JP2012255614A - 熱交換部材、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハニカム構造体を用いて、製造コストを低減した熱交換部材、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】熱交換部材１０は、隔壁４により区画形成され、一方の端面２から他方の端面２まで貫通するセル３を有するセル構造部８と、セル構造部８の外周に配設された外周壁７と、を有し、第一の流体が各セル３内を、セル３外に漏洩・混合することなく流通するハニカム構造体１と、ハニカム構造体１の外周面７ｈに嵌合した金属管１２と、を含む金属嵌合ハニカム構造体１１である。金属管１２は、少なくとも一方の端部に、他の金属管１２と接続可能な接続手段が設けられている。金属管１２同士を接続手段にて接続することにより、ハニカム構造体１を直列に配置することができる。熱交換部材１０は、セル３を流通する第一の流体と、金属管１２の外側を流通する第二の流体とを熱交換させることができる。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、第一の流体と第二の流体との熱交換を行う、ハニカム構造体を用いた熱交換部材、及びその製造方法に関する。

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したり、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したりする技術が求められており、排ガスなどの高温気体と冷却水などの液体を熱交換するための、気体／液体熱交換器が求められている。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と熱交換を行うには、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ステンレス等の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。

特許文献１には、セラミックス製の主体の一端面から他端面にわたり加熱体流路を配設するとともに、加熱体流路間に直交する方向に被加熱体流路を形成したセラミックス製熱交換体が開示されている。

特許文献２には、内部に加熱流体流路と非加熱流体流路とが形成されたセラミックス製の熱交換体の複数個を、互いの接合面間に未焼成セラミックス質からなる紐状シール材を介在させてケーシング内に配設したセラミックス製熱交換器が開示されている。

しかし、特許文献１，２は、目封じやスリット加工などの工数が多く生産性が良くないためコストが高くなる。また気体／液体の流路が１列おきに配置されているので、配管構造、流体のシール構造が複雑となる。さらに、液体の熱伝達係数は一般的に気体に比べて１０〜１００倍以上大きく、これら技術では気体側の伝熱面積が不足し、熱交換器性能を律速する気体の伝熱面積に比例して熱交換器が大きくなってしまう。

特許文献３，４には、ハニカム構造部とチューブ部分を別々に作製し、これらを接合させた熱交換器が開示されている。しかし、これらは、生産性が良くないためコストが高くなる傾向があった。

特開昭６１−２４９９７号公報 特公昭６３−６０３１９号公報 特開昭６１−８３８９７号公報 特開平２−１５０６９１号公報

上記のように、特許文献１〜４の熱交換器は、構造が複雑であるため製造コストが高かった。そこで、ハニカム構造体の加工工程を少なくすることにより、製造コストを低減した熱交換器が求められてきた。

本発明の課題は、構造が複雑でなく、製造コストが低減した熱交換部材、及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、以下の熱交換部材、及びその製造方法が提供される。

［１］ ＳｉＣを含む隔壁により区画形成され、一方の端面から他方の端面まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセルを有するセル構造部と、前記セル構造部の外周に配設された外周壁と、を有し、前記第一の流体が各セル内を、前記セル外に漏洩・混合することなく流通するハニカム構造体と、前記ハニカム構造体の外周面に嵌合した金属管と、を含む金属嵌合ハニカム構造体であり、前記金属管は、少なくとも一方の端部に、他の前記金属管と接続可能な接続手段が設けられており、前記セルを流通する第一の流体と、前記金属管の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、前記ハニカム構造体の前記外周壁及び前記金属管を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させる熱交換部材。

［２］ 前記金属管同士を前記接続手段にて接続することにより、前記ハニカム構造体が直列に、かつ、前記ハニカム構造体同士が隙間をあけて配置される前記［１］に記載の熱交換部材。

［３］ 前記接続手段は、前記金属管の一方の前記端部の径が、他方の前記端部の径よりも大きく形成され、一方の前記端部に、他の前記金属管の他方の前記端部を挿入させて嵌合させることにより、接続するものである前記［１］または［２］に記載の熱交換部材。

［４］ 前記接続手段は、前記金属管の一方の前記端部の径が、他方の前記端部の径よりも大きく形成され、いずれかの前記端部に、径方向に突出した凸部が形成され、前記凸部が形成された前記端部と反対の前記端部に、径方向に凹んだ凹部が形成され、前記凸部と他の前記金属管の前記凹部とが嵌合することにより、接続するものである前記［１］または［２］に記載の熱交換部材。

［５］ 前記接続手段は、それぞれの前記端部に軸方向に凹んだ切欠き部が形成され、前記切欠き部に、他の前記金属管の前記切欠き部でない非切欠き部が嵌合することにより、接続するものである前記［１］または［２］に記載の熱交換部材。

［６］ 軟金属、合金材料、及び炭素系材料のいずれかからなる熱抵抗低減層を、前記ハニカム構造体と前記金属管の間に備えている前記［１］〜［５］のいずれかに記載の熱交換部材。

［７］ ＳｉＣを含む隔壁により区画形成され、一方の端面から他方の端面まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセルを有するセル構造部と、前記セル構造部の外周に配設された外周壁と、を有し、前記第一の流体が各セル内を、前記セル外に漏洩・混合することなく流通するハニカム構造体の外周面に、端部に他の金属管と接続可能な接続手段が設けられている金属管を嵌合させて金属嵌合ハニカム構造体とし、前記金属嵌合ハニカム構造体の前記金属管同士を前記接続手段にて接続することにより、前記ハニカム構造体を直列に配置し、前記セルを流通する第一の流体と、前記金属管の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、前記ハニカム構造体の前記外周壁及び前記金属管を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させる熱交換部材を製造する熱交換部材の製造方法。

［８］ 前記金属管同士を前記接続手段にて接続することにより、前記ハニカム構造体を直列に、かつ、前記ハニカム構造体同士を隙間をあけて配置させる前記［７］に記載の熱交換部材の製造方法。

［９］ 隣り合う前記ハニカム構造体の前記セルの角度を互いにずらして接続する前記［７］または［８］に記載の熱交換部材の製造方法。

［１０］ 前記金属嵌合ハニカム構造体同士の接続を、前記金属管の圧入、機械締め、焼きばめのいずれかの機械締めで行う前記［７］〜［９］のいずれかに記載の熱交換部材の製造方法。

［１１］ 前記金属嵌合ハニカム構造体同士の接続を、前記金属管の溶接、ろう接のいずれかの化学接合で行う前記［７］〜［９］のいずれかに記載の熱交換部材の製造方法。

金属嵌合ハニカム構造体を１ユニットとし、複数の金属嵌合ハニカム構造体をつなぎ合わせて熱交換部材として使用することができる。金属嵌合ハニカム構造体は、製造が容易であり、金属嵌合ハニカム構造体をつなぎあわせることにより、熱交換効率を向上させることができる。また、隣り合うハニカム構造体１同士に隙間をあける、隙間をなくす、ハニカム構造体のセルの角度を互いに異ならせる等の設計の自由度が増す。

金属嵌合ハニカム構造体である熱交換部材の軸方向に平行な断面で切断した断面図である。 図１ＡのＡ矢視図である。 ハニカム構造体と金属管とを一体として金属嵌合ハニカム構造体を製造する工程を示す模式図である。 金属嵌合ハニカム構造体を接続することにより形成された熱交換部材を示す断面模式図である。 大径の部分が小径部分とほぼ同じ長さに形成された実施形態を示す斜視図である。 大径の部分が小径部分とほぼ同じ長さに形成された実施形態を示す断面模式図である。 ハニカム構造体同士が隙間をあけて配置されている熱交換部材の実施形態を示す模式図である。 金属管に凸部及び凹部が形成された実施形態を示す模式図である。 凸部及び凹部が形成された金属管によって接続された熱交換部材の実施形態を示す模式図である。 図５ＡのＢ矢視図である。 図５ＡのＣ矢視図である。 凹部の他の実施形態を示す模式図である。 金属管に凸部が形成された他の実施形態を示す模式図である。 図８Ａに示す凸部が形成された金属管によって接続された熱交換部材の他の実施形態を示す模式図である。 金属管に切欠き部が形成された実施形態を示す模式図である。 ハニカム構造体のセルの角度を互いにずらして接続した熱交換部材の実施形態を示す模式図である。 隣り合うハニカム構造体のセルのセル密度が互いに異なるようにして接続された熱交換部材の実施形態を示す模式図である。 ハニカム構造体と金属管との間に熱抵抗低減層を有する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含む熱交換器の一実施形態を示す模式図である。 実施例の製造工程を示す図である。 比較例の製造工程を示す図である。

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。

図１Ａに本発明の熱交換部材１０の軸方向に平行な断面で切断した断面図を示す。また、図１Ｂに図１ＡのＡ矢視図を示す。熱交換部材１０は、ＳｉＣを含む隔壁４により区画形成され、一方の端面２から他方の端面２まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセル３を有するセル構造部８と、セル構造部８の外周に配設された外周壁７と、を有し、第一の流体が各セル３内を、セル３外に漏洩・混合することなく流通するハニカム構造体１と、ハニカム構造体１の外周面７ｈに嵌合した金属管１２と、を含む金属嵌合ハニカム構造体１１である。ハニカム構造体１は、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形成されている。金属管１２は、少なくとも一方の端部に、他の金属管１２と接続可能な接続手段が設けられている。金属管１２同士を接続手段にて接続することにより、ハニカム構造体１を直列に配置することができる。熱交換部材１０は、セル３を流通する第一の流体と、金属管１２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及び金属管１２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。

金属嵌合ハニカム構造体１１を１ユニットとし、複数の金属嵌合ハニカム構造体１１をつなぎ合わせて熱交換部材１０として使用することができる。このため、隣り合うハニカム構造体１同士に隙間をあける、隙間をなくす、ハニカム構造体１のセル３の角度を互いに異ならせる等の設計の自由度が増す。なお、本発明の熱交換部材１０は、ハニカム構造体１（金属嵌合ハニカム構造体１１）が単体の場合も、複数直列に接続された場合も含む。

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。

接続手段の一実施形態としては、図１Ａ及び図２Ａに示すように、金属管１２の一方の端部１２ａの径が、他方の端部１２ｂの径よりも大きく形成されたものである。すなわち、金属管１２の一方の端部１２側は、大径、他方の端部１２ｂ側は、小径とされている。金属管１２の小径は、ちょうどハニカム構造体１が嵌合する径とされている。金属管１２の大径は、ハニカム構造体１の外径よりも大きく形成されている。これにより、図２Ｂに示すように、ある金属管１２の一方の端部１２ａに、他の金属管１２の他方の端部１２ｂを挿入させて嵌合させることにより、金属管１２同士を接続することができる。

次に本発明の熱交換部材１０の製造方法を説明する。図２Ａは、ハニカム構造体１と金属管１２とを一体として金属嵌合ハニカム構造体１１を製造する工程を示す模式図である。まず、図２Ａに示すように、ＳｉＣを含む隔壁４により区画形成され、一方の端面２から他方の端面２まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセル３と、セル３の外周に配設された外周壁７と、を有し、第一の流体が各セル３内を、セル３外に漏洩・混合することなく流通するハニカム構造体１の外周面７ｈに、端部に他の金属管１２と接続可能な接続手段が設けられている金属管１２を嵌合させ、図１Ａ及び図１Ｂに示すような金属嵌合ハニカム構造体１１（熱交換部材１０）とする。

そして、図２Ｂに示すように、金属嵌合ハニカム構造体１１（熱交換部材１０）の金属管１２同士を接続手段にて接続することにより、ハニカム構造体１を直列に配置する。これにより、セル３を流通する第一の流体と、金属管１２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及び金属管１２を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させる熱交換部材１０を製造することができる。なお、金属嵌合ハニカム構造体１１は、複数をつなぎ合わせて熱交換部材１０として用いることもできるし、単体で熱交換部材１０として用いることもできる。

金属嵌合ハニカム構造体１１同士の接続、すなわち、金属管１２同士の接続を、金属管１２の圧入、機械締め、焼きばめなどのいずれかの機械締めで行うことができる。

また、金属嵌合ハニカム構造体１１同士の接続を、金属管１２の溶接、ろう接のいずれかの化学接合で行うことができる。

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四角形、またはその他の多角形の、角柱状であってもよい。

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。

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、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。

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。

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１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。

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／ｃｍ^３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。

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１２参照）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、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。

図３Ａ及び図３Ｂに、大径の部分（大径部１２ｆ）が小径部分（小径部１２ｇ）とほぼ同じ長さに形成された実施形態を示す。この場合、大径部１２ｆが長いために小径部１２ｇとの嵌合部が長くなり、より強固に金属管１２同士を接続させることができる。

図４に、金属管１２同士を接続手段にて接続することにより、ハニカム構造体１が直列に、かつ、ハニカム構造体１同士が隙間１７をあけて配置されている熱交換部材１０の実施形態を示す。ハニカム構造体１同士が隙間１７をあけて接続されていることにより、ハニカム構造体１同士に隙間がない場合に比べて、セル３内を流通する第一の流体の圧力損失を低減させることができる。

図５Ａ，図５Ｂ、及び図６Ａ，図６Ｂに、金属管１２に凸部１２ｍ及び凹部１２ｎが形成された実施形態を示す。図５Ａは、金属管１２に凸部１２ｍ及び凹部１２ｎが形成された実施形態を示す模式図である。また、図５Ｂは、凸部１２ｍ及び凹部１２ｎが形成された金属管１２によって接続された熱交換部材１０の実施形態を示す模式図である。さらに図６Ａは、図５ＡのＢ矢視図、図６Ｂは、図５ＡのＣ矢視図である。

図５Ａ，図５Ｂ、及び図６Ａ，図６Ｂに示す実施形態では、接続手段として、金属管１２の一方の端部１２ａの径が、他方の端部１２ｂの径よりも大きく形成されており、さらに、一方の端部１２ａに、径方向に内側に突出した凸部１２ｍが形成されている。さらに、凸部１２ｍが形成された端部と反対の端部に、径方向に凹んだ凹部１２ｎが形成されている。図６Ｂに示すように、凹部１２ｎは、溝部として形成されている。これにより、ある金属管１２の凸部１２ｍと他の金属管１２の凹部１２ｎとが嵌合することにより、金属管１２同士が接続することができる。

図７は、凹部１２ｎの他の実施形態を示す模式図である。図７では、有底の溝部として凹部１２ｎが形成されている。

図８Ａは、金属管１２に凸部１２ｍが形成された他の実施形態を示す模式図である。また、図８Ｂは、図８Ａに示す凸部１２ｍが形成された金属管１２によって接続された熱交換部材１０の他の実施形態を示す模式図である。小径部１２ｇの他方の端部１２ｂに、径方向に外側に突出した凸部１２ｍが形成されている。さらに、凸部１２ｍが形成された端部と反対側の大径部１２ｆの端部である、一方の端部１２ａに、径方向に凹んだ凹部１２ｎが形成されている。これにより、ある金属管１２の凸部１２ｍと他の金属管１２の凹部１２ｎとが嵌合することにより、金属管１２同士が接続することができる。

図９は、金属管１２に切欠き部１２ｐが形成された実施形態を示す模式図である。すなわち、接続手段として、それぞれの端部に軸方向に凹んだ切欠き部１２ｐが形成されている。また、切欠き部１２ｐ以外の残余の部分は、非切欠き部１２ｑとされている。ある金属管１２の切欠き部１２ｐに、他の金属管１２の切欠き部でない非切欠き部１２ｑが嵌合することにより、金属管１２同士を接続することができる。

図１０Ａに示すように、隣り合うハニカム構造体１のセル３の角度を互いにずらして接続することも好ましい（なお、図１０Ａでは、金属管１２は、簡略化して描かれている）。このようにすることにより、セル３を通過する流体の流路抵抗を増加させる効果が得られる。すなわち、隣り合う少なくとも一組が、略同一のセル構造を有しており、ハニカム構造体１の中心軸に対して回転してセル構造が互いにずれた配置とされていることも好ましい。これにより、流体との熱の授受を増加させることができる。また、隙間１７を形成する端面２間おいて、各セル３内を流通する第一の流体が相互に混合する。一方、第一の流体の入口側と出口側のハニカム構造体１の隔壁の厚さが異なるように構成することもできる。

また、図１０Ｂに示すように、隣り合うハニカム構造体１のセルのセル密度が互いに異なるようにして接続することも好ましい（なお、図１０Ｂでは、金属管１２は、簡略化して描かれている）。このようにすることにより、セル３を通過する流体の流路抵抗を増加させる効果が得られる。これにより、流体との熱の授受を増加させることができる。

次に、図１１に熱抵抗低減層１３を、ハニカム構造体１と金属管１２の間に備えている熱交換部材１０の実施形態を示す。熱抵抗低減層１３は、界面の接触熱抵抗を低減し、熱交換効率を向上させる。熱抵抗低減層１３の材質としては、アルミニウム、銅、鉛等の軟金属や、はんだ等の合金材料、あるいはグラファイトシート等の炭素系材料が望ましい。次に、この熱交換部材１０の製造方法を説明する。熱抵抗低減層１３として用いる、例えば、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、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。ハニカム構造体１に、グラファイトシートを挟んだ状態で金属管を焼きばめにより嵌合させ、金属管同士を圧入またはろう付けにより嵌合させてつなぎ合わせることにより製造することができる。

本発明の熱伝導部材１０は、ハニカム構造体１とその外周面に嵌合する金属管１２との間に、低ヤング率のグラファイトシートからなる熱抵抗低減層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。

図１２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１２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、金属管１２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、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。

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。

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。

図１３Ａに実施例の製造工程、図１３Ｂに比較例の製造工程を示す。従来の製造方法（比較例：図１３Ｂ）では、金属管の加工前に全体寸法の設計を決定しておく必要があり、焼きばめやろう付け前にハニカム構造体１の組み合わせの設計を決定しておく必要があった。一方、本発明の製造方法（実施例：図１３Ａ）では、金属管を加工し、ハニカム構造体１を焼きばめしてから金属嵌合ハニカム構造体１１をつなぎ合わせるため、全体寸法、ハニカム構造体１の組み合わせの設計を決定することが可能であった。すなわち、上記製造方法による熱交換部材１０は、構造が複雑でなく、製造コストを低減させることができるとともに、設計の自由度が増した。

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、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。

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：（ハニカム構造体の）外周面、８：セル構造部、１０：熱交換部材、１１：金属嵌合ハニカム構造体、１２：金属管、１２ａ：（金属管の一方の）端部、１２ｂ：（金属管の他方の）端部、１２ｆ：大径部、１２ｇ：小径部、１２ｈ：（金属管の）外周面、１２ｍ：凸部、１２ｎ：凹部、１２ｐ：切欠き部、１２ｑ：非切欠き部、１３：熱抵抗低減層、１７：隙間、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。

Claims (11)

1. ＳｉＣを含む隔壁により区画形成され、一方の端面から他方の端面まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセルを有するセル構造部と、前記セル構造部の外周に配設された外周壁と、を有し、前記第一の流体が各セル内を、前記セル外に漏洩・混合することなく流通するハニカム構造体と、
   前記ハニカム構造体の外周面に嵌合した金属管と、を含む金属嵌合ハニカム構造体であり、
   前記金属管は、少なくとも一方の端部に、他の前記金属管と接続可能な接続手段が設けられており、
   前記セルを流通する第一の流体と、前記金属管の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、前記ハニカム構造体の前記外周壁及び前記金属管を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させる熱交換部材。
2. 前記金属管同士を前記接続手段にて接続することにより、前記ハニカム構造体が直列に、かつ、前記ハニカム構造体同士が隙間をあけて配置される請求項１に記載の熱交換部材。
3. 前記接続手段は、前記金属管の一方の前記端部の径が、他方の前記端部の径よりも大きく形成され、一方の前記端部に、他の前記金属管の他方の前記端部を挿入させて嵌合させることにより、接続するものである請求項１または２に記載の熱交換部材。
4. 前記接続手段は、前記金属管の一方の前記端部の径が、他方の前記端部の径よりも大きく形成され、
   いずれかの前記端部に、径方向に突出した凸部が形成され、
   前記凸部が形成された前記端部と反対の前記端部に、径方向に凹んだ凹部が形成され、
   前記凸部と他の前記金属管の前記凹部とが嵌合することにより、接続するものである請求項１または２に記載の熱交換部材。
5. 前記接続手段は、それぞれの前記端部に軸方向に凹んだ切欠き部が形成され、
   前記切欠き部に、他の前記金属管の前記切欠き部でない非切欠き部が嵌合することにより、接続するものである請求項１または２に記載の熱交換部材。
6. 軟金属、合金材料、及び炭素系材料のいずれかからなる熱抵抗低減層を、前記ハニカム構造体と前記金属管の間に備えている請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換部材。
7. ＳｉＣを含む隔壁により区画形成され、一方の端面から他方の端面まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセルを有するセル構造部と、前記セル構造部の外周に配設された外周壁と、を有し、前記第一の流体が各セル内を、前記セル外に漏洩・混合することなく流通するハニカム構造体の外周面に、端部に他の金属管と接続可能な接続手段が設けられている金属管を嵌合させて金属嵌合ハニカム構造体とし、
   前記金属嵌合ハニカム構造体の前記金属管同士を前記接続手段にて接続することにより、前記ハニカム構造体を直列に配置し、
   前記セルを流通する第一の流体と、前記金属管の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、前記ハニカム構造体の前記外周壁及び前記金属管を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させる熱交換部材を製造する熱交換部材の製造方法。
8. 前記金属管同士を前記接続手段にて接続することにより、前記ハニカム構造体を直列に、かつ、前記ハニカム構造体同士を隙間をあけて配置させる請求項７に記載の熱交換部材の製造方法。
9. 隣り合う前記ハニカム構造体の前記セルの角度を互いにずらして接続する請求項７または８に記載の熱交換部材の製造方法。
10. 前記金属嵌合ハニカム構造体同士の接続を、前記金属管の圧入、機械締め、焼きばめのいずれかの機械締めで行う請求項７〜９のいずれか１項に記載の熱交換部材の製造方法。
11. 前記金属嵌合ハニカム構造体同士の接続を、前記金属管の溶接、ろう接のいずれかの化学接合で行う請求項７〜９のいずれか１項に記載の熱交換部材の製造方法。

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