(57)【要約】【課題】熱伝導性に優れる熱交換器、反応器等としの利用が可能な、内表面に凹凸が少ない螺旋状の少なくとも１の貫通孔を有する筒状金属材料の新規製造方法の提供。【解決手段】所定の肉厚の筒状金属材料の肉厚部に螺旋状の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲に爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する筒状金属材料の製造方法であって、所定長及び所定直径の金属パイプ（１）の周囲に、該所定直径よりも小さな直径の金属パイプ（２）を螺旋状に巻きつけ、これを、所定長の金属パイプ（３）内に挿入する工程；金属パイプ（１）及び金属パイプ（２）の外側と金属パイプ（３）の内側により生じる空隙部の金属粉末を充填する工程；及び金属パイプ（３）の周囲から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、金属パイプ（１）〜（３）同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；を含む前記方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の肉厚の筒状金属材料の肉厚部に螺旋状の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する筒状金属材料の製造方法であって、以下の工程：
所定長及び所定直径の金属パイプ（１）の周囲に、該所定直径よりも小さな直径の金属パイプ（２）を螺旋状に巻きつけ、これを、所定長の金属パイプ（３）内に挿入する工程；
金属パイプ（１）及び金属パイプ（２）の外側と金属パイプ（３）の内側により生じる空隙部の金属粉末を充填する工程；及び
金属パイプ（３）の周囲から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、金属パイプ（１）〜（３）同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記一魂の金属材料の製造方法。
【請求項２】
前記金属材料が、アルミ、銅、銀、及びステンレス鋼からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属粉末の材料が、金属パイプ（１）〜（３）の材料と異なる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
金属パイプ（１）、金属パイプ（２）、及び金属パイプ（３）の材料が互いに異なる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記圧力を発生させる際に、金属パイプ（１）と金属パイプ（２）の内部に予め液体又は有機系固体の充填材を充填しておき、これらの金属パイプの内部空間を、爆発圧着後にも保持する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記充填材は、水又はパラフィンである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記爆薬は、１，５００〜８，０００ｍ／秒の爆速を発生する爆薬である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
所定の肉厚の筒状金属材料の肉厚部に螺旋状の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする筒状金属材料。
【請求項９】
前記金属材料が、アルミ、銅、銀、及びステンレス鋼からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる、請求項８に記載の筒状金属材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複雑な中空構造を有する金属製パイプ接合体の新規製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、熱伝導性に優れる熱交換器、反応器等としての利用が可能な、内表面に凹凸が少ない螺旋状の少なくとも１の貫通孔を肉厚部に有する筒状金属材料の新規製造方法、及び該製造方法により製造された筒状金属材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業分野における製造プロセスは著しく高度化してきている。特に電子機器分野においては、効率化や特殊化のため、高温雰囲気での製造プロセスが多々見られる。このような高温雰囲気にさらされる装置や材料には、効率を悪化させないため、多くの場合、放熱性や冷却性が求められる。放熱性が求められる場合、放熱性の高い金属材料(アルミニウム、銀など)を、冷却させたい部材とするか、冷却したい場所に接合するといった方法が採用される。また、冷却性が求められる場合、基本的には金属材料の内部に冷媒を通す通路があり、その通路に各種冷媒を通すことで熱交換を行っている。
【０００３】
このような熱交換器には、様々な大きさ、種類があり、それぞれ用途に応じた製造方法により、多種多様な熱交換器が製造されている。
しかしながら、特に、小さな熱交換器を製造する場合、金属材料に細かい孔を多数ドリリングすることは技術的に極めて困難であり、また、製作コストも非常に高くなるため実際的でない。さらに、プレート式熱交換器のように、通路を有する金属材料をロウ付けなどで多数重ね合わせて接合させることも理論上は可能であるものの、通路空間つぶれが発生しやすく、また、製作コストも非常に高くなるため、実際的でない。
【０００４】
そのため、近年、ロータス型ポーラス金属という微細な多数の孔を有する金属材料が開発されたが、一般的には、金属を溶融させた状態から固体にする過程において、ガスをうまく利用することで連続した空間を形成しているため、孔断面は一方向に伸長されているものの、それぞれの孔断面は一様ではなく、凹凸があり、材料内を流れる流体が大きな抵抗をうけてしまい、熱交換性が必ずしも良好とならない。
【０００５】
以下の特許文献１には、主として金属材料の軽量化を目的とし、基材を貫通する方向性気孔を有するポーラス材料とその製造方法及び製造装置が開示されている。特許文献１に記載された方法においては、金属パイプに対して固液共存状態又は液体状態の基材材料をあわせ、その後冷却することによってポーラス構造体を得る方法が示されている。また、貫通孔の形状は、円形だけでなく、三角形、四角形など様々な形状とできることが示唆されている。しかしながら、貫通孔は一方向の直線状であり、貫通孔が螺旋状であることは記載されておらず、教示も示唆もされていない。
【０００６】
また、以下の特許文献２には、複数の金属パイプの束の周囲から爆薬によって発生する高圧力を用いた爆発圧着を用いて、金属パイプを一体化又は接合させる方法が開示されている。しかしながら、貫通孔は一方向の直線状であり、熱交換性がさらに良好になると期待できる、貫通孔が螺旋状であることは記載されておらず、教示も示唆もされていない。
【０００７】
また、以下の特許文献３には、金属薄板を波型に加工したものと平板とを金属円柱心棒に重ねて巻くことで孔を形成する技術が記載されている。この方法では、隣接する金属板同士の接触面積が少なく、熱伝導性がかなり低いことが推測される。この接触部の熱伝導性を高めるために、接触面を金属接合させ、かつ、接触面積を広くする方法として、ロウ付けなどが考えられるが、ロウ材の場合、巻き上げ品のロール接触面にロウ材をうまくセットし、溶融させることが非常に困難であり、かつ、製作コストも非常に高くなるので実際的でない。
【０００８】
また、以下の非特許文献１には、金属を１方向へ向かって鋳造する凝固過程で、ガスを注入することで、飽和ガスを放出し、連続した孔を形成する技術が記載されている。この技術は、前述したように、液体から固体への相変態過程で、ガスを利用し、連続的な空間を形成する方法であるため、孔断面は一方向に伸張されているものの直線的ではなく、また、それぞれの孔断面も不均一で、凹凸があり、材料内を流れる流体がかなりの抵抗をうけることが明らかである。
【０００９】
さらに、以下の非特許文献２には、２種類の金属線を多数束ねて圧縮静水圧を作用させることで、金属線を塑性加工によって固相接合させ、その後、一方の金属を化学的処理で除去し、ロータス金属を製造する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、化学的処理によって一方の金属のみを除去するため、使用できる材料に制限があり、かつ、長尺品においては、長い処理時間を必要とすることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2013-226594号公報
【特許文献２】特開2012-200748号公報
【特許文献３】特開2008-209063号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】まてりあ  第４７巻  第４号(２００８) pp.196-202
【非特許文献２】塑性と加工(日本塑性加工工学学会誌)  第５２巻  第６０１号(２０１１年２月) p.24-28
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記した従来の現状に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、熱伝導性に優れる熱交換器、反応器等としての利用が可能な、内表面に凹凸が少なく、かつ、所定長の螺旋状の少なくとも１の貫通孔を肉厚部に有する筒状金属材料の新規製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討し実験を重ねた結果、所定長の単数又は複数の螺旋状の金属パイプの隙間に金属粉末を充填し、これを爆発圧着により接合一体化することにより、熱伝導性に優れる熱交換器、反応器等としの利用が可能な、内表面に凹凸が少ない螺旋状の少なくとも１の貫通孔を肉厚部に有する筒状金属材料を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１４】
すなわち、本発明は、以下の通りのものである。
［１］所定の肉厚の筒状金属材料の肉厚部に螺旋状の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する筒状金属材料の製造方法であって、以下の工程：
所定長及び所定直径の金属パイプ（１）の周囲に、該所定直径よりも小さな直径の金属パイプ（２）を螺旋状に巻きつけ、これを、所定長の金属パイプ（３）内に挿入する工程；
金属パイプ（１）及び金属パイプ（２）の外側と金属パイプ（３）の内側により生じる空隙部の金属粉末を充填する工程；及び
金属パイプ（３）の周囲から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、金属パイプ（１）〜（３）同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記一魂の金属材料の製造方法。
［２］前記金属材料が、アルミ、銅、銀、及びステンレス鋼からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる、前記［１］に記載の方法。
［３］前記金属粉末の材料が、金属パイプ（１）〜（３）の材料と異なる、前記［１］又は［２］に記載の方法。
［４］金属パイプ（１）、金属パイプ（２）、及び金属パイプ（３）の材料が互いに異なる、前記［３］に記載の方法。
［５］前記圧力を発生させる際に、予め金属パイプ（１）と金属パイプ（２）の内部に液体又は有機系固体の充填材を充填しておき、これらの金属パイプの内部空間を、爆発圧着後にも保持する、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］前記充填材は、水又はパラフィンである、前記［５］に記載の方法。
［７］前記爆薬は、１，５００〜８，０００ｍ／秒の爆速を発生する爆薬である、前記［１］〜［６］のいずれかに記載の方法。
［８］所定の肉厚の筒状金属材料の肉厚部に螺旋状の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする筒状金属材料。
［９］前記金属材料が、アルミ、銅、銀、及びステンレス鋼からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる、前記［８］に記載の筒状金属材料。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る一塊の金属材料は、内表面に凹凸が少なく、かつ、所定長の螺旋状の少なくとも１の貫通孔を肉厚部に有するため、かかる貫通孔に流体を通す場合、熱伝導性に優れ、熱交換器、反応器等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】螺旋状の貫通孔を有するロータス(蓮根)型金属材料の模式図である。
【図２】螺旋状の貫通孔を有するロータス(蓮根)型金属材料の断面拡大写真である。
【図３】本実施形態の筒状金属材料の製造方法に使用する円筒型爆発圧縮装置の模式図である。
【図４】本実施形態の筒状金属材料の貫通孔の周囲に存在する、爆発圧着に特異的な金属間接合界面の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本明細書中、用語「ロータス型金属材料」とは、蓮根のように方向性のある孔をもつ金属材料であり、前記［８］の筒状金属材料、すなわち、「所定の肉厚の筒状金属材料の肉厚部に螺旋状の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする筒状金属材料」を包含する。また、貫通孔とは、該金属材料をつきぬけている穴（孔）をいう。
【００１８】
本実施形態のロータス型金属材料の材質は、特に制限はなく、アルミ、銅、銀、ステンレス鋼等の中から用途によって適宜使用する材質を選ぶことが望ましいが、熱伝導性のよいアルミ、銅、銀が特に好ましい。また、材質の異なる数種類の金属材料を混在させることも可能であり、さらに樹脂などの非金属材料と混同して使用してもよい。
【００１９】
本実施形態のロータス型金属材料の材質においては、前記金属粉末の材料が、前記金属パイプ（１）〜（３）の材料と異なるものであっても、また、各金属粉末、及び金属パイプ（１）〜（３）の材料が互いに異なるものであっても構わない。
【００２０】
本実施形態の螺旋状の貫通孔は、複数存在してもよい。
「所定の肉厚の筒状金属材料の肉厚部に螺旋状の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在することを特徴とする筒状金属材料」の一例としては、図１に示すように、筒状金属材料の肉厚部に１の螺旋状の貫通孔が形成されたロータス型金属材料を挙げることができる。肉厚部に螺旋状の貫通孔が存在することで、筒状金属材料の中心付近に存在する中空部を通る流体と螺旋状貫通孔を通る流体との間で熱交換が効率的に行われるため、例えば、熱交換器に好適な金属材料となり得る。
【００２１】
以下に説明するように、螺旋状の貫通孔は、所定長及び所定直径の金属パイプ（１）の周囲に、該所定直径よりも小さな直径の金属パイプ（２）を螺旋状に巻きつけることにより最終的に形成されるので、金属パイプ（２）の内径や、金属パイプ（１）への巻きつけピッチ等を種々変更することにより所定の形態になるように調整することができる。
【００２２】
本実施形態のロータス型金属材料の形状は、筒状であるが、熱交換器等への適用に応じて、例えば、断面形状が円形ではなく楕円形のものや、筒状形態の軸が曲線状となったものであってもよい。ロータス型金属材料の大きさは特に制限はない。熱交換器等への適用に際しては、貫通孔は略円形で、筒状形態の軸方向の長さが100mm以上であるものが好ましい。
【００２３】
本実施形態のロータス型金属材料は、以下の方法によって製造することができる。
所定の肉厚の筒状金属材料の肉厚部に螺旋状の少なくとも１の貫通孔が形成され、該貫通孔の周囲に、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する筒状金属材料の製造方法であって、以下の工程：
所定長及び所定直径の金属パイプ（１）の周囲に、該所定直径よりも小さな直径の金属パイプ（２）を螺旋状に巻きつけ、これを、所定長の金属パイプ（３）内に挿入する工程；
金属パイプ（１）及び金属パイプ（２）の外側と金属パイプ（３）の内側により生じる空隙部の金属粉末を充填する工程；及び
金属パイプ（３）の周囲から爆薬によって発生する圧力を作用させる爆発圧着により、金属パイプ（１）〜（３）同士と該金属粉末とを接合・一体化する工程；
を含む、前記一魂の金属材料の製造方法。
【００２４】
すなわち、本実施形態の所定の肉厚の筒状金属材料の肉厚部に螺旋状の少なくとも１の貫通孔を有するロータス型金属材料は、特許文献１に記載されたポーラス構造体の製造方法ではなく、特許文献３に記載された「金属薄板を波型に加工したものと平板とを金属円柱心棒に重ねて巻くことで孔を形成し」その後ロウ付けする方法でもなく、非特許文献１に記載された「金属を１方向へ向かって鋳造する凝固過程で、ガスを注入することで、飽和ガスを放出し、連続した孔を形成する技術」による製造方法でもなく、また、非特許文献２に記載された「２種類の金属線を多数束ねて圧縮静水圧を作用させることで、金属線を塑性加工によって固相接合させ、その後、一方の金属を化学的処理で除去し、ロータス金属を製造する方法」でもなく、さらに、ドリリングや、静的な圧力を用いた塑性加工や、焼結によって冶金的に接合させる方法によらず、前記した爆発圧着によってのみ実際的に製造できる。
尚、特許文献２には、複数の金属パイプの束の周囲から爆薬によって発生する高圧力を用いた爆発圧着を用いて、金属パイプを一体化又は接合させる方法が開示されているが、貫通孔は一方向の直線状であり、筒状金属材料の肉厚部に螺旋状の少なくとも１の貫通孔を有するものでない点で、本発明に係る方法と構成が相違する。
【００２５】
爆薬の高い圧力を利用した金属接合方法、すなわち、爆発圧着は、特に異種金属同士を強固に接合することのできる技術である。この技術の大きな特徴は、金属素材に熱をほとんど負荷させることなく、接合させることができるので、通常の方法では接合できない金属同士の組み合わせでも強固に接合することができることである。また、金属同士を接合するだけでなく、金属粉末を、爆薬によって発生する高圧力を用いて、圧搾固化することも可能である。
【００２６】
図４に示すように、爆発圧着により接合された金属パイプ同士、又は金属パイプと金属粉末の間には、爆発圧着に特異的な金属間接合界面が存在する。当業者は、かかる接合界面を観察することで、総合的に判断して、対象の肉厚部に螺旋状の貫通孔を有するロータス型金属材料が爆発圧着によって製造されたものであるか否かを判定することが可能であろう。
【００２７】
爆薬から発生する高圧力を金属同士の接合、金属と金属粉末との接合、金属粉末の固化に適用するとき、使用する爆薬としては、爆轟波を発生する火薬類取締法第１章第２条の２に定義される火薬類を使用することができる。本実施形態の肉厚部に螺旋状の貫通孔を有するロータス型金属材料の製造のためには、爆速が1000m/秒以上の、好ましくは1,500〜3,000m/秒の爆速を発生する爆薬を用いることが好ましい。爆薬としては、具体的には、硝酸アンモニウム、硝酸エステル類のＰＥＴＮ（ペンタエリスリトールテトラナイトレート）、ニトログリセリン、ニトロ化合物のＴＮＴ（トリニトロトルエン）、ニトラミンのシクロトリメチレントリニトラミン、シクロテトラメチレンテトラニトラミンなどが挙げられ、これらを単独又はその他爆薬成分あるいはその他爆薬以外の成分を混合したものを用いてもよい。
【００２８】
本明細書中、「爆薬によって発生する圧力」とは、金属材料を塑性変形させ、金属同士を接合させ、金属と金属粉末とを接合させ、金属粉末を固化させるために必要な圧力を意味し、接合させる金属材料や金属粉末に依存するが、好ましくは数百MPa以上であることができる。
【００２９】
本実施形態の肉厚部に螺旋状の貫通孔を有する金属材料の製造方法においては、「爆薬によって発生する圧力」を発生させる際に、金属パイプの内部に液体又は有機系固体の充填材、好ましくは水又はパラフィンを充填しておき、該金属パイプの内部空間を、爆発圧着後にも保持することで、内表面に凹凸が少なく、かつ、所定長の螺旋状の単数又は複数の貫通孔を形成することができ、かかる貫通孔の内部に冷媒等を流すことで、熱交換器としての利用が可能である。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。
［実施例１］
図３に示す装置において、パラフィン(20)を内部に充填し密栓(30)で封止した外径φ3mm、肉厚0.4mmのアルミニウムパイプ(10)を、同じく内部にパラフィン(20)を充填し密栓(30)で封止した外径φ14mm、長さ200mmのアルミニウムパイプ(25)に螺旋状に巻きつけた。これを、外径φ24mm、長さ200mmのアルミニウムパイプ(40)内に挿入し、空隙部にアルミニウム粉末(15)を充填し密栓(50)で封止した。これを、爆薬筒(60)内にセットし、アルミニウムパイプ(40)の周囲に硝酸アンモニウムを主成分とする爆薬(70)を配置した。その後、爆薬筒(60)を封止し、上部の雷管(80)を起爆し、爆薬によって発生するエネルギーをアルミニウムパイプ(40)の周囲から作用させることによって、アルミニウムパイプ(40)は円周方向から内部に向かって強く圧縮して、アルミニウムパイプ(25)、アルミニウムパイプ(10)、アルミニウム粉末(15)、アルミニウムパイプ(40)が一体化又は接合された金属製パイプ接合体、すなわち、螺旋状の貫通孔を有するロータス（蓮根）型金属材料を製造した。尚、アルミニウムパイプ(10)とアルミニウムパイプ(25)内に予め充填していたパラフィン(20)は熱によって抜き出した。得られた螺旋状の貫通孔の断面を観察した結果、大きな凹凸も無く、流体を流した場合でも低い抵抗となることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係るロータス(蓮根)型金属材料は、内表面に凹凸が少ない螺旋状の貫通孔を、筒状金属材料の肉厚部に有するため、かかる貫通孔に流体を通す場合、熱伝導性に優れ、熱交換器、反応器等のための工業的に利用価値の高い金属材料として好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１    筒状金属材料（ロータス(蓮根)型金属材料）
２    螺旋状貫通孔
１０    金属パイプ（２）
１５    金属粉末
２０    液体又は有機系固体の充填材（水又はパラフィン）
２５    金属パイプ（１）
３０    密栓
４０    金属パイプ（３）
５０    密栓
６０    爆薬箱
７０    爆薬
８０    雷管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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