专利名称：导热构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及筒状陶瓷体被金属管覆盖的导热构件。
背景技术：
通过从高温流体向低温流体的热交换，可以有效地利用热。例如，具有从发动机等的烟气等高温气体回收热的热回收技术。作为气体/液体热交换器，一般是汽车的散热器、空调室外机等的翅片管型热交换器。但是，例如要从汽车废气等气体回收热，一般的金属制热交换器的话缺乏耐热性，难以在高温下使用。因此，适宜的是具有耐热性、耐热冲击、耐腐蚀等的耐热金属或陶瓷材料等。但是，耐热金属存在价格高且加工困难，密度高而重、导热低等的课题。在此，使用了陶瓷材料的热回收技术得以开发。例如，有使用筒状陶瓷体进行热交换的技术。此时，通过使第一流体在筒状陶瓷体的内部流通、在第二流体外部流通，进行热交换。对气体和液体使用筒状陶瓷体进行热交换时，为了使筒状陶瓷体不出现漏液、2种流体混合，必须屏蔽筒状陶瓷体。专利文献I中提出了通过使作为筒状陶瓷体的陶瓷制的蜂窝结构体和金属基材(金属管)一体化，从而进行热回收的技术。现有技术文献专利文献专利文献1:日本专利特开平9-327627号公报
发明内容
但是，如专利文献1，使陶瓷制的蜂窝结构体与金属基材(金属管)一体化时，存在使用时发生热膨胀、蜂窝结构体与金属基材(金属管)的附着性恶化、产生热应力、损伤蜂窝结构体的问题。此外，通过压入使筒状陶瓷体与金属管一体化的情况下，由于附着不足会造成热阻变大，过度预压会损坏导热构件，另外，由于金属管内残留有较大残留应力，耐久性会下降。通过焊接使筒状陶瓷体与金属管一体化的情况下，难以确保润湿性，热膨胀差会引发应力。本发明的课题是提供筒状陶瓷体被金属管覆盖的情况下，在保持热结合状态的同时，抑制热膨胀差弓I发应力的导热构件。本发明者们发现，通过在筒状陶瓷与其外周侧的金属管之间具有杨氏模量150GPa以下的材料所构成的中间材料，可以解决上述课题。即，根据本发明，可提供以下的导热构件。[I] 一种导热构件，其具备筒状陶瓷体、所述筒状陶瓷体的外周侧的金属管和被夹在所述筒状陶瓷体和所述金属管之间的中间材料，所述筒状陶瓷体具有作为加热体的第一流体流通的流路，所述流路贯通筒状陶瓷体一侧端面至另一侧端面，所述中间材料的至少一部分由杨氏模量为150GPa以下的材料，使所述第一流体在所述筒状陶瓷体的内部流通，使温度低于所述第一流体的第二流体在所述金属管的外周面一侧流通，使所述第一流体与所述第二流体进行热交换。[2]如上述[I]所述的导热构件，所述中间材料与所述金属管和所述筒状陶瓷体的至少一部分接触。[3]如上述[I]或[2]所述的导热构件，所述中间材料的至少一部分的热导率在lff/m.K 以上。[4]如上述[I] [3]中任意一项所述的导热构件，所述中间材料由所述石墨片构成，杨氏模量在IGPa以下，厚度方向的热导率在3W/m.K以上。[5]如上述[I] [4]中任意一项所述的导热构件，所述筒状陶瓷体的热导率在IOOff/m.K 以上。[6]如上述[I] [5]中任意一项所述的导热构件，所述筒状陶瓷体为蜂窝结构体，该蜂窝结构体具有由多孔质体构成的隔板，由所述隔板区划形成作为流体流路的多个孔格。[7]如上述[6]所述的导热构件，所述蜂窝结构体的主成分为碳化硅。通过在筒状陶瓷体与其外周侧的金属管之间具备由杨氏模量150GPa以下的材质构成的中间材料，提高附着性。因此导热性良好，可有效地使筒状陶瓷体内的热排出至金属管的外侧。此外，由于轴(纵向)方向的导热性极好，因此顶端(入口)一侧的热可逃逸至后(出口)侧。使用石墨片作为中间材料时，由于石墨片可以导致侧滑，因此筒状陶瓷体与金属管间的热膨胀差难以引发应力。金属管与筒状陶瓷体的接合部最高可能暴露在150°C左右的温度下，但石墨的耐热温度在400°C以上，是足够的。此外，无需担心腐蚀的影响。
图1是显示本发明的导热构件的从轴方向的一侧端面观察的模式图。图2是显示本发明的导热构件的侧视图。图3是显示本发明的导热构件的其他实施形态的从轴方向的一侧端面观察的模式图。图4是用于说明一体化的第二方法的模式图。图5是显示本发明的导热构件的其他实施形态的以与轴方向平行的面截断的截面图。图6A是显示仅部分夹有中间材料的实施形态的以与轴方向平行的面截断的截面图。图6B是显示仅部分夹有中间材料的别的实施形态的以与轴方向垂直的面截断的截面图。图7A是显示金属管的内侧设置有翅片的实施形态的以与轴方向平行的面截断的截面图。图7B是显示金属管的内侧设置有翅片的实施形态的以与轴方向垂直面截断的截面图。
图8A是显示金属管的外侧设置有翅片的实施形态的以与轴方向平行的面截断的截面图。图SB是显示金属管的外侧设置有翅片的实施形态的以与轴方向垂直的面截断的截面图。图9A是显示金属管的外侧设置有翅片的其他实施形态的模式图。图9B是显示金属管的外侧设置有翅片的其他实施形态的以与轴方向垂直的面截断的截面图。图1OA是显示金属管形成有阶梯部的实施形态的以与轴方向平行的面截断的截面图。图1OB是显示金属管形成有阶梯部的实施形态的以与轴方向垂直的面截断的截面图。图11是显示金属管形成有阶梯部的其他实施形态的以与轴方向平行的面截断的截面图。图12A是显示金属管的蜂窝构造体端面附近至端部形成有阶梯部的实施形态的以与轴方向平行的面截断的截面图。图12B是显示蜂窝构造体的端面附近的金属管形成有阶梯部的实施形态的以与轴方向平行面截断的截面图。图12C是显示金属管的端部形成有阶梯部的实施形态的以与轴方向平行面截断的截面图。图13A是显示蜂窝结构体的轴方向边缘倒角的实施形态的截面图。图13B是显示蜂窝结构体的边缘涉及部分的金属管的内径是其他部分的内径的1.01倍以上而构成的实施形态的截面图。图14是显示含有本发明的导热构件的热交换器的模式图。符号说明1:蜂窝结构体、2:(轴方向的)端面、3:孔格、4:隔板、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:(筒状陶瓷体的)外周面、7r:R形状部、10:导热构件、11:筒状陶瓷体、12:金属管、12a:端部、12d:阶梯部、12f:翅片、12h:(金属管的)外周面、13:中间材料(石墨片)、21:罩体、22:(第二流体的)入口、23:(第二流体的)出口、24:(罩体的)内侧面、30:热交换器。
具体实施例方式以下参照
本发明的实施形态。本发明不限定于以下的实施形态，在不脱离发明的范围内可进行变更、修正、改良。图1显示的是从轴方向的一侧端面观察本发明的导热构件10的图，图2显示的是导热构件10的侧视图。导热构件10具备筒状陶瓷体11、筒状陶瓷体11的外周侧的金属管12、被夹在筒状陶瓷体11与金属管12之间的中间材料13。筒状陶瓷体11具有贯通其一侧端面2至另一侧端面2的、作为加热体的第一流体流通的流路。中间材料13的至少一部分由杨氏模量150GPa以下的材料构成。此外，通过使第一流体在筒状陶瓷体11的内部流通、使温度低于第一流体的第二流体在金属管12的外周面12h —侧流通，导热构件10可进行第一流体与第二流体的热交换。由于导热构件10在筒状陶瓷体11的外周侧具有金属管12，因此第一流体与第二流体被完全分离，这些流体不会混合。此外，由于导热构件10具有金属管12，因此通过设置场所和设置方法可容易地进行加工，加工自由度高。通过金属管12可以保护导热构件10的筒状陶瓷体11，也能抵抗外部冲击。通过在导热构件10中使用由杨氏模量150GPa以下的材料构成的中间材料13，可提高金属管12与筒状陶瓷体11的附着性，提高导热性。此时，中间材料13与金属管12和筒状陶瓷体11的至少一部分接触可使导热构件10的导热性良好，因此优选。另外，优选中间材料13的至少一部分的热导率在lW/m.Κ以上。通过中间材料13的热导率在lW/m.K以上，可提高导热构件10的导热性。作为中间材料13，可举出有，石墨片、金属片、凝胶片、弹塑性流体等。作为构成金属片的金属，可举出有，金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)等。弹塑性流体指的是，施加较小的力的话不会塑性变形而表现的如同固体的(具有弹性模量)、施加较大的力的话会自由变形而如流体般变形的材料，可举例有油脂等。作为中间材料13，考虑附着性和导热性等的话，优选使用石墨片。以下，作为中间材料13，以石墨片为例进行说明。在金属管12与筒状陶瓷体11夹住由石墨片构成的中间材料13的状态下，可通过例如热装配合而嵌合(后述的一体化的第一方法)。通过将金属管12与筒状陶瓷体11 一体化，可以防止第一流体与第二流体混合。通过夹住石墨片构成的中间材料13来进行热装，在金属管12与筒状陶瓷体11的接合部使用时在常温 150°C环境下，在石墨片上施加压力，可传递热。本说明书中的石墨片指的是，压延以膨胀石墨为主成分的石墨并加工成的片状，或者是热分解高分子膜得到的片状物，也包含被称为黑铅片、碳片的物质。石墨片优选厚度方向的杨氏模量在IGPa以下、厚度方向的热导率在lW/m.Κ以上。对于厚度方向的热导率，更优选3 10W/m*K。此外，面内方向的热导率优选5 1600W/m*K，更优选100 400W/m.K。此外，石墨片的杨氏模量优选IMPa lGPa。更优选5MPa 500MPa，进一步优选IOMPa 200MPa。杨氏模量在IMPa以上的话，石墨的密度足够、导热性良好。另一方面，在500MPa以下时，即使是薄的石墨片，热装配合时也可充分弹性变形、得到附着性、金属管12的应力松弛效果。石墨片的厚度优选25 μ m 1_，更优选25 μ m 500 μ m,进一步优选50 μ m 250 μ m。石墨片越薄价格越高。此外，厚的话会产生热阻。通过使用该范围的石墨片，导热性良好，可高效地将筒状陶瓷体11内的热排出至金属管12的外侧。筒状陶瓷体11优选热导率在100W/m.K以上。更优选120 300W/m.K，进一步优选150 300W/m*K。通过在该范围内，导热性良好，可高效地将筒状陶瓷体11内的热排出至金属管12的外侧。
另外，筒状陶瓷体11指的是，由陶瓷形成为筒状，具有贯通轴方向的一侧端面2至另一侧端面2的流体流路。筒状指的是，不限于圆筒状(圆柱状)，也可以是垂直于轴(纵向)方向的截面复合有椭圆形状、圆弧的卵形形状、四角形或其他的多角形的棱柱状。筒状陶瓷体11优选为具有多孔质体构成的隔板4、通过隔板4区划形成成为流体流路的许多个孔格的蜂窝结构体I。通过具有隔板4，可高效收集筒状陶瓷体11内部流通的流体发出的热，并传递至外部。图1及图2显示的是将形成有许多个孔格的蜂窝结构体I用作筒状陶瓷体11的实施形态。此外，图3中显示的是，将不具有隔板4、仅有外周壁7、内部为中空的陶瓷管用作筒状陶瓷体11的实施形态。筒状陶瓷体11优选使用耐热性优异的陶瓷，特别是考虑导热性的话，优选以导热性高的SiC (碳化硅)为主成分。另外，主成分指的是，筒状陶瓷体11的50质量％以上为碳化娃。但是，并没有必要使筒状陶瓷体11整体由SiC (碳化硅)构成，本体中含有SiC (碳化硅)即可。即，筒状陶瓷体11优选由含有SiC (碳化硅)的陶瓷构成。另外，即使是SiC (碳化硅)，在多孔体的情况下也无法得到较高的热导率，因此，优选在筒状陶瓷体11的制作过程中含浸硅，制为致密体结构。通过制为致密体结构，可以得到高热导率。例如，SiC (碳化硅)的多孔体的情况下，为20W/m.K左右，但为致密体的话，可以在150W/m.K左右。作为筒状陶瓷体11，可采用Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC、金属复合SiC、Si3N4及SiC等，但为了制为为了 得到高热交换率的致密体结构，可采用Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC0 Si含浸SiC，是在SiC粒子表面包围有金属硅熔体的凝固物的同时，由于具有通过金属硅一体接合SiC的结构，使碳化硅与含氧的气氛隔断，可防止氧化。另外，SiC具有热导率高、容易放热的特征，含浸Si的SiC在显示出较高的热导率和耐热性的同时，成型致密，显示出作为导热构件的足够的强度。即，S1-SiC系(Si含浸SiC、(Si+Al)含浸S iC)材料构成的筒状陶瓷体11，显示出耐热性、耐热冲击性、耐氧化性、对酸、碱等的优异地耐蚀性的特性的同时，显示出高热导率。筒状陶瓷体11形成为通过隔板4而区划形成成为流路的许多个孔格3的蜂窝结构体I时，孔格形状可从圆形、椭圆形、三角形、四角形、六角形、其他多角形等中适当选择期望的形状。对于蜂窝结构体I的孔格密度(即每单位截面积的孔格数)，并无特别限制，根据目的适当设计即可，但优选25 2000孔格/平方英寸(4 320孔格/cm2)的范围。如果孔格密度大于25孔格/平方英寸，可以使隔板4的强度、甚至蜂窝结构体I自身的强度及有效GS A (几何学的表面积)足够。另一方面，通过孔格密度在2000孔格/平方英寸以下，可以减少热介质流通时的压力损失。此外，每I个蜂窝结构体I的孔格数优选为I 10，000，特别优选为200 2，000。
孔格数过多的话，蜂窝自身变大，因此从第一流体一侧至第二流体一侧的导热距离变长，导热损失变大，热通量变小。此外，孔格数较少时，第一流体一侧的导热面积变小，无法降低第一流体一侧的热阻，热通量变小。对于蜂窝结构体I的孔格3的隔板4的厚度(壁厚)，也可根据目的适当设计，并无特别限制。壁厚优选为50μπι 2mm，更优选60μπι 500μπι。壁厚在50 μ m以上的话，可提升机械强度，防止冲击和热应力造成破损。另一方面，在2mm以下的话，由于蜂窝结构体一侧所占的孔格体积的比例变大，流体的压力损失变小，可以提闻热交换率。蜂窝结构体I的孔格3的隔板4的密度优选为0.5 5g/cm3。在0.5g/cm3以上时，隔板4的强度足够，可以防止第一流体穿过流路时的压力造成隔板4破损。此外，在5g/cm3以下的话，蜂窝结构体I自身不会过重，可以轻量化。通过时密度在上述范围内，可使蜂窝结构体I坚固。此外，也可得到提高热导率的效果。热交换器30 (参照图14)中流通的第一流体(高温侧)为废气时，第一流体(高温侦D所通过的蜂窝结构体I的孔格3内部的壁面上，优选负载有催化剂。这是由于，除了净化废气的作用，废气净化时产生的反应热(发热反应)也可进行热交换。可含有至少一种选自贵金属(钼、错、钮、钌、铟、银及金)、招、镍、错、钛、铺、钴、猛、锌、铜、锌、锡、铁、银、镁、镧、钐、铋及钡构成的群的元素。它们也可以是金属、氧化物及其他的化合物。第一流体(高温侧)所通过的蜂窝结构体I的第一流体流通部5的孔格3的隔板4上负载的催化剂(催化剂金属+负载体)的负载量，优选为10 400g/L，贵金属的话，进一步优选0.1 5g/L。催化剂(催化剂金属+载体)的负载量在10g/L以上的话，可充分体现催化作用。另一方面，在400g/L以下的话，压力损失不会变的过大，也可抑制制造成本的上升。作为金属管12，优选具有耐热性、耐蚀性的，可使用例如，SUS管、铜管、黄铜管等。金属管12的外周面12h上流通的第二流体的冷却水的水温可上升至120°C前后，此时为了不使的热膨胀率差形成的筒状陶瓷体11与金属管12之间的压力消失，金属管12的直径优选为下式的范围。即，室温25°C下的筒状陶瓷体11的外径为d、石墨片的厚度为C、筒状陶瓷体11的热膨胀系数为α、金属管12的热膨胀系数为β、热装配合温度为1000°C的话，金属管12的内径D优选如下设定。d+2Xc_975X β Xd < D < d+2Xc_125X ( β -α ) Xd上述的金属管12的内径D是，在可以确保筒状陶瓷体11与金属管12的接合部上，在假设的常温 150°C的温度区域内，紧配合的压力准确涉及的范围。通过使金属管12的内径D在该范围内，可使金属管12不会残留超过需要的拉伸应力。具体例如，筒状陶瓷体11的外径为42mm、筒状陶瓷体11的热膨胀系数α为4.0Χ10_6、金属管12的热膨胀系数β 为 17X10'石墨片的厚度 c 为 0.2mm 时，41.704mm < D < 42.332mm。(导热构件的制造方法)接着，说明本发明的导热构件10的制造方法。首先，混合平均粒径不同的SiC粉末，调制SiC粉末的混合物。在该SiC粉末的混合物中混合粘合剂、水，使用混炼机混炼，由此得到混炼物。将该混炼物投入真空捏合机，制作圆柱状的坯土。接着，将坯土挤出成形，形成蜂窝成形体。挤出成形中，通过选择适当形状的喷口和夹具，将外周壁的形状和厚度、隔板的厚度、孔格的形状、孔格密度等制为所期望的。喷口优选使用由难以磨损的超硬合金制作的。对于蜂窝成形体，使其形成为外周壁为圆筒形状或中空的四棱柱形状、外周壁的内部被隔板区分为四角形的格子状的结构。此外，对于这些隔板，使其形成为在相互垂直方向各自等间隔并列，且笔直横穿外周壁的内部。由此，可以使外周壁内部的最外周部以外的孔格的截面形状为正方形。接着，对挤出成形得到的蜂窝成形体进行干燥。首先，将蜂窝成形体以电磁波加热方式干燥，接着，以外部加热方式进行干燥。通过如此的两阶段干燥，可将蜂窝成形体中的相当于干燥前的蜂窝成形体所含的全部水分量的97%以上的水分除去。接着，在氮气氛下对蜂窝成形体进行脱脂。另外，在如此脱脂得到的蜂窝结构体上放置金属Si块，在真空中或减压的惰性气体中进行烧结。在此烧结中，使蜂窝结构体上放置的金属Si块融解，使外周壁7和隔板4含浸金属Si。例如，使外周壁7和隔板4的热导率为100W/m.K时，相对于100质量份蜂窝结构体，使用70质量份的金属Si块。此外，使夕卜周壁7和隔板4的热导率为150W/m.K时，相对于蜂窝结构体100质量份，使用80质量份的金属Si块。接着，说明如上制造的蜂窝结构体1、中间材料13及金属管12的一体化方法。第一方法是，首先，将用作中间材料13的石墨片缠卷在蜂窝结构体I的外周壁7的外周面7h。此时，也可使用粘合剂粘贴。通过使用粘合剂，可同样粘贴石墨片。优选足够薄、有良好的导热性的粘合剂。此外，为了在热装配合后成为紧配合状态，粘合可以是全面粘合，也可以是部分粘合。接着将金属管12用高频加热机升温至KKKTC左右。然后，将蜂窝结构体插入金属管12，通过热装而一体化，可形成导热构件10。说明蜂窝结构体1、中间材料13及金属管12的一体化的第二方法。第二方法使用金属板(平板)，制为金属管12。首先，在蜂窝结构体I的外周壁7的外周面7h缠卷石墨片。接着，向蜂窝结构体I施加压力的同时，缠卷紧固金属板(平板)(参照图4)。然后，将缠卷在蜂窝结构体I上的成为圆筒状的金属板的端部12a相互接合，制为金属管12。作为金属板端部12a的相互接合，可使用例如激光焊接。说明蜂窝结构体1、中间材料13及金属管12的一体化的第三方法。第三方法是热塑性加工法。首先，在蜂窝结构体I的外周壁7的外周面7h缠卷石墨片。接着，将蜂窝结构体I设置在金属管12的内部。使用的内径足够大于蜂窝结构体I的外周径的金属管12。接着，将金属管12的设置有蜂窝结构体I区域，使用高频加热装置等升温至400 1100°C左右。通过对金属管12进行局部加热的同时拉伸金属管两端部，使金属管12直径缩小。金属管12与蜂窝结构体I 一体化后冷却，可形成导热构件10。本发明的导热构件10，通过在筒状陶瓷体11和其外周侧的金属管12之间具有低杨氏模量的石墨片等构成的中间材料13，提高附着性。因此厚度方向(管的直径方向)的热导率可在3W/m.K以上，导热性良好。此外，纵轴(轴)方向的热导率可在250W/m.K以上，导热性也良好。由于石墨片等可以侧滑，因此筒状陶瓷体11与金属管12间的热膨胀差引发应力难以产生。因此，实用中热耐久性足够。图5是显示本发明的导热构件10的其他实施形态的以与轴方向平行的面截断的截面图。如图5所示，金属管12长于蜂窝结构体I的轴方向的长度。如此构成的话，根据导热构件10的设置场所和用途，金属管12的端部12a加工容易。图6A显示的是仅部分夹有中间材料13的实施形态的轴方向平行的面阶段的截面图。此外，图6B显示的是仅部分夹有中间材料13的别的实施形态的轴方向垂直的面截断的截面图。中间材料13，如图6A及图6B所示，不一定需要具备蜂窝结构体I整体。此种实施形态中，也可得到热应力松弛和导热效率提高的效果。此外，中间材料13也可以是网眼状的。图7A显示的是金属管12的内侧设置有翅片12f的实施形态。此外，图7B是图7A的实施形态的以与轴方向垂直的面截断的截面图。金属管12内侧的端部12a设置有翅片12f。如此，通过金属管12上设置翅片12f，可以提高金属管的刚性。此外，图8A显示的是金属管12的外侧设置有翅片12f的实施形态。此外，图8B是图8A的实施形态的以与轴方向垂直的面截断的截面图。金属管12外侧的轴方向的几乎全长上设置有翅片12f。如此，通过金属管12上设置翅片12f，可以提高金属管的刚性。
图9A显示的是金属管12的外侧设置有翅片12f的其他实施形态的模式图。此外，图9B是图9A的实施形态的以与轴方向垂直的面截断的截面图。翅片12f的形状不限定于图8B和图9B的实施形态。图1OA显示的是金属管12设置有阶梯部12d的实施形态的以与轴方向平行的面截断的截面图。此外，图1OB是显示图1OA的实施形态的以与轴方向垂直的面截断的截面图。本实施形态中，阶梯部12d形成为内侧凹下的形状。此种形状的部位可通过冲压制法形成。通过设置凹下部位，可以提高金属管12的刚性。如图11，作为阶梯部12d，也可形成为金属管12上向外侧突出的部位。图12A显示的是金属管12的蜂窝结构体I的端面2附近至端部12a形成有筒状阶梯部12d的实施形态。本实施形态的阶梯部12d，从蜂窝结构体I的端面2附近至金属管12的端部12a的直径被缩小，阶梯部12d形成为筒状(圆筒状)。通过形成此种阶梯部12d，可以缓和金属管12的应力。图12B显示的是蜂窝结构体I的端面2附近的金属管12形成有圆周状阶梯部12d的实施形态。通过形成此种阶梯部12d，可以缓和金属管12的应力。图12C显示的是金属管12的端部12a上形成有向外侧突出的圆周状阶梯部12d的实施形态。通过形成此种阶梯部12d，可以缓和金属管12的应力。图13A显示的是蜂窝结构体I的外周壁7的轴方向的边缘倒角的实施形态。作为边缘的形状，可举出有，C形(C形部7c)或R形(R形部7r)。通过像这样形成边缘倒角的形状，可以防止蜂窝结构体I的边缘缺口。此外，如图13B所示，优选以蜂窝结构体I的外周壁7边缘涉及的部分的金属管12的内径为其他部分的内径的1.01倍以上的金属管12构成。通过此种构成，可以防止蜂窝结构体I的外周壁7的边缘缺口。图14显示的是含有本发明的导热构件10的热交换器30的侧视图。如图14所示，热交换器30由导热构件10 (蜂窝结构体1+中间材料13+金属管12)、内部含有导热构件10的罩体21形成。筒状陶瓷体11的蜂窝结构体I的孔格3成为流通第一流体的第一流体流通部5。热交换器30由，蜂窝结构体I的孔格3内流通有温度高于第二流体的第一流体构成。此外，罩体21上形成有第二流体的入口 22及出口 23，第二流体在导热构件10的金属管12的外周面12h上流通。g卩，由罩体21的内侧面24和金属管12的外周面12h，形成第二流体流通部6。第二流体流通部6，是由罩体21和金属管12的外周面12h所形成的第二流体的流通部，与第一流体流通部5通过蜂窝结构体I的隔板4、中间材料13、金属管12被隔离，可进行导热，第一流体流通部5所流通的第一流体的热，通过隔板4、中间材料13、金属管12获取，向流通的第二流体的被加热体传导热。第一流体与第二流体被完全分离，这些流体不混合。第一流体流通部5形成为蜂窝结构，蜂窝结构的情况下，流体穿过孔格3中时，流体因隔板4而不会流入别的孔格3，流体从蜂窝结构体I的入口至出口成直线前进。此外，本发明的热交换器30内的蜂窝结构体I未被封堵，可增加流体的导热面积，减小热交换器30的尺寸。由此，可以增大热交换器30的单位体积的导热量。进一步地，由于无需对蜂窝结构体I进行形成封堵部和形成切口等的加工，因此热交换器30的制造成本可以降低。
热交换器30，优选使温度高于第二流体的第一流体流通，从第一流体向第二流体进行热传导。流通作为第一流体的气体、流通作为第二流体的液体的话，第一流体与第二流体的热交换可高效进行。即，本发明的热交换器30，可适用为气体/液体热交换器。作为如上构成的本发明的热交换器30中流通的第一流体的加热体，只要是具有热的介质即可，则不特别现定于气体、液体等。可举出例如，气体的话为汽车的废气等。此夕卜，作为从加热体夺取热(热交换)的第二流体的被加热体，只要是温度低于加热体的介质即可，不特别限定于气体、液体等。实施例以下基于实施例更详细地说明本发明，但本发明不限定于这些实施例。(实施例1)(坯土的制作)首先，将平均粒径45 μ m的SiC粉末70质量％、平均粒径35 μ m的SiC粉末10重量％、平均粒径5 μ m的SiC粉末20重量％混合，调制SiC粉末的混合物。在该SiC粉末的混合物100质量份中，混合粘合剂4质量份、水，通过使用混炼机混炼，得到混炼物。将该混炼物投入真空捏合机，制作圆柱状的坯土。(挤出成形)接着，将坯土挤出成形，形成蜂窝成形体。挤出成形中，通过选择适当形态的喷口和夹具，将外周壁的形状和厚度、隔板的厚度、孔格的形状、孔格密度等制为所期望的。喷口使用由难以磨损的超硬合金制作的。对于蜂窝成形体，使其形成为外周壁为圆筒形状或中空的四棱柱形状、外周壁的内部被隔板区分为四角形的格子状的结构。此外，对于这些隔板，使其形成为在相互垂直方向各自等间隔并列且笔直横穿外周壁的内部。由此，使外周壁内部的最外周部以外的孔格的截面形状为正方形。(干燥)接着，对挤出成形得到的蜂窝成形体进行干燥。首先，将蜂窝成形体以电磁波加热方式干燥，接着，以外部加热方式进行干燥。通过如此的两阶段干燥，可除去蜂窝成形体中相当于干燥前的蜂窝成形体所含的全部水分量的97%以上的水分。(脱脂、Si金属的含浸及烧结)接着，对蜂窝成形体氮气氛在500°C下、脱脂5小时。另外，在如此脱脂得到的蜂窝结构体上放置金属Si块，在真空中或减压的惰性气体中在1450°C下、烧结4小时。在此烧结中，使蜂窝结构体上放置的金属Si块融解，使外周壁和隔板含浸金属Si。使外周壁和隔板的热导率为150W/m.K时，相对于蜂窝结构体100质量份，使用80质量份的金属Si块。如上,制造出材料为碳化娃、本体尺寸为直径(外径)40mm、长80mm的圆柱状(筒状)的蜂窝结构体I。即，作为筒状陶瓷体11，使用蜂窝结构体I。蜂窝结构体I的孔格密度为23.3孔格/cm2、隔板4的厚度(壁厚)为0.3mm、蜂窝结构体I的热导率为150k ff/m.K。接着，在蜂窝结构体I的外周面7h粘贴带有丙稀系粘附材料的石墨片(大塚电机H T-705A)。使用是厚度方向热导率为6W/m*K、杨氏模量为0.1GPa的石墨片。本次使用的是带有粘附材料的石墨片，但也可另行使用导热性粘合剂进行粘结。
然后将金属管12用高频加热机升温至1000°C，将蜂窝结构体I插入金属管12进行热装配合。另外，为了在使用时压力不会消失，使用以下直径的金属管12。S卩，室温25°C下的筒状陶瓷体11 (蜂窝结构体1)的外径为d、石墨片的厚度为C、筒状陶瓷体11的热膨胀系数为α、金属管12的热膨胀系数为β时，使用以下所示的金属管的内径D。d+2Xc_975X β Xd < D < d+2Xc_125X ( β -α ) Xd具体的，筒状陶瓷体11的外径为42mm、筒状陶瓷体11的热膨胀系数α为4X10_7°C、金属管12的热膨胀系数β为17X10_6/°C、石墨片的厚度c为0.2mm, 41.704mm< D < 42.332mm。本实施例中，金属管12使用了 SUS304薄壁管。(参考例)作为比较对象(基准样品)，准备未被金属管12覆盖的筒状陶瓷体11 (蜂窝结构体I)单体。筒状陶瓷体11与实施例1相同。(比较例I)与实施例1同样，制作由无石墨片中间材料13的筒状陶瓷体11 (蜂窝结构体I)和金属管12构成的导热构件。(导热效率试验)对于实施例1、参考例、比较例I的试料，测定加热到300°C的第一流体通过导热构件10的蜂窝结构体I的孔格3时对第二流体的导热效率。具体如下进行。由蜂窝结构体I的第一流体流通部5流入氮 气，由罩体21内的第二流体流通部6流入(冷却)水。使第一流体、第二流体的蜂窝结构体I的入口温度、流量全部为同一条件。作为第一流体的300°C氮气(N2)以相对于蜂窝结构体I的流量为7.6L/s流通。此外，作为第二流体的(冷却)水对于蜂窝结构体I的流量为10L/min。实施例1使用的是在作为第一流体流路的导热构件10的外周侧具有第二流体流路的装置(参照图14)。(试验结果)表I显示导热效率。通过从第一流体(氮气)及第二流体(水)的ATC (蜂窝结构体I的出口温度-入口温度)算出各自的能量，以式I计算导热效率(％)。(式I)导热效率(％)=(第一流体(气体)的入口温度-第一流体(气体)出口温度)/ (第一流体(气体)的入口温度-第二流体(冷却水)的入口温度)表I
权利要求
1.一种导热构件，其具备筒状陶瓷体、所述筒状陶瓷体的外周侧的金属管和被夹在所述筒状陶瓷体和所述金属管之间的中间材料，所述筒状陶瓷体具有作为加热体的第一流体流通的流路，所述流路贯通筒状陶瓷体的一侧端面至另一侧端面，所述中间材料的至少一部分由杨氏模量为150GPa以下的材料构成， 使所述第一流体在所述筒状陶瓷体的内部流通，使温度低于所述第一流体的第二流体在所述金属管的外周面一侧流通，使所述第一流体与所述第二流体进行热交换。
2.如权利要求1所述的导热构件，所述中间材料与所述金属管和所述筒状陶瓷体的至少一部分接触。
3.如权利要求1或2所述的导热构件，所述中间材料的至少一部分的热导率在lW/m.Κ以上。
4.如权利要求1 3中任意一项所述的导热构件，所述中间材料由所述石墨片构成，杨氏模量在IGPa以下，厚度方向的热导率在3W/m.K以上。
5.如权利要求1 4中任意一项所述的导热构件，所述筒状陶瓷体的热导率在IOOW/m.K以上。
6.如权利要求1 5中任意一项所述的导热构件，所述筒状陶瓷体为蜂窝结构体，该蜂窝结构体具有由多孔质体构成的隔板，由所述隔板区划形成作为流体流路的多个孔格。
7.如权利要求6所述的 导热构件，所述蜂窝结构体的主成分为碳化硅。
全文摘要
本发明提供一种导热构件，在其筒状陶瓷体被金属管覆盖的情况下，在保持热结合状态的同时，抑制热膨胀差引发应力。导热构件10具备筒状陶瓷体11、筒状陶瓷体11的外周侧的金属管12、和被夹在筒状陶瓷体11和金属管12之间的中间材料13。筒状陶瓷体11具有贯通一侧端面至另一侧端面的、作为加热体的第一流体流通的流路。中间材料13的至少一部分由杨氏模量150GPa以下的材料构成。于是，通过使第一流体在筒状陶瓷体11的内部流通、使温度低于第一流体的第二流体在金属管12的外周面12h一侧流通，可以进行第一流体与第二流体的热交换。
文档编号B01J35/04GK103221772SQ20118005559
公开日2013年7月24日 申请日期2011年11月16日 优先权日2010年11月18日
发明者吉田信也, 高桥博纪, 川口龙生 申请人:日本碍子株式会社