JP7046039B2

JP7046039B2 - 熱交換器

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Publication number: JP7046039B2
Application number: JP2019166658A
Authority: JP
Inventors: 悠太郎麓; 竜生川口
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: CN112484552A; US20210080184A1; DE102020208294A1; US11397052B2; CN112484552B; JP2021042924A

Description

本発明は、熱交換器に関する。

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、エンジンオイル、オートマチックトランスミッションフルード（ＡＴＦ：ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＦｌｕｉｄ）などを早期に暖めて、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。

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１流体を流通させるとともに外部に第２流体を流通させることにより、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う装置である。このような熱交換器では、高温の流体（例えば、排ガスなど）から低温の流体（例えば、冷却水など）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。
特許文献１には、第１流体（例えば、排ガス）が流通可能な複数のセルを有するハニカム構造体として形成された集熱部と、集熱部の外周面を覆うように配置され、集熱部との間に第２流体（例えば、冷却水）が流通可能なケーシングとを有する熱交換器が提案されている。
しかしながら、特許文献１の熱交換器は、第１流体から第２流体に排熱を常時回収する構造となっているため、排熱を回収する必要がない場合（熱交換が必要でない場合）にも排熱を回収してしまうことがあった。そのため、排熱を回収する必要がない場合に回収された排熱を放出するためのラジエータの容量を大きくする必要があった。

一方、特許文献２には、エンジンからの排気ガスを車両後方側へ流通させる内管と；前記内管の外周に前記内管の軸方向に沿って配置され、前記内管の後端部よりも車両後方側に延出された外管と；前記内管の後端部を開閉するバルブと；前記内管の内部に対して車両後方側へ向かって開口する流入口を有し、前記内管の内部から前記流入口を通じて流入した排気ガスを車両前方側へ流通させ、該排気ガスを前記内管に形成された孔を通じて前記内管の径方向外側へ導く第一絞り部と；前記内管と前記外管との間に形成され、前記孔を通じて前記内管の径方向外側へ導かれた排気ガスを、前記内管の径方向外側で車両後方側へ流通させる流路と；前記内管の径方向外側に配置され、前記流路を流通する排気ガスと冷媒との間で熱交換する熱交換部と；前記流路における前記熱交換部よりも流通方向下流側に設けられた第二絞り部とを備える熱交換器（排気熱回収器）が提案されている。

特許文献２の熱交換器は、バルブの開閉によって熱回収（熱交換）の促進と抑制との切替えを行うことができる。特に、この熱交換器は、第一絞り部及び第二絞り部を設けているため、熱回収抑制時には、内管の後端部を開放する（バルブを開とする）ことにより、内管から熱交換部へ排気ガスが流入し難くなる結果として熱遮断性能を高めることができる。

特開２０１２－０３７１６５号公報特開２０１８－１１９４１８号公報

しかしながら、特許文献２の熱交換器は、熱回収抑制時（バルブを開とする場合）に、第一絞り部周辺で排気ガスの流れの剥離が起こるため、圧力が低下する。他方、内管の後端部は、流路断面積が大きいため、その周辺ではガスの流速が低下して圧力が増加する。その結果、第一絞り部周辺の圧力が内管の後端部周辺よりも圧力が低くなり、その圧力差によって内管の後端部から熱交換部に排気ガスが逆流し易くなる。なお、排気ガスの流れの剥離とは、排気ガスの流れが物体から剥がれてしまう現象のことを意味する。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱回収抑制時に第１流体（排気ガス）の逆流を抑制して熱遮断性能を向上させることが可能な熱交換器を提供することを目的とする。

本発明者らは、熱交換器の構造について鋭意研究を行った結果、特定の構造を有する熱交換器とすることにより、上記の問題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、内周壁、外周壁、及び前記内周壁と前記外周壁との間に配設され、流入端面から流出端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有する中空型の柱状ハニカム構造体と、
前記柱状ハニカム構造体の前記外周壁面に嵌合される第１筒状部材と、
前記柱状ハニカム構造体の前記内周壁面に嵌合される第２筒状部材と、
前記第２筒状部材の径方向内側に前記第１流体の流路を構成するように間隔をもって配置される部分を有する筒状のガイド部材と、
前記第１筒状部材の上流側端部と前記ガイド部材の上流側端部との間を接続する上流側筒状部材と、
前記第１筒状部材の下流側端部に接続される下流側筒状部材と
を備え、
前記ガイド部材は、下流側に向かって拡径するように傾斜する傾斜部を有し、
前記ガイド部材の内周面側を流通する前記第１流体を前記第２筒状部材の内周面側と前記ガイド部材の外周面側との間に導くための連通口が、前記ガイド部材の傾斜部先端と前記第２筒状部材との間、又は前記ガイド部材の前記傾斜部に設けられている熱交換器である。

本発明によれば、熱回収抑制時に第１流体（排ガス）の逆流を抑制して熱遮断性能を向上させることが可能な熱交換器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。図１の熱交換器におけるａ－ａ’線の断面図である。本発明の実施形態に係る別の熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。図３の熱交換器におけるｂ－ｂ’線の断面図である。比較例１で作製した熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。

以下、本発明の実施形態について、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、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜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。

本発明の実施形態に係る熱交換器は、中空型の柱状ハニカム構造体（以下、「柱状ハニカム構造体」と略すことがある）と、第１筒状部材と、第２筒状部材と、ガイド部材と、上流側筒状部材と、下流側筒状部材とを備える。この熱交換器は、外筒部材及び開閉バルブの少なくとも１つを更に備えることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。また、図２は、図１の熱交換器におけるａ－ａ’線の断面図である。
図１及び２に示されるように、本発明の実施形態に係る熱交換器１００は、中空型の柱状ハニカム構造体１０（以下、「柱状ハニカム構造体」と略すことがある）と、第１筒状部材２０と、第２筒状部材３０と、ガイド部材４０と、上流側筒状部材５０と、下流側筒状部材６０と、外筒部材７０及び開閉バルブ８０を備えている。

＜中空型の柱状ハニカム構造体１０＞
中空型の柱状ハニカム構造体１０は、内周壁１１、外周壁１２、及び内周壁１１と外周壁１２との間に配設され、流入端面１３ａから流出端面１３ｂまで延びる第１流体の流路となる複数のセル１４を区画形成する隔壁１５を有する。
ここで、本明細書において「中空型の柱状ハニカム構造体１０」とは、第１流体の流路方向に垂直な中空型の柱状ハニカム構造体１０の断面において、中心部に中空領域を有する柱状ハニカム構造体１０を意味する。
中空型の柱状ハニカム構造体１０の形状（外形）としては、特に限定されず、例えば、円柱、楕円柱、四角柱又はその他の多角柱などとすることができる。
また、中空型の柱状ハニカム構造体１０における中空領域の形状についても、特に限定されず、例えば、円柱、楕円柱、四角柱又はその他の多角柱などとすることができる。
なお、中空型の柱状ハニカム構造体１０の形状と、中空領域の形状とは同一であっても異なっていてもよいが、外部からの衝撃、熱応力などに対する耐性の観点から、同一であることが好ましい。

セル１４の形状としては、特に限定されず、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面において、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、又はその他の多角形などとすることができる。また、セル１４は、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面において、放射状に設けられていることが好ましい。このような構成とすることにより、セル１４を流通する第１流体の熱を中空型の柱状ハニカム構造体１０の外部に効率良く伝達することができる。

隔壁１５の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．１～１．０ｍｍ、より好ましくは０．２～０．６ｍｍである。隔壁１５の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、中空型の柱状ハニカム構造体１０の機械的強度を十分なものとすることができる。また、隔壁１５の厚さを１．０ｍｍ以下とすることにより、開口面積の低下によって圧力損失が大きくなったり、第１流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などの問題を抑制することができる。

内周壁１１及び外周壁１２の厚みは、特に限定されないが、隔壁１５の厚みよりも大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、外部からの衝撃、第１流体と第２流体との間の温度差による熱応力などによって破壊（例えば、ひび、割れなど）が起こり易い内周壁１１及び外周壁１２の強度を高めることができる。
なお、内周壁１１及び外周壁１２の厚みは、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよい。例えば、内周壁１１及び外周壁１２の厚みは、熱交換器１００を一般的な熱交換用途に用いる場合は、好ましくは０．３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ～５ｍｍ、更に好ましくは１ｍｍ～３ｍｍである。また、熱交換器１００を蓄熱用途に用いる場合は、外周壁１２の厚みを１０ｍｍ以上として外周壁１２の熱容量を増大させてもよい

隔壁１５、内周壁１１及び外周壁１２は、セラミックスを主成分とする。「セラミックスを主成分とする」とは、全成分の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。

隔壁１５、内周壁１１及び外周壁１２の気孔率は、特に限定されないが、好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下、更に好ましくは３％以下である。また、隔壁１５、内周壁１１及び外周壁１２の気孔率は０％であってもよい。隔壁１５、内周壁１１及び外周壁１２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。

隔壁１５、内周壁１１及び外周壁１２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。このような材料としては、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、及びＳｉＣなどが挙げられる。これらの中でも、安価に製造でき、高熱伝導であることからＳｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣを用いることが好ましい。

第１流体の流路方向に垂直な中空型の柱状ハニカム構造体１０の断面におけるセル密度（すなわち、単位面積当たりのセル１４の数）は、特に限定されないが、好ましくは４～３２０セル／ｃｍ²である。セル密度を４セル／ｃｍ²以上とすることにより、隔壁１５の強度、ひいては中空型の柱状ハニカム構造体１０自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分に確保することができる。また、セル密度を３２０セル／ｃｍ²以下とすることにより、第１流体が流れる際の圧力損失の増大を抑制することができる。

中空型の柱状ハニカム構造体１０のアイソスタティック強度は、特に限定されないが、好ましくは１００ＭＰａ以上、より好ましくは１５０ＭＰａ以上、更に好ましくは２００ＭＰａ以上である。中空型の柱状ハニカム構造体１０のアイソスタティック強度を１００ＭＰａ以上とすることにより、中空型の柱状ハニカム構造体１０の耐久性を向上させることができる。中空型の柱状ハニカム構造体１０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。

第１流体の流路方向に垂直な方向の断面における外周壁１２の直径（外径）は、特に限定されないが、好ましくは２０～２００ｍｍ、より好ましくは３０～１００ｍｍである。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。外周壁１２が円形でない場合には、外周壁１２の断面形状に内接する最大内接円の直径を、外周壁１２の直径とする。
また、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面における内周壁１１の直径は、特に限定されないが、好ましくは１～５０ｍｍ、より好ましくは２～３０ｍｍである。内周壁１１の断面形状が円形でない場合には、内周壁１１の断面形状に内接する最大内接円の直径を、内周壁１１の直径とする。

中空型の柱状ハニカム構造体１０の熱伝導率は、特に限定されないが、２５℃において、好ましくは５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、より好ましくは１００～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、更に好ましくは１２０～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。中空型の柱状ハニカム構造体１０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、中空型の柱状ハニカム構造体１０内の熱を外部に効率良く伝達させることができる。なお、熱伝導率の値は、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳＲ１６１１－１９９７）により測定した値を意味する。

中空型の柱状ハニカム構造体１０のセル１４に、第１流体として排ガスを流す場合、中空型の柱状ハニカム構造体１０の隔壁１５に触媒を担持させてもよい。隔壁１５に触媒を担持させると、排ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、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るとともに、触媒反応の際に生じる反応熱を熱交換に用いることも可能になる。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、又はそれ以外の金属化合物として含有されていてもよい。

触媒（触媒金属＋担持体）の担持量としては、特に限定されないが、好ましくは１０～４００ｇ／Ｌである。また、貴金属を含む触媒を用いる場合、その担持量は、特に限定されないが、好ましくは０．１～５ｇ／Ｌである。触媒（触媒金属＋担持体）の担持量を１０ｇ／Ｌ以上とすることにより、触媒作用が発現し易くなる。また、触媒（触媒金属＋担持体）の担持量４００ｇ／Ｌ以下とすることにより、圧力損失とともに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を用いることができる。

＜第１筒状部材２０＞
第１筒状部材２０は、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２面に嵌合される。
第１筒状部材２０は、上流側端部２１ａ及び下流側端部２１ｂを有する筒状部材である。
第１筒状部材２０の軸方向は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向と一致し、第１筒状部材２０の中心軸は柱状ハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。また、第１筒状部材２０の軸方向の中央位置は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向の中央位置と一致することが好ましい。さらに、第１筒状部材２０の径（外径及び内径）は、軸方向にわたって一様であってよいが、少なくとも一部（例えば、軸方向両端部など）が縮径又は拡径していてもよい。
第１筒状部材２０としては、特に限定されず、例えば、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２面に嵌合して柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２を周回被覆する筒状部材を用いることができる。

ここで、本明細書において、「嵌合」とは、柱状ハニカム構造体１０と第１筒状部材２０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。したがって、柱状ハニカム構造体１０と第１筒状部材２０との嵌合においては、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌めなどの嵌め合いによる固定方法の他、ろう付け、溶接、拡散接合などにより、柱状ハニカム構造体１０と第１筒状部材２０とが相互に固定されている場合なども含まれる。

第１筒状部材２０は、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２面に対応した内周面形状を有することが好ましい。第１筒状部材２０の内周面が柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２に直接接触することで、熱伝導性が良好となり、柱状ハニカム構造体１０内の熱を第１筒状部材２０に効率良く伝達することができる。

熱回収効率を高めるという観点からは、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２の全面積に対する、第１筒状部材２０によって周回被覆される柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２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、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上、更に好ましくは１００％（すなわち、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２の全部が第１筒状部材２０によって周回被覆される。）である。
なお、ここでいう「外周壁１２」とは、柱状ハニカム構造体１０の第１流体の流路方向に平行な面を指し、柱状ハニカム構造体１０の第１流体の流路方向と垂直な面（流入端面１３ａ及び流出端面１３ｂ）を示すものではない。

第１筒状部材２０の材料は、特に限定されないが、製造性の観点から金属であることが好ましい。また、第１筒状部材２０が金属製であると、後述する外筒部材７０などとの溶接が容易に行える点でも優れている。第１筒状部材２０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、真鍮などを用いることができる。その中でも、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。

第１筒状部材２０の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．３ｍｍ以上、更に好ましくは０．５ｍｍ以上である。第１筒状部材２０の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、耐久信頼性を確保することができる。また、第１筒状部材２０の厚みは、好ましくは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。第１筒状部材２０の厚みを１０ｍｍ以下とすることにより、熱抵抗を低減して熱伝導性を高めることができる。

＜第２筒状部材３０＞
第２筒状部材３０は、柱状ハニカム構造体１０の内周壁１１面に嵌合される。
第２筒状部材３０は、上流側端部３１ａ及び下流側端部３１ｂを有する筒状部材である。
第２筒状部材３０の軸方向は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向と一致し、第２筒状部材３０の中心軸は柱状ハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。また、第２筒状部材３０の軸方向の中央位置は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向の中央位置と一致することが好ましい。

第２筒状部材３０としては、特に限定されず、外周面の一部が柱状ハニカム構造体１０の内周壁１１面と接する筒状部材を用いることができる。
ここで、第２筒状部材３０の外周面の一部と柱状ハニカム構造体１０の内周壁１１面とは直接的に接していてもよく、他の部材を介して間接的に接していてもよい。

第２筒状部材３０の外周面の一部と柱状ハニカム構造体１０の内周壁１１面とは、相互に嵌まり合った状態で固定されている。固定方法としては、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の固定方法について述べた内容と同様である。
第２筒状部材３０の材料は、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の材料について述べた内容と同様である。
第２筒状部材３０の厚みは、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の厚みについて述べた内容と同様である。

＜ガイド部材４０＞
ガイド部材４０は、第２筒状部材３０の径方向内側に第１流体の流路を構成するように間隔をもって配置される部分を有する。
ガイド部材４０は、上流側端部４１ａ及び下流側端部４１ｂを有する筒状部材である。
ガイド部材４０の軸方向は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向と一致し、ガイド部材４０の中心軸は柱状ハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。

ガイド部材４０としては、例えば、ガイド部材４０及び第２筒状部材３０の軸方向に垂直な断面において、第２筒状部材３０の内径よりも小さい外径を有する筒状部材を用いることができる。このような構成とすることにより、第２筒状部材３０とガイド部材４０とが接触せず、第２筒状部材３０とガイド部材４０との間に形成される第１流体の流路を確保することができる。
ガイド部材４０及び第２筒状部材３０の軸方向に垂直な方向（第１流体の流路の軸方向に垂直な方向）における第２筒状部材３０とガイド部材４０と間の断面積は、特に限定されないが、下記で説明する上流側筒状部材５０の軸方向に垂直な方向の上流側端部５１ａにおける断面積に対する、第２筒状部材３０とガイド部材４０との間の断面積の比が、好ましくは０．１～３、より好ましくは０．５～２である。このような範囲に断面積の比を制御することにより、熱回収時に圧力損失が増大することを抑制することができる。

ガイド部材４０は、下流側に向かって傾斜する傾斜部４２を有する。この傾斜部４２は、ガイド部材４０の径（外径及び内径）が、下流側に向かって拡径する部分に相当する。

ガイド部材４０の内周面側を流通する第１流体を第２筒状部材３０の内周面側とガイド部材４０の外周面側との間に導くための連通口４３は、ガイド部材４０の傾斜部４２先端と第２筒状部材３０との間に設ければよい。このような連通口４３は、ガイド部材４０の傾斜部４２の先端の外径を第２筒状部材３０の内径よりも小さくすることによって設けることができる。
上記のような連通口４３を有する場合、ガイド部材４０及び第２筒状部材３０の軸方向において、ガイド部材４０の下流側端部４１ｂは、第２筒状部材３０の下流側端部３１ｂよりも上流側端部３１ａ側に位置する。

或いは、当該連通口４３は、図３及び４に示されるように、ガイド部材４０の傾斜部４２に設けてもよい。ここで、図３は、本発明の実施形態に係る別の熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。また、図４は、図３の熱交換器におけるｂ－ｂ’線の断面図である。
上記のような連通口４３は、ガイド部材４０の傾斜部４２にガイド部材４０の径方向に貫通する貫通孔４４を形成することによって設けることができる。貫通孔４４は、ガイド部材４０の周方向全体に設けられていることが好ましい。また、貫通孔４４は、ガイド部材４０の軸方向に複数設けられていてもよい。
上記のような連通口４３を有する場合、ガイド部材４０及び第２筒状部材３０の軸方向において、ガイド部材４０の下流側端部４１ｂは、第２筒状部材３０の下流側端部３１ｂよりも上流側端部３１ａ側に位置していても、下流側端部３１ｂよりも下流側に延在していてもよい。また、第２筒状部材３０の下流側端部３１ｂがガイド部材４０と接続されていてもよい。

上記のような位置に連通口４３を設けることにより、連通口４３の周辺で第１流体の流れの剥離が生じることを抑制することができるため、連通口４３の周辺の圧力と、開閉バルブ８０を通過した後の領域との圧力差が小さくなる。そのため、熱回収抑制時に、開閉バルブ８０を通過した第１流体が下流側から柱状ハニカム構造体１０に逆流することを抑制し、熱遮断性能を向上させることが可能となる。

また、連通口４３は、第２筒状部材３０の軸方向において、上流側端部３１ａよりも下流側端部３１ｂ側に位置している。このような位置に連通口４３を設けることにより、柱状ハニカム構造体１０に向かう第１流体の流路方向が、ガイド部材４０の内周面側を第１流体が流れる方向とは逆になる。そのため、熱回収抑制時に、第２筒状部材３０とガイド部材４０との間に第１流体が流入し難くなり、熱遮断性能を向上させることが可能となる。

連通口４３は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向において、柱状ハニカム構造体１０の流出端面１３ｂを越えて延在していてもよい。このような位置に連通口４３を設けることにより、ガイド部材４０の内周面側を第１流体が流れる方向とは逆の第１流体の流通経路が長くなる。そのため、熱回収抑制時に、第２筒状部材３０とガイド部材４０との間に第１流体がより一層流入し難くなり、熱遮断性能を向上させることが可能となる。

ガイド部材４０の固定方法としては、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の固定方法について述べた内容と同様である。
ガイド部材４０の材料は、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の材料について述べた内容と同様である。
ガイド部材４０の厚みは、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の厚みについて述べた内容と同様である。

＜上流側筒状部材５０＞
上流側筒状部材５０は、第１筒状部材２０の上流側端部２１ａとガイド部材４０の上流側端部４１ａとの間を接続する筒状部材である。
上流側筒状部材５０の軸方向は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向と一致し、上流側筒状部材５０の中心軸は柱状ハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。
上流側筒状部材５０は、フランジ部５２を有することが好ましい。フランジ部５２を有していれば、第１筒状部材２０の上流側端部２１ａとガイド部材４０の上流側端部４１ａとの間を接続することが容易になる。

上流側筒状部材５０の材料は、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の材料について述べた内容と同様である。
上流側筒状部材５０の厚みは、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の厚みについて述べた内容と同様である。

＜下流側筒状部材６０＞
下流側筒状部材６０は、第１筒状部材２０の下流側端部２１ｂに接続される。接続は、直接的又は間接的のいずれであってもよい。間接的な接続の場合、例えば、下流側筒状部材６０と第１筒状部材２０の下流側端部２１ｂとの間に、後述する外筒部材７０の下流側端部７１ｂなどが配置されていてもよい。

下流側筒状部材６０は、上流側端部６１ａ及び下流側端部６１ｂを有する筒状部材である。
下流側筒状部材６０の軸方向は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向と一致し、下流側筒状部材６０の中心軸は柱状ハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。
下流側筒状部材６０の径（外径及び内径）は、軸方向にわたって一様であってよいが、少なくとも一部が縮径又は拡径していてもよい。

下流側筒状部材６０の材料は、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の材料について述べた内容と同様である。
下流側筒状部材６０の厚みは、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の厚みについて述べた内容と同様である。

＜外筒部材７０＞
外筒部材７０は、第１筒状部材２０の径方向外側に、第２流体の流路を構成するように間隔をもって配置される。
外筒部材７０は、上流側端部７１ａ及び下流側端部７１ｂを有する筒状部材である。
外筒部材７０の軸方向は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向と一致し、外筒部材７０の中心軸は柱状ハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。

外筒部材７０は、第２流体を外筒部材７０と第１筒状部材２０との間の領域に供給するための供給管７２、及び第２流体を外筒部材７０と第１筒状部材２０との間の領域から排出するための排出管７３に接続されていることが好ましい。供給管７２及び排出管７３は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向両端部に対応する位置に設けられていることが好ましい。
また、供給管７２及び排出管７３は、同じ方向に向けて延出されていても、異なる方向に向けて延出されていてもよい。

外筒部材７０は、上流側端部７１ａ及び下流側端部７１ｂの内周面が第１筒状部材２０の外周面と直接的又は間接的に接するように配置されていることが好ましい。
外筒部材７０の上流側端部７１ａ及び下流側端部７１ｂの内周面を第１筒状部材２０の外周面に固定する方法としては、特に限定されないが、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌めなどの嵌め合いによる固定方法の他、ろう付け、溶接、拡散接合などを用いることができる。

外筒部材７０の径（外径及び内径）は、軸方向にわたって一様であってよいが、少なくとも一部（例えば、軸方向中央部、軸方向両端部など）が縮径又は拡径していてもよい。例えば、外筒部材７０の軸方向中央部を縮径させることにより、供給管７２及び排出管７３側の外筒部材７０内で第２流体を第１筒状部材２０の外周方向全体に行き渡らせることができる。そのため、軸方向中央部で熱交換に寄与しない第２流体が低減するため、熱交換効率を向上させることができる。

外筒部材７０の材料は、特に限定されず、上記第１筒状部材２０について述べた内容と同様である。

外筒部材７０の厚みは、特に限定されず、上記第１筒状部材２０の厚みについて述べた内容と同様である。

＜開閉バルブ８０＞
開閉バルブ８０は、第２筒状部材３０の下流側端部３１ｂ又はガイド部材４０の下流側端部４１ｂに配置される。
開閉バルブ８０は、熱交換時（熱回収時）に第２筒状部材３０及び／又はガイド部材４０の内側における第１流体の流れを調整可能に構成される。また、開閉バルブ８０は、非熱交換時（熱回収抑制時）に第２筒状部材３０又はガイド部材４０の内周面側における第１流体の流れを開放可能に構成される。すなわち、開閉バルブ８０は、熱回収時に閉状態とすることにより、柱状ハニカム構造体１０に第１流体を流通させることができ、熱回収抑制時に開状態とすることにより、柱状ハニカム構造体１０への流れを抑制し、第２筒状部材３０又はガイド部材４０を介して下流側筒状部材６０に第１流体を流通させることができる。

開閉バルブ８０の形状及び構造は、特に限定されず、開閉バルブ８０が設けられる第２筒状部材３０又はガイド部材４０の形状などに応じて適切なものを選択すればよい。

＜連通口４３の形成領域におけるガイド部材４０の軸方向に垂直な方向の断面積と、下流側筒状部材６０の下流側端部６１ｂの軸方向に垂直な方向の断面積との関係＞
連通口４３の形成領域におけるガイド部材４０の軸方向に垂直方向（図１及び３に示されるＡの位置）の断面積と、下流側筒状部材６０の下流側端部６１ｂの軸方向に垂直な方向（図１及び図３に示されるＢの位置）の断面積とは略同一であることが好ましい。このような構成とすることにより、連通口４３の形成領域における圧力と、下流側筒状部材６０の下流側端部６１ｂにおける圧力とが略同一になる。そのため、熱回収抑制時に、開閉バルブ８０を通過した第１流体が下流側から柱状ハニカム構造体１０に逆流することを抑制し、熱遮断性能を向上させることができる。

ここで、本明細書において「連通口４３の形成領域」とは、連通口４３が形成されている領域を意味する。例えば、連通口４３が、ガイド部材４０の傾斜部４２先端と第２筒状部材３０との間に設けられている場合には、ガイド部材４０の傾斜部４２先端と第２筒状部材３０との間の領域のことを意味する。また、連通口４３がガイド部材４０の傾斜部４２に設けられている場合は、連通口４３（貫通孔４４）が形成された傾斜部４２の領域のことを意味する。
また、本明細書において「連通口４３の形成領域」におけるガイド部材４０の軸方向に垂直方向の断面積とは、連通口４３が、ガイド部材４０の傾斜部４２先端と第２筒状部材３０との間に設けられている場合には、ガイド部材４０の傾斜部４２先端の軸方向に垂直な方向の断面積を意味する。また、連通口４３がガイド部材４０の傾斜部４２に設けられている場合は、連通口４３（貫通孔４４）が形成された傾斜部４２の領域の中央部の軸方向に垂直な方向の断面積を意味する。

連通口４３の形成領域におけるガイド部材４０の軸方向に垂直な方向の断面積と、下流側筒状部材６０の下流側端部６１ｂの軸方向に垂直な方向の断面積との関係（割合Ｒ_A）は、下記式（１）で表すことができる。
Ｒ_A＝｜Ａ₁－Ａ₂｜／Ａ₂×１００・・・（１）
式（１）中、Ａ₁は下流側筒状部材６０の下流側端部６１ｂの軸方向に垂直な方向の断面積であり、Ａ₂は連通口４３の形成領域におけるガイド部材４０の軸方向に垂直方向の断面積である。
式（１）で表されるＲ_Aは、好ましくは７５％以下、より好ましくは５０％以下である。このような範囲にＲ_Aを制御することにより、熱回収抑制時に、開閉バルブ８０を通過した第１流体が下流側から柱状ハニカム構造体１０に逆流することを抑制し、熱遮断性能を向上させることができる。

＜連通口４３の大きさと、柱状ハニカム構造体１０の流出端面１３ｂよりも下流側の第１流体の流路の大きさとの関係＞
第１筒状部材２０と第２筒状部材３０との間の流路端部の軸方向に垂直な方向（図１及び図３に示されるＣの位置）の断面積と、連通口４３（図１及び図３に示されるＤの位置）の開口面積とは略同一であることが好ましい。このような構成とすることにより、連通口４３の開口部における圧力と、第１筒状部材２０と第２筒状部材３０との間の流路端部における圧力とが略同一になる。そのため、熱回収抑制時に、開閉バルブ８０を通過した第１流体が下流側から柱状ハニカム構造体１０に逆流することを抑制し、熱遮断性能を向上させることができる。

ここで、本明細書において「連通口４３の開口面積」とは、連通口４３が、ガイド部材４０の傾斜部４２先端と第２筒状部材３０との間に設けられている場合には、ガイド部材４０の傾斜部４２先端（外周面の先端）と第２筒状部材３０との間に形成される部分の軸方向に垂直な方向の断面積を意味する。また、連通口４３がガイド部材４０の傾斜部４２に設けられている場合は、傾斜部４２の外周面における連通口４３（貫通孔４４）の開口面積のことを意味する。

また、連通口４３の大きさと、柱状ハニカム構造体１０の流出端面１３ｂよりも下流側の第１流体の流路の大きさとの関係（割合Ｒ_B）は、下記式（２）で表すことができる。
Ｒ_B＝｜Ａ₃－Ａ₄｜／Ａ₄×１００・・・（２）
式（２）中、Ａ₃は、第１筒状部材２０と第２筒状部材３０との間の流路端部の軸方向に垂直な方向の断面積又はπ×Ｅ×Ｆによって算出される値のうちの小さい値であり；Ａ₄は連通口４３の開口面積であり；連通口４３がガイド部材４０の傾斜部４２先端と第２筒状部材３０との間に設けられている場合には、Ｅは、第２筒状部材３０の下流側端部３１ｂと下流側筒状部材６０との間の軸方向に平行な方向の距離であり、Ｆは、第２筒状部材３０の下流側端部３１ｂにおける内径であり（図１参照）；連通口４３がガイド部材４０の傾斜部４２に設けられている場合には、Ｅは、ガイド部材４０の下流側端部４１ｂと下流側筒状部材６０との間の軸方向に平行な方向の距離であり、Ｆは、ガイド部材４０の下流側端部４１ｂにおける内径である（図３参照）。
式（２）で表されるＲ_Bは、好ましくは７００％以下、より好ましくは１００％以下である。このような範囲にＲ_Bを制御することにより、熱回収抑制時に、開閉バルブ８０を通過した第１流体が下流側から柱状ハニカム構造体１０に逆流することを抑制し、熱遮断性能を向上させることができる。

＜第１流体及び第２流体＞
熱交換器１００に用いられる第１流体及び第２流体としては、特に限定されず、種々の液体及び気体を利用することができる。例えば、熱交換器１００が自動車に搭載される場合、第１流体として排ガスを用いることができ、第２流体として水又は不凍液（ＪＩＳＫ２２３４：２００６で規定されるＬＬＣ）を用いることができる。また、第１流体は、第２流体よりも高温の流体とすることができる。

＜熱交換器１００の製造方法＞
熱交換器１００は、当該技術分野において公知の方法に準じて製造することができる。例えば、熱交換器１００は、以下に説明する方法に従って製造することができる。
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。このとき、適切な形態の口金及び治具を選択することにより、セル１４の形状及び密度、隔壁１５、内周壁１１及び外周壁１２の形状及び厚さなどを制御することができる。また、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、水及び／又は有機溶媒とを加え、得られた混合物を混練して坏土とし、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１５により区画形成されたセル１４を有する中空型の柱状ハニカム構造体１０を得ることができる。

次に、中空型の柱状ハニカム構造体１０を第１筒状部材２０内に挿入し、中空型の柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２面に第１筒状部材２０を嵌合させる。次に、中空型の柱状ハニカム構造体１０の中空領域に第２筒状部材３０を挿入し、中空型の柱状ハニカム構造体１０の内周壁１１面に第２筒状部材３０を嵌合させる。次に、第１筒状部材２０の径方向外側に外筒部材７０を配置して固定する。なお、供給管７２及び排出管７３は、外筒部材７０に予め固定しておいてもよいが、適切な段階で外筒部材７０に固定してもよい。次に、第２筒状部材３０の径方向内側にガイド部材４０を配置し、上流側筒状部材５０によって第１筒状部材２０の上流側端部２１ａとガイド部材４０の上流側端部２１ａとの間を接続する。次に、第２筒状部材３０の下流側端部３１ｂ又はガイド部材４０の下流側端部４１ｂに開閉バルブ８０を取り付ける。次に、第１筒状部材２０の下流側端部２１ｂに下流側筒状部材６０を配置する。
また、各部材の配置及び固定（嵌合）の順番は上記に限定されず、製造可能な範囲で適宜変更してもよい。また、固定（嵌合）方法は、上述した方法を用いればよい。

本発明の実施形態１に係る熱交換器１００は、熱回収抑制時に、連通口４３の周辺で第１流体の流れの剥離が生じることを抑制することができるため、連通口４３の周辺の圧力と、開閉バルブ８０を通過した後の領域との圧力差が小さくなる。そのため、第１流体の逆流を抑制して熱遮断性能を向上させることができる。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

＜中空型の柱状ハニカム構造体の作製＞
ＳｉＣ粉末を含む坏土を所望の形状に押出成形した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工し、Ｓｉ含浸焼成することによって、中空型の柱状ハニカム構造体を製造した。中空型の柱状ハニカム構造体は、外径を７５ｍｍ、中空領域の径を５７ｍｍ、第１流体の流路方向の長さを３３ｍｍ、隔壁の厚さを０．３ｍｍ、内周壁の厚さを１．５ｍｍ、外周壁の厚さを１．５ｍｍに設定した。また、中空型の柱状ハニカム構造体は、隔壁、内周壁及び外周壁の気孔率を１％、セル密度を３００セル／ｃｍ²、アイソスタティック強度を１５０ＭＰａ、２５℃における熱伝導率を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）に設定した。

＜熱交換器の作製＞
（実施例１）
上記で作製した中空型の柱状ハニカム構造体を用い、図１及び２に示される構造を有する熱交換器１００を上述の方法によって作製した。熱交換器１００の各部材は、ステンレス製とし、それらの厚さは１～１．５ｍｍとした。また、上流側筒状部材５０の軸方向に垂直な方向の上流側端部５１ａにおける断面積に対する、第２筒状部材３０とガイド部材４０との間の断面積の比を０．３とした。なお、この熱交換器１００ではＲ_Aを５０％、Ｒ_Bを４０％に設定した。
（比較例１）
上記で作製した中空型の柱状ハニカム構造体を用い、図５に示される構造を有する熱交換器３００（下流側に向かって傾斜する傾斜部４２を有していないガイド部材４０を用いたこと以外は、実施例１の熱交換器１００と同じ構造）を上述の方法に準じて作製した。なお、この熱交換器ではＲ_Aを５５％、Ｒ_Bを１６０％に設定した。

上記の実施例及び比較例で得られた熱交換器１００，３００について、熱回収抑制時の回収熱量及び逆流ガス流量をシミュレーションによって評価した。回収熱量及び逆流ガス流量は、次のようにして評価を行った。

（回収熱量）
上記の実施例及び比較例で得られた熱交換器１００，３００に対し、開閉バルブ８０を開にした状態で８００℃（Ｔｇ１）の空気（第１流体）を９０ｇ／ｓｅｃ（Ｍｇ）の流量で供給するとともに、供給管７２から水（第２流体）を１６６ｇ／ｓｅｃ（Ｍｗ）の流量で供給し、排出管７３から水を回収した。上記の各条件にて、熱交換器１００，３００に対して空気及び水の供給を開始し、定常状態に達した後に、供給管７２における水の温度（Ｔｗ１）及び排出管７３における水の温度（Ｔｗ２）を測定し、水によって回収される熱量Ｑを求めた。この回収熱量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）である。

（逆流ガス流量）
第１筒状部材２０の下流側端部２１ｂにおける第１筒状部材２０と第２筒状部材３０との間の位置でガス（第１流体）の流速及び密度を求め、これらの積を積分することによって、逆流ガス流量を求めた。
上記の評価結果を表１に示す。

表１に示されるように、実施例１の熱交換器１００は、比較例１の熱交換器３００に比べて、回収熱量及び逆流ガス流量が少なかった。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、熱回収抑制時に第１流体の逆流を抑制して熱遮断性能を向上させることが可能な熱交換器を提供することができる。

１０柱状ハニカム構造体
１１内周壁
１２外周壁
１３ａ流入端面
１３ｂ流出端面
１４セル
１５隔壁
２０第１筒状部材
２１ａ上流側端部
２１ｂ下流側端部
３０第２筒状部材
３１ａ上流側端部
３１ｂ下流側端部
４０ガイド部材
４１ａ上流側端部
４１ｂ下流側端部
４２傾斜部
４３連通口
４４貫通孔
５０上流側筒状部材
５１上流側端部
５２フランジ部
６０下流側筒状部材
６１ａ上流側端部
６１ｂ下流側端部
７０外筒部材
７１ａ上流側端部
７１ｂ下流側端部
７２供給管
７３排出管
８０開閉バルブ
１００，２００，３００熱交換器

Claims

内周壁、外周壁、及び前記内周壁と前記外周壁との間に配設され、流入端面から流出端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を有する中空型の柱状ハニカム構造体と、
前記柱状ハニカム構造体の外周壁面に嵌合される第１筒状部材と、
前記柱状ハニカム構造体の内周壁面に嵌合される第２筒状部材と、
前記第２筒状部材の径方向内側に前記第１流体の流路を構成するように間隔をもって配置される部分を有する筒状のガイド部材と、
前記第１筒状部材の上流側端部と前記ガイド部材の上流側端部との間を接続する上流側筒状部材と、
前記第１筒状部材の下流側端部に接続される下流側筒状部材と
を備え、
前記ガイド部材は、下流側に向かって拡径するように傾斜する傾斜部を有し、
前記ガイド部材の内周面側を流通する前記第１流体を前記第２筒状部材の内周面側と前記ガイド部材の外周面側との間に導くための連通口が、前記ガイド部材の傾斜部先端と前記第２筒状部材との間、又は前記ガイド部材の前記傾斜部に設けられている熱交換器。
前記連通口の形成領域における前記ガイド部材の軸方向に垂直方向の断面積と、前記下流側筒状部材の下流側端部の軸方向に垂直な方向の断面積とが略同一である、請求項１に記載の熱交換器。
下記式（１）：
Ｒ_A＝｜Ａ₁－Ａ₂｜／Ａ₂×１００・・・（１）
で表される割合Ｒ_A（式中、Ａ₁は前記下流側筒状部材の下流側端部の軸方向に垂直な方向の断面積であり、Ａ₂は前記連通口の形成領域における前記ガイド部材の軸方向に垂直な方向の断面積である）が７５％以下である、請求項１又は２に記載の熱交換器。
下記式（２）：
Ｒ_B＝｜Ａ₃－Ａ₄｜／Ａ₄×１００・・・（２）
で表される割合Ｒ_B（式中、Ａ₃は前記第１筒状部材と前記第２筒状部材との間の流路端部の軸方向に垂直な方向の断面積又はπ×Ｅ×Ｆによって算出される値のうちの小さい値であり；Ａ₄は前記連通口の開口面積であり；前記連通口が前記ガイド部材の前記傾斜部先端と前記第２筒状部材との間に設けられている場合には、Ｅは、前記第２筒状部材の前記下流側端部と前記下流側筒状部材との間の軸方向に平行な方向の距離であり、Ｆは、前記第２筒状部材の前記下流側端部における内径であり；前記連通口がガイド部材の前記傾斜部に設けられている場合には、Ｅは、前記ガイド部材の前記下流側端部と前記下流側筒状部材との間の軸方向に平行な方向の距離であり、Ｆは、前記ガイド部材の前記下流側端部における内径である）が７００％以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記第１筒状部材の径方向外側に、第２流体の流路を構成するように間隔をもって配置される外筒部材を更に備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記第２筒状部材又は前記ガイド部材の下流側端部に配置される開閉バルブを更に備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記開閉バルブは、熱交換時に前記第２筒状部材及び／又は前記ガイド部材の内側における前記第１流体の流れを調整可能に構成されている、請求項６に記載の熱交換器。