【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
本発明は炭化珪素材料から本質的に構成された
熱交換器の改良にかかるものである。
通常、熱交換器は高熱伝導性を有するものとし
て銅、銅合金等が低温用として、又、1000℃以下
程度の高温用としてインコネル、ハステロイ等の
金属材料が使われている。又、特に1000℃を超え
るよう場合には金属製では耐熱限界を超えること
からコージライト、炭化珪素等のセラミツク材料
が知られている。セラミツク材料は一般に耐熱耐
蝕性にすぐれているが加工性に難点があり、複雑
な形状には適さない。
一方、熱交換器は高度の信頼性が要求され、し
かも長寿命のものである必要があるり、これらの
点で従来のセラミツク材料では満足すべきものは
得られていなかつた。例えば、コージライト質の
ものは耐熱、耐スポーリング性は満足できるにし
ても、複合成分から作られるものであるため近質
性に乏しく、実用に耐えるものは得られていな
い。又、炭化珪素質のものは熱伝導勢は良好であ
るが、粘土等で焼結したものであるため熱間荷重
に弱く、特に通気性に問題が残つていた。更に高
温における耐酸化性に難点があり、殊に溶接部に
おいてSiO2の形成に伴い表面および内部の応力
の差が次第に拡大し、ついには溶接部が破壊する
等持てる特性を充分に発揮し得ない状態であつ
た。
本発明は炭化珪素の溶接部における欠点を究明
し、これを改善することによつて炭化珪素の持つ
特性を充分生かすべくなされたものであつて、溶
接部の接合面をその直角断面積に対し1.1〜3.5倍
の平滑な接合面として溶接した構造とするもであ
る。
以下に本発明の実施例を図によつて説明する。
即ち、炭化珪素同志の接合は、例えば発熱体の端
子部と発熱部を溶接する場合等も同様であるが、
従来の溶接法は溶接部すべき炭化珪素体はほぼ直
角に切断し、これと対応する直角切断面を有する
他方の炭化珪素体を当接して溶接するものであ
る。即ち、第１図に示すように成形体１の接合面
２は成形体表面８に対してほぼぼ直角になつてい
る。しかしながら、このような成形体を例えば熱
交換器として長時間使用した場合のクラツク発生
は先ずこの溶接部から始まることが多い。これを
更に究明すると溶接面端部４において先ずマイク
ロラツクが発生し、これが時間と共に漸次成長し
て破壊に到るという経過を経ることが明らかにな
つた。この溶接面端部のマイクロラツク発生を形
状の相違について更に比較したところ、その形状
が90゜以下の場合が90゜以上の場合と比べて相対的
に多く発生することが認められていた。この場合
90゜以下の溶接面端部のものは鋭角になるに従い
マイクロクラツクの発生は漸増するが、その変化
は90゜前後の場合と比較して著しくない。
第２図は本発明の実施例を示すもので、溶接す
べき炭化珪素成形体１の一方の端面（接合面）２
をその表面３に対し傾斜させ、他方の成形体はこ
れと対応する形状として両者を溶接するものであ
る。溶接する方法は被溶接物の態様に応じて処理
するが、例えば再結晶炭化珪素成形体の場合で
は、金属シリコンおよびカーボンブラツクの混合
物をペースト状となし、これを接合面に塗着して
熱処理すれば、溶接面端部は断面図である第２図
において４および４′の２ケ所あり、上端部と比
較して下端部はマイクロクラツクの発生は多くな
るが、前述したように鋭角とすることによつて、
直角の場合と比較して著しく増大するものではな
い。
接合面の面積比の異なるものについて寿命比較
試験を行つた結果を下記表に示す。
比較条件は1200℃の排ガスを利用する熱交換器
の部材としてクラツクの発生により使用不能とな
る時間で判定した。接合面積比とは成形体表面に
対して直角に切断した接合面の面積を１とした場
合の接合面の比である。
The present invention is an improvement to a heat exchanger constructed essentially of silicon carbide material. Generally, heat exchangers have high thermal conductivity, such as copper and copper alloys, for low-temperature applications, and metal materials such as Inconel and Hastelloy for high-temperature applications of about 1000° C. or less. In addition, ceramic materials such as cordierite and silicon carbide are known because metals exceed the heat resistance limit especially when the temperature exceeds 1000°C. Ceramic materials generally have excellent heat and corrosion resistance, but have difficulties in processability and are not suitable for complex shapes. On the other hand, heat exchangers are required to have a high degree of reliability and to have a long life, and conventional ceramic materials have not been satisfactory in these respects. For example, cordierite materials may have satisfactory heat resistance and spalling resistance, but because they are made from composite components, they lack closeness and have not been found to be of practical use. In addition, silicon carbide materials have good thermal conductivity, but because they are sintered with clay or the like, they are susceptible to hot loads, and there remain problems, particularly in air permeability. Furthermore, there is a problem with oxidation resistance at high temperatures, and the difference in stress between the surface and the inside gradually expands with the formation of SiO 2 , especially in welds, and eventually the welds break, making it impossible to fully demonstrate the properties it has. It was in a state where there was no. The present invention was made in order to make full use of the characteristics of silicon carbide by investigating the defects in welded parts of silicon carbide and improving them. It has a welded structure with a smooth joint surface of 1.1 to 3.5 times. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
That is, the joining of silicon carbide to each other is the same when, for example, welding the terminal part of the heating element and the heating part,
In the conventional welding method, a silicon carbide body to be welded is cut at a substantially right angle, and another silicon carbide body having a corresponding right-angled cut surface is brought into contact with the cut surface and welded. That is, as shown in FIG. 1, the joint surface 2 of the molded body 1 is approximately perpendicular to the surface 8 of the molded body. However, when such a molded body is used, for example, as a heat exchanger, for a long time, cracks often begin at the welded portion. Further investigation of this revealed that microracks first occur at the welded surface end 4, and that these microracks gradually grow over time and lead to fracture. When we further compared the occurrence of microracks at the edges of the welding surface with respect to differences in shape, it was found that microracks occur relatively more often when the shape is less than 90° than when it is more than 90°. in this case
For welded edges of less than 90°, the occurrence of microcracks gradually increases as the angle becomes more acute, but the change is not significant compared to when the angle is around 90°. FIG. 2 shows an embodiment of the present invention, in which one end surface (joining surface) 2 of a silicon carbide molded body 1 to be welded.
is inclined with respect to its surface 3, and the other molded body is shaped to correspond to this and the two are welded together. The welding method depends on the type of object to be welded. For example, in the case of a recrystallized silicon carbide molded body, a mixture of metallic silicon and carbon black is made into a paste, which is applied to the joint surface and heat treated. Therefore, there are two edges of the welding surface, 4 and 4' in the cross-sectional view of Fig. 2, and microcracks occur more frequently at the lower edge than at the upper edge, but as mentioned above, there are two locations at 4 and 4'. By doing,
It does not increase significantly compared to the right angle case. The table below shows the results of a lifespan comparison test for products with different joint surface area ratios. The comparison conditions were determined based on the time it takes for a heat exchanger member that uses exhaust gas at 1200°C to become unusable due to cracks. The bonding area ratio is the ratio of the bonding surfaces when the area of the bonding surfaces cut perpendicularly to the surface of the molded body is set to 1.
【表】
上記表によつても明らかなように接合面積比を
大きくしたものは明らかに寿命が延長されてい
る。
尚、No.４の試料の寿命も比較的長いが、接合面
端部の一方の形状が鋭角となりすぎ接合工程が困
難となるためであつた。
図においては、炭化珪素質成形体の形状を直の
もので示したが、角部や曲部で溶接するような場
合にも勿論適用できる。
本発明において適用できる熱交換器は二重管式
のみならず、一般に知られている多管式のような
長尺の場合でもよく、又、自動車用等のガスター
ビンエンジンの蓄熱式、伝熱式等の形式に問われ
ることなく可能である。[Table] As is clear from the table above, those with a larger bonding area ratio clearly have a longer lifespan. Incidentally, the life of sample No. 4 was also relatively long, but this was because the shape of one of the edges of the bonding surface was too acute, making the bonding process difficult. Although the shape of the silicon carbide molded body is shown as a straight shape in the figure, it can of course be applied to cases where welding is performed at a corner or a curved part. The heat exchanger that can be applied in the present invention is not limited to the double pipe type, but may also be a long type such as the generally known multi-tube type, or a heat storage type or heat transfer type for gas turbine engines such as automobiles. This is possible regardless of the format of the expression.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
第１図は従来の溶接による概略縦断面図、第２
図は本発明による概略縦断面図である。
１……成形体、２……接合面、３……成形体表
面、４，４′……溶接面端部。
Figure 1 is a schematic vertical cross-sectional view of conventional welding;
The figure is a schematic longitudinal sectional view according to the invention. 1... Molded body, 2... Joint surface, 3... Molded body surface, 4, 4'... Welding surface end.