CN108071545A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供被动型热交换器，其结构简单且制造性优异，能够不从外部执行控制地对2种流体间的热交换的促进和抑制进行切换。热交换器包括：柱状的蜂窝结构体，其具有由以陶瓷为主成分的间隔壁区划形成、且从第一端面贯通至第二端面而形成第一流体的流路的多个隔室；内侧筒状部件，其嵌合于蜂窝结构体的外周侧面，且将蜂窝结构体的外周侧面环绕覆盖；隔离件，其直接将内侧筒状部件的外周侧面环绕覆盖，并间接将蜂窝结构体的外周侧面环绕覆盖；以及外侧筒状部件，其直接将隔离件环绕覆盖，隔离件具有：能供第二流体流通且能抑制第二流体的气泡移动的三维构造，内侧筒状部件与外侧筒状部件之间的开口部构成相对于隔离件的第二流体的出入口。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及热交换器。更详细而言，本发明涉及能够不从外部执行控制地对2种流体之间的热交换的促进和抑制进行切换的热交换器。

背景技术

近年来，要求改善汽车的燃油经济性。特别是为了防止发动机启动时等的发动机冷却时的燃油经济性出现恶化，期待如下系统：尽快将冷却水或发动机机油、ATF(自动变速箱油；Automatic transmission fluid)等加热，由此降低摩擦力(摩擦)损失。另外，还期待为了使废气净化用催化剂尽快实现活性化而对催化剂进行加热的系统。

作为这样的系统，例如存在热交换器。热交换器是包含如下部件(热交换部件)的装置，该部件使得第一流体在其内部流通、且使得第二流体在其外部流通而进行热交换。在这样的热交换器中，通过从高温的流体(例如废气)向低温的流体(例如冷却水)进行热交换，能够有效地利用热。

专利文献1中公开了如下热交换部件，该热交换部件在汽车领域中用于从废气回收排放热、并对发动机进行加热的用途时，能够提高汽车的燃油经济性。然而，专利文献1的热交换部件是始终从第一流体(例如废气)向第二流体(例如冷却水)对排放热进行回收的构造，因此，有时在无需对排放热进行回收的情况下也会对排放热进行回收。因此，需要增大用于供在无需对排放热进行回收的情况下所回收的排放热释放的散热器(radiator)的容量。另外，如果从第一流体向第二流体进行热交换的热量增大，则有时第二流体(例如冷却水)会沸腾。

专利文献2中记载有对发动机废气的热进行回收的热交换器。而且，该热交换器是如下热交换器：在将发动机废气的热向冷却水回收的情况下，抑制发动机的冷却水沸腾气化。专利文献2所记载的热交换器构成为：废气通路和第一介质通路以在二者之间隔着第二介质通路的方式而相邻，当促进废气和第一介质的热交换时，由液相的第二介质将第二介质通路内充满。因此，根据专利文献2所记载的热交换器，通过利用了液相的第二介质的对流的热交换，与不经由第二介质而直接进行热交换的情况相比，能够抑制第一介质的沸腾气化，同时还能够稳定地促进热交换。另外，该热交换器构成为：在抑制废气和第一介质的热交换时，由气体将第二介质通路内充满。因此，根据该热交换器，与借助上述的液相的第二介质的热交换相比，能够进一步抑制第一介质的沸腾气化。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-037165号公报

专利文献2：日本特开2013-185806号公报

发明内容

然而，在专利文献2所记载的热交换器中，需要第二循环通路、制冷剂容器(tank)等，因此，热交换器的构造变得复杂，而且，还存在热交换器的大小尺寸变大的问题。另外，由于需要第一介质和第二介质、且构成为使得二者不混合，因此，需要分别独立地控制2种介质的流动。另外，存在下述问题：为了使得由制冷剂容器排出的第二介质再次返回至第二介质通路，需要将制冷剂容器的旋塞打开而使泵进行动作，为了进行该操作而消耗多余的能量。例如，在上述专利文献2所公开的热交换器中，构成为：如果第二介质气化而使得第二介质通路由第二介质的气体充满，则剩余的液体的第二介质被向第二循环通路、以及制冷剂容器排出。另外，设置有止回阀，以使得向第二循环通路排出的第二介质不会向第二介质通路返回。因此，专利文献2所记载的热交换器的结构非常繁琐，而且装置的控制也较为复杂，因而，希望开发出结构简单、且容易控制的热交换器。

本发明是鉴于上述这样的问题而完成的，其课题之一在于提供一种被动型热交换器，该热交换器的结构简单、且制造性优异，能够不从外部执行控制地对2种流体之间的热交换的促进和抑制进行切换。

为了解决上述课题，本发明提供以下热交换器。

根据本发明的热交换器的一个方面，包括：

柱状的蜂窝结构体，其具有多个隔室，该隔室由以陶瓷为主成分的间隔壁区划而形成，并且该隔室从第一端面贯通至第二端面而形成第一流体的流路；

内侧筒状部件，其嵌合于上述蜂窝结构体的外周侧面，且将该蜂窝结构体的外周侧面环绕覆盖；

隔离件，其直接将内侧筒状部件的外周侧面环绕覆盖，并且间接将上述蜂窝结构体的外周侧面环绕覆盖；以及

外侧筒状部件，其直接将上述隔离件环绕覆盖，

上述隔离件具有：能够供第二流体流通、且能够抑制第二流体的气泡移动的三维构造，

上述内侧筒状部件与上述外侧筒状部件之间的开口部构成相对于上述隔离件的第二流体的出入口。

本发明所涉及的热交换器在一实施方式中构成为，所述隔离件具有网格构造。

本发明所涉及的热交换器在另一其他实施方式中构成为，由所述隔离件间接地环绕覆盖的所述蜂窝结构体的外周侧面的部分的面积相对于所述蜂窝结构体的外周侧面的总面积的比例为80％以上。

本发明所涉及的热交换器在又一其他实施方式中构成为，所述隔离件为金属制的。

本发明所涉及的热交换器在又一其他实施方式中构成为，由所述外侧筒状部件直接环绕覆盖的所述隔离件的外周侧面的部分的面积相对于所述隔离件的外周侧面的总面积的比例为80％以上。

本发明所涉及的热交换器在又一其他实施方式中构成为，所述蜂窝结构体的外周侧面全部都由所述内侧筒状部件环绕覆盖。

本发明所涉及的热交换器在又一其他实施方式中构成为，所述隔离件和所述内侧筒状部件作为一个部件而提供。

本发明所涉及的热交换器在又一其他实施方式中构成为，所述隔离件和所述内侧筒状部件分别作为不同的部件而提供。

本发明所涉及的热交换器在又一其他实施方式中构成为，所述隔离件的厚度为0.001mm～10mm。

本发明所涉及的热交换器在又一其他实施方式中构成为，所述内侧筒状部件和所述外侧筒状部件由不同种类的金属构成。

本发明所涉及的热交换器在又一其他实施方式中构成为，在所述内侧筒状部件的外周侧面的至少一处位置设置有台阶或突起，该台阶或突起妨碍所述隔离件以及所述外侧筒状部件在所述内侧筒状部件的轴向上移动。

本发明所涉及的热交换器在又一其他实施方式中构成为，还包括将所述外侧筒状部件环绕覆盖的外壳，

该外壳具有第二流体的入口及出口，

在该外壳与所述外侧筒状部件之间形成有：与所述隔离件连通的第二流体的流路。

本发明所涉及的热交换器在又一其他实施方式中构成为，所述内侧筒状部件与所述外侧筒状部件之间的所述开口部以环状而设置于所述外侧筒状部件的轴向两端部。

发明效果

根据本发明，能够提供一种被动型热交换器，该热交换器能够不从外部执行控制地对2种流体之间的热交换的促进和抑制进行切换。例如，通过使用本发明所涉及的热交换器，当作为从发动机废气对排放热进行回收的热交换系统的一部分而使用时，能够不从外部执行控制地对第一流体和第二流体的热交换的促进和抑制进行切换。

另外，本发明所涉及的热交换器能够以简单的结构而构成，并且容易实现小型化。另外，制造工序也不复杂，因此，能够实现低成本的制造。这样，根据本发明，例如，由于能够以低成本而实现汽车的燃油经济性的改善，因此，能够期待对于环境应对已成为迫切的课题的汽车产业做出重大贡献。

附图说明

图1是用于针对本发明的一实施方式所涉及的热交换器而对与柱状蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)正交的截面的构造进行说明的图。

图2是用于针对本发明的一实施方式所涉及的热交换器而对与柱状蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)平行的截面的构造进行说明的图。

图3是用于针对本发明的一实施方式所涉及的热交换器而对与柱状蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)平行的截面的构造进行说明的局部放大图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行具体说明。本发明并不限定于以下的实施方式，应当理解为：在不脱离本发明的主旨的范围内，基于本领域技术人员的常识针对以下的实施方式适当地施加变更、改良等而得到的发明也落入本发明的范围内。

＜1热交换器＞

图1中针对本发明的一实施方式所涉及的热交换器100而示出了与柱状蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)正交的截面的构造。另外，图2中针对本发明的一实施方式所涉及的热交换器100而示出了与柱状蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)平行的截面的构造。在图2中，比在左右方向上对热交换器100的上下中央附近进行横切的双点划线靠下侧的部分表示热交换器100的外部构造，比该双点划线靠上侧的部分表示热交换器100的内部构造。另外，图2中由其他双点划线以及虚线表示的部位示出了隐藏在后方的结构要素的轮廓。图3中示出了用于针对本发明的一实施方式所涉及的热交换器而对与柱状蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)平行的截面的构造进行说明的局部放大图。图1～图3只不过是用于对本发明所涉及的热交换器的构造进行说明的示意图而已，尺寸、比例尺互不相同。

(1-1核芯部件)

在一个实施方式中，本发明所涉及的热交换器100包括：

柱状的蜂窝结构体101，其具有多个隔室，该隔室由以陶瓷为主成分的间隔壁区划而形成，并且该隔室从第一端面114贯通至第二端面116而形成第一流体的流路；

内侧筒状部件102，其嵌合于上述蜂窝结构体101的外周侧面，并将该蜂窝结构体101的外周侧面环绕覆盖；

隔离件103，其直接将内侧筒状部件102的外周侧面环绕覆盖，并且间接将上述蜂窝结构体101的外周侧面环绕覆盖；以及

外侧筒状部件104，其直接将上述隔离件103环绕覆盖。

通过对蜂窝结构体101、内侧筒状部件102、隔离件103以及外侧筒状部件104进行组装，能够形成本发明所涉及的热交换器100的核芯部件。

(1-1-1蜂窝结构体)

蜂窝结构体101具有多个隔室，该隔室由以陶瓷为主成分的间隔壁区划而形成、且从第一端面114贯通至第二端面116而形成第一流体的流路。通过以该方式构成，能够使在蜂窝结构体101的隔室中流通的第一流体的热高效地汇集、并将该热传递至外部。第一流体在图1中能够沿纸面的表面背面方向流动，在图2中能够沿纸面的左右方向流动。关于第一流体，并未特别限制，可以使用各种液体以及气体，但是，例如，在热交换器作为搭载于汽车的热交换系统的一部分而使用的情况下，优选第一流体为废气。

蜂窝结构体101的形状为柱状，只要能够使得第一流体在隔室内从第一端面114流动至第二端面116，则并不特别限制。例如，可以设为圆柱、椭圆柱、四棱柱或其他多棱柱等。因此，与蜂窝结构体101的轴向(隔室的延伸方向)正交的截面中的蜂窝结构体101的外形可以设为圆形、椭圆形、四边形或其他多边形。在图1所示的实施方式中，蜂窝结构体101为圆柱状，其截面形状为圆形。

另外，与蜂窝结构体101的轴向(隔室的延伸方向)正交的截面中的隔室形状也未特别限制。只要从圆形、椭圆形、三角形、四边形、六边形或其他多边形等中适当地选择所希望的形状即可。在图1所示的实施方式中，隔室的截面形状为四边形。

蜂窝结构体101的间隔壁以陶瓷为主成分。所谓“以陶瓷为主成分”是指：陶瓷的质量在间隔壁总质量中所占的比率为50质量％以上。

间隔壁的气孔率优选为10％以下，更优选为5％以下，特别优选为3％以下。间隔壁的气孔率也可以设为0％。通过将间隔壁的气孔率设为10％以下，能够提高导热率。

优选地，间隔壁含有导热性较高的SiC(碳化硅)作为主成分。所谓“含有SiC(碳化硅)作为主成分”是指：SiC(碳化硅)的质量在间隔壁的总质量中所占的比率为50质量％以上。

此外，具体而言，作为蜂窝结构体101的材料，可以采用Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC、金属复合SiC、再结晶SiC、Si₃N₄、以及SiC等。

关于与蜂窝结构体101的轴向(隔室的延伸方向)正交的截面中的隔室密度(即，每单位面积内的隔室的数量)，并未特别限制。隔室密度只要适当地设计即可，但优选为4～320个隔室/cm²的范围。通过将隔室密度设为4个隔室/cm²以上，能够使得间隔壁的强度甚至蜂窝结构体101自身的强度、以及有效GSA(几何学的表面积)达到足够大。另外，通过将隔室密度设为320个隔室/cm²以下，能够防止：第一流体流动时的压力损失变大。

蜂窝结构体101的等静压强度优选为1MPa以上，更优选为5MPa以上。如果蜂窝结构体101的等静压强度为1MPa以上，则能够实现足够的蜂窝结构体101的耐久性。另外，蜂窝结构体101的等静压强度的上限值为100MPa左右。蜂窝结构体101的等静压强度可以依据日本社团法人汽车技术协会发行的汽车规格亦即JASO规格M505-87中规定的等静压破坏强度的测定方法而测定。

与隔室的延伸方向正交的截面中的蜂窝结构体101的直径优选为20mm～200mm，更优选为30mm～100mm。通过设为这样的直径，能够提高热回收效率。在与隔室的延伸方向正交的截面中的蜂窝结构体101的形状不是圆形的情况下，将与蜂窝结构体101的截面形状内切的最大内切圆的直径设为：与隔室的延伸方向正交的截面中的蜂窝结构体101的直径。

即便对于蜂窝结构体101的隔室的间隔壁的厚度，也并未特别限制，只要根据目的而适当地设计即可。间隔壁的厚度优选设为0.1mm～1mm，更优选设为0.2mm～0.6mm。通过将间隔壁的厚度设为0.1mm以上，能够使得机械强度达到足够强，从而能够防止因冲击或热应力而导致破损。另外，通过将间隔壁的厚度设为1mm以下，能够防止如下不良情况：第一流体的压力损失变大、或者热介质能透过的热回收效率降低。

间隔壁的密度优选为0.5g/cm³～5g/cm³。通过将间隔壁的密度设为0.5g/cm³以上，能够使间隔壁达到足够的强度，从而能够防止：因第一流体从流路内(隔室内)穿过时的阻力而导致间隔壁破损。另外，通过将间隔壁的密度设为5g/cm³以下，能够使蜂窝结构体101实现轻量化。通过将密度设定于上述范围内，能够使蜂窝结构体变得牢固，还能够获得提高导热率的效果。另外，间隔壁的密度值是通过阿基米德法测定所得的。

关于蜂窝结构体101的导热率，在25℃时，优选为50W/(m·K)以上，更优选为100W/(m·K)～300W/(m·K)，特别优选为120W/(m·K)～300W/(m·K)。通过将蜂窝结构体101的导热率设为处于这样的范围内，能够使导热性变得良好，从而能够高效地将蜂窝结构体内的热传递给内侧筒状部件102。另外，导热率的值是通过激光闪射法(JIS R1611-1997)测定所得的。

当废气作为第一流体而在蜂窝结构体101的隔室中流动时，优选将催化剂担载于蜂窝结构体的间隔壁。如果将催化剂担载于间隔壁，则能够通过催化反应而使得废气中的CO、NOx、HC等变为无害的物质，除此之外，还能够将催化反应时所产生的反应热用于热交换。作为催化剂，优选为至少含有一种从下述的组中选择的元素的物质，该组包括贵金属(铂、铑、钯、钌、铟、银以及金)、铝、镍、锆、钛、铈、钴、锰、锌、铜、锡、铁、铌、镁、镧、钐、铋以及钡。也可以作为金属单体、金属氧化物、以及除此之外的金属化合物而含有上述元素。

作为催化剂(金属催化剂+担载体)的担载量，优选为10g/L～400g/L。另外，如果是含有贵金属的催化剂，则优选担载量为0.1g/L～5g/L。如果将催化剂(催化剂金属+担载体)的担载量设为10g/L以上，则容易发现催化剂作用。另一方面，如果设为400g/L以下，则能够抑制压力损失，并能够抑制制造成本的提升。所谓担载体是指供金属催化剂担载的载体。作为担载体，优选为含有选自包括氧化铝、二氧化铈以及氧化锆的组的至少一种的物质。

(1-1-2内侧筒状部件)

内侧筒状部件102与蜂窝结构体101的外周侧面嵌合、且将蜂窝结构体101的外周侧面环绕覆盖。在本说明书中，所谓“嵌合”是指：蜂窝结构体101和内侧筒状部件102以相互嵌合的状态而被固定。因此，对于蜂窝结构体101和内侧筒状部件102的嵌合，除了基于间隙配合、过盈配合、热装配合等嵌合的固定方法之外，还包括：通过钎焊、焊接、扩散接合等而将蜂窝结构体101和内侧筒状部件102相互固定的情形等。

内侧筒状部件102可以具有：与蜂窝结构体101的外周侧面相对应的内侧面形状。通过使内侧筒状部件102的内周侧面直接与蜂窝结构体101的外周侧面接触，能够使导热性变得良好，从而，能够高效地将蜂窝结构体101内的热传递给内侧筒状部件102。

而且，根据提高热回收效率的观点，优选地，使得由内侧筒状部件102环绕覆盖的蜂窝结构体101的外周侧面的部分的面积、相对于蜂窝结构体101的外周侧面的总面积的比例较高。具体而言，该面积比例优选为80％以上，更优选为90％以上，更进一步优选为100％(即，蜂窝结构体101的外周侧面全部都由内侧筒状部件102环绕覆盖)。另外，这里所说的“侧面”是指：与蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)平行的面，不包括与蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)正交的面。

作为内侧筒状部件102的材质，虽然并未特别限制，但优选为导热性优异的材质，例如，可以举出金属、陶瓷等，根据制造性(组装容易度)的理由而优选为金属。作为金属，例如，可以使用不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金、黄铜等，根据耐久可靠性较高的理由，优选为不锈钢。

关于内侧筒状部件102的厚度，根据耐久可靠性的理由而优选为0.1mm以上，更优选为0.3mm以上，更进一步优选为0.5mm以上。关于内侧筒状部件102的厚度，根据降低热阻的理由，优选为10mm以下，更优选为5mm以下，更进一步优选为3mm以下。

优选地，在内侧筒状部件102的外周侧面的至少一处位置设置有：妨碍隔离件103以及外侧筒状部件104在内侧筒状部件102的轴向上移动的台阶或突起108。据此，能够防止隔离件103以及外侧筒状部件104从内侧筒状部件102沿轴向脱落。更优选地，以环绕内侧筒状部件102的外周侧面的方式而设置台阶或突起108，由此能够提高防止移动的效果。在图2所示的实施方式中，在设置有隔离件103以及外侧筒状部件104的轴向区域的两个外侧，上升台阶以环绕状而设置于内侧筒状部件102的外周侧面。

(1-1-3隔离件)

隔离件103直接将内侧筒状部件102的外周侧面环绕覆盖，并且间接将蜂窝结构体101的外周侧面环绕覆盖。另外，隔离件103由外侧筒状部件104直接环绕覆盖。因而，隔离件103配置于内侧筒状部件102的外周侧面与外侧筒状部件104的内周侧面之间的空间，该空间的大小能够通过使隔离件103的厚度发生变化而容易地进行调整。在内侧筒状部件102与外侧筒状部件104之间形成有开口部109，该开口部109构成相对于该隔离件的第二流体的出入口。优选地，开口部109以环状而设置于外侧筒状部件104的轴向两端部，由此能够提高第二流体从隔离件103流出、或者向隔离件103流入时的均匀性。

隔离件103能够供第二流体流通，并且具有能够抑制第二流体的气泡移动的三维构造。通过使第二流体在隔离件103内流通，能够与在蜂窝结构体101流动的第一流体进行热交换。另外，根据该结构，能够有效地获得如下被动式的热交换功能：能够不从外部执行控制地对2种流体之间的热交换的促进和抑制进行切换。对于第二流体并未特别限制，但在热交换器作为搭载于汽车的热交换器而使用的情况下，第二流体优选为水或不冻液(JISK2234：2006中规定的LLC)。

能够想到：例如，在使用“废气”作为第一流体、且使用“制冷剂”作为第二流体的情况下，会产生如下现象。在内侧筒状部件102的外周侧面的温度未达到制冷剂的沸点的情况下，如果液体状态的制冷剂流入隔离件103，则隔离件103的三维构造内保持原样地由液体状态的制冷剂充满，因此，废气和制冷剂的热交换得到促进。另一方面，在内侧筒状部件102的外周侧面的温度达到制冷剂的沸点以上的情况下，如果液体状态的制冷剂流入隔离件103，则隔离件103的三维构造内的制冷剂的至少一部分会沸腾气化，从而气体状态的制冷剂会存在于三维构造内，因此，废气和制冷剂的热交换受到抑制。与液体状态的制冷剂相比，隔离件103内的气体状态的制冷剂的每单位体积的热容量更小，从而隔离件103内的气体状态的制冷剂作为隔热材料而发挥功能。因此，容易维持液体状态的制冷剂未与内侧筒状部件102的外周侧面接触的状态，从而，第一流体(废气)和第二流体(制冷剂)的热交换受到抑制。

这样，如果选择第二流体，其中，该第二流体的温度为想要抑制热交换的温度以下、且该第二流体具有比想要促进热交换的温度高的沸点，则在内侧筒状部件102的外周侧面处于想要抑制热交换的温度区域的情况下，在隔离件103的三维构造内存在因沸腾气化而产生的气体状态的第二流体，因此，第一流体和第二流体的热交换受到抑制。与此相对，在内侧筒状部件的外周侧面处于想要促进热交换的温度区域的情况下，由于隔离件103的三维构造内由液体状态的第二流体充满，因此，热交换得到促进。

另外，如果第二流体在隔离件103的三维构造内沸腾气化则产生气泡，但是，在本发明中，利用隔离件103的三维构造而抑制气泡的移动，从而气体状态的第二流体容易保持于隔离件103内部，由此提高了第一流体和第二流体的热交换的抑制效果。关于能够抑制第二流体的气泡移动的三维构造，并无特殊的限制。只要在内侧筒状部件102的外周侧面与外侧筒状部件104的内周侧面之间的空间的一部分存在三维构造，则由于第二流体的气泡附着于形成该三维构造的物体、或者形成该三维构造的物体(物理方面的构成要素)妨碍第二流体的气泡移动，从而能够抑制气泡从该三维构造流出。换言之，隔离件103内容易由第二流体的气体充满，从而能够提高由隔离件103实现的隔热性。

另外，如果第二流体一下子沸腾气化，则有时因体积急剧膨胀而在热交换器内产生振动、或者产生较大的沸腾声。因隔离件103具有三维构造而使得第二流体的移动阻力变大，因此，液体状态的第二流体会缓慢地流入隔离件103。据此，还能够获得如下效果：有效地抑制振动、沸腾声的产生。

作为三维构造的具体例子，可以举出网格结构(三维网孔结构)、海绵状结构。即使在以上列举的这些结构中，根据容易兼顾隔热性能和第二流体的流通性的理由，也优选网格结构。

关于隔离件103，根据隔热性的理由，空隙率优选为20％以上，更优选为40％以上，更进一步优选为60％以上。另外，关于隔离件103，根据提高气泡的保持力的理由，空隙率优选为98％以下，更优选为95％以下，更进一步优选为90％以下。在本发明中，按照以下次序对隔离件103的空隙率进行测定。

(1)利用阿基米德法，求出构成隔离件的材料的真密度。

(2)根据隔离件的外形尺寸(厚度以及纵横方向的长度)而计算出表观体积，并根据该表观体积以及隔离件的重量而求出体积密度。

(3)空隙率＝(1-体积密度/真密度)×100％

在想要促进热交换的情况下，提高热回收效率，在想要抑制热交换的情况下，降低热回收效率，根据这样的观点，优选地，使得由隔离件103间接地环绕覆盖的蜂窝结构体101的外周侧面的部分的面积相对于蜂窝结构体101的外周侧面的总面积的比例较高。具体而言，该面积比例优选为80％以上，更优选为90％以上，更进一步优选为100％(即，蜂窝结构体101的外周侧面全部都由隔离件103间接地环绕覆盖)。另外，这里所说的“侧面”是指：与蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)平行的面，不包括与蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)正交的面。

在此，由于隔离件103具有能够供第二流体流通的三维构造，因此，在隔离件103的内部设置有用于供第二流体流通的空间。虽然也可以不考虑将这样的空间部分作为覆盖蜂窝结构体101的要素，但是，在本说明书中，考虑将这样的空间部分也作为覆盖蜂窝结构体101的要素，并对上述面积比例进行计算。因此，只要将隔离件103的内部设为实心的构造而对蜂窝结构体101被覆盖的面积进行计算即可。

作为隔离件103的材质，并未特别限制，但优选为导热性优异的材质，例如，可以举出金属、陶瓷等，根据制造性(组装容易度)的理由，优选金属。作为金属，例如，可以使用不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金、黄铜等，根据耐久可靠性较高的理由，优选不锈钢。

关于隔离件103的厚度，根据在想要抑制热交换的情况下提高隔热效果的观点，优选为0.001mm以上，更优选为0.01mm以上，更进一步优选为0.1mm以上。关于隔离件103的厚度，根据容易保持气泡的观点，优选为10mm以下，更优选为1mm以下，更进一步优选为0.5mm以下。隔离件103的厚度定义为：内侧筒状部件102的外周侧面与外侧筒状部件104的内周侧面之间的距离。

隔离件103可以作为与内侧筒状部件102实现了一体化的一个部件而提供，也可以作为与内侧筒状部件102分体的部件而提供。关于作为一个部件而提供的方法，可以举出如下方法：通过切削、电镀、压模、激光加工、化学蚀刻、喷砂加工等对内侧筒状部件102的外周侧面实施表面加工，由此形成作为隔离件103而发挥功能的三维构造。关于作为分体的部件而提供的方法，可以举出如下方法：利用网状物、海绵等具有柔软性的构造物而形成隔离件103，并将该隔离件103卷绕紧固于内侧筒状部件102的外侧面。

(1-1-4外侧筒状部件)

外侧筒状部件104直接将隔离件103环绕覆盖。外侧筒状部件104可以具有：与隔离件103的外周侧面相对应的内侧面形状。通过使外侧筒状部件104的内周侧面直接与隔离件103的外周侧面接触，导热性变得良好，从而，在想要促进热交换的情况下，能够高效地将隔离件103内的热传递给外侧筒状部件104。

在想要促进热交换的情况下，提高热回收效率，在想要抑制热交换的情况下，降低热回收效率，根据这样的观点，优选地，使得由外侧筒状部件104直接环绕覆盖的隔离件103的外周侧面的部分的面积相对于隔离件103的外周侧面的总面积的比例较高。具体而言，该面积比例优选为80％以上，更优选为90％以上，更进一步优选为100％(即，隔离件103的外周侧面全部都被外侧筒状部件104环绕覆盖)。另外，这里所说的“侧面”是指：与蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)平行的面，不包括与蜂窝结构体的轴向(隔室的延伸方向)正交的面。

所谓“隔离件103的外周侧面的总面积”是指：当将隔离件103在平面上展开时由隔离件103的外周侧面的轮廓所形成的图形的投影面积。所谓“由外侧筒状部件104直接环绕覆盖的隔离件103的外周侧面的部分的面积”是指：当将由外侧筒状部件104覆盖的隔离件103的外周侧面的部分在平面上展开时由该部分的轮廓所形成的图形的投影面积。

作为外侧筒状部件104的材质，并未特别限制，但优选为导热性优异的材质，例如，可以举出金属、陶瓷等，根据制造性(组装容易度)的理由，优选金属。作为金属，例如可以使用不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金、黄铜等，根据导热性的理由，优选铜合金。外侧筒状部件104的材质可以是与内侧筒状部件102的材质相同种类的材质，也可以是不同种类的材质。外侧筒状部件104仅通过卷绕紧固于隔离件103的外周侧面便能够以实用的强度而被固定，无需为了固定而与外壳105进行焊接。因而，可以说本发明所涉及的热交换器100的材料选择的自由度较高。因此，还容易由不同种类的金属构成内侧筒状部件102和外侧筒状部件104。例如，可以将内侧筒状部件102设为由不锈钢制成、且将外侧筒状部件104设为由铜或铜合金制成。根据该结构，能够获得如下优点：能够防止因废气导致的腐蚀，而且还能够提高向第二流体的热回收效率。

关于外侧筒状部件104的导热率，根据提高热回收效率的观点，在25℃时，优选为10W/(m·K)以上，更优选为100W/(m·K)以上，更进一步优选为200W/(m·K)以上。导热率的值是通过激光闪射法(JIS R1611：1997)测定所得的值。

关于外侧筒状部件104的厚度，根据耐久可靠性的理由，优选为0.01mm以上，更优选为0.05mm以上，更进一步优选为0.1mm以上。关于外侧筒状部件104的厚度，根据热回收性能的理由，优选为10mm以下，更优选为5mm以下，更进一步优选为1mm以下。

(1-2外壳)

在一实施方式中，除了核芯部件以外，本发明所涉及的热交换器100还包括将外侧筒状部件104环绕覆盖的外壳105。优选地，外壳105具有：将核芯部件整体环绕覆盖的筒状部121。外壳105具有：第二流体的入口106；将入口106和筒状部121连结起来的入口导管122；第二流体的出口107；以及将出口107和筒状部121连结起来的出口导管123。在外壳105与外侧筒状部件104之间，形成有与隔离件103连通的第二流体的流路110。第二流体从入口106以液体状态而向外壳105内流入。接着，第二流体通过流路110而使得至少一部分在隔离件103内流通。第二流体在隔离件103内受到被促进的热交换或者被抑制的热交换之后，通过流路110而从出口107流出。

在第二流体通过入口导管122而到达外侧筒状部件104的外周侧面时的第二流体的流动方向是垂直于外侧筒状部件104的外周侧面的方向的情况下，成为导致压力损失升高的原因。因此，优选地，将入口导管122配置为：使得从入口导管122的中心轴沿入口导管122的长度方向延伸的直线不与外侧筒状部件104的外周侧面垂直地相交。具体而言，参照图1，当从入口导管122的中心轴沿入口导管122的长度方向延伸的直线A、与外侧筒状部件104的外周侧面的交点处的直线A和外周侧面的法线B所成的角度设定为θ(0°≤θ≤90°)时，更优选为10°≤θ≤90°，更进一步优选为30°≤θ≤90°。

为了不使第二流体泄漏到外部，优选地，内侧筒状部件102的轴向(隔室的延伸方向)上的两端部118处的外周侧面具有以环绕状与外壳105的内侧面密接的构造。关于使内侧筒状部件102的外周侧面与外壳105的内侧面密接的方法，并未特别限制，但可以举出：焊接、扩散接合、钎焊等。即使在上述方法中，根据耐久可靠性较高的理由，也优选焊接。

作为外壳105的材质，并未特别限制，但优选为导热性优异的材质，例如，可以举出金属、陶瓷等，根据制造性(组装容易度)的理由，优选金属。作为金属，例如可以使用不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金、黄铜等，根据耐久可靠性较高的理由，优选不锈钢。

关于外壳105的厚度，根据耐久可靠性的理由，优选为0.1mm以上，更优选为0.5mm以上，更进一步优选为1mm以上。关于外壳105的厚度，根据成本、体积、重量等观点，优选为10mm以下，更优选为5mm以下，更进一步优选为3mm以下。

在将热交换器100用于从发动机的废气对排放热进行回收这一用途的情况等下，外壳105也可以构成为：与蜂窝结构体101的轴向(隔室的延伸方向)平行的方向上的两端部分112能够与供发动机的废气通过的配管连接。在废气所通过的配管的内径和外壳105的两端部分的内径不同的情况下，可以在配管与外壳105之间具有配管的内径逐渐增大或逐渐减小的气体导入管，也可以将配管和外壳105直接连接。

(2制造方法)

接下来，对本发明所涉及的热交换器100的制造方法进行举例说明。

(2-1蜂窝结构体的制作)

首先，将含有陶瓷粉末的坯料挤压成所希望的形状，由此制作蜂窝状成型体。作为蜂窝状成型体的材料，可以使用前述的陶瓷。例如，在制造以Si浸渍SiC复合材料为主成分的蜂窝状成型体的情况下，将粘合剂和水或有机溶剂加入到规定量的SiC粉末中，对所获得的混合物进行混炼而形成为坯料，并对该坯料进行成型，由此能够获得所希望的形状的蜂窝状成型体。而且，对所获得的蜂窝状成型体进行干燥，在减压的惰性气体或真空中，使得蜂窝状成型体中含浸有金属Si并进行烧成，由此能够获得具有由间隔壁区划而形成的多个隔室的蜂窝结构体101。

(2-2蜂窝结构体与内侧筒状部件的嵌合)

接下来，将蜂窝结构体101插入于内侧筒状部件102，由此将该蜂窝结构体101的外周侧面环绕覆盖。在该状态下，通过进行热装配合，使得内侧筒状部件102的内周侧面嵌合于蜂窝结构体101的外周侧面。另外，对于蜂窝结构体101与内侧筒状部件102的嵌合，如前所述，除了热装配合以外，还可以通过如下方法而进行：基于所谓的间隙配合、过盈配合的嵌合的固定方法、以及钎焊、焊接、扩散接合等。

(2-3-1隔离件的卷绕)

在作为分体部件而供给隔离件103和内侧筒状部件102的情况下，为了直接将内侧筒状部件102的外周侧面环绕覆盖、且间接将该蜂窝结构体101的外周侧面环绕覆盖，对隔离件103进行卷绕。隔离件103的卷绕可以在使得内侧筒状部件与蜂窝结构体嵌合之前或之后的任意时刻实施。

(2-3-2隔离件的形成)

在作为一个部件而供给隔离件103和内侧筒状部件102的情况下，通过切削、电镀、压模、激光加工、化学蚀刻、喷砂加工等而对内侧筒状部件102的外周侧面实施表面加工，由此形成作为隔离件103而发挥功能的三维构造。隔离件103的形成可以在使得内侧筒状部件102与蜂窝结构体101嵌合之前或之后的任意时刻实施。

(2-4外侧筒状部件的卷绕)

在对隔离件103进行卷绕之后，为了将隔离件103环绕覆盖而对外侧筒状部件104进行卷绕。外侧筒状部件104在卷绕于隔离件103之前可以呈平板状，只要在卷绕之后变化成筒状即可。在卷绕之后，为了能够维持外侧筒状部件104卷绕紧固于隔离件103的状态，优选地，通过焊接等而使得外侧筒状部件104的卷绕端部接合于外侧筒状部件104自身。外侧筒状部件104的卷绕可以在使得内侧筒状部件102与蜂窝结构体101嵌合之前或之后的任意时刻实施。

另外，外侧筒状部件104可以从初始时起为筒状，在该情况下，能够将在外周侧面形成有隔离件的内侧筒状部件102插入于外侧筒状部件104、并通过过盈配合等进行固定。

如上，通过对蜂窝结构体101、内侧筒状部件102、隔离件103以及外侧筒状部件104进行组装而制成核芯部件。使得核芯部件构成为：只要不从外部施加外力就不会分解的组装件，由此能够容易地进行热交换器的处理。

(2-5外壳的安装)

通过模塑成型、弯曲加工、切削加工等方法，对具有上述结构要素的外壳105进行成型，为了将核芯部件的外侧筒状部件104环绕覆盖而使得外壳105与核芯部件接合。典型地，能够将核芯部件插入于外壳105的筒状部121，并通过焊接、钎焊等方法而使得二者接合。此时，为了不使第二流体泄漏到外部，优选地，使内侧筒状部件102的轴向(隔室的延伸方向)上的两端部118处的外周侧面以环绕状与外壳的内侧面密接。

按照上述这样的次序，能够制造出核芯部件和外壳组合后的热交换器。但是，关于制造本发明的热交换器的方法，并不限定于至此说明的制造方法。

【实施例】

下面，利用实施例，对本发明进行更具体的说明，但是，本发明并不受到这些实施例的任何限定。

(实施例1)

(蜂窝结构体的制造)

在将含有SiC粉末的坯料挤压成所希望的形状之后，使其干燥并加工成规定的外形尺寸，然后，进行Si含浸烧成，由此制造出圆柱状的蜂窝结构体101。蜂窝结构体101构成为：端面的直径(外形)为55.4mm，隔室的延伸方向上的长度为40mm。将蜂窝结构体101的与轴向(隔室的延伸方向)正交的截面中的隔室形状设为四边形。蜂窝结构体101的隔室密度为23个隔室/cm²，间隔壁的厚度(壁厚)为0.3mm。蜂窝结构体101在25℃下的导热率为150W/(m·K)。蜂窝结构体101的等静压强度为30MPa。

(热交换器的组装)

接下来，制作了不锈钢制的内侧筒状部件102。内侧筒状部件102具有：内径为55.2mm、轴向长度为44mm的第一圆筒状部。另外，内侧筒状部件102在第一圆筒状部的两端部分别借助图2所示那样的上升台阶108而具有内径为56.5mm、轴向长度为5mm的第二圆筒状部。内侧筒状部件102的壁厚为1.0mm。

接下来，将蜂窝结构体101插入到制成的内侧筒状部件102的内部中央，利用内侧筒状部件102将蜂窝结构体101的外周侧面全部都环绕覆盖(参照图2)。接下来，通过热装配合，使得内侧筒状部件102的内周侧面与蜂窝结构体101的外周侧面嵌合。

接下来，直接将内侧筒状部件102的外周侧面环绕覆盖，并且间接将该蜂窝结构体101的外周侧面环绕覆盖，由此对具有网格结构(空隙率为60％)的不锈钢制的隔离件103(外形尺寸：42mm(轴向长度)×180mm(周向长度)×0.1mm(卷绕前的厚度))进行卷绕(参照图2)。此时，由隔离件103间接地环绕覆盖的蜂窝结构体101的外周侧面的部分的面积相对于蜂窝结构体101的外周侧面的总面积的比例为100％。

接下来，准备平板状(外形尺寸：40mm(轴向长度)×180.5mm(周向长度)×0.5mm(厚度))的铜合金(25℃下的导热率为380W/(m·K))制的外侧筒状部件104，并以将隔离件103环绕覆盖的方式对该外侧筒状部件104进行卷绕(参照图2)。其结果，内侧筒状部件102与外侧筒状部件104之间的开口部109以环状而形成于外侧筒状部件104的轴向两端部。由外侧筒状部件104直接环绕覆盖的隔离件103的外周侧面的部分的面积相对于隔离件103的外周侧面的总面积的比例为100％。在将外侧筒状部件104卷绕于隔离件103之后，通过焊接而使得外侧筒状部件104的卷绕端部与其自身(外侧筒状部件104)接合。在此，内侧筒状部件102的外周侧面与外侧筒状部件104的内周侧面之间的距离(隔离件的厚度)为与卷绕之前相同的0.1mm。

按照上述次序，对蜂窝结构体101、内侧筒状部件102、隔离件103以及外侧筒状部件104进行组装而制成了核芯部件。

接下来，通过模塑成型而对图1及图2所示那样的如下不锈钢制的筒状的外壳105进行成型，该外壳105具有筒状部121、入口106、将入口106和筒状部121连结起来的入口导管122、出口107、以及将出口107和筒状部121连结起来的出口导管123，并且，将核芯部件插入于外壳105内部，由此包含外侧筒状部件104在内而将核芯部件整体环绕覆盖。通过焊接而使得内侧筒状部件102的轴向(隔室的延伸方向)上的两端部处的外周侧面以环绕状而与外壳105的内侧面密接(参照图2)。另外，在外壳105与外侧筒状部件104之间，以充分形成与隔离件103连通的第二流体的流路的方式，使得外壳105的轴向中央部的内径大于轴向两端部的内径(增大与轴向正交的截面积)。外壳105的壁厚为1.5mm。从入口导管122的中心轴沿入口导管122的长度方向延伸的直线A与外侧筒状部件104的外周侧面的交点处的、直线A和外周侧面的法线B所成的角度θ设为38°。

按照以上次序，制成了核芯部件和外壳组合后的、本发明的例子所涉及的热交换器。

(比较例1)

制成了如下热交换器：除了从实施例1的热交换器中将隔离件103以及外侧筒状部件104去除以外，其他方面与实施例1相同。

(热交换试验)

关于制成的实施例1以及比较例1的热交换器，按照以下方法进行了热交换试验。使400℃(＝Tg1)的空气(第一流体)以表1及表2中示出的流量(Mg)而在蜂窝结构体101中流动。另一方面，以166.3g/s的流量(Mw)，从入口106供给表1及表2中所记载的各温度下的冷却水(第二流体)，并从出口107对热交换后的冷却水(第二流体)进行了回收。

在上述各条件下，在对热交换器开始供给空气以及冷却水之后刚经过了5分钟之后，立即对热交换器的入口106处的冷却水的温度(Tw1)以及出口107处的冷却水的温度(Tw2)进行测定，并求出热回收效率。

在此，被冷却水回收的热量Q由下式表示。

Q(kW)＝ΔTw×Cpw×Mw

该式中，ΔTw＝Tw2-Tw1，Cpw(水的比热)＝4182J/(kg·K)。

另外，热交换器的热回收效率η由下式表示。

η(％)＝Q/{(Tg1-Tw1)×Cpg×Mg}×100

该式中，Cpg(空气的比热)＝1050J/(kg·K)。

表1～表2中示出了结果。

【表1】

空气流量：10g/s

【表2】

空气流量：50g/s

由表1～2可知，在比较例1中，无论水温升高与否，均未发现热回收效率的变化，因此，即使冷却水的温度升高，也会持续对热进行回收。另一方面，在实施例1中，当水温较低而需要对热进行回收时，热回收效率较高，但在水温较高而不需要对热进行回收时，热回收效率下降。经推测可知，这是因为：在流入的冷却水的温度较高的情况下，内侧筒状部件的外周侧面的温度也升高，水在隔离件内部容易沸腾，在隔离件内部因水蒸气的气泡而形成隔热层。另外，在实施例1以及比较例1中，热回收效率均随着空气流量的增大而降低。

这样，能够以简单的结构而容易地组装成本发明所涉及的热交换器，能够不从外部执行控制地对2种流体之间的热交换的促进和抑制进行切换。

附图标记说明

100 热交换器 101 蜂窝结构体

102 内侧筒状部件 103 隔离件

104 外侧筒状部件 105 外壳

106 第二流体的入口 107 第二流体的出口

108 台阶或突起 109 开口部

110 第二流体的流路 112 外壳的端部

114 蜂窝结构体的第一端面 116 蜂窝结构体的第二端面

118 内侧筒状部件的端部 121 筒状部

122 入口导管 123 出口导管

Claims (13)

1.一种热交换器，包括：

柱状的蜂窝结构体，其具有多个隔室，该隔室由以陶瓷为主成分的间隔壁区划而形成，并且该隔室从第一端面贯通至第二端面而形成第一流体的流路；

内侧筒状部件，其嵌合于所述蜂窝结构体的外周侧面，且将该蜂窝结构体的外周侧面环绕覆盖；

隔离件，其直接将内侧筒状部件的外周侧面环绕覆盖，并且间接将所述蜂窝结构体的外周侧面环绕覆盖；以及

外侧筒状部件，其直接将所述隔离件环绕覆盖，

所述热交换器的特征在于，

所述隔离件具有：能够供第二流体流通、且能够抑制第二流体的气泡移动的三维构造，

所述内侧筒状部件与所述外侧筒状部件之间的开口部构成相对于所述隔离件的第二流体的出入口。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，

所述隔离件具有网格结构。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，

由所述隔离件间接地环绕覆盖的所述蜂窝结构体的外周侧面的部分的面积相对于所述蜂窝结构体的外周侧面的总面积的比例为80％以上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其特征在于，

所述隔离件为金属制的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的热交换器，其特征在于，

由所述外侧筒状部件直接环绕覆盖的所述隔离件的外周侧面的部分的面积相对于所述隔离件的外周侧面的总面积的比例为80％以上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的热交换器，其特征在于，

所述蜂窝结构体的外周侧面全部都由所述内侧筒状部件环绕覆盖。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热交换器，其特征在于，

所述隔离件和所述内侧筒状部件作为一个部件而提供。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的热交换器，其特征在于，

所述隔离件和所述内侧筒状部件分别作为不同的部件而提供。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的热交换器，其特征在于，

所述隔离件的厚度为0.001mm～10mm。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的热交换器，其特征在于，

所述内侧筒状部件和所述外侧筒状部件由不同种类的金属构成。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的热交换器，其特征在于，

在所述内侧筒状部件的外周侧面的至少一处位置设置有台阶或突起，该台阶或突起妨碍所述隔离件以及所述外侧筒状部件在所述内侧筒状部件的轴向上移动。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的热交换器，其特征在于，

还包括将所述外侧筒状部件环绕覆盖的外壳，

该外壳具有第二流体的入口以及出口，

在该外壳与所述外侧筒状部件之间形成有：与所述隔离件连通的第二流体的流路。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的热交换器，其特征在于，

所述内侧筒状部件与所述外侧筒状部件之间的所述开口部以环状而设置于所述外侧筒状部件的轴向两端部。