(57)【要約】【課題】低圧力損失で、第一の流体と第二の流体との間で効率よく熱交換することのできる熱交換部材、およびセラミックス構造体を提供することにある。【解決手段】熱交換部材１０は、第一の流体の流路である第一流体流通部５となる２×２列以上のセル３を区画形成する隔壁及び／又は連通気孔を有する三次元網目構造部と、その外周に第二の流体の流路である第二流体流通部６となる複数のセル３を区画形成する隔壁及び／又は連通気孔を有する三次元網目構造部と、さらにその外周に外周壁と、を有するセラミックス構造体３０を備える。セラミックス構造体３０は、第二の流体の流入部１４、および排出部１５が、外周壁の一部に少なくとも１対以上設けられている。第一流体流通部５を流通する第一の流体と第二流体流通部６を流通する第二の流体との間で熱交換させる。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の流体の流路である第一流体流通部となる２×２列以上のセルを区画形成する隔壁及び／又は連通気孔を有する三次元網目構造部と、
その外周に中間壁を介して第二の流体の流路である第二流体流通部となる複数のセルを区画形成する隔壁及び／又は前記三次元網目構造部と、
さらにその外周に外周壁と、を有し、
前記第二の流体が外部から前記第二流体流通部に流入するための流入部、および前記第二流体流通部に流入した前記第二の流体を前記外部に排出する排出部が前記外周壁の一部に少なくとも１対以上設けられた、セラミックスを主成分とするセラミックス構造体を備え、
前記第一の流体と前記第二の流体とを混合させずに、前記第一流体流通部と前記第二流体流通部との間に存在する隔壁を介して熱交換可能な熱交換部材。
【請求項２】
前記セラミックス構造体の外周の少なくとも一部に金属管が嵌合した請求項１に記載の熱交換部材。
【請求項３】
前記金属管と前記セラミックス構造体との間に挟まれた、前記金属管よりもヤング率が低い材質からなる中間材を備える請求項２に記載の熱交換部材。
【請求項４】
前記第二の流体の前記流入部、または前記排出部は、前記三次元網目構造部で構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換部材。
【請求項５】
前記第二の流体の前記流入部、または前記排出部は、前記セラミックス構造体の前記外周壁の一部、および前記隔壁の一部が形成されずに括れた形状の括れ部として構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換部材。
【請求項６】
前記括れ部が形成された部分における前記第一流体流通部の全体の、軸方向に垂直な断面形状は、四角、または円である請求項５に記載の熱交換部材。
【請求項７】
前記括れ部は、前記セラミックス構造体の軸方向における端部に形成されず、前記端部以外に形成され、前記端部には、前記外周壁、および前記隔壁が形成されている請求項５または６に記載の熱交換部材。
【請求項８】
前記第一流体流通部と前記第二流体流通部との間に存在する隔壁である前記中間壁の少なくとも一部が他の隔壁より厚みが厚くなっている請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換部材。
【請求項９】
前記第一の流体と前記第二の流体が混合しないように、前記セラミックス構造体の前記第二流体流通部の両端部に、遮蔽板が配置されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換部材。
【請求項１０】
前記第一の流体と前記第二の流体が混合しないように、前記セラミックス構造体の前記第二流体流通部の一部の開口部に目封じが施されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換部材。
【請求項１１】
前記セラミックス構造体は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の熱交換部材。
【請求項１２】
前記セラミックス構造体は、主成分が炭化珪素である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の熱交換部材。
【請求項１３】
前記三次元網目構造部は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の熱交換部材。
【請求項１４】
前記三次元網目構造部は、主成分が炭化珪素である請求項１〜１３のいずれか１項に記載の熱交換部材。
【請求項１５】
隔壁を有し、前記隔壁によって一方の端面から他方の端面まで貫通する複数のセルが区画形成され、
前記複数のセルのうちの、径方向における中心部分にある前記セルを囲んで前記中心部分にある前記セルと、残余の外周部分にある前記セルとに区分し、かつ前記隔壁よりも厚い中間壁を備え、
主成分が炭化珪素、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、
前記径方向において前記中間壁よりも外周部分に前記隔壁が形成されていない括れ部が、少なくとも２つ設けられたハニカム構造体であるセラミックス構造体。
【請求項１６】
前記括れ部は、軸方向において離間して形成されている請求項１５に記載のセラミックス構造体。
【請求項１７】
前記括れ部は、前記ハニカム構造体の軸方向における端部に形成されず、前記端部以外に形成され、前記端部には、前記外周壁、および前記隔壁が形成されている請求項１６に記載のセラミックス構造体。
【請求項１８】
前記括れ部は、括れ部分の断面積が、他の部分の断面積を基準にして０．２倍以上、０．８倍以下の断面積である請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のセラミックス構造体。
【請求項１９】
前記中間壁の厚さが、他の前記隔壁を基準として１．２〜１５倍である請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のセラミックス構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第一の流体と第二の流体との熱交換を行うことができる、セラミックス構造体を用いた熱交換部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の燃費改善のため、エンジンなどの燃焼排ガスなどの高温気体から熱回収して有効利用する排熱回収の技術や、排ガスをエンジンの吸気側に再循環させる際に排ガスを冷却する排気冷却の技術が求められている。
【０００３】
そのような技術に用いられる熱交換器として、特許文献１に示されるようなセラミックス製ハニカム構造体を用いた熱交換器が知られている。
【０００４】
一方、非特許文献１によると、排ガス中の有害物質を低減できることで注目されているＣＮＧエンジンでは、未燃メタンが主な汚染物質であり、メタンの浄化のために３５０〜４００℃の高い温度まで排ガスを暖め、触媒を活性化させる必要がある。そのため、コールドスタート時に触媒を素早く温度上昇させられる技術が求められている。中でもメタン燃焼後の高温ガスを利用し、燃焼前の低温ガスを暖めることができるガス／ガス熱交換器が求められている。
【０００５】
そのようなガス／ガス熱交換器の構造例として、特許文献１には、ハニカム構造体の外周面にフィンを有した構造が挙げられている。しかしながら、気体の熱伝達係数は液体よりも１０分の１から１００分の１程度と小さいため熱の授受に必要な比表面積を大きくする必要があるが、信頼性上、フィンの長さには限界が有り、性能向上には大きな課題があった。
【０００６】
また、ガス／ガス熱交換器の構造例の２つ目として、非特許文献２、特許文献２には、ハニカム構造体の端面部に目封じされた列を設け、目封じされた列に関して外周面に開口部を有したスロット構造が挙げられている。しかしながらこの構造では、第一、第二の流体の流路がともに高圧力損失（以下、圧力損失を圧損ということがある）となりやすく、１列毎の交互に各流体流路が存在するためシールの信頼性が低いといった課題があった。また、構造が複雑なため、構造強度が弱いこと、加工が困難であるといった課題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０７１１６１号
【特許文献２】国際公開第２０１０／１１０２３８号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｃａｔａｌｙｓｉｓ  Ｔｏｄａｙ  １８８（２０１２）１０６−１１２
【非特許文献２】Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｊｏｕｒｎａｌ  Ｈｅａｔ  ａｎｄ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ５４  （２０１１）  ４１７５−４１８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、低圧力損失で、第一の流体と第二の流体との間で効率よく熱交換することのできる熱交換部材、およびセラミックス構造体を提供することにある。特に、気体と気体との間の熱交換に好適である熱交換部材、およびセラミックス構造体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、第一の流体をセラミックス構造体の中心部分にあるセル及び／又は三次元網目構造部に流通させ、第二の流体を外周部分にあるセルに流通させることにより、上記課題を解決できることを見出した。本発明によれば、以下の熱交換部材、およびセラミックス構造体が提供される。
【００１１】
［１］  第一の流体の流路である第一流体流通部となる２×２列以上のセルを区画形成する隔壁及び／又は連通気孔を有する三次元網目構造部と、その外周に中間壁を介して第二の流体の流路である第二流体流通部となる複数のセルを区画形成する隔壁及び／又は前記三次元網目構造部と、さらにその外周に外周壁と、を有し、前記第二の流体が外部から前記第二流体流通部に流入するための流入部、および前記第二流体流通部に流入した前記第二の流体を前記外部に排出する排出部が前記外周壁の一部に少なくとも１対以上設けられた、セラミックスを主成分とするセラミックス構造体を備え、前記第一の流体と前記第二の流体とを混合させずに、前記第一流体流通部と前記第二流体流通部との間に存在する隔壁を介して熱交換可能な熱交換部材。
【００１２】
［２］  前記セラミックス構造体の外周の少なくとも一部に金属管が嵌合した前記［１］に記載の熱交換部材。
【００１３】
［３］  前記金属管と前記セラミックス構造体との間に挟まれた、前記金属管よりもヤング率が低い材質からなる中間材を備える前記［２］に記載の熱交換部材。
【００１４】
［４］  前記第二の流体の前記流入部、または前記排出部は、前記三次元網目構造部で構成されている前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００１５】
［５］  前記第二の流体の前記流入部、または前記排出部は、前記セラミックス構造体の前記外周壁の一部、および前記隔壁の一部が形成されずに括れた形状の括れ部として構成されている前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００１６】
［６］  前記括れ部が形成された部分における前記第一流体流通部の全体の、軸方向に垂直な断面形状は、四角、または円である前記［５］に記載の熱交換部材。
【００１７】
［７］  前記括れ部は、前記セラミックス構造体の軸方向における端部に形成されず、前記端部以外に形成され、前記端部には、前記外周壁、および前記隔壁が形成されている前記［５］または［６］に記載の熱交換部材。
【００１８】
［８］  前記第一流体流通部と前記第二流体流通部との間に存在する隔壁である前記中間壁の少なくとも一部が他の隔壁より厚みが厚くなっている前記［１］〜［７］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００１９】
［９］  前記第一の流体と前記第二の流体が混合しないように、前記セラミックス構造体の前記第二流体流通部の両端部に、遮蔽板が配置されている前記［１］〜［８］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００２０】
［１０］  前記第一の流体と前記第二の流体が混合しないように、前記セラミックス構造体の前記第二流体流通部の一部の開口部に目封じが施されている前記［１］〜［８］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００２１】
［１１］  前記セラミックス構造体は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である前記［１］〜［１０］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００２２】
［１２］  前記セラミックス構造体は、主成分が炭化珪素である前記［１］〜［１１］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００２３】
［１３］  前記三次元網目構造部は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である前記［１］〜［１２］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００２４】
［１４］  前記三次元網目構造部は、主成分が炭化珪素である前記［１］〜［１３］のいずれかに記載の熱交換部材。
【００２５】
［１５］  隔壁を有し、前記隔壁によって一方の端面から他方の端面まで貫通する複数のセルが区画形成され、前記複数のセルのうちの、径方向における中心部分にある前記セルを囲んで前記中心部分にある前記セルと、残余の外周部分にある前記セルとに区分し、かつ前記隔壁よりも厚い中間壁を備え、主成分が炭化珪素、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、前記径方向において前記中間壁よりも外周部分に前記隔壁が形成されていない括れ部が、少なくとも２つ設けられたハニカム構造体であるセラミックス構造体。
【００２６】
［１６］  前記括れ部は、軸方向において離間して形成されている前記［１５］に記載のセラミックス構造体。
【００２７】
［１７］  前記括れ部は、前記ハニカム構造体の軸方向における端部に形成されず、前記端部以外に形成され、前記端部には、前記外周壁、および前記隔壁が形成されている前記［１６］に記載のセラミックス構造体。
【００２８】
［１８］  前記括れ部は、括れ部分の断面積が、他の部分の断面積を基準にして０．２倍以上、０．８倍以下の断面積である前記［１５］〜［１７］のいずれかに記載のセラミックス構造体。
【００２９】
［１９］  前記中間壁の厚さが、他の前記隔壁を基準として１．２〜１５倍である前記［１５］〜［１８］のいずれかに記載のセラミックス構造体。
【発明の効果】
【００３０】
熱交換部材は、セラミックス構造体を備え、セラミックス構造体は、第二の流体が外部から第二流体流通部に流入するための流入部、および第二流体流通部に流入した第二の流体を外部に排出する排出部が、外周壁の一部に少なくとも１対以上設けられている。これにより、熱交換部材は、第一の流体をセラミックス構造体の中心部分にあるセル及び／又は三次元網目構造部に流通させ、第二の流体を外周部分にあるセル及び／又は三次元網目構造部に流通させることができる。そして、第一の流体と第二の流体とを混合させずに、第一流体流通部と第二流体流通部との間に存在する隔壁を介して熱交換させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】本発明の熱交換部材の、軸方向に平行な面で切断した断面図である。
【図１Ｂ】本発明の熱交換部材の、軸方向の一方の端面から見た模式図である。
【図２Ａ】括れ部が形成されたハニカム構造体を示す斜視図である。
【図２Ｂ】括れ部が形成されたハニカム構造体に金属管を嵌合させた熱交換部材を示す斜視図である。
【図３Ａ】ハニカム構造体の端面の実施形態を示す模式図である。
【図３Ｂ】ハニカム構造体の端面の他の実施形態を示す模式図である。
【図４Ａ】括れ部の実施形態１を示す模式図である。
【図４Ｂ】括れ部の実施形態２を示す模式図である。
【図４Ｃ】括れ部の実施形態３を示す模式図である。
【図４Ｄ】括れ部の実施形態４を示す模式図である。
【図５】ハニカム構造体に目封止部を形成した熱交換部材の実施形態を示す模式図である。
【図６】三次元網目構造部の微構造を示す写真である。
【図７】第二流体流通部を三次元網目構造部として形成したセラミックス構造体の実施形態を示す模式図である。
【図８Ａ】第一流体流通部を三次元網目構造部として形成したセラミックス構造体の実施形態を示す模式図である。
【図８Ｂ】第二流体流通部を三次元網目構造部として形成したセラミックス構造体の他の実施形態を示す模式図である。
【図９Ａ】第一流体流通部の一部を三次元網目構造部として形成したセラミックス構造体の実施形態を示す模式図である。
【図９Ｂ】第二流体流通部の一部を三次元網目構造部として形成したセラミックス構造体の実施形態を示す模式図である。
【図１０】第一流体流通部、および第二流体流通部を三次元網目構造部として形成したセラミックス構造体の実施形態を示す模式図である。
【図１１】括れ部を三次元網目構造部としたセラミックス構造体の実施形態を示す模式図である。
【図１２】比較例１の実施形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施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、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。
【００３３】
（第一の実施形態）
（熱交換部材）
まずは、セラミックス構造体３０としてハニカム構造体１を備えた熱交換部材１０を第一の実施形態として説明し、後に三次元網目構造部１１を含むセラミックス構造体３０について説明する。図１Ａに、本発明の熱交換部材１０の、軸方向９に平行な面で切断した断面図、図１Ｂに軸方向９の一方の端面２から見た模式図を示す。また、図２Ａは、括れ部１６が形成されたセラミックス構造体３０であるハニカム構造体１を示す斜視図であり、図２Ｂは、括れ部１６が形成されたハニカム構造体１に金属管１２を嵌合させた熱交換部材１０を示す斜視図である。なお、図１Ａ，１Ｂと、図２Ｂとは、排出部１５の向きが異なって描かれている。
【００３４】
熱交換部材１０は、第一の流体の流路である第一流体流通部５となる２×２列以上のセル３を区画形成する隔壁４と、その外周に第二の流体の流路である第二流体流通部６となる複数のセル３を区画形成する隔壁４と、さらにその外周に外周壁７と、を有するハニカム構造体１を備える。ハニカム構造体１は、第二の流体が外部から第二流体流通部６に流入するための流入部１４、および第二流体流通部６に流入した第二の流体を外部に排出する排出部１５が、外周壁７の一部に少なくとも１対以上設けられている。また、ハニカム構造体１は、セラミックスを主成分とする。なお、主成分とは、ハニカム構造体１の５０質量％以上がセラミックスであることを意味する。
【００３５】
熱交換部材１０は、ハニカム構造体１の外周の少なくとも一部に金属管１２が嵌合していることが好ましい。図１Ａでは、ハニカム構造体１の軸方向９の長さよりも金属管１２の長さが長く、ハニカム構造体１は、金属管１２の中に収まっている。熱交換部材１０は、金属管１２を備えるため、設置場所や設置方法により加工することが容易であり、自由度が高い。熱交換部材１０は、金属管１２によってハニカム構造体１を保護することができ外部からの衝撃にも強い。
【００３６】
熱交換部材１０は、金属管１２とハニカム構造体１との間に挟まれた、金属管１２よりもヤング率が低い材質からなる中間材１３を備えることが好ましい。中間材１３を備えることにより、金属管１２とハニカム構造体１との密着性が向上する。これにより、金属管１２とハニカム構造体１との間のシール性が良好となり、金属管に振動が加わった際、中間材が衝撃を吸収し、ハニカム構造体に衝撃が伝わりにくくなる。
【００３７】
また、図１Ａに示す実施形態では、第一の流体と第二の流体が混合しないように、ハニカム構造体１の第二流体流通部６の両端部２に、遮蔽板１７が配置されている。
【００３８】
以上の構成により、熱交換部材１０は、第一の流体と第二の流体とを混合させずに、第一流体流通部５と第二流体流通部６との間に存在する隔壁４を介して熱交換が可能である。以下、さらに詳しく説明する。
【００３９】
（ハニカム構造体）
図２Ａは、括れ部１６が形成されたハニカム構造体１を示す斜視図、図３Ａは、ハニカム構造体１の端面２の実施形態を示す模式図、図３Ｂは、ハニカム構造体１の端面２の他の実施形態を示す模式図である。
【００４０】
ハニカム構造体１は、隔壁４を有し、隔壁４によって一方の第一の端面２ａから他方の第二の端面２ｂまで貫通する複数のセル３が区画形成されている。複数のセル３のうちの、径方向における中心部分にあるセル３を囲んで中心部分にあるセル３と、残余の外周部分にあるセル３とに区分し、かつ隔壁４よりも厚い中間壁８を備えることが好ましい。なお、中間壁８は、第一流体流通部５と第二流体流通部６との間に存在する隔壁をいい、中間壁８以外の隔壁４と厚さが同じ場合でも中間壁８と呼ぶこととする。
【００４１】
第一流体流通部５となる中心壁８よりも中心部のセル３が、２×２列以上のセル３で構成されている。２×２列以上のセル３とは、第一流体流通部５が、縦２列以上、横２列以上のセル構造を有するということである。これにより、第一の流体と隔壁４との間で熱を効率よく伝達することができる。
【００４２】
ハニカム構造体１の外形は、円筒状（円柱状）に限らず、軸（長手）方向９に垂直な断面が楕円形状、円弧が複合されたオーバル形状、四角形、またはその他の多角形の、角柱状であってもよい。隔壁４を有することにより、ハニカム構造体１の内部を流通する流体からの熱を効率よく集熱し、伝達することができる。ハニカム構造体１が円柱状の場合、その直径は、２００ｍｍ以下であることが好ましく、１００ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
【００４３】
ハニカム構造体１の主成分は、セラミックスを主成分とすることが好ましく、主成分が炭化珪素であることがより好ましい。ここで、主成分とは、５０質量％以上を占めるものをいう。さらに、ハニカム構造体１は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。このようなハニカム構造体１は、熱伝導性が良好なため、熱交換部材１０として好適である。熱伝導率の測定は、ハニカム構造体から切り出したテストピースに対して、光交流法で測定した熱拡散率、ＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎ−ｔｉａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ：示差走査熱量分析）法で測定した比熱、及びアルキメデス法で測定した密度、の値を用いて、室温における値を算出する。
【００４４】
熱交換部材１０のハニカム構造体１に形成された、第二の流体の流入部１４、または排出部１５は、ハニカム構造体１の外周壁７の一部、および隔壁４の一部を形成しないことによって形成されている。流入部１４、排出部１５は、括れた形状の括れ部１６として構成されている。すなわち、ハニカム構造体１は、径方向において中間壁８よりも外周部分の隔壁４が形成されていない括れ部１６が、少なくとも２つ設けられている。括れ部１６として流入部１４、排出部１５が形成されていることから、第二の流体を第二流体流通部６へ流入させ、また第二流体流通部６から排出（流出）させることができる。第二流体流通部６に複数のセル３が形成されていても容易に第二の流体を流通させることができる。
【００４５】
括れ部１６が形成された部分における第一流体流通部５の全体の、軸方向９に垂直な断面形状は、四角、または円に形成することができる。例えば、図２Ａでは、第一流体流通部５の全体の、軸方向９に垂直な断面形状は、円として形成されており、第二流体流通部６も円として形成されている。
【００４６】
括れ部１６の断面形状は、ハニカム構造体１の軸方向９に対して垂直な断面において、括れ部分で形作られる形状が円となっていることが好ましいが（図２Ａ参照）、四角形状となっていてもよい。
【００４７】
括れ部１６の断面形状は、ハニカム構造体１の軸方向９に平行な断面において、図４Ａに示すように、括れ部分で形作られる形状が三角形となるよりも、長方形（図４Ｂ）、台形（外周側の辺が大）（図４Ｃ）となることが好ましく、さらに括れ部分の角部がピン角（先端が尖っている角）になっていないこと（図４Ｄ）が好ましい。
【００４８】
括れ部１６は、軸方向９において離間して形成されていることが好ましい。また、括れ部１６は、ハニカム構造体１の軸方向９における端部に形成されず、端部以外に形成され、端部には、外周壁７、および隔壁４が形成されていることが好ましい。すなわち、図１Ａに示すように、括れ部１６は、最端部ではなく、それよりも軸方向９の中央寄りに形成されている。括れ部１６の位置は、括れ始める位置Ｌａ（図４Ｂ参照）が、ハニカム構造体１の端面２から２ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下さらに好ましい。このように形成することにより、耐久信頼性を向上させることができる。
【００４９】
ハニカム構造体１の軸方向９における括れ部１６の長さＬｂ（図４Ｂ参照）は、３ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下がさらに好ましい。ここでいう括れ部１６の長さＬｂは、ハニカム構造体１の軸方向９に平行な断面において括れ部１６の最も長い部分の長さをいう。
【００５０】
括れ部１６は、括れ部分の断面積が、他の部分の断面積を基準にして０．２倍以上、０．８倍以下の断面積であることが好ましい。
【００５１】
括れ部１６の最大深さＬｃ（図４Ｂ参照）は、括れ箇所以外（端面２等）の半径に対し、１０％以上５０％以下の深さであることが好ましく、２０％以上４０％以下の深さであることがさらに好ましい。
【００５２】
図１Ａに示すように、第一の流体の流路である第一流体流通部５となる複数のセル３と、その外周に第二の流体の流路である第二流体流通部６となる複数のセル３と、を有するハニカム構造体１に、括れ部１６として形成された流入部１４、排出部１５を設けることにより、第一流体流通部５、第二流体流通部６における圧力損失を低下させることができる。例えば、図１２では、第一流体流通部５と第二流体流通部６が、一列ごとに交互に形成されているが、このようなスロット構造の場合、第一の流体、第二の流体の流路入口の入口面積が小さくなるため圧力損失が大きくなる。しかしながら、図１Ａに示すような熱交換部材１０は、第一流体流通部５と第二流体流通部６が、一列ごとに交互に形成されているわけではなく、入口面積が大きいため、圧力損失が小さい。
【００５３】
また、スロット構造では１層おきに第一の流体と第二の流体の界面が存在するため、流体同士のシール性を確保する（ガス漏れ防ぐ）には、全体の隔壁４の厚さを厚くする必要が有る。それに対し、本構造では第一の流体と第二の流体の界面がハニカム構造体１内で限定されるため、シール性を確保するにはその部分の隔壁４（中間壁８）の厚みだけ厚くすればよい。
【００５４】
さらに、スロット構造では、１層おきに第一の流体、第二の流体の流路が存在するため、部材内での一定距離あたりの温度差が大きく発生応力が大きくなり易い。またハニカム構造体１の内部で複雑な構造を形成しているため構造強度を確保しづらい。一方、本構造では第一の流体、第二の流体の流路が、それぞれハニカム構造体１の中心部と外周部に区分けされているため、一定距離あたりの温度差、発生応力を小さくできる（温度差が大きくなる流体界面には隔壁４の厚さを厚くし構造強度を上げることも可能）。また構造がシンプルなため構造強度が高くなる。
【００５５】
また、スロット構造ではハニカム構造体１を押出成形した後、第一の流体、第二の流体のシール性を確保するためにスロット部分の加工に精密さが要求される一方、本構造では第二流体流通部６の出入り口部分に加工が必要となるものの、その加工自体（外周削除）は容易に成し遂げられる。
【００５６】
第一流体流通部５と第二流体流通部６との間に存在する隔壁である中間壁８の少なくとも一部が他の隔壁４より厚みが厚くなっていることが好ましい。図３Ａでは、隔壁４の厚さｔａよりも中間壁の厚さｔｂが厚くなっている。より具体的には、ハニカム構造体１の中間壁８の厚さｔｂは、他の隔壁４を基準として１．２〜１５倍であることが好ましい。このように構成することにより、耐圧性を向上させ、シール性を確保し、第一の流体と第二の流体とが混合することなく、熱交換することができる。
【００５７】
ハニカム構造体１は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。より好ましくは、１２０〜３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、さらに好ましくは、１５０〜３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。この範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、第一の流体と第二の流体との間で効率的に熱交換させることができる。
【００５８】
ハニカム構造体１は、耐熱性に優れるセラミックスを用いることが好ましく、特に伝熱性を考慮すると、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）が主成分であることが好ましい。なお、主成分とは、ハニカム構造体１の５０質量％以上が炭化珪素であることを意味する。
【００５９】
ただし、必ずしもハニカム構造体１の全体がＳｉＣ（炭化珪素）で構成されている必要はなく、ＳｉＣ（炭化珪素）が本体中に含まれていれば良い。すなわち、ハニカム構造体１は、ＳｉＣ（炭化珪素）を含むセラミックスからなるものであることが好ましい。
【００６０】
なお、ＳｉＣ（炭化珪素）であっても多孔体の場合は高い熱伝導率が得られないため、ハニカム構造体１の作製過程でシリコンを含浸させて緻密体構造とすることが好ましい。緻密体構造にすることで高い熱伝導率が得られる。例えば、ＳｉＣ（炭化珪素）の多孔体の場合、２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるが、緻密体とすることにより、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度とすることができる。
【００６１】
ハニカム構造体１として、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、及びＳｉＣ等を採用することができるが、高い熱交換率を得るための緻密体構造とするためにＳｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することができる。Ｓｉ含浸ＳｉＣは、ＳｉＣ粒子表面を金属珪素融体の凝固物が取り囲むとともに、金属珪素を介してＳｉＣが一体に接合した構造を有するため、炭化珪素が酸素を含む雰囲気から遮断され、酸化から防止される。さらに、ＳｉＣは、熱伝導率が高く、放熱しやすいという特徴を有するが、Ｓｉを含浸するＳｉＣは、高い熱伝導率や耐熱性を示しつつ、緻密に形成され、伝熱部材として十分な強度を示す。つまり、Ｓｉ−ＳｉＣ系（Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ）材料からなるハニカム構造体１は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性をはじめ、酸やアルカリなどに対する耐蝕性に優れた特性を示すとともに、高熱伝導率を示す。
【００６２】
気孔率は、１０％以下であることが好ましく、３％以下であることが好ましい。このような範囲とすることにより、熱伝導性を向上させることができる。
【００６３】
ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。０．５ｇ／ｃｍ３以上の場合、隔壁４の強度が十分であり、第一の流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁４が破損することを防止できる。また、５ｇ／ｃｍ３以下であると、ハニカム構造体１自体が重くなりすぎず、軽量化することができる。上記の範囲の密度とすることにより、ハニカム構造体１を強固なものとすることができる。また、熱伝導率を向上させる効果も得られる。
【００６４】
ハニカム構造体１を、隔壁４によって流路となる複数のセル３が区画形成されたハニカム構造体１として形成する場合、セル形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、その他の多角形等の中から所望の形状を適宜選択すればよい。また、中間壁８より中心部分のセル３の形状と、中間壁８よりも外周部分にあるセル３の形状とは、異なっていてもよい。
【００６５】
ハニカム構造体１のセル密度（即ち、単位断面積当たりのセルの数）については特に制限はなく、ハニカム構造体１の構造強度の観点から、隔壁４の厚みに応じて適宜設計すればよい。ハニカム構造体１のアイソスタティック強度は、１ＭＰａ以上が好ましく、５ＭＰａ以上がさらに好ましい。
【００６６】
また、ハニカム構造体１の１つ当たりのセル数は、１６〜１０，０００が望ましく、５０〜２，０００が特に望ましい。セル数が多すぎるとハニカム自体が大きくなるため第一の流体側から第二の流体側までの熱伝導距離が長くなり、熱伝導ロスが大きくなり熱流束が小さくなる。またセル数が少ない時には第一の流体側の熱伝達面積が小さくなり第一の流体側の熱抵抗を下げることが出来ず熱流束が小さくなる。
【００６７】
ハニカム構造体１のセル３の隔壁４（中間壁８を除く）の厚さ（壁厚）についても、目的に応じて適宜設計すればよく、特に制限はない。壁厚を０．１〜１ｍｍとすることが好ましく、０．２〜０．５ｍｍとすることが更に好ましい。壁厚を０．１ｍｍ以上とすると、機械的強度が向上して衝撃や熱応力による破損を防止できる。一方、１ｍｍ以下とすると、ハニカム構造体１側に占めるセル容積の割合が大きくなることにより流体の圧力損失が小さくなり、熱交換率を向上させることができる。
【００６８】
第一の流体（高温側）が排ガスの場合、第一の流体が通過するハニカム構造体１のセル３内部の壁面には、触媒が担持されていることが好ましい。これは、排ガス浄化の役割に加えて、排ガス浄化の際に発生する反応熱（発熱反応）も熱交換することが可能になるためである。貴金属（白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、インジウム、銀、及び金）、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、亜鉛、銅、スズ、鉄、ニオブ、マグネシウム、ランタン、サマリウム、ビスマス及びバリウムからなる群から選択された元素を少なくとも一種を含有すると良い。これらは金属、酸化物、及びそれ以外の化合物であっても良い。
【００６９】
第一の流体が通過するハニカム構造体１の第一流体流通部５のセル３の隔壁４に担持される触媒（触媒金属＋担持体）の担持量としては、１０〜４００ｇ／Ｌであることが好ましく、貴金属であれば０．１〜５ｇ／Ｌであることが更に好ましい。触媒（触媒金属＋担持体）の担持量を１０ｇ／Ｌ以上とすると、触媒作用が十分に発現する。一方、４００ｇ／Ｌ以下とすると、圧力損失が大きくなりすぎず、製造コストの上昇も抑えることができる。
【００７０】
（金属管）
図１Ａに示すように、ハニカム構造体１が金属管１２に収容されていることにより、ハニカム構造体１を保護することができる。また、金属管１２は、ハニカム構造体１の軸方向９の長さよりも長くすることが好ましい形態の一つである。このように構成すると、熱交換部材１０の設置場所や用途に応じて、金属管１２の端部を加工しやすい。ただし、図１Ａの実施形態に限られるものではなく、金属管１２は、ハニカム構造体１の軸方向９の長さと同じでもよく、短くても良い。
【００７１】
金属管１２としては、耐熱性、耐蝕性のあるものが好ましく、例えば、ＳＵＳ管、銅管、真鍮管等を用いることができる。金属管１２の外周面上を流通する第二の流体の温度のために、金属管１２とハニカム構造体１との熱膨張率の差により、ハニカム構造体１と金属管１２との間の圧力が抜けてしまわないようにする必要がある。このため、常温時において、ハニカム構造体１の外径よりも内径の小さい金属管１２を用いて、これを嵌合させるとよい。
【００７２】
（中間材）
熱交換部材１０は、ハニカム構造体１と金属管１２との間に挟み込まれた金属管１２よりもヤング率が低い材質からなる中間材１３を備えることが好ましい。ハニカム構造体１とその外周側の金属管１２との間に金属管１２よりもヤング率が低い材質からなる中間材１３を備えることにより、密着性が向上する。これにより、金属管１２とハニカム構造体１との間のシール性が良好となる。中間材１３としては、断熱マット、グラファイトシートが挙げられる。
【００７３】
（遮蔽部）
図１Ａに示すように、第一の流体と第二の流体が混合しないように、ハニカム構造体１の第二流体流通部６の両端部２に、遮蔽部として遮蔽板１７が配置されていることが好ましい。図１Ｂでは、ハニカム構造体１の両端面２に、リング形状の遮蔽板１７を備えている。遮蔽板１７としては、例えば、金属、具体的には、ステンレス等を用いることができる。遮蔽板１７は、ハニカム構造体１の第二流体流通部６を塞ぐように、ハニカム構造体１の端面２に接触して備えられている。ハニカム構造体１を嵌合させる際に、遮蔽板１７を両端面２の備えた状態で嵌合して製造することができる。このようにすると、ハニカム構造体１が金属管１２に対して、より強固に固定されやすい。
【００７４】
なお、遮蔽板１７を配置する代わりに、ハニカム構造体１の第二流体流通部６の一部の開口部に目封じを施してもよい。図５では、第二流体流通部６のセル３の両端部に目封止部１８を形成している。ただし、遮蔽部は、遮蔽板１７や目封じに限定されない。
【００７５】
（熱交換部材の製造方法）
まず、ハニカム構造体１の製造方法を説明し、次に、金属管１２とハニカム構造体１との嵌合について説明する。
【００７６】
まず、平均粒径の異なるＳｉＣ粉末を混ぜ合わせて、ＳｉＣ粉末の混合物を調製する。このＳｉＣ粉末の混合物に、バインダー、水を混ぜ合わせ、ニーダーを用いて混練することにより、混練物を得る。この混練物を真空土練機に投入し、円柱状の坏土を作製する。
【００７７】
次に、坏土を押出成形してハニカム成形体を形成する。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７の形状や厚さ、隔壁４の厚さ、セル３の形状、セル密度などを所望のものにすることができる。口金は、摩耗し難い超硬合金で作られたものを用いることが好ましい。ハニカム成形体については、外周壁７を円筒形状または四角柱形状とし、外周壁７の内部を隔壁４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する。また、これらの隔壁４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７の内部を横切るように形成する。これにより、外周壁７の内部の最外周部以外にあるセル３の断面形状を正方形にすることができる。
【００７８】
次に、押出成形により得たハニカム成形体の乾燥を行なう。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なう。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する。
【００７９】
次に、ハニカム構造体１に括れ部１６を形成する。括れ部１６は、ハニカム成形体の外周壁７及び中間壁８よりも外周部分にある隔壁４を除去することによって形成することができる。
【００８０】
次に、ハニカム成形体に対して窒素雰囲気で脱脂を行なう。さらに、こうした脱脂により得られたハニカム構造体１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、焼成をする。この焼成中に、ハニカム構造体１の上に載せた金属Ｓｉの塊を融解させ、外周壁７や隔壁４に金属Ｓｉを含浸させる。例えば、外周壁７や隔壁４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の塊を使用する。また、外周壁７や隔壁４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の塊を使用する。
【００８１】
次に、上記のようにして製造したハニカム構造体１、及び金属管１２の一体化の方法について説明する。なお、ハニカム構造体１の外周側に、中間材１３を備えた後に、金属管１２をハニカム構造体１に嵌合させることが好ましい様態の一つである。
【００８２】
まず、中間材１３として用いる、例えば断熱マットをハニカム構造体１の外周壁７の外周面に巻き付ける。このとき、接着剤を用いて貼り付けてもよい。続いて金属管１２を高周波加熱機で１０００℃程度まで昇温させる。そして、ハニカム構造体１を金属管１２に挿入して嵌合により一体化し、熱交換部材１０を形成することができる。
【００８３】
なお、遮蔽板１７は、ハニカム構造体１を嵌合させる際に一緒に（連続的に）挿入しても良いし、別々に挿入してもかまわない。連続的に挿入する際には、ハニカム構造体１や軟質な中間材１３を保護する役目を果たすため、好ましい。
【００８４】
（第二の実施形態）
セラミックス構造体３０の少なくとも一部に、セラミックスを主成分とし連続気孔を有する三次元網目構造部１１を備える実施形態について説明する。
【００８５】
三次元網目構造部１１は、気孔径２００μｍ〜５ｍｍ、開気孔率７０〜９９％、密度０．０６〜０．６ｇ／ｃｍ３であり、連通気孔を有するスポンジ形状の多孔質構造体で形成されている。図６は三次元網目構造部１１の微構造を示す写真である。スポンジ形状の多孔質構造体は、図６に示されるように枝部２４と枝部２４が合流する合流部２３によって形成されている。枝部２４の最も断面積が小さくなる箇所の枝径（断面が円でない場合は、（断面積／π）０．５×２）を最小枝径２５とし、２０ヶ所の枝部の最小枝径２５を測定し、その平均値から算出される平均最小枝径２５は、０．１〜２ｍｍ、平均開口率（各断面における開口率（開口部分の面積／断面積）の平均）は、３０〜９０％であることが好ましい。
【００８６】
三次元網目構造部１１は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。より好ましくは、１２０〜３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、さらに好ましくは、１５０〜３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。この範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、第一の流体と第二の流体との間で効率的に熱交換させることができる。
【００８７】
また、三次元網目構造部１１は、耐熱性に優れるセラミックスを用いることが好ましく、特に伝熱性を考慮すると、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）が主成分であることが好ましい。なお、主成分とは、ハニカム構造体１の５０質量％以上が炭化珪素であることを意味する。
【００８８】
第二の実施形態は、以上のような三次元網目構造部１１を少なくとも一部に備えるセラミックス構造体３０を備えた熱交換部材１０である。
【００８９】
図７に第二流体流通部６を三次元網目構造部１１として形成したセラミックス構造体３０の実施形態を示す。図７の実施形態は、括れ部１６が形成されていないが、第二流体流通部６の一部に流入部１４、及び排出部１５が形成されている。このような実施形態にすることにより、第一流体流通部５や第二流体流通部６を三次元網目構造部１１として形成することにより、流体との接触が多くなるため、熱交換効率が向上する。また、この実施形態は、括れ部１６が形成されていないため、括れ部１６が占有していた体積（熱交換に実質的影響を与えていなかった体積）の部分においてもガスと接触するため、同体積内で熱交換効率を向上させることができる。つまり、括れ部１６が形成されている実施形態に比べ、スペースが効率的活用され、熱交換効率を向上できる。さらに括れ部１６が形成されている実施形態では、括れ部１６において応力が発生しやすいが、本実施形態では応力集中箇所が少ない。結果として、構造強度が向上する。図７では、金属管１２（及び中間材１３）が描かれていないが、流入部１４と排出部１５の箇所のみ金属管１２（及び中間材１３）に覆われていない（金属管１２（及び中間材１３）に開口部が形成されている。）。これにより、流入部１４で流入した第二の流体が、三次元網目構造で形成されている第二流体流通部６の全域を通り、排出部１５から排出される構造となっている。
【００９０】
図８Ａに第一流体流通部５を三次元網目構造部１１として形成したセラミックス構造体３０の実施形態を示す。また、図８Ｂに第二流体流通部６を三次元網目構造部１１として形成したセラミックス構造体３０の実施形態を示す。図８Ａ及び図８Ｂは、括れ部１６が形成された場合の実施形態である。このような実施形態にすることにより、括れ部１６を形成しない実施形態に比べ、流入部１４、排出部１５での第二の流体の圧力損失を低減でき、効率的に第二の流体を第二流体流通部６の全域に流通させることができる。
【００９１】
図９Ａに第一流体流通部５の一部を三次元網目構造部１１として形成したセラミックス構造体３０を示す。また、図９Ｂに第二流体流通部６の一部を三次元網目構造部１１として形成したセラミックス構造体３０を示す。図は、軸方向９の中央部に三次元網目構造部１１を備える実施形態を示すが、これに限定されない。また、２箇所以上に分散して三次元網目構造部１１を備えてもよい。このような実施形態にすることにより、三次元網目構造部１１において流体の流れを乱すことができ、流体とセラミックス構造体３０の熱伝達を促進し、流体からセラミックス構造体３０へ（あるいはセラミックス構造体３０から流体へ）効率的に熱を伝達することができる。
【００９２】
図１０に第一流体流通部５、および第二流体流通部６の両方を三次元網目構造部１１として形成したセラミックス構造体３０の実施形態を示す。このような実施形態にすることにより、三次元網目構造部１１の中へ流体が流入した際、流体が攪拌され、通常、急峻になりやすい断面内の流体温度分布をなだらかに（平均化）することができる。これに対し、例えば、第一流体流通部５がハニカム構造で形成されていた場合、第一流体流通部５で流体が攪拌されないため、断面の中心部が高温、断面の外周部が低温になりやすく、第一流体の断面内の温度分布は急峻となる。本実施形態では、流体の温度分布がなだらかになる（平均化される）結果として、中間壁８近傍の第一の流体と第二の流体の温度差（あるいは中間壁８近傍の第一流体流通部５と第二流体流通部６の温度差）が大きくなり、流体間の伝熱量が増加し、熱交換効率を向上させることができる。
【００９３】
図１１に括れ部１６に三次元網目構造部１１を形成したセラミックス構造体３０を示す。このようにすると、空間であった括れ部１６を有効に利用することができ、熱交換効率をさらに向上させることができる。
【００９４】
次に、三次元網目構造部１１の製造方法について説明する。まず、シリコンと炭素の原子比がＳｉ／Ｃ＝０．０５〜４になる割合になるように混合量を設定して炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーを用意する。
【００９５】
スラリーに含む樹脂類として、フェノール樹脂、フラン樹脂、有機金属ポリマー、及び蔗糖等の少なくとも１種を用いることができる。
【００９６】
スラリーに含むシリコン原料として、シリコン粉末、又は、マグネシウム、アルミニウム、チタニウム、クロミウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、及びタングステン等の少なくとも１種の金属を含むシリコン合金、又は、この１種のシリコン合金とシリコン粉末の混合物を用いることができる。
【００９７】
スラリーに、添加剤として、炭素粉末、黒鉛粉末、及びカーボンブラック等を加えることもできる。
【００９８】
また、スラリーに、骨材或いは酸化防止剤として、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、ジルコン、アルミナ、シリカ、ムライト、二ケイ化モリブデン、炭化ホウ素、及びホウ素粉末等の１種以上を添加することもできる。
【００９９】
上記のスラリーを、骨格が樹脂、ゴム、紙等で形成され、連通気孔を有するスポンジ形状の保持材に、連通気孔が塞がれない程度に含浸させる。例えば、スポンジ形状の保持材を絞ることにより、余分なスラリーを除去することも好ましい方法である。次にスラリーを付着させたスポンジ形状の保持材に対して、所望の最終形状となるように、ハニカム構造体、あるいは外周壁の成形体と密着、接合させる。
【０１００】
次に、上記で作製した、スラリーを付着させたスポンジ形状の保持材、及びハニカム構造体あるいは外周壁が接合された接合体を真空或いは不活性雰囲気下において９００〜１３５０℃で焼成して、炭素化多孔質構造体を作製する。そして、炭素化多孔質構造体にシリコンを１３５０℃以上の温度で反応焼結させる。その後、真空或いは不活性化雰囲気下において１３００〜１８００℃の温度でシリコンを溶融含浸させることにより三次元網目構造部１１を作製することができる。
【０１０１】
溶融含浸用のシリコンとして、シリコン、又は、マグネシウム、アルミニウム、チタニウム、クロミウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、及びタングステン等の少なくとも１種の金属を含むシリコン合金、又は、この１種のシリコン合金とシリコンの混合物を用いることができる。
【０１０２】
本発明の熱交換部材１０に流通させる第一の流体は、気体、液体等、特に限定されない。例えば、気体であれば自動車の排ガス等が挙げられる。また、第二の流体も、媒体としては、気体、液体等、特に限定されない。しかしながら、第一流体流通部５、第二流体流通部６が複数のセル３によって構成されているため接触面積が大きく、ハニカム構造体１の熱伝導率も高いことから、第一の流体と第二の流体の双方が気体である場合にも十分な熱交換を行うことができ、気体と気体の熱交換に好適である。
【実施例】
【０１０３】
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。
【０１０４】
（実施例１）
（ハニカム構造体の製造）
Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム構造体１を、以下のように作製した。まず、所定量のＳｉＣ粉末、バインダー、水又は有機溶媒などを混練した成形用原料を、所望の形状に押し出し、乾燥してハニカム成形体を得た。得られたハニカム成形体に対して、外周壁７と隔壁４の一部を削除し、括れ箇所（括れ部１６）を２ヶ所有した形状に加工した。次いで、減圧の不活性ガス又は真空中で、ハニカム成形体中に金属Ｓｉを含浸させた。このように作製したハニカム構造体１は、ＳｉＣ粒子の隙間に金属Ｓｉが充填された緻密質の材料となっており、熱伝導が約１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高い熱伝導性を示した。
【０１０５】
ハニカム構造体１の形状は、直径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍで、セル構造部分は、隔壁４の厚みｔａ約０．５ｍｍ、セルピッチ約３．６ｍｍであった。また、括れ部１６が形成された部分における第一流体流通部５の全体の、軸方向９に垂直な断面形状は、３０ｍｍ×３０ｍｍの四角形であった（図４ＢのＸ−Ｘ’断面図における第一流体流通部５の断面形状が四角形）。括れ部１６の長さＬｂは２０ｍｍで、端面２より１０ｍｍの位置Ｌａから３０ｍｍの位置に、上下２ヶ所括れ部１６が配置された構造とした。中間壁８は、他の隔壁４と同じ厚さだった。
【０１０６】
（流体回路の作製）
断熱マットをハニカム構造体１の外周面に巻きつけた後、ステンレスからなり、あらかじめ流体導入のための貫通孔２１が外周面に２ヶ所配置されている金属管１２の中に圧入した。圧入の際、金属管１２の貫通孔２１が配置されている断面が、ハニカム構造体１の括れ部分の断面に配置されるようセッティングした。その後、ハニカム構造体１の両端面２の外周部分を塞ぐような形でステンレス製の遮蔽板１７を設置し、溶接することで金属管１２と固定した。
【０１０７】
（熱交換効率試験）
第一の流体は、ハニカム構造体１の第一の端面２ａから流入させ、ハニカム構造体１の断面中心近傍のセル３（第一流体流通部５）中を通過させ、第二の端面２ｂから排出させた。一方、第二の流体は、金属管１２の外周面に配置され、第一の端面２ａに近い側の貫通孔２１から流入させ、ハニカム構造体１の第二流体流通部６を通過させ、第二の端面２ｂに近い側の貫通孔２１から排出させることで、伝熱効率を測定した。
【０１０８】
第一の流体として、４００℃の大気ガスを用いて、ＳＶ（空間速度）５００００ｈ−１にてセル３内に流した。また、第二の流体として、３０℃の大気ガスを用いて、ＳＶ（空間速度）５００００ｈ−１にてセル３内に流した。ハニカム構造体１の入口端面（第一の端面２ａ）より２０ｍｍ上流を流れる第一の流体の温度を「入口ガス温１」、ハニカム構造体１の出口端面（第二の端面２ｂ）より２００ｍｍ下流を流れる第一の流体の温度を「出口ガス温１」とした。また、ハニカム構造体１の流入部１４（外周壁７の外周面の位置を基準）より２０ｍｍ上流を流れる第二の流体の温度を「入口ガス温２」、ハニカム構造体１の排出部１５（外周壁７の外周面の位置を基準）より２００ｍｍ下流を流れる第二の流体の温度を「出口ガス温２」とした。
熱交換効率（％）＝（出口ガス温２−入口ガス温２）／（入口ガス温１−入口ガス温２）×１００
【０１０９】
（圧力損失測定）
上記熱交換効率試験と同様の試験条件とし、ハニカム構造体１の第一の端面２ａから３００ｍｍ上流部と第二の端面２ｂから３００ｍｍ下流部との間の差圧を測定し、「圧力損失１」とした。また、金属管１２の一方の貫通孔２１から３００ｍｍ上流部と、他方の貫通孔２１から３００ｍｍ下流部との間の差圧を測定し、「圧力損失２」とした。
【０１１０】
（耐熱試験）
第一の流体として７００℃、８００℃、あるいは９００℃の大気ガスを用いること以外は、上記熱交換効率試験と同様の試験条件とし、試験後のハニカム構造体１の割れ、破損有無を確認した。
【０１１１】
（実施例２）
（ハニカム構造体の製造）
実施例１と同様にして、ハニカム構造体１を作製した。熱伝導率は、約１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【０１１２】
ハニカム構造体１の形状は、直径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍで、セル構造部分は、隔壁４の厚み約０．５ｍｍ、セルピッチ約３．６ｍｍであった。ただし、中間壁８の厚みｔｂについては３ｍｍとなるように押し出し成形時の形状を設定した。また、括れ部１６が形成された部分における第一流体流通部５の全体の、軸方向９に垂直な断面形状は、３０ｍｍ×３０ｍｍの四角形であった（図４ＢのＸ−Ｘ’断面図における第一流体流通部５の断面形状が四角形）。括れ部１６の長さＬｂは２０ｍｍで、端面２より１０ｍｍの位置から３０ｍｍの位置に、上下２ヶ所括れ部１６が配置された構造とした。
【０１１３】
流体回路の作製、熱交換効率試験、圧損測定、耐熱試験は、実施例１と同じである。
【０１１４】
（実施例３）
（ハニカム構造体の製造）
実施例１と同様にして、ハニカム構造体１を作製した。熱伝導率は、約１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【０１１５】
ハニカム構造体１の形状は、直径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍで、セル構造部分は、隔壁４の厚み約０．５ｍｍ、セルピッチ約３．６ｍｍである。ただし、中間壁８の厚みｔｂについては３ｍｍとなるように押し出し成形時の形状を設定した。また、括れ部１６が形成された部分における第一流体流通部５の全体の、軸方向９に垂直な断面形状は、直径が４０ｍｍの円形であった（図４ＢのＸ−Ｘ’断面図における第一流体流通部５の断面形状が円形）。括れ部１６の長さＬｂは２０ｍｍで、端面２より１０ｍｍの位置から３０ｍｍの位置に、上下２ヶ所括れ部１６が配置された構造とした。
【０１１６】
流体回路の作製、熱交換効率試験、圧損測定、耐熱試験は、実施例１と同じである。
【０１１７】
（実施例４）
（ハニカム成形体の製造）
所定量のＳｉＣ粉末、バインダー、水又は有機溶媒などを混練した成形用原料を、所望の形状に押し出し、乾燥してハニカム成形体を得た。
【０１１８】
（三次元網目構造部を含むセラミックス構造体の製造）
三次元網目構造部を含み、Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするセラミックス構造体を、以下のように作製した。まず、所定量の樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーを用意した。骨格が樹脂で形成され、連通気孔を有するスポンジ形状の保持材に、連通気孔が塞がれない程度にスラリーを含浸させた。次に、スラリーを付着させたスポンジ形状の保持材に対して、所望の最終形状となるように、ハニカム構造体、及び外周壁の成形体を密着、接合させた。得られた接合体に対して、減圧の不活性ガス中で、接合体中に金属Ｓｉを含浸させた。このように作製したセラミックス構造体は、ＳｉＣ粒子の隙間に金属Ｓｉが充填された緻密質の材料となっており、熱伝導が約１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高い熱伝導性を示した。
【０１１９】
ハニカム構造体１の形状は、直径４０ｍｍ、長さ２００ｍｍで、セル構造部分は、隔壁４の厚み約０．５ｍｍ、セルピッチ約３．６ｍｍである。三次元網目構造部１１はハニカム構造体の外周に配置され（図７）、直径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍで、気孔径３ｍｍ、開気孔率９５％、密度０．１ｇ／ｃｍ３であり、骨格部の平均枝径約０．５ｍｍ、平均開口率約７０％であった。
【０１２０】
流体回路の作製、熱交換効率試験、圧損測定、耐熱試験は、実施例１と同じである。
【０１２１】
（比較例１）
（ハニカム構造体の製造）
Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム構造体１を、以下のように作製した。まず、所定量のＳｉＣ粉末、バインダー、水又は有機溶媒などを混練した成形用原料を、所望の形状に押し出し、乾燥してハニカム成形体を得た。得られたハニカム成形体の両端面２の開口部分に対して、成形体と同一原料を用いてそれぞれ１層置きの列を、両端面２ともに端面２から軸方向９に５ｍｍ目封じした。その後、両端面２を目封じした列に対して、ハニカム構造体１の外周面に貫通孔２２を施し、流体が通過できるようにした（図１２参照）。次いで、減圧の不活性ガス又は真空中で、ハニカム成形体中に金属Ｓｉを含浸させた。このように作製したハニカム構造体１は、ＳｉＣ粒子の隙間に金属Ｓｉが充填された緻密質の材料となっており、熱伝導が約１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高い熱伝導性を示した。
【０１２２】
ハニカム構造体１の形状は、直径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍで、セル構造部分は、隔壁４の厚みｔａが約０．５ｍｍ、セルピッチ約３．６ｍｍであった。また、外周面の貫通孔２２に関しては、ハニカム構造体１の第一の端面２ａ側における貫通孔２２と第二の端面２ｂ側における貫通孔２２が反対側の外周面に配置されている。このように貫通孔２２を配置することで、一方の外周面側の貫通孔２２から流入される流体がハニカム構造体１の軸方向９を通過し、他方の外周面の貫通孔２２から排出されるような構造となる。貫通孔２２の孔形状としては、ハニカム構造体１の端面２より５ｍｍ位置から２５ｍｍ位置まで、つまり軸方向９に２０ｍｍ配置され、幅３ｍｍである。
【０１２３】
（流体回路の作製）
十字型の形状で、２組の流路出入口配管を保有したステンレスのケーシングにハニカム構造体１を配置した。その際、ハニカム両端面２を一方の流路入口Ａ−出口Ａ’に向け、ハニカム構造体１の外周面に配置されている貫通孔２２を他方の流路入口Ｂ−出口Ｂ’に向くように配置した（図１２）。
【０１２４】
（熱交換効率試験）
第一の流体はケーシングの流路入口Ａから流入させ、ハニカム構造体１の第一の端面２ａから第二の端面２ｂに通過させ、ケーシングの流路出口Ａ’から排出させた。一方、第二の流体はケーシングの流路入口Ｂから流入させ、ハニカム構造体１の一方の外周面から他方の外周面に通過させ、ケーシングの流路出口Ｂ’から排出させることで、伝熱効率を測定した。第一の流体として、４００℃の大気ガスを用いて、ＳＶ（空間速度）５００００ｈ−１にてセル３内に流した。また、第二の流体として、３０℃の大気ガスを用いて、ＳＶ（空間速度）５００００ｈ−１にてセル３内に流した。
【０１２５】
ハニカム構造体１の入口端面（第一の端面２ａ）より２０ｍｍ上流を流れる第一の流体の温度を「入口ガス温１」、ハニカム構造体１の出口端面（第二の端面２ｂ）より２００ｍｍ下流を流れる第一の流体の温度を「出口ガス温１」とした。ハニカム構造体１の入口外周面より２０ｍｍ上流を流れる第二の流体の温度を「入口ガス温２」、ハニカム構造体１の出口外周面より２００ｍｍ下流を流れる第二の流体の温度を「出口ガス温２」とした。
熱交換効率（％）＝（出口ガス温２−入口ガス温２）／（入口ガス温１−入口ガス温２）×１００
【０１２６】
（圧力損失測定）
上記熱交換効率試験と同様の試験条件とし、ハニカム構造体１の第一の端面２ａから３００ｍｍ上流部と第二の端面２ｂから３００ｍｍ下流部との間の差圧を測定し、「圧力損失１」とした。また、ハニカム構造体１の一方の外周面から３００ｍｍ上流部と、他方の外周面から３００ｍｍ下流部との間の差圧を測定し、「圧力損失２」とした。
【０１２７】
（耐熱試験）
第一の流体として７００℃、８００℃、あるいは９００℃の大気ガスを用いること以外は、上記熱交換効率試験と同様の試験条件とし、試験後のハニカム構造体１の割れ、破損有無を確認した。
【０１２８】
【表１】
2015042934.tif 000003
【０１２９】
（結果）
圧力損失に関しては、圧力損失１、圧力損失２ともに、比較例１に比べて、実施例１〜４の方が低い値となった。実施例１と実施例２に大きな差は見られなかったものの、実施例３が最も圧力損失が低かった。圧力損失２において、実施例４は比較例１の次に圧力損失が高かった。一方、耐熱試験の結果に関しては、比較例１で７００℃以上の条件において第一、第二の流体のシール性が破壊される割れ方が生じたのに対し、実施例１では８００℃以上の条件で割れが生じたものの、シール性が破壊される条件は９００℃条件以上であった。実施例２に関しては、８００℃条件以上で割れが生じたものの、９００℃条件においてもガスのリークは確認されなかった。実施例３に関しては、９００℃条件においても割れ、ガスのリークともに確認されなかった。実施例４に関しては、実施例３と同様の結果であった。熱交換効率に関しては、実施例１〜３、比較例１の水準でほぼ同等レベルであったが、若干実施例３が高効率となった。一方、実施例４はそのほかの水準に比べて高効率となった。
【０１３０】
以上の結果より、実施例１〜３では、比較例１に比べて、熱交換性能が同等レベルなものの、低圧力損失で、熱衝撃に強い構造であることが確認された。また、熱衝撃による割れが発生した場合でも、流体同士のシール性が保持されやすいことが確認された。また実施例１〜３の中でも実施例３が最も好ましい構造であることが確認された。一方、実施例４は、比較例１に比べて熱交換性能が高く、低圧力損失で、熱衝撃に強い構造であることが確認された。また、実施例３と比較すると、圧力損失が高くなってしまうものの、効率では大きく凌駕できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明の熱交換部材は、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）で熱交換する用途であれば、特に限定されず、自動車分野、化学分野、製薬分野等に利用できる。特に、加熱体、被加熱体の双方が気体の場合に好適である。本発明のセラミックス構造体は、熱交換効率に優れた熱交換部材を作製することができる。
【符号の説明】
【０１３２】
１：ハニカム構造体、２，２ａ，２ｂ：（軸方向の）端面、３：セル、４：隔壁、５：第一流体流通部、６：第二流体流通部、７：外周壁、８：中間壁、９：軸方向（長手方向）、１０：熱交換部材、１１：三次元網目構造部、１２：金属管、１３：中間材、１４：流入部、１５：排出部、１６：括れ部、１７：遮蔽板、１８：目封止部、２１：（金属管の）貫通孔、２２：（ハニカム構造体の）貫通孔、２３：合流部、２４：枝部、２５：最小枝径、３０：セラミックス構造体。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図６】
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