JPS5852023B2 - アルミニウム多孔質沸騰表面の製造の為のサ−モスプレイ方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アルミニウム製多孔質沸騰熱伝達表面を製造
する為の方法に関係する。

特には、本発明は、電弧或いは酸素−燃料ガス型のサー
モスプレィ・ガン（溶射銃）を使用して実質上純アルミ
ニウムのワイヤを融かし、それにより結合コーティング
（ｂｅｎｄ ｃｏａｔ ）と上被コーティング（ｔｏ
ｐｃｏａｔ）とから戒る多孔質沸騰表面を形成する方法
に関するものである。

沸騰熱伝達表面においては、沸騰の為の有効な高能率熱
伝達性能を与える為にオープンセル型の孔を多数具備す
る多孔表面が必要とされることは良く知られている。

これは、沸騰流体が孔内で液体から蒸気への相変化を受
けそして生成する気泡が孔から離脱しそして放出され、
同時にその孔内部活性サイト（点）に連続的に液体が補
充されるようにする為である。

表面構造は、米国特許第３．３８４，１５４号に記載さ
れるような成る種の特性を具備せねばならない。

基本的には、このような有効沸騰表面は、所定の寸法の
平均細孔寸法、適当な活性沸騰点密度を持つようにする
為の最小多孔度、最後に活性沸騰点において蒸気の逃出
と液体の補充を可能ならしめる相互連結されたセル構造
を具備せねばならない。

先行技術によれば、このような多孔沸騰表面を作製する
のに利用しうる幾つかの手段がある。

これら方法としては、例えば上記特許において実施され
ているような適当な基質上への粉末の焼結技術がある。

別法としては、焼結技術と続いて多孔表面をもたらすよ
うコーティングからの材料のエツチング乃至浸出による
除去技術との組合せが挙げられる。

また別の手段としては、適当な基質上へ粉末を火炎溶射
する技術がある。

これら作製技術はすべて、沸騰表面として適性な特性を
与えるようにする為非常に注意深い条件の管理を必要と
し、従ってかなり費用のかかる工程となる。

追加的ｆこ、特別な多孔質沸騰表面コーティングの形成
には、追加的な特殊な問題が関与し従ってこれら問題を
回避する為相応の対索を必要とする。

例えば、アルミニウム或いは他の金属いずれかの金属基
質上へのアルミニウム多孔沸騰表面の作製は、アルミニ
ウムの表面での酸化物の形成に由り特に困難な問題であ
る。

この酸化物皮膜と関連する問題を解決することを目的と
する幾つかの火炎溶射法による先行技術も存在する。

例えば米国特許第３，９９０，８６２号及び第４，０９
３，７５５号を参照されたい。

多孔質沸騰表面としてのアルミニウムの利用は、その非
常に都合のよい容積熱容量の故Ｅこ、とりわけ魅力的で
あることが認識されている。

即ち、熱は、他の材料の使用に較べて一層効果的にコー
ティングを通してそしてコーティング内の沸騰点に伝達
される。

サーモスプレィガンを使用する作製技術はアルミニウム
多孔沸騰表面の経済的製造への可能性を有している。

この技術は、ろう接或いは焼結作業に伴って通常必要と
されるかさ高いそして高価な炉設備の使用を回避する。

サーモスプレィｆこよる金属コーティングは、ガン（銃
）の型式、原材料、噴霧ガス、ノズル−基質距離、溶射
速度が複雑にからみあって影響する。

既存の先行技術の大半は、摩耗部品の肉盛或いは耐食の
為のコーティングの観点からの問題に向けられていた。

多孔質沸騰表面（こ向けられた幾つかの先行技術（英国
特許第１，３８８，７３３号）は、特別な溶射用粉末混
合物及び金属浸出処理を含めてかなりの複雑さを伴った
。

アルミニウム多孔沸騰表面に向けられた他の先行技術（
米国特許第３，９９０，８６２号及び第４，０９３，７
５５号）は、酸素に富む雰囲気が有益であることを主張
している。

しかし、この技術はコーティングの付着及び強度特性の
問題を認識していない。

既存の先行技術は、コーティング付着性、コーティング
強度及び有効なアルミニウム多孔質沸騰表面に必要とさ
れる沸騰性能の最適の組合せを保証するに必要なサーモ
スプレィプロセスのパラメータの組合せを開示していな
い。

本発明は、サーモスプレィ（ｔｈｅｒｍｏｓｐｒａｙ、
溶射トガンを使用して金属基質にアルミニウム多孔質沸
騰表面を特に有効な態様で被覆することを主眼としてい
る。

本方法は、金属基質に対して必要とされる予備処理を最
小限とし、更（こは満足すべき多孔質沸騰表面を形成す
るのに関与する段階を最小限とする。

本方法は、チタン及びステンレス鋼基質にアルミニウム
を被覆するのに特に適当であることが見出された。

もちろん、他の材料に対しても同様の利益を与える。

生成される多孔質沸騰表面コーティングは、高能率沸騰
熱伝達の観点から有用でありそして非常に望ましい機械
的性質を有している。

高い結着強度及びコーティング自体の高強度は、このよ
うなコーティングを使用する熱交換器の作製中のコーテ
ィングを保全する観点から非常に好ましい。

本発明は、広い様相において、金属基質上にアルミニウ
ム多孔質沸騰表面を形成する改善方法Ｉこ関係する。

この改善技術は、金属基質への少く共２つの別々のコー
ティングの適用を本旨とする。

第１のコーティング即ちベースとなる結合用のコーティ
ング（以下単に結合コーティングと云う）は、酸素−燃
料ガス火炎溶射ガン（通常酸素−アセチレン）或いは電
気アーク銃いずれかを使用して、窒素、アルゴン或いは
その混合物のような不活性キャリヤガスの使用でもって
金属基質ｌこ適用される。

コーティングのこの部分の被覆に対しての金属基質から
のガンノズルの距離は比較的金属基質に接近したものと
される。

第２の即ち上被コーティングは金属基質からもつと離れ
た位置において窒素キャリヤガスを使う酸素−アセチレ
ンガンを使用して被覆される。

両方のコーティング段階共溶射ガンに対してワイヤ形原
料を使用する。

この方法の一つの重要な特徴は、上被コーティングより
少ない多孔度を持つような態様での結合コーティングの
適用（こある。

基本的Ｉこ、この結合ニーティングの被覆には、第２コ
ーテイングに較べてガン及び基質間の間隔が小さいこと
を必要とする。

本改善方法の別の特徴は、不活性窒素キャリヤガスの使
用と共に、生成する火炎が還元性であるような酸素対ア
セチレン供給ガ、ス比の使用である。

この特徴は、金属基質への付着前に比較的酸化物のない
溶融粒の維持を向上する。

この方法と関連する他の特徴は金属基質の適当な予備処
理を含み、これは基質表面の粗化の為の粒子投射乃至他
の適当な手段を必要としそして酸化物皮膜を還元する為
或いは除去する為表面の酸エツチング処理を含みうる。

上記方法の実施は、好ましくは、一定の作動ステーショ
ンにおいて２つ乃至それ以上のガンを置くことにより行
われ、この場合各ガンは被覆されるべき基質から適正な
距離に配置されそしてガンへのワイヤ、ガス及び電気的
備品はすべて関連づけられる。

追加的に、作動ステーションは過剰の粉粒やガスを取除
く為のダストフードを含む。

ステーションは例えば回転管のような金属基質を固定ス
テーションを横切って搬送する為の適当な軌条及びトロ
リ構成を装備しえ、それにより管を一回操作で被覆処理
するようになしうる。

この構成は明らかに経済的利点を有する。

上記構成は好ましいけれども、被覆されるべき部片を静
止状態ｌこ維持しそして関連するガンをすべて装備した
可動のトロリを配するようにすることも可能である。

また別のやり方は、不規則なまた特殊な形状の工作物と
関係する特別な状況に対しては手持ち式の溶射ガンを使
用することである。

本方法を特徴づける工程パラメータは、結合コーティン
グ形成の為被処理部片から約３インチ（７，６６ｒｒＬ
）（一般に２インチ（５，１ｍ）仁君づけた距離から４
インチ（１０，２□□□）位置した距離範囲が可能であ
る）のところに置かれた酸素−アセチレン型或いは電気
アーク型いずれかの型式の少く共１つのガンの使用と関
係する。

上被コーティングは好ましくは酸素−アセチレンガンに
よって為され、その加工部片からの好ましい距離は５イ
ンチ（１２，７ｃｒＩＬ）であるが、但し一般には４イ
ンチ（１０，２Ｃｒｎ、）程に接近した位置から１０イ
ンチ（２５，４ｃＩｒＬ）も離した範囲とすることがで
きる。

一般に、第２ガンは第１ガンに対するノズル−基質距離
の１．５〜２．５倍の範囲の距離に置かれ、好ましい値
は１．７倍のところである。

使用される酸素−アセチレン火炎は還元性であり、従っ
て２５以下の酸素対アセチレンモル流量比を有し、好ま
しい値は２．０である。

窒素キャリヤガスは好ましくは酸素流量の１０倍の流量
範囲を有するが、酸素流量の５〜１５倍の範囲の使用が
可能である。

これら値は本システムを特徴づけるが、上記範囲内で多
くの他の組合せも可能でありそしてそれは特定の用途に
依存することが理解されよう。

しかし、本方法においては基本的ｌこ、結合コーティン
グが外側の熱伝達性上被コーティングより少い多孔度を
持つようなものとされ、そして多孔度は一般に結合コー
ティングに対しては１５％以下そして上被コーティング
に対しては１８％以上である。

更に、上被コーティングは有効な熱伝達能の発現への要
求からオープンセル構造の孔を持つものとされるが、他
方結合コーティングはそのようなオープンセル構造をと
ってもとらなくてもよいことを理解されたい。

本発明の実施に適当な代表的電気アークガンは、２本の
ワイヤがガンを通して供送される消耗ワイヤ型ガンであ
る。

アークが２本のワイヤ間に点弧されそれによりワイヤが
適当な供送速度で進められるに際してワイヤ電極を融か
すに必要な熱を発生する。

ワイヤ原料から形成される溶融金属はアークの背後から
ガンを通して流れる窒素ガス流によって噴霧さえそして
推進される。

窒素ガス流は溶融アルミニウム粒を連行しそしてそれら
を前方に搬送して粒を金属基質に衝突せしめる。

代表的酸素−燃料ガスガンは、ノズルと金属粒の源泉で
あるワイヤ原料及び使用するガスのすべてを給送する為
の適当な機構とを含む。

ワイヤ原料を融かすに要する熱エネルギーはアセチレン
のような燃料と酸素のような酸化剤の燃焼から形成され
る。

好ましくは窒素である不活性キャリヤガスは、口を通し
て燃焼炎の周りに差向けられそして金属及びガス噴出体
を覆って空気との混合を防止する役目をなす。

窒素はまた金属粒の噴霧化とガンノズルから金属基質へ
の推進を助成する。

多孔質沸騰表面を溶射によって形成する技術は非常に複
合的な技術である。

先に記載したように、多孔質沸騰表面が基質金属への接
合、侵食及び取扱いに対する全体的に機械的強度及び沸
騰表面としての固有の高い性能の適正の組合せを具備す
ることが重要である。

これらの要件は、互いに相反する傾向のものであり、従
って所望の結果を保証する為には段階の各々に対して特
定の条件の使用が必要である。

本発明の重要な様相の一つは、これら相反する要件への
必要性が様々の特性の多孔質沸騰表面によって最適に満
足されうろことの認識にある。

即ち、金属基質への結合コーティングはコーティングの
付着性の向上とコーティングの機械的性質の向上のため
に為される。

上被コーティングはコーティングの沸騰特性を向上する
ような態様で為され、尚同時に適当な付着性と機械的強
さ性質を維持する。

更に、本発明においては、アルミニウム或いは他の金属
基質のような金属質基質に対してアルミニウムのような
酸化物被膜を形成しやすい金属の被覆が酸化物の形成を
最小限とするような条件において最適に為される。

コーティングと関連する特定の段階は、比較的高密度の
薄い結合コーティングを向上する条件の利用を含む。

これは基質に対して比較的近い距離において溶射を行う
ことにより達成しうる。

一般に、これは約３インチ（７，６ｃｒｒＬ）のガンノ
ズル−基質距離において為されるが、但しこの距離はワ
イヤ寸法、供送速度、酸素燃料ガス比、キャリヤガス流
量等の多数の他の条件の因子であると考えられる。

本方法と関連する別の特徴は、実質上純アルミニウムか
ら成るワイヤ原材料の使用を含み、これにより粉末原料
を使用することにより通常見られるようなかなりの酸化
物皮膜の介在を排除しうる。

追加的に、本方法は、不活性窒素キャリヤを使用し、こ
れもまた酸素の存在を最小限とし、それにより酸化物の
形成を減する。

最後に、燃料の酸化によって熱を発生するサーモスプレ
ィガンを使用する場合、酸素及び燃料供給率は還元性火
炎を形成するような比率に意図的に保持される。

還元性火炎もやはり酸化物皮膜の形成を減するのに有用
である。

使用される技術はすべて、酸化物皮膜の形成が減少若し
くは防止されるような態様で制御された溶融、噴霧化及
び金属粒のガンノズルから金属基質への推進を形成する
よう組合される。

低酸化物含量に関係するワイヤ原料（広表面積の粉末に
較べて）と関連する利点に加えて、ワイヤ原料は形成さ
れる粒の一層完全な加熱と溶融をもたらすものと思われ
る。

これは個々の粒と基質との結合及び粒同志の結合の改善
につながる。

結合コーティング及び上被コーティングの多孔度は、ガ
ンノズル−基質距離を調節することにより変化される。

結合コーティングｌこ対して使用される比較的接近した
距離は低多孔度並びに付着性及び機械的強度に都合よく
、他方上被コーティングに対して使用される距離の増大
は一層高い多孔度を生むに都合良い。

オープンセル構造と組合さっての高多孔度は高能率沸騰
表面としての効果的性能に好都合である。

上記因子がすべて組合さって、機械的特性と熱的特性が
適正にバランスしたアルミニウム多孔質沸騰表面を製造
する効果的な溶射法の確立をもたらす。

本発明方法の利点Ｅこついて幾つかの具体例を示そう。

これらの試験は、単一の酸素−アセチレンガンの多数回
バスを使用してのチタン管のコーティング（実験ｌ）；
酸素−アセチレンガンの２回バスを使用してのステンレ
ス鋼管のコーティング（実験２）；及び複数のガンを備
える固定作業ステーションを使用してのチタン管のコー
ティング（実験３）を含んだ。

複数のガンを備える固定作業ステーションを使用する実
験３に対しては、構成は結合コーティング形成の為の一
つの電気アークガンと上被コーティングを被覆する為の
２つの酸素−アセチレンガンを使用するものとした。

ガンノズルは、それらがコーティング処理を受ける管の
中心軸線と同じ水平面Ｉこ整列するよう配した。

更に、ガンノズルは管中心線に直角に整列した。

電気アークガンノズルは、管壁から３インチ（７，６ｃ
ｒｒＬ）のところに位置づけ、他方酸素−アセチレンガ
ンの各々は管壁から５インチ（１２，７ｃｆｒＬ）のと
ころに配した。

更に、各ガンは他のものから１０インチ（２５，４ｍ）
側方に位置づけた。

回転管を固定ガンステーションを横切って移動せしめ、
先ず結合コーティングを被覆し、続いて他の２つのガン
で上被コーティングを被覆した。

完全な２重コーティングが管がガンステーションを横切
って横に移動するｌこつれ回転管の所望の長さｌこわた
って被覆されうるよう、３つのガンに対して自動的な始
動及び停止順序動作を行わしめる構成を採用した。

コーティング処理管の両端以外は、３つのガンはすべて
同時作動せしめた。

関与するプロセス条件及びパラメータ並びｌこ結果のす
べてヲ表１〜３に示す。

一つの代表的ステンレス鋼管に対する沸騰熱伝達性能（
実験２）を先行技術によって作製された表面と比較した
。

熱的性能の結果を表４ｆこ示す。各改善（処理）表面は
処理を施さなかった基質表面に比較すべきものであり、
本発明の改善度が先＊＊行技術とほぼ同程度であること
がわかる。

このことは高多孔性を必要とする先行技術に較べて強度
面での本発明の効果を裏づけまた作製の簡便さという利
点をも示す。

１０．０００ ＢＴＵ／時間・ｆｔ２（２７１２５ｋｃ
ａ１／時間 、１）の熱束で１気圧において冷媒１１（
トリクロロモノフルオルメタン）改善表面△Ｔ （ＯＦ
、） ２．９ （１，６°Ｃ） ３．０
（１，６°Ｃ） ２．７（１，５°Ｃ）普通表
面△Ｔ（ＯＦ） ２０（１１，１°Ｃ）
３７（２０，６°Ｃ） ２１（１１，７℃）加え
て、本発明表面に対しては、引張り、張出し、曲げ及び
扁平化試験を含むＡＳＭＥテストＳ Ａ−２１３仕様Ｅ
Ｃ従ってステンレス鋼に対する標準化ＡＳＭＥ試験を行
った。

本発明表面は一体性を維持しそして割れが入ったりまた
基質から剥離したりしなかった。

以上、本発明（こついて説明したが、本発明の範囲内で
改変を為しうろことを理解されたい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属基質上にアルミニウム多孔質沸騰表面を形成す
   る為の方法であって、 （ａ） 実質上純アルミニウムの、酸化物を含まない
   ワイヤをサーモスプレィガンによって溶融すること、 （ｂ） 溶融アルミニウムを不活性ガス流中に連行せ
   しめて、周囲雰囲気から遮蔽し、噴霧しそして噴霧され
   たアルミニウム粒を移送スるコト、（ｃ） サーモス
   プレィガンをノズル−基質距離が２〜４インチ（５，１
   〜１０．２ｃＩＩＬ）の範囲にあるよう位置づけること
   、 （ｄ） アルミニウム粒を含む不活性ガス流を金属基
   質に衝突せしめて、１５％以下の多孔度を有しモして４
   ミル（０，１０２ｍｍ）を越えない厚さを有する結合コ
   ーティングを形成すること、（ｅ） ノズル−基質距
   離を４〜１０インチ（１０，２〜２５．４α）の範囲の
   距離まで増大すること、及び （ｆ） アルミニウム粒を含む不活性ガス流を結合コ
   ーティング上に衝突せしめて１８％以上の多孔度を有し
   そして結合コーティングの厚さの少く共４倍の厚さを有
   する上被コーティングを形成し、それにより沸騰表面と
   しての効果的な性能に必要とされるに充分のオープンセ
   ル型多孔を具備し同時に良好な付着力と機械的強度を示
   す多孔質沸騰表面を生成すること を包含する上記アルミニウム多孔沸騰表面形成方法。 ２ 結合コーティングを生成するのに使用されるガンが
   電気アーク溶射ガンでありそして上被コーティングを生
   成するのに使用されるガンが酸素燃料型ガンであるよう
   な特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 結合コーティング及び上被コーティング両方を生成
   する為のガンが酸素−燃料ガンである特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 ４ 結合コーティング及び上被コーティング両方を生成
   する為のガンが電気アーク溶射ガンであるような特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ５ 不活性ガスが窒素であるような特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ６ 結合コーティングの為のノズル−加工物距離が３イ
   ンチ（７，６ｃＩＩＬ）でありそして上被コーティング
   の為のノズル−加工物距離が５インチ（１２，７ｃｒｒ
   ｔ）であるような特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 上被コーティングを形成する為のノズル−加工物距
   離が結合コーティングを形成する為に使用されるノズル
   −加工物距離の約１．７倍であるような特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ８ 酸素燃料ガンにおける燃料がアセチレンであるよう
   な特許請求の範囲第１項或いは３項記載の方法。 ９ 酸素−燃料流れが還元性であるような特許請求の範
   囲第１項或いは３項記載の方法。