DE102020208062A1

DE102020208062A1 - Wärmetauscher und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE102020208062A1
Application number: DE102020208062.3A
Authority: DE
Inventors: Yutaro Fumoto; Tatsuo Kawaguchi; Takeshi Sakuma
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-03-18
Also published as: US20210080185A1; JP2021042922A; CN112484550A; JP7014759B2; US11243031B2

Abstract

Ein Wärmetauscher 100 enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur 10, die enthält: Trennwände 13, die mehrere Zellen 12 definieren, wobei sich jede der Zellen 12 von einer ersten Stirnfläche 11a zu einer zweiten Stirnfläche 11b erstreckt, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden; und eine äußere Umfangswand 14; ein inneres zylindrisches Element 20, das an der äußeren Umfangswand 14 der Wabenstruktur 10 angebracht ist; ein äußeres zylindrisches Element 30, das auf einer radial äußeren Seite des inneren zylindrischen Elements 20 so angeordnet ist, dass ein Teil des äußeren zylindrischen Elements 30 einen Strömungsweg 60 für ein zweites Fluid bildet; ein stromaufwärts gelegenes zylindrisches Element 40 mit einem zylindrischen Abschnitt 41 und einem Flanschabschnitt 42, wobei sich das stromaufwärts gelegene zylindrische Element 40 auf einer Seite der ersten Stirnfläche 11a der Wabenstruktur 10 befindet und ein Endabschnitt des Flanschabschnitts 42 mit dem inneren zylindrischen Element 20 und/oder dem äußeren zylindrischen Element 30 verbunden ist; und ein stromabwärts gelegenes zylindrisches Element 50 mit einem zylindrischen Abschnitt 51 und einem Flanschabschnitt 52, wobei sich das stromabwärts gelegene zylindrische Element 50 auf einer Seite der zweiten Stirnfläche 11b der Wabenstruktur 10 befindet und ein Endabschnitt des Flanschabschnitts 52 mit dem inneren zylindrischen Element 20 und/oder dem äußeren zylindrischen Element 30 verbunden ist. Beide axiale Endabschnitte 61 des Strömungswegs 60 für das zweite Fluid befinden sich auf axial äußeren Seiten als die erste Stirnfläche 11a bzw. die zweite Stirnfläche 11b der Wabenstruktur 10, wobei wenigstens eines des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 eine ansteigende Position 43, 53 des Flanschabschnitts 42, 52 aufweist, wobei sich die ansteigende Position 42, 53 auf einer axial inneren Seite als die beiden axialen Endabschnitte 61 des Strömungswegs 60 für das zweite Fluid befindet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In jüngster Zeit gibt es einen Verbesserungsbedarf der Kraftstoffwirtschaftlichkeit von Kraftfahrzeugen, Insbesondere wird ein System erwartet, das ein Kühlmittel, Kraftmaschinenöl und ein Automatikgetriebefluid (ATF: Automatic Transmission Fluid) in einer frühen Phase erwärmt, um Reibungsverluste zu verringern, um eine Verschlechterung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu der Zeit, wenn eine Kraftmaschine kalt ist, z. B. wenn die Kraftmaschine gestartet wird, zu verhindern. Ferner wird ein System erwartet, das einen Abgasreinigungskatalysator erwärmt, um den Katalysator in einer frühen Phase zu aktivieren.
Als derartige Systeme gibt es z. B. einen Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, die Wärme zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid austauscht, indem ermöglicht wird, dass das erste Fluid innen strömt und das zweite Fluid außen strömt. In einem derartigen Wärmetauscher kann die Wärme z. B. durch das Austauschen der Wärme vom ersten Fluid mit einer höheren Temperatur (z. B. einem Abgas) zum zweiten Fluid mit einer tieferen Temperatur (z. B. dem Kühlwasser) effektiv genutzt werden.
In der Patentliteratur 1 schlägt der Anmelder der vorliegenden Anmeldung einen Wärmetauscher vor, der enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur mit Trennwänden, die mehrere Zellen definieren, die sich von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche erstrecken, um Strömungswege für ein erstes Fluid zu bilden, und einer äußeren Umfangswand; ein inneres zylindrisches Element, das an der äußeren Umfangswand der Wabenstruktur angebracht ist; und ein äußeres zylindrisches Element, das auf einer radial äußeren Seite des inneren zylindrischen Elements mit einem Abstand angeordnet ist, so dass wenigstens ein Teil des äußeren zylindrischen Elements einen Strömungsweg für ein zweites Fluid bildet. In dem Wärmetauscher mit einer derartigen Struktur kann ein Druckverlust verringert werden, indem eine Querschnittsfläche der säulenförmigen Wabenstruktur in einer Richtung senkrecht zu einer axialen Richtung vergrößert wird. Weil dieser Wärmetauscher mit einem Abgasrohr verbunden ist, durch das das erste Fluid strömt, ist es andererseits erforderlich, einen Verbindungsabschnitt bereitzustellen, der einer Größe des Abgasrohrs entspricht.
LISTE DER ENTGEGENHALTUNGEN
Patentliteratur
[Patentliteratur 1] Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2012-037165 A
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das durch die Erfindung zu lösende Problem
Um den Verbindungsabschnitt entsprechend der Größe des Abgasrohrs bereitzustellen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen Wärmetauscher untersucht, der als einen Verbindungsabschnitt zum Abgasrohr ein zylindrisches Element, das als ein Kegel bezeichnet wird, enthält. Der Kegel zur Verwendung im Wärmetauscher weist einen Zylinderabschnitt, der mit dem Abgasrohr verbunden ist, und einen Flanschabschnitt, der mit dem äußeren zylindrischen Element verbunden ist, auf. Durch das Vorsehen der Kegel mit einer derartigen Struktur auf der Seite der ersten Stirnfläche und der Seite der zweiten Stirnfläche der Wabenstruktur kann der Verbindungsabschnitt entsprechend der Größe des Abgasrohrs bereitgestellt werden.
In jüngster Zeit gibt es jedoch einen zunehmenden Bedarf an einem Wärmetauscher mit einer kompakten Struktur, wobei es ein Problem gibt, dass, wenn die obigen Kegel im Wärmetauscher vorgesehen sind, eine axiale Länge des Wärmetauschers zunimmt und es schwierig ist, einen kompakten Wärmetauscher zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die obigen Probleme zu lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher mit einer kompakten Struktur und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen.
Mittel zum Lösen des Problems
Im Ergebnis intensiver Untersuchungen einer Struktur eines Wärmetauschers haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckt, dass ein Wärmetauscher mit einer spezifischen Struktur die obigen Probleme lösen kann, wobei sie die vorliegende Erfindung vollendet haben.
Folglich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Wärmetauscher, der umfasst:

eine säulenförmige Wabenstruktur, die umfasst: Trennwände, die mehrere Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche erstreckt, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden; und eine äußere Umfangswand;
ein inneres zylindrisches Element, das an der äußeren Umfangswand der Wabenstruktur angebracht ist;
ein äußeres zylindrisches Element, das auf einer radial äußeren Seite des inneren zylindrischen Elements so angeordnet ist, dass ein Teil des äußeren zylindrischen Elements einen Strömungsweg für ein zweites Fluid bildet;
ein stromaufwärts gelegenes zylindrisches Element mit einem zylindrischen Abschnitt und einem Flanschabschnitt, wobei sich das stromaufwärts gelegene zylindrische Element auf einer Seite der ersten Stirnfläche der Wabenstruktur befindet und ein Endabschnitt des Flanschabschnitts mit dem inneren zylindrischen Element und/oder dem äußeren zylindrischen Element verbunden ist; und
ein stromabwärts gelegenes zylindrisches Element mit einem zylindrischen Abschnitt und einem Flanschabschnitt, wobei sich das stromabwärts gelegene zylindrische Element auf einer Seite der zweiten Stirnfläche der Wabenstruktur befindet und ein Endabschnitt des Flanschabschnitts mit dem inneren zylindrischen Element und/oder dem äußeren zylindrischen Element verbunden ist,
wobei sich beide axialen Endabschnitte des Strömungswegs für das zweite Fluid auf axial äußeren Seiten als die erste Stirnfläche bzw. die zweite Stirnfläche der Wabenstruktur befinden, und
wobei wenigstens eines des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements eine ansteigende Position des Flanschabschnitts aufweist, wobei sich die ansteigende Position auf einer axial inneren Seite als die beiden axialen Endabschnitte des Strömungswegs für das zweite Fluid befindet.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Herstellen eines Wärmetauscherelements, das umfasst: eine säulenförmige Wabenstruktur, die Trennwände, die mehrere Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche erstreckt, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden, und eine äußere Umfangswand umfasst; und ein inneres zylindrisches Element, das an der äußeren Umfangswand der Wabenstruktur angebracht ist;
Anordnen eines äußeren zylindrischen Elements auf einer radial äußeren Seite des inneren zylindrischen Elements mit einem derartigen Abstand, so dass wenigstens ein Teil des äußeren zylindrischen Elements einen Strömungsweg für ein zweites Fluid bildet;
Anordnen eines stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements mit einem zylindrischen Abschnitt und einem Flanschabschnitt auf einer Seite der ersten Stirnfläche der Wabenstruktur und Verbinden eines Endabschnitts des Flanschabschnitts mit dem inneren zylindrischen Element und/oder dem äußeren zylindrischen Element; und
Anordnen eines stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements mit einem zylindrischen Abschnitt und einem Flanschabschnitt auf einer Seite der zweiten Stirnfläche der Wabenstruktur und Verbinden eines Endabschnitts des Flanschabschnitts mit dem inneren zylindrischen Element und/oder dem äußeren zylindrischen Element,
wobei sich beide axialen Endabschnitte des Strömungswegs für das zweite Fluid auf axial äußeren Seiten als die erste Stirnfläche bzw. die zweite Stirnfläche der Wabenstruktur befinden, und
wobei wenigstens eines des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements eine ansteigende Position des Flanschabschnitts aufweist, wobei sich die ansteigende Position auf einer axial inneren Seite als die beiden axialen Endabschnitte des Strömungswegs für das zweite Fluid befindet.

Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Wärmetauscher mit einer kompakten Struktur und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids parallel ist.
2 ist eine entlang der Linie a-a' im Wärmetauscher nach 1 genommene Querschnittsansicht.
3 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids parallel ist.
4 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids parallel ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezüglich der Zeichnungen spezifisch beschrieben. Es soll erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen eingeschränkt ist, wobei jene, zu denen basierend auf dem Wissen eines Fachmanns auf dem Gebiet Änderungen, Verbesserungen und dergleichen zu den folgenden Ausführungsformen geeignet hinzugefügt wurden, ohne vom Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids parallel ist. 2 ist eine entlang der Linie a-a' im Wärmetauscher nach 1 genommene Querschnittsansicht.
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, enthält ein Wärmetauscher 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung: eine säulenförmige Wabenstruktur 10; ein inneres zylindrisches Element 20; ein äußeres zylindrisches Element 30; und ein stromaufwärts gelegenes zylindrisches Element 40; und ein stromabwärts gelegenes zylindrisches Element 50.
<Säulenförmige Wabenstruktur 10>
Die säulenförmige Wabenstruktur 10 enthält: die Trennwände 13, die mehrere Zellen 12 definieren, die sich von einer ersten Stirnfläche 11a zu einer zweiten Stirnfläche 11b erstrecken, um Strömungswege für ein erstes Fluid zu bilden; und eine äußere Umfangswand 14.
Eine Form (äußere Form) der säulenförmigen Wabenstruktur 10 ist nicht besonders eingeschränkt und kann z. B. eine kreisförmige Säulenform, eine elliptische Säulenform, eine viereckige Säulenform oder eine andere polygonale Säulenform sein.
Ein Durchmesser (ein Außendurchmesser) der säulenförmigen Wabenstruktur 10 im Querschnitt in der Richtung senkrecht zur Strömungswegrichtung des ersten Fluids kann vorzugsweise 20 bis 200 mm und bevorzugter 30 bis 100 mm betragen, obwohl er nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Ein derartiger Außendurchmesser kann eine Verbesserung des Wärmerückgewinnungswirkungsgrads ermöglichen, während der Druckverlust gleichzeitig verringert wird. Wenn die Querschnittsform nicht kreisförmig ist, ist der Durchmesser des größten einbeschriebenen Kreises, der in den Querschnitt einbeschrieben ist, als der Durchmesser der säulenförmigen Wabenstruktur 10 definiert.
Eine Länge (axiale Länge) der säulenförmigen Wabenstruktur 10 in der Richtung parallel zur Strömungswegrichtung des ersten Fluids kann vorzugsweise das Zehnfache oder weniger, bevorzugter das Vierfache oder weniger des Außendurchmessers (Durchmessers) der säulenförmigen Wabenstruktur 10 sein. Eine derartige axiale Länge kann einen kompakten Wärmetauscher bereitstellen.
Jede Zelle 12 kann in dem Querschnitt in der Richtung senkrecht zu einer Strömungswegrichtung des ersten Fluids irgendeine Form einschließlich kreisförmiger, elliptischer, dreieckiger, viereckiger, sechseckiger und anderer polygonaler Formen aufweisen, ist aber nicht besonders darauf eingeschränkt. Die Zellen 12 sind außerdem in dem Querschnitt in der Richtung senkrecht zur Strömungswegrichtung des ersten Fluids radial vorgesehen. Eine derartige Struktur kann es ermöglichen, dass die Wärme des ersten Fluids, das durch die Zellen 12 strömt, effizient zur Außenseite der säulenförmigen Wabenstruktur 10 übertragen wird.
Eine Dicke einer Trennwand 13 ist nicht besonders eingeschränkt, wobei sie vorzugsweise von 0,1 bis 1 mm und bevorzugter von 0,2 bis 0,6 mm betragen kann. Die Dicke der Trennwand 13 von 0,1 mm oder mehr kann der säulenförmigen Wabenstruktur 10 eine ausreichende mechanische Festigkeit bereitstellen. Ferner kann die Dicke der Trennwand 5 von 1,0 mm oder weniger die Probleme verhindern, dass der Druckverlust aufgrund einer Abnahme einer Öffnungsfläche zunimmt und der Wärmerückgewinnungswirkungsgrad aufgrund einer Abnahme einer Kontaktfläche mit dem ersten Fluid abnimmt.
Die äußere Umfangswand 14 weist vorzugsweise eine größere Dicke als die der Trennwand 13 auf, obwohl sie nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Eine derartige Struktur kann zu einer erhöhten Festigkeit der äußeren Umfangswand 14 führen, die andernfalls dazu neigen würden, durch eine äußere Einwirkung, eine Wärmespannung aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid und dergleichen Brüche (z. B. Reißen, Spalten und dergleichen) zu erzeugen.
Zusätzlich ist die Dicke der äußeren Umfangswand 14 nicht besonders eingeschränkt, wobei sie bei Bedarf gemäß den Anwendungen und dergleichen eingestellt werden kann. Die Dicke der äußeren Umfangswand 14 beträgt vorzugsweise 0,3 mm oder mehr und 10 mm oder weniger und bevorzugter von 0,5 mm bis 5 mm und noch bevorzugter von 1 mm bis 3 mm, wenn der Wärmeaustausch 100 für allgemeine Wärmeaustauschanwendungen verwendet wird. Überdies beträgt, wenn der Wärmetauscher 100 für Wärmespeicheranwendungen verwendet wird, die Dicke der äußeren Umfangswand 14 vorzugsweise 10 mm oder mehr, um die Wärmekapazität der äußeren Umfangswand 14 zu erhöhen.
Die Trennwände 13 und die äußere Umfangswand 14 enthalten vorzugsweise eine Keramik als eine Hauptkomponente. Der Ausdruck „enthalten eine Keramik als eine Hauptkomponente“ bedeutet, dass das Verhältnis einer Keramikmasse zu den Massen der gesamten Komponenten 50 Massen-% oder mehr beträgt.
Die Trennwände 13 und die äußere Umfangswand 14 enthalten vorzugsweise SiC (Siliciumcarbid) mit hoher Wärmeleitfähigkeit als eine Hauptkomponente. Die Beispiele eines derartigen Materials enthalten mit Si imprägniertes SiC, mit (Si + AI) imprägniertes SiC, ein Metallverbundwerkstoff-SiC, rekristallisiertes SiC, Si₃N₄, SiC und dergleichen. Unter ihnen werden vorzugsweise mit Si imprägniertes SiC und mit (Si + AI) imprägniertes SiC verwendet, weil sie eine Herstellung zu geringeren Kosten ermöglichen und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Jede der Trennwände 13 und die äußere Umfangswand 14 weisen vorzugsweise eine Porosität von 10 % oder weniger und bevorzugter 5 % oder weniger und noch bevorzugter 3 % oder weniger auf, obwohl sie nicht besonders darauf eingeschränkt sind. Ferner kann die Porosität der Trennwände 13 und der äußeren Umfangswand 14 0 % betragen. Die Porosität der Trennwände 13 und der äußeren Umfangswand 14 von 10 % oder weniger kann zu einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit führen.
Eine Zellendichte (d. h., die Anzahl der Zellen 12 pro Einheitsfläche) im Querschnitt der säulenförmigen Wabenstruktur 10 senkrecht zur Strömungswegrichtung des ersten Fluids befindet sich vorzugsweise in einem Bereich von 4 bis 320 Zellen/cm², obwohl sie nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Die Zellendichte von 4 Zellen/cm² oder mehr kann die Festigkeit der Trennwände 13 und folglich die Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 10 selbst und die effektive GSA (geometrische Oberfläche) ausreichend sicherstellen. Ferner kann die Zellendichte von 320 Zellen/cm² oder weniger die Verhinderung einer Zunahme eines Druckverlusts ermöglichen, wenn das erste Fluid strömt.
Die säulenförmige Wabenstruktur 10 weist vorzugsweise eine isostatische Festigkeit von mehr als 100 MPa und bevorzugter 150 MPa oder mehr und noch bevorzugter 200 MPa oder mehr auf, obwohl sie nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Die isostatische Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 10 von 100 MPa oder mehr kann dazu führen, dass die säulenförmige Wabenstruktur 10 eine verbesserte Haltbarkeit aufweist. Die isostatische Festigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 10 kann gemäß dem Verfahren zum Messen der isostatischen Bruchfestigkeit gemessen werden, wie es in der JASO-Norm M505-87 definiert ist, einer von der Society of Automotive Engineers of Japan, Inc., herausgegebenen Kraftfahrzeugnorm.
Die säulenförmige Wabenstruktur 10 weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 50 W/(m-K) oder mehr bei 25 °C und bevorzugter von 100 bis 300 W/(m-K) und noch bevorzugter von 120 bis 300 W/(m K) auf, obwohl sie nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Die Wärmeleitfähigkeit der säulenförmigen Wabenstruktur 10 in einem derartigen Bereich kann zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit führen und kann es ermöglichen, dass die Wärme innerhalb der säulenförmigen Wabenstruktur 10 effizient nach außen übertragen wird. Es sollte angegeben werden, dass der Wert der Wärmeleitfähigkeit ein gemäß dem Laserblitzverfahren (JIS R 1611-1997) gemessener Wert ist.
In dem Fall, in dem ein Abgas als das erste Fluid durch die Zellen 12 in der säulenförmigen Wabenstruktur 10 strömt, kann ein Katalysator auf den Trennwänden 13 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 getragen sein. Das Tragen des Katalysators auf den Trennwänden 13 kann es ermöglichen, dass CO, NOx, HC und dergleichen im Abgas durch eine katalytische Reaktion in unschädliche Substanzen umgesetzt werden, und kann außerdem ermöglichen, dass die während der katalytischen Reaktion erzeugte Reaktionswärme für den Wärmeaustausch verwendet wird. Die bevorzugten Katalysatoren enthalten jene, die wenigstens ein Element enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Edelmetalle (Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium, Indium, Silber und Gold), Aluminium, Nickel, Zirkon, Titan, Cer, Kobalt, Mangan, Zink, Kupfer, Zinn, Eisen, Niob, Magnesium, Lanthan, Samarium, Bismut und Barium umfasst. Jedes der oben aufgelisteten Elemente kann als eine einfache Metallsubstanz, als ein Metalloxid oder als eine andere Metallverbindung enthalten sein.
Eine getragene Menge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) kann vorzugsweise 10 bis 400 g/l betragen, obwohl sie nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Wenn der Katalysator, der das (die) Edelmetall(e) enthält, verwendet wird, kann ferner die getragene Menge vorzugsweise von 0,1 bis 5 g/l betragen, obwohl sie nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Die getragene Menge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) von 10 g/l oder mehr kann eine Katalyse leicht erreichen. Außerdem kann die getragene Menge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) von 400 g/l oder weniger sowohl eine Zunahme eines Druckverlustes als auch eine Zunahme der Herstellungskosten unterdrücken. Der Träger bezieht sich auf einen Träger, auf dem ein Katalysatormetall getragen ist. Beispiele der Träger enthalten jene, die wenigstens eines enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Aluminiumoxid, Cerdioxid und Zirkonoxid umfasst.
<Inneres zylindrisches Element 20>
Das innere zylindrische Element 20 ist an der äußeren Umfangswand 14 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 befestigt.
Es ist bevorzugt, dass eine axiale Richtung des inneren zylindrischen Elements 20 mit der der säulenförmigen Wabenstruktur 10 zusammenfällt und eine Mittelachse des inneren zylindrischen Elements 20 mit der der säulenförmigen Wabenstruktur 10 zusammenfällt. Es ist außerdem bevorzugt, dass eine axiale Mittenposition des inneren zylindrischen Elements 20 mit der der säulenförmigen Wabenstruktur 10 zusammenfällt. Ferner können die Durchmesser (ein Außendurchmesser und ein Innendurchmesser) des inneren zylindrischen Elements 20 in der axialen Richtung einheitlich sein, wobei aber der Durchmesser wenigstens eines Teils (z. B. beider axialen Endabschnitte) des ersten Außenzylinders vergrößert oder verkleinert sein kann.
Das innere zylindrische Element 20 ist nicht besonders eingeschränkt, solange wie es an der äußeren Umfangswand 14 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 angebracht ist. Beispiele des inneren zylindrischen Elements 20, das verwendet werden kann, enthalten ein zylindrisches Element, das an der äußeren Umfangswand 14 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 angebracht ist, um die äußere Umfangswand 14 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 in Umfangsrichtung abzudecken.
Wie „eingepasst“ hier verwendet wird, bedeutet es, dass die säulenförmige Wabenstruktur 10 und das innere zylindrische Element 20 in einem Zustand befestigt sind, in dem sie zueinander passen. Deshalb umfasst das Einpassen der säulenförmigen Wabenstruktur 10 und des inneren zylindrischen Elements 20 Fälle, in denen die säulenförmige Wabenstruktur 10 und das innere zylindrische Element 20 sowohl durch ein auf Einpassen basierendes Befestigungsverfahren, wie z. B. Spielpassung, Presspassung und Schrumpfpassung, als auch durch Löten, Schweißen, Diffusionsschweißen oder dergleichen aneinander befestigt werden.
Das innere zylindrische Element 20 kann vorzugsweise eine Form der inneren Umfangsfläche aufweisen, die der äußeren Umfangswand 14 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 entspricht. Weil sich die innere Umfangsfläche des inneren zylindrischen Elements 20 mit der äußeren Umfangswand 14 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 in direkten Kontakt befindet, ist die Wärmeleitfähigkeit verbessert und kann die Wärme in der säulenförmigen Wabenstruktur 10 effizient zu dem inneren zylindrischen Element 20 übertragen werden.
Hinsichtlich der Verbesserung des Wärmerückgewinnungswirkungsgrades ist ein höheres Verhältnis einer Fläche eines Abschnitts, der in der äußeren Umfangswand 14 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 in Umfangsrichtung mit dem inneren zylindrischen Element 20 abgedeckt ist, zur Gesamtfläche der äußeren Umfangswand 14 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 bevorzugt. Spezifisch beträgt das Flächenverhältnis vorzugsweise 80 % oder mehr und bevorzugter 90 % oder mehr und noch bevorzugter 100 % (d. h., die gesamte äußere Umfangswand 14 der säulenförmigen Wabenstruktur 10 ist in Umfangsrichtung mit dem inneren zylindrischen Element 20 abgedeckt).
Es sollte angegeben werden, dass sich der Begriff „äußere Umfangswand 14“, wie er hier verwendet wird, auf eine Oberfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 10 bezieht, die zur Strömungswegrichtung des ersten Fluids parallel ist, und keine Oberflächen (die erste Stirnfläche 11a und die zweite Stirnfläche 11b) der säulenförmigen Wabenstruktur 10 enthält, die zur Strömungswegrichtung des ersten Fluids senkrecht sind.
Das innere zylindrische Element 20 ist hinsichtlich der Herstellbarkeit bevorzugt aus einem Metall hergestellt, obwohl es nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Ferner ist das metallische innere zylindrische Element 20 außerdem insofern bevorzugt, als es leicht an ein äußeres zylindrisches Element 70 oder dergleichen geschweißt werden kann, was im Folgenden beschrieben wird. Die Beispiele des Materials des inneren zylindrischen Elements 20, die verwendet werden können, enthalten rostfreien Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Unter ihnen ist der rostfreie Stahl bevorzugt, weil er eine hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit aufweist und kostengünstig ist.
Das innere zylindrische Element 20 weist vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm oder mehr und bevorzugter 0,3 mm oder mehr und noch bevorzugter 0,5 mm oder mehr auf, obwohl sie nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Die Dicke des inneren zylindrischen Elements 20 von 0,1 mm oder mehr kann die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit sicherstellen. Die Dicke des inneren zylindrischen Elements 20 beträgt vorzugsweise 10 mm oder weniger und bevorzugter 5 mm oder weniger und noch bevorzugter 3 mm oder weniger. Die Dicke des inneren zylindrischen Elements 20 von 10 mm oder weniger kann den Wärmewiderstand verringern und die Wärmeleitfähigkeit verbessern.
<Äußeres zylindrisches Element 30>
Das äußere zylindrische Element 30 ist auf einer radial äußeren Seite des inneren zylindrischen Elements 20 mit einem Abstand angeordnet, so dass wenigstens ein Teil des äußeren zylindrischen Elements 30 einen Strömungsweg 60 für ein zweites Fluid bildet.
Es ist bevorzugt, dass eine axiale Richtung des äußeren zylindrischen Elements 30 mit der jeder der säulenförmigen Wabenstruktur 10 und des inneren zylindrischen Elements 20 übereinstimmt und dass eine Mittelachse des äußeren zylindrischen Elements 30 mit der jeder der säulenförmigen Wabenstruktur 10 und des inneren zylindrischen Elements 20 übereinstimmt. Ferner ist es außerdem bevorzugt, dass eine axiale Mittenposition des äußeren zylindrischen Elements 30 mit der jeder der säulenförmigen Wabenstruktur 10 und des inneren zylindrischen Elements 20 übereinstimmt.
Das äußere zylindrische Element 30 ist vorzugsweise sowohl mit einem Zufuhrrohr 31 zum Zuführen des zweiten Fluids in einen Bereich zwischen dem äußeren zylindrischen Element 30 und dem inneren zylindrischen Element 20 als auch mit einem Auslassrohr 32 zum Ablassen des zweiten Fluids aus dem Bereich zwischen dem äußeren zylindrischen Element 30 und dem inneren zylindrischen Element 20 verbunden. Das Zufuhrrohr 31 und das Auslassrohr 32 sind vorzugsweise an Positionen bereitgestellt, die jeweils den beiden axialen Endabschnitten der säulenförmigen Wabenstruktur 10 entsprechen.
Das Zufuhrrohr 31 und das Auslassrohr 32 können sich in der gleichen Richtung oder in verschiedenen Richtungen erstrecken.
Das äußere zylindrische Element 30 ist vorzugsweise so angeordnet, dass sich die inneren Umfangsflächen der beiden axialen Endabschnitte mit der äußeren Umfangsfläche des inneren zylindrischen Elements 20 in direkten oder indirekten Kontakt befinden.
Ein Verfahren zum Befestigen der inneren Umfangsflächen der beiden axialen Endabschnitte an der äußeren Umfangsfläche des inneren zylindrischen Elements 20, das verwendet werden kann, enthält, ist aber nicht eingeschränkt auf, sowohl Einpassen, wie z. B. Spielpassung, Presspassung und Schrumpfpassung, als auch Hartlöten, Schweißen, Diffusionsschweißen und dergleichen.
Die Durchmesser (der Außendurchmesser und der Innendurchmesser) des äußeren zylindrischen Elements 30 können in der axialen Richtung einheitlich sein, wobei aber der Durchmesser wenigstens eines Teils (z. B. eines axialen Mittelabschnitts, beider axialer Endabschnitte oder dergleichen) des äußeren zylindrischen Elements 30 verkleinert oder vergrößert sein kann. Durch das Verringern des Durchmessers des axialen Mittelabschnitts des äußeren zylindrischen Elements 30 kann sich z. B. das zweite Fluid über die gesamte äußere Umfangsrichtung des inneren zylindrischen Elements 20 im äußeren zylindrischen Element 30 auf den Seiten des Zufuhrrohrs 31 und des Auslassrohrs 32 verteilen. Deshalb wird eine Menge des zweiten Fluids, die nicht zum Wärmeaustausch am axialen Mittelabschnitt beiträgt, verringert, so dass der Wärmeaustauschwirkungsgrad verbessert werden kann.
Ein Material des äußeren zylindrischen Elements 30 ist nicht besonders eingeschränkt und kann das gleiche wie das des inneren zylindrischen Elements 20 sein, wie es oben beschrieben worden ist.
Eine Dicke des äußeren zylindrischen Elements 30 ist nicht besonders eingeschränkt und kann die gleiche wie die des inneren zylindrischen Elements 20 sein, wie sie oben beschrieben worden ist.
Die axialen Endabschnitte 61 eines Strömungswegs 60 für das zweite Fluid, der zwischen dem äußeren zylindrischen Element 30 und dem inneren zylindrischen Element 20 ausgebildet ist, befinden sich auf Seiten axial weiter außen als die erste Stirnfläche 11a bzw. die zweite Stirnfläche 11b der säulenförmigen Wabenstruktur 10. Eine derartige Struktur kann den Wärmeaustauschwirkungsgrad verbessern.
<Stromaufwärts gelegenes zylindrisches Element 40 und stromabwärts gelegenes zylindrisches Element 50>
Das stromaufwärts gelegene zylindrische Element 40 und das stromabwärts gelegene zylindrische Element 50 sind zylindrische Elemente, die außerdem als Kegel bezeichnet werden.
Das stromaufwärts gelegene zylindrische Element 40 weist einen zylindrischen Abschnitt 41 und einen Flanschabschnitt 42 auf. Ähnlich weist das stromabwärts gelegene zylindrische Element 50 einen zylindrischen Abschnitt 51 und einen Flanschabschnitt 52 auf.
Das stromaufwärts gelegene zylindrische Element 40 befindet sich auf der Seite der ersten Stirnfläche 11a der säulenförmigen Wabenstruktur 10, wobei ein Endabschnitt des Flanschabschnitts 42 mit dem inneren zylindrischen Element 20 verbunden ist. Das stromabwärts gelegene zylindrische Element 50 befindet sich auf der Seite der zweiten Stirnfläche 11b der säulenförmigen Wabenstruktur 10, wobei ein Endabschnitt des Flanschabschnitts 52 mit dem inneren zylindrischen Element 20 verbunden ist.
Obwohl 1 ein Beispiel zeigt, in dem die Endabschnitte der Flanschabschnitte 42, 52 mit dem inneren zylindrischen Element 20 verbunden sind, können die Endabschnitte der Flanschabschnitte 42, 52 mit dem äußeren zylindrischen Element 30 oder sowohl mit dem inneren zylindrischen Element 20 als auch mit dem äußeren zylindrischen Element 30 verbunden sein.
In wenigstens einem (vorzugsweise beiden) des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 befinden sich die ansteigenden Positionen 43, 53 der Flanschabschnitte 42, 52 jeweils auf Seiten axial weiter innen als die beiden axialen Endabschnitte 61 des Strömungswegs 60 für das zweite Fluid. Eine derartige Struktur kann es ermöglichen, dass die axiale Länge von wenigstens einem (vorzugsweise beiden) des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 verkürzt wird, so dass der Wärmetauscher 100 kompakt gemacht werden kann. Wenn das erste Fluid ein Abgas ist, kann die obige Struktur des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 ferner ein Risiko unterdrücken, dass das Abgas mit einer erhöhten Temperatur mit dem stromaufwärts gelegenen axialen Endabschnitt des Strömungswegs 60 in Kontakt gebracht wird, damit das zweite Fluid einen Wärmefleck erzeugt. Dies kann zu einem unterdrückten Hitzeschaden führen.
Es ist bevorzugt, dass eine axiale Richtung jedes des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 mit der jeder der säulenförmigen Wabenstruktur 10, des inneren zylindrischen Elements 20 und des äußeren zylindrischen Elements 30 übereinstimmt und dass eine Mittelachse jedes des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 mit der jeder der säulenförmigen Wabenstruktur 10, des inneren zylindrischen Elements 20 und des äußeren zylindrischen Elements 30 übereinstimmt.
Die Flanschabschnitte 42, 52 können verschiedene nicht einschränkende Strukturen aufweisen. Jeder der Flanschabschnitte 42, 52 kann z. B. eine gefaltete Struktur aufweisen. Die Anzahl der gefalteten Abschnitte der gefalteten Struktur ist nicht besonders eingeschränkt, wobei es ein oder mehrere gefaltete Abschnitte sein können. Ferner kann jeder der Flanschabschnitte 42, 52 eine gekrümmte Oberflächenstruktur aufweisen. Weiterhin kann jeder der Flanschabschnitte 42, 52 eine Struktur aufweisen, die in einer Richtung senkrecht zur axialen Richtung jedes der zylindrischen Abschnitte 41, 51 gebogen ist.
Die Oberflächen der Flanschabschnitte 42, 52, die an die inneren Umfangsflächen der zylindrischen Abschnitte 41, 51 angrenzen, sind vorzugsweise mit dem inneren zylindrischen Element 20 und/oder dem äußeren zylindrischen Element 30 verbunden. Eine derartige Struktur kann vereinfachte Strukturen der Flanschabschnitte 42, 52 bereitstellen.
Hier sind die Beispiele der Wärmetauscher einschließlich des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 mit den Flanschabschnitten 42, 52 mit verschiedenen Strukturen in den 3 und 4 gezeigt ist. Zusätzlich sind die 3 und 4 Querschnittsansichten von Wärmetauschern, die zur Strömungsrichtung des ersten Fluids parallel sind.
Ein Wärmetauscher 200, wie er in 3 gezeigt ist, enthält das stromaufwärts gelegene zylindrische Element 40 und das stromabwärts gelegene zylindrische Element 50, wobei jeder der Flanschabschnitte 42, 52 eine gefaltete Struktur mit zwei gefalteten Abschnitten und eine gekrümmte Oberflächenstruktur aufweist. Bei dem Wärmetauscher 200 sind die Oberflächen der Flanschabschnitte 42, 52, die an die äußeren Umfangsflächen der zylindrischen Abschnitte 41, 51 angrenzen, mit dem inneren zylindrischen Element 20 verbunden.
Ein Wärmetauscher 300, wie er in 4 gezeigt ist, weist das stromaufwärts gelegene zylindrische Element 40 und das stromabwärts gelegene zylindrische Element 50 auf, wobei jeder der Flanschabschnitte 42, 52 eine gefaltete Struktur mit einem gefalteten Abschnitt und eine Struktur aufweist, bei der jeder der Flanschabschnitte 42, 52 in einer Richtung senkrecht zur axialen Richtung jedes der zylindrischen Abschnitte 41, 51 gebogen ist. In dem Wärmetauscher 300 sind die Oberflächen der Flanschabschnitte 42, 52, die an die inneren Umfangsflächen der zylindrischen Abschnitte 41, 51 angrenzen, mit dem inneren zylindrischen Element 20 verbunden.
Obwohl jede der 3 und 4 ein Beispiel zeigt, in dem die Struktur des Flanschabschnitts 42 und die Struktur des Flanschabschnitts 52 einander gleich sind, können die Struktur des Flanschabschnitts 42 und die Struktur des Flanschabschnitts 52 voneinander verschieden sein.
Das stromaufwärts gelegene zylindrische Element 40 kann durch das Verbinden des zylindrischen Abschnitts 41 und des Flanschabschnitts 42 mittels Schweißen oder dergleichen gebildet werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass der zylindrische Abschnitt 41 und der Flanschabschnitt 42 einteilig durch das Bearbeiten eines zylindrischen Elements gebildet werden. Es sollte angegeben werden, dass der Begriff „einteilig“ bedeutet, dass der zylindrische Abschnitt 41 und der Flanschabschnitt 42 nahtlos durch das Bearbeiten eines zylindrischen Elements, wie es oben beschrieben worden ist, anstatt durch das Verbinden getrennter Elemente durch Schweißen, Kleben oder dergleichen bereitgestellt werden. Ähnlich kann das stromabwärts gelegene zylindrische Element 50 durch das Verbinden des zylindrischen Abschnitts 51 und des Flanschabschnitts 52 mittels Schweißen oder dergleichen gebildet werden, wobei es aber bevorzugt ist, dass der zylindrische Abschnitt 51 und der Flanschabschnitt 52 durch das Bearbeitung eines zylindrischen Elements einteilig gebildet werden.
Es ist bevorzugt, dass die Querschnittsflächen der zylindrischen Abschnitte 41, 51 des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50, die zur axialen Richtung senkrecht sind, kleiner als die Querschnittsfläche der säulenförmigen Wabenstruktur 10 sind, die zur axialen Richtung senkrecht ist. Eine derartige Struktur kann es ermöglichen, dass die zylindrischen Abschnitte 41, 51 des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 an die Größe des Abgasrohrs angepasst sind, während gleichzeitig den Druckverlust der Wärmetauscher 100, 200, 300 verringert wird.
Ein Material jedes des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 ist nicht besonders eingeschränkt und kann das gleiche wie das des inneren zylindrischen Elements 20 sein, wie es oben beschrieben worden ist.
Jede Dicke des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 ist nicht besonders eingeschränkt und kann die gleiche wie die des inneren zylindrischen Elements 20 sein, wie sie oben beschrieben worden ist.
<Andere Elemente>
Jeder der Wärmeaustauscher 100, 200, 300 kann ferner verschiedene Elemente enthalten, um einen gewünschten Zweck innerhalb eines Schutzumfangs zu erreichen, der die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt.
Um z. B. anomale Geräusche während der Unterdrückung des Wärmeaustausches zu verringern, kann ein zylindrisches Zwischenelement zwischen dem inneren zylindrischen Element 20 und dem äußeren zylindrischen Element 30 vorgesehen sein, um das Innere des Strömungswegs 60 für das zweite Fluid aufzuteilen. Das zylindrische Zwischenelement kann durch Abstandshalter gehalten sein, die an beiden axialen Endabschnitten des inneren zylindrischen Elementes 20 vorgesehen, obwohl es nicht besonders darauf eingeschränkt ist.
<Erstes Fluid und zweites Fluid>
Das erste Fluid und das zweite Fluid sind nicht besonders eingeschränkt, wobei verschiedene Flüssigkeiten und Gase verwendet werden können. Wenn jeder der Wärmetauscher 100, 200, 300 z. B. an einem Kraftfahrzeug angebracht ist, kann ein Abgas als das erste Fluid verwendet werden, während Wasser oder ein Frostschutzmittel (LLC, definiert durch JIS K2234: 2006) als das zweite Fluid verwendet werden kann. Ferner kann das erste Fluid ein Fluid mit einer Temperatur sein, die höher als die des zweiten Fluids ist.
<Verfahren zum Herstellen der Wärmetauscher 100, 200, 300>
Die Wärmetauscher 100, 200, 300 können gemäß einem in der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden. Ein typisches Verfahren zum Herstellen der Wärmetauscher 100, 200, 300 enthält z. B.: einen Schritt (einen ersten Schritt) des Herstellens eines Wärmetauscherelements, das enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur 10 mit Trennwänden 13, die mehrere Zellen 12 definieren, wobei sich jede der Zellen 12 von einer ersten Stirnfläche 11a zu einer zweiten Stirnfläche 11b erstreckt, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden, und eine äußere Umfangswand 14; und ein inneres zylindrisches Element 20, das an der äußeren Umfangswand 14 der Wabenstruktur 10 angebracht ist; einen Schritt (einen zweiten Schritt) des Anordnens eines äußeren zylindrischen Elements 30 auf einer radial äußeren Seite des inneren zylindrischen Elements 20 mit einem Abstand, so dass wenigstens ein Teil des äußeren zylindrischen Elements 30 einen Strömungsweg 60 für ein zweites Fluid bildet; einen Schritt (einen dritten Schritt) des Anordnens eines stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 mit einem zylindrischen Abschnitt 41 und einem Flanschabschnitt 42 auf einer Seite der ersten Stirnfläche 11a der säulenförmigen Wabenstruktur 10 und des Verbindens eines Endabschnitts des Flanschabschnitts 42 mit dem inneren zylindrischen Element 20 und/oder dem äußeren zylindrischen Element 30; und einen Schritt (einen vierten Schritt) des Anordnens eines stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 mit einem zylindrischen Abschnitt 51 und einem Flanschabschnitt 52 auf einer Seite der zweiten Stirnfläche 11b der säulenförmigen Wabenstruktur 10 und des Verbindens eines Endabschnitts des Flanschabschnitts 52 mit dem inneren zylindrischen Element 20 und/oder dem äußeren zylindrischen Element 30.
Es soll erkannte werden, dass die Reihenfolge der ersten bis vierten Schritte nicht besonders eingeschränkt ist, wobei die Reihenfolge der Schritte abhängig von der Form jedes der herzustellenden Wärmetauscher 100, 200, 300 geändert werden kann. Ferner können das Zufuhrrohr 31 und das Auslassrohr 32 vorher am äußeren zylindrischen Element 30 bereitgestellt werden, wobei sie aber in einer geeigneten Phase am äußeren zylindrischen Element 30 bereitgestellt werden können. Das oben beschriebene Verfahren kann als ein Verfahren zum Anordnen (Befestigen) jedes Elements verwendet werden.
Bei dem Herstellungsverfahren werden die beiden axialen Endabschnitte 61 des Strömungswegs 60 für das zweite Fluid so bereitgestellt, dass sie auf axial äußeren Seiten als die erste Stirnfläche 11a bzw. die zweite Stirnfläche 11b der säulenförmigen Wabenstruktur 10 angeordnet sind. Ferner sind in wenigstens einem des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements 40 und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements 50 die ansteigenden Positionen 43, 53 der Flanschabschnitte 42, 52 so vorgesehen, dass sie jeweils auf axial inneren Seiten als die beiden axialen Endabschnitte 61 des Strömungswegs 60 für das zweite Fluid positioniert sind.
Die säulenförmige Wabenstruktur 10 kann wie folgt hergestellt werden:

Zuerst wird ein Rohling, der ein Keramikpulver enthält, in eine gewünschte Form extrudiert, um einen säulenförmigen Wabenformling herzustellen. Zu diesem Zeitpunkt können die Form und die Dichte der Zellen 12 und die Längen und
Dicken der Trennwände 13 und der äußeren Umfangswand 14 und dergleichen durch das Auswählen der Extrudierwerkzeuge und Spannvorrichtungen in geeigneten Formen gesteuert werden. Das Material des säulenförmigen Wabenformlings, das verwendet werden kann, enthält die oben beschriebenen Keramiken. Wenn ein säulenförmiger Wabenformling, der den mit Si imprägnierten SiC-Verbundwerkstoff als eine Hauptkomponente enthält, hergestellt wird, werden z. B. ein Bindemittel und Wasser und/oder ein organisches Lösungsmittel zu einer vorgegebenen Menge des SiC-Pulvers hinzugefügt, wobei die resultierende Mischung geknetet wird, um einen Rohling zu bilden, der dann in einen säulenförmigen Wabenformling geformt werden kann. Der resultierende säulenförmigen Wabenformling kann dann getrocknet werden, wobei der säulenförmige Wabenformling mit metallischem Si imprägniert und unter einem verringertem Druck in einem Inertgas oder einem Vakuum gebrannt werden kann, um eine säulenförmige Wabenstruktur 10 zu erhalten.

Weil jeder der wie oben beschrieben hergestellten Wärmetauscher 100, 200, 300 das stromaufwärts gelegene zylindrische Element 40 und das stromabwärts gelegene zylindrische Element 50 verwendet, die jeweils eine spezifische Struktur aufweisen, kann die axiale Länge verkürzt werden, wodurch er kompakt gemacht wird.
Bezugszeichenliste

10: säulenförmige Wabenstruktur
11a: erste Stirnfläche
11b: zweite Stirnfläche
12: Zelle
13: Trennwand
14: äußere Umfangswand
20: inneres zylindrisches Element
30: äußeres zylindrisches Elemente
31: Zufuhrrohr
32: Auslassrohr
40: stromaufwärts gelegenes zylindrisches Element
41: zylindrischer Abschnitt
42: Flanschabschnitt
43: aufsteigende Position
50: stromabwärts gelegenes zylindrisches Element
51: zylindrischer Abschnitt
52: Flanschabschnitt
53: aufsteigende Position
60: Strömungsweg für zweites Fluid
61: beide axiale Endabschnitte
100, 200, 300: Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012037165 A [0005]

Claims

Wärmetauscher, der umfasst: eine säulenförmige Wabenstruktur, die umfasst: Trennwände, die mehrere Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche erstreckt, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden; und eine äußere Umfangswand; ein inneres zylindrisches Element, das an der äußeren Umfangswand der Wabenstruktur angebracht ist; ein äußeres zylindrisches Element, das auf einer radial äußeren Seite des inneren zylindrischen Elements so angeordnet ist, dass ein Teil des äußeren zylindrischen Elements einen Strömungsweg für ein zweites Fluid bildet; ein stromaufwärts gelegenes zylindrisches Element mit einem zylindrischen Abschnitt und einem Flanschabschnitt, wobei sich das stromaufwärts gelegene zylindrische Element auf einer Seite der ersten Stirnfläche der Wabenstruktur befindet und ein Endabschnitt des Flanschabschnitts mit dem inneren zylindrischen Element und/oder dem äußeren zylindrischen Element verbunden ist; und ein stromabwärts gelegenes zylindrisches Element mit einem zylindrischen Abschnitt und einem Flanschabschnitt, wobei sich das stromabwärts gelegene zylindrische Element auf einer Seite der zweiten Stirnfläche der Wabenstruktur befindet und ein Endabschnitt des Flanschabschnitts mit dem inneren zylindrischen Element und/oder dem äußeren zylindrischen Element verbunden ist, wobei sich beide axialen Endabschnitte des Strömungswegs für das zweite Fluid auf axial äußeren Seiten als die erste Stirnfläche bzw. die zweite Stirnfläche der Wabenstruktur befinden, und wobei wenigstens eines des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements eine ansteigende Position des Flanschabschnitts aufweist, wobei sich die ansteigende Position auf einer axial inneren Seite als die beiden axialen Endabschnitte des Strömungswegs für das zweite Fluid befindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Flanschabschnitt eine gefaltete Struktur aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Flanschabschnitt eine gekrümmte Oberflächenstruktur aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Flanschabschnitt eine Struktur aufweist, die in einer Richtung senkrecht zu einer axialen Richtung des zylindrischen Abschnitts gebogen ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die ansteigende Position des Flanschabschnitts des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements auf einer axial inneren Seite als die beiden axialen Endabschnitte des Strömungswegs für das zweite Fluid befindet.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zylindrische Abschnitt und der Flanschabschnitt in jedem des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements einteilig ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Oberfläche des Flanschabschnitts, die an eine innere Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts angrenzt, mit dem inneren zylindrischen Element und/oder dem äußeren zylindrischen Element verbunden ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Querschnittsflächen der zylindrischen Abschnitte des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements, die zu einer axialen Richtung senkrecht sind, kleiner als eine Querschnittsfläche der Wabenstruktur sind, die zur axialen Richtung senkrecht ist.
Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Herstellen eines Wärmetauscherelements, das umfasst: eine säulenförmige Wabenstruktur, die Trennwände, die mehrere Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche erstreckt, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden, und eine äußere Umfangswand umfasst; und ein inneres zylindrisches Element, das an der äußeren Umfangswand der Wabenstruktur angebracht ist; Anordnen eines äußeren zylindrischen Elements auf einer radial äußeren Seite des inneren zylindrischen Elements mit einem derartigen Abstand, so dass wenigstens ein Teil des äußeren zylindrischen Elements einen Strömungsweg für ein zweites Fluid bildet; Anordnen eines stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements mit einem zylindrischen Abschnitt und einem Flanschabschnitt auf einer Seite der ersten Stirnfläche der Wabenstruktur und Verbinden eines Endabschnitts des Flanschabschnitts mit dem inneren zylindrischen Element und/oder dem äußeren zylindrischen Element; und Anordnen eines stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements mit einem zylindrischen Abschnitt und einem Flanschabschnitt auf einer Seite der zweiten Stirnfläche der Wabenstruktur und Verbinden eines Endabschnitts des Flanschabschnitts mit dem inneren zylindrischen Element und/oder dem äußeren zylindrischen Element, wobei sich beide axialen Endabschnitte des Strömungswegs für das zweite Fluid auf axial äußeren Seiten als die erste Stirnfläche bzw. die zweite Stirnfläche der Wabenstruktur befinden, und wobei wenigstens eines des stromaufwärts gelegenen zylindrischen Elements und des stromabwärts gelegenen zylindrischen Elements eine ansteigende Position des Flanschabschnitts aufweist, wobei sich die ansteigende Position auf einer axial inneren Seite als die beiden axialen Endabschnitte des Strömungswegs für das zweite Fluid befindet.