特許 7411101 熱交換部材および該熱交換部材を用いた熱交換器、ならびに該熱交換部材の製造方法

(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】

(24)【登録日】2023-12-26

(45)【発行日】2024-01-10

(54)【発明の名称】熱交換部材および該熱交換部材を用いた熱交換器、ならびに該熱交換部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   F28F 1/40 20060101AFI20231227BHJP

   F28F 21/04 20060101ALI20231227BHJP

   F28D 7/10 20060101ALI20231227BHJP

   F01N 5/02 20060101ALI20231227BHJP

【ＦＩ】

F28F1/40 J

F28F21/04

F28D7/10 A

F01N5/02 B

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022542503

(86)(22)【出願日】2021-12-23

(86)【国際出願番号】 JP2021047956

(87)【国際公開番号】W WO2022190573

(87)【国際公開日】2022-09-15

【審査請求日】2022-07-11

(31)【優先権主張番号】P 2021038879

(32)【優先日】2021-03-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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】100122471

【弁理士】

【氏名又は名称】籾井 孝文

(72)【発明者】

【氏名】久野 修平

(72)【発明者】

【氏名】永本 諭史

【審査官】礒部 賢

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１３５３１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０００－１８８４２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２０８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０３７１６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ １／４０

Ｆ２８Ｆ ２１／０４

Ｆ２８Ｄ ７／１０

Ｆ０１Ｎ ５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１端面から第２端面まで延びて第１流体の流路を形成するセルを規定する隔壁と、外周壁と、を有するハニカム構造体と；該ハニカム構造体の該外周壁を被覆する被覆部材と；を備え、
該隔壁および該外周壁が、セラミックスを主成分として含有し、
該外周壁表面のＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に規定されるＲＰｃが５５ｐｋｓ／ｃｍ以上である、
熱交換部材。

【請求項2】

前記被覆部材の内周面のＲＰｃが４５ｐｋｓ／ｃｍ以上である、請求項１に記載の熱交換部材。

【請求項3】

前記外周壁の表面のＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に規定される最大断面高さＲｔが７５μｍ以下である、請求項１または２に記載の熱交換部材。

【請求項4】

前記隔壁および前記外周壁が、炭化珪素を主成分として含有するセラミックスで構成されている、請求項１から３のいずれかに記載の熱交換部材。

【請求項5】

前記ハニカム構造体が、前記第１流体の流路方向に垂直な方向の断面全体に前記セルを有する、請求項１から４のいずれかに記載の熱交換部材。

【請求項6】

前記ハニカム構造体が、前記第１流体の流路方向に垂直な方向の断面において中心部に中空領域を有する、請求項１から４のいずれかに記載の熱交換部材。

【請求項7】

請求項１から６のいずれかに記載の熱交換部材と；
該熱交換部材の外側に該熱交換部材から離間して設けられた外筒と；
を備え、
該外筒と該熱交換部材の前記被覆部材との間に第２流体の流路が形成されている、
熱交換器。

【請求項8】

請求項１から６のいずれかに記載の熱交換部材の製造方法であって、
前記外周壁表面を９０番手以上かつ径２０ｍｍ以上の砥石を用いて周速度３．０ｍ／秒以上で切削加工することを含む、
製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換部材および該熱交換部材を用いた熱交換器、ならびに該熱交換部材の製造方法に関する。

【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。

【0003】

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、近年、柱状ハニカム構造体を有する熱交換部材をフレーム（ケーシング）内に収容し、第１流体を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。ハニカム構造体を有する熱交換部材としては、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を有する熱交換体が提案されている（特許文献１）。また、排気ガスのバイパス経路として機能する中空領域を備えた中空型（ドーナツ型）の柱状ハニカム構造体を有する熱交換部材が提案されている（特許文献２）。このような柱状ハニカム構造体を有する熱交換部材は非常に有用である一方で、さらなる熱交換性能の向上が継続的に求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６０７５３８１号

【文献】国際公開第２０１７／０６９２６５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の主たる目的は、優れた熱交換性能を有する熱交換部材を提供することにある。本発明のさらなる目的は、このような熱交換部材を用いた熱交換器およびこのような熱交換部材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】

【0006】

本発明の実施形態による熱交換部材は、第１端面から第２端面まで延びて第１流体の流路を形成するセルを規定する隔壁と、外周壁と、を有するハニカム構造体と；該ハニカム構造体の該外周壁を被覆する被覆部材と；を備える。該隔壁および該外周壁はセラミックスを主成分として含有し、該外周壁表面のＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に規定されるＲＰｃは５５ｐｋｓ／ｃｍ以上である。
１つの実施形態においては、上記被覆部材の内周面のＲＰｃは４５ｐｋｓ／ｃｍ以上である。
１つの実施形態においては、上記外周壁の表面のＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に規定される最大断面高さＲｔは７５μｍ以下である。
１つの実施形態においては、上記隔壁および上記外周壁は、炭化珪素を主成分として含有するセラミックスで構成されている。
１つの実施形態においては、上記ハニカム構造体は、上記第１流体の流路方向に垂直な方向の断面全体に上記セルを有する。別の実施形態においては、上記ハニカム構造体は、上記第１流体の流路方向に垂直な方向の断面において中心部に中空領域を有する。
本発明の別の局面によれば、熱交換器が提供される。この熱交換器は、上記の熱交換部材と；該熱交換部材の外側に該熱交換部材から離間して設けられた外筒と；を備え、該外筒と該熱交換部材の前記被覆部材との間に第２流体の流路が形成されている。
本発明のさらに別の局面によれば、上記の熱交換部材の製造方法が提供される。この製造方法は、上記外周壁表面を９０番手以上かつ径２０ｍｍ以上の砥石を用いて周速度３．０ｍ／秒以上で切削加工することを含む。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態によれば、優れた熱交換性能を有する熱交換部材を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の１つの実施形態による熱交換部材の第１流体の流路方向に平行な方向の概略断面図である。

【図2】本発明の１つの実施形態による熱交換部材の第１流体の流路方向に直交する方向の概略断面図（図１のＩＩ－ＩＩ線による概略断面図）である。

【図3】本発明の別の実施形態による熱交換部材の第１流体の流路方向に直交する方向の概略断面図である。

【図4】本発明の１つの実施形態による熱交換器の第１流体の流路方向に直交する方向の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。

【0010】

Ａ．熱交換部材
Ａ－１．熱交換部材の全体構成
図１は、本発明の１つの実施形態による熱交換部材の第１流体の流路方向に平行な方向の概略断面図であり；図２は図１の熱交換部材のＩＩ－ＩＩ線による概略断面図である。図示例の熱交換部材１００は、第１端面１２ａから第２端面１２ｂまで延びて第１流体の流路を形成するセル１４を規定する隔壁１６と、外周壁１８と、を有するハニカム構造体１０と；ハニカム構造体１０の外周壁１８を被覆する被覆部材２０と；を備える。隔壁１６および外周壁１８はセラミックスを主成分として含有する。

【0011】

本発明の実施形態においては、外周壁表面（外周壁の外周面）１８ａのＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に規定されるＲＰｃは５５ｐｋｓ／ｃｍ以上であり、好ましくは７５ｐｋｓ／ｃｍ以上であり、より好ましくは８０ｐｋｓ／ｃｍ以上であり、さらに好ましくは９０ｐｋｓ／ｃｍ以上である。ＲＰｃの上限は、例えば１１５ｐｋｓ／ｃｍであり得る。外周壁表面のＲＰｃがこのような範囲であれば、優れた熱交換性能が実現され得る。このような効果は、以下のように実現され得るのではないかと推察され得る。ただし、これはあくまで推察であり、本発明の実施形態による作用効果・メカニズムを拘束するものではない。ＲＰｃは表面粗さの指標の１つであり、基準範囲に存在する山の数を示す。ＲＰｃを上記のように所定値以上とすることにより、ハニカム構造体１０の外周壁表面１８ａと被覆部材２０の内周面２０ａとの確実な接触点が多くなる。この接触点が多くなることで、外周壁から被覆部材への熱伝達が向上し、熱交換性能が向上した熱交換部材が得られ得る。さらに、後述するように、本発明の実施形態においては、最大断面高さＲｔおよび算術平均粗さＲａはいずれも、代表的には所定値以下となる。すなわち、ハニカム構造体の外周壁表面の山の数は多いが突出して高い山はなく、かつ、外周壁表面の全体的な性状はそれほど荒れていない。その結果、ハニカム構造体１０の外周壁表面１８ａと被覆部材２０の内周面２０ａとは、多くの接触点を介して確実に接触するのみならず、全体的な（すなわち、表面全体同士の）接触も多くなる。したがって、本発明の実施形態によれば、ハニカム構造体（の外周壁表面）と被覆部材（の内周面）との熱伝達が向上し、その結果、優れた熱交換性能を有する熱交換部材が得られ得る。

【0012】

被覆部材２０の内周面２０ａのＲＰｃは、好ましくは４５ｐｋｓ／ｃｍ以上であり、より好ましくは８０ｐｋｓ／ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１２０ｐｋｓ／ｃｍ以上である。ＲＰｃの上限は、例えば１５０ｐｋｓ／ｃｍであり得る。被覆部材の内周面のＲＰｃがこのような範囲であれば、外周壁表面のＲＰｃを上記範囲とすることによる効果との相乗的な効果により、さらに優れた熱交換性能が実現され得る。

【0013】

外周壁表面１８ａのＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に規定される最大断面高さ（山高さの最大値と谷深さの最大値との和）Ｒｔは、好ましくは７５μｍ以下であり、より好ましくは５５μｍ以下であり、さらに好ましくは４５μｍ以下である。Ｒｔの下限は、特に限定されるものではないが、例えば１０μｍであり得る。外周壁表面のＲｔがこのような範囲であれば、外周壁表面のＲＰｃを上記範囲とすることによる効果との相乗的な効果により、さらに優れた熱交換性能が実現され得る。これは以下のように推察され得る（ただし、ＲＰｃの場合と同様に、本発明の実施形態による作用効果・メカニズムを拘束するものではない）。最大断面高さが高すぎる場合、そのような最大高さに起因して、ＲＰｃ（すなわち、山の数）が所定値以上であっても接触点の数が少なくなってしまう場合がある。したがって、最大断面高さを所定値以下とすることにより、ＲＰｃを所定値以上とすることによる確実な接触点の数を確保することができる。さらに、ハニカム構造体の外周壁表面と被覆部材の内周面との全体的な接触を確保することができる。なお、このようなＲｔと上記のようなＲＰｃとを両立する外周壁表面を有するハニカム構造体は、後述のＢ項に記載の製造方法により作製され得る。

【0014】

外周壁表面１８ａのＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に規定される算術平均粗さＲａは、好ましくは９．５μｍ以下であり、より好ましくは７．５μｍ以下であり、さらに好ましくは４．５μｍ以下である。Ｒａの下限は、特に限定されるものではないが、例えば０．５μｍであり得る。外周壁表面のＲａがこのような範囲であれば、外周壁表面のＲＰｃおよびＲｔを上記範囲とすることによる効果との相乗的な効果により、さらに優れた熱交換性能が実現され得る。すなわち、山によるハニカム構造体の外周壁表面と被覆部材の内周面との確実な接触点が多い状態で、全体的な（すなわち、表面全体同士の）接触も多くすることができる。その結果、ハニカム構造体（の外周壁表面）と被覆部材（の内周面）との熱伝達を向上させることができる。

【0015】

以下、熱交換部材を構成するハニカム構造体および被覆部材について説明する。

【0016】

Ａ－２．ハニカム構造体
ハニカム構造体１０は、図１および図２に示すように、第１端面１２ａから第２端面１２ｂまで延びて第１流体の流路を形成するセル１４を規定する隔壁１６と、外周壁１８と、を有する。熱交換部材１００において、ハニカム構造体１０のセル１４内を第１流体が流通し、被覆部材２０の外側を第２流体が流通する際（後述）、ハニカム構造体１０の外周壁１８および被覆部材２０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、目的に応じた任意の適切な液体または気体が挙げられる。例えば、自動車に搭載される熱交換器に熱交換部材１００が用いられる場合には、第１流体は好ましくは排ガスである。

【0017】

ハニカム構造体１０の第１流体の流路方向に直交する方向における断面形状としては、第１端面１２ａから第２端面１２ｂまで第１流体がセル１４内を流通する限りにおいて、任意の適切な形状が採用され得る。具体例としては、円形、楕円形、四角形またはその他の多角形が挙げられる。１つの実施形態においては、ハニカム構造体１０は円柱状であり、その断面は円形であり得る。

【0018】

セル１４は、第１流体の流路方向に直交する方向において、任意の適切な断面形状を有する。図示例においては、第１隔壁１６ａと第２隔壁１６ｂとが互いに直交し、外周壁１８と接する部分を除いて四角形（正方形）の断面形状を有するセル１４が規定される。セル１４の断面形状は、正方形以外に、三角形、五角形、六角形以上の多角形などの形状としてもよい。別の実施形態（図示せず）においては、セルは、第１流体の流路方向に直交する方向の断面の中心から放射方向に延びる第１隔壁と周方向に延びる第２隔壁とによって規定されてもよい。セルの断面形状およびサイズ（外周壁と接する部分を除く）は、すべてが同一であってもよく、少なくとも一部が異なっていてもよい。

【0019】

隔壁１６の厚みは、目的に応じて適切に設定され得る。隔壁１６の厚みは、例えば０．１ｍｍ～１．０ｍｍであり、また例えば０．２ｍｍ～０．６ｍｍであり得る。隔壁の厚みがこのような範囲であれば、ハニカム構造体の機械的強度を十分なものとすることができ、かつ、開口面積（断面におけるセルの総面積）を十分なものとすることができる。

【0020】

隔壁１６の密度は、目的に応じて適切に設定され得る。隔壁１６の密度は、例えば０．５ｇ／ｃｍ^３～５．０ｇ／ｃｍ^３であり得る。隔壁の密度がこのような範囲であれば、ハニカム構造体（結果として、熱交換部材）を軽量化することができ、かつ、機械的強度および熱伝導率を十分なものとすることができる。密度は、例えばアルキメデス法により測定され得る。

【0021】

外周壁１８の厚みは、１つの実施形態においては、隔壁１６の厚みより大きい。このような構成であれば、外力（例えば、外部からの衝撃、第１流体と第２流体との温度差による熱応力）による外周壁の破壊（例えば、ひび、割れ）を抑制することができる。外周壁１８の厚みは、熱交換部材を一般的な熱交換用途に用いる場合には、例えば０．３ｍｍ～１０ｍｍであり、また例えば０．５ｍｍ～５ｍｍであり得る。熱交換部材を蓄熱用途に用いる場合には、外周壁の厚みを例えば１０ｍｍ以上とすることにより熱容量を増大させることができる。

【0022】

隔壁１６および外周壁１８は、上記のとおりセラミックスを主成分として含有する。本明細書において「セラミックスを主成分として含有する」とは、隔壁１６および外周壁１８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。

【0023】

隔壁１６および外周壁１８の気孔率は、好ましくは１０％以下であり、より好ましくは５％以下であり、さらに好ましくは３％以下である。気孔率は例えば０％とすることができる。隔壁および外周壁の気孔率がこのような範囲であれば、ハニカム構造体の熱伝導率を向上させることができる。

【0024】

隔壁１６および外周壁１８は、好ましくは、炭化珪素を主成分として含有するセラミックスで構成されている。隔壁１６および外周壁１８は、例えば、全質量に対して５０質量％以上の割合で炭化珪素を含有し得る。

【0025】

炭化珪素の具体例としては、ＳｉＣ、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４が挙げられる。好ましくは、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣである。安価で、かつ、高熱伝導であるからである。なお、本明細書において例えば「ＳｉＣ」という表記は、純粋なＳｉＣのみならず、不可避の不純物を含むＳｉＣも包含することを意図している。

【0026】

図２の断面におけるセル密度（すなわち、単位面積当たりのセル１４の数）は、目的に応じて適切に設定され得る。セル密度は、例えば４セル／ｃｍ^２～３２０セル／ｃｍ^２であり得る。セル密度がこのような範囲であれば、ハニカム構造体の強度および有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分に確保するとともに、第１流体が流れる際の圧力損失を抑制することができる。

【0027】

ハニカム構造体１０は、図２に示すように、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面全体にセル１４を有していてもよく；図３に示すように、当該断面において中心部に中空領域１９を有していてもよい。ハニカム構造体が中空領域を有する場合、中空領域が第１流体のバイパスとして機能し得る。このような構成であれば、熱回収性能と熱遮断性能との両立が可能な熱交換部材（結果として、熱交換器）を実現することができる。ハニカム構造体が中空領域を有する場合、ハニカム構造体は、外周壁１８、内周壁１７、外周壁１８と内周壁１７との間に配設され、第１端面１２ａから第２端面１２ｂまで延びる第１流体の流路となる複数のセル１４を区画形成する隔壁１６を有する。ハニカム構造体が中空領域を有する場合、中空領域の形状としては、任意の適切な形状が採用され得る。具体例としては、円形、楕円形、四角形またはその他の多角形が挙げられる。中空領域の形状は、ハニカム構造体の形状と同一であってもよく、異なっていてもよい。好ましくは、中空領域の形状は、図３に示すようにハニカム構造体の形状と同一である。このような構成であれば、外部からの衝撃、第１流体と第２流体との温度差による熱応力等に対して良好な耐久性が得られ得る。また、第１流体の流路方向に直交する断面における内周壁の直径は、１ｍｍ～１００ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ～７０ｍｍであることがより好ましい。内周壁の断面形状が円形でない場合には、内周壁の断面形状に内接する最大内接円の直径を、内周壁の直径とする。なお、内周壁の構成は外周壁および隔壁について上記で説明したとおりであり、内周壁の厚みは外周壁の厚みと同様であり得る。

【0028】

ハニカム構造体のアイソスタティック強度は、好ましくは５ＭＰａ以上であり、より好ましくは１０ＭＰａ以上であり、さらに好ましくは１００ＭＰａ以上である。このような構成であれば、耐久性に優れたハニカム構造体とすることができる。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に準じて測定することができる。

【0029】

図２の断面におけるハニカム構造体の直径は、目的に応じて適切に設定され得る。ハニカム構造体の直径は、例えば２０ｍｍ～２００ｍｍであり得、また例えば３０ｍｍ～１００ｍｍであり得る。ハニカム構造体の直径がこのような範囲であれば、熱回収効率を向上させることができる。なお、ハニカム構造体の断面形状が円形でない場合には、ハニカム構造体の断面形状（例えば、多角形）に内接する最大内接円の直径をハニカム構造体の直径とすることができる。

【0030】

ハニカム構造体の長さは、目的に応じて適切に設定され得る。ハニカム構造体の長さは、例えば３ｍｍ～２００ｍｍであり得、また例えば５ｍｍ～１００ｍｍであり得、また例えば１０ｍｍ～５０ｍｍであり得る。

【0031】

ハニカム構造体の２５℃における熱伝導率は、好ましくは５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、より好ましくは１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、さらに好ましくは１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。熱伝導率がこのような範囲であれば、熱伝導性が良好となり、ハニカム構造体内の（実質的には、第１流体の）熱を外部（例えば、第２流体）に効率良く伝達させることができる。なお、熱伝導率は、ＪＩＳ Ｒ １６１１－１９９７（レーザーフラッシュ法）により測定され得る。

【0032】

セル１４に第１流体として排ガスを流す場合、隔壁１６に触媒が担持されてもよい。隔壁１６に触媒を担持させることにより、排ガス中のＣＯ、ＮＯ_ｘ、炭化水素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ともに、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。触媒は、例えば、貴金属（例えば、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、インジウム、銀、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、バリウム、およびこれらの組み合わせを含有し得る。これらの元素は、金属単体、金属酸化物、またはそれ以外の金属化合物として含有され得る。

【0033】

Ａ－３．被覆部材
被覆部材２０としては、ハニカム構造体１０の外周壁１８を被覆し得る限りにおいて、任意の適切な構成が採用され得る。被覆部材２０としては、例えば、ハニカム構造体１０の外周壁１８に嵌合してハニカム構造体１０の外周壁１８を周回被覆する管状部材を用いることができる。本明細書において「嵌合」とは、ハニカム構造体と被覆部材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、「嵌合」という語は、ハニカム構造体と被覆部材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り固定されている状態のみならず、ろう付け、溶接、拡散接合などにより固定されている状態も包含する。

【0034】

被覆部材２０はハニカム構造体１０の外周壁１８に対応した内面形状を有することができる。被覆部材２０の内周面がハニカム構造体１０の外周壁１８に直に接することにより、かつ、ハニカム構造体の外周壁表面および／または被覆部材の内周面のＲＰｃを上記Ａ－１項に記載のような範囲とすることにより、熱伝達性がきわめて良好となり、ハニカム構造体内の（実質的には、第１流体の）熱を被覆部材にきわめて効率的に伝達することができる。

【0035】

ハニカム構造体１０の外周壁１８の全面積に対して、被覆部材２０によって周回被覆されるハニカム構造体２０の外周壁１８の部分の面積の割合は、高いほど好ましい。このような構成であれば、熱回収効率を高めることができる。当該面積割合は、好ましくは８０％以上であり、より好ましくは９０％以上であり、さらに好ましくは１００％（すなわち、ハニカム構造体１０の外周壁１８の全部が被覆部材２０によって周回被覆される）である。なお、ここでいう「外周壁１８の面積」とは、第１流体の流路方向に平行な方向の面積を意味し、第１端面および第２端面における面積は含まない。

【0036】

被覆部材２０は、好ましくは金属製である。このような構成であれば、製造効率に優れ、かつ、熱交換器（後述）を作製する際に、外筒（ケーシング）への取り付け（例えば、溶接）が容易である。被覆部材を構成する材料としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮が挙げられる。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。

【0037】

被覆部材２０の厚みは、例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍであり得、また例えば０．３ｍｍ～５ｍｍであり得、また例えば０．５ｍｍ～３ｍｍであり得る。被覆部材の厚みがこのような範囲であれば、耐久信頼性と熱伝導性とのバランスに優れ得る。

【0038】

被覆部材２０の長さは、目的、ハニカム構造体１０の長さ等に応じて適切に設定され得る。被覆部材の長さは、例えば５ｍｍ～２５０ｍｍであり得、また例えば１０ｍｍ～１５０ｍｍであり得、また例えば２０ｍｍ～１００ｍｍであり得る。好ましくは、被覆部材２０の長さは、ハニカム構造体１０の長さよりも大きい。この場合、ハニカム構造体は、被覆部材の中央部に（すなわち、ハニカム構造体が被覆部材から露出しないようにして）配置され得る。

【0039】

Ｂ．熱交換部材の製造方法
本発明の実施形態による熱交換部材の製造方法は、ハニカム構造体（実質的には、その前駆体）の外周壁表面を１００番手以上かつ径２０ｍｍ以上の砥石を用いて周速度６．０ｍ／秒以上で切削加工することを含む。このような製造方法によれば、ハニカム構造体１０において上記Ａ－１項に記載のＲＰｃを有する外周壁表面１８ａが形成され得る。必要に応じて、被覆部材の内周面をさらに切削加工してもよい。これにより、上記Ａ－１項に記載のＲＰｃを有する内周面２０ａが形成され得る。

【0040】

砥石の番手、径および周速度を適切に組み合わせて調整することにより、ＲＰｃを調整することができる。例えば、砥石の径および番手が小さい場合には、回転数を大きくすることにより所望のＲＰｃを有する外周壁表面１８ａを形成することができる。また例えば、砥石の径を大きくすると、小さい番手および回転数で所望のＲＰｃを有する外周壁表面１８ａを形成することができる。

【0041】

より詳細には、砥石が例えば９０番手～１４０番手であり、および、砥石の径が例えば２０ｍｍ～１００ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ～６０ｍｍである場合には、砥石の回転数は好ましくは３０００ｒｐｍ以上であり、より好ましくは４０００ｒｐｍ～７０００ｒｐｍである。この場合、砥石の周速は、例えば３ｍ／ｓ～１５ｍ／ｓである。砥石が例えば１００番手以上、好ましくは１２０番手以上であり、および、砥石の径が例えば１５０ｍｍ以上、好ましくは２００ｍｍ～４００ｍｍである場合には、砥石の回転数は好ましくは３０００ｒｐｍ以下であり、好ましくは１２００ｒｐｍ～２０００ｒｐｍである。この場合、砥石の周速は、例えば２０ｍ／ｓ～３５ｍ／ｓである。いずれの場合であっても、砥石の切込み量は、例えば０．１ｍｍ～０．４ｍｍである。

【0042】

好ましくは、砥石による切削加工は、切削加工の対象であるワーク（実質的には、ハニカム構造体の前駆体）を回転させながら行われる。ワークの回転速度は、例えば１００ｒｐｍ～５００ｒｐｍであり、好ましくは１５０ｒｐｍ～３００ｒｐｍである。

【0043】

なお、ハニカム構造体は、以下の方法により作製され得る。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。ハニカム成形体の形成材料としては、上記Ａ－２項に記載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構造体を製造する場合、所定量のＳｉＣ粉末にバインダーと水また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。次いで、得られたハニカム成形体を乾燥し、所定の外形寸法に加工しハニカム乾燥体を得て、減圧の不活性ガスまたは真空中でハニカム乾燥体中に金属Ｓｉを含浸焼成することによって、ハニカム構造体を得ることができる。砥石による切削加工は、焼成前（乾燥および寸法加工後）に行ってもよく、焼成後に行ってもよい。

【0044】

Ｃ．熱交換器
図４は、本発明の１つの実施形態による熱交換器の第１流体の流路方向に直交する方向の概略断面図である。図示例の熱交換器２００は、図１および図２に示す熱交換部材１００と；熱交換部材１００の外側に熱交換部材から離間して設けられた外筒（ケーシング）１２０と；を備え、外筒（ケーシング）１２０と熱交換部材１００の被覆部材２０との間に第２流体の流路１４０が形成されている。なお、図示例では図１および図２に示す熱交換部材１００が用いられているが、熱交換部材としては、上記Ａ項およびＢ項に記載の本発明の実施形態による任意の適切な熱交換部材が用いられ得る。例えば、図３に示す熱交換部材１０２が用いられてもよい。

【0045】

外筒１２０は、代表的には筒状部１２１が被覆部材２０を周回被覆しており、好ましくは熱交換部材１００全体を周回被覆している。外筒１２０は、第２流体の入口１２２、入口１２２と筒状部１２１とを連結する入口導管１２３、第２流体の出口１２４、および、出口１２４と筒状部１２１とを連結する出口導管１２５を有する。第２流体は入口１２２から流入し、入口導管１２３を通って流路１４０に流れる。次いで、第２流体は、流路１４０を流れながら、熱交換部材１００のセル１４を流通する第１流体との熱交換を受け、出口導管１２５を通って出口１２４から流出する。第２流体としては、目的に応じた任意の適切な流体が挙げられる。例えば、熱交換器が自動車に搭載される場合には、第２流体は好ましくは水または不凍液（ＪＩＳ Ｋ ２２３４：２００６で規定されるＬＬＣ）である。第２流体の温度は、好ましくは、第１流体の温度よりも低い。熱交換部材１００の被覆部材２０が低温で膨張せず、ハニカム構造体１０が高温で膨張することにより、両者の嵌合が強固となるからである。

【0046】

好ましくは、第１流体の流路方向の両端部における被覆部材２０の外周面は、外筒１２０の内面と周回状に密接している。このような構成であれば、第２流体の外部への漏れを防止することができる。当該密接は、任意の適切な手段により行われる。具体例としては、溶接、拡散接合、ろう付け、機械的な締結が挙げられる。溶接が好ましい。耐久信頼性が高く、構造強度の改善も図ることができるからである。

【0047】

外筒１２０は、好ましくは金属製である。このような構成であれば、製造効率および熱伝導性のいずれにも優れ得る。外筒を構成する材料としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮が挙げられる。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。

【0048】

外筒１２０の厚みは、例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍであり、また例えば０．５ｍｍ～５ｍｍであり、また例えば１ｍｍ～３ｍｍである。外筒の厚みがこのような範囲であれば、耐久信頼性とコスト、体積および重量とのバランスに優れる。

【0049】

外筒１２０は、一体成形品であってもよく、２つ以上の部材から形成される接合部材であってもよい。接合部材であれば、外筒の設計自由度を高めることができる。

【実施例】

【0050】

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。実施例における評価項目は以下のとおりである。

【0051】

（１）ＲＰｃ、ＲａおよびＲｔ
実施例および比較例で作製したハニカム構造体の外周壁表面のＲＰｃ、ＲｔおよびＲａをそれぞれ、表面粗さ測定機（テーラーホブソン社製、製品名「フォームタリサーフＳ５Ｋ」）を用いて測定した。測定はｎ＝２で行い、平均値をＲＰｃ、ＲａおよびＲｔとした。

【0052】

（２）熱交換試験
実施例および比較例で得られた熱交換器について、以下の方法で、熱交換試験を行った。ハニカム構造体に、４００℃（＝Ｔｇ１）の空気（第１流体）を流量１０ｇ／秒（Ｍｇ）で流した。一方、入口から４０℃（＝Ｔｇ２）の冷却水（第２流体）を流量１０Ｌ／分（Ｍｗ）で供給し、熱交換後の冷却水を出口から回収した。熱交換器に対して空気および冷却水５分間通過させた直後に、熱交換器の入口における冷却水の温度（Ｔｗ１）および出口における冷却水の温度（Ｔｗ２）を測定し、熱回収量Ｑを求めた。測定はｎ＝２で行い、平均値を熱回収効率とした。
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（Ｋ）×Ｃｐｗ（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））×Ｐｗ（ｋｇ／ｍ３）×Ｍｗ（Ｌ／分）÷（６０×１０^６）
式中、ΔＴｗ＝Ｔｗ２－Ｔｗ１、Ｃｐｗ（水の比熱）＝４１８２Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、Ｐｗ（水の密度）＝９９７ｋｇ／ｍ^３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。

【0053】

＜実施例１＞
１．ハニカム構造体の作製
ＳｉＣ粉末を含む坏土を最終的に図３に示すような断面形状となるように押し出した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工し、ハニカム乾燥体を得た。得られたハニカム乾燥体の外周壁表面を、マシニングセンタを用いて切削加工した。マシニングセンタの砥石の番手は９０番手、径は２０ｍｍ、回転数は３０００ｒｐｍ、周速は３．１ｍ／ｓ、切込み量は０．２ｍｍであった。外周壁表面を切削加工したハニカム成形体をＳｉ含浸焼成することにより、円柱状のハニカム構造体を作製した。得られたハニカム構造体の外周壁表面のＲＰｃは５５．４ｐｋｓ／ｃｍ、Ｒａは９．１２μｍ、Ｒｔは７３．５μｍであった。なお、ハニカム構造体は、外周壁の直径が７５ｍｍ、内周壁の直径が５７ｍｍ、セルの延びる方向の長さが３３ｍｍであり、図３に示すようなハニカム構造体の軸方向（セルの延びる方向）に直交する断面の中心部に中空領域を有する、いわゆるドーナツ状であった。ハニカム構造体の軸方向（セルの延びる方向）に直交する断面におけるセル形状は四角形とした。ハニカム構造体のセル密度は５７セル／ｃｍ^２、隔壁の厚さは０．３ｍｍ、外周壁および内周壁の厚さは１．５ｍｍであった。

【0054】

２．熱交換部材の作製
被覆部材としてステンレス製の管状部材を用いた。上記で得られたハニカム構造体を加熱膨張させた管状部材の内部中央まで挿入し、その後、冷却収縮させることにより被覆部材内にハニカム構造体を固定する焼き嵌めによって、被覆部材の内周面をハニカム構造体の外周面に嵌合させ、熱交換部材を作製した。被覆部材の内周面のＲＰｃは１３０ｐｋｓ／ｃｍであった。

【0055】

３．熱交換器の作製
図４に示すような、筒状部、入口、入口と筒状部とを連結する入口導管、出口、および、出口と筒状部とを連結する出口導管を有するステンレス製の筒状のケーシング（外筒）を金型成形により成形した。上記で得られた熱交換部材を外筒内部に挿入し、溶接により外筒内に熱交換部材を固定し、熱交換部材全体を周回被覆した。ハニカム構造体の軸方向（セルの延びる方向）の両端部における外周側面を溶接により外筒の内側面と周回状に密接させた。このようにして、熱交換器を作製した。得られた熱交換器を上記（２）の評価に供した。結果を表１に示す。

【0056】

＜実施例２～４および比較例１～２＞
表１に示す条件でハニカム成形体の外周壁表面を切削加工したこと以外は実施例１と同様にして、外周壁表面が表１に示すＲＰｃ、ＲａおよびＲｔを有するハニカム構造体を作製した。このハニカム構造体を用いたこと以外は実施例１と同様にして、熱交換部材および熱交換器を作製した。得られた熱交換器を実施例１と同様の評価に供した。結果を表１に示す。

【0057】

＜実施例５＞
マシニングセンタの代わりに円筒研削盤を用いたこと、表１に示す条件でハニカム乾燥体の外周壁表面を切削加工したこと、および、切削加工の際にハニカム乾燥体を３００ｒｐｍで回転させたこと以外は実施例１と同様にして、外周壁表面が表１に示すＲＰｃ、ＲａおよびＲｔを有するハニカム構造体を作製した。このハニカム構造体を用いたこと以外は実施例１と同様にして、熱交換部材および熱交換器を作製した。得られた熱交換器を実施例１と同様の評価に供した。結果を表１に示す。

【0058】

＜実施例６＞
ＳｉＣ粉末を含む坏土を実施例１と同様の形状に押し出した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工した後、Ｓｉ含浸焼成することにより、ハニカム焼成体を得た。得られたハニカム焼成体の外周壁表面を、円筒研削盤を用いて切削加工した。円筒研削盤の砥石の番手は１７０番手、径は３５０ｍｍ、回転数は１８００ｒｐｍ、周速は３３ｍ／ｓ、切込み量は０．２ｍｍであった。また、切削加工の際には、ハニカム焼成体を１５０ｒｐｍで回転させた。このようにして得られたハニカム構造体の外周壁表面のＲＰｃは９１．４ｐｋｓ／ｃｍ、Ｒａは１．５３μｍ、Ｒｔは３２．７μｍであった。このようにして、円柱状のハニカム構造体を作製した。得られたハニカム構造体の寸法および形状は、実施例１と同様であった。このハニカム構造体を用いたこと以外は実施例１と同様にして、熱交換部材および熱交換器を作製した。得られた熱交換器を実施例１と同様の評価に供した。結果を表１に示す。

【0059】

【表1】

【0060】

表１から明らかなとおり、本発明の実施例の熱交換器は、比較例に比べて熱回収効率が有意に増大している。

【産業上の利用可能性】

【0061】

本発明の実施形態による熱交換部材および熱交換器は、それぞれ、加熱体（高温側）と被加熱体（低温側）との間で熱交換が行われる任意の適切な用途に用いられ、特に、自動車の排ガスからの熱回収用途に好適に用いられ得る。

【符号の説明】

【0062】

１０ ハニカム構造体
１２ａ 第１端面
１２ｂ 第２端面
１４ セル
１６ 隔壁
１７ 内周壁
１８ 外周壁
２０ 被覆部材
１００ 熱交換部材
１２０ 外筒
１４０ 第２流体の流路
２００ 熱交換器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】