熱交換部材
【課題】熱交換の効率を維持しつつ熱応力による破損を抑制する技術を提供する。
【解決手段】筒形状の外周壁３と第一の流体の流路となる複数のセル５を区画形成する隔壁７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２と、ハニカム構造体２を被覆する被覆部材４と、を備え、ハニカム構造体２の隔壁７には１つ以上のスリット６が設けられており、ハニカム構造体２の中心から該中心と外周壁３との距離の３０％以内に含まれるセル５のうちの５０％以上のセル５は、該セル５から外周壁３までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、スリット６に阻まれることなく隔壁７により外周壁３まで繋がる熱交換部材１。
【解決手段】筒形状の外周壁３と第一の流体の流路となる複数のセル５を区画形成する隔壁７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２と、ハニカム構造体２を被覆する被覆部材４と、を備え、ハニカム構造体２の隔壁７には１つ以上のスリット６が設けられており、ハニカム構造体２の中心から該中心と外周壁３との距離の３０％以内に含まれるセル５のうちの５０％以上のセル５は、該セル５から外周壁３までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、スリット６に阻まれることなく隔壁７により外周壁３まで繋がる熱交換部材１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に装着可能な熱交換部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体（気体、液体）を加熱あるいは冷却する際に、熱交換器を使用することがある。熱交換器は、高温の流体と低温の流体との間で熱交換がなされるという原理を利用することにより、流体の加熱や冷却を行う。熱交換器は、高温の流体と低温の流体との間で熱伝導性のある部材を通じて熱交換を行わせる。また、熱交換器は、高温の流体と低温の流体とを波型の壁で隔てる構造のものや、高温の流体の流路と低温の流体の流路とを互い違いに配置した構造のものが広く用いられている。こうした構造の熱交換器では、高温の流体と低温の流体とを隔てる壁（流路壁）を介して熱交換がなされ、特に、両流体の間を隔てる壁（流路壁）の面積が広いので、熱交換の効率が高い。
【０００３】
一般に、熱交換器では、高温の流体と低温の流体との間の熱交換を介在する部材（例えば両流体を隔てる流路壁）は金属製であることが多い。金属製の部材は熱伝導性に優れ、また、上述したような波型の壁や互い違いに配置された流路を金属で作ると構造的強度を維持させやすい。その一方で、金属製の部材は、耐腐食性に劣る。
【０００４】
こうした問題に対して、熱交換器に耐熱性や耐腐食性に優れたセラミックス製の部材を用いる技術が提案されている。この提案されている技術の中には、例えば、高温の流体と低温の流体とを互い違いに流す流路がセラミックスで作られた熱交換器がある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−２４９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、提案されている技術では、セラミックス製の部材が熱応力により破損しやいという問題がある。こうした問題に鑑みて、提案されている技術では、セラミックス製の部材の厚みを増したり、あるいはセラミックス製の部材を他の部材で補強したりすることがあるが、こうした部材の厚みの増加や補強用の部材の使用は熱損失を増大させてしまい、その結果、熱交換の効率を低下させてしまう。
【０００７】
上記の問題に鑑みて、本発明は、熱交換の効率を維持しつつ熱応力による破損を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下に示す熱交換部材である。
【０００９】
［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の内部を流れる前記第一の流体と前記ハニカム構造体の外部を流れる第二の流体とを混合させずに、前記第一の流路と前記第二の流体との間での熱交換可能に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隔壁には１つ以上のスリットが設けられており、前記第一の流体が流れる方向に垂直な前記ハニカム構造体の断面においては、前記ハニカム構造体の中心から該中心と前記外周壁との距離の３０％以内に含まれる前記セルのうちの５０％以上の前記セルは、該セルから前記外周壁までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、前記スリットに阻まれることなく前記隔壁により前記外周壁まで繋がる熱交換部材。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱交換部材は、熱交換の効率を維持しつつ熱応力による破損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の熱交換部材の一実施形態の斜視図である。
【図２】図１の熱交換部材を装着した熱交換器の模式図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】本発明の熱交換部材の別の実施形態の断面図である。
【図５】実施例１の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図６】実施例２の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図７】実施例３の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図８】実施例４の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図９】実施例５の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図１０】実施例６の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図１１】比較例１の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図１２】比較例２の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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、本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。
【００１３】
本発明の熱交換部材は、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、ハニカム構造体の内部を流れる第一の流体とハニカム構造体の外部を流れる第二の流体とを混合させずに第一の流路と第二の流体との間での熱交換可能にハニカム構造体を被覆する被覆部材と、を備え、ハニカム構造体の隔壁には１つ以上のスリットが設けられている。さらに、本発明の熱交換部材では、第一の流体が流れる方向に垂直なハニカム構造体の断面においては、ハニカム構造体の中心から該中心と外周壁との距離の３０％以内に含まれるセルのうちの５０％以上のセルは、該セルから外周壁までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、スリットに阻まれることなく隔壁により外周壁まで繋がる。
【００１４】
本発明の熱交換部材は、ハニカム構造体の内部にある流路を流れる第一の流体と、ハニカム構造体を覆う被覆部材の外側を流れる第二の流体との間で熱交換をさせることができる。これらの２つの流体間の熱交換は、ハニカム構造体の外周壁を介在させて行われる。言い換えると、本発明の熱交換部材では、第一の流体と第二の流体との熱交換が、第一の流体と外周壁との熱交換と、第二の流体と外周壁との熱交換という２つの要素を含んでいる。
【００１５】
また、本発明の熱交換部材では、第一の流体を複数のセルに振り分けて流す。さらに、本発明の熱交換部材では、これらの第一の流体を振り分けられた各セルから隔壁を辿っていくと、直接にあるいは他の部材を挟んで間接に外周壁にまで繋がる。そのため、本発明の熱交換部材では、複数のセルに振り分けられた各々の第一の流体が、隔壁に熱を伝わせていく態様によって、外周壁との間で着実に熱交換をすることができる。こうして本発明の熱交換部材では、第一の流体と外周壁との間で熱交換を効率良く行うことができる。さらに、本発明の熱交換部材では、第一の流体と外周壁との間で熱交換を良好に行うことができるので、第一の流体と第二の流体との間で外周壁を介してなされる熱交換の効率も高められている。
【００１６】
第一の流体と第二の流体との間の熱交換を外周壁や隔壁に熱を伝わせて行わせると、外周壁や隔壁では部分ごとに温度差が生じる。この温度差に起因して、外周壁や隔壁には部分ごとに熱による膨張や収縮の度合いの差が生じ、その結果、外周壁や隔壁に応力が生じる。こうした応力は、外周壁や隔壁の歪みや割れの原因になりうる。本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の隔壁に１つ以上のスリットが設けられているので、隔壁に生じる応力を緩和し、ひいては外周壁や隔壁における歪みや割れの発生を抑えることができる。すなわち、隔壁上の２箇所の間で熱による膨張や収縮の度合いに差が生じる場合であっても、両箇所を結ぶ隔壁がスリットで分断されていると、応力の伝播を断たれ、その結果、歪みや割れが生じにくくなる。
【００１７】
隔壁に熱を伝わせる過程では、熱損失を避けることができない。本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の中心から該中心と外周壁との距離の３０％以内に含まれるセルのうちの５０％以上のセルは、該セルから外周壁までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、スリットに阻まれることなく隔壁により外周壁まで繋がる。こうしてセルから外周壁までが隔壁により短距離で繋がると、隔壁に熱を伝わせる際の熱損失を抑えることができる。このように熱損失が抑えられているので、本発明の熱交換部材は熱交換効率が高い。
【００１８】
本明細書にいうハニカム構造体の中心から該中心と外周壁との距離の３０％以内に含まれるセルには、この３０％以内の領域にセルの一部が含まれているものも該当する。
【００１９】
一般に、筒の中に流体を流すと、筒の中の中央部分で流量が多く、外周部分で流量が少なくなる。そのため、本発明の熱交換部材のようにハニカム構造体の中心部分にあるセルのうちの半数以上が隔壁により短距離で外周壁と繋がっていると、第一の流体の流量の多い箇所を有効に利用することができ、その結果、第一の流体と外周壁との間の熱交換の効率を高め、ひいては、第一の流体と第二の流体との間の熱交換の効率を高めることができる。
【００２０】
本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体がセラミックスを主成分とすることにより、隔壁や外周壁の熱伝導率が高まり、その結果として、隔壁や外周壁を介在させた熱交換を効率良く行わせることができる。また、本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体がセラミックスを主成分とすることにより、ハニカム構造体の耐腐食性が高められている。その結果、本発明の熱交換部材は、流体が腐食を誘発する性質を持つ場合であっても、この流体を第一の流体として用いることができる。なお、本明細書にいう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。
【００２１】
また、本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体は、特に伝熱性を考慮すると、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）を主成分とすることが好ましい。本明細書にいうハニカム構造体の主成分が炭化珪素（ＳｉＣ）であるとは、ハニカム構造体の５０質量％以上が炭化珪素（ＳｉＣ）であることを意味する。
【００２２】
さらに具体的には、ハニカム構造体の材料としては、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、およびＳｉＣ等を採用することができる。ただし、多孔体の場合は高い熱伝導率が得られないことがあるため、高い熱交換率を得るためには、緻密体構造（気孔率５％以下）とすることが好ましく、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することが好ましい。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。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。
【００２３】
また、本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の外形は、円筒状（円柱状）に限らず、第一の流体の流れる方向に垂直な断面の形状が楕円形でもよい。あるいはハニカム構造体の外形が角柱状で、その断面形状が四角形またはその他の多角形であってもよい。また、本発明の熱交換部材では、セルの断面形状についても、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。
【００２４】
本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体のセル密度（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／ｃｍ２）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（４セル／ｃｍ２）以上の場合には、隔壁の強度を高めることができ、ひいてはハニカム構造体全体の強度を高めることができる。また、セル密度が２５セル／平方インチ（４セル／ｃｍ２）以上の場合には、有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分に大きくすることができる。一方、セル密度が２０００セル／平方インチ（３２０セル／ｃｍ２）以下の場合には、第一の流体を流す際の圧力損失を抑えることができる。
【００２５】
本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の隔壁の厚さ（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。本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の壁厚を５０μｍ〜２ｍｍにすることが好ましく、さらに６０〜５００μｍにすることがより好ましい。壁厚が５０μｍ以上の場合には、機械的強度が高まり、衝撃や熱応力によって破損しにくくなる。一方、壁厚が２ｍｍ以下の場合には、ハニカム構造体に占めるセル容積の割合を大きくでき、その結果、第一の流体を流す際の圧力損失を抑制し、また、熱交換率を高めることができる。
【００２６】
本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の隔壁の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。ハニカム構造体の隔壁の密度が０．５ｇ／ｃｍ３以上の場合には、隔壁は強度が十分に強くなり、その結果、セル内に第一流体を高圧で流入させても、隔壁が破損しにくくなる。また、ハニカム構造体の隔壁の密度が５ｇ／ｃｍ３以下の場合には、ハニカム構造体が重くなり過ぎず、熱交換部材の軽量化を確実に実現できる。また、ハニカム構造体の隔壁の密度が０．５〜５ｇ／ｃｍ３である場合には、熱伝導率を向上させることもできる。
【００２７】
本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体は、熱交換効率を高める観点からは、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。熱交換効率をより高める観点からは、ハニカム構造体の熱伝導率については、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。
【００２８】
本発明の熱交換部材では、第一の流体として排ガスを流す場合、隔壁に触媒を担持させることが好ましい。このように隔壁に触媒を担持させると、排ガス中のＣＯやＮＯｘやＨＣなどを触媒反応を通じてより無害な物質（例えば、ＣＯ２、Ｎ２、Ｈ２Ｏ）にすることでき、さらに、触媒反応で生じた反応熱を熱交換に利用することもできる。本発明の熱交換部材に用いる触媒としては、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、亜鉛、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、およ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。ここに挙げた触媒は、金属、酸化物、およびそれ以外の化合物であっても良い。
【００２９】
本発明の熱交換部材では、隔壁に触媒を担持させる場合、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、触媒が貴金属であれば、触媒の担持量が０．１〜５ｇ／Ｌであることが更に好ましい。触媒の担持量が１０ｇ／Ｌ以上の場合には、触媒作用が発現しやすくなる。一方、触媒の担持量が４００ｇ／Ｌ以下の場合には、第一の流体を流す際の圧力損失を抑えることができ、また、製造コストを抑えることもできる。
【００３０】
本発明の熱交換部材では、被覆部材には、ハニカム構造体を内部に収める金属管、あるいはハニカム構造体の外表面をコートする樹脂や緻密なセラミックス材や金属材などを用いることができる。これらの金属管や樹脂や緻密なセラミックス材や金属材によりハニカム構造体を被覆する場合には、第一の流体と第二の流体との混合を防止することができる。
【００３１】
本発明の熱交換部材では、筒の内と外という単純な構成により第一の流体と第二の流体とを隔てることができる。熱交換部材を筒形状というシンプルな構造にできるので、簡単な組み付け作業で熱交換器を作ることができる。例えば、本発明の熱交換部材の両端に管を繋いで第一の流体の流路を作り、さらに熱交換部材をケーシングで覆うと、簡便に熱交換器を組み上げることができる（例えば、後述する図２および図３を参照）。
【００３２】
以下、本発明の熱交換部材の具体的な実施形態を参照しつつ、その内容を詳しく説明する。
【００３３】
図１は、本発明の熱交換部材の一実施形態の斜視図である。本熱交換部材１は、金属管８に円筒形状のハニカム構造体２を嵌合させて作られている。
【００３４】
本熱交換部材１では、ハニカム構造体２が両端部９ａ，９ｂで開口する円筒状の外周壁３を有している。この外周壁３の筒の内部が隔壁７によって区画されており、筒が抜けている方向（端部９ａと端部９ｂとを結ぶ方向：軸方向）に対して垂直な断面からみると、外周壁３に囲まれた内部を横切る隔壁７によって、方眼紙のます目のように四角形に区画されている。その結果、外周壁３の内部には複数のセル５が作られている。なお、本熱交換部材１では、ハニカム構造体２の外周壁３の断面形状（貫通する方向に垂直な断面の形状）が円であるが、円以外にも、楕円や四角などであってもよい。また、セル５の断面形状についても、四角形の他に、六角形や円など任意の形状を適用することができる。
【００３５】
本熱交換部材１では、隔壁７は、セル５を形作る役割の他に、梁として外周壁３を補強する役割も担っている。こうした隔壁７の役割により、本熱交換部材１は構造的強度が高められている。
【００３６】
また、本熱交換部材１では、ハニカム構造体２の外周壁３と金属管８との間にグラファイトシート３１を挟んでいる。グラファイトシート３１は外周壁３や金属管８と広域で接触することができるので、外周壁３と金属管８との間で熱の受け渡しを良好にすることが可能になる。
【００３７】
図２は、図１に示した熱交換部材１を装着した熱交換器の模式図である。図示されるように、本熱交換器２１では、熱交換部材１をケーシング１１内に装着している。熱交換部材１の端部９ａと端部９ｂは、ケーシング１１の壁１９に開けた穴に嵌め込まれ、さらに、壁１９の外側で管２３ａと管２３ｂに繋がれている。この結果、第一の流体を管２３ａに流すと、熱交換部材１の内部（外周壁３の筒の中、いわゆるセル５内）を通り抜け、さらに管２３ｂに流れていく。
【００３８】
図３は、図２中のＡ−Ａ’の断面図である。図示されるように、第二の流体は、入口１３からケーシング１１内に流入すると、熱交換部材１の金属管８の外周側を流れ、最終的に出口１５から排出される。ケーシング１１内で、金属管８と壁１９に挟まれた空間は、第二の流体の流路１７となる。本熱交換部材１では、ハニカム構造体２を金属管８内に収めているので、第一の流体がハニカム構造体２から漏れ出ても、金属管８によって遮蔽されるので、第一の流体が第二の流体の流路１７内に漏出することは抑えることができる。
【００３９】
なお、本熱交換部材１では、ハニカム構造体２を金属管８内に嵌合させている形態であるが、この他にも、ハニカム構造体２を樹脂でコートしたり、あるいはハニカム構造体２を緻密なセラミックス材でコートしたりする形態により、第一の流体の漏出を抑えてもよい。
【００４０】
第一の流体が高温であり、第二の流体が低温である場合であれば、第一の流体から第二の流体に向けて伝熱を生じる。この伝熱は、第一の流体から隔壁７や外周壁３に熱を伝えていき、さらに外周壁３から第二の流体に熱を伝えていくことにより行われる。このとき、第一の流体から外周壁３への伝熱は２つの態様により行われる。まず、最も外周側にあるセル５（例えば、セル５ｃ）に流れる第一の流体は、外周壁３に接触しているので、外周壁３に直接熱を伝えることができる。一方、その他のセル（例えば、セル５ａ、セル５ｂ）に流れる第一の流体は、隔壁７を介して外周壁３に熱を伝えることができる。例えば、セル５ａを流れる第一の流体の場合には、第一の流体からセル５ａを囲む隔壁７に熱を伝え、このセル５ａの隔壁７から他のセルの隔壁７を順次辿って外周壁３に熱を伝える。こうして、隔壁７に熱を伝わせることにより、第一の流体が外周壁３とは直接接触せずに流れていても、確実に熱を外周壁３に伝えることが可能になる。
【００４１】
また、本熱交換部材１では、４つのスリット６ａ〜６ｄが隔壁７に設けられている。このようにスリット６が隔壁７に設けられていると、隔壁７に引張応力や圧縮応力を生じても、これらの応力を緩和することができる。その結果、本熱交換部材１では、隔壁７や外周壁３に歪みや割れを生じにくい。例えば、セル５ａと外周壁３との間の隔壁７（破線３５ａに沿って延びる隔壁７）が熱膨張や収縮を生じた場合でも、隔壁７の途中がスリット６ａで分断されているので、スリット６ａの幅の伸縮によって隔壁７に生じる圧縮応力や引張応力を緩和することができる。
【００４２】
図３中の一点鎖線は、ハニカム構造体２の中心から外周壁３の内径の３０％以内に含まれているセル５と含まれていないセル５との境界を示す。すなわち、ハニカム構造体２の中心部分の境界３３を示している。ハニカム構造体２の中心部分にあるセル５のうち、セル５ａについては、セル５ａと外周壁３とを最短距離で結ぶ線３５ａとの間にスリット６（６ａ）がある。そのため、セル５ａは、この線３５ａに沿うかたちでスリット６（６ａ）に阻まれることなく隔壁７により外周壁３まで繋がることができない。このセル５ａと同様なセル５（合計４つ）を、図３中では網点で示す。
【００４３】
また、セル５ｂについては、セル５ｂと外周壁３とを最短距離で結ぶ線３５ｂを挟んで並行する２本の隔壁７のうち、一方の隔壁７はスリット６ａにより分断されているが、もう一方の隔壁７はスリット６ａに分断されていない。よって、セル５ｂは、最短距離で結ぶ線３５ｂに沿うかたちで、スリット６に阻まれることなく外周壁３まで隔壁７により繋がっている。
【００４４】
また、ここでは図示しないが、例えば、セルの断面形状が六角形や丸などの場合に起こり得るように、セルから外周壁までを最短距離で結ぶ線の上、あるいは最短距離で結ぶ線の横をスリットに阻まれることなくジグザグに隔壁を辿ることで外周壁に繋がる場合がある。こうした場合も、「セルから外周壁までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、スリットに阻まれることなく隔壁により外周壁まで繋がる」という範疇に含まれるものとする。
【００４５】
また、本熱交換器２１では、セル５ａとセル５ｂとを隔てる隔壁７に穴や亀裂が生じた場合であっても、両セル５ａ，５ｂを流れる第一の流体同士が混じり合うだけであるため、熱交換器としての機能を損なうことはない。そのため、本熱交換部材１では、隔壁７を薄くしたり、隔壁７をねじれた形状にしたりなどの熱交換効率を高めることが可能な形態を適宜適用しやすい。
【００４６】
図４は、本発明の熱交換部材の別の実施形態の断面図である。図示されるように、本熱交換部材４１には、４つのスリット４６がある。これらの４つのスリット４６は、いずれもハニカム構造体４２の中心から放射状に延びている。特に、本熱交換部材４１のように外周壁４３が円筒形状の場合には、スリット４６がハニカム構造体４２の中心から放射状に向かう方向に沿って延びていると、全てのセル４５が、外周壁４３までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、スリット４６に阻まれることなく隔壁４７によって外周壁４３まで繋がる。こうして全てのセル４５が隔壁４７により最短距離で外周壁４３まで繋がれていると、隔壁４７に熱を伝わせるときの熱損失をより抑えることができ、その結果、熱交換効率をより高めることができる。
【実施例】
【００４７】
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。
【００４８】
（１）熱交換部材
（実施例１〜６、比較例１，２）
ＳｉＣや有機バインダ（メチルセルロース）や水などを適量混ぜ合わせ、さらに混練して、坏土を作製した。この坏土を押出成形によって円柱状の外観を備えたハニカム形状に成形し、乾燥して成形体を得た。続いて、成形体を焼成して、ハニカム構造体を得た。このハニカム製造体は、円筒状の外周壁（厚さ１．５ｍｍ）で、外周壁に囲まれた内部が直交する隔壁によって区画されている。外周壁の外径４２ｍｍ、外周壁の長さ１００ｍｍ、隔壁厚さ０．４ｍｍ、セル密度１５０ｃｐｓｉ（２３セル／ｃｍ２）であった。図５〜１１は、実施例１〜６および比較例１に用いたハニカム構造体の正面図を示す。これらの図に示すように、実施例１〜６および比較例１に用いたハニカム構造体６２ａ〜６２ｇにはスリット６６を形成した。なお、スリット６６は、ハニカム構造体６２ａ〜６２ｇの軸方向全体に亘って形成した。比較例２には、図１２に示すようにスリットを形成していないハニカム構造体を用いた。
【００４９】
さらに、ハニカム構造体６６ａ〜６６ｈの外周壁６３にグラファイトシートを巻き付けておき、ステンレス製の金属管（外径４３ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）に嵌合し、熱交換部材を得た。なお、ステンレス製の金属管を嵌合する際には焼きばめを用いた。
【００５０】
ハニカム構造体６２ａ〜６２ｈの中心から外周壁６３の内径の３０％以内の中心部分で、スリット６６に阻まれることなく最短距離で外周壁６３まで隔壁６７により繋がっているセル６５の割合を表１に示す（表１の「外周壁に最短距離で繋がるセルの割合」の欄）。
【００５１】
【表１】
【００５２】
（２）アイソスタティック強度試験
実施例１〜６および比較例１，２に用いたハニカム構造体の外周に、厚さ０．５ｍｍのウレタンゴム製のシートを巻き付けた。ハニカム構造体の両端部にも円形のウレタンゴム製のシートを当て、さらに、このウレタンゴム製のシートに厚さ２０ｍｍのアルミニウム製の円板を当てた状態で、アルミニウム製の円板とウレタンゴム製のシートの周りをビニールテープで巻くことによりハニカム構造体の両端部を封止した。この両端部を封止したハニカム構造体を試験用サンプルとした。なお、アルミニウム製の円板や円形のウレタンゴム製のシートの半径はハニカム構造体の端部の半径と同じにした。試験用サンプルを圧力容器に入れ、０．３〜３．０ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させ、３．０ＭＰａの圧力をかけたときに、ハニカム構造体に破壊あるいはクラックを生じたか否かを調べた。クラックの発生は、圧力をかけていた時の破壊音の有無やハニカム構造体の外観を目視することにより確認した。結果を表１に示す。
【００５３】
（３）熱交換試験
実施例１〜６および比較例１，２の熱交換部材をステンレス製の容器（ケーシング）に収容することにより、熱交換器（図２に示したものと同じ形の熱交換器）を作製した。この熱交換器に、第一の流体として３５０℃の窒素ガス（Ｎ２）をＳＶ（空間速度）５００００ｈ−１にて流し、第二の流体として４０℃の水を流量１０Ｌ／ｍｉｎにて流した。熱交換部材の入口側の端部から上流２０ｍｍを流れる第一の流体の温度を「入口ガス温」、熱交換部材の出口側の端部から下流２００ｍｍを流れる第一の流体の温度を「出口ガス温」として計測した。また、ケーシングの入口を通過する水の温度を「入口水温」として計測した。これらの温度から、熱交換効率（％）を下記式にて算出した。結果を表１に示す。なお、熱交換効率が６０％以上を「合格」とした。
熱交換効率（％）＝（入口ガス温−出口ガス温）／（入口ガス温−入口水温）×１００
【００５４】
（４）耐熱試験
上述した熱交換試験で用いた熱交換器に、第一の流体として５００℃の窒素ガス（Ｎ２）を、第二の流体として２０℃の水を、１時間にわたり流した。その後、熱交換部材を取り出して割れの有無を確認した。結果を表１に示す。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、熱交換器に装着可能な熱交換部材として利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１：熱交換部材、２：ハニカム構造体、３：外周壁、４：被覆部材、５，５ａ〜５ｃ：セル、６，６ａ〜６ｄ：スリット、７：隔壁、８：金属管、９，９ａ，９ｂ：端部、１１：ケーシング、１３：（第二の流体の）入口、１５：（第二の流体の）出口、１７：（第二の流体の）流路、１９：（ケーシングの）壁、２１：熱交換器、２３ａ，２３ｂ：管、３１：グラファイトシート、３３：（ハニカム構造体の中心部分の）境界、３５ａ，３５ｂ：（セルと外周壁とを最短距離で結ぶ）線、４１：熱交換部材、４２：ハニカム構造体、４３：外周壁、４５：セル、４６：スリット、４７：隔壁、６２ａ〜６２ｈ：ハニカム構造体、６３：外周壁：６５：セル、６６：スリット、６７：隔壁。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に装着可能な熱交換部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体（気体、液体）を加熱あるいは冷却する際に、熱交換器を使用することがある。熱交換器は、高温の流体と低温の流体との間で熱交換がなされるという原理を利用することにより、流体の加熱や冷却を行う。熱交換器は、高温の流体と低温の流体との間で熱伝導性のある部材を通じて熱交換を行わせる。また、熱交換器は、高温の流体と低温の流体とを波型の壁で隔てる構造のものや、高温の流体の流路と低温の流体の流路とを互い違いに配置した構造のものが広く用いられている。こうした構造の熱交換器では、高温の流体と低温の流体とを隔てる壁（流路壁）を介して熱交換がなされ、特に、両流体の間を隔てる壁（流路壁）の面積が広いので、熱交換の効率が高い。
【０００３】
一般に、熱交換器では、高温の流体と低温の流体との間の熱交換を介在する部材（例えば両流体を隔てる流路壁）は金属製であることが多い。金属製の部材は熱伝導性に優れ、また、上述したような波型の壁や互い違いに配置された流路を金属で作ると構造的強度を維持させやすい。その一方で、金属製の部材は、耐腐食性に劣る。
【０００４】
こうした問題に対して、熱交換器に耐熱性や耐腐食性に優れたセラミックス製の部材を用いる技術が提案されている。この提案されている技術の中には、例えば、高温の流体と低温の流体とを互い違いに流す流路がセラミックスで作られた熱交換器がある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−２４９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、提案されている技術では、セラミックス製の部材が熱応力により破損しやいという問題がある。こうした問題に鑑みて、提案されている技術では、セラミックス製の部材の厚みを増したり、あるいはセラミックス製の部材を他の部材で補強したりすることがあるが、こうした部材の厚みの増加や補強用の部材の使用は熱損失を増大させてしまい、その結果、熱交換の効率を低下させてしまう。
【０００７】
上記の問題に鑑みて、本発明は、熱交換の効率を維持しつつ熱応力による破損を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下に示す熱交換部材である。
【０００９】
［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の内部を流れる前記第一の流体と前記ハニカム構造体の外部を流れる第二の流体とを混合させずに、前記第一の流路と前記第二の流体との間での熱交換可能に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隔壁には１つ以上のスリットが設けられており、前記第一の流体が流れる方向に垂直な前記ハニカム構造体の断面においては、前記ハニカム構造体の中心から該中心と前記外周壁との距離の３０％以内に含まれる前記セルのうちの５０％以上の前記セルは、該セルから前記外周壁までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、前記スリットに阻まれることなく前記隔壁により前記外周壁まで繋がる熱交換部材。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱交換部材は、熱交換の効率を維持しつつ熱応力による破損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の熱交換部材の一実施形態の斜視図である。
【図２】図１の熱交換部材を装着した熱交換器の模式図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】本発明の熱交換部材の別の実施形態の断面図である。
【図５】実施例１の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図６】実施例２の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図７】実施例３の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図８】実施例４の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図９】実施例５の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図１０】実施例６の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図１１】比較例１の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【図１２】比較例２の熱交換部材に用いたハニカム構造体の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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、本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。
【００１３】
本発明の熱交換部材は、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、ハニカム構造体の内部を流れる第一の流体とハニカム構造体の外部を流れる第二の流体とを混合させずに第一の流路と第二の流体との間での熱交換可能にハニカム構造体を被覆する被覆部材と、を備え、ハニカム構造体の隔壁には１つ以上のスリットが設けられている。さらに、本発明の熱交換部材では、第一の流体が流れる方向に垂直なハニカム構造体の断面においては、ハニカム構造体の中心から該中心と外周壁との距離の３０％以内に含まれるセルのうちの５０％以上のセルは、該セルから外周壁までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、スリットに阻まれることなく隔壁により外周壁まで繋がる。
【００１４】
本発明の熱交換部材は、ハニカム構造体の内部にある流路を流れる第一の流体と、ハニカム構造体を覆う被覆部材の外側を流れる第二の流体との間で熱交換をさせることができる。これらの２つの流体間の熱交換は、ハニカム構造体の外周壁を介在させて行われる。言い換えると、本発明の熱交換部材では、第一の流体と第二の流体との熱交換が、第一の流体と外周壁との熱交換と、第二の流体と外周壁との熱交換という２つの要素を含んでいる。
【００１５】
また、本発明の熱交換部材では、第一の流体を複数のセルに振り分けて流す。さらに、本発明の熱交換部材では、これらの第一の流体を振り分けられた各セルから隔壁を辿っていくと、直接にあるいは他の部材を挟んで間接に外周壁にまで繋がる。そのため、本発明の熱交換部材では、複数のセルに振り分けられた各々の第一の流体が、隔壁に熱を伝わせていく態様によって、外周壁との間で着実に熱交換をすることができる。こうして本発明の熱交換部材では、第一の流体と外周壁との間で熱交換を効率良く行うことができる。さらに、本発明の熱交換部材では、第一の流体と外周壁との間で熱交換を良好に行うことができるので、第一の流体と第二の流体との間で外周壁を介してなされる熱交換の効率も高められている。
【００１６】
第一の流体と第二の流体との間の熱交換を外周壁や隔壁に熱を伝わせて行わせると、外周壁や隔壁では部分ごとに温度差が生じる。この温度差に起因して、外周壁や隔壁には部分ごとに熱による膨張や収縮の度合いの差が生じ、その結果、外周壁や隔壁に応力が生じる。こうした応力は、外周壁や隔壁の歪みや割れの原因になりうる。本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の隔壁に１つ以上のスリットが設けられているので、隔壁に生じる応力を緩和し、ひいては外周壁や隔壁における歪みや割れの発生を抑えることができる。すなわち、隔壁上の２箇所の間で熱による膨張や収縮の度合いに差が生じる場合であっても、両箇所を結ぶ隔壁がスリットで分断されていると、応力の伝播を断たれ、その結果、歪みや割れが生じにくくなる。
【００１７】
隔壁に熱を伝わせる過程では、熱損失を避けることができない。本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の中心から該中心と外周壁との距離の３０％以内に含まれるセルのうちの５０％以上のセルは、該セルから外周壁までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、スリットに阻まれることなく隔壁により外周壁まで繋がる。こうしてセルから外周壁までが隔壁により短距離で繋がると、隔壁に熱を伝わせる際の熱損失を抑えることができる。このように熱損失が抑えられているので、本発明の熱交換部材は熱交換効率が高い。
【００１８】
本明細書にいうハニカム構造体の中心から該中心と外周壁との距離の３０％以内に含まれるセルには、この３０％以内の領域にセルの一部が含まれているものも該当する。
【００１９】
一般に、筒の中に流体を流すと、筒の中の中央部分で流量が多く、外周部分で流量が少なくなる。そのため、本発明の熱交換部材のようにハニカム構造体の中心部分にあるセルのうちの半数以上が隔壁により短距離で外周壁と繋がっていると、第一の流体の流量の多い箇所を有効に利用することができ、その結果、第一の流体と外周壁との間の熱交換の効率を高め、ひいては、第一の流体と第二の流体との間の熱交換の効率を高めることができる。
【００２０】
本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体がセラミックスを主成分とすることにより、隔壁や外周壁の熱伝導率が高まり、その結果として、隔壁や外周壁を介在させた熱交換を効率良く行わせることができる。また、本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体がセラミックスを主成分とすることにより、ハニカム構造体の耐腐食性が高められている。その結果、本発明の熱交換部材は、流体が腐食を誘発する性質を持つ場合であっても、この流体を第一の流体として用いることができる。なお、本明細書にいう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。
【００２１】
また、本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体は、特に伝熱性を考慮すると、熱伝導性が高いＳｉＣ（炭化珪素）を主成分とすることが好ましい。本明細書にいうハニカム構造体の主成分が炭化珪素（ＳｉＣ）であるとは、ハニカム構造体の５０質量％以上が炭化珪素（ＳｉＣ）であることを意味する。
【００２２】
さらに具体的には、ハニカム構造体の材料としては、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、およびＳｉＣ等を採用することができる。ただし、多孔体の場合は高い熱伝導率が得られないことがあるため、高い熱交換率を得るためには、緻密体構造（気孔率５％以下）とすることが好ましく、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することが好ましい。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。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。
【００２３】
また、本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の外形は、円筒状（円柱状）に限らず、第一の流体の流れる方向に垂直な断面の形状が楕円形でもよい。あるいはハニカム構造体の外形が角柱状で、その断面形状が四角形またはその他の多角形であってもよい。また、本発明の熱交換部材では、セルの断面形状についても、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。
【００２４】
本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体のセル密度（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／ｃｍ２）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（４セル／ｃｍ２）以上の場合には、隔壁の強度を高めることができ、ひいてはハニカム構造体全体の強度を高めることができる。また、セル密度が２５セル／平方インチ（４セル／ｃｍ２）以上の場合には、有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分に大きくすることができる。一方、セル密度が２０００セル／平方インチ（３２０セル／ｃｍ２）以下の場合には、第一の流体を流す際の圧力損失を抑えることができる。
【００２５】
本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の隔壁の厚さ（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。本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の壁厚を５０μｍ〜２ｍｍにすることが好ましく、さらに６０〜５００μｍにすることがより好ましい。壁厚が５０μｍ以上の場合には、機械的強度が高まり、衝撃や熱応力によって破損しにくくなる。一方、壁厚が２ｍｍ以下の場合には、ハニカム構造体に占めるセル容積の割合を大きくでき、その結果、第一の流体を流す際の圧力損失を抑制し、また、熱交換率を高めることができる。
【００２６】
本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体の隔壁の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。ハニカム構造体の隔壁の密度が０．５ｇ／ｃｍ３以上の場合には、隔壁は強度が十分に強くなり、その結果、セル内に第一流体を高圧で流入させても、隔壁が破損しにくくなる。また、ハニカム構造体の隔壁の密度が５ｇ／ｃｍ３以下の場合には、ハニカム構造体が重くなり過ぎず、熱交換部材の軽量化を確実に実現できる。また、ハニカム構造体の隔壁の密度が０．５〜５ｇ／ｃｍ３である場合には、熱伝導率を向上させることもできる。
【００２７】
本発明の熱交換部材では、ハニカム構造体は、熱交換効率を高める観点からは、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。熱交換効率をより高める観点からは、ハニカム構造体の熱伝導率については、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。
【００２８】
本発明の熱交換部材では、第一の流体として排ガスを流す場合、隔壁に触媒を担持させることが好ましい。このように隔壁に触媒を担持させると、排ガス中のＣＯやＮＯｘやＨＣなどを触媒反応を通じてより無害な物質（例えば、ＣＯ２、Ｎ２、Ｈ２Ｏ）にすることでき、さらに、触媒反応で生じた反応熱を熱交換に利用することもできる。本発明の熱交換部材に用いる触媒としては、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、亜鉛、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、およ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。ここに挙げた触媒は、金属、酸化物、およびそれ以外の化合物であっても良い。
【００２９】
本発明の熱交換部材では、隔壁に触媒を担持させる場合、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、触媒が貴金属であれば、触媒の担持量が０．１〜５ｇ／Ｌであることが更に好ましい。触媒の担持量が１０ｇ／Ｌ以上の場合には、触媒作用が発現しやすくなる。一方、触媒の担持量が４００ｇ／Ｌ以下の場合には、第一の流体を流す際の圧力損失を抑えることができ、また、製造コストを抑えることもできる。
【００３０】
本発明の熱交換部材では、被覆部材には、ハニカム構造体を内部に収める金属管、あるいはハニカム構造体の外表面をコートする樹脂や緻密なセラミックス材や金属材などを用いることができる。これらの金属管や樹脂や緻密なセラミックス材や金属材によりハニカム構造体を被覆する場合には、第一の流体と第二の流体との混合を防止することができる。
【００３１】
本発明の熱交換部材では、筒の内と外という単純な構成により第一の流体と第二の流体とを隔てることができる。熱交換部材を筒形状というシンプルな構造にできるので、簡単な組み付け作業で熱交換器を作ることができる。例えば、本発明の熱交換部材の両端に管を繋いで第一の流体の流路を作り、さらに熱交換部材をケーシングで覆うと、簡便に熱交換器を組み上げることができる（例えば、後述する図２および図３を参照）。
【００３２】
以下、本発明の熱交換部材の具体的な実施形態を参照しつつ、その内容を詳しく説明する。
【００３３】
図１は、本発明の熱交換部材の一実施形態の斜視図である。本熱交換部材１は、金属管８に円筒形状のハニカム構造体２を嵌合させて作られている。
【００３４】
本熱交換部材１では、ハニカム構造体２が両端部９ａ，９ｂで開口する円筒状の外周壁３を有している。この外周壁３の筒の内部が隔壁７によって区画されており、筒が抜けている方向（端部９ａと端部９ｂとを結ぶ方向：軸方向）に対して垂直な断面からみると、外周壁３に囲まれた内部を横切る隔壁７によって、方眼紙のます目のように四角形に区画されている。その結果、外周壁３の内部には複数のセル５が作られている。なお、本熱交換部材１では、ハニカム構造体２の外周壁３の断面形状（貫通する方向に垂直な断面の形状）が円であるが、円以外にも、楕円や四角などであってもよい。また、セル５の断面形状についても、四角形の他に、六角形や円など任意の形状を適用することができる。
【００３５】
本熱交換部材１では、隔壁７は、セル５を形作る役割の他に、梁として外周壁３を補強する役割も担っている。こうした隔壁７の役割により、本熱交換部材１は構造的強度が高められている。
【００３６】
また、本熱交換部材１では、ハニカム構造体２の外周壁３と金属管８との間にグラファイトシート３１を挟んでいる。グラファイトシート３１は外周壁３や金属管８と広域で接触することができるので、外周壁３と金属管８との間で熱の受け渡しを良好にすることが可能になる。
【００３７】
図２は、図１に示した熱交換部材１を装着した熱交換器の模式図である。図示されるように、本熱交換器２１では、熱交換部材１をケーシング１１内に装着している。熱交換部材１の端部９ａと端部９ｂは、ケーシング１１の壁１９に開けた穴に嵌め込まれ、さらに、壁１９の外側で管２３ａと管２３ｂに繋がれている。この結果、第一の流体を管２３ａに流すと、熱交換部材１の内部（外周壁３の筒の中、いわゆるセル５内）を通り抜け、さらに管２３ｂに流れていく。
【００３８】
図３は、図２中のＡ−Ａ’の断面図である。図示されるように、第二の流体は、入口１３からケーシング１１内に流入すると、熱交換部材１の金属管８の外周側を流れ、最終的に出口１５から排出される。ケーシング１１内で、金属管８と壁１９に挟まれた空間は、第二の流体の流路１７となる。本熱交換部材１では、ハニカム構造体２を金属管８内に収めているので、第一の流体がハニカム構造体２から漏れ出ても、金属管８によって遮蔽されるので、第一の流体が第二の流体の流路１７内に漏出することは抑えることができる。
【００３９】
なお、本熱交換部材１では、ハニカム構造体２を金属管８内に嵌合させている形態であるが、この他にも、ハニカム構造体２を樹脂でコートしたり、あるいはハニカム構造体２を緻密なセラミックス材でコートしたりする形態により、第一の流体の漏出を抑えてもよい。
【００４０】
第一の流体が高温であり、第二の流体が低温である場合であれば、第一の流体から第二の流体に向けて伝熱を生じる。この伝熱は、第一の流体から隔壁７や外周壁３に熱を伝えていき、さらに外周壁３から第二の流体に熱を伝えていくことにより行われる。このとき、第一の流体から外周壁３への伝熱は２つの態様により行われる。まず、最も外周側にあるセル５（例えば、セル５ｃ）に流れる第一の流体は、外周壁３に接触しているので、外周壁３に直接熱を伝えることができる。一方、その他のセル（例えば、セル５ａ、セル５ｂ）に流れる第一の流体は、隔壁７を介して外周壁３に熱を伝えることができる。例えば、セル５ａを流れる第一の流体の場合には、第一の流体からセル５ａを囲む隔壁７に熱を伝え、このセル５ａの隔壁７から他のセルの隔壁７を順次辿って外周壁３に熱を伝える。こうして、隔壁７に熱を伝わせることにより、第一の流体が外周壁３とは直接接触せずに流れていても、確実に熱を外周壁３に伝えることが可能になる。
【００４１】
また、本熱交換部材１では、４つのスリット６ａ〜６ｄが隔壁７に設けられている。このようにスリット６が隔壁７に設けられていると、隔壁７に引張応力や圧縮応力を生じても、これらの応力を緩和することができる。その結果、本熱交換部材１では、隔壁７や外周壁３に歪みや割れを生じにくい。例えば、セル５ａと外周壁３との間の隔壁７（破線３５ａに沿って延びる隔壁７）が熱膨張や収縮を生じた場合でも、隔壁７の途中がスリット６ａで分断されているので、スリット６ａの幅の伸縮によって隔壁７に生じる圧縮応力や引張応力を緩和することができる。
【００４２】
図３中の一点鎖線は、ハニカム構造体２の中心から外周壁３の内径の３０％以内に含まれているセル５と含まれていないセル５との境界を示す。すなわち、ハニカム構造体２の中心部分の境界３３を示している。ハニカム構造体２の中心部分にあるセル５のうち、セル５ａについては、セル５ａと外周壁３とを最短距離で結ぶ線３５ａとの間にスリット６（６ａ）がある。そのため、セル５ａは、この線３５ａに沿うかたちでスリット６（６ａ）に阻まれることなく隔壁７により外周壁３まで繋がることができない。このセル５ａと同様なセル５（合計４つ）を、図３中では網点で示す。
【００４３】
また、セル５ｂについては、セル５ｂと外周壁３とを最短距離で結ぶ線３５ｂを挟んで並行する２本の隔壁７のうち、一方の隔壁７はスリット６ａにより分断されているが、もう一方の隔壁７はスリット６ａに分断されていない。よって、セル５ｂは、最短距離で結ぶ線３５ｂに沿うかたちで、スリット６に阻まれることなく外周壁３まで隔壁７により繋がっている。
【００４４】
また、ここでは図示しないが、例えば、セルの断面形状が六角形や丸などの場合に起こり得るように、セルから外周壁までを最短距離で結ぶ線の上、あるいは最短距離で結ぶ線の横をスリットに阻まれることなくジグザグに隔壁を辿ることで外周壁に繋がる場合がある。こうした場合も、「セルから外周壁までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、スリットに阻まれることなく隔壁により外周壁まで繋がる」という範疇に含まれるものとする。
【００４５】
また、本熱交換器２１では、セル５ａとセル５ｂとを隔てる隔壁７に穴や亀裂が生じた場合であっても、両セル５ａ，５ｂを流れる第一の流体同士が混じり合うだけであるため、熱交換器としての機能を損なうことはない。そのため、本熱交換部材１では、隔壁７を薄くしたり、隔壁７をねじれた形状にしたりなどの熱交換効率を高めることが可能な形態を適宜適用しやすい。
【００４６】
図４は、本発明の熱交換部材の別の実施形態の断面図である。図示されるように、本熱交換部材４１には、４つのスリット４６がある。これらの４つのスリット４６は、いずれもハニカム構造体４２の中心から放射状に延びている。特に、本熱交換部材４１のように外周壁４３が円筒形状の場合には、スリット４６がハニカム構造体４２の中心から放射状に向かう方向に沿って延びていると、全てのセル４５が、外周壁４３までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、スリット４６に阻まれることなく隔壁４７によって外周壁４３まで繋がる。こうして全てのセル４５が隔壁４７により最短距離で外周壁４３まで繋がれていると、隔壁４７に熱を伝わせるときの熱損失をより抑えることができ、その結果、熱交換効率をより高めることができる。
【実施例】
【００４７】
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。
【００４８】
（１）熱交換部材
（実施例１〜６、比較例１，２）
ＳｉＣや有機バインダ（メチルセルロース）や水などを適量混ぜ合わせ、さらに混練して、坏土を作製した。この坏土を押出成形によって円柱状の外観を備えたハニカム形状に成形し、乾燥して成形体を得た。続いて、成形体を焼成して、ハニカム構造体を得た。このハニカム製造体は、円筒状の外周壁（厚さ１．５ｍｍ）で、外周壁に囲まれた内部が直交する隔壁によって区画されている。外周壁の外径４２ｍｍ、外周壁の長さ１００ｍｍ、隔壁厚さ０．４ｍｍ、セル密度１５０ｃｐｓｉ（２３セル／ｃｍ２）であった。図５〜１１は、実施例１〜６および比較例１に用いたハニカム構造体の正面図を示す。これらの図に示すように、実施例１〜６および比較例１に用いたハニカム構造体６２ａ〜６２ｇにはスリット６６を形成した。なお、スリット６６は、ハニカム構造体６２ａ〜６２ｇの軸方向全体に亘って形成した。比較例２には、図１２に示すようにスリットを形成していないハニカム構造体を用いた。
【００４９】
さらに、ハニカム構造体６６ａ〜６６ｈの外周壁６３にグラファイトシートを巻き付けておき、ステンレス製の金属管（外径４３ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）に嵌合し、熱交換部材を得た。なお、ステンレス製の金属管を嵌合する際には焼きばめを用いた。
【００５０】
ハニカム構造体６２ａ〜６２ｈの中心から外周壁６３の内径の３０％以内の中心部分で、スリット６６に阻まれることなく最短距離で外周壁６３まで隔壁６７により繋がっているセル６５の割合を表１に示す（表１の「外周壁に最短距離で繋がるセルの割合」の欄）。
【００５１】
【表１】
【００５２】
（２）アイソスタティック強度試験
実施例１〜６および比較例１，２に用いたハニカム構造体の外周に、厚さ０．５ｍｍのウレタンゴム製のシートを巻き付けた。ハニカム構造体の両端部にも円形のウレタンゴム製のシートを当て、さらに、このウレタンゴム製のシートに厚さ２０ｍｍのアルミニウム製の円板を当てた状態で、アルミニウム製の円板とウレタンゴム製のシートの周りをビニールテープで巻くことによりハニカム構造体の両端部を封止した。この両端部を封止したハニカム構造体を試験用サンプルとした。なお、アルミニウム製の円板や円形のウレタンゴム製のシートの半径はハニカム構造体の端部の半径と同じにした。試験用サンプルを圧力容器に入れ、０．３〜３．０ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させ、３．０ＭＰａの圧力をかけたときに、ハニカム構造体に破壊あるいはクラックを生じたか否かを調べた。クラックの発生は、圧力をかけていた時の破壊音の有無やハニカム構造体の外観を目視することにより確認した。結果を表１に示す。
【００５３】
（３）熱交換試験
実施例１〜６および比較例１，２の熱交換部材をステンレス製の容器（ケーシング）に収容することにより、熱交換器（図２に示したものと同じ形の熱交換器）を作製した。この熱交換器に、第一の流体として３５０℃の窒素ガス（Ｎ２）をＳＶ（空間速度）５００００ｈ−１にて流し、第二の流体として４０℃の水を流量１０Ｌ／ｍｉｎにて流した。熱交換部材の入口側の端部から上流２０ｍｍを流れる第一の流体の温度を「入口ガス温」、熱交換部材の出口側の端部から下流２００ｍｍを流れる第一の流体の温度を「出口ガス温」として計測した。また、ケーシングの入口を通過する水の温度を「入口水温」として計測した。これらの温度から、熱交換効率（％）を下記式にて算出した。結果を表１に示す。なお、熱交換効率が６０％以上を「合格」とした。
熱交換効率（％）＝（入口ガス温−出口ガス温）／（入口ガス温−入口水温）×１００
【００５４】
（４）耐熱試験
上述した熱交換試験で用いた熱交換器に、第一の流体として５００℃の窒素ガス（Ｎ２）を、第二の流体として２０℃の水を、１時間にわたり流した。その後、熱交換部材を取り出して割れの有無を確認した。結果を表１に示す。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、熱交換器に装着可能な熱交換部材として利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１：熱交換部材、２：ハニカム構造体、３：外周壁、４：被覆部材、５，５ａ〜５ｃ：セル、６，６ａ〜６ｄ：スリット、７：隔壁、８：金属管、９，９ａ，９ｂ：端部、１１：ケーシング、１３：（第二の流体の）入口、１５：（第二の流体の）出口、１７：（第二の流体の）流路、１９：（ケーシングの）壁、２１：熱交換器、２３ａ，２３ｂ：管、３１：グラファイトシート、３３：（ハニカム構造体の中心部分の）境界、３５ａ，３５ｂ：（セルと外周壁とを最短距離で結ぶ）線、４１：熱交換部材、４２：ハニカム構造体、４３：外周壁、４５：セル、４６：スリット、４７：隔壁、６２ａ〜６２ｈ：ハニカム構造体、６３：外周壁：６５：セル、６６：スリット、６７：隔壁。
【特許請求の範囲】
【請求項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の内部を流れる前記第一の流体と前記ハニカム構造体の外部を流れる第二の流体とを混合させずに、前記第一の流路と前記第二の流体との間での熱交換可能に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隔壁には１つ以上のスリットが設けられており、
前記第一の流体が流れる方向に垂直な前記ハニカム構造体の断面においては、
前記ハニカム構造体の中心から該中心と前記外周壁との距離の３０％以内に含まれる前記セルのうちの５０％以上の前記セルは、該セルから前記外周壁までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、前記スリットに阻まれることなく前記隔壁により前記外周壁まで繋がる熱交換部材。
【請求項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の内部を流れる前記第一の流体と前記ハニカム構造体の外部を流れる第二の流体とを混合させずに、前記第一の流路と前記第二の流体との間での熱交換可能に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隔壁には１つ以上のスリットが設けられており、
前記第一の流体が流れる方向に垂直な前記ハニカム構造体の断面においては、
前記ハニカム構造体の中心から該中心と前記外周壁との距離の３０％以内に含まれる前記セルのうちの５０％以上の前記セルは、該セルから前記外周壁までを最短距離で結ぶ線に沿うかたちで、前記スリットに阻まれることなく前記隔壁により前記外周壁まで繋がる熱交換部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−１１４２８（Ｐ２０１３−１１４２８Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４５８８３（Ｐ２０１１−１４５８８３）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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