JP7018342B2 - Heat exchanger - Google Patents
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Description
本発明は、熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger.
特許文献1には、熱交換器について記載されている。
図16(a)に示すように、熱交換器50は、矩形筒状の周壁51と、周壁51の内部を周壁51の軸方向に延びる複数の第1セル及び第2セル53に区画する区画壁とを備えたハニカム形状に構成されている。周壁51の軸方向に直交する断面において、第1セル及び第2セル53はそれぞれ、縦方向に列をなすように配置されている。具体的には、図16(a)の紙面左側から1列目、3列目、5列目及び7列目に第1セルが配置され、2列目、4列目、6列目及び8列目に第2セル53が配置されている。
Patent Document 1 describes a heat exchanger.
As shown in FIG. 16A, the
図16(b)に示すように、第1セル52の両端部は封止されているとともに、周壁51の同一面上の一端側と他端側とにおいて、周壁51から区画壁54に連続した開口55、56が形成されている。周壁51の一端側の開口55から流入した流体が、矢印Mに沿って複数の第1セル52内を流れつつ、周壁51の他端側の開口56から流出することができるように構成されている。
As shown in FIG. 16B, both ends of the
図16(c)に示すように、第2セル53の両端部は開放されており、第2セル53の一端側から他端側へ矢印Gに沿って流体を流すことができるように構成されている。
第1セル52を流通する第1の流体と、第2セル53を流通する第2の流体との間で熱交換が行われるように構成されている。
As shown in FIG. 16 (c), both ends of the
It is configured so that heat exchange is performed between the first fluid flowing through the
ところで、内部に液状の熱媒体が溜まった状態の熱交換器を、熱媒体が凍結する条件に曝した場合、凍結による熱媒体の体積膨張の圧力によって、熱媒体が流れるセルを区画する区画壁が損傷する虞があった。本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液状の熱媒体の凍結に起因する区画壁の損傷を抑制することができる熱交換器を提供することにある。 By the way, when the heat exchanger with the liquid heat medium accumulated inside is exposed to the condition that the heat medium freezes, the partition wall that partitions the cells through which the heat medium flows due to the pressure of the volume expansion of the heat medium due to the freezing. Was at risk of being damaged. The present invention has been made in view of these circumstances, and an object of the present invention is to provide a heat exchanger capable of suppressing damage to a partition wall due to freezing of a liquid heat medium.
上記課題を解決するための本発明の熱交換器は、筒状の周壁と、上記周壁の内部を、複数のガス流通路と複数の熱媒体流通路に区画する区画壁とを備え、上記ガス流通路を流通するガスと、上記熱媒体流通路を流通する液状の熱媒体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、上記熱媒体流通路は、上記周壁に開口する上記熱媒体の流入路と、上記周壁に開口する上記熱媒体の流出路と、前記熱媒体を貯留する貯留部とを備え、上記流入路及び前記流出路は、前記貯留部を介して連通していることを要旨とする。 The heat exchanger of the present invention for solving the above-mentioned problems includes a tubular peripheral wall and a partition wall for partitioning the inside of the peripheral wall into a plurality of gas flow passages and a plurality of heat medium flow passages. A heat exchanger in which heat exchange is performed between a gas flowing through a flow passage and a liquid heat medium flowing through the heat medium flow passage, and the heat medium flow passage is the heat that opens in the peripheral wall. The inflow path of the medium, the outflow path of the heat medium opening to the peripheral wall, and the storage section for storing the heat medium are provided, and the inflow path and the outflow path communicate with each other through the storage section. The gist is that.
流入路及び流出路に存在する熱媒体が凍結した場合の膨張圧力は、熱媒体流通路の流入口及び流出ロを通じて熱交換器の外部へ逃がすことができる。一方、従来技術の熱交換器のように、流入路と流出路が複数のセルを介して連通している場合、複数のセルに存在する熱媒体が凍結した場合の膨張圧力は、熱交換器の外部へ逃がすことが難しい。そのため、熱媒体が凍結した場合の膨張圧力は、セルを区画する区画壁に強く作用しやすい。 When the heat medium existing in the inflow path and the outflow path freezes, the expansion pressure can be released to the outside of the heat exchanger through the inflow port and the outflow b of the heat medium flow path. On the other hand, when the inflow path and the outflow path are communicated through a plurality of cells as in the heat exchanger of the prior art, the expansion pressure when the heat medium existing in the plurality of cells freezes is the heat exchanger. It is difficult to escape to the outside of. Therefore, the expansion pressure when the heat medium freezes tends to strongly act on the partition wall that partitions the cell.
上記構成によれば、熱媒体流通路における流入路及び流出路は、貯留部を介して連通しているため、流入路及び流出路が複数のセルを介して連通する態様に比べて、膨張圧力を熱交換器の外部へ逃がしやすくなっている。その結果、熱媒体の凍結に起因する区画壁の損傷が抑制された熱交換器となる。 According to the above configuration, since the inflow path and the outflow path in the heat medium flow path communicate with each other through the storage portion, the expansion pressure is compared with the embodiment in which the inflow path and the outflow path communicate with each other through a plurality of cells. Is easy to escape to the outside of the heat exchanger. The result is a heat exchanger in which damage to the partition wall due to freezing of the heat medium is suppressed.
本発明の熱交換器について、複数の上記流入路、及び、複数の上記流出路を備え、複数の上記流入路、及び、複数の上記流出路は、共通する一つの上記貯留部に連通していることが好ましい。この構成によれば、貯留部の流路断面積を大きくすることが容易となる。また、それぞれ別の貯留部を設けた場合と比較して、貯留部同士の間を区画する区画壁を少なくすることができるため、膨張圧力が作用する区画壁を少なくすることができる。 The heat exchanger of the present invention is provided with the plurality of inflow paths and the plurality of outflow paths, and the plurality of the inflow paths and the plurality of the outflow paths communicate with one common storage unit. It is preferable to have. According to this configuration, it becomes easy to increase the cross-sectional area of the flow path of the storage portion. Further, as compared with the case where separate storage portions are provided, it is possible to reduce the number of partition walls that partition between the storage portions, so that the number of partition walls on which the expansion pressure acts can be reduced.
本発明の熱交換器について、上記貯留部の流路断面積は、上記ガス流通セルの流路断面積に対して、100~400倍とすることが好ましい。この構成によれば、貯留部の流路断面積が相対的に大きくなるため、膨張圧力を熱交換器の外部へ逃がすことが容易になる。 For the heat exchanger of the present invention, the flow path cross-sectional area of the storage portion is preferably 100 to 400 times the flow path cross-sectional area of the gas flow cell. According to this configuration, since the cross-sectional area of the flow path of the storage portion is relatively large, it becomes easy to release the expansion pressure to the outside of the heat exchanger.
本発明の熱交換器について、上記区画壁は、炭化ケイ素を主成分として含むことが好ましい。この構成によれば、炭化ケイ素は、セラミック材料の中でも熱電伝導率が高い材料であるため、熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。 For the heat exchanger of the present invention, it is preferable that the partition wall contains silicon carbide as a main component. According to this configuration, since silicon carbide is a material having a high thermoelectric conductivity among ceramic materials, it is possible to improve the heat exchange efficiency of the heat exchanger.
本発明によれば、熱交換器の区画壁の損傷を抑制することができる。 According to the present invention, damage to the partition wall of the heat exchanger can be suppressed.
以下、熱交換器の一実施形態を説明する。
図1、3、4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の内部を複数のガス流通路R1と複数の熱媒体流通路R2に区画する区画壁12とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the heat exchanger will be described.
As shown in FIGS. 1, 3 and 4, in the
図2に示すように、矩形筒状の周壁11は、上下に対向する一対の横側壁11aと、左右に対向する一対の縦側壁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。以下では、「周壁11の軸方向」を単に「軸方向」と記載する。
As shown in FIG. 2, the rectangular tubular
図2~4に示すように、区画壁12は、横側壁11aに平行な第1区画壁12aと、第1区画壁12a同士を接続するとともに、縦側壁11bに平行な第2区画壁12bとを備える。また、一部の区画壁12には、後述するように内部に封止材が充填されることによって形成された封止部22を備える。図4に示すように、封止部22は、軸方向における両端部と中央部の3箇所に設けられている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
図2~4に示すように、熱交換器10の下部には、周壁11と第1区画壁12aとによって区画される空間である貯留部13が形成されている。貯留部13の軸方向の両端部には、貯留部13を塞ぐ端壁13aが形成されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, a
図2、3に示すように、周壁11の内部には、第1区画壁12aと第2区画壁12bとによって、軸方向に延びる複数のガス流通セルCが形成されている。ガス流通セルCは、ガス流通路R1を構成する。
As shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of gas flow cells C extending in the axial direction are formed inside the
図2、4に示すように、周壁11の内部には、対向する第2区画壁12bと、これら第2区画壁12b同士の間に位置する封止部22とによって、流入路14a及び流出路14bが形成されている。流入路14aと流出路14bは、一対の状態で軸方向に並ぶように形成されている。流入路14aと流出路14bは、一端側が周壁11に開口するとともに、他端側が貯留部13に連通するように構成されており、貯留部13を介して互いに連通するように構成されている。
As shown in FIGS. 14b is formed. The
流入路14a、流出路14b、及び貯留部13は、熱媒体流通路R2を構成する。したがって、流入路14aの周壁11に開口する端部は、熱媒体流通路R2の流入口15aとなるとともに、流出路14bの周壁11に開口する端部は、熱媒体流通路R2の流出口15bとなる。本実施形態においては、3組の流入路14a及び流出路14bが軸方向に直交する方向に並ぶように形成されている。各流入路14a及び各流出路14bは、共通する一つの貯留部13に連通されている。
The
熱交換器10を構成する材料は炭化ケイ素を主成分として含む材料であることが好ましい。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。
The material constituting the
次に、ガス流通セルC(ガス流通路R1)について説明する。
図3に示すように、ガス流通セルCは、両端部が共に開放され、処理対象のガスを軸方向に沿って流通させることができるように構成されている。ガス流通セルCは、周壁11の縦側壁11bに平行にガス流通セルCが8個配列したセル列Caを備える。図2(a)では、このセル列は、周壁11の横側壁11aに沿って4列設けられており、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。
Next, the gas distribution cell C (gas flow passage R1) will be described.
As shown in FIG. 3, the gas flow cell C is configured such that both ends are opened so that the gas to be processed can be circulated along the axial direction. The gas distribution cell C includes a cell row Ca in which eight gas distribution cells C are arranged in parallel with the
ガス流通セルCを流通させる処理対象のガスとしては、例えば、内燃機関の排気ガスが挙げられる。ガス流通セルCのセル構造は特に限定されるものではないが、例えば、第1区画壁12a及び第2区画壁12b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1cm2あたり15~93セルであるセル構造とすることができる。
Examples of the gas to be processed in which the gas distribution cell C is distributed include the exhaust gas of an internal combustion engine. The cell structure of the gas flow cell C is not particularly limited, but for example, the wall thickness of the
次に、熱媒体流通路R2について説明する。
図4に示すように、熱媒体流通路R2は、周壁11に開口する流入口15aを有する流入路14aと、周壁11に開口する流出口15bを有する流出路14bと、流入路14a及び流出路14bにおける流入口15a及び流出口15bとは反対側の端部に連通される貯留部13とを備えている。流入路14a及び流出路14bは、軸方向における一端側と他端側に並設されている。また、流入路14a及び流出路14bは、軸方向に直交する方向において、互いに平行に延びるように形成されている。
Next, the heat medium flow passage R2 will be described.
As shown in FIG. 4, the heat medium flow passage R2 has an
流入路14a及び流出路14bの流路断面積は、ガス流通セルCの流路断面積よりも大きくなるように構成されていることが好ましい。流入路14a及び流出路14bの流路断面積は、ガス流通セルCの流路断面積に対して、5~30倍であることが好ましい。また、貯留部13の流路断面積は、ガス流通セルC、流入路14a及び流出路14bの流路断面積よりも大きくなるように構成されていることが好ましい。貯留部13の流路断面積は、ガス流通セルCの流路断面積に対して、100~400倍であることが好ましい。ここで、流路断面積とは、流路の延びる方向に直交する断面積を意味するものとする。貯留部13の流路断面積は、軸方向に直交する断面積を意味するものとする。
It is preferable that the flow path cross-sectional area of the
図2(b)、4に示すように、熱交換器10に供給された熱媒体は、周壁11に開口する流入口15aから熱交換器10内に流入し、流入路14aを通って貯留部13へと流通する。貯留部13へ流通した熱媒体は、貯留部13内に一定量貯留される。さらに、貯留部13内の熱媒体は、軸方向に沿って流入路14a側から流出口15b側へと流れる。そして、流出路14bを通って、周壁11に開口する流出口15bから熱交換器10外へ流出する。流入路14aと流出路14bとにおいて、熱媒体は互いに逆方向に流通する。
As shown in FIGS. 2B and 4, the heat medium supplied to the
熱媒体流通路R2を流通する熱媒体としては、例えば、公知の液状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。 As the heat medium flowing through the heat medium flow passage R2, for example, a known liquid heat medium can be used. Examples of known heat media include cooling water (Long Life Coolant: LLC) and organic solvents such as ethylene glycol.
上記構成の熱交換器10は、ガス流通セルCを流れるガスと、熱媒体流通路R2を流れる熱媒体との間で、区画壁12を介して熱交換を行うことができる。
図5~13に基づいて、熱交換器10の一製造方法について説明する。
The
A method for manufacturing the
熱交換器10は、以下に記載する成形工程、加工工程、組立工程、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。
The
(Molding process)
A clay-like mixture containing silicon carbide particles, an organic binder, and a dispersion medium is prepared as a raw material used for molding the heat exchanger.
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。 Examples of the organic binder include polyvinyl alcohol, methyl cellulose, ethyl cellulose, and carboxymethyl cellulose. Among these organic binders, methyl cellulose and carboxymethyl cellulose are particularly preferable. Further, only one of the above organic binders may be used, or two or more of them may be used in combination.
分散媒としては、例えば、水、有機溶剤が挙げられる。有機溶剤としては、例えば、エタノールが挙げられる。また、上記の分散媒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。 Examples of the dispersion medium include water and organic solvents. Examples of the organic solvent include ethanol. Further, only one of the above dispersion media may be used, or two or more of them may be used in combination.
また、混合物中にその他の成分を更に含有させてもよい。その他の成分としては、例えば、炭化ケイ素以外の材質からなるセラミック粒子、可塑剤、潤滑剤が挙げられる。炭化ケイ素以外の材質からなるセラミック粒子としては、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素等の窒化物からなるセラミック粒子が挙げられる。可塑剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシプロピレンアルキルエーテル等のポリオキシアルキレン系化合物が挙げられる。潤滑剤としては、例えば、グリセリンが挙げられる。 Further, other components may be further contained in the mixture. Examples of other components include ceramic particles made of a material other than silicon carbide, a plasticizer, and a lubricant. Examples of the ceramic particles made of a material other than silicon carbide include carbides made of tantalum carbide, tungsten carbide and the like, and ceramic particles made of nitrides such as aluminum nitride, silicon nitride and boron nitride. Examples of the plasticizer include polyoxyalkylene compounds such as polyoxyethylene alkyl ether and polyoxypropylene alkyl ether. Examples of the lubricant include glycerin.
図5(a)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ガス流通セルCに区画する区画壁12とを備える成形体(第1成形体20)を成形する。第1成形体20は、全てのガス流通セルCについて、その両端が開放された状態となっている。第1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。
As shown in FIG. 5A, the clay-like mixture is used to partition a rectangular tubular
図5(b)に示すように、第1成形体20と同じ粘土状の混合物を用いて、有底箱状の成形体(第2成形体21)を成形する。第2成形体21は、第1成形体20の軸方向の長さの約2倍の長さを有するように構成される。第2成形体21は、例えば、プレス成形により成形することができる。第2成形体21は、後述するように、第1成形体20と共に組み立てられて、貯留部を構成する。
As shown in FIG. 5B, a bottomed box-shaped molded body (second molded body 21) is molded using the same clay-like mixture as the first molded
必要に応じて、得られた第1成形体20、及び、第2成形体21に対して乾燥処理を行う。乾燥処理の具体的方法としては、例えば、マイクロ波乾燥機、熱風乾燥機、誘電乾燥機、減圧乾燥機、真空乾燥機、凍結乾燥機等を用いた乾燥処理が挙げられる。
If necessary, the obtained first molded
(加工工程)
加工工程では、第1成形体20に貫通孔を形成する第1加工、及び第1成形体20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。
(Processing process)
In the processing step, a first process of forming a through hole in the first molded
図6に示すように、第1加工では、例えば、加熱された加工具を第1成形体20に接触させる方法を用いて、第1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、貫通孔を形成する。
As shown in FIG. 6, in the first processing, for example, a method of bringing a heated processing tool into contact with the first molded
具体的には、図6に示すように、加工具として、貫通孔に対応する外形状を有するブレード25を用意する。このブレード25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、ガス流通セルCの幅を超えない厚さに設定されている。次に、第1成形体20に含まれる有機分が焼失する温度となるようにブレード25を加熱する。例えば、有機分がメチルセルロースである場合には、ブレード25を400℃以上に加熱する。加熱したブレード25を、第1成形体20の周壁11の対向する一方側(図6の上方側)から挿入し、ブレード25の先端を周壁11の対向する他方側(図6の下方側)から突出させる。
Specifically, as shown in FIG. 6, a
図7に示すように、加熱されたブレード25を周方向外方から第1成形体20に差し込んだ後、これを引き抜くことによって、対向する周壁11及び対向する周壁11の間に位置する区画12壁を貫通した貫通孔17を形成する。このとき、加熱されたブレード25と第1成形体20とが接触すると、その接触部分において第1成形体20に含まれる有機分が燃焼して焼失する。そのため、第1成形体20に対するブレード25の挿入抵抗は非常に小さいものとなり、ブレード25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、有機分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。第1加工で形成された貫通孔17は、後述するように熱媒体流通路R2として機能する。
As shown in FIG. 7, the
図8に示すように、第2加工では、第1成形体20に形成される複数のガス流通セルCのうち、貫通孔17が形成されたセル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封止材として充填して、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、第1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。
As shown in FIG. 8, in the second processing, among the plurality of gas flow cells C formed in the first molded
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23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。
The processed molded
(組立工程)
組立工程は、成形工程で得られた第2成形体21と、加工工程で得られた加工成形体23を組立てる工程である。
(Assembly process)
The assembling step is a step of assembling the second molded
図9に示すように、2個の加工成形体23を、互いの軸方向の端面を合わせた状態で配置する。さらに、2個の加工成形体23の下部に、第2成形体21を配置して組立体24を作製する。組立体24を作製する際に、第2成形体21及び加工成形体23の間に接着剤を塗布してもよい。
As shown in FIG. 9, the two processed molded
(脱脂工程及び含浸工程)
脱脂工程は、組立体24を加熱することによって、組立体24に含まれる有機分を焼失させる工程である。図10に示すように、脱脂工程を経ることにより、炭化ケイ素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多孔質の脱脂体30が得られる。
(Degreasing process and impregnation process)
The degreasing step is a step of burning off the organic matter contained in the
含浸工程は、脱脂体30の各壁の内部に金属ケイ素を含浸させる工程である。図11に示すように、含浸工程を経ることにより、脱脂体30の各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に金属ケイ素が充填される。そして、筒状の周壁11と、周壁11の内部を複数のガス流通路R1(ガス流通セルC)と、複数の熱媒体流通路R2に区画する区画壁12とを備える熱交換器10が得られる。そして、流入路14aにおける流入口15a側とは反対側の端部、及び、流出路14bにおける流出口15b側とは反対側の端部に、流入路14aと流出路14bを連結する貯留部13を備える構成となる。
The impregnation step is a step of impregnating the inside of each wall of the
ここで、本実施形態の製造方法では、脱脂工程及び含浸工程を、異なる温度域による多段階の加熱処理によって連続的に行う。
図12に示すように、グラファイト等からなる有底箱状の耐熱性の容器40内に組立体24を配置する。図12では、組立体24について、その断面形状を省略して図示している。組立体24は、容器40の底面に配置された支持具41の上に載置されることにより、支持具41を介して容器40内に配置される。支持具41は、組立体24の下面の一部のみに接触する大きさ及び形状に形成されており、組立体24の下面の一点又は数点において組立体24を支持する。支持具41の数は単数であってもよいし、複数であってもよい。
Here, in the production method of the present embodiment, the degreasing step and the impregnation step are continuously performed by a multi-step heat treatment in different temperature ranges.
As shown in FIG. 12, the
支持具41の形状としては、例えば、角柱状、円柱状、角錐台状、円錐台状が挙げられる。これらの中でも、組立体24の下面との接点を少なくできる点から、角錐台状、円錐台状が特に好ましい。
Examples of the shape of the
支持具41は、毛細管現象を生じさせる程度の大きさの連続した気孔を有する多孔質材により構成される。支持具41を構成する多孔質材としては、例えば、炭化ケイ素からなる多孔質材、黒鉛等の炭素からなる多孔質材が挙げられる。支持具41を構成する多孔質材の気孔率は、例えば、20~60%である。
The
また、容器40の底面と支持具41に載置された組立体24との間の隙間Sに粉末状、粒状、塊状等の固体状の金属ケイ素42を配置する。金属ケイ素42としては、その純度が98%未満の金属ケイ素を用いることが好ましい。固体状の金属ケイ素は、その純度が低くなるにしたがって融点が低くなる傾向がある。そのため、低純度の金属ケイ素を用いることにより、含浸工程に要する加熱温度を低く抑えることができる。その結果、製造コストを抑制することができる。なお、金属ケイ素の純度は、例えば、95%以上である。
Further, solid
容器40内に収容される金属ケイ素42の量は、例えば、組立体24から得られる脱脂体30の気孔容積と支持具41の気孔容積の和に相当する量(例えば、上記和の1.00~1.05倍の体積に相当する量)とする。この場合には、熱交換器10の気孔率を0%に近づけることができる。また、金属ケイ素42の使用量が抑えられて、製造コストを抑制することができる。
The amount of
上記のように、容器40内に組立体24及び金属ケイ素42を配置した状態として、焼成炉等の公知の加熱手段を用いて、アルゴンや窒素等の不活性雰囲気下又は真空下にて容器40を加熱する。このとき、容器40に対して異なる温度域による多段階の加熱を行う。
As described above, with the
具体的には、図13に示すように、容器40内の温度を、第1温度まで昇温させ、第1温度にて一定時間、保持することにより一次加熱を行う。その後、容器40内の温度を、第1温度よりも高い第2温度まで昇温させ、一定時間、保持することにより二次加熱を行う。その後、容器40内の温度を降下させる。
Specifically, as shown in FIG. 13, the temperature inside the
一次加熱は、脱脂工程に相当する加熱処理である。一次加熱の第1温度は、有機分が焼失する温度かつ金属ケイ素の融点未満の温度であり、組立体24に含まれる有機分の種類に応じて設定される。一次加熱により、組立体24に含まれる有機分が焼失して、組立体24は脱脂体30となる。このとき、容器40内の温度(第1温度)は、金属ケイ素の融点未満の温度であるため、容器40内に収容された金属ケイ素42は、固体の状態が維持される。
The primary heating is a heat treatment corresponding to the degreasing step. The first temperature of the primary heating is a temperature at which the organic matter is burnt out and is lower than the melting point of the metallic silicon, and is set according to the type of the organic matter contained in the
第1温度は、例えば、400℃以上1400℃以下の温度であることが好ましく、450℃以上1000℃以下の温度であることがより好ましい。上記温度範囲に設定することにより、金属ケイ素42の溶融を抑制しつつ、有機分をより確実に焼失させることができる。
The first temperature is, for example, preferably 400 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower, and more preferably 450 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. By setting the temperature in the above temperature range, it is possible to more reliably burn off the organic component while suppressing the melting of the
一次加熱は、組立体24に含まれる有機分が完全に除去されるまで行うことが好ましい。例えば、事前の予備試験により、組立体24に含まれる有機分が除去された状態の脱脂体30となる加熱時間を測定しておき、その加熱時間の経過をもって、容器40内の温度を第1温度から第2温度に昇温する。
The primary heating is preferably performed until the organic content contained in the
二次加熱は、含浸工程に相当する加熱処理である。二次加熱の第2温度は、金属ケイ素の融点以上に設定される。二次加熱により、容器40内に収容された金属ケイ素42が溶融する。そして、溶融した金属ケイ素は、毛細管現象によって、多孔質材からなる支持具41を通じて脱脂体30の各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に入り込み、その隙間に金属ケイ素42が含浸される。このとき、脱脂体30における第2成形体21同士の境界部分、及び、第2成形体21と加工成形体23の境界部分にも金属ケイ素42が含浸されることにより、第2成形体21同士の境界部分、及び、第2成形体21と加工成形体23間の密着を図ることができる。これにより、各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に金属ケイ素42が含浸されており、第2成形体21及び加工成形体23であった部分が一体化してなる熱交換器10が得られる。
The secondary heating is a heat treatment corresponding to the impregnation step. The second temperature of the secondary heating is set to be equal to or higher than the melting point of metallic silicon. The secondary heating melts the
第2温度は、例えば、1420℃以上の温度であることが好ましい。上記温度範囲に設定することにより、金属ケイ素をより確実に含浸させることができる。
また、第2温度は、例えば、2000℃以下の温度であることが好ましく、1900℃以下の温度であることがより好ましい。上記温度範囲に設定することにより、設備やエネルギー等の観点において、製造コストを抑制することができる。さらに、脱脂体の熱膨張が抑制されて、熱膨張に起因する破損が生じ難くなる。
The second temperature is preferably, for example, a temperature of 1420 ° C. or higher. By setting the temperature in the above temperature range, metallic silicon can be impregnated more reliably.
The second temperature is, for example, preferably 2000 ° C. or lower, and more preferably 1900 ° C. or lower. By setting the temperature within the above temperature range, the manufacturing cost can be suppressed from the viewpoint of equipment, energy and the like. Further, the thermal expansion of the degreased body is suppressed, and damage due to the thermal expansion is less likely to occur.
また、第2温度は、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(例えば、2000℃以下)の温度であることが好ましい。上記温度範囲に設定することにより、得られる熱交換器10は、その構成成分である炭化ケイ素粒子の殆どが焼結されずに、それぞれ独立して存在する未焼結のハニカム構造体となる。この未焼結のハニカム構造体は、ヤング率が高く、変形し難い性質を有しており、熱交換器として有用である。
The second temperature is preferably a temperature lower than the sintering temperature of silicon carbide contained in the mixture used in the molding step (for example, 2000 ° C. or lower). By setting the temperature in the above temperature range, the obtained
二次加熱は、脱脂体30の各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に金属ケイ素が十分に含浸されるまで行うことが好ましい。例えば、容器40内に収容される金属ケイ素42の量が、脱脂体30の気孔容積と支持具41の気孔容積の和に相当する量である場合には、全ての金属ケイ素42が含浸されたことをもって、金属ケイ素が十分に含浸されたと判断することができる。
The secondary heating is preferably performed until the gaps between the silicon carbide particles constituting each wall of the degreased
そして、二次加熱の後は、容器40内の温度を降下させ、容器40から熱交換器10を取り出し、熱交換器10の下面に一体化している支持具41を分離する。これにより、熱交換器10が得られる。
Then, after the secondary heating, the temperature inside the
上記の含浸工程を経ることにより、筒状の周壁11と、周壁11の内部を複数のガス流通セルCと、複数の熱媒体流通路R2に区画する区画壁12とを備える熱交換器10が得られる。そして、熱媒体流通路は、周壁に開口する熱媒体の流入路と、周壁に開口する熱媒体の流出路と、熱媒体を貯留する貯留部とを備え、流入路及び流出路は、貯留部を介して連通している熱交換器が得られる。
Through the above impregnation step, the
次に、本実施形態の作用及び効果について記載する。
(1)熱媒体流通路は、周壁に開口する熱媒体の流入路と、周壁に開口する熱媒体の流出路と、熱媒体を貯留する貯留部とを備え、流入路及び流出路は、貯留部を介して連通している。
Next, the operation and effect of this embodiment will be described.
(1) The heat medium flow passage includes an inflow path for the heat medium that opens in the peripheral wall, an outflow path for the heat medium that opens in the peripheral wall, and a storage portion for storing the heat medium. It communicates through the department.
熱媒体流通路が、流入路と流出路を連通する貯留部を備えることにより、流入口から流入した熱媒体は、流入路、貯留部、流出路を順に経由して流出口から流出する。こうした流路構成とすることにより、図16に示す従来の熱交換器のように、流入路と流出路との間に多数の通路(第1セル52)が並設されている構成と比較して、膨張圧力を熱交換器の外部へ逃がしやすくなっている。その結果、熱媒体の凍結に起因する区画壁の損傷が抑制された熱交換器となる。 Since the heat medium flow path includes a storage section that communicates the inflow path and the outflow path, the heat medium flowing in from the inflow port flows out from the outflow port through the inflow path, the storage section, and the outflow path in order. With such a flow path configuration, as compared with the conventional heat exchanger shown in FIG. 16, a large number of passages (first cell 52) are arranged side by side between the inflow path and the outflow path. Therefore, it is easy to release the expansion pressure to the outside of the heat exchanger. The result is a heat exchanger in which damage to the partition wall due to freezing of the heat medium is suppressed.
(2)複数の流入路、及び、複数の流出路を備え、複数の流入路、及び、複数の流出路は、共通する一つの貯留部に連通している。したがって、貯留部の流路断面積を大きくすることが容易となる。また、それぞれ別の貯留部を設けた場合と比較して、貯留部同士の間を区画する区画壁を少なくすることができるため、膨張圧力が作用する区画壁を少なくすることができる。これにより、熱媒体の凍結に起因する区画壁の損傷を抑制することができる。 (2) A plurality of inflow paths and a plurality of outflow channels are provided, and the plurality of inflow paths and the plurality of outflow channels communicate with one common storage unit. Therefore, it becomes easy to increase the cross-sectional area of the flow path of the storage portion. Further, as compared with the case where separate storage portions are provided, it is possible to reduce the number of partition walls that partition between the storage portions, so that the number of partition walls on which the expansion pressure acts can be reduced. As a result, damage to the partition wall due to freezing of the heat medium can be suppressed.
(3)貯留部の流路断面積は、ガス流通セルの流路断面積に対して、100~400倍とする。したがって、貯留部の流路断面積が相対的に大きくなるため、膨張圧力を熱交換器の外部へ逃がすことが容易になる。 (3) The cross-sectional area of the flow path of the storage portion shall be 100 to 400 times the cross-sectional area of the flow path of the gas flow cell. Therefore, since the cross-sectional area of the flow path of the storage portion becomes relatively large, it becomes easy to release the expansion pressure to the outside of the heat exchanger.
(4)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電伝導率が高い材料であるため、熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。 (4) The partition wall contains silicon carbide as a main component. Since silicon carbide is a material having a high thermoelectric conductivity among ceramic materials, it is possible to improve the heat exchange efficiency of the heat exchanger.
(5)熱媒体流通路は、貯留部内に熱媒体を一定量貯留することができる。したがって、熱交換器の使用時における熱媒体の急激な流量変化に対して、貯留部をバッファとして使用することができる。 (5) The heat medium flow passage can store a certain amount of heat medium in the storage unit. Therefore, the storage unit can be used as a buffer against a sudden change in the flow rate of the heat medium when the heat exchanger is used.
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。
・本実施形態では、熱交換器は、幅方向(図2の左右方向)の寸法が、上下方向の寸法よりも大きく構成されていたが、この態様に限定されない。上下方向の寸法の方が、幅方向の寸法よりも大きく構成されていてもよいし、上下方向と幅方向が同じ寸法で構成されていてもよい。
This embodiment can be modified and implemented as follows. Further, it is also possible to appropriately combine the configurations of the above-described embodiment and the configurations shown in the following modified examples.
-In the present embodiment, the heat exchanger is configured such that the dimension in the width direction (horizontal direction in FIG. 2) is larger than the dimension in the vertical direction, but the present invention is not limited to this embodiment. The vertical dimension may be larger than the width dimension, or the vertical dimension and the width direction may be the same dimension.
・本実施形態では、ガス流通セルは、周壁の縦側壁に平行にガス流通セルが8個配列し、このセル列が、周壁の横側壁に沿って4列設けられた配置パターンが、封止部及び熱媒体流通路を介して繰り返されていたが、この態様に限定されない。ガス流通セルの配置パターンは、適宜選択することができる。同様に、熱媒体流通路も適宜選択して形成することができる。 -In the present embodiment, in the gas flow cell, eight gas flow cells are arranged parallel to the vertical side wall of the peripheral wall, and the arrangement pattern in which four rows of the cell rows are provided along the lateral side wall of the peripheral wall is sealed. It was repeated through the section and the heat medium flow path, but is not limited to this embodiment. The arrangement pattern of the gas distribution cell can be appropriately selected. Similarly, the heat medium flow path can be appropriately selected and formed.
・本実施形態では、周壁における軸方向の一端側の開口を熱媒体の流入口とし、周壁における軸方向の他端側の開口を熱媒体の流出口としたがこの態様に限定されない。流入口と流出口の位置が逆となるように構成されていてもよい。また、周壁に設けられた複数の開口において、熱媒体の流入口及び流出口を適宜選択してもよい。 -In the present embodiment, the opening on one end side in the axial direction of the peripheral wall is used as the inlet of the heat medium, and the opening on the other end side of the peripheral wall in the axial direction is used as the outlet of the heat medium, but the present invention is not limited to this embodiment. The positions of the inflow port and the outflow port may be reversed. Further, the inlet and outlet of the heat medium may be appropriately selected in the plurality of openings provided in the peripheral wall.
・貯留部の流路断面積は、ガス流通セルの流路断面積よりも大きく構成されている態様に限定されない。貯留部を流通する熱媒体の流量を確保することができる範囲において、貯留部の流路断面積は、ガス流通セルの流路断面積と略等しく構成されていてもよいし、ガス流通セルの流路断面積よりも小さく構成されていてもよい。 -The cross-sectional area of the flow path of the storage portion is not limited to the mode in which the cross-sectional area of the flow path of the gas flow cell is larger than the cross-sectional area of the flow path of the gas flow cell. As long as the flow rate of the heat medium flowing through the storage section can be secured, the flow path cross-sectional area of the storage section may be configured to be substantially equal to the flow path cross-sectional area of the gas flow cell, or the gas flow cell. It may be configured to be smaller than the flow path cross-sectional area.
・複数の流入路及び複数の流出路は、共通する一つの貯留部に連通している態様に限定されない。例えば、貯留部の内部に複数の仕切りを設けることによって実質的に貯留部を複数形成し、各貯留部に、流入路と流出路が一つずつ連通した構成であってもよい。 -The plurality of inflow channels and the plurality of outflow channels are not limited to the mode in which the plurality of inflow channels and the plurality of outflow channels communicate with one common reservoir. For example, a plurality of storage units may be substantially formed by providing a plurality of partitions inside the storage units, and each storage unit may have an inflow path and an outflow path in communication with each other.
・周壁は、矩形筒状に限定されない。円筒状や、断面が楕円形の筒状に構成されていてもよい。図14に示すように、例えば、第1成形体、第2成形体、及び、層間材を、組立工程で組み立てた際に円筒状となるように形成することにより、周壁11cを円筒状にすることが可能となる。また、ガス流通セル及び熱媒体流通路の断面形状は断面矩形状に限定されない。矩形状以外の多角形状であってもよいし、円形や楕円形であってもよい。多角形状の角部が面取りされた形状であってもよい。熱媒体流通路の流入路と流出路とで形状が異なっていてもよい。
-The peripheral wall is not limited to a rectangular cylinder. It may be formed in a cylindrical shape or a cylindrical shape having an elliptical cross section. As shown in FIG. 14, for example, the
・熱媒体流通路は、流入路及び流出路が、周壁の軸方向に直交する方向において、互いに平行に延びるように形成された態様に限定されない。流入路及び流出路の形状は、第1加工で形成する連通部の形状を変更することにより、適宜選択することができる。例えば、図15に示すように、流入路16a及び流出路16bがV字状に延びるように形成してもよい。
-The heat medium flow path is not limited to the mode in which the inflow path and the outflow path are formed so as to extend in parallel with each other in the direction orthogonal to the axial direction of the peripheral wall. The shapes of the inflow path and the outflow path can be appropriately selected by changing the shape of the communication portion formed in the first processing. For example, as shown in FIG. 15, the
・本実施形態では、貯留部を構成する第2成形体は、第1成形体と一体化されていたが、別体で構成されていてもよい。例えば、貯留部を別部材で用意し、第1成形体に対して組立工程、脱脂工程、含浸工程を行った後に、パッキンを介して貯留部を配置してもよい。この場合、貯留の材料はセラミック材料に限定されず、ステンレス等の金属材料で構成されていてもよい。 -In the present embodiment, the second molded body constituting the storage portion is integrated with the first molded body, but may be formed as a separate body. For example, the storage unit may be prepared as a separate member, and after the assembly step, the degreasing step, and the impregnation step are performed on the first molded body, the storage unit may be arranged via the packing. In this case, the storage material is not limited to the ceramic material, and may be made of a metal material such as stainless steel.
10…熱交換器、11…周壁、12…区画壁、13…貯留部、14a…流入路、14b…流出路、15a…流入口、15b…流出口、R1…ガス流通路、R2…熱媒体流通路。
10 ... heat exchanger, 11 ... peripheral wall, 12 ... partition wall, 13 ... reservoir, 14a ... inflow path, 14b ... outflow channel, 15a ... inlet, 15b ... outlet, R1 ... gas flow path, R2 ... heat medium Flow passage.
Claims (2)
前記熱媒体流通路は、
前記周壁に開口する前記熱媒体の流入路と、
前記周壁に開口する前記熱媒体の流出路と、
前記熱媒体を貯留する貯留部とを備え、
前記流入路及び前記流出路は、前記貯留部を介して連通していることを特徴とする熱交換器。 A tubular peripheral wall and a partition wall for partitioning the inside of the peripheral wall into a plurality of gas flow passages and a plurality of heat medium flow passages are provided, and the gas flowing through the gas flow passages and the heat medium flow passages are circulated. A heat exchanger that exchanges heat with a liquid heat medium.
The heat medium flow path is
The inflow path of the heat medium that opens in the peripheral wall and
The outflow path of the heat medium that opens in the peripheral wall,
A storage unit for storing the heat medium is provided.
A heat exchanger in which the inflow path and the outflow path communicate with each other through the storage portion.
複数の前記流入路、及び、複数の前記流出路は、共通する一つの前記貯留部に連通している請求項1に記載の熱交換器。 A plurality of the inflow channels and a plurality of the outflow paths are provided.
The heat exchanger according to claim 1, wherein the plurality of inflow passages and the plurality of outflow passages communicate with one common storage unit.
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