JPH02279304A - Manufacture of heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
（産業上の利用分野）
この発明は、一方の流体と他方の流体との間で熱交換を
行うのに用いられる熱交換器を製造するのに利用される
熱交換器の製造方法に関するものである。
（従来の技術）
従来、一方の流体と他方の流体との間で熱交換を行うの
に用いられる熱交換器としては、管形のもの、プレート
形のもの、拡大伝熱面を有するもの、蓄熱式のものなど
、各種の構造を有するものがあり、それらの材質として
は、入手しやすく加工性が良好である鋼や、熱伝導性が
良好であると共に加工性も良好である銅および銅合金や
、銅に続いて熱伝導性が良好であると共に軽量で加工性
が良好であるアルミニウムおよびアルミニウム合金など
が使用されており、特殊な用途では、チタン、モネル、
ニッケル、ガラス、樹脂などが用いられていた。なお、
この種の熱交換器に関しては、「機械工学便覧」 昭和
６３年５月１５日 新版２刷 社団法人 日本機械学会
発行の第Ｂ８−１頁〜第Ｂ８−２４頁に詳細な記載があ
る。
（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、このような従来の熱交換器にあっては、
耐熱性や耐食性が十分でなかったり、強度が不十分であ
ったり、重量の大きいものであったりし、とくに宇宙航
空機器のエンジン部分におけるような温度が１７００℃
以上にも及ぶ環境下において使用される熱交換器には適
していないという課題があった。
（発明の目的）
この発明は、このような従来の課題にかんがみてなされ
たもので、耐熱性および耐食性に優れている共に強度お
よび熱伝導性にも十分優れており、しかも軽量なものと
なっていて、とくに宇宙航空機器のエンジン部分におけ
るような高温度の環境下においても使用することが可能
である熱交換器を提供することを目的としている。(Industrial Application Field) This invention relates to a method for manufacturing a heat exchanger used for manufacturing a heat exchanger used for exchanging heat between one fluid and another fluid. be. (Prior Art) Conventionally, heat exchangers used to exchange heat between one fluid and another fluid include tube-shaped ones, plate-shaped ones, ones having an enlarged heat transfer surface, There are various types of structures such as heat storage types, and the materials used for these include steel, which is easy to obtain and has good workability, and copper and copper, which have good thermal conductivity and good workability. Aluminum and aluminum alloys, which are second only to copper in having good thermal conductivity, light weight, and good workability, are used.For special applications, titanium, monel,
Nickel, glass, resin, etc. were used. In addition,
A detailed description of this type of heat exchanger can be found in pages B8-1 to B8-24 of "Mechanical Engineering Handbook" published by Japan Society of Mechanical Engineers, May 15, 1988, 2nd edition, new edition. (Problem to be solved by the invention) However, in such a conventional heat exchanger,
It may not have sufficient heat resistance or corrosion resistance, it may not have sufficient strength, or it may be heavy, especially when the temperature reaches 1700 degrees Celsius, such as in the engine part of aerospace equipment.
There was a problem in that it was not suitable for heat exchangers used in the above-mentioned environments. (Purpose of the Invention) This invention was made in view of the above-mentioned conventional problems, and it has excellent heat resistance and corrosion resistance, sufficient strength and thermal conductivity, and is lightweight. The object of the present invention is to provide a heat exchanger that can be used even in high-temperature environments such as in engine parts of aerospace equipment.
（課題を解決するための手段）
この発明に係る熱交換器の製造方法は、筒状隔壁とらせ
ん状隔壁とで形成された流体通路を有する熱交換器を製
造するに際し、前記流体通路を形成するためらせん状に
配設した中子の前記筒状隔壁およびらせん状隔壁を形成
する面側に、炭素繊維（布状となっているものを含む、
）に樹脂を含浸させたプリプレグを積層した状態とし、
前記中子を加圧した際の当該中子の変形により、前記筒
状隔壁を形成する積層状プリプレグを前記中子と成形治
具との間で加圧すると共に前記らせん状隔壁を形成する
積層状プリプレグを前記中子と中子との間で加圧しつつ
加熱して前記樹脂を硬化させ、次いで炭化・黒鉛化処理
を行って炭素／炭素繊維複合材（Ｃ／Ｃ材）よりなる筒
状隔壁およびらせん状隔壁を形成し、前記加熱ないしは
炭化・黒鉛化処理時に前記中子を溶融ないしは焼失させ
て流体通路を形成する構成としたことを特徴としており
、このような熱交換器の製造方法の構成を前述した従来
の課題を解決するための手段としている。
この発明において使用される炭素繊維は、とくに限定さ
れないが１例えば、ＰＡＮ系のものが用いられ、いわゆ
る繊維状をなすもののほか布状（織布、不織布によるク
ロス状）をなすものなどが用いられる。
また、前記炭素繊維に含浸されてプリプレグを構成する
樹脂においてもとくに限定はされないが１例えば、炭化
−黒鉛化処理後の炭素残存率の大きいフェノール樹脂が
用いられる。
さらに、このようなプリプレグが表面の全部ないしは一
部に積層される中子においても特に限定はされないが、
例えば、シートワックスを適宜厚さで積層させたものや
発泡ゴムにより成形したものなどを用いることができる
。そして、この中子において、シートワックスを素材と
する場合には加圧・加熱処理時に溶融除去され、発泡ゴ
ムを素材とする場合には炭化◆黒鉛化処理時に焼失除去
される。
そして、前者のシートワックスを用いた場合には、加圧
方向と直交する方向の力を積層状プリプレグに対して与
える作用が発泡ゴムを用いた場合に比べて小さいが、加
熱による溶融除去は著しく良好に行われる。そして、加
圧方向と直交する方向にもより大きな加圧力を加えたい
ような場合には後者の発泡ゴムを用いてこれら発泡ゴム
の弾性変形を利用して例えば一方向から全部の積層状プ
リプレグに対してより大きな加圧力が付与されるように
することも必要に応じて望ましい。
そしてさらに、必要に応じては、前記炭素／炭素＃ａ維
複合材よりなる隔壁の表面には酸化物や高融点金属など
の層を設ける耐酸化処理を施しておくことも必要に応じ
て望ましい。
（発明の作用）
この発明に係る熱交換器の製造方法は、前述した構成を
有するも゛のであるから、軽量で高強度であってしかも
耐熱性および耐食性ならびに熱伝導性に優れた炭素／炭
素ｍ維複合材よりなる隔壁によって流体通路が形成され
ている熱交換器が製造されることとなり、耐熱性および
耐食性に優れていると共に強度および熱伝導性にも十分
優れており、しかも軽量なものとなっていて、とくに宇
宙航空機器のエンジン部分におけるような高温度の環境
下での使用においても十
分に酎えうるものになっているという作用がもたらされ
る。
（実施例）
友ム亘」
第１図はこの発明の実施例１において製造された熱交換
器を示し、この熱交換器１は、炭素／炭素繊維複合材（
Ｃ／Ｃ材）よりなる隔壁２（外側筒状隔壁２ａ、内側筒
状隔壁２ｂ、らせん状隔壁２ｃ）を有していると共に、
前記隔ｐ２（２ａ。
２ｂ、２ｃ）によって形成されたらせん状の流体通路３
を有し、内側γ、状隔隔壁ｂによってもストレート状の
流体通路４が形成されている構造を有するものである。
このような構造を有する熱交換器１は、第２図に示すよ
うなより大型の熱交換器１（ｌａ）、中型の熱交換器１
（ｌｂ）およびより小型の熱交換器１（ｌｃ）に形成し
て同心状に組み合わせて使用され、液体水素貯蔵容器６
から液体水素供給配管７を通ってらせん状の流体通路３
内に液体水素が供給され、内側筒状隔壁２ｂおよび外側
筒状隔壁２ａで形成された流体通路４内を矢印Ａ方向に
流れる燃焼ガス（約１７００℃）の熱を受けて前記液体
水素が流体通路３内を通過する間にガス化し、この水素
ガスは水素ガス供給配管８内を矢印Ｂ方向に通過して燃
焼室９内に送り込まれ、矢印Ｃ方向に入り込む大気中の
酸素と反応して燃焼することにより生じた燃焼ガスはタ
ービンブレードＴＢの回転によって矢印り方向に流れて
熱交換器１の流体通路４内に入り、熱交換器１の流体通
路４内を矢印Ａ方向に流れて前記したごとく液体水素に
熱を与えてこれを水素ガスとする動作を連続して行うジ
ェットエンジンとして作動する。
次に、このような構造を有する熱交換器１を製造する順
序を第３図（Ｌ）〜（ｆ）および第４図にしたがって説
明する。
第３図（ａ）は成形治具を示しており、この成形治具１
０は、筒状成形治具１１と、この筒状成形治具１１の上
端部において固定した上部リング状成形治具１２と、こ
の筒状成形治具１１の下端部において軸方向に摺動可能
に設けた下部リング状成形治具１３からなっている。
次に、第３図（ｂ−２）に示すように、発泡シリコンゴ
ムよりなる中子１５の外側に、炭素繊維のクロス（第４
図の工程１０１）に樹脂としてフェノール樹脂（第４図
の工程１０２）を含浸させたプリプレグ１６（第４図の
工程１０３）を適当な寸法にカット（第４図の工程１０
４）ｌ、て巻き付けることにより、このプリプレグ１６
を積層（第４図の工程１０５）したプリプレグ積層棒状
体１７を用意する。
そして、第３図（ｂ−ｉ）に示すように（ただし下部リ
ング状成形治具１３を取り外した状態にして〕筒状成形
治具１１の内周側に、炭素繊維のクロスにフェノール樹
脂を含浸させたプリプレグ１８を積層（第４図の工程１
０５）したのち前記第３図（ｂ−２）に示したプリプレ
グ積層杯状体１７をらせん状に配設し１次いで第３図（
ｂ−１）に示すように下部リング状成形治具１３を装着
して図示矢印Ｅ方向に圧縮することによってプリプレグ
１６．１８の積層（第４図の工程１０５）を行う。
この圧縮によって発泡シリコンゴムよりなる中子１５は
中心方向にふくらんだ状態となり（第３図（Ｃ）参照）
、この状態で第３図（Ｃ）に示すように、らせん状に配
設したプリプレグ積層棒状体１７の内周側に、炭素繊維
のクロスにフェノール樹脂を含浸させたプリプレグ１９
を積層（第４図の工程１０５）する。
次いで、第３図（ｄ）に示すように、プリプレグ１９に
ブリーダクロス２０を被せると共にさらにポリアミド樹
脂フィルムよりなる可撓性の成形治具２１を被せ、この
ポリアミド樹脂フィルムよりなる成形治具２１の端部に
シーリングコンパウンド２２．２３を設けてシールする
ことにより、プリプレグ１６．１８．１９に対するバッ
キング（第４図の工程１０６）を行う。
続いて、第３図（ｅ）に示すように、加圧舎加熱処理（
キュア処理（第４図の工程１０７））を行う、この加圧
・加熱処理は、ポリアミド樹脂フィルムよりなる可撓性
の成形治具２１で囲まれた内部を真空に引きながら行い
、このときに加わる圧力は数十ｋｇｆ／ｃｍ２ （例え
ば、２０〜７０ｋｇｆ／ｃｍ２）程度として、１５０〜
１６０℃で数時間（例えば、２〜５時間）加熱すること
により行う、この加圧・加熱処理時においては、第３図
（ｅ）の矢印方向に中心側から成形治具１１側に向けて
圧力が加えられるので、第３図（ｄ）に示したように中
心に向けて突出状となっていた中子１５が押し込まれて
弾性変形することにより積層状プリプレグ１６，１８．
１９が中子１５と成形治具１１，２１との間で加圧され
た状態となると同時に前記中子１５の弾性変形によって
当該中子１５とこれに隣接する別の中子１５および成形
治具１２，１３との間にある積層状プリプレグ１６も加
圧された状態となり、この状態で加熱されることにより
フェノール樹脂が硬化するので、隔壁形状の良好な炭素
繊維含有樹脂成形体が得られる。なお、この加圧・加熱
処理時にしみ出したフェノール樹脂はブリーダクロス２
０に含ませるようにする。
この加圧・・加熱処理が終了したあと離型（第４図の工
程１０Ｂ）して第３図（ｆ）に示す状態とし、これに炭
化（第４図の工程１０９）・黒鉛化（第４図の工程１１
０）処理を行うことによって、炭素／炭素ｍ維複合材よ
りなる隔壁２（２ａ、２ｂ、２ｃ）を形成すると共に前
記中子１５が焼失して除去された流体通路３を得るよう
にする。
この炭化・黒鉛化処理においては、ピッチ含浸（第４図
の工程１１１）、炭化（第４図の工程１１２）および黒
鉛化（第４図の工程１１３）を数回繰り返して行い１目
標の密度となるまで高めていくようにし、最終工程は黒
鉛化（第４図の工程１１３）で終るようにしている。こ
の場合、炭化（第４図の工程１０９，１１２）は、例え
ば６００〜８００℃位で焼成して樹脂（ピッチ）を炭素
化させる。このとき、例えばＮ２ガス等の不活性ガス雰
囲気中で３〜４日程度かけて昇温、保持および炉冷を行
う、また、黒鉛化（第４図の工程１１０ 、１１３）は
、２３００〜２６００℃位で焼成し、マトリックス層を
黒鉛化させる。このとき、例えばＮ２ガス等の不活性ガ
ス雰囲気中で６〜７日程度かけて昇温、保持および炉冷
を行う、さらに、ピッチ含浸（第４図の工程１１１）は
、ピッチが液体になる温度（約３００℃）で圧力を数Ｋ
ｇｆ／ｃｍ’程度加えてピッチ含浸を行う。
このようにして、炭化・黒鉛化処理を終了することによ
って、第３図（ｆ）に示したように、炭素／炭素ｍｆａ
複合材よりなる隔壁２（外側筒状隔壁２ａ、内側筒状隔
壁２ｂおよびらせん状隔壁２ｃ）が形成されていると共
に前記炭化・黒鉛化処理時に中子１５が焼失して除去さ
れることにより形成されたらせん状の流体通路３を有す
る熱交換器１を得る。
なお、この実施例１においては、中子１５として発泡シ
リコンゴムよりなるものを用いて一体型の熱交換器１を
製造する場合について示したが、中子１５としてシート
ワックスよりなるものを用いても一体型の熱交換器１を
製造することができる。そして、シートワックスは加圧
・加熱処理（キュア処理）時に溶出（例えば、溶融温度
１５０℃）してらせん状の流体通路３が形成され、その
状態で炭化・黒鉛化処理がなされることとなる。
この場合、シートワックスよりなる中子１５では、発泡
シリコンゴムはどの大きな弾性変形はしないが、発泡シ
リコンゴムでは炭化拳黒鉛化処理時における焼失の際に
若干の燃焼残渣が生じる可能性があるのに対して、シー
トワックスでは加圧管加熱処理時においてほとんど溶出
するものとなる。
実施例２
＄５図はこの発明の実施例２において製造された熱交換
器を示し、第５図（Ｃ）に示す熱交換器３１は、第５図
（ａ）に示すように、炭素／炭素繊維複合材よりなる隔
壁３２（外側筒状隔壁３２ａ、らせん状隔壁３２ｃ）を
有している外側熱交換器構成体３５と、第５図（ｂ）に
示すように、炭素／炭素繊維複合材よりなる隔壁３２（
内側筒状隔壁３２ｂ、らせん状隔壁３２ｄ）を有してい
る内側熱交換器構成体３６とを相互にねじ込むようにし
て組み合わせることによって、第５図（Ｃ）に示すよう
に、前記隔壁３２（３２ａ。
３２ｂ 、３２ｃ 、３２ｄ）によって形成されたらせ
ん状の流体通路３３を有し、内側筒状隔壁３２ｂによっ
てもストレート状の流体通路３４が形成されている構造
を有するものである。
このような構造を有する熱交換器３１においても、第２
図に例示したような例えば三種類の大きさの熱交換器と
してこれらを同心状に組み合わせて用いられる。
次に、このような構造を有する熱交換器３１を製造する
要領を第６図に従って説明する。
第６図（ａ−１）は外側熱交換器構成体３５の成形治具
を示しており、この成形治具４０は、筒状成形治具４１
と、この筒状成形治具４１の上端部において固定した上
部リング状成形治具４２と、この筒状成形治具４１の下
端部において軸方向に摺動可能に設けた下部リング状成
形治具４３からなっている。
そして、製造に際しては、発泡シリコンゴムよりなる中
子４５の三面側に、炭素ｍ！ｌのクロス（第４図の工程
１０１）に樹脂としてフェノール樹脂（第４図の工程１
０２）を含浸させたプリプレグ４６（第４図の工程１０
３）を適当な寸法にカット（第４図の工程１０４）Ｌ、
て巻き付けることにより、このプリプレグ４６を積層（
第４図の工程１０５）したプリプレグ積層棒状体４７を
用意する。
そして、第６図（ａ−１）に示すように（ただし下部リ
ング状成形治具４３を取り外した状態にして）筒状成形
治具４１の内周側に、炭素ａｍのクロスにフェノール樹
脂を含浸させたプリプレグ４８を積層（第４図の工程１
０５）したのち、前記プリプレグ積層棒状体４７をプリ
プレグ４６を積層していない面を内側にしてらせん状に
配設し、下部リング状成形治具４３を装着して第６図（
ａ−１）の上方向に圧縮することによってプリプレグ４
６．４８の積層（第４図の工程１０５）を行う。
次いで、第６図（ａ−１） （ａ−２）に示すように
、らせん状に配設したプリプレグ積層棒状体４７の内周
側にブリーダクロス５０を被せると共にさらにポリアミ
ド樹脂フィルムよりなる可撓性の成形治具５１を被せ、
ポリアミド樹脂フィルムよりなる成形治具５１の端部に
シーリングコンパウンド５２．５３を設けてシールする
ことにより、プリプレグ４６．４８に対するバッキング
（第４図の工程１０６）を行う。
続いて、加圧轡加熱処理（キュア処理）を行い、この際
、加圧嘩加熱処理中はポリアミド樹脂フィルムよりなる
成形治具５１で囲まれた内部を真空に引きながら行い、
加圧された際の中子４５の弾性変形によって、中子４５
と成形治具４１゜５１との間で積層状プリプレグ４６．
４８を加圧すると同時に中子４５とこれに隣接する中子
４５および成形治具４２，４３との間で積層状プリプレ
グ４６を加圧し、この加圧によってプリプレグ４６．４
８よりしみ出したフェノール樹脂はブリーダクロス５０
に含ませるようにする。
この加圧・加熱処理が終了したあと、炭化会黒鉛化処理
を行うことによって、炭素／炭素ｍ維複合材よりなる隔
壁３２ （３２ａ 、 ３２ ｃ）を形成すると共に前
記中子４５が焼失して除去されたらせん状四部を有する
外側熱交換器構成体３５を得る。
第６図（ｂ−１）は内側熱交換器構成体３６の成形治具
を示しており、この成形治具６０は、筒状成形治具６１
と、この筒状成形治具６１の上端部において固定した上
部リング状成形治具６２と、この筒状成形治具６１の下
端部において軸方向に摺動可能に設けた下部リング状成
形治具６３かもなっている。
そして、製造に際しては、発泡シリコンゴムよりなる中
子６５の三面側に、炭素Ｍ＆雄のクロス（第４図の工程
１０１）に樹脂としてフェノール樹脂（第４図の工程１
０２）を含浸させたプリプレグ６６を巻き付けることに
より、このプリプレグ６６を積層したプリプレグ積層棒
状体６７を用意する。
そして、下部リング状成形治具６３を取り外した状態に
して、筒状成形治具６１の外周側に、炭素繊維のクロス
にフェノール樹脂を含浸させたプリプレグ６８を積層し
たのち、プリプレグ積層棒状体６７をプリプレグ６６を
積層していない面を外側にしてらせん状に配設し、下部
リング状成形治具６３を装着して第６図（ｂ−ｉ）の上
方向に圧縮することによってプリプレグ６６．６８の積
層を行う。
次いで、第６図（ｂ−１）（ｂ−２）に示すように、ら
せん状に配設したプリプレグ積層棒状体６７の外周側に
ブリーダクロス７０を被せると共にさらにポリアミド樹
脂フィルムよりなる可撓性の成形治具７１を被せ、ポリ
アミド樹脂フィルム７１の端部にシーリングコンパウン
ド７２゜７３を設けてシールすることにより、プリプレ
グ６６．６８に対するバッキング（第４図の工程１０６
）を行う。
続いて、加圧＃熱圧処理（キュア処理）を行い、この際
、加圧番別熱処理中はポリアミド樹脂フィルム（７１）
で囲まれた内部を真空に引きながら行い、加圧された際
の中子６５の弾性変形によって、中子６５と成形治具６
１，７１との間で積層状プリプレグ６６．６８を加圧す
ると同時に中子６５とこれに隣接する中子６５および成
形治具６２．６３との間で積層状プリプレグ６６を加圧
し、この加圧によってプリプレグ６６．６８よりしみ出
したフェノール樹脂はブリーダクロス７０に含ませるよ
うにする。
この加圧・加熱処理が終了したあと、炭化・黒鉛化処理
を行うことによって、炭素／炭素繊維複合材よりなる隔
壁３２ （３２ｂ 、 ３２ ｄ）を形成すると共に前
記中子６５が焼失して除去されたらせん状四部を有する
内側熱交換器構成体３６を得る。
次に、このようにして得た外側熱交換器構成体３５と内
側熱交換器構成体３６とをねじ方向にかみ合わせること
によって２第５図（ｃ）に示すように、炭素／炭素繊維
複合材よりなる隔壁３２（外側筒状隔壁３２ａ、内側筒
状隔壁３２ｂおよびらせん状隔壁３２ｃ、３２ｄ）が形
成されていると共に前記炭化ｅ黒鉛化処理時に中子４５
゜６５が焼失して除去されることにより形成されたらせ
ん状の流体通路３３を有する熱交換器３１を得る。
なお、この実施例２においては、中子４５゜６５として
発泡シリコンゴムよりなるものを用いて分割構成型の熱
交換器３１を製造する場合について示したが、中子４５
．６５としてシートワックスよりなるものを用いても分
割構成型の熱交換器３１を製造することができる。そし
て、シートワックスは加熱・加圧処理（キュア処理）時
に溶出してらせん状の四部が形成され、その状態で炭化
−黒鉛化処理がなされることとなる。
この場合、シートワックスよりなる中子４５６５では、
発泡シリコンゴムはどの大きな弾性変形はしないが、前
述したように加圧・加熱処理時における溶出が良好にな
される。(Means for Solving the Problems) A method for manufacturing a heat exchanger according to the present invention includes forming a fluid passage when manufacturing a heat exchanger having a fluid passage formed by a cylindrical partition wall and a spiral partition wall. Carbon fibers (including those in the form of cloth,
) is laminated with prepreg impregnated with resin,
Due to the deformation of the core when the core is pressurized, the laminated prepreg forming the cylindrical partition wall is pressurized between the core and the molding jig, and the laminated prepreg forming the spiral partition wall is The prepreg is heated while being pressurized between the cores to harden the resin, and then carbonized and graphitized to produce a cylindrical partition wall made of carbon/carbon fiber composite material (C/C material). and a spiral partition wall, and the core is melted or burnt out during the heating or carbonization/graphitization treatment to form a fluid passage. The configuration is a means for solving the conventional problems mentioned above. The carbon fibers used in this invention are not particularly limited; for example, PAN-based ones are used, and in addition to so-called fibrous ones, cloth-like ones (woven fabrics, non-woven fabrics in the form of cloth), etc. are used. . Furthermore, the resin impregnated with the carbon fibers to form the prepreg is not particularly limited, but for example, a phenol resin having a high carbon residual rate after carbonization-graphitization treatment is used. Furthermore, although there are no particular limitations on the core in which such prepreg is laminated on all or part of the surface,
For example, it is possible to use one made by laminating sheet wax to an appropriate thickness, or one made of foamed rubber. If the core is made of sheet wax, it will be melted and removed during pressure and heat treatment, and if it is made of foamed rubber, it will be burned out and removed during carbonization/graphitization treatment. When using the former type of sheet wax, the effect of applying a force perpendicular to the direction of pressure to the laminated prepreg is smaller than when using foamed rubber, but it is significantly less likely to be melted and removed by heating. Well done. If you want to apply a larger pressure force in a direction perpendicular to the pressure direction, use the latter foam rubber and utilize the elastic deformation of the foam rubber to apply pressure to the entire laminated prepreg from one direction, for example. It is also desirable, if necessary, to apply a larger pressing force. Furthermore, if necessary, it is desirable to perform oxidation-proofing treatment by providing a layer of oxide, high-melting point metal, etc. on the surface of the partition wall made of the carbon/carbon #a fiber composite material. . (Function of the Invention) Since the method for manufacturing a heat exchanger according to the present invention has the above-described configuration, carbon/carbon is lightweight, has high strength, and has excellent heat resistance, corrosion resistance, and thermal conductivity. A heat exchanger in which fluid passages are formed by partition walls made of m-fiber composite material will be manufactured, and will have excellent heat resistance and corrosion resistance, as well as sufficient strength and thermal conductivity, as well as being lightweight. This results in the effect that it can be used in high-temperature environments, such as in the engine parts of aerospace equipment. (Example) Wataru Tomomu Figure 1 shows a heat exchanger manufactured in Example 1 of the present invention, and this heat exchanger 1 is made of carbon/carbon fiber composite material (
It has a partition wall 2 (outer cylindrical partition wall 2a, inner cylindrical partition wall 2b, spiral partition wall 2c) made of C/C material),
A spiral fluid passage 3 formed by the gap p2 (2a, 2b, 2c)
It has a structure in which a straight fluid passage 4 is also formed by the inner side γ and the partition wall b. The heat exchanger 1 having such a structure includes a larger heat exchanger 1 (la) and a medium-sized heat exchanger 1 as shown in FIG.
(lb) and smaller heat exchanger 1 (lc) and are used in concentric combination, liquid hydrogen storage container 6
The spiral fluid passage 3 passes through the liquid hydrogen supply pipe 7 from
Liquid hydrogen is supplied into the inner cylindrical partition wall 2b and the outer cylindrical partition wall 2a. While passing through the passage 3, this hydrogen gas is gasified, and this hydrogen gas passes through the hydrogen gas supply pipe 8 in the direction of arrow B, is sent into the combustion chamber 9, and reacts with oxygen in the atmosphere that enters in the direction of arrow C. Combustion gas generated by combustion flows in the direction indicated by the arrow by the rotation of the turbine blades TB, enters the fluid passage 4 of the heat exchanger 1, flows in the direction of the arrow A within the fluid passage 4 of the heat exchanger 1, and flows in the direction indicated by the arrow A. It operates as a jet engine that continuously heats liquid hydrogen and converts it into hydrogen gas. Next, the order of manufacturing the heat exchanger 1 having such a structure will be explained with reference to FIGS. 3(L) to (f) and FIG. 4. FIG. 3(a) shows a forming jig, and this forming jig 1
0 includes a cylindrical forming jig 11, an upper ring-shaped forming jig 12 fixed at the upper end of this cylindrical forming jig 11, and a lower end of this cylindrical forming jig 11 that is slidable in the axial direction. It consists of a lower ring-shaped forming jig 13 provided at. Next, as shown in FIG. 3(b-2), a carbon fiber cloth (a fourth
A prepreg 16 (step 103 in FIG. 4) impregnated with phenol resin (step 102 in FIG. 4) as a resin is cut into appropriate dimensions (step 10 in FIG. 4).
4) This prepreg 16 is wrapped by
A prepreg laminated rod-shaped body 17 is prepared by laminating (step 105 in FIG. 4). Then, as shown in FIG. 3(b-i) (with the lower ring-shaped forming jig 13 removed), a phenol resin is applied to the carbon fiber cloth on the inner circumferential side of the cylindrical forming jig 11. The impregnated prepreg 18 is laminated (Step 1 in Fig. 4).
05) After that, the prepreg laminated cup-shaped body 17 shown in FIG. 3 (b-2) is arranged in a spiral shape, and
As shown in b-1), the lower ring-shaped forming jig 13 is attached and compressed in the direction of the arrow E in the figure, thereby laminating the prepregs 16 and 18 (step 105 in FIG. 4). This compression causes the core 15 made of foamed silicone rubber to swell toward the center (see Figure 3 (C)).
In this state, as shown in FIG. 3(C), a prepreg 19 made of carbon fiber cloth impregnated with phenolic resin is placed on the inner circumferential side of the prepreg laminated rod-like body 17 arranged in a spiral shape.
are laminated (step 105 in FIG. 4). Next, as shown in FIG. 3(d), the prepreg 19 is covered with a bleeder cloth 20 and further covered with a flexible molding jig 21 made of a polyamide resin film. Backing for the prepregs 16, 18, 19 (step 106 in FIG. 4) is performed by sealing the ends with a sealing compound 22, 23. Next, as shown in Figure 3(e), a pressure chamber heat treatment (
The pressure and heat treatment for curing treatment (step 107 in Figure 4) is performed while evacuating the interior surrounded by the flexible molding jig 21 made of polyamide resin film. The applied pressure is about several tens of kgf/cm2 (for example, 20 to 70 kgf/cm2), and the pressure is 150 to 150 kgf/cm2.
During this pressure/heat treatment, which is performed by heating at 160° C. for several hours (for example, 2 to 5 hours), As pressure is applied, the core 15, which had been protruding toward the center, is pushed in and elastically deformed, as shown in FIG. 3(d), thereby causing the laminated prepregs 16, 18, .
19 is pressed between the core 15 and the molding jigs 11 and 21, and at the same time, elastic deformation of the core 15 causes the core 15, another core 15 adjacent thereto, and the molding jig to be compressed. The laminated prepreg 16 between the prepregs 12 and 13 is also in a pressurized state, and the phenol resin is cured by being heated in this state, so that a carbon fiber-containing resin molded body with a good partition wall shape can be obtained. In addition, the phenolic resin that seeped out during this pressure and heat treatment was
Include it in 0. After this pressure/heat treatment is completed, the mold is released (step 10B in FIG. 4) to form the state shown in FIG. 3(f), followed by carbonization (step 109 in FIG. 4) and graphitization ( Step 11 in Figure 4
0) By performing the treatment, the partition walls 2 (2a, 2b, 2c) made of a carbon/carbon m-fiber composite material are formed, and at the same time, the fluid passage 3 is obtained in which the core 15 is burned out and removed. In this carbonization/graphitization treatment, pitch impregnation (step 111 in FIG. 4), carbonization (step 112 in FIG. 4), and graphitization (step 113 in FIG. 4) are repeated several times to achieve one target density. The final step is graphitization (step 113 in FIG. 4). In this case, carbonization (steps 109 and 112 in FIG. 4) involves carbonizing the resin (pitch) by firing at, for example, about 600 to 800°C. At this time, for example, heating, holding, and furnace cooling are performed for about 3 to 4 days in an inert gas atmosphere such as N2 gas, and graphitization (steps 110 and 113 in FIG. 4) The matrix layer is graphitized by firing at about ℃. At this time, the temperature is raised, maintained, and cooled in a furnace over a period of about 6 to 7 days in an inert gas atmosphere such as N2 gas.Furthermore, pitch impregnation (step 111 in Figure 4) turns the pitch into a liquid. Temperature (approximately 300℃) and pressure of several K
Pitch impregnation is performed by adding approximately gf/cm'. By completing the carbonization/graphitization treatment in this way, as shown in FIG. 3(f), the carbon/carbon mfa
The partition wall 2 (outer cylindrical partition wall 2a, inner cylindrical partition wall 2b, and spiral partition wall 2c) made of a composite material is formed, and the core 15 is burned out and removed during the carbonization/graphitization treatment. A heat exchanger 1 having a spiral fluid passage 3 is obtained. In this Example 1, a case was shown in which the integrated heat exchanger 1 was manufactured using a material made of foamed silicone rubber as the core 15. It is also possible to manufacture an integrated heat exchanger 1. Then, the sheet wax is eluted (for example, at a melting temperature of 150° C.) during pressurization and heat treatment (cure treatment) to form a spiral fluid passage 3, and in this state, carbonization and graphitization treatment will be performed. . In this case, with the core 15 made of sheet wax, the foamed silicone rubber does not undergo any major elastic deformation, but the foamed silicone rubber may produce some combustion residue when burned out during the carbonization graphitization process. On the other hand, sheet wax is mostly eluted during the pressure tube heat treatment. Example 2 FIG. 5 shows a heat exchanger manufactured in Example 2 of the present invention, and the heat exchanger 31 shown in FIG. 5(C) is made of carbon/ As shown in FIG. 5(b), an outer heat exchanger structure 35 has a partition wall 32 (outer cylindrical partition wall 32a, spiral partition wall 32c) made of a carbon fiber composite material, and a carbon/carbon fiber composite material. Partition wall 32 (
By screwing together the inner heat exchanger structure 36 having the inner cylindrical partition wall 32b and the spiral partition wall 32d), as shown in FIG. 5(C), the partition wall 32( 32a, 32b, 32c, and 32d), and a straight fluid passage 34 is also formed by the inner cylindrical partition wall 32b. Also in the heat exchanger 31 having such a structure, the second
For example, these heat exchangers of three different sizes can be combined concentrically and used as illustrated in the figure. Next, the procedure for manufacturing the heat exchanger 31 having such a structure will be explained with reference to FIG. FIG. 6(a-1) shows a forming jig for the outer heat exchanger structure 35, and this forming jig 40 is a cylindrical forming jig 41.
, an upper ring-shaped forming jig 42 fixed at the upper end of this cylindrical forming jig 41, and a lower ring-shaped forming jig provided slidably in the axial direction at the lower end of this cylindrical forming jig 41. It consists of 43. During manufacturing, carbon m! 1 cloth (Step 101 in Figure 4) as a resin (Step 1 in Figure 4).
02) impregnated with prepreg 46 (step 10 in Fig. 4)
3) into appropriate dimensions (step 104 in Figure 4) L,
This prepreg 46 is laminated (
A prepreg laminated rod-shaped body 47 prepared in step 105 of FIG. 4 is prepared. Then, as shown in FIG. 6(a-1), a phenol resin is applied to the carbon am cross on the inner circumferential side of the cylindrical molding jig 41 (with the lower ring-shaped molding jig 43 removed). The impregnated prepreg 48 is laminated (Step 1 in Fig. 4).
05) After that, the prepreg laminated rod-like body 47 is arranged in a spiral shape with the surface on which the prepreg 46 is not laminated inside, and the lower ring-shaped forming jig 43 is attached, and the process shown in FIG.
a-1) By compressing the prepreg 4 in the upward direction
6.48 laminations (step 105 in FIG. 4) are performed. Next, as shown in FIGS. 6(a-1) and (a-2), a bleeder cloth 50 is placed on the inner circumferential side of the helically arranged prepreg laminated rod-like body 47, and a flexible cloth made of a polyamide resin film is further covered. Cover with a molding jig 51,
A sealing compound 52.53 is applied to the end of the molding jig 51 made of a polyamide resin film to seal the prepreg 46.48 (step 106 in FIG. 4). Subsequently, a pressurized heat treatment (cure treatment) is performed, and during the pressurized heat treatment, the inside surrounded by the molding jig 51 made of a polyamide resin film is evacuated.
Due to the elastic deformation of the core 45 when pressurized, the core 45
and the forming jig 41°51, the laminated prepreg 46.
48, the laminated prepreg 46 is pressurized between the core 45 and the adjacent molding jigs 42 and 43, and this pressurization causes the prepreg 46.
The phenolic resin seeping out from 8 is Breeder Cross 50
Include it in After this pressurization and heat treatment is completed, a carbonization graphitization treatment is performed to form partition walls 32 (32a, 32c) made of carbon/carbon m-fiber composite material, and the core 45 is burned out. An outer heat exchanger arrangement 35 is obtained with the helical quadrant removed. FIG. 6(b-1) shows a molding jig for the inner heat exchanger structure 36, and this molding jig 60 is a cylindrical molding jig 61.
, an upper ring-shaped forming jig 62 fixed at the upper end of this cylindrical forming jig 61, and a lower ring-shaped forming jig provided slidably in the axial direction at the lower end of this cylindrical forming jig 61. It's already 63. During manufacturing, phenol resin (step 1 in FIG. 4) is applied as a resin to the carbon M & male cross (step 101 in FIG. 4) on three sides of the core 65 made of foamed silicone rubber.
By winding the prepreg 66 impregnated with 02), a prepreg laminated rod-shaped body 67 in which the prepreg 66 is laminated is prepared. Then, with the lower ring-shaped forming jig 63 removed, a prepreg 68 made of carbon fiber cloth impregnated with phenol resin is laminated on the outer circumferential side of the cylindrical forming jig 61, and then a prepreg laminated rod-like body 67 is laminated. The prepreg 66. is arranged in a spiral shape with the surface on which the prepreg 66 is not laminated on the outside, and the lower ring-shaped forming jig 63 is attached to compress the prepreg 66. in an upward direction as shown in FIG. 6(b-i). 68 laminations are performed. Next, as shown in FIGS. 6(b-1) and (b-2), a bleeder cloth 70 is placed on the outer periphery of the helically arranged prepreg laminated rod-like body 67, and a flexible cloth made of a polyamide resin film is further covered. The backing for the prepreg 66, 68 (step 106 in FIG.
)I do. Subsequently, pressure #heat pressure treatment (cure treatment) is performed, and at this time, during the heat treatment by pressure number, the polyamide resin film (71)
The process is performed while evacuating the inside surrounded by the molding jig 6, and due to the elastic deformation of the core 65 when pressurized, the core 65 and the molding jig 6 are
At the same time, the laminated prepreg 66 is pressurized between the core 65 and the adjacent core 65 and the molding jig 62, 63. The phenol resin seeped out from the prepregs 66 and 68 due to pressure is contained in the bleeder cloth 70. After this pressure and heat treatment is completed, a carbonization and graphitization treatment is performed to form partition walls 32 (32b, 32d) made of carbon/carbon fiber composite material, and the core 65 is burned out and removed. An inner heat exchanger arrangement 36 is obtained having a helical quadrant. Next, by interlocking the outer heat exchanger structure 35 and the inner heat exchanger structure 36 thus obtained in the threaded direction, a carbon/carbon fiber composite is formed as shown in FIG. 5(c). The partition walls 32 (outer cylindrical partition wall 32a, inner cylindrical partition wall 32b, and spiral partition walls 32c, 32d) made of material are formed, and the core 45 is formed during the carbonization and graphitization treatment.
65 is burned out and removed, thereby obtaining a heat exchanger 31 having a spiral fluid passage 33 formed therein. In this second embodiment, a case is shown in which the split structure type heat exchanger 31 is manufactured using a core made of foamed silicone rubber as the core 45°65.
．． It is also possible to manufacture the heat exchanger 31 of the split construction type using sheet wax as the material 65. Then, the sheet wax is eluted during heating and pressure treatment (curing treatment) to form four helical parts, and in this state, the carbonization-graphitization treatment is performed. In this case, in the core 4565 made of sheet wax,
Although foamed silicone rubber does not undergo any large elastic deformation, it is well eluted during pressurization and heat treatment as described above.
この発明に係る熱交換器の製造方法は、筒状隔壁とらせ
ん状隔壁とで形成された流体通路を有する熱交換器を製
造するに際し、前記流体通路を形成するためらせん状に
配設した中子の前記筒状隔壁およびらせん状隔壁を形成
する面側に、炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを
積層した状態とし、前記中子を加圧した際の当該中子の
変形により、前記筒状隔壁を形成するＭ層状プリプレグ
を前記中子と成形治具との間で加圧すると共に前記らせ
ん状隔壁を形成する積層状プリプレグを前記中子と中子
との間で加圧しつつ加熱して前記樹脂を硬化させ１次い
で炭化・黒鉛化処理を行って炭素／炭素ｍＩａ複合材よ
りなる筒状隔壁およびらせん状隔壁を形成し、前記加熱
ないしは炭化・黒鉛化処理時に前記中子を溶融ないしは
焼失させて流体通路を形成する構成としたものであるか
ら、軽量で高強度であってしかも耐熱性および耐食性な
らびに熱伝導性に優れた炭素／炭素ｇ１維複合材よりな
る隔壁によって流体通路が形成されている熱交換器が製
造されることとなり、したがって、耐熱性および耐食性
に優れていると共に強度および熱伝導性にも十分優れて
おり、しかも軽量なものとなっていることから、とくに
宇宙航空機器のエンジン部分におけるような高温度の環
境下での使用においても十分に耐えうる熱交換器を製造
することができるという著しく優れた効果がもたらされ
る。The method for manufacturing a heat exchanger according to the present invention includes a method for manufacturing a heat exchanger having a fluid passage formed by a cylindrical partition wall and a spiral partition wall. A prepreg made of carbon fiber impregnated with resin is laminated on the side of the core where the cylindrical partition wall and the spiral partition wall are formed, and when the core is pressurized, the core is deformed, and the cylinder is deformed. The M-layer prepreg forming the shaped partition walls is pressurized between the core and the molding jig, and the laminated prepreg forming the spiral partition walls is heated while being pressed between the cores. The resin is hardened and then subjected to carbonization/graphitization treatment to form cylindrical partition walls and spiral partition walls made of carbon/carbon mIa composite material, and the core is melted or burned out during the heating or carbonization/graphitization treatment. Since the structure is such that a fluid passage is formed by a partition wall made of a carbon/carbon G1 fiber composite material that is lightweight, high strength, and has excellent heat resistance, corrosion resistance, and thermal conductivity, the fluid passage is formed by the partition wall. As a result, heat exchangers with excellent heat resistance and corrosion resistance, sufficient strength and thermal conductivity, and lightweight, are particularly suitable for aerospace equipment. This brings about the remarkable advantage that it is possible to manufacture a heat exchanger that can sufficiently withstand use in high-temperature environments such as those found in engine parts.
第１図はこの発明の実施例１により製造された熱交換器
の斜面説明図、第２図は第１図の熱交換器をジェットエ
ンジンに適用した場合を示す説明図、第３図（ａ）〜（
ｆ）および第４図は第１図の熱交換器を製造する工程を
順次示す断面説明図および工程流れ図、第５図（ａ）（
ｂ）（ｃ）はこの発明の実施例２により製造された熱交
換器構成体および熱交換器の斜面説明図、第６図（ａ−
ｉ、）、（ａ−２）は第５図（ａ）に示した外側熱交換
器構成体の製造要領を示す断面説明図、第６図（ｂ−１
）（ｂ−２）は第５図（ｂ）に示した内側熱交換器構成
体の製造要領を示す断面説明図である。
１・・・熱交換器、
２（２ａ、２ｂ、２ｃ）・・・炭素／炭素繊維複合材よ
りなる隔壁、
３・・・流体通路、
１５・・・中子、
１６・・・プリプレグ。
３１・・・熱交換器、
３２ （３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ・・・炭素／
炭素繊維複合材よりなる隔壁、
３３・・・流体通路。
４５．６５・・・中子、
４６．６６・・・プリプレグ。FIG. 1 is an explanatory diagram of a slope of a heat exchanger manufactured according to Example 1 of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram showing a case where the heat exchanger of FIG. 1 is applied to a jet engine, and FIG. )～(
f) and Fig. 4 are cross-sectional explanatory diagrams and process flow diagrams sequentially showing the steps of manufacturing the heat exchanger of Fig. 1, and Fig. 5(a) (
b) (c) are explanatory views of the heat exchanger structure and the slopes of the heat exchanger manufactured according to Example 2 of the present invention, and Fig. 6 (a-
i, ), (a-2) are cross-sectional explanatory views showing the manufacturing procedure of the outer heat exchanger structure shown in FIG. 5(a), and FIG. 6(b-1)
)(b-2) is a cross-sectional explanatory view showing the manufacturing procedure of the inner heat exchanger structure shown in FIG. 5(b). DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Heat exchanger, 2 (2a, 2b, 2c)... Partition wall made of carbon/carbon fiber composite material, 3... Fluid passage, 15... Core, 16... Prepreg. 31... Heat exchanger, 32 (32a, 32b, 32c, 32d... Carbon/
Partition wall made of carbon fiber composite material, 33...Fluid passage. 45.65...core, 46.66...prepreg.
Claims (1)
を有する熱交換器を製造するに際し、前記流体通路を形
成するためらせん状に配設した中子の前記筒状隔壁およ
びらせん状隔壁を形成する面側に、炭素繊維に樹脂を含
浸させたプリプレグを積層した状態とし、前記中子を加
圧した際の当該中子の変形により、前記筒状隔壁を形成
する積層状プリプレグを前記中子と成形治具との間で加
圧すると共に前記らせん状隔壁を形成する積層状プリプ
レグを前記中子と中子との間で加圧しつつ加熱して前記
樹脂を硬化させ、次いで炭化・黒鉛化処理を行って炭素
／炭素繊維複合材よりなる筒状隔壁およびらせん状隔壁
を形成し、前記加熱ないしは炭化・黒鉛化処理時に前記
中子を溶融ないしは焼失させて流体通路を形成すること
を特徴とする熱交換器の製造方法。(1) When manufacturing a heat exchanger having a fluid passage formed by a cylindrical partition wall and a spiral partition wall, the cylindrical partition wall and the spiral partition wall of the core are arranged in a spiral manner to form the fluid passage. A prepreg made of carbon fiber impregnated with a resin is laminated on the side where the partition wall is to be formed, and the laminated prepreg forming the cylindrical partition wall is formed by deforming the core when the core is pressurized. Pressure is applied between the core and the molding jig, and the laminated prepreg forming the spiral partition wall is heated while being pressurized between the cores to harden the resin, and then carbonized. A graphitization treatment is performed to form a cylindrical partition wall and a spiral partition wall made of a carbon/carbon fiber composite material, and a fluid passage is formed by melting or burning out the core during the heating or carbonization/graphitization treatment. Features: A method for manufacturing a heat exchanger.
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