熱伝導部材
【課題】筒状セラミックス体にひびや割れが生じにくい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て軟質粒子を分散した金属から形成される中間材１３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て軟質粒子を分散した金属から形成される中間材１３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）と筒状セラミックス体との間で膨張や収縮の度合いが大きく異なる時があり、このような時には筒状セラミックス体に過剰な応力が生じてしまう。特に、ロウ付けや溶湯接合等によって接合する場合には、筒状セラミックス体や金属管をこれらの隙間に設けられた金属と化学的に結合させることができる。このような接合形態の場合には、伝熱特性を非常に良好にできる一方で、セラミックスと金属の熱膨張係数の違いから、冷却時に大きな熱（残留）応力がかかる。また、熱回収目的で使用される場合の様に、製品の少なくても一部が高温になる場合などは、その応力状態が複合されるため複雑になり、熱サイクルの繰返しによって破損してしまう問題が生じやすい。特に、長手方向（軸方向）については対策が求められている。
【０００７】
また、焼きばめにより筒状セラミックスと金属管とを一体化させる手法もあるが、筒状セラミックスと筒状金属管では、外径・内径公差を正確に管理しなくてはならず、セラミックスの加工が必須となり、コスト高だという欠点があり、また化学的な結合が伴わないため、伝熱特性がロウ付けや溶湯接合ほど良好ではない。
【０００８】
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、熱的な結合状態を保ちつつ、セラミックスと金属との間での熱膨張係数の違いに起因する熱応力を緩和し、より耐久性の高い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】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するものである。具体的には、本発明は以下の熱伝導部材である。
【００１０】
［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て前記筒状セラミックス体と前記金属管とに接合し、軟質粒子を分散した金属から形成される中間材と、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。
【００１１】
［２］ 前記軟質粒子は、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、および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種以上を含む前記［１］に記載の熱伝導部材。
【００１２】
［３］ 前記軟質粒子は、平均粒子径が５０〜２０００μｍである前記［１］または［２］に記載の熱伝導部材。
【００１３】
［４］ 前記中間材は、前記軟質粒子を分散したろう材から形成され、ろう付けにより前記金属管と前記筒状セラミックス体とに接合している前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１４】
［５］ 前記中間材は、前記軟質粒子を分散しつつ溶融した金属を含む金属溶湯を前記金属管と前記筒状セラミックス体との間隙内に充填し、次いで前記金属溶湯を固化させることにより形成され、前記金属管と前記筒状セラミックス体とに接合している前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１５】
［６］ 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］〜［５］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１６】
［７］ 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］〜［６］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１７】
［８］ 前記ハニカム構造体は、炭化珪素を含む前記［７］に記載の熱伝導部材。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の熱伝導部材は、筒状セラミックス体にひびや割れが生じにくく、耐久性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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】
【００２０】
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。
【００２１】
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て筒状セラミックス体１１と金属管１２とに接合する中間材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。
【００２２】
さらに、本発明の熱伝導部材１０は、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。本発明の熱伝導部材１０のように、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。
【００２３】
特に、本発明の熱伝導部材１０のように中間材１３を構成する金属が軟質粒子を分散している場合には、軟質粒子を含まない時と比べて、弾性率や降伏強度、耐力が低下する。その結果、金属管１２から筒状セラミックス体１１へと大きな応力が及ばなくなる。また、軟質粒子は、弾性率や降伏強度をより低下させるという観点からは、中空の粒子が適することもある。
【００２４】
本発明の熱伝導部材１０に用いる中間材１３においては、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％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。
【００２５】
本発明の熱伝導部材１０では、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
本発明の熱伝導部材１０において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。
【００３１】
また、本発明に使用できる軟質粒子は、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。
【００３２】
本発明に使用する軟質粒子は、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。
【００３３】
金属管１２と筒状セラミックス体１１とを中間材１３を挟んだ状態で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。
【００３４】
また、本発明の熱伝導部材１０では、中間材１３と筒状セラミックス体１１との化学的結合や中間材１３と金属管１２との化学的結合を強めることにより熱交換効率を高める観点からは、中間材１３は、軟質粒子を分散したろう材から形成され、ろう付けにより金属管１２と筒状セラミックス体１３とに接合していることが好ましい。
【００３５】
あるいは、本発明の熱伝導部材１０では、中間材１３と筒状セラミックス体１１との化学的結合や中間材１３と金属管１２との化学的結合を強めることにより、熱交換効率を高める観点からは、中間材１３は、軟質粒子を分散しつつ溶融した金属を含む金属溶湯を金属管１２と筒状セラミックス体１１との間隙内に充填し、次いで金属溶湯を固化させることにより形成され、金属管１２と筒状セラミックス体１１とに接合していることが好ましい。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
続いて、溶融状態の金属に所望の量の軟質粒子を分散させることにより、軟質粒子入り溶湯を作製し、この溶湯を金属管１２とハニカム構造体１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とハニカム構造体１との間に設けることができる。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。
【００５３】
金属管１２とハニカム構造体１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。
【００５４】
溶湯を用いる場合には、金属管１２とハニカム構造体１との隙間に予め軟質粒子を入れておいて、この隙間に溶融状態の金属を含んだ溶湯を充填してもよい。
【００５５】
また、ろう付けにより、金属管１２とハニカム構造体１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、ハニカム構造体１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、軟質粒子を予め混合しておいたペースト状、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とハニカム構造体１とが接合される。
【００５６】
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およびハニカム構造体１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およびハニカム構造体１に化学的に結合している場合には、金属管１２−中間材１３−ハニカム構造体１の間の伝熱が良好になり、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およびハニカム構造体１に化学的に結合している場合であっても、上述したように中間材１３には応力を緩和する作用があるので、金属管１２からハニカム構造体１へと、あるいは、ハニカム構造体１から金属管１２へと大きな応力が及びにくく、その結果、金属管１２やハニカム構造体１にはひびや割れが生じにくい。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
以上のような構成の熱交換器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。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
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】
【００６３】
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、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）と筒状セラミックス体との間で膨張や収縮の度合いが大きく異なる時があり、このような時には筒状セラミックス体に過剰な応力が生じてしまう。特に、ロウ付けや溶湯接合等によって接合する場合には、筒状セラミックス体や金属管をこれらの隙間に設けられた金属と化学的に結合させることができる。このような接合形態の場合には、伝熱特性を非常に良好にできる一方で、セラミックスと金属の熱膨張係数の違いから、冷却時に大きな熱（残留）応力がかかる。また、熱回収目的で使用される場合の様に、製品の少なくても一部が高温になる場合などは、その応力状態が複合されるため複雑になり、熱サイクルの繰返しによって破損してしまう問題が生じやすい。特に、長手方向（軸方向）については対策が求められている。
【０００７】
また、焼きばめにより筒状セラミックスと金属管とを一体化させる手法もあるが、筒状セラミックスと筒状金属管では、外径・内径公差を正確に管理しなくてはならず、セラミックスの加工が必須となり、コスト高だという欠点があり、また化学的な結合が伴わないため、伝熱特性がロウ付けや溶湯接合ほど良好ではない。
【０００８】
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、熱的な結合状態を保ちつつ、セラミックスと金属との間での熱膨張係数の違いに起因する熱応力を緩和し、より耐久性の高い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】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するものである。具体的には、本発明は以下の熱伝導部材である。
【００１０】
［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て前記筒状セラミックス体と前記金属管とに接合し、軟質粒子を分散した金属から形成される中間材と、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。
【００１１】
［２］ 前記軟質粒子は、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、および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種以上を含む前記［１］に記載の熱伝導部材。
【００１２】
［３］ 前記軟質粒子は、平均粒子径が５０〜２０００μｍである前記［１］または［２］に記載の熱伝導部材。
【００１３】
［４］ 前記中間材は、前記軟質粒子を分散したろう材から形成され、ろう付けにより前記金属管と前記筒状セラミックス体とに接合している前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１４】
［５］ 前記中間材は、前記軟質粒子を分散しつつ溶融した金属を含む金属溶湯を前記金属管と前記筒状セラミックス体との間隙内に充填し、次いで前記金属溶湯を固化させることにより形成され、前記金属管と前記筒状セラミックス体とに接合している前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１５】
［６］ 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］〜［５］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１６】
［７］ 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］〜［６］のいずれかに記載の熱伝導部材。
【００１７】
［８］ 前記ハニカム構造体は、炭化珪素を含む前記［７］に記載の熱伝導部材。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の熱伝導部材は、筒状セラミックス体にひびや割れが生じにくく、耐久性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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】
【００２０】
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。
【００２１】
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て筒状セラミックス体１１と金属管１２とに接合する中間材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。
【００２２】
さらに、本発明の熱伝導部材１０は、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。本発明の熱伝導部材１０のように、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。
【００２３】
特に、本発明の熱伝導部材１０のように中間材１３を構成する金属が軟質粒子を分散している場合には、軟質粒子を含まない時と比べて、弾性率や降伏強度、耐力が低下する。その結果、金属管１２から筒状セラミックス体１１へと大きな応力が及ばなくなる。また、軟質粒子は、弾性率や降伏強度をより低下させるという観点からは、中空の粒子が適することもある。
【００２４】
本発明の熱伝導部材１０に用いる中間材１３においては、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％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。
【００２５】
本発明の熱伝導部材１０では、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
本発明の熱伝導部材１０において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。
【００３１】
また、本発明に使用できる軟質粒子は、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。
【００３２】
本発明に使用する軟質粒子は、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。
【００３３】
金属管１２と筒状セラミックス体１１とを中間材１３を挟んだ状態で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。
【００３４】
また、本発明の熱伝導部材１０では、中間材１３と筒状セラミックス体１１との化学的結合や中間材１３と金属管１２との化学的結合を強めることにより熱交換効率を高める観点からは、中間材１３は、軟質粒子を分散したろう材から形成され、ろう付けにより金属管１２と筒状セラミックス体１３とに接合していることが好ましい。
【００３５】
あるいは、本発明の熱伝導部材１０では、中間材１３と筒状セラミックス体１１との化学的結合や中間材１３と金属管１２との化学的結合を強めることにより、熱交換効率を高める観点からは、中間材１３は、軟質粒子を分散しつつ溶融した金属を含む金属溶湯を金属管１２と筒状セラミックス体１１との間隙内に充填し、次いで金属溶湯を固化させることにより形成され、金属管１２と筒状セラミックス体１１とに接合していることが好ましい。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
続いて、溶融状態の金属に所望の量の軟質粒子を分散させることにより、軟質粒子入り溶湯を作製し、この溶湯を金属管１２とハニカム構造体１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とハニカム構造体１との間に設けることができる。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。
【００５３】
金属管１２とハニカム構造体１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。
【００５４】
溶湯を用いる場合には、金属管１２とハニカム構造体１との隙間に予め軟質粒子を入れておいて、この隙間に溶融状態の金属を含んだ溶湯を充填してもよい。
【００５５】
また、ろう付けにより、金属管１２とハニカム構造体１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、ハニカム構造体１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、軟質粒子を予め混合しておいたペースト状、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とハニカム構造体１とが接合される。
【００５６】
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およびハニカム構造体１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およびハニカム構造体１に化学的に結合している場合には、金属管１２−中間材１３−ハニカム構造体１の間の伝熱が良好になり、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およびハニカム構造体１に化学的に結合している場合であっても、上述したように中間材１３には応力を緩和する作用があるので、金属管１２からハニカム構造体１へと、あるいは、ハニカム構造体１から金属管１２へと大きな応力が及びにくく、その結果、金属管１２やハニカム構造体１にはひびや割れが生じにくい。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
以上のような構成の熱交換器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。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
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】
【００６３】
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、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て前記筒状セラミックス体と前記金属管とに接合し、軟質粒子を分散した金属から形成される中間材と、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】
前記軟質粒子は、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、および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種以上を含む請求項１に記載の熱伝導部材。
【請求項３】
前記軟質粒子は、平均粒子径が５０〜２０００μｍである請求項１または２に記載の熱伝導部材。
【請求項４】
前記中間材は、前記軟質粒子を分散したろう材から形成され、ろう付けにより前記金属管と前記筒状セラミックス体とに接合している請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項５】
前記中間材は、前記軟質粒子を分散しつつ溶融した金属を含む金属溶湯を前記金属管と前記筒状セラミックス体との間隙内に充填し、次いで前記金属溶湯を固化させることにより形成され、前記金属管と前記筒状セラミックス体とに接合している請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項６】
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１〜５のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項７】
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１〜６のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項８】
前記ハニカム構造体は、炭化珪素を含む請求項７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て前記筒状セラミックス体と前記金属管とに接合し、軟質粒子を分散した金属から形成される中間材と、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】
前記軟質粒子は、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、および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種以上を含む請求項１に記載の熱伝導部材。
【請求項３】
前記軟質粒子は、平均粒子径が５０〜２０００μｍである請求項１または２に記載の熱伝導部材。
【請求項４】
前記中間材は、前記軟質粒子を分散したろう材から形成され、ろう付けにより前記金属管と前記筒状セラミックス体とに接合している請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項５】
前記中間材は、前記軟質粒子を分散しつつ溶融した金属を含む金属溶湯を前記金属管と前記筒状セラミックス体との間隙内に充填し、次いで前記金属溶湯を固化させることにより形成され、前記金属管と前記筒状セラミックス体とに接合している請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項６】
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１〜５のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項７】
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１〜６のいずれか一項に記載の熱伝導部材。
【請求項８】
前記ハニカム構造体は、炭化珪素を含む請求項７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２０１２−２０１５８２（Ｐ２０１２−２０１５８２Ａ）
【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２０１１−７０７０２（Ｐ２０１１−７０７０２）
【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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