DE102017220297A1

DE102017220297A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102017220297A1
Application number: DE102017220297.1A
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Kawaguchi; Daisuke Kimura
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2018-05-24
Also published as: US20180142967A1; JP6854112B2; US10619947B2; CN108071545B; JP2018080900A; CN108071545A

Abstract

Wärmetauscher, enthaltend:eine säulenförmige Wabenstruktur, welche eine Vielzahl von durch hauptsächlich aus Keramik bestehende Trennwände getrennten Waben aufweist, wobei jede Wabe die Struktur von einer ersten Endfläche bis zu einer zweiten Endfläche durchdringt, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden;ein inneres röhrenförmiges Element, welches so an eine äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur gefügt ist, dass es die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur umfänglich bedeckt;ein Abstandselement, welches eine äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements unmittelbar und umfänglich bedeckt und die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur mittelbar und umfänglich bedeckt; undein äußeres röhrenförmiges Element, welches das Abstandselement unmittelbar und umfänglich bedeckt;wobei das Abstandselement eine dreidimensionale Struktur hat, welche das Strömen eines zweiten Fluids darin ermöglichen und die Bewegung von Blasen in dem zweiten Fluid unterdrücken kann; undwobei mindestens ein Öffnungsteil zwischen dem inneren röhrenförmigen Element und dem äußeren röhrenförmigen Element einen Eingang des Abstandselements für das zweite Fluid bildet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher, welcher das Umschalten zwischen Förderung und Unterdrückung des Wärmetauschs zwischen zwei Arten von Fluiden ohne äußere Steuerung ermöglichen kann.
STAND DER TECHNIK
In letzter Zeit bestand Bedarf an einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs von Motorfahrzeugen. Insbesondere bestand Bedarf an einem System, das durch frühzeitiges Aufwärmen von Kühlwasser, Motoröl, ATF (Automatikgetriebefluid) oder dergleichen Reibungsverluste verringern kann, um eine Zunahme des Kraftstoffverbrauchs bei kaltem Motor wie beim Starten des Motors zu verhindern. Ferner bestand Bedarf an einem System, das einen Katalysator erwärmt, um einen Katalysator zum Reinigen eines Abgases in einer frühen Phase zu aktivieren.
Ein Beispiel eines solchen Systems ist ein Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, die eine Komponente (eine Wärmetauschkomponente) enthält, welche einen Wärmetausch durchführt, indem sie einem ersten Fluid ermöglicht, innen zu strömen, und einem zweiten Fluid ermöglicht, außen zu strömen. In einem solchen Wärmetauscher kann Wärme durch einen Wärmetausch von einem Fluid höherer Temperatur (zum Beispiel dem Abgas) zu einem Fluid niedrigerer Temperatur (zum Beispiel dem Kühlwasser) wirkungsvoll genutzt werden.
Patentdokument 1 offenbart ein Wärmetauschelement auf dem Gebiet der Motorfahrzeuge, welches durch Zurückgewinnen von Abwärme aus einem Abgas und Nutzen der Wärme zum Aufwärmen eines Motors fähig ist, den Kraftstoffverbrauch eines Motorfahrzeugs zu senken. Jedoch hat das in Patentdokument 1 offenbarte Wärmetauschelement einen Aufbau, bei welchem Abwärme aus dem ersten Fluid (zum Beispiel dem Abgas) in das zweite Fluid (zum Beispiel das Kühlwasser) immer zurückgewonnen wird, so dass die Abwärme auch dann zurückgewonnen werden kann, wenn es nicht erforderlich ist, die Abwärme zurückzugewinnen. Deshalb war es erforderlich, eine Kapazität eines Kühlers zum Freisetzen der, während es nicht erforderlich ist, die Abwärme zurückzugewinnen, zurückgewonnen Abwärme zu erhöhen. Ferner bestand insofern ein Problem, als eine erhöhte Wärmemenge bei einem Wärmetausch aus dem ersten Fluid in das zweite Fluid das zweite Fluid (zum Beispiel das Kühlwasser) zum Sieden bringen kann.
Patentdokument 2 beschreibt einen Wärmetauscher zum Zurückgewinnen von Wärme aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors. Der Wärmetauscher unterdrückt das Sieden und Verdampfen des Kühlwassers für den Motor beim Zurückgewinnen der Wärme des Abgases aus dem Motor in das Kühlwasser. Der in Patentdokument 2 beschriebene Wärmetauscher enthält einen Abgaskanal und einen Kanal für ein erstes Medium, welche über einen dazwischen angeordneten Kanal für ein zweites Medium nebeneinander liegen, und ist so konfiguriert, dass er beim Fördern des Wärmetauschs zwischen dem Abgas und dem ersten Medium das Innere des Kanals für das zweite Medium mit dem zweiten Medium in seiner flüssigen Phase füllt. Somit kann gegenüber einem Fall, in welchem ein direkter Wärmetausch nicht durch das zweite Medium erfolgt, gemäß dem in Patentdokument 2 beschriebenen Wärmetauscher der Wärmetausch sacht gefördert werden, während das Sieden und das Verdampfen des ersten Mediums durch den Wärmetausch mittels der Konvektion des zweiten Mediums in seiner flüssigen Phase unterdrückt werden. Ferner ist der Wärmetauscher so konfiguriert, dass er beim Unterdrücken des Wärmetauschs zwischen dem Abgas und dem ersten Medium das Innere des Kanals für das zweite Medium mit einem Gas füllt. Deshalb kann gemäß dem Wärmetauscher das Sieden und Verdampfen des ersten Mediums gegenüber dem Wärmetausch durch das zweite Medium in seiner flüssigen Phase wie oben beschrieben weiter unterdrückt werden.
DRUCKSCHRIFTENVERZEICHNIS
Patentliteratur

Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2012-037165 A1
Patentdokument 2: Offengelegte japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2013-185806 A1

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Jedoch hat der in Patentdokument 2 beschriebene Wärmetauscher ein Problem, dass der Aufbau des Wärmetauschers kompliziert ist und die Größe des Wärmetauschers zunimmt, weil der Wärmetauscher einen zweiten Zirkulationskanal, einen Kältemittelbehälter und dergleichen erfordert. Ferner erfordert der Wärmetauscher das erste Medium und das zweite Medium und ist er so konfiguriert, dass er die beiden Medien nicht vermischt, so dass die Ströme der beiden Medien jeweils unabhängig beherrscht werden müssen. Ferner weist der Wärmetauscher ein Problem auf, dass, um das in den Kältemittelbehälter evakuierte zweite Medium wieder zurück in den Kanal für das zweite Medium zu leiten, ein Ventil des Kältemittelbehälters geöffnet werden muss und eine Pumpe aktiviert werden muss, so dass zum Durchführen eines solchen Vorgangs zusätzliche Energie verbraucht wird. Zum Beispiel ist der in Patentdokument 2 offenbarte Wärmetauscher so konfiguriert, dass, wenn das zweite Medium verdampft und der Kanal für das zweite Medium mit dem Gas des zweiten Mediums gefüllt wird, das zweite Medium, welches die verbleibende Flüssigkeit ist, in den zweiten Zirkulationskanal und in den Kältemittelbehälter hinausgetrieben wird. Ferner ist der Wärmetauscher mit einem Rückschlagventil versehen, so dass das in den zweiten Zirkulationskanal hinausgetriebene zweite Medium nicht in den Kanal für das zweite Medium zurückströmen kann. Somit hat der in Patentdokument 2 beschriebene Wärmetauscher eine sehr komplizierte Konfiguration und erfordert er eine komplizierte Steuerung der Vorrichtung. Demgemäß bestand ein Bedarf, einen Wärmetauscher zu entwickeln, welcher eine einfache Konfiguration hat und leicht steuerbar ist.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Probleme gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen passiven Wärmetauscher bereitzustellen, der einen einfachen Aufbau und eine gute Herstellbarkeit aufweist und fähig ist, ohne äußere Steuerung zwischen Förderung und Unterdrückung eines Wärmetauschs zwischen zwei Arten von Fluiden umzuschalten.
Problemlösung
Um die obigen Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Wärmetauscher bereit:
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher bereit, enthaltend:

eine säulenförmige Wabenstruktur, welche eine Vielzahl von durch hauptsächlich aus Keramik bestehende Trennwände getrennten Waben aufweist, wobei jede Wabe von einer ersten Endfläche bis zu einer zweiten Endfläche durchdringt, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden;
ein inneres röhrenförmiges Element, welches so an eine äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur gefügt ist, dass es die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur umfänglich bedeckt;
ein Abstandselement, welches eine äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements unmittelbar und umfänglich bedeckt und die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur mittelbar und umfänglich bedeckt; und
ein äußeres röhrenförmiges Element, welches das Abstandselement unmittelbar und umfänglich bedeckt;
wobei das Abstandselement eine dreidimensionale Struktur hat, welche das Strömen eines zweiten Fluids darin ermöglichen und die Bewegung von Blasen in dem zweiten Fluid unterdrücken kann; und
wobei mindestens ein Öffnungsteil zwischen dem inneren röhrenförmigen Element und dem äußeren röhrenförmigen Element einen Eingang des Abstandselements für das zweite Fluid bildet.

In einer Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das Abstandselement eine Maschenstruktur.
In einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verhältnis einer Fläche eines Teils der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur, welcher mittelbar und umfänglich mit dem Abstandselement bedeckt ist, zu einer Gesamtfläche der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur größer als oder gleich 80%.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das Abstandselement aus Metall.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verhältnis einer Fläche eines Teils einer äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements, welcher unmittelbar und umfänglich mit dem äußeren röhrenförmigen Element bedeckt ist, zu einer Gesamtfläche der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements größer als oder gleich 80%.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung ist die gesamte äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur umfänglich mit dem inneren röhrenförmigen Element bedeckt.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung sind das Abstandselement und das innere röhrenförmige Element als eine einzige Komponente vorgesehen.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung sind das Abstandselement und das innere röhrenförmige Element als getrennte Komponenten vorgesehen.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung hat das Abstandselement eine Dicke zwischen 0,001 mm und 10 mm.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen das innere röhrenförmige Element und das äußere röhrenförmige Element aus verschiedenen Metallen.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung ist die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements mit mindestens einer Stufe oder einem Vorsprung versehen, welche bzw. welcher verhindert, dass das Abstandselement und das äußere röhrenförmige Element sich in einer Axialrichtung des inneren röhrenförmigen Elements bewegen.
In noch einer weiteren Ausführungsform enthält der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung ferner ein Gehäuse, welches das äußere röhrenförmige Element umfänglich bedeckt,
wobei das Gehäuse einen Einlass und einen Auslass für das zweite Fluid enthält und
wobei ein mit dem Abstandselement kommunizierender Strömungsweg für das zweite Fluid zwischen dem Gehäuse und dem äußeren röhrenförmigen Element gebildet ist.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung ist der mindestens eine Öffnungsteil zwischen dem inneren röhrenförmigen Element und dem äußeren röhrenförmigen Element ringförmig an jedem Endteil in einer Axialrichtung des äußeren röhrenförmigen Elements vorgesehen.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen passiven Wärmetauscher bereitzustellen, welcher ohne äußere Steuerung zwischen Förderung und Unterdrückung des Wärmetauschs zwischen zwei Arten von Fluiden umschalten kann. Zum Beispiel bei Verwendung als Teil eines Wärmetauschers zur Rückgewinnung von Abwärme aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors kann der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung das Umschalten zwischen Förderung und Unterdrückung des Wärmetauschs eines ersten Fluids und eines zweiten Fluids ohne äußere Steuerung ermöglichen.
Ferner kann der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer einfachen Konfiguration konstruiert werden und lässt er sich folglich leicht miniaturisieren. Darüber hinaus kann der Wärmetauscher kostengünstiger produziert werden, weil der Produktionsprozess nicht kompliziert ist. Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung zum Beispiel der Kraftstoffverbrauch von Motorfahrzeugen kostengünstiger gesenkt werden und ist folglich davon auszugehen, dass der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung einen bedeutsamen Beitrag für die Motorfahrzeugindustrie leisten kann, wo die Einhaltung von Umweltschutzvorschriften eine dringliche Angelegenheit ist.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus eines zu einer Axialrichtung (einer Wabenausdehnungsrichtung) einer säulenförmigen Wabenstruktur eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung orthogonalen Querschnitts.
2 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus eines zu einer Axialrichtung (einer Wabenausdehnungsrichtung) einer säulenförmigen Wabenstruktur eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung parallelen Querschnitts.
3 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus eines zu einer Axialrichtung (einer Wabenausdehnungsrichtung) einer säulenförmigen Wabenstruktur eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung parallelen Querschnitts.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt ist und Änderungen, Verbesserungen und dergleichen, welche, soweit angemessen, an den folgenden Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Geist der vorliegenden, auf normalem Fachwissen beruhenden Erfindung abzuweichen, in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
Wärmetauscher
1 zeigt einen Aufbau eines zu einer Axialrichtung (einer Wabenausdehnungsrichtung) einer säulenförmigen Wabenstruktur eines Wärmetauschers 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung orthogonalen Querschnitts. Ferner zeigt 2 einen Aufbau eines zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der säulenförmigen Wabenstruktur des Wärmetauschers 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung parallelen Querschnitts. In 2 stellt die untere Seite unterhalb der nahe der vertikalen Mitte des Wärmetauschers 100 quer verlaufenden gepunktet-gestrichelten Linie den äußeren Aufbau des Wärmetauschers 100 dar und stellt die obere Seite oberhalb der gepunktet-gestrichelten Linie den inneren Aufbau des Wärmetauschers 100 dar. Ferner zeigen durch weitere gepunktet-gestrichelte Linien und gestrichelte Linien in 2 angedeutete Teile Umrisse von Komponenten, welche verdeckt sind. 3 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht zur Erläuterung des Aufbaus des zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der säulenförmigen Wabenstruktur des Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung parallelen Querschnitts. Die 1 bis 3 sind lediglich schematische Ansichten zur Erläuterung des Aufbaus des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung, und ihre Maße und Maßstäbe sind voneinander verschieden.
Kernkomponente
In einer Ausführungsform enthält der Wärmetauscher 100 gemäß der vorliegenden Erfindung:

eine säulenförmige Wabenstruktur 101, welche eine Vielzahl von durch hauptsächlich aus Keramik bestehende Trennwände getrennten Waben aufweist, wobei jede Wabe von einer ersten Endfläche 114 bis zu einer zweiten Endfläche 116 durchdringt, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden;
ein inneres röhrenförmiges Element 102, welches so an eine äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 gefügt ist, dass es die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 umfänglich bedeckt;
ein Abstandselement 103, welches eine äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 unmittelbar und umfänglich bedeckt und die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 mittelbar und umfänglich bedeckt; und
ein äußeres röhrenförmiges Element 104, welches das Abstandselement 103 unmittelbar und umfänglich bedeckt.

Die Kernkomponente des Wärmetauschers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Zusammensetzen der Wabenstruktur 101, des inneren röhrenförmigen Elements 102, des Abstandselements 103 und des äußeren röhrenförmigen Elements 104 gebildet werden.
Wabenstruktur
Die Wabenstruktur 101 enthält eine Vielzahl von durch die hauptsächlich aus Keramik bestehenden Trennwände getrennten Waben, wobei jede Wabe von der ersten Endfläche 114 bis zu der zweiten Endfläche 116 durchdringt, um den Strömungsweg für das erste Fluid zu bilden. Durch eine solche Konfiguration kann Wärme des durch die Waben der Wabenstruktur 101 strömenden ersten Fluids wirksam aufgenommen und nach außen übertragen werden. Das erste Fluid kann in der Vor-/Zurück-Richtung der Seite von 1 und in der Links-/Rechts-Richtung der Seite von 2 strömen. Das erste Fluid, welches verwendet werden kann, enthält, ohne besonders darauf beschränkt zu sein, verschiedenartige Flüssigkeiten und Gase. Zum Beispiel kann, wenn der Wärmetauscher als ein Teil eines in ein Motorfahrzeug eingebauten Wärmetauschers verwendet wird, das erste Fluid bevorzugt ein Abgas sein.
Die Form der Wabenstruktur 101 ist säulenförmig und ist nicht besonders beschränkt, solange das erste Fluid von der ersten Endfläche 114 zu der zweiten Endfläche 116 durch die Waben strömen kann. Zum Beispiel kann die Wabenstruktur 101 die Form eines Rundzylinders, eines elliptischen Zylinders, eines quadratischen Prismas oder eines anderen vieleckigen Prismas haben. Deshalb kann die äußere Form der Wabenstruktur 101 in dem zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur 101 orthogonalen Querschnitt kreisrund, elliptisch, quadratisch oder anders vieleckig sein. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Wabenstruktur 101 rund-zylindrisch und ist ihre Querschnittsform kreisrund.
Auch die Formen der Waben in dem zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur 101 orthogonalen Querschnitt sind nicht besonders beschränkt. Eine gewünschte Form kann aus einem Kreis, einer Ellipse, einem Dreieck, einem Quadrat, einem Sechseck und weiteren Vielecken und dergleichen angemessen ausgewählt werden. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Querschnittsform der Wabe quadratisch.
Die Trennwände der Wabenstruktur 101 bestehen hauptsächlich aus Keramik. „Bestehen hauptsächlich aus Keramik“ bedeutet, dass ein Massenverhältnis von Keramik zu der Gesamtmasse der Trennwände größer als oder gleich 50 Massen-% ist.
Die Porosität der Trennwände kann bevorzugt kleiner als oder gleich 10% und bevorzugter kleiner als oder gleich 5% und besonders bevorzugt kleiner als oder gleich 3% sein. Die Porosität der Trennwände kann auch 0% sein. Die Porosität der Trennwände kleiner als oder gleich 10% kann die Wärmeleitfähigkeit verbessern.
Die Trennwände können bevorzugt SiC (Siliciumcarbid) mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit als einen Hauptbestandteil enthalten. „SiC (Siliciumcarbid) als einen Hauptbestandteil enthalten“ bedeutet, dass ein Massenverhältnis von SiC (Siliciumcarbid) in der Gesamtmasse der Trennwände größer als oder gleich 50 Massen-% ist.
Insbesondere zählen zu Werkstoffen der Wabenstruktur 101, welche verwendet werden können, Si-imprägniertes SiC, (Si+Al)-imprägniertes SiC, Metallverbund-SiC, umkristallisiertes SiC, Si₃N₄, SiC und dergleichen.
Es besteht keine besondere Beschränkung hinsichtlich der Wabendichte (d.h. der Anzahl von Waben pro Flächeneinheit) in dem zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur 101 orthogonalen Querschnitt. Die Wabendichte kann nach Bedarf festgelegt werden, kann aber bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 320 Waben/cm² liegen. Die Wabendichte größer als oder gleich 4 Waben/cm² kann zu einer ausreichenden Festigkeit der Trennwände und damit zu einer ausreichenden Festigkeit und einer ausreichenden effektiven geometrischen Oberfläche der Wabenstruktur 101 selbst führen. Ferner kann die Wabendichte kleiner als oder gleich 320 Waben/cm² eine Zunahme des Druckverlusts beim Strömen des ersten Fluids verhindern.
Die Wabenstruktur 101 kann bevorzugt eine isostatische Festigkeit größer als oder gleich 1 MPa und bevorzugter größer als oder gleich 5 MPa haben. Wenn die isostatische Festigkeit der Wabenstruktur 101 größer als oder gleich 1 MPa ist, kann die Wabenstruktur 101 eine ausreichende Dauerhaftigkeit aufweisen. Der obere Grenzwert der isostatischen Festigkeit der Wabenstruktur 101 kann ungefähr 100 MPa sein. Die isostatische Festigkeit der Wabenstruktur 101 kann gemäß dem Verfahren zum Messen der in der JASO-Norm M505-87, welche die von der Society of Automotive Engineers of Japan, Inc. herausgegebene Motorfahrzeugnorm ist, definierten isostatischen Bruchfestigkeit gemessen werden.
Der Durchmesser der Wabenstruktur 101 in dem zu der Wabenausdehnungsrichtung orthogonalen Querschnitt kann bevorzugt zwischen 20 mm und 200 mm und bevorzugter zwischen 30 mm und 100 mm liegen. Ein solcher Durchmesser kann den Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad verbessern. Wenn die Form der Wabenstruktur 101 in dem zu der Wabenausdehnungsrichtung orthogonalen Querschnitt nicht kreisrund ist, ist der Durchmesser des größten in die Form des Querschnitts der Wabenstruktur 101 einbeschriebenen Kreises als der Durchmesser der Wabenstruktur 101 in dem zu der Wabenausdehnungsrichtung orthogonalen Querschnitt definiert.
Die Dicke der Trennwände der Waben der Wabenstruktur 101 kann gemäß einem Zweck angemessen festgelegt werden und ist nicht besonders beschränkt. Die Dicke der Trennwände kann bevorzugt zwischen 0,1 mm und 1 mm und bevorzugter zwischen 0,2 mm und 0,6 mm liegen. Die Dicke der Trennwände größer als oder gleich 0,1 mm kann zu einer ausreichenden mechanischen Festigkeit führen und einen Bruch infolge eines Stoßes oder einer thermischen Beanspruchung verhindern. Ferner kann die Dicke der Trennwände kleiner als oder gleich 1 mm Probleme wie eine Zunahme des Druckverlusts des ersten Fluids und einen Rückgang des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads beim Durchgang des Wärmemediums verhindern.
Die Trennwände können bevorzugt eine Dichte zwischen 0,5 g/cm³ und 5 g/cm³ haben. Die Dichte der Trennwände größer als oder gleich 0,5 g/cm³ kann zu einer ausreichenden Festigkeit der Trennwände führen und verhindern, dass die Trennwände durch Widerstand beschädigt werden, wenn das erste Fluid durch das Innere des Strömungswegs (das Innere der Wabe) strömt. Ferner kann die Dichte der Trennwände kleiner als oder gleich 5 g/cm³ das Gewicht der Wabenstruktur 101 verringern. Die Dichte innerhalb des obigen Bereichs kann zu einer verstärkten Wabenstruktur führen und außerdem eine Wirkung einer Zunahme der Wärmeleitfähigkeit produzieren. Die Dichte der Trennwände ist ein mittels des archimedischen Verfahrens gemessener Wert.
Die Wabenstruktur 101 kann bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit größer als oder gleich 50 W/(m·K) und bevorzugter zwischen 100 W/(m·K) und 300 W/(m·K) und noch bevorzugter zwischen 120 W/(m·K) und 300 W/(m·K) haben. Die Wärmeleitfähigkeit der Wabenstruktur 101 innerhalb eines solchen Bereichs kann zu guten Wärmeleitungseigenschaften führen und Wärme in der Wabenstruktur wirksam in das innere röhrenförmige Element 102 übertragen. Der Wert der Wärmeleitfähigkeit wird mittels des Laserblitzverfahrens (JIS R1611-1997) gemessen.
Wenn ein Abgas als das erste Fluid durch die Waben der Wabenstruktur 101 strömt, kann bevorzugt ein Katalysator auf die Trennwände der Wabenstruktur aufgebracht sein. Das Aufbringen des Katalysators auf die Trennwände kann eine Umwandlung von CO, NOx, HC und dergleichen in dem Abgas in ungefährliche Stoffe durch die katalytische Reaktion ermöglichen und zusätzlich die Nutzung während der katalytischen Reaktion erzeugter Reaktionswärme zum Wärmetausch ermöglichen. Das Katalysator kann bevorzugt mindestens ein aus der aus Edelmetallen (Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium, Indium, Silber und Gold), Aluminium, Nickel, Zirconium, Titan, Cer, Kobalt, Mangan, Zink, Kupfer, Zinn, Eisen, Niob, Magnesium, Lanthan, Samarium, Wismut und Barium bestehenden Gruppe ausgewähltes Element enthalten. Das mindestens eine Element wie oben aufgeführt kann als eine reine Metallsubstanz, ein Metalloxid und andere Metallverbindungen enthalten sein.
Eine Menge des aufzubringenden Katalysators (Katalysatormetall + Träger) kann bevorzugt zwischen 10 g/l und 400 g/l liegen. Ferner kann die Menge des aufzubringenden Katalysators für den das Edelmetall enthaltenden Katalysator bevorzugt zwischen 0,1 g/l und 5 g/l liegen. Wenn die Menge des aufzubringenden Katalysators (Katalysatormetall + Träger) größer als oder gleich 10 g/l ist, neigt die Katalyse dazu, einzutreten. Andererseits kann, wenn die Menge des aufzubringenden Katalysators kleiner als oder gleich 400 g/l ist, ein Druckverlust unterdrückt werden und kann folglich ein Anstieg von Herstellungskosten unterdrückt werden. „Träger“ bezeichnet ein Trägermaterial, auf welches das katalytische Metall aufgebracht ist. Der Träger kann bevorzugt mindestens einen aus der aus Aluminiumoxid, Cerdioxid und Zirconiumdioxid bestehenden Gruppe ausgewählten Stoffe enthalten.
Inneres röhrenförmiges Element
Das innere röhrenförmige Element 102 ist so an die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 gefügt, dass es die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 umfänglich bedeckt. „Gefügt“ wie hierin verwendet bedeutet, dass die Wabenstruktur 101 und das innere röhrenförmige Element 102 in einem Zustand befestigt sind, in welchem diese aneinandergefügt sind. Deshalb umfasst das Fügen der Wabenstruktur 101 und des inneren röhrenförmigen Elements 102 Fälle, in welchen die Wabenstruktur 101 und das innere röhrenförmige Element 102 durch Fügen wie Spielpassung, Presspassung und Schrumpfpassung sowie durch Hartlöten, Schweißen, Diffusionsbonden und dergleichen aneinander befestigt sind.
Das innere röhrenförmige Element 102 kann eine der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 entsprechende Form der inneren Oberfläche haben. Durch unmittelbares In-Kontakt-Bringen der inneren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 mit der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 kann die Wärmeleitfähigkeit so verbessert werden, dass Wärme in der Wabenstruktur 101 wirksam in das innere röhrenförmige Element 102 übertragen werden kann.
Im Hinblick auf das Erhöhen des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads ist ein höheres Verhältnis einer Fläche eines Teils der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101, welcher umfänglich mit dem inneren röhrenförmigen Element 102 bedeckt ist, zu einer Gesamtfläche der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 zu bevorzugen. Speziell kann ein solches Flächenverhältnis bevorzugt größer als oder gleich 80% und bevorzugter größer als oder gleich 90% und bevorzugter 100% (d.h. die gesamte äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 ist umfänglich mit dem inneren röhrenförmigen Element 102 bedeckt) sein. Der Begriff „Seitenoberfläche“ wie hierin verwendet bezeichnet eine zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur parallele Oberfläche und umfasst keine zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur orthogonale Oberfläche.
Der Werkstoff des inneren röhrenförmigen Elements 102 ist nicht besonders beschränkt. Jedoch sind Werkstoffe mit einer guten Wärmeleitfähigkeit wie Metalle, Keramik und dergleichen wünschenswert. Von diesen können, im Hinblick auf die Herstellbarkeit (Montagefreundlichkeit), die Metalle zu bevorzugen sein. Zu den Metallen, die verwendet werden können, zählen Edelstahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Von diesen kann der Edelstahl wegen seiner hohen Dauerzuverlässigkeit zu bevorzugen sein.
Das innere röhrenförmige Element 102 kann im Hinblick auf die Dauerzuverlässigkeit bevorzugt eine Dicke größer als oder gleich 0,1 mm und bevorzugter größer als oder gleich 0,3 mm und noch bevorzugter größer als oder gleich 0,5 mm haben. Die Dicke des inneren röhrenförmigen Elements 102 kann wegen des Verringerns des Wärmewiderstands bevorzugt kleiner als oder gleich 10 mm und bevorzugter kleiner als oder gleich 5 mm und noch bevorzugter kleiner als oder gleich 3 mm sein.
Die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 ist bevorzugt mit mindestens einer Stufe oder einem Vorsprung versehen, welche bzw. welcher verhindert, dass das Abstandselement 103 und das äußere röhrenförmige Element 104 sich in einer Axialrichtung des inneren röhrenförmigen Elements 102 bewegen. Somit kann verhindert werden, dass das Abstandselement 103 und das äußere röhrenförmige Element 104 in der Axialrichtung von dem inneren röhrenförmigen Element 102 abrutschen. Bevorzugt kann die Stufe oder der Vorsprung 108 so vorgesehen sein, dass sie bzw. er die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 umgibt, um die Bewegungsverhinderungswirkung zu verstärken. In der in 2 gezeigten Ausführungsform sind auf beiden Außenseiten des Axialrichtungs-Bereichs, in welchem das Abstandselement 103 und das äußere röhrenförmige Element 104 angeordnet sind, aufsteigende Stufen auf der äußeren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 umfänglich vorgesehen.
Abstandselement
Das Abstandselement 103 bedeckt die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 unmittelbar und umfänglich und bedeckt die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 mittelbar und umfänglich. Ferner ist das Abstandselement 103 unmittelbar und umfänglich mit dem äußeren röhrenförmigen Element 104 bedeckt. Deshalb ist das Abstandselement 103 in einem Raum zwischen der äußeren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 und der inneren Umfangsseitenoberfläche des äußeren röhrenförmigen Elements 104 angeordnet und kann ein Ausmaß des Raums mühelos durch Ändern der Dicke des Abstandselements 103 angepasst werden. Zwischen dem inneren röhrenförmigen Element 102 und dem äußeren röhrenförmigen Element 104 ist mindestens ein Öffnungsteil 109 gebildet, welcher als ein Eingang des Abstandselements für das zweite Fluid dient. Bevorzugt kann der mindestens eine Öffnungsteil 109 an jedem Endteil in der Axialrichtung des äußeren röhrenförmigen Elements 104 ringförmig vorgesehen sein, um die Gleichförmigkeit beim Herausströmen des zweiten Fluids aus dem Abstandselement 103 oder beim Hineinströmen des zweiten Fluids in das Abstandselement 103 zu steigern.
Das Abstandselement 103 kann das Strömen des zweiten Fluids darin ermöglichen und eine dreidimensionale Struktur haben, welche fähig ist, die Bewegung von Blasen in dem zweiten Fluid zu unterdrücken. Das Strömen des zweiten Fluids durch das Innere des Abstandselements 103 ermöglicht einen Wärmetausch mit dem durch die Wabenstruktur 101 strömenden ersten Fluid. Ferner ist diese Konfiguration wirkungsvoll, um eine passive Wärmetausch-Funktion zu erzielen, welche fähig ist, ohne äußere Steuerung zwischen Förderung und Unterdrückung des Wärmetauschs zwischen den beiden Arten von Fluiden umzuschalten. Das zweite Fluid ist nicht besonders beschränkt, aber bei Verwendung des Wärmetauschers als ein in das Motorfahrzeug eingebauter Wärmetauscher kann das zweite Fluid bevorzugt Wasser oder Frostschutzflüssigkeit (LLC wie durch JIS K 2234: 2006 definiert) sein.
Zum Beispiel bei Verwendung eines „Abgases“ als erstes Fluid und eines „Kältemittels“ als zweites Fluid träte das folgende Phänomen auf. Wenn die Temperatur der äußeren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 niedriger als ein Siedepunkt des Kältemittels ist und das Kältemittel in flüssiger Form in das Abstandselement 103 strömt, wird das Innere der dreidimensionalen Struktur des Abstandselements 103 mit dem Kältemittel in flüssiger Form so wie es ist gefüllt, so dass der Wärmetausch zwischen dem Abgas und dem Kältemittel gefördert werden kann. Andererseits, wenn die Temperatur der äußeren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 höher als der oder gleich dem Siedepunkt des Kältemittels ist und das Kältemittel in flüssiger Form in das Abstandselement 103 strömt, siedet und verdampft mindestens ein Teil des Kältemittels in der dreidimensionalen Struktur des Abstandselements, so dass gasförmiges Kältemittel in der dreidimensionalen Struktur vorliegt, wodurch der Wärmetausch zwischen dem Abgas und dem Kältemittel unterdrückt wird. Das gasförmige Kältemittel in dem Abstandselement 103 hat eine niedrigere Wärmekapazität pro Volumeneinheit als diejenige des Kältemittels in flüssiger Form und fungiert als ein Wärmeisoliermaterial. Deshalb ist es wahrscheinlich, dass das Kältemittel in flüssiger Form einen kontaktlosen Zustand der äußeren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 aufrechterhält, wodurch der Wärmetausch zwischen dem ersten Fluid (dem Abgas) und dem zweiten Fluid (dem Kältemittel) unterdrückt wird.
Durch Auswählen des zweiten Fluids mit dem Siedepunkt unter der Temperatur, bei welcher der Wärmetausch unterdrückt werden soll, und über der Temperatur, bei welcher der Wärmetausch gefördert werden soll, liegt somit das durch das Sieden und Verdampfen erzeugte gasförmige zweite Fluid in der dreidimensionalen Struktur des Abstandselements 103 vor, wenn die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 sich in dem Temperaturbereich befindet, in welchem der Wärmetausch unterdrückt werden soll, so dass der Wärmetausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid unterdrückt wird. Andererseits wird, wenn die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements sich in einem Temperaturbereich befindet, in welchem der Wärmetausch gefördert werden soll, das Innere der dreidimensionalen Struktur des Abstandselements 103 mit dem zweiten Fluid in flüssiger Form gefüllt, so dass der Wärmetausch gefördert wird.
Ferner werden Blasen erzeugt, wenn das zweite Fluid in der dreidimensionalen Struktur des Abstandselements 103 siedet und verdampft. In der vorliegenden Erfindung wird die Bewegung von Blasen durch die dreidimensionale Struktur des Abstandselements 103 unterdrückt, um das Zurückhalten des gasförmigen zweiten Fluids im Innern des Abstandselements 103 zu erleichtern, wodurch die Wirkung des Unterdrückens des Wärmetauschs zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid verbessert wird. Es besteht keine besondere Beschränkung der dreidimensionalen Struktur, welche fähig ist, die Bewegung von Blasen in dem zweiten Fluid zu unterdrücken. Wenn die dreidimensionale Struktur in einem Teil des Raums zwischen der äußeren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 und der inneren Umfangsseitenoberfläche des äußeren röhrenförmigen Elements 104 vorliegt, können die Blasen in dem zweiten Fluid an einem die dreidimensionale Struktur bildenden Gegenstand hängenbleiben oder kann ein die dreidimensionale Struktur bildender Gegenstand (eine physische Komponente) die Bewegung der Blasen in dem zweiten Fluid hemmen, wodurch die Blasen daran gehindert werden, aus der dreidimensionalen Struktur hinaus zu strömen. In anderen Worten, das Innere des Abstandselements 103 wird ohne weiteres mit dem Gas des zweiten Fluids gefüllt, so dass die Wärmeabschirmungs-Eigenschaft des Abstandselements 103 verbessert werden kann.
Ferner können bei gleichzeitigem Sieden und Verdampfen des zweiten Fluids Vibrationen in dem Wärmetauscher erzeugt werden oder kann infolge der plötzlichen Volumenausdehnung ein lautes Siedegeräusch erzeugt werden. Das Abstandselement 103 hat die dreidimensionale Struktur, welche die Bewegungshemmung des zweiten Fluids erhöht, so dass das flüssige zweite Fluid sanft in dem Abstandselement 103 strömt. Dies hat eine Wirkung des wirkungsvollen Unterdrückens der Erzeugung der Vibration und des Siedegeräuschs zur Folge.
Zu speziellen Beispielen der dreidimensionalen Struktur zählen Maschenstrukturen (dreidimensionale Netzstrukturen) und schwammförmige Strukturen. Von diesen können die Maschenstrukturen zu bevorzugen sein, weil sie dazu neigen, sowohl die Wärmeabschirmungs-Leistung als auch die Fließfähigkeit des zweiten Fluids zustandezubringen.
Das Abstandselement 103 kann wegen der Wärmeabschirmungs-Eigenschaft bevorzugt eine Porosität größer als oder gleich 20% und bevorzugter größer als oder gleich 40% und noch bevorzugter größer als oder gleich 60% haben. Ferner kann das Abstandselement 103 zum Zweck des Erhöhens der Fähigkeit zum Zurückhalten der Blasen bevorzugt eine Porosität kleiner als oder gleich 98% und bevorzugter kleiner als oder gleich 95% und noch bevorzugter kleiner als oder gleich 90% haben. In der vorliegenden Erfindung wird die Porosität des Abstandselements 103 mittels des folgenden Verfahrens gemessen:

(1) die tatsächliche Dichte des das Abstandselement bildenden Materials wird mittels des archimedischen Verfahrens bestimmt;
(2) die Fülldichte wird aus einem aus den Außenmaßen (Dicke, Länge und Breite) des Abstandselements berechneten Scheinvolumen und dem Gewicht des Abstandselements bestimmt; und
(3) $Porosität = (1 - Fülldichte / tatsächliche Dichte) \cdot 100 %$

Im Hinblick auf das Erhöhen des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads, wenn der Wärmetausch gefördert werden soll, und das Verringern des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads, wenn der Wärmetausch unterdrückt werden soll, ist ein höheres Verhältnis einer Fläche eines Teils der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101, welcher mittelbar und umfänglich mit dem Abstandselement 103 bedeckt ist, zu einer Gesamtfläche der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 zu bevorzugen. Speziell kann das Flächenverhältnis bevorzugt größer als oder gleich 80% und bevorzugter größer als oder gleich 90% und noch bevorzugter 100% (d.h. die gesamte äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 ist mittelbar und umfänglich mit dem Abstandselement 103 bedeckt) sein. Der Begriff „Seitenoberfläche“ wie hierin verwendet bezeichnet eine zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur parallele Oberfläche und umfasst keine zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur orthogonale Oberfläche.
Hier hat das Abstandselement 103 die dreidimensionale Struktur, welche das Strömen des zweiten Fluids darin ermöglicht, so dass ein Raum, durch welchen das zweite Fluid strömt, innerhalb des Abstandselements 103 vorgesehen ist. Es kann möglich sein, zu definieren, dass ein solcher Raumteil nicht als ein Element zum Bedecken der Wabenstruktur 101 betrachtet wird. In der vorliegenden Beschreibung wird jedoch der Raumteil als das Element zum Bedecken der Wabenstruktur 101 betrachtet und wird das Flächenverhältnis wie oben angegeben berechnet. Demgemäß wird eine Berechnung der Fläche, wo die Wabenstruktur 101 bedeckt ist, in der Annahme durchgeführt, dass das Innere des Abstandselements 103 fest ist.
Der Werkstoff des Abstandselements 103 ist nicht besonders beschränkt. Jedoch sind Werkstoffe mit einer guten Wärmeleitfähigkeit wie Metalle, Keramik und dergleichen wünschenswert. Von diesen können, im Hinblick auf die Herstellbarkeit (Montagefreundlichkeit), die Metalle zu bevorzugen sein. Zu den Metallen, die verwendet werden können, zählen Edelstahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Von diesen kann der Edelstahl wegen seiner hohen Dauerzuverlässigkeit zu bevorzugen sein.
Das Abstandselement 103 kann im Hinblick auf das Verbessern der Wärmeabschirmungswirkung, wenn der Wärmetausch unterdrückt werden soll, bevorzugt eine Dicke größer als oder gleich 0,001 mm und bevorzugter größer als oder gleich 0,01 mm und noch bevorzugter größer als oder gleich 0,1 mm haben. Die Dicke des Abstandselements 103 kann im Hinblick auf das Erleichtern des Zurückhaltens von Blasen bevorzugt kleiner als oder gleich 10 mm und bevorzugter kleiner als oder gleich 1 mm und noch bevorzugter kleiner als oder gleich 0,5 mm sein. Die Dicke des Abstandselements 103 ist als ein Abstand zwischen der äußeren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 und der inneren Umfangsseitenoberfläche des äußeren röhrenförmigen Elements 104 definiert.
Das Abstandselement 103 kann als eine einzige, mit dem inneren röhrenförmigen Element 102 vereinigte Komponente vorgesehen sein oder kann als eine von dem inneren röhrenförmigen Element 102 getrennte Komponente vorgesehen sein. Zu Beispielen eines Verfahrens zum Bereitstellen des Abstandselements 103 als eine einzige Komponente zählt ein Verfahren zum Bilden einer dreidimensionalen Struktur, welche als das Abstandselement 103 fungiert, durch Unterziehen der äußeren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 einer Oberflächenbearbeitung durch Schneiden, Plattieren, Prägen, Laserbearbeitung, chemisches Ätzen, Strahlen oder dergleichen. Zu Beispielen eines Verfahrens zum Bereitstellen des Abstandselements 103 als die getrennte Komponente zählen das Bilden des Abstandselements 103 aus einer flexiblen Struktur wie einem Maschennetz oder einem Schwamm und das Wickeln des Abstandselements 103 auf die äußere Seitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 und das Festziehen desselben darauf.
Äußeres röhrenförmiges Element
Das äußere röhrenförmige Element 104 bedeckt das Abstandselement 103 unmittelbar und umfänglich. Das äußere röhrenförmige Element 104 kann eine der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103 entsprechende Form der inneren Seitenoberfläche haben. Ein direkter Kontakt der inneren Umfangsseitenoberfläche des äußeren röhrenförmigen Elements 104 mit der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103 kann zu einer guten Wärmeleitfähigkeit führen und die Wärme in dem Abstandselement 103 wirksam in das äußere röhrenförmige Element 104 übertragen, wenn der Wärmetausch gefördert werden soll.
Im Hinblick auf das Erhöhen des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads, wenn der Wärmetausch gefördert werden soll, und das Verringern des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads, wenn der Wärmetausch unterdrückt werden soll, ist ein höheres Verhältnis einer Fläche eines Teils der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103, welcher unmittelbar und umfänglich mit dem äußeren röhrenförmigen Element 104 bedeckt ist, zu einer Gesamtfläche der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103 zu bevorzugen. Speziell kann das Flächenverhältnis bevorzugt größer als oder gleich 80% und bevorzugter größer als oder gleich 90% und noch bevorzugter 100% (d.h. die gesamte äußere Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103 ist umfänglich mit dem äußeren röhrenförmigen Element 104 bedeckt) sein. Der Begriff „Seitenoberfläche“ wie hierin verwendet bezeichnet eine zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur parallele Oberfläche und umfasst keine zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur orthogonale Oberfläche.
„Gesamtfläche der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103“ bezeichnet eine Projektionsfläche einer durch den Umriss der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103 gebildeten Form, wenn das Abstandselement 103 in eine Ebene abgerollt ist. „Fläche eines Teils der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103, welcher Teil unmittelbar und umfänglich mit dem äußeren röhrenförmigen Element 104 bedeckt ist“ bezeichnet eine Projektionsfläche einer durch den Umriss des Teils der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103, welcher Teil mit dem äußeren röhrenförmigen Element 104 bedeckt ist, gebildeten Form, wenn ein solcher Teil in eine Ebene abgerollt ist.
Der Werkstoff des äußeren röhrenförmigen Elements 104 nicht besonders beschränkt. Jedoch sind Werkstoffe mit einer guten Wärmeleitfähigkeit wie Metalle, Keramik und dergleichen wünschenswert. Von diesen können, im Hinblick auf die Herstellbarkeit (Montagefreundlichkeit), die Metalle zu bevorzugen sein. Zu Beispielen der Metalle zählen Edelstahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Von diesen können die Kupferlegierungen wegen ihrer Wärmeleitfähigkeit zu bevorzugen sein. Der Werkstoff des äußeren röhrenförmigen Elements 104 kann der gleiche wie derjenige des inneren röhrenförmigen Elements 102 oder von diesem verschieden sein. Das äußere röhrenförmige Element 104 kann nur durch Wickeln desselben auf die äußere Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103 und Festziehen desselben darauf mit praxisgerechter Festigkeit befestigt werden. Das Verschweißen des äußeren röhrenförmigen Elements 104 mit einem Gehäuse 105 ist zum Befestigen desselben nicht erforderlich. Deshalb kann der Wärmetauscher 100 gemäß der vorliegenden Erfindung beim Auswählen von Werkstoffen größere Freiheit bieten. Demgemäß ist es leicht, das innere röhrenförmige Element 102 und das äußere röhrenförmige Element 104 unter Verwendung verschiedener Metalle zu bilden. Zum Beispiel kann das innere röhrenförmige Element 102 aus Edelstahl bestehen und kann das äußere röhrenförmige Element 104 aus Kupfer oder aus der Kupferlegierung bestehen. Diese Konfiguration kann insofern einen Vorteil bieten, als der Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung durch das zweite Fluid gesteigert und gleichzeitig Korrosion durch das Abgas verhindert werden kann.
Das äußere röhrenförmige Element 104 kann im Hinblick auf das Verbessern des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit größer als oder gleich 10 W/(m·K) und bevorzugter größer als oder gleich 100 W/(m·K) und noch bevorzugter größer als oder gleich 200 W/(m·K) bei 25 °C haben. Der Wert der Wärmeleitfähigkeit ist ein mittels des Laserblitzverfahrens (JIS R1611: 1997) gemessener Wert.
Das äußere röhrenförmige Element 104 kann wegen seiner Dauerzuverlässigkeit bevorzugt eine Dicke größer als oder gleich 0,01 mm und bevorzugter größer als oder gleich 0,05 mm und noch bevorzugter größer als oder gleich 0,1 mm haben. Die Dicke des äußeren röhrenförmigen Elements 104 kann im Hinblick auf die Wärmerückgewinnungs-Leistung bevorzugt kleiner als oder gleich 10 mm und bevorzugter kleiner als oder gleich 5 mm und noch bevorzugter kleiner als oder gleich 1 mm sein.
Gehäuse
In einer Ausführungsform enthält der Wärmetauscher 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu der Kernkomponente ein Gehäuse 105, welches das äußere röhrenförmige Element 104 umfänglich bedeckt. Das Gehäuse 105 enthält bevorzugt einen röhrenförmigen Teil 121, welcher die gesamte Kernkomponente umfänglich bedeckt. Das Gehäuse 105 enthält einen Einlass 106 für das zweite Fluid, eine den Einlass 106 mit dem röhrenförmigen Teil 121 verbindende Einlassleitung 122, einen Auslass 107 für das zweite Fluid und eine den Auslass 107 mit dem röhrenförmigen Teil 121 verbindende Auslassleitung 123. Ein Strömungsweg 110 für das zweite Fluid, welcher mit dem Abstandselement 103 kommuniziert, ist zwischen dem Gehäuse 105 und dem äußeren röhrenförmigen Element 104 gebildet. Das zweite Fluid strömt in flüssigem Zustand durch den Einlass 106 in das Gehäuse 105. Mindestens ein Teil des zweiten Fluids strömt dann durch den Strömungsweg 110 in das Abstandselement 103. Das zweite Fluid macht den geförderten oder unterdrückten Wärmetausch in dem Abstandselement 103 durch und strömt dann durch den Strömungsweg 110 aus dem Auslass 107 hinaus.
Wenn die Strömungsrichtung des zweiten Fluids beim Erreichen der äußeren Umfangsseitenoberfläche des äußeren röhrenförmigen Elements 104 durch die Einlassleitung 122 senkrecht zu der äußeren Umfangsseitenoberfläche des äußeren röhrenförmigen Elements 104 ist, wird ein Anstieg des Druckverlusts verursacht. Deshalb kann die Einlassleitung 122 bevorzugt so angeordnet sein, dass eine sich von der Mittelachse der Einlassleitung 122 in einer Längsrichtung der Einlassleitung 122 erstreckende Gerade die äußere Umfangsseitenoberfläche des äußeren röhrenförmigen Elements 104 nicht senkrecht schneidet. Speziell kann, wie in 1 gezeigt, der Winkel θ (0° ≤ θ ≤ 90°), welcher durch die sich von der Mittelachse der Einlassleitung 122 in der Längsrichtung der Einlassleitung 122 erstreckende Gerade A und die Normale B der Umfangsseitenoberfläche an dem Schnittpunkt zwischen der Geraden A und der Umfangsseitenoberfläche des äußeren röhrenförmigen Elements 104 gebildet wird, bevorzugt 10° ≤ θ ≤ 90° und bevorzugter 30° ≤ θ ≤ 90° sein.
Bevorzugt kann die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 umfänglich mit der inneren Oberfläche des Gehäuses 105 an beiden Endteilen 118 in der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) des inneren röhrenförmigen Elements 102 in engem Kontakt stehen, um zu verhindern, dass das zweite Fluid nach außen austritt. Das Verfahren, welches dazu dient, die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 und die innere Oberfläche des Gehäuses 105 in engen Kontakt miteinander zu bringen, enthält, ohne besonders darauf beschränkt zu sein, Schweißen, Diffusionsbonden, Hartlöten und dergleichen. Von diesen kann Schweißen wegen seiner hohen Dauerzuverlässigkeit zu bevorzugen sein.
Der Werkstoff des Gehäuses 105 ist nicht besonders beschränkt, ist jedoch ein Werkstoff mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, wie Metalle, Keramik und dergleichen. Von diesen können, im Hinblick auf die Herstellbarkeit (Montagefreundlichkeit), die Metalle zu bevorzugen sein. Zu den Metallen, die verwendet werden können, zählen Edelstahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Von diesen kann der Edelstahl wegen seiner hohen Dauerzuverlässigkeit zu bevorzugen sein.
Das Gehäuse 105 kann im Hinblick auf die Dauerzuverlässigkeit bevorzugt eine Dicke größer als oder gleich 0,1 mm und bevorzugter größer als oder gleich 0,5 mm und noch bevorzugter größer als oder gleich 1 mm haben. Die Dicke des Gehäuses 105 kann im Hinblick auf die Kosten, das Volumen, das Gewicht und dergleichen bevorzugt kleiner als oder gleich 10 mm oder und bevorzugter kleiner als oder gleich 5 mm und noch bevorzugter kleiner als oder gleich 3 mm sein.
Zum Beispiel bei Verwendung des Wärmetauschers 100 zum Zurückgewinnen von Abwärme aus dem Abgas des Verbrennungsmotors können beide Endteile 112 des Gehäuses 105 in einer zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur 101 parallelen Richtung an eine Rohrleitung, durch welche das Abgas des Verbrennungsmotors strömt, anschließbar sein. Wenn der Innendurchmesser der Rohrleitung, durch welche das Abgas strömt, von den Innendurchmessern der beiden Endteile des Gehäuses 105 verschieden ist, kann ein Gaseinleitungsrohr, dessen Innendurchmesser allmählich zunimmt oder allmählich abnimmt, zwischen der Rohrleitung und dem Gehäuse 105 vorgesehen werden oder können die Rohrleitung und das Gehäuse 105 unmittelbar miteinander verbunden werden.
Produktionsverfahren
Nun wird ein Verfahren zum Produzieren des Wärmetauschers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung beispielhaft beschrieben.
Produktion der Wabenstruktur
Zuerst wird ein Keramikpulver enthaltender Grünkörper zu einer gewünschten Form stranggepresst, um einen Waben-Formkörper zu produzieren. Als Werkstoff für den Waben-Formkörper kann die oben erwähnte Keramik verwendet werden. Zum Beispiel werden beim Produzieren eines hauptsächlich aus einem Si-imprägnierten SiC-Verbundwerkstoff bestehenden Waben-Formkörpers einer vordefinierten Menge SiC-Pulver ein Bindemittel und Wasser oder ein organisches Lösemittel zugegeben und wird das resultierende Gemisch durchgeknetet, um einen Grünkörper zu erhalten, welcher dann geformt wird, um einen Waben-Formkörper mit einer gewünschten Form zu erhalten. Der resultierende Waben-Formkörper kann dann getrocknet, mit metallischem Si imprägniert und in einem Inertgas unter vermindertem Druck oder in einem Vakuum gesintert werden, um eine eine Vielzahl von durch die Trennwände getrennten Waben enthaltende Wabenstruktur 101 zu erhalten.
Fügen der Wabenstruktur und des inneren röhrenförmigen Elements
Die Wabenstruktur 101 wird dann so in das innere röhrenförmige Element 102 eingeführt, dass die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 umfänglich bedeckt wird. Durch Durchführen einer Schrumpfpassung in diesem Zustand wird die innere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 an die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 gefügt. Außer durch die Schrumpfpassung können die Wabenstruktur 101 und das innere röhrenförmige Element 102 durch das Befestigungsverfahren wie Spielpassung und Presspassung oder durch Hartlöten, Schweißen, Diffusionsbonden oder dergleichen aneinandergefügt werden wie oben angegeben.
Wickeln des Abstandselements
Beim Bereitstellen des Abstandselements 103 und des inneren röhrenförmigen Elements 102 als getrennte Komponenten wird das Abstandselement 103 so gewickelt, dass es die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 unmittelbar und umfänglich bedeckt, während es die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 mittelbar und umfänglich bedeckt. Das Wickeln des Abstandselements 103 kann vor oder nach dem Fügen des inneren röhrenförmigen Elements an die Wabenstruktur durchgeführt werden.
Bilden des Abstandselements
Beim Bereitstellen des Abstandselements 103 und des inneren röhrenförmigen Elements 102 als eine einzige Komponente wird die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 einer Oberflächenbearbeitung durch Schneiden, Plattieren, Prägen, Laserbearbeitung, chemisches Ätzen, Strahlen oder dergleichen unterzogen, um eine dreidimensionale Struktur, welche als das Abstandselement 103 fungiert, zu bilden. Das Abstandselement 103 kann entweder vor oder nach dem Fügen des inneren röhrenförmigen Elements 102 an die Wabenstruktur 101 gebildet werden.
Wickeln des äußeren röhrenförmigen Elements
Nach Wickeln des Abstandselements 103 wird das äußere röhrenförmige Element 104 so gewickelt, dass es das Abstandselement 103 umfänglich bedeckt. Bevor es um das Abstandselement 103 gewickelt wird, kann das äußere röhrenförmige Element 104 eine flache Plattenform haben, und nach dem Wickeln kann es in eine röhrenförmige Form verwandelt sein. Nach dem Wickeln kann der gewickelte Endteil des äußeren röhrenförmigen Elements 104 bevorzugt durch Schweißen oder dergleichen an sich selbst gefügt werden, so dass das äußere röhrenförmige Element 104 den Zustand aufrechterhalten kann, in welchem es fest um das Abstandselement 103 gewickelt ist. Das Wickeln des äußeren röhrenförmigen Elements 104 kann vor oder nach dem Fügen des inneren röhrenförmigen Elements 102 an die Wabenstruktur 101 ausgeführt werden.
Darüber hinaus kann das äußere röhrenförmige Element 104 von Anfang an röhrenförmig sein, in welchem Fall das innere röhrenförmige Element 102 mit dem auf der äußeren Umfangsseitenoberfläche gebildeten Abstandselement in das äußere röhrenförmige Element 104 eingeführt und durch Presspassung oder dergleichen befestigt werden kann.
Die Kernkomponente wird somit durch Zusammensetzen der Wabenstruktur 101, des inneren röhrenförmigen Elements 102, des Abstandselements 103 und des äußeren röhrenförmigen Elements 104 fertiggestellt. Durch Konfigurieren der Kernkomponente als eine Baugruppe, welche nicht zerlegt werden kann, ohne Kraft von außen anzuwenden, kann die Handhabung des Wärmetauschers erleichtert werden.
Befestigung des Gehäuses
Das die Elemente wie oben angegeben enthaltende Gehäuse 105 wird durch Formen, Biegen, Schneiden oder dergleichen gebildet, und das Gehäuse 105 wird so an die Kernkomponente angefügt, dass es das äußere röhrenförmige Element 104 der Kernkomponente umfänglich bedeckt. Typischerweise kann die Kernkomponente in den röhrenförmigen Teil 121 des Gehäuses 105 eingeführt und durch Schweißen, Hartlöten oder dergleichen zusammengefügt werden. In diesem Prozess kann die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 an beiden Endteilen 118 in der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) des inneren röhrenförmigen Elements 102 bevorzugt in umfänglich engem Kontakt mit der inneren Oberfläche des Gehäuses stehen, um zu verhindern, dass das zweite Fluid nach außen austritt.
Gemäß solchen Vorgängen kann der Wärmetauscher, in welchem die Kernkomponente und das Gehäuse kombiniert wurden, produziert werden. Jedoch ist das Verfahren zum Produzieren des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung nicht auf das oben beschriebene Produktionsverfahren beschränkt.
BEISPIELE
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Anwendungsbeispielen spezieller beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Anwendungsbeispiele beschränkt.
Beispiel 1
Produktion einer Wabenstruktur
Ein SiC-Pulver enthaltender Grünkörper wurde zu einer gewünschten Form stranggepresst und dann getrocknet, auf vordefinierte Außenmaße gebracht und dann mit Si imprägniert und gesintert, um eine rund-zylindrische Wabenstruktur 101 zu produzieren. Die Wabenstruktur 101 hatte einen Durchmesser (äußere Form) einer Endfläche von 55,4 mm und eine Länge in der Wabenausdehnungsrichtung von 40 mm. Jede Wabe hatte in dem zu der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur 101 orthogonalen Querschnitt eine quadratische Form. Die Wabenstruktur 101 hatte eine Wabendichte von 23 Waben/cm² und eine Dicke (eine Wanddicke) jeder Trennwand von 0,3 mm. Die Wabenstruktur 101 hatte eine Wärmeleitfähigkeit von 150 W/(m·K) bei 25 °C. Die Wabenstruktur 101 hatte eine isostatische Festigkeit von 30 MPa.
Zusammensetzen des Wärmetauschers
Dann wurde ein inneres röhrenförmiges Element 102 aus Edelstahl produziert. Das innere röhrenförmige Element 102 hatte einen ersten röhrenförmigen Teil mit einem Innendurchmesser von 55,2 mm und einer Länge in der Axialrichtung von 44 mm. Ferner hatte das innere röhrenförmige Element 102 zweite röhrenförmige Teile jeweils mit einem Innendurchmesser von 56,5 mm und einer Länge in der Axialrichtung von 5 mm an beiden Endteilen des ersten röhrenförmigen Teils über die aufsteigende Stufe 108 wie in 2 gezeigt. Das innere röhrenförmige Element 102 hatte eine Wanddicke von 1,0 mm.
Die Wabenstruktur 101 wurde dann in die Mitte des Innern des produzierten inneren röhrenförmigen Elements 102 eingeführt, und die gesamte äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 wurde umfänglich mit dem inneren röhrenförmigen Element 102 bedeckt (siehe 2). Die innere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 wurde dann durch Schrumpfpassung an die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 gefügt.
Ein Edelstahl-Abstandselement 103 (Außenmaße: 42 mm (eine Länge in der Axialrichtung) x 180 mm (eine Länge in der Umfangsrichtung) x 0,1 mm (eine Dicke vor dem Wickeln)) mit einer Maschenstruktur (einer Porosität von 60%) wurde dann so gewickelt, dass es die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 unmittelbar und umfänglich bedeckte und die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 mittelbar und umfänglich bedeckte (siehe 2). In diesem Fall betrug das Verhältnis der Fläche des Teils der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101, welcher mittelbar und umfänglich mit dem Abstandselement 103 bedeckt wurde, zu der Gesamtfläche der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur 101 100%.
Ein äußeres röhrenförmiges Element 104 mit einer flachen Plattenform (Außenmaße: 40 mm (eine Länge in der Axialrichtung) x 180,5 mm (eine Länge in der Umfangsrichtung) x 0,5 mm (eine Dicke)), bestehend aus einer Kupferlegierung (mit einer Wärmeleitfähigkeit von 380 W/(m·K) bei 25 °C) wurde dann hergerichtet und so gewickelt, dass es das Abstandselement 103 umfänglich bedeckte (siehe 2). Infolgedessen wurde der Öffnungsteil 109 zwischen dem inneren röhrenförmigen Element 102 und dem äußeren röhrenförmigen Element 104 an jedem Endteil in der Axialrichtung des äußeren röhrenförmigen Elements 104 ringförmig gebildet. Das Verhältnis der Fläche des Teils der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103, welcher unmittelbar und umfänglich mit dem äußeren röhrenförmigen Element 104 bedeckt war, zu der Gesamtfläche der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements 103 war 100%. Nach dem Wickeln des äußeren röhrenförmigen Elements 104 um das Abstandselement 103 wurde der gewickelte Endteil des äußeren röhrenförmigen Elements 104 durch Schweißen an sich selbst (das äußere röhrenförmige Element 104) geschweißt. Hier betrug ein Abstand zwischen der äußeren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements 102 und der inneren Umfangsseitenoberfläche des äußeren röhrenförmigen Elements 104 (Dicke des Abstandselements) 0,1 mm, was der gleiche Abstand wie derjenige vor dem Wickeln war.
Durch Zusammensetzen der Wabenstruktur 101, des inneren röhrenförmigen Elements 102, des Abstandselements 103 und des äußeren röhrenförmigen Elements 104 gemäß den obigen Verfahren wurde die Kernkomponente produziert.
Dann wurde ein einen röhrenförmigen Teil 121, einen Einlass 106, eine Einlassleitung 122 zum Verbinden des Einlasses 106 mit dem röhrenförmigen Teil 121, einen Auslass 107 und eine Auslassleitung 123 zum Verbinden des Auslasses 107 mit dem röhrenförmigen Teil 121 enthaltendes zylindrisches Edelstahlgehäuse 105 wie in den 1 und 2 gezeigt durch Formen gebildet und wurde die Kernkomponente in das Innere des Gehäuses 105 eingeführt, um die gesamte Kernkomponente einschließlich des äußeren röhrenförmigen Elements 104 umfänglich zu bedecken. Die äußere Umfangsseitenoberfläche jedes Endteils in der Axialrichtung (der Wabenausdehnungsrichtung) des inneren röhrenförmigen Elements 102 wurde durch Schweißen in umfänglich engen Kontakt mit der inneren Oberfläche des Gehäuses 105 gebracht (siehe 2). Zwischen dem Gehäuse 105 und dem äußeren röhrenförmigen Element 104 hatte der Mittelteil in der Axialrichtung des Gehäuses 105 einen größeren Innendurchmesser als die beiden Endteile in der Axialrichtung (eine größere zu der Axialrichtung orthogonale Querschnittsfläche), so dass ein ausreichender, mit dem Abstandselement 103 kommunizierender Strömungsweg für das zweite Fluid gebildet wurde. Das Gehäuse 105 hatte eine Wanddicke von 1,5 mm. Der durch die sich von der Mittelachse der Einlassleitung 122 in der Längsrichtung der Einlassleitung 122 erstreckende Gerade A und die Normale B der Umfangsseitenoberfläche an dem Schnittpunkt zwischen der Geraden A und der Umfangsseitenoberfläche des äußeren röhrenförmigen Elements 104 gebildete Winkel θ wurde auf 38° eingestellt.
Mittels des obigen Verfahrens wurde der Wärmetauscher gemäß dem Erfindungsbeispiel, in welchem die Kernkomponente und das Gehäuse kombiniert wurden, produziert.
Vergleichsbeispiel 1
Ein abgesehen davon, dass das Abstandselement 103 und das äußere röhrenförmige Element 104 aus dem Wärmetauscher in Beispiel 1 weggelassen wurden, dem Wärmetauscher in Beispiel 1 ähnlicher Wärmetauscher wurde produziert.
Wärmetausch-Prüfung
Die so produzierten Wärmetauscher aus Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurden einer Wärmetausch-Prüfung durch das folgenden Verfahren unterzogen. Luft (ein erstes Fluid) bei 400 °C (= Tg1) strömte mit jeder Durchflussmenge (Mg) wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt durch die Wabenstruktur 101. Andererseits wurde Kühlwasser (ein zweites Fluid) bei jeder in Tabelle 1 und Tabelle 2 beschriebenen Temperatur über den Einlass 106 mit einer Durchflussmenge (Mw) von 166,3 g/s zugeführt und wurde das Kühlwasser (das zweite Fluid) nach dem Wärmetausch aus dem Auslass 107 abgeführt.
Das Zuführen der Luft und des Kühlwassers in den Wärmetauscher begann unter jeder Bedingung wie oben angegeben, und unmittelbar nachdem die Luft und das Kühlwasser 5 Minuten lang durch den Wärmetauscher geströmt waren, wurden die Temperatur (Tw1) des Kühlwassers an dem Einlass 106 des Wärmetauschers und die Temperatur (Tw2) des Kühlwassers an dem Auslass 107 gemessen und wurde der Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad ermittelt.
Hier wird eine durch das Kühlwasser zurückgewonnene Wärmemenge Q durch die folgende Gleichung ausgedrückt: $Q (kW) = Δ Tw \cdot Cpw \cdot Mw$
wobei ΔTw = Tw2 - Tw1, Cpw (spezifische Wärme von Wasser) = 4182 J/(kg·K).
Der Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad η des Wärmetauschers wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: $η (%) = Q / {(Tg1 - Tw1) \cdot Cpg \cdot Mg} \cdot 100$
wobei Cpg (spezifische Wärme von Luft) = 1050 J/(kg·K).
Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
[Tabelle 1]

Luft-Durchflussmenge: 10 g/s

Kühlwassertemperatur Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad

Vergleichsbeispiel 1 Beispiel 1

(Tw1)

40 °C 35% 35%

60 °C 35% 30%

80 °C 35% 10%
[Tabelle 2]

Luft-Durchflussmenge: 50 g/s

Kühlwassertemperatur Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad

Vergleichsbeispiel 1 Beispiel 1

(Tw1)

40 °C 15% 15%

60 °C 15% 10%

80 °C 15% 3%
In Vergleichsbeispiel 1 konnte ungeachtet eines Anstiegs der Temperatur des Kühlwassers keine Veränderung des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads festgestellt werden, so dass die Wärmerückgewinnung auch fortgesetzt wurde, als die Temperatur des Kühlwassers angestiegen war, wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt. Andererseits war in Beispiel 1 der Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad höher, als die Temperatur des Kühlwassers niedrig war und die Wärmerückgewinnung erforderlich war, ging aber der Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad zurück, als die Temperatur des Kühlwassers hoch war und keine Wärmerückgewinnung erforderlich war. Dies lag daran, dass, als das Kühlwasser mit einer hohen Temperatur einströmte, die Temperatur der äußeren Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements ebenfalls anstieg, so dass das Wasser in dem Abstandselement ohne weiteres siedete und eine Wärmeisolierschicht aus Wasserdampfblasen in dem Abstandselement gebildet wurde. Übrigens ging sowohl in Beispiel 1 als auch in Vergleichsbeispiel 1 mit zunehmender Luft-Durchflussmenge der Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad zurück.
Somit kann der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung bei dem einfachen Aufbau mühelos zusammengesetzt werden und kann er ohne äußere Steuerung zwischen Förderung und Unterdrückung des Wärmetauschs zwischen zwei Arten von Fluiden umschalten.
Bezugszeichenliste

100: Wärmetauscher
101: Wabenstruktur
102: inneres röhrenförmiges Element
103: Abstandselement
104: äußeres röhrenförmiges Element
105: Gehäuse
106: Einlass für zweites Fluid
107: Auslass für zweites Fluid
108: Stufe oder Vorsprung
109: Öffnungsteil
110: Strömungsweg für zweites Fluid
112: Endteil des Gehäuses
114: erste Endfläche der Wabenstruktur
116: zweite Endfläche der Wabenstruktur
118: Endteil des inneren röhrenförmigen Elements
121: röhrenförmiger Teil
122: Einlassleitung
123: Auslassleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012037165 A1 [0005]
JP 2013185806 A1 [0005]

Claims

Wärmetauscher, enthaltend: eine säulenförmige Wabenstruktur, welche eine Vielzahl von durch hauptsächlich aus Keramik bestehende Trennwände getrennten Waben aufweist, wobei jede Wabe von einer ersten Endfläche bis zu einer zweiten Endfläche durchdringt, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden; ein inneres röhrenförmiges Element, welches so an eine äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur gefügt ist, dass es die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur umfänglich bedeckt; ein Abstandselement, welches eine äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements unmittelbar und umfänglich bedeckt und die äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur mittelbar und umfänglich bedeckt; und ein äußeres röhrenförmiges Element, welches das Abstandselement unmittelbar und umfänglich bedeckt; wobei das Abstandselement eine dreidimensionale Struktur hat, welche das Strömen eines zweiten Fluids darin ermöglichen und die Bewegung von Blasen in dem zweiten Fluid unterdrücken kann; und wobei mindestens ein Öffnungsteil zwischen dem inneren röhrenförmigen Element und dem äußeren röhrenförmigen Element einen Eingang des Abstandselements für das zweite Fluid bildet.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei das Abstandselement eine Maschenstruktur enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verhältnis einer Fläche eines Teils der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur, welcher mittelbar und umfänglich mit dem Abstandselement bedeckt ist, zu einer Gesamtfläche der äußeren Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur größer als oder gleich 80% ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Abstandselement aus Metall besteht.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Verhältnis einer Fläche eines Teils einer äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements, welcher unmittelbar und umfänglich mit dem äußeren röhrenförmigen Element bedeckt ist, zu einer Gesamtfläche der äußeren Umfangsseitenoberfläche des Abstandselements größer als oder gleich 80% ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die gesamte äußere Umfangsseitenoberfläche der Wabenstruktur umfänglich mit dem inneren röhrenförmigen Element bedeckt ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Abstandselement und das innere röhrenförmige Element als eine einzige Komponente vorgesehen sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Abstandselement und das innere röhrenförmige Element als getrennte Komponenten vorgesehen sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Abstandselement eine Dicke zwischen 0,001 mm und 10 mm hat.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das innere röhrenförmige Element und das äußere röhrenförmige Element aus verschiedenen Metallen bestehen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die äußere Umfangsseitenoberfläche des inneren röhrenförmigen Elements mit mindestens einer Stufe oder einem Vorsprung versehen ist, welche bzw. welcher verhindert, dass das Abstandselement und das äußere röhrenförmige Element sich in einer Axialrichtung des inneren röhrenförmigen Elements bewegen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner enthaltend: ein Gehäuse, welches das äußere röhrenförmige Element umfänglich bedeckt, wobei das Gehäuse einen Einlass und einen Auslass für das zweite Fluid enthält und wobei ein mit dem Abstandselement kommunizierender Strömungsweg für das zweite Fluid zwischen dem Gehäuse und dem äußeren röhrenförmigen Element gebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der mindestens eine Öffnungsteil zwischen dem inneren röhrenförmigen Element und dem äußeren röhrenförmigen Element ringförmig an jedem Endteil in einer Axialrichtung des äußeren röhrenförmigen Elements vorgesehen ist.