JP2020056558A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換性能を安定して発揮可能な熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器１は、内部に熱媒体が流れる流路１６、２６が形成されているセラミック製のコア部１０と、コア部１０と外部配管とを接続するための流体インターフェース９９とを備えている。コア部１０は、熱媒体の流れる流路１６、２６を形成している壁部と、壁部よりも厚さの大きな補強壁部１７、２７、２８とを備えている。流体インターフェース９９は、補強壁部１７、２７、２８に取り付けられている。このため、流体インターフェース９９とコア部１０との接続面を、壁部よりも強度が高く変形しにくい補強壁部１７、２７、２８によって提供できる。したがって、コア部１０から流体インターフェース９９が外れてしまうなどの不具合を抑制できる。よって、熱交換性能を安定して発揮可能な熱交換器を得ることができる。【選択図】図１

Description

この明細書における開示は、熱交換器に関する。

特許文献１は、セラミック製の交差流式熱交換器を開示している。一般的にセラミック材料は、耐熱性、耐食性、耐摩耗性および絶縁性などの性能において金属材料に比べて優れている。このため、セラミック製の熱交換器は、金属製の熱交換器を使用しにくい高腐食環境下をはじめとして、様々な用途で有効に利用可能である。従来技術として挙げられた先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開平７−１５１４７８号公報

熱交換器に対する熱交換流体の流し方は、高い熱交換性能を安定して発揮するために非常に重要な要素である。しかしながら、特許文献１には、熱交換器と外部配管とを接続するインターフェースの部分に関する開示がされておらず、セラミック製の熱交換器に対して適切に外部配管を接続する方法が明らかでない。また、一般的にセラミック材料は、金属材料に比べて割れやすく、熱交換器の製造時や使用時に熱交換器の適切な形状を安定して維持することが困難である。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、熱交換器にはさらなる改良が求められている。

開示される１つの目的は、熱交換性能を安定して発揮可能な熱交換器を提供することにある。

ここに開示された熱交換器は、内部に熱媒体が流れる流路（１６、２６、３１６）が形成されているセラミック製のコア部（１０）と、コア部と外部配管とを接続するための流体インターフェース（９９、２９９）とを備え、コア部は、熱媒体の流れる流路を形成している壁部（１５、２５、３１５）と、壁部よりも厚さの大きな補強壁部（１７、２７、２８、３１７）とを備え、流体インターフェースは、補強壁部に取り付けられている。

開示された熱交換器によると、流体インターフェースは、コア部の壁部よりも厚さの大きな補強壁部に取り付けられている。このため、コア部のうち流体インターフェースが取り付けられている部分における強度を高くすることができる。したがって、セラミック製のコア部に外力が加えられた場合であっても、コア部と流体インターフェースとが適切に接続された状態を維持しやすい。よって、コア部と流体インターフェースとの間から熱媒体が漏れるといった不具合を抑制しやすい。言い換えると、熱交換性能を安定して発揮可能な熱交換器を提供できる。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

熱交換器の分解斜視図である。 熱交換器の斜視図である。 第１コア部の斜視図である。 第２コア部の斜視図である。 熱交換器の正面図である。 熱交換器の側面図である。 第２実施形態における接続枠部を備えた状態のコア部の斜視図である。 第２実施形態における熱交換器の斜視図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線における断面を示す部分断面図である。 第３実施形態における第１コア部の第１壁部の配置を示す構成図である。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

第１実施形態
熱交換器１は、複数の流体間での熱交換を行って加熱や冷却を行う熱交換装置である。熱交換器１は、例えばエンジンを搭載した自動車などの車両に搭載される車両用熱交換器である。熱交換器１は、例えば排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に還流して再循環する排気還流システムを搭載した車両において、ＥＧＲガスを含むエンジン吸気を冷却水によって冷却するためのインタークーラとして利用可能である。熱交換器１をインタークーラとして用いた場合において、一例として吸気は、第１流体を提供し、冷却水は、第２流体を提供する。また、吸気と冷却水とは、どちらも冷熱や温熱を熱交換対象に伝える熱媒体としての機能を提供する。以下では、過給器によって圧縮され高温となった吸気を冷却するためのインタークーラとして熱交換器１を用いた場合を例に説明を行う。ただし、熱交換器１の用途は、インタークーラに限られず、熱交換を行う装置に広く適用可能である。また、熱交換器１を用いて熱交換を行う流体は、気体と液体との組み合わせに限られず、気体同士の熱交換や液体同士の熱交換に熱交換器１を用いてもよい。あるいは、複数の流体を用いるのではなく、熱媒体として冷却水のみを用いて発熱対象を直接冷却する冷却器などに熱交換器１を用いてもよい。

熱交換器１は、セラミック製である。熱交換器１はなるべく高い熱交換効率が求められる。このため、熱交換器１を構成するセラミック材料としては、なるべく熱伝導率の高い高熱伝導性のセラミック材料を用いることが好ましい。セラミック材料としては、例えば、炭化ケイ素や窒化アルミニウムなどを用いることができる。セラミック材料としては、セラミック材料の中でも熱伝導率が高いことで知られる炭化ケイ素を用いることが特に好ましい。炭化ケイ素などのセラミック材料は、一般的にアルミニウムなどの金属材料に比べて耐熱性、耐食性、耐摩耗性および絶縁性が高く、熱膨張が小さいなどの性質を有している。このため、高温環境にさらされやすく、排ガスや雨水などの影響によって腐食が問題となりやすい車両に搭載される熱交換器１をセラミック製とすることは非常に有用である。ただし、熱交換器１の全体がセラミック製でなくてもよい。すなわち、耐食性が求められる部分にはセラミック材料を用い、それ以外の部分には金属材料を用いるなどして、熱交換器１全体を異なる材料を組み合わせることで構成してもよい。あるいは、熱交換器１において熱媒体と直接触れて熱伝達を行う熱伝達部を部分的にセラミック材料としてもよい。

図１において、インタークーラとして利用される場合における熱交換器１は、ＥＧＲガスを含む吸気が通過する第１コア部１１と、冷却水が通過する第２コア部２１とを有するコア部１０を備えている。第１コア部１１には、気体である吸気が流れ、第２コア部２１には、液体である冷却水が流れる。すなわち、コア部１０においては、気体と液体とが熱交換を行う。より具体的には、過給器によって圧縮された温度の高い吸気と、ラジエータで放熱された温度の低い冷却水とが熱交換を行い、吸気の温度が低下するとともに冷却水の温度が上昇する。ただし、第１コア部１１に冷却水が流れ、第２コア部２１に吸気が流れるように熱交換器１を用いてもよい。

コア部１０は、第１コア部１１と第２コア部２１とが交互に積層されて複数層状に形成されている。コア部１０において、第１コア部１１と第２コア部２１との積層方向の最外側には、補強板部３１が設けられている。より詳細には、コア部１０は、３つの第１コア部１１の間に２つの第２コア部２１が配置され、積層方向の最外側に補強板部３１が配置された７層構造である。ただし、コア部１０の構成は、上述の７層構造に限られない。また、第１コア部１１と第２コア部２１とが１段ずつ交互に積層されていなくてもよい。例えば、第１コア部１１を連続して２段重ねた部分を備えるようにコア部１０を構成してもよい。

第１コア部１１は、吸気などの流体が通過可能な第１流路１６を備えている。第２コア部２１は、冷却水などの流体が通過可能な第２流路２６を備えている。補強板部３１は、流体が通過可能な流路を備えていない。コア部１０において、第１流路１６の体積は、第２流路２６の体積よりも大きい。すなわち、同じ流速で第１流路１６と第２流路２６とのそれぞれの流路に流体が流れている場合、第２コア部２１を通過する流体よりも、第１コア部１１を通過する流体の方が多い。第１流路１６は、流路を提供する。第２流路２６は、流路を提供する。

第１コア部１１と第２コア部２１とが積層されている積層方向は、Ｚ方向である。第１コア部１１において、吸気の流れる第１流路１６に平行な方向は、Ｘ方向である。第２コア部２１において、冷却水の流れる第２流路２６に平行な方向は、Ｙ方向である。

熱交換器１は、コア部１０と流体の流れる外部配管とを接続するための流体インターフェース９９を備えている。流体インターフェース９９は、タンク部１５０によって構成されている。タンク部１５０は、第１入口タンク部５１と第１出口タンク部６１と第２出入口タンク部７１と第２中間タンク部８１とを備えている。タンク部１５０は、半円柱状の部材であって、コア部１０と対向する面に流体が流通可能な凹部を備えている。タンク部１５０の形状は、上述した形に限られない。熱交換器１の用途、性能、設置位置などによって適宜その形状や大きさを変更可能である。

第１入口タンク部５１と第１出口タンク部６１とは、第１コア部１１と連通するように接続されて、第１コア部１１に吸気を流通させる部材である。第１入口タンク部５１は、第１入口管５５を備えている。第１入口管５５は、円筒状の管部材である。第１入口管５５は、第１コア部１１に吸気を流入するための入口として機能する。第１出口タンク部６１は、第１出口管６６を備えている。第１出口管６６は、円筒状の管部材である。第１出口管６６は、第１コア部１１から吸気を流出するための出口として機能する。

第２出入口タンク部７１と第２中間タンク部８１とは、第２コア部２１に連通するように接続されて、第２コア部２１に冷却水を流通させる部材である。第２出入口タンク部７１は、第２入口管７５と第２出口管７６とを備えている。第２入口管７５と第２出口管７６とは、円筒状の管部材である。第２入口管７５は、第２コア部２１に冷却水を流入するための入口として機能する。第２出口管７６は、第２コア部２１から冷却水を流出するための出口として機能する。第２出入口タンク部７１は、コア部１０と対向して設けられている凹部を入口側凹部と出口側凹部との２つの領域に区画している区画板７４を備えている。入口側凹部は、第２入口管７５と連通している。出口側凹部は、第２出口管７６と連通している。

図２において、タンク部１５０は、直方体状のコア部１０の４つの側面に対応して設けられている。第１入口タンク部５１は、コア部１０を介して第１出口タンク部６１と正対する位置に設けられている。第１入口管５５は、第１出口管６６とＹ方向にずれた位置に設けられている。言い換えると、第１入口管５５は、第１入口タンク部５１の中央の位置よりも第２中間タンク部８１に近い位置に設けられている。一方、第１出口管６６は、第１出口タンク部６１の中央の位置よりも第２出入口タンク部７１に近い位置に設けられている。すなわち、第１入口管５５の中心軸と第１出口管６６の中心軸とは、Ｙ方向にずれた位置関係である。

第２出入口タンク部７１は、コア部１０を介して第２中間タンク部８１と正対する位置に設けられている。第２入口管７５は、入口側凹部の略中央の位置に設けられている。第２出口管７６は、出口側凹部の略中央の位置に設けられている。

熱交換器１の内部における流体の流れについて以下に説明する。吸気は、第１入口管５５から第１入口タンク部５１の内部に流入する。第１入口タンク部５１の内部に流入した吸気は、第１入口タンク部５１の凹部を広がって第１コア部１１に形成されている第１流路１６を流れる。吸気は、第１流路１６を流れる過程で第２流路２６を流れる冷却水と熱交換を行う。冷却水と熱交換を行った吸気は、第１コア部１１から第１出口タンク部６１に流出する。第１出口タンク部６１に流出した吸気は、第１出口管６６から熱交換器１の外部へと流出する。ここで、第１入口管５５と第１出口管６６とは、Ｙ方向にずれた位置関係にある。このため、第１入口管５５から第１出口管６６までの吸気の流通経路の長さの違いを低減して、吸気を第１流路１６の全体に分散して流しやすい。

冷却水は、第２入口管７５から第２出入口タンク部７１の内部に流入する。第２出入口タンク部７１の内部に流入した冷却水は、第２出入口タンク部７１の凹部のうち、入口側凹部を広がって第２コア部２１に形成されている第２流路２６の一部を流れる。冷却水は、第２流路２６を流れる過程で第１流路１６を流れる吸気と熱交換を行う。吸気と熱交換を行った冷却水は、第２コア部２１から第２中間タンク部８１に流れ込む。第２中間タンク部８１に流れ込んだ冷却水は、第２流路２６のうち、冷却水が流れてきた部分とは異なる部分を流れる。これにより、冷却水と吸気とが再び熱交換されて、冷却水の温度と吸気の温度との温度差がより小さくなる。吸気との２回目の熱交換を行った冷却水は、第２出入口タンク部７１の出口側凹部に流れ込んで、第２出口管７６から熱交換器１の外部へと流出する。

冷却水は、熱交換器１の内部をＵターンするように流れる。このため、冷却水の流通する経路を長く確保でき、冷却水と吸気とを長い経路にわたって熱交換させることができる。さらに、吸気は、熱交換器１の内部をＵターンすることなく流れる。言い換えると、熱交換器１で熱交換を行う第１流体と第２流体とは、熱交換を行う経路の長さが異なる。より詳細には、気体である吸気の熱交換を行う経路に比べて液体である冷却水の熱交換を行う経路の方が長い。

図３において、第１コア部１１には、平板状の部材の内部に一方の端面から他方の端面までＸ方向に沿って連続して直線状に延びる第１壁部１５が複数形成されている。Ｙ方向に沿って隣り合う第１壁部１５同士の間には流体が通過可能な第１流路部１６ａが形成されている。第１コア部１１に複数形成されている第１流路部１６ａは、全体として第１流路１６を構成している。言い換えると、第１コア部１１には、平板状の部材の内部にＸ方向に沿って直線状に延びる貫通孔が複数形成されており、この貫通孔が第１流路部１６ａをなしている。第１流路部１６ａのＹＺ平面における断面形状は、矩形状である。ただし、第１流路部１６ａの断面形状は矩形状に限られず、三角形や円形などの形状でもよい。第１壁部１５は、壁部を提供する。

第１コア部１１のＹ方向の両端部近傍には、第１流路部１６ａが形成されておらず第１補強壁部１７が形成されている。第１補強壁部１７の厚さＴｗ１７は、第１壁部１５の厚さＴｗ１５よりも大きい。すなわち、第１補強壁部１７は、第１壁部１５よりも強度の高い部分である。第１コア部１１の厚さＴｃ１１は、第１壁部１５の厚さＴｗ１５よりも大きく、第１補強壁部１７の厚さＴｗ１７よりも小さい。第１補強壁部１７は、補強壁部を提供する。

第１補強壁部１７は、第１コア部１１に対してＺ方向に加えられる外力によって第１コア部１１が変形することを抑制している。すなわち、厚さの小さな第１壁部１５の強度では外力に耐えられず第１流路１６が潰れてしまう場合であっても、厚さの大きな第１補強壁部１７で大きな外力を受けることで第１流路１６が潰れてしまうような変形を防止しやすい。ここで、第１コア部１１における流体の流量を多く確保するためには、第１壁部１５を薄くする必要がある。しかしながら、第１壁部１５を薄くするほど第１壁部１５における強度が低下する。このため、流量をなるべく多く確保しつつ、第１コア部１１全体の強度を高めるためには、第１補強壁部１７による強度の確保が非常に重要である。

第１コア部１１は、粘土状のセラミック材料に圧力を加えながら金型から押し出して成形する押し出し成形などによって成形可能である。押し出し成形の場合には、成形品である第１コア部１１の断面形状が同一形状となるため、加圧成形に比べて形状の自由度は低いが、成形品を連続して成形可能である。したがって、第１コア部１１の製造性を高めやすい。ただし、第１コア部１１の成形方法は押し出し成形に限られない。

図４において、第２コア部２１には、平板状の部材の内部に一方の端面から他方の端面までＹ方向に沿って連続して直線状に延びる第２壁部２５が複数形成されている。Ｘ方向に沿って隣り合う第２壁部２５同士の間には、流体が通過可能な第２流路部２６ａが形成されている。第２コア部２１に複数形成されている第２流路部２６ａは、全体として第２流路２６を構成している。言い換えると、第２コア部２１には、平板状の部材の内部にＹ方向に沿って直線状に延びる貫通孔が複数形成されており、この貫通孔が第２流路部２６ａをなしている。第２流路部２６ａのＸＺ平面における断面形状は、矩形状である。ただし、第２流路部２６ａの断面形状は矩形状に限られず、三角形や円形などの形状でもよい。第２壁部２５は、壁部を提供する。

第２コア部２１のＸ方向の両端部近傍には、第２流路部２６ａが形成されておらず第２補強壁部２７が形成されている。第２コア部２１のＸ方向の中央には、第２流路部２６ａが形成されておらず区画補強壁部２８が形成されている。第２補強壁部２７の厚さＴｗ２７は、第２壁部２５の厚さＴｗ２５よりも大きい。すなわち、第２補強壁部２７は、第２壁部２５よりも強度の高い部分である。区画補強壁部２８の厚さＴｗ２８は、第２補強壁部２７の厚さＴｗ２７よりも大きい。すなわち、区画補強壁部２８は、第２補強壁部２７よりも強度の高い部分である。第２コア部２１の厚さＴｃ２１は、第２壁部２５の厚さＴｗ２５よりも大きく、第２補強壁部２７の厚さＴｗ２７および区画補強壁部２８の厚さＴｗ２８よりも小さい。第２補強壁部２７は、補強壁部を提供する。区画補強壁部２８は、補強壁部を提供する。

第２補強壁部２７と区画補強壁部２８とは、第２コア部２１に対してＺ方向に加えられる外力によって第２コア部２１が変形することを抑制している。すなわち、厚さの小さな第２壁部２５の強度では外力に耐えられず第２流路２６が潰れてしまう場合であっても、厚さの大きな第２補強壁部２７と区画補強壁部２８とで大きな外力を受けることで第２流路２６が潰れてしまうような変形を防止しやすい。ここで、第２コア部２１における流体の流量を多く確保するためには、第２壁部２５を薄くする必要がある。しかしながら、第２壁部２５を薄くするほど第２壁部２５における強度が低下する。このため、流量をなるべく多く確保しつつ、第２コア部２１全体の強度を高めるためには、第２補強壁部２７と区画補強壁部２８とによる強度の確保が非常に重要である。

第２コア部２１は、粘土状のセラミック材料に圧力を加えながら金型から押し出して成形する押し出し成形などによって成形可能である。押し出し成形の場合には、成形品である第２コア部２１の断面形状が同一形状となるため、加圧成形に比べて形状の自由度は低いが、成形品を連続して成形可能である。したがって、第２コア部２１の製造性を高めやすい。ただし、第２コア部２１の成形方法は押し出し成形に限られない。

図５は、コア部１０に対してタンク部１５０が正規の位置に取り付けられている状態における各部材の位置関係を示している。第１入口タンク部５１は、第１入口タンク部５１とコア部１０とが対向する面において、コア部１０と第１入口タンク部５１とを接触固定している接続面を備えている。接続面は、第１入口タンク部５１の外縁に沿っている矩形環状である。

第１入口タンク部５１の接続面は、第１コア部１１と第２コア部２１と補強板部３１との３つの部材と接触している。第１入口タンク部５１の接続面は、コア部１０における第１補強壁部１７および補強板部３１に対向している。言い換えると、第１入口タンク部５１の接続面は、少なくとも第１壁部１５および第１流路部１６ａを避けた位置に設けられている。したがって、第１入口タンク部５１の接続面の全体がコア部１０と隙間なく接触している状態である。

また、第１入口タンク部５１と同様に第１出口タンク部６１の接続面もコア部１０における第１補強壁部１７および補強板部３１に対向している。すなわち、第１入口タンク部５１の接続面と第１出口タンク部６１の接続面とは、少なくとも第１補強壁部１７および補強板部３１を介して正対している。このため、第１入口タンク部５１をコア部１０に近づく方向に押し付けるように外力を加えた場合、第１出口タンク部６１をコア部１０に近づける方向に押し付けるように外力を加えることで、外力同士を打ち消して弱めることができる。

図６は、コア部１０に対してタンク部１５０が正規の位置に取り付けられている状態における各部材の位置関係を示している。第２出入口タンク部７１は、第２出入口タンク部７１とコア部１０とが対向する面において、コア部１０と第２出入口タンク部７１とを接触固定している接続面を備えている。接続面は、第２出入口タンク部７１の外縁に沿っている矩形環状の部分と、区画板７４におけるコア部１０との対向面の部分とを備えている。

第２出入口タンク部７１の接続面は、第１コア部１１と第２コア部２１と補強板部３１との３つの部材と接触している。第２出入口タンク部７１の接続面は、コア部１０における第２補強壁部２７、区画補強壁部２８および補強板部３１に対向している。言い換えると、第２出入口タンク部７１の接続面は、少なくとも第２壁部２５および第２流路部２６ａを避けた位置に設けられている。したがって、第２出入口タンク部７１の接続面の全体がコア部１０と隙間なく接触している状態である。

また、第２中間タンク部８１の接続面は、コア部１０における第２補強壁部２７および補強板部３１に対向している。すなわち、第２出入口タンク部７１の接続面と第２中間タンク部８１の接続面とは、少なくとも第２補強壁部２７および補強板部３１を介して正対している。ただし、第２中間タンク部８１の接続面には、第２出入口タンク部７１における区画補強壁部２８との接続面に相当する面がない。

熱交換器１の製造方法の一例について以下に説明を行う。まず、第１コア部１１と第２コア部２１と補強板部３１をＺ方向に交互に重ねて配置することでコア部１０を構成する。次に、タンク部１５０の接続面をコア部１０の適切な位置に配置してコア部１０とタンク部１５０とを接触させる。ここで、第１コア部１１と第２コア部２１とのつなぎ目の部分において凹凸が大きい部分が存在する場合には、研磨などの方法によって表面を滑らかにしてからコア部１０とタンク部１５０とを接触させることが好ましい。コア部１０に対してタンク部１５０が配置された段階においては、コア部１０とタンク部１５０とは、粉末のセラミック材がバインダや水によって保持された粘土状の材料によって構成されている。このため、第１コア部１１と第２コア部２１と補強板部３１との間やコア部１０とタンク部１５０との間などに意図しない隙間が生じている場合などには、その隙間を埋めるように粘土状のセラミック材料を配することが好ましい。

粘土状のセラミック材料で構成されている熱交換器１の形を整えた後、熱交換器１を焼成する。粘土状の熱交換器１は、焼成されることで水分などが除去される。これによりコア部１０とタンク部１５０とが一体に結合されるとともに、焼成前に比べて強度の高い状態となる。ただし、焼成によって熱交換器１を構成する各部品が収縮するため、焼成前に比べて熱交換器１の体積が小さくなる。

焼成後、熱交換器１に気孔が生じている場合には、気孔にシリコンを含浸させて気孔をシリコンで埋めるようにしてもよい。熱交換器１の気孔をシリコンで埋めることで、熱交換器１の内部を流れる流体が気孔を通じて熱交換器１の外部に漏れだすことを抑制できる。

コア部１０とタンク部１５０とを全て同時に一体化するように製造しなくてもよい。例えば、コア部１０のみを焼成した後に、タンク部１５０を取り付けるように再度焼成して熱交換器１を製造するようにしてもよい。タンク部１５０を樹脂材料や金属材料などで構成する場合には、焼成したコア部１０に対してタンク部１５０を接着剤で接着固定するなどして熱交換器１を製造してもよい。

上述した実施形態によると、第１入口タンク部５１は、第１補強壁部１７と接触してコア部１０に取り付けられている。第１出口タンク部６１は、第１補強壁部１７と接触してコア部１０に取り付けられている。第２出入口タンク部７１は、第２補強壁部２７および区画補強壁部２８に接触してコア部１０に取り付けられている。第２中間タンク部８１は、第２補強壁部２７に接触してコア部１０に取り付けられている。言い換えると、流体インターフェース９９をなすタンク部１５０は、補強壁部１７、２７、２８に取り付けられている。このため、コア部１０を積層方向であるＺ方向に変形させようとする力が加えられた場合であっても、タンク部１５０とコア部１０とが接触している接続部分においては変形が引き起こされにくい。したがって、コア部１０に対してタンク部１５０が適切に接続されている状態を維持しやすい。よって、熱交換器１においてコア部１０とタンク部１５０との間から流体が漏れるなどといった不具合が引き起こされることを防止しやすい。言い換えると、安定して熱交換性能を発揮可能な熱交換器１を提供できる。熱交換器１を車両に搭載した場合には、車両の走行時の振動などが外力として熱交換器１に加えられる。このため、コア部１０に対してタンク部１５０が適切に接続されている状態を維持しやすいことは、熱交換器１を車両に搭載する場合に非常に有用である。

第１補強壁部１７は、第１壁部１５の並び方向における最外側に設けられている。このため、第１コア部１１が第１壁部１５の並び方向の外側から外力を加えられた場合であっても、外力を第１壁部１５に比べて強度の高い第１補強壁部１７で受けることができる。したがって、第１コア部１１が外力によって破壊されにくい。よって、外力による第１コア部１１の部分的な破壊によって熱交換器１の内部と外部とが連通してしまうことを防いで、熱交換器１の外部に流体が漏出することを防ぎやすい。また、第２補強壁部２７は、第２壁部２５の並び方向における最外側に設けられている。このため、第１補強壁部１７と同様、第２コア部２１の破壊を防いで熱交換器１の外部への流体の漏出を抑制することができる。

コア部１０は、第１コア部１１と第２コア部２１とが積層されて形成されている。このため、第１コア部１１を流れる吸気と第２コア部２１を流れる冷却水との熱交換可能な面積を大きく確保しやすい。すなわち、吸気の流れる流路の周囲に冷却水を流して吸気と冷却水とを熱交換するような熱交換装置に比べて、熱交換効率を高めやすい。熱交換器１を車両に搭載する場合には、車両内の限られたスペースに熱交換器１を配置する必要がある。このため、熱交換器１における熱交換効率が高く小型化可能であることは、熱交換器１を車両に搭載する場合に非常に有用である。

コア部１０は、第１コア部１１と第２コア部２１との積層方向の最外側に補強板部３１を備えている。ここで、補強板部３１は、第１コア部１１や第２コア部２１よりも強度が高く変形しにくい。このため、積層方向に外力が加えられた場合であっても、補強板部３１で外力の衝撃を吸収することができる。したがって、コア部１０における強度の低い第１壁部１５や第２壁部２５を保護しやすい。ここで、補強板部３１の内側を厚さ方向にくり抜くなどして部分的に空洞部分を有する構成としてもよい。補強板部３１に必要に応じて空洞部分を形成することで、空洞部分を形成しない場合に比べて補強板部３１を軽量化することができる。また、補強板部３１を完全にくり抜くのではなく、一部分厚さを薄くすることで軽量化してもよい。

タンク部１５０は、補強壁部１７、２７、２８に接触して取り付けられている。このため、タンク部１５０と補強壁部１７、２７、２８との間に別の部材を介在させる場合に比べて、部品点数を削減できる。このため、熱交換器１を小型化しやすい。

第１入口管５５は、コア部１０を介して第１出口管６６と正対する位置よりもＹ方向にずれた位置に配されている。このため、第１入口管５５から流入した吸気が第１出口管６６に流れる際の経路をＹ方向に分散させやすい。言い換えると、第１入口管５５や第１出口管６６から近い位置の第１流路部１６ａに偏って吸気が流れてしまい、第１入口管５５や第１出口管６６から離れた位置の第１流路部１６ａに吸気がほとんど流れないといった事態を抑制できる。したがって、コア部１０全体で略均一に熱交換を行いやすい。よって、熱交換器１の熱交換効率を高めやすい。

第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、コア部１０とタンク部１５０とを接続するための接続枠部２９０を備えている。

図７において、直方体のコア部１０の４つの側面に対応して接続枠部２９０が設けられている。接続枠部２９０は、流体インターフェース２９９の一部をなしている。言い換えると、流体インターフェース２９９は、タンク部１５０と接続枠部２９０によって構成されている。

接続枠部２９０は、第１入口接続枠部２５２と第１出口接続枠部２６２と第２出入口接続枠部２７２と第２中間接続枠部２８２とを備えている。第１入口接続枠部２５２と第１出口接続枠部２６２と第２中間接続枠部２８２とは、矩形の角筒状の部材である。第２出入口接続枠部２７２は、矩形の角筒状の部材であって、中央にＺ方向に沿って延びる区画枠部２７３を備えている。区画枠部２７３は、第２出入口接続枠部２７２で囲われる領域を２つの領域に区画している。第１入口接続枠部２５２と第１出口接続枠部２６２とは、第２出入口接続枠部２７２と第２中間接続枠部２８２とよりも厚さが厚い部材である。言い換えると、接続枠部２９０は、設置位置によってコア部１０との対向面から反対側の端面までの大きさが異なる。

区画枠部２７３は、区画補強壁部２８と接触している。接続枠部２９０においてＸ方向またはＹ方向に沿って延びる部分は、補強板部３１と接触している。接続枠部２９０においてＺ方向に沿って延びる部分は、第１補強壁部１７または第２補強壁部２７と接触している。コア部１０と接続枠部２９０とは、互いに隙間なく接した状態であって、コア部１０と接続枠部２９０との間からの熱媒体の流出が引き起こされないように構成されている。

図８において、タンク部１５０は、接続枠部２９０と接触している。タンク部１５０と接続枠部２９０とは、互いに隙間なく接した状態であって、タンク部１５０と接続枠部２９０との間からの熱媒体の漏出が引き起こされないように構成されている。

タンク部１５０のＺ方向の大きさは、コア部１０のＺ方向の大きさよりも大きい。言い換えると、熱交換器１において、タンク部１５０は、コア部１０よりもＺ方向に突出しており、コア部１０とタンク部１５０とにより段差が形成されている。

図９において第１入口タンク部５１は、第１入口接続枠部２５２をくわえ込んだ状態でコア部１０に接続されている。言い換えると、第１入口タンク部５１の内周面は、第１入口接続枠部２５２の外周面と接触している。

くわえ込みによる流体インターフェース２９９の固定方法について、接続枠部２９０をセラミック材料である炭化ケイ素製とし、タンク部１５０を金属材料であるアルミニウム製とした場合を例に以下に説明する。タンク部１５０の内周面および／または接続枠部２９０の外周面にセラミック材料と金属材料とをろう付けするためのろう材を配置する。その後、タンク部１５０を接続枠部２９０に対してくわえ込ませることで仮固定を行う。この仮固定の時点では、接続枠部２９０の外周面とタンク部１５０の内周面との間に溶け出す前のろう材が配置されている状態である。

仮固定された状態の熱交換器１をろう材が溶け出す温度まで加熱する。これにより溶け出したろう材がタンク部１５０と接続枠部２９０との間に広がる。その後、徐々に温度を下げていき、ろう材が冷えて固まることでタンク部１５０と接続枠部２９０とがろう付けによって接着固定される。

ここで、セラミック材料と金属材料とでは、温度変化による伸縮の大きさが大きく異なる場合がある。温度の変化に対応して長さが変化する割合を示す線膨張率で比較すると、金属材料であるアルミニウムの線膨張率は２３×１０^−６／℃程度であり、セラミック材料である炭化ケイ素の線膨張率は４〜５×１０^−６／℃程度である。すなわち、金属材料であるアルミニウムに比べて、セラミック材料である炭化ケイ素の方が、温度変化に対して長さが変化しにくい。このため、タンク部１５０をアルミニウム製とし、接続枠部２９０を炭化ケイ素製とした場合には、タンク部１５０の方が接続枠部２９０よりも温度変化によって長さが変化しやすい。すなわち、接続枠部２９０よりもタンク部１５０の方が温度変化による伸縮が大きく表れやすい。

ろう付けにおいて、ろう材が溶ける温度まで温度を上昇させた場合には、タンク部１５０が接続枠部２９０よりも大きく伸びることとなる。この状態では、タンク部１５０と接続枠部２９０とが離れて隙間ができやすい。したがって、タンク部１５０の内周面と接続枠部２９０の外周面との間に生じた隙間をろう材が広がりやすい。

ろう材が固まり始める温度まで温度を低下させた場合には、タンク部１５０が接続枠部２９０よりも大きく縮むこととなる。この状態では、タンク部１５０と接続枠部２９０とが近づきやすく、タンク部１５０の内周面と接続枠部２９０の外周面との間の空間が狭くなる。このため、タンク部１５０の内周面と接続枠部２９０の外周面との間において、ろう材が不足してしまうことを防ぎやすい。すなわち、ろう付け部分にボイドが発生することを抑制しやすい。ろう材が完全に固まる温度まで温度を低下させた場合には、タンク部１５０の内周面が接続枠部２９０の外周面にさらに近づく方向に縮む。これにより収縮の大きなアルミニウム製のタンク部１５０が収縮の小さな炭化ケイ素製の接続枠部２９０を外側から内側に押すようにしてくわえ込む縛り嵌めの状態となる。したがって、接続枠部２９０とタンク部１５０とが強固に嵌合された状態となる。

上述した実施形態によると、タンク部１５０は、接続枠部２９０を介して補強壁部１７、２７、２８に取り付けられている。このため、コア部１０とタンク部１５０との対向面の大きさや形状が異なる場合であっても、接続枠部２９０の形状を変更することでコア部１０における強度が高く変形しにくい部分とタンク部１５０とを適切に接続することができる。したがって、様々な用途の熱交換器１に対して同一形状のコア部１０や流体インターフェース２９９を適用しやすい。

タンク部１５０は、接続枠部２９０よりも線膨張率の大きな材料を用いて構成され、タンク部１５０の内周面は、接続枠部２９０の外周面と接触している。このため、タンク部１５０と接続枠部２９０とをろう付けなどの大きな温度変化を伴う方法で接続した場合に、タンク部１５０と接続枠部２９０とを縛り嵌めの状態にできる。したがって、タンク部１５０と接続枠部２９０とを強固に接続しやすい。

第３実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、第１コア部３１１の第１壁部３１５がオフセット配置されている。

図１０は、第１コア部３１１における第１壁部３１５の配置を示す構成図である。第１壁部３１５の配置を示すため、第１コア部３１１の上面をなす板部材を省略して図示している。

第１コア部３１１は、矩形の板状部と第１壁部３１５と第１補強壁部３１７とを備えている。第１壁部３１５は、板状部の上面から突出して設けられている。言い換えると、第１壁部３１５は、板状部と連続して一体に形成されている。第１壁部３１５は、吸気の流れをガイドするフィン部材である。第１壁部３１５は、Ｙ方向とＺ方向とに平行な面であるＹＺ平面と平行な面を有する平板状である。第１壁部３１５は、板状部の上面において複数設けられている。複数の第１壁部３１５は、Ｙ方向に等間隔に並んで壁列を形成している。壁列は、Ｘ方向に複数並んで設けられている。Ｘ方向に隣り合う壁列同士は、Ｙ方向にオフセット配置されている。すなわち、第１壁部３１５は、板状部上に互い違いに千鳥状にオフセット配置されている。言い換えると、第１壁部３１５は、Ｘ方向に沿って不連続な直線状に配置されている。奇数列の壁列と偶数列の壁列とはＹ方向にオフセットされているが、奇数列のフィン列同士や偶数列のフィン列同士は、Ｙ方向にオフセットされていない。第１壁部３１５は、壁部を提供する。

第１補強壁部３１７は、Ｙ方向に並んでいる第１壁部３１５よりもＹ方向の外側に設けられている。第１補強壁部３１７は、第１コア部３１１における側面をなしている。第１補強壁部３１７のＹ方向の厚さは、第１壁部３１５のＹ方向の厚さよりも大きい。すなわち、第１補強壁部３１７の強度は、第１壁部３１５の強度よりも高い。第１補強壁部３１７は、補強壁部を提供する。

第１壁部３１５同士の間には、第１流路部３１６ａが形成されている。複数の第１流路部３１６ａは、全体として第１流路３１６を形成している。第１流路３１６は、流路を提供する。

熱交換が行われる熱媒体として機能する流体は、伝熱面からの距離が近いほど積極的に熱交換が行われる。このため、流体と伝熱面との温度差が小さくなりやすい。一方、伝熱面からの距離が遠い流体は、伝熱面との熱交換が行われにくい。このため、流体と伝熱面との温度差が大きい状態が維持されやすい。また、熱交換において流体と伝熱面との温度差が大きいほど、伝熱量を大きくしやすく、熱交換効率を高めやすい。

流体が層流のような乱れの小さい状態で流れる場合には、流体と伝熱面との距離が変化しにくい。すなわち、伝熱面から近い位置を流れる流体は、伝熱面との熱交換によって伝熱面との温度差が小さくなった後も、伝熱面から近い位置を流れる状態が維持されやすい。一方、伝熱面から遠い位置を流れる流体は、伝熱面との熱交換が行われにくく伝熱面との温度差が大きいまま伝熱面から遠い位置を流れる状態が維持されやすい。したがって、伝熱面からの距離が離れるほど伝熱面との温度差がつきやすく、流体の温度分布が不均一になりやすい。よって、流体全体としての温度が伝熱面の温度に近づきにくく、高い熱交換効率を実現しにくい。

流体が乱流のような乱れの大きい状態で流れる場合には、流体と伝熱面との距離が変化しやすい。すなわち、伝熱面から近い位置を流れる流体は、伝熱面との熱交換によって伝熱面との温度差の小さくなった後に、伝熱面から離れて伝熱面から遠い位置を流れやすい。一方、伝熱面から遠い位置を流れる流体は、伝熱面から近い位置に移動しやすい。したがって、伝熱面から遠い位置を流れた流体が伝熱面に近づいて伝熱面と熱交換を行いやすく、伝熱面からの距離によらず流体の温度分布が均一になりやすい。よって、流体全体としての温度が伝熱面の温度に近づきやすく、高い熱交換効率を実現しやすい。

Ｘ方向に流れる吸気は、第１壁部３１５におけるＸ方向の端部と衝突して流れに乱れが生じる。言い換えると、第１コア部３１１と熱交換を完了した吸気が第１コア部３１１の表面に沿って真っすぐに流れるのではなく、第１コア部３１１の表面から離れるように移動しやすい。このため、上述のように吸気全体の温度を第１コア部３１１の表面からの距離によらず一様にして、第１コア部３１１と吸気との熱交換効率を高めることができる。第１壁部３１５は、流体の流れに乱れを生じさせる乱流生成部として機能する。

上述した実施形態によると、複数の第１壁部３１５は、第１流路３１６における吸気の流れ方向について千鳥状にオフセット配置されている。このため、第１流路３１６を流れる吸気を第１壁部３１５の上流側端部と衝突させて吸気の流れに乱れを生じさせることができる。したがって、第１流路３１６の内部において吸気を不規則な流れである乱流の状態で流すことができる。よって、規則的な流れである層流の状態で吸気を流す場合に比べて、熱交換効率を高めやすい。

他の実施形態
熱交換器１は、エンジンの吸気を冷却するインタークーラとして用いることができる。ここで、エンジンの過給吸気を温度の異なる２種類の冷却水を用いて冷却する２温式水冷インタークーラにおいては、冷却水における防錆材の機能が損なわれやすい高温水を用いることとなる。このため、防錆材に頼ることなく高い防腐性能を発揮可能なセラミック製の熱交換器１を２温式水冷インタークーラに適用することは、非常に有用である。この場合、吸気と接触する熱伝達部だけでなく、高温水と接触する熱伝達部をセラミック材料とすることが好ましい。すなわち、熱交換器１全体をセラミック材料で構成することが特に好ましい。

また、ディーゼル車においては、排ガス浄化装置である尿素噴霧装置の搭載により、排ガス内にアンモニアが発生する。このため、排気還流システムを搭載したディーゼル車においては、ＥＧＲガスに含まれるアンモニアに対する耐食性を有するインタークーラが求められる。したがって、排ガス及びアンモニアに対する耐性が金属材料よりも高いセラミック材料を用いてインタークーラを構成することは、非常に有用である。

上述した熱交換器１の用途は、インタークーラに限られない。例えば、排気還流システムを搭載した車両において、ＥＧＲガスと冷却水との熱交換を行うＥＧＲクーラに利用可能である。この場合、セラミック材料は、ＥＧＲガスによる腐食への耐性がアルミなどの金属材料に比べて高いため、腐食による不具合の発生を防止しやすい。言い換えると、セラミックに比べて排ガスによって腐食しやすいアルミなどの材料を用いてＥＧＲクーラを構成する場合に必要であった防腐処理を行う必要がない。したがって、簡単な構成で腐食耐性の高いＥＧＲクーラを提供できる。この場合、ＥＧＲガスと接触する熱伝達部をセラミック材料で構成することが特に好ましい。

熱交換器１を車両用空調装置における蒸発器や凝縮器として用いてもよい。特に、熱交換器１を蒸発器として用いる場合には、蒸発器が低温になることで蒸発器の外表面に凝縮水が発生することがある。この凝縮水は、蒸発器の金属部分や樹脂部分を腐食する原因となりうるため、耐食性の高いセラミック材料を用いることにより簡単な構成で耐食性の高い蒸発器を提供できる。また、熱交換器１を凝縮器として用いる場合には、凝縮器が雨風にさらされることで凝縮器の外表面に雨水や塩水などが付着することがある。雨水などは、凝縮器の金属部分や樹脂部分を腐食する原因となりうる。このため、耐食性の高いセラミック材を用いることにより簡単な構成で腐食耐性の高い凝縮器を提供できる。また、熱交換器１を蒸発器や凝縮器として使用する場合において、熱媒体の流れる流路にはタンク部１５０を備え、空気の流れる流路にはタンク部１５０を備えない構成としてもよい。これは、熱媒体は熱交換器１の外部に漏れ出すことを抑制する必要性があるのに対し、空気は熱交換器１の外部に漏れ出すことを抑制する必要がないためである。

熱交換器１を発熱部品であるインバータを冷却するインバータ冷却器として用いてもよい。特に、セラミック製のパワーカードを用いたインバータにおいては、冷却対象であるパワーカードとセラミック製の熱交換器１とを直接結合させることにより、安価で高熱交換効率なインバータ冷却器を提供できる。この場合、発熱部品であるパワーカードと接触する熱伝達部をセラミック材料で構成することが特に好ましい。

熱交換器１を電気自動車やハイブリッド車などに搭載される高電圧の電池を冷却する電池冷却器として用いてもよい。電池冷却器を含む電池の周辺構成においては、感電防止の機能が要求されている。このため、絶縁性の高いセラミック製の熱交換器１は、絶縁性の低い金属製の熱交換装置に比べて感電などによる不具合の発生を簡単な構成で防止しやすい。

熱交換器１を燃料電池自動車に搭載される燃料電池を冷却する燃料電池冷却器として用いてもよい。金属製の燃料電池冷却器の場合には、燃料電池を冷却する冷却水にろう付け用のフラックスや腐食生成物によりイオンが溶け込んでしまうことがある。このため、冷却水の絶縁性を確保するためにイオン交換器などを用いて冷却水中のイオンを処理する必要があった。しかし、セラミック製の燃料電池冷却器の場合には、フラックスや腐食生成物によりイオンが冷却水に溶け込むことを防止できる。このため、イオン交換器を省略したり、イオン交換器のサイズを小さくしたりすることで燃料電池冷却器全体のサイズを小型化しやすい。この場合、冷却水と接触する熱伝達部をセラミック材料で構成することが好ましい。

熱交換器１全体をセラミック材料で構成しなくてもよい。すなわち、熱交換器１をセラミック材料とセラミック以外の材料である金属材料や樹脂材料などとを組み合わせて構成してもよい。例えば、排ガスが通過する第１コア部１１をセラミック製、冷却水が通過する第２コア部２１を金属製とするなどして、異なる材料でコア部１０を構成してもよい。これによると、高い耐食性が要求される部分にはセラミック材料を用い、それほど高い耐食性が要求されない部分にはセラミック材料よりも製造性がよく熱伝導率の高い材料を用いるなどして、材料の使い分けを行うことができる。したがって、熱交換器１の用途に応じて最適な材料で熱交換器１を構成することで、熱交換器１の熱交換効率が高い状態を安定して維持しやすい。また、コア部１０を構成している第１コア部１１をセラミック材料とセラミック以外の材料を組み合わせて作るなどしてもよい。例えば、第１コア部１１としてセラミック製の角筒部材に金属製のインナーフィンを挿入するなどして第１コア部１１を構成してもよい。

コア部１０において、補強板部３１を第１コア部１１と連続する同一の部材としてもよい。すなわち、第１コア部１１において、補強板部３１に相当するように第１流路１６が設けられていない部分を設けてもよい。これによると、補強板部３１を別途設ける必要がないため、熱交換器１の製造時に補強板部３１が第１コア部１１に対する適切な位置からずれてしまうことを抑制できる。したがって、コア部１０において第１コア部１１と補強板部３１とのつなぎ目に大きな段差が生じることを防止しやすい。よって、熱交換器１の製造性を高めやすい。

この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、１つの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

１ 熱交換器、 １０ コア部、 １１ 第１コア部、 １５ 第１壁部（壁部）、 １６ 第１流路（流路）、 １７ 第１補強壁部（補強壁部）、 ２１ 第２コア部、 ２５ 第２壁部（壁部）、 ２６ 第２流路（流路）、 ２７ 第２補強壁部（補強壁部）、 ２８ 区画補強壁部（補強壁部）、 ３１ 補強板部、 ９９ 流体インターフェース、 １５０ タンク部、 ２９０ 接続枠部、 ２９９ 流体インターフェース、 ３１１ 第１コア部、 ３１５ 第１壁部（壁部）、 ３１６ 第１流路（流路）、 ３１７ 第１補強壁部（補強壁部）

Claims (7)

1. 内部に熱媒体が流れる流路（１６、２６、３１６）が形成されているセラミック製のコア部（１０）と、
   前記コア部と外部配管とを接続するための流体インターフェース（９９、２９９）とを備え、
   前記コア部は、
   前記熱媒体の流れる前記流路を形成している壁部（１５、２５、３１５）と、
   前記壁部よりも厚さの大きな補強壁部（１７、２７、２８、３１７）とを備え、
   前記流体インターフェースは、前記補強壁部に取り付けられている熱交換器。
2. 前記コア部には、複数の前記壁部が並んで設けられ、
   前記補強壁部（１７、２７、３１７）は、前記壁部の並び方向における最外側に設けられている請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記コア部は、第１流体が流通する第１流路（１６、３１６）を提供している第１コア部（１１、３１１）と、第２流体が流通する第２流路（２６）を提供している第２コア部（２１）とが積層されている請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１コア部と前記第２コア部との積層方向において、前記コア部の最外側には前記流路の形成されていない補強板部（３１）を備えている請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記流体インターフェース（９９）は、内部に前記熱媒体が流れるタンク部（１５０）を備え、
   前記タンク部は、前記補強壁部に接触して取り付けられている請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記流体インターフェース（２９９）は、
   内部に前記熱媒体が流れるタンク部（１５０）と、
   前記コア部と前記タンク部とを接続するための接続枠部（２９０）とを備え、
   前記タンク部は、前記接続枠部を介して前記補強壁部に取り付けられている請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
7. 前記タンク部は、前記接続枠部よりも線膨張率の大きな材料を用いて構成され、
   前記タンク部の内周面は、前記接続枠部の外周面と接触している請求項６に記載の熱交換器。

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