JP6854229B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
本発明の熱交換器について、上記金属は、金属ケイ素であることが好ましい。金属ケイ素にすることで、区画壁の熱伝導率を高くすることができ、熱交換効率を向上させることができる。また、金属ケイ素は骨格部分をなす炭化ケイ素との熱膨張係数差が小さいため、使用中の熱衝撃による破損を防ぐことができる。
上記課題を解決するための本発明の熱交換器の製造方法は、第1流体を流通させる第1セルと、第2流体を流通させる第2セルと、上記第1セル及び上記第2セルを区画する区画壁とを備え、上記第1流体と上記第2流体との間で熱交換が行われる熱交換器の製造方法であって、炭化ケイ素粒子、有機バインダー、及び分散媒を含有する混合物を成形して成形体を得る成形工程と、上記成形体に含まれる上記有機バインダーを除去して多孔質の脱脂体を得る脱脂工程と、上記脱脂体の内部に金属を含浸させる含浸工程とを有し、上記含浸工程は、上記脱脂体に金属の塊を接触させた状態として、当該金属の融点以上に加熱して、上記脱脂体の気孔容積の1.01〜1.1倍の体積に相当する量の上記金属を含浸させる工程である。
図1、2に示すように、本実施形態の熱交換器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13a及び複数の第2セル13b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に示すように、熱交換器10は、周壁11の縦側壁11aに平行に第1セル13aのみが配列した複数の第1セル列14aと、縦側壁11aに平行に第2セル13bのみが配列した第2セル列14bとを備える。本実施形態においては、隣り合う第1セル列14a同士の間に、4列の第2セル列14bが配置され、この配置が繰り返された配置パターンが形成されている。
熱交換器から区画壁を10×10mmの板状に切り出し、サンプルとする。表面粗さ測定器(例えば、東京精密製のSurfcom1400d)を用いて、測定スパン2mmで流路の長手方向に沿ってサンプルの表面粗さRaを測定する。同様の測定を3回行い、その平均値を求める。
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。この際、必要に応じて、セラミック粒子等の炭化ケイ素以外の粒子を混合してもよい。
有機バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロースが挙げられる。これらの有機バインダーの中でも、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロースが特に好ましい。また、上記の有機バインダーのうちの一種のみを用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。
加工工程では、成形体に第1連通部及び第2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。
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9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、炭化ケイ素の粒子間に隙間を有する多孔質構造の脱脂体30が得られる。ここで、脱脂体30における隙間の容積(気孔容積)は、40〜60体積%であることが好ましい。脱脂体30の気孔容積は、成形工程において用いた混合物における炭化ケイ素の粒子の含有率を変更することにより調整できる。
含浸工程は、脱脂体の各壁の内部に金属ケイ素等の金属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の塊を接触させた状態として、アルゴンや窒素等の不活性ガス雰囲気下、又は真空下にて、金属の融点以上(例えば、金属ケイ素である場合、1450℃以上)に加熱する。これにより、図10に示すように、溶融した金属が毛細管現象によって、脱脂体を構成する粒子間の隙間へ入り込み、同隙間に金属が含浸される。脱脂体における金属の塊を接触させる部位は特に限定されるものではないが、効率化の観点においては、脱脂体の上部に金属の塊を接触させることが好ましい。
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、金属の融点以上、かつ上記焼結温度未満の温度で加熱を行う。
(1)熱交換器は、第1流体を流通させる第1セルと、第2流体を流通させる第2セルと、第1セル及び第2セルを区画する区画壁とを備えている。区画壁は、炭化ケイ素を主成分とする骨格部分と、骨格部の隙間に充填されるとともに骨格部の表面を覆う金属からなる充填部分とを備えている。区画壁の表面粗さRaが1.0μm以上である。
金属ケイ素からなる充填部分とすることで、区画壁の熱伝導率を高くすることができ、熱交換効率を向上させることができる。また、金属ケイ素は骨格部分をなす炭化ケイ素との熱膨張係数差が小さいため、使用中の熱衝撃による破損を防ぐことができる。
上記構成によれば、区画壁の表面形状に起因して、区画壁に沿って流れる第1流体及び第2流体が乱流となって流通抵抗が大きくなることを抑制できる。
金属ケイ素は骨格部分をなす炭化ケイ素との濡れ性がよいため、炭化ケイ素粒子間を隙間なく埋めることができる。
上記構成によれば、溶融した金属が脱脂体の各壁をつたって下方側へと流れる作用を利用することで、効率的に金属を含浸させることができる。
・熱交換器の形状(例えば、熱交換器体の外形やセル形状)は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜、変更することができる。
(実施例1)
まず、下記組成の混合物を調製した。
平均粒子径0.5μmの炭化ケイ素の粒子(小粒子):23.6質量部
メチルセルロース(有機バインダー):5.4質量部
グリセリン(潤滑剤):1.1質量部
ポリオキシアルキレン系化合物(可塑剤):3.2質量部
水(分散媒):11.5質量部
この混合物を用いて、図5に示したものと同様の形状を有し、縦50mm、横100mm、長さ100mm、周壁の厚さ0.3mm、区画壁の厚さ0.25mm、セル幅1.2mmの成形体を成形した。
金属ケイ素の板材の量(仕込み量)を、147.2g(脱脂体の気孔容積の1.01倍の体積に相当する量)とした点を除いて、実施例1と同様にして実施例2の熱交換器を得た。
金属ケイ素の板材の量(仕込み量)を、160.3g(脱脂体の気孔容積の1.1倍の体積に相当する量)とした点を除いて、実施例1と同様にして実施例3の熱交換器を得た。
金属ケイ素の板材の量(仕込み量)を、145.7g(脱脂体の気孔容積の1.0倍の体積に相当する量)とした点を除いて、実施例1と同様にして比較例の熱交換器を得た。
測定用サンプルとして、各実施例及び比較例の熱交換器から横10mm×長さ10mmの区画壁を切り出した。表面粗さ測定器を用いて測定用サンプルの表面粗さ(算術平均粗さ:Ra)を測定した。表面粗さ測定器としては、東京精密社製Surfcom1400dを使用した。その結果を表1に示す。
各実施例及び比較例の熱交換器に対して、流入口から第1セルに40℃の冷却水を10L/minの流量で導入するとともに、第2セルに400℃の高温ガスを10g/secの流量で導入し、冷却水の流入時と排出時の温度差を測定して、それぞれの熱交換器の排熱回収量を算出した。その結果を表1に示す。
Claims (3)
- 第1流体を流通させる第1セルと、第2流体を流通させる第2セルと、前記第1セル及び前記第2セルを区画する区画壁とを備え、前記第1流体と前記第2流体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、
前記区画壁は、炭化ケイ素を主成分とする骨格部分と、前記骨格部分の隙間に充填されるとともに前記骨格部分の表面を覆う金属からなる充填部分とを備え、
前記区画壁の表面粗さRaが1.0μm以上であることを特徴とする熱交換器。 - 前記金属は、金属ケイ素である請求項1に記載の熱交換器。
- 前記区画壁の表面粗さRaが5.0μm以下である請求項1又は請求項2に記載の熱交換器。
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