JP2761425B2

JP2761425B2 - セラミック接合体

Info

Publication number: JP2761425B2
Application number: JP8008790A
Authority: JP
Inventors: 一彦伊藤
Original assignee: NIPPON GAISHI KK
Current assignee: NIPPON GAISHI KK
Priority date: 1990-03-28
Filing date: 1990-03-28
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JPH03279275A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はセラミック板状体とセラミック管状体との接
合体に関する。更に詳しくは、セラミック板状体に設け
られた穿設孔にセラミック管状体を装入して接着固定さ
れたセラミック接合体に関する。

〔従来の技術〕

セラミックスは、その成分組成が酸化物、非酸化物に
拘らず、高度の耐熱・断熱性が有り、絶縁性、導電性、
磁気的・誘電的性質等の電気的・電子的機能を有し、ま
た耐摩耗性等の機械的性質も優れ、各種構造物の材料と
して既に使用され、研究開発されている。

セラミックスを機械部品材料や構造物材料として使用
する場合、種々の形状の機械部品や構造部材が要求さ
れ、また各部品や部材の組み合わせも求められることに
なり、一体成形により製造されるものは別として、セラ
ミックスを接合固定する必要が生ずる。

各種の部品・部材の中でも平板状部材と他形状の部材
とを組み合わせた接合体は、機械部品や構造部材として
多く使用され、平板に孔を穿ち管状体を貫通固定して使
う例も多い。例えば、出願人が特開昭60−62592号公報
で示した工業用炉のセラミック熱交換器には多数のセラ
ミック管状体を板状体に固定した部材が使用されてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記したように、熱交換器の部品・部材としてセラミ
ックスを提供しようとする試みも多くなされ、セラミッ
ク管状体をセラミック板状体に形成された孔部に装入し
固定させる方法としては、特開昭60−62592号で出願人
が開示したように圧縮スプリングを利用し、球面接合す
る方法あるいは接合材により板状体と管状体とを接着固
定する方法等が一般的に行われている。

例えば、第３図に示すように、板状体Ａの穿設51と管
状体Ｂとの間隙に接着層６を設けるような形状・態様で
接着する場合にあっては、これを例えば熱交換器などに
用いる場合、十分なシール性及び接合強度を得ることが
できなかった。

本発明は、上記現状に鑑み、複数のセラミック管状体
を２層からなるセラミック板状体に形成される穿設孔に
装着してなる接合体において、シール性が良好で、且つ
板状体と管状体との接合強度が大きなセラミック接合体
を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、孔径の大なる穿設孔を複数有する第
１セラミック板状体、該大穿設孔に装入したセラミック
管状体及び前記管状体の内径以上外径以下の孔径の小穿
設孔を複数有する第２セラミック板状体を前記管状体の
一端面を前記第１板状体の一表面と同一面内に位置させ
ると共に該同一面上に各該大穿設孔と各該小穿設孔の中
心軸を一致させて前記第２板状体を接合し、前記第２板
状体の接合表面及び該接合表面と直交する該大穿設孔に
装入埋没した前記管状体周面と該大穿設孔周面との間隙
とに連続的に接合層が形成され、前記第１板状体、前記
第２板状体及び前記管状体が接着固定されることを特徴
とするセラミック接合体が提供される。

また、上記セラミック接合体において、前記管状体の
少なくとも一端がフランジ状に形成されると共に、該大
穿設孔の一端部が該フランジ状に対応した形状に切削さ
れ、前記管状体のフランジ状端面と前記第１板状体の一
表面と同一面内に位置させるセラミック接合体が提供さ
れる。

以下、本発明について更に詳細に説明する。

本発明に使用されるセラミックスは、酸化化合物及び
非酸化化合物等いずれのセラミックスを用いてもよく、
接合体が使用される構造部材の種類、機械的強度等必要
な使用条件に応じ適宜選択すればよい。例えば、エンジ
ン、産業機械及び熱交換器等に使用する場合は、高強度
・高耐熱性の窒化珪素や炭化珪素が用いられる。セラミ
ック板状とセラミック管状体は、各々同種または異種の
２ラミックスで構成されていてもよい。

また、２層のセラミック板状体を形成する第１及び第
２の各セラミック板状体の形状、厚み及び大きさは特に
制限されず、使用目的、条件にあわせて選択すればよ
い。第１及び第２のセラミック板状体の形状は通常同一
とするのがよい。

また、第１及び第２のセラミック板状体に穿設される
複数の穿設孔は、該板状体表面と直交して穿設され、そ
の穿設孔の孔数、孔径、孔形状及び孔の配置も特に制限
されるものでなく、装入するセラミック管状体の形状、
大きさ及び装入数に応じ、また使用目的により適宜選択
すればよい。

第１及び第２の各セラミック板状体において形成され
る穿設孔は、孔形状、配置等を同一として、その中心軸
を一致させその孔径のみを大小異にするようにして、上
記のように装入するセラミック管状体の形状、大きさ及
び装入数に応じ、また使用目的により選択する。

第１セラミック板状体の大なる穿設孔の孔径は、セラ
ミック管状体を装入可能であって、接着固定する該管状
体を穿設孔のほぼ中央に配置して、該管状体周面と穿設
孔周面とに接合層が形成されるような間隙が設けられる
ようにすればよい。またこの間隙は、好ましくは0.05〜
0.5mmとするのがよい。間四角が0.05mmより小さくなる
と接合層にむらが生じると共にシール性及び接合強度が
低下し、また0.5mmより大きくなると管状体が板状体の
表面に対して傾斜し位置精度が悪くなり、接合層の厚み
が不均一となり好ましくない。

一方、第２セラミック板状体の穿設孔の孔径は、セラ
ミック管状体の内径以上外径以下、好ましくはセラミッ
ク管状体の内径と同径であって該管状体の装入を不可と
する。従って、第２セラミック板状体の接合表面上の穿
設孔上にセラミック管状体が載置されるようにし、該管
状体の一端面と第１セラミック板状体の接合表面とが同
一平面内に位置させ、その平面上に第２セラミック板状
体が接合されるようにすればよい。

セラミック板状体の穿設孔は、セラミック板状体の成
形時に同時に設けてもよいし、成形後または焼成後のセ
ラミック板状体に穿設してもよい。また、第１セラミッ
ク板状体に設ける穿設孔の第２セラミック板状体との接
合面と反対の表面縁部を曲面形状（Ｒ形状）またはＣ取
形状即ち鋭角状に切削してもよい。この切削は、接合層
の応力集中を防止するために好ましい。

また、セラミック管状体の少なくとも一端をフランジ
状に形成し、同時に第１セラミック板状体の穿設孔の第
２セラミック板状体との接合表面側端部を該フランジ状
に対応した形状に形成し、該管状体のフランジ状端部と
第１セラミック板状体の穿設孔端部とを嵌合し、該管状
体のフランジ状端面と前記第１板状体表面とを同一面内
に位置させると共に、その面に第２セラミック板状体を
接合させるようにしてもよい。この場合、セラミック管
状体が第１セラミック板状体に嵌合固定され、シール性
が良好で、結合強度も高く、更に接合体の位置精度がよ
り向上し好ましい。

本発明のセラミック管状体は、パイプ構造、ハニカム
構造、二重管構造等の形状で、その太さ、長さは特に制
限されず、円形、楕円、矩形、多角形、星形等の異形等
各種形状の、各種の長さ及び径のセラミック管を使用す
ることができる。また、セラミック管状体のフランジ状
端部の大きさ等に制限はない。

本発明で第１及び第２セラミック板状体の接合及び第
１セラミック板状体の孔径が大なる穿設孔周面と装入埋
没した管状体周面との接合に用いる接合材は、セラミッ
ク板状体及びセラミック管状体に使用するセラミックス
の種類の機能的性質に応じて、また接合体を使用する条
件に応じて選択すればよい。通常は、セラミック−セラ
ミック接合で一般に使用されているガラス接着材、例え
ばPbO−B₂O₃ガラスが用いられる。

本発明における接合は、粉末状の上記接合材を、例え
ば水、アルコール等の溶媒を用いてスラリー状またはペ
ースト状として、先ず第１セラミック板状体の穿設孔周
面または／及びセラミック管状体の装入埋没する周面に
塗布した後、セラミック管状体を装入して第１セラミッ
ク板状体の表面とセラミック管状体装入端面とを同一平
面内となる位置に固定して、溶媒の蒸発、更に必要なら
ば加熱溶融・冷却固化して、第１セラミック板状体の穿
設孔周面とセラミック管状体の装入埋没周面との間隙に
接合層を形成して接着固定し、次いで、第２セラミック
板状体の一表面に同様にスラリー状またはペースト状の
接合材を塗布し、第２セラミック板状体の穿設孔の中心
軸と第１セラミック板状体の穿設孔の中心軸とを一致せ
しめると共に、塗布面をセラミック管状体装入端面を含
む第１セラミック板状体表面に接合して固定し、溶媒の
蒸発、更に必要ならば加熱溶融・冷却固化して、第１セ
ラミック板状体と第２セラミック板状体間に上記間隙に
形成された接合層と直交して接合層を形成し、上記第１
セラミック板状体の穿設孔周面とセラミック管状体の装
入埋没周面との間隙と第１セラミック板状体と第２セラ
ミック板状体間に連続的に接合層が形成される。

この場合、第１セラミック板状体の穿設孔周面とセラ
ミック管状体の装入埋没周面との間隙接合の際、第１セ
ラミック板状体の表面にのみ接合材を塗布し、加熱溶融
時に表面塗布接合材が上記間隙に流入するようにして接
合層を形成するようにしてもよい。また、上記周面間隙
の接合と第１セラミック板状体及び第２セラミック板状
体間との接合を別々に行うことなく、同時に塗布固定し
て接合して接合層を形成してもよい。

なお、セラミック管状体の端部がフランジ状に形成さ
れている場合であっても、第１セラミック板状体に形成
された対応形状に嵌合させる以外は、同様に接合層を形
成することができる。

なお、本発明において、一のセラミック多孔板に装着
する多数のセラミック管状体の末端はストレート状のも
のと、鍔状突起物が設けられているものとを混在させて
接合体を形成してもよい。

また、一定の間隔で平行に並べた複数のセラミック板
状体に複数のセラミック管状体を装入して接着固定して
もよい。例えば、多管式熱交換器の伝熱部は、このよう
なセラミック接合体の適用例である。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例について図面を参照にして詳
しく説明する。但し、本発明は、本実施例に限定される
ものでない。

実施例１第１図は、本発明の一実施例を示した説明図であり、
第１図（１）は平面説明図であり、第１図（２）は断面
説明図である。

第１図（１）に示したように、焼結助剤を含む窒化珪
素の微粒粉末を用いプレス成形後、1700℃で１時間焼成
して、700×700×100mmの板状体に孔直径50.1mmφの穿
設孔１を、ピッチ75mmで多数設置されたセラミック板状
焼結体Ａを作製した。また、穿設孔２の孔直径を40mmφ
とした以外は全く同様にしてセラミック板状焼結体Ｂを
作製した。

また、セラミック管状焼結体Ｃは、セラミック板状焼
結体Ａと同様の原料の微粒粉末を用い、押出成形後、17
00℃で１時間焼成して外径50mmφ、内径40mmφで長さ10
00mmの円管状体を作製した。

次いで、第１図（２）に示したように、PbO−B₂O₃ガ
ラス粉砕物100部に対し、バインダー２重量部、水40重
量部を加えペースト状とした接合材を、焼結体Ａの穿設
孔１の周面に厚さ約0.005mmに塗布し、また焼結体Ｃの
端からセラミック板状体の厚みに対応する100mmの長さ
に同様に接合材を塗布して、各穿設孔１に焼結体Ｃを装
入し、焼結体Ｃの端面３と焼結体Ａの表面４とを同一平
面に位置させ窒素雰囲気中で焼成して、焼結体Ａと焼結
体Ｂとの接合層6aを有する接合体を得た。その後、焼結
体Ｂの表面５上に、上記の接合材を約0.1mmに塗布し、
上記で得られた接合体の焼結体Ａの穿設孔１と焼結体Ｂ
の穿設孔２との中心軸を一致させて、焼結体の表面４及
び焼結体Ｃの端面３を含む面を接合させ、上記と同様に
窒素雰囲気中で焼成し、上記接合層6a及び6bを有する接
合体を作製した。

焼成後、室温まで放冷して接合体を取り出し、第４図
に示したシール性測定試験機を用い接合体のシール性を
測定した。第４図において、セラミック接合体30を所定
の接合体支持治具31にセットして水中に浸漬し、8kg/cm
²の圧力でパイプ32内を加圧する方法でリーク試験を行
った。

その結果、気泡に発生は確認されず、シール性は良好
であった。

また、上記接合体の片持ち曲げ試験を行ったところ、
190MPaと高強度であった。

実施例２穿設孔１の孔直径を50.4mmφとした以外は実施例１と
全く同様にセラミック板状焼結体Ａを作製した。また穿
設孔２の孔直径を40mmφとした以外は実施例１と全く同
様にセラミック板状焼結体Ｂを作製した。

セラミック管状体Ｃは、実施例１と全く同様に作製
し、焼結体Ａの穿設孔１への接合材塗布量を約0.2mmと
した以外は実施例１と全く同様にしてセラミック接合体
を作製した。

上記のようにして得られたセラミック接合体につい
て、実施例１と同様にしてシール性と片持ち曲げ試験を
行った。

その結果、気泡に発生は確認されず、シール性は良好
であり、片持ち曲げ試験では200PMaと高強度であった。

実施例３第２図は、本発明の他の一実施例を示した説明図であ
り、第２図（１）は平面説明図であり、第２図（２）は
断面説明図である。

第２図（１）に示したように、700×700×100mmの板
状体に孔直径50.1mmφの各穿設孔１′の周囲に直径60.1
mmφで深さ5.1mmの凹部７を形成し、ピッチ75mmで多数
設置された以外は実施例１と同様にしてセラミック板状
焼結体Ａ′を作製した。

セラミック板状焼結体Ｂを、実施例１と全く同様にし
て作製した。また、外径50mmφ、内径40mmφで長さ1000
mmの円管状体の端部に外径60mmφ、内径40mmφで厚さ5m
mのフランジ状端部８を設けそれぞれを焼成により一体
とした以外は実施例１と同様にセラミック管状焼結体
Ｃ′を作製した。

次いで、第２図（２）に示したように得られたセラミ
ック板状体Ｂの一表面５上に実施例１と同様の接合材を
約0.05mmの厚さに塗布し、同時にセラミック管状焼結体
Ｃ′のフランジ状端部８部分と穿設孔１′に装入埋没す
る周面部に実施例１と同様の接合材を塗布してセラミッ
ク板状焼結体Ａ′の凹部７に嵌合するようにセラミック
管状焼結体Ｃ′を各穿設孔１′にそれぞれ装入接合し
て、接合体を形成した。その後、窒素雰囲気中で焼成し
てセラミック接合体を作製した。

得られたセラミック接合体を実施例１と同様にしてシ
ール性と片持ち曲げ試験を行った。

その結果、気泡の発生は確認されずシール性は良好で
あり、片持ち曲げ試験では220MPaと高強度であった。

比較例１比較例として、従来のセラミック接合体を製造すると
きに行われていた一例を示す。

第３図は、従来法の一例を示した断面説明図である。

実施例１と同様にして第１図（１）に示したセラミッ
ク板状焼結体Ａを作製した。また、実施例１と同様にセ
ラミック管状焼結体Ｃを作製した。

次いで、実施例１と同一の接合材を、実施例１と同様
に各セラミック管状焼結体Ｃの端部３から1000mm塗布
し、第３図に示したように端部３がセラミック板状焼結
体Ａの他表面４に合致するように、セラミック板状焼結
体Ａの穿設孔１に各セラミック管状焼結体Ｃをそれぞれ
装入し，実施例１と同様に焼成して接合体を得た。

得られた接合体を実施例１と同様にしてシール性と片
持ち曲げ試験を行った。

その結果、気泡の発生が確認されシール性が劣り、ま
た、片持ち曲げ試験では100MPaと低強度であった。

比較例２穿設孔１の孔直径を51.4mmとした以外は実施例１と同
様にして第１図（１）に示したセラミック板状焼結体Ａ
を作製した。また、実施例１と同様にセラミック管状焼
結体Ｃを作製した。

次いで、比較例１と全く同様にして第３図に示したよ
うな接合体を作製した。

得られた接合体は、セラミック板状体Ａとセラミック
管状体Ｃとの間のクリアランスが0.7mmと大きいため、
セラミック管状体Ｃが傾き位置精度が極めて悪かった。

また、実施例１と同様にしてリーク試験をしてシール
性を測定した。その結果、気泡の発生が確認されシール
性が劣った。

更に、片持ち曲げ試験を行ったところ、90MPaと極め
て低強度であった。

〔発明の効果〕

本発明は穿設孔を複数有する第１及び第２セラミック
板状体とセラミック管状体とを、第１セラミック板状体
に形成された穿設孔部にセラミック管状体を装入して接
着固定すると共に、セラミック管状体端面と第１セラミ
ック板状体表面を含む平面に第２セラミック板状体を接
合し、第２セラミック板状体表面に形成される接合層と
第１セラミック板状体の穿設孔周面と装入埋没したセラ
ミック管状体周面との間隙とに形成される接合層とが直
交して連続的に形成され、均一な接合部を形成すること
ができシール性に優れ、しかも接合強度の高いセラミッ
ク接合体を得ることができる。また、複数のセラミック
管状体を長尺方向に揃えて接着固定する場合、固定位置
精度よく接着固定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示した説明図であり、第
１図（２）は断面説明図である。第２図は、本発明の他の実施例を示した説明図であり、
第２図（１）は平面説明図であり、第２図（２）は断面
説明図である。第３図は、従来法の一例を示した断面説明図である。第４図は、接合体のシール性測定に用いたシール性測定
試験機の断面説明図である。Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′…セラミック板状焼結体Ｃ、Ｃ′…セラミック管状焼結体１、１′、２…穿設孔３、３′…セラミック管状体端部４…セラミック板状焼結体Ａ表面５…セラミック板状焼結体Ｂ表面６、6a、6b、6a′、6b′…接合層７…穿設孔１′凹部８…フランジ状端部 30…セラミック接合体 31…接合体支持治具 32…パイプ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】孔径の大なる穿設孔を複数有する第１セラ
ミック板状体、該大穿設孔に装入したセラミック管状体
及び前記管状体の内径以上外径以下の孔径の小穿設孔を
複数有する第２セラミック板状体を前記管状体の一端面
を前記第１板状体の一表面と同一面内に位置させると共
に該同一面上に各該大穿設孔と各該小穿設孔の中心軸を
一致させて前記第２板状体を接合し、前記第２板状体の
接合表面及び該接合表面と直交する該大穿設孔に装入埋
没した前記管状体周面と該大穿設孔周面との間隙とに連
続的に接合層が形成され、前記第１板状体、前記第２板
状体及び前記管状体が接着固定されることを特徴とする
セラミック接合体。
【請求項２】前記管状体の少なくとも一端がフランジ状
に形成されると共に、該大穿設孔の一端部が該フランジ
状に対応した形状に切削され、前記管状体のフランジ状
端面と前記第１板状体の一表面と同一面内に位置させる
請求項（１）記載のセラミック接合体。