JP5955775B2 - 熱伝導部材 - Google Patents

Description

本発明は、筒状セラミックス体を金属管で被覆した熱伝導部材に関する。

高温の流体から低温の流体へ熱交換することにより、熱を有効利用することができる。例えば、エンジンなどの燃焼排ガスなどの高温気体からの熱を回収する熱回収技術がある。気体／液体熱交換器としては、自動車のラジエター、空調室外機などのフィン付チューブ型熱交換器が一般的である。しかしながら、例えば自動車排ガスのような気体から熱を回収するには、一般的な金属製熱交換器では耐熱性に乏しく、高温での使用が困難である。そこで、耐熱性、耐熱衝撃、耐腐食などを有する耐熱金属やセラミックス材料などが適している。しかし耐熱金属は、価格が高い上に加工が難しい、密度が高く重い、熱伝導が低いなどの課題がある。

そこで、セラミックス材料を用いた熱回収技術が開発されている。例えば、筒状セラミックス体を用いて熱交換を行う技術がある。この場合、筒状セラミックス体の内部に第一の流体を流通させ、外部に第二の流体を流通させることにより、熱交換を行う。気体と液体とで筒状セラミックス体を用いて熱交換する場合、筒状セラミックス体が液体漏れを起こし２つの流体が混ざり合うことがないように、筒状セラミックス体をシールドする必要がある。

特許文献１には、筒状セラミックス体であるセラミックス製のハニカム構造体と金属基材（金属管）を一体化させることで熱を回収する技術が開示されている。

特開平９−３２７６２７号公報

しかしながら、特許文献１のように、セラミックス製のハニカム構造体と金属基材（金属管）とを一体化させた場合、使用時に熱膨張が発生し、ハニカム構造体と金属基材（金属管）との密着性が悪化したり、熱応力が発生し、ハニカム構造体が損傷したりする問題がある。

また、圧入により、筒状セラミックス体と金属管とを一体化させた場合、密着不足によって熱抵抗が大きくなったり、過剰な予圧による熱伝導部材の破壊が起こったり、さらには金属管に大きな残留応力が残ることで耐久性が低下する。

ロウ付けにより、筒状セラミックス体と金属管とを一体化させた場合、濡れ性の確保が難しく、熱膨張差により応力が発生する。

本発明の課題は、筒状セラミックス体を金属管で被覆する場合において、熱的な結合状態を保ちつつ、熱膨張差による応力の発生を抑制する熱伝導部材を提供することである。

本発明者らは、筒状セラミックスとその外周側の金属管との間にヤング率１５０ＧＰａ以下である材質からなる中間材を備えることにより、上記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の熱伝導部材が提供される。

［１］ 一方の端面から他方の端面まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する筒状セラミックス体と、前記筒状セラミックス体の外周側に金属管と、前記筒状セラミックス体と前記金属管との間に挟み込まれ、前記筒状セラミックス体と前記金属管との少なくとも一部に接触しており、少なくとも一部がヤング率１５０ＧＰａ以下であり、少なくとも一部の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材質からなる中間材と、を備え、前記筒状セラミックス体は、隔壁及び外周壁を有し、前記隔壁によって、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であり、前記中間材は、前記グラファイトシートから成っており、厚み方向のヤング率が１ＧＰａ以下、厚み方向の熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、前記筒状セラミックス体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に前記第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱伝導部材。

［２］ 前記筒状セラミックス体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である前記［１］に記載の熱伝導部材。
［３］ 前記筒状セラミックス体は、緻密体構造である前記［１］または［２］に記載の熱伝導部材。
［４］ 前記筒状セラミックス体は、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、及びＳｉＣから選ばれる少なくとも１種から形成された、緻密体構造である前記［３］に記載の熱伝導部材。
［５］ 前記筒状セラミックス体は、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなる前記［３］に記載の熱伝導部材。

［６］ 前記筒状セラミックス体は、多孔質体からなる前記隔壁を有し、前記隔壁によって、流体の前記流路となる多数の前記セルが区画形成された前記ハニカム構造体である前記［１］または［２］に記載の熱伝導部材。

［７］ 前記ハニカム構造体は、主成分が炭化珪素である前記［６］に記載の熱伝導部材。

筒状セラミックス体とその外周側の金属管との間にヤング率１５０ＧＰａ以下である材質からなる中間材を備えることにより、密着性が向上する。このため熱伝導性が良好となり、効率的に筒状セラミックス体内の熱を金属管の外側に排出できる。また、軸（長手）方向の熱伝導性が極めて良いため、先端（入口）側の熱を後（出口）側に逃がすことができる。中間材としてグラファイトシートを用いた場合、グラファイトシートにより、横滑りが可能なため、筒状セラミックス体と金属管と間の熱膨張差による応力が発生しにくい。金属管と筒状セラミックス体との接合部は最大で１５０℃程度の温度に曝される恐れがあるが、グラファイトの耐熱温度は４００℃以上であり十分である。また、腐食の影響の心配がない。

本発明の熱伝導部材を示す軸方向の一方の端面から見た模式図である。 本発明の熱伝導部材を示す斜視図である。 本発明の熱伝導部材の他の実施形態を示す軸方向の一方の端面から見た模式図である。 一体化の第二の方法を説明するための模式図である。 本発明の熱伝導部材の他の実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。 一部にのみ中間材が挟まれた実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。 一部にのみ中間材が挟まれた別の実施形態を示す軸方向に垂直な面で切断した断面図である。 金属管の内側にフィンを設けた実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。 金属管の内側にフィンを設けた実施形態を示す軸方向に垂直な面で切断した断面図である。 金属管の外側にフィンを設けた実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。 金属管の外側にフィンを設けた実施形態を示す軸方向に垂直な面で切断した断面図である。 金属管の外側にフィンを設けた他の実施形態を示す模式図である。 金属管の外側にフィンを設けた他の実施形態を示す軸方向に垂直な面で切断した断面図である。 金属管に段部が形成された実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。 金属管に段部が形成された実施形態を示す軸方向に垂直な面で切断した断面図である。 金属管に段部が形成された他の実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。 金属管の、ハニカム構造体の端面近傍から端部まで段部が形成された実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。 ハニカム構造体の端面近傍の金属管に段部が形成された実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。 金属管の端部に段部が形成された実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。 ハニカム構造体の軸方向のエッジを面取りした実施形態を示す断面図である。 ハニカム構造体のエッジにかかる部分の金属管の内径を他の部分の内径よりも１．０１倍以上あるように構成した実施形態を示す断面図である。 本発明の熱伝導部材を含む熱交換器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の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。

図１に、本発明の熱伝導部材１０を軸方向の一方の端面から見た図、図２に、熱伝導部材１０の斜視図を示す。熱伝導部材１０は、筒状セラミックス体１１と、筒状セラミックス体１１の外周側に金属管１２と、筒状セラミックス体１１と金属管１２との間に挟み込まれた中間材１３と、を備える。筒状セラミックス体１１は、一方の端面２から他方の端面２まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する。中間材１３は、少なくとも一部がヤング率１５０ＧＰａ以下である材質からなる。そして、筒状セラミックス体１１の内部に第一の流体を、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、熱伝導部材１０は、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。熱伝導部材１０は、筒状セラミックス体１１の外周側に金属管１２を備えるため、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。また、熱伝導部材１０は、金属管１２を備えるため、設置場所や設置方法により加工することが容易であり、自由度が高い。熱伝導部材１０は、金属管１２によって筒状セラミックス体１１を保護することができ外部からの衝撃にも強い。

熱伝導部材１０にヤング率１５０ＧＰａ以下である材質からなる中間材１３を用いることにより、金属管１２と筒状セラミックス体１１との密着性を高めて、熱伝導性を向上させることができる。この場合、中間材１３が、金属管１２と筒状セラミックス体１１との少なくとも一部に接触していることが、熱伝導部材１０の熱伝導性を良好とするために好ましい。

さらに、中間材１３は、少なくとも一部の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。中間材１３の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることにより、熱伝導部材１０の熱伝導性を向上させることができる。

中間材１３としては、グラファイトシート、金属シート、ゲルシート、弾塑性流体等が挙げられる。金属シートを構成する金属としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等が挙げられる。弾塑性流体とは、小さな力であれば、塑性変形せずに固体として振るまい（弾性率を有する）、大きな力を加えると自由に変形して流体のような変形をする材料であり、グリース等が例として挙げられる。中間材１３として、密着性や熱伝導性等を考慮すると、グラファイトシートを用いることが好ましい。以下、中間材１３として、グラファイトシートを例として説明する。

金属管１２と筒状セラミックス体１１とを、グラファイトシートからなる中間材１３を挟んだ状態で、例えば、焼きばめにより嵌合させることができる（後述する一体化の第一の方法）。金属管１２と筒状セラミックス体１１とを一体化することにより、第一の流体と第二の流体とが混ざり合うことを防止することができる。グラファイトシートからなる中間材１３を挟んで焼きばめすることにより、金属管１２と筒状セラミックス体１１との接合部の使用時の常温〜１５０℃の環境において、グラファイトシートに圧がかかり、熱を伝達することができる。

本明細書におけるグラファイトシートとは、膨張黒鉛を主成分とするグラファイトを圧延しシート状に加工したものや、高分子フィルムを熱分解して得られるシート状のものであり、黒鉛シート、カーボンシートと称されるものも含む。グラファイトシートは、厚み方向のヤング率が１ＧＰａ以下、厚み方向の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。厚み方向の熱伝導率について、より好ましくは、３〜１０Ｗ／ｍ・Ｋである。また、面内方向の熱伝導率は、５〜１６００Ｗ／ｍ・Ｋが好ましく、１００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋがより好ましい。

また、グラファイトシートのヤング率は、１ＭＰａ〜１ＧＰａであることが好ましい。より好ましくは、５ＭＰａ〜５００ＭＰａ、さらに好ましくは、１０ＭＰａ〜２００ＭＰａである。ヤング率が１ＭＰａ以上であればグラファイトの密度が十分であり熱伝導性が良い。一方、５００ＭＰａ以下である場合、薄いグラファイトシートでも焼きばめ時に十分弾性変形し、密着性や金属管１２の応力緩和効果が得られる。

グラファイトシートの厚みは、２５μｍ〜１ｍｍであることが好ましく、２５μｍ〜５００μｍであることがより好ましく、５０μｍ〜２５０μｍであることがさらに好ましい。グラファイトシートは、薄くなるほど高価になる。また厚くなると、熱抵抗を生じる。この範囲のグラファイトシートを使用することにより、熱伝導性が良好となり、効率的に筒状セラミックス体１１内の熱を金属管１２の外側に排出できる。

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内の熱を金属管１２の外側に排出できる。

なお、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、軸（長手）方向に垂直な断面が楕円形状、円弧が複合されたオーバル形状、四角形、またはその他の多角形の、角柱状であってもよい。筒状セラミックス体１１は、多孔質体からなる隔壁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であることが好ましい。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１及び図２は、多数のセル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を示す。また、図３には、隔壁４を有さず外周壁７のみで内部が中空のセラミックス管を筒状セラミックス体１１として用いた実施形態を示す。

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。

なお、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、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、隔壁４によって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として形成する場合、セル形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、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２５セル／平方インチより大きくすると、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）を十分なものとすることができる。一方、セル密度を２０００セル／平方インチ以下とすると、熱媒体が流れる際の圧力損失を小さくすることができる。

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。セル数が多すぎるとハニカム自体が大きくなるため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り熱流束が小さくなる。またセル数が少ない時には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。

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、６０μｍ〜５００μｍとすることが更に好ましい。壁厚を５０μｍ以上とすると、機械的強度が向上して衝撃や熱応力による破損を防止できる。一方、２ｍｍ以下とすると、ハニカム構造体側に占めるセル容積の割合が大きくなることにより流体の圧力損失が小さくなり、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。０．５ｇ／ｃｍ^３以上の場合、隔壁４の強度が十分であり、第一の流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁４が破損することを防止できる。また、５ｇ／ｃｍ^３以下であると、ハニカム構造体１自体が重くなりすぎず、軽量化することができる。上記の範囲の密度とすることにより、ハニカム構造体１を強固なものとすることができる。また、熱伝導率を向上させる効果も得られる。

熱交換器３０（図１４参照）に流通させる第一の流体（高温側）が排ガスの場合、第一の流体（高温側）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。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（高温側）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１０ｇ／Ｌ以上とすると、触媒作用が十分に発現する。一方、４００ｇ／Ｌ以下とすると、圧力損失が大きくなりすぎず、製造コストの上昇も抑えることができる。

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、銅管、真鍮管等を用いることができる。金属管１２の外周面１２ｈ上を流通する第二の流体である冷却水の水温は１２０℃前後まで上昇しうるが、この時に熱膨張率の差により、筒状セラミックス体１１と金属管１２との間の圧力が抜けてしまわないように、金属管１２の径を下記の式の範囲にすることが好ましい。すなわち、室温２５℃での筒状セラミックス体１１の外径をｄ、グラファイトシートの厚みをｃ、筒状セラミックス体１１の熱膨張係数をα、金属管１２の熱膨張係数をβ、焼きばめ温度を１０００℃とすると、金属管１２の内径Ｄは、
ｄ＋２×ｃ−９７５×β×ｄ＜Ｄ＜ｄ＋２×ｃ−１２５×（β−α）×ｄ
となるように設定することが好ましい。

上記の金属管１２の内径Ｄは、筒状セラミックス体１１と金属管１２との接合部で想定される常温〜１５０℃までの温度域で、締まりばめの圧力が確実にかかる範囲である。金属管１２の内径Ｄをこの範囲とすることにより、必要以上に金属管１２に引張応力が残らないようにすることができる。具体的には、例えば、筒状セラミックス体１１の外径が４２ｍｍ、筒状セラミックス体１１の熱膨張係数αが４．０×１０^−６、金属管１２の熱膨張係数βが１７×１０^−６、グラファイトシートの厚みｃが０．２ｍｍである場合は、４１．７０４ｍｍ＜Ｄ＜４２．３３２ｍｍである。

（熱伝導部材の製造方法）
次に、本発明の熱伝導部材１０の製造方法を説明する。まず、平均粒径の異なるＳｉＣ粉末を混ぜ合わせて、ＳｉＣ粉末の混合物を調製する。このＳｉＣ粉末の混合物に、バインダー、水を混ぜ合わせ、ニーダーを用いて混練することにより、混練物を得る。この混練物を真空土練機に投入し、円柱状の坏土を作製する。

次に、坏土を押出成形してハニカム成形体を形成する。押出成形では、適当な形態の口金や治具を選択することにより、外周壁の形状や厚さ、隔壁の厚さ、セルの形状、セル密度などを所望のものにすることができる。口金は、摩耗し難い超硬合金で作られたものを用いることが好ましい。ハニカム成形体については、外周壁を円筒形状または四角柱形状とし、外周壁の内部を隔壁により四角形の格子状に区分された構造となるように形成する。また、これらの隔壁については、互いに直交する方向のそれぞれで等間隔に並行し、かつ、真っすぐに外周壁の内部を横切るように形成する。これにより、外周壁の内部の最外周部以外にあるセルの断面形状を正方形にすることができる。

次に、押出成形により得たハニカム成形体の乾燥を行なう。まず、ハニカム成形体を電磁波加熱方式で乾燥し、続いて、外部加熱方式で乾燥を行なう。こうした二段階の乾燥により、乾燥前のハニカム成形体に含まれる全水分量の９７％以上に相当する水分をハニカム成形体から除去する。

次に、ハニカム成形体に対して窒素雰囲気で脱脂を行なう。さらに、こうした脱脂により得られたハニカム構造体の上に金属Ｓｉの塊を載せ、真空中または減圧の不活性ガス中で、焼成をする。この焼成中に、ハニカム構造体の上に載せた金属Ｓｉの塊を融解させ、外周壁７や隔壁４に金属Ｓｉを含浸させる。例えば、外周壁７や隔壁４の熱伝導率を１００Ｗ／ｍ・Ｋにする場合には、ハニカム構造体１００質量部に対して７０質量部の金属Ｓｉの塊を使用する。また、外周壁７や隔壁４の熱伝導率を１５０Ｗ／ｍ・Ｋにする場合には、ハニカム構造体１００質量部に対して８０質量部の金属Ｓｉの塊を使用する。

次に、上記のようにして製造したハニカム構造体１、中間材１３、及び金属管１２の一体化の方法について説明する。第一の方法は、まず、中間材１３として用いるグラファイトシートをハニカム構造体１の外周壁７の外周面７ｈに巻き付ける。このとき、接着剤を用いて貼り付けてもよい。接着剤を用いることにより、一様にグラファイトシートを貼り付けることができる。接着剤は、十分に薄く良伝熱性であることが望ましい。また、焼きばめ後は締まりばめ状態となるため、接着は、全面接着でも部分接着でもよい。続いて金属管１２を高周波加熱機で１０００℃程度まで昇温させる。そして、ハニカム構造体を金属管１２に挿入して焼きばめにより一体化し、熱伝導部材１０を形成することができる。

ハニカム構造体１、中間材１３、及び金属管１２の一体化の第二の方法について説明する。第二の方法は、金属板（平板）を用いて金属管１２とする。まず、ハニカム構造体１の外周壁７の外周面７ｈにグラファイトシートを巻き付ける。次に、ハニカム構造体１に金属板（平板）を圧をかけつつ、巻き付けて締め付ける（図４参照）。そしてハニカム構造体１に巻き付けられて円筒状になった金属板の端部１２ａ同士を接合して金属管１２とする。金属板の端部１２ａ同士の接合としては、例えば、レーザー溶接を用いることができる。

ハニカム構造体１、中間材１３、及び金属管１２の一体化の第三の方法について説明する。第三の方法は、熱間塑性加工法である。まず、ハニカム構造体１の外周壁７の外周面７ｈにグラファイトシートを巻き付ける。次に、ハニカム構造体１を金属管１２の内部に設置する。金属管１２の内径はハニカム構造体１の外周径に比べ十分に大きいものを使用する。続いて、金属管１２のハニカム構造体１が設置されている領域を、高周波加熱装置等を用いて４００〜１１００℃程度まで昇温させる。金属管１２を局所的に加熱しながら金属管両端部を引っ張ることで、金属管１２が縮径する。金属管１２とハニカム構造体１とが一体化した後に冷却することで、熱伝導部材１０を形成することができる。

本発明の熱伝導部材１０は、筒状セラミックス体１１とその外周側の金属管１２との間に、低ヤング率のグラファイトシート等からなる中間材１３を備えることにより、密着性が向上する。このため厚み方向（管の径方向）の熱伝導率を３Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることができ、熱伝導性が良好である。また、長手（軸）方向の熱伝導率を２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることができ、熱伝導性も良好である。グラファイトシート等により、横滑りが可能なため、筒状セラミックス体１１と金属管１２間の熱膨張差による応力が発生しにくい。このため、実用上熱耐久性が十分である。

図５は本発明の熱伝導部材１０の他の実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。図５に示すように、金属管１２は、ハニカム構造体１の軸方向の長さよりも長い。このように構成すると、熱伝導部材１０の設置場所や用途に応じて、金属管１２の端部１２ａを加工しやすい。

図６Ａに一部にのみ中間材１３が挟まれた実施形態の軸方向に平行な面で切断した断面図を示す。また、図６Ｂに一部にのみ中間材１３が挟まれた別の実施形態の軸方向に垂直な面で切断した断面図を示す。中間材１３は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、必ずしもハニカム構造体１の全体に備えられていなくてもよい。このような実施形態においても、熱応力緩和や熱伝導効率の向上の効果が得られる。また、中間材１３は、網目状のものであってもよい。

図７Ａに、金属管１２の内側にフィン１２ｆを設けた実施形態を示す。また、図７Ｂは、図７Ａの実施形態を軸方向に垂直な面で切断した断面図である。金属管１２の内側の端部１２ａにフィン１２ｆが設けられている。このように、金属管１２にフィン１２ｆを設けることにより、金属管の剛性を上げることができる。

また、図８Ａに、金属管１２の外側にフィン１２ｆを設けた実施形態を示す。また、図８Ｂは、図８Ａの実施形態を軸方向に垂直な面で切断した断面図である。金属管１２の外側の軸方向のほぼ全長にわたってフィン１２ｆが設けられている。このように、金属管１２にフィン１２ｆを設けることにより、金属管の剛性を上げることができる。

図９Ａは、金属管１２の外側にフィン１２ｆを設けた他の実施形態を示す模式図である。また、図９Ｂは、図９Ａの実施形態を軸方向に垂直な面で切断した断面図である。フィン１２ｆの形状は、図８Ｂや図９Ｂの実施形態に限定されない。

図１０Ａは、金属管１２に段部１２ｄを設けた実施形態を示す軸方向に平行な面で切断した断面図である。また、図１０Ｂは、図１０Ａの実施形態を示す軸方向に垂直な面で切断した断面図である。本実施形態では、段部１２ｄは、内側に凹んだ形状に形成されている。このような形状の部位は、プレス製法により形成することができる。凹んだ部位を設けることで、金属管１２の剛性を上げることができる。図１１のように、段部１２ｄとして、金属管１２に外側に出っ張った部位を形成してもよい。

図１２Ａに金属管１２の、ハニカム構造体１の端面２の近傍から端部１２ａまで段部１２ｄが筒状に形成された実施形態を示す。本実施形態の段部１２ｄは、ハニカム構造体１の端面２の近傍から金属管１２の端部１２ａまで縮径とされており、段部１２ｄが筒状（円筒状）に形成されている。このような段部１２ｄを形成することにより、金属管１２の応力を緩和することができる。

図１２Ｂにハニカム構造体１の端面２の近傍の金属管１２に段部１２ｄが円周状に形成された実施形態を示す。このような段部１２ｄを形成することにより、金属管１２の応力を緩和することができる。

図１２Ｃに金属管１２の端部１２ａに段部１２ｄが外側に出っ張って円周状に形成された実施形態を示す。このような段部１２ｄを形成することにより、金属管１２の応力を緩和することができる。

図１３Ａに、ハニカム構造体１の外周壁７の軸方向のエッジを面取りした実施形態を示す。エッジの形状としては、Ｃ形状（Ｃ形状部７ｃ）またはＲ形状（Ｒ形状部７ｒ）が挙げられる。このようにエッジを面取りした形状に形成することにより、ハニカム構造体１のエッジの欠けを防止することができる。

また、図１３Ｂに示すように、ハニカム構造体１の外周壁７のエッジにかかる部分の金属管１２の内径を他の部分の内径よりも１．０１倍以上あるように構成することも好ましい。このように構成することにより、ハニカム構造体１の外周壁７のエッジの欠けを防止することができる。

図１４に本発明の熱伝導部材１０を含む熱交換器３０の斜視図を示す。図１４に示すように、熱交換器３０は、熱伝導部材１０（ハニカム構造体１＋中間材１３＋金属管１２）と、熱伝導部材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、熱伝導部材１０の金属管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、中間材１３、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、中間材１３、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。

第一流体流通部５は、ハニカム構造として形成されており、ハニカム構造の場合、流体がセル３の中を通り抜ける時には、流体は隔壁４により別のセル３に流れ込むことが出来ず、ハニカム構造体１の入口から出口へと直線的に流体が進む。また、本発明の熱交換器３０内のハニカム構造体１は、目封止されておらず、流体の伝熱面積が増し熱交換器３０のサイズを小さくすることができる。これにより、熱交換器３０の単位体積あたりの伝熱量を大きくすることができる。さらに、ハニカム構造体１に目封止部の形成やスリットの形成等の加工を施すことが不要なため、熱交換器３０は、製造コストを低減することができる。

熱交換器３０は、第二の流体よりも高温である第一の流体を流通させ、第一の流体から第二の流体へ熱伝導するようにすることが好ましい。第一の流体として気体を流通させ、第二の流体として液体を流通させると、第一の流体と第二の流体の熱交換を効率よく行うことができる。つまり、本発明の熱交換器３０は、気体／液体熱交換器として適用することができる。

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。

（実施例１）
（坏土の作製）
まず、平均粒径４５μｍのＳｉＣ粉末７０質量％と、平均粒径３５μｍのＳｉＣ粉末１０重量％と、平均粒径５μｍのＳｉＣ粉末２０重量％と、を混ぜ合わせて、ＳｉＣ粉末の混合物を調製した。このＳｉＣ粉末の混合物１００質量部に、バインダー４質量部、水を混ぜ合わせ、ニーダーを用いて混練することにより、混練物を得た。この混練物を真空土練機に投入し、円柱状の坏土を作製した。

（押出成形）
次に、坏土を押出成形してハニカム成形体を形成した。押出成形では、適当な形態の口金や治具を選択することにより、外周壁の形状や厚さ、隔壁の厚さ、セルの形状、セル密度などを所望のものにした。口金は、摩耗し難い超硬合金で作られたものを用いた。ハニカム成形体については、外周壁を円筒形状または中空の四角柱形状とし、外周壁の内部を隔壁により四角形の格子状に区分された構造となるように形成した。また、これらの隔壁については、互いに直交する方向のそれぞれで等間隔に並行し、かつ、真っすぐに外周壁の内部を横切るように形成した。これにより、外周壁の内部の最外周部以外にあるセルの断面形状を正方形にした。

（乾燥）
次に、押出成形により得たハニカム成形体の乾燥を行った。まず、ハニカム成形体を電磁波加熱方式で乾燥し、続いて、外部加熱方式で乾燥を行った。こうした二段階の乾燥により、乾燥前のハニカム成形体に含まれる全水分量の９７％以上に相当する水分をハニカム成形体から除去した。

（脱脂、Ｓｉ金属の含浸および焼成）
次に、ハニカム成形体に対して窒素雰囲気で５００℃、５時間の脱脂を行った。さらに、こうした脱脂により得られたハニカム構造体の上に金属Ｓｉの塊を載せ、真空中または減圧の不活性ガス中で、１４５０℃、４時間、焼成をした。この焼成中に、ハニカム構造体の上に載せた金属Ｓｉの塊を融解させ、外周壁や隔壁に金属Ｓｉを含浸させた。外周壁や隔壁の熱伝導率を１５０Ｗ／ｍ・Ｋにする場合には、ハニカム構造体１００質量部に対して８０質量部の金属Ｓｉの塊を使用した。

以上のようにして、材質が炭化珪素、本体サイズが直径（外径）４０ｍｍ、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１５０ｋＷ／ｍ・Ｋであった。

次に、ハニカム構造体１の外周面７ｈにアクリル系粘着材付きグラファイトシート（大塚電機 ＨＴ−７０５Ａ）を貼り付けた。グラファイトシートは、熱伝導率が厚み方向で６Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率が０．１ＧＰａのものを用いた。今回は粘着材付きグラファイトシートを用いたが、別途伝熱性接着剤を用いて接着しても良い。

続いて金属管１２を高周波加熱機で１０００℃まで昇温させ、ハニカム構造体１を金属管１２に挿入して、焼きばめた。なお、金属管１２は、使用時に圧力が抜けてしまわないように以下の径のものを用いた。すなわち、室温２５℃での筒状セラミックス体１１（ハニカム構造体１）の外径をｄ、グラファイトシートの厚みをｃ、筒状セラミックス体１１の熱膨張係数をα、金属管１２の熱膨張係数をβとしたとき、金属管の内径Ｄが、
ｄ＋２×ｃ−９７５×β×ｄ＜Ｄ＜ｄ＋２×ｃ−１２５×（β−α）×ｄ
となるものを用いた。

具体的には、筒状セラミックス体１１の外径が４２ｍｍ、筒状セラミックス体１１の熱膨張係数αが４×１０^−６／℃、金属管１２の熱膨張係数βが１７×１０^−６／℃、グラファイトシートの厚みｃが０．２ｍｍであり、４１．７０４ｍｍ＜Ｄ＜４２．３３２ｍｍとした。本実施例において、金属管１２は、ＳＵＳ３０４薄肉管を用いた。

（参考例１）
比較対象（基準試料）として金属管１２で被覆しない筒状セラミックス体１１（ハニカム構造体１）単体を用意した。筒状セラミックス体１１は、実施例１と同じものである。

（比較例１）
実施例１と同様にして、グラファイトシートの中間材１３を有しない筒状セラミックス体１１（ハニカム構造体１）と金属管１２とからなる熱伝導部材を作製した。

（伝熱効率試験）
実施例１、参考例１、比較例１の試料について、３００℃に加熱した第一の流体を熱伝導部材１０のハニカム構造体１のセル３中を通過させたときの第二の流体への伝熱効率を測定した。具体的には、以下のように行った。ハニカム構造体１の第一流体流通部５に窒素ガスを流し、ケーシング２１内の第二流体流通部６に（冷却）水を流した。第一の流体、第二の流体のハニカム構造体１への入口温度、流量は全て同一条件とした。第一の流体の、３００℃の窒素ガス（Ｎ_２）を、ハニカム構造体１に対する流量を７．６Ｌ／ｓとして流した。また、第二の流体の（冷却）水を、ハニカム構造体１に対する流量を１０Ｌ／ｍｉｎとして流した。実施例１は、第一の流体の流路となる熱伝導部材１０の外周側に第二の流体の流路があるものを用いたものである（図１４参照）。

（試験結果）
表１に伝熱効率を示す。伝熱効率（％）は、第一の流体（窒素ガス）及び第二の流体（水）のΔＴ℃（ハニカム構造体１の出口温度−入口温度）から其々エネルギー量を算出し、式１で計算した。
（式１） 伝熱効率（％）＝（第一の流体（ガス）の入口温度−第一の流体（ガス）出口温度）／（第一の流体（ガス）の入口温度−第二の流体（冷却水）の入口温度）

筒状セラミックス体１１単体（参考例１）に対し、グラファイトシートなしの熱伝導部材（比較例１）は、伝熱効率が５．０％低下しているが、グラファイトシートを挟むことにより（実施例１）、２．６％の低下に抑えられた。これにより、グラファイトシートによって熱的な密着性の向上が確認されたといえる。つまり、筒状セラミックス体１１を金属管で被覆する場合、グラファイトシートを挟み込むことにより、熱的な結合状態を向上させることができる。

（実施例１〜４、参考例１〜６、比較例１，２）
さらに他の中間材１３についても同様の伝熱効率試験を行い、伝熱効率を求めた。また、伝熱効率試験の後に、筒状セラミックス体１１にクラックが発生しているか否かを調べた。表２に示す。表２の実施例１、参考例１、比較例１は、表１と同じものである。参考例１と比較例１以外は、筒状セラミックス体１１＋中間材１３＋金属管１２である。参考例１は、筒状セラミックス体１１単体、比較例１は、筒状セラミックス体１１＋金属管１２で、中間材１３無しである。

実施例１〜４、参考例２〜６では、伝熱効率が中間材１３のない比較例１よりも良かった。また、筒状セラミックス体１１にクラックは発生しなかった。比較例２は、中間材１３としてＳＵＳ３０４を用いたが、ヤング率が１９７ＧＰａであり、伝熱効率は良くなかった。

本発明の熱交換器は、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）で熱交換する用途であれば、自動車分野、産業分野であっても特に限定されない。特に、加熱体または被加熱体の少なくとも一方が液体の場合に好適である。自動車分野で排ガスから排熱回収用途で使用する場合は、自動車の燃費向上に役立てることができる。

１：ハニカム構造体、２：（軸方向の）端面、３：セル、４：隔壁、５：第一流体流通部、６：第二流体流通部、７：外周壁、７ｃ：Ｃ形状部、７ｈ：（筒状セラミックス体の）外周面、７ｒ：Ｒ形状部、１０：熱伝導部材、１１：筒状セラミックス体、１２：金属管、１２ａ：端部、１２ｄ：段部、１２ｆ：フィン、１２ｈ：（金属管の）外周面、１３：中間材（グラファイトシート）、２１：ケーシング、２２：（第二の流体の）入口、２３：（第二の流体の）出口、２４：（ケーシングの）内側面、３０：熱交換器。

Claims (7)

1. 一方の端面から他方の端面まで貫通し、加熱体である第一の流体が流通する流路を有する筒状セラミックス体と、
   前記筒状セラミックス体の外周側に金属管と、
   前記筒状セラミックス体と前記金属管との間に挟み込まれ、前記筒状セラミックス体と前記金属管との少なくとも一部に接触しており、少なくとも一部がヤング率１５０ＧＰａ以下であり、少なくとも一部の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材質からなる中間材と、を備え、
   前記筒状セラミックス体は、隔壁及び外周壁を有し、前記隔壁によって、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であり、
   前記中間材は、前記グラファイトシートから成っており、厚み方向のヤング率が１ＧＰａ以下、厚み方向の熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
   前記筒状セラミックス体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に前記第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱伝導部材。
2. 前記筒状セラミックス体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１に記載の熱伝導部材。
3. 前記筒状セラミックス体は、緻密体構造である請求項１または２に記載の熱伝導部材。
4. 前記筒状セラミックス体は、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、及びＳｉＣから選ばれる少なくとも１種から形成された、緻密体構造である請求項３に記載の熱伝導部材。
5. 前記筒状セラミックス体は、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなる請求項３に記載の熱伝導部材。
6. 前記筒状セラミックス体は、多孔質体からなる前記隔壁を有し、前記隔壁によって、流体の前記流路となる多数の前記セルが区画形成された前記ハニカム構造体である請求項１または２に記載の熱伝導部材。
7. 前記ハニカム構造体は、主成分が炭化珪素である請求項６に記載の熱伝導部材。

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