JP6158687B2

JP6158687B2 - 熱交換部材

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Publication number: JP6158687B2
Application number: JP2013229823A
Authority: JP
Inventors: 徳田　昌弘; 昌弘徳田; 竜生川口; 宮崎　誠; 誠宮崎
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: JP2015090235A

Description

本発明は、第一の流体と第二の流体との熱交換を行うことができる、ハニカム構造体を用いた熱交換部材に関する。

自動車の燃費改善のため、エンジンなどの燃焼排ガスの高温気体から熱を回収して有効利用する排熱回収の技術や、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する排気冷却の技術が求められている。

そのような技術に用いられる熱交換器として、特許文献１に示されるようなセラミックス製ハニカム構造体を用いた熱交換器が知られている。熱交換器では、熱を伝導する熱交換部材によって、温度の高い流体と温度の低い流体との間で熱の受け渡しを行う。このような熱交換器では、非常に温度の高い流体を使用する場合や、水などの腐食を生じさせやすい流体を使用する場合があるので、特許文献１では、セラミックス製の熱交換部材が使用されている。セラミックス製の熱交換部材を使用すると、耐熱性や耐腐食性を高めることが可能になる。

また、熱交換部材は、温度の高い流体から熱を受けて膨張したり、あるいは温度の低い流体に熱を奪われて収縮したりすることがある。特に熱交換部材では、これら２種の流体の温度差に起因して部分によって温度差が生じやすくなる。この温度差によって、熱交換部材の部分によって熱に起因した収縮や膨張の度合いが異なる。その結果、熱交換部材中の特定の部分で局所的に大きな熱応力が生じてしまうことがある。このように熱交換部材中の特定の部分で局所的に大きな熱応力が生じてしまうと、その部分で破損しやすくなる。このような熱応力によって引き起こされる問題への対処として、特許文献２では、熱交換部材の外周壁にスリットを設けて熱応力を緩和し、破損が生じにくい構造にすることが行われている。

国際公開第２０１１／０７１１６１号国際公開第２０１３／００２３９５号

しかしながら、特許文献２のスリットを設けた構造では、外周からの圧縮力に対して強度が低下するといった課題があった。また、許容発生応力以上の環境となった場合、応力集中箇所が存在しないため、破壊モードが安定せず、破損による破片の脱落等のリスクが懸念されていた。

本発明の課題は、圧縮力に強く、想定外の破壊モードによる破片の脱落等のリスクを回避することができる熱交換部材を提供することにある。

本願発明者らは、熱交換部材を構成するハニカム構造体、または被覆部材に、ハニカム構造体の外周壁に亀裂を発生しやすくする亀裂誘因部を形成することにより、上記課題を解決することができることを見出した。本発明によれば、以下の熱交換部材が提供される。

［１］筒形状の外周壁と、第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するセラミックスを主成分とするハニカム構造体と、前記ハニカム構造体を被覆する被覆部材と、を備え、前記ハニカム構造体の前記外周壁、または前記被覆部材に、前記外周壁の特定の部分に亀裂を発生しやすくする亀裂誘因部を有し、前記亀裂誘因部は、前記外周壁の外周面及び内周面に、他の部分に比べて前記外周壁の厚さが薄くなるように形成された凹部であり、前記セルを流通する前記第一の流体と、前記被覆部材の外側を流通する前記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及び前記被覆部材を介して前記第一の流体と前記第二の流体を熱交換させる熱交換部材。

［２］筒形状の外周壁と、第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するセラミックスを主成分とするハニカム構造体と、前記ハニカム構造体を被覆する被覆部材と、を備え、前記ハニカム構造体の前記外周壁、または前記被覆部材に、前記外周壁の特定の部分に亀裂を発生しやすくする亀裂誘因部を有し、前記亀裂誘因部は、前記外周壁において、他の部分に比べて気孔率が高く形成された、前記外周壁の外側から前記外周壁の途中までの高気孔率部であり、前記セルを流通する前記第一の流体と、前記被覆部材の外側を流通する前記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及び前記被覆部材を介して前記第一の流体と前記第二の流体を熱交換させる熱交換部材。

［３］筒形状の外周壁と、第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するセラミックスを主成分とするハニカム構造体と、前記ハニカム構造体を被覆する被覆部材と、を備え、前記ハニカム構造体の前記外周壁、または前記被覆部材に、前記外周壁の特定の部分に亀裂を発生しやすくする亀裂誘因部を有し、前記亀裂誘因部は、前記被覆部材の内周側に形成され、前記外周壁を押圧する、前記外周壁に接触する部分が鋭利な形状の凸部であり、前記セルを流通する前記第一の流体と、前記被覆部材の外側を流通する前記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及び前記被覆部材を介して前記第一の流体と前記第二の流体を熱交換させる熱交換部材。

熱交換部材を構成するハニカム構造体、または被覆部材に、ハニカム構造体に亀裂を発生させる亀裂誘因部を有することにより、外周壁の特定の部分に亀裂を発生しやすくすることができる。亀裂を発生させることにより、熱応力を緩和し、熱応力による破損を抑制することができる。これにより、外周壁や隔壁の脱落を防止することができる。

熱交換部材を構成するハニカム構造体の軸方向における端面の模式図である。ハニカム構造体と、被覆部材とを一体とする前を示す斜視図である。ハニカム構造体と、被覆部材とを一体化した、熱交換部材を示す斜視図である。軸方向における端面側から見た熱交換部材の模式図である。凹部が、軸方向において複数箇所に分離して形成された実施形態を示す模式図である。ハニカム構造体の外周壁に形成された、凹部の他の実施形態を示す軸方向における端面の模式図である。ハニカム構造体の外周壁に形成された、凹部のさらに他の実施形態を示す軸方向における端面の模式図である。ハニカム構造体の外周壁に、気孔率が高く形成された高気孔率部が設けられた実施形態を示す模式図である。被覆部材の内周側に、外周壁を押圧する凸部が形成された実施形態を示す模式図である。熱交換部材を備えた熱交換器を示す模式図である。比較例１の熱交換部材を軸方向の一方の端面側から見たところを示す模式図である。比較例２の熱交換部材を軸方向の一方の端面側から見たところを示す模式図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施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。

（熱交換部材）
図１に本発明の熱交換部材１０を構成するハニカム構造体１の軸方向９における端面２の模式図を示す。また、図２Ａは、熱交換部材１０を構成するハニカム構造体１と、被覆部材１１とを一体とする前を示す斜視図である。さらに、図２Ｂは、ハニカム構造体１と、被覆部材１１とを一体化した、熱交換部材１０を示す斜視図である。図２Ｃは、軸方向９における端面２側から見た熱交換部材１０の模式図である。

本発明の熱交換部材１０は、筒形状の外周壁７と、第一の流体の流路となる複数のセル３を区画形成する隔壁４とを有するセラミックスを主成分とするハニカム構造体１と、ハニカム構造体１を被覆する被覆部材１１と、を備える。また、ハニカム構造体１の外周壁７、または被覆部材１１に、外周壁７の特定の部分に亀裂を発生しやすくする亀裂誘因部１５を有する。図１では、亀裂誘因部１５として、外周壁７に凹部１５ａが形成されている（被覆部材１１に亀裂誘因部１５が形成された実施形態は、後述する。）。外周壁７の凹部１５ａは、外周壁７の外周面７ｈ及び／又は内周面７ｇに形成されていることが好ましい。熱交換部材１０は、セル３を流通する第一の流体と、被覆部材１１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及び被覆部材１１を介して第一の流体と第二の流体を熱交換させる。

被覆部材１１がハニカム構造体１の外周面７ｈを被覆しているため、ハニカム構造体１の内部を流れる第一の流体とハニカム構造体１の外部（被覆部材１１の外側）を流れる第二の流体とを混合させずに、それぞれを流通させ、熱交換することができる。外周壁７や隔壁４に熱を伝導させて、第一の流体と第二の流体との熱交換を行わせると、外周壁７や隔壁４において場所により温度差が生じる。こうした温度差は熱に伴う膨張や収縮の度合いの差を生み、その結果、外周壁７や隔壁４に熱応力を生じさせる。この熱応力は、外周壁７や隔壁４の歪みや割れの原因になりうる。本発明の熱交換部材１０では、外周壁７の他の部分に比べ外周壁７の特定の部分に亀裂を発生しやすくする亀裂誘因部１５が設けられている。亀裂誘因部１５が亀裂発生起点となって亀裂が発生し、外周壁７に生じる熱応力を緩和させる。これによって外周壁７や隔壁４での歪みや割れの発生を抑えることができる。以下、さらに詳しく説明する。

（ハニカム構造体）
ハニカム構造体１は、隔壁４を有し、隔壁４によって軸方向９の一方の第一の端面２ａから他方の第二の端面２ｂまで貫通する複数のセル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の内部を流通する第一の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。

図１に示す実施形態では、亀裂誘因部１５は、外周壁７の外周面７ｈ及び内周面７ｇに、他の部分に比べて外周壁７の厚さが薄くなるように形成された凹部１５ａである。すなわち、外周壁７の外周側及び内周側に、軸方向９における端面２（または軸方向９に垂直な断面）において、三角形状（Ｖ字形状）の凹部１５ａが形成されている（図１、図２Ｃ参照）。この凹部１５ａは、図２Ａに示すように、軸方向９の一方の第一の端面２ａから他方の第二の端面２ｂまで形成された溝部である（なお、軸方向９の全長に形成されていなくてもよい）。本実施形態では、図１に示すように、凹部１５ａは、軸方向９に垂直な断面において９０°間隔に４つ形成されている。凹部１５ａは、軸方向９に垂直な断面において、中心軸９ａを中心とした点対称の位置に形成されていることが好ましい。外周壁７の凹部１５ａは、外周壁７の外周面７ｈ及び／又は内周面７ｇに形成されていることが好ましく、外周壁７の外周面７ｈに形成されていることがより好ましい。外周壁７の外周面７ｈの方が、凹部１５ａを形成することが容易である。高温の流体をセル３内に流通させることにより熱応力が負荷された際、外周壁７の外周面７ｈの温度が低く拘束されるため、中心部の膨張により外周面７ｈを起点として亀裂が発生する。そのため、亀裂の起点となる外周面７ｈに凹部１５ａを形成した方が、亀裂誘因部１５としての効果が大きい。

亀裂誘因部１５である凹部１５ａは、軸方向９（流体流れ）に垂直な断面において、三角形形状（Ｖ字形状）となることが望ましい。このように形成することにより、先端部に応力が集中し、亀裂誘因部１５としての機能を発揮することができる。外周面７ｈまたは内周面７ｇのどちらか一方に凹部１４ａが形成された場合、凹部１５ａの深さ１５ｔは、ハニカム構造体１の外周壁７の厚み７ｔに対し、１０％以上９０％以下の深さであることが好ましく、２０％以上７０％以下であることがさらに好ましい。外周面７ｈおよび内周面７ｇの両方に凹部１４ａが形成された場合、外周面７ｈおよび内周面７ｇの凹部１５ａの深さ１５ｔの和が、ハニカム構造体１の外周壁７の厚み７ｔに対し、１０％以上９０％以下の深さであることが好ましく、２０％以上７０％以下であることがさらに好ましい。

亀裂誘因部１５は、外周壁７を分断するスリットではなく、外周壁７の一部に形成された凹部１５ａであるため、外周壁７は連続体として維持されており、圧縮力に強い。許容発生応力以下の使用条件下では、外周壁７の気密性が確保されるため、高い耐久信頼性を有する。もし、許容応力を超えた場合には、凹部１５ａが予め設定された亀裂発生起点となって亀裂が発生するため、応力を緩和することができる。これにより、想定外の破壊モードによる破片の脱落等のリスクを回避することができる。

亀裂誘因部１５は、軸方向９に垂直な断面において、少なくとも４等配の箇所に配置されているのが好ましく、８等配の箇所に配置されているのがさらに好ましい。亀裂誘因部１５は、軸方向９においてハニカム構造体１の全長に設けられていることが好ましいが、全長に施されてなくてもよい。軸方向９において、複数箇所に分離して形成されていてもよい（図２Ｄ参照）。

図３Ａに、ハニカム構造体１の外周壁７に形成された、亀裂誘因部１５である凹部１５ａの他の実施形態を示す。この実施形態では、凹部１５ａの断面がＶ字形状に、言い換えると、略二等辺三角形として形成されている。この二等辺三角形は、底辺１５ｍ（外周面７ｈ上の辺）に対し、他の二辺１５ｎが長く形成されている。外周上の辺（底辺１５ｍ）に対し、残り二辺１５ｎの長さが長くなるような三角形であると、先端部に応力が集中することになり、好ましい。また、本実施形態は、亀裂誘因部１５の凹部１５ａが、軸方向９に垂直な断面において、８等配の箇所に配置されている。

図３Ｂに、ハニカム構造体１の外周壁７に形成された、亀裂誘因部１５である凹部１５ａのさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、凹部１５ａの軸方向９に垂直な断面が四角形として形成されている。凹部１５ａをこのように形成しても、亀裂誘因部１５として亀裂を発生させることができる。凹部１５は、軸方向９に垂直な断面が四角形以上の多角形で形成された形態、あるいは、その多角形の頂点それぞれにＲがついている（角をとって丸くした）形態とすることもでき、このように凹部１５を形成することにより、三角形形状（Ｖ字形状）にするより、応力が集中しにくい構造となるため、圧縮力に対して強固になる。

図４に、亀裂誘因部１５が、外周壁７において、他の部分に比べて気孔率が高く形成された高気孔率部１５ｂである実施形態を示す。図４では、軸方向９における端面２（または軸方向９に垂直な断面）において、高気孔率部１５ｂは、外周壁７の外側から内側まで形成されている。高気孔率部１５ｂは、外周壁７の外側から内側まで形成されるよりも、外周壁７の外側から外周壁７の途中まで高気孔率部１５ｂが存在し、内側は他の部分と同じ気孔率となっている方がより好ましい。この場合、高気孔率部１５ｂの深さは、ハニカム構造体１の外周壁７の厚み７ｔに対し、１０％以上９０％以下の深さであることが好ましく、２０％以上７０％以下であることがさらに好ましい。

また、高気孔率部１５ｂは、軸方向９の一方の第一の端面２ａから他方の第二の端面２ｂまで、ハニカム構造体１の全長に形成されていることが好ましい。本実施形態では、図４に示すように、高気孔率部１５ｂは、軸方向９に垂直な断面において９０°間隔に４つ形成されている。高気孔率部１５ｂは、軸方向９に垂直な断面において、対称の位置に形成されていることが好ましい。高気孔率部１５ｂの気孔率は、ハニカム構造体１の外周壁７の他の箇所に比べ、１０％以上高いことが好ましく、５０％以上高いことがさらに好ましい。このように他の箇所に比べ気孔率の高い高気孔率部１５ｂを形成すると、その部分において亀裂が発生しやすくなる。亀裂を発生させることによって外周壁７に生じる熱応力を緩和させることができる。これによって外周壁７や隔壁４での歪みや割れの発生を抑えることができる。

図５は、被覆部材１１の内周側に、外周壁７を押圧する凸部１５ｃが形成された実施形態を示す。被覆部材１１の内周側に形成された凸部１５ｃは、亀裂誘因部１５である。凸部１５ｃは、外周壁７を押圧し、これにより、外周壁７に亀裂が発生する。凸部１５ｃは、ハニカム構造体１の外周壁７に接触する部分が鋭利な形状になっていることが好ましい。また、作りやすさの観点から、凸部１５ｃは、外周壁７を押圧する凸部の先端から、凸部でないところの被覆部材１１の内周面までの距離（凸部１５ｃの長さ１５ｕ）が大きくなりすぎないことが好ましく、その長さ１５ｕは０．５ｍｍ以下が好ましい。

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９に垂直な断面が楕円形状、円弧が複合されたオーバル形状、四角形、またはその他の多角形の、角柱状であってもよい。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、伝達することができる。ハニカム構造体１が円柱状の場合、その直径は、２００ｍｍ以下であることが好ましく、１００ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

ハニカム構造体１の主成分は、セラミックスを主成分とすることが好ましい。ここで、セラミックスを主成分とするとは、セラミックスを５０質量％以上含むことをいう。

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、主成分が炭化珪素とは、５０質量％以上が炭化珪素であることを意味する。

ただし、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。すなわち、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。

なお、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。

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_３Ｎ_４、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。

ハニカム構造体１は、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。より好ましくは、１００〜３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、さらに好ましくは、１５０〜３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。このようなハニカム構造体１は、熱伝導性が良好なため、熱交換部材１０として好適である。熱伝導率の測定は、ハニカム構造体から切り出したテストピースに対して、光交流法で測定した熱拡散率、ＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎ−ｔｉａｌＳｃａｎｎｉｎｇＣａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ：示差走査熱量分析）法で測定した比熱、及びアルキメデス法で測定した密度、の値を用いて、室温における値を算出する。

ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の気孔率は、１０％以下であることが好ましく、３％以下であることが好ましい。このような範囲とすることにより、熱伝導性を向上させることができる。

ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。０．５ｇ／ｃｍ^３以上の場合、隔壁４の強度が十分であり、第一の流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁４が破損することを防止できる。また、５ｇ／ｃｍ^３以下であると、ハニカム構造体１自体が重くなりすぎず、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。

ハニカム構造体１のセル３の形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、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。

また、ハニカム構造体１の１つ当たりのセル数は、１６〜１０，０００が望ましく、５０〜２，０００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。

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０．１〜１ｍｍとすることが好ましく、０．２〜０．５ｍｍとすることが更に好ましい。壁厚を０．１ｍｍ以上とすると、機械的強度が向上して衝撃や熱応力による破損を防止できる。一方、１ｍｍ以下とすると、ハニカム構造体１側に占めるセル容積の割合が大きくなることにより流体の圧力損失が小さくなり、熱交換率を向上させることができる。

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、ハニカム構造体１の構造強度の観点から、隔壁４の厚みに応じて適宜設計すればよい。ハニカム構造体１のアイソスタティック強度は、１ＭＰａ以上が好ましく、５ＭＰａ以上がさらに好ましい。

第一の流体（高温側）が排ガスの場合、第一の流体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。

第一の流体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。触媒（触媒金属＋担持体）の担持量を１０ｇ／Ｌ以上とすると、触媒作用が十分に発現する。一方、４００ｇ／Ｌ以下とすると、圧力損失が大きくなりすぎず、製造コストの上昇も抑えることができる。

（被覆部材）
図１に示すように、ハニカム構造体１が被覆部材１１に収容されていることにより、ハニカム構造体１を保護することができる。また、被覆部材１１は、ハニカム構造体１の軸方向９の長さよりも長くすることが好ましい形態の一つである。このように構成すると、熱交換部材１０の設置場所や用途に応じて、被覆部材１１の端部を加工しやすい。ただし、図２Ｂの実施形態に限られるものではなく、被覆部材１１は、ハニカム構造体１の軸方向９の長さと同じでもよく、短くても良い。

被覆部材１１としては、金属管１２、セラミックス管等が挙げられる。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、ＳＵＳ管、銅管、真鍮管等を用いることができる。金属管１２の外周面上を流通する第二の流体の温度のために、金属管１２とハニカム構造体１との熱膨張率の差により、ハニカム構造体１と金属管１２との間の圧力が抜けてしまわないようにする必要がある。このため、常温時において、ハニカム構造体１の外径よりも内径の小さい金属管１２を用いて、これを嵌合させるとよい。

（中間材）
熱交換部材１０は、ハニカム構造体１と被覆部材１１（金属管１２等）との間に挟み込まれた被覆部材１１よりもヤング率が低い材質からなる中間材１３を備えることが好ましい。図４は、中間材１３を備える実施形態を示す。ハニカム構造体１とその外周側の被覆部材１１との間に被覆部材１１よりもヤング率が低い材質からなる中間材１３を備えることにより、密着性が向上する。これにより、被覆部材１１とハニカム構造体１との間のシール性が良好となる。また、金属管１２に振動が加わった際、中間材が衝撃を吸収し、ハニカム構造体１に衝撃が伝わりにくくなる。中間材１３としては、断熱マット、グラファイトシートが挙げられる。なお、中間材１２を備える実施形態は、図４に限定されない。

（熱交換部材の製造方法）
まず、ハニカム構造体１の製造方法を説明し、次に、被覆部材１１とハニカム構造体１との嵌合について説明する。なお、被覆部材１１を金属管１２として説明する。

まず、平均粒径の異なるＳｉＣ粉末を混ぜ合わせて、ＳｉＣ粉末の混合物を調製する。このＳｉＣ粉末の混合物に、バインダー、水を混ぜ合わせ、ニーダーを用いて混練することにより、混練物を得る。この混練物を真空土練機に投入し、円柱状の坏土を作製する。

次に、坏土を押出成形してハニカム成形体を形成する。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することができる。口金は、摩耗し難い超硬合金で作られたものを用いることが好ましい。ハニカム成形体については、外周壁７を円筒形状または四角柱形状とし、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する。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する。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することができる。

次に、押出成形により得たハニカム成形体の乾燥を行なう。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なう。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する。

ハニカム構造体１の外周壁７に凹部１５ａを有する実施形態の場合、ハニカム成形体に凹部１５ａを形成する。凹部１５ａは、ハニカム成形体の外周壁７に溝部を形成することによって形成することができる。なお、ハニカム構造体１の外周壁７に凹部１５ａを設ける方法としては、坏土を押出成形してハニカム成形体を形成する際に、口金の該当部分に凸部を設けて押出成形する方法も挙げられる。

一方、ハニカム構造体１の外周壁７に高気孔率部１５ｂを有する実施形態の場合、乾燥までは外周壁７に凹部１５ａを有する実施形態と同様である。乾燥後に該当部分を除去（外周壁７に溝部を形成）し、除去した箇所に対して高気孔率部１５ｂを形成するペースト原料を充填する。ペースト原料は、平均粒径の異なるＳｉＣ粉末を混ぜ合わせたＳｉＣ粉末混合物、バインダー、水で構成され、通常の原料に比べ、バインダー、水の分量が多めに設定する。その後の製造方法は、その他の実施形態と同じである。

次に、ハニカム成形体に対して窒素雰囲気で脱脂を行なう。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、焼成をする。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を含浸させる。例えば、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の塊を使用する。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の塊を使用する。

次に、上記のようにして製造したハニカム構造体１、及び金属管１２の一体化の方法について説明する。なお、ハニカム構造体１の外周側に、中間材１３を備えた後に、金属管１２をハニカム構造体１に嵌合させることが好ましい様態の一つである。

まず、中間材１３として用いる、例えば断熱マットをハニカム構造体１の外周壁７の外周面に巻き付ける。このとき、接着剤を用いて貼り付けてもよい。続いて金属管１２を高周波加熱機で１０００℃程度まで昇温させる。そして、ハニカム構造体１を金属管１２に挿入して嵌合により一体化し、熱交換部材１０を形成することができる。

（熱交換器）
図６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６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（被覆部材１１）の外周面１２ｈ上を流通する。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。

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。

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。

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。

（参考例１）
（ハニカム構造体の製造）
Ｓｉ含浸ＳｉＣ複合材料を主成分とするハニカム構造体を、以下のように作製した。まず、所定量のＳｉＣ粉末、バインダー、水又は有機溶媒などを混練した成形用原料を、所望の形状に押し出し、乾燥してハニカム成形体を得た。

得られたハニカム成形体に対して、外周壁７の外周面７ｈ部分に亀裂誘因部１５となる凹部１５ａを形成した。凹部１５ａは外周壁７に８箇所（０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５°）とした（図３Ａ参照）。

次いで、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を含浸させた。このように作製したハニカム構造体は、ＳｉＣ粒子の隙間に金属Ｓｉが充填された緻密質の材料となっており、熱伝導が約１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高い熱伝導性を示した。ハニカム構造体の形状は、直径６０ｍｍ、長さ１２ｍｍで、セル構造部分は、隔壁の厚み約０．５ｍｍ、セルピッチ約３．６ｍｍであった。

（被覆部材）
ステンレス製の被覆部材１１をハニカム構造体１の外周面７ｈに焼きばめにより嵌合させて熱交換部材１０を製造した。

（ケーシング（流体回路の作製））
ステンレスからなるケーシング２１に熱交換部材１０を配置した（図６参照）。

（耐熱試験）
第一の流体として７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃の大気ガスをハニカム構造体１のセル３中を通過させ、第二の流体として２０℃の水をケーシング内の第二流体流通部６に流した。試験は第一の流体を７００℃からステップアップすることにより実施した。試験後、ハニカム構造体１の割れ、破損有無を確認した。

（アイソスタティック強度の評価）
ハニカム構造体１（被覆部材１１なし）の外周面に、厚さ０．５ｍｍのウレタンゴム製のシートを巻き付けた。更に、ハニカム構造体１の両端面２に、円形のウレタンゴム製のシートを挟んで、厚さ２０ｍｍのアルミニウム製の円板を配置した。アルミニウム製の円板、及びウレタンゴム製のシートは、ハニカム構造体１の端面の半径と同じ半径のものを用いた。アルミニウム製の円板の外周に沿ってビニールテープで巻くことにより、アルミニウム製の円板の外周とウレタンゴム製のシートとの間を封止して、試験用サンプルとした。

作製した試験用サンプルを水の入った圧力容器に入れた。そして０．３〜３．０ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させて３０ＭＰａの静水圧を試験用サンプルにかけ、ハニカム構造体１の破壊及びクラックの発生を確認した。クラックの発生の有無は、試験中の破壊音の確認と、試験後にハニカム構造体１の外観を目視することによって行った。

（比較例１）
（ハニカム構造体の製造）
成形体に亀裂誘因部１５（凹部１５ａ等）を形成する代わりに、図７Ａに示すように、外周壁７にスリット部１６を形成した。スリット部１６は、外周８箇所（０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５°）とした。上記以外は、参考例１と同じ方法でハニカム構造体を作製した。

被覆部材１１、ケーシング２１（流体回路の作製）、耐熱試験、アイソスタティック強度は、参考例１と同じ手法で製作、評価した。

（比較例２）
（ハニカム構造体の製造）
成形体に亀裂誘因部１５（凹部１５ａ等）や、スリット部１６を形成せず、図７Ｂに示すようなハニカム構造体１を作製した。上記以外は、参考例１と同じ方法でハニカム構造体１を作製した。

（結果）
（耐熱試験）
参考例１ではセル３内を通過する第一の流体が９００℃の条件で亀裂発生が見られたが、比較例１と同様、隔壁４、外周壁７の脱落等は確認されなかった。一方、比較例２ではセル３内を通過する第一の流体が７００℃の条件まで亀裂発生が見られなかったものの、８００℃の条件で隔壁４、外周壁７の亀裂が確認され、９００℃の条件では一部の隔壁４、外周壁７が脱落した。

（アイソスタティック強度の評価）
参考例１、比較例２では３０ＭＰａ条件まで破損が見られなかったものの、比較例１では２５ＭＰａで内部の隔壁４に亀裂が発生する破損が確認された。

以上より、参考例１は、アイソスタティック強度が十分な上、耐熱試験においても隔壁４、外周壁７の脱落等が確認されず、これらの性能が良好であった。

本発明の熱交換器は、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、特に限定されず、自動車分野、化学分野、製薬分野等に利用できる。特に、加熱体、被加熱体の双方が気体の場合に好適である。

１：ハニカム構造体、２：（軸方向の）端面、２ａ：第一の端面、２ｂ：第二の端面、３：セル、４：隔壁、５：第一流体流通部、６：第二流体流通部、７：外周壁、７ｇ：（ハニカム構造体の外周壁の）内周面、７ｈ：（ハニカム構造体の外周壁の）外周面、７ｔ：（外周壁の）厚み、９：軸方向、９ａ：中心軸、１０：熱交換部材、１１：被覆部材、１２：金属管、１２ｈ：（金属管の）外周面、１３：中間材、１５：亀裂誘因部、１５ａ：凹部、１５ｂ：高気孔率部、１５ｃ：凸部、１５ｍ：（凹部の）底辺、１５ｎ：（凹部の）底辺以外の辺、１５ｔ：（凹部の）深さ、１５ｕ：（凸部１５の）長さ、１６：スリット部、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。

Claims

筒形状の外周壁と、第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するセラミックスを主成分とするハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体を被覆する被覆部材と、を備え、
前記ハニカム構造体の前記外周壁、または前記被覆部材に、前記外周壁の特定の部分に亀裂を発生しやすくする亀裂誘因部を有し、
前記亀裂誘因部は、前記外周壁の外周面及び内周面に、他の部分に比べて前記外周壁の厚さが薄くなるように形成された凹部であり、
前記セルを流通する前記第一の流体と、前記被覆部材の外側を流通する前記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及び前記被覆部材を介して前記第一の流体と前記第二の流体を熱交換させる熱交換部材。
筒形状の外周壁と、第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するセラミックスを主成分とするハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体を被覆する被覆部材と、を備え、
前記ハニカム構造体の前記外周壁、または前記被覆部材に、前記外周壁の特定の部分に亀裂を発生しやすくする亀裂誘因部を有し、
前記亀裂誘因部は、前記外周壁において、他の部分に比べて気孔率が高く形成された、前記外周壁の外側から前記外周壁の途中までの高気孔率部であり、
前記セルを流通する前記第一の流体と、前記被覆部材の外側を流通する前記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及び前記被覆部材を介して前記第一の流体と前記第二の流体を熱交換させる熱交換部材。
筒形状の外周壁と、第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するセラミックスを主成分とするハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体を被覆する被覆部材と、を備え、
前記ハニカム構造体の前記外周壁、または前記被覆部材に、前記外周壁の特定の部分に亀裂を発生しやすくする亀裂誘因部を有し、
前記亀裂誘因部は、前記被覆部材の内周側に形成され、前記外周壁を押圧する、前記外周壁に接触する部分が鋭利な形状の凸部であり、
前記セルを流通する前記第一の流体と、前記被覆部材の外側を流通する前記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及び前記被覆部材を介して前記第一の流体と前記第二の流体を熱交換させる熱交換部材。