JP2015140959A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】ハニカム構造体に新しい機能を付与し、新しい流体の流れを扱うことのできるハニカム構造体を用いた熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器1000は、第1端面11と第2端面12と第1側壁21と第2側壁22とを有し、内壁50によって仕切られ第1端面から第2端面に延びる複数の流路60を有する。接続孔30は、第1の開口31と、第1の開口31に対向する複数の内壁に形成され複数の流路を接続する第2の開口32とを有する。第1の開口または第2の開口を有する流路は、第1端面および第2端面にそれぞれ封止部70を有し、第1の空間41を構成する。その他の流路は、第1端面から第2端面に延びる第2の空間42を構成する。第1の空間と、第2の空間は内壁で互いに隔離されている。そして、第1の空間または第2の空間の内面に触媒層43を担持したので、排気ガス中に含まれている有害ガスを浄化する機能を付与することができる。【選択図】図19
Description
本発明は、セラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器に関する。
ハニカム構造体は、内部が内壁によって仕切られた多数の流路で構成されている。ハニカム構造体の流路を流体が通過する際に、内壁を介して熱、物質などを移動させることができるので、熱交換器として広く利用されている。
中でもセラミック製のハニカム構造体は、耐熱性、化学的安定性に優れるので、高い温度、腐食性環境下で使用される熱交換器に用いられている。
特許文献1には、内側を貫流する流体と外側に存在する流体との間で熱量の交換を行わせる多孔質炭化珪素焼結体製のエレメントを備えた高温用熱交換器であって、前記エレメントは長手方向に延びた複数のセルを有するハニカム構造体であることを特徴とした高温用熱交換器が記載されている。このようなハニカム構造体を用いた熱交換器によれば強度に優れると共に、温度の異なる流体間での熱量の交換を効率良く行わせることができることが記載されている。
特許文献1には、内側を貫流する流体と外側に存在する流体との間で熱量の交換を行わせる多孔質炭化珪素焼結体製のエレメントを備えた高温用熱交換器であって、前記エレメントは長手方向に延びた複数のセルを有するハニカム構造体であることを特徴とした高温用熱交換器が記載されている。このようなハニカム構造体を用いた熱交換器によれば強度に優れると共に、温度の異なる流体間での熱量の交換を効率良く行わせることができることが記載されている。
セラミックがハニカム構造体に用いられるのは、材料を構成する原子が共有結合で強く結合し、高強度、耐熱性、耐腐食性を有しているからである。一方、このような共有結合の特長によって、セラミック材料は、硬く、脆い材料となる。
このため、セラミック製のハニカム構造体は、押出成形など単純な成形方法によって製造され、一方向に流路が並んだ単純な形状である。このような形状であるため、ハニカム構造体を適用する部品は一方向に並んだ流路を前提に設計され、ハニカム構造体を用いた熱交換器の設計の自由度は小さい。
このため、セラミック製のハニカム構造体は、押出成形など単純な成形方法によって製造され、一方向に流路が並んだ単純な形状である。このような形状であるため、ハニカム構造体を適用する部品は一方向に並んだ流路を前提に設計され、ハニカム構造体を用いた熱交換器の設計の自由度は小さい。
本発明では、このような従来のセラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器の適用範囲を超え、ハニカム構造体に新しい機能を付与し、新しい流体の流れを扱うことのできるハニカム構造体を用いた熱交換器を提供することを目的とする。
前記課題を解決するための本発明の熱交換器は、少なくとも第1端面と第2端面と第1側壁と第2側壁とを有し、内壁によって仕切られ前記第1端面から前記第2端面に延びる複数の流路を有するセラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器において、前記第1側壁または前記第2側壁に形成された第1の開口と、前記第1の開口に対向する複数の前記内壁に形成され複数の前記流路を接続する第2の開口と、からなる接続孔を有し、前記第1の開口または前記第2の開口を有する前記流路は前記第1端面および前記第2端面にそれぞれ封止部を有し、前記第1の開口または前記第2の開口を有する前記流路は前記接続孔で接続されることにより第1の空間を構成するとともに、前記第1の開口および前記第2の開口のない前記流路は、前記第1端面から前記第2端面に延びる第2の空間を構成し、前記第1の空間と、前記第2の空間とは前記内壁で互いに隔離されているとともに、前記第1の空間または前記第2の空間の内面に触媒層を有することを特徴とする。
本発明の熱交換器は、第1端面から第2端面に向かって流路が延びている。また、ハニカム構造体の側面は、第1側壁と第2側壁を有し、第2側壁は、第1側壁の反対に位置する。
本発明のハニカム構造体を用いた熱交換器によれば、従来の一方向に流路の延びたハニカム構造体とは異なり、ハニカム構造体を横切る方向に流体の流れをつくることができる。また、このようなハニカム構造体は、第1の開口および第1の開口の内側に第2の開口が形成されているので、最外周に位置する流路のみならず、内側の流路にも流体の流れをつくることができる。また、第2の開口は第1の開口に対向する位置に形成されているので、第2の開口の内側の流路との流体の移動を最短距離で行うことができ、効率良く流体が流れることができる熱交換器を提供することができる。
また、本発明の熱交換器は、セラミックからなるので、耐熱性、耐蝕性を備え、高強度であるので、高温環境下あるいは腐食性環境下など過酷な環境下でも流体を扱うことができる。
さらに、本発明の熱交換器は、第1の空間が、第1端面および第2端面にそれぞれ封止部を有することによって、第1の空間に第1端面および第2端面側からの流体の侵入を防止することができる。さらに第1の空間は、第2の空間と内壁によって隔てられるため、第1の空間を流れる流体(第1の流体)と第2の空間を流れる流体(第2の流体)とが直接接することない。このため、内壁に伝熱、濾過などの機能を保有させることができる。
さらに、本発明の熱交換器は、第1の空間が、第1端面および第2端面にそれぞれ封止部を有することによって、第1の空間に第1端面および第2端面側からの流体の侵入を防止することができる。さらに第1の空間は、第2の空間と内壁によって隔てられるため、第1の空間を流れる流体(第1の流体)と第2の空間を流れる流体(第2の流体)とが直接接することない。このため、内壁に伝熱、濾過などの機能を保有させることができる。
また、第1の空間または第2の空間の内面に触媒層を有するので、排気ガス中に含まれている有害ガスを浄化する機能を付与することができる。さらに、温度の低い排気ガスを熱交換によって加熱することにより効率良く有害ガスを浄化する機能を付与することもできる。
さらに、本発明の熱交換器は、以下の態様であることが望ましい。
(1)前記熱交換器は、前記接続孔を複数有することを特徴とする。
本発明の熱交換器は、接続孔を複数有することによって、より多くの流体をハニカム構造体の流路を横切る方向に流体を流すことができる。
(1)前記熱交換器は、前記接続孔を複数有することを特徴とする。
本発明の熱交換器は、接続孔を複数有することによって、より多くの流体をハニカム構造体の流路を横切る方向に流体を流すことができる。
(2)前記接続孔は、前記第1側壁または前記第2側壁が面する複数の前記流路に交互に形成されていることを特徴とする。
本発明の熱交換器は、接続孔が前記第1側壁または前記第2側壁が面する複数の前記流路に交互に形成されていることにより、ハニカム構造体の流路を横切る方向への流れを交互の流路に配置することができる。このため、流路に沿って流れる流体(第2の流体)と、流路を横切る方向に流れる流体(第1の流体)を隔てる内壁の面積を大きくとることができる。
本発明の熱交換器は、接続孔が前記第1側壁または前記第2側壁が面する複数の前記流路に交互に形成されていることにより、ハニカム構造体の流路を横切る方向への流れを交互の流路に配置することができる。このため、流路に沿って流れる流体(第2の流体)と、流路を横切る方向に流れる流体(第1の流体)を隔てる内壁の面積を大きくとることができる。
(3)前記第1の空間は、複数の前記接続孔を有することを特徴とする。
本発明の熱交換器は、第1の空間に複数の接続孔を有することにより、複数の接続孔が、第1の空間を流れる流体の入口と出口となることができる。第1の空間に複数の接続孔により入口と出口を設けることによって、第1の空間を流れる流体(第1の流体)を連続的に使用することができる。
本発明の熱交換器は、第1の空間に複数の接続孔を有することにより、複数の接続孔が、第1の空間を流れる流体の入口と出口となることができる。第1の空間に複数の接続孔により入口と出口を設けることによって、第1の空間を流れる流体(第1の流体)を連続的に使用することができる。
また、第1の空間に複数の接続孔を有することにより、内壁を通過する熱量を大きくする効果もある。第1の空間と第2の空間を隔てる内壁を通過する熱量は、第1の空間と第2の空間の温度差に比例する。第1の空間を流れる流体に入口から入り出口への流れを形成することにより、常に新しい第1の流体を供給し、内壁に温度差が生させ移動する熱量を大きくすることができる。
(4)前記熱交換器は、前記接続孔を前記第1側面および前記第2側面にそれぞれ有することを特徴とする。
本発明の熱交換器は、接続孔を第1側壁および第2側壁にそれぞれ有することにより、入口と出口を結ぶ第1の流体の流れる距離が、どの流路を通っても同等にすることができる。このため、内壁全体に第1の流体を行き渡らせることができるので効率良く熱移動または物質移動のできる熱交換器を提供することができる。
本発明の熱交換器は、接続孔を第1側壁および第2側壁にそれぞれ有することにより、入口と出口を結ぶ第1の流体の流れる距離が、どの流路を通っても同等にすることができる。このため、内壁全体に第1の流体を行き渡らせることができるので効率良く熱移動または物質移動のできる熱交換器を提供することができる。
(5)前記第1の開口および前記第2の開口は、スリット状に構成され、前記第1の開口の長さは、前記第2の開口の長さよりも長いことを特徴とする。
本発明の熱交換器は、第1の開口および第2の開口をスリット状に構成することによって、細長い流路の横から効率良く流体を供給することができる。さらに第1の開口を第2の開口よりも大きくすることによって、熱交換器全体の強度低下への影響を小さくしながら第1の開口における第1の流体の抵抗を小さくすることができ、圧力損失を効率良く低減させることができる。
本発明の熱交換器は、第1の開口および第2の開口をスリット状に構成することによって、細長い流路の横から効率良く流体を供給することができる。さらに第1の開口を第2の開口よりも大きくすることによって、熱交換器全体の強度低下への影響を小さくしながら第1の開口における第1の流体の抵抗を小さくすることができ、圧力損失を効率良く低減させることができる。
(6)複数の前記第2の開口は、前記第1の開口に向かって順に長くなっていることを特徴とする。
本発明の熱交換器は、第2の開口は、第1の開口に向かって順に長くなるように構成することによって、ハニカム構造体の強度低下への影響を小さくしながら、第1の開口における第1の流体の抵抗を小さくすることができ、圧力損失をさらに効率良く低減させることができる。
本発明の熱交換器は、第2の開口は、第1の開口に向かって順に長くなるように構成することによって、ハニカム構造体の強度低下への影響を小さくしながら、第1の開口における第1の流体の抵抗を小さくすることができ、圧力損失をさらに効率良く低減させることができる。
(7)前記第1の開口および前記第2の開口は、スリット状に構成され、前記第1の開口の長さおよび、複数の前記第2の開口の長さは、いずれも等しいことを特徴とする。
本発明の熱交換器は、第1の開口および第2の開口が、スリット状に形成され、第1の開口の長さおよび、複数の第2の開口の長さが、いずれも等しくなるように構成することにより、第1の開口および第2の開口で形成される接続孔の容積を大きくすることができる。接続孔の容積を大きくすることによって、接続孔につながるそれぞれの流路で発生する抵抗に応じて効率良く第1の流体を分配することができる。
本発明の熱交換器は、第1の開口および第2の開口が、スリット状に形成され、第1の開口の長さおよび、複数の第2の開口の長さが、いずれも等しくなるように構成することにより、第1の開口および第2の開口で形成される接続孔の容積を大きくすることができる。接続孔の容積を大きくすることによって、接続孔につながるそれぞれの流路で発生する抵抗に応じて効率良く第1の流体を分配することができる。
(8)前記接続孔は5層以上の前記第2の開口が積み重なっていることを特徴とする。
本発明の熱交換器は、5層以上の第2の開口を積み重ねることによって第1側壁側から数えて6個目の流路に第1の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第1の空間と第2の空間を隔てる内壁の面積を大きくすることができる。
本発明の熱交換器は、5層以上の第2の開口を積み重ねることによって第1側壁側から数えて6個目の流路に第1の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第1の空間と第2の空間を隔てる内壁の面積を大きくすることができる。
(9)前記接続孔は、10層以上の前記第2の開口が積み重なっていることを特徴とする。
本発明の熱交換器は、10層以上の第2の開口を積み重ねることによって第1側壁側から数えて11個目の流路に第1の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第1の空間と第2の空間を隔てる内壁の面積をさらに大きくすることができる。
本発明の熱交換器は、10層以上の第2の開口を積み重ねることによって第1側壁側から数えて11個目の流路に第1の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第1の空間と第2の空間を隔てる内壁の面積をさらに大きくすることができる。
(10)前記セラミックは、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることを特徴とする。
本発明の熱交換器は、ハニカム構造体が炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることにより、耐熱性、耐食性を備え、高強度な熱交換器を提供することができる。
本発明の熱交換器は、ハニカム構造体が炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることにより、耐熱性、耐食性を備え、高強度な熱交換器を提供することができる。
本発明によれば、熱交換器を構成するハニカム構造体の内壁によって形成される流路のみならず、流路を横切る方向に流体の流れを引き出すことができるので、従来のセラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器にない新しい機能を付与することができる。また、第1の空間または第2の空間の内面に触媒層を有するので、排気ガス中に含まれている有害ガスを浄化する機能を付与することができる。さらに、温度の低い排気ガスを熱交換によって加熱することにより効率良く有害ガスを浄化する機能を付与することもできる。
本明細書において、ハニカム構造体の断面は、流路に沿って接続孔の深さ方向に切断された断面を示す。例えば、図17に図1の断面図である図3の切断位置が詳しく記載されている。図1の断面図である図4、図5の断面図である図6、図7の断面図である図8も同様に断面図が作成されている。
本発明の熱交換器のハニカムのパターン、大きさは特に限定されない。本実施形態では、8×8の格子状の流路を有するハニカム構造体を用いた熱交換器について説明したが、例えば6角形状の流路のハニカム、8角形と4角形の流路の組合せのハニカムなど特に限定されない。
本発明の熱交換器のハニカムのパターン、大きさは特に限定されない。本実施形態では、8×8の格子状の流路を有するハニカム構造体を用いた熱交換器について説明したが、例えば6角形状の流路のハニカム、8角形と4角形の流路の組合せのハニカムなど特に限定されない。
本発明の熱交換器の形状は、特に限定されない。6面体、6角柱などの角柱の他円柱なども適用できる。円柱の場合、側面のうち、一群の接続孔の形成されている領域を第1側壁、その反対側の領域を第2側壁と定義できる。
本発明の熱交換器は、少なくとも第1端面と第2端面と第1側壁と第2側壁とを有し、内壁によって仕切られ前記第1端面から前記第2端面に延びる複数の流路を有するセラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器において、前記第1側壁または前記第2側壁に形成された第1の開口と、前記第1の開口に対向する複数の前記内壁に形成され複数の前記流路を接続する第2の開口と、からなる接続孔を有し、前記第1の開口または前記第2の開口を有する前記流路は前記第1端面および前記第2端面にそれぞれ封止部を有し、前記第1の開口または前記第2の開口を有する前記流路は前記接続孔で接続されることにより第1の空間を構成するとともに、前記第1の開口および前記第2の開口のない前記流路は、前記第1端面から前記第2端面に延びる第2の空間を構成し、前記第1の空間と、前記第2の空間とは前記内壁で互いに隔離されているとともに、前記第1の空間または前記第2の空間の内面に触媒層を有する。
本発明の熱交換器のハニカム構造体は、第1端面から第2端面に向かって流路が延びている。また、ハニカム構造体の側面は、第1側壁と第2側壁を有し、第2側壁は、第1側壁の反対に位置する。
本発明の熱交換器によれば、従来の一方向に流路の延びたハニカム構造体とは異なり、ハニカム構造体を横切る方向に流体の流れをつくることができる。また、このような熱交換器は、第1の開口および第1の開口の内側に第2の開口が形成されているので、最外周に位置する流路のみならず、内側の流路にも流体の流れをつくることができる。また、第2の開口は第1の開口に対向する位置に形成されているので、第2の開口の内側の流路との流体の移動を最短距離で行うことができ、効率良く流体が流れることができるハニカム構造体を提供することができる。
さらに、本発明の熱交換器は、セラミックからなるので、耐熱性、耐蝕性を備え、高強度であるので、高温環境下あるいは腐食性環境下など過酷な環境下でも流体を扱うことができる。
また、第1の空間または第2の空間の内面に、触媒層を有するので、排気ガス中に含まれている有害ガスを浄化する機能を付与することができる。さらに、温度の低い排気ガスを熱交換によって加熱することにより効率良く有害ガスを浄化する機能を付与することもできる。
また、第1の空間または第2の空間の内面に、触媒層を有するので、排気ガス中に含まれている有害ガスを浄化する機能を付与することができる。さらに、温度の低い排気ガスを熱交換によって加熱することにより効率良く有害ガスを浄化する機能を付与することもできる。
本発明の熱交換器は、第1の空間が、第1端面および第2端面にそれぞれ封止部を有することによって、第1の空間に第1端面および第2端面側からの流体の侵入を防止することができる。さらに第1の空間は、第2の空間と内壁によって隔てられるため、第1の空間を流れる流体(第1の流体)と第2の空間を流れる流体(第2の流体)とが直接接することない。このため、内壁に伝熱、濾過などの機能を保有させることができる。
本発明の熱交換器は、前記熱交換器は、前記接続孔を複数有することが好ましい。
本発明の熱交換器は、接続孔を複数有することによって、より多くの流体をハニカム構造体の流路を横切る方向に流体を流すことができる。
本発明の熱交換器は、接続孔を複数有することによって、より多くの流体をハニカム構造体の流路を横切る方向に流体を流すことができる。
本発明の熱交換器では、前記接続孔は、前記第1側壁または前記第2側壁が面する複数の前記流路に交互に形成されていることが好ましい。
本発明の熱交換器は、接続孔が前記第1側壁または前記第2側壁が面する複数の前記流路に交互に形成されていることにより、ハニカム構造体の流路を横切る方向への流れを交互の流路に配置することができる。このため、流路に沿って流れる流体(第2の流体)と、流路を横切る方向に流れる流体(第1の流体)を隔てる内壁の面積を大きくとることができる。
本発明の熱交換器は、接続孔が前記第1側壁または前記第2側壁が面する複数の前記流路に交互に形成されていることにより、ハニカム構造体の流路を横切る方向への流れを交互の流路に配置することができる。このため、流路に沿って流れる流体(第2の流体)と、流路を横切る方向に流れる流体(第1の流体)を隔てる内壁の面積を大きくとることができる。
本発明の熱交換器では、前記第1の空間は、複数の前記接続孔を有することが好ましい。
本発明の熱交換器は、第1の空間に複数の接続孔を有することにより、複数の接続孔が、第1の空間を流れる流体の入口と出口となることができる。第1の空間に複数の接続孔により入口と出口を設けることによって、第1の空間を流れる流体(第1の流体)を連続的に供給することができる。
本発明の熱交換器は、第1の空間に複数の接続孔を有することにより、複数の接続孔が、第1の空間を流れる流体の入口と出口となることができる。第1の空間に複数の接続孔により入口と出口を設けることによって、第1の空間を流れる流体(第1の流体)を連続的に供給することができる。
また、第1の空間に複数の接続孔を有することにより、内壁を通過する熱量を大きくする効果もある。第1の空間と第2の空間を隔てる内壁を通過する熱量は、第1の空間と第2の空間の温度差に比例する。第1の空間を流れる流体に入口から入り出口への流れを形成することにより、常に新しい第1の流体を供給し、内壁に温度差が生させ移動する熱量を大きくすることができる。
本発明の熱交換器は、前記接続孔を前記第1側面および前記第2側面にそれぞれ有することが好ましい。
本発明の熱交換器は、接続孔を第1側壁および第2側壁にそれぞれ有することにより、入口と出口を結ぶ第1の流体の流れる距離が、どの流路を通っても同等にすることができる。このため、内壁全体に第1の流体を行き渡らせることができるので効率良く熱移動または物質移動のできるハニカム構造体を提供することができる。
本発明の熱交換器は、接続孔を第1側壁および第2側壁にそれぞれ有することにより、入口と出口を結ぶ第1の流体の流れる距離が、どの流路を通っても同等にすることができる。このため、内壁全体に第1の流体を行き渡らせることができるので効率良く熱移動または物質移動のできるハニカム構造体を提供することができる。
本発明の熱交換器は、前記第1の開口および前記第2の開口は、スリット状に構成され、前記第1の開口の長さは、前記第2の開口の長さよりも長いことが好ましい。
本発明の熱交換器は、第1の開口および第2の開口をスリット状に構成することによって、細長い流路の横から効率良く流体を供給することができる。さらに第1の開口を第2の開口よりも大きくすることによって、ハニカム構造体全体の強度低下への影響を小さくしながら、第1の開口における第1の流体の抵抗を小さくすることができ、圧力損失を効率良く低減させることができる。
本明細書において、開口の長さとは、流路の方向の長さである。
本発明の熱交換器は、第1の開口および第2の開口をスリット状に構成することによって、細長い流路の横から効率良く流体を供給することができる。さらに第1の開口を第2の開口よりも大きくすることによって、ハニカム構造体全体の強度低下への影響を小さくしながら、第1の開口における第1の流体の抵抗を小さくすることができ、圧力損失を効率良く低減させることができる。
本明細書において、開口の長さとは、流路の方向の長さである。
本発明の熱交換器は、複数の前記第2の開口は、前記第1の開口に向かって順に長くなっていることが好ましい。
本発明の熱交換器は、第2の開口は、第1の開口に向かって順に長くなるように構成することによって、ハニカム構造体の強度低下への影響を小さくしながら、第1の開口における第1の流体の抵抗を小さくすることができ、圧力損失をさらに効率良く低減させることができる。
本発明の熱交換器は、第2の開口は、第1の開口に向かって順に長くなるように構成することによって、ハニカム構造体の強度低下への影響を小さくしながら、第1の開口における第1の流体の抵抗を小さくすることができ、圧力損失をさらに効率良く低減させることができる。
本発明の熱交換器は、前記第1の開口および前記第2の開口は、スリット状に構成され、前記第1の開口の長さおよび、複数の前記第2の開口の長さは、いずれも等しいことが好ましい。
本発明の熱交換器は、第1の開口および第2の開口が、スリット状に形成され、第1の開口の長さおよび、複数の第2の開口の長さが、いずれも等しくなるように構成することにより、第1の開口および第2の開口で形成される接続孔の容積を大きくすることができる。接続孔の容積を大きくすることによって、接続孔につながるそれぞれの流路で発生する抵抗に応じて効率良く第1の流体を分配することができる。
本発明の熱交換器は、第1の開口および第2の開口が、スリット状に形成され、第1の開口の長さおよび、複数の第2の開口の長さが、いずれも等しくなるように構成することにより、第1の開口および第2の開口で形成される接続孔の容積を大きくすることができる。接続孔の容積を大きくすることによって、接続孔につながるそれぞれの流路で発生する抵抗に応じて効率良く第1の流体を分配することができる。
本発明の熱交換器では、前記接続孔は5層以上の前記第2の開口が積み重なっていることが好ましい。
本発明の熱交換器は、5層以上の第2の開口を積み重ねることによって第1側壁側から数えて6個目の流路に第1の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第1の空間と第2の空間を隔てる内壁の面積を大きくすることができる。
また、5層以上の第2の開口を積み重ねることにより形成される接続孔の径または幅と深さとのアスペクト比は正方形の流路であれば6以上となり、深い位置にある流路を接続孔でつなぐことができる。
本発明の熱交換器は、5層以上の第2の開口を積み重ねることによって第1側壁側から数えて6個目の流路に第1の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第1の空間と第2の空間を隔てる内壁の面積を大きくすることができる。
また、5層以上の第2の開口を積み重ねることにより形成される接続孔の径または幅と深さとのアスペクト比は正方形の流路であれば6以上となり、深い位置にある流路を接続孔でつなぐことができる。
本発明の熱交換器では、前記接続孔は、10層以上の前記第2の開口が積み重なっていることが好ましい。
本発明の熱交換器は、10層以上の第2の開口を積み重ねることによって第1側壁側から数えて11個目の流路に第1の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第1の空間と第2の空間を隔てる内壁の面積をさらに大きくすることができる。
また、10層以上の第2の開口を積み重ねることにより形成される接続孔の径または幅と深さとのアスペクト比は正方形の流路であれば11以上となり、さらに深い位置にある流路を接続孔でつなぐことができる。
本発明の熱交換器は、10層以上の第2の開口を積み重ねることによって第1側壁側から数えて11個目の流路に第1の流体を供給することができる。このような構成にすることによって、第1の空間と第2の空間を隔てる内壁の面積をさらに大きくすることができる。
また、10層以上の第2の開口を積み重ねることにより形成される接続孔の径または幅と深さとのアスペクト比は正方形の流路であれば11以上となり、さらに深い位置にある流路を接続孔でつなぐことができる。
本発明の熱交換器では、前記セラミックは、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることが好ましい。
本発明の熱交換器は、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることにより、耐熱性、耐食性を備え、高強度なハニカム構造体を提供することができる。
熱交換器に用いる場合、炭化珪素、シリコンを含浸した炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素を用いることが望ましい。これらのセラミックは熱伝導率が高く、熱交換器として好適である。
本発明の熱交換器は、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることにより、耐熱性、耐食性を備え、高強度なハニカム構造体を提供することができる。
熱交換器に用いる場合、炭化珪素、シリコンを含浸した炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素を用いることが望ましい。これらのセラミックは熱伝導率が高く、熱交換器として好適である。
本発明の熱交換器は、ハニカム状のセラミックの第1側壁または第2側壁に接続孔を形成することにより得ることができる。第1および第2の開口を形成することにより得ることができる。ハニカム状のセラミックに第1側壁または第2側壁にレーザー加工によって接続孔を形成することができる。レーザー加工に用いるレーザー加工機は特に限定されない。広く使用される高出力のレーザー光を用いることによってハニカム状のセラミックを加工することができる。レーザー加工機のレーザー光の波長、出力は、ハニカム状のセラミックに応じて適宜選択することができる。
また、近年利用されるようになったウォータージェットの水流を併用したレーザー加工機を利用するとより効率良く加工することができる。ウォータージェットの水流を併用したレーザー加工法は、ウォータージェットの水流中にレーザー光を導き、全反射させながら加工点に導くことができ、レーザー光が拡散することなく、細い水流中を通過するので、焦点の深度が深く、レーザー光だけの加工機よりも高い加工性能を有している。
また、近年利用されるようになったウォータージェットの水流を併用したレーザー加工機を利用するとより効率良く加工することができる。ウォータージェットの水流を併用したレーザー加工法は、ウォータージェットの水流中にレーザー光を導き、全反射させながら加工点に導くことができ、レーザー光が拡散することなく、細い水流中を通過するので、焦点の深度が深く、レーザー光だけの加工機よりも高い加工性能を有している。
本発明の熱交換器は、高い加工性能のウォータージェットの水流を併用したレーザー加工機を用いて、接続孔の底を貫通させることなく加工することによって得ることができる。
接続孔の底を残して加工するには、レーザー光を所定の箇所で散乱させ、光エネルギーを分散させることにより実現できる。所定の箇所に光拡散媒体を挿入することによりそれより下側ではレーザー光が弱められ、加工することができない。光拡散媒体は光を分散させることができれば特に限定されない。例えば、ガラス棒などの曲面を有する光透過性のある棒、失透ガラス、気泡を内部に有するガラス、水などが利用できる。光透過性のある物質は、レーザー光で加熱されることがない上に、曲面で光が散乱されるので、レーザー光の加工の能力を低下させることができ、貫通させることなく接続孔の底を残して加工することができる。
接続孔の底を残して加工するには、レーザー光を所定の箇所で散乱させ、光エネルギーを分散させることにより実現できる。所定の箇所に光拡散媒体を挿入することによりそれより下側ではレーザー光が弱められ、加工することができない。光拡散媒体は光を分散させることができれば特に限定されない。例えば、ガラス棒などの曲面を有する光透過性のある棒、失透ガラス、気泡を内部に有するガラス、水などが利用できる。光透過性のある物質は、レーザー光で加熱されることがない上に、曲面で光が散乱されるので、レーザー光の加工の能力を低下させることができ、貫通させることなく接続孔の底を残して加工することができる。
また、失透ガラスは、表面が曲面でなくても内部が相分離しているので、光が散乱しやすく、レーザー光の加工の能力を低下させることができ、貫通させることなく底を形成することができる。また、水を所定の箇所に充填することにより接続孔の底を残して加工することができる。水を充填すると、ウォータージェットの水流との混合および加工により加熱された水の沸騰により、大量の気泡を発生させる。このため、充填された水の中でレーザー光が急速に減衰し、接続孔の底を残して加工することができる。なお、水を充填していない場合でも、レーザー光とともに水流によって水が供給されるが、水流に用いられる水は量が少なくレーザー光がセラミックを加工する箇所(加工点)近傍で速やか飛散するので、レーザー光を弱めるほど区間に気泡を形成することができない。
本発明の熱交換器は、様々な接続孔の変形例があるが、形状に応じてレーザー光を、傾斜させたり、走査することにより加工することができる。
また、レーザー光を走査しながら加工する際に、それぞれの流路に挿入する光拡散媒体の長さを適宜変更することにより目的の形状の接続孔を形成することもできる。
本発明の熱交換器の封止部はどのように形成してもよく特に限定されない。例えば内壁を構成する材料と同じセラミック材料からなる栓を挿入してもよい。例えば、ハニカム構造体が炭化珪素、窒化珪素、シリコン含浸した炭化珪素からなる場合は、シリコンの粉末を接着材として栓に塗布したのち、焼成しても良い。シリコンが溶融し、接着材として機能する。
また、例えば、無機バインダと有機バインダと無機粒子の混合したペーストを注入し、焼成することによって得ることもできる。無機バインダは、アルミナゾル、シリカゾルなどが利用でき、有機バインダは、ポリビニールアルコール、フェノール樹脂などが利用でき、無機粒子は炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニアなどが利用できる。
本発明の熱交換器の封止部はどのように形成してもよく特に限定されない。例えば内壁を構成する材料と同じセラミック材料からなる栓を挿入してもよい。例えば、ハニカム構造体が炭化珪素、窒化珪素、シリコン含浸した炭化珪素からなる場合は、シリコンの粉末を接着材として栓に塗布したのち、焼成しても良い。シリコンが溶融し、接着材として機能する。
また、例えば、無機バインダと有機バインダと無機粒子の混合したペーストを注入し、焼成することによって得ることもできる。無機バインダは、アルミナゾル、シリカゾルなどが利用でき、有機バインダは、ポリビニールアルコール、フェノール樹脂などが利用でき、無機粒子は炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニアなどが利用できる。
次に、本発明の実施形態について、説明する。
第1実施形態及び第2実施形態では、主に触媒層を形成する前のハニカム構造体について説明する。
第1実施形態及び第2実施形態では、主に触媒層を形成する前のハニカム構造体について説明する。
第1実施形態は、第1の空間を構成する流路の第1端面および第2端面に封止部を有し、第1側壁に接続孔が形成され第1の空間を構成するとともに、第2の空間の第1端面および第2端面が開放している熱交換器である。
第2実施形態は、以下形態の熱交換器である。
第1側壁が面する複数の流路に交互に接続孔が形成され、接続孔の底は第2端面まで達している。なお、接続孔は第2端面を貫通していない。第1の開口および第2の開口を有する流路の第1端面および第2端面はそれぞれ封止部を有することにより、第1の空間を構成している。
また第1の開口および第2の開口のない流路は、第1端面から第2端面に延びる第2の空間を構成し、第1の空間と第2の空間は内壁で互いに隔離されている。第1の空間は、第1側壁および第2側壁の側に接続孔を有している。4つの独立した空間が第1の空間を構成し、4×8の独立した流路32本が第2の空間を構成する。
第1側壁が面する複数の流路に交互に接続孔が形成され、接続孔の底は第2端面まで達している。なお、接続孔は第2端面を貫通していない。第1の開口および第2の開口を有する流路の第1端面および第2端面はそれぞれ封止部を有することにより、第1の空間を構成している。
また第1の開口および第2の開口のない流路は、第1端面から第2端面に延びる第2の空間を構成し、第1の空間と第2の空間は内壁で互いに隔離されている。第1の空間は、第1側壁および第2側壁の側に接続孔を有している。4つの独立した空間が第1の空間を構成し、4×8の独立した流路32本が第2の空間を構成する。
第3実施形態ないし第5実施形態は、第1の空間または第2の空間の内面に、触媒層を有する熱交換器である。
<第1実施形態>
第1実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
図1は本発明に係る第1実施形態の熱交換器の斜視図である。図2は本発明に係る第1実施形態の熱交換器の変形例の斜視図である。図3は本発明に係る第1実施形態の熱交換器の断面図であり、(a)は、図1のA−A’断面図、(b)は図1のB−B’断面図である。図4は本発明に係る第1実施形態の熱交換器の接続孔の変形例の断面図である。図1のA−A’の断面図に相当する。図5は本発明に係る第1実施形態の熱交換器の変形例の斜視図である。図6は図5の熱交換器の変形例の断面図であり、(a)は図5(a)のC−C’断面図、(b)は図5(b)のE−E’断面図、(c)は図5(a)のD−D’断面図および図5(b)のF−F’断面図である。
第1実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
図1は本発明に係る第1実施形態の熱交換器の斜視図である。図2は本発明に係る第1実施形態の熱交換器の変形例の斜視図である。図3は本発明に係る第1実施形態の熱交換器の断面図であり、(a)は、図1のA−A’断面図、(b)は図1のB−B’断面図である。図4は本発明に係る第1実施形態の熱交換器の接続孔の変形例の断面図である。図1のA−A’の断面図に相当する。図5は本発明に係る第1実施形態の熱交換器の変形例の斜視図である。図6は図5の熱交換器の変形例の断面図であり、(a)は図5(a)のC−C’断面図、(b)は図5(b)のE−E’断面図、(c)は図5(a)のD−D’断面図および図5(b)のF−F’断面図である。
第1実施形態の熱交換器(1000)は、図1に示すように、8×8の流路を有するハニカム構造体1000(熱交換器)の第1側壁21に接する8本の流路60のうち、交互になるように接続孔30を4本有している。図3(a)に示すように、それぞれの接続孔30は、第1側壁21に形成された第1の開口31および内壁50に形成された複数の第2の開口32により構成される。図3(a)に示されるように第1の開口31および第2の開口32は、スリット状の形状であり、第1の開口31および第2の開口32の長さは同一である。図3(b)に示されるように、接続孔30の形成されている列の隣の列の断面は、内壁50に孔を有していない。
接続孔30の位置、形状、数は特に限定されない。図2および図5は、接続孔30の位置、表面形状の異なる変形例である。図2(a)は1個のスリット状の接続孔30を有するハニカム構造体1000(熱交換器)を示し、図2(b)は、第1側壁21が面する流路60の一部にスリット状の接続孔30が形成されている。いずれの接続孔30もスリット状に形成されている。図5(a)は、8×8の流路60を有するハニカム構造体1000の第1側壁21に接する8本の流路60のうち、交互になるように4個の円形の接続孔30を有するハニカム構造体1000(熱交換器)を示している。図5(b)は、8×8の流路を有するハニカム構造体1000(熱交換器)の第1側壁21に接する8本の流路60のうち、交互になるように4つの群の接続孔30を有し、1つの群の接続孔30は、円形の接続孔30が5個で構成されるハニカム構造体1000(熱交換器)である。図5(c)は、1個の円形の接続孔30を有するハニカム構造体1000(熱交換器)を示す。
接続孔30の深さ方向の形状も特に限定されない。図4は、接続孔30の変形例を示し、接続孔30の流路方向の断面図であり、図1のA−A’断面を示す。図4(a)は、断面形状がV字状である接続孔30を示し、第1の開口31が第2の開口32よりも長く、複数の第2の開口32が第1の開口31に向かって順に長くなるように構成されている。図4(b)は、第1の開口31および第2の開口32の片側が垂直になるように揃った接続孔30を示し、第1の開口31が第2の開口32よりも長く、複数の第2の開口32が第1の開口31に向かって順に長くなるように構成され接続孔30の断面が台形である。図4(c)は、第1の開口31および第2の開口32の長さが同一で第1側壁21および第2側壁22を貫通した接続孔30を示す。図4(d)は、第1側壁21および第2側壁22から接続孔30が形成され、それぞれ底となる内壁50を共有する接続孔30を示す。図4(e)は、内部の方が大きい接続孔30を示し、第1の開口31が第2の開口32よりも短く、複数の第2の開口32が第1の開口31に向かって順に短くなるように構成されている。
ハニカム構造体1000(熱交換器)のハニカムのパターン、大きさは特に限定されない。本実施形態では、8×8の格子状の流路60を有するハニカム構造体1000(熱交換器)について説明したが、例えば6角形状の流路60のハニカム、8角形と4角形の流路60の組合せのハニカムなど特に限定されない。
本実施形態の熱交換器1000は、ハニカム状のセラミックの第1側壁21または第2側壁22に接続孔30を形成することにより得ることができる。第1の開口31および第2の開口32を形成する方法は、図9に示すように第2側壁22に面する流路60に光拡散媒体90を挿入し、レーザー光80を走査することによって加工することができる。接続孔30の形状によっては、図10のように光拡散媒体90の挿入する長さを適宜変えることによって目的の形状の接続孔30を得ることができる。また、図11、図12に示されるようにレーザー光80を適宜傾斜させながら走査することにより、目的の形状の接続孔30を得てもよい。
本実施形態の熱交換器1000は、光拡散媒体90を挿入することによって接続孔30の底を残して加工することできる。図13、図14は、光拡散媒体90によってレーザー光80が拡散する様子を示している。図13(a)、(b)、(c)は、レーザー光80のみ、図14(a)、(b)、(c)は、レーザー光80と水流82との複合による加工を示している。レーザー光80と水流82との複合した加工機は、例えば牧野フライス社製MCS300型レーザー加工機を利用することができる。
図13(a)、図14(a)は、光拡散媒体90にガラス棒91を用いた説明図であり、ガラスの凸面によるレーザー光80の拡散によって接続孔30の底を残して加工することができる。
図13(b)、図14(b)は、光拡散媒体90に失透ガラス92を用いた説明図であり、ガラス内部の乱反射によってレーザー光80を拡散させ接続孔30の底を残して加工することができる。
図13(c)、図14(c)は、光拡散媒体90に水93を用いた説明図であり、加工による熱、水93の乱流によって発生した気泡の乱反射によってレーザー光80を拡散させ接続孔30の底を残して加工することができる。
図13(b)、図14(b)は、光拡散媒体90に失透ガラス92を用いた説明図であり、ガラス内部の乱反射によってレーザー光80を拡散させ接続孔30の底を残して加工することができる。
図13(c)、図14(c)は、光拡散媒体90に水93を用いた説明図であり、加工による熱、水93の乱流によって発生した気泡の乱反射によってレーザー光80を拡散させ接続孔30の底を残して加工することができる。
<第2実施形態>
第2実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
なお、前述した第1実施形態に係る熱交換器(1000)と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図7(a)は本発明に係る第2実施形態の熱交換器の斜視図である。(a)は本発明に係る第2実施形態の熱交換器の変形例の斜視図。図8は本発明に係る第2実施形態の熱交換器の断面図であり、(a)は図7(a)のG−G’断面図、(b)は図7(b)のI−I’断面図、(c)は図7(a)のH−H’断面図、および図7(b)のJ−J’断面図である。
第2実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
なお、前述した第1実施形態に係る熱交換器(1000)と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図7(a)は本発明に係る第2実施形態の熱交換器の斜視図である。(a)は本発明に係る第2実施形態の熱交換器の変形例の斜視図。図8は本発明に係る第2実施形態の熱交換器の断面図であり、(a)は図7(a)のG−G’断面図、(b)は図7(b)のI−I’断面図、(c)は図7(a)のH−H’断面図、および図7(b)のJ−J’断面図である。
第2実施形態のハニカム構造体1000(熱交換器)は第1側壁21が面する複数の流路60に交互に接続孔30が形成され、接続孔30の底は第2側壁22まで達している。なお、接続孔30は第2側壁22を貫通していない。第1の開口31および第2の開口32を有する流路60の第1端面11および第2端面12にはそれぞれ封止部70を有することにより、第1の空間41を構成している。
また第1の開口31および第2の開口32のない流路60は、第1端面11から第2端面12に延びる第2の空間42を構成し、第1の空間41と第2の空間42は内壁50で互いに隔離されている。第1の空間41は、第1側壁21および第2側壁22の側に接続孔30を有している。第1の空間41は4つの独立した空間で構成され、4×8の独立した32本の流路60が第2の空間42を構成する。
第1の空間41は、第1側壁21から、第2側壁22への(およびその逆の)流体の流れを作ることができる。また第2の空間42は、第1端面11から、第2端面12への(およびその逆の)流体の流れを作ることができる。第1の空間41と第2の空間42は内壁50で隔てられているので、互いに混ざり合うことがなく、内壁50を通じて熱量の移動をさせることができる。この効果は熱交換器として好適に利用することができる。
第1の空間41は、第1側壁21から、第2側壁22への(およびその逆の)流体の流れを作ることができる。また第2の空間42は、第1端面11から、第2端面12への(およびその逆の)流体の流れを作ることができる。第1の空間41と第2の空間42は内壁50で隔てられているので、互いに混ざり合うことがなく、内壁50を通じて熱量の移動をさせることができる。この効果は熱交換器として好適に利用することができる。
本実施形態の熱交換器1000は、ハニカム状のセラミックの第1側壁21または第2側壁22に接続孔30を形成することにより得ることができる。第1の開口31および第2の開口32を形成する方法は、図9に示すように第2側壁22に面する流路60に光拡散媒体90を挿入し、レーザー光80を走査することによって加工することができる。接続孔30の形状によっては、図10のように光拡散媒体90の挿入する長さを適宜変えることによって目的の形状の接続孔30を得ることができる。また、図11、図12に示されるようにレーザー光80を適宜傾斜させながら走査することにより、目的の形状の接続孔30を得てもよい。
本実施形態の熱交換器1000は、光拡散媒体90を挿入することによって接続孔30の底を残して加工することできる。図13、図14は、光拡散媒体90によってレーザー光80が拡散する様子を示している。図13(a)、(b)、(c)は、レーザー光80のみ、図14(a)、(b)、(c)は、ウォータージェット(水流82)を併用したレーザー光80による加工を示している。ウォータージェットを併用したレーザー加工機は、牧野フライス社製MCS300型レーザー加工機を利用することができる。
図13(a)、図14(a)は、光拡散媒体90にガラス棒91を用いた説明図であり、ガラスの凸面によるレーザー光80の拡散によって接続孔30の底を残して加工することができる。
図13(b)、図14(b)は、光拡散媒体90に失透ガラス92を用いた説明図であり、ガラス内部の乱反射によってレーザー光80を拡散させ接続孔30の底を残して加工することができる。
図13(c)、図14(c)は、光拡散媒体90に水93を用いた説明図であり、加工による熱、水93の乱流によって発生した気泡の乱反射によってレーザー光80を拡散させ接続孔30の底を残して加工することができる。
図13(b)、図14(b)は、光拡散媒体90に失透ガラス92を用いた説明図であり、ガラス内部の乱反射によってレーザー光80を拡散させ接続孔30の底を残して加工することができる。
図13(c)、図14(c)は、光拡散媒体90に水93を用いた説明図であり、加工による熱、水93の乱流によって発生した気泡の乱反射によってレーザー光80を拡散させ接続孔30の底を残して加工することができる。
本実施例では、実際に多孔質の炭化珪素からなるハニカム状のセラミックに台形の断面を有する接続孔30を形成し、本発明に係るハニカム構造体(熱交換器)1000を製造した結果について、図15、図16を用いて説明する。
24×24個、計576個の正方形の流路60を有し、34mm×34mm×130mmの炭化珪素からなるハニカム状のセラミックを用いて、本発明に係るハニカム構造体(熱交換器)1000を製作した。なお、長手方向の端面は、流路の開口を有し、第1端面11および第2端面12である。第1端面11および第2端面12以外の4つの面は側壁であり、そのうち接続孔30を形成する面が第1側壁21、その反対側の面が第2側壁22となる。内壁50の厚さは0.25mm、第1側壁21および第2側壁22の厚さは、0.3mmである。流路60の大きさは、一辺が1.14mmの正方形である。
24×24個、計576個の正方形の流路60を有し、34mm×34mm×130mmの炭化珪素からなるハニカム状のセラミックを用いて、本発明に係るハニカム構造体(熱交換器)1000を製作した。なお、長手方向の端面は、流路の開口を有し、第1端面11および第2端面12である。第1端面11および第2端面12以外の4つの面は側壁であり、そのうち接続孔30を形成する面が第1側壁21、その反対側の面が第2側壁22となる。内壁50の厚さは0.25mm、第1側壁21および第2側壁22の厚さは、0.3mmである。流路60の大きさは、一辺が1.14mmの正方形である。
図15に示すように、このハニカム状のセラミックに接続孔30を形成した。第1側壁21に面する24本の流路60のうち、交互となるよう12本の流路60に第1の開口31を形成し、さらに第2の開口32を形成することにより、12個の接続孔30を形成した。接続孔30の底は、第2側壁22であり、全ての内壁50には第2の開口32が形成されている。第1の開口31および第2の開口32と第1端面11との距離は10mm、第1の開口31は第1端面11から40mmの位置まで延び、最下層の第2の開口32は、第1端面11から25mmの位置まで延びている。第2の開口32は第1の開口31に向かって順に長くなり、接続孔30の断面は、台形である。また、第1の開口31の幅は、0.6mmである。
詳しい加工方法は以下に説明する。接続孔30を形成する際、第2側壁22に面する流路60には、流路60よりも長い円形のガラス棒91を挿入し、その他の流路60には、台形の流域以外の部分まで円形のガラス棒91を挿入した。
次に第1側壁21に面する流路60に沿って牧野フライス社製MCS300型レーザー加工機を用いて加工した。レーザーの波長は532nm、出力80W、水流82のノズル径はφ80μm、走査速度は300mm/minで加工した。
次に第1側壁21に面する流路60に沿って牧野フライス社製MCS300型レーザー加工機を用いて加工した。レーザーの波長は532nm、出力80W、水流82のノズル径はφ80μm、走査速度は300mm/minで加工した。
このように加工して得られたハニカム構造体(熱交換器)1000を接続孔30に沿って切断し、接続孔30を確認した。図16に示すように接続孔30の断面は台形であり、内壁50は全て貫通し、第1の開口31が長さ30mm、最下層の第2の開口32が長さ15mmであった。
このように水流82を用いたレーザー加工機で接続孔30を形成できることが確認でできた。ハニカム構造体(熱交換器)1000に接続孔30を形成する方法は水流82を用いたレーザー光80に限定されず、時間をかけ、高出力のレーザー加工機であれば、水流82を併用することなく加工することができる。
このように水流82を用いたレーザー加工機で接続孔30を形成できることが確認でできた。ハニカム構造体(熱交換器)1000に接続孔30を形成する方法は水流82を用いたレーザー光80に限定されず、時間をかけ、高出力のレーザー加工機であれば、水流82を併用することなく加工することができる。
また、接続孔30の大きさ、配置、数は適宜選択することができる。
<第3実施形態>
第3実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
なお、前述した第1実施形態に係る熱交換器(1000)および第2実施形態に係る熱交換器(1000)と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図18は、本発明に係る第3実施形態の熱交換器の斜視図である。また、図19は、本発明に係る第3実施形態の熱交換器の断面図であり、(a)は図18のK−K’断面図、(b)は図18のL−L’断面図である。
第3実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
なお、前述した第1実施形態に係る熱交換器(1000)および第2実施形態に係る熱交換器(1000)と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図18は、本発明に係る第3実施形態の熱交換器の斜視図である。また、図19は、本発明に係る第3実施形態の熱交換器の断面図であり、(a)は図18のK−K’断面図、(b)は図18のL−L’断面図である。
図18および図19(a)に示すように、第3実施形態の熱交換器(1000)では、第1の空間41の内面に触媒層43を有し、第2の空間42の内面には触媒層がない(図19(b)参照)。
触媒層43に担持される触媒活性成分としては、特に限定するものではないが、例えば、Pt、Rh、Pd、Ce、Cu、V、Fe、Au、Ag等の貴金属等が挙げられる。これらの中では、Ptが最も好適である。また、上記貴金属等は、単独で用いることができるが、2種以上を併用しても良い。
これらの触媒活性成分により、例えば排気ガス中に含まれるHC、COを浄化することができる。
触媒層43に担持される触媒活性成分としては、特に限定するものではないが、例えば、Pt、Rh、Pd、Ce、Cu、V、Fe、Au、Ag等の貴金属等が挙げられる。これらの中では、Ptが最も好適である。また、上記貴金属等は、単独で用いることができるが、2種以上を併用しても良い。
これらの触媒活性成分により、例えば排気ガス中に含まれるHC、COを浄化することができる。
上記触媒層は、触媒活性成分のみからなっても良いが、触媒サポート材層に触媒活性成分が担持されたものであっても良い。触媒サポート材層は、例えば比表面積が大きく、ガスと触媒との接触面積を大きくする機能を有するものであることが好ましい。
上記触媒層を構成し、触媒活性成分を担持する触媒担体の材料としては、特に限定するものではないが、例えば、アルミナ、チタニア、シリカ、セリア、ジルコニア等を挙げることができる。中でも、耐熱性、化学的安定性の観点からアルミナが最も好適である。また、アルミナの中でもγ−アルミナは比表面積が高く触媒サポート材として好適に利用できる。
また、本発明の熱交換器1000には、本発明の目的を阻害しない範囲で、上記触媒活性成分のほかに、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の触媒活性成分を担持しても良い。これらの触媒活性成分を用いることにより、排気ガス中に含まれるNOxを浄化することができる。
上記触媒層を構成し、触媒活性成分を担持する触媒担体の材料としては、特に限定するものではないが、例えば、アルミナ、チタニア、シリカ、セリア、ジルコニア等を挙げることができる。中でも、耐熱性、化学的安定性の観点からアルミナが最も好適である。また、アルミナの中でもγ−アルミナは比表面積が高く触媒サポート材として好適に利用できる。
また、本発明の熱交換器1000には、本発明の目的を阻害しない範囲で、上記触媒活性成分のほかに、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の触媒活性成分を担持しても良い。これらの触媒活性成分を用いることにより、排気ガス中に含まれるNOxを浄化することができる。
次に、上述した触媒層を形成する方法について説明する。なお、以下の説明においては、触媒サポート材層としてアルミナを用いる場合について説明するが、その他の触媒サポート材層を用いても同様である。
まず、アルミナに無機質バインダを添加して混合するとともに、粉砕して微粉体を作製する。アルミナとしては、例えば、γ−アルミナを用いることができる。γ−アルミナは、ゾル−ゲル法等により調整することができる。また、無機質バインダとしては、特に限定するものではないが、例えば、水和アルミナ等を用いることができる。
まず、アルミナに無機質バインダを添加して混合するとともに、粉砕して微粉体を作製する。アルミナとしては、例えば、γ−アルミナを用いることができる。γ−アルミナは、ゾル−ゲル法等により調整することができる。また、無機質バインダとしては、特に限定するものではないが、例えば、水和アルミナ等を用いることができる。
次に、微粉体を純水と合わせ、スターラ等を用いて攪拌することで、スラリーを調製する。
そして、セラミックブロックであるハニカム構造体1000の内面にスラリーを吹き付けたり、スラリー中にハニカム構造体1000を浸漬し、いわゆるウォッシュコートすることによりスラリーを付着させる。
次いで、スラリーをウォッシュコートしたハニカム構造体1000を、所定の温度で乾燥、焼成することにより、ハニカム構造体1000の内面に触媒サポート材層を形成する。
そして、セラミックブロックであるハニカム構造体1000の内面にスラリーを吹き付けたり、スラリー中にハニカム構造体1000を浸漬し、いわゆるウォッシュコートすることによりスラリーを付着させる。
次いで、スラリーをウォッシュコートしたハニカム構造体1000を、所定の温度で乾燥、焼成することにより、ハニカム構造体1000の内面に触媒サポート材層を形成する。
また、別の担持方法によりハニカム構造体1000に触媒活性成分を担持する場合には、まず、触媒サポート材層となるアルミニウム含有金属化合物の溶液を調製する。
アルミニウム含有金属化合物の原料としては、金属無機化合物や金属有機化合物等の金属化合物を用いることができる。
金属無機化合物としては、例えば、Al(NO3)3、AlCl3、AlOCl、AlPO4、Al2(SO4)3、Al2O3、Al(OH)3等を用いることができる。なかでも、Al(NO3)3やAlCl3は、アルコール、水等の溶媒に溶解しやすく取り扱いが容易なので一層好ましい。
アルミニウム含有金属化合物の原料としては、金属無機化合物や金属有機化合物等の金属化合物を用いることができる。
金属無機化合物としては、例えば、Al(NO3)3、AlCl3、AlOCl、AlPO4、Al2(SO4)3、Al2O3、Al(OH)3等を用いることができる。なかでも、Al(NO3)3やAlCl3は、アルコール、水等の溶媒に溶解しやすく取り扱いが容易なので一層好ましい。
金属有機化合物としては、例えば、金属アルコキシド、金属アセチルセトネート、金属カルボキシレート等を用いることができる。具体的には、Al(OCH3)3、Al(OC2H3)3、Al(iso−OC3H7)3等を用いることができる。
溶媒としては、例えば、水、アルコール、ジオール、多価アルコール、エチレングリコール、エチレンオキシド、トリエタノールアミン、キシレン等を用いることができる。これらの溶媒は、上記金属化合物の溶解を考慮して、少なくとも1種以上を混合して用いる。
また、上記溶液を調製する際に、塩酸、硫酸、硝酸、酢酸、フッ酸等の触媒を添加しても良い。さらに、アルミナの耐熱性を向上させるために、Li、K、Ca、Sr、Ba、La、Pr、Nd、Si、Zrの単体または化合物を上記金属化合物とともに添加しても良い。
溶媒としては、例えば、水、アルコール、ジオール、多価アルコール、エチレングリコール、エチレンオキシド、トリエタノールアミン、キシレン等を用いることができる。これらの溶媒は、上記金属化合物の溶解を考慮して、少なくとも1種以上を混合して用いる。
また、上記溶液を調製する際に、塩酸、硫酸、硝酸、酢酸、フッ酸等の触媒を添加しても良い。さらに、アルミナの耐熱性を向上させるために、Li、K、Ca、Sr、Ba、La、Pr、Nd、Si、Zrの単体または化合物を上記金属化合物とともに添加しても良い。
次に、上記アルミニウム含有金属化合物の溶液をゾル−ゲル法により、ハニカム構造体1000の所定の内面に含浸させる。このとき、上記溶液をハニカム構造体1000の各セラミック粒子間の間隙である総ての気孔内に行き渡らせるため、例えば、容器内にハニカム構造体1000を入れて上記溶液を満たして脱気する方法や、ハニカム構造体1000の一方から上記溶液を流し込み、他方より脱気する方法等を採用することが望ましい。上記脱気する装置としては、例えば、アスピレータ、真空ポンプ等を用いることができる。
次に、ハニカム構造体1000を120〜170℃で2時間程度加熱することで、上記溶液を蒸発除去してゲル化させてセラミック粒子表面に固定するとともに、余分な溶液を除去し、300〜500℃程度に加熱することで仮焼成する。
次に、50〜100℃1時間以上で熱水処理を行う。この熱水処理を行うことで、セラミック粒子の表面に形成したアルミナ薄膜が小繊維状(針状粒子)となって林立し、いわゆる植毛構造を呈して粗い表面の薄膜となる。
そして、500〜1000℃、5〜20時間程度の条件で焼成することで、ハニカム構造体1000の内面に触媒サポート材層を形成する。
次に、50〜100℃1時間以上で熱水処理を行う。この熱水処理を行うことで、セラミック粒子の表面に形成したアルミナ薄膜が小繊維状(針状粒子)となって林立し、いわゆる植毛構造を呈して粗い表面の薄膜となる。
そして、500〜1000℃、5〜20時間程度の条件で焼成することで、ハニカム構造体1000の内面に触媒サポート材層を形成する。
次に、上記いずれかの方法により形成した触媒サポート材層に触媒活性成分を担持させることにより触媒層を形成し、本実施形態の熱交換器1000を製造することができる。
上記触媒活性成分を担持させる方法としては、特に限定されず、例えば、含浸法、蒸発乾固法、平衡吸着法、インシピアント・ウェットネス法あるいはスプレー法等が挙げられる。また、触媒活性成分をどのような形態で担持させても良い。担持する際の触媒活性成分の形態は、金属、合金などの微粉末のほか、化合物などが利用できる。化合物としては、金属錯体などが挙げられる。これらの形態の触媒活性成分が分散あるいは溶解した液体を用いて担持させることができる。
尚、触媒活性成分の担持は、触媒サポート材層を形成した後に行ったが、担持する工程は特に限定されず、触媒サポート材層の原料である微粉体と水に更に触媒活性成分を加え、触媒サポート材層の形成と同時に担持しても良い。
上記触媒活性成分を担持させる方法としては、特に限定されず、例えば、含浸法、蒸発乾固法、平衡吸着法、インシピアント・ウェットネス法あるいはスプレー法等が挙げられる。また、触媒活性成分をどのような形態で担持させても良い。担持する際の触媒活性成分の形態は、金属、合金などの微粉末のほか、化合物などが利用できる。化合物としては、金属錯体などが挙げられる。これらの形態の触媒活性成分が分散あるいは溶解した液体を用いて担持させることができる。
尚、触媒活性成分の担持は、触媒サポート材層を形成した後に行ったが、担持する工程は特に限定されず、触媒サポート材層の原料である微粉体と水に更に触媒活性成分を加え、触媒サポート材層の形成と同時に担持しても良い。
以上説明したように、第3実施形態の熱交換器では、ハニカム構造体1000の第1の空間41に触媒層43を担持することにより、第1の空間41を通る排気ガスが冷却される前に、排気ガス中に含まれている有害ガスを浄化する機能を付与することができる。また、温度の低い排気ガスを熱交換によって加熱することにより効率良く有害ガスを浄化する機能を付与することもできる。
なお、図19(a)においては、第1の空間41における全ての流路60の上下左右の全面に触媒層43を設けた場合を示したが、これに限らない。例えば、所定の流路60のみに設けても良いし、所定の面のみに設けることも可能である。
また、第1の空間41の形状は、図19(a)に示すものに限定されず、種々の形状の第1の空間41を採用することができる。
なお、図19(a)においては、第1の空間41における全ての流路60の上下左右の全面に触媒層43を設けた場合を示したが、これに限らない。例えば、所定の流路60のみに設けても良いし、所定の面のみに設けることも可能である。
また、第1の空間41の形状は、図19(a)に示すものに限定されず、種々の形状の第1の空間41を採用することができる。
<第4実施形態>
第4実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
なお、前述した第1実施形態に係る熱交換器(1000)ないし第3実施形態に係る熱交換器(1000)と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図20は、本発明に係る第4実施形態の熱交換器の斜視図である。また、図21は、本発明に係る第4実施形態の熱交換器の断面図であり、(a)は図20のK−K’断面図、(b)は図20のL−L’断面図である。
第4実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
なお、前述した第1実施形態に係る熱交換器(1000)ないし第3実施形態に係る熱交換器(1000)と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図20は、本発明に係る第4実施形態の熱交換器の斜視図である。また、図21は、本発明に係る第4実施形態の熱交換器の断面図であり、(a)は図20のK−K’断面図、(b)は図20のL−L’断面図である。
図20および図21(b)に示すように、第4実施形態の熱交換器(1000)では、第2の空間42の内面に触媒層43を有しており、第1の空間41の内面には触媒層を有していない(図21(a)参照)。
なお、担持される触媒層43および触媒活性成分の担持方法等については、前述した第3実施形態の場合と同様なので、説明は省略する。
なお、担持される触媒層43および触媒活性成分の担持方法等については、前述した第3実施形態の場合と同様なので、説明は省略する。
以上説明したように、第4実施形態の熱交換器では、ハニカム構造体1000の第2の空間42に触媒層43を有しているので、第2の空間42を流れる排気ガスが冷却される前に、排気ガス中に含まれている有害ガスを浄化する機能を付与することができる。また、温度の低い排気ガスを熱交換によって加熱することにより効率良く有害ガスを浄化する機能を付与することもできる。
なお、図21(b)においては、第2の空間42における全ての流路60の上下左右の全面に触媒層43を設けた場合を示したが、これに限らない。例えば、所定の流路60のみに設けても良いし、所定の面のみに設けることも可能である。
また、第1の空間41の形状は、図21(a)に示すものに限定されず、種々の形状の第1の空間41を採用することができる。
なお、図21(b)においては、第2の空間42における全ての流路60の上下左右の全面に触媒層43を設けた場合を示したが、これに限らない。例えば、所定の流路60のみに設けても良いし、所定の面のみに設けることも可能である。
また、第1の空間41の形状は、図21(a)に示すものに限定されず、種々の形状の第1の空間41を採用することができる。
<第5実施形態>
第5実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
なお、前述した第1実施形態に係る熱交換器(1000)ないし第4実施形態に係る熱交換器(1000)と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図22は、本発明に係る第5実施形態の熱交換器の斜視図である。また、図23は、本発明に係る第5実施形態の熱交換器の断面図であり、(a)は図22のK−K’断面図、(b)は図22のL−L’断面図である。
第5実施形態の熱交換器について、図を用いながら説明する。
なお、前述した第1実施形態に係る熱交換器(1000)ないし第4実施形態に係る熱交換器(1000)と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図22は、本発明に係る第5実施形態の熱交換器の斜視図である。また、図23は、本発明に係る第5実施形態の熱交換器の断面図であり、(a)は図22のK−K’断面図、(b)は図22のL−L’断面図である。
図22、図23(a)および(b)に示すように、第5実施形態の熱交換器(1000)では、第1の空間41の内面および第2の空間42の内面に触媒層43を有している。
なお、触媒層43および触媒活性成分の担持方法等については、前述した第3実施形態の場合と同様なので、説明は省略する。
なお、触媒層43および触媒活性成分の担持方法等については、前述した第3実施形態の場合と同様なので、説明は省略する。
以上説明したように、第5実施形態の熱交換器では、ハニカム構造体1000の第1の空間41および第2の空間42に触媒層43を有しているので、第1の空間41または第2の空間42を流れる排気ガスが冷却される前に、排気ガス中に含まれている有害ガスを浄化する機能を付与することができる。また、温度の低い排気ガスを熱交換によって加熱することにより効率良く有害ガスを浄化する機能を付与することもできる。
なお、図23(a)および(b)においては、第1の空間41および第2の空間42における全ての流路60の上下左右の全面に触媒層43を設けた場合を示したが、これに限らない。例えば、所定の流路60のみに設けても良いし、所定の面のみに設けることも可能である。
また、第1の空間41の形状は、図23(a)に示すものに限定されず、種々の形状の第1の空間41を採用することができる。
なお、図23(a)および(b)においては、第1の空間41および第2の空間42における全ての流路60の上下左右の全面に触媒層43を設けた場合を示したが、これに限らない。例えば、所定の流路60のみに設けても良いし、所定の面のみに設けることも可能である。
また、第1の空間41の形状は、図23(a)に示すものに限定されず、種々の形状の第1の空間41を採用することができる。
本発明の熱交換器は、内燃機関、燃焼炉などの熱交換器として利用することができる。
11 第1端面
12 第2端面
21 第1側壁
22 第2側壁
30 接続孔
31 第1の開口
32 第2の開口
41 第1の空間
42 第2の空間
43 触媒層
50 内壁
60 流路
70 封止部
80 レーザー光
82 水流(ウォータジェット)
85 レーザー源
90 光拡散媒体
91 ガラス棒
92 失透ガラス
93 水
1000 ハニカム構造体(熱交換器)
12 第2端面
21 第1側壁
22 第2側壁
30 接続孔
31 第1の開口
32 第2の開口
41 第1の空間
42 第2の空間
43 触媒層
50 内壁
60 流路
70 封止部
80 レーザー光
82 水流(ウォータジェット)
85 レーザー源
90 光拡散媒体
91 ガラス棒
92 失透ガラス
93 水
1000 ハニカム構造体(熱交換器)
Claims (11)
- 少なくとも第1端面と第2端面と第1側壁と第2側壁とを有し、内壁によって仕切られ前記第1端面から前記第2端面に延びる複数の流路を有するセラミック製のハニカム構造体を用いた熱交換器において、
前記第1側壁または前記第2側壁に形成された第1の開口と、
前記第1の開口に対向する複数の前記内壁に形成され複数の前記流路を接続する第2の開口と、からなる接続孔を有し、
前記第1の開口または前記第2の開口を有する前記流路は前記第1端面および前記第2端面にそれぞれ封止部を有し、前記第1の開口または前記第2の開口を有する前記流路は前記接続孔で接続されることにより第1の空間を構成するとともに、
前記第1の開口および前記第2の開口のない前記流路は、前記第1端面から前記第2端面に延びる第2の空間を構成し、
前記第1の空間と、前記第2の空間とは前記内壁で互いに隔離されているとともに、前記第1の空間または前記第2の空間の内面に触媒層を有することを特徴とする熱交換器。 - 前記熱交換器は、前記接続孔を複数有することを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
- 前記接続孔は、前記第1側壁または前記第2側壁が面する複数の前記流路に交互に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱交換器。
- 前記第1の空間は、複数の前記接続孔を有することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記熱交換器は、前記接続孔を前記第1側面および前記第2側面にそれぞれ有することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記第1の開口および前記第2の開口は、スリット状に構成され、
前記第1の開口の長さは、前記第2の開口の長さよりも長いことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の熱交換器。 - 複数の前記第2の開口は、前記第1の開口に向かって順に長くなっていることを特徴とする請求項6に記載の熱交換器。
- 前記第1の開口および前記第2の開口は、スリット状に構成され、
前記第1の開口の長さおよび、複数の前記第2の開口の長さは、いずれも等しいことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の熱交換器。 - 前記接続孔は5層以上の前記第2の開口が積み重なっていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記接続孔は、10層以上の前記第2の開口が積み重なっていることを特徴とする請求項9に記載の熱交換器。
- 前記セラミックは、炭化珪素、シリコン含浸した炭化珪素、アルミナ、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはジルコニアのいずれかよりなることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の熱交換器。
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