JP7837770B2

JP7837770B2 - 焼き嵌め部材の製造方法

Info

Publication number: JP7837770B2
Application number: JP2022050610A
Authority: JP
Inventors: 文崇竹内; 修平久野; 聖也沢田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2026-03-31
Anticipated expiration: 2042-03-25

Description

本発明は、焼き嵌め部材の製造方法に関する。

熱交換器には、耐食性などの特性が要求されることが多いことから、セラミックス製の熱交換器が用いられている。熱交換器は、化学業界や製薬業界などにおいて、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、有機化合物などを含む各種流体の加熱、冷却、凝縮に利用されている。また、熱交換器は、エンジン始動時に冷却水、エンジンオイル、オートマチックトランスミッションフルード（ＡＴＦ：ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＦｌｕｉｄ）などを早期に暖めてフリクション（摩擦）損失を低減するシステムや、排ガス浄化用触媒を早期に活性化するために触媒を加熱するシステムにも利用されている。

セラミックス製の熱交換器としては、金属管内に柱状セラミックス体を収容した構造を有するものがある。このような構造を有する熱交換器は、内部でセラミックス体が破損しても、流体同士が交じり合わないという利点がある。
金属管内に柱状セラミックス体を収容する方法としては、金属管を加熱し、セラミックス体を金属管内の所定の位置に挿入した後に冷却する焼き嵌め法が知られている（例えば、特許文献１）。

特許第６５１０２８３号公報

近年、焼き嵌めに使用される金属管としてシームレス管の使用が検討されている。シームレス管は、継ぎ目がある溶接管に比べて強度が高いため、熱交換器の耐久性を向上させるのに有効であると考えられる。
しかしながら、シームレス管として、深絞り加工によって作製された深絞りステンレス鋼管を用いて焼き嵌めを行うと、焼き嵌め時に柱状セラミックス体が破損し易い。これは、深絞り加工によって作製された深絞りステンレス鋼管は、加工硬化によって硬くなっており、焼き嵌め時に柱状セラミックス体に対する面圧が増加したためであると考えられる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、深絞り加工によって作製された深絞りステンレス鋼管を用いても柱状セラミックス体の破損を抑制可能な焼き嵌め部材の製造方法を提供するものである。

上記の課題は、以下の本発明によって解決されるものであり、本発明は以下のように特定される。

本発明は、柱状セラミックス体を深絞りステンレス鋼管内に配置して焼き嵌めする焼き嵌め部材の製造方法であって、
深絞り加工によって作製された前記深絞りステンレス鋼管及び前記柱状セラミックス体を準備する準備工程と、
前記深絞りステンレス鋼管を９００℃以上に加熱する加熱工程と、
加熱した前記深絞りステンレス鋼管内に前記柱状セラミックス体を挿入して焼き嵌めする焼き嵌め工程と
を含む製造方法である。

本発明によれば、深絞り加工によって作製された深絞りステンレス鋼管を用いても柱状セラミックス体の破損を抑制可能な焼き嵌め部材の製造方法を提供することができる。

ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面図である。ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面図である。本発明の実施形態に係る焼き嵌め部材の製造方法を説明するための図である。ＳＵＳ４３６Ｌから形成された深絞りステンレス鋼管の軸方向長さの中央部におけるビッカース硬さの加熱温度依存性のグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を適宜参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

本発明の実施形態に係る焼き嵌め部材の製造方法は、柱状セラミックス体を深絞りステンレス鋼管内に配置して焼き嵌めすることにより行われる。
まず、本発明の実施形態に係る焼き嵌め部材の製造方法に用いられる深絞りステンレス鋼管及び柱状セラミックス体について説明する。

＜深絞りステンレス鋼管＞
深絞りステンレス鋼管は、深絞り加工によって作製されたステンレス鋼管である。
また、深絞りステンレス鋼管は、深絞り加工後に熱処理が行われていないものが好ましい。すなわち、深絞りステンレス鋼管は、深絞り加工後、後述する加熱工程前に熱処理が行われていないものを対象とする。深絞り加工後に熱処理が行われていない深絞りステンレス鋼管は、深絞り加工による加工硬化によって硬質化している。

深絞りステンレス鋼管の形状としては、深絞りステンレス鋼管内に柱状セラミックス体を挿入可能な形状であれば特に限定されず、円筒形、角筒形などの各種形状とすることができる。また、深絞りステンレス鋼管は、軸方向に均一な径を有するストレート管であってもよく、ストレート管以外の管であってもよい。ストレート管以外の管は、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り、例えば、テーパー部を一部に有する、縮径及び／又は拡径した管が挙げられる。

深絞りステンレス鋼管は、０～１１００℃における熱膨張率が、１０～２２×１０^-6／℃であることが好ましい。このような熱膨張率を有する深絞りステンレス鋼管であれば、後述する加熱工程時に内部に柱状セラミックス体を挿入し易くすることができる。

深絞りステンレス鋼管を構成するステンレス鋼の種類としては、特に限定されず、フェライト系、オーステナイト系などを用いることができる。フェライト系ステンレス鋼としてはＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３６Ｌなど、オーステナイト系ステンレス鋼としてはＳＵＳ３０４などが挙げられる。

深絞りステンレス鋼管は、ステンレス鋼板を深絞り加工することによって製造することができる。深絞り加工の条件は、使用するステンレス板の種類などに応じて適宜調整すればよく特に限定されない。また、深絞りステンレス鋼管として市販のものを用いてもよい。

＜柱状セラミックス体＞
柱状セラミックス体は、セラミックスで柱状に形成され、第１端面から第２端面まで延びる流体の流路を有するものである。柱状とは、円柱状に限らず、軸方向（流路が延びる方向）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形状のものであってもよい。また、柱状セラミックス体は、軸方向に垂直な断面において中央部に中空部を有する中空型セラミックス体であってもよい。

柱状セラミックス体の熱伝導率は、２５℃において、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、１００～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることがより好ましく、１２０～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることが更に好ましい。柱状セラミックス体の熱伝導率を、このような範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、柱状セラミックス体内の熱を外部に効率良く伝達させることができる。なお、熱伝導率の値は、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳＲ１６１１－１９９７）により測定した値である。

柱状セラミックス体は、セラミックスを主成分とする。「セラミックスを主成分とする」とは、全質量に占めるセラミックスの質量比率が５０質量％以上であることをいう。
柱状セラミックス体は、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）を主成分として含むことが好ましい。「ＳｉＣ（炭化珪素）を主成分として含む」とは、全質量に占めるＳｉＣ（炭化珪素）の質量比率が５０質量％以上であることを意味する。
具体的には、柱状セラミックス体の材料として、Ｓｉ含浸ＳｉＣや（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣなどのＳｉ－ＳｉＣ系材料、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、及びＳｉＣなどを採用することができる。その中でも、安価に製造でき、高熱伝導であることからＳｉ－ＳｉＣ系材料を採用することが好ましい。

柱状セラミックス体は、ハニカム構造体であることが好ましい。
ここで、典型的なハニカム構造体の軸方向に垂直な断面図を図１及び２に示す。
図１に示されるハニカム構造体１００は、外周壁１１０と、外周壁１１０の内側に配設され、第１端面から第２端面まで延びる複数のセル１２０を区画形成する隔壁１３０とを有する。また、図２に示されるハニカム構造体２００は、外周壁１１０と、内周壁１４０と、外周壁１１０と内周壁１４０との間に配設され、第１端面から第２端面まで延びる複数のセル１２０を区画形成する隔壁１３０とを有する。このハニカム構造体２００は、中空型ハニカム構造体と称される。これらのハニカム構造体１００，２００は、隔壁１３０を有することにより、セル１２０を流通する流体からの熱を効率良く集熱し、外部に伝達することができる。
なお、ハニカム構造体１００，２００の軸方向に垂直な断面におけるセル１２０の形状は、図示した形状に限定されず、円形、楕円形、三角形などの多角形などとしてもよい。

ハニカム構造体１００，２００の軸方向に垂直な断面におけるセル密度（即ち、単位面積当たりのセル１２０の数）は、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよいが、４～３２０セル／ｃｍ²の範囲であることが好ましい。セル密度を４セル／ｃｍ²以上とすることにより、隔壁１３０の強度、ひいてはハニカム構造体１００，２００自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分に確保することができる。また、セル密度を３２０セル／ｃｍ²以下とすることにより、流体が流れる際の圧力損失の増大を防止することができる。

ハニカム構造体１００，２００の隔壁１３０の厚みは、目的に応じて適宜設計すればよく、特に限定されない。隔壁１３０の厚みは、５０μｍ～２ｍｍとすることが好ましく、６０μｍ～６００μｍとすることがより好ましい。隔壁１３０の厚みを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、隔壁１３０の厚みを２ｍｍ以下とすると、ハニカム構造体１００，２００に占めるセル容積の割合が大きくなることによって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１００，２００の外周壁１１０及び内周壁１４０の厚みも、目的に応じて適宜設計すればよく、特に限定されない。外周壁１１０及び内周壁１４０の厚みは、焼き嵌め部材が一般的な熱伝導用途に用いられる場合は、０．３ｍｍ超過１０ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ～５ｍｍであることがより好ましく、１ｍｍ～３ｍｍであることが更に好ましい。また、焼き嵌め部材が蓄熱用途に用いられる場合は、外周壁１１０の厚みを１０ｍｍ以上として外周壁１１０の熱容量を増大させることも好ましい。

外周壁１１０、隔壁１３０及び内周壁１４０の気孔率は、１０％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましく、３％以下であることが更に好ましい。また、外周壁１１０、隔壁１３０及び内周壁１４０の気孔率は０％とすることもできる。外周壁１１０、隔壁１３０及び内周壁１４０の気孔率を１０％以下とすることにより、熱伝導率を向上させることができる。

ハニカム構造体１００，２００のアイソスタティック強度は、１００ＭＰａ超過が好ましく、１５０ＭＰａ以上がより好ましく、２００ＭＰａ以上が更に好ましい。ハニカム構造体１００，２００のアイソスタティック強度が、１００ＭＰａ超過であると、ハニカム構造体１００，２００が耐久性に優れたものとなる。ハニカム構造体１００，２００のアイソスタティック強度は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格であるＪＡＳＯ規格Ｍ５０５－８７に規定されているアイソスタティック破壊強度の測定方法に準じて測定することができる。

柱状セラミックス体は、当該技術分野において公知の方法によって製造することができる。具体的な柱状セラミックス体の製造方法について、ハニカム構造体１００，２００の製造方法を例に説明する。
まず、セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押出成形し、ハニカム成形体を作製する。このとき、適切な形態の口金及び治具を選択することにより、セル１２０の形状及び密度、隔壁１３０の数、長さ及び厚さ、外周壁１１０及び内周壁１４０の形状及び厚さなどを制御することができる。また、ハニカム成形体の材料としては、上記のセラミックスを用いることができる。例えば、Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム成形体を製造する場合、所定量のＳｉＣ粉末に、バインダーと、水又は有機溶媒とを加え、得られた混合物を混練して坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得ることができる。そして、得られたハニカム成形体を乾燥し、減圧の不活性ガス又は真空中で、ハニカム成形体中に金属Ｓｉを含浸焼成することによって、ハニカム構造体１００，２００を得ることができる。

本発明の実施形態に係る焼き嵌め部材の製造方法は、上記の深絞りステンレス鋼管及び柱状セラミックス体を用いて実施される。この製造方法を説明するための図（斜視図）を図３に示す。
本発明の実施形態に係る焼き嵌め部材の製造方法は、準備工程と、加熱工程と、焼き嵌め工程とを含む。また、この製造方法は、焼き嵌め工程後に冷却工程を更に含んでもよい。これらの工程を有する製造方法は、公知の製造装置（例えば、特許第６５１０２８３号公報に記載の製造装置）を用いて行うことができる。

＜準備工程＞
準備工程は、深絞り加工によって作製された深絞りステンレス鋼管１０及び柱状セラミックス体２０を準備する工程である。深絞りステンレス鋼管１０は、上述したように深絞り加工によって作製してもよいし、市販品を用いてもよい。また、柱状セラミックス体２０は、上述したように公知の方法によって作製することができる。

柱状セラミックス体２０の軸方向に平行な外周面には、必要に応じて、中間材を巻き付けてもよい。このとき接着剤を用いて、柱状セラミックス体２０の軸方向に平行な外周面に中間材を貼り付けてもよい。接着剤を用いることにより、中間材を均一に貼り付けることができる。接着剤は、十分に薄く且つ良伝熱性であることが好ましい。
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、弾塑性流体などが挙げられる。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）などが挙げられる。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、グリースなどが例として挙げられる。密着性や熱伝導性などを考慮すると、中間材はグラファイトシートであることが好ましい。

＜加熱工程＞
加熱工程は、深絞りステンレス鋼管１０を９００℃以上に加熱する工程である。このような温度に深絞りステンレス鋼管１０を加熱することにより、深絞り加工によって硬質化した深絞りステンレス鋼管１０が軟化する。その結果、焼き嵌め工程時に柱状セラミックス体２０に対する深絞りステンレス鋼管１０の面圧の増加を抑制できるため、柱状セラミックス体２０が破損し難くなる。また、この加熱工程によって焼き嵌めに必要な加熱も同時に行うことができるため、製造時間の短縮化や製造コストの削減も行うことができる。なお、加熱温度は、加熱温度の上昇による製造コストの増加を抑制する観点から、１０００℃未満であることが好ましく、９８０℃以下であることがより好ましい。

ここで、ＳＵＳ４３６Ｌから形成された深絞りステンレス鋼管１０（軸方向長さ５７ｍｍ、外径８７ｍｍ、内径８５ｍｍ、厚み１ｍｍ）の軸方向長さの中央部におけるビッカース硬さの加熱温度依存性のグラフを図４に示す。図４に示されるように、未加熱の深絞りステンレス鋼管１０のビッカース硬さは２４３ＨＶであったのに対し、９００℃以上で加熱することで深絞りステンレス鋼管１０のビッカース硬さが約１５０ＨＶまで低下した。したがって、加熱温度を９００℃以上とすることにより、深絞り加工によって硬質化した深絞りステンレス鋼管１０を十分に軟化させることができる。
なお、上記のビッカース硬さは、ビッカース硬度計を用いて室温（２５℃）で測定された５箇所の測定値の平均値である。

加熱時間は、特に限定されないが、５秒以上であることが好ましく、１０秒以上であることがより好ましい。このような加熱時間に制御することにより、深絞りステンレス鋼管１０を十分に軟化させることができる。また、加熱時間は、加熱時間の長期化による製造コストの増加を抑制する観点から、６０秒以下であることが好ましく、３０秒以下であることがより好ましい。

加熱方法としては、特に限定されないが、深絞りステンレス鋼管１０の外周側に加熱手段を配置し、加熱手段によって深絞りステンレス鋼管１０を加熱すればよい。加熱手段としては、例えば、高周波加熱機などを用いることができる。

＜焼き嵌め工程＞
焼き嵌め工程は、加熱した深絞りステンレス鋼管１０内に柱状セラミックス体２０を挿入して焼き嵌めする工程である。具体的には、図３に示されるように、柱状セラミックス体２０を矢印方向に移動させ、加熱した深絞りステンレス鋼管１０内の所定の位置に配置して焼き嵌める。加熱した深絞りステンレス鋼管１０の温度が低下すると、加熱によって膨張した深絞りステンレス鋼管１０が収縮するため、深絞りステンレス鋼管１０内の所定の位置に柱状セラミックス体２０が固定された焼き嵌め部材３０となる。

柱状セラミックス体２０の移動方法としては、特に限定されないが、公知の各種駆動手段を用いて行うことができる。例えば、深絞りステンレス鋼管１０と柱状セラミックス体２０とが一直線上となるように位置決めし、駆動軸を有する駆動手段によって柱状セラミックス体２０を深絞りステンレス鋼管１０内の所定の位置まで移動させればよい。

＜冷却工程＞
冷却工程は、深絞りステンレス鋼管１０の冷却を行う工程である。積極的な冷却を行うことにより、焼き嵌め部材３０を迅速に得ることができる。
冷却条件としては、特に限定されず、使用する深絞りステンレス鋼管１０の種類などに応じて適宜調整すればよい。

上記の工程を有する本発明の実施形態に係る焼き嵌め部材の製造方法は、深絞り加工によって硬質化した深絞りステンレス鋼管１０を軟化させることにより、焼き嵌め工程時に柱状セラミックス体２０に対する深絞りステンレス鋼管１０の面圧の増加を抑制できるため、柱状セラミックス体２０の破損を抑制することができる。
また、この製造方法によって製造された焼き嵌め部材３０は、シームレスの深絞りステンレス鋼管１０を用いており、柱状セラミックス体２０の破損が抑制されているため、耐久性及び信頼性に優れている。したがって、熱交換部材として用いるのに適している。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

柱状セラミックス体として、軸方向に垂直な断面が円形のハニカム構造体（円柱状）を作製した。まず、ＳｉＣ粉末を含む坏土を所望の形状に押出成形した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工し、Ｓｉ含浸焼成することによって、ハニカム構造体を作製した。作製したハニカム構造体は、軸方向に垂直な断面におけるセルの形状を四角形、セル密度を５６セル／ｃｍ²、外周壁の直径（外径）を８５ｍｍ、軸方向（第１流体の流路方向）の長さを３６ｍｍ、外周壁の厚みを１．５ｍｍ、隔壁の厚みを０．３ｍｍ、外周壁及び隔壁の気孔率を２％、熱伝導率（２５℃）を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、アイソスタティック強度を１００ＭＰａに設定した。

次に、深絞り加工によって作製された深絞りステンレス鋼管（ＳＵＳ４３６Ｌ製、未熱処理）を準備した。深絞りステンレス鋼管は、軸方向長さを５７ｍｍ、外径を８７ｍｍ、内径を８５ｍｍ、厚みを１ｍｍ、０～１１００℃における熱膨張率を１１×１０^-6／℃とした。
次に、深絞りステンレス鋼管を表１に示す温度に加熱した後、深絞りステンレス鋼管内にハニカム構造体を挿入して焼き嵌めすることにより、焼き嵌め部材を得た。
得られた焼き嵌め部材について、ハニカム構造体を目視観察することにより、ハニカム構造体のクラックの有無を評価した。また、深絞りステンレス鋼管の軸方向長さの中央部におけるビッカース硬さを上記で説明した方法で測定した。これらの結果を表１に示す。

表１に示されるように、深絞りステンレス鋼管の加熱温度が９００℃以上の場合、深絞りステンレス鋼管を十分に軟化させることができたため、焼き嵌め後にハニカム構造体にクラックが発生しなかった。これに対して深絞りステンレス鋼管の加熱温度が８５０℃の場合、深絞りステンレス鋼管を十分に軟化させることができず、焼き嵌め後にハニカム構造体にクラックが発生した。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、深絞り加工によって作製された深絞りステンレス鋼管を用いても柱状セラミックス体の破損を抑制可能な焼き嵌め部材の製造方法を提供することができる。

１０深絞りステンレス鋼管
２０柱状セラミックス体
３０焼き嵌め部材
１００，２００ハニカム構造体
１１０外周壁
１２０セル
１３０隔壁
１４０内周壁

Claims

柱状セラミックス体を深絞りステンレス鋼管内に配置して焼き嵌めする焼き嵌め部材の製造方法であって、
深絞り加工によって作製された前記深絞りステンレス鋼管及び前記柱状セラミックス体を準備する準備工程と、
前記深絞りステンレス鋼管を９００℃以上に加熱する加熱工程と、
加熱した前記深絞りステンレス鋼管内に前記柱状セラミックス体を挿入して焼き嵌めする焼き嵌め工程と
を含む製造方法。
前記深絞りステンレス鋼管の加熱時間が５秒以上である、請求項１に記載の製造方法。
前記深絞りステンレス鋼管は、前記深絞り加工後、前記加熱工程前に熱処理が行われていない、請求項１又は２に記載の製造方法。
前記焼き嵌め工程後に冷却を行う冷却工程を更に含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の製造方法。
前記柱状セラミックス体が、外周壁と、前記外周壁の内側に配設され、第１端面から第２端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するハニカム構造体、又は外周壁と、内周壁と、前記外周壁と前記内周壁との間に配設され、第１端面から第２端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するハニカム構造体である、請求項１～４のいずれか一項に記載の製造方法。
前記深絞りステンレス鋼管は、０～１１００℃における熱膨張率が、１０～２２×１０^-6／℃である、請求項１～５のいずれか一項に記載の製造方法。