JP2015140960A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ハニカム構造体に新しい機能を付与し、新しい流体の流れを扱うことのできるハニカム構造体からなる熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器は、第１端面１１と第２端面１２と第１側壁２１と第２側壁２２とを有するセラミック製のハニカム構造体１０００からなる。ハニカム構造体１０００は内壁５０によって仕切られ第１端面１１から第２端面１２に延びる両端が封止部７０によって封孔された第１の流路６１と、両端が開放した第２の流路６２と、を有する。第１の流路６１および第１側壁２１または第２側壁２２に形成された接続孔３０は第１の空間４１を形成し、第２の流路６２は第２の空間４２を形成する。このため、ハニカム構造体１０００を横切る方向に流体の流れをつくることができ、効率良く熱交換することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、セラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器に関する。

ハニカム構造体は、内部が内壁によって仕切られた多数の流路で構成されている。ハニカム構造体の流路を流体が通過する際に、内壁を介して熱、物質などを移動させることができるので、熱交換器として広く利用されている。

中でもセラミック製のハニカム構造体は、耐熱性、化学的安定性に優れるので、高い温度、腐食性環境下で使用される熱交換器に用いられている。
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エレメントを備えた高温用熱交換器であって、前記エレメントは長手方向に延びた複数のセルを有するハニカム構造体であることを特徴とした高温用熱交換器が記載されている。このようなハニカム構造体を用いた熱交換器によれば強度に優れると共に、温度の異なる流体間での熱量の交換を効率良く行わせることができることが記載されている。

特開平６−３４５５５５号公報

セラミックがハニカム構造体に用いられるのは、材料を構成する原子が共有結合で強く結合し、高強度、耐熱性、耐腐食性を有しているからである。一方、このような共有結合の特長によって、セラミック材料は、硬く、脆い材料となる。
このため、セラミック製のハニカム構造体は、押出成形など単純な成形方法によって製造され、一方向に流路が並んだ単純な形状である。このような形状であるため、ハニカム構造体を適用する部品は一方向に並んだ流路を前提に設計され、ハニカム構造体を用いた熱交換器の設計の自由度は小さい。

本発明では、このような従来のセラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器の適用範囲を超え、ハニカム構造体に新しい機能を付与し、新しい流体の流れを扱うことのできるハニカム構造体を用いた熱交換器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の熱交換器は、少なくとも第１端面と第２端面と第１側壁と第２側壁とを有するセラミック製のハニカム構造体からなる熱交換器であって、前記ハニカム構造体は内壁によって仕切られ前記第１端面から前記第２端面に延びる両端が封止部によって封孔された第１の流路と、両端が開放した第２の流路と、を有し、前記第１の流路および前記第２の流路は、それぞれ前記第１側壁から前記第２側壁に向かって並ぶ列であるととともに、交互に配置される列となって構成される熱交換器において、前記ハニカム構造体は、前記第１の流路と、前記第１側壁または前記第２側壁に形成された第１の開口から前記内壁に形成された第２の開口に延びるとともに前記第１の流路の両端に配置される一対の接続孔と、からなる第１の空間と、前記第１の流路と前記内壁で隔離された前記第２の流路とからなる第２の空間と、を有し、前記第１の流路の流路断面積は前記第２の流路の流路断面積と異なる。

本発明のハニカム構造体からなる熱交換器によれば、従来の一方向に流路の延びたハニカム構造体とは異なり、ハニカム構造体を横切る方向に流体の流れをつくることができる。また、このようなハニカム構造体は、第１の開口および第１の開口の内側に第２の開口が形成されているので、最外周に位置する第１の流路のみならず、内側の第１の流路にも流体の流れをつくることができる。また、第２の開口は第１の開口に対向する位置に形成されているので、第２の開口の内側の第１の流路との流体の移動を最短距離で行うことができ、効率良く流体が流れることができる熱交換器を提供することができる。

また、本発明の熱交換器は、セラミックからなるので、耐熱性、耐蝕性を備え、高強度であるので、高温環境下あるいは腐食性環境下など過酷な環境下でも流体を扱うことができる。
さらに、本発明の熱交換器は、第１の空間が、第１端面および第２端面にそれぞれ封止部を有することによって、第１の空間に第１端面および第２端面側からの流体の侵入を防止することができる。さらに第１の空間は、第２の空間と内壁によって隔てられるため、第１の空間を流れる流体（第１の流体）と第２の空間を流れる流体（第２の流体）とが直接接することない。このため、内壁に伝熱、濾過などの機能を保有させることができる。
本発明の熱交換器は、第１の空間の流路の両端に一対の接続孔を有することにより、一対の接続孔が、第１の空間を流れる流体の入口と出口となることができる。第１の空間に一対の接続孔により入口と出口を設けることによって、第１の空間を流れる流体（第１の流体）を連続的に使用することができる。

また、第１の空間に一対の接続孔を有することにより、内壁を通過する熱量を大きくする効果もある。第１の空間と第２の空間を隔てる内壁を通過する熱量は、第１の空間と第２の空間の温度差に比例する。第１の空間を流れる流体に入口から入り出口への流れを形成することにより、常に新しい第１の流体を供給し、内壁に温度差が生じさせ移動する熱量を大きくすることができる。
本発明の熱交換器は、第１の空間および第２の空間が前記第１側壁または前記第２側壁が交互に面していることにより、ハニカム構造体の流路を横切る方向への流れを交互の流路に配置することができる。このため、第２の流路に沿って流れる流体（第２の流体）と、流路を横切る方向に流れる第１の流体（第１の流体）を隔てる内壁の面積を大きくとることができる。

また、第1の流路の流路断面積と、第２の流路の流路断面積とが異なるので第１の空間を流れる流体と、第２の空間を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異っても熱量の過不足が生じないよう容易に調整することができ、それぞれの流路間で内壁を通して効率良く熱交換することができる。

さらに、本発明のハニカム構造体は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積と異なる。
第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積と異なるので、第１の空間を流れる流体と、第２の流体を流れる時間当たりに通過する熱容量が異なってもそれを容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。
（２）前記第１の流路の流路断面積は前記第２の流路の流路断面積より小さい。
第１の流路からは、接続孔を通して側壁側に引き出されるのに対し、第２流路は、第１端面から第２端面に向かうまっすぐな流路であるので、流路の屈曲による圧力損失がなく、熱容量の小さな流体を多く流すように適用することが適している。このため第１の流路の流路断面積は第２の流路の流路断面積より小さいように配置することにより時間当たりに通過する熱容量を容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。
（３）前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積より小さい。
第１の空間は、接続孔を通して側壁側に引き出されるのに対し、第２の空間は、第１端面から第２端面に向かうまっすぐな流路であるので、流路の屈曲による圧力損失がなく、多くの流体を流す必要のある熱容量の小さな流体を流すように適用することが適している。このため第１総断面積は第２総断面積より小さいように配置することにより時間当たりに通過する熱容量を容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。

（４）前記接続孔は５層以上の第２の開口が積み重なっている。
本発明の熱交換器は、５層以上の第２の開口を積み重ねることによって第１の側壁側から数えて６個目の流路に第１の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第１の空間と第２の空間を隔てる内壁の面積を大きくすることができる。

（５）前記接続孔は、１０層以上の第２の開口が積み重なっている。
本発明の熱交換器は、１０層以上の第２の開口を積み重ねることによって第１の側壁側から数えて１１個目の流路に第１の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第１の空間と第２の空間を隔てる内壁の面積をさらに大きくすることができる。

（６）前記セラミックは、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなる。
本発明の熱交換器は、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることにより、耐熱性、耐食性を備え、高強度な熱交換器を提供することができる。

本発明によれば、熱交換器を構成するハニカム構造体の内壁によって形成される流路のみならず、流路を横切る方向に流体の流れを引き出すことができるので、従来のセラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器にない新しい機能を付与することができる。また、第1の流路の流路断面積と、第２の流路の流路断面積とが異なるので第１の空間を流れる流体と、第２の空間を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異っても熱量の過不足が生じないよう容易に調整することができ、それぞれの流路間で内壁を通して効率良く熱交換することができる。

本発明に係る第１実施形態の熱交換器の斜視図であり、（ａ）は上方から見た斜視図、（ｂ）は下方から見た斜視図である。 本発明に係る第１実施形態の熱交換器の断面図であり、（ａ）は図１（ａ）および（ｂ）中Ａ−Ａ断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。 本発明に係る第１実施形態の熱交換器の図１（ａ）中Ｃ−Ｃ断面図である。 図２および図３の断面図の切断位置および切断方向を詳しく示す説明図であり、（ａ）は第１端面、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明に係る熱交換器の接続孔の製造方法の一例を示す説明図である。 本発明に係る熱交換器の接続孔の製造方法の別の例を示す説明図である 本発明に係る熱交換器の接続孔をレーザー光によって製造する方法の一例を示す説明図であり、（ａ）は流路内に曲面を有する光透過性のある棒が挿入されている場合、（ｂ）は流路内に失透ガラスが挿入されている場合、（ｃ）は流路内に水が入れられている場合である。 本発明に係るハニカム構造体よりなる熱交換器の接続孔を水流（ウォータージェット）によって導かれたレーザー光によって製造する方法の一例を示す説明図であり、（ａ）は流路内に曲面を有する光透過性のある棒が挿入されている場合、（ｂ）は流路内に失透ガラスが挿入されている場合、（ｃ）は流路内に水が入れられている場合である。 （ａ）は本発明に係る実施例のハニカム構造体よりなる熱交換器の外観写真であり、（ｂ）はその説明図である。 本発明に係る第２実施形態の熱交換器の斜視図である。 本発明に係る第２実施形態の熱交換器の断面図であり、（ａ）は図１０中Ｄ−Ｄ断面図、（ｂ）はＥ−Ｅ断面図である。

本明細書において、ハニカム構造体の断面は、流路に沿って接続孔の深さ方向に切断された断面を示す。例えば、図３に図１の断面図である図２の切断位置が詳しく記載されている。

本明細書において、流路断面積とは、流路に垂直な断面において、内壁または側壁と空間との境界線の内面積を示す。
本発明の熱交換器は、少なくとも第１端面と第２端面と第１側壁と第２側壁とを有するセラミック製のハニカム構造体からなる熱交換器であって、前記ハニカム構造体は内壁によって仕切られ前記第１端面から前記第２端面に延びる両端が封止部によって封孔された第１の流路と、両端が開放した第２の流路と、を有し、前記第１の流路および前記第２の流路は、それぞれ前記第１側壁から前記第２側壁に向かって並ぶ列であるととともに、交互に配置される列となって構成される熱交換器において、前記ハニカム構造体は、前記第１の流路と、前記第１側壁または前記第２側壁に形成された第１の開口から前記内壁に形成された第２の開口に延びるとともに前記第１の流路の両端に配置される一対の接続孔と、からなる第１の空間と、前記第１の流路と前記内壁で隔離された前記第２の流路からなる第２の空間と、を有し、前記第１の流路の流路断面積は前記第２の流路の流路断面積と異なる。

本発明のハニカム構造体からなる熱交換器によれば、従来の一方向に流路の延びたハニカム構造体とは異なり、ハニカム構造体を横切る方向に流体の流れをつくることができる。また、このようなハニカム構造体は、第１の開口および第１の開口の内側に第２の開口が形成されているので、最外周に位置する第１の流路のみならず、内側の第１の流路にも流体の流れをつくることができる。また、第２の開口は第１の開口に対向する位置に形成されているので、第２の開口の内側の第１の流路との流体の移動を最短距離で行うことができ、効率良く流体が流れることができる熱交換器を提供することができる。

また、本発明の熱交換器は、セラミックからなるので、耐熱性、耐蝕性を備え、高強度であるので、高温環境下あるいは腐食性環境下など過酷な環境下でも流体を扱うことができる。
さらに、本発明の熱交換器は、第１の空間が、第１端面および第２端面にそれぞれ封止部を有することによって、第１の空間に第１端面および第２端面側からの流体の侵入を防止することができる。さらに第１の空間は、第２の空間と内壁によって隔てられるため、第１の空間を流れる流体（第１の流体）と第２の空間を流れる流体（第２の流体）とが直接接することない。このため、内壁に伝熱、濾過などの機能を保有させることができる。
本発明の熱交換器は、第１の空間の流路の両端に一対の接続孔を有することにより、一対の接続孔が、第１の空間を流れる流体の入口と出口となることができる。第１の空間に一対の接続孔により入口と出口を設けることによって、第１の空間を流れる流体（第１の流体）を連続的に使用することができる。

また、第１の空間に一対の接続孔を有することにより、内壁を通過する熱量を大きくする効果もある。第１の空間と第２の空間を隔てる内壁を通過する熱量は、第１の空間と第２の空間の温度差に比例する。第１の空間を流れる流体に入口から入り出口への流れを形成することにより、常に新しい第１の流体を供給し、内壁に温度差が生じさせ移動する熱量を大きくすることができるので効率良く熱移動または物質移動のできる熱交換器を提供することができる。
本発明の熱交換器は、第１の空間および第２の空間が前記第１側壁または前記第２側壁が交互に面していることにより、ハニカム構造体の流路を横切る方向への流れを交互の流路に配置することができる。このため、第２の流路に沿って流れる流体（第２の流体）と、流路を横切る方向に流れる第１の流体（第１の流体）を隔てる内壁の面積を大きくとることができる。

また、第1の流路の流路断面積と、第２の流路の流路断面積とが異なるので第１の空間を流れる流体と、第２の空間を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異ってもそれを容易に合わせることができるので熱量の過不足が生じないよう容易に調整することができ、それぞれの流路間で内壁を通して効率良く熱交換することができる。

本発明の熱交換器は、接続孔を第１側壁および第２側壁にそれぞれ有することが好ましい。接続孔を第１側壁および第２側壁にそれぞれ有することにより、入口と出口を結ぶ第１の流体の流れる距離が、どの第１の流路を通っても同等にすることができる。このため、内壁全体に第１の流体を行き渡らせることができる。

本発明の熱交換器は、前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積が前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積と異なることが好ましい。
第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積と異なるので、第１の空間を流れる流体と、第２の流体を流れる時間当たりに通過する熱容量が異なってもそれを容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。

本発明の熱交換器は、前記第１の流路の流路断面積が前記第２の流路の流路断面積より小さいことが好ましい。
第１の流路からは、接続孔を通して側壁側に引き出されるのに対し、第２流路は、第１端面から第２端面に向かうまっすぐな流路であるので、流路の屈曲による圧力損失がなく、熱容量の小さな流体を多く流すように適用することが適している。このため第１の流路の流路断面積は第２の流路の流路断面積より小さいように配置することにより時間当たりに通過する熱容量を容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。

本発明の熱交換器は、前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積が前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積より小さいことが好ましい。
第１の空間は、接続孔を通して側壁側に引き出されるのに対し、第２の空間は、第１端面から第２端面に向かうまっすぐな流路であるので、流路の屈曲による圧力損失がなく、多くの流体を流す必要のある熱容量の小さな流体を流すように適用することが適している。このため第１総断面積は第２総断面積より小さいように配置することにより時間当たりに通過する熱容量を容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。

本発明の熱交換器は、前記接続孔が５層以上の第２の開口が積み重なっていることが好ましい。
本発明の熱交換器は、５層以上の第２の開口を積み重ねることによって第１の側壁側から数えて６個目の流路に第１の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第１の空間と第２の空間を隔てる内壁の面積を大きくすることができる。

本発明の前記接続孔は、１０層以上の第２の開口が積み重なっていることが好ましい。
本発明の熱交換器は、１０層以上の第２の開口を積み重ねることによって第１の側壁側から数えて１１個目の流路に第１の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第１の空間と第２の空間を隔てる内壁の面積をさらに大きくすることができる。

本発明の熱交換器は、前記セラミックは、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることが好ましい。
本発明の熱交換器は、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることにより、耐熱性、耐食性を備え、高強度な熱交換器を提供することができる。

本発明の熱交換器は、ハニカム状のセラミックの第１側壁または第２側壁に接続孔を形成することにより得ることができる。第１および第２の開口を形成することにより得ることができる。ハニカム状のセラミックに第１側壁または第２側壁にレーザー加工によって接続孔を形成することができる。レーザー加工に用いるレーザー加工機は特に限定されない。広く使用される高出力のレーザー光を用いることによってハニカム状のセラミックを加工することができる。レーザー加工機のレーザー光の波長、出力は、ハニカム状のセラミックに応じて適宜選択することができる。
また、近年利用されるようになったウォータージェットの水流を併用したレーザー加工機を利用するとより効率良く加工することができる。ウォータージェットの水流を併用したレーザー加工法は、ウォータージェットの水流中にレーザー光を導き、全反射させながら加工点に導くことができ、レーザー光が拡散することなく、細い水流中を通過するので、焦点の深度が深く、レーザー光だけの加工機よりも高い加工性能を有している。

本発明の熱交換器は、高い加工性能のウォータージェットの水流を併用したレーザー加工機を用いて、接続孔の底を貫通させることなく加工することによって得ることができる。
接続孔の底を残して加工するには、レーザー光を所定の箇所で散乱させ、光エネルギーを分散させることにより実現できる。所定の箇所に光拡散媒体を挿入することによりそれより下側ではレーザー光が弱められ、加工することができない。光拡散媒体は光を分散させることができれば特に限定されない。例えば、ガラス棒などの曲面を有する光透過性のある棒、失透ガラス、気泡を内部に有するガラス、水などが利用できる。光透過性のある物質は、レーザー光で加熱されることがない上に、曲面で光が散乱されるので、レーザー光の加工の能力を低下させることができ、貫通させることなく接続孔の底を残して加工することができる。

また、失透ガラスは、表面が曲面でなくても内部が相分離しているので、光が散乱しやすく、レーザー光の加工の能力を低下させることができ、貫通させることなく底を形成することができる。また、水を所定の箇所に充填することにより接続孔の底を残して加工することができる。水を充填すると、ウォータージェットの水流との混合および加工により加熱された水の沸騰により、大量の気泡を発生させる。このため、充填された水の中でレーザー光が急速に減衰し、接続孔の底を残して加工することができる。なお、水を充填していない場合でも、レーザー光とともに水流によって水が供給されるが、水流に用いられる水は量が少なくレーザー光がセラミックを加工する箇所（加工点）近傍で速やか飛散するので、レーザー光を弱めるほど区間に気泡を形成することができない。

本発明の熱交換器は、様々な接続孔の変形例があるが、形状に応じてレーザー光を、傾斜させたり、走査することにより加工することができる。

また、レーザー光を走査しながら加工する際に、それぞれの流路に挿入する光拡散媒体の長さを適宜変更することにより目的の形状の接続孔を形成することもできる。
本発明の熱交換器の封止部はどのように形成してもよく特に限定されない。例えば内壁を構成する材料と同じセラミック材料からなる栓を挿入してもよい。例えば、ハニカム構造体が炭化珪素、窒化珪素、シリコン含浸した炭化珪素からなる場合は、シリコンの粉末を接着材として栓に塗布したのち、焼成しても良い。シリコンが溶融し、接着材として機能する。
また、例えば、無機バインダと有機バインダと無機粒子の混合したペーストを注入し、焼成することによって得ることもできる。無機バインダは、アルミナゾル、シリカゾルなどが利用でき、有機バインダは、ポリビニールアルコール、フェノール樹脂などが利用でき、無機粒子は炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニアなどが利用できる。

次に、本発明の第１実施形態について、説明する。第１実施形態は、以下の構成の熱交換器である。
＜第１実施形態＞
第１側壁における第１端面および第２端面の一方の端面側および第２側壁における他方の端面側に第１の開口および第２の開口からなる接続孔を各々設ける。第１の開口は、封止部から長手方向内側に向かってスリット状に設けられた長方形の開口である。そして、第１の開口は第２の開口よりも長く、複数の第２の開口が第１の開口に向かって順に長くなるように接続孔を設ける。このとき、接続孔の底は、第１側壁又は第２側壁まで達している。

第１実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
図１（ａ）は本発明に係る第１実施形態の熱交換器を上方（第１側壁側）から見た斜視図であり、（ｂ）は下方（第２側壁側）から見た斜視図である。図２（ａ）は図１（ａ）および（ｂ）におけるＡ−Ａ位置の断面図であり、図２（ｂ）は図１（ａ）および（ｂ）におけるＢ−Ｂ位置の断面図である。図３は本発明に係る第１実施形態の熱交換器の図１（ａ）中Ｃ−Ｃ断面図である。図４は図２および図３の断面図の切断位置および切断方向を詳しく示す説明図であり、（ａ）は第１端面、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、第１側壁２１における第１端面１１および第２端面１２の一方の端面側、および第２側壁２２における他方の端面側に第１の開口３１を各々設ける。
ここでは、第１側壁２１における第１端面１１側端部に、接続孔３０の第１の開口３１を設けるとともに、第２側壁２２における第２端面１２側端部にも接続孔３０の第１の開口３１を設ける。

図３に示すように、熱交換器（１０００）には、例えば、８列×８行の６４の流路６０が設けられており、第１端面１１における図１中左側から１列目、３列目、５列目および７列目には、封止部７０が設けられている（図１（ａ）参照）。第２端面１１においても同様に、１列目、３列目、５列目および７列目に、封止部７０が設けられている。
なお、封止部７０が設けられている列においては、流路６０として第１の流路６１が設けられており（図２（ａ）参照）、封止部７０が設けられていない列においては、流路６０として第２の流路６２が設けられている。

図２（ａ）に示すように、第１側壁２１および第２側壁２２に設けられている接続孔３０は、封止部７０が設けられている列に位置する。
第１の開口３１は、封止部７０から長手方向内側にスリット状に設けられた長方形の開口である。そして、第１の開口３１の内側には、複数の第２の開口３２が設けられている。ここでは、第１の開口３１と第２の開口３２は同じ長さのものを例示しているが、第２の開口３２を第１の開口３１に向かって順に長くなるように設けることも可能である。なお、接続孔３０の底は、第１側壁２１又は第２側壁２２まで達している。

従って、第１端面１１側の接続孔３０と、第１側壁２１および第２側壁２２と平行な第１の流路６１と、第２端面１２側の接続孔３０とにより、クランク形状の第１の空間４１が形成される。
これにより、流体は第１の空間４１を通って、第１側壁２１および第２側壁２２と直交する方向へ、クランク状に流れる。

なお、図２（ｂ）に示すように、接続孔３０が設けられていない断面では、流路６０として複数の第２の流路６２が設けられており、第２の流路６２により、第２の空間４２が形成される。
第２の空間４２では、第２の流路６２は、第１の端面１１および第２の端面１２において開口しており、第２の空間４２を流れる流体は、第２の流路６２を通って第１側壁２１および第２側壁２２と平行に直線状に流れる。

また、図３に示すように、第１の流路６１の幅Ｗ１は、第２の流路６２の幅Ｗ２より小さい。第１の流路６１と第２の流路６２の高さは同じである。このように構成することにより、第１の流路６１の流路断面積は、第２の流路６２の流路断面積より小さくなる。また、第１の流路６１の数は、４×８個、第２の流路６２の数は、４×８個であり同一である。
このため、第１の流路６１の流路断面積の総和である第１総断面積は第２の流路６２の流路断面積の総和である第２総断面積より小さくなる。

次に、第１の空間４１を形成する方法について説明する。なお、第１側壁２１の接続孔３０と第２側壁２２の接続孔３０は、同様にして形成することができるので、以下の説明においては、第１側壁２１の接続孔３０を設ける場合について説明する。
接続孔３０の形成には、図５あるいは図６の形成方法を用いることができる。すなわち、図５に示すように光拡散媒体９０を第１の流路６１に挿入し、レーザー光８０を用いて加工する。ここでは、第２の開口３２を第２側壁２２まで設けるので、光拡散媒体９０を第２側壁２２の内面側の第１の流路６１に挿入する。
そして、レーザー光８０を照射しながらレーザー源８５を平行移動することにより、接続孔３０を形成する。

なお、例えば三角形状の接続孔３０を形成する際には、図６に示すように、光拡散媒体９０の挿入する長さを第１側壁２１に近づくに従って短くしてレーザー光８０を照射することにより、形成することができる。
あるいは、図示はしないが、レーザー光８０を適宜傾斜させながら走査することにより、三角柱形状の接続孔３０を得ることができる。

光拡散媒体９０を用いてレーザー光８０を遮断することにより、接続孔３０を形成する方法として、以下のものが適用できる。
図７（ａ）および図８（ａ）は、光拡散媒体９０としてガラス棒９１を用いた場合であり、ガラスの凸面によるレーザー光８０の拡散によってレーザー光８０を遮断するものである。
また、図７（ｂ）および図８（ｂ）は、光拡散媒体９０として失透ガラス９２を用いた説明図であり、ガラス内部の乱反射によってレーザー光８０を拡散させレーザー光８０を遮断するものである。
さらに、図７（ｃ）および図８（ｃ）は、光拡散媒体９０として水９３を用いた説明図であり、加工による熱および水の乱流によって発生した気泡の乱反射によってレーザー光８０を拡散させレーザー光８０を遮断するものである。

以上、説明した本実施形態のハニカム構造体（熱交換器）１０００によれば、第１の空間４１をクランク状に形成することにより、流路６０を横切る方向に流体の流れを引き出すことができる。
これにより、従来のセラミック製のハニカム構造体からなる熱交換器にない新しい機能を付与することができる。また、接続孔３０は流体の停滞する部分ができにくい形状であるので、効率良く熱交換することができる。
また、第1の流路６１の流路断面積と、第２の流路６２の流路断面積とが異なるので、第１の空間６１を流れる流体と、第２の空間６２を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異なってもそれぞれの流路間で内壁５０を通して効率良く熱交換することができる。

本実施例では、実際に多孔質の炭化珪素からなるハニカム状のセラミックに接続孔３０を形成し、本発明に係るハニカム構造体（熱交換器）１０００を製造した結果について、図９を用いて説明する。
２４×２４個、計５７６個の正方形の流路６０を有し、３４ｍｍ×３４ｍｍ×１３０ｍｍの炭化珪素からなるハニカム状のセラミックを用いて、本発明に係るハニカム構造体１０００（熱交換器）を製作した。
なお、長手方向の端面は、流路６０（第２の流路６２）の開口を有し、第１端面１１および第２端面１２である。第１端面１１および第２端面１２以外の４つの面は側壁であり、そのうち接続孔３０を形成する面が第１側壁２１と第２側壁２２となる。内壁５０の厚さは０．２５ｍｍ、第１側壁２１および第２側壁２２の厚さは、０．３ｍｍである。第１の流路の断面は１．１４×１．００ｍｍの長方形、第１の流路の断面は１．１４×１．２８ｍｍの長方形であり、第１の流路の方が、流路断面積が小さい。

図９に示すように、このハニカム状のセラミックに接続孔３０を形成した。第１側壁２１に面する２４本の流路６０のうち、交互となるよう１２本の流路６０に第１の開口３１を形成し、さらに第２の開口３２を形成することにより、１２個の接続孔３０を形成した。接続孔３０の底は、第２側壁２２であり、全ての内壁５０には第２の開口３２が形成されている。第１の開口３１および第２の開口３２と第１端面１１との距離は１０ｍｍ、第１の開口３１は第１端面１１から４０ｍｍの位置まで延びている。第２の開口３２は第１の開口３１に向かって順に長くなり、接続孔３０の断面は、台形である。また、第１の開口３１の幅は、０．６ｍｍである。

詳しい加工方法は以下に説明する。接続孔３０を形成する際、第２側壁２２に面する流路６０には、流路６０よりも長い円形のガラス棒９１を挿入し、その他の流路６０には、台形の流域以外の部分まで円形のガラス棒９１を挿入した。
次に第１側壁２１に面する流路６０に沿って牧野フライス社製ＭＣＳ３００型レーザー加工機を用いて加工した。レーザーの波長は５３２ｎｍ、出力８０Ｗ、水流８２のノズル径はφ８０μｍ、走査速度は３００ｍｍ／ｍｉｎで加工した。

このように加工して得られたハニカム構造体１０００（熱交換器）を接続孔３０に沿って切断し、接続孔３０を確認した。接続孔３０の断面は台形であり、内壁５０は全て貫通し、第１の開口３１が長さ３０ｍｍ、最下層の第２の開口３２が長さ１５ｍｍであった。
このように水流８２を用いたレーザー加工機で接続孔３０を形成できることが確認でできた。ハニカム構造体１０００（熱交換器）に接続孔３０を形成する方法は水流８２を用いたレーザー光に限定されず、時間をかけ、高出力のレーザー加工機であれば、水流８２を併用することなく加工することができる。
また、接続孔３０の大きさ、配置、数は適宜選択することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について、説明する。なお、前述した第１実施形態に係る熱交換器（１０００）と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図１０は本発明に係る第２実施形態の熱交換器の斜視図である。図１１は本発明に係る第２実施形態の熱交換器の断面図であり、（ａ）は図１０中Ｄ−Ｄ断面図、（ｂ）はＥ−Ｅ断面図である。

図１０に示すように、第２実施形態の熱交換器（１０００）では、第１側壁２１における第１端面１１側端部および第２端面１２側端部に接続孔３０を設けた。
図１１（ａ）に示すように、両接続孔３０の底は第２側壁２２となっており、第２側壁２２を貫通していない。また、両接続孔３０は第１の流路６１により接続されており、第１の空間４１が形成されている。
一方、図１１（ｂ）に示すように、封止部７０が設けられていない列では、前述した第１実施形態と同様に、開口している第１端面１１および第２端面１２を連結する第２の流路６２により、第２の空間４２が形成されている。第１の空間４１および第２の空間４２は、隔離されている。

従って、図１１（ａ）に示すように、一方の接続孔３０から入った流体は、第１の流路６１を通って他方の接続孔３０に流れて、流出する。このため、流体は、第１側壁２１および第２側壁２２と直交する方向に、Ｕ字形状に流れる。
これにより、従来のセラミック製のハニカム構造体からなる熱交換器にない新しい機能を付与することができる。また、接続孔３０は流体の停滞する部分ができにくい形状であるので、効率良く熱交換することができる。

また、第１実施形態の場合と同様に、第１の流路６１の流路断面積は、第２の流路６２の流路断面積より小さくなっており（図３参照）、第１の流路６１の流路断面積の総和である第１総断面積は第２の流路６２の流路断面積の総和である第２総断面積より小さくなっている。
これにより、第１の空間６１を流れる流体と、第２の空間６２を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異なってもそれぞれの流路間で内壁５０を通して効率良く熱交換することができる。

本発明の熱交換器は、内燃機関、燃焼炉などの熱交換器として利用することができる。

１１ 第１端面
１２ 第２端面
２１ 第１側壁
２２ 第２側壁
３０ 接続孔
３１ 第１の開口
３２ 第２の開口
６１ 第１の流路
６２ 第２の流路
５０ 内壁
６０ 流路
７０ 封止部
８０ レーザー光
８２ 水流（ウォータジェット）
８５ レーザー源
９０ 光拡散媒体
９１ ガラス棒
９２ 失透ガラス
９３ 水
１０００ ハニカム構造体（熱交換器）

Claims (7)

1. 少なくとも第１端面と第２端面と第１側壁と第２側壁とを有するセラミック製のハニカム構造体からなる熱交換器であって、前記ハニカム構造体は内壁によって仕切られ前記第１端面から前記第２端面に延びる両端が封止部によって封孔された第１の流路と、両端が開放した第２の流路と、を有し、前記第１の流路および前記第２の流路は、それぞれ前記第１側壁から前記第２側壁に向かって並ぶ列であるととともに、交互に配置される列となって構成される熱交換器において、
   前記ハニカム構造体は、
   前記第１の流路と、前記第１側壁または前記第２側壁に形成された第１の開口から前記内壁に形成された第２の開口に延びるとともに前記第１の流路の両端に配置される一対の接続孔と、からなる第１の空間と、
   前記第１の流路と前記内壁で隔離された前記第２の流路とからなる第２の空間と、
   を有し、
   前記第１の流路の流路断面積は前記第２の流路の流路断面積と異なることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積と異なることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１の流路の流路断面積は前記第２の流路の流路断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積より小さいことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記接続孔は、５層以上の前記第２の開口が積み重なっていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記接続孔は、１０層以上の前記第２の開口が積み重なっていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記セラミックは、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器。