JP2014070826A - Heat exchange member and heat exchanger - Google Patents

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誠 宮崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat exchanging member and a heat exchanger in which a heat exchange efficiency is improved and an increasing of pressure loss is restricted.SOLUTION: A honeycomb structure 1 acting as a heat exchanging member has several cells 3 partitioned by ceramics partition walls 4, axially passing from one end surface to the other end surface to cause a first fluid to flow therein. When a coefficient of thermal conductivity of material quality of the partition walls 4 of the honeycomb structure 1 is defined as λ[W/K.m], a wall thickness of the partition wall 4 of the cell structure of the honeycomb structure 1 is defined as t[mm] and a cell density is defined as ρ[pcs./sq.inch], it will be defined as 1000/λ≤t×ρ≤80.

Description

本発明は、第一の流体の熱と第二の流体の熱とを交換するための熱交換部材、および熱交換器に関する。   The present invention relates to a heat exchange member for exchanging heat of a first fluid and heat of a second fluid, and a heat exchanger.

エンジンなどの燃焼排ガスなどの高温気体からの熱回収技術が求められている。気体/液体熱交換器としては、自動車のラジエター、空調室外機などのフィン付チューブ型熱交換器が一般的である。しかしながら、例えば自動車の排ガスのような気体から熱を回収するには、一般的な金属製熱交換器は耐熱性に乏しく、高温での使用が困難である。そこで、耐熱性、耐熱衝撃、耐腐食などを有する耐熱金属やセラミックス材料などが適している。耐熱金属で作製された熱交換器が知られているが、耐熱金属は価格が高い上に加工が難しい、密度が高く重い、熱伝導が低いなどの問題がある。   There is a demand for heat recovery technology from high-temperature gas such as combustion exhaust gas from engines. As the gas / liquid heat exchanger, a tube-type heat exchanger with fins such as an automobile radiator or an air conditioner outdoor unit is generally used. However, in order to recover heat from a gas such as automobile exhaust gas, a general metal heat exchanger has poor heat resistance and is difficult to use at high temperatures. Therefore, a heat-resistant metal or ceramic material having heat resistance, heat shock, corrosion resistance, or the like is suitable. Heat exchangers made of refractory metals are known, but refractory metals have problems such as high price and difficulty in processing, high density and heavy, and low heat conduction.

特許文献1には、セラミックスによって形成されたハニカム構造体を用いた熱交換器が開示されている。特許文献1の熱交換器では、ハニカム構造体のセルを流通する第一の流体の熱と、ハニカム構造体の外周面上を流通する第二の流体の熱とを熱交換させる。   Patent Document 1 discloses a heat exchanger using a honeycomb structure formed of ceramics. In the heat exchanger disclosed in Patent Document 1, heat is exchanged between the heat of the first fluid flowing through the cells of the honeycomb structure and the heat of the second fluid flowing on the outer peripheral surface of the honeycomb structure.

国際公開第2011/071161号International Publication No. 2011/071161

排気と冷却水の間で熱交換を行う排気熱回収装置(高温流体と低温流体を、壁を隔てて隣り合わせて流す構造により、高温流体から低温流体へ熱を伝える熱交換器)、あるいはEGRクーラーにおいては、熱交換効率の性能が重要視されている。熱交換効率を向上させるためには、それらのデバイスに使用されるハニカム構造体の隔壁厚さ、セル密度を、増加させることが好ましい。   Exhaust heat recovery device that exchanges heat between exhaust and cooling water (a heat exchanger that transfers heat from a high-temperature fluid to a low-temperature fluid by flowing a high-temperature fluid and a low-temperature fluid next to each other across a wall), or an EGR cooler In the field, the performance of heat exchange efficiency is regarded as important. In order to improve the heat exchange efficiency, it is preferable to increase the partition wall thickness and cell density of the honeycomb structure used in these devices.

しかしながら、自動車の排気系に使用されるデバイスの場合、熱交換効率のみならず、デバイスの圧力損失も重要視される。ハニカム構造体の隔壁厚さ、セル密度を増加させる方向は、圧力損失が悪化する方向であり、エンジン出力に悪影響を与える恐れがある。特に排気量が多い場合や、ガス温度が高いところでそれらデバイスが使用される場合は、影響が大きくなる。   However, in the case of a device used for an automobile exhaust system, not only heat exchange efficiency but also pressure loss of the device is regarded as important. The direction in which the partition wall thickness and cell density of the honeycomb structure are increased is the direction in which the pressure loss is worsened, which may adversely affect the engine output. In particular, when the displacement is large or when these devices are used at a high gas temperature, the influence becomes large.

本発明の課題は、熱交換効率を向上させるとともに、圧力損失の増加を抑えた熱交換部材、および熱交換器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a heat exchange member and a heat exchanger that improve heat exchange efficiency and suppress an increase in pressure loss.

本発明者らは、ハニカム構造体を熱交換部材として用いた場合、ハニカム構造体の熱伝導率と、壁厚、セル密度との関係を規定することにより、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の熱交換部材、および熱交換器が提供される。   The present inventors have found that when the honeycomb structure is used as a heat exchange member, the above problem can be solved by defining the relationship between the thermal conductivity of the honeycomb structure, the wall thickness, and the cell density. It was. That is, according to the present invention, the following heat exchange member and heat exchanger are provided.

[1] セラミックスの隔壁により仕切られて一方の端面から他方の端面まで軸方向に貫通し、第一の流体である加熱体が流通する第一流体流通部とされる複数のセルを有するハニカム構造体として形成され、前記第一流体流通部を流通する前記第一の流体と、前記ハニカム構造体の外周壁の外周面上を流通することにより前記第一の流体と熱を交換する第二の流体とが混合しないように、前記ハニカム構造体の前記隔壁及び前記外周壁の少なくとも一方が緻密質とされ、前記ハニカム構造体の前記隔壁の材質の熱伝導率をλ[W/K・m]、前記ハニカム構造体のセル構造について、前記隔壁の壁厚をt[mm]、セル密度をρ[個/平方インチ]としたとき、1000/λ≦t×ρ≦80である熱交換部材。 [1] A honeycomb structure having a plurality of cells partitioned by ceramic partition walls and penetrating in an axial direction from one end face to the other end face, and serving as a first fluid circulation portion through which a heating body as a first fluid circulates. A second fluid which is formed as a body and exchanges heat with the first fluid by flowing on the outer peripheral surface of the outer peripheral wall of the honeycomb structure and the first fluid flowing through the first fluid circulation portion. At least one of the partition walls and the outer peripheral wall of the honeycomb structure is made dense so as not to mix with fluid, and the thermal conductivity of the material of the partition walls of the honeycomb structure is λ [W / K · m]. In the honeycomb structured cell structure, a heat exchange member satisfying 1000 / λ ≦ t × ρ ≦ 80 when the wall thickness of the partition wall is t [mm] and the cell density is ρ [pieces / square inch].

[2] t>0.2、ρ≦100である前記[1]に記載の熱交換部材。 [2] The heat exchange member according to [1], wherein t> 0.2 and ρ ≦ 100.

[3] t≦0.2、ρ>100である前記[1]に記載の熱交換部材。 [3] The heat exchange member according to [1], wherein t ≦ 0.2 and ρ> 100.

[4] 前記ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面の断面積の円相当径をΦ[mm]とし、前記ハニカム構造体の軸方向の長さの全長をL[mm]としたとき、15≦Φ≦120、0.05≦L/Φ≦10である前記[1]〜[3]のいずれかに記載の熱交換部材。 [4] When the equivalent circular diameter of the cross-sectional area of the cross section perpendicular to the axial direction of the honeycomb structure is Φ [mm] and the total length of the axial length of the honeycomb structure is L [mm], 15 The heat exchange member according to any one of [1] to [3], wherein ≦ Φ ≦ 120 and 0.05 ≦ L / Φ ≦ 10.

[5] 前記ハニカム構造体の外周側に金属管を備え、前記ハニカム構造体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に前記第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う前記[1]〜[4]のいずれかに記載の熱交換部材。 [5] A metal tube is provided on the outer peripheral side of the honeycomb structure, the first fluid is circulated inside the honeycomb structure, and the second fluid is circulated on the outer peripheral surface side of the metal tube. The heat exchange member according to any one of [1] to [4], wherein heat exchange is performed between the first fluid and the second fluid.

[6] 前記ハニカム構造体と前記金属管との間に挟み込まれた中間材を備えた前記[5]に記載の熱交換部材。 [6] The heat exchange member according to [5], further including an intermediate member sandwiched between the honeycomb structure and the metal tube.

[7] 前記中間材は、グラファイトシートからなる前記[6]に記載の熱交換部材。 [7] The heat exchange member according to [6], wherein the intermediate material is made of a graphite sheet.

[8] 前記ハニカム構造体は、熱伝導率が100W/m・K以上である前記[1]〜[7]のいずれかに記載の熱交換部材。 [8] The heat exchange member according to any one of [1] to [7], wherein the honeycomb structure has a thermal conductivity of 100 W / m · K or more.

[9] 前記ハニカム構造体は、主成分が炭化珪素である前記[1]〜[8]のいずれかに記載の熱交換部材。 [9] The heat exchange member according to any one of [1] to [8], wherein the honeycomb structure includes silicon carbide as a main component.

[10] 前記[1]〜[9]のいずれかに記載の熱交換部材と、前記第二の流体の入口及び出口が形成されており、前記ハニカム構造体を内部に含むケーシングとを備え、前記ケーシングの内側が第二流体流通部とされ、前記第二の流体が前記第二流体流通部において前記ハニカム構造体の外周面上を流通することにより、前記第一の流体から熱を受け取る熱交換器。 [10] The heat exchange member according to any one of [1] to [9], and a casing in which an inlet and an outlet of the second fluid are formed, and the honeycomb structure is included therein, The inside of the casing serves as a second fluid circulation part, and the second fluid circulates on the outer peripheral surface of the honeycomb structure in the second fluid circulation part, thereby receiving heat from the first fluid. Exchanger.

本発明の熱交換部材、および熱交換器は、構造が複雑ではなく、従来の熱交換体(熱交換器、又はそのデバイス)と比べて、小型化、軽量化、低コスト化を実現することができる。また、熱交換効率が高く、圧力損失が抑えられている。言い換えると、本発明の熱交換部材は、単位圧力損失値あたりの熱交換効率が高い。すなわち、熱交換効率を向上させることと圧力損失の増加を抑制することとは、方向性が逆であるため両立させることが容易ではないが、本発明の熱交換部材は、これらのバランスに優れている。   The heat exchange member and the heat exchanger of the present invention are not complicated in structure, and realize a reduction in size, weight, and cost as compared with a conventional heat exchanger (heat exchanger or a device thereof). Can do. Moreover, the heat exchange efficiency is high and pressure loss is suppressed. In other words, the heat exchange member of the present invention has high heat exchange efficiency per unit pressure loss value. That is, improving the heat exchange efficiency and suppressing the increase in pressure loss are not easy to achieve both because the directionality is opposite, the heat exchange member of the present invention is excellent in these balances ing.

円柱形状のハニカム構造体として形成された熱交換部材を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the heat exchange member formed as a cylindrical honeycomb structure. 円柱形状のハニカム構造体として形成された熱交換部材を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。It is sectional drawing which cut | disconnected by the cross section parallel to an axial direction which shows the heat exchange member formed as a cylindrical honeycomb structure. ケーシング内に円柱形状のハニカム構造体として形成された熱交換部材が収容された熱交換器を示す斜視図である。It is a perspective view showing a heat exchanger in which a heat exchange member formed as a cylindrical honeycomb structure is accommodated in a casing. ケーシング内に円柱形状のハニカム構造体として形成された熱交換部材が収容された熱交換器を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。It is sectional drawing cut | disconnected in the cross section parallel to an axial direction which shows the heat exchanger in which the heat exchange member formed as a cylindrical honeycomb structure was accommodated in the casing. ケーシング内に円柱形状のハニカム構造体として形成された熱交換部材が収容された熱交換器を示す、軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。It is sectional drawing which cut | disconnected in the cross section perpendicular | vertical to an axial direction which shows the heat exchanger in which the heat exchange member formed as a cylindrical honeycomb structure was accommodated in the casing. 本発明の他の実施形態の熱交換部材を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the heat exchange member of other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態の熱交換部材を示す、軸方向に平行な断面で切断した断面図である。It is sectional drawing which cut | disconnected in the cross section parallel to an axial direction which shows the heat exchange member of other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態の熱交換部材を示す軸方向の一方の端面から見た模式図である。It is the schematic diagram seen from the one end surface of the axial direction which shows the heat exchange member of other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態の熱交換部材を含む熱交換器の一実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one Embodiment of the heat exchanger containing the heat exchange member of other embodiment of this invention.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and changes, modifications, and improvements can be added without departing from the scope of the invention.

(実施形態1)
図1Aは、本発明の一実施形態の熱交換部材10を示す斜視図であり、図1Bは、軸方向に平行な断面で切断した断面図であり、熱交換部材10は、円柱形状のハニカム構造体1として形成されている。また、図2Aに、ケーシング21内に円柱形状のハニカム構造体1の熱交換部材が収容された熱交換器30の斜視図、図2Bに、軸方向に平行な断面で切断した断面図、図2Cに、軸方向に垂直な断面で切断した断面図を示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a perspective view showing a heat exchange member 10 according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a cross-sectional view cut along a cross section parallel to the axial direction, and the heat exchange member 10 is a cylindrical honeycomb. It is formed as a structure 1. 2A is a perspective view of the heat exchanger 30 in which the heat exchange member of the cylindrical honeycomb structure 1 is accommodated in the casing 21, and FIG. 2B is a cross-sectional view cut along a cross section parallel to the axial direction. 2C shows a cross-sectional view cut along a cross section perpendicular to the axial direction.

図1A〜図1Bに示すように、熱交換部材10は、セラミックスの隔壁4により仕切られて一方の端面2から他方の端面2まで軸方向に貫通し、第一の流体である加熱体が流通する第一流体流通部5とされる複数のセル3を有するハニカム構造体1として形成されている。第一流体流通部5を流通する第一の流体と、ハニカム構造体1の外周壁7の外周面7h上を流通することにより第一の流体と熱を交換する第二の流体とが混合しないように、ハニカム構造体1の隔壁4及び外周壁7の少なくとも一方が緻密質とされている。なお、第二の流体がハニカム構造体1の外周面7h上を流通するとは、第二の流体がハニカム構造体1の外周面7hに直接接触する場合も、直接接触しない場合も含む。また、本明細書において、緻密質(緻密体)とは、気孔率20%以下のものをいうことにする。   As shown in FIGS. 1A to 1B, the heat exchange member 10 is partitioned by a ceramic partition wall 4 and penetrates in an axial direction from one end surface 2 to the other end surface 2, and a heating body as a first fluid flows. It is formed as a honeycomb structure 1 having a plurality of cells 3 to be the first fluid circulation part 5. The first fluid flowing through the first fluid circulation portion 5 and the second fluid that exchanges heat with the first fluid by flowing on the outer peripheral surface 7h of the outer peripheral wall 7 of the honeycomb structure 1 are not mixed. Thus, at least one of the partition walls 4 and the outer peripheral wall 7 of the honeycomb structure 1 is made dense. The second fluid flowing on the outer peripheral surface 7h of the honeycomb structure 1 includes the case where the second fluid is in direct contact with the outer peripheral surface 7h of the honeycomb structure 1 and the case where it is not in direct contact. In the present specification, the dense substance (dense body) refers to a substance having a porosity of 20% or less.

また、第一流体流通部5は、ハニカム構造として形成されており、ハニカム構造の場合、流体がセル3の中を通り抜ける時には、流体は隔壁4により別のセル3に流れ込むことができず、ハニカム構造体1の入口から出口へと直線的に流体が進む。また、本発明の熱交換器30内のハニカム構造体1は、目封止されておらず、流体の伝熱面積が増し熱交換器のサイズを小さくすることができる。これにより、熱交換器単位体積あたりの伝熱量を大きくすることができる。さらに、ハニカム構造体1に目封止部の形成やスリットの形成等の加工を施すことが不要なため、熱交換器30は、製造コストを低減することができる。   Further, the first fluid circulation portion 5 is formed as a honeycomb structure, and in the case of the honeycomb structure, when the fluid passes through the cell 3, the fluid cannot flow into another cell 3 by the partition wall 4, and the honeycomb structure. The fluid advances linearly from the inlet of the structure 1 to the outlet. Moreover, the honeycomb structure 1 in the heat exchanger 30 of the present invention is not plugged, so that the heat transfer area of the fluid can be increased and the size of the heat exchanger can be reduced. Thereby, the amount of heat transfer per unit volume of the heat exchanger can be increased. Furthermore, since it is not necessary to process the honeycomb structure 1 such as forming plugged portions or forming slits, the heat exchanger 30 can reduce the manufacturing cost.

本発明の熱交換部材10は、第一流体流通部5を形成するハニカム構造体1の隔壁4の材質の熱伝導率をλ[W/K・m]、ハニカム構造体1のセル構造について、隔壁4の壁厚をt[mm]、セル密度をρ[個/平方インチ]としたとき、1000/λ≦t×ρ≦80である。   The heat exchange member 10 of the present invention has a thermal conductivity λ [W / K · m] of the material of the partition walls 4 of the honeycomb structure 1 that forms the first fluid circulation part 5, and the cell structure of the honeycomb structure 1. When the wall thickness of the partition wall 4 is t [mm] and the cell density is ρ [pieces / square inch], 1000 / λ ≦ t × ρ ≦ 80.

t×ρは、好ましくは1200/λ≦t×ρ≦65、より好ましくは、1500/λ≦t×ρ≦50、である。t×ρをこのような範囲とすることにより、セル3内を流通する第一の流体の熱を、外周壁7の外周面7h上を流通する第二の流体と熱交換させるために、外周壁7へと効率よく伝達することができ、熱交換効率を維持したまま、第一の流体によって発生する圧力損失を小さくできる。   t × ρ is preferably 1200 / λ ≦ t × ρ ≦ 65, and more preferably 1500 / λ ≦ t × ρ ≦ 50. By setting t × ρ in such a range, the heat of the first fluid flowing in the cell 3 is exchanged with the second fluid flowing on the outer peripheral surface 7 h of the outer peripheral wall 7. The pressure can be efficiently transmitted to the wall 7, and the pressure loss generated by the first fluid can be reduced while maintaining the heat exchange efficiency.

熱交換部材10は、さらに、t>0.2、ρ≦100であることが好ましい。あるいは、t≦0.2、ρ>100であることが好ましい。隔壁4の壁厚がt>0.2の場合、隔壁4の厚みで熱伝導パスを大きくして熱交換効率を高くし、セル密度ρを小さく(ρ≦100)することで圧力損失を抑えることができる。また隔壁4の壁厚がt<0.2の場合は、隔壁4の壁厚を薄くすることで圧力損失を抑え、セル密度ρを大きく(ρ>100)することで熱伝導パスを大きくし、熱交換効率を高くすることができる。t、ρの範囲を上記のようにすることにより、熱交換部材10の圧力損失を抑え、かつ熱交換効率を高くすることができる。   The heat exchange member 10 preferably further satisfies t> 0.2 and ρ ≦ 100. Alternatively, it is preferable that t ≦ 0.2 and ρ> 100. When the wall thickness of the partition wall 4 is t> 0.2, the heat conduction path is increased by the thickness of the partition wall 4 to increase the heat exchange efficiency, and the cell density ρ is decreased (ρ ≦ 100) to suppress the pressure loss. be able to. When the wall thickness of the partition wall 4 is t <0.2, the pressure loss is suppressed by reducing the wall thickness of the partition wall 4 and the heat conduction path is increased by increasing the cell density ρ (ρ> 100). The heat exchange efficiency can be increased. By setting the ranges of t and ρ as described above, the pressure loss of the heat exchange member 10 can be suppressed and the heat exchange efficiency can be increased.

本発明の熱交換部材10は、ハニカム構造体1の集熱部分の面積と同じ面積をもつ円の直径である円相当径をΦ[mm]とすると、15≦Φ≦120であることが好ましく、30≦Φ≦100であることがより好ましい。また、ハニカム構造体1の軸方向の長さの全長をL[mm]としたとき、0.05≦L/Φ≦10であることが好ましく、0.1≦L/Φ<5であることがより好ましい。   The heat exchange member 10 of the present invention preferably satisfies 15 ≦ Φ ≦ 120, where Φ [mm] is the equivalent circle diameter, which is the diameter of a circle having the same area as the area of the heat collecting portion of the honeycomb structure 1. 30 ≦ Φ ≦ 100 is more preferable. Further, when the total length of the honeycomb structure 1 in the axial direction is L [mm], 0.05 ≦ L / Φ ≦ 10 is preferable, and 0.1 ≦ L / Φ <5. Is more preferable.

集熱部分とは、第一の流体から熱を集熱する部分をさし、ハニカム構造体1では、セル3が形成された部分である(外周壁7を除く)。そして、ハニカム構造体1が円柱形状であれば、外周壁7を除いた部分の直径がΦとなる。ハニカム構造体1の軸方向に垂直な断面の断面積が同じであれば、ハニカム構造体1の形状にかかわらず集熱部分の各点から外周壁7への平均距離が同じとなるので熱交換量はほぼ同じとなる。このため、円相当径を含むパラメータを規定することにより、熱交換効率を向上させることができる。   The heat collection portion refers to a portion that collects heat from the first fluid. In the honeycomb structure 1, the portion in which the cells 3 are formed (excluding the outer peripheral wall 7). And if the honeycomb structure 1 is a column shape, the diameter of the part except the outer peripheral wall 7 will be (PHI). If the cross-sectional area of the cross section perpendicular to the axial direction of the honeycomb structure 1 is the same, the average distance from each point of the heat collecting portion to the outer peripheral wall 7 is the same regardless of the shape of the honeycomb structure 1. The amount is almost the same. For this reason, the heat exchange efficiency can be improved by defining the parameter including the equivalent circle diameter.

ΦおよびL/Φをこのような範囲とすることにより、熱を効率よく伝達することができ、熱交換効率を維持したまま第一の流体によって発生する圧力損失を小さくできる熱交換部材とすることができる。   By setting Φ and L / Φ in such ranges, heat can be transferred efficiently, and a heat exchange member that can reduce the pressure loss generated by the first fluid while maintaining the heat exchange efficiency. Can do.

図2A〜図2Cに示すように、本実施形態の熱交換器30のケーシング21は、第一の流体の入口25から第一の流体の出口26までの第一流体流通部5を形成するハニカム構造体1が嵌合するように直線状に形成され、第二の流体の入口22から第二の流体の出口23までの第二流体流通部6も直線状に形成され、第一流体流通部5と第二流体流通部とが交差する交差構造とされている。ハニカム構造体1は、ケーシング21に嵌合して備えられている。第二の流体の入口22と出口23とが、ハニカム構造体1を挟んで反対側に形成されている。   As shown in FIGS. 2A to 2C, the casing 21 of the heat exchanger 30 of this embodiment is a honeycomb that forms the first fluid circulation portion 5 from the first fluid inlet 25 to the first fluid outlet 26. The first fluid circulation part is formed in a straight line so that the structure 1 is fitted, and the second fluid circulation part 6 from the second fluid inlet 22 to the second fluid outlet 23 is also linearly formed. 5 and the second fluid circulation part. The honeycomb structure 1 is provided by being fitted to a casing 21. A second fluid inlet 22 and outlet 23 are formed on opposite sides of the honeycomb structure 1.

図2Bに示すように、熱交換器30は、第一流体流通部5と第二流体流通部6と、を備える。第一流体流通部5は、セラミックスの隔壁4により仕切られて一方の端面2から他方の端面2まで軸方向に貫通し、第一の流体が流通する複数のセル3を有するハニカム構造体1によって形成されている。第二流体流通部6は、ハニカム構造体1を内部に含むケーシング21の内周面24と、ハニカム構造体1の外周面7hと、によって形成されている。また、ケーシング21には第二の流体の入口22及び出口23が形成されている。そして、第二の流体がケーシング21の内側にてハニカム構造体1の外周面7h上を流通することにより、第一の流体と熱を交換する。   As shown in FIG. 2B, the heat exchanger 30 includes a first fluid circulation part 5 and a second fluid circulation part 6. The first fluid circulation portion 5 is partitioned by a ceramic partition wall 4 and penetrates in the axial direction from one end surface 2 to the other end surface 2, and is formed by a honeycomb structure 1 having a plurality of cells 3 through which the first fluid flows. Is formed. The second fluid circulation portion 6 is formed by the inner peripheral surface 24 of the casing 21 that includes the honeycomb structure 1 and the outer peripheral surface 7 h of the honeycomb structure 1. The casing 21 has an inlet 22 and an outlet 23 for the second fluid. Then, the second fluid flows on the outer peripheral surface 7 h of the honeycomb structure 1 inside the casing 21, thereby exchanging heat with the first fluid.

第一流体流通部5を流通する第一の流体が加熱体の場合、その熱を隔壁4を介して受け取り、流通する第二の流体である被加熱体へ熱を伝達する。第一の流体と第二の流体とは、完全に分離されており、これらの流体が混じり合うことはない。   When the 1st fluid which distribute | circulates the 1st fluid distribution | circulation part 5 is a heating body, the heat is received through the partition 4, and heat is transmitted to the to-be-heated body which is the 2nd fluid which distribute | circulates. The first fluid and the second fluid are completely separated, and these fluids do not mix.

本発明の熱交換器30は、第一の流体は、第二の流体よりも高温であるものを流通させ、第一の流体から第二の流体へ熱伝導するようにすることが好ましい。第一の流体として気体を流通させ、第二の流体として液体を流通させると、第一の流体と第二の流体の熱交換を効率よく行うことができる。つまり、本発明の熱交換器30は、気体/液体熱交換器として適用することができる。   In the heat exchanger 30 of the present invention, it is preferable that the first fluid is circulated at a temperature higher than that of the second fluid so as to conduct heat from the first fluid to the second fluid. When gas is circulated as the first fluid and liquid is circulated as the second fluid, heat exchange between the first fluid and the second fluid can be performed efficiently. That is, the heat exchanger 30 of the present invention can be applied as a gas / liquid heat exchanger.

本発明の熱交換器30は、第二の流体よりも高温の第一の流体をハニカム構造体1のセル内に流通させることにより、第一の流体の熱をハニカム構造体1に効率よく熱伝導させることができる。すなわち、全伝熱抵抗は、第一の流体のからハニカム構造体1への熱抵抗+隔壁4の熱抵抗+ハニカム構造体1から第二の流体への熱抵抗であるが、律速因子は、第一の流体からハニカム構造体1への熱抵抗である。熱交換器30は、セル3を第一の流体が通過するため、第一の流体とハニカム構造体1との接触面積が大きく、律速因子である第一の流体からハニカム構造体1への熱抵抗を下げることができる。   The heat exchanger 30 of the present invention allows the first fluid having a temperature higher than that of the second fluid to flow through the cells of the honeycomb structure 1 to efficiently heat the heat of the first fluid to the honeycomb structure 1. Can be conducted. That is, the total heat transfer resistance is the thermal resistance from the first fluid to the honeycomb structure 1 + the thermal resistance of the partition walls 4 + the thermal resistance from the honeycomb structure 1 to the second fluid. It is the thermal resistance from the first fluid to the honeycomb structure 1. Since the first fluid passes through the cell 3 in the heat exchanger 30, the contact area between the first fluid and the honeycomb structure 1 is large, and the heat from the first fluid, which is a rate-determining factor, to the honeycomb structure 1 is large. Resistance can be lowered.

ハニカム構造体1は、セラミックスで形成され、軸方向の一方の端面2から他方の端面2まで貫通する流体の流路を有するものである。ハニカム構造体1の外形は、円筒状(円柱状)に限らず、軸(長手)方向に垂直な断面が楕円形状、円弧が複合されたオーバル形状、四角形、またはその他の多角形の、角柱状であってもよい。図1A、および図1Bの実施形態のハニカム構造体1は、円柱形状に形成されている。   The honeycomb structure 1 is made of ceramics and has a fluid flow path penetrating from one end face 2 in the axial direction to the other end face 2. The outer shape of the honeycomb structure 1 is not limited to a cylindrical shape (columnar shape), but an elliptical cross section perpendicular to the axial (longitudinal) direction, an oval shape in which arcs are combined, a square shape, or other polygonal prism shape. It may be. The honeycomb structure 1 of the embodiment of FIGS. 1A and 1B is formed in a columnar shape.

ハニカム構造体1は、隔壁4によって流路となる複数のセル3が区画形成されており、セル3の軸方向に垂直な断面の形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、その他の多角形等の中から所望の形状を適宜選択すればよい。   In the honeycomb structure 1, a plurality of cells 3 serving as flow paths are defined by partition walls 4, and the shape of a cross section perpendicular to the axial direction of the cells 3 is a circle, an ellipse, a triangle, a quadrangle, and other polygons A desired shape may be appropriately selected from the above.

ハニカム構造体1のセル密度(即ち、単位断面積当たりのセルの数)については特に制限はなく、目的に応じて適宜設計すればよいが、25〜2000セル/平方インチ(4〜320セル/cm)の範囲であることが好ましい。セル密度を25セル/平方インチより大きくすると、隔壁4の強度、ひいてはハニカム構造体1自体の強度及び有効GSA(幾何学的表面積)を十分なものとすることができる。一方、セル密度を2000セル/平方インチ以下とすると、熱媒体が流れる際の圧力損失を小さくすることができる。 The cell density of the honeycomb structure 1 (that is, the number of cells per unit cross-sectional area) is not particularly limited, and may be appropriately designed according to the purpose, but is 25 to 2000 cells / in 2 (4 to 320 cells / cm 2 ) is preferable. When the cell density is larger than 25 cells / in 2, the strength of the partition walls 4 and the strength of the honeycomb structure 1 itself and the effective GSA (geometric surface area) can be made sufficient. On the other hand, when the cell density is 2000 cells / square inch or less, the pressure loss when the heat medium flows can be reduced.

また、ハニカム構造体1の1つ当たりのセル数は、1〜10000が望ましく、50〜2000が特に望ましい。セル数が多すぎるとハニカム自体が大きくなるため第一の流体側から第二の流体側までの熱伝導距離が長くなり、熱伝導ロスが大きくなり熱流束が小さくなる。またセル数が少ない時には第一の流体側の熱伝達面積が小さくなり第一の流体側の熱抵抗を下げることができず熱流束が小さくなる。   Further, the number of cells per honeycomb structure 1 is preferably 1 to 10,000, and particularly preferably 50 to 2000. If the number of cells is too large, the honeycomb itself becomes large, so the heat conduction distance from the first fluid side to the second fluid side becomes long, the heat conduction loss becomes large, and the heat flux becomes small. Further, when the number of cells is small, the heat transfer area on the first fluid side becomes small, the heat resistance on the first fluid side cannot be lowered, and the heat flux becomes small.

ハニカム構造体1のセル3の隔壁4の厚さ(壁厚)についても、目的に応じて適宜設計すればよく、特に制限はない。壁厚を50μm〜2mmとすることが好ましく、60〜800μmとすることが更に好ましい。壁厚を50μm以上とすると、機械的強度が向上して衝撃や熱応力による破損を防止できる。一方、2mm以下とすると、ハニカム構造体側に占めるセル容積の割合が大きくなることにより流体の圧力損失を小さくできる。   The thickness (wall thickness) of the partition walls 4 of the cells 3 of the honeycomb structure 1 may be appropriately designed according to the purpose, and is not particularly limited. The wall thickness is preferably 50 μm to 2 mm, and more preferably 60 to 800 μm. When the wall thickness is 50 μm or more, the mechanical strength is improved and damage due to impact or thermal stress can be prevented. On the other hand, when the thickness is 2 mm or less, the ratio of the cell volume to the honeycomb structure side increases, so that the pressure loss of the fluid can be reduced.

ハニカム構造体1のセル3の隔壁4の密度は、0.5〜5g/cmであることが好ましい。0.5g/cm以上の場合、隔壁4の強度が十分であり、第一の流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁4が破損することを防止できる。また、5g/cm以下であると、ハニカム構造体1自体が重くなりすぎず、軽量化することができる。上記の範囲の密度とすることにより、ハニカム構造体1を強固なものとすることができる。また、熱伝導率を向上させる効果も得られる。 The density of the partition walls 4 of the cells 3 of the honeycomb structure 1 is preferably 0.5 to 5 g / cm 3 . In the case of 0.5 g / cm 3 or more, the strength of the partition wall 4 is sufficient, and the partition wall 4 can be prevented from being damaged by pressure when the first fluid passes through the flow path. Further, if it is 5 g / cm 3 or less, the honeycomb structure 1 itself does not become too heavy, and the weight can be reduced. By setting the density within the above range, the honeycomb structure 1 can be strengthened. Moreover, the effect which improves heat conductivity is also acquired.

ハニカム構造体1は、熱伝導率が50W/m・K以上であることが好ましい。より好ましくは、100〜300W/m・K、さらに好ましくは、120〜300W/m・Kである。この範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、効率的にハニカム構造体1内の熱を金属管12の外側に排出できる。   The honeycomb structure 1 preferably has a thermal conductivity of 50 W / m · K or more. More preferably, it is 100-300 W / m * K, More preferably, it is 120-300 W / m * K. By setting it as this range, heat conductivity becomes favorable and the heat in the honeycomb structure 1 can be efficiently discharged to the outside of the metal tube 12.

ハニカム構造体1は、耐熱性に優れるセラミックスを用いることが好ましく、特に伝熱性を考慮すると炭化珪素(SiC)を含むことが好ましい。さらに、炭化珪素(SiC)を主成分とすることが好ましい。主成分とは、ハニカム構造体1の50質量%以上が炭化珪素であることをいう。   The honeycomb structure 1 is preferably made of a ceramic having excellent heat resistance, and particularly preferably contains silicon carbide (SiC) in consideration of heat conductivity. Furthermore, it is preferable that silicon carbide (SiC) is a main component. The main component means that 50% by mass or more of the honeycomb structure 1 is silicon carbide.

ハニカム構造体1は、炭化珪素を含む導電性セラミックスからなるものであることが好ましい。   The honeycomb structure 1 is preferably made of a conductive ceramic containing silicon carbide.

熱交換効率を得るためには、ハニカム構造体1の材質に熱伝導が高い炭化珪素を含むものを用いた方がより好ましいが、ハニカム構造体1の作製過程でシリコンを含浸させて緻密体(緻密質)とした方がより好ましい。緻密体とすることで高い熱伝導率が得られる。例えば、炭化珪素の多孔体の場合、20W/m・K程度であるが、緻密体とすることにより、150W/m・K程度とすることができる。   In order to obtain heat exchange efficiency, it is more preferable to use a material containing silicon carbide having high thermal conductivity as the material of the honeycomb structure 1, but in the process of manufacturing the honeycomb structure 1, silicon is impregnated to form a dense body ( (Dense) is more preferable. High heat conductivity can be obtained by using a dense body. For example, in the case of a porous body of silicon carbide, it is about 20 W / m · K, but by making it a dense body, it can be about 150 W / m · K.

ハニカム構造体1のセラミック材料として、Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC、金属複合SiC、Si、及びSiC(特に、SiCのみからなり緻密化されたものが好ましい)等を採用することができるが、高い熱交換効率を得るための緻密体とするためにSi含浸SiC、(Si+Al)含浸SiCを採用することがより望ましい。Si含浸SiCは、SiC粒子表面を金属珪素融体の凝固物が取り囲むとともに、金属珪素を介してSiCが一体に接合した構造を有するため、炭化珪素が酸素を含む雰囲気から遮断され、酸化されることが防止される。さらに、SiCは、熱伝導率が高く、放熱しやすいという特徴を有するが、Siを含浸するSiCは、高い熱伝導率や耐熱性を示しつつ、緻密に形成され、伝熱部材として十分な強度を示す。つまり、Si−SiC系(Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC)材料からなるハニカム構造体1は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性を初め、酸やアルカリなどに対する耐蝕性に優れた特性を示すとともに、高熱伝導率を示す。 As the ceramic material of the honeycomb structure 1, Si-impregnated SiC, (Si + Al) -impregnated SiC, metal composite SiC, Si 3 N 4 , and SiC (particularly, a dense material composed only of SiC is preferable). However, it is more desirable to employ Si-impregnated SiC or (Si + Al) -impregnated SiC in order to obtain a dense body for obtaining high heat exchange efficiency. Si-impregnated SiC has a structure in which the SiC particle surface is surrounded by a solidified metal silicon melt and SiC is integrally joined via metal silicon, so that silicon carbide is shielded from the atmosphere containing oxygen and oxidized. It is prevented. Furthermore, SiC has the characteristics of high thermal conductivity and easy heat dissipation, but SiC impregnated with Si is densely formed while exhibiting high thermal conductivity and heat resistance, and has sufficient strength as a heat transfer member. Indicates. That is, the honeycomb structure 1 made of a Si—SiC-based (Si-impregnated SiC, (Si + Al) -impregnated SiC) material has excellent heat resistance, thermal shock resistance, oxidation resistance, and excellent corrosion resistance against acids and alkalis. And high thermal conductivity.

さらに具体的に説明すると、ハニカム構造体1がSi含浸SiC複合材料、又は(Si
+Al)含浸SiCを主成分とする場合、Si/(Si+SiC)で規定されるSi含有量が少なすぎると結合材が不足するために隣接するSiC粒子同士のSi相による結合が不十分となり、熱伝導率が低下するだけでなく、ハニカム構造のような薄壁の構造体を維持し得る強度を得ることが困難となる。逆にSi含有量が多すぎると、適切にSiC粒子同士を結合し得る以上に金属珪素が存在することに起因して、ハニカム構造体1が焼成により過度に収縮してしまい、気孔率低下、平均細孔径縮小などの弊害が併発してくる点において好ましくない。したがってSi含有量は、5〜50質量%であることが好ましく、10〜40質量%であることが更に好ましい。
More specifically, the honeycomb structure 1 is made of Si-impregnated SiC composite material, or (Si
+ Al) When the main component is impregnated SiC, if the Si content defined by Si / (Si + SiC) is too small, the bonding material is insufficient, so that bonding between adjacent SiC particles by the Si phase becomes insufficient, and heat Not only does the conductivity decrease, it becomes difficult to obtain a strength that can maintain a thin-walled structure such as a honeycomb structure. Conversely, if the Si content is too high, the honeycomb structure 1 is excessively shrunk by firing due to the presence of metallic silicon more than can appropriately combine the SiC particles, and the porosity decreases. This is not preferable in that adverse effects such as reduction of the average pore diameter occur at the same time. Therefore, the Si content is preferably 5 to 50% by mass, and more preferably 10 to 40% by mass.

このようなSi含浸SiC、又は(Si+Al)含浸SiCは、気孔が金属シリコンで埋められており、気孔率が0または0に近い場合もあり、耐酸化性、耐久性に優れ、高温雰囲気化での長期間の使用が可能である。一度酸化されると酸化保護膜が形成されるため、酸化劣化が発生しない。また常温から高温まで高強度を有するため、肉薄で軽量な構造体を形成することができる。さらに、熱伝導率が銅やアルミニウム金属と同程度に高く、遠赤外線放射率も高く、電気導電性があるため静電気を帯びにくい。   In such Si-impregnated SiC or (Si + Al) -impregnated SiC, the pores are filled with metal silicon, and the porosity may be 0 or close to 0, which is excellent in oxidation resistance and durability, and can be used in a high-temperature atmosphere. Can be used for a long time. Once oxidized, an oxidation protective film is formed, so that no oxidative degradation occurs. Moreover, since it has high strength from room temperature to high temperature, a thin and lightweight structure can be formed. Furthermore, the thermal conductivity is as high as that of copper or aluminum metal, the far-infrared emissivity is also high, and since it is electrically conductive, it is difficult to be charged with static electricity.

本発明の熱交換器30に流通させる第一の流体(高温側)が排ガスの場合、第一の流体(高温側)が通過するハニカム構造体1のセル3内部の壁面には、触媒が担持されていることが好ましい。これは、排ガス浄化の役割に加えて、排ガス浄化の際に発生する反応熱(発熱反応)も熱交換することが可能になるためである。触媒としては、貴金属(白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、インジウム、銀、及び金)、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、亜鉛、銅、スズ、鉄、ニオブ、マグネシウム、ランタン、サマリウム、ビスマス及びバリウムからなる群から選択された元素を少なくとも一種を含有すると良い。これらは金属、酸化物、及びそれ以外の化合物であっても良い。   When the first fluid (high temperature side) to be circulated through the heat exchanger 30 of the present invention is exhaust gas, a catalyst is supported on the wall surface inside the cell 3 of the honeycomb structure 1 through which the first fluid (high temperature side) passes. It is preferable that This is because in addition to the role of exhaust gas purification, reaction heat (exothermic reaction) generated during exhaust gas purification can also be exchanged. Catalysts include noble metals (platinum, rhodium, palladium, ruthenium, indium, silver, and gold), aluminum, nickel, zirconium, titanium, cerium, cobalt, manganese, zinc, copper, tin, iron, niobium, magnesium, lanthanum, It is preferable to contain at least one element selected from the group consisting of samarium, bismuth and barium. These may be metals, oxides, and other compounds.

第一の流体(高温側)が通過するハニカム構造体1の第一流体流通部5に担持される触媒(触媒金属+担持体)の担持量としては、10〜400g/Lであることが好ましく、貴金属であれば0.1〜5g/Lであることが更に好ましい。触媒(触媒金属+担持体)の担持量を10g/L以上とすることにより、触媒作用が十分に発現する。一方、400g/L以下とすることにより、圧力損失が大きくなることを防止するとともに、製造コストが上昇することを防止することができる。   The supported amount of the catalyst (catalyst metal + support) supported by the first fluid circulation portion 5 of the honeycomb structure 1 through which the first fluid (high temperature side) passes is preferably 10 to 400 g / L. In the case of a noble metal, it is more preferably 0.1 to 5 g / L. When the loading amount of the catalyst (catalyst metal + support) is 10 g / L or more, the catalytic action is sufficiently exhibited. On the other hand, by setting it as 400 g / L or less, it can prevent that a pressure loss becomes large, and can prevent that manufacturing cost rises.

触媒を担持させる場合、ハニカム構造体1にマスキングを施し、ハニカム構造体1に触媒が担持されるようにする。予め、担体微粒子となるセラミックス粉末に触媒成分を含む水溶液を含浸させた後、乾燥し、焼成することにより触媒コート微粒子を得る。この触媒コート微粒子に分散媒(水等)、その他の添加剤を加えてコーティング液(スラリー)を調製し、このスラリーをハニカム構造体1の隔壁4にコーティングした後、乾燥し、焼成することによって、ハニカム構造体1のセル3の隔壁4に触媒を担持する。尚、焼成する際は、ハニカム構造体1のマスキングを剥す。   When the catalyst is supported, the honeycomb structure 1 is masked so that the catalyst is supported on the honeycomb structure 1. In advance, an aqueous solution containing a catalyst component is impregnated into ceramic powder as carrier fine particles, and then dried and fired to obtain catalyst-coated fine particles. A dispersion liquid (water, etc.) and other additives are added to the catalyst-coated fine particles to prepare a coating liquid (slurry). The slurry is coated on the partition walls 4 of the honeycomb structure 1, and then dried and fired. The catalyst is supported on the partition walls 4 of the cells 3 of the honeycomb structure 1. When firing, the masking of the honeycomb structure 1 is peeled off.

以上のような構成の本発明の熱交換器30に流通させる第一の流体は、加熱体であることが好ましく、加熱体としては、熱を有する媒体であれば、気体、液体等、特に限定されない。例えば、気体であれば自動車の排ガス等が挙げられる。また、加熱体から熱を奪う(熱交換する)第二の流体である被加熱体は、加熱体よりも低い温度であれば、媒体としては、気体、液体等、特に限定されない。隔壁4及び外周壁7の少なくとも一方が緻密質として形成されていることから、第二の流体は、液体を用いることが好ましく、取扱いを考慮すると水が好ましいが、特に水に限定されない。   The first fluid to be circulated in the heat exchanger 30 of the present invention having the above configuration is preferably a heating body, and the heating body is particularly limited to a gas, a liquid, etc., as long as it is a medium having heat. Not. For example, if it is gas, the exhaust gas of a motor vehicle etc. are mentioned. In addition, the medium to be heated, which is the second fluid that takes heat from the heating body (exchanges heat), is not particularly limited as a medium, as long as the temperature is lower than that of the heating body. Since at least one of the partition walls 4 and the outer peripheral wall 7 is formed as a dense material, the second fluid is preferably a liquid, and water is preferable in consideration of handling, but is not particularly limited to water.

以上のように、ハニカム構造体1が高い熱伝導性を持ち、隔壁4によって流路となる箇所が複数あることで、高い熱交換効率が得られる。このため、ハニカム構造体1全体を小型化でき、車載化も可能となる。   As described above, since the honeycomb structure 1 has high thermal conductivity and there are a plurality of portions that become flow paths by the partition walls 4, high heat exchange efficiency can be obtained. For this reason, the whole honeycomb structure 1 can be reduced in size and can be mounted on a vehicle.

(製造方法)
次に、本発明の熱交換部材10として用いるハニカム構造体1の製造方法を説明する。まず、セラミック成形原料を押出して、セラミックスの隔壁4により仕切られて一方の端面2から他方の端面2まで軸方向に貫通する、流体の流路となる複数のセル3が区画形成されたハニカム成形体を成形する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the honeycomb structure 1 used as the heat exchange member 10 of the present invention will be described. First, a honeycomb forming material is formed by extruding a ceramic forming raw material, and partitioned by ceramic partition walls 4 and penetrating in an axial direction from one end face 2 to the other end face 2 to form a plurality of cells 3 serving as fluid flow paths. Shape the body.

具体的には、以下のように製造することができる。セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出してハニカム成形体を成形後、乾燥し、焼成することによって、隔壁4によってガスの流路となる複数のセル3が区画形成されたハニカム構造体1を得る。   Specifically, it can be produced as follows. A honeycomb structure 1 in which a plurality of cells 3 serving as gas flow paths are partitioned by partition walls 4 is formed by extruding a clay containing ceramic powder into a desired shape to form a honeycomb formed body, and then drying and firing. Get.

ハニカム構造体1の材料としては、前述のセラミックスを用いることができるが、例えば、Si含浸SiC複合材料を主成分とするハニカム構造体を製造する場合、まず、所定量のC粉末、SiC粉末、バインダー、水又は有機溶媒を混練し、成形して所望形状の成形体を得る。次いで、この成形体を、金属Si雰囲気下、減圧の不活性ガス又は真空中に置き、成形体中に金属Siを含浸させる。   As the material of the honeycomb structure 1, the above-described ceramics can be used. For example, when manufacturing a honeycomb structure mainly composed of a Si-impregnated SiC composite material, first, a predetermined amount of C powder, SiC powder, A binder, water or an organic solvent is kneaded and molded to obtain a molded body having a desired shape. Next, the compact is placed in a reduced pressure inert gas or vacuum under a metal Si atmosphere, and the compact is impregnated with metal Si.

なお、Si、及びSiC等を採用した場合も、成形原料を坏土化し、この坏土を成形工程において押出成形することにより、隔壁4によって区画された排ガスの流路となる複数のセル3を有するハニカム形状の成形体を成形することができる。これを乾燥、焼成することにより、ハニカム構造体1を得ることができる(図1A等参照)。そして、ハニカム構造体1をケーシング21内に収容することにより、熱交換器30を作製することができる(図2A等参照)。 Even when Si 3 N 4 , SiC, or the like is adopted, the molding raw material is converted into clay, and the clay is extruded in the molding process, thereby forming a plurality of exhaust gas flow paths partitioned by the partition walls 4. A honeycomb-shaped formed body having the cells 3 can be formed. The honeycomb structure 1 can be obtained by drying and firing this (see FIG. 1A and the like). And the heat exchanger 30 is producible by accommodating the honeycomb structure 1 in the casing 21 (refer FIG. 2A etc.).

本発明では基本的に押出成形をそのまま使用でき、工数が非常に少なくできる。また同じ構造を耐熱金属で作製しようとしたとき、プレス加工、溶接加工などの工程が必要であるのに対し、本発明では不要である。したがって、製造コストを低減することができるとともに、十分な熱交換効率を得ることができる。   In the present invention, basically, extrusion molding can be used as it is, and man-hours can be greatly reduced. Further, when an attempt is made to produce the same structure with a refractory metal, steps such as press working and welding are necessary, but are not necessary in the present invention. Therefore, the manufacturing cost can be reduced and sufficient heat exchange efficiency can be obtained.

(実施形態2)
図3Aに、熱交換部材10の他の実施形態の斜視図を示す。また、図3Bに、軸方向に平行な断面で切断した断面図、図3Cに、熱交換部材10を軸方向の一方の端面から見た図を示す。本実施形態の熱交換部材10は、ハニカム構造体1と、ハニカム構造体1の外周側に金属管12と、ハニカム構造体1と金属管12との間に挟み込まれた中間材13と、を備える。中間材13は、少なくとも一部がヤング率150GPa以下である材質からなる。そして、ハニカム構造体1の内部に第一の流体を、金属管12の外周面12h側に第一の流体よりも低温の第二の流体を流通させることにより、熱交換部材10は、第一の流体と第二の流体との熱交換を行うことができる。熱交換部材10は、ハニカム構造体1の外周側に金属管12を備えるため、第一の流体と第二の流体とは、完全に分離されており、これらの流体は混じり合わない。また、熱交換部材10は、金属管12を備えるため、設置場所や設置方法により加工することが容易であり、自由度が高い。熱交換部材10は、金属管12によってハニカム構造体1を保護することができ外部からの衝撃にも強い。
(Embodiment 2)
FIG. 3A shows a perspective view of another embodiment of the heat exchange member 10. 3B is a cross-sectional view cut along a cross section parallel to the axial direction, and FIG. 3C is a view of the heat exchange member 10 as viewed from one end face in the axial direction. The heat exchange member 10 of the present embodiment includes a honeycomb structure 1, a metal tube 12 on the outer peripheral side of the honeycomb structure 1, and an intermediate material 13 sandwiched between the honeycomb structure 1 and the metal tube 12. Prepare. The intermediate material 13 is made of a material having at least a part having a Young's modulus of 150 GPa or less. Then, the first fluid is circulated inside the honeycomb structure 1 and the second fluid having a temperature lower than that of the first fluid is circulated on the outer peripheral surface 12h side of the metal tube 12, whereby the heat exchange member 10 is The heat exchange between the first fluid and the second fluid can be performed. Since the heat exchange member 10 includes the metal pipe 12 on the outer peripheral side of the honeycomb structure 1, the first fluid and the second fluid are completely separated, and these fluids are not mixed. Moreover, since the heat exchange member 10 is provided with the metal tube 12, it is easy to process it according to an installation place and an installation method, and its freedom is high. The heat exchange member 10 can protect the honeycomb structure 1 by the metal tube 12 and is resistant to external impact.

熱交換部材10にヤング率150GPa以下である材質からなる中間材13を用いることにより、金属管12とハニカム構造体1との密着性を高めて、熱伝導性を向上させることができる。この場合、中間材13が、金属管12とハニカム構造体1との少なくとも一部に接触していることが、熱交換部材10の熱伝導性を良好とするために好ましい。   By using the intermediate material 13 made of a material having a Young's modulus of 150 GPa or less for the heat exchange member 10, the adhesion between the metal tube 12 and the honeycomb structure 1 can be improved and the thermal conductivity can be improved. In this case, it is preferable that the intermediate material 13 is in contact with at least a part of the metal tube 12 and the honeycomb structure 1 in order to improve the thermal conductivity of the heat exchange member 10.

さらに、中間材13は、少なくとも一部の熱伝導率が1W/m・K以上であることが好ましい。中間材13の熱伝導率が1W/m・K以上であることにより、熱交換部材10の熱伝導性を向上させることができる。   Furthermore, it is preferable that the intermediate material 13 has a thermal conductivity of at least a part of 1 W / m · K or more. When the heat conductivity of the intermediate material 13 is 1 W / m · K or more, the heat conductivity of the heat exchange member 10 can be improved.

中間材13としては、グラファイトシート、金属シート、ゲルシート、弾塑性流体等が挙げられる。金属シートを構成する金属としては、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)等が挙げられる。弾塑性流体とは、小さな力であれば、塑性変形せずに固体として振るまい(弾性率を有する)、大きな力を加えると自由に変形して流体のような変形をする材料であり、グリース等が例として挙げられる。中間材13として、密着性や熱伝導性等を考慮すると、グラファイトシートを用いることが好ましい。以下、中間材13として、グラファイトシートを例として説明する。   Examples of the intermediate material 13 include a graphite sheet, a metal sheet, a gel sheet, and an elastoplastic fluid. Examples of the metal constituting the metal sheet include gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and aluminum (Al). An elasto-plastic fluid is a material that, if it is a small force, behaves as a solid without plastic deformation (has an elastic modulus), and deforms freely like a fluid when a large force is applied. Etc. are mentioned as examples. In view of adhesion, thermal conductivity, etc., it is preferable to use a graphite sheet as the intermediate material 13. Hereinafter, a graphite sheet will be described as an example of the intermediate material 13.

金属管12とハニカム構造体1とを、グラファイトシートからなる中間材13を挟んだ状態で、例えば、焼きばめにより嵌合させることができる(後述する一体化の第一の方法)。グラファイトシートからなる中間材13を挟んで焼きばめすることにより、金属管12とハニカム構造体1との接合部の使用時の常温〜150℃の環境において、グラファイトシートに圧がかかり、熱を伝達することができる。   The metal tube 12 and the honeycomb structure 1 can be fitted by, for example, shrink fitting with the intermediate material 13 made of a graphite sheet sandwiched (first integration method described later). By sandwich-fitting the intermediate material 13 made of a graphite sheet, pressure is applied to the graphite sheet in an environment of room temperature to 150 ° C. when the joint portion between the metal tube 12 and the honeycomb structure 1 is used, and heat is applied. Can communicate.

本明細書におけるグラファイトシートとは、膨張黒鉛を主成分とするグラファイトを圧延しシート状に加工したものや、高分子フィルムを熱分解して得られるシート状のものであり、黒鉛シート、カーボンシートと称されるものも含む。グラファイトシートは、厚み方向のヤング率が1GPa以下、厚み方向の熱伝導率が1W/m・K以上であることが好ましい。厚み方向の熱伝導率について、より好ましくは、3〜10W/m・Kである。また、面内方向の熱伝導率は、5〜1600W/m・Kが好ましく、100〜400W/m・Kがより好ましい。   The graphite sheet in the present specification is a sheet obtained by rolling a graphite mainly composed of expanded graphite into a sheet, or a sheet obtained by pyrolyzing a polymer film. Including what is called. The graphite sheet preferably has a Young's modulus in the thickness direction of 1 GPa or less and a thermal conductivity in the thickness direction of 1 W / m · K or more. The thermal conductivity in the thickness direction is more preferably 3 to 10 W / m · K. In addition, the thermal conductivity in the in-plane direction is preferably 5 to 1600 W / m · K, and more preferably 100 to 400 W / m · K.

また、グラファイトシートのヤング率は、1MPa〜1GPaであることが好ましい。より好ましくは、5〜500MPa、さらに好ましくは、10〜200MPaである。ヤング率が1MPa以上であればグラファイトの密度が十分であり熱伝導性が良い。一方、500MPa以下である場合、薄いグラファイトシートでも焼きばめ時に十分弾性変形し、密着性や金属管12の応力緩和効果が得られる。   The Young's modulus of the graphite sheet is preferably 1 MPa to 1 GPa. More preferably, it is 5-500 MPa, More preferably, it is 10-200 MPa. If the Young's modulus is 1 MPa or more, the density of graphite is sufficient and the thermal conductivity is good. On the other hand, when the pressure is 500 MPa or less, even a thin graphite sheet is sufficiently elastically deformed at the time of shrink fitting, and adhesion and stress relaxation effect of the metal tube 12 are obtained.

グラファイトシートの厚みは、25μm〜1mmであることが好ましく、25〜500μmであることがより好ましく、50〜250μmであることがさらに好ましい。グラファイトシートは、薄くなるほど高価になる。また厚くなると、熱抵抗を生じる。この範囲のグラファイトシートを使用することにより、熱伝導性が良好となり、効率的にハニカム構造体1内の熱を金属管12の外側に排出できる。   The thickness of the graphite sheet is preferably 25 μm to 1 mm, more preferably 25 to 500 μm, and still more preferably 50 to 250 μm. Graphite sheets become more expensive as they become thinner. Moreover, when it becomes thick, heat resistance will be produced. By using the graphite sheet in this range, the thermal conductivity becomes good, and the heat in the honeycomb structure 1 can be efficiently discharged to the outside of the metal tube 12.

金属管12としては、耐熱性、耐蝕性のあるものが好ましく、例えば、SUS管、銅管、真鍮管等を用いることができる。金属管12の外周面12h上を流通する第二の流体である冷却水の水温は120℃前後まで上昇しうるが、この時に熱膨張率の差により、ハニカム構造体1と金属管12との間の圧力が抜けてしまわないように、金属管12の径を下記の式の範囲にすることが好ましい。すなわち、室温25℃でのハニカム構造体1の外径をd、グラファイトシートの厚みをc、ハニカム構造体1の熱膨張係数をα、金属管12の熱膨張係数をβ、焼きばめ温度を1000℃とすると、金属管12の内径Dは、
d+2×c−975×β×d<D<d+2×c−125×(β−α)×d
となるように設定することが好ましい。
As the metal tube 12, one having heat resistance and corrosion resistance is preferable. For example, a SUS tube, a copper tube, a brass tube, or the like can be used. The temperature of the cooling water, which is the second fluid flowing on the outer peripheral surface 12h of the metal tube 12, can rise to around 120 ° C., but at this time, due to the difference in thermal expansion coefficient, the honeycomb structure 1 and the metal tube 12 It is preferable to set the diameter of the metal tube 12 within the range of the following formula so that the pressure between them does not escape. That is, the outside diameter of the honeycomb structure 1 at room temperature of 25 ° C. is d, the thickness of the graphite sheet is c, the thermal expansion coefficient of the honeycomb structure 1 is α, the thermal expansion coefficient of the metal tube 12 is β, and the shrink fitting temperature is Assuming 1000 ° C., the inner diameter D of the metal tube 12 is
d + 2 * c-975 * [beta] * d <D <d + 2 * c-125 * ([beta]-[alpha]) * d
It is preferable to set so that.

上記の金属管12の内径Dは、ハニカム構造体1と金属管12との接合部で想定される常温〜150℃までの温度域で、締まりばめの圧力が確実にかかる範囲である。金属管12の内径Dをこの範囲とすることにより、必要以上に金属管12に引張応力が残らないようにすることができる。具体的には、例えば、ハニカム構造体1の外径が42mm、ハニカム構造体1の熱膨張係数αが4.0×10−6、金属管12の熱膨張係数βが17×10−6、グラファイトシートの厚みcが0.2mmである場合は、41.704mm<D<42.332mmである。 The inner diameter D of the metal tube 12 is within a range in which an interference fit pressure is reliably applied in a temperature range from room temperature to 150 ° C. assumed at the joint between the honeycomb structure 1 and the metal tube 12. By setting the inner diameter D of the metal tube 12 within this range, it is possible to prevent a tensile stress from remaining in the metal tube 12 more than necessary. Specifically, for example, the outer diameter of the honeycomb structure 1 is 42 mm, the thermal expansion coefficient α of the honeycomb structure 1 is 4.0 × 10 −6 , and the thermal expansion coefficient β of the metal tube 12 is 17 × 10 −6 . When the thickness c of the graphite sheet is 0.2 mm, 41.704 mm <D <42.332 mm.

(製造方法)
ハニカム構造体1の外周側に金属管12を備えた熱交換部材10(図3A等参照)の製造方法を説明する。まず、実施形態1と同様にして、ハニカム構造体1を製造する。
(Production method)
A method for manufacturing the heat exchange member 10 (see FIG. 3A and the like) including the metal tube 12 on the outer peripheral side of the honeycomb structure 1 will be described. First, the honeycomb structure 1 is manufactured in the same manner as in the first embodiment.

次に、上記のようにして製造したハニカム構造体1、中間材13、及び金属管12を一体化する。第一の方法は、まず、中間材13として用いるグラファイトシートをハニカム構造体1の外周壁7の外周面7hに巻き付ける。このとき、接着剤を用いて貼り付けてもよい。接着剤を用いることにより、一様にグラファイトシートを貼り付けることができる。接着剤は、十分に薄く良伝熱性であることが望ましい。また、焼きばめ後は締まりばめ状態となるため、接着は、全面接着でも部分接着でもよい。続いて金属管12を高周波加熱機で1000℃程度まで昇温させる。そして、ハニカム構造体1を金属管12に挿入して焼きばめにより一体化し、熱交換部材10を形成することができる。   Next, the honeycomb structure 1, the intermediate material 13, and the metal tube 12 manufactured as described above are integrated. In the first method, first, a graphite sheet used as the intermediate member 13 is wound around the outer peripheral surface 7 h of the outer peripheral wall 7 of the honeycomb structure 1. At this time, you may stick using an adhesive agent. By using an adhesive, a graphite sheet can be uniformly attached. It is desirable that the adhesive is sufficiently thin and has good heat conductivity. In addition, after shrink-fitting, an interference-fitted state is obtained, so that the adhesion may be a full adhesion or a partial adhesion. Subsequently, the metal tube 12 is heated to about 1000 ° C. with a high-frequency heater. Then, the honeycomb structure 1 can be inserted into the metal tube 12 and integrated by shrink fitting to form the heat exchange member 10.

ハニカム構造体1、中間材13、及び金属管12の一体化の第二の方法は、金属板(平板)を用いて金属管12とする。まず、ハニカム構造体1の外周壁7の外周面7hにグラファイトシートを巻き付ける。次に、ハニカム構造体1に金属板(平板)を圧をかけつつ、巻き付けて締め付ける。そしてハニカム構造体1に巻き付けられて円筒状になった金属板の端部12a同士を接合して金属管12とする。金属板の端部12a同士の接合としては、例えば、レーザー溶接を用いることができる。   A second method of integrating the honeycomb structure 1, the intermediate material 13, and the metal tube 12 is a metal tube 12 using a metal plate (flat plate). First, a graphite sheet is wound around the outer peripheral surface 7 h of the outer peripheral wall 7 of the honeycomb structure 1. Next, the honeycomb structure 1 is wound and tightened while applying a metal plate (flat plate) to the honeycomb structure 1. Then, the end portions 12 a of the metal plate wound around the honeycomb structure 1 and formed into a cylindrical shape are joined to form a metal tube 12. For example, laser welding can be used as the joining between the end portions 12a of the metal plates.

ハニカム構造体1、中間材13、及び金属管12の一体化の第三の方法は、熱間塑性加工法である。まず、ハニカム構造体1の外周壁7の外周面7hにグラファイトシートを巻き付ける。次に、ハニカム構造体1を金属管12の内部に設置する。金属管12の内径はハニカム構造体1の外周径に比べ十分に大きいものを使用する。続いて、金属管12のハニカム構造体1が設置されている領域を、高周波加熱装置等を用いて400〜1100℃程度まで昇温させる。金属管12を局所的に加熱しながら金属管両端部を引っ張ることで、金属管12が縮径する。金属管12とハニカム構造体1とが一体化した後に冷却することで、熱交換部材10を形成することができる。   A third method of integrating the honeycomb structure 1, the intermediate material 13, and the metal tube 12 is a hot plastic working method. First, a graphite sheet is wound around the outer peripheral surface 7 h of the outer peripheral wall 7 of the honeycomb structure 1. Next, the honeycomb structure 1 is installed inside the metal tube 12. The inner diameter of the metal tube 12 is sufficiently larger than the outer diameter of the honeycomb structure 1. Subsequently, the region of the metal pipe 12 where the honeycomb structure 1 is installed is heated to about 400 to 1100 ° C. using a high-frequency heating device or the like. The metal tube 12 is reduced in diameter by pulling both ends of the metal tube while locally heating the metal tube 12. The heat exchange member 10 can be formed by cooling after the metal tube 12 and the honeycomb structure 1 are integrated.

図4に示すように、金属管12を備えたハニカム構造体1をケーシング21内に収容することにより、熱交換器30を作製することができる。ハニカム構造体1のセル3が第一の流体が流通する第一流体流通部5となる。熱交換器30は、ハニカム構造体1のセル3内を、第二の流体よりも高温の第一の流体が流通するように構成されている。また、ケーシング21に第二の流体の入口22及び出口23が形成されており、第二の流体は、熱交換部材10の金属管12の外周面12h上を流通する。   As shown in FIG. 4, the heat exchanger 30 can be manufactured by housing the honeycomb structure 1 including the metal pipe 12 in the casing 21. The cells 3 of the honeycomb structure 1 become the first fluid circulation part 5 through which the first fluid flows. The heat exchanger 30 is configured such that a first fluid having a temperature higher than that of the second fluid flows in the cells 3 of the honeycomb structure 1. In addition, an inlet 22 and an outlet 23 for the second fluid are formed in the casing 21, and the second fluid circulates on the outer peripheral surface 12 h of the metal tube 12 of the heat exchange member 10.

本発明の熱交換部材10は、ハニカム構造体1とその外周側の金属管12との間に、低ヤング率のグラファイトシート等からなる中間材13を備えることにより、密着性が向上する。このため厚み方向(管の径方向)の熱伝導率を3W/m・K以上とすることができ、熱伝導性が良好である。また、長手(軸)方向の熱伝導率を250W/m・K以上とすることができ、熱伝導性も良好である。グラファイトシート等により、横滑りが可能なため、ハニカム構造体1と金属管12間の熱膨張差による応力が発生しにくい。このため、実用上熱耐久性が十分である。   The heat exchange member 10 of the present invention is provided with an intermediate material 13 made of a graphite sheet or the like having a low Young's modulus between the honeycomb structure 1 and the metal tube 12 on the outer peripheral side thereof, thereby improving adhesion. For this reason, the thermal conductivity in the thickness direction (the radial direction of the tube) can be 3 W / m · K or more, and the thermal conductivity is good. Further, the thermal conductivity in the longitudinal (axial) direction can be 250 W / m · K or more, and the thermal conductivity is also good. Since a side slip is possible with a graphite sheet or the like, stress due to a difference in thermal expansion between the honeycomb structure 1 and the metal tube 12 is hardly generated. For this reason, thermal durability is sufficient practically.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1〜8、比較例1〜5)
ハニカム構造体1とケーシング21によって、第一流体流通部と第二流体流通部とが形成された熱交換器30を以下のようにして作製した。
(Examples 1-8, Comparative Examples 1-5)
The heat exchanger 30 in which the first fluid circulation part and the second fluid circulation part were formed by the honeycomb structure 1 and the casing 21 was produced as follows.

(ハニカム構造体の製造)
セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出した後、乾燥し、焼成することによって、材質が炭化珪素のハニカム構造体1を製造した。なお、ハニカム構造体1は、集熱部分の面積と同じ面積の円の直径である円相当径Φが40mm、ハニカム構造体1の軸方向の長さの全長L[mm]が100mmであった。また表1に、隔壁4の材質の熱伝導率λ[W/K・m]、隔壁4の壁厚t[mm]、セル密度ρ[個/平方インチ]を記載した。
(Manufacture of honeycomb structure)
A honeycomb structure 1 made of silicon carbide was manufactured by extruding a clay containing ceramic powder into a desired shape, followed by drying and firing. The honeycomb structure 1 had a circle equivalent diameter Φ, which is the diameter of a circle having the same area as the area of the heat collecting portion, of 40 mm, and the total length L [mm] in the axial direction of the honeycomb structure 1 was 100 mm. . Table 1 shows the thermal conductivity λ [W / K · m] of the material of the partition walls 4, the wall thickness t [mm] of the partition walls 4, and the cell density ρ [pieces / square inch].

(ケーシング)
ハニカム構造体1の外側容器として、ステンレスからなるケーシング21を用いた。実施例1〜8では、1つのハニカム構造体1を、ケーシング21内に配置した(図1A及び図2C参照)。第一流体流通部5は、ハニカム構造に形成され、第二流体流通部6は、ケーシング21内で、ハニカム構造体1の外周を流通(外側構造)するように形成されている。また、ケーシング21には、第一の流体をハニカム構造体1に、第二の流体をケーシング21に導入、排出するための配管を取り付けた。尚、第一の流体と第二の流体が混ざり合わないように、これら2経路は完全に隔離されている(外周フロー構造)。また、実施例1〜8のハニカム構造体1の外形構造は、全て同一とした。図2Cにおいて、ハニカム構造体1の外周面7hとケーシング21の内周面24との間隔L3を1mmとした。
(casing)
As an outer container of the honeycomb structure 1, a casing 21 made of stainless steel was used. In Examples 1 to 8, one honeycomb structure 1 was disposed in the casing 21 (see FIGS. 1A and 2C). The first fluid circulation part 5 is formed in a honeycomb structure, and the second fluid circulation part 6 is formed so as to circulate (outside structure) the outer periphery of the honeycomb structure 1 in the casing 21. In addition, piping for introducing and discharging the first fluid to the honeycomb structure 1 and the second fluid to the casing 21 was attached to the casing 21. Note that these two paths are completely isolated so that the first fluid and the second fluid do not mix (peripheral flow structure). Moreover, all the external structures of the honeycomb structures 1 of Examples 1 to 8 were the same. In FIG. 2C, the distance L3 between the outer peripheral surface 7h of the honeycomb structure 1 and the inner peripheral surface 24 of the casing 21 is 1 mm.

(第一の流体、及び第二の流体)
第一の流体、第二の流体のハニカム構造体1への入口温度、流量は全て同一条件とした。第一の流体として、500℃の窒素ガス(N)を用いた。また、第二の流体として水を用いた。
(First fluid and second fluid)
The inlet temperature and flow rate of the first fluid and the second fluid to the honeycomb structure 1 were all the same. As the first fluid, nitrogen gas (N 2 ) at 500 ° C. was used. Moreover, water was used as the second fluid.

(試験方法)
ハニカム構造体1の第一流体流通部5に窒素ガスを流し、ケーシング21内の第二流体流通部6に(冷却)水を流した。ハニカム構造体1に対する窒素ガスの流量は6L/sとした。(冷却)水の流量は15L/minとした。第一の流体、第二の流体の流量等の試験条件は全て同じとした。実施例1は、第一の流体の流路となる配管の外周部に第二の流体の流路があるものを用いたものである(図2B参照)。(冷却)水は配管の外側(ギャップ(L3)が1mm)を流れる構成であった(図2C参照)。ハニカム構造体1の前段及び後段の第一の流体の流路配管に圧力計を配置し、その圧力差からハニカム構造体1の圧力損失を特定した。
(Test method)
Nitrogen gas was passed through the first fluid circulation part 5 of the honeycomb structure 1, and (cooling) water was allowed to flow through the second fluid circulation part 6 in the casing 21. The flow rate of nitrogen gas with respect to the honeycomb structure 1 was 6 L / s. The flow rate of (cooling) water was 15 L / min. The test conditions such as the flow rates of the first fluid and the second fluid were all the same. In Example 1, a pipe having a second fluid flow path is provided on the outer periphery of a pipe serving as a first fluid flow path (see FIG. 2B). The (cooling) water was configured to flow outside the pipe (the gap (L3) was 1 mm) (see FIG. 2C). Pressure gauges were arranged in the first fluid passage pipes at the front and rear stages of the honeycomb structure 1, and the pressure loss of the honeycomb structure 1 was specified from the pressure difference.

(試験結果)
表1に熱交換効率、圧力損失(圧損)、熱交換効率/圧力損失を示す。熱交換効率(%)は、第一の流体(窒素ガス)及び第二の流体(水)のΔT℃(ハニカム構造体1の出口温度−入口温度)から其々エネルギー量を算出し、式1で計算した。
(式1) 熱交換効率(%)=(第一の流体(ガス)の入口温度−第二の流体(冷却水)出口温度)/(第一の流体(ガス)の入口温度−第一の流体(ガス)の出口温度)×100
(Test results)
Table 1 shows heat exchange efficiency, pressure loss (pressure loss), and heat exchange efficiency / pressure loss. The heat exchange efficiency (%) is calculated by calculating the amount of energy from ΔT ° C. (exit temperature of the honeycomb structure 1 -inlet temperature) of the first fluid (nitrogen gas) and the second fluid (water), respectively. Calculated with
(Equation 1) Heat exchange efficiency (%) = (first fluid (gas) inlet temperature−second fluid (cooling water) outlet temperature) / (first fluid (gas) inlet temperature−first Fluid (gas) outlet temperature) x 100

Figure 2014070826
Figure 2014070826

表1は、ハニカム構造体1の全長(L=100mm)、ハニカムの隔壁4の材質の熱伝導率(100[W/K・m])をそろえ、セル構造(セルの隔壁4の壁厚t、セル密度ρ)を変えたときの熱交換効率と圧力損失を示す。エンジンの暖機時間を短縮するなど燃費改善に必要な熱回収量は、大きい方が好ましく、エンジン出力に影響が少ない熱交換部材の圧力損失(圧損)は、小さい方が好ましい。熱交換効率の向上と、圧力損失の増加の抑制は、方向性が逆であるため、単位圧力損失値あたりの熱交換効率が高くなることが、熱交換部材の性能として好ましい。熱交換効率/圧損が85以上の場合、圧力損失の上昇を抑えた上で、熱を有効利用できた。これを満たすためには、1000/λ≦t×ρ≦80であることが必要であった。すなわち、t×ρがこの範囲にない場合、熱交換効率/圧損が85未満となり、圧力損失を増大させずに、熱回収量を向上させることができない。t×ρをこの範囲とすることにより、単位圧力損失あたりの熱交換効率を最適とすることができる。   Table 1 shows the total length of the honeycomb structure 1 (L = 100 mm), the thermal conductivity (100 [W / K · m]) of the material of the honeycomb partition walls 4, and the cell structure (wall thickness t of the cell partition walls 4). The heat exchange efficiency and the pressure loss when the cell density ρ) is changed are shown. It is preferable that the amount of heat recovered necessary for improving fuel consumption, such as shortening the warm-up time of the engine, be larger, and the pressure loss (pressure loss) of the heat exchange member that has less influence on the engine output be smaller. The improvement in heat exchange efficiency and the suppression of increase in pressure loss are opposite in directionality, so that the heat exchange efficiency per unit pressure loss value is preferably high as the performance of the heat exchange member. When the heat exchange efficiency / pressure loss was 85 or more, the heat could be effectively utilized while suppressing the increase in pressure loss. In order to satisfy this, it was necessary that 1000 / λ ≦ t × ρ ≦ 80. That is, when t × ρ is not within this range, the heat exchange efficiency / pressure loss is less than 85, and the heat recovery amount cannot be improved without increasing the pressure loss. By setting t × ρ within this range, the heat exchange efficiency per unit pressure loss can be optimized.

本発明の熱交換器は、加熱体(高温側)と被加熱体(低温側)で熱交換する用途であれば、自動車分野、産業分野であっても特に限定されない。自動車分野で排ガスから排熱回収用途で使用する場合は、自動車の燃費向上に役立てることができる。   The heat exchanger of the present invention is not particularly limited even in the automotive field and the industrial field as long as it is used for heat exchange between the heating body (high temperature side) and the heated body (low temperature side). When used for exhaust heat recovery from exhaust gas in the automobile field, it can be used to improve the fuel efficiency of automobiles.

1:ハニカム構造体、2:端面、3:セル、4:隔壁、5:第一流体流通部、6:第二流体流通部、7:外周壁、7h:外周面、10:熱交換部材、12:金属管、12a:端部、12h:外周面、13:中間材、21:ケーシング、22:入口、23:出口、24:内周面、25:入口、26:出口、30:熱交換器。 1: honeycomb structure, 2: end face, 3: cell, 4: partition, 5: first fluid circulation part, 6: second fluid circulation part, 7: outer peripheral wall, 7h: outer peripheral surface, 10: heat exchange member, 12: metal pipe, 12a: end, 12h: outer peripheral surface, 13: intermediate material, 21: casing, 22: inlet, 23: outlet, 24: inner peripheral surface, 25: inlet, 26: outlet, 30: heat exchange vessel.

Claims (10)

セラミックスの隔壁により仕切られて一方の端面から他方の端面まで軸方向に貫通し、第一の流体である加熱体が流通する第一流体流通部とされる複数のセルを有するハニカム構造体として形成され、
前記第一流体流通部を流通する前記第一の流体と、前記ハニカム構造体の外周壁の外周面上を流通することにより前記第一の流体と熱を交換する第二の流体とが混合しないように、前記ハニカム構造体の前記隔壁及び前記外周壁の少なくとも一方が緻密質とされ、
前記ハニカム構造体の前記隔壁の材質の熱伝導率をλ[W/K・m]、前記ハニカム構造体のセル構造について、前記隔壁の壁厚をt[mm]、セル密度をρ[個/平方インチ]としたとき、
1000/λ≦t×ρ≦80
である熱交換部材。
Formed as a honeycomb structure having a plurality of cells partitioned by ceramic partition walls and penetrating in the axial direction from one end face to the other end face and serving as a first fluid circulation section through which a heating body as a first fluid circulates And
The first fluid that flows through the first fluid circulation portion and the second fluid that exchanges heat with the first fluid by flowing on the outer peripheral surface of the outer peripheral wall of the honeycomb structure do not mix. As described above, at least one of the partition walls and the outer peripheral wall of the honeycomb structure is made dense,
The thermal conductivity of the partition wall material of the honeycomb structure is λ [W / K · m], the cell wall thickness of the honeycomb structure is t [mm], and the cell density is ρ [pieces / Square inch]
1000 / λ ≦ t × ρ ≦ 80
A heat exchange member.
t>0.2、ρ≦100である請求項1に記載の熱交換部材。   The heat exchange member according to claim 1, wherein t> 0.2 and ρ ≦ 100. t≦0.2、ρ>100である請求項1に記載の熱交換部材。   The heat exchange member according to claim 1, wherein t ≦ 0.2 and ρ> 100. 前記ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面の断面積の円相当径をΦ[mm]とし、前記ハニカム構造体の軸方向の長さの全長をL[mm]としたとき、
15≦Φ≦120、0.05≦L/Φ≦10である請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換部材。
When the equivalent circle diameter of the cross-sectional area of the cross section perpendicular to the axial direction of the honeycomb structure is Φ [mm], and the total length of the axial length of the honeycomb structure is L [mm]
The heat exchange member according to claim 1, wherein 15 ≦ Φ ≦ 120 and 0.05 ≦ L / Φ ≦ 10.
前記ハニカム構造体の外周側に金属管を備え、前記ハニカム構造体の内部に前記第一の流体を、前記金属管の外周面側に前記第二の流体を流通させ、前記第一の流体と前記第二の流体との熱交換を行う請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱交換部材。   A metal pipe is provided on the outer peripheral side of the honeycomb structure, the first fluid is circulated inside the honeycomb structure, the second fluid is circulated on the outer peripheral surface side of the metal pipe, and the first fluid and The heat exchange member according to any one of claims 1 to 4, wherein heat exchange with the second fluid is performed. 前記ハニカム構造体と前記金属管との間に挟み込まれた中間材を備えた請求項5に記載の熱交換部材。   The heat exchange member according to claim 5, further comprising an intermediate member sandwiched between the honeycomb structure and the metal tube. 前記中間材は、グラファイトシートからなる請求項6に記載の熱交換部材。   The heat exchange member according to claim 6, wherein the intermediate material is made of a graphite sheet. 前記ハニカム構造体は、熱伝導率が100W/m・K以上である請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱交換部材。   The heat exchange member according to any one of claims 1 to 7, wherein the honeycomb structure has a thermal conductivity of 100 W / m · K or more. 前記ハニカム構造体は、主成分が炭化珪素である請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱交換部材。   The heat exchange member according to any one of claims 1 to 8, wherein the honeycomb structure is mainly composed of silicon carbide. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱交換部材と、前記第二の流体の入口及び出口が形成されており、前記ハニカム構造体を内部に含むケーシングとを備え、
前記ケーシングの内側が第二流体流通部とされ、前記第二の流体が前記第二流体流通部において前記ハニカム構造体の外周面上を流通することにより、前記第一の流体から熱を受け取る熱交換器。
A heat exchanging member according to any one of claims 1 to 9, an inlet and an outlet for the second fluid are formed, and a casing including the honeycomb structure therein.
The inside of the casing serves as a second fluid circulation part, and the second fluid circulates on the outer peripheral surface of the honeycomb structure in the second fluid circulation part, thereby receiving heat from the first fluid. Exchanger.
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