JP2013068343A

JP2013068343A - 流路部材およびこれを備える熱交換器

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Publication number: JP2013068343A
Application number: JP2011206244A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Shino; 直行志野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: JP5832212B2

Abstract

【課題】剛性が高く、高温の流体を流したり、高温の環境に曝されたりしても、接合部の剥離等の不具合が生じることの少ない信頼性の高い流路部材およびこれを備える熱交換器を提供する。
【解決手段】内部が流体の流路となる筒状体であって、非酸化物のセラミック焼結体からなる第１部材１と、ニッケルを含む合金からなる第２部材２とが、超硬合金からなる第３部材３を介して接合されてなる流路部材10である。また、この流路部材10を備える熱交換器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、流路部材およびこれを備える熱交換器に関する。

従来、高温もしくは低温の対象物を載置したり、載置した状態で対象物を温めたり冷やしたりするのに用いられる載置部材、または、高温もしくは低温の流体を流したり、高温もしくは低温の環境に曝すことによって流体を温めたり冷やしたりするのに用いられる流路部材は、部材内において掛かる温度が異なることから、掛かる温度に合わせて、異なる材質からなる部材を接合した接合体が用いられている。

このような接合体として、例えば、特許文献１には、第１のプレート、第１のプレートと熱膨張係数が５×10^−６／℃以上異なる第２のプレートと、第１のプレートと第２のプレートとの間に配設され、ヤング率が150ＧＰａ以下でありかつ融点が1500Ｋ以下である
第３のプレートとを有し、第１のプレートと第３のプレートおよび第３のプレートと第２のプレートがそれぞれろう付接合されてなる異材プレート接合体が提案されている。

特開2010−52015号公報

しかしながら、特許文献１に記載された異材プレート接合体は、第１のプレートと第２のプレートとの間に配設された第３のプレートのヤング率が低いことから、特許文献１に記載された構成で流路部材を形成したときには、流路部材の剛性が低下するという問題があった。また、同様の構成の流路部材では、各プレートに相当する部材間の線膨張係数差が大きいことから、例えば、高温の環境に曝したとき、大きな熱応力が生じて接合部の剥離が起こって流体が漏れるという問題があった。そのため、流路部材においては、剛性を高めるとともに、高温の流体を流したり、高温の環境に曝されたりしても、接合部の剥離等の不具合が生じることの少ない信頼性の高いものとしなければならないという課題があった。

本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、剛性が高く、高温の流体を流したり、高温の環境に曝されたりしても、接合部の剥離等の不具合が生じることの少ない信頼性の高い流路部材およびこれを備える熱交換器を提供するものである。

本発明の流路部材は、内部が流体の流路となる筒状体であって、非酸化物のセラミック焼結体からなる第１部材とニッケルを含む合金からなる第２部材とが、超硬合金からなる第３部材を介して接合されてなることを特徴とするものである。

本発明の熱交換器は、上記構成の本発明の流路部材を備えていることを特徴とするものである。

本発明の流路部材によれば、内部が流体の流路となる筒状体であって、非酸化物のセラミック焼結体からなる第１部材とニッケルを含む合金からなる第２部材とが、超硬合金か
らなる第３部材を介して接合されてなることから、第１部材と第２部材との間に位置する超硬合金からなる第３部材が高い剛性を有していることによって、剛性の高い流路部材とすることができる。また、各部材間における線膨張係数差が小さいことから、線膨張係数差に起因して生じる熱応力を小さくすることができるため、接合部の剥離等の不具合が生じにくく、信頼性の高い流路部材とすることができる。

また、本発明の熱交換器によれば、剛性が高く、接合部の剥離等の不具合が生じにくい信頼性の高い本発明の流路部材を備えていることから、長期間にわたって好適に使用することができる。

本実施形態の流路部材の一例を示す斜視図である。

以下、本実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の流路部材の一例を示す斜視図である。

図１に示す例の流路部材10は、内部が流体の流路となる筒状体であって、非酸化物のセラミック焼結体からなる第１部材１とニッケルを含む合金からなる第２部材２とが、超硬合金からなる第３部材３を介して接合されている。

ここで、第１部材１は、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化硼素または窒化硼素を主成分とするセラミック焼結体からなる。なお、ここでいう主成分とは、セラミック焼結体を構成する成分100質量％のうち、50％以上を占める成分のことである。

また、第２部材２は、例えば、ニクロム１号、ニクロム２号、インコネル600、インコ
ネル601、インコネル625、インコネル702、インコネル706、インコネル713Ｃ、インコネ
ル718、インコネル750Ｘ、インコロイ825、インコロイ901、モネル400、モネルＫ−500（インコネル、インコロイおよびモネルは、登録商標）等のニッケル基超合金、または、45％パーマロイ、75％パーマロイ、アンバー、スーパーアンバー、コバール（コバールは登録商標）等のニッケル鉄合金等のニッケルを含む合金からなる。

また、第３部材３は、炭化タングステン（ＷＣ）と、鉄、コバルト、ニッケルおよびアルミニウムの少なくともいずれか１種とを含む超硬合金からなる。

そして、第１部材１と第３部材３との間、第３部材３と第２部材２との間が接合されることによって、第１部材１と第２部材２とが、第３部材３を介して接合されて、本実施形態の流路部材10が形成されている。このような構成の流路部材10であることから、第１部材１と第２部材２との間に位置する超硬合金からなる第３部材３が高い剛性を有していることによって、剛性の高い流路部材10とすることができる。また、各部材間における線膨張係数差が小さいことから、線膨張係数差に起因して生じる熱応力を小さくすることができるため、接合部の剥離等の不具合が生じにくく、信頼性の高い流路部材10とすることができる。

具体的には、動的弾性率は、第１部材１が280〜430ＧＰａ、第２部材２が150〜200ＧＰａであるのに対し、第３部材３は600ＧＰａ程度である。また、線膨張係数は、第１部材
１は３〜5.5×10^−６／℃であり、第３部材３は4.5〜6.5×10^−６／℃であり、第２部材
２は９〜12×10^−６／℃である。なお、各部材の動的弾性率については、ＪＩＳＲ 1602−1995で規定される超音波パルス法に準拠して測定すればよい。また、線膨張係数については、ＪＩＳＲ 1618−2002に準拠して測定すればよい。

また、本実施形態の流路部材10は、第１部材１と第３部材３とが、活性金属を含んでなる第１接合層により接合されているとともに、第１接合層は、活性金属が第１部材側および第３部材側に偏在していることが好適である。

このように、第１接合層が、活性金属が第１部材側および第３部材側に偏在しているときには、活性金属と第１部材１および第３部材３のそれぞれ主成分を構成する成分の金属とが結合しやすくなるため、第１部材１と第３部材３との接合強度を高めることができる。また、活性金属は、第１接合層の主成分である金属よりも線膨張係数が低いことから、活性金属が第１部材側および第３部材側に偏在していることによって、第１部材１もしくは第３部材３と第１接合層との線膨張係数差に起因して生じる熱応力を緩和することができる。さらに、活性金属は、第１接合層の主成分である金属よりも高い剛性を有していることから、活性金属が第１部材側および第３部材側に偏在していることによって、流路部材10全体の剛性を向上させることができる。

なお、第１接合層に含まれる活性金属とは、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびニオブから選択される少なくとも１種である。また、第１接合層における第１部材側とは、第１部材１と第１接合層との接合界面を起点として、この起点から第１接合層の厚みの６％以内の領域をいう。また、第１接合層における第３部材側とは、第３部材３と第１接合層との接合界面を起点として、この起点から第１接合層の厚みの６％以内の領域をいう。

そして、第１接合層において、活性金属が、第１部材側および第３部材側に偏在している状態とは、第１接合層における第１部材側および第３部材側と、これ以外の中央領域とにおける活性金属の分布状態を確認したとき、第１部材側および第３部材側における活性金属の面積占有率が、中央領域における活性金属の面積占有率の２倍以上であることをいう。

具体的な確認方法としては、エネルギー分散型（ＥＤＳ）Ｘ線マイクロアナライザーを用いて、それぞれの接合界面を含む第１接合層の断面を観察し、各領域における活性金属の分布状態を確認すればよい。なお、活性金属の分布がそれぞれの接合界面に重なって確認される状態であれば、より高い接合強度とすることができる。

また、本実施形態の流路部材10は、第１接合層の主成分が銀であり、活性金属と、コバルトと、第１部材１の主成分を構成する成分の金属とからなる化合物を含むことが好適である。このように、第１接合層の主成分が銀であることによって、第１接合層の耐熱温度を高くすることができる。また、第１接合層中に、活性金属と、コバルトと、第１部材１の主成分を構成する成分の金属とからなる化合物を含むことにより、活性金属と、コバルトと、第１部材１の主成分を構成する成分の金属とが、結合の強い共有結合によって結合していることから、第１接合層の強度が高まり、第１部材１と第３部材３との接合強度をさらに高めることができる。

また、活性金属と、コバルトと、第１部材１の主成分を構成する成分の金属とからなる化合物は、第１接合層の主成分である銀よりも線膨張係数が低く、第１接合層中にこの化合物を含むことによって、第１接合層の線膨張係数を低くすることができることから、第１部材１もしくは第３部材３と第１接合層との線膨張係数差に起因して生じる熱応力を緩和することができる。さらに、この化合物は、第１接合層の主成分である銀よりも剛性が高いことから、第１接合層中にこの化合物を含むことによって、第１接合層の剛性を向上させることができ、ひいては流路部材10全体の剛性を向上させることができる。なお、ここでいう第１接合層の主成分とは、第１接合層を構成する成分100質量％のうち、50％以
上を占める成分のことである。

ここで、第１接合層に含まれる化合物は、例えば、組成式が、ＣｏＳｉＴｉ、ＣｏＳｉＺｒ、ＣｏＢＴｉ、ＣｏＡｌＴｉ、ＣｏＢＴｉとして示され、Ｘ線回折法を用いて同定すればよい。

また、本実施形態の流路部材10は、第２部材２と第３部材３とが、第２接合層により接合されていることが好ましい。第２部材２と第３部材３とを接合する第２接合層は、例えば、主成分がニッケルであり、クロム、鉄、硼素および珪素を含むものであり、第２接合層となるろう材の融点が約1000℃と高いものであることが好適である。なお、ここでいう第２接合層における主成分とは、第２接合層を構成する成分100質量％のうち、50％以上
を占める成分のことである。

また、本実施形態の流路部材10は、第１部材１の主成分が炭化珪素であり、第２部材２がニッケル基超合金からなり、第３部材３がコバルトを含む超硬合金からなることが好適である。また、第１部材１は、熱伝導率が180Ｗ／（ｍ／Ｋ）以上の炭化珪素質焼結体か
らなることがより好ましい。また、第２部材２は、耐熱性、耐蝕性、耐酸化性、耐クリープ性などの高温特性に優れたインコネル（登録商標）であることがより好ましい。また、第３部材３は、機械的強度の高い、コバルトを１質量％以上16質量％以下含む超硬合金であることがより好ましい。

本実施形態の流路部材10は、流路部材10における第１部材側の流体の温度もしくは曝される温度が1000℃以上であり、流路部材10における第２部材側の流体の温度もしくは曝される温度が600℃程度であるところに好適に用いることができる。

そして、各部材の成分については、同定を必要とするときにはＸ線回折法を用い、含有量については、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析法により求めればよい。具体的には、第１部材１において、Ｘ線回折法により同定された成分が炭化珪素であるときには、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分析法で珪素の比率を求め、炭化物（ＳｉＣ）に換算すれば炭化珪素の含有量を求めることができる。また、Ｘ線回折法により同定された成分が炭化タングステンであるときには、上記と同様の方法でタングステンの比率を求め、炭化物（ＷＣ）に換算すれば炭化タングステンの含有量を求めることができる。また、第１接合層や第２接合層を構成する各成分の含有量についても、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分析法により求めることができる。また、エネルギー分散型（EDS）Ｘ線マイクロアナライザーを用いることによっても各部材や各層の含有
量を測定することができる。

また、本実施形態の熱交換器は、剛性が高く、接合部の剥離等の不具合が生じにくい信頼性の高い本実施形態の流路部材10を備えていることから、長期間にわたって好適に使用することができる。

次に、本実施形態の流路部材10の製造方法の一例について説明する。まず、非酸化物のセラミック焼結体からなる筒状の第１部材１、ニッケルを含む合金からなる筒状の第２部材２および超硬合金からなる筒状の第３部材３を準備する。

次に、第３部材３との接合面となる第１部材１の端面に、主成分が銀であり、活性金属およびコバルトを含む、第１接合層となるペースト状のろう材を塗布する。ここで、第１接合層としては、活性金属が２〜９質量％、コバルトが0.1〜３質量％で、残部が銀であ
ることが好ましい。

また、第３部材３との接合面となる第２部材２の端面に、主成分がニッケルであり、クロム、鉄、硼素および珪素を含む、第２接合層となるペースト状のろう材を塗布する。ここで、第２接合層としては、クロムが６〜15質量％、鉄が２〜４質量％、硼素が２〜４質量％、珪素が3.5〜５質量％で、残部がニッケルであることが好ましい。なお、塗布方法
は、スクリーン印刷法、加圧印刷法および刷毛塗り法等のいずれかの方法で行なえばよい。その後、120℃以上150℃以下で乾燥する。

そして、塗布したろう材を乾燥させたそれぞれの端面が第３部材３の各端面と対向するように、第１部材１と第２部材２との間に第３部材３を配置して、第１部材１および第２部材２の両側から所定の圧力で加圧する。そして、加圧した状態で、例えば、真空度が0.014Ｐａ以上1.6Ｐａ以下である真空雰囲気中、あるいは不活性ガス雰囲気中で、980℃以
上1040℃以下の温度で30分以上２時間以下の範囲で保持することにより、本実施形態の流路部材10を得ることができる。

ここで、第１接合層において、第１部材側および第３部材側に活性金属が偏在しているようにするには、例えば、真空度が0.014Ｐａ以上1.6Ｐａ以下である真空雰囲気中、あるいは不活性ガス雰囲気中で、980℃以上1040℃以下の温度における保持時間を１時間以上
２時間以下とすればよい。

また、第１接合層の主成分が銀であり、活性金属と、コバルトと、第１部材１の主成分を構成する成分の金属とからなる化合物を含ませるには、主成分が銀であり、活性金属、コバルトおよび第１部材１の主成分を構成する成分の金属を含むろう材を、第１接合層となるろう材として用いればよい。または、主成分が銀であり、活性金属およびコバルトを含むろう材を、第１接合層となるろう材として用いて、例えば、真空度が0.014Ｐａ以上1.6Ｐａ以下である真空雰囲気中、あるいは不活性ガス雰囲気中で、1000℃以上1040℃以下の温度で１時間以上２時間以下の範囲で保持すればよい。これにより、第１部材１の主成分を構成する成分の金属の一部が第１接合層中に拡散し、活性金属と、コバルトと、拡散した第１部材１の主成分を構成する成分の金属とが共有結合によって化合し、活性金属と、コバルトと、第１部材１の主成分を構成する成分の金属とからなる化合物が生じる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

まず、表１に示す主成分の非酸化物セラミック焼結体からなる第１部材１と、表１に示す添加成分を混合して焼結させた超硬合金からなる第３部材３と、第２部材２としてインコネルを準備した。なお、いずれも外径が12.5ｍｍであり、肉厚が２ｍｍの筒状の部材である。なお、第１部材１は、表１に示す主成分の含有量は80質量％以上であり、焼結助剤を含むものである。また、第３部材３は、試料Ｎｏ．１，２については、マグネシウムであり、試料Ｎｏ．３〜32については、表１に示す添加成分を７質量％含む炭化タングステン（ＷＣ）である。また、第２部材２については、インコネル625を用いた。

次に、第３部材３との接合面となる第１部材１の端面に、表１に示す主成分と添加成分とからなる、第１接合層となるペースト状のろう材を刷毛で塗布した。また、第３部材３との接合面となる第２部材２の端面に、主成分がニッケルであり、クロム、鉄、硼素および珪素を含む、第２接合層となるペースト状のろう材を刷毛で塗布した。その後、135℃
で乾燥させた。

そして、塗布したろう材を乾燥させたそれぞれの端面が第３部材３の各端面と対向するように、第１部材１と第２部材２との間に第３部材３を配置して、第１部材１および第２
部材２の両側から所定の圧力で加圧した。そして、加圧した状態で、真空度が0.08Ｐａの真空雰囲気中で、温度および保持時間をそれぞれ表１に示す温度、時間で加熱することにより、試料Ｎｏ．１〜32の流路部材を得た。なお、試料Ｎｏ．２〜32の第１接合層となるろう材は、コバルトを１質量％と、表１に示す活性金属を４質量％とを含み、残部が銀からなるものである。また、第２の接合層となるろう材には、クロムを７質量％、鉄を３質量％、硼素を３質量％、珪素を４質量％含み、残部がニッケルからなるものを用いた。

次に、各部材の線膨張係数をＪＩＳＲ 1618−2002に準拠して測定し、その値を表２に示した。但し、第３部材３がＭｇからなる試料Ｎｏ．１，２については、ＪＩＳＺ 2285−2003に準拠して線膨張係数を測定した。

また、第１接合層に含まれる活性金属が第１部材側および第３部材側に偏在しているか否かについては、エネルギー分散型（ＥＤＳ）Ｘ線マイクロアナライザーを用いて、それぞれの接合界面を含む第１接合層の断面を観察し、活性金属の分布状態を確認して、第１部材側および第３部材側における活性金属の面積占有率と、第１部材側および第３部材側以外である中央領域における活性金属の面積占有率とを比較し、第１部材側および第３部材側における活性金属の面積占有率が２倍以上をであれば「有」、２倍未満であれば「無」として表２の「偏在」の欄に記載した。また、Ｘ線回折法を用いて第１接合層に含まれる化合物を同定し、同定された化合物の組成式を表２に示した。

さらに、接合部の剥離等の不具合を確認するため、次の試験を行なった。試料Ｎｏ．１〜32を600℃で１時間保持した後、構成する第１部材１と第３部材３との接合強度を精密
万能試験機（（株）島津製作所製、オートグラフＡＧ−ＩＳ）を用いて測定した。なお、万能試験機のクロスヘッドの速度は、１ｍｍ／分とし、この試験における接合強度とは、第２部材２および第３部材３を固定用治具で固定し、第１部材１を引き剥がしたときのものである。

表２に示す通り、試料Ｎｏ．１，２の流路部材は、第１部材１と第３部材３との線膨張係数差が大きいことから接合強度が低かった。これに対し、試料Ｎｏ．３〜32の流路部材は、試料Ｎｏ．１，２よりも接合強度が高く、このように接合強度が高くなっているのは、各部材間における線膨張係数差が小さく、線膨張係数差に起因して生じる熱応力を小さくできているからである。よって、接合部に剥離等の不具合の少ない信頼性の高い流路部材であることがわかった。

また、第１部材１を構成する主成分が同じである試料Ｎｏ．３〜12、試料Ｎｏ．13〜22、試料Ｎｏ．23〜32を比べると、試料Ｎｏ．５〜12、試料Ｎｏ．15〜22、試料Ｎｏ．25〜32は、第１接合層における第１部材側および第３部材側に活性金属が偏在しており、活性金属と第１部材１および第３部材３のそれぞれ主成分を構成する成分の金属とが結合していることによって、高い接合強度の結果が得られている。また、試料Ｎｏ．６〜12、試料Ｎｏ．16〜22、試料Ｎｏ．26〜32は、第１接合層中に、活性金属と、コバルトと、第１部材１の主成分を構成する成分の金属とからなる化合物を含むことから、300ＭＰａを超え
る高い接合強度を有する流路部材とできることがわかった。

また、試料Ｎｏ．３〜32は、第１部材１と第２部材２との間に位置する超硬合金からなる第３部材３が高い剛性を有していることから、流路部材の剛性も高いものであった。

また、第１部材１側から1200℃の流体を流し、第２部材２から600℃の流体が排出され
る流路部材に試料Ｎｏ．３〜32を用いたところ、接合部の剥離も見られず、好適に用いることができることがわかった。そのため、試料Ｎｏ．３〜32の流路部材を熱交換器に備えれば、長期間にわたって好適に使用できることがわかった。

１：第１部材
２：第２部材
３：第３部材
10：流路部材

Claims

内部が流体の流路となる筒状体であって、非酸化物のセラミック焼結体からなる第１部材とニッケルを含む合金からなる第２部材とが、超硬合金からなる第３部材を介して接合されてなることを特徴とする流路部材。
前記第１部材と前記第３部材とが、活性金属を含んでなる第１接合層により接合されているとともに、該第１接合層は、前記活性金属が、前記第１部材側および前記第３部材側に偏在していることを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
前記第１接合層の主成分が銀であり、前記活性金属と、コバルトと、前記第１部材の主成分を構成する成分の金属とからなる化合物を含むことを特徴とする請求項２に記載の流路部材。
前記第１部材の主成分が炭化珪素であり、前記第２部材がニッケル基超合金からなり、前記第３部材がコバルトを含む超硬合金からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流路部材。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の流路部材を備えていることを特徴とする熱交換器。