JP6510283B2 - 熱交換部材製造装置、および製造方法 - Google Patents

Description

柱状セラミックス体を金属管で被覆した熱交換部材を製造するための熱交換部材製造装置、および製造方法に関する。

熱交換器は、耐食性が必要とされる場合が多く、セラミックス製の熱交換器が知られている。熱交換器は、化学業界や製薬業界などにおいて腐食性流体の加熱、冷却、凝縮に利用されており、酸（臭素酸、硫酸、弗酸、硝酸、塩酸など）、アルカリ（苛性アルカリなど）、ハロゲン化物、食塩水、有機化合物に対して使用される。例えば、水素製造（硫酸蒸発器）用熱交換部品、自動車排気部品など、より高温かつ耐食性が必要な箇所に使用される場合もある。熱交換器となるセラミックス構造体は、外側に位置する金属容器に格納される構造となっているものがあり、これは、仮に内部でセラミックス構造体が破損しても、流体同士が交じり合わないようになっている。それゆえ、金属で被覆する方法としては、より高い信頼性と、安定した熱伝達特性が求められ、さらに自動車部品などでは限られたスペースでの配置が求められ、コンパクトかつ高性能（低圧損で高熱交換効率）な設計が求められている。

セラミックス構造体を金属で被覆する方法としては、金属管を加熱し、セラミックス構造体を挿入した後に冷却する（焼き締める）焼ばめ法が知られている。特許文献１には、セラミックス構造体の外径Ｄが４０ｍｍ、長さＬが８０ｍｍでＬ／Ｄが２程度の製品をＳＵＳ３０４（オーステナイト系）の金属管に焼ばめることが開示されている。

他分野の焼きばめ技術としては、スピンドルモータの固定軸（回転子）とフランジとの軸挿入装置として特許文献２、切削工具を焼きばめホルダーに焼きばめする工法として特許文献３が知られている。

国際公開第２０１２／０６７１５６号 特開２００２−２３９８４９号公報 特開２００７−２１７０６号公報

信頼性の高い金属被覆付の熱交換部材を得るためには、焼きばめしろ（常温での挿入側の外径−挿入される側の内径）を０．０５ｍｍ以上確保することが好ましい。安価なフェライト系ステンレスを用いた場合は、オーステナイト系と比較して熱膨張係数が小さいため、金属管をより高温に加熱し、それを維持したままで正確な位置決めをして、焼きばめ挿入する必要がある。

また、挿入するセラミックス構造体が短尺大口径である場合には、わずかな芯ずれで、挿入途中のセラミックス構造体が金属管にひっかかりセラミックス構造体が傾いてしまう。特に（長さＬ）／（外径Ｄ）≦１となると傾きが生じ易く、冷却後の締め付け力の分布に差異が生じて性能及び耐熱性が低下し、不良となる。

正確な位置決めや挿入物の傾きを抑制する手法としては、特許文献２が知られている。しかし、熱伝導率が大きいセラミックス構造体を薄肉で熱容量が小さいＳＵＳ管に、より高温で挿入する際には、金属管の熱をセラミックス構造体が急速に奪い、金属管が瞬間的に縮径する。したがって、嵌めあい対象同士に大きな温度差があり、それらを接触させた状態で位置決めをする特許文献２の場合、所定の挿入を終える前に締め付け力が働き止まってしまって不良となるため、この手法は適用することができない。

また、セラミックス構造体の長さＬが、金属管の長さＬよりも短い（セラミックス構造体が全て金属管内に収まる）場合には、セラミックス構造体を外から把持したまま金属管内に挿入することはできない。このため、セラミックス構造体の外径よりも小さな冶具によってセラミックス構造体を把持し、挿入後にセラミックス構造体を解放できる手法が必要となる。

本発明の課題は、精度よく金属管と柱状セラミックス体とを焼きばめして熱交換部材を製造することのできる熱交換部材製造装置、および熱交換部材の製造方法を提供することである。特に、柱状セラミックス体が外径に対し長さが短い場合にも精度よく金属管と柱状セラミックス体とを焼きばめすることができる製造装置、製造方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明によれば、以下の熱交換部材製造装置、および熱交換部材の製造方法が提供される。

［１］ 金属管の軸方向を第一の方向として前記金属管を載置する載置手段と、前記載置手段に載置された前記金属管の外周側に配置され、前記金属管を加熱する加熱手段と、先端部に柱状セラミックス体を固定し、前記柱状セラミックス体の軸方向を前記第一の方向に沿って前記柱状セラミックス体を移動させる直動機構と、を備え、前記直動機構は、軸方向を前記第一の方向として前進、後退する駆動軸と、前記駆動軸の先端に前記柱状セラミックス体を固定するための固定手段と、前記駆動軸を前進、後退させる駆動手段と、前記駆動軸の傾斜を制限する駆動軸制限手段と、を含み、前記駆動軸制限手段は、前記駆動軸を外側から接するように支持して径方向への移動を制限する軸受を備えるように構成され、前記駆動軸制限手段によって前記駆動軸の傾斜の動きを制限しつつ前記駆動手段によって前記駆動軸を前進させて前記柱状セラミックス体を前記第一の方向へ移動させ、前記柱状セラミックス体を、前記加熱手段によって加熱された前記金属管に対し位置決めして挿入させ、前記柱状セラミックス体の外周面に前記金属管が嵌合した熱交換部材を形成する熱交換部材製造装置。

［３］ 前記軸受は、転動体を有する転がり軸受である前記［２］に記載の熱交換部材製造装置。

［４］ 前記軸受は、滑り軸受である前記［２］に記載の熱交換部材製造装置。

［７］ 前記駆動軸の前記第一の方向からの傾斜を検出する傾斜検出手段を備える前記［１］〜［６］のいずれかに記載の熱交換部材製造装置。

［８］ 前記直動機構により前記金属管に前記柱状セラミックス体を挿入する際に、前記柱状セラミックス体を前記第一の方向に垂直な第二の方向に移動させることが可能な移動手段を備える前記［１］〜［７］のいずれかに記載の熱交換部材製造装置。

［９］ 前記金属管の一方の開口端面側の端部を位置決めするための第一ガイド部と、前記第一ガイド部と同軸上に配置され、前記柱状セラミックス体の姿勢を整える第二ガイド部とを備える熱交換部材製造用冶具を有し、前記熱交換部材製造用冶具にて前記金属管と前記柱状セラミックス体を位置決めしてこれらを一体化する前記［１］〜［８］のいずれかに記載の熱交換部材製造装置。

［１０］ 前記直動機構の先端部と前記柱状セラミックス体との固定手段は、接着剤、両面テープ、剣山式冶具、磁石、真空吸着吸盤のいずれかである前記［１］〜［９］のいずれかに記載の熱交換部材製造装置。

［１１］ 前記金属管の、前記柱状セラミックス体の入口側となる一方の開口端面側の端部の側部、及び出口側となる他方の開口端面側の端部の側部の少なくとも一方に、前記金属管の前記端部を冷却するための端部冷却手段を備える前記［１］〜［１０］のいずれかに記載の熱交換部材製造装置。

［１２］ 前記直動機構と、前記載置手段に載置された前記金属管との間に、これらを隔てる開閉可能なシャッターを備える前記［１］〜［１１］のいずれかに記載の熱交換部材製造装置。

［１３］ 前記シャッターは、２重構造とされている前記［１２］に記載の熱交換部材製造装置。

［１４］ 前記シャッターに接して前記柱状セラミックス体を載置し前記シャッターを開とするときに、前記柱状セラミックス体の中心軸と前記金属管の中心軸とがずれることを防止するためのシャッター開時軸ずれ制限手段を備える前記［１２］または［１３］に記載の熱交換部材製造装置。

［１５］ 前記柱状セラミックス体を前記第一の方向に沿って移動させる際に、前記柱状セラミックス体と前記金属管とが同軸となるように前記柱状セラミックス体の前記外周面をガイドする直動時軸ずれ制限手段を備える前記［１］〜［１４］のいずれかに記載の熱交換部材製造装置。

［１６］ 前記直動機構は、前記載置手段に載置された前記金属管の上方側に備えられている前記［１」〜［１５］のいずれかに記載の熱交換部材製造装置。

［１７］ 前記直動機構は、前記載置手段に載置された前記金属管の下方側に備えられている前記［１］〜［１３］、及び［１５］のいずれかに記載の熱交換部材製造装置。

［１５］ 金属管の軸方向を第一の方向として前記金属管を載置し、柱状セラミックス体をその外径よりも外径が小さい駆動軸の先端部に固定し、前記駆動軸を外側から接するように支持して径方向への移動を制限する軸受を備えるように構成された、前記駆動軸の傾斜を制限する駆動軸制限手段によって前記駆動軸の傾斜の動きを制限しつつ前記駆動軸を前進させて前記柱状セラミックス体を前記第一の方向へ移動させ、前記柱状セラミックス体を、加熱手段によって加熱された前記金属管に対し位置決めして挿入させ、前記柱状セラミックス体の外周面に前記金属管が嵌合した熱交換部材を形成する熱交換部材の製造方法。

［１９］ 前記金属管は、端部が中央部よりも徐々に拡径されたテーパー部とされたフレア部、または前記テーパー部とそのテーパー部よりも前記端部側が前記中央部より拡径の拡径部とされた拡管部とされており、前記フレア部または前記拡管部により柱状セラミックス体をガイドさせて挿入することにより、前記柱状セラミックス体と前記金属管とが同軸になるようにして焼きばめし、前記柱状セラミックス体の外周面に前記金属管が嵌合した熱交換部材を形成する前記［１８］に記載の熱交換部材の製造方法。

［２０］ 前記フレア部または前記拡管部の前記テーパー部は、傾部の角度が１０〜４５°、前記フレア部または前記拡管部の軸方向の長さは、０．１〜２０ｍｍである前記［１９］に記載の熱交換部材の製造方法。

［２１］ 前記柱状セラミックス体は、端部の外周部が面取加工されている前記［１８］〜［２０］のいずれかに記載の熱交換部材の製造方法。

［２２］ 前記面取加工は、４５°面取加工、またはＲ０．１〜１ｍｍの丸み面取加工である前記［２１］に記載の熱交換部材の製造方法。

［２３］ 前記金属管に前記柱状セラミックス体を１〜１００ｍｍ／ｓで押し込む前記［１８］〜［２２］のいずれかに記載の熱交換部材の製造方法。

［２４］ 前記金属管に前記柱状セラミックス体を１Ｎ〜１０ｋＮの押し込み荷重で押し込む前記［１８］〜［２３］のいずれかに記載の熱交換部材の製造方法。

［２５］ 前記柱状セラミックス体は、長さＬと外径ＤがＬ／Ｄ≦１である前記［１８］〜［２４］のいずれかに記載に熱交換部材の製造方法。

本発明の熱交換部材製造装置、製造方法は、駆動軸によって、柱状セラミックス体を金属管に挿入させ、柱状セラミックス体の外周面に金属管が嵌合した熱交換部材を形成することができる。駆動軸の傾斜が駆動軸制限手段によって制限されているため、柱状セラミックス体と金属管とが同軸になるようにして焼きばめすることができる。

熱交換部材製造装置の一実施形態を示す模式図である。 ハニカム構造体と金属管とを一体化する前の斜視図である。 ハニカム構造体と金属管とを一体化した熱交換部材の一例を示す斜視図である。 フレア部を有する金属管を示す模式図である。 拡管部を有する金属管を示す模式図である。 転がり軸受の平面図である。 転がり軸受の断面図である。 駆動軸のレール部に嵌合して駆動軸をガイドするガイド部として駆動軸制限手段が設けられた実施形態を示す模式図である。 駆動軸のレール部に嵌合して駆動軸をガイドするガイド部として駆動軸制限手段が設けられた実施形態を示す断面図である。 駆動軸のレール部に嵌合して駆動軸をガイドするガイド部として駆動軸制限手段が設けられ、転がり軸受を有する実施形態を示す断面図である。 駆動軸制限手段をボールねじとした実施形態を示す模式図である。 傾斜検出機構を備える実施形態を示す模式図である。 第二の方向に移動させることが可能な移動手段を備える実施形態を示す模式図である。 剣山式冶具の実施形態を示す模式図である。 磁石を固定手段として用いた実施形態を示す模式図である。 熱交換部材製造用冶具を備える実施形態を示す模式図である。 金属管の端部を冷却する端部冷却手段を備える実施形態を示す模式図である。 直動機構と金属管とを隔てるシャッターを備える実施形態を示す模式図である。 直動機構と金属管とを隔てるシャッターを備える他の実施形態を示す模式図である。 柱状セラミックス体と金属管とが同軸となるように柱状セラミックス体の外周面をガイドする直動時軸ずれ制限手段を備える実施形態を示す模式図である。 直動機構が、金属管の下方側に備えられている熱交換部材製造装置の実施形態を示す模式図である。 直動機構が、金属管の上方側に備えられている熱交換部材製造装置の実施形態を示す模式図である。 金属管に対する柱状セラミックス体の傾きを説明するための図である。 熱交換部材を用いた熱交換器を模式的に示す斜視図である。

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。

（１）概要：
図１に本発明の熱交換部材製造装置４０の一実施形態の模式図を示す。本発明の熱交換部材製造装置４０は、金属管１２の軸方向を第一の方向５１として金属管１２を載置する載置手段４１と、載置手段４１に載置された金属管１２の外周側に配置され、金属管１２を加熱する加熱手段４２と、先端部に柱状セラミックス体１１を固定し、柱状セラミックス体１１の軸方向を第一の方向５１に沿って柱状セラミックス体１１を移動させる直動機構４３と、を備える。直動機構４３は、軸方向を第一の方向５１として前進、後退する駆動軸４４と、駆動軸４４の先端に柱状セラミックス体１１を固定するための固定手段４５と、駆動軸４４を前進、後退させる駆動手段４６と、駆動軸４４の傾斜を制限する駆動軸制限手段４７と、を含む。図１の実施形態では、直動機構４３は、載置手段４１に載置された金属管１２の上方側に備えられている。

そして、熱交換部材製造装置４０は、駆動軸制限手段４７によって駆動軸４４の傾斜の動きを制限しつつ駆動手段４６によって駆動軸４４を前進させて柱状セラミックス体１１を第一の方向５１へ移動させる。そして、柱状セラミックス体１１を、加熱手段４２によって加熱された金属管１２に対し位置決めして挿入させ、柱状セラミックス体１１の外周面に金属管１２が嵌合した熱交換部材を形成する。

本発明の熱交換部材製造装置４０、および製造方法は、例えば、図２Ａ、および図２Ｂに示すような、熱交換部材１０を製造するための装置、方法である。ここで、図２Ａは、柱状セラミックス体１１であるハニカム構造体１と、金属管１２とを一体化する前の斜視図、図２Ｂは、ハニカム構造体１と金属管１２とを一体化した熱交換部材１０の一例を示す斜視図である。なお、本明細書において、「軸方向」とは、特に断りのない限り、筒状の金属管１２においては、筒状の金属管１２の一方の端面と他方の端面とを結ぶ方向、柱状セラミックス体１１においては、柱状セラミックス体１１の一方の端面２と他方の端面２とを結ぶ方向のことを意味する。また、熱交換部材１０の軸方向という場合は、金属管１２内に配置された柱状セラミックス体１１の一方の端面２と他方の端面２とを結ぶ方向のこととする。

（２）熱交換部材：
図２Ｂに示す熱交換部材１０は、柱状セラミックス体１１と、柱状セラミックス体１１の外周側に配設された金属管１２と、を備えたものである。柱状セラミックス体１１は、一方の端面２から他方の端面２まで延びる流路が形成されている。この流路には、第一の流体が流通する流路を有する。柱状セラミックス体１１の内部に第一の流体を流通させ、且つ、金属管１２の外周面１２ｈ側に第一の流体よりも低温又は高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。熱交換部材１０は、柱状セラミックス体１１の外周側に金属管１２が配置されているため、第一の流体と第二の流体とは、液密及び気密的に分離されており、これらの流体の混じり合いが有効に防止されている。また、熱交換部材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。熱交換部材１０は、金属管１２によって柱状セラミックス体１１を保護することもでき外部からの衝撃にも強い。このような金属管１２と柱状セラミックス体１１は、焼きばめにより一体化されたものである。

（２−１）柱状セラミックス体：
柱状セラミックス体１１とは、セラミックスで柱状に形成され、軸方向の一方の端面２から他方の端面２まで延びる流体の流路を有するものである。柱状とは、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、又はその他の多角形の、角柱状であってもよい。

本発明の熱交換部材製造装置、および製造方法は、（全長Ｌ）／（外径Ｄ）≦１である柱状セラミックス体１１を用いるときに好適である。なお、外径Ｄは、柱状セラミックス体の軸（長手）方向に垂直な断面が多角形の場合は、（全長Ｌ）／（周長／π）≦１である。

柱状セラミックス体１１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３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、柱状セラミックス体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２Ａ、および図２Ｂは、多数のセル３が形成されたハニカム構造体１を柱状セラミックス体１１として用いた実施形態を示す。図２Ａにおいて、符号７は、柱状セラミックス体１１の外周壁を示し、符号７ｈは、柱状セラミックス体１１の外周面を示す。また、符号１２ｈは、金属管１２の外周面を示す。また、柱状セラミックス体１１は、隔壁４を有さず外周壁７のみによって構成された中空のセラミックス管を用いたものであってもよい。

柱状セラミックス体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）、更に好ましくは、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、効率的に柱状セラミックス体１１内の熱を金属管１２の外側に排出できる。

柱状セラミックス体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、柱状セラミックス体１１の５０質量％以上が炭化珪素であることを意味する。

但し、必ずしも柱状セラミックス体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、柱状セラミックス体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。上述したように、柱状セラミックス体１１が、ＳｉＣを主成分とする熱交換部材であることは、好ましい形態の１つである。

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、柱状セラミックス体１１の作製過程で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。

柱状セラミックス体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、及び反応焼結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。更に、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）材料からなる柱状セラミックス体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食性に優れた特性を示すとともに、高熱伝導率を示す。

柱状セラミックス体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。柱状セラミックス体１１が、隔壁４によって複数のセル３が区画形成されたハニカム構造体１であることは、好ましい形態の１つである。

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、４〜３２０セル／ｃｍ^２の範囲であることが好ましい。セル密度を４セル／ｃｍ^２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３２０セル／ｃｍ^２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個であることが好ましく、２００〜２，０００個であることが更に好ましい。セル数が多すぎるとハニカム構造体１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でき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。壁厚については、５０μｍ以上、２ｍｍ以下とすることが好ましく、６０μｍ以上、６００μｍ以下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自体が重くなり過ぎず、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。

ここで、柱状セラミックス体１１の作製方法について、ハニカム構造体１の作製方法を例に説明する。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冶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、特に限定するものではないが、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、外周壁を円柱形状又は四角柱形状とし、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う。特に限定するものではないが、ハニカム成形体を電磁波加熱方式、外部加熱方式、熱風送風方式等で乾燥し、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。

乾燥後のハニカム成形体に対して、必要に応じて適宜外形（外径、Ｌ寸（長さ））の加工を実施した後に、脱脂を行う。更に、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、真空中又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。以上のようにして、熱交換部材に使用するハニカム構造体１（柱状セラミックス体１１）を作製することができる。

（２−２）金属管：
柱状セラミックス体１１と焼きばめにより一体化される金属管１２としては、耐熱性、耐食性のあるものが好ましく、例えば、ＳＵＳ管、銅管、真鍮管、チタン管、Ｎｉ合金管、Ａｌ合金管等を用いることができる。なお、この金属管１２は、熱交換時における柱状セラミックス体１１との熱膨張率の差により、金属管１２が柱状セラミックス体１１より抜け落ちないようなものであることが好ましい。金属管１２の内径は、柱状セラミックス体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のものであることが好ましい。

金属管１２は、ストレート管であってもよいが（図２Ａ）、ストレート管以外の、軸方向に径の大きさが変化するように構成された管であってもよい。例えば、図３Ａに示すように、フレア加工により端部の直径が拡大された（端部が円錐状に広がってテーパー部１２ｄとされた）フレア部１２ｅを有する金属管１２も、好ましい形態の一つである。または、図３Ｂに示すようなテーパー部１２ｄとそのテーパー部１２ｄよりも端部側が中央部より拡径の拡径部１２ｆとされた拡管部１２ｇを有する金属管１２を用いることもできる。

（２−３）中間材：
本実施形態の熱交換部材１０の製造方法においては、金属管１２と柱状セラミックス体１１との間に中間材を挟んだ状態で焼きばめ工程を行ってもよい。中間材としては、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と柱状セラミックス体１１との間にグラファイトシートからなる中間材を挟んで焼きばめ工程を行うことにより、柱状セラミックス体１１と金属管１２との間に、グラファイトシートからなる中間材が挟み込まれた熱交換部材を得ることができる。このような熱交換部材においては、金属管１２と柱状セラミックス体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以上、１ＧＰａ以下であることが好ましい。より好ましくは、５ＭＰａ以上、５００ＭＰａ以下、更に好ましくは、１０ＭＰａ以上、２００ＭＰａ以下である。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以上、１ｍｍ以下であることが好ましく、２５μｍ以上、５００μｍ以下であることがより好ましく、５０μｍ以上、２５０μｍ以下であることが更に好ましい。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、効率的に柱状セラミックス体１１内の熱を金属管１２の外側に排出できる。

このようなグラファイトシートを中間材として用いる場合には、金属管１２に挿入する前の柱状セラミックス体１１の外周壁の外周面に、グラファイトシートを巻き付けることが好ましい。このとき、接着剤を用いて、グラファイトシートを、柱状セラミックス体１１の外周壁の外周面に貼り付けてもよい。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。

（３）熱交換部材製造装置：
熱交換部材製造装置４０は、上記のような柱状セラミックス体１１と金属管１２とを一体化して熱交換部材１０とするための装置である。熱交換部材製造装置４０は、金属管１２を載置する載置手段４１と、金属管１２の外周側に配置され、金属管１２を加熱する加熱手段４２と、先端部に柱状セラミックス体１１を固定し、第一の方向５１に柱状セラミックス体１１を移動させる直動機構４３と、を備える。

図１において、第一の方向５１は、上下方向であるが、第一の方向５１は、上下方向に限定されるものではなく、第一の方向５１と垂直な方向を第二の方向５２とする。

直動機構４３は、軸方向を第一の方向５１として前進、後退する駆動軸４４と、駆動軸４４の先端に柱状セラミックス体１１を固定するための固定手段４５と、駆動軸４４を前進、後退させる駆動手段４６と、駆動軸４４の傾斜を制限する駆動軸制限手段４７と、を含む。

駆動軸４４の直径や固定手段４５の直径は、柱状セラミックス体１１の直径（外径）よりも小さい。このため、柱状セラミックス体１１を金属管１２内に挿入することができる。

駆動軸４４の材料は、金属系・樹脂系・セラミックス系・木材系材料を用いることができるが、耐摩耗性があり、加工精度が出しやすい金属系材料を用いる方が望ましい。駆動軸４４の形状は、円筒型、角柱型いずれでもよい。後述するボールねじの場合、円筒型が望ましい。駆動軸４４は、中実体であっても中空体であってもよい。

駆動手段４６としては、エアシリンダー、モーター、油圧式等を用いることもできるが、自由落下でもよい。駆動手段４６によって、駆動軸を直線移動、言い換えると往復運動させることができる。

熱交換部材製造装置４０は、駆動軸制限手段４７によって駆動軸４４の傾斜の動きを制限しつつ駆動手段４６によって駆動軸４４を前進させて柱状セラミックス体１１を第一の方向５１へ移動させる。そして、柱状セラミックス体１１を、加熱手段４２によって加熱された金属管１２に対し位置決めして挿入させ、柱状セラミックス体１１の外周面に金属管１２が嵌合した熱交換部材１０を形成する。

駆動軸制限手段４７として、駆動軸４４を外側から支持して径方向への移動を制限する軸受を備えるように構成することができる。軸受の材料としては、金属系・樹脂系・セラミックス系・木材系材料のいずれもよいが、耐摩耗性があり、加工精度が出しやすい金属系材料を用いる方が望ましい。

軸受としては、滑り軸受４７ａを採用することができる。滑り軸受４７ａは、中に駆動軸４４を通過させることのできる円筒状、輪形状のものである。図１に示すように、駆動軸４４が滑り軸受４７ａ内を通過するように構成することにより、駆動軸４４の方向を規制することができる。

軸受としては、玉等の転動体４７ｔを有する転がり軸受４７ｂを採用することができる。図４Ａは、転がり軸受４７ｂの平面図、図４Ｂは、断面図である。転がり軸受４７ｂは、転動体４７ｔを有するため、滑り軸受４７ａと異なり、駆動軸４４と軸受との間に油膜を切らさないようにする必要がなく、メンテナンスの点から好ましい。また、転がり軸受４７ｂは、転動体４７ｔが軸方向において、多段に備えられていることが好ましい。図４Ｂの実施形態は、軸方向において３段の転動体４７ｔを備える。このように構成すると、駆動軸４４の傾斜を十分に抑制することができる。

熱交換部材製造装置４０は、駆動軸４４の外周部に、軸方向に沿って溝部またはレール部４７ｊが形成されており、駆動軸制限手段４７は、溝部またはレール部４７ｊに嵌合して駆動軸４４を摺動可能にガイドするガイド部４７ｋであるように構成することもできる。図５Ａおよび図５Ｂは、駆動軸４４の外周に軸方向にレール部４７ｊが形成された実施形態を示す。熱交換部材製造装置４０は、レール部４７ｊに嵌合するように、断面が凹部として形成されたガイド部４７ｋを備える。図示は省略するが、駆動軸４４の外周部に、軸方向に沿って溝部を形成してもよい。レール部４７ｊやガイド部４７ｋの材料としては、金属系・樹脂系・セラミックス系・木材系材料のいずれもよいが、耐摩耗性があり、加工精度が出しやすい金属系材料を用いる方が望ましい。また、レール部４７ｊやガイド部４７ｋを備える場合に、図５Ｃに示すように、転動体４７ｔを備える転がり軸受方式とすることも好ましい実施形態である。

熱交換部材製造装置４０は、駆動軸４４がねじ軸４７ｍとして形成されており、駆動軸制限手段４７は、駆動軸４４の外周側に備えられたナット４７ｎ、駆動軸４４とナット４７ｎとの間に備えられたボール４７ｐによって構成されたボールねじ４７ｑとして構成することもできる。図６Ａは、駆動軸制限手段４７をボールねじ４７ｑとした実施形態を示す。

熱交換部材製造装置４０は、駆動軸４４の第一の方向５１からの傾斜を検出する傾斜検出手段を備えるように形成することも好ましい。傾斜検出手段としては、駆動軸４４の角度を検出する角度計、規定の位置からのずれ（変位）を検出する変位計を利用することができる。球体、角柱、円筒等の部材を水平に設置し、駆動軸４４が傾斜した際に、その部材がずれることにより、傾斜を検出するような傾斜検出機構を備えてもよい。図６Ｂに傾斜検出機構を備える実施形態を示す。図６Ｂの実施形態では、駆動軸４４の上部（駆動手段４６の上部）に球体５５を設置し、駆動軸４４が鉛直（球体５５の接地面が水平）からずれた時に、球体５５が移動することにより傾きを検出する。

直動機構４３により金属管１２に柱状セラミックス体１１を挿入する際に、柱状セラミックス体１１を第一の方向５１に垂直な第二の方向５２に移動させることが可能な移動手段を備えることも好ましい。あるいは、金属管１２が水平方向に自由に移動することができる手段を備えることも好ましい。図６Ｃに第二の方向５２に移動させることが可能な移動手段を備える実施形態を示す。固定手段４５は、上部固定手段と、下部固定手段によって構成され、上部固定手段と下部固定手段は、転動体５６を介して独立して駆動可能に構成されている。

直動機構４３の先端部と柱状セラミックス体１１との固定手段４５は、接着剤、両面テープ、剣山式冶具４８、磁石４９、真空吸着吸盤のいずれかを用いることができる。接着剤としては、直動機構４３の先端部と柱状セラミックス体１１とを固定できるものであれば問題ないが、金属管１２に柱状セラミックス体１１を挿入後、誘導加熱の熱により接着力が無くなり柱状セラミックス体１１を脱離させる熱可塑性の接着剤が好ましい。熱可塑性の接着剤としては、例えば、シアノアクリレート系接着剤が作業性も良く、安価で望ましい。両面テープとしては、接着剤と同じく、直動機構４３の先端部と柱状セラミックス体１１とを固定できるものであれば問題ないが、誘導加熱の熱により接着力が無くなり柱状セラミックス体１１を脱離させる熱可塑性の接着成分を用いている両面テープが望ましい。

図７に固定手段４５である剣山式冶具４８の実施形態を示す。剣山式冶具４８は、剣山４８ａを有するものであり、剣山４８ａにて柱状セラミックス体１１を固定する。柱状セラミックス体１１が特にハニカム構造体１である場合に、剣山式冶具４８を用いることができる。剣山式冶具４８の剣山４８ａがセル３にはまることにより、ハニカム構造体１を固定することができる。

図８Ａに磁石４９を用いた場合の実施形態を示す。磁石４９を用いる場合は、磁石４９にて柱状セラミックス体１１を挟み込む。例えば、柱状セラミックス体１１の下側を磁石４９とし、上側を電磁石４９ａとして、電磁石４９ａに通電することにより、柱状セラミックス体１１を挟み込み固定する。電磁石４９ａへの通電を止めることにより、柱状セラミックス体１１を駆動軸４４から脱離させることができる。

図８Ｂに金属管１２の一方の開口端面側の端部を位置決めするための第一ガイド部６１ａと、第一ガイド部６１ａと同軸上に配置され、柱状セラミックス体１１の姿勢を整える第二ガイド部６１ｂとを有する熱交換部材製造用冶具６１を備える実施形態を示す。熱交換部材製造用冶具６１を備えると、金属管１２と柱状セラミックス体１１とをより同軸にして一体化することができる。

図９に、金属管１２の端部１２ａを冷却するための端部冷却手段６５を備える実施形態を示す。端部冷却手段６５は、金属管１２の、柱状セラミックス体１１の入口側となる一方の開口端面側の端部１２ａの側部に備えられている。または、端部冷却手段６５は、金属管１２の、柱状セラミックス体１１の入口側とは反対の出口側である、他方の開口端面側の端部の側部に備えられていても良い。あるいは、端部冷却手段６５は、金属管１２の、入口側と出口側の両方の開口端面側の端部に備えられていても良い。すなわち、端部冷却手段６５は、金属管１２の、入口側となる一方の開口端面側の端部１２ａの側部、及び出口側となる他方の開口端面側の端部の側部の少なくとも一方に備えられていることが好ましい。端部冷却手段６５は、金属管１２の側部に直接接して備えられていても良いし、直接接しないで備えられていても良い。端部冷却手段６５が、金属管１２に直接接しないで備えられている場合は、金属管１２を加熱した際に、熱膨張した金属管１２が接するように構成することが好ましい。端部冷却手段６５の材料としては、高熱伝導セラミックス、高熱伝導性金属、高電磁波シールド性金属等が挙げられる。高熱伝導セラミックスとしては、アルミナ等、高熱伝導性金属や高電磁波シールド性金属としては、銀や銅等が挙げられる。端部冷却手段６５は、金属管１２の周囲を取り囲むようなリング形状のものでもよいし、金属管１２の周囲を断片的に取り囲むような形状のものでもよい。また、端部冷却手段６５は、内部に冷却水が流通する流路を備えたものでも良く、その場合、端部冷却手段６５の材料は、金属が好ましい。このような端部冷却手段６５は、金属管１２の熱膨張による軸ずれを抑制する効果があり、さらに金属管１２の端部１２ａの加熱時の酸化を抑制する効果もある。なお、金属管１２が酸化すると、溶接が困難になる等の問題が発生することがある。

図１０Ａに、直動機構４３と、載置手段４１に載置された金属管１２との間に、これらを隔てる開閉可能なシャッター７１を備える実施形態を示す。シャッター７１としては、耐熱性が高く、断熱性が良い材料が好ましい。本実施形態の熱交換部材製造装置４０では、まず、シャッター７１を閉じておき、金属管１２を加熱する。そして、金属管１２を十分に加熱した後に、シャッター７１を開いて柱状セラミックス体１１を金属管１２に挿入する。このようにすると、直動機構４３等への熱的影響を抑制し、熱交換部材製造装置４０の耐久性を高めることができる。シャッター７１の材料としては、金属系、樹脂系、セラミックス系を用いることができるが、このうち、耐熱性、耐摩耗性があり、加工精度が良い金属系材料を用いる方が望ましい。

図１０Ｂに、シャッター７１が２重構造とされている実施形態を示す。図１０Ｂは、シャッター本体部７１ａの加熱手段４２側に、断熱性の高い材料で形成された断熱カバー７１ｂを有する実施形態である。２重構造とされているシャッター７１では、シャッター本体部７１ａへの熱的影響を抑制することができ、シャッター本体部７１ａへ柱状セラミックス体１１を載置する場合であっても、シャッター本体部７１ａの熱歪みが発生しにくい。

シャッター７１が閉の場合に、シャッター本体部７１ａへ接した状態で柱状セラミックス体１１を載置することも可能である。この場合、金属管１２を加熱し、シャッター７１を開とすると、シャッター７１に柱状セラミックス体１１が引きずられることがある。図１０Ｂでは、シャッター７１を開とするときに、柱状セラミックス体１１の中心軸と金属管１２の中心軸とがずれることを防止するためのシャッター開時軸ずれ制限手段７２を備える。シャッター開時軸ずれ制限手段７２は、柱状セラミックス体１１の外周面７ｈをガイドする。このような状態でシャッター７１を開としても柱状セラミックス体１１は、金属管１２と同軸を維持したまま、柱状セラミックス体１１を金属管１２に挿入することができる。

図１１は、柱状セラミックス体１１を第一の方向に沿って移動させる際に、柱状セラミックス体１１と金属管１２とが同軸となるように柱状セラミックス体１１の外周面７ｈをガイドする直動時軸ずれ制限手段７３を備える実施形態である。直動時軸ずれ制限手段７３は、直動機構４３で柱状セラミックス体１１を移動させる際に、柱状セラミックス体１１の外周面７ｈをガイドすることにより、柱状セラミックス体１１を金属管１２と同軸で挿入することができる。直動時軸ずれ制限手段７３は、筒状のものでもよいし、柱状セラミックス体１１の周囲を断片的に取り囲むような形状のものでもよい。直動時軸ずれ制限手段７３は、柱状セラミックス体１１を第一の方向に沿って移動させる際の軸ずれを防止するものであるため、直動時軸ずれ制限手段７３の第一の方向の長さは、柱状セラミックス体１１の第一の方向の長さよりも長いことが好ましい。

図１２Ａ、および図１２Ｂに、直動機構４３が、載置手段４１に載置された金属管１２の下方側に備えられている熱交換部材製造装置４０の実施形態を示す。図１２Ａは、直動機構４３が金属管１２の下方側に備えられており、駆動軸４４の先端が金属管１２の上方に上がった後、柱状セラミックス体１１を、金属管１２の上方から挿入する実施形態である。

図１２Ｂは、直動機構４３が金属管１２の下方側に備えられており、駆動軸４４の先端が上昇する際に、金属管１２に柱状セラミックス体１１を、金属管１２の下方から挿入する実施形態である。

図１２Ａ、および図１２Ｂの実施形態の場合、柱状セラミックス体１１が直動機構４３に載置されるため、柱状セラミックス体１１と直動機構４３とを強固に固定する必要がない。また、簡易な固定手段４５を採用することができる。この場合、柱状セラミックス体１１が傾きにくくなり、好ましい。なお、図１２Ｂの実施形態の場合、シャッター７１やシャッター開時軸ずれ制限手段７２を備えることも可能である。また、図１２Ｂの実施形態の場合、柱状セラミックス体１１の外径Ｄ１、載置手段４１の穴径Ｄ２、金属管１２の端部１２ａの外径Ｄ３は、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係となる。

（４）熱交換部材の製造方法：
熱交換部材１０の製造方法は、以下のような方法である。まず、金属管１２の軸方向を第一の方向５１として金属管１２を載置する。次に、柱状セラミックス体１１をその外径よりも外径が小さい駆動軸４４の先端部に固定する。駆動軸４４の傾斜を制限する駆動軸制限手段４７によって駆動軸４４の傾斜の動きを制限しつつ駆動軸４４を前進させて柱状セラミックス体１１を第一の方向５１へ移動させる。そして、柱状セラミックス体１１を、加熱手段４２によって加熱された金属管１２に対し位置決めして挿入させ、柱状セラミックス体１１の外周面７ｈに金属管１２が嵌合した熱交換部材１０を形成する。以下、具体的に説明する。

まず、柱状セラミックス体１１、例えば、ハニカム構造体１と、金属管１２を用意する。図１に示すように、金属管１２の軸方向を第一の方向５１として金属管１２を載置手段４１に載置する。載置した金属管１２を加熱手段４２によって加熱する。

次に駆動軸４４の先端に柱状セラミックス体１１を固定手段４５によって固定する。そして、ハニカム構造体１と金属管１２とが一直線上となるように位置決めし、駆動手段４６によって駆動軸４４を前進させ、金属管１２内にハニカム構造体１を挿入して焼きばめ、柱状セラミックス体１１の外周面に金属管１２が嵌合した熱交換部材を形成する。

金属管１２は、一方の端面から他方の端面まで同径のもの（ストレート管：図２Ａ）を用いてもよいが、図３Ａに示すような端部が中央部よりも徐々に拡径されたテーパー部１２ｄとされたフレア部１２ｅを有するものを用いることもできる。または、図３Ｂに示すようなテーパー部１２ｄとそのテーパー部１２ｄよりも端部側が中央部より拡径の拡径部１２ｆとされた拡管部１２ｇを有する金属管１２を用いることもできる。

フレア部１２ｅまたは拡管部１２ｇのテーパー部１２ｄは、傾部の角度が１０〜４５°、フレア部１２ｅまたは拡管部１２ｇの軸方向の長さは、０．１〜２０ｍｍであることが好ましい。傾部の角度（傾部角度１２ｋ）とは、軸方向からの傾きである（図３Ａ）。このような範囲であると、スムーズに柱状セラミックス体１１（ハニカム構造体１）を金属管１２に挿入することができる。また、フレア部１２ｅまたは拡管部１２ｇにより柱状セラミックス体１１をガイドさせて挿入することにより、柱状セラミックス体１１と金属管１２とが同軸になるようにして焼きばめすることができる。

また、柱状セラミックス体１１は、端部、具体的には、端面２の外周部が面取加工されて面取加工部８が設けられていることが好ましい（図１）。面取加工は、４５°面取加工、またはＲ０．１〜１ｍｍの丸み面取加工であることが好ましい。柱状セラミックス体１１（ハニカム構造体１）の端部が面取加工されているとスムーズに柱状セラミックス体１１（ハニカム構造体１）を金属管１２に挿入することができる。

金属管１２に柱状セラミックス体１１を１〜１００ｍｍ／ｓの押し込み速度で押し込むことが好ましい。速度が速すぎると冶具等に衝突し、柱状セラミックス体１１が破損してしまう。一方で速度が遅すぎるとタクトタイムが長くなり生産性が低下してしまったり焼きばめの途中で止まってしまったりする。

金属管１２に柱状セラミックス体１１を１Ｎ〜１０ｋＮの押し込み荷重で押し込むことが好ましい。押し込み荷重が軽すぎると柱状セラミックス体１１が冶具または金属管１２に引っ掛かり、傾きが生じた際にその傾きの修正力が低い。一方で押し込み力が強すぎると柱状セラミックス体１１や冶具が破損したり、装置が損傷したりする。

駆動軸４４を上下動させることにより、鉛直下方向に柱状セラミックス体１１を挿入する例を示しているが、上下の構成を逆にして、鉛直上方向に柱状セラミックス体１１を挿入するように構成することもできる。また、駆動軸４４を上下以外の方向に設置・可動させてもよい。例えば、図示は省略するが、駆動軸４４を水平方向に設置・可動させて、横向きに開口する金属管１２内に、柱状セラミックス体１１を挿入してもよい。

ここで、柱状セラミックス体１１の軸方向の長さＬと端面の直径（外径）Ｄとの比率（Ｌ／Ｄ）が１以下と小さい場合は、以下の２つの問題が生じることがある。１つ目の問題は、金属管１２の端面で、柱状セラミックス体１１が入らないという不良が生じるという問題である。２つ目の問題は、柱状セラミックス体１１の端面が通過したとしても、挿入の途中で、柱状セラミックス体１１が傾いて、所望の位置まで落ちずに止ってしまうという不良が発生するという問題である。本発明の熱交換部材製造装置４０、熱交換部材の製造方法を用いることにより、長さＬと端面の直径（外径）Ｄとの比率（Ｌ／Ｄ）が１以下の場合でも柱状セラミックス体１１の水平を保ちながら（傾きを抑制しながら）、金属管１２内に挿入することができる。したがって、上述した２つの問題を解決することができる。

本発明の熱交換部材製造装置４０、熱交換部材の製造方法を用いることにより、金属管１２に対する柱状セラミックス体１１の傾きを、０ｍｍ≦傾き≦０．５ｍｍに抑制することができる。なお、図１３に示すように、金属管１２のテーパー部１２ｄやフレア部１２ｅが形成されていない方の端面１２ｂを基準とし、その面と同じ側の柱状セラミックス体１１の端面２までの距離を金属管１２の内周面１２ｉに沿って測定し、（測定値の最大値１３ａ−最小値１３ｂ）を傾きとする。

（５）熱交換器：
次に、本発明の熱交換部材の製造方法によって製造された熱交換部材を用いた熱交換器について説明する。図１４は、本発明の熱交換部材の製造方法の一の実施形態によって製造された熱交換部材を用いた熱交換器を模式的に示す斜視図である。図１４に示すように、熱交換器３０は、熱交換部材１０と、熱交換部材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。熱交換部材１０は、これまでに説明したように、柱状セラミックス体１１としてのハニカム構造体１と、金属管１２とを備えたものである。柱状セラミックス体１１としてのハニカム構造体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、熱交換部材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る。この第二流体流通部６と、第一流体流通部５とは、ハニカム構造体１の隔壁４及び金属管１２によって隔たれており、且つ、隔壁４及び金属管１２によって熱伝導可能とされている。即ち、熱交換器３０は、第一流体流通部５を流通する第一の流体の熱を、隔壁４及び金属管１２を介して受け取り、第二の流体である被加熱体へ熱を伝達するものである。第一の流体と第二の流体とは、液密及び気密的に分離されており、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、流体が隔壁４により別のセル３に流れ込むことができず、この流体がハニカム構造体１の入口から出口へと直線的に進む。また、本実施形態の熱交換器３０内のハニカム構造体１は、セル３の開口端部が目封止されていないことが好ましい。このように構成することによって、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。従って、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。更に、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の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、本実施形態の熱交換器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更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）
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、所定の外形寸法に加工後、Ｓｉ含浸焼成することによって、材質が炭化珪素、本体サイズが外径５５．３ｍｍ、長さ１２ｍｍの円柱状（筒状）のハニカム構造体１を製造した。すなわち、柱状セラミックス体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）、室温〜８００℃間の熱膨張係数は４．２×１０^−６／℃であった。なお、本明細書において、室温とは、２０℃のことを意味する。

次に、ハニカム構造体１の外周面に、アクリル系粘着材付きグラファイトシート（加賀テック社製、商品名：ＨＴ−７１０Ａ）を貼り付けた。グラファイトシートとしては、厚みが０．２５ｍｍで、熱伝導率が厚み方向で６Ｗ／（ｍ・Ｋ）で、ヤング率が０．１ＧＰａのものを用いた。実施例１では、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、グラファイトシートを接着してもよい。

金属管１２として、肉厚０．４ｍｍ、内径５５．６ｍｍ、長さ４１ｍｍのＳＵＳ管（ＳＵＳ４３０：室温（２０℃）〜１０５０℃間の熱膨張係数１０．９×１０^−６／℃）を作製した。この金属管１２の円筒度は、０．３であった。この金属管１２と、上記ハニカム構造体１との焼きばめしろΔは、０．２ｍｍである（ハニカム構造体１に、厚み０．２５ｍｍのアクリル系粘着材付きグラファイトシートを巻きつけるため、金属管１２への挿入時には、５５．３＋０．２５×２＝５５．８ｍｍと金属管１２より直径で０．２ｍｍ大きな寸法となる。）。円筒度は、３次元測定器にて測定した。

次に、図１に示すような方法によって、金属管１２とハニカム構造体１（柱状セラミックス体１１）とを焼きばめして、熱交換部材を製造した。なお、ハニカム構造体１と直動機構４３との固定手段４５としては、剣山式冶具４８を用いた。

（実施例２〜７）
実施例１と同様に実施例２〜７の熱交換部材を製造した。ただし、実施例７のみグラファイトシートを使用しなかった。ハニカム構造体１の直径（外径）Ｄ、長さＬ、焼きばめしろ、長さＬと端面の直径（外径）Ｄとの比率（Ｌ／Ｄ）、傾きを表１に示す。なお、図１３に示すように、金属管１２のテーパー部１２ｄやフレア部１２ｅが形成されていない方の端面１２ｂを基準とし、その面と同じ側の柱状セラミックス体１１（ハニカム構造体１）の端面２までの距離を金属管１２の内周面１２ｉに沿って測定し、（測定値の最大値１３ａ−最小値１３ｂ）を傾きとする（ただし、実施例１〜２７については、テーパー部１２ｄやフレア部１２ｅが形成されていない金属管１２を用いた）。

（比較例１〜５）
実施例１と同様にしてハニカム構造体１、金属管１２（ＳＵＳ管）を用意した。図１に示すような方法を用いず、図１の熱交換部材製造装置４０で直動機構４３を外し、ハニカム構造体１を自由落下させて金属管１２に挿入し、熱交換部材を製造した。

（参考例１，２）
比較例と同様の方法で、Ｌ／Ｄ＞１のハニカム構造体１を金属管１２に挿入し、熱交換部材を製造した。

参考例に示すように、Ｌ／Ｄ＞１のハニカム構造体１では、小さい傾きで金属管１２と一体化することができた。しかし、Ｌ／Ｄ≦１のハニカム構造体１では、比較例に示すように、焼きばめができないか、できても傾きが大きくなった。しかし、図１に示すような本願工法により、Ｌ／Ｄ≦１の条件でも、傾き０．４ｍｍ以下で焼きばめができた。なお、傾きが０．４ｍｍを超えると熱交換効率及び耐熱性が低下する。

（押し込み速度）
（実施例８〜１７）
図１に示すような方法において、金属管１２にハニカム構造体１を押し込む押し込み速度を変化させて傾きを調べた。ハニカム構造体１の直径（外径）Ｄ、長さＬ、長さＬと端面の直径（外径）Ｄとの比率（Ｌ／Ｄ）、傾きを表２に示す。

表中の「○」は、結果が良好なことを示す。金属管１２にハニカム構造体１を押し込む押し込み速度を１〜１００ｍｍ／ｓとすることにより、傾きを少なくし、良好に焼きばめをすることができた。

（押し込み荷重）
（実施例１８〜２７）
ハニカム構造体１を金属管１２に押し込む際に、図１の載置手段４１の下に重量計を設置し、ハニカム構造体１が金属管１２内で載置手段４１に突き当たった際の荷重を測定した。結果を表３に示す。

表中の「○」は、結果が良好なことを示す。金属管１２にハニカム構造体１を押し込む押し込み荷重を１Ｎ〜１０ｋＮとすることにより、傾きを少なくし、良好に焼きばめをすることができた。

（テーパー部）
（実施例２８〜３１）
テーパー部１２ｄを有する金属管１２を用いて、テーパー部１２ｄ側からハニカム構造体１を金属管１２の挿入することにより、熱交換部材１０を製造した。結果を表４に示す。表４の傾部角度１２ｋとは、軸方向からの傾きである（図３Ａ）。他の条件は、実施例１等と同じである（なお、実施例１〜２７は、テーパー部１２ｄを有しない金属管１２を用いた。）。

表中の「○」は、結果が良好なことを示す。テーパー部１２ｄを有する金属管１２を用いて、テーパー部１２ｄ側からハニカム構造体１を金属管１２に挿入することにより、ハニカム構造体１の傾きを少なくし、良好に焼きばめをすることができた。

なお、図１２Ａのように、直動機構４３が金属管１２の下方側に備えられており、柱状セラミックス体１１を、金属管１２の上方から挿入する方法で同様の実験を行い、傾きを少なくし、良好に焼きばめをすることができることを確認した。また、図１２Ｂのような直動機構４３が金属管１２の下方側に備えられており、柱状セラミックス体１１を、金属管１２の下方から挿入する方法でも、傾きを少なくし、良好に焼きばめをすることができることを確認した。

本発明の熱交換部材製造装置、製造方法は、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）で熱交換するための熱交換部材を製造する装置、方法として利用することができる。

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、７ｈ：（柱状セラミックス体の）外周面、８：面取加工部、１０：熱交換部材、１１：柱状セラミックス体、１２：金属管、１２ａ：（金属管の）端部、１２ｂ：（金属管の）端面、１２ｄ：テーパー部、１２ｅ：フレア部、１２ｆ：拡径部、１２ｇ：拡管部、１２ｈ：（金属管の）外周面、１２ｉ：（金属管の）内周面、１２ｋ：傾部角度、１３ａ：最大値、１３ｂ：最小値、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、４０：熱交換部材製造装置、４１：載置手段、４２：加熱手段、４３：直動機構、４４：駆動軸、４５：固定手段、４６：駆動手段、４７：駆動軸制限手段、４７ａ：滑り軸受、４７ｂ：転がり軸受、４７ｊ：レール部、４７ｋ：ガイド部、４７ｍ：ねじ軸、４７ｎ：ナット、４７ｐ：ボール、４７ｑ：ボールねじ、４７ｔ：転動体、４８：剣山式冶具、４８ａ：剣山、４９：磁石、４９ａ：電磁石、５１：第一の方向、５２：第二の方向、５５：球体、５６：転動体、６１：熱交換部材製造用冶具、６１ａ：第一ガイド部、６１ｂ：第二ガイド部、６５：端部冷却手段、７１：シャッター、７１ａ：シャッター本体部、７１ｂ：断熱カバー、７２：シャッター開時軸ずれ制限手段、７３：直動時軸ずれ制限手段。

Claims (22)

1. 金属管の軸方向を第一の方向として前記金属管を載置する載置手段と、
   前記載置手段に載置された前記金属管の外周側に配置され、前記金属管を加熱する加熱手段と、
   先端部に柱状セラミックス体を固定し、前記柱状セラミックス体の軸方向を前記第一の方向に沿って前記柱状セラミックス体を移動させる直動機構と、を備え、
   前記直動機構は、軸方向を前記第一の方向として前進、後退する駆動軸と、
   前記駆動軸の先端に前記柱状セラミックス体を固定するための固定手段と、
   前記駆動軸を前進、後退させる駆動手段と、
   前記駆動軸の傾斜を制限する駆動軸制限手段と、を含み、
   前記駆動軸制限手段は、前記駆動軸を外側から接するように支持して径方向への移動を制限する軸受を備えるように構成され、
   前記駆動軸制限手段によって前記駆動軸の傾斜の動きを制限しつつ前記駆動手段によって前記駆動軸を前進させて前記柱状セラミックス体を前記第一の方向へ移動させ、前記柱状セラミックス体を、前記加熱手段によって加熱された前記金属管に対し位置決めして挿入させ、前記柱状セラミックス体の外周面に前記金属管が嵌合した熱交換部材を形成する熱交換部材製造装置。
2. 前記軸受は、転動体を有する転がり軸受である請求項１に記載の熱交換部材製造装置。
3. 前記軸受は、滑り軸受である請求項１に記載の熱交換部材製造装置。
4. 前記駆動軸の前記第一の方向からの傾斜を検出する傾斜検出手段を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換部材製造装置。
5. 前記直動機構により前記金属管に前記柱状セラミックス体を挿入する際に、前記柱状セラミックス体を前記第一の方向に垂直な第二の方向に移動させることが可能な移動手段を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換部材製造装置。
6. 前記金属管の一方の開口端面側の端部を位置決めするための第一ガイド部と、前記第一ガイド部と同軸上に配置され、前記柱状セラミックス体の姿勢を整える第二ガイド部とを備える熱交換部材製造用冶具を有し、
   前記熱交換部材製造用冶具にて前記金属管と前記柱状セラミックス体を位置決めしてこれらを一体化する請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換部材製造装置。
7. 前記直動機構の先端部と前記柱状セラミックス体との固定手段は、接着剤、両面テープ、剣山式冶具、磁石、真空吸着吸盤のいずれかである請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換部材製造装置。
8. 前記金属管の、前記柱状セラミックス体の入口側となる一方の開口端面側の端部の側部、及び出口側となる他方の開口端面側の端部の側部の少なくとも一方に、前記金属管の前記端部を冷却するための端部冷却手段を備える請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換部材製造装置。
9. 前記直動機構と、前記載置手段に載置された前記金属管との間に、これらを隔てる開閉可能なシャッターを備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換部材製造装置。
10. 前記シャッターは、２重構造とされている請求項９に記載の熱交換部材製造装置。
11. 前記シャッターに接して前記柱状セラミックス体を載置し前記シャッターを開とするときに、前記柱状セラミックス体の中心軸と前記金属管の中心軸とがずれることを防止するためのシャッター開時軸ずれ制限手段を備える請求項９または１０に記載の熱交換部材製造装置。
12. 前記柱状セラミックス体を前記第一の方向に沿って移動させる際に、前記柱状セラミックス体と前記金属管とが同軸となるように前記柱状セラミックス体の前記外周面をガイドする直動時軸ずれ制限手段を備える請求項１〜１１のいずれか１項に記載の熱交換部材製造装置。
13. 前記直動機構は、前記載置手段に載置された前記金属管の上方側に備えられている請求項１〜１２のいずれか１項に記載の熱交換部材製造装置。
14. 前記直動機構は、前記載置手段に載置された前記金属管の下方側に備えられている請求項１〜１０、及び１２のいずれか１項に記載の熱交換部材製造装置。
15. 金属管の軸方向を第一の方向として前記金属管を載置し、
    柱状セラミックス体をその外径よりも外径が小さい駆動軸の先端部に固定し、
    前記駆動軸を外側から接するように支持して径方向への移動を制限する軸受を備えるように構成された、前記駆動軸の傾斜を制限する駆動軸制限手段によって前記駆動軸の傾斜の動きを制限しつつ前記駆動軸を前進させて前記柱状セラミックス体を前記第一の方向へ移動させ、
    前記柱状セラミックス体を、加熱手段によって加熱された前記金属管に対し位置決めして挿入させ、前記柱状セラミックス体の外周面に前記金属管が嵌合した熱交換部材を形成する熱交換部材の製造方法。
16. 前記金属管は、端部が中央部よりも徐々に拡径されたテーパー部とされたフレア部、または前記テーパー部とそのテーパー部よりも前記端部側が前記中央部より拡径の拡径部とされた拡管部とされており、
    前記フレア部または前記拡管部により柱状セラミックス体をガイドさせて挿入することにより、前記柱状セラミックス体と前記金属管とが同軸になるようにして焼きばめし、
    前記柱状セラミックス体の外周面に前記金属管が嵌合した熱交換部材を形成する請求項１５に記載の熱交換部材の製造方法。
17. 前記フレア部または前記拡管部の前記テーパー部は、傾部の角度が１０〜４５°、前記フレア部または前記拡管部の軸方向の長さは、０．１〜２０ｍｍである請求項１６に記載の熱交換部材の製造方法。
18. 前記柱状セラミックス体は、端部の外周部が面取加工されている請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の熱交換部材の製造方法。
19. 前記面取加工は、４５°面取加工、またはＲ０．１〜１ｍｍの丸み面取加工である請求項１８に記載の熱交換部材の製造方法。
20. 前記金属管に前記柱状セラミックス体を１〜１００ｍｍ／ｓで押し込む請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の熱交換部材の製造方法。
21. 前記金属管に前記柱状セラミックス体を１Ｎ〜１０ｋＮの押し込み荷重で押し込む請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の熱交換部材の製造方法。
22. 前記柱状セラミックス体は、長さＬと外径ＤがＬ／Ｄ≦１である請求項１５〜２１のいずれか１項に記載に熱交換部材の製造方法。

Images