CN103443574B - 热交换部件以及热交换器 - Google Patents

Abstract

提供一种和以往的热交换体、热交换器等相比实现小型化、轻量化、低成本化的热交部件以及热交换器。作为热交换部件的蜂窝构造体1中，当隔壁4的材质的热传导率为λ［W/K·m］、关于蜂窝构造体1的隔室结构、隔壁4的壁厚为t［mm］、隔室密度为ρ［个/平方英寸］时，t≧0.2、ρ＞100、20≦t×ρ≦250、10,000≦λ×ρ。

Description

热交换部件以及热交换器

技术领域

本发明关于将第一流体(高温侧)的热量向第二流体(低温侧)热传递的热交换部件以及热交换器。

背景技术

需求一种从发动机等的燃烧排出气体等的高温气体回收热量的热回收技术。作为气体/液体热交换器，一般是汽车的散热器、空调室外机等的翅片管型热交换器。但是，从例如汽车排出气体那样的气体中回收热量时，一般的金属制热交换器缺乏耐热性在高温下的使用较为困难。因此，适合使用具有耐热性、耐热冲击、耐腐蚀等的耐热金属或陶瓷材料等。已知有一种用耐热金属制作的热交换器，但是耐热金属除了价格较高之外，存在加工较难，密度很重、热传导较低等问题。

专利文献1中公开了一种陶瓷制热交换体，从陶瓷制的主体的一端面遍及到其他端面配设加热体流路的同时，在和加热体流路间正交的方向形成被加热体流路。

在专利文献2中公开了一种陶瓷制热交换器，该陶瓷制热交换器是将在内部形成有加热流体流路和非加热流体流路的陶瓷制的多个热交换体在彼此的接合面间介入由未烧结陶瓷构成的绳状密封材地配设在壳体内。

但是，在专利文献1、2中，由于堵孔或切口加工等工作量较多、生产率不高，因而成本较高。另外气体/液体的流路每隔一列地被配置，因而配管结构、流体的密封结构变得复杂。进一步，液体的热传递系数一般比气体大10～100倍以上，这些技术中气体侧的传热面积不足，和对热交换器性能进行控速的气体的传热面积成比例地热交换器变大。

专利文献3、4中，由于需要分别制作接合蜂窝结构部和软管部分，因而生产率不好，具有成本变高的倾向。

现有技术文献

专利文献1：特开昭61-24997号公报

专利文献2：特公昭63-60319号公报

专利文献3：特开昭61-83897号公报

专利文献4：特开平2－150691号公报

发明内容

本发明的课题是，提供一种和以往的热交换体、热交换器等相比实现小型化、轻量化、低成本化的热交换部件以及热交换器。

本发明人员发现在壳体内收容形成为蜂窝构造体的热交换部件，使第一流体在蜂窝构造体的隔室内流通，使第二流体在壳体内的蜂窝构造体的外周面上流通而进行热交换时，通过对作为热交换部件的蜂窝构造体的尺寸和热传导率的关系进行规定能够解决上述课题。即，根据本发明能够提供一种热交换效率较高、蜂窝部分的体积较小、第一流体的压力损失较小的以下的蜂窝构造的热交换部件以及热交换器。

[1]一种热交换部件，形成为陶瓷的蜂窝构造体，该蜂窝构造体具有多个隔室，上述多个隔室通过隔壁被隔开并从一方的端面到另一方的端面在轴向贯通，并且上述多个隔室形成为作为第一流体的加热体所流通的第一流体流通部，且该蜂窝构造体没有被封孔，上述蜂窝构造体的上述隔壁以及上述蜂窝构造体的外周壁的至少一方为致密材质，为了不使在上述第一流体流通部中流通的上述第一流体和通过在上述蜂窝构造体的外周壁的外周面上流通从上述第一流体获得热量的第二流体混合，当上述蜂窝构造体的上述隔壁的材质的热传导率为λ、关于上述蜂窝构造体的隔室构造、上述隔壁的壁厚为t、隔室密度为ρ时，同时满足t≧0.2、ρ＞100、20≦t×ρ≦250、10,000≦λ×ρ，上述热传导率λ的单位为W/K·m，上述壁厚t的单位为mm，上述隔室密度ρ的单位为个/平方英寸。关于上述蜂窝构造体的隔室构造，上述蜂窝构造体的和轴向垂直的截面的截面积的等效圆直径为Φ、上述蜂窝构造体的轴向的长度的全长为L时，20≦Φ≦60、1.66≦L/Φ≦7.5，上述等效圆直径Φ的单位为mm，上述全长L的单位为mm。

[2]一种热交换器，具有：如上述[1]记载的热交换部件的上述蜂窝构造体；以及形成有上述第二流体的入口以及出口、在内部包含上述蜂窝构造体的壳体，上述壳体的内壁与上述蜂窝构造体的外周面之间形成第二流体流通部，上述第二流体在上述第二流体流通部中流通在上述蜂窝构造体的外周面上，从而从上述第一流体获得热量。

本发明的热交换部件以及热交换器无须复杂的构造，和以往的热交换体(热交换器或者该装置)相比，能够实现小型化、轻量化、低成本化。另外，具有同等以上的热交换效率。

附图说明

图1A是表示形成为圆柱形状的蜂窝构造体的热交换部件的立体图。

图1B是表示形成为圆柱形状的蜂窝构造体的热交换部件、且在平行于轴向的截面被截断的截面图。

图2A是表示在壳体内收容有形成为圆柱形状的蜂窝构造体的热交换部件的热交换器的立体图。

图2B是表示在壳体内收容有形成为圆柱形状的蜂窝构造体的热交换部件的热交换器、且在平行于轴向的截面被截断的截面图。

图2C是表示在壳体内收容有形成为圆柱形状的蜂窝构造体的热交换部件的热交换器、且在垂直于轴向的截面被截断的截面图。

图3A是表示从第一流体的入口侧看本发明的热交换器的一个实施方式的模式图。

图3B是表示第一流体和第二流体相对流动地进行热交换的本发明的热交换器的一个实施方式的立体图。

图4A是模式地表示多个蜂窝构造体被层叠的配置、表示第一流体和第二流体正交流动地进行热交换的本发明的热交换器的其他的实施方式的图。

图4B是表示多个蜂窝构造体呈等边三角形交错配置的实施方式的立体图。

图4C是表示多个蜂窝构造体呈等边三角形交错配置的实施方式、从第一流体的入口侧看的视图。

图4D是表示包含大小不同的蜂窝构造体的实施方式的图。

图5A是表示在壳体内收容有圆柱形状的蜂窝构造体的热交换器的其他实施方式的立体图。

图5B是表示在壳体内收容有圆柱形状的蜂窝构造体的热交换器的其他实施方式、且在平行于轴向的截面被截断的截面图。

图5C是表示在壳体内收容有圆柱形状的蜂窝构造体的热交换器的其他实施方式、且在垂直于轴向的截面被截断的截面图。

图6是表示在壳体内收容有具有穿孔金属的蜂窝构造体的热交换器的实施方式、且在平行于轴向的截面被截断的截面图。

图7A是用于说明壳体为螺旋状地卷绕在蜂窝构造体的外周面上的状态的模式图。

图7B是用于说明壳体为螺旋状地卷绕在蜂窝构造体的外周面上的状态、且平行于轴向的方向的模式图。

图8是表示壳体一体地具有筒状部和外侧壳体部的热交换器的实施方式、且在平行于轴向的截面被截断的截面图。

附图说明

1：蜂窝构造体、1h：补充蜂窝构造体、1j：中心轴、2：(轴向的)端面、3：隔室、4：隔壁、5：第一流体流通部、6：第二流体流通部、7：外周面、7h：外周壁、21：壳体、21a：筒状部、21b：外侧壳体部、22：(第二流体的)入口、23：(第二流体的)出口、24：内周面、25：(第一流体的)入口、26：(第一流体的)出口、30：热交换器、55：穿孔金属、55a：(穿孔金属的)孔。

具体实施方式

下面，参照图纸对本发明的实施形态进行说明。本发明并不限定于以下的实施形态，在不超出发明范围的界限内，也可以进行变更、修正、改良而得到。

图1A是表示本发明的一个实施方式的热交换部件的立体图，图1B是在平行于轴向的截面被截断的截面图，热交换部件形成为圆柱形状的蜂窝构造体1。另外，图2A表示在壳体21内收容有圆柱形状的蜂窝构造体1的热交换部件的热交换器30的立体图，在图2B中表示在平行于轴向的截面被截断的截面图，在图2C中表示在垂直于轴向的截面被截断的截面图。

如图1A～图1B所示，热交换部件的蜂窝构造体1形成为圆柱形状。如图2A～图2C所示，本实施方式的热交换器30的壳体21形成为直线状，用以和蜂窝构造体1嵌合，所述蜂窝构造体1形成有从第一流体的入口25到第一流体的出口26的第一流体流通部5。另外，从第二流体的入口22到第二流体的出口23的第二流体流通部6也形成为直线状。另外，第一流体流通部5和第二流体流通部6形成为交叉的交叉结构。蜂窝构造体1嵌合在壳体21中地被设置。第二流体的入口22和出口23夹持蜂窝构造体1地形成在相对侧。

如图2B所示，热交换器30具有第一流体流通部5和第二流体流通部6。第一流体流通部5由蜂窝构造体1形成，所述蜂窝构造体1具有作为第一流体的加热体流通的多个隔室3，该隔室3由陶瓷的隔壁4隔开，从一方的端面2向另一方的端面2在轴向贯通。第二流体流通部6通过在内部包含蜂窝构造体1的壳体21形成，在壳体21上形成有第二流体的入口22以及出口23，第二流体在壳体21的内侧流通在蜂窝构造体1的外周面7上，由此从第一流体获得热量。为了不使第一流体和第二流体混合，蜂窝构造体1的隔壁4以及外周壁7h的至少一方是致密材质。另外，第二流体流通在蜂窝构造体1的外周面7上是指既包括第二流体直接接触蜂窝构造体1的外周面7的情况，也包括不直接接触的情况。

作为在壳体21内收容的热交换部件的蜂窝构造体1具有作为第一流体的加热体流通的多个隔室3，该隔室3由陶瓷的隔壁4隔开，从一方的端面2向另一方的端面2在轴向贯通。热交换器30构成为在蜂窝构造体1的隔室3内流通比第二流体更高温的第一流体。

另外，通过壳体21的内周面24和蜂窝构造体1的外周面7形成第二流体流通部6。第二流体流通部6是通过壳体21和蜂窝构造体1的外周面7形成的第二流体流通部。第二流体流通部6和第一流体流通部5通过被蜂窝构造体1的隔壁4隔开能够进行热传导，通过隔壁4获得在第一流体流通部5中流通的第一流体的热量，该热量被传递到作为流通的第二流体的被加热体。第一流体和第二流体完全地分离，这些流体不会混合。

如图1A所示，第一流体流通部5形成为蜂窝构造。蜂窝构造的情况下，流体在穿过隔室3中时，流体通过隔壁4不会发生流入其他的隔室3，流体从蜂窝构造体1的入口向出口直线地前进。另外，本发明的热交换器30内的蜂窝构造体1没有被封孔，能够增加流体的传热面积，使热交换器的尺寸减小。由此，能够增大热交换器的每单位体积的传热量。进一步，由于不需要在蜂窝构造体1施行封孔部的形成或切口的形成等加工，能够减少热交换器30的制造成本。

本发明的热交换部件中，形成第一流体流通部5的蜂窝构造体1的隔壁4的材质的热传导率为λ[W/K·m]、关于蜂窝构造体1的隔室结构、隔壁4的壁厚为t[mm]、隔室密度为ρ[个/平方英寸]时，t≧0.2、ρ＞100、20≦t×ρ≦250、10，000≦λXρ。

T×ρ范围为20≦t×ρ≦250，优选为80≦t×ρ≦250。通过使t×ρ在这样的范围内时，能够将第一流体的热量有效率地传递到和第二流体进行热交换的外周壁7h部分，能够维持热交换效率不变地减小由第一流体产生的压力损失。另外，λ×ρ的范围是10，000≦λ×ρ，更优选为20，000≦λ×ρ。通过使λ×ρ在这样的范围内，能够维持较小压力损失不变地将第一流体的热量有效率地传递到和第二流体进行热交换的外周壁7h部分。

Φ[mm]是指具有和集热部分的面积相同面积的圆直径即等效圆直径。集热部分是指对从第一流体的热量进行集热的部分，在蜂窝构造体1中形成有隔室3的部分(除去外周壁7h)。另外，蜂窝构造体1是圆柱形状时，除去外周壁7h的部分的直径为Φ。垂直于蜂窝构造体1的轴向的截面的截面积相同的话，无论蜂窝构造体1的形状，由于从集热部分的各点到外周壁7h的平均距离相同，热交换量大致相同。因此，通过对包含等效圆直径的参数进行规定，能够提高热交换效率。

Φ优选为20≦Φ≦60，进一步优选为30≦Φ≦50。另外，蜂窝构造体1的轴向的长度全长为L[mm]时，L/Φ优选为1.66≦L/Φ≦7.5，更优选为2≦L/Φ＜5。通过使Φ以及L/Φ在这样的范围内时，使热交换部件能够将第一流体的热量有效率地传递到和第二流体进行热交换的外周壁部分，能够维持热交换效率不变地减小由第一流体产生的压力损失。

本发明的热交换器30优选为使比第二流体高温的第一流体流通，从第一流体向第二流体热传导。使气体作为第一流体流通、使液体作为第二流体流通时，能够有效率地进行第一流体和第二流体的热交换。即，本发明的热交换器30能够作为气体/液体热交换器适用。

本发明的热交换器30是通过使比第二流体高温的第一流体流通入蜂窝构造体1的隔室内，能够使第一流体的热量向蜂窝构造体1有效率地热传导。即，全部传热阻抗是从第一流体向蜂窝构造体1的热阻抗+隔壁4的热阻抗+从蜂窝构造体1向第二流体的热阻抗，但是控速因素是从第一流体向蜂窝构造体1的热阻抗。热交换器30中，由于第一流体通过隔室3，第一流体和蜂窝构造体1的接触面积较大，能够使作为控速因素的从第一流体向蜂窝构造体1的热阻抗降低。因此，在图1B所示的热交换部件中，即使使蜂窝构造体1的轴向的长度相比于和轴向的截面的截面积相同面积的等效圆直径短时，也能够得到比以往更充分的热交换。

在现有技术的陶瓷制热交换器的制作中，需要进行封孔加工或切口加工、粘合多个成型体或者烧结体的工序，但是本发明中基本上能够直接地使用挤出成型，能够使工作量非常地少。另外使用耐热金属制造相同结构时，需要进行冲压加工、焊接加工等工序，但是在本发明中不需要。因此，能够使制造成本减少的同时，能够得到充分的热交换效率。

本发明的热交换器30构成为具有：蜂窝构造体1，该蜂窝构造体1作为第一流体(加热体)流通的蜂窝构造的第一流体流通部5(高温侧)；壳体21，内部作为第二流体流通部6。由于第一流体流通部5通过蜂窝构造体1的热交换部件被形成因而能够高效率地进行热交换。蜂窝构造体1通过隔壁4被区划形成有作为流路的多个隔室3，隔室形状从圆形、椭圆形、三角形、四边形、其他的多边形等中适当选择所希望的形状即可。另外，希望增大热交换器30的情况下，能够粘合多个蜂窝构造体1形成组件结构(参照图4A)。

虽然图1A以及图1B所示的蜂窝构造体1的形状是圆柱，但是作为形状不限于此，也可以是四棱柱形状等其他形状(参照图3A)，也可以是满足条件的蜂窝集合体的结构(参照图4A～4C)。

图3A以及图3B所示的实施方式是第一流体和第二流体相对流动地进行热交换的热交换器30。相对流动是指，第二流体在和第一流体的流动方向平行的逆方向流动。使第二流体流通的方向不限于和第一流体流通方向的逆方向(相对流动)，也可以是同方向(平行流动)或者以一定的角度(0°＜x＜180°：但是除去正交)等，能够进行适当选择·设计。

图4A所示的热交换器30，在壳体21内，多个蜂窝构造体1彼此具有用于使第二流体流通的间隙的状态下，使其外周面7相对地配置。另外，图4A是模式地表示蜂窝构造体1的配置的图，壳体21等被省略。具体地，蜂窝构造体1是以纵3列、横4列且具有间隙的状态地被层叠。通过这样的构成，第一流体流通的隔室3变多，能够使大量的第一流体流通。另外，由于多个蜂窝构造体1是以具有间隙的状态使其外周面7相对地配置，蜂窝构造体1的外周面7和第二流体的接触面积较多，能够效率良好地进行第一流体和第二流体的热交换。另外，等效圆直径Φ是根据一根一根的蜂窝构造体1求得的值。

在图4B以及图4C中表示多个蜂窝构造体1呈等边三角形交错配置的实施方式。图4B是立体图，图4C是从第一流体的入口侧看的视图。多个蜂窝构造体1被配置为，连结各自的蜂窝构造体1的中心轴1j的线形成等边三角形。通过这样的配置，能够使第二流体均匀地在蜂窝构造体1间(各组件间)流通，能够使热交换效率提高。由此，配置多个蜂窝构造体1的情况下，优选为等边三角形交错配置。通过等边三角形交错配置形成一种翅片结构，第二流体的流动呈现紊流，能够更容易地和第一流体热交换。

图4D是表示包含大小不同的蜂窝构造体1的实施方式。在图4D的实施方式中，在等边三角形交错配置的蜂窝构造体1的缝隙中，配置有补充蜂窝构造体1h。补充蜂窝构造体1h是填埋缝隙的部件，和其他的通常的蜂窝构造体1的大小或形状不同。即，无需使全部的蜂窝构造体1为相同大小或形状。像这样地，通过使用大小或形状不同的补充蜂窝构造体1h，填埋壳体21和蜂窝构造体1的缝隙，能够使热交换效率提高。

蜂窝构造体1的隔室3的隔壁4的密度优选为0.5～5g/cm³。在不足0.5g/cm³的情况下，隔壁4的强度不足，第一流体穿过流路内时由于压力有造成隔壁4破损的可能性。另外，在超过5g/cm³时，蜂窝构造体1自身变重，存在损害轻量化特征的可能性。通过上述范围的密度，能够使蜂窝构造体1坚固。另外，也能够得到使热传导率提高的效果。

蜂窝构造体1优选使用耐热性优良的陶瓷，特别地考虑传热性时优先碳化硅。但是，没有必要使蜂窝构造体1的整体用碳化硅构成，只要主体中包含碳化硅即可。即，蜂窝构造体1优选为由包含碳化硅的导电性陶瓷构成。作为蜂窝构造体1的物理性质，在室温下热传导率λ[W/mK]优选为10≦λ≦300，但是不限定于此。代替导电性陶瓷，也能够使用Fe－Cr－Al系合金等耐腐蚀金属材料。

本发明的热交换器30为了得到较高的热交换效率，优选使用在蜂窝构造体1的材质中包含热传导较高的碳化硅的材质。但是，由于即使是碳化硅在多孔体的情况下也无法得到较高的热传导率，因而更加优选为在蜂窝构造体1的制作过程中使硅浸渍得到致密体结构的方法。通过致密体结构能够得到较高的热传导率。例如，碳化硅为多孔体的情况下是20W/mK左右，通过形成致密体能够达到150W/mK左右。

即，作为陶瓷材料，虽然能够采用Si浸渍SiC、(Si+Al)浸渍SiC、金属复合SiC、Si₃N₄、以及SiC(特别地，优选只由SiC构成的致密化的材料)等，但是为了形成能够得到较高的热交换效率的致密体结构更优选为采用Si浸渍SiC、(Si+Al)浸渍SiC。Si浸渍SiC具有以下的结构：在SiC粒子表面包围金属硅熔融物的凝固物的同时，通过金属硅一体地与SiC粘合，碳化硅从被氧气包围的环境被遮断，能够防止氧化。进一步，SiC具有热传导率较高、容易放热这样的特征，因而浸渍于Si的SiC表现出较高的热传导率或耐热性的同时，致密地形成，作为传热部件具有充分的强度。即，由Si－SiC系(Si浸渍SiC、(Si+Al)浸渍SiC)材料构成的蜂窝构造体1在表现出耐热性、耐热冲击性、抗氧化性、以及具有对于酸或碱等的耐腐蚀性优良的特性的同时，表现出高热传导率。

进一步具体地说明，蜂窝构造体1以Si浸渍SiC合成材料或者(Si+Al)浸渍SiC为主成分的情况下，Si/(Si+SiC)中规定的Si含有量过少时，由于结合材不足，相邻的SiC粒子之间通过Si相的结合不充分，导致热传导率下降，同时难以得到能够维持蜂窝构造这样的薄壁结构体的强度。相反地Si含有量过多时，由于存在超过能够适当地使SiC粒子相互之间结合的金属硅，因而并存有不希望的蜂窝构造体1通过烧结过度收缩、气孔率下降、平均细孔径缩小等弊病。因此Si含有量优选为5～50质量％，更优选为10～40质量％。

这样的Si浸渍SiC或者(Si+Al)浸渍SiC中，由于气孔被埋在金属硅中，存在气孔率为0或者和0相近的情况，抗氧化性、耐久性优良，能够在高温环境化下进行长时间的使用。由于一旦发生氧化时能够形成氧化保护膜，因而不会产生氧化劣化。另外由于从常温到高温具有高强度，能够形成薄壁且轻量的构造体。进一步，由于热传导率和铜或铝金属相同程度地较高、远红外线放射率也较高、具有电气导电性，因而难以带静电。

在本发明的热交换器30中流通的第一流体(高温侧)是排出气体的情况，优选为在第一流体(高温侧)通过的蜂窝构造体1的隔室3内部的壁面保持有催化剂。这是由于在除了排出气体净化的作用之外，排出气体净化时产生的反应热(发热反应)也能够进行热交换。也可以是至少含有一种从由贵金属(铂、铑、钯、钌、铟、银以及金)、铝、镍、锆、钛、铈、钴、锰、锌、铜、锌、锡、铁、铌、镁、镧、钐、铋以及钡构成的群中选择的元素。这些也可以是金属、氧化物以及这之外的化合物。作为在第一流体(高温侧)通过的蜂窝构造体1的第一流体流通部5中保持的催化剂(催化剂金属+保持体)的保持量，优选为10～400g/L，贵金属时进一步优选为0.1～5g/L。催化剂(催化剂金属+保持体)的保持量不足10g/L时，存在催化剂作用难以体现的担忧。另一方面，超过400g/L时，除压力损失增大之外，存在制造成本上升的担忧。根据需要，使催化剂保持在蜂窝构造体1的隔室3的隔壁4。使催化剂保持的情况下，对蜂窝构造体1施行遮挡，使蜂窝构造体1中保持催化剂。预先在作为载体微粒的陶瓷粉末中使包含催化剂成分的水溶液浸渍后，通过进行干燥、烧结得到催化剂涂层微粒。在该催化剂涂层微粒中添加分散介质(水等)其他的添加剂调制表面涂层液(浆料)，将该浆料表面涂层到蜂窝构造体1的隔壁4后，通过进行干燥、烧结，在蜂窝构造体1的隔室3的隔壁4上保持催化剂。另外，在烧结时，剥下蜂窝构造体1的遮挡体。

作为在如上结构的本发明的热交换器30中流通的第一流体的加热体，只要是具有热量的介质即可，没有特别地限定于气体、液体等。例如，气体时能够列举汽车的排出气体等。另外，作为从加热体获得热量(热交换)的第二流体的被加热体，只要是比加热体低的温度时即可，作为介质没有特别限定于气体、液体等。由于隔壁4以及外周壁7h的至少一方是由致密材质形成，因而第二流体优选使用液体，考虑操作性优选水，但是没有特别地限定于水。

如上，蜂窝构造体1具有较高的热传导性，通过隔壁4形成多个成为流路的地方，由此能够得到较高的热交换效率。因此，能够使蜂窝构造体1整体小型化，也能够进行车载化。

关于作为热交换部件的蜂窝构造体1是圆柱情况的其他实施方式进一步进行说明。图5A表示在壳体21内收容有圆柱形状的蜂窝构造体1的热交换器30的其他实施方式的立体图，图5B表示在平行于轴向的截面被截断的截面图，图5C表示在垂直于轴向的截面被截断的截面图。

在图5A～图5C的实施方式中，第二流体的入口22和出口23相对于蜂窝构造体1形成在相同侧。也能够与热交换器30的设置地点、配管等相匹配地做成如本实施方式那样的结构。在本实施方式中，第二流体流通部6呈环绕蜂窝构造体1的外周的环绕结构。即，第二流体环绕蜂窝构造体1的外周地流通。

图6是表示一种热交换器30实施方式、且在平行于轴向的截面被截断的截面图，该热交换器30在第二流体流通部6的蜂窝构造体1的外周面7上设置有具有多个孔的有孔金属板即穿孔金属件55。壳体21内收容有圆柱形状的蜂窝构造体1。另外，第二流体流通部6的蜂窝构造体1的外周面7上嵌合设置有穿孔金属件55。穿孔金属件55是将金属原材料的板进行开孔加工得到的，形成为按照蜂窝构造体1的外周面7的形状的筒状。即，由于穿孔金属件55由于具有孔55a，因而第二流体和蜂窝构造体1存在直接接触的地方，不会使热传递下降。另外通过用穿孔金属件55覆盖蜂窝构造体1的外周面7来保护蜂窝构造体1，能够抑制蜂窝构造体1的损坏。另外，有孔金属板是指具有多个孔的金属板，不限定于穿孔金属件55。

图7A以及图7B表示壳体21形成为软管状、以螺旋状地卷绕在蜂窝构造体1的外周面7上的形状被设置的实施方式的热交换器30。图7A是用于说明壳体21螺旋状地卷绕在蜂窝构造体1的外周面7上的状态的模式图。图7B是用于说明壳体21为螺旋状地卷绕在蜂窝构造体1的外周面7上的状态、且平行于轴向的方向的模式图。在本实施方式中，软管内作为第二流体流通部6，由于壳体21是螺旋状地卷绕在蜂窝构造体1的外周面7上的形状，在第二流体流通部6中流通的第二流体在蜂窝构造体1的外周面7上不直接接触蜂窝构造体1的外周面7地螺旋状流通进行热交换。通过这样的结构，即使蜂窝构造体1存在损坏的情况下，第一流体和第二流体不会产生泄漏而混合。

图8是表示具有壳体21的热交换器30的实施方式，该壳体21一体地具有嵌合于蜂窝构造体1的外周面7的筒状部21a、在该筒状部21a的外侧形成第二流体流通部6的外侧壳体部21b。筒状部21a具有对应于蜂窝构造体1的外周面7形状的形状，外侧壳体部21b在筒状部21a的外侧形成具有第二流体流通用的空间的筒状形状。另外，在外侧壳体部21b的一部分形成有第二流体的入口22以及出口23。在本实施方式中，第二流体流通部6是由筒状部21a和外侧壳体部21b包围形成，在第二流体流通部6中流通的第二流体在蜂窝构造体1的外周面7上不直接接触蜂窝构造体1的外周面7地在周方向流通来进行热交换。通过这样的结构，即使蜂窝构造体1存在损坏的情况下，第一流体和第二流体不会产生泄漏而混合。

下面，对本发明的热交换器30的制造方法进行说明。首先，挤出陶瓷成型原料，成型蜂窝成型体，该蜂窝成型体区划形成有成为流体的流路的多个隔室3，该隔室3通过陶瓷的隔壁4被隔开而从一方的端面2到另一方的端面2在轴向贯通，。

具体地，能够如以下地进行制造。将包含陶瓷粉末的粘土挤出为所希望的形状并成型蜂窝成型体后，通过干燥、烧结，能够得到通过隔壁4区划形成有成为气体流路的多个隔室3的蜂窝构造体1。

作为蜂窝构造体1的材料，能够使用上述的陶瓷，例如，在制造以Si浸渍SiC合成材料为主成分的蜂窝构造体的情况下，首先混炼规定量的C粉末、SiC粉末、粘结剂、水或者有机溶剂，成型得到所希望的形状的成型体。接着，将该成型体放置在金属Si环境下的、减压的惰性气体或者真空中，使成型体浸渍于金属Si。

另外，采用Si₃N₄以及SiC等的情况下，使成型原料粘土化，将该粘土在成型工序中通过挤出成型，能够成型蜂窝形状的成型体，该蜂窝形状的成型体具有由隔壁4区划成的成为排出气体流路的多个隔室3。通过将其进行干燥、烧结，能够得到蜂窝构造体1。另外，通过将蜂窝构造体1收容于壳体21内，能够制造热交换器30。

由于本发明的热交换器30和以往相比表现出较高的热交换效率，因而能够使热交换器30自身小型化。进一步，通过挤出成型能够由一体模具制造，因而能够低成本化。热交换器30在第一流体是气体、第二流体是液体的情况下，能够适合地进行使用，例如，基于汽车的燃费提高，能够适合地使用于排出热回收等用途。

【实施例】

以下，通过实施例对本发明进行进一步详细的说明，但本发明不限定于这些实施例。

(实施例1～15，比较例1～6)

利用蜂窝构造体1和壳体21，如下地制作形成有第一流体流通部和第二流体流通部的热交换器30。

(蜂窝构造体的制造)

将包含陶瓷粉末的粘土挤出为所希望的形状后，通过干燥、烧结，制造材质是碳化硅、主体尺寸如表1所记载的蜂窝构造体1。另外，不论蜂窝构造体1的外形形状，作为和集热部分的面积相同面积的圆的直径的等效圆直径Φ为40mm，蜂窝构造体1的轴向的长度的全长L[mm]是100mm。另外表1中记载了隔壁4的材质的热传导率λ[W/K·m]、隔壁4的壁厚t[mm]、隔室密度ρ[个/平方英寸]。

(壳体)

作为蜂窝构造体1的外侧容器，使用由不锈钢构成的壳体21。在实施例1～15中，将1个蜂窝构造体1配置在壳体21内(参照图1A以及图2C)。第一流体流通部5形成为蜂窝构造，第二流体流通部6形成为在壳体21内、在蜂窝构造体1的外周流通(外侧结构)。另外，在壳体21上安装有将第一流体导入蜂窝构造体1或从蜂窝构造体1排出、将第二流体导入壳体21或从壳体21排出的配管。另外，不使第一流体和第二流体混合地，使这2个路径完全地隔离(外周流动结构)。另外，实施例1～15的蜂窝构造体1的外形结构是全部相同的。在图2C中，蜂窝构造体1的外周面7和壳体21的内周面24的间隔L3是1mm。

(第一流体、以及第二流体)

第一流体、第二流体向蜂窝构造体1的入口温度、流量是全部相同条件。作为第一流体，使用500℃的氮气(N₂)。另外，作为第二流体使用水。

(试验方法)

向蜂窝构造体1的第一流体流通部5流入氮气，向壳体21内的第二流体流通部6流入(冷却)水。氮气相对于蜂窝构造体1的流量是6L/s。(冷却)水的流量是15L/min。第一流体、第二流体的流量等试验条件全部相同。实施例1是使用在成为第一流体的流路的配管的外周部存在第二流体的流路的结构(参照图2B)。(冷却)水构成为在配管的外侧(间隙(L3)为1mm)流动(参照图2C)。实施例1的配管容积是指第一流体的流路的体积。在蜂窝构造体1的前段以及后段的第一流体的流路配管中配置压力计，从该压力差确定蜂窝构造体1的压力损失。

(试验结果)

表1中表示热交换效率和压力损失。热交换效率(％)是分别从第一流体(氮气)以及第二流体(水)的ΔT℃(蜂窝构造体1的出口温度－入口温度)算出能量，用公式1进行计算。

(公式1)热交换效率(％)＝(第一流体(气体)的入口温度－第二流体(冷却水)的出口温度)/(第一流体(气体)的入口温度－第一流体(气体)的出口温度)×100

【表1】

表1表示使集热部的蜂窝全长(L＝100mm)、蜂窝的隔壁4的材质的热传导率(100[W/K·m])一致，改变隔室结构(隔室的隔壁4的壁厚t、隔室密度ρ)时的热交换效率和压力损失。此时，通过同时满足压力损失小于5.0[kPa]、热交换效率超过50％，能够达到比以往的产品轻量且简洁的结构。压力损失随着隔室的隔壁的壁厚和隔室密度增大而变大，壁厚是0.3隔室密度是600时压力损失超过5.0[kPa]。另一方面，在壁厚是0.1、隔室密度是100时，热交换效率不超过50％。

(实施例16～23、比较例7～9)

接着，制作使蜂窝构造体1的外形(等效圆直径Φ为45mm、全长L为100mm)、隔壁4的壁厚t相同，使隔壁4的材质的热传导率变化的蜂窝构造体。结果表示于表2中。

【表2】

热交换效率在隔室密度为100时较低，但是随着隔壁的热传导率和隔室密度增大有变大的倾向。为了满足成为比以往性能更好的热交换部件，具体地说，为了满足压力损失小于5.0[kPa]、热交换效率大于50％的要求，表1和表2中蜂窝构造体的隔壁的热传导率为λ[W/K·m]、上述隔壁的壁厚为t[mm]、隔室密度为ρ[个/平方英寸]时，需要同时满足t≧0.2、ρ＞100、20≦t×ρ≦250、10，000≦λ×ρ。

(实施例24～34)

接着，制作使蜂窝构造体1的隔壁的热传导率λ[W/K·m]、上述隔壁的壁厚t[mm]、隔室密度ρ[个/平方英寸]相同，使外径(等效圆直径Φ)、全长(L)变化的蜂窝构造体1。其结果如表3所示。

【表3】

随着外径(等效圆直径Φ)增大，热交换效率上升，以某一点为顶峰再次下降，与此倾向相对地压力损失具有变小的倾向。为了满足上述的体积和压力损失、热交换效率，需要同时满足20≦Φ≦60、1.66≦L/Φ≦7.5。

【产业上的利用可能性】

本发明的热交换器是用于在加热体(高温侧)和被加热体(低温侧)进行热交换的用途，可用于汽车领域、工业领域，没有特别限定。在汽车领域使用于从排出气体回收排出热量用途时，能够有利于汽车燃费的提高。

Claims (2)

1.一种热交换部件，其特征在于，形成为陶瓷的蜂窝构造体，该蜂窝构造体具有多个隔室，上述多个隔室通过隔壁被隔开并从一方的端面到另一方的端面在轴向贯通，并且上述多个隔室形成为作为第一流体的加热体所流通的第一流体流通部，且该蜂窝构造体没有被封孔，

上述蜂窝构造体的上述隔壁以及上述蜂窝构造体的外周壁的至少一方为致密材质，为了不使在上述第一流体流通部中流通的上述第一流体和通过在上述蜂窝构造体的外周壁的外周面上流通从上述第一流体获得热量的第二流体混合，

当上述蜂窝构造体的上述隔壁的材质的热传导率为λ、上述隔壁的壁厚为t、隔室密度为ρ时，同时满足t≧0.2、ρ＞100、20≦t×ρ≦250、10,000≦λ×ρ，上述热传导率λ的单位为W/K·m，上述壁厚t的单位为mm，上述隔室密度ρ的单位为个/平方英寸，

关于上述蜂窝构造体的隔室构造，上述蜂窝构造体的和轴向垂直的截面的截面积的等效圆直径为Φ、上述蜂窝构造体的轴向的长度的全长为L时，20≦Φ≦60、1.66≦L/Φ≦7.5，上述等效圆直径Φ的单位为mm，上述全长L的单位为mm。

2.一种热交换器，其特征在于，具有：作为上述权利要求1所述的热交换部件的上述蜂窝构造体；以及形成有上述第二流体的入口以及出口、在内部包含上述蜂窝构造体的壳体，

上述壳体的内壁与上述蜂窝构造体的外周面之间形成第二流体流通部，上述第二流体在上述第二流体流通部中流通在上述蜂窝构造体的外周面上，从而从上述第一流体获得热量。