(57)【要約】【課題】少なくとも一方が液体の２つの流体の熱交換を行うための熱衝撃に対する耐久性のある熱交換部材を提供する。【解決手段】熱交換部材１１は、集熱部１２と遮断部１３とを備える。集熱部１２は、ＳｉＣの隔壁により区画形成された、加熱体である第一の流体が流通する複数のセルを有するハニカム構造として形成されている。遮断部１３は、集熱部１２の外周に配設され、ＳｉＣで形成されたＳｉＣ外周壁７ａを有し、かつ少なくとも一部は金属を含み集熱部１２とは異なる材料で構成された緻密質の緻密質部を有する外周壁７として形成され、流体の流通を遮断する。熱交換部材１１は、セル３内に第一の流体を流通させ、遮断部１３の外周面７ｈ側に第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させることにより、遮断部１３を介して第一の流体と第二の流体との熱交換を行う。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣの隔壁により区画形成された、加熱体である第一の流体が流通する複数のセルを有するハニカム構造として形成された集熱部と、
前記集熱部の外周に配設され、ＳｉＣで形成されたＳｉＣ外周壁を有し、かつ少なくとも一部は金属を含み前記集熱部とは異なる材料で構成された緻密質の緻密質部を有する外周壁として形成され、流体の流通を遮断する遮断部と、を備え、
前記遮断部の外周面側に前記第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、少なくとも一方は液体である前記第一の流体と前記第二の流体とを前記遮断部によって隔てた状態で、前記遮断部を介して前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱交換部材。
【請求項２】
前記集熱部と前記遮断部との気孔率差が１０％以上であり、
前記集熱部と、前記遮断部の金属を含んだ部分との金属の含有率差が１０％以上である請求項１に記載の熱交換部材。
【請求項３】
前記遮断部は、前記外周面側が内周面側よりも金属が多く含まれる請求項１または２に記載の熱交換部材。
【請求項４】
前記遮断部は、１層以上の金属層を含ん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】
前記遮断部は、ＳｉＣにより前記集熱部と一体的に形成されたＳｉＣ外周壁と、前記ＳｉＣ外周壁の外周面に備えられた金属体とによっ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ＳｉＣ外周壁の前記金属体との対向面である前記外周面の表面粗さＲａが０．５μｍ以上であり、前記外周面には、前記第一の流体の流れる方向の軸方向に延びた筋状の線条部が形成されている請求項５に記載の熱交換部材。
【請求項７】
前記遮断部は、金属を除いた前記外周壁の気孔率が１０％以上である請求項１〜６のいずれか１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、少なくとも一方が液体である第一の流体と第二の流体との熱交換を行う熱交換部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温の流体から低温の流体へ熱交換することにより、熱を有効利用することができる。例えば、エンジンなどの燃焼排ガスなどの高温気体からの熱回収技術が求められている。気体／液体熱交換器としては、自動車のラジエター、空調室外機などのフィン付チューブ型熱交換器が一般的である。しかしながら、例えば自動車排ガスのような気体から熱を回収するには、一般的な金属製熱交換器は耐熱性に乏しく高温での使用が困難である。そこで、耐熱性、耐熱衝撃、耐腐食などを有する耐熱金属やセラミックス材料などが適している。耐熱金属で作製された熱交換器が知られているが、耐熱金属は価格が高い上に加工が難しい、密度が高く重い、熱伝導が低いなどの課題がある。
【０００３】
特許文献１には、内側を貫流する流体と外側に存在する流体との間で熱量の交換を行わせる多孔質炭化珪素焼結体製のハニカム構造体の高温用熱交換器が開示されている。炭化珪素製のハニカム構造体の外壁部に、炭化珪素微粉末を主成分とするペーストを塗布して焼成することにより、外壁部を緻密な物質からなる層で被覆し、外壁部からの液体漏れを防止している。ハニカム構造体と、外壁部に塗布するペーストとを炭化珪素とすることにより、ハニカム構造体（成形体）とペーストとを同一の焼成工程で焼成するため、特別の工程が不要である。特許文献２には、セラミックス製のハニカム構造体と金属単体を一体化させることで熱を回収する技術の記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３４５５５５号公報
【特許文献２】特開平９−３２７６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１は、外周壁が炭化珪素の緻密層で形成されているため、熱衝撃に弱い。このため、熱に対する耐久性がさらに向上した熱交換部材が求められている。特許文献２で用いられるセラミック製ハニカム構造体には外周壁構造がないため外側金属で打ち抜き、一体化する必要がある。
【０００６】
本発明の課題は、少なくとも一方が液体の２つの流体の熱交換を行うための熱衝撃に対する耐久性のある熱交換部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、熱交換部材が外周壁の遮断部の少なくとも一部に金属を含む構成とすることにより上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の熱交換部材が提供される。
【０００８】
［１］  ＳｉＣの隔壁により区画形成された、加熱体である第一の流体が流通する複数のセルを有するハニカム構造として形成された集熱部と、前記集熱部の外周に配設され、ＳｉＣで形成されたＳｉＣ外周壁を有し、かつ少なくとも一部は金属を含み前記集熱部とは異なる材料で構成された緻密質の緻密質部を有する外周壁として形成され、流体の流通を遮断する遮断部と、を備え、前記遮断部の外周面側に前記第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、少なくとも一方は液体である前記第一の流体と前記第二の流体とを前記遮断部によって隔てた状態で、前記遮断部を介して前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱交換部材。
【０００９】
［２］  前記集熱部と前記遮断部との気孔率差が１０％以上であり、前記集熱部と、前記遮断部の金属を含んだ部分との金属の含有率差が１０％以上である前記［１］に記載の熱交換部材。
【００１０】
［３］  前記遮断部は、前記外周面側が内周面側よりも金属が多く含まれる請求項１または２に記載の熱交換部材。
【００１１】
［４］  前記遮断部は、１層以上の金属層を含ん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。
【００１２】
［５］  前記遮断部は、ＳｉＣにより前記集熱部と一体的に形成されたＳｉＣ外周壁と、前記ＳｉＣ外周壁の外周面に備えられた金属体とによっ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。
【００１３】
［６］  前記ＳｉＣ外周壁の前記金属体との対向面である前記外周面の表面粗さＲａが０．５μｍ以上であり、前記外周面には、前記第一の流体の流れる方向の軸方向に延びた筋状の線条部が形成されている前記［５］に記載の熱交換部材。
【００１４】
［７］  前記遮断部は、金属を除いた前記外周壁の気孔率が１０％以上である前記［１］〜［６］のいずれかに記載の熱交換部材。
【発明の効果】
【００１５】
熱交換部材の遮断部である外周壁の少なくとも一部に金属を含むように構成することにより、遮断部と集熱部とが異なる材料となり、熱に対する耐久性を向上させることができる。これにより、熱交換部材の割れの発生を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本発明の熱交換部材の軸方向の一方の端面を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の熱交換部材の軸方向の一方の端面の一部拡大図であり、遮断部を構成する外周壁の外周面側に金属を含浸する実施形態を示す図である。
【図１Ｃ】本発明の熱交換部材を含む熱交換器の一実施形態を示す模式図である。
【図１Ｄ】本発明の熱交換部材の軸方向の一方の端面の一部拡大図であり、遮断部を構成する外周壁の外周面に金属を備えた実施形態を示す図である。
【図１Ｅ】ハニカム構造体の外周面に線条部が形成された実施形態を示す図である。
【図２Ａ】延出外周壁を有するハニカム構造体を示す斜視図である。
【図２Ｂ】延出外周壁を有するハニカム構造体を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。
【図３Ａ】ケーシング内に延出外周壁を有するハニカム構造体が収容された熱交換器の実施形態を示す斜視図である。
【図３Ｂ】ケーシング内に延出外周壁を有するハニカム構造体が収容された熱交換器の実施形態を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。
【図３Ｃ】ケーシングが、筒状部と外側ケーシング部とを一体として備える熱交換器の実施形態を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。
【図３Ｄ】ケーシング内に延出外周壁を有するハニカム構造体が収容された熱交換器の実施形態を示す、軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。
【図４Ａ】ケーシング内に延出外周壁を有するハニカム構造体が収容された熱交換器の他の実施形態を示す斜視図である。
【図４Ｂ】ケーシング内に延出外周壁を有するハニカム構造体が収容された熱交換器の他の実施形態を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。
【図４Ｃ】ケーシング内に延出外周壁を有するハニカム構造体が収容された熱交換器の他の実施形態を示す、軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。
【図５Ａ】軸方向に垂直な断面で切断した本発明の熱交換器の一実施形態を示す模式図である。
【図５Ｂ】第一の流体と第二の流体とが対向流で熱交換する本発明の熱交換器の一実施形態を示す斜視図である。
【図６】ハニカム構造体とケーシングとの間隔を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ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、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。
【００１８】
図１Ａに本発明の熱交換部材１１の軸方向の一方の端面を示す。また、図１Ｂに、端面の一部拡大図を示す。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、熱交換部材１１は、ＳｉＣの隔壁４により仕切られて一方の端面２から他方の端面２まで軸方向に貫通し、第一の流体である加熱体が流通する複数のセル３を有するハニカム構造体１として形成されている。本発明の熱交換部材１１は、集熱部１２と遮断部１３とを備える。集熱部１２は、ＳｉＣの隔壁により区画形成された、加熱体である第一の流体が流通する複数のセル３を有するハニカム構造として形成されている。遮断部１３は、集熱部１２の外周に配設され、ＳｉＣで形成されたＳｉＣ外周壁７ａを有し、かつ少なくとも一部は金属を含み集熱部１２とは異なる材料で構成された緻密質の緻密質部を有する外周壁７として形成され、流体の流通を遮断する。
【００１９】
図１Ｃに本発明の熱交換部材１１を含む熱交換器３０の斜視図を示す。図１Ｃに示すように、熱交換器３０は、熱交換部材１１（ハニカム構造体１）と、熱交換部材１１を内部に含むケーシング２１とによって形成されている。熱交換部材１１のハニカム構造体１のセル３が第一の流体が流通する第一流体流通部５となる。熱交換器３０は、ハニカム構造体１のセル３内を、第二の流体よりも高温の第一の流体が流通するように構成されている。また、ケーシング２１に第二の流体の入口２２及び出口２３が形成されており、第二の流体は、ハニカム構造体１の外周面７ｈ上を流通する。すなわち、熱交換部材１１のハニカム構造体１の外周面７ｈとケーシング２１の内周面により、第一の流体から熱を受け取るための第二流体流通部６が形成されている。つまり、熱交換部材１１は、遮断部１３の外周面７ｈ側に第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させ、少なくとも一方は液体である第一の流体と第二の流体とを遮断部１３によって隔てた状態で、遮断部１３を介して第一の流体と第二の流体との熱交換を行うものである。なお、第二の流体がハニカム構造体１の外周面７ｈ上を流通するとは、第二の流体がハニカム構造体１の外周面７ｈに直接接触する場合も、直接接触しない場合も含む。
【００２０】
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、集熱部１２は、ＳｉＣ（炭化珪素）が好ましく、遮断部１３は、一部にはＳｉＣを含んだＳｉＣ外周壁７ａを有し、さらに一部に金属を含み、集熱部１２とは異なる材料（金属とＳｉＣ）で形成されている緻密質部を有することが好ましい。
【００２１】
但し、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。即ち、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。ハニカム構造体１の物性として、室温における熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ以上３００Ｗ／ｍＫ以下が好ましいが、これに限定されるものでない。セラミックスの代わりに、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金等の耐蝕金属材料を用いることもできる。
【００２２】
本発明の熱交換器３０が高い熱交換率を得るためには、ハニカム構造体１の材質に熱伝導が高いＳｉＣ（炭化珪素）を含むものを用いた方がより好ましい。但し、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してもよい。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／ｍＫ程度であるが、緻密体とすることにより、１５０Ｗ／ｍＫ程度とすることができる。
【００２３】
つまり、セラミック材料として、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合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を採用してもよい。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、耐酸化性を初め、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。
【００２４】
さらに具体的に説明すると、ハニカム構造体１がＳｉ含浸ＳｉＣ複合材料、又は（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを主成分とする場合、Ｓｉ／（Ｓｉ＋ＳｉＣ）で規定されるＳｉ含有量が少なすぎると結合材が不足するために隣接するＳｉＣ粒子同士のＳｉ相による結合が不十分となり、熱伝導率が低下するだけでなく、ハニカム構造のような薄壁の構造体を維持し得る強度を得ることが困難となる。逆にＳｉ含有量が多すぎると、適切にＳｉＣ粒子同士を結合し得る以上に金属珪素が存在することに起因して、ハニカム構造体１が焼成により過度に収縮してしまい、気孔率低下、平均細孔径縮小などの弊害が併発してくる点において好ましくない。したがってＳｉ含有量は、５〜５０質量％であることが好ましく、１０〜４０質量％であることが更に好ましい。
【００２５】
このようなＳｉ含浸ＳｉＣ、又は（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣは、気孔が金属シリコンで埋められており、気孔率が０または０に近い場合もあり、耐酸化性、耐久性に優れ、高温雰囲気化での長期間の使用が可能である。一度酸化されると酸化保護膜が形成されるため、酸化劣化が発生しない。また常温から高温まで高強度を有するため、肉薄で軽量な構造体を形成することができる。さらに、熱伝導率が銅やアルミニウム金属と同程度に高く、遠赤外線放射率も高く、電気導電性があるため静電気を帯びにくい。
【００２６】
遮断部１３は、例えば、図１Ｂに示すように、炭化珪素の外周壁７（ＳｉＣ外周壁７ａ）に金属を含浸させて緻密質の緻密質部を形成したり、図１Ｄに示すように、ＳｉＣ外周壁７ａの外周面７ｈに金属を備えたりすることが好ましい。図１Ｂに示すように、外周壁７に金属を含浸させる実施形態においては、外周壁７の外周面７ｈおよびその近傍に金属を含浸させることにより金属含浸層７ｉを形成して緻密質部としてもよいし、外周壁７内に金属を傾斜分布させてもよい。金属を含浸する場合は、押出成形後、ハニカム構造体１に金属を載せて熱処理させることで含浸させる。
【００２７】
図１Ｄに示すように、遮断部は、ＳｉＣにより集熱部１２と一体的に形成されたＳｉＣ外周壁７ａと、ＳｉＣ外周壁７ａの外周面７ｈに備えられた金属体とによって構成されているように構成することができる。図１Ｄに示すように金属を備えるとは、金属板７ｊ等の金属体を外周面７ｈに嵌合するようにしてもよいし、巻き付けてもよい。図１Ｄに示すように、ハニカム構造体１のＳｉＣ外周壁７ａの外周面に金属板７ｊ等の金属体を備えた場合、ハニカム構造体１のＳｉＣ外周壁７ａと金属板７ｊとが外周壁７であり、また遮断部１３である。図１Ｂ、図１Ｄのいずれの場合においても、遮断部１３である外周壁７の一部は、ＳｉＣを含んで構成され（すなわちＳｉＣ外周壁７ａを有し）、遮断部１３の外周面側に内周面側よりも金属が多く含まれることが好ましい。このように構成すると、ＳｉＣは、熱伝導が大きいためＳｉＣ外周壁７ａが集熱部１２から熱を集熱しやすくなり、外周側へ熱を伝達しやすくなる。したがって、高い熱交換率が期待できる。また、金属を含んだ緻密質部を有することから、強度を向上させることもできる。金属としては、図１Ｂの場合はＳｉ＋Ａｌ、図１Ｄの場合はステンレスまたはアルミニウム、銅などが挙げられる。
【００２８】
図１Ｄに示すように、ハニカム構造体１のＳｉＣ外周壁７ａの外周面に金属板７ｊ等の金属体を備えた場合、ＳｉＣ外周壁７ａの金属体（金属板７ｊ）との対向面である外周面７ｈの表面粗さＲａが０．５μｍ以上（基準長さ１０ｍｍ）であり、図１Ｅに示すように、ハニカム構造体１の外周面７ｈには、第一の流体の流れる方向の軸方向に延びた筋状の線条部７ｍが形成されているように構成することが好ましい。より好ましくは、外周面７ｈの表面粗さＲａが１．０μｍ以上１０μｍ以下、さらに好ましくは、外周面７ｈの表面粗さＲａが３．０μｍ以上１０μｍ以下である。これにより、ハニカム構造体１の外周面１と金属板７ｊとの密着性を高めることができる。
【００２９】
熱交換部材１１は、集熱部１２と遮断部１３との気孔率差が１０％以上であり、集熱部１２と、遮断部１３の金属を含んだ部分との金属の含有率差が１０％以上であることが好ましい。気孔率差はより好ましくは１０％以上６０％以下、さらに好ましくは１０％以上４０％以下である。金属含有率差は、より好ましくは１０％以上６０％以下、さらに好ましくは１０％以上４０％以下である。なお、遮断部１３の気孔率とは、最も金属を含んだ緻密な部分の気孔率であり、遮断部１３の金属を含んだ部分の金属含有率とは、最も金属を含んだ緻密な部分の金属含有率である。つまり、集熱部１２と遮断部１３との気孔率差は、集熱部１２と、遮断部１３の中で最も緻密となっている部分との気孔率差である。金属を含浸している時は、遮断部１３内において、金属の分布が傾斜しているしないに関わらず、一番緻密（気孔率最小）の箇所であり、金属を巻き付けた時は、金属部分である。
【００３０】
遮断部１３は、１層以上の金属層を含んで構成されていることが好ましい。すなわち、遮断部１３が金属の多層構造となることが好ましい。ここで多層構造とは、例えば、（１）含浸された金属の層、（２）熱応力を緩和するための金属層、（３）第二の流体と接する金属の３層構造を挙げることができる。また、他の実施形態としては、（１）熱応力を緩和するための金属層、（２）第二の流体と接する金属の２層構造を挙げることができる。金属層が多層構造になることにより、各層で発生する熱膨張差を吸収させることが出来、熱応力を低減させることが出来る。
【００３１】
遮断部１３は、金属を除いた外周壁の気孔率が１０％以上であることが好ましい。１０％未満では、成形が非常に困難である。より好ましくは、強度を十分なものとするために、６０％以下である。金属を除いた外周壁の気孔率はより好ましくは１０％以上６０％以下、さらに好ましくは１０％以上４０％以下である。
【００３２】
熱交換器３０に流通させる第一の流体（高温側）が排ガスの場合、第一の流体（高温側）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、亜鉛、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。第一の流体（高温側）が通過するハニカム構造体１の第一流体流通部５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未満とすると、触媒作用が発現し難いおそれがある。一方、４００ｇ／Ｌを超えると、圧損が大きくなる他、製造コストが上昇するおそれがある。必要に応じて、ハニカム構造体１のセル３の隔壁４に触媒を担持させる。触媒を担持させる場合、ハニカム構造体１にマスキングを施し、ハニカム構造体１に触媒が担持されるようにする。予め、担体微粒子となるセラミックス粉末に触媒成分を含む水溶液を含浸させた後、乾燥し、焼成することにより触媒コート微粒子を得る。この触媒コート微粒子に分散媒（水等）、その他の添加剤を加えてコーティング液（スラリー）を調製し、このスラリーをハニカム構造体１の隔壁４にコーティングした後、乾燥し、焼成することによって、ハニカム構造体１のセル３の隔壁４に触媒を担持する。尚、焼成する際は、ハニカム構造体１のマスキングを剥す。
【００３３】
また、ケーシング２１の内周面２４とハニカム構造体１の外周面７ｈとによって第二流体流通部６が形成されている。第二流体流通部６は、ケーシング２１とハニカム構造体１の外周面７ｈとによって形成された第二の流体の流通部であり、第一流体流通部５とハニカム構造体１の隔壁４によって隔たれて熱伝導可能とされており、第一流体流通部５を流通する第一の流体の熱を隔壁４を介して受け取り、流通する第二の流体である被加熱体へ熱を伝達する。第一の流体と第二の流体とは、完全に分離されており、これらの流体が混じり合うことはない。
【００３４】
第一流体流通部５は、ハニカム構造として形成されており、ハニカム構造の場合、流体がセル３の中を通り抜ける時には、流体は隔壁４により別のセル３に流れ込むことが出来ず、ハニカム構造体１の入口から出口へと直線的に流体が進む。また、本発明の熱交換器３０内のハニカム構造体１は、目封止されておらず、流体の伝熱面積が増し熱交換器のサイズを小さくすることができる。これにより、熱交換器単位体積あたりの伝熱量を大きくすることができる。さらに、ハニカム構造体１に目封止部の形成やスリットの形成等の加工を施すことが不要なため、熱交換器３０は、製造コストを低減することができる。
【００３５】
熱交換器３０は、第一の流体は、第二の流体よりも高温であるものを流通させ、第一の流体から第二の流体へ熱伝導するようにすることが好ましい。第一の流体として気体を流通させ、第二の流体として液体を流通させると、第一の流体と第二の流体の熱交換を効率よく行うことができる。つまり、本発明の熱交換器３０は、気体／液体熱交換器として適用することができる。
【００３６】
熱交換器３０は、第二の流体よりも高温の第一の流体をハニカム構造体１のセル内に流通させることにより、第一の流体の熱をハニカム構造体１に効率よく熱伝導させることができる。すなわち、全伝熱抵抗は、第一の流体の熱抵抗＋隔壁の熱抵抗＋第二の流体の熱抵抗であるが、律速因子は、第一の流体の熱抵抗である。熱交換器３０は、セル３を第一の流体が通過するため、第一の流体とハニカム構造体１との接触面積が大きく、律速因子である第一の流体の熱抵抗を下げることができる。
【００３７】
本発明では基本的に押し出し成形をそのまま使用でき、工数が非常に少なく出来る。また同じ構造を耐熱金属で作製しようとしたとき、プレス加工、溶接加工などの工程が必要であるのに対し、本発明では不要である。したがって、製造コストを低減することができるとともに、十分な熱交換効率を得ることができる。
【００３８】
熱交換器３０は、第一の流体（加熱体）が流通するハニカム構造の第一流体流通部５（高温側）とされるハニカム構造体１と内部が第二流体流通部６とされるケーシング２１により構成される。第一流体流通部５がハニカム構造体１により形成されていることから熱交換を効率的に行うことができる。ハニカム構造体１は、隔壁４によって流路となる複数のセル３が区画形成されており、セル形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、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。
【００３９】
ハニカム構造体１の形状は円筒であるが、形状としてはこれに限定されるものでなく、四角柱等の他の形状であってもよい。図５Ａに、熱交換部材１１が四角柱のハニカム構造体１である場合の熱交換器３０の軸方向に垂直な面で切断した断面図、図５Ｂに、その斜視図を示す。
【００４０】
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、目的に応じて適宜設計すればよいが、２５〜２０００セル／平方インチ（４〜３２０セル／ｃｍ２）の範囲であることが好ましい。セル密度が２５セル／平方インチより小さくなると、隔壁４の強度、ひいてはハニカム構造体１自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）が不足するおそれがある。一方、セル密度が２０００セル／平方インチを超えると、熱媒体が流れる際の圧力損失が大きくなるおそれがある。
【００４１】
また、ハニカム構造体１の１つ当たり（１モジュール当たり）のセル数は、１〜１０，０００が望ましく、２００〜２，０００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。
【００４２】
ハニカム構造体１のセル３の隔壁４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５０μｍ〜２ｍｍとすることが好ましく、６０〜５００μｍとすることが更に好ましい。壁厚を５０μｍ未満とすると、機械的強度が低下して衝撃や熱応力によって破損することがある。一方、２ｍｍを超えると、ハニカム構造体側に占めるセル容積の割合が低くなったり、流体の圧力損失が大きくなったり、熱媒体が透過する熱交換率が低下するといった不具合が発生するおそれがある。
【００４３】
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未満の場合、隔壁４は強度不足となり、第一流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁４が破損する可能性がある。また、５ｇ／ｃｍ３を超えると、ハニカム構造体１自体が重くなり、軽量化の特徴が損なわれる可能性がある。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。
【００４４】
次に、熱交換部材１１であるハニカム構造体１が、ハニカム部５２の軸方向の端面２から軸方向外側に延出して筒状に形成された延出外周壁５１を有している実施形態を示す。図２Ａに延出外周壁５１を有するハニカム構造体１の斜視図、図２Ｂに、軸方向に平行な断面で切断した断面図を示す。また、図３Ａに、ケーシング２１内に延出外周壁５１を有するハニカム構造体１が収容された熱交換器３０の斜視図、図３Ｂに、軸方向に平行な断面で切断した断面図、図３Ｃに、軸方向に垂直な断面で切断した断面図を示す。
【００４５】
図２Ａ〜図２Ｂに示すように、熱交換部材１１であるハニカム構造体１は、ハニカム部５２の軸方向の端面２から軸方向外側に延出して筒状に形成された延出外周壁５１を有している。延出外周壁５１は、ハニカム部５２の外周壁と連続的に一体として形成されている。外周壁延出外周壁５１の内周面側は、隔壁４やセル３等が形成されておらず、中空となっている。中央部のハニカム部５２は、伝熱を促進する集熱部１２である。
【００４６】
図３Ａ〜図３Ｄに、ケーシング２１内に延出外周壁５１を有するハニカム構造体１が収容された熱交換器３０の実施形態を示す。図３Ａは、斜視図であり、図３Ｂは、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。図３Ｃは、ケーシング２１が、ハニカム構造体１の外周面７ｈに嵌合する筒状部２１ａと、その筒状部２１ａの外側に第二流体流通部６を形成する外側ケーシング部２１ｂとを一体として備える実施形態を示す。図３Ｄは、軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。
【００４７】
図３Ａ〜図３Ｂの実施形態では、熱交換器３０のケーシング２１は、第一の流体の入口２５から第一の流体の出口２５までの第一流体流通部５を形成するハニカム構造体１が嵌合するように直線状に形成され、ハニカム構造体１は、ケーシング２１に嵌合して備えられており、ハニカム構造体１の延出外周壁５１の外周面とケーシング２１の内周面とによってシール部５３が形成されている。第二の流体の入口２２と出口２３とが、ハニカム構造体１に対し、同じ側に形成されている。本実施形態では、第二流体流通部６がハニカム構造体１の外周を周回する周回構造となっている。つまり、ハニカム構造体１の外周を周回するように第二の流体が流通する（図３Ｄ参照）。
【００４８】
図３Ｃは、ケーシング２１が、ハニカム構造体１の外周面７ｈに嵌合する筒状部２１ａと、その筒状部２１ａの外側に第二流体流通部６を形成する外側ケーシング部２１ｂとを一体として備える熱交換器３０の実施形態を示す。図３Ｄは、軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。筒状部２１ａは、ハニカム構造体１の外周面７の形状に対応した形状を有し、外側ケーシング部２１ｂは、筒状部２１ａの外側に、第二の流体が流通するための空間を有した筒状の形状を有している。また、外側ケーシング部２１ｂの一部に第二の流体の入口２２及び出口２３が形成されている。本実施形態では、第二流体流通部６は、筒状部２１ａと外側ケーシング部２１ｂとに囲まれて形成されており、第二流体流通部６を流通する第二の流体は、ハニカム構造体１の外周面７ｈ上をハニカム構造体１の外周面７に直接接触せずに周方向に流通して熱を交換することになる。このような構成とすることにより、ハニカム構造体１に破損があった場合でも、第一の流体と第二の流体が漏れたり混合したりすることがない。
【００４９】
図３Ｂの拡大図に、遮断部１３が１層以上の金属層を含んで構成されている実施形態を示す。左側の拡大図では、延出外周壁５１には、金属含浸層７ｉが形成され、さらに、延出外周壁５１とケーシング２１とを接合するための接合金属層７ｋが形成されている。また、右側の拡大図に示すように、ハニカム部のＳｉＣ外周壁７ａには、金属含浸層７ｉが形成され、さらに、第二の流体と接する金属板７ｊが備えられている構成とすることもできる。
【００５０】
また、図４Ａに、ケーシング２１内に延出外周壁５１を有するハニカム構造体１が収容された熱交換器３０の斜視図、図４Ｂに、軸方向に平行な断面で切断した断面図、図４Ｃに、軸方向に垂直な断面で切断した断面図を示す。図４Ａ〜図４Ｃに示すように、本実施形態の熱交換器３０のケーシング２１は、第一の流体の入口２５から第一の流体の出口２５までの第一流体流通部５を形成するハニカム構造体１が嵌合するように直線状に形成され、第二の流体の入口２２から第二の流体の出口２３までの第二流体流通部６も直線状に形成され、第一流体流通部５と第二流体流通部とが交差する交差構造とされている。ハニカム構造体１は、ケーシング２１に嵌合して備えられており、ハニカム構造体１の延出外周壁５１の外周面とケーシング２１の内周面とによってシール部５３が形成されている。第二の流体の入口２２と出口２３とが、ハニカム構造体１を挟んで反対側に形成されている。
【００５１】
熱交換器３０の信頼性を向上するためには、高温流体（第一の流体）側からシール部５３への伝熱を抑制し、シール部５３の温度上昇を抑えることが有効であり、本実施形態は、延出外周壁５１が形成されており、延出外周壁５１がシール部５３となっているため、熱交換器３０の性能が向上する。例えば図１Ａ及び図１Ｂの構造では第一の流体の入口であるハニカム構造体１の入口側の端面２付近が最も高温であるが、ケーシング２１との接合やシール部分（シール部１１）が必要なため最端部に第２の流体を流すこと難しい。本実施形態のように延出外周部５１を設けることにより、ハニカム部２１の端部（入口側の端面２付近）も熱交換できる。言い換えると、シール部５３がハニカム部５２よりも軸方向外側に形成されているため、ハニカム部２１の外周面の全面に第二の流体が接触可能である。このため、熱交換効率を向上させることができる。
【実施例】
【００５２】
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。
【００５３】
（実施例１〜１２）
熱交換部材１１（ハニカム構造体１）とケーシング２１によって、第一流体流通部と第二流体流通部とが形成された熱交換器３０を以下のようにして作製した。
【００５４】
（ハニカム構造体の製造）
以下のようにして、実施例１〜１２、比較例１の熱交換部材１１を製造した。
【００５５】
（実施例１〜６）
セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出した後、乾燥し、焼成することによって、材質は炭化珪素、本体サイズが直径５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱状のハニカム構造体１を製造した。ハニカム構造体１のＳｉＣ外周壁７ａに金属（Ｓｉ）を含浸させて金属含浸層７ｉを形成し、熱交換部材１１とした（図１Ｂ参照）。
【００５６】
（実施例７〜１２）
実施例１と同様に、ハニカム構造体１を製造した。ＳｉＣ外周壁７ａに金属を含浸させることなく、ＳｉＣ外周壁７ａの周りに金属板７ｊ（ＳＵＳ）を巻き付け、熱交換部材１１とした（図１Ｄ参照）。
【００５７】
（ケーシング）
熱交換部材１１（ハニカム構造体１）の外側容器として、ステンレスからなるケーシング２１を用いた。実施例１〜１２では、１つの熱交換部材１１（ハニカム構造体１）を、ケーシング２１内に配置した（図３Ｃ及び図３Ｄ参照）。図６参照に示すように、ハニカム構造体１とケーシングとの間隔１５ｂは、ハニカム構造体１のセル長１５ａと同じになるようにした。第一流体流通部５は、ハニカム構造に形成され、第二流体流通部６は、ケーシング２１内で、ハニカム構造体１の外周を流通（外側構造）するように形成されている。また、ケーシング２１には、第一の流体をハニカム構造体１に、第二の流体をケーシング２１に導入、排出するための配管を取り付けた。尚、第一の流体と第二の流体が混ざり合わないように、これら２経路は完全に隔離されている（外周フロー構造）。また、実施例１〜１２のハニカム構造体１の外形構造は、全て同一とした。
【００５８】
（比較例１〜３）
実施例１と同様に、ハニカム構造体１を製造した。ＳｉＣ外周壁７ａに、外周壁やハニカム部（集熱部）と同種ペーストを塗布し、焼成することによりＳｉＣ外周壁７ａを緻密化し、遮断部１３とした。
（比較例４〜６）
実施例１と同様に、コージェライト材料でハニカム構造体１を製造した。コージェライト外周壁に金属を含浸させることなく、コージェライト外周壁の周りに金属板７ｊ（ＳＵＳ）を巻き付け、熱交換部材１１とした。
【００５９】
熱交換部材１１の構成を表１に示す。表１の遮断部の気孔率は、遮断部１３の最も緻密な部分の気孔率である。つまり、実施例１〜６では、金属含浸層７ｉの気孔率、実施例７〜１２では、金属板７ｊの気孔率である。なお、表１の含有金属量は、炭化珪素柱のＳｉを金属しない場合の値である。
【００６０】
（第一の流体、及び第二の流体）
第一の流体の熱交換部材１１（ハニカム構造体１）への入口温度、流量、第二の流体のケーシング２１内への入口温度、流量は全て同一条件とした。第一の流体として、４００℃の窒素ガス（Ｎ２）を用いた。また、第二の流体として２０℃の水を用いた。
【００６１】
（熱交換効率の試験方法）
ハニカム構造体１の第一流体流通部５に窒素ガスを流し、ケーシング２１内の第二流体流通部６に（冷却）水を流した。ハニカム構造体１に対する窒素ガスのＳＶ（空間速度）は５０，０００ｈ−１とした。（冷却）水の流量は５Ｌ／ｍｉｎとした。（冷却）水は配管の外側（ギャップ１ｍｍ）を流れる構成であった。
【００６２】
（試験結果）
表１に熱交換率を示す。熱交換率（％）は、第一の流体（窒素ガス）及び第二の流体（水）のハニカム構造体１の出口温度と入口温度からそれぞれエネルギー量を算出し、式１で計算した。
（式１）  熱交換率（％）＝（（被加熱体（第二の流体）の出口温度−被加熱体（第二の流体）の入口温度）×被加熱体（第二の流体）の比熱）÷（加熱体（第一の流体）の入口温度−被加熱体（第二の流体）の出口温度）×加熱体（第一の流体）の比熱
【００６３】
（熱交換部材の耐久性試験）
それぞれの熱交換部材１１を４００℃に加熱し、耐久性を調べた。結果を表１に示す。
第一の流体として４００℃の窒素ガス（Ｎ２）、第二の流体として２０℃の水を用いた熱交換効率の試験によって、熱交換器３０内の熱交換部材１１の耐久性について調べた結果を表１に示す。遮断部の気孔率が０．１％以下で、遮断部の金属を除いた気孔率が０％の時は、試験中に割れてしまった。
【００６４】
（密着性）
熱交換部材１１のハニカム構造体１と金属板７ｊ（ＳＵＳ）との密着性を熱交換効率から評価した。評価基準は、熱交換効率９５％以上を◎、熱交換効率９０％を超え９５％未満を○、熱交換効率９０％以下を△とした。
【００６５】
【表１】
2012037165.tif 000003
【００６６】
ＳｉＣ外周壁７ａが、ＳｉＣ外周壁７ａやハニカム部（集熱部１２）と同種ペーストにより緻密化された比較例１〜３は、割れが発生した。一方、遮断部１３である外周壁７に金属が含まれる（含浸、巻き付け）実施例１〜１２は、割れが発生せず、耐久性が向上した。遮断部に金属が含まれることにより、耐久性が向上する。セラミックス製ハニカムをコージェライト材料にした比較例４〜６では、割れは発生しなかったものの熱交換効率が小さかった。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の熱交換器は、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、自動車分野、産業分野であっても特に限定されない。特に、加熱体または被加熱体の少なくとも一方が液体の場合に好適である。自動車分野で排ガスから排熱回収用途で使用する場合は、自動車の燃費向上に役立てることができる。
【符号の説明】
【００６８】
１：ハニカム構造体、２：（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、７ｈ：外周面、７ｉ：金属含浸層、７ｊ：金属板、７ｋ：接合金属層、７ｍ：線条部、１１：熱交換部材、１２：集熱部、１３：遮断部、１５ａ：セル長、１５ｂ：間隔、２１：ケーシング、２１ａ：筒状部、２１ｂ：外側ケーシング部、２２：（第二の流体の）入口、２３：（第二の流体の）出口、３０：熱交換器、５１：延出外周壁、５２：ハニカム部、５３：シール部。
【図１Ａ】
2012037165.tif 000004
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
2012037165.tif 000006
【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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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３Ｃ】
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【図３Ｄ】
2012037165.tif 000014
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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