特開 2024-134388 発熱機能付き熱交換装置

(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】P2024134388

(43)【公開日】2024-10-03

(54)【発明の名称】発熱機能付き熱交換装置

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/10 20060101AFI20240926BHJP

   F24H 9/00 20220101ALI20240926BHJP

【ＦＩ】

F28D7/10 A

F24H9/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023044657

(22)【出願日】2023-03-20

(71)【出願人】

【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】アクシス国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】山下 将人

(72)【発明者】

【氏名】長谷 有太

【テーマコード（参考）】

3L036

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L036AA01

3L103AA05

3L103BB26

3L103CC01

3L103CC26

3L103DD64

(57)【要約】

【課題】設置スペースを小さくできる発熱機能付き熱交換装置を提供する。
【解決手段】本発明による発熱機能付き熱交換装置は、外周壁１００と、外周壁１００の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで延びるとともに第１流体が通される第１流路１０１ｂを形成する複数のセル１０１ａを区画形成する隔壁１０１とを有するハニカム構造部１０、を備えるハニカム構造体１と、ハニカム構造体１に電圧を印加するための一対の電極端子２と、ハニカム構造体１及び電極端子２の外面を覆う絶縁材３と、絶縁材３との間に第２流体が通される第２流路５を形成するジャケット４と、を備え、電極端子２を通しての電圧の印加によるハニカム構造体１の発熱により第１流体を加熱できるとともに、第１流体及び／又はハニカム構造体１と第２流体との間で熱交換ができるように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周壁と、前記外周壁の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで延びるとともに第１流体が通される第１流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁とを有するハニカム構造部、を備えるハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体に電圧を印加するための一対の電極端子と、
前記ハニカム構造体及び前記電極端子の外面を覆う絶縁材と、
前記絶縁材との間に第２流体が通される第２流路を形成するジャケットと、
を備え、
前記電極端子を通しての電圧の印加による前記ハニカム構造体の発熱により前記第１流体を加熱できるとともに、前記第１流体及び／又は前記ハニカム構造体と前記第２流体との間で熱交換ができるように構成されている、
発熱機能付き熱交換装置。

【請求項2】

前記ハニカム構造部は、柱状又は筒状である、
請求項１に記載の発熱機能付き熱交換装置。

【請求項3】

前記ハニカム構造部の熱伝導率は３０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上である、
請求項１に記載の発熱機能付き熱交換装置。

【請求項4】

前記複数のセルには、両端が目封じされた目封じセルが含まれており、
前記目封じセルには、前記ハニカム構造部の材料よりも比熱が高い材料で構成された蓄熱体が封入されている、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の発熱機能付き熱交換装置。

【請求項5】

前記ハニカム構造部には触媒が担持されている、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の発熱機能付き熱交換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発熱機能付き熱交換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

メタネーションに代表される発熱反応を制御するため触媒反応装置には加熱装置と熱交換器が組み込まれている。加熱装置は反応を開始するために必要な熱を与えるために用いられ、熱交換器は反応進行中に発生する熱を回収するために用いられている。

【0003】

例えば、下記の特許文献１には、メタネーション反応を用いることにより、メタン（ＣＨ₄）を主成分とするガスを製造するガス製造設備が記載されている。ガス製造設備には、加熱装置（温度調節器）とメタネーション反応装置とが設けられている。加熱装置は、メタネーション反応装置への入力ガスを加熱する。メタネーション反応装置は、加熱装置によって加熱された入力ガスをメタネーション反応させる。また、メタネーション反応装置には外部からの冷媒が供給されており、メタネーション反応装置と冷媒との熱交換によりメタネーション反応の熱が回収される。すなわち、メタネーション反応装置は、反応装置と熱交換器とを兼ねている。

【0004】

下記の特許文献２には、亜硫酸ガスと酸素との発熱反応により三酸化硫黄を生成する転化装置と、転化装置の内部に設けられることにより転化装置の内部における熱を回収して発熱反応の反応温度を調整する熱交換装置と、亜硫酸ガス、水及びヨウ素のブンゼン反応によりヨウ化水素及び硫酸を生成し、ヨウ化水素の分解反応により水素及びヨウ素を生成するＩＳサイクル装置とを備え、ＩＳサイクル装置は、熱交換装置により回収した熱を前記ブンゼン反応又は／及び分解反応の熱源として利用する硫酸及び水素生成システムが記載されている。転化装置前段に位置する洗浄装置では、洗浄水にて冷却しながら亜硫酸ガスの一部を洗浄している。このことから、転化装置に入るガスは、酸化反応が進行する温度未満であると考えられ、転化装置前段に加熱装置が配置されると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－０９３２１６号公報

【特許文献2】特開２０２２－１０７８９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の設備では、メタネーション反応装置が熱交換器を兼ねているものの、メタネーション反応装置とは別に加熱装置が設けられているので、設置スペースが大きくなってしまう。また、特許文献２の転化装置も熱交換器を内蔵しているものの、転化装置とは別に加熱装置を設ける必要があり、加熱装置を別に設ける場合に設置スペースが大きくなってしまう。

【0007】

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的の一つは、設置スペースを小さくできる発熱機能付き熱交換装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

項目１．本発明は、一実施形態において、外周壁と、外周壁の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで延びるとともに第１流体が通される第１流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁とを有するハニカム構造部、を備えるハニカム構造体と、ハニカム構造体に電圧を印加するための一対の電極端子と、ハニカム構造体及び電極端子の外面を覆う絶縁材と、絶縁材との間に第２流体が通される第２流路を形成するジャケットと、を備え、電極端子を通しての電圧の印加によるハニカム構造体の発熱により第１流体を加熱できるとともに、第１流体及び／又はハニカム構造体と第２流体との間で熱交換ができるように構成されている、発熱機能付き熱交換装置に関する。

【0009】

項目２．本発明は、ハニカム構造部は、柱状又は筒状である、項目１に記載の発熱機能付き熱交換装置に関していてよい。

【0010】

項目３．本発明は、ハニカム構造部の熱伝導率は３０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上である、項目１又は２に記載の発熱機能付き熱交換装置に関していてよい。

【0011】

項目４．本発明は、複数のセルには、両端が目封じされた目封じセルが含まれており、目封じセルには、ハニカム構造部の材料よりも比熱が高い材料で構成された蓄熱体が封入されている、項目１から３までのいずれか１項に記載の発熱機能付き熱交換装置に関していてよい。

【0012】

項目５．本発明は、ハニカム構造部には触媒が担持されている、項目１から４までのいずれか１項に記載の発熱機能付き熱交換装置に関していてよい。

【発明の効果】

【0013】

本発明の発熱機能付き熱交換装置の一実施形態によれば、電極端子を通しての電圧の印加によるハニカム構造体の発熱により第１流体を加熱できるとともに、第１流体と第２流体との間で熱交換ができるように構成されているので、加熱装置及び熱交換器を別個に設ける場合と比較して、設置スペースを小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施の形態１による発熱機能付き熱交換装置を示す正面図である。

【図2】図１の発熱機能付き熱交換装置を示す右側面図である。

【図3】図２の線ＩＩＩ－ＩＩＩに沿う発熱機能付き熱交換装置の断面図である。

【図4】図３の線ＩＶ－ＩＶに沿う発熱機能付き熱交換装置の断面図である。

【図5】図１の発熱機能付き熱交換装置の第１変形例を示す正面図である。

【図6】図１の発熱機能付き熱交換装置の第２変形例を示す正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

【0016】

図１は本発明の実施の形態１による発熱機能付き熱交換装置を示す正面図であり、図２は図１の発熱機能付き熱交換装置を示す右側面図であり、図３は図２の線ＩＩＩ－ＩＩＩに沿う発熱機能付き熱交換装置の断面図であり、図４は図３の線ＩＶ－ＩＶに沿う発熱機能付き熱交換装置の断面図である。図５は図１の発熱機能付き熱交換装置の第１変形例を示す正面図であり、図６は図１の発熱機能付き熱交換装置の第２変形例を示す正面図である。

【0017】

図１～図４に示す発熱機能付き熱交換装置は、ハニカム構造体１と、一対の電極端子２と、絶縁材３と、ジャケット４とを備えている。

【0018】

ハニカム構造体１は、ハニカム構造部１０を有している。ハニカム構造部１０は、セラミックス製の柱状の部材であり、外周壁１００と、外周壁１００の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで延びるとともに第１流体が通される第１流路１０１ｂを形成する複数のセル１０１ａを区画形成する隔壁１０１とを有している。

【0019】

ハニカム構造部１０は、柱状又は筒状であってよい。柱状及び筒状とは、セル１０１ａの延伸方向（ハニカム構造部１０の軸方向）に厚みを有する立体形状と理解してよい。ハニカム構造部１０の軸方向長さとハニカム構造部１０の端面の直径又は幅との比（アスペクト比）は任意である。柱状及び筒状には、ハニカム構造部１０の軸方向長さが端面の直径又は幅よりも短い形状（偏平形状）も含まれていてよい。柱状とは、図１～図５に示すように外周壁１００の内側の全体に隔壁１０１が形成された形状であり得る。筒状とは、図６に示すように外周壁１００の内側に隔壁１０１が形成されていない部分が含まれている形状であり得る。ハニカム構造部１０が筒状であるとき、ハニカム構造部１０は、外周壁１００の内側に配置された内周壁１０２をさらに有していてよい。隔壁１０１は外周壁１００と内周壁１０２との間に形成されていてよく、内周壁１０２の内側には一端から他端までハニカム構造部１０を貫通する貫通孔１０３（隔壁１０１が形成されていない領域）が設けられていてよい。ハニカム構造部１０が筒状であるとき、弁等の流路切換手段がハニカム構造部１０の前端に設けられてよい。流路切換手段は、第１流体の流路を第１流路１０１ｂと貫通孔１０３との間で切り替えることができる。

【0020】

ハニカム構造部１０の端面の外形は任意であるが、図１～図４に示すように四角形であってもよいし、図５～図６に示すように円形であってもよい。ハニカム構造部１０の端面の外形は、図示の態様に限定されず、例えばオーバル形又は他の多角形（五角形、六角形、七角形、八角形等）等の他の形状であってもよい。図６では円筒状のハニカム構造部１０を示しているが、筒状のハニカム構造部１０の外形も任意である。

【0021】

ハニカム構造部１０の大きさは、耐熱性を高める（外周壁１００の周方向に入るクラックを抑制する）という理由により、端面の面積が２０００～２００００ｍｍ²であることが好ましく、５０００～１５０００ｍｍ²であることが更に好ましい。

【0022】

セル１０１ａの延伸方向に垂直な断面におけるセル１０１ａの形状に制限はないが、四角形、六角形、八角形、又はこれらの組み合わせであることが好ましい。これ等のなかでも、四角形及び六角形が好ましい。セル形状をこのようにすることにより、ハニカム構造部１０にガスを流したときの圧力損失が小さくなる。

【0023】

セル１０１ａを区画形成する隔壁１０１の厚みは、０．１～０．３ｍｍであることが好ましく、０．１～０．２ｍｍであることがより好ましい。隔壁１０１の厚みが０．１ｍｍ以上であることで、ハニカム構造部１０の強度が低下するのを抑制可能である。隔壁１０１の厚みが０．３ｍｍ以下であることで、ハニカム構造部１０を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、ガスを流したときの圧力損失が大きくなるのを抑制できる。本発明において、隔壁１０１の厚みは、セル１０１ａの延伸方向に垂直な断面において、隣接するセル１０１ａの重心同士を結ぶ線分のうち、隔壁１０１を通過する部分の長さとして定義される。

【0024】

ハニカム構造部１０は、セル１０１ａの延伸方向に垂直な断面において、セル密度が４０～１５０セル／ｃｍ²であることが好ましく、７０～１００セル／ｃｍ²であることが更に好ましい。セル密度をこのような範囲にすることにより、排気ガスを流したときの圧力損失を小さくした状態で、触媒の浄化性能を高くすることができる。セル密度が４０セル／ｃｍ²以上であると、触媒担持面積が十分に確保される。セル密度が１５０セル／ｃｍ²以下であるとハニカム構造部１０を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、排気ガスを流したときの圧力損失が大きくなりすぎることが抑制される。セル密度は、外周壁１００部分を除くハニカム構造部１０の一つの端面部分の面積でセル数を除して得られる値である。

【0025】

ハニカム構造部１０の外周壁１００を設けることは、ハニカム構造部１０の構造強度を確保し、また、セル１０１ａを流れる流体が外周壁１００から漏洩するのを抑制する観点で有用である。具体的には、外周壁１００の厚みは好ましくは０．０５ｍｍ以上であり、より好ましくは０．１０ｍｍ以上、更により好ましくは０．１５ｍｍ以上である。但し、外周壁１００を厚くしすぎると高強度になりすぎてしまい、隔壁１０１との強度バランスが崩れて耐熱衝撃性が低下することから、外周壁１００の厚みは好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．７ｍｍ以下であり、更により好ましくは０．５ｍｍ以下である。ここで、外周壁１００の厚みは、厚みを測定しようとする外周壁１００の箇所をセル１０１ａの延伸方向に垂直な断面で観察したときに、当該測定箇所における外周壁１００の接線に対する法線方向の厚みとして定義される。

【0026】

ハニカム構造部１０は、セラミックス製であり、導電性を有することが好ましい。ハニカム構造部１０は、通電してジュール熱により発熱可能である限り、体積抵抗率については特に制限はないが、体積抵抗率は０．１～２００Ωｃｍであることが好ましく、１～２００Ωｃｍがより好ましい。本発明において、ハニカム構造部１０の体積抵抗率は、四端子法により２５℃で測定した値とする。

【0027】

ハニカム構造部１０の材質としては、限定的ではないが、アルミナ、ムライト、ジルコニア及びコージェライト等の酸化物系セラミックス、炭化珪素、窒化珪素及び窒化アルミ等の非酸化物系セラミックスからなる群から選択することができる。また、珪素－炭化珪素複合材や炭化珪素／グラファイト複合材等を用いることもできる。これらの中でも、耐熱性と導電性の両立の観点から、ハニカム構造部１０の材質は、珪素－炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分とするセラミックスを含有していることが好ましい。ハニカム構造部１０の材質が、珪素－炭化珪素複合材を主成分とするものであるというときは、ハニカム構造部１０が、珪素－炭化珪素複合材（合計質量）を、全体の９０質量％以上含有していることを意味する。ここで、珪素－炭化珪素複合材は、骨材としての炭化珪素粒子、及び炭化珪素粒子を結合させる結合材としての珪素を含有するものであり、複数の炭化珪素粒子が、炭化珪素粒子間に細孔を形成するようにして、珪素によって結合されていることが好ましい。ハニカム構造部１０の材質が、炭化珪素を主成分とするものであるというときは、ハニカム構造部１０が、炭化珪素（合計質量）を、全体の９０質量％以上含有していることを意味する。

【0028】

ハニカム構造部１０が珪素－炭化珪素複合材を含んでいる場合、ハニカム構造部１０に含有される「骨材としての炭化珪素粒子の質量」と、ハニカム構造部１０に含有される「結合材としての珪素の質量」との合計に対する、ハニカム構造部１０に含有される「結合材としての珪素の質量」の比率が、１０～４０質量％であることが好ましく、１５～３５質量％であることが更に好ましい。

【0029】

一対の電極端子２は、ハニカム構造体１に電圧を印加するためのものである。電極端子２を通してハニカム構造体１に電圧が印加されることで、ジュール熱によりハニカム構造体１を発熱させることが可能である。印加する電圧は１２～９００Ｖが好ましく、４８～６００Ｖがより好ましいが、印加する電圧は適宜変更可能である。

【0030】

電極端子２の形状は任意であるが、図示のように電極端子２は柱状であってよい。電極端子２は、外周壁１００の表面に対して起立するように設けられていてよい。電極端子２は、ハニカム構造部１０の中心軸を挟んで対向するように配設されている。しかしながら、ハニカム構造部１０の周方向に係る電極端子２の配置位置は任意である。

【0031】

電極端子２の材質は、セラミックスまたはカーボンで構成されている。電極端子２の材質がセラミックスであると、ハニカム構造体１への電気的な接続が可能となる。また、電極端子２の先端に金属端子がそれぞれ接合されていてもよい。セラミックス又はカーボン製の電極端子２と金属端子との接合は、かしめ加工、溶接、導電性接着剤等により行うことができる。金属端子の材質としては、鉄合金やニッケル合金等の導電性金属を採用することができる。

【0032】

電極端子２を構成するセラミックスとしては、限定的ではないが、炭化珪素（ＳｉＣ）が挙げられ、珪化タンタル（ＴａＳｉ₂）及び珪化クロム（ＣｒＳｉ₂）等の金属珪化物等の金属化合物が挙げられ、更には、一種以上の金属を含む複合材（サーメット）を挙げることができる。サーメットの具体例としては、金属珪素と炭化珪素の複合材、珪化タンタルや珪化クロム等の金属珪化物と金属珪素と炭化珪素の複合材、更には上記の一種又は二種以上の金属に熱膨張低減の観点から、アルミナ、ムライト、ジルコニア、コージェライト、窒化珪素及び窒化アルミ等の絶縁性セラミックスを一種又は二種以上添加した複合材が挙げられる。電極端子２を構成するカーボンとしては、カーボンを主成分とすることが好ましい。カーボンを主成分とするとは、電極端子２を構成する全成分に対してカーボンの含有量が５０質量％以上であることを意味する。カーボンの含有量は、より好ましくは、８０質量％以上であり、更により好ましくは９０質量％以上である。

【0033】

図示はしないが、ハニカム構造体１は、外周壁１００と電極端子２との間に設けられた電極層をさらに有していてよい。

【0034】

電極層は、導電性を有する材料によって形成される。電極層は、酸化物セラミックス、又は金属若しくは金属化合物と酸化物セラミックスとの混合物であることが好ましい。金属として、単体金属又は合金のいずれでもよく、例えばシリコン、アルミニウム、鉄、ステンレス、チタン、タングステン、Ｎｉ－Ｃｒ合金などを好適に用いることができる。金属化合物として、酸化物セラミックス以外の物であって、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属珪化物、金属ホウ化物、複合酸化物等が挙げられ、例えばＦｅＳｉ₂、ＣｒＳｉ₂、アルミナ、シリカ、酸化チタンなどを好適に用いることができる。金属と金属化合物は、いずれも、単独一種でもよく、二種以上を併用しても良い。酸化物セラミックスとしては、具体的には、ガラス、コージェライト、ムライトなどがある。ガラスは、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選択される少なくとも一種の成分からなる酸化物を更に含んでも良い。上記群より選択される少なくとも一種を更に含んでいると、電極層の強度がより向上する点でより好ましい。

【0035】

電極層の形成領域に特段の制約はないが、ハニカム構造体１の均一発熱性を高めるという観点からは、各電極層は外周壁１００の外面上で外周壁１００の周方向及びセル１０１ａの延伸方向に帯状に延設することが好ましい。具体的には、各電極層は、ハニカム構造体１の両底面間の８０％以上の長さに亘って、好ましくは９０％以上の長さに亘って、より好ましくは全長に亘って延びていることが、電極層の軸方向へ電流が広がりやすいという観点から望ましい。

【0036】

各電極層の厚みは、０．０１～５ｍｍであることが好ましく、０．０１～３ｍｍであることがより好ましい。このような範囲とすることにより均一発熱性を高めることができる。各電極層の厚みが０．０１ｍｍ以上であると、電気抵抗が適切に制御され、より均一に発熱することができる。５ｍｍ以下であると、破損する恐れが低減される。各電極層の厚みは、厚みを測定しようとする電極層の箇所をセルの延伸方向に垂直な断面で観察したときに、各電極層の外面の当該測定箇所における接線に対する法線方向の厚みとして定義される。

【0037】

電極層の電気抵抗率については特に制限はないが、１×１０^-7～５×１０^-1Ω・ｍであることが好ましい。電極層の電気抵抗率が５×１０^-1Ω・ｍ以下であると、通電加熱時の抵抗を小さくすることができる。電極層の電気抵抗率は、５×１０^-7～２．５×１０^-1Ω・ｍであることがより好ましく、１×１０^-6～１．２５×１０^-1Ω・ｍであることが更により好ましい。本発明において、電極層の電気抵抗率は、四端子法により４００℃で測定した値とする。

【0038】

絶縁材３は、ハニカム構造体１及び電極端子２の外面を覆う部材である。絶縁材３は、ハニカム構造体１と電極端子２との接続位置を除いてハニカム構造体１の外周壁１００の外周面全体を覆う絶縁材本体３０と、絶縁材本体３０から立設されて電極端子２の外面を覆う絶縁材筒部３１とを有していてよい。ハニカム構造部１０の軸方向に係る絶縁材本体３０の長さは、ハニカム構造部１０の軸方向長さと同じか、又はハニカム構造部１０の軸方向長さより長くてよい。絶縁材筒部３１は電極端子２の基端部及び中間部の外面を覆っていてよく、電極端子２の先端部は露出されていてよい。電極端子２の先端部には図示しない金属端子が接続され得る。

【0039】

ジャケット４は、絶縁材３との間に第２流体が通される第２流路５を形成するための部材である。第２流路５は、絶縁材３とジャケット４との間の空間である。第２流路５は、ハニカム構造体１の周方向全域に渡って形成されていてよい。

【0040】

ジャケット４は、絶縁材３を介してハニカム構造体１の外周壁１００上に配置されてよい。ジャケット４は、ハニカム構造部１０の軸方向に関する両端に配置されて内面が絶縁材本体３０の外面に接するように配置された端部４０と、ハニカム構造部１０の軸方向に関して端部４０間に配置された中間部４１とを有している。端部４０及び中間部４１は互いに一体に設けられた筒状の部分である。中間部４１の内面間距離（内径）は絶縁材３の外面間距離（外径）よりも大きく、中間部４１の内面と絶縁材３の外面との間に第２流路５が形成されている。ハニカム構造部１０の軸方向に係る中間部４１の長さは、同方向に係る絶縁材本体３０の長さよりも短くてよい。
ハニカム構造部１０の軸方向に係る中間部４１の長さは、ハニカム構造部１０の軸方向長さと同じか、又はハニカム構造部１０の軸方向長さよりも短くてよい。

【0041】

ジャケット４の全体としての外形はハニカム構造部１０の外形と同じであってよい。図示の態様のようにハニカム構造部１０の外形が角柱状であるとき、ジャケット４の全体としての外形も角柱状であってよい。

【0042】

第２流路５の高さ（ハニカム構造部１０の軸方向に直交する方向に係る絶縁材３の外面とジャケット４の内面との離間距離）は、ハニカム構造部１０の軸方向及び／又は周方向に均一であってよいが、異なっていてもよい。図示の中間部４１は、大部４１１と、大部４１１よりも内面間距離が小さな小部４１２とを有している。大部４１１の位置における第２流路５の高さは、小部４１２の位置における第２流路５の高さよりも高くされている。ハニカム構造部１０の軸方向に関して、大部４１１は小部４１２の両側に配置されている。小部４１２は、ハニカム構造部１０の軸方向に係るハニカム構造部１０の中心位置を間に含むように延在されていてよい。

【0043】

ジャケット４には、第２流路５に第２流体を供給するための供給口４２と、第２流路５から第２流体を排出するための排出口４３とが設けられていてよい。供給口４２及び排出口４３は、ハニカム構造体１の軸方向及び／又は周方向に互いに離間して配置されていてよい。図示の態様では、供給口４２及び排出口４３はハニカム構造体１の軸方向に互いに離間して配置されている。第１流体の流れ方向に関して、供給口４２は、排出口４３よりも下流側に配置されていてよい。第１流体は図４の左側から右側に向けて流れてよい。

【0044】

本実施の形態の発熱機能付き熱交換装置は、電極端子２を通しての電圧の印加によるハニカム構造体１の発熱により第１流体を加熱できるとともに、第１流体及び／又はハニカム構造体１と第２流体との間で熱交換ができるように構成されている。第２流体と第１流体との間の熱交換はハニカム構造体１を通して行われ得る。すなわち、本実施の形態の発熱機能付き熱交換装置は、第１流体を加熱するための加熱装置と、第１流体及び／又はハニカム構造体１と第２流体との間で熱交換を行うための熱交換器を兼ねている。本実施の形態の発熱機能付き熱交換装置は、これら加熱装置及び熱交換器を別個に設ける場合と比較して、設置スペースを小さくできる。また、本実施の形態の発熱機能付き熱交換装置は、これら加熱装置及び熱交換器を別個に設ける場合と比較して、メンテナンス性を向上できる。

【0045】

本実施の形態の発熱機能付き熱交換装置は、メタネーションに代表される発熱反応を伴う発熱反応装置に組み込まれる。本実施の形態の発熱機能付き熱交換装置は、第１流体の発熱反応を起こすための反応装置をさらに兼ねていてよい。第１流体は、発熱反応により他の物質に変化される流体であり得る。第１流体としては、種々の流体が用いられるが、例えば炭化水素及び／又は水蒸気等が用いられ得る。第２流体は冷媒であり得る。第２流体としては、種々の流体が用いられるが、例えば水等が用いられ得る。

【0046】

第１流体の発熱反応を開始させるためにはエネルギーの入力又は加熱が必要となる。第１流体の反応初期に電極端子２を通しての電圧の印加によるハニカム構造体１の発熱により第１流体を加熱することができる。このとき、第２流体の循環（第２流路５への第２流体の供給及び第２流路５からの第２流体の排出）は停止されていてよい。第１流体の反応が進んだとき、第２流体の循環が開始され、第２流体との熱交換により第１流体の反応熱を回収することができる。このとき、ハニカム構造体１への電圧の印加が停止されていてよい。第２流体は発熱反応装置内の他の装置に供給され、その他の装置において回収熱が利用される。

【0047】

ハニカム構造部１０の熱伝導率は３０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることが好ましい。熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることで、第２流体との熱交換による第１流体の反応熱の回収をより確実に行うことができる。熱伝導率は５０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることがより好ましく、１２０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることが更により好ましい。熱伝導率の上限値に特に制限はないが、ハニカム構造部１０の主成分との関係により熱伝導率の上限値は３００Ｗ／（ｍ・ｋ）程度であり得る。

【0048】

熱伝導率を３０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上とする観点から、ハニカム構造部１０の材料としては、例えば骨材としてＳｉＣ粒子を主体とし、ＳｉＣ粒子間に金属Ｓｉを含むＳｉ－ＳｉＣ質の材料（焼結体）を用いることができる。

【0049】

図４に特に表すように、複数のセル１０１ａには、両端が目封じされた目封じセル１０１ｃが含まれていてよく、目封じセル１０１ｃには、ハニカム構造部１０の材料よりも比熱が高い材料で構成された蓄熱体６が封入されていてよい。蓄熱体６は、第１流体の反応熱を蓄えることができる。ハニカム構造体１を通しての第２流体と蓄熱体６との熱交換により、第１流体の反応熱の回収をより確実に行うことができる。特に、反応終了後の余剰熱を蓄熱体６に溜め、その余剰熱を回収できる。なお、図１及び図３等では目封じセル１０１ｃの図示を省略している。

【0050】

蓄熱体６としては種々の材料を用いることができるが、例えばハニカム構造部１０の材料が炭化珪素であるとき、蓄熱体６としては花崗岩等を用いることができる。

【0051】

隔壁１０１は多孔質としてもよい。目封じセル１０１ｃに隣接するセル１０１ａを通過する第１流体は、隔壁１０１及び目封じセル１０１ｃ（蓄熱体６）を通過して他のセル１０１ａに流入してよい。これにより、蓄熱体６が第１流体の反応熱をより確実に蓄えることができる。隔壁１０１を多孔質とする場合、隔壁１０１の気孔率は、３５～６０％であることが好ましく、３５～４５％であることがより好ましい。気孔率は、水銀ポロシメータにより測定した値である。ハニカム構造部１０の隔壁１０１の平均細孔径は、２～１５μｍであることが好ましく、４～８μｍであることがより好ましい。平均細孔径は、水銀ポロシメータにより測定した値である。

【0052】

ハニカム構造部１０には触媒が担持されていてよい。種々の触媒を用いることができるが、触媒としては、例えば三元触媒及び／又は酸化ニッケル等を用いることができる。

【0053】

絶縁材３は、ハニカム構造体１に印加された電圧による電流が第２流体及びジャケット４に漏れることを抑える機能と、第１流体及び／又はハニカム構造体１と第２流体との間で円滑に熱を移動させる機能とを有することが好ましい。換言すると、絶縁材３は、高い電気抵抗と高い熱伝導率との両立又はバランスをとることが好ましい。絶縁材３としては、比較的高い体積抵抗率と比較的高い熱伝導率を持つ材料（アルミナ等）を使用することができる。アルミナの体積抵抗率は１０¹⁰Ω・ｃｍ超であり、アルミナの熱伝導率は３０Ｗ／（ｍ・ｋ）である。絶縁材３（アルミナ膜）の厚みは３０μｍ以上かつ８００μｍ以下とすることができる。絶縁材３は、ハニカム構造体１及び電極端子２の外周面に絶縁材３の材料を塗布することで形成できる。絶縁材３の厚みはその材料の塗布量で調節できる。

【0054】

また、絶縁材３は、第１流体がハニカム構造体１の外部に漏れ出ることを抑える機能と、第２流体がハニカム構造体１に入り込むことを抑える機能とを有することが好ましい。換言すると、絶縁材３は、高い気密性及び／又は液密性を有していることが好ましい。これらは、絶縁材３の気孔率を調節することで確保することができる。気密性及び／又は液密性を確保するため、絶縁材３の気孔率は１０％以下であることが好ましい。

【0055】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0056】

１ ：ハニカム構造体
１０ ：ハニカム構造部
１００ ：外周壁
１０１ ：隔壁
１０１ａ ：セル
１０１ｂ ：第１流路
１０１ｃ ：目封じセル
２ ：電極端子
３ ：絶縁材
４ ：ジャケット
５ ：第２流路
６ ：蓄熱体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】