JP5751357B1 - セラミック部材および金属部材の接合構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】接合部の接合性を確保しつつガスに対する高い耐食性を有するセラミック部材および金属部材の接合構造を提供する。【解決手段】セラミック部材および金属部材の接合構造(20)は、ガスが通過する部位に設置された装置(10)のセラミック部材(50)と金属部材(32a,32b)とを接合する接合構造であって、セラミック部材と金属部材とを接合する接合部(21a,21b)を備え、接合部は、ガラスによって構成されたガラス部(22a,22b)と、ガラスよりもガスに対する高い耐食性を有する金属ロウ材によって構成された金属ロウ材部(23a,23b)とを有し、金属ロウ材部のガスに接触する面積はガラス部のガスに接触する面積よりも大きいことを特徴とする。【選択図】図3
Description
本発明はセラミック部材および金属部材の接合構造に関する。
従来、セラミック部材および金属部材を有する種々の装置が知られている。このような装置として、例えば特許文献1には、内燃機関の排気等のガスが通過する部位に設置されて、このガスと冷媒との間で熱交換を行う熱交換装置が開示されている。具体的には特許文献1に係る熱交換装置は、金属製のハウジング(特許文献1ではケーシングと称されている)と、このハウジングの内部に配置されたセラミック製の熱交換体(特許文献1ではハニカム構造体と称されている)とを備え、熱交換体の内部をガスが通過し、熱交換体の外周に冷媒通路が設けられた構造を有している。特許文献1に係る熱交換装置において、熱交換体が前述したセラミック部材に相当し、ハウジングが前述した金属部材に相当する。
特許文献1に係る熱交換装置を実際に製造する場合、セラミック部材と金属部材とを接合することが必要となる。このセラミック部材と金属部材とを接合する接合構造として、例えば金属部材と金属部材との接合に広く使用されている金属ロウ材によるロウ付け接合を適用して、金属ロウ材のみからなる接合部によってセラミック部材と金属部材とを接合することが考えられる。しかしながら、この場合、金属ロウ材のセラミック部材に対する濡れ性は十分に高いとはいえないため、接合部とセラミック部材とが接合できない可能性がある。また、特許文献1に係る熱交換装置のように、ガスが通過する部位に設置された装置の場合、セラミック部材と金属部材とを接合する接合構造には、ガスに対する高い耐食性を有することも望まれる。
本発明は、接合部の接合性を確保しつつガスに対する高い耐食性を有するセラミック部材および金属部材の接合構造を提供することを目的とする。
本発明に係るセラミック部材および金属部材の接合構造は、ガスが通過する部位に設置された装置のセラミック部材と金属部材とを接合する接合構造であって、前記セラミック部材と前記金属部材とを接合する接合部を備え、前記接合部は、ガラスによって構成されたガラス部と、前記ガラスよりも前記ガスに対する高い耐食性を有する金属ロウ材によって構成された金属ロウ材部とを有し、前記金属ロウ材部の前記ガスに接触する面積は前記ガラス部の前記ガスに接触する面積よりも大きいことを特徴とする。
ガラスは、金属部材に対して十分な濡れ性を有しつつ、金属ロウ材よりもセラミック部材に対する高い濡れ性を有している。したがって、本発明に係るセラミック部材および金属部材の接合構造によれば、接合部がガラス部を備えていることから、接合部が金属ロウ材のみで構成されている場合に比較して、接合部の接合性を確保できる。また、本発明に係るセラミック部材および金属部材の接合構造によれば、金属ロウ材部のガスに接触する面積がガラス部のそれよりも大きいことから、ガスに対する高い耐食性も有している。
上記構成において、前記ガスは内燃機関の排気であり、前記セラミック部材の内部には前記排気が通過し、前記金属部材は、前記接合部によって、前記セラミック部材の前記排気の流動方向で上流側の第1端部と、前記セラミック部材の前記排気の流動方向で下流側の第2端部とに接合され、前記第1端部と前記金属部材とを接合する前記接合部において、前記金属ロウ材部は前記ガラス部よりも前記排気の流動方向で上流側に配置され、前記第2端部と前記金属部材とを接合する前記接合部において、前記金属ロウ材部は前記ガラス部よりも前記排気の流動方向で下流側に配置されていてもよい。
この構成によれば、接合部の接合性を確保し且つ排気に対する高い耐食性を有しつつ内部に排気が通過するセラミック部材の第1端部および第2端部と金属部材とを接合することができる。また、この構成によれば、内部に排気が通過するセラミック部材の第1端部および第2端部のいずれか一方においてのみ接合部が設けられている場合に比較して、内部に排気が通過するセラミック部材と金属部材とを強固に接合することができる。
上記構成において、前記金属ロウ材は貴金属を含んでいてもよい。この構成によれば、金属ロウ材部のガスに対する耐食性を向上させることができる。それにより、接合構造のガスに対する耐食性を向上させることができる。
上記構成において、前記貴金属は銀であってもよい。銀は貴金属の中でも特に安価である。それにより、この構成によれば、コストの上昇を抑制しつつ金属ロウ材部のガスに対する耐食性を向上させることができる。それにより、コストの上昇を抑制しつつ接合構造のガスに対する耐食性を向上させることができる。また、銀は貴金属の中でも融点が特に低い。それにより、溶融状態の金属ロウ材が冷却されて固化した後に金属ロウ材部に残留する応力(残留応力)を少なくすることができる。
本発明は、接合部の接合性を確保しつつガスに対する高い耐食性を有するセラミック部材および金属部材の接合構造を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
本発明の実施例に係るセラミック部材および金属部材の接合構造20(以下、接合構造20と略称する)について説明する。この接合構造20は、ガスが通過する部位に設置された装置のセラミック部材と金属部材とを接合する構造である。本実施例においては、このガスの一例として、内燃機関1の排気を用いる。また、内燃機関1の排気が通過する部位に設置された装置の一例として、EGR(Exhaust Gas Recirculation)クーラ10を用いる。そこで、まずは、EGRクーラ10を備える内燃機関1の全体構造について説明し、次いで接合構造20の詳細について説明する。
図1は内燃機関1の模式図である。内燃機関1は車両に搭載されている。内燃機関1の種類は、特に限定されるものではなく、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の種々の内燃機関を用いることができる。本実施例においては、内燃機関1の一例としてガソリンエンジンを用いる。内燃機関1は、気筒3を有する機関本体2と、気筒3に吸気を導く吸気通路4と、気筒3から排出された排気が通過する排気通路5とを備えている。なお、機関本体2は、気筒3が形成されたシリンダブロックと、シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、気筒3に配置されたピストンとを備えている。本実施例において、気筒3の数は複数(具体的には4つ)である。但し気筒3の数はこれに限定されるものではない。
また内燃機関1は、前述したEGRクーラ10を備えるとともに、EGR通路60と、EGR通路60に配置されたEGRバルブ70と、冷媒供給通路80と、冷媒排出通路81とを備えている。EGR通路60は、排気の一部を吸気通路4の通路途中に再循環させる通路である。具体的には本実施例に係るEGR通路60は、吸気通路4の通路途中と排気通路5の通路途中とを接続している。これ以降、EGR通路60を通過する排気をEGRガスと称する。EGRバルブ70は、制御装置としての機能を有するECU(Electronic Control Unit)の指示を受けてEGR通路60を開閉する。EGRバルブ70がEGR通路60を開閉することで、EGRガスの流量を調整することができる。
EGRクーラ10はEGR通路60に配置されている。すなわち、EGRクーラ10は、EGRガス(排気)が通過する部位(EGR通路60)に設置された装置である。EGRクーラ10は、冷媒とEGRガスとの間で熱交換をすることで、EGRガスを冷却する。冷媒供給通路80は、機関本体2の内部に形成された冷媒通路(以下、機関本体冷媒通路と称する)の冷媒をEGRクーラ10に導く冷媒通路である。冷媒排出通路81は、EGRクーラ10の内部を通過した冷媒を機関本体冷媒通路に戻す冷媒通路である。なお、前述した接合構造20は、このEGRクーラ10において用いられている。
図2(a)はEGRクーラ10の模式的断面図である。EGRクーラ10は、前述した接合構造20に加えて、金属製のハウジング30と、冷媒が通過する冷媒通路40と、セラミック製の熱交換体50とを備えている。本実施例に係る接合構造20は、具体的には、セラミック部材としての熱交換体50と、金属部材としてのハウジング30(具体的には本実施例においては、後述するリング部材32a,32b)とを接合している。なお、接合構造20は、接合部21aおよび接合部21bを備えているが、この詳細は後述する。
図2(a)に図示されている軸線100は、ハウジング30および熱交換体50の中心軸を表す線である。以下、軸線100に沿った方向を軸線方向と称する。図2(a)において、EGRガスは、軸線方向に沿って左から右に向う方向に流動する。またEGRガスは熱交換体50の内部を通過する。すなわち、本実施例に係る熱交換体50は、その内部にEGRガス(すなわち排気)が通過するセラミック部材である。熱交換体50の軸線方向にある両端部のうち、EGRガスの流動方向で上流側の端部(上流側の端面から所定距離下流側に至る領域)を第1端部51と称し、EGRガスの流動方向で下流側の端部(下流側の端面から所定距離上流側に至る領域)を第2端部52と称する。なお、これ以降の説明において、上流と称した場合、特段の断りが無い限りEGRガスの流動方向で上流を意味し、下流と称した場合、特段の断りが無い限りEGRガスの流動方向で下流を意味することとする。
ハウジング30は、金属製のアウターパイプ31と、アウターパイプ31の内側に配置された金属製のリング部材32a,32bとを備えている。図2(b)はEGRクーラ10の熱交換体50、リング部材32a,32bおよび接合構造20の模式的斜視図である。なお、図2(b)においてリング部材32b近傍は透視されて図示されている。図2(a)および図2(b)を参照して、リング部材32a,32bは、リング形状を有する金属部材である。リング部材32aは、接合部21aによって、熱交換体50の第1端部51に接合されている。リング部材32bは、接合部21bによって、熱交換体50の第2端部52に接合されている。
図2(a)を参照して、アウターパイプ31は略円筒形状を有している。アウターパイプ31の上流側の端部および下流側の端部は内側に屈曲している。アウターパイプ31の上流側の端部はリング部材32aの外周に接合し、アウターパイプ31の下流側の端部はリング部材32bの外周に接合している。本実施例においてアウターパイプ31とリング部材32a,32bとは、溶接によって接合している。但し、アウターパイプ31とリング部材32a,32bとの接合手法はこのような溶接に限定されるものではなく、金属ロウ材によるロウ付け接合等の種々の接合手法を用いることができる。
ハウジング30(具体的にはアウターパイプ31およびリング部材32a,32b)の材質である金属の具体的な種類は特に限定されるものではないが、冷媒に対する耐食性が高く且つ安価であることが好ましい。このような金属の一例としてステンレス(SUS)が挙げられる。そこで、本実施例においてはハウジング30の材質の一例としてステンレスを用いる。また、アウターパイプ31、リング部材32aおよび32bの材質はそれぞれ同じ種類の金属である必要はなく、互いに異なる種類の金属であってもよい。
冷媒通路40は、冷媒通路40の冷媒が熱交換体50の外周を直接冷却するように(つまり、冷媒が熱交換体50の外周に直接接するように)、EGRクーラ10の内部に設けられている。具体的には本実施例に係る冷媒通路40は、アウターパイプ31と熱交換体50とリング部材32a,32bと接合部21a,21bとによって囲まれた空間に設けられている。また、アウターパイプ31のうち冷媒通路40の一部を構成している部分には、冷媒供給口41および冷媒排出口42が設けられている。冷媒供給口41には図1で説明した冷媒供給通路80が接続され、冷媒排出口42には図1で説明した冷媒排出通路81が接続されている。冷媒供給通路80を通過した冷媒は、冷媒供給口41から冷媒通路40に流入する。冷媒通路40を通過した冷媒は、冷媒排出口42から冷媒排出通路81に流入する。
熱交換体50は、EGRガスの熱を冷媒に伝導させる媒体である。図2(c)は熱交換体50の模式的断面図である。具体的には図2(c)は、図2(a)の熱交換体50を熱交換体50の軸線方向を法線方向とする面で切断した断面を模式的に図示している。本実施例に係る熱交換体50は、EGRガスが通過する内部ガス通路53を複数有している。この内部ガス通路53は、熱交換体50の外周を構成する外周部材54の内部が複数の隔壁部材55によって仕切られることにより形成されている。なお、本実施例において外周部材54は円筒形状を有しているが、外周部材54の形状はこれに限定されるものではない。また本実施例において隔壁部材55は格子状に配置されているが、隔壁部材55の配置態様はこれに限定されるものではない。
熱交換体50の材質(具体的には外周部材54および隔壁部材55の材質)であるセラミックの具体的な種類は特に限定されるものではないが、SiCが好ましい。SiCは、セラミックの中でも高い熱伝導率を有するとともに、排気に対する高い耐食性を有し、また加工性が高く且つコストも高価でないため、EGRクーラ10用の熱交換体50の材質として特に適しているからである。そこで、本実施例においては、熱交換体50の材質の一例として、SiCを含むセラミックを用いる。このSiCを含むセラミックの具体例としては、SiC(つまりSiCの他に添加物が添加されていないもの)、Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC、金属複合SiC等を用いることができる。本実施例においては、熱交換体50の材質の一例としてSi含浸SiCを用いる。
EGRクーラ10は次のように作用する。まず、熱交換体50の内部ガス通路53にEGRガスが流入した場合、EGRガスの熱は、隔壁部材55を伝導して外周部材54に伝導する。外周部材54に伝導した熱は冷媒通路40の冷媒に奪われる。このようにしてEGRクーラ10は、EGRガスの熱を冷媒によって冷却している。前述したように本実施例に係る冷媒通路40は、冷媒が熱交換体50の外周を直接冷却するように設けられているため、冷媒通路40と熱交換体50との間に何らかの部材が配置されている場合(つまり、冷媒が間接的に熱交換体50の外周を冷却する構成の場合)に比較して、EGRクーラ10のEGRガスの冷却性能は高い。
続いて接合構造20の詳細、具体的には接合部21a,21bの詳細について説明する。図2(a)および図2(b)を参照して、接合部21aは、熱交換体50(すなわちセラミック部材)の第1端部51とリング部材32a(すなわち金属部材)とを接合している。接合部21bは、熱交換体50の第2端部52とリング部材32bとを接合している。
図3(a)はEGRクーラ10の熱交換体50の第1端部51近傍を拡大した模式的断面図である。図3(b)はEGRク−ラ10の熱交換体50の第2端部52近傍を拡大した模式的断面図である。接合部21aはガラス部22aと金属ロウ材部23bとを有している。接合部21bはガラス部22bと金属ロウ材部23bとを有している。ガラス部22a,22bは、ガラスによって構成された部位である。金属ロウ材部23a,23bは、ガラスよりもガス(本実施例では排気)に対する高い耐食性を有する金属ロウ材(金属製のロウ材)によって構成された部位である。なお、これらガラスおよび金属ロウ材の材質の具体例は後述する。
図3(a)を参照して、金属ロウ材部23aおよびガラス部22aは、金属ロウ材部23aの排気に接触する面積がガラス部22aの排気に接触する面積よりも大きくなるように配置されている。図3(b)を参照して、金属ロウ材部23bおよびガラス部22bは、金属ロウ材部23bの排気に接触する面積がガラス部22bの排気に接触する面積よりも大きくなるように配置されている。具体的には、本実施例に係る接合部21a,21bはそれぞれ次に説明する構成になっている。
まず、図3(a)を参照して、本実施例に係る金属ロウ材部23aは、ガラス部22aよりも上流側に配置されている。また金属ロウ材部23aは、リング部材32aの内周33aと、熱交換体50の第1端部51の外周56aとの間に配置されている。また本実施例に係る金属ロウ材部23aはガラス部22aの上流側の面全体を覆っている。そのため、本実施例においてガラス部22aは排気に接触しない構成となっている。すなわち、金属ロウ材部23aの排気に接触する面積は、ガラス部22aの排気に接触する面積(本実施例ではゼロである)よりも大きくなっている。但し、金属ロウ材部23aの排気に接触する面積がガラス部22aのそれよりも大きいのであれば、ガラス部22aは排気に接触していてもよい。この一例を挙げると、ガラス部22aの上流側の面の一部が金属ロウ材部23aによって覆われていない構成であってもよい。
また、ガラス部22aは、金属ロウ材部23aよりも下流側に配置され且つリング部材32aの内周33aと熱交換体50の第1端部51の外周56aとの間に配置されている。これにより、本実施例に係るガラス部22aは、熱交換体50とリング部材32aとを接合する接合材としての機能を有するとともに、冷媒通路40の冷媒が熱交換体50とリング部材32aとの間から外部に漏洩することを抑制するシール材としての機能も有している。また本実施例に係るガラス部22aの熱交換体50に接触する面積は金属ロウ材部23aの熱交換体50に接触する面積よりも大きく、且つガラス部22aのリング部材32aに接触する面積も金属ロウ材部23aのリング部材32aに接触する面積よりも大きい。
なお、本実施例に係るガラス部22aは、リング部材32aの下流側の端面34aの一部にも配置されているが、ガラス部22aの構成はこれに限定されるものではない。例えばガラス部22aは、リング部材32aの端面34aには配置されていなくてもよい。但し、本実施例のようにガラス部22aがリング部材32aの端面34aにも配置されていることにより、リング部材32aと熱交換体50との接合強度をより向上できるとともに、冷媒通路40の冷媒の外部への漏洩もより抑制できる。
図3(b)を参照して、本実施例に係る接合部21bの構成は、上述した接合部21aの構成と左右対称の構成となっている。具体的には金属ロウ材部23bは、ガラス部22bよりも下流側に配置されている。また金属ロウ材部23bは、リング部材32bの内周33bと熱交換体50の第2端部52の外周56bとの間に配置されている。また本実施例に係る金属ロウ材部23bはガラス部22bの下流側の面全体を覆っている。そのため、本実施例においてガラス部22bは排気に接触しない構成となっている。すなわち、金属ロウ材部23bの排気に接触する面積は、ガラス部22bの排気に接触する面積(本実施例ではゼロである)よりも大きくなっている。但し、金属ロウ材部23bの排気に接触する面積がガラス部22bのそれよりも大きいのであれば、ガラス部22bは排気に接触していてもよい。この一例を挙げると、ガラス部22bの下流側の面の一部が金属ロウ材部23bによって覆われていない構成であってもよい。
また、ガラス部22bは、金属ロウ材部23bよりも上流側の部分に配置され且つリング部材32bの内周33bと熱交換体50の第2端部52の外周56bとの間に配置されている。これにより、本実施例に係るガラス部22bは、熱交換体50とリング部材32bとを接合する接合材としての機能を有するとともに、冷媒通路40の冷媒が熱交換体50とリング部材32bとの間から外部に漏洩することを抑制するシール材としての機能も有している。また本実施例に係るガラス部22bの熱交換体50に接触する面積は金属ロウ材部23bのそれよりも大きく、且つガラス部22bのリング部材32bに接触する面積も金属ロウ材部23bのそれよりも大きい。なお本実施例に係るガラス部22bは、リング部材32bの上流側の端面34bの一部にも配置されているが、ガラス部22bの構成はこれに限定されるものではなく、例えばガラス部22bはリング部材32bの端面34bには配置されていなくてもよい。但し、本実施例のようにガラス部22bがリング部材32bの端面34bにも配置されていることにより、リング部材32bと熱交換体50との接合強度をより向上できるとともに、冷媒通路40の冷媒の外部への漏洩もより抑制できる。
本実施例に係る接合部21a,21bは、焼成処理によって形成されている。この焼成処理の詳細は次のとおりである。まず、金属ロウ材部23a,23bの原材料(焼成前の材料)である金属ロウ材を図3(a)および図3(b)のように熱交換体50とリング部材32a,32bとの間に配置した後に、第1の焼成処理を施す。それにより、金属ロウ材部23a,23bが形成される。次いで、ガラス部22a,22bの原材料であるガラスを図3(a)および図3(b)のように熱交換体50とリング部材32a,32bとの間に配置した後に、第2の焼成処理を施す。それにより、ガラス部22a,22bが形成される。以上のような焼成処理によって本実施例に係る接合部21a,21bは形成されている。但し、接合部21a,21bの具体的な形成手法はこれに限定されるものではない。
続いてガラス部22a,22bおよび金属ロウ材部23a,23bの材質の具体例について説明する。ガラス部22a,22bの材質であるガラスとしては、SiO2、SiO2に各種添加材(例えばAl2O3、CaO、B2O3、K2O、ZnO、ZrO2、La2O3、MgO等)が添加されたガラス、部分結晶化ガラス等、種々のガラスを用いることができる。なお、部分結晶化ガラスとは、リチウムやアルミ等を含んだガラスに特殊な熱処理を施して、内部に微細な水晶の結晶を析出させたガラスをいい、ガラスセラミックと別称される場合もある。
ガラス部22a,22bの具体的な材質を選定するにあたっては、次のことを考慮することが好ましい。まず、ガラス部22a,22bの材質は、接合するセラミック部材のセラミックおよび金属部材の金属に対する濡れ性ができるだけ高いガラスであることが好ましい。また、セラミックと金属との中間の熱膨張率を有するガラスであることがさらに好ましい。
また本実施例に係るEGRクーラ10は排気の熱で高温になる可能性があるため、本実施例においてガラス部22a,22bの材質は、高い耐熱性(例えば800℃程度に耐え得る耐熱性)を有するガラスであることが好ましい。また、前述したように、本実施例に係るガラス部22a,22bは焼成処理によって形成されているため、熱交換体50およびリング部材32a,32bの耐熱温度を超えない温度で焼成処理できるガラスであることが好ましい。さらに、前述したように、本実施例に係るガラス部22a,22bは、金属ロウ材部23a,23bよりも後に焼成処理されるため、金属ロウ材部23a,23bの焼成温度よりも低い焼成温度で焼成できるものであることが好ましい。また、本実施例に係るガラス部22a,22bは排気に接触していないため、ガラス部22a,22bの排気に対する耐食性は特に問題とならない。但し、仮にガラス部22a,22bが排気に接触する構成の場合、ガラス部22a,22bは排気に対する耐食性ができるだけ高いものが好ましい。
なお、前述したガラスの材質のうち、SiO2に各種添加材(例えばAl2O3、CaO、B2O3、K2O、ZnO、ZrO2、La2O3、MgO等)が添加されたガラスおよび部分結晶化ガラスは、上述した好ましい条件を全て満たしている。そのため、ガラス部22a,22bのガラスとしては、これらの中から選択されたガラスを用いることが特に好ましい。そこで、本実施例においては、ガラス部22a,22bの材質の一例として、SiO2にAl2O3が添加されたものを用いることとする。なお、ガラス部22aおよびガラス部22bの材質はそれぞれ同じである必要はなく、互いに異なる材質を用いてもよい。
金属ロウ材部23a,23bの材質は、ガラス部22a,22bのガラスよりもガスに対する高い耐食性を有する金属を主成分とするロウ材であればよく、接合構造20が適用される装置を通過するガスの種類に応じて適切な材質を選択すればよい。例えば、本実施例のように、接合構造20が適用される装置を通過するガスが内燃機関1の排気の場合、この排気は酸性のガスであるため、金属ロウ材部23a,23bの材質として、少なくとも酸性のガスに対する耐食性がガラスのそれよりも高い金属を主成分とする金属ロウ材を用いればよい。あるいは、仮に接合構造20が適用される装置を通過するガスがアルカリ性のガスである場合には、金属ロウ材部23a,23bの材質として、少なくともアルカリ性のガスに対する耐食性がガラスのそれよりも高い金属を主成分とする金属ロウ材を用いればよい。
ここで、ガラスよりもガスに対する高い耐食性を有する金属ロウ材群の中において、貴金属を含んだ金属ロウ材は、酸性のガスおよびアルカリ性のガスの両方に対してガラスよりも特に高い耐食性を有している。そこで、本実施例においては、金属ロウ材部23a,23bの材質の一例として、貴金属を含んだ金属ロウ材を用いる。この金属ロウ材の貴金属としては、例えば白金(Pt)、ロジウム(Rh)、金(Au)、銀(Ag)等を用いることができる。本実施例においては、貴金属の一例として銀を用いる。すなわち、本実施例に係る金属ロウ材部23a,23bの金属ロウ材は銀を含んでいる。なお、この銀を含む金属ロウ材の具体例としては、例えば銀を主成分とし、これに銅(Cu)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)、チタン(Ti)等が添加された金属ロウ材等を用いることができる。また、金属ロウ材部23aおよび金属ロウ材部23bの材質はそれぞれ同じである必要はなく、互いに異なる材質を用いてもよい。
また金属ロウ材部23a,23bの材質は、接合するセラミック部材のセラミック(本実施例ではSiC)と金属部材の金属(本実施例ではSUS)との濡れ性ができるだけ高いものが好ましい。また金属ロウ材部23a,23bの材質は、セラミックと金属との中間の熱膨張率を有する金属ロウ材であることがさらに好ましい。また、本実施例に係る金属ロウ材部23a,23bが適用されるEGRクーラ10は前述したように高温になる可能性があるため、本実施例においては、耐熱性(例えば800℃程度に耐え得る耐熱性)を有しているものを用いることが好ましい。さらに、前述したように本実施例に係る金属ロウ材部23a,23bは焼成処理によって形成されているため、金属ロウ材部23a,23bの金属ロウ材は、熱交換体50およびリング部材32a,32bの耐熱温度を超えない焼成温度で焼成処理できるものが好ましい。なお、前述した貴金属を含んだ金属ロウ材はこれら好ましい条件を全て満たしている。
続いて本実施例に係る接合構造20の作用効果について説明する。まず、ガラスは、金属部材に対して十分な濡れ性を有しつつ、金属ロウ材よりもセラミック部材に対する濡れ性が高い。したがって、本実施例に係る接合構造20によれば、接合部21a,21bがそれぞれガラス部22a,22bを備えていることから、例えば接合部21a,21bが金属ロウ材のみによって構成されている場合に比較して、接合部21a,21bの接合性を確保できる。その結果、接合構造20によれば、セラミック部材としての熱交換体50および金属部材としてのリング部材32a,32bが熱膨張した場合であっても、両者の熱膨張差に起因して接合部21a,21bが熱交換体50およびリング部材32a,32bから剥離することを抑制できる。それにより、本実施例に係る接合構造20によれば、接合部21a,21bの接合強度を向上させることができる。また本実施例において、金属ロウ材部23a,23bの金属ロウ材は、ガラスよりもガス(具体的には本実施例では排気)に対する高い耐食性を有している。そして、このような金属ロウ材によって構成された金属ロウ材部23a,23bのガスに接触する面積は、ガラス部22a,22bのそれよりも大きくなっている。それにより、本実施例に係る接合構造20は、ガスに対する高い耐食性も有している。
また本実施例に係る接合構造20によれば、図3(a)および図3(b)において説明したように、リング部材32aは接合部21aによって熱交換体50の第1端部51と接合され、リング部材32bは接合部21bによって熱交換体50の第2端部52と接合されている。そして、金属ロウ材部23aはガラス部22aよりも排気(具体的には本実施例ではEGRガス)の流動方向で上流側に配置され、金属ロウ材部23bはガラス部22bよりも排気の流動方向で下流側に配置されている。この構成により、接合構造20によれば、接合部21a,21bの接合性を確保し且つ排気に対する高い耐食性を有しつつ内部に排気が通過する熱交換体50(すなわちセラミック部材)の第1端部51および第2端部52とリング部材32a,32b(すなわち金属部材)とを接合することができる。
なお、本実施例において熱交換体50の第1端部51および第2端部52の両方において、本実施例に係る接合構造20が用いられているが、これに限定されるものではない。例えば、接合構造20は、熱交換体50の第1端部51および第2端部52のいずれか一方のみに用いられていてもよい。但し、本実施例のように熱交換体50の第1端部51および第2端部52の両方に接合構造20が用いられている場合の方が、熱交換体50の第1端部51および第2端部52のいずれか一方のみに接合構造20が用いられている場合に比較して、熱交換体50とリング部材32a,32bとを強固に接合することができる点で好ましい。
また本実施例に係る接合構造20によれば、前述したように接合部21aおよび接合部21bの接合性を確保できることにより、冷媒通路40の冷媒が熱交換体50とリング部材32a,32bとの間から漏洩することも抑制できる。
また本実施例において、金属ロウ材部23a,23bの材質として貴金属を含む金属ロウ材が用いられていることから、金属ロウ材部23a,23bの材質として貴金属を含まない金属ロウ材が用いられる場合に比較して、金属ロウ材部23a,23bの排気に対する耐食性がより向上している。それにより、接合構造20の排気に対する耐食性はより向上している。
また本実施例において、この貴金属の一例として銀が用いられている。ここで、銀は貴金属の中でも特に安価である。それにより、本実施例に係る接合構造20によれば、コストの上昇を抑制しつつ金属ロウ材部23a,23bの排気に対する耐食性を向上させることができる。その結果、コストの上昇を抑制しつつ接合構造20の排気に対する耐食性を向上させることができる。また、銀は貴金属の中でも融点が特に低い。それにより、溶融状態の金属ロウ材が冷却されて固化した後に金属ロウ材部23a,23bに残留する応力(残留応力)を少なくすることができる。その結果、金属ロウ材部23a,23bの残留応力によって金属ロウ材部23a,23bが変形したり、この金属ロウ材部23a,23bの変形によって熱交換体50に亀裂が発生したりすることを抑制できる。
また、ガラス部22a,22bの材質であるガラスは、貴金属を含んだ金属ロウ材よりも安価である。そのため、本実施例に係る接合構造20によれば、接合部21a,21bが全て貴金属を含んだ金属ロウ材によって構成されている場合に比較して、接合部21a,21bの接合性を確保できるという効果に加えて、コストも低減できるという効果を奏することもできる。
なお、図3(a)および図3(b)において説明したように、本実施例において、ガラス部22a,22bの熱交換体50に接触する面積は金属ロウ材部23a,23bの熱交換体50に接触する面積よりも大きく且つガラス部22a,22bのリング部材32a,32bに接触する面積も金属ロウ材部23a,23bのリング部材32a,32bに接触する面積よりも大きい。しかしながら、ガラス部22a,22bおよび金属ロウ材部23a,23bの構成はこれに限定されるものではない。例えば、ガラス部22a,22bの熱交換体50に接触する面積は金属ロウ材部23a,23bの熱交換体50に接触する面積以下であってもよく、ガラス部22a,22bのリング部材32a,32bに接触する面積も金属ロウ材部23a,23bのリング部材32a,32bに接触する面積以下であってもよい。しかしながら、本実施例のように、ガラス部22a,22bの熱交換体50に接触する面積が金属ロウ材部23a,23bのそれよりも大きく且つガラス部22a,22bのリング部材32a,32bに接触する面積も金属ロウ材部23a,23bのそれよりも大きい方が、接合部21a,21bの接合強度をより向上できる点で好ましい。
なお、本実施例においては、接合構造20が適用される装置(具体的には、ガスが通過する部位に設置された装置)の一例として、内燃機関1の排気が通過する部位に設置されたEGRクーラ10を用いているが、接合構造20が適用される装置はEGRクーラ10に限定されるものではない。例えば接合構造20は、内燃機関1の排気のような酸性のガスが通過する部位に配置された装置に適用されるのみならず、アルカリ性のガスが通過する部位に配置された装置に適用することもできる。この場合においても本実施例に係る接合構造20によれば、接合部21a,21bの接合性を確保しつつガスに対する高い耐食性を発揮することができる。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
1 内燃機関
10 EGRクーラ
20 接合構造
21a,21b 接合部
22a,22b ガラス部
23a,23b 金属ロウ材部
32a,32b リング部材
50 熱交換体
51 第1端部
52 第2端部
10 EGRクーラ
20 接合構造
21a,21b 接合部
22a,22b ガラス部
23a,23b 金属ロウ材部
32a,32b リング部材
50 熱交換体
51 第1端部
52 第2端部
Claims (4)
- ガスが通過する部位に設置された装置のセラミック部材と金属部材とを接合する接合構造であって、
前記セラミック部材と前記金属部材とを接合する接合部を備え、
前記接合部は、ガラスによって構成されたガラス部と、前記ガラスよりも前記ガスに対する高い耐食性を有する金属ロウ材によって構成された金属ロウ材部とを有し、
前記金属ロウ材部の前記ガスに接触する面積は前記ガラス部の前記ガスに接触する面積よりも大きいことを特徴とするセラミック部材および金属部材の接合構造。 - 前記ガスは内燃機関の排気であり、
前記セラミック部材の内部には前記排気が通過し、
前記金属部材は、前記接合部によって、前記セラミック部材の前記排気の流動方向で上流側の第1端部と、前記セラミック部材の前記排気の流動方向で下流側の第2端部とに接合され、
前記第1端部と前記金属部材とを接合する前記接合部において、前記金属ロウ材部は前記ガラス部よりも前記排気の流動方向で上流側に配置され、
前記第2端部と前記金属部材とを接合する前記接合部において、前記金属ロウ材部は前記ガラス部よりも前記排気の流動方向で下流側に配置されていることを特徴とする請求項1記載のセラミック部材および金属部材の接合構造。 - 前記金属ロウ材は貴金属を含んでいることを特徴とする請求項1または2に記載のセラミック部材および金属部材の接合構造。
- 前記貴金属は銀であることを特徴とする請求項3記載のセラミック部材および金属部材の接合構造。
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