JP7411101B2 - 熱交換部材および該熱交換部材を用いた熱交換器、ならびに該熱交換部材の製造方法 - Google Patents
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Description
1つの実施形態においては、上記被覆部材の内周面のRPcは45pks/cm以上である。
1つの実施形態においては、上記外周壁の表面のJIS B 0601:2013に規定される最大断面高さRtは75μm以下である。
1つの実施形態においては、上記隔壁および上記外周壁は、炭化珪素を主成分として含有するセラミックスで構成されている。
1つの実施形態においては、上記ハニカム構造体は、上記第1流体の流路方向に垂直な方向の断面全体に上記セルを有する。別の実施形態においては、上記ハニカム構造体は、上記第1流体の流路方向に垂直な方向の断面において中心部に中空領域を有する。
本発明の別の局面によれば、熱交換器が提供される。この熱交換器は、上記の熱交換部材と;該熱交換部材の外側に該熱交換部材から離間して設けられた外筒と;を備え、該外筒と該熱交換部材の前記被覆部材との間に第2流体の流路が形成されている。
本発明のさらに別の局面によれば、上記の熱交換部材の製造方法が提供される。この製造方法は、上記外周壁表面を90番手以上かつ径20mm以上の砥石を用いて周速度3.0m/秒以上で切削加工することを含む。
A-1.熱交換部材の全体構成
図1は、本発明の1つの実施形態による熱交換部材の第1流体の流路方向に平行な方向の概略断面図であり;図2は図1の熱交換部材のII-II線による概略断面図である。図示例の熱交換部材100は、第1端面12aから第2端面12bまで延びて第1流体の流路を形成するセル14を規定する隔壁16と、外周壁18と、を有するハニカム構造体10と;ハニカム構造体10の外周壁18を被覆する被覆部材20と;を備える。隔壁16および外周壁18はセラミックスを主成分として含有する。
ハニカム構造体10は、図1および図2に示すように、第1端面12aから第2端面12bまで延びて第1流体の流路を形成するセル14を規定する隔壁16と、外周壁18と、を有する。熱交換部材100において、ハニカム構造体10のセル14内を第1流体が流通し、被覆部材20の外側を第2流体が流通する際(後述)、ハニカム構造体10の外周壁18および被覆部材20を介して第1流体と第2流体との間の熱交換が行われる。なお、図1において、第1流体は、紙面の左右のいずれの方向にも流れることができる。第1流体としては、目的に応じた任意の適切な液体または気体が挙げられる。例えば、自動車に搭載される熱交換器に熱交換部材100が用いられる場合には、第1流体は好ましくは排ガスである。
被覆部材20としては、ハニカム構造体10の外周壁18を被覆し得る限りにおいて、任意の適切な構成が採用され得る。被覆部材20としては、例えば、ハニカム構造体10の外周壁18に嵌合してハニカム構造体10の外周壁18を周回被覆する管状部材を用いることができる。本明細書において「嵌合」とは、ハニカム構造体と被覆部材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、「嵌合」という語は、ハニカム構造体と被覆部材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り固定されている状態のみならず、ろう付け、溶接、拡散接合などにより固定されている状態も包含する。
本発明の実施形態による熱交換部材の製造方法は、ハニカム構造体(実質的には、その前駆体)の外周壁表面を100番手以上かつ径20mm以上の砥石を用いて周速度6.0m/秒以上で切削加工することを含む。このような製造方法によれば、ハニカム構造体10において上記A-1項に記載のRPcを有する外周壁表面18aが形成され得る。必要に応じて、被覆部材の内周面をさらに切削加工してもよい。これにより、上記A-1項に記載のRPcを有する内周面20aが形成され得る。
図4は、本発明の1つの実施形態による熱交換器の第1流体の流路方向に直交する方向の概略断面図である。図示例の熱交換器200は、図1および図2に示す熱交換部材100と;熱交換部材100の外側に熱交換部材から離間して設けられた外筒(ケーシング)120と;を備え、外筒(ケーシング)120と熱交換部材100の被覆部材20との間に第2流体の流路140が形成されている。なお、図示例では図1および図2に示す熱交換部材100が用いられているが、熱交換部材としては、上記A項およびB項に記載の本発明の実施形態による任意の適切な熱交換部材が用いられ得る。例えば、図3に示す熱交換部材102が用いられてもよい。
実施例および比較例で作製したハニカム構造体の外周壁表面のRPc、RtおよびRaをそれぞれ、表面粗さ測定機(テーラーホブソン社製、製品名「フォームタリサーフS5K」)を用いて測定した。測定はn=2で行い、平均値をRPc、RaおよびRtとした。
実施例および比較例で得られた熱交換器について、以下の方法で、熱交換試験を行った。ハニカム構造体に、400℃(=Tg1)の空気(第1流体)を流量10g/秒(Mg)で流した。一方、入口から40℃(=Tg2)の冷却水(第2流体)を流量10L/分(Mw)で供給し、熱交換後の冷却水を出口から回収した。熱交換器に対して空気および冷却水5分間通過させた直後に、熱交換器の入口における冷却水の温度(Tw1)および出口における冷却水の温度(Tw2)を測定し、熱回収量Qを求めた。測定はn=2で行い、平均値を熱回収効率とした。
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(K)×Cpw(J/(kg・K))×Pw(kg/m3)×Mw(L/分)÷(60×106)
式中、ΔTw=Tw2-Tw1、Cpw(水の比熱)=4182J/(kg・K)、Pw(水の密度)=997kg/m3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。
1.ハニカム構造体の作製
SiC粉末を含む坏土を最終的に図3に示すような断面形状となるように押し出した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工し、ハニカム乾燥体を得た。得られたハニカム乾燥体の外周壁表面を、マシニングセンタを用いて切削加工した。マシニングセンタの砥石の番手は90番手、径は20mm、回転数は3000rpm、周速は3.1m/s、切込み量は0.2mmであった。外周壁表面を切削加工したハニカム成形体をSi含浸焼成することにより、円柱状のハニカム構造体を作製した。得られたハニカム構造体の外周壁表面のRPcは55.4pks/cm、Raは9.12μm、Rtは73.5μmであった。なお、ハニカム構造体は、外周壁の直径が75mm、内周壁の直径が57mm、セルの延びる方向の長さが33mmであり、図3に示すようなハニカム構造体の軸方向(セルの延びる方向)に直交する断面の中心部に中空領域を有する、いわゆるドーナツ状であった。ハニカム構造体の軸方向(セルの延びる方向)に直交する断面におけるセル形状は四角形とした。ハニカム構造体のセル密度は57セル/cm2、隔壁の厚さは0.3mm、外周壁および内周壁の厚さは1.5mmであった。
被覆部材としてステンレス製の管状部材を用いた。上記で得られたハニカム構造体を加熱膨張させた管状部材の内部中央まで挿入し、その後、冷却収縮させることにより被覆部材内にハニカム構造体を固定する焼き嵌めによって、被覆部材の内周面をハニカム構造体の外周面に嵌合させ、熱交換部材を作製した。被覆部材の内周面のRPcは130pks/cmであった。
図4に示すような、筒状部、入口、入口と筒状部とを連結する入口導管、出口、および、出口と筒状部とを連結する出口導管を有するステンレス製の筒状のケーシング(外筒)を金型成形により成形した。上記で得られた熱交換部材を外筒内部に挿入し、溶接により外筒内に熱交換部材を固定し、熱交換部材全体を周回被覆した。ハニカム構造体の軸方向(セルの延びる方向)の両端部における外周側面を溶接により外筒の内側面と周回状に密接させた。このようにして、熱交換器を作製した。得られた熱交換器を上記(2)の評価に供した。結果を表1に示す。
表1に示す条件でハニカム成形体の外周壁表面を切削加工したこと以外は実施例1と同様にして、外周壁表面が表1に示すRPc、RaおよびRtを有するハニカム構造体を作製した。このハニカム構造体を用いたこと以外は実施例1と同様にして、熱交換部材および熱交換器を作製した。得られた熱交換器を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
マシニングセンタの代わりに円筒研削盤を用いたこと、表1に示す条件でハニカム乾燥体の外周壁表面を切削加工したこと、および、切削加工の際にハニカム乾燥体を300rpmで回転させたこと以外は実施例1と同様にして、外周壁表面が表1に示すRPc、RaおよびRtを有するハニカム構造体を作製した。このハニカム構造体を用いたこと以外は実施例1と同様にして、熱交換部材および熱交換器を作製した。得られた熱交換器を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
SiC粉末を含む坏土を実施例1と同様の形状に押し出した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工した後、Si含浸焼成することにより、ハニカム焼成体を得た。得られたハニカム焼成体の外周壁表面を、円筒研削盤を用いて切削加工した。円筒研削盤の砥石の番手は170番手、径は350mm、回転数は1800rpm、周速は33m/s、切込み量は0.2mmであった。また、切削加工の際には、ハニカム焼成体を150rpmで回転させた。このようにして得られたハニカム構造体の外周壁表面のRPcは91.4pks/cm、Raは1.53μm、Rtは32.7μmであった。このようにして、円柱状のハニカム構造体を作製した。得られたハニカム構造体の寸法および形状は、実施例1と同様であった。このハニカム構造体を用いたこと以外は実施例1と同様にして、熱交換部材および熱交換器を作製した。得られた熱交換器を実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
12a 第1端面
12b 第2端面
14 セル
16 隔壁
17 内周壁
18 外周壁
20 被覆部材
100 熱交換部材
120 外筒
140 第2流体の流路
200 熱交換器
Claims (8)
- 第1端面から第2端面まで延びて第1流体の流路を形成するセルを規定する隔壁と、外周壁と、を有するハニカム構造体と;該ハニカム構造体の該外周壁を被覆する被覆部材と;を備え、
該隔壁および該外周壁が、セラミックスを主成分として含有し、
該外周壁表面のJIS B 0601:2013に規定されるRPcが55pks/cm以上である、
熱交換部材。 - 前記被覆部材の内周面のRPcが45pks/cm以上である、請求項1に記載の熱交換部材。
- 前記外周壁の表面のJIS B 0601:2013に規定される最大断面高さRtが75μm以下である、請求項1または2に記載の熱交換部材。
- 前記隔壁および前記外周壁が、炭化珪素を主成分として含有するセラミックスで構成されている、請求項1から3のいずれかに記載の熱交換部材。
- 前記ハニカム構造体が、前記第1流体の流路方向に垂直な方向の断面全体に前記セルを有する、請求項1から4のいずれかに記載の熱交換部材。
- 前記ハニカム構造体が、前記第1流体の流路方向に垂直な方向の断面において中心部に中空領域を有する、請求項1から4のいずれかに記載の熱交換部材。
- 請求項1から6のいずれかに記載の熱交換部材と;
該熱交換部材の外側に該熱交換部材から離間して設けられた外筒と;
を備え、
該外筒と該熱交換部材の前記被覆部材との間に第2流体の流路が形成されている、
熱交換器。 - 請求項1から6のいずれかに記載の熱交換部材の製造方法であって、
前記外周壁表面を90番手以上かつ径20mm以上の砥石を用いて周速度3.0m/秒以上で切削加工することを含む、
製造方法。
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