JP7014759B2

JP7014759B2 - 熱交換器及びその製造方法

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Publication number: JP7014759B2
Application number: JP2019166656A
Authority: JP
Inventors: 悠太郎麓; 竜生川口; 健佐久間
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: JP2021042922A; DE102020208062A1; US20210080185A1; US11243031B2; CN112484550A

Description

本発明は、熱交換器及びその製造方法に関する。

近年、自動車の燃費改善が求められている。特に、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、エンジンオイル、オートマチックトランスミッションフルード（ＡＴＦ：ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＦｌｕｉｄ）などを早期に暖めて、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。また、排ガス浄化用触媒を早期に活性化するために触媒を加熱するシステムが期待されている。

このようなシステムとして、例えば、熱交換器がある。熱交換器は、内部に第１流体を流通させるとともに外部に第２流体を流通させることにより、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う装置である。このような熱交換器では、高温の流体（例えば、排ガスなど）から低温の流体（例えば、冷却水など）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。

本出願人は、特許文献１において、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁と、外周壁とを有する柱状のハニカム構造体と、該ハニカム構造体の外周壁面に嵌合される内筒部材と、該内筒部材の径方向外側に、少なくとも一部が第２流体の流路を構成するように間隔をおいて配置される外筒部材とを備える熱交換器を提案した。このような構造を有する熱交換器では、柱状のハニカム構造体の軸方向に垂直な方向の断面積を大きくすることによって圧力損失を低減することができる。一方、この熱交換器は、第１流体が流通する排気筒に接続されるため、排気筒のサイズに対応する接続部を設けることが要求される。

特開２０１２－０３７１６５号公報

排気筒のサイズに対応する接続部を設けるため、本発明者らは、排気筒との接続部として、コーンと呼ばれる筒状の部材を更に備える熱交換器を検討した。この熱交換器に用いられるコーンは、排気筒に接続される筒部と、外筒部材に接合されるフランジ部とを有している。このような構造を有するコーンをハニカム構造体の第１端面側及び第２端面側に設けることにより、排気筒のサイズに対応する接続部を設けることが可能となる。

しかしながら、近年、コンパクトな構造を有する熱交換器に対するニーズが高くなっており、上記のコーンを熱交換器に設けると、熱交換器の軸方向長さが長くなり、熱交換器のコンパクト化を図ることが難しいという課題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コンパクトな構造を有する熱交換器及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、熱交換器の構造について鋭意研究を行った結果、特定の構造を有する熱交換器とすることにより、上記の問題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁と、外周壁とを有する柱状のハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体の前記外周壁面に嵌合される内筒部材と、
前記内筒部材の径方向外側に、少なくとも一部が第２流体の流路を構成するように間隔をおいて配置される外筒部材と、
筒部及びフランジ部を有し、前記ハニカム構造体の前記第１端面側に位置するとともに、前記フランジ部の端部が前記内筒部材及び／又は前記外筒部材と接合される上流側筒状部材と、
筒部及びフランジ部を有し、前記ハニカム構造体の前記第２端面側に位置するとともに、前記フランジ部の端部が前記内筒部材及び／又は前記外筒部材と接合される下流側筒状部材と
を備え、
前記第２流体の流路の軸方向両端部は、前記ハニカム構造体の前記第１端面及び前記第２端面よりも軸方向外側に位置しており、
前記上流側筒状部材及び前記下流側筒状部材の少なくとも一方は、前記フランジ部の立ち上がり位置が前記第２流体の流路の前記軸方向両端部よりも軸方向内側に位置している熱交換器である。

また、本発明は、第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁と、外周壁とを有する柱状のハニカム構造体と、前記ハニカム構造体の前記外周壁面に嵌合される内筒部材とを備える熱交換部材を準備する工程と、
前記内筒部材の径方向外側に、少なくとも一部が第２流体の流路を構成するように間隔をおいて外筒部材を配置する工程と、
筒部及びフランジ部を有する上流側筒状部材を前記ハニカム構造体の前記第１端面側に配置し、前記フランジ部の端部を前記内筒部材及び／又は前記外筒部材と接合する工程と、
筒部及びフランジ部を有する下流側筒状部材を前記ハニカム構造体の前記第２端面側に配置し、前記フランジ部の端部を前記内筒部材及び／又は前記外筒部材と接合する工程と
を含む熱交換器の製造方法であって、
前記第２流体の流路の軸方向両端部は、前記ハニカム構造体の前記第１端面及び前記第２端面よりも軸方向外側に位置しており、
前記上流側筒状部材及び前記下流側筒状部材の少なくとも一方は、前記フランジ部の立ち上がり位置が前記第２流体の流路の前記軸方向両端部よりも軸方向内側に位置している熱交換器の製造方法である。

本発明によれば、コンパクトな構造を有する熱交換器及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。図１の熱交換器におけるａ－ａ’線の断面図である。本発明の実施形態に係る別の熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。本発明の実施形態に係る別の熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。また、図２は、図１の熱交換器におけるａ－ａ’線の断面図である。
図１及び２に示されるように、本発明の実施形態に係る熱交換器１００は、柱状のハニカム構造体１０と、内筒部材２０と、外筒部材３０と、上流側筒状部材４０と、下流側筒状部材５０とを備えている。

＜柱状のハニカム構造体１０＞
柱状のハニカム構造体１０は、第１端面１１ａから第２端面１１ｂまで延びる第１流体の流路となる複数のセル１２を区画形成する隔壁１３と、外周壁１４とを有する。
柱状のハニカム構造体１０の形状（外形）としては、特に限定されず、例えば、円柱、楕円柱、四角柱又はその他の多角柱などとすることができる。

第１流体の流路方向に垂直な方向の断面における柱状のハニカム構造体１０の外径（直径）は、特に限定されないが、好ましくは２０～２００ｍｍ、より好ましくは３０～１００ｍｍである。このような外径とすることにより、圧力損失を低減させつつ、熱回収効率を向上させることができる。当該断面が円形でない場合には、当該断面に内接する最大内接円の直径を、柱状のハニカム構造体１０の外径とする。

第１流体の流路方向に平行な方向の柱状のハニカム構造体１０の長さ（軸方向長さ）は、特に限定されないが、柱状のハニカム構造体１０の外径（直径）の好ましくは１０倍以下、より好ましくは４倍以下である。このような軸方向長さとすることにより、熱交換器をコンパクト化することができる。

セル１２の形状としては、特に限定されず、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面において、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、又はその他の多角形などとすることができる。また、セル１２は、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面において、放射状に設けられていることが好ましい。このような構成とすることにより、セル１２を流通する第１流体の熱を柱状のハニカム構造体１０の外部に効率良く伝達することができる。

隔壁１３の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．１～１．０ｍｍ、より好ましくは０．２～０．６ｍｍである。隔壁１３の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、柱状のハニカム構造体１０の機械的強度を十分なものとすることができる。また、隔壁１３の厚さを１．０ｍｍ以下とすることにより、開口面積の低下によって圧力損失が大きくなったり、第１流体との接触面積の低下によって熱回収効率が低下したりするなどの問題を抑制することができる。

外周壁１４の厚みは、特に限定されないが、隔壁１３の厚みよりも大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、外部からの衝撃、第１流体と第２流体との間の温度差による熱応力などによって破壊（例えば、ひび、割れなど）が起こり易い外周壁１４の強度を高めることができる。
なお、外周壁１４の厚みは、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよい。例えば、外周壁１４の厚みは、熱交換器１００を一般的な熱交換用途に用いる場合は、好ましくは０．３ｍｍ～１０ｍｍ、より好ましくは０．５ｍｍ～５ｍｍ、更に好ましくは１ｍｍ～３ｍｍである。また、熱交換器１００を蓄熱用途に用いる場合は、外周壁１４の厚みを１０ｍｍ以上として外周壁１４の熱容量を増大させてもよい。

隔壁１３及び外周壁１４は、セラミックスを主成分とする。ここで、本明細書において「セラミックスを主成分とする」とは、全成分の質量に占めるセラミックスの質量比率が５０質量％以上であることをいう。

隔壁１３及び外周壁１４は、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）を主成分として含むことが好ましい。このような材料としては、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、及びＳｉＣなどが挙げられる。これらの中でも、安価に製造でき、高熱伝導であることからＳｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを用いることが好ましい。

隔壁１３及び外周壁１４の気孔率は、特に限定されないが、好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下、更に好ましくは３％以下である。また、隔壁１３及び外周壁１４の気孔率は０％であってもよい。隔壁１３及び外周壁１４の気孔率を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。

第１流体の流路方向に垂直な方向の柱状のハニカム構造体１０の断面におけるセル密度（すなわち、単位面積当たりのセル１２の数）は、特に限定されないが、好ましくは４～３２０セル／ｃｍ²である。セル密度を４セル／ｃｍ²以上とすることにより、隔壁１３の強度、ひいては柱状のハニカム構造体１０自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分に確保することができる。また、セル密度を３２０セル／ｃｍ²以下とすることにより、第１流体が流れる際の圧力損失の増大を抑制することができる。

柱状のハニカム構造体１０のアイソスタティック強度は、特に限定されないが、好ましくは１００ＭＰａ以上、より好ましくは１５０ＭＰａ以上、更に好ましくは２００ＭＰａ以上である。柱状のハニカム構造体１０のアイソスタティック強度を１００ＭＰａ以上とすることにより、柱状のハニカム構造体１０の耐久性を向上させることができる。柱状のハニカム構造体１０のアイソスタティック強度は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格であるＪＡＳＯ規格Ｍ５０５－８７に規定されているアイソスタティック破壊強度の測定方法に準じて測定することができる。

柱状のハニカム構造体１０の熱伝導率は、特に限定されないが、２５℃において、好ましくは５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、より好ましくは１００～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、更に好ましくは１２０～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。柱状のハニカム構造体１０の熱伝導率を、このような範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、柱状のハニカム構造体１０内の熱を外部に効率良く伝達させることができる。なお、熱伝導率の値は、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳＲ１６１１－１９９７）により測定した値を意味する。

柱状のハニカム構造体１０のセル１２に、第１流体として排ガスを流す場合、柱状のハニカム構造体１０の隔壁１３に触媒を担持させてもよい。隔壁１３に触媒を担持させると、排ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、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るとともに、触媒反応の際に生じる反応熱を熱交換に用いることも可能になる。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ものであることが好ましい。上記元素は、金属単体、金属酸化物、又はそれ以外の金属化合物として含有されていてもよい。

触媒（触媒金属＋担持体）の担持量としては、特に限定されないが、好ましくは１０～４００ｇ／Ｌである。また、貴金属を含む触媒を用いる場合、その担持量は、特に限定されないが、好ましくは０．１～５ｇ／Ｌである。触媒（触媒金属＋担持体）の担持量を１０ｇ／Ｌ以上とすることにより、触媒作用が発現し易くなる。また、触媒（触媒金属＋担持体）の担持量４００ｇ／Ｌ以下とすることにより、圧力損失とともに製造コストの上昇を抑えることができる。担持体とは、触媒金属が担持される担体のことである。担持体としては、アルミナ、セリア、及びジルコニアからなる群より選択される少なくとも一種を含有するものを用いることができる。

＜内筒部材２０＞
内筒部材２０は、柱状のハニカム構造体１０の外周壁１４面に嵌合されている。
内筒部材２０の軸方向は、柱状のハニカム構造体１０の軸方向と一致し、内筒部材２０の中心軸は柱状のハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。また、内筒部材２０の軸方向の中央位置は、柱状のハニカム構造体１０の軸方向の中央位置と一致することが好ましい。さらに、内筒部材２０の径（外径及び内径）は、軸方向にわたって一様であってよいが、少なくとも一部（例えば、軸方向両端部など）が縮径又は拡径していてもよい。
内筒部材２０としては、柱状のハニカム構造体１０の外周壁１４面に嵌合するものであれば特に限定されない。例えば、内筒部材２０として、柱状のハニカム構造体１０の外周壁１４面に嵌合して柱状のハニカム構造体１０の外周壁１４を周回被覆する筒状部材を用いることができる。

ここで、本明細書において、「嵌合」とは、柱状のハニカム構造体１０と内筒部材２０とが、相互に嵌まり合った状態で固定されていることをいう。したがって、柱状のハニカム構造体１０と内筒部材２０との嵌合においては、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌めなどの嵌め合いによる固定方法の他、ろう付け、溶接、拡散接合などにより、柱状のハニカム構造体１０と内筒部材２０とが相互に固定されている場合なども含まれる。

内筒部材２０は、柱状のハニカム構造体１０の外周壁１４面に対応した内周面形状を有することが好ましい。内筒部材２０の内周面が柱状のハニカム構造体１０の外周壁１４面に直接接触することで、熱伝導性が良好となり、柱状のハニカム構造体１０内の熱を内筒部材２０に効率良く伝達することができる。

熱回収効率を高めるという観点からは、柱状のハニカム構造体１０の外周壁１４の全面積に対する、内筒部材２０によって周回被覆される柱状のハニカム構造体１０の外周壁１４の部分の面積の割合は高い方が好ましい。具体的には、当該面積割合は、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上、更に好ましくは１００％（すなわち、柱状のハニカム構造体１０の外周壁１４の全部が内筒部材２０によって周回被覆される。）である。
なお、ここでいう「外周壁１４」とは、柱状のハニカム構造体１０の第１流体の流路方向に平行な面を指し、柱状のハニカム構造体１０の第１流体の流路方向と垂直な面（第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂ）は含まれない。

内筒部材２０の材料は、特に限定されないが、製造性の観点から金属であることが好ましい。また、内筒部材２０が金属製であると、後述する外筒部材３０などとの溶接が容易に行える点でも優れている。内筒部材２０の材料としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などを用いることができる。その中でも、耐久信頼性が高く、安価という理由により、ステンレスが好ましい。

内筒部材２０の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．３ｍｍ以上、更に好ましくは０．５ｍｍ以上である。内筒部材２０の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、耐久信頼性を確保することができる。また、内筒部材２０の厚みは、好ましくは１０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更により好ましい。内筒部材２０の厚みを１０ｍｍ以下とすることにより、熱抵抗を低減して熱伝導性を高めることができる。

＜外筒部材３０＞
外筒部材３０は、内筒部材２０の径方向外側に、少なくとも一部が第２流体の流路６０を構成するように間隔をおいて配置されている。
外筒部材３０の軸方向は、柱状のハニカム構造体１０及び内筒部材２０の軸方向と一致し、外筒部材３０の中心軸は柱状のハニカム構造体１０及び内筒部材２０の中心軸と一致することが好ましい。また、外筒部材３０の軸方向の中央位置は、柱状のハニカム構造体１０の軸方向の中央位置及び内筒部材２０の軸方向の中央位置と一致することが好ましい。

外筒部材３０は、第２流体を外筒部材３０と内筒部材２０との間の領域に供給するための供給管３１、及び第２流体を外筒部材３０と内筒部材２０との間の領域から排出するための排出管３２に接続されていることが好ましい。供給管３１及び排出管３２は、柱状のハニカム構造体１０の軸方向両端部に対応する位置に設けられていることが好ましい。
また、供給管３１及び排出管３２は、同じ方向に向けて延出されていても、異なる方向に向けて延出されていてもよい。

外筒部材３０は、軸方向両端部の内周面が内筒部材２０の外周面と直接的又は間接的に接するように配置されていることが好ましい。
外筒部材３０の軸方向両端部の内周面を内筒部材２０の外周面に固定する方法としては、特に限定されないが、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌めなどの嵌め合いによる固定方法の他、ろう付け、溶接、拡散接合などを用いることができる。

外筒部材３０の径（外径及び内径）は、軸方向にわたって一様であってよいが、少なくとも一部（例えば、軸方向中央部、軸方向両端部など）が縮径又は拡径していてもよい。例えば、外筒部材３０の軸方向中央部を縮径させることにより、供給管３１及び排出管３２側の外筒部材３０内で第２流体を内筒部材２０の外周方向全体に行き渡らせることができる。そのため、軸方向中央部で熱交換に寄与しない第２流体が低減するため、熱交換効率を向上させることができる。

外筒部材３０の材料は、特に限定されず、上記内筒部材２０の材料について述べた内容と同様である。

外筒部材３０の厚みは、特に限定されず、上記内筒部材２０の厚みについて述べた内容と同様である。

外筒部材３０と内筒部材２０との間に形成される第２流体の流路６０の軸方向両端部６１は、柱状のハニカム構造体１０の第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂよりも軸方向外側に位置している。このような構成とすることにより、熱交換効率を向上させることができる。

＜上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０＞
上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０は、コーンとも称される筒状の部材である。
上流側筒状部材４０は、筒部４１及びフランジ部４２を有する。同様に、下流側筒状部材５０は、筒部５１及びフランジ部５２を有する
上流側筒状部材４０は、柱状のハニカム構造体１０の第１端面１１ａ側に位置し、フランジ部４２の端部が内筒部材２０と接合されている。また、下流側筒状部材５０は、柱状のハニカム構造体１０の第２端面１１ｂ側に位置し、フランジ部５２の端部が内筒部材２０と接合されている。
なお、図１では、フランジ部４２，５２の端部が内筒部材２０と接合されている例を示しているが、フランジ部４２，５２の端部は、外筒部材３０、又は内筒部材２０及び外筒部材３０の両方と接合されていてもよい。

上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０の少なくとも一方（好ましくは両方）は、フランジ部４２，５２の立ち上がり位置４３，５３が第２流体の流路６０の軸方向両端部６１よりも軸方向内側に位置している。このような構成とすることにより、上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０の少なくとも一方（好ましくは両方）の軸方向長さを短くすることができるため、熱交換器１００をコンパクト化することが可能になる。また、第１流体が排ガスである場合には、上流側筒状部材４０を上記のような構成にすることにより、高温の排ガスが、第２流体の流路６０の上流側の軸方向端部に接触してヒートスポットが生じる恐れが抑制される。これにより、熱害が抑制される。

上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０の軸方向は、柱状のハニカム構造体１０、内筒部材２０及び外筒部材３０の軸方向と一致し、上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０の中心軸は、柱状のハニカム構造体１０、内筒部材２０及び外筒部材３０の中心軸と一致することが好ましい。

フランジ部４２，５２の構造としては、特に限定されず、様々な構造とすることができる。例えば、フランジ部４２，５２は折り返し構造を有していてもよい。折り返し構造の折り返し部の数は特に限定されず、１つであっても複数であってもよい。また、フランジ部４２，５２は、曲面構造を有していてもよい。さらに、フランジ部４２，５２は、筒部４１，５１の軸方向に対して垂直方向に屈曲した構造を有していてもよい。

筒部４１，５１の内周面に連続するフランジ部４２，５２の面は、内筒部材２０及び／又は外筒部材３０と接合されていることが好ましい。このような構成とすることにより、フランジ部４２，５２の構造を簡素化することができる。

ここで、様々な構造のフランジ部４２，５２を有する上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０を備える熱交換器の例を図３及び４に示す。なお、図３及び４は、熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。
図３に示す熱交換器２００は、フランジ部４２，５２が、２つの折り返し部を有する折り返し構造及び曲面構造を有する上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０を備えている。この熱交換器２００では、筒部４１，５１の外周面に連続するフランジ部４２，５２の面が、内筒部材２０と接合されている。

図４に示す熱交換器３００は、フランジ部４２，５２が、１つの折り返し部を有する折り返し構造、及び筒部４１，５１の軸方向に対して垂直方向に屈曲した構造を有する上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０を備えている。この熱交換器３００では、筒部４１，５１の内周面に連続するフランジ部４２，５２の面が、内筒部材２０と接合されている。
なお、図３及び４では、フランジ部４２の構造とフランジ部５２の構造とを同一にした例を示しているが、フランジ部４２の構造とフランジ部５２の構造とが異なっていてもよい。

上流側筒状部材４０は、筒部４１とフランジ部４２とを溶接などによって接合することによって構成されていてもよいが、１つの筒状部材を機械加工することによって筒部４１とフランジ部４２とが一体的に構成されていることが好ましい。なお、一体的とは、別々の部材を溶接や接着などによって接合するのではなく、上記の通り、１つの筒状部材を加工することによって、筒部４１とフランジ部４２とがシームレスに設けられていることを意味する。同様に、下流側筒状部材５０は、筒部５１とフランジ部５２とを溶接などによって接合することによって構成されていてもよいが、１つの筒状部材を機械加工することによって筒部５１とフランジ部５２とが一体的に構成されていることが好ましい。

上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０の筒部４１，５１の軸方向に垂直な断面積は、柱状のハニカム構造体１０の軸方向に垂直な断面積よりも小さいことが好ましい。このような構成とすることにより、熱交換器１００，２００，３００の圧力損失を低減しつつ、上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０の筒部４１，５１を排気筒のサイズに適合させることができる。

上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０の材料は、特に限定されず、上記内筒部材２０の材料について述べた内容と同様である。

上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０の厚みは、特に限定されず、上記内筒部材２０の厚みについて述べた内容と同様である。

＜その他の部材＞
熱交換器１００，２００，３００は、本発明の効果を阻害しない範囲において、所望の目的を達成するために各種部材を更に備えていてもよい。
例えば、熱交換抑制時の異音などを低減するために、内筒部材２０と外筒部材３０との間に、第２流体の流路６０内を仕切る中筒部材を設けてもよい。中筒部材は、特に限定されないが、内筒部材２０の軸方向両端部に設けられたスペーサーなどによって保持すればよい。

＜第１流体及び第２流体＞
第１流体及び第２流体としては、特に限定されず、種々の液体及び気体を利用することができる。例えば、熱交換器１００，２００，３００が自動車に搭載される場合、第１流体として排ガスを用いることができ、第２流体として水又は不凍液（ＪＩＳＫ２２３４：２００６で規定されるＬＬＣ）を用いることができる。また、第１流体は、第２流体よりも高温の流体とすることができる。

＜熱交換器１００，２００，３００の製造方法＞
熱交換器１００，２００，３００は、当該技術分野において公知の方法に準じて製造することができる。例えば、熱交換器１００，２００，３００の典型的な製造方法は、第１端面１１ａから第２端面１１ｂまで延びる第１流体の流路となる複数のセル１２を区画形成する隔壁１３と、外周壁１４とを有する柱状のハニカム構造体１０と、柱状のハニカム構造体１０の外周壁１４面に嵌合される内筒部材２０とを備える熱交換部材を準備する工程（第１工程）と、内筒部材２０の径方向外側に、少なくとも一部が第２流体の流路６０を構成するように間隔をおいて外筒部材３０を配置する工程（第２工程）と、筒部４１及びフランジ部４２を有する上流側筒状部材４０を柱状のハニカム構造体１０の第１端面１１ａ側に配置し、フランジ部４２の端部を内筒部材２０及び／又は外筒部材３０と接合する工程（第３工程）と、筒部５１及びフランジ部５２を有する下流側筒状部材５０を柱状のハニカム構造体１０の第２端面１１ｂ側に配置し、フランジ部５２の端部を内筒部材２０及び／又は外筒部材３０と接合する工程（第４工程）とを含む。
なお、第１工程～第４工程の順序は特に限定されず、作製する熱交換器１００，２００，３００の形状に応じて、工程の順序を入れ替えてもよい。また、供給管３１及び排出管３２は、外筒部材３０に予め設けておいてもよいが、適切な段階で外筒部材３０に設けてもよい。また、各部材の配置（固定）方法は、上述した方法を用いればよい。

この製造方法において、第２流体の流路６０の軸方向両端部６１は、柱状のハニカム構造体１０の第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂよりも軸方向外側に位置するように設けられる。また、上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０の少なくとも一方は、フランジ部４２，５２の立ち上がり位置４３，５３が第２流体の流路６０の軸方向両端部６１よりも軸方向内側に位置するように設けられる。

柱状のハニカム構造体１０は、次のようにして製造することができる。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、柱状のハニカム成形体を作製する。このとき、適切な形態の口金及び治具を選択することにより、セル１２の形状及び密度、隔壁１３及び外周壁１４の形状及び厚さなどを制御することができる。また、柱状のハニカム成形体の材料としては、前述のセラミックスを用いることができる。例えば、Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム成形体を製造する場合、所定量のＳｉＣ粉末に、バインダーと、水及び／又は有機溶媒とを加え、得られた混合物を混練して坏土とし、成形して柱状のハニカム成形体を得ることができる。そして、得られた柱状の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、柱状の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柱状のハニカム構造体１０を得ることができる。

上記のようにして製造される熱交換器１００，２００，３００は、特定の構造を有する上流側筒状部材４０及び下流側筒状部材５０を用いているため、軸方向長さを短くすることができ、コンパクト化を行うことが可能になる。

１０柱状のハニカム構造体
１１ａ第１端面
１１ｂ第２端面
１２セル
１３隔壁
１４外周壁
２０内筒部材
３０外筒部材
３１供給管
３２排出管
４０上流側筒状部材
４１筒部
４２フランジ部
４３立ち上がり位置
５０下流側筒状部材
５１筒部
５２フランジ部
５３立ち上がり位置
６０第２流体の流路
６１軸方向両端部
１００，２００，３００熱交換器

Claims

第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁と、外周壁とを有する柱状のハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体の前記外周壁面に嵌合される内筒部材と、
前記内筒部材の径方向外側に、少なくとも一部が第２流体の流路を構成するように間隔をおいて配置される外筒部材と、
筒部及びフランジ部を有し、前記ハニカム構造体の前記第１端面側に位置するとともに、前記フランジ部の端部が前記内筒部材及び／又は前記外筒部材と接合される上流側筒状部材と、
筒部及びフランジ部を有し、前記ハニカム構造体の前記第２端面側に位置するとともに、前記フランジ部の端部が前記内筒部材及び／又は前記外筒部材と接合される下流側筒状部材と
を備え、
前記第２流体の流路の軸方向両端部は、前記ハニカム構造体の前記第１端面及び前記第２端面よりも軸方向外側に位置しており、
前記上流側筒状部材及び前記下流側筒状部材の少なくとも一方は、前記フランジ部の立ち上がり位置が前記第２流体の流路の前記軸方向両端部よりも軸方向内側に位置している熱交換器。
前記フランジ部は折り返し構造を有する、請求項１に記載の熱交換器。
前記フランジ部は曲面構造を有する、請求項１又は２に記載の熱交換器。
前記フランジ部は、前記筒部の軸方向に対して垂直方向に屈曲した構造を有する、請求項１又は２に記載の熱交換器。
前記上流側筒状部材は、前記フランジ部の立ち上がり位置が前記第２流体の流路の前記軸方向両端部よりも軸方向内側に位置している請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記上流側筒状部材及び前記下流側筒状部材は、前記筒部と前記フランジ部とが一体的に構成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記筒部の内周面に連続する前記フランジ部の面が、前記内筒部材及び／又は前記外筒部材と接合される、請求項１～６のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記上流側筒状部材及び前記下流側筒状部材の前記筒部の軸方向に垂直な断面積が、前記ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面積よりも小さい、請求項１～７のいずれか一項に記載の熱交換器。
第１端面から第２端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁と、外周壁とを有する柱状のハニカム構造体と、前記ハニカム構造体の前記外周壁面に嵌合される内筒部材とを備える熱交換部材を準備する工程と、
前記内筒部材の径方向外側に、少なくとも一部が第２流体の流路を構成するように間隔をおいて外筒部材を配置する工程と、
筒部及びフランジ部を有する上流側筒状部材を前記ハニカム構造体の前記第１端面側に配置し、前記フランジ部の端部を前記内筒部材及び／又は前記外筒部材と接合する工程と、
筒部及びフランジ部を有する下流側筒状部材を前記ハニカム構造体の前記第２端面側に配置し、前記フランジ部の端部を前記内筒部材及び／又は前記外筒部材と接合する工程と
を含む熱交換器の製造方法であって、
前記第２流体の流路の軸方向両端部は、前記ハニカム構造体の前記第１端面及び前記第２端面よりも軸方向外側に位置しており、
前記上流側筒状部材及び前記下流側筒状部材の少なくとも一方は、前記フランジ部の立ち上がり位置が前記第２流体の流路の前記軸方向両端部よりも軸方向内側に位置している熱交換器の製造方法。