JP6793078B2 - Heat exchanger - Google Patents
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Description
本発明は熱交換器に関する。とりわけ、本発明は、第一の流体(高温側)の熱を第二の流体(低温側)へ熱伝達する熱交換器に関する。 The present invention relates to heat exchangers. In particular, the present invention relates to a heat exchanger that transfers heat from a first fluid (high temperature side) to a second fluid (low temperature side).
近年、自動車の燃費改善が求められている。特に、エンジン始動時などのエンジンが冷えている時の燃費悪化を防ぐため、冷却水やエンジンオイル、ATF(オートマチックトランスミッションフルード;Automatic transmission fluid)等を早期に暖めて、フリクション(摩擦)損失を低減するシステムが期待されている。また、排ガス浄化用触媒を早期に活性化するために触媒を加熱するシステムが期待されている。 In recent years, improvement in fuel efficiency of automobiles has been required. In particular, in order to prevent deterioration of fuel efficiency when the engine is cold, such as when the engine is started, cooling water, engine oil, ATF (Automatic transmission fluid), etc. are warmed at an early stage to reduce friction loss. The system to do is expected. In addition, a system for heating the catalyst for activating the exhaust gas purification catalyst at an early stage is expected.
このようなシステムとして、例えば、熱交換器がある。熱交換器は、内部に第一の流体を流通させ、外部に第二の流体を流通させることにより熱交換を行う部品(熱交換部品)を含む装置である。このような熱交換器では、高温の流体(例えば、排ガス)から低温の流体(例えば、冷却水)へ熱交換することにより熱を有効利用することができる。 Such a system is, for example, a heat exchanger. A heat exchanger is a device including a component (heat exchange component) that exchanges heat by circulating a first fluid inside and a second fluid outside. In such a heat exchanger, heat can be effectively utilized by exchanging heat from a high temperature fluid (for example, exhaust gas) to a low temperature fluid (for example, cooling water).
自動車排ガスのような高温の気体から熱を回収する熱交換器としては、耐熱金属で作製された熱交換器が知られていたが、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課題があった。そこで、近年では、ケーシング内にハニカム構造体を収容し、第一の流体をハニカム構造体のセル内に流通させ、第二の流体をケーシング内でハニカム構造体の外周面上を流通させる構成とした熱交換器が提案されている(特許文献1〜3)。 As a heat exchanger that recovers heat from a high-temperature gas such as automobile exhaust gas, a heat exchanger made of heat-resistant metal has been known, but heat-resistant metal is expensive, difficult to process, and has a high density. There were problems such as heavy weight and low heat conduction. Therefore, in recent years, the honeycomb structure is housed in the casing, the first fluid is circulated in the cell of the honeycomb structure, and the second fluid is circulated in the casing on the outer peripheral surface of the honeycomb structure. A heat exchanger has been proposed (Patent Documents 1 to 3).
特許文献1〜3における熱交換器30の斜視図の一例を図9に、該熱交換器30を軸方向に平行な断面で切断した断面図を図10に模式的に示す。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6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おり、ハニカム構造体1の延出外周壁51の外周面とケーシング21の内周面とによってシール部53が形成されている。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。
9 is an example of a perspective view of the
図10の断面図から明らかなように、従来のケーシングは一体成形品(単一部品)として提供されていた。これは一体成形品のほうが部品点数が少なくなるので、製造コストが削減され、部品管理の負担も減ると考えたためであると推察される。しかしながら、ケーシングを一体成形品(単一部品)として提供することを前提とする場合、ハイドロフォーミング、プレス加工、スピニング等の塑性加工を中心にケーシングを成形する必要があり、ケーシングの製造工程上の制約が大きくなり、ケーシングの構造バリエーションを広げることが難しい。 As is clear from the cross-sectional view of FIG. 10, the conventional casing has been provided as an integrally molded product (single part). It is presumed that this is because the integrally molded product has a smaller number of parts, which reduces the manufacturing cost and the burden of parts management. However, if it is premised that the casing is provided as an integrally molded product (single part), it is necessary to mold the casing mainly by plastic working such as hydroforming, pressing, and spinning, and it is necessary to mold the casing in the manufacturing process of the casing. The restrictions become large, and it is difficult to widen the structural variation of the casing.
本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであり、ケーシング内に柱状ハニカム構造体を収容し、第一の流体を柱状ハニカム構造体のセル内に流通させ、第二の流体をケーシング内で柱状ハニカム構造体の外周側面上を流通させる構成とした熱交換器において、ケーシングの設計自由度を高めることを課題の一つとする。 The present invention has been made in view of such a problem, and a columnar honeycomb structure is housed in a casing, a first fluid is circulated in a cell of the columnar honeycomb structure, and a second fluid is casing. One of the issues is to increase the degree of freedom in designing the casing in the heat exchanger in which the columnar honeycomb structure is circulated on the outer peripheral side surface.
上述の課題を解決するため、本発明者は鋭意検討したところ、内側面に一箇所又は二箇所以上の段部を有するケーシングとし、当該段部を内径の異なる金属管同士を接合することによって形成することにより、熱回収効率の改善、構造強度の改善、及び製造工数の削減といった少なくとも一つ以上の観点で熱交換器の改良に資する様々なケーシングを得ることが可能であることを見出した。本発明は上記知見に基づき完成したものであり、以下に例示される。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has made a diligent study and found that the casing has one or more steps on the inner side surface, and the steps are formed by joining metal pipes having different inner diameters. By doing so, it has been found that it is possible to obtain various casings that contribute to the improvement of the heat exchanger from at least one or more viewpoints such as improvement of heat recovery efficiency, improvement of structural strength, and reduction of manufacturing man-hours. The present invention has been completed based on the above findings, and is exemplified below.
[1]
セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の底面から第二の底面に貫通して第一の流体の流路を形成する複数のセルを外周側面の内側に有する柱状のハニカム構造体と、
ハニカム構造体の外周側面を周回被覆する金属製内管と、
第二の流体の入口及び出口を有する金属製のケーシングであって、金属製内管の外周側面とケーシングの内側面との間に第二の流体の流路が形成されるように、金属製内管の外周側面を周回被覆するケーシングと、
を備える熱交換器であり、
ケーシングは、少なくとも接合部分の内径が異なる二本以上の金属製外管が接合されることによって形成された一箇所又は二箇所以上の段部を内側面に有する、
熱交換器。
[1]
A columnar honeycomb structure having a plurality of cells inside the outer peripheral side surface, which are partitioned by partition walls containing ceramics as the main component and penetrate from the first bottom surface to the second bottom surface to form a flow path for the first fluid. When,
A metal inner tube that orbits the outer peripheral side surface of the honeycomb structure,
A metal casing having a second fluid inlet and outlet, made of metal such that a second fluid flow path is formed between the outer peripheral side surface of the metal inner tube and the inner surface of the casing. A casing that orbits the outer peripheral side surface of the inner tube,
Is a heat exchanger equipped with
The casing has one or more stepped portions on the inner surface formed by joining two or more metal outer pipes having at least different inner diameters of the joint portions.
Heat exchanger.
[2]
二本以上の金属製外管のうち一本以上が他の金属製外管と厚みが異なる[1]に記載の熱交換器。
[2]
The heat exchanger according to [1], wherein one or more of the two or more metal outer tubes have a thickness different from that of the other metal outer tubes.
[3]
二本以上の金属製外管のうち一本以上の金属製外管の肉厚は1.0mm以上である[1]又は[2]に記載の熱交換器。
[3]
The heat exchanger according to [1] or [2], wherein one or more of the two or more metal outer tubes has a wall thickness of 1.0 mm or more.
[4]
ケーシングは、第一の金属製外管と、第一の金属製外管に接合した第一の金属製外管よりも少なくとも接合部分の内径が小さな第二の金属製外管と、第一の金属製外管に接合した第一の金属製外管よりも少なくとも接合部分の内径が小さな第三の金属製外管とを備え、
第一の金属製外管と第二の金属製外管が接合されることによって形成された段部、及び、第一の金属製外管と第三の金属製外管が接合されることによって形成された段部がそれぞれケーシングの内側面における段部を構成しており、
第一の金属製外管の内側面が、ケーシングの内側面として金属製内管の外周側面との間に第二の流体の流路を形成しており、
第二及び第三の金属製外管が金属製内管と接合している、
[1]〜[3]の何れか一項に記載の熱交換器。
[4]
The casing includes a first metal outer tube, a second metal outer tube having an inner diameter of at least a joint portion smaller than that of the first metal outer tube joined to the first metal outer tube, and a first one. It is provided with a third metal outer tube having at least an inner diameter of the joint portion smaller than that of the first metal outer tube joined to the metal outer tube.
By joining the first metal outer pipe and the second metal outer pipe to form a step portion, and by joining the first metal outer pipe and the third metal outer pipe. Each of the formed step portions constitutes a step portion on the inner side surface of the casing.
The inner surface of the first metal outer pipe forms a second fluid flow path between the inner side surface of the casing and the outer peripheral side surface of the metal inner pipe.
The second and third metal outer tubes are joined to the metal inner tubes,
The heat exchanger according to any one of [1] to [3].
[5]
第二及び第三の金属製外管が金属製内管と溶接又はろう付けにて接合されている[4]に記載の熱交換器。
[5]
The heat exchanger according to [4], wherein the second and third metal outer pipes are joined to the metal inner pipe by welding or brazing.
[6]
二本以上の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成を有する[1]〜[5]の何れか一項に記載の熱交換器。
[6]
The heat exchanger according to any one of [1] to [5], wherein at least one of the two or more metal outer tubes has a material composition different from that of the other metal outer tubes.
[7]
二本以上の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成であり、引張強さが異なる[6]に記載の熱交換器。
[7]
The heat exchanger according to [6], wherein at least one of two or more metal outer tubes has a material composition different from that of the other metal outer tubes, and the tensile strength is different.
[8]
二本以上の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成であり、熱膨張係数が異なる[6]又は[7]に記載の熱交換器。
[8]
The heat exchanger according to [6] or [7], wherein at least one of the two or more metal outer tubes has a material composition different from that of the other metal outer tubes and has a different coefficient of thermal expansion.
[9]
二本以上の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成であり、熱伝導率が異なる[6]〜[8]の何れか一項に記載の熱交換器。
[9]
The heat exchanger according to any one of [6] to [8], wherein at least one of the two or more metal outer tubes has a material composition different from that of the other metal outer tubes and has different thermal conductivity. ..
[10]
第二の流体の乱流化を促進するため、流路高さが変化する部位を第二流体の流路内に有する[1]〜[9]の何れか一項に記載の熱交換器。
[10]
The heat exchanger according to any one of [1] to [9], which has a portion in the flow path of the second fluid in which the height of the flow path changes in order to promote turbulence of the second fluid.
[11]
流路高さが変化する部位は、ケーシング及び/又は金属製内管が蛇腹状であることにより形成されたものである[10]に記載の熱交換器。
[11]
The heat exchanger according to [10], wherein the portion where the flow path height changes is formed by the casing and / or the metal inner tube having a bellows shape.
[12]
流路高さが変化する部位は、前記段部により形成されたものである[10]に記載の熱交換器。
[12]
The heat exchanger according to [10], wherein the portion where the flow path height changes is formed by the step portion.
[13]
ケーシングは、縮径部及び拡径部を有する第一の金属製外管と、縮径部及び拡径部を有する第二の金属製外管とを備え、
第一及び第二の金属製外管が共に拡径部において接合されることによって形成された段部が、流路高さが変化する部位を構成しており、
金属製内管の外周側面と第一及び第二の金属製外管のそれぞれの拡径部の内側面との間に第二の流体の流路が形成されており、
第二及び第三の金属製外管がそれぞれ金属製内管と接合している、
[12]に記載の熱交換器。
[13]
The casing includes a first metal outer tube having a reduced diameter portion and an enlarged diameter portion, and a second metal outer tube having a reduced diameter portion and an enlarged diameter portion.
The stepped portion formed by joining the first and second metal outer pipes together in the enlarged diameter portion constitutes a portion where the flow path height changes.
A second fluid flow path is formed between the outer peripheral side surface of the metal inner pipe and the inner side surface of each of the enlarged diameter portions of the first and second metal outer pipes.
The second and third metal outer tubes are joined to the metal inner tubes, respectively.
The heat exchanger according to [12].
[14]
第二の流体の入口及び出口はセルの延びる方向にずれており、
セルの延びる方向において、第二の流体の入口及び出口の間に流路高さが狭まる部位が一つ以上あり、
流路高さが狭まる部位の少なくとも一つは前記段部により形成されたものである[12]に記載の熱交換器。
[14]
The inlet and outlet of the second fluid are offset in the direction of cell extension.
In the extending direction of the cell, there is one or more parts where the flow path height narrows between the inlet and outlet of the second fluid.
The heat exchanger according to [12], wherein at least one of the portions where the flow path height is narrowed is formed by the step portion.
[15]
前記流路高さが狭まる部位における流路高さAと、前記流路高さが狭まる部位の第二の流体について上流側に隣接する部位の流路高さBと、前記流路高さが狭まる部位の第二の流体について下流側に隣接する部位の流路高さCとが、A<B×1/2、及び/又は、A<C×1/2を満たす[14]に記載の熱交換器。
[15]
The flow path height A at the portion where the flow path height is narrowed, the flow path height B at the portion adjacent to the upstream side of the second fluid at the portion where the flow path height is narrowed, and the flow path height are The second fluid in the narrowing portion, according to [14], wherein the flow path height C in the portion adjacent to the downstream side satisfies A <B × 1/2 and / or A <C × 1/2. Heat exchanger.
[16]
第二の流体の流路内に、第二の流体の乱流化を促進するための乱流促進部材が配置されている[1]〜[15]の何れか一項に記載の熱交換器。
[16]
The heat exchanger according to any one of [1] to [15], wherein a turbulence promoting member for promoting turbulence of the second fluid is arranged in the flow path of the second fluid. ..
本発明に係る熱交換器で使用するケーシングは設計自由度が高い。このため、熱回収効率の改善、構造強度の改善、及び/又は製造工数の削減といった観点で熱交換器の改良に資するバリエーションの豊富なケーシングを備えた熱交換器を提供することが可能となる。よって、本発明に係る熱交換器は、例えば自動車排ガスのような高温の気体から熱を回収する際に好適に使用することができる。 The casing used in the heat exchanger according to the present invention has a high degree of freedom in design. Therefore, it is possible to provide a heat exchanger equipped with a wide variety of casings that contribute to the improvement of the heat exchanger from the viewpoints of improving heat recovery efficiency, improving structural strength, and / or reducing manufacturing man-hours. .. Therefore, the heat exchanger according to the present invention can be suitably used when recovering heat from a high-temperature gas such as automobile exhaust gas.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and the following embodiments are appropriately modified or improved based on the ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. It should be understood that those skilled in the art also fall within the scope of the present invention.
<1 熱交換器>
図1には、本発明の第一の実施形態に係る熱交換器100について、柱状ハニカム構造体の軸方向(セルの延びる方向)に平行な断面の構造が示されている。図2は、図1のA−A’線断面図であり、本発明の第一の実施形態に係る熱交換器100について、柱状ハニカム構造体の軸方向(セルの延びる方向)に垂直な断面の構造が示されている。
<1 Heat exchanger>
FIG. 1 shows a structure having a cross section parallel to the axial direction (direction in which the cell extends) of the columnar honeycomb structure for the
熱交換器100は、セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の底面114から第二の底面116に貫通して第一の流体の流路を形成する複数のセルを外周側面の内側に有する柱状のハニカム構造体101と、
ハニカム構造体101の外周側面を周回被覆する金属製内管102と、
第二の流体の入口106及び出口107を有するケーシング105であって、金属製内管102の外周側面とケーシング105の内側面との間に第二の流体の流路が形成されるように、金属製内管102の外周側面を周回被覆するケーシング105と、
を備える。
ケーシング105は、少なくとも接合部分の内径が異なる二本以上の金属製外管の端部同士が接合されることによって形成された一箇所又は二箇所以上の段部108(108b、108c)を内側面に有する。また、金属製内管102の軸方向(セルの延びる方向)の両端部における外周側面がケーシング105の内側面と周回状に嵌合している。段部108は柱状ハニカム構造体101の中心軸を通り、軸方向(セルの延びる方向)に平行な断面において、当該軸方向に垂直な段差を付与することができる。
The
A metal
A
To be equipped.
The
(1−1 コア部品)
図3には、ハニカム構造体101と金属製内管102を嵌合することにより作製される本発明の第一の実施形態に係る熱交換器100のコア部品120の斜視図が例示されている。
(1-1 core parts)
FIG. 3 illustrates a perspective view of the core component 120 of the
(1−1−1 ハニカム構造体)
図1〜図3を参照すると、ハニカム構造体101は、セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の底面114から第二の底面116に貫通して第一の流体の流路を形成するセルを複数有する。このように構成されていることにより、ハニカム構造体101のセルを流通する第一の流体の熱を効率よく集熱し、外部に伝達することができる。第一の流体は、図1では紙面の左右方向に流れることができる。第一の流体には、特に制限はなく、種々の液体及び気体が利用できるが、例えば、熱交換器が自動車に搭載される熱交換器の一部として用いられる場合には、第一の流体は排ガスであることが好ましい。
(1-1-1 Honeycomb structure)
With reference to FIGS. 1 to 3, the
ハニカム構造体101の形状は柱状であり、第一の流体が第一の底面114から第二の底面116までセル内を流れることができる限り、特に制限はない。例えば、円柱、楕円柱、四角柱、又はその他の多角柱等とすることができる。従って、ハニカム構造体101の軸方向(セルの延びる方向)に直交する断面におけるハニカム構造体101の外形は、円形、楕円形、四角形、又はその他の多角形とすることができる。第一の実施形態においては、ハニカム構造体101は円柱状であり、その断面形状は円形である。
The shape of the
また、ハニカム構造体101の軸方向(セルの延びる方向)に直交する断面におけるセル形状も、特に制限はない。円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、又は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。第一の実施形態においては、セルの断面形状は四角形である。
Further, the cell shape in the cross section orthogonal to the axial direction (the direction in which the cell extends) of the
ハニカム構造体101の隔壁は、セラミックスを主成分とするものである。「セラミックスを主成分とする」とは、隔壁の全質量に占めるセラミックスの質量比率が50質量%以上であることをいう。
The partition wall of the
隔壁の気孔率は、10%以下であることが好ましく、5%以下であることが更に好ましく、3%以下であることが特に好ましい。隔壁の気孔率は0%とすることもできる。隔壁の気孔率を10%以下とすることにより、熱伝導率を向上させることができる。 The porosity of the partition wall is preferably 10% or less, more preferably 5% or less, and particularly preferably 3% or less. The porosity of the partition wall can also be 0%. The thermal conductivity can be improved by setting the porosity of the partition wall to 10% or less.
隔壁は、熱伝導性が高いSiC(炭化珪素)を主成分として含むことが好ましい。「SiC(炭化珪素)を主成分として含む」とは、隔壁の全質量に占めるSiC(炭化珪素)の質量比率が50質量%以上であることを意味する。 The partition wall preferably contains SiC (silicon carbide) having high thermal conductivity as a main component. "Containing SiC (silicon carbide) as a main component" means that the mass ratio of SiC (silicon carbide) to the total mass of the partition wall is 50% by mass or more.
さらに具体的には、ハニカム構造体101の材料としては、Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC、金属複合SiC、再結晶SiC、Si3N4、及びSiC等を採用することができる。その中でも、安価に製造出来、高熱伝導であることからSi含浸SiC、(Si+Al)含浸SiCを採用することが好ましい。
More specifically, as the material of the
ハニカム構造体101の軸方向(セルの延びる方向)に直交する断面におけるセル密度(即ち、単位面積当たりのセルの数)については特に制限はない。セル密度は、適宜設計すればよいが、4〜320セル/cm2の範囲であることが好ましい。セル密度を4セル/cm2以上とすることにより、隔壁の強度、ひいてはハニカム構造体101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。また、セル密度を320セル/cm2以下とすることにより、第一の流体が流れる際の圧力損失が大きくなることを防止することができる。
There is no particular limitation on the cell density (that is, the number of cells per unit area) in the cross section orthogonal to the axial direction (the direction in which the cells extend) of the
ハニカム構造体101のアイソスタティック強度は、1MPa以上が好ましく、5MPa以上が更に好ましい。ハニカム構造体101のアイソスタティック強度が、1MPa以上であると、ハニカム構造体101の耐久性を十分なものとすることができる。ハニカム構造体101のアイソスタティック強度は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格であるJASO規格M505−87に規定されているアイソスタティック破壊強度の測定方法に準じて測定することができる。
The isostatic strength of the
セルの延びる方向に直交する断面におけるハニカム構造体101の直径は、20〜200mmであることが好ましく、30〜100mmであることが好ましい。このような直径とすることにより、熱回収効率を向上させることができる。セルの延びる方向に直交する断面におけるハニカム構造体101の形状が円形でない場合には、ハニカム構造体101の断面の形状に内接する最大内接円の直径を、セルの延びる方向に直交する断面におけるハニカム構造体101の直径とする。
The diameter of the
ハニカム構造体101のセルの隔壁の厚さについても、目的に応じて適宜設計すればよく、特に制限はない。隔壁の厚さは、0.1〜1mmとすることが好ましく、0.2〜0.6mmとすることが更に好ましい。隔壁の厚さを0.1mm以上とすることにより、機械的強度を十分なものとし、衝撃や熱応力によって破損することを防止することができる。また、隔壁の厚さを1mm以下とすることにより、開口面積の低下によって第一の流体の圧力損失が大きくなったり、熱媒体との接触面積の低下によって熱回収効率が低下したりするといった不具合を防止することができる。
The thickness of the partition wall of the cell of the
隔壁の密度は、0.5〜5g/cm3であることが好ましい。隔壁の密度を0.5g/cm3以上とすることにより、隔壁を十分な強度とし、衝撃や熱応力によって破損することを防止することができる。また、隔壁の密度を5g/cm3以下とすることにより、ハニカム構造体101を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、ハニカム構造体を強固なものとすることができ、熱伝導率を向上させる効果も得られる。なお、隔壁の密度は、アルキメデス法により測定した値である。
The partition wall density is preferably 0.5 to 5 g / cm 3 . By setting the density of the partition wall to 0.5 g / cm 3 or more, the partition wall can be made sufficiently strong and can be prevented from being damaged by impact or thermal stress. Further, by setting the density of the partition wall to 5 g / cm 3 or less, the weight of the
ハニカム構造体101の熱伝導率は、25℃において、50W/(m・K)以上であることが好ましく、100〜300W/(m・K)であることが更に好ましく、120〜300W/(m・K)であることが特に好ましい。ハニカム構造体101の熱伝導率を、このような範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、効率よくハニカム構造体内の熱を、金属製内管102に伝達することができる。なお、熱伝導率の値は、レーザーフラッシュ法(JIS R1611−1997)により測定した値である。
The thermal conductivity of the
ハニカム構造体101のセルに、第一の流体として排ガスを流す場合、ハニカム構造体の隔壁に触媒を担持させることが好ましい。隔壁に触媒を担持させると、排ガス中のCOやNOxやHCなどを触媒反応によって無害な物質にすることが可能になり、これに加えて、触媒反応の際に生じる反応熱を熱交換に用いることが可能になる。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ものであることが好ましい。上記元素は、金属単体、金属酸化物、およびそれ以外の金属化合物として含有されていてもよい。
When exhaust gas is flowed through the cell of the
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い。また、貴金属を含む触媒であれば、担持量が0.1〜5g/Lであることが好ましい。触媒(触媒金属+担持体)の担持量を10g/L以上とすると、触媒作用が発現しやすい。一方、400g/L以下とすると、圧力損失を抑え、製造コストの上昇を抑えることができる。担持体とは、触媒金属が担持される担体のことである。担持体としては、アルミナ、セリア、及びジルコニアからなる群より選択される少なくとも一種を含有するものであることが好ましい。 The amount of the catalyst (catalyst metal + carrier) supported is preferably 10 to 400 g / L. Further, in the case of a catalyst containing a noble metal, the supported amount is preferably 0.1 to 5 g / L. When the amount of the catalyst (catalyst metal + carrier) supported is 10 g / L or more, the catalytic action is likely to occur. On the other hand, when it is 400 g / L or less, the pressure loss can be suppressed and the increase in the manufacturing cost can be suppressed. The carrier is a carrier on which the catalyst metal is supported. As the carrier, it is preferable that the carrier contains at least one selected from the group consisting of alumina, ceria, and zirconia.
(1−1−2 金属製内管)
金属製内管102は、ハニカム構造体101の外周側面に嵌合してハニカム構造体101の外周側面を周回被覆する。本明細書において、当該文脈における「嵌合」とは、ハニカム構造体101と金属製内管102とが、相互に嵌まり合った状態で固定されていることをいう。このため、ハニカム構造体101と金属製内管102との嵌合においては、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌め等の嵌め合いによる固定方法の他、ろう付け、溶接、拡散接合等により、ハニカム構造体101と金属製内管102とが相互に固定されている場合なども含まれる。
(1-1-2 metal inner tube)
The metal
金属製内管102はハニカム構造体101の外周側面に対応した内側面形状を有することができる。金属製内管102の内周側面がハニカム構造体101の外周側面に直接することで、熱伝導性が良好となり、ハニカム構造体101内の熱を、金属製内管102に効率よく伝達することができる。
The metal
熱回収効率を高めるという観点からは、ハニカム構造体101の外周側面の全面積に対する、金属製内管102によって周回被覆されるハニカム構造体101の外周側面の部分の面積の割合は高いほうが好ましい。具体的には当該面積割合は80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましく、100%(すなわち、ハニカム構造体101の外周側面の全部が金属製内管102によって周回被覆される。)であることが更により好ましい。なお、ここでいう「側面」というのはハニカム構造体の軸方向(セルの延びる方向)に平行な面を指し、ハニカム構造体の軸方向(セルの延びる方向)に直交する面(第一の底面114、第二の底面116)は含まれない。
From the viewpoint of increasing the heat recovery efficiency, it is preferable that the ratio of the area of the outer peripheral side surface portion of the
金属製内管102は金属製であるため製造性に優れている。また、金属製内管102は金属製であることは、後述する金属製のケーシング105との溶接が容易に行える点でも優れている。金属製内管102の材料としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮等を用いることができ、耐久信頼性が高く、安価という理由により、ステンレスが好ましい。
Since the metal
金属製内管102の肉厚は、耐久信頼性の理由により0.1mm以上が好ましく、0.3mm以上がより好ましく、0.5mm以上が更により好ましい。金属製内管102の肉厚は、熱抵抗を低減して熱伝導性を高めるという理由により10mm以下が好ましく、5mm以下がより好ましく、3mm以下が更により好ましい。
The wall thickness of the metal
(1−1−3 ケーシング)
本発明の第一の実施形態に係る熱交換器100は、コア部品120に加えて、第二の流体の入口106及び出口107を有する金属製のケーシング105であって、金属製内管102の外周側面とケーシング105の内側面との間に第二の流体の流路が形成されるように、金属製内管の外周側面を周回被覆するケーシング105を備える。ケーシング105はコア部品全体を周回被覆することが好ましい。
(1-1-3 Casing)
The
ケーシング105は、少なくとも接合部分の内径が異なる金属製外管の端部同士が接合されることによって形成された一箇所又は二箇所以上の段部108を内側面に有する。端部の管径が異なる金属製外管の端部同士を接合することにより段部108を形成することは、ケーシング105が二つ以上の部材で構成されることを意味し、ケーシングを一体成形品(単一部品)で提供する訳ではないため、ケーシングの設計自由度が大きく広がる。例えば、熱回収効率の改善、構造強度の改善、及び製造工数の削減といった少なくとも一つ以上の観点で熱交換器の改良に資する種々の構造を有するケーシングを作製することが可能である。
The
金属製外管の端部同士を接合する方法としては、限定的ではないが、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌め等の嵌め合いによる固定方法が挙げられる。嵌め合いによる固定方法にはその他、機械的な締結(おねじ及びめねじを利用したねじ込み接続など)、ろう付け、溶接、拡散接合等が挙げられる。嵌め合いではなく、金属製外管の端部同士を突き合わせた状態でろう付け、溶接、拡散接合、フランジ接続等を行って接合してもよい。これらの中では、嵌合溶接が作業効率及び接合強度の点で好ましい。 The method of joining the ends of the metal outer pipes is not limited, but examples thereof include a fixing method by fitting such as clearance fitting, tightening fitting, and shrink fitting. Other fixing methods by fitting include mechanical fastening (screw connection using male and female threads, etc.), brazing, welding, diffusion joining, and the like. Instead of fitting, brazing, welding, diffusion joining, flange connection, etc. may be performed in a state where the ends of the metal outer pipes are butted against each other. Of these, mating welding is preferable in terms of work efficiency and joint strength.
熱交換器100においては、ケーシング105は、第一の金属製外管105aと、第一の金属製外管105aの一方の端部に端部を嵌合溶接した第一の金属製外管105aの端部よりも端部の管径の小さな第二の金属製外管105bと、第一の金属製外管105aの他方の端部に端部を嵌合溶接した第一の金属製外管105aの端部よりも端部の管径の小さな第三の金属製外管105cとを備える。また、ケーシング105は、第二の流体の入口106、入口106と第一の金属製外管105aを連結する入口導管122、第二の流体の出口107、及び、出口107と第一の金属製外管105aを連結する出口導管123を備える。
In the
熱交換器100においては、ケーシング105は、第一の金属製外管105aと第二の金属製外管105bが嵌合溶接されることによって形成された段部108b、及び、第一の金属製外管105aと第三の金属製外管105cが嵌合溶接されることによって形成された段部108cがそれぞれケーシング105の内側面における段部108を構成している。図1中、第一の金属製外管105aと第二の金属製外管105bが嵌合溶接された箇所(嵌合溶接部)を103bで示し、第一の金属製外管105aと第三の金属製外管105cが嵌合溶接された箇所(嵌合溶接部)を103cで示している。段部108bは第二の金属製外管105bの肉厚に対応する段差を有し、段部108cは第三の金属製外管105cの肉厚に対応する段差を有する。第二の流体の流路は、これらの段差に対応する流路高さを有する。
In the
本明細書において、第二の流体の「流路高さ」は、柱状ハニカム構造体101の中心軸を通り、軸方向(セルの延びる方向)に平行な断面において、金属製内管102の外周側面とケーシング105の内周側面の間の当該軸方向に垂直な距離を指す。
In the present specification, the "flow path height" of the second fluid passes through the central axis of the
嵌合溶接部103b、103cはそれぞれ第一の金属製外管105aの軸方向に垂直な方向にその内側面に沿って周回状に連続的に形成し、第一の金属製外管105aと第二の金属製外管105bの間、及び、第一の金属製外管105aと第三の金属製外管105cの間に隙間が生じないようにすることが、ケーシング105から第二の流体が漏洩するのを防止する観点で望ましい。溶接箇所を周回状に形成することでケーシングの構造強度の改善も図ることができる。
The fitting welded
このようなケーシング105の構造は、ストレート管を塑性加工することによっても製造することは可能であるが、その場合、段部108において減肉が発生しやすく構造強度が低下するという問題、ストレート管の肉厚が厚い場合に塑性加工が困難であるという問題、塑性加工特有のスプリングバックの問題などが生じることにより、設計自由度が減少してしまう。また、ストレート管を塑性加工することによって製造した場合、複雑な形状で高価な金型を製作する必要があったり、塑性加工の際に高価な加工機が必要となる可能性があったりするため、高コストとなり製作リードタイムも長くなりやすい。これに対して、段部108を嵌合溶接等の接合により形成する場合にはこうした問題は生じることがない。
Such a structure of the
熱交換器100においては、第一の金属製外管105aの内側面と金属製内管102の外周側面との間に第二の流体の流路110が形成されている。第二の流体は、入口106から入口導管122を通ってケーシング105内に流入する。次いで、第二の流体は流路110を通る間に金属製内管102の外周側面を介してハニカム構造体101のセルを流れる第一の流体と熱交換された後、出口導管123を通って出口107から流出する。なお、金属製内管102の外周側面は伝熱効率を調整するための部材によって被覆されていてもよい。第二の流体には特に制限はないが、熱交換器が、自動車に搭載される熱交換器として用いられる場合には、第二の流体は、水又は不凍液(JIS K2234:2006で規定されるLLC)であることが好ましい。第一の流体及び第二の流体の温度に関しては、第一の流体の温度>第二の流体の温度である事が好ましい。その理由としては、金属製内管102が低温で膨張せず、ハニカム構造体101がより高温で膨張する事で、両者の嵌合が緩み難い条件となるためである。特に、ハニカム構造体101と金属製内管102の嵌合が焼き嵌めの場合、嵌合が緩み、ハニカム構造体が抜け落ちるリスクを最小限にする事が出来る。
In the
熱交換器100においては、入口導管122は金属製内管102を挟んで出口導管123と反対側に取付けられているが、入口導管122及び出口導管123の取付位置に特に制限はなく、熱交換器100の設置場所、配管位置、熱交換効率を考慮して軸方向及び外周方向に適宜変更可能である。
In the
熱交換器100においては、第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cの内側面(すなわち、ケーシング105の内側面)が金属製内管102の外周側面と嵌合している。第二の流体が外部に漏れないように、金属製内管102の軸方向(セルの延びる方向)の両端部における外周側面がケーシング105の内側面と周回状に密接した構造を有することが好ましい。金属製内管102の外周側面とケーシング105の内側面を密接させる方法には特に制限はないが、溶接、拡散接合、ろう付け、機械的な締結等が挙げられる。これらの中でも耐久信頼性が高く、構造強度の改善も図ることができるという理由により溶接が好ましい。ケーシング105と金属製内管102の嵌合箇所を溶接する場合、溶接工程をケーシング105に上述した段部を形成するための嵌合溶接と合わせて実施することができるので、組み付け工数を削減できるという利点がある。
In the
また、ケーシング105が二つ以上の部品で構成されていることで、ケーシング105と金属製内管102の嵌合箇所を溶接するのも容易である。例えば、第一の実施形態においては、金属製内管102の外周側面に第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cの内側面を嵌合溶接した後、第一の金属製外管105aを組み付けることができるので、溶接箇所へのアクセスが容易であり、且つ、溶接箇所の視認性が高い状態で作業を行うことができる。
Further, since the
ケーシング105が単一部品で構成されている場合、ケーシング105の中央内部まで金属製内管102を挿入させる必要があるが、このときに挿入抵抗が大きくなって作業効率を低下させる場合がある。しかしながら、第一の実施形態においては、金属製内管102の両端を第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cの端部にそれぞれ僅かに挿入すれば足りるので、作業性が高い。加えて、ケーシング105が単一部品で構成されている場合、ハイドロフォーミング、プレス加工等の塑性加工時の残留応力が影響し、スプリングバックする(縮管した場合は拡管する方向に加工後に変形する)可能性があるため、形状精度が悪化する(結果として、嵌合せ寸法が悪化し、溶接部分の構造強度が低下する)。また、ハイドロフォーミング、プレス加工等の拡縮の塑性加工をした際に拡縮テーパー部が減肉し、その部分で耐腐食性が悪化する。しかしながら、第一の実施形態においては、上記塑性加工を行わない部材で構成されるため、上記懸念が生じない。
When the
ケーシング105は金属製であるため熱伝導性に優れており、製造性にも優れている。金属としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮等を用いることができ、安価で耐久信頼性が高いという理由により、ステンレスが好ましい。
Since the
ケーシング105の肉厚は、耐久信頼性の理由により0.1mm以上が好ましく、0.5mm以上がより好ましく、1mm以上が更により好ましい。ケーシング105の肉厚は、コスト、体積、重量などの観点から、10mm以下が好ましく、5mm以下がより好ましく、3mm以下が更により好ましい。
The wall thickness of the
本発明においては、ケーシング105を一体成形品で提供する必要がないため、ケーシングに対する設計自由度は高い。これによる利点を幾つかの実施形態を紹介しながら以下に説明する。
In the present invention, since it is not necessary to provide the
(a)厚肉化
ストレート管は、その肉厚が厚くなると塑性加工が難しくなるが、本発明においては、ケーシング105が二本以上の金属製外管で構成可能であることから、ケーシング105の肉厚は塑性加工性を気にすることなく大きくすることが可能となる。例えば、第一の金属製外管105a、第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cの肉厚をそれぞれ1.0mm以上、更には2.0mm以上とすることが可能である。加えて、第一の金属製外管105aのみ肉厚を厚くする、といった部分的に肉厚を上げることも可能である。これにより重量UPを最小限に抑えつつ、腐食が懸念される部分のみ厚みを上げ、耐腐食性を向上させることが可能である。また、ケーシング105を厚肉化することにより、構造強度を改善することが可能となる。また、ケーシング105を厚肉化することにより、形状精度の向上や耐腐食性の向上といった利点も得られる。
(A) Thickened straight pipe becomes difficult to plastically work as the wall thickness becomes thicker. However, in the present invention, since the
(b)異種材料の使用
また、本発明においては、ケーシング105が二本以上の金属製外管で構成されていることから、これらのうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる材料組成を有するように構成することが可能である。これにより、例えば二本以上の金属製外管のうち少なくとも一本が他の金属製外管と異なる引張強さ、線膨張係数、熱伝導率、耐食性、比重、及び比熱から選択される少なくとも一つの特性を有することが可能となる。
(B) Use of dissimilar materials Further, in the present invention, since the
少なくとも一本の金属製外管の引張強さを他の金属製外管と異なるようにすることは、例えば、引張強さが他の金属製外管に比べて高い金属製外管を使用することで何れか一本以上の金属製外管を薄くし軽量化できる点で有利である。また、これとは逆に、引張強さが他の金属製外管に比べて低い金属製外管を使用することで、金属製外管に後述する蛇腹構造など流路高さを変化させるための塑性加工をしやすくなるという利点が得られる。引張強さはJIS Z2241:2011に従って測定される値を指す。 To make the tensile strength of at least one metal outer tube different from that of other metal outer tubes, for example, use a metal outer tube having a higher tensile strength than other metal outer tubes. This is advantageous in that one or more metal outer tubes can be made thinner and lighter. On the contrary, by using a metal outer pipe whose tensile strength is lower than that of other metal outer pipes, the height of the flow path such as the bellows structure described later is changed for the metal outer pipe. The advantage is that it becomes easier to perform plastic working. Tensile strength refers to the value measured according to JIS Z2241: 2011.
少なくとも一本の金属製外管の線膨張係数を他の金属製外管と異なるようにすることは、他の金属製外管と又は金属製内管等の周辺部材との歪みを抑制する場合に有効である。線膨張係数はJIS Z2285:2003に従って測定される0℃から1000℃まで変化させたときの線膨張係数を指す。 Making the coefficient of linear expansion of at least one metal outer tube different from that of other metal outer tubes suppresses distortion between the other metal outer tube and peripheral members such as the metal inner tube. It is effective for. The coefficient of linear expansion refers to the coefficient of linear expansion when changed from 0 ° C. to 1000 ° C. measured according to JIS Z2285: 2003.
少なくとも一本の金属製外管の熱伝導率を他の金属製外管と異なるようにすることは、一部の金属製外管について熱回収効率の過渡応答性を上げる、又は、高温環境下に晒された際に熱衝撃を緩和させたい場合に有効である。熱伝導率は、25℃においてレーザーフラッシュ法(JIS R1611−1997)により測定される値を指す。熱回収効率の過渡応答性とは、時間経過に対する熱回収効率の応答性の速さを指し、高い方が好ましい。過渡応答性が高い方が好ましい理由としては、例えば自動車排ガスから熱を回収する熱交換器の場合、過渡応答性が高いと、エンジンを始動した(排ガス温度が高温となった)直後に排熱回収出来ることで早期暖機が可能となり、燃費改善の効果も大きくなるというメリットがあるためである。 Making the thermal conductivity of at least one metal outer tube different from that of other metal outer tubes increases the transient response of the heat recovery efficiency of some metal outer tubes, or in a high temperature environment. It is effective when you want to reduce the thermal shock when exposed to. Thermal conductivity refers to the value measured by the laser flash method (JIS R1611-1997) at 25 ° C. The transient responsiveness of the heat recovery efficiency refers to the speed of the responsiveness of the heat recovery efficiency with respect to the passage of time, and a higher value is preferable. The reason why high transient responsiveness is preferable is that, for example, in the case of a heat exchanger that recovers heat from automobile exhaust gas, if the transient responsiveness is high, exhaust heat is exhausted immediately after the engine is started (the exhaust gas temperature becomes high). This is because the recovery enables early warm-up and has the advantage of increasing the effect of improving fuel efficiency.
例えば、第一の実施形態において、第一の金属製外管105aの材料組成を、第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cの材料組成と異なるようにすることができる。この場合、第一の金属製外管105aの材料組成を第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cよりも耐食性の高い材料とすることで、コストUPを最小限に抑えつつ耐腐食性を向上出来るという利点が得られる。また、第一の金属製外管105aの材料組成を第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cより低比重及び/又は比熱の小さな材料組成とすることで、熱回収効率の過渡応答性を改善することが可能となる。すなわち、第二の流体からの熱量が第一の金属製外管105aに奪われ、また、金属製外管105aから外気中に放熱されるのを抑制することが可能となる。このように、第一の金属製外管105aのみ材料組成を低比重及び/又は比熱の小さな材料にすることで、第一、第二、第三の金属製外管をすべての材料をそのような材料に変える場合に比べ、コストUPや耐腐食性の悪化、加工性の悪化を最小限に抑えることが出来るという利点が得られる。
For example, in the first embodiment, the material composition of the first metal
(c)異なる肉厚の採用
本発明においては、ケーシング105が二本以上の金属製外管で構成されていることから、少なくとも一本が他の金属製外管と異なる肉厚を有するように構成することが容易に可能である。図4には本発明の第二の実施形態に係る熱交換器200が示されている。第一の実施形態に係る熱交換器100の説明の中で登場した符号と同一の符号を有する構成要素は第一の実施形態に係る熱交換器100と同一であるので、その説明を省略する。以降の実施形態についても同様である。
(C) Adoption of different wall thickness In the present invention, since the
熱交換器200においては、第一の金属製外管105aの肉厚が、第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cの肉厚よりも薄い。第一の金属製外管105aの肉厚を薄くすることで、熱容量が低減するので、熱回収効率の過渡応答性を改善することが可能となる。すなわち、第一の流体からの熱量が第一の金属製外管105aに奪われ、また、金属製外管105aから外気中に放熱されるのを抑制することで、より多くの熱量を第二の流体に伝達することが可能となる。これとは逆に、第一の金属製外管105aの肉厚を、第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cの肉厚よりも厚くすることもできる。第一の金属製外管105a、第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cのすべての肉厚を薄くするとケーシング105の構造強度が全体的に弱くなるが、第一の金属製外管105aのみを部分的に厚肉化することで、構造強度と熱回収効率のバランスを取ることが可能となる。
In the
(d)ケーシング内側面の部分的な変更
本発明においては、第二の流体の乱流化を促進するため、流路高さが変化する部位を第二の流体の流路内に有してもよい。流路高さが変化する部位は、例えば、第二の流体の流路を形成するケーシングの内側面、及び/又は、第二の流体の流路を形成する金属製内管の外周側面に、一箇所又は二箇所以上の凹部、一箇所又は二箇所以上の凸部、或いはこれらの組み合わせを付与することにより形成可能である。流路高さが変化する部位は、ケーシング及び/又は金属製内管が蛇腹状であることにより形成することもできる。更に、流路高さが変化する部位は、少なくとも接合部分の内径が異なる金属製外管の端部同士が接合されることによって形成された一箇所又は二箇所以上の前記段部により形成することができる。
(D) Partial change of the inner surface of the casing In the present invention, in order to promote the turbulence of the second fluid, a portion where the flow path height changes is provided in the flow path of the second fluid. May be good. The portion where the flow path height changes is, for example, on the inner side surface of the casing forming the second fluid flow path and / or on the outer peripheral side surface of the metal inner pipe forming the second fluid flow path. It can be formed by imparting one or more concave portions, one or two or more convex portions, or a combination thereof. The portion where the flow path height changes can also be formed by the bellows shape of the casing and / or the metal inner pipe. Further, the portion where the flow path height changes shall be formed by at least one or two or more of the above-mentioned steps formed by joining the ends of the metal outer pipes having different inner diameters of the joint portion. Can be done.
図5には発明の第三の実施形態に係る熱交換器300が示されている。熱交換器300においては、金属製内管102の外周側面との間に第二の流体の流路を形成する第一の金属製外管105aが蛇腹状となっていることで、第二の流体の乱流化が促進されるので、熱回収効率の改善が期待できる。第一の金属製外管105aを蛇腹状にする方法としては、金属製外管としてコルゲート管を使用する方法が挙げられる。
FIG. 5 shows the
ケーシング105が二本以上の金属製外管で構成されていることから、第一の金属製外管105aの内側面が流路高さを変化させる部位を有する一方で、第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cはストレート管とすることが可能である。第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cとしてストレート管を採用することにより、金属製内管102と嵌合させたときに密接させやすいという利点が得られる。加えて、第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cをストレート管にすることで、材料のコストUPを最小限に抑えられ、第一の流体の圧力損失を悪化させることもない。
Since the
熱交換器300においては、第二の流体の入口106の位置は、第二の流体の出口107の位置からセルの延びる方向にずれている。このため、入口106から熱交換器300に流入した第二の流体は必ず第二の流体の流路110をセルの延びる方向に通った後に出口107から流出することになる。つまり、第二の流体の入口106から入った第二の流体は第一の金属製外管105aの内側面の付近で流れが乱れ、レイノルズ数が増加(乱流化)しやすい。結果、熱伝達率が増加し、熱回収効率を向上させることができる。
In the
(e)段部を用いた乱流化
先述したように、本発明においては、ケーシング105は、少なくとも接合部分の内径が異なる二本以上の金属製外管が接合されることによって形成された一箇所又は二箇所以上の段部108を内側面に有する。第一の実施形態においては、当該段部108を利用して第二の流体の流路高さを確保していたが、これとは別に、段部108を利用して流路高さを変化させることで第二の流体の乱流化を促進することも可能である。
(E) Turbulence using a stepped portion As described above, in the present invention, the
図6には発明の第四の実施形態に係る熱交換器400が示されている。熱交換器400においては、ケーシング105の内側面が流路高さを変化させる部位を有する。そして、当該部位は、ケーシング105の内側面に形成された嵌合溶接に起因する段部108により形成されたものであり、周回状に一箇所設けられている。流路高さを変化させる部位は一箇所に設けてもよいし、複数個所に設けてもよい。
FIG. 6 shows the
また、熱交換器400においては、ケーシング105は、縮径部105d1及び拡径部105d2を有する第一の金属製外管105dと、縮径部105e1及び拡径部105e2を有する第二の金属製外管105eとを備える。第一の金属製外管105d及び第二の金属製外管105eは共に拡径部(105d2、105e2)において端部を有し、これら端部同士が嵌合溶接されることによって形成された段部108が、ケーシング105の内側面における段部108を構成しており、これにより流路高さが変化する。
Further, in the
熱交換器400においては、第二の流体の入口106の位置は、第二の流体の出口107の位置からセルの延びる方向に段部108を挟んでずれている。このため、入口106から熱交換器400に流入した第二の流体は必ず段部108を通った後に出口107から流出することになる。つまり、第二の流体の入口106から入った第二の流体は段部108の付近で流れが乱れ、レイノルズ数が増加(乱流化)しやすい。結果、熱伝達率が増加し、熱回収効率を向上させることができる。
In the
図6中、第一の金属製外管105dと第二の金属製外管105eが嵌合溶接された箇所(嵌合溶接部)を103aで示している。なお、縮径部及び拡径部を有する金属管はストレート管に拡管加工を施すことで作製可能である。拡管加工はハイドロフォーミング、プレス、スピニング等の塑性加工により実施可能である。
In FIG. 6, a portion (fitting welded portion) where the first metal
金属製内管102の外周側面と第一の金属製外管105d及び第二の金属製外管105eのそれぞれの拡径部の内側面との間には第二の流体の流路110が形成されており、第一及び第二の金属製外管のそれぞれの縮径部(105d1、105e1)の内側面が金属製内管102の外周側面と嵌合している。これにより、第二の流体の流路110がケーシング105の外部に漏れ出るのが防止される。
A second
図7には本発明の第五の実施形態に係る熱交換器500が示されている。熱交換器500においても、第二流体の流路高さが変化するようにケーシング105の内側面が構成されている。第五の実施形態においては、ケーシング105の内側面はセルの延びる方向に流路高さが狭まる部位109を周回状に一箇所有する。流路高さが狭まる部位109は一箇所に設けてもよいし、複数個所に設けてもよい。
FIG. 7 shows the
熱交換器500においては、第二の流体の入口106及び出口107はセルの延びる方向にずれており、第二の流体の入口106及び出口107の間に流路高さが狭まる部位109が形成されている。これにより、入口106から熱交換器500に流入した第二の流体は必ず流路高さが狭まる部位109を通った後に出口107から流出することになる。つまり、第二の流体の入口106から入った第二の流体は流路高さが狭まる部位109の付近で流れが乱れ、レイノルズ数が増加(乱流化)しやすい。また、流路高さが狭まる部位では、流路高さが大きい部位に比べて流速が増加する。結果、熱伝達率が増加し、熱回収効率を向上させることができる。
In the
熱交換器500においては、ケーシング105は、第一縮径部105d1、拡径部105d2及び第二縮径部105d3を有する第一の金属製外管105dと、第一縮径部105e1、拡径部105e2及び第二縮径部105e3を有する第二の金属製外管105eとを備える。第一の金属製外管105d及び第二の金属製外管105eは共に第一縮径部(105d1、105e1)において端部を有し、これら端部同士が嵌合溶接されることによって形成された段部108が、ケーシング105の内側面における段部108を構成しており、これにより流路高さが狭まる。つまり、ケーシング105の内側面に形成された嵌合溶接に起因する段部108は、流路高さが狭まる部位109の一部を構成している。
In the
図7中、第一の金属製外管105dと第二の金属製外管105eが嵌合溶接された箇所(嵌合溶接部)を103aで示している。なお、縮径部及び拡径部を有する金属管はストレート管に拡管加工を施すことで作製可能である。拡管加工はハイドロフォーミング、プレス、スピニング等の塑性加工により実施可能である。
In FIG. 7, a portion (fitting welded portion) where the first metal
金属製内管102の外周側面と第一の金属製外管105d及び第二の金属製外管105eのそれぞれの内側面との間には第二の流体の流路110が形成されており、第一及び第二の金属製外管のそれぞれの第二縮径部(105d3、105e3)の内側面が金属製内管102の外周側面と嵌合している。これにより、第二の流体の流路110がケーシング105の外部に漏れ出るのが防止される。
A second
流路高さが狭まる部位109の流路高さは低い方が、乱流化及び流速増加の促進により熱伝達率が増加して熱回収効率を向上できるというメリットが得られる。一方で、流路高さが狭まる部位109の流路高さは高い方が、通水抵抗が小さいというメリットが得られる。そこで、両方のバランスを考慮し、流路高さが狭まる部位における流路高さAと、前記流路高さが狭まる部位の第二の流体について上流側に隣接する部位の流路高さBと、前記流路高さが狭まる部位の第二の流体について下流側に隣接する部位の流路高さCとが、A<B×1/2、及び/又は、A<C×1/2を満たすことが好ましく、A<B×1/4、及び/又は、A<C×1/4を満たすことがより好ましい。
When the flow path height of the
(f)乱流促進部材の追加
第二の流体の乱流化を促進するという観点では、ケーシング105の内側面及び/又は金属製内管102の外周側面の表面形状に改良をすることに代えて又はこれに加えて、第二の流体の流路110内に、第二の流体の乱流化を促進するための乱流促進部材124を配置することも有用である。
(F) Addition of turbulence promoting member From the viewpoint of promoting turbulence of the second fluid, instead of improving the surface shape of the inner side surface of the
図8には本発明の第六の実施形態に係る熱交換器600が示されている。熱交換器600においては、金属製内管102の外周側面と第一の金属製外管105aの内側面の間に乱流促進部材124が配置されている。乱流促進部材124の具体例としては、コルゲートフィン、コルゲート管が挙げられる。乱流促進部材124は金属製内管102の外周側面に隣接して配置してもよいし、ケーシング105の内側面に隣接して配置してもよい。乱流促進部材124は金属製内管102の外周側面及びケーシング105の内側面の間に周回状に配置してもよい。また、乱流促進部材124は第一の流体の流れ方向と平行に、1個ではなく、分割して複数個配置されていても良い。そうすることで、乱流促進部材の配置箇所と配置されていない箇所との間でより乱流化が促進され、熱回収効率を向上できる。
FIG. 8 shows the
熱交換器600においては、第二の流体の入口106の位置は、第二の流体の出口107の位置からセルの延びる方向にずれている。このため、入口106から熱交換器600に流入した第二の流体は必ず第二の流体の流路110をセルの延びる方向に通った後に出口107から流出することになる。つまり、第二の流体の入口106から入った第二の流体は乱流促進部材124の付近で流れが乱れ、レイノルズ数が増加(乱流化)しやすい。結果、熱伝達率が増加し、熱回収効率を向上させることができる。
In the
<2 製造方法>
次に、本発明に係る熱交換器の製造方法を、第一の実施形態による熱交換器100を例にして説明する。但し、本発明の熱交換器を製造する方法は、以下に説明する製造方法に限定されることはない。
<2 Manufacturing method>
Next, the method of manufacturing the heat exchanger according to the present invention will be described by taking the
(2−1 ハニカム構造体の作製)
まず、セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出し、ハニカム成形体を作製する。ハニカム成形体の材料としては、前述のセラミックスを用いることができる。例えば、Si含浸SiC複合材料を主成分とするハニカム成形体を製造する場合、所定量のSiC粉末に、バインダーと、水又は有機溶媒とを加え、得られた混合物を混練し坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得ることができる。そして、得られたハニカム成形体を乾燥し、減圧の不活性ガス又は真空中で、ハニカム成形体中に金属Siを含浸焼成することによって、隔壁により区画形成された複数のセルを有するハニカム構造体101を得ることができる。
(2-1 Fabrication of honeycomb structure)
First, the clay containing the ceramic powder is extruded into a desired shape to prepare a honeycomb molded body. As the material of the honeycomb molded body, the above-mentioned ceramics can be used. For example, in the case of producing a honeycomb molded product containing a Si-impregnated SiC composite material as a main component, a binder and water or an organic solvent are added to a predetermined amount of SiC powder, and the obtained mixture is kneaded to form a clay. A honeycomb molded product having a desired shape can be obtained. Then, the obtained honeycomb molded body is dried, and the honeycomb molded body is impregnated with metal Si and fired in an inert gas under reduced pressure or in a vacuum to obtain a honeycomb structure having a plurality of cells partitioned by partition walls. 101 can be obtained.
(2−2 ハニカム構造体と金属製内管の嵌合)
次に、ハニカム構造体101を金属製内管102に挿入することにより、該ハニカム構造体101の外周側面を周回被覆する。この状態で、焼き嵌めすることで、金属製内管102の内周側面がハニカム構造体101の外周側面に嵌合する。なお、ハニカム構造体101と金属製内管102との嵌合は、先述したように、焼き嵌め以外に、すきま嵌め、締まり嵌めといった嵌め合いによる固定方法、更にはろう付け、溶接、拡散接合等により行うことができる。これにより、コア部品120が完成する。
(2-2 Fitting of honeycomb structure and metal inner tube)
Next, the
(2−3 ケーシングの取付け)
第一の実施形態に係る熱交換器100の場合、コア部品120の金属製内管102の両端部を第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cの端部と接合する。接合方法は先述した通り、嵌合を含む種々の方法がある。必要に応じて、接合箇所は溶接等により接合可能である。次いで、第一の金属製外管105aの一端の内側面と第二の金属製外管105bの端部の外側面を接合するとともに、第一の金属製外管105aの他端の内側面と第三の金属製外管105cの端部の外側面を接合することによって段部108b、108cを形成する。これにより、金属製内管102の外周側面を周回被覆するケーシング105が形成され、金属製内管102の外周側面とケーシング105の内側面との間に第二の流体の流路110が形成される。
(2-3 Casing installation)
In the case of the
(2−4 入口導管及び出口導管の取付け)
第一の金属製外管105aの外側面に第二の流体が出入りするための貫通穴をそれぞれ必要な個数形成し、形成された入口用の貫通穴に入口導管122を、出口用の貫通穴に出口導管123を溶接、ろう付け等により接合することができる。なお、第一の金属製外管105aの外側面への入口導管122及び出口導管123の取付けは、第一の金属製外管105aを第二の金属製外管105b及び第三の金属製外管105cと嵌合させる前後の何れに実施してもよい。
(2-4 Installation of inlet and outlet conduits)
The required number of through holes for the second fluid to enter and exit is formed on the outer surface of the first metal
以上のような手順で、コア部品120にケーシング105が組み付けられた第一の実施形態に係る熱交換器100を製造することができる。他の実施形態に係る熱交換器についても同様の方法で製造可能である。
With the above procedure, the
100、200、300、400、500 熱交換器
101 ハニカム構造体
102 金属製内管
103 嵌合溶接部
105 ケーシング
106 第二の流体の入口
107 第二の流体の出口
108 段部
109 流路高さが狭まる部位
110 第二の流体の流路
114 ハニカム構造体の第一の底面
116 ハニカム構造体の第二の底面
120 コア部品
122 入口導管
123 出口導管
124 乱流促進部材
100, 200, 300, 400, 500
Claims (15)
ハニカム構造体の外周側面を周回被覆する金属製内管と、
第二の流体の入口及び出口を有する金属製のケーシングであって、金属製内管の外周側面とケーシングの内側面との間に第二の流体の流路が形成されるように、金属製内管の外周側面を周回被覆するケーシングと、
を備える熱交換器であり、
ケーシングは、第一の金属製外管と、第一の金属製外管に接合した第一の金属製外管よりも少なくとも接合部分の内径が小さな第二の金属製外管と、第一の金属製外管に接合した第一の金属製外管よりも少なくとも接合部分の内径が小さな第三の金属製外管とを備え、
第一の金属製外管と第二の金属製外管が接合されることによって形成された段部、及び、第一の金属製外管と第三の金属製外管が接合されることによって形成された段部がそれぞれケーシングの内側面における段部を構成しており、
第一の金属製外管の内側面が、ケーシングの内側面として金属製内管の外周側面との間に第二の流体の流路を形成しており、
第二及び第三の金属製外管がストレート管であり、共に金属製内管と接合している、
熱交換器。 A columnar honeycomb structure having a plurality of cells inside the outer peripheral side surface, which are partitioned by partition walls containing ceramics as the main component and penetrate from the first bottom surface to the second bottom surface to form a flow path for the first fluid. When,
A metal inner tube that orbits the outer peripheral side surface of the honeycomb structure,
A metal casing having a second fluid inlet and outlet, made of metal such that a second fluid flow path is formed between the outer peripheral side surface of the metal inner tube and the inner surface of the casing. A casing that orbits the outer peripheral side surface of the inner tube,
Is a heat exchanger equipped with
The casing includes a first metal outer tube, a second metal outer tube having an inner diameter of at least a joint portion smaller than that of the first metal outer tube joined to the first metal outer tube, and a first one. It is provided with a third metal outer tube having at least an inner diameter of the joint portion smaller than that of the first metal outer tube joined to the metal outer tube.
By joining the first metal outer pipe and the second metal outer pipe to form a step portion, and by joining the first metal outer pipe and the third metal outer pipe. Each of the formed step portions constitutes a step portion on the inner side surface of the casing.
The inner surface of the first metal outer pipe forms a second fluid flow path between the inner side surface of the casing and the outer peripheral side surface of the metal inner pipe.
The second and third metal outer pipes are straight pipes, both of which are joined to the metal inner pipe.
Heat exchanger.
ハニカム構造体の外周側面を周回被覆する金属製内管と、
第二の流体の入口及び出口を有する金属製のケーシングであって、金属製内管の外周側面とケーシングの内側面との間に第二の流体の流路が形成されるように、金属製内管の外周側面を周回被覆するケーシングと、
を備える熱交換器であり、
ケーシングは、縮径部及び拡径部を有する第一の金属製外管と、縮径部及び拡径部を有する第二の金属製外管とを備え、
第一及び第二の金属製外管が接合されることによって形成された段部が、流路高さが変化する部位を構成しており、
金属製内管の外周側面と第一及び第二の金属製外管のそれぞれの内側面との間に第二の流体の流路が形成されており、
第一及び第二の金属製外管がそれぞれ金属製内管と接合している、
熱交換器。 A columnar honeycomb structure having a plurality of cells inside the outer peripheral side surface, which are partitioned by partition walls containing ceramics as the main component and penetrate from the first bottom surface to the second bottom surface to form a flow path for the first fluid. When,
A metal inner tube that orbits the outer peripheral side surface of the honeycomb structure,
A metal casing having a second fluid inlet and outlet, made of metal such that a second fluid flow path is formed between the outer peripheral side surface of the metal inner tube and the inner surface of the casing. A casing that orbits the outer peripheral side surface of the inner tube,
Is a heat exchanger equipped with
The casing includes a first metal outer tube having a reduced diameter portion and an enlarged diameter portion, and a second metal outer tube having a reduced diameter portion and an enlarged diameter portion.
Stepped portion formed by the first and second metallic outer tube is engaged against the constitutes a portion flow channel height is changed,
Flow path for the second fluid are formed between the outer side surface and first and second respective inner side surface of the metallic outer tube of the metal inner tube,
The first and second metal outer tubes are joined to the metal inner tubes, respectively .
Heat exchanger.
金属製内管の外周側面と第一及び第二の金属製外管のそれぞれの拡径部の内側面との間に第二の流体の流路が形成されている、A second fluid flow path is formed between the outer peripheral side surface of the metal inner pipe and the inner side surface of each of the enlarged diameter portions of the first and second metal outer pipes.
請求項11に記載の熱交換器。The heat exchanger according to claim 11.
セルの延びる方向において、第二の流体の入口及び出口の間に流路高さが狭まる部位が一つ以上あり、
流路高さが狭まる部位の少なくとも一つは前記段部により形成されたものである請求項11に記載の熱交換器。 The inlet and outlet of the second fluid are offset in the direction of cell extension.
In the extending direction of the cell, there is one or more parts where the flow path height narrows between the inlet and outlet of the second fluid.
The heat exchanger according to claim 11 , wherein at least one of the portions where the flow path height is narrowed is formed by the step portion.
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