DE102019200040A1 - Wärmeaustauschteil und wärmeaustauscher - Google Patents

Abstract

Ein Wärmetauschelement enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur 1 mit einer Außenumfangswand 6 und Trennwänden 5, welche sich von einer ersten Stirnseite 2 zu einer zweiten Stirnseite 3 durch die säulenförmige Wabenstruktur 7 erstrecken, um eine einen Durchgangskanal eines ersten Fluids bildende Vielzahl von Waben 4 zu definieren, und ein Abdeckelement 8 zum Bedecken der Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7. In einem Querschnitt der säulenförmigen Wabenstruktur 7 senkrecht zu einer Strömungsrichtung des ersten Fluids enthalten die Trennwände 5: eine Vielzahl sich in einer Radialrichtung von der Seite eines Mittelteils des Querschnitts erstreckender erster Trennwände 5a; und eine Vielzahl sich in einer Umfangsrichtung erstreckender zweiter Trennwände 5b und ist eine Anzahl der ersten Trennwände 5a auf der Seite des Mittelteils kleiner als eine Anzahl der ersten Trennwände 5a auf der Seite der Außenumfangswand 6.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmetauschelement und einen Wärmetauscher. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein Wärmetauschelement zum Übertragen der Wärme eines ersten Fluids (auf einer Hochtemperatur-Seite) in ein zweites Fluid (auf einer Niedertemperatur-Seite) und einen das Wärmetauschelement enthaltenden Wärmetauscher.
• STAND DER TECHNIK
• In letzter Zeit besteht Bedarf an einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs von Motorfahrzeugen. Insbesondere wird ein System benötigt, welches ein Kühlmittel, ein Motoröl und ein ATF (Automatikgetriebeöl) in einer frühen Phase aufwärmt, um Reibungsverluste zu verringern, um einen Anstieg des Kraftstoffverbrauchs bei kaltem Motor wie beim Starten des Motors zu verhindern. Ferner wird ein System benötigt, welches einen Abgasreinigungskatalysator erwärmt, um den Katalysator in einer frühen Phase zu aktivieren.
• In solchen Systemen wird zum Beispiel die Verwendung eines Wärmetauschers in Betracht gezogen. Der Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, welche ein Wärmetauschelement zum Durchführen eines Wärmeaustauschs zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid durch Strömenlassen des ersten Fluids im Innern und Strömenlassen des zweiten Fluids außen enthält. In einem solchen Wärmetauscher kann die Wärme zum Beispiel durch Übertragen der Wärme aus dem eine hohe Temperatur aufweisenden ersten Fluid (zum Beispiel einem Abgas) in das eine niedrige Temperatur aufweisende zweite Fluid (zum Beispiel Kühlwasser) wirkungsvoll genutzt werden.
• Als ein Wärmetauscher zum Rückgewinnen von Wärme aus einem Gas erhöhter Temperatur wie einem Kraftfahrzeugabgas war ein Wärmetauscher mit einem Wärmetauschelement aus einem hochschmelzenden Metall bekannt. Jedoch gab es Probleme, dass das hochschmelzende Metall teuer und außerdem schwierig zu verarbeiten ist, eine hohe Dichte und ein hohes Gewicht hat, eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat und dergleichen. In Anbetracht der Probleme wird in letzter Zeit ein Wärmetauscher entwickelt, bei welchem ein Wärmetauschelement mit einer säulenförmigen Wabenstruktur in einem Gehäuse untergebracht ist und welcher ein erstes Fluid durch Waben der Wabenstruktur strömen lässt und ein zweites Fluid auf einer Außenumfangs-Oberfläche des Wärmetauschelements in dem Gehäuse strömen lässt.
• Als eine für das Wärmetauschelement verwendete Wabenstruktur wird nach Stand der Technik eine säulenförmigen Wabenstruktur vorgeschlagen, enthaltend: erste Trennwände, welche sich jeweils in einer Radialrichtung von einem Mittelteil zu einem Außenumfangsteil erstrecken; und zweite Trennwände, welche sich jeweils in einer Umfangsrichtung erstrecken, in einem Querschnitt senkrecht zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids (einer Wabenausdehnungsrichtung) (Patentdokument 1).
• DRUCKSCHRIFTENVERZEICHNIS
• Patentliteratur
• Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 6075381 B2
• KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Technisches Problem
• Jedoch ist es bei der säulenförmigen Wabenstruktur wie in Patentdokument 1 beschrieben schwierig, Waben zu bilden, weil ein Raum zwischen benachbarten ersten Trennwänden zu der Seite des Mittelteils hin schmaler wird. Insbesondere ist zum Erhöhen einer Wärmeleitfähigkeit (d.h. eines Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads) in der Radialrichtung der säulenförmigen Wabenstruktur eine höhere Anzahl der sich in der Radialrichtung erstreckenden ersten Trennwände wünschenswert. Jedoch wird es mit zunehmender Anzahl der ersten Trennwände schwieriger, die Waben auf der Seite des Mittelteils zu bilden. Wenn die Waben auf der Seite des Mittelteils nicht gebildet werden oder die Querschnittsflächen der auf der Seite des Mittelteils gebildeten Waben zu klein sind, besteht ein Problem, dass ein Druckverlust des Wärmetauschelements ansteigt.
• Um dem obigen Problem zu begegnen, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Wärmetauschelement und einen Wärmetauscher bereitzustellen, welche bei gleichzeitiger Verbesserung eines Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads einen Anstieg eines Druckverlusts unterbinden können.
• Problemlösung
• Durch umfangreiche Untersuchungen zur Lösung des obigen Problems haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass durch Verringern der Anzahl der ersten Trennwände auf der Seite des Mittelteils gegenüber der Anzahl der ersten Trennwände auf der Seite der Außenumfangswand die Waben auch auf der Seite des Mittelteils der Wabenstruktur leicht gebildet werden können, wodurch sie sowohl eine Verbesserung eines Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads als auch eine Verhinderung eines Anstiegs eines Druckverlusts erreichten, und haben sie die vorliegende Erfindung abgeschlossen.
• Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Wärmetauschelement, enthaltend: eine säulenförmige Wabenstruktur mit einer Außenumfangswand und Trennwänden, welche sich von einer ersten Stirnseite zu einer zweiten Stirnseite durch die säulenförmige Wabenstruktur erstrecken, um eine einen Durchgangskanal eines ersten Fluids bildende Vielzahl von Waben zu definieren, und ein Abdeckelement zum Bedecken der Außenumfangswand der säulenförmigen Wabenstruktur, wobei die Trennwände in einem Querschnitt der säulenförmigen Wabenstruktur senkrecht zu einer Strömungsrichtung des ersten Fluids eine Vielzahl sich in einer Radialrichtung von der Seite eines Mittelteils des Querschnitts erstreckender erster Trennwände; und eine Vielzahl sich in einer Umfangsrichtung erstreckender zweiter Trennwände enthalten und eine Anzahl der ersten Trennwände auf der Seite des Mittelteils kleiner als eine Anzahl der ersten Trennwände auf der Seite der Außenumfangswand ist.
• Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem einen das Wärmetauschelement enthaltenden Wärmetauscher.
• Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Wärmetauschelement und einen Wärmetauscher bereitzustellen, welche bei gleichzeitiger Verbesserung eines Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads einen Anstieg eines Druckverlusts unterbinden können.
• Figurenliste
• 1 ist eine Schnittansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur in einer Richtung parallel zu einer Strömungsweg-Richtung eines ersten Fluids in einem Wärmetauschelement gemäß einer ersten Ausführungsform.
• 2 ist eine Schnittansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids (eine Schnittansicht entlang der Linie a-a' in 1) in einem Wärmetauschelement gemäß einer ersten Ausführungsform.
• 3 ist eine Schnittansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids in einem Wärmetauschelement gemäß einer zweiten Ausführungsform.
• 4 ist ein spezielles Beispiel (Vorderansicht) eines Wärmetauschelements gemäß einer ersten oder zweiten Ausführungsform.
• 5 ist ein spezielles Beispiel (Vorderansicht) eines Wärmetauschelements gemäß einer ersten oder zweiten Ausführungsform.
• 6 ist ein spezielles Beispiel (Vorderansicht) eines Wärmetauschelements gemäß einer ersten oder zweiten Ausführungsform.
• 7 ist ein spezielles Beispiel (Vorderansicht) eines Wärmetauschelements gemäß einer ersten oder zweiten Ausführungsform.
• 8 ist ein spezielles Beispiel (Vorderansicht) eines Wärmetauschelements gemäß einer ersten oder zweiten Ausführungsform.
• 9 ist ein spezielles Beispiel (Vorderansicht) eines Wärmetauschelements gemäß einer ersten oder zweiten Ausführungsform.
• 10 ist ein spezielles Beispiel (Vorderansicht) eines Wärmetauschelements gemäß einer ersten oder zweiten Ausführungsform.
• 11 ist ein spezielles Beispiel (Vorderansicht) eines Wärmetauschelements gemäß einer ersten oder zweiten Ausführungsform.
• 12 ist eine linke Seitenansicht des Wärmetauschelements in den 4 bis 11.
• 13 ist eine Draufsicht des Wärmetauschelements in den 4 bis 11.
• 14 ist eine Schnittansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur in einer Richtung parallel zu einer Strömungsweg-Richtung eines ersten Fluids in einem Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform.
• 15 ist eine Schnittansicht (eine Schnittansicht entlang der Linie b-b' in 14) in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids einer säulenförmigen Wabenstruktur in einem Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform.
• 16 ist eine Schnittansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur in Beispiel 1 in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids.
• 17 ist eine Schnittansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur in Vergleichsbeispiel 2 in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids.
• 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 aufgrund von Fachwissen von Fachleuten, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen, an den folgenden Ausführungsformen angemessen vorgenommene Änderungen, Verbesserungen und dergleichen in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
• Wärmetauschelement
• Ausführungsform 1
• 1 zeigt eine Schnittansicht einer säulenförmigen Wabenstruktur in einer Richtung parallel zu einer Strömungsweg-Richtung eines ersten Fluids (einer Wabenausdehnungsrichtung) für ein Wärmetauschelement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie a-a' in 1, welche eine Schnittansicht der säulenförmigen Wabenstruktur in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids für das Wärmetauschelement gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
• Ein Wärmetauschelement 1 enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur 7 mit einer Außenumfangswand 6 und Trennwänden 5, welche sich von einer ersten Stirnseite 2 zu einer zweiten Stirnseite 3 durch die säulenförmige Wabenstruktur 7 erstrecken, um eine einen Durchgangskanal eines ersten Fluids bildende Vielzahl von Waben 4 zu definieren; und ein Abdeckelement 8 zum Bedecken der Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7. In dem Wärmetauschelement 1 strömt das erste Fluid durch die Vielzahl von Waben 4 der säulenförmigen Wabenstruktur 7, strömt ein zweites Fluid durch eine Außenseite des Abdeckelements 8, erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid über die Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 und das Abdeckelement 8. Es ist zu beachten, dass in 1 das erste Fluid auf einer Papieroberfläche der 1 sowohl nach rechts als auch nach links strömen kann. Das erste Fluid unterliegt keiner besonderen Einschränkung, und verschiedene Flüssigkeiten oder Gase können verwendet werden. Zum Beispiel wenn das Wärmetauschelement 1 für einen in ein Kraftfahrzeug eingebauten Wärmetauscher verwendet wird, ist das erste Fluid bevorzugt ein Abgas.
• Eine Form der säulenförmigen Wabenstruktur 7 ist nicht besonders beschränkt, solange sie dem ersten Fluid ermöglichen kann, von der ersten Stirnseite 2 zu der zweiten Stirnseite 3 durch die Waben 4 zu strömen. Zu Beispielen der Form der säulenförmigen Wabenstruktur 7 zählen eine zylindrische Form, eine elliptisch-zylindrische Form, eine quadratische Prismenform und sonstige vieleckige Säulenformen. Somit kann in dem Querschnitt senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids die äußere Form der säulenförmigen Wabenstruktur 7 rund, elliptisch, quadratisch oder anders vieleckig sein. In der ersten Ausführungsform ist die säulenförmige Wabenstruktur 7 zylinderförmig und hat sie eine runde Querschnittsform.
• In einem Querschnitt der säulenförmigen Wabenstruktur 7 senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids (d.h. in dem in 2 gezeigten Querschnitt) enthalten die säulenförmige Wabenstruktur 7 bildende Trennwände 5 eine Vielzahl sich in der Radialrichtung von der Seite eines Mittelteils des Querschnitts erstreckender erster Trennwände 5a und eine Vielzahl sich in der Umfangsrichtung erstreckender zweiter Trennwände 5b. Bei einer solchen Anordnung kann die Wärme des ersten Fluids in der Radialrichtung über die ersten Trennwände 5a übertragen werden, so dass die Wärme wirkungsvoll nach außerhalb der säulenförmigen Wabenstruktur 7 übertragen werden kann.
• In dem in 2 gezeigten Querschnitt ist eine Anzahl der Trennwände 5a auf der Seite des Mittelteils kleiner als eine Anzahl der ersten Trennwände 5a auf der Seite der Außenumfangswand 6.
• Bei einer solchen Konfiguration nimmt die Anzahl der radial angeordneten Waben 4 zu dem Mittelteil hin ab, so dass die Waben 4 auch auf der Seite des Mittelteils der säulenförmigen Wabenstruktur 7 leicht gebildet werden können. Deshalb ist es möglich, einen Anstieg eines Druckverlusts des Wärmetauschelements 1, welcher durch die Schwierigkeit beim Bilden der Waben 4 auf der Seite des Mittelteils der säulenförmigen Wabenstruktur 7 verursacht wird, zu unterbinden.
• Hier ist mit der Anzahl der ersten Trennwände 5a auf der Seite des Mittelteils der säulenförmigen Wabenstruktur 7 die Gesamtanzahl der ersten Trennwände 5a gemeint, welche eine Vielzahl von Waben 4 in einem Gebiet mit einer Vielzahl in der Umfangsrichtung ausgerichteter Waben 4 (im Folgenden als „Umfangsgebiet“ bezeichnet) bilden, welches Gebiet dem Mittelteil der säulenförmigen Wabenstruktur 7 am nächsten (das heißt, von der Außenumfangswand 6 am weitesten entfernt) liegt. Ferner ist mit der Anzahl der ersten Trennwände 5a auf der Seite der Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 die Gesamtanzahl der ersten Trennwände 5a gemeint, welche eine Vielzahl von Waben 4 in dem Umfangsgebiet bilden, welches von dem Mittelteil der säulenförmigen Wabenstruktur 7 am weitesten entfernt (das heißt, der Außenumfangswand 6 am nächsten) liegt.
• In dem in 2 gezeigten Querschnitt nimmt die Anzahl der ersten Trennwände 5a auf der Seite des Mittelteils der säulenförmigen Wabenstruktur 7 bevorzugt von der Seite der Außenumfangswand 6 zu der Seite des Mittelteils hin ab. Ein Raum zwischen den benachbarten ersten Trennwänden 5a wird zu dem Mittelteil hin schmaler, so dass es schwierig ist, die Waben 4 zu bilden. Jedoch kann bei einer solchen Konfiguration der Raum zwischen den benachbarten ersten Trennwänden 5a aufrechterhalten werden, so dass die Waben 4 leicht gebildet werden können. Somit kann ein Anstieg eines Druckverlusts des Wärmetauschelements 1 unterbunden werden.
• Es ist zu beachten, dass eine Häufigkeit einer Abnahme der Anzahl der ersten Trennwände 5a nicht besonders beschränkt ist und kontinuierlich oder intermittierend sein kann.
• In dem in 2 gezeigten Querschnitt sind die eine Wabe 4 definierenden ersten Trennwände 5a bevorzugt länger als die eine Wabe 4 definierenden zweiten Trennwände 5b. Die ersten Trennwände 5a tragen zur Wärmeleitfähigkeit in der Abstrahlrichtung bei. Deshalb kann bei einer solchen Anordnung die Wärme des durch die Waben 4 auf der Seite des Mittelteils der säulenförmigen Wabenstruktur 7 strömenden ersten Fluids wirkungsvoll nach außerhalb der säulenförmigen Wabenstruktur 7 übertragen werden.
• Jede der ersten Trennwände 5a hat bevorzugt eine größere Dicke als diejenige jeder der zweiten Trennwände 5b. Die Dicke jeder Trennwand 5 steht mit der Wärmeleitfähigkeit in Wechselbeziehung. Deshalb kann eine solche Konfiguration zur Folge haben, dass die Wärmeleitfähigkeit der ersten Trennwände 5a größer als die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Trennwände 5b ist. Infolgedessen kann die Wärme des durch die Waben 4 auf der Seite des Mittelteils der säulenförmigen Wabenstruktur 7 strömenden ersten Fluids wirkungsvoll nach außerhalb der säulenförmigen Wabenstruktur 7 übertragen werden.
• Darüber hinaus ist die Dicke der Trennwände 5 (der ersten Trennwände 5a und der zweiten Trennwände 5b) nicht besonders beschränkt und kann sie je nach Anwendung und dergleichen nach Bedarf eingestellt werden. Die Dicke der Trennwände 5 kann bevorzugt 0,1 bis 1 mm und bevorzugter 0,2 bis 0,6 mm betragen. Die Dicke der Trennwände 5 größer als oder gleich 0,1 mm kann der säulenförmigen Wabenstruktur 7 eine ausreichende mechanische Festigkeit verleihen. Ferner kann die Dicke der Trennwände 5 kleiner als oder gleich 1 mm einen Anstieg des Druckverlusts infolge eines Rückgangs einer Öffnungsfläche und einen Rückgang des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads infolge eines Rückgangs einer Kontaktfläche mit dem ersten Fluid verhindern.
• Die Trennwände 5 können bevorzugt eine Dichte zwischen 0,5 und 5 g/cm³ haben. Die Dichte der Trennwand 5 größer als oder gleich 0,5 g/cm³ kann den Trennwänden 5 eine ausreichende Festigkeit verleihen. Ferner kann die Dichte der Trennwände 5 kleiner als oder gleich 5 g/cm³ eine Gewichtsverringerung der säulenförmigen Wabenstruktur 7 ermöglichen. Die Dichte innerhalb des obigen Bereichs kann eine Verstärkung der säulenförmigen Wabenstruktur 7 ermöglichen und kann außerdem eine Wirkung der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit schaffen. Es ist zu beachten, dass die Dichte der Trennwände 5 ein mittels des archimedischen Verfahrens gemessener Wert ist.
• Bei dem Wärmetauschelement 1 wird die Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 einer äußeren Einwirkung, einer thermischen Beanspruchung infolge einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid und dergleichen unterzogen. Deshalb ist die Dicke der Außenumfangswand 6, im Hinblick auf die Sicherstellung der Beständigkeit gegen diese äußeren Kräfte, bevorzugt erhöht gegenüber der Dicke der Trennwände 5 (der ersten Trennwände 5a und der zweiten Trennwände 5b). Bei einer solchen Konfiguration können etwaige Brüche (zum Beispiel Risse, Spalte und dergleichen) in der Außenumfangswand 6 infolge äußerer Kräfte unterbunden werden.
• Es versteht sich von selbst, dass die Dicke der Außenumfangswand 6 nicht besonders beschränkt ist und je nach Anwendung und dergleichen nach Bedarf eingestellt werden kann. Zum Beispiel wenn das Wärmetauschelement 1 für eine allgemeine Wärmetauschanwendung verwendet wird, ist die Dicke der Außenumfangswand 6 bevorzugt größer als 0,3 mm und kleiner als oder gleich 10 mm und bevorzugter von 0,5 mm bis 5 mm und noch bevorzugter von 1 mm bis 3 mm. Ferner ist, wenn das Wärmetauschelement 1 zur Wärmespeicherung verwendet wird, die Dicke der Außenumfangswand 6 bevorzugt auf einen Wert größer als oder gleich 10 mm eingestellt, um eine Wärmekapazität der Außenumfangswand 6 zu erhöhen.
• Die Trennwände 5 und die Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 bestehen hauptsächlich aus Keramik. Die Wendung „bestehen hauptsächlich aus Keramik“ bedeutet, dass ein Verhältnis einer Masse von Keramik zu der Gesamtmasse der Trennwände 5 und der Außenumfangswand 6 größer als oder gleich 50 Massen-% ist.
• Jede der Trennwände 5 und der Außenumfangswand 6 hat bevorzugt eine Porosität kleiner als oder gleich 10% und bevorzugter kleiner als oder gleich 5% und noch bevorzugter kleiner als oder gleich 3%. Ferner kann die Porosität der Trennwände 5 und der Außenumfangswand 6 auch 0% betragen. Die Porosität der Trennwände 5 und der Außenumfangswand 6 kleiner als oder gleich 10% kann eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zur Folge haben.
• Die Trennwände 5 und die Außenumfangswand 6 enthalten bevorzugt SiC (Siliciumcarbid) mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit als einen Hauptbestandteil. „Sie enthalten SiC (Siliciumcarbid) als einen Hauptbestandteil“ bedeutet, dass ein Verhältnis einer Masse von SiC (Siliciumcarbid) zu der Gesamtmasse der Trennwände 5 und der Außenumfangswand 6 größer als oder gleich 50 Massen-% ist.
• Insbesondere zählen zu dem Material der säulenförmigen Wabenstruktur 7, das verwendet werden kann, Si-imprägniertes SiC, (Si+AI)-imprägniertes SiC, Metallverbund-SiC, umkristallisiertes SiC, Si₃N₄, SiC und dergleichen. Davon werden Si-imprägniertes SiC und (Si+AI)-imprägniertes SiC bevorzugt verwendet, weil diese eine Produktion zu niedrigeren Kosten ermöglichen können und eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben.
• Eine Wabendichte (das heißt, die Anzahl von Waben 4 pro Flächeneinheit) in dem Querschnitt in 2 ist nicht besonders beschränkt und kann je nach Anwendung oder dergleichen nach Bedarf und bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 320 Waben/cm² eingestellt werden Die Wabendichte größer als oder gleich 4 Waben/cm² kann die Festigkeit der Trennwände 5 und damit die Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 7 selbst und eine effektive geometrische Oberfläche (GSA) hinlänglich sicherstellen. Ferner kann die Wabendichte kleiner als oder gleich 320 Waben/cm² das Verhindern eines Anstiegs eines Druckverlusts beim Strömen des ersten Fluids ermöglichen.
• Die säulenförmige Wabenstruktur 7 hat bevorzugt eine isostatische Festigkeit größer als 5 MPa und bevorzugter größer als 10 MPa und noch bevorzugter größer als 100 MPa. Die isostatische Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 7 größer als 5 MPa kann die säulenförmige Wabenstruktur 7 mit einer verbesserten Langlebigkeit zur Folge haben. Die isostatische Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 7 kann gemäß dem Verfahren zum Messen der in der JASO-Norm M505-87, welche eine von der Society of Automotive Engineers of Japan, Inc. herausgegebene Motorfahrzeugnorm ist, definierten isostatischen Bruchfestigkeit gemessen werden.
• Ein Durchmesser der säulenförmigen Wabenstruktur 7 in dem Querschnitt in 2 kann bevorzugt 20 bis 200 mm und bevorzugter 30 bis 100 mm betragen. Ein solcher Durchmesser kann eine Verbesserung des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads ermöglichen. Wenn die Form der säulenförmigen Wabenstruktur 7 in dem Querschnitt in 2 nicht rund ist, ist der Durchmesser des größten einbeschriebenen Kreises, welcher in die Form des Querschnitts der säulenförmigen Wabenstruktur 7 einbeschrieben ist, als der Durchmesser der säulenförmigen Wabenstruktur 7 in dem Querschnitt in 2 definiert.
• Eine Länge der säulenförmigen Wabenstruktur 7 (eine Länge in der Strömungsweg-Richtung des ersten Fluids) ist nicht besonders beschränkt und kann je nach Anwendung und dergleichen nach Bedarf eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Länge der säulenförmigen Wabenstruktur 7 bevorzugt 3 mm bis 200 mm und bevorzugter 5 mm bis 100 mm und noch bevorzugter 10 mm bis 50 mm betragen.
• Die säulenförmige Wabenstruktur 7 hat bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit größer als oder gleich 50 W/(m·K) bei 25 °C und bevorzugter von 100 bis 300 W/(m·K) und noch bevorzugter von 120 bis 300 W/(m K). Die Wärmeleitfähigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 7 in einem solchen Bereich kann eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zur Folge haben und kann eine wirkungsvolle Übertragung der Wärme in der säulenförmigen Wabenstruktur 7 nach außen ermöglichen. Es ist zu beachten, dass der Wert der Wärmeleitfähigkeit ein gemäß dem Laserblitzverfahren (JIS R 1611-1997) gemessener Wert ist.
• In dem Fall, in welchem ein Abgas als das erste Fluid durch die Waben 4 in der säulenförmigen Wabenstruktur 7 strömt, ist bevorzugt ein Katalysator auf die Trennwände 5 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 aufgebracht. Die Aufbringung des Katalysators auf die Trennwände 5 kann eine Umwandlung von CO, NO_x, HC und dergleichen in dem Abgas in ungefährliche Stoffe durch die katalytische Reaktion ermöglichen und außerdem die Nutzung bei der katalytischen Reaktion erzeugter Reaktionswärme zum Wärmetausch ermöglichen. Zu bevorzugten Katalysatoren zählen solche, die 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. Jedes der oben aufgeführten Elemente kann als eine reine Metallsubstanz, ein Metalloxid oder eine andere Metallverbindung enthalten sein.
• Eine aufgebrachte Menge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) kann bevorzugt zwischen 10 und 400 g/l liegen. Ferner kann die aufgebrachte Menge in dem Fall eines ein Edelmetall (Edelmetalle) enthaltenden Katalysators bevorzugt zwischen 0,1 und 5 g/l liegen. Die aufgebrachte Menge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) größer als oder gleich 10 g/l kann eine Katalyse leicht bewerkstelligen. Andererseits kann die aufgebrachte Menge kleiner als oder gleich 400 g/l eine Verhinderung sowohl eines Anstiegs eines Druckverlusts als auch eines Anstiegs von Herstellungskosten ermöglichen. „Träger“ bezeichnet ein Trägermaterial, auf welches ein Katalysatormetall aufgebracht ist. Zu bevorzugten Trägern zählen solche, die mindestens einen aus der aus Aluminiumoxid, Cerdioxid und Zirconiumdioxid bestehenden Gruppe ausgewählten Stoff enthalten.
• Das Abdeckelement 8 ist nicht besonders beschränkt, solange es die Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 bedecken kann. Zum Beispiel ist es möglich, ein röhrenförmiges Element, welches in die Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 eingepasst ist, zu verwenden, um die Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 umfangsseitig zu bedecken.
• Wie hierin verwendet, bedeutet „eingepasst“, dass die säulenförmige Wabenstruktur 7 und das Abdeckelement 8 in einem aneinander angepassten Zustand befestigt sind. Deshalb umfasst das Zusammenfügen der säulenförmigen Wabenstruktur 7 und des Abdeckelements 8 Fälle, in welchen die säulenförmige Wabenstruktur 7 und das Abdeckelement 8 durch ein auf Passungen wie Spielpassung, Presspassung und Aufschrumpfen beruhendes Befestigungsverfahren sowie durch Hartlöten, Schweißen, Diffusionsbonden oder dergleichen aneinander befestigt sind.
• Das Abdeckelement 8 kann eine Innenoberflächen-Form aufweisen, welche der Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 entspricht. Da die Innenoberfläche des Abdeckelements 8 in direktem Kontakt mit der Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 steht, ist die Wärmeleitfähigkeit verbessert und kann die Wärme in der säulenförmigen Wabenstruktur 7 wirkungsvoll in das Abdeckelement 8 übertragen werden.
• Im Hinblick auf eine Verbesserung des Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads ist ein höheres Verhältnis einer Fläche eines umfangsseitig mit dem Abdeckelement 8 bedeckten Teils in der Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 zu der Gesamtfläche der Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 zu bevorzugen. Speziell ist das Flächenverhältnis bevorzugt größer als oder gleich 80% und bevorzugter größer als oder gleich 90% und noch bevorzugter gleich 100% (das heißt, die gesamte Außenumfangswand 6 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 ist umfangsseitig mit dem Abdeckelement 8 bedeckt).
• Es ist zu beachten, dass der Begriff „Außenumfangswand 6“ wie hierin verwendet eine Oberfläche parallel zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids der säulenförmigen Wabenstruktur 7 bezeichnet und keine Oberfläche senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids der säulenförmigen Wabenstruktur 7 (wie die erste Stirnseite 2 und die zweite Stirnseite 3) einschließt.
• Das Abdeckelement 8 ist, im Hinblick auf die Herstellbarkeit, bevorzugt aus einem Metall gefertigt. Ferner ist das metallene Abdeckelement 8 auch insofern vorzuziehen, als es sich leicht an ein metallenes Gehäuse 23, welches unten noch beschrieben wird, schweißen lässt. Zu Beispielen des Materials des Abdeckelements 8, die verwendet werden können, zählen Edelstahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Davon ist der Edelstahl zu bevorzugen, weil er sich durch hohe Langlebigkeit und Zuverlässigkeit auszeichnet und preiswert ist.
• Das Abdeckelement 8 hat aus Gründen der Langlebigkeit und der Zuverlässigkeit 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. Die Dicke des Abdeckelements 8 ist wegen der Verringerung des Wärmewiderstands und der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit 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.
• Eine Länge des Abdeckelements 8 (eine Länge in der Strömungsweg-Richtung des ersten Fluids) ist nicht besonders beschränkt und kann je nach der Größe der säulenförmigen Wabenstruktur 7 oder dergleichen nach Bedarf eingestellt werden. Zum Beispiel ist die Länge des Abdeckelements 8 bevorzugt größer als die Länge der säulenförmigen Wabenstruktur 7. Speziell beträgt die Länge des Abdeckelements 8 bevorzugt 5 mm bis 250 mm und bevorzugter 10 mm bis 150 mm und noch bevorzugter 20 mm bis 100 mm.
• Es ist zu beachten, dass, wenn die Länge des Abdeckelements 8 größer als die Länge der säulenförmigen Wabenstruktur 7 ist, das Abdeckelement 8 bevorzugt so angeordnet ist, dass die Wabenstruktur 7 sich in dem Mittelteil des Abdeckelements 8 befindet.
• Ausführungsform 2
• 3 zeigt eine Schnittansicht der säulenförmigen Wabenstruktur 7 in der Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids für ein Wärmetauschelement 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist zu beachten, dass Komponenten, welche die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in den Beschreibungen des Wärmetauschelements 1 gemäß der ersten Ausführungsform haben, die gleichen wie diejenigen des Wärmetauschelements 1 gemäß der ersten Ausführungsform sind und deshalb auf Beschreibungen dieser Komponenten verzichtet wird.
• In dem Wärmetauschelement 10 ist, in dem Querschnitt (das heißt, dem Querschnitt in 3) der säulenförmigen Wabenstruktur 7, welcher senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids ist, eine nur durch eine zweite Trennwand 5b abgeteilte und nur aus dieser gebildete Wabe 4 in dem Mittelteil vorgesehen. Bei einer solchen Anordnung kann die Wabe 4 in dem Mittelteil gebildet sein, auch wenn die Anzahl der ersten Trennwände 5a erhöht ist, so dass ein Anstieg eines Druckverlusts des Wärmetauschelements 10 stabil unterbunden werden kann.
• Hier sind in den 4 bis 13 spezielle Beispiele des Wärmetauschelements 1, 10 gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die 4 bis 11 sind Vorderansichten des Wärmetauschelements 1, 10, 12 ist eine dem Wärmetauschelement 1, 10 entsprechende linke Seitenansicht, und 13 ist eine dem Wärmetauschelement 1, 10 entsprechende Draufsicht. Es ist zu beachten, dass eine Rückansicht genauso wie die Vorderansicht aussieht, eine rechte Seitenansicht genauso wie die linke Seitenansicht aussieht und eine Unteransicht genauso wie die Draufsicht aussieht und deshalb auf diese Ansichten verzichtet wird.
• Wie in 11 gezeigt, ist das Wärmetauschelement 1, 10 gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt so konfiguriert, dass in einem Außenumfangsgebiet, in welchem 2/3 der Waben von der Außenumfangswand 6 zu dem Mittelteil ausgerichtet sind, die Gesamtanzahl der Waben 4 in dem Umfangsgebiet der folgenden Beziehung genügt: $$1\ge {\text{N}}_{\text{A}}/{\text{N}}_{\text{B}}>1/2$$

  

  wobei N_A die Gesamtanzahl der Waben 4 in dem an die Waben 4 in N_B angrenzenden Umfangsgebiet auf der Seite des Mittelteils darstellt und N_B die Gesamtanzahl der Waben 4 in dem an die Waben 4 in N_A angrenzenden Umfangsgebiet auf der Seite der Außenumfangswand 6 darstellt. N_A/N_B ist bevorzugt größer als oder gleich 3/4. Bei einer solchen Anordnung kann die Querschnittsfläche jeder Wabe 4 leicht auf die gleiche Größe gesteuert werden, so dass ein Anstieg eines Druckverlusts des Wärmetauschelements 1, 10 stabil unterbunden werden kann.
• Wärmetauscher
• Der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das Wärmetauschelement 1, 10 wie oben beschrieben. Ein Element (Elemente) außer dem Wärmetauschelement 1, 10 ist/sind nicht besonders beschränkt, und ein bekanntes Element kann (bekannte Elemente können) verwendet werden. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse enthalten, welches einen Strömungsweg für ein zweites Fluid zwischen dem Gehäuse und dem Abdeckelement 8 des Wärmetauschelements 1, 10 bilden kann.
• 14 zeigt eine Schnittansicht der säulenförmigen Wabenstruktur 7 in der Richtung parallel zu der Strömungsweg-Richtung des ersten Fluids für den Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 15 ist eine Schnittansicht entlang der Linie b-b' in 14, welche eine Schnittansicht der säulenförmigen Wabenstruktur 7 in der Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids für den Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
• Der Wärmetauscher 20 enthält das Wärmetauschelement 1; und ein Gehäuse 23 mit einem Zweitfluid-Einlass 21 und einem Zweitfluid-Auslass 22, wobei das Gehäuse 23 das Abdeckelement 8 des Wärmetauschelements 1 umfangsseitig so bedeckt, dass ein Strömungsweg 24 für das zweite Fluid zwischen dem Gehäuse 23 und dem Abdeckelement 8 des Wärmetauschelements 1 gebildet ist. Es ist vorzuziehen, dass das Gehäuse 23 umfangsseitig das gesamte Wärmetauschelement 1 bedeckt.
• In dem Wärmetauscher 20 ist eine Innenoberfläche des Gehäuses 23 in die Außenumfangs-Oberfläche des Abdeckelements 8 des Wärmetauschelements 1 eingepasst. In diesem Fall hat der Wärmetauscher 20 bevorzugt einen Aufbau, bei welchem die Außenumfangs-Oberfläche des Abdeckelements 8 an beiden Endteilen in der Strömungsweg-Richtung des ersten Fluids umfangsseitig in engen Kontakt mit der Innenoberfläche des Gehäuses 23 gebracht ist, um zu verhindern, dass das zweite Fluid nach außen austritt. Zu einem Verfahren, die Außenumfangs-Oberfläche des Abdeckelements 8 in engen Kontakt mit der Innenoberfläche des Gehäuses 23 zu bringen, zählen, ohne darauf beschränkt zu sein, Schweißen, Diffusionsbonden, Hartlöten, mechanisches Befestigen und dergleichen. Davon ist das Schweißen zu bevorzugen, weil es sich durch höhere Langlebigkeit und Zuverlässigkeit auszeichnet und die strukturelle Festigkeit verbessern kann.
• Das Gehäuse 23 ist, im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit und die Herstellbarkeit, bevorzugt aus einem Metall gefertigt. Zu Beispielen des Metalls, die verwendet werden können, zählen Edelstahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Davon ist der Edelstahl zu bevorzugen, weil er preiswert ist und sich durch hohe Langlebigkeit und Zuverlässigkeit auszeichnet.
• Das Gehäuse 23 hat aus Gründen der Langlebigkeit und der Zuverlässigkeit 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. Die Dicke des Gehäuses 23 ist im Hinblick auf die Kosten, das Volumen, das Gewicht und dergleichen bevorzugt kleiner als oder gleich 10 mm und bevorzugter kleiner als oder gleich 5 mm und noch bevorzugter kleiner als oder gleich 3 mm.
• Das Gehäuse 23 kann ein einstückig gebildetes Produkt sein, aber bevorzugt kann es ein aus zwei oder mehr Elementen gebildetes zusammengefügtes Element sein. In dem Fall, in welchem das Gehäuse 23 das aus zwei oder mehr Elementen gebildete zusammengefügte Element ist, kann die Gestaltungsfreiheit bei der Konstruktion des Gehäuses 23 verbessert werden.
• In dem Wärmetauscher 20 strömt das zweite Fluid durch den Zweitfluid-Einlass 21 in das Gehäuse 23. Dann, während es den Strömungsweg 24 für das zweite Fluid passiert, unterzieht sich das zweite Fluid einem Wärmeaustausch mit dem durch die Waben 4 der säulenförmigen Wabenstruktur 7 strömenden ersten Fluid über das Abdeckelement 8 des Wärmetauschelements 1 und strömt es danach aus dem Zweitfluid-Auslass 22 hinaus. Es ist zu beachten, dass die Außenumfangs-Oberfläche des Abdeckelements 8 des Wärmetauschelements 1 mit einem Element zum Einstellen eines Wärmeübertragungs-Wirkungsgrads bedeckt sein kann.
• Das zweite Fluid ist nicht besonders beschränkt, aber das zweite Fluid ist bevorzugt Wasser oder eine Gefrierschutzlösung (in JIS K 2234: 2006 definiertes LLC), wenn der Wärmetauscher 20 in ein Kraftfahrzeug eingebaut wird. Was die Temperaturen des ersten Fluids und des zweiten Fluids anbelangt, ist die Temperatur des ersten Fluids bevorzugt höher als die Temperatur des zweiten Fluids, weil unter der Temperaturbedingung das Abdeckelement 8 des Wärmetauschelements 1 sich bei der niedrigeren Temperatur nicht ausdehnt und die säulenförmige Wabenstruktur 7 sich bei der höheren Temperatur ausdehnt, so dass die beiden zusammengefügten Elemente sich nur schwer voneinander lösen. Insbesondere wenn die säulenförmige Wabenstruktur 7 und das Abdeckelement 8 durch Aufschrumpfen zusammengefügt sind, kann die obige Temperaturbedingung ein Risiko, dass die zusammengefügten Elemente sich lösen und die säulenförmige Wabenstruktur 7 herausfällt, minimieren.
• Bei dem Wärmetauscher 20 ist der Zweitfluid-Einlass 21 auf der dem Zweitfluid-Auslass 22 über das Wärmetauschelement 1 hinweg entgegengesetzten Seite angeordnet. Jedoch unterliegen die Positionen des Zweitfluid-Einlasses 21 und des Zweitfluid-Auslasses 22 keinen Beschränkungen und können die Positionen im Hinblick auf die Einbaulage des Wärmetauschers 20, die Rohrleitungslage und den Wärmeaustausch-Wirkungsgrad nach Bedarf in der Axialrichtung und der Außenumfangsrichtung geändert werden.
• In den obigen Beschreibungen wurde der das Wärmetauschelement 1 nutzende Wärmetauscher 20 beschrieben. Jedoch versteht es sich von selbst, dass anstelle des Wärmetauschelements 1 auch das Wärmetauschelement 10 verwendet werden kann.
• Verfahren zum Herstellen des Wärmetauschelements und des Wärmetauschers
• Nun werden Verfahren zum Herstellen des Wärmetauschelements und des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung für den Fall des Wärmetauschelements 1 gemäß der ersten Ausführungsform als Beispiel beschrieben. Jedoch sind die Verfahren zum Herstellen des Wärmetauschelements und des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die nachstehend beschriebenen beschränkt.
• Zuerst wird ein Keramikpulver enthaltender Grünkörper zu einer gewünschten Form stranggepresst, um einen Waben-Formkörper herzustellen. Dabei können die Form und Dichte der Waben 4, die Anzahl, Länge und Dicke der Trennwände 5, die Form und die Dicke der Außenumfangswand 6 und dergleichen durch Auswählen von Matrizen und Vorrichtung in geeigneten Formen gesteuert werden. Das Material des Waben-Formkörpers, welches verwendet werden kann, enthält die Keramik wie oben beschrieben. Zum Beispiel werden beim Produzieren eines hauptsächlich auf einem Si-imprägnierten SiC-Verbundwerkstoff beruhenden 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 bilden, welcher zu einem Waben-Formkörper mit einer gewünschten Form geformt wird. Der resultierende Waben-Formkörper kann dann getrocknet werden, und der Waben-Formkörper kann mit metallischem Si imprägniert werden und unter verringertem Druck in einem Schutzgas oder Vakuum gebrannt werden, um eine säulenförmige Wabenstruktur 7 mit durch Trennwände 5 definierten Waben 4 zu erhalten.
• Die säulenförmige Wabenstruktur 7 wird dann in das Abdeckelement 8 eingeführt, wodurch die Außenumfangs-Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 7 umfangsseitig mit dem Abdeckelement 8 bedeckt wird. Durch Aufschrumpfen in diesem Zustand wird die Innenumfangs-Oberfläche des Abdeckelements 8 auf die Außenumfangs-Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 7 aufgesetzt. Wie oben beschrieben, kann das Zusammenfügen der säulenförmigen Wabenstruktur 7 und des Abdeckelements 8, über das Aufschrumpfen hinaus, durch ein auf Passungen wie Spielpassung und Presspassung beruhendes Befestigungsverfahren oder durch Hartlöten, Schweißen, Diffusionsbonden oder dergleichen erfolgen. Somit ist das Wärmetauschelement 1 fertiggestellt.
• Beide Endteile des Abdeckelements 8 des Wärmetauschelements 1 werden mit der Innenoberfläche des Gehäuses 23 zusammengefügt. Wie oben beschrieben, gibt es verschiedene Verfahren einschließlich Einpassen. Wenn erforderlich, können die Verbindungsteile durch Schweißen oder dergleichen zusammengefügt werden. Somit wird das Gehäuse 23, welches die Außenumfangs-Oberfläche des Abdeckelements 8 umfangsseitig bedeckt, gebildet und wird der Strömungsweg 24 für das zweite Fluid zwischen der Außenumfangs-Oberfläche des Abdeckelements 8 und der Innenoberfläche des Gehäuses 23 gebildet. Somit ist der Wärmetauscher 20 fertiggestellt.
• Es versteht sich von selbst, dass, obwohl in den obigen Beschreibungen der Fall des Verwendens des Wärmetauschelements 1 beschrieben wurde, anstelle des Wärmetauschelements 1 natürlich auch das Wärmetauschelement 10 verwendet werden kann.
• BEISPIELE
• Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen spezieller beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
• Produktion einer Wabenstruktur
• Beispiel 1
• Ein SiC-Pulver enthaltender Grünkörper wurde zu einer gewünschten Form stranggepresst, getrocknet, durch Bearbeitung auf vordefinierte Außenmaße gebracht und mit Si imprägniert und gebrannt, um eine säulenförmige Wabenstruktur 30 zu produzieren. Die säulenförmige Wabenstruktur 30 hatte eine zylindrische Form, einen Durchmesser (Außendurchmesser) von 70 mm und eine Länge in der Strömungsweg-Richtung des ersten Fluids von 40 mm. 16 zeigt eine Schnittansicht der säulenförmigen Wabenstruktur 30 in der Richtung senkrecht zu der Strömungsweg-Richtung des ersten Fluids. Die säulenförmige Wabenstruktur 30 hatte eine nur durch eine zweite Trennwand 5b definierte Wabe 4 in dem Mittelteil und hatte auf der Seite des Mittelteils eine kleinere Anzahl der ersten Trennwände 5a als auf der Seite der Außenumfangswand 6, so dass die Anzahl von Waben 4 in einem Umfangsgebiet A gleich 200 war, in einem Umfangsgebiet B gleich 100 war und in einem Umfangsgebiet C gleich 50 war, in einem Umfangsgebiet D gleich 25 war und in einem Umfangsgebiet E gleich 5 war. Ferner hatte die säulenförmige Wabenstruktur 30 eine Dicke der ersten Trennwand 5a von 0,3 mm, eine Dicke der zweiten Trennwand 5b von 0,25 mm und eine Dicke der Außenumfangswand 6 von 1,5 mm.
• Eine solche Form wie oben beschrieben konnte ermöglichen, die Waben 4 auch auf der Seite des Mittelteils der säulenförmigen Wabenstruktur 30 zu bilden.
• Vergleichsbeispiel 1
• Ein Versuch wurde unternommen, eine säulenförmige Wabenstruktur mittels des abgesehen davon, dass die Anzahl von Waben 4 in allen Umfangsgebieten auf 200 eingestellt war, ohne die Anzahl erster Trennwände 5a auf der Seite des Mittelteils zu verringern, gleichen Verfahrens wie in Beispiel 1 zu produzieren. Jedoch konnte die säulenförmige Wabenstruktur nicht geformt und produziert werden.
• Vergleichsbeispiel 2
• Eine säulenförmige Wabenstruktur 40 wurde mittels des abgesehen davon, dass die Anzahl von Waben 4 in allen Umfangsgebieten auf 20 eingestellt war, ohne die Anzahl erster Trennwände 5a auf der Seite des Mittelteils zu verringern, gleichen Verfahrens wie in Beispiel 1 produziert. 17 zeigt eine Schnittansicht der säulenförmigen Wabenstruktur 40 in der Richtung senkrecht zu der Richtung des Strömungswegs des ersten Fluids. Die säulenförmige Wabenstruktur 40 hatte eine Dicke der ersten Trennwand 5a von 0,3 mm, eine Dicke der zweiten Trennwand 5b von 0,25 mm und eine Dicke der Außenumfangswand 6 von 1,5 mm.
• Obwohl die Form wie oben beschrieben eine Produktion der säulenförmigen Wabenstruktur 40 ermöglichen konnte, konnte in dem Mittelteil keine Wabe 4 gebildet werden.
• Herstellung des Wärmetauschelements und des Wärmetauschers
• Wärmetauschelemente und Wärmetauscher wurden unter Verwendung der säulenförmigen Wabenstruktur 30 in Beispiel 1 und der säulenförmigen Wabenstruktur 40 in Vergleichsbeispiel 2 hergestellt.
• Zuerst wurde, unter Verwendung eines röhrenförmigen Elements aus Edelstahl als Abdeckelement 8, jede der säulenförmigen Wabenstrukturen 30, 40 in eine innere Mitte des röhrenförmigen Elements eingeführt, und dann wurde eine Innenumfangs-Oberfläche des röhrenförmigen Elements auf jede der Wabenstrukturen 30, 40 aufgesetzt, um ein Wärmetauschelement mit der in 1 gezeigten Struktur zu produzieren.
• Für die Wärmetauscher wurde jedes Wärmetauschelement in einem Gehäuse 23 angeordnet und wurden beide Endteile des Abdeckelements 8 jedes Wärmetauschelements an eine Innenoberfläche des Gehäuses 23 angefügt, um Wärmetauscher jeweils mit den in den 14 und 15 gezeigten Strukturen zu produzieren.
• Prüfung des Wärmeaustauschs
• Die so hergestellten Wärmetauscher wurden einer Prüfung des Wärmeaustauschs mittels des folgenden Verfahrens unterzogen. Luft (das erste Fluid) mit einer Temperatur (Tg1) von 400 °C strömte in einer Durchflussmenge (Mg) von 10 g/s durch jede der Wabenstrukturen 30, 40. Andererseits wurde Kühlwasser (das zweite Fluid) von 40 °C in einer Durchflussmenge (Mw) von 10 l/min durch den Zweitfluid-Einlass 21 zugeführt und wurde das Kühlwasser nach dem Wärmeaustausch aus dem Zweitfluid-Auslass 22 abgeführt.
• Unmittelbar nachdem Luft und Kühlwasser unter den obigen Bedingungen ab dem Beginn der Zuführung 5 Minuten lang durch jeden Wärmetauscher geströmt waren, wurden eine Temperatur (Tw1) des Kühlwassers an dem Zweitfluid-Einlass 21 und eine Temperatur (Tw2) des Kühlwassers an dem Zweitfluid-Auslass 22 gemessen, um einen Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad zu erhalten.
• Hier wird eine durch das Kühlwasser zurückgewonnene Wärmemenge Q durch die folgende Gleichung ausgedrückt: $$\text{Q}\left(\text{kW}\right)=\Delta \text{Tw}\cdot \text{Cpw}\cdot \text{Mw}\text{, wobei:}$$

  

  $$\Delta \text{Tw}=\text{Tw2}-\text{Tw1 und Cpw}\left(\text{spezifische Wärme von Wasser}\right)=4182\text{J/}\left(\text{kg}\cdot \text{K}\right).$$

  
• Außerdem wird der Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad η des Wärmetauschers durch die folgende Gleichung ausgedrückt: $$\mathrm{\eta }\left(\%\right)=\text{Q/}\left\{\left(\text{Tg1}-\text{Tw1}\right)\cdot \text{Cpg}\cdot \text{Mg}\right\}\cdot \mathrm{100,}\text{ wobei:}$$

  

  $$\text{Cpg}\left(\text{spezifische Wärme von Luft}\right)=1050\text{J/}\left(\text{kg}\cdot \text{K}\right).$$

  
• Prüfung des Druckverlusts
• Bei der obigen Prüfung des Wärmeaustauschs waren Druckmesser in dem vor beziehungsweise hinter jedem Wärmetauschelement befindlichen Strömungsweg für Luft angeordnet. Der Druckverlust der durch jedes Wärmetauschelement (durch die Waben 4) strömenden Luft wurde aus einem aus den Messwerten dieser Druckmesser erhaltenen Differenzdruck bestimmt.
• Prüfung der isostatischen Festigkeit
• Eine Urethankautschuk-Platte einer Dicke von 0,5 mm wurde um die Außenumfangs-Oberfläche jeder der säulenförmigen Wabenstrukturen 30, 40 gewickelt, und Aluminiumscheiben jeweils einer Dicke von 20 mm wurden ferner auf beiden Endteilen jeder der säulenförmigen Wabenstrukturen 30, 40 angeordnet, wobei runde Urethankautschuk-Platten zwischen die beiden Endteile und die Aluminiumscheiben gelegt wurden. Die verwendeten Aluminiumscheiben und Urethankautschuk-Platten hatten die gleiche Form und die gleiche Größe wie die Endteile jeder der säulenförmigen Wabenstrukturen 30, 40. Ferner wurde ein Kunststoffband entlang des Außenrands jeder Aluminiumscheibe gewickelt, wodurch ein Raum zwischen dem Außenrand jeder Aluminiumscheibe und jeder Urethankautschuk-Platte abgedichtet wurde, um ein Prüfmuster zu erhalten. Das Prüfmuster wurde dann in ein mit Wasser gefülltes Druckgefäß gelegt. Ein Wasserdruck in dem Druckgefäß wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,3 bis 3,0 MPa/min auf 200 MPa erhöht, und der Wasserdruck zu dem Zeitpunkt, zu welchem jede der säulenförmigen Wabenstrukturen 30, 40 brach, wurde gemessen. In den Auswertungsergebnissen ist ein Fall, in welchem selbst bei einem Wasserdruck von 200 MPa kein Bruch auftrat, als „≥ 200 (MPa)“ bezeichnet.
• Die Ergebnisse der jeweiligen Prüfungen wie oben beschrieben sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1

  	Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad (%)	Druckverlust (Pa)	Isostatische Festigkeit (MPa)
  Beispiel 1	65	100	≥ 200
  Vergleichsbeispiel 2	30	70	5

• Wie in Tabelle 1 gezeigt, war in Beispiel 1 der Druckverlust geringer, der Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad höher und auch die isostatische Festigkeit höher.
• Jedoch war in Vergleichsbeispiel 2, obwohl der Druckverlust wegen der großen Waben 4 gering war, der Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrad niedriger und auch die isostatische Festigkeit geringer.
• Wie aus den obigen Ergebnissen ersichtlich, kann die vorliegende Erfindung ein Wärmetauschelement und einen Wärmetauscher bereitstellen, welche bei gleichzeitiger Verbesserung eines Wärmerückgewinnungs-Wirkungsgrads einen Anstieg eines Druckverlusts unterbinden können.
• Bezugszeichenliste

1, 10

Wärmetauschelement

2

erste Stirnseite

3

zweite Stirnseite

4

Wabe

5

Trennwand

5a

erste Trennwand

5b

zweite Trennwand

6

Außenumfangswand

7, 30, 40

säulenförmige Wabenstruktur

8

Abdeckelement

20

Wärmetauscher

21

Zweitfluid-Einlass

22

Zweitfluid-Auslass

23

Gehäuse

24

Strömungsweg für zweites Fluid

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 6075381 B2 [0006]

Claims (9)

1. Wärmetauschelement, enthaltend: eine säulenförmige Wabenstruktur, enthaltend: eine Außenumfangswand; und Trennwände, welche sich von einer ersten Stirnseite zu einer zweiten Stirnseite durch die säulenförmige Wabenstruktur erstrecken, um eine einen Durchgangskanal eines ersten Fluids bildende Vielzahl von Waben zu definieren; und ein Abdeckelement zum Bedecken der Außenumfangswand der säulenförmigen Wabenstruktur, wobei in einem Querschnitt der säulenförmigen Wabenstruktur senkrecht zu einer Strömungsrichtung des ersten Fluids die Trennwände enthalten: eine Vielzahl sich in einer Radialrichtung von einem Mittelteil des Querschnitts erstreckender erster Trennwände; und eine Vielzahl sich in einer Umfangsrichtung erstreckender zweiter Trennwände, und eine Anzahl der ersten Trennwände auf der Seite des Mittelteils kleiner als eine Anzahl der ersten Trennwände auf der Seite der Außenumfangswand ist.
2. Wärmetauschelement nach Anspruch 1, wobei das erste Fluid durch die Vielzahl von Waben der säulenförmigen Wabenstruktur strömt, ein zweites Fluid durch eine Außenseite des Abdeckelements strömt und das Wärmetauschelement dafür konfiguriert ist, einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid über die Außenumfangswand der säulenförmigen Wabenstruktur und das Abdeckelement zu ermöglichen.
3. Wärmetauschelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Querschnitt der säulenförmigen Wabenstruktur senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids die Anzahl der ersten Trennwände von der Seite der Außenumfangswand zu der Seite des Mittelteils hin abnimmt.
4. Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Außenumfangswände eine größere Dicke haben als die Trennwände.
5. Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, in dem Querschnitt der säulenförmigen Wabenstruktur senkrecht zu der Strömungsweg-Richtung des ersten Fluids, die eine Wabe definierenden ersten Trennwände länger als die die eine Wabe definierenden zweiten Trennwände sind.
6. Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei, in dem Querschnitt der säulenförmigen Wabenstruktur senkrecht zu der Strömungsweg-Richtung des ersten Fluids, die säulenförmige Wabenstruktur eine nur durch die zweiten Trennwände definierte Wabe in dem Mittelteil hat.
7. Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ersten Trennwände eine größere Dicke haben als die zweiten Trennwände.
8. Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in einem Außenumfangsgebiet, in welchem 2/3 der Waben von der Außenumfangswand zu dem Mittelteil ausgerichtet sind, die Gesamtanzahl der Waben in dem Umfangsgebiet der folgenden Beziehung genügt: $$1\ge {\text{N}}_{\text{A}}/{\text{N}}_{\text{B}}>1/2$$

   

   wobei N_A die Gesamtanzahl der Waben in dem an die Waben in N_B angrenzenden Umfangsgebiet auf der Seite des Mittelteils darstellt und N_B die Gesamtanzahl der Waben in dem an die Waben in N_A angrenzenden Umfangsgebiet auf der Seite der Außenumfangswand darstellt.
9. Wärmetauscher, enthaltend das Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

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