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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-158239(P2019-158239A)
(43)【公開日】2019年9月19日
(54)【発明の名称】熱交換器の製造方法
(51)【国際特許分類】
   F28F 21/04 20060101AFI20190823BHJP
   B22F 3/26 20060101ALI20190823BHJP
   F28D 9/02 20060101ALI20190823BHJP
   C04B 38/00 20060101ALI20190823BHJP
   C04B 41/88 20060101ALI20190823BHJP
【FI】
   F28F21/04
   B22F3/26 F
   F28D9/02
   C04B38/00 303Z
   C04B41/88 U
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2018-45693(P2018-45693)
(22)【出願日】2018年3月13日
(71)【出願人】
【識別番号】000000158
【氏名又は名称】イビデン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】松本 学
(72)【発明者】
【氏名】藤田 祐生
(72)【発明者】
【氏名】古賀 祥啓
【テーマコード(参考)】
3L103
4G019
4K018
【Fターム(参考)】
3L103AA01
3L103AA10
3L103AA27
3L103AA37
3L103CC02
3L103CC27
3L103DD08
3L103DD84
3L103DD94
4G019FA12
4K018AD01
4K018FA45
4K018KA23
(57)【要約】
【課題】熱交換器の区画壁の損傷を抑制することができる。
【解決手段】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複数のガス流通路を有する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。
【選択図】図4
【特許請求の範囲】
【請求項1】
筒状の周壁と、前記周壁の内部を、複数のガス流通路と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複数の前記ガス流通路を有する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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱交換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2015−140273号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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、複数のガス流通路と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複数の上記ガス流通路を有する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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】熱交換器の斜視図。
図2】(a)は、図1の2a−2a線断面図、(b)は、図1の2b−2b線断面図。
図3図1の3−3線断面図。
図4図1の4−4線断面図。
図5】成形体の斜視図。
図6】熱媒体流通路形成工程の説明図。
図7】熱媒体流通路形成工程の説明図。
図8】脱脂工程の説明図。
図9】含浸工程の説明図。
図10】容器内に成形体を配置した状態を示す説明図。
図11】容器内の温度変化を示すグラフ。
図12】変更例の熱交換器の斜視図。
図13】変更例の熱交換器の断面図。
図14】変更例の熱交換器の断面図。
図15】(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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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と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。
【0015】
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。
【0016】
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、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、縦側壁11bに平行な第3区画壁12cを備える。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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1cmあたり15〜93セルであるセル構造とすることができる。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
(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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
図5に示すように、この粘土状の混合物を用いて、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列設けられた矩形筒状の成形体(第1成形体20)を成形する。
【0035】
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。
【0036】
(熱媒体流通路形成工程)
熱媒体流通路形成工程は、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を形成する工程である。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
(脱脂工程及び含浸工程)
脱脂工程は、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工程である。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。
【0040】
含浸工程は、脱脂体30の各壁の内部に金属ケイ素を含浸させる工程である。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)と、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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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と、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。
【0057】
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複数のガス流通路を有する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。
【0058】
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。
【0059】
(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。
【0060】
(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。
【0061】
(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。
【0062】
(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。
【0063】
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。
【0064】
・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。
【0065】
・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。
【0066】
・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。
【0067】
・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。
【0068】
・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。
【0069】
・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。
【0070】
・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。
【0071】
・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。
【0072】
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。
(イ)筒状の周壁と、前記周壁の内部を、複数のガス流通路と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。
【0073】
(ロ)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。
【符号の説明】
【0074】
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。
図1
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