WO2019176898A1 - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

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WO2019176898A1
WO2019176898A1 PCT/JP2019/009862 JP2019009862W WO2019176898A1 WO 2019176898 A1 WO2019176898 A1 WO 2019176898A1 JP 2019009862 W JP2019009862 W JP 2019009862W WO 2019176898 A1 WO2019176898 A1 WO 2019176898A1
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WO
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heat medium
heat exchanger
gas flow
heat
path
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PCT/JP2019/009862
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English (en)
French (fr)
Inventor
松本　学
祐生 藤田
祥啓 古賀
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イビデン株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
    • B22F3/26—Impregnating
    • 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
    • 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
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/88—Metals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/02—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the heat-exchange media travelling at an angle to one another
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a heat exchanger.
  • Patent Document 1 describes a heat exchanger.
  • the heat exchanger 50 includes a rectangular cylindrical peripheral wall 51 and a partition that divides the interior of the peripheral wall 51 into a plurality of first cells and second cells 53 extending in the axial direction of the peripheral wall 51. It has a honeycomb shape with walls.
  • the first cells and the second cells 53 are arranged in rows in the vertical direction. Specifically, the first cells are arranged in the first, third, fifth, and seventh columns from the left side of FIG. 15A, and the second, fourth, sixth, and eighth columns. Second cells 53 are arranged in the columns.
  • both end portions of the first cell 52 are sealed and continuous from the peripheral wall 51 to the partition wall 54 at one end side and the other end side on the same surface of the peripheral wall 51. Openings 55 and 56 are formed.
  • the fluid flowing in from the opening 55 on one end side of the peripheral wall 51 is configured to flow out of the opening 56 on the other end side of the peripheral wall 51 while flowing in the plurality of first cells 52 along the arrow M. Yes.
  • both ends of the second cell 53 are open so that fluid can flow along the arrow G from one end side to the other end side of the second cell 53. ing. Heat exchange is performed between the first fluid flowing through the first cell 52 and the second fluid flowing through the second cell 53.
  • the manufacturing method of the heat exchanger of the present invention for solving the above-mentioned problem includes a cylindrical peripheral wall, and a partition wall that partitions the inside of the peripheral wall into a plurality of gas flow passages and a plurality of heat medium flow passages, A heat exchanger manufacturing method in which heat exchange is performed between a gas flowing through the gas flow path and a liquid heat medium flowing through the heat medium flow path, the silicon carbide particles, the organic binder, and the dispersion A molding step of molding a mixture containing a medium to obtain a plurality of molded bodies having the gas flow path, and a heat medium flow path for forming the heat medium flow path by arranging an interlayer material between the plurality of molded bodies
  • the gist is to include a forming step, a degreasing step of degreasing the molded body on which the interlayer material is disposed, and an impregnation step of impregnating the degreased body with metal silicon.
  • the heat medium flow passage can be formed between the plurality of molded bodies, it is avoided that the heat medium stays inside the cell as in the conventional heat exchanger shown in FIG. The Thereby, it can suppress that a partition wall is damaged with the expansion pressure by freezing of the heat medium which retains inside.
  • the interlayer material is preferably formed using the same raw material as the molded body. According to this structure, since an interlayer material and a molded object can be made homogeneous, an interlayer material and a molded object can be integrated suitably.
  • the thickness of the interlayer material is 0.5 to 2.0 times the flow path width of the gas flow passage. According to this configuration, it is easy to make the flow path cross-sectional area of the heat medium flow path suitable for the flow path cross-sectional area of the gas flow path, and heat exchange efficiency is improved.
  • the production efficiency of a heat exchanger can be improved compared with the aspect which performs a degreasing process and an impregnation process in a separate process.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line 2a-2a in FIG. 1
  • FIG. FIG. 3 is a sectional view taken along line 3-3 in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line 4-4 of FIG.
  • Explanatory drawing of a heat-medium flow path formation process Explanatory drawing of a heat-medium flow path formation process.
  • the graph which shows the temperature change in a container.
  • Sectional drawing of the heat exchanger of the example of a change is a perspective view of a conventional heat exchanger
  • (b) is a cross-sectional view taken along line bb in (a)
  • (c) is a cross-sectional view taken along line cc in (a).
  • the heat exchanger 10 of the present embodiment is divided into a rectangular cylindrical peripheral wall 11 and a plurality of gas flow paths R1 and a plurality of heat medium flow paths R2 inside the peripheral wall 11.
  • Partition wall 12 to be provided.
  • the rectangular cylindrical peripheral wall 11 has a pair of lateral side walls 11 a that face vertically and a pair of vertical side walls 11 b that face left and right, and a cross-sectional shape perpendicular to the axial direction of the peripheral wall 11. Is configured to form a horizontally long rectangle.
  • the axial direction of the peripheral wall 11 is simply referred to as “axial direction”.
  • the partition wall 12 includes a first partition wall 12a parallel to the lateral side wall 11a and a second partition wall 12b connecting the first partition walls 12a to each other and parallel to the longitudinal side wall 11b.
  • the partition wall 12 further includes a third partition wall 12c parallel to the vertical side wall 11b, and the third partition wall 12c is between predetermined second partition walls 12b. Are arranged to partially connect.
  • a plurality of gas flow cells C extending in the axial direction are formed inside the peripheral wall 11 by the first partition wall 12a and the second partition wall 12b.
  • the gas flow cell C constitutes a gas flow path R1.
  • a pair of heat medium inflow passages 14a and outflow passages 14b are formed in the peripheral wall 11 so as to be aligned in the axial direction by the second partition wall 12b and the third partition wall 12c.
  • a communication passage 13 extending in the axial direction is formed inside the peripheral wall 11.
  • the inflow path 14 a and the outflow path 14 b are configured such that one end side opens to the peripheral wall 11 and the other end side communicates with the communication path 13.
  • the inflow path 14a, the outflow path 14b, and the communication path 13 constitute a heat medium flow path R2. Therefore, the end portion that opens to the peripheral wall 11 of the inflow passage 14a serves as the inlet 15a of the heat medium flow passage R2, and the end portion that opens to the peripheral wall 11 of the outflow passage 14b serves as the outlet 15b of the heat medium flow passage R2. It becomes. As shown in FIG. 1, in this embodiment, three sets of inflow paths 14a and outflow paths 14b are formed so as to be aligned in a direction orthogonal to the axial direction.
  • the thickness T of the third partition wall 12c is configured to be thicker than the first partition wall 12a and the second partition wall 12b, and the dimension in the width direction of the gas flow cell C (left and right direction in the figure). It is comprised so that it may become substantially equal.
  • the thickness T of the third partition wall 12c means the dimension of the third partition wall 12c in the width direction of the gas flow cell C.
  • the thickness T of the third partition wall 12c is preferably 0.5 to 2.0 times the dimension (flow path width) in the width direction of the gas flow cell C.
  • the thickness of the first partition wall 12a and the second partition wall 12b is, for example, 0.1 to 0.5 mm
  • the thickness T of the third partition wall 12c is, for example, 0.5 to 4.0 mm. It is. Further, the thickness T of the third partition wall 12c is configured to be equal to the dimension U of the inflow passage 14a and the outflow passage 14b in the width direction of the gas flow cell C (the left-right direction in the figure).
  • the material constituting the heat exchanger 10 is preferably silicon carbide.
  • a material containing silicon carbide as a main component is preferable because it has a higher thermal conductivity and higher heat exchange efficiency than other ceramic materials.
  • the “main component” means 50% by mass or more.
  • Examples of the material containing silicon carbide as a main component include a material containing silicon carbide particles and metal silicon.
  • the gas flow cell C (gas flow passage R1) will be described.
  • the gas flow cell C is configured such that both ends are open and the gas to be processed can flow along the axial direction.
  • the gas flow cell C includes a cell row Ca in which eight gas flow cells C are arranged in parallel to the vertical side wall 11 b of the peripheral wall 11. In FIG. 2, four cell rows are provided along the lateral side wall 11 a of the peripheral wall 11.
  • three third partition walls 12 c are arranged next to the four cell rows Ca. 2 (b) and 4, as shown in FIG. 2, the heat medium inflow passage 14a, the outflow passage 14b, and the communication passage are adjacent to the four cell rows and between the third partition walls 12c in the axial direction. 13 is arranged. An arrangement pattern in which these arrangements are repeated is formed.
  • Examples of the gas to be processed that circulates in the gas distribution cell C include exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the cell structure of the gas distribution cell C is not particularly limited.
  • the wall thickness of the first partition wall 12a and the second partition wall 12b is 0.1 to 0.5 mm, and the cell density is the peripheral wall 11.
  • a cell structure having 15 to 93 cells per 1 cm 2 of the cross section perpendicular to the axial direction can be obtained.
  • the heat medium flow passage R2 includes an inflow passage 14a having an inflow port 15a that opens to the peripheral wall 11, an outflow passage 14b having an outflow port 15b that opens to the peripheral wall 11, and the inflow passage 14a and the outflow passage.
  • the communication path 13 communicates with the end portion on the opposite side of the inlet 15a and the outlet 15b in 14b.
  • the inflow path 14a and the outflow path 14b are juxtaposed in the axial direction with the third partition wall 12c disposed at the center in the axial direction.
  • the inflow passage 14a and the outflow passage 14b are formed to extend in parallel to each other in a direction orthogonal to the axial direction.
  • the gas flow cell C is provided on both sides of the communication passage 13 in the width direction (the left-right direction in the drawing) of the gas flow cell C, and the communication passage 13 is adjacent to the gas flow cell C. ing.
  • the flow passage cross-sectional areas of the inflow passage 14a and the outflow passage 14b are configured to be larger than the flow passage cross-sectional area of the gas flow cell C.
  • the flow passage cross-sectional area of the communication passage 13 is configured to be larger than the flow passage cross-sectional area of the gas flow cell C.
  • the channel cross-sectional area means a cross-sectional area orthogonal to the direction in which the channel extends.
  • the heat medium supplied to the heat exchanger 10 flows into the heat exchanger 10 from the inlet 15 a that opens to the peripheral wall 11, and passes through the inflow path 14 a to communicate with the communication path. It distributes to 13.
  • the heat medium flowing to the communication path 13 flows from the inflow path 14a side to the outflow port 15b side along the axial direction. And it flows out out of the heat exchanger 10 from the outflow port 15b opened to the surrounding wall 11 through the outflow path 14b.
  • the heat medium flows in opposite directions.
  • heat medium flowing through the heat medium flow path R2 for example, a known liquid heat medium can be used.
  • a well-known heat medium organic solvents, such as cooling water (Long Life Coolant: LLC) and ethylene glycol, are mentioned, for example.
  • the heat exchanger 10 configured as described above can perform heat exchange between the gas flowing through the gas flow cell C and the heat medium flowing through the heat medium flow passage R2 via the partition wall 12. Further, heat exchange can also be performed between the heat medium flowing through the communication passage 13 of the heat medium flow passage R ⁇ b> 2 and the gas flowing through the gas flow cell C adjacent to the communication passage 13 through the partition wall 12. It is configured as follows.
  • the heat exchanger 10 is manufactured by sequentially performing a molding process, a heat medium flow path forming process, a degreasing process, and an impregnation process described below.
  • a clay-like mixture containing silicon carbide particles, an organic binder, and a dispersion medium is prepared as a raw material used for forming a heat exchanger.
  • organic binder examples include polyvinyl alcohol, methyl cellulose, ethyl cellulose, and carboxymethyl cellulose.
  • these organic binders methyl cellulose and carboxymethyl cellulose are particularly preferable.
  • only 1 type in said organic binder may be used, and 2 or more types may be used together.
  • dispersion medium examples include water and organic solvents.
  • organic solvent examples include ethanol.
  • only 1 type in said dispersion medium may be used, and 2 or more types may be used together.
  • other components may be further contained in the mixture.
  • examples of other components include ceramic particles made of materials other than silicon carbide, plasticizers, and lubricants.
  • ceramic particles made of a material other than silicon carbide include ceramic particles made of carbides such as tantalum carbide and tungsten carbide, and nitrides such as aluminum nitride, silicon nitride, and boron nitride.
  • the plasticizer include polyoxyalkylene compounds such as polyoxyethylene alkyl ether and polyoxypropylene alkyl ether.
  • examples of the lubricant include glycerin.
  • the first molded body 20 includes a cell row in which eight gas flow cells C are arranged in the vertical direction, and four cell rows are provided in the horizontal direction.
  • a drying process is performed on the obtained first molded body 20.
  • the drying process include a drying process using a microwave dryer, a hot air dryer, a dielectric dryer, a vacuum dryer, a vacuum dryer, a freeze dryer, and the like.
  • Heat medium flow path formation process In the heat medium flow passage forming step, a heat medium flow passage is formed using an interlayer material between the plurality of molded bodies obtained in the forming step.
  • the first molded body 20 is formed as an interlayer material 21 at both ends in the extending direction of the gas flow cell C on the side surface of the first molded body 20 and the lower end portion on the side surface of the first molded body 20. Apply the same clay-like mixture as the raw material.
  • the interlayer material 21 is applied in a U shape with the open portion facing upward.
  • the interlayer material 22 is applied to the central portion of the side surface of the first molded body 20 so as to extend downward from the upper end portion of the side surface.
  • the 1st molded object 20 which apply
  • the thickness of the interlayer materials 21 and 22 is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 2.0 times the flow path width of the gas flow cell C.
  • the first molded body 20 coated with the interlayer materials 21 and 22 is overlapped to form a molded body in which the interlayer materials 21 and 22 are arranged between the four first molded bodies 20 ( A second compact 23) is created.
  • the interlayer materials 21 and 22 constitute a third partition wall through a later process.
  • the interlayer materials 21 and 22 are previously molded into a U-shape or the like, and then a plurality of first molded bodies 20 are formed. You may arrange
  • the organic binder contained in the second molded body 23 is burned off by heating the second molded body 23.
  • a porous degreased body 30 having a skeleton portion arranged in a state where the silicon carbide particles are in contact with each other is obtained.
  • metallic silicon is impregnated inside each wall of the degreased body 30.
  • metal silicon is filled in the gaps between the silicon carbide particles constituting the walls of the degreased body 30.
  • the heat exchanger 10 provided with the cylindrical surrounding wall 11 and the partition wall 12 which divides the inside of the surrounding wall 11 into several gas flow path R1 (gas distribution cell C) and several heat-medium flow path R2 is obtained.
  • the communication path 13 connects the inflow path 14a and the outflow path 14b to the end of the inflow path 14a opposite to the inlet 15a side and the end of the outflow path 14b opposite to the outlet 15b. It becomes the composition provided with.
  • the manufacturing method of this embodiment a degreasing process and an impregnation process are continuously performed by the multistep heat processing by a different temperature range.
  • the 2nd molded object 23 is arrange
  • the second molded body 23 is illustrated with its cross-sectional shape omitted. The second molded body 23 is placed in the container 40 via the support tool 41 by being placed on the support tool 41 placed on the bottom surface of the container 40.
  • the support tool 41 is formed in a size and a shape that contacts only a part of the lower surface of the second molded body 23, and supports the second molded body 23 at one point or several points on the lower surface of the second molded body 23. .
  • the support tool 41 may be singular or plural.
  • Examples of the shape of the support tool 41 include a prismatic shape, a cylindrical shape, a truncated pyramid shape, and a truncated cone shape.
  • a truncated pyramid shape and a truncated cone shape are particularly preferable because the number of contacts with the lower surface of the second molded body 23 can be reduced.
  • the support tool 41 is composed of a porous material having continuous pores having a size enough to cause capillary action.
  • the porous material constituting the support tool 41 include a porous material made of silicon carbide and a porous material made of carbon such as graphite.
  • the porosity of the porous material constituting the support tool 41 is, for example, 20 to 60%.
  • a solid metal silicon 42 such as powder, granule, or lump is disposed in the gap S between the bottom surface of the container 40 and the second molded body 23 placed on the support tool 41.
  • the metal silicon 42 it is preferable to use metal silicon having a purity of less than 98%. Solid metallic silicon tends to have a lower melting point as its purity decreases. Therefore, the heating temperature required for the impregnation step can be kept low by using low-purity metallic silicon. As a result, the manufacturing cost can be suppressed.
  • the purity of the metal silicon is, for example, 95% or more.
  • the amount of the metal silicon 42 accommodated in the container 40 is, for example, an amount corresponding to the sum of the pore volume of the degreased body 30 obtained from the second molded body 23 and the pore volume of the support tool 41 (for example, 1 of the above sum). 0.0000 to 1.05 times the volume).
  • the porosity of the heat exchanger 10 can be brought close to 0%.
  • the usage-amount of the metal silicon 42 can be suppressed and manufacturing cost can be suppressed.
  • the container 40 in a state where the second molded body 23 and the metal silicon 42 are disposed in the container 40, using a known heating means such as a firing furnace, in an inert atmosphere such as argon or nitrogen, or under vacuum The container 40 is heated. At this time, the container 40 is heated in multiple stages at different temperature ranges.
  • a known heating means such as a firing furnace
  • an inert atmosphere such as argon or nitrogen
  • the temperature in the container 40 is raised to the first temperature, and the primary heating is performed by maintaining the temperature at the first temperature for a certain period of time. Thereafter, the temperature in the container 40 is raised to a second temperature higher than the first temperature, and is maintained for a certain period of time to perform secondary heating. Thereafter, the temperature in the container 40 is lowered.
  • Primary heating is a heat treatment corresponding to the degreasing process.
  • the first temperature of the primary heating is a temperature at which the organic binder is burned off and a temperature lower than the melting point of metal silicon, and is set according to the type of the organic binder contained in the second molded body 23.
  • the organic binder contained in the second molded body 23 is burned out, and the second molded body 23 becomes the degreased body 30.
  • the temperature (first temperature) in the container 40 is a temperature lower than the melting point of the metal silicon, the metal silicon 42 accommodated in the container 40 is maintained in a solid state.
  • the first temperature is preferably, for example, a temperature of 400 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower, and more preferably a temperature of 450 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
  • Primary heating is preferably performed until the organic binder contained in the second molded body 23 is completely removed.
  • the heating time for the degreased body 30 in a state where the organic binder contained in the second molded body 23 has been removed is measured by a preliminary test in advance, and the temperature in the container 40 is determined as the heating time elapses. The temperature is raised from the first temperature to the second temperature.
  • Secondary heating is a heat treatment corresponding to the impregnation step.
  • the second temperature of the secondary heating is set to be equal to or higher than the melting point of metal silicon.
  • the molten metal silicon enters into the gaps between the silicon carbide particles constituting each wall of the degreased body 30 through the support 41 made of a porous material by capillary action, and the silicon silicon 42 is impregnated in the gaps.
  • the boundary portion between the first molded body 20 and the interlayer materials 21 and 22 is impregnated with the metal silicon 42 in the boundary portion between the first molded body 20 and the interlayer materials 21 and 22 in the degreased body 30 as well. Disappear.
  • metal silicon 42 is impregnated in the gap between the silicon carbide particles constituting each wall, and the heat exchanger 10 in which the plurality of first molded bodies 20 and the interlayer materials 21 and 22 are integrated is obtained.
  • the second temperature is preferably 1420 ° C. or higher.
  • metallic silicon can be impregnated more reliably.
  • the second temperature is preferably, for example, a temperature of 2000 ° C. or lower, and more preferably a temperature of 1900 ° C. or lower.
  • the manufacturing cost can be suppressed in terms of facilities, energy, and the like.
  • the thermal expansion of the degreased body is suppressed, and breakage due to the thermal expansion hardly occurs.
  • the second temperature is preferably a temperature lower than the sintering temperature (for example, 2000 ° C. or lower) of silicon carbide contained in the mixture used in the molding step.
  • the obtained heat exchanger 10 becomes an unsintered honeycomb structure in which each of the constituent silicon carbide particles is not sintered but exists independently.
  • This unsintered honeycomb structure has a high Young's modulus and is difficult to deform, and is useful as a heat exchanger.
  • the secondary heating is preferably performed until the metal silicon is sufficiently impregnated in the gaps between the silicon carbide particles constituting each wall of the degreased body 30.
  • the amount of the metal silicon 42 accommodated in the container 40 is an amount corresponding to the sum of the pore volume of the degreased body 30 and the pore volume of the support 41, all the metal silicon 42 is impregnated. Thus, it can be determined that the metal silicon is sufficiently impregnated.
  • the temperature in the container 40 is lowered, the heat exchanger 10 is taken out from the container 40, and the support 41 integrated with the lower surface of the heat exchanger 10 is separated. Thereby, the heat exchanger 10 is obtained.
  • a heat exchanger 10 including a cylindrical peripheral wall 11 and a partition wall 12 that partitions the inside of the peripheral wall 11 into a plurality of gas flow cells C and a plurality of heat medium flow passages R2 is obtained. It is done.
  • the communication path 13 connects the inflow path 14a and the outflow path 14b to the end of the inflow path 14a opposite to the inlet 15a side and the end of the outflow path 14b opposite to the outlet 15b. It becomes the composition provided with.
  • a heat medium passage is formed by disposing an interlayer material between a plurality of molded bodies. Therefore, since the shape of the heat medium flow passage can be appropriately selected depending on the shape of the interlayer material, it is easy to create a heat medium flow passage having a desired shape. Moreover, since the unevenness
  • the interlayer material is formed using the same raw material as the molded body. Therefore, since the interlayer material and the molded body can be made homogeneous, the interlayer material and the molded body can be suitably integrated.
  • the thickness of the interlayer material is 0.5 to 2.0 times the flow path width of the gas flow passage. Therefore, it becomes easy to make the flow path cross-sectional area of the heat medium flow path suitable for the flow path cross-sectional area of the gas flow path.
  • the partition wall contains silicon carbide as a main component. Since silicon carbide is a material having high heat conductivity among ceramic materials, heat conduction between the partition walls can be increased. Therefore, the heat exchange efficiency is improved.
  • the communication path of the heat medium flow channel is adjacent to the gas flow cell.
  • the present embodiment can be implemented with the following modifications. Moreover, it is also possible to implement combining the structure of the said embodiment and the structure shown in the following modified examples suitably.
  • the heat exchanger is not limited to this aspect.
  • the dimension in the axial direction of the peripheral wall may be shorter than the dimension in the direction orthogonal to the axial direction of the peripheral wall, or may be configured to have the same length.
  • the opening on one end side in the axial direction of the peripheral wall is used as the heat medium inlet, and the opening on the other end side in the axial direction of the peripheral wall is used as the heat medium outlet.
  • the present invention is not limited to this mode. You may be comprised so that the position of an inflow port and an outflow port may become reverse.
  • the heat medium inlet and outlet may be appropriately selected.
  • the flow passage cross-sectional area of the communication passage is not limited to the aspect configured to be larger than the flow passage cross-sectional area of the gas flow cell. As long as the flow rate of the heat medium flowing through the communication passage can be secured, the flow passage cross-sectional area of the communication passage may be configured to be substantially equal to the flow passage cross-sectional area of the gas flow cell. You may be comprised smaller than a flow-path cross-sectional area.
  • the flow path cross-sectional area of the heat medium inflow path and the outflow path is not limited to the aspect configured to be larger than the flow path cross-sectional area of the gas flow cell. As long as the flow rate of the heat medium flowing through the inflow path and the outflow path can be secured, the flow path cross-sectional areas of the heat medium inflow path and the outflow path are configured to be approximately equal to the flow path cross-sectional area of the gas flow cell. Alternatively, it may be configured to be smaller than the channel cross-sectional area of the gas flow cell.
  • the peripheral wall is not limited to a rectangular cylinder. It may be configured in a cylindrical shape or a cylindrical shape having an elliptical cross section. As shown in FIG. 12, for example, the peripheral wall 11c can be formed into a cylindrical shape by forming the second molded body into a cylindrical shape in the heat medium flow path forming step.
  • the cross-sectional shapes of the gas flow cell and the heat medium flow passage are not limited to a rectangular cross-section. It may be a polygonal shape other than a rectangular shape, or may be a circle or an ellipse. The polygonal corner may be chamfered. The shapes of the inflow path and the outflow path of the heat medium flow path may be different.
  • the gas distribution cell is not limited to an arrangement pattern in which eight gas distribution cells are arranged in parallel with the vertical side wall of the peripheral wall, and this cell row is provided in four rows along the horizontal side wall of the peripheral wall.
  • the arrangement pattern of the gas distribution cells can be selected as appropriate.
  • the arrangement pattern of the heat medium flow passages can be selected as appropriate.
  • the heat medium flow path is not limited to a mode in which the inflow path and the outflow path are formed so as to extend in parallel with each other in the direction orthogonal to the axial direction of the peripheral wall.
  • the shape of the inflow channel and the outflow channel can be appropriately selected by changing the shape of the third partition wall.
  • the inflow path 16a and the outflow path 16b may be formed to extend in a V shape.
  • the heat medium flow passage is not limited to a mode in which the inflow passage and the outflow passage are opened on the same surface of the peripheral wall.
  • the inflow path and the outflow path may be open on the surfaces facing the vertical direction of the peripheral wall. It may be provided to do.
  • the third partition wall may be made of a material different from that of the first partition wall and the second partition wall. That is, in the heat medium flow path forming step, the third partition wall may be formed by applying a clay-like mixture made of a material different from the raw material of the molded body to the side surface of the molded body.
  • a cylindrical peripheral wall and a partition wall that divides the peripheral wall into a plurality of gas flow passages and a plurality of heat medium flow passages, and flows through the gas flow passages and the heat medium flow passages.
  • heat exchanger heat exchange is performed with a liquid heat medium, wherein the heat medium flow path includes a communication path extending in an axial direction of the peripheral wall, and one end side serving as an inlet of the heat medium.
  • An inflow path that opens to the communication path and the other end side communicates with the communication path, and an outflow path that opens to the peripheral wall as an outlet of the heat medium and the other end side communicates with the communication path.
  • An inflow path and an outflow path are arranged side by side in the axial direction of the peripheral wall with the partition wall in between.
  • a heat exchanger configured such that the cross-sectional area of the communication passage is larger than the cross-sectional area of the gas flow passage.

Abstract

熱交換器の製造方法は、炭化ケイ素粒子、有機バインダー、及び分散媒を含有する混合物を成形してガス流通路を有する複数の成形体を得る成形工程と、複数の成形体間に層間材を配置して熱媒体流通路Ｒ２を形成する熱媒体流通路形成工程と、層間材が配置された成形体を脱脂して脱脂体３０を得る脱脂工程と、脱脂体３０に金属ケイ素を含浸させる含浸工程とを有する。

Description

熱交換器の製造方法
　本発明は、熱交換器の製造方法に関する。
　特許文献１には、熱交換器について記載されている。
　図１５（ａ）に示すように、熱交換器５０は、矩形筒状の周壁５１と、周壁５１の内部を周壁５１の軸方向に延びる複数の第１セル及び第２セル５３に区画する区画壁とを備えたハニカム形状に構成されている。周壁５１の軸方向に直交する断面において、第１セル及び第２セル５３はそれぞれ、縦方向に列をなすように配置されている。具体的には、図１５（ａ）の紙面左側から１列目、３列目、５列目及び７列目に第１セルが配置され、２列目、４列目、６列目及び８列目に第２セル５３が配置されている。
　図１５（ｂ）に示すように、第１セル５２の両端部は封止されているとともに、周壁５１の同一面上の一端側と他端側とにおいて、周壁５１から区画壁５４に連続した開口５５、５６が形成されている。周壁５１の一端側の開口５５から流入した流体が、矢印Ｍに沿って複数の第１セル５２内を流れつつ、周壁５１の他端側の開口５６から流出することができるように構成されている。
　図１５（ｃ）に示すように、第２セル５３の両端部は開放されており、第２セル５３の一端側から他端側へ矢印Ｇに沿って流体を流すことができるように構成されている。
　第１セル５２を流通する第１の流体と、第２セル５３を流通する第２の流体との間で熱交換が行われるように構成されている。
特開２０１５－１４０２７３号公報
　ところで、特許文献１の熱交換器５０は、第１の流体が流通する流路内に、第１セル５２を区画する区画壁５４が複数存在しているため、第１の流体として液状の熱媒体を用いると、液状の熱媒体が第１セル５２の内部に滞留しやすい。第１セル５２の内部に熱媒体が滞留した熱交換器５０を、熱媒体が凍結する条件に曝した場合、凍結による熱媒体の体積膨張の圧力によって、第１セル５２を区画する区画壁５４が損傷する虞があった。本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液状の熱媒体の凍結に起因する区画壁の損傷が抑制された熱交換器の製造方法を提供することにある。
　上記課題を解決するための本発明の熱交換器の製造方法は、筒状の周壁と、上記周壁の内部を複数のガス流通路及び複数の熱媒体流通路に区画する区画壁とを備え、上記ガス流通路を流通するガスと、上記熱媒体流通路を流通する液状の熱媒体との間で熱交換が行われる熱交換器の製造方法であって、炭化ケイ素粒子、有機バインダー、及び分散媒を含有する混合物を成形して上記ガス流通路を有する複数の成形体を得る成形工程と、複数の上記成形体間に層間材を配置して上記熱媒体流通路を形成する熱媒体流通路形成工程と、上記層間材が配置された成形体を脱脂して脱脂体を得る脱脂工程と、上記脱脂体に金属ケイ素を含浸させる含浸工程とを有することを要旨とする。
　上記構成によれば、複数の成形体間に熱媒体流通路を形成することができるため、図１５に示す従来の熱交換器のように、セルの内部に熱媒体が滞留することが回避される。これにより、内部に滞留した熱媒体の凍結による膨張圧力で区画壁が損傷することを抑制することができる。
　本発明の熱交換器の製造方法について、上記層間材は、上記成形体と同じ原料を用いて形成されることが好ましい。この構成によれば、層間材と成形体を均質にすることができるため、層間材と成形体を好適に一体化することができる。
　本発明の熱交換器の製造方法について、上記層間材の厚さを、上記ガス流通路の流路幅に対して、０．５～２．０倍とすることが好ましい。この構成によれば、熱媒体流通路の流路断面積を、ガス流通路の流路断面積に対して好適なものとすることが容易になり、熱交換効率が向上する。
　本発明の熱交換器の製造方法について、上記脱脂工程と上記含浸工程を連続的に行うことが好ましい。この構成によれば、脱脂工程と含浸工程を別々の工程で行う態様と比較して、熱交換器の生産効率を向上させることができる。
　本発明によれば、熱交換器の区画壁の損傷を抑制することができる。
熱交換器の斜視図。 （ａ）は、図１の２ａ－２ａ線断面図、（ｂ）は、図１の２ｂ－２ｂ線断面図。 図１の３－３線断面図。 図１の４－４線断面図。 成形体の斜視図。 熱媒体流通路形成工程の説明図。 熱媒体流通路形成工程の説明図。 脱脂工程の説明図。 含浸工程の説明図。 容器内に成形体を配置した状態を示す説明図。 容器内の温度変化を示すグラフ。 変更例の熱交換器の斜視図。 変更例の熱交換器の断面図。 変更例の熱交換器の断面図。 （ａ）は、従来技術の熱交換器の斜視図、（ｂ）は、（ａ）のｂ－ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ－ｃ線断面図。
　以下、熱交換器の一実施形態を説明する。
　図１、３、４に示すように、本実施形態の熱交換器１０は、矩形筒状の周壁１１と、周壁１１の内部を複数のガス流通路Ｒ１及び複数の熱媒体流通路Ｒ２に区画する区画壁１２とを備えている。
　図２に示すように、矩形筒状の周壁１１は、上下に対向する一対の横側壁１１ａと、左右に対向する一対の縦側壁１１ｂとを有し、周壁１１の軸方向に直交する断面形状が横長の長方形をなすように構成されている。以下では、「周壁１１の軸方向」を単に「軸方向」と記載する。
　図２、３に示すように、区画壁１２は、横側壁１１ａに平行な第１区画壁１２ａと、第１区画壁１２ａ同士を接続するとともに、縦側壁１１ｂに平行な第２区画壁１２ｂとを備える。また、図２、４に示すように、区画壁１２は、縦側壁１１ｂに平行な第３区画壁１２ｃをさらに備え、第３区画壁１２ｃは、所定の隣り合う第２区画壁１２ｂ同士の間を部分的に接続するように配置されている。
　図２、３に示すように、周壁１１の内部には、第１区画壁１２ａと第２区画壁１２ｂとによって、軸方向に延びる複数のガス流通セルＣが形成されている。ガス流通セルＣは、ガス流通路Ｒ１を構成する。
　図２、４に示すように、周壁１１の内部には、第２区画壁１２ｂと第３区画壁１２ｃとによって、一対の熱媒体の流入路１４ａと流出路１４ｂが軸方向に並ぶように形成されている。また、周壁１１の内部には、軸方向に延びる連通路１３が形成されている。流入路１４ａと流出路１４ｂは、一端側が周壁１１に開口するとともに、他端側が連通路１３に連通するように構成されている。
　流入路１４ａ、流出路１４ｂ、及び連通路１３は、熱媒体流通路Ｒ２を構成する。したがって、流入路１４ａの周壁１１に開口する端部は、熱媒体流通路Ｒ２の流入口１５ａとなるとともに、流出路１４ｂの周壁１１に開口する端部は、熱媒体流通路Ｒ２の流出口１５ｂとなる。図１に示すように、本実施形態においては、３組の流入路１４ａ及び流出路１４ｂが軸方向に直交する方向に並ぶように形成されている。
　図２に示すように、第３区画壁１２ｃの厚さＴは、第１区画壁１２ａ及び第２区画壁１２ｂよりも厚く構成され、ガス流通セルＣの幅方向（図中左右方向）の寸法と略等しくなるように構成されている。ここで、第３区画壁１２ｃの厚さＴとは、ガス流通セルＣの幅方向における第３区画壁１２ｃの寸法を意味するものとする。第３区画壁１２ｃの厚さＴは、ガス流通セルＣの幅方向の寸法（流路幅）に対して、０．５～２．０倍であることが好ましい。なお、第１区画壁１２ａ及び第２区画壁１２ｂの厚さは、例えば、０．１～０．５ｍｍであり、第３区画壁１２ｃの厚さＴは、例えば、０．５～４．０ｍｍである。また、第３区画壁１２ｃの厚さＴは、ガス流通セルＣの幅方向（図中左右方向）における、流入路１４ａ及び流出路１４ｂの寸法Ｕと等しくなるように構成される。
　熱交換器１０を構成する材料は炭化ケイ素であることが好ましい。炭化ケイ素を主成分として含む材料は、他のセラミック材料に比べて熱伝導率が高く、熱交換効率を高くすることができるため好ましい。ここで、「主成分」とは、５０質量％以上を意味するものとする。炭化ケイ素を主成分として含む材料としては、例えば、炭化ケイ素の粒子と金属ケイ素を含む材料が挙げられる。
　次に、ガス流通セルＣ（ガス流通路Ｒ１）について説明する。
　図３に示すように、ガス流通セルＣは、両端部が共に開放され、処理対象のガスを軸方向に沿って流通させることができるように構成されている。ガス流通セルＣは、周壁１１の縦側壁１１ｂに平行にガス流通セルＣが８個配列したセル列Ｃａを備える。図２では、このセル列は、周壁１１の横側壁１１ａに沿って４列設けられている。図２（ａ）、４に示すように、４列のセル列Ｃａの隣に３個の第３区画壁１２ｃが配置されている。また、図２（ｂ）、４に示すように、４列のセル列の隣であって、軸方向における第３区画壁１２ｃ同士の間に熱媒体の流入路１４ａ、流出路１４ｂ及び連通路１３が配置されている。そして、これらの配置が繰り返された配置パターンが形成されている。
　ガス流通セルＣを流通させる処理対象のガスとしては、例えば、内燃機関の排気ガスが挙げられる。ガス流通セルＣのセル構造は特に限定されるものではないが、例えば、第１区画壁１２ａ及び第２区画壁１２ｂの壁厚が０．１～０．５ｍｍであり、セル密度が、周壁１１の軸方向に直交する断面１ｃｍ２あたり１５～９３セルであるセル構造とすることができる。
　次に、熱媒体流通路Ｒ２について説明する。
　図４に示すように、熱媒体流通路Ｒ２は、周壁１１に開口する流入口１５ａを有する流入路１４ａと、周壁１１に開口する流出口１５ｂを有する流出路１４ｂと、流入路１４ａ及び流出路１４ｂにおける流入口１５ａ及び流出口１５ｂとは反対側の端部に連通される連通路１３とを備えている。流入路１４ａ及び流出路１４ｂは、軸方向における中央に配置される第３区画壁１２ｃを挟んで軸方向に並設されている。また、流入路１４ａ及び流出路１４ｂは、軸方向に直交する方向において、互いに平行に延びるように形成されている。
　図２（ｂ）に示すように、ガス流通セルＣの幅方向（図中左右方向）において、連通路１３の両側にガス流通セルＣが設けられ、連通路１３はガス流通セルＣに隣接している。流入路１４ａ及び流出路１４ｂの流路断面積は、ガス流通セルＣの流路断面積よりも大きくなるように構成されている。また、連通路１３の流路断面積は、ガス流通セルＣの流路断面積よりも大きくなるように構成されている。ここで、流路断面積とは、流路の延びる方向に直交する断面積を意味するものとする。
　図２（ｂ）、４に示すように、熱交換器１０に供給された熱媒体は、周壁１１に開口する流入口１５ａから熱交換器１０内に流入し、流入路１４ａを通って連通路１３へと流通する。連通路１３へ流通した熱媒体は、軸方向に沿って流入路１４ａ側から流出口１５ｂ側へと流れる。そして、流出路１４ｂを通って、周壁１１に開口する流出口１５ｂから熱交換器１０外へ流出する。流入路１４ａと流出路１４ｂとにおいて、熱媒体は互いに逆方向に流通する。
　熱媒体流通路Ｒ２を流通する熱媒体としては、例えば、公知の液状の熱媒体を用いることができる。公知の熱媒体としては、例えば、冷却水（Ｌｏｎｇ　Ｌｉｆｅ　Ｃｏｏｌａｎｔ：ＬＬＣ）や、エチレングリコール等の有機溶剤が挙げられる。
　上記構成の熱交換器１０は、ガス流通セルＣを流れるガスと、熱媒体流通路Ｒ２を流れる熱媒体との間で、区画壁１２を介して熱交換を行うことができる。また、熱媒体流通路Ｒ２の連通路１３を流通する熱媒体と、連通路１３に隣接するガス流通セルＣを流通するガスとの間においても区画壁１２を介して熱交換を行うことができるように構成されている。
　図５～１１に基づいて、熱交換器１０の一製造方法について説明する。
　熱交換器１０は、以下に記載する成形工程、熱媒体流通路形成工程、脱脂工程、含浸工程を順に経ることにより製造される。
　（成形工程）
　熱交換器の成形に用いる原料として、炭化ケイ素粒子と、有機バインダーと、分散媒とを含有する粘土状の混合物を調製する。
　有機バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロースが挙げられる。これらの有機バインダーの中でも、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロースが特に好ましい。また、上記の有機バインダーのうちの一種のみを用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。
　分散媒としては、例えば、水、有機溶剤が挙げられる。有機溶剤としては、例えば、エタノールが挙げられる。また、上記の分散媒のうちの一種のみを用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。
　また、混合物中にその他の成分を更に含有させてもよい。その他の成分としては、例えば、炭化ケイ素以外の材質からなるセラミック粒子、可塑剤、潤滑剤が挙げられる。炭化ケイ素以外の材質からなるセラミック粒子としては、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素等の窒化物からなるセラミック粒子が挙げられる。可塑剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシプロピレンアルキルエーテル等のポリオキシアルキレン系化合物が挙げられる。潤滑剤としては、例えば、グリセリンが挙げられる。
　この粘土状の混合物を用いて、図５に示す矩形筒状の成形体（第１成形体２０）を形成する。第１成形体２０は、ガス流通セルＣが縦方向に８個配列したセル列を備え、このセル列が横方向に４列設けられている。
　必要に応じて、得られた第１成形体２０に対して乾燥処理を行う。乾燥処理の具体的方法としては、例えば、マイクロ波乾燥機、熱風乾燥機、誘電乾燥機、減圧乾燥機、真空乾燥機、凍結乾燥機等を用いた乾燥処理が挙げられる。
　（熱媒体流通路形成工程）
　熱媒体流通路形成工程では、成形工程で得られた複数の成形体間に層間材を用いて熱媒体流通路が形成される。
　図６に示すように、第１成形体２０の側面におけるガス流通セルＣの延びる方向の両端部、及び、第１成形体２０の側面における下端部に、層間材２１として第１成形体２０の原料と同じ粘土状の混合物を塗布する。層間材２１は、開放部が上方を向いたコ字状に塗布される。また、第１成形体２０の側面における中央部にも、側面の上端部から下方に延びるように層間材２２を塗布する。層間材２１、２２を塗布した第１成形体２０は、必要に応じて乾燥処理を行う。層間材２１、２２の厚さは、特に限定されないが、ガス流通セルＣの流路幅に対して、０．５～２．０倍であることが好ましい。
　図７に示すように、層間材２１、２２を塗布した第１成形体２０を重ね合わせることにより、４個の第１成形体２０の間に、層間材２１、２２が配置された成形体（第２成形体２３）を作成する。層間材２１、２２は、後の工程を経て第３区画壁を構成する。ここで、第１成形体２０の側面に層間材２１、２２を塗布する方法に代えて、予め、層間材２１、２２をコ字状等の形状に成形した後、複数の第１成形体２０間に配置してもよい。
　（脱脂工程及び含浸工程）
　脱脂工程では、第２成形体２３を加熱することによって、第２成形体２３に含まれる有機バインダーを焼失させる。図８に示すように、脱脂工程を経ることにより、炭化ケイ素粒子同士が接触した状態で配置された骨格部分を有する多孔質の脱脂体３０が得られる。
　含浸工程では、脱脂体３０の各壁の内部に金属ケイ素を含浸させる。図９に示すように、含浸工程を経ることにより、脱脂体３０の各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に金属ケイ素が充填される。そして、筒状の周壁１１と、周壁１１の内部を複数のガス流通路Ｒ１（ガス流通セルＣ）及び複数の熱媒体流通路Ｒ２に区画する区画壁１２とを備える熱交換器１０が得られる。そして、流入路１４ａにおける流入口１５ａ側とは反対側の端部、及び、流出路１４ｂにおける流出口１５ｂ側とは反対側の端部に、流入路１４ａと流出路１４ｂを連結する連通路１３を備える構成となる。
　ここで、本実施形態の製造方法では、脱脂工程及び含浸工程を、異なる温度域による多段階の加熱処理によって連続的に行う。
　図１０に示すように、グラファイト等からなる有底箱状の耐熱性の容器４０内に第２成形体２３を配置する。図１０では、第２成形体２３について、その断面形状を省略して図示している。第２成形体２３は、容器４０の底面に配置された支持具４１の上に載置されることにより、支持具４１を介して容器４０内に配置される。支持具４１は、第２成形体２３の下面の一部のみに接触する大きさ及び形状に形成されており、第２成形体２３の下面の一点又は数点において第２成形体２３を支持する。支持具４１の数は単数であってもよいし、複数であってもよい。
　支持具４１の形状としては、例えば、角柱状、円柱状、角錐台状、円錐台状が挙げられる。これらの中でも、第２成形体２３の下面との接点を少なくできる点から、角錐台状、円錐台状が特に好ましい。
　支持具４１は、毛細管現象を生じさせる程度の大きさの連続した気孔を有する多孔質材により構成される。支持具４１を構成する多孔質材としては、例えば、炭化ケイ素からなる多孔質材、黒鉛等の炭素からなる多孔質材が挙げられる。支持具４１を構成する多孔質材の気孔率は、例えば、２０～６０％である。
　また、容器４０の底面と支持具４１に載置された第２成形体２３との間の隙間Ｓに粉末状、粒状、塊状等の固体状の金属ケイ素４２を配置する。金属ケイ素４２としては、その純度が９８％未満の金属ケイ素を用いることが好ましい。固体状の金属ケイ素は、その純度が低くなるにしたがって融点が低くなる傾向がある。そのため、低純度の金属ケイ素を用いることにより、含浸工程に要する加熱温度を低く抑えることができる。その結果、製造コストを抑制することができる。なお、金属ケイ素の純度は、例えば、９５％以上である。
　容器４０内に収容される金属ケイ素４２の量は、例えば、第２成形体２３から得られる脱脂体３０の気孔容積と支持具４１の気孔容積の和に相当する量（例えば、上記和の１．００～１．０５倍の体積に相当する量）とする。この場合には、熱交換器１０の気孔率を０％に近づけることができる。また、金属ケイ素４２の使用量が抑えられて、製造コストを抑制することができる。
　上記のように、容器４０内に第２成形体２３及び金属ケイ素４２を配置した状態として、焼成炉等の公知の加熱手段を用いて、アルゴンや窒素等の不活性雰囲気下又は真空下にて容器４０を加熱する。このとき、容器４０に対して異なる温度域による多段階の加熱を行う。
　具体的には、図１１に示すように、容器４０内の温度を、第１温度まで昇温させ、第１温度にて一定時間、保持することにより一次加熱を行う。その後、容器４０内の温度を、第１温度よりも高い第２温度まで昇温させ、一定時間、保持することにより二次加熱を行う。その後、容器４０内の温度を降下させる。
　一次加熱は、脱脂工程に相当する加熱処理である。一次加熱の第１温度は、有機バインダーが焼失する温度かつ金属ケイ素の融点未満の温度であり、第２成形体２３に含まれる有機バインダーの種類に応じて設定される。一次加熱により、第２成形体２３に含まれる有機バインダーが焼失して、第２成形体２３は脱脂体３０となる。このとき、容器４０内の温度（第１温度）は、金属ケイ素の融点未満の温度であるため、容器４０内に収容された金属ケイ素４２は、固体の状態が維持される。
　第１温度は、例えば、４００℃以上１４００℃以下の温度であることが好ましく、４５０℃以上１０００℃以下の温度であることがより好ましい。上記温度範囲に設定することにより、金属ケイ素４２の溶融を抑制しつつ、有機バインダーをより確実に焼失させることができる。
　一次加熱は、第２成形体２３に含まれる有機バインダーが完全に除去されるまで行うことが好ましい。例えば、事前の予備試験により、第２成形体２３に含まれる有機バインダーが除去された状態の脱脂体３０となる加熱時間を測定しておき、その加熱時間の経過をもって、容器４０内の温度を第１温度から第２温度に昇温する。
　二次加熱は、含浸工程に相当する加熱処理である。二次加熱の第２温度は、金属ケイ素の融点以上に設定される。二次加熱により、容器４０内に収容された金属ケイ素４２が溶融する。そして、溶融した金属ケイ素は、毛細管現象によって、多孔質材からなる支持具４１を通じて脱脂体３０の各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に入り込み、その隙間に金属ケイ素４２が含浸される。このとき、脱脂体３０における第１成形体２０及び層間材２１、２２間の境界部分にも金属ケイ素４２が含浸されることにより、第１成形体２０及び層間材２１、２２間の境界部分は消失する。これにより、各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に金属ケイ素４２が含浸されており、複数の第１成形体２０及び層間材２１、２２が一体化してなる熱交換器１０が得られる。
　第２温度は、例えば、１４２０℃以上の温度であることが好ましい。上記温度範囲に設定することにより、金属ケイ素をより確実に含浸させることができる。
　また、第２温度は、例えば、２０００℃以下の温度であることが好ましく、１９００℃以下の温度であることがより好ましい。上記温度範囲に設定することにより、設備やエネルギー等の観点において、製造コストを抑制することができる。さらに、脱脂体の熱膨張が抑制されて、熱膨張に起因する破損が生じ難くなる。
　また、第２温度は、成形工程に用いた混合物に含まれる炭化ケイ素の焼結温度未満（例えば、２０００℃以下）の温度であることが好ましい。上記温度範囲に設定することにより、得られる熱交換器１０は、その構成成分である炭化ケイ素粒子の殆どが焼結されずに、それぞれ独立して存在する未焼結のハニカム構造体となる。この未焼結のハニカム構造体は、ヤング率が高く、変形し難い性質を有しており、熱交換器として有用である。
　二次加熱は、脱脂体３０の各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に金属ケイ素が十分に含浸されるまで行うことが好ましい。例えば、容器４０内に収容される金属ケイ素４２の量が、脱脂体３０の気孔容積と支持具４１の気孔容積の和に相当する量である場合には、全ての金属ケイ素４２が含浸されたことをもって、金属ケイ素が十分に含浸されたと判断することができる。
　そして、二次加熱の後は、容器４０内の温度を降下させ、容器４０から熱交換器１０を取り出し、熱交換器１０の下面に一体化している支持具４１を分離する。これにより、熱交換器１０が得られる。
　上記の含浸工程を経ることにより、筒状の周壁１１と、周壁１１の内部を複数のガス流通セルＣ及び複数の熱媒体流通路Ｒ２に区画する区画壁１２とを備える熱交換器１０が得られる。そして、流入路１４ａにおける流入口１５ａ側とは反対側の端部、及び、流出路１４ｂにおける流出口１５ｂ側とは反対側の端部に、流入路１４ａと流出路１４ｂを連結する連通路１３を備える構成となる。
　次に、本実施形態の作用及び効果について記載する。
　（１）炭化ケイ素粒子、有機バインダー、及び分散媒を含有する混合物を成形してガス流通路を有する複数の成形体を得る成形工程と、複数の成形体間に層間材を配置して熱媒体流通路を形成する熱媒体流通路形成工程と、層間材が配置された成形体を脱脂して脱脂体を得る脱脂工程と、脱脂体に金属ケイ素を含浸させる含浸工程とを有する。
　複数の成形体間に熱媒体流通路を形成することができるため、図１５に示す従来の熱交換器のように、セルの内部に熱媒体が滞留することが回避される。したがって、内部に滞留した熱媒体の凍結による膨張圧力で区画壁が損傷することを抑制することができる。
　（２）複数の成形体間に層間材を配置することによって熱媒体流通路を形成している。したがって、層間材の形状によって、熱媒体流通路の形状を適宜選択することができるため、所望の形状を有する熱媒体流通路を作成することが容易になる。また、熱媒体流通路の表面の凹凸を低減することができるため、熱媒体の流通抵抗を低減することが可能になる。
　（３）層間材は、成形体と同じ原料を用いて形成される。したがって、層間材と成形体を均質にすることができるため、層間材と成形体を好適に一体化することができる。
　（４）層間材の厚さは、ガス流通路の流路幅に対して、０．５～２．０倍である。したがって、熱媒体流通路の流路断面積を、ガス流通路の流路断面積に対して好適なものとすることが容易になる。
　（５）脱脂工程と含浸工程を連続的に行う。したがって、脱脂工程と含浸工程を別々の工程で行う態様と比較して、熱交換器の生産効率を向上させることができる。
　（６）区画壁は、炭化ケイ素を主成分として含む。炭化ケイ素は、セラミック材料の中でも熱伝導が高い材料であるため、区画壁間の熱伝導を高くすることができる。したがって、熱交換効率が向上する。
　（７）ガス流通セルの幅方向において、熱媒体流通路の連通路はガス流通セルに隣接している。これにより、熱媒体流通路の連通路を流通する熱媒体と、連通路に隣接するガス流通セルを流通するガスとの間においても区画壁を介して熱交換を行うことができる。したがって、ガス流通路と熱媒体流通路との間で効率良く熱交換を行うことが可能になる。
　本実施形態は、次のように変更して実施することも可能である。また、上記実施形態の構成や以下の変更例に示す構成を適宜組み合わせて実施することも可能である。
　・本実施形態では、熱交換器は、周壁の軸方向における寸法が、周壁の軸方向に直交する方向における寸法よりも長く構成されていたが、この態様に限定されない。周壁の軸方向における寸法が、周壁の軸方向に直交する方向における寸法よりも短く構成されていてもよいし、同じ長さに構成されていてもよい。
　・本実施形態では、周壁における軸方向の一端側の開口を熱媒体の流入口とし、周壁における軸方向の他端側の開口を熱媒体の流出口としたがこの態様に限定されない。流入口と流出口の位置が逆となるように構成されていてもよい。また、周壁に設けられた複数の開口において、熱媒体の流入口及び流出口を適宜選択してもよい。
　・連通路の流路断面積は、ガス流通セルの流路断面積よりも大きく構成されている態様に限定されない。連通路を流通する熱媒体の流量を確保することができる範囲において、連通路の流路断面積は、ガス流通セルの流路断面積と略等しく構成されていてもよいし、ガス流通セルの流路断面積よりも小さく構成されていてもよい。
　・熱媒体の流入路と流出路の流路断面積は、ガス流通セルの流路断面積よりも大きく構成された態様に限定されない。流入路と流出路を流通する熱媒体の流量を確保することができる範囲において、熱媒体の流入路と流出路の流路断面積は、ガス流通セルの流路断面積と略等しく構成されていてもよいし、ガス流通セルの流路断面積よりも小さく構成されていてもよい。
　・周壁は、矩形筒状に限定されない。円筒状や、断面が楕円形の筒状に構成されていてもよい。図１２に示すように、例えば、第２成形体の形状を、熱媒体流通路形成工程で円筒状となるように形成することにより、周壁１１ｃを円筒状にすることが可能となる。また、ガス流通セル及び熱媒体流通路の断面形状は断面矩形状に限定されない。矩形状以外の多角形状であってもよいし、円形や楕円形であってもよい。多角形状の角部が面取りされた形状であってもよい。熱媒体流通路の流入路と流出路とで形状が異なっていてもよい。
　・ガス流通セルは、周壁の縦側壁に平行にガス流通セルが８個配列し、このセル列が、周壁の横側壁に沿って４列設けられる配置パターンに限定されない。ガス流通セルの配置パターンは、適宜選択することができる。熱媒体流通路の配置パターンも同様に適宜選択することができる。
　・熱媒体流通路は、流入路及び流出路が、周壁の軸方向に直交する方向において、互いに平行に延びるように形成された態様に限定されない。流入路及び流出路の形状は、第３区画壁の形状を変更することにより、適宜選択することができる。例えば、図１３に示すように、流入路１６ａ及び流出路１６ｂがＶ字状に延びるように形成してもよい。
　・熱媒体流通路は、流入路及び流出路が、周壁の同一面に開口した態様に限定されない。流入路及び流出路が、周壁の異なる面に開口した態様であってもよく、例えば、図１４に示すように、流入口１７ａと流出口１７ｂとが、周壁の上下方向の対向する面に開口するように設けられていてもよい。
　・第３区画壁は、第１区画壁及び第２区画壁と異なる材料で構成されていてもよい。すなわち、熱媒体流通路形成工程において、成形体の側面に成形体の原料とは異なる材料からなる粘土状の混合物を塗布して第３区画壁を形成してもよい。
　上述した実施形態やその変形例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に記載する。
　・　筒状の周壁と、前記周壁の内部を複数のガス流通路及び複数の熱媒体流通路に区画する区画壁とを備え、前記ガス流通路を流通するガスと、前記熱媒体流通路を流通する液状の熱媒体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、前記熱媒体流通路は、前記周壁の軸方向に延びる連通路と、一端側が前記熱媒体の流入口として前記周壁に開口するとともに他端側が前記連通路に連通される流入路と、一端側が前記熱媒体の流出口として前記周壁に開口するとともに他端側が前記連通路に連通される流出路とを備え、前記流入路と流出路は前記区画壁を挟んで前記周壁の軸方向に並設されていることを特徴とする熱交換器。
　・　前記連通路の流路断面積は、前記ガス流通路の流路断面積よりも大きく構成されている熱交換器。
　１０…熱交換器、１１…周壁、１２…区画壁、２０…第１成形体、２１…層間材、２２…層間材、２３…第２成形体、３０…脱脂体、Ｒ１…ガス流通路、Ｒ２…熱媒体流通路。 

Claims (4)

  1. 　筒状の周壁と、前記周壁の内部を複数のガス流通路及び複数の熱媒体流通路に区画する区画壁とを備え、前記ガス流通路を流通するガスと、前記熱媒体流通路を流通する液状の熱媒体との間で熱交換が行われる熱交換器の製造方法であって、
    　炭化ケイ素粒子、有機バインダー、及び分散媒を含有する混合物を成形して前記ガス流通路を有する複数の成形体を得る成形工程と、
    　複数の前記成形体間に層間材を配置して前記熱媒体流通路を形成する熱媒体流通路形成工程と、
    　前記層間材が配置された成形体を脱脂して脱脂体を得る脱脂工程と、
    　前記脱脂体に金属ケイ素を含浸させる含浸工程とを有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
  2. 　前記層間材は、前記成形体と同じ原料を用いて形成される請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
  3. 　前記層間材の厚さを、前記ガス流通路の流路幅に対して、０．５～２．０倍とする請求項１又は２に記載の熱交換器の製造方法。
  4. 　前記脱脂工程と前記含浸工程を連続的に行う請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法。
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