuel is burned to generate combustion gas.
  • the nozzle generates the thrust of the rocket by ejecting the combustion gas generated in the combustion chamber to the outside.
  • the rocket engine combustor is configured as a heat exchanger so as not to be damaged by the heat of the combustion gas. That is, the combustor is formed with a cooling flow path through which a cooling medium for cooling the heat from the combustion gas flows.
  • a rocket engine combustor is described in Patent Document 1, for example.
  • the combustor includes an inner cylinder that surrounds the combustion chamber and is formed of copper, an outer layer that is formed on the outer peripheral surface of the inner cylinder, and an LMD layer that is formed on the outer peripheral surface of the outer layer.
  • a plurality of grooves extending in the axial direction of the inner cylinder are formed on the outer peripheral surface of the inner cylinder at intervals in the circumferential direction. These grooves become the above-described cooling flow paths by being covered with an outer layer.
  • the outer layer has a copper layer formed on the outer peripheral surface of the inner cylinder and a nickel layer formed on the copper layer.
  • the LMD layer is formed on the nickel layer by LMD (laser powder overlay welding) processing.
  • nickel-base alloy powder is melted with laser light and bonded to the nickel layer.
  • an LMD layer made of a nickel-based alloy is formed.
  • the LMD layer is provided to suppress deformation of the inner cylinder and the outer layer.
  • the combustor of the rocket engine is composed of a heat transfer body made of copper (for example, a structure composed of the inner cylinder and the outer layer described above) and an LMD layer that reinforces the heat transfer body, the cost is reduced. Therefore, it is desirable to omit the above-described process for providing the nickel layer.
  • a heat exchanger for cooling the heat from the high temperature side fluid with the low temperature side fluid is composed of a heat transfer body formed of copper and an LMD layer that reinforces the heat transfer body.
  • an object of the present invention is to provide a heat exchanger for cooling heat from a high-temperature side fluid with a low-temperature side fluid, when an LMD layer is formed on the outer peripheral surface of a heat transfer body made of copper. It is an object of the present invention to provide a technique that eliminates the need to form a layer (for example, a nickel layer) of a material having a laser beam reflectance lower than that of copper.
  • the method according to the present invention is a method of manufacturing a heat exchanger for cooling heat from a high temperature side fluid with a low temperature side fluid that is cooler than the high temperature side fluid
  • a heat transfer body having an internal space in which one of the high temperature side fluid and the low temperature side fluid is present is prepared, and the heat transfer body is a component of the heat exchanger and surrounds the internal space Is formed of a material containing pure copper or a copper alloy, and a flow path for flowing the other of the high temperature side fluid and the low temperature side fluid is formed in the wall
  • B By LMD (laser powder overlay welding) processing, an LMD layer is directly formed on the outer peripheral surface of the heat transfer body, In the LMD process, a metal material is supplied to a supply position on the outer peripheral surface of the heat transfer body, and the outer peripheral surface formed of the material containing pure copper or a copper alloy is irradiated with a laser beam to the supply position; Melting both of the metal materials to form the L
  • LMD laser powder overlay welding
  • the heat exchanger according to the present invention is a heat exchanger for cooling heat from a high temperature side fluid with a low temperature side fluid that is lower in temperature than the high temperature side fluid,
  • a heat transfer body having an internal space in which one of the high temperature side fluid and the low temperature side fluid exists,
  • the heat transfer body is formed of a material containing pure copper or a copper alloy as a wall surrounding the internal space, and a flow path for flowing the other of the high temperature side fluid and the low temperature side fluid is formed in the wall.
  • the heat exchanger includes an LMD (laser powder overlay welding) layer formed directly on the outer peripheral surface of the heat transfer body.
  • the energy density of the laser beam is set to a height at which both the material containing pure copper or copper alloy of the heat transfer body and the metal material of the LMD layer can be melted.
  • the LMD layer can be directly formed on the outer peripheral surface of the material containing pure copper or copper alloy in the heat transfer body so that the bonding strength between the heat transfer body and the LMD layer is sufficiently high. Therefore, it is possible to omit a step of forming a layer of a material having a lower laser beam reflectance than a material containing pure copper or a copper alloy on the outer peripheral surface of the heat transfer body.
  • FIG. 1 shows a structure of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • 1B is a 1B-1B cross-sectional view of FIG. 1A.
  • FIG. It is a flowchart which shows the manufacturing method of the heat exchanger by embodiment of this invention. It is explanatory drawing of the manufacturing method of the heat exchanger by embodiment of this invention. It is explanatory drawing of the positional relationship between adjacent beads in LMD processing.
  • FIG. 4B is a view taken along line VV in FIG. 4A and shows a positional relationship between the preceding bead and the next bead.
  • FIG. 1A shows the structure of a heat exchanger 10 according to an embodiment of the present invention.
  • 1B is a cross-sectional view taken along the line 1B-1B of FIG. 1A.
  • 1A is a cross-sectional view taken along the line 1A-1A of FIG. 1B.
  • the heat exchanger 10 is for cooling the heat from the high temperature side fluid with the low temperature side fluid that is lower in temperature than the high temperature side fluid.
  • the heat exchanger 10 includes a heat transfer body 3 and an LMD (laser powder overlay welding) layer 5.
  • LMD laser powder overlay welding
  • the heat transfer body 3 has an internal space 7 in which one of the high temperature side fluid and the low temperature side fluid exists.
  • the high temperature side fluid is generated or flows in the internal space 7.
  • the high temperature side fluid is, for example, a gas such as combustion gas or water vapor, but may be a liquid.
  • the heat transfer body 3 is formed as a wall surrounding the internal space 7, and a flow path 9 is formed in the wall.
  • the heat transfer body 3 may be formed in a cylindrical shape having an internal space 7 as shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the entire heat transfer body 3 is formed of pure copper or a copper alloy (a copper alloy containing copper as a main component). Therefore, the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3 is also formed of a material containing pure copper or a copper alloy.
  • “copper material” means a material containing pure copper or a copper alloy.
  • the material containing pure copper or a copper alloy may be pure copper or a copper alloy.
  • the heat exchanger 10 constitutes a combustor 10a of a rocket engine.
  • the heat exchanger 10 may be used as other heat exchangers used in industry.
  • the heat exchanger 10 may be used as a steam generator or a condenser, or may be used in a ship or a car.
  • the heat transfer body 3 is cylindrical, and the internal space 7 of the heat transfer body 3 includes a combustion chamber 7a of the rocket engine combustor 10a.
  • the combustion chamber 7a is a space region in which liquid fuel or solid fuel is burned to generate combustion gas as the above-described high temperature side fluid.
  • the rocket engine includes a nozzle 10b in addition to the combustor 10a.
  • the nozzle 10b generates thrust of the rocket by ejecting the combustion gas generated in the combustion chamber 7a to the outside.
  • the heat exchanger 10 constitutes not only the combustor 10a but also the nozzle 10b of the rocket engine. That is, in FIG. 1A, the combustor 10a and the nozzle 10b are integrally formed. However, the combustor 10a and the nozzle may be combined with each other after being manufactured separately. That is, the heat exchanger 10 constitutes the combustor 10a, but may not constitute a nozzle.
  • the internal space 7 of the heat transfer body 3 includes a combustion chamber 7a and a flow path 7b of a nozzle 10b into which combustion gas flows from the combustion chamber 7a.
  • the flow path 9 extends in a direction along the axis C of the heat transfer body 3 and the inner peripheral surface 3b, and a plurality of the flow paths 9 are formed at intervals in the circumferential direction.
  • the flow path 9 may be a flow path for flowing liquid fuel flowing from the right side to the left side of the drawing.
  • the liquid fuel is introduced into the combustion chamber 7 a (for example, by a pipe (not shown)) and burned to become combustion gas.
  • the heat of the combustion gas exchanges heat with the liquid fuel flowing through the flow path 9. Since the temperature of the liquid fuel rises due to this heat exchange, the liquid fuel is introduced into the combustion chamber 7a in a state where it is easily combusted.
  • the LMD layer 5 is directly formed on the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3 by LMD processing.
  • the LMD layer 5 has a function of suppressing deformation of the heat transfer body 3 due to one or both of heat and pressure of the high temperature side fluid. That is, the LMD layer 5 has higher strength than the copper material forming the heat transfer body 3. Further, the LMD layer 5 may further have a function of suppressing the heat transfer body 3 from being deformed by the pressure of the cooling medium (low temperature side fluid) flowing through the flow path 9.
  • the LMD layer 5 is formed of a metal material that performs such a function. This metal material may be a nickel-based alloy containing nickel as a main component. For example, the metal material may be Inconel (registered trademark).
  • the tensile strength at the joint between the heat transfer body 3 and the LMD layer 5 is larger than the tensile strength of the heat transfer body 3 itself (that is, the copper material itself forming the heat transfer body 3).
  • the LMD layer 5 When the metal material forming the LMD layer 5 is a nickel-based alloy, for example, the LMD layer 5 has a uniform nickel concentration throughout the LMD layer 5.
  • a low reflectivity layer for example, pure nickel
  • an LMD layer of a nickel base alloy having a nickel content of a predetermined weight percent is formed on the outer peripheral surface of this layer. In this case, when the low reflectivity layer is melted and integrated with the LMD layer by the heat of the laser beam during the LMD processing, the low reflectivity layer and the nickel base alloy have different nickel concentrations.
  • the nickel concentration differs between the low-reflectance layer portion and the nickel-based alloy portion.
  • the nickel concentration in the vicinity of the outer peripheral surface 3a in the LMD layer formed according to Patent Document 1 is different from that in the LMD layer 5 directly formed on the outer peripheral surface 3a in the present embodiment.
  • the first LMD sublayer 5a described later is mixed with the copper material of the outer peripheral surface 3a, but the outer peripheral portion of the first LMD sublayer 5a is not mixed with the copper material of the outer peripheral surface 3a.
  • the concentration of the main component (for example, nickel) of the metal material is substantially the same as the second LMD sublayer 5b described later. That is, in the present embodiment, the concentration of the main component (for example, nickel) of the metal material is uniform throughout the LMD layer 5 except for the portion that is mixed with the copper material of the outer peripheral surface 3a.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing the heat exchanger 10 according to the embodiment of the present invention.
  • 3A to 3D are explanatory views of this manufacturing method.
  • the manufacturing method of the heat exchanger 10 includes step S1 and step S2.
  • step S1 the heat transfer body 3 described above is prepared.
  • the heat transfer body 3 shown in FIG. 3A is prepared.
  • the heat transfer body 3 prepared in step S1 has an inner cylinder having a plurality of grooves on the outer peripheral surface and formed of a copper material, and an outer layer of copper material formed on the outer peripheral surface of the inner cylinder. There may be. In this case, the plurality of grooves become the flow paths 9 by being covered with the outer layer.
  • the inner cylinder may be a machined forged material, and the outer layer of the copper material may be formed by an electroforming method or other methods.
  • the heat transfer body 3 prepared in step S1 may be integrally formed so as to have the flow path 9 in the wall.
  • the heat transfer body 3 may be formed by, for example, a 3D (three-dimensional) printer.
  • the heat transfer body 3 may be formed of a material having the same physical properties (for example, strength, thermal conductivity, dielectric constant, etc.) throughout. That is, the heat transfer body 3 may have the same physical properties throughout.
  • step S2 the LMD layer 5 is directly formed on the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3 prepared in step S1.
  • the formation of the LMD layer 5 is performed by LMD processing.
  • Step S ⁇ b> 2 is performed by the LMD device 11.
  • the configuration of the LMD device 11 may be the same as that of the LMD device 11 described in Patent Document 1 except for the point related to the energy of the laser beam to be output.
  • the LMD apparatus 11 supplies a powdered metal material (metal powder) to a supply position on the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3, and irradiates the supply position with laser light. To do. Thereby, both the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3 and the metal material are melted to form the LMD layer 5 (first LMD sublayer 5a described later in FIG. 3B) of the metal material bonded to the outer peripheral surface 3a. . At this time, the energy density of the laser beam is set to a height at which both the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3 and the metal material are melted at the supply position on the outer peripheral surface 3a.
  • the metal material used in step S2 may be a nickel-based alloy.
  • the supply position means a position where the metal material is supplied and the laser beam is irradiated.
  • the LMD device 11 supplies an inert gas (for example, argon gas) so as to surround the supply position of the outer peripheral surface 3a, thereby blocking the supply position from the surrounding air with the inert gas, and the outer peripheral surface at the supply position. 3a and the oxidation of the metal material are prevented.
  • an inert gas for example, argon gas
  • the LMD layer 5 is formed in the target range of the outer peripheral surface 3a (for example, the entire outer peripheral surface 3a) by shifting the supply position. That is, the LMD layer 5 is formed over the target range by supplying the metal material to the supply position and irradiating the laser beam while shifting the supply position.
  • the direction of this transition (hereinafter also simply referred to as the transition direction) is the circumferential direction of the heat transfer body 3 (for example, the spiral direction around the axis C of the heat transfer body 3). The direction along the axis C may also be used.
  • the LMD apparatus 11 When the transfer direction is the circumferential direction of the heat transfer body 3, the LMD apparatus 11 is held while the heat transfer body 3 is gripped and rotated about the axis C by the gripping device 13 (shown by a one-dot chain line in FIG. 3B). Is moved little by little in the direction along the axis C of the heat transfer body 3.
  • the transfer direction is a direction along the axis C, for example, the LMD device 11 is moved from one axial end of the heat transfer body 3 to the other axial end, and then in the circumferential direction of the heat transfer body 3. The position is shifted slightly and the movement of the heat transfer body 3 from the other axial end to the one axial end is repeated.
  • Step S2 includes steps S21 to S24.
  • step S21 as shown in FIG. 3B, the LMD device 11 supplies a metal material to a supply position on the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3, and irradiates the supply position with laser light. Thereby, both the outer peripheral surface 3a and the metal material are melted to form the first LMD sublayer 5a of the metal material bonded to the outer peripheral surface 3a. That is, by shifting the supply position, the first LMD sublayer 5a is formed over the target range.
  • the outer peripheral side part of the 1st LMD sublayer 5a is not mixed with the copper material of the outer peripheral surface 3a.
  • a metal material (powder) is poured into a pond in which the heat transfer body 3 is melted, and the metal material is also melted and mixed with the pond. However, a layer of only the metal material is formed on the outer portion of the mixed portion.
  • step S22 the output energy of the laser beam used in the LMD process (energy per unit time (unit: watts, for example)) is decreased.
  • the energy density of the laser beam at the supply position becomes lower than that in the above-described step S21 (for example, less than half that in the case of step S21). That is, in steps S23 and S24, it is only necessary to melt the outer peripheral surfaces of the first and second LMD sublayers 5a and 5b, which have lower laser beam reflectivity than the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3. Reduce the energy density of laser light.
  • the energy density at the supply position in step S22 may be reduced by increasing the spot diameter of the laser light at the supply position in addition to or instead of reducing the output energy of the laser light.
  • step S23 as shown in FIG. 3C, the LMD device 11 supplies a metal material to a supply position on the outer peripheral surface of the first LMD sublayer 5a, and irradiates the supply position with laser light, thereby Both the surface and the metal material are melted to form the second LMD sublayer 5b of the metal material bonded to the outer peripheral surface. That is, the second LMD sublayer 5b is formed over the target range by shifting the supply position.
  • step S24 the LMD device 11 supplies the metal material to the supply position on the outer peripheral surface of the second LMD sublayer 5b, and irradiates the supply position with the laser beam, whereby both the outer peripheral surface and the metal material are applied.
  • a third LMD sublayer 5c of a metal material bonded to the outer peripheral surface is formed. That is, by moving the supply position, the third LMD sublayer 5c is formed in the target range as shown in FIG. 3D.
  • the number of LMD sublayers constituting the LMD layer 5 is limited to three of the first to third LMD sublayers 5a to 5c as long as the deformation of the heat transfer body 3 can be suppressed as described above. It may be one, two, or four or more.
  • the metal material for forming each LMD sublayer (the LMD sublayers 5a to 5c in the above description) may be the same.
  • FIG. 4A is a partially enlarged view of FIG. 3B.
  • the beads B, B1, and B2 which are the deposited metals of the metal material are moved in the direction of the transition (the circumferential direction in FIGS. 3B and 4A). 4), the LMD layer 5 is formed by the beads B, B1, and B2.
  • the first bead B1 and the next bead B2 are formed in this order.
  • Each of the beads B, B1, and B2 may form one bead that extends continuously (for example, spirally), and Fig. 4B corresponds to Fig. 4A.
  • the bead B1 is formed, but the next bead B2 is not yet formed.
  • FIG. 5 corresponds to the VV arrow view of FIG. 4A and is a diagram in which the previous bead B1 and the next bead B2 in FIG. 4A are developed in the transition direction.
  • the hatched portion indicates a laser beam spot that is an irradiation range of the laser beam to the supply position.
  • next bead B2 adjacent in the direction along the outer peripheral surface 3a is formed with respect to the previously formed bead B1
  • the previous bead B1 is partially covered.
  • the next bead B2 is formed.
  • a part of the outer surface of the previous bead B1 for example, 1 ⁇ 4 or more of the outer surface and 2/3 or less, 2 or more, 2/3 or less, or 3 or more). 1 ⁇ 2 or less) is covered with the next bead B2.
  • next bead B2 With the laser beam forming the next bead B2, a part of the outer surface of the previous bead B1 (for example, 1 ⁇ 4 or more of the outer surface and 2/3 or less, 3 or more and 2 / 3 or less, or 1/3 or more and 1/2 or less) and melted to bond (integrate) the previous bead B1 and the next bead B2.
  • the next bead B2 When the next bead B2 is formed, it becomes the previous bead, and the next bead is formed in the same manner as described above with respect to the previous bead B2. This is repeated from the start to the end of step S2.
  • Oxides are formed on the outer surfaces of the beads B, B1, B2 by touching the air after the beads B, B1, B2 are out of the above-mentioned inert gas region.
  • the oxide is indicated by broken lines.
  • the oxide of the portion covered with the next bead B2 is fused with the LMD layer 5 or melted by the heat of the laser beam when the next bead B2 is formed.
  • the bead moves to the outer surface of the sublayer 5a, 5b or 5c).
  • the oxide shown with a broken line does not exist between adjacent beads B, B1, and B2.
  • the boundaries between the beads B, B1, and B2 adjacent to each other are illustrated for the sake of explanation, but in reality, there is no boundary between the beads adjacent to each other, and the beads Are fused and integrated.
  • the width of the bead is determined by the spot diameter of the laser beam at the supply position, and the laser beam for forming the next bead B2 is irradiated at substantially the same position as the position where the bead B2 is formed.
  • the oxide on the outer peripheral surface of the first LMD sublayer 5a is melted by the laser light used to form the second LMD sublayer 5b and fused with the LMD layer 5. Or move to the outer surface of the LMD layer 5.
  • Table 1 shows experimental data showing the conditions and results relating to step S21 in the above manufacturing method.
  • Laser density is the energy density of laser light at the supply position.
  • Medical incident energy is the output energy of laser light per unit mass of a metal material (nickel-based alloy) supplied to a supply position per unit time.
  • the “bonded state” is a bonded state between the LMD layer 5 formed in step S21 and the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3.
  • “unsuitable” indicates that the amount of the LMD layer 5 dissolved in the heat transfer body 3 is shallow, and partial peeling occurs in the LMD layer 5 due to internal stress.
  • “Possible” indicates that the amount of the LMD layer 5 dissolved in the heat transfer body 3 is shallow, but the bonding strength between the outer peripheral surface 3 a and the LMD layer 5 can be expected to be appropriate.
  • “Good” indicates that the amount of penetration of the LMD layer 5 into the heat transfer body 3 is appropriate, and that the bonding strength between the outer peripheral surface 3 a and the LMD layer 5 can be expected to be sufficient.
  • “Optimum” means that the LMD layer 5 has a sufficient amount of penetration into the heat transfer body 3 and the tensile strength at the joint between the outer peripheral surface 3a and the LMD layer 5 is the copper material of the heat transfer body 3 (in this example, It shows that it was confirmed that it was higher than the tensile strength of the copper alloy) itself.
  • the energy density of the laser light applied to the supply position on the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3 is 420 W / mm 2 or more (for example, 424 W / mm) at the supply position. mm 2 or more), it may be a 460W / mm 2 or more (e.g. 467W / mm 2 or more), or 490W / mm 2 or more (e.g. 495W / mm 2 or higher).
  • the upper limit of the energy density may be about 500 W / mm 2 or 600 W / mm 2 , but is not limited thereto.
  • the output energy of the laser beam per unit mass of the metal material (nickel-based alloy) supplied to the supply position per unit time in step S21 is 360 W / ( g / min) or more (eg, 365 W / (g / min) or more), 400 W / (g / min) or more (eg, 402 W / (g / min) or more), or 420 W / (g / min) or more (eg, 426 W / (G / min) or more).
  • the output energy of the laser light is not limited to these ranges as long as the metal material can be sufficiently melted, and can be appropriately set.
  • Table 2 below shows experimental data showing the conditions and results relating to steps S23 and S24 in the above-described manufacturing method.
  • Table 2 “Good” in the “bonded state” indicates that the second or third LMD sublayers 5b and 5c are well and integrally bonded to the lower LMD sublayers 5a and 5b.
  • Table 2 Each term in Table 2 is the same as in Table 1.
  • the energy density of the laser light applied to the supply position is, for example, 175 W / mm 2 or more (eg, 176 W / mm 2 or more) at the supply position.
  • the present invention is not limited to this as long as the metal material can be melted and integrally bonded to the lower LMD sublayer.
  • the output energy of the laser beam per unit mass of the metal material (nickel-based alloy) supplied to the supply position per unit time in the above-described steps S23 and S24 is 140 W. / (G / min) or more.
  • the energy of the laser light is not limited to these ranges as long as the metal material can be sufficiently melted, and can be appropriately set.
  • the energy density of the laser beam is set to a height at which both the copper material forming the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3 and the metal material of the LMD layer 5 can be melted.
  • the LMD layer 5 can be directly formed on the outer peripheral surface 3a of the copper material in the heat transfer body 3 in a state where the bonding strength between the heat transfer body 3 and the LMD layer 5 is sufficiently high. Therefore, it is possible to omit the step of forming a layer of a material having a laser beam reflectance lower than that of the copper material on the outer peripheral surface 3a of the heat transfer body 3.
  • next bead B2 is formed so as to partially cover the previous bead B1, the oxide generated on the outer surface of the previous bead B1 by the laser light when forming the next bead B2.
  • the oxide located between the previous bead B1 and the next bead B2 is melted and fused to the LMD layer 5 or moved to the outer surface of the LMD layer 5 (sublayer 5a, 5b or 5c by the bead). Can be made.
  • the energy density of the laser beam can be lowered as compared with the case where the first LMD sublayer 5a is formed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

高温側流体が発生する又は流れる内部空間７を有する伝熱体３を用意する。伝熱体３は、熱交換器の構成要素であり、高温側流体と低温側流体の一方を存在させる内部空間７を囲む壁として銅材料で形成されており、この壁内には、高温側流体と低温側流体の他方を流す流路９が形成されている。ＬＭＤ処理により、ＬＭＤ層を伝熱体３の外周面３ａに直接形成する。ＬＭＤ処理では、伝熱体３の外周面３ａにおける供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより外周面３ａと金属材料の両方を溶融させて、外周面３ａに結合した金属材料のＬＭＤ層５を形成する。レーザ光のエネルギー密度を、金属材料と外周面３ａの両方を溶融させる高さにする。

Description

熱交換器とその製造方法
　本発明は、高温側流体からの熱を低温側流体で冷却するための熱交換器に関する。
　熱交換器は、例えばロケットエンジンに用いられる。ロケットエンジンは、燃焼器とノズルを備える。燃焼器は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼室を内部に有する。ノズルは、燃焼室で発生した燃焼ガスを外部に噴出することにより、ロケットの推力を発生させる。
　ロケットエンジンの燃焼器は、燃焼ガスの熱により損傷しないように熱交換器として構成される。すなわち、燃焼器には、燃焼ガスからの熱を冷却する冷却媒体が流れる冷却流路が形成されている。このようなロケットエンジンの燃焼器は、例えば特許文献１に記載されている。
　特許文献１では、燃焼器は、燃焼室を囲み銅で形成された内筒と、内筒の外周面に形成された外層と、外層の外周面に形成されたＬＭＤ層とを備える。内筒の外周面には、内筒の軸方向に延びる溝が周方向に間隔をおいて複数本形成されている。これらの溝は、外層に覆われることにより上述の冷却流路となる。外層は、内筒の外周面に形成される銅層と、この銅層上に形成されたニッケル層とを有する。ＬＭＤ層は、ＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）処理によりニッケル層上に形成される。このＬＭＤ処理では、ニッケル基合金の粉体をレーザ光で溶かしてニッケル層に結合させる。これにより、ニッケル基合金からなるＬＭＤ層を形成する。ＬＭＤ層は、内筒と外層の変形を抑制するために設けられている。
　特許文献１のように、銅は、レーザ光の反射率が高いため、銅層に直接ＬＭＤ処理を行うことが困難であると考えられている。そのため、特許文献１では、銅層に直接ＬＭＤ処理を行わずに、上述のように、銅層に、レーザ光の反射率が銅層よりも低いニッケル層を設け、このニッケル層にＬＭＤ処理を行っている。
特許第５８２３０６９号
　しかし、ロケットエンジンの燃焼器を、銅で形成された伝熱体（例えば上述の内筒と外層からなる構造体）と、伝熱体を補強するＬＭＤ層とにより構成する場合に、低コスト化のために、上述したニッケル層を設けるための工程を省略することが望まれる。
　また、ロケットエンジンの燃焼器以外でも、高温側流体からの熱を低温側流体で冷却するための熱交換器を、銅で形成された伝熱体と、伝熱体を補強するＬＭＤ層とにより構成する場合に、両者の間に、上述したようなニッケル層を設けるための工程を省略することが望まれる。
　そこで、本発明の目的は、高温側流体からの熱を低温側流体で冷却するための熱交換器において、銅で形成された伝熱体の外周面にＬＭＤ層を形成する場合に、両者の間にレーザ光の反射率が銅よりも低い材料の層（例えばニッケル層）を形成することを不要にする技術を提供することにある。
　上述の目的を達成するため、本発明による方法は、高温側流体からの熱を、前記高温側流体よりも低温である低温側流体で冷却するための熱交換器の製造方法であって、
（Ａ）前記高温側流体と前記低温側流体の一方を存在させる内部空間を有する伝熱体を用意し、該伝熱体は、前記熱交換器の構成要素であり、前記内部空間を囲む壁として純銅または銅合金を含む材料で形成されており、該壁内には、前記高温側流体と前記低温側流体の他方を流す流路が形成されており、
（Ｂ）ＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）処理により、ＬＭＤ層を前記伝熱体の外周面に直接形成し、
　前記ＬＭＤ処理では、前記伝熱体の外周面における供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、純銅または銅合金を含む前記材料で形成された前記外周面と前記金属材料の両方を溶融させて前記金属材料の前記ＬＭＤ層を形成し、
　前記レーザ光のエネルギー密度を、前記金属材料と前記外周面の両方を溶融させる高さにする。
　本発明による熱交換器は、高温側流体からの熱を、前記高温側流体よりも低温である低温側流体で冷却するための熱交換器であって、
　前記高温側流体と前記低温側流体の一方を存在させる内部空間を有する伝熱体を備え、
　該伝熱体は、前記内部空間を囲む壁として純銅または銅合金を含む材料で形成されており、該壁内には、前記高温側流体と前記低温側流体の他方を流す流路が形成されており、
　前記熱交換器は、前記伝熱体の外周面に直接形成されたＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）層を備える。
　本発明によると、ＬＭＤ処理において、レーザ光のエネルギー密度を、伝熱体の純銅または銅合金を含む材料とＬＭＤ層の金属材料の両方を溶融させられる高さにする。これにより、伝熱体とＬＭＤ層との結合強度が十分に高くなるように、伝熱体における純銅または銅合金を含む材料の外周面にＬＭＤ層を直接形成できる。よって、レーザ光の反射率が純銅または銅合金を含む材料よりも低い材料の層を伝熱体の外周面に形成する工程を省くことができる。
本発明の実施形態による熱交換器の構造を示す。 図１Ａの１Ｂ－１Ｂ断面図である。 本発明の実施形態による熱交換器の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による熱交換器の製造方法の説明図である。 ＬＭＤ処理における隣接するビード同士の位置関係の説明図である。 図４ＡのＶ－Ｖ矢視図であり、先行のビードと次のビードとの位置関係を示す。
　本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
（熱交換器の構造）
　図１Ａは、本発明の実施形態による熱交換器１０の構造を示す。図１Ｂは、図１Ａの１Ｂ－１Ｂ断面図である。なお、図１Ａは、図１Ｂの１Ａ－１Ａ断面図である。熱交換器１０は、高温側流体からの熱を、高温側流体よりも低温である低温側流体で冷却するためのものである。熱交換器１０は、伝熱体３とＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）層５を備える。
　伝熱体３は、高温側流体と低温側流体の一方を存在させる内部空間７を有する。例えば、内部空間７には、高温側流体が発生し又は流れる。高温側流体は、例えば燃焼ガスや水蒸気などの気体であるが、液体であってもよい。伝熱体３は、内部空間７を囲む壁として形成され、この壁内に流路９が形成されている。伝熱体３は、図１Ａと図１Ｂのように、内部空間７を有する筒状に形成されていてよい。伝熱体３は、その全体が純銅または銅合金（銅を主成分として含む銅合金）で形成されている。したがって、伝熱体３の外周面３ａも純銅または銅合金を含む材料で形成されている。なお、以下において、「銅材料」とは、純銅または銅合金を含む材料を意味する。純銅または銅合金を含む材料（すなわち、以下における「銅材料」）は、純銅または銅合金であってもよい。
　図１Ａの例では、熱交換器１０は、ロケットエンジンの燃焼器１０ａを構成している。ただし、熱交換器１０は、産業で用いられる他の熱交換器として用いられてもよい。例えば、熱交換器１０は、蒸気発生器や復水器などとして用いられるものであってもよいし、船舶又は自動車において用いられるものであってもよい。
　熱交換器１０は、ロケットエンジンの燃焼器１０ａを構成する場合、伝熱体３は、筒状であり、伝熱体３の内部空間７は、ロケットエンジンの燃焼器１０ａの燃焼室７ａを含む。燃焼室７ａは、液体燃料または固体燃料を燃焼させて燃焼ガスを上述の高温側流体として発生させる空間領域である。ロケットエンジンは、燃焼器１０ａの他に、ノズル１０ｂを備える。
　ノズル１０ｂは、燃焼室７ａで発生した燃焼ガスを外部に噴出することにより、ロケットの推力を発生させる。図１Ａでは、熱交換器１０は、燃焼器１０ａだけでなくロケットエンジンのノズル１０ｂも構成している。すなわち、図１Ａでは、燃焼器１０ａとノズル１０ｂとが一体的に形成されている。ただし、燃焼器１０ａとノズルとは、別箇に製造された後、互いに結合されてもよい。すなわち、熱交換器１０は、燃焼器１０ａを構成するが、ノズルを構成していなくてもよい。なお、図１Ａでは、伝熱体３の内部空間７は、燃焼室７ａと、燃焼室７ａから燃焼ガスが流入するノズル１０ｂの流路７ｂを含む。
　流路９には、高温側流体と低温側流体の他方が流れる。流路９は、図１Ａの例では伝熱体３の軸Ｃと内周面３ｂに沿った方向に延びており、周方向に間隔をおいて複数形成されている。図１Ａにおいて、流路９は、この図の右側から左側に流れる液体燃料を流す流路であってもよい。この場合、液体燃料は、流路９を流れた後、（例えば図示しない配管により）燃焼室７ａへ導入されて燃焼させられることにより、燃焼ガスとなる。この燃焼ガスの熱は、流路９を流れる液体燃料と熱交換する。液体燃料は、この熱交換で温度が上昇するので、燃焼しやすい状態で燃焼室７ａへ導入される。
　ＬＭＤ層５は、ＬＭＤ処理によって、伝熱体３の外周面３ａに直接形成されている。ＬＭＤ層５は、高温側流体の熱と圧力の一方又は両方により伝熱体３が変形することを抑える機能を有する。すなわち、ＬＭＤ層５は、伝熱体３を形成している銅材料よりも強度が高い。また、ＬＭＤ層５は、流路９を流れる冷却媒体（低温側流体）の圧力により伝熱体３が変形することを抑える機能を更に有していてよい。ＬＭＤ層５は、このような機能を果たす金属材料により形成される。この金属材料は、ニッケルを主成分として含むニッケル基合金であってよい。例えば、この金属材料は、インコネル（登録商標）であってよい。
　伝熱体３とＬＭＤ層５との結合箇所における引張強さは、伝熱体３自体（すなわち、伝熱体３を形成する銅材料自体）の引張強さよりも大きい。
　また、ＬＭＤ層５を形成する金属材料がニッケル基合金である場合、一例では、ＬＭＤ層５において、その全体にわたってニッケルの濃度が均一である。
　これに対し、仮に、特許文献１のように、伝熱体３の外周面３ａに、伝熱体３の外周面３ａよりもレーザ光の反射率が低い低反射率層（例えば純ニッケル）を薄く形成し、この層の外周面に、ニッケルの含有率が所定の重量パーセントであるニッケル基合金のＬＭＤ層を形成するとする。この場合、ＬＭＤ処理時のレーザ光の熱により低反射率層が溶融してＬＭＤ層と一体化したとき、低反射率層とニッケル基合金とはニッケル濃度が互いに異なるので、低反射率層およびニッケル基合金を含むＬＭＤ層において、ニッケルの濃度が、低反射率層の部分とニッケル基合金の部分とで異なる。このように特許文献１に従って形成したＬＭＤ層における外周面３ａ近傍のニッケルの濃度は、本実施形態において外周面３ａに直接形成したＬＭＤ層５の場合と異なる。本実施形態では、後述の第１のＬＭＤ副層５ａは、外周面３ａの銅材料と混ざり合うが、第１のＬＭＤ副層５ａの外周側部分は、外周面３ａの銅材料と混ざらず、後述の金属材料（例えばインコネル）の部分となり、後述の第２のＬＭＤ副層５ｂと、金属材料の主成分（例えばニッケル）の濃度がほぼ同じである。すなわち、本実施形態では、ＬＭＤ層５において、外周面３ａの銅材料と混ざり合っている部分以外は、その全体にわたって、金属材料の主成分（例えばニッケル）の濃度が均一である。
（熱交換器の製造方法）
　図２は、本発明の実施形態による熱交換器１０の製造方法を示すフローチャートである。図３Ａ～図３Ｄは、この製造方法の説明図である。熱交換器１０の製造方法は、ステップS１とステップS２を含む。
　ステップＳ１において、上述した伝熱体３を用意する。例えば、図３Aに示す伝熱体３を用意する。
　ステップＳ１で用意する伝熱体３は、外周面に複数本の溝を有し銅材料で形成された内筒と、この内筒の外周面に形成された銅材料の外層とを有するものであってもよい。この場合、複数本の溝は、外層に覆われることにより流路９となる。なお、内筒は、鍛造素材を機械加工したものであってよく、銅材料の外層は、電鋳法又は他の方法で形成されてよい。
　あるいは、ステップＳ１で用意する伝熱体３は、その壁内に流路９を有するように一体的に形成されたものであってもよい。この場合、伝熱体３は、例えば３Ｄ（ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）プリンタで形成されたものであってよい。この場合、伝熱体３は、全体にわたって、同じ物理的性質（例えば、強度、熱伝導率、および誘電率等）の材料で形成されていてよい。すなわち、伝熱体３は、全体にわたって同じ物理的性質を有していてよい。
　ステップＳ２において、ステップＳ１で用意した伝熱体３の外周面３ａに、直接、ＬＭＤ層５を形成する。このＬＭＤ層５の形成は、ＬＭＤ処理により行われる。ステップＳ２は、ＬＭＤ装置１１により行われる。ＬＭＤ装置１１の構成は、出力するレーザ光のエネルギーに関する点を除いて、特許文献１に記載のＬＭＤ装置１１と同じであってよい。
　このＬＭＤ処理では、ＬＭＤ装置１１は、図３Ｂに示すように、伝熱体３の外周面３ａにおける供給位置へ粉末状の金属材料（金属パウダー）を供給し、この供給位置へレーザ光を照射する。これにより、伝熱体３の外周面３ａと金属材料の両方を溶融させて、外周面３ａに結合した金属材料のＬＭＤ層５（図３Ｂでは後述する第１のＬＭＤ副層５ａ）を形成する。この時、外周面３ａにおける供給位置において、レーザ光のエネルギー密度を、伝熱体３の外周面３ａと金属材料の両方を溶融させる高さにする。なお、ステップＳ２で用いる金属材料は、本実施形態では、ニッケル基合金であってよい。以下において、供給位置とは、金属材料が供給され、かつ、レーザ光が照射される位置を意味する。
　また、ＬＭＤ装置１１は、外周面３ａの供給位置を囲むように不活性ガス（例えばアルゴンガス）を供給することにより、供給位置を周囲の空気から不活性ガスで遮断して供給位置における外周面３ａと金属材料の酸化を防止する。
　ステップＳ２のＬＭＤ処理では、供給位置を移行させることにより、外周面３ａの対象範囲（例えば外周面３ａの全体）にＬＭＤ層５を形成する。すなわち、供給位置を移行させながら、当該供給位置への金属材料の供給とレーザ光の照射を行うことで、対象範囲にわたってＬＭＤ層５を形成する。この移行の方向（以下で単に移行方向ともいう）は、図３Ｂの例では、伝熱体３の周方向（例えば伝熱体３の軸Ｃを回る螺旋方向）であるが、伝熱体３の軸Ｃに沿う方向であってもよい。移行方向が伝熱体３の周方向である場合には、把持装置１３（図３Ｂの一点鎖線で示す）により、伝熱体３は把持され軸Ｃを中心に回転させられながら、ＬＭＤ装置１１を伝熱体３の軸Ｃに沿う方向に少しずつ移動させる。移行方向が軸Ｃに沿う方向である場合には、例えば、ＬＭＤ装置１１を、伝熱体３の軸方向一端部から軸方向他端部まで移動させ、次いで、伝熱体３の周方向に位置を少しずらして、伝熱体３の軸方向他端部から軸方向一端部まで移動させることを繰り返す。
　ステップＳ２はステップＳ２１～Ｓ２４を含む。
　ステップＳ２１において、ＬＭＤ装置１１は、図３Ｂに示すように、伝熱体３の外周面３ａにおける供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射する。これにより、外周面３ａと金属材料の両方を溶融させて、外周面３ａに結合した金属材料の第１のＬＭＤ副層５ａを形成する。すなわち、この供給位置を移行させることにより、対象範囲にわたって第１のＬＭＤ副層５ａを形成する。なお、第１のＬＭＤ副層５ａの外周側部分は、外周面３ａの銅材料と混ざらない。すなわち、伝熱体３が溶けた池に金属材料（パウダー）が投入され、この金属材料も溶融して当該池に混ざるが、この混ざった部分の外側部分には金属材料のみの層が形成される。
　ステップＳ２２において、ＬＭＤ処理で使用するレーザ光の出力エネルギー（単位時間当たりのエネルギー（単位は例えばワット））を下げる。これにより、次のステップＳ２３、Ｓ２４では、供給位置におけるレーザ光のエネルギー密度が、上述のステップＳ２１の場合よりも低くなる（例えば、ステップＳ２１の場合の半分以下になる）。すなわち、ステップＳ２３、Ｓ２４では、伝熱体３の外周面３ａよりもレーザ光の反射率が低い第１および第２のＬＭＤ副層５ａ，５ｂの外周面を溶融できればよいので、供給位置でのレーザ光のエネルギー密度を下げる。
　なお、ステップＳ２２により供給位置でのエネルギー密度を下げることは、レーザ光の出力エネルギーを下げることに加えて、または、その代わりに、供給位置におけるレーザ光のスポット径の拡大によりなされてもよい。
　ステップＳ２３において、ＬＭＤ装置１１は、図３Ｃに示すように、第１のＬＭＤ副層５ａの外周面における供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、当該外周面と金属材料の両方を溶融させて、当該外周面に結合した金属材料の第２のＬＭＤ副層５ｂを形成する。すなわち、この供給位置を移行させることにより、対象範囲にわたって第２のＬＭＤ副層５ｂを形成する。
　ステップＳ２４において、ＬＭＤ装置１１は、第２のＬＭＤ副層５ｂの外周面における供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、当該外周面と金属材料の両方を溶融させて、当該外周面に結合した金属材料の第３のＬＭＤ副層５ｃを形成する。すなわち、この供給位置を移行させることにより、図３Ｄのように対象範囲に第３のＬＭＤ副層５ｃを形成する。
　本実施形態では、ＬＭＤ層５を構成するＬＭＤ副層の数は、上述のように伝熱体３の変形を抑制できれば、第１～第３のＬＭＤ副層５ａ～５ｃの３つに限定されず、１つ、２つ、又は４つ以上であってもよい。また、各ＬＭＤ副層（上述ではＬＭＤ副層５ａ～５ｃ）を形成するための金属材料は同じであってよい。
＜ＬＭＤ処理の隣接するビード同士の位置関係＞
　図４Ａは、図３Ｂの部分拡大図である。上述のように供給位置を移行させることにより、図４Ａと図５のように、金属材料の溶着金属であるビードＢ、Ｂ１、Ｂ２を、当該移行の方向（（図３Ｂと図４Ａでは周方向）に線状に延びるように形成し、当該ビードＢ、Ｂ１、Ｂ２によりＬＭＤ層５を形成する。図４Ａは、各ビードＢの後に、先のビードＢ１と次のビードＢ２がこの順で形成された状態を示す。なお、各ビードＢ、Ｂ１、Ｂ２は、（例えば螺旋状に）連続して延びる１つのビードをなしていてよい。図４Ｂは、図４Ａに対応する図であり、先のビードＢ１が形成されたが、次のビードＢ２が未だ形成されていない状態を示す。
　図５は、図４ＡのＶ－Ｖ矢視図に対応し、図４Ａにおける先のビードＢ１と次のビードＢ２を移行方向に展開した図である。図５において斜線部分は、供給位置へのレーザ光の照射範囲であるレーザ光スポットを示す。
　図４Ａと図５のように、既に形成された先のビードＢ１に対して、外周面３ａに沿う方向に隣接する次のビードＢ２を形成する時に、先のビードＢ１を部分的に覆うように次のビードＢ２を形成する。このように、先のビードＢ１の外面の一部（例えば、当該外面の１／４以上であって２／３以下、１／３以上であって２／３以下、または１／３以上であって１／２以下）が、次のビードＢ２に覆われるようにする。言い換えると、次のビードＢ２を形成するレーザ光で、先のビードＢ１の外面の一部（例えば、当該外面の１／４以上であって２／３以下、１／３以上であって２／３以下、または１／３以上であって１／２以下）を照射し溶融させて、先のビードＢ１と次のビードＢ２とを結合（一体化）させる。次のビードＢ２は、形成されると先のビードになり、当該先のビードＢ２に対して上述と同じように次のビードが形成される。これをステップＳ２の開始時から終了時まで繰り返し行う。
　これにより、先のビードＢ１と次のビードＢ２の間に酸化物が残存することを防止できる。酸化物は、ビードＢ，Ｂ１，Ｂ２が上述の不活性ガスの領域から外れた後に空気に触れることによりビードＢ，Ｂ１，Ｂ２の外面に生じる。図４Ａと図４Ｂにおいて、酸化物は、破線で示されている。先のビードＢ１の外面のうち次のビードＢ２に覆われる部分の酸化物は、次のビードＢ２の形成する時のレーザ光の熱で溶けることにより、ＬＭＤ層５に融合し又はＬＭＤ層５（当該ビードによる副層５ａ，５ｂ又は５ｃ）の外表面に移動する。その結果、隣接するビード同士の間に酸化物が残存することを防止して、酸化物によるクラックの発生が回避される。例えば、図４Ａと図４Ｂにおいては、隣接するビードＢ，Ｂ１，Ｂ２同士の間に、破線で示す酸化物が存在していない。
　一方、図４Ｃのように、先のビードを次のビードで部分的に覆わない場合には、隣接するビードＢ同士の間に、この図において破線で示す酸化物が残存しやすくなる。
　なお、図４Ａ～図４Ｃでは、互いに隣接するビードＢ，Ｂ１，Ｂ２同士の境界が説明のために描かれているが、実際には、互いに隣接するビード同士の境界は存在せず、ビード同士は融合し一体化されている。また、図５のように、ビードの幅は、供給位置におけるレーザ光のスポット径により定まり、次のビードＢ２を形成するレーザ光は、当該ビードＢ２の形成箇所とほぼ同じ位置に照射される。第１のＬＭＤ副層５ａを形成した段階で、第１のＬＭＤ副層５ａの外周面の酸化物は、第２のＬＭＤ副層５ｂを形成する時のレーザ光で溶けてＬＭＤ層５に融合し又はＬＭＤ層５の外表面に移動する。
＜レーザ光のエネルギー密度＞
　次の表１は、上述の製造方法におけるステップＳ２１に関する条件と結果を示す実験データである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１の各用語は、次の通りである。
　「レーザ密度」は、供給位置におけるレーザ光のエネルギー密度である。
　「材料入射エネルギー」は、単位時間あたりに供給位置へ供給される金属材料（ニッケル基合金）の単位質量あたりのレーザ光の出力エネルギーである。
　「接合状態」は、上述のステップＳ２１で形成されたＬＭＤ層５と伝熱体３の外周面３ａとの接合状態である。接合状態に関して、「不適」は、伝熱体３へのＬＭＤ層５の溶け込み量が浅く、内部応力によりＬＭＤ層５に部分的な剥離が生じていることを示す。「可能」は、伝熱体３へのＬＭＤ層５の溶け込み量が浅いが、外周面３ａとＬＭＤ層５との結合強度が適切であることが期待できることを示す。「良好」は、伝熱体３へのＬＭＤ層５の溶け込み量が適切であり、外周面３ａとＬＭＤ層５との結合強度が十分であることが期待できることを示す。「最適」は、伝熱体３へのＬＭＤ層５の溶け込み量が十分であり、外周面３ａとＬＭＤ層５との結合箇所の引張強さが、伝熱体３の銅材料（この例では銅合金）自体の引張強さよりも高いことが確認されたことを示す。
　上記表１の実験データを考慮すると、上述のステップＳ２１において、伝熱体３の外周面３ａにおける供給位置へ照射するレーザ光のエネルギー密度は、当該供給位置において４２０Ｗ／ｍｍ２以上（例えば４２４Ｗ／ｍｍ２以上）、４６０Ｗ／ｍｍ２以上（例えば４６７Ｗ／ｍｍ２以上）、または４９０Ｗ／ｍｍ２以上（例えば４９５Ｗ／ｍｍ２以上）であってよい。当該エネルギー密度の上限は、５００Ｗ／ｍｍ２または６００Ｗ／ｍｍ２程度であってよいが、これらに限定されない。
　また、上記表１の実験データを考慮すると、上述のステップＳ２１において、単位時間あたりに供給位置へ供給される金属材料（ニッケル基合金）の単位質量あたりのレーザ光の出力エネルギーは、３６０Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上（例えば３６５Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上）、４００Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上（例えば４０２Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上）、または４２０Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上（例えば４２６Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上）であってよい。ただし、当該レーザ光の出力エネルギーは、金属材料を十分に溶融できれば、これらの範囲に限定されず、適宜に設定可能な事項である。
　次の表２は、上述の製造方法におけるステップＳ２３、Ｓ２４に関する条件と結果を示す実験データである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２において、「接合状態」の「良好」は、第２または第３のＬＭＤ副層５ｂ，５ｃが下層側のＬＭＤ副層５ａ，５ｂに良好に一体的に結合されていることを示す。表２の各用語は、表１の場合と同じである。
　上記表２の実験データを考慮すると、上述のステップＳ２３、Ｓ２４において、供給位置へ照射するレーザ光のエネルギー密度は、一例では、当該供給位置において１７５Ｗ／ｍｍ２以上（例えば１７６Ｗ／ｍｍ２以上）であるが、金属材料を溶融して下層側のＬＭＤ副層に一体的に結合できれば、これに限定されない。
　また、上記表２の実験データを考慮すると、上述のステップＳ２３、Ｓ２４において、単位時間あたりに供給位置へ供給される金属材料（ニッケル基合金）の単位質量あたりのレーザ光の出力エネルギーは、１４０Ｗ／（ｇ／ｍｉｎ）以上であってよい。ただし、当該レーザ光のエネルギーは、金属材料を十分に溶融できれば、これらの範囲に限定されず、適宜に設定可能な事項である。
（実施形態による効果）
　ＬＭＤ処理において、レーザ光のエネルギー密度を、伝熱体３の外周面３ａを形成する銅材料とＬＭＤ層５の金属材料の両方を溶融させられる高さにする。これにより、伝熱体３とＬＭＤ層５との結合強度が十分に高い状態で、伝熱体３における銅材料の外周面３ａにＬＭＤ層５を直接形成できる。よって、レーザ光の反射率が銅材料よりも低い材料の層を伝熱体３の外周面３ａに形成する工程を省くことができる。
　上述のように、先のビードＢ１を部分的に覆うように次のビードＢ２を形成するので、次のビードＢ２を形成する時のレーザ光により、先のビードＢ１の外面に生成された酸化物のうち、先のビードＢ１と次のビードＢ２との間に位置する酸化物を溶かしてＬＭＤ層５に融合させ又はＬＭＤ層５（当該ビードによる副層５ａ，５ｂ又は５ｃ）の外表面に移動させることができる。その結果、先のビードＢ１と次のビードＢ２との間に酸化物が残存することを防止して、この酸化物によりＬＭＤ層５にクラックが発生することを回避できる。
　第２および第３のＬＭＤ副層５ｂ，５ｃを形成する時には、銅材料を溶融する高いエネルギー密度のレーザ光は不要になる。したがって、第２および第３のＬＭＤ副層５ｂ，５ｃを形成する時には、第１のＬＭＤ副層５ａを形成する場合よりも、レーザ光のエネルギー密度を下げることができる。
　本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
３　伝熱体、３ａ　外周面、３ｂ　内周面、５　ＬＭＤ層、５ａ　第１のＬＭＤ副層、５ｂ　第２のＬＭＤ副層、５ｃ　第３のＬＭＤ副層、７　内部空間、７ａ　燃焼室、７ｂ　ノズル流路、９　流路、１０　熱交換器、１０ａ　燃焼器、１０ｂ　ノズル、１１　ＬＭＤ装置、１３　把持装置、Ｂ　ビード、Ｂ１　先のビード、Ｂ２　次のビード、Ｃ　軸

Claims (7)

  1. 　高温側流体からの熱を、前記高温側流体よりも低温である低温側流体で冷却するための熱交換器の製造方法であって、
    （Ａ）前記高温側流体と前記低温側流体の一方を存在させる内部空間を有する伝熱体を用意し、該伝熱体は、前記熱交換器の構成要素であり、前記内部空間を囲む壁として純銅または銅合金を含む材料で形成されており、該壁内には、前記高温側流体と前記低温側流体の他方を流す流路が形成されており、
    （Ｂ）ＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）処理により、ＬＭＤ層を前記伝熱体の外周面に直接形成し、
    　前記ＬＭＤ処理では、前記伝熱体の外周面における供給位置へ金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、純銅または銅合金を含む前記材料で形成された前記外周面と前記金属材料の両方を溶融させて前記金属材料の前記ＬＭＤ層を形成し、
    　前記レーザ光のエネルギー密度を、前記金属材料と前記外周面の両方を溶融させる高さにする、熱交換器の製造方法。
  2. 　前記エネルギー密度は、４２０Ｗ／ｍｍ２以上である、請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
  3. 　前記ＬＭＤ処理では、前記供給位置を移行させながら、当該供給位置への金属材料の供給とレーザ光の照射を行うことで、前記金属材料の溶着金属であるビードを、当該移行の方向に線状に延びるように形成し、該ビードにより前記ＬＭＤ層を形成し、
    　既に形成された先の前記ビードに対して、前記外周面に沿う方向に隣接する次のビードを形成する時に、該先のビードを部分的に覆うように前記次のビードを形成する、請求項１又は２に記載の熱交換器の製造方法。
  4. 　前記ＬＭＤ処理では、
    （Ｂ１）前記伝熱体の外周面における供給位置へ前記金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、前記外周面と前記金属材料の両方を溶融させて、前記外周面に結合した前記金属材料の第１のＬＭＤ副層を形成し、
    （Ｂ２）前記第１のＬＭＤ副層の外周面における供給位置へ前記金属材料を供給し、この供給位置へレーザ光を照射することにより、当該外周面と前記金属材料の両方を溶融させて、当該外周面に結合した前記金属材料の第２のＬＭＤ副層を形成し、
    　前記ＬＭＤ層は、前記第１および第２のＬＭＤ副層を含み、
    　前記（Ｂ１）では、前記レーザ光を、前記エネルギー密度で前記供給位置に照射し、
    　前記（Ｂ２）では、前記レーザ光を、前記エネルギー密度よりも低いエネルギー密度で前記供給位置に照射する、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
  5. 　前記熱交換器はロケットエンジンの燃焼器を構成するものであり、前記内部空間は前記燃焼器の燃焼室を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
  6. 　高温側流体からの熱を、前記高温側流体よりも低温である低温側流体で冷却するための熱交換器であって、
    　前記高温側流体と前記低温側流体の一方を存在させる内部空間を有する伝熱体を備え、
    　該伝熱体は、前記内部空間を囲む壁として純銅または銅合金を含む材料で形成されており、該壁内には、前記高温側流体と前記低温側流体の他方を流す流路が形成されており、
    　前記熱交換器は、前記伝熱体の外周面に直接形成されたＬＭＤ（レーザ紛体肉盛溶接）層を備える、熱交換器。
  7. 　前記熱交換器はロケットエンジンの燃焼器を構成するものであり、前記内部空間は前記燃焼器の燃焼室を含む、請求項６に記載の熱交換器。
PCT/JP2018/020293 2017-05-31 2018-05-28 熱交換器とその製造方法 WO2018221437A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/615,209 US11383326B2 (en) 2017-05-31 2018-05-28 Heat exchanger and method for manufacturing same
EP18810397.2A EP3633299A4 (en) 2017-05-31 2018-05-28 HEAT EXCHANGER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-107635 2017-05-31
JP2017107635A JP6977208B2 (ja) 2017-05-31 2017-05-31 熱交換器とその製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018221437A1 true WO2018221437A1 (ja) 2018-12-06

Family

ID=64454706

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/020293 WO2018221437A1 (ja) 2017-05-31 2018-05-28 熱交換器とその製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11383326B2 (ja)
EP (1) EP3633299A4 (ja)
JP (1) JP6977208B2 (ja)
WO (1) WO2018221437A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020133967A1 (de) 2020-12-17 2022-06-23 Arianegroup Gmbh Brennkammer, Verfahren zur Herstellung einer Brennkammer und Triebwerk
CN114165362A (zh) * 2021-11-08 2022-03-11 湖北三江航天江北机械工程有限公司 液体火箭发动机燃烧室复合成形方法
DE102022125429A1 (de) * 2022-09-30 2024-04-04 Dmg Mori Ultrasonic Lasertec Gmbh Verfahren zur additiven fertigung eines bauteils mit einem kern aus reinem kupfer oder einer kupferlegierung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5823069B2 (ja) 1975-06-23 1983-05-12 タカサゴネツガクコウギヨウ カブシキガイシヤ 焼海苔の連続自動製造装置
JPH04319084A (ja) * 1991-04-15 1992-11-10 Nissan Motor Co Ltd アルミニウム系母材の肉盛り方法
JP2011147947A (ja) * 2010-01-19 2011-08-04 Jfe Engineering Corp 銅製部材及び銅製部材の防食方法
JP2016135905A (ja) * 2015-01-23 2016-07-28 三菱重工業株式会社 ロケットエンジンの燃焼器の製造方法、ロケットエンジンの燃焼器、および、ロケットエンジン

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5242837B1 (ja) * 2012-09-04 2013-07-24 東芝機械株式会社 Ｔダイおよびその製造方法
DE102015212284A1 (de) 2015-07-01 2017-01-05 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zum pulverbasierten Laser-Auftragsschweißen
JP6528098B2 (ja) * 2015-07-16 2019-06-12 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 ロケット用再生冷却燃焼室の製造方法及びロケット用再生冷却燃焼室
US20190329355A1 (en) * 2018-04-27 2019-10-31 United States Of America As Represented By The Administrator Of Nasa Method for Fabricating Seal-Free Multi-Metallic Thrust Chamber Liner

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5823069B2 (ja) 1975-06-23 1983-05-12 タカサゴネツガクコウギヨウ カブシキガイシヤ 焼海苔の連続自動製造装置
JPH04319084A (ja) * 1991-04-15 1992-11-10 Nissan Motor Co Ltd アルミニウム系母材の肉盛り方法
JP2011147947A (ja) * 2010-01-19 2011-08-04 Jfe Engineering Corp 銅製部材及び銅製部材の防食方法
JP2016135905A (ja) * 2015-01-23 2016-07-28 三菱重工業株式会社 ロケットエンジンの燃焼器の製造方法、ロケットエンジンの燃焼器、および、ロケットエンジン

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3633299A4

Also Published As

Publication number Publication date
EP3633299A1 (en) 2020-04-08
EP3633299A4 (en) 2020-06-24
JP6977208B2 (ja) 2021-12-08
US20200171604A1 (en) 2020-06-04
JP2018204816A (ja) 2018-12-27
US11383326B2 (en) 2022-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018221437A1 (ja) 熱交換器とその製造方法
JP6789694B2 (ja) 接合プリフォームの付加製造
RU2488470C2 (ru) Способ соединения трубных досок и труб при изготовлении теплообменника и теплообменник
RU2624884C2 (ru) Локализованный ремонт компонента из суперсплава
US10450871B2 (en) Repair of dual walled metallic components using directed energy deposition material addition
US20180281064A1 (en) Method of manufacturing combustor of rocket engine, combustor of rocket engine and rocket engine
JP2012139709A (ja) 金属管の接合構造
CN1385278A (zh) 高强度耐热钢的焊接接头部及其焊接方法
WO1995029785A1 (en) Fabrication of tubular wall thrust chambers for rocket engines using laser powder injection
US7179342B2 (en) Thermally loaded component, and process for producing the component
JP2019517642A (ja) 変化する組成のフィンを備えるロケットエンジンの燃焼室
CN110586937B (zh) 民用火箭发动机金属燃烧室的3d打印方法
JPWO2015068227A1 (ja) タービン翼およびその製造方法
JP6310266B2 (ja) 接合体の製造方法
CN108581139A (zh) 一种石油天然气输送用双金属复合管道的焊接方法
JP2018091333A (ja) 垂直亀裂遮熱コーティングを形成する方法および垂直亀裂遮熱コーティングを含む物品
Elmer et al. Diffusion bonding and brazing of high purity copper for linear collider accelerator structures
JP2008180460A (ja) 熱交換器の製造方法および該製造方法により製造された熱交換器
US20230037941A1 (en) Hybrid manufacturing process for heat exchanger
JP2015110233A (ja) レーザ溶接方法
JP2005262277A (ja) 熱交換パイプおよびその製造方法
JP2012229639A (ja) タービン高温部品の補修方法、ガスタービン動翼、およびガスタービン
RU2613511C1 (ru) Способ получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом
RU2632501C1 (ru) Способ получения композиционных изделий с внутренней полостью сваркой взрывом
JP2015147235A (ja) 接合体の製造方法及び高エネルギービーム溶接用被接合部材

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18810397

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2018810397

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018810397

Country of ref document: EP

Effective date: 20200102