JP6352773B2 - 熱交換用部材および熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換用部材および熱交換器に関する。

従来、各種の冷却システム等に用いられる熱交換器が例示されている。このような熱交換器としては、例えば、略平行に並べられた複数の長板と前記長板相互間のスリットからなり、前記長板のいくつかの表面に長手方向に連続して凹みが設けられた基板が複数積層され、隣接する前記基板の前記長板相互が接続されて管を構成するとともに、前記凹みが管内流路を構成し、かつ前記スリットが管外流路を構成してなる熱交換器が例示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−３０００６２号公報

ところで、現在上述したような熱交換器として、さらに熱交換効率の向上した熱交換器が求められている。それゆえ、内部に流体が流れる流路を備える熱交換用部材において、より熱交換効率を高めるにあたり、流路の直上や直下における部材の外表面を荒らして表面積を大きくすることが考えられるが、この場合に、流路とそれ以外の部位とでの熱交換の差異が大きくなり、破損が生じ、信頼性が低下するおそれがあった。

それゆえ、本発明の目的は、信頼性が向上した熱交換用部材およびそれを備える熱交換器を提供することにある。

本発明の熱交換用部材は、蓋体部と、底板部と、前記蓋体部と前記底板部とを接続するように設けられた隔壁部とを備えるとともに、前記蓋体部と前記底板部と前記隔壁部とで囲まれた空間が、第１の流体が流れる第１流路とされており、前記蓋体部および前記底板部のうち少なくとも一方において、前記第１流路の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が、前記隔壁部の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）よりも小さいことを特徴とする。

また、本発明の熱交換器は、上記の熱交換用部材の複数個のそれぞれが空間を有して配置されて、該空間が第２の流体が流れる第２流路とされているとともに、複数個の前記熱交換用部材の一端側で前記第１流路同士と連通し、前記第１の流体を前記熱交換用部材に導入するための導入部材と、複数個の前記熱交換用部材の他端側で前記第１流路同士と連通し、前記熱交換用部材を流れた流体を導出するための導出部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の熱交換用部材は、蓋体部および底板部のうち少なくとも一方において、第１流路の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が、隔壁部の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）よりも小さいことから、流体との熱交換において、隔壁部を介して伝わる熱量を増やすことができる。それにより、蓋体部や底板部における温度差を低減できることで、破損を抑制でき、信頼性の向上した熱交換用部材とするこ
とができる。

また、本発明の熱交換器は、上記の熱交換用部材を備えることで、信頼性の向上した熱交換器とすることができる。

（ａ）は本実施形態の熱交換器の一例を示す外観斜視図であり、（ｂ）は断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１に示す熱交換器を構成する部材を抜粋して示し、（ａ）は熱交換用部材の一例を示す斜視図、（ｂ）は導入部材および導出部材の一例を示す側面図、（ｃ）は被覆部材の一例を示す斜視図である。 （ａ）は図１で示す熱交換器を構成する熱交換用部材の一部を抜粋して示す断面図、（ｂ）は（ａ）で示す破線部分を拡大して示す断面図である。

以下、図面を用いて本実施形態の熱交換器について説明する。

図１（ａ）は本実施形態の熱交換器の一例を示す外観斜視図であり、（ｂ）は断面図であり、図２は、図１に示す熱交換器のうち、（ａ）は熱交換用部材の一例を示す斜視図、（ｂ）は導入部材および導出部材の一例を示す側面図、（ｃ）は被覆部材の一例を示す斜視図であり、さらに図３（ａ）は、図１で示す熱交換器を構成する熱交換用部材の一部を抜粋して示す断面図、（ｂ）は（ａ）で示す破線部分を拡大して示す断面図である。なお、図１〜図３において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

図１に示す熱交換器１は、各部材がセラミック焼結体から構成されている。熱交換器１をセラミック焼結体から構成することにより、耐熱性や耐腐食性に優れた熱交換器とすることができる。このようなセラミック焼結体を構成する材料としては、熱交換の対象とする流体の特性に合わせて適宜選択して用いればよく、例えば、炭化珪素を主成分とする材料のほか、アルミナを主成分とする材料等を用いることができる。炭化珪素を主成分とするならば、比較的熱伝導率が高いため、熱交換器の熱交換効率を高めることができ、また、アルミナを主成分とするならば、原料代が安く加工しやすいため、比較的安価に熱交換器を製造することができる。

本実施形態の熱交換器１は、内部が第１の流体が流れる第１流路８とされた熱交換用部材２の複数個のそれぞれが空間を有して配置され、該空間が第２の流体が流れる第２流路１０とされている。なお、第１の流体および第２の流体は、液体や気体等、目的に応じて適宜用いることができ、例えば第１の流体を水等の液体とし、第２の流体を高温のガス等の気体とすることができる。

また、熱交換用部材２の一端側には、第１流路８同士と連通し、第１の流体を熱交換用部材２の第１流路８に導入するための導入部材３を備えており、熱交換用部材２の他端側には、第１流路８同士と連通し、熱交換用部材２の第１流路８を流れた流体を外部に導出するための導出部材４を備えている。なお、ここでいう一端側および他端側とは、第１の流体の流れる方向に沿った一端側および他端側を意味する。

熱交換用部材２においては、導入部材３および導出部材４と連通する必要があるため、導入部材３および導出部材４のそれぞれと連通するための孔を有している。なお、図１に示す熱交換器１においては、熱交換用部材２のうち、第１の流体が流れる方向に沿った一端である最上段に配置される熱交換用部材２（図１においては、２ａに該当する。）は、内部を流れる流体が外部に漏れないよう、上面側に孔は設けられておらず、下面側にのみ
孔を有している。また、最上段以外に配置される熱交換用部材２（図１においては、２ｂ、２ｃに該当する。）は、図２（ａ）に示すように、貫通孔１４を有している。そして、導入部材３や導出部材４を、これらの孔に挿入して配置することにより、熱交換用部材２と、導入部材３および導出部材４とを簡単に組み合わせることができ、各流路を容易に連通させることができる。

一方、導入部材３と導出部材４とは、図２（ｂ）に示すように、１つの筒状（例えば、円筒状）の部材で構成されており、その一部には熱交換用部材２と連通するための連通部１５を備えている。導入部材３および導出部材４が、１つの筒状の部材で構成されていることにより、導入部材３および導出部材４を流れる第１の流体が漏れ出すことを効果的に抑制できる。なお、図２（ｂ）においては、導入部材３および導出部材４の一部を省略して図示している。そして、この連通部１５と貫通孔８とを連通させることで、導入部材３の内部に設けられた流路（以下、入口流路７という。）を流れた第１の流体は、それぞれの熱交換用部材２内の第１流路８に流れ、この第１流路８を流れる間に、第２流路１０を流れる第２の流体と熱交換することができる。また、第１流路８を流れた第１の流体は、導出部材４の内部に設けられた流路（以下、出口流路９という。）を流れて外部に排出される。

なお、入口流路７を流れた第１の流体が、効率よく第１流路８に流れ、また第１流路８を流れた第１の流体が効率よく出口流路９に流れるよう、図２（ａ）に示す貫通孔１４および図２（ｂ）に示す連通部１５においては、それぞれ熱交換用部材２ｂの内側における部分のみが開口している。

そして、熱交換器１を用いて効率のよい熱交換を行なうにあたっては、第１の流体と第２の流体とが対向流となるように配置することが好ましいが、必ずしも対向流となるように配置する必要はなく、例えば直交流となるように配置する、流体の流れを同じ方向となるように配置する等、適宜、目的とする流体の流れに合わせて配置することができる。

図３（ａ）は、熱交換用部材２の一部を抜粋して示す断面図である。このような熱交換用部材２は、蓋体部１６と、底板部１７と、蓋体部１６と底板部１７とを接続するように設けられた隔壁部１８とを備えており、この蓋体部１６と底板部１７と隔壁部１８とで囲まれた空間が、第１の流体が流れる第１流路８とされている。この隔壁部１８は、第１の流体が流れる方向に沿って一端側から他端側に延びていることが好ましく、これにより第１の流体と隔壁部１８とが接触する表面積を大きくでき、熱交換効率を向上できる。なお、図３（ａ）においては、第１流路８を２つ有している熱交換用部材２の一例を示しているが、第１流路８の数は特に制限はなく、例えば１つであってもよく、また２つ以上であってもよく、求められる熱交換の性能にあわせて適宜設定することができる。

また、熱交換用部材２に設けられる第１流路８は、第１の流体が効率よく流れる構成とすることが好ましい。それゆえ、例えば導入部材３との接続部から内側に向けて広がった構成として、また導出部材４との接続部に向けて縮まる構成とすることもできる。このような構成とすることにより、導入部材３から導入された第１の流体が、第１流路８に留まることを抑制でき、第１の流体を効率よく流すことができる。

そして、このような熱交換用部材２において、さらに熱交換効率を向上させるにあたり、第２流路１０を流れる第２の流体の熱を効率よく第１流路８を流れる第１の流体に伝熱するため、蓋体部１６および底板部１７のうち少なくとも一方において、第１流路８の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）を粗くして、第２の流体の熱をより多く第１の流体に伝熱することが考えられる。

しかしながら、この場合、蓋体部１６および底板部１７のうち少なくとも一方において、第１流路８の直上において、第２の流体の熱が効率よく第１の流体に伝わるものの、蓋体部１６および底板部１７のうち少なくとも一方における隔壁部１８の直上の部位においては、第２の流体より伝わった熱の第１流路８への伝熱量が減少し、第２の流体より伝わった熱が蓋体部１６や底板部１７に蓄熱されてしまう。それにより、蓋体部１６および底板部１７において温度差を生じ、それに伴って、隔壁部１８の直上においてクラック等の破損を生じるおそれがあることが分かった。

それゆえ、本実施形態の熱交換用部材２においては、蓋体部１６および底板部１７のうち少なくとも一方において、第１流路８の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が、隔壁部１８の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）よりも小さい。それにより、隔壁部１８に伝熱された熱をより多く第１流路８側に伝えることができ、蓋体部１６や底板部１７に蓄熱される熱量を低減できる。それゆえ、蓋体部１６および底板部１７における温度差を低減でき、隔壁部１８の直上におけるクラック等の破損を抑制することができる。なお、言うまでもないが、第１流路８の直上および隔壁部１８の直上とは、蓋体部１６の外表面のみならず、図示において下に位置するものの、底板部１７の外表面のことも指し、粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）の比較においては、蓋体部１６側、底板部１７側のそれぞれで行なうものである。

そして、蓋体部１６と底板部１７との両方において、第１流路８の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が、隔壁部１８の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）よりも小さいことが好ましい。

また、蓋体部１６および底板部１７のうち少なくとも一方において、第１流路８の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２〜０．４μｍであり、隔壁部１８の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５〜１．４μｍであることが好ましい。それぞれの粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）をこの範囲とすることで、隔壁部１８を介して第１流路８に伝熱される熱量を増やすことができ、蓋体部１６や底板部１７における温度差を低減できることで、破損を抑制でき、信頼性の向上した熱交換用部材２とすることができる。

また、蓋体部１６および底板部１７のうち少なくとも一方において、第１流路８の直上における外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が、隔壁部１６の直上における外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）よりも小さいことが好ましい。

具体的には、第１流路８の直上における外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）としては５０〜１００μｍであることが好ましく、隔壁部１８の直上における外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）としては、１１０〜３００μｍであることが好ましい。それぞれの粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）をこの範囲にすることで、隔壁部１８に伝熱された熱をより多く第１流路８側に伝えることができ、蓋体部１６や底板部１７に蓄熱される熱量を低減できる。それゆえ、蓋体部１６および底板部１７における温度差を低減でき、隔壁部１８の直上におけるクラック等の破損を抑制することができる。

なお、蓋体部１６と底板部１７との両方において、第１流路８の直上における外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が、隔壁部１８の直上における外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）よりも小さいことが好ましい。

また、蓋体部１６と底板部１７のうち少なくとも一方において、第１流路８の直上における外表面の粗さ曲線の最大高さ粗さ（Ｒｚ）が、隔壁部１８の直上における外表面の粗さ曲線の最大高さ粗さ（Ｒｚ）よりも小さいことが好ましく、具体的には、第１流路８の
直上における外表面の粗さ曲線の最大高さ粗さ（Ｒｚ）が、０．７〜３．０μｍであることが好ましく、隔壁部１８の直上における外表面の粗さ曲線の最大高さ粗さ（Ｒｚ）が、１．３〜８．０μｍであることが好ましい。

また、熱交換用部材２は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒのうちのいずれかを主成分とする被覆層で覆われていることが好ましい。熱交換用部材２が、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒのうちのいずれかを主成分とする被覆層で覆われていることにより、腐食性の高いガスや液体に曝される使用環境下において優れた耐食性を有することができる。例えば、ＣＦ_４などのフッ素系ガス、フッ化水素（ＨＦ）水溶液などの液体に触れることによって、熱交換用部材２の成分がフッ化物となって昇華したり、溶出したりすることを妨げることができる。

また、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒの存在は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）、エネルギー分散型Ｘ線装置（ＥＤＳ）、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）で測定することにより確認することができる。また、含有量については、被覆層をサンプリングし、上述した測定によって確認された成分について、ＩＣＰを用いて定量分析すればよい。なお、上述した測定によって確認された成分が、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒのうちのいずれかであり、被覆層を構成する全成分の５０質量％を超えていれば、その成分は、熱交換用部材２の被覆層における主成分である。

以下に、熱交換用部材２の製造方法について説明する。

例えば、主成分となる原料（炭化珪素、アルミナ等）の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を添加して適宜混合して、スラリーを作製する。このスラリーを用いて、ドクターブレード法により形成したセラミックグリーンシートを金型により打ち抜いて、複数の所望形状のシート状成形体を得た後、積層することにより積層体である成形体を作製する。また、セラミックグリーンシートの他の製造方法としては、スラリーをスプレードライ法により噴霧乾燥して顆粒を作製し、その顆粒をロールコンパクション法によって粉末圧延し、セラミックグリーンシートを得ても良い。

また、成形体の他の製造方法としては、主成分となる原料の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を添加して適宜混合して作製した坏土を用いて押出成形法で作製するほか、上述した顆粒を用いてメカプレス法や冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）法で作製しても良い。また、ＣＩＰ後には、切削加工を施しても良い。

続いて、成形体のうち、第１流路８の直上となる部位に、ブラストマスクを配置する。ブラストマスクとしては、一般的に使用されるものを用いることができ、例えばシート状のものを用いればよい。なお、ブラストマスクとしては、１層からなるほか、多数の層からなるブラストマスクを用いてもよい。

そして、ブラスト法により粗面加工を行なう。具体的には、ブラストマスクを配置した後、ノズルから研磨材を高圧で吹き付けることにより、成形体におけるブラストマスク以外の外表面に粗面加工を施す。

研磨材としては、成形体の材質に応じて種々の材料を用いることができ、例えばジルコニア、アルミナ、シリカ、窒化珪素、炭化珪素等の粒子を用いることができる。成形体の外表面の粗さは、研磨材の材質、粒径、吹き付け時間、吐出圧などを変えることで適宜調整することができる。

なお、ここまで、第１流路８の直上以外、すなわち隔壁部１８の直上にのみ粗面加工を施す例を説明したが、第１流路８の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ
）が、隔壁部１８の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）よりも小さいという関係を満たすのであれば、第１の流路８の直上にも粗面加工を施しても良いことは言うまでもない。また、ブラスト法の代わりに、金型を使用して粗面加工を施しても良い。この場合、成形体の表面を所望の表面性状に転写可能な表面を有する金型を使用すれば良い。

このようにして得られた成形体を焼成することで熱交換用部材２となる焼結体を得ることができる。なお、ブラスト法による粗面加工は、熱交換用部材２となる成形体を焼結して焼結体とした後に行なってもよい。ちなみに、蓋体部や底板部の外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）、粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）および粗さ曲線の最大高さ粗さは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１ ２００１に従って算出することができる。

次に、熱交換用部材２に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒのうちのいずれかを主成分とする被覆層を形成する方法について説明する。第１の方法としては、無電解メッキ法により、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒのうちのいずれかをメッキすれば良く、被覆層の厚みは５〜２０μｍ程度とすればよい。また、第２の方法としては、プラズマ溶射法により、ＮｉＡｌ粉末、ＮｉＣｒ粉末、ＡｌＣｒ粉末およびＣｕＡｌ粉末等の金属粉末のいずれかを用いて５５０〜８００℃で溶射する。これにより被覆層は、ＮｉＡｌ、Ｎｉ_３Ａｌ、Ｎｉ_２Ａｌ_３、Ｃｒ_２Ａｌ、ＣｕＡｌ_２、Ｃｕ_３Ａｌ_２のうちの少なくとも１つの結晶相からなるものとなり、被覆層の厚みは５〜５０μｍ程度とすればよい。

なお、本実施形態の熱交換器１においては、上述のように得られた熱交換用部材２に孔（貫通孔等）を設け、この孔に導入部材３および導出部材４を挿入することで、入口流路７、第１流路８および出口流路９がそれぞれ連通することとなるが、その際、熱交換用部材２と、導入部材３および導出部材４との接続部から、第１の流体が漏れだすおそれがある。ここで、第１の流体が漏れ出した場合には、熱交換効率が低下するほか、第１の流体によっては、熱交換器１が配置される各種装置等に悪影響を及ぼすおそれがある。

それゆえ、図１に示す熱交換器１においては、熱交換用部材２間に配置され、導入部材３および導出部材４のそれぞれの外周を覆うとともに、一端面および他端面が熱交換用部材２と接続された被覆部材６を備えている。なお、被覆部材６の一例を図２（ｃ）に示している。このような被覆部材６の外形は、導入部材３および導出部材４に合わせた形状とすることができ、例えば円筒状とすることができる。

それにより、熱交換用部材２と、導入部材３および導出部材４との接続部から第１の流体が漏れた場合であっても、被覆部材６の一端面および他端面が熱交換用部材２と接続されていることから、第１の流体が外部に漏れることを抑制することができる。従って、さらに信頼性の向上した熱交換器１とすることができる。

なお、図１においては、被覆部材６の内面が、導入部材３および導出部材４の外面とそれぞれ接続された例を示しているが、必ずしも接続されている必要はなく、例えば導入部材３および導出部材４の外面と隙間を空けて配置されていても構わない。この場合には、熱交換用部材２と、導入部材３および導出部材４との接続部から第１の流体が漏れたとき、この隙間が漏れた第１の流体を留めるための貯留部の役目を果たすこととなる。

なお、図１に示す熱交換器１においては、導入部材３および導出部材４の下側に、第１の流体を導入する導入部１１と、導出部材４を流れた第１の流体を収集する収集部１２とを備えるフランジ部５を有している。

それにより、フランジ部５の一方側から導入された第１の流体は、入口流路７、第１流
路８および出口流路９を流れて、フランジ部５の他方側から排出される。ちなみに、図１（ａ）においては、出口流路９の出口１３を図示している。

なお、導入部１１および収集部１２は、それぞれが混合しないよう、独立して設けられていればよく、また、導入部１１および収集部１２は互いに独立した流路を形成しても良く、その大きさは適宜設定することができる。このように、導入部１１および収集部１２が一体となったフランジ部５を用いたならば、フランジ部でも熱交換をすることができるので、熱交換器の熱交換効率を高めることができる。

また、上述した熱交換器１においては、導入部材３および導出部材４を１つの筒状の部材から構成した例を用いて説明したが、例えば各熱交換用部材２の間に配置されるように複数個の部材より構成してもよい。

この場合、導入部材３の入口流路７を流れる第１の流体が、第１の流体の流れる方向の先端側に位置する第１流路８に多く流れ、入口側の第１流路８に流れる量が少なくなることを抑制すべく、第１流路８の導入部材３側の端部や、貫通孔１４の内部、さらには導入部材３の内部等に、第１の流体が各第１流路８に流れやすくなるよう、例えば入口流路７の入口側に向けて延びる板状の流量調整部材を設けることもできる。

また、図１（ｂ）に示したように入口流路７が同じ幅で形成されている場合、第１の流体が流れる方向の一端側における第１流路８に多くの第１の流体が流れ、入口側に位置する第１流路８に流れる第１の流体の量が少なくなり、それにより効率のよい熱交換ができなくなるおそれがある。

それゆえ、例えば、導入部材３の形状を、第１の流体が流れる方向の一端側における入口流路７の幅が、第１の流体が流れる方向の他端側である入口側における入口流路の幅よりも狭い形状とする、言い換えれば導入部材３における入口流路７が上に向けて先細りとすることもできる。

導入部材３の形状をこのような構成とすることで、より多くの量の第１の流体８を、入口側に位置する第１流路８に流すことができ、それにより熱交換効率を向上することが可能な熱交換器１とすることができる。

また、上記の熱交換器１においては、１つの導入部材３および導出部材４を設けた例を示しているが、熱交換用部材２の大きさ等によっては、導入部材３および導出部材４を複数設けることもできる。

なお、上述の熱交換器１は、特にその用途が制限されるものではなく、例えば各種レーザー装置のほか、熱交換を行うものであれば適宜適用することができる。

以下に、上述した熱交換器１の作製方法について説明する。なお、熱交換用部材２については説明を省略する。

まず、導入部材３、導出部材４、被覆部材６およびフランジ部５のそれぞれを個別に作製する。

例えば、それぞれの部材を構成する主成分となる原料（炭化珪素、アルミナ等）の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を添加して適宜混合して、スラリーを作製する。このスラリーを用いて、ドクターブレード法により形成したセラミックグリーンシートを金型により打ち抜いて、複数の所望形状のシート状成形体を得た後、積層すること
により積層体である成形体を作製して焼成することで、各部材を作製する。また、セラミックグリーンシートの他の製造方法としては、スラリーをスプレードライ法により噴霧乾燥して顆粒を作製し、その顆粒をロールコンパクション法によって粉末圧延し、セラミックグリーンシートを得ても良い。

また、成形体の他の製造方法としては、主成分となる原料の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を添加して適宜混合して作製した坏土を用いて押出成形法で作製するほか、上述した顆粒を用いてメカプレス法やＣＩＰで作製しても良い。また、ＣＩＰ後には、切削加工を施しても良い。さらに、焼結体に研削加工を施しても良い。

次に、作製した各部材を用いて組み立てを行なう。まず、第１の流体が流れる方向に沿った一端となる熱交換用部材２に設けられた孔に、導入部材３および導出部材４とを挿入する。続いて導入部材３および導出部材４に、被覆部材６を挿入する。さらに続いて熱交換用部材２、被覆部材６を順に繰り返して挿入して、最後にフランジ部５を接続する。なお、各部材は接着剤等を塗布した状態で挿入し、最終的に作製したものを熱処理することで、本実施形態の熱交換器１とすることができる。また、導入部材３および導出部材４を１つの筒状体より構成する場合は、熱交換用部材２と被覆部材６を積層して、その後導入部材３および導出部材４を挿入して形成してもよい。

ここで、使用される接着剤としては、耐熱性や耐腐食性に優れているものとして、無機接着剤を用いることが好ましい。無機接着剤としては、例えば、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ系ガラス（Ｒ：アルカリ土類金属元素）粉末や、金属珪素粉末と炭化珪素粉末とを混合したセラミック粉末を含有するペースト等を用いれば良い。このような無機接着剤を使用すると、熱処理を行った際に部材を劣化させることなく、互いの部材を強固に接合できるうえに、耐熱性や耐腐食性に優れているので、熱交換器の信頼性を向上することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、隔壁部１８から第１流路８（第１の流体）に伝熱される熱量を上げるにあたり、第１流路８を構成する隔壁部１８の流路側表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）を、蓋体部１６および底板部１７の流路側表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）よりも大きくしてもよい。それにより、隔壁部１８から第１流路８に伝わる熱量を大きくでき、蓋体部１６や底板部１７に蓄熱される熱量を低減できることから、蓋体部１６および底板部１７における温度差を低減でき、隔壁部１８の直上または直下におけるクラック等の破損をさらに抑制することができる。

また、例えば、上述において、導入部材３の形状として、第１の流体が流れる方向の一端側における入口流路７の幅を、第１の流体が流れる方向の他端側である入口側における入口流路の幅よりも狭くする例を示したが、導出部材４においては導入部材３とは逆に、第１の流体が流れる方向の一端側である出口側における出口流路９の幅を、第１の流体が流れる方向の他端側である出口流路９の幅よりも広い構成とすることができる。すなわち、導出部材４における出口流路９が、上に向けて先細りとすることができる。それにより、上段側の熱交換用部材２に第１の流体が多く流れるようになり、全体として熱交換器１の熱交換効率を向上することができる。

また、本実施形態の熱交換用部材２に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒのうちのいずれかを主成分とする被覆層を形成する例を示したが、熱交換用部材２に限らず熱交換器１にも被覆
層を形成しても良い。

また、本実施形態の熱交換用部材２を複数組み合わせた熱交換器１として説明したが、熱交換用部材２そのものを熱交換器として用い、例えば、半導体素子用や、半導体製造装置用等の熱交換器とすることもできる。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

まず、主成分となる原料である炭化珪素の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を添加して適宜混合して、スラリーを作製し、このスラリーを用いてスプレードライ法により顆粒を作製し、その顆粒をロールコンパクション法によって粉末圧延し、セラミックグリーンシートを作製した。

次に、このセラミックグリーンシートを金型により打ち抜いて、複数の所望形状のシート状成形体を得た後に積層することにより、第１流路となる空間を有する積層成形体を得た。次に、積層成形体の第１流路の直上となる部位に、ブラストマスクを配置した。このブラストマスクを配置した積層成形体に対し、焼成後に表１に示す粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）を有するように粗面加工を施した。また、次に、積層成形体の隔壁部の直上となる部位に、ブラストマスクを配置し、このブラストマスクを配置した積層成形体に対し、焼成後に表１に示す粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）を有するように粗面加工を施した。その後、不活性ガス雰囲気下において、２２７５℃の温度で１０時間保持して焼成することにより、熱交換用部材を得た。

次に、炭化珪素の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を添加して適宜混合してスラリーを作製し、このスラリーを用いてスプレードライ法により顆粒を作製し、押出成形法により導入部材および導出部材、メカプレス法により被覆部材、ロールコンパクション法によって作製したセラミックグリーンシートを積層成形することによりフランジ部となる成形体を作製した。この後、熱交換用部材と同様に焼成を行ない、焼成後に、金属珪素粉末と炭化珪素粉末とを混合したセラミック粉末を含有するペーストを用いて、熱交換用部材、導入部材、導出部材、被覆部材およびフランジ部を接合し、熱交換器の組み立てを行なった。その後、熱処理することにより、図１に示すような熱交換器（試料Ｎｏ．１〜１９）を得た。

なお、試料Ｎｏ．１８および１９は、粗面加工条件の調整により、第１流路の直上の外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）および隔壁部の直上の外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）は同じ値としながら、試料Ｎｏ．１８については、第１流路の直上の外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）を２００μｍとし、隔壁部の直上の外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）を１５０μｍとし、試料Ｎｏ．１９については、第１流路の直上の外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）を７５μｍとし、隔壁部の直上の外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）を２００μｍとした。

そして、各試料につき、ＪＩＳ Ｂ ０６０１ ２００１に準拠した測定機（株式会社
東京精密製 ＳＵＲＦＣＯＭ １４００Ｄ）を使用して粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）測定した。具体的には、測定長さを２．５ｍｍ、カットオフ波長を０．８ｍｍ、測定速度を０．３ｍｍ／ｓとして測定した。なお、試料Ｎｏ．１８および１９について記載した粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）の値も、同様の測定機により測定した値である。

次に、作製した試料Ｎｏ．１〜１９の熱交換器の評価を行った。

評価方法としては、第１の流体を２５℃の水、第２の流体を６００℃の空気とした熱交換を１０分間実施し、その後に室温（２５℃）に戻すというサイクルを１回とした冷熱サイクルを繰り返し、光学顕微鏡での観察においてクラックが確認されるまでの回数で評価した。なお、試料はそれぞれ１５個準備し、平均値をクラックが確認されるまでの回数とした。結果を表１に示す。

表１に示す結果から、試料Ｎｏ．１〜１０および１３〜１９は、クラックが確認されるまでの回数が５００回以上であり、第１流路の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が、隔壁部の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）よりも小さいことにより、熱交換用部材の破損を抑制でき、信頼性が向上することが分かった。

また、試料Ｎｏ．４、５、８，９、１３〜１５、１８、１９は、クラックが確認されるまでの回数が６５０回以上であり、第１流路の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２〜０．４μｍであり、隔壁部の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５〜１．４μｍであることにより、熱交換用部材の破損をさらに抑制でき、さらに信頼性が向上することが分かった。

また、試料Ｎｏ．１８および１９の結果より、第１流路８の直上における外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が、隔壁部１８の直上における外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）よりも小さい方が好ましいことが分かった。

さらに、蓋体部および底板部ともに、試料Ｎｏ．９と同様の表面性状の試料を作製し、上記評価を行なったところ、試料Ｎｏ．９よりも良い評価結果が得られた。この結果より、蓋体部および底板部ともに、第１流路の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が、隔壁部の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）よりも小さいことが好ましいことが分かった。

１：熱交換器
２：熱交換用部材
３：導入部材
４：導出部材
５：フランジ部
６：被覆部材
７：入口流路
８：第１流路
９：出口流路
１０：第２流路
１６：蓋体部
１７：底板部
１８：隔壁部

Claims (7)

1. 蓋体部と、底板部と、前記蓋体部と前記底板部とを接続するように設けられた隔壁部とを備えるとともに、前記蓋体部と前記底板部と前記隔壁部とで囲まれた空間が、第１の流体が流れる第１流路とされており、前記蓋体部および前記底板部のうち少なくとも一方において、前記第１流路の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が、前記隔壁部の直上における外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）よりも小さいことを特徴とする熱交換用部材。
2. 前記蓋体部および前記底板部のうち少なくとも一方において、前記第１流路の直上における前記外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２〜０．４μｍであり、前記隔壁部の直上における前記外表面の粗さ曲線の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５〜１．４μｍであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換用部材。
3. 前記蓋体部および前記底板部のうち少なくとも一方において、前記第１流路の直上における前記外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が、前記隔壁部の直上における前記外表面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換用部材。
4. 前記熱交換用部材は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒのうちのいずれかを主成分とする被覆層で覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱交換用部材。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱交換用部材の複数個のそれぞれが空間を有して配置されて、該空間が第２の流体が流れる第２流路とされているとともに、複数個の前記熱交換用部材の一端側で前記第１流路同士と連通し、前記第１の流体を前記熱交換用部材に導入するための導入部材と、複数個の前記熱交換用部材の他端側で前記第１流路同士と連通し、前記熱交換用部材を流れた流体を導出するための導出部材と、を備えることを特徴とする熱交換器。
6. 前記熱交換用部材間に配置され、前記導入部材および前記導出部材のそれぞれの外周を覆うとともに、一端面および他端面が前記熱交換用部材と接続された被覆部材を備えることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記導入部材に前記第１の流体を導入する導入部と、前記導出部材を流れた第１の流体を収集する収集部とを備えるフランジ部を有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の熱交換器。

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