特許 6793078 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】6793078

(24)【登録日】2020年11月11日

(45)【発行日】2020年12月2日

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/16 20060101AFI20201119BHJP

   F28F 21/04 20060101ALI20201119BHJP

【ＦＩ】

   F28D7/16 A

   F28F21/04

【請求項の数】15

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2017-56606(P2017-56606)

(22)【出願日】2017年3月22日

(65)【公開番号】特開2018-159503(P2018-159503A)

(43)【公開日】2018年10月11日

【審査請求日】2019年10月23日

(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】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】徳田 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】高橋 博紀

(72)【発明者】

【氏名】川口 竜生

【審査官】 堀川 泰宏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０７０８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０１５０４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１４８５８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 実開昭６３−１５４７４９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開平０６−０６５７５９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１２−０６３１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０３２２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１８５９６３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｄ ７／１６

Ｆ２８Ｆ ２１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の底面から第二の底面に貫通して第一の流体の流路を形成する複数のセルを外周側面の内側に有する柱状のハニカム構造体と、
ハニカム構造体の外周側面を周回被覆する金属製内管と、
第二の流体の入口及び出口を有する金属製のケーシングであって、金属製内管の外周側面とケーシングの内側面との間に第二の流体の流路が形成されるように、金属製内管の外周側面を周回被覆するケーシングと、
を備える熱交換器であり、
ケーシングは、第一の金属製外管と、第一の金属製外管に接合した第一の金属製外管よりも少なくとも接合部分の内径が小さな第二の金属製外管と、第一の金属製外管に接合した第一の金属製外管よりも少なくとも接合部分の内径が小さな第三の金属製外管とを備え、
第一の金属製外管と第二の金属製外管が接合されることによって形成された段部、及び、第一の金属製外管と第三の金属製外管が接合されることによって形成された段部がそれぞれケーシングの内側面における段部を構成しており、
第一の金属製外管の内側面が、ケーシングの内側面として金属製内管の外周側面との間に第二の流体の流路を形成しており、
第二及び第三の金属製外管がストレート管であり、共に金属製内管と接合している、
熱交換器。

【請求項2】

第一の金属製外管、第二の金属製外管及び第三の金属製外管のうち一本以上が他の金属製外管と厚みが異なる請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

第一の金属製外管、第二の金属製外管及び第三の金属製外管のうち一本以上の金属製外管の肉厚は１．０ｍｍ以上である請求項１又は２に記載の熱交換器。

【請求項4】

第二及び第三の金属製外管が金属製内管と溶接又はろう付けにて接合されている請求項１〜３の何れか一項に記載の熱交換器。

【請求項5】

第一の金属製外管、第二の金属製外管及び第三の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成を有する請求項１〜４の何れか一項に記載の熱交換器。

【請求項6】

第一の金属製外管、第二の金属製外管及び第三の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成であり、引張強さが異なる請求項５に記載の熱交換器。

【請求項7】

第一の金属製外管、第二の金属製外管及び第三の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成であり、線膨張係数が異なる請求項５又は６に記載の熱交換器。

【請求項8】

第一の金属製外管、第二の金属製外管及び第三の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成であり、熱伝導率が異なる請求項５〜７の何れか一項に記載の熱交換器。

【請求項9】

第二の流体の乱流化を促進するため、流路高さが変化する部位を第二流体の流路内に有する請求項１〜８の何れか一項に記載の熱交換器。

【請求項10】

流路高さが変化する部位は、第一の金属製外管及び／又は金属製内管が蛇腹状であることにより形成されたものである請求項９に記載の熱交換器。

【請求項11】

セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の底面から第二の底面に貫通して第一の流体の流路を形成する複数のセルを外周側面の内側に有する柱状のハニカム構造体と、
ハニカム構造体の外周側面を周回被覆する金属製内管と、
第二の流体の入口及び出口を有する金属製のケーシングであって、金属製内管の外周側面とケーシングの内側面との間に第二の流体の流路が形成されるように、金属製内管の外周側面を周回被覆するケーシングと、
を備える熱交換器であり、
ケーシングは、縮径部及び拡径部を有する第一の金属製外管と、縮径部及び拡径部を有する第二の金属製外管とを備え、
第一及び第二の金属製外管が接合されることによって形成された段部が、流路高さが変化する部位を構成しており、
金属製内管の外周側面と第一及び第二の金属製外管のそれぞれの内側面との間に第二の流体の流路が形成されており、
第一及び第二の金属製外管がそれぞれ金属製内管と接合している、
熱交換器。

【請求項12】

第一及び第二の金属製外管が共に拡径部において接合されることによって形成された段部が、流路高さが変化する部位を構成しており、
金属製内管の外周側面と第一及び第二の金属製外管のそれぞれの拡径部の内側面との間に第二の流体の流路が形成されている、
請求項１１に記載の熱交換器。

【請求項13】

第二の流体の入口及び出口はセルの延びる方向にずれており、
セルの延びる方向において、第二の流体の入口及び出口の間に流路高さが狭まる部位が一つ以上あり、
流路高さが狭まる部位の少なくとも一つは前記段部により形成されたものである請求項１１に記載の熱交換器。

【請求項14】

前記流路高さが狭まる部位における流路高さＡと、前記流路高さが狭まる部位の第二の流体について上流側に隣接する部位の流路高さＢと、前記流路高さが狭まる部位の第二の流体について下流側に隣接する部位の流路高さＣとが、Ａ＜Ｂ×１/２、及び／又は、Ａ＜Ｃ×１/２を満たす請求項１３に記載の熱交換器。

【請求項15】

第二の流体の流路内に、第二の流体の乱流化を促進するための乱流促進部材が配置されている請求項１〜１４の何れか一項に記載の熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は熱交換器に関する。とりわけ、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器に関する。

【背景技術】

【0002】

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、冷却水やエンジンオイル、ＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルード；Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｌｕｉｄ）等を早期に暖めて、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。

【0003】

このようなシステムとして、例えば、熱交換器がある。熱交換器は、内部に第一の流体を流通させ、外部に第二の流体を流通させることにより熱交換を行う部品（熱交換部品）を含む装置である。このような熱交換器では、高温の流体（例えば、排ガス）から低温の流体（例えば、冷却水）へ熱交換することにより熱を有効利用することができる。

【0004】

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、密度が高く重い、熱伝導が低いなどの課題があった。そこで、近年では、ケーシング内にハニカム構造体を収容し、第一の流体をハニカム構造体のセル内に流通させ、第二の流体をケーシング内でハニカム構造体の外周面上を流通させる構成とした熱交換器が提案されている（特許文献１〜３）。

【0005】

特許文献１〜３における熱交換器３０の斜視図の一例を図９に、該熱交換器３０を軸方向に平行な断面で切断した断面図を図１０に模式的に示す。ケーシング２１は、第一の流体の入口２５から第一の流体の出口２６までの第一流体流通部５を形成するハニカム構造体１が嵌合するように直線状に形成され、第二の流体の入口２２から第二の流体の出口２３までの第二流体流通部６も直線状に形成され、第一流体流通部５と第二流体流通部６とが交差する交差構造とされている。ハニカム構造体１は、ケーシング２１に嵌合して備えられており、ハニカム構造体１の延出外周壁５１の外周面とケーシング２１の内周面とによってシール部５３が形成されている。第二の流体の入口２２と出口２３とが、ハニカム構造体１を挟んで反対側に形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】国際公開第２０１１／０７１１６１号

【特許文献2】特開２０１４−７０８２６号公報

【特許文献3】国際公開第２０１２／１３３４０５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

図１０の断面図から明らかなように、従来のケーシングは一体成形品（単一部品）として提供されていた。これは一体成形品のほうが部品点数が少なくなるので、製造コストが削減され、部品管理の負担も減ると考えたためであると推察される。しかしながら、ケーシングを一体成形品（単一部品）として提供することを前提とする場合、ハイドロフォーミング、プレス加工、スピニング等の塑性加工を中心にケーシングを成形する必要があり、ケーシングの製造工程上の制約が大きくなり、ケーシングの構造バリエーションを広げることが難しい。

【0008】

本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであり、ケーシング内に柱状ハニカム構造体を収容し、第一の流体を柱状ハニカム構造体のセル内に流通させ、第二の流体をケーシング内で柱状ハニカム構造体の外周側面上を流通させる構成とした熱交換器において、ケーシングの設計自由度を高めることを課題の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述の課題を解決するため、本発明者は鋭意検討したところ、内側面に一箇所又は二箇所以上の段部を有するケーシングとし、当該段部を内径の異なる金属管同士を接合することによって形成することにより、熱回収効率の改善、構造強度の改善、及び製造工数の削減といった少なくとも一つ以上の観点で熱交換器の改良に資する様々なケーシングを得ることが可能であることを見出した。本発明は上記知見に基づき完成したものであり、以下に例示される。

【0010】

［１］
セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の底面から第二の底面に貫通して第一の流体の流路を形成する複数のセルを外周側面の内側に有する柱状のハニカム構造体と、
ハニカム構造体の外周側面を周回被覆する金属製内管と、
第二の流体の入口及び出口を有する金属製のケーシングであって、金属製内管の外周側面とケーシングの内側面との間に第二の流体の流路が形成されるように、金属製内管の外周側面を周回被覆するケーシングと、
を備える熱交換器であり、
ケーシングは、少なくとも接合部分の内径が異なる二本以上の金属製外管が接合されることによって形成された一箇所又は二箇所以上の段部を内側面に有する、
熱交換器。

【0011】

［２］
二本以上の金属製外管のうち一本以上が他の金属製外管と厚みが異なる［１］に記載の熱交換器。

【0012】

［３］
二本以上の金属製外管のうち一本以上の金属製外管の肉厚は１．０ｍｍ以上である［１］又は［２］に記載の熱交換器。

【0013】

［４］
ケーシングは、第一の金属製外管と、第一の金属製外管に接合した第一の金属製外管よりも少なくとも接合部分の内径が小さな第二の金属製外管と、第一の金属製外管に接合した第一の金属製外管よりも少なくとも接合部分の内径が小さな第三の金属製外管とを備え、
第一の金属製外管と第二の金属製外管が接合されることによって形成された段部、及び、第一の金属製外管と第三の金属製外管が接合されることによって形成された段部がそれぞれケーシングの内側面における段部を構成しており、
第一の金属製外管の内側面が、ケーシングの内側面として金属製内管の外周側面との間に第二の流体の流路を形成しており、
第二及び第三の金属製外管が金属製内管と接合している、
［１］〜［３］の何れか一項に記載の熱交換器。

【0014】

［５］
第二及び第三の金属製外管が金属製内管と溶接又はろう付けにて接合されている［４］に記載の熱交換器。

【0015】

［６］
二本以上の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成を有する［１］〜［５］の何れか一項に記載の熱交換器。

【0016】

［７］
二本以上の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成であり、引張強さが異なる［６］に記載の熱交換器。

【0017】

［８］
二本以上の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成であり、熱膨張係数が異なる［６］又は［７］に記載の熱交換器。

【0018】

［９］
二本以上の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成であり、熱伝導率が異なる［６］〜［８］の何れか一項に記載の熱交換器。

【0019】

［１０］
第二の流体の乱流化を促進するため、流路高さが変化する部位を第二流体の流路内に有する［１］〜［９］の何れか一項に記載の熱交換器。

【0020】

［１１］
流路高さが変化する部位は、ケーシング及び／又は金属製内管が蛇腹状であることにより形成されたものである［１０］に記載の熱交換器。

【0021】

［１２］
流路高さが変化する部位は、前記段部により形成されたものである［１０］に記載の熱交換器。

【0022】

［１３］
ケーシングは、縮径部及び拡径部を有する第一の金属製外管と、縮径部及び拡径部を有する第二の金属製外管とを備え、
第一及び第二の金属製外管が共に拡径部において接合されることによって形成された段部が、流路高さが変化する部位を構成しており、
金属製内管の外周側面と第一及び第二の金属製外管のそれぞれの拡径部の内側面との間に第二の流体の流路が形成されており、
第二及び第三の金属製外管がそれぞれ金属製内管と接合している、
［１２］に記載の熱交換器。

【0023】

［１４］
第二の流体の入口及び出口はセルの延びる方向にずれており、
セルの延びる方向において、第二の流体の入口及び出口の間に流路高さが狭まる部位が一つ以上あり、
流路高さが狭まる部位の少なくとも一つは前記段部により形成されたものである［１２］に記載の熱交換器。

【0024】

［１５］
前記流路高さが狭まる部位における流路高さＡと、前記流路高さが狭まる部位の第二の流体について上流側に隣接する部位の流路高さＢと、前記流路高さが狭まる部位の第二の流体について下流側に隣接する部位の流路高さＣとが、Ａ＜Ｂ×１/２、及び／又は、Ａ＜Ｃ×１/２を満たす［１４］に記載の熱交換器。

【0025】

［１６］
第二の流体の流路内に、第二の流体の乱流化を促進するための乱流促進部材が配置されている［１］〜［１５］の何れか一項に記載の熱交換器。

【発明の効果】

【0026】

本発明に係る熱交換器で使用するケーシングは設計自由度が高い。このため、熱回収効率の改善、構造強度の改善、及び／又は製造工数の削減といった観点で熱交換器の改良に資するバリエーションの豊富なケーシングを備えた熱交換器を提供することが可能となる。よって、本発明に係る熱交換器は、例えば自動車排ガスのような高温の気体から熱を回収する際に好適に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の第一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の軸方向（セルの延びる方向）に平行な断面の構造を説明するための図である。

【図2】本発明の第一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の軸方向（セルの延びる方向）に垂直な断面の構造を説明するための図（図１のＡ−Ａ’線断面図）である。

【図3】本発明の第一の実施形態に係る熱交換器において使用するコア部品の斜視図である。

【図4】本発明の第二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の中心軸を通り軸方向（セルの延びる方向）に平行な断面の構造を説明するための図である。

【図5】本発明の第三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の中心軸を通り軸方向（セルの延びる方向）に平行な断面の構造を説明するための図である。

【図6】本発明の第四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の中心軸を通り軸方向（セルの延びる方向）に平行な断面の構造を説明するための図である。

【図7】本発明の第五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の中心軸を通り軸方向（セルの延びる方向）に平行な断面の構造を説明するための図である。

【図8】本発明の第六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の中心軸を通り軸方向（セルの延びる方向）に平行な断面の構造を説明するための図である。

【図9】特許文献１〜３に開示されている熱交換器の斜視図の一例である。

【図10】図９の熱交換器を中心軸を通り軸方向に平行な断面で切断した断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明の実施の形態について、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の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、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が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。

【0029】

＜１ 熱交換器＞
図１には、本発明の第一の実施形態に係る熱交換器１００について、柱状ハニカム構造体の軸方向（セルの延びる方向）に平行な断面の構造が示されている。図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図であり、本発明の第一の実施形態に係る熱交換器１００について、柱状ハニカム構造体の軸方向（セルの延びる方向）に垂直な断面の構造が示されている。

【0030】

熱交換器１００は、セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の底面１１４から第二の底面１１６に貫通して第一の流体の流路を形成する複数のセルを外周側面の内側に有する柱状のハニカム構造体１０１と、
ハニカム構造体１０１の外周側面を周回被覆する金属製内管１０２と、
第二の流体の入口１０６及び出口１０７を有するケーシング１０５であって、金属製内管１０２の外周側面とケーシング１０５の内側面との間に第二の流体の流路が形成されるように、金属製内管１０２の外周側面を周回被覆するケーシング１０５と、
を備える。
ケーシング１０５は、少なくとも接合部分の内径が異なる二本以上の金属製外管の端部同士が接合されることによって形成された一箇所又は二箇所以上の段部１０８（１０８ｂ、１０８ｃ）を内側面に有する。また、金属製内管１０２の軸方向（セルの延びる方向）の両端部における外周側面がケーシング１０５の内側面と周回状に嵌合している。段部１０８は柱状ハニカム構造体１０１の中心軸を通り、軸方向（セルの延びる方向）に平行な断面において、当該軸方向に垂直な段差を付与することができる。

【0031】

（１−１ コア部品）
図３には、ハニカム構造体１０１と金属製内管１０２を嵌合することにより作製される本発明の第一の実施形態に係る熱交換器１００のコア部品１２０の斜視図が例示されている。

【0032】

（１−１−１ ハニカム構造体）
図１〜図３を参照すると、ハニカム構造体１０１は、セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の底面１１４から第二の底面１１６に貫通して第一の流体の流路を形成するセルを複数有する。このように構成されていることにより、ハニカム構造体１０１のセルを流通する第一の流体の熱を効率よく集熱し、外部に伝達することができる。第一の流体は、図１では紙面の左右方向に流れることができる。第一の流体には、特に制限はなく、種々の液体及び気体が利用できるが、例えば、熱交換器が自動車に搭載される熱交換器の一部として用いられる場合には、第一の流体は排ガスであることが好ましい。

【0033】

ハニカム構造体１０１の形状は柱状であり、第一の流体が第一の底面１１４から第二の底面１１６までセル内を流れることができる限り、特に制限はない。例えば、円柱、楕円柱、四角柱、又はその他の多角柱等とすることができる。従って、ハニカム構造体１０１の軸方向（セルの延びる方向）に直交する断面におけるハニカム構造体１０１の外形は、円形、楕円形、四角形、又はその他の多角形とすることができる。第一の実施形態においては、ハニカム構造体１０１は円柱状であり、その断面形状は円形である。

【0034】

また、ハニカム構造体１０１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も、特に制限はない。円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、又は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。第一の実施形態においては、セルの断面形状は四角形である。

【0035】

ハニカム構造体１０１の隔壁は、セラミックスを主成分とするものである。「セラミックスを主成分とする」とは、隔壁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。

【0036】

隔壁の気孔率は、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。隔壁の気孔率は０％とすることもできる。隔壁の気孔率を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。

【0037】

隔壁は、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。

【0038】

さらに具体的には、ハニカム構造体１０１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等を採用することができる。その中でも、安価に製造出来、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。

【0039】

ハニカム構造体１０１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密度（即ち、単位面積当たりのセルの数）については特に制限はない。セル密度は、適宜設計すればよいが、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、隔壁の強度、ひいてはハニカム構造体１０１自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分なものとすることができる。また、セル密度を３２０セル／ｃｍ²以下とすることにより、第一の流体が流れる際の圧力損失が大きくなることを防止することができる。

【0040】

ハニカム構造体１０１のアイソスタティック強度は、１ＭＰａ以上が好ましく、５ＭＰａ以上が更に好ましい。ハニカム構造体１０１のアイソスタティック強度が、１ＭＰａ以上であると、ハニカム構造体１０１の耐久性を十分なものとすることができる。ハニカム構造体１０１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。

【0041】

セルの延びる方向に直交する断面におけるハニカム構造体１０１の直径は、２０〜２００ｍｍであることが好ましく、３０〜１００ｍｍであることが好ましい。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。セルの延びる方向に直交する断面におけるハニカム構造体１０１の形状が円形でない場合には、ハニカム構造体１０１の断面の形状に内接する最大内接円の直径を、セルの延びる方向に直交する断面におけるハニカム構造体１０１の直径とする。

【0042】

ハニカム構造体１０１のセルの隔壁の厚さについても、目的に応じて適宜設計すればよく、特に制限はない。隔壁の厚さは、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。隔壁の厚さを０．１ｍｍ以上とすることにより、機械的強度を十分なものとし、衝撃や熱応力によって破損することを防止することができる。また、隔壁の厚さを１ｍｍ以下とすることにより、開口面積の低下によって第一の流体の圧力損失が大きくなったり、熱媒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といった不具合を防止することができる。

【0043】

隔壁の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ³であることが好ましい。隔壁の密度を０．５ｇ／ｃｍ³以上とすることにより、隔壁を十分な強度とし、衝撃や熱応力によって破損することを防止することができる。また、隔壁の密度を５ｇ／ｃｍ³以下とすることにより、ハニカム構造体１０１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、ハニカム構造体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、隔壁の密度は、アルキメデス法により測定した値である。

【0044】

ハニカム構造体１０１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。ハニカム構造体１０１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、効率よくハニカム構造体内の熱を、金属製内管１０２に伝達することができる。なお、熱伝導率の値は、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳ Ｒ１６１１−１９９７）により測定した値である。

【0045】

ハニカム構造体１０１のセルに、第一の流体として排ガスを流す場合、ハニカム構造体の隔壁に触媒を担持させることが好ましい。隔壁に触媒を担持させると、排ガス中のＣＯやＮＯｘや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り、これに加えて、触媒反応の際に生じる反応熱を熱交換に用いることが可能になる。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、およびそれ以外の金属化合物として含有されていてもよい。

【0046】

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、触媒作用が発現しやすい。一方、４００ｇ／Ｌ以下とすると、圧力損失を抑え、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。

【0047】

（１−１−２ 金属製内管）
金属製内管１０２は、ハニカム構造体１０１の外周側面に嵌合してハニカム構造体１０１の外周側面を周回被覆する。本明細書において、当該文脈における「嵌合」とは、ハニカム構造体１０１と金属製内管１０２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。このため、ハニカム構造体１０１と金属製内管１０２との嵌合においては、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌め等の嵌め合いによる固定方法の他、ろう付け、溶接、拡散接合等により、ハニカム構造体１０１と金属製内管１０２とが相互に固定されている場合なども含まれる。

【0048】

金属製内管１０２はハニカム構造体１０１の外周側面に対応した内側面形状を有することができる。金属製内管１０２の内周側面がハニカム構造体１０１の外周側面に直接することで、熱伝導性が良好となり、ハニカム構造体１０１内の熱を、金属製内管１０２に効率よく伝達することができる。

【0049】

熱回収効率を高めるという観点からは、ハニカム構造体１０１の外周側面の全面積に対する、金属製内管１０２によって周回被覆されるハニカム構造体１０１の外周側面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、ハニカム構造体１０１の外周側面の全部が金属製内管１０２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「側面」というのはハニカム構造体の軸方向（セルの延びる方向）に平行な面を指し、ハニカム構造体の軸方向（セルの延びる方向）に直交する面（第一の底面１１４、第二の底面１１６）は含まれない。

【0050】

金属製内管１０２は金属製であるため製造性に優れている。また、金属製内管１０２は金属製であることは、後述する金属製のケーシング１０５との溶接が容易に行える点でも優れている。金属製内管１０２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、真鍮等を用いることができ、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。

【0051】

金属製内管１０２の肉厚は、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。金属製内管１０２の肉厚は、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。

【0052】

（１−１−３ ケーシング）
本発明の第一の実施形態に係る熱交換器１００は、コア部品１２０に加えて、第二の流体の入口１０６及び出口１０７を有する金属製のケーシング１０５であって、金属製内管１０２の外周側面とケーシング１０５の内側面との間に第二の流体の流路が形成されるように、金属製内管の外周側面を周回被覆するケーシング１０５を備える。ケーシング１０５はコア部品全体を周回被覆することが好ましい。

【0053】

ケーシング１０５は、少なくとも接合部分の内径が異なる金属製外管の端部同士が接合されることによって形成された一箇所又は二箇所以上の段部１０８を内側面に有する。端部の管径が異なる金属製外管の端部同士を接合することにより段部１０８を形成することは、ケーシング１０５が二つ以上の部材で構成されることを意味し、ケーシングを一体成形品（単一部品）で提供する訳ではないため、ケーシングの設計自由度が大きく広がる。例えば、熱回収効率の改善、構造強度の改善、及び製造工数の削減といった少なくとも一つ以上の観点で熱交換器の改良に資する種々の構造を有するケーシングを作製することが可能である。

【0054】

金属製外管の端部同士を接合する方法としては、限定的ではないが、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌め等の嵌め合いによる固定方法が挙げられる。嵌め合いによる固定方法にはその他、機械的な締結（おねじ及びめねじを利用したねじ込み接続など）、ろう付け、溶接、拡散接合等が挙げられる。嵌め合いではなく、金属製外管の端部同士を突き合わせた状態でろう付け、溶接、拡散接合、フランジ接続等を行って接合してもよい。これらの中では、嵌合溶接が作業効率及び接合強度の点で好ましい。

【0055】

熱交換器１００においては、ケーシング１０５は、第一の金属製外管１０５ａと、第一の金属製外管１０５ａの一方の端部に端部を嵌合溶接した第一の金属製外管１０５ａの端部よりも端部の管径の小さな第二の金属製外管１０５ｂと、第一の金属製外管１０５ａの他方の端部に端部を嵌合溶接した第一の金属製外管１０５ａの端部よりも端部の管径の小さな第三の金属製外管１０５ｃとを備える。また、ケーシング１０５は、第二の流体の入口１０６、入口１０６と第一の金属製外管１０５ａを連結する入口導管１２２、第二の流体の出口１０７、及び、出口１０７と第一の金属製外管１０５ａを連結する出口導管１２３を備える。

【0056】

熱交換器１００においては、ケーシング１０５は、第一の金属製外管１０５ａと第二の金属製外管１０５ｂが嵌合溶接されることによって形成された段部１０８ｂ、及び、第一の金属製外管１０５ａと第三の金属製外管１０５ｃが嵌合溶接されることによって形成された段部１０８ｃがそれぞれケーシング１０５の内側面における段部１０８を構成している。図１中、第一の金属製外管１０５ａと第二の金属製外管１０５ｂが嵌合溶接された箇所（嵌合溶接部）を１０３ｂで示し、第一の金属製外管１０５ａと第三の金属製外管１０５ｃが嵌合溶接された箇所（嵌合溶接部）を１０３ｃで示している。段部１０８ｂは第二の金属製外管１０５ｂの肉厚に対応する段差を有し、段部１０８ｃは第三の金属製外管１０５ｃの肉厚に対応する段差を有する。第二の流体の流路は、これらの段差に対応する流路高さを有する。

【0057】

本明細書において、第二の流体の「流路高さ」は、柱状ハニカム構造体１０１の中心軸を通り、軸方向（セルの延びる方向）に平行な断面において、金属製内管１０２の外周側面とケーシング１０５の内周側面の間の当該軸方向に垂直な距離を指す。

【0058】

嵌合溶接部１０３ｂ、１０３ｃはそれぞれ第一の金属製外管１０５ａの軸方向に垂直な方向にその内側面に沿って周回状に連続的に形成し、第一の金属製外管１０５ａと第二の金属製外管１０５ｂの間、及び、第一の金属製外管１０５ａと第三の金属製外管１０５ｃの間に隙間が生じないようにすることが、ケーシング１０５から第二の流体が漏洩するのを防止する観点で望ましい。溶接箇所を周回状に形成することでケーシングの構造強度の改善も図ることができる。

【0059】

このようなケーシング１０５の構造は、ストレート管を塑性加工することによっても製造することは可能であるが、その場合、段部１０８において減肉が発生しやすく構造強度が低下するという問題、ストレート管の肉厚が厚い場合に塑性加工が困難であるという問題、塑性加工特有のスプリングバックの問題などが生じることにより、設計自由度が減少してしまう。また、ストレート管を塑性加工することによって製造した場合、複雑な形状で高価な金型を製作する必要があったり、塑性加工の際に高価な加工機が必要となる可能性があったりするため、高コストとなり製作リードタイムも長くなりやすい。これに対して、段部１０８を嵌合溶接等の接合により形成する場合にはこうした問題は生じることがない。

【0060】

熱交換器１００においては、第一の金属製外管１０５ａの内側面と金属製内管１０２の外周側面との間に第二の流体の流路１１０が形成されている。第二の流体は、入口１０６から入口導管１２２を通ってケーシング１０５内に流入する。次いで、第二の流体は流路１１０を通る間に金属製内管１０２の外周側面を介してハニカム構造体１０１のセルを流れる第一の流体と熱交換された後、出口導管１２３を通って出口１０７から流出する。なお、金属製内管１０２の外周側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。第二の流体には特に制限はないが、熱交換器が、自動車に搭載される熱交換器として用いられる場合には、第二の流体は、水又は不凍液（ＪＩＳ Ｋ２２３４：２００６で規定されるＬＬＣ）であることが好ましい。第一の流体及び第二の流体の温度に関しては、第一の流体の温度＞第二の流体の温度である事が好ましい。その理由としては、金属製内管１０２が低温で膨張せず、ハニカム構造体１０１がより高温で膨張する事で、両者の嵌合が緩み難い条件となるためである。特に、ハニカム構造体１０１と金属製内管１０２の嵌合が焼き嵌めの場合、嵌合が緩み、ハニカム構造体が抜け落ちるリスクを最小限にする事が出来る。

【0061】

熱交換器１００においては、入口導管１２２は金属製内管１０２を挟んで出口導管１２３と反対側に取付けられているが、入口導管１２２及び出口導管１２３の取付位置に特に制限はなく、熱交換器１００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。

【0062】

熱交換器１００においては、第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃの内側面（すなわち、ケーシング１０５の内側面）が金属製内管１０２の外周側面と嵌合している。第二の流体が外部に漏れないように、金属製内管１０２の軸方向（セルの延びる方向）の両端部における外周側面がケーシング１０５の内側面と周回状に密接した構造を有することが好ましい。金属製内管１０２の外周側面とケーシング１０５の内側面を密接させる方法には特に制限はないが、溶接、拡散接合、ろう付け、機械的な締結等が挙げられる。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１０５と金属製内管１０２の嵌合箇所を溶接する場合、溶接工程をケーシング１０５に上述した段部を形成するための嵌合溶接と合わせて実施することができるので、組み付け工数を削減できるという利点がある。

【0063】

また、ケーシング１０５が二つ以上の部品で構成されていることで、ケーシング１０５と金属製内管１０２の嵌合箇所を溶接するのも容易である。例えば、第一の実施形態においては、金属製内管１０２の外周側面に第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃの内側面を嵌合溶接した後、第一の金属製外管１０５ａを組み付けることができるので、溶接箇所へのアクセスが容易であり、且つ、溶接箇所の視認性が高い状態で作業を行うことができる。

【0064】

ケーシング１０５が単一部品で構成されている場合、ケーシング１０５の中央内部まで金属製内管１０２を挿入させる必要があるが、このときに挿入抵抗が大きくなって作業効率を低下させる場合がある。しかしながら、第一の実施形態においては、金属製内管１０２の両端を第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃの端部にそれぞれ僅かに挿入すれば足りるので、作業性が高い。加えて、ケーシング１０５が単一部品で構成されている場合、ハイドロフォーミング、プレス加工等の塑性加工時の残留応力が影響し、スプリングバックする（縮管した場合は拡管する方向に加工後に変形する）可能性があるため、形状精度が悪化する（結果として、嵌合せ寸法が悪化し、溶接部分の構造強度が低下する）。また、ハイドロフォーミング、プレス加工等の拡縮の塑性加工をした際に拡縮テーパー部が減肉し、その部分で耐腐食性が悪化する。しかしながら、第一の実施形態においては、上記塑性加工を行わない部材で構成されるため、上記懸念が生じない。

【0065】

ケーシング１０５は金属製であるため熱伝導性に優れており、製造性にも優れている。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、真鍮等を用いることができ、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。

【0066】

ケーシング１０５の肉厚は、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１０５の肉厚は、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。

【0067】

本発明においては、ケーシング１０５を一体成形品で提供する必要がないため、ケーシングに対する設計自由度は高い。これによる利点を幾つかの実施形態を紹介しながら以下に説明する。

【0068】

（ａ）厚肉化
ストレート管は、その肉厚が厚くなると塑性加工が難しくなるが、本発明においては、ケーシング１０５が二本以上の金属製外管で構成可能であることから、ケーシング１０５の肉厚は塑性加工性を気にすることなく大きくすることが可能となる。例えば、第一の金属製外管１０５ａ、第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃの肉厚をそれぞれ１．０ｍｍ以上、更には２．０ｍｍ以上とすることが可能である。加えて、第一の金属製外管１０５ａのみ肉厚を厚くする、といった部分的に肉厚を上げることも可能である。これにより重量ＵＰを最小限に抑えつつ、腐食が懸念される部分のみ厚みを上げ、耐腐食性を向上させることが可能である。また、ケーシング１０５を厚肉化することにより、構造強度を改善することが可能となる。また、ケーシング１０５を厚肉化することにより、形状精度の向上や耐腐食性の向上といった利点も得られる。

【0069】

（ｂ）異種材料の使用
また、本発明においては、ケーシング１０５が二本以上の金属製外管で構成されていることから、これらのうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成を有するように構成することが可能である。これにより、例えば二本以上の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる引張強さ、線膨張係数、熱伝導率、耐食性、比重、及び比熱から選択される少なくとも一つの特性を有することが可能となる。

【0070】

少なくとも一本の金属製外管の引張強さを他の金属製外管と異なるようにすることは、例えば、引張強さが他の金属製外管に比べて高い金属製外管を使用することで何れか一本以上の金属製外管を薄くし軽量化できる点で有利である。また、これとは逆に、引張強さが他の金属製外管に比べて低い金属製外管を使用することで、金属製外管に後述する蛇腹構造など流路高さを変化させるための塑性加工をしやすくなるという利点が得られる。引張強さはＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１に従って測定される値を指す。

【0071】

少なくとも一本の金属製外管の線膨張係数を他の金属製外管と異なるようにすることは、他の金属製外管と又は金属製内管等の周辺部材との歪みを抑制する場合に有効である。線膨張係数はＪＩＳ Ｚ２２８５：２００３に従って測定される０℃から１０００℃まで変化させたときの線膨張係数を指す。

【0072】

少なくとも一本の金属製外管の熱伝導率を他の金属製外管と異なるようにすることは、一部の金属製外管について熱回収効率の過渡応答性を上げる、又は、高温環境下に晒された際に熱衝撃を緩和させたい場合に有効である。熱伝導率は、２５℃においてレーザーフラッシュ法（ＪＩＳ Ｒ１６１１−１９９７）により測定される値を指す。熱回収効率の過渡応答性とは、時間経過に対する熱回収効率の応答性の速さを指し、高い方が好ましい。過渡応答性が高い方が好ましい理由としては、例えば自動車排ガスから熱を回収する熱交換器の場合、過渡応答性が高いと、エンジンを始動した（排ガス温度が高温となった）直後に排熱回収出来ることで早期暖機が可能となり、燃費改善の効果も大きくなるというメリットがあるためである。

【0073】

例えば、第一の実施形態において、第一の金属製外管１０５ａの材料組成を、第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃの材料組成と異なるようにすることができる。この場合、第一の金属製外管１０５ａの材料組成を第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃよりも耐食性の高い材料とすることで、コストＵＰを最小限に抑えつつ耐腐食性を向上出来るという利点が得られる。また、第一の金属製外管１０５ａの材料組成を第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃより低比重及び／又は比熱の小さな材料組成とすることで、熱回収効率の過渡応答性を改善することが可能となる。すなわち、第二の流体からの熱量が第一の金属製外管１０５ａに奪われ、また、金属製外管１０５ａから外気中に放熱されるのを抑制することが可能となる。このように、第一の金属製外管１０５ａのみ材料組成を低比重及び／又は比熱の小さな材料にすることで、第一、第二、第三の金属製外管をすべての材料をそのような材料に変える場合に比べ、コストＵＰや耐腐食性の悪化、加工性の悪化を最小限に抑えることが出来るという利点が得られる。

【0074】

（ｃ）異なる肉厚の採用
本発明においては、ケーシング１０５が二本以上の金属製外管で構成されていることから、少なくとも一本が他の金属製外管と異なる肉厚を有するように構成することが容易に可能である。図４には本発明の第二の実施形態に係る熱交換器２００が示されている。第一の実施形態に係る熱交換器１００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器１００と同一であるので、その説明を省略する。以降の実施形態についても同様である。

【0075】

熱交換器２００においては、第一の金属製外管１０５ａの肉厚が、第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃの肉厚よりも薄い。第一の金属製外管１０５ａの肉厚を薄くすることで、熱容量が低減するので、熱回収効率の過渡応答性を改善することが可能となる。すなわち、第一の流体からの熱量が第一の金属製外管１０５ａに奪われ、また、金属製外管１０５ａから外気中に放熱されるのを抑制することで、より多くの熱量を第二の流体に伝達することが可能となる。これとは逆に、第一の金属製外管１０５ａの肉厚を、第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃの肉厚よりも厚くすることもできる。第一の金属製外管１０５ａ、第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃのすべての肉厚を薄くするとケーシング１０５の構造強度が全体的に弱くなるが、第一の金属製外管１０５ａのみを部分的に厚肉化することで、構造強度と熱回収効率のバランスを取ることが可能となる。

【0076】

（ｄ）ケーシング内側面の部分的な変更
本発明においては、第二の流体の乱流化を促進するため、流路高さが変化する部位を第二の流体の流路内に有してもよい。流路高さが変化する部位は、例えば、第二の流体の流路を形成するケーシングの内側面、及び／又は、第二の流体の流路を形成する金属製内管の外周側面に、一箇所又は二箇所以上の凹部、一箇所又は二箇所以上の凸部、或いはこれらの組み合わせを付与することにより形成可能である。流路高さが変化する部位は、ケーシング及び／又は金属製内管が蛇腹状であることにより形成することもできる。更に、流路高さが変化する部位は、少なくとも接合部分の内径が異なる金属製外管の端部同士が接合されることによって形成された一箇所又は二箇所以上の前記段部により形成することができる。

【0077】

図５には発明の第三の実施形態に係る熱交換器３００が示されている。熱交換器３００においては、金属製内管１０２の外周側面との間に第二の流体の流路を形成する第一の金属製外管１０５ａが蛇腹状となっていることで、第二の流体の乱流化が促進されるので、熱回収効率の改善が期待できる。第一の金属製外管１０５ａを蛇腹状にする方法としては、金属製外管としてコルゲート管を使用する方法が挙げられる。

【0078】

ケーシング１０５が二本以上の金属製外管で構成されていることから、第一の金属製外管１０５ａの内側面が流路高さを変化させる部位を有する一方で、第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃはストレート管とすることが可能である。第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃとしてストレート管を採用することにより、金属製内管１０２と嵌合させたときに密接させやすいという利点が得られる。加えて、第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃをストレート管にすることで、材料のコストＵＰを最小限に抑えられ、第一の流体の圧力損失を悪化させることもない。

【0079】

熱交換器３００においては、第二の流体の入口１０６の位置は、第二の流体の出口１０７の位置からセルの延びる方向にずれている。このため、入口１０６から熱交換器３００に流入した第二の流体は必ず第二の流体の流路１１０をセルの延びる方向に通った後に出口１０７から流出することになる。つまり、第二の流体の入口１０６から入った第二の流体は第一の金属製外管１０５ａの内側面の付近で流れが乱れ、レイノルズ数が増加（乱流化）しやすい。結果、熱伝達率が増加し、熱回収効率を向上させることができる。

【0080】

（ｅ）段部を用いた乱流化
先述したように、本発明においては、ケーシング１０５は、少なくとも接合部分の内径が異なる二本以上の金属製外管が接合されることによって形成された一箇所又は二箇所以上の段部１０８を内側面に有する。第一の実施形態においては、当該段部１０８を利用して第二の流体の流路高さを確保していたが、これとは別に、段部１０８を利用して流路高さを変化させることで第二の流体の乱流化を促進することも可能である。

【0081】

図６には発明の第四の実施形態に係る熱交換器４００が示されている。熱交換器４００においては、ケーシング１０５の内側面が流路高さを変化させる部位を有する。そして、当該部位は、ケーシング１０５の内側面に形成された嵌合溶接に起因する段部１０８により形成されたものであり、周回状に一箇所設けられている。流路高さを変化させる部位は一箇所に設けてもよいし、複数個所に設けてもよい。

【0082】

また、熱交換器４００においては、ケーシング１０５は、縮径部１０５ｄ１及び拡径部１０５ｄ２を有する第一の金属製外管１０５ｄと、縮径部１０５ｅ１及び拡径部１０５ｅ２を有する第二の金属製外管１０５ｅとを備える。第一の金属製外管１０５ｄ及び第二の金属製外管１０５ｅは共に拡径部（１０５ｄ２、１０５ｅ２）において端部を有し、これら端部同士が嵌合溶接されることによって形成された段部１０８が、ケーシング１０５の内側面における段部１０８を構成しており、これにより流路高さが変化する。

【0083】

熱交換器４００においては、第二の流体の入口１０６の位置は、第二の流体の出口１０７の位置からセルの延びる方向に段部１０８を挟んでずれている。このため、入口１０６から熱交換器４００に流入した第二の流体は必ず段部１０８を通った後に出口１０７から流出することになる。つまり、第二の流体の入口１０６から入った第二の流体は段部１０８の付近で流れが乱れ、レイノルズ数が増加（乱流化）しやすい。結果、熱伝達率が増加し、熱回収効率を向上させることができる。

【0084】

図６中、第一の金属製外管１０５ｄと第二の金属製外管１０５ｅが嵌合溶接された箇所（嵌合溶接部）を１０３ａで示している。なお、縮径部及び拡径部を有する金属管はストレート管に拡管加工を施すことで作製可能である。拡管加工はハイドロフォーミング、プレス、スピニング等の塑性加工により実施可能である。

【0085】

金属製内管１０２の外周側面と第一の金属製外管１０５ｄ及び第二の金属製外管１０５ｅのそれぞれの拡径部の内側面との間には第二の流体の流路１１０が形成されており、第一及び第二の金属製外管のそれぞれの縮径部（１０５ｄ１、１０５ｅ１）の内側面が金属製内管１０２の外周側面と嵌合している。これにより、第二の流体の流路１１０がケーシング１０５の外部に漏れ出るのが防止される。

【0086】

図７には本発明の第五の実施形態に係る熱交換器５００が示されている。熱交換器５００においても、第二流体の流路高さが変化するようにケーシング１０５の内側面が構成されている。第五の実施形態においては、ケーシング１０５の内側面はセルの延びる方向に流路高さが狭まる部位１０９を周回状に一箇所有する。流路高さが狭まる部位１０９は一箇所に設けてもよいし、複数個所に設けてもよい。

【0087】

熱交換器５００においては、第二の流体の入口１０６及び出口１０７はセルの延びる方向にずれており、第二の流体の入口１０６及び出口１０７の間に流路高さが狭まる部位１０９が形成されている。これにより、入口１０６から熱交換器５００に流入した第二の流体は必ず流路高さが狭まる部位１０９を通った後に出口１０７から流出することになる。つまり、第二の流体の入口１０６から入った第二の流体は流路高さが狭まる部位１０９の付近で流れが乱れ、レイノルズ数が増加（乱流化）しやすい。また、流路高さが狭まる部位では、流路高さが大きい部位に比べて流速が増加する。結果、熱伝達率が増加し、熱回収効率を向上させることができる。

【0088】

熱交換器５００においては、ケーシング１０５は、第一縮径部１０５ｄ１、拡径部１０５ｄ２及び第二縮径部１０５ｄ３を有する第一の金属製外管１０５ｄと、第一縮径部１０５ｅ１、拡径部１０５ｅ２及び第二縮径部１０５ｅ３を有する第二の金属製外管１０５ｅとを備える。第一の金属製外管１０５ｄ及び第二の金属製外管１０５ｅは共に第一縮径部（１０５ｄ１、１０５ｅ１）において端部を有し、これら端部同士が嵌合溶接されることによって形成された段部１０８が、ケーシング１０５の内側面における段部１０８を構成しており、これにより流路高さが狭まる。つまり、ケーシング１０５の内側面に形成された嵌合溶接に起因する段部１０８は、流路高さが狭まる部位１０９の一部を構成している。

【0089】

図７中、第一の金属製外管１０５ｄと第二の金属製外管１０５ｅが嵌合溶接された箇所（嵌合溶接部）を１０３ａで示している。なお、縮径部及び拡径部を有する金属管はストレート管に拡管加工を施すことで作製可能である。拡管加工はハイドロフォーミング、プレス、スピニング等の塑性加工により実施可能である。

【0090】

金属製内管１０２の外周側面と第一の金属製外管１０５ｄ及び第二の金属製外管１０５ｅのそれぞれの内側面との間には第二の流体の流路１１０が形成されており、第一及び第二の金属製外管のそれぞれの第二縮径部（１０５ｄ３、１０５ｅ３）の内側面が金属製内管１０２の外周側面と嵌合している。これにより、第二の流体の流路１１０がケーシング１０５の外部に漏れ出るのが防止される。

【0091】

流路高さが狭まる部位１０９の流路高さは低い方が、乱流化及び流速増加の促進により熱伝達率が増加して熱回収効率を向上できるというメリットが得られる。一方で、流路高さが狭まる部位１０９の流路高さは高い方が、通水抵抗が小さいというメリットが得られる。そこで、両方のバランスを考慮し、流路高さが狭まる部位における流路高さＡと、前記流路高さが狭まる部位の第二の流体について上流側に隣接する部位の流路高さＢと、前記流路高さが狭まる部位の第二の流体について下流側に隣接する部位の流路高さＣとが、Ａ＜Ｂ×１/２、及び／又は、Ａ＜Ｃ×１/２を満たすことが好ましく、Ａ＜Ｂ×１/４、及び／又は、Ａ＜Ｃ×１/４を満たすことがより好ましい。

【0092】

（ｆ）乱流促進部材の追加
第二の流体の乱流化を促進するという観点では、ケーシング１０５の内側面及び／又は金属製内管１０２の外周側面の表面形状に改良をすることに代えて又はこれに加えて、第二の流体の流路１１０内に、第二の流体の乱流化を促進するための乱流促進部材１２４を配置することも有用である。

【0093】

図８には本発明の第六の実施形態に係る熱交換器６００が示されている。熱交換器６００においては、金属製内管１０２の外周側面と第一の金属製外管１０５ａの内側面の間に乱流促進部材１２４が配置されている。乱流促進部材１２４の具体例としては、コルゲートフィン、コルゲート管が挙げられる。乱流促進部材１２４は金属製内管１０２の外周側面に隣接して配置してもよいし、ケーシング１０５の内側面に隣接して配置してもよい。乱流促進部材１２４は金属製内管１０２の外周側面及びケーシング１０５の内側面の間に周回状に配置してもよい。また、乱流促進部材１２４は第一の流体の流れ方向と平行に、１個ではなく、分割して複数個配置されていても良い。そうすることで、乱流促進部材の配置箇所と配置されていない箇所との間でより乱流化が促進され、熱回収効率を向上できる。

【0094】

熱交換器６００においては、第二の流体の入口１０６の位置は、第二の流体の出口１０７の位置からセルの延びる方向にずれている。このため、入口１０６から熱交換器６００に流入した第二の流体は必ず第二の流体の流路１１０をセルの延びる方向に通った後に出口１０７から流出することになる。つまり、第二の流体の入口１０６から入った第二の流体は乱流促進部材１２４の付近で流れが乱れ、レイノルズ数が増加（乱流化）しやすい。結果、熱伝達率が増加し、熱回収効率を向上させることができる。

【0095】

＜２ 製造方法＞
次に、本発明に係る熱交換器の製造方法を、第一の実施形態による熱交換器１００を例にして説明する。但し、本発明の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。

【0096】

（２−１ ハニカム構造体の作製）
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、隔壁により区画形成された複数のセルを有するハニカム構造体１０１を得ることができる。

【0097】

（２−２ ハニカム構造体と金属製内管の嵌合）
次に、ハニカム構造体１０１を金属製内管１０２に挿入することにより、該ハニカム構造体１０１の外周側面を周回被覆する。この状態で、焼き嵌めすることで、金属製内管１０２の内周側面がハニカム構造体１０１の外周側面に嵌合する。なお、ハニカム構造体１０１と金属製内管１０２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、拡散接合等により行うことができる。これにより、コア部品１２０が完成する。

【0098】

（２−３ ケーシングの取付け）
第一の実施形態に係る熱交換器１００の場合、コア部品１２０の金属製内管１０２の両端部を第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃの端部と接合する。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、接合箇所は溶接等により接合可能である。次いで、第一の金属製外管１０５ａの一端の内側面と第二の金属製外管１０５ｂの端部の外側面を接合するとともに、第一の金属製外管１０５ａの他端の内側面と第三の金属製外管１０５ｃの端部の外側面を接合することによって段部１０８ｂ、１０８ｃを形成する。これにより、金属製内管１０２の外周側面を周回被覆するケーシング１０５が形成され、金属製内管１０２の外周側面とケーシング１０５の内側面との間に第二の流体の流路１１０が形成される。

【0099】

（２−４ 入口導管及び出口導管の取付け）
第一の金属製外管１０５ａの外側面に第二の流体が出入りするための貫通穴をそれぞれ必要な個数形成し、形成された入口用の貫通穴に入口導管１２２を、出口用の貫通穴に出口導管１２３を溶接、ろう付け等により接合することができる。なお、第一の金属製外管１０５ａの外側面への入口導管１２２及び出口導管１２３の取付けは、第一の金属製外管１０５ａを第二の金属製外管１０５ｂ及び第三の金属製外管１０５ｃと嵌合させる前後の何れに実施してもよい。

【0100】

以上のような手順で、コア部品１２０にケーシング１０５が組み付けられた第一の実施形態に係る熱交換器１００を製造することができる。他の実施形態に係る熱交換器についても同様の方法で製造可能である。

【符号の説明】

【0101】

１００、２００、３００、４００、５００ 熱交換器
１０１ ハニカム構造体
１０２ 金属製内管
１０３ 嵌合溶接部
１０５ ケーシング
１０６ 第二の流体の入口
１０７ 第二の流体の出口
１０８ 段部
１０９ 流路高さが狭まる部位
１１０ 第二の流体の流路
１１４ ハニカム構造体の第一の底面
１１６ ハニカム構造体の第二の底面
１２０ コア部品
１２２ 入口導管
１２３ 出口導管
１２４ 乱流促進部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】