WO2012043758A1 - 熱交換部材 - Google Patents

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WO2012043758A1
WO2012043758A1 PCT/JP2011/072454 JP2011072454W WO2012043758A1 WO 2012043758 A1 WO2012043758 A1 WO 2012043758A1 JP 2011072454 W JP2011072454 W JP 2011072454W WO 2012043758 A1 WO2012043758 A1 WO 2012043758A1
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WO
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outer peripheral
peripheral wall
heat exchange
fluid
exchange member
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PCT/JP2011/072454
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English (en)
French (fr)
Inventor
宮崎　誠
能大 鈴木
Original Assignee
日本碍子株式会社
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/103—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of more than two coaxial conduits or modules of more than two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/04—Tubular elements of cross-section which is non-circular polygonal, e.g. rectangular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F7/00—Elements not covered by group F28F1/00, F28F3/00 or F28F5/00
    • F28F7/02—Blocks traversed by passages for heat-exchange media

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchange member used by being mounted on a heat exchanger.
  • a heat exchanger may be used to heat or cool a fluid (gas, liquid).
  • a high-temperature fluid and a low-temperature fluid are separated from each other by a heat conductive flow path wall, and heat is transferred to the flow path wall so that heat exchange between both fluids is performed.
  • the efficiency of heat exchange can be increased by increasing the area of the flow path wall that separates the high-temperature fluid and the low-temperature fluid. Therefore, a heat exchanger having a structure in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid are separated by a wave-shaped channel wall has been devised for the purpose of increasing the area of the channel wall.
  • each of the flow path of the high-temperature fluid and the flow path of the low-temperature fluid is branched into a plurality of flow paths, and the branched high-temperature flow path and the low-temperature flow path are alternately arranged.
  • a heat exchanger having the above structure has been devised.
  • the ceramic channel wall when the ceramic channel wall receives heat, it contracts and expands (causes thermal stress), and sometimes the channel wall is damaged by this thermal stress.
  • the function as a heat exchanger is impaired.
  • an object of the present invention is to provide a technique for suppressing breakage due to thermal stress while maintaining heat exchange efficiency and corrosion resistance.
  • the present invention is a heat exchange member shown below.
  • a cylindrical outer peripheral wall made of ceramics containing SiC as a main component and a plurality of cells serving as a flow path for the first fluid inside the outer peripheral wall are partitioned to form ceramics containing SiC as a main component.
  • the outer peripheral wall and the partition mediate heat exchange between the first fluid flowing inside the outer peripheral wall and the second fluid flowing outside the outer peripheral wall.
  • the thickness T of the outer peripheral wall, the diameter D of the equivalent circle calculated from the area of the outer peripheral wall in the cross section perpendicular to the axial direction of the outer peripheral wall, and the thickness t of the partition wall are expressed by the following formula ( A heat exchange member satisfying 1) to (3).
  • the heat exchange member according to any one of the above [1] to [4], which has a member.
  • heat exchange member of the present invention damage due to thermal stress can be suppressed while maintaining heat exchange efficiency and corrosion resistance.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. 3.
  • It is a perspective view of the modification of one Embodiment of the heat exchange member of this invention.
  • It is a perspective view of the other modification of one Embodiment of the heat exchange member of this invention.
  • the heat exchange member of the present invention partitions and forms a cylindrical outer peripheral wall made of ceramics containing SiC as a main component and a plurality of cells serving as a flow path for the first fluid inside the outer peripheral wall. And partition walls made of ceramics.
  • the outer peripheral wall and the partition wall are the first fluid and the second fluid. Intervene heat exchange between.
  • the first fluid is distributed to the plurality of cells.
  • the first fluid can be allowed to flow while contacting the partition wall surrounding each cell, and as a result, heat exchange can be performed between the first fluid and the partition wall. Can do.
  • the heat exchange between the first fluid and the second fluid is finally performed through the heat conduction in the partition wall and the outer wall and the heat exchange between the outer wall and the second fluid. be able to.
  • the first fluid is distributed to a plurality of cells, and the heat exchange between the first fluid and the partition wall is actively performed in each cell.
  • the heat exchange efficiency between the first fluid and the second fluid is increased, and as a result, the heat exchange efficiency between the first fluid and the second fluid is enhanced.
  • the outer peripheral wall and the partition wall are made of ceramics mainly composed of SiC, so that they have excellent corrosion resistance and high thermal conductivity.
  • Such an outer peripheral wall or partition wall having high thermal conductivity is unlikely to cause a temperature difference between parts. That is, in each of the outer peripheral wall and the partition wall, the temperature difference between the highest temperature portion and the lowest temperature portion can be reduced. Therefore, in the heat exchange member of this invention, it can suppress that a big difference arises in the degree of shrinkage
  • the outer peripheral wall and the partition walls are made of ceramics whose main component is SiC, so that it is possible to suppress the occurrence of large thermal stresses on the outer peripheral wall and the partition walls.
  • the occurrence of cracks and cracks due to thermal stress is suppressed in the outer peripheral wall and the partition wall.
  • the ceramic containing SiC as a main component means a ceramic containing 50 mass% or more of SiC.
  • a partition wall made of ceramics containing SiC as a main component means a partition wall containing SiC by 50 mass% or more.
  • the thickness T of the outer peripheral wall, the diameter D of the equivalent circle calculated from the area inside the outer peripheral wall in the cross section perpendicular to the axial direction of the outer peripheral wall, and the thickness t of the partition wall The following expressions (1) to (3) are satisfied.
  • the rigidity of the outer peripheral wall is enhanced when the thickness T of the outer peripheral wall satisfies 0.3 mm ⁇ T ⁇ 4.0 mm.
  • the heat exchange member of the present invention since the relations of the above formulas (1) to (3) are satisfied, even if cracks and cracks due to thermal stress occur in the partition walls, such cracks and cracks increase the heat exchange efficiency. It is possible to suppress enlargement to such an extent that it is greatly reduced. Furthermore, when the relationships of the above-described formulas (1) to (3) are satisfied, the pressure loss when the first fluid flows inside the outer peripheral wall (specifically, inside the cell) can be suppressed.
  • the thickness T of the outer peripheral wall, the diameter D of the equivalent circle calculated from the area of the outer peripheral wall in the cross section perpendicular to the axial direction of the outer peripheral wall, and the thickness t of the partition wall are It is preferable to satisfy (4) to (6).
  • the rigidity of the outer peripheral wall is further increased, and the outer peripheral wall is hardly cracked or cracked.
  • cracks and cracks due to thermal stress are extremely unlikely to occur.
  • the outer peripheral wall has a cylindrical shape and satisfies the relations of the above-described formulas (4) to (6), the effect of suppressing the occurrence of cracks and cracks in the outer peripheral wall.
  • the effect of suppressing the occurrence of cracks and cracks in the partition walls can be expressed more reliably, which is more preferable.
  • the heat exchange member of the present invention is preferably a polygon in which the cross-sectional shape of the cell is an obtuse angle.
  • the difference in the rigidity of the partition wall is smaller when compared between the respective portions inside the outer peripheral wall.
  • the difference in the magnitude of the thermal stress generated in the partition walls is reduced when compared between the respective portions inside the outer peripheral wall.
  • the heat exchange member of the present invention it is preferable that at least one of the outer peripheral wall and the partition wall is dense, and it is more preferable that both the outer peripheral wall and the partition wall are dense.
  • the outer peripheral wall is dense, the outer peripheral wall has high thermal conductivity, and as a result, the heat exchange efficiency of the heat exchange member can be increased.
  • the partition walls are dense, the partition walls have high thermal conductivity, and as a result, the heat exchange efficiency of the heat exchange member can be increased. Therefore, in the heat exchange member of the present invention, when both the outer peripheral wall and the partition wall are dense, the heat exchange efficiency of the heat exchange member can be more reliably increased.
  • the term “dense” means that the porosity is 10% or less.
  • the porosity is more preferably 5% or less.
  • the porosity here means the porosity measured by the mercury intrusion method.
  • the thermal conductivity is about 20 W / m ⁇ K.
  • the thermal conductivity can be increased to about 150 W / m ⁇ K.
  • the heat exchange member of the present invention preferably has a covering member that covers the outer peripheral wall.
  • the covering member is provided so as to separate the first fluid and the second fluid. In this way, even if the outer peripheral wall is damaged, mixing of the first fluid and the second fluid can be prevented.
  • the covering member is provided on the heat exchange member in a state in which heat exchange is possible between the first fluid and the second fluid.
  • the first fluid and the second fluid can be separated by a simple configuration of the inside and outside of the cylinder. Since the heat exchange member can have a simple structure of a cylindrical shape, a heat exchanger can be made by a simple assembly operation. For example, it is possible to easily assemble a heat exchanger by connecting a pipe to both ends of the heat exchange member of the present invention to form a first fluid flow path, and further covering the heat exchange member with a casing (heat Specific examples of assembling the exchanger will be described later).
  • FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of a heat exchange member of the present invention.
  • the heat exchange member 1 of the present embodiment has a cylindrical outer peripheral wall 3.
  • the outer peripheral wall 3 is open at both ends 9a and 9b. Therefore, it is possible to allow the first fluid to pass through the inside of the outer peripheral wall 3 using one of the end 9a and the end 9b as an inlet and the other as an outlet.
  • the heat exchange member of the present embodiment is a so-called honeycomb structure 20.
  • the outer shape of the honeycomb structure 20 is cylindrical (columnar), but the outer shape of the honeycomb structure 20 is not limited to the cylindrical shape.
  • the outer cross-sectional shape of the honeycomb structure 20 is an ellipse, a quadrangle, or other polygons. Also good.
  • the partition walls 7 traverse the inside of the outer peripheral wall 3 straight, and both ends of these partition walls 7 are in contact with the outer peripheral wall 3.
  • the partition wall 7 and the outer peripheral wall 3 are in contact with each other, heat conduction can be performed between the partition wall 7 and the outer peripheral wall 3.
  • the outer peripheral wall 3 and the partition wall 7 are formed of ceramics whose main component is SiC.
  • the outer peripheral wall 3 and the partition wall 7 can be made of ceramics mainly composed of SiC impregnated with metal Si.
  • the thermal conductivity of the outer peripheral wall 3 and the partition wall 7 can be further increased as the amount of impregnation with the metal Si is increased.
  • 100 parts by mass of ceramics mainly composed of SiC before impregnation with metal Si are impregnated with 30 parts by mass or more of metal Si.
  • the conductivity can be 100 W / m ⁇ K or more.
  • Si-impregnated SiC, (Si + Al) -impregnated SiC, metal composite SiC, recrystallized SiC, Si 3 N 4 , SiC, or the like can be used as the material of the outer peripheral wall 3 and the partition walls 7.
  • the outer peripheral wall 3 and the partition wall 7 made of the materials listed here are porous (porosity of 30% or more), high thermal conductivity may not be obtained. Therefore, in order to obtain a high heat exchange rate when Si-impregnated SiC, (Si + Al) -impregnated SiC, metal composite SiC, recrystallized SiC, Si 3 N 4 , SiC, or the like is used as the material of the outer peripheral wall 3 or the partition wall 7.
  • the outer peripheral wall 3 and the partition wall 7 are preferably made dense (porosity of 10% or less).
  • the thermal conductivity is about 20 W / m ⁇ K, but in the case of dense (porosity of 10% or less) made of Si-impregnated SiC.
  • the thermal conductivity is improved to about 150 W / m ⁇ K.
  • the outer peripheral wall 3 and the partition wall 7 are made of Si-impregnated SiC, (Si + Al) -impregnated SiC, metal composite SiC, recrystallized SiC, Si 3 N 4 , SiC, or the like, the outer peripheral wall 3 or the partition wall 7 is heat resistant. It can be made excellent in thermal shock resistance, oxidation resistance, and corrosion resistance against acids and alkalis, and as a result, the heat exchange member 1 can withstand long-term use.
  • the ratio of the Si content to the sum of the Si content and the SiC content is preferably 0.05 to 0.5, and more preferably 0.1 to 0.4.
  • the ratio of the Si content to the sum of the Si content and the SiC content is 0.05 or more, the bonding between the SiC particles formed through the Si phase is sufficient, and the outer peripheral wall 3 and the partition walls 7 can be increased, and in addition to this, sufficient thermal conductivity can be obtained.
  • the ratio of the Si content to the sum of the Si content and the SiC content is 0.5 or less, the amount of the Si phase is not excessive, and as a result, the outer peripheral wall 3 is subjected to firing or the like.
  • the barrier rib 7 it is difficult to cause inconvenience such as deformation.
  • FIG. 2 is a front view of the end portion 9a of the heat exchange member 1 of the present embodiment.
  • the diameter T of the equivalent circle calculated from the thickness T of the outer peripheral wall 3 in the heat exchange member 1 of the present embodiment and the area of the outer peripheral wall 3 in the cross section perpendicular to the axial direction of the outer peripheral wall 3; And the thickness t of the partition 3 is shown.
  • the outer peripheral wall 3 has a cylindrical shape with a uniform thickness. Further, when the heat exchange member 1 of the present embodiment is viewed from a cross section perpendicular to the axial direction, the cross-sectional shape inside the outer peripheral wall 3 is a circle. Therefore, the diameter D of the equivalent circle is the same as the inner diameter of the outer peripheral wall 3.
  • the area of the region surrounded by the inner surface of the outer peripheral wall is obtained in the cross section perpendicular to the axial direction of the outer peripheral wall, and the diameter of a circle having the same area as this area This is calculated and used as the diameter D of the equivalent circle.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the heat exchanger 21 equipped with the heat exchange member 1 shown in FIG.
  • the heat exchange member 1 described above is mounted in the casing 11.
  • the casing 11 used here is formed into a rectangular parallelepiped box shape by a wall 19.
  • one hole is formed in each of the wall 19 on one surface of the casing 11 and the wall 19 on the surface opposite to this surface, and the end of the heat exchange member 1 is formed in these holes.
  • the part 9a and the end part 9b are fitted. By doing so, the heat exchange member 1 is traversed inside the casing 11.
  • the end 9a and the end 9b of the heat exchange member 1 are connected to the tube 23a and the tube 23b on the outside of the wall 19, respectively.
  • the first fluid when allowed to flow into the tube 23a, it can subsequently flow into the heat exchange member 1 and further into the tube 23b.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. As shown in the drawing, when the first fluid flows inside the heat exchange member 1 (inside the outer peripheral wall 3), the first fluid is distributed to each of the plurality of cells 5.
  • the casing 11 is provided with an inlet 13 for allowing the second fluid to flow into the casing 11 and an outlet 15 for discharging the second fluid from the casing 11 to the outside. .
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line B-B ′ in FIG. As illustrated, when the second fluid flows into the casing 11 from the inlet 13, the second fluid flows while contacting the outer peripheral surface 4 of the outer peripheral wall 3 of the heat exchange member 1, and is finally discharged from the outlet 15. .
  • a rectangular parallelepiped box-shaped casing 11 is shown and described.
  • the flow path of the first fluid made by connecting a heat exchange member or a pipe to the heat exchange member.
  • the second fluid can flow on the outer periphery of the heat exchange member inside the casing.
  • heat transfer occurs from the first fluid to the second fluid.
  • first heat is transferred from the first fluid to the partition wall 7 and the outer peripheral wall 3, and then, heat is transferred from the outer peripheral wall 3 to the second fluid.
  • heat transfer from the first fluid to the outer peripheral wall 3 is performed in the following two modes.
  • the first fluid flowing through other cells can transfer heat to the outer peripheral wall 3 through the partition walls 7.
  • first, heat is transferred from the first fluid to the partition wall 7 forming the cell 5a, and then the partition wall 7 of this cell 5a
  • the heat can be transferred to the outer peripheral wall 3 by sequentially following the partition walls 7 forming the cells 5.
  • heat can be reliably transmitted to the outer peripheral wall 3 by utilizing the heat conduction of the partition wall 7.
  • the heat exchange member 1 of the present embodiment for example, when a hole or a crack occurs in the partition wall 7 (the partition wall 7 that separates the cell 5b and the cell 5c) indicated by a broken-line frame ⁇ in FIG. Since only the first fluids flowing through 5c are mixed with each other, it does not progress to a fatal failure that impairs the function as the heat exchange member. Therefore, in the heat exchange member 1 of the present embodiment, as a modification, it is easy to appropriately apply a form capable of realizing higher heat exchange efficiency such as making the partition wall 7 thin or making the partition wall 7 twisted.
  • the partition wall 7 also serves to structurally reinforce the outer peripheral wall 3 as a beam.
  • the partition wall 7 serves as a beam, the outer peripheral wall 3 is less likely to have a hole or a crack. Therefore, in the heat exchange member 1 of this embodiment, it is hard to produce the fatal failure which mixes a 1st fluid and a 2nd fluid.
  • FIG. 6 is a perspective view of a modification of the present embodiment.
  • the heat exchange member 100 of this modification includes a cylindrical metal tube 40 and a graphite sheet 45.
  • a part of the metal tube 40 is cut away to expose the graphite sheet 45 inside the metal tube 40, and further, a part of the exposed graphite sheet 45 is cut away to form an inner side of the graphite sheet 45.
  • the outer peripheral wall 3 is exposed as shown in FIG.
  • the honeycomb structure 20 is housed inside the metal tube 40 with the outer peripheral wall 3 covered with the graphite sheet 45.
  • the heat between the outer peripheral wall 3 and the metal tube 40 is obtained by sandwiching the graphite sheet 45 between the outer peripheral wall 3 of the honeycomb structure 20 and the metal tube 40 as in the modification shown in FIG. Good exchange can be achieved. Due to the nature of the ceramic material, it may be difficult to completely smooth the surface of the outer peripheral wall 3, and the surface of the outer peripheral wall 3 in this case is uneven. When such an uneven outer peripheral wall 3 is placed inside the metal tube 40 without sandwiching the graphite sheet 45, the convex portions on the surface of the outer peripheral wall 3 and the metal tube 40 are only brought into contact with each other in a scattered manner. It becomes difficult to perform good heat conduction between the wall 3 and the metal tube 40.
  • the graphite sheet 45 When the graphite sheet 45 is sandwiched between the outer peripheral wall 3 and the metal tube 40, the graphite sheet 45 can be deformed, so that the graphite sheet 45 can also enter the concave portion on the surface of the outer peripheral wall 3 to come into contact therewith.
  • each of the outer peripheral wall 3 and the metal tube 40 can be brought into contact with the graphite sheet 45 in a wide range, and as a result, good heat conduction can be performed between the outer peripheral wall 3 -the graphite sheet 45 and the metal tube 40. It becomes possible.
  • FIG. 7 is a perspective view of another modification of the present embodiment.
  • the heat exchange member 150 of the present modification has a square columnar outer peripheral wall 3 having a hollow inside.
  • a plurality of cells 5 are formed inside the outer peripheral wall 3 by partitioning the inside of the outer peripheral wall 3 into a square lattice shape by the partition walls 7.
  • the cross-sectional shape inside the outer peripheral wall 3 is a square having a side length L (mm). Therefore, in this modification, the diameter D of the equivalent circle calculated from the area inside the outer peripheral wall 3 in the cross section perpendicular to the axial direction of the outer peripheral wall 3 is 2L / ⁇ 1/2 (mm).
  • FIG. 8 is an enlarged view of one end of the heat exchange member according to one embodiment of the present invention.
  • the cross-sectional shape of the cell 5 is a regular hexagon (a polygon having a cross-sectional shape of the cell of 120 degrees).
  • the cross-sectional shape of the cell is a polygon having an obtuse angle
  • the thermal stress generated in the partition wall 7 can be relaxed.
  • the occurrence of cracks and cracks in the partition walls 7 can be suppressed.
  • FIG. 9 is an enlarged view of one end of the heat exchange member according to one embodiment of the present invention.
  • the heat exchange member 220 of the present embodiment there is a cut 31 in a part of the partition wall 7.
  • the presence of the cut 31 in the partition wall 7 can relieve the thermal stress generated in the partition wall 7, and as a result, the occurrence of cracks and cracks in the partition wall 7 can be suppressed.
  • the thermal stress generated in the partition wall 7 can be alleviated more effectively. It becomes possible to suppress generation
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a heat exchange member according to an embodiment of the present invention.
  • the heat exchange member 230 of the present embodiment there is a cut 33 in the outer peripheral wall 3.
  • the presence of the cut 33 in the outer peripheral wall 3 can relieve thermal stress generated in the outer peripheral wall 3, and as a result, the occurrence of cracks and cracks in the outer peripheral wall 3 can be suppressed.
  • the cuts 33 are made in the outer wall 3 where the plurality of partition walls 7 just intersect, like the notches 33 shown in FIG. 10, the thermal stress generated in the plurality of partition walls 7 can be reduced. This is preferable because it becomes possible.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a heat exchange member according to an embodiment of the present invention.
  • the partition wall 7 in the central part inside the outer peripheral wall 3 is thin, and the partition wall 7 in the outer peripheral part is thick.
  • the partition wall 7 in the center portion inside the outer peripheral wall 3 is thinner than the partition wall 7 in the outer periphery portion, the thermal stress generated in the partition wall 7 in the center portion can be reduced.
  • the partition wall 7 at the outer peripheral portion is thicker than the central portion, and thus there is a risk of generating a large thermal stress.
  • Heat exchange member preparation of clay
  • 70% by mass of SiC powder having an average particle size of 45 ⁇ m, 10% by mass of SiC powder having an average particle size of 35 ⁇ m, and 20% by mass of SiC powder having an average particle size of 5 ⁇ m were mixed to prepare a mixture of SiC powders.
  • 100 parts by mass of this SiC powder mixture was mixed with 4 parts by mass of binder and water, and kneaded using a kneader to obtain a kneaded product.
  • This kneaded material was put into a vacuum kneader to produce a columnar clay.
  • honeycomb formed body Next, the kneaded material was extruded to form a honeycomb formed body.
  • the base was made of a hard metal that does not easily wear.
  • the honeycomb molded body was formed such that the outer peripheral wall was formed into a cylindrical shape or a hollow quadrangular prism shape, and the inside of the outer peripheral wall was divided into a square lattice shape by partition walls. Further, these partition walls were formed so as to be parallel to each other at equal intervals in the directions orthogonal to each other and to traverse the inside of the outer peripheral wall straight. Thereby, the cross-sectional shape of the cell other than the outermost peripheral portion inside the outer peripheral wall was made square.
  • the honeycomb formed body obtained by extrusion molding was dried.
  • the honeycomb formed body was dried by an electromagnetic heating method, and subsequently dried by an external heating method.
  • moisture corresponding to 97% or more of the total moisture contained in the honeycomb formed body before drying was removed from the honeycomb formed body.
  • the honeycomb formed body was degreased at 500 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. Furthermore, a lump of metal Si was placed on the honeycomb structure obtained by such degreasing and fired at 1450 ° C. for 4 hours in an inert gas under vacuum or reduced pressure. During the firing, the lump of metal Si placed on the honeycomb structure was melted, and the outer peripheral wall and partition walls were impregnated with metal Si.
  • the thermal conductivity of the outer peripheral wall and the partition walls was set to 100 W / m ⁇ K, a mass of 70 parts by mass of metal Si was used with respect to 100 parts by mass of the honeycomb structure.
  • Examples 1 to 8, Comparative Examples 1 and 2 A heat exchange member having a cylindrical outer peripheral wall having a structure basically the same as that shown in FIG. 1 was manufactured. Specifically, the total length is 100 mm, the outer peripheral wall thickness T is 1.0 mm, the partition wall thickness t is 0.5 mm, the cell density is 24 cells / cm 2 , and the outer wall and partition wall thermal conductivity is 150 W / m ⁇ K. Thus, a heat exchange member having an equivalent circle diameter D (here, the same as the inner diameter of the outer peripheral wall) calculated from the area inside the outer peripheral wall as shown in Table 1 was manufactured.
  • D equivalent circle diameter
  • Example 9 to 22, Comparative Examples 3 to 10 A heat exchange member having a cylindrical outer peripheral wall having a structure basically the same as that shown in FIG. 1 was manufactured. Specifically, the total length is 100 mm, the diameter D of the equivalent circle calculated from the area inside the outer peripheral wall (here, the same as the inner diameter of the outer peripheral wall) is 45 mm, the cell density is 24 cells / cm 2 , and the heat of the outer peripheral wall and the partition wall A heat exchange member having a conductivity of 150 W / m ⁇ K, the outer peripheral wall thickness T and the partition wall thickness t shown in Table 2 was manufactured.
  • Examples 23 to 36, Comparative Examples 11 to 17 A heat exchange member having a cylindrical outer peripheral wall having a structure basically the same as that shown in FIG. 1 was manufactured. Specifically, the total length is 100 mm, the diameter D of the equivalent circle calculated from the area inside the outer peripheral wall (here, the same as the inner diameter of the outer peripheral wall) is 45 mm, the cell density is 24 cells / cm 2 , and the heat of the outer peripheral wall and the partition wall A heat exchange member having a conductivity of 100 W / m ⁇ K and having the outer peripheral wall thickness T and the partition wall thickness t shown in Table 3 was manufactured.
  • Examples 37 to 44, Comparative Examples 18 and 19 A heat exchange member having a quadrangular prism-shaped outer peripheral wall having basically the same structure as that shown in FIG. 7 was manufactured. Specifically, the total length is 100 mm, the outer peripheral wall thickness T is 1.0 mm, the partition wall thickness t is 0.5 mm, the cell density is 24 cells / cm 2 , and the outer wall and partition wall thermal conductivity is 150 W / m ⁇ K.
  • a heat exchange member in which the diameter D of the equivalent circle calculated from the area inside the outer peripheral wall is as shown in Table 4 was manufactured.
  • the cross section inside the outer peripheral wall was a square, and the length of one side was set to the value shown in Table 4.
  • a heat exchanger By housing the heat exchange members of the above-described embodiments and comparative examples in the casing, a heat exchanger (a heat exchanger having basically the same structure as that shown in FIG. 3) can be obtained. Produced. About the casing, the thing of the shape where the clearance gap between the outer peripheral wall of a heat exchange member and the wall surface of a casing becomes 1 mm in each part was used. That is, the heat exchange member having a cylindrical outer peripheral wall was accommodated in a cylindrical casing (Examples 1 to 36, Comparative Examples 1 to 17). The heat exchange member having a square columnar outer peripheral wall was accommodated in a rectangular box-shaped casing (Examples 37 to 44, Comparative Examples 18 and 19). In addition, ten heat exchangers were produced for each example and each comparative example, and the following heat exchange tests and the like were performed on these ten heat exchangers.
  • Isostatic strength test A 0.5 mm thick urethane rubber sheet is wrapped around the outer wall of the heat exchange member, and a circular urethane rubber sheet is placed on both ends of the heat exchange member. An aluminum plate having a thickness of 20 mm was disposed between the two. The aluminum plate and urethane rubber sheet had the same shape and size as the end of the heat exchange member (for example, the outer peripheral wall is cylindrical, that is, the end is circular) (The aluminum disk was used for this). Furthermore, the test sample was obtained by sealing between the outer periphery of an aluminum board, and the urethane rubber sheet
  • the isostatic strength is judged as “possible” [indicated by circles ( ⁇ ) in Tables 1 to 4], and the heat exchange member When the water pressure at the time of fracture occurred was 1.0 MPa or less, the isostatic strength was determined as “impossible” [indicated by a cross ( ⁇ ) in Tables 1 to 4].
  • the present invention can be used as a heat exchange member used by being mounted on a heat exchanger.

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Abstract

　熱交換の効率および耐腐食性を維持しつつ、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。筒形状の外周壁３と、外周壁３の内部において第一の流体の流路となる複数のセル５を区画形成するとともにＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる隔壁７と、を有する熱交換部材１。さらに詳しくは、外周壁３および隔壁７が第一の流体と第二の流体との間の熱交換を介在するとともに、外周壁３の厚さＴ、外周壁３の軸方向に垂直な断面における外周壁３の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および隔壁７の厚さｔが下記式（１）～（３）を満たす熱交換部材１。 式（１）：０．３ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ 式（２）：１５ｍｍ≦Ｄ≦１２０ｍｍ 式（３）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ

Description

熱交換部材
　本発明は、熱交換器に装着して使用する熱交換部材に関する。
　流体（気体、液体）を加熱や冷却する際に、熱交換器を使用することがある。熱交換器では、高温の流体と低温の流体とを熱伝導性のある流路壁によって隔てておき、この流路壁に熱を伝わらせることにより、両流体間の熱交換を行わせる。こうした熱交換器では、高温の流体と低温の流体とを隔てる流路壁の面積を広くすると、熱交換の効率を高めることができる。そこで、流路壁の面積を広くするという目的の下、高温の流体と低温の流体とを波型の流路壁で隔てた構造の熱交換器が考案されている。また、同様の目的で、高温の流体の流路および低温の流体の流路のそれぞれを複数の流路に分岐させ、これらの分岐させた高温の流路と低温の流路とを交互に配置した構造の熱交換器が考案されている。
　こうした熱交換器では、流路壁は、流体に曝され続けるので、流体の性質によっては腐食する恐れがある。そこで、熱交換器については、セラミックス製の流路壁を用いることにより、耐腐食性を高める技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開昭６１－２４９９７号公報
　ところが、提案されている技術では、セラミックス製の流路壁が熱を受けると、収縮や膨張を生じ（熱応力を生じ）、時にはこの熱応力により流路壁が破損してしまう恐れがある。特に、流路壁の破損によって高温の流体と低温の流体とが混合してしまうと、熱交換器としての機能を損なうことになる。
　上記の問題に鑑みて、本発明は、熱交換の効率および耐腐食性を維持しつつ、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。
　本発明は、以下に示す熱交換部材である。
［１］　ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる筒形状の外周壁と、前記外周壁の内部において第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成し、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる隔壁と、を有し、前記外周壁および前記隔壁が、前記外周壁の前記内部を流れる前記第一の流体と前記外周壁の外部を流れる第二の流体との間の熱交換を介在するとともに、前記外周壁の厚さＴ、前記外周壁の軸方向に垂直な断面における前記外周壁の前記内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および前記隔壁の厚さｔが下記式（１）～（３）を満たす熱交換部材。
式（１）：０．３ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
式（２）：１５ｍｍ≦Ｄ≦１２０ｍｍ
式（３）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
［２］　前記外周壁の厚さＴ、前記外周壁の軸方向に垂直な断面における前記外周壁の前記内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および前記隔壁の厚さｔが下記式（４）～（６）を満たす前記［１］に記載の熱交換部材。
式（４）：０．５ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
式（５）：３０ｍｍ≦Ｄ≦６０ｍｍ
式（６）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
［３］　前記セルの断面形状が鈍角から構成される多角形である前記［１］または［２］に記載の熱交換部材。
［４］　前記外周壁および前記隔壁のうちの少なくとも一方が緻密質である前記［１］～［３］のいずれかに記載の熱交換部材。
［５］　前記第一の流体と前記第二の流体とを隔てるように設けられるとともに、前記第一の流体と前記第二の流体との間での熱交換可能に前記外周壁を被覆する被覆部材を有する前記［１］～［４］のいずれかに記載の熱交換部材。
　本発明の熱交換部材によれば、熱交換の効率および耐腐食性を維持しつつ、熱応力による破損を抑制することができる。
本発明の熱交換部材の一実施形態の斜視図である。 図１に示した熱交換部材を一方の端部の側からみた正面図である。 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中のＡ－Ａ’断面図である。 図３中のＢ－Ｂ’断面図である。 本発明の熱交換部材の一実施形態の変形例の斜視図である。 本発明の熱交換部材の一実施形態の他の変形例の斜視図である。 セルの断面形状が六角形になっている熱交換部材の一方の端部の拡大図である。 隔壁に切れ込みがある熱交換部材の一方の端部の拡大図である。 外周壁に切れ込みがある熱交換部材の断面の一部を拡大した図である。 隔壁の厚さが中心側と外周側との間で異なる熱交換部材の断面の一部を拡大した図である。
　以下、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。
　本発明の熱交換部材は、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる筒形状の外周壁と、外周壁の内部において第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成し、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる隔壁と、を有する。
　本発明の熱交換部材では、外周壁の内部に第一の流体を流し、さらに外周壁の外部に第二の流体を流す場合に、外周壁および隔壁が第一の流体と第二の流体との間の熱交換を介在する。
　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。こうして第一の流体を各セルに振り分けると、各セルを囲む隔壁に接触させながら第一の流体を流すことができ、その結果、第一の流体と隔壁との間で熱交換を行わせることができる。さらに、隔壁および外周壁における熱伝導や、外周壁と第二の流体との間の熱交換を介することにより、最終的には、第一の流体と第二の流体との熱交換を行わせることができる。
　特に、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、各セルで第一の流体と隔壁との熱交換を盛んに行わせるので、第一の流体と熱交換部材との間の熱交換効率が高められ、ひいては第一の流体と第二の流体との間の熱交換効率が高められている。
　本発明の熱交換部材では、外周壁および隔壁は、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなるので、耐腐食性に優れており、また、熱伝導率が高い。こうした高熱伝導率の外周壁や隔壁では部分ごとでの温度差が生じにくくなる。すなわち、外周壁および隔壁のそれぞれにおいては、温度が最も高い部分と温度が最も低い部分との間の温度差を小さくすることができる。そのため、本発明の熱交換部材では、外周壁や隔壁において、部分ごとで収縮や膨張の度合いに大きな差が生じることを抑えることができる。すなわち、本発明の熱交換部材では、外周壁および隔壁がＳｉＣを主成分とするセラミックスからなるので、外周壁および隔壁で大きな熱応力が発生することを抑えることができる。その結果、本発明の熱交換部材では、外周壁や隔壁において、熱応力に起因したひびや割れの発生が抑制される。
　本明細書にいうＳｉＣを主成分とするセラミックスとは、ＳｉＣが５０質量％以上含まれているセラミックスのことを意味する。例えば、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる隔壁とは、ＳｉＣが５０質量％以上含まれた隔壁であることを意味する。
　さらに、本発明の熱交換部材では、外周壁の厚さＴ、外周壁の軸方向に垂直な断面における外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および隔壁の厚さｔが下記式（１）～（３）を満たす。
式（１）：０．３ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
式（２）：１５ｍｍ≦Ｄ≦１２０ｍｍ
式（３）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
　本発明の熱交換部材では、外周壁の厚さＴが０．３ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍを満たすことにより、外周壁の剛性が高められている。こうして外周壁の剛性を高めることにより、本発明の熱交換部材では、外周壁の破損が生じにくくなり、ひいては外周壁の破損に起因して、外周壁の内部を流れる第一の流体と外周壁の外部を流れる第二の流体とを混合させてしまうという不具合が生じにくくなる。
　また、本発明の熱交換部材では、上述した式（１）～（３）の関係を満たすことより、たとえ隔壁に熱応力によるひびや割れを生じるとしても、こうしたひびや割れが熱交換効率を大きく低下させてしまう程度にまで拡大することを抑制することができる。さらに、上述した式（１）～（３）の関係を満たす場合には、第一の流体が外周壁の内部（具体的にはセル内）を流れる際の圧力損失を抑制することができる。
　本発明の熱交換部材では、外周壁の厚さＴ、外周壁の軸方向に垂直な断面における外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および隔壁の厚さｔが下記式（４）～（６）を満たすことが好ましい。
式（４）：０．５ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
式（５）：３０ｍｍ≦Ｄ≦６０ｍｍ
式（６）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
　本発明の熱交換部材では、上述した式（４）～（６）の関係を満たす場合には、外周壁の剛性がより高まって外周壁にひびや割れが極めて生じにくくなり、また、隔壁においても熱応力によるひびや割れが極めて生じにくくなる。さらに、本発明の熱交換部材では、外周壁が円筒形状であり、かつ、上述した式（４）～（６）の関係を満たす場合には、外周壁におけるひびや割れの発生を抑制する効果や、隔壁におけるひびや割れの発生を抑制する効果をより一層確実に発現させることが可能になるので、より好ましい。
　本発明の熱交換部材は、セルの断面形状が鈍角から構成される多角形であることが好ましい。こうした多角形のセルの断面形状である場合には、隔壁の剛性は、外周壁の内部の各箇所間で比較すると差が小さくなる。その結果、隔壁に生じる熱応力の大きさについても、外周壁の内部の各箇所間で比較すると差が小さくなる。こうして、隔壁に生じる熱応力の大きさのばらつきが小さくなると、外周壁内部の隔壁における最大発生応力が小さくなり、その結果、隔壁におけるひびや割れの発生をより一層確実に抑制することが可能になる。
　本発明の熱交換部材は、外周壁および隔壁のうちの少なくとも一方が緻密質であることが好ましく、さらに、外周壁および隔壁の両方が緻密質であることがより好ましい。外周壁が緻密質である場合には、外周壁が高熱伝導率になり、その結果、熱交換部材の熱交換効率を高めることができる。同じく、隔壁が緻密質である場合には、隔壁が高熱伝導率になり、その結果、熱交換部材の熱交換効率を高めることができる。よって、本発明の熱交換部材において、外周壁および隔壁がともに緻密質である場合には、熱交換部材の熱交換効率をより一層確実に高めることが可能になる。
　本明細書にいう緻密質とは、気孔率が１０％以下であることを意味する。本発明の熱交換部材では、隔壁または外周壁が緻密質である場合、気孔率が５％以下であることがより好ましい。なお、ここでいう気孔率は、水銀圧入法により測定された気孔率のことを意味する。例えば、外周壁や隔壁がＳｉＣを主成分とする多孔質（気孔率３０％以上）のセラミックスからなる場合、熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。対して、外周壁や隔壁がＳｉＣを主成分とする緻密質（気孔率１０％以下）のセラミックスからなる場合、熱伝導率を１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度にまで高めることができる。
　本発明の熱交換部材は、外周壁を被覆する被覆部材を有することが好ましい。被覆部材は、第一の流体と第二の流体とを隔てるように設けられている。こうすると、たとえ外周壁に破損が生じたとしても、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。また、被覆部材は、第一の流体と第二の流体との間での熱交換を可能な状態で熱交換部材に設けられている。
　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ことにより、簡便に熱交換器を組み上げることが可能である（熱交換器の組み上げの具体例は後述）。
　以下、本発明の熱交換部材について、図面を参照しつつ、具体的な実施形態を示し、その内容を詳しく説明する。
　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。図示されるように、本実施形態の熱交換部材１は、円筒形状の外周壁３を有する。この外周壁３は、端部９ａおよび９ｂがともに開口している。そのため、これらの端部９ａおよび端部９ｂのうちの一方を入口とし、もう一方を出口として、外周壁３の内部に第一の流体を通過させることが可能である。
　また、本実施形態では、外周壁３の内部が隔壁７によって四角形の格子状に区画されている。これにより、複数のセル５が外周壁３の内部に形成されている。よって、本実施形態の熱交換部材は、いわゆるハニカム構造体２０となっている。なお、本実施形態では、ハニカム構造体２０の外形が円筒形状（円柱状）であるが、ハニカム構造体２０の外形は円筒形状に限られない。例えば、本実施形態の変形例としては、ハニカム構造体２０を軸方向に垂直な断面からみた場合に、ハニカム構造体２０の外形の断面形状が楕円形、四角形、またはその他の多角形であってもよい。
　さらに、本実施形態では、隔壁７が外周壁３の内部を真っすぐに横切り、これらの隔壁７の両端が外周壁３と接触している。こうして隔壁７と外周壁３とが接触しているので、隔壁７と外周壁３との間で、熱伝導が可能になる。
　また、本実施形態の熱交換部材１では、外周壁３および隔壁７がＳｉＣを主成分とするセラミックスによって形成されている。
　また、外周壁３や隔壁７は、金属Ｓｉを含浸させたＳｉＣを主成分とするセラミックスによって作ることもできる。この場合、金属Ｓｉを含浸させる量を多くすればするほど、外周壁３や隔壁７の熱伝導率をより高めることができる。例えば、金属Ｓｉを含浸させたＳｉＣを主成分とするセラミックスについては、金属Ｓｉ含浸前のＳｉＣを主成分とするセラミックス１００質量部に対して、金属Ｓｉを３０質量部以上含浸させることにより、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることができる。
　具体的には、外周壁３や隔壁７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、ここに列挙した材料で作られた外周壁３や隔壁７が多孔質（気孔率３０％以上）の場合には、高い熱伝導率が得られないことがある。そのため、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、およびＳｉＣ等を外周壁３や隔壁７の材料として採用する場合、高い熱交換率を得るために、外周壁３や隔壁７を緻密質（気孔率１０％以下）にすることが好ましい。
　こうした緻密質にする際には、外周壁３や隔壁７の材質については、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、または（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを採用することがより好ましい。Ｓｉを含浸するＳｉＣからなる外周壁３や隔壁７は、高い熱伝導率や耐熱性を示しつつ、緻密に形成され、十分な強度を示す。例えば、ＳｉＣ（炭化珪素）の多孔質（気孔率３０％以上）の場合、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるが、Ｓｉ含浸ＳｉＣからなる緻密質（気孔率１０％以下）の場合には、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度にまで向上する。
　また、外周壁３や隔壁７をＳｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、またはＳｉＣ等から形成する場合、外周壁３や隔壁７を耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性、酸やアルカリなどに対する耐蝕性に優れたものにすることができ、その結果、熱交換部材１を長期間の使用に耐えられるものにすることが可能になる。
　ここで、外周壁３や隔壁７がＳｉ含浸ＳｉＣ、または（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを主成分とする場合、Ｓｉの含有量とＳｉＣの含有量の総和に対するＳｉの含有量の割合［Ｓｉ含有量／（Ｓｉ含有量＋ＳｉＣ含有量）］が０．０５～０．５であることが好ましく、さらに、０．１～０．４であることがより好ましい。Ｓｉの含有量とＳｉＣの含有量の総和に対するＳｉの含有量の割合が０．０５以上である場合には、Ｓｉ相を介してなされるＳｉＣ粒子同士の結合が十分となり、外周壁３や隔壁７の強度を高めることができ、これに加えて、十分な熱伝導率にすることが可能になる。Ｓｉの含有量とＳｉＣの含有量の総和に対するＳｉの含有量の割合が０．５以下である場合には、Ｓｉ相の量が過剰になり過ぎず、その結果、焼成などを経て外周壁３や隔壁７を形成する際に、変形等の不都合な現象が生じにくくなる。
　図２は、本実施形態の熱交換部材１の端部９ａの正面図である。この正面図では、本実施形態の熱交換部材１における外周壁３の厚さＴ、外周壁３の軸方向に垂直な断面における外周壁３の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および隔壁３の厚さｔを示している。
　本実施形態では、外周壁３は、厚さが均一な円筒形状である。また、本実施形態の熱交換部材１を軸方向に垂直な断面からみる場合、外周壁３の内部の断面形状は円である。したがって、上記の相当円の直径Ｄの大きさは、外周壁３の内径の大きさと同じである。
　外周壁の形状が円筒形状以外の場合には、外周壁の軸方向に垂直な断面において、外周壁の内側の表面に囲まれた領域の面積を求め、この面積と同面積の円の直径を算出し、これを相当円の直径Ｄとする。
　次に、本実施形態の熱交換部材１を装着した熱交換器の一具体例を示す。この熱交換器の図面を参照しつつ、本実施形態の熱交換部材１を用いた熱交換の態様を説明する。
　図３は、図１に示した熱交換部材１を装着した熱交換器２１の模式図を示す。図示されるように、本実施形態の熱交換器２１では、上述した熱交換部材１をケーシング１１内に装着している。ここで用いるケーシング１１は、壁１９により直方体の箱型に形作られている。本実施形態の熱交換器２１では、ケーシング１１の一つの面の壁１９とこの面とは反対側の面の壁１９にそれぞれ１個ずつ穴を開け、これらの穴に熱交換部材１の端部９ａと端部９ｂを嵌め込んでいる。こうすることで、熱交換部材１をケーシング１１の内部で横断させている。さらに、本実施形態の熱交換器２１では、熱交換部材１の端部９ａおよび端部９ｂのそれぞれを壁１９の外側で管２３ａおよび管２３ｂに繋いでいる。その結果、本実施形態の熱交換器２１では、第一の流体を管２３ａ内に流すと、続いて熱交換部材１の内部へ、さらに管２３ｂ内へと流すことができる。
　図４は、図３中のＡ－Ａ’断面図である。図示されるように、第一の流体が熱交換部材１の内部（外周壁３の内部）を流れる際には、第一の流体は複数のセル５のそれぞれに振り分けられる。
　さらに、図３に示されるように、ケーシング１１においては、第二の流体をケーシング１１内に流入させる入口１３、および第二の流体をケーシング１１内から外部に排出させる出口１５が設けられている。
　図５は、図３中のＢ－Ｂ’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の外周壁３の外周面４と接触しながら流れて、最終的に出口１５から排出される。
　ここでは、直方体の箱型のケーシング１１を示して説明しているが、ケーシングの形態については、熱交換部材を、あるいは熱交換部材に管を連結させて作られた第一の流体の流路をケーシングの内部に横断させることができ、さらに、ケーシングの内部において第二の流体を熱交換部材の外周に流すことが可能なものであればよい。
　例えば、第一の流体が高温、第二の流体が低温の場合であれば、伝熱は第一の流体から第二の流体に向けて生じる。この伝熱の過程では、まず、第一の流体から隔壁７や外周壁３に熱が伝わっていき、続いて、外周壁３から第二の流体に熱が伝わっていく。このとき、第一の流体から外周壁３までの伝熱は、次に述べる２つの態様により行われる。
　最も外周側にあるセル５（例えば、図５中のセル５ａ）を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。
　その他のセル（例えば、図５中のセル５ｂ、セル５ｃ）を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、図５中のセル５ａを流れる第一の流体の場合には、まず、第一の流体からセル５ａを形作っている隔壁７に熱が伝わり、続いて、このセル５ａの隔壁７から他のセル５を形作っている隔壁７を順次辿っていくことにより、外周壁３まで熱を伝えることができる。こうして、第一の流体が外周壁３とは接触せずに流れていても、隔壁７の熱伝導を利用することにより、確実に外周壁３まで熱を伝えることができる。
　本実施形態の熱交換部材１では、例えば、図５中の破線の枠αで示した隔壁７（セル５ｂとセル５ｃとを隔てる隔壁７）に穴や亀裂が生じた場合、セル５ｂおよびセル５ｃを流れる第一の流体同士が混じり合うだけであるため、熱交換部材としての機能を損なう致命的な故障には進展しない。そのため、本実施形態の熱交換部材１では、変形例として、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、より高い熱交換効率を実現可能な形態を適宜適用しやすい。
　さらに、本実施形態の熱交換部材１では、隔壁７は、梁として外周壁３を構造的に補強する役割も担う。こうして隔壁７が梁としての役割を果たすため、外周壁３には穴や亀裂が生じにくい。そのため、本実施形態の熱交換部材１では、第一の流体と第二の流体とを混合させてしまう致命的な故障を生じにくい。
　図６は、本実施形態の変形例の斜視図である。本変形例の熱交換部材１００は、円筒形状の金属管４０と、グラファイトシート４５とを有する。図６では、金属管４０の一部分を切除し、金属管４０の内側にあるグラファイトシート４５を露出させた状態とし、さらに、この露出させたグラファイトシート４５の一部分を切除し、グラファイトシート４５の内側にある外周壁３を露出させた状態として表している。図示されるように、本変形例では、グラファイトシート４５により外周壁３を覆われた状態で、ハニカム構造体２０を金属管４０の内部に収めている。
　こうして外周壁３の周囲を金属管４０の管壁で覆うことにより、外周壁３に破損が生じて、第一の流体が外周壁３の外部に漏出する場合があっても、漏出した第一の流体を金属管４０の管壁で遮蔽し、第一の流体と第二の流体とを混合させてしまう事態を防ぐことができる。
　特に、図６に示された変形例のように、ハニカム構造体２０の外周壁３と金属管４０との間にグラファイトシート４５を挟むことにより、外周壁３と金属管４０との間の熱交換を良好にすることができる。外周壁３はセラミックスという材質の性質上、表面を完全に平滑することが困難な場合があり、こうした場合の外周壁３の表面には凹凸ができてしまう。こうした凹凸のある外周壁３を、グラファイトシート４５を挟まずに金属管４０の内部に収めると、外周壁３表面の凸部と金属管４０とを所々で散在する形で接触させるにとどまり、外周壁３と金属管４０との間で良好な熱伝導を行わせることが困難になる。外周壁３と金属管４０との間にグラファイトシート４５を挟み込むと、グラファイトシート４５は変形可能なので、グラファイトシート４５を外周壁３表面の凹部にも入り込ませて接触させることが可能になる。こうして、外周壁３および金属管４０のそれぞれをグラファイトシート４５と広範囲で接触させることができ、その結果、外周壁３－グラファイトシート４５－金属管４０間で、良好な熱伝導を行わせることが可能になる。
　図７は、本実施形態の他の変形例の斜視図である。図示されるように、本変形例の熱交換部材１５０は、内部を空洞とされた四角柱状の外周壁３を有する。外周壁３の内部が隔壁７によって四角形の格子状に区画されることにより、複数のセル５が外周壁３の内部に形成されている。
　本変形例の熱交換部材１５０を軸方向に垂直な断面からみた場合、外周壁３の内部の断面形状は一辺の長さＬ（ｍｍ）の正方形である。そのため、本変形例では、外周壁３の軸方向に垂直な断面における外周壁３の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄが２Ｌ／π１／２（ｍｍ）となる。
　図８は、本発明の一実施形態の熱交換部材の一方の端部の拡大図である。図示されるように、本実施形態の熱交換部材２１０では、セル５の断面形状が正六角形（セルの断面形状が内角１２０度の多角形）になっている。セルの断面形状が鈍角の内角からなる多角形であることにより、隔壁７に生じる熱応力を緩和することができる。その結果、隔壁７におけるひびや割れなどの発生を抑制することができる。
　図９は、本発明の一実施形態の熱交換部材の一方の端部の拡大図である。図示されるように、本実施形態の熱交換部材２２０では、隔壁７の一部に切れ込み３１がある。隔壁７に切れ込み３１があることにより、隔壁７に生じる熱応力を緩和することができ、その結果として隔壁７におけるひびや割れなどの発生を抑制することができる。特に、隔壁７の中で最も大きい熱応力が発生する箇所の近傍に切れ込み３１を入れることにより、隔壁７に生じる熱応力をより効果的に緩和することができ、その結果、隔壁７におけるひびや割れなどの発生をより一層確実に抑制することが可能になる。
　図１０は、本発明の一実施形態の熱交換部材の断面図である。図示されるように、本実施形態の熱交換部材２３０では、外周壁３に切れ込み３３がある。外周壁３に切れ込み３３があることにより、外周壁３に生じる熱応力を緩和することができ、その結果として外周壁３におけるひびや割れなどの発生を抑制することができる。特に、図１０に示した切れ込み３３のように、外周壁３の中でも複数の隔壁７がちょうど交わっている箇所に切れ込み３３を入れると、これら複数の隔壁７に生じた熱応力も緩和することが可能になるので好ましい。
　図１１は、本発明の一実施形態の熱交換部材の断面図である。図示されるように、本実施形態の熱交換部材２４０では、外周壁３内部の中心部分の隔壁７が薄く、外周部分の隔壁７が厚い。外周壁３内部の中心部分の隔壁７が外周部分の隔壁７よりも薄い場合には、中心部分の隔壁７で生じる熱応力を小さくすることができる。その結果、中心部分の隔壁７におけるひびや割れなどの発生を抑制することが可能になる。その一方で、外周部分の隔壁７では、中心部分よりも厚さがあるので、大きな熱応力を生じる恐れがある。しかし、外周部分の隔壁７は、隔壁７と外周壁３との結合部分から近いため、外周壁３により強度を補強されている。そのため、外周部分の隔壁７でも、ひびや割れなどの発生が抑制される。
　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。
（１）熱交換部材
（坏土の作製）
　まず、平均粒径４５μｍのＳｉＣ粉末７０質量％と平均粒径３５μｍのＳｉＣ粉末１０質量％と平均粒径５μｍのＳｉＣ粉末２０質量％とを混ぜ合わせて、ＳｉＣ粉末の混合物を調製した。このＳｉＣ粉末の混合物１００質量部に、バインダー４質量部、水を混ぜ合わせ、ニーダーを用いて混練することにより、混練物を得た。この混練物を真空土練機に投入し、円柱状の坏土を作製した。
（押出成形）
　次に、坏土を押出成形してハニカム成形体を形成した。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、外周壁の形状や厚さ、隔壁の厚さ、セルの形状、セル密度などを所望のものにした。口金は、摩耗し難い超硬合金で作られたものを用いた。ハニカム成形体については、外周壁を円筒形状または中空の四角柱形状とし、外周壁の内部を隔壁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した。また、これらの隔壁については、互いに直交する方向のそれぞれで等間隔に並行し、かつ、真っすぐに外周壁の内部を横切るように形成した。これにより、外周壁の内部の最外周部以外にあるセルの断面形状を正方形にした。
（乾燥）
　次に、押出成形により得たハニカム成形体の乾燥を行った。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った。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した。
（脱脂、Ｓｉ金属の含浸および焼成）
　次に、ハニカム成形体に対して窒素雰囲気で５００℃、５時間の脱脂を行った。さらに、こうした脱脂により得られたハニカム構造体の上に金属Ｓｉの塊を載せ、真空中または減圧の不活性ガス中で、１４５０℃、４時間、焼成をした。この焼成中に、ハニカム構造体の上に載せた金属Ｓｉの塊を融解させ、外周壁や隔壁に金属Ｓｉを含浸させた。外周壁や隔壁の熱伝導率を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の塊を使用した。また、外周壁や隔壁の熱伝導率を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の塊を使用した。こうした焼成を経て、熱交換部材を得た。なお、熱交換部材のより詳細な形態などに関しては、以下で、各実施例および各比較例を個別に説明する際に述べる。
（実施例１～８、比較例１，２）
　図１に示されたものと基本的に同じ構造とされた、円筒形状の外周壁を有する熱交換部材を製造した。具体的には、全長１００ｍｍ、外周壁の厚さＴが１．０ｍｍ、隔壁の厚さｔが０．５ｍｍ、セル密度２４セル／ｃｍ２、外周壁および隔壁の熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ（ここでは外周壁の内径と同じ）が表１に示したものとされた熱交換部材を製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（実施例９～２２、比較例３～１０）
　図１に示されたものと基本的に同じ構造とされた、円筒形状の外周壁を有する熱交換部材を製造した。具体的には、全長１００ｍｍ、外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ（ここでは外周壁の内径と同じ）が４５ｍｍ、セル密度２４セル／ｃｍ２、外周壁および隔壁の熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、外周壁の厚さＴおよび隔壁の厚さｔが表２に示したものである熱交換部材を製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
（実施例２３～３６、比較例１１～１７）
　図１に示されたものと基本的に同じ構造とされた、円筒形状の外周壁を有する熱交換部材を製造した。具体的には、全長１００ｍｍ、外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ（ここでは外周壁の内径と同じ）が４５ｍｍ、セル密度２４セル／ｃｍ２、外周壁および隔壁の熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋであり、外周壁の厚さＴおよび隔壁の厚さｔが表３に示したものとされた熱交換部材を製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
（実施例３７～４４、比較例１８，１９）
　図７に示されたものと基本的に同じ構造とされた、四角柱形状の外周壁を有する熱交換部材を製造した。具体的には、全長１００ｍｍ、外周壁の厚さＴが１．０ｍｍ、隔壁の厚さｔが０．５ｍｍ、セル密度２４セル／ｃｍ２、外周壁および隔壁の熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、外周壁の内部の面積から算出される相当円の直径Ｄが表４に示したものである熱交換部材を製造した。なお、熱交換部材を軸方向に垂直な断面からみた場合における外周壁の内部の断面を正方形とし、その一辺の長さを表４に示した値にした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
（２）熱交換器
　上述した各実施例および各比較例の熱交換部材をケーシング内に収容することにより、熱交換器（図３に示したものと基本的に同じ構造の熱交換器）を作製した。ケーシングについては、熱交換部材の外周壁とケーシングの壁面との隙間が各部で１ｍｍとなるような形状のものを用いた。すなわち、円筒形状の外周壁を有する熱交換部材については、円筒形状のケーシングに収容した（実施例１～３６、比較例１～１７）。四角柱形状の外周壁を有する熱交換部材については、直方体箱型のケーシングに収容した（実施例３７～４４、比較例１８,１９）。なお、各実施例および各比較例につき１０個ずつの熱交換器を作製し、これら１０個の熱交換器について下記の熱交換試験などを実施した。
（３）熱交換試験
　上述した熱交換器において、窒素ガスを第一の流体とし、水を第二の流体として用いて、熱交換試験を行った。窒素ガスの温度は５００℃、流量は２０ｇ／ｓ、水の流量は５Ｌ／ｍｉｎに設定した。また、熱交換試験は、窒素ガスの出口温度（熱交換部材の出口側の端部から排出直後の窒素ガスの温度）、および水の出口温度（ケーシングの出口を通過する際の水の温度）が安定化することを確認して実施した。
　熱交換部材の入口側の端部に流入直前の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排出直後の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１～４に示す。
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
（４）圧力損失の測定
　上述した熱交換試験において、熱交換部材の前後に位置する窒素ガスの流路内に、それぞれ圧力計を配置した。これらの圧力計の測定値から得られた差圧から、熱交換部材内（セル内）を流れる窒素ガスの圧力損失を測定した。各実施例および各比較例について、合計１０個の熱交換器で測定された圧力損失の平均値を表１～４に示す。
（５）破損の検査
　各実施例および各比較例について、上述したように合計１０個の熱交換器を作製して熱交換試験を行った後、これら１０個の熱交換器のそれぞれから熱交換部材を取り出し、隔壁や外周壁における破損の有無を観察した。合計１０個の熱交換部材のうちで、破損を生じていた熱交換部材の個数を表１～４に示す。
（６）アイソスタティック強度試験
　熱交換部材の外周壁に、厚さ０．５ｍｍのウレタンゴム製のシートを巻き付け、更に、熱交換部材の両端部の上に、円形のウレタンゴム製のシートを間に挟ませて、厚さ２０ｍｍのアルミニウム製の板を配置した。アルミニウム製の板およびウレタンゴム製のシートは、熱交換部材の端部と同一の形状および同一の大きさのものを用いた（例えば、外周壁が円筒形状、すなわち端部の形状が円の場合には、アルミニウム製の円板を用いた）。さらに、アルミニウム製の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、試験用サンプルを得た。次に、試験用サンプルを、水を満たした圧力容器内に入れた。続いて、圧力容器内の水圧を０．３～３．０ＭＰａ／分の速度で２０ＭＰａまで上昇させ、熱交換部材に破壊が生じたときの水圧を計測した。熱交換部材に破壊が生じたときの水圧を表１～４に示す。なお、水圧２０ＭＰａでも破壊が生じない場合、表１～４中では「＞２０」と表記した。また、熱交換部材に破壊が生じたときの水圧が１．０ＭＰａ超の場合、アイソスタティック強度を「可」［表１～４中では丸（○）で示す］と判定し、熱交換部材に破壊が生じたときの水圧が１．０ＭＰａ以下の場合、アイソスタティック強度を「不可」［表１～４中ではクロス（×）で示す］と判定した。
（７）総合評価
　「圧力損失７０ｋＰａ以下」、「アイソスタティック強度１．０ＭＰａ超」、という２つの条件を満たす場合、総合評価を「可」と判定した［表１～４中では丸（○）で示す］。また、上記の２つの条件のうち１つの条件でも満たさないものがある場合、総合評価を「不可」と判定した［表１～４中ではクロス（×）で示す］。
　本発明は、熱交換器に装着して使用する熱交換部材として利用できる。
１：熱交換部材、３：外周壁、４：外周面、５，５ａ～５ｃ：セル、７：隔壁、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：壁、２０：ハニカム構造体、２１：熱交換器、２３ａ，２３ｂ：管、３１：（隔壁の）切れ込み、３３：（外周壁の）切れ込み、４０：金属管、４５：グラファイトシート、１００，１５０，２１０，２２０，２３０，２４０：熱交換部材。

Claims (5)

  1. 　ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる筒形状の外周壁と、
    　前記外周壁の内部において第一の流体の流路となる複数のセルを区画形成し、ＳｉＣを主成分とするセラミックスからなる隔壁と、を有し、
    　前記外周壁および前記隔壁が、前記外周壁の前記内部を流れる前記第一の流体と前記外周壁の外部を流れる第二の流体との間の熱交換を介在するとともに、
    　前記外周壁の厚さＴ、前記外周壁の軸方向に垂直な断面における前記外周壁の前記内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および前記隔壁の厚さｔが下記式（１）～（３）を満たす熱交換部材。
    式（１）：０．３ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
    式（２）：１５ｍｍ≦Ｄ≦１２０ｍｍ
    式（３）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
  2. 　前記外周壁の厚さＴ、前記外周壁の軸方向に垂直な断面における前記外周壁の前記内部の面積から算出される相当円の直径Ｄ、および前記隔壁の厚さｔが下記式（４）～（６）を満たす請求項１に記載の熱交換部材。
    式（４）：０．５ｍｍ≦Ｔ≦４．０ｍｍ
    式（５）：３０ｍｍ≦Ｄ≦６０ｍｍ
    式（６）：０．０４×Ｔ≦ｔ≦０．６ｍｍ
  3. 　前記セルの断面形状が鈍角から構成される多角形である請求項１または２に記載の熱交換部材。
  4. 　前記外周壁および前記隔壁のうちの少なくとも一方が緻密質である請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換部材。
  5. 　前記第一の流体と前記第二の流体とを隔てるように設けられるとともに、前記第一の流体と前記第二の流体との間での熱交換可能に前記外周壁を被覆する被覆部材を有する請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換部材。
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