DE102020203570A1

DE102020203570A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102020203570A1
Application number: DE102020203570.9A
Authority: DE
Inventors: Makoto Yoshihara; Tatsuo Kawaguchi; Yutaro Fumoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2020-10-01
Also published as: CN111749766B; US20200309463A1; JP7217654B2; US11448465B2; JP2020159270A; CN111749766A

Abstract

Ein Wärmetauscher 100 umfasst: eine hohle säulenförmige Wabenstruktur 10 mit Trennwänden 12, einer Innenwand 13 und einer Außenwand 14, wobei die Trennwände 12 eine Vielzahl von Zellen 11 festlegen, um Fließwege für ein erstes Fluid zu bilden, wobei sich jede der Zellen 11 von einer zuflussseitigen Endfläche 10a zu einer abflussseitigen Endfläche 10b erstreckt; einen ersten Außenzylinder 20, der in Berührung mit der Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 angeordnet ist; einen ersten Innenzylinder 30 mit einem Zufluss 31a und einem Abfluss 31b für das erste Fluid, wobei der erste Innenzylinder 30 derart angeordnet ist, dass ein Teil einer Außenoberfläche des ersten Innenzylinders 30 die Innenwand 13 berührt; einen zweiten Innenzylinder 40 mit einem Zufluss 41a und einem Abfluss 41b für das erste Fluid, wobei der Abfluss 41b radial beabstandet von einer Innenseite der Innenwand 13 angeordnet ist; und ein Ein-/Ausventil 50, das seitens des Abflusses 31b des ersten Innenzylinders 30 angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher.
STAND DER TECHNIK
In letzter Zeit ist ein Bedürfnis zum Verbessern einer Kraftstoffeffizienz von Kraftfahrzeugen aufgekommen. Insbesondere wird ein System erwartet, das ein Kühlmittel, Motoröl und ein Automatikgetriebefluid zu einem frühen Zeitpunkt erwärmt, um Reibungsverluste zu reduzieren, und um eine Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz bei kaltem Motor zu verhindern, zum Beispiel wenn der Motor gestartet wird. Ferner wird ein System erwartet, das einen Abgaskatalysator erwärmt, um den Katalysator zu einem frühen Zeitpunkt zu aktivieren.
Ein Beispiel für solche Systeme ist ein Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, in der ein Wärmeaustausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid stattfindet, indem das erste Fluid innen und das zweite Fluid außen fließt. In solch einem Wärmetauscher kann Wärme beispielsweise effektiv verwendet werden, indem die Wärme vom ersten Fluid mit einer höheren Temperatur (zum Beispiel ein Abgas) zum zweiten Fluid mit einer niedrigeren Temperatur (zum Beispiel Kühlwasser) übertragen wird.
Patentdokument 1 lehrt einen Wärmetauscher mit einem Wärmesammelteil, das als Wabenstruktur mit einer Vielzahl von Zellen, durch die ein erstes Fluid (zum Beispiel ein Abgas) fließen kann; und eine Abdeckung, die zum Abdecken einer Außenoberfläche des Wärmesammelteils vorgesehen ist, so dass ein zweites Fluid (zum Beispiel Kühlwasser) zwischen dem Wärmesammelteil und der Abdeckung fließen kann.
Der Wärmetauscher aus Patentdokument 1 hat jedoch eine Struktur, bei der ständig Abwärme vom ersten Fluid durch das zweite Fluid aufgenommen wird. Daher wird die Abwärme aufgenommen, selbst wenn es nicht notwendig ist (selbst wenn der Wärmetauscher nicht gebraucht wird). Daher hat der Wärmetauscher es notwendig gemacht, eine Kapazität eines Kühlers zu erhöhen, um die aufgenommene Abwärme abzuführen, selbst wenn es keine Notwendigkeit hab, die Abwärme aufzunehmen.
Andererseits lehrt Patentdokument 2 einen Wärmetauscher (einen Abgaswärmerückgewinner) mit: einem Innenrohr zum Leiten eines Abgases von einem Motor zu einer Rückseite eines Fahrzeugs; einem Außenrohr, das in axialer Richtung außen um das Innenrohr herum angeordnet ist, wobei sich das Außenrohr weiter nach hinten zur Rückseite des Fahrzeugs erstreckt als ein hinteres Ende des Innenrohrs; einem Ventil zum Öffnen und Schließen des hinteren Endes des Innenrohrs; einem ersten Drosselteil mit einem Zufluss, der sich in Bezug auf eine Innenseite des Innenrohrs zum Heck des Fahrzeugs öffnet, wobei das erste Drosselteil dem Abgas, das von der Innenseite des Innenrohrs durch den Zufluss fließt, zu einer Front des Fahrzeugs zu fließen, und das Abgas durch ein Loch im Innenrohr zu einer radial außen gelegenen Seite des Innenrohrs zu leiten; einem Fließweg, der zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr gebildet ist, wobei der Fließweg dem Abgas, das durch das Loch zur radial außen gelegenen Seite des Innenrohrs geleitet wird, auf einer radial außen gelegen Seite des Innenrohrs zum Heck des Fahrzeugs zu fließen; einem Wärmetauschabschnitt, der radial außerhalb des Innenrohrs angeordnet ist, wobei der Wärmetauschabschnitt Wärme zwischen dem durch den Fließweg fließenden Abgas und einem Kühlmittel austauscht; und einem zweiten Drosselteil, das in Fließrichtung des Fließwegs auf einer weiter stromabwärts gelegenen Seite als der Wärmetauschabschnitt angeordnet ist.
Der Wärmetauscher aus Patentdokument 2 kann durch Öffnen und Schließen des Ventils zwischen einem Fördern und Unterdrücken der Wärmerückgewinnung (Wärmetausch) umschalten. Insbesondere weist der Wärmetauscher das erste Drosselteil und das zweite Drosselteil auf, so dass die Wärmedämmungsleistung verbessert werden kann, was ein Ergebnis davon ist, dass es dem Abgas erschwert wird, im Wärmetauschabschnitt zu fließen, indem während der Wärmerückgewinnung das hintere Ende des Innenrohrs geöffnet wird (Öffnen des Ventils).
ZITATIONSLISTE
PATENTLITERATUR

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung Nr. 2012-037165 A
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldung Nr. 2018-119418 A

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Technische Aufgabe
Als Ergebnis von Studien haben die vorliegenden Erfinder jedoch herausgefunden, dass der Wärmetauscher von Patentdokument 2 mit dem ersten Drosselteil und dem zweiten Drosselteil ausgestattet ist, was ein Problem verursacht, dass wenn das hintere Ende des Innenrohrs während dem Fördern von Wärmerückgewinnung verschlossen wird (wenn das Ventil geschlossen ist), es dem Abgas erschwert wird, vom Innenrohr zum Wärmetauschabschnitt zu fließen, was dazu führt, dass die Wärmerückgewinnungsleistung verringert wird, und was leicht zu einem Anstieg von Druckverlust führt.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Aufgaben zu lösen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der eine Wärmerückgewinnungsleistung verbessern kann, ohne den Druckverlust während dem Fördern der Wärmerückgewinnung zu beeinflussen, und der eine Wärmedämmungsleistung während dem Unterdrücken der Wärmerückgewinnung verbessern kann.
Lösung der Aufgabe
Als Ergebnis von intensiven Studien eines Aufbaus eines Wärmetauschers haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass ein Wärmetauscher mit einem bestimmten Aufbau die oben beschriebenen Probleme lösen kann, und haben die vorliegende Erfindung gemacht.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, umfassend:

eine hohle säulenförmige Wabenstruktur mit Trennwänden, einer Innenwand und einer Außenwand, wobei die Trennwände eine Vielzahl von Zellen festlegen, um Fließwege für eine erste Flüssigkeit zu bilden, wobei sich jede der Zellen von einer zuflussseitigen Endfläche zu einer abflussseitigen Endfläche erstreckt;
einen ersten Außenzylinder, der in Berührung mit der Außenwand der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet ist;
einen ersten Innenzylinder mit einem Zuflussanschluss und einem Abfluss für die erste Flüssigkeit, wobei der erste Innenzylinder derart angeordnet ist, dass ein Teil einer Außenoberfläche des ersten Innenzylinder die Innenwand berührt;
einen zweiten Innenzylinder mit einem Zufluss und einem Abfluss für das erste Fluid,
wobei der Abfluss radial beabstandet von einer Innenseite der Innenwand angeordnet ist; und
ein Ein-/Ausventil, das seitens des Abflusses des ersten Innenzylinders angeordnet ist,
wobei der Zufluss des ersten Innenzylinders in axialer Richtung der säulenförmingen Wabenstruktur näher an der zuflussseitigen Endfläche als an der abflussseitigen Endfläche angeordnet ist;
wobei der Abfluss des zweiten Innenzylinders in axialer Richtung der säulenförmingen Wabenstruktur näher an der abflussseitigen Endfläche als an der zuflussseitigen Endfläche angeordnet ist; und
wobei der Abfluss des zweiten Innenzylinders einen kleineren Durchmesser aufweist als der Zufluss des ersten Innenzylinders.

VORTEILHAFTE WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der eine Wärmerückgewinnungsleistung verbessern kann, ohne den Druckverlust während dem Fördern der Wärmerückgewinnung zu beeinflussen, und der eine Wärmedämmungsleistung während dem Unterdrücken der Wärmerückgewinnung verbessern kann.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht eines Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die parallel zu einer Flussrichtung eines ersten Fluids ausgerichtet ist.
2 ist eine Schnittansicht des Wärmetauschers aus 1 entlang der Linie a-a'.
3 ist eine Schnittansicht eines anderen Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die parallel zu einer Flussrichtung eines ersten Fluids ausgerichtet ist.
4 ist eine Schnittansicht eines anderen Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die parallel zu einer Flussrichtung eines ersten Fluids ausgerichtet ist.
5 ist eine Schnittansicht eines anderen Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die parallel zu einer Flussrichtung eines ersten Fluids ausgerichtet ist.
6 ist eine Schnittansicht eines anderen Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die parallel zu einer Flussrichtung eines ersten Fluids ausgerichtet ist.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegend Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist. Angemessene Änderungen, Verbesserungen und dergleichen der folgenden Ausführungsbeispiele auf Grundlage von Fachwissen eines Fachmanns, die ohne Abweichung vom Geist der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, fallen in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung.
1 ist eine Schnittansicht eines Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die parallel zu einer Flussrichtung eines ersten Fluids ausgerichtet ist. 2 ist eine Schnittansicht des Wärmetauschers aus 1 entlang der Linie a-a'.
Wie in 1 gezeigt umfasst ein Wärmetauscher 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung: eine hohle säulenförmige Wabenstruktur 10 (welche im Folgenden auch als „säulenförmige Wabenstruktur“ abgekürzt wird“); einen ersten Außenzylinder 20, der in Berührung mit einer Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 angeordnet ist; einen ersten Innenzylinder 30, der so angeordnet ist, dass ein Teil der Außenoberfläche des ersten Innenzylinders 30 in Berührung mit der Innenwand 13 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 ist; ein zweiter Innenzylinder 40 mit einem Zufluss 41a, der radial beabstandet von einer Innenseite der Innenwand 13 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 angeordnet ist; und ein Ein-/Ausventil 50, das seitens eines Abfluss 31b des ersten Innenzylinders 30 angeordnet ist.
Die hohle säulenförmige Wabenstruktur 10 umfasst: Trennwände 12, eine Innenwand 13 und eine Außenwand 14, wobei die Trennwände 12 eine Vielzahl von Zellen 11 festlegen, um Fließwege für eine erste Fluid zu bilden, wobei sich jede der Zellen 11 von einer zuflussseitigen Endfläche 10a zu einer abflussseitigen Endfläche 10b erstreckt.
Der hier verwendete Begriff „hohe säulenförmige Wabenstruktur 10“ bezeichnet eine säulenförmige Wabenstruktur mit einem hohlen Bereich in einem zentralen Abschnitt der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur, der senkrecht zur einer Fließrichtung des ersten Fluids ist.
Eine Form (äußere Form) der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 ist nicht besonders festgelegt und es kann sich um eine kreisförmige Säulenform, eine elliptische Säulenform, eine quadratische Säulenform oder eine andere vieleckige Säulenform handeln.
Auch ist eine Form des hohlen Bereichs in der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 nicht besonders festgelegt und es kann sich um eine kreisförmige Säulenform, eine elliptische Säulenform, eine quadratische Säulenform oder eine andere vieleckige Säulenform handeln.
Die Form der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 und die Form des hohlen Bereichs können gleich oder voneinander verschieden sein. Vorzugsweise sind sie jedoch gleich im Hinblick auf Widerstand gegen externe Einflüsse, thermische Belastung und dergleichen.
Jede der Zellen 11 kann eine beliebige Form haben, einschließlich aber nicht ausschließlich, kreisförmig, elliptisch, dreieckig, rechteckig, sechseckig oder andere vieleckige Formen im Querschnitt in einer senkrechten Richtung zur Fließrichtung des ersten Fluids. Die Zellen 11 sind radial im Querschnitt in einer senkrechten Richtung zur Fließrichtung des ersten Fluids angeordnet. Solch eine Struktur kann einen effizienten Wärmeübertrag vom ersten Fluid, das durch die Zellen 11 fließt, zur Außenseite der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 erlauben.
Eine Dicke einer jeden Trennwand 12 ist nicht besonders festgelegt und kann vorzugsweise 0,1 bis 1 mm betragen, besonders vorzugsweise 0,2 bis 0,6 mm. Die Dicke der Trennwand 12 von 0,1 mm oder mehr kann der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 eine ausreichende mechanische Stabilität verleihen. Ferner kann die Dicke der Trennwand 12 von 1 mm oder weniger Probleme verhindern, dass sich der Druckverlust aufgrund einer Verkleinerung im Öffnungsquerschnitt erhöht, und dass sich der Wärmerückgewinnungswirkungsgrad verringert aufgrund einer Kontaktfläche mit dem ersten Fluid.
Die Innenwand 13 und die Außenwand 14 haben jeweils vorzugsweise aber nicht darauf festgelegt eine Dicke, die größer als die der Trennwand 12 ist. Solch ein Aufbau kann eine erhöhte Festigkeit der Innenwand 13 und der Außenwand 14 bewirken, die ansonsten dazu tendieren würden, einen Bruchschaden (z.B. Rissbildung, Abspaltung und dergleichen) durch äußere Einwirkung, thermische Belastung durch Temperaturunterschied zwischen dem ersten und zweiten Fluid und dergleichen zu erleiden.
Zusätzlich sind die Dicken der Innenwand 13 und der Außenwand 14 nicht besonders eingeschränkt und können ja nach Notwendigkeit der Anwendung und dergleichen angepasst werden. Beispielsweise beträgt die Dicke der Innenwand 13 und der Außenwand 14 jeweils vorzugsweise mindestens 0,3 mm und maximal 10 mm, weiter vorzugsweise 0,5 bis 5 mm und besonders vorzugsweise 1 bis 3 mm, wenn der Wärmetauscher 100 für allgemeine Anwendungen eines Wärmetauschers verwendet wird. Außerdem beträgt die Dicke der Außenwand 14 vorzugsweise mindestens 10 mm, wenn der Wärmetauscher 100 für Anwendungen in Wärmespeichern verwendet wird, um eine Wärmekapazität der Außenwand 14 zu erhöhen.
Die Trennwände 12, die Innenwand 13 und die Außenwand 14 weisen vorzugsweise Keramiken als Hauptkomponente auf. Die Aussage „weisen Keramiken als Hauptkomponente auf“ bedeutet, dass ein Massenanteil von Keramik zu anderen Komponenten 50% oder mehr beträgt.
Jede der Trennwände 12, der Innenwand 13 und der Außenwand 14 haben vorzugsweise eine Porosität von 10% oder weniger, weiter vorzugsweise 5% oder weniger und besonders vorzugsweise 3% oder weniger, wobei diese Werte nicht besonders eingeschränkt sind. Die Porosität der Trennwände 12, der Innenwand 13 und der Außenwand 14 kann auch 0% betragen. Die Porosität der Trennwände 12, der Innenwand 13 und der Außenwand 14 von 10% oder weniger können zu einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit führen.
Die Trennwände 12, die Innenwand 13 und die Außenwand 14 weisen vorzugsweise SiC (Siliziumcarbid) mit hoher Wärmeleitfähigkeit als Hauptkomponente auf. Beispiele eines solchen Materials umfassen Si-imprägniertes SiC, (Si + AI) imprägniertes SiC, ein SiC-Metallverbundwerkstoff, rekristallisiertes SiC, Si₃N₄, SiC, und dergleichen. Unter diesen werden Si-imprägniertes SiC und (Si + AI) imprägniertes SiC bevorzugt verwendet, da diese eine kostengünstigere Produktion ermöglichen und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Eine Zellendichte (d.h. die Anzahl von Zellen 4 pro Einheitsfläche) im Querschnitt der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 senkrecht zur Fließrichtung des ersten Fluids liegt vorzugsweise in einem Bereich von 4 bis 320 320 Zellen/cm², wobei die Dichte nicht auf diesen Bereich festgelegt ist. Die Zellendichte von 4 Zellen/cm² oder mehr kann die Festigkeit der Trennwände 12 ausreichend sicherstellen, und somit die Festigkeit der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 selbst, sowie eine effektive spezifische geometrische Oberfläche („Geometrical Surface Area“, GSA). Die Zellendichte von 320 Zellen/cm² oder weniger kann zudem einen Anstieg von Druckverlust verhindern, wenn das erste Fluid fließt.
Die hohle säulenförmige Wabenstruktur 10 hat vorzugsweise eine isostatische Druckfestigkeit von mindestens 100 MPa, weiter vorzugsweise mindestens 150 MPa und besonders vorzugsweise mindestens 200 MPa, wobei diese Werte nicht einschränkend zu verstehen sind. Die isostatische Druckfestigkeit der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 von mindestens 100 MPa kann zu einer verbesserten Haltbarkeit der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 führen. Die isostatische Druckfestigkeit der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 kann gemäß einem Verfahren zum Messen isostatischer Bruchfestigkeit gemessen werden, das durch die JASO Norm M505-87 festgelegt ist, wobei es sich um eine Kraftfahrzeugnorm handelt, die von der Society of Automotive Engineers of Japan, Inc. herausgegeben wurde.
Ein Durchmesser (Außendurchmesser) der Außenwand 14 im Querschnitt senkrecht zur Fließrichtung des ersten Fluids kann vorzugsweise 20 bis 200 mm betragen, besonders vorzugsweise 30 bis 100 mm, wobei diese Werte nicht einschränkend zu verstehen sind. Solch ein Durchmesser kann eine Verbesserung des Wärmerückgewinnungswirkungsgrads bewirken. Wenn die Form der Außenwand 14 nicht kreisförmig ist, wird der Durchmesser des größten Kreises, der in die Querschnittsform der Außenwand 14 passt, als Durchmesser der Außenwand 14 definiert. Ein Durchmesser der Innenwand 13 im Querschnitt senkrecht zur Fließrichtung des ersten Fluids kann vorzugsweise 1 bis 50 mm betragen, besonders vorzugsweise 2 bis 30 mm, wobei diese Werte nicht einschränkend zu verstehen sind. Wenn die Querschnitts-Form der Innenwand 13 nicht kreisförmig ist, wird der Durchmesser des größten Kreises, der in die Querschnittsform der Innenwand 13 passt, als Durchmesser der Innenwand 13 definiert.
Die Wärmeleitfähigkeit der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 beträgt vorzugsweise mindestens 50 W/(m·K) bei 25 °C, weiter vorzugsweise 100 bis 300 W/(m·K), und besonders vorzugsweise 120 bis 300 W/(m K), wobei diese Werte nicht einschränkend zu verstehen sind. Eine Wärmeleitfähigkeit der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 in diesem Bereich kann zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit führen und ermöglichen, dass die Wärme in der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 effizient nach außen transportiert wird. Der Wert der Wärmeleitfähigkeit ist ein Wert, der gemäß der Laser Flash Methode (JIS R 1611-1997) gemessen wird.
Falls ein Abgas als erstes Fluid durch die Zellen 11 in der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 fließt, kann ein Katalysator an den Trennwänden 12 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 angeordnet sein. Das Anordnen des Katalysators an den Trennwänden 12 kann ermöglichen, dass CO, NOx, HC und dergleichen im Abgas durch katalytische Reaktion zu harmlosen Substanzen umgewandelt werden, und es kann erlauben, die bei der katalytischen Reaktion erzeugte Reaktionswärme für den Wärmeaustausch zu verwenden. Bevorzugte Katalysatoren umfassen solche, die wenigstens ein Element aus der folgenden Gruppe enthalten: Edelmetalle (Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium, Indium, Silber und Gold), Aluminium, Nickel, Zirkonium, Titan, Cerium, Kobalt, Mangan, Zink, Kupfer, Zinn, Eisen, Niob, Magnesium, Lanthan, Samarium, Wismut und Barium. Ein beliebiges der oben aufgelisteten Elemente kann als einfache Metallsubstanz, als Metalloxid oder als andere Metallverbindung enthalten sein.
Eine verwendete Menge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) kann vorzugsweise 10 bis 400 g/L betragen, wobei diese Werte nicht einschränkend zu verstehen sind. Wenn der Katalysator Edelmetall(e) enthält, beträgt die bereitgestellte Menge vorzugsweise 0.1 bis 5 g/L, wobei diese Werte nicht einschränkend zu verstehen sind. Die verwendete Menge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) von 10 g/L oder mehr kann mühelos eine Katalyse bewirken. Ferner kann die verwendete Menge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) von 400 g/L oder weniger ein Unterdrückn sowohl eines Anstiegs von Druckverlust als auch einen Anstieg in Herstellungskosten verhindern. Der Träger bezieht sich auf einen Träger, auf dem ein Katalysatormetall angeordnet ist. Beispiel des Trägers umfassen solche, die wenigstens eins der folgenden Gruppe enthalten: Aluminium, Cerium und Zirkonium.
Der erste Außenzylinder 20 ist ein zylindrisches Bauteil, das in Berührung mit der Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass eine axiale Richtung des ersten Außenzylinders 20 mit jener der säulenförmigen Wabenstruktur 10 übereinstimmt, und dass eine zentrale Achse des ersten Außenzylinders 20 mit jener der säulenförmigen Wabenstruktur 10 übereinstimmt. Durchmesser (ein Außendurchmesser und ein Innendurchmesser) des ersten Außenzylinders 20 können in axialer Richtung einheitlich sein, aber der Durchmesser von wenigstens einem Teil (zum Beispiel beide Enden in axialer Richtung, etc.) des ersten Außenzylinders kann kleiner oder größer sein.
Der erste Außenzylinder 20 ist nicht besonders beschränkt, solange er in Berührung mit der Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 angeordnet ist. Beispielsweise ist es möglich als ersten Außenzylinder 20 ein zylindrisches Bauteil zu verwenden, das in die Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 eingepasst ist, um die Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 umfänglich zu bedecken.
Der hier verwendete Begriff „eingepasst“ bedeutet, dass die hohle säulenförmige Wabenstruktur 10 und der erste Außenzylinder 20 in einem zueinander geeigneten Zustand befestigt sind. Somit umfasst das Anpassen der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 und des ersten Außenzylinders 20 Fälle, in denen die hohle säulenförmige Wabenstruktur 10 und der erste Außenzylinder 20 durch ein Befestigungsverfahren auf Grundlage einer Passung wie etwa Spielpassung, Presspassung und Schrumpfpassung sowie Hartlöten, Schweißen, Diffusionsverbinden oder dergleichen aneinander befestigt sind.
Der erste Außenzylinder 20 kann vorzugsweise eine innere Oberflächenform haben, die jener der Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 entspricht. Da die Innenoberfläche des ersten Außenzylinders 20 in direktem Kontakt mit der Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 steht, wird die Wärmeleitfähigkeit verbessert und die Wärme in der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 kann effizient zum ersten Außenzylinder 20 geleitet werden.
Hinsichtlich der Verbesserung des Wärmerückgewinnungswirkungsgrads ist es bevorzugt, dass ein größerer Anteil einer Fläche eines Abschnitts der Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 umfänglich durch den ersten Außenzylinder 20 überdeckt ist im Vergleich zur Gesamtfläche der Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10. Insbesondere beträgt der Anteil der Fläche vorzugsweise mindestens 80%, weiter vorzugsweise mindestens 90% und besonders vorzugsweise 100% (also die gesamte Außenwand 14 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 ist umfänglich durch den ersten Außenzylinder 20 überdeckt).
Es sei angemerkt, dass sich der verwendete Begriff „Außenwand 14“ auf eine Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 10 bezieht, die parallel zur Fließrichtung des ersten Fluids verläuft, und keine Oberflächen (die zuflussseitige Endfläche 10a und die abflussseitige Endfläche 10b) der säulenförmigen Wabenstruktur 10 umfasst, die senkrecht zur Fließrichtung des ersten Fluids verlaufen.
Der erste Außenzylinder 20 ist vorzugsweise zur besseren Fertigbarkeit aus Metall gefertigt aber nicht darauf beschränkt. Ferner wird ein metallischer erster Außenzylinder 20 bevorzugt, da er leicht an einen zweiten Außenzylinder 60 geschweißt werden kann, der weiter unten beschrieben wird. Beispiele des Materials, das für den ersten Außenzylinder 20 verwendet werden kann, umfassen rostfreien Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Unter diesen wird rostfreier Stahl bevorzugt, da er eine hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit hat und zudem kostengünstig ist.
Der erste Außenzylinder 20 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm oder mehr, weiter vorzugsweise 0,3 mm oder mehr und besonderes vorzugsweise 0,5 mm oder mehr, wobei die Dicke nicht auf diese Werte beschränkt ist. Die Dicke des ersten Außenzylinders 20 von 0,1 mm oder mehr kann Haltbarkeit und Zuverlässigkeit sicherstellen. Die Dicke des ersten Außenzylinders 20 beträgt vorzugsweise 10 mm oder weniger, weiter vorzugsweise 5 mm oder weniger, besonderes vorzugsweise 3 mm oder weniger. Die Dicke des ersten Außenzylinders 20 von 10 mm oder weniger kann den Wärmewiderstand reduzieren und die Wärmeleitfähigkeit verbessern.
Der erste Innenzylinder 30 ist ein zylindrisches Bauteil mit einem Zufluss 31a und einem Abfluss 31b für das erste Fluid.
Es ist bevorzugt, dass eine axiale Richtung des ersten Innenzylinders 30 mit jener der säulenförmigen Wabenstruktur 10 übereinstimmt, und dass eine zentrale Achse des ersten Innenzylinders 30 mit jener der säulenförmigen Wabenstruktur 10 übereinstimmt. Ferner können die Durchmesser (ein Außendurchmesser und ein Innendurchmesser) des ersten Innenzylinders 30 in axialer Richtung einheitlich sein, aber der Durchmesser von wenigstens einem Teil (zum Beispiel um den Abfluss 31b herum) des ersten Innenzylinders kann kleiner oder größer sein.
Der erste Innenzylinder 30 ist nicht besonders beschränkt, solange er in der Außenwand 13 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 untergebracht werden kann. Beispielsweise ist es möglich als ersten Innenzylinder 30 ein zylindrisches Bauteil zu verwenden, bei dem ein Teil der Außenoberfläche des ersten Innenzylinders 30 in Berührung mit der Innenwand 13 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 ist.
Ein Teil der der Außenoberfläche des Innenzylinders 30 und die Innenwand 13 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 können in direktem Kontakt zueinander stehen oder in indirektem Kontakt über ein anderes Bauteil.
Der Teil des ersten Innenzylinders 30 und die Innenwand 13 der säulenförmigen Wabenstruktur sind in einem Zustand aneinander befestigt, in dem sie aneinander angepasst sind. Ein mögliches Befestigungsverfahren umfasst beispielsweise Befestigen auf Grundlage einer Passung wie etwa Spielpassung, Presspassung und Schrumpfpassung sowie Hartlöten, Schweißen, Diffusionsverbinden oder dergleichen.
Der Zufluss 31a des ersten Innenzylinders 30 ist in axialer Richtung der säulenförmingen Wabenstruktur 10 näher an der zuflussseitigen Endfläche 10a als an der abflussseitigen Endfläche 10b angeordnet. Durch Vorsehen des Zuflusses 31a des ersten Innenzylinders 30 an dieser Position, kann der Innenzylinder 30 an der Innenwand 13 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 befestigt werden, und der Fließweg für das erste Fluid kann während dem Unterdrücken der Wärmerückgewinnung sichergestellt werden. Ferner ist es bevorzugt, dass der Abfluss 41b des zweiten Innenzylinders 30 in axialer Richtung der säulenförmingen Wabenstruktur 10 näher an der abflussseitigen Endfläche 10b als an der zuflussseitigen Endfläche 10a angeordnet ist. Das heißt es ist bevorzugt, dass der Zufluss 31a des ersten Innenzylinders 30 in axialer Richtung der säulenförmingen Wabenstruktur 10 näher an der zuflussseitigen Endfläche 10a als an der abflussseitigen Endfläche 10b angeordnet ist. Durch Vorsehen des Zuflusses 31a des ersten Innenzylinders 30 an dieser Position, kann das Verengen des Fließwegs für das erste Fluid während dem Fördern der Wärmerückgewinnung unterdrückt werden, so dass sich der Druckverlust nicht ohne weiteres erhöht.
Der erste Innenzylinder 30 ist vorzugsweise zur besseren Fertigbarkeit aus Metall gefertigt aber nicht darauf beschränkt. Beispiele des Materials, das für den ersten Innenzylinders 30 verwendet werden kann, umfassen rostfreien Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Unter diesen wird rostfreier Stahl bevorzugt, da er eine hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit hat und zudem kostengünstig ist.
Der erste Innenzylinder 30 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm oder mehr, weiter vorzugsweise 0,3 mm oder mehr und besonderes vorzugsweise 0,5 mm oder mehr, wobei die Dicke nicht auf diese Werte beschränkt ist. Die Dicke des ersten Innenzylinders 30 von 0,1 mm oder mehr kann Haltbarkeit und Zuverlässigkeit sicherstellen. Die Dicke des ersten Innenzylinders 30 beträgt vorzugsweise 10 mm oder weniger, weiter vorzugsweise 5 mm oder weniger, besonderes vorzugsweise 3 mm oder weniger. Die Dicke des zweiten Innenzylinders 30 von 10 mm oder weniger kann das Gewicht des Wärmetauschers 100 verringern.
Der zweite Innenzylinder 40 ist ein zylindrisches Bauteil mit einem Zufluss 41a und einem Abfluss 41b für das erste Fluid. Es ist bevorzugt, dass eine axiale Richtung des zweiten Innenzylinders 40 mit jener der säulenförmigen Wabenstruktur 10 übereinstimmt, und dass eine zentrale Achse des zweiten Innenzylinders 40 mit jener der säulenförmigen Wabenstruktur 10 übereinstimmt.
Der zweite Innenzylinder 40 ist nicht besonders beschränkt solange der Zufluss 41a radial beabstandet von einer Innenseite der Innenwand 13 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 untergebracht werden kann. Beispielsweise ist es möglich als zweiten Innenzylinder 40 ein zylindrisches Bauteil zu verwenden, bei dem ein Außendurchmesser des Zuflusses 41b kleiner als ein Innendurchmesser der Innenwand 13 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 ist.
Der Durchmesser des Abflusses 41b des zweiten Innenzylinders 40 ist kleiner als der Durchmesser des Zuflusses 31a des ersten Innenzylinders 30. Solch ein Aufbau kann verhindern, dass der erste Innenzylinder 30 und der zweite Innenzylinder40 einander berühren, so dass der Fließweg des ersten Fluids zwischen dem zweiten Innenzylinder 40 und dem ersten Innenzylinder 30 sichergestellt werden kann.
Ein Unterschied zwischen dem Durchmesser (Außendurchmesser) des Abflusses 41b des zweiten Innenzylinders 40 und dem Durchmesser (Innendurchmesser) des Zuflusses 31a des ersten Innenzylinders 30 beträgt vorzugsweise 1 bis 20 mm, besonders vorzugsweise 8 bis 10 mm, ist aber nicht darauf beschränkt. Indem der Unterschied der Durchmesser in diesem Bereich gehalten wird, kann ein Anstieg im Druckabfall während dem Fördern der Wärmerückgewinnung unterdrückt werden.
Durchmesser (ein Außendurchmesser und ein Innendurchmesser) des zweiten Innenzylinders 40 können in axialer Richtung einheitlich sein, aber der Durchmesser von wenigstens einem Teil (zum Beispiel um den Zufluss 41a herum) des zweiten Innenzylinders kann kleiner oder größer sein. Zum Beispiel hat der zweite Innenzylinder 40 wie in 3 gezeigt vorzugsweise einen größeren Durchmesser am Zufluss 41a als am Abfluss 41b. Solch ein Aufbau kann ein Anwachsen des Druckabfalls unterdrücken.
Der Abfluss 41b des zweiten Innenzylinders 40 ist in axialer Richtung der säulenförmingen Wabenstruktur 10 näher an der abflussseitigen Endfläche 10b als an der zuflussseitigen Endfläche 10a angeordnet. Indem der Abfluss 41b des zweiten Innenzylinders 40 an dieser Position angeordnet ist, wird der Fließweg des ersten Fluids zur säulenförmigen Wabenstruktur 10 gegensätzlich zur Fließrichtung des ersten Fluids im zweiten Innenzylinder 40 verlaufen. Somit fließt während dem Unterdrücken der Wärmerückgewinnung das erste Fluid, das aus dem Abfluss 41b des zweiten Innenzylinders 40 geflossen ist, ungehindert in den Zufluss 31a des ersten Innenzylinders 30 und kaum durch die säulenförmige Wabenstruktur 10. Im Ergebnis kann die Wärmedämmungsleistung verbessert werden.
Wie in 4 gezeigt kann der Abfluss 41b des zweiten Innenzylinders 40 in axialer Richtung des ersten Innenzylinders 30 näher an der Abflussseite 31b als der Zufluss 31a des ersten Innenzylinders 30 angeordnet sein. Das Vorsehen des Abflusses 41b des zweiten Innenzylinders 40 an dieser Position bewirkt einen längeren Fließweg des ersten Fluids, der gegensätzlich zur Fließrichtung des ersten Fluids im zweiten Innenzylinder 40 verläuft. Daher kann die Wärmedämmungsleistung weiter verbessert werden.
Wie in 4 gezeigt kann sich der Abfluss 41b des zweiten Innenzylinders 40 in axialer Richtung der säulenförmingen Wabenstruktur 10 über die abflussseitige Endfläche 10b der säulenförmingen Wabenstruktur 10 hinaus erstrecken. Das Vorsehen des Abflusses 41b des zweiten Innenzylinders 40 an dieser Position bewirkt einen längeren Fließweg des ersten Fluids, der gegensätzlich zur Fließrichtung des ersten Fluids im zweiten Innenzylinder 40 verläuft. Daher kann die Wärmedämmungsleistung weiter verbessert werden.
Wie in 5 dargestellt kann der zweite Innenzylinder 40 Nuten 42 aufweisen, die sich jeweils in axialer Richtung des zweiten Innenzylinders 40 auf der Außenoberfläche seitens des Abflusses 41b erstrecken. Die Nuten 42 sind vorzugsweise in der gesamten umfänglichen Richtung des zweiten Innenzylinders 40 vorgesehen. Durch Vorsehen dieser Nuten 42 kann die Wärmedämmungsleistung weiter verbessert werden.
Wie in 6 gezeigt kann der zweite Innenzylinder 40 Durchgangslöcher 43 auf der Abflussseite 41b haben, die den zweiten Innenzylinder 40 in radialer Richtung durchstechen. Die Durchgangslöcher 43 sind vorzugsweise in der gesamten umfänglichen Richtung des zweiten Innenzylinders 40 vorgesehen. Durch Vorsehen dieser Durchgangslöcher 43 kann die Wärmedämmungsleistung weiter verbessert werden.
Ein Verfahren zum Befestigen des zweiten Innenzylinders 40 ist nicht besonders eingeschränkt. Beispielsweise kann der zweite Innenzylinder 40 an einer vorderen Abdeckung 70 oder dergleichen befestigt sein. Die vordere Abdeckung 70 kann eine zylindrische Form haben, wobei ein erstes Ende in axialer Richtung an einer Außenoberfläche eines zweiten, später beschriebenen Außenzylinders 60 befestigt ist, und ein anderes Ende in axialer Richtung an der Außenoberfläche des zweiten Innenzylinders 40 befestigt ist. Ein mögliches Befestigungsverfahren umfasst beispielsweise Befestigen auf Grundlage einer Passung wie etwa Spielpassung, Presspassung und Schrumpfpassung sowie Hartlöten, Schweißen, Diffusionsverbinden oder dergleichen.
Der zweite Innenzylinder 40 ist vorzugsweise zur besseren Fertigbarkeit aus Metall gefertigt aber nicht darauf beschränkt. Beispiele des Materials, das für den zweiten Innenzylinders 40 verwendet werden kann, umfassen rostfreien Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Unter diesen wird rostfreier Stahl bevorzugt, da er eine hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit hat und zudem kostengünstig ist.
Der zweite Innenzylinder 40 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm oder mehr, weiter vorzugsweise 0,3 mm oder mehr und besonderes vorzugsweise 0,5 mm oder mehr, wobei die Dicke nicht auf diese Werte beschränkt ist. Die Dicke des zweiten Innenzylinders 40 von 0,1 mm oder mehr kann Haltbarkeit und Zuverlässigkeit sicherstellen. Die Dicke des zweiten Innenzylinders 40 beträgt vorzugsweise 10 mm oder weniger, weiter vorzugsweise 5 mm oder weniger, besonderes vorzugsweise 3 mm oder weniger. Die Dicke des zweiten Innenzylinders 40 von 10 mm oder weniger kann das Gewicht des Wärmetauschers 100 verringern.
Ein Ein-/Ausventil 50 ist auf der Seite des Abflusses 31b des ersten Innenzylinders 30 angeordnet. Das Ein-/Ausventil 50 ist konfiguriert, während einem Wärmeaustausch (während dem Fördern von Wärmerückgewinnung) den Fluss des ersten Fluids im ersten Innenzylinder 30 abzusperren. Ferner ist das Ein-/Ausventil 50 konfiguriert, den Fluss des ersten Fluids im ersten Innenzylinder 30 freizugeben, wenn kein Wärmeaustausch stattfindet (während dem Unterdrücken von Wärmerückgewinnung). Das heißt, dass das Ein-/Ausventil 50 dem ersten Fluid erlauben kann, durch die säulenförmige Wabenstruktur 10 zu fließen, indem das Ein-/Ausventil 50 während dem Fördern von Wärmerückgewinnung geschlossen wird, und dem ersten Fluid erlauben kann durch den ersten Innenzylinder 30 zu fließen, indem das Ein-/Ausventil 50 geöffnet wird.
Die Form und Struktur des Ein-/Ausventils 50 sind nicht besonders limitiert und können in Abhängigkeit der Form des ersten Innenzylinders 30 gewählt werden, in dem das Ein-/Ausventil 50 angeordnet ist.
Der Wärmetauscher 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ferner einen zweiten Außenzylinder 60 aufweisen, der radial beabstandet auf einer äußeren Seite des ersten Außenzylinders 20 angeordnet ist, und kann einem zweiten Fluid erlauben, zwischen dem zweiten Außenzylinder 60 und dem ersten Außenzylinder 20 zu fließen.
Der zweite Außenzylinder 60 ist ein zylindrisches Bauteil. Es ist bevorzugt, dass eine axiale Richtung des zweiten Außenzylinders 60 mit jener der säulenförmigen Wabenstruktur 10 übereinstimmt, und dass eine zentrale Achse des zweiten Außenzylinders 60 mit jener der säulenförmigen Wabenstruktur 10 übereinstimmt.
Der zweite Außenzylinder 60 ist vorzugsweise sowohl mit einer Zuleitung 61 zum Zuleiten des zweiten Fluids in einen Bereich zwischen dem zweiten Außenzylinder 60 und dem ersten Außenzylinder 20 als auch eine Ablaufleitung 62 zum Ableiten des zweiten Fluids in einen Bereich zwischen dem zweiten Außenzylinder 60 und dem ersten Außenzylinder 20. Die Zuleitung 61 und die Ablaufleitung 62 sind vorzugsweise an Positionen angeordnet, die jeweils den beiden axialen Enden der säulenförmigen Wabenstruktur 10 entsprechen.
Die Zuleitung 61 und die Ablaufleitung 62 können sich in derselben Richtung oder in verschiedenen Richtungen erstrecken.
Der zweite Außenzylinder 60 ist vorzugsweise so angeordnet, dass Innenoberflächen an beiden Enden in axialer Richtung in direktem oder indirektem Kontakt mit der Außenoberfläche des ersten Außenzylinders 20 stehen.
Ein mögliches Verfahren zum Befestigen der Innenwände an beiden Enden in axialer Richtung mit der Außenwand des ersten Außenzylinders 20 umfasst beispielsweise Befestigen auf Grundlage einer Passung wie etwa Spielpassung, Presspassung und Schrumpfpassung sowie Hartlöten, Schweißen, Diffusionsverbinden oder dergleichen.
Durchmesser (ein Außendurchmesser und ein Innendurchmesser) des zweiten Außenzylinders 60 können in axialer Richtung einheitlich sein, aber der Durchmesser von wenigstens einem Teil (zum Beispiel ein zentraler Abschnitt in axialer Richtung, beide Enden in axialer Richtung, etc.) des zweiten Außenzylinders kann kleiner oder größer sein. Beispielsweise kann sich das zweite Fluid durch Reduzierung des Durchmessers des in axialer Richtung zentralen Abschnitts des zweiten Außenzylinders 60 über die ganze äußere Richtung des ersten Außenzylinders 20 im zweiten Außenzylinder 60 seitens der Zuleitung 61 und der Ablaufleitung 62 ausbreiten. Daher wird eine Menge des zweiten Fluids, die im zentralen Abschnitt in axialer Richtung nicht zum Wärmeübertrag beiträgt, reduziert, so dass die Wärmeübertragungseffizienz verbessert werden kann.
Der zweite Außenzylinder 60 ist vorzugsweise zur besseren Fertigbarkeit aus Metall gefertigt aber nicht darauf beschränkt. Beispiele des Materials, das für den zweiten Außenzylinder 60 verwendet werden kann, umfassen rostfreien Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Unter diesen wird rostfreier Stahl bevorzugt, da er eine hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit hat und zudem kostengünstig ist.
Der zweite Außenzylinder 60 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm oder mehr, weiter vorzugsweise 0,3 mm oder mehr und besonderes vorzugsweise 0,5 mm oder mehr, wobei die Dicke nicht auf diese Werte beschränkt ist. Die Dicke des zweiten Außenzylinders 60 von 0,1 mm oder mehr kann Haltbarkeit und Zuverlässigkeit sicherstellen. Die Dicke des zweiten Außenzylinders 60 beträgt vorzugsweise 10 mm oder weniger, weiter vorzugsweise 5 mm oder weniger, besonderes vorzugsweise 3 mm oder weniger. Die Dicke des zweiten Außenzylinders 60 von 10 mm oder weniger kann das Gewicht des Wärmetauschers 100 verringern.
Es wird bevorzugt, dass beim zweiten Außenzylinder 60 eine Außenoberfläche an einem axialen Ende an der Innenoberfläche der oben benannten vorderen Abdeckung 70 befestigt ist, und eine Außenoberfläche am anderen axialen Ende an einer Innenoberfläche einer hinteren Abdeckung 80 befestigt ist. Solch ein Aufbau kann das Zufließen und Abfließen des ersten Fluids zum und vom Wärmetauscher 100 sicherstellen. Ein mögliches Befestigungsverfahren umfasst beispielsweise Befestigen auf Grundlage einer Passung wie etwa Spielpassung, Presspassung und Schrumpfpassung sowie Hartlöten, Schweißen, Diffusionsverbinden oder dergleichen.
Das im Wärmetauscher verwendete erste und zweite Fluid sind nicht besonders festgelegt und verschiedene Flüssigkeiten und Gase können verwendet werden. Beispielsweise können ein Abgas als erstes Fluid und Wasser oder Frostschutzmittel (LLC definiert durch JIS K2234:2006) als zweites Fluid verwendet werden, wenn der Wärmetauscher 100 in einem Kraftfahrzeug montiert ist. Ferner kann das erste Fluid eine höhere Temperatur haben als das zweite Fluid.
Der Wärmetauscher 100 mit dem oben beschriebenen Aufbau kann gemäß einem bekannten Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann der Wärmetauscher 100 gemäß einem im Folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Zuerst wird ein Keramikpulver aufweisender Grünkörper in einer gewünschten Form extrudiert, um einen wabenförmigen Körper vorzubereiten. Dann können die Form und Dichte der Zellen 11 und Längen und Dicken der Trennwände 12, der Innenwand 13 und der Außenwand 14 und dergleichen gesteuert eingestellt werden, indem Formwerkzeuge und Schablonen geeigneter Formen ausgewählt werden. Das verwendbare Material des wabenförmigen Körpers umfasst die oben beschriebenen Keramiken. Zum Beispiel, wenn ein wabenförmiger Körper hergestellt wird, der den Si-imprägnierten Verbundwerkstoff als Hauptbestandteil enthält, werden ein Bindemittel und Wasser oder ein organisches Lösungsmittel zu einer vorgegebenen Menge SiC-Pulver hinzugefügt, und die resultierende Mischung wird geknetet, um einen Grünkörper zu bilden, der dann in einen wabenförmigen Körper mit einer gewünschten Gestalt geformt werden kann. Der resultierende wabenförmige Körper kann dann getrocknet werden und der wabenförmige Körper kann mit metallischem Si imprägniert und bei reduziertem Druck in einem Schutzgas oder Vakuum gebrannt werden, um die hohle säulenförmige Wabenstruktur 10 mit Zellen 11, die durch Trennwände 12 definiert werden, zu erhalten.
Die hohle säulenförmige Wabenstruktur 10 wird dann in den Außenzylinder 20 eingefügt und an der vorgegebenen Position fixiert. Der zweite Außenzylinder 60 wird dann an der vorgegebenen Position angeordnet und die Innenoberflächen an beiden axialen Enden des Außenzylinders 60 werden an den Außenoberflächen an beiden axialen Enden des ersten Außenzylinders 20 befestigt. Der erste Innenzylinder 30 wird dann an der vorgegebenen Position angeordnet und die zuflussseitige 31a Außenoberfläche des ersten Innenzylinders 30 an der Innenwand 13 der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur 10 befestigt. Die vordere Abdeckung 70 und die hintere Abdeckung 80 werden dann an den vorgegebenen Positionen angeordnet und die Innenoberflächen der vorderen Abdeckung 70 und der hinteren Abdeckung 80 an der Außenoberfläche des zweiten Außenzylinders 60 befestigt. Der zweite Innenzylinder 40 wird dann an der vorgegebenen Position angeordnet und die Außenoberfläche des zweiten Innenzylinders 40 an der Innenoberfläche der vorderen Abdeckung 70 befestigt. Das Ein-/Ausventil 50 wird dann am ersten Innenzylinder 30 seitens des Abflusses 31b befestigt.
Zusätzlich können die Zuleitung 61 und die Ablaufleitung 62 zuvor am zweiten Außenzylinder 60 angebracht werden. Sie können jedoch auch in einem geeigneten Stadium am zweiten Außenzylinder 60 angebracht werden. Die Reihenfolge des Anordnens und Befestigens der jeweiligen Bauteile ist nicht auf die obige Reihenfolge festgelegt und Änderungen können entsprechend eines Bereichs der Herstellung der Bauteile nach Bedarf vorgenommen werden. Als Befestigungsverfahren kann das oben beschriebene Verfahren verwendet werden.
Der Wärmetauscher 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist derart gestaltet, dass während dem Unterdrücken der Wärmerückgewinnung die Fließrichtung des ersten Fluids zur säulenförmigen Wabenstruktur 10 entgegen der Fließrichtung des ersten Fluids im zweiten Innenzylinder 40 verläuft. Daher ist es für das erste Fluid schwierig in der säulenförmigen Wabenstruktur 10 zu fließen, so dass die Wärmedämmungsleistung verbessert werden kann. Andererseits wird während dem Fördern der Wärmerückgewinnung der Fließweg des ersten Fluids nicht verengt, so dass das erste Fluid ungehindert in der säulenförmigen Wabenstruktur 10 fließen kann und die Wärmerückgewinnungsleistung ohne Einfluss auf den Druckverlust verbessert werden kann.
BEISPIELE
Im Folgenden wir die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele näher beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
<Produktion der Hohlen Säulenförmigen Wabenstruktur>
Ein SiC-Pulver aufweisender Grünkörper wurde im Strangpressverfahren in eine gewünschte Form gebracht und dann getrocknet, zu vorgegebenen Außenabmessungen verarbeitet und mit Si imprägniert und gebrannt, um eine hohle säulenförmige Wabenstruktur herzustellen. Die hohle säulenförmige Wabenstruktur hatte vorgegebene Abmessungen: ein Außendurchmesser von 75 mm, einen Durchmesser des hohlen Bereichs von 57 mm, eine Länge in Fließrichtung des ersten Fluids von 33 mm, eine Dicke jeder Trennwand von 0,3 mm, eine Dicke der Innenwand von 1,5 mm und eine Dicke der Außenwand von 1,5 mm. Die hohle säulenförmige Wabenstruktur hatte folgende Werte: eine Porosität von 1% für die Trennwände, die Innenwand und die Außenwand, eine Zellendichte von 300 Zellen/cm², eine isostatische Festigkeit von 150 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C von 150 W/(m·K).
<Fertigung des Wärmetauschers>
(Beispiel 1)
Unter Verwendung der wie oben beschrieben hergestellten hohlen säulenförmigen Wabenstruktur wurde ein Wärmetauscher mit dem in 1 und 2 gezeigten Aufbau durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt. Die jeweiligen Bauteile des Wärmetauschers wurden aus rostfreiem Stahl gefertigt und deren Dicken betrugen 1 bis 1,5 mm. Der Unterschied zwischen dem Durchmesser (Außendurchmesser) des Abflusses der zweiten Innenzylinders und dem Durchmesser (Innendurchmesser) des Zuflusses des ersten Innenzylinders betrug 10 mm.
(Vergleichsbeispiel 1)
Unter Verwendung der wie oben beschrieben produzierten hohlen säulenförmigen Wabenstruktur wurde ein Wärmetauscher mit dem in WO 2017/069265 beschriebenen Aufbau hergestellt.
Die oben beschriebenen Wärmetauscher gemäß dem Beispiel und gemäß dem Vergleichsbeispiel wurden auf Wärmerückgewinnungswirkungsgrad und Druckverlust während Förderung der Wärmerückgewinnung und während dem Unterdrücken der Wärmerückgewinnung untersucht. Der Druckverlust und der Wärmerückgewinnungswirkungsgrad werden im Folgenden ausgewertet.
(Wärmerückgewinnungswirkungsgrad)
Luft wurde als erstes Fluid verwendet und Wasser wurde als zweites Fluid verwendet. Luft bei 400 °C (Tg1) wurde mit einer Flussrate von 20 g/sec (Mg) in den zweiten Innenzylinder geleitet und Wasser wurde durch die Zuleitung mit einer Flussrate von 166 g/sec (Mw) zwischen den ersten Außenzylinder und den zweiten Außenzylinder geleitet und Wasser wurde nach der Wärmeaustausch aus der Ablaufleitung zurückgewonnen. Sofort nachdem Luft und Wasser für fünf Minuten ab dem Starten des Zulaufs unter den obigen Bedingungen durch den Wärmetauscher geleitet wurden, wurde eine Temperatur (Tw1) des Wassers in der Zuleitung und eine Temperatur (Tw2) des Wassers in der Ablaufleitung gemessen, um den Wärmerückgewinnungswirkungsgrad zu bestimmen. Eine Wärmemenge Q, die durch das Wasser aufgenommen wurde, wird durch die folgende Gleichung beschrieben: $Q (kW) = Δ Tw \times Cpw \times Mw,$
mit: $Δ Tw = Tw 2 - Tw 1, und Cpw (spezifische W \ddot{a} rme von Wasser) = 4182 J / (kg \cdot K) .$
Der Wärmerückgewinnungswirkungsgrad η des Wärmetauschers wird durch folgende Gleichung dargestellt: $η (%) = Q / {(Tg 1 - Tw 1) \times Cpg \times Mg} \times 100,$
mit: $Cpg (spezifische W \ddot{a} rme von Luft) = 1050 J / (kg \cdot K) .$
< Druckverlust>

Im oben beschriebenen Wärmeaustausch-Experiment für den Wärmerückgewinnungswirkungsgrad wurden jeweils Manometer im Fließweg für Luft oberhalb und unterhalb des Wärmetauschers angeordnet, um Drücke zu messen. Eine Differenz zwischen diesen gemessenen Drücken wurde als der Druckverlust der durch den Wärmetauscher fließenden Luft definiert. Man beachte, dass die Drücke Messwerte sind, die sofort nach dem Durchleiten von Luft und Wasser für fünf Minuten ab dem Starten des Zulaufs von Luft und Wasser durch den Wärmetauscher gemessen wurden. Die Auswertungsergebnisse werden in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1

	Beispiel 1	Vergleichsbeispiel 1
Wärmerückgewinnungswirkungsgrad während dem Fördern der Wärmerückgewinnung (%)	54	52
Druckverlust während dem Fördern der Wärmerückgewinnung (kPa)	3	5
Wärmerückgewinnungswirkungsgrad während dem Unterdrücken der Wärmerückgewinnung (%)	5	8
Druckverlust während dem Unterdrücken der Wärmerückgewinnung (kPa)	0,11	0,08

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht hat der Wärmetauscher aus Beispiel 1 einen niedrigeren Druckverlust und einen höheren Wärmerückgewinnungswirkungsgrad während dem Fördern der Wärmerückgewinnung sowie einen niedrigeren Wärmerückgewinnungswirkungsgrad während dem Unterdrücken der Wärmerückgewinnung als der Wärmetauscher aus dem Vergleichsbeispiel 1.
Wie aus den oben beschriebenen Ergebnissen hervorgeht, ist es erfindungsgemäß möglich, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der eine Wärmerückgewinnungsleistung verbessern kann, ohne den Druckverlust während dem Fördern der Wärmerückgewinnung zu beeinflussen, und der eine Wärmedämmungsleistung während dem Unterdrücken der Wärmerückgewinnung verbessern kann.
Bezugszeichenliste

10: säulenförmige Wabenstruktur
10a: zuflussseitige Endfläche
10b: abflussseitige Endfläche
11: Zelle
12: Trennwand
13: Innenwand
14: Außenwand
20: erster Außenzylinder
30: erster Innenzylinder
31a: Zufluss
31b: Abfluss
40: zweiter Innenzylinder
41a: Zufluss
41b: Abfluss
50: Ein-/Ausventil
60: zweiter Außenzylinder
61: Zuleitung
62: Ablaufleitung
70: vordere Abdeckung
80: hintere Abdeckung
100: Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012037165 A [0005]
JP 2018119418 A [0005]
WO 2017/069265 [0069]

Claims

Wärmetauscher, umfassend: eine hohle säulenförmige Wabenstruktur mit Trennwänden, einer Innenwand und einer Außenwand, wobei die Trennwände eine Vielzahl von Zellen festlegen, um Fließwege für ein erstes Fluid zu bilden, wobei sich jede der Zellen von einer zuflussseitigen Endfläche zu einer abflussseitigen Endfläche erstreckt; einen ersten Außenzylinder, der in Berührung mit der Außenwand der hohlen säulenförmigen Wabenstruktur angeordnet ist; einen ersten Innenzylinder mit einem Zufluss und einem Abfluss für das erste Fluid, wobei der erste Innenzylinder derart angeordnet ist, dass ein Teil einer Außenoberfläche des ersten Innenzylinders die Innenwand berührt; einen zweiten Innenzylinder mit einem Zufluss und einem Abfluss für das erste Fluid, wobei der Abfluss radial beabstandet von einer Innenseite der Innenwand angeordnet ist; und ein Ein-/Ausventil, das seitens des Abflusses des ersten Innenzylinders angeordnet ist, wobei der Zufluss des ersten Innenzylinders in axialer Richtung der säulenförmingen Wabenstruktur näher an der zuflussseitigen Endfläche als an der abflussseitigen Endfläche angeordnet ist; wobei der Abfluss des zweiten Innenzylinders in axialer Richtung der säulenförmingen Wabenstruktur näher an der abflussseitigen Endfläche als an der zuflussseitigen Endfläche angeordnet ist; und wobei der Abfluss des zweiten Innenzylinders einen kleineren Durchmesser als der Zufluss des ersten Innenzylinders aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher ferner einen zweiten Außenzylinder aufweist, der radial beabstandet auf einer äußeren Seite des ersten Außenzylinders angeordnet ist, wobei der zweite Außenzylinder einem zweiten Fluid erlaubt, zwischen dem zweiten Außenzylinder und dem ersten Außenzylinder zu fließen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ein-/Ausventil konfiguriert ist, während einem Wärmeaustausch einen Fluss des ersten Fluids im ersten Innenzylinder abzusperren.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Nuten, die sich jeweils in axialer Richtung des zweiten Innenzylinders erstrecken, auf einer Außenoberfläche des zweiten Innenzylinders auf der Abflussseite ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Durchgangslöcher, die jeweils in radialer Richtung den zweiten Innenzylinder durchdringen, auf der Abflussseite des zweiten Innenzylinders ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Zufluss des zweiten Innenzylinders einen größeren Durchmesser aufweist als der Abfluss.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Abfluss des zweiten Innenzylinders in axialer Richtung des ersten Innenzylinders näher an der Abflussseite als der Zufluss des ersten Innenzylinders angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich der Abfluss des zweiten Innenzylinders in axialer Richtung der säulenförmingen Wabenstruktur über die abflussseitige Endfläche der säulenförmingen Wabenstruktur hinaus erstreckt.