JP2014070826A - 熱交換部材、および熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率を向上させるとともに、圧力損失の増加を抑えた熱交部材、および熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換部材であるハニカム構造体１は、セラミックスの隔壁４により仕切られて一方の端面から他方の端面まで軸方向に貫通し、第一の流体が流通する複数のセル３を有する。ハニカム構造体１の隔壁４の材質の熱伝導率をλ［Ｗ／Ｋ・ｍ］、ハニカム構造体１のセル構造について、隔壁４の壁厚をｔ［ｍｍ］、セル密度をρ［個／平方インチ］としたとき、１０００／λ≦ｔ×ρ≦８０である。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、第一の流体の熱と第二の流体の熱とを交換するための熱交換部材、および熱交換器に関する。

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問題がある。

特許文献１には、セラミックスによって形成されたハニカム構造体を用いた熱交換器が開示されている。特許文献１の熱交換器では、ハニカム構造体のセルを流通する第一の流体の熱と、ハニカム構造体の外周面上を流通する第二の流体の熱とを熱交換させる。

国際公開第２０１１／０７１１６１号

排気と冷却水の間で熱交換を行う排気熱回収装置（高温流体と低温流体を、壁を隔てて隣り合わせて流す構造により、高温流体から低温流体へ熱を伝える熱交換器）、あるいはＥＧＲクーラーにおいては、熱交換効率の性能が重要視されている。熱交換効率を向上させるためには、それらのデバイスに使用されるハニカム構造体の隔壁厚さ、セル密度を、増加させることが好ましい。

しかしながら、自動車の排気系に使用されるデバイスの場合、熱交換効率のみならず、デバイスの圧力損失も重要視される。ハニカム構造体の隔壁厚さ、セル密度を増加させる方向は、圧力損失が悪化する方向であり、エンジン出力に悪影響を与える恐れがある。特に排気量が多い場合や、ガス温度が高いところでそれらデバイスが使用される場合は、影響が大きくなる。

本発明の課題は、熱交換効率を向上させるとともに、圧力損失の増加を抑えた熱交換部材、および熱交換器を提供することにある。

本発明者らは、ハニカム構造体を熱交換部材として用いた場合、ハニカム構造体の熱伝導率と、壁厚、セル密度との関係を規定することにより、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、および熱交換器が提供される。

［１］ セラミックスの隔壁により仕切られて一方の端面から他方の端面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第一流体流通部とされる複数のセルを有するハニカム構造体として形成され、前記第一流体流通部を流通する前記第一の流体と、前記ハニカム構造体の外周壁の外周面上を流通することにより前記第一の流体と熱を交換する第二の流体とが混合しないように、前記ハニカム構造体の前記隔壁及び前記外周壁の少なくとも一方が緻密質とされ、前記ハニカム構造体の前記隔壁の材質の熱伝導率をλ［Ｗ／Ｋ・ｍ］、前記ハニカム構造体のセル構造について、前記隔壁の壁厚をｔ［ｍｍ］、セル密度をρ［個／平方インチ］としたとき、１０００／λ≦ｔ×ρ≦８０である熱交換部材。

［２］ ｔ＞０．２、ρ≦１００である前記［１］に記載の熱交換部材。

［３］ ｔ≦０．２、ρ＞１００である前記［１］に記載の熱交換部材。

［４］ 前記ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面の断面積の円相当径をΦ［ｍｍ］とし、前記ハニカム構造体の軸方向の長さの全長をＬ［ｍｍ］としたとき、１５≦Φ≦１２０、０．０５≦Ｌ／Φ≦１０である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱交換部材。

［５］ 前記ハニカム構造体の外周側に金属管を備え、前記ハニカム構造体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に前記第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う前記［１］〜［４］のいずれかに記載の熱交換部材。

［６］ 前記ハニカム構造体と前記金属管との間に挟み込まれた中間材を備えた前記［５］に記載の熱交換部材。

［７］ 前記中間材は、グラファイトシートからなる前記［６］に記載の熱交換部材。

［８］ 前記ハニカム構造体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である前記［１］〜［７］のいずれかに記載の熱交換部材。

［９］ 前記ハニカム構造体は、主成分が炭化珪素である前記［１］〜［８］のいずれかに記載の熱交換部材。

［１０］ 前記［１］〜［９］のいずれかに記載の熱交換部材と、前記第二の流体の入口及び出口が形成されており、前記ハニカム構造体を内部に含むケーシングとを備え、前記ケーシングの内側が第二流体流通部とされ、前記第二の流体が前記第二流体流通部において前記ハニカム構造体の外周面上を流通することにより、前記第一の流体から熱を受け取る熱交換器。

本発明の熱交換部材、および熱交換器は、構造が複雑ではなく、従来の熱交換体（熱交換器、又はそのデバイス）と比べて、小型化、軽量化、低コスト化を実現することができる。また、熱交換効率が高く、圧力損失が抑えられている。言い換えると、本発明の熱交換部材は、単位圧力損失値あたりの熱交換効率が高い。すなわち、熱交換効率を向上させることと圧力損失の増加を抑制することとは、方向性が逆であるため両立させることが容易ではないが、本発明の熱交換部材は、これらのバランスに優れている。

円柱形状のハニカム構造体として形成された熱交換部材を示す斜視図である。 円柱形状のハニカム構造体として形成された熱交換部材を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。 ケーシング内に円柱形状のハニカム構造体として形成された熱交換部材が収容された熱交換器を示す斜視図である。 ケーシング内に円柱形状のハニカム構造体として形成された熱交換部材が収容された熱交換器を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。 ケーシング内に円柱形状のハニカム構造体として形成された熱交換部材が収容された熱交換器を示す、軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。 本発明の他の実施形態の熱交換部材を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態の熱交換部材を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。 本発明の他の実施形態の熱交換部材を示す軸方向の一方の端面から見た模式図である。 本発明の他の実施形態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。

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。

（実施形態１）
図１Ａは、本発明の一実施形態の熱交換部材１０を示す斜視図であり、図１Ｂは、軸方向に平行な断面で切断した断面図であり、熱交換部材１０は、円柱形状のハニカム構造体１として形成されている。また、図２Ａに、ケーシング２１内に円柱形状のハニカム構造体１の熱交換部材が収容された熱交換器３０の斜視図、図２Ｂに、軸方向に平行な断面で切断した断面図、図２Ｃに、軸方向に垂直な断面で切断した断面図を示す。

図１Ａ〜図１Ｂに示すように、熱交換部材１０は、セラミックスの隔壁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第一流体流通部５とされる複数のセル３を有するハニカム構造体１として形成されている。第一流体流通部５を流通する第一の流体と、ハニカム構造体１の外周壁７の外周面７ｈ上を流通することにより第一の流体と熱を交換する第二の流体とが混合しないように、ハニカム構造体１の隔壁４及び外周壁７の少なくとも一方が緻密質とされている。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。また、本明細書において、緻密質（緻密体）とは、気孔率２０％以下のものをいうことにする。

また、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に流れ込むことができず、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。

本発明の熱交換部材１０は、第一流体流通部５を形成するハニカム構造体１の隔壁４の材質の熱伝導率をλ［Ｗ／Ｋ・ｍ］、ハニカム構造体１のセル構造について、隔壁４の壁厚をｔ［ｍｍ］、セル密度をρ［個／平方インチ］としたとき、１０００／λ≦ｔ×ρ≦８０である。

ｔ×ρは、好ましくは１２００／λ≦ｔ×ρ≦６５、より好ましくは、１５００／λ≦ｔ×ρ≦５０、である。ｔ×ρをこのような範囲とすることにより、セル３内を流通する第一の流体の熱を、外周壁７の外周面７ｈ上を流通する第二の流体と熱交換させるために、外周壁７へと効率よく伝達することができ、熱交換効率を維持したまま、第一の流体によって発生する圧力損失を小さくできる。

熱交換部材１０は、さらに、ｔ＞０．２、ρ≦１００であることが好ましい。あるいは、ｔ≦０．２、ρ＞１００であることが好ましい。隔壁４の壁厚がｔ＞０．２の場合、隔壁４の厚みで熱伝導パスを大きくして熱交換効率を高くし、セル密度ρを小さく（ρ≦１００）することで圧力損失を抑えることができる。また隔壁４の壁厚がｔ＜０．２の場合は、隔壁４の壁厚を薄くすることで圧力損失を抑え、セル密度ρを大きく（ρ＞１００）することで熱伝導パスを大きくし、熱交換効率を高くすることができる。ｔ、ρの範囲を上記のようにすることにより、熱交換部材１０の圧力損失を抑え、かつ熱交換効率を高くすることができる。

本発明の熱交換部材１０は、ハニカム構造体１の集熱部分の面積と同じ面積をもつ円の直径である円相当径をΦ［ｍｍ］とすると、１５≦Φ≦１２０であることが好ましく、３０≦Φ≦１００であることがより好ましい。また、ハニカム構造体１の軸方向の長さの全長をＬ［ｍｍ］としたとき、０．０５≦Ｌ／Φ≦１０であることが好ましく、０．１≦Ｌ／Φ＜５であることがより好ましい。

集熱部分とは、第一の流体から熱を集熱する部分をさし、ハニカム構造体１では、セル３が形成された部分である（外周壁７を除く）。そして、ハニカム構造体１が円柱形状であれば、外周壁７を除いた部分の直径がΦとなる。ハニカム構造体１の軸方向に垂直な断面の断面積が同じであれば、ハニカム構造体１の形状にかかわらず集熱部分の各点から外周壁７への平均距離が同じとなるので熱交換量はほぼ同じとなる。このため、円相当径を含むパラメータを規定することにより、熱交換効率を向上させることができる。

ΦおよびＬ／Φをこのような範囲とすることにより、熱を効率よく伝達することができ、熱交換効率を維持したまま第一の流体によって発生する圧力損失を小さくできる熱交換部材とすることができる。

図２Ａ〜図２Ｃ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２６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。

図２Ｂに示すように、熱交換器３０は、第一流体流通部５と第二流体流通部６と、を備える。第一流体流通部５は、セラミックスの隔壁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、第一の流体が流通する複数のセル３を有するハニカム構造体１によって形成されている。第二流体流通部６は、ハニカム構造体１を内部に含むケーシング２１の内周面２４と、ハニカム構造体１の外周面７ｈと、によって形成されている。また、ケーシング２１には第二の流体の入口２２及び出口２３が形成されている。そして、第二の流体がケーシング２１の内側にてハニカム構造体１の外周面７ｈ上を流通することにより、第一の流体と熱を交換する。

第一流体流通部５を流通する第一の流体が加熱体の場合、その熱を隔壁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。

本発明の熱交換器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。

本発明の熱交換器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、第一の流体のからハニカム構造体１への熱抵抗＋隔壁４の熱抵抗＋ハニカム構造体１から第二の流体への熱抵抗であるが、律速因子は、第一の流体からハニカム構造体１への熱抵抗である。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からハニカム構造体１への熱抵抗を下げることができる。

ハニカム構造体１は、セラミックスで形成され、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。図１Ａ、および図１Ｂの実施形態のハニカム構造体１は、円柱形状に形成されている。

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３の軸方向に垂直な断面の形状は、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。

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／ｃｍ^２）の範囲であることが好ましい。セル密度を２５セル／平方インチより大きくすると、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２０００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、１〜１００００が望ましく、５０〜２０００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でき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５０μｍ〜２ｍｍとすることが好ましく、６０〜８００μｍとすることが更に好ましい。壁厚を５０μｍ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、２ｍｍ以下とすると、ハニカム構造体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を小さくできる。

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、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。より好ましくは、１００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋ、さらに好ましくは、１２０〜３００Ｗ／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。

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炭化珪素（ＳｉＣ）を含むことが好ましい。さらに、炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とすることが好ましい。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いう。

ハニカム構造体１は、炭化珪素を含む導電性セラミックスからなるものであることが好ましい。

熱交換効率を得るためには、ハニカム構造体１の材質に熱伝導が高い炭化珪素を含むものを用いた方がより好ましいが、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（緻密質）とした方がより好ましい。緻密体とすることで高い熱伝導率が得られる。例えば、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のセラミック材料として、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、及びＳｉＣ（特に、ＳｉＣのみからなり緻密化されたものが好ましい）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とするためにＳｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することがより望ましい。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、酸化されることが防止される。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。

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。

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。

本発明の熱交換器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。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以上とすることにより、触媒作用が十分に発現する。一方、４００ｇ／Ｌ以下とすることにより、圧力損失が大きくなることを防止するとともに、製造コストが上昇することを防止することができる。

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。

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は、加熱体であることが好ましく、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。隔壁４及び外周壁７の少なくとも一方が緻密質として形成されていることから、第二の流体は、液体を用いることが好ましく、取扱いを考慮すると水が好ましいが、特に水に限定されない。

以上のように、ハニカム構造体１が高い熱伝導性を持ち、隔壁４によって流路となる箇所が複数あることで、高い熱交換効率が得られる。このため、ハニカム構造体１全体を小型化でき、車載化も可能となる。

（製造方法）
次に、本発明の熱交換部材１０として用いるハニカム構造体１の製造方法を説明する。まず、セラミック成形原料を押出して、セラミックスの隔壁４により仕切られて一方の端面２から他方の端面２まで軸方向に貫通する、流体の流路となる複数のセル３が区画形成されたハニカム成形体を成形する。

具体的には、以下のように製造することができる。セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出してハニカム成形体を成形後、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。

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を製造する場合、まず、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、成形して所望形状の成形体を得る。次いで、この成形体を、金属Ｓｉ雰囲気下、減圧の不活性ガス又は真空中に置き、成形体中に金属Ｓｉを含浸させる。

なお、Ｓｉ_３Ｎ_４、及びＳｉＣ等を採用した場合も、成形原料を坏土化し、この坏土を成形工程において押出成形することにより、隔壁４によって区画された排ガスの流路となる複数のセル３を有するハニカム形状の成形体を成形することができる。これを乾燥、焼成することにより、ハニカム構造体１を得ることができる（図１Ａ等参照）。そして、ハニカム構造体１をケーシング２１内に収容することにより、熱交換器３０を作製することができる（図２Ａ等参照）。

本発明では基本的に押出成形をそのまま使用でき、工数が非常に少なくできる。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。

（実施形態２）
図３Ａに、熱交換部材１０の他の実施形態の斜視図を示す。また、図３Ｂに、軸方向に平行な断面で切断した断面図、図３Ｃに、熱交換部材１０を軸方向の一方の端面から見た図を示す。本実施形態の熱交換部材１０は、ハニカム構造体１と、ハニカム構造体１の外周側に金属管１２と、ハニカム構造体１と金属管１２との間に挟み込まれた中間材１３と、を備える。中間材１３は、少なくとも一部がヤング率１５０ＧＰａ以下である材質からなる。そして、ハニカム構造体１の内部に第一の流体を、金属管１２の外周面１２ｈ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、熱交換部材１０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。熱交換部材１０は、ハニカム構造体１の外周側に金属管１２を備えるため、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。また、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。

熱交換部材１０にヤング率１５０ＧＰａ以下である材質からなる中間材１３を用いることにより、金属管１２とハニカム構造体１との密着性を高めて、熱伝導性を向上させることができる。この場合、中間材１３が、金属管１２とハニカム構造体１との少なくとも一部に接触していることが、熱交換部材１０の熱伝導性を良好とするために好ましい。

さらに、中間材１３は、少なくとも一部の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。中間材１３の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることにより、熱交換部材１０の熱伝導性を向上させることができる。

中間材１３としては、グラファイトシート、金属シート、ゲルシート、弾塑性流体等が挙げられる。金属シートを構成する金属としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等が挙げられる。弾塑性流体とは、小さな力であれば、塑性変形せずに固体として振るまい（弾性率を有する）、大きな力を加えると自由に変形して流体のような変形をする材料であり、グリース等が例として挙げられる。中間材１３として、密着性や熱伝導性等を考慮すると、グラファイトシートを用いることが好ましい。以下、中間材１３として、グラファイトシートを例として説明する。

金属管１２とハニカム構造体１とを、グラファイトシートからなる中間材１３を挟んだ状態で、例えば、焼きばめにより嵌合させることができる（後述する一体化の第一の方法）。グラファイトシートからなる中間材１３を挟んで焼きばめすることにより、金属管１２とハニカム構造体１との接合部の使用時の常温〜１５０℃の環境において、グラファイトシートに圧がかかり、熱を伝達することができる。

本明細書におけるグラファイトシートとは、膨張黒鉛を主成分とするグラファイトを圧延しシート状に加工したものや、高分子フィルムを熱分解して得られるシート状のものであり、黒鉛シート、カーボンシートと称されるものも含む。グラファイトシートは、厚み方向のヤング率が１ＧＰａ以下、厚み方向の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。厚み方向の熱伝導率について、より好ましくは、３〜１０Ｗ／ｍ・Ｋである。また、面内方向の熱伝導率は、５〜１６００Ｗ／ｍ・Ｋが好ましく、１００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋがより好ましい。

また、グラファイトシートのヤング率は、１ＭＰａ〜１ＧＰａであることが好ましい。より好ましくは、５〜５００ＭＰａ、さらに好ましくは、１０〜２００ＭＰａである。ヤング率が１ＭＰａ以上であればグラファイトの密度が十分であり熱伝導性が良い。一方、５００ＭＰａ以下である場合、薄いグラファイトシートでも焼きばめ時に十分弾性変形し、密着性や金属管１２の応力緩和効果が得られる。

グラファイトシートの厚みは、２５μｍ〜１ｍｍであることが好ましく、２５〜５００μｍであることがより好ましく、５０〜２５０μｍであることがさらに好ましい。グラファイトシートは、薄くなるほど高価になる。また厚くなると、熱抵抗を生じる。この範囲のグラファイトシートを使用することにより、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。

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１２ｈ上を流通する第二の流体である冷却水の水温は１２０℃前後まで上昇しうるが、この時に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、金属管１２の径を下記の式の範囲にすることが好ましい。すなわち、室温２５℃でのハニカム構造体１の外径をｄ、グラファイトシートの厚みをｃ、ハニカム構造体１の熱膨張係数をα、金属管１２の熱膨張係数をβ、焼きばめ温度を１０００℃とすると、金属管１２の内径Ｄは、
ｄ＋２×ｃ−９７５×β×ｄ＜Ｄ＜ｄ＋２×ｃ−１２５×（β−α）×ｄ
となるように設定することが好ましい。

上記の金属管１２の内径Ｄは、ハニカム構造体１と金属管１２との接合部で想定される常温〜１５０℃までの温度域で、締まりばめの圧力が確実にかかる範囲である。金属管１２の内径Ｄをこの範囲とすることにより、必要以上に金属管１２に引張応力が残らないようにすることができる。具体的には、例えば、ハニカム構造体１の外径が４２ｍｍ、ハニカム構造体１の熱膨張係数αが４．０×１０^−６、金属管１２の熱膨張係数βが１７×１０^−６、グラファイトシートの厚みｃが０．２ｍｍである場合は、４１．７０４ｍｍ＜Ｄ＜４２．３３２ｍｍである。

（製造方法）
ハニカム構造体１の外周側に金属管１２を備えた熱交換部材１０（図３Ａ等参照）の製造方法を説明する。まず、実施形態１と同様にして、ハニカム構造体１を製造する。

次に、上記のようにして製造したハニカム構造体１、中間材１３、及び金属管１２を一体化する。第一の方法は、まず、中間材１３として用いるグラファイトシートをハニカム構造体１の外周壁７の外周面７ｈ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。接着剤を用いることにより、一様にグラファイトシートを貼り付けることができる。接着剤は、十分に薄く良伝熱性であることが望ましい。また、焼きばめ後は締まりばめ状態となるため、接着は、全面接着でも部分接着でもよい。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。

ハニカム構造体１、中間材１３、及び金属管１２の一体化の第二の方法は、金属板（平板）を用いて金属管１２とする。まず、ハニカム構造体１の外周壁７の外周面７ｈにグラファイトシートを巻き付ける。次に、ハニカム構造体１に金属板（平板）を圧をかけつつ、巻き付けて締め付ける。そしてハニカム構造体１に巻き付けられて円筒状になった金属板の端部１２ａ同士を接合して金属管１２とする。金属板の端部１２ａ同士の接合としては、例えば、レーザー溶接を用いることができる。

ハニカム構造体１、中間材１３、及び金属管１２の一体化の第三の方法は、熱間塑性加工法である。まず、ハニカム構造体１の外周壁７の外周面７ｈにグラファイトシートを巻き付ける。次に、ハニカム構造体１を金属管１２の内部に設置する。金属管１２の内径はハニカム構造体１の外周径に比べ十分に大きいものを使用する。続いて、金属管１２のハニカム構造体１が設置されている領域を、高周波加熱装置等を用いて４００〜１１００℃程度まで昇温させる。金属管１２を局所的に加熱しながら金属管両端部を引っ張ることで、金属管１２が縮径する。金属管１２とハニカム構造体１とが一体化した後に冷却することで、熱交換部材１０を形成することができる。

図４に示すように、金属管１２を備えたハニカム構造体１をケーシング２１内に収容することにより、熱交換器３０を作製することができる。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。

本発明の熱交換部材１０は、ハニカム構造体１とその外周側の金属管１２との間に、低ヤング率のグラファイトシート等からなる中間材１３を備えることにより、密着性が向上する。このため厚み方向（管の径方向）の熱伝導率を３Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることができ、熱伝導性が良好である。また、長手（軸）方向の熱伝導率を２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることができ、熱伝導性も良好である。グラファイトシート等により、横滑りが可能なため、ハニカム構造体１と金属管１２間の熱膨張差による応力が発生しにくい。このため、実用上熱耐久性が十分である。

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。

（実施例１〜８、比較例１〜５）
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。

（ハニカム構造体の製造）
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、材質が炭化珪素のハニカム構造体１を製造した。なお、ハニカム構造体１は、集熱部分の面積と同じ面積の円の直径である円相当径Φが４０ｍｍ、ハニカム構造体１の軸方向の長さの全長Ｌ［ｍｍ］が１００ｍｍであった。また表１に、隔壁４の材質の熱伝導率λ［Ｗ／Ｋ・ｍ］、隔壁４の壁厚ｔ［ｍｍ］、セル密度ρ［個／平方インチ］を記載した。

（ケーシング）
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１〜８では、１つのハニカム構造体１を、ケーシング２１内に配置した（図１Ａ及び図２Ｃ参照）。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１〜８のハニカム構造体１の外形構造は、全て同一とした。図２Ｃにおいて、ハニカム構造体１の外周面７ｈとケーシング２１の内周面２４との間隔Ｌ３を１ｍｍとした。

（第一の流体、及び第二の流体）
第一の流体、第二の流体のハニカム構造体１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、５００℃の窒素ガス（Ｎ_２）を用いた。また、第二の流体として水を用いた。

（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流量は６Ｌ／ｓとした。（冷却）水の流量は１５Ｌ／ｍｉｎとした。第一の流体、第二の流体の流量等の試験条件は全て同じとした。実施例１は、第一の流体の流路となる配管の外周部に第二の流体の流路があるものを用いたものである（図２Ｂ参照）。（冷却）水は配管の外側（ギャップ（Ｌ３）が１ｍｍ）を流れる構成であった（図２Ｃ参照）。ハニカム構造体１の前段及び後段の第一の流体の流路配管に圧力計を配置し、その圧力差からハニカム構造体１の圧力損失を特定した。

（試験結果）
表１に熱交換効率、圧力損失（圧損）、熱交換効率／圧力損失を示す。熱交換効率（％）は、第一の流体（窒素ガス）及び第二の流体（水）のΔＴ℃（ハニカム構造体１の出口温度−入口温度）から其々エネルギー量を算出し、式１で計算した。
（式１） 熱交換効率（％）＝（第一の流体（ガス）の入口温度−第二の流体（冷却水）出口温度）／（第一の流体（ガス）の入口温度−第一の流体（ガス）の出口温度）×１００

表１は、ハニカム構造体１の全長（Ｌ＝１００ｍｍ）、ハニカムの隔壁４の材質の熱伝導率（１００［Ｗ／Ｋ・ｍ］）をそろえ、セル構造（セルの隔壁４の壁厚ｔ、セル密度ρ）を変えたときの熱交換効率と圧力損失を示す。エンジンの暖機時間を短縮するなど燃費改善に必要な熱回収量は、大きい方が好ましく、エンジン出力に影響が少ない熱交換部材の圧力損失（圧損）は、小さい方が好ましい。熱交換効率の向上と、圧力損失の増加の抑制は、方向性が逆であるため、単位圧力損失値あたりの熱交換効率が高くなることが、熱交換部材の性能として好ましい。熱交換効率／圧損が８５以上の場合、圧力損失の上昇を抑えた上で、熱を有効利用できた。これを満たすためには、１０００／λ≦ｔ×ρ≦８０であることが必要であった。すなわち、ｔ×ρがこの範囲にない場合、熱交換効率／圧損が８５未満となり、圧力損失を増大させずに、熱回収量を向上させることができない。ｔ×ρをこの範囲とすることにより、単位圧力損失あたりの熱交換効率を最適とすることができる。

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。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。

１：ハニカム構造体、２：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、１０：熱交換部材、１２：金属管、１２ａ：端部、１２ｈ：外周面、１３：中間材、２１：ケーシング、２２：入口、２３：出口、２４：内周面、２５：入口、２６：出口、３０：熱交換器。

Claims (10)

1. セラミックスの隔壁により仕切られて一方の端面から他方の端面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第一流体流通部とされる複数のセルを有するハニカム構造体として形成され、
   前記第一流体流通部を流通する前記第一の流体と、前記ハニカム構造体の外周壁の外周面上を流通することにより前記第一の流体と熱を交換する第二の流体とが混合しないように、前記ハニカム構造体の前記隔壁及び前記外周壁の少なくとも一方が緻密質とされ、
   前記ハニカム構造体の前記隔壁の材質の熱伝導率をλ［Ｗ／Ｋ・ｍ］、前記ハニカム構造体のセル構造について、前記隔壁の壁厚をｔ［ｍｍ］、セル密度をρ［個／平方インチ］としたとき、
   １０００／λ≦ｔ×ρ≦８０
   である熱交換部材。
2. ｔ＞０．２、ρ≦１００である請求項１に記載の熱交換部材。
3. ｔ≦０．２、ρ＞１００である請求項１に記載の熱交換部材。
4. 前記ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面の断面積の円相当径をΦ［ｍｍ］とし、前記ハニカム構造体の軸方向の長さの全長をＬ［ｍｍ］としたとき、
   １５≦Φ≦１２０、０．０５≦Ｌ／Φ≦１０である請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換部材。
5. 前記ハニカム構造体の外周側に金属管を備え、前記ハニカム構造体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に前記第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換部材。
6. 前記ハニカム構造体と前記金属管との間に挟み込まれた中間材を備えた請求項５に記載の熱交換部材。
7. 前記中間材は、グラファイトシートからなる請求項６に記載の熱交換部材。
8. 前記ハニカム構造体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換部材。
9. 前記ハニカム構造体は、主成分が炭化珪素である請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換部材。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱交換部材と、前記第二の流体の入口及び出口が形成されており、前記ハニカム構造体を内部に含むケーシングとを備え、
    前記ケーシングの内側が第二流体流通部とされ、前記第二の流体が前記第二流体流通部において前記ハニカム構造体の外周面上を流通することにより、前記第一の流体から熱を受け取る熱交換器。

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