JP2019052849A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換する流体の温度を制御可能な熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器３０は、ハニカム構造体１と、ハニカム構造体１の外周側に、第二の流体の流路となる第二流体流通部２６と、第二流体流通部２６の外周側に、第三の流体の流路となる第三流体流通部２７と、ハニカム構造体１の外周側にハニカム構造体１を被覆する被覆部材１１と、を備える。第二流体流通部２６を構成する内ケーシング３２の外周壁の一部が、内周側の対向する面に接触して接触部４０が形成され、内ケーシング３２は、軸方向において被覆部材１１の端部から軸方向外側に延出している。熱交換器３０は、第一の流体、第二の流体、及び第三の流体が互いに混合することなく、熱交換することができる。流体流路を３流路で構成することにより、熱交換する二流体の温度を残余の流体により制御することができる。【選択図】図７Ａ

Description

本発明は、複数の流体間で熱交換するための熱交換器に関する。

自動車の燃費改善が求められている中で、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、冷却水やエンジンオイル、ＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルード）等を早期に暖めて、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。加えて、エンジン暖機後などのエンジンが加温している時の冷却水やエンジンオイル、ＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルード）等の、ラジエターの冷却性能の限界を超えた過昇温を防ぐため、温度制御できる技術が期待されている。

例えば、セラミック材料で形成されたハニカム構造体を用いて熱交換を行う技術がある（特許文献１参照）。この場合、ハニカム構造体の内部に第一の流体を流通させ、外部に第二の流体を流通させることにより、熱交換を行う。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。

国際公開第２０１１／０７１１６１号

第一の流体と第二の流体との二流体の熱交換の場合、高温の流体から低温の流体へ熱が伝えられるため、一方の流体の温度に他方の流体の温度が支配され、所望の温度とすることが難しいことがあった。

本発明の課題は、熱交換する流体の温度を制御可能な熱交換器を提供することにある。

熱交換器を、第一の流体、第二の流体、及び第三の流体の三流体を流通させる構造とすることにより、上記課題を解決しうることを見出した。本発明によれば、以下の熱交換器が提供される。

［１］ 筒形状の外周壁と、第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するセラミックスを主成分とするハニカム構造体と、前記ハニカム構造体の外周側に、第二の流体の流路となる第二流体流通部と、前記第二流体流通部の外周側に、第三の流体の流路となる第三流体流通部と、前記ハニカム構造体の外周側に前記ハニカム構造体を被覆する被覆部材と、を備え、前記第二流体流通部が前記被覆部材の外周側であり、前記第二流体流通部を構成する内ケーシングの外周壁の一部が、内周側の対向する面に接触して接触部が形成され、前記内ケーシングは、軸方向において前記被覆部材の端部から軸方向外側に延出しており、前記第一の流体、前記第二の流体、及び前記第三の流体が互いに混合することなく、熱交換する熱交換器。

［２］ 前記第二流体流通部、前記第三流体流通部の少なくともいずれかの壁面に、前記壁面の表面積を増加させる凹部または凸部が設けられている前記［１］に記載の熱交換器。

［３］ 前記第二流体流通部において前記接触部が形成され、前記ハニカム構造体の軸方向における前記接触部が形成された範囲で前記軸方向に垂直ないずれの断面においても、前記接触部を形成する前記外周壁に、前記内周側の対向する面との非接触部も存在することにより、前記第二流体流通部において前記第二の流体の流通が妨げられることなく可能とされている前記［１］または［２］に記載の熱交換器。

［４］ 前記第一の流体、前記第二の流体、前記第三の流体の少なくともいずれかの流体の流路に、前記流体の流量を調整するための流量調整手段を有する前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱交換器。

熱交換器が、熱交換するための第一の流体の流路、第二の流体の流路に加え、第三の流体の流路を有することにより、第三の流体により、第一の流体、第二の流体の温度を制御し、過昇温を防止することができる。

本発明の熱交換器の実施形態１を示す軸方向に平行な断面図である。 図１ＡのＡ−Ａ断面図である。 ハニカム構造体と被覆部材とを一体化するところを示す模式図である。 ハニカム構造体と被覆部材とが一体化された熱交換部材を示す模式図である。 凹部または凸部の実施形態１を示す模式図である。 凹部または凸部の実施形態２を示す模式図である。 凹部または凸部の実施形態３を示す模式図である。 本発明の熱交換器の実施形態２を示す軸方向に平行な断面の断面図である。 本発明の熱交換器の実施形態３を示す軸方向に平行な断面の断面図である。 本発明の熱交換器の実施形態４を示す軸方向に平行な断面の断面図である。 本発明の熱交換器の実施形態５を示す軸方向に平行な断面の断面図である。 本発明の熱交換器の実施形態５を示す軸方向に垂直な断面の断面図である。 本発明の熱交換器の実施形態６を示す軸方向に平行な断面の断面図である。 本発明の熱交換器の実施形態７を示す軸方向に平行な断面の断面図である。 本発明の熱交換器の実施形態８を示す軸方向に平行な断面の断面図である。 比較例１の熱交換器を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施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、本発明の熱交換器３０の実施形態１を示す軸方向に平行な断面の断面図、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面図である。本発明の熱交換器３０は、ハニカム構造体１と、ハニカム構造体１の外周側に、第二の流体の流路となる第二流体流通部２６と、第二流体流通部２６の外周側に、第三の流体の流路となる第三流体流通部２７と、を備える。ハニカム構造体１は、セラミックスを主成分とし、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。ハニカム構造体１のセル３は、第一の流体が流通する第一流体流通部２５となる。熱交換器３０は、第一の流体、第二の流体、及び第三の流体が互いに混合することなく、熱交換することができる。

図１Ａ、および図１Ｂに示すように、ハニカム構造体１の外周側にハニカム構造体１を被覆する被覆部材１１を備えることもできる。本実施形態では、第二流体流通部２６を被覆部材１１の外周側に備える。図２Ａ、および図２Ｂを用いて、被覆部材１１を備える実施形態について説明する。

被覆部材１１を備えた実施形態では、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の外周側にハニカム構造体１を被覆する被覆部材１１（例えば、金属管）とによって熱交換部材１０が形成されている。本明細書では、ハニカム構造体１と被覆部材１１とを合わせて熱交換部材１０と呼ぶことにする。図２Ａに示すように、ハニカム構造体１を被覆部材１１に挿入して焼きばめにより一体化し、図２Ｂに示すように、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と被覆部材１１との接合は、焼きばめ以外に、圧入やろう付け、拡散接合等を用いてもよい。

ハニカム構造体１を被覆する被覆部材１１は、第一の流体や第二の流体を流通させず、熱伝導性がよく、耐熱性、耐蝕性のあるものが好ましい。被覆部材１１としては、金属管、セラミックス管等が挙げられる。金属管の材質としては、例えば、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮等を用いることができる。

被覆部材１１がハニカム構造体１の外周面７ｈを被覆しているため、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、それぞれを流通させ、熱交換させることができる。また、熱交換部材１０は、被覆部材１１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、被覆部材１１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。

この熱交換部材１０が、第二流体流通部２６を構成する内ケーシング３２内に収納されている（図１Ａ参照）。さらに第三流体流通部２７を構成する外ケーシング３３が内ケーシング３２の外周側に備えられている。第二流体流通部２６を構成する内ケーシング３２や第三流体流通部２７を構成する外ケーシング３３を構成する材料は、第二の流体や第三の流体を流通させず、熱伝導性がよく、耐熱性、耐蝕性のあるものが好ましい。内ケーシング３２、外ケーシング３３を構成する材料としては、金属、セラミックス等が挙げられる。金属としては、例えば、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮等を用いることができる。

実施形態１の熱交換器３０は、内ケーシング３２の内周側の壁（内周壁３２ｍ）の一部が欠けており、熱交換部材１０の被覆部材１１の外周面１１ｈの一部が第二の流体に直接接触するように構成されている。そして、内ケーシング３２の内周壁３２ｍの内周面３２ａが、被覆部材１１の外周面１１ｈに嵌合し、内ケーシング３２は、軸方向において被覆部材１１の端部から軸方向外側に延出している。被覆部材１１の外周面１１ｈ、内ケーシング３２の内周壁３２ｍの外周面３２ｂ、外周壁３２ｎの内周面３２ｃにより、第二の流体の流路である第二流体流通部２６が形成されている。このような構成により、第二の流体と第一の流体とを熱交換させることができる。

また、実施形態１の熱交換器３０は、外ケーシング３３についても、内周側の壁が欠けており、内ケーシング３２の外周壁３２ｎの外周面３２ｄの一部が第三の流体に直接接触するように構成されている。すなわち、内ケーシング３２の外周壁３２ｎの外周面３２ｄ、外ケーシング３３の外周壁３３ｎの内周面３３ｃにより、第三の流体の流路である第三流体流通部２７が形成されている。このように構成することにより、第三の流体と第二の流体とを熱交換させることができる。

第二流体流通部２６、第三流体流通部２７の少なくともいずれかの壁面に、壁面の表面積を増加させる凹部または凸部３４が設けられていることが好ましい。具体的には、被覆部材１１の外周面１１ｈ、内ケーシング３２の内周壁３２ｍの外周面３２ｂ、外周壁３２ｎの内周面３２ｃ、外周面３２ｄ、外ケーシング３３の外周壁３３ｎの内周面３３ｃが挙げられる。

図３Ａ〜図３Ｃに凹部または凸部３４の実施形態を示す。凹部または凸部３４は、溝加工、凹み加工等によって形成することができる。図３Ａは、溝加工を施して溝部を形成した実施形態である。図３Ｂは、凸部として形成した実施形態である。図３Ｃは、凹み加工を施した実施形態である。凹部または凸部３４は、流体の流路の表面積が増加するようなものであれば、その形状や形成方法は、限定されない。このような凹部または凸部３４を形成することにより、流体と流路との接触面積が増加し、熱交換効率を向上させることができる。なお、図３Ａ〜図３Ｃの符号１１ｈは、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３３ｃであってもよい。

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。

熱交換器３０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の気孔率は、１０％以下であることが好ましく、５％以下がより好ましく、３％以下がさらに好ましい。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。

ハニカム構造体１は、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。

さらに具体的には、ハニカム構造体１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、Ｓｉ_３Ｎ_４、及びＳｉＣ等を採用することができる。ただし、多孔体の場合は高い熱伝導率が得られないことがあるため、高い熱交換効率を得るためには、緻密体構造（気孔率５％以下）とすることが好ましく、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することが好ましい。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。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、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／平方インチ以上とすることにより、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。また、２０００セル／平方インチ以下とすることにより、熱媒体が流れる際の圧力損失が大きくなることを防止することができる。

ハニカム構造体１のアイソスタティック強度は、１ＭＰａ以上が好ましく、５ＭＰａ以上がさらに好ましい。このような強度を有すると、耐久性を十分なものとすることができる。

ハニカム構造体１の直径は、２００ｍｍ以下であることが好ましく、１００ｍｍ以下であることが更に好ましい。このような直径とすることにより、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。壁厚を０．１ｍｍ以上とすることにより、機械的強度を十分なものとし、衝撃や熱応力によって破損することを防止することができる。また、１ｍｍ以下とすることにより、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効率が低下するといった不具合を防止することができる。

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以上とすることにより、隔壁４を十分な強度とし、第一流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁４が破損することを防止することができる。また、５ｇ／ｃｍ^３以下とすることにより、ハニカム構造体１を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、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、効率よくハニカム構造体１内の熱を被覆部材１１の外側に排出できる。

熱交換器３０は、第一の流体として排ガスを流す場合、ハニカム構造体１の隔壁４に触媒を担持させることが好ましい。このように隔壁４に触媒を担持させると、排ガス中のＣＯやＮＯｘや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り、これに加えて、触媒反応の際に生じる反応熱を熱交換に用いることが可能になる。本発明のハニカム構造体１に用いる触媒としては、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。ここに挙げた触媒は、金属、酸化物、およ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２５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、触媒作用が発現しやすい。一方、４００ｇ／Ｌ以下とすると、圧力損失を抑え、製造コストの上昇を抑えることができる。

熱交換器３０は、第一の流体と第二の流体との間で熱交換することができるのみならず、第二の流体の外周側に第三の流体の流路を備えるため、第二の流体の温度制御を可能とする機能を有する。例えば、熱交換前に第一の流体が第二の流体よりも高温で、第三の流体が第二の流体よりも低温の場合、第二の流体は第一の流体との熱交換により温度が上昇するが、第三の流体との熱交換により温度を低下させることが可能である。

熱交換器３０は、第一の流体、第二の流体、第三の流体の少なくともいずれかの流体の流路に、流体の流量を調整するための流量調整手段３８を有することが好ましい。図１Ａでは、第一の流体の流路に、第一の流体の流量を調整するための流量調整手段３８ａ、第二の流体の流路に、第二の流体の流量を調整するための流量調整手段３８ｂ、第三の流体の流路に、第三の流体の流量を調整するための流量調整手段３８ｃを備える。流量調整手段３８としては、具体的には、調整弁等を挙げることができる。このような流量調整手段３８を有することにより、各流体の温度を制御しやすくなる。

また、熱交換器３０は、各流体の流入をＯＮ／ＯＦＦすることにより、熱交換させたい流路間のみの熱交換が可能である。例えば、第一の流体を気体、第二の流体を液体、第三の流体を液体とすると、第三の流体のみをＯＦＦ（流入させない）とした場合、気体（第一の流体）／液体（第二の流体）間のみの熱交換が可能である。また、第一の流体のみをＯＦＦ（流入させない）とした場合、液体（第二の流体）／液体（第三の流体）間のみの熱交換が可能である。あるいは、すべての流体を流入させた場合、気体（第一の流体）／液体（第二の流体）／液体（第三の流体）間の熱交換が可能となる。

（熱交換器の製造方法）
次に、熱交換器３０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、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、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、被覆部材１１を昇温させ、図２Ａ、図２Ｂに示すように、ハニカム構造体１を被覆部材１１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と被覆部材１１との接合は、焼きばめ以外に、圧入やろう付け、拡散接合等を用いてもよい。

その後、ステンレスからなる内ケーシング３２内に熱交換部材１０を配置する。その後、外ケーシング３３により内ケーシング３２の外側を覆い、３流路で構成される熱交換器３０とすることができる。

（実施形態２）
図４は、実施形態２の熱交換器３０を示す断面図である。実施形態２では、内ケーシング３２が、軸方向において被覆部材１１の端部までであり、端部から軸方向外側に延出していない。しかしながら、内ケーシング３２は、ハニカム構造体１の端面２より軸方向外側まで配置されている。実施形態２では、内ケーシング３２の形状が簡素化されているため、製造コストを削減することができるとともに、内ケーシング３２がハニカム構造体１の端面２より軸方向外側まで配置されていることから、熱交換性能を十分に発揮させることができる。

（実施形態３）
図５は、実施形態３の熱交換器３０を示す断面図である。実施形態３では、内ケーシング３２の内周側の壁（内周壁３２ｍ）の欠けがなく、熱交換部材１０の被覆部材１１の外周面１１ｈを内ケーシング３２の内周側の壁が覆っている。このため、第二の流体は、被覆部材１１に直接接触しないように構成されている。内ケーシング３２は、熱交換部材１０に密着して備えられていることが第一の流体と第二の流体との熱交換効率を向上させるために好ましい。

また、外ケーシング３３は、実施形態１と同様に内周側の壁が一部欠けている。しかし、内ケーシング３２のように、内周側の壁の欠けがなく、第三の流体が内ケーシング３２に直接接触しないように構成することもできる。外ケーシング３３は、内ケーシング３２に密着して備えられていることが第二の流体と第三の流体との熱交換効率を向上させるために好ましい。

（実施形態４）
図６は、実施形態４の熱交換器３０を示す断面図である。実施形態４では、内ケーシング３２、外ケーシング３３については、実施形態３と同じである。ハニカム構造体１は、被覆部材１１を備えていない。このように構成することにより、ハニカム構造体１と被覆部材１１とを一体化する工程を省略することができる。

（実施形態５）
第二流体流通部２６を構成する内ケーシング３２の外周壁３２ｎ、または第三流体流通部２７を構成する外ケーシング３３の外周壁３３ｎの一部が、内周側の対向する面に接触して接触部４０が形成されていることも好ましい形態である。また、第二流体流通部２６、及び第三流体流通部２７の少なくともいずれかにおいて接触部４０が形成され、ハニカム構造体１の軸方向における接触部４０が形成された範囲で軸方向に垂直ないずれの断面においても、接触部４０を形成する外周壁（外周壁３２ｎ、または外周壁３３ｎ）に内周側の対向する面との非接触部４１も存在することが好ましい。つまり、非接触部４１が存在することにより、第二流体流通部２６において第二の流体の流通が妨げられることなく可能とされ、また第三流体流通部２７において第三の流体の流通が妨げられることなく可能とされていることが好ましい。

外周壁（外周壁３２ｎ、または外周壁３３ｎ）の一部が内周側の対向する面に接触することにより、ケーシングの構造強度が向上するため、飛び石などの異物の衝突や部材内の温度差による熱応力が加わった際にも、内ケーシング３２、または、外ケーシング３３の変形を防ぐ事ができる。また、外周壁の一部が内周側の対向する面に接触することにより、流体の流れに乱れが生じ、乱流になりやすくなることで、熱伝達が促進され、熱交換効率が向上する。

図７Ａは、ハニカム構造体１の軸方向に平行な断面の断面図であり、内ケーシング３２の外周壁３２ｎの一部が内周側の対向する面である被覆部材１１の外周面１１ｈに接触している実施形態を示す。図７Ｂは、図７ＡのＢ−Ｂ断面図であり、軸方向に垂直な断面の断面図である。

図７Ａに示すように、内ケーシング３２の外周壁３２ｎは、軸方向における断面が波形に形成され、被覆部材１１の外周面１１ｈに接触している。また、図７Ｂに示すように、ハニカム構造体１の軸方向に垂直な断面においても波形に形成されることにより、接触部４０を形成する内ケーシング３２の外周壁３２ｎに、内周側の対向する面である被覆部材１１の外周面１１ｈに接触しない非接触部４１が存在する。これにより、第二流体流通部２６において第二の流体の流通が妨げられることなく可能とされている。内ケーシング３２の外周壁３２ｎの一部が内周側の被覆部材１１の外周面１１ｈに接触していることから、第二の流体を流通させない場合、または、何らかの原因で流通が停止した場合であっても、ハニカム構造体１を被覆する被覆部材１１が高温になることを防ぐことができる（第一の流体が高温の場合）。すなわち、被覆部材１１による拘束が緩んでハニカム構造体１が脱落することを防止できる。なお、内ケーシング３２の外周壁３２ｎの形状は、図示された形状に限定されない。

（実施形態６）
図８は、ハニカム構造体１の軸方向に平行な断面の断面図であり、外ケーシング３３の外周壁３３ｎの一部が内周側の対向する面である内ケーシング３２の外周壁３２ｎの外周面３２ｄに接触している実施形態を示す。ただし、実施形態５と同様に、外周壁３３ｎの一部が内ケーシング３２の外周壁３２ｎの外周面３２ｄに接触しない非接触部４１を有することにより、第三流体流通部２７における第三の流体の流通は、妨げられないように構成されている。実施形態６でも、外ケーシング３３の構造強度が向上するため、外ケーシング３３の変形を防ぐ事ができる。また、流体の流れが乱流になりやすくなることで、熱伝達が促進され、熱交換効率が向上する。

（実施形態７）
図９は、ハニカム構造体１の軸方向に平行な断面の断面図である。実施形態７は、内ケーシング３２の外周壁３２ｎの一部が内周側の対向する面である被覆部材１１の外周面１１ｈに接触している。また、外ケーシング３３の外周壁３３ｎの一部が内周側の対向する面である内ケーシング３２の外周壁３２ｎの外周面３２ｄに接触している。実施形態７も、上述の効果と同様の効果が得られる。

（実施形態８）
図１０は、ハニカム構造体１の軸方向に平行な断面の断面図であり、内ケーシング３２の外周壁３２ｎの一部が内周側の対向する面である内ケーシング３２の内周壁３２ｍの外周面３２ｂに接触している実施形態を示す。

なお、熱交換器３０が三流体の流路を有した実施形態を説明したが、三流体に限定されるものではなく、第四の流体の流路である第四流体流通部を有していてもよく、それ以上の流路を有していてもよい。

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。

（参考例１）
（ハニカム構造体の製造）
Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム構造体１を、以下のように作製した。まず、所定量のＳｉＣ粉末、バインダー、水又は有機溶媒などを混練した成形用原料を、所望の形状に押し出し、乾燥してハニカム成形体を得た。次いで、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を含浸させた。このように作製したハニカム構造体１は、ＳｉＣ粒子の隙間に金属Ｓｉが充填された緻密質の材料となっており、熱伝導が約１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高い熱伝導性を示した。ハニカム構造体１の形状は、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍで、セル構造部分は、隔壁４の厚み約０．４ｍｍ、セルピッチ約１．８ｍｍであった。

（流体流路の作製）
ステンレスの金属管（被覆部材１１）をハニカム構造体１の外周面７ｈに焼きばめにより嵌合させて熱交換部材１０を製造し（図２Ａ及び図２Ｂ参照）、ステンレスからなるケーシングＡ（内ケーシング３２）内に熱交換部材１０を配置した。その後、ケーシングＢ（外ケーシング３３）によりケーシングＡの外側を覆い、３流路で構成される流体流路を作製した（図１Ａ参照）。

（熱交換効率試験）
第一の流体を熱交換部材１０のハニカム構造体１のセル３中を通過させ、第二の流体をケーシングＡと熱交換部材１０の間、第三の流体をケーシングＢとケーシングＡの間に流入させ、熱交換効率を測定した。第一の流体として大気ガスを用いて、温度４００℃で流量１０ｇ／ｓｅｃ（０．４６４Ｎｍ^３／ｍｉｎ）にてセル３内に流した。また、第二の流体としてオイルを用いて、第一の流体と対向する方向に６０℃で１０Ｌ／ｍｉｎの流量を流した。第三の流体として水を用いて、３０℃で０〜１０Ｌ／ｍｉｎの流量を流した。

熱交換部材１０のセル３の入口より２０ｍｍ上流を流れる第一の流体の温度を「入口ガス温」、セル３の出口より２００ｍｍ下流を流れる第一の流体の温度を「出口ガス温」とした。ケーシングＡと熱交換部材１０の間の入口を通過するオイルの温度を「入口オイル温」、ケーシングＡと熱交換部材１０の間の出口を通過するオイルの温度を「出口オイル温」とした。ケーシングＡとケーシングＢの間の入口を通過する水の温度を「入口水温」、ケーシングＡとケーシングＢの間の出口を通過する水の温度を「出口水温」とした。

これらの温度から、ガスとオイルの間の熱交換効率（％）を下記式にて算出した。
熱交換効率（％）＝（入口ガス温−出口ガス温）／（入口ガス温−入口オイル温）×１００

水（第三の流体）を流さなかった場合のガス（第一の流体）とオイル（第二の流体）との熱交換効率試験の結果を表１に示す。また、水（第三の流体）を流した場合のオイル温度の変化を表２に示す。

（参考例２）
（ハニカム構造体の製造）
参考例１と同じハニカム構造体１を作製した。

（流体流路の作製）
参考例１と同様にして、ステンレスの金属管（被覆部材１１）とハニカム構造体１から熱交換部材１０を製造し（図２Ａ及び図２Ｂ参照）、ステンレスからなるケーシングＡ内に熱交換部材１０を配置した。その後、ケーシングＢによりケーシングＡの外側を覆い、３流路で構成される流体流路を作製した（図１Ａ参照）。

なお、参考例２は、熱交換部材１０のステンレスの金属管（被覆部材１１）の外周側（外周面１１ｈ）、ケーシングＡ（内ケーシング３２）の内周壁３２ｍの外周面３２ｂ、外周壁３２ｎの内周面３２ｃに溝加工（図３Ａ参照）を施し（２ｍｍピッチ、１ｍｍ幅×０．５ｍｍ深さのザグリ）、内部に流れる高粘性流体（オイル）との接触面積を増加させた。

（熱交換効率試験）
参考例１と同様にして、熱交換効率試験を行った。水（第三の流体）を流さなかった場合のガス（第一の流体）とオイル（第二の流体）との熱交換効率試験の結果を表１に示す。また、水（第三の流体）を流した場合のオイル温度の変化を表２に示す。

（比較例１）
（ハニカム構造体の製造）
参考例１と同じハニカム構造体１を作製した。

（流体流路の作製）
ステンレスの金属管をハニカム構造体１の外周面に焼きばめにより嵌合させて熱交換部材１０を製造し、ステンレスからなるケーシングＡ内に熱交換部材１０を配置した。比較例１は、参考例１，２と異なり、ケーシングＢがない熱交換器３０である（図１１参照）。

（熱交換効率試験）
第一の流体を熱交換部材１０のハニカム構造体１のセル３中を通過させ、第二の流体をケーシングＡと熱交換部材１０の間に流入させ、伝熱効率を測定した。第一の流体として大気ガスを用いて、温度４００℃で流量１０ｇ／ｓｅｃ（０．４６４Ｎｍ^３／ｍｉｎ）にてセル３内に流した。また、第二の流体としてオイルを用いて、第一の流体と並行する方向に６０℃で１０Ｌ／ｍｉｎの流量を流した。水（第三の流体）を流さなかった場合のガス（第一の流体）とオイル（第二の流体）との熱交換効率試験の結果を表１に示す。

参考例１は、ガス−オイル間の熱交換効率が比較例１と比べて同レベルとなったものの、水流量を調整することにより、比較例１では制御不能であったオイル温度を温度制御することが可能となった。一方、配管内壁へのオイル焼きつきなどの不具合は見られなかった。

参考例２は、ガス−オイル間の熱交換が効率的に行なわれ、オイル温度を効率よく加温することができた。また、水流量を調整することにより、広い温度域でのオイルの温度制御が可能となった。一方、配管内壁へのオイル焼きつきなどの不具合は見られなかった。

一方、比較例１は、ガス−オイル間の熱交換効率は参考例１と同様、参考例２に比べて低かった。また、加温されたオイルを温度制御することはできなかった。一方、並行流とした比較例１では、ガス温度の高い入り口側でオイル粘度が高い状態にあるため、配管内壁へのオイル焼き付きの不具合が見られた。

（加熱振動試験）
参考例３は、参考例１と同じハニカム構造体１を用いて、内ケーシング３２の外周壁３２ｎの一部が内周側の対向する面である被覆部材１１の外周面１１ｈに接触していない流体流路とした（図１Ａ、図１Ｂ参照）。実施例１は、参考例１と同じハニカム構造体１を用いて、内ケーシング３２の外周壁３２ｎの一部が内周側の対向する面である被覆部材１１の外周面１１ｈに接触している流体流路とした（図７Ａ、図７Ｂ参照）。

第一流体流通部２５に所定の温度で１００ｇ／ｓの流量のガスを流通させ、第二流体流通部２６には流体を流さず、第三流体流通部２７に４０℃で１０Ｌ／ｍｉｎの水を流通させた。加えて、ケーシング全体に加速度２０Ｇ、振動数２００Ｈｚの振動を印加し、サイクル数１０^７回の耐久試験を実施した。試験後、サンプルにおける異常有無を確認した。

参考例３では、通常自動車等で想定される使用環境の最過酷条件である９００℃条件で異常が見られなかったものの、９５０℃でハニカム構造体の拘束の緩みと振動に起因する亀裂が発生し、１０００℃の条件では、ハニカム構造体が脱落した。一方、外周壁の一部が内周側の対向する面に接触している実施例１では、１０００℃条件でも異常は見られなかった。したがって、参考例３であっても通常自動車等で想定される使用環境の最過酷条件で使用可能であるが、実施例１は、さらに耐久性が向上した。

本発明の熱交換器は、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）との間で熱交換する用途に用いることができる。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、７：外周壁、７ｈ：（ハニカム構造体の）外周面、１０：熱交換部材、１１：被覆部材、１１ｈ：（被覆部材の）外周面、２５：第一流体流通部、２６：第二流体流通部、２７：第三流体流通部、３０：熱交換器、３２：内ケーシング（ケーシングＡ）、３２ａ：（内ケーシングの内周壁の）内周面、３２ｂ：（内ケーシングの内周壁の）外周面、３２ｃ：（内ケーシングの外周壁の）内周面、３２ｄ：（内ケーシングの外周壁の）外周面、３２ｍ：（内ケーシングの）内周壁、３２ｎ：（内ケーシングの）外周壁、３３：外ケーシング（ケーシングＢ）、３３ｃ：（外ケーシングの外周壁の）内周面、３３ｎ：（外ケーシングの）外周壁、３４：凹部または凸部、３８：流量調整手段、３８ａ：（第一の流体の）流量調整手段、３８ｂ：（第二の流体の）流量調整手段、３８ｃ：（第三の流体の）流量調整手段、４０：接触部、４１：非接触部。

Claims (4)

1. 筒形状の外周壁と、第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するセラミックスを主成分とするハニカム構造体と、
   前記ハニカム構造体の外周側に、第二の流体の流路となる第二流体流通部と、
   前記第二流体流通部の外周側に、第三の流体の流路となる第三流体流通部と、
   前記ハニカム構造体の外周側に前記ハニカム構造体を被覆する被覆部材と、を備え、
   前記第二流体流通部が前記被覆部材の外周側であり、
   前記第二流体流通部を構成する内ケーシングの外周壁の一部が、内周側の対向する面に接触して接触部が形成され、
   前記内ケーシングは、軸方向において前記被覆部材の端部から軸方向外側に延出しており、
   前記第一の流体、前記第二の流体、及び前記第三の流体が互いに混合することなく、熱交換する熱交換器。
2. 前記第二流体流通部、前記第三流体流通部の少なくともいずれかの壁面に、前記壁面の表面積を増加させる凹部または凸部が設けられている請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第二流体流通部において前記接触部が形成され、前記ハニカム構造体の軸方向における前記接触部が形成された範囲で前記軸方向に垂直ないずれの断面においても、前記接触部を形成する前記外周壁に、前記内周側の対向する面との非接触部も存在することにより、前記第二流体流通部において前記第二の流体の流通が妨げられることなく可能とされている請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記第一の流体、前記第二の流体、前記第三の流体の少なくともいずれかの流体の流路に、前記流体の流量を調整するための流量調整手段を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。

Images