JP2014065636A - セラミックス金属接合体の製造方法、及びスペーサー - Google Patents

Abstract

【課題】筒状セラミックス体の外側に筒状金属管を被せて接合したセラミックス金属接合体の製造時間を短縮することができるセラミックス金属接合体の製造方法、及びその製造方法に用いることのできるスペーサーを提供する。
【解決手段】型締め力が５０ｔ以上のダイキャストマシン４０を用いるセラミックス金属接合体の製造方法である。筒状セラミックス体１１の外周面に、その外周面との間に間隙４９を有した状態で筒状金属管１２を被せて、ダイキャストマシン４０の金型４１で形成されたキャビティ内に配置する。そして、キャビティ内に２００℃以下の溶湯を直径８０〜１００ｍｍのプランジャーを用いて、プランジャー速度０．１〜１．０ｍ／ｓ以上で供給する。これにより、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間隙４９内に溶湯を充填し、それを固化させてセラミックス金属接合体を製造する。
【選択図】図２Ｂ

Description

筒状セラミックス体の外側に筒状金属管を被せて接合したセラミックス金属接合体の製造方法、及びスペーサーに関する。

セラミックスと金属を接合する方法として、ある程度の耐熱性が要求される場合は、一般的にろう付けが用いられることが多い（例えば、特許文献１，２）。セラミックスと金属の間に箔状もしくはペースト状のろう材を挟んだ状態で真空炉内に設置し、昇温することでろう材を溶かしセラミックスと金属間の接合を得る。しかしながら、筒状セラミックス体と筒状金属管を接合する場合は難しい。なぜなら、あらかじめ筒状金属管の中に筒状セラミックス体を配置し、その隙間を埋めるようにろう材を充填したとしても、熱膨張係数の違いから、昇温した際に隙間が広がってしまう。そのため、充填していたろう材では足りなくなり、大きな欠陥（ボイド）が生じるからである。セラミックス、金属の双方に対してよほど良好な濡れ性をもったろう材、または、セラミックスや金属への表面処理があれば毛細管現象にてろう材が入り込むことがありえないわけではないと思われるが、現状その様な良好な組み合わせは見つかっていない。

特許第４２１０４１７号公報 特許第３８１３６５４号公報

上記のように、筒状セラミックス体の外側に筒状金属管を被せた状態で一体化し、耐熱性、密着性がよい接合体を製造する方法が求められている。また、量産化のために、製造時間を短縮することが可能な製造方法が求められている。

本発明の課題は、筒状セラミックス体の外側に筒状金属管を被せて接合したセラミックス金属接合体の製造時間を短縮することができるセラミックス金属接合体の製造方法、及びその製造方法に用いることのできるスペーサーを提供することにある。

本発明者らは、型締め力が５０ｔ以上のダイキャストマシンを用いることにより、短時間で筒状セラミックス体の外側に筒状金属管を被せて接合したセラミックス金属接合体を製造することができることを見出した。上記課題を解決するため、本発明によれば、以下のセラミックス金属接合体の製造方法、及びスペーサーが提供される。

［１］ 筒状セラミックス体の外周面に、その外周面との間に間隙を有した状態で筒状金属管を被せて、型締め力が５０ｔ以上のダイキャストマシンの金型で形成されたキャビティ内に配置し、前記キャビティ内に２００℃以下の溶湯を、直径８０〜１００ｍｍのプランジャーを用いてプランジャー速度０．１〜１．０ｍ／ｓで供給することにより、前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管との前記間隙内に前記溶湯を充填し、それを固化させて前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管とを接合したセラミックス金属接合体を製造するセラミックス金属接合体の製造方法。

［２］ 前記筒状セラミックス体の端面に、間隙確保用ツメが外周面の径方向に突出して形成されているスペーサーを配置した状態で、前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管とを前記キャビティ内に配置し、前記キャビティ内に溶湯を供給する前記［１］に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。

［３］ 前記スペーサーには、軸方向に突出した、筒状セラミックス体固定用ツメが形成されている前記［２］に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。

［４］ 前記キャビティを形成する前記金型が、前記筒状金属管が嵌る筒状の前記キャビティがその両端が開口して形成された、第一金型と、前記第一金型の一方側から前記キャビティの前記開口を塞ぐ第二金型と、前記第一金型の他方側から前記キャビティの前記開口を塞ぐ第三金型と、によって構成されている前記［１］〜［３］のいずれかに記載のセラミックス金属接合体の製造方法。

［５］ 前記第二金型には、前記第一金型の前記セラミックス金属接合体を前記キャビティから押し出すための押出機構が備えられている前記［４］に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。

［６］ 前記第三金型には、前記筒状セラミックス体の前記第三金型側の端面に配置されたスペーサーを前記筒状セラミックス体側に押しつけるバネ機構が備えられている前記［４］または［５］に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。

［７］ 前記第一金型と前記第三金型との合わせ面に、溶湯が前記キャビティに流入する湯道が形成されている前記［４］〜［６］のいずれかに記載のセラミックス金属接合体の製造方法。

［８］ 前記第一金型と前記第二金型との合わせ面に、溶湯がキャビティから流出する湯道が形成されている前記［４］〜［７］のいずれかに記載のセラミックス金属接合体の製造方法。

［９］ 前記第一金型と前記第二金型との前記合わせ面に溶湯溜まりが形成されている前記［８］に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。

［１０］ 板状に形成され、その外周面に径方向に突出した間隙確保用ツメが設けられ、筒状セラミックス体の外周面に、その外周面との間に間隙を有した状態で筒状金属管を被せ、前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管との前記間隙内に溶湯を充填し、それを固化させて前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管とを接合したセラミックス金属接合体を製造する際に、前記筒状セラミックス体の端面に配置され、前記間隙確保用ツメによって前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管との前記間隙を確保して前記溶湯を前記間隙に充填させるためのスペーサー。

［１１］ 軸方向に突出し、前記筒状セラミックス体の端面に配置された場合に、前記セラミックス体の前記外周面に嵌合して前記筒状セラミックス体を固定する筒状セラミックス体固定用ツメが設けられている前記［１０］に記載のスペーサー。

型締め力が５０ｔ以上のダイキャストマシンを用いることにより、高い圧力で溶湯を筒状金属管と筒状セラミックス体との間に注入することができる。これにより、金型の温度を高温にする必要がなく、短時間で、セラミックス金属接合体を製造することができる。

セラミックス金属接合体の一実施形態の端面を示す模式図である。 セラミックス金属接合体の一実施形態を示す斜視図である。 ダイキャストマシンを用いてセラミックス金属接合体を製造する工程１を示す模式図である。 ダイキャストマシンを用いてセラミックス金属接合体を製造する工程２を示す模式図である。 ダイキャストマシンを用いてセラミックス金属接合体を製造する工程３を示す模式図である。 ダイキャストマシンを用いてセラミックス金属接合体を製造する工程４を示す模式図である。 スペーサーを示す平面図である。 図３ＡのスペーサーのＡ−Ａ断面図である。 図３ＡのスペーサーのＢ−Ｂ断面図である。 スペーサー取り出し用治具を用いて、スペーサーを取り出すところを説明するための模式図である。 セラミックス金属接合体を用いた熱交換器の一実施形態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。

（セラミックス金属接合体）
図１Ａに、本発明のセラミックス金属接合体の製造方法によって製造されるセラミックス金属接合体（以下、単に接合体ともいう）１０を軸方向の一方の端面から見た模式図、図１Ｂに、接合体１０の斜視図を示す。接合体１０は、筒状セラミックス体１１と、その筒状セラミックス体１１の外周面７ｈに被された筒状金属管１２と、を含む。そして、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間に、金属が溶融状態で充填され、それが固化して金属接合材層１３となり、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２とが接合されている。本明細書における溶融状態とは、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。

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、四角柱状やその他の形状であってもよい。筒状セラミックス体１１としては、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を挙げることができる。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１Ａ及び図１Ｂ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。なお、ハニカム構造体１を直列に複数組み合わせた状態で使用してもよい。その際に、セル３内を通過する流体の流路抵抗を増加させるために、それぞれのハニカム構造体１のセル３の位相を回転させた状態（例えば、２本のハニカム構造体１の相対角度を４５°回転させた状態）で筒状金属管１２をハニカム構造体１（筒状セラミックス体１１）に被せてもよい。

図１Ａ、及び図１Ｂに示すセラミックス金属接合体１０の実施形態は、ツバ部１２ａを有する。図１Ｂに示すように、接合体１０は、筒状金属管１２の長さよりも筒状セラミックス体１１の長さが短く、筒状セラミックス体１１の軸方向の端面１１ｓ（ハニカム構造体１の端面２）が筒状金属管１２内に収まっている。筒状金属管１２に筒状セラミックス体１１と接しないツバ部１２ａが形成されている。筒状セラミックス体１１の端面１１ｓが筒状金属管１２内に収まってツバ部１２ａが形成されていると、接合体１０を加工して、配管等に接続しやすく、利用しやすい。

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内の熱を筒状金属管１２の外側に排出できる。

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％以上が炭化珪素であることを意味する。

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。

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。

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、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。

筒状セラミックス体１１を、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となる複数のセル３が隔壁４によって区画形成されたハニカム構造体１として形成することができる。この場合、セル３の軸方向に垂直な断面の形状は、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。セル密度をこの範囲とすることにより、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）の不足を防止しつつ、熱媒体がセル３を流れる際の圧力損失が大きくなることを防止することができる。

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。セル数をこの範囲とすることにより、ハニカム自体が大きくなることによって、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ることを防止することができる。また、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ことを防止することができる。

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。壁厚をこの範囲とすることにより、機械的強度を増加させ、衝撃や熱応力によって破損することを防止することができる。また、ハニカム構造体側に占めるセル容積の割合を大きくし、流体の圧力損失を小さくすることができる。さらに、熱交換率を向上させることができる。

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。この範囲とすることにより、隔壁４の強度を十分なものとすることができる。また、隔壁４の強度を十分なものとしつつ、軽量化することができる。さらに、熱伝導率を向
上させる効果も得られる。

後述するように、接合体１０は、熱交換器３０（図５参照）に利用することができる。熱交換器３０に流通させる第一の流体が排ガスの場合、第一の流体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。触媒としては、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）の担持量をこの範囲とすると、触媒作用が十分に発現する。また、圧力損失の増大や、製造コストの上昇を防止することもできる。

筒状金属管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、Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼管等の鋼管、銅管、真鍮管等の銅合金管、アルミ管、アルミ合金等の非鉄管を用いることができる。原子力等の特殊な用途の場合は、チタン管、ニッケル合金管、コバルト合金管等を用いることもできる。筒状金属管１２の内径は、筒状セラミックス体１１の外径よりも大きく、筒状金属管１２の内径をｄｍ、筒状セラミックス体１１の外径をｄｃとした場合、ｄｍ＝ｄｃ＋０．１ｍｍ〜ｄｃ＋４．０ｍｍであることが好ましく、ｄｍ＝ｄｃ＋０．２ｍｍ〜ｄｃ＋２．０ｍｍであることがより好ましく、ｄｍ＝ｄｃ＋０．５ｍｍ〜ｄｃ＋１．５ｍｍが特に好ましい。この範囲にあることが、溶湯を筒状金属管１２と筒状セラミックス体１１との間隙４９に充填し、強固なセラミックス金属接合体１０とするために好ましい。また、筒状金属管１２の内面や筒状セラミックス体１１の外面に、メッキ等で表面処理をしておくことも好ましい。溶湯との濡れ性が向上し、製品品質が向上する。あるいは、同様の理由で、同面にフラックスを塗っておくことも好ましい。

（製造方法）
次に、接合体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。

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。

次に、ハニカム構造体１の外周面７ｈに、その外周面７ｈとの間に間隙４９を有した状態で筒状金属管１２を被せて、ダイキャストマシン４０を用いて接合する。

図２Ａ〜図２Ｄは、ダイキャストマシン４０を用いてセラミックス金属接合体１０を製造する工程を示す模式図である。本発明のセラミックス金属接合体１０の製造方法は、筒状セラミックス体１１の外周面に、その外周面との間に間隙４９を有した状態で筒状金属管１２を被せて、型締め力が５０ｔ以上のダイキャストマシン４０の金型４１で形成されたキャビティ４２内に配置する。そして、キャビティ４２内に２００℃以下の溶湯を、直径８０〜１００ｍｍのプランジャーを用いて、プランジャー速度０．１〜１．０ｍ／ｓで供給する。これにより、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間隙４９内に溶湯を充填し、それを固化させて筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２とを接合したセラミックス金属接合体１０（図１Ａおよび図１Ｂ参照）を製造する。溶湯の温度を低く、プランジャー速度を速くすることにより、接合体１０を短時間で製造することができる。ただし、プランジャー速度を速くするためには、型締め力を大きくする必要があり、型締め力を大きくするためには、装置が大型化する。型締め力との兼ね合いからは、プランジャー速度は、１．０ｍ／ｓ以下とすることが好ましい。また、溶湯の温度は、製造コストや溶湯タクトタイムを抑制するためには、２００℃以下とすることが好ましく、溶湯の流動性確保の点からは、１４０℃以上が好ましい。

金型４１内のキャビティ４２に配置した筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間隙４９内に溶湯を充填する方法として、ダイキャスト（高圧鋳造）を用いる。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。以下、さらに詳しく、ダイキャストマシン４０、及び各工程について説明する。

本発明のセラミックス金属接合体１０の製造方法には、図２Ａ等に示す型締め力が５０ｔ以上のダイキャストマシン４０を用いる。型締め力としては、５０ｔ以上であることが好ましく、２５０ｔ以上であるとさらに好ましい。型締め力が大きいダイキャストマシン４０を用いることにより、溶湯の温度を低く、プランジャー速度を速くすることができる。

ダイキャストマシン４０としては、例えば、３ピース構造金型４１を備えるものを使用することができる。図２Ａ等に示すダイキャストマシン４０は、キャビティ４２を形成する金型４１が、第一金型４１ａと、第二金型４１ｂと、第三金型４１ｃと、によって構成されている。

第一金型４１ａは、筒状金属管１２が嵌る筒状のキャビティ４２がその両端が開口して形成されている。第二金型４１ｂは、第一金型４１ａの一方側からキャビティ４２の開口を塞ぎ、第三金型４１ｃは、第一金型４１ａの他方側からキャビティ４２の開口を塞ぐ。第一金型４１ａと、第二金型４１ｂと、第三金型４１ｃとを型締めすることにより、内部にキャビティ４２が形成される。キャビティ４２は、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２が収容可能に形成されている。

第一金型４１ａに形成された筒状のキャビティ４２は、筒状金属管１２が嵌合する形状に形成されている。また、キャビティ４２の長手方向の長さは、筒状金属管１２の長手方向（軸方向）の長さと同等以上の長さである。

第二金型４１ｂには、第一金型４１ａのセラミックス金属接合体１０をキャビティ４２から押し出すための押出機構が備えられている。具体的には、第二金型４１ｂには、第一金型４１ａのキャビティ４２の開口に対向する位置に、キャビティ４２の長手方向に進退自由にピストン４３が備えられている。

第三金型４１ｃには、筒状セラミックス体１１の第三金型側の端面に配置されたスペーサー５２を筒状セラミックス体１１側に押しつけるバネ機構４４が備えられている。バネ機構４４は、バネ４４ａと押板４４ｂによって構成されている。バネ機構４４によって、スペーサー５２を筒状セラミックス体１１の端面に押しつけることができる。これにより、筒状セラミックス体１１の内部に溶湯が浸入することを防止することができる。

次に、ダイキャストマシン４０を用いてセラミックス金属接合体１０を製造する工程を説明する。図２Ａに示すように、筒状セラミックス体１１の外側に筒状金属管１２を被せた状態で、これらを第一金型４１ａの筒状のキャビティ４２に挿入する。ツバ部１２ａを有するセラミックス金属接合体１０を製造する場合、筒状金属管１２の長さよりも筒状セラミックス体１１の長さが短い。このため筒状セラミックス体１１の端面にスペーサー５２を配置する。

図３Ａ〜図３Ｃに、スペーサー５２を示す。図３Ａは、スペーサー５２の平面図、図３Ｂは、図３Ａのスペーサー５２のＡ−Ａ断面図、図３Ｃは、図３Ａのスペーサー５２のＢ−Ｂ断面図である。

スペーサー５２は、板状に形成されており、筒状セラミックス体１１や筒状金属管１２が円筒状（円柱状）の場合、円板状に形成されていることが好ましい。スペーサー５２は、円板状の本体部５２ａの一方の面の中央部に凹部５２ｂが形成され、凹部５２ｂの中央には、雌ねじ部５２ｃが形成されている。本体部５２ａの外径側面５２ｔ、および凹部５２ｂを形成する、本体部５２ａの内径側面５２ｓ（本体部５２ａと凹部５２ｂとの境界の面）は２〜３ｄｅｇのテーパーが設けられていたほうが着脱しやすく、望ましい。

スペーサー５２は、板状に形成されており、その外周部に、筒状セラミックス体固定用ツメ５２ｍが等間隔で４つ備えられている（図３Ａ）。また、図３Ｂに示すように、筒状セラミックス体固定用ツメ５２ｍは、スペーサー５２の厚さ方向における端面から突出して形成されており、この突出部が筒状セラミックス体１１の外周面に嵌合して、筒状セラミックス体１１を固定することができる。

また、図３Ｃに示すように、スペーサー５２は、板状に形成されており、その外周面に径方向に突出した、間隙確保用ツメ５２ｎが設けられている。これにより、筒状セラミックス体１１の端面１１ｓに配置された場合に、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間に均一な空間（間隙４９）を確保することができる。そして、均等な間隙４９を確保して溶湯を充填することができる。なお、筒状セラミックス体固定用ツメ５２ｍによって間隙４９を確保するようにして、図３Ｃに示すような間隙確保用ツメ５２ｎを省略することもできる。この場合、筒状セラミックス体固定用ツメ５２ｍが間隙確保用ツメ５２ｎでもある。

図２Ａに示すように、上記のようなスペーサー５２を筒状セラミックス体１１の端面１１ｓに配置した状態で、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２とをキャビティ４２内に配置する。筒状セラミックス体１１は、その長手方向（軸方向）が水平方向となるようにキャビティ４２内に配置される。

図２Ｂに示すように金型４１を締める。型締め力は、５０ｔ以上であることが好ましく、１５０ｔ以上であることがより好ましく、２５０ｔ以上であることがさらに好ましい。図２Ｂに示すように金型４１を締めた後に、キャビティ４２内に溶湯を供給する。型締め力を５０ｔ以上とすることにより、直径８０〜１００ｍｍのプランジャーを用いて、プランジャー速度０．１ｍ／ｓ以上で、言い換えると高圧で短時間に溶湯を充填することができる。

金型４１内に溶湯を供給する際に、金型温度は融点以下の温度に設定しておくことが好ましい。具体的には、溶湯を供給する際の金型温度は、溶湯の融点よりも０〜５５０℃低い温度であることが好ましく、１５０〜５００℃低い温度であることがより好ましく、３００〜４５０℃低い温度であることが特に好ましい。金型温度が低すぎると、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間の間隙４９に溶湯を充填させることが難しくなり、高すぎるとエネルギーコストがかかる上にリードタイムが長くなり、金型寿命も短くなる。

図２Ｂにおいて、プランジャー４６により溶湯を加圧することにより、溶湯を型内に射出し、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間の間隙４９に溶湯を充填させることができる。溶湯が加圧されてキャビティ４２内に供給されるために、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間の間隙４９に溶湯を充填することができる。そして、それが冷却されることで接合体１０を得ることができる。

溶湯となる金属は特に限定されないが、７００℃以下の融点をもつ金属であることが好ましく、７８℃以上の融点であることがさらに好ましい。７００℃以下の融点であれば、コストを抑えることができる。７８℃以上の融点であれば、使用時の耐熱性に優れる。溶湯としては、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂｉから少なくとも一つ以上が含まれた金属を使用することができる。金属の熱伝導率については、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましく、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが特に好ましい。２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることによって、伝熱特性の良好な製品を得ることができる。また、金属の耐力については、１５０ＭＰａ以下であることが好ましく、１３０ＭＰａ以下であることがより好ましく、７０ＭＰａ以下であることが特に好ましい。１５０ＭＰａ以下にすることによって、セラミックスの割れを防ぎ製品の耐久性を向上させることができる。

第一金型４１ａと第三金型４１ｃとの合わせ面に、溶湯がキャビティ４２に流入する湯道４８ａが形成されており、キャビティ４２内に溶湯を流入させることができる。これにより、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との隙間に溶湯を流入させることができる。

第一金型４１ａと第二金型４１ｂとの合わせ面に、溶湯がキャビティ４２から流出する湯道４８ｂが形成されており、キャビティ４２に流入した溶湯を金型４１外に流出させることができる。

第一金型４１ａと第二金型４１ｂとの合わせ面に溶湯溜まり５０が形成されている。また、溶湯溜まり５０に連通する空気孔（図示せず）が形成されており、空気孔から空気を排出し、溶湯溜まり５０によって溶湯が噴出することを防止することができる。

次に、溶湯を充填した後、図２Ｃに示すように、金型４１を離型する。続いて、図２Ｄに示すように、ピストン４３をセラミックス金属接合体１０側へ前進させることにより、セラミックス金属接合体１０を第一金型４１ａの筒状のキャビティ４２から排出させる。このとき、第一金型４１ａと第二金型４１ｂとの合わせ面に、溜まった溶湯が冷却して固まった不要部１４は、ピストン４３がセラミックス金属接合体１０を押出することにより、折れ曲がって切り離される。

間隙４９に溶湯の充填が終了して、溶湯が固化した後、図４に示すように、スペーサー取り出し用治具５３を用いて、スペーサー５２を取り出す。具体的には、スペーサー５２の雌ねじ部５２ｃにスペーサー取り出し用治具５３の雄ねじ部５３ｃを入れてスペーサー５２を取り出すことができる。以上のようにして、ツバ部１２ａを有するセラミックス金属接合体１０を製造することができる。

焼きばめで筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２を一体化する場合は、筒状セラミックス体１１の外径と筒状金属管１２の内径とを精度よく作製する必要がある。しかし、本発明の製造方法のように、高圧鋳造により溶湯を充填する方法では、セラミックスの高精度の加工が不要となるためコストダウンが可能になるという利点がある。間隙４９のサイズは、０．０５〜５ｍｍであることが好ましく、０．１〜３ｍｍ程度がより好ましく、０．５〜２ｍｍ程度が特に好ましい。間隙４９のサイズが大きすぎると、熱伝達特性が低
下し熱交換性能が悪くなる場合があり、小さすぎると、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間の間隙４９に溶湯を充填させることが難しくなる。ダイキャストマシン４０にて高圧鋳造を行うことにより、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間隙４９の全体に溶湯を充填することができる。間隙４９の全体に溶湯が充填されて固化されるため、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２とが強固に接合される。また、これらの密着性がよいため、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との熱伝導性もよい。

焼きばめは化学的な結合が無いため、熱伝達が良くない。一方、ろう付けや本発明の溶湯接合の場合は、化学的な結合が得られるため、熱伝達ではなく熱伝導になり、伝熱特性が向上する。化学結合が得られるのはろう付けも溶湯接合も同じであるが、ろう付けの場合、セラミックスや金属とろう材が高温で接している時間が長いため、反応が進みすぎ、硬くて脆い金属間化合物ができる場合が多い。それに対し、本発明のセラミックス金属接合体１０の製造方法である溶湯接合の場合は、充填してから固化まで秒単位の作業なので、極小さい範囲での化学的な結合が得られ、反応が進みすぎず、機械的特性が悪い金属間化合物などができにくく好ましい。

（熱交換器）
次に、セラミックス金属接合体１０を用いた一実施形態として熱交換器３０を説明する。図５に接合体１０を含む熱交換器３０の斜視図を示す。筒状セラミックス体１１の内部に第一の流体を、筒状金属管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。図５に示すように、熱交換器３０は、接合体１０（ハニカム構造体１＋金属接合材層１３＋筒状金属管１２）と、接合体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、接合体１０の筒状金属管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と筒状金属管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と筒状金属管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、金属接合材層１３、筒状金属管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、金属接合材層１３、筒状金属管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。

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。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

以下のようにして、ツバ部１２ａを有するセラミックス金属接合体１０を製造した。セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出した後、乾燥し、Ｓｉ含浸焼成することによって、材質が炭化珪素、本体サイズが直径（外径）４２ｍｍ、長さ８０ｍｍの円柱状（筒状）のハニカム構造体１を製造した。すなわち、筒状セラミックス体１１として、ハニカム構造体１を用いた。ハニカム構造体１のセル密度は２３．３セル／ｃｍ^２、隔壁４の厚さ（壁厚）は０．３ｍｍ、ハニカム構造体１の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・Ｋであった。

筒状金属管１２として直径４５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ管を作製した。そして、筒状セラミックス体１１（ハニカム構造体１）の外周面に、その外周面との間に間隙４９（１．０ｍｍ）を有した状態で筒状金属管１２を被せて、筒状セラミックス体１１の両端面２，２を覆う様に軟質のグラファイトシート（厚さ０．２５ｍｍ）を貼り付けた後、スペーサー５２を重ね、Ｓ４５Ｃ製金型４１で形成されたキャビティ４２内に溶湯の流れを損なわない様に配置し、１４０℃に金型４１を昇温した。つまり、キャビティ４２に供給される溶湯の温度は、１４０℃であった。型締め力は、２５０ｔであった。

そして、熱伝導率およそ２００Ｗ／ｍ・Ｋ、耐力およそ３４ＭＰａの９９．５％アルミの溶湯（融点６５７℃）（ダイキャスト用合金ＡＤＣ１２／ＨＴ−１）をキャビティ４２内に、直径８０ｍｍのプランジャーを用いて、プランジャー速度０．４ｍ／ｓで加圧・供給することにより、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２との間隙４９内に溶湯を充填した。サーモカメラを用いて間隙４９内への溶湯の充填を観測した。溶湯が間隙４９に充填され、間隙４９の空気層が消滅したのが観測できた。溶湯を固化させることにより、セラミックス金属接合体１０が得られた。筒状金属管１２や筒状セラミックス体１１等を金型４１にセットし、溶湯を供給して接合体１０とし、それを取り出すまでの溶湯タクトタイムは、約３０秒であった。

また、同様にして、金型４１の温度が１４０℃で、プランジャー速度が０．１ｍ／ｓ、１．０ｍ／ｓのとき、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２とを十分に接合できることを確認した。さらに、金型４１の温度を２００℃にして、プランジャー速度が０．１ｍ／ｓ、１．０ｍ／ｓのとき、筒状セラミックス体１１と筒状金属管１２とを十分に接合できることを確認した。

本発明の製造方法は、筒状セラミックス体と筒状金属管との接合に利用することができる。セラミックス金属接合体は、筒状セラミックス体が筒状金属管で保護されており、熱交換体等に利用することができる。

１：ハニカム構造体、２：端面、３：セル、４：隔壁、５：第一流体流通部、６：第二流体流通部、７ｈ：外周面、１０：セラミックス金属接合体、１１：筒状セラミックス体、１１ｓ：端面、１２：筒状金属管、１２ａ：ツバ部、１２ｈ：外周面、１３：金属接合材層、１４：不要部、２１：ケーシング、２２：入口、２３：出口、２４：内側面、３０：熱交換器、４０：ダイキャストマシン、４１：金型、４１ａ：第一金型、４１ｂ：第二金型、４１ｃ：第三金型、４２：キャビティ、４３：ピストン、４４：バネ機構、４４ａ：バネ、４４ｂ：押板、４６：プランジャー、４８ａ，４８ｂ：湯道、４９：間隙、５０：溶湯溜まり、５２：スペーサー、５２ａ：本体部、５２ｂ：凹部、５２ｃ：雌ねじ部、５２ｍ：筒状セラミックス体固定用ツメ、５２ｎ：間隙確保用ツメ、５２ｓ：内径側面、５２ｔ：外径側面、５３：スペーサー取り出し用治具、５３ｃ：雄ねじ部。

Claims (11)

1. 筒状セラミックス体の外周面に、その外周面との間に間隙を有した状態で筒状金属管を被せて、型締め力が５０ｔ以上のダイキャストマシンの金型で形成されたキャビティ内に配置し、
   前記キャビティ内に２００℃以下の溶湯を、直径８０〜１００ｍｍのプランジャーを用いてプランジャー速度０．１〜１．０ｍ／ｓで供給することにより、前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管との前記間隙内に前記溶湯を充填し、それを固化させて前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管とを接合したセラミックス金属接合体を製造するセラミックス金属接合体の製造方法。
2. 前記筒状セラミックス体の端面に、間隙確保用ツメが外周面の径方向に突出して形成されているスペーサーを配置した状態で、前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管とを前記キャビティ内に配置し、前記キャビティ内に溶湯を供給する請求項１に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。
3. 前記スペーサーには、軸方向に突出した、筒状セラミックス体固定用ツメが形成されている請求項２に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。
4. 前記キャビティを形成する前記金型が、
   前記筒状金属管が嵌る筒状の前記キャビティがその両端が開口して形成された、第一金型と、
   前記第一金型の一方側から前記キャビティの前記開口を塞ぐ第二金型と、
   前記第一金型の他方側から前記キャビティの前記開口を塞ぐ第三金型と、
   によって構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。
5. 前記第二金型には、前記第一金型の前記セラミックス金属接合体を前記キャビティから押し出すための押出機構が備えられている請求項４に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。
6. 前記第三金型には、前記筒状セラミックス体の前記第三金型側の端面に配置されたスペーサーを前記筒状セラミックス体側に押しつけるバネ機構が備えられている請求項４または５に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。
7. 前記第一金型と前記第三金型との合わせ面に、溶湯が前記キャビティに流入する湯道が形成されている請求項４〜６のいずれか１項に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。
8. 前記第一金型と前記第二金型との合わせ面に、溶湯がキャビティから流出する湯道が形成されている請求項４〜７のいずれか１項に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。
9. 前記第一金型と前記第二金型との前記合わせ面に溶湯溜まりが形成されている請求項８に記載のセラミックス金属接合体の製造方法。
10. 板状に形成され、その外周面に径方向に突出した間隙確保用ツメが設けられ、
    筒状セラミックス体の外周面に、その外周面との間に間隙を有した状態で筒状金属管を被せ、前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管との前記間隙内に溶湯を充填し、それを固化させて前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管とを接合したセラミックス金属接合体を製造する際に、
    前記筒状セラミックス体の端面に配置され、前記間隙確保用ツメによって前記筒状セラミックス体と前記筒状金属管との前記間隙を確保して前記溶湯を前記間隙に充填させるためのスペーサー。
11. 軸方向に突出し、前記筒状セラミックス体の端面に配置された場合に、前記セラミックス体の前記外周面に嵌合して前記筒状セラミックス体を固定する筒状セラミックス体固定用ツメが設けられている請求項１０に記載のスペーサー。

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