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、熱的な結合状態を保ちつつ、セラミックスと金属の熱膨張係数の違いに起因する熱応力を緩和する熱伝導部材を提供する。
【解決手段】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との間に金属からなる中間材１３と、を備える。そして、金属管１２内で、複数の筒状セラミックス体１１が、軸方向に並んで分断された状態で備えられている。
【解決手段】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との間に金属からなる中間材１３と、を備える。そして、金属管１２内で、複数の筒状セラミックス体１１が、軸方向に並んで分断された状態で備えられている。
【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】
特許文献１には、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）を一体化させることで熱を回収する技術が開示されている。
【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、特許文献１のように、セラミックス製のハニカム構造体と金属基材（金属管）とを一体化させた場合、使用時に熱膨張および収縮が繰り返し発生し、ハニカム構造体と金属基材（金属管）との密着性が悪化したり、熱応力によりハニカム構造体が損傷したりする問題がある。
【０００７】
筒状セラミックス体と金属管とを、ロウ付けや溶湯接合等の、接合界面において化学的な結合がなされる接合方法にて接合する場合、伝熱特性を良好にできる。しかし、セラミ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出やすい。特に、長手方向（軸方向）については対策が求められている。
【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の熱膨張係数の違いに起因する熱応力を緩和す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】
【０００９】
本発明者らは、金属管内にて、複数の筒状セラミックス体を軸方向に配置することにより、上記課題を解決しうることを見出した。本発明によれば、以下の熱交換部材が提供される。
【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、金属からなる中間材と、を備え、前記金属管内で、軸方向に並んで複数の前記筒状セラミックス体が分断されて備えられており、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］ 前記金属管内において、前記筒状セラミックス体同士は、軟質材を介して前記軸方向に直列配置されている前記［１］に記載の熱伝導部材。
【００１２】
［３］ 前記軟質材は、グラファイトシート、セラミックファイバーシート、アルミシート、銅シートのいずれかである前記［２］に記載の熱伝導部材。
【００１３】
［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。
【００１４】
［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。
【００１５】
［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】
【００１６】
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い。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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を示す分解斜視図である。
【図４】２つのハニカム構造体を相対角度４５°回転させて直列配置した実施形態を示す斜視図である。
【図５】冷却による熱応力発生を説明するための模式図である。
【図６】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７】蛇腹構造の金属管を備える熱伝導部材を示す断面図である。
【図８】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】
【００１８】
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、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。
【００１９】
図１に、本発明の熱伝導部材１０を軸方向の一方の端面から見た図、図２に、熱伝導部材１０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との間に金属からなる中間材１３と、を備える。そして、金属管１２内で、複数の筒状セラミックス体１１が、軸方向に並んで分断された状態で備えられている。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。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。
【００２０】
図３に、本発明の熱伝導部材１０の分解斜視図を示す。図３は、金属管１２内に２つの筒状セラミックス体１１を備える実施形態である。図３に示すように、金属管１２内において、筒状セラミックス体１１，１１同士は、軸方向に直列配置されている。このとき、筒状セラミックス体１１，１１同士は、軟質材１４を挟んだ状態で接合されていることが好ましい。このように、筒状セラミックス体１１，１１同士が、軟質材１４を介して直列配置されると、端面に発生する応力レベルを大きく下げることができる。
【００２１】
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、複数の筒状セラミックス体１１が分断されて備えられているため、熱応力が緩和する。そのため、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。
【００２２】
筒状セラミックス体１１は、軸方向の長さを短く分割することにより、複数に分割することができる。あるいは、初めから軸方向の長さが短い筒状セラミックス体１１を成形してもよい。軸方向の長さを短くするほど良いが、分割するほど加工コストが上昇するため、１０分割程度までが好ましい。
【００２３】
また、筒状セラミックス体１１，１１同士の間に挟む軟質材１４としては、グラファイトシート、セラミックファイバーシート、アルミシート、銅シート等が挙げられる。図３に示すように、軟質材１４は、リング状であることが好ましい。グラファイトシートについて、より具体的には、膨張黒鉛を主成分とし、シート状に成形した膨張黒鉛シートが好適例として挙げられる。セラミックファイバーシートとしては、炭素繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維などの無機質のセラミック繊維を含んだカーボンファイバーシート（フェルト）、アルミナファイバーシート（フェルト）、シリカファイバーシート（フェルト）等を採用することができる。アルミシート、銅シートについては、アルミ合金あるいは銅合金をシート状に圧延したものが挙げられるが、純アルミ、純銅がより好ましい。このような形状の軟質材１４により、軸方向の伸縮を吸収することができ、熱応力を緩和することができる。また、筒状セラミックス体１１，１１同士の間に隙間が空くことで、セル３を通過する流体の流路抵抗を増加させる効果が得られる。
【００２４】
さらに、分割したそれぞれの筒状セラミックス体１１がハニカム構造体１である場合に、セル３の位相を回転させることも好ましい。図４は、２つのハニカム構造体１の相対角度を４５°回転させた状態を示す。このようにすることにより、セル３を通過する流体の流路抵抗を増加させる効果が得られる。これにより、流体との熱の授受を増加させることができる。
【００２５】
図５に冷却による熱応力発生を説明するための模式図を示す。図５の上図は、加熱状態の熱伝導部材１０を示す断面図である。また、下図は、常温時の熱伝導部材１０の断面図である。金属管１０と筒状セラミックス体１１との熱膨張率が異なるため、常温時において、ひずみが発生する。しかしながら、図５に示すように、本発明の熱伝導部材１０は筒状セラミックス体１１が分割された状態で、複数、直列配置されているため、熱応力を緩和することができる。このため、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。
【００２６】
中間材に用いる金属としては、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミ（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）からなる群から選択される少なくとも１種が含まれる合金金属が挙げられる。これらの金属を用いて、ろう付け、溶湯接合等により、金属管１２と筒状セラミックス体１１とを一体化することができる。すなわち、中間材は、金属管１２と筒状セラミックス体１１とを接合する接合材として機能する。
【００２７】
また、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ことも好ましい。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。さらに、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非常に大きく異なる状態になると、中間材１３が先に破損し、金属管１２や筒状セラミックス体１１にひびや割れを生じさせないようにできる。
【００２８】
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％以上含む粒子もしくは凝集粒子（二次粒子）のことをいう。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５０質量％以上含むこと意味する。
【００２９】
また、本発明に使用できる軟質粒子は、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、その結果、中間材１３の弾性率を低下させることができ柔軟性が付与される。そのため、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、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３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３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である。また、図６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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
熱交換器３０（図８参照）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。
【００４２】
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。
【００４３】
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としては、円筒状の管（軸方向に垂直な断面が円）に限られず、蛇腹構造の金属管１２であってもよい。図７に蛇腹構造の金属管を備える熱伝導部材を示す。金属管１２は、外側に折れ曲がって突出しつつ筒状セラミックス体１１の外周を囲む環状のひだ部１５を有する。このひだ部１５により、金属管１２は軸方向（一方の端面２と他方の端面２とを結ぶ方向）に沿って伸縮することができる。
【００４４】
ひだ部１５が伸縮する際には、ひだ部１５の内面１５ｓに中間材１３と接合しない部分があるので、金属管１２における伸縮の大きさが筒状セラミックス体１１や中間材１３における伸縮の大きさと異なる状態の時でも、金属管１２は、中間材１３との接合状態を保ったまま、ひだ部１５の開き度合いを変化させることにより、軸方向に沿って自在に伸縮できる。このように金属管１２が自在に伸縮できるので、本発明の熱伝導部材１０では、金属管１２と筒状セラミックス体１１との間で伸縮の大きさが大きく異なる状態にあっても、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びにくくなり、その結果として筒状セラミックス体１１にひびや割れが生じにくい。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
次に、ろう付けにより、金属管１２とハニカム構造体１とを接合する方法を説明する。複数のハニカム構造体１を、軟質材１４を介した状態で直列に配置する。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、ペースト状、シート状のものを利用することができる。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、金属管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。中間材１３は、金属管１２とハニカム構造体１とを接合する接合材である。
【００４８】
あるいは、溶融状態の金属により溶湯を作製し、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、金属からなる中間材１３により金属管１２とハニカム構造体１とを接合することができる。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。
【００４９】
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。
【００５０】
図８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８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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の熱交換部材は、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）で熱交換する用途であれば、自動車分野、産業分野であっても特に限定されない。特に、加熱体または被加熱体の少なくとも一方が液体の場合に好適である。自動車分野で排ガスから排熱回収用途で使用する場合は、自動車の燃費向上に役立てることができる。
【符号の説明】
【００５６】
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、１５：ひだ部、１５ｓ：内面、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】
特許文献１には、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）を一体化させることで熱を回収する技術が開示されている。
【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、特許文献１のように、セラミックス製のハニカム構造体と金属基材（金属管）とを一体化させた場合、使用時に熱膨張および収縮が繰り返し発生し、ハニカム構造体と金属基材（金属管）との密着性が悪化したり、熱応力によりハニカム構造体が損傷したりする問題がある。
【０００７】
筒状セラミックス体と金属管とを、ロウ付けや溶湯接合等の、接合界面において化学的な結合がなされる接合方法にて接合する場合、伝熱特性を良好にできる。しかし、セラミ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出やすい。特に、長手方向（軸方向）については対策が求められている。
【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の熱膨張係数の違いに起因する熱応力を緩和す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】
【０００９】
本発明者らは、金属管内にて、複数の筒状セラミックス体を軸方向に配置することにより、上記課題を解決しうることを見出した。本発明によれば、以下の熱交換部材が提供される。
【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、金属からなる中間材と、を備え、前記金属管内で、軸方向に並んで複数の前記筒状セラミックス体が分断されて備えられており、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］ 前記金属管内において、前記筒状セラミックス体同士は、軟質材を介して前記軸方向に直列配置されている前記［１］に記載の熱伝導部材。
【００１２】
［３］ 前記軟質材は、グラファイトシート、セラミックファイバーシート、アルミシート、銅シートのいずれかである前記［２］に記載の熱伝導部材。
【００１３】
［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。
【００１４】
［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。
【００１５】
［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】
【００１６】
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い。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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を示す分解斜視図である。
【図４】２つのハニカム構造体を相対角度４５°回転させて直列配置した実施形態を示す斜視図である。
【図５】冷却による熱応力発生を説明するための模式図である。
【図６】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７】蛇腹構造の金属管を備える熱伝導部材を示す断面図である。
【図８】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】
【００１８】
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、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。
【００１９】
図１に、本発明の熱伝導部材１０を軸方向の一方の端面から見た図、図２に、熱伝導部材１０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との間に金属からなる中間材１３と、を備える。そして、金属管１２内で、複数の筒状セラミックス体１１が、軸方向に並んで分断された状態で備えられている。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。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。
【００２０】
図３に、本発明の熱伝導部材１０の分解斜視図を示す。図３は、金属管１２内に２つの筒状セラミックス体１１を備える実施形態である。図３に示すように、金属管１２内において、筒状セラミックス体１１，１１同士は、軸方向に直列配置されている。このとき、筒状セラミックス体１１，１１同士は、軟質材１４を挟んだ状態で接合されていることが好ましい。このように、筒状セラミックス体１１，１１同士が、軟質材１４を介して直列配置されると、端面に発生する応力レベルを大きく下げることができる。
【００２１】
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、複数の筒状セラミックス体１１が分断されて備えられているため、熱応力が緩和する。そのため、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。
【００２２】
筒状セラミックス体１１は、軸方向の長さを短く分割することにより、複数に分割することができる。あるいは、初めから軸方向の長さが短い筒状セラミックス体１１を成形してもよい。軸方向の長さを短くするほど良いが、分割するほど加工コストが上昇するため、１０分割程度までが好ましい。
【００２３】
また、筒状セラミックス体１１，１１同士の間に挟む軟質材１４としては、グラファイトシート、セラミックファイバーシート、アルミシート、銅シート等が挙げられる。図３に示すように、軟質材１４は、リング状であることが好ましい。グラファイトシートについて、より具体的には、膨張黒鉛を主成分とし、シート状に成形した膨張黒鉛シートが好適例として挙げられる。セラミックファイバーシートとしては、炭素繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維などの無機質のセラミック繊維を含んだカーボンファイバーシート（フェルト）、アルミナファイバーシート（フェルト）、シリカファイバーシート（フェルト）等を採用することができる。アルミシート、銅シートについては、アルミ合金あるいは銅合金をシート状に圧延したものが挙げられるが、純アルミ、純銅がより好ましい。このような形状の軟質材１４により、軸方向の伸縮を吸収することができ、熱応力を緩和することができる。また、筒状セラミックス体１１，１１同士の間に隙間が空くことで、セル３を通過する流体の流路抵抗を増加させる効果が得られる。
【００２４】
さらに、分割したそれぞれの筒状セラミックス体１１がハニカム構造体１である場合に、セル３の位相を回転させることも好ましい。図４は、２つのハニカム構造体１の相対角度を４５°回転させた状態を示す。このようにすることにより、セル３を通過する流体の流路抵抗を増加させる効果が得られる。これにより、流体との熱の授受を増加させることができる。
【００２５】
図５に冷却による熱応力発生を説明するための模式図を示す。図５の上図は、加熱状態の熱伝導部材１０を示す断面図である。また、下図は、常温時の熱伝導部材１０の断面図である。金属管１０と筒状セラミックス体１１との熱膨張率が異なるため、常温時において、ひずみが発生する。しかしながら、図５に示すように、本発明の熱伝導部材１０は筒状セラミックス体１１が分割された状態で、複数、直列配置されているため、熱応力を緩和することができる。このため、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。
【００２６】
中間材に用いる金属としては、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミ（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）からなる群から選択される少なくとも１種が含まれる合金金属が挙げられる。これらの金属を用いて、ろう付け、溶湯接合等により、金属管１２と筒状セラミックス体１１とを一体化することができる。すなわち、中間材は、金属管１２と筒状セラミックス体１１とを接合する接合材として機能する。
【００２７】
また、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ことも好ましい。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。さらに、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非常に大きく異なる状態になると、中間材１３が先に破損し、金属管１２や筒状セラミックス体１１にひびや割れを生じさせないようにできる。
【００２８】
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％以上含む粒子もしくは凝集粒子（二次粒子）のことをいう。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５０質量％以上含むこと意味する。
【００２９】
また、本発明に使用できる軟質粒子は、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、その結果、中間材１３の弾性率を低下させることができ柔軟性が付与される。そのため、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、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３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３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である。また、図６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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
熱交換器３０（図８参照）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。
【００４２】
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。
【００４３】
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としては、円筒状の管（軸方向に垂直な断面が円）に限られず、蛇腹構造の金属管１２であってもよい。図７に蛇腹構造の金属管を備える熱伝導部材を示す。金属管１２は、外側に折れ曲がって突出しつつ筒状セラミックス体１１の外周を囲む環状のひだ部１５を有する。このひだ部１５により、金属管１２は軸方向（一方の端面２と他方の端面２とを結ぶ方向）に沿って伸縮することができる。
【００４４】
ひだ部１５が伸縮する際には、ひだ部１５の内面１５ｓに中間材１３と接合しない部分があるので、金属管１２における伸縮の大きさが筒状セラミックス体１１や中間材１３における伸縮の大きさと異なる状態の時でも、金属管１２は、中間材１３との接合状態を保ったまま、ひだ部１５の開き度合いを変化させることにより、軸方向に沿って自在に伸縮できる。このように金属管１２が自在に伸縮できるので、本発明の熱伝導部材１０では、金属管１２と筒状セラミックス体１１との間で伸縮の大きさが大きく異なる状態にあっても、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びにくくなり、その結果として筒状セラミックス体１１にひびや割れが生じにくい。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
次に、ろう付けにより、金属管１２とハニカム構造体１とを接合する方法を説明する。複数のハニカム構造体１を、軟質材１４を介した状態で直列に配置する。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、ペースト状、シート状のものを利用することができる。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、金属管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。中間材１３は、金属管１２とハニカム構造体１とを接合する接合材である。
【００４８】
あるいは、溶融状態の金属により溶湯を作製し、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、金属からなる中間材１３により金属管１２とハニカム構造体１とを接合することができる。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。
【００４９】
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。
【００５０】
図８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８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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の熱交換部材は、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）で熱交換する用途であれば、自動車分野、産業分野であっても特に限定されない。特に、加熱体または被加熱体の少なくとも一方が液体の場合に好適である。自動車分野で排ガスから排熱回収用途で使用する場合は、自動車の燃費向上に役立てることができる。
【符号の説明】
【００５６】
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、１５：ひだ部、１５ｓ：内面、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、金属からなる中間材と、を備え、
前記金属管内で、軸方向に並んで複数の前記筒状セラミックス体が分断されて備えられており、
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】
前記金属管内において、前記筒状セラミックス体同士は、軟質材を介して前記軸方向に直列配置されている請求項１に記載の熱伝導部材。
【請求項３】
前記軟質材は、グラファイトシート、セラミックファイバーシート、アルミシート、銅シートのいずれかである請求項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、金属からなる中間材と、を備え、
前記金属管内で、軸方向に並んで複数の前記筒状セラミックス体が分断されて備えられており、
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】
前記金属管内において、前記筒状セラミックス体同士は、軟質材を介して前記軸方向に直列配置されている請求項１に記載の熱伝導部材。
【請求項３】
前記軟質材は、グラファイトシート、セラミックファイバーシート、アルミシート、銅シートのいずれかである請求項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５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２０２６５７（Ｐ２０１２−２０２６５７Ａ）
【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２０１１−６９６４７（Ｐ２０１１−６９６４７）
【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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