特許第6006204号(P6006204)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許6006204熱交換部材、その製造方法、及び熱交換器
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6006204
(24)【登録日】2016年9月16日
(45)【発行日】2016年10月12日
(54)【発明の名称】熱交換部材、その製造方法、及び熱交換器
(51)【国際特許分類】
   F28F 21/04 20060101AFI20160929BHJP
   F28D 7/16 20060101ALN20160929BHJP
【FI】
   F28F21/04
   !F28D7/16 A
【請求項の数】11
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2013-519546(P2013-519546)
(86)(22)【出願日】2012年6月8日
(86)【国際出願番号】JP2012064814
(87)【国際公開番号】WO2012169622
(87)【国際公開日】20121213
【審査請求日】2015年2月16日
(31)【優先権主張番号】特願2011-129677(P2011-129677)
(32)【優先日】2011年6月10日
(33)【優先権主張国】JP
(31)【優先権主張番号】特願2012-25750(P2012-25750)
(32)【優先日】2012年2月9日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088616
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 一平
(74)【代理人】
【識別番号】100089347
【弁理士】
【氏名又は名称】木川 幸治
(74)【代理人】
【識別番号】100154379
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 博幸
(74)【代理人】
【識別番号】100154829
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 成
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 能大
(72)【発明者】
【氏名】高橋 博紀
(72)【発明者】
【氏名】川口 竜生
(72)【発明者】
【氏名】近藤 好正
【審査官】 伊藤 紀史
(56)【参考文献】
【文献】 特開平07−286797(JP,A)
【文献】 特開昭63−096489(JP,A)
【文献】 特開平05−340683(JP,A)
【文献】 特開平03−164692(JP,A)
【文献】 特開2001−046885(JP,A)
【文献】 特開2002−276332(JP,A)
【文献】 特表2009−536875(JP,A)
【文献】 実開平07−004824(JP,U)
【文献】 実開平05−087221(JP,U)
【文献】 特開昭61−083897(JP,A)
【文献】 特開平03−094837(JP,A)
【文献】 国際公開第2008/114636(WO,A1)
【文献】 米国特許第05387399(US,A)
【文献】 特開2009−229043(JP,A)
【文献】 特開2010−271031(JP,A)
【文献】 特開平07−100390(JP,A)
【文献】 特開平09−327627(JP,A)
【文献】 特開2012−202657(JP,A)
【文献】 特開2012−255614(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F28F 21/04
F28D 7/16
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
SiCを含む隔壁により区画形成され、一方の端面から他方の端面まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセルを有するセル構造部と、前記セル構造部の外周に配設された外周壁とを備えたハニカム構造体が、少なくとも2つ以上直列に配置され、
前記ハニカム構造体の外周面に嵌合した金属管を含む金属嵌合ハニカム構造体によって構成され、
前記金属管は、少なくとも一方の端部に、他の前記金属管と接続可能な接続手段が設けられ、
前記接続手段は、前記金属管の一方の前記端部の径が、他方の前記端部の径よりも大きく形成され、
いずれかの前記端部に、径方向に突出した凸部が形成され、
前記凸部が形成された前記端部と反対の前記端部に、径方向に凹んだ凹部が形成され、
前記凸部と他の前記金属管の前記凹部とが嵌合することにより、接続されており、
前記第一の流体は、前記ハニカム構造体の各セル内を、前記セル外に漏洩・混合することなく流通し、
前記金属管同士を前記接続手段にて接続することにより、前記ハニカム構造体が直列に、かつ、直列に配置された前記ハニカム構造体のうち隣り合う少なくとも一組の前記ハニカム構造体の前記セル構造部同士が隙間をあけて配置されて、前記隙間を形成する前記端面間において、各セル内を流通する前記第一の流体が相互に混合するとともに、
前記セルを流通する第一の流体と、前記ハニカム構造体の前記外周壁の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、前記ハニカム構造体の前記外周壁を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させ、
隣り合う前記ハニカム構造体の前記セル構造部同士の前記隙間は、0.1〜10mmであり、
前記ハニカム構造体の長さが12.0〜40mmである熱交換部材。
【請求項2】
SiCを含む隔壁により区画形成され、一方の端面から他方の端面まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセルを有するセル構造部と、前記セル構造部の外周に配設された外周壁とを備えたハニカム構造体が、少なくとも2つ以上直列に配置され、
前記ハニカム構造体の外周面に嵌合した金属管を含む金属嵌合ハニカム構造体によって構成され、
前記金属管は、少なくとも一方の端部に、他の前記金属管と接続可能な接続手段が設けられ、
前記接続手段は、それぞれの前記端部に軸方向に凹んだ切欠き部が形成され、
前記切欠き部に、他の前記金属管の前記切欠き部でない非切欠き部が嵌合することにより、接続されており、
前記第一の流体は、前記ハニカム構造体の各セル内を、前記セル外に漏洩・混合することなく流通し、
前記金属管同士を前記接続手段にて接続することにより、前記ハニカム構造体が直列に、かつ、直列に配置された前記ハニカム構造体のうち隣り合う少なくとも一組の前記ハニカム構造体の前記セル構造部同士が隙間をあけて配置されて、前記隙間を形成する前記端面間において、各セル内を流通する前記第一の流体が相互に混合するとともに、
前記セルを流通する第一の流体と、前記ハニカム構造体の前記外周壁の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、前記ハニカム構造体の前記外周壁を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させ、
隣り合う前記ハニカム構造体の前記セル構造部同士の前記隙間は、0.1〜10mmであり、
前記ハニカム構造体の長さが12.0〜40mmである熱交換部材。
【請求項3】
直列に接続された前記ハニカム構造体のうち、少なくとも一つが、前記ハニカム構造体の中心軸を中心として回転して前記セルの隔壁の方向が他の前記ハニカム構造体に対しずれた配置とされて、前記隙間を形成する前記端面間おいて、各セル内を流通する前記第一の流体が相互に混合する請求項1または2に記載の熱交換部材。
【請求項4】
直列に接続された前記ハニカム構造体のうち、他のハニカム構造体とセル密度が異なるハニカム構造体が配置されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換部材。
【請求項5】
前記第一の流体の最も入口側に位置する前記ハニカム構造体のセル密度よりも、前記セル密度が大きい前記ハニカム構造体が前記入口側から2番目以降に配置されている請求項1〜のいずれか1項に記載の熱交換部材。
【請求項6】
前記第一の流体の入口側と出口側の前記ハニカム構造体の隔壁の厚さが異なる請求項1〜のいずれか1項に記載の熱交換部材。
【請求項7】
直列に接続された前記ハニカム構造体が同一セル構造であり、ある一つの前記ハニカム構造体のセル交点の位置に対し、他の少なくとも一つの前記ハニカム構造体のセル交点の位置がずれている請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換部材。
【請求項8】
前記ハニカム構造体は、前記端面から軸方向外側に延出して筒状に形成された延出外周壁を有し、前記ハニカム構造体同士を、前記延出外周壁を当接させて配置することにより、前記セル構造部同士が隙間をあけて配置されている請求項1〜のいずれか1項に記載の熱交換部材。
【請求項9】
軟金属、合金材料、及び炭素系材料のいずれかからなる熱抵抗低減層を、前記ハニカム構造体と前記金属管の間に備える請求項のいずれか1項に記載の熱交換部材。
【請求項10】
請求項に記載の熱交換部材の製造方法であって、
前記ハニカム構造体に、前記熱抵抗低減層を挟んだ状態で前記金属管を焼きばめにより嵌合させる熱交換部材の製造方法。
【請求項11】
請求項1〜のいずれか1項に記載の熱交換部材と、
前記熱交換部材を内部に含むケーシングと、を含み、
前記セルを流通する第一の流体と、前記ケーシング内の前記ハニカム構造体の前記外周壁の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、前記ハニカム構造体の前記外周壁を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させる熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、第一の流体(高温側)の熱を第二の流体(低温側)へ熱伝達する熱交換部材、その製造方法、及び熱交換部材を含む熱交換器に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車の燃費改善のため、エンジンなどの燃焼排ガスなどの高温気体から熱回収して有効利用したり、排ガスをエンジンの吸気側に再循環させる際に排ガスを冷却したりする技術が求められている。そして、排ガスなどの高温気体と冷却水などの液体を熱交換するための、気体/液体熱交換器が求められている。気体/液体熱交換器としては、自動車のラジエター、空調室外機などのフィン付チューブ型熱交換器が一般的である。しかしながら、例えば自動車排ガスのような気体と熱交換を行うには、一般的な金属製熱交換器は耐熱性に乏しく高温での使用が困難である。そこで、耐熱性、耐熱衝撃、耐腐食などを有するステンレス等の耐熱金属やセラミックス材料などが適している。耐熱金属で作製された熱交換器が知られているが、耐熱金属は価格が高い上に加工が難しい、密度が高く重い、熱伝導が低いなどの課題がある。
【0003】
特許文献1には、セラミックス製の主体の一端面から他端面にわたり加熱体流路を配設するとともに、加熱体流路間に直交する方向に被加熱体流路を形成したセラミックス製熱交換体が開示されている。
【0004】
特許文献2には、内部に加熱流体流路と非加熱流体流路とが形成されたセラミックス製の熱交換体の複数個を、互いの接合面間に未焼成セラミックス質からなる紐状シール材を介在させてケーシング内に配設したセラミックス製熱交換器が開示されている。
【0005】
しかし、特許文献1,2は、目封じやスリット加工などの工数が多く生産性が良くないためコストが高くなる。また気体/液体の流路が1列おきに配置されているので、配管構造、流体のシール構造が複雑となる。さらに、液体の熱伝達係数は一般的に気体に比べて10〜100倍以上大きく、これら技術では気体側の伝熱面積が不足し、熱交換器性能を律速する気体の伝熱面積に比例して熱交換器が大きくなってしまう。
【0006】
特許文献3,4には、ハニカム構造部とチューブ部分を別々に作製し、これらを接合させた熱交換器が開示されている。しかし、これらは、生産性が良くないためコストが高くなる傾向があった。
【0007】
一方、特許文献5には、セラミック製ハニカム構造体からなる蓄熱体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開昭61−24997号公報
【特許文献2】特公昭63−60319号公報
【特許文献3】特開昭61−83897号公報
【特許文献4】特開平2−150691号公報
【特許文献5】特開平9−257239号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上記のように、特許文献1〜4の熱交換器は、構造が複雑であるため製造コストが高かった。そこで、ハニカム構造体の加工工程を少なくすることにより、製造コストを低減した熱交換器が求められてきた。
【0010】
一方、特許文献5には、セラミック製ハニカム構造体からなる蓄熱体が開示されている。これは、ハニカム構造体に特別な加工を施していないため、製造コストが高くならないものの、これを熱交換器とするには、さらなるアイディアの追加が必要である。
【0011】
本発明の課題は、ハニカム構造体を用いて、熱交換効率が向上した熱交換部材、その製造方法、及び熱交換部材を含む熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するため、本発明によれば、以下の熱交換部材、その製造方法、及び熱交換部材を含む熱交換器が提供される。
【0013】
[1] SiCを含む隔壁により区画形成され、一方の端面から他方の端面まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセルを有するセル構造部と、前記セル構造部の外周に配設された外周壁とを備えたハニカム構造体が、少なくとも2つ以上直列に配置され、前記ハニカム構造体の外周面に嵌合した金属管を含む金属嵌合ハニカム構造体によって構成され、前記金属管は、少なくとも一方の端部に、他の前記金属管と接続可能な接続手段が設けられ、前記接続手段は、前記金属管の一方の前記端部の径が、他方の前記端部の径よりも大きく形成され、いずれかの前記端部に、径方向に突出した凸部が形成され、前記凸部が形成された前記端部と反対の前記端部に、径方向に凹んだ凹部が形成され、前記凸部と他の前記金属管の前記凹部とが嵌合することにより、接続されており、前記第一の流体は、前記ハニカム構造体の各セル内を、前記セル外に漏洩・混合することなく流通し、前記金属管同士を前記接続手段にて接続することにより、前記ハニカム構造体が直列に、かつ、直列に配置された前記ハニカム構造体のうち隣り合う少なくとも一組の前記ハニカム構造体の前記セル構造部同士が隙間をあけて配置されて、前記隙間を形成する前記端面間において、各セル内を流通する前記第一の流体が相互に混合するとともに、前記セルを流通する第一の流体と、前記ハニカム構造体の前記外周壁の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、前記ハニカム構造体の前記外周壁を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させ、隣り合う前記ハニカム構造体の前記セル構造部同士の前記隙間は、0.1〜10mmであり、前記ハニカム構造体の長さが12.0〜40mmである熱交換部材。
[2] SiCを含む隔壁により区画形成され、一方の端面から他方の端面まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセルを有するセル構造部と、前記セル構造部の外周に配設された外周壁とを備えたハニカム構造体が、少なくとも2つ以上直列に配置され、前記ハニカム構造体の外周面に嵌合した金属管を含む金属嵌合ハニカム構造体によって構成され、前記金属管は、少なくとも一方の端部に、他の前記金属管と接続可能な接続手段が設けられ、前記接続手段は、それぞれの前記端部に軸方向に凹んだ切欠き部が形成され、前記切欠き部に、他の前記金属管の前記切欠き部でない非切欠き部が嵌合することにより、接続されており、前記第一の流体は、前記ハニカム構造体の各セル内を、前記セル外に漏洩・混合することなく流通し、前記金属管同士を前記接続手段にて接続することにより、前記ハニカム構造体が直列に、かつ、直列に配置された前記ハニカム構造体のうち隣り合う少なくとも一組の前記ハニカム構造体の前記セル構造部同士が隙間をあけて配置されて、前記隙間を形成する前記端面間において、各セル内を流通する前記第一の流体が相互に混合するとともに、前記セルを流通する第一の流体と、前記ハニカム構造体の前記外周壁の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、前記ハニカム構造体の前記外周壁を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させ、隣り合う前記ハニカム構造体の前記セル構造部同士の前記隙間は、0.1〜10mmであり、前記ハニカム構造体の長さが12.0〜40mmである熱交換部材。
【0015】
] 直列に接続された前記ハニカム構造体のうち、少なくとも一つが、前記ハニカム構造体の中心軸を中心として回転して前記セルの隔壁の方向が他の前記ハニカム構造体に対しずれた配置とされて、前記隙間を形成する前記端面間おいて、各セル内を流通する前記第一の流体が相互に混合する前記[1]または[2]に記載の熱交換部材。
【0016】
] 直列に接続された前記ハニカム構造体のうち、他のハニカム構造体とセル密度が異なるハニカム構造体が配置されている前記[1]〜[3]に記載の熱交換部材。
【0017】
] 前記第一の流体の最も入口側に位置する前記ハニカム構造体のセル密度よりも、前記セル密度が大きい前記ハニカム構造体が前記入口側から2番目以降に配置されている前記[1]〜[]のいずれかに記載の熱交換部材。
【0018】
] 前記第一の流体の入口側と出口側の前記ハニカム構造体の隔壁の厚さが異なる前記[1]〜[]のいずれかに記載の熱交換部材。
【0019】
] 直列に接続された前記ハニカム構造体が同一セル構造であり、ある一つの前記ハニカム構造体のセル交点の位置に対し、他の少なくとも一つの前記ハニカム構造体のセル交点の位置がずれている前記[1]〜[3]のいずれかに記載の熱交換部材。
【0020】
] 前記ハニカム構造体は、前記端面から軸方向外側に延出して筒状に形成された延出外周壁を有し、前記ハニカム構造体同士を、前記延出外周壁を当接させて配置することにより、前記セル構造部同士が隙間をあけて配置されている前記[1]〜[]のいずれかに記載の熱交換部材。
【0025】
] 軟金属、合金材料、及び炭素系材料のいずれかからなる熱抵抗低減層を、前記ハニカム構造体と前記金属管の間に備える前記[]〜[]のいずれかに記載の熱交換部材。
【0026】
10] 前記[]に記載の熱交換部材の製造方法であって、前記ハニカム構造体に、前記熱抵抗低減層を挟んだ状態で前記金属管を焼きばめにより嵌合させる熱交換部材の製造方法。
【0027】
11] 前記[1]〜[]のいずれかに記載の熱交換部材と、前記熱交換部材を内部に含むケーシングと、を含み、前記セルを流通する第一の流体と、前記ケーシング内の前記ハニカム構造体の前記外周壁の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、前記ハニカム構造体の前記外周壁を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させる熱交換器。
【発明の効果】
【0028】
複数のハニカム構造体を直列に配置し、ハニカム構造体のセル構造部同士を隙間をあけて配置すると、隙間をあけない場合に比べ、セル内を流通する第一の流体から隔壁および外周壁への熱伝達が促進され、熱交換効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0029】
図1A】金属管でハニカム構造体同士が接続された熱交換部材の実施形態を示す断面模式図である。
図1B】金属管内にハニカム構造体が配置されている熱交換部材の実施形態を示す断面模式図である。
図2】延出外周壁が形成されたハニカム構造体を接続して形成された熱交換部材の実施形態を示す断面模式図である。
図3A】金属嵌合ハニカム構造体によって構成された熱交換部材の軸方向に平行な断面で切断した断面図である。
図3B図3AのA矢視図である。
図4】ハニカム構造体と金属管とを一体として金属嵌合ハニカム構造体を製造する工程を示す模式図である。
図5】ハニカム構造体同士が隙間をあけて配置されている熱交換部材の実施形態を示す模式図である。
図6A】金属管に凸部及び凹部が形成された実施形態を示す模式図である。
図6B】凸部及び凹部が形成された金属管によって接続された熱交換部材の実施形態を示す模式図である。
図7A図6AのB矢視図である。
図7B図6AのC矢視図である。
図8】凹部の他の実施形態を示す模式図である。
図9A】金属管に凸部が形成された他の実施形態を示す模式図である。
図9B図9Aに示す凸部が形成された金属管によって接続された熱交換部材の他の実施形態を示す模式図である。
図10】金属管に切欠き部が形成された実施形態を示す模式図である。
図11A】ハニカム構造体のセルの角度を互いにずらして接続した熱交換部材の実施形態を示す模式図である。
図11B】隣り合うハニカム構造体のセルのセル密度が互いに異なるようにして接続された熱交換部材の実施形態を示す模式図である。
図11C】最も入口側のハニカム構造体のセル密度よりも、2番目のハニカム構造体のセル密度が大きく、さらに3番目のハニカム構造体のセル密度が大きい実施形態を示す模式図である。
図11D】2番目のハニカム構造体のセル密度が最も大きく、3番目のハニカム構造体のセル密度が、次に大きい実施形態を示す模式図である。
図11E】2番目のハニカム構造体のセル密度を大きくし、1番目と3番目のハニカム構造体のセル密度が同じである実施形態を示す模式図である。
図11F】直列に接続されたハニカム構造体が同一セル構造であり、ある一つのハニカム構造体のセル交点の位置に対し、他のハニカム構造体のセル交点の位置がずれている実施形態を示す模式図である。
図11G】直列に接続されたハニカム構造体が同一セル構造であり、ある一つのハニカム構造体のセル交点の位置に対し、他のハニカム構造体のセル交点の位置がずれている他の実施形態を示す模式図である。
図12A】ハニカム構造体と金属管との間にグラファイトシートを有する熱交換部材の実施形態を示す模式図である。
図12B】ハニカム構造体と金属管との間にグラファイトシートを有する熱交換部材の他の実施形態を示す模式図である。
図13】本発明の熱交換部材を含む熱交換器の一実施形態を示す模式図である。
図14A】比較例1を示す模式図である。
図14B】比較例2を示す模式図である。
図14C】比較例3を示す模式図である。
図14D】実施例1を示す模式図である。
図14E】実施例2を示す模式図である。
図15A】比較例4を示す模式図である。
図15B】実施例を示す模式図である。
図15C】比較例5を示す模式図である。
図15D】実施例を示す模式図である。
図16A】2つのハニカム構造体が直列に接続されている場合のハニカム構造体の軸方向の端面を示す模式図であり、2番目のハニカム構造体は、1番目のハニカム構造体と同一セル構造であり、中心軸を中心として回転している実施形態を示す模式図である。
図16B】2番目のハニカム構造体のセル密度が、1番目のハニカム構造体のセル密度よりも大きく、2番目のハニカム構造体が、中心軸を中心として回転している実施形態を示す模式図である。
図16C】2番目のハニカム構造体が、1番目のハニカム構造体と同一セル構造であり、セル交点の位置がずれている実施形態を示す模式図である。
図16D】2番目のハニカム構造体が、1番目のハニカム構造体と同一セル構造であり、セル交点の位置がずれ、さらに回転している実施形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【0031】
本発明の熱交換部材10は、SiCを含む隔壁4により区画形成され、一方の端面2から他方の端面2まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセル3を有するセル構造部8と、セル構造部8の外周に配設された外周壁7と、を備えたハニカム構造体1が、少なくとも2つ以上直列に配置された熱交換部材である。第一の流体は、ハニカム構造体1の各セル3内を、セル3外に漏洩・混合することなく流通する。つまり、あるセル3内を流れる第一の流体が、隔壁4を通って他のセル3に漏洩することはないようにハニカム構造体1が形成されている。また、熱交換部材10は、直列に配置されたハニカム構造体1のうち隣り合う少なくとも一組のハニカム構造体1のセル構造部8同士が隙間17をあけて配置されており、隙間17を形成する端面2間おいて、各セル3内を流通する第一の流体が相互に混合する。そして、セル3を流通する第一の流体と、ハニカム構造体1の外周壁7の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、ハニカム構造体1の外周壁7を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させることができる。
【0032】
図1A、及び図1Bに熱交換部材10の実施形態を示す断面模式図を示す。図1Aに示す熱交換部材10は、金属管12で2つのハニカム構造体1(ハニカム構造体1の斜視図については、図4参照。)の端部が接続されている。そして、ハニカム構造体1同士に隙間17があいている。ハニカム構造体1間に、言い換えるとセル構造部8間に、隙間17をあけて配置することにより、セル3内を流通する第一の流体が、隙間17において混合され、流れの状態が乱流化する。これにより第一の流体から隔壁4および外周壁7への熱伝達が促進され、熱交換効率が向上する。図1Bに示す熱交換部材10は、金属管12の内部に、2つのハニカム構造体1が隙間17をあけて配置されている。
【0033】
隙間17は、0.1〜10mmが好ましく、0.5〜5mmがさらに好ましい。隙間を0.1mm以上、10mm以下とすることにより、セル3内を流通する第一の流体から隔壁4および外周壁7への熱伝達を十分なものとすることができる。そして、熱交換効率を向上させることができる。
【0034】
図1A、及び図1Bのいずれの実施形態においても、ハニカム構造体1が3つ以上接続されていてもよい。その場合、少なくとも一組のハニカム構造体1同士が隙間17をあけて配置されることが好ましく、すべてのハニカム構造体1同士に隙間17があいていることがより好ましい。2以上の隙間17が存在する場合には、相互に異なる間隔であっても、同一の間隔であってもよい。
【0035】
図2に熱交換部材10の他の実施形態を示す。ハニカム構造体1は、端面2から軸方向外側に延出して筒状に形成された延出外周壁7aを有し、ハニカム構造体1同士を、延出外周壁7aを当接させて配置することにより、セル構造部8同士が隙間17をあけて配置されている。
【0036】
図3Aに、本発明の熱交換部材10の軸方向に平行な断面で切断した断面図を示す。また、図3B図3AのA矢視図を示す。ハニカム構造体1の外周面7hに嵌合した金属管12を含む金属嵌合ハニカム構造体11によって構成された熱交換部材10(単体)である。金属管12は、少なくとも一方の端部に、他の金属管12と接続可能な接続手段が設けられている。金属管12同士が接続手段にて接続されることにより、ハニカム構造体1が直列に、かつ、ハニカム構造体1同士が隙間17をあけて配置される。熱交換部材10は、セル3を流通する第一の流体と、金属管12の外側を流通する第二の流体とが混合しない状態で、ハニカム構造体1の外周壁7及び金属管12を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させることができる。
【0037】
接続手段の一実施形態としては、図3A及び図4に示すように、金属管12の一方の端部12aの径が、他方の端部12bの径よりも大きく形成されたものである。すなわち、金属管12の一方の端部12a側は、大径、他方の端部12b側は、小径とされて、大径部12f、小径部12gが形成されている。金属管12の小径は、ちょうどハニカム構造体1が嵌合する径とされている。金属管12の大径は、ハニカム構造体1の外径よりも大きく形成されている。これにより、図5に示すように、ある金属管12の一方の端部12aに、他の金属管12の他方の端部12bを挿入させて嵌合させることにより、金属管12同士を接続することができる。
【0038】
次に本発明の熱交換部材10の製造方法を説明する。図4は、ハニカム構造体1と金属管12とを一体として金属嵌合ハニカム構造体11を製造する工程を示す模式図である。まず、図4に示すように、SiCを含む隔壁4により区画形成され、一方の端面2から他方の端面2まで貫通し、第一の流体が流通する流路とされるセル3と、セル3の外周に配設された外周壁7と、を備えたハニカム構造体1の外周面7hに、端部に他の金属管12と接続可能な接続手段が設けられている金属管12を嵌合させ、図3A及び図3Bに示すような金属嵌合ハニカム構造体11(熱交換部材10)とする。
【0039】
そして、図5に示すように、金属嵌合ハニカム構造体11(熱交換部材10)の金属管12同士を接続手段にて接続することにより、ハニカム構造体1を直列に配置する。すなわち、大径部12fと小径部12gとが接続手段であり、金属管12同士を接続手段にて接続することにより、ハニカム構造体1が直列に、かつ、ハニカム構造体1同士が隙間17をあけて配置される。ハニカム構造体1同士が隙間17をあけて接続されていることにより、ハニカム構造体1同士に隙間17がない場合に比べて、セル3内を流通する第一の流体が、隙間17において混合され、流れの状態が乱流化することで、第一の流体から隔壁4および外周壁7への熱伝達が促進され、熱交換効率が向上する。
【0040】
金属嵌合ハニカム構造体11同士の接続は、すなわち、金属管12同士の接続は、金属管12の圧入、焼きばめ、かしめなどの機械締めで行うことができる。
【0041】
また、金属嵌合ハニカム構造体11同士の接続は、金属管12のろう接、溶接のいずれかの化学接合で行うことができる。
【0042】
金属嵌合ハニカム構造体11を1ユニットとし、複数の金属嵌合ハニカム構造体11をつなぎ合わせて熱交換部材10として使用することができる。このため、隣り合うハニカム構造体1同士に隙間17をあける、ハニカム構造体1のセル3の角度を互いに異ならせる等の設計の自由度が増す。
【0043】
金属管12としては、耐熱性、耐蝕性のあるものが好ましく、例えば、ステンレス、チタン、銅、真鍮等を用いることができる。接続部分が金属で形成されているため、圧入、焼きばめ、かしめなどの機械締め、ろう接、溶接などの化学接合を、用途や保有設備に応じて自由に選択することができる。
【0044】
ハニカム構造体1は、セラミックスで筒状に形成され、軸方向の一方の端面2から他方の端面2まで貫通する流体の流路を有するものである。ハニカム構造体1は、隔壁4を有し、隔壁4によって、流体の流路となる多数のセル3が区画形成されている。隔壁4を有することにより、ハニカム構造体1の内部を流通する流体からの熱を効率よく集熱し、外部に伝達することができる。
【0045】
ハニカム構造体1の外形は、円筒状(円柱状)に限らず、軸(長手)方向に垂直な断面が楕円形状、レーストラック形状、その他の異形状であってもよい。また、断面が四角形、またはその他の多角形で、外形が角柱状であってもよい。
【0046】
ハニカム構造体1は、耐熱性に優れるセラミックスを用いることが好ましく、特に伝熱性を考慮すると、熱伝導性が高いSiC(炭化珪素)が主成分であることが好ましい。なお、主成分とは、ハニカム構造体1の50質量%以上が炭化珪素であることを意味する。
【0047】
但し、必ずしもハニカム構造体1の全体がSiC(炭化珪素)で構成されている必要はなく、SiC(炭化珪素)が本体中に含まれていれば良い。即ち、ハニカム構造体1は、SiC(炭化珪素)を含むセラミックスからなるものであることが好ましい。
【0048】
但し、SiC(炭化珪素)であっても多孔体の場合は高い熱伝導率が得られないため、ハニカム構造体1の作製過程でシリコンを含浸させて緻密体構造とすることが好ましい。緻密体構造にすることで高い熱伝導率が得られる。例えば、SiC(炭化珪素)の多孔体の場合、20W/m・K程度であるが、緻密体とすることにより、150W/m・K程度とすることができる。また、本明細書において、緻密体とは、気孔率20%以下のものをいうことにする。
【0049】
ハニカム構造体1として、Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC、金属複合SiC、再結晶SiC、Si、及びSiC等を採用することができるが、高い熱交換率を得るための緻密体構造とするためにSi含浸SiC、(Si+Al)含浸SiCを採用することができる。Si含浸SiCは、SiC粒子表面を金属珪素融体の凝固物が取り囲むとともに、金属珪素を介してSiCが一体に接合した構造を有するため、炭化珪素が酸素を含む雰囲気から遮断され、酸化から防止される。さらに、SiCは、熱伝導率が高く、放熱しやすいという特徴を有するが、Siを含浸するSiCは、高い熱伝導率や耐熱性を示しつつ、緻密に形成され、伝熱部材として十分な強度を示す。つまり、Si−SiC系[Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC]材料からなるハニカム構造体1は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性をはじめ、酸やアルカリなどに対する耐蝕性に優れた特性を示すとともに、高熱伝導率を示す。
【0050】
ハニカム構造体1のセル3の軸方向に垂直な断面のセル形状としては、円形、楕円形、三角形、四角形、その他の多角形等の中から所望の形状を適宜選択すればよい。
【0051】
ハニカム構造体1のセル密度(即ち、単位断面積当たりのセルの数)については特に制限はなく、目的に応じて適宜設計すればよいが、25〜2000セル/平方インチ(4〜320セル/cm)の範囲であることが好ましい。セル密度が25セル/平方インチより小さくなると、隔壁4の強度、ひいてはハニカム構造体1自体の強度及び有効GSA(幾何学的表面積)が不足するおそれがある。一方、セル密度が2000セル/平方インチを超えると、熱媒体が流れる際の圧力損失が大きくなるおそれがある。
【0052】
また、ハニカム構造体1の1つ当たりのセル数は、1〜10,000が望ましく、200〜2,000が特に望ましい。セル数が多すぎるとハニカム自体が大きくなるため第一の流体側から第二の流体側までの熱伝導距離が長くなり、熱伝導ロスが大きくなり熱流束が小さくなる。またセル数が少ない時には第一の流体側の熱伝達面積が小さくなり第一の流体側の熱抵抗を下げることが出来ず熱流束が小さくなる。
【0053】
ハニカム構造体1のセル3の隔壁4の厚さ(壁厚)についても、目的に応じて適宜設計すればよく、特に制限はない。壁厚を50μm〜2mmとすることが好ましく、60〜500μmとすることが更に好ましい。壁厚を50μm以上とすると、機械的強度が向上して衝撃や熱応力によって破損しにくい。一方、2mmを以下とすると、流体の圧力損失が大きくなったり、熱媒体が透過する熱交換率が低下するといった不具合が発生しない。
【0054】
ハニカム構造体1のセル3の隔壁4の密度は、0.5〜5g/cmであることが好ましい。上記の範囲のとすることにより、ハニカム構造体1を強固なものとすることができる。また、熱伝導率を向上させる効果も得られる。
【0055】
ハニカム構造体1は、熱伝導率が100W/m・K以上であることが好ましい。より好ましくは、120〜300W/m・K、さらに好ましくは、150〜300W/m・Kである。この範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、効率的にハニカム構造体1内の熱を金属管12の外側に排出できる。
【0056】
熱交換部材10を用いた熱交換器30(図13参照)に流通させる第一の流体(高温側)が排ガスの場合、第一の流体(高温側)が通過するハニカム構造体1のセル3内部の壁面には、触媒が担持されていることが好ましい。これは、排ガス浄化の役割に加えて、排ガス浄化の際に発生する反応熱(発熱反応)も熱交換することが可能になるためである。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と良い。これらは金属、酸化物、及びそれ以外の化合物であっても良い。
【0057】
第一の流体(高温側)が通過するハニカム構造体1の第一流体流通部5のセル3の隔壁4に担持される触媒(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く、貴金属であれば0.1〜5g/Lであることが更に好ましい。この範囲とすることにより、触媒作用が十分発現する。また、圧損が大きくなる他、製造コストが上昇するおそれを防止することができる。
【0058】
図6A図6B、及び図7A図7Bに、金属管12に凸部12m及び凹部12nが形成された実施形態を示す。図6Aは、金属管12に凸部12m及び凹部12nが形成された実施形態を示す模式図である。また、図6Bは、凸部12m及び凹部12nが形成された金属管12によって接続された熱交換部材10の実施形態を示す模式図である。さらに図7Aは、図6AのB矢視図、図7Bは、図6AのC矢視図である。
【0059】
図6A図6B、及び図7A図7Bに示す実施形態では、接続手段として、金属管12の一方の端部12aの径が、他方の端部12bの径よりも大きく形成されており、さらに、一方の端部12aに、径方向に内側に突出した凸部12mが形成されている。さらに、凸部12mが形成された端部と反対の端部に、径方向に凹んだ凹部12nが形成されている。図6Bに示すように、凹部12nは、溝部として形成されている。これにより、ある金属管12の凸部12mと他の金属管12の凹部12nとが嵌合することにより、金属管12同士が接続される。
【0060】
図8は、凹部12nの他の実施形態を示す模式図である。図8では、有底の溝部として凹部12nが形成されている。
【0061】
図9Aは、金属管12に凸部12mが形成された他の実施形態を示す模式図である。また、図9Bは、図9Aに示す凸部12mが形成された金属管12によって接続された熱交換部材10の他の実施形態を示す模式図である。小径部12gの他方の端部12bに、径方向に外側に突出した凸部12mが形成されている。さらに、凸部12mが形成された端部と反対側の大径部12fの端部である、一方の端部12aに、径方向に凹んだ凹部12nが形成されている。これにより、ある金属管12の凸部12mと他の金属管12の凹部12nとが嵌合することにより、金属管12同士が接続される。
【0062】
図10は、金属管12に切欠き部12pが形成された実施形態を示す模式図である。すなわち、接続手段として、それぞれの端部に軸方向に凹んだ切欠き部12pが形成されている。また、切欠き部12p以外の残余の部分は、非切欠き部12qとされている。ある金属管12の切欠き部12pに、他の金属管12の切欠き部でない非切欠き部12qが嵌合することにより、金属管12同士を接続される。
【0063】
図11Aに示すように、ハニカム構造体1のセル3の角度を互いにずらして接続することも好ましい(なお、図11Aでは、金属管12は、簡略化して描かれている。また、図11B図11Gも同様である。)。すなわち、少なくとも一つのハニカム構造体1が、ハニカム構造体1の中心軸を中心として回転してセル3の隔壁の方向が他のハニカム構造体1に対しずれた配置とされていることも好ましい。このようにすることにより、セル3を通過する流体の流路抵抗を増加させる効果が得られる。また、隙間17を形成する端面2間おいて、各セル3内を流通する第一の流体が相互に混合する。これにより、流体との熱の授受を増加させることができる。
【0064】
図16Aは、2つのハニカム構造体1が直列に接続されている場合のハニカム構造体1の軸方向の端面2を示す模式図である。第一の流体の入口側のハニカム構造体1を1番目、出口側のハニカム構造体1を2番目として示す。2番目のハニカム構造体1は、1番目のハニカム構造体1と同一セル構造であり、図11Aと同様に、中心軸を中心として回転している。ここで同一セル構造とは、セルの形状、ピッチ、隔壁厚さ等が同一のセル構造をいう(ただし、本明細書において、同一セル構造とは、セル交点3aの位置がずれたものも含み、セル交点3aの位置がずれたものは、交点ずれ同一セル構造ともいうこともある。)。
【0065】
なお、2つのハニカム構造体1が直列に接続された例を説明したが、3つ以上のハニカム構造体1が直列に接続され、2番目と3番目が上記のような回転の関係になっていてもよい。すなわち、n番目(n=1,2,3・・・)とn+1番目が上記のような回転の関係になっていてもよい。
【0066】
また、図11Bに示すように、隣り合うハニカム構造体1のセル3のセル密度が互いに異なるようにして接続することも好ましい。このようにすることにより、セル3を通過する流体の流路抵抗を増加させる効果が得られる。これにより、流体との熱の授受を増加させることができる。また、第一の流体の入口側と出口側のハニカム構造体1の隔壁の厚さが異なるように構成することもできる。なお、図11Bは、入口側のハニカム構造体1のセル密度よりも、出口側のハニカム構造体1のセル密度が大きい実施形態である。
【0067】
図11Cは、第一の流体の最も入口側に位置するハニカム構造体1のセル密度よりも、セル密度が大きいハニカム構造体1が入口側から2番目以降(2番目も含む)に配置されている実施形態を示す。1番目(最も入口側)のハニカム構造体1のセル密度よりも、2番目のハニカム構造体1のセル密度が大きく、さらに3番目のハニカム構造体1のセル密度が大きい。第一の流体の速度が速いほど、熱が回収されずに後段の出口側まで抜けてしまうが、セル密度の大きいハニカム構造体1を備えることで熱を十分に回収できる。すなわち、第一の流体の速度が速い場合は、後段の方にセル密度の大きいハニカム構造体1を備えることにより、熱交換効率を向上させることができる。
【0068】
図11Dは、第一の流体の最も入口側に位置するハニカム構造体1のセル密度よりも、セル密度が大きいハニカム構造体1が入口側から2番目以降に配置されている他の実施形態を示す。本実施形態では、2番目のハニカム構造体1のセル密度が最も大きく、3番目のハニカム構造体1のセル密度は、1番目のハニカム構造体1のセル密度よりは大きいが、2番目のハニカム構造体1のセル密度よりは、小さい。第一の流体の速度が遅いほど前段の入口側で大半が熱回収されるが、セル密度の大きいハニカム構造体1を2番目に配置すると、圧力損失の上昇を抑制しつつ、第一の流体の熱を効率良く回収できる。すなわち、第一の流体の速度が遅い場合は、2番目のハニカム構造体1のセル密度を大きくすることにより、熱交換効率を向上させることができる。
【0069】
図11Eも、2番目のハニカム構造体1のセル密度を大きくした実施形態である。本実施形態では、1番目と3番目のハニカム構造体1のセル密度が同じである。本実施形態では、第一の流体の速度が速い場合に熱交換効率を向上させることができるとともに、3番目のセル密度が大きくないため、圧力損失を抑えることができる。
【0070】
すべてのハニカム構造体1のセル密度を大きくすると、圧力損失が大きくなるが、第一の流体の速度に合わせて、後段のハニカム構造体1のセル密度を1番目のハニカム構造体1のセル密度よりも大きくすることにより、圧力損失を抑えつつ熱交換効率を向上させることができる。
【0071】
なお、図11C図11Eにて、3つのハニカム構造体1が直列に配置された実施形態を説明したが、4つ以上のハニカム構造体1が配置されている場合でも、2番目以降のハニカム構造体1のセル密度を1番目のハニカム構造体1のセル密度よりも大きくすることにより、熱交換効率を向上させることができる。
【0072】
図16Bは、2つのハニカム構造体1が直列に接続されている場合のハニカム構造体1の軸方向の端面2を示す模式図である。2番目のハニカム構造体1のセル密度が、1番目のハニカム構造体1のセル密度よりも大きく、2番目のハニカム構造体1が、中心軸を中心として回転している実施形態である。このように、2番目のハニカム構造体1のセル密度を大きくするとともに、回転させることにより、熱交換効率を向上させることができる。
【0073】
図11Fは、直列に接続されたハニカム構造体1が同一セル構造であり、ある一つのハニカム構造体1のセル交点3aの位置に対し、他の少なくとも一つのハニカム構造体のセル交点3aの位置がずれている実施形態を示す。すなわち、1番目のハニカム構造体1のセル3に流入した第一の流体は、2番目のハニカム構造体1のセル交点3aに当たりやすくなり、言い換えると、端面2の隔壁4に当たりやすくなり、熱交換効率を向上させることができる。図11Fは、縦横の両方向にセル交点3aの位置がずれているのに対し、図11Gは、一方向のみにセル交点3aの位置がずれている実施形態である。
【0074】
図16Cは、2つのハニカム構造体1が直列に接続されている場合のハニカム構造体1の軸方向の端面2を示す模式図である。2番目のハニカム構造体1が、1番目のハニカム構造体1と同一セル構造であり、セル交点3aの位置がずれている交点ずれ同一セル構造の実施形態である。
【0075】
図16Dも、2つのハニカム構造体1が直列に接続されている場合のハニカム構造体1の軸方向の端面2を示す模式図である。2番目のハニカム構造体1が、1番目のハニカム構造体1と同一セル構造であり、セル交点3aの位置がずれた交点ずれ同一セル構造の実施形態である。さらに、交点ずれ同一セル構造の2番目のハニカム構造体1が、中心軸を中心として回転している。2番目のハニカム構造体1のセル交点3aの位置が1番目のハニカム構造体1のセル交点3aの位置に対しずれているとともに、回転しているため、1番目のハニカム構造体1のセル3を通過した第一の流体は、2番目のハニカム構造体1のセル交点3aの位置に当たりやすくなり、熱交換効率を向上させることができる。
【0076】
図12A及び図12Bに、ハニカム構造体1と、ハニカム構造体1の外周面に嵌合する金属管12との間に、界面の接触熱抵抗を低減し、熱交換効率を向上させるための熱抵抗低減層13を有する熱交換部材10の実施形態を示す。熱抵抗低減層13の材質としては、アルミニウム、銅、鉛等の軟金属や、はんだ等の合金材料、あるいはグラファイトシート等の炭素系材料が望ましい。
【0077】
金属管12とハニカム構造体1とは、熱抵抗低減層13を挟んだ状態で、焼きばめにより嵌合することができる。金属管12とハニカム構造体1とを一体化することにより、第一の流体と第二の流体とが混ざり合うことを防止することができる。
【0078】
図13に本発明の熱交換部材10を含む熱交換器30の斜視図を示す。図13に示すように、熱交換器30は、熱交換部材10と、熱交換部材10を内部に含むケーシング21とによって形成されている。ハニカム構造体1のセル3が第一の流体が流通する第一流体流通部5となる。熱交換器30は、ハニカム構造体1のセル3内を、第二の流体よりも高温の第一の流体が流通するように構成されている。また、ケーシング21に第二の流体の入口22及び出口23が形成されており、第二の流体は、熱交換部材10の金属管12の外周面12h上を流通する。
【0079】
つまり、ケーシング21の内側面24と金属管12の外周面12hとによって第二流体流通部6が形成されている。第二流体流通部6は、ケーシング21と金属管12の外周面12hとによって形成された第二の流体の流通部であり、第一流体流通部5とハニカム構造体1の隔壁4や外周壁7、金属管12によって隔たれて熱伝導可能とされており、第一流体流通部5を流通する第一の流体の熱を隔壁4、外周壁7、金属管12を介して受け取り、流通する第二の流体である被加熱体へ熱を伝達する。第一の流体と第二の流体とは、完全に分離されており、これらの流体は混じり合わないように構成されている。
【0080】
熱交換器30は、第二の流体よりも高温である第一の流体を流通させ、第一の流体から第二の流体へ熱伝導するようにすることが好ましい。第一の流体として気体を流通させ、第二の流体として液体を流通させると、第一の流体と第二の流体の熱交換を効率よく行うことができる。つまり、本発明の熱交換器30は、気体/液体熱交換器として適用することができる。
【0081】
以上のような構成の本発明の熱交換器30に流通させる第一の流体である加熱体としては、熱を有する媒体であれば、気体、液体等、特に限定されない。例えば、気体であれば自動車の排ガス等が挙げられる。また、加熱体から熱を奪う(熱交換する)第二の流体である被加熱体は、加熱体よりも低い温度であれば、媒体としては、気体、液体等、特に限定されない。
【0082】
次に、本発明の熱交換部材10の製造方法を説明する。まず、セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出し、ハニカム成形体を作製する。ハニカム構造体1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が、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1を製造する場合、所定量のC粉末、SiC粉末、バインダー、水又は有機溶媒を混練し坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得る。
【0083】
そしてハニカム成形体を乾燥し、焼成することによって、隔壁4によってガスの流路となる複数のセル3が区画形成されたハニカム構造体1を得ることができる。続いて、金属管12を昇温させ、ハニカム構造体1を金属管12に挿入して焼きばめにより一体化し、熱交換部材10を形成することができる。なお、ハニカム構造体1と金属管12との接合は、焼きばめ以外に、ろう付けや拡散接合等を用いてもよい。熱交換部材10をケーシング21内に配置することにより、熱交換器30とすることができる。
【実施例】
【0084】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0085】
1.熱交換器の作製
(坏土の作製)
まず、平均粒径35μmのSiC粉末100質量部に、バインダー4質量部、水を混ぜ合わせ、ニーダーを用いて混練することにより、混練物を得た。この混練物を真空土練機に投入し、円柱状の坏土を作製した。
【0086】
(押出成形)
次に、坏土を押出成形してハニカム成形体を形成した。押出成形では、適当な形態の口金や治具を選択することにより、外周壁7の形状や厚さ、隔壁4の厚さ、セル3の形状、セル密度などを所望のものにした。口金は、摩耗し難い超硬合金で作られたものを用いた。ハニカム成形体については、外周壁7を円筒形状とし、外周壁7の内部を隔壁4により四角形の格子状に区分された構造となるように形成した。また、これらの隔壁4については、互いに直交する方向のそれぞれで等間隔に並行し、かつ、真っすぐに外周壁7の内部を横切るように形成した。これにより、外周壁7の内部の最外周部以外にあるセル3の断面形状を正方形にした。
【0087】
(乾燥)
次に、押出成形により得たハニカム成形体の乾燥を行った。まず、ハニカム成形体を電磁波加熱方式で乾燥し、続いて、外部加熱方式で乾燥を行った。こうした二段階の乾燥により、乾燥前のハニカム成形体に含まれる全水分量の97%以上に相当する水分をハニカム成形体から除去した。
【0088】
(脱脂、Si金属の含浸および焼成)
次に、ハニカム成形体に対して窒素雰囲気で500℃、5時間の脱脂を行った。さらに、こうした脱脂により得られたハニカム構造体1の上に金属Siの塊を載せ、真空中または減圧の不活性ガス中で、1450℃、4時間、焼成をした。この焼成中に、ハニカム構造体1の上に載せた金属Siの塊を融解させ、外周壁7や隔壁4に金属Siを含浸させた。外周壁7や隔壁4の熱伝導率を100W/m・Kにする場合には、ハニカム構造体100質量部に対して70質量部の金属Siの塊を使用した。また、外周壁7や隔壁4の熱伝導率を150W/m・Kにする場合には、ハニカム構造体100質量部に対して80質量部の金属Siの塊を使用した。こうした焼成を経て、ハニカム構造体1を得た。
【0089】
(金属管)
ステンレスの金属管をハニカム構造体1の外周面7hに嵌合させて熱交換部材10を製造した(図1B参照)。熱交換部材10のより詳細な形態などに関しては、以下で、各実施例および各比較例を個別に説明する際に述べる。
【0090】
(ケーシング)
ステンレスからなるケーシング21内に熱交換部材10を配置した(図13参照)。
【0091】
(実施例1〜7、参考例1、比較例1〜3)
図14Aは、比較例1、図14Bは、比較例2、図14Cは、比較例3、図14Dは、実施例1、3〜7、参考例1図14Eは、実施例2を示す模式図である(これらの図は簡略化されて描かれており、ハニカム構造体1の配置を示す)。比較例1は、1つのハニカム構造体1で熱交換部材10が構成されたものである。比較例2は、2つのハニカム構造体1で、比較例3は、5つのハニカム構造体1で熱交換部材10が構成されたものであるが、ハニカム構造体1同士に隙間17がなく密着して配置されたものである。実施例1,2は、5つのハニカム構造体1で熱交換部材10が構成され、ハニカム構造体1同士が隙間17をあけて配置されたものである(表1の「ハニカム構造体同士の隙間」参照)。実施例1は、セルの方向が揃っているが、実施例2では、セルの方向をずらして配置している。実施例3〜7、参考例1は、実施例1と同様に、セルの方向を揃えて、ハニカム構造体1同士が隙間17をあけて配置されたものであるが、隙間17の間隔が異なっている。
【0092】
2.試験
(熱交換効率試験)
第一の流体を熱伝導部材のハニカム構造体1のセル3中を通過させたときの第二の流体への伝熱効率を測定した。第一の流体として、窒素ガス(N)を用いて、ハニカム構造体1の第一流体流通部5に350℃で15g/sの流量を流した。また、第二の流体として水を用いて、ケーシング21内の第二流体流通部6に40℃で10L/minの流量を流した。
【0093】
(試験結果)
表1に熱交換効率を示す。熱交換効率(%)は、第一の流体(窒素ガス)及び第二の流体(水)のΔT℃(ハニカム構造体1の出口温度−入口温度)からそれぞれのエネルギー量を算出し、式1で計算した。
(式1) 熱交換効率(%)=(第一の流体(ガス)の入口温度−第一の流体(ガス)出口温度)/(第一の流体(ガス)の入口温度−第二の流体(冷却水)の入口温度)
【0094】
(圧力損失の測定)
上述した熱交換試験において、熱交換部材10の前後に位置する窒素ガスの流路内に、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10内(セル3内)を流れる窒素ガスの圧力損失を測定した。
【0095】
【表1】
【0096】
隣接するハニカム構造体1間に隙間17を有する実施例1〜7、参考例1は、全長は比較例1〜3の全長と同じであり、第一の流体の接触面積が小さくなっているにもかかわらず比較例1〜3に比べ、熱交換効率が向上した。なお、参考例1は、比較例3と比較すると、熱交換効率が小さいが、ハニカム構造体1の長さが短いため、熱交換効率は向上していると言える。ただし、隙間17による熱交換効率の向上の効果は、隙間17を11mm(参考例1)とすることにより、減少していると言える。したがって、隙間17は、0.1〜10mmが好ましかった。また、セルの方向をずらして配置した実施例2は、セルの方向が揃った実施例1よりも熱交換効率が向上した。また、実施例1〜7、参考例1の全長は、比較例1〜3の全長と同じであるが、圧力損失についても、実施例1〜7、参考例1は、比較例1〜3に比べ小さくなった。
【0097】
(実施例8、9、比較例4、5)
図15Aは、比較例4、図15Bは、実施例図15Cは、比較例5、図15Dは、実施例を示す模式図である。比較例4、5は、1つのハニカム構造体1で熱交換部材10が構成されたものである。実施例8、9は、セル密度が異なる3つのハニカム構造体1で熱交換部材10が構成されたものである。図の左側が上流(入口側)、右側が下流(出口側)である。
【0098】
【表2】
【0099】
比較例4に対し実施例は、隣接するハニカム構造体1同士に隙間17をあけて配置するとともに、上流側のセル密度を小さくしたため、熱交換効率が向上し、圧力損失が小さくなった。また、比較例5に対し実施例は、隣接するハニカム構造体1同士に隙間17をあけて配置するとともに、上流側のセル密度を小さくしたため、第一の流体の接触面積が小さくなっているにもかかわらず熱交換効率が向上し、圧力損失が小さくなった。
【産業上の利用可能性】
【0100】
本発明の熱交換部材は、加熱体(高温側)と被加熱体(低温側)で熱交換する用途であれば、自動車分野、産業分野であっても特に限定されない。特に、加熱体または被加熱体の少なくとも一方が液体の場合に好適である。自動車分野で排ガスから排熱回収用途で使用する場合は、自動車の燃費向上に役立てることができる。
【符号の説明】
【0101】
1:ハニカム構造体、2:(軸方向の)端面、3:セル、3a:セル交点、4:隔壁、5:第一流体流通部、6:第二流体流通部、7:外周壁、7a:延出外周壁、7h:(ハニカム構造体の)外周面、8:セル構造部、10:熱交換部材、11:金属嵌合ハニカム構造体、12:金属管、12a:金属管の一方の端部、12b:金属管の他方の端部、12f:大径部、12g:小径部、12h:(金属管の)外周面、12m:凸部、12n:凹部、12p:切欠き部、12q:非切欠き部、13:熱抵抗低減層、17:隙間、21:ケーシング、22:(第二の流体の)入口、23:(第二の流体の)出口、24:(ケーシングの)内側面、30:熱交換器。
図1A
図1B
図2
図3A
図3B
図4
図5
図6A
図6B
図7A
図7B
図8
図9A
図9B
図10
図11A
図11B
図11C
図11D
図11E
図11F
図11G
図12A
図12B
図13
図14A
図14B
図14C
図14D
図14E
図15A
図15B
図15C
図15D
図16A
図16B
図16C
図16D