JPWO2016185963A1 - 熱交換部品 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の熱交換部品の一の実施形態は、図1〜図2Bに示すような、セラミックを主成分とする隔壁を有する柱状のハニカム構造体1と、ハニカム構造体1の外周面4を覆うように配置されたケーシング(Casing)10とを備える熱交換部品100である。ハニカム構造体1には、隔壁3によって、第一の端面から第二の端面まで延び、第一の流体の流路となる複数のセル2が区画形成されている。ケーシング10は、ハニカム構造体1の外周面4に嵌合するように配置された内筒11と、内筒11を覆うように配置された中筒12と、中筒12を覆うように配置された外筒13とを有している。また、内筒11と外筒13との間に、第二の流体の流路となる外周流路16が形成されている。また、外周流路16は、内筒11の少なくとも一部と中筒12の少なくとも一部との間に形成された内側外周流路16a、及び、中筒12の少なくとも一部と外筒13の少なくとも一部との間に形成された外側外周流路16bを含む。そして、中筒12のハニカム構造体1を覆う部分に、内側外周流路16aと外側外周流路16bとを連通する少なくとも一つの連通孔17が形成されている。図1〜図2Bに示す熱交換部品100においては、ケーシング10の外筒13に、第二の流体F1を外周流路16に導入するための導入口14、及び第二の流体F1を外周流路16から排出するための排出口15が形成されている。導入口14、及び排出口15は、外筒13に少なくとも一対形成されていることが好ましい。また、本明細書において、「嵌合する」とは、ハニカム構造体1と、内筒11とが、相互にはまり合った状態で固定されていることをいう。このため、ハニカム構造体1と内筒11との嵌合においては、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌め等の嵌め合いによる固定方法に限定されることはなく、例えば、ろう付けや拡散接合等により、ハニカム構造体1と内筒11とが相互に固定されていてもよい。
次に、熱交換部品の製造方法を説明する。本発明の熱交換部品は、例えば、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、前述のセラミック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、隔壁によって第一の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。
(ハニカム構造体の製造)
SiC粉末を含む坏土を所望の形状に押し出した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工後、Si含浸焼成することによって、円柱状のハニカム構造体を製造した。ハニカム構造体は、端面の直径(外形)が55.4mm、セルの延びる方向の長さが40mmのものであった。ハニカム構造体のセル密度は、23セル/cm2、隔壁の厚さ(壁厚)は0.3mmであった。ハニカム構造体の熱伝導率は150W/(m・K)であった。
次に、ステンレスからなる内筒を作製した。内筒は、内径が55.2mmで、軸方向の長さが44mmの円筒状であり、肉厚が1.0mmであった。次に、作製した内筒の内部にハニカム構造体を挿入し、焼き嵌めにより、ハニカム構造体の外周面に嵌合するように内筒を配置した。
作製した熱交換部品について、以下の方法で、熱交換試験を行った。即ち、ハニカム構造体に形成されたセルに、一の熱媒体となる第一の流体を通過させ、且つ、ケーシングの外周流路に、他の熱媒体となる第二の流体を通過させながら、熱交換部品に流入した入熱量、熱交換部品が回収した回収熱量、及び中筒温度を測定した。具体的には、まず、400℃の第一の流体と80℃の第二の流体とを、熱交換部品に5分間通過させた。次に、第一の流体及び第二の流体の温度を、それぞれ順に800℃及び100℃まで昇温させながら、第一の流体と第二の流体とを、熱交換部品に通過させた。次に、800℃の第一の流体と100℃の第二の流体とを、熱交換部品に5分間通過させた。次に、第一の流体及び第二の流体の温度を、それぞれ順に400℃及び80℃まで降温させながら、第一の流体と第二の流体とを、熱交換部品に通過させた。そして、400℃の第一の流体と80℃の第二の流体とを熱交換部品に5分間通過させた。第一の流体としては、空気を用い、第二の流体としては、水を用いた。そして、セルには、加熱した空気を、流量10g/secにて通過させ、外周流路には、水を流量10L/minにて通過させた。また、「熱交換部品に流入した入熱量と、熱交換部品から回収された回収熱量、及び中筒温度の測定」である、熱交換試験測定は、以下に示す第一低温条件、第一高温条件、及び第二低温条件の3つの状態の時に行った。第一低温条件は、400℃の第一の流体と80℃の第二の流体とを、熱交換部品に5分間通過させた直後とした。第一高温条件は、800℃の第一の流体と100℃の第二の流体とを、熱交換部品に5分間通過させた直後とした。第二低温条件は、第一高温条件の後であり、且つ、400℃の第一の流体と80℃の第二の流体とを、熱交換部品に5分間通過させた直後とした。第一低温条件、及び第二低温条件における、熱交換試験測定の結果は同一であった。第一低温条件(第二低温条件)、及び第一高温条件における熱交換試験測定の結果を、それぞれ表1及び表2に示す。表1が、第一低温条件(第二低温条件)における熱交換試験測定の結果を示し、表2が、第一高温条件における熱交換試験測定の結果を示す。なお、入熱量と回収熱量とは、オーエヌ総合電機社製の熱交換部材評価装置を用いて測定した。
実施例1と同様のハニカム構造体を製造し、ステンレスからなる内筒をハニカム構造体に嵌合するように配置した。そして、ステンレスからなり、外筒を有するケーシング部材に、ハニカム構造体と、ハニカム構造体に嵌合するように配置された内筒とを配置し、ハニカム構造体とケーシングとを備える熱交換部品を製造した。比較例1におけるケーシング部材は、中筒を有していないため、外周流路が、内側外周流路と外側外周流路とを含むものではなかった。比較例1の熱交換部品においても、実施例1と同様に、上記熱交換試験を行った。結果を表1及び表2に示す。なお、比較例1の熱交換部品は、中筒を有していないため、中筒温度ではなく外筒温度を測定した。
(実施例1)
実施例1の熱交換部品は、第一低温条件及び第二低温条件においては、比較例1の熱交換部品とほぼ同程度の回収熱量であり、中筒温度もほぼ同じであった。一方、第一高温条件においては、実施例1の熱交換部品の中筒温度は380℃であり、比較例1の熱交換部品の中筒温度は106℃であった。また、第一高温条件の実施例1の熱交換部品による回収熱量は、第一低温条件及び第二低温条件の実施例1の熱交換部品による回収熱量よりも少なかった。
比較例1の熱交換部品の第一高温条件における回収熱量は、第一低温条件及び第二低温条件における回収熱量よりも多かった。また、第一高温条件における熱交換部品の中筒の比較例1の熱交換部品の回収熱量は、第一低温条件及び第二低温条件における比較例1の熱交換部品の回収熱量の3倍以上であった。
実施例1の熱交換部品の内筒と中筒との間であって、中筒に連通孔が形成されている箇所に、メッシュ部材を配設して、実施例2の熱交換部品を作製した。メッシュ部材は、目開きが0.13mmのものを用いた。
実施例3の熱交換部品として、内筒と中筒との距離を0.5mmとしたこと以外は、実施例1と同様の構成された熱交換部品を作製した。実施例4の熱交換部品として、内筒と中筒との距離を0.3mmとしたこと以外は、実施例1と同様の構成された熱交換部品を作製した。
Claims (9)
- セラミックを主成分とする隔壁を有する柱状のハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体の外周面を覆うように配置されたケーシングと、を備え、
前記ハニカム構造体には、前記隔壁によって、第一の端面から第二の端面まで延び、第一の流体の流路となる複数のセルが区画形成されており、
前記ケーシングは、前記ハニカム構造体の前記外周面に嵌合するように配置された内筒と、前記内筒を覆うように配置された中筒と、前記中筒を覆うように配置された外筒と、を有し、前記内筒と前記外筒との間に、第二の流体の流路となる外周流路が形成されており、
前記外周流路は、前記内筒の少なくとも一部と前記中筒の少なくとも一部との間に形成された内側外周流路、及び、前記中筒の少なくとも一部と前記外筒の少なくとも一部との間に形成された外側外周流路を含み、
前記中筒の前記ハニカム構造体を覆う部分に、前記内側外周流路と前記外側外周流路とを連通する少なくとも1つの連通孔が形成されている、熱交換部品。 - 前記中筒の前記ハニカム構造体を覆う部分の面積に対する、前記中筒の前記ハニカム構造体を覆う部分に形成された前記連通孔の開口面積の割合が、50%以下である、請求項1に記載の熱交換部品。
- 前記中筒の前記ハニカム構造体を覆う部分に、複数の前記連通孔が形成されている、請求項1又は2に記載の熱交換部品。
- 1つの前記連通孔の開口面積が、0.5〜5000mm2である、請求項3に記載の熱交換部品。
- 前記ハニカム構造体の径方向における、前記内筒と前記中筒との距離が、前記ハニカム構造体の径の0.1〜10%に相当する長さである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱交換部品。
- 前記内筒と前記中筒との間であって、前記中筒に前記連通孔が形成されている箇所に、メッシュ部材が配設されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱交換部品。
- 前記連通孔が、前記ハニカム構造体の端部に相当する位置に形成されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱交換部品。
- 前記連通孔が、前記ハニカム構造体の外周を囲うような環状に形成されている、請求項7に記載の熱交換部品。
- 前記ケーシングが、2つ以上の前記中筒を有し、前記2つ以上の中筒は、前記内側外周流路と前記外側外周流路との間に形成される、1つ以上の中間外周流路を区画形成し、
前記2つ以上の中筒のうち、前記内筒側の中筒に、前記連通孔として、前記内側外周流路と前記中間外周流路とを連通する内側連通孔が形成され、前記外筒側の中筒に、前記連通孔として、前記中間外周流路と前記外側外周流路とを連通する外側連通孔が形成されている、請求項1〜8のいずれか一項に記載の熱交換部品。
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