KR20190043092A - 열교환기 - Google Patents
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Abstract
열교환기는, 다각 통형상의 둘레벽과, 상기 둘레벽의 내부를 각각 상기 둘레벽의 축방향으로 연장하는 복수의 제 1 셀 및 복수의 제 2 셀로 구획하는 복수의 구획벽을 구비한다. 상기 각 제 1 셀의 상기 축방향에 있어서의 양단부가 봉지되는 것과 함께 인접하는 상기 제 1 셀끼리가 연통됨으로써, 상기 복수의 제 1 셀은 상기 축방향에 수직한 단면이 U자 형상을 가지는 제 1 유로를 구성한다. 상기 제 1 유로는 상기 둘레벽의 동일면에 개구하는 유입구 및 유출구를 가진다. 상기 각 제 2 셀은, 상기 축방향에 있어서의 양단부에 각각 유입구 및 유출구를 가지는 제 2 유로를 구성한다.
Description
본 발명은, 열교환기에 관한 것이다.
도 16A, 도 16B 및 도 16C에 나타내는 바와 같이, 일본국 공개특허 특개2015-140972호 공보에 개시되는 열교환기(40)는, 단면이 직사각형이며 축방향으로 연장되는 둘레벽(41)과, 둘레벽(41)의 내부를 축방향으로 연장하는 복수의 제 1 셀(43a) 및 복수의 제 2 셀(43b)로 구획하는 복수의 구획벽(42)을 구비하고 있다. 제 1 셀(43a)의 축방향에 있어서의 양단부가 봉지(封止)되는 것과 함께 상하에 인접하는 제 1 셀(43a)끼리가 연통(連通)됨으로써, 복수의 제 1 셀(43a)은, 둘레벽(41)에 개구하는 유입구(44a) 및 유출구(44b)를 가지는 제 1 유로(44)를 형성하고 있다. 각 제 2 셀(43b)은, 축방향에 있어서의 양단부에 유입구 및 유출구를 가지는 제 2 유로(45)를 형성하고 있다. 이 열교환기는, 제 1 유로(44)를 유통하는 제 1 유체와 제 2 유로(45)를 유통하는 제 2 유체의 사이에서 열교환을 행한다.
그런데, 상기 공보의 열교환기는, 도 16B에 나타내는 바와 같이, 둘레벽(41)의 상면에 제 1 유로(44)의 유입구(44a)가 개구하는 것과 함께, 둘레벽(41)의 하면에 제 1 유로(44)의 유출구(44b)가 개구하고 있다. 이 경우, 열교환기의 상면 및 하면에, 각각, 제 1 유체를 공급 및 배출하기 위한 배관 등의 유로 부재가 부착되게 된다. 그 때문에, 열교환기를 설치할 때는, 상하에 부착되는 유로 부재를 고려한 설치 스페이스를 확보해 놓을 필요가 있다. 그러나, 열교환기는, 차량의 내부 등의 한정된 공간 내에 설치되는 경우가 많아, 필요로 하는 설치 스페이스가 작은 열교환기가 요망되고 있다.
본 발명의 목적은, 필요로 하는 설치 스페이스가 작은 열교환기를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 열교환기는, 다각 통형상의 둘레벽과, 상기 둘레벽의 내부를 각각 상기 둘레벽의 축방향으로 연장하는 복수의 제 1 셀 및 복수의 제 2 셀로 구획하는 복수의 구획벽을 구비한다. 상기 각 제 1 셀의 상기 축방향에 있어서의 양단부가 봉지되는 것과 함께 인접하는 상기 제 1 셀끼리가 연통됨으로써, 상기 복수의 제 1 셀은 상기 축방향에 수직한 단면이 U자 형상을 가지는 제 1 유로를 구성한다. 상기 제 1 유로는 상기 둘레벽의 동일면에 개구하는 유입구 및 유출구를 가진다. 상기 각 제 2 셀은, 상기 축방향에 있어서의 양단부에 각각 유입구 및 유출구를 가지는 제 2 유로를 구성한다. 상기 제 1 유로를 유통하는 제 1 유체와, 복수의 상기 제 2 유로를 유통하는 제 2 유체의 사이에서 열교환이 행해진다.
도 1은 실시형태와 관련되는 열교환기의 사시도.
도 2는 도 1의 열교환기의 정면도.
도 3은 도 1의 3-3선을 따른 단면도.
도 4는 도 3의 4-4선을 따른 단면도.
도 5는 도 3의 5-5선을 따른 단면도.
도 6A는 성형 공정에서 성형되는 성형체의 사시도.
도 6B는 도 6A의 성형체의 원료의 설명도.
도 7은 도 6A의 성형체의 단면도.
도 8은 가공 공정의 설명도에 있어서, 성형체에 제 1 가공의 가공 지그를 삽입한 상태를 나타낸다.
도 9는 가공 공정에 있어서의 성형체의 단면도.
도 10은 가공 공정 중, 제 2 가공의 설명도.
도 11A는 탈지 공정을 거쳐서 얻어지는 탈지체의 사시도.
도 11B는 도 11A의 탈지체의 설명도.
도 12A는 함침(含浸) 공정을 거친 탈지체의 사시도.
도 12B는 도 12A의 탈지체의 설명도.
도 13은 제 1 변경예의 열교환기의 사시도.
도 14는 제 2 변경예의 열교환기의 단면도.
도 15는 제 3 변경예의 열교환기의 부분 단면도.
도 16A는 종래의 열교환기의 사시도.
도 16B는 도 16A의 16B-16B선을 따른 단면도.
도 16C는 도 16A의 16C-16C선을 따른 단면도.
도 2는 도 1의 열교환기의 정면도.
도 3은 도 1의 3-3선을 따른 단면도.
도 4는 도 3의 4-4선을 따른 단면도.
도 5는 도 3의 5-5선을 따른 단면도.
도 6A는 성형 공정에서 성형되는 성형체의 사시도.
도 6B는 도 6A의 성형체의 원료의 설명도.
도 7은 도 6A의 성형체의 단면도.
도 8은 가공 공정의 설명도에 있어서, 성형체에 제 1 가공의 가공 지그를 삽입한 상태를 나타낸다.
도 9는 가공 공정에 있어서의 성형체의 단면도.
도 10은 가공 공정 중, 제 2 가공의 설명도.
도 11A는 탈지 공정을 거쳐서 얻어지는 탈지체의 사시도.
도 11B는 도 11A의 탈지체의 설명도.
도 12A는 함침(含浸) 공정을 거친 탈지체의 사시도.
도 12B는 도 12A의 탈지체의 설명도.
도 13은 제 1 변경예의 열교환기의 사시도.
도 14는 제 2 변경예의 열교환기의 단면도.
도 15는 제 3 변경예의 열교환기의 부분 단면도.
도 16A는 종래의 열교환기의 사시도.
도 16B는 도 16A의 16B-16B선을 따른 단면도.
도 16C는 도 16A의 16C-16C선을 따른 단면도.
이하, 열교환기의 일 실시형태를 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 열교환기(10)는, 직사각형 통형상의 둘레벽(11)과, 복수의 구획벽(12)을 구비하고 있다. 둘레벽(11)은, 단면이 다각형을 형성하도록, 3면 이상의 평탄한 외면을 가지며, 축방향으로 연장된다. 축방향은, 둘레벽(11)이 연장되는 방향에 있어서, 둘레벽(11)의 모든 외면과 평행한 방향이다. 복수의 구획벽(12)은, 둘레벽(11)의 내부를 둘레벽(11)의 축방향으로 연장하는 복수의 제 1 셀(13)과 복수의 제 2 셀(14)로 구획된다. 둘레벽(11)은, 예를 들면, 서로 대향하는 2개의 세로측벽(11a)과, 서로 대향하는 2개의 가로측벽(11b)을 가진다. 둘레벽(11)의 축방향에 수직한 단면으로 보았을 때 있어서, 세로측벽(11a)의 길이는 가로측벽(11b)의 길이보다도 짧다. 본 실시형태에서는, 둘레벽(11)의 축방향에 수직한 단면으로 보았을 때 있어서, 세로측벽(11a)이 연장되는 방향을 세로 방향이라고 하고, 가로측벽(11b)이 연장되는 방향을 가로 방향이라고 한다. 둘레벽(11)의 축방향에 수직한 단면의 형상은, 가로로 긴 직사각형이다. 이후의 설명에 있어서, 별도 명시하지 않을 경우, 「단면」은 둘레벽(11)의 축방향에 수직한 단면을 가리킨다.
도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 복수의 구획벽(12)은, 둘레벽(11)의 축방향에 수직한 단면에 있어서, 세로측벽(11a)에 평행한 복수의 구획벽(12)과, 가로측벽(11b)에 평행한 복수의 구획벽(12)을 포함한다. 이들 구획벽(12)은 일체화되어서, 격자상의 셀 구조를 형성하고 있다. 일체화된 구획벽(12)이 구성하는 셀 구조는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 각 구획벽(12)의 벽 두께가 0.1∼0.5㎜이며, 셀 밀도가, 둘레벽(11)의 축방향에 수직한 단면 1㎠당 15∼93셀인 셀 구조로 할 수 있다.
도 3∼5에 나타내는 바와 같이, 복수의 제 1 셀(13)은, 제 1 유체를 유통시키는 셀이다. 각 제 1 셀(13)의 축방향에 있어서의 양단부는, 각각, 봉지부(22)에 의해 봉지되어 있다. 복수의 제 2 셀(14)은, 제 2 유체를 유통시키는 셀이다. 각 제 2 셀(14)의 축방향에 있어서의 양단부는, 각각 개방되어 있다.
제 1 유체로서는 특별하게 한정되지 않으며, 예를 들면, 공지의 열 매체를 이용할 수 있다. 공지의 열 매체로서는, 예를 들면, 냉각수(Long Life Coolant:LLC)나, 에틸렌글리콜 등의 유기 용제를 들 수 있다. 제 2 유체로서는 특별하게 한정되지 않으며, 예를 들면, 내연기관의 배기가스를 들 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 복수의 제 1 셀(13)은, 복수의 가로 셀(13a)과 복수의 세로 셀(13b)을 포함한다. 각 가로 셀(13a)은, 단면으로 보았을 때 있어서 가로로 긴 사각형상을 가지며, 2개의 긴변은 가로측벽(11b)에 평행하다. 복수의 가로 셀(13a)은, 2개의 가로측벽(11b)의 일방인 제 1 가로측벽(11b)으로부터 떨어진 위치에 있다. 2개의 가로측벽(11b)의 타방을 제 2 가로측벽(11b)이라고 한다. 본 실시형태에서는, 제 1 가로측벽(11b)의 외면을 상면이라고 하고, 제 2 가로측벽(11b)의 외면을 하면이라고 한다. 본 실시형태에서 말하는 상, 하, 가로 및 세로는, 열교환기(10)의 구성을 설명하기 위해서 사용하는 것이며, 열교환기(10)의 사용 시의 자세를 정의하는 것이 아니다.
각 세로 셀(13b)은, 단면으로 보았을 때 있어서 사변형상(예를 들면, 정사각형상)을 가진다. 각 가로 셀(13a)의 가로 방향에 있어서의 양단과 제 1 가로측벽(11b)의 사이에는, 각각, 세로 방향으로 늘어서는 복수의 세로 셀(13b)이 배치된다.
구체적으로는, 복수의 제 1 셀(13)은, 2개의 가로측벽(11b)의 사이에 늘어서는 3개의 가로 셀(13a)을 포함한다. 3개의 가로 셀(13a)은 가로 방향 길이가 서로 다르며, 제 2 가로측벽(11b)에 가까울수록 가로 방향 길이가 길다. 3개의 가로 셀(13a)은, 서로 간격을 두고 평행하게 배치되어 있다.
1개의 가로 셀(13a)과, 그 가로 셀(13a)의 가로 방향에 있어서의 양단과 제 1 가로측벽(11b)의 사이에 늘어서는 복수의 세로 셀(13b)은, 제 1 셀 열을 구성한다. 제 1 셀 열은 U자 형상의 단면을 가진다. 복수의 제 1 셀(13)은, 네스티드(nested)식으로 배치된 3개의 제 1 셀 열을 포함한다.
또한, 인접하는 2개의 제 1 셀 열의 사이에는, 복수의 제 2 셀(14)이 제 1 셀 열을 따라 늘어서, 단면 U자 형상이 1개 이상의 제 2 셀 열을 구성하고 있다. 인접하는 2개의 제 1 셀 열의 사이에 배치되는 제 2 셀 열의 수는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 제 2 유체가 내연기관의 배기가스 등의 기체일 경우에는, 2열 이상인 것이 바람직하고, 3열 또는 4열인 것이 보다 바람직하다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 각 제 1 셀 열은, 2개의 연통부(15a,15b)가 마련되는 것에 의해, 제 1 유로(16)를 구성한다. 각 연통부(15a,15b)는, 세로 방향으로 늘어서는 세로 셀(13b)의 상하에 위치하는 구획벽(12)을 관통하여, 이들 세로 셀(13b)을 서로 연통시킨다. 또한, 연통부(15a)는 가로 셀(13a)의 가로 방향에 있어서의 일단과 세로 셀(13b)을 연통시키며, 연통부(15b)는 가로 셀(13a)의 가로 방향에 있어서의 타단과 세로 셀(13b)을 연통시킨다. 3개의 제 1 셀 열의 연통부(15a,15b)는, 모두, 둘레벽(11)의 동일면(제 1 가로측벽(11b)의 외면)에 개구하고 있다. 각 개구의 축방향에 있어서의 길이는 동(同) 개구를 가지는 각 연통부(15a,15b)의 축방향에 있어서의 길이와 같다. 이들 연통부(15a,15b)는, 제 1 셀(13)의 축방향에 있어서의 대략 전체의 길이에 걸쳐 형성되어도 된다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 열교환기(10)의 내부에는, 단면 U자 형상의 제 1 유로(16)가 3개 형성되어 있다. 각 제 1 유로(16)는, 복수의 제 1 셀(13)(가로 셀(13a) 및 세로 셀(13b)을 포함한다)로 이루어지는 1개의 제 1 셀 열과, 동 제 1 셀 열에 마련되는 연통부(15a,15b)로 구성된다. 각 제 1 유로(16)는, 둘레벽(11)의 동일면에 형성된 2개의 개구, 즉 유입구 및 유출구를 가진다. 바꿔 말하면, 1개의 제 1 유로(16)는, 제 1 유체가 세로 방향으로 흐르는 부분과, 제 1 유체가 가로 방향으로 흐르는 부분이 조합되어서 이루어지는 단면 U자 형상의 유로이다. 제 1 유체가 세로 방향으로 흐르는 부분은, 복수의 세로 셀(13b)을 세로로 관통하는 연통부(15a,15b)에 의해 구성된다. 제 1 유체가 가로 방향으로 흐르는 부분은, 가로 셀(13a)에 의해 구성된다. 3개의 제 1 유로(16)는, 서로 독립하고 있다.
또한, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 열교환기(10)의 내부에는, 복수의 제 2 유로(17)가 형성되어 있다. 1개의 제 2 유로(17)는 1개의 제 2 셀(14)에 의해 구성된다. 각 제 2 셀(14)의 축방향에 있어서의 양단부(10a,10b)는, 각각, 유입구 및 유출구로서 기능한다. 상기 구성의 열교환기(10)는, 제 1 유로(16)를 흐르는 제 1 유체와, 제 2 유로(17)을 흐르는 제 2 유체의 사이에서, 구획벽(12)을 개재하여 열교환을 행할 수 있다.
상세하게 설명하면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 열교환기(10)의 사용 시에는, 제 1 유로(16)에 대하여 제 1 유체를 급배(給排)하기 위한 유로 부재(18)(도 3에 있어서 2점쇄선으로 나타낸다)가, 둘레벽(11)에 있어서의 모든 제 1 유로(16)의 유입구 및 유출구가 마련된 면(제 1 가로측벽(11b)의 외면)에 배치된다. 유로 부재(18)는, 둘레벽(11)에 있어서의 모든 제 1 유로(16)의 유입구 및 유출구가 마련된 면의 외측에, 구획부(18a)를 구비하고 있다. 구획부(18a)는, 모든 제 1 유로(16)의 유입구에 연통하는 유입 공간(S1)과, 모든 제 1 유로(16)의 유출구에 연통하는 유출 공간(S2)을 구획한다. 구획부(18a)에는, 도입로(18b) 및 배출로(18c)가 접속된다. 도입로(18b) 및 배출로(18c)는, 각각, 유입 공간(S1) 및 유출 공간(S2)에 연통한다. 제 1 유체는 도입로(18b)을 통해서 유입 공간(S1)에 공급된다. 제 1 유체는 배출로(18c)를 통해서 유출 공간(S2)으로부터 배출된다.
유로 부재(18)의 도입로(18b)을 통해서 제 1 유체가 유입 공간(S1)에 공급되면, 제 1 유체는, 3개의 유입구로부터 제 1 유로(16) 내로 유입된다. 그리고, 제 1 유체는, 단면 U자 형상의 제 1 유로(16) 내를 통과하고, 3개의 유출구로부터 유출 공간(S2)에 유출되어, 배출로(18c)를 통해서 배출된다. 또한, 3개의 제 1 유로(16)를 흐르는 제 1 유체의 유통 방향은 같다.
이와 같이, 열교환기(10)에 있어서, 제 1 유체는, 제 1 유로(16) 내를, 축방향에 대략 수직한 방향으로 흐르고, 제 2 유체는, 제 2 유로(17) 내를 축방향으로 흐른다. 그리고, 열교환기(10)의 내부를 서로 교차하는 방향으로 흐르는 제 1 유체와 제 2 유체의 사이에서, 구획벽(12)을 개재하여 열교환이 행해진다. 즉, 제 1 유체의 흐름 방향과 제 2 유체의 흐름 방향은 서로 평행하지 않으며, 제 1 유로(16)와 제 2 유로(17)는, 비틀어진 위치에 있다.
또한, 열교환기(10)의 둘레벽(11) 및 구획벽(12)을 구성하는 재료는 특별하게 한정되는 것이 아니며, 공지의 열교환기에 이용되는 재료를 이용할 수 있다. 예를 들면, 이러한 재료의 예로서, 탄화규소, 탄화탄탈, 탄화텅스텐 등의 탄화물, 질화규소, 질화붕소 등의 질화물을 들 수 있다. 이들 중에서도, 탄화규소를 주성분으로서 포함하는 재료는, 다른 세라믹 재료에 비하여 열전도율이 높으며, 열교환 효율을 높게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 여기에서, 「주성분」이란, 50질량％ 이상을 의미하는 것으로 한다. 탄화규소를 주성분으로서 포함하는 재료로서는, 예를 들면, 탄화규소의 입자와 금속 규소를 포함하는 재료를 들 수 있다.
다음으로, 도 6A∼13에 의거하여, 본 실시형태의 열교환기의 일 제조방법에 대해서 설명한다. 열교환기는, 이하에 기재하는 성형 공정, 가공 공정, 탈지 공정, 함침 공정을 순서대로 거치는 것에 의해 제조된다.
(성형 공정)
열교환기의 성형에 이용하는 원료로서, 탄화규소의 입자와, 유기 바인더와, 분산매를 함유하는 점토상의 혼합물(도 6B 참조)을 조제한다. 이 점토상의 혼합물을 이용하여, 도 6A 및 도 7에 나타내는 성형체(20)를 성형한다. 성형체(20)는, 직사각형 통형상의 둘레벽(11)과, 둘레벽(11)의 내부를 둘레벽(11)의 축방향으로 연장하는 복수의 셀(C)로 구획하는 복수의 구획벽(12)을 구비한다. 복수의 구획벽(12)은 둘레벽(11)과 일체로 성형된다. 이 성형체(20)에 포함되는 모든 셀(C)에 대해서, 축방향에 있어서의 양단이 개방되어 있다. 또한 복수의 셀(C)은, 가로 셀(13a)이 되는 하나 이상의(본 실시형태에서는 3개) 셀(C1)과, 그 이외의 다수의 통상 셀(C)을 포함한다. 각 통상 셀(C)은, 정사각형의 단면을 가진다. 각 셀(C1)은, 가로로 늘어서는 복수 개의 통상 셀(C)에 미치는 가로 방향 길이를 가진다. 즉, 각 셀(C1)은, 가로로 긴 단면을 가진다. 이러한 성형체(20)는, 예를 들면, 압출 성형에 의해 성형할 수 있다. 얻어진 성형체(20)에 대하여, 성형체(20)를 건조시키는 건조 처리를 행한다.
(가공 공정)
가공 공정에서는, 성형체에 연통부를 형성하는 제 1 가공, 및 성형체에 있어서의 일부의 셀의 양단부를 봉지하는 제 2 가공을 행한다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 제 1 가공에서는, 예를 들면, 가열된 가공 도구(21)를 성형체(20)에 접촉시키는 방법을 이용하여, 성형체(20)에 있어서의 둘레벽(11) 및 복수의 구획벽(12)의 일부를 제거하여, 연통부(15a,15b)를 형성한다.
구체적으로는, 도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 연통부(15a,15b)에 대응하는 외형을 가지는 판상의 하나 이상의 가공 도구(21)를 준비한다. 가공 도구(21)의 수를 연통부(15a,15b)의 수와 같게 하면, 모든 연통부(15a,15b)의 형성을 1회의 제 1 가공으로 동시에 행할 수 있다. 가공 도구(21)는, 내열성의 금속(예를 들면, 스테인리스강)에 의해 형성되며, 그 두께는, 통상 셀(C)의 폭(가로 방향 길이)을 넘지 않는 두께로 설정되어 있다. 다음으로, 성형체(20)에 포함되는 유기 바인더가 소실하는 온도가 되도록 가공 도구(21)를 가열한다. 예를 들면, 유기 바인더가 메틸셀룰로오스인 경우에는, 가공 도구(21)를 400℃ 이상으로 가열한다.
그리고, 도 9에 나타내는 바와 같이, 가열된 하나 이상의 가공 도구(21)를 세로측벽(11a)과 평행하게 배치하고, 셀(C1)의 가로 방향의 양단을 향하여, 성형체(20)의 외면(상면)으로부터 집어넣는다. 가공 도구(21)를 셀(C1)에 도달하는 위치까지 집어넣은 후, 가공 도구(21)를 빼낸다. 가열된 가공 도구(21)와 성형체(20)가 접촉하면, 그 접촉 부분에 있어서 성형체(20)에 포함되는 유기 바인더가 연소되어 소실된다. 그 때문에, 성형체(20)에 대한 가공 도구(21)의 삽입 저항은 대단히 작으며, 가공 도구(21)의 삽입 시에, 삽입된 부분의 주변 부분에 변형이나 파괴가 생기기 어렵다. 또한, 유기 바인더가 소실됨으로써, 발생하는 가공 찌꺼기의 양이 감소한다. 그리고, 삽입된 가공 도구(21)가 빼내짐으로써, 연통부(15a,15b)가 형성된다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 제 2 가공에서는, 성형체(20)에 형성되는 복수의 셀(C) 중, 제 1 셀(13)을 구성하는 모든 셀(C)의 축방향에 있어서의 양단부에 대하여, 성형 공정에 있어서 이용한 점토상의 혼합물을 충전한다. 이에 의해, 단면이 가로로 긴 형상의 셀(C1)을 포함하여, 제 1 셀(13)을 구성하는 복수의 셀(C)의 양단부를 봉지하는 봉지부(22)가 형성된다. 그 후, 성형체(20)에 대하여, 봉지부(22)를 건조시키는 건조 처리를 행한다.
상기의 제 1 가공 및 제 2 가공을 포함하는 가공 공정을 거치는 것에 의해, 가공 성형체가 얻어진다. 제 1 가공과 제 2 가공의 순서는 특별하게 한정되지 않으며, 제 2 가공을 행한 후, 제 1 가공을 행하여도 된다.
(탈지 공정)
탈지 공정에서는, 가공 성형체를 가열함으로써, 가공 성형체에 포함되는 유기 바인더를 소실시킨다. 탈지 공정에 의해, 가공 성형체로부터 유기 바인더가 제거된 탈지체(30)(도 11A 참조)가 얻어진다. 가공 성형체로부터 유기 바인더가 제거된 탈지체(30)는, 도 11B에 나타내는 바와 같이, 탄화규소의 입자끼리가 접촉한 상태로 배치된 골격 부분을 가진다.
(함침 공정)
함침 공정에서는, 탈지체를 구성하는 벽 부분의 내부에 금속 규소를 함침시킨다. 함침 공정에 있어서는, 탈지체에 금속 규소의 덩어리를 접촉시킨 상태에서, 금속 규소의 융점 이상(예를 들면, 1450℃ 이상)으로 가열한다. 이에 의해, 도 12B에 나타내는 바와 같이, 용융된 금속 규소가 모세관 현상에 의해, 탈지체의 골격 부분을 구성하는 입자 사이의 간극으로 들어가, 동 간극에 금속 규소가 함침된다.
함침 공정의 가열 처리는, 탈지 공정의 가열 처리로부터 연속하여 행하여도 된다. 예를 들면, 가공 성형체에 대하여 금속 규소의 덩어리를 접촉시킨 상태로 하여, 금속 규소의 융점 미만의 온도로 가열함으로써 유기 바인더를 제거하여 탈지체로 하여도 된다. 그 후, 가열 온도를 금속 규소의 융점 이상으로 상승시켜, 용융된 금속 규소를 탈지체에 함침시켜도 된다.
상기의 함침 공정을 거치는 것에 의해, 도 12A에 나타내는 열교환기(10)가 얻어진다.
여기에서, 본 실시형태에 있어서는, 탈지 공정 이후의 공정에 있어서 특별한 온도 관리를 행하고 있다. 즉, 탈지 공정 이후의 공정은, 성형 공정에 이용한 혼합물에 포함되는 탄화규소의 소결 온도 미만의 온도하에서 실시되며, 가공 성형체 및 탈지체를 상기 소결 온도 이상의 온도에 두지 않도록 하고 있다. 따라서, 탈지 공정에 있어서는, 유기 바인더가 소실가능한 온도 이상이면서, 또한 상기 소결 온도 미만의 온도로 가열을 행한다. 마찬가지로, 함침 공정에 있어서는, 금속 규소의 융점 이상이면서, 또한 상기 소결 온도 미만의 온도로 가열을 행한다.
다음으로, 본 실시형태의 작용 및 효과에 대해서 기재한다.
(1) 열교환기는, 다각 통형상의 둘레벽과, 상기 둘레벽의 내부를 각각 상기 둘레벽의 축방향으로 연장하는 복수의 제 1 셀 및 복수의 제 2 셀로 구획하는 복수의 구획벽을 구비한다. 상기 각 제 1 셀의 상기 축방향에 있어서의 양단부가 봉지되는 것과 함께 인접하는 상기 제 1 셀끼리가 연통됨으로써, 상기 복수의 제 1 셀은 상기 축방향에 수직한 단면이 U자 형상을 가지는 하나 이상의 제 1 유로를 구성한다. 상기 하나 이상의 제 1 유로와 함께 상기 둘레벽의 동일면에 개구하는 유입구 및 유출구를 가진다. 상기 각 제 2 셀은, 상기 축방향에 있어서의 양단부에 각각 유입구 및 유출구를 가지는 제 2 유로를 구성한다. 상기 하나 이상의 제 1 유로를 유통하는 제 1 유체와, 복수의 상기 제 2 유로를 유통하는 제 2 유체의 사이에서 열교환이 행해진다.
상기 구성에 의하면, 하나 이상의 제 1 유로에 포함되는 모든 유입구 및 모든 유출구가, 둘레벽의 동일한 평탄한 외면에 개구한다. 그 때문에, 제 1 유체를 급배하기 위한 유로 부재를 둘레벽의 동일한 면에 부착할 수 있다. 이에 의해, 유로 부재를 포함한 열교환기의 설치 스페이스의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 제 1 유로는 축방향에 수직한 단면에 있어서 U자 형상을 가지므로, 제 1 유체의 온도가 열교환기 전체에 반영되기 쉬워진다. 예를 들면, 제 1 유체가 냉각수일 경우에는, 열교환기 전체를 효율적으로 냉각할 수 있다. 이에 의해, 열교환기의 열교환 효율이 향상된다.
(2) 복수의 제 1 유로는, 축방향에 수직한 단면에 있어서 네스티드식으로 배치되며, 인접하는 2개의 제 1 유로의 사이에 복수의 제 2 유로가 배치된다.
상기 구성에 의하면, 제 1 유체의 온도가 열교환기 전체에 반영되기 쉬워지는 효과를 높일 수 있다.
(3) 인접하는 2개의 제 1 유로에 있어서, 제 1 유체의 유통 방향이 같다.
상기 구성에 의하면, 인접하는 2개의 제 1 유로의 유입구를, 둘레벽의 동일한 평탄한 외면에 있어서, 가까운 위치에 배치할 수 있다. 인접하는 2개의 제 1 유로의 유출구에 관해서도 마찬가지이다. 이에 의해, 공통의 유로 부재를 이용하여 복수의 제 1 유로에 제 1 유체를 급배하는 것이 용이하게 된다.
(4) 제 2 유체는, 내연기관의 배기가스 등의 기체이며, 인접하는 2개의 제 1 유로의 사이에 배치되는 복수의 제 2 셀이 늘어서는 열 수는 2열 이상이다.
상기 구성에 의하면, 열교환기의 단면에 차지하는 제 2 셀의 비율이 많아지는 것에 의해, 제 2 유로의 총 유로 단면적이 커진다. 이에 의해, 제 2 유로를 통과하는 제 2 유체의 유속이 저하되어, 제 2 유체와 구획벽의 접촉 시간이 길어진다. 또한 제 2 유로에 있어서의 제 2 유체에 접촉하는 면적도 커진다. 이들의 결과, 제 2 유체의 열이 구획벽에 전해지기 쉬워져서, 열교환기의 열교환 효율이 향상된다.
(5) 구획벽은, 탄화규소를 주성분으로서 포함한다. 탄화규소는, 세라믹 재료 중에서도 열전도율이 높은 재료이기 때문에, 구획벽의 열전도율을 높게 할 수 있다. 따라서, 열교환기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
(6) 본 실시형태의 열교환기는, 상기와 같은 온도 관리 하에서 제조됨으로써, 탄화규소의 입자끼리가 접촉한 상태로 배치되어서 골격 부분이 형성되며, 이 골격 부분의 간극에 금속 규소가 충전되어서 형상이 보지(保持)된다. 즉, 탄화규소의 입자끼리는, 소결에 의한 결합부(넥)를 가지지 않는 상태가 된다. 이에 의해, 열교환기의 사용 중에, 내부의 온도차에 기인하여 구획벽의 내부에 변형이 생겨도, 탄화규소의 입자간의 넥에 균열이 생기는 것을 억제할 수 있다. 또한 넥을 개재하여 균열이 신전(伸展)되는 것을 억제할 수 있다.
본 실시형태는, 다음과 같이 변경하여 실시하는 것도 가능하다. 또한, 상기 실시형태의 각 구성과 이하의 변경예에 나타내는 각 구성을 적절히 조합하여 실시하는 것도 가능하다.
·도 13의 제 1 변경예에 나타내는 바와 같이, 하나의 제 1 유로의 유입구를 복수로 분할하여도 된다. 또한, 하나의 제 1 유로의 유출구를 복수로 분할하여도 된다. 즉, 각 연통부(15a,15b)의, 둘레벽(11)에 형성되는 개구를 복수로 분할하여도 된다. 또한, 유입구 또는 유출구의 일방만, 복수로 분할하여도 된다.
둘레벽의 동일한 평탄한 외면(개구면)에 모든 유입구 및 모든 유출구가 개구할 경우, 그 개구면의 강도가 낮아지기 쉽다. 그 때문에, 유입구 및 유출구를 복수로 분할하여 마련함으로써, 둘레벽의 강도의 저하를 억제할 수 있다.
·제 1 유로의 수는, 3으로 한정되는 것이 아니며, 1, 2, 또는 4 이상이어도 된다.
·상기 실시형태에서는, 복수의 제 1 유로를 네스티드식으로 배치했지만, 복수의 제 1 유로의 배치는 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 14의 제 2 변경예에 나타내는 바와 같이, 복수의 제 1 유로(16)가 병렬로 배치되어 있어도 된다.
·복수의 제 1 유로 중에서, 유통하는 제 1 유체의 유량(단위 시간당의 유량)을 다르게 하여도 된다. 즉, 적어도 두개의 제 1 유로에 대해서, 유통하는 제 1 유체의 유량이 서로 달라도 된다. 제 1 유로의 위치 또는 형상 등에 따라 제 1 유체의 유량을 조정함으로써, 열교환기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 복수의 제 1 유로가 네스티드식으로 배치될 경우, 외측에 위치하는 제 1 유로는, 내측에 위치하는 제 1 유로보다도 유로 길이가 긴 만큼, 유출구에 접근함에 따라서 열교환 효율이 저하되는 경향이 있다. 그래서, 유로 길이가 짧은 제 1 유로에 있어서의 제 1 유체의 유량보다도, 유로 길이가 긴 제 1 유로에 있어서의 제 1 유체의 유량을 많게 하면, 유로 길이가 긴 제 1 유로에 있어서의 열교환 효율의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 제 1 유체의 유량을 조정하는 방법으로서는, 예를 들면, 제 1 유로의 유로 단면을 다르게 하는 방법, 또는, 제 1 유로 또는 유로 부재에 대하여 개도가 다른 스로틀 부분 또는 유량 제어밸브를 마련하는 방법을 채용하여도 된다.
·열교환기가 복수의 제 1 유로를 구비할 경우, 복수의 제 1 유로의 사이에서 제 1 유체의 유통 방향을 다르게 하여도 된다. 즉, 적어도 두개의 제 1 유로에 대해서, 제 1 유체의 유통 방향이 서로 달라도 된다.
·제 2 유로를 구성하는 제 2 셀의 단면 형상은, 사각형상으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 15의 제 3 변경예에 나타내는 바와 같이, 제 2 셀(14)의 단면을 육각형으로 하여도 된다. 이 경우에도, 제 1 유로(16)의 축방향에 수직한 단면의 형상을 U자 형상으로 할 수 있다. 또한, 이러한 제 1 유로(16)의 유입구 및 유출구가 둘레벽의 하나의 평탄한 외면에 개구하도록 구성할 수 있다.
·인접하는 2개의 제 1 유로의 사이에 배치되는 제 2 셀 열의 수는, 일정하여도 되고, 달라도 된다. 예를 들면, 3개의 제 1 유로(16A), 제 1 유로(16B), 제 1 유로(16C)가 이 순서대로 늘어서 있을 경우에, 제 1 유로(16A)와 제 1 유로(16B)의 사이에 배치되는 제 2 셀 열의 수와, 제 1 유로(16B)와 제 1 유로(16C)의 사이에 배치되는 제 2 셀 열의 수는, 같아도 되고, 달라도 된다.
·둘레벽의 단면 형상은, 직사각형으로 한정되는 것이 아니며, 다각형이면 된다. 예를 들면, 둘레벽의 단면 형상이 삼각형, 오각형 또는 육각형 등이어도 된다. 즉, 둘레벽이 3면 또는 5면 이상의 평탄한 외면을 가져도 된다.
·유로 부재의 구성은 특별하게 한정되는 것이 아니며, 하나 이상의 제 1 유로에 대하여 제 1 유체를 급배할 수 있는 것이면 된다. 예를 들면, 유로 부재는, 제 1 유체를 공급하는 부분과, 제 1 유체를 배출하는 부분을 각각 구비하는 것이어도 된다. 또한, 열교환기가 복수의 제 1 유로를 구비하는 경우에 있어서, 하나의 제 1 유로에 제 1 유체를 공급하는 부분과, 별도의 제 1 유로에 제 1 유체를 공급하는 부분을 각각 구비하는 것이어도 된다.
·열교환기는, 그 구성요소로서 유로 부재를 구비하는 것이어도 된다. 이 경우, 유로 부재는, 둘레벽 및 구획벽을 구비하는 본체 부분에 대하여, 별체로 마련되는 것이어도 되고, 상기 본체 부분의 둘레벽에 일체로 마련되는 것이어도 된다.
·상기 실시형태에서는, 둘레벽과 구획벽이, 탄화규소를 주성분으로서 포함하는 재료로 구성되어 있었지만, 이 양태로 한정되지 않는다. 예를 들면, 구획벽만이, 탄화규소를 주성분으로서 포함하는 재료로 구성되어 있어도 되며, 둘레벽과 구획벽이, 탄화규소를 주성분으로서 포함하는 재료 이외로 구성되어 있어도 된다. 또한, 열교환기의 구성요소로서의 유로 부재는, 둘레벽 및 구획벽과 같은 재료로 구성되어 있어도 되며, 다른 재료로 구성되어 있어도 된다.
Claims (9)
- 다각 통형상의 둘레벽과,
상기 둘레벽의 내부를 각각 상기 둘레벽의 축방향으로 연장하는 복수의 제 1 셀 및 복수의 제 2 셀로 구획하는 복수의 구획벽을 구비하며,
상기 각 제 1 셀의 상기 축방향에 있어서의 양단부가 봉지되는 것과 함께 인접하는 상기 제 1 셀끼리가 연통됨으로써, 상기 복수의 제 1 셀은 상기 축방향에 수직한 단면이 U자 형상을 가지는 제 1 유로를 구성하고, 상기 제 1 유로는 상기 둘레벽의 동일면에 개구하는 유입구 및 유출구를 가지며,
상기 각 제 2 셀은, 상기 축방향에 있어서의 양단부에 각각 유입구 및 유출구를 가지는 제 2 유로를 구성하며,
상기 제 1 유로를 유통하는 제 1 유체와, 복수의 상기 제 2 유로를 유통하는 제 2 유체의 사이에서 열교환이 이루어지는, 열교환기. - 제 1 항에 있어서,
적어도 2개의 상기 제 1 유로는, 상기 축방향에 수직한 단면에 있어서 네스티드식으로 배치되며,
인접하는 2개의 상기 제 1 유로의 사이에는 적어도 2개의 상기 제 2 유로가 배치되는 열교환기. - 제 2 항에 있어서,
상기 인접하는 2개의 제 1 유로에 있어서, 상기 제 1 유체의 유통 방향이 같은 열교환기. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
적어도 2개의 상기 제 1 유로는, 유통하는 상기 제 1 유체의 유량이 서로 다르도록 구성되어 있는 열교환기. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 제 1 유로에 있어서, 상기 유입구 및 상기 유출구의 적어도 일방은, 복수로 분할되어 있는 열교환기. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 유로에 대하여 상기 제 1 유체를 급배하기 위한 유로 부재를 구비하는 열교환기. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 유로는 상기 축방향에 수직한 단면에 있어서 평행하게 배치되어 있는 복수의 평행한 제 1 유로를 구비하며,
복수의 상기 제 2 유로 중 적어도 2개는 상기 복수의 평행한 제 1 유로 중 적어도 2개의 사이에 배치되어 있는 열교환기. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 둘레벽은 사각형상의 단면형상을 가지는 열교환기. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 제 2 셀은 육각형상의 단면형상을 가지는 열교환기.
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