JP2005127646A

JP2005127646A - 熱交換装置

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Publication number: JP2005127646A
Application number: JP2003365256A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Wakamatsu; 哲夫若松
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2023-10-24
Also published as: JP4405782B2

Abstract

【課題】窒化アルミニウム焼結体よりなり、その内部に熱媒体流路を精密に形成することが極めて容易にできる構造を有する熱交換装置を提供する。
【解決手段】窒化アルミニウム焼結体よりなり、（ａ）端面に開口する複数の貫通孔５を内在させた本体部材２と（ｂ）該本体部材２の両端面にそれぞれ接合された端部材３、４とにより構成され、上記接合部６、７において、本体部材２及び／又は端部材３、４に上記貫通孔の開口部を結ぶ溝部８を設けて熱媒体流路が形成され、該熱媒体流路の両端はそれぞれ開口して、熱媒体の供給口９及び熱媒体の排出口１０を構成してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化アルミニウム焼結体よりなる新規な接合構造の熱交換装置に関する。詳しくは、熱媒体を供給する熱媒体流路を精密に形成することが可能な構造を有する熱交換装置である。

従来、窒化アルミニウム焼結体は、高い熱伝導性及び電気絶縁性を有するため、金属に代わる熱伝導材料として使用されつつある。即ち、導電性等の影響により、金属等の材質が使用できない熱伝導のための用途として、熱交換装置がある。

一般に、熱交換装置は、内部に熱媒体を通過せしめるための熱媒体流路が形成された熱導電性材料である金属よりなり、その表面に熱交換面が存在する。場合によっては、熱媒体流路を避けながら、内部にまで穴が設けられ、これに被熱交換流体を通過せしめて熱交換を行なうように成した構造もある。

ところが、上記熱交換装置の材質として窒化アルミニウム焼結体を使用する場合、内部が中空の構造、特に熱媒体流路のように曲がりくねった空間部を有する構造物を一体成形品として製造することは困難である。仮に、一体成形により製造しようとした場合は、先ず、窒化アルミニウム焼結体よりなる外形が同一形状の塊状物を製造し、その内部を削り出すことによって得る方法が考えられるが、かかる方法は、生産効率が悪い上に歩留まりが低く、製造コストが高くなるという問題を有する。

そこで、上記熱媒体流路を構成するために、熱交換装置をその熱媒体流路の中心部を通る平面で分割して、それぞれ一体成形が可能な形状の部材に成形し、これらの部材を上下合わせて接合して熱媒体流路を有する熱交換装置とする方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、熱媒体流路が小径化或いは複雑化するに連れ、分割成形した成形体に相互に形成された流路のパターンについて平面で位置合わせを行なうことが困難となり、流路の形成が不完全となったり、場合によっては切断する等の問題が懸念される。また、熱媒体流路を横方向のみならず、縦方向にも配列して設けようとした場合には、上記分割を複数箇所で行なう必要があり、製造工程が著しく複雑化する。

特開平１０−１０７１９４号公報

従って、本発明の目的は、窒化アルミニウム焼結体よりなり、その内部に熱媒体流路を精密に形成することが極めて容易にできる構造を有する熱交換装置を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意研究を行なった。その結果、熱交換装置を、熱媒体流路の直管部の存在する本体部分とその両端部分とに分割して一体的に成形し、該本体部材には前記直管部となる貫通口を穿設すると共に、接合部分に該貫通孔の端部を結ぶ溝部を形成し、これらを接合するような構造とすることにより、熱媒体流路を極めて正確に形成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、窒化アルミニウム焼結体よりなる熱交換装置であって、（ａ）端面に開口する複数の貫通孔を内在させた本体部材と（ｂ）該本体部材の両端面にそれぞれ接合された端部材とにより構成され、上記接合部において、本体部材及び／又は端部材に上記貫通孔の開口部を結ぶ溝部を設けて熱媒体流路が形成され、該熱媒体流路の両端はそれぞれ開口して、熱媒体の供給口及び熱媒体の排出口を構成したことを特徴とする熱交換装置が提供される。

また、上記熱交換装置は、必要に応じて、本体の熱媒体流路に交差しない位置に被熱交換流体の流路を形成することもできる。

本発明によれば、窒化アルミニウム焼結体によって構成される熱交換装置を、熱交換器の熱媒体流路を貫通口として形成した本体部材と、該貫通口同士を接続する構造を形成する端部材とに分割し、これを接合して構成することによって、該熱媒体流路を水平に切断するように分割したものを接合した構造の従来の熱交換装置に比べて、極めて精密且つ複雑な熱媒体流路をも正確に形成することが可能であり、本体部材が主となる熱交換面における高度な温度制御が可能である。

また、従来の装置では実質的に不可能であった、熱媒体流路が立体的に存在する熱交換装置をも実現することが可能である。

以下、本発明を添付図面に従って、更に具体的に説明するが、本発明は、これらの添付図面に限定されるものではない。

図１は、本発明の熱交換装置の代表的な態様の構造を示す概略図であり、図２は、上記構造の平面透視図である。

本発明の熱交換装置１は、窒化アルミニウム焼結体よりなり、（ａ）端面に開口する複数の貫通孔５を内在させた本体部材２と（ｂ）該本体部材２の両端面にそれぞれ接合された端部材３、４とにより構成され、上記接合部６、７において、本体部材２及び／又は端部材３、４に上記貫通孔の開口部を結ぶ溝部８を設けて熱媒体流路が形成され、該熱媒体流路の両端はそれぞれ開口して、熱媒体の供給口９及び熱媒体の排出口１０を構成してなる。

本発明において、窒化アルミニウム焼結体は、公知の材質が特に制限なく使用されるが、特に、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に、１８０〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋであることが、熱交換装置として高い性能を発揮するために好ましい。また、装置の取扱い時、或いは使用時の耐久性を考慮すれば、強度曲げ強度は、２００ＭＰａ以上、好ましくは、３００〜６００ＭＰａであることが望ましい。

本発明の熱交換装置において、本体部材２は、端面に開口する複数の貫通孔５を内在させて成る。本体部材の形状は、特に制限されないが、その内部に貫通口５を形成させることのできる程度の厚みを有する形状である。かかる厚みの上限は、特に制限されず、用途に応じて適宜決定すればよい。また、その平面形状は、取り付け箇所の形状に応じて適宜決定すればよいが、図１に示す長方体をはじめ、楕円、円、多角形等が特に制限されず採用される。但し、端部材３との接合面の構造を平面化することが、各部材を成形する上での設計が容易であり、また、接合を確実に行なうために好ましい。平面形状が円の場合、好適な態様を具体的に示せば、本発明の熱交換装置の位置態様を示す平面図（断面）である図６に示す態様が挙げられる。

前記貫通孔５は、貫通口５は、熱媒体流路を形成するためのものである。該貫通孔５は、形成の容易性から、図１に示すように、直管であることが好ましい。また、貫通孔５の径、本数等は、熱交換装置の大きさ、用途に応じて適宜決定すればよい。

例えば、１５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの熱交換装置の場合、流路となる貫通孔５の直径は１〜８ｍｍ、また、該貫通孔５の本数は、２〜２５本が一般的である。

また、貫通孔５は、図１に示すように、平面方向に１列設ける態様の他、断面図を示す図４にように、複数列に形成することも可能である。

更に、熱媒体流路の端部となる貫通孔は、図１に示すように接合面に開口して、更に熱媒体の供給口９及び排出口１０に連通させるのが一般的であるが、本体部材２の側面に開口せしめて熱媒体の供給口及び排出口を形成してもよい（図示せず）。

尚、本発明の熱交換装置は、熱媒体流路を本体部材２に上記貫通孔を設けて形成するようにしたため、その径が小さく且つ本数が多くても、該熱媒体流路を正確に形成することができる。

本発明において、端部材４は、これを本体部材２に接合することによって、上記貫通孔５の開口部を封止し、且つ必要箇所においてその端部を溝部８により連通せしめて連続した熱媒体流路を形成するためのものである。

かかる連通孔５端部の開口部を連通せしめて熱媒体流路を形成する態様は、図１に示すように、本体部材２に上記貫通孔の開口部を結ぶ溝部８を設ける態様、端部材３、４に上記貫通孔の開口部を結ぶ溝部８を設ける態様、或いは、本体部材、端部材の双方に設ける態様が挙げられる。

しかし、接合において、溝部８と貫通孔５とを合致させる労力を低減させ、簡易に且つ正確に溝部を形成するには、図１に示すように、本体部材２側に各連通孔５の端部の開口部を結ぶ溝部８を設け、端部材３、４の接合面を平面とする態様が最も好ましい。

図１に示す態様は、端部材３、４に、上記熱媒体流路への熱媒体の供給口９と排出口１０をそれぞれ開口せしめたものである。

上記熱媒体の供給口９と排出口１０には、必要に応じて、接続される配管との接続を行なうための構造、例えば、フランジ、ねじ等を設けることができる。

本発明において、本体部材２と端部材３、４とは接合されて熱交換装置を構成する。かかる接合の仕方は、特に制限されないが、接合部の曲げ強度が未接合部の８０％以上となるように接合されることが好ましい。

本発明の熱交換装置における他の態様は特に制限されない。好適な態様を例示すれば、本発明の熱交換装置１は、図５に示すように、貫通孔５と交差しない貫通孔１１を設け、被熱交換流体の流路を形成し、該流路内で熱交換を行なわしめることもできる。また、図示しないが、本体部材の表面に凹凸、或いはフィンを設けてその表面積を増大せしめることも可能である。

本発明の熱交換装置の製造方法は、本体部材と端部材とをそれぞれ製造し、両者を接合する態様が特に制限無く採用される。

本体部材、端部材の母体を得る方法としては、窒化アルミニウム粉末を、必要に応じて、公知の焼結助剤や、更に、バインダー、溶媒等と混合した後、プレス成形、鋳込み成形等の公知の方法により成形する方法が挙げられるが、これらの方法に制限されるものではない。

また、該本体部材の母体においては、必要箇所にドリル等により貫通孔を穿設し、また、その開口部の必要箇所に溝部を形成する。また、端部材の母体においては、本体部材において形成される熱媒体流路の端部となる箇所に穿設して熱媒体の供給口、排出口が一般に設けられる。

しかる後、上記加工された母体を、それぞれの接合面で圧接せしめた状態で、必要に応じて、前記成形時に使用されたバインダー等の有機物の脱脂を行ない、次いで、焼結することによって本体部材と端部材とが接合された熱交換装置を得ることができる。

上記脱脂、焼結の条件は、公知の条件が特に制限無く採用される。例えば、脱脂は、還元、中性或いは酸化雰囲気下、４００〜６５０℃で、１〜１０時間行なう。また、焼結は、還元或いは中性雰囲気下、１６５０〜１９５０℃で、３〜２０時間行なう。この場合、熱伝導度をより向上せしめるため、還元雰囲気下での焼結と中性雰囲気下での焼結を多段で行なうことが好ましい。

また、前記接合に際し、接合面に窒化アルミニウム及び／又は焼結助剤のペーストを塗布した後、上記操作を行うことによって、より強固な接合を実現することができ、好ましい。

また、他の接合方法として、上記加工された母体をそれぞれ脱脂、焼結した後、接合面に焼結助剤のペーストを塗布し、圧接した状態で１６５０〜１９５０℃の温度で加熱処理する方法も採用することができる。

本発明において、得られる熱交換装置の耐水性を高めるために、その表面に酸化層を形成することが好ましい。かかる酸化層の厚みは、０．２〜１μｍ程度が好ましく、形成方法は、公知の方法が特に制限無く採用される。

本発明の熱交換装置は、金属を構成材料とする熱交換装置が使用できない分野において、有効に使用することができる。例えば、金属部材が使用できない、マイクロ波、ミリ波等を印加した状態で被熱交換流体の加熱或いは冷却を行なう用途に対して好適である。

以下、本発明を更に具体的に説明するため、実施例を示すが、本発明は、かかる実施例に限定されるものではない。

尚、実施例において、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率の測定は一次元のレーザーフラッシュ法を用い、ＬＦ／ＴＣＭＦＡ８５１０Ｂ（理学電機株式会社）により行った。３点曲げ強度の測定は、ＪＩＳＲ１６０１に従って行った。また、表面温度の測定は赤外線サーモグラフィ法を用い、ネオサーモＴＶＳ−７００（日本アビオニクス株式会社）を用いて行った。

実施例１
図１に示す１５０×５０×１０ｍｍ、流路直径φ３ｍｍの構造の熱交換装置を以下の方法によって製造した。

窒化アルミニウム粉末（株式会社トクヤマ製、Ｈグレード）１００重量部、焼結助剤として酸化イットリウム微粉末５重量部、有機バインダーとしてアクリル酸メチルエステル系４重量部、及びエタノール１００重量部をボールミルにて２４時間混合することによりスラリーを作成した。このスラリーをスプレードライヤーにて、１００℃で造粒し、平均粒径８０μｍの顆粒を得た。該顆粒を圧力１００ＭＰａで油圧プレスすることにより、□２００×ｔ１２ｍｍの成形体を得た。次いで、この成形体１個を加工することにより、φ３．６ｍｍの流路及びそれぞれの流路を繋ぐ溝部を有する１５６×６０×１２ｍｍの本体部材３個、及びφ３．６の開口部を有する１２×６０×１２ｍｍの端部材６個を得た。

一方、接合用ペーストは、窒化アルミニウム粉末１００重量部、焼結助剤として酸化イットリウム５重量部、有機バインダーとしてエチルセルロース（グレード４センチポイズ）３重量部、及びビヒクルとしてテルピネオール５０重量部を混合して調整した。

上記方法により得られたペーストを、本体部材１個と端部材２個の接合面に塗布し、接合した。

上記の密着せしめた成形体を一昼夜室温で乾燥し、大気中６００℃の条件で脱脂し、窒素雰囲気中１８３０℃の条件で焼成して窒化アルミニウム熱交換装置を得た。

得られた窒化アルミニウムの熱伝導率の測定は一次元法にて行った。測定用のサンプルの大きさはφ１０×ｔ４ｍｍであり、このサンプルは、上記方法より得られた窒化アルミニウム熱交換装置から接合部を含み、かつ該接合部がサンプルの厚みの中央となるように切出した。

また、該接合部を含まない母材部分よりなる同サイズのサンプルも作成して、熱伝導率を測定した。また、接合部の曲げ強度測定は、接合部が中央に来るようにサンプルを作成し、３点曲げ法で行った。その結果を表１に示した。

接合部の熱伝導率は母材部分が１７６Ｗ／ｍ・Ｋであったのに対し、１００％の熱伝導率を示し、また、曲げ強度は母材部分が３３７ＭＰａであったのに対し、９９％の強度を示した。

また、熱交換装置の流路に８０℃の温水を１ｃｍ／ｓｅｃで流した場合の熱交換装置表面の温度分布を赤外線サーモグラフィで測定した。その結果、本体部材表面における温度分布差は、４ｄｅｇ以下であり、熱媒体流路は完璧に連通していたことが確認された。また、熱媒体の漏れも皆無であった。

本発明の熱交換装置の代表的な態様を示す斜視図図１の熱交換装置の流路の構造を示す平面図本発明の熱交換装置において、端部材に溝部を設けた一態様を示す平面図本発明の熱交換装置において、本体部材に連通孔を多段に設けた一態様を示す断面図本発明の熱交換装置において、本体部材に被熱交換流体の流路を設けた一態様を示す断面図本発明の熱交換装置において、平面形状が円である場合の一態様を示す平面図

符号の説明

１熱交換装置
２本体部材
３、４端部材
５貫通孔
６、７接合部
８溝部
９熱媒体供給口
１０熱媒体排出口
１１被熱交換流体の流路

Claims

窒化アルミニウム焼結体よりなる熱交換装置であって、（ａ）端面に開口する複数の貫通孔を内在させた本体部材と（ｂ）該本体部材の両端面にそれぞれ接合された端部材とにより構成され、上記接合部において、本体部材及び／又は端部材に上記貫通孔の開口部を結ぶ溝部を設けて熱媒体流路が形成され、該熱媒体流路の両端はそれぞれ開口して、熱媒体の供給口及び熱媒体の排出口を構成したことを特徴とする熱交換装置。
本体の熱媒体流路に交差しない位置に被熱交換流体の流路を形成した請求項１記載の熱交換装置。
本体部材に上記貫通孔の開口部を結ぶ溝部を設けて熱媒体流路が形成された請求項１記載の熱交換装置。