JPWO2011071161A1 - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
Description
ハニカム構造体1とケーシング21によって、第一流体流通部と第二流体流通部とが形成された熱交換器30を以下のようにして作製した。
セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出した後、乾燥し、焼成することによって、材質は炭化珪素、本体サイズが33×33×60mmのハニカム構造体1を製造した。
ハニカム構造体1の外側容器として、ステンレスからなるケーシング21を用いた。実施例1〜4では、1つのハニカム構造体1を、ケーシング21内に配置した(図1A及び図1B参照)。図10に示すように、ハニカム構造体1とケーシングとの間隔15bは、ハニカム構造体1のセル長15aと同じになるようにした。第一流体流通部5は、ハニカム構造に形成され、第二流体流通部6は、ケーシング21内で、ハニカム構造体1の外周を流通(外側構造)するように形成されている。また、ケーシング21には、第一の流体をハニカム構造体1に、第二の流体をケーシング21に導入、排出するための配管を取り付けた。尚、第一の流体と第二の流体が混ざり合わないように、これら2経路は完全に隔離されている(外周フロー構造)。また、実施例1〜4のハニカム構造体1の外形構造は、全て同一とした。
第一流体流通部がSUS304の配管により形成され、その配管の外側を第二の流体が流通するように第二流体流通部が形成された比較例1を作製した。
容器内に図11に示す熱交換体41を備える比較例2〜4の熱交換器を作製した。熱交換体41は、セラミックスの隔壁44により仕切られて一方の端面42から他方の端面42まで軸方向に貫通し、第一の流体である加熱体が流通する複数のセルを有するハニカム構造の第一流体流通部45と、セラミックスの隔壁44により仕切られて軸方向と直交する方向に貫通し、第二の流体が流通し、流通する第二の流体である被加熱体へ熱を伝達する第二流体流通部46とが、交互に複数一体として形成されている(クロスフロー構造)。目封止されたセル43の内側は、目封止されたセル43同士を隔てる隔壁44が取り除かれ、スリット状に形成されている(スリット構造)。
第一の流体、第二の流体のハニカム構造体1への入口温度、流量は全て同一条件とした。第一の流体として、350℃の窒素ガス(N2)を用いた。また、第二の流体として水を用いた。
ハニカム構造体1の第一流体流通部5に窒素ガスを流し、ケーシング21内の第二流体流通部6に(冷却)水を流した。ハニカム構造体1に対する窒素ガスのSV(空間速度)は50,000h−1とした。(冷却)水の流量は5L/minとした。比較例1の熱交換器30は実施例1〜4の熱交換器30と構造が異なるが、第一の流体、第二の流体の流量等の試験条件は全て同じとした。尚、比較例1の配管容積(ハニカム構造体1部分)は、実施例1〜4のハニカム構造体1の本体容積(33cc)と同じとした。比較例1は、配管が二重構造になっており、第一の流体の流路となる配管の外周部に第二の流体の流路があるものを用いたものである。つまり、第二の流体が第一の流体の配管外側を流れている構造である。(冷却)水は配管の外側(ギャップ5mm)を流れる構成であった。比較例1の配管容積とは、第一の流体の流路となる配管を指す。
表1に熱交換率を示す。熱交換率(%)は、第一の流体(窒素ガス)及び第二の流体(水)のΔT℃(ハニカム構造体1の出口温度−入口温度)から其々エネルギー量を算出し、式1で計算した。
(式1) 熱交換率(%)=(第一の流体(ガス)の入口温度−第一の流体(ガス)出口温度)/(第一の流体(ガス)の入口温度−第二の流体(冷却水)出口温度)×100
表1に示すように、実施例1の方が比較例1と比べて高い熱交換効率を示した。これは、比較例1の場合、(冷却)水に近い側は第一の流体(窒素ガス)と熱交換し易いものの、配管の中央部分は十分に熱交換され難く、全体として熱交換率が低かったからと考えられる。一方、本発明は、ハニカム構造のため、第一の流体(窒素ガス)と(冷却)水とが接触する壁面積が比較例1と比べて大きく、これにより熱交換効率が高かったからと考えられる。
実施例1〜4は、比較例2〜4に比べ、熱交換率については、同等以上の結果が得られた。また、実施例1〜4は、比較例2〜4と比べると、目封止やスリットの形成等の工程が不要なため、工程数が少なく、製造時間や製造コストを低減することができた。
ハニカム構造体1とケーシング21によって、第一流体流通部5と第二流体流通部6とが形成された熱交換器30を以下のようにして作製した。
セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出した後、乾燥し、焼成・Siを含浸することによって、材質は炭化珪素、本体サイズが直径52×長さ(高さ)120mmのハニカム構造体1を製造した。
ハニカム構造体1の外に被覆材を配置し、その外側容器としてステンレスからなるケーシング21を用いた。被覆材としてステンレスを用い、パンチングメタル、穴のない板材、またハニカムから延出させた構造とした。被覆材とケーシング21との間隔は5mmとして、実施例5〜8では、1つのハニカム構造体1を、ケーシング21内に配置した(図1A及び図1B参照)。図10に示すように、被覆材を配置したハニカム構造体1とケーシングとの間隔15bは1mmとした(なお、図10には、被覆材は描かれていない)。第一流体流通部5は、ハニカム構造に形成され、第二流体流通部6は、ケーシング21内で、ハニカム構造体1の外周を流通(外側構造)するように形成されている。また、ケーシング21には、第一の流体をハニカム構造体1に、第二の流体をケーシング21に導入、排出するための配管を取り付けた。尚、第一の流体と第二の流体が混ざり合わないように、これら2経路は完全に隔離されている(外周フロー構造)。また、実施例5〜8のハニカム構造体1の外形構造は、全て同一とした。
第一の流体、第二の流体のハニカム構造体1への入口温度、流量は全て同一条件とした。第一の流体として、350℃の窒素ガス(N2)を用いた。また、第二の流体として水を用いた。ハニカム構造体1の第一流体流通部5に窒素ガスを流し、ケーシング21内の第二流体流通部6に(冷却)水を流した。ハニカム構造体1に対する窒素ガスの流量は3.8L/sとした。(冷却)水の流量は5L/minとした。
表2に示すように、被覆をつけた実施例6〜8でも被覆のない実施例5と熱交換効率が変わらず、被覆で熱交換性能に差が無いことが示された。この結果、被覆材を配置することで万が一、ハニカム構造体1に破損が発生したときでも第1の流体と第2の流体が混合することを防ぐことができ、なおかつ熱交換性能は維持されていることが考えられる。とくに完全被覆体の時に第1の流体と第2の流体が混合することを防ぐ効果は大きい。さらに、ハニカム構造体1が延出外周壁51を設けた実施例8では熱交換効率が高くなっている。これは、ハニカム構造体1の外の第2の流路部分でも熱交換されているためと考えられる。
Claims (14)
- セラミックスの隔壁により仕切られて一方の端面から他方の端面まで軸方向に貫通し、第一の流体である加熱体が流通する複数のセルを有するハニカム構造体によって形成された第一流体流通部と、
前記ハニカム構造体を内側に含むケーシングによって形成され、前記ケーシングに第二の流体の入口及び出口が形成されており、前記第二の流体が前記ハニカム構造体の外周面上を前記外周面に直接接してまたは直接接しないで流通することにより、前記第一の流体から熱を受け取るための第二流体流通部と、
を備える熱交換器。 - 前記第一の流体が気体であり、前記第二の流体が液体であり、前記第二の流体よりも前記第一の流体の方が高温である請求項1に記載の熱交換器。
- 前記ハニカム構造体の外周面に、前記第二流体流通部を流通する前記第二の流体と熱を授受するフィンを有する請求項1または2に記載の熱交換器。
- 前記ハニカム構造体の前記外周面の少なくとも一部に金属板またはセラミックス板が嵌合して備えられている請求項1または2に記載の熱交換器。
- 前記ハニカム構造体の前記外周面の全体に金属板またはセラミックス板が嵌合して備えられ、ハニカム構造体の前記外周面と前記第二の流体とが直接接しない構造とされている請求項1または2に記載の熱交換器。
- 前記金属板または前記セラミックス板の外周面に、前記第二流体流通部を流通する前記第二の流体と熱を授受するフィンを有する請求項4または5に記載の熱交換器。
- 前記ハニカム構造体の前記外周面に嵌合された前記金属板または前記セラミックス板と、その外側に前記第二流体流通部を形成する外側ケーシング部とを一体として備える請求項4〜6のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 金属またはセラミックスで形成され、内部が前記第二流体流通部とされるチューブが、前記ハニカム構造体の前記外周面に巻き付けた形状で備えられている請求項1に記載の熱交換器。
- 前記ハニカム構造体は、前記軸方向の前記端面から軸方向外側に延出して筒状に形成された延出外周壁を有している請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記ハニカム構造体の前記外周面の外側に前記外周面の一部を覆う形態で前記ケーシングが筒状に形成され、前記第二の流体は前記ケーシング内を流通することにより前記外周面に直接接触して前記第一の流体から熱を受け取るように構成され、前記隔壁によって前記セルが形成されたハニカム部は、前記第二流体流通部に対して、前記軸方向の下流側に寄せて配置されている請求項9に記載の熱交換器。
- 前記ハニカム構造体の前記外周面の外側に前記外周面の一部を覆う形態で前記ケーシングが筒状に形成され、前記第二の流体は前記ケーシング内を流通することにより前記外周面に直接接触して前記第一の流体から熱を受け取るように構成され、前記第二流体流通部が、前記隔壁によって前記セルが形成されたハニカム部に対して前記軸方向の下流側に寄せて配置されている請求項9に記載の熱交換器。
- 前記第一流体流通部は、前記隔壁によって前記セルが形成されたハニカム部が前記軸方向に複数並んで構成され、前記軸方向に垂直な断面における、それぞれのハニカム部の前記隔壁の方向が異なるように前記ハニカム部が配置されている請求項1〜11のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記第一流体流通部は、前記隔壁によって前記セルが形成されたハニカム部が前記軸方向に複数並んで構成され、それぞれの前記ハニカム部のセル密度が異なって形成されており、前記第一の流体の入口側よりも出口側のハニカム部のセル密度が大となるように前記ハニカム部が配置されている請求項1〜11のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記ケーシング内に、複数の前記ハニカム構造体が、前記第二の流体が流通するための間隙を互いに有した状態で、その外周面を対向させて配置されている請求項1〜13のいずれか1項に記載の熱交換器。
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