JP7448698B2

JP7448698B2 - 熱交換部材及び熱交換器

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Publication number: JP7448698B2
Application number: JP2023006158A
Authority: JP
Inventors: 竜生川口; 大輔木村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-01-04
Filing date: 2023-01-18
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN110006274A; JP7250514B2; DE102019200040A1; JP2019120488A; US20190204031A1; US11555661B2; JP2023041735A

Description

本発明は、熱交換部材及び熱交換器に関する。詳細には、本発明は、第１流体（高温側）の熱を第２流体（低温側）へ伝達する熱交換部材、及び該熱交換部材を有する熱交換器に関する。

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、耐熱金属で作製された熱交換部材を有する熱交換器が知られていたが、耐熱金属は、価格が高い上に、加工が難しい、密度が高くて重い、熱伝導が低いなどの問題があった。そこで、近年、柱状ハニカム構造体を有する熱交換部材をケーシング内に収容し、第１流体を柱状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。

熱交換部材に用いられる柱状ハニカム構造体としては、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が提案されている（特許文献１）。

特許第６０７５３８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の柱状ハニカム構造体は、中心部側になるほど隣接する第１隔壁の間が狭くなるため、セルを形成することが難しい。特に、柱状ハニカム構造体の放射方向への熱伝導性（すなわち、熱回収効率）を高めるためには、放射方向に延びる第１隔壁の数が多い方が望ましいが、第１隔壁の数を増大させるほど中心部側にセルを形成することが難しくなる。そして、中心部側にセルが形成されていなかったり、中心部側に形成されたセルの断面積が小さすぎたりする場合には、熱交換部材の圧力損失が大きくなってしまうという問題がある。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、熱回収効率を向上させつつ、圧力損失の増大を抑制することが可能な熱交換部材及び熱交換器を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を行った結果、中心部側の第１隔壁の数を外周壁側の第１隔壁の数よりも少なくすることにより、柱状ハニカム構造体の中心部側にもセルを形成することが容易になり、熱回収効率の向上と圧力損失の増大抑制とを両立させ得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、第１端面から第２端面まで貫通して第１流体の流路を形成するセルを区画形成する隔壁及び外周壁を有する柱状ハニカム構造体と、前記柱状ハニカム構造体の前記外周壁を被覆する被覆部材とを備える熱交換部材であって、前記第１流体の流路方向に垂直な前記柱状ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が、前記断面の中心部側から放射方向に延びる第１隔壁と周方向に延びる第２隔壁とを有し、前記中心部側の前記第１隔壁の数が、前記外周壁側の前記第１隔壁の数よりも少なく、全ての前記セルは、１つのセルを区画形成する前記第１隔壁が、前記１つのセルを区画形成する前記第２隔壁よりも長く、前記柱状ハニカム構造体のセル密度が４～３２０セル／ｃｍ ² であり、
前記外周壁から前記中心部に並んだセルの２／３までの外周領域において、周方向領域のセルの総数が下記の関係：
１≧Ｎ _A ／Ｎ _B ＞１／２
（式中、Ｎ _A は、Ｎ _B のセルと隣り合う中心部側の周方向領域のセルの総数を表し、Ｎ _B は、Ｎ _A のセルと隣り合う前記外周壁側の周方向領域のセルの総数を表す）を満たす、熱交換部材である。
また、本発明は、第１端面から第２端面まで貫通して第１流体の流路を形成するセルを区画形成する隔壁及び外周壁を有する柱状ハニカム構造体と、前記柱状ハニカム構造体の前記外周壁を被覆する被覆部材とを備える熱交換部材であって、
前記第１流体の流路方向に垂直な前記柱状ハニカム構造体の断面において、
前記隔壁が、前記断面の中心部側から放射方向に延びる第１隔壁と周方向に延びる第２隔壁とを有し、
前記中心部側の前記第１隔壁の数が、前記外周壁側の前記第１隔壁の数よりも少なく、
全ての前記セルは、１つのセルを区画形成する前記第１隔壁が、前記１つのセルを区画形成する前記第２隔壁よりも長く、且つ
前記柱状ハニカム構造体の直径が２０～２００ｍｍであり、
前記外周壁から前記中心部に並んだセルの２／３までの外周領域において、周方向領域のセルの総数が下記の関係：
１≧Ｎ _A ／Ｎ _B ＞１／２
（式中、Ｎ _A は、Ｎ _B のセルと隣り合う中心部側の周方向領域のセルの総数を表し、Ｎ _B は、Ｎ _A のセルと隣り合う前記外周壁側の周方向領域のセルの総数を表す）を満たす、熱交換部材である。
さらに、本発明は、前記熱交換部材を有する熱交換器である。

本発明によれば、熱回収効率を向上させつつ、圧力損失の増大を抑制することが可能な熱交換部材及び熱交換器を提供することができる。

本発明の第一の実施形態に係る熱交換部材における、柱状ハニカム構造体の第１流体の流路方向に平行な方向の断面図である。本発明の第一の実施形態に係る熱交換部材における、柱状ハニカム構造体の第１流体の流路方向に垂直な方向の断面図（図１におけるａ－ａ’線の断面図）である。本発明の第二の実施形態に係る熱交換部材における、柱状ハニカム構造体の第１流体の流路方向に垂直な方向の断面図である。本発明の第一又は第二の実施形態に係る熱交換部材の具体例（正面図）である。本発明の第一又は第二の実施形態に係る熱交換部材の具体例（正面図）である。本発明の第一又は第二の実施形態に係る熱交換部材の具体例（正面図）である。本発明の第一又は第二の実施形態に係る熱交換部材の具体例（正面図）である。本発明の第一又は第二の実施形態に係る熱交換部材の具体例（正面図）である。本発明の第一又は第二の実施形態に係る熱交換部材の具体例（正面図）である。本発明の第一又は第二の実施形態に係る熱交換部材の具体例（正面図）である。本発明の第一又は第二の実施形態に係る熱交換部材の具体例（正面図）である。図４～１１における熱交換部材の左側面図である。図４～１１における熱交換部材の平面図である。本発明の実施形態に係る熱交換器における、柱状ハニカム構造体の第１流体の流路方向に平行な方向の断面図である。本発明の実施形態に係る熱交換器における、柱状ハニカム構造体の第１流体の流路方向に垂直な方向の断面図（図１４におけるｂ－ｂ’線の断面図）である。実施例１の柱状ハニカム構造体における、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面図である。比較例２の柱状ハニカム構造体における、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面図である。

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

＜熱交換部材＞
実施の形態１．
図１には、本発明の第一の実施形態に係る熱交換部材について、柱状ハニカム構造体の第１流体の流路方向（セルの延びる方向）に平行な方向の断面図が示されている。また、図２は、図１におけるａ－ａ’線の断面図であり、本発明の第一の実施形態に係る熱交換部材について、柱状ハニカム構造体の第１流体の流路方向に垂直な方向の断面図が示されている。

熱交換部材１は、第１端面２から第２端面３まで貫通して第１流体の流路を形成するセル４を区画形成する隔壁５及び外周壁６を有する柱状ハニカム構造体７と、柱状ハニカム構造体７の外周壁６を被覆する被覆部材８とを備える。熱交換部材１において、柱状ハニカム構造体７のセル４内を第１流体が流通し、被覆部材８の外側を第２流体が流通する際、柱状ハニカム構造体７の外周壁６及び被覆部材８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、特に限定されず、種々の液体又は気体を用いることができる。例えば、自動車に搭載される熱交換器に熱交換部材１が用いられる場合には、第１流体は排ガスであることが好ましい。

柱状ハニカム構造体７の形状は、第１端面２から第２端面３まで第１流体がセル４内を流通することができれば特に限定されない。柱状ハニカム構造体７の形状の例としては、円柱、楕円柱、四角柱又はその他の多角柱などが挙げられる。したがって、第１流体の流路方向に垂直な断面において、柱状ハニカム構造体７の外形は、円形、楕円形、四角形又はその他の多角形などとすることができる。第一の実施形態においては、柱状ハニカム構造体７は円柱状であり、その断面形状は円形である。

柱状ハニカム構造体７を構成する隔壁５は、第１流体の流路方向に垂直な柱状ハニカム構造体７の断面（すなわち、図２に示す断面）において、この断面の中心部側から放射方向に延びる第１隔壁５ａと周方向に延びる第２隔壁５ｂとを有する。このような構成とすることにより、第１隔壁５ａを介して第１流体の熱を放射方向に伝達することができるため、柱状ハニカム構造体７の外部に効率良く伝達することができる。

図２に示す断面において、柱状ハニカム構造体７の中心部側の第１隔壁５ａの数は、柱状ハニカム構造体７の外周壁６側の第１隔壁５ａの数よりも少ない。このような構成とすることにより、放射状に設けられたセル４の数が中心部側になるほど少なくなり、柱状ハニカム構造体７の中心部側にもセル４を容易に形成することができる。それ故、柱状ハニカム構造体７の中心部側にセル４が形成され難くなることに起因する熱交換部材１の圧力損失の増大を抑制することができる。
ここで、柱状ハニカム構造体７の中心部側の第１隔壁５ａの数とは、図２に示す断面において、柱状ハニカム構造体７の中心部に最も近い（すなわち外周壁６から最も遠い）、周方向に並んだ複数のセル４を有する領域（以下、「周方向領域」という）中の複数のセル４を形成する第１隔壁５ａの総数を意味する。また、柱状ハニカム構造体７の外周壁６側の第１隔壁５ａの数とは、図２に示す断面において、柱状ハニカム構造体７の中心部から最も遠い（すなわち、外周壁６から最も近い）周方向領域中の複数のセル４を形成する第１隔壁５ａの総数を意味する。

図２に示す断面において、柱状ハニカム構造体７の中心部側の第１隔壁５ａの数は、外周壁６側から中心部側に向かうにつれて減少していることが好ましい。隣接する第１隔壁５ａの間は、中心部側になるほど狭くなるため、セル４を形成することが難しくなるが、このような構成とすることにより、隣接する第１隔壁５ａの間の間隔を確保することができるため、セル４を容易に形成することができる。それ故、熱交換部材１の圧力損失の増大を抑制することができる。
なお、第１隔壁５ａの数の減少の頻度としては、特に限定されないが、連続的であっても間欠的であってもよい。

図２に示す断面において、１つのセル４を区画形成する第１隔壁５ａは、１つのセル４を区画形成する第２隔壁５ｂよりも長いことが好ましい。第１隔壁５ａは、放射方向への熱伝導率に寄与するため、このような構成とすることにより、柱状ハニカム構造体７の中心部側のセル４を流通する第１流体の熱を柱状ハニカム構造体７の外部に効率良く伝達することができる。

第１隔壁５ａの厚みは、第２隔壁５ｂの厚みよりも大きいことが好ましい。隔壁５の厚みは熱伝導率と相関するため、このような構成とすることにより、第１隔壁５ａの熱伝導率を第２隔壁５ｂの熱伝導率よりも大きくすることができる。その結果、柱状ハニカム構造体７の中心部側のセル４を流通する第１流体の熱を柱状ハニカム構造体７の外部に効率良く伝達することができる。
なお、隔壁５（第１隔壁５ａ及び第２隔壁５ｂ）の厚みは、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよい。隔壁５の厚みは、０．１～１ｍｍとすることが好ましく、０．２～０．６ｍｍとすることが更に好ましい。隔壁５の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、柱状ハニカム構造体７の機械的強度を十分なものとすることができる。また、隔壁５の厚さを１ｍｍ以下とすることにより、開口面積の低下によって圧力損失が大きくなったり、第１流体との接触面積の低下によって熱回収効率が低下したりすることを防止することができる。

隔壁５の密度は、０．５～５ｇ／ｃｍ³であることが好ましい。隔壁５の密度を０．５ｇ／ｃｍ³以上とすることにより、隔壁５を十分な強度とすることができる。また、隔壁５の密度を５ｇ／ｃｍ³以下とすることにより、柱状ハニカム構造体７を軽量化することができる。上記の範囲の密度とすることにより、柱状ハニカム構造体７を強固なものとすることができ、熱伝導率を向上させる効果も得られる。なお、隔壁５の密度は、アルキメデス法により測定した値である。

熱交換部材１において、柱状ハニカム構造体７の外周壁６は、外部からの衝撃、第１流体と第２流体との間の温度差による熱応力などにさらされる。そのため、これらの外力に対する耐性を確保する観点から、外周壁６の厚みを隔壁５（第１隔壁５ａ及び第２隔壁５ｂ）の厚みよりも大きくすることが好ましい。このような構成とすることにより、外力による外周壁６の破壊（例えば、ひび、割れなど）を抑制することができる。
なお、外周壁６の厚みは、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよい。例えば、外周壁６の厚みは、熱交換部材１を一般的な熱交換用途に用いる場合は、０．３ｍｍ超過１０ｍｍ以下とすることが好ましく、０．５ｍｍ～５ｍｍとすることがより好ましく、１ｍｍ～３ｍｍとすることが更に好ましい。また、熱交換部材１を蓄熱用途に用いる場合は、外周壁６の厚みを１０ｍｍ以上として外周壁６の熱容量を増大させることも好ましい。

柱状ハニカム構造体７の隔壁５及び外周壁６は、セラミックスを主成分とする。「セラミックスを主成分とする」とは、隔壁５及び外周壁６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５及び外周壁６の気孔率は、１０％以下であることが好ましく、５％以下であることが更に好ましく、３％以下であることが特に好ましい。また、隔壁５及び外周壁６の気孔率は０％とすることもできる。隔壁５及び外周壁６の気孔率を１０％以下とすることにより、熱伝導率を向上させることができる。

隔壁５及び外周壁６は、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）を主成分として含むことが好ましい。「ＳｉＣ（炭化珪素）を主成分として含む」とは、隔壁５及び外周壁６の全質量に占めるＳｉＣ（炭化珪素）の質量比率が５０質量％以上であることを意味する。

さらに具体的には、柱状ハニカム構造体７の材料としては、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、及びＳｉＣなどを採用することができる。その中でも、安価に製造でき、高熱伝導であることからＳｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することが好ましい。

図２の断面におけるセル密度（即ち、単位面積当たりのセル４の数）は、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよいが、４～３２０セル／ｃｍ²の範囲であることが好ましい。セル密度を４セル／ｃｍ²以上とすることにより、隔壁５の強度、ひいては柱状ハニカム構造体７自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分に確保することができる。また、セル密度を３２０セル／ｃｍ²以下とすることにより、第１流体が流れる際の圧力損失の増大を防止することができる。

柱状ハニカム構造体７のアイソスタティック強度は、５ＭＰａ超過が好ましく、１０ＭＰａ以上がより好ましく、１００ＭＰａ以上がさらに好ましい。柱状ハニカム構造体７のアイソスタティック強度が、５ＭＰａ超過であると、耐久性に優れた柱状ハニカム構造体７とすることができる。柱状ハニカム構造体７のアイソスタティック強度は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格であるＪＡＳＯ規格Ｍ５０５－８７に規定されているアイソスタティック破壊強度の測定方法に準じて測定することができる。

図２の断面における柱状ハニカム構造体７の直径は、２０～２００ｍｍであることが好ましく、３０～１００ｍｍであることがより好ましい。このような直径とすることにより、熱回収効率を向上させることができる。図２の断面における柱状ハニカム構造体７の形状が円形でない場合には、柱状ハニカム構造体７の断面の形状に内接する最大内接円の直径を、図２の断面における柱状ハニカム構造体７の直径とする。

柱状ハニカム構造体７の長さ（第１流体の流路方向の長さ）は、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよい。例えば、柱状ハニカム構造体７の長さは、３ｍｍ～２００ｍｍとすることが好ましく、５ｍｍ～１００ｍｍとすることがより好ましく、１０ｍｍ～５０ｍｍとすることが更に好ましい。

柱状ハニカム構造体７の熱伝導率は、２５℃において、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、１００～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることが更に好ましく、１２０～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることが特に好ましい。柱状ハニカム構造体７の熱伝導率を、このような範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、柱状ハニカム構造体７内の熱を外部に効率良く伝達させることができる。なお、熱伝導率の値は、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳＲ１６１１－１９９７）により測定した値である。

柱状ハニカム構造体７のセル４に、第１流体として排ガスを流す場合、柱状ハニカム構造体７の隔壁５に触媒を担持させることが好ましい。隔壁５に触媒を担持させると、排ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣなどを触媒反応によって無害な物質にすることが可能になると共に、触媒反応の際に生じる反応熱を熱交換に用いることも可能になる。触媒としては、貴金属（白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、インジウム、銀、及び金）、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、亜鉛、銅、スズ、鉄、ニオブ、マグネシウム、ランタン、サマリウム、ビスマス、及びバリウムからなる群から選択された元素を少なくとも一種を含有するものであることが好ましい。上記元素は、金属単体、金属酸化物、又はそれ以外の金属化合物として含有されていてもよい。

触媒（触媒金属＋担持体）の担持量としては、１０～４００ｇ／Ｌであることが好ましい。また、貴金属を含む触媒であれば、担持量が０．１～５ｇ／Ｌであることが好ましい。触媒（触媒金属＋担持体）の担持量を１０ｇ／Ｌ以上とすると、触媒作用が発現し易い。一方、４００ｇ／Ｌ以下とすると、圧力損失の増大と共に製造コストの上昇を抑えることができる。担持体とは、触媒金属が担持される担体のことである。担持体としては、アルミナ、セリア、及びジルコニアからなる群より選択される少なくとも一種を含有するものであることが好ましい。

被覆部材８は、柱状ハニカム構造体７の外周壁６を被覆し得るものであれば特に限定されない。例えば、柱状ハニカム構造体７の外周壁６に嵌合して柱状ハニカム構造体７の外周壁６を周回被覆する管状部材を用いることができる。
ここで、本明細書において、「嵌合」とは、柱状ハニカム構造体７と被覆部材８とが、相互に嵌まり合った状態で固定されていることをいう。したがって、柱状ハニカム構造体７と被覆部材８との嵌合においては、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌めなどの嵌め合いによる固定方法の他、ろう付け、溶接、拡散接合などにより、柱状ハニカム構造体７と被覆部材８とが相互に固定されている場合なども含まれる。

被覆部材８は柱状ハニカム構造体７の外周壁６に対応した内面形状を有することができる。被覆部材８の内面が柱状ハニカム構造体７の外周壁６に直に接することで、熱伝導性が良好となり、柱状ハニカム構造体７内の熱を被覆部材８に効率良く伝達することができる。

熱回収効率を高めるという観点からは、柱状ハニカム構造体７の外周壁６の全面積に対する、被覆部材８によって周回被覆される柱状ハニカム構造体７の外周壁６の部分の面積の割合は高いほうが好ましい。具体的には、当該面積割合は８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましく、１００％（すなわち、柱状ハニカム構造体７の外周壁６の全部が被覆部材８によって周回被覆される。）であることが更により好ましい。
なお、ここでいう「外周壁６」とは、柱状ハニカム構造体７の第１流体の流路方向に平行な面を指し、柱状ハニカム構造体７の第１流体の流路方向と垂直な面（第１端面２及び第２端面３）は含まれない。

被覆部材８は、製造性の観点から金属製であることが好ましい。また、被覆部材８が金属製であると、後述する金属製のケーシング２３との溶接が容易に行える点でも優れている。被覆部材８の材料としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などを用いることができる。その中でも、耐久信頼性が高く、安価という理由により、ステンレスが好ましい。

被覆部材８の厚みは、耐久信頼性の理由により、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．３ｍｍ以上がより好ましく、０．５ｍｍ以上が更により好ましい。被覆部材８の厚みは、熱抵抗を低減して熱伝導性を高めるという理由により、１０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更により好ましい。

被覆部材８の長さ（第１流体の流路方向の長さ）は、特に限定されず、柱状ハニカム構造体７のサイズなどに応じて適宜調整すればよい。例えば、被覆部材８の長さは、柱状ハニカム構造体７の長さよりも大きいことが好ましい。具体的には、被覆部材８の長さは、５ｍｍ～２５０ｍｍとすることが好ましく、１０ｍｍ～１５０ｍｍとすることがより好ましく、２０ｍｍ～１００ｍｍとすることが更に好ましい。
なお、被覆部材８の長さが柱状ハニカム構造体７の長さよりも大きい場合、被覆部材８の中央部に柱状ハニカム構造体７が位置するように設けることが好ましい。

実施の形態２．
図３には、本発明の第二の実施形態に係る熱交換部材１０について、柱状ハニカム構造体７の第１流体の流路方向に垂直な方向の断面図が示されている。なお、第一の実施形態に係る熱交換部材１の説明の中で登場した符号と同一の符号を有する構成要素は第一の実施形態に係る熱交換部材１と同一であるので、その説明を省略する。

熱交換部材１０では、第１流体の流路方向に垂直な柱状ハニカム構造体７の断面（すなわち、図３の断面）において、第２隔壁５ｂのみから区画形成されたセル４を中心部に有する。このような構成とすることにより、第１隔壁５ａの数が多い場合であっても、中心部にセル４を形成することができるため、熱交換部材１の圧力損失の増大を安定して抑制することができる。

ここで、本発明の第一又は第二の実施形態に係る熱交換部材１，１０の具体例を図４～１３に示す。図４～１１は熱交換部材１，１０の正面図、図１２は該熱交換部材１，１０に対応する左側面図、図１３は該熱交換部材１，１０に対応する平面図である。なお、背面図は正面図と、右側面図は左側面図と、底面図は平面図とそれぞれ同一に表れるため省略する。

本発明の第一又は第二の実施形態に係る熱交換部材１，１０は、図１１に示すように、外周壁６から中心部に並んだセル４の２／３までの外周領域において、周方向領域のセル４の総数が下記の関係：
１≧Ｎ_A／Ｎ_B＞１／２
（式中、Ｎ_Aは、Ｎ_Bのセル４と隣り合う中心部側の周方向領域のセル４の総数を表し、Ｎ_Bは、Ｎ_Aのセル４と隣り合う外周壁６側の周方向領域のセル４の総数を表す）を満たすことが好ましい。Ｎ_A／Ｎ_Bは、好ましくは３／４以上である。このような構成とすることにより、各セル４の断面積を同程度に制御し易くなるため、熱交換部材１，１０の圧力損失の増大を安定して抑制することができる。
なお、中心部から外周壁６に並んだセル４の１／３未満の内周領域において、Ｎ_A／Ｎ_Bは、特に限定されないが、好ましくは１／２又は２／３である。

＜熱交換器＞
本発明の熱交換器は、上記の熱交換部材１，１０を有する。熱交換部材１，１０以外の部材については、特に限定されず、公知の部材を用いることができる。例えば、本発明の熱交換器は、熱交換部材１，１０の被覆部材８との間に第２流体の流路を形成し得るケーシングを有することができる。
図１４には、本発明の実施形態に係る熱交換器について、柱状ハニカム構造体７の第１流体の流路方向に平行な方向の断面図が示されている。また、図１５は、図１４におけるｂ－ｂ’線の断面図であり、本発明の実施形態に係る熱交換器について、柱状ハニカム構造体７の第１流体の流路方向に垂直な方向の断面図が示されている。

熱交換器２０は、熱交換部材１と、第２流体の入口２１及び第２流体の出口２２を有するケーシング２３であって、熱交換部材１の被覆部材８との間に第２流体の流路２４が形成されるように、熱交換部材１の被覆部材８を周回被覆するケーシング２３とを有する。ケーシング２３は、熱交換部材１全体を周回被覆していることが好ましい。

熱交換器２０では、ケーシング２３の内面が、熱交換部材１の被覆部材８の外周面と嵌合している。このとき、第２流体が外部に漏れないようにするために、第１流体の流路方向の両端部における被覆部材８の外周面がケーシング２３の内面と周回状に密接した構造を有することが好ましい。被覆部材８の外周面とケーシング２３の内面とを密接させる方法としては、特に限定されないが、溶接、拡散接合、ろう付け、機械的な締結などが挙げられる。これらの中でも、耐久信頼性が高く、構造強度の改善も図ることができるという理由により、溶接が好ましい。

ケーシング２３は、熱伝導性及び製造性の観点から、金属製であることが好ましい。金属としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などを用いることができる。その中でも、安価で耐久信頼性が高いという理由により、ステンレスが好ましい。

ケーシング２３の厚みは、耐久信頼性の理由により、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．５ｍｍ以上がより好ましく、１ｍｍ以上が更により好ましい。ケーシング２３の厚みは、コスト、体積、重量などの観点から、１０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更により好ましい。

ケーシング２３は、一体成形品であってよいが、２つ以上の部材から形成される接合部材であることが好ましい。ケーシング２３が、２つ以上の部材から形成される接合部材である場合、ケーシング２３の設計自由度を高めることができる。

熱交換器２０では、第２流体の入口２１から第２流体がケーシング２３内に流入する。次いで、第２流体は、第２流体の流路２４を通る間に、熱交換部材１の被覆部材８を介して柱状ハニカム構造体７のセル４を流れる第１流体と熱交換された後、第２流体の出口２２から流出する。なお、熱交換部材１の被覆部材８の外周面は伝熱効率を調整するための部材によって被覆されていてもよい。
第２流体としては、特に制限はないが、熱交換器２０が、自動車に搭載される場合には、第２流体は、水又は不凍液（ＪＩＳＫ２２３４：２００６で規定されるＬＬＣ）であることが好ましい。第１流体及び第２流体の温度に関しては、第１流体の温度＞第２流体の温度であることが好ましい。その理由としては、熱交換部材１の被覆部材８が低温で膨張せず、柱状ハニカム構造体７がより高温で膨張することで、両者の嵌合が緩み難い条件となるためである。特に、柱状ハニカム構造体７と被覆部材８との嵌合が焼き嵌めの場合、嵌合が緩み、柱状ハニカム構造体７が抜け落ちるリスクを最小限にすることができる。

熱交換器２０では、第２流体の入口２１は熱交換部材１を挟んで第２流体の出口２２と反対側に設けられているが、第２流体の入口２１及び第２流体の出口２２の位置に特に制限はなく、熱交換器２０の設置場所、配管位置、熱交換効率を考慮して軸方向及び外周方向に適宜変更可能である。

なお、上記では、熱交換部材１を用いた熱交換器２０について説明したが、熱交換部材１の代わりに熱交換部材１０を用い得ることは言うまでもない。

＜熱交換部材及び熱交換器の製造方法＞
次に、本発明に係る熱交換部材及び熱交換器の製造方法を、第一の実施形態による熱交換部材１の場合を例にして説明する。但し、本発明の熱交換部材及び熱交換器を製造する方法は、以下に説明する製造方法に限定されることはない。
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。このとき、適切な形態の口金及び治具を選択することにより、セル４の形状及び密度、隔壁５の数、長さ及び厚さ、外周壁６の形状及び厚さなどを制御することができる。また、ハニカム成形体の材料としては、前述のセラミックスを用いることができる。例えば、Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム成形体を製造する場合、所定量のＳｉＣ粉末に、バインダーと、水又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。そして、得られたハニカム成形体を乾燥し、減圧の不活性ガス又は真空中で、ハニカム成形体中に金属Ｓｉを含浸焼成することによって、隔壁５により区画形成されたセル４を有する柱状ハニカム構造体７を得ることができる。

次に、柱状ハニカム構造体７を被覆部材８に挿入することにより、柱状ハニカム構造体７の外周面を被覆部材８で周回被覆する。この状態で、焼き嵌めすることで、被覆部材８の内周面が柱状ハニカム構造体７の外周面に嵌合する。なお、柱状ハニカム構造体７と被覆部材８との嵌合は、先述したように、焼き嵌め以外に、すきま嵌め、締まり嵌めといった嵌め合いによる固定方法、更にはろう付け、溶接、拡散接合などにより行うことができる。これにより、熱交換部材１が完成する。
次に、熱交換部材１の被覆部材８の両端部をケーシング２３の内面と接合する。接合方法は先述した通り、嵌合を含む種々の方法がある。必要に応じて、接合箇所は溶接などにより接合可能である。これにより、被覆部材８の外周面を周回被覆するケーシング２３が形成され、被覆部材８の外周面とケーシング２３の内面との間に第２流体の流路２４が形成される。このようにして熱交換器２０が完成する。

なお、上記では、熱交換部材１を用いた場合について説明したが、熱交換部材１の代わりに熱交換部材１０を用い得ることは言うまでもない。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

＜ハニカム構造体の製造＞
（実施例１）
ＳｉＣ粉末を含む坏土を所望の形状に押出成形した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工し、Ｓｉ含浸焼成することによって、柱状ハニカム構造体３０を製造した。柱状ハニカム構造体３０は、円柱状であり、直径（外径）を７０ｍｍ、第１流体の流路方向の長さを４０ｍｍとした。また、この柱状ハニカム構造体３０の第１流体の流路方向に垂直な方向の断面図を図１６に示す。柱状ハニカム構造体３０は、第２隔壁５ｂのみから区画形成されたセル４を中心部に有すると共に、セル４の数が、周方向領域Ａで２００個、周方向領域Ｂで１００個、周方向領域Ｃで５０個、周方向領域Ｄで２５個、周方向領域Ｅで５個となるように、中心部側の第１隔壁５ａの数を外周壁６側の第１隔壁５ａの数よりも少なくした。また、この柱状ハニカム構造体３０では、第１隔壁５ａの厚みを０．３ｍｍ、第２隔壁５ｂの厚みを０．２５ｍｍ、外周壁６の厚みを１．５ｍｍとした。
上記のような形状とすることにより、柱状ハニカム構造体３０の中心部側にもセル４を形成することができた。

（比較例１）
中心部側の第１隔壁５ａの数を低減せずにセル４の数を全ての周方向領域で２００個に設定したこと以外は実施例１と同様にして柱状ハニカム構造体を作製することを試みたが、成形することができず、柱状ハニカム構造体を作製することができなかった。

（比較例２）
中心部側の第１隔壁５ａの数を低減せずにセル４の数を全ての周方向領域で２０個に設定したこと以外は実施例１と同様にして柱状ハニカム構造体４０を作製した。この柱状ハニカム構造体４０の第１流体の流路方向に垂直な方向の断面図を図１７に示す。この柱状ハニカム構造体４０では、第１隔壁５ａの厚みを０．３ｍｍ、第２隔壁５ｂの厚みを０．２５ｍｍ、外周壁６の厚みを１．５ｍｍとした。
上記のような形状とすることにより、柱状ハニカム構造体４０の作製はできたものの、中心部にセル４を形成することができなかった。

＜熱交換部材及び熱交換器の作製＞
実施例１の柱状ハニカム構造体３０及び比較例２の柱状ハニカム構造体４０を用いて熱交換部材及び熱交換器を作製した。
まず、被覆部材８としてステンレス製の管状部材を用い、管状部材の内部中央まで柱状ハニカム構造体３０，４０を挿入した後、焼き嵌めにより、筒状部材の内周面を柱状ハニカム構造体３０，４０の外周面に嵌合させることで、図１の構造を有する熱交換部材を作製した。
熱交換器は、ケーシング２３内に熱交換部材を配置し、熱交換部材の被覆部材８の両端部をケーシング２３の内面と接合することにより、図１４及び１５に示す構造を有する熱交換器を作製した。

＜熱交換試験＞
上記で作製した熱交換器について、以下の方法で、熱交換試験を行った。柱状ハニカム構造体３０，４０に、４００℃の温度（Ｔｇ１）の空気（第１流体）を１０ｇ／ｓの流量（Ｍｇ）で流した。一方、第２流体の入口２１から４０℃の冷却水（第２流体）を１０Ｌ／分の流量（Ｍｗ）で供給し、第２流体の出口２２から熱交換後の冷却水を回収した。
上記の条件にて、熱交換器に対して空気及び冷却水の供給を開始してから５分間通過させた直後に、第２流体の入口２１における冷却水の温度（Ｔｗ１）及び第２流体の出口２２における冷却水の温度（Ｔｗ２）を測定し、熱回収効率を求めた。
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×Ｃｐｗ×Ｍｗ
式中、ΔＴｗ＝Ｔｗ２－Ｔｗ１、Ｃｐｗ（水の比熱）＝４１８２Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）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。

＜圧力損失試験＞
上述した熱交換試験において、熱交換部材の前後に位置する空気の流路内に、それぞれ圧力計を配置した。これらの圧力計の測定値から得られた差圧から、熱交換部材内（セル４内）を流れる空気の圧力損失を測定した。

＜アイソスタティック強度試験＞
柱状ハニカム構造体３０，４０の外周面に、厚さ０．５ｍｍのウレタンゴム製のシートを巻き付け、更に、柱状ハニカム構造体３０，４０の両端部の上に、円形のウレタンゴム製のシートを間に挟ませて、厚さ２０ｍｍのアルミニウム製の円板を配置した。アルミニウム製の円板及びウレタンゴム製のシートは、柱状ハニカム構造体３０，４０の端部と同一の形状及び同一の大きさのものを用いた。さらに、アルミニウム製の円板の外周に沿ってビニールテープで巻くことにより、アルミニウム製の円板の外周とウレタンゴム製のシートとの間を封止して、試験用サンプルを得た。次に、試験用サンプルを、水を満たした圧力容器内に入れた。続いて、圧力容器内の水圧を０．３～３．０ＭＰａ／分の速度で２００ＭＰａまで上昇させ、柱状ハニカム構造体３０，４０に破壊が生じたときの水圧を計測した。この評価結果において、水圧２００ＭＰａでも破壊が生じない場合「≧２００（ＭＰａ）」と表す。
上記の各試験の結果を表１に示す。

表１に示されるように、実施例１では、圧力損失が少なく、熱回収効率が高いと共に、アイソスタティック強度も大きかった。
これに対して比較例２では、セル４が大きいため圧力損失が少なかったものの、熱回収効率が低く、アイソスタティック強度も小さかった。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、熱回収効率を向上させつつ、圧力損失の増大を抑制することが可能な熱交換部材及び熱交換器を提供することができる。

１、１０熱交換部材
２第１端面
３第２端面
４セル
５隔壁
５ａ第１隔壁
５ｂ第２隔壁
６外周壁
７、３０、４０柱状ハニカム構造体
８被覆部材
２０熱交換器
２１第２流体の入口
２２第２流体の出口
２３ケーシング
２４第２流体の流路

Claims

第１端面から第２端面まで貫通して第１流体の流路を形成するセルを区画形成する隔壁及び外周壁を有する柱状ハニカム構造体と、前記柱状ハニカム構造体の前記外周壁を被覆する被覆部材とを備える熱交換部材であって、
前記第１流体の流路方向に垂直な前記柱状ハニカム構造体の断面において、
前記隔壁が、前記断面の中心部側から放射方向に延びる第１隔壁と周方向に延びる第２隔壁とを有し、
前記中心部側の前記第１隔壁の数が、前記外周壁側の前記第１隔壁の数よりも少なく、
全ての前記セルは、１つのセルを区画形成する前記第１隔壁が、前記１つのセルを区画形成する前記第２隔壁よりも長く、
前記柱状ハニカム構造体のセル密度が４～３２０セル／ｃｍ²であり、
前記外周壁から前記中心部に並んだセルの２／３までの外周領域において、周方向領域のセルの総数が下記の関係：
１≧Ｎ _A ／Ｎ _B ＞１／２
（式中、Ｎ _A は、Ｎ _B のセルと隣り合う中心部側の周方向領域のセルの総数を表し、Ｎ _B は、Ｎ _A のセルと隣り合う前記外周壁側の周方向領域のセルの総数を表す）を満たす、熱交換部材。
第１端面から第２端面まで貫通して第１流体の流路を形成するセルを区画形成する隔壁及び外周壁を有する柱状ハニカム構造体と、前記柱状ハニカム構造体の前記外周壁を被覆する被覆部材とを備える熱交換部材であって、
前記第１流体の流路方向に垂直な前記柱状ハニカム構造体の断面において、
前記隔壁が、前記断面の中心部側から放射方向に延びる第１隔壁と周方向に延びる第２隔壁とを有し、
前記中心部側の前記第１隔壁の数が、前記外周壁側の前記第１隔壁の数よりも少なく、
全ての前記セルは、１つのセルを区画形成する前記第１隔壁が、前記１つのセルを区画形成する前記第２隔壁よりも長く、且つ
前記柱状ハニカム構造体の直径が２０～２００ｍｍであり、
前記外周壁から前記中心部に並んだセルの２／３までの外周領域において、周方向領域のセルの総数が下記の関係：
１≧Ｎ _A ／Ｎ _B ＞１／２
（式中、Ｎ _A は、Ｎ _B のセルと隣り合う中心部側の周方向領域のセルの総数を表し、Ｎ _B は、Ｎ _A のセルと隣り合う前記外周壁側の周方向領域のセルの総数を表す）を満たす、熱交換部材。
前記柱状ハニカム構造体のセル密度が４～３２０セル／ｃｍ²である、請求項２に記載の熱交換部材。
前記柱状ハニカム構造体のセル内を前記第１流体が流通し、前記被覆部材の外側を第２流体が流通する際、前記柱状ハニカム構造体の前記外周壁及び前記被覆部材を介して前記第１流体と前記第２流体との間の熱交換を行う、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換部材。
前記第１流体の流路方向に垂直な前記柱状ハニカム構造体の断面において、前記第１隔壁の数が、前記外周壁側から前記中心部側に向かうにつれて減少している、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換部材。
前記外周壁の厚みが前記隔壁の厚みよりも大きい、請求項１～５のいずれか一項に記載の熱交換部材。
前記第１流体の流路方向に垂直な前記柱状ハニカム構造体の断面において、前記中心部は前記第２隔壁のみから区画形成されたセルを有する、請求項１～６のいずれか一項に記載の熱交換部材。
前記第１隔壁の厚みが前記第２隔壁の厚みよりも大きい、請求項１～７のいずれか一項に記載の熱交換部材。
請求項１～８のいずれか一項に記載の熱交換部材を有する熱交換器。