JP5797740B2 - 熱交換部材、および熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、第一の流体（高温側）の熱を第二の流体（低温側）へ熱伝達する熱交換部材、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では、ハニカム構造部とチューブ部分を別々に作製し、接合させる必要があり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

本発明の課題は、従来の熱交換体、熱交換器等と比べて小型化、軽量化、低コスト化を実現する熱交換部材、および熱交換器を提供することにある。

本発明者らは、ケーシング内にハニカム構造体として形成された熱交換部材を収容し、第一の流体をハニカム構造体のセル内に流通させ、第二の流体をケーシング内でハニカム構造体の外周面上を流通させて熱交換する場合に、熱交換部材であるハニカム構造体のサイズと熱伝導率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、熱交換効率が高く、ハニカム部分の体積が小さく、第一の流体の圧力損失が小さい、以下のハニカム構造の熱交換部材、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から熱を受け取る前記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、ｔ≧０．２、ρ＞１００、２０≦ｔ×ρ≦２５０、１０，０００≦λ×ρの全てを満たす熱交換部材。

［２］ 前記ハニカム構造体のセル構造について、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、２０≦Φ≦６０、１．６６≦Ｌ／Φ≦７．５である前記［１］に記載の熱交換部材。
［３］ 前記ハニカム構造体の前記外周壁、又は前記外周壁及び前記隔壁の両方が緻密質とされる前記［１］または［２］に記載の熱交換部材。
［４］ 前記ハニカム構造体の前記隔壁の材質の熱伝導率が１０≦λ≦３００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前記セルの前記隔壁の密度が０．５〜５ｇ／ｃｍ ^３ である前記［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の前記隔壁を構成する前記セラミックスは、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、又は（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣである前記［１］〜［５］のいずれかに記載の熱交換部材。
［７］ 前記Ｓｉ含浸ＳｉＣ、又は前記（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣのＳｉ含有量が、５〜５０質量％である前記［６］に記載の熱交換部材。

［８］ 前記［１］〜［７］のいずれかに記載の熱交換部材である前記ハニカム構造体と、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、同等以上の熱交換効率を有する。

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。 第一の流体の入口側から見た本発明の熱交換器の一実施形態を示す模式図である。 第一の流体と第二の流体とが対向流で熱交換する本発明の熱交換器の一実施形態を示す斜視図である。 複数のハニカム構造体が積層された配置を模式的に示した、第一の流体と第二の流体とが直交流で熱交換する本発明の熱交換器の他の実施形態を示す図である。 複数のハニカム構造体の正三角形千鳥配置の実施形態を示す斜視図である。 複数のハニカム構造体の正三角形千鳥配置の実施形態を示す、第一の流体の入口側から見た図である。 異なる大きさのハニカム構造体が含まれる実施形態を示す図である。 ケーシング内に円柱形状のハニカム構造体が収容された熱交換器の他の実施形態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が収容された熱交換器の他の実施形態を示す、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が収容された熱交換器の他の実施形態を示す、軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。 ケーシング内にパンチングメタルを備えるハニカム構造体が収容された熱交換器の実施形態を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。 ケーシングが、ハニカム構造体の外周面上を螺旋状に巻き付けられた状態を説明するための模式図である。 ケーシングが、ハニカム構造体の外周面上を螺旋状に巻き付けられた状態を説明するための軸方向に平行な方向の模式図である。 ケーシングが、筒状部と外側ケーシング部とを一体として備える熱交換器の実施形態を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。

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は、本発明の一実施形態の熱交換部材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、熱交換部材のハニカム構造体１は、円柱形状に形成されている。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ている。また、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ている。そして、第一流体流通部５と第二流体流通部６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、第一の流体である加熱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によって形成され、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、第二の流体がケーシング２１の内側にてハニカム構造体１の外周面７上を流通することにより、第一の流体から熱を受け取る。第一の流体と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７ｈ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７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７に直接接触する場合も、直接接触しない場合も含む。

ケーシング２１内に収容された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複数のセル３を有する。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の内周面２４とハニカム構造体１の外周面７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とハニカム構造体１の外周面７とによって形成された第二の流体の流通部である。第二流体流通部６は、第一流体流通部５とハニカム構造体１の隔壁４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。

図１Ａに示すように、第一流体流通部５は、ハニカム構造として形成されている。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に流れ込むことが出来ず、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、ｔ≧０．２、ρ＞１００、２０≦ｔ×ρ≦２５０、１０，０００≦λ×ρである。

ｔ×ρは、２０≦ｔ×ρ≦２５０、好ましくは、８０≦ｔ×ρ≦２５０である。ｔ×ρをこのような範囲とすることにより、第一の流体の熱を、第二の流体と熱交換する外周壁７ｈ部分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。また、λ×ρは、１０，０００≦λ×ρ、より好ましくは、２０，０００≦λ×ρである。λ×ρをこのような範囲とすることにより、第一の流体の熱を、圧力損失を小さく維持したまま第二の流体と熱交換する外周壁７ｈ部分へと効率よく伝達できる。

Φ［ｍｍ］は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指すものである。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７ｈ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７ｈ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７ｈ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は２０≦Φ≦６０であることが好ましく、より好ましくは３０≦Φ≦５０である。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、Ｌ／Φは１．６６≦Ｌ／Φ≦７．５であることが好ましく、より好ましくは、２≦Ｌ／Φ＜５である。ΦおよびＬ／Φをこのような範囲とすることにより、第一の流体の熱を、第二の流体と熱交換する外周壁部分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とすることができる。

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。従って、図１Ｂに示す熱交換部材において、ハニカム構造体１の軸方向の長さを、軸方向の断面の断面積と同じ面積の円相当径よりも短くしても従来よりも十分に熱交換することが可能となる。

先行技術にあるセラミックス製熱交換器の作製では、目封じ加工やスリット開け加工、複数の成形体または焼成体を接合する工程が必要であるのに対し、本発明では基本的に押し出し成形をそのまま使用でき、工数が非常に少なく出来る。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。

本発明の熱交換器３０は、第一の流体（加熱体）が流通するハニカム構造の第一流体流通部５（高温側）とされるハニカム構造体１と、内部が第二流体流通部６とされるケーシング２１により構成される。第一流体流通部５がハニカム構造体１の熱交換部材により形成されていることから熱交換を効率的に行うことができる。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。尚、熱交換器３０を大きくしたい場合は、ハニカム構造体１が複数接合されたモジュール構造とすることができる（図４Ａ参照）。

図１Ａ及び図１Ｂに示すハニカム構造体１の形状は円柱であるが、形状としてはこれに限定されるものでなく、四角柱形状等の他の形状であってもよい（図３Ａ参照）し、条件を満たすハニカム集合体となる構造であってもよい（図４Ａ〜４Ｃ参照）。

図３Ａ及び図３Ｂに示す実施形態は、第一の流体と第二の流体が、対向流で熱交換する熱交換器３０である。対向流とは、第一の流体の流れる方向と並行して逆方向に第二の流体が流れることをいう。第二の流体を流通させる方向は、第一の流体が流通する方向と逆方向（対向流）に限られず、同方向（並行流）、或いは、ある一定角度（０°＜ｘ＜１８０°：但し直交を除く）など、適宜選択・設計は可能である。

図４Ａに示す熱交換器３０は、ケーシング２１内に、複数のハニカム構造体１が、第二の流体が流通するための間隙を互いに有した状態で、その外周面７を対向させて配置されている。なお、図４Ａは、ハニカム構造体１の配置を模式的に示したものであり、ケーシング２１等は省略されている。具体的には、ハニカム構造体１が縦３列、横４列に間隙を有した状態で積層されている。このような構成とすることにより、第一の流体が流通するセル３が多くなり、多量の第一の流体を流通させることができる。また、複数のハニカム構造体１が、間隙を有した状態で、その外周面７を対向させて配置されているため、ハニカム構造体１の外周面７と第二の流体との接触面積が多く、効率よく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。なお、円相当径Φは、１本１本のハニカム構造体１について求めた値である。

図４Ｂ及び図４Ｃに、複数のハニカム構造体１の正三角形千鳥配置の実施形態を示す。図４Ｂは、斜視図、図４Ｃは、第一の流体の入口側から見た図である。複数のハニカム構造体１が、それぞれのハニカム構造体１の中心軸１ｊを結んだ線が正三角形を形成するように配置されている。このように配置することにより、第二の流体を均一的にハニカム構造体１間（各モジュール間）に流通させることができ、熱交換効率を向上させることができる。このため、複数のハニカム構造体１を配置する場合には、正三角形千鳥配置が好ましい。正三角形千鳥配置により一種のフィン構造となり、第二の流体の流れが乱流となり、第一の流体とより熱交換しやすくなる。

図４Ｄに異なる大きさのハニカム構造体１が含まれる実施形態を示す。図４Ｄの実施形態には、正三角形千鳥配置のハニカム構造体１の隙間に、補充ハニカム構造体１ｈが配置されている。補充ハニカム構造体１ｈは、隙間を埋め合わせるものであり、他の通常のハニカム構造体１と大きさや形状が異なるものである。すなわち、すべてのハニカム構造体１が同じ大きさや形状である必要はない。このように、大きさや形状の異なる補充ハニカム構造体１ｈを用いることにより、ケーシング２１とハニカム構造体１との隙間を埋め、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、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が好ましい。但し、必ずしもハニカム構造体１の全体が炭化珪素で構成されている必要はなく、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、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。ハニカム構造体１の物性として、室温における熱伝導率λ［Ｗ／ｍＫ］は１０≦λ≦３００が好ましいが、これに限定されるものでない。導電性セラミックスの代わりに、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金等の耐蝕金属材料を用いることもできる。

本発明の熱交換器３０が高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。但し、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した方がより好ましい。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、炭化珪素の多孔体の場合、２０Ｗ／ｍＫ程度であるが、緻密体とすることにより、１５０Ｗ／ｍＫ程度とすることができる。

つまり、セラミックス材料として、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。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、圧力損失が大きくなる他、製造コストが上昇するおそれがある。必要に応じて、ハニカム構造体１のセル３の隔壁４に触媒を担持させる。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。隔壁４及び外周壁７ｈ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。

熱交換部材であるハニカム構造体１が円柱である場合の他の実施形態についてさらに説明する。図５Ａは、ケーシング２１内に円柱形状のハニカム構造体１が収容された熱交換器３０の他の実施形態を示す斜視図であり、図５Ｂは、軸方向に平行な断面で切断した断面図、図５Ｃは、軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。

図５Ａ〜図５Ｃの実施形態では、第二の流体の入口２２と出口２３とが、ハニカム構造体１に対し、同じ側に形成されている。熱交換器３０の設置場所、配管等に合わせて、本実施形態のような構造とすることも可能である。本実施形態では、第二流体流通部６がハニカム構造体１の外周を周回する周回構造となっている。つまり、ハニカム構造体１の外周を周回するように第二の流体が流通する。

図６に第二流体流通部６におけるハニカム構造体１の外周面７に複数の孔を有する有孔金属板であるパンチングメタル５５が備えられている熱交換器３０の実施形態を示す軸方向に平行な断面で切断した断面図を示す。ケーシング２１内に円柱形状のハニカム構造体１が収容されている。そして、第二流体流通部６におけるハニカム構造体１の外周面７に嵌合してパンチングメタル５５が備えられている。パンチングメタル５５は、金属素材の板を孔開け加工したもので、ハニカム構造体１の外周面７の形状に沿った筒状に形成されている。つまり、パンチングメタル５５は、孔５５ａを有するため、第二の流体とハニカム構造体１とが直接接する箇所があり熱伝達を低下させない。またパンチングメタル５５でハニカム構造体１の外周面７を覆ってハニカム構造体１を保護することでハニカム構造体１の破損を抑制することができる。なお、有孔金属板とは、複数の孔を有する金属板であり、パンチングメタル５５に限定されない。

図７Ａ及び図７Ｂは、ケーシング２１が、チューブ状に形成され、ハニカム構造体１の外周面７上を螺旋状に巻き付けられた形状で備えられている実施形態の熱交換器３０を示す。図７Ａは、ケーシング２１が、ハニカム構造体１の外周面７上を螺旋状に巻き付けた状態を説明するための模式図である。図７Ｂは、ケーシング２１が、ハニカム構造体１の外周面７上を螺旋状に巻き付けられた状態を説明するための軸方向に平行な方向の模式図である。本実施形態では、チューブ内が第二流体流通部６とされており、ケーシング２１は、ハニカム構造体１の外周面７上を螺旋状に巻き付けられた形状であるため、第二流体流通部６を流通する第二の流体は、ハニカム構造体１の外周面７上をハニカム構造体１の外周面７に直接接触せずに螺旋状に流通して熱を交換することになる。このような構成とすることにより、ハニカム構造体１に破損があった場合でも、第一の流体と第二の流体が漏れたり混合したりすることがない。

図８は、ケーシング２１が、ハニカム構造体１の外周面７に嵌合する筒状部２１ａと、その筒状部２１ａの外側に第二流体流通部６を形成する外側ケーシング部２１ｂとを一体として備える熱交換器３０の実施形態を示す。筒状部２１ａは、ハニカム構造体１の外周面７の形状に対応した形状を有し、外側ケーシング部２１ｂは、筒状部２１ａの外側に、第二の流体が流通するための空間を有した筒状の形状を有している。また、外側ケーシング部２１ｂの一部に第二の流体の入口２２及び出口２３が形成されている。本実施形態では、第二流体流通部６は、筒状部２１ａと外側ケーシング部２１ｂとに囲まれて形成されており、第二流体流通部６を流通する第二の流体は、ハニカム構造体１の外周面７上をハニカム構造体１の外周面７に直接接触せずに周方向に流通して熱を交換することになる。このような構成とすることにより、ハニカム構造体１に破損があった場合でも、第一の流体と第二の流体が漏れたり混合したりすることがない。

次に、本発明の熱交換器３０の製造方法を説明する。まず、セラミックス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を得ることができる。

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。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。

本発明の熱交換器３０は、従来と比べて高い熱交換効率を示すため、熱交換器３０自体を小型化できる。更に、押出し成形による一体型から製造することができるために低コスト化できる。熱交換器３０は、第一の流体が気体であり、第二の流体が液体である場合に、好適に用いることができ、例えば、自動車の燃費向上として、排熱回収等の用途に好適に用いることができる。

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１〜１５、比較例１〜６）
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、材質は炭化珪素、本体サイズが表１に記載のハニカム構造体１を製造した。なお、ハニカム構造体１の外形形状によらず、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１〜１５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１〜１５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７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）。実施例１の配管容積とは、第一の流体の流路との体積を指す。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に熱交換効率と圧力損失を示す。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、集熱部のハニカム全長（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。このとき、圧力損失が５．０［ｋＰａ］より小さいこと、熱交換効率が５０％を上回ること、の全てを満たすことによって従来品よりも軽量で簡素な構造を達成できる。圧力損失はセルの隔壁の壁厚とセル密度が大きくなるにつれて大きくなり、壁厚が０．３でセル密度が６００の時に圧力損失が５．０［ｋＰａ］を越えてしまう。一方、壁厚が０．１、セル密度が１００の時では、熱交換効率は５０％を越えることがない。

（実施例１６〜２３、比較例７〜９）
次に、ハニカム構造体１の外形（円相当径Φが４５ｍｍ、全長Ｌが１００ｍｍ）、隔壁４の壁厚ｔを同一とし、隔壁４の材質の熱伝導率を変化させたハニカム構造体を作製した。結果を表２に示す。

熱交換効率は、セル密度が１００では低いが、隔壁の熱伝導率とセル密度が大きくなるにつれて大きくなる傾向にある。従来よりも性能のよい熱交換部材であること、具体的には、圧力損失が５．０［ｋＰａ］より小さいこと、熱交換効率が５０％より大きいこと、の要求を満たすためには、表１と表２からハニカム構造体の隔壁の熱伝導率をλ［Ｗ／Ｋ・ｍ］、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、ｔ≧０．２、ρ＞１００、２０≦ｔ×ρ≦２５０、１０，０００≦λ×ρであることの全てを満たすことが必要である。

（実施例２４〜３４）
次に、ハニカム構造体１の隔壁の熱伝導率をλ［Ｗ／Ｋ・ｍ］、前記隔壁の壁厚をｔ［ｍｍ］、セル密度をρ［個／平方インチ］を同一とし、外径（円相当径Φ）、全長（Ｌ）を変化させたハニカム構造体１を作製した。結果を表３に示す。

外径（円相当径Φ）が大きくなるにつれて熱交換効率が上がり、あるところをピークに再び下がる傾向にあるのに対し、圧力損失は小さくなっていく傾向にある。前述の体積と圧力損失、熱交換効率を満たすためには、２０≦Φ≦６０、１．６６≦Ｌ／Φ≦７．５であることの全てを満たすことが必要である。

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、１ｈ：補充ハニカム構造体、１ｊ：中心軸、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：外周面、７ｈ：外周壁、２１：ケーシング、２１ａ：筒状部、２１ｂ：外側ケーシング部、２２：（第二の流体の）入口、２３：（第二の流体の）出口、２４：内周面、２５：（第一の流体の）入口、２６：（第一の流体の）出口、３０：熱交換器、５５：パンチングメタル、５５ａ：（パンチングメタルの）孔。

Claims (8)

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から熱を受け取る前記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、ｔ≧０．２、ρ＞１００、２０≦ｔ×ρ≦２５０、１０，０００≦λ×ρの全てを満たす熱交換部材。
2. 前記ハニカム構造体のセル構造について、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、２０≦Φ≦６０、１．６６≦Ｌ／Φ≦７．５である請求項１に記載の熱交換部材。
3. 前記ハニカム構造体の前記外周壁、又は前記外周壁及び前記隔壁の両方が緻密質とされる請求項１または２に記載の熱交換部材。
4. 前記ハニカム構造体の前記隔壁の材質の熱伝導率が１０≦λ≦３００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. 前記ハニカム構造体の前記セルの前記隔壁の密度が０．５〜５ｇ／ｃｍ ^３ である請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換部材。
6. 前記ハニカム構造体の前記隔壁を構成する前記セラミックスは、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、又は（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣである請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換部材。
7. 前記Ｓｉ含浸ＳｉＣ、又は前記（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣのＳｉ含有量が、５〜５０質量％である請求項６に記載の熱交換部材。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換部材である前記ハニカム構造体と、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。