JP6854112B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の端面から第二の端面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柱状のハニカム構造体と、
該ハニカム構造体の外周側面に嵌合して該ハニカム構造体の外周側面を周回被覆する内側筒状部材と、
内側筒状部材の外周側面を直接的に周回被覆すると共に該ハニカム構造体の外周側面を間接的に周回被覆するスペーサと、
該スペーサを直接的に周回被覆する外側筒状部材と、
を備えた熱交換器であり、
該スペーサは、第二の流体が流通可能な、且つ、第二の流体の気泡の移動を抑制可能な三次元構造を有し、
該内側筒状部材と該外側筒状部材の間の開口部が第二の流体のための該スペーサの出入口を形成する、
熱交換器である。
該ケーシングは第二の流体の入口及び出口を有し、
該ケーシングと前記外側筒状部材の間には、前記スペーサと連通する第二の流体の流路が形成されている。
図1には、本発明の一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)に直交する断面の構造が示されている。また、図2には、本発明の一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において、熱交換器100の上下中央付近を左右に横断する二点鎖線よりも下側は熱交換器100の外部構造を表し、当該二点鎖線よりも上側は熱交換器100の内部構造を表す。また、図2におけるその他の二点鎖線及び点線で表されている箇所は後方に隠れている構成要素の輪郭を示す。図3には、本発明の一実施形態に係る熱交換器について、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を説明するための部分拡大図が示されている。図1〜3は本発明に係る熱交換器の構造を説明するための模式図にすぎず、寸法や縮尺は互いに異なる。
本発明に係る熱交換器100は一実施形態において、セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の端面114から第二の端面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柱状のハニカム構造体101と、
該ハニカム構造体101の外周側面に嵌合して該ハニカム構造体101の外周側面を周回被覆する内側筒状部材102と、
内側筒状部材102の外周側面を直接的に周回被覆すると共に該ハニカム構造体101の外周側面を間接的に周回被覆するスペーサ103と、
該スペーサ103を直接的に周回被覆する外側筒状部材104と、
を備える。
ハニカム構造体101、内側筒状部材102、スペーサ103及び外側筒状部材104を組み立てることにより本発明に係る熱交換器100のコア部品を形成することができる。
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、第一の端面114から第二の端面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では紙面の表裏方向に、図2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。
内側筒状部材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、「嵌合」とは、ハニカム構造体101と内側筒状部材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と内側筒状部材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と内側筒状部材102とが相互に固定されている場合なども含まれる。
スペーサ103は、内側筒状部材102の外周側面を直接的に周回被覆すると共にハニカム構造体101の外周側面を間接的に周回被覆する。また、スペーサ103は外側筒状部材104によって直接的に周回被覆される。よって、スペーサ103は内側筒状部材102の外周側面と外側筒状部材104の内周側面の間の空間に配置されることになるが、当該空間の広さはスペーサ103の厚みを変化させることで容易に調整可能である。内側筒状部材102と外側筒状部材104の間には開口部109が形成されており、ここが第二の流体のための該スペーサの出入口となる。開口部109は外側筒状部材104の軸方向両端部に環状に設けられていることが第二の流体がスペーサ103から流出したりスペーサ103へ流入したりするときの均一性を高める上で好ましい。
(1)スペーサを構成する材料の真密度をアルキメデス法により求める。
(2)スペーサの外形寸法(厚み及び縦横の長さ)から計算したみかけの体積と、スペーサの重量から嵩密度を求める。
(3)空隙率=(1−嵩密度/真密度)×100%
外側筒状部材104はスペーサ103を直接的に周回被覆する。外側筒状部材104はスペーサ103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。外側筒状部材104の内周側面がスペーサ103の外周側面に直接することで、熱伝導性が良好となり、熱交換を促進させたい場合には効率よくスペーサ103内の熱を、外側筒状部材104に伝達することができる。
本発明に係る熱交換器100は一実施形態において、コア部品に加えて、外側筒状部材104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筒状部121を有することが好ましい。ケーシング105は第二の流体の入口106、入口106と筒状部121を連結する入口導管122、第二の流体の出口107、及び、出口107と筒状部121を連結する出口導管123を有する。ケーシング105と外側筒状部材104の間には、スペーサ103と連通する第二の流体の流路110が形成されている。第二の流体は、入口106から液体状態でケーシング105内に流入する。次いで、第二の流体は流路110を通って少なくとも一部がスペーサ103内を流通する。第二の流体はスペーサ103内で促進された熱交換又は抑制された熱交換を受けた後、流路110を通って出口107から流出する。
次に、本発明に係る熱交換器100の製造方法を例示的に説明する。
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。
次に、ハニカム構造体101を内側筒状部材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、内側筒状部材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と内側筒状部材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。
スペーサ103と内側筒状部材102を別部品として供給する場合は、内側筒状部材102の外周側面を直接的に周回被覆すると共に該ハニカム構造体101の外周側面を間接的に周回被覆するように、スペーサ103を巻き付ける。スペーサ103の巻き付けは、内側筒状部材をハニカム構造体と嵌合する前後の何れに実施してもよい。
スペーサ103と内側筒状部材102を一つの部品として供給する場合は、内側筒状部材102の外周側面に切削、めっき、型押し、レーザー加工、化学エッチング、ブラスト加工等により表面加工を施すことでスペーサ103として機能する三次元構造を形成する。スペーサ103の形成は、内側筒状部材102をハニカム構造体101と嵌合する前後の何れに実施してもよい。
スペーサ103を巻き付けた後、スペーサ103を周回被覆するように外側筒状部材104を巻き付ける。外側筒状部材104はスペーサ103に巻き付ける前は平板状であってよく、巻き付けた後に筒状に変化させればよい。巻き付けた後は、外側筒状部材104がスペーサ103を巻き締めた状態を維持できるように、外側筒状部材104の巻き付け端部を溶接等によって自身に接合することが好ましい。外側筒状部材104の巻き付けは、内側筒状部材102をハニカム構造体101と嵌合する前後の何れに実施してもよい。
また、外側筒状部材104は当初から筒状であってもよく、その場合は外周側面にスペーサが形成された内側筒状部材102を外側筒状部材104に挿入し、締まり嵌め等により固定することができる。
上述した構成要素を有するケーシング105を金型成形、曲げ加工、切削加工等の方法により成形し、コア部品の外側筒状部材104を周回被覆するようにケーシング105をコア部品と接合する。典型的にはケーシング105の筒状部121にコア部品を挿入し、溶接、ろう付け等の方法により両者を接合することができる。この際、第二の流体が外部に漏れないように、内側筒状部材102の軸方向(セルの延びる方向)の両端部118における外周側面をケーシングの内側面と周回状に密接させることが好ましい。
(ハニカム構造体の製造)
SiC粉末を含む坏土を所望の形状に押し出した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工後、Si含浸焼成することによって、円柱状のハニカム構造体101を製造した。ハニカム構造体101は、端面の直径(外形)が55.4mm、セルの延びる方向の長さが40mmのものであった。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は四角形とした。ハニカム構造体101のセル密度は23セル/cm2、隔壁の厚さ(壁厚)は0.3mmであった。ハニカム構造体101の25℃における熱伝導率は150W/(m・K)であった。ハニカム構造体101のアイソスタティック強度は30MPaであった。
次に、ステンレス製の内側筒状部材102を作製した。内側筒状部材102は、内径が55.2mmで、軸方向の長さが44mmの第一の円筒状部を有する。また、内側筒状部材102は、第一の円筒状部の両端部に、図2に示すような上り段差108を介して、内径が56.5mmで、軸方向の長さが5mmの第二の円筒状部をそれぞれ有する。内側筒状部材102は肉厚が1.0mmであった。
実施例1の熱交換器からスペーサ103及び外側筒状部材104を取り除いた他は、実施例1と同様の熱交換器を製造した。
作製した実施例1及び比較例1の熱交換器について、以下の方法で、熱交換試験を行った。ハニカム構造体101に、400℃(=Tg1)の空気(第一の流体)を表1及び表2に示す流量(Mg)で流した。一方、入口106から表1及び表2に記載の各温度の冷却水(第二の流体)を166.3g/sの流量(Mw)で供給し、出口107から熱交換後の冷却水(第二の流体)を回収した。
上記の各条件にて、熱交換器に対して空気及び冷却水の供給を開始してから5分間通過させた直後に、熱交換器の入口106における冷却水の温度(Tw1)及び出口107における冷却水の温度(Tw2)を測定し、熱回収効率を求めた。
ここで、冷却水によって回収される熱量Qは次式で表される。
Q(kW)=ΔTw×Cpw×Mw
式中、ΔTw=Tw2−Tw1、Cpw(水の比熱)=4182J/(kg・K)とした。
また、熱交換器による熱回収効率ηは次式で表される。
η(%)=Q/{(Tg1−Tw1)×Cpg×Mg}×100
式中、Cpg(空気の比熱)=1050J/(kg・K)とした。
結果を表1〜2に示す。
このように、本発明に係る熱交換器は簡素な構成で容易に組み立てることができ、外部から制御することなく、2種類の流体間における、熱交換の促進と抑制の切り替えを行うことができる。
101 ハニカム構造体
102 内側筒状部材
103 スペーサ
104 外側筒状部材
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 段差又は突起
109 開口部
110 第二の流体の流路
112 ケーシングの端部
114 ハニカム構造体の第一の端面
116 ハニカム構造体の第二の端面
118 内側筒状部材の端部
121 筒状部
122 入口導管
123 出口導管
Claims (13)
- セラミックスを主成分とする隔壁により区画形成され、第一の端面から第二の端面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柱状のハニカム構造体と、
該ハニカム構造体の外周側面に嵌合して該ハニカム構造体の外周側面を周回被覆する内側筒状部材と、
内側筒状部材の外周側面を直接的に周回被覆すると共に該ハニカム構造体の外周側面を間接的に周回被覆するスペーサと、
該スペーサを直接的に周回被覆する外側筒状部材と、
を備えた熱交換器であり、
該スペーサは、第二の流体が流通可能な、且つ、第二の流体の気泡の移動を抑制可能な三次元構造を有し、
該内側筒状部材と該外側筒状部材の間の開口部が第二の流体のための該スペーサの出入口を形成する、
熱交換器。 - 前記スペーサがメッシュ構造を有する請求項1に記載の熱交換器。
- 前記ハニカム構造体の外周側面の全面積に対する、前記スペーサによって間接的に周回被覆される前記ハニカム構造体の外周側面の部分の面積の割合が80%以上である請求項1又は2に記載の熱交換器。
- 前記スペーサが金属製である請求項1〜3の何れか一項に記載の熱交換器。
- 前記スペーサの外周側面の全面積に対する、前記外側筒状部材によって直接的に周回被覆される前記スペーサの外周側面の部分の面積の割合が80%以上である請求項1〜4の何れか一項に記載の熱交換器。
- 前記ハニカム構造体の外周側面全部が前記内側筒状部材によって周回被覆される請求項1〜5の何れか一項に記載の熱交換器。
- 前記スペーサと前記内側筒状部材は一つの部品として提供される請求項1〜6の何れか一項に記載の熱交換器。
- 前記スペーサと前記内側筒状部材はそれぞれ別の部品として提供される請求項1〜6の何れか一項に記載の熱交換器。
- 前記スペーサの厚みは0.001〜10mmである請求項1〜8の何れか一項に記載の熱交換器。
- 前記内側筒状部材と前記外側筒状部材は異種の金属で構成されている請求項1〜9の何れか一項に記載の熱交換器。
- 前記内側筒状部材の外周側面には前記スペーサ及び前記外側筒状部材が前記内側筒状部材の軸方向へ移動するのを妨げる段差又は突起が少なくとも一箇所に設けられている請求項1〜10の何れか一項に記載の熱交換器。
- 前記外側筒状部材を周回被覆するケーシングを更に備え、
該ケーシングは第二の流体の入口及び出口を有し、
該ケーシングと前記外側筒状部材の間には、前記スペーサと連通する第二の流体の流路が形成されている、
請求項1〜11の何れか一項に記載の熱交換器。 - 前記内側筒状部材と前記外側筒状部材の間の前記開口部は前記外側筒状部材の軸方向両端部に環状に設けられている請求項1〜12の何れか一項に記載の熱交換器。
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