JP6700231B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換器に関する。
図16(a)〜(c)に示すように、特許文献1に開示される熱交換器40は、筒状の周壁41と、周壁41の内部を周壁41の軸方向に延びる複数の第1セル43a及び複数の第2セル43bに区画する区画壁42とを備えている。第1セル43aは、軸方向両端部が封止されるとともに上下に隣接する第1セル43a同士が連通されることにより、周壁41に流入口44a及び流出口44bが開口する第1流路44を形成している。第2セル43bは、軸方向両端部が流入口及び流出口として開口する第2流路45を形成している。こうした熱交換器は、第1流路44を流通する第1流体と第2流路45を流通する第2流体との間で熱交換を行う。
特開2015−140972号公報
ところで、特許文献1の熱交換器は、図16(b)に示すように、周壁41の上面側に第1流路44の流入口44aが開口するとともに、周壁41の下面側に第1流路44の流出口44bが開口している。この場合、熱交換器の上面側及び下面側のそれぞれに、第1流体を給排するための配管等の流路部材が取り付けられることになる。そのため、熱交換器を設置する際には、上下に取り付けられる流路部材を考慮した設置スペースを確保しておく必要がある。しかしながら、熱交換器は、車両の内部等の限られた空間内に設置される場合が多く、必要とされる設置スペースの小さい熱交換器が望まれている。
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、必要とされる設置スペースの小さい熱交換器を提供することにある。
上記課題を解決するための本発明の熱交換器は、多角筒状の周壁と、前記周壁の内部を前記周壁の軸方向に延びる複数の第1セル及び複数の第2セルに区画する区画壁とを備え、前記第1セルを流通する第1流体と、前記第2セルを流通する第2流体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、前記第1セルは、軸方向両端部が封止されるとともに隣接する前記第1セル同士が連通されることにより、前記軸方向に直交する断面U字状をなし前記周壁の同一面に流入口及び流出口が開口する第1流路を構成し、前記第2セルは、軸方向両端部が流入口及び流出口として開口する第2流路を構成している。
上記構成によれば、第1流路の流入口及び流出口が、周壁の同一面に設けられているため、第1流体を給排するための流路部材を周壁の同じ側に取り付けることができる。これにより、流路部材を含めた熱交換器の設置スペースの低減を図ることができる。
また、軸方向に直交する断面U字状の第1流路とすることにより、第1流体の温度が熱交換器全体に反映されやすくなる。例えば、第1流体が冷却水である場合には、熱交換器全体を効率的に冷却することができる。これにより、熱交換器の熱交換効率が向上する。
本発明の熱交換器について、上記軸方向に直交する断面において、上記第1流路の内側に別の上記第1流路が位置するように複数の上記第1流路が設けられ、上記第2流路は、隣接する上記第1流路の間に設けられていることが好ましい。
上記構成によれば、第1流体の温度が熱交換器全体に反映されやすくなる効果が高められる。
本発明の熱交換器について、外側に位置する前記第1流路における前記第1流体の流通方向と、内側に位置する前記第1流路における前記第1流体の流通方向とが同じであることが好ましい。
上記構成によれば、外側及び内側に位置する第1流路の各流入口を、周壁の同一面における同じ側に寄せて設けることができる。これにより、共通の流路部材を用いて複数の第1流路に第1流体を供給することが容易となる。また、流出口側についても同様の効果が得られる。
本発明の熱交換器について、複数の上記第1流路を備え、少なくとも二つの上記第1流路は、流通する上記第1流体の流量が互いに異なっていることが好ましい。
上記構成によれば、第1流路の位置や形状等に応じて流量を調整することにより、熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。
本発明の熱交換器について、一つの上記第1流路に対して、上記流入口及び上記流出口の少なくとも一方は、複数、設けられていることが好ましい。
周壁の同一面に対して、流入口及び流出口を共に形成した場合には、流入口及び流出口が設けられた面の強度が低くなりやすい。上記構成によれば、流入口及び流出口を複数に分割して設けることにより、周壁の強度の低下を抑制することができる。
本発明の熱交換器について、上記第1流路に上記第1流体を給排するための流路部材を備えることが好ましい。
本発明の熱交換器によれば、必要とされる設置スペースを小さくすることができる。
熱交換器の斜視図。 熱交換器の正面図。 図1の3−3線断面図。 図3の4−4線断面図。 図3の5−5線断面図。 成形工程の説明図。 成形体の断面図。 加工工程の説明図(第1加工の加工治具を挿入した状態の説明図)。 加工工程における成形体の断面図。 加工工程の説明図(第2加工の説明図)。 脱脂工程の説明図。 含浸工程の説明図。 変更例の熱交換器の斜視図。 変更例の熱交換器の断面図。 変更例の熱交換器の部分断面図。 (a)は、従来技術の熱交換器の斜視図、(b)は、(a)の16b−16b線断面図、(c)は、(a)の16c−16c線断面図。
以下、熱交換器の一実施形態を説明する。
図1及び図2に示すように、熱交換器10は、矩形筒状の周壁11と、周壁11の内部を周壁11の軸方向に延びる複数の第1セル13及び複数の第2セル14に区画する区画壁12とを備えている。矩形筒状の周壁11は、対向する一対の縦側壁11aと対向する一対の横側壁11bとを有し、周壁11の軸方向に直交する断面形状が横長の長方形をなすように構成されている。
図2及び図3に示すように、区画壁12は、周壁11の軸方向に直交する断面において、縦側壁11aと平行な区画壁12と、横側壁11bに平行な区画壁12とで格子状をなすように構成されている。区画壁12が構成するセル構造は特に限定されるものではないが、例えば、区画壁12の壁厚が0.1〜0.5mmであり、セル密度が、周壁11の軸方向に直交する断面1cmあたり15〜93セルであるセル構造とすることができる。
図3〜5に示すように、第1セル13は、第1流体を流通させるセルであり、その両端部が共に封止部22によって封止されている。第2セル14は、第2流体を流通させるセルであり、その両端部が共に開放されている。
第1流体としては特に限定されず、例えば、公知の熱媒体を用いることができる。公知の熱媒体としては、例えば、冷却水(Long Life Coolant:LLC)や、エチレングリコール等の有機溶剤が挙げられる。第2流体としては特に限定されず、例えば、内燃機関の排気ガスが挙げられる。
図2に示すように、第1セル13は、正面視において、横側壁11bに平行な長辺を有する長四角形状の横セル13aと、正面視において正方形状をなし、横セル13aの両端と上側の横側壁11bとの間において縦方向に並設された複数の縦セル13bとを備えている。具体的には、3つの横セル13aが、下側ほど横方向長さの長いセルが位置するように間隔をあけて平行に配置されている。そして、各横セル13aの両端と上側の横側壁11bとの間に複数の縦セル13bが配置されている。したがって、第1セル13は、1つの横セル13aと複数の縦セル13bとにより3重のU字状のセル列をなすように配置されている。
また、U字状に配置された第1セル13のセル列の間には、正面視において正方形状をなす第2セル14が配置されている。隣接する第1セル13のセル列の間に配置される第2セル14の数は、特に限定されるものではないが、例えば、第2流体が内燃機関の排気ガス等の気体である場合には、第2セル14が2列以上配置されることが好ましく、3〜4列、配置されることがより好ましい。
図3に示すように、U字状に配置された第1セル13の各セル列には、縦方向に隣接する第1セル13同士を区画する区画壁12を貫通して、当該セル列を構成する各セルを連通する二つの連通部15a,15bがそれぞれ設けられている。連通部15aは、横セル13aの一方の端部側に設けられた連通部であり、連通部15bは、横セル13aの他方の端部側に設けられた連通部である。連通部15a,15bは共に、周壁11の同一面(上側の横側壁11bの外面)に開口しており、開口された長さで、第1セル13の軸方向全体にわたって形成されている。
図3に示すように、熱交換器10の内部には、U字状に配置された第1セル13(横セル13a及び縦セル13b)のセル列、及び連通部15a,15bにより構成され、周壁11の同一面に形成された各開口を流入口又は流出口とする断面U字状の第1流路16が形成されている。換言すると、第1流路16は、縦セル13bに形成された連通部15a,15bにより構成されて第1流体が縦方向に流れる部分と、横セル13aにより構成されて第1流体が横方向に流れる部分とが組み合わされてなる断面U字状の流路である。また、熱交換器10内には、独立した3個の第1流路16が形成されている。
また、図4及び図5に示すように、熱交換器10の内部には、第2セル14により構成され、軸方向両端部10a、10bを流入口又は流出口とする第2流路17が形成されている。上記構成の熱交換器10は、第1流路16を流れる第1流体と、第2流路17を流れる第2流体との間で、区画壁12を介して熱交換を行うことができる。
詳述すると、図3において二点鎖線で示すように、熱交換器10は、第1流路16に第1流体を給排するための流路部材18を、周壁11における第1流路16の流入口及び流出口が設けられた面(横側壁11bの外面)に配置した状態として使用される。流路部材18は、周壁11における第1流路16の流入口及び流出口が設けられた面の外側に、各第1流路16の流入口に連通する流入空間S1、及び各第1流路16の流出口に連通する流出空間S2を区画する区画部18aを備えている。区画部18aには、流入空間S1に連通されて、流入空間S1に第1流体を供給する導入路18bが接続されるとともに、流出空間S2に連通されて、流出空間S2から第1流体を排出する排出路18cが接続されている。
流路部材18の導入路18bに第1流体が供給されると、第1流体は、流入空間S1を通じて、それぞれの流入口から各第1流路16内に流入する。そして、第1流体は、断面U字状の第1流路16内を通過して、それぞれの流出口から流出空間S2に流出し、流出空間S2を通じて排出路18cから排出される。なお、各第1流路16における第1流体の流通方向は同じである。
このように、熱交換器10において、第1流体は、第1流路16を流通することにより、軸方向に対して、ほぼ垂直に交差する方向に流れ、第2流体は、第2流路17を流通することにより、軸方向に流れる。そして、熱交換器10の内部を互いに交差する方向に流れる第1流体と第2流体との間で、区画壁12を介して熱交換が行われる。
なお、熱交換器10の周壁11と、区画壁12とを構成する材料は特に限定されるものではなく、公知の熱交換器に用いられる材料を用いることができ、例えば、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物、窒化ケイ素、窒化ホウ素等の窒化物が挙げられる。これらの中でも、炭化ケイ素を主成分として含む材料は、他のセラミック材料に比べて熱伝導率が高く、熱交換効率を高くすることができるため好ましい。ここで、「主成分」とは、50質量%以上を意味するものとする。炭化ケイ素を主成分として含む材料としては、例えば、炭化ケイ素の粒子と金属ケイ素を含む材料が挙げられる。
次に、図6〜13に基づいて、本実施形態の熱交換器の一製造方法について説明する。熱交換器は、以下に記載する成形工程、加工工程、脱脂工程、含浸工程を順に経ることにより製造される。
(成形工程)
熱交換器の成形に用いる原料として、炭化ケイ素の粒子と、有機バインダーと、分散媒とを含有する粘土状の混合物を調製する。図6及び図7に示すように、この粘土状の混合物を用いて、矩形筒状の周壁11と、周壁11の内部を周壁11の軸方向に延びる複数のセルCに区画する区画壁12とを備える成形体20を成形する。この成形体20は、全てのセルCについて、その両端が開放された状態となっている。また、セルCのうち、横セル13aとなるセルC1は、上側又は下側に位置する他のセル、数個分の横方向長さを有する横長形状に形成されている。こうした成形体20は、例えば、押し出し成形により成形することができる。得られた成形体20に対して、成形体20を乾燥させる乾燥処理を行う。
(加工工程)
加工工程では、成形体に連通部を形成する第1加工、及び成形体における一部のセルの両端部を封止する第2加工を行う。
図8に示すように、第1加工では、例えば、加熱された加工具21を成形体20に接触させる方法を用いて、成形体20における周壁11及び区画壁12の一部を除去して、連通部15a,15bを形成する。
具体的には、図8及び図9に示すように、連通部15a,15bに対応する外形状を有するブレード状の加工具21を用意する。この加工具21は、耐熱性の金属(例えば、ステンレス鋼)により形成され、その厚さは、セルC1を除くセルCの幅を超えない厚さに設定されている。次に、成形体20に含まれる有機バインダーが焼失する温度となるように加工具21を加熱する。例えば、有機バインダーがメチルセルロースである場合には、加工具21を400℃以上に加熱する。
そして、図9に示すように、加熱された加工具21を、横長形状のセルC1の両側部に沿って、成形体20の周方向一方側の外面側(上面側)から横長形状のセルC1に達する位置まで差し込んだ後、これを引き抜く。このとき、加熱された加工具21と成形体20とが接触すると、その接触部分において成形体20に含まれる有機バインダーが燃焼して焼失する。そのため、成形体20に対する加工具21の挿入抵抗は非常に小さいものとなり、加工具21の挿入時に、挿入された部分の周辺部分に変形や破壊が生じ難い。また、有機バインダーが焼失することによって、発生する加工屑の量が減少する。そして、差し込まれた加工具21が引き抜かれることによって、連通部15a,15bが形成される。
図10に示すように、第2加工では、成形体20に形成される複数のセルCのうち、横長形状のセルC1を含めた第1セル13を構成するセルCの両端部に対して、成形工程において用いた粘土状の混合物を充填して、当該セルCの両端部を封止する封止部22を形成する。その後、成形体20に対して、封止部22を乾燥させる乾燥処理を行う。
上記の第1加工及び第2加工からなる加工工程を経ることにより、加工成形体が得られる。第1加工と第2加工の順序は特に限定されず、第2加工を行った後、第1加工を行ってもよい。
(脱脂工程)
脱脂工程は、加工成形体を加熱することによって、加工成形体に含まれる有機バインダーを焼失させることにより、加工成形体から有機バインダーが除去された脱脂体を得る工程である。図11に示すように、脱脂工程を経ることにより、加工成形体から有機バインダーが除去されて、炭化ケイ素の粒子同士が接触した状態で配置された骨格部分を有する脱脂体30が得られる。
(含浸工程)
含浸工程は、脱脂体の各壁の内部に金属ケイ素を含浸させる工程である。含浸工程においては、脱脂体に対して金属ケイ素の塊を接触させた状態として、金属ケイ素の融点以上(例えば、1450℃以上)に加熱する。これにより、図12に示すように、溶融した金属ケイ素が毛細管現象によって、脱脂体の骨格部分を構成する粒子間の隙間へ入り込み、同隙間に金属ケイ素が含浸される。
含浸工程の加熱処理は、脱脂工程の加熱処理から連続して行ってもよい。例えば、加工成形体に対して金属ケイ素の塊を接触させた状態として、金属ケイ素の融点未満の温度で加熱することにより有機バインダーを除去して脱脂体とした後、加熱温度を金属ケイ素の融点以上に上昇させ、溶融した金属ケイ素を脱脂体に含浸させる。
上記の含浸工程を経ることにより、熱交換器が得られる。
ここで、本実施形態においては、脱脂工程以降の工程において特別な温度管理を行っている。すなわち、脱脂工程以降の工程においては、成形工程に用いた混合物に含まれる炭化ケイ素の焼結温度未満の温度下にて実施し、加工成形体、脱脂体を上記焼結温度以上の温度下に曝さないようにしている。したがって、脱脂工程においては、有機バインダーが焼失可能な温度以上、かつ上記焼結温度未満の温度で加熱を行う。同様に、含浸工程においては、金属ケイ素の融点以上、かつ上記焼結温度未満の温度で加熱を行う。
次に、本実施形態の作用及び効果について記載する。
(1)熱交換器は、矩形筒状の周壁と、周壁の内部を周壁の軸方向に延びる複数の第1セル及び複数の第2セルに区画する区画壁とを備えている。第1セルは、軸方向両端部が封止されるとともに隣接する複数の第1セル同士が連通されることにより、軸方向に直交する断面U字状をなし周壁の同一面に流入口及び流出口が開口する第1流路を構成している。第2セルは、軸方向両端部が流入口及び流出口として開口する第2流路を構成している。
上記構成によれば、第1流路の流入口及び流出口が、周壁の同一面に設けられているため、第1流体を給排するための流路部材を周壁の同じ面に取り付けることができる。これにより、流路部材を含めた熱交換器の設置スペースの低減を図ることができる。
また、軸方向に直交する断面U字状の第1流路とすることにより、第1流体の温度が熱交換器全体に反映されやすくなる。例えば、第1流体が冷却水である場合には、熱交換器全体を効率的に冷却することができる。これにより、熱交換器の熱交換効率が向上する。
(2)軸方向に直交する断面において、第1流路の内側に別の第1流路が位置するように複数の第1流路が設けられ、第2流路は、隣接する第1流路の間に設けられている。
上記構成によれば、第1流体の温度が熱交換器全体に反映されやすくなる効果が高められる。
(3)外側に位置する第1流路における第1流体の流通方向と、内側に位置する第1流路における第1流体の流通方向とが同じである。
上記構成によれば、外側及び内側に位置する第1流路の各流入口を、周壁の同一面における同じ側に寄せて設けることができる。これにより、共通の流路部材を用いて複数の第1流路に第1流体を供給することが容易となる。また、流出口側についても同様の効果が得られる。
(4)第2流体は、内燃機関の排気ガス等の気体であり、隣接する第1セルのセル列の間に配置される第2セルの列数は2列以上である。
上記構成によれば、熱交換器の断面に占める第2セルの割合が多くなることにより、第2流路の総流路断面積が大きくなる。これにより、第2流路を通過する第2流体の流速が低下して、第2流体と区画壁との接触時間が長くなる。また、第2流路における第2流体に接触する面積も大きくなる。これらの結果、第2流体の熱が区画壁に伝わりやすくなって、熱交換器の熱交換効率が向上する。
(5)区画壁は、炭化ケイ素を主成分として含む。炭化ケイ素は、セラミック材料の中でも熱伝導率が高い材料であるため、区画壁の熱伝導率を高くすることができる。したがって、熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。
(6)本実施形態の熱交換器は、上記のような温度管理下で製造されることにより、炭化ケイ素の粒子同士が接触した状態で配置されて骨格部分が形成され、この骨格部分の隙間に金属ケイ素が充填されて形状が保持されたものとなる。すなわち、炭化ケイ素の粒子同士は、焼結による結合部(ネック)を有していない状態となっている。これにより、熱交換器の使用中に、内部の温度差に起因して区画壁の内部にひずみが生じても、炭化ケイ素の粒子間のネックに亀裂が生じることを抑制することができる。また、ネックを介して亀裂が伸展することを抑制することができる。
本実施形態は、次のように変更して実施することも可能である。また、上記実施形態の構成や以下の変更例に示す構成を適宜組み合わせて実施することも可能である。
・図13に示すように、一つの第1流路の流入口を複数に分割して設けてもよい。また、一つの第1流路の流出口を複数に分割して設けてもよい。すなわち、一つの連通部15a、15bについて、周壁11に形成される開口を複数に分割してもよい。また、流入口及び流出口の一方のみ、複数に分割して設けてもよい。
周壁の同一面に対して、流入口及び流出口を共に形成した場合には、流入口及び流出口が設けられた面の強度が低くなりやすい。そのため、流入口及び流出口を複数に分割して設けることにより、周壁の強度の低下を抑制することができる。
・第1流路の数は、3に限定されるものではなく、1、2、又は4以上であってもよい。
・上記実施形態では、第1流路の内側に別の第1流路が位置するように複数の第1流路を設けていたが、複数の第1流路を設けた場合の配置はこれに限定されるものではない。例えば、図14に示すように、複数の第1流路16がそれぞれ並列に配置されていてもよい。
・複数の第1流路を設けた場合において、各第1流路を流通する第1流体の流量(単位時間当たりの流量)を異ならせてもよい。すなわち、少なくとも二つの第1流路について、流通する第1流体の流量が互いに異なっていてもよい。第1流路の位置や形状等に応じて第1流体の流量を調整することにより、熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。
例えば、内側及び外側に位置する複数の第1流路を設けた場合、外側に位置する第1流路は、内側に位置する第1流路よりも流路長が長い分、その下流側における熱交換効率が低下する傾向がある。そこで、流路長が短い第1流路における第1流体の流量よりも、流路長が長い第1流路における第1流体の流量を多く設定すると、流路長が長い第1流路の下流側における熱交換効率の低下を抑制することができる。なお、第1流体の流量を調整する方法としては、例えば、第1流路の流路断面を異ならせる方法や、第1流路又は流路部材に対して開度の異なる絞り部分や流量制御弁を設ける方法が挙げられる。
・複数の第1流路を設けた場合において、各第1流路における第1流体の流通方向を異ならせてもよい。すなわち、少なくとも二つの第1流路について、第1流体の流通方向が互いに異なっていてもよい。
・第2流路を構成する第2セルの断面形状は、四角形状に限定されるものではない。例えば、図15に示すように、断面六角形状の第2セル14とした場合にも、軸方向に直交する断面U字状をなし周壁の同一面に流入口及び流出口が開口する第1流路16を設けることができる。
・隣接する第1セルのセル列の間に配置される第2セルの列数は、一定であってもよいし、その部位等に応じて異なっていてもよい。
・周壁は、矩形筒状に限定されるものではなく、例えば、矩形筒状以外の多角筒状であってもよい。
・流路部材の構成は特に限定されるものではなく、各第1流路に対して第1流体を給排できるものであればよい。例えば、流路部材は、第1流体を供給する部分と、第1流体を排出する部分とを別々に備えるものであってもよい。また、複数の第1流路設けた場合において、一つの第1流路に第1流体を供給する部分と、別の第1流路に第1流体を供給する部分とを別々に備えるものであってもよい。
・熱交換器は、その構成要素として流路部材を備えるものであってもよい。この場合、流路部材は、筒状の周壁と、周壁の内部を第1セル及び第2セルに区画する区画壁とを備える本体部分に対して、別体に設けられるものであってもよいし、上記本体部分の周壁に一体に設けられるものであってもよい。
・上記実施形態では、周壁と区画壁とが、炭化ケイ素を主成分として含む材料で構成されていたが、この態様に限定されない。例えば、区画壁のみが、炭化ケイ素を主成分として含む材料で構成されていてもよいし、周壁と区画壁とが、炭化ケイ素を主成分として含む材料以外で構成されていてもよい。また、熱交換器の構成要素としての流路部材は、周壁及び区画壁と同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよい。
10…熱交換器、11…周壁、12…区画壁、13…第1セル、13a…横セル、13b…縦セル、14…第2セル、15a,15b…連通部、16…第1流路、17…第2流路、18…流路部材。

Claims (6)

  1. 多角筒状の周壁と、前記周壁の内部を前記周壁の軸方向に延びる複数の第1セル及び複数の第2セルに区画する区画壁とを備え、前記第1セルを流通する第1流体と、前記第2セルを流通する第2流体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、
    前記第1セルは、軸方向両端部が封止されるとともに隣接する前記第1セル同士が連通されることにより、前記軸方向に直交する断面U字状をなし前記周壁の同一面に流入口及び流出口が開口する第1流路を構成し、
    前記第2セルは、軸方向両端部が流入口及び流出口として開口する第2流路を構成していることを特徴とする熱交換器。
  2. 前記軸方向に直交する断面において、前記第1流路の内側に別の前記第1流路が位置するように複数の前記第1流路が設けられ、
    前記第2流路は、隣接する前記第1流路の間に設けられている請求項1に記載の熱交換器。
  3. 外側に位置する前記第1流路における前記第1流体の流通方向と、内側に位置する前記第1流路における前記第1流体の流通方向とが同じである請求項2に記載の熱交換器。
  4. 複数の前記第1流路を備え、
    少なくとも二つの前記第1流路は、流通する前記第1流体の流量が互いに異なっている請求項2又は請求項3に記載の熱交換器。
  5. 一つの前記第1流路に対して、前記流入口及び前記流出口の少なくとも一方は、複数、設けられている請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱交換器。
  6. 前記第1流路に前記第1流体を給排するための流路部材を備える請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱交換器。
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