JP6043183B2

JP6043183B2 - 熱交換部材

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Publication number: JP6043183B2
Application number: JP2012286346A
Authority: JP
Inventors: 佐久間　健; 健佐久間; 宮崎　誠; 誠宮崎; 好正近藤; 竜生川口; 徳田　昌弘; 昌弘徳田; 修平久野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: JP2014129890A

Description

本発明は、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、ハニカム構造体を用いた熱交換部材に関する。

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。例えば、エンジンなどの燃焼排ガスなどの高温気体からの熱を回収する熱回収技術がある。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では耐熱性に乏しく、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。しかし耐熱金属は、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。

そこで、セラミックス材料を用いた熱回収技術が開発されている。例えば、ハニカム構造体を用いて熱交換を行う技術がある。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。気体と液体とでハニカム構造体を用いて熱交換する場合、ハニカム構造体が液体漏れを起こし２つの流体が混ざり合うことがないように、ハニカム構造体をシールドする必要がある。

特許文献１には、ハニカム構造体と金属管とを一体化させた熱伝導部材が開示されている。一体化した場合において、熱的な結合状態を保ちつつ、熱膨張差による応力の発生を抑制するために、ハニカム構造体とその外周側の金属管との間にヤング率が１５０ＧＰａ以下の中間材を備えている。

国際公開第２０１２／０６７１５６号

熱交換部材は、厳しい条件下において使用することが求められており、熱応力による破損の発生を抑制するとともに、排ガス等に含まれる成分が溶け出した結露水分によって金属管が腐食し劣化することを防止することが求められている。

本発明の課題は、熱的な結合状態がよく、熱応力による破損が生じにくく耐久性のある熱交換部材を提供することにある。

本発明者らは、熱交換部材を構成するハニカム構造体の外周壁にスリットを形成するとともに、ハニカム構造体の外周面が少なくとも軸方向の一方の端面側において隙間なく中間材に覆われるように、ハニカム構造体と金属管との間に中間材を配置することにより、上記課題を解決することができることを見出した。すなわち、本発明によれば以下の熱交換部材が提供される。

［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前記ハニカム構造体を被覆する金属管と、前記ハニカム構造体と前記金属管との間に挟み込まれた、少なくとも一部がヤング率１５０ＧＰａ以下であり、厚さが０．０５〜１ｍｍである中間材と、を備え、前記ハニカム構造体の前記外周壁に少なくとも１つのスリットを有し、前記ハニカム構造体の外周面が少なくとも軸方向の一方の端面側において隙間なく前記中間材に覆われており、前記金属管内に、前記中間材を前記金属管との間に挟んで、前記ハニカム構造体の両端面にリングが備えられており、前記ハニカム構造体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱交換部材。

［２］前記中間材は、第一のシートの一方の端部と他方の端部が重ねられることにより重なりが形成されて前記ハニカム構造体の前記外周面を少なくとも前記軸方向の一方の前記端面側において隙間なく覆っている、または、前記第一のシート上に別体の第二のシートが重ねられることにより重なりが形成されて前記ハニカム構造体の前記外周面を少なくとも前記軸方向の一方の前記端面側において隙間なく覆っている前記［１］に記載の熱交換部材。

［３］前記中間材の前記重なりは、前記スリット上でないところに設けられている前記［２］に記載の熱交換部材。

［４］前記ハニカム構造体の前記スリットの幅は、０．０３〜４ｍｍである前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱交換部材。

［５］前記中間材の厚さ＞０．２２×前記スリットの幅の関係である前記［１］〜［４］のいずれかに記載の熱交換部材。

ハニカム構造体の外周壁にスリットを形成することにより、熱応力を緩和してハニカム構造体の破損を防止することができる。また、ハニカム構造体と金属管との間に、中間材を備えることにより、ハニカム構造体と金属管との熱的な密着性を向上させることができる。さらにハニカム構造体の外周面が少なくとも軸方向の一方の端面側において隙間なく中間材に覆われているようにすることにより、ガスまたは液体がハニカム構造体と金属管との間に、浸入することを防止することができる。

熱交換部材の模式図であり、ハニカム構造体が金属管内に備えられているところを示す図である。ハニカム構造体の端面の部分拡大図であり、中間材の重なりの一実施形態を示す図である。ハニカム構造体の端面の部分拡大図であり、中間材の重なりの他の実施形態を示す図である。スリットが形成されたハニカム構造体の斜視図である。中間材の重ね方の一実施形態を説明する図である。中間材の重ね方の一実施形態を説明する拡大図である。ハニカム構造体と金属管との一体化を説明する図である。中間材の重ね方の他の実施形態を説明する図である。中間材を重ねない比較例を説明する図である。リングを備えた熱交換部材の端面近傍を示す断面図である。リングを備えた熱交換部材の図５ＡにおけるＡ矢視図である。熱交換部材を備えた熱交換器を示す模式図である。レッドチェック液に熱交換部材を浸漬したところを示す模式図である。金属管を切断するところを示す模式図である。金属管を切断して開いたところを示す模式図である。浸み込みを説明するための、切断して開いた金属管の内周側を示す模式図である。

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。

（熱交換部材）
図１Ａ及び図１Ｂに本発明の熱交換部材１０の一実施形態を示す。図１Ａは、熱交換部材１０の模式図であり、ハニカム構造体１が金属管１２内に備えられているところを示す。図１Ｂは、ハニカム構造体１の端面２の部分拡大図である。

熱交換部材１０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を被覆する金属管１２と、ハニカム構造体１と金属管１２との間に挟み込まれた中間材１３と、を備える。ハニカム構造体１は、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。またハニカム構造体１は、外周壁７に少なくとも１つのスリット１５を有する。中間材１３は、少なくとも一部がヤング率１５０ＧＰａ以下であり、厚さが０．０５〜１ｍｍである。中間材１３は、ハニカム構造体１の外周面７ｈを少なくとも軸方向の一方の端面２側において隙間なく覆っている。熱交換部材１０は、外周面７ｈが中間材１３に隙間なく覆われた方を第一の流体の入口側として、ハニカム構造体１の内部に第一の流体を、金属管１２の外周面１２ｈ側に第二の流体を流通させ、第一の流体と第二の流体との熱交換を行うものである。

金属管１２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、金属管１２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、金属管１２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。

外周壁７や隔壁４に熱を伝導させて、第一の流体と第二の流体との熱交換を行わせると、外周壁７や隔壁４において場所により温度差が生じる。こうした温度差は熱に伴う膨張や収縮の度合いの差を生み、その結果、外周壁７や隔壁４に熱応力を生じさせる。この熱応力は、外周壁７や隔壁４の歪みや割れの原因になりうる。本発明の熱交換部材１０では、ハニカム構造体１の外周壁７に少なくとも１つ以上のスリット１５が設けられているので、外周壁７に生じる熱応力を緩和させ、ひいては外周壁７や隔壁４での歪みや割れの発生を抑えることができる。

熱交換部材１０にヤング率が１５０ＧＰａ以下の中間材１３を用いることにより、金属管１２とハニカム構造体１との密着性を高めて、熱伝導性を向上させることができる。さらに、ハニカム構造体１の外周面７ｈを中間材１３が少なくとも軸方向の一方の端面２側において隙間なく覆っていることにより、使用時に、外周面７ｈが中間材１３に隙間なく覆われた方を第一の流体の入口側として用いると、硝酸、塩素、硫黄等を含んだガスまたは液体が、ハニカム構造体１と金属管１２との間に浸入することを防止することができる。これにより、ガスに含まれる成分によって金属管１２に腐食が発生することを防止することができる。ガスまたは液体がハニカム構造体１と金属管１２との間に浸入することを防止するためには、第一の流体の入口となる端面２側の外周面７ｈが隙間なく中間材１３に覆われていることが重要であり、外周面７ｈの全面が中間材１３に覆われていることがより好ましい。

中間材１３がハニカム構造体１の外周面７ｈを少なくとも軸方向の一方の端面２側において隙間なく覆うために、中間材１３は、少なくとも一部同士が重ねられて配置されており、中間材１３の重なりが形成されていることが好ましい。図１Ｂは、中間材１３の重なり１３ｋを示す一実施形態である。図１Ｂの実施形態では、中間材１３の重なり１３ｋは、一枚のシート（第一のシート１３ａ）の一方の端部と他方の端部が重ねられることにより形成されている。第一の流体の入口となる端面２を見た場合に、図１Ｂのように中間材１３で外周面７ｈが覆われていることが好ましい。

または、中間材１３の重なり１３ｋは、図２に示すように、第一のシート１３ａ上に別体の第二のシート１３ｂが重ねられることにより形成されていてもよい。図１Ｂまたは図２に示すように、中間材１３を重ねて配置し、ハニカム構造体１の外周面７ｈを隙間なく覆うことにより、硝酸、塩素、硫黄等を含むガスまたは液体の浸入を防止することができる。なお、中間材１３の重なり１３ｋの実施形態は、これらに限定されるものではない。

さらに、中間材１３の重なり１３ｋは、図１Ｂや図２に示すように、スリット１５上でないところに設けられていることが好ましい。このようにスリット１５上でないところに重なり１３ｋを設けることにより、よりガスの浸入を防止することができる。

中間材１３は、ヤング率が５０ＧＰａのものを用いることができる。中間材１３としては、グラファイトシート、金属シート、ゲルシート等が挙げられる。金属シートを構成する金属としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等が挙げられる。中間材１３として、密着性や熱伝導性等を考慮すると、グラファイトシートを用いることが好ましい。以下、中間材１３として、グラファイトシートを例として説明する。

金属管１２とハニカム構造体１とを、グラファイトシートの中間材１３を挟んだ状態で、例えば、焼きばめにより嵌合させることができる。金属管１２とハニカム構造体１とを一体化することにより、第一の流体と第二の流体とが混ざり合うことを防止することができる。グラファイトシートの中間材１３を挟んで焼きばめすることにより、金属管１２とハニカム構造体１との接合部の使用時の常温〜１５０℃の環境において、グラファイトシートに圧がかかり、熱を伝達することができる。

本明細書におけるグラファイトシートとは、膨張黒鉛を主成分とするグラファイトを圧延しシート状に加工したものや、高分子フィルムを熱分解して得られるシート状のものであり、黒鉛シート、カーボンシートと称されるものも含む。グラファイトシートは、厚み方向のヤング率が１ＧＰａ以下、厚み方向の熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。厚み方向の熱伝導率について、より好ましくは、３〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。また、面内方向の熱伝導率は、５〜１６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）が好ましく、１００〜４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）がより好ましい。

また、グラファイトシートのヤング率は、１ＭＰａ〜１ＧＰａであることが好ましい。より好ましくは、５ＭＰａ〜５００ＭＰａ、さらに好ましくは、１０ＭＰａ〜２００ＭＰａである。ヤング率が１ＭＰａ以上であればグラファイトの密度が十分であり熱伝導性が良い。一方、５００ＭＰａ以下である場合、薄いグラファイトシートでも焼きばめ時に十分弾性変形し、密着性や金属管１２の応力緩和効果が得られる。

グラファイトシートの厚みは、０．０５〜１ｍｍであることが好ましく、０．１〜０．５ｍｍであることがより好ましく、０．２〜０．４ｍｍであることがさらに好ましい。グラファイトシートは、薄くなるほど高価になる。また厚くなると、熱抵抗を生じる。この範囲のグラファイトシートを使用することにより、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。

ハニカム構造体１を被覆する金属管１２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。金属管１２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。

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。

本発明の熱交換部材１０では、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、２ｍｍ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、効率よくハニカム構造体１内の熱を金属管１２の外側に排出できる。

本発明の熱交換部材１０では、第一の流体として排ガスを流す場合、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。本発明の熱交換部材１０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、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。

ハニカム構造体１は、図１Ｂに示すように、外周壁７に少なくとも１つのスリット１５を有する。スリット１５の本数は、熱応力を緩和するためには、１本以上が必要であり、２本以上が好ましく、４本以上がさらに好ましい。例えば、図３Ｂに示すように、４５°ごとに８本のスリット１５を形成してもよい。複数のスリット１５は、ハニカム構造体１の中心軸に対して対称の位置に配置されていることが好ましい。スリット１５の深さは、外周壁７を切断する深さが必要である。さらに、スリット１５は、外周壁７のみならず、隔壁４まで設けられていてもよい。また、スリット１５は、ハニカム構造体１の長手方向に沿って、一方の端面２から他方の端面２まで設けられている（図３Ａ参照）。このようなスリット１５を形成することにより、熱応力を緩和することができる。なお、外周壁７のスリット１５は、軸方向において、ハニカム構造体１の全長にわたらず一部に形成されていてもかまわない。このようにすると、スリット１５の加工時間を短縮することができるため、コストを低減することができる。

ハニカム構造体１のスリット１５の幅１５ｔは、０．０３〜４ｍｍであることが好ましく、０．１〜２ｍｍであることがより好ましく、０．１〜０．５ｍｍであることがさらに好ましい。スリット１５の幅１５ｔをこの範囲とすると、熱応力を緩和するとともに、中間材１３がスリット部にて撓みにくくなり、シール性が向上する。

さらに、「中間材の厚さ＞０．２２×スリットの幅」の関係であることが好ましい。中間材１３の厚さが薄い場合（中間材の厚さ≦０．２２×スリットの幅）、スリット１５のところで中間材１３がたわみ、ガスまたは液体が染み込みやすくなる。中間材１３の厚さが厚い場合（中間材の厚さ＞０．２２×スリットの幅）、ハニカム構造体１と金属管１２との隙間が中間材１３で充填され、シール性が向上する。

（熱交換部材の製造方法）
次に、本発明の熱交換部材１０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Ｃ粉末、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、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。

次に、図３Ａに示すように、ハニカム構造体１の外周壁７に対して、ダイヤモンド砥石等を用いて、所定の深さのスリット加工を行う。

次に、図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、中間材１３をハニカム構造体１の外周面７ｈに巻き付ける。図３Ｂおよび図３Ｃは、一枚の中間材１３（第一のシート）の一方の端部と他方の端部を重ねることにより重なり１３ｋを形成する実施形態である。または、図４Ａに示すように、二枚の中間材１３（第一のシート、第二のシート）を用いて、第一のシート上に別体の第二のシートを重ねることにより重なり１３ｋを形成することもできる。このときに、ハニカム構造体１の外周面７ｈが全て中間材１３によって覆われるようにする。

続いて、金属管１２を昇温させ、図３Ｄに示すように、中間材１３を巻き付けたハニカム構造体１を金属管１２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。中間材１３を挟んで焼きばめすることにより、使用時の常温〜１５０℃の環境において、中間材１３に圧がかかり、熱伝達が良好となる。なお、ハニカム構造体１と金属管１２との接合は、焼きばめ以外に、ろう付けや拡散接合等を用いてもよい。

（リングを備えた熱交換部材）
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、金属管１２内に、中間材１３を金属管１２との間に挟んで、ハニカム構造体１の端面２にリング１８が備えられていることが好ましい。中間材１３をハニカム構造体１とリング１８で金属管１２との間に挟むことにより、中間材１３が締め付けられてシール性が向上する。なお、リング１８は、ハニカム構造体１の一方の端面２と他方の端面２の両端面に備えられていることが好ましいが、コスト削減のため、一方の端面２のみに備えられていてもよい。また、リング１８は、ハニカム構造体１の端面２に密着して備えられていることが好ましい。さらに、シール性を向上させるために、リング１８の厚さ１８ｔは、０．２〜３ｍｍが好ましい。リング１８の外径は、金属管１２の内径の１．００〜１．０３倍であるとシール性が向上して好ましい。

（熱交換器）
図６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６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。

（実施例１〜８、参考例１〜１１、比較例１，２）
（ハニカム構造体の製造）
まず、平均粒径４５μｍのＳｉＣ粉末７０質量％と、平均粒径３５μｍのＳｉＣ粉末１０重量％と、平均粒径５μｍのＳｉＣ粉末２０重量％と、を混ぜ合わせて、ＳｉＣ粉末の混合物を調製した。このＳｉＣ粉末の混合物１００質量部に、バインダー４質量部、水を混ぜ合わせ、ニーダーを用いて混練することにより、混練物を得た。この混練物を真空土練機に投入し、円柱状の坏土を作製した。この坏土を押出成形によって円柱状の外観を備えたハニカム形状に成形し、乾燥して成形体を得た。続いて、成形体をＳｉ含浸焼成することにより、主成分が炭化珪素のハニカム構造体１（直径４２ｍｍ、長さ１００ｍｍ、隔壁４の厚さ０．４ｍｍ、セル密度１５０ｃｐｓｉ）を製造した。

（スリットの加工）
ハニカム構造体１の外周壁７に対して、所定の砥石幅をもつダイヤモンド砥石を用いて、表１のスリット幅で所定の深さのスリットを形成するスリット加工を実施した。スリット１５は、ハニカム構造体１の一方の端面２から他方の端面２までの長さのものを８本作製した（図３Ａ、図３Ｂ参照）。

次に、ハニカム構造体１の外周面７ｈに、中間材１３としてアクリル系粘着材付きグラファイトシート（大塚電機ＨＴ−７０５Ａ）を貼り付けた。実施例、比較例のグラファイトシートの貼り付けについては、以下に説明する。グラファイトシートは、熱伝導率が厚み方向で６Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ヤング率が０．１ＧＰａのものを用いた。今回は粘着材付きグラファイトシートを用いたが、別途伝熱性接着剤を用いて接着しても良い。

（比較例１）
比較例１の熱交換部材１０は、グラファイトシートを重ね合わせなしで、ハニカム構造体１と金属管１２との間に備えた（表１の「シート重ね部の浸み込み」については、グラファイトシートの一方の端部と他方の端部との隙間部分についての浸み込みの評価である。）（図４Ｂ参照）。

（実施例１〜４、参考例１〜７、比較例２）
実施例１〜４、参考例１〜７、比較例２の熱交換部材１０は、一枚のグラファイトシートの一方の端部と他方の端部とが重なるようにしてハニカム構造体１と金属管１２との間にグラファイトシートを備えた（図３Ｂ、図３Ｃ参照）。なお、実施例６のみグラファイトシートの重なり１３ｋを、スリット１５上にした。比較例２は、シート厚みが薄いものである。

（実施例５〜８、参考例８〜１１）
実施例５〜８、参考例８〜１１の熱交換部材１０は、一枚のグラファイトシート（第一のシート）に、別体のグラファイトシート（第二のシート）を重ねて、ハニカム構造体１の外周面７ｈの隙間がないようにした（図４Ａ参照）。

（実施例１〜８、参考例１〜１１、比較例１，２）
続いて金属管１２を高周波加熱機で１０００℃まで昇温させ、ハニカム構造体１を金属管１２に挿入して、焼きばめた（図３Ｄ、図１Ａ参照）。金属管１２は、ＳＵＳ３０４薄肉管を用いた。

なお、実施例１〜８の熱交換部材１０については、金属管１２内で、グラファイトシートを金属管１２との間に挟んで、ハニカム構造体１の端面２にＳＵＳリング（リング１８）を備えたものである（図５Ａ、図５Ｂ参照）。

（レッドチェック評価）
ハニカム構造体１と金属管１２との間へのガスまたは液体の浸み込みを評価するために、レッドチェック液を用いたレッドチェック評価を行った。まず、容器内に常温のレッドチェック液を入れ、その中に熱交換部材１０を１時間、浸漬させた（図７Ａ参照）。その後、金属管１２を長手方向に切断して（図７Ｂ、図７Ｃ参照）、金属管１２の内周側を観察してレッドチェック液の浸み込みがあるかを調べた（図７Ｄ参照）。

表１にレッドチェック評価の結果を示す。表１の「端面からの浸み込み」は、図７Ｄの浸み込み１９ａであり、金属管１２の内周側の、ハニカム構造体１の端面２と接していた部分の浸み込みである。「スリット部の浸み込み」は、図７Ｄの浸み込み１９ｂであり、金属管１２の内周側の、ハニカム構造体１のスリット１５と接していた部分の浸み込みである。「シート重ね部の浸み込み」は、図７Ｄの浸み込み１９ｃであり、金属管１２の内周側の、ハニカム構造体１のスリット１５と接していた部分の浸み込みである。表１の◎は、まったく浸み込みがない場合、○は、問題がない程度の極わずかな浸み込みがある場合、×は、浸み込みがあったことを示す。

グラファイトシート（中間材１３）の重なり１３ｋのない比較例１、グラファイトシートが薄い比較例２は、レッドチェック液の浸み込みがあった。グラファイトシートの厚さが０．０５〜１ｍｍでグラファイトシートの重なり１３ｋがある実施例１〜８、参考例１〜１１については、レッドチェック液の浸み込みがなかった。スリット１５の幅１５ｔが０．０３〜４ｍｍ、「グラファイトシートの厚さ＞０．２２×スリットの幅」を満たすものについては、特に結果が良好であった。実施例２，６は、「グラファイトシート（中間材１３）の厚さ／スリットの幅」が０．０１であったが、ＳＵＳリングを備えるため、良好な結果が得られた。

本発明の熱交換部材は、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）で熱交換する用途に使用することができる。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、１０：熱交換部材、１２：金属管、１２ｈ：（金属管の）外周面、１３：中間材、１３ａ：第一のシート、１３ｂ：第二のシート、１３ｋ：（中間材の）重なり、１５：スリット、１５ｔ：スリットの幅、１８：リング、１８ｔ：（リングの）厚さ、１９ａ：（端面からの）浸み込み、１９ｂ：（スリット部の）浸み込み、１９ｃ：（シート重ね部の）浸み込み、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

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前記ハニカム構造体を被覆する金属管と、
前記ハニカム構造体と前記金属管との間に挟み込まれた、少なくとも一部がヤング率１５０ＧＰａ以下であり、厚さが０．０５〜１ｍｍである中間材と、を備え、
前記ハニカム構造体の前記外周壁に少なくとも１つのスリットを有し、
前記ハニカム構造体の外周面が少なくとも軸方向の一方の端面側において隙間なく前記中間材に覆われており、
前記金属管内に、前記中間材を前記金属管との間に挟んで、前記ハニカム構造体の両端面にリングが備えられており、
前記ハニカム構造体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う熱交換部材。
前記中間材は、第一のシートの一方の端部と他方の端部が重ねられることにより重なりが形成されて前記ハニカム構造体の前記外周面を少なくとも前記軸方向の一方の前記端面側において隙間なく覆っている、または、前記第一のシート上に別体の第二のシートが重ねられることにより重なりが形成されて前記ハニカム構造体の前記外周面を少なくとも前記軸方向の一方の前記端面側において隙間なく覆っている請求項１に記載の熱交換部材。
前記中間材の前記重なりは、前記スリット上でないところに設けられている請求項２に記載の熱交換部材。
前記ハニカム構造体の前記スリットの幅は、０．０３〜４ｍｍである請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換部材。
前記中間材の厚さ＞０．２２×前記スリットの幅
の関係である請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換部材。