WO2022190573A1 - 熱交換部材および該熱交換部材を用いた熱交換器、ならびに該熱交換部材の製造方法 - Google Patents

熱交換部材および該熱交換部材を用いた熱交換器、ならびに該熱交換部材の製造方法 Download PDF

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WO2022190573A1
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heat exchange
peripheral wall
outer peripheral
honeycomb structure
exchange member
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PCT/JP2021/047956
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修平 久野
諭史 永本
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日本碍子株式会社
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    • 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
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • 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
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchange member, a heat exchanger using the heat exchange member, and a method for manufacturing the heat exchange member.
  • a heat exchanger is a device that includes a heat exchange member that exchanges heat between a first fluid and a second fluid by circulating a first fluid inside and a second fluid outside.
  • heat can be effectively utilized by exchanging heat from a high-temperature first fluid (eg, exhaust gas) to a low-temperature second fluid (eg, cooling water).
  • a heat exchanger for recovering heat from high-temperature gas such as automobile exhaust gas
  • a heat exchange member having a columnar honeycomb structure is accommodated in a frame (casing), and a first fluid is introduced into cells of the honeycomb structure.
  • Patent No. 6075381 WO2017/069265
  • a main object of the present invention is to provide a heat exchange member having excellent heat exchange performance.
  • a further object of the present invention is to provide a heat exchanger using such a heat exchange member and a method of manufacturing such a heat exchange member.
  • a heat exchange member includes a honeycomb structure having partition walls defining cells extending from a first end surface to a second end surface and forming flow paths for a first fluid, and an outer peripheral wall; a covering member covering the outer peripheral wall of the structure;
  • the partition wall and the outer peripheral wall contain ceramics as a main component, and the RPc defined in JIS B 0601:2013 of the outer peripheral wall surface is 55 pks/cm or more.
  • the RPc of the inner peripheral surface of the covering member is 45 pks/cm or more.
  • the maximum cross-sectional height Rt defined in JIS B 0601:2013 of the surface of the outer peripheral wall is 75 ⁇ m or less.
  • the partition wall and the outer peripheral wall are made of ceramic containing silicon carbide as a main component.
  • the honeycomb structure has the cells over the entire cross section in the direction perpendicular to the flow path direction of the first fluid.
  • the honeycomb structure has a hollow region in the center in a cross section in a direction perpendicular to the flow path direction of the first fluid.
  • a heat exchanger is provided. This heat exchanger comprises the above-described heat exchange member; and an outer cylinder provided outside the heat exchange member and spaced apart from the heat exchange member. A channel for the second fluid is formed between and.
  • a method for manufacturing the above heat exchange member includes cutting the surface of the outer peripheral wall at a peripheral speed of 3.0 m/sec or more using a grindstone of grit 90 or more and a diameter of 20 mm or more.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the heat exchange member according to one embodiment of the present invention in a direction parallel to the direction of flow of the first fluid;
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view (a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1) of the heat exchange member according to one embodiment of the present invention in a direction perpendicular to the flow path direction of the first fluid;
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the heat exchange member according to one embodiment of the present invention in a direction parallel to the direction of flow of the first fluid;
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view (a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1) of the heat exchange member according to one embodiment of the present invention in a direction perpendicular to the flow path direction of the first fluid;
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the heat exchange member according to one embodiment of the present invention in a direction parallel to the direction of flow of the first fluid;
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a heat exchange member according to another embodiment of the present invention, taken in a direction perpendicular to the direction of flow of a first fluid;
  • 1 is a schematic cross-sectional view of a heat exchanger according to one embodiment of the present invention in a direction perpendicular to the flow direction of a first fluid;
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a heat exchange member according to another embodiment of the present invention, taken in a direction perpendicular to the direction of flow of a first fluid;
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the heat exchange member according to one embodiment of the present invention in a direction parallel to the flow path direction of the first fluid;
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II;
  • the illustrated heat exchange member 100 includes partition walls 16 defining cells 14 extending from a first end face 12a to a second end face 12b to form flow paths for a first fluid, and a honeycomb structure 10 having an outer peripheral wall 18. and a covering member 20 covering the outer peripheral wall 18 of the honeycomb structure 10 .
  • the partition wall 16 and the outer peripheral wall 18 contain ceramics as a main component.
  • the RPc defined in JIS B 0601:2013 of the outer peripheral wall surface (outer peripheral surface of the outer peripheral wall) 18a is 55 pks/cm or more, preferably 75 pks/cm or more, more preferably It is 80 pks/cm or more, more preferably 90 pks/cm or more.
  • An upper limit for RPc can be, for example, 115 pks/cm. If the RPc of the outer peripheral wall surface is within such a range, excellent heat exchange performance can be achieved. It can be inferred that such an effect can be realized as follows. However, this is only a guess, and does not restrict the effects and mechanisms of the embodiments of the present invention.
  • RPc is one index of surface roughness and indicates the number of peaks present in the reference range.
  • the outer peripheral wall surface 18a of the honeycomb structure 10 and the inner peripheral surface 20a of the covering member 20 not only come into contact with each other reliably through many contact points, more contact. Therefore, according to the embodiment of the present invention, the heat transfer between (the outer peripheral wall surface of) the honeycomb structure and (the inner peripheral surface of) the covering member is improved, and as a result, the heat exchange member has excellent heat exchange performance. can be obtained.
  • the RPc of the inner peripheral surface 20a of the covering member 20 is preferably 45 pks/cm or more, more preferably 80 pks/cm or more, and even more preferably 120 pks/cm or more.
  • An upper limit for RPc can be, for example, 150 pks/cm. If the RPc of the inner peripheral surface of the covering member is within such a range, further excellent heat exchange performance can be realized due to the synergistic effect with the effect of setting the RPc of the outer peripheral wall surface within the above range.
  • the maximum cross-sectional height (the sum of the maximum peak height and the maximum valley depth) Rt defined in JIS B 0601:2013 of the outer peripheral wall surface 18a is preferably 75 ⁇ m or less, more preferably 55 ⁇ m or less. and more preferably 45 ⁇ m or less.
  • the lower limit of Rt is not particularly limited, but may be 10 ⁇ m, for example. If the Rt of the outer peripheral wall surface is within such a range, a synergistic effect with the effect of setting the RPc of the outer peripheral wall surface within the above range can realize even better heat exchange performance. This can be inferred as follows (however, as in the case of RPc, it does not restrict the effects and mechanisms of the embodiments of the present invention).
  • the maximum cross-sectional height is too high, such maximum height may reduce the number of contact points even if RPc (ie, the number of peaks) is greater than or equal to a predetermined value. Therefore, by setting the maximum cross-sectional height to a predetermined value or less, it is possible to ensure a reliable number of contact points by setting the RPc to a predetermined value or more. Furthermore, it is possible to ensure overall contact between the outer peripheral wall surface of the honeycomb structure and the inner peripheral surface of the covering member.
  • a honeycomb structure having an outer peripheral wall surface that satisfies both Rt and RPc as described above can be produced by the manufacturing method described in item B below.
  • the arithmetic mean roughness Ra defined in JIS B 0601:2013 of the outer peripheral wall surface 18a is preferably 9.5 ⁇ m or less, more preferably 7.5 ⁇ m or less, and still more preferably 4.5 ⁇ m or less.
  • the lower limit of Ra is not particularly limited, but may be 0.5 ⁇ m, for example. If the Ra of the outer peripheral wall surface is within such a range, a synergistic effect with the effect of setting the RPc and Rt of the outer peripheral wall surface within the above ranges can realize even better heat exchange performance.
  • honeycomb structure and the covering member that constitute the heat exchange member will be described below.
  • the honeycomb structure 10 includes partition walls 16 defining cells 14 extending from a first end surface 12a to a second end surface 12b to form flow paths for the first fluid, and an outer periphery. a wall 18;
  • the first fluid can flow in either the left or right direction of the paper surface.
  • the first fluid may be any suitable liquid or gas depending on the purpose.
  • the heat exchange member 100 is used in a heat exchanger mounted on an automobile, the first fluid is preferably exhaust gas.
  • the cross-sectional shape of the honeycomb structure 10 in the direction orthogonal to the flow path direction of the first fluid may be any appropriate shape as long as the first fluid flows through the cells 14 from the first end face 12a to the second end face 12b. can be adopted. Specific examples include circles, ellipses, squares or other polygons.
  • the honeycomb structure 10 is columnar and may have a circular cross section.
  • the cells 14 have any appropriate cross-sectional shape in the direction perpendicular to the direction of flow of the first fluid.
  • the first partition wall 16a and the second partition wall 16b are orthogonal to each other, and define the cell 14 having a quadrangular (square) cross-sectional shape except for the portion in contact with the outer peripheral wall 18 .
  • the cross-sectional shape of the cells 14 may be a triangle, a pentagon, a polygon with more than a hexagon, or the like, other than the square.
  • the cells are defined by first partition walls extending radially from the center of a cross section in a direction orthogonal to the direction of flow of the first fluid and second partition walls extending in the circumferential direction. may
  • the cross-sectional shape and size of the cells may all be the same, or at least a portion thereof may be different.
  • the thickness of the partition wall 16 can be appropriately set according to the purpose.
  • the thickness of the partition wall 16 is, for example, 0.1 mm to 1.0 mm, and can be, for example, 0.2 mm to 0.6 mm.
  • the mechanical strength of the honeycomb structure can be made sufficient, and the opening area (the total area of the cells in the cross section) can be made sufficient. .
  • the density of the partition walls 16 can be appropriately set according to the purpose.
  • the density of the partition walls 16 can be, for example, 0.5 g/cm 3 to 5.0 g/cm 3 . If the density of the partition walls is within such a range, the honeycomb structure (and consequently the heat exchange member) can be made lighter, and sufficient mechanical strength and thermal conductivity can be achieved. Density can be measured, for example, by the Archimedes method.
  • the thickness of the outer peripheral wall 18 is greater than the thickness of the partition wall 16 in one embodiment. With such a configuration, it is possible to suppress destruction (for example, cracks) of the outer peripheral wall due to external force (for example, impact from the outside, thermal stress due to the temperature difference between the first fluid and the second fluid). .
  • the thickness of the outer peripheral wall 18 is, for example, 0.3 mm to 10 mm, and may be, for example, 0.5 mm to 5 mm when the heat exchange member is used for general heat exchange applications. When the heat exchange member is used for heat storage, the heat capacity can be increased by setting the thickness of the outer peripheral wall to, for example, 10 mm or more.
  • the partition wall 16 and the outer peripheral wall 18 contain ceramics as a main component as described above.
  • "containing ceramics as a main component” means that the mass ratio of ceramics to the total mass of partition walls 16 and outer peripheral wall 18 is 50% by mass or more.
  • the porosity of the partition walls 16 and the outer peripheral wall 18 is preferably 10% or less, more preferably 5% or less, and even more preferably 3% or less.
  • the porosity can be 0%, for example. When the porosity of the partition walls and the outer peripheral wall is in such a range, the thermal conductivity of the honeycomb structure can be improved.
  • the partition wall 16 and the outer peripheral wall 18 are preferably made of ceramic containing silicon carbide as a main component.
  • Partition wall 16 and outer peripheral wall 18 may contain silicon carbide at a rate of 50% by mass or more with respect to the total mass, for example.
  • silicon carbide examples include SiC, Si-impregnated SiC, (Si+Al)-impregnated SiC, metal composite SiC, recrystallized SiC, and Si 3 N 4 .
  • Si-impregnated SiC and (Si+Al)-impregnated SiC This is because it is inexpensive and has high thermal conductivity.
  • SiC is intended to include not only pure SiC but also SiC containing inevitable impurities.
  • the cell density (that is, the number of cells 14 per unit area) in the cross section of FIG. 2 can be appropriately set according to the purpose.
  • Cell densities can be, for example, between 4 cells/cm 2 and 320 cells/cm 2 . If the cell density is within this range, the strength and effective GSA (geometric surface area) of the honeycomb structure can be sufficiently ensured, and the pressure loss when the first fluid flows can be suppressed.
  • GSA geometric surface area
  • the honeycomb structure 10 may have cells 14 over the entire cross section in the direction perpendicular to the flow path direction of the first fluid; You may have the hollow area 19 in.
  • the honeycomb structure has hollow regions, the hollow regions can function as bypasses for the first fluid. With such a configuration, it is possible to realize a heat exchange member (as a result, a heat exchanger) capable of achieving both heat recovery performance and heat shielding performance.
  • the honeycomb structure has a hollow region
  • the honeycomb structure includes an outer peripheral wall 18, an inner peripheral wall 17, and a second wall disposed between the outer peripheral wall 18 and the inner peripheral wall 17 and extending from the first end face 12a to the second end face 12b.
  • the honeycomb structure has a partition wall 16 that partitions and forms a plurality of cells 14 that serve as flow paths for one fluid.
  • any appropriate shape can be adopted as the shape of the hollow regions. Specific examples include circles, ellipses, squares or other polygons.
  • the shape of the hollow region may be the same as or different from the shape of the honeycomb structure.
  • the shape of the hollow regions is the same as the shape of the honeycomb structure as shown in FIG. With such a configuration, it is possible to obtain good durability against external impact, thermal stress caused by the temperature difference between the first fluid and the second fluid, and the like.
  • the diameter of the inner peripheral wall in a cross section perpendicular to the flow path direction of the first fluid is preferably 1 mm to 100 mm, more preferably 2 mm to 70 mm.
  • the diameter of the inner peripheral wall is defined as the diameter of the maximum inscribed circle inscribed in the cross-sectional shape of the inner peripheral wall.
  • the configuration of the inner peripheral wall is as described above for the outer peripheral wall and partition walls, and the thickness of the inner peripheral wall can be the same as the thickness of the outer peripheral wall.
  • the isostatic strength of the honeycomb structure is preferably 5 MPa or more, more preferably 10 MPa or more, and still more preferably 100 MPa or more. With such a configuration, a honeycomb structure having excellent durability can be obtained.
  • the isostatic strength can be measured according to JASO standard M505-87, which is an automotive standard issued by the Society of Automotive Engineers of Japan.
  • the diameter of the honeycomb structure in the cross section of Fig. 2 can be appropriately set according to the purpose.
  • the diameter of the honeycomb structure can be, for example, 20 mm to 200 mm, and can be, for example, 30 mm to 100 mm. If the diameter of the honeycomb structure falls within this range, the heat recovery efficiency can be improved.
  • the cross-sectional shape of the honeycomb structure is not circular, the diameter of the maximum inscribed circle inscribed in the cross-sectional shape (for example, polygon) of the honeycomb structure can be used as the diameter of the honeycomb structure.
  • the length of the honeycomb structure can be appropriately set according to the purpose.
  • the length of the honeycomb structure can be, for example, 3 mm to 200 mm, and can be, for example, 5 mm to 100 mm, and can be, for example, 10 mm to 50 mm.
  • the thermal conductivity of the honeycomb structure at 25° C. is preferably 50 W/(m ⁇ K) or more, more preferably 100 W/(m ⁇ K) to 300 W/(m ⁇ K), still more preferably 120 W. /(m ⁇ K) to 300 W/(m ⁇ K). If the thermal conductivity is in this range, the thermal conductivity is good, and the heat (substantially, the first fluid) inside the honeycomb structure can be efficiently transmitted to the outside (for example, the second fluid). can be done.
  • the thermal conductivity can be measured by JIS R 1611-1997 (laser flash method).
  • the partition walls 16 may carry a catalyst.
  • the catalyst By supporting the catalyst on the partition wall 16, it is possible to convert CO, NO x , hydrocarbons, etc. in the exhaust gas into harmless substances through a catalytic reaction, and the reaction heat generated during the catalytic reaction is used for heat exchange. is also possible.
  • Catalysts are, for example, noble metals (e.g.
  • any appropriate configuration may be adopted as long as the outer peripheral wall 18 of the honeycomb structure 10 can be covered.
  • a tubular member that fits around the outer peripheral wall 18 of the honeycomb structure 10 to cover the outer peripheral wall 18 of the honeycomb structure 10 can be used.
  • the term “fitting” means that the honeycomb structure and the covering member are fixed in a mutually fitted state. Therefore, the term “fitting” refers not only to the state in which the honeycomb structure and the covering member are fixed by loose fitting, interference fitting, shrink fitting, etc., but also to brazing, welding, fitting, etc. It also includes a state of being fixed by diffusion bonding or the like.
  • the covering member 20 can have an inner surface shape corresponding to the outer peripheral wall 18 of the honeycomb structure 10 .
  • the inner peripheral surface of the covering member 20 is in direct contact with the outer peripheral wall 18 of the honeycomb structure 10, and the RPc of the outer peripheral wall surface of the honeycomb structure and/or the inner peripheral surface of the covering member is set to the above item A-1.
  • the heat transfer property becomes extremely good, and the heat (substantially, the first fluid) in the honeycomb structure can be very efficiently transferred to the covering member.
  • the ratio of the area of the portion of the outer peripheral wall 18 of the honeycomb structure 20 that is circumferentially covered with the covering member 20 to the total area of the outer peripheral wall 18 of the honeycomb structure 10 is preferably as high as possible. With such a configuration, heat recovery efficiency can be enhanced.
  • the area ratio is preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and still more preferably 100% (that is, the entire outer peripheral wall 18 of the honeycomb structure 10 is circumferentially covered with the covering member 20). is.
  • area of the outer peripheral wall 18 as used herein means the area in the direction parallel to the flow path direction of the first fluid, and does not include the area of the first end face and the second end face.
  • the covering member 20 is preferably made of metal. With such a configuration, manufacturing efficiency is excellent, and attachment (for example, welding) to an outer cylinder (casing) is easy when manufacturing a heat exchanger (described later).
  • Materials constituting the covering member include, for example, stainless steel, titanium alloys, copper alloys, aluminum alloys, and brass. Among them, stainless steel is preferable because of its high durability reliability and low cost.
  • the thickness of the covering member 20 may be, for example, 0.1 mm to 10 mm, or may be, for example, 0.3 mm to 5 mm, or may be, for example, 0.5 mm to 3 mm. If the thickness of the covering member is within such a range, an excellent balance between durability reliability and thermal conductivity can be achieved.
  • the length of the covering member 20 can be appropriately set according to the purpose, the length of the honeycomb structure 10, and the like.
  • the length of the covering member can be, for example, 5 mm to 250 mm, and can be, for example, 10 mm to 150 mm, and can be, for example, 20 mm to 100 mm.
  • the length of the covering member 20 is greater than the length of the honeycomb structure 10 .
  • the honeycomb structure can be arranged in the central portion of the covering member (that is, so that the honeycomb structure is not exposed from the covering member).
  • the surface of the outer peripheral wall of the honeycomb structure (substantially its precursor) is ground by using a grindstone of 100 count or more and a diameter of 20 mm or more. Including cutting at a peripheral speed of 6.0 m/sec or more.
  • the outer peripheral wall surface 18a having the RPc described in the above section A-1 can be formed.
  • the inner peripheral surface of the covering member may be further cut.
  • the inner peripheral surface 20a having the RPc described in section A-1 above can be formed.
  • the RPc can be adjusted by appropriately combining and adjusting the number, diameter and peripheral speed of the grinding wheel. For example, when the diameter and number of the grindstone are small, the outer peripheral wall surface 18a having the desired RPc can be formed by increasing the rotation speed. Further, for example, if the diameter of the grindstone is increased, it is possible to form the outer peripheral wall surface 18a having the desired RPc with a small number and rotation speed.
  • the rotation speed of the grind stone is preferably 3000 rpm or more, More preferably 4000 rpm to 7000 rpm.
  • the peripheral speed of the grindstone is, for example, 3 m/s to 15 m/s.
  • the rotation speed of the grind stone is preferably 3000 rpm or less, preferably 1200 rpm to 2000 rpm.
  • the peripheral speed of the grindstone is, for example, 20 m/s to 35 m/s.
  • the depth of cut of the grindstone is, for example, 0.1 mm to 0.4 mm.
  • cutting with a grindstone is performed while rotating a workpiece (substantially a precursor of a honeycomb structure) to be cut.
  • the rotation speed of the work is, for example, 100 rpm to 500 rpm, preferably 150 rpm to 300 rpm.
  • the honeycomb structure can be produced by the following method. First, a clay containing ceramic powder is extruded into a desired shape to produce a honeycomb molded body.
  • a material for forming the formed honeycomb body the ceramics described in the above section A-2 can be used.
  • a binder and water or an organic solvent are added to a predetermined amount of SiC powder, and the resulting mixture is kneaded to form a clay and molded.
  • a honeycomb molded body having a desired shape can be obtained.
  • the obtained honeycomb molded body is dried and processed into a predetermined outer dimension to obtain a honeycomb dried body, and the honeycomb dried body is impregnated with metal Si and fired in an inert gas under reduced pressure or in a vacuum to obtain a honeycomb.
  • Cutting with a grindstone may be performed before firing (after drying and dimensional processing) or after firing.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a heat exchanger according to one embodiment of the present invention in a direction perpendicular to the flow direction of the first fluid.
  • the heat exchanger 200 of the illustrated example includes the heat exchange member 100 shown in FIGS.
  • a flow path 140 for the second fluid is formed between the outer cylinder (casing) 120 and the covering member 20 of the heat exchange member 100 .
  • the heat exchange member 100 shown in FIGS. 1 and 2 is used in the illustrated example, any suitable heat exchange member according to the embodiments of the present invention described in Sections A and B above may be used as the heat exchange member.
  • a member can be used.
  • the heat exchange member 102 shown in FIG. 3 may be used.
  • the outer cylinder 120 typically has a cylindrical portion 121 that covers the covering member 20 in a circular fashion, and preferably covers the entire heat exchange member 100 in a circular fashion.
  • the outer cylinder 120 includes an inlet 122 for the second fluid, an inlet conduit 123 connecting the inlet 122 and the tubular portion 121, an outlet 124 for the second fluid, and an outlet conduit 125 connecting the outlet 124 and the tubular portion 121.
  • a second fluid enters from inlet 122 and flows through inlet conduit 123 to flow path 140 .
  • the second fluid then undergoes heat exchange with the first fluid flowing through the cells 14 of the heat exchange member 100 while flowing through the flow path 140 and exits the outlet 124 through the outlet conduit 125 .
  • any appropriate fluid can be used depending on the purpose.
  • the second fluid is preferably water or antifreeze (LLC defined in JIS K 2234:2006).
  • the temperature of the second fluid is preferably lower than the temperature of the first fluid. This is because the covering member 20 of the heat exchange member 100 does not expand at low temperatures and the honeycomb structure 10 expands at high temperatures, so that the fitting between the two becomes strong.
  • the outer peripheral surface of the covering member 20 at both ends in the flow path direction of the first fluid is in close contact with the inner surface of the outer cylinder 120 in a circular fashion.
  • close contact is by any suitable means. Specific examples include welding, diffusion bonding, brazing, and mechanical fastening. Welding is preferred. This is because durability and reliability are high and structural strength can be improved.
  • the outer cylinder 120 is preferably made of metal. With such a configuration, both manufacturing efficiency and thermal conductivity can be excellent. Examples of materials forming the outer cylinder include stainless steel, titanium alloys, copper alloys, aluminum alloys, and brass. Among them, stainless steel is preferable because of its high durability reliability and low cost.
  • the thickness of the outer cylinder 120 is, for example, 0.1 mm to 10 mm, for example, 0.5 mm to 5 mm, or for example, 1 mm to 3 mm. If the thickness of the outer cylinder is within such a range, the balance between durability reliability, cost, volume and weight is excellent.
  • the outer cylinder 120 may be an integrally molded product, or may be a joint member formed from two or more members. If it is a joining member, it is possible to increase the degree of freedom in designing the outer cylinder.
  • the amount of heat Q recovered by the cooling water is represented by the following equation.
  • Q (kW) ⁇ Tw (K) x Cpw (J/(kg K)) x Pw (kg/m3) x Mw (L/min) ⁇ (60 x 106 )
  • ⁇ Tw Tw2 - Tw1
  • Cpw (specific heat of water) 4182 J/(kg K)
  • Pw (density of water) 997 kg/m3.
  • the heat recovery efficiency ⁇ by the heat exchanger is expressed by the following equation.
  • ⁇ (%) Q/ ⁇ (Tg1 ⁇ Tw1) ⁇ Cpg ⁇ Mg ⁇ 100
  • Cpg (specific heat of air) 1050 J/(kg ⁇ K).
  • Example 1 Preparation of Honeycomb Structure Clay containing SiC powder was finally extruded to have a cross-sectional shape as shown in FIG. 3, dried, and processed into a predetermined outer dimension to obtain a dried honeycomb structure.
  • the outer peripheral wall surface of the obtained dried honeycomb body was cut using a machining center.
  • the grindstone of the machining center had a grit number of 90, a diameter of 20 mm, a rotation speed of 3000 rpm, a peripheral speed of 3.1 m/s, and a depth of cut of 0.2 mm.
  • a columnar honeycomb structure was produced by impregnating and firing a honeycomb molded body whose outer peripheral wall surface was machined.
  • the peripheral wall surface of the obtained honeycomb structure had an RPc of 55.4 pks/cm, an Ra of 9.12 ⁇ m, and an Rt of 73.5 ⁇ m.
  • the honeycomb structure had an outer peripheral wall diameter of 75 mm, an inner peripheral wall diameter of 57 mm, and a length of 33 mm in the cell extending direction. ), which has a hollow region in the center of the cross section perpendicular to the cross section.
  • the cell shape in a cross section orthogonal to the axial direction (cell extending direction) of the honeycomb structure was quadrangular.
  • the honeycomb structure had a cell density of 57 cells/cm 2 , a partition wall thickness of 0.3 mm, and an outer peripheral wall and inner peripheral wall thickness of 1.5 mm.
  • a tubular member made of stainless steel was used as the covering member.
  • the honeycomb structure obtained above is inserted to the center of the inside of the tubular member that has been expanded by heating, and then cooled and contracted to fix the honeycomb structure in the covering member by shrink fitting, whereby the inner peripheral surface of the covering member is formed.
  • a heat exchange member was produced by fitting it to the outer peripheral surface of the honeycomb structure.
  • the RPc of the inner peripheral surface of the covering member was 130 pks/cm.
  • FIG. 4 Fabrication of Heat Exchanger
  • a stainless steel heat exchanger having a tubular portion, an inlet, an inlet conduit connecting the inlet and the tubular portion, an outlet, and an outlet conduit connecting the outlet and the tubular portion.
  • a cylindrical casing (outer cylinder) was formed by die molding.
  • the heat exchange member obtained above was inserted into the outer cylinder, the heat exchange member was fixed in the outer cylinder by welding, and the entire heat exchange member was covered around.
  • the outer peripheral side surfaces at both ends in the axial direction (the direction in which the cells extend) of the honeycomb structure were welded to the inner side surface of the outer cylinder so as to be in close contact with each other.
  • Table 1 shows the results.
  • Examples 2-4 and Comparative Examples 1-2 A honeycomb structure having RPc, Ra and Rt shown in Table 1 on the surface of the outer peripheral wall was produced in the same manner as in Example 1 except that the surface of the outer peripheral wall of the formed honeycomb body was machined under the conditions shown in Table 1.
  • a heat exchange member and a heat exchanger were produced in the same manner as in Example 1, except that this honeycomb structure was used. The obtained heat exchanger was subjected to the same evaluation as in Example 1. Table 1 shows the results.
  • Example 5 Except for using a cylindrical grinder instead of a machining center, cutting the outer peripheral wall surface of the dried honeycomb body under the conditions shown in Table 1, and rotating the dried honeycomb body at 300 rpm during cutting.
  • a honeycomb structure having an outer peripheral wall surface having RPc, Ra and Rt shown in Table 1 was produced.
  • a heat exchange member and a heat exchanger were produced in the same manner as in Example 1, except that this honeycomb structure was used.
  • the obtained heat exchanger was subjected to the same evaluation as in Example 1. Table 1 shows the results.
  • Example 6 Clay containing SiC powder was extruded into the same shape as in Example 1, dried, processed into a predetermined outer dimension, and then impregnated with Si and fired to obtain a honeycomb fired body.
  • the surface of the outer peripheral wall of the obtained honeycomb fired body was cut using a cylindrical grinder.
  • the grindstone of the cylindrical grinder had a grit number of 170, a diameter of 350 mm, a rotation speed of 1800 rpm, a peripheral speed of 33 m/s, and a depth of cut of 0.2 mm. Further, during cutting, the honeycomb fired body was rotated at 150 rpm.
  • the outer peripheral wall surface of the honeycomb structure thus obtained had an RPc of 91.4 pks/cm, an Ra of 1.53 ⁇ m, and an Rt of 32.7 ⁇ m.
  • a columnar honeycomb structure was produced.
  • the dimensions and shape of the obtained honeycomb structure were the same as in Example 1.
  • a heat exchange member and a heat exchanger were produced in the same manner as in Example 1, except that this honeycomb structure was used.
  • the obtained heat exchanger was subjected to the same evaluation as in Example 1. Table 1 shows the results.
  • the heat exchangers of the examples of the present invention have a significantly higher heat recovery efficiency than the comparative examples.
  • the heat exchange member and the heat exchanger according to embodiments of the present invention are used in any suitable application in which heat is exchanged between a heating body (high temperature side) and a heated body (low temperature side), in particular , can be suitably used for heat recovery applications from automotive exhaust gases.

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Abstract

優れた熱交換性能を有する熱交換部材が提供される。本発明の実施形態による熱交換部材は、第１端面から第２端面まで延びて第１流体の流路を形成するセルを規定する隔壁と、外周壁と、を有するハニカム構造体と；ハニカム構造体の外周壁を被覆する被覆部材と；を備える。隔壁および外周壁はセラミックスを主成分として含有し、外周壁表面のＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２０１３に規定されるＲＰｃは５５ｐｋｓ／ｃｍ以上である。

Description

熱交換部材および該熱交換部材を用いた熱交換器、ならびに該熱交換部材の製造方法
　本発明は、熱交換部材および該熱交換部材を用いた熱交換器、ならびに該熱交換部材の製造方法に関する。
　近年、自動車の燃費改善が求められている。特に、エンジン始動時などのエンジンが冷えている時の燃費悪化を防ぐために、冷却水、エンジンオイル、ＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルード；Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｆｌｕｉｄ）などを早期に暖めてフリクション（摩擦）損失を低減するシステムが期待されている。また、排ガス浄化用触媒を早期に活性化するために触媒を加熱するシステムが期待されている。
　このようなシステムにおいて、例えば、熱交換器を用いることが検討されている。熱交換器は、内部に第１流体を流通させると共に外部に第２流体を流通させることにより、第１流体と第２流体との熱交換を行う熱交換部材を含む装置である。このような熱交換器では、例えば、高温の第１流体（例えば、排ガス）から低温の第２流体（例えば、冷却水）へ熱交換することによって熱を有効利用することができる。自動車排ガスのような高温の気体から熱を回収する熱交換器としては、近年、柱状ハニカム構造体を有する熱交換部材をフレーム（ケーシング）内に収容し、第１流体をハニカム構造体のセル内に流通させ、第２流体をケーシング内で熱交換部材の外周面上に流通させる熱交換器の開発が進められている。ハニカム構造体を有する熱交換部材としては、第１流体の流路方向（セルの延びる方向）に垂直な断面において、中心部から外周部に向かって放射方向に延びる第１隔壁と、周方向に延びる第２隔壁とを備える柱状ハニカム構造体を有する熱交換体が提案されている（特許文献１）。また、排気ガスのバイパス経路として機能する中空領域を備えた中空型（ドーナツ型）の柱状ハニカム構造体を有する熱交換部材が提案されている（特許文献２）。このような柱状ハニカム構造体を有する熱交換部材は非常に有用である一方で、さらなる熱交換性能の向上が継続的に求められている。
特許第６０７５３８１号 国際公開第２０１７／０６９２６５号
　本発明の主たる目的は、優れた熱交換性能を有する熱交換部材を提供することにある。本発明のさらなる目的は、このような熱交換部材を用いた熱交換器およびこのような熱交換部材の製造方法を提供することにある。
　本発明の実施形態による熱交換部材は、第１端面から第２端面まで延びて第１流体の流路を形成するセルを規定する隔壁と、外周壁と、を有するハニカム構造体と；該ハニカム構造体の該外周壁を被覆する被覆部材と；を備える。該隔壁および該外周壁はセラミックスを主成分として含有し、該外周壁表面のＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２０１３に規定されるＲＰｃは５５ｐｋｓ／ｃｍ以上である。
　１つの実施形態においては、上記被覆部材の内周面のＲＰｃは４５ｐｋｓ／ｃｍ以上である。
　１つの実施形態においては、上記外周壁の表面のＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２０１３に規定される最大断面高さＲｔは７５μｍ以下である。
　１つの実施形態においては、上記隔壁および上記外周壁は、炭化珪素を主成分として含有するセラミックスで構成されている。
　１つの実施形態においては、上記ハニカム構造体は、上記第１流体の流路方向に垂直な方向の断面全体に上記セルを有する。別の実施形態においては、上記ハニカム構造体は、上記第１流体の流路方向に垂直な方向の断面において中心部に中空領域を有する。
　本発明の別の局面によれば、熱交換器が提供される。この熱交換器は、上記の熱交換部材と；該熱交換部材の外側に該熱交換部材から離間して設けられた外筒と；を備え、該外筒と該熱交換部材の前記被覆部材との間に第２流体の流路が形成されている。
　本発明のさらに別の局面によれば、上記の熱交換部材の製造方法が提供される。この製造方法は、上記外周壁表面を９０番手以上かつ径２０ｍｍ以上の砥石を用いて周速度３．０ｍ／秒以上で切削加工することを含む。
　本発明の実施形態によれば、優れた熱交換性能を有する熱交換部材を実現することができる。
本発明の１つの実施形態による熱交換部材の第１流体の流路方向に平行な方向の概略断面図である。 本発明の１つの実施形態による熱交換部材の第１流体の流路方向に直交する方向の概略断面図（図１のＩＩ－ＩＩ線による概略断面図）である。 本発明の別の実施形態による熱交換部材の第１流体の流路方向に直交する方向の概略断面図である。 本発明の１つの実施形態による熱交換器の第１流体の流路方向に直交する方向の概略断面図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。
Ａ．熱交換部材
Ａ－１．熱交換部材の全体構成
　図１は、本発明の１つの実施形態による熱交換部材の第１流体の流路方向に平行な方向の概略断面図であり；図２は図１の熱交換部材のＩＩ－ＩＩ線による概略断面図である。図示例の熱交換部材１００は、第１端面１２ａから第２端面１２ｂまで延びて第１流体の流路を形成するセル１４を規定する隔壁１６と、外周壁１８と、を有するハニカム構造体１０と；ハニカム構造体１０の外周壁１８を被覆する被覆部材２０と；を備える。隔壁１６および外周壁１８はセラミックスを主成分として含有する。
　本発明の実施形態においては、外周壁表面（外周壁の外周面）１８ａのＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２０１３に規定されるＲＰｃは５５ｐｋｓ／ｃｍ以上であり、好ましくは７５ｐｋｓ／ｃｍ以上であり、より好ましくは８０ｐｋｓ／ｃｍ以上であり、さらに好ましくは９０ｐｋｓ／ｃｍ以上である。ＲＰｃの上限は、例えば１１５ｐｋｓ／ｃｍであり得る。外周壁表面のＲＰｃがこのような範囲であれば、優れた熱交換性能が実現され得る。このような効果は、以下のように実現され得るのではないかと推察され得る。ただし、これはあくまで推察であり、本発明の実施形態による作用効果・メカニズムを拘束するものではない。ＲＰｃは表面粗さの指標の１つであり、基準範囲に存在する山の数を示す。ＲＰｃを上記のように所定値以上とすることにより、ハニカム構造体１０の外周壁表面１８ａと被覆部材２０の内周面２０ａとの確実な接触点が多くなる。この接触点が多くなることで、外周壁から被覆部材への熱伝達が向上し、熱交換性能が向上した熱交換部材が得られ得る。さらに、後述するように、本発明の実施形態においては、最大断面高さＲｔおよび算術平均粗さＲａはいずれも、代表的には所定値以下となる。すなわち、ハニカム構造体の外周壁表面の山の数は多いが突出して高い山はなく、かつ、外周壁表面の全体的な性状はそれほど荒れていない。その結果、ハニカム構造体１０の外周壁表面１８ａと被覆部材２０の内周面２０ａとは、多くの接触点を介して確実に接触するのみならず、全体的な（すなわち、表面全体同士の）接触も多くなる。したがって、本発明の実施形態によれば、ハニカム構造体（の外周壁表面）と被覆部材（の内周面）との熱伝達が向上し、その結果、優れた熱交換性能を有する熱交換部材が得られ得る。
　被覆部材２０の内周面２０ａのＲＰｃは、好ましくは４５ｐｋｓ／ｃｍ以上であり、より好ましくは８０ｐｋｓ／ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１２０ｐｋｓ／ｃｍ以上である。ＲＰｃの上限は、例えば１５０ｐｋｓ／ｃｍであり得る。被覆部材の内周面のＲＰｃがこのような範囲であれば、外周壁表面のＲＰｃを上記範囲とすることによる効果との相乗的な効果により、さらに優れた熱交換性能が実現され得る。
　外周壁表面１８ａのＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２０１３に規定される最大断面高さ（山高さの最大値と谷深さの最大値との和）Ｒｔは、好ましくは７５μｍ以下であり、より好ましくは５５μｍ以下であり、さらに好ましくは４５μｍ以下である。Ｒｔの下限は、特に限定されるものではないが、例えば１０μｍであり得る。外周壁表面のＲｔがこのような範囲であれば、外周壁表面のＲＰｃを上記範囲とすることによる効果との相乗的な効果により、さらに優れた熱交換性能が実現され得る。これは以下のように推察され得る（ただし、ＲＰｃの場合と同様に、本発明の実施形態による作用効果・メカニズムを拘束するものではない）。最大断面高さが高すぎる場合、そのような最大高さに起因して、ＲＰｃ（すなわち、山の数）が所定値以上であっても接触点の数が少なくなってしまう場合がある。したがって、最大断面高さを所定値以下とすることにより、ＲＰｃを所定値以上とすることによる確実な接触点の数を確保することができる。さらに、ハニカム構造体の外周壁表面と被覆部材の内周面との全体的な接触を確保することができる。なお、このようなＲｔと上記のようなＲＰｃとを両立する外周壁表面を有するハニカム構造体は、後述のＢ項に記載の製造方法により作製され得る。
　外周壁表面１８ａのＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２０１３に規定される算術平均粗さＲａは、好ましくは９．５μｍ以下であり、より好ましくは７．５μｍ以下であり、さらに好ましくは４．５μｍ以下である。Ｒａの下限は、特に限定されるものではないが、例えば０．５μｍであり得る。外周壁表面のＲａがこのような範囲であれば、外周壁表面のＲＰｃおよびＲｔを上記範囲とすることによる効果との相乗的な効果により、さらに優れた熱交換性能が実現され得る。すなわち、山によるハニカム構造体の外周壁表面と被覆部材の内周面との確実な接触点が多い状態で、全体的な（すなわち、表面全体同士の）接触も多くすることができる。その結果、ハニカム構造体（の外周壁表面）と被覆部材（の内周面）との熱伝達を向上させることができる。
　以下、熱交換部材を構成するハニカム構造体および被覆部材について説明する。
Ａ－２．ハニカム構造体
　ハニカム構造体１０は、図１および図２に示すように、第１端面１２ａから第２端面１２ｂまで延びて第１流体の流路を形成するセル１４を規定する隔壁１６と、外周壁１８と、を有する。熱交換部材１００において、ハニカム構造体１０のセル１４内を第１流体が流通し、被覆部材２０の外側を第２流体が流通する際（後述）、ハニカム構造体１０の外周壁１８および被覆部材２０を介して第１流体と第２流体との間の熱交換が行われる。なお、図１において、第１流体は、紙面の左右のいずれの方向にも流れることができる。第１流体としては、目的に応じた任意の適切な液体または気体が挙げられる。例えば、自動車に搭載される熱交換器に熱交換部材１００が用いられる場合には、第１流体は好ましくは排ガスである。
　ハニカム構造体１０の第１流体の流路方向に直交する方向における断面形状としては、第１端面１２ａから第２端面１２ｂまで第１流体がセル１４内を流通する限りにおいて、任意の適切な形状が採用され得る。具体例としては、円形、楕円形、四角形またはその他の多角形が挙げられる。１つの実施形態においては、ハニカム構造体１０は円柱状であり、その断面は円形であり得る。
　セル１４は、第１流体の流路方向に直交する方向において、任意の適切な断面形状を有する。図示例においては、第１隔壁１６ａと第２隔壁１６ｂとが互いに直交し、外周壁１８と接する部分を除いて四角形（正方形）の断面形状を有するセル１４が規定される。セル１４の断面形状は、正方形以外に、三角形、五角形、六角形以上の多角形などの形状としてもよい。別の実施形態（図示せず）においては、セルは、第１流体の流路方向に直交する方向の断面の中心から放射方向に延びる第１隔壁と周方向に延びる第２隔壁とによって規定されてもよい。セルの断面形状およびサイズ（外周壁と接する部分を除く）は、すべてが同一であってもよく、少なくとも一部が異なっていてもよい。
　隔壁１６の厚みは、目的に応じて適切に設定され得る。隔壁１６の厚みは、例えば０．１ｍｍ～１．０ｍｍであり、また例えば０．２ｍｍ～０．６ｍｍであり得る。隔壁の厚みがこのような範囲であれば、ハニカム構造体の機械的強度を十分なものとすることができ、かつ、開口面積（断面におけるセルの総面積）を十分なものとすることができる。
　隔壁１６の密度は、目的に応じて適切に設定され得る。隔壁１６の密度は、例えば０．５ｇ／ｃｍ３～５．０ｇ／ｃｍ３であり得る。隔壁の密度がこのような範囲であれば、ハニカム構造体（結果として、熱交換部材）を軽量化することができ、かつ、機械的強度および熱伝導率を十分なものとすることができる。密度は、例えばアルキメデス法により測定され得る。
　外周壁１８の厚みは、１つの実施形態においては、隔壁１６の厚みより大きい。このような構成であれば、外力（例えば、外部からの衝撃、第１流体と第２流体との温度差による熱応力）による外周壁の破壊（例えば、ひび、割れ）を抑制することができる。外周壁１８の厚みは、熱交換部材を一般的な熱交換用途に用いる場合には、例えば０．３ｍｍ～１０ｍｍであり、また例えば０．５ｍｍ～５ｍｍであり得る。熱交換部材を蓄熱用途に用いる場合には、外周壁の厚みを例えば１０ｍｍ以上とすることにより熱容量を増大させることができる。
　隔壁１６および外周壁１８は、上記のとおりセラミックスを主成分として含有する。本明細書において「セラミックスを主成分として含有する」とは、隔壁１６および外周壁１８の全質量に占めるセラミックスの質量比率が５０質量％以上であることをいう。
　隔壁１６および外周壁１８の気孔率は、好ましくは１０％以下であり、より好ましくは５％以下であり、さらに好ましくは３％以下である。気孔率は例えば０％とすることができる。隔壁および外周壁の気孔率がこのような範囲であれば、ハニカム構造体の熱伝導率を向上させることができる。
　隔壁１６および外周壁１８は、好ましくは、炭化珪素を主成分として含有するセラミックスで構成されている。隔壁１６および外周壁１８は、例えば、全質量に対して５０質量％以上の割合で炭化珪素を含有し得る。
　炭化珪素の具体例としては、ＳｉＣ、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４が挙げられる。好ましくは、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣである。安価で、かつ、高熱伝導であるからである。なお、本明細書において例えば「ＳｉＣ」という表記は、純粋なＳｉＣのみならず、不可避の不純物を含むＳｉＣも包含することを意図している。
　図２の断面におけるセル密度（すなわち、単位面積当たりのセル１４の数）は、目的に応じて適切に設定され得る。セル密度は、例えば４セル／ｃｍ２～３２０セル／ｃｍ２であり得る。セル密度がこのような範囲であれば、ハニカム構造体の強度および有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分に確保するとともに、第１流体が流れる際の圧力損失を抑制することができる。
　ハニカム構造体１０は、図２に示すように、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面全体にセル１４を有していてもよく；図３に示すように、当該断面において中心部に中空領域１９を有していてもよい。ハニカム構造体が中空領域を有する場合、中空領域が第１流体のバイパスとして機能し得る。このような構成であれば、熱回収性能と熱遮断性能との両立が可能な熱交換部材（結果として、熱交換器）を実現することができる。ハニカム構造体が中空領域を有する場合、ハニカム構造体は、外周壁１８、内周壁１７、外周壁１８と内周壁１７との間に配設され、第１端面１２ａから第２端面１２ｂまで延びる第１流体の流路となる複数のセル１４を区画形成する隔壁１６を有する。ハニカム構造体が中空領域を有する場合、中空領域の形状としては、任意の適切な形状が採用され得る。具体例としては、円形、楕円形、四角形またはその他の多角形が挙げられる。中空領域の形状は、ハニカム構造体の形状と同一であってもよく、異なっていてもよい。好ましくは、中空領域の形状は、図３に示すようにハニカム構造体の形状と同一である。このような構成であれば、外部からの衝撃、第１流体と第２流体との温度差による熱応力等に対して良好な耐久性が得られ得る。また、第１流体の流路方向に直交する断面における内周壁の直径は、１ｍｍ～１００ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ～７０ｍｍであることがより好ましい。内周壁の断面形状が円形でない場合には、内周壁の断面形状に内接する最大内接円の直径を、内周壁の直径とする。なお、内周壁の構成は外周壁および隔壁について上記で説明したとおりであり、内周壁の厚みは外周壁の厚みと同様であり得る。
　ハニカム構造体のアイソスタティック強度は、好ましくは５ＭＰａ以上であり、より好ましくは１０ＭＰａ以上であり、さらに好ましくは１００ＭＰａ以上である。このような構成であれば、耐久性に優れたハニカム構造体とすることができる。アイソスタティック強度は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格であるＪＡＳＯ規格Ｍ５０５－８７に準じて測定することができる。
　図２の断面におけるハニカム構造体の直径は、目的に応じて適切に設定され得る。ハニカム構造体の直径は、例えば２０ｍｍ～２００ｍｍであり得、また例えば３０ｍｍ～１００ｍｍであり得る。ハニカム構造体の直径がこのような範囲であれば、熱回収効率を向上させることができる。なお、ハニカム構造体の断面形状が円形でない場合には、ハニカム構造体の断面形状（例えば、多角形）に内接する最大内接円の直径をハニカム構造体の直径とすることができる。
　ハニカム構造体の長さは、目的に応じて適切に設定され得る。ハニカム構造体の長さは、例えば３ｍｍ～２００ｍｍであり得、また例えば５ｍｍ～１００ｍｍであり得、また例えば１０ｍｍ～５０ｍｍであり得る。
　ハニカム構造体の２５℃における熱伝導率は、好ましくは５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、より好ましくは１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、さらに好ましくは１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。熱伝導率がこのような範囲であれば、熱伝導性が良好となり、ハニカム構造体内の（実質的には、第１流体の）熱を外部（例えば、第２流体）に効率良く伝達させることができる。なお、熱伝導率は、ＪＩＳ　Ｒ　１６１１－１９９７（レーザーフラッシュ法）により測定され得る。
　セル１４に第１流体として排ガスを流す場合、隔壁１６に触媒が担持されてもよい。隔壁１６に触媒を担持させることにより、排ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、炭化水素などを触媒反応によって無害な物質にすることが可能になるとともに、触媒反応の際に生じる反応熱を熱交換に用いることも可能になる。触媒は、例えば、貴金属（例えば、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、インジウム、銀、金）、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、亜鉛、銅、スズ、鉄、ニオブ、マグネシウム、ランタン、サマリウム、ビスマス、バリウム、およびこれらの組み合わせを含有し得る。これらの元素は、金属単体、金属酸化物、またはそれ以外の金属化合物として含有され得る。
Ａ－３．被覆部材
　被覆部材２０としては、ハニカム構造体１０の外周壁１８を被覆し得る限りにおいて、任意の適切な構成が採用され得る。被覆部材２０としては、例えば、ハニカム構造体１０の外周壁１８に嵌合してハニカム構造体１０の外周壁１８を周回被覆する管状部材を用いることができる。本明細書において「嵌合」とは、ハニカム構造体と被覆部材とが相互に嵌まり合った状態で固定されていることをいう。したがって、「嵌合」という語は、ハニカム構造体と被覆部材との嵌合においては、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌めなどの嵌め合いにより固定されている状態のみならず、ろう付け、溶接、拡散接合などにより固定されている状態も包含する。
　被覆部材２０はハニカム構造体１０の外周壁１８に対応した内面形状を有することができる。被覆部材２０の内周面がハニカム構造体１０の外周壁１８に直に接することにより、かつ、ハニカム構造体の外周壁表面および／または被覆部材の内周面のＲＰｃを上記Ａ－１項に記載のような範囲とすることにより、熱伝達性がきわめて良好となり、ハニカム構造体内の（実質的には、第１流体の）熱を被覆部材にきわめて効率的に伝達することができる。
　ハニカム構造体１０の外周壁１８の全面積に対して、被覆部材２０によって周回被覆されるハニカム構造体２０の外周壁１８の部分の面積の割合は、高いほど好ましい。このような構成であれば、熱回収効率を高めることができる。当該面積割合は、好ましくは８０％以上であり、より好ましくは９０％以上であり、さらに好ましくは１００％（すなわち、ハニカム構造体１０の外周壁１８の全部が被覆部材２０によって周回被覆される）である。なお、ここでいう「外周壁１８の面積」とは、第１流体の流路方向に平行な方向の面積を意味し、第１端面および第２端面における面積は含まない。
　被覆部材２０は、好ましくは金属製である。このような構成であれば、製造効率に優れ、かつ、熱交換器（後述）を作製する際に、外筒（ケーシング）への取り付け（例えば、溶接）が容易である。被覆部材を構成する材料としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮が挙げられる。その中でも、耐久信頼性が高く、安価という理由により、ステンレスが好ましい。
　被覆部材２０の厚みは、例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍであり得、また例えば０．３ｍｍ～５ｍｍであり得、また例えば０．５ｍｍ～３ｍｍであり得る。被覆部材の厚みがこのような範囲であれば、耐久信頼性と熱伝導性とのバランスに優れ得る。
　被覆部材２０の長さは、目的、ハニカム構造体１０の長さ等に応じて適切に設定され得る。被覆部材の長さは、例えば５ｍｍ～２５０ｍｍであり得、また例えば１０ｍｍ～１５０ｍｍであり得、また例えば２０ｍｍ～１００ｍｍであり得る。好ましくは、被覆部材２０の長さは、ハニカム構造体１０の長さよりも大きい。この場合、ハニカム構造体は、被覆部材の中央部に（すなわち、ハニカム構造体が被覆部材から露出しないようにして）配置され得る。
Ｂ．熱交換部材の製造方法
　本発明の実施形態による熱交換部材の製造方法は、ハニカム構造体（実質的には、その前駆体）の外周壁表面を１００番手以上かつ径２０ｍｍ以上の砥石を用いて周速度６．０ｍ／秒以上で切削加工することを含む。このような製造方法によれば、ハニカム構造体１０において上記Ａ－１項に記載のＲＰｃを有する外周壁表面１８ａが形成され得る。必要に応じて、被覆部材の内周面をさらに切削加工してもよい。これにより、上記Ａ－１項に記載のＲＰｃを有する内周面２０ａが形成され得る。
　砥石の番手、径および周速度を適切に組み合わせて調整することにより、ＲＰｃを調整することができる。例えば、砥石の径および番手が小さい場合には、回転数を大きくすることにより所望のＲＰｃを有する外周壁表面１８ａを形成することができる。また例えば、砥石の径を大きくすると、小さい番手および回転数で所望のＲＰｃを有する外周壁表面１８ａを形成することができる。
　より詳細には、砥石が例えば９０番手～１４０番手であり、および、砥石の径が例えば２０ｍｍ～１００ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ～６０ｍｍである場合には、砥石の回転数は好ましくは３０００ｒｐｍ以上であり、より好ましくは４０００ｒｐｍ～７０００ｒｐｍである。この場合、砥石の周速は、例えば３ｍ／ｓ～１５ｍ／ｓである。砥石が例えば１００番手以上、好ましくは１２０番手以上であり、および、砥石の径が例えば１５０ｍｍ以上、好ましくは２００ｍｍ～４００ｍｍである場合には、砥石の回転数は好ましくは３０００ｒｐｍ以下であり、好ましくは１２００ｒｐｍ～２０００ｒｐｍである。この場合、砥石の周速は、例えば２０ｍ／ｓ～３５ｍ／ｓである。いずれの場合であっても、砥石の切込み量は、例えば０．１ｍｍ～０．４ｍｍである。
　好ましくは、砥石による切削加工は、切削加工の対象であるワーク（実質的には、ハニカム構造体の前駆体）を回転させながら行われる。ワークの回転速度は、例えば１００ｒｐｍ～５００ｒｐｍであり、好ましくは１５０ｒｐｍ～３００ｒｐｍである。
　なお、ハニカム構造体は、以下の方法により作製され得る。まず、セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押出成形し、ハニカム成形体を作製する。ハニカム成形体の形成材料としては、上記Ａ－２項に記載のセラミックスを用いることができる。例えば、Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム構造体を製造する場合、所定量のＳｉＣ粉末にバインダーと水または有機溶媒とを加え、得られた混合物を混練し坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得ることができる。次いで、得られたハニカム成形体を乾燥し、所定の外形寸法に加工しハニカム乾燥体を得て、減圧の不活性ガスまたは真空中でハニカム乾燥体中に金属Ｓｉを含浸焼成することによって、ハニカム構造体を得ることができる。砥石による切削加工は、焼成前（乾燥および寸法加工後）に行ってもよく、焼成後に行ってもよい。
Ｃ．熱交換器
　図４は、本発明の１つの実施形態による熱交換器の第１流体の流路方向に直交する方向の概略断面図である。図示例の熱交換器２００は、図１および図２に示す熱交換部材１００と；熱交換部材１００の外側に熱交換部材から離間して設けられた外筒（ケーシング）１２０と；を備え、外筒（ケーシング）１２０と熱交換部材１００の被覆部材２０との間に第２流体の流路１４０が形成されている。なお、図示例では図１および図２に示す熱交換部材１００が用いられているが、熱交換部材としては、上記Ａ項およびＢ項に記載の本発明の実施形態による任意の適切な熱交換部材が用いられ得る。例えば、図３に示す熱交換部材１０２が用いられてもよい。
　外筒１２０は、代表的には筒状部１２１が被覆部材２０を周回被覆しており、好ましくは熱交換部材１００全体を周回被覆している。外筒１２０は、第２流体の入口１２２、入口１２２と筒状部１２１とを連結する入口導管１２３、第２流体の出口１２４、および、出口１２４と筒状部１２１とを連結する出口導管１２５を有する。第２流体は入口１２２から流入し、入口導管１２３を通って流路１４０に流れる。次いで、第２流体は、流路１４０を流れながら、熱交換部材１００のセル１４を流通する第１流体との熱交換を受け、出口導管１２５を通って出口１２４から流出する。第２流体としては、目的に応じた任意の適切な流体が挙げられる。例えば、熱交換器が自動車に搭載される場合には、第２流体は好ましくは水または不凍液（ＪＩＳ　Ｋ　２２３４：２００６で規定されるＬＬＣ）である。第２流体の温度は、好ましくは、第１流体の温度よりも低い。熱交換部材１００の被覆部材２０が低温で膨張せず、ハニカム構造体１０が高温で膨張することにより、両者の嵌合が強固となるからである。
　好ましくは、第１流体の流路方向の両端部における被覆部材２０の外周面は、外筒１２０の内面と周回状に密接している。このような構成であれば、第２流体の外部への漏れを防止することができる。当該密接は、任意の適切な手段により行われる。具体例としては、溶接、拡散接合、ろう付け、機械的な締結が挙げられる。溶接が好ましい。耐久信頼性が高く、構造強度の改善も図ることができるからである。
　外筒１２０は、好ましくは金属製である。このような構成であれば、製造効率および熱伝導性のいずれにも優れ得る。外筒を構成する材料としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮が挙げられる。その中でも、耐久信頼性が高く、安価という理由により、ステンレスが好ましい。
　外筒１２０の厚みは、例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍであり、また例えば０．５ｍｍ～５ｍｍであり、また例えば１ｍｍ～３ｍｍである。外筒の厚みがこのような範囲であれば、耐久信頼性とコスト、体積および重量とのバランスに優れる。
　外筒１２０は、一体成形品であってもよく、２つ以上の部材から形成される接合部材であってもよい。接合部材であれば、外筒の設計自由度を高めることができる。
　以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。実施例における評価項目は以下のとおりである。
（１）ＲＰｃ、ＲａおよびＲｔ
　実施例および比較例で作製したハニカム構造体の外周壁表面のＲＰｃ、ＲｔおよびＲａをそれぞれ、表面粗さ測定機（テーラーホブソン社製、製品名「フォームタリサーフＳ５Ｋ」）を用いて測定した。測定はｎ＝２で行い、平均値をＲＰｃ、ＲａおよびＲｔとした。
（２）熱交換試験
　実施例および比較例で得られた熱交換器について、以下の方法で、熱交換試験を行った。ハニカム構造体に、４００℃（＝Ｔｇ１）の空気（第１流体）を流量１０ｇ／秒（Ｍｇ）で流した。一方、入口から４０℃（＝Ｔｇ２）の冷却水（第２流体）を流量１０Ｌ／分（Ｍｗ）で供給し、熱交換後の冷却水を出口から回収した。熱交換器に対して空気および冷却水５分間通過させた直後に、熱交換器の入口における冷却水の温度（Ｔｗ１）および出口における冷却水の温度（Ｔｗ２）を測定し、熱回収量Ｑを求めた。測定はｎ＝２で行い、平均値を熱回収効率とした。
　ここで、冷却水によって回収される熱量Ｑは次式で表される。
　　　Ｑ（ｋＷ）＝ΔＴｗ（Ｋ）×Ｃｐｗ（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））×Ｐｗ（ｋｇ／ｍ３）×Ｍｗ（Ｌ／分）÷（６０×１０６）
　式中、ΔＴｗ＝Ｔｗ２－Ｔｗ１、Ｃｐｗ（水の比熱）＝４１８２Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、Ｐｗ（水の密度）＝９９７ｋｇ／ｍ３とした。
　また、熱交換器による熱回収効率ηは次式で表される。
　　　η（％）＝Ｑ／｛（Ｔｇ１－Ｔｗ１）×Ｃｐｇ×Ｍｇ｝×１００
　式中、Ｃｐｇ（空気の比熱）＝１０５０Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）とした。
＜実施例１＞
１．ハニカム構造体の作製
　ＳｉＣ粉末を含む坏土を最終的に図３に示すような断面形状となるように押し出した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工し、ハニカム乾燥体を得た。得られたハニカム乾燥体の外周壁表面を、マシニングセンタを用いて切削加工した。マシニングセンタの砥石の番手は９０番手、径は２０ｍｍ、回転数は３０００ｒｐｍ、周速は３．１ｍ／ｓ、切込み量は０．２ｍｍであった。外周壁表面を切削加工したハニカム成形体をＳｉ含浸焼成することにより、円柱状のハニカム構造体を作製した。得られたハニカム構造体の外周壁表面のＲＰｃは５５．４ｐｋｓ／ｃｍ、Ｒａは９．１２μｍ、Ｒｔは７３．５μｍであった。なお、ハニカム構造体は、外周壁の直径が７５ｍｍ、内周壁の直径が５７ｍｍ、セルの延びる方向の長さが３３ｍｍであり、図３に示すようなハニカム構造体の軸方向（セルの延びる方向）に直交する断面の中心部に中空領域を有する、いわゆるドーナツ状であった。ハニカム構造体の軸方向（セルの延びる方向）に直交する断面におけるセル形状は四角形とした。ハニカム構造体のセル密度は５７セル／ｃｍ２、隔壁の厚さは０．３ｍｍ、外周壁および内周壁の厚さは１．５ｍｍであった。
２．熱交換部材の作製
　被覆部材としてステンレス製の管状部材を用いた。上記で得られたハニカム構造体を加熱膨張させた管状部材の内部中央まで挿入し、その後、冷却収縮させることにより被覆部材内にハニカム構造体を固定する焼き嵌めによって、被覆部材の内周面をハニカム構造体の外周面に嵌合させ、熱交換部材を作製した。被覆部材の内周面のＲＰｃは１３０ｐｋｓ／ｃｍであった。
３．熱交換器の作製
　図４に示すような、筒状部、入口、入口と筒状部とを連結する入口導管、出口、および、出口と筒状部とを連結する出口導管を有するステンレス製の筒状のケーシング（外筒）を金型成形により成形した。上記で得られた熱交換部材を外筒内部に挿入し、溶接により外筒内に熱交換部材を固定し、熱交換部材全体を周回被覆した。ハニカム構造体の軸方向（セルの延びる方向）の両端部における外周側面を溶接により外筒の内側面と周回状に密接させた。このようにして、熱交換器を作製した。得られた熱交換器を上記（２）の評価に供した。結果を表１に示す。
＜実施例２～４および比較例１～２＞
　表１に示す条件でハニカム成形体の外周壁表面を切削加工したこと以外は実施例１と同様にして、外周壁表面が表１に示すＲＰｃ、ＲａおよびＲｔを有するハニカム構造体を作製した。このハニカム構造体を用いたこと以外は実施例１と同様にして、熱交換部材および熱交換器を作製した。得られた熱交換器を実施例１と同様の評価に供した。結果を表１に示す。
＜実施例５＞
　マシニングセンタの代わりに円筒研削盤を用いたこと、表１に示す条件でハニカム乾燥体の外周壁表面を切削加工したこと、および、切削加工の際にハニカム乾燥体を３００ｒｐｍで回転させたこと以外は実施例１と同様にして、外周壁表面が表１に示すＲＰｃ、ＲａおよびＲｔを有するハニカム構造体を作製した。このハニカム構造体を用いたこと以外は実施例１と同様にして、熱交換部材および熱交換器を作製した。得られた熱交換器を実施例１と同様の評価に供した。結果を表１に示す。
＜実施例６＞
　ＳｉＣ粉末を含む坏土を実施例１と同様の形状に押し出した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工した後、Ｓｉ含浸焼成することにより、ハニカム焼成体を得た。得られたハニカム焼成体の外周壁表面を、円筒研削盤を用いて切削加工した。円筒研削盤の砥石の番手は１７０番手、径は３５０ｍｍ、回転数は１８００ｒｐｍ、周速は３３ｍ／ｓ、切込み量は０．２ｍｍであった。また、切削加工の際には、ハニカム焼成体を１５０ｒｐｍで回転させた。このようにして得られたハニカム構造体の外周壁表面のＲＰｃは９１．４ｐｋｓ／ｃｍ、Ｒａは１．５３μｍ、Ｒｔは３２．７μｍであった。このようにして、円柱状のハニカム構造体を作製した。得られたハニカム構造体の寸法および形状は、実施例１と同様であった。このハニカム構造体を用いたこと以外は実施例１と同様にして、熱交換部材および熱交換器を作製した。得られた熱交換器を実施例１と同様の評価に供した。結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から明らかなとおり、本発明の実施例の熱交換器は、比較例に比べて熱回収効率が有意に増大している。
　本発明の実施形態による熱交換部材および熱交換器は、それぞれ、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）との間で熱交換が行われる任意の適切な用途に用いられ、特に、自動車の排ガスからの熱回収用途に好適に用いられ得る。
　１０　　　ハニカム構造体
　１２ａ　　第１端面
　１２ｂ　　第２端面
　１４　　　セル
　１６　　　隔壁
　１７　　　内周壁
　１８　　　外周壁
　２０　　　被覆部材
１００　　　熱交換部材
１２０　　　外筒
１４０　　　第２流体の流路
２００　　　熱交換器

Claims (8)

  1. 　第１端面から第２端面まで延びて第１流体の流路を形成するセルを規定する隔壁と、外周壁と、を有するハニカム構造体と；該ハニカム構造体の該外周壁を被覆する被覆部材と；を備え、
    　該隔壁および該外周壁が、セラミックスを主成分として含有し、
    　該外周壁表面のＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２０１３に規定されるＲＰｃが５５ｐｋｓ／ｃｍ以上である、
    　熱交換部材。
  2. 　前記被覆部材の内周面のＲＰｃが４５ｐｋｓ／ｃｍ以上である、請求項１に記載の熱交換部材。
  3. 　前記外周壁の表面のＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２０１３に規定される最大断面高さＲｔが７５μｍ以下である、請求項１または２に記載の熱交換部材。
  4. 　前記隔壁および前記外周壁が、炭化珪素を主成分として含有するセラミックスで構成されている、請求項１から３のいずれかに記載の熱交換部材。
  5. 　前記ハニカム構造体が、前記第１流体の流路方向に垂直な方向の断面全体に前記セルを有する、請求項１から４のいずれかに記載の熱交換部材。
  6. 　前記ハニカム構造体が、前記第１流体の流路方向に垂直な方向の断面において中心部に中空領域を有する、請求項１から４のいずれかに記載の熱交換部材。
  7. 　請求項１から６のいずれかに記載の熱交換部材と；
    　該熱交換部材の外側に該熱交換部材から離間して設けられた外筒と；
    　を備え、
    　該外筒と該熱交換部材の前記被覆部材との間に第２流体の流路が形成されている、
    　熱交換器。
  8. 　請求項１から６のいずれかに記載の熱交換部材の製造方法であって、
    　前記外周壁表面を９０番手以上かつ径２０ｍｍ以上の砥石を用いて周速度３．０ｍ／秒以上で切削加工することを含む、
    　製造方法。
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