JP5643697B2 - Thermal conduction member - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a heat conducting member in which a cylindrical ceramic body is covered with a metal tube.
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。 By exchanging heat from a high temperature fluid to a low temperature fluid, heat can be effectively utilized. For example, there is a heat recovery technique for recovering heat from a high-temperature gas such as combustion exhaust gas from an engine. As the gas / liquid heat exchanger, a tube-type heat exchanger with fins such as an automobile radiator or an air conditioner outdoor unit is generally used. However, in order to recover heat from a gas such as automobile exhaust gas, a general metal heat exchanger has poor heat resistance and is difficult to use at high temperatures. Therefore, a heat-resistant metal or ceramic material having heat resistance, heat shock, corrosion resistance, or the like is suitable. However, refractory metals have problems such as high price and difficulty in processing, high density and heavyness, and low heat conduction.
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。 Therefore, a heat recovery technique using a ceramic material has been developed. For example, there is a technique for performing heat exchange using a cylindrical ceramic body. In this case, heat exchange is performed by circulating the first fluid inside the cylindrical ceramic body and circulating the second fluid outside. When heat is exchanged between a gas and a liquid using a cylindrical ceramic body, it is necessary to shield the cylindrical ceramic body so that the cylindrical ceramic body does not leak and the two fluids do not mix.
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)。 Thus, a technique for recovering heat by integrating a ceramic honeycomb structure, which is a cylindrical ceramic body, and a metal substrate (metal tube) is disclosed (for example, Patent Document 1).
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。 However, when the cylindrical ceramic body and the metal substrate (metal tube) are integrated, the coefficient of thermal expansion differs between the cylindrical ceramic body and the metal substrate (metal tube). There is a case where the degree of expansion and contraction is greatly different between the (metal tube) and the cylindrical ceramic body. In such a case, excessive stress is generated in the cylindrical ceramic body. In particular, when joining by brazing, molten metal joining, or the like, the cylindrical ceramic body or the metal tube can be chemically bonded to the metal provided in these gaps. In the case of such a joining form, heat transfer characteristics can be made very good, but a large thermal (residual) stress is applied during cooling due to the difference in thermal expansion coefficient between ceramics and metal. Also, when at least a part of the product becomes hot, such as when used for heat recovery purposes, it becomes complicated because the stress state is compounded, and it is damaged by repeated heat cycles. Problems are likely to occur. In particular, measures are required for the longitudinal direction (axial direction).
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。 There is also a method of integrating cylindrical ceramics and metal pipes by shrink fitting, but for cylindrical ceramics and cylindrical metal pipes, the outer and inner diameter tolerances must be managed accurately, and ceramics Processing is indispensable, has the disadvantages of high cost, and does not involve chemical bonding, so the heat transfer characteristics are not as good as brazing or molten metal bonding.
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。 The subject of the present invention is to relieve the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic and the metal while keeping the thermal bonding state when the cylindrical ceramic body is covered with the metal tube, It is to provide a heat conductive member having higher durability.
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。 The present invention solves the above problems. Specifically, the present invention is the following heat conducting member.
[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。 [1] A cylindrical ceramic body having a flow path that penetrates from one end face to the other end face and through which a first fluid that is a heating body flows, and a metal tube that fits to the outer peripheral face of the cylindrical ceramic body; An intermediate member formed of a metal in which soft particles are dispersed by being sandwiched between the cylindrical ceramic body and the metal tube and bonded to the cylindrical ceramic body and the metal tube. The first fluid inside the ceramic body, and the second fluid having a temperature lower than that of the first fluid on the outer peripheral surface side of the metal tube, and the first fluid and the second fluid Thermally conductive member that performs heat exchange.
[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。 [2] The soft particles include hollow metal particles, particles mainly composed of expanded graphite, particles mainly composed of scaly graphite, particles mainly composed of earth-like graphite, and particles mainly composed of artificial graphite. The heat conducting member according to the above [1], comprising at least one selected from the group consisting of:
[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。 [3] The heat conducting member according to [1] or [2], wherein the soft particles have an average particle diameter of 50 to 2000 μm.
[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。 [4] The intermediate material according to any one of [1] to [3], wherein the intermediate material is formed of a brazing material in which the soft particles are dispersed, and is joined to the metal tube and the cylindrical ceramic body by brazing. The heat conduction member as described.
[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。 [5] The intermediate material is formed by filling a molten metal containing metal melted while dispersing the soft particles into a gap between the metal tube and the cylindrical ceramic body, and then solidifying the molten metal. The heat conducting member according to any one of [1] to [3], wherein the heat conducting member is joined to the metal tube and the cylindrical ceramic body.
[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。 [6] The thermal conductive member according to any one of [1] to [5], wherein the cylindrical ceramic body has a thermal conductivity of 100 W / m · K or more.
[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。 [7] The tubular ceramic body according to any one of [1] to [6], wherein the cylindrical ceramic body is a honeycomb structure including partition walls, and a plurality of cells serving as fluid flow paths are defined by the partition walls. The heat conduction member as described.
[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。 [8] The heat conduction member according to [7], wherein the honeycomb structure includes silicon carbide.
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。 The heat conducting member of the present invention is highly resistant to cracking and cracking in the cylindrical ceramic body.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and changes, modifications, and improvements can be added without departing from the scope of the present invention.
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。
FIG. 1 is a view of the heat conducting member of the present invention as viewed from one end face in the axial direction, and FIG. 2 is a perspective view of the heat conducting member. The
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。
Furthermore, the
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。
In particular, when the metal constituting the
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。
In the
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。
In the
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。 Here, as the particles mainly composed of expanded graphite that can be used as the soft particles described above, for example, expanded graphite particles, particles obtained by pulverizing or granulating expanded graphite particles, and graphite sheets prepared using expanded graphite as a raw material Examples thereof include pulverized particles.
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。 Examples of the particles mainly composed of scaly graphite that can be used as the soft particles described above include scaly graphite, scaly (lumpy) graphite, and spherical graphite (a product obtained by granulating and spheroidizing scaly graphite). be able to.
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。 Moreover, as the particle | grains which have the earthy graphite mentioned above as a main component, the particle | grains etc. which granulated the earthy graphite particle or earthy graphite can be mentioned.
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。 Examples of the above-mentioned particles containing artificial graphite as a main component include those obtained by pulverizing artificial graphite electrodes and pyrolytic graphite made from petroleum / coal fuel.
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。
Examples of the hollow metal particles that can be used as the soft particles in the
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。
The soft particles that can be used in the present invention preferably have a specific gravity (density) of 0.1 to 1.0. Thus, when the specific gravity of the soft particles is 0.1 to 1.0, sufficient flexibility can be imparted to the
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。
The soft particles used in the present invention preferably have an average particle size of 50 to 2000 μm. As described above, when the average particle diameter of the soft particles is 50 to 2000 μm, the function of the soft particles is easily exhibited, and the
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。
By integrating the
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。
Moreover, in the heat
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。
Alternatively, in the
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。
The cylindrical
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。
The cylindrical
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。
The cylindrical
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。
However, the entire cylindrical
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。
However, even if it is SiC (silicon carbide), in the case of a porous body, high thermal conductivity cannot be obtained. Therefore, it is preferable to impregnate silicon in the process of manufacturing the cylindrical
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。
As the cylindrical
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。
When the cylindrical
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。
The cell density of the honeycomb structure 1 (that is, the number of cells per unit cross-sectional area) is not particularly limited, and may be appropriately designed according to the purpose, but is 25 to 2000 cells / in 2 (4 to 320 cells / cm 2 ) is preferable. When the cell density is smaller than 25 cells / square inch, the strength of the
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。 The number of cells per honeycomb structure 1 is preferably 1 to 10,000, and particularly preferably 200 to 2,000. If the number of cells is too large, the honeycomb itself becomes large, so the heat conduction distance from the first fluid side to the second fluid side becomes long, the heat conduction loss becomes large, and the heat flux becomes small. In addition, when the number of cells is small, the heat transfer area on the first fluid side becomes small, the heat resistance on the first fluid side cannot be lowered, and the heat flux becomes small.
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。
The thickness (wall thickness) of the
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。
The density of the
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。 When the first fluid (high temperature side) to be circulated through the heat exchanger 30 (see FIG. 4) is exhaust gas, a catalyst is formed on the inner wall surface of the cell 3 of the honeycomb structure 1 through which the first fluid (high temperature side) passes. Is preferably carried. This is because in addition to the role of exhaust gas purification, reaction heat (exothermic reaction) generated during exhaust gas purification can also be exchanged. Precious metals (platinum, rhodium, palladium, ruthenium, indium, silver, and gold), aluminum, nickel, zirconium, titanium, cerium, cobalt, manganese, zinc, copper, zinc, tin, iron, niobium, magnesium, lanthanum, samarium, It is preferable to contain at least one element selected from the group consisting of bismuth and barium. These may be metals, oxides, and other compounds.
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。
The supported amount of the catalyst (catalyst metal + support) supported on the
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。
As the
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。
Next, the manufacturing method of the heat
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。
The honeycomb formed body is dried and fired by impregnation with Si, whereby the honeycomb structure 1 in which a plurality of cells 3 serving as gas flow paths are partitioned by the
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。
Subsequently, a molten metal containing soft particles is prepared by dispersing a desired amount of soft particles in the molten metal, and the molten metal is filled in the gap between the
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。
As a method of filling the gap between the
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。
When using molten metal, soft particles may be put in advance in the gap between the
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。
Moreover, the
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。
In the method using the above-described molten metal or brazing material, the
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。
FIG. 4 is a perspective view of a
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。
That is, the second
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。
The first fluid circulation portion 5 is formed as a honeycomb structure, and in the case of the honeycomb structure, when the fluid passes through the cell 3, the fluid cannot flow into another cell 3 by the
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。
It is preferable that the
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。
The heating body, which is the first fluid to be circulated through the
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。 The heat conducting member of the present invention can be used for heat exchange between a heated body (high temperature side) and a heated body (low temperature side).
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。 1: honeycomb structure, 2: end face (in axial direction), 3: cell, 4: partition, 5: first fluid circulation part, 6: second fluid circulation part, 7: outer peripheral wall, 7h: (tubular ceramics) Outer peripheral surface, 10: heat conducting member, 11: cylindrical ceramic body, 12: metal tube, 12h: outer peripheral surface of (metal tube), 13: intermediate material, 21: casing, 22: (second fluid) Inlet), 23: outlet of (second fluid), 24: inner surface of (casing), 30: heat exchanger.
Claims (8)
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。 A cylindrical ceramic body that has a flow path that passes from one end face to the other end face and through which the first fluid that is a heating body flows;
A metal tube fitted to the outer peripheral surface of the cylindrical ceramic body;
An intermediate material formed from a metal in which soft particles are dispersed, sandwiched between the cylindrical ceramic body and the metal tube, joined to the cylindrical ceramic body and the metal tube,
The first fluid is circulated in the cylindrical ceramic body, the second fluid having a temperature lower than that of the first fluid is circulated on the outer peripheral surface side of the metal tube, and the first fluid and the second fluid are circulated. A heat conduction member that exchanges heat with a fluid.
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