WO2015115257A1 - 熱交換器 - Google Patents

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WO2015115257A1
WO2015115257A1 PCT/JP2015/051447 JP2015051447W WO2015115257A1 WO 2015115257 A1 WO2015115257 A1 WO 2015115257A1 JP 2015051447 W JP2015051447 W JP 2015051447W WO 2015115257 A1 WO2015115257 A1 WO 2015115257A1
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WO
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heat exchanger
flow path
side wall
cross
sectional area
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PCT/JP2015/051447
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真 大石
高木　俊
祥啓 古賀
久保　修一
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イビデン株式会社
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Publication date
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    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B11/00—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles
    • B28B11/003—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles the shaping of preshaped articles, e.g. by bending
    • B28B11/006—Making hollow articles or partly closed articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B11/00—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles
    • B28B11/12—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles for removing parts of the articles by cutting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0006—Honeycomb structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F7/00—Elements not covered by group F28F1/00, F28F3/00 or F28F5/00
    • F28F7/02—Blocks traversed by passages for heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger using a ceramic honeycomb structure.
  • the honeycomb structure is composed of a large number of flow paths that are partitioned by inner walls. When a fluid passes through the flow path of the honeycomb structure, heat, a substance, and the like can be moved through the inner wall, so that it is widely used as a heat exchanger.
  • Patent Document 1 is a high-temperature heat exchanger including an element made of a porous silicon carbide sintered body that exchanges heat between a fluid flowing through the inside and a fluid existing outside.
  • a high temperature heat exchanger is described in which the element is a honeycomb structure having a plurality of cells extending in the longitudinal direction. It is described that a heat exchanger using such a honeycomb structure is excellent in strength and can efficiently exchange heat between fluids having different temperatures.
  • the ceramic is used in the honeycomb structure because the atoms constituting the material are strongly bonded by a covalent bond and have high strength, heat resistance, and corrosion resistance. On the other hand, the ceramic material becomes a hard and brittle material due to such a feature of the covalent bond. For this reason, the ceramic honeycomb structure is manufactured by a simple forming method such as extrusion, and has a simple shape in which flow paths are arranged in one direction. Because of this shape, the parts to which the honeycomb structure is applied are designed on the assumption that the flow paths are aligned in one direction, and the degree of freedom in designing a heat exchanger using the honeycomb structure is small.
  • a honeycomb structure that exceeds the scope of application of a heat exchanger using such a conventional honeycomb structure made of ceramic, gives a new function to the honeycomb structure, and can handle a new fluid flow. It aims at providing the used heat exchanger.
  • the heat exchanger of the present invention for solving the above-mentioned problems is a heat exchanger comprising a ceramic honeycomb structure having at least a first end face, a second end face, a first side wall, and a second side wall,
  • the honeycomb structure has a first flow path partitioned by an inner wall and extending from the first end face to the second end face and sealed by sealing portions, and a second flow path open at both ends.
  • the first flow path and the second flow path are arranged in rows arranged alternately from the first side wall toward the second side wall, and heat exchange is performed.
  • the honeycomb structure extends from the first channel and the first opening formed in the first side wall or the second side wall to the second opening formed in the inner wall and the first channel.
  • the area is different from the channel cross-sectional area of the second channel.
  • the heat exchanger composed of the honeycomb structure of the present invention unlike the conventional honeycomb structure in which the flow path extends in one direction, a fluid flow can be created in the direction across the honeycomb structure. Further, in such a honeycomb structure, since the first opening and the second opening are formed inside the first opening, not only the first flow channel located at the outermost periphery but also the inner first A fluid flow can also be created in one channel. In addition, since the second opening is formed at a position facing the first opening, the fluid can be moved with the first flow path inside the second opening in the shortest distance, and efficiently. A heat exchanger through which a fluid can flow can be provided.
  • the heat exchanger of the present invention is made of ceramic and has heat resistance and corrosion resistance and high strength, it can handle a fluid even in a severe environment such as a high temperature environment or a corrosive environment.
  • the first space has the sealing portions on the first end surface and the second end surface, respectively, so that the fluid from the first end surface and the second end surface side is in the first space. Intrusion can be prevented.
  • the first space is separated from the second space by the inner wall, the fluid flowing in the first space (first fluid) and the fluid flowing in the second space (second fluid) are in direct contact with each other. Absent. For this reason, functions, such as heat transfer and filtration, can be held in the inner wall.
  • the pair of connection holes can serve as an inlet and an outlet for the fluid flowing through the first space.
  • the first space and the second space face the first sidewall or the second sidewall alternately so that the flow in the direction crossing the flow path of the honeycomb structure is performed. They can be arranged in alternate flow paths. For this reason, the area of the inner wall that separates the fluid flowing along the second flow path (second fluid) and the first fluid flowing in the direction crossing the flow path (first fluid) can be increased.
  • the flow path cross-sectional area of the first flow path and the flow path cross-sectional area of the second flow path are different, the fluid flowing in the first space and the fluid flowing in the second space pass per time. Even if the heat capacities are different, the heat amount can be easily adjusted so as not to be excessive and insufficient, and heat can be efficiently exchanged between the flow paths through the inner wall.
  • the honeycomb structure of the present invention desirably has the following aspect.
  • the first total cross-sectional area, which is the sum of the cross-sectional areas of the first flow paths, is different from the second total cross-sectional area, which is the sum of the cross-sectional areas of the second flow paths. Since the first total cross-sectional area, which is the sum of the cross-sectional areas of the first flow paths, is different from the second total cross-sectional area, which is the sum of the cross-sectional areas of the second flow paths, the fluid flowing in the first space And even if the heat capacities that pass through the second fluid per unit time differ, they can be easily matched, so that heat can be exchanged efficiently.
  • the channel cross-sectional area of the first channel is smaller than the channel cross-sectional area of the second channel. Since the second flow path is a straight flow path from the first end face to the second end face while being drawn from the first flow path to the side wall through the connection hole, pressure loss due to the bending of the flow path Therefore, it is suitable to apply a large amount of fluid having a small heat capacity. For this reason, by arranging the flow passage cross-sectional area of the first flow passage to be smaller than the flow passage cross-sectional area of the second flow passage, it is possible to easily match the heat capacity passing through time, so that heat exchange is performed efficiently. be able to.
  • the first total cross-sectional area that is the sum of the cross-sectional areas of the first flow paths is smaller than the second total cross-sectional area that is the sum of the cross-sectional areas of the second flow paths.
  • the first space is drawn to the side wall side through the connection hole, whereas the second space is a straight flow path from the first end face to the second end face, so there is no pressure loss due to the bending of the flow path. It is suitable to apply a fluid having a small heat capacity that requires a large amount of fluid to flow. For this reason, by arranging the first total cross-sectional area to be smaller than the second total cross-sectional area, the heat capacity passing through time can be easily adjusted, so that heat can be exchanged efficiently.
  • connection hole is formed by stacking five or more second openings.
  • the heat exchanger of this invention can supply a 1st fluid to the 6th flow path counted from the 1st side wall side by stacking the 2nd opening of five layers or more. By adopting such a configuration, the area of the inner wall that separates the first space and the second space can be increased.
  • connection holes are stacked with 10 or more second openings.
  • the heat exchanger of the present invention can supply the first fluid to the eleventh channel counted from the first side wall side by stacking the second openings of 10 layers or more. With such a configuration, the area of the inner wall separating the first space and the second space can be further increased.
  • the ceramic is made of any one of silicon carbide, silicon-impregnated silicon carbide, alumina, cordierite, silicon nitride, aluminum nitride, or zirconia.
  • the heat exchanger according to the present invention is made of any one of silicon carbide, silicon-impregnated silicon carbide, alumina, cordierite, silicon nitride, aluminum nitride, or zirconia. Can be provided.
  • the conventional ceramic honeycomb structure A new function not provided in the heat exchanger using the body can be added.
  • the flow path cross-sectional area of the first flow path and the flow path cross-sectional area of the second flow path are different, the fluid flowing in the first space and the fluid flowing in the second space pass per time. Even if the heat capacities are different, it can be easily adjusted so that the amount of heat does not become excessive or insufficient, and heat can be efficiently exchanged between the respective flow paths through the inner wall.
  • (b) is a case where devitrification glass is inserted in the flow path
  • (c) is a case where water is put in the flow path.
  • (A) is the external appearance photograph of the heat exchanger which consists of a honeycomb structure of the Example which concerns on this invention
  • (b) is the explanatory drawing. It is a perspective view of the heat exchanger of 2nd Embodiment which concerns on this invention. It is sectional drawing of the heat exchanger of 2nd Embodiment which concerns on this invention, (a) is DD sectional drawing in FIG. 10, (b) is EE sectional drawing.
  • the cross section of the honeycomb structure indicates a cross section cut in the depth direction of the connection hole along the flow path.
  • FIG. 3 shows in detail the cutting position of FIG. 2, which is a cross-sectional view of FIG.
  • the channel cross-sectional area indicates the inner area of the boundary line between the inner wall or the side wall and the space in a cross section perpendicular to the channel.
  • the heat exchanger of the present invention is a heat exchanger composed of a ceramic honeycomb structure having at least a first end face, a second end face, a first side wall, and a second side wall, and the honeycomb structure is partitioned by an inner wall.
  • a first channel having both ends extending from the first end surface to the second end surface sealed by a sealing portion, and a second channel having both ends opened, and the first channel.
  • the honeycomb structure Extends from the first opening formed on the first side wall or the second side wall to the second opening formed on the inner wall and on both ends of the first flow path.
  • a first space comprising a pair of connection holes disposed; and 1 channel and a second space composed of the second channel separated by the inner wall, and the channel cross-sectional area of the first channel is the channel of the second channel Different from cross-sectional area.
  • the heat exchanger composed of the honeycomb structure of the present invention unlike the conventional honeycomb structure in which the flow path extends in one direction, a fluid flow can be created in the direction across the honeycomb structure. Further, in such a honeycomb structure, since the first opening and the second opening are formed inside the first opening, not only the first flow channel located at the outermost periphery but also the inner first A fluid flow can also be created in one channel. In addition, since the second opening is formed at a position facing the first opening, the fluid can be moved with the first flow path inside the second opening in the shortest distance, and efficiently. A heat exchanger through which a fluid can flow can be provided.
  • the heat exchanger of the present invention is made of ceramic and has heat resistance and corrosion resistance and high strength, it can handle a fluid even in a severe environment such as a high temperature environment or a corrosive environment.
  • the first space has the sealing portions on the first end surface and the second end surface, respectively, so that the fluid from the first end surface and the second end surface side is in the first space. Intrusion can be prevented.
  • the first space is separated from the second space by the inner wall, the fluid flowing in the first space (first fluid) and the fluid flowing in the second space (second fluid) are in direct contact with each other. Absent. For this reason, functions, such as heat transfer and filtration, can be held in the inner wall.
  • the pair of connection holes can serve as an inlet and an outlet for the fluid flowing through the first space.
  • the first space and the second space face the first sidewall or the second sidewall alternately so that the flow in the direction crossing the flow path of the honeycomb structure is performed. They can be arranged in alternate flow paths. For this reason, the area of the inner wall that separates the fluid flowing along the second flow path (second fluid) and the first fluid flowing in the direction crossing the flow path (first fluid) can be increased.
  • the flow path cross-sectional area of the first flow path and the flow path cross-sectional area of the second flow path are different, the fluid flowing in the first space and the fluid flowing in the second space pass per time. Even if the heat capacities are different, they can be easily adjusted, so that they can be easily adjusted so as not to cause excess or deficiency in heat quantity, and heat can be efficiently exchanged between the respective flow paths through the inner wall.
  • the heat exchanger of the present invention preferably has connection holes on the first side wall and the second side wall, respectively.
  • the heat exchanger according to the present invention includes a second total cross-sectional area in which a first total cross-sectional area that is a total sum of cross-sectional area of the first flow path is a total sum of cross-sectional area of the second flow path, Preferably they are different. Since the first total cross-sectional area, which is the sum of the cross-sectional areas of the first flow paths, is different from the second total cross-sectional area, which is the sum of the cross-sectional areas of the second flow paths, the fluid flowing in the first space And even if the heat capacities that pass through the second fluid per unit time differ, they can be easily matched, so that heat can be exchanged efficiently.
  • a channel cross-sectional area of the first channel is smaller than a channel cross-sectional area of the second channel. Since the second flow path is a straight flow path from the first end face to the second end face while being drawn from the first flow path to the side wall through the connection hole, pressure loss due to the bending of the flow path Therefore, it is suitable to apply a large amount of fluid having a small heat capacity. For this reason, by arranging the flow passage cross-sectional area of the first flow passage to be smaller than the flow passage cross-sectional area of the second flow passage, it is possible to easily match the heat capacity passing through time, so that heat exchange is performed efficiently. be able to.
  • the first total cross-sectional area which is the sum of the cross-sectional areas of the first flow paths, is the total sum of the cross-sectional areas of the second flow paths. Small is preferable.
  • the first space is drawn to the side wall side through the connection hole, whereas the second space is a straight flow path from the first end face to the second end face, so there is no pressure loss due to the bending of the flow path. It is suitable to apply a fluid having a small heat capacity that requires a large amount of fluid to flow. For this reason, by arranging the first total cross-sectional area to be smaller than the second total cross-sectional area, the heat capacity passing through time can be easily adjusted, so that heat can be exchanged efficiently.
  • connection holes are stacked with second openings having five or more layers.
  • the heat exchanger of this invention can supply a 1st fluid to the 6th flow path counted from the 1st side wall side by stacking the 2nd opening of five layers or more.
  • connection hole of the present invention it is preferable that ten or more second openings are stacked.
  • the heat exchanger of the present invention can supply the first fluid to the eleventh channel counted from the first side wall side by stacking the second openings of 10 layers or more. With such a configuration, the area of the inner wall separating the first space and the second space can be further increased.
  • the ceramic is preferably made of any of silicon carbide, silicon-impregnated silicon carbide, alumina, cordierite, silicon nitride, aluminum nitride, or zirconia.
  • the heat exchanger according to the present invention is made of any one of silicon carbide, silicon-impregnated silicon carbide, alumina, cordierite, silicon nitride, aluminum nitride, or zirconia. Can be provided.
  • the heat exchanger of the present invention can be obtained by forming connection holes in the first side wall or the second side wall of the honeycomb-shaped ceramic. It can be obtained by forming the first and second openings. Connection holes can be formed in the honeycomb-shaped ceramic on the first side wall or the second side wall by laser processing.
  • the laser processing machine used for laser processing is not particularly limited.
  • a honeycomb-shaped ceramic can be processed by using a widely used high-power laser beam.
  • the wavelength and output of the laser beam of the laser processing machine can be appropriately selected according to the honeycomb ceramic. Further, it is possible to perform processing more efficiently by using a laser processing machine combined with a water flow of a water jet that has recently been used.
  • the laser processing method combined with the water jet water flow guides the laser light into the water jet water flow and can guide it to the processing point while totally reflecting it, so that the laser light passes through a thin water flow without diffusing.
  • the depth of focus is deep, and it has higher processing performance than a processing machine using only laser light.
  • the heat exchanger of the present invention can be obtained by processing without penetrating the bottom of the connection hole by using a laser processing machine combined with a water flow of a high processing performance water jet. Processing while leaving the bottom of the connection hole can be realized by scattering laser light at a predetermined location and dispersing light energy. By inserting the light diffusing medium at a predetermined location, the laser light is weakened below and cannot be processed.
  • the light diffusion medium is not particularly limited as long as light can be dispersed.
  • a light-transmitting rod having a curved surface such as a glass rod, devitrified glass, glass having bubbles inside, water, and the like can be used. A light-transmitting substance is not heated by laser light, and light is scattered on a curved surface, so that the ability to process laser light can be reduced, and the bottom of the connection hole can be formed without penetrating. Can be processed.
  • devitrified glass has a phase-separated interior even if the surface is not curved, so that light is easily scattered, the ability to process laser light can be reduced, and the bottom is formed without penetrating. be able to. Moreover, it can process by leaving the bottom of a connection hole by filling water in a predetermined location. When filled with water, a large amount of bubbles are generated by boiling water heated by mixing and processing with a water jet stream. For this reason, the laser beam is rapidly attenuated in the filled water, and processing can be performed while leaving the bottom of the connection hole.
  • the heat exchanger of the present invention can be processed by tilting or scanning the laser beam according to the shape, although there are various modifications of the connection holes.
  • connection hole having a desired shape can be formed by appropriately changing the length of the light diffusion medium inserted into each flow path.
  • the sealing part of the heat exchanger of the present invention may be formed in any way and is not particularly limited.
  • a plug made of the same ceramic material as that constituting the inner wall may be inserted.
  • silicon powder may be applied to the plug as an adhesive and then fired. Silicon melts and functions as an adhesive. Further, for example, it can be obtained by injecting and baking a paste in which an inorganic binder, an organic binder, and inorganic particles are mixed.
  • alumina sol, silica sol or the like can be used.
  • organic binder polyvinyl alcohol, phenol resin or the like can be used.
  • silicon carbide, alumina, cordierite, silicon nitride, aluminum nitride, zirconia or the like can be used.
  • the first embodiment is a heat exchanger having the following configuration.
  • a connection hole including a first opening and a second opening is provided on one end face side of the first end face and the second end face in the first side wall and on the other end face side in the second side wall.
  • the first opening is a rectangular opening provided in a slit shape from the sealing portion toward the inside in the longitudinal direction.
  • the first opening is longer than the second opening, and the connection holes are provided so that the plurality of second openings become longer in order toward the first opening. At this time, the bottom of the connection hole reaches the first side wall or the second side wall.
  • FIG. 1A is a perspective view of the heat exchanger according to the first embodiment of the present invention viewed from above (first side wall side), and FIG. 1B is a perspective view of the heat exchanger viewed from below (second side wall side).
  • 2 (a) is a cross-sectional view taken along the line AA in FIGS. 1 (a) and 1 (b)
  • FIG. 2 (b) is a cross-sectional view taken along the line BB in FIGS. 1 (a) and (b).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 1A of the heat exchanger according to the first embodiment of the present invention.
  • 4 is an explanatory view showing in detail the cutting position and cutting direction of the cross-sectional views of FIGS. 2 and 3, wherein (a) is a first end face, (b) is a plan view, and (c) is a side view.
  • a first opening 31 is formed on one end face side of the first end face 11 and the second end face 12 on the first side wall 21 and on the other end face side of the second side wall 22.
  • the first opening 31 of the connection hole 30 is provided at the end portion on the first end face 11 side of the first side wall 21, and the first end of the connection hole 30 is also provided on the second end face 12 side end portion of the second side wall 22.
  • the opening 31 is provided.
  • the heat exchanger (1000) is provided with 64 channels 60 of 8 columns ⁇ 8 rows, and the first column 3 from the left side in FIG. Sealing portions 70 are provided in the rows 5, 5 and 7 (see FIG. 1A). Similarly, in the second end surface 11, the sealing portions 70 are provided in the first row, the third row, the fifth row, and the seventh row. In the row where the sealing portion 70 is provided, the first flow passage 61 is provided as the flow passage 60 (see FIG. 2A), and in the row where the sealing portion 70 is not provided. The second channel 62 is provided as the channel 60.
  • connection holes 30 provided in the first side wall 21 and the second side wall 22 are located in a row where the sealing portion 70 is provided.
  • the first opening 31 is a rectangular opening provided in a slit shape on the inner side in the longitudinal direction from the sealing portion 70.
  • a plurality of second openings 32 are provided inside the first opening 31.
  • the first opening 31 and the second opening 32 have the same length, but it is also possible to provide the second opening 32 so as to become longer in order toward the first opening 31. It is.
  • the bottom of the connection hole 30 reaches the first side wall 21 or the second side wall 22.
  • the crank-shaped first hole is formed by the connection hole 30 on the first end surface 11 side, the first flow path 61 parallel to the first side wall 21 and the second side wall 22, and the connection hole 30 on the second end surface 12 side.
  • the space 41 is formed. Thereby, the fluid flows in a crank shape through the first space 41 in a direction orthogonal to the first side wall 21 and the second side wall 22.
  • a plurality of second flow paths 62 are provided as the flow paths 60, Two spaces 42 are formed.
  • the second flow path 62 is open at the first end face 11 and the second end face 12, and the fluid flowing through the second space 42 passes through the second flow path 62.
  • the first side wall 21 and the second side wall 22 flow in a straight line.
  • the width W ⁇ b> 1 of the first flow path 61 is smaller than the width W ⁇ b> 2 of the second flow path 62.
  • the heights of the first channel 61 and the second channel 62 are the same.
  • the flow path cross-sectional area of the first flow path 61 is smaller than the flow path cross-sectional area of the second flow path 62.
  • the number of the first flow paths 61 is 4 ⁇ 8
  • the number of the second flow paths 62 is 4 ⁇ 8, which is the same.
  • the first total cross-sectional area that is the sum of the cross-sectional areas of the first flow paths 61 is smaller than the second total cross-sectional area that is the sum of the cross-sectional areas of the second flow paths 62.
  • connection hole 30 of the 1st side wall 21 and the connection hole 30 of the 2nd side wall 22 can be formed similarly, in the following description, the case where the connection hole 30 of the 1st side wall 21 is provided is demonstrated.
  • the formation method of FIG. 5 or FIG. 6 can be used for forming the connection hole 30. That is, as shown in FIG. 5, the light diffusion medium 90 is inserted into the first flow path 61 and processed using the laser light 80.
  • the second opening 32 is provided up to the second side wall 22, the light diffusion medium 90 is inserted into the first flow path 61 on the inner surface side of the second side wall 22.
  • the connection hole 30 is formed by translating the laser source 85 while irradiating the laser beam 80.
  • the length of insertion of the light diffusion medium 90 is shortened as it approaches the first side wall 21 and the laser light 80 is irradiated. Can be formed.
  • the triangular prism-shaped connection hole 30 can be obtained by scanning the laser beam 80 while appropriately tilting it.
  • FIGS. 7A and 8A show a case where a glass rod 91 is used as the light diffusion medium 90, and the laser light 80 is blocked by the diffusion of the laser light 80 by the convex surface of the glass.
  • FIGS. 7B and 8B are explanatory views using a devitrified glass 92 as the light diffusion medium 90, which diffuses the laser light 80 by irregular reflection inside the glass and blocks the laser light 80.
  • FIG. 7C and FIG. 8C are explanatory diagrams using water 93 as the light diffusion medium 90, and the laser light 80 is diffused by the turbulent reflection of bubbles generated by heat and water turbulence due to processing. The laser beam 80 is blocked.
  • honeycomb structure (heat exchanger) 1000 of the present embodiment described above by forming the first space 41 in a crank shape, it is possible to draw a fluid flow in a direction across the flow path 60. . Thereby, a new function not provided in the heat exchanger made of the conventional ceramic honeycomb structure can be provided. Further, since the connection hole 30 has a shape in which a portion where the fluid stagnates is difficult to be formed, heat exchange can be performed efficiently.
  • the channel cross-sectional area of the first channel 61 and the channel cross-sectional area of the second channel 62 are different, the fluid flowing in the first space 61 and the fluid flowing in the second space 62 Even if the heat capacities passing through per hour are different, heat can be efficiently exchanged between the respective flow paths through the inner wall 50.
  • FIG. explain the result of manufacturing the honeycomb structure (heat exchanger) 1000 according to the present invention by actually forming the connection holes 30 in the honeycomb-shaped ceramic made of porous silicon carbide is shown in FIG. explain.
  • a honeycomb structure 1000 (heat exchanger) according to the present invention is formed using a honeycomb-shaped ceramic made of silicon carbide of 34 mm ⁇ 34 mm ⁇ 130 mm, having 24 ⁇ 24, a total of 576 square flow paths 60. Produced.
  • the end face in the longitudinal direction has an opening of the flow path 60 (second flow path 62), and is the first end face 11 and the second end face 12.
  • the four surfaces other than the first end surface 11 and the second end surface 12 are side walls, and the surfaces forming the connection holes 30 are the first side wall 21 and the second side wall 22.
  • the inner wall 50 has a thickness of 0.25 mm, and the first side wall 21 and the second side wall 22 have a thickness of 0.3 mm.
  • the cross section of the first channel is a rectangle of 1.14 ⁇ 1.00 mm, the cross section of the first channel is a rectangle of 1.14 ⁇ 1.28 mm, and the first channel is The area is small.
  • connection holes 30 were formed in this honeycomb-shaped ceramic.
  • the connection hole 30 was formed.
  • the bottom of the connection hole 30 is the second side wall 22, and the second openings 32 are formed in all the inner walls 50.
  • the distance between the first opening 31 and the second opening 32 and the first end surface 11 is 10 mm, and the first opening 31 extends from the first end surface 11 to a position of 40 mm.
  • the second opening 32 becomes longer toward the first opening 31 in order, and the connection hole 30 has a trapezoidal cross section.
  • the width of the first opening 31 is 0.6 mm.
  • FIG. Processing was performed at a laser wavelength of 532 nm, an output of 80 W, a nozzle diameter of the water flow 82 of ⁇ 80 ⁇ m, and a scanning speed of 300 mm / min.
  • connection hole 30 can be formed by a laser processing machine using the water flow 82.
  • the method of forming the connection hole 30 in the honeycomb structure 1000 (heat exchanger) is not limited to the laser beam using the water flow 82. If the laser processing machine takes a long time and has a high output, the water flow 82 is used in combination. Can be processed without any problems. Further, the size, arrangement, and number of the connection holes 30 can be selected as appropriate.
  • FIG. 10 is a perspective view of a heat exchanger according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a heat exchanger according to a second embodiment of the present invention, in which (a) is a DD cross-sectional view in FIG. 10 and (b) is an EE cross-sectional view.
  • connection holes 30 are provided in the first end surface 11 side end portion and the second end surface 12 side end portion of the first side wall 21.
  • the bottoms of both connection holes 30 are the second side walls 22 and do not penetrate the second side walls 22.
  • both connection holes 30 are connected by a first flow path 61, and a first space 41 is formed.
  • FIG. 11B in the row where the sealing portion 70 is not provided, the opened first end surface 11 and second end surface 12 are connected as in the first embodiment described above.
  • a second space 42 is formed by the second flow path 62. The first space 41 and the second space 42 are isolated.
  • connection hole 30 the fluid that has entered from one connection hole 30 flows through the first flow path 61 to the other connection hole 30 and flows out. For this reason, the fluid flows in a U shape in a direction orthogonal to the first side wall 21 and the second side wall 22. Thereby, a new function not provided in the heat exchanger made of the conventional ceramic honeycomb structure can be provided. Further, since the connection hole 30 has a shape in which a portion where the fluid stagnates is difficult to be formed, heat exchange can be performed efficiently.
  • the channel cross-sectional area of the first channel 61 is smaller than the channel cross-sectional area of the second channel 62 (see FIG. 3).
  • the first total cross-sectional area that is the sum of the cross-sectional areas of the flow paths 61 is smaller than the second total cross-sectional area that is the sum of the cross-sectional areas of the second flow paths 62.
  • the heat exchanger of the present invention can be used as a heat exchanger for an internal combustion engine, a combustion furnace, or the like.

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Abstract

　ハニカム構造体に新しい機能を付与し、新しい流体の流れを扱うことのできるハニカム構造体からなる熱交換器を提供する。　熱交換器は、第１端面１１と第２端面１２と第１側壁２１と第２側壁２２と を有するセラミック製のハニカム構造体１０００からなる。ハニカム構造体１０００は内壁５０によって仕切られ第１端面１１から第２端面１２に延びる両端が封止部７０によって封孔された第１の流路６１と、両端が開放した第２の流路６２と、を有する。第１の流路６１および第１側壁２１または第２側壁２２に形成された接続孔３０は第１の空間４１を形成し、第２の流路６２は第２の空間４２を形成する。このため、ハニカム構造体１０００を横切る方向に流体の流れをつくることができ、新しい機能を付与することができる。また、第１の流路６１の流路断面積と、第２の流路６２の流路断面積とが異なるので第１の空間４１を流れる流体と、第２の空間４２を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異なってもそれを容易に合わせることができるので内壁５０を通して効率良く熱交換することができる。

Description

熱交換器
　本発明は、セラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器に関する。
　ハニカム構造体は、内部が内壁によって仕切られた多数の流路で構成されている。ハニカム構造体の流路を流体が通過する際に、内壁を介して熱、物質などを移動させることができるので、熱交換器として広く利用されている。
　中でもセラミック製のハニカム構造体は、耐熱性、化学的安定性に優れるので、高い温度、腐食性環境下で使用される熱交換器に用いられている。
　特許文献１には、内側を貫流する流体と外側に存在する流体との間で熱量の交換を行わせる多孔質炭化珪素焼結体製のエレメントを備えた高温用熱交換器であって、前記エレメントは長手方向に延びた複数のセルを有するハニカム構造体であることを特徴とした高温用熱交換器が記載されている。このようなハニカム構造体を用いた熱交換器によれば強度に優れると共に、温度の異なる流体間での熱量の交換を効率良く行わせることができることが記載されている。
特開平６－３４５５５５号公報
　セラミックがハニカム構造体に用いられるのは、材料を構成する原子が共有結合で強く結合し、高強度、耐熱性、耐腐食性を有しているからである。一方、このような共有結合の特長によって、セラミック材料は、硬く、脆い材料となる。
　このため、セラミック製のハニカム構造体は、押出成形など単純な成形方法によって製造され、一方向に流路が並んだ単純な形状である。このような形状であるため、ハニカム構造体を適用する部品は一方向に並んだ流路を前提に設計され、ハニカム構造体を用いた熱交換器の設計の自由度は小さい。
　本発明では、このような従来のセラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器の適用範囲を超え、ハニカム構造体に新しい機能を付与し、新しい流体の流れを扱うことのできるハニカム構造体を用いた熱交換器を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するための本発明の熱交換器は、少なくとも第１端面と第２端面と第１側壁と第２側壁とを有するセラミック製のハニカム構造体からなる熱交換器であって、前記ハニカム構造体は内壁によって仕切られ前記第１端面から前記第２端面に延びる両端が封止部によって封孔された第１の流路と、両端が開放した第２の流路と、を有し、前記第１の流路および前記第２の流路は、それぞれ前記第１側壁から前記第２側壁に向かって並ぶ列であるととともに、交互に配置される列となって構成される熱交換器において、前記ハニカム構造体は、前記第１の流路と、前記第１側壁または前記第２側壁に形成された第１の開口から前記内壁に形成された第２の開口に延びるとともに前記第１の流路の両端に配置される一対の接続孔と、からなる第１の空間と、前記第１の流路と前記内壁で隔離された前記第２の流路とからなる第２の空間と、を有し、前記第１の流路の流路断面積は前記第２の流路の流路断面積と異なる。
　本発明のハニカム構造体からなる熱交換器によれば、従来の一方向に流路の延びたハニカム構造体とは異なり、ハニカム構造体を横切る方向に流体の流れをつくることができる。また、このようなハニカム構造体は、第１の開口および第１の開口の内側に第２の開口が形成されているので、最外周に位置する第１の流路のみならず、内側の第１の流路にも流体の流れをつくることができる。また、第２の開口は第１の開口に対向する位置に形成されているので、第２の開口の内側の第１の流路との流体の移動を最短距離で行うことができ、効率良く流体が流れることができる熱交換器を提供することができる。
　また、本発明の熱交換器は、セラミックからなるので、耐熱性、耐蝕性を備え、高強度であるので、高温環境下あるいは腐食性環境下など過酷な環境下でも流体を扱うことができる。
　さらに、本発明の熱交換器は、第１の空間が、第１端面および第２端面にそれぞれ封止部を有することによって、第１の空間に第１端面および第２端面側からの流体の侵入を防止することができる。さらに第１の空間は、第２の空間と内壁によって隔てられるため、第１の空間を流れる流体（第１の流体）と第２の空間を流れる流体（第２の流体）とが直接接することない。このため、内壁に伝熱、濾過などの機能を保有させることができる。
　本発明の熱交換器は、第１の空間の流路の両端に一対の接続孔を有することにより、一対の接続孔が、第１の空間を流れる流体の入口と出口となることができる。第１の空間に一対の接続孔により入口と出口を設けることによって、第１の空間を流れる流体（第１の流体）を連続的に使用することができる。
　また、第１の空間に一対の接続孔を有することにより、内壁を通過する熱量を大きくする効果もある。第１の空間と第２の空間を隔てる内壁を通過する熱量は、第１の空間と第２の空間の温度差に比例する。第１の空間を流れる流体に入口から入り出口への流れを形成することにより、常に新しい第１の流体を供給し、内壁に温度差が生じさせ移動する熱量を大きくすることができる。
　本発明の熱交換器は、第１の空間および第２の空間が前記第１側壁または前記第２側壁が交互に面していることにより、ハニカム構造体の流路を横切る方向への流れを交互の流路に配置することができる。このため、第２の流路に沿って流れる流体（第２の流体）と、流路を横切る方向に流れる第１の流体（第１の流体）を隔てる内壁の面積を大きくとることができる。
　また、第１の流路の流路断面積と、第２の流路の流路断面積とが異なるので第１の空間を流れる流体と、第２の空間を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異なっても熱量の過不足が生じないよう容易に調整することができ、それぞれの流路間で内壁を通して効率良く熱交換することができる。
さらに、本発明のハニカム構造体は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積と異なる。
　第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積と異なるので、第１の空間を流れる流体と、第２の流体を流れる時間当たりに通過する熱容量が異なってもそれを容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。
（２）前記第１の流路の流路断面積は前記第２の流路の流路断面積より小さい。
　第１の流路からは、接続孔を通して側壁側に引き出されるのに対し、第２流路は、第１端面から第２端面に向かうまっすぐな流路であるので、流路の屈曲による圧力損失がなく、熱容量の小さな流体を多く流すように適用することが適している。このため第１の流路の流路断面積は第２の流路の流路断面積より小さいように配置することにより時間当たりに通過する熱容量を容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。
（３）前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積より小さい。
　第１の空間は、接続孔を通して側壁側に引き出されるのに対し、第２の空間は、第１端面から第２端面に向かうまっすぐな流路であるので、流路の屈曲による圧力損失がなく、多くの流体を流す必要のある熱容量の小さな流体を流すように適用することが適している。このため第１総断面積は第２総断面積より小さいように配置することにより時間当たりに通過する熱容量を容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。
（４）前記接続孔は５層以上の第２の開口が積み重なっている。
　本発明の熱交換器は、５層以上の第２の開口を積み重ねることによって第１の側壁側から数えて６個目の流路に第１の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第１の空間と第２の空間を隔てる内壁の面積を大きくすることができる。
（５）前記接続孔は、１０層以上の第２の開口が積み重なっている。
　本発明の熱交換器は、１０層以上の第２の開口を積み重ねることによって第１の側壁側から数えて１１個目の流路に第１の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第１の空間と第２の空間を隔てる内壁の面積をさらに大きくすることができる。
（６）前記セラミックは、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなる。
　本発明の熱交換器は、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることにより、耐熱性、耐食性を備え、高強度な熱交換器を提供することができる。
　本発明によれば、熱交換器を構成するハニカム構造体の内壁によって形成される流路のみならず、流路を横切る方向に流体の流れを引き出すことができるので、従来のセラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器にない新しい機能を付与することができる。また、第１の流路の流路断面積と、第２の流路の流路断面積とが異なるので第１の空間を流れる流体と、第２の空間を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異っても熱量の過不足が生じないよう容易に調整することができ、それぞれの流路間で内壁を通して効率良く熱交換することができる。
本発明に係る第１実施形態の熱交換器の斜視図であり、（ａ）は上方から見た斜視図、（ｂ）は下方から見た斜視図である。 本発明に係る第１実施形態の熱交換器の断面図であり、（ａ）は図１（ａ）および（ｂ）中Ａ－Ａ断面図、（ｂ）はＢ－Ｂ断面図である。 本発明に係る第１実施形態の熱交換器の図１（ａ）中Ｃ－Ｃ断面図である。 図２および図３の断面図の切断位置および切断方向を詳しく示す説明図であり、（ａ）は第１端面、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明に係る熱交換器の接続孔の製造方法の一例を示す説明図である。 本発明に係る熱交換器の接続孔の製造方法の別の例を示す説明図である。 本発明に係る熱交換器の接続孔をレーザー光によって製造する方法の一例を示す説明図であり、（ａ）は流路内に曲面を有する光透過性のある棒が挿入されている場合、（ｂ）は流路内に失透ガラスが挿入されている場合、（ｃ）は流路内に水が入れられている場合である。 本発明に係るハニカム構造体よりなる熱交換器の接続孔を水流（ウォータージェット）によって導かれたレーザー光によって製造する方法の一例を示す説明図であり、（ａ）は流路内に曲面を有する光透過性のある棒が挿入されている場合、（ｂ）は流路内に失透ガラスが挿入されている場合、（ｃ）は流路内に水が入れられている場合である。 （ａ）は本発明に係る実施例のハニカム構造体よりなる熱交換器の外観写真であり、（ｂ）はその説明図である。 本発明に係る第２実施形態の熱交換器の斜視図である。 本発明に係る第２実施形態の熱交換器の断面図であり、（ａ）は図１０中Ｄ－Ｄ断面図、（ｂ）はＥ－Ｅ断面図である。
　本明細書において、ハニカム構造体の断面は、流路に沿って接続孔の深さ方向に切断された断面を示す。例えば、図３に図１の断面図である図２の切断位置が詳しく記載されている。
　本明細書において、流路断面積とは、流路に垂直な断面において、内壁または側壁と空間との境界線の内面積を示す。
　本発明の熱交換器は、少なくとも第１端面と第２端面と第１側壁と第２側壁とを有するセラミック製のハニカム構造体からなる熱交換器であって、前記ハニカム構造体は内壁によって仕切られ前記第１端面から前記第２端面に延びる両端が封止部によって封孔された第１の流路と、両端が開放した第２の流路と、を有し、前記第１の流路および前記第２の流路は、それぞれ前記第１側壁から前記第２側壁に向かって並ぶ列であるととともに、交互に配置される列となって構成される熱交換器において、前記ハニカム構造体は、前記第１の流路と、前記第１側壁または前記第２側壁に形成された第１の開口から前記内壁に形成された第２の開口に延びるとともに前記第１の流路の両端に配置される一対の接続孔と、からなる第１の空間と、前記第１の流路と前記内壁で隔離された前記第２の流路からなる第２の空間と、を有し、前記第１の流路の流路断面積は前記第２の流路の流路断面積と異なる。
　本発明のハニカム構造体からなる熱交換器によれば、従来の一方向に流路の延びたハニカム構造体とは異なり、ハニカム構造体を横切る方向に流体の流れをつくることができる。また、このようなハニカム構造体は、第１の開口および第１の開口の内側に第２の開口が形成されているので、最外周に位置する第１の流路のみならず、内側の第１の流路にも流体の流れをつくることができる。また、第２の開口は第１の開口に対向する位置に形成されているので、第２の開口の内側の第１の流路との流体の移動を最短距離で行うことができ、効率良く流体が流れることができる熱交換器を提供することができる。
　また、本発明の熱交換器は、セラミックからなるので、耐熱性、耐蝕性を備え、高強度であるので、高温環境下あるいは腐食性環境下など過酷な環境下でも流体を扱うことができる。
　さらに、本発明の熱交換器は、第１の空間が、第１端面および第２端面にそれぞれ封止部を有することによって、第１の空間に第１端面および第２端面側からの流体の侵入を防止することができる。さらに第１の空間は、第２の空間と内壁によって隔てられるため、第１の空間を流れる流体（第１の流体）と第２の空間を流れる流体（第２の流体）とが直接接することない。このため、内壁に伝熱、濾過などの機能を保有させることができる。
　本発明の熱交換器は、第１の空間の流路の両端に一対の接続孔を有することにより、一対の接続孔が、第１の空間を流れる流体の入口と出口となることができる。第１の空間に一対の接続孔により入口と出口を設けることによって、第１の空間を流れる流体（第１の流体）を連続的に使用することができる。
　また、第１の空間に一対の接続孔を有することにより、内壁を通過する熱量を大きくする効果もある。第１の空間と第２の空間を隔てる内壁を通過する熱量は、第１の空間と第２の空間の温度差に比例する。第１の空間を流れる流体に入口から入り出口への流れを形成することにより、常に新しい第１の流体を供給し、内壁に温度差が生じさせ移動する熱量を大きくすることができるので効率良く熱移動または物質移動のできる熱交換器を提供することができる。
　本発明の熱交換器は、第１の空間および第２の空間が前記第１側壁または前記第２側壁が交互に面していることにより、ハニカム構造体の流路を横切る方向への流れを交互の流路に配置することができる。このため、第２の流路に沿って流れる流体（第２の流体）と、流路を横切る方向に流れる第１の流体（第１の流体）を隔てる内壁の面積を大きくとることができる。
　また、第１の流路の流路断面積と、第２の流路の流路断面積とが異なるので第１の空間を流れる流体と、第２の空間を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異なってもそれを容易に合わせることができるので熱量の過不足が生じないよう容易に調整することができ、それぞれの流路間で内壁を通して効率良く熱交換することができる。
　本発明の熱交換器は、接続孔を第１側壁および第２側壁にそれぞれ有することが好ましい。接続孔を第１側壁および第２側壁にそれぞれ有することにより、入口と出口を結ぶ第１の流体の流れる距離が、どの第１の流路を通っても同等にすることができる。このため、内壁全体に第１の流体を行き渡らせることができる。
　本発明の熱交換器は、前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積が前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積と異なることが好ましい。
　第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積と異なるので、第１の空間を流れる流体と、第２の流体を流れる時間当たりに通過する熱容量が異なってもそれを容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。
　本発明の熱交換器は、前記第１の流路の流路断面積が前記第２の流路の流路断面積より小さいことが好ましい。
　第１の流路からは、接続孔を通して側壁側に引き出されるのに対し、第２流路は、第１端面から第２端面に向かうまっすぐな流路であるので、流路の屈曲による圧力損失がなく、熱容量の小さな流体を多く流すように適用することが適している。このため第１の流路の流路断面積は第２の流路の流路断面積より小さいように配置することにより時間当たりに通過する熱容量を容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。
　本発明の熱交換器は、前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積が前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積より小さいことが好ましい。
　第１の空間は、接続孔を通して側壁側に引き出されるのに対し、第２の空間は、第１端面から第２端面に向かうまっすぐな流路であるので、流路の屈曲による圧力損失がなく、多くの流体を流す必要のある熱容量の小さな流体を流すように適用することが適している。このため第１総断面積は第２総断面積より小さいように配置することにより時間当たりに通過する熱容量を容易に合わせることができるので効率良く熱交換することができる。
　本発明の熱交換器は、前記接続孔が５層以上の第２の開口が積み重なっていることが好ましい。
　本発明の熱交換器は、５層以上の第２の開口を積み重ねることによって第１の側壁側から数えて６個目の流路に第１の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第１の空間と第２の空間を隔てる内壁の面積を大きくすることができる。
　本発明の前記接続孔は、１０層以上の第２の開口が積み重なっていることが好ましい。
　本発明の熱交換器は、１０層以上の第２の開口を積み重ねることによって第１の側壁側から数えて１１個目の流路に第１の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第１の空間と第２の空間を隔てる内壁の面積をさらに大きくすることができる。
　本発明の熱交換器は、前記セラミックは、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることが好ましい。
　本発明の熱交換器は、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることにより、耐熱性、耐食性を備え、高強度な熱交換器を提供することができる。
　本発明の熱交換器は、ハニカム状のセラミックの第１側壁または第２側壁に接続孔を形成することにより得ることができる。第１および第２の開口を形成することにより得ることができる。ハニカム状のセラミックに第１側壁または第２側壁にレーザー加工によって接続孔を形成することができる。レーザー加工に用いるレーザー加工機は特に限定されない。広く使用される高出力のレーザー光を用いることによってハニカム状のセラミックを加工することができる。レーザー加工機のレーザー光の波長、出力は、ハニカム状のセラミックに応じて適宜選択することができる。
　また、近年利用されるようになったウォータージェットの水流を併用したレーザー加工機を利用するとより効率良く加工することができる。ウォータージェットの水流を併用したレーザー加工法は、ウォータージェットの水流中にレーザー光を導き、全反射させながら加工点に導くことができ、レーザー光が拡散することなく、細い水流中を通過するので、焦点の深度が深く、レーザー光だけの加工機よりも高い加工性能を有している。
　本発明の熱交換器は、高い加工性能のウォータージェットの水流を併用したレーザー加工機を用いて、接続孔の底を貫通させることなく加工することによって得ることができる。
　接続孔の底を残して加工するには、レーザー光を所定の箇所で散乱させ、光エネルギーを分散させることにより実現できる。所定の箇所に光拡散媒体を挿入することによりそれより下側ではレーザー光が弱められ、加工することができない。光拡散媒体は光を分散させることができれば特に限定されない。例えば、ガラス棒などの曲面を有する光透過性のある棒、失透ガラス、気泡を内部に有するガラス、水などが利用できる。光透過性のある物質は、レーザー光で加熱されることがない上に、曲面で光が散乱されるので、レーザー光の加工の能力を低下させることができ、貫通させることなく接続孔の底を残して加工することができる。
　また、失透ガラスは、表面が曲面でなくても内部が相分離しているので、光が散乱しやすく、レーザー光の加工の能力を低下させることができ、貫通させることなく底を形成することができる。また、水を所定の箇所に充填することにより接続孔の底を残して加工することができる。水を充填すると、ウォータージェットの水流との混合および加工により加熱された水の沸騰により、大量の気泡を発生させる。このため、充填された水の中でレーザー光が急速に減衰し、接続孔の底を残して加工することができる。なお、水を充填していない場合でも、レーザー光とともに水流によって水が供給されるが、水流に用いられる水は量が少なくレーザー光がセラミックを加工する箇所（加工点）近傍で速やか飛散するので、レーザー光を弱めるほど区間に気泡を形成することができない。
　本発明の熱交換器は、様々な接続孔の変形例があるが、形状に応じてレーザー光を、傾斜させたり、走査することにより加工することができる。
　また、レーザー光を走査しながら加工する際に、それぞれの流路に挿入する光拡散媒体の長さを適宜変更することにより目的の形状の接続孔を形成することもできる。
　本発明の熱交換器の封止部はどのように形成してもよく特に限定されない。例えば内壁を構成する材料と同じセラミック材料からなる栓を挿入してもよい。例えば、ハニカム構造体が炭化珪素、窒化珪素、シリコン含浸した炭化珪素からなる場合は、シリコンの粉末を接着材として栓に塗布したのち、焼成しても良い。シリコンが溶融し、接着材として機能する。
　また、例えば、無機バインダと有機バインダと無機粒子の混合したペーストを注入し、焼成することによって得ることもできる。無機バインダは、アルミナゾル、シリカゾルなどが利用でき、有機バインダは、ポリビニールアルコール、フェノール樹脂などが利用でき、無機粒子は炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニアなどが利用できる。
　次に、本発明の第１実施形態について、説明する。第１実施形態は、以下の構成の熱交換器である。
＜第１実施形態＞
　第１側壁における第１端面および第２端面の一方の端面側および第２側壁における他方の端面側に第１の開口および第２の開口からなる接続孔を各々設ける。第１の開口は、封止部から長手方向内側に向かってスリット状に設けられた長方形の開口である。そして、第１の開口は第２の開口よりも長く、複数の第２の開口が第１の開口に向かって順に長くなるように接続孔を設ける。このとき、接続孔の底は、第１側壁又は第２側壁まで達している。
　第１実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
　図１（ａ）は本発明に係る第１実施形態の熱交換器を上方（第１側壁側）から見た斜視図であり、（ｂ）は下方（第２側壁側）から見た斜視図である。図２（ａ）は図１（ａ）および（ｂ）におけるＡ－Ａ位置の断面図であり、図２（ｂ）は図１（ａ）および（ｂ）におけるＢ－Ｂ位置の断面図である。図３は本発明に係る第１実施形態の熱交換器の図１（ａ）中Ｃ－Ｃ断面図である。図４は図２および図３の断面図の切断位置および切断方向を詳しく示す説明図であり、（ａ）は第１端面、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
　図１（ａ）および（ｂ）に示すように、第１側壁２１における第１端面１１および第２端面１２の一方の端面側、および第２側壁２２における他方の端面側に第１の開口３１を各々設ける。
　ここでは、第１側壁２１における第１端面１１側端部に、接続孔３０の第１の開口３１を設けるとともに、第２側壁２２における第２端面１２側端部にも接続孔３０の第１の開口３１を設ける。
　図３に示すように、熱交換器（１０００）には、例えば、８列×８行の６４の流路６０が設けられており、第１端面１１における図１中左側から１列目、３列目、５列目および７列目には、封止部７０が設けられている（図１（ａ）参照）。第２端面１１においても同様に、１列目、３列目、５列目および７列目に、封止部７０が設けられている。
　なお、封止部７０が設けられている列においては、流路６０として第１の流路６１が設けられており（図２（ａ）参照）、封止部７０が設けられていない列においては、流路６０として第２の流路６２が設けられている。
　図２（ａ）に示すように、第１側壁２１および第２側壁２２に設けられている接続孔３０は、封止部７０が設けられている列に位置する。
　第１の開口３１は、封止部７０から長手方向内側にスリット状に設けられた長方形の開口である。そして、第１の開口３１の内側には、複数の第２の開口３２が設けられている。ここでは、第１の開口３１と第２の開口３２は同じ長さのものを例示しているが、第２の開口３２を第１の開口３１に向かって順に長くなるように設けることも可能である。なお、接続孔３０の底は、第１側壁２１又は第２側壁２２まで達している。
　従って、第１端面１１側の接続孔３０と、第１側壁２１および第２側壁２２と平行な第１の流路６１と、第２端面１２側の接続孔３０とにより、クランク形状の第１の空間４１が形成される。
　これにより、流体は第１の空間４１を通って、第１側壁２１および第２側壁２２と直交する方向へ、クランク状に流れる。
　なお、図２（ｂ）に示すように、接続孔３０が設けられていない断面では、流路６０として複数の第２の流路６２が設けられており、第２の流路６２により、第２の空間４２が形成される。
　第２の空間４２では、第２の流路６２は、第１の端面１１および第２の端面１２において開口しており、第２の空間４２を流れる流体は、第２の流路６２を通って第１側壁２１および第２側壁２２と平行に直線状に流れる。
　また、図３に示すように、第１の流路６１の幅Ｗ１は、第２の流路６２の幅Ｗ２より小さい。第１の流路６１と第２の流路６２の高さは同じである。このように構成することにより、第１の流路６１の流路断面積は、第２の流路６２の流路断面積より小さくなる。また、第１の流路６１の数は、４×８個、第２の流路６２の数は、４×８個であり同一である。
　このため、第１の流路６１の流路断面積の総和である第１総断面積は第２の流路６２の流路断面積の総和である第２総断面積より小さくなる。
　次に、第１の空間４１を形成する方法について説明する。なお、第１側壁２１の接続孔３０と第２側壁２２の接続孔３０は、同様にして形成することができるので、以下の説明においては、第１側壁２１の接続孔３０を設ける場合について説明する。
　接続孔３０の形成には、図５あるいは図６の形成方法を用いることができる。すなわち、図５に示すように光拡散媒体９０を第１の流路６１に挿入し、レーザー光８０を用いて加工する。ここでは、第２の開口３２を第２側壁２２まで設けるので、光拡散媒体９０を第２側壁２２の内面側の第１の流路６１に挿入する。
　そして、レーザー光８０を照射しながらレーザー源８５を平行移動することにより、接続孔３０を形成する。
　なお、例えば三角形状の接続孔３０を形成する際には、図６に示すように、光拡散媒体９０の挿入する長さを第１側壁２１に近づくに従って短くしてレーザー光８０を照射することにより、形成することができる。
　あるいは、図示はしないが、レーザー光８０を適宜傾斜させながら走査することにより、三角柱形状の接続孔３０を得ることができる。
　光拡散媒体９０を用いてレーザー光８０を遮断することにより、接続孔３０を形成する方法として、以下のものが適用できる。
　図７（ａ）および図８（ａ）は、光拡散媒体９０としてガラス棒９１を用いた場合であり、ガラスの凸面によるレーザー光８０の拡散によってレーザー光８０を遮断するものである。
　また、図７（ｂ）および図８（ｂ）は、光拡散媒体９０として失透ガラス９２を用いた説明図であり、ガラス内部の乱反射によってレーザー光８０を拡散させレーザー光８０を遮断するものである。
　さらに、図７（ｃ）および図８（ｃ）は、光拡散媒体９０として水９３を用いた説明図であり、加工による熱および水の乱流によって発生した気泡の乱反射によってレーザー光８０を拡散させレーザー光８０を遮断するものである。
　以上、説明した本実施形態のハニカム構造体（熱交換器）１０００によれば、第１の空間４１をクランク状に形成することにより、流路６０を横切る方向に流体の流れを引き出すことができる。
　これにより、従来のセラミック製のハニカム構造体からなる熱交換器にない新しい機能を付与することができる。また、接続孔３０は流体の停滞する部分ができにくい形状であるので、効率良く熱交換することができる。
　また、第１の流路６１の流路断面積と、第２の流路６２の流路断面積とが異なるので、第１の空間６１を流れる流体と、第２の空間６２を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異なってもそれぞれの流路間で内壁５０を通して効率良く熱交換することができる。
　本実施例では、実際に多孔質の炭化珪素からなるハニカム状のセラミックに接続孔３０を形成し、本発明に係るハニカム構造体（熱交換器）１０００を製造した結果について、図９を用いて説明する。
　２４×２４個、計５７６個の正方形の流路６０を有し、３４ｍｍ×３４ｍｍ×１３０ｍｍの炭化珪素からなるハニカム状のセラミックを用いて、本発明に係るハニカム構造体１０００（熱交換器）を製作した。
　なお、長手方向の端面は、流路６０（第２の流路６２）の開口を有し、第１端面１１および第２端面１２である。第１端面１１および第２端面１２以外の４つの面は側壁であり、そのうち接続孔３０を形成する面が第１側壁２１と第２側壁２２となる。内壁５０の厚さは０．２５ｍｍ、第１側壁２１および第２側壁２２の厚さは、０．３ｍｍである。第１の流路の断面は１．１４×１．００ｍｍの長方形、第１の流路の断面は１．１４×１．２８ｍｍの長方形であり、第１の流路の方が、流路断面積が小さい。
　図９に示すように、このハニカム状のセラミックに接続孔３０を形成した。第１側壁２１に面する２４本の流路６０のうち、交互となるよう１２本の流路６０に第１の開口３１を形成し、さらに第２の開口３２を形成することにより、１２個の接続孔３０を形成した。接続孔３０の底は、第２側壁２２であり、全ての内壁５０には第２の開口３２が形成されている。第１の開口３１および第２の開口３２と第１端面１１との距離は１０ｍｍ、第１の開口３１は第１端面１１から４０ｍｍの位置まで延びている。第２の開口３２は第１の開口３１に向かって順に長くなり、接続孔３０の断面は、台形である。また、第１の開口３１の幅は、０．６ｍｍである。
　詳しい加工方法は以下に説明する。接続孔３０を形成する際、第２側壁２２に面する流路６０には、流路６０よりも長い円形のガラス棒９１を挿入し、その他の流路６０には、台形の流域以外の部分まで円形のガラス棒９１を挿入した。
　次に第１側壁２１に面する流路６０に沿って牧野フライス社製ＭＣＳ３００型レーザー加工機を用いて加工した。レーザーの波長は５３２ｎｍ、出力８０Ｗ、水流８２のノズル径はφ８０μｍ、走査速度は３００ｍｍ／ｍｉｎで加工した。
　このように加工して得られたハニカム構造体１０００（熱交換器）を接続孔３０に沿って切断し、接続孔３０を確認した。接続孔３０の断面は台形であり、内壁５０は全て貫通し、第１の開口３１が長さ３０ｍｍ、最下層の第２の開口３２が長さ１５ｍｍであった。
　このように水流８２を用いたレーザー加工機で接続孔３０を形成できることが確認でできた。ハニカム構造体１０００（熱交換器）に接続孔３０を形成する方法は水流８２を用いたレーザー光に限定されず、時間をかけ、高出力のレーザー加工機であれば、水流８２を併用することなく加工することができる。
　また、接続孔３０の大きさ、配置、数は適宜選択することができる。
＜第２実施形態＞
　次に、本発明の第２実施形態について、説明する。なお、前述した第１実施形態に係る熱交換器（１０００）と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
　図１０は本発明に係る第２実施形態の熱交換器の斜視図である。図１１は本発明に係る第２実施形態の熱交換器の断面図であり、（ａ）は図１０中Ｄ－Ｄ断面図、（ｂ）はＥ－Ｅ断面図である。
　図１０に示すように、第２実施形態の熱交換器（１０００）では、第１側壁２１における第１端面１１側端部および第２端面１２側端部に接続孔３０を設けた。
　図１１（ａ）に示すように、両接続孔３０の底は第２側壁２２となっており、第２側壁２２を貫通していない。また、両接続孔３０は第１の流路６１により接続されており、第１の空間４１が形成されている。
　一方、図１１（ｂ）に示すように、封止部７０が設けられていない列では、前述した第１実施形態と同様に、開口している第１端面１１および第２端面１２を連結する第２の流路６２により、第２の空間４２が形成されている。第１の空間４１および第２の空間４２は、隔離されている。
　従って、図１１（ａ）に示すように、一方の接続孔３０から入った流体は、第１の流路６１を通って他方の接続孔３０に流れて、流出する。このため、流体は、第１側壁２１および第２側壁２２と直交する方向に、Ｕ字形状に流れる。
　これにより、従来のセラミック製のハニカム構造体からなる熱交換器にない新しい機能を付与することができる。また、接続孔３０は流体の停滞する部分ができにくい形状であるので、効率良く熱交換することができる。
　また、第１実施形態の場合と同様に、第１の流路６１の流路断面積は、第２の流路６２の流路断面積より小さくなっており（図３参照）、第１の流路６１の流路断面積の総和である第１総断面積は第２の流路６２の流路断面積の総和である第２総断面積より小さくなっている。
　これにより、第１の空間６１を流れる流体と、第２の空間６２を流れる流体の時間当たりに通過する熱容量が異なってもそれぞれの流路間で内壁５０を通して効率良く熱交換することができる。
　本発明の熱交換器は、内燃機関、燃焼炉などの熱交換器として利用することができる。
　１１　第１端面
　１２　第２端面
　２１　第１側壁
　２２　第２側壁
　３０　接続孔
　３１　第１の開口
　３２　第２の開口
　６１　第１の流路
　６２　第２の流路
　５０　内壁
　６０　流路
　７０　封止部
　８０　レーザー光
　８２　水流（ウォータジェット）
　８５　レーザー源
　９０　光拡散媒体
　９１　ガラス棒
　９２　失透ガラス
　９３　水
　１０００　ハニカム構造体（熱交換器）

Claims (7)

  1. 　少なくとも第１端面と第２端面と第１側壁と第２側壁とを有するセラミック製のハニカム構造体からなる熱交換器であって、前記ハニカム構造体は内壁によって仕切られ前記第１端面から前記第２端面に延びる両端が封止部によって封孔された第１の流路と、両端が開放した第２の流路と、を有し、前記第１の流路および前記第２の流路は、それぞれ前記第１側壁から前記第２側壁に向かって並ぶ列であるととともに、交互に配置される列となって構成される熱交換器において、
    　前記ハニカム構造体は、
    　前記第１の流路と、前記第１側壁または前記第２側壁に形成された第１の開口から前記内壁に形成された第２の開口に延びるとともに前記第１の流路の両端に配置される一対の接続孔と、からなる第１の空間と、
    　前記第１の流路と前記内壁で隔離された前記第２の流路とからなる第２の空間と、を有し、
    　前記第１の流路の流路断面積は前記第２の流路の流路断面積と異なることを特徴とする熱交換器。
  2. 　前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積と異なることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  3. 　前記第１の流路の流路断面積は前記第２の流路の流路断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  4. 　前記第１の流路の流路断面積の総和である第１総断面積は前記第２の流路の流路断面積の総和である第２総断面積より小さいことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
  5. 　前記接続孔は、５層以上の前記第２の開口が積み重なっていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。
  6. 　前記接続孔は、１０層以上の前記第２の開口が積み重なっていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
  7. 　前記セラミックは、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器。
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