DE112021000675T5

DE112021000675T5 - Wärmetauschelement, wärmetauscher, der das wärmetauschelement verwendet, und verfahren zum herstellen des wärmetauschelements

Info

Publication number: DE112021000675T5
Application number: DE112021000675.4T
Authority: DE
Inventors: Shuhei KUNO; Satoshi Nagamoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-12-07
Also published as: WO2022190573A1; CN116848366A; US20220390180A1; JPWO2022190573A1; JP7411101B2

Abstract

Es wird ein Wärmetauschelement geschaffen, das eine exzellente Wärmetauschleistungsfähigkeit besitzt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetauschelement geschaffen, das Folgendes enthält: einen Wabenstrukturkörper, der Folgendes enthält: Trennwände, die von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche verlaufen, um Zellen, die Strömungskanäle für ein erstes Fluid bilden, zu definieren; und eine Außenumfangswand; und ein Abdeckelement, das konfiguriert ist, die Außenumfangswand des Wabenstrukturkörpers abzudecken. Die Trennwände und die Außenumfangswand enthalten eine Keramik als eine Hauptkomponente und die Außenumfangswandoberfläche besitzt eine Spitzenanzahl RPc gemäß JIS B 0601:2013, die zu 55 pks/cm oder mehr eingestellt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetauschelement, einen Wärmetauscher, der das Wärmetauschelementverwendet, und ein Verfahren zum Herstellen des Wärmetauschelements.
Technischer Hintergrund
In den letzten Jahren wurden Verbesserungen der Kraftstoffeffizienz von Personenkraftwägen gefordert. Insbesondere wird, um eine Verringerung einer Kraftstoffeffizienz zu verhindern, wenn eine Kraftmaschine z. B. beim Kraftmaschinenstart kalt ist, ein System erwartet, das den Reibungsverlust verringert. Das System erhitzt schnell z. B. Kühlwasser, Motoröl und ein Automatikgetriebefluid (ATF), um den Reibungsverlust zu verringern. Ferner wird auch ein System erwartet, das einen Katalysator zum Reinigen von Abgas erhitzt, um den Katalysator schnell zu aktivieren.
In derartigen Systemen wurde z. B. die Verwendung eines Wärmetauschers betrachtet. Der Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, die ein Wärmetauschelement enthält. Das Wärmetauschelement verursacht, dass ein erstes Fluid innerhalb strömt und ein zweites Fluid außerhalb strömt, um einen Wärmetausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid zu ermöglichen. Ein derartiger Wärmetauscher ermöglicht eine effiziente Verwendung von Wärme durch einen Wärmetausch z. B. vom ersten Fluid, das eine hohe Temperatur besitzt (z. B. ein Abgas), zum zweiten Fluid, das eine niedrige Temperatur besitzt (z. B. Kühlwasser). Als ein Wärmetauscher, der Wärme von einem Hochtemperaturgas wie z. B. einem Abgas, das von einem Personenkraftwagen abgegeben wird, zurückgewinnt, wurde in den letzten Jahren die Entwicklung des folgenden Wärmetauschers unterstützt. Der Wärmetauscher enthält ein Wärmetauschelement, das einen säulenförmigen Wabenstrukturkörper besitzt, der in einem Rahmen (einem Gehäuse) untergebracht ist. Der Wärmetauscher verursacht, dass das erste Fluid durch Zellen des Wabenstrukturkörpers strömt und das zweite Fluid über eine Außenumfangsoberfläche des Wärmetauschelements im Gehäuse strömt. Als das Wärmetauschelement, das einen Wabenstrukturkörper besitzt, wurde ein Wärmetauschkörper vorgeschlagen, der einen säulenförmigen Wabenstrukturkörper enthält, der erste Trennwände und zweite Trennwände aufweist (Patentliteratur 1). Die ersten Trennwände verlaufen in einer radialen Richtung von einem Zentrum eines Querschnitts des Wärmetauschkörpers, der senkrecht zu einer Richtung ist, in der Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen (die Richtung, in der die Zellen verlaufen), zu einem Außenumfangsabschnitt. Die zweiten Trennwände verlaufen in einer Umfangsrichtung. Ferner wurde auch ein Wärmetauschelement, das einen hohlen (torusförmigen) säulenförmigen Wabenstrukturkörper besitzt, vorgeschlagen (Patentliteratur 2). Das Wärmetauschelement enthält einen hohlen Bereich, der als ein Umgehungsdurchgang für ein Abgas wirkt. Ein Wärmetauschelement, das einen derartigen säulenförmigen Wabenstrukturkörper besitzt, ist sehr nützlich. Währenddessen wurde eine weitere Verbesserung einer Wärmetauschleistungsfähigkeit kontinuierlich gefordert.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

[PTL 1] JP 6075381 B2
[PTL 2] WO 2017/069265 A1

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Wärmetauschelement zu schaffen, das eine exzellente Wärmetauschleistungsfähigkeit besitzt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Wärmetauscher unter Verwendung des Wärmetauschelements und ein Herstellungsverfahrens des Wärmetauschelements zu schaffen.
Lösung des Problems
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetauschelement geschaffen, das Folgendes enthält: einen Wabenstrukturkörper, der Folgendes enthält: Trennwände, die von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche verlaufen, um Zellen, die Strömungskanäle für ein erstes Fluid bilden, zu definieren; und eine Außenumfangswand; und ein Abdeckelement, das konfiguriert ist, die Außenumfangswand des Wabenstrukturkörpers abzudecken. Die Trennwände und die Außenumfangswand enthalten eine Keramik als eine Hauptkomponente und die Außenumfangswandoberfläche besitzt eine Spitzenanzahl RPc gemäß JIS B 0601:2013, die zu 55 pks/cm oder mehr eingestellt ist.
In einer Ausführungsform besitzt das Abdeckelement eine Innenumfangsoberfläche mit einer Spitzenanzahl RPc, die zu 45 pks/cm oder mehr eingestellt ist.
In einer Ausführungsform besitzt die Außenumfangswandoberfläche eine maximale Profilhöhe Rt gemäß JIS B 0601:2013, die zu 75 µm oder weniger eingestellt ist.
In einer Ausführungsform sind die Trennwände und die Außenumfangswand aus einer Keramik hergestellt, die Siliziumkarbid als eine Hauptkomponente enthält.
In einer Ausführungsform sind die Zellen des Wabenstrukturkörpers ohne jeglichen Raum in der Außenumfangswand ausgelegt, wenn der Wabenstrukturkörper im Querschnitt senkrecht zu einer Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, betrachtet wird. In einer weiteren Ausführungsform besitzt der Wabenstrukturkörper einen hohlen Bereich in einem Zentrum des Querschnitts senkrecht zu der Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetauscher geschaffen. Der Wärmetauscher enthält Folgendes: das Wärmetauschelement und einen Außenzylinder, der auf einer Außenseite des Wärmetauschelements derart vorgesehen ist, dass er vom Wärmetauschelement beabstandet ist, und ein Strömungskanal für ein zweites Fluid ist zwischen dem Außenzylinder und dem Abdeckelement des Wärmetauschelements definiert.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren eines Wärmetauschelements geschaffen. Dieses Herstellungsverfahren enthält ein Schneiden der Außenumfangswandoberfläche bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 3,0 m/Sekunde oder mehr unter Verwendung eines Schleifsteins, der eine Korngröße von 90 oder feiner und einen Durchmesser von 20 mm oder mehr besitzt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Wärmetauschelement, das eine exzellente Wärmetauschleistungsfähigkeit besitzt, erhalten werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Schnittansicht eines Wärmetauschelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in einer Richtung parallel zu einer Richtung, in der Strömungskanäle für ein erstes Fluid verlaufen, genommen wurde.
2 ist eine schematische Schnittansicht des Wärmetauschelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, genommen wurde (eine schematische Schnittansicht, die entlang der Linie II-II von 1 genommen wurde).
3 ist eine schematische Schnittansicht eines Wärmetauschelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Strömungskanäle für ein erstes Fluid verlaufen, genommen wurde.
4 ist eine schematische Schnittansicht eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, genommen wurde.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
A. Wärmetauschelement
A-1. Gesamtkonfiguration des Wärmetauschelements
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Wärmetauschelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in einer Richtung parallel zu einer Richtung, in der Strömungskanäle für ein erstes Fluid verlaufen, genommen wurde. 2 ist eine schematische Schnittansicht des Wärmetauschelements von 1, die entlang der Linie II-II genommen wurde. Ein Wärmetauschelement 100 des veranschaulichten Beispiels enthält einen Wabenstrukturkörper 10 und ein Abdeckelement 20. Der Wabenstrukturkörper 10 enthält Trennwände 16 und eine Außenumfangswand 18. Die Trennwände 16 verlaufen von einer ersten Stirnfläche 12a zu einer zweiten Stirnfläche 12b, um Zellen 14 zu definieren, die Strömungskanäle für ein erstes Fluid bilden. Das Abdeckelement 20 deckt die Außenumfangswand 18 des Wabenstrukturkörpers 10 ab. Die Trennwände 16 und die Außenumfangswand 18 enthalten eine Keramik als eine Hauptkomponente.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Spitzenanzahl RPc einer Außenumfangswandoberfläche (einer Außenumfangsoberfläche der Außenumfangswand) 18a gemäß JIS B 0601:2013 zu 55 pks/cm oder mehr, bevorzugt 75 pks/cm oder mehr, stärker bevorzugt 80 pks/cm oder mehr und nochmals bevorzugt 90 pks/cm oder mehr eingestellt. Eine Obergrenze der Spitzenanzahl RPc kann z. B. 115 pks/cm sein. Wenn die Spitzenanzahl RPc der Außenumfangswandoberfläche derart eingestellt ist, dass sie in den oben erwähnten Bereich fällt, kann eine exzellente Wärmetauschleistungsfähigkeit erreicht werden. Es wird geschätzt, dass eine derartige Wirkung erreicht werden kann, wie folgt. Allerdings verwendet die folgende Beschreibung eine reine Schätzung als Grundlage und beschränkt Aktionen, Wirkungen und einen Mechanismus gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht. Die Spitzenanzahl RPc ist einer von Indizes einer Oberflächenrauheit und gibt die Anzahl von Spitzen in einem Bezugsbereich an. Wenn die Spitzenanzahl RPc zum vorgegebenen Wert oder mehr eingestellt wird, wie oben beschrieben ist, wird die Anzahl zuverlässiger Kontaktpunkte zwischen der Außenumfangswandoberfläche 18a des Wabenstrukturkörpers 10 und einer Innenumfangsoberfläche 20a des Abdeckelements 20 größer. Eine Zunahme der Anzahl von Kontaktpunkten verbessert eine Wärmeübertragung von der Außenumfangswand zum Abdeckelement. Somit kann das Wärmetauschelement mit verbesserter Wärmetauschleistungsfähigkeit erhalten werden. Ferner besitzen, wie später beschrieben wird, in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowohl eine maximale Profilhöhe Rt als auch ein arithmetischer Mittelwert der Rauheit Ra typischerweise Werte, die jeweils gleich oder kleiner als vorgegebene Werte sind. Speziell ist die Anzahl von Spitzenwerten an der Außenumfangswandoberfläche des Wabenstrukturkörpers groß. Allerdings enthalten die Spitzenwerte keinen prominent hohen Spitzenwert. Zusätzlich ist die Außenumfangswandoberfläche insgesamt nicht nennenswert rau. Als Ergebnis sind die Außenumfangswandoberfläche 18a des Wabenstrukturkörpers 10 und die Innenumfangsoberfläche 20a des Abdeckelements 20 durch Vermittlung einer großen Anzahl von Kontaktpunkten in zuverlässigem Kontakt miteinander. Zusätzlich erhöht sich auch eine Kontaktfläche insgesamt (speziell zwischen den gesamten Oberflächen). Somit wird gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Wärmeübertragung zwischen (der Außenumfangswandoberfläche von) dem Wabenstrukturkörper und (der Innenumfangsoberfläche von) dem Abdeckelement verbessert. Als Ergebnis kann das Wärmetauschelement, das eine exzellente Wärmetauschleistungsfähigkeit besitzt, erhalten werden.
Eine Spitzenanzahl RPc der Innenumfangsoberfläche 20a des Abdeckelements 20 wird bevorzugt zu 45 pks/cm oder mehr, stärker bevorzugt 80 pks/cm oder mehr und nochmals bevorzugt 120 pks/cm oder mehr eingestellt. Eine Obergrenze der Spitzenanzahl RPc kann z. B. 150 pks/cm sein. Wenn die Spitzenanzahl RPc der Innenumfangsoberfläche des Abdeckelements derart eingestellt ist, dass sie in den oben erwähnten Bereich fällt, kann durch die Kombination mit einer Wirkung, die durch Einstellen der Spitzenanzahl RPc der Außenumfangswandoberfläche im oben erwähnten Bereich erhalten wird, eine exzellente Wärmetauschleistungsfähigkeit erreicht werden.
Eine maximale Profilhöhe (eine Summe eines Höchstwerts einer Spitzenhöhe und eines Höchstwerts einer Taltiefe) Rt der Außenumfangswandoberfläche 18a gemäß JIS B 0601:2013 wird bevorzugt zu 75 µm oder weniger, stärker bevorzugt 55 µm oder weniger und stärker bevorzugt 45 µm oder weniger eingestellt. Eine Untergrenze der maximalen Profilhöhe Rt ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt und kann z. B. 10 µm sein. Wenn die maximale Profilhöhe Rt der Außenumfangswandoberfläche derart eingestellt ist, dass sie in den oben erwähnten Bereich fällt, kann durch die Kombination mit der Wirkung, die durch Einstellen der Spitzenanzahl RPc der Außenumfangswandoberfläche im oben erwähnten Bereich erhalten wird, eine exzellente Wärmetauschleistungsfähigkeit erreicht werden. Der Grund dafür wird eingeschätzt wie folgt. (Wie im Falle der Spitzenanzahl RPc beschränkt die folgende Schätzung allerdings die Aktionen, die Wirkungen und den Mechanismus gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht.) Wenn die maximale Profilhöhe übermäßig groß ist, kann die Anzahl von Kontaktpunkten aufgrund einer derartigen maximalen Höhe verringert werden, selbst wenn die Spitzenanzahl RPc (speziell die Anzahl von Spitzenwerten) zu dem vorgegebenen Wert oder mehr eingestellt ist. Somit kann, wenn die maximale Profilhöhe gleich oder kleiner als der vorgegebene Wert eingestellt ist, die Anzahl zuverlässiger Kontaktpunkte durch Einstellen der Spitzenanzahl RPc zum vorgegebenen Wert oder mehr sichergestellt werden. Ferner kann eine Berührung insgesamt zwischen der Außenumfangswandoberfläche des Wabenstrukturkörpers und der Innenumfangsoberfläche des Abdeckelements sichergestellt werden. Ferner kann der Wabenstrukturkörper, der die Außenumfangswandoberfläche sowohl mit der maximalen Profilhöhe Rt als auch der Spitzenanzahl RPc, die oben beschrieben sind, besitzt, durch ein Herstellungsverfahren, das in Abschnitt B später beschrieben wird, gebildet werden.
Der arithmetische Mittelwert der Rauheit Ra der Außenumfangswandoberfläche 18a gemäß JIS B 0601:2013 wird bevorzugt zu 9,5 µm oder weniger, stärker bevorzugt 7,5 µm oder weniger und nochmals bevorzugt 4,5 µm oder weniger eingestellt. Eine Untergrenze des arithmetischen Mittelwerts der Rauheit Ra ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt und kann z. B. 0,5 µm sein. Wenn der arithmetische Mittelwert der Rauheit Ra der Außenumfangswandoberfläche derart eingestellt ist, dass er in den oben erwähnten Bereich fällt, kann durch die Kombination mit den Wirkungen des Einstellens der Spitzenanzahl RPc und der maximalen Profilhöhe Rt der Außenumfangswandoberfläche in den oben erwähnten Umfängen eine exzellente Wärmetauschleistungsfähigkeit erreicht werden. Speziell kann, während die Anzahl zuverlässiger Kontaktpunkte zwischen den Spitzenwerten an der Außenumfangswandoberfläche des Wabenstrukturkörpers und der Innenumfangsoberfläche des Abdeckelements groß ist, auch eine Kontaktfläche insgesamt (speziell zwischen den gesamten Oberflächen) erhöht werden. Als Ergebnis kann die Wärmeübertragung zwischen (der Außenumfangswandoberfläche von) dem Wabenstrukturkörper und (der Innenumfangsoberfläche von) dem Abdeckelement verbessert werden.
Nun werden der Wabenstrukturkörper und das Abdeckelement des Wärmetauschelements beschrieben.
A-2. Wabenstrukturkörper
Wie in 1 und 2 veranschaulicht ist, enthält der Wabenstrukturkörper 10 die Trennwände 16 und die Außenumfangswand 18. Die Trennwände 16 verlaufen von der ersten Stirnfläche 12a zur zweiten Stirnfläche 12b, um die Zellen 14 zu definieren, die die Strömungskanäle für das erste Fluid bilden. Wenn das erste Fluid durch die Zellen 14 des Wabenstrukturkörpers 10 strömt und ein zweites Fluid außerhalb des Abdeckelements 20 (das später beschrieben wird) im Wärmetauschelement 100 strömt, wird Wärme zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid durch Vermittlung der Außenumfangswand 18 des Wabenstrukturkörpers 10 und des Abdeckelements 20 getauscht. In 1 wird dem ersten Fluid ermöglicht, in einer beliebigen einer Rechtsrichtung und einer Linksrichtung im Zeichnungsblatt von 1 zu strömen. Als das erste Fluid ist eine beliebige geeignete Flüssigkeit oder ein beliebiges geeignetes Gas, das für einen Verwendungszweck geeignet ist, gegeben. Zum Beispiel ist dann, wenn das Wärmetauschelement 100 für einen Wärmetauscher verwendet wird, der in einem Personenkraftwagen montiert werden soll, das erste Fluid bevorzugt ein Abgas.
Eine beliebige geeignete Form kann als eine Schnittform des Wabenstrukturkörpers 10, die in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, genommen wird, verwendet werden, solange das erste Fluid durch die Zellen 14 von der ersten Stirnfläche 12a zur zweiten Stirnfläche 12b strömt. Konkrete Beispiele der Schnittform enthalten eine Kreisform, eine Ellipsenform, eine Rechteckform und weitere Polygonformen. In einer Ausführungsform kann der Wabenstrukturkörper 10 eine Säulenform und eine kreisförmige Schnittform aufweisen.
Jede der Zellen 14 besitzt eine beliebige geeignete Schnittform, die in der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, genommen wird. Im veranschaulichten Beispiel sind erste Trennwände 16a und zweite Trennwände 16b senkrecht zueinander, um Zellen 14 zu definieren, die mit Ausnahme von Teilen, die mit der Außenumfangswand 18 in Kontakt sind, jeweils eine rechteckige (quadratische) Schnittform besitzen. Die Schnittform jeder der Zellen 14 muss nicht nur quadratisch sein, sondern kann auch dreieckig, fünfeckig oder polygonal mit sechs oder mehr Seiten sein. In einer weiteren Ausführungsform (die nicht gezeigt ist), können die Zellen durch erste Trennwände, die in einer radialen Richtung von einem Zentrum eines Querschnitts senkrecht zu der Richtung verlaufen, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, und zweite Trennwände, die in der Umfangsrichtung verlaufen, definiert werden. Alle Zellen (mit Ausnahme von Teilen, die mit der Außenumfangswand in Kontakt sind) können dieselbe Schnittform und Größe aufweisen oder es können mindestens einige Zelle eine verschiedene Schnittform und Größe aufweisen.
Eine Dicke jeder der Trennwände 16 kann in Übereinstimmung mit einem Verwendungszweck geeignet eingestellt werden. Die Dicke jeder der Trennwände 16 kann derart eingestellt werden, dass sie z. B. in den Bereich von 0,1 mm bis 1,0 mm oder z. B. in den Bereich von 0,2 mm bis 0,6 mm fällt. Wenn die Dicke jeder der Trennwände derart eingestellt ist, dass sie in den oben erwähnten Bereich fällt, kann der Wabenstrukturkörper erhalten werden, der eine ausreichende mechanische Festigkeit besitzt. Zusätzlich kann eine ausreichende Öffnungsfläche (eine Gesamtfläche der Zellen im Querschnitt) erhalten werden.
Eine Dichte der Trennwände 16 kann in Übereinstimmung mit einem Verwendungszweck geeignet eingestellt werden. Die Dichte der Trennwände 16 kann derart eingestellt werden, dass sie z. B. in einen Bereich von 0,5 g/cm³ bis 5,0 g/cm³ fällt. Wenn die Dichte der Trennwände derart eingestellt ist, dass sie in den oben erwähnten Bereich fällt, kann das Gewicht des Wabenstrukturkörpers und wiederum des Wärmetauschelements verringert werden. Zusätzlich können eine ausreichende mechanische Festigkeit und eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit erhalten werden. Die Dichte kann z. B. durch das Archimedes-Verfahren gemessen werden.
In einer Ausführungsform wird eine Dicke der Außenumfangswand 18 größer als die Dicke jeder der Trennwände 16 eingestellt. Eine derartige Konfiguration kann verhindern, dass die Außenumfangswand durch eine äußere Kraft, z. B. eine Auswirkung, die von außerhalb aufgebracht wird, oder eine thermische Belastung, die durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid verursacht wird, beschädigt wird (z. B. reißt oder bricht). Wenn das Wärmetauschelement für üblichen Wärmetausch verwendet wird, wird die Dicke der Außenumfangswand 18 derart eingestellt, dass sie z. B. in einen Bereich von 0,3 mm bis 10 mm fällt. Ferner kann die Dicke derart eingestellt werden, dass sie z. B. in einen Bereich von 0,5 mm bis 5 mm fällt. Wenn das Wärmetauschelement für Wärmespeicher verwendet wird, kann eine Wärmekapazität durch Einstellen der Dicke der Außenumfangswand z. B. zu 10 mm oder mehr erhöht werden.
Wie oben beschrieben ist, enthalten die Trennwände 16 und die Außenumfangswand 18 eine Keramik als eine Hauptkomponente. In dieser Spezifikation bedeutet die Wortverbindung „Enthalten eine Keramik als eine Hauptkomponente“, dass ein Verhältnis einer Masse einer Keramik zu einer Gesamtmasse der Trennwände 16 und der Außenumfangswand 18 50 Massen-% oder mehr ist.
Eine Porosität der Trennwände 16 und der Außenumfangswand 18 wird bevorzugt zu 10 % oder weniger, stärker bevorzugt 5 % oder weniger und nochmals bevorzugt 3 % oder weniger eingestellt. Die Porosität kann z. B. zu 0 % eingestellt werden. Wenn die Porosität der Trennwände und der Außenumfangswand derart eingestellt ist, dass sie in den oben erwähnten Bereich fällt, kann die Wärmeleitfähigkeit des Wabenstrukturkörpers verbessert werden.
Bevorzugt sind die Trennwände 16 und die Außenumfangswand 18 aus einer Keramik hergestellt, die Siliziumkarbid als eine Hauptkomponente enthält. Die Trennwände 16 und die Außenumfangswand 18 können Siliziumkarbid z. B. in einem Prozentsatz gleich oder größer als 50 Massen-% zu einer Gesamtmasse enthalten.
Konkrete Beispiele von Siliziumkarbid enthalten SiC, Si-imprägniertes SiC, (Si + AI)-imprägniertes SiC, Metallverbund-SiC, rekristallisiertes SiC und Si₃N₄. Von diesen sind Si-imprägniertes SiC und (Si + AI)-imprägniertes SiC bevorzugt. Diese Siliziumkarbide werden verwendet, weil diese Siliziumkarbide kostengünstig und stark wärmeleitend sind. In dieser Spezifikation soll z. B. der Ausdruck „SiC“ nicht nur reines SiC enthalten, sondern auch SiC, das eine unvermeidbare Verunreinigung enthält.
Eine Zellendichte (speziell die Anzahl von Zellen 14 pro Flächeneinheit) im Querschnitt von 2 kann in Übereinstimmung mit einem Verwendungszweck geeignet eingestellt werden. Die Zellendichte kann derart eingestellt werden, dass sie z. B. in einen Bereich von 4 Zellen/cm² bis 320 Zellen/cm² fällt. Wenn die Zellendichte derart eingestellt ist, dass sie in den oben erwähnten Bereich fällt, können eine ausreichende Festigkeit und ein ausreichender wirksamer geometrischer Oberflächenbereich (GSA) des Wabenstrukturkörpers sichergestellt werden. Gleichzeitig kann ein Druckverlust, der erzeugt werden kann, wenn das erste Fluid strömt, beseitigt oder verringert werden.
Wie in 2 veranschaulicht ist, können die Zellen 14 des Wabenstrukturkörpers 10 ohne jeglichen Raum in der Außenumfangswand 18 angeordnet sein, wenn der Wabenstrukturkörper 10 im Querschnitt senkrecht zu der Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, betrachtet wird. Wie in 3 veranschaulicht ist, kann der Wabenstrukturkörper 10 einen hohlen Bereich 19 in einem Zentrum des Querschnitts aufweisen. Wenn der Wabenstrukturkörper den hohlen Bereich aufweist, kann der hohle Bereich als eine Umgehung für das erste Fluid wirken. Eine derartige Konfiguration kann das Wärmetauschelement und wiederum den Wärmetauscher verwirklichen, die sowohl eine hohe Wärmerückgewinnungsleistungsfähigkeit als auch eine hohe Wärmeabschirmleistungsfähigkeit aufweisen. Wenn der Wabenstrukturkörper den hohlen Bereich besitzt, enthält der Wabenstrukturkörper die Außenumfangswand 18, eine Innenumfangswand 17 und die Trennwände 16. Die Trennwände 16 sind zwischen der Außenumfangswand 18 und der Innenumfangswand 17 angeordnet und verlaufen von der ersten Stirnfläche 12a zur zweiten Stirnfläche 12b, um mehrere Zellen 14, die als die Strömungskanäle für das erste Fluid dienen, zu definieren. Wenn der Wabenstrukturkörper den hohlen Bereich besitzt, kann der hohle Bereich eine beliebige geeignete Form aufweisen. Konkrete Beispiele davon enthalten eine Kreisform, eine Ellipsenform, eine Rechteckform und weitere Polygonformen. Die Form des hohlen Bereichs kann gleich der Form des Wabenstrukturkörpers oder von ihr verschieden sein. Bevorzugt ist die Form des Wabenstrukturkörpers gleich der des Wabenstrukturkörpers, wie in 3 veranschaulicht ist. Eine derartige Konfiguration stellt eine hohe Haltbarkeit z. B. gegen eine Auswirkung, die von außerhalb aufgebracht wird, und eine thermische Belastung, die durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid verursacht wird, bereit. Ferner wird ein Durchmesser der Innenumfangswand in ihrem Querschnitt senkrecht zu der Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, bevorzugt derart eingestellt, dass er in einen Bereich von 1 mm bis 100 mm und stärker bevorzugt einen Bereich von 2 mm bis 70 mm fällt. Wenn eine Schnittform der Innenumfangswand nicht kreisförmig ist, wird ein Durchmesser eines maximalen Inkreises in der Schnittform der Innenumfangswand als der Durchmesser der Innenumfangswand betrachtet und verwendet. Eine Konfiguration der Innenumfangswand ist dieselbe wie die der Außenumfangswand und der Trennwände, die oben beschrieben sind. Eine Dicke der Innenumfangswand kann gleich der Dicke der Außenumfangswand sein.
Die isostatische Festigkeit des Wabenstrukturkörpers ist bevorzugt zu 5 MPa oder mehr, stärker bevorzugt 10 MPa oder mehr und nochmals bevorzugt 100 MPa oder mehr eingestellt. Eine derartige Konfiguration ermöglicht, dass der Wabenstrukturkörper eine exzellente Haltbarkeit aufweist. Die isostatische Festigkeit kann in Übereinstimmung mit den JASO-Normen M505-87 gemessen werden, die Automobilnormen sind, die durch die Gesellschaft japanischer Automobilingenieure, Inc., ausgegeben werden.
Ein Durchmesser des Wabenstrukturkörpers im Querschnitt von 2 kann in Übereinstimmung mit einem Verwendungszweck geeignet eingestellt werden. Der Durchmesser des Wabenstrukturkörpers kann derart eingestellt werden, dass er z. B. in einen Bereich von 20 mm bis 200 mm oder einen Bereich von 30 mm bis 100 mm fällt. Wenn der Durchmesser des Wabenstrukturkörpers derart eingestellt ist, dass er in den oben erwähnten Bereich fällt, kann die Wärmerückgewinnungseffizienz verbessert werden. Wenn die Schnittform des Wabenstrukturkörpers nicht kreisförmig ist, kann ein Durchmesser eines maximalen Inkreises in einer Schnittform (z. B. einer Polygonform) des Wabenstrukturkörpers als der Durchmesser des Wabenstrukturkörpers betrachtet und verwendet werden.
Eine Länge des Wabenstrukturkörpers kann in Übereinstimmung mit einem Verwendungszweck geeignet eingestellt werden. Die Länge des Wabenstrukturkörpers kann derart eingestellt werden, dass sie in einen Bereich z. B. von 3 mm bis 200 mm, einen Bereich von 5 mm bis 100 mm oder einen Bereich von 10 mm bis 50 mm fällt.
Eine Wärmeleitfähigkeit des Wabenstrukturkörpers bei 25 °C ist bevorzugt zu 50 W/(m·K) oder mehr, stärker bevorzugt in einem Bereich von 100 W/(m·K) bis 300 W/(m·K) und nochmals bevorzugt in einem Bereich von 120 W/(m·K) bis 300 W/(m·K) eingestellt. Wenn der Wabenstrukturkörper eine Wärmeleitfähigkeit besitzt, die derart eingestellt ist, dass sie in den oben erwähnten Bereich fällt, wird eine Wärmeleiteigenschaft verbessert. Als Ergebnis kann Wärme im Wabenstrukturkörper (im Wesentlichen Wärme des ersten Fluids) effizient nach außen (z. B. zum zweiten Fluid) übertragen werden. Die Wärmeleitfähigkeit kann gemäß JIS R 1611-1997 (Laserblitzverfahren) gemessen werden.
Wenn verursacht wird, dass ein Abgas als das erste Fluid durch die Zellen 14 strömt, können die Trennwände 16 einen Katalysator tragen. Wenn die Trennwände 16 einen Katalysator tragen, können CO, NO_x, Kohlenwasserstoff oder weitere Verbindungen im Abgas durch eine katalytische Reaktion in eine unschädliche Substanz verwandelt werden. Gleichzeitig kann Reaktionswärme, die erzeugt wird, wenn eine katalytische Reaktion auftritt, zum Wärmetausch verwendet werden. Der Katalysator kann z. B. Edelmetalle (z. B. Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium, Indium, Silber und Gold), Aluminium, Nickel, Zirkon, Titan, Cer, Kobalt, Mangan, Zink, Kupfer, Zinn, Eisen, Niob, Magnesium, Lanthan, Samarium, Wismut, Barium und Kombinationen davon enthalten. Diese Elemente können jeweils als ein elementares Metall, ein Metalloxid oder weitere Metallverbindungen enthalten sein.
A-3. Abdeckelement
Eine beliebige geeignete Komponente kann als das Abdeckelement 20 verwendet werden, solange die Komponente die Außenumfangswand 18 des Wabenstrukturkörpers 10 abdecken kann. Als das Abdeckelement 20 kann z. B. ein rohrförmiges Element verwendet werden. Das rohrförmige Element ist auf die Außenumfangswand 18 des Wabenstrukturkörpers 10 aufgesetzt, um die Außenumfangswand 18 des Wabenstrukturkörpers 10 in der Umfangsrichtung abzudecken. In dieser Spezifikation bezieht sich der Begriff „Aufsetzen“ beim Befestigen zwischen dem Wabenstrukturkörper und dem Abdeckelement nicht nur auf einen festen Zustand, der durch Befestigen wie z. B. Spielpassung, Presspassung oder Schrumpfpassung erreicht wird, sondern auch einen festen Zustand, der z. B. durch Hartlöten, Schweißen oder Diffusionsschweißen erreicht wird.
Das Abdeckelement 20 kann eine Innenoberflächenform aufweisen, die einer Form der Außenumfangswand 18 des Wabenstrukturkörpers 10 entspricht. Wenn die Innenumfangsoberfläche des Abdeckelements 20 in direkten Kontakt mit der Außenumfangswand 18 des Wabenstrukturkörpers 10 gebracht wird und die Spitzenanzahl RPc der Außenumfangswandoberfläche des Wabenstrukturkörpers und/oder die Spitzenanzahl RPc der Innenumfangsoberfläche des Abdeckelements derart eingestellt werden, dass sie in den Bereich fallen, der oben in Abschnitt A-1 beschrieben ist, wird eine extrem hohe Wärmeübertragungseigenschaft erhalten. Daher kann Wärme im Wabenstrukturkörper (im Wesentlichen Wärme des ersten Fluids) extrem effizient zum Abdeckelement übertragen werden.
Ein höheres Verhältnis einer Fläche eines Teils der Außenumfangswand 18 des Wabenstrukturkörpers 20, der mit dem Abdeckelement 20 in der Umfangsrichtung abgedeckt ist, zu einer Gesamtfläche der Außenumfangswand 18 des Wabenstrukturkörpers 10 ist stärker bevorzugt. Eine derartige Konfiguration kann die Wärmerückgewinnungseffizienz erhöhen. Das Verhältnis der Flächen ist bevorzugt zu 80 % oder mehr, stärker bevorzugt 90 % oder mehr und nochmals bevorzugt 100 % eingestellt. Speziell ist die gesamte Außenumfangswand 18 des Wabenstrukturkörpers 10 mit dem Abdeckelement 20 in der Umfangsrichtung abgedeckt. Die Wortverbindung „Fläche der Außenumfangswand 18“ bezieht sich auf eine Fläche parallel zu der Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, und enthält nicht Flächen der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche.
Das Abdeckelement 20 ist bevorzugt aus einem Metall hergestellt. Eine derartige Konfiguration stellt einen exzellenten Herstellungswirkungsgrad bereit. Zusätzlich ist dann, wenn der Wärmetauscher, der später beschrieben wird, hergestellt wird, ein Montieren (z. B. ein Schweißen) an einen Außenzylinder (ein Gehäuse) einfach. Als ein Material zum Bilden des Abdeckelements sind z. B. Edelstahl, eine Titanlegierung, eine Kupferlegierung, eine Aluminiumlegierung und Messing gegeben. Von diesen ist Edelstahl bevorzugt, weil er eine hohe Dauerzuverlässigkeit besitzt und kostengünstig ist.
Eine Dicke des Abdeckelements 20 kann derart eingestellt werden, dass sie z. B. in einen Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, einen Bereich von 0,3 mm bis 5 mm oder einen Bereich von 0,5 mm bis 3 mm fällt. Wenn die Dicke des Abdeckelements derart eingestellt ist, dass sie in den oben erwähnten Bereich fällt, kann ein exzellentes Gleichgewicht zwischen Dauerzuverlässigkeit und der Wärmeleiteigenschaft erreicht werden.
Eine Länge des Abdeckelements 20 kann z. B. in Übereinstimmung mit einem Verwendungszweck oder der Länge des Wabenstrukturkörpers 10 geeignet eingestellt werden. Die Länge des Abdeckelements kann derart eingestellt werden, dass sie z. B. in einen Bereich von 5 mm bis 250 mm, einen Bereich von 10 mm bis 150 mm oder einen Bereich von 20 mm bis 100 mm fällt. Bevorzugt wird die Länge des Abdeckelements 20 größer als die Länge des Wabenstrukturkörpers 10 eingestellt. In diesem Fall kann der Wabenstrukturkörper in einem Zentrum des Abdeckelements angeordnet sein, speziell, um nicht aus dem Abdeckelement freigelegt zu sein.
B. Verfahren zum Herstellen des Wärmetauschelements Ein Herstellungsverfahren eines Wärmetauschelements gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Schneiden der Außenumfangswandoberfläche des Wabenstrukturkörpers (im Wesentlichen einer Vorstufe davon) bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 6,0 m/Sekunde oder mehr unter Verwendung eines Schleifsteins, der eine Korngröße von 100 oder feiner und einen Durchmesser von 20 mm oder mehr besitzt. Das Herstellungsverfahren, das oben beschrieben ist, ermöglicht, dass der Wabenstrukturkörper 10 die Außenumfangswandoberfläche 18a aufweist, die die Spitzenanzahl RPc besitzt, die in Abschnitt A-1 oben beschrieben ist. Die Innenumfangsoberfläche des Abdeckelements kann nach Bedarf zusätzlich geschnitten werden. Als Ergebnis des zusätzlichen Schneidens kann die Innenumfangsoberfläche 20a gebildet werden, die die Spitzenanzahl RPc besitzt, die in Abschnitt A-1 oben beschrieben ist.
Die Spitzenanzahl RPc kann durch geeignetes Ändern einer Kombination der Korngröße, des Durchmessers und der Umfangsgeschwindigkeit des Schleifsteins angepasst werden. Zum Beispiel kann, wenn der Schleifstein einen kleinen Durchmesser und eine grobe Korngröße besitzt, die Außenumfangswandoberfläche 18a, die eine gewünschte Spitzenanzahl RPc besitzt, durch Erhöhen der Drehzahl gebildet werden. Ferner kann z. B. dann, wenn der Schleifstein, der einen großen Durchmesser besitzt, verwendet wird, die Außenumfangswandoberfläche 18a, die eine gewünschte Spitzenanzahl RPc besitzt, mit einer feineren Korngröße und einer kleineren Drehzahl gebildet werden.
Insbesondere wird dann, wenn der Schleifstein eine Korngröße, die z. B. in einen Bereich von 90 bis 140 fällt, und einen Durchmesser, der z. B. in einen Bereich von 20 mm bis 100 mm, bevorzugt in einen Bereich von 20 mm bis 60 mm fällt, besitzt, die Drehzahl des Schleifsteins bevorzugt zu 3.000 1/min oder mehr eingestellt und stärker bevorzugt derart eingestellt, dass sie in einen Bereich von 4.000 1/min bis 7.000 1/min fällt. In diesem Fall fällt die Umfangsgeschwindigkeit des Schleifsteins z. B. in einen Bereich von 3 m/Sekunde bis 15 m/Sekunde. Wenn der Schleifstein eine Korngröße z. B. von 100 oder feiner, bevorzugt 120 oder feiner, und einen Durchmesser von 150 mm oder mehr, der bevorzugt in einen Bereich von 200 mm bis 400 mm fällt, besitzt, wird die Drehzahl des Schleifsteins bevorzugt zu 3.000 1/min oder weniger, bevorzugt derart, dass sie in einen Bereich von 1,200 1/min bis 2.000 1/min fällt, eingestellt. In diesem Fall fällt die Umfangsgeschwindigkeit des Schleifsteins z. B. in einen Bereich von 20 m/Sekunde bis 35 m/Sekunde. In jedem dieser Fälle fällt eine Schneidtiefe des Schleifsteins z. B. in einen Bereich von 0,1 mm bis 0,4 mm.
Bevorzugt wird das Schneiden mit einem Schleifstein ausgeführt, während ein Werkstück (im Wesentlichen eine Vorstufe des Wabenstrukturkörpers), das ein zu schneidendes Ziel ist, gedreht wird. Die Drehzahl des Werkstücks wird derart eingestellt, dass sie z. B. in einen Bereich von 100 1/min bis 500 1/min und bevorzugt in einen Bereich von 150 1/min bis 300 1/min fällt.
Der Wabenstrukturkörper kann durch das folgende Verfahren gebildet werden. Zunächst wird Ton, der ein Keramikpulver enthält, durch Extrusionsformen in eine gewünschte Form gebracht, um dadurch einen Wabenformkörper zu bilden. Als ein Bildungsmaterial des Wabenformkörpers kann die Keramik, die in Abschnitt A-2 oben beschrieben ist, verwendet werden. Zum Beispiel werden, wenn ein Wabenstrukturkörper, der aus einem Siimprägnierten SiC Verbundwerkstoff als eine Hauptkomponente hergestellt ist, gebildet werden soll, ein Bindemittel und Wasser oder ein organisches Lösungsmittel zu einer vorgegebenen Menge von SiC-Pulver hinzugefügt. Das resultierende Gemisch wird in Ton geknetet. Der Ton wird in einen Wabenformkörper gebildet, der eine gewünschte Form besitzt. Anschließend wir der somit erhaltene Wabenformkörper getrocknet und verarbeitet, derart, dass er eine vorgegebene Außenabmessung aufweist, um dadurch einen Wabentrockenkörper zu erhalten. Der Wabentrockenkörper wird dann mit einem Metall-Si imprägniert und in einem Inertgas bei einem verringerten Druck oder in Vakuum gebrannt. Als Ergebnis wird ein Wabenstrukturkörper erhalten. Das Schneiden mit einem Schleifstein kann vor oder nach dem Brennen (der Trocknungs- und Abmessungsverarbeitung) durchgeführt werden.
C. Wärmetauscher
4 ist eine schematische Schnittansicht eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, genommen wurde. Ein Wärmetauscher 200 des veranschaulichten Beispiels enthält das Wärmetauschelement 100, das in 1 und 2 veranschaulicht ist, und einen Außenzylinder (ein Gehäuse) 120. Der Außenzylinder 120 ist auf einer Außenseite des Wärmetauschelements 100 derart angeordnet, dass er davon beabstandet ist. Ein Strömungskanal 140 für das zweite Fluid ist zwischen dem Außenzylinder (dem Gehäuse) 120 und dem Abdeckelement 20 des Wärmetauschelements 100 definiert. Im veranschaulichten Beispiel wird das Wärmetauschelement 100, das in 1 und 2 veranschaulicht ist, verwendet. Allerdings kann ein beliebiges geeignetes Wärmetauschelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den Abschnitten A und B beschrieben wurde, als das Wärmetauschelement verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Wärmetauschelement 102, das in 3 veranschaulicht ist, verwendet werden.
Der Außenzylinder 120 besitzt einen zylindrischen Abschnitt 121. Typischerweise deckt der zylindrische Abschnitt 121 das Abdeckelement 20 in der Umfangsrichtung ab und deckt bevorzugt das gesamte Wärmetauschelement 100 in der Umfangsrichtung ab. Der Außenzylinder 120 besitzt einen Einlass 122 für das zweite Fluid, eine Einlassleitung 123, einen Auslass 124 für das zweite Fluid und eine Auslassleitung 125. Die Einlassleitung 123 koppelt den Einlass 122 und den zylindrischen Abschnitt 121 aneinander. Die Auslassleitung 125 koppelt den Auslass 124 und den zylindrischen Abschnitt 121 aneinander. Das zweite Fluid strömt in den Einlass 122, durchläuft die Einlassleitung 123 und strömt in den Strömungskanal 140. Als nächstes tauscht das zweite Fluid Wärme mit dem ersten Fluid, das durch die Zellen 14 des Wärmetauschelements 100 strömt, während es durch den Strömungskanal 140 strömt, durchläuft die Auslassleitung 125 und strömt aus dem Auslass 124. Als das zweite Fluid kann ein beliebiges geeignetes Fluid, das für einen Verwendungszweck geeignet ist, verwendet werden. Zum Beispiel ist dann, wenn der Wärmetauscher ausgelegt ist, in einem Personenkraftwagen montiert zu sein, das zweite Fluid bevorzugt Wasser oder eine Frostschutzflüssigkeit (ein Kühlmittel mit langer Lebensdauer (LLC), das in JIS K 2234:2006 definiert ist). Eine Temperatur des zweiten Fluids wird bevorzugt kleiner als eine Temperatur des ersten Fluids eingestellt. Die Temperaturen werden aus dem folgenden Grund derart eingestellt, wie oben beschrieben ist. Mit den Temperaturen, die oben beschrieben sind, besitzt das Abdeckelement 20 des Wärmetauschelements 100 eine niedrige Temperatur und dehnt sich nicht aus und besitzt der Wabenstrukturkörper 10 eine hohe Temperatur und dehnt sich somit aus. Als Ergebnis sind das Abdeckelement 20 und das Wärmetauschelement 100 fest aneinander angebracht.
Bevorzugt ist die Außenumfangsoberfläche des Abdeckelements 20 an beiden Enden in der Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, in engem Kontakt mit einer Innenoberfläche des Außenzylinders 120 in der Umfangsrichtung. Eine derartige Konfiguration kann verhindern, dass das zweite Fluid nach außen austritt. Der enge Kontakt kann durch beliebige geeignete Mittel erreicht werden. Konkrete Beispiele davon enthalten Schweißen, Diffusionsschweißen, Hartlöten und mechanisches Befestigen. Schweißen ist bevorzugt, weil es eine hohe Dauerzuverlässigkeit bereitstellt und eine Verbesserung der Strukturfestigkeit erreicht.
Der Außenzylinder 120 ist bevorzugt aus einem Metall hergestellt. Eine derartige Konfiguration kann sowohl einen exzellenten Herstellungswirkungsgrad als auch eine exzellente Wärmeleiteigenschaft bereitstellen. Beispiele des Materials des Außenzylinders enthalten z. B. Edelstahl, eine Titanlegierung, eine Kupferlegierung, eine Aluminiumlegierung und Messing. Unter diesen ist Edelstahl aufgrund seiner hohen Dauerzuverlässigkeit und Billigkeit bevorzugt.
Eine Dicke des Außenzylinders 120 wird derart eingestellt, dass sie z. B. in einen Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, in einen Bereich von 0,5 mm bis 5 mm oder in einen Bereich von 1 mm bis 3 mm fällt. Wenn die Dicke des Außenzylinders derart eingestellt ist, dass sie in den oben erwähnten Bereich fällt, wird der Außenzylinder erhalten, der eine exzellente Dauerzuverlässigkeit, niedrige Kosten und ein exzellentes Gleichgewicht zwischen einem Volumen und einem Gewicht besitzt.
Der Außenzylinder 120 kann eine einteilig geformtes Bauteil oder ein verbundenes Bauteil, das durch Verbinden von zwei oder mehr Bauteilen erhalten wird, sein. Wenn der Außenzylinder 120 ein verbundenes Bauteil ist, kann ein Freiheitsgrad im Entwurf des Außenzylinders erhöht werden.
Beispiele
Nun wird die vorliegende Erfindung in Form von Beispielen konkret beschrieben. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht durch diese Beispiele beschränkt. Bewertungselemente in Beispielen gestalten sich, wie unten beschrieben ist.
(1) RPc, Ra und Rt
Die Parameter RPc, Rt und Ra jeder von Außenumfangswandoberflächen von Wabenstrukturkörpern, die für Beispiele und Vergleichsbeispiele gebildet wurden, wurden unter Verwendung einer Oberflächenrauheitsmessmaschine (Produktname „Form Talysurf S5K“, das durch Taylor Hobson Ltd. hergestellt wird) gemessen. Die Messungen wurden mit n = 2 durchgeführt und Durchschnittswerte wurden als die Parameter RPc, Ra bzw. Rt erhalten.
(2) Wärmetauschprüfungen
Wärmetauschprüfungen wurden an Wärmetauschern, die als Beispiele und Vergleichsbeispiele erhalten wurden, durch das folgende Verfahren durchgeführt. Es wurde verursacht, dass Luft (ein erstes Fluid) bei 400 °C (= Tg1) bei einer Durchflussmenge von 10 g/Sekunde (Mg) durch den Wabenstrukturkörper strömt. Währenddessen wurde Kühlwasser (ein zweites Fluid) bei 40 °C (= Tg2) aus einem Einlass bei einer Durchflussmenge von 10 L/Minute (Mw) zugeführt, und wurde das Kühlwasser, das einem Wärmetausch unterworfen wurde, aus einem Auslass zurückgewonnen. Unmittelbar nach einem fünfminütigen Durchgang der Luft und des Kühlwassers durch den Wärmetauscher wurden eine Temperatur (Tw1) des Kühlwassers beim Einlass des Wärmetauschers und eine Temperatur (Tw2) des Kühlwassers beim Auslass des Wärmetauschers gemessen, um einen Wärmerückgewinnungsmenge Q zu erhalten. Die Messungen wurden mit n = 2 durchgeführt und ein Durchschnittswert wurde als eine Wärmerückgewinnungseffizienz erhalten.
Hier wird die Wärmemenge Q, die durch das Kühlwasser zurückgewonnen wurde, durch die folgende Formel dargestellt. $Q (kW) = Δ Tw (K) \times Cpw (J/ (kg \cdot K)) \times Pw ({kg/m}^{3}) \times Mw (L/min) / (60 \times 10^{6})$
In der Formel wurden ΔTw, Cpw (die spezifische Wärme von Wasser) und Pw (die Dichte von Wasser) zu Tw2 - Tw1, 4,182 J/(kg·K) bzw. 997 kg/m³ eingestellt.
Zusätzlich wird die Wärmerückgewinnungseffizienz η durch den Wärmetauscher durch die folgende Formel repräsentiert. $η (%) = Q/ {(Tg 1 - Tw 1) \times Cpg \times Mg} \times 100$
In der Formel wurde Cpg (die spezifische Wärme von Luft) zu 1,050 J/(kg·K) eingestellt.
<Beispiel 1>
1. Bildung des Wabenstrukturkörpers
Nachdem Ton, der ein SiC-Pulver enthält, in eine Form mit einem Querschnitt, der in 3 veranschaulicht ist, als eine endgültige Form extrudiert wurde, wurde der somit gebildete Ton getrocknet und verarbeitet, um eine vorgegebene Außenabmessung aufzuweisen. Auf diese Weise wurde ein Wabentrockenkörper erhalten. Eine Außenumfangswandoberfläche des erhaltenen Wabentrockenkörpers wurde unter Verwendung eines Bearbeitungszentrums geschnitten. Ein Schleifstein des Bearbeitungszentrums besaß eine Korngröße von 90 und einen Durchmesser von 20 mm, wurde bei der Drehzahl von 3.000 1/min und einer Umfangsgeschwindigkeit von 3,1 m/Sekunde gedreht und wies eine Schneidtiefe von 0,2 mm auf. Der Wabenformkörper, der durch Schneiden der Außenumfangswandoberfläche erhalten wurde, wurde mit Si imprägniert und gebrannt, um dadurch einen Wabenstrukturkörper zu bilden, der eine Säulenform besitzt. Eine Außenumfangswandoberfläche des somit erhaltenen Wabenstrukturkörpers besaß eine Spitzenanzahl RPc von 55,4 pks/cm, einen arithmetischen Mittelwert der Rauheit Ra von 9,12 µm und eine maximale Profilhöhe Rt von 73,5 µm. Der Wabenstrukturkörper besaß eine Außenumfangswand mit einem Durchmesser von 75 mm, eine Innenumfangswand mit einem Durchmesser von 57 mm und eine Länge von 33 mm in einer Richtung, in der Zellen verlaufen. Der Wabenstrukturkörper besaß eine sogenannte torusartige Form mit einem hohlen Bereich in einem Zentrum in seinem Querschnitt senkrecht zu einer axialen Richtung (der Richtung, in der die Zellen des Wabenstrukturkörpers verlaufen), wie in 3 veranschaulicht ist. Eine Form der Zelle im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (der Richtung, in der die Zellen verlaufen) des Wabenstrukturkörpers war rechteckig. Der Wabenstrukturkörper besaß eine Zellendichte von 57 Zellen/cm², Trennwände jeweils mit einer Dicke von 0,3 mm und die Außenumfangswand und die Innenumfangswand jeweils mit einer Dicke von 1,5 mm.
2. Bildung des Wärmetauschelements
Ein rohrförmiges Element, das aus Edelstahl hergestellt ist, wurde als ein Abdeckelement verwendet. Der Wabenstrukturkörper, der wie oben beschrieben erhalten wurde, wurde in das rohrförmige Element, das erhitzt und erweitert wurde, derart eingesetzt, dass der ein Zentrum des rohrförmigen Elements erreichte. Danach wurde das rohrförmige Element gekühlt, derart, dass es schrumpfte. Auf diese Weise wurde die Innenumfangsoberfläche des Abdeckelements zum Befestigen des Wabenstrukturkörpers im Abdeckelement durch Schrumpfpassung auf die Außenumfangsoberfläche des Wabenstrukturkörpers aufgesetzt. Als Ergebnis wurde ein Wärmetauschelement gebildet. Die Innenumfangsoberfläche des Abdeckelements besaß eine Spitzenanzahl RPc von 130 pks/cm.
3. Bildung des Wärmetauschers
Ein Gehäuse (ein Außenzylinder), das aus Edelstahl mit einer zylindrischen Form, die in 4 veranschaulicht ist, hergestellt wurde, wurde durch Druckgießen gebildet. Das Gehäuse besaß einen zylindrischen Abschnitt, einen Einlass, eine Einlassleitung, die den Einlass und den zylindrischen Abschnitt aneinanderkoppelt, einen Auslass und eine Auslassleitung, die den Auslass und den zylindrischen Abschnitt aneinanderkoppelt. Das Wärmetauschelement, das wie oben beschrieben erhalten wurde, wurde in den Außenzylinder eingesetzt und wurde im Außenzylinder durch Schweißen befestigt, derart, dass das gesamte Wärmetauschelement mit dem Außenzylinder in der Umfangsrichtung abgedeckt war. Eine Außenumfangsseitenoberfläche des Wabenstrukturkörpers an beiden Enden in der axialen Richtung (der Richtung, in der die Zellen verlaufen) wurde durch Schweißen in der Umfangsrichtung in engen Kontakt mit einer Innenoberfläche des Außenzylinders gebracht. Als Ergebnis wurde ein Wärmetauscher gebildet. Der somit erhaltene Wärmetauscher wurde in der Prüfung (2) bewertet. Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
<Beispiele 2 bis 4 und Vergleichsbeispiele 1 und 2>
Wabenstrukturkörper, die jeweils eine Außenumfangswandoberfläche mit den Parametern RPc, Ra und Rt, die in Tabelle 1 gezeigt sind, besitzen, wurden genauso wie für Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass die Außenumfangswandoberfläche jedes Wabenformkörpers unter Bedingungen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, geschnitten wurde. Wärmetauschelemente und Wärmetauscher wurden genauso wie für Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass die somit erhaltenen Wabenstrukturkörper verwendet wurden. Die resultierenden Wärmetauscher wurden in derselben Prüfung, die in Beispiel 1 durchgeführt wurde, bewertet. Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
<Beispiel 5>
Ein Wabenstrukturkörper, der eine Außenumfangswandoberfläche mit den Parametern RPc, Ra und Rt, die in Tabelle 1 gezeigt sind, besaß, wurde genauso wie für Beispiel 1 gebildet, mit den Ausnahmen, dass ein Rundschleifer statt des Bearbeitungszentrums verwendet wurde, eine Außenumfangswandoberfläche eines Wabentrockenkörpers unter Bedingungen geschnitten wurde, die in Tabelle 1 gezeigt sind, und der Wabentrockenkörper während des Schneidens bei 300 1/min gedreht wurde. Ein Wärmetauschelement und ein Wärmetauscher wurden genauso wie für Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass der oben erwähnte Wabenstrukturkörper verwendet wurde. Der resultierende Wärmetauscher wurde in derselben Prüfung, die in Beispiel 1 durchgeführt wurde, bewertet. Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
<Beispiel 6>

Nachdem Ton, der ein SiC-Pulver enthält, in dieselbe Form wie in Beispiel 1 extrudiert wurde, wurde der extrudierte Ton getrocknet und verarbeitet, um eine vorgegebene Außenabmessung aufzuweisen. Dann wurde der Ton mit Si imprägniert und gebrannt, um dadurch einen Wabenbrennkörper zu erhalten. Eine Außenumfangswandoberfläche des resultierenden Wabenbrennkörpers wurde unter Verwendung eines zylindrischen Schleifers geschnitten. Ein Schleifstein des zylindrischen Schleifers, der eine Korngröße von 170 und einen Durchmesser von 350 mm besaß, wurde bei der Drehzahl von 1,800 1/min und einer Umfangsgeschwindigkeit von 33 m/Sekunde gedreht und besaß eine Schneidtiefe von 0,2 mm. Der Wabenbrennkörper wurde während des Schneidens bei 150 1/min gedreht. Der somit erhaltene Wabenstrukturkörper besaß eine Außenumfangswandoberfläche mit einer Spitzenanzahl RPc von 91,4 pks/cm, einen arithmetischen Mittelwert der Rauheit Ra von 1,53 µm und eine maximale Profilhöhe Rt von 32,7 µm. Auf diese Weise wurde ein Wabenstrukturkörper gebildet, der eine Säulenform besaß. Abmessungen und eine Form des erhaltenen Wabenstrukturkörpers waren dieselbe wie die von Beispiel 1. Ein Wärmetauschelement und ein Wärmetauscher wurden genauso wie für Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass der somit erhaltene Wabenstrukturkörper verwendet wurde. Der resultierende Wärmetauscher wurde in derselben Prüfung, die in Beispiel 1 durchgeführt wurde, bewertet. Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

	Werkstück	Schleifmittel	Schleifstein		Drehzahl des Schleifsteins 1/min	Umfangsgeschwindigkeit des Schleifsteins m/Sekunde	Schneidtiefe mm	Drehzahl des Werkstücks 1/min	Oberflächenrauheit			Rückgewinnungseffizienz
	Werkstück	Schleifmittel	Korngröße	Durchmesser mm	Drehzahl des Schleifsteins 1/min	Umfangsgeschwindigkeit des Schleifsteins m/Sekunde	Schneidtiefe mm	Drehzahl des Werkstücks 1/min	RPc	Ra	Rt	Rückgewinnungseffizienz
Beispiel 1	Trockenkörper	Bearbeitungszentrum	90	20	3.000	3,1	0,2	-	55,4	9,12	73,5	70,05
Beispiel 2	Trockenkörper	Bearbeitungszentrum	100	20	3.000	3,1	0,2	-	64,7	7,75	65,1	70,49
Vergleichsbeispiel 1	Trockenkörper	Bearbeitungszentrum	80	20	2.000	2,1	0,2	-	45,9	9,85	80,5	69,7
Vergleichsbeispiel 2	Trockenkörper	Bearbeitungszentrum	80	20	3.000	3,1	0,2	-	50,3	9,55	76,9	69,91
Beispiel 3	Trockenkörper	Bearbeitungszentrum	100	40	6.000	12,6	0,2	-	88,4	4,50	48,7	71,42
Beispiel 4	Trockenkörper	Bearbeitungszentrum	140	20	6.000	6,3	0,2	-	85,5	4,47	45,7	71,52
Beispiel 5	Trockenkörper	Rundschleifer	120	250	1.770	23,2	0,3	300	91,1	3,50	40,0	71,7
Beispiel 6	Brandkörper	Rundschleifer	170	350	1.800	33	0,2	150	91,4	1,53	32,7	72,16

Wie aus Tabelle 1 deutlich wird, haben die Wärmetauscher von Beispielen der vorliegenden Erfindung die Wärmerückgewinnungseffizienzen im Vergleich zu denen der Vergleichsbeispiele wesentlich erhöht.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Wärmetauschelement und der Wärmetauscher gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden für jeglichen geeigneten Verwendungszweck in einem Wärmetausch zwischen einem heizenden Körper (hochtemperaturseitig) und einem erhitzten Körper (niedertemperaturseitig) verwendet. Insbesondere können das Wärmetauschelement und der Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung aus einem Abgas, das von einem Personenkraftwagen abgegeben wird, geeignet verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Wabenstrukturkörper
12a: Erste Stirnfläche
12b: Zweite Stirnfläche
14: Zelle
16: Trennwand
17: Innenumfangswand
18: Außenumfangswand
20: Abdeckelement
100: Wärmetauschelement
120: Außenzylinder
140: Strömungskanal für ein zweites Fluid
200: Wärmetauscher

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

JP 6075381 B2 [0003]
WO 2017/069265 A1 [0003]

Claims

Wärmetauschelement, das Folgendes umfasst: einen Wabenstrukturkörper, der Folgendes enthält: Trennwände, die von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche verlaufen, um Zellen, die Strömungskanäle für ein erstes Fluid bilden, zu definieren; und eine Außenumfangswand; und ein Abdeckelement, das konfiguriert ist, die Außenumfangswand des Wabenstrukturkörpers abzudecken, wobei die Trennwände und die Außenumfangswand eine Keramik als eine Hauptkomponente enthalten und die Außenumfangswandoberfläche eine Spitzenanzahl RPc gemäß JIS B 0601:2013 besitzt, die zu 55 pks/cm oder mehr eingestellt ist.
Wärmetauschelement nach Anspruch 1, wobei das Abdeckelement eine Innenumfangsoberfläche mit einer Spitzenanzahl RPc besitzt, die zu 45 pks/cm oder mehr eingestellt ist.
Wärmetauschelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Außenumfangswandoberfläche eine maximale Profilhöhe Rt gemäß JIS B 0601:2013 besitzt, die zu 75 µm oder weniger eingestellt ist.
Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Trennwände und die Außenumfangswand aus einer Keramik, die Siliziumkarbid als eine Hauptkomponente enthält, hergestellt sind.
Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zellen des Wabenstrukturkörpers ohne jeglichen Raum in der Außenumfangswand ausgelegt sind, wenn der Wabenstrukturkörper im Querschnitt senkrecht zu einer Richtung, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen, betrachtet wird.
Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wabenstrukturkörper einen hohlen Bereich in einem Zentrum des Querschnitts senkrecht zu einer Richtung besitzt, in der die Strömungskanäle für das erste Fluid verlaufen.
Wärmetauscher, der Folgendes umfasst: das Wärmetauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einen Außenzylinder, der auf einer Außenseite des Wärmetauschelements derart vorgesehen ist, dass er vom Wärmetauschelement beabstandet ist, wobei ein Strömungskanal für ein zweites Fluid zwischen dem Außenzylinder und dem Abdeckelement des Wärmetauschelements definiert ist.
Herstellungsverfahren des Wärmetauschelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren ein Schneiden der Außenumfangswandoberfläche bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 3,0 m/Sekunde oder mehr unter Verwendung eines Schleifsteins, der eine Korngröße von 90 oder feiner und einen Durchmesser von 20 mm oder mehr besitzt, umfasst.