JP6144937B2

JP6144937B2 - 熱交換部材

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Publication number: JP6144937B2
Application number: JP2013057218A
Authority: JP
Inventors: 宮崎　誠; 誠宮崎; 竜生川口; 徳田　昌弘; 昌弘徳田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: JP2013228189A

Description

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、ハニカム構造体を用いた熱交換部材に関する。

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を回収する熱回収技術がある。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、例えば自動車の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では耐熱性に乏しく、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。しかし耐熱金属は、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。

そこで、セラミックス材料を用いた熱回収技術が開発されている。例えば、セラミックス体を用いた熱交換部材により熱交換を行う技術がある。この場合、筒状セラミックス体の内部に第一の流体（例えば、排ガス）を流通させ、外部に第二の流体（例えば、冷却水）を流通させることにより、熱交換を行う。

しかし、セラミックス体の内部に流通させる排ガスが多い場合、外部に流通させる冷却水の温度が上昇してしまい、オーバーヒートを招くおそれがある。そのため、特許文献１では、排気の流路にバルブを設けて、排気量が多い場合は、排気が排気熱回収装置を通らないようにしている。

特開２００７−３１５３７０号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、排気系に排気の切替バルブ等を付加するため、装置の構造が複雑になり、コスト高になるという問題点がある。

本発明の課題は、高温流体と低温流体とを熱交換させる場合において、高温流体の流量が大きいとき、低温流体の温度が上昇しすぎないように、熱交換効率を低下させる熱交換部材を提供することにある。

また、熱交換部材の下流の部品の熱衝撃による破損を低減させることが可能な熱交換部材を提供することにある。

本発明者らは、熱交換部材を構成するハニカム構造体が、２つの異なる開口率のセル構造を有するように構成したり、伝熱低減部を設けたりすることにより、低温流体の温度が上昇しすぎないように熱交換効率を低下させるという上記課題を解決しうることを見出した。また、ハニカム構造体の端面に凸部または凹部を設けたり、ハニカム構造体を被覆部材で被覆し被覆部材内に攪拌板を備えたり、被覆部材に小径部、または大径部を備えたりすることにより、熱交換部材の下流の部品の熱衝撃による破損を低減させるという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。

［１］一方の端部から他方の端部に貫通して第一の流体の流路となる複数のセルと、前記複数のセルを区画形成するセラミックスを主成分とする隔壁とを有して形成されたセル構造部と、前記セル構造部の外周に設けられ、セラミックスを主成分とし、前記第一の流体と前記セル構造部の外周側を流れる第二の流体とを混合させずに、前記第一の流体と前記第二の流体との熱の受け渡しを介在する外周壁と、を備えたハニカム構造体を含み、前記セラミックスがＳｉまたはＳｉ含浸ＳｉＣであり、前記セル構造部は、軸方向に垂直な断面において、２つ以上の異なる開口率のセル構造を有し、断面積の１／２ずつの２つの領域Ｘ，Ｙに分けた場合に、それぞれの領域Ｘ，Ｙにおいて最大の面積を有するセル構造をセル構造Ａ、セル構造Ｂとし、それぞれの領域Ｘ，Ｙの全開口面積をＳ_Ｘ，Ｓ_Ｙとすると、Ｓ_Ｘ／Ｓ_ＹまたはＳ_Ｙ／Ｓ_Ｘの大きい方の値が最も大きくなる分け方において、１．０５〜２．０であり、前記セル構造部に流入する、４００℃の大気ガスである前記第一の流体の流入前の流量が５〜１５ｇ／ｓの範囲で変化し、ある流量Ｖ_１，Ｖ_２が、同じ流体温度のときに、Ｖ_２／Ｖ_１≧２の関係となる場合に、流量Ｖ_１，Ｖ_２の熱交換効率をそれぞれλ_１，λ_２とし、仮に前記セル構造部が前記セル構造Ａのみで構成されている場合のＶ_１，Ｖ_２の熱交換効率をそれぞれλ_１Ａ，λ_２Ａとし、仮に前記セル構造部が前記セル構造Ｂのみで構成されている場合のＶ_１，Ｖ_２の熱交換効率をそれぞれλ_１Ｂ，λ_２Ｂとするとき、λ_１Ａ／λ_２Ａとλ_１Ｂ／λ_２Ｂの大きい方の値よりもλ_１／λ_２が大きくなる熱交換部材。

［２］前記ハニカム構造体は、前記隔壁の厚さが０．１５〜０．６４ｍｍである前記［１］に記載の熱交換部材。

［３］前記ハニカム構造体は、前記セルのセル密度が４．７〜６２セル／ｃｍ^２である前記［１］または［２］に記載の熱交換部材。

［４］前記ハニカム構造体は、前記セルの開口率が４０％〜８０％である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱交換部材。

本発明の熱交換部材は、領域Ｘ，Ｙの開口面積の比のＳ_Ｘ／Ｓ_ＹまたはＳ_Ｙ／Ｓ_Ｘの大きい方の値が、１．０５〜２．０であることにより、第一のガスの流量が増加すると、熱交換効率が低下する。すなわち、第一の流体の流量が増加しても、オーバーヒートを発生させにくい熱交換部材である。

熱交換部材は、伝熱低減部が設けられることにより、ハニカム構造体と、ハニカム構造体を被覆する被覆部材との間の伝熱を低減させることができる。したがって、このような熱交換部材は、第一の流体の流量が増加しても、オーバーヒートを発生させにくい。

熱交換部材は、ハニカム構造体の軸方向における端面に凸部または凹部を有することにより、熱交換部材の下流の部品の熱衝撃による破損を低減させることができる。

熱交換部材は、ハニカム構造体を被覆部材で被覆し被覆部材内に攪拌板を備えることにより、熱交換部材の下流の部品の熱衝撃による破損を低減させることができる。

熱交換部材は、ハニカム構造体を被覆部材で被覆し、被覆部材に小径部、または大径部を備えたりすることにより、熱交換部材の下流の部品の熱衝撃による破損を低減させることができる。

本発明の熱交換部材の実施形態１を示す模式図である。円で領域を分ける場合を示す模式図である。領域Ｘ、Ｙを説明するための模式図である。直線で領域を分ける場合を示す模式図である。流量に対する熱交換効率の変化を説明するための図である。ハニカム構造体の直径が軸方向の長さの２倍以上の熱交換部材の実施形態を示す模式図である。本発明の熱交換部材を構成するハニカム構造体の実施形態２を示す模式図である。本発明の熱交換部材を構成するハニカム構造体の実施形態３を示す模式図である。本発明の熱交換部材を構成するハニカム構造体の実施形態４を示す模式図である。本発明の熱交換部材を構成するハニカム構造体の実施形態５を示す模式図である。熱交換部材を含む熱交換器の斜視図である。伝熱低減部が括れ部として設けられた実施形態１を示す模式図である。伝熱低減部が括れ部として設けられた実施形態２を示す模式図である。伝熱低減部が括れ部として設けられた実施形態３を示す模式図である。伝熱低減部が括れ部として設けられた実施形態４を示す模式図である。括れ部周辺の拡大図であり、外周壁に括れ部が形成された実施形態を示す模式図である。括れ部周辺の拡大図であり、外周壁と隔壁によって括れ部が形成された実施形態を示す模式図である。断熱低減部が断熱材で形成された実施形態を示す模式図である。ハニカム構造体の端面に、凸部を有する熱交換部材を示す模式図である。ハニカム構造体の端面に、凹部を有する熱交換部材を示す模式図である。被覆部材中に、第一の流体を攪拌するための攪拌板を備える実施形態を示す模式図である。攪拌板の実施形態１を示す模式図である。攪拌板の実施形態２を示す模式図である。攪拌板の実施形態３を示す模式図である。小径部と大径部を有する被覆部材を備えた熱交換部材の実施形態を示す模式図である。

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。

１．セル構造による熱交換効率の低下
図１に本発明の熱交換部材１０の実施形態１を示す。本発明の熱交換部材１０は、セル構造部３ａと外周壁７と、を備えたハニカム構造体１を含む。セル構造部３ａは、一方の端部から他方の端部に貫通して第一の流体の流路となる複数のセル３と、複数のセル３を区画形成するセラミックスを主成分とする隔壁４とを有して形成されている。外周壁７は、セル構造部３ａの外周に設けられ、セラミックスを主成分とし、第一の流体とセル構造部３ａの外周側を流れる第二の流体とを混合させずに、第一の流体と第二の流体との熱の受け渡しを介在する。

ハニカム構造体１は、セル構造部３ａが、軸方向に垂直な断面において、２つ以上の異なる開口率のセル構造を有する（図１は、２つの異なる開口率のセル構造を有する例である）。そして、断面積の１／２ずつの２つの領域Ｘ，Ｙに分けた場合に、それぞれの領域Ｘ，Ｙにおいて最大の面積を有するセル構造をセル構造Ａ、セル構造Ｂと呼ぶこととする。また、ハニカム構造体１は、それぞれの領域Ｘ，Ｙの全開口面積をＳ_Ｘ，Ｓ_Ｙとすると、Ｓ_Ｘ／Ｓ_ＹまたはＳ_Ｙ／Ｓ_Ｘの大きい方の値が、１．０５〜２．０である。

ここで、断面積の１／２ずつの２つの領域Ｘ，Ｙに分ける分け方としては、円で分ける（図２Ａ）、直線で分ける（図２Ｃ）等が挙げられるが、その他の分け方もありうる。図２Ｂは、図２Ａのセル構造において、境界９で領域Ｘ，Ｙを分けた場合の領域Ｘ，Ｙを示す模式図である。図２Ａ及び図２Ｂの実施形態では、領域Ｘは、セル構造Ａとセル構造Ｂとを含む。また、領域Ｙは、セル構造Ｂのみである。本発明の熱交換部材１０は、２領域Ｘ，Ｙに分けた後、それぞれの領域の全開口面積Ｓ_Ｘ，Ｓ_Ｙの比の値を求めると、Ｓ_Ｘ／Ｓ_ＹまたはＳ_Ｙ／Ｓ_Ｘの大きい方の値が最も大きくなる分け方において、その値が１．０５〜２．０となる。図１の熱交換部材１０の場合、図２Ａ（図２Ｂ）と図２Ｃの分け方があるが（他の分け方もある）、比の値が最も大きくなる分け方は、図２Ａ（図２Ｂ）である。そして、その値が、１．０５〜２．０である。図１の熱交換部材１０は、中心側にセル密度が粗のセル構造が断面が円状に形成され、外周側にセル密度が密のセル構造が形成されている実施形態である。

熱交換部材１０において、第一の流体は、ハニカム構造体１の各セル３内を、セル３外に漏洩・混合することなく流通する。つまり、あるセル３内を流れる第一の流体が、隔壁４を通って他のセル３に漏洩することはないようにハニカム構造体１が形成されている。そして、セル３を流通する第一の流体と、ハニカム構造体１の外周壁７の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、ハニカム構造体１の外周壁７を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させることができる。

図３を用いて、熱交換部材１０における、第一の流体の流量の変化に対する熱交換効率の変化を説明する。熱交換部材１０が、２つのセル構造Ａとセル構造Ｂとにより構成され（図２Ａ及び図２Ｂ参照）、Ｓ_Ｘ／Ｓ_ＹまたはＳ_Ｙ／Ｓ_Ｘの大きい方の値が、１．０５〜２．０である実施形態において、セル構造部３ａに流入する第一の流体の流入前の流量が変化する場合について説明する（なお、図２Ａは、２つのセル構造の場合であるが、３つ以上のセル構造を有する場合は、領域Ｘ，Ｙのそれぞれにおいて、最大の面積を有するセル構造をセル構造Ａ，セル構造Ｂと考える。）。仮にセル構造部３ａがセル構造Ａのみで構成されている場合のＶ_１，Ｖ_２の熱交換効率がそれぞれλ_１Ａ，λ_２Ａであり、仮にセル構造部３ａがセル構造Ｂのみで構成されている場合のＶ_１，Ｖ_２の熱交換効率がそれぞれλ_１Ｂ，λ_２Ｂであるとすると、本実施形態の熱交換部材１０は、同じ流体温度のとき、ある流量Ｖ_１，Ｖ_２がＶ_２／Ｖ_１≧２の関係となる場合に、流量Ｖ_１，Ｖ_２の熱交換効率をそれぞれλ_１，λ_２とすると、λ_１Ａ／λ_２Ａとλ_１Ｂ／λ_２Ｂの大きい方の値よりもλ_１／λ_２が大きくなる。つまり、第一の流体の流量が少ないとき（Ｖ_１）に、熱交換効率が大きく（λ_１Ａに近い）、流量が多くなると（Ｖ_２）、熱交換効率が小さくなる（λ_２Ｂに近い）。このため、第一の流体の流量が増加したときにおいても、オーバーヒートを発生させにくい熱交換部材１０である。なお、熱交換部材１０は、ある流量Ｖ_１，Ｖ_２が同じ流体温度のときに、上記の関係を満たすものであるが、流体温度は、使用温度範囲で上記の関係を満たしていることが特に好ましい。

さらに、熱交換部材１０は、ハニカム構造体１の外周面７ｈに、被覆部材１１が嵌合していることが好ましい。このように構成すると、ハニカム構造体１の内部を流通する第一の流体と外部を流通する第二の流体とが混合することを防ぐことができる。また、被覆部材１１としては、金属管１２が挙げられる。金属管１２は、加工が容易であるため、熱交換部材１０を設置しやすい。

ハニカム構造体１の外周面７ｈに、嵌合する金属管１２としては、耐熱性、耐蝕性のあるものが好ましく、例えば、ステンレス、チタン、銅、真鍮等を用いることができる。接続部分が金属で形成されているため、圧入、焼きばめ、かしめなどの機械締め、ろう接、溶接などの化学接合を、用途や保有設備に応じて自由に選択することができる。

ハニカム構造体１は、セラミックスで筒状に形成され、軸方向の一方の端面２から他方の端面２まで貫通する流体の流路を有するものである。ハニカム構造体１は、隔壁４を有し、隔壁４によって、流体の流路となる多数のセル３が区画形成されている。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、外部に伝達することができる。

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）方向に垂直な断面が楕円形であってもよい。また、ハニカム構造体１の外形は、角柱状、すなわち、軸（長手）方向に垂直な断面が、四角形、またはその他の多角形であってもよい。

ハニカム構造体１の外形が円柱状である場合には、軸方向に垂直な断面の直径（円柱状でない場合は、断面中心を通る平均距離）をＤ、軸方向の長さをＬとしたとき、Ｄ／Ｌ＝２以上となるハニカム構造体であることが好ましい。図４にハニカム構造体１の直径が軸方向の長さの２倍以上の熱交換部材１０の実施形態を示す。このようにすると、流量が多くなったときに流体が吹き抜けやすいため、第一の流体の流量が多くなったときの熱交換効率が上昇しにくい。

本発明の熱交換部材１０では、ハニカム構造体１がセラミックスを主成分とすることにより、隔壁４や外周壁７の熱伝導率が高まり、その結果として、隔壁４や外周壁７を介在させた熱交換を効率良く行わせることができる。なお、本明細書にいうセラミックスを主成分とするとは、セラミックスを５０質量％以上含むことをいう。

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。

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。

また、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。

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、Ｓｉ_３Ｎ_４、及びＳｉＣ等を採用することができるが、高い熱交換効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。

ハニカム構造体１のセル３の軸方向に垂直な断面のセル形状としては、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。

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、３０〜４００セル／平方インチ（４．７〜６２セル／ｃｍ^２）の範囲であることが好ましい（なお、ハニカム構造体１は、２つ以上の異なる開口率のセル構造を有するが、いずれのセル構造も、上記範囲内であることが好ましい。）。セル密度を３０セル／平方インチ以上とすると、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）を十分なものとすることができる。一方、セル密度を４００セル／平方インチ以下とすると、熱媒体が流れる際の圧力損失を小さくすることができる。

また、ハニカム構造体１の１つ当たりのセル数は、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とき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。

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６〜２５ｍｉｌ（０．１５ｍｍ〜０．６４ｍｍ）とすることが好ましく、８〜２２ｍｉｌとすることが更に好ましい（なお、ハニカム構造体１は、２つ以上の異なる開口率のセル構造を有するが、いずれのセル構造も、上記範囲内であることが好ましい。）。壁厚を６ｍｉｌ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、２５ｍｉｌ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、熱交換効率を向上させることができる。

ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。０．５ｇ／ｃｍ^３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／ｃｍ^３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。

ハニカム構造体１は、セル３の開口率が４０％〜８０％であることが好ましく、５０％〜７５％であることがより好ましい（なお、ハニカム構造体１は、２つ以上の異なる開口率のセル構造を有するが、いずれのセル構造も、上記範囲内であることが好ましい。）。開口率がこの範囲であると、十分に第一の流体を流通させることができ、熱交換効率を向
上させることができる。

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、効率的にハニカム構造体１内の熱を金属管１２の外側に排出できる。

熱交換部材１０を用いた熱交換器３０（図６参照）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、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。

次に、熱交換部材１０を構成するハニカム構造体１のセル構造の他の実施形態を説明する。図５Ａに熱交換部材１０を構成するハニカム構造体１の実施形態２を示す。実施形態２の熱交換部材１０は、中心側にセル密度が密のセル構造が断面が円状に形成され、外周側にセル密度が粗のセル構造が形成されている実施形態である。本実施形態においても第一の流体の流量が増えると、熱交換効率が低下し、オーバーヒートを防止する効果が得られる。

図５Ｂに熱交換部材１０を構成するハニカム構造体１の実施形態３を示す。実施形態３の熱交換部材１０は、断面が半円の２領域が形成され、一方の半円の領域がセル密度が密のセル構造、他方の半円の領域がセル密度が粗のセル構造として形成されている実施形態である。

図５Ｃに熱交換部材１０を構成するハニカム構造体１の実施形態４を示す。実施形態４の熱交換部材１０は、中心側に隔壁４がない空洞のセル構造が断面が円状に形成され、外周側にセル密度が密のセル構造が形成されている実施形態である。

図５Ｄに熱交換部材１０を構成するハニカム構造体１の実施形態５を示す。実施形態５の熱交換部材１０は、隔壁４がない空洞の円状のセル構造が、外周側に複数並んで形成されている。

図６に本発明の熱交換部材１０を含む熱交換器３０の斜視図を示す。図６に示すように、熱交換器３０は、熱交換部材１０と、熱交換部材１０を内部に含むケーシング２１とによって形成されている。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、熱交換部材１０の金属管１２の外周面１２ｈ上を流通する。

つまり、ケーシング２１の内側面２４と金属管１２の外周面１２ｈ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と金属管１２の外周面１２ｈ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や外周壁７、金属管１２によって隔たれて熱交換可能とされており、第一流体流通部５を流通する第一の流体の熱を隔壁４、外周壁７、金属管１２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、これらの流体は混じり合わないように構成されている。

熱交換器３０は、第二の流体よりも高温である第一の流体を流通させ、第一の流体から第二の流体へ熱交換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。

以上のような構成の本発明の熱交換器３０に流通させる第一の流体である加熱体としては、熱を有する媒体であれば、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、加熱体から熱を奪う（熱交換する）第二の流体である被加熱体は、加熱体よりも低い温度であれば、媒体としては、気体、液体等、特に限定されない。

次に、本発明の熱交換部材１０の製造方法を説明する。まず、セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出し、ハニカム成形体を作製する。ハニカム構造体１の材料としては、前述のセラミックスを用いることができるが、例えば、Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム構造体１を製造する場合、所定量のＣ粉末、ＳｉＣ粉末、バインダー、水又は有機溶媒を混練し坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得る。

そしてハニカム成形体を乾燥し、焼成することによって、隔壁４によってガスの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を得ることができる。続いて、金属管１２を昇温させ、ハニカム構造体１を金属管１２に挿入して焼きばめにより一体化し、熱交換部材１０を形成することができる。なお、ハニカム構造体１と金属管１２との接合は、焼きばめ以外に、ろう付けや拡散接合等を用いてもよい。

２．伝熱低減部による熱交換効率の低下
次に、伝熱低減部４０が設けられた熱交換部材１０を説明する。熱交換部材１０は、セラミックスを主成分とするハニカム構造体１と、ハニカム構造体１を被覆する被覆部材１１と、を備える。ハニカム構造体１は、筒形状の外周壁７と、第一の流体の流路となる複数のセル３を区画形成する隔壁４とを有する。被覆部材１１は、ハニカム構造体１の内部を流れる第一の流体とハニカム構造体１の外部を流れる第二の流体とを混合させずに、第一の流路と第二の流体との間での熱交換可能にハニカム構造体１を被覆する。そして、ハニカム構造体１と被覆部材１１の間の伝熱を低減させる伝熱低減部４０が一部の範囲に設けられている。

図７Ａ〜図７Ｄ、および図８Ａ、図８Ｂを用いて、伝熱低減部４０が括れ部４１として設けられた実施形態を説明する。伝熱低減部４０は、ハニカム構造体１の外周部分である外周壁７、または外周壁７及び隔壁４が、ハニカム構造体１の平均直径に対して０．３ｍｍ以上、外周部分の全表面積に対して１０％以上括れた括れ部４１である。

図７Ａは、軸方向における一方の端面２側（第一の流体の入口側）、図７Ｃは、他方の端面２側（第一の流体の出口側）のハニカム構造体１の外周部分に括れ部４１が形成されている。括れ部４１は、端面２の一部が欠ける形状で形成されている。また、図７Ｂ、及び図７Ｄは、軸方向において端面２よりも内側（中央側）に括れ部４１が形成された実施形態である。図７Ｂは、軸方向における中央部に１つ、図７Ｄは、複数の括れ部４１が形成されている。

このような括れ部４１は、第二の流体と接触する被覆部材１１（例えば、金属管１２）とハニカム構造体１が接触する面積を小さくするため、ハニカム構造体１と、ハニカム構造体１を被覆する被覆部材１１との間の伝熱を低減させることができる。したがって、このような熱交換部材１０は、第一の流体の流量が増加しても、オーバーヒートを発生させにくい。

図８Ａ及び図８Ｂは、括れ部４１の周辺の拡大図である。図８Ａは、外周壁７に括れ部４１が形成された実施形態を示す模式図である。このように括れ部４１を形成することにより、ハニカム構造体１と被覆部材１１（金属管１２）との間の伝熱を低減させることができる。また、第一の流体の流量に対して熱交換効率を変化させる効果が得られる。具体的には、伝熱低減部４０（括れ部４１）を設けることにより流量が多いときの熱回収効率を低減することができる。これは、第一の流体が低流量時には伝熱面積が小さくとも第二の流体へ伝熱可能だが、高流量時には伝熱面積が小さいと、第二の流体へ伝熱しきれなくなるからである。

図８Ｂは、外周壁７と隔壁４によって括れ部４１が形成された実施形態を示す模式図である。このような括れ部４１は、図８Ａと同様に、ハニカム構造体１と被覆部材１１（金属管１２）との間の伝熱を低減させることができる。また、第一の流体の流量に対して熱交換効率を変化させる効果が得られ、伝熱低減部４０（括れ部４１）を増やすことにより流量が多いときの熱回収効率を低減することができる。

図９に、伝熱低減部４０が、ハニカム構造体１と被覆部材１１との間に、ハニカム構造体１の外周部分の全表面積に対して１０％以上の範囲に備えられた断熱材４２で形成された実施形態を示す。このような断熱材４２によって形成された伝熱低減部４０を有することにより、ハニカム構造体１と被覆部材１１（金属管１２）との間の伝熱を低減させる効果が得られる。また、第一の流体の流量に対して熱交換効率を変化させる効果が得られ、伝熱低減部４０（断熱材４２）を備えることにより流量が多いときの熱回収効率を低減することができる。

３．攪拌手段による熱衝撃の低下
熱交換部材１０は、第一の流体の流れを攪拌する攪拌手段を備えることが好ましい。攪拌手段を備えることにより、熱交換部材１０の下流における温度の不均一を低減することができ、下流の部品の熱衝撃による破損を低減させることができる。

図１０Ａ、及び図１０Ｂに、筒形状の外周壁７と、第一の流体の流路となる複数のセル３を区画形成する隔壁４とを有するセラミックスを主成分とし、軸方向における少なくとも一方の端面２に、軸方向における長さが１ｍｍ以上の凸部４４、または凹部４５を一箇所以上有するハニカム構造体１と、ハニカム構造体１を被覆する被覆部材１１と、を備えた実施形態を示す。凸部４４、または凹部４５は、攪拌手段である。

図１０Ａは、ハニカム構造体１が、軸方向における端面２に、凸部４４を有する熱交換部材１０を示す模式図である。図１０Ｂは、ハニカム構造体１が、軸方向における端面２に、凹部４５を有する熱交換部材１０を示す模式図である。凸部あるいは凹部により、ガス流れを乱流にし、熱交換部材１０の下流における温度の不均一を低減することができ、下流の部品の熱衝撃による破損を低減させることができる。

図１１Ａは、被覆部材１１中に、ハニカム構造体１の軸方向上にハニカム構造体１と並んでハニカム構造体１のセル３を流通する第一の流体を攪拌するための攪拌板４８を備えた実施形態を示す。攪拌板４８は、攪拌手段である。攪拌板４８は、ハニカム構造体１の上流側、下流側のいずれに設置することもできる。あるいは、被覆部材１１中に、ハニカム構造体１を直列に複数配置した場合は、ハニカム構造体１とハニカム構造体１との間に、すなわち、中段に攪拌板４８を設置することもできる。攪拌板４８は、ハニカム構造体１の端面に接する様に配置してもよく、離間して配置してもよい。攪拌板４８の材料としては、例えば、金属が挙げられる。図１１Ｂ〜図１１Ｄに攪拌板４８の例を示す。攪拌板４８の形状は、第一の流体を攪拌することができる形状であれば、特に限定されるものではない。このような攪拌板４８を備えることにより、第一の流体の流量特性を変化させることができる。これにより、熱交換部材１０の下流の部品の熱衝撃による破損を低減させることができる。

図１２に、ハニカム構造体１と、ハニカム構造体１を被覆していない部分において括れた小径部、または膨らんだ大径部を１箇所以上有しハニカム構造体１を被覆する被覆部材１１と、を備えた熱交換部材１０の実施形態を示す。被覆部材１１は、小径部、または大径部のいずれかのみを備えてもよいし、両方を備えてもよい。すなわち、被覆部材１１は、ハニカム構造体１を被覆していない部分において、湾曲部を有するとその湾曲部において、第一の流体を攪拌することができ、熱交換部材１０の下流の部品の熱衝撃による破損を低減させることができる。

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。

（セル構造による熱交換効率の低下）
（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。

（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７の形状や厚さ、隔壁４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７を円筒形状とし、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した。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した。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した。

（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。

（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大気雰囲気で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、１４５０℃、４時間、焼成をした。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を含浸させた。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の塊を使用した。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の塊を使用した。こうした焼成を経て、熱交換部材１０を得た。なお、熱交換部材１０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。

（基準例Ａ_１，Ｂ_１、実施例１〜６）
図１と同様の構造とされた、円筒形状の外周壁７を有する熱交換部材１０を製造した。具体的には、直径４２ｍｍ、全長１００ｍｍ、外周壁７の厚さが１．０ｍｍ、外周壁７および隔壁４の熱伝導率１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である熱交換部材１０を製造した。図２Ａに示すようなセル構造Ａ，Ｂを有し、図２Ｂに示すような境界９で領域Ｘ，Ｙが分けられる。具体的なセル構造は、表１に示す。なお、基準例Ａ_１，Ｂ_１は、単一のセル構造を有するものである。

（基準例Ａ_２，Ｂ_２、実施例７〜９、比較例１〜３）
上記と同様にして、セル構造Ａ，Ｂの異なる円筒形状の外周壁７を有する熱交換部材１０を製造した。具体的には、直径４２ｍｍ、全長１００ｍｍ、外周壁７の厚さが１．０ｍｍ、外周壁７および隔壁４の熱伝導率１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である熱交換部材１０を製造した。図２Ａに示すようなセル構造Ａ，Ｂを有し、図２Ｂに示すような境界９で領域Ｘ，Ｙが分けられる。具体的なセル構造は、表２に示す。なお、基準例Ａ_２，Ｂ_２は、単一のセル構造を有するものである。

（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１０をケーシング２１内に収容することにより、熱交換器３０（図６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２１については、熱交換部材１０の外周壁７とケーシング２１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７を有する熱交換部材については、円筒形状のケーシング２１に収容した。

（３）熱交換試験
上述した熱交換器３０において、大気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。大気ガスの温度は４００℃、流量は５〜１５ｇ／ｓ、水の流量は１０Ｌ／ｍｉｎに設定した。また、熱交換試験は、大気ガスの出口温度（熱交換部材１０の出口側の端部から排出直後の大気ガスの温度）、および水の出口温度（ケーシング２１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。

熱交換部材１０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２１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１〜２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

表１に示すように、実施例１〜６は、領域Ｘ，Ｙの開口面積の比のＳ_Ｘ／Ｓ_ＹまたはＳ_Ｙ／Ｓ_Ｘの大きい方の値が、１．０５〜２．０であることにより、λ_１／λ_２が基準例の大きい方の値（基準例Ａ_１：１．５９）よりも大きくなった。すなわち、第一のガスの流量が増加すると、熱交換効率が低下すると言える。

表２に示すように、実施例７〜９は、領域Ｘ，Ｙの開口面積の比のＳ_Ｘ／Ｓ_ＹまたはＳ_Ｙ／Ｓ_Ｘの大きい方の値が、１．０５〜２．０であることにより、λ_１／λ_２が基準例の大きい方の値（基準例Ａ_２：１．４８）よりも大きくなった。すなわち、第一のガスの流量が増加すると、熱交換効率が低下すると言える。

以上のように、領域Ｘ，Ｙの開口面積の比のＳ_Ｘ／Ｓ_ＹまたはＳ_Ｙ／Ｓ_Ｘの大きい方の値が、１．０５〜２．０であることにより、第一のガスの流量が増加すると、熱交換効率が低下すると言える。すなわち、第一のガスの流量が増加しても、オーバーヒートを発生させにくい熱交換部材１０である。

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。

１：ハニカム構造体、２：（軸方向の）端面、３：セル、３ａ：セル構造部、４：隔壁、５：第一流体流通部、６：第二流体流通部、７：外周壁、７ｈ：（ハニカム構造体の）外周面、９：境界、１０：熱交換部材、１１：被覆部材、１２：金属管、１２ｈ：（金属管の）外周面、２１：ケーシング、２２：（第二の流体の）入口、２３：（第二の流体の）出口、２４：（ケーシングの）内側面、３０：熱交換器、４０：伝熱低減部、４１：括れ部、４２：断熱材、４４：凸部、４５：凹部、４８：攪拌板。

Claims

一方の端部から他方の端部に貫通して第一の流体の流路となる複数のセルと、前記複数のセルを区画形成するセラミックスを主成分とする隔壁とを有して形成されたセル構造部と、
前記セル構造部の外周に設けられ、セラミックスを主成分とし、前記第一の流体と前記セル構造部の外周側を流れる第二の流体とを混合させずに、前記第一の流体と前記第二の流体との熱の受け渡しを介在する外周壁と、を備えたハニカム構造体を含み、
前記セラミックスがＳｉまたはＳｉ含浸ＳｉＣであり、
前記セル構造部は、軸方向に垂直な断面において、２つ以上の異なる開口率のセル構造を有し、断面積の１／２ずつの２つの領域Ｘ，Ｙに分けた場合に、それぞれの領域Ｘ，Ｙにおいて最大の面積を有するセル構造をセル構造Ａ、セル構造Ｂとし、それぞれの領域Ｘ，Ｙの全開口面積をＳ_Ｘ，Ｓ_Ｙとすると、Ｓ_Ｘ／Ｓ_ＹまたはＳ_Ｙ／Ｓ_Ｘの大きい方の値が最も大きくなる分け方において、１．０５〜２．０であり、
前記セル構造部に流入する、４００℃の大気ガスである前記第一の流体の流入前の流量が５〜１５ｇ／ｓの範囲で変化し、ある流量Ｖ_１，Ｖ_２が、同じ流体温度のときに、Ｖ_２／Ｖ_１≧２の関係となる場合に、流量Ｖ_１，Ｖ_２の熱交換効率をそれぞれλ_１，λ_２とし、
仮に前記セル構造部が前記セル構造Ａのみで構成されている場合のＶ_１，Ｖ_２の熱交換効率をそれぞれλ_１Ａ，λ_２Ａとし、
仮に前記セル構造部が前記セル構造Ｂのみで構成されている場合のＶ_１，Ｖ_２の熱交換効率をそれぞれλ_１Ｂ，λ_２Ｂとするとき、
λ_１Ａ／λ_２Ａとλ_１Ｂ／λ_２Ｂの大きい方の値よりもλ_１／λ_２が大きくなる熱交換部材。
前記ハニカム構造体は、前記隔壁の厚さが０．１５〜０．６４ｍｍである請求項１に記載の熱交換部材。
前記ハニカム構造体は、前記セルのセル密度が４．７〜６２セル／ｃｍ^２である請求項１または２に記載の熱交換部材。
前記ハニカム構造体は、前記セルの開口率が４０％〜８０％である請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換部材。