JP6012809B2

JP6012809B2 - 熱伝導部材

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Publication number: JP6012809B2
Application number: JP2015090544A
Authority: JP
Inventors: 博紀高橋; 美能留今枝
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: JP2015148437A

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。

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、耐熱衝撃性、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。

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。

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）。

特開平９−３２７６２７号公報

しかしながら、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には、ハニカム構造体と金属基材（金属管）との間で熱膨張率が異なるので、金属基材（金属管）とハニカム構造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、このような時にはハニカム構造体に過剰な応力が生じてしまう。

特に、ろう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。

また、焼きばめにより筒状セラミックス体と金属管とを一体化させる手法もあるが、筒状セラミックス体と筒状金属管については、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る。また、焼きばめの場合には、化学的な結合が伴わないため、伝熱特性がろう付けや溶湯接合ほど良好ではない。

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、熱的な結合状態を良好に保ちつつ、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し、より熱交換効率が高く耐久性の高い熱伝導部材を提供することである。

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。

［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し、その外周に外周壁が設けられた筒状セラミックス体と、前記筒状セラミックス体の前記外周壁の外周面に嵌合するとともに前記筒状セラミックス体の外周を囲む環状のひだ部を有する金属管と、前記筒状セラミックス体と前記金属管とに挟まれつつ前記筒状セラミックス体および前記金属管に接合する中間材と、を備え、前記金属管は、前記ひだ部が外側に突出し、前記金属管の前記ひだ部の内面と前記中間材との隙間に充填材を有し、前記充填材は、膨張黒鉛であり、前記中間材は、溶湯による鋳造により形成された金属からなるか、または、前記充填材は、アルミナまたはシリカのセラミック繊維であり、前記中間材は、ろう材からなり、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。

［２］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］に記載の熱伝導部材。

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。

本発明の熱伝導部材の一実施形態を模式的に示す斜視図である。図１中のＡ−Ａ’断面の模式図である。図１に示された熱伝導部材を製造するための方法の一例を説明する図である。本発明の熱伝導部材の他の実施形態を模式的に示す断面図である。図４に示された熱伝導部材を製造するための方法の一例を説明する図である。図５中のＢ−Ｂ’断面の模式図である。本発明の熱伝導部材のさらに別の実施形態を軸方向の一方の端面から見た模式図である。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。

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。

本発明の熱伝導部材は、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、筒状セラミックス体の外周面に嵌合するとともに筒状セラミックス体の外周を囲む環状のひだ部を有する金属管と、筒状セラミックス体と金属管とに挟まれつつ筒状セラミックス体および金属管に接合する中間材と、を備える。そして、本発明の熱伝導部材は、筒状セラミックス体の内部に第一の流体を、金属管の外周面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ことができる。本発明の熱伝導部材では、金属管と筒状セラミックス体とを中間材を介して接合し、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。

本発明の熱伝導部材では、金属管は、ひだ部を有しているので、軸方向（一方の端面と他方の端面とを結ぶ方向）に沿って伸縮することができる。そのため、本発明の熱伝導部材では、金属管における伸縮の大きさが筒状セラミックス体や中間材における伸縮の大きさと異なる状態の時でも、金属管がひだ部の働きによって軸方向に沿って自在に伸縮するので、金属管から筒状セラミックス体へと大きな応力が及びにくい。その結果、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。

また、本発明の熱伝導部材が備える金属管では、ひだ部は、１個であっても、複数個であってもよい。また、ひだ部が複数個ある場合には、軸方向に沿った各位置で金属管の伸縮の度合いが異なる態様も可能になるので、金属管の伸縮がさらに自在になる。その結果として、金属管から中間材や筒状セラミックス体に大きな応力が加わりにくくなる。また、本発明の熱伝導部材では、金属管は、ひだ部が軸方向に沿って繰り返し作られている蛇腹構造であってもよい。このように金属管が蛇腹構造である場合には、金属管における伸縮の大きさが筒状セラミックス体や中間材における伸縮の大きさと異なる状態の時でも、金属管から筒状セラミックス体へと大きな応力が加わることがより一層抑えられ、その結果、筒状セラミックス体にひびや割れがより一層生じにくくなる。

本発明の熱伝導部材では、金属管は、ひだ部が外側に突出している形態でもよい。あるいは、金属管は、ひだ部が内側に窪んでいる形態でもよい。次に、これらの２つのひだ部形態について具体例を挙げて説明する。

まず、ひだ部が外側に突出している形態について説明する。図１は、本発明の熱伝導部材の一実施形態を模式的に示す斜視図である。本熱伝導部材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とに挟まれつつ筒状セラミックス体１１および金属管１２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。

さらに、本熱伝導部材１０では、金属管１２は、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。ひだ部１５は、金属管１２が外周側に折れ曲がって突出することにより形作られている。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。

図２は、図１中のＡ−Ａ’断面の模式図である（当断面の位置は、図１において金属管１２の外周面１２ｈ上にある点線で示す）。図示されるように、本熱伝導部材１０を軸方向（中心軸２０の延びる方向）に沿った切り口の断面からみると、ひだ部１５は、頂部（峰）を境に、一方の端面２の側の面と、もう一方の端面２の側の面とが向かい合うかたちになっている。金属管１２において軸方向に沿った応力が作用すると、ひだ部１５は、頂部（峰）を境に向かい合う２つ面の間を開いたり、閉じたりしながら伸縮することができる。また、ひだ部１５の内面１５ｓには中間材１３と接合していない部分があり、この中間材１３と接合していないひだ部１５の内面１５ｓは、頂部（峰）を境に向かい合う２つ面の内面にあたる。言い換えると、中間材１３においては、ひだ部１５の２つの面に挟まれた領域に、金属管１２と接合していない部分がある。この接合していない部分で中間材１３が伸縮する場合、ひだ部１５の２つの面の開き度合いを変化させることにより、金属管１２は中間材１３との接合状態を保ち続けることができる。

本熱伝導部材１０では、ひだ部１５が２つの面の開き度合いを変化させることにより、金属管１２から中間材１３や筒状セラミックス体１１に大きな応力が加わることを抑えている。中間材１３や筒状セラミックス体１１が伸長する場合には、金属管１２は自身もひだ部１５の働きによって伸長することにより、中間材１３や筒状セラミックス体１１を収縮させようとする応力が加わることを抑えている。また、中間材１３や筒状セラミックス体１１が収縮する場合には、金属管１２は自身もひだ部１５の働きによって収縮することにより、中間材１３や筒状セラミックス体１１を伸長させようとする応力が加わることを抑えている。このように、本熱伝導部材１０では、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がひだ部１５の働きによって軸方向に沿って自在に伸縮するので、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い。その結果、本熱伝導部材１０は、筒状セラミックス体１１にひびや割れが生じにくい。

本熱伝導部材１０が備える金属管１２のようにひだ部１５が外側に突出している形態の場合においては、ひだ部１５は、１個であっても、複数個であってもよい。また、ひだ部１５が複数個ある場合には、各ひだ部１５の内面に中間材１３と接合していない部分があっても良い。このように金属管１２と中間材１３との非接合部分の数が多くなると、上述したようなひだ部１５による応力の緩和作用が増すので、金属管１２から中間材１３や筒状セラミックス体１１に大きな応力が加わりにくくなる。

また、ひだ部１５の高さは、０．１ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましく、１ｍｍ〜１０ｍｍであることがより好ましく、１ｍｍ〜５ｍｍであることが特に好ましい。また、ひだ部１５の幅は、０．１ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましく、１ｍｍ〜１０ｍｍであることがより好ましく、１ｍｍ〜５ｍｍであることが特に好ましい。ひだ部１５の高さやひだ部１５の幅が０．１ｍｍよりも小さくなると、ひだ部１５による応力の緩和作用が十分に得られなくなる場合があり、２０ｍｍよりも大きくなると熱伝導効率が低下するため好ましくない。なお、ひだ部１５の高さとは、金属管１２の外周面の平滑な面からひだ部１５の頂部（峰）までの高さを意味する。また、ひだ部１５の幅とは、金属管１２の外周面の平滑な面から、ひだ部１５の高さにして２分の１の高さの位置におけるひだ部１５の幅を意味する。

また、本熱伝導部材１０が備える金属管１２のようにひだ部１５が外側に突出している形態の場合においては、金属管１２は、ひだ部１５が軸方向に沿って繰り返し作られている蛇腹構造であってもよい。金属管１２が蛇腹構造である場合には、金属管１２は、中間材１３と接合状態を保ったままでも、より一層自在に伸縮可能になる。このように金属管１２が蛇腹構造である場合には、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から筒状セラミックス体１１へと大きな応力が加わることがより一層抑えられ、その結果、筒状セラミックス体１１にひびや割れがより一層生じにくくなる。

本熱伝導部材１０では、中間材１３については、金属を溶融させて溶湯を作製し、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、固化させることにより形成することができる。図３は、熱伝導部材１０を製造するための方法、具体的には、溶湯８０を金属管１２と筒状セラミックス体１１との隙間に充填する方法の一例を示す模式図である。図示されたように、金属管１２と筒状セラミックス体１１との間隙に溶湯８０を流入する際には、軸方向の一方の端面２から他方の端面２まで長手方向に向かって溶湯８０を射出することにより、溶湯８０を充填することができる。このとき、筒状セラミックス体１１を金属管１２の内部に挿入しておき、さらに筒状セラミックス体１１の両端面２を蓋７１で塞いだ状態で溶湯８０を射出する台７２の上に置いた後、溶湯８０を金属管１２と筒状セラミックス体１１との間隙に射出するとよい。

また、本熱伝導部材１０が備える金属管１２のようにひだ部１５が外側に突出している形態の場合においては、金属管１２のひだ部１５の内面１５ｓと中間材１３との隙間１９に充填材を備えることも好ましい様態である。特に、充填材が軟質の材質によって作られている場合には、熱交換効率を維持しつつひだ部１５による応力の緩和作用を発揮することができる。本発明の熱伝導部材１０に使用できる充填材としては、膨張黒鉛、またはアルミナ、カーボン、シリカなどのセラミック繊維からなるものを挙げることができる。

次に、ひだ部が内側に窪んでいる形態について説明する。図４は、本発明の熱伝導部材の他の実施形態の模式的な断面図である。この図は、本熱伝導部材４０は、一方の端面３２から他方の端面３２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４１と、筒状セラミックス体４１の外周面３７ｈに嵌合する金属管４２と、筒状セラミックス体４１と金属管４２とに挟まれつつ筒状セラミックス体４１および金属管４２に接合する中間材４３と、を備える。

さらに、本熱伝導部材４０では、金属管４２は、筒状セラミックス体４１の外周を囲む環状のひだ部４５を有する。ひだ部４５は、金属管４２が内側に折れ曲がって窪むことにより形作られている。このひだ部４５により、金属管４２は軸方向（一方の端面３２と他方の端面３２とを結ぶ方向）に沿って伸縮することができる。

また、図示されるように、本熱伝導部材４０を軸方向（中心軸５０の延びる方向）に沿った切り口の断面からみると、ひだ部４５は、溝形状になっている。この溝形状の底部を境に、一方の端面３２の側の面（側面４５ｓ）と、もう一方の端面３２の側の面（側面４５ｓ）とが向かい合うかたちになっている。金属管４２において軸方向に沿った応力が作用すると、ひだ部４５は、溝形状の底部を境に向かい合う２つ面（側面４５ｓ）の間を開いたり、閉じたりしながら伸縮することができる。

本熱伝導部材４０では、溝形状のひだ部４５が向かい合った２つの側面４５ｓの開き度合いを変化させることにより、金属管４２から中間材４３や筒状セラミックス体４１に大きな応力が加わることを抑えている。中間材４３や筒状セラミックス体４１が伸長する場合には、金属管４２は自身もひだ部４５の働きによって伸長することにより、中間材４３や筒状セラミックス体４１を収縮させようとする応力が加わることを抑えている。また、中間材４３や筒状セラミックス体４１が収縮する場合には、金属管１２は自身もひだ部４５の働きによって収縮することにより、中間材４３や筒状セラミックス体４１を伸長させようとする応力が加わることを抑えている。このように、本熱伝導部材４０では、金属管４２における伸縮の大きさが筒状セラミックス体４１や中間材４３における伸縮の大きさと異なる状態の時でも、金属管４２がひだ部４５の働きによって軸方向に沿って自在に伸縮するので、金属管４２から筒状セラミックス体４１へと大きな応力が及びにくい。その結果、本熱伝導部材４０は、筒状セラミックス体４１にひびや割れが生じにくい。

本熱伝導部材４０が備える金属管４２のようにひだ部４５が内側に窪んでいる形態の場合においては、ひだ部４５は、１個であっても、複数個であってもよい。ひだ部４５の数が多くなると、上述したようなひだ部４５による応力の緩和作用が増すので、金属管４２から中間材４３や筒状セラミックス体４１に大きな応力が加わりにくくなる。

また、ひだ部４５の深さは、０．１ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましく、１ｍｍ〜１０ｍｍであることがより好ましく、１ｍｍ〜５ｍｍであることが特に好ましい。また、ひだ部４５の幅は、０．１ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましく、１ｍｍ〜１０ｍｍであることがより好ましく、１ｍｍ〜５ｍｍであることが特に好ましい。ひだ部４５の高さやひだ部４５の幅が０．１ｍｍよりも小さくなると、ひだ部４５による応力の緩和作用が十分に得られなくなる場合があり、２０ｍｍよりも大きくなると熱伝導効率が低下するため好ましくない。なお、ひだ部４５の深さとは、金属管４２の外周面の平滑な面からひだ部４５の底部までの深さを意味する。また、ひだ部４５の幅とは、金属管４２の外周面の平滑な面から、ひだ部４５の深さにして２分の１の深さの位置におけるひだ部４５の幅を意味する。

本熱伝導部材４０では、中間材４３については、金属を溶融させて溶湯を作製し、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、固化させることにより形成することができる。図５は、熱伝導部材４０を製造するための方法、具体的には、溶湯８０を金属管１２と筒状セラミックス体１１との隙間に充填する方法の一例を示す模式図である。また、図６は、図５中のＢ−Ｂ’断面の模式図である。図示されたように、金属管４２と筒状セラミックス体４１との間隙に溶湯８０を流入する際には、金属管４２の側面に流入口８５を設けておき、この金属管４２の内部に筒状セラミックス体１１を挿入した状態で、流入口８５から金属管１２と筒状セラミックス体１１との間隙に溶湯８０を注入するとよい。本熱伝導部材４０では、金属管４２のひだ部４５の底部が筒状セラミックス体の外周面３７ｈに接触しているので、ひだ部４５によって溶湯８０の流れが遮られてしまう。このような場合には、ひだ部４５に挟まれた領域のそれぞれに少なくとも１つの流入口８５を設けておき、各流入口８５から金属管１２と筒状セラミックス体１１との間隙に溶湯８０を注入するとよい。なお、金属管４２には、流入口８５の他に、通気口を設けておくと、溶湯８０を注入した際に金属管１２と筒状セラミックス体１１との間隙に存在する空気を排出できるので、溶湯８０を注入しやすくなる。

次に、本発明の熱伝導部材が備える筒状セラミックス体や金属管について図２（熱伝導部材１０）を参照しつつ説明する（なお、図４に示した熱伝導部材４０のような形態についても、以下に説明する内容を適用することができる）。

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の外側に放出できる。

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ＳｉＣ（炭化珪素）であることを意味する。

ただし、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。

また、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、熱伝導率は、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。

筒状セラミックス体１１としては、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、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、酸化が防止される。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。

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。

図７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模式的に示す。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７に示されているハニカム構造体１（筒状セラミックス体１１）は、その外周に外周壁７が設けられている。

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。

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／ｃｍ^２）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。

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。

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。

ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。０．５ｇ／ｃｍ^３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／ｃｍ^３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。

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。

また、金属管１２の肉厚については、０．１ｍｍ〜２ｍｍが好ましく、０．１５〜１．０ｍｍがより好ましい。０．１ｍｍよりも小さいと、溶接や加工等が難しくなるためコスト高になる場合があり、２ｍｍよりも大きいとひだ部１５による応力の緩和作用が十分に得られなくなる場合がある。

次に、本発明の一実施形態の熱伝導部材１０（図７を参照）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。

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（流体）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。

続いて、金属を溶融させて溶湯を作製し、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、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。このように溶湯を用いると、中間材１３を介した金属管１２とハニカム構造体１との接合を強めることができる。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。

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。

あるいは、中間材１３としてろう材を用いてもよい。この方法では、金属管１２の内面とハニカム構造体１の外周面７ｈとをろう付けする。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。

また、金属管１２の外側に突出したひだ部１５を有する場合は、金属管１２の内面では、ひだ部１５が窪んでいる。この窪んだ部分に充填材を予め入れておき、その後、金属管１２とハニカム構造体１とを中間材１３を介して接合してもよい。この方法により、金属管１２のひだ部１５の内面１５ｓと中間材１３との隙間に充填材を備えた熱伝導部材１０を製造することができる。

図８に本発明の熱伝導部材１０を含む熱交換器３０の一実施形態の模式的な斜視図を示す。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。

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。

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。

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。

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。

また、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（隔壁４）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。

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。

本発明の熱伝導部材は、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）との間で熱交換する用途に利用することが可能である。

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：（ひだ部の）内面、１９：隙間、２０：中心軸、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、３２：（軸方向の）端面、３７ｈ：（筒状セラミックス体の）外周面、４０：熱伝導部材、４１：筒状セラミックス体、４２：金属管、４３：中間材、４５：ひだ部、４５ｓ：（ひだ部の）側面、４９：隙間、５０：中心軸、７１：蓋、７２：台、８０：溶湯、８５：流入口。

Claims

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し、その外周に外周壁が設けられた筒状セラミックス体と、
前記筒状セラミックス体の前記外周壁の外周面に嵌合するとともに前記筒状セラミックス体の外周を囲む環状のひだ部を有する金属管と、
前記筒状セラミックス体と前記金属管とに挟まれつつ前記筒状セラミックス体および前記金属管に接合する中間材と、を備え、
前記金属管は、前記ひだ部が外側に突出し、
前記金属管の前記ひだ部の内面と前記中間材との隙間に充填材を有し、
前記充填材は、膨張黒鉛であり、前記中間材は、溶湯による鋳造により形成された金属からなるか、または、
前記充填材は、アルミナまたはシリカのセラミック繊維であり、前記中間材は、ろう材からなり、
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。
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に記載の熱伝導部材。