(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒体内部を流れる高温の流体と、筒体の隔壁内部に形成した流路内を流れる低温の流体との熱交換を行う熱交換器の製造方法において、予め作製しておいた上記筒体のマスターの外面に、電鋳法により、内筒の内面側から外面側に亘って、繊維密度が低くなるように傾斜配分して繊維を分散させたＣｕ基複合材で内筒を形成し、その内筒の外面にスリットを形成すると共に、そのスリットを充填材で塞いだ後、内筒の外面に、電鋳法により外筒を形成し、その後、上記マスターおよび上記充填材を溶解除去し、上記筒体および上記流路を形成することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項２】
筒体内部を流れる高温の流体と、筒体の隔壁内部に形成した流路内を流れる低温の流体との熱交換を行う熱交換器の製造方法において、予め作製しておいた上記筒体のマスターの外面に、電鋳法により、内筒の内面側から外面側に亘って、繊維密度が低くなるように傾斜配分して繊維を分散させたＣｕ基複合材で内筒を形成し、その内筒の外面にスリットを形成すると共に、そのスリットを充填材で塞いだ後、内筒の外面に、電鋳法により繊維を分散させた金属基複合材で外筒を形成し、その後、上記マスターおよび上記充填材を溶解除去し、上記筒体および上記流路を形成することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項３】
スリットの充填材に面取り加工を施す請求項１又は２に記載の熱交換器の製造方法。
【請求項４】
電鋳法により繊維を分散させた金属基複合材で外筒を形成するに際し、前記分散させる繊維として金属又はセラミックスの長繊維を用い、内筒の外面に、前記長繊維を周方向に沿って巻き回した後にニッケルの電鋳層を形成し、さらにその外側に、前記長繊維を周方向に沿って巻き回した後にニッケルの電鋳層を形成するという工程を繰り返すことで、前記繊維を分散させた金属基複合材で前記外筒を形成する請求項２記載の熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器の製造方法に係り、特に、高温の流体と低温の流体との熱交換を行う熱交換器の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高温の流体と低温の流体との熱交換を行う熱交換器として、筒体内部を流れる高温の流体と、筒体の隔壁内部に形成した流路内を流れる低温の流体との熱交換を行う熱交換器がある。ここで、流体同士の温度差が著しく大きい熱交換器、例えば、高温の流体として燃焼ガスを、低温の流体としてＬＮＧや液体水素などを用いる燃焼室の場合、隔壁の内面と流路との間に大きな熱応力が負荷される。
【０００３】
この大きな熱応力に耐え得る熱交換器として、図１２に示すように、筒体１２１を内筒１２２と外筒１２３の二層構造とし、その内筒１２２を熱伝導が良好なＣｕ、特に無酸素銅で形成したものが挙げられる。この二層構造の筒体１２１の製造方法として、無酸素銅で形成した内筒１２２の外面１２２ａにスリット１２４を形成し、この内筒１２２の外面１２２ａにステンレス鋼で形成した外筒１２３を拡散接合する方法などが挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、拡散接合により内筒１２２と外筒１２３を接合する場合、接合部１２５の全域に亘って良好な接合強度を確保することが困難であり、歩留まりが良好でないという問題があった。
【０００５】
また、内筒１２２の内部は燃焼ガス等により高温となることから、無酸素銅からなる内筒１２２においては熱劣化が激しく、その結果、熱交換器の寿命が短いという問題があった。
【０００６】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、内筒と外筒が強固に接合され、かつ、長寿命の熱交換器の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る熱交換器の製造方法は、筒体内部を流れる高温の流体と、筒体の隔壁内部に形成した流路内を流れる低温の流体との熱交換を行う熱交換器の製造方法において、予め作製しておいた上記筒体のマスターの外面に、電鋳法により、内筒の内面側から外面側に亘って、繊維密度が低くなるように傾斜配分して繊維を分散させたＣｕ基複合材で内筒を形成し、その内筒の外面にスリットを形成すると共に、そのスリットを充填材で塞いだ後、内筒の外面に、電鋳法により外筒を形成し、その後、上記マスターおよび上記充填材を溶解除去し、上記筒体および上記流路を形成するものである。
【０００８】
一方、他の実施の形態に係る熱交換器の製造方法は、筒体内部を流れる高温の流体と、筒体の隔壁内部に形成した流路内を流れる低温の流体との熱交換を行う熱交換器の製造方法において、予め作製しておいた上記筒体のマスターの外面に、電鋳法により、内筒の内面側から外面側に亘って、繊維密度が低くなるように傾斜配分して繊維を分散させたＣｕ基複合材で内筒を形成し、その内筒の外面にスリットを形成すると共に、そのスリットを充填材で塞いだ後、内筒の外面に、電鋳法により繊維を分散させた金属基複合材で外筒を形成し、その後、上記マスターおよび上記充填材を溶解除去し、上記筒体および上記流路を形成するものである。
【０００９】
以上の方法によれば、Ｃｕ基複合材で形成した内筒の外面に、電鋳層からなる外筒を形成しているため、内筒と外筒が強固に接合され、かつ、長寿命の熱交換器を得ることができる。
【００１１】
また、スリットを塞ぐ充填材には、面取り加工を施すことが好ましい。
【００１２】
また、電鋳法により繊維を分散させた金属基複合材で外筒を形成するに際し、前記分散させる繊維として金属又はセラミックスの長繊維を用い、内筒の外面に、前記長繊維を周方向に沿って巻き回した後にニッケルの電鋳層を形成し、さらにその外側に、前記長繊維を周方向に沿って巻き回した後にニッケルの電鋳層を形成するという工程を繰り返すことで、前記繊維を分散させた金属基複合材で前記外筒を形成することが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１４】
本発明の製造方法により製造した熱交換器の概略図を図１に、図１の２−２線部分断面図を図２に示す。
【００１５】
図１，図２に示すように、熱交換器１０は、内筒１２と外筒１３の二層構造からなる筒体１１の内部を流れる高温の流体Ｆ１と、内筒１２と外筒１３との間（筒体の隔壁内部）に形成した流路１４内を流れる低温の流体Ｆ２との熱交換を行うものである。低温の流体Ｆ２は、導入パイプ２１およびマニホールド２２を介して流路１４の一方端（図１中では右端）に導入され、流体Ｆ１と熱交換した後、流路１４の他方端（図１中では左端）からマニホールド２３および排出パイプ２４を介して排出され、その後、流体Ｆ１の燃料として供給される。
【００１６】
次に、第１の実施の形態に係る熱交換器の製造方法を説明する。
【００１７】
第１の実施の形態に係る熱交換器の製造工程の模式図を図３〜図９に示す。なお、図１，図２と同様の部材には同じ符号を付している。
【００１８】
第１の実施の形態に係る熱交換器の製造方法は、先ず、図３に示すように、筒体１１（図１，図２参照）のマスター３１を製造する。このマスター３１は、鋳造及び／又は切削加工などにより製造されるものであり、その製造手段は特に限定するものではない。
【００１９】
次に、図４，図５に示すように、電鋳法により、マスター３１の外面に、繊維（図示せず）を分散させたＣｕ基複合材による電鋳層４１を形成する。その後、その電鋳層４１に切削加工を施し、内筒１２を形成すると共に、内筒１２の外面１２ａにスリット５１を形成する。
【００２０】
次に、そのスリット５１に充填材６１を嵌め込み、充填材６１によりスリット５１を塞ぐ。この時、充填材６１の一部６２を、内筒１２の外面１２ａから突出させ、その突出した部分６２に面取り加工（又は突出した部分６２の角部にＲ加工）を施してもよい。また、内筒１２の外面１２ａと面一に形成された充填材６１の外面に、切削加工による彫り込みを行うことで、面取り加工を施すようにしてもよい。さらに、充填材６１は、マスター３１と同じ材質のものが好ましい。
【００２１】
次に、図７，図８に示すように、電鋳法により、内筒１２の外面１２ａに、金属材、例えばニッケル材による電鋳層７１を形成する。その後、その電鋳層７１に切削加工を施し、外筒１３を形成する。
【００２２】
その後、外筒１３の、スリット５１の軸方向両端部（図９中では左右端部）９１，９２に切削加工を施して内筒１２を露出させた後、マスター３１および充填材６１を溶解除去して筒体１１および流路１４を形成した後、熱交換器１０を得る。
【００２３】
ここで、マスター３１の構成材としては、鋳造が容易な材料又は切削が容易な材料であれば特に限定するものではないが、特に、鋳造および切削が容易な純Ａｌ又はＡｌ合金が好ましい。
【００２４】
また、電鋳層４１を構成するＣｕ基複合材に分散させる繊維としては、耐熱性の高い金属又はセラミックス、例えば、タングステン、アルミナ等の長繊維、短繊維、又はウィスカが挙げられる。
【００２５】
さらに、電鋳層４１，７１を形成する電鋳の形成条件としては、特に限定するものではなく、一般的な電鋳の形成条件が全て適用可能である。
【００２６】
また、充填材６１によるスリット５１の塞ぎ方としては、図６に示したようにアルミ中子を嵌め込む方法の他に、アルミの溶射皮膜やワックス等をスリット５１に充填して塞ぐ方法が挙げられる。
【００２７】
さらに、電鋳層７１を形成する金属材としては、ニッケル材の他に、銅合金材、又はコバルト合金材、Ｎｉ−Ｃｏ合金材などが挙げられる。
【００２８】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【００２９】
本実施の形態においては、内筒１２を、耐熱性の高い繊維を分散させたＣｕ基複合材による電鋳層４１で形成しているため、内筒１２の高温疲労寿命が大幅に向上し、内筒１２の内部が燃焼ガス等により高温となっても内筒１２に熱疲労による劣化が生じにくくなる。その結果、耐久性の高い、即ち長寿命の熱交換器１０を得ることができる。
【００３０】
また、電鋳層４１を形成する際、Ｃｕ基複合材に分散させる繊維の量を調整することで、図４の要部Ａの拡大図を図１０に示すように、Ｃｕ基母材の電鋳層１０１中に分散させる繊維１０２の密度を、内面側（図１０中では下面側）から外面側（図１０中では上面側）に亘って徐々に低くすること、即ち繊維１０２の分散密度を傾斜させることができる。ここで、繊維１０２の傾斜範囲は、図２に示した内筒１２の内面（図２中では下面）から流路１４の最下面（図２中では下面）までが最も好ましい。これによって、内筒１２は、内面側は耐熱性が高く、流路１４の最下面近傍から外面側（図２中では上面側）にかけては熱伝導性が良好となり、また、内筒１２の必要な部分のみを繊維強化できるため、内筒１２全体を繊維強化する場合と比較して、製造時間及び製造コストの低減を図ることができる。その結果、熱伝導性が良好で、かつ、耐熱性が良好な熱交換器１０を得ることができる。
【００３１】
さらに、本実施の形態においては、内筒１２の外層に設ける外筒１３を電鋳法により形成しているため、内筒１２と外筒１３の接合強度は非常に強固であり、拡散接合により接合した従来と比較して、内筒１２と外筒１３の接合強度が大幅に向上する。その結果、内筒１２と外筒１３の接合不良が生じるおそれがなくなり、熱交換器１０の製造歩留まりが向上する。
【００３２】
次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００３３】
前述した第１の実施の形態に係る熱交換器の製造方法は、外筒１３をニッケル材による電鋳層７１で形成するものであった。しかし、ニッケル材による電鋳層７１で外筒１３を形成する場合、外筒１３としての強度を十分に確保するには、外筒１３の肉厚が非常に厚くなってしまい、結果として、熱交換器１０の重量増を招いてしまう。
【００３４】
そこで、第２の実施の形態に係る熱交換器の製造方法は、外筒１３を繊維を分散させたＮｉ基複合材による電鋳層８１で形成するようにしたものである。なお、本実施の形態においても、前実施の形態に係る製造方法の説明の際に用いた図面と同じものを用いる。
【００３５】
より具体的には、前実施の形態に係る熱交換器の製造方法と同様の方法で内筒１２およびスリット５１を形成し、そのスリット５１に充填材６１を嵌め込む（図５，図６参照）。
【００３６】
次に、図７に示すように、電鋳法により、内筒１２の外面１２ａに、繊維を分散させたＮｉ基複合材による電鋳層８１を形成する。この時、図７の要部Ｂの拡大図を図１１に示すように、高比強度の金属又はセラミックスの長繊維１１２を、内筒１２の外面１２ａに、周方向（図１１中では図面と垂直な方向）に沿って巻き回した後、Ｎｉ基母材の電鋳層１１１を所定の層厚に形成するという工程を所定回数（図１１中では５回）繰り返し、電鋳層８１を形成する。また、繊維として短繊維又はウィスカを用いる場合は、前実施の形態の電鋳層４１の同様の方法を用いて、電鋳層８１を形成する。
【００３７】
その後は、前実施の形態に係る熱交換器の製造方法と同様の工程を経て、熱交換器を製造する。
【００３８】
ここで、電鋳層８１を構成するＮｉ基複合材に分散させる繊維としては、高比強度の金属又はセラミックス、例えば、チタン合金、アルミナ、シリカ等の長繊維、短繊維、又はウィスカが挙げられる。
【００３９】
本実施の形態においては、繊維を分散させたＮｉ基複合材による電鋳層８１で外筒１３を形成しているため、外筒１３の肉厚が薄くても、十分な強度を確保することができ、その結果、熱交換器１０の重量低減を図ることができる。このため、本実施の形態に係る熱交換器の製造方法を、例えば、ロケットエンジンの燃焼室、特に再生冷却燃焼室に適用した場合、推力／重量比の向上等を図ることができ、延いては、打ち上げ能力（搭載可能重量）の向上を図ることができる。
【００４０】
また、電鋳層８１を形成する際、Ｎｉ基複合材に分散させる繊維（長繊維１１２、短繊維、又はウィスカ）の量を調整することで、図１０に示したＣｕ基母材の電鋳層１０１中に分散させる繊維１０２と同様に、Ｎｉ基母材の電鋳層１１１中に分散させる繊維の密度を、内面側から外面側に亘って徐々に低くすること、即ち繊維の分散密度を傾斜させてもよい。これによって、外筒１３の必要な部分のみを繊維強化できるため、外筒１３に要求される強度に応じて繊維強化を行うことができる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、Ｃｕ基複合材で形成した内筒の外面に、電鋳層からなる外筒を形成しているため、内筒と外筒が強固に接合され、かつ、長寿命の熱交換器を得ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法により製造した熱交換器の概略図である。
【図２】図１の２−２線部分断面図である。
【図３】第１及び第２の実施の形態に係る熱交換器の製造工程におけるマスターの正面図である。
【図４】第１及び第２の実施の形態に係る熱交換器の製造工程におけるＣｕ基複合材の電鋳工程を示す縦断面模式図である。
【図５】第１及び第２の実施の形態に係る熱交換器の製造工程における内筒の切削工程を示す縦断面模式図である。
【図６】第１及び第２の実施の形態に係る熱交換器の製造工程における充填材嵌め込み工程を示す部分横断面図である。
【図７】第１及び第２の実施の形態に係る熱交換器の製造工程におけるニッケルの電鋳工程を示す縦断面模式図である。
【図８】第１及び第２の実施の形態に係る熱交換器の製造工程における外筒の切削工程を示す縦断面模式図である。
【図９】第１及び第２の実施の形態に係る熱交換器の製造工程における溶解工程を示す縦断面模式図である。
【図１０】図４の要部Ａの拡大図である。
【図１１】図７の要部Ｂの拡大図である。
【図１２】従来の製造方法により製造した熱交換器の部分横断面図である。
【符号の説明】
１０  熱交換器
１１  筒体
１２  内筒（隔壁）
１３  外筒（隔壁）
１４  流路
３１  マスター
４１  電鋳層（Ｃｕ基複合材）
５１  スリット
６１  充填材
６２  充填材の一部
７１  電鋳層（ニッケル材）
８１  電鋳層（Ｎｉ基複合材）
１０１  Ｃｕ基母材の電鋳層
１１１  Ｎｉ基母材の電鋳層（ニッケルの電鋳層）
１１２  長繊維
Ｆ１  高温の流体
Ｆ２  低温の流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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