(57)【要約】  熱交換の効率および耐腐食性を維持しつつ、熱応力による破損を抑制する技術を提供することを目的とする。筒形状の外周壁３と、外周壁３の内部において第一の流体の流路となる複数のセル５を区画形成するとともにＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる隔壁７と、を有する熱交換部材１。さらに詳しくは、外周壁３および隔壁７が第一の流体と第二の流体との間の熱交換を介在するとともに、外周壁３の厚さＴ、外周壁３の軸方向に垂直な断面における外周壁３の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および隔壁７の厚さｔが下記式（１）〜（３）を満たす熱交換部材１。式（１）：０．３ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ式（２）：１５ｍｍ≦Ｄ≦１２０ｍｍ式（３）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
2012043758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる筒形状の外周壁と、
前記外周壁の内部において第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成し、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる隔壁と、を有し、
前記外周壁および前記隔壁が、前記外周壁の前記内部を流れる前記第一の流体と前記外周壁の外部を流れる第二の流体との間の熱交換を介在するとともに、
前記外周壁の厚さＴ、前記外周壁の軸方向に垂直な断面における前記外周壁の前記内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および前記隔壁の厚さｔが下記式（１）〜（３）を満たす熱交換部材。
式（１）：０．３ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
式（２）：１５ｍｍ≦Ｄ≦１２０ｍｍ
式（３）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
【請求項２】
前記外周壁の厚さＴ、前記外周壁の軸方向に垂直な断面における前記外周壁の前記内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および前記隔壁の厚さｔが下記式（４）〜（６）を満たす請求項１に記載の熱交換部材。
式（４）：０．５ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
式（５）：３０ｍｍ≦Ｄ≦６０ｍｍ
式（６）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
【請求項３】
前記セルの断面形状が鈍角から構成される多角形である請求項１または２に記載の熱交換部材。
【請求項４】
前記外周壁および前記隔壁のうちの少なくとも一方が緻密質である請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換部材。
【請求項５】
前記第一の流体と前記第二の流体とを隔てるように設けられるとともに、前記第一の流体と前記第二の流体との間での熱交換可能に前記外周壁を被覆する被覆部材を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に装着して使用する熱交換部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体（気体、液体）を加熱や冷却する際に、熱交換器を使用することがある。熱交換器では、高温の流体と低温の流体とを熱伝導性のある流路壁によって隔てておき、この流路壁に熱を伝わらせることにより、両流体間の熱交換を行わせる。こうした熱交換器では、高温の流体と低温の流体とを隔てる流路壁の面積を広くすると、熱交換の効率を高めることができる。そこで、流路壁の面積を広くするという目的の下、高温の流体と低温の流体とを波型の流路壁で隔てた構造の熱交換器が考案されている。また、同様の目的で、高温の流体の流路および低温の流体の流路のそれぞれを複数の流路に分岐させ、これらの分岐させた高温の流路と低温の流路とを交互に配置した構造の熱交換器が考案されている。【０００３】
こうした熱交換器では、流路壁は、流体に曝され続けるので、流体の性質によっては腐食する恐れがある。そこで、熱交換器については、セラミックス製の流路壁を用いることにより、耐腐食性を高める技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−２４９９７号公報
【発明の概要】
【０００５】
ところが、提案されている技術では、セラミックス製の流路壁が熱を受けると、収縮や膨張を生じ（熱応力を生じ）、時にはこの熱応力により流路壁が破損してしまう恐れがある。特に、流路壁の破損によって高温の流体と低温の流体とが混合してしまうと、熱交換器としての機能を損なうことになる。
【０００６】
上記の問題に鑑みて、本発明は、熱交換の効率および耐腐食性を維持しつつ、熱応力による破損を抑制する技術を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明は、以下に示す熱交換部材である。
【０００８】
［１］  ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる筒形状の外周壁と、前記外周壁の内部において第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成し、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる隔壁と、を有し、前記外周壁および前記隔壁が、前記外周壁の前記内部を流れる前記第一の流体と前記外周壁の外部を流れる第二の流体との間の熱交換を介在するとともに、前記外周壁の厚さＴ、前記外周壁の軸方向に垂直な断面における前記外周壁の前記内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および前記隔壁の厚さｔが下記式（１）〜（３）を満たす熱交換部材。
式（１）：０．３ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
式（２）：１５ｍｍ≦Ｄ≦１２０ｍｍ
式（３）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
【０００９】
［２］  前記外周壁の厚さＴ、前記外周壁の軸方向に垂直な断面における前記外周壁の前記内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および前記隔壁の厚さｔが下記式（４）〜（６）を満たす前記［１］に記載の熱交換部材。
式（４）：０．５ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
式（５）：３０ｍｍ≦Ｄ≦６０ｍｍ
式（６）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
【００１０】
［３］  前記セルの断面形状が鈍角から構成される多角形である前記［１］または［２］に記載の熱交換部材。
【００１１】
［４］  前記外周壁および前記隔壁のうちの少なくとも一方が緻密質である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００１２】
［５］  前記第一の流体と前記第二の流体とを隔てるように設けられるとともに、前記第一の流体と前記第二の流体との間での熱交換可能に前記外周壁を被覆する被覆部材を有する前記［１］〜［４］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００１３】
本発明の熱交換部材によれば、熱交換の効率および耐腐食性を維持しつつ、熱応力による破損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の熱交換部材の一実施形態の斜視図である。
【図２】図１に示した熱交換部材を一方の端部の側からみた正面図である。
【図３】図１の熱交換部材を装着した熱交換器の模式図である。
【図４】図３中のＡ−Ａ’断面図である。
【図５】図３中のＢ−Ｂ’断面図である。
【図６】本発明の熱交換部材の一実施形態の変形例の斜視図である。
【図７】本発明の熱交換部材の一実施形態の他の変形例の斜視図である。
【図８】セルの断面形状が六角形になっている熱交換部材の一方の端部の拡大図である。
【図９】隔壁に切れ込みがある熱交換部材の一方の端部の拡大図である。
【図１０】外周壁に切れ込みがある熱交換部材の断面の一部を拡大した図である。
【図１１】隔壁の厚さが中心側と外周側との間で異なる熱交換部材の断面の一部を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の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、本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。
【００１６】
本発明の熱交換部材は、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる筒形状の外周壁と、外周壁の内部において第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成し、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる隔壁と、を有する。
【００１７】
本発明の熱交換部材では、外周壁の内部に第一の流体を流し、さらに外周壁の外部に第二の流体を流す場合に、外周壁および隔壁が第一の流体と第二の流体との間の熱交換を介在する。
【００１８】
本発明の熱交換部材では、第一の流体を複数のセルに振り分けて流す。こうして第一の流体を各セルに振り分けると、各セルを囲む隔壁に接触させながら第一の流体を流すことができ、その結果、第一の流体と隔壁との間で熱交換を行わせることができる。さらに、隔壁および外周壁における熱伝導や、外周壁と第二の流体との間の熱交換を介することにより、最終的には、第一の流体と第二の流体との熱交換を行わせることができる。
【００１９】
特に、本発明の熱交換部材では、第一の流体を複数のセルに振り分けて、各セルで第一の流体と隔壁との熱交換を盛んに行わせるので、第一の流体と熱交換部材との間の熱交換効率が高められ、ひいては第一の流体と第二の流体との間の熱交換効率が高められている。
【００２０】
本発明の熱交換部材では、外周壁および隔壁は、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなるので、耐腐食性に優れており、また、熱伝導率が高い。こうした高熱伝導率の外周壁や隔壁では部分ごとでの温度差が生じにくくなる。すなわち、外周壁および隔壁のそれぞれにおいては、温度が最も高い部分と温度が最も低い部分との間の温度差を小さくすることができる。そのため、本発明の熱交換部材では、外周壁や隔壁において、部分ごとで収縮や膨張の度合いに大きな差が生じることを抑えることができる。すなわち、本発明の熱交換部材では、外周壁および隔壁がＳｉＣを主成分とするセラミックスからなるので、外周壁および隔壁で大きな熱応力が発生することを抑えることができる。その結果、本発明の熱交換部材では、外周壁や隔壁において、熱応力に起因したひびや割れの発生が抑制される。
【００２１】
本明細書にいうＳｉＣを主成分とするセラミックスとは、ＳｉＣが５０質量％以上含まれているセラミックスのことを意味する。例えば、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる隔壁とは、ＳｉＣが５０質量％以上含まれた隔壁であることを意味する。
【００２２】
さらに、本発明の熱交換部材では、外周壁の厚さＴ、外周壁の軸方向に垂直な断面における外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および隔壁の厚さｔが下記式（１）〜（３）を満たす。
式（１）：０．３ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
式（２）：１５ｍｍ≦Ｄ≦１２０ｍｍ
式（３）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
【００２３】
本発明の熱交換部材では、外周壁の厚さＴが０．３ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍを満たすことにより、外周壁の剛性が高められている。こうして外周壁の剛性を高めることにより、本発明の熱交換部材では、外周壁の破損が生じにくくなり、ひいては外周壁の破損に起因して、外周壁の内部を流れる第一の流体と外周壁の外部を流れる第二の流体とを混合させてしまうという不具合が生じにくくなる。
【００２４】
また、本発明の熱交換部材では、上述した式（１）〜（３）の関係を満たすことより、たとえ隔壁に熱応力によるひびや割れを生じるとしても、こうしたひびや割れが熱交換効率を大きく低下させてしまう程度にまで拡大することを抑制することができる。さらに、上述した式（１）〜（３）の関係を満たす場合には、第一の流体が外周壁の内部（具体的にはセル内）を流れる際の圧力損失を抑制することができる。
【００２５】
本発明の熱交換部材では、外周壁の厚さＴ、外周壁の軸方向に垂直な断面における外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および隔壁の厚さｔが下記式（４）〜（６）を満たすことが好ましい。
式（４）：０．５ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
式（５）：３０ｍｍ≦Ｄ≦６０ｍｍ
式（６）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
【００２６】
本発明の熱交換部材では、上述した式（４）〜（６）の関係を満たす場合には、外周壁の剛性がより高まって外周壁にひびや割れが極めて生じにくくなり、また、隔壁においても熱応力によるひびや割れが極めて生じにくくなる。さらに、本発明の熱交換部材では、外周壁が円筒形状であり、かつ、上述した式（４）〜（６）の関係を満たす場合には、外周壁におけるひびや割れの発生を抑制する効果や、隔壁におけるひびや割れの発生を抑制する効果をより一層確実に発現させることが可能になるので、より好ましい。
【００２７】
本発明の熱交換部材は、セルの断面形状が鈍角から構成される多角形であることが好ましい。こうした多角形のセルの断面形状である場合には、隔壁の剛性は、外周壁の内部の各箇所間で比較すると差が小さくなる。その結果、隔壁に生じる熱応力の大きさについても、外周壁の内部の各箇所間で比較すると差が小さくなる。こうして、隔壁に生じる熱応力の大きさのばらつきが小さくなると、外周壁内部の隔壁における最大発生応力が小さくなり、その結果、隔壁におけるひびや割れの発生をより一層確実に抑制することが可能になる。
【００２８】
本発明の熱交換部材は、外周壁および隔壁のうちの少なくとも一方が緻密質であることが好ましく、さらに、外周壁および隔壁の両方が緻密質であることがより好ましい。外周壁が緻密質である場合には、外周壁が高熱伝導率になり、その結果、熱交換部材の熱交換効率を高めることができる。同じく、隔壁が緻密質である場合には、隔壁が高熱伝導率になり、その結果、熱交換部材の熱交換効率を高めることができる。よって、本発明の熱交換部材において、外周壁および隔壁がともに緻密質である場合には、熱交換部材の熱交換効率をより一層確実に高めることが可能になる。
【００２９】
本明細書にいう緻密質とは、気孔率が１０％以下であることを意味する。本発明の熱交換部材では、隔壁または外周壁が緻密質である場合、気孔率が５％以下であることがより好ましい。なお、ここでいう気孔率は、水銀圧入法により測定された気孔率のことを意味する。例えば、外周壁や隔壁がＳｉＣを主成分とする多孔質（気孔率３０％以上）のセラミックスからなる場合、熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。対して、外周壁や隔壁がＳｉＣを主成分とする緻密質（気孔率１０％以下）のセラミックスからなる場合、熱伝導率を１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度にまで高めることができる。
【００３０】
本発明の熱交換部材は、外周壁を被覆する被覆部材を有することが好ましい。被覆部材は、第一の流体と第二の流体とを隔てるように設けられている。こうすると、たとえ外周壁に破損が生じたとしても、第一の流体と第二の流体との混合を防止することができる。また、被覆部材は、第一の流体と第二の流体との間での熱交換を可能な状態で熱交換部材に設けられている。
【００３１】
本発明の熱交換部材では、筒の内と外という単純な構成により第一の流体と第二の流体とを隔てることができる。熱交換部材を筒形状というシンプルな構造にできるので、簡単な組み付け作業で熱交換器を作ることができる。例えば、本発明の熱交換部材の両端に管を繋いで第一の流体の流路を作り、さらに熱交換部材をケーシングで覆うことにより、簡便に熱交換器を組み上げることが可能である（熱交換器の組み上げの具体例は後述）。
【００３２】
以下、本発明の熱交換部材について、図面を参照しつつ、具体的な実施形態を示し、その内容を詳しく説明する。
【００３３】
図１は、本発明の熱交換部材の一実施形態の斜視図である。図示されるように、本実施形態の熱交換部材１は、円筒形状の外周壁３を有する。この外周壁３は、端部９ａおよび９ｂがともに開口している。そのため、これらの端部９ａおよび端部９ｂのうちの一方を入口とし、もう一方を出口として、外周壁３の内部に第一の流体を通過させることが可能である。
【００３４】
また、本実施形態では、外周壁３の内部が隔壁７によって四角形の格子状に区画されている。これにより、複数のセル５が外周壁３の内部に形成されている。よって、本実施形態の熱交換部材は、いわゆるハニカム構造体２０となっている。なお、本実施形態では、ハニカム構造体２０の外形が円筒形状（円柱状）であるが、ハニカム構造体２０の外形は円筒形状に限られない。例えば、本実施形態の変形例としては、ハニカム構造体２０を軸方向に垂直な断面からみた場合に、ハニカム構造体２０の外形の断面形状が楕円形、四角形、またはその他の多角形であってもよい。
【００３５】
さらに、本実施形態では、隔壁７が外周壁３の内部を真っすぐに横切り、これらの隔壁７の両端が外周壁３と接触している。こうして隔壁７と外周壁３とが接触しているので、隔壁７と外周壁３との間で、熱伝導が可能になる。
【００３６】
また、本実施形態の熱交換部材１では、外周壁３および隔壁７がＳｉＣを主成分とするセラミックスによって形成されている。
【００３７】
また、外周壁３や隔壁７は、金属Ｓｉを含浸させたＳｉＣを主成分とするセラミックスによって作ることもできる。この場合、金属Ｓｉを含浸させる量を多くすればするほど、外周壁３や隔壁７の熱伝導率をより高めることができる。例えば、金属Ｓｉを含浸させたＳｉＣを主成分とするセラミックスについては、金属Ｓｉ含浸前のＳｉＣを主成分とするセラミックス１００質量部に対して、金属Ｓｉを３０質量部以上含浸させることにより、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることができる。
【００３８】
具体的には、外周壁３や隔壁７の材料としては、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、およびＳｉＣ等を採用することができる。ただし、ここに列挙した材料で作られた外周壁３や隔壁７が多孔質（気孔率３０％以上）の場合には、高い熱伝導率が得られないことがある。そのため、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、およびＳｉＣ等を外周壁３や隔壁７の材料として採用する場合、高い熱交換率を得るために、外周壁３や隔壁７を緻密質（気孔率１０％以下）にすることが好ましい。
【００３９】
こうした緻密質にする際には、外周壁３や隔壁７の材質については、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、または（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することがより好ましい。Ｓｉを含浸するＳｉＣからなる外周壁３や隔壁７は、高い熱伝導率や耐熱性を示しつつ、緻密に形成され、十分な強度を示す。例えば、ＳｉＣ（炭化珪素）の多孔質（気孔率３０％以上）の場合、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるが、Ｓｉ含浸ＳｉＣからなる緻密質（気孔率１０％以下）の場合には、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度にまで向上する。
【００４０】
また、外周壁３や隔壁７をＳｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、またはＳｉＣ等から形成する場合、外周壁３や隔壁７を耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性、酸やアルカリなどに対する耐蝕性に優れたものにすることができ、その結果、熱交換部材１を長期間の使用に耐えられるものにすることが可能になる。
【００４１】
ここで、外周壁３や隔壁７がＳｉ含浸ＳｉＣ、または（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを主成分とする場合、Ｓｉの含有量とＳｉＣの含有量の総和に対するＳｉの含有量の割合［Ｓｉ含有量／（Ｓｉ含有量＋ＳｉＣ含有量）］が０．０５〜０．５であることが好ましく、さらに、０．１〜０．４であることがより好ましい。Ｓｉの含有量とＳｉＣの含有量の総和に対するＳｉの含有量の割合が０．０５以上である場合には、Ｓｉ相を介してなされるＳｉＣ粒子同士の結合が十分となり、外周壁３や隔壁７の強度を高めることができ、これに加えて、十分な熱伝導率にすることが可能になる。Ｓｉの含有量とＳｉＣの含有量の総和に対するＳｉの含有量の割合が０．５以下である場合には、Ｓｉ相の量が過剰になり過ぎず、その結果、焼成などを経て外周壁３や隔壁７を形成する際に、変形等の不都合な現象が生じにくくなる。
【００４２】
図２は、本実施形態の熱交換部材１の端部９ａの正面図である。この正面図では、本実施形態の熱交換部材１における外周壁３の厚さＴ、外周壁３の軸方向に垂直な断面における外周壁３の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および隔壁３の厚さｔを示している。
【００４３】
本実施形態では、外周壁３は、厚さが均一な円筒形状である。また、本実施形態の熱交換部材１を軸方向に垂直な断面からみる場合、外周壁３の内部の断面形状は円である。したがって、上記の相当円の直径Ｄの大きさは、外周壁３の内径の大きさと同じである。
【００４４】
外周壁の形状が円筒形状以外の場合には、外周壁の軸方向に垂直な断面において、外周壁の内側の表面に囲まれた領域の面積を求め、この面積と同面積の円の直径を算出し、これを相当円の直径Ｄとする。
【００４５】
次に、本実施形態の熱交換部材１を装着した熱交換器の一具体例を示す。この熱交換器の図面を参照しつつ、本実施形態の熱交換部材１を用いた熱交換の態様を説明する。
【００４６】
図３は、図１に示した熱交換部材１を装着した熱交換器２１の模式図を示す。図示されるように、本実施形態の熱交換器２１では、上述した熱交換部材１をケーシング１１内に装着している。ここで用いるケーシング１１は、壁１９により直方体の箱型に形作られている。本実施形態の熱交換器２１では、ケーシング１１の一つの面の壁１９とこの面とは反対側の面の壁１９にそれぞれ１個ずつ穴を開け、これらの穴に熱交換部材１の端部９ａと端部９ｂを嵌め込んでいる。こうすることで、熱交換部材１をケーシング１１の内部で横断させている。さらに、本実施形態の熱交換器２１では、熱交換部材１の端部９ａおよび端部９ｂのそれぞれを壁１９の外側で管２３ａおよび管２３ｂに繋いでいる。その結果、本実施形態の熱交換器２１では、第一の流体を管２３ａ内に流すと、続いて熱交換部材１の内部へ、さらに管２３ｂ内へと流すことができる。
【００４７】
図４は、図３中のＡ−Ａ’断面図である。図示されるように、第一の流体が熱交換部材１の内部（外周壁３の内部）を流れる際には、第一の流体は複数のセル５のそれぞれに振り分けられる。
【００４８】
さらに、図３に示されるように、ケーシング１１においては、第二の流体をケーシング１１内に流入させる入口１３、および第二の流体をケーシング１１内から外部に排出させる出口１５が設けられている。
【００４９】
図５は、図３中のＢ−Ｂ’の断面図である。図示されるように、第二の流体は、入口１３からケーシング１１内に流入すると、熱交換部材１の外周壁３の外周面４と接触しながら流れて、最終的に出口１５から排出される。
【００５０】
ここでは、直方体の箱型のケーシング１１を示して説明しているが、ケーシングの形態については、熱交換部材を、あるいは熱交換部材に管を連結させて作られた第一の流体の流路をケーシングの内部に横断させることができ、さらに、ケーシングの内部において第二の流体を熱交換部材の外周に流すことが可能なものであればよい。
【００５１】
例えば、第一の流体が高温、第二の流体が低温の場合であれば、伝熱は第一の流体から第二の流体に向けて生じる。この伝熱の過程では、まず、第一の流体から隔壁７や外周壁３に熱が伝わっていき、続いて、外周壁３から第二の流体に熱が伝わっていく。このとき、第一の流体から外周壁３までの伝熱は、次に述べる２つの態様により行われる。
【００５２】
最も外周側にあるセル５（例えば、図５中のセル５ａ）を流れる第一の流体は、外周壁３に接触しているので、外周壁３に直接熱を伝えることができる。
【００５３】
その他のセル（例えば、図５中のセル５ｂ、セル５ｃ）を流れる第一の流体は、隔壁７を介して外周壁３に熱を伝えることができる。例えば、図５中のセル５ａを流れる第一の流体の場合には、まず、第一の流体からセル５ａを形作っている隔壁７に熱が伝わり、続いて、このセル５ａの隔壁７から他のセル５を形作っている隔壁７を順次辿っていくことにより、外周壁３まで熱を伝えることができる。こうして、第一の流体が外周壁３とは接触せずに流れていても、隔壁７の熱伝導を利用することにより、確実に外周壁３まで熱を伝えることができる。
【００５４】
本実施形態の熱交換部材１では、例えば、図５中の破線の枠αで示した隔壁７（セル５ｂとセル５ｃとを隔てる隔壁７）に穴や亀裂が生じた場合、セル５ｂおよびセル５ｃを流れる第一の流体同士が混じり合うだけであるため、熱交換部材としての機能を損なう致命的な故障には進展しない。そのため、本実施形態の熱交換部材１では、変形例として、隔壁７を薄くしたり、隔壁７をねじれた形状にしたりなどの、より高い熱交換効率を実現可能な形態を適宜適用しやすい。
【００５５】
さらに、本実施形態の熱交換部材１では、隔壁７は、梁として外周壁３を構造的に補強する役割も担う。こうして隔壁７が梁としての役割を果たすため、外周壁３には穴や亀裂が生じにくい。そのため、本実施形態の熱交換部材１では、第一の流体と第二の流体とを混合させてしまう致命的な故障を生じにくい。
【００５６】
図６は、本実施形態の変形例の斜視図である。本変形例の熱交換部材１００は、円筒形状の金属管４０と、グラファイトシート４５とを有する。図６では、金属管４０の一部分を切除し、金属管４０の内側にあるグラファイトシート４５を露出させた状態とし、さらに、この露出させたグラファイトシート４５の一部分を切除し、グラファイトシート４５の内側にある外周壁３を露出させた状態として表している。図示されるように、本変形例では、グラファイトシート４５により外周壁３を覆われた状態で、ハニカム構造体２０を金属管４０の内部に収めている。
【００５７】
こうして外周壁３の周囲を金属管４０の管壁で覆うことにより、外周壁３に破損が生じて、第一の流体が外周壁３の外部に漏出する場合があっても、漏出した第一の流体を金属管４０の管壁で遮蔽し、第一の流体と第二の流体とを混合させてしまう事態を防ぐことができる。
【００５８】
特に、図６に示された変形例のように、ハニカム構造体２０の外周壁３と金属管４０との間にグラファイトシート４５を挟むことにより、外周壁３と金属管４０との間の熱交換を良好にすることができる。外周壁３はセラミックスという材質の性質上、表面を完全に平滑することが困難な場合があり、こうした場合の外周壁３の表面には凹凸ができてしまう。こうした凹凸のある外周壁３を、グラファイトシート４５を挟まずに金属管４０の内部に収めると、外周壁３表面の凸部と金属管４０とを所々で散在する形で接触させるにとどまり、外周壁３と金属管４０との間で良好な熱伝導を行わせることが困難になる。外周壁３と金属管４０との間にグラファイトシート４５を挟み込むと、グラファイトシート４５は変形可能なので、グラファイトシート４５を外周壁３表面の凹部にも入り込ませて接触させることが可能になる。こうして、外周壁３および金属管４０のそれぞれをグラファイトシート４５と広範囲で接触させることができ、その結果、外周壁３−グラファイトシート４５−金属管４０間で、良好な熱伝導を行わせることが可能になる。
【００５９】
図７は、本実施形態の他の変形例の斜視図である。図示されるように、本変形例の熱交換部材１５０は、内部を空洞とされた四角柱状の外周壁３を有する。外周壁３の内部が隔壁７によって四角形の格子状に区画されることにより、複数のセル５が外周壁３の内部に形成されている。
【００６０】
本変形例の熱交換部材１５０を軸方向に垂直な断面からみた場合、外周壁３の内部の断面形状は一辺の長さＬ（ｍｍ）の正方形である。そのため、本変形例では、外周壁３の軸方向に垂直な断面における外周壁３の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄが２Ｌ／π１／２（ｍｍ）となる。
【００６１】
図８は、本発明の一実施形態の熱交換部材の一方の端部の拡大図である。図示されるように、本実施形態の熱交換部材２１０では、セル５の断面形状が正六角形（セルの断面形状が内角１２０度の多角形）になっている。セルの断面形状が鈍角の内角からなる多角形であることにより、隔壁７に生じる熱応力を緩和することができる。その結果、隔壁７におけるひびや割れなどの発生を抑制することができる。
【００６２】
図９は、本発明の一実施形態の熱交換部材の一方の端部の拡大図である。図示されるように、本実施形態の熱交換部材２２０では、隔壁７の一部に切れ込み３１がある。隔壁７に切れ込み３１があることにより、隔壁７に生じる熱応力を緩和することができ、その結果として隔壁７におけるひびや割れなどの発生を抑制することができる。特に、隔壁７の中で最も大きい熱応力が発生する箇所の近傍に切れ込み３１を入れることにより、隔壁７に生じる熱応力をより効果的に緩和することができ、その結果、隔壁７におけるひびや割れなどの発生をより一層確実に抑制することが可能になる。
【００６３】
図１０は、本発明の一実施形態の熱交換部材の断面図である。図示されるように、本実施形態の熱交換部材２３０では、外周壁３に切れ込み３３がある。外周壁３に切れ込み３３があることにより、外周壁３に生じる熱応力を緩和することができ、その結果として外周壁３におけるひびや割れなどの発生を抑制することができる。特に、図１０に示した切れ込み３３のように、外周壁３の中でも複数の隔壁７がちょうど交わっている箇所に切れ込み３３を入れると、これら複数の隔壁７に生じた熱応力も緩和することが可能になるので好ましい。
【００６４】
図１１は、本発明の一実施形態の熱交換部材の断面図である。図示されるように、本実施形態の熱交換部材２４０では、外周壁３内部の中心部分の隔壁７が薄く、外周部分の隔壁７が厚い。外周壁３内部の中心部分の隔壁７が外周部分の隔壁７よりも薄い場合には、中心部分の隔壁７で生じる熱応力を小さくすることができる。その結果、中心部分の隔壁７におけるひびや割れなどの発生を抑制することが可能になる。その一方で、外周部分の隔壁７では、中心部分よりも厚さがあるので、大きな熱応力を生じる恐れがある。しかし、外周部分の隔壁７は、隔壁７と外周壁３との結合部分から近いため、外周壁３により強度を補強されている。そのため、外周部分の隔壁７でも、ひびや割れなどの発生が抑制される。
【実施例】
【００６５】
以下、本発明を実施例に基づいてさら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。【００６６】
（１）熱交換部材
（坏土の作製）
まず、平均粒径４５μｍのＳｉＣ粉末７０質量％と平均粒径３５μｍのＳｉＣ粉末１０質量％と平均粒径５μｍのＳｉＣ粉末２０質量％とを混ぜ合わせて、ＳｉＣ粉末の混合物を調製した。このＳｉＣ粉末の混合物１００質量部に、バインダー４質量部、水を混ぜ合わせ、ニーダーを用いて混練することにより、混練物を得た。この混練物を真空土練機に投入し、円柱状の坏土を作製した。【００６７】
（押出成形）
次に、坏土を押出成形してハニカム成形体を形成した。押出成形では、適当な形態の口金や治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した。口金は、摩耗し難い超硬合金で作られたものを用いた。ハニカム成形体については、外周壁を円筒形状または中空の四角柱形状とし、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した。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した。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した。【００６８】
（乾燥）
次に、押出成形により得たハニカム成形体の乾燥を行った。まず、ハニカム成形体を電磁波加熱方式で乾燥し、続いて、外部加熱方式で乾燥を行った。こうした二段階の乾燥により、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した。【００６９】
（脱脂、Ｓｉ金属の含浸および焼成）
次に、ハニカム成形体に対して窒素雰囲気で５００℃、５時間の脱脂を行った。さらに、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、真空中または減圧の不活性ガス中で、１４５０℃、４時間、焼成をした。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、外周壁や隔壁に金属Ｓｉを含浸させた。外周壁や隔壁の熱伝導率を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の塊を使用した。また、外周壁や隔壁の熱伝導率を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の塊を使用した。こうした焼成を経て、熱交換部材を得た。なお、熱交換部材のより詳細な形態などに関しては、以下で、各実施例および各比較例を個別に説明する際に述べる。【００７０】
（実施例１〜８、比較例１，２）
図１に示されたものと基本的に同じ構造とされた、円筒形状の外周壁を有する熱交換部材を製造した。具体的には、全長１００ｍｍ、外周壁の厚さＴが１．０ｍｍ、隔壁の厚さｔが０．５ｍｍ、セル密度２４セル／ｃｍ２、外周壁および隔壁の熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ（ここでは外周壁の内径と同じ）が表１に示したものとされた熱交換部材を製造した。【００７１】
【表１】
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【００７２】
（実施例９〜２２、比較例３〜１０）
図１に示されたものと基本的に同じ構造とされた、円筒形状の外周壁を有する熱交換部材を製造した。具体的には、全長１００ｍｍ、外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ（ここでは外周壁の内径と同じ）が４５ｍｍ、セル密度２４セル／ｃｍ２、外周壁および隔壁の熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、外周壁の厚さＴおよび隔壁の厚さｔが表２に示したものである熱交換部材を製造した。【００７３】
【表２】
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【００７４】
（実施例２３〜３６、比較例１１〜１７）
図１に示されたものと基本的に同じ構造とされた、円筒形状の外周壁を有する熱交換部材を製造した。具体的には、全長１００ｍｍ、外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ（ここでは外周壁の内径と同じ）が４５ｍｍ、セル密度２４セル／ｃｍ２、外周壁および隔壁の熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋであり、外周壁の厚さＴおよび隔壁の厚さｔが表３に示したものとされた熱交換部材を製造した。【００７５】
【表３】
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【００７６】
（実施例３７〜４４、比較例１８，１９）
図７に示されたものと基本的に同じ構造とされた、四角柱形状の外周壁を有する熱交換部材を製造した。具体的には、全長１００ｍｍ、外周壁の厚さＴが１．０ｍｍ、隔壁の厚さｔが０．５ｍｍ、セル密度２４セル／ｃｍ２、外周壁および隔壁の熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄが表４に示したものである熱交換部材を製造した。なお、熱交換部材を軸方向に垂直な断面からみた場合における外周壁の内部の断面を正方形とし、その一辺の長さを表４に示した値にした。【００７７】
【表４】
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【００７８】
（２）熱交換器
上述した各実施例および各比較例の熱交換部材をケーシング内に収容することにより、熱交換器（図３に示したものと基本的に同じ構造の熱交換器）を作製した。ケーシングについては、熱交換部材の外周壁とケーシングの壁面との隙間が各部で１ｍｍとなるような形状のものを用いた。すなわち、円筒形状の外周壁を有する熱交換部材については、円筒形状のケーシングに収容した（実施例１〜３６、比較例１〜１７）。四角柱形状の外周壁を有する熱交換部材については、直方体箱型のケーシングに収容した（実施例３７〜４４、比較例１８,１９）。なお、各実施例および各比較例につき１０個ずつの熱交換器を作製し、これら１０個の熱交換器について下記の熱交換試験などを実施した。【００７９】
（３）熱交換試験
上述した熱交換器において、窒素ガスを第一の流体とし、水を第二の流体として用いて、熱交換試験を行った。窒素ガスの温度は５００℃、流量は２０ｇ／ｓ、水の流量は５Ｌ／ｍｉｎに設定した。また、熱交換試験は、窒素ガスの出口温度（熱交換部材の出口側の端部から排出直後の窒素ガスの温度）、および水の出口温度（ケーシングの出口を通過する際の水の温度）が安定化することを確認して実施した。【００８０】
熱交換部材の入口側の端部に流入直前の第一の流体の温度を「入口ガス温」、熱交換部材の出口側の端部から排出直後の第一の流体の温度を「出口ガス温」として計測した。また、ケーシングの入口を通過する水の温度を「入口水温」として計測した。これらの温度から、熱交換効率（％）を下記式にて算出した。結果を表１〜４に示す。
熱交換効率（％）＝（入口ガス温−出口ガス温）／（入口ガス温−入口水温）×１００【００８１】
（４）圧力損失の測定
上述した熱交換試験において、熱交換部材の前後に位置する窒素ガスの流路内に、それぞれ圧力計を配置した。これらの圧力計の測定値から得られた差圧から、熱交換部材内（セル内）を流れる窒素ガスの圧力損失を測定した。各実施例および各比較例について、合計１０個の熱交換器で測定された圧力損失の平均値を表１〜４に示す。【００８２】
（５）破損の検査
各実施例および各比較例について、上述したように合計１０個の熱交換器を作製して熱交換試験を行った後、これら１０個の熱交換器のそれぞれから熱交換部材を取り出し、隔壁や外周壁における破損の有無を観察した。合計１０個の熱交換部材のうちで、破損を生じていた熱交換部材の個数を表１〜４に示す。【００８３】
（６）アイソスタティック強度試験
熱交換部材の外周壁に、厚さ０．５ｍｍのウレタンゴム製のシートを巻き付け、更に、熱交換部材の両端部の上に、円形のウレタンゴム製のシートを間に挟ませて、厚さ２０ｍｍのアルミニウム製の板を配置した。アルミニウム製の板およびウレタンゴム製のシートは、熱交換部材の端部と同一の形状および同一の大きさのものを用いた（例えば、外周壁が円筒形状、すなわち端部の形状が円の場合には、アルミニウム製の円板を用いた）。さらに、アルミニウム製の板の外周に沿ってビニールテープで巻くことにより、アルミニウム製の板の外周とウレタンゴム製のシートとの間を封止して、試験用サンプルを得た。次に、試験用サンプルを、水を満たした圧力容器内に入れた。続いて、圧力容器内の水圧を０．３〜３．０ＭＰａ／分の速度で２０ＭＰａまで上昇させ、熱交換部材に破壊が生じたときの水圧を計測した。熱交換部材に破壊が生じたときの水圧を表１〜４に示す。なお、水圧２０ＭＰａでも破壊が生じない場合、表１〜４中では「＞２０」と表記した。また、熱交換部材に破壊が生じたときの水圧が１．０ＭＰａ超の場合、アイソスタティック強度を「可」［表１〜４中では丸（○）で示す］と判定し、熱交換部材に破壊が生じたときの水圧が１．０ＭＰａ以下の場合、アイソスタティック強度を「不可」［表１〜４中ではクロス（×）で示す］と判定した。【００８４】
（７）総合評価
「圧力損失７０ｋＰａ以下」、「アイソスタティック強度１．０ＭＰａ超」、という２つの条件を満たす場合、総合評価を「可」と判定した［表１〜４中では丸（○）で示す］。また、上記の２つの条件のうち１つの条件でも満たさないものがある場合、総合評価を「不可」と判定した［表１〜４中ではクロス（×）で示す］。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、熱交換器に装着して使用する熱交換部材として利用できる。
【符号の説明】
【００８６】
１：熱交換部材、３：外周壁、４：外周面、５，５ａ〜５ｃ：セル、７：隔壁、９，９ａ，９ｂ：端部、１１：ケーシング、１３：（第二の流体の）入口、１５：（第二の流体の）出口、１７：（第二の流体の）流路、１９：壁、２０：ハニカム構造体、２１：熱交換器、２３ａ，２３ｂ：管、３１：（隔壁の）切れ込み、３３：（外周壁の）切れ込み、４０：金属管、４５：グラファイトシート、１００，１５０，２１０，２２０，２３０，２４０：熱交換部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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