熱伝導部材
【課題】筒状セラミックス体を金属管で被覆する場合において、金属管における引張残留応力が低減されている熱伝導部材を提供する。
【解決手段】一方の端面から他方の端面まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する筒状セラミックス体１１と、筒状セラミックス体１１の外周面に嵌合するとともに、表面においては深さ０．０１〜０．２ｍｍまでピーニング処理が施されている金属管１２と、筒状セラミックス体１１と金属管１２との間に挟み込まれた中間材と、を備え、筒状セラミックス体１１の内部に第一の流体を、金属管１２の外周面１２ｈ側に第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱伝導部材１０。
【解決手段】一方の端面から他方の端面まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する筒状セラミックス体１１と、筒状セラミックス体１１の外周面に嵌合するとともに、表面においては深さ０．０１〜０．２ｍｍまでピーニング処理が施されている金属管１２と、筒状セラミックス体１１と金属管１２との間に挟み込まれた中間材と、を備え、筒状セラミックス体１１の内部に第一の流体を、金属管１２の外周面１２ｈ側に第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱伝導部材１０。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒状セラミックス体を金属管で被覆した熱伝導部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温の流体から低温の流体へ熱交換することにより、熱を有効利用することができる。例えば、エンジンなどの燃焼排ガスなどの高温気体からの熱を回収する熱回収技術がある。気体／液体熱交換器としては、自動車のラジエター、空調室外機などのフィン付チューブ型熱交換器が一般的である。しかしながら、例えば自動車排ガスのような気体から熱を回収するには、一般的な金属製熱交換器では耐熱性に乏しく、高温での使用が困難である。そこで、耐熱性、耐熱衝撃、耐腐食などを有する耐熱金属やセラミックス材料などが適している。しかし耐熱金属は、価格が高い上に加工が難しい、密度が高く重い、熱伝導が低いなどの課題がある。
【０００３】
そこで、セラミックス材料を用いた熱回収技術が開発されている。例えば、筒状セラミックス体を用いて熱交換を行う技術がある。この場合、筒状セラミックス体の内部に第一の流体を流通させ、外部に第二の流体を流通させることにより、熱交換を行う。気体と液体とで筒状セラミックス体を用いて熱交換する場合、筒状セラミックス体が液体漏れを起こし２つの流体が混ざり合うことがないように、筒状セラミックス体をシールドする必要がある。
【０００４】
そこで、筒状セラミックス体であるセラミックス製のハニカム構造体と金属基材（金属管）とを一体化させることにより、熱を回収する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３２７６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、筒状セラミックス体と金属基材（金属管）とを一体化させた場合には、筒状セラミックス体と金属基材（金属管）との間で熱膨張率が異なるので、金属基材（金属管）の収縮の度合いが筒状セラミックス体の収縮の度合いよりも大きくなる時があり、このような時には金属基材（金属管）に引張残留応力が生じてしまう。また、塩化物イオンが含まれた水環境で金属基材（金属管）に引張残留応力が生じていると、金属基材（金属管）には応力腐食割れが生じ易くなってしまい、５０℃〜１５０℃の状態が応力腐食割れの危険性がより高まる。
【０００７】
上記の問題に鑑みて、本発明の課題は、筒状セラミックス体を金属管で被覆する場合において、金属管における引張残留応力が低減されている熱伝導部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、金属管の表面にピーニング処理を施すことにより、上記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の熱伝導部材が提供される。
【０００９】
［１］ 一方の端面から他方の端面まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する筒状セラミックス体と、前記筒状セラミックス体の外周面に嵌合するとともに、表面においては深さ０．０１〜０．２ｍｍまでピーニング処理が施されている金属管と、前記筒状セラミックス体と前記金属管との間に挟み込まれた中間材と、を備え、前記筒状セラミックス体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に前記第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱伝導部材。
【００１０】
［２］ 前記金属管における前記ピーニング処理を施した前記表面がディンプル形状を有する前記［１］に記載の熱伝導部材。
【００１１】
［３］ 焼きばめにより、前記金属管と前記筒状セラミックス体とが嵌合された前記［１］または［２］に記載の熱伝導部材。
【００１２】
［４］ 前記筒状セラミックス体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１３】
［５］ 前記筒状セラミックス体は、隔壁を有し、前記隔壁によって、流体の流路となる多数のセルが区画形成されたハニカム構造体である前記［１］〜［４］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１４】
［６］ 前記ハニカム構造体は、炭化珪素を含む前記［５］に記載の熱伝導部材。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の熱伝導部材は、筒状セラミックス体を金属管で被覆する場合において、金属管における引張残留応力が低減されている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の熱伝導部材を示す軸方向の一方の端面から見た模式図である。
【図２】本発明の熱伝導部材を示す斜視図である。
【図３】本発明の熱伝導部材の他の実施形態を示す軸方向の一方の端面から見た模式図である。
【図４】本発明の熱伝導部材を含む熱交換器を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１８】
図１に、本発明の熱伝導部材を軸方向の一方の端面から見た図、図２に、熱伝導部材の斜視図を示す。熱伝導部材１０は、一方の端面２から他方の端面２まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する筒状セラミックス体１１と、筒状セラミックス体１１の外周壁７（外周面７ｈ）に嵌合する金属管１２と、筒状セラミックス体１１と金属管１２との間に挟み込まれた中間材１３と、を備える。そして、筒状セラミックス体１１の内部に第一の流体を、金属管１２の外周面１２ｈ側に第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させることにより、第一の流体と第二の流体との熱交換を行うことができる。
【００１９】
さらに、熱伝導部材１０では、金属管１２の表面の一部あるいは全部に深さ０．０１〜０．２ｍｍまでピーニング処理が施されている。金属管１２の表面にピーニング処理を施すことにより、金属管１２の表面に圧縮残留応力が付与されるので、金属管１２に引張残留応力が生じる場合には、この引張残留応力を金属管１２の表面のみで緩和することができる。その結果、金属管１２に金属疲労が生じにくくなり、また、熱伝導部材１０が水に接触する場合には、応力腐食割れが生じにくくなる。
【００２０】
金属管１２のピーニング処理については、金属管１２の内側の表面、または金属管１２の外周面１２ｈに施すことができる。
【００２１】
本明細書にいう深さ０．０１〜０．２ｍｍまでピーニング処理を施すとは、金属管１２の表面から０．０１〜０．２ｍｍの深さまでの結晶組織が微細化、加工硬化を起こし、残留応力が圧縮残留応力になっていることをいう。尚、「金属管１２の表面から０．０１〜０．２ｍｍの深さまでの結晶組織」とは、金属管１２の表面から所定の深さまでの結晶組織であり、当該所定の深さの採り得る値が、０．０１〜０．２ｍｍであることを意味する。また、金属管１２の断面を電子顕微鏡で観察すると、ピーニング処理を施した表面とその近傍の部分が、残余の部分とは性状が異なる層（いわゆる、加工変質層）を構成している。Ｘ線応力解析装置を用いて（例えば、ＰＳＰＣなど）、金属管１２表面の残留応力を測定することができ、電解研磨を併用することで、深さ方向の応力状態を把握することもできる。
【００２２】
また、熱伝導部材１０では、金属管１２に生じる引張残留応力を確実に緩和できるという観点からは、金属管１２のピーニング処理を施した表面が、ディンプル形状を有することが好ましい。本明細書にいうディンプル形状とは、金属管１２の表面に球面状にくぼみが散在しており、これらの複数個の球面状のくぼみが金属管１２の表面を覆うことにより形作られる形状のことをいう。また、熱伝導部材１０では、金属管１２の表面がディンプル形状を有する場合には、球面状のくぼみの直径が０．００１〜０．５ｍｍであることが好ましい。くぼみの直径が０．５ｍｍより大きいと、金属管１２の変形が大きくなりすぎるため好ましくない。くぼみの直径が０．００１ｍｍより小さいと応力を緩和する効果が十分に得られないことがある。また、くぼみの深さについては、０．００１〜０．０５ｍｍであることが好ましく、金属管１２の肉厚の１０分の１以下であることが好ましい。くぼみの深さが０．０５ｍｍより大きいもしくは金属管１２の肉厚の１０分の１より大きいと、金属管１２の変形が大きくなりすぎるため好ましくない。０．００１ｍｍより小さいと応力を緩和する効果が十分に得られないことがある。
【００２３】
金属管１２と筒状セラミックス体１１とは、中間材１３を挟んだ状態で、焼きばめにより嵌合することができる。金属管１２と筒状セラミックス体１１とを一体化することにより、第一の流体と第二の流体とが混ざり合うことを防止することができる。
【００２４】
筒状セラミックス体１１は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。より好ましくは、１２０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋ、さらに好ましくは、１５０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋである。この範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、効率的に筒状セラミックス体１１内の熱を金属管１２の外側に排出できる。
【００２５】
なお、筒状セラミックス体１１とは、セラミックスで筒状に形成され、軸方向の一方の端面２から他方の端面２まで貫通する流体の流路を有するものである。筒状とは、円筒状（円柱状）に限らず、軸（長手）方向に垂直な断面が四角形、またはその他の多角形の、角柱状であってもよい。筒状セラミックス体１１は、多孔質体からなる隔壁４を有し、隔壁４によって、流体の流路となる多数のセルが区画形成されたハニカム構造体１であることが好ましい。隔壁４を有することにより、筒状セラミックス体１１の内部を流通する流体からの熱を効率よく集熱し、外部に伝達することができる。図１及び図２は、多数のセルが形成されたハニカム構造体１を筒状セラミックス体１１として用いた実施形態を示す。また、図３には、隔壁４を有さず外周壁７のみで内部が中空のセラミックス管を筒状セラミックス体１１として用いた実施形態を示す。
【００２６】
筒状セラミックス体１１は、耐熱性に優れるセラミックスを用いることが好ましく、特に伝熱性を考慮すると、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）が主成分であることが好ましい。なお、主成分とは、筒状セラミックス体１１の５０質量％以上が炭化珪素であることを意味する。
【００２７】
但し、必ずしも筒状セラミックス体１１の全体がＳｉＣ（炭化珪素）で構成されている必要はなく、ＳｉＣ（炭化珪素）が本体中に含まれていれば良い。即ち、筒状セラミックス体１１は、ＳｉＣ（炭化珪素）を含むセラミックスからなるものであることが好ましい。
【００２８】
但し、ＳｉＣ（炭化珪素）であっても多孔体の場合は高い熱伝導率が得られないため、筒状セラミックス体１１の作製過程でシリコンを含浸させて緻密体構造とすることが好ましい。緻密体構造にすることで高い熱伝導率が得られる。例えば、ＳｉＣ（炭化珪素）の多孔体の場合、２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるが、緻密体とすることにより、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度とすることができる。
【００２９】
筒状セラミックス体１１として、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、及びＳｉＣ等を採用することができるが、高い熱交換率を得るための緻密体構造とするためにＳｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することができる。Ｓｉ含浸ＳｉＣは、ＳｉＣ粒子表面を金属珪素融体の凝固物が取り囲むとともに、金属珪素を介してＳｉＣが一体に接合した構造を有するため、炭化珪素が酸素を含む雰囲気から遮断され、酸化から防止される。さらに、ＳｉＣは、熱伝導率が高く、放熱しやすいという特徴を有するが、Ｓｉを含浸するＳｉＣは、高い熱伝導率や耐熱性を示しつつ、緻密に形成され、伝熱部材として十分な強度を示す。つまり、Ｓｉ−ＳｉＣ系（Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ）材料からなる筒状セラミックス体１１は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性をはじめ、酸やアルカリなどに対する耐蝕性に優れた特性を示すとともに、高熱伝導率を示す。
【００３０】
筒状セラミックス体１１を、隔壁４によって流路となる複数のセル３が区画形成されたハニカム構造体１として形成する場合、セル形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、その他の多角形等の中から所望の形状を適宜選択すればよい。
【００３１】
ハニカム構造体１のセル密度（即ち、単位断面積当たりのセルの数）については特に制限はなく、目的に応じて適宜設計すればよいが、２５〜２０００セル／平方インチ（４〜３２０セル／ｃｍ２）の範囲であることが好ましい。セル密度が２５セル／平方インチより小さくなると、隔壁４の強度、ひいてはハニカム構造体１自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）が不足するおそれがある。一方、セル密度が２０００セル／平方インチを超えると、熱媒体が流れる際の圧力損失が大きくなるおそれがある。
【００３２】
また、ハニカム構造体１の１つ当たりのセル数は、１〜１０，０００が望ましく、２００〜２，０００が特に望ましい。セル数が多すぎるとハニカム自体が大きくなるため第一の流体側から第二の流体側までの熱伝導距離が長くなり、熱伝導ロスが大きくなり熱流束が小さくなる。またセル数が少ない時には第一の流体側の熱伝達面積が小さくなり第一の流体側の熱抵抗を下げることが出来ず熱流束が小さくなる。
【００３３】
ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の厚さ（壁厚）についても、目的に応じて適宜設計すればよく、特に制限はない。壁厚を５０μｍ〜２ｍｍとすることが好ましく、６０〜５００μｍとすることが更に好ましい。壁厚を５０μｍ未満とすると、機械的強度が低下して衝撃や熱応力によって破損することがある。一方、２ｍｍを超えると、ハニカム構造体側に占めるセル容積の割合が低くなったり、流体の圧力損失が大きくなったり、熱媒体が透過する熱交換率が低下するといった不具合が発生するおそれがある。
【００３４】
ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。０．５ｇ／ｃｍ３未満の場合、隔壁４は強度不足となり、第一流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁４が破損する可能性がある。また、５ｇ／ｃｍ３を超えると、ハニカム構造体１自体が重くなり、軽量化の特徴が損なわれる可能性がある。上記の範囲の密度とすることにより、ハニカム構造体１を強固なものとすることができる。また、熱伝導率を向上させる効果も得られる。
【００３５】
熱交換器３０（図４参照）に流通させる第一の流体（高温側）が排ガスの場合、第一の流体（高温側）が通過するハニカム構造体１のセル３内部の壁面には、触媒が担持されていることが好ましい。これは、排ガス浄化の役割に加えて、排ガス浄化の際に発生する反応熱（発熱反応）も熱交換することが可能になるためである。貴金属（白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、インジウム、銀、及び金）、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、亜鉛、銅、亜鉛、スズ、鉄、ニオブ、マグネシウム、ランタン、サマリウム、ビスマス及びバリウムからなる群から選択された元素を少なくとも一種を含有すると良い。これらは金属、酸化物、及びそれ以外の化合物であっても良い。
【００３６】
第一の流体（高温側）が通過するハニカム構造体１の第一流体流通部５のセル３の隔壁４に担持される触媒（触媒金属＋担持体）の担持量としては、１０〜４００ｇ／Ｌであることが好ましく、貴金属であれば０．１〜５ｇ／Ｌであることが更に好ましい。触媒（触媒金属＋担持体）の担持量を１０ｇ／Ｌ未満とすると、触媒作用が発現し難いおそれがある。一方、４００ｇ／Ｌを超えると、圧損が大きくなる他、製造コストが上昇するおそれがある。
【００３７】
金属管１２としては、耐熱性、耐蝕性のあるものが好ましく、例えば、ＳＵＳ管、銅管、真鍮管等を用いることができる。金属管１２の肉厚としては、０．１〜５ｍｍが好ましく、０．３〜２ｍｍがより好ましく、０．４〜１．５ｍｍが特に好ましい。０．１ｍｍよりも小さいと、筒状セラミックス体１１をシールドする効果が低下してしまうことがある。５ｍｍよりも大きいと、熱伝導が阻害され、熱交換性能が低下してしまうことがある。
【００３８】
また、焼きばめにより金属管１２と筒状セラミックス体１１とを嵌合する場合には、両者の熱膨張率の差により、筒状セラミックス体１１と金属管１２との間の圧力が抜けてしまわないように、金属管１２の径を下記の式の範囲にすることが好ましい。すなわち、室温２５℃での筒状セラミックス体１１の外径をｄ、中間材１３の厚みをｃ、筒状セラミックス体１１の熱膨張係数をα、金属管１２の熱膨張係数をβ、焼きばめ温度を１０００℃とすると、金属管１２の内径Ｄは、
ｄ＋２×ｃ−９７５×β×ｄ＜Ｄ＜ｄ＋２×ｃ−１２５×（β−α）×ｄ
となるように設定することが好ましい。
【００３９】
上記の金属管１２の内径Ｄは、筒状セラミックス体１１と金属管１２との接合部で想定される常温〜１５０℃までの温度域で、絞まりばめの圧力が確実にかかる範囲である。金属管１２の内径Ｄをこの範囲とすることにより、必要以上に金属管１２に引張応力が残らないようにすることができる。具体的には、例えば、筒状セラミックス体１１の外径が４０ｍｍ、筒状セラミックス体１１の熱膨張係数αが４．０×１０−６、金属管１２の熱膨張係数βが１０×１０−６、中間材１３の厚みｃが０．２ｍｍである場合は、４０．０１０ｍｍ＜Ｄ＜４０．３７０ｍｍである。
【００４０】
あるいは、溶融状態の金属溶湯を作製し、この溶湯を金属管１２と筒状セラミックス体１１との隙間に充填し、次いで溶湯を固化させることにより、軟質粒子を分散した金属からなる中間材１３を金属管１２と筒状セラミックス体１１との間に設けることができる。この場合、中間材１３は、金属管１２および筒状セラミックス体１１と化学的に結合する。このように中間材１３が金属管１２および筒状セラミックス体１１に化学的に結合している場合には、金属管１２−中間材１３−筒状セラミックス体１１の間の熱の伝わりが良好になり、その結果として、熱伝導の効率が高くなる。なお、本明細書にいう溶融状態とは、完全溶融状態のみならず、半溶融状態（固体から、固液共存になった状態）、半凝固状態（一度液体にしてから、液固共存になった状態）のセミソリッドも含む。
【００４１】
中間材１３が軟質粒子を分散した金属から形成されている場合には、金属管１２と筒状セラミックス体１１との間で膨張や収縮の度合いが大きく異なる状態にあっても、中間材１３が応力を緩和するので、金属管１２から筒状セラミックス体１１へと、あるいは、筒状セラミックス体１１から金属管１２へと大きな応力が及びにくくなる。その結果、金属管１２や筒状セラミックス体１１にひびや割れが生じにくくなる。
【００４２】
本発明に熱伝導部材において、中間材１３が軟質粒子を分散した金属から形成されている場合には、中間材１３における軟質粒子の割合は、通常５〜７０体積％であり、中間材１３による応力を緩和する効果や熱伝導の特性を高める観点からは、１０〜５０体積％であることがより好ましい。中間材１３における軟質粒子の割合が５体積％以上である場合には、中間材１３による応力を緩和する効果が十分に得られるようになる。また、中間材１３における軟質粒子の割合が７０体積％以下である場合には、熱伝導の特性を十分に高めることができ、その結果、熱交換性能をより高めることができる。
【００４３】
上述した軟質粒子としては、中空の金属粒子、膨張黒鉛を主成分とする粒子、鱗状黒鉛を主成分とする粒子、土状黒鉛を主成分とする粒子、人造黒鉛を主成分とする粒子からなる群から選ばれる１種以上を含んだものを用いることができる。本明細書にいう膨張黒鉛を主成分とする軟質粒子とは、軟質粒子が膨張黒鉛を５０質量％以上含むこと意味する。また、鱗状黒鉛や土状黒鉛や人造黒鉛についても、主成分とするとは軟質粒子が上記のものを５０質量％以上含むこと意味する。
【００４４】
ここで、上述した軟質粒子として使用できる膨張黒鉛を主成分とする粒子としては、例えば、膨張黒鉛粒子、膨張黒鉛粒子を粉砕もしくは造粒した粒子、膨張黒鉛を原料として作製したグラファイトシートを裁断・粉砕した粒子などを挙げることができる。
【００４５】
また、上述した軟質粒子として使用できる鱗状黒鉛を主成分とする粒子としては、例えば、鱗片状黒鉛、鱗状（塊状）黒鉛、球状黒鉛（鱗片状黒鉛を造粒・球状化したもの）などを挙げることができる。
【００４６】
また、上述した土状黒鉛を主成分とする粒子としては、土状黒鉛粒子もしくは土状黒鉛を造粒した粒子などを挙げることができる。
【００４７】
また、上述した人造黒鉛を主成分とする粒子としては、人造黒鉛電極を粉砕したもの、石油・石炭燃料より作られた熱分解黒鉛などを挙げることができる。
【００４８】
上述した軟質粒子として用いることが可能な中空の金属粒子としては、中空の鉄粒子、アルミ粒子、銅粒子などを挙げることができる。
【００４９】
また、本発明に熱伝導部材において、中間材１３が軟質粒子を分散した金属から形成されている場合には、軟質粒子は比重（密度）が０．１〜１．０であることが好ましい。このように、軟質粒子の比重が０．１〜１．０である場合には、中間材１３に十分な柔軟性を付与させることができる。
【００５０】
本発明に熱伝導部材において、中間材１３が軟質粒子を分散した金属から形成されている場合には、軟質粒子は、平均粒子径が５０〜２０００μｍであることが好ましい。このように軟質粒子の平均粒子径が５０〜２０００μｍである場合には、軟質粒子の働きが発現しやすくなり、中間材１３が応力を緩和する作用を十分に発現できるようになる。
【００５１】
金属管１２と筒状セラミックス体１１との間隙に溶湯を充填する方法としては、重力鋳造、低圧鋳造、ダイキャスト（高圧鋳造）等を用いることができる。ダイキャストは、サイクルタイム（コスト）に優れ、狭い隙間に溶湯を充填しやすい。また、低圧鋳造は、サイクルタイムは長くなるが、品質、材料歩留り等に優れる。
【００５２】
また、ろう付けにより、金属管１２と筒状セラミックス体１１とを接合することもできる。ろう付けにより接合する場合には、筒状セラミックス体１１に金属管１２を被せて、ハニカム構造体１と金属管１２との間隙にろう材を充填する。ろう材としては、銀ろう材、銅ろう材、黄銅ろう材、アルミろう材、Ｎｉろう材等を用いることができる。ろう材は、ペースト状、シート状のものを利用することができるが、ペースト状のものがより好ましい。常温で入らない場合は、金属管１２を温めるとよい。そして、真空中でろう材の固相線温度以上に昇温してろう付けする。その際に、金属間１２の外側から型で圧縮、矯正した状態でろう付けしても良い。間隙に充填されたろう材は、昇温、冷却により中間材１３となり、金属管１２と筒状セラミックス体１１とが接合される。
【００５３】
上述した溶湯やろう材を用いた方法では、中間材１３が金属管１２および筒状セラミックス体１１と化学的に結合するようになる。本発明の熱伝導部材１０においては、中間材１３が金属管１２および筒状セラミックス体１１に化学的に結合している場合には、金属管１２−中間材１３−筒状セラミックス体１１の間の熱の伝わりが良好になり、その結果として、熱伝導の効率が高くなる。また、中間材１３が金属管１２および筒状セラミックス体１１に化学的に結合している場合であっても、金属管１２にピーニング処理されていることにより、上述したように金属管１２の表面の引張残留応力を緩和することができるので、金属管１２や筒状セラミックス体１１にはひびや割れが生じにくい。
【００５４】
また、ろう材についても、上述した軟質粒子が分散されていてもよい。このようにすると、中間材１３が軟質粒子を分散した金属から形成されるようになる。その結果、金属管１２と筒状セラミックス体１１との間で膨張や収縮の度合いが大きく異なる状態にあっても、中間材１３が応力を緩和するので、金属管１２から筒状セラミックス体１１へと、あるいは、筒状セラミックス体１１から金属管１２へと大きな応力が及びにくくなる。したがって、金属管１２や筒状セラミックス体１１にひびや割れが生じにくくなる。
【００５５】
次に、本発明の熱伝導部材１０の製造方法を説明する。まず、セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出し、ハニカム成形体を作製する。ハニカム構造体１の材料としては、前述のセラミックスを用いることができるが、例えば、Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム構造体１を製造する場合、所定量のＣ粉末、ＳｉＣ粉末、バインダー、水又は有機溶媒を混練し坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得る。
【００５６】
そしてハニカム成形体を乾燥し、Ｓｉ含浸焼成することによって、隔壁４によってガスの流路となる複数のセル３が区画形成されたハニカム構造体１を得ることができる。
【００５７】
次に、焼きばめにより金属管１２と筒状セラミックス体１１とを嵌合する場合には、中間材１３をハニカム構造体１の外周壁７の外周面７ｈに巻き付ける。このとき、接着剤を用いて貼り付けてもよい。接着剤を用いることにより、一様に中間材１３を貼り付けることができる。接着剤は、良伝熱性であることが望ましい。また、焼きばめ後は締まりばめ状態となるため、接着は、全面接着でも部分接着でもよい。続いて金属管１２を高周波加熱機で１０００℃程度まで昇温させる。そして、ハニカム構造体１を金属管１２に挿入して焼きばめにより一体化し、熱伝導部材１０を形成することができる。
【００５８】
金属管１２の外周面１２ｈにピーニング処理を施す場合には、ハニカム構造体１を金属管１２とを一体化した後に、金属管１２の外周面１２ｈにピーニング処理を施すことが好ましい。ピーニング処理としては、ショットピーニング、超音波ピーニング、レーザーピーニング、キャビテーションピーニングなどを用いることができる。
【００５９】
図４に本発明の熱伝導部材１０を含む熱交換器３０の斜視図を示す。図４に示すように、熱交換器３０は、熱伝導部材１０（ハニカム構造体１＋中間材１３＋金属管１２）と、熱伝導部材１０を内部に含むケーシング２１とによって形成されている。筒状セラミックス体１１のハニカム構造体１のセル３が第一の流体が流通する第一流体流通部５となる。熱交換器３０は、ハニカム構造体１のセル３内を、第二の流体よりも高温の第一の流体が流通するように構成されている。また、ケーシング２１に第二の流体の入口２２及び出口２３が形成されており、第二の流体は、熱伝導部材１０の金属管１２の外周面１２ｈ上を流通する。
【００６０】
つまり、ケーシング２１の内側面２４と金属管１２の外周面１２ｈとによって第二流体流通部６が形成されている。第二流体流通部６は、ケーシング２１と金属管１２の外周面１２ｈとによって形成された第二の流体の流通部であり、第一流体流通部５とハニカム構造体１の隔壁４、中間材１３、金属管１２によって隔たれて熱伝導可能とされており、第一流体流通部５を流通する第一の流体の熱を隔壁４、中間材１３、金属管１２を介して受け取り、流通する第二の流体である被加熱体へ熱を伝達する。第一の流体と第二の流体とは、完全に分離されており、これらの流体は混じり合わないように構成されている。
【００６１】
第一流体流通部５は、ハニカム構造として形成されており、ハニカム構造の場合、流体
がセル３の中を通り抜ける時には、流体は隔壁４により別のセル３に流れ込むことが出来ず、ハニカム構造体１の入口から出口へと直線的に流体が進む。また、本発明の熱交換器３０内のハニカム構造体１は、目封止されておらず、流体の伝熱面積が増し熱交換器３０のサイズを小さくすることができる。これにより、熱交換器３０の単位体積あたりの伝熱量を大きくすることができる。さらに、ハニカム構造体１に目封止部の形成やスリットの形成等の加工を施すことが不要なため、熱交換器３０は、製造コストを低減することができる。
【００６２】
熱交換器３０は、第二の流体よりも高温である第一の流体を流通させ、第一の流体から第二の流体へ熱伝導するようにすることが好ましい。第一の流体として気体を流通させ、第二の流体として液体を流通させると、第一の流体と第二の流体の熱交換を効率よく行うことができる。つまり、本発明の熱交換器３０は、気体／液体熱交換器として適用することができる。
【００６３】
以上のような構成の本発明の熱交換器３０に流通させる第一の流体である加熱体としては、熱を有する媒体であれば、気体、液体等、特に限定されない。例えば、気体であれば自動車の排ガス等が挙げられる。また、加熱体から熱を奪う（熱交換する）第二の流体である被加熱体は、加熱体よりも低い温度であれば、媒体としては、気体、液体等、特に限定されない。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６５】
（実施例１）
外径４５ｍｍ×長さ５０ｍｍの円筒形状の接合サンプル（肉厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４管の内部にＳｉ含浸ＳｉＣ円筒状セラミックスを嵌合させたサンプル）を準備し、投射ノズルから円筒形状の接合サンプル側面（ＳＵＳ３０４管の外表面）までの距離を２００ｍｍとし、円筒形状の接合サンプルを円周方向に３０ｒｐｍで回転させながら、接合サンプル側面（ＳＵＳ３０４管の外表面）に向かってセラミックス投射材を投射した。装置は、新東エスビーテックカンパニー製ショットピーニング装置ＭＹ３０を使用した。投射材は、同社製Ｚ１５０を使用した。この処理により、直径約０．１８ｍｍ、深さ約０．００５ｍｍのディンプル形状をＳＵＳ３０４管の外表面全体に形成した。ＳＵＳ３０４管の外表面については、投射前後での残留応力解析を実施した。
【００６６】
（実施例２）
外径４５ｍｍ×長さ５０ｍｍの円筒形状の接合サンプル（肉厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４管の内部にＳｉ含浸ＳｉＣ円筒状セラミックスを嵌合させたサンプル）を準備し、直径約０．２５ｍｍ、深さ約０．０１ｍｍのディンプル形状をＳＵＳ３０４管の外表面全体に形成した。ＳＵＳ３０４管の外表面については、投射前後での残留応力解析を実施した。その他の操作は、実施例１と同じである。
【００６７】
（比較例１）
外径４５ｍｍ×長さ５０ｍｍの円筒形状の接合サンプル（肉厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４管の内部にＳｉ含浸ＳｉＣ円筒状セラミックスを嵌合させたサンプル）を準備し、直径約０．５５ｍｍ、深さ約０．０５５ｍｍのディンプル形状をＳＵＳ３０４管の外表面全体に形成した。なお、装置は、新東エスビーテックカンパニー製ショットピーニング装置ＶＳＲＸを使用した。ＳＵＳ３０４管の外表面については、投射前後での残留応力解析を実施した。
【００６８】
実施例１および実施例２では、ＳＵＳ３０４管の外表面における引張残留応力を圧縮残留応力に変化させることができた。また、ＳＵＳ３０４管については、外表面から深さ０．２ｍｍ以内の領域だけを改質することができたので、ＳＵＳ３０４管と円筒状セラミックスとの接合が緩むこともなく、その結果、良好な熱伝導特性を示した。
【００６９】
比較例１では、ＳＵＳ３０４管の外表面から深さ０．２ｍｍ以上の領域まで応力が開放されてしまったので、ＳＵＳ３０４管と円筒状セラミックスとの接合がゆるみ、界面で剥離が生じてしまった。その結果、比較例１では、熱伝導特性が極端に低下してしまった。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の熱伝導部材は、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）で熱交換する用途に利用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１：ハニカム構造体、２：（軸方向の）端面、３：セル、４：隔壁、５：第一流体流通部、６：第二流体流通部、７：外周壁、７ｈ：（筒状セラミックス体の）外周面、１０：熱伝導部材、１１：筒状セラミックス体、１２：金属管、１２ｈ：（金属管の）外周面、１３：中間材（グラファイトシート）、２１：ケーシング、２２：（第二の流体の）入口、２３：（第二の流体の）出口、２４：（ケーシングの）内側面、３０：熱交換器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒状セラミックス体を金属管で被覆した熱伝導部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温の流体から低温の流体へ熱交換することにより、熱を有効利用することができる。例えば、エンジンなどの燃焼排ガスなどの高温気体からの熱を回収する熱回収技術がある。気体／液体熱交換器としては、自動車のラジエター、空調室外機などのフィン付チューブ型熱交換器が一般的である。しかしながら、例えば自動車排ガスのような気体から熱を回収するには、一般的な金属製熱交換器では耐熱性に乏しく、高温での使用が困難である。そこで、耐熱性、耐熱衝撃、耐腐食などを有する耐熱金属やセラミックス材料などが適している。しかし耐熱金属は、価格が高い上に加工が難しい、密度が高く重い、熱伝導が低いなどの課題がある。
【０００３】
そこで、セラミックス材料を用いた熱回収技術が開発されている。例えば、筒状セラミックス体を用いて熱交換を行う技術がある。この場合、筒状セラミックス体の内部に第一の流体を流通させ、外部に第二の流体を流通させることにより、熱交換を行う。気体と液体とで筒状セラミックス体を用いて熱交換する場合、筒状セラミックス体が液体漏れを起こし２つの流体が混ざり合うことがないように、筒状セラミックス体をシールドする必要がある。
【０００４】
そこで、筒状セラミックス体であるセラミックス製のハニカム構造体と金属基材（金属管）とを一体化させることにより、熱を回収する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３２７６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、筒状セラミックス体と金属基材（金属管）とを一体化させた場合には、筒状セラミックス体と金属基材（金属管）との間で熱膨張率が異なるので、金属基材（金属管）の収縮の度合いが筒状セラミックス体の収縮の度合いよりも大きくなる時があり、このような時には金属基材（金属管）に引張残留応力が生じてしまう。また、塩化物イオンが含まれた水環境で金属基材（金属管）に引張残留応力が生じていると、金属基材（金属管）には応力腐食割れが生じ易くなってしまい、５０℃〜１５０℃の状態が応力腐食割れの危険性がより高まる。
【０００７】
上記の問題に鑑みて、本発明の課題は、筒状セラミックス体を金属管で被覆する場合において、金属管における引張残留応力が低減されている熱伝導部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、金属管の表面にピーニング処理を施すことにより、上記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の熱伝導部材が提供される。
【０００９】
［１］ 一方の端面から他方の端面まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する筒状セラミックス体と、前記筒状セラミックス体の外周面に嵌合するとともに、表面においては深さ０．０１〜０．２ｍｍまでピーニング処理が施されている金属管と、前記筒状セラミックス体と前記金属管との間に挟み込まれた中間材と、を備え、前記筒状セラミックス体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に前記第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱伝導部材。
【００１０】
［２］ 前記金属管における前記ピーニング処理を施した前記表面がディンプル形状を有する前記［１］に記載の熱伝導部材。
【００１１】
［３］ 焼きばめにより、前記金属管と前記筒状セラミックス体とが嵌合された前記［１］または［２］に記載の熱伝導部材。
【００１２】
［４］ 前記筒状セラミックス体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１３】
［５］ 前記筒状セラミックス体は、隔壁を有し、前記隔壁によって、流体の流路となる多数のセルが区画形成されたハニカム構造体である前記［１］〜［４］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１４】
［６］ 前記ハニカム構造体は、炭化珪素を含む前記［５］に記載の熱伝導部材。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の熱伝導部材は、筒状セラミックス体を金属管で被覆する場合において、金属管における引張残留応力が低減されている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の熱伝導部材を示す軸方向の一方の端面から見た模式図である。
【図２】本発明の熱伝導部材を示す斜視図である。
【図３】本発明の熱伝導部材の他の実施形態を示す軸方向の一方の端面から見た模式図である。
【図４】本発明の熱伝導部材を含む熱交換器を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１８】
図１に、本発明の熱伝導部材を軸方向の一方の端面から見た図、図２に、熱伝導部材の斜視図を示す。熱伝導部材１０は、一方の端面２から他方の端面２まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する筒状セラミックス体１１と、筒状セラミックス体１１の外周壁７（外周面７ｈ）に嵌合する金属管１２と、筒状セラミックス体１１と金属管１２との間に挟み込まれた中間材１３と、を備える。そして、筒状セラミックス体１１の内部に第一の流体を、金属管１２の外周面１２ｈ側に第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させることにより、第一の流体と第二の流体との熱交換を行うことができる。
【００１９】
さらに、熱伝導部材１０では、金属管１２の表面の一部あるいは全部に深さ０．０１〜０．２ｍｍまでピーニング処理が施されている。金属管１２の表面にピーニング処理を施すことにより、金属管１２の表面に圧縮残留応力が付与されるので、金属管１２に引張残留応力が生じる場合には、この引張残留応力を金属管１２の表面のみで緩和することができる。その結果、金属管１２に金属疲労が生じにくくなり、また、熱伝導部材１０が水に接触する場合には、応力腐食割れが生じにくくなる。
【００２０】
金属管１２のピーニング処理については、金属管１２の内側の表面、または金属管１２の外周面１２ｈに施すことができる。
【００２１】
本明細書にいう深さ０．０１〜０．２ｍｍまでピーニング処理を施すとは、金属管１２の表面から０．０１〜０．２ｍｍの深さまでの結晶組織が微細化、加工硬化を起こし、残留応力が圧縮残留応力になっていることをいう。尚、「金属管１２の表面から０．０１〜０．２ｍｍの深さまでの結晶組織」とは、金属管１２の表面から所定の深さまでの結晶組織であり、当該所定の深さの採り得る値が、０．０１〜０．２ｍｍであることを意味する。また、金属管１２の断面を電子顕微鏡で観察すると、ピーニング処理を施した表面とその近傍の部分が、残余の部分とは性状が異なる層（いわゆる、加工変質層）を構成している。Ｘ線応力解析装置を用いて（例えば、ＰＳＰＣなど）、金属管１２表面の残留応力を測定することができ、電解研磨を併用することで、深さ方向の応力状態を把握することもできる。
【００２２】
また、熱伝導部材１０では、金属管１２に生じる引張残留応力を確実に緩和できるという観点からは、金属管１２のピーニング処理を施した表面が、ディンプル形状を有することが好ましい。本明細書にいうディンプル形状とは、金属管１２の表面に球面状にくぼみが散在しており、これらの複数個の球面状のくぼみが金属管１２の表面を覆うことにより形作られる形状のことをいう。また、熱伝導部材１０では、金属管１２の表面がディンプル形状を有する場合には、球面状のくぼみの直径が０．００１〜０．５ｍｍであることが好ましい。くぼみの直径が０．５ｍｍより大きいと、金属管１２の変形が大きくなりすぎるため好ましくない。くぼみの直径が０．００１ｍｍより小さいと応力を緩和する効果が十分に得られないことがある。また、くぼみの深さについては、０．００１〜０．０５ｍｍであることが好ましく、金属管１２の肉厚の１０分の１以下であることが好ましい。くぼみの深さが０．０５ｍｍより大きいもしくは金属管１２の肉厚の１０分の１より大きいと、金属管１２の変形が大きくなりすぎるため好ましくない。０．００１ｍｍより小さいと応力を緩和する効果が十分に得られないことがある。
【００２３】
金属管１２と筒状セラミックス体１１とは、中間材１３を挟んだ状態で、焼きばめにより嵌合することができる。金属管１２と筒状セラミックス体１１とを一体化することにより、第一の流体と第二の流体とが混ざり合うことを防止することができる。
【００２４】
筒状セラミックス体１１は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。より好ましくは、１２０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋ、さらに好ましくは、１５０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋである。この範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、効率的に筒状セラミックス体１１内の熱を金属管１２の外側に排出できる。
【００２５】
なお、筒状セラミックス体１１とは、セラミックスで筒状に形成され、軸方向の一方の端面２から他方の端面２まで貫通する流体の流路を有するものである。筒状とは、円筒状（円柱状）に限らず、軸（長手）方向に垂直な断面が四角形、またはその他の多角形の、角柱状であってもよい。筒状セラミックス体１１は、多孔質体からなる隔壁４を有し、隔壁４によって、流体の流路となる多数のセルが区画形成されたハニカム構造体１であることが好ましい。隔壁４を有することにより、筒状セラミックス体１１の内部を流通する流体からの熱を効率よく集熱し、外部に伝達することができる。図１及び図２は、多数のセルが形成されたハニカム構造体１を筒状セラミックス体１１として用いた実施形態を示す。また、図３には、隔壁４を有さず外周壁７のみで内部が中空のセラミックス管を筒状セラミックス体１１として用いた実施形態を示す。
【００２６】
筒状セラミックス体１１は、耐熱性に優れるセラミックスを用いることが好ましく、特に伝熱性を考慮すると、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）が主成分であることが好ましい。なお、主成分とは、筒状セラミックス体１１の５０質量％以上が炭化珪素であることを意味する。
【００２７】
但し、必ずしも筒状セラミックス体１１の全体がＳｉＣ（炭化珪素）で構成されている必要はなく、ＳｉＣ（炭化珪素）が本体中に含まれていれば良い。即ち、筒状セラミックス体１１は、ＳｉＣ（炭化珪素）を含むセラミックスからなるものであることが好ましい。
【００２８】
但し、ＳｉＣ（炭化珪素）であっても多孔体の場合は高い熱伝導率が得られないため、筒状セラミックス体１１の作製過程でシリコンを含浸させて緻密体構造とすることが好ましい。緻密体構造にすることで高い熱伝導率が得られる。例えば、ＳｉＣ（炭化珪素）の多孔体の場合、２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるが、緻密体とすることにより、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度とすることができる。
【００２９】
筒状セラミックス体１１として、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、及びＳｉＣ等を採用することができるが、高い熱交換率を得るための緻密体構造とするためにＳｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することができる。Ｓｉ含浸ＳｉＣは、ＳｉＣ粒子表面を金属珪素融体の凝固物が取り囲むとともに、金属珪素を介してＳｉＣが一体に接合した構造を有するため、炭化珪素が酸素を含む雰囲気から遮断され、酸化から防止される。さらに、ＳｉＣは、熱伝導率が高く、放熱しやすいという特徴を有するが、Ｓｉを含浸するＳｉＣは、高い熱伝導率や耐熱性を示しつつ、緻密に形成され、伝熱部材として十分な強度を示す。つまり、Ｓｉ−ＳｉＣ系（Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ）材料からなる筒状セラミックス体１１は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性をはじめ、酸やアルカリなどに対する耐蝕性に優れた特性を示すとともに、高熱伝導率を示す。
【００３０】
筒状セラミックス体１１を、隔壁４によって流路となる複数のセル３が区画形成されたハニカム構造体１として形成する場合、セル形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、その他の多角形等の中から所望の形状を適宜選択すればよい。
【００３１】
ハニカム構造体１のセル密度（即ち、単位断面積当たりのセルの数）については特に制限はなく、目的に応じて適宜設計すればよいが、２５〜２０００セル／平方インチ（４〜３２０セル／ｃｍ２）の範囲であることが好ましい。セル密度が２５セル／平方インチより小さくなると、隔壁４の強度、ひいてはハニカム構造体１自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）が不足するおそれがある。一方、セル密度が２０００セル／平方インチを超えると、熱媒体が流れる際の圧力損失が大きくなるおそれがある。
【００３２】
また、ハニカム構造体１の１つ当たりのセル数は、１〜１０，０００が望ましく、２００〜２，０００が特に望ましい。セル数が多すぎるとハニカム自体が大きくなるため第一の流体側から第二の流体側までの熱伝導距離が長くなり、熱伝導ロスが大きくなり熱流束が小さくなる。またセル数が少ない時には第一の流体側の熱伝達面積が小さくなり第一の流体側の熱抵抗を下げることが出来ず熱流束が小さくなる。
【００３３】
ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の厚さ（壁厚）についても、目的に応じて適宜設計すればよく、特に制限はない。壁厚を５０μｍ〜２ｍｍとすることが好ましく、６０〜５００μｍとすることが更に好ましい。壁厚を５０μｍ未満とすると、機械的強度が低下して衝撃や熱応力によって破損することがある。一方、２ｍｍを超えると、ハニカム構造体側に占めるセル容積の割合が低くなったり、流体の圧力損失が大きくなったり、熱媒体が透過する熱交換率が低下するといった不具合が発生するおそれがある。
【００３４】
ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。０．５ｇ／ｃｍ３未満の場合、隔壁４は強度不足となり、第一流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁４が破損する可能性がある。また、５ｇ／ｃｍ３を超えると、ハニカム構造体１自体が重くなり、軽量化の特徴が損なわれる可能性がある。上記の範囲の密度とすることにより、ハニカム構造体１を強固なものとすることができる。また、熱伝導率を向上させる効果も得られる。
【００３５】
熱交換器３０（図４参照）に流通させる第一の流体（高温側）が排ガスの場合、第一の流体（高温側）が通過するハニカム構造体１のセル３内部の壁面には、触媒が担持されていることが好ましい。これは、排ガス浄化の役割に加えて、排ガス浄化の際に発生する反応熱（発熱反応）も熱交換することが可能になるためである。貴金属（白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、インジウム、銀、及び金）、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、亜鉛、銅、亜鉛、スズ、鉄、ニオブ、マグネシウム、ランタン、サマリウム、ビスマス及びバリウムからなる群から選択された元素を少なくとも一種を含有すると良い。これらは金属、酸化物、及びそれ以外の化合物であっても良い。
【００３６】
第一の流体（高温側）が通過するハニカム構造体１の第一流体流通部５のセル３の隔壁４に担持される触媒（触媒金属＋担持体）の担持量としては、１０〜４００ｇ／Ｌであることが好ましく、貴金属であれば０．１〜５ｇ／Ｌであることが更に好ましい。触媒（触媒金属＋担持体）の担持量を１０ｇ／Ｌ未満とすると、触媒作用が発現し難いおそれがある。一方、４００ｇ／Ｌを超えると、圧損が大きくなる他、製造コストが上昇するおそれがある。
【００３７】
金属管１２としては、耐熱性、耐蝕性のあるものが好ましく、例えば、ＳＵＳ管、銅管、真鍮管等を用いることができる。金属管１２の肉厚としては、０．１〜５ｍｍが好ましく、０．３〜２ｍｍがより好ましく、０．４〜１．５ｍｍが特に好ましい。０．１ｍｍよりも小さいと、筒状セラミックス体１１をシールドする効果が低下してしまうことがある。５ｍｍよりも大きいと、熱伝導が阻害され、熱交換性能が低下してしまうことがある。
【００３８】
また、焼きばめにより金属管１２と筒状セラミックス体１１とを嵌合する場合には、両者の熱膨張率の差により、筒状セラミックス体１１と金属管１２との間の圧力が抜けてしまわないように、金属管１２の径を下記の式の範囲にすることが好ましい。すなわち、室温２５℃での筒状セラミックス体１１の外径をｄ、中間材１３の厚みをｃ、筒状セラミックス体１１の熱膨張係数をα、金属管１２の熱膨張係数をβ、焼きばめ温度を１０００℃とすると、金属管１２の内径Ｄは、
ｄ＋２×ｃ−９７５×β×ｄ＜Ｄ＜ｄ＋２×ｃ−１２５×（β−α）×ｄ
となるように設定することが好ましい。
【００３９】
上記の金属管１２の内径Ｄは、筒状セラミックス体１１と金属管１２との接合部で想定される常温〜１５０℃までの温度域で、絞まりばめの圧力が確実にかかる範囲である。金属管１２の内径Ｄをこの範囲とすることにより、必要以上に金属管１２に引張応力が残らないようにすることができる。具体的には、例えば、筒状セラミックス体１１の外径が４０ｍｍ、筒状セラミックス体１１の熱膨張係数αが４．０×１０−６、金属管１２の熱膨張係数βが１０×１０−６、中間材１３の厚みｃが０．２ｍｍである場合は、４０．０１０ｍｍ＜Ｄ＜４０．３７０ｍｍである。
【００４０】
あるいは、溶融状態の金属溶湯を作製し、この溶湯を金属管１２と筒状セラミックス体１１との隙間に充填し、次いで溶湯を固化させることにより、軟質粒子を分散した金属からなる中間材１３を金属管１２と筒状セラミックス体１１との間に設けることができる。この場合、中間材１３は、金属管１２および筒状セラミックス体１１と化学的に結合する。このように中間材１３が金属管１２および筒状セラミックス体１１に化学的に結合している場合には、金属管１２−中間材１３−筒状セラミックス体１１の間の熱の伝わりが良好になり、その結果として、熱伝導の効率が高くなる。なお、本明細書にいう溶融状態とは、完全溶融状態のみならず、半溶融状態（固体から、固液共存になった状態）、半凝固状態（一度液体にしてから、液固共存になった状態）のセミソリッドも含む。
【００４１】
中間材１３が軟質粒子を分散した金属から形成されている場合には、金属管１２と筒状セラミックス体１１との間で膨張や収縮の度合いが大きく異なる状態にあっても、中間材１３が応力を緩和するので、金属管１２から筒状セラミックス体１１へと、あるいは、筒状セラミックス体１１から金属管１２へと大きな応力が及びにくくなる。その結果、金属管１２や筒状セラミックス体１１にひびや割れが生じにくくなる。
【００４２】
本発明に熱伝導部材において、中間材１３が軟質粒子を分散した金属から形成されている場合には、中間材１３における軟質粒子の割合は、通常５〜７０体積％であり、中間材１３による応力を緩和する効果や熱伝導の特性を高める観点からは、１０〜５０体積％であることがより好ましい。中間材１３における軟質粒子の割合が５体積％以上である場合には、中間材１３による応力を緩和する効果が十分に得られるようになる。また、中間材１３における軟質粒子の割合が７０体積％以下である場合には、熱伝導の特性を十分に高めることができ、その結果、熱交換性能をより高めることができる。
【００４３】
上述した軟質粒子としては、中空の金属粒子、膨張黒鉛を主成分とする粒子、鱗状黒鉛を主成分とする粒子、土状黒鉛を主成分とする粒子、人造黒鉛を主成分とする粒子からなる群から選ばれる１種以上を含んだものを用いることができる。本明細書にいう膨張黒鉛を主成分とする軟質粒子とは、軟質粒子が膨張黒鉛を５０質量％以上含むこと意味する。また、鱗状黒鉛や土状黒鉛や人造黒鉛についても、主成分とするとは軟質粒子が上記のものを５０質量％以上含むこと意味する。
【００４４】
ここで、上述した軟質粒子として使用できる膨張黒鉛を主成分とする粒子としては、例えば、膨張黒鉛粒子、膨張黒鉛粒子を粉砕もしくは造粒した粒子、膨張黒鉛を原料として作製したグラファイトシートを裁断・粉砕した粒子などを挙げることができる。
【００４５】
また、上述した軟質粒子として使用できる鱗状黒鉛を主成分とする粒子としては、例えば、鱗片状黒鉛、鱗状（塊状）黒鉛、球状黒鉛（鱗片状黒鉛を造粒・球状化したもの）などを挙げることができる。
【００４６】
また、上述した土状黒鉛を主成分とする粒子としては、土状黒鉛粒子もしくは土状黒鉛を造粒した粒子などを挙げることができる。
【００４７】
また、上述した人造黒鉛を主成分とする粒子としては、人造黒鉛電極を粉砕したもの、石油・石炭燃料より作られた熱分解黒鉛などを挙げることができる。
【００４８】
上述した軟質粒子として用いることが可能な中空の金属粒子としては、中空の鉄粒子、アルミ粒子、銅粒子などを挙げることができる。
【００４９】
また、本発明に熱伝導部材において、中間材１３が軟質粒子を分散した金属から形成されている場合には、軟質粒子は比重（密度）が０．１〜１．０であることが好ましい。このように、軟質粒子の比重が０．１〜１．０である場合には、中間材１３に十分な柔軟性を付与させることができる。
【００５０】
本発明に熱伝導部材において、中間材１３が軟質粒子を分散した金属から形成されている場合には、軟質粒子は、平均粒子径が５０〜２０００μｍであることが好ましい。このように軟質粒子の平均粒子径が５０〜２０００μｍである場合には、軟質粒子の働きが発現しやすくなり、中間材１３が応力を緩和する作用を十分に発現できるようになる。
【００５１】
金属管１２と筒状セラミックス体１１との間隙に溶湯を充填する方法としては、重力鋳造、低圧鋳造、ダイキャスト（高圧鋳造）等を用いることができる。ダイキャストは、サイクルタイム（コスト）に優れ、狭い隙間に溶湯を充填しやすい。また、低圧鋳造は、サイクルタイムは長くなるが、品質、材料歩留り等に優れる。
【００５２】
また、ろう付けにより、金属管１２と筒状セラミックス体１１とを接合することもできる。ろう付けにより接合する場合には、筒状セラミックス体１１に金属管１２を被せて、ハニカム構造体１と金属管１２との間隙にろう材を充填する。ろう材としては、銀ろう材、銅ろう材、黄銅ろう材、アルミろう材、Ｎｉろう材等を用いることができる。ろう材は、ペースト状、シート状のものを利用することができるが、ペースト状のものがより好ましい。常温で入らない場合は、金属管１２を温めるとよい。そして、真空中でろう材の固相線温度以上に昇温してろう付けする。その際に、金属間１２の外側から型で圧縮、矯正した状態でろう付けしても良い。間隙に充填されたろう材は、昇温、冷却により中間材１３となり、金属管１２と筒状セラミックス体１１とが接合される。
【００５３】
上述した溶湯やろう材を用いた方法では、中間材１３が金属管１２および筒状セラミックス体１１と化学的に結合するようになる。本発明の熱伝導部材１０においては、中間材１３が金属管１２および筒状セラミックス体１１に化学的に結合している場合には、金属管１２−中間材１３−筒状セラミックス体１１の間の熱の伝わりが良好になり、その結果として、熱伝導の効率が高くなる。また、中間材１３が金属管１２および筒状セラミックス体１１に化学的に結合している場合であっても、金属管１２にピーニング処理されていることにより、上述したように金属管１２の表面の引張残留応力を緩和することができるので、金属管１２や筒状セラミックス体１１にはひびや割れが生じにくい。
【００５４】
また、ろう材についても、上述した軟質粒子が分散されていてもよい。このようにすると、中間材１３が軟質粒子を分散した金属から形成されるようになる。その結果、金属管１２と筒状セラミックス体１１との間で膨張や収縮の度合いが大きく異なる状態にあっても、中間材１３が応力を緩和するので、金属管１２から筒状セラミックス体１１へと、あるいは、筒状セラミックス体１１から金属管１２へと大きな応力が及びにくくなる。したがって、金属管１２や筒状セラミックス体１１にひびや割れが生じにくくなる。
【００５５】
次に、本発明の熱伝導部材１０の製造方法を説明する。まず、セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出し、ハニカム成形体を作製する。ハニカム構造体１の材料としては、前述のセラミックスを用いることができるが、例えば、Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム構造体１を製造する場合、所定量のＣ粉末、ＳｉＣ粉末、バインダー、水又は有機溶媒を混練し坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得る。
【００５６】
そしてハニカム成形体を乾燥し、Ｓｉ含浸焼成することによって、隔壁４によってガスの流路となる複数のセル３が区画形成されたハニカム構造体１を得ることができる。
【００５７】
次に、焼きばめにより金属管１２と筒状セラミックス体１１とを嵌合する場合には、中間材１３をハニカム構造体１の外周壁７の外周面７ｈに巻き付ける。このとき、接着剤を用いて貼り付けてもよい。接着剤を用いることにより、一様に中間材１３を貼り付けることができる。接着剤は、良伝熱性であることが望ましい。また、焼きばめ後は締まりばめ状態となるため、接着は、全面接着でも部分接着でもよい。続いて金属管１２を高周波加熱機で１０００℃程度まで昇温させる。そして、ハニカム構造体１を金属管１２に挿入して焼きばめにより一体化し、熱伝導部材１０を形成することができる。
【００５８】
金属管１２の外周面１２ｈにピーニング処理を施す場合には、ハニカム構造体１を金属管１２とを一体化した後に、金属管１２の外周面１２ｈにピーニング処理を施すことが好ましい。ピーニング処理としては、ショットピーニング、超音波ピーニング、レーザーピーニング、キャビテーションピーニングなどを用いることができる。
【００５９】
図４に本発明の熱伝導部材１０を含む熱交換器３０の斜視図を示す。図４に示すように、熱交換器３０は、熱伝導部材１０（ハニカム構造体１＋中間材１３＋金属管１２）と、熱伝導部材１０を内部に含むケーシング２１とによって形成されている。筒状セラミックス体１１のハニカム構造体１のセル３が第一の流体が流通する第一流体流通部５となる。熱交換器３０は、ハニカム構造体１のセル３内を、第二の流体よりも高温の第一の流体が流通するように構成されている。また、ケーシング２１に第二の流体の入口２２及び出口２３が形成されており、第二の流体は、熱伝導部材１０の金属管１２の外周面１２ｈ上を流通する。
【００６０】
つまり、ケーシング２１の内側面２４と金属管１２の外周面１２ｈとによって第二流体流通部６が形成されている。第二流体流通部６は、ケーシング２１と金属管１２の外周面１２ｈとによって形成された第二の流体の流通部であり、第一流体流通部５とハニカム構造体１の隔壁４、中間材１３、金属管１２によって隔たれて熱伝導可能とされており、第一流体流通部５を流通する第一の流体の熱を隔壁４、中間材１３、金属管１２を介して受け取り、流通する第二の流体である被加熱体へ熱を伝達する。第一の流体と第二の流体とは、完全に分離されており、これらの流体は混じり合わないように構成されている。
【００６１】
第一流体流通部５は、ハニカム構造として形成されており、ハニカム構造の場合、流体
がセル３の中を通り抜ける時には、流体は隔壁４により別のセル３に流れ込むことが出来ず、ハニカム構造体１の入口から出口へと直線的に流体が進む。また、本発明の熱交換器３０内のハニカム構造体１は、目封止されておらず、流体の伝熱面積が増し熱交換器３０のサイズを小さくすることができる。これにより、熱交換器３０の単位体積あたりの伝熱量を大きくすることができる。さらに、ハニカム構造体１に目封止部の形成やスリットの形成等の加工を施すことが不要なため、熱交換器３０は、製造コストを低減することができる。
【００６２】
熱交換器３０は、第二の流体よりも高温である第一の流体を流通させ、第一の流体から第二の流体へ熱伝導するようにすることが好ましい。第一の流体として気体を流通させ、第二の流体として液体を流通させると、第一の流体と第二の流体の熱交換を効率よく行うことができる。つまり、本発明の熱交換器３０は、気体／液体熱交換器として適用することができる。
【００６３】
以上のような構成の本発明の熱交換器３０に流通させる第一の流体である加熱体としては、熱を有する媒体であれば、気体、液体等、特に限定されない。例えば、気体であれば自動車の排ガス等が挙げられる。また、加熱体から熱を奪う（熱交換する）第二の流体である被加熱体は、加熱体よりも低い温度であれば、媒体としては、気体、液体等、特に限定されない。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６５】
（実施例１）
外径４５ｍｍ×長さ５０ｍｍの円筒形状の接合サンプル（肉厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４管の内部にＳｉ含浸ＳｉＣ円筒状セラミックスを嵌合させたサンプル）を準備し、投射ノズルから円筒形状の接合サンプル側面（ＳＵＳ３０４管の外表面）までの距離を２００ｍｍとし、円筒形状の接合サンプルを円周方向に３０ｒｐｍで回転させながら、接合サンプル側面（ＳＵＳ３０４管の外表面）に向かってセラミックス投射材を投射した。装置は、新東エスビーテックカンパニー製ショットピーニング装置ＭＹ３０を使用した。投射材は、同社製Ｚ１５０を使用した。この処理により、直径約０．１８ｍｍ、深さ約０．００５ｍｍのディンプル形状をＳＵＳ３０４管の外表面全体に形成した。ＳＵＳ３０４管の外表面については、投射前後での残留応力解析を実施した。
【００６６】
（実施例２）
外径４５ｍｍ×長さ５０ｍｍの円筒形状の接合サンプル（肉厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４管の内部にＳｉ含浸ＳｉＣ円筒状セラミックスを嵌合させたサンプル）を準備し、直径約０．２５ｍｍ、深さ約０．０１ｍｍのディンプル形状をＳＵＳ３０４管の外表面全体に形成した。ＳＵＳ３０４管の外表面については、投射前後での残留応力解析を実施した。その他の操作は、実施例１と同じである。
【００６７】
（比較例１）
外径４５ｍｍ×長さ５０ｍｍの円筒形状の接合サンプル（肉厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４管の内部にＳｉ含浸ＳｉＣ円筒状セラミックスを嵌合させたサンプル）を準備し、直径約０．５５ｍｍ、深さ約０．０５５ｍｍのディンプル形状をＳＵＳ３０４管の外表面全体に形成した。なお、装置は、新東エスビーテックカンパニー製ショットピーニング装置ＶＳＲＸを使用した。ＳＵＳ３０４管の外表面については、投射前後での残留応力解析を実施した。
【００６８】
実施例１および実施例２では、ＳＵＳ３０４管の外表面における引張残留応力を圧縮残留応力に変化させることができた。また、ＳＵＳ３０４管については、外表面から深さ０．２ｍｍ以内の領域だけを改質することができたので、ＳＵＳ３０４管と円筒状セラミックスとの接合が緩むこともなく、その結果、良好な熱伝導特性を示した。
【００６９】
比較例１では、ＳＵＳ３０４管の外表面から深さ０．２ｍｍ以上の領域まで応力が開放されてしまったので、ＳＵＳ３０４管と円筒状セラミックスとの接合がゆるみ、界面で剥離が生じてしまった。その結果、比較例１では、熱伝導特性が極端に低下してしまった。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の熱伝導部材は、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）で熱交換する用途に利用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１：ハニカム構造体、２：（軸方向の）端面、３：セル、４：隔壁、５：第一流体流通部、６：第二流体流通部、７：外周壁、７ｈ：（筒状セラミックス体の）外周面、１０：熱伝導部材、１１：筒状セラミックス体、１２：金属管、１２ｈ：（金属管の）外周面、１３：中間材（グラファイトシート）、２１：ケーシング、２２：（第二の流体の）入口、２３：（第二の流体の）出口、２４：（ケーシングの）内側面、３０：熱交換器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の端面から他方の端面まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する筒状セラミックス体と、
前記筒状セラミックス体の外周面に嵌合するとともに、表面においては深さ０．０１〜０．２ｍｍまでピーニング処理が施されている金属管と、
前記筒状セラミックス体と前記金属管との間に挟み込まれた中間材と、を備え、
前記筒状セラミックス体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に前記第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱伝導部材。
【請求項２】
前記金属管における前記ピーニング処理を施した前記表面がディンプル形状を有する請求項１に記載の熱伝導部材。
【請求項３】
焼きばめにより、前記金属管と前記筒状セラミックス体とが嵌合された請求項１または２に記載の熱伝導部材。
【請求項４】
前記筒状セラミックス体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項５】
前記筒状セラミックス体は、隔壁を有し、前記隔壁によって、流体の流路となる多数のセルが区画形成されたハニカム構造体である請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項６】
前記ハニカム構造体は、炭化珪素を含む請求項５に記載の熱伝導部材。
【請求項１】
一方の端面から他方の端面まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する筒状セラミックス体と、
前記筒状セラミックス体の外周面に嵌合するとともに、表面においては深さ０．０１〜０．２ｍｍまでピーニング処理が施されている金属管と、
前記筒状セラミックス体と前記金属管との間に挟み込まれた中間材と、を備え、
前記筒状セラミックス体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に前記第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱伝導部材。
【請求項２】
前記金属管における前記ピーニング処理を施した前記表面がディンプル形状を有する請求項１に記載の熱伝導部材。
【請求項３】
焼きばめにより、前記金属管と前記筒状セラミックス体とが嵌合された請求項１または２に記載の熱伝導部材。
【請求項４】
前記筒状セラミックス体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項５】
前記筒状セラミックス体は、隔壁を有し、前記隔壁によって、流体の流路となる多数のセルが区画形成されたハニカム構造体である請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項６】
前記ハニカム構造体は、炭化珪素を含む請求項５に記載の熱伝導部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２００８４０（Ｐ２０１２−２００８４０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６９６５０（Ｐ２０１１−６９６５０）
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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