JP7637020B2 - 熱交換部材、熱交換器及び熱伝導部材 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換部材、熱交換器及び熱伝導部材に関する。

近年、自動車の燃費改善が求められている。特に、エンジン始動時などのエンジンが冷えている時の燃費悪化を防ぐため、冷却水、エンジンオイル、オートマチックトランスミッションフルード（ＡＴＦ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｌｕｉｄ）などを早期に暖めて、フリクション（摩擦）損失を低減するシステムが期待されている。また、排ガス浄化用触媒を早期に活性化するために触媒を加熱するシステムが期待されている。

上記のようなシステムとして、例えば、熱交換器がある。熱交換器は、内部に第１流体を流通させるとともに外部に第２流体を流通させることにより、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う装置である。このような熱交換器では、高温の流体（例えば、排ガスなど）から低温の流体（例えば、冷却水など）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。

自動車の排ガスのような高温の気体から熱を回収する熱交換器としては、ハニカム構造体を有する熱交換部材を用いた熱交換器が提案されている。また、排ガスのバイパス経路として機能する中空領域を備えた中空型のハニカム構造体を有する熱交換部材も提案されている。
例えば、特許文献１には、第１端面から第２端面まで貫通して第１流体の流路となるセルを区画成形する隔壁、内周壁及び外周壁を有する中空型のハニカム構造体と、ハニカム構造体の外周壁を被覆する被覆部材とを備え、第１流体の流路方向に直交するハニカム構造体の断面において、セルが放射状に設けられており、内周壁及び外周壁の厚みが隔壁の厚みよりも大きい熱交換部材が提案されている。

国際公開第２０１９／１３５３１２号

本発明者の検討の結果、特許文献１に記載の熱交換部材は、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制の両立について、改良の余地があることが分かった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立することが可能な熱交換部材及び熱交換器を提供するものである。また、本発明は、上記の熱交換部材及び熱交換器に搭載することが可能な熱伝導部材を提供するものである。

上記の課題は、以下の本発明によって解決されるものであり、本発明は以下のように特定される。

本発明は、外周壁、内周壁、及び前記外周壁と前記内周壁との間に配設され、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカム構造体と、
前記外周壁の外周面を被覆する被覆部材と
を備え、
前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が放射方向に延びており、
前記セルのそれぞれは、前記外周壁、前記内周壁及び前記隔壁から形成されており、
前記セル内及び前記内周壁の内周側に多孔質セラミックスが充填されている場合を除く、熱交換部材である。

また、本発明は、外周壁、内周壁、及び前記外周壁と前記内周壁との間に配設され、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカム構造体と、
前記外周壁の外周面を被覆する被覆部材と
を備え、
前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が放射方向に延びる隔壁を含み、前記ハニカム構造体の外径（ｍｍ）に対する前記放射方向に延びる隔壁の数（個）の比が、３．２～６個／ｍｍである、熱交換部材である。

また、本発明は、前記熱交換部材と、
前記被覆部材の外周を第２流体が流通可能となるように、前記被覆部材の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒と
を備える熱交換器である。

また、本発明は、外周壁、内周壁、及び前記外周壁と前記内周壁との間に配設され、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカム構造体を備える熱伝導部材であって、
前記外周壁、前記内周壁及び前記隔壁が、骨材としてＳｉＣ粒子を主体とし、前記ＳｉＣ粒子間に金属Ｓｉを含むＳｉ－ＳｉＣ質の材料で構成されており、
前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が放射方向に延びており、
前記セルのそれぞれは、前記外周壁、前記内周壁及び前記隔壁から形成されており、
前記セル内及び前記内周壁の内周側に多孔質セラミックスが充填されている場合を除く、熱伝導部材である。

さらに、本発明は、外周壁、内周壁、及び前記外周壁と前記内周壁との間に配設され、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカム構造体を備える熱伝導部材であって、
前記外周壁、前記内周壁及び前記隔壁が、骨材としてＳｉＣ粒子を主体とし、前記ＳｉＣ粒子間に金属Ｓｉを含むＳｉ－ＳｉＣ質の材料で構成されており、
前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が放射方向に延びる隔壁を含み、前記ハニカム構造体の外径（ｍｍ）に対する前記放射方向に延びる隔壁の数（個）の比が、３．２～６個／ｍｍである、熱伝導部材である。

本発明によれば、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立することが可能な熱交換部材及び熱交換器を提供することができる。また、本発明によれば、上記の熱交換部材及び熱交換器に搭載することが可能な熱伝導部材を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る熱交換部材の、ハニカム構造体の軸方向に平行な断面図である。 図１に示す熱交換部材のａ－ａ’線の断面図である。 図２に示す熱交換部材を構成するハニカム構造体の部分拡大図である。 本発明の実施形態１に係る熱交換器の、ハニカム構造体の第１流体の流路方向に平行な断面図である。 図４に示す熱交換器のｂ－ｂ’線の断面図である。 本発明の実施形態２に係る熱交換部材の、ハニカム構造体の軸方向に平行な断面図である。 図６に示す熱交換部材のｃ－ｃ’線の断面図である。 図７に示す熱交換部材を構成するハニカム構造体の部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

本発明者は、特許文献１の熱回収効率の更なる向上という課題について調査した結果、次のようなことがわかった。特許文献１に記載の中空型のハニカム構造体は、第１流体の流路方向に直交するハニカム構造体の断面において、隔壁が、周方向に延びる第２隔壁と、第２隔壁と交差する第１隔壁とを有している。第１隔壁は、セル内を流れる第１流体の熱をハニカム構造体の外周壁に伝達し、外周壁を被覆する被覆部材の外側を流通する第２流体との間の熱交換をスムーズに行う役割があるが、第２隔壁は当該役割にあまり寄与していない上、圧力損失が増大する要因となっていることがわかった。また、第２隔壁が多いと、セルの開口面積が低下するため、セル内を流れる第１流体の流速が速くなる。その結果、第１流体の熱を十分に回収する前に第１流体がハニカム構造体を通過してしまうため、熱回収効率が低下してしまうことがあり、改良の余地があることがわかった。

＜実施形態１＞
（１）熱交換部材及び熱伝導部材
図１は、本発明の実施形態１に係る熱交換部材の、ハニカム構造体の軸方向に平行な断面図である。また、図２は、図１に示す熱交換部材のａ－ａ’線の断面図、すなわち、本発明の実施形態１に係る熱交換部材の、ハニカム構造体の第１流体の流路方向（軸方向）に直交する断面図である。また、図３は、図２に示す熱交換部材を構成するハニカム構造体の部分拡大図である。

本発明の実施形態１に係る熱交換部材１００は、外周壁１１、内周壁１２、外周壁１１と内周壁１２との間に配設され、第１端面１４から第２端面１５まで延びる第１流体の流路となる複数のセル１６を区画形成する隔壁１３を有するハニカム構造体１０と、外周壁１１の外周面を被覆する被覆部材２０とを備える。このような構造を有する熱交換部材１００では、セル１６内を流通可能な第１流体と被覆部材２０の外周を流通可能な第２流体との間の熱交換が、ハニカム構造体１０の外周壁１１及び被覆部材２０を介して行われる。なお、図１において、第１流体は、紙面の左右のいずれの方向にも流れることができる。第１流体としては、特に限定されず、種々の液体又は気体を用いることができる。例えば、自動車に搭載される熱交換器に熱交換部材１００が用いられる場合には、第１流体は排ガスであることが好ましい。

また、本発明の実施形態１に係る熱交換部材１００の構成のうち、被覆部材２０を除いた部材を熱伝導部材という。すなわち、本発明の実施形態１に係る熱伝導部材は、外周壁１１、内周壁１２、外周壁１１と内周壁１２との間に配設され、第１端面１４から第２端面１５まで延びる第１流体の流路となる複数のセル１６を区画形成する隔壁１３を有するハニカム構造体１０を備える。

ハニカム構造体１０を構成する隔壁１３（１３ａ）は、第１流体の流路方向に直交するハニカム構造体１０の断面（すなわち、図２に示す断面）において、放射方向（径方向）に延びている。このような構造とすることにより、隔壁１３ａを介して第１流体の熱を放射方向に伝達することができるため、ハニカム構造体１０の外部に第１流体の熱を効率良く伝達することができる。

第１流体の流路となる複数のセル１６のそれぞれは、外周壁１１、内周壁１２、及び放射方向に延びる隔壁１３ａから形成されている。すなわち、複数のセル１６は、第１流体の流路方向に直交するハニカム構造体１０の断面において、周方向に延びる隔壁１３を有していない。周方向に延びる隔壁１３は、上記したように、第１流体と第２流体との間の熱交換にあまり寄与していないとともに、圧力損失が増大する要因となる。また、周方向に延びる隔壁１３が多いと、セル１６の開口面積が低下するため、セル１６内を流れる第１流体の流速が速くなる。その結果、第１流体の熱を十分に回収する前に第１流体がハニカム構造体１０を通過してしまうため、熱回収効率が低下してしまう。そのため、複数のセル１６のそれぞれを外周壁１１、内周壁１２、及び放射方向に延びる隔壁１３ａから形成することにより、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立させることが可能となる。

放射方向に延びる隔壁１３ａの数は、ハニカム構造体１０の大きさなどに応じて適宜設定することができる。
例えば、第１流体の流路方向に直交するハニカム構造体１０の断面において、ハニカム構造体１０の外径Ｄ１（ｍｍ）に対する隔壁１３の数Ｎ（個）の比（Ｎ／Ｄ１）が、２．３個／ｍｍ以上であることが好ましく、３．２個／ｍｍ以上であることがより好ましく、４個／ｍｍ以上であることが更に好ましい。このような構成とすることにより、ハニカム構造体１０の機械的強度を確保しつつ、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立させることができる。
また、当該比（Ｎ／Ｄ１）の上限については、特に限定されないが、一般的に６個／ｍｍ以下である。

第１流体の流路方向に直交するハニカム構造体１０の断面において、セル１６のアスペクト比は、特に限定されないが、３以上であることが好ましく、５以上であることがより好ましい。このような範囲にアスペクト比を制御することにより、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを安定して両立させることが可能となる。
ここで、セル１６のアスペクト比とは、１つのセル１６を構成する、内周壁１２の長さＬ１に対する隔壁１３（１３ａ）の長さＬ２の比（Ｌ２／Ｌ１）のことを意味する。
また、セル１６のアスペクト比の上限については、特に限定されないが、一般的に３０以下である。

典型的な態様において、放射方向に延びる隔壁１３ａの数は２００～５００個であり、好ましくは３００～５００個である。放射方向に延びる隔壁１３ａの長さＬ２は１．７～２０ｍｍである。また、１つのセル１６を構成する内周壁１２の長さＬ１は、０．１～２ｍｍである。このような構成とすることにより、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立させることができる。

ハニカム構造体１０の形状（外形）としては、特に限定されず、例えば、円柱、楕円柱、四角柱又はその他の多角柱などとすることができる。したがって、図２の断面におけるハニカム構造体１０の外形（すなわち、外周壁１１の外形）は、円形、楕円形、四角形又はその他の多角形などとすることができる。
また、ハニカム構造体１０における中空部の形状についても、特に限定されず、例えば、円柱、楕円柱、四角柱又はその他の多角柱などとすることができる。したがって、図２の断面における中空部の形状（すなわち、内周壁１２の内形）は、円形、楕円形、四角形又はその他の多角形などとすることができる。
なお、ハニカム構造体１０の形状と中空部の形状とは同一であっても異なっていてもよいが、外部からの衝撃、熱応力などに対する耐性の観点から、同一であることが好ましい。

外周壁１１及び内周壁１２の厚みは、隔壁１３の厚みよりも大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、外部からの衝撃、第１流体と第２流体との間の温度差による熱応力などによって破壊（例えば、ひび、割れなど）が起こり易い外周壁１１及び内周壁１２の強度を高めることができる。
外周壁１１、内周壁１２及び隔壁１３の厚みは、用途などに応じて適宜調整することができる。例えば、外周壁１１及び内周壁１２の厚みは、熱交換部材１００及び熱伝導部材を一般的な熱交換用途に用いる場合は、０．３ｍｍ超過１０ｍｍ以下とすることが好ましく、０．５ｍｍ～５ｍｍとすることがより好ましく、１ｍｍ～３ｍｍとすることが更に好ましい。また、熱交換部材１００及び熱伝導部材を蓄熱用途に用いる場合は、外周壁１１の厚みを１０ｍｍ以上として外周壁１１の熱容量を増大させることも好ましい。
隔壁１３の厚みは、０．１～１ｍｍとすることが好ましく、０．２～０．６ｍｍとすることがより好ましい。隔壁１３の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、ハニカム構造体１０の機械的強度を十分なものとすることができる。また、隔壁１３の厚さを１ｍｍ以下とすることにより、開口面積の低下によって圧力損失が大きくなったり、第１流体との接触面積の低下によって熱回収効率が低下したりする問題を抑制することができる。

外周壁１１、内周壁１２及び隔壁１３は、セラミックスを主成分とする。「セラミックスを主成分とする」とは、外周壁１１、内周壁１２及び隔壁１３の全質量に占めるセラミックスの質量比率が５０質量％以上であることをいう。

外周壁１１、内周壁１２及び隔壁１３の気孔率は、１０％以下であることが好ましく、５％以下であることが更に好ましく、３％以下であることが特に好ましい。また、外周壁１１、内周壁１２及び隔壁１３の気孔率は０％とすることもできる。外周壁１１、内周壁１２及び隔壁１３の気孔率を１０％以下とすることにより、熱伝導率を向上させることができる。

外周壁１１、内周壁１２及び隔壁１３は、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）を主成分として含むことが好ましい。「ＳｉＣ（炭化珪素）を主成分として含む」とは、外周壁１１、内周壁１２及び隔壁１３の全質量に占めるＳｉＣ（炭化珪素）の質量比率が５０質量％以上であることを意味する。

さらに具体的には、外周壁１１、内周壁１２及び隔壁１３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、及びＳｉＣなどの材料を採用することができる。その中でも、安価に製造でき、高熱伝導であることから、骨材としてＳｉＣ粒子を主体とし、ＳｉＣ粒子間に金属Ｓｉを含むＳｉ－ＳｉＣ質の材料（焼結体）が好ましい。具体的には、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを材料として採用することが好ましい。なお、本明細書において「骨材としてＳｉＣを主体とし」とは、骨材の全質量に占めるＳｉＣ粒子の割合が５０質量％以上、好ましくは７０質量％以上、より好ましくは８０質量％以上、特に好ましくは９５質量％以上であることを意味する。

第１流体の流路方向に直交するハニカム構造体１０の断面におけるセル密度（即ち、単位面積当たりのセル１６の数）は、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよいが、４～３２０セル／ｃｍ²の範囲であることが好ましい。セル密度を４セル／ｃｍ²以上とすることにより、隔壁１３の強度、ひいてはハニカム構造体１０自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分に確保することができる。また、セル密度を３２０セル／ｃｍ²以下とすることにより、第１流体が流れる際の圧力損失の増大を防止することができる。

ハニカム構造体１０のアイソスタティック強度は、１００ＭＰａ超過が好ましく、１５０ＭＰａ以上がより好ましく、２００ＭＰａ以上が更に好ましい。ハニカム構造体１０のアイソスタティック強度が、１００ＭＰａ超過であると、ハニカム構造体１０が耐久性に優れたものとなる。ハニカム構造体１０のアイソスタティック強度は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格であるＪＡＳＯ規格Ｍ５０５－８７に規定されているアイソスタティック強度の測定方法に準じて測定することができる。

第１流体の流路方向に直交する断面における外周壁１１の直径（外径）は、２０～２００ｍｍであることが好ましく、３０～１００ｍｍであることがより好ましい。このような直径とすることにより、熱回収効率を向上させることができる。外周壁１１が円形でない場合には、外周壁１１の断面形状に内接する最大内接円の直径を、外周壁１１の直径とする。
また、第１流体の流路方向に直交する断面における内周壁１２の直径は、１～５０ｍｍであることが好ましく、２～３０ｍｍであることがより好ましい。内周壁１２の断面形状が円形でない場合には、内周壁１２の断面形状に内接する最大内接円の直径を、内周壁１２の直径とする。

ハニカム構造体１０の熱伝導率は、２５℃において、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、１００～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることがより好ましく、１２０～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることが更に好ましい。ハニカム構造体１０の熱伝導率を、このような範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、ハニカム構造体１０内の熱を外部に効率良く伝達させることができる。なお、熱伝導率の値は、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳ Ｒ１６１１－１９９７）により測定した値である。

ハニカム構造体１０のセル１６に、第１流体として排ガスを流す場合、ハニカム構造体１０の隔壁１３に触媒を担持させることが好ましい。隔壁１３に触媒を担持させると、排ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣなどを触媒反応によって無害な物質にすることが可能になるとともに、触媒反応の際に生じる反応熱を熱交換に用いることも可能になる。触媒としては、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ものであることが好ましい。上記元素は、金属単体、金属酸化物、又はそれ以外の金属化合物として含有されていてもよい。

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い。また、貴金属を含む触媒であれば、担持量が０．１～５ｇ／Ｌであることが好ましい。触媒（触媒金属＋担持体）の担持量を１０ｇ／Ｌ以上とすると、触媒作用が発現し易い。一方、４００ｇ／Ｌ以下とすると、圧力損失とともに製造コストの上昇を抑えることができる。担持体とは、触媒金属が担持される担体のことである。担持体としては、アルミナ、セリア、及びジルコニアからなる群より選択される少なくとも一種を含有するものであることが好ましい。

被覆部材２０は、ハニカム構造体１０の外周壁１１の外周面を被覆し得るものであれば特に限定されない。例えば、ハニカム構造体１０の外周壁１１の外周面に嵌合してハニカム構造体１０の外周壁１１を周回被覆する管状部材を用いることができる。また、緩衝作用の観点から、ハニカム構造体１０と被覆部材２０との間に無機マットなどを介在させてもよい。
ここで、本明細書において、「嵌合」とは、ハニカム構造体１０と被覆部材２０とが、相互に嵌まり合った状態で固定されていることをいう。したがって、ハニカム構造体１０と被覆部材２０との嵌合においては、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌めなどの嵌め合いによる固定方法の他、ろう付け、溶接、拡散接合などにより、ハニカム構造体１０と被覆部材２０とが相互に固定されている場合なども含まれる。

被覆部材２０は、ハニカム構造体１０の外周壁１１に対応した内面形状を有することができる。被覆部材２０の内面がハニカム構造体１０の外周壁１１に直接接触することで、熱伝導性が良好となり、ハニカム構造体１０内の熱を被覆部材２０に効率良く伝達することができる。

熱回収効率を高めるという観点からは、ハニカム構造体１０の外周壁１１の外周面の全面積に対する、被覆部材２０によって周回被覆されるハニカム構造体１０の外周壁１１の外周面の面積の割合は高いほうが好ましい。具体的には、当該面積割合は８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましく、１００％（すなわち、ハニカム構造体１０の外周壁１１の外周面の全部が被覆部材２０によって周回被覆される。）であることが更により好ましい。
なお、ここでいう「外周壁１１」とは、ハニカム構造体１０の第１流体の流路方向に平行な面を指し、ハニカム構造体１０の第１流体の流路方向と直交する面（第１端面１４及び第２端面１５）は含まれない。

被覆部材２０は、製造性の観点から金属製であることが好ましい。また、被覆部材２０が金属製であると、後述する外筒３０（ケーシング）との溶接が容易に行える点でも優れている。被覆部材２０の材料としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などを用いることができる。その中でも、耐久信頼性が高く、安価という理由により、ステンレスが好ましい。

被覆部材２０の厚みは、耐久信頼性の理由により、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．３ｍｍ以上がより好ましく、０．５ｍｍ以上が更により好ましい。被覆部材２０の厚みは、熱抵抗を低減して熱伝導性を高めるという理由により、１０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更により好ましい。

被覆部材２０の長さ（第１流体の流路方向の長さ）は、特に限定されず、ハニカム構造体１０のサイズなどに応じて適宜調整すればよい。例えば、被覆部材２０の長さは、ハニカム構造体１０の長さよりも大きいことが好ましい。具体的には、被覆部材２０の長さは、５ｍｍ～２５０ｍｍとすることが好ましく、１０ｍｍ～１５０ｍｍとすることがより好ましく、２０ｍｍ～１００ｍｍとすることが更に好ましい。
なお、被覆部材２０の長さがハニカム構造体１０の長さよりも大きい場合、被覆部材２０の中央部にハニカム構造体１０が位置するように設けることが好ましい。

次に、熱交換部材１００及び熱伝導部材の製造方法を説明する。但し、熱交換部材１００及び熱伝導部材の製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されることはない。
まず、セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押出成形し、ハニカム成形体を作製する。このとき、適切な形態の口金及び治具を選択することにより、セル１６の形状及び密度、隔壁１３の数、長さ及び厚さ、外周壁１１及び内周壁１２の形状及び厚さなどを制御することができる。また、ハニカム成形体の材料としては、上記のセラミックスを用いることができる。例えば、Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム成形体を製造する場合、所定量のＳｉＣ粉末に、バインダーと、水又は有機溶媒とを加え、得られた混合物を混練し坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得ることができる。そして、得られたハニカム成形体を乾燥し、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を含浸焼成することによって、ハニカム構造体１０（熱伝導部材）を得ることができる。

次に、ハニカム構造体１０を被覆部材２０に焼き嵌めすることにより、ハニカム構造体１０の外周壁１１の外周面を被覆部材２０で周回被覆する。具体的には、被覆部材２０を加熱膨張させ、ハニカム構造体１０を被覆部材２０の中に挿入した後、被覆部材２０を冷却収縮させることにより、被覆部材２０内にハニカム構造体１０を固定することができる。なお、ハニカム構造体１０と被覆部材２０との嵌合は、上記したように、焼き嵌め以外に、すきま嵌め、締まり嵌めといった嵌め合いによる固定方法、更にはろう付け、溶接、拡散接合などにより行うことができる。このようにして熱交換部材１００を得ることができる。

本発明の実施形態１に係る熱交換部材１００及び熱伝導部材は、第１流体の流路となる複数のセル１６のそれぞれを、外周壁１１、内周壁１２、及び放射方向に延びる隔壁１３から形成しているため、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立させることができる。

（２）熱交換器
本発明の実施形態１に係る熱交換器は、上記の熱交換部材１００を有する。熱交換部材１００以外の部材については、特に限定されず、公知の部材を用いることができる。例えば、本発明の実施形態１に係る熱交換器は、熱交換部材１００と、熱交換部材１００の被覆部材２０の外周を第２流体が流通可能となるように、被覆部材２０の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒（ケーシング）とを備えることができる。

図４は、本発明の実施形態１に係る熱交換器の、ハニカム構造体の第１流体の流路方向に平行な断面図である。また、図５は、図４に示す熱交換器のｂ－ｂ’線の断面図であり、本発明の実施形態１に係る熱交換器の、ハニカム構造体の第１流体の流路方向に直交する断面図である。

本発明の実施形態１に係る熱交換器２００は、熱交換部材１００と、熱交換部材１００の被覆部材２０の外周を第２流体が流通可能となるように、被覆部材２０の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒３０とを備える。外筒３０は、第２流体の供給管３１及び排出管３２を有する。また、外筒３０は、熱交換部材１００の外周全体を周回被覆していることが好ましい。
上記のような構造を有する熱交換器２００では、第２流体が供給管３１から外筒３０内に流入する。次いで、第２流体は、第２流体の流路を通る間に、熱交換部材１００の被覆部材２０を介してハニカム構造体１０のセル１６を流通する第１流体と熱交換した後、第２流体の排出管３２から排出される。なお、熱交換部材１００の被覆部材２０の外周面は伝熱効率を調整するための部材によって被覆されていてもよい。

第２流体としては、特に制限はないが、熱交換器２００が、自動車に搭載される場合には、第２流体は、水又は不凍液（ＪＩＳ Ｋ２２３４：２００６で規定されるＬＬＣ）であることが好ましい。第１流体及び第２流体の温度に関しては、第１流体の温度＞第２流体の温度であることが好ましい。その理由としては、熱交換部材１００の被覆部材２０が低温で膨張せず、ハニカム構造体１０がより高温で膨張することで、両者の嵌合が緩み難い条件となるためである。特に、ハニカム構造体１０と被覆部材２０との嵌合が焼き嵌めの場合、嵌合が緩み、ハニカム構造体１０が抜け落ちるリスクを最小限にすることができる。

外筒３０の内面は、熱交換部材１００の被覆部材２０の外周面と嵌合していることが好ましい。このようにすることで、第１流体の流路方向の両端部における被覆部材２０の外周面が外筒３０の内面と周回状に密接した構造となり、第２流体が外部に漏れないようにすることができる。被覆部材２０の外周面と外筒３０の内面とを密接させる方法としては、特に限定されないが、溶接、拡散接合、ろう付け、機械的な締結などが挙げられる。これらの中でも、耐久信頼性が高く、構造強度の改善も図ることができるという理由により、溶接が好ましい。

外筒３０は、熱伝導性及び製造性の観点から、金属製であることが好ましい。金属としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などを用いることができる。その中でも、安価で耐久信頼性が高いという理由により、ステンレスが好ましい。

外筒３０の厚みは、耐久信頼性の理由により、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．５ｍｍ以上がより好ましく、１ｍｍ以上が更により好ましい。外筒３０の厚みは、コスト、体積、重量などの観点から、１０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更により好ましい。

外筒３０は、一体成形品であってよいが、２つ以上の部材から形成される接合部材であってもよい。外筒３０が、２つ以上の部材から形成される接合部材である場合、外筒３０の設計自由度を高めることができる。

第２流体の供給管３１及び排出管３２の位置は、特に限定されず、熱交換器２００の設置場所、配管位置、熱交換効率などを考慮して軸方向及び外周方向に適宜変更可能である。例えば、第２流体の供給管３１及び排出管３２は、ハニカム構造体１０の軸方向両端部に対応する位置に設けることができる。また、第２流体の供給管３１及び排出管３２は、同じ方向に向けて延出されていても、異なる方向に向けて延出されていてもよい。

本発明の実施形態１に係る熱交換器２００は、ハニカム構造体１０の中空部（内周壁１２の内周側）に内筒と、内筒に設けられた開閉弁とを更に備えることができる。
内筒には、第１流体をハニカム構造体１０のセル１６に導入するための貫通孔を形成することができ、貫通孔によって第１流体の流れを２つ（ハニカム構造体１０のセル１６及び中空部）に分岐させてもよい。
開閉弁は、その開閉機構により、ハニカム構造体１０の中空部を流れる第１流体の量を制御することができる。特に、開閉弁は、第１流体と第２流体との間の熱交換時に、内筒の内側における第１流体の流れを遮断することにより、貫通孔を介してハニカム構造体１０のセル１６に第１流体を選択的に導入することができるため、第１流体と第２流体との間の熱交換を効率的に行うことができる。

内筒に設けられる貫通孔は、内筒の全周に形成されていてもよいし、内筒の部分的な位置（例えば、上部、中央部又は下部のみ）に形成されていてもよい。また、貫通孔の形状は、円形、楕円形、四角形などの各種形状とすることができる。

このような構造を有する熱交換器２００では、第１流体を内筒の内部に流通させることができる。このとき、開閉弁が閉であると、内筒内の通気抵抗が上昇し、貫通孔を介してセル１６に第１流体が選択的に流入する。一方、開閉弁が開であると、内筒内の通気抵抗が低下するため、第１流体が中空部内の内筒に選択的に流入する。したがって、開閉弁の開閉を制御することにより、セル１６に流入する第１流体の量を調整することができる。なお、中空部内の内筒を流れる第１流体は、第２流体との熱交換にはほとんど寄与しないため、この第１流体の経路は、第１流体の熱回収を抑制したい場合などにおけるバイパス経路として機能する。つまり、第１流体の熱回収を抑制したい場合には、開閉弁を開とすればよい。

次に、熱交換器２００の製造方法を説明する。但し、熱交換器２００の製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されることはない。
熱交換器２００は、熱交換部材１００の被覆部材２０の外周を第２流体が流通可能となるように、被覆部材２０の径方向外側に間隔をおいて外筒３０を配置して接合することによって製造することができる。具体的には、熱交換部材１００の被覆部材２０の両端部を外筒３０の内面と接合する。接合方法は上記した通り、嵌合を含む種々の方法がある。必要に応じて、接合箇所は溶接などにより接合可能である。これにより、被覆部材２０の外周を周回被覆する外筒３０が形成され、被覆部材２０の外周面と外筒３０の内面との間に第２流体の流路が形成される。このようにして熱交換器２００を得ることができる。
また、内筒及び開閉弁を更に設ける場合には、ハニカム構造体の内周壁１２の内部に、
開閉弁を設けた内筒を挿入し、焼き嵌めして嵌合すればよい。ハニカム構造体１０の内周壁１２と内筒との嵌合は、上記したように、焼き嵌め以外に、すきま嵌め、締まり嵌めといった嵌め合いによる固定方法、更にはろう付け、溶接、拡散接合などにより行うことができる。

本発明の実施形態１に係る熱交換器２００は、上記の熱交換部材１００を備えているため、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立させることができる。

＜実施形態２＞
（１）熱交換部材及び熱伝導部材
図６は、本発明の実施形態２に係る熱交換部材の、ハニカム構造体の軸方向に平行な断面図である。また、図７は、図６に示す熱交換部材のｃ－ｃ’線の断面図、すなわち、本発明の実施形態２に係る熱交換部材の、ハニカム構造体の第１流体の流路方向（軸方向）に直交する断面図である。また、図８は、図７に示す熱交換部材を構成するハニカム構造体の部分拡大図である。
また、図６及び７において、図１及び２と同一の符号で示される構成要素は、これらと同一の構成要素を示すため、詳細な説明を省略する。

本発明の実施形態２に係る熱交換部材３００は、外周壁１１、内周壁１２、外周壁１１と内周壁１２との間に配設され、第１端面１４から第２端面１５まで延びる第１流体の流路となる複数のセル１６を区画形成する隔壁１３を有するハニカム構造体５０と、外周壁１１の外周面を被覆する被覆部材２０とを備える。
また、隔壁１３は、第１流体の流路方向に直交するハニカム構造体５０の断面（すなわち、図７に示す断面）において、放射方向に延びる隔壁１３ａを含む。隔壁１３は、周方向に延びる隔壁１３ｂを更に含んでもよい。周方向に延びる隔壁１３ｂは、上記で説明したように、第１流体と第２流体との間の熱交換にあまり寄与していないとともに、圧力損失が増大する要因となるが、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制との両立を阻害しない範囲で設けることにより、ハニカム構造体１０の機械的強度を確保することができる。

また、本発明の実施形態２に係る熱交換部材３００の構成のうち、被覆部材２０を除いた部材を熱伝導部材という。すなわち、本発明の実施形態２に係る熱伝導部材は、外周壁１１、内周壁１２、外周壁１１と内周壁１２との間に配設され、第１端面１４から第２端面１５まで延びる第１流体の流路となる複数のセル１６を区画形成する隔壁１３を有するハニカム構造体５０を備える。

本発明の実施形態２に係る熱交換部材３００及び熱伝導部材は、第１流体の流路方向に直交するハニカム構造体５０の断面において、ハニカム構造体５０の外径Ｄ１（ｍｍ）に対する放射方向に延びる隔壁１３ａの数Ｎ（個）の比（Ｎ／Ｄ１）が、３．２個／ｍｍ以上であり、好ましくは４個／ｍｍ以上である。このような構成とすることにより、周方向に延びる隔壁１３ｂがある場合でも、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立させ易くなる。

第１流体の流路方向に直交するハニカム構造体５０の断面において、セル１６のアスペクト比は、特に限定されないが、３以上であることが好ましく、５以上であることがより好ましい。このような範囲にアスペクト比を制御することにより、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを安定して両立させることが可能となる。
ここで、セル１６のアスペクト比とは、１つのセル１６を構成する、内周壁１２の長さＬ１に対する放射方向に延びる隔壁１３ａの長さの比Ｌ３、及び周方向に延びる隔壁１３ｂの長さＬ４に対する放射方向に延びる隔壁１３ａの長さの比Ｌ５を意味する。
また、セル１６のアスペクト比の上限については、特に限定されないが、一般的に５０以下である。

典型的な態様において、放射方向に延びる隔壁１３ａの数は２００～５００個であり、好ましくは３００～５００個である。１つのセル１６を構成する放射方向に延びる隔壁１３ａの長さＬ３，Ｌ５は０．８５～１０ｍｍである。また、１つのセル１６を構成する、内周壁１２の長さＬ１及び周方向に延びる隔壁１３ｂの長さＬ４は、０．１～２ｍｍである。このような構成とすることにより、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立させることができる。

隔壁１３が、放射方向に延びる隔壁１３ａ及び周方向に延びる隔壁１３ｂの両方を含む場合、放射方向に延びる隔壁１３ａの厚みは、周方向に延びる隔壁１３ｂの厚みよりも大きいことが好ましい。隔壁１３の厚みは熱伝導率と相関するため、このような構成とすることにより、放射方向に延びる隔壁１３ａの熱伝導率を周方向に延びる隔壁１３ｂの熱伝導率よりも大きくすることができる。その結果、セル１６を流通する第１流体の熱をハニカム構造体５０の外部に効率良く伝達させることができる。
なお、隔壁１３（放射方向に延びる隔壁１３ａ及び周方向に延びる隔壁１３ｂ）の厚みは、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよい。隔壁１３の厚みは、０．１～１ｍｍとすることが好ましく、０．２～０．６ｍｍとすることが更に好ましい。隔壁１３の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、ハニカム構造体５０の機械的強度を十分なものとすることができる。また、隔壁１３の厚さを１ｍｍ以下とすることにより、開口面積の低下によって圧力損失が大きくなったり、第１流体との接触面積の低下によって熱回収効率が低下したりする問題を防止することができる。

本発明の実施形態２に係る熱交換部材３００及び熱伝導部材は、ハニカム構造体５０の外径Ｄ１（ｍｍ）に対する放射方向に延びる隔壁１３ａの数Ｎ（個）の比（Ｎ／Ｄ１）を制御しているため、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立させることができる。

（２）熱交換器
本発明の実施形態２に係る熱交換器は、上記の熱交換部材３００を有する。熱交換部材３００以外の部材については、特に限定されず、公知の部材を用いることができる。例えば、本発明の実施形態２に係る熱交換器は、熱交換部材３００と、熱交換部材３００の被覆部材２０の外周を第２流体が流通可能となるように、被覆部材２０の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒（ケーシング）とを備えることができる。
なお、本発明の実施形態２に係る熱交換器は、上記の熱交換部材３００を有すること以外は、図４及び５と同じであるため、詳細な説明を省略する。

本発明の実施形態２に係る熱交換器は、上記の熱交換部材３００を備えているため、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立させることができる。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

ＳｉＣ粉末を含む坏土を所望の形状に押出成形した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工し、金属Ｓｉを含浸させて焼成することにより、ＳｉＣ粒子間に金属Ｓｉを含むＳｉ－ＳｉＣ質の材料（Ｓｉ含浸ＳｉＣ）で構成され、軸方向に直交する断面が円形の中空部を有する中空型のハニカム構造体（円柱状）を作製した。作製したハニカム構造体はいずれも、外周壁１１の直径（外径）Ｄ１を７５ｍｍ、内周壁１２の直径を５７ｍｍ、軸方向（第１流体の流路方向）の長さを１５ｍｍ、外周壁１１及び内周壁１２の厚みを１ｍｍ、隔壁１３ａ，１３ｂの厚みを０．３ｍｍ、熱伝導率（２５℃）を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）に設定した。ハニカム構造体のその他の特徴などについては表１に示す。

次に、上記の実施例及び比較例で得られたハニカム構造体を被覆部材に焼き嵌めすることにより、熱交換部材を作製した。被覆部材としては、ステンレス製の管状部材（厚さ１ｍｍ）を用いた。次に、熱交換部材を外筒（ケーシング：厚さ１．５ｍｍ）に配置し、熱交換部材（被覆部材）の両端部を外筒と接合することにより、図４及び５に示される構造を有する熱交換器を作製した。
作製した熱交換器について以下の評価を行った。

＜熱交換試験＞
上記で作製した熱交換器について、以下の方法で、熱交換試験を行った。ハニカム構造体に、４００℃の温度（Ｔｇ１）の空気（第１流体）を１０ｇ／秒の流量（Ｍｇ）で流した。一方、第２流体の供給管から４０℃の冷却水（第２流体）を１０Ｌ／分の流量（Ｍｗ）で供給し、第２流体の排出管から熱交換後の冷却水を回収した。
上記の条件にて、熱交換器に対して空気及び冷却水の供給を開始してから５分間通過させた直後に、第２流体の入口における冷却水の温度（Ｔｗ１）及び第２流体の出口における冷却水の温度（Ｔｗ２）を測定し、回収熱量Ｑを求めた。
Ｑ（ｋＷ）＝ΔＴｗ［Ｋ］×Ｃｐｗ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］×Ｐｗ［ｋｇ／ｍ³］×Ｍｗ［Ｌ／分］÷（６０×１０⁶）
式中、ΔＴｗ＝Ｔｗ２－Ｔｗ１、Ｃｐｗ（水の比熱）＝４１８２Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、Ｐｗ（水の密度）＝９９７ｋｇ／ｍ³とした。

＜圧力損失試験＞
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空気の流路内に、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）を流れる空気の圧力損失を測定した。
上記の結果を表１に示す。

表１に示されるように、実施例１～３は、比較例１及び２に比べて回収熱量が多かった。回収熱量は、放射方向に延びる隔壁１３ａの数に依存し、隔壁１３ａの数が多くなるほど回収熱量が多くなる傾向にあるが、隔壁１３ａの数が同じである実施例１と比較例２とを対比した場合でも、実施例１の熱回収量の方が多かった。
また、圧力損失についても放射方向に延びる隔壁１３ａの数に依存し、隔壁１３ａの数が多くなるほど圧力損失が高くなるが、隔壁１３ａの数が同じである実施例１と比較例２とを対比した場合、実施例１の圧力損失の方が小さかった。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立することが可能な熱交換部材及び熱交換器を提供することができる。また、本発明によれば、上記の熱交換部材及び熱交換器に搭載することが可能な熱伝導部材を提供することができる。

１０，５０ ハニカム構造体
１１ 外周壁
１２ 内周壁
１３ 隔壁
１３ａ 放射方向に延びる隔壁
１３ｂ 周方向に延びる隔壁
１４ 第１端面
１５ 第２端面
１６ セル
２０ 被覆部材
３０ 外筒
３１ 供給管
３２ 排出管
１００，３００ 熱交換部材
２００ 熱交換器

Claims (11)

1. 外周壁、内周壁、及び前記外周壁と前記内周壁との間に配設され、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカム構造体と、
   前記外周壁の外周面を被覆する被覆部材と
   を備え、
   前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が放射方向に延びており、
   前記セルのそれぞれは、前記外周壁、前記内周壁及び前記隔壁から形成されており、
   前記セル内及び前記内周壁の内周側に多孔質セラミックスが充填されている場合を除く、熱交換部材。
2. 前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記ハニカム構造体の外径（ｍｍ）に対する前記隔壁の数（個）の比が、２．３個／ｍｍ以上である、請求項１に記載の熱交換部材。
3. 前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記ハニカム構造体の外径（ｍｍ）に対する前記隔壁の数（個）の比が、３．２個／ｍｍ以上である、請求項２に記載の熱交換部材。
4. 前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記セルのアスペクト比が３以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換部材。
5. 外周壁、内周壁、及び前記外周壁と前記内周壁との間に配設され、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカム構造体と、
   前記外周壁の外周面を被覆する被覆部材と
   を備え、
   前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が放射方向に延びる隔壁を含み、前記ハニカム構造体の外径（ｍｍ）に対する前記放射方向に延びる隔壁の数（個）の比が、３．２～６個／ｍｍである、熱交換部材。
6. 前記セルのアスペクト比が３以上である、請求項５に記載の熱交換部材。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の熱交換部材と、
   前記被覆部材の外周を第２流体が流通可能となるように、前記被覆部材の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒と
   を備える熱交換器。
8. 外周壁、内周壁、及び前記外周壁と前記内周壁との間に配設され、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカム構造体を備える熱伝導部材であって、
   前記外周壁、前記内周壁及び前記隔壁が、骨材としてＳｉＣ粒子を主体とし、前記ＳｉＣ粒子間に金属Ｓｉを含むＳｉ－ＳｉＣ質の材料で構成されており、
   前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が放射方向に延びており、
   前記セルのそれぞれは、前記外周壁、前記内周壁及び前記隔壁から形成されており、
   前記セル内及び前記内周壁の内周側に多孔質セラミックスが充填されている場合を除く、熱伝導部材。
9. 前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記ハニカム構造体の外径（ｍｍ）に対する前記隔壁の数（個）の比が、２．３個／ｍｍ以上である、請求項８に記載の熱伝導部材。
10. 外周壁、内周壁、及び前記外周壁と前記内周壁との間に配設され、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカム構造体を備える熱伝導部材であって、
    前記外周壁、前記内周壁及び前記隔壁が、骨材としてＳｉＣ粒子を主体とし、前記ＳｉＣ粒子間に金属Ｓｉを含むＳｉ－ＳｉＣ質の材料で構成されており、
    前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が放射方向に延びる隔壁を含み、前記ハニカム構造体の外径（ｍｍ）に対する前記放射方向に延びる隔壁の数（個）の比が、３．２～６個／ｍｍである、熱伝導部材。
11. 前記第１流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記セルのアスペクト比が３以上である、請求項８～１０のいずれか一項に記載の熱伝導部材。