JP7146085B2 - 熱交換器の流路構造、及び熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器の流路構造、及び熱交換器に関する。

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：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｌｕｉｄ）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。

上記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。例えば、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を含む集熱部と、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（外筒）とを備える熱交換器が提案されている。また、特許文献２には、柱状ハニカム構造体の外周壁を被覆する被覆部材（内筒）と、被覆部材との間に第２流体の流路を形成するフレーム（外筒）とを備える熱交換器が提案されている。

特開２０１２－０３７１６５号公報 国際公開第２０１９／１８５９６３号

特許文献１及び２に記載の熱交換器は、第２流体を内部に供給するための供給管及び流体を外部に排出するための排出管が外筒に直接接合されているため、供給管及び排出管の接合部周辺において第２流体が淀んで沸騰してしまい、以下の（１）～（３）などの問題が生じることがある。
（１）熱交換器が局所的に高温となって熱交換器自体に不具合が生じる。
（２）熱が過剰に回収される。
（３）発生した気泡（蒸気）が他部品の特性を低下させる。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、第１内筒と外筒との間を流れる第２流体の供給管及び排出管の接合部周辺における淀みを抑制可能な熱交換器の流路構造、及びその流路構造を備えた熱交換器を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記のような問題を解決すべく鋭意研究を行った結果、供給管及び排出管の少なくとも一方が接合される外筒の接合部に第２流体の流れを調整する流れ調整部を設けることにより、供給管及び排出管の周辺における第２流体の流れを改善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、第１流体が流通可能であり、熱回収部材を収容可能な第１内筒と、
前記第１内筒との間を第２流体が流通可能となるように、前記第１内筒の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒と、
前記外筒に接合される前記第２流体の供給管及び排出管と
を備え、
前記外筒は、前記供給管及び前記排出管の少なくとも一方の接合部に、前記第２流体の流れを調整する流れ調整部を有し、
前記流れ調整部は、少なくとも１つの平面領域を有し、前記平面領域に前記接合部が設けられる、熱交換器の流路構造である。

また、本発明は、前記熱交換器の流路構造と、前記第１内筒内に収容される熱回収部材と
を備える熱交換器である。

本発明によれば、第１内筒と外筒との間を流れる第２流体の供給管及び排出管の接合部周辺における淀みを抑制可能な熱交換器の流路構造、及び熱交換器を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る熱交換器の流路構造の斜視図である。 図１の熱交換器の流路構造及び熱回収部材を備える熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。 本発明の実施形態１に係る別の構造を有する熱交換器の流路構造の斜視図である。 本発明の実施形態１に係る別の構造を有する熱交換器の流路構造の斜視図である。 本発明の実施形態１に係る別の構造を有する熱交換器の流路構造の斜視図である。 本発明の実施形態１に係る別の構造を有する熱交換器の流路構造の斜視図である。 本発明の実施形態１に係る別の構造を有する熱交換器の流路構造の斜視図である。 本発明の実施形態１に係る別の構造を有する熱交換器の流路構造の斜視図である。 金属Ｓｉの含浸焼成方法を説明するための図である。 本発明の実施形態２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。

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。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る熱交換器の流路構造の斜視図である。また、図２は、図１の熱交換器の流路構造及び熱回収部材を備える熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図（図１のＡ－Ａ’線の断面図）である。さらに、図３～８は、本発明の実施形態１に係る別の構造を有する熱交換器の流路構造の斜視図である。

本発明の実施形態１に係る熱交換器の流路構造は、第１流体が流通可能であり、熱回収部材４０を収容可能な第１内筒１０と、第１内筒１０との間を第２流体が流通可能となるように、第１内筒１０の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒２０と、外筒２０に接合される第２流体の供給管２１及び排出管２２とを備える。また、外筒２０は、供給管２１及び排出管２２の少なくとも一方の接合部に、第２流体の流れを調整する流れ調整部３０を有する。なお、図２では、第１内筒１０と外筒２０との間が上流側接続部材５０及び下流側接続部材６０によって接続されているが、第１内筒１０の上流側と下流側とを拡径すること及び／又は外筒２０の上流側と下流側とを縮径することによって、第１内筒１０と外筒２０とを直接接続してもよい。

また、本発明の実施形態１に係る熱交換器は、上記の熱交換器の流路構造と、第１内筒１０内に収容される熱回収部材４０とを備える。
なお、図１～８では、供給管２１及び排出管２２の両方の接合部に流れ調整部３０が設けられている例を示しているが、供給管２１又は排出管２２の一方の接合部に流れ調整部３０が設けられていてもよい。

従来の熱交換器の流路構造は、供給管２１及び排出管２２が外筒２０に直接接合されているため、供給管２１及び排出管２２の接合部周辺において第２流体が淀んで沸騰してしまい、以下の（１）～（３）などの問題が生じることがある。
（１）熱交換器が局所的に高温となって熱交換器自体に不具合が生じる。
（２）熱が過剰に回収される。
（３）発生した気泡（蒸気）が他部品の特性を低下させる。
そこで、本発明の実施形態１に係る熱交換器の流路構造は、供給管２１及び／又は排出管２２の接合部に流れ調整部３０を設けることにより、供給管２１及び／又は排出管２２の接合部周辺における第２流体の淀みを抑制することを可能にしている。

流れ調整部３０の構造は、第２流体の流れを調整することが可能な構造であれば特に限定されないが、図１及び３～８に示されるように、外筒２０の外周方向の一部に設けられ、外筒２０の径方向外側に拡張した構造を有することが好ましい。このような構造とすることにより、供給管２１及び排出管２２の接合部周辺における第２流体の淀みを安定して抑制することができる。

流れ調整部３０は、少なくとも１つの平面領域３１を有し、平面領域３１に供給管２１及び／又は排出管２２の接合部を設けることが好ましい（図１及び３～８）。このような構成とすることにより、流れ調整部３０に供給管２１及び／又は排出管２２を接合し易くすることができる。

平面領域３１は、外筒２０の外周面の接平面と平行な第１平面領域３１ａ及び／又は外筒２０の軸方向に垂直な第２平面領域３１ｂを含むことが好ましい（図１及び３～８）。このような構成とすることにより、外筒２０の軸方向に対して垂直な方向及び／又は平行な方向に供給管２１及び／又は排出管２２を接合することができる。

外筒２０は、供給管２１及び排出管２２の両方の接合部に流れ調整部３０を有することが好ましい（図１及び３～８）。このような構成とすることにより、供給管２１及び排出管２２の両方の接合部周辺における第２流体の淀みが抑制されるため、供給管２１又は排出管２２の一方の接合部に流れ調整部３０を有する場合に比べて熱交換性能を向上させることができる。

供給管２１及び排出管２２の両方の接合部は、外筒２０の外周面の接平面と平行な流れ調整部３０の第１平面領域３１ａに設けることができる（図１及び３～６）。このような構成とすることにより、供給管２１及び排出管２２の接続先が外筒２０の軸方向に対して垂直な方向に位置する場合に、供給管２１及び排出管２２の向き（特に、供給管２１及び排出管２２の接合部における軸方向）を当該方向に向けることができる。

供給管２１及び排出管２２の両方の接合部を外筒２０の外周面の接平面と平行な流れ調整部３０の第１平面領域３１ａに設ける場合、供給管２１及び排出管２２の両方の接合部が、同一平面上に位置することが好ましい（図１及び４）。このような構成とすることにより、供給管２１及び排出管２２の接合部における軸方向を同一方向にすることができる。

供給管２１及び排出管２２の両方の接合部が同一平面上に位置する場合、供給管２１が外筒２０の第２端面２３ｂ側に設けられるとともに排出管２２が外筒２０の第１端面２３ａ側に設けられ、供給管２１の接合部と排出管２２の接合部とが、同一平面の対角線上に位置することが好ましい（図４）。このような構成とすることにより、供給管２１及び排出管２２の接合部における軸方向が外筒２０の軸方向と垂直な方向となる。また、第１内筒１０と外筒２０との間を流通する第２流体の流れをスムーズにすることができる。

供給管２１及び排出管２２の両方の接合部は、外筒２０の軸方向に垂直な流れ調整部３０の第２平面領域３１ｂに設けることができる（図８）。このような構成とすることにより、供給管２１及び排出管２２の接合部における軸方向を外筒２０の軸方向と平行な方向にすることができる。そのため、供給管２１及び排出管２２の接続先が外筒２０の軸方向に対して平行な方向に位置する場合に、供給管２１及び排出管２２の向き（特に、供給管２１及び排出管２２の接合部における軸方向）を当該方向に向けることができる。

供給管２１及び排出管２２のうちの一方の接合部は、外筒２０の外周面の接平面と平行な流れ調整部３０の第１平面領域３１ａに設け、供給管２１及び排出管２２のうちの他方の接合部は、外筒２０の軸方向に垂直な流れ調整部３０の第２平面領域３１ｂに設けることができる（図７）。このような構成とすることにより、供給管２１及び排出管２２のうちの一方の接合部における軸方向を外筒２０の軸方向と垂直な方向にするとともに、供給管２１及び排出管２２のうちの他方の接合部における軸方向を外筒２０の軸方向と平行な方向にすることができる。そのため、供給管２１及び排出管２２の一方の接続先が外筒２０の軸方向に対して平行な方向、他方の接続先が外筒２０の軸方向に対して垂直な方向にそれぞれ位置する場合に、供給管２１及び排出管２２の向き（特に、供給管２１及び排出管２２の接合部における軸方向）を当該方向に向けることができる。

以下、熱交換器の各構成部材について、更に、構成部材ごとに詳細に説明する。
＜第１内筒１０＞
第１内筒１０は、熱回収部材４０の軸方向（第１流体の流通方向）外周面に配置される筒状の部材である。
第１内筒１０の形状としては、特に限定されず、軸方向に垂直な断面が円形である円筒状、当該断面が三角形、四角形、五角形、六角形などの角筒状、当該断面が楕円形の楕円筒状などにすることができる。その中でも第１内筒１０は、円筒状であることが好ましい。
第１内筒１０の内周面は、熱回収部材４０の軸方向外周面と直接的に接していても間接的に接していてもよいが、熱伝導性の観点から、熱回収部材４０の軸方向外周面と直接的に接していることが好ましい。この場合、第１内筒１０の内周面の断面形状は、熱回収部材４０の外周面の断面形状と一致する。また、第１内筒１０の軸方向は、熱回収部材４０の軸方向と一致し、第１内筒１０の中心軸は熱回収部材４０の中心軸と一致することが好ましい。
第１内筒１０の軸方向長さは、熱回収部材４０の軸方向長さよりも長く設定されていることが好ましい。また、第１内筒１０の軸方向において、第１内筒１０の中央位置は、熱回収部材４０の中央位置と一致することが好ましい。

第１内筒１０の径（外径及び内径）は、特に限定されないが、軸方向両端部が拡径し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、外筒２０と直接接合することができる。また、第１内筒１０と外筒２０との間に中筒を設ける場合に、拡径した第１内筒１０の軸方向外周面に中筒を直接設けることができる。
なお、第１内筒１０の径（外径及び内径）は、軸方向全体にわたって一様であってもよく、軸方向両端部が縮径していてもよい。この場合、中筒の軸方向両端部にスペーサーを設けて第１内筒１０に保持すればよい。

熱回収部材４０を通り抜ける第１流体の熱は、熱回収部材４０を介して第１内筒１０に伝達されるため、第１内筒１０は、熱伝導性に優れた材料から形成されていることが好ましい。第１内筒１０に用いられる材料としては、例えば、金属、セラミックスなどを用いることができる。金属としては、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などが挙げられる。耐久信頼性が高いという理由により、第１内筒１０の材料はステンレス鋼であることが好ましい。

＜外筒２０＞
外筒２０は、第１内筒１０の径方向外側に間隔をおいて配置された筒状の部材である。
外筒２０の形状としては、特に限定されず、軸方向に垂直な断面が円形である円筒状、当該断面が三角形、四角形、五角形、六角形などの角筒状、当該断面が楕円形の楕円筒状などにすることができる。その中でも外筒２０は、円筒状であることが好ましい。
外筒２０は、第１内筒１０と同軸に配置されていることが好ましい。具体的には、外筒２０の軸方向は、熱回収部材４０及び第１内筒１０の軸方向と一致し、外筒２０の中心軸は、熱回収部材４０及び第１内筒１０の中心軸と一致することが好ましい。
外筒２０の軸方向長さは、熱回収部材４０の軸方向長さよりも長く設定されていることが好ましい。また、外筒２０の軸方向において、外筒２０の中央位置は、熱回収部材４０及び第１内筒１０の中央位置と一致することが好ましい。

外筒２０に接続される供給管２１及び排出管２２は、熱回収部材４０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２１及び排出管２２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２０の軸方向両端部を縮径させることにより、第１内筒１０と直接接合することができるとともに、外筒２０と第１内筒１０との間に中筒を設ける場合に、縮径した外筒２０の軸方向内周面に中筒を直接設けることができる。また、外筒２０の軸方向中央部を縮径させることにより、外筒２０内で第２流体を第１内筒１０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、熱回収性能を向上させることができる。

外筒２０に用いられる材料としては、例えば、金属、セラミックスなどを用いることができる。金属としては、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などが挙げられる。耐久信頼性が高いという理由により、外筒２０の材料はステンレス鋼であることが好ましい。

＜上流側接続部材５０及び下流側接続部材６０＞
上流側接続部材５０は、第１内筒１０の上流側と外筒２０の上流側とを接続する筒状部材である。また、下流側接続部材６０は、第１内筒１０の下流側と外筒２０の下流側とを接続する筒状部材である。
なお、上記でも説明しているが、第１内筒１０の上流側及び下流側を拡径すること及び／又は外筒２０の上流側及び下流側を縮径することによって第１内筒１０と外筒２０とが直接接続されていれば、上流側接続部材５０及び下流側接続部材６０を設ける必要はないことに留意すべきである。

上流側接続部材５０及び下流側接続部材６０の軸方向は、第１内筒１０及び外筒２０と同軸に配置されていることが好ましい。具体的には、上流側接続部材５０及び下流側接続部材６０の軸方向は、熱回収部材４０、第１内筒１０及び外筒２０の軸方向と一致し、上流側接続部材５０及び下流側接続部材６０の中心軸は、熱回収部材４０、第１内筒１０及び外筒２０の中心軸と一致することが好ましい。

上流側接続部材５０及び下流側接続部材６０は、第１内筒１０と外筒２０との間を接続するために、フランジ部を有する。フランジ部の形状は、特に限定されず、各種公知の形状とすることができる。
上流側接続部材５０及び下流側接続部材６０に用いられる材料としては、特に限定されず、第１内筒１０及び外筒２０で例示した材料と同じものを用いることができる。

＜中筒＞
中筒は、必要に応じて、第１内筒１０と外筒２０との間に設けることができる。
中筒の形状としては、特に限定されず、軸方向に垂直な断面が円形である円筒状、当該断面が三角形、四角形、五角形、六角形などの角筒状、当該断面が楕円形の楕円筒状などにすることができる。その中でも中筒は、円筒状であることが好ましい。
中筒の軸方向は、熱回収部材４０の軸方向と一致し、中筒の中心軸は熱回収部材４０の中心軸と一致することが好ましい。
中筒の軸方向長さは、熱回収部材４０の軸方向長さよりも長く設定されていることが好ましい。また、中筒の軸方向において、中筒の中央位置は、熱回収部材４０、第１内筒１０及び外筒２０の中央位置と一致することが好ましい。

中筒は、第１内筒１０と外筒２０との間に配置され、外筒２０と中筒との間に第２流体が流通可能な第１流路、及び第１内筒１０と中筒との間に第２流体が流通可能な第２流路を形成する。
中筒は、第１流路と第２流路との間を第２流体が流通可能な連通孔を有する。このような構成とすることにより、第２流路内に第２流体を流通させることができる。
連通孔の形状としては、第２流体が通過可能な形状であれば特に限定されず、例えば、円形状、楕円形状、多角形状などの各種形状とすることができる。また、中筒の軸方向又は周方向に沿ってスリットを連通孔として設けてもよい。
連通孔の数は、特に限定されず、中筒の軸方向に複数あってもよく、一般には、連通孔の形状に応じて適宜設定すればよい。

第２流路が液体の第２流体で満たされているとき、熱回収部材４０から第１内筒１０に伝えられた第１流体の熱が、第２流路の第２流体を介して第１流路の第２流体に伝えられる。一方、第１内筒１０の温度が高く、第２流路内で気体状態の第２流体（第２流体の蒸気（気泡））が発生したとき、第２流路の第２流体を介する第１流路の第２流体への熱伝導が抑制される。これは、液体の流体に比べて気体の流体の熱伝導率が低いためである。すなわち、第２流路内で気体状態の第２流体が発生するか否かにより、熱交換を促進する状態と熱交換を抑制する状態とを切り替えることができる。この熱交換の状態は、外部からの制御を必要としない。したがって、中筒を設けることにより、外部から制御することなく、第１流体と第２流体との間の熱交換の促進と抑制との切り替えを容易に行うことが可能になる。
なお、第２流体は、熱交換を抑制したい温度域に沸点を有する流体を使用すればよい。

＜熱回収部材４０＞
熱回収部材４０としては、熱を回収できるものであれば特に限定されない。例えば、熱回収部材４０としてハニカム構造体を用いることができる。
ハニカム構造体は、一般的に柱状の構造体である。ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面形状は、特に限定されず、円、楕円又は四角若しくはその他の多角形とすることができる。

ハニカム構造体は、第１端面から第２端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁及び外周壁を有する。隔壁及び外周壁は、セラミックスを主成分とする材料から構成される。ここで、本明細書において「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。
各セルは、ハニカム構造体の第１端面から第２端面までハニカム構造体の内部を貫通している。第１端面及び第２端面は、ハニカム構造体の軸方向（セルが延びる方向）の両側の端面である。
各セルの断面形状（セルが延びる方向に垂直な断面の形状）は、特に限定されず、円形、楕円形、扇形、三角形、四角形、五角角形以上の多角形等の任意の形状とすることができる。
また、各セルは、ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面において放射状に形成されていてもよい。このような構成とすることにより、セルを流通する第１流体の熱をハニカム構造体の径方向外側に向けて効率良く伝達させることができる。

ハニカム構造体の外周壁は、隔壁よりも厚いことが好ましい。このような構成とするにより、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）が起こり易い外周壁の強度を高めることができる。

隔壁の厚みは、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、隔壁の厚みは、０．１～１ｍｍとすることが好ましく、０．２～０．６ｍｍとすることがより好ましい。隔壁の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、ハニカム構造体の機械的強度を十分に確保することができる。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問題を抑制することができる。

次に、熱交換器の製造方法について説明する。
熱交換器の製造方法としては、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、熱回収部材４０としてハニカム構造体を用いる場合、熱交換器は、以下のようにし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。ハニカム構造体の材料としては、特に限定されず、公知のもの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構造体を製造する場合、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、隔壁によって第１流体の流路となる複数のセルが区画形成されたハニカム構造体を得ることができる。金属Ｓｉの含浸焼成方法としては、図９（ａ）～（ｌ）に示されるように、金属Ｓｉを含む塊７０とハニカム成形体１００とが接触するように配置して焼成する方法が挙げられる。ハニカム成形体１００における金属Ｓｉを含む塊７０の接触箇所は、端面であっても外周壁の表面であってもよく、ハニカム成形体１００が中空状のハニカム成形体の場合は、内周壁の表面であってもよい。また、複数のハニカム成形体１００を積層して含浸焼成する場合は、図９（ｇ）及び（ｊ）に示されるように、積層する２つのハニカム成形体１００の間に支柱などの支持部材８０を設けてもよい。また、図９（ｄ）及び（ｆ）に示されるように、支持部材８０を設けることなく２つのハニカム成形体１００同士を接触させてもよく、この場合、含浸焼成により、金属Ｓｉが含浸したハニカム焼成体同士を接合することができる。また、各種形状のハニカム成形体１００の生産性の観点から、図９（ｍ）に示されるように、中空状のハニカム成形体１００ａと、その中空領域に中実状のハニカム成形体１００ｂとを配置し、それらの成形体と金属Ｓｉを含む塊７０とが接触するように配置して含浸焼成してもよい。

次に、ハニカム構造体を第１内筒１０に挿入して、焼き嵌めにより、ハニカム構造体に嵌合するように第１内筒１０を配置する。なお、ハニカム構造体と第１内筒１０との嵌合は、焼き嵌め以外に、圧入やろう付け、拡散接合などを用いてもよい。
次に、必要に応じて中筒を第１内筒１０上に配置する。第１内筒１０と中筒との間は溶接などによって固定すればよい。
次に、供給管２１及び／又は排出管２２の接合部に流れ調整部３０を設けた外筒２０の内部に、上記で作製した構造体を配置し、溶接などによって固定する。流れ調整部３０の形成方法としては、特に限定されず、流れ調整部３０を別途作製して外筒２０に接合してもよいし、外筒２０を成形加工することによって流れ調整部３０を形成してもよい。

本発明の実施形態１に係る熱交換器の流路構造及び熱交換器によれば、供給管２１及び排出管２２の少なくとも一方が接合される外筒２０の接合部に第２流体の流れを調整する流れ調整部３０を設けているため、第１内筒１０と外筒２０との間を流れる第２流体の供給管２１及び排出管２２の接合部周辺における淀みを抑制することができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る熱交換器は、本発明の実施形態１に係る熱交換器の流路構造を備える。
図１０は、本発明の実施形態２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。なお、図１０において、本発明の実施形態１に係る熱交換器の流路構造及び熱交換器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、本発明の実施形態２に係る熱交換器の構成要素と同一であるため、説明を省略する。

本発明の実施形態２に係る熱交換器は、熱回収部材４０として、内周壁、外周壁、及び内周壁と外周壁との間に配設され、第１端面２０１から第２端面２０２まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁を有する中空状のハニカム構造体２００を備える。また、この熱交換器は、中空状のハニカム構造体２００の内周壁の表面に嵌合され、中空状のハニカム構造体２００の第１端面２０１よりも上流側に設けられる連通孔２１１を有する第２内筒２１０と、第２内筒２１０の下流側端部に配置される開閉弁２２０とを備える。さらに、この熱交換器は、第１内筒１０の上流端部側と、第２内筒２１０の上流端部側との間を接続する上流側筒状接続部材２３０と、第１内筒１０の下流端部側に接続される下流側筒状部材２４０とを備える。
ここで、本明細書において「嵌合」とは、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、中空状のハニカム構造体２００と第２内筒２１０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、中空状のハニカム構造体２００と第２内筒２１０とが相互に固定されている場合なども含まれる。

上記のような構造を有する熱交換器は、開閉弁２２０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。具体的には、開閉弁２２０を閉とすることにより、第２内筒２１０の通気抵抗が上昇し、連通孔２１１を介して中空状のハニカム構造体２００に第１流体が選択的に流入するため、熱回収（熱交換）を促進させることができる。一方、開閉弁２２０を開とすることにより、第２内筒２１０の通気抵抗が低下し、第１流体が第２内筒２１０内を流れて外部に排出されるため、熱回収（熱交換）を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態２に係る熱交換器の各構成部材について、更に、構成部材ごとに詳細に説明する。

＜中空状のハニカム構造体２００＞
中空状のハニカム構造体２００を構成する隔壁、外周壁及び内周壁は、一般的にセラミックスを主成分とする材料から構成される。ここで、本明細書において「中空状のハニカム構造体２００」とは、第１流体の流路方向に垂直な中空状のハニカム構造体２００の断面において、中心部に中空領域を有するハニカム構造体を意味する。

中空状のハニカム構造体２００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、中空状のハニカム構造体２００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、中空状のハニカム構造体２００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、セルを流通する第１流体の熱を中空状のハニカム構造体２００の外部に効率良く伝達することができる。

内周壁及び外周壁の厚みは、特に限定されないが、隔壁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及び外周壁の強度を高めることができる。
なお、内周壁及び外周壁の厚みは、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、内周壁及び外周壁の厚みは、熱交換器を一般的な熱交換用途に用いる場合は、好ましくは０．３ｍｍ～１０ｍｍ、より好ましくは０．５ｍｍ～５ｍｍ、更に好ましくは１ｍｍ～３ｍｍである。また、熱交換器を蓄熱用途に用いる場合は、外周壁の厚みを１０ｍｍ以上として外周壁の熱容量を増大させてもよい。

中空状のハニカム構造体２００のセルに、第１流体として排ガスを流す場合、中空状のハニカム構造体２００の隔壁に触媒を担持させてもよい。隔壁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。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２内筒２１０＞
第２内筒２１０は、中空状のハニカム構造体２００の内周壁の表面に嵌合される。嵌合は、直接的又は間接的のいずれであってもよい。具体的には、第２内筒２１０と中空状のハニカム構造体２００とは、直接的に接していてもよく、他の部材（例えば、断熱マットなど）を介して間接的に接していてもよい。
第２内筒２１０は、上流側端部２１２及び下流側端部２１３を有する筒状部材である。 第２内筒２１０の軸方向は、中空状のハニカム構造体２００の軸方向と一致し、第２内筒２１０の中心軸は中空状のハニカム構造体２００の中心軸と一致することが好ましい。

第２内筒２１０は、中空状のハニカム構造体２００の第１端面２０１よりも上流側に設けられる連通孔２１１を有する。連通孔２１１は、開閉弁２２０を閉とした場合に、第１流体を中空状のハニカム構造体２００のセルに導入するための流路の入口となる。
連通孔２１１の数は、特に限定されず、単数であっても複数であってよい。また、連通孔２１１は、第２内筒２１０の全周に形成されていてもよいし、連通孔２１１の部分的な位置（例えば、上部、中央部又は下部のみ）に形成されていてもよい。また、連通孔２１１の形状も、円形、楕円形、四角形などの各種形状とすることができる。

第２内筒２１０の下流側端部２１３には、下記に説明する開閉弁２２０が配置される。
従来の熱交換器では、第２内筒２１０の流路断面積が均一であるため、開閉弁２２０を開とした場合に、高速の第１流体が、開閉弁２２０を駆動するシャフト２２１と衝突し、圧力損失が大きくなり易いという問題がある。
圧力損失は第１流体の流速が速いほど増大することから、圧力損失を小さくするためには、開閉弁２２０が配置される位置Ａ１における第１流体の流速を遅くすればよい。そこで、本発明の実施形態２に係る熱交換器では、開閉弁２２０が配置される位置Ａ１における第２内筒２１０の流路断面積を、連通孔２１１が設けられる位置Ａ０における第２内筒２１０の流路断面積よりも大きくすることが好ましい。このような構成とすることにより、開閉弁２２０が配置される位置Ａ１における第１流体の流速を遅くすることができるため、圧力損失を低減することができる。
ここで、本明細書において「第２内筒２１０の流路断面積」とは、第１流体の流路方向（第２内筒２１０の軸方向）に垂直な方向の第１流体の流路（第２内筒２１０の内部）の断面積のことを意味する。

位置Ａ１における第２内筒２１０の流路断面積を位置Ａ０における第２内筒２１０の流路断面積よりも大きくする方法としては、特に限定されないが、例えば、位置Ａ１における第２内筒２１０の内径を位置Ａ０における第２内筒２１０の内径よりも大きくすればよい。具体的には、下流側端部２１３に向かって拡径するテーパ部２１４を第２内筒２１０に形成すればよい。
位置Ａ１における第２内筒２１０の内径は、開閉弁２２０を閉とした場合の第１流体の流路を確保する観点から、第１内筒１０の内径よりも小さいことが好ましい。

第２内筒２１０の材料としては、特に限定されず、上記の第１内筒１０の材料について述べた内容と同様の材料が挙げられる。

第２内筒２１０の厚みとしては、特に限定されず、上記の第１内筒１０の厚みについて述べた内容と同様の厚みが挙げられる。

＜開閉弁２２０＞
開閉弁２２０は、第２内筒２１０の下流側端部２１３に配置される。開閉弁２２０は、シャフト２２１に固定されており、アクチュエータ（図示せず）によってシャフト２２１を駆動（回転）させることにより、開閉弁２２０の開閉を行うことができる。
開閉弁２２０は、第２内筒２１０内における第１流体の流れを調整可能に構成される。具体的には、開閉弁２２０は、熱回収促進時に閉とすることにより、連通孔２１１から中空状のハニカム構造体２００に第１流体を流通させることができる。また、開閉弁２２０は、熱回収抑制時に開とすることにより、第２内筒２１０の下流側端部２１３から下流側筒状部材２４０に第１流体を流通させて熱交換器の外部に排出することができる。

開閉弁２２０の形状は、特に限定されず、開閉弁２２０が設けられる第２内筒２１０の形状などに応じて適切なものを選択すればよい。

＜上流側筒状接続部材２３０＞
上流側筒状接続部材２３０は、第１流体の流路を構成するように、第１内筒１０の上流端部側と第２内筒２１０の上流端部側との間を接続する筒状部材である。接続は、直接的又は間接的のいずれであってもよい。
上流側筒状接続部材２３０の軸方向は、中空状のハニカム構造体２００の軸方向と一致し、上流側筒状接続部材２３０の中心軸は中空状のハニカム構造体２００の中心軸と一致することが好ましい。
なお、第１内筒１０の上流端部側を延伸して縮径させ、第１内筒１０の上流端部側を第２内筒２１０の上流端部側と接続すれば、上流側筒状接続部材２３０を省略することも可能である。

上流側筒状接続部材２３０の材料としては、特に限定されず、上記の第１内筒１０の材料について述べた内容と同様の材料が挙げられる。

上流側筒状接続部材２３０の厚みとしては、特に限定されず、上記の第１内筒１０の厚みについて述べた内容と同様の厚みが挙げられる。

＜下流側筒状部材２４０＞
下流側筒状部材２４０は、第１内筒１０の下流端部側に接続される。接続は、直接的又は間接的のいずれであってもよい。また、下流側筒状部材２４０は、第２内筒２１０の径方向外側に第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。
下流側筒状部材２４０の軸方向は、中空状のハニカム構造体２００の軸方向と一致し、下流側筒状部材２４０の中心軸は中空状のハニカム構造体２００の中心軸と一致することが好ましい。
なお、第１内筒１０の下流端部側を延伸して縮径させれば、下流側筒状部材２４０を省略することも可能である。
下流側筒状部材２４０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２４０の材料としては、特に限定されず、上記の第１内筒１０の材料について述べた内容と同様の材料が挙げられる。

下流側筒状部材２４０の厚みとしては、特に限定されず、上記の第１内筒１０の厚みについて述べた内容と同様の厚みが挙げられる。

本発明の実施形態２に係る熱交換器は、実施形態１に係る熱交換器と同様に、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。
まず、上述のハニカム構造体の製造方法に準じて中空状のハニカム構造体２００を作製する。次に、中空状のハニカム構造体２００を第１内筒１０に挿入して、焼き嵌めにより、ハニカム構造体に嵌合するように第１内筒１０を配置する。次に、供給管２１及び／又は排出管２２の接合部に流れ調整部３０を設けた外筒２０の内部に、上記で作製した構造体を配置し、溶接などによって固定する。次に、中空状のハニカム構造体２００の内周壁の表面に第２内筒２１０を嵌合させる。次に、第２内筒２１０の径方向内側に上流側筒状接続部材２３０を配置し、第１内筒１０の上流端部側と第２内筒２１０の上流端部側との間を接続する。次に、第２内筒２１０の下流側端部２１３に開閉弁２２０を取り付ける。次に、第１内筒１０の下流端部側に下流側筒状部材２４０を配置して接続する。
なお、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２に係る熱交換器によれば、本発明の実施形態１に係る熱交換器の流路構造を備えているため、第１内筒１０と外筒２０との間を流れる第２流体の供給管２１及び排出管２２の接合部周辺における淀みを抑制することができる。また、本発明の実施形態２に係る熱交換器は、開閉弁２２０が配置される位置Ａ１における第２内筒２１０の内径を、連通孔２１１が設けられる位置Ａ０における第２内筒２１０の内径よりも大きくしているため、圧力損失を低減することもできる。

なお、本発明の実施形態２に係る熱交換器は、本発明の実施形態１に係る熱交換器の流路構造の代わりに従来の熱交換器の流路構造を備える構成としてもよい。この場合、本発明の実施形態１に係る熱交換器の流路構造による効果は得られないものの、圧力損失を低減する効果を得ることができる。

１０ 第１内筒
２０ 外筒
２１ 供給管
２２ 排出管
２３ａ 第１端面
２３ｂ 第２端面
３０ 流れ調整部
３１ 平面領域
３１ａ 第１平面領域
３１ｂ 第２平面領域
４０ 熱回収部材
５０ 上流側接続部材
６０ 下流側接続部材
７０ 金属Ｓｉを含む塊
８０ 支持部材
１００ ハニカム成形体
１００ａ 中空状のハニカム成形体
１００ｂ 中実状のハニカム成形体
２００ 中空状のハニカム構造体
２０１ 第１端面
２０２ 第２端面
２１０ 第２内筒
２１１ 連通孔
２１２ 上流側端部
２１３ 下流側端部
２１４ テーパ部
２２０ 開閉弁
２２１ シャフト
２３０ 上流側筒状接続部材
２４０ 下流側筒状部材

Claims (18)

1. 第１流体が流通可能であり、熱回収部材を収容可能な第１内筒と、
   前記第１内筒との間を第２流体が流通可能となるように、前記第１内筒の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒と、
   前記外筒に接合される前記第２流体の供給管及び排出管と
   を備え、
   前記外筒は、前記供給管及び前記排出管の少なくとも一方の接合部に、前記第２流体の流れを調整する流れ調整部を有し、
   前記流れ調整部は、少なくとも１つの平面領域を有し、前記平面領域に前記接合部が設けられる、熱交換器の流路構造。
2. 前記流れ調整部は、前記外筒の外周方向の一部に設けられ、前記外筒の径方向外側に拡張した構造を有する、請求項１に記載の熱交換器の流路構造。
3. 前記平面領域が、前記外筒の外周面の接平面と平行な第１平面領域及び／又は前記外筒の軸方向に垂直な第２平面領域を含む、請求項１又は２に記載の熱交換器の流路構造。
4. 前記外筒は、前記供給管及び前記排出管の両方の前記接合部に前記流れ調整部を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換器の流路構造。
5. 前記供給管及び前記排出管の両方の前記接合部が、前記外筒の外周面の接平面と平行な前記流れ調整部の第１平面領域に設けられる、請求項４に記載の熱交換器の流路構造。
6. 前記供給管及び前記排出管の両方の前記接合部が同一平面上に位置する、請求項５に記載の熱交換器の流路構造。
7. 前記供給管が前記外筒の第２端面側に設けられるとともに前記排出管が前記外筒の第１端面側に設けられ、前記供給管の前記接合部と前記排出管の前記接合部とが前記同一平面の対角線上に位置する、請求項６に記載の熱交換器の流路構造。
8. 前記供給管及び前記排出管の前記接合部における軸方向が、前記外筒の軸方向と垂直な方向である、請求項７に記載の熱交換器の流路構造。
9. 前記供給管及び前記排出管の両方の前記接合部が、前記外筒の軸方向に垂直な前記流れ調整部の第２平面領域に設けられる、請求項４に記載の熱交換器の流路構造。
10. 前記供給管及び前記排出管の前記接合部における軸方向が、前記外筒の軸方向と平行な方向である、請求項９に記載の熱交換器の流路構造。
11. 前記供給管及び前記排出管のうちの一方の前記接合部が、前記外筒の外周面の接平面と平行な前記流れ調整部の第１平面領域に設けられ、前記供給管及び前記排出管のうちの他方の前記接合部が、前記外筒の軸方向に垂直な前記流れ調整部の第２平面領域に設けられる、請求項４に記載の熱交換器の流路構造。
12. 前記供給管及び前記排出管のうちの一方の前記接合部における軸方向が、前記外筒の軸方向と垂直な方向であり、前記供給管及び前記排出管のうちの他方の前記接合部における軸方向が、前記外筒の軸方向と平行な方向である、請求項１１に記載の熱交換器の流路構造。
13. 前記外筒は、前記第１内筒と同軸に配置されている、請求項１～１２のいずれか一項に記載の熱交換器の流路構造。
14. 前記第１内筒及び前記外筒は円筒状である、請求項１～１３のいずれか一項に記載の熱交換器の流路構造。
15. 請求項１～１４のいずれか一項に記載の熱交換器の流路構造と、
    前記第１内筒内に収容される熱回収部材と
    を備える熱交換器。
16. 前記熱回収部材が、第１端面から第２端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁及び外周壁を有するハニカム構造体である、請求項１５に記載の熱交換器。
17. 前記熱回収部材が、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、第１端面から第２端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁を有する中空状のハニカム構造体であり、
    前記熱交換器が、
    前記ハニカム構造体の前記内周壁の表面に嵌合され、前記ハニカム構造体の前記第１端面よりも上流側に設けられる連通孔を有する第２内筒と、
    前記第２内筒の下流側端部に配置される開閉弁と
    を更に備え、
    前記開閉弁が配置される位置における前記第２内筒の流路断面積が、前記連通孔が設けられる位置における前記第２内筒の流路断面積よりも大きい、請求項１５に記載の熱交換器。
18. 前記第１内筒の上流端部側と、第２内筒の上流端部側との間を接続する上流側筒状接続部材と、
    前記第１内筒の下流端部側に接続される下流側筒状部材と
    を更に備える、請求項１７に記載の熱交換器。

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