JP2008292017A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱性能の低下を抑制し信頼性の向上を図った熱交換器を提供すること。
【解決手段】格子状に配置された複数の壁体１４，１６を有する伝熱構造体１２を備えた熱交換器１０において、クラック起点部１８を伝熱方向Ｈと異なる方向に延在する壁体１４に形成することで、伝熱性能に影響しない壁体１４にクラックが発生させる。これにより、伝熱方向Ｈに延在する壁体１６におけるクラックの発生を防止して、伝熱性能の低下を抑制し信頼性の向上を図る。
【選択図】図２

Description

本発明は、格子状に配置された複数の壁体を有する伝熱構造体を備えた熱交換器に関する。

従来、車両から排出される排気ガスを浄化する触媒担体用のセラミックハニカム構造体として、特許２５８１７７４号公報がある。この公報に記載されたセラミックハニカム構造体は、押し出しにより成形され、格子状に配置された複数の壁体を備えている。排気ガスは、複数の壁体によって形成された流路内を流通し、壁体に担持された触媒によって浄化される。
特許第２５８１７７４号公報

近年、排気ガスから熱回収を行うことにより、排熱を有効利用することが望まれている。ここで、格子状に配置された壁体を有する構造体内に排気ガスを流通させて、熱回収を行った場合、熱応力によって壁体にクラック（割れ）が生じ、このクラックによって熱が伝わり難くなり、伝熱性能が低下してしまう虞がある。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、伝熱性能の低下を抑制し信頼性の向上を図った熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の熱交換器は、格子状に配置された複数の壁体を有する伝熱構造体を備えた熱交換器において、板厚方向にクラックを誘導することが可能なクラック起点部が、複数の壁体のうち伝熱方向と異なる方向に延在する壁体に形成されていることを特徴としている。

このように構成された熱交換器によれば、クラックの起点となるクラック起点部が、伝熱方向と異なる方向に延在する壁体に形成されているため、伝熱性能に影響しない壁体にクラックを誘導することができる。これにより、伝熱方向に延在する壁体におけるクラックの発生を防止することができ、伝熱性能の低下を抑制し信頼性の向上を図ることが可能となる。

また、クラック起点部は、壁体の両面に形成され、これらのクラック起点部は、板厚方向と交差する方向において互いに異なる位置に配置されていることが好ましい。これにより、壁体の両面において異なる位置にクラック起点部が配置され、壁体に圧縮応力が作用した場合にあってもクラックを誘導することが可能となる。また、互いに異なる位置にクラックを発生させることによって、クラック間の壁体部分を脱落させることができる。この結果、伝熱性能に影響しない不要な壁体部分を脱落させることで、伝熱構造体内の流路を広くすることができる。

伝熱構造体は、押出しによって成形されたものであり、クラック起点部は、伝熱構造体の押出し方向に連続して形成され、クラック起点部の両側には、板厚が増加された厚肉部が押出し方向に連続して形成されていることが好ましい。押出し成形時の材料スラリーの流れを均一とするために、板厚が減少されたクラック起点部の両側に、板厚が増加された厚肉部を形成する。これにより、材料スラリーの流れが均一化されるため、伝熱構造体が好適に成形される。

また、クラック起点部を起点とするクラックが形成され、クラックは、伝熱構造体の外面を加熱して、伝熱構造体の中央付近を冷却し、熱応力を発生させて形成されたものであることが好ましい。これにより、伝熱構造体の外面側を膨張させて、クラック起点部が形成された壁体に引張応力を作用させることができ、クラック起点部を起点とするクラック（好ましいクラック）を形成することができる。また、伝熱構造体の製造時（使用前）に、伝熱方向と異なる方向に延在する壁体に、クラックを予め形成しておくことで、伝熱方向に延在する壁体におけるクラック（好ましくないクラック）の発生を抑制することができる。

ここで、上記作用を奏する構成として具体的には、伝熱構造体は、壁体として、同心円状に配置された複数の同心円状壁と、放射状に配置された複数の放射状壁とを備え、同心円状壁に、クラック起点部が形成されている構成が挙げられる。これにより、伝熱性能に影響の無い同心円状壁に、クラックを誘導することで、伝熱方向に延在する放射状壁でのクラックの発生を抑制することができる。従って、伝熱性能の低下を抑制し信頼性の向上を図ることができる。

また、伝熱構造体は、セラミック製であることが好ましい。セラミックは、硬くて脆いので、熱応力によるクラックが生じやすい。このようなセラミックを伝熱構造体に採用する場合、伝熱性能に影響しにくい部位にクラックを誘導することは、特に有効である。

このように本発明による熱交換器によれば、クラック起点部を設け、伝熱性能に影響しない部位にクラックの発生を誘導することで、伝熱性能の低下を抑制し信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明による熱交換器の好適な第１実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１は、本発明の第１実施形態に係る熱交換器の斜視図、図２は、本発明の第１実施形態に係る熱交換器の同心円状壁及び放射状壁の拡大正面図である。

図１に示す熱交換器１０は、例えば車両に搭載され、排ガスから排熱を回収する熱回収器として利用されるものであり、内燃機関からの排ガス経路に接続されて使用される。

この熱交換器１０は、セラミック製の伝熱構造体１２を備え、この伝熱構造体１２は、ハニカム構造を有し、押し出しによって成形される。この伝熱構造体１２の外形は、例えば六角形を成し、伝熱構造体１２の内部には、同心円状に配置され径の異なる複数の同心円状壁１４と、放射状に配置され排ガスからの熱を中央側から外部側へ伝達する放射状壁１６とを有している。

複数の同心円状壁１４及び放射状壁１６は、各々等間隔に配置され、互いに交差して格子状に配置されている。伝熱構造体１２では、同心円状壁１４及び放射状壁１６によって囲まれた空間が排ガス（内部流体）を流通させる流路となる。そして、流路内を流通する排ガスは、同心円状壁１４及び放射状壁１６と接触することで、熱回収される。熱交換器１０の使用状態において、中央部が高温側となり、外面側が低温側となる。伝熱構造体１２では、放射状壁１６の延在する方向が伝熱方向Ｈとなる。

ここで、本実施形態の熱交換器１０では、図２に示すように、同心円状壁１４の表面に、複数の切り欠き（クラック起点部）１８が形成されている（なお、図１では、切り欠きの記載を省略している。）。この切り欠き１８は、熱交換器１０の長手方向Ｌ（押し出し方向）に沿って連続して形成されている。切り欠き１８は、同心円状壁１４の両面に形成され、隣接する放射状壁１６，１６間の中央に１つずつ形成されている。なお、複数の同心円状壁１４のうち、最も内側の同心円状壁１４ｉ（図１参照）、最も外側の同心円状壁１４ｏには、切り欠き１８は形成されていない。

切り欠き１８の先端部は、鋭角とされ、板厚方向の中央に向かって形成されている。また、切り欠き１８の両側には、板厚が増加された厚肉部２０が形成されている。この厚肉部２０は、切り欠き１８に隣接して、長手方向Ｌ（図２における紙面垂直方向）に連続して形成されている。

このように構成された熱交換器１０は、押し出し成形によって製造される。この熱交換器１０を押し出し成形するための型には、切り欠き１８を形成するための突起部、厚肉部２０を形成するための凹部が設けられている。切り欠き１８のように局所的に板厚を薄くする場合、押し出し成形時にスラリーの流れが低下するため、切り欠き１８に隣接した厚肉部２０を形成することで、流速のムラを抑制しスラリーの流れを均一化することができる。

また、このような熱交換器１０の製造方法では、伝熱構造体１２の外面側を加熱し、伝熱構造体１２の中央部を冷却して、切り欠き１８を起点としたクラック２２を形成させるクラック形成工程を備えることが好ましい。中央部を冷却する方法としては、伝熱構造体１２の中央部付近の流路に低温のガスを流通させるとよい。このように、外側を高温側、内側を低温側とした熱勾配を形成することで、同心円状壁１４に均一な引張応力を作用させて、切り欠きを起点とする良好なクラックを形成することができる。

このように構成された伝熱構造体１２を備えた熱交換器１０では、格子状に配置された同心円状壁１４及び放射状壁１６のうち、同心円状壁１４にのみ切り欠き１８が形成されている。熱交換器１０の使用状態において、流路内に排ガスが流通すると、中央が高温側となり外部側が低温側となり、熱応力が発生する。本実施形態の熱交換器１０では、同心円状壁１４に切り欠き１８が形成されているため、切り欠き１８を起点とするクラック２２を同心円状壁１４の板厚方向に誘導することができる。これにより、熱応力によって、伝熱方向Ｈ（本実施形態では、放射状壁１６の延在する方向）に延びるクラック２２を形成することができ、放射状壁１６におけるクラック２２の発生を抑制することができる。従って、伝熱性能の低下を防止することができる。

なお、押し出しによってセラミック製の伝熱構造体１２を製造する場合、押し出し後の形状保持が難しいため、フィン形状を有する構造体を製造することは困難である。そこで、本実施形態のように格子状の構造を採用する必要がある。押し出しによって格子状の構造体を成形する場合、スラリーの流れを制御するため、同心円状壁１４の厚さと、放射状壁１６の厚さを略同一にする必要がある。熱交換器１０の使用状態において、同心円状壁１４は必要ではなく、この同心円状壁１４の存在によって不必要に剛性が高められてしまうため、伝熱構造体１２の熱応力によるクラックの発生の原因となる虞がある。使用状態において不必要な同心円状壁１４に切り欠き１８を設けることは、熱伝導を行う放射状壁１６の信頼性を向上させる点において特に有効である。

次に、本発明の第２実施形態に係る熱交換器３０について説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る熱交換器の同心円状壁及び放射状壁の拡大正面図である。この第２実施形態の熱交換器３０が第１実施形態の熱交換器１０と違う点は、切り欠き３８の形成されている位置が異なる点である。第２実施形態の熱交換器３０の伝熱構造体３２では、隣接する放射状壁３６，３６間において、同心円状壁３４の外面側に１つ、同心円状壁３４の内面側に１つ、切り欠き３８が形成され、板厚方向と交差する方向（円周方向、同心円状壁の延在する方向）において互いに異なる位置に配置されている。

このように同心円状壁３４の両面（対向する一対の主面）において非対称に切り欠きを形成することで、同心円状壁３４に圧縮応力が作用した場合にあっても、同心円状壁３４の板厚方向にクラックを誘導することが可能となる。また、隣接する放射状壁間において、異なる位置にクラックを形成することができるので、これらのクラック間の同心円状壁部分３４ａを脱落させることができる。熱交換器３０の製造時において、上述したクラック形成工程を実行することにより、熱交換器３０の使用前に同心円状壁３４を脱落させておくことが好ましい。これにより、使用状態において不要な同心円状壁３４の一部を取り除くことができる。また、同心円状壁３４の一部が取り除かれているので、流路を広くすることができる。なお、クラック形成工程によって、同心円状壁３４を脱落させた場合には、熱交換器の使用前において、脱落した部位を取り除く清掃工程が必要となる。このように構成された第２実施形態の熱交換器においても第１実施形態の熱交換器と同様に、放射状壁におけるクラックの発生を防止して、伝熱性能の低下を抑制することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態において、熱交換器１０，３０を排ガスの熱回収を行う熱回収器としているが、例えば、その他の流体を加熱するための加熱器としてもよく、その他の熱交換器としてもよい。

また、上記伝熱構造体をセラミックス製としているが、その他の材料を用いて伝熱構造体１２，３２を製作してもよい。セラミックのように、硬くて脆い材料を採用する場合には、本発明のクラック起点部１８，３８を、伝熱性能に影響しない部位に形成することは、特に有効である。

また、上記実施形態では、同心円状に配置された同心円状壁１４，３４、及び放射状に配置された放射状壁１６，３６を備えた伝熱構造体１２，３２としているが、伝熱構造体の形状は、上記実施形態に限定されない。例えば、複数の壁体が互いに直交して配置することで格子状を成す伝熱構造体としてもよい。また、複数の壁体が三角形や六角形の外形に沿って配置されて、格子状を成す伝熱構造体でもよい。要は、複数の壁体が互いに交差して配置された構造を有する伝熱構造体でもよい。

また、上記実施形態では、厚肉部を備えている構成としているが、厚肉部を備えていない構成としてもよい。また、上記実施形態では、クラック起点部として切り欠きを形成しているが、クラック起点部は、鋭角形状を有し、応力集中部を形成可能なその他の形状でもよい。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る熱交換器の同心円状壁及び放射状壁の拡大正面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器の同心円状壁及び放射状壁の拡大正面図である。

符号の説明

１０，３０…熱交換器、１２，３２…伝熱構造体、１４，１４ｉ，１４ｏ，３４…同心円状壁（壁体）、１６，３６…放射状壁（壁体）、１８，３８…切り欠き（クラック起点部）、２０…厚肉部。

Claims (6)

1. 格子状に配置された複数の壁体を有する伝熱構造体を備えた熱交換器において、
   板厚方向にクラックを誘導することが可能なクラック起点部が、前記複数の壁体のうち伝熱方向と異なる方向に延在する壁体に形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記クラック起点部は、前記壁体の両面に形成され、これらの前記クラック起点部は、板厚方向と交差する方向において互いに異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記伝熱構造体は、押出しによって成形されたものであり、
   前記クラック起点部は、前記伝熱構造体の押出し方向に連続して形成され、
   クラック起点部の両側には、板厚が増加された厚肉部が前記押出し方向に連続して形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換器。
4. 前記クラック起点部を起点とするクラックが形成され、
   前記クラックは、前記伝熱構造体の外面を加熱して、前記伝熱構造体の中央付近を冷却し、熱応力を発生させて形成されたものであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱構造体は、前記壁体として、同心円状に配置された複数の同心円状壁と、放射状に配置された複数の放射状壁とを備え、
   前記同心円状壁に、前記クラック起点部が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の熱交換器。
6. 前記伝熱構造体は、セラミック製であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の熱交換器。

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