(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱部材（１）と、
この伝熱部材の表面に形成された成長核（２）と、
この成長核から前記伝熱部材の外方へ延びるように合成された炭素繊維（３）とよりなり、
前記伝熱部材（１）は、前記炭素繊維（３）の合成触媒となる成分を含む材料よりなり、
前記成長核（２）は、前記伝熱部材の表面に形成された凹凸により構成されたものであり、
前記炭素繊維（３）は、少なくとも一部がグラファイト化したものであって、繊維軸に対してグラファイト化した部分のＣ軸がある角度を持って配向したものであることを特徴とする炭素繊維で被覆された伝熱部材。
【請求項２】
伝熱部材（１）と、
この伝熱部材の表面に形成された成長核（２）と、
この成長核から前記伝熱部材の外方へ延びるように合成された炭素繊維（３）とよりなり、
前記伝熱部材（１）は、前記炭素繊維（３）の合成触媒となる金属成分を含む材料よりなり、
前記成長核（２）は、前記伝熱部材を熱処理して前記伝熱部材の表面に偏析した前記金属成分よりなり、
前記炭素繊維（３）は、少なくとも一部がグラファイト化したものであって、繊維軸に対してグラファイト化した部分のＣ軸がある角度を持って配向したものであることを特徴とする炭素繊維で被覆された伝熱部材。
【請求項３】
この伝熱部材の表面に形成された成長核（２）と、
この成長核から前記伝熱部材の外方へ延びるように合成された炭素繊維（３）とよりなり、
前記炭素繊維（３）は、少なくとも一部がグラファイト化したものであって、繊維軸に対してグラファイト化した部分のＣ軸がある角度を持って配向したものであることを特徴とする炭素繊維で被覆された伝熱部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝熱部材の表面を高熱伝導率を有する炭素繊維で被覆することにより熱交換面積の増大と熱伝導率を改善した炭素繊維で被覆された伝熱部材（炭素繊維被覆伝熱部材）に関し、熱交換器や放熱板等に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の炭素繊被覆伝熱部材としては、高熱伝導率を有する炭素繊維の特性を利用した熱交換器として特開２０００−５５５７８号公報に記載のものが提案されている。このものは、伝熱管（伝熱部材）に対して炭素繊維を植毛するものであるが、伝熱部材に対する炭素繊維の取り付けは、かしめや溶接等の機械的な取り付け方法を用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような、伝熱部材へ炭素繊維を機械的に取り付ける方法では、炭素繊維の高密度化は望めず、熱交換特性（熱伝導率、熱交換面積）の向上に関して十分な効果を期待できない。
【０００４】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、炭素繊維被覆伝熱部材において、熱交換特性の大幅な増大を可能とすべく、伝熱部材表面に取り付けられる炭素繊維の更なる高密度化が図れるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、伝熱部材（１）と、この伝熱部材の表面に形成された成長核（２）と、この成長核から伝熱部材の外方へ延びるように合成された炭素繊維（３）とよりなり、伝熱部材（１）は、炭素繊維（３）の合成触媒となる成分を含む材料よりなり、成長核（２）は、伝熱部材の表面に形成された凹凸により構成されたものであり、炭素繊維（３）は、少なくとも一部がグラファイト化したものであって、繊維軸に対してグラファイト化した部分のＣ軸がある角度を持って配向したものであることを特徴とする炭素繊維被覆伝熱部材を提供する。
【０００６】
本発明によれば、伝熱部材表面の成長核から炭素繊維を化学的に合成することで成長させることができる。そのため、伝熱部材表面に機械的に炭素繊維を取り付けるものに比べて、伝熱部材表面に取り付けられる炭素繊維の大幅な高密度化が図れ、熱交換特性の大幅な増大が可能となる。
【０００８】
また、本発明のように、伝熱部材（１）が炭素繊維（３）の合成触媒となる成分を含む材料よりなる場合、成長核（２）は、伝熱部材の表面に形成された凹凸により構成されたものにすることで、この凹凸を成長核として炭素繊維の化学的合成成長が可能となる。
【０００９】
また、伝熱部材（１）が炭素繊維（３）の合成触媒となる金属成分を含む材料よりなる場合には、請求項２に記載の発明のように、成長核（２）としては、伝熱部材を熱処理して伝熱部材の表面に偏析した金属成分よりなるものにできる。炭素繊維の合成触媒となる金属成分を成長核として炭素繊維の化学的合成による成長が可能となる。
【００１０】
また、請求項１から請求項３に記載の発明では、炭素繊維（３）は、少なくとも一部がグラファイト化したものであって、繊維軸に対してグラファイト化した部分のＣ軸がある角度を持って配向したものであることを特徴とする。
【００１１】
グラファイトの性質上、グラファイト面と平行方向の熱伝導率は、その垂直方向の熱伝導率に比べて約１００倍高い。ここで、炭素繊維において、グラファイト化した部分のＣ軸はグラファイト面に垂直な軸であり、このＣ軸が繊維軸に対してがある角度を持って配向しているということは、グラファイト面が繊維軸に対して垂直ではないということである。
【００１２】
逆に言えば、グラファイト面が繊維軸に垂直であると、繊維軸方向の熱伝導率がきわめて小さい炭素繊維となってしまう。その点、本発明では、グラファイト面が繊維軸に対して垂直ではないため、繊維軸方向の熱伝導率を高めることができ、結果的に、炭素繊維自体の熱伝導性を向上できるため、好ましい。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る炭素繊維で被覆された伝熱部材（炭素繊維被覆伝熱部材）の模式的な構成図である。この炭素繊維被覆伝熱部材は、熱交換器や放熱板等に適用することができる。
【００１５】
図１に示す炭素繊維被覆伝熱部材は、伝熱部材１の表面を炭素繊維３で被覆してなるもので、伝熱部材１の表面には炭素繊維３を化学的に合成して成長させることの可能な成長核２が形成されており、炭素繊維３はこの成長核２から伝熱部材１の外方へ延びるように合成されている。
【００１６】
伝熱部材１の材質は、ステンレス、鉄、アルミ合金、高耐熱性樹脂等、用途に合わせて選択することができる。成長核２としては、有機化合物から炭素繊維３を化学合成して成長させることの可能な合成触媒を用い、この合成触媒を伝熱部材１の表面に担持したものにできる。
【００１７】
このような合成触媒としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕやこれらの合金といった金属触媒を用いることができ、更には、炭素繊維の形状制御のために上記金属触媒にＹやＣｏなど他の金属を添加しても良い。合成触媒の担持方法としては、一般的に公知である、金属塗布（金属粉末をバインダや有機溶媒に混合したものを塗布する）、メッキ、金属酸化物の沈積・還元処理など種々の方法を用いることができる。
【００１８】
また、伝熱部材１が炭素繊維３の合成触媒となる成分（上記金属触媒となる金属等）を含む材料よりなる場合、成長核２は、伝熱部材１の表面に形成された凹凸により構成されたものにできる。例えば、伝熱部材１がステンレスや鉄よりなる場合、表面をアルゴンプラズマ若しくは水素プラズマ処理することで成長核２としての凹凸を形成できる。
【００１９】
また、伝熱部材１が上記金属触媒となる金属成分を含む材料よりなる場合、伝熱部材１を熱処理して、当該金属成分を伝熱部材１の表面に偏析させれば、偏析した金属成分が金属触媒すなわち成長核２として機能する。
【００２０】
ところで、本実施形態によれば、炭素繊維３は、伝熱部材１表面の成長核２から化学合成されて繊維状に成長したものである。そのため、伝熱部材１の表面に機械的に炭素繊維を取り付ける従来のものに比べて、伝熱部材１の表面に取り付けられる炭素繊維３の大幅な高密度化が図れ、熱交換特性の大幅な増大が可能となる。
【００２１】
炭素繊維３は、例えば、直径１ｎｍ〜１μｍを有し、その長さは目的とする性能に合わせて合成条件により調整できるが、おおむね０．１μｍ〜１０ｍｍ程度である。また、炭素繊維３の表面密度は１００００本／ｍｍ2以上と大幅な高密度化が可能である。
【００２２】
また、個々の炭素繊維３は、部分的若しくは完全にグラファイト化しており、グラファイト化した部分におけるグラファイト面に垂直なＣ軸は、繊維軸に対してある角度を持って配向したものとすることが好ましい。このことは、換言すれば、グラファイト面が繊維軸に対して垂直ではないということである。
【００２３】
上述したように、グラファイト面と平行方向の熱伝導率は、その垂直方向の熱伝導率に比べて約１００倍高い。このことから、グラファイト面が繊維軸に対して垂直ではない構成とすれば、グラファイト面に沿った高い熱伝導特性が繊維軸に沿った方向にも発揮されるため、繊維軸方向の熱伝導率を高めることができ、結果的に、炭素繊維自体の熱伝導性を向上できる。
【００２４】
ここで、上記した「ある角度」すなわちＣ軸と繊維軸とのなす角度は、３０〜９０度程度が好ましく、９０度であるならば繊維軸方向の熱伝導率を高める効果が最大限に発揮されると考えられる。なお、炭素繊維３がグラファイト化されておらず、すべてアモルファスであると熱伝導性が非常に低いものとなってしまう。
【００２５】
次に、上記図１に示す炭素繊維被覆伝熱部材の製造方法について述べる。用途に合わせて伝熱部材１を選択し、この伝熱部材１の表面に成長核２を形成する。成長核２の形成は、上述したように、合成触媒の担持、プラズマ等を用いた表面処理による凹凸形成、あるいは、熱処理による金属の偏析といった方法で可能である。
【００２６】
成長核２を形成した伝熱部材１を合成炉へ入れ、必要に応じて、脱気や還元処理を施す。脱気は、成長核２としての触媒を担持したときの残留水分やバインダ、溶媒等を除去して合成触媒としての機能を発揮しやすくさせるために行う。一方、還元処理は、金属酸化物を用いて成長核２としての金属触媒を担持する場合、金属酸化物のままであると触媒として機能しないため、金属酸化物を還元するために行う。
【００２７】
次に、合成炉内を炭素繊維の合成温度まで昇温し、合成ガス（有機化合物）を流す。すると、成長核２を起点として化学合成が行われ、炭素繊維３が繊維状に成長して形成されていく。例えば、炭素繊維３の合成温度は５００℃〜７００℃の範囲で選択することができ、伝熱部材１の耐熱温度を考慮して決める。
【００２８】
また、合成ガスとしては、炭素繊維の気相合成に一般的に用いられているガスで良く、一酸化炭素、エチレン、メタン、アセチレンなどの有機化合物ガスを用いることができる。また、炭素繊維３の形状制御（グラファイト化度、繊維軸に対するＣ軸の角度等の制御）のために、上記有機化合物ガスに水素やアルゴンなどを添加した混合ガスを用いても良い。
【００２９】
次に、本実施形態について、限定するものではないが、以下の各具体例を参照してより具体的に説明する。以下の具体例は、伝熱部材としてステンレス製熱交換器へ本実施形態を適用した例である。
【００３０】
［具体例１］
Ｆｅ：Ｃｕ＝９：１の割合で作製した硝酸塩混合液に炭酸アンモニウムを混合し、金属酸化物として沈殿させ、この沈殿物を乾燥粉砕して金属触媒（成長核）の原料とした。この金属触媒原料を脱脂洗浄したステンレス製熱交換器（伝熱部材）へ塗布した後、合成炉へ入れ、４７０℃にて金属触媒原料を還元した。
【００３１】
次に、合成炉を６００℃まで昇温し、アセチレンガスを２００ｍＬ／ｍｉｎ（リットル／分）の割合で流し、炭素繊維の合成を行った。以上の処理により製造した本例の炭素繊維で被覆されたステンレス製熱交換器の熱交換性能は、炭素繊維で被覆しないものに比べて約２倍に増加した。
【００３２】
［具体例２］
ステンレス製熱交換器をプラズマ処理装置内へ入れた後、真空排気を行い、アルゴンと水素との混合ガス（アルゴン：水素＝９７：３）を導入し、真空度を１０Ｐａとして１００Ｗにて３０分の処理を行った。この処理により、熱交換器の表面に成長核としての凹凸が形成される。
【００３３】
その後、熱交換器を合成炉へ入れ、６００℃まで昇温し、アセチレンガスを２００ｍＬ／ｍｉｎ（リットル／分）の割合で流し、炭素繊維の合成を行った。以上の処理により製造した本例の炭素繊維で被覆されたステンレス製熱交換器の熱交換性能は、炭素繊維で被覆しないものに比べて約１．５倍に増加した。
【００３４】
以上、本実施形態において、伝熱部材１と伝熱部材１の表面を被覆する炭素繊維３とを備える炭素繊維被覆伝熱部材は、伝熱部材１の表面に、炭素繊維３の合成起点となる成長核２を設け、この成長核２から炭素繊維３を成長させたものである。
【００３５】
そして、この炭素繊維被覆伝熱部材によれば、伝熱部材１の表面に取り付けられる炭素繊維３の大幅な高密度化が図れ、この炭素繊維被覆伝熱部材を用いた熱交換器や放熱板等は、その熱交換特性の大幅な増大が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る炭素繊維被覆伝熱部材の模式的な構成図である。
【符号の説明】
１…伝熱部材、２…成長核、３…炭素繊維。
【図１】
0004433646.tif 000002