JPH03279276A - セラミック接合体及びその接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はセラミック板状体とセラミック管状体との接合
体及びその接合方法に関する。更に詳しくは、セラミッ
ク板状体に設けられた穿設孔にセラミック管状体を装入
して接着固定されたセラミック接合体及びその接合方法
に関する。

〔従来の技術〕

セラミックスは、その成分組成が酸化物、非酸化物に拘
らず、高度の耐熱・断熱性が有り、絶縁性、導電性、磁
気的・誘電的性質等の電気的・電子的機能を有し、また
耐摩耗性等の機械的性質も優れ、各種構造物の材料とし
て既に使用され、研究開発されている。

セラミックスを機械部品材料や構造物材料として使用す
る場合、種々の形状の機械部品や構造部材が要求され、
また各部品や部材の組み合わせも求められることになり
、一体成形により製造されるものは別として、セラミッ
クスを接合固定する必栗が生じる。

各種の部品・部材の中でも平板状部材と地形状の部材と
を組み合わた接合体は、機械部品や構造部材として多く
使用され、例えば、出願人が特開昭６０−６２５９２号
公報に提案した工業用炉のセラミック熱交換器には多数
の管状体を板状体に固定した部材が使用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記したような部品・部材にセラミックスを適用しよう
とする試みも多くなされ、セラミック管状体をセラミッ
ク板状体に形成された孔部に装入し固定させる方法とし
ては、前記特開昭６０−６２５９２号公報に示した圧縮
スプリングを利用して球面接合する方法等が一般的に行
われている。

即ち、第５図は前記特開昭６０−６２５９２号公報で示
されるシェルアンドチューブ型の熱交換器の接合部断面
説明図であり、板状体Ａ及びＡ゛の通孔り及びＤ′のそ
れぞれ内端に設けられた球面部と管状体８球面部とが機
械的な押圧により球面接合部Ｃにより固定されているが
、使用時の熱応力により管状体が破損するおそれがあり
、また膨張や収縮により球面接合部に間隙が生し、流通
ガス中のダスト等が漏洩し、接合部に付着したりして十
分なシール性を得ることが出来なかった。

これらの欠点を解消するため、均一な接合部を有し、固
定位置精度のよいセラミック接合体及び接合方法の開発
が望まれている。

本発明は、上記現状に鑑み、機械的接合でなく物理的・
化学的な接着接合法により複数のセラミック管状体をセ
ラミック板状体に形成される孔部に装入し、接着部にむ
らを生ずることなく均一な接合部を有する接合体及びそ
の接着接合方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、複数の穿設孔を有するセラミック板状
体、該穿設孔に装入したセラミック管状体及び該穿設孔
に直交する該板状体の少なくとも一表面と該穿設孔に装
入した該管状体外周面と該穿設孔内周面との間隙とに連
続的に形成された接合層とからなり該板状体と該管状体
とが接着固定されたセラミック接合体が提供される。

また、複数の穿設孔を有するセラミンク板状体の該穿設
孔に直交する少なくとも一表面に接合時溶融流動化する
接合材を塗布し、該穿設孔にセラミック管状体を装入さ
せ、該接合材により該表面と該穿設孔に装入した該管状
体外周面と該穿設孔内周面との間隙とを連続して接着固
定することを特徴とするセラミック接合方法が提供され
る。

以下、本発明について更に詳細に説明する。

本発明に使用されるセラミックスは、酸化物及び非酸化
物等いずれのセラミックスを用いてもよく、接合体が使
用される構造部材の種類、機械的強度等必要な使用条件
に応じ適宜選択すればよい。

例えば、産業機械及び熱交換器等に使用する場合は、高
強度・高耐熱性の窒化珪素や炭化珪素が用いられる。セ
ラミック板状体とセラミック管状体は、各々同種または
異種のセラミックスで構成されていてもよい。

本発明のセラミック板状体の形状、厚み及び大きさは特
に制限されず、使用目的、条件にあわせて選択すればよ
い。

本発明においてセラミック板状体に穿設される複数の穿
設孔は、該板状体表面と直交して穿設され、その穿設孔
の孔数、孔径、孔形状及び孔の配置は特に制限されず、
装入し接着固定するセラミック管状体の形状、大きさ及
び装入数等に対応して、また使用目的により適宜選択す
ればよい。

本発明のセラミック管状体は、パイプ構造、ハニカム構
造、二重管構造等の形状で、その太さ、長さは特に制限
されず、円形、楕円、矩形、多角形、星形等の異形等各
種形状で、各種の長さ及び径のセラミック管を使用する
ことができる。セラミック管状体は長手方向に貫通して
いてもよく、また、片端面が袋構造となっていてもよい
。

また、セラミック板状体に穿設孔の孔径は、セラミック
管状体が装入可能で、且つ穿設孔において接着固定する
管状体がその穿設孔のほぼ中央に配置されたとき、管状
体外周面と穿設孔内周面とに所定の間隙が生ずるように
適宜選択する。更にまた、後記するようにセラミック板
状体表面に塗布するペースト状の接合材が、接合の際の
加熱により溶融流動化してセラミック板状体の上記穿設
孔間隙に流入して接合層が形成出来るようにすればよい
。

上記管状体外周面と穿設孔内周面との間隙（クリアラン
ス）は、好ましくは０．０５〜０．５ｍｍである。間隙
が０．０５ａｍ＋より小さくなると溶融流動化した接合
材が流入されにくく、接合層にむらが生ずると共に接合
強度が低下する。また０、　５　ａｎより大きくなると
、後記する本発明の一実施例の断面説明図である第２図
に示すようにセラミック管状体Ｂが袋構造の場合には、
管状体が板状体の表面に対し傾斜して位置精度が悪くな
る。更に接合層の厚みが不均一となり好ましくない。

また、セラミック管状体が長手方向に貫通し管状体両端
面に板状体を配置する場合の接合方法には、例えば第３
図及び第４図に示すように２通りある。

第３図は両端に配置する板状体を別々に接合する方法を
示す説明図であって、この方法では−の板状体Ａに先ず
管状体Ｂを接合しく第３図（イ））、次いで他の板状体
Ａ”を接合する（第３図（ロ））方法であるが、クリア
ランスが０．５　ｍｍより大きくなると管状体の位置精
度が悪くなり、他の板状体Ａ°の穿設孔に管状体を挿入
することが困難になる。

第４図は両端に配置する板状体Ａ及びＡ゛を支持体Ｅを
用いて支えながら、同時に管状体Ｂに接合する方法を示
す説明図であって、この方法ではクリアランスが０．５
閣より大きくなると、板状体Ａ°のＦ部より加熱溶融し
た接合材が下方に流出し易く、接合部にむら生じてシー
ル性及び強度低下が起こり好ましくない。

セラミック板状体の穿設孔は、セラミック板状体の成形
時に同時に設けてもよ（、成形後または焼成後のセラミ
ック板状体に穿設してもよい。また、接合材を塗布する
表面側の穿設孔の表面縁部を曲面形状（Ｒ形状）または
Ｃ取形状即ち鋭角状に切削して、接合層の応力集中を緩
和するようにしてもよい。

本発明において装入とは、穿設孔にセラミック管状体が
貫通して板状体の両表面に突き出るか、または、穿設孔
に装入したセラミック管状体の一端面と板状体の一表面
とが同一平面内となる状態をいう。

本発明で用いる接合材は、セラミック板状体及びセラミ
ック管状体に使用するセラミックスの種類の機能的性質
に応じて、また得られた接合体の使用条件等に応じて選
択すればよい。通常は、セラミック板状体または管状体
等を構成する同種のセラミックスや加熱により溶融流動
化する無機接合材が用いられる。

本発明における接合は、上記接合材の粉末を例えば水等
の溶媒を用い、要すればバインダーを添加してペースト
状として、板状体の少なくとも一表面に塗布して管状体
を装入して所望の位置に固定した後、加熱溶融、冷却固
化して接合層を形成して接合してもよく、また溶媒を蒸
発させ、必要ならば更に加熱溶融、冷却固化させて接合
層を形成して接合してもよい。また一般に使用される無
機接着材においては、例えば溶媒を添加しスラリー状態
とし流動性を与え接合部に流入させ接合してもよい。な
お、接合材の塗布は、板状体の穿設孔に管状体を装入す
る前でもよく、装入後でもよい。

上記のようにして板状体表面に塗布された接合材は、接
合時の加熱により溶融流動化してセラミック板状体の穿
設孔に流入し、穿設孔に装入した管状体外周面と管状体
が装入された穿設孔内周面との間隙が接合材で充填され
る。その結果、板状体の接合材塗布表面及び穿設孔内周
面と装入した管状体外周面との間隙に接合層が連続して
形成されて、セラミック板状体とセラミック管状体とが
接着固定される。

本発明において、加熱溶融・冷却後の接合層の厚さは、
約０．２〜２．５閣が好ましい。接合層の厚さを０．２
より薄くすると、板状体表面に塗布する接合材の厚さが
薄くなり加熱溶融時に流動性が低下し、穿設孔間隙に接
合材が十分に流入出来ず、シール性が悪くなる。また、
接合層の厚さが２．５閣より厚くなると、冷却固化後に
接合層に割れ等の欠陥が発生し、熱的特性及びシール性
が悪くなる。

板状体表面に塗布する接合材の厚さは、板状体の大きさ
、管状体が挿入される穿設孔配置ピッチ、板状体と管状
体の間隙の大きさ、接合材の種類、粒度、密度等により
異なるため、各接合条件に合わせ、また加熱溶融、冷却
固化して上記した接合層の厚さになるように適宜選択す
ればよい。通常はペースト状接合材の塗布厚さは約０．
５〜５．５　ｍｍとするのが好ましい。

また、接合時の加熱溶融の際に、接合材の流出を防止す
るため、流出部分には防壁を設けてもよい。

本発明において、接合材をセラミック板状体の一表面の
みでなく両面に塗布して、セラミック板状体とセラミッ
ク管状体との接着固定をセラミック板状体の両表面と穿
設孔に装入した管状体周面と管状体が装入された穿設孔
周面との間隙とに連続的に形成された接合層によって行
ってもよい。

また、セラミック板状体の一表面とセラミック管状体の
一端面とを同一平面内に固定する場合には、セラミック
管状体の他端が通り抜は出ている穿設孔に直交するセラ
ミック板状体の表面に接合材を塗布するのが好ましい。

更にまた、本発明において、多数の穿設孔を有するセラ
ミック板状体の複数を一定の間隔で平行に並べ、それに
多数のセラミック管状体を装入して接着固定してもよい
。

〔実施例〕 以下に、本発明の実施例について図面を参照にして詳し
く説明する。但し、本発明は、本実施例に限定されるも
のでない。

実施例１〜６ 第１図は、本発明の一実施例を示した平面説明図であり
、第２図は断面説明図である。

第１図に示したように、焼結助剤を含む窒化珪素の微粒
粉末を用いプレス成形し、成形後１７００°Ｃで１時間
焼成して、７００Ｘ７００Ｘ１００閣の板状体に、下記
に示す管状体の外径５０ｆｆＩＩｌｌφと第１表に示し
た各間隙（クリアランス）を保持する孔径で、孔周囲を
幅１ｍｍ、表面からの深さ１閣でＣ取形状に鋭角に切除
した切除部５を有し、且つ板状体表面２′に直交する垂
直な穿設孔１をピッチ８０ＩＩ１１で６４個配置したセ
ラミック多孔管板の焼結体Ａを作製した。

また、セラミック管状体として、セラミック多孔管板と
同様の原料の微粒粉末を用い、押出成形し、成形後１７
００°Ｃで１時間焼成して外径５０閣φ、内径４０ｍφ
で長さ１０００ｍの片端面を袋構造とした円管状体の焼
結体Ｂを作製した。

次いで、第２図に示したように得られたセラミック多孔
管板Ａの一表面２゛上に接合材であるパイレックスガラ
スの粉砕物１００部とバインダー２重量部と水４０重量
部を加えペースト状とした接合材を、第１表に示した接
合材の塗布厚さでそれぞれ塗布した。その後セラミック
管状体の焼結体Ｂの端面３がセラミック多孔管板Ａの地
表面２に合致し、同一平面内に位置するようにセラミッ
ク管状体の焼結体Ｂを各穿設孔１にそれぞれ装入した。

どの場合の穿設孔１の周面と装入した管状体の焼結体Ｂ
周面との各間隙は、第１表を二示した通りであった。

上記のようにして焼結体Ａに焼結体Ｂを装入固定した後
、１１０”Ｃで３時間乾燥した後、空気中１２００°Ｃ
で１時間焼成した。焼成後、室温まで放冷して接合体を
取り出し、接合部の接合層厚さ、管状体の位置精度を検
査し、更に板状体表面の接合層４及び穿設孔間隙部の接
合層４”の状態を目視観察した。

その結果を、第１表に示した。

（以下、余白） 比較例１〜４ 管状体Ｂとの穿設孔間隙がそれぞれ第１表に示した値と
なるようにした以外は、実施例と同様にしてセラミック
多孔管板の焼結体Ａを作製した。

また、実施例と同様にセラミック管状体の焼結体Ｂを作
製した。

次いで、実施例と同一のペースト状の接合材を、セラミ
ック多孔管板Ａの一表面２′上に第１表に示した厚さに
塗布した。その後、焼結体Ｂを各穿設孔１にそれぞれ装
入した。この場合の穿設孔１の周面と装入した管状体の
焼結体Ｂ周面との各間隙は、第１表に示した通りであっ
た。

焼結体Ａに焼結体Ｂを装入固定した後、実施例と同様に
、乾燥、焼成して接合体を得た。

実施例と同様に検査、観察した結果を第１表に示した。

これらの結果より、板状体穿設孔内周面と管状体の装入
外周面との間隙及び板状体表面とに連続した接合層を設
ける場合には、間隙を狭くして接合層が比較的薄くする
ことが出来、接合層における接合材の状態も均一で、割
れ等の欠陥も生ずることなく、管状体の位置精度を向上
させることができることが分かる。

〔発明の効果〕

本発明は複数の穿設孔を有するセラミック板状体とセラ
ミック管状体とを、セラミック板状体に形成された穿設
孔部にセラミック管状体を装入して接着固定する接合部
において、接合部のムラや欠陥を生ずることなく均一と
することができ、更にシール性が向上し、耐熱衝撃性等
の熱応力に対し優れた性能を示し、工業炉用熱交換器に
止まらず、例えばガスタービン用の熱交換器に対しても
有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した平面説明図であり、
第２図は断面説明図である。 第３図及び第４図は、それぞれ本発明の一適用例を示し
た断面説明図である。 第５図は従来法のシェルアンドチューブ型の熱交換器接
合部の一例を示した断面説明図である。 Ａ、Ａ’−・・セラミック多孔管板の焼結体Ｂ・・・セ
ラミック管状体の焼結体 Ｃ・・・球面接合部、　　Ｄ、Ｄ’−・・通孔Ｅ・・・
支持体 １・・・穿設孔 ２．２’−・・焼結体Ａ及びＡ′の表面３・・・焼結体
Ｂ端面 ４．４′・・・接合層 ５・・・穿設孔縁部切除部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の穿設孔を有するセラミック板状体、該穿設
   孔に装入したセラミック管状体及び該穿設孔に直交する
   該板状体の少なくとも一表面と該穿設孔に装入した該管
   状体外周面と該穿設孔内周面との間隙とに連続的に形成
   された接合層とからなり該板状体と該管状体とが接着固
   定されたセラミック接合体。
2. （２）複数の穿設孔を有するセラミック板状体の該穿設
   孔に直交する少なくとも一表面に接合時溶融流動化する
   接合材を塗布し、該穿設孔にセラミック管状体を装入さ
   せ、該接合材により該表面と該穿設孔に装入した該管状
   体外周面と該穿設孔内周面との間隙とを連続して接着固
   定することを特徴とするセラミック接合方法。