JP5872178B2

JP5872178B2 - 熱交換部材

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Publication number: JP5872178B2
Application number: JP2011050497A
Authority: JP
Inventors: 宮崎　誠; 誠宮崎; 能大鈴木
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: JP2012189229A

Description

本発明は、熱交換器に装着する熱交換部材に関する。

熱交換器では、熱を伝導する熱交換部材によって、温度の高い流体と温度の低い流体との間で熱の受け渡しを行う。このような熱交換器では、非常に温度の高い流体を使用する場合や、水などの腐食を生じさせやすい流体を使用する場合があるので、セラミックス製の熱交換部材が好まれて使用されている（例えば、特許文献１）。セラミックス製の熱交換部材を使用すると、耐熱性や耐腐食性を高めることが可能になる。

また、熱交換部材は、温度の高い流体からの熱を受けて膨張したり、あるいは温度の低い流体に熱を奪われて収縮したりすることがある。特に、熱交換部材では、これら２種の流体の温度差に起因して部分ごとで温度差が生じやすくなる。この温度差によって、熱交換部材の部分ごとに熱に起因した収縮や膨張の度合いが異なってしまい、その結果、熱交換部材中の特定の部分で局所的に大きな熱応力が生じてしまうことがある。このように熱交換部材中の特定の部分で局所的に大きな熱応力が生じてしまうと、この部分では熱応力に機械的強度が負けてしまって破損しやすくなる。このような熱応力によって引き起こされる問題への対処法としては、機械的強度が弱い箇所の厚みを増したり、あるいは補強する部材を設けたりすることにより、機械的強度を高めた構造にすることがなされている。

特開昭６１−２４９９７号公報

ところが、熱交換部材においては、機械的強度の弱い箇所の厚みを増したり、あるいは補強する材料を設けたりする場合、厚みを増した部分や補強する部材に熱を取られてしまうので、２つの流体間で熱が伝導する過程で熱の損失が生じやすくなり、その結果、熱交換の効率を低下させてしまう。とはいうものの、熱交換の効率を高めるために機械的強度が低い構造のままにしておくと、熱交換部材に破損が生じやすくなってしまう。

上記の問題に鑑みて、本発明の目的は、熱交換の効率を低下させないために機械的強度が高くない構造にされた場合であっても、熱応力による破損が生じにくい熱交換部材を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するものである。具体的には、本発明は以下に示す熱交換部材である。

［１］一方の端部から他方の端部に貫通して第一の流体の流路となる複数のセルと、前記複数のセルを区画形成するセラミックスを主成分とする隔壁とを有するハニカム構造として形成された集熱部と、前記集熱部の外周に設けられたセラミックスを主成分とする外周壁からなり、前記外周壁によって前記第一の流体と前記外周壁の外側を流れる第二の流体とを隔てながら、前記第一の流体と前記第二の流体との熱の受け渡しを介在する伝熱部と、前記集熱部を構成する前記複数のセルのうちの中心部分にある前記セルを囲んで前記中心部分にある前記セルと残余の外周部分にある前記セルとに区分し、かつ前記隔壁よりも厚いセラミックスを主成分とする中間壁と、を備える熱交換部材。

［２］前記第一の流体の流路方向に垂直な断面からみた場合において、前記外周壁と前記中間壁とに挟まれた部分に前記外周壁の内側の中心からの放射方向に略平行に形成された隔壁を有する前記［１］に記載の熱交換部材。

［３］前記第一の流体の流路方向に垂直な断面からみた場合において、前記外周壁および前記中間壁が円形であり、かつ前記外周壁および前記中間壁が同心円状に配置されている前記［１］または［２］に記載の熱交換部材。

［４］前記隔壁の厚さｔ、前記外周壁の内径Ｄ_１、および前記外周壁の外径Ｄ_２が以下の式（１）〜（３）を満たす前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱交換部材。
式（１）：３０ｍｍ＜Ｄ_１＜６０ｍｍ
式（２）：１．０ｍｍ≦Ｄ_２−Ｄ_１≦８．０ｍｍ
式（３）：０．０２×（Ｄ_２−Ｄ_１）≦ｔ≦０．６ｍｍ

［５］前記中心部分にある前記セルは、前記中間壁の内側を一の方向に沿って横切る隔壁と前記一の方向に直交する方向に沿って横切る隔壁とにより区画形成されている前記［１］〜［４］のいずれかに記載の熱交換部材。

本発明の熱交換部材は、熱交換部材に生じる最大熱応力が小さくなっているので、熱交換の効率を低下させないために機械的強度が高くない構造にされた場合であっても、破損が生じにくい。

本発明の熱交換部材の一実施形態の斜視図である。図１に示した熱交換部材を一方の端部の側からみた正面図である。本発明の熱交換部材の別の実施形態の端部の拡大図である。本発明の熱交換部材のさらに別の実施形態の端部の正面図である。図１の熱交換部材を装着した熱交換器の模式図である。図５中のＡ−Ａ’断面の図である。図５中のＢ−Ｂ’断面の図である。

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、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいては、変更、修正、改良を加え得るものである。

１．熱交換部材：
本発明の熱交換部材は、一方の端部から他方の端部に貫通して第一の流体の流路となる複数のセルとこれらの複数のセルを区画形成するセラミックスを主成分とする隔壁とを有するハニカム構造として形成された集熱部と、集熱部の外周に設けられたセラミックスを主成分とする外周壁を有して外周壁によって第一の流体と集熱部の外周側を流れる第二の流体とを隔てながら第一の流体と第二の流体との熱の受け渡しを介在する伝熱部と、複数のセルのうちの中心部分にあるセルを囲んで中心部分にあるセルと残余の外周部分にあるセルとに区分しかつ隔壁よりも厚いセラミックスを主成分とする中間壁とを備えている。

本発明の熱交換部材においては、隔壁、外周壁、および中間壁がセラミックスを主成分とすることにより、隔壁、外周壁、および中間壁の熱伝導率が高まり、その結果として、隔壁、外周壁、中間壁のそれぞれにおいては部分ごとでの温度差が生じにくくなっている。そのため、本発明の熱交換部材では、隔壁や外周壁や中間壁に生じる熱応力が小さくなり、その結果として、ひびや割れが生じにくい。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。

また、本発明の熱交換部材においては、熱伝導率をより高める観点からは、隔壁、外周壁または中間壁がＳｉＣを主成分とするセラミックスからなることが好ましく、さらに隔壁、外周壁、および中間壁のいずれもがＳｉＣを主成分とするセラミックスからなることがより好ましい。本明細書にいうＳｉＣを主成分とするとは、ＳｉＣを５０質量％以上含むことをいう。

また、本発明においては、隔壁、外周壁、または中間壁を、金属Ｓｉを含浸させたＳｉＣを主成分とするセラミックスから形成することもできる。ＳｉＣを主成分とするセラミックスにおいては、金属Ｓｉを含浸させる量が多くなるにつれて熱伝導率を高めることができる。ここで、隔壁、外周壁、または中間壁については、ＳｉＣを主成分とするセラミックス１００質量部に金属Ｓｉを３０質量部以上含浸させて形成した場合に、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上にすることができる。

また、本発明の熱交換部材では、外周壁の内部にある集熱部を流れる第一の流体と、外周壁の外側を流れる第二の流体との間で熱の受け渡しが行われる。このとき、第一の流体と第二の流体との温度差によって集熱部では外周部分と中心部分との間で温度差が生じ、その結果として集熱部は中心から外周側に向かう方向に沿って応力が生じやすい。本発明の熱交換部材では、集熱部において中間壁が複数のセルのうちの中心部分にあるセルを囲むことにより中心部分にあるセルと残余の外周部分にあるセルとに区分し、かつ中間壁が隔壁よりも厚いことにより、熱交換部材に生じる最大熱応力を低減している。このように中間壁の働きにより最大熱応力を低くしているので、本発明の熱交換部材は使用時に熱応力を原因とする破損が生じにくい。

一般に、熱交換部材に生じる熱応力の大きさは、熱交換部材の部分ごとで異なっている。本明細書にいう最大熱応力とは、熱交換部材において部分ごとに生じた熱応力のうちの最大値となった熱応力のことをいう。

また、熱交換部材では、最大熱応力を生じる部分の機械的強度が最大熱応力よりも小さくなると、この部分で破損が生じてくる。本発明の熱交換部材は、上述したように最大熱応力を低くできるので、従来の熱交換部材と比べて破損が生じにくくなる。よって、本発明の熱交換部材においては、機械的強度を低くした構造にすることにより熱交換効率を高めた場合でも、熱応力による破損を生じにくくすることができる。例えば、隔壁を薄くすると、隔壁を速やかに熱したり冷ましたりできるので熱交換の効率を高めることができる一方で、隔壁の機械的強度が低下するために破損しやすくなってしまう。本発明の熱交換部材においては、最大熱応力を低く抑えているので、熱交換効率を高めるために隔壁を薄くした場合でも従来の熱交換部材と比べて破損しにくくなる。

また、角部があるセルに流体を流すと、角部の近傍ではセル内を流れる流体（本発明では第一の流体がこれに相当する）の流れが滞りがちになる。そのため、セルに角部がある場合には、セル内を流れる流体（第一の流体）と隔壁との接触する機会が少なくなるので、熱交換の効率が低下してしまう傾向がある。このような傾向を踏まえると、一般に、熱交換の効率を高める観点からは、セルは角部の数が少ないことが望まれ、特に、セルの断面形状が四角形であることがより望まれる。その一方で、セルの断面形状が四角形の場合には、セル断面の四角形で対角方向にかかる応力に対して機械的強度が弱くなってしまう。このように対角方向にかかる応力に対して機械的強度が弱くなるという問題から、従来の熱交換部材では、熱交換の効率を高めるためにセルの断面形状として四角形を適用しようにも、熱応力によって破損しやすくなるために、四角形のセルの断面形状を適用できない場合が多い。本発明の熱交換部材では、中間壁によって最大熱応力を抑えることができるので、従来技術ではセルの断面形状として四角形を適用できなかった場合でも、セルの断面形状として四角形を適用して熱交換の効率を高めることが可能になる。

さらに、セルの断面形状として四角形を適用する場合には、セルの断面形状が平行四辺形（例えば、正方形、長方形、菱形）となるように隔壁で区画されていることが好ましく、特に、外周壁に囲まれた内部が方眼紙のます目のように隔壁によって区画されることにより、セルの断面形状が平行四辺形になっていることがより好ましい。このようにすると、集熱部の第一の流体の流路方向に垂直な全断面積における第一の流体が流れる部分の面積の割合（いわゆる開口率）を高めることができる。こうして開口率を高めた場合には、中間壁の内側を流れる第一の流体の流量を増やすことができ、その結果として、熱交換の効率をより高めることがきる。さらに、この形態では、外周壁に囲まれた内部が方眼紙のます目のように隔壁によって区画されることにより、セルの断面形状が正方形または長方形になっていることが最も好ましい。このようにセルの断面形状が正方形または長方形の場合には、セルの角のいずれもが鋭角にならず、第一の流体の流れが滞りにくくなるので、熱交換の効率をより一層高めることが可能になる。

また、本発明の熱交換部材は、第一の流体の流路方向（第一の流体が流れる方向）に垂直な断面からみた場合において、外周壁と中間壁とに挟まれた部分に外周壁の内側の中心からの放射方向に略平行に形成された隔壁を有することが好ましい。この形態にすることにより、集熱部の外周部分（外周壁と中間壁に挟まれた部分）においては熱応力を広く分散させ、外周部分において局所的に大きな熱応力が生じることを低減できる。その結果として、集熱部の外周部分の各箇所では一様に熱応力が小さくなり、特に、集熱部の外周部分で最大熱応力が生じる場合には、この最大熱応力を下げることができる。さらに、この形態においては、第一の流体の流路方向に垂直な断面からみた場合において、外周部分にあるセルの全てが、外周壁の内側の中心からの放射方向に略平行に形成された隔壁によって少なくとも区画されていることがより好ましい。この形態にすることにより、集熱部の外周部分（外周壁と中間壁に挟まれた部分）においは熱応力をより広く分散させることができ、その結果として、集熱部の外周部分の各箇所では一様に熱応力がより一層小さくなり、特に、集熱部の外周部分で最大熱応力が生じる場合には、この最大熱応力をより一層下げることができる。

また、本発明の熱交換部材は、第一の流体の流路方向に垂直な断面からみた場合において、外周壁および中間壁が円形であり、かつ外周壁および中間壁が同心円状に配置されていることが好ましい。この形態にすることにより、集熱部の外周部分（外周壁と中間壁に挟まれた部分）にあるセルの配置については方向に特異性がなくなるので、外周部分では応力を広く分散させて外周部分で局所的に大きな応力が生じることを低減することができ、その結果として、集熱部の外周部分の各箇所では一様に熱応力が小さくなり、集熱部の外周部分で最大熱応力が生じる場合には、この最大熱応力を下げることができる。

また、本発明の熱交換部材は、隔壁の厚さｔ、外周壁の内径Ｄ_１、および外周壁の外径Ｄ_２が以下の式（１）〜（３）を満たすことが好ましい［下記式（１）〜（３）中の隔壁の厚さｔ、外周壁の内径Ｄ_１、および外周壁の外径Ｄ_２については図２を参照］。外周壁の内径Ｄ_１および外径Ｄ_２が１．０ｍｍ≦Ｄ_２−Ｄ_１≦８．０ｍｍの関係を満たす場合には、外周壁の剛性が高くなる。その結果、第一の流体と第二の流体との間の温度差によって外周壁に熱応力を生じた場合にも、外周壁にはひびや割れが生じにくい。また、上記した（１）〜（３）の関係を満たす場合には、隔壁にひびや割れが生じにくくなり、また、セル内を流れる第一の流体の圧力損失を低く抑えることができる。
式（１）：３０ｍｍ＜Ｄ_１＜６０ｍｍ
式（２）：１．０ｍｍ≦Ｄ_２−Ｄ_１≦８．０ｍｍ
式（３）：０．０２×（Ｄ_２−Ｄ_１）≦ｔ≦０．６ｍｍ

本発明の熱交換部材では、中心部分にあるセルは、中間壁の内側を一の方向に沿って横切る隔壁と前記一の方向に直交する方向に沿って横切る隔壁とにより区画形成されていることが好ましい。この形態における中間壁の内側では、セルが方眼紙のます目のように区画形成されているので、第一の流体の流路方向に垂直な断面からみた場合において、中間壁の内側部分の断面における第一の流体が流れる部分の面積の割合（いわゆる開口率）を高めることができる。特に、薄い隔壁によって方眼紙のます目のように区画した場合には、上述した第一の流体が流れる部分の面積の割合（開口率）をより高めることができる。このようにして開口率を高めた場合には、中間壁の内側を流れる第一の流体の流量を増やすことができ、その結果として、熱交換の効率を高めることがきる。また、この形態では、中間壁の内側が方眼紙のます目のように規則的に区画され、セルの断面形状が四角形になる。その結果、先に述べたように、セルの断面形状が四角形であることにより、セルの断面形状が五角以上の多角形のときと比べて第一の流体の流れが滞りがちになる箇所が少なくので、セル内を流れる第一の流体と隔壁との接触が促され、その結果、第一の流体と隔壁との間での熱の受け渡しが促進される。すなわち、中間壁の内側が隔壁によって方眼紙のます目のように規則的に区画されることにより、熱交換の効率が高まる。

以下、本発明の熱交換部材の実施形態を参照しつつ、その内容を詳しく説明する。

図１は、本発明の熱交換部材の一実施形態の斜視図である。本熱交換部材１では、隔壁７が円筒状の外周壁３の内部を格子状に区画している。そして、この隔壁７による区画から、複数のセル５が形成され、これらのセル５は一方の端部９ａから他方の端部９ｂまで貫通している。また、隔壁７は外周壁３に繋がっているので、隔壁７と外周壁３との間で熱が伝導する。

図２は、図１に示した熱交換部材１の一方の端部９ａの正面図である。この正面図では、本熱交換部材１における隔壁７の厚さｔ、外周壁３の内径Ｄ_１、外周壁３の外径Ｄ_２を表している。図示されるように、本熱交換部材１では、円筒状の外周壁３の内側に円筒状の中間壁８が配置されており、軸１０に垂直な断面からみた場合、外周壁３と中間壁８が同心円状に配置されている。そして、中間壁８の内部では、均一な厚さの隔壁７が直交した二方向に沿って形成されており、セル５（中心部分のセル３５）が方眼紙のます目のように区画形成されている。本熱交換部材１では、中心部分のセル３５の断面形状が四角形であるので、上述したように熱交換の効率が高くなっている。

また、本熱交換部材１においては、中間壁８と外周壁３に挟まれた部分で隔壁７が軸１０からの放射方向に沿って形成されており、セル５（外周部分のセル３７）が軸１０を中心とする周方向に沿って区切られている。そのため、本熱交換部材１は、外周部分のセル３７の配置については方向に特異性がなくなるので、外周部分（中間壁８と外周壁３に挟まれた部分）では熱応力を広く分散させることができ、この外周部分で局所的に大きな熱応力が生じることを低減することができる。その結果として、集熱部の外周部分の各箇所では一様に熱応力が小さくなり、集熱部の外周部分で最大熱応力が生じる場合には、この最大熱応力を下げることができる。

図３は、本発明の別の実施形態の熱交換部材の端部の拡大図である。本熱交換部材１は、外周部分のセル３７が内側と外側とに２列に並び、さらに、内側の列の外周部分のセル３７と外側の列の外周部分のセル３７とが軸１０を中心とした周方向で半セル分ずれている。言い換えると、内側の列の外周部分のセル３７および外側の列の外周部分のセル３７はともに軸１０からの放射方向に沿って形成された隔壁７によって区画されているが、内側の列の外周部分のセル３７を区画する放射方向に沿って形成された隔壁７と、外側の列の外周部分のセル３７を区画する放射方向に沿って形成された隔壁７とが同一平面上にはなくずれている。上記のように外周部分のセル３７を配置しても、外周部分（中間壁８と外周壁３に挟まれた部分）では熱応力を広く分散させて、この外周部分で局所的に大きな熱応力が生じることを低減することができる。

図４は、本発明のまた別の実施形態の熱交換部材の端部の正面図である。本熱交換部材１では、中心部分のセル３５が、中間壁８の内側を一の方向に沿って横切る隔壁７と前記一の方向に直交する方向に沿って横切る隔壁７とにより区画形成されている。また、外周部分のセル３７も、中間壁８と外周壁３とに挟まれた部分を一の方向に沿って横切る隔壁７と一の方向に直交する方向に沿って横切る隔壁７とにより区画形成されている。本熱交換部材１では、中心部分のセル３５と外周部分のセル３７とをともにセルの断面形状が四角形であることにより、熱交換の効率を高めている。

２．熱交換器：
ここでは本発明の熱交換部材を装着した熱交換器について説明する。図５は、図１に示した熱交換部材を装着した熱交換器の模式図を示す。図５に示されるように、本熱交換器２１は、熱交換部材１がケーシング１１内に装着されている。熱交換部材１の端部９ａと端部９ｂは、ケーシング１１を構成する壁１９に開けた穴にはめ込まれ、管２３ａ，２３ｂに接続している。図６は、図５中のＡ−Ａ’断面である。図示されるように、第一の流体は、管２３ａを流れていくと、続いて熱交換部材１の内部（外周壁３の筒の中、いわゆるセル５内）を通り抜け、さらに管２３ｂへと流れていく。

また、図５に示されるように、ケーシング１１には、第二の流体をケーシング内に流入させる第二の流体の入口１３、および第二の流体をケーシング１１内から排出する第二の流体の出口１５が設けられている。

図７は、図５中のＢ−Ｂ’の断面図である。図示されるように、第二の流体は、入口１３からケーシング内に流入すると、熱交換部材１の外周壁３の外周面４と接触しながら流れて、最終的に出口１５から排出される。

例えば、第一の流体の温度が第二の流体の温度よりも高い場合であれば、熱は、第一の流体から隔壁７や中間壁８や外周壁３に伝わり、最終的に外周壁３から第二の流体へと渡される。このとき、第一の流体の熱は２つの態様によって外周壁３に伝わる。まず、第一の流体が外周壁３の内側面と接触して流れる場合（例えばセル５ａを流れる第一の流体の場合）には、第一の流体の熱が直接外周壁３に伝わる。また、第一の流体が外周壁３と接触せずに流れる場合（例えばセル５ｂやセル５ｃを流れる第一の流体の場合）には、第一の流体の熱が隔壁７や中間壁８を介して外周壁３に伝わる。

また、本熱交換器２１では、図７中の破線の枠αで示した隔壁７（すなわち、セル５ｂとセル５ｃとを区画する隔壁７）に穴や亀裂が生じた場合、セル５ｂおよびセル５ｃを流れる第一の流体同士が混じり合うだけであるため、致命的な故障にはならない。そのため、隔壁７については、隔壁７の強度を低下させてでも、隔壁７と第一の流体とを盛んに衝突させることが可能な形状（例えば、隔壁７がねじれているなど）を採用することができる。特に、本熱交換器２１では、熱交換部材１が中間壁８の働きによって隔壁７に破損を生じにくいので、熱が隔壁７を伝わっていくときに、熱の伝導が隔壁７の破損によって分断されてしまうことが起こりにくい。

本熱交換器２１では、隔壁７は、セル５を区画形成する役割の他に、梁として外周壁３を補強する役割も担っている。そのため、外周壁３は穴や亀裂を生じにくくなっている。この結果、本熱交換器２１では、外周壁３の破損を原因して第一の流体と第二の流体とが混じり合ってしまうような致命的な故障を生じにくい。

３．熱交換部材の製造方法：
次に、本発明の熱交換部材を製造するための方法について、その一実施形態を説明する。まず、セラミック成形原料を押出して、所望のハニカム構造の成形体を作製する。この成形体では、筒形状の外周壁と、外周壁の内部に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する複数のセルが区画形成され、さらに内部には中間壁が作られている。続いて、この成形体を乾燥し、焼成することによって、ハニカム構造の熱交換部材を作製することができる。

例えば、Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム構造の熱交換部材を製造する場合には、まず、所定量のＣ粉末、ＳｉＣ粉末、バインダー、水または有機溶媒を混練し、成形して所望形状の成形体を作製し、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いて、成形体中に金属Ｓｉを含浸させるとよい。

また、上述した方法とは別の方法としては、まず、筒型の外周壁と断面形状が四角形のセルを有するハニカム構造の成形体（第一の成形体）と、上述した成形体（第一の成形体）を内部にちょうど収まるように中心部がくり抜かれたハニカム構造の成形体（第二の成形体）とを別々に成形する。続いて、第一の成形体を第二の成形体の内部に収めた状態にしておいて、金属Ｓｉ雰囲気下、減圧の不活性ガス又は真空中に置くことにより、金属Ｓｉを含浸させ、それと同時に２つの成形体を一体化させることもできる。この方法によれば、第一の成形体の外周壁が、最終的には熱交換部材の中間壁になる。

なお、主成分としてＳｉ_３Ｎ_４、または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、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、ハニカム構造の熱交換部材を製造することができる。

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１，２）
長さ１００ｍｍの円筒状で、内部が厚さ０．３８ｍｍの隔壁によって区画したハニカム構造の熱交換部材を製造した。さらに具体的に述べると、全長１００ｍｍ、ハニカム構造部の径が４０ｍｍ、その外に厚さ０．６ｍｍの円筒形状の外周壁があり、外周壁に囲まれた内部に全長１００ｍｍ、外径３３．５ｍｍ、厚さが実施例１では０．５ｍｍ、実施例２では０．８ｍｍの円筒形状の中間壁を配した。そして、長さ方向に垂直な断面からみた場合に、外周壁と中間壁とを軸を中心に同心円状に配し、中間壁の内側を同一間隔で方眼紙のます目状に隔壁によって区画した。中間壁の内側はセル密度２８セル／ｃｍ^２（１８０ｃｐｓｉ）にした。また、外周壁と中間壁とに挟まれた部分には、一列のセルを配した。これらのセルは、軸からの放射方向に沿って形成された隔壁によって区画されている。また、外周壁、中間壁、および隔壁は、多孔質のＳｉＣ構造体にＳｉを含浸させた材質のものからなり、この材質についてはヤング率が３３１ＧＰａ、熱膨張係数が４．１×１０^−６／℃であった。実施例１，２の熱交換部材については、外周壁の内径Ｄ_１、外周壁の外径Ｄ_２、隔壁厚さｔなどを表１に示す。

（比較例１〜３）
全長１００ｍｍ、ハニカム構造部の径４０ｍｍ、厚さが比較例１では０．６ｍｍ、比較例２では１．０ｍｍ、比較例３では１．５ｍｍの円筒形状の外周壁の内部を、厚さ０．３８ｍｍの隔壁によって区画したハニカム構造の熱交換部材を製造した。これらの熱交換部材では、長さ方向に垂直な断面からみた場合に、外周壁の内側を同一間隔で方眼紙のます目状に隔壁によって区画されている。外周壁の内側はセル密度２８セル／ｃｍ^２（１８０ｃｐｓｉ）にした。また、外周壁、中間壁、および隔壁は、多孔質のＳｉＣ構造体にＳｉを含浸させた材質のものからなり、この材質についてはヤング率が３３１ＧＰａ、熱膨張係数が４．１×１０^−６／℃であった。比較例１〜３の熱交換部材については、外周壁の内径Ｄ_１、外周壁の外径Ｄ_２、隔壁厚さｔなどを表１に示す。

実施例１，２および比較例１〜３の熱交換部材を電気炉を使用して加熱した後、大気中、２５℃に静置した。このときに、熱交換部材に生じた熱応力を算出した。最大熱応力を表１に示す。

実施例２の熱交換部材は、実施例１の熱交換部材よりも中間壁が厚い。実施例１と実施例２との比較から、中間壁を厚くすると最大熱応力が低下することが判明した。また、実施例１および実施例２のいずれも、外周壁の厚さと中間壁の厚さの和が比較例３の外周壁の厚さよりも小さい。にもかかわらず、実施例２に生じた最大熱応力は、比較例３に生じた最大熱応力よりも小さいことが判明した。また、実施例１および実施例２に生じた最大熱応力は、比較例１および比較例２に生じた最大熱応力よりも小さいことが判明した。

（実施例３，４）
長さ１００ｍｍの円筒状で、内部が厚さ０．３０ｍｍの隔壁によって区画したハニカム構造の熱交換部材を製造した。さらに具体的に述べると、全長１００ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚さが実施例３では１．０ｍｍ、実施例４では１．５ｍｍの円筒形状の外周壁に囲まれた内部に、全長１００ｍｍ、外径３３．５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円筒形状の中間壁を配した。そして、長さ方向に垂直な断面からみた場合に、外周壁と中間壁とを軸を中心に同心円状に配し、中間壁の内側を同一間隔で方眼紙のます目状に隔壁によって区画した。中間壁の内側はセル密度２３セル／ｃｍ^２（１５０ｃｐｓｉ）にした。また、外周壁と中間壁とに挟まれた部分には、軸から半径方向で一列のセルを配した。これらのセルは、軸からの放射方向に沿って形成された隔壁によって区画されている。また、外周壁、中間壁、および隔壁は、多孔質のＳｉＣ構造体にＳｉを含浸させた材質のものからなり、この材質についてはヤング率が３３１ＧＰａ、熱膨張係数が４．１×１０^−６／℃であった。実施例３，４の熱交換部材については、外周壁の内径Ｄ_１、外周壁の外径Ｄ_２、隔壁厚さｔなどを表２に示す。

（比較例４〜６）
全長１００ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚さが比較例４では１．０ｍｍ、比較例５では１．５ｍｍ、比較例６では２．０ｍｍの円筒形状の外周壁の内部を、厚さ０．３０ｍｍの隔壁によって区画したハニカム構造の熱交換部材を製造した。これらの熱交換部材では、長さ方向に垂直な断面からみた場合に、外周壁の内側を同一間隔で方眼紙のます目状に隔壁よって区画した。外周壁の内側はセル密度２３セル／ｃｍ^２（１５０ｃｐｓｉ）にした。また、外周壁、中間壁、および隔壁は、多孔質のＳｉＣ構造体にＳｉを含浸させた材質のものからなり、この材質についてはヤング率が３３１ＧＰａ、熱膨張係数が４．１×１０^−６／℃であった。比較例４〜６の熱交換部材については、外周壁の内径Ｄ_１、外周壁の外径Ｄ_２、隔壁厚さｔなどを表２に示す。

実施例３，４および比較例４〜６のそれぞれの熱交換部材をケーシング内に収容することにより、図５に示したものと同じ形の熱交換器を作製した。熱交換部材の内部（セル）に４００℃のガスを１０ｇ／ｓにて流し、また、熱交換部材の外周に４０℃の水を１０Ｌ／ｍｉｎにて流して、熱交換部材に生じた熱応力を算出した。最大熱応力を表２に示す。

実施例４の熱交換部材は、実施例３の熱交換部材よりも外周壁が厚い。実施例３と実施例４との比較から、外周壁を厚くすると最大熱応力が低下することが判明した。また、実施例３の外周壁の厚さと中間壁の厚さとの和が比較例６の外周壁の厚さよりも小さい。にもかかわらず、実施例３に生じた最大熱応力は、比較例６に生じた最大熱応力よりも小さいことが判明した。また、実施例３および実施例４に生じた最大熱応力は、比較例４および比較例５に生じた最大熱応力よりも小さいことが判明した。

（実施例５〜８）
長さ１００ｍｍの円筒状で、内部が厚さ０．３８ｍｍの隔壁によって区画したハニカム構造の熱交換部材を製造した。さらに具体的に述べると、全長１００ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円筒形状の外周壁の内部に、全長１００ｍｍ、外径３３．５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円筒形状の中間壁を配した。そして、これらの熱交換部材では、長さ方向に垂直な断面からみた場合に、外周壁と中間壁とを軸を中心に同心円状に配し、中間壁の内側を同一間隔で方眼紙のます目状に隔壁によって区画されている。中間壁の内側はセル密度２８セル／ｃｍ^２（１８０ｃｐｓｉ）にした。また、外周壁と中間壁とに挟まれた部分には、軸から半径方向で、実施例５では１列、実施例６，７では２列、実施例８では３列のセル（外周部分のセル）を配した。これらのセルは、軸からの放射方向に沿って形成された隔壁によって区画した。また、実施例６，８では、外周壁から中間壁までを軸からの放射方向に沿って横切るように隔壁を設けた（表３では「正方配置」と表記）。一方、実施例７では、軸からの放射方向に沿って形成された隔壁を内側の列と外側の列とでずらし、内側の列のセルと外側の列のセルとが軸１０を中心とした周方向で半セル分ずれるようにした（表３では「千鳥配置」と表記）。また、外周壁、中間壁、および隔壁は、多孔質のＳｉＣ構造体にＳｉを含浸させた材質のものからなり、この材質についてはヤング率が３３１ＧＰａ、熱膨張係数が４．１×１０^−６／℃であった。実施例５〜８の熱交換部材については、外周壁の内径Ｄ_１、外周壁の外径Ｄ_２、隔壁厚さｔなどを表３に示す。

実施例５〜８のそれぞれの熱交換部材をケーシング内に収容することにより、図５に示したものと同じ形の熱交換器を作製した。熱交換部材の内部（セル）に４００℃のガスを１０ｇ／ｓにて流し、また、熱交換部材の外周に４０℃の水を１０Ｌ／ｍｉｎにて流して、熱交換部材に生じた熱応力を算出した。最大熱応力を表３に示す。

外周部分のセルを軸からの放射方向に沿って形成した隔壁によって区画した場合、外周部分のセルが軸からの半径方向で１〜３列のいずれで配置されても、あるいは外周部分のセルが２列以上かつ千鳥配置であっても、最大熱応力はほとんど同じであることが判明した。

本発明は、熱交換器に装着する熱交換部材として利用できる。

１：熱交換部材、３：外周壁、４：外周面、５，５ａ〜５ｃ：セル、６：集熱部、７：隔壁、８：中間壁、９，９ａ，９ｂ：端部、１０：軸、１１：ケーシング、１３：（第二の流体の）入口、１５：（第二の流体の）出口、１７：（第二の流体の）流路、１９：壁、２１：熱交換器、２３ａ，２３ｂ：管、３５：中心部分のセル、３７：外周部分のセル。

Claims

一方の端部から他方の端部に貫通して第一の流体の流路となる複数のセルと、前記複数のセルを区画形成するセラミックスを主成分とする隔壁とを有するハニカム構造として形成された集熱部と、
前記集熱部の外周に設けられたセラミックスを主成分とする外周壁からなり、前記外周壁によって前記第一の流体と前記外周壁の外側を流れる第二の流体とを隔てながら、前記第一の流体と前記第二の流体との熱の受け渡しを介在する伝熱部と、
前記集熱部を構成する前記複数のセルのうちの中心部分にある前記セルを囲んで前記中心部分にある前記セルと残余の外周部分にある前記セルとに区分し、かつ前記隔壁よりも厚いセラミックスを主成分とする中間壁と、を備える熱交換部材。
前記第一の流体の流路方向に垂直な断面からみた場合において、前記外周壁と前記中間壁とに挟まれた部分に前記外周壁の内側の中心からの放射方向に略平行に形成された隔壁を有する請求項１に記載の熱交換部材。
前記第一の流体の流路方向に垂直な断面からみた場合において、前記外周壁および前記中間壁が円形であり、かつ前記外周壁および前記中間壁が同心円状に配置されている請求項１または２に記載の熱交換部材。
前記隔壁の厚さｔ、前記外周壁の内径Ｄ_１、および前記外周壁の外径Ｄ_２が以下の式（１）〜（３）を満たす請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換部材。
式（１）：３０ｍｍ＜Ｄ_１＜６０ｍｍ
式（２）：１．０ｍｍ≦Ｄ_２−Ｄ_１≦８．０ｍｍ
式（３）：０．０２×（Ｄ_２−Ｄ_１）≦ｔ≦０．６ｍｍ
前記中心部分にある前記セルは、前記中間壁の内側を一の方向に沿って横切る隔壁と前記一の方向に直交する方向に沿って横切る隔壁とにより区画形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換部材。