(57)【要約】【課題】熱交換の効率を高めることのできる、熱交換体の製造方法及び熱交換体を提供すること。【解決手段】枠体２と、枠体２の内部に形成され、角筒状の複数のセル３１を形成する複数の隔壁３と、複数のセル３１のうち一列おきに並んだ複数の第１セル３１１の隔壁が除かれて形成される複数の第１スリットと、複数のセル３１のうち複数の第１セル３１１の列と異なる列に並んだ複数の第２セル３１２の隔壁が除かれて形成される複数の第２スリットと、を有する成形体をセラミックス原料で成形する成形工程と、成形体を焼成することで、セラミックス焼結体の熱交換体１を得る焼成工程と、を備え、成形工程では、複数の第１及び第２スリットの開口面積または開口幅と、複数の第１及び第２スリットの各々の長さと、複数のセル３１の各々の長さと、熱交換の設計効率との関係から、成形体の形状を予め決定する。【選択図】図１
2020085379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１軸方向に延びる角筒状の枠体と、前記枠体の内部に形成され、前記第１軸方向に延び、前記第１軸方向に直交する方向であり互いに直交する第２軸方向及び第３軸方向にそれぞれ一定の間隔で列設されることで角筒状の複数のセルを形成する複数の隔壁と、前記複数のセルのうち前記第２軸方向に一列おきに並んだ複数の第１セルの、前記第１軸方向の一対の端面のうち一方の第１端面側の前記隔壁が除かれて形成される複数の第１スリットと、前記複数のセルのうち前記複数の第１セルの列と異なる前記第２軸方向の列に並んだ複数の第２セルの、前記第１軸方向の一対の端面のうち他方の第２端面側の前記隔壁が除かれて形成される複数の第２スリットと、を有する成形体をセラミックス原料で成形する成形工程と、
前記成形体を焼成することで、セラミックス焼結体の熱交換体を得る焼成工程と、
を備え、
前記成形工程では、前記隔壁が設けられていない位置での前記複数の第１スリット及び前記複数の第２スリットの前記隔壁が設けられた位置での開口面積または開口幅と、前記複数の第１スリット及び前記複数の第２スリットの開口面積または開口幅と、前記複数の第１スリット及び前記複数の第２スリットの各々の前記第３軸方向の長さと、前記複数のセルの各々の前記第３軸方向の長さと、熱交換の設計効率との関係から、前記成形体の形状を予め決定し、前記枠体及び前記隔壁を成形した後、前記複数の第１セルの前記第１軸方向側の前記隔壁、及び前記複数の第２セルの前記第２軸方向側の前記隔壁を除去し、前記成形体を形成することを特徴とする熱交換体の製造方法。
【請求項２】
前記成形工程では、熱交換の設計効率の達成度ηに応じて（１）式を満たすように前記成形体の形状を決定することを特徴とする請求項１に記載の熱交換体の製造方法。
【数１】
2020085379.tif 000005
η：熱交換の設計効率の達成度（−）
Ｌ／ｄ：セルの個数
Ｌ：複数の第１スリット及び複数の第２スリットの各々の第３軸方向の長さ（ｍｍ）
ｄ：複数のセルの各々の第３軸方向の長さ（ｍｍ）
Ａ’：複数の第１スリット及び複数の第２スリットの隔壁が設けられた位置での各々の開口面積（ｍｍ２）
Ａ：複数の第１スリット及び複数の第２スリットの隔壁が設けられていない位置での各々の開口面積（ｍｍ２）
【請求項３】
前記熱交換の設計効率の達成度ηを、０．９０以上とすることを特徴とする請求項２に記載の熱交換体の製造方法。
【請求項４】
前記成形工程では、前記成形体の形状を決定する際に、前記複数のセルの前記第１軸方向に直交する断面形状が、前記第２軸方向の長さよりも前記第３軸方向の長さが長い矩形状とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換体の製造方法。
【請求項５】
前記成形工程では、
前記複数の第１セルの前記第１端面を封止する複数の第１封止部と、
前記複数の第２セルの前記第２端面を封止する複数の第２封止部と、
前記枠体の前記第３軸方向側の端面の、前記第１セルが形成される領域の前記第１端面側及び前記第２セルが形成される領域の前記第２端面側に形成される開口部と、
をさらに有する前記成形体を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換体の製造方法。
【請求項６】
前記成形工程では、
前記複数の第１セルの、前記第２端面側の前記隔壁が除かれて形成される複数の第３スリットと、
前記複数の第２セルの、前記第１端面側の前記隔壁が除かれて形成される複数の第４スリットと、
前記複数の第１セルの前記第１端面の、前記第３軸方向に平行な一方向側を封止する複数の第１封止部と、
前記複数の第２セルの前記第２端面の、前記一方向側を封止する複数の第２封止部と、
前記複数の第１セルの前記第２端面の、前記一方向側の反対の他方向側を封止する複数の第３封止部と、
前記複数の第２セルの前記第１端面の、前記他方向側を封止する複数の第４封止部と、
をさらに有する前記成形体を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換体の製造方法。
【請求項７】
セラミックス焼結体の熱交換体であって、
第１軸方向に延びる角筒状の枠体と、
前記枠体の内部に形成され、前記第１軸方向に延び、前記第１軸方向に直交する方向であり互いに直交する第２軸方向及び第３軸方向にそれぞれ一定の間隔で列設されることで角筒状の複数のセルを形成する複数の隔壁と、
前記複数のセルのうち前記第２軸方向に一列おきに並んだ複数の第１セルの、前記第１軸方向の一対の端面のうち一方の第１端面側の前記隔壁が除かれて形成される複数の第１スリットと、
前記複数のセルのうち前記複数の第１セルの列と異なる前記第２軸方向の列に並んだ複数の第２セルの、前記第１軸方向の一対の端面のうち他方の第２端面側の前記隔壁が除かれて形成される複数の第２スリットと、
を有し、
熱交換の設計効率の達成度ηに応じて（１）式を満たすことを特徴とする熱交換体。
【数２】
2020085379.tif 000006
η：熱交換の設計効率の達成度（−）
Ｌ／ｄ：セルの個数
Ｌ：複数の第１スリット及び複数の第２スリットの各々の第３軸方向の長さ（ｍｍ）
ｄ：複数のセルの各々の第３軸方向の長さ（ｍｍ）
Ａ’：複数の第１スリット及び複数の第２スリットの隔壁が設けられた位置での各々の開口面積（ｍｍ２）
Ａ：複数の第１スリット及び複数の第２スリットの隔壁が設けられていない位置での各々の開口面積（ｍｍ２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換体の製造方法及び熱交換体に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温の排ガスや排水から熱を回収する熱交換体として、以前より、単一の軸方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造体を使用したものが提案されている(例えば、特許文献１参照)。特許文献１に記載の熱交換体では、ハニカム構造体の製作後に隔壁を除くことでスリットを形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−６３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の熱交換体では、内部構造に起因した圧損が発生することから、熱交換の効率が低くなることが問題であった。また、伝熱面積を大きくするために、セルの数を増やすと圧損がさらに大きくなり、さらにセル毎の流量の違いから、熱交換の効率がさらに低くなることが問題であった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、熱交換の効率を高めることのできる、熱交換体の製造方法及び熱交換体を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、第１軸方向に延びる角筒状の枠体と、上記枠体の内部に形成され、上記第１軸方向に延び、上記第１軸方向に直交する方向であり互いに直交する第２軸方向及び第３軸方向にそれぞれ一定の間隔で列設されることで角筒状の複数のセルを形成する複数の隔壁と、上記複数のセルのうち上記第２軸方向に一列おきに並んだ複数の第１セルの、上記第１軸方向の一対の端面のうち一方の第１端面側の上記隔壁が除かれて形成される複数の第１スリットと、上記複数のセルのうち上記複数の第１セルの列と異なる上記第２軸方向の列に並んだ複数の第２セルの、上記１軸方向の一対の端面のうち他方の第２端面側の上記隔壁が除かれて形成される複数の第２スリットと、を有する成形体をセラミックス原料で成形する成形工程と、上記成形体を焼成することで、セラミックス焼結体の熱交換体を得る焼成工程と、を備え、上記成形工程では、上記隔壁が設けられた位置での上記複数の第１スリット及び上記複数の第２スリットの開口面積または開口幅と、上記複数の第１スリット及び上記複数の第２スリットの上記隔壁が設けられていない位置での開口面積または開口幅と、上記複数の第１スリット及び上記複数の第２スリットの各々の上記第３軸方向の長さと、上記複数のセルの各々の上記第３軸方向の長さと、熱交換の設計効率との関係から、上記成形体の形状を予め決定し、上記枠体及び上記隔壁を成形した後、上記複数の第１セルの上記第１軸方向側の上記隔壁、及び上記複数の第２セルの上記第２軸方向側の上記隔壁を除去し、上記成形体を形成することを特徴とする熱交換体の製造方法が提供される。
【０００７】
本発明の一態様によれば、セラミックス焼結体の熱交換体であって、第１軸方向に延びる角筒状の枠体と、上記枠体の内部に形成され、上記第１軸方向に延び、上記第１軸方向に直交する方向であり互いに直交する第２軸方向及び第３軸方向にそれぞれ一定の間隔で列設されることで角筒状の複数のセルを形成する複数の隔壁と、上記複数のセルのうち上記第２軸方向に一列おきに並んだ複数の第１セルの、上記第１軸方向の一対の端面のうち一方の第１端面側の上記隔壁が除かれて形成される第１スリットと、上記複数のセルのうち上記複数の第１セルの列と異なる上記第２軸方向の列に並んだ複数の第２セルの、上記１軸方向の一対の端面のうち他方の第２端面側の上記隔壁が除かれて形成される複数の第２スリットと、を有し、熱交換の設計効率の達成度ηに応じて（１）式を満たすことを特徴とする熱交換体が提供される。
【０００８】
【数１】
2020085379.tif 000003
【０００９】
η：熱交換の設計効率の達成度（−）
Ｌ／ｄ：セルの個数
Ｌ：第１スリット及び第２スリットの第３軸方向の長さ（ｍｍ）
ｄ：複数のセルの各々の第３軸方向の長さ（ｍｍ）
Ａ’：第１スリット及び第２スリットの隔壁が設けられた位置での開口面積（ｍｍ２）
Ａ：第１スリット及び第２スリットの隔壁が設けられていない位置での開口面積（ｍｍ２）
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様によれば、熱交換の効率を高めることのできる、熱交換体の製造方法及び熱交換体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱交換体を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る熱交換体を示す図面であり、（Ａ）が正面図であり、（Ｂ）が背面図である。
【図３】第１実施形態に係る熱交換体を示すｘ軸方向中央での断面図である。
【図４】第１実施形態に係る熱交換体を示すｘ軸正方向側での部分断面図であり、図２（Ａ）におけるＩ−Ｉ線矢視図である。
【図５】第１実施形態に係る熱交換体を示す部分断面図であり、（Ａ）が図４におけるＩＩ−ＩＩ線矢視図であり、（Ｂ）が図４におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。
【図６】第１実施形態に係る熱交換体を示す断面図であり、（Ａ）が第１セルの断面図であり、（Ｂ）が第２セルの断面図である。
【図７】第１実施形態に係る熱交換体の製造方法を示す説明図であり、（Ａ）が成形体７１の斜視図であり、（Ｂ）が成形体７２の斜視図であり、（Ｃ）が成形体７３の斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る熱交換体を示す斜視図である。
【図９】第２実施形態に係る熱交換体を示す図面であり、（Ａ）が正面図であり、（Ｂ）が背面図である。
【図１０】第２実施形態に係る熱交換体を示す断面図であり、（Ａ）が第１セルの断面図であり、（Ｂ）が第２セルの断面図である。
【図１１】第２実施形態に係る熱交換体の製造方法を示す説明図であり、（Ａ）が成形体７１の斜視図であり、（Ｂ）が成形体７２の斜視図であり、（Ｃ）が成形体７３の斜視図である。
【図１２】実施例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するように、本発明の実施形態を例示して多くの特定の細部について説明する。しかしながら、かかる特定の細部の説明がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかである。また、図面は、簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。
【００１３】
＜第１実施形態＞
（熱交換体）
はじめに、図１〜図６を参照して、第１実施形態に係る熱交換体１について説明する。熱交換体１は、高温の排ガスや排水等から熱を回収するセラミックス焼結体である。熱交換体１は、図１及び図２に示すように、枠体２と、隔壁３と、第１スリット４１と、第２スリット４２と、第１封止部５１と、第２封止部５２と、第１開口部６１と、第２開口部６２とを備える。
【００１４】
枠体２は、高さ方向がｘ軸方向（第１軸方向）に平行な方向となり、ｘ軸方向に直交する方形断面において側面がｙ軸方向（第３軸方向）またはｚ軸方向（第２軸方向）に延在する角筒状の形状を有する。なお、図面において、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、互いに直交する軸である。
隔壁３は、図３に示すように、枠体２の内部にｘ軸方向に延在して形成される壁であり、ｙ軸方向及びｚ軸方向にそれぞれ一定の間隔で列設されることで、格子状に形成される。隔壁３によって枠体２の内部は、格子状に区画されることとなり、この区画された各領域を、セル３１という。つまり、熱交換体１は、ｙ軸方向及びｚ軸方向に並んで設けられた複数のセル３１を、内部に有している。なお、隔壁３のｚ軸方向の間隔であるセル３１のｚ軸方向の長さをｄといい、隔壁３のｙ軸方向の間隔であるセル３１のｙ軸方向の長さをｗという。また、後述するように、セル３１のｚ軸方向の長さｄは、ｙ軸方向の長さｗよりも大きいことが好ましい。
【００１５】
第１スリット４１は、図４に示すように、熱交換体１の内部のｘ軸正方向側に、ｚ軸方向に並んだ複数の隔壁３が除かれることで、ｚ軸方向に延在して形成される領域（空間）である。第１スリット４１は、複数のセル３１のうち、ｙ軸方向に並んだ列の一列おきに形成される。
第２スリット４２は、熱交換体１の内部のｘ軸負方向側に、ｚ軸方向に並んだ複数の隔壁３が除かれることで、第１スリット４１と同様に、ｚ軸方向に延在して形成される領域（空間）である。第２スリット４２は、複数のセル３１のうち、ｙ軸方向に並んだ列について第１スリット４１が形成されていない列に形成される。また、第１スリット４１が形成されたセル３１を第１セル３１１、第２スリット４２が形成されたセル３１を第２セル３１２といい、熱交換体１の内部には、この第１セル３１１と第２セル３１２とが、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、一列ずつ交互にｙ軸方向に並んで形成される。
【００１６】
なお、第１スリット４１及び第２スリット４２（以下、単に「スリット」ともいう。）では、ｚ軸方向に並んだ隔壁３がｙ軸方向に完全に除かれず、後述する加工時の成形精度に応じて、一部を残した状態で除かれる。つまり、第１スリット４１及び第２スリット４２は、隔壁３が設けられたｙ軸方向位置において、隔壁３が設けられていない位置よりも内壁面が内側に突出した形状を有しており、ｙ軸方向の幅が狭くなっている。このため、各スリットの隔壁３が設けられていないｚ軸方向位置でのｘ−ｙ断面における開口領域の面積に対して、各スリットの隔壁３が設けられたｚ軸方向位置でのｘ−ｙ断面における開口領域の面積が小さくなる。図５に示す例では、図５（Ａ）に隔壁３が設けられた位置での部分断面図、図５（Ｂ）に隔壁３が設けられていない位置での部分断面図をそれぞれ示す。図５（Ａ）に示すように、隔壁３が設けられた位置では、第１スリット４１の開口領域は、ｘ軸方向の長さａ、ｙ軸方向の長さｂ１の方形領域として定められる。また、図５（Ｂ）に示すように、隔壁３が設けられていない位置では、第１スリット４１の開口領域は、ｘ軸方向の長さａ、ｙ軸方向の長さｂ２（ｂ２＞ｂ１）の方形領域として定められる。なお、隔壁３が設けられていない位置での開口領域のｘ軸負方向側端は、隔壁３が設けられた位置での開口領域のｘ軸負方向側端と同じとする。
【００１７】
第１封止部５１は、図２（Ａ）に示すように、枠体２のｘ軸正方向側の端面（第１端面）のうち、第１スリット４１が設けられた第１セル３１１の開口領域を封止して設けられる。つまり、第１セル３１１は、ｘ軸方向の一対の端面について、ｘ軸正方向側の端面が第１スリット４１を介して封止され、ｘ軸負方向側の端面が開口した状態となる。
第２封止部５２は、図２（Ｂ）に示すように、枠体２のｘ軸負方向側の端面（第２端面）のうち、第２スリット４２が設けられた第２セル３１２の開口領域を封止して設けられる。つまり、第２セル３１２は、ｘ軸方向の一対の端面について、ｘ軸負方向側の端面が第２スリット４２を介して封止され、ｘ軸正方向側の端面が開口した状態となる。
【００１８】
第１開口部６１は、枠体２のｚ軸正方向側の側面のｘ軸正方向側の、第１スリット４１が形成される位置にｙ軸方向に並んで複数形成される。第１開口部６１は、隔壁３が設けられた位置における第１スリット４１の開口領域と、形状や面積が同じとなる。
第２開口部６２は、枠体２のｚ軸正方向側の側面のｘ軸負方向側の、第２スリット４２が形成される位置にｙ軸方向に並んで複数形成される。第２開口部６２は、隔壁３が設けられた位置における第２スリット４２の開口領域と、形状や面積が同じとなる。
【００１９】
第１実施形態に係る熱交換体１では、ｘ軸方向の両端面から温度の異なる流体（高温流体と低温流体）を第１セル３１１及び第２セル３１２にそれぞれ流入させることで、この２つの流体の熱交換を行う。この際、第１セル３１１では、一方の流体が、ｘ軸負方向側の開口から流入し、第１開口部６１から流出する。一方、第２セル３１２では、他方の流体が、ｘ軸正方向側の開口から流入し、第２開口部６２から流出する。そして、隔壁３を通じて、第１セル３１１及び第２セル３１２に流入した流体の熱交換が行われる。
【００２０】
また、熱交換体１は、第１面積Ａ’（ｍｍ２）、第２面積Ａ（ｍｍ２）、セル３１のｚ軸方向の長さｄ（ｍｍ）、並びに第１スリット４１及び第２スリット４２のｚ軸方向の長さＬ（ｍｍ）が、下記（１）式を満たすことが好ましい。第１面積Ａ’は、第１スリット４１及び第２スリット４２の隔壁３が設けられた位置でのｘ−ｙ断面の開口面積である。第１面積Ａ’は、隔壁３が設けられたｚ軸方向位置での第１スリット４１及び第２スリット４２の各スリットのｘ−ｙ断面の開口面積であり、図５（Ａ）において、ａ×ｂ１で求められる面積である。また、第２面積Ａは、隔壁３が設けられていないｚ軸方向位置での各スリットの断面の開口面積であり、図５（Ｂ）において、ａ×ｂ２で求められる面積である。セル３１のｚ軸方向の長さｄは、図６に示すように、ｚ軸方向における隣り合うセル３１同士またはセル３１と枠体２のｚ軸方向端璧との中心間の距離である。また、第１スリット４１及び第２スリット４２のｚ軸方向の長さＬは、図６に示すように、枠体２のｚ軸方向両端壁の、ｚ軸方向における中心間の距離である。さらに、本実施形態では、複数のセル３１の形状及び寸法は同じであり、第１スリット４１及び第２スリット４２の形状及び寸法も同じである。つまり、長さｄ、第１面積Ａ’及び第２面積Ａはどのセル３１やどのスリットにおいても同一のものとなる。そして、本実施形態では、枠体２とセル３１とは同じ厚みであることから、長さＬは、長さｄをｚ軸方向のセル３１の個数だけ整数倍した値となる。なお、（１）式において、ηは熱交換の設計効率の達成度を示すものであり、第１スリット４１及び第２スリット４２での偏流を考慮しない場合における熱回収率に対する、第１スリット４１及び第２スリット４２での偏流を考慮した場合における熱回収率の比である。つまり、ηは、偏流による効率の低下分がどの程度であるかを示すものである。熱交換の設計効率の達成度ηは、０．９０以上とすることが好ましく、０．９５以上とすることがより好ましい。すなわち、（１）式の左辺を０．９０以上とすることが好ましく、０．９５以上とすることがより好ましい。（１）式において、第２面積Ａに対する第１面積Ａ’の比（Ａ’／Ａ）は、０〜１の範囲である。このため、（１）式の指数部分は常に負の値を示すことより、（Ｌ／ｄ）は小さいほど、そして（Ａ’／Ａ）は大きいほど（１）式の左辺の値は大きくなることがわかる。
【００２１】
【数２】
2020085379.tif 000004
【００２２】
第１実施形態に係る熱交換体１では、第１スリット４１及び第２スリット４２のｚ軸方向の長さＬをｚ軸方向のセルの長さｄで割った値（Ｌ／ｄ）、すなわち、ｚ軸方向のセルの個数（Ｌ／ｄ）及び第２面積Ａに対する第１面積Ａ’の比（Ａ’／Ａ）を調整することで、熱交換の設計効率の達成度を調整する。この調整方法では、後述するように比（Ａ’／Ａ）の上限が製作時の成形精度によって決まるため、通常の場合、この成形精度に応じてセルの個数（Ｌ／ｄ）が決定される。セルの個数（Ｌ／ｄ）は、隔壁３を熱交換体１のｚ軸方向に設ける数、つまり各スリット内の隔壁３を除いた後の凹凸の数に対応する。また、通常、セル３１のｙ軸方向の長さは熱交換体１の成形精度や流体の種類に応じた圧損等の条件に応じて予め決定されるものであり、圧損が問題とならない程度で小さくすることが好ましい。そして、通常の場合において、熱交換の設計効率の達成度ηを０．９０以上とするためには、セル３１のｘ軸方向に直交する断面形状を、ｙ軸方向の長さｗよりもｚ軸方向の長さｄが長い矩形状とすることが好ましい。特許文献１に示すような従来の熱交換体では、製作・設計の簡易性や強度の観点から、セルの断面形状を正方形としていた。しかし、第１実施形態では、（１）式を満たすようにｚ軸方向のセルの個数（Ｌ／ｄ）を決定し、好ましくは断面形状をｙ軸方向の長さｗよりもｚ軸方向の長さｄが長い矩形とすることにより、スリット加工時に生じるスリット内面の凹凸による偏流の発生を抑えることができ、熱交換の設計効率の達成度を向上させることができる。
【００２３】
また、第１実施形態では、第１開口部６１及び第２開口部６２を同一の側面に形成することで、第１セル３１１を通る流体と、第２セル３１２を通る流体とのｚ軸方向の違いによる流量差を小さくすることができる。セル３１は、流体が流出する開口部に近い程、流量が大きくなる。例えば、第１実施形態のセル３１においては、ｚ軸負方向側のセル３１よりも、第１開口部６１及び第２開口部６２が設けられた側となるｚ軸正方向側のセル３１を流れる流体の流量が大きくなる。また、偏流が発生した場合においても、ｚ軸方向が同じセル３１であれば、偏流による流量の変化が同様なものとなるため、第１セル３１１を通る流体と、第２セル３１２を通る流体とのｚ軸方向の違いによる流量差を小さくすることができる。これにより、より効果的に熱交換をすることができる。
なお、第１実施形態に係る熱交換体１は、実際に用いられる場合には、単独で用いられてもよく、用いられる用途に応じて複数の熱交換体１をｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向の少なくとも一方に並べた集合体として用いられてもよい。
【００２４】
（熱交換体の製造方法）
次に、第１実施形態に係る熱交換体１の製造方法について説明する。本実施形態では、まず、図７を参照して、セラミックス原料で、上記の熱交換体１と同様な形状の成形体７を成形する（成形工程）。セラミックス原料は、焼成によりセラミックスとなるものである。熱交換体１として用いられるセラミックスは、熱交換体１が用いられる環境に適用できるものであれば特に限定されない。例えば、熱交換体１として用いられるセラミックスとしては、炭化珪素、シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化ホウ素、マグネシア、ジルコニア、チタニア、ハフニア、イットリア、ランタナ等のセラミックのうち１種を単独で使用することができるし、あるいは２種以上を併用することもできる。なお、耐熱性に優れることから、炭化珪素を用いることが好ましい。熱交換体１のセラミックスとして炭化珪素を用いる場合、セラミックス原料としては、炭化珪素粉末を含有する原料、または炭化珪素を生成する珪素源及び炭素源を含む原料を用いることができる。炭化珪素を生成する珪素源及び炭素源を含む原料を用いる場合、焼成時において、炭化珪素を反応生成させつつ焼成が行われる。
【００２５】
成形工程では、はじめに、熱交換の設計効率の達成度ηに応じて、熱交換体１の第１面積Ａ’、第２面積Ａ、及びセル３１のｚ軸方向の隔壁３の個数を決定する。セルの個数は、ｚ軸方向の長さが決まっている場合は、隔壁を含むセルの長さｄで除すること（Ｌ／ｄ）により求められる。熱交換の設計効率の達成度ηは、上記の（１）式で決定される値である。熱交換の設計効率の達成度ηを大きくするためには、第２面積Ａに対する第１面積Ａ’の比（Ａ’／Ａ）を大きくするか、セルの個数（Ｌ／ｄ）を小さくする必要がある。
【００２６】
比（Ａ’／Ａ）を大きくさせるためには、第１面積Ａ’を大きくする必要があり、これは成形工程における成形精度に応じて上限が決まるものである。つまり、比（Ａ’／Ａ）、つまり第１面積Ａ’は、成形精度に応じて、できるだけ大きな値とすることが好ましい。なお、後述するように隔壁３を取り除くことで、第１スリット４１及び第２スリット４２を形成する場合、各スリットにおけるｚ軸方向に並んだセル３１間の内面を平らに形成することは困難であり、凹凸が生じることは避けられない。しかしながら、この凹凸は、焼成後の熱交換体１において、流体の偏流の原因となるものである。このため、熱交換の効率を向上させる観点からは、この凹凸を小さく、つまり比（Ａ’／Ａ）を大きくさせる（１に近づける）ことが有効となる。
【００２７】
セルの個数（Ｌ／ｄ）を小さくするためには、第１スリット４１及び第２スリット４２の長さＬは熱交換体１自体の大きさによって決まるものであることから、セル３１のｚ軸方向の長さｄを大きくする必要がある。セル３１のｚ軸方向の長さｄを大きくし過ぎると、熱交換体１の強度が低下してしまうことから、長さｄの上限は、必要とされる強度や材質に応じて決定する。なお、長さｄを大きくすることが好ましいことから、セル３１のｘ軸方向に直交する断面形状は、ｚ軸方向の長さｄがｙ軸方向の長さｗよりも長い、矩形となることが好ましい。なお、セル３１のｙ軸方向の長さｗは、長さｄと同様に、ｙ軸方向における隣り合うセル３１同士またはセル３１と枠体２のｙ軸方向端璧との中心間の距離として定義される。
【００２８】
成形工程では、熱交換体１の形状の条件を決定した後、図７（Ａ）に示すように、セラミックス材料を用いて枠体２と隔壁３とが一体で形成された成形体７１（７）を形成する。この際、形成される成形体７１は、第１スリット４１及び第２スリット４２が形成されていない形状であり、隔壁３と枠体２の長手方向となるｘ軸方向の長さが同一に形成される。なお、成形体７１のセル３１のｚ軸方向の長さｄ、並びに第１スリット４１及び第２スリット４２のｚ軸方向の長さＬは、上述のように予め決定された長さとなる。
【００２９】
次いで、図７（Ｂ）に示すように、ｘ軸の両方向側のｚ軸方向に列設された隔壁３を除去することで、第１スリット４１及び第２スリット４２を形成し、成形体７２（７）を形成する。この際、第１スリット４１は、成形体７１の第１セル３１１の列のｘ軸正方向端面側のｚ軸方向に列設された隔壁３を取り除くことで形成される。また、第２スリット４２は、成形体７１の第２セル３１２の列のｘ軸負方向端面側のｚ軸方向に列設された隔壁３を取り除くことで形成される。除去によって形成される隔壁３の開口領域の面積である第１面積Ａ’は、上述のように予め決定された大きさとなる。なお、本実施形態のように成形体７１の隔壁３を除去する場合、焼成前の隔壁３を除去するため、例えば引用文献１のように焼成後の隔壁を除去する場合に比べて、隔壁３を精度よく除去することができ、比（Ａ’／Ａ）を大きくすることができる。さらに、この際、図７（Ｂ）に示すように、隔壁３の除去と共に、枠体２のｚ軸正方向側の端面の第１スリット４１及び第２スリット４２が形成された位置を、第１スリット４１及び第２スリット４２の形状と同様に除去することで、第１開口部６１及び第２開口部６２を形成する。
【００３０】
さらに、図７（Ｃ）に示すように、第１スリット４１及び第２スリット４２が形成された列の各スリットが形成された側の端面に、セラミックス原料からなる第１封止部５１及び第２封止部５２を設けることで、成形体７３（７）を成形する。成形された成形体７３は、図１及び図２に示す、熱交換体１と同様な形状となる。第１封止部５１及び第２封止部５２は、枠体２及び隔壁３と同じ素材であることが好ましいが、他のセラミックス原料であってもよい。成形体７３が成形されることで、成形工程が完了する。
【００３１】
成形工程の後、成形工程にて形成された成形体７を焼成し、焼結体である熱交換体１を得る焼成工程を行う。成形体７の焼成は、焼成雰囲気、焼成温度や時間等の条件はセラミックス原料の種類に応じて適宜設定される。例えば、熱交換体１のセラミックス原料として炭化珪素を用いる場合、焼成は非酸化雰囲気下で行われる。非酸化性雰囲気は、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、これらの混合ガス雰囲気、あるいは真空雰囲気である。
【００３２】
焼成を実施した後に、必要に応じて酸化防止剤を被覆して、熱処理を施しても良い。酸化防止剤は、加熱によって珪酸系ガラスとなるものであり、二酸化珪素の他、酸化ナトリウム、酸化カリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属成分、酸化カルシウム、炭酸カルシウム等のアルカリ土類金属成分、珪素（単体の珪素）、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムなどを含有することができる。酸化防止剤は、焼成時に加熱されることによって、隔壁３の表面に固着した、珪酸系ガラスの酸化防止層となる。ここで、アルカリ金属成分やアルカリ土類金属成分は、加熱下で二酸化珪素を溶融または軟化させるため、これらの含有量により、隔壁への付着性や浸透性を調整することができる。また、酸化ホウ素の含有量により、珪酸系ガラスの熱膨張率を調整することができる。その他、酸化アルミニウムや水酸化アルミニウム（加熱下で酸化アルミニウムとなる）の含有量により、珪酸系ガラスの強度を調整することができる。
【００３３】
＜第２実施形態＞
（熱交換体）
次に、第２実施形態に係る熱交換体１について説明する。第２実施形態に係る熱交換体１は、第１実施形態と同様に、高温の排ガスや排水等から熱を回収するセラミックス焼結体である。熱交換体１は、図８〜図１０に示すように、枠体２と、隔壁３と、第１スリット４１と、第２スリット４２と、第３スリット４３と、第４スリット４４と、第１封止部５１と、第２封止部５２と、第３封止部５３と、第４封止部５４とを備える。
【００３４】
枠体２及び隔壁３は、第１実施形態と同様なものである。つまり、ｘ軸方向に延在する角筒状の枠体２の内部に、ｘ軸方向に延在し、ｙ軸方向及びｚ軸方向にそれぞれ一定の間隔で列設され、隔壁３が複数設けられることで、複数のセル３１が形成される。そして、第１実施形態と同様に、ｚ軸方向に並んだ複数のセル３１の複数の列について、ｙ軸方向に交互に第１セル３１１及び第２セル３１２とする。第１セル３１１及び第２セル３１２は、温度の異なる流体がそれぞれ流れるセル３１である。
【００３５】
第１スリット４１は、熱交換体１の内部のｘ軸正方向側に、ｚ軸方向に並んだ複数の隔壁３が除かれることで、ｚ軸方向に延在して形成される領域であり、第１実施形態のものと同じである。第１スリット４１は、複数のセル３１のうちｚ軸方向に並んだ列の一列おきである第１セル３１１に形成される。
第２スリット４２は、熱交換体１の内部のｘ軸負方向側に、ｚ軸方向に並んだ複数の隔壁３が除かれることで、ｚ軸方向に延在して形成される領域であり、第１実施形態のものと同じである。第２スリット４２は、複数のセル３１のうち第１スリット４１が形成されていない列である第２セル３１２に形成される。
【００３６】
第３スリット４３は、熱交換体１の内部のｘ軸負方向側に、ｚ軸方向に並んだ複数の隔壁３が取り除かれることで、ｚ軸方向に延在して形成される領域であり、第１スリット４１が形成されたセル３１である第１セル３１１に形成される。
第４スリット４４は、熱交換体１の内部のｘ軸正方向側に、ｚ軸方向に並んだ複数の隔壁３が取り除かれることで、ｚ軸方向に延在して形成される領域であり、第２スリット４２が形成されたセル３１である第２セル３１２に形成される。
【００３７】
第１スリット４１〜第４スリット４４は、セル３１が同様に取り除かれて形成されるものであり、同一の形状及び寸法を有している。つまり、セル３１のｘ軸の正方向及び負方向の両端面側について、それぞれｚ軸方向に並んだ複数の隔壁３が同様に取り除かれることで、第１スリット４１〜第４スリット４４が形成される。
【００３８】
第１封止部５１は、枠体２のｘ軸正方向側の端面のうち、第１スリット４１が設けられた第１セル３１１の開口領域のｚ軸負方向側を封止して設けられる。
第２封止部５２は、枠体２のｘ軸負方向側の端面のうち、第２スリット４２が設けられた第２セル３１２の開口領域のｚ軸負方向側を封止して設けられる。第２封止部５２が設けられるｚ軸方向の長さは、第１封止部５１が設けられるｚ軸方向の長さと同じである。
【００３９】
第３封止部５３は、枠体２のｘ軸負方向側の端面のうち、第１スリット４１が設けられた第１セル３１１の開口領域のｚ軸正方向側を封止して設けられる。
第４封止部５４は、枠体２のｘ軸正方向側の端面のうち、第２スリット４２が設けられた第２セル３１２の開口領域のｚ軸正方向側を封止して設けられる。第４封止部５４が設けられるｚ軸方向の長さは、第３封止部５３が設けられるｚ軸方向の長さと同じである。
【００４０】
また、図９に示すように、第３封止部５３及び第４封止部５４によって封止されるｚ軸方向の領域は、第１封止部５１及び第２封止部５２によって封止されるｚ軸正方向側の領域を除いた領域とすることが好ましい。つまり、第３封止部５３及び第４封止部５４によって封止される領域と、第１封止部５１及び第２封止部５２によって封止される領域とは、ｚ軸方向に重畳しないようにすることが好ましい。これは、熱交換体１の入側もしくは出側の開口面積が減少し、圧損の上昇につながるためである。また、第１封止部５１及び第２封止部５２によって封止される領域のｚ軸方向の長さは、第３封止部５３及び第４封止部５４によって封止される領域のｚ軸方向の長さよりも長くなることが好ましい。ｚ軸方向に接するセル３１は、各スリットにより内部でｚ軸方向に空間が繋がっているが、流体の入側を封止したセル３１は入側を封止していないセル３１に比べて通過流体の流量が減少することが考えられる。このため、通過流量の少ないセル３１をできるだけ減らし効率を向上させるという考え方から、前述のような領域比とすることが好ましい。
【００４１】
即ち、本実施形態に係る熱交換体１は、ｘ軸正方向側の端面について、ｚ軸正方向側で第１スリット４１を通じて第１セル３１１が開口し、ｚ軸負方向側で第４スリット４４を通じて第２セル３１２が開口したものとなる。また、熱交換体１は、ｘ軸負方向側の端面について、ｚ軸正方向側で第２スリット４２を通じて第２セル３１２が開口し、ｚ軸負方向側で、第３スリット４３を通じて第１セル３１１が開口したものとなる。
【００４２】
また、熱交換体１は、第１実施形態と同様に、第１面積Ａ’、第２面積Ａ、並びにセル３１のｚ軸方向のセルの個数（Ｌ／ｄ）が、（１）式を満たすことが好ましい。なお、第１面積Ａ’及び第２面積Ａは、第１スリット４１〜第４スリット４４の全てのスリットにおいて同じものとなる。
【００４３】
第２実施形態に係る熱交換体１では、ｘ軸方向の両端面のｚ軸負方向側からそれぞれ温度の異なる流体を第１セル３１１及び第２セル３１２に流入させることで、この２つの流体の熱交換を行う。この際、第１セル３１１では、図１０（Ａ）に示すように、ｘ軸負方向側端面のｚ軸負方向側に形成された開口から流体が流入し、ｘ軸正方向側端面のｚ軸正方向側に形成された開口から流体が流出する。一方、第２セル３１２では、図１０（Ｂ）に示すように、ｘ軸正方向側端面のｚ軸負方向側に形成された開口から流体が流入し、ｘ軸負方向側端面のｚ軸正方向側に形成された開口から流体が流出する。そして、隔壁３を通じて、第１セル３１１及び第２セル３１２に流入した流体の熱交換が行われる。
【００４４】
ここで、第１実施形態や第２実施形態に係る熱交換体１のように高温の排ガスや排水等から熱を回収する熱交換体は、セラミックスで作製されている。しかし、通常、この熱交換体を収容するケーシングは金属で作製されるため、異種材料の接面が発生することとなる。このため、熱交換体の流体の流入や流出が行われる入口部分と出口部分では、特に昇温時の両材料間の伸びの差を考慮したシール方法をとらなければ、リークや破損の原因となる。このような部位におけるシール方法としては、一般的には、材料間にシール材を挟み、面圧をかけることでシールする方法がとられる。そして、十分なシール性を発揮するためには、シール部にかける面圧の大きさが重要となる。特許文献１に記載のような従来の熱交換体では、流体の入方向と出方向とが平行でない別の方向を向いているため、入方向と出方向で別々の方向に荷重をかける必要があった。また、ハニカム構造をとる熱交換体は、細管を束ねたような複数のセルを有する構造をしているため、セルの延在方向に平行な方向の荷重には強いが、垂直な方向の荷重には弱いものとなる。加えて、ＳｉＣに代表されるセラミックスは脆性材料であるため、強い荷重を加えると割れに繋がる恐れがある。このことは、第１実施形態に係る熱交換体１の場合についても同様であり、流体の吐出方向をシールする際に、第１開口部６１及び第２開口部６２の近傍の側面に対して、荷重に弱い方向であるセルに垂直な方向に荷重を加えてシールする必要がある。このため、荷重が強すぎることによる破損や、破損を懸念して荷重を小さくしすぎることによるリークが問題となる可能性がある。さらに、特許文献１に記載の熱交換体のように、対向する２つの側面にそれぞれ開口を設ける場合、熱交換体を２軸方向に抑える必要があるため、ケーシングが複雑になり、コストアップや組み立ての複雑化の原因となる。
【００４５】
これに対して、第２実施形態に係る熱交換体１では、流体の流入方向と吐出方向とが、平行な方向となることから、熱交換体１をシールする際に、荷重方向が１軸に平行な方向となる。さらに、この荷重方向が構造的に荷重に強いセルの延在方向となる。このため、第１実施形態に係る熱交換体１や特許文献１に記載の熱交換体に比べて、より大きな荷重をシール部に加えることができるようになり、リーク率の減少による熱回収率を向上させることができる。また、シール材料の選定の幅が広がることによる材料費の低下、ケーシングを小型かつ簡易な構造にできることによる製作費の低下と取付け時の作業の省略が期待できる。
【００４６】
また、第２実施形態に係る熱交換体１では、図１０に示すように、第１実施形態と同様に、第１セル３１１を流れる流体の流路と第２セル３１２を流れる流体の流路とが、ｚ軸方向が同じであれば同様となる。このため、第１セル３１１を通る流体と、第２セル３１２を通る流体とのｚ軸方向の違いによる流量差を小さくすることができる。これにより、第１実施形態と同様に、より効果的に熱交換をすることができる。
【００４７】
（熱交換体の製造方法）
次に、図１１を参照して、第２実施形態に係る熱交換体１の製造方法について説明する。本実施形態では、まず、セラミックス原料で、上記の熱交換体１と同様な形状の成形体７を成形する（成形工程）。成形工程では、はじめに、第１実施形態と同様に、熱交換の設計効率の達成度ηに応じて、熱交換体１の第１面積Ａ’、第２面積Ａ、及びセル３１のｚ軸方向のセルの個数（Ｌ／ｄ）を決定する。
【００４８】
成形工程では、熱交換体１の形状の条件を決定した後、図１１（Ａ）に示すように、セラミックス材料を用いて枠体２と隔壁３とが一体で形成された成形体７１（７）を形成する。この際、形成される成形体７１は、第１スリット４１〜第４スリット４４が形成されていない形状であり、隔壁３と枠体２の長手方向となるｘ軸方向の長さが同一に形成される。なお、成形体７１のセル３１のｚ軸方向の長さｄ、並びに第１スリット４１及び第２スリット４２のｚ軸方向の長さＬは、上述のように予め決定された長さとなる。
【００４９】
次いで、図１１（Ｂ）に示すように、ｘ軸方向両端側の隔壁３を取り除くことで、第１スリット４１〜第４スリット４４を形成し、成形体７２（７）を形成する。この際、第１スリット４１及び第３スリット４３は、成形体７１の第１セル３１１の列のｘ軸正方向端面側及び負方向端面側のｙ軸方向に延びる隔壁３を除去することで形成される。第２スリット４２及び第４スリット４４は、成形体７１の第２セル３１２の列のｘ軸負方向端面側及び正方向端面側のｙ軸方向に延びる隔壁３を除去することで形成される。なお、除去によって形成される隔壁３の開口領域の面積である第１面積Ａ’は、上述のように予め決定された大きさとなる。
【００５０】
さらに、図１１（Ｃ）に示すように、第１スリット４１及び第２スリット４２が形成された端面のｚ軸負方向側、並びに第３スリット４３及び第４スリット４４が形成された端面のｚ軸正方向側に、セラミックス原料からなる第１封止部５１〜第４封止部５４を設けることで、成形体７３（７）を成形する。成形された成形体７３は、図８〜図１０に示す、熱交換体１と同様な形状となる。第１封止部５１〜第４封止部５４は、枠体２及び隔壁３と同じ素材となることが好ましいが、他のセラミックス原料であってもよい。成形体７３が成形されることで、成形工程が完了する。
成形工程の後、第１実施形態と同様に、成形工程にて形成された成形体７を焼成し、焼結体である熱交換体１を得る焼成工程を行う。成形体７の焼成は、焼成雰囲気、焼成温度や時間等の条件はセラミックス原料の種類に応じて適宜設定される。例えば、熱交換体１のセラミックス原料として炭化珪素を用いる場合、焼成は非酸化雰囲気化で行われる。
【００５１】
＜変形例＞
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態とともに種々の変形例を含む本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態には、本明細書に記載したこれらの変形例を単独または組み合わせて含む実施形態も網羅すると解すべきである。
【００５２】
例えば、上記実施形態では、（１）式を用いるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。上述のように、成形工程において隔壁３を除ききれずに各スリットの内面に生じた凹凸が、熱交換体１における熱交換の効率が低くなる要因となる。このため、熱交換の効率を調整しようとする場合、この凹凸の大きさや数を調整することが有効となり、効率向上のためにはこの凹凸を小さくし、数を少なくすればよい。例えば、第１実施形態に係る熱交換体１において、比（Ａ’／Ａ）は、第１封止部５１や第２封止部５２の厚みがｚ軸方向に一定であれば、各スリットの内面におけるｙ軸方向の長さである開口幅の、隔壁３が設けられた位置と隔壁３が設けられていない位置との比に相当する。つまり、（１）式の比（Ａ’／Ａ）の代わりに開口幅の比を用いてもよい。また、熱交換体１の形状を決定する際に、（１）式を用いずに、セル３１のｘ軸方向に直交する断面形状が、ｙ軸方向の長さよりもｚ軸方向の長さが長い矩形形状となるようにしてもよい。この場合、セル３１の断面のｚ軸方向の長さは、上記実施形態と同様に熱交換体１に必要な強度に応じて上限が決定される。このようにすることで、セルの断面形状が正方形の熱交換体を、同様な成形精度で作製する場合に比べ、スリットを通過する流体の偏流の発生を抑えることができ、熱交換の効率を向上させることができる。
【００５３】
また、上記実施形態では、第１スリット４１〜第４スリット４４の第１面積Ａ’及び第２面積Ａはそれぞれ同じであるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。第１面積Ａ’及び第２面積Ａは、スリットの違いやスリットのｚ軸方向の位置の違いによってことなってもよい。この場合、（１）式に用いる第１面積Ａ’及び第２面積Ａとしては、各位置の第１面積Ａ’及び第２面積Ａをそれぞれ平均化したものを用いることができる。
さらに、上記実施形態では、枠体２の厚みとセル３１の厚みとが同じであるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、枠体２とセル３１とは、異なる厚みであってもよい。この場合、長さＬは、枠体２の厚みに関わらず、（Ｌ／ｄ）がｚ軸方向におけるセルの個数となるように、セル３１の厚みに応じて定義してもよい。
【実施例】
【００５４】
次に、本発明者らが行った実施例について説明する。実施例では、第１実施形態と同様な熱交換体１について、セルの個数（Ｌ／ｄ）及び比（Ａ’／Ａ）をそれぞれ変化させて、熱交換の設計効率の達成度ηの変化を求めた。なお、実施例において熱交換の設計効率の達成度ηは、第１スリット４１及び第２スリット４２の凹凸による偏流の影響を考慮した場合の熱回収率の計算値を、第１スリット４１及び第２スリット４２の内面に凹凸がないとした場合の熱回収率の計算値で除した値である。
【００５５】
実施例の結果を図１２に示す。図１２において、横軸がセルの個数（Ｌ／ｄ）を示し、縦軸が熱交換の設計効率の達成度ηを示す。また、αは、比（Ａ’／Ａ）である。図１２に示すように、セルの個数（Ｌ／ｄ）が小さくなるに従い熱交換の設計効率の達成度ηが向上し、また、比（Ａ’／Ａ）が大きくなるに従い熱交換の設計効率の達成度ηが向上することが確認できた。また、（１）式の関係とすることで、この計算結果を精度よく再現できることが確認できた。つまり、熱交換の設計効率の達成度ηを制御するためには、セルの個数（Ｌ／ｄ）及び比（Ａ’／Ａ）を調整することが有効であり、（１）式を用いてこの調整をすることで目的とする熱交換の設計効率の達成度ηが得られることが確認できた。
【符号の説明】
【００５６】
１  熱交換体
２  枠体
３  隔壁
３１  セル
３１１  第１セル
３１２  第２セル
４１  第１スリット
４２  第２スリット
４３  第３スリット
４４  第４スリット
５１  第１封止部
５２  第２封止部
５３  第３封止部
５４  第４封止部
６１  第１開口部
６２  第２開口部
７，７１，７２，７３  成形体
【図１】
2020085379.tif 000007
【図２】
2020085379.tif 000008
【図３】
2020085379.tif 000009
【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】
2020085379.tif 000017
【図１２】
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