WO2012133405A1 - 熱交換部材、および熱交換器 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a heat exchange member that transfers heat of a first fluid (high temperature side) to a second fluid (low temperature side), and a heat exchanger.
- Patent Document 1 discloses a ceramic heat exchanger in which a heating body channel is disposed from one end surface to the other end surface of a ceramic main body, and a heated body channel is formed in a direction orthogonal to the heating body channel. Is disclosed.
- Patent Document 2 a plurality of ceramic heat exchangers in which a heated fluid channel and a non-heated fluid channel are formed are arranged in a string-like sealing material made of an unfired ceramic material between the joint surfaces. There is disclosed a ceramic heat exchanger disposed in a casing with a gap interposed therebetween.
- Patent Documents 1 and 2 have high man-hours such as sealing and slit processing, and the productivity is not good, resulting in high costs.
- the gas / liquid flow paths are arranged in every other row, the piping structure and the fluid sealing structure are complicated.
- the heat transfer coefficient of liquids is generally 10 to 100 times greater than that of gas, and these technologies lack the heat transfer area on the gas side and are proportional to the heat transfer area of the gas, which controls the heat exchanger performance. The heat exchanger becomes large.
- An object of the present invention is to provide a heat exchange member and a heat exchanger that can be reduced in size, weight, and cost as compared with conventional heat exchangers, heat exchangers, and the like.
- the present inventors accommodate a heat exchange member formed as a honeycomb structure in a casing, circulate the first fluid in the cells of the honeycomb structure, and pass the second fluid in the casing of the honeycomb structure. It has been found that the above problem can be solved by defining the relationship between the size and the thermal conductivity of the honeycomb structure, which is a heat exchange member, when heat is exchanged through circulation on the outer peripheral surface. That is, according to the present invention, there are provided a heat exchange member having the following honeycomb structure and a heat exchanger that have high heat exchange efficiency, a small volume of the honeycomb portion, and a small pressure loss of the first fluid.
- a honeycomb structure having a plurality of cells partitioned by ceramic partition walls and penetrating in an axial direction from one end face to the other end face and serving as a first fluid circulation portion through which a heating body as a first fluid circulates.
- the second fluid is formed as a body and receives heat from the first fluid by flowing on the outer peripheral surface of the outer peripheral wall of the honeycomb structure and the first fluid flowing through the first fluid circulation portion.
- At least one of the partition walls and the outer peripheral wall of the honeycomb structure is made dense so as not to mix with fluid, and the thermal conductivity of the material of the partition walls of the honeycomb structure is ⁇ [W / K ⁇ m].
- the equivalent circle diameter of the cross-sectional area of the cross section perpendicular to the axial direction of the honeycomb structure is ⁇ [mm]
- the total length in the axial direction of the honeycomb structure is The heat exchange member according to the above [1], wherein when L [mm], 20 ⁇ ⁇ ⁇ 60 and 1.66 ⁇ L / ⁇ ⁇ 7.5.
- the honeycomb structure which is the heat exchange member according to [1] or [2], and a casing in which an inlet and an outlet for the second fluid are formed and includes the honeycomb structure inside And the inside of the casing serves as a second fluid circulation part, and the second fluid circulates on the outer peripheral surface of the honeycomb structure in the second fluid circulation part, whereby heat is generated from the first fluid.
- Receive heat exchanger Receive heat exchanger.
- the heat exchange member and the heat exchanger of the present invention are not complicated in structure, and realize a reduction in size, weight, and cost as compared with a conventional heat exchanger (heat exchanger or a device thereof). Can do. Moreover, it has a heat exchange efficiency equal to or higher than that.
- FIG. 1 It is a perspective view which shows the heat exchange member formed as a cylindrical honeycomb structure. It is sectional drawing which cut
- FIG. 6 is a diagram schematically showing an arrangement in which a plurality of honeycomb structures are stacked, and showing another embodiment of the heat exchanger of the present invention in which the first fluid and the second fluid exchange heat in an orthogonal flow. . It is a perspective view showing an embodiment of equilateral triangle staggered arrangement of a plurality of honeycomb structures.
- FIG. 6 is a perspective view showing another embodiment of a heat exchanger in which a cylindrical honeycomb structure is accommodated in a casing.
- FIG. 5 is a cross-sectional view taken along a cross section parallel to the axial direction, showing another embodiment of a heat exchanger in which a cylindrical honeycomb structure is housed in a casing.
- FIG. 5 is a cross-sectional view taken along a cross section parallel to the axial direction, showing another embodiment of a heat exchanger in which a cylindrical honeycomb structure is housed in a casing.
- FIG. 6 is a cross-sectional view taken along a cross section perpendicular to the axial direction, showing another embodiment of a heat exchanger in which a cylindrical honeycomb structure is housed in a casing. It is sectional drawing cut
- FIG. 1A is a perspective view showing a heat exchange member according to an embodiment of the present invention
- FIG. 1B is a cross-sectional view cut along a cross section parallel to the axial direction
- the heat exchange member has a cylindrical honeycomb structure. 1 is formed.
- 2A is a perspective view of the heat exchanger 30 in which the heat exchange member of the cylindrical honeycomb structure 1 is accommodated in the casing 21, and
- FIG. 2B is a cross-sectional view cut along a cross section parallel to the axial direction.
- 2C shows a cross-sectional view cut along a cross section perpendicular to the axial direction.
- the honeycomb structure 1 of the heat exchange member is formed in a columnar shape.
- the casing 21 of the heat exchanger 30 of the present embodiment is a honeycomb that forms the first fluid circulation portion 5 from the first fluid inlet 25 to the first fluid outlet 26. It is formed in a straight line so that the structure 1 is fitted.
- the second fluid circulation portion 6 from the second fluid inlet 22 to the second fluid outlet 23 is also formed in a straight line. And it is set as the cross
- the honeycomb structure 1 is provided by being fitted to a casing 21.
- a second fluid inlet 22 and outlet 23 are formed on opposite sides of the honeycomb structure 1.
- the heat exchanger 30 includes a first fluid circulation part 5 and a second fluid circulation part 6.
- the first fluid circulation portion 5 is partitioned by ceramic partition walls 4 and penetrates from one end face 2 to the other end face 2 in the axial direction, and has a plurality of cells 3 through which a heating body as a first fluid circulates. It is formed by the structure 1.
- the second fluid circulation part 6 is formed by a casing 21 containing the honeycomb structure 1 therein, and an inlet 22 and an outlet 23 of the second fluid are formed in the casing 21, and the second fluid is located inside the casing 21. The heat is received from the first fluid by flowing on the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1.
- At least one of the partition walls 4 and the outer peripheral wall 7h of the honeycomb structure 1 is made dense so that the first fluid and the second fluid are not mixed. Note that the fact that the second fluid flows on the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1 includes a case where the second fluid directly contacts the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1 and a case where the second fluid does not directly contact.
- a honeycomb structure 1 which is a heat exchange member housed in a casing 21 is partitioned by a ceramic partition wall 4 and penetrates in an axial direction from one end face 2 to the other end face 2, and is a heating body which is a first fluid. Has a plurality of cells 3 in circulation.
- the heat exchanger 30 is configured such that a first fluid having a temperature higher than that of the second fluid flows in the cells 3 of the honeycomb structure 1.
- the second fluid circulation portion 6 is formed by the inner peripheral surface 24 of the casing 21 and the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1.
- the second fluid circulation part 6 is a second fluid circulation part formed by the casing 21 and the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1.
- the second fluid circulation part 6 is separated from the first fluid circulation part 5 by the partition walls 4 of the honeycomb structure 1 and can conduct heat, and the heat of the first fluid flowing through the first fluid circulation part 5 is separated by the partition walls. Heat is transferred to the heated body, which is the second fluid that is received and distributed through the circuit 4.
- the first fluid and the second fluid are completely separated, and these fluids do not mix.
- the first fluid circulation part 5 is formed as a honeycomb structure.
- the honeycomb structure when the fluid passes through the cell 3, the fluid cannot flow into another cell 3 by the partition wall 4, and the fluid advances linearly from the inlet to the outlet of the honeycomb structure 1.
- the honeycomb structure 1 in the heat exchanger 30 of the present invention is not plugged, so that the heat transfer area of the fluid can be increased and the size of the heat exchanger can be reduced. Thereby, the amount of heat transfer per unit volume of the heat exchanger can be increased.
- the heat exchanger 30 can reduce the manufacturing cost.
- the heat exchange member of the present invention has a thermal conductivity of ⁇ [W / K ⁇ m] as the material of the partition walls 4 of the honeycomb structure 1 forming the first fluid circulation part 5, and the partition walls of the cell structure of the honeycomb structure 1.
- ⁇ [W / K ⁇ m] the material of the partition walls 4 of the honeycomb structure 1 forming the first fluid circulation part 5, and the partition walls of the cell structure of the honeycomb structure 1.
- T ⁇ ⁇ is 20 ⁇ t ⁇ ⁇ ⁇ 250, preferably 80 ⁇ t ⁇ ⁇ ⁇ 250.
- t ⁇ ⁇ in such a range, the heat of the first fluid can be efficiently transferred to the outer wall 7h portion that exchanges heat with the second fluid, and the heat exchange efficiency is maintained.
- the pressure loss generated by the first fluid can be reduced.
- ⁇ ⁇ ⁇ is 10,000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , and more preferably 20,000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .
- ⁇ ⁇ ⁇ in such a range, the heat of the first fluid can be efficiently transferred to the outer peripheral wall 7h portion that exchanges heat with the second fluid while maintaining a small pressure loss.
- ⁇ [mm] refers to the equivalent circle diameter, which is the diameter of a circle having the same area as the area of the heat collecting portion.
- the heat collection portion refers to a portion that collects heat from the first fluid.
- the cell 3 is formed (except for the outer peripheral wall 7h). If the honeycomb structure 1 is cylindrical, the diameter of the portion excluding the outer peripheral wall 7h is ⁇ . If the cross-sectional area of the cross section perpendicular to the axial direction of the honeycomb structure 1 is the same, the average distance from each point of the heat collecting portion to the outer peripheral wall 7h is the same regardless of the shape of the honeycomb structure 1, so that heat exchange The amount is almost the same. For this reason, the heat exchange efficiency can be improved by defining the parameter including the equivalent circle diameter.
- ⁇ is preferably 20 ⁇ ⁇ ⁇ 60, more preferably 30 ⁇ ⁇ ⁇ 50.
- L / ⁇ is preferably 1.66 ⁇ L / ⁇ ⁇ 7.5, and more preferably 2 ⁇ L / ⁇ ⁇ 5.
- the first fluid is circulated at a temperature higher than that of the second fluid to conduct heat from the first fluid to the second fluid.
- gas is circulated as the first fluid and liquid is circulated as the second fluid, heat exchange between the first fluid and the second fluid can be performed efficiently. That is, the heat exchanger 30 of the present invention can be applied as a gas / liquid heat exchanger.
- the heat exchanger 30 of the present invention allows the first fluid having a temperature higher than that of the second fluid to flow through the cells of the honeycomb structure 1 to efficiently heat the heat of the first fluid to the honeycomb structure 1.
- the total heat transfer resistance is the thermal resistance from the first fluid to the honeycomb structure 1 + the thermal resistance of the partition walls 4 + the thermal resistance from the honeycomb structure 1 to the second fluid.
- This is the thermal resistance from one fluid to the honeycomb structure 1. Since the first fluid passes through the cell 3 in the heat exchanger 30, the contact area between the first fluid and the honeycomb structure 1 is large, and the heat from the first fluid, which is a rate-determining factor, to the honeycomb structure 1 is large. Resistance can be lowered. Therefore, in the heat exchange member shown in FIG.
- the heat exchanger 30 of the present invention includes a honeycomb structure 1 that is the first fluid circulation section 5 (high temperature side) of the honeycomb structure through which the first fluid (heating body) flows, and the second fluid circulation section 6 inside. It is comprised by the casing 21 made. Since the first fluid circulation part 5 is formed by the heat exchange member of the honeycomb structure 1, heat exchange can be performed efficiently.
- a plurality of cells 3 serving as flow paths are defined by partition walls 4, and the cell shape is appropriately set to a desired shape from a circle, an ellipse, a triangle, a quadrangle, and other polygons. Just choose.
- a module structure in which a plurality of honeycomb structures 1 are joined can be formed (see FIG. 4A).
- the shape of the honeycomb structure 1 shown in FIGS. 1A and 1B is a cylinder, but the shape is not limited thereto, and may be other shapes such as a quadrangular prism shape (see FIG. 3A). Alternatively, the structure may be a honeycomb aggregate that satisfies the conditions (see FIGS. 4A to 4C).
- FIGS. 3A and 3B is a heat exchanger 30 in which a first fluid and a second fluid exchange heat in a counterflow.
- the counter flow means that the second fluid flows in the opposite direction in parallel with the direction in which the first fluid flows.
- the direction in which the second fluid is circulated is not limited to the direction opposite to the direction in which the first fluid circulates (opposite flow), but the same direction (parallel flow) or a certain angle (0 ° ⁇ x ⁇ 180 °: However, it is possible to select and design as appropriate.
- FIG. 4A schematically shows the arrangement of the honeycomb structure 1, and the casing 21 and the like are omitted.
- the honeycomb structures 1 are stacked with gaps in three rows and four rows.
- circulates increases, and a large amount of 1st fluid can be distribute
- the plurality of honeycomb structures 1 are arranged with the outer peripheral surface 7 facing each other with a gap, the contact area between the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1 and the second fluid is large. The heat exchange between the first fluid and the second fluid can be performed efficiently.
- the equivalent circle diameter ⁇ is a value obtained for each honeycomb structure 1.
- FIG. 4B and 4C show an embodiment of a regular triangular staggered arrangement of a plurality of honeycomb structures 1.
- 4B is a perspective view
- FIG. 4C is a view seen from the inlet side of the first fluid.
- a plurality of honeycomb structures 1 are arranged such that a line connecting the central axes 1j of the honeycomb structures 1 forms an equilateral triangle.
- positioning in this way, a 2nd fluid can be distribute
- the equilateral triangle staggered arrangement forms a kind of fin structure, and the flow of the second fluid becomes turbulent, and heat exchange with the first fluid is facilitated.
- Fig. 4D shows an embodiment in which honeycomb structures 1 having different sizes are included.
- a supplementary honeycomb structure 1 h is arranged in the gap between the honeycomb structures 1 having a regular triangular staggered arrangement.
- the replenishment honeycomb structure 1h fills in the gaps, and is different in size and shape from other normal honeycomb structures 1. That is, it is not necessary that all the honeycomb structures 1 have the same size and shape.
- the gap between the casing 21 and the honeycomb structure 1 can be filled, and the heat exchange efficiency can be improved.
- the density of the partition walls 4 of the cells 3 of the honeycomb structure 1 is preferably 0.5 to 5 g / cm 3 .
- the partition wall 4 has insufficient strength, and the partition wall 4 may be damaged by pressure when the first fluid passes through the flow path.
- the honeycomb structure 1 itself becomes heavy, and the characteristics of weight reduction may be impaired.
- the honeycomb structure 1 can be strengthened. Moreover, the effect which improves heat conductivity is also acquired.
- the honeycomb structure 1 is preferably made of ceramics having excellent heat resistance, and silicon carbide is particularly preferable in consideration of heat transfer properties. However, it is not always necessary that the entire honeycomb structure 1 is made of silicon carbide, and it is sufficient if silicon carbide is contained in the main body. That is, the honeycomb structure 1 is preferably made of a conductive ceramic containing silicon carbide. As the physical properties of the honeycomb structure 1, the thermal conductivity ⁇ [W / mK] at room temperature is preferably 10 ⁇ ⁇ ⁇ 300, but is not limited thereto. Instead of the conductive ceramic, a corrosion-resistant metal material such as an Fe—Cr—Al alloy can be used.
- the honeycomb structure 1 containing silicon carbide having high thermal conductivity it is more preferable to use the honeycomb structure 1 containing silicon carbide having high thermal conductivity.
- a high thermal conductivity cannot be obtained in the case of a porous body. Therefore, it is more preferable to impregnate silicon in the manufacturing process of the honeycomb structure 1 to obtain a dense structure.
- High heat conductivity can be obtained by using a dense structure. For example, in the case of a porous body of silicon carbide, it is about 20 W / mK, but by making it a dense body, it can be about 150 W / mK.
- Si-impregnated SiC, (Si + Al) -impregnated SiC, metal composite SiC, Si 3 N 4 , and SiC can be employed as the ceramic material. It is more desirable to employ Si-impregnated SiC and (Si + Al) -impregnated SiC in order to obtain a dense structure for obtaining high heat exchange efficiency.
- Si-impregnated SiC has a structure in which the SiC particle surface is surrounded by solidified metal-silicon melt and SiC is integrally bonded via metal silicon, so that silicon carbide is shielded from an oxygen-containing atmosphere and prevented from oxidation. Is done.
- SiC has the characteristics of high thermal conductivity and easy heat dissipation, but SiC impregnated with Si is densely formed while exhibiting high thermal conductivity and heat resistance, and has sufficient strength as a heat transfer member.
- the honeycomb structure 1 made of a Si—SiC-based (Si-impregnated SiC, (Si + Al) -impregnated SiC) material has excellent heat resistance, thermal shock resistance, oxidation resistance, and excellent corrosion resistance against acids and alkalis. And high thermal conductivity.
- the honeycomb structure 1 is mainly composed of a Si-impregnated SiC composite material or (Si + Al) -impregnated SiC
- Si content defined by Si / (Si + SiC)
- Si + SiC Si-impregnated SiC
- the bonding material is formed. Due to the shortage, the bonding between adjacent SiC particles due to the Si phase becomes insufficient, and not only the thermal conductivity is lowered, but it is difficult to obtain a strength capable of maintaining a thin-walled structure such as a honeycomb structure. Become.
- the Si content is preferably 5 to 50% by mass, more preferably 10 to 40% by mass.
- the pores are filled with metal silicon, and the porosity may be 0 or close to 0, which is excellent in oxidation resistance and durability, and can be used in a high-temperature atmosphere. Can be used for a long time.
- an oxidation protective film is formed, so that no oxidative degradation occurs.
- the thermal conductivity is as high as that of copper or aluminum metal, the far-infrared emissivity is also high, and since it is electrically conductive, it is difficult to be charged with static electricity.
- the first fluid (high temperature side) to be circulated through the heat exchanger 30 of the present invention is exhaust gas
- a catalyst is supported on the wall surface inside the cell 3 of the honeycomb structure 1 through which the first fluid (high temperature side) passes. It is preferable that This is because in addition to the role of exhaust gas purification, reaction heat (exothermic reaction) generated during exhaust gas purification can also be exchanged.
- the supported amount of the catalyst (catalyst metal + support) supported on the first fluid circulation part 5 of the honeycomb structure 1 through which the first fluid (high temperature side) passes is preferably 10 to 400 g / L.
- a catalyst is supported on the partition walls 4 of the cells 3 of the honeycomb structure 1.
- the honeycomb structure 1 is masked so that the catalyst is supported on the honeycomb structure 1.
- an aqueous solution containing a catalyst component is impregnated into ceramic powder as carrier fine particles, and then dried and fired to obtain catalyst-coated fine particles.
- a dispersion liquid (water, etc.) and other additives are added to the catalyst-coated fine particles to prepare a coating liquid (slurry).
- the slurry is coated on the partition walls 4 of the honeycomb structure 1, and then dried and fired.
- the catalyst is supported on the partition walls 4 of the cells 3 of the honeycomb structure 1. When firing, the masking of the honeycomb structure 1 is peeled off.
- the heating element that is the first fluid to be circulated in the heat exchanger 30 of the present invention having the above configuration is not particularly limited as long as it is a medium having heat.
- the medium to be heated which is the second fluid that takes heat from the heating body (exchanges heat)
- the second fluid is not particularly limited as a medium, as long as the temperature is lower than that of the heating body. Since at least one of the partition wall 4 and the outer peripheral wall 7h is formed as a dense material, the second fluid is preferably a liquid, and water is preferable in consideration of handling, but is not particularly limited to water.
- the honeycomb structure 1 has a high thermal conductivity, and since there are a plurality of portions serving as flow paths by the partition walls 4, high heat exchange efficiency can be obtained. For this reason, the whole honeycomb structure 1 can be reduced in size and can be mounted on a vehicle.
- FIG. 5A is a perspective view showing another embodiment of the heat exchanger 30 in which the cylindrical honeycomb structure 1 is accommodated in the casing 21, and
- FIG. 5B is a cross-sectional view cut along a cross section parallel to the axial direction.
- FIG. 5C is a cross-sectional view taken along a cross section perpendicular to the axial direction.
- the second fluid inlet 22 and the outlet 23 are formed on the same side with respect to the honeycomb structure 1. It is also possible to adopt a structure as in this embodiment according to the installation location of the heat exchanger 30, piping, and the like.
- the second fluid circulation portion 6 has a circulation structure that circulates around the outer periphery of the honeycomb structure 1. That is, the second fluid flows so as to go around the outer periphery of the honeycomb structure 1.
- FIG. 6 is an axial view showing an embodiment of a heat exchanger 30 provided with a punching metal 55 which is a perforated metal plate having a plurality of holes on the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1 in the second fluid circulation portion 6. Sectional drawing cut
- a cylindrical honeycomb structure 1 is accommodated in the casing 21.
- a punching metal 55 is provided so as to be fitted to the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1 in the second fluid circulation portion 6.
- the punching metal 55 is formed by punching a metal plate, and is formed in a cylindrical shape along the shape of the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1.
- the perforated metal plate is a metal plate having a plurality of holes and is not limited to the punching metal 55.
- FIG. 7A and 7B show the heat exchanger 30 of the embodiment in which the casing 21 is formed in a tube shape and is provided in a spirally wound shape on the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1.
- FIG. 7A is a schematic diagram for explaining a state in which the casing 21 is spirally wound on the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1.
- FIG. 7B is a schematic view in a direction parallel to the axial direction for explaining a state in which the casing 21 is spirally wound on the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1.
- the inside of the tube serves as the second fluid circulation part 6, and the casing 21 has a shape wound spirally on the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1.
- the second fluid that circulates in the honeycomb structure 1 circulates in a spiral shape on the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1 without directly contacting the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1 to exchange heat. With such a configuration, even when the honeycomb structure 1 is damaged, the first fluid and the second fluid do not leak or mix.
- FIG. 8 shows that the casing 21 is integrally formed with a cylindrical portion 21a that fits to the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1 and an outer casing portion 21b that forms the second fluid circulation portion 6 outside the cylindrical portion 21a.
- the tubular portion 21a has a shape corresponding to the shape of the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1, and the outer casing portion 21b has a space for the second fluid to flow outside the tubular portion 21a. It has a cylindrical shape.
- a second fluid inlet 22 and outlet 23 are formed in a part of the outer casing portion 21b.
- the second fluid circulation part 6 is formed to be surrounded by the cylindrical part 21a and the outer casing part 21b, and the second fluid that circulates through the second fluid circulation part 6 is a honeycomb structure.
- the heat is exchanged by circulating in the circumferential direction on the outer peripheral surface 1 of the honeycomb structure 1 without directly contacting the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1.
- the honeycomb forming raw material is formed by extruding a ceramic forming raw material and partitioned by a ceramic partition wall 4 and penetrating in the axial direction from one end face 2 to the other end face 2 to form a plurality of cells 3 serving as fluid flow paths. Shape the body.
- a honeycomb structure 1 in which a plurality of cells 3 serving as gas flow paths are partitioned by partition walls 4 is formed by extruding a clay containing ceramic powder into a desired shape to form a honeycomb formed body, and then drying and firing. Can be obtained.
- the above-described ceramics can be used.
- a honeycomb structure mainly composed of a Si-impregnated SiC composite material first, a predetermined amount of C powder, SiC powder, A binder, water or an organic solvent is kneaded and molded to obtain a molded body having a desired shape.
- the compact is placed in a reduced pressure inert gas or vacuum under a metal Si atmosphere, and the compact is impregnated with metal Si.
- the molding raw material is converted into clay, and the clay is extruded in the molding process, thereby forming a plurality of exhaust gas flow paths partitioned by the partition walls 4.
- a honeycomb-shaped formed body having the cells 3 can be formed.
- the honeycomb structure 1 can be obtained by drying and firing this.
- the heat exchanger 30 is producible by accommodating the honeycomb structure 1 in the casing 21.
- the heat exchanger 30 of the present invention exhibits higher heat exchange efficiency than the conventional one, the heat exchanger 30 itself can be downsized. Furthermore, since it can manufacture from the integral type by extrusion molding, it can reduce cost.
- the heat exchanger 30 can be suitably used when the first fluid is a gas and the second fluid is a liquid.
- the heat exchanger 30 is suitable for use such as exhaust heat recovery as an improvement in automobile fuel efficiency. Can be used.
- honeycomb structure 1 having a material of silicon carbide and a main body size of Table 1 was manufactured.
- the equivalent circle diameter ⁇ which is the diameter of a circle having the same area as the area of the heat collecting portion, is 40 mm, and the total length L [mm] of the length in the axial direction of the honeycomb structure 1 was 100 mm.
- Table 1 shows the thermal conductivity ⁇ [W / K ⁇ m] of the material of the partition walls 4, the wall thickness t [mm] of the partition walls 4, and the cell density ⁇ [pieces / square inch].
- a casing 21 made of stainless steel As an outer container of the honeycomb structure 1, a casing 21 made of stainless steel was used. In Examples 1 to 15, one honeycomb structure 1 was disposed in the casing 21 (see FIGS. 1A and 2C).
- the first fluid circulation part 5 is formed in a honeycomb structure
- the second fluid circulation part 6 is formed so as to circulate (outside structure) the outer periphery of the honeycomb structure 1 in the casing 21.
- piping for introducing and discharging the first fluid to the honeycomb structure 1 and the second fluid to the casing 21 was attached to the casing 21. Note that these two paths are completely isolated so that the first fluid and the second fluid do not mix (peripheral flow structure).
- the external structures of the honeycomb structures 1 of Examples 1 to 15 were all the same.
- the distance L3 between the outer peripheral surface 7 of the honeycomb structure 1 and the inner peripheral surface 24 of the casing 21 is set to 1 mm.
- First fluid and second fluid The inlet temperature and flow rate of the first fluid and the second fluid to the honeycomb structure 1 were all the same.
- nitrogen gas (N 2 ) at 500 ° C. was used.
- water was used as the second fluid.
- Example 1 Nitrogen gas was passed through the first fluid circulation part 5 of the honeycomb structure 1, and (cooling) water was allowed to flow through the second fluid circulation part 6 in the casing 21.
- the flow rate of nitrogen gas with respect to the honeycomb structure 1 was 6 L / s.
- the flow rate of (cooling) water was 15 L / min.
- the test conditions such as the flow rates of the first fluid and the second fluid were all the same.
- a pipe having a second fluid flow path is provided on the outer periphery of a pipe serving as a first fluid flow path (see FIG. 2B).
- the (cooling) water was configured to flow outside the pipe (the gap (L3) was 1 mm) (see FIG. 2C).
- the piping volume of Example 1 refers to the volume with the first fluid flow path.
- Pressure gauges were arranged in the first fluid passage pipes at the front and rear stages of the honeycomb structure 1, and the pressure loss of the honeycomb structure 1 was specified from the pressure difference.
- Table 1 shows the heat exchange efficiency and pressure loss.
- the heat exchange efficiency and the pressure loss when the cell density ⁇ ) is changed are shown.
- a lighter and simpler structure than the conventional product can be achieved by satisfying all of that the pressure loss is smaller than 5.0 [kPa] and the heat exchange efficiency exceeds 50%.
- the pressure loss increases as the wall thickness and cell density of the cell partition wall increase, and when the wall thickness is 0.3 and the cell density is 600, the pressure loss exceeds 5.0 [kPa].
- the wall thickness is 0.1 and the cell density is 100, the heat exchange efficiency does not exceed 50%.
- the heat exchange efficiency is low when the cell density is 100, but tends to increase as the thermal conductivity of the partition walls and the cell density increase.
- a pressure loss of less than 5.0 [kPa] and a heat exchange efficiency of greater than 50%, 1 and Table 2 when the thermal conductivity of the partition walls of the honeycomb structure is ⁇ [W / K ⁇ m], the wall thickness of the partition walls is t [mm], and the cell density is ⁇ [pieces / square inch], t It is necessary to satisfy all of ⁇ 0.2, ⁇ > 100, 20 ⁇ t ⁇ ⁇ 250, 10,000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .
- the heat exchanger of the present invention is not particularly limited even in the automotive field and the industrial field as long as it is used for heat exchange between a heating body (high temperature side) and a heated body (low temperature side). When used for exhaust heat recovery from exhaust gas in the automobile field, it can be used to improve the fuel efficiency of automobiles.
- 1 honeycomb structure, 1h: supplementary honeycomb structure, 1j: central axis, 2: end face (in the axial direction), 3: cell, 4: partition, 5: first fluid circulation section, 6: second fluid circulation section 7: outer peripheral surface, 7h: outer peripheral wall, 21: casing, 21a: cylindrical portion, 21b: outer casing portion, 22: (second fluid) inlet, 23: (second fluid) outlet, 24 : Inner peripheral surface, 25: inlet of (first fluid), 26: outlet of (first fluid), 30: heat exchanger, 55: punching metal, 55a: hole of (punching metal).
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Abstract
従来の熱交換体、熱交換器等と比べて小型化、軽量化、低コスト化を実現する熱交換部材、および熱交換器を提供する。熱交換部材であるハニカム構造体1は、隔壁4の材質の熱伝導率をλ[W/K・m]、ハニカム構造体1のセル構造について、隔壁4の壁厚をt[mm]、セル密度をρ[個/平方インチ]としたとき、t≧0.2、ρ>100、20≦t×ρ≦250、10,000≦λ×ρである。
Description
本発明は、第一の流体(高温側)の熱を第二の流体(低温側)へ熱伝達する熱交換部材、および熱交換器に関する。
エンジンなどの燃焼排ガスなどの高温気体からの熱回収技術が求められている。気体/液体熱交換器としては、自動車のラジエター、空調室外機などのフィン付チューブ型熱交換器が一般的である。しかしながら、例えば自動車排ガスのような気体から熱を回収するには、一般的な金属製熱交換器は耐熱性に乏しく高温での使用が困難である。そこで、耐熱性、耐熱衝撃、耐腐食などを有する耐熱金属やセラミックス材料などが適している。耐熱金属で作製された熱交換器が知られているが、耐熱金属は価格が高い上に加工が難しい、密度が高く重い、熱伝導が低いなどの課題がある。
特許文献1には、セラミックス製の主体の一端面から他端面にわたり加熱体流路を配設するとともに、加熱体流路間に直交する方向に被加熱体流路を形成したセラミックス製熱交換体が開示されている。
特許文献2には、内部に加熱流体流路と非加熱流体流路とが形成されたセラミックス製の熱交換体の複数個を、互いの接合面間に未焼成セラミックス質からなる紐状シール材を介在させてケーシング内に配設したセラミックス製熱交換器が開示されている。
しかし、特許文献1,2は、目封じやスリット加工などの工数が多く生産性が良くないためコストが高くなる。また気体/液体の流路が1列おきに配置されているので、配管構造、流体のシール構造が複雑となる。さらに、液体の熱伝達係数は一般的に気体に比べて10~100倍以上大きく、これら技術では気体側の伝熱面積が不足し、熱交換器性能を律速する気体の伝熱面積に比例して熱交換器が大きくなってしまう。
特許文献3,4では、ハニカム構造部とチューブ部分を別々に作製し、接合させる必要があり生産性が良くないためコストが高くなる傾向があった。
本発明の課題は、従来の熱交換体、熱交換器等と比べて小型化、軽量化、低コスト化を実現する熱交部材、および熱交換器を提供することにある。
本発明者らは、ケーシング内にハニカム構造体として形成された熱交換部材を収容し、第一の流体をハニカム構造体のセル内に流通させ、第二の流体をケーシング内でハニカム構造体の外周面上を流通させて熱交換する場合に、熱交換部材であるハニカム構造体のサイズと熱伝導率との関係を規定することにより上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、熱交換効率が高く、ハニカム部分の体積が小さく、第一の流体の圧力損失が小さい、以下のハニカム構造の熱交換部材、および熱交換器が提供される。
[1] 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第一流体流通部とされる複数のセルを有するハニカム構造体として形成され、前記第一流体流通部を流通する前記第一の流体と、前記ハニカム構造体の外周壁の外周面上を流通することにより前記第一の流体から熱を受け取る前記第二の流体とが混合しないように、前記ハニカム構造体の前記隔壁及び前記外周壁の少なくとも一方が緻密質とされ、前記ハニカム構造体の前記隔壁の材質の熱伝導率をλ[W/K・m]、前記ハニカム構造体のセル構造について、前記隔壁の壁厚をt[mm]、セル密度をρ[個/平方インチ]としたとき、t≧0.2、ρ>100、20≦t×ρ≦250、10,000≦λ×ρの全てを満たす熱交換部材。
[2] 前記ハニカム構造体のセル構造について、前記ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面の断面積の円相当径をΦ[mm]とし、前記ハニカム構造体の軸方向の長さの全長をL[mm]としたとき、20≦Φ≦60、1.66≦L/Φ≦7.5である前記[1]に記載の熱交換部材。
[3] 前記[1]または[2]に記載の熱交換部材である前記ハニカム構造体と、前記第二の流体の入口及び出口が形成されており、前記ハニカム構造体を内部に含むケーシングとを備え、前記ケーシングの内側が第二流体流通部とされ、前記第二の流体が前記第二流体流通部において前記ハニカム構造体の外周面上を流通することにより、前記第一の流体から熱を受け取る熱交換器。
本発明の熱交換部材、および熱交換器は、構造が複雑ではなく、従来の熱交換体(熱交換器、又はそのデバイス)と比べて、小型化、軽量化、低コスト化を実現することができる。また、同等以上の熱交換効率を有する。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
図1Aは、本発明の一実施形態の熱交換部材を示す斜視図であり、図1Bは、軸方向に平行な断面で切断した断面図であり、熱交換部材は、円柱形状のハニカム構造体1として形成されている。また、図2Aに、ケーシング21内に円柱形状のハニカム構造体1の熱交換部材が収容された熱交換器30の斜視図、図2Bに、軸方向に平行な断面で切断した断面図、図2Cに、軸方向に垂直な断面で切断した断面図を示す。
図1A~図1Bに示すように、熱交換部材のハニカム構造体1は、円柱形状に形成されている。図2A~図2Cに示すように、本実施形態の熱交換器30のケーシング21は、第一の流体の入口25から第一の流体の出口26までの第一流体流通部5を形成するハニカム構造体1が嵌合するように直線状に形成されている。また、第二の流体の入口22から第二の流体の出口23までの第二流体流通部6も直線状に形成されている。そして、第一流体流通部5と第二流体流通部6とが交差する交差構造とされている。ハニカム構造体1は、ケーシング21に嵌合して備えられている。第二の流体の入口22と出口23とが、ハニカム構造体1を挟んで反対側に形成されている。
図2Bに示すように、熱交換器30は、第一流体流通部5と第二流体流通部6と、を備える。第一流体流通部5は、セラミックスの隔壁4により仕切られて一方の端面2から他方の端面2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3を有するハニカム構造体1によって形成されている。第二流体流通部6は、ハニカム構造体1を内部に含むケーシング21によって形成され、ケーシング21に第二の流体の入口22及び出口23が形成されており、第二の流体がケーシング21の内側にてハニカム構造体1の外周面7上を流通することにより、第一の流体から熱を受け取る。第一の流体と第二の流体とが混合しないように、ハニカム構造体1の隔壁4及び外周壁7hの少なくとも一方が緻密質とされている。なお、第二の流体がハニカム構造体1の外周面7上を流通するとは、第二の流体がハニカム構造体1の外周面7に直接接触する場合も、直接接触しない場合も含む。
ケーシング21内に収容された熱交換部材であるハニカム構造体1は、セラミックスの隔壁4により仕切られて一方の端面2から他方の端面2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3を有する。熱交換器30は、ハニカム構造体1のセル3内を、第二の流体よりも高温の第一の流体が流通するように構成されている。
また、ケーシング21の内周面24とハニカム構造体1の外周面7とによって第二流体流通部6が形成されている。第二流体流通部6は、ケーシング21とハニカム構造体1の外周面7とによって形成された第二の流体の流通部である。第二流体流通部6は、第一流体流通部5とハニカム構造体1の隔壁4によって隔たれて熱伝導可能とされており、第一流体流通部5を流通する第一の流体の熱を隔壁4を介して受け取り、流通する第二の流体である被加熱体へ熱を伝達する。第一の流体と第二の流体とは、完全に分離されており、これらの流体が混じり合うことはない。
図1Aに示すように、第一流体流通部5は、ハニカム構造として形成されている。ハニカム構造の場合、流体がセル3の中を通り抜ける時には、流体は隔壁4により別のセル3に流れ込むことが出来ず、ハニカム構造体1の入口から出口へと直線的に流体が進む。また、本発明の熱交換器30内のハニカム構造体1は、目封止されておらず、流体の伝熱面積が増し熱交換器のサイズを小さくすることができる。これにより、熱交換器単位体積あたりの伝熱量を大きくすることができる。さらに、ハニカム構造体1に目封止部の形成やスリットの形成等の加工を施すことが不要なため、熱交換器30は、製造コストを低減することができる。
本発明の熱交換部材は、第一流体流通部5を形成するハニカム構造体1の隔壁4の材質の熱伝導率をλ[W/K・m]、ハニカム構造体1のセル構造について、隔壁4の壁厚をt[mm]、セル密度をρ[個/平方インチ]としたとき、t≧0.2、ρ>100、20≦t×ρ≦250、10,000≦λ×ρである。
t×ρは、20≦t×ρ≦250、好ましくは、80≦t×ρ≦250である。t×ρをこのような範囲とすることにより、第一の流体の熱を、第二の流体と熱交換する外周壁7h部分へと効率よく伝達することができ、熱交換効率を維持したまま、第一の流体によって発生する圧力損失を小さくできる。また、λ×ρは、10,000≦λ×ρ、より好ましくは、20,000≦λ×ρである。λ×ρをこのような範囲とすることにより、第一の流体の熱を、圧力損失を小さく維持したまま第二の流体と熱交換する外周壁7h部分へと効率よく伝達できる。
Φ[mm]は集熱部分の面積と同じ面積をもつ円の直径である円相当径を指すものである。集熱部分とは、第一の流体から熱を集熱する部分をさし、ハニカム構造体1では、セル3が形成された部分である(外周壁7hを除く)。そして、ハニカム構造体1が円柱形状であれば、外周壁7hを除いた部分の直径がΦとなる。ハニカム構造体1の軸方向に垂直な断面の断面積が同じであれば、ハニカム構造体1の形状にかかわらず集熱部分の各点から外周壁7hへの平均距離が同じとなるので熱交換量はほぼ同じとなる。このため、円相当径を含むパラメータを規定することにより、熱交換効率を向上させることができる。
Φは20≦Φ≦60であることが好ましく、より好ましくは30≦Φ≦50である。また、ハニカム構造体1の軸方向の長さの全長をL[mm]としたとき、L/Φは1.66≦L/Φ≦7.5であることが好ましく、より好ましくは、2≦L/Φ<5である。ΦおよびL/Φをこのような範囲とすることにより、第一の流体の熱を、第二の流体と熱交換する外周壁部分へと効率よく伝達することができ、熱交換効率を維持したまま第一の流体によって発生する圧力損失を小さくできる熱交換部材とすることができる。
本発明の熱交換器30は、第一の流体は、第二の流体よりも高温であるものを流通させ、第一の流体から第二の流体へ熱伝導するようにすることが好ましい。第一の流体として気体を流通させ、第二の流体として液体を流通させると、第一の流体と第二の流体の熱交換を効率よく行うことができる。つまり、本発明の熱交換器30は、気体/液体熱交換器として適用することができる。
本発明の熱交換器30は、第二の流体よりも高温の第一の流体をハニカム構造体1のセル内に流通させることにより、第一の流体の熱をハニカム構造体1に効率よく熱伝導させることができる。すなわち、全伝熱抵抗は、第一の流体からハニカム構造体1への熱抵抗+隔壁4の熱抵抗+ハニカム構造体1から第二の流体への熱抵抗であるが、律速因子は、第一の流体からハニカム構造体1への熱抵抗である。熱交換器30は、セル3を第一の流体が通過するため、第一の流体とハニカム構造体1との接触面積が大きく、律速因子である第一の流体からハニカム構造体1への熱抵抗を下げることができる。従って、図1Bに示す熱交換部材において、ハニカム構造体1の軸方向の長さを、軸方向の断面の断面積と同じ面積の円相当径よりも短くしても従来よりも十分に熱交換することが可能となる。
先行技術にあるセラミックス製熱交換器の作製では、目封じ加工やスリット開け加工、複数の成形体または焼成体を接合する工程が必要であるのに対し、本発明では基本的に押し出し成形をそのまま使用でき、工数が非常に少なく出来る。また同じ構造を耐熱金属で作製しようとしたとき、プレス加工、溶接加工などの工程が必要であるのに対し、本発明では不要である。したがって、製造コストを低減することができるとともに、十分な熱交換効率を得ることができる。
本発明の熱交換器30は、第一の流体(加熱体)が流通するハニカム構造の第一流体流通部5(高温側)とされるハニカム構造体1と、内部が第二流体流通部6とされるケーシング21により構成される。第一流体流通部5がハニカム構造体1の熱交換部材により形成されていることから熱交換を効率的に行うことができる。ハニカム構造体1は、隔壁4によって流路となる複数のセル3が区画形成されており、セル形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、その他の多角形等の中から所望の形状を適宜選択すればよい。尚、熱交換器30を大きくしたい場合は、ハニカム構造体1が複数接合されたモジュール構造とすることができる(図4A参照)。
図1A及び図1Bに示すハニカム構造体1の形状は円柱であるが、形状としてはこれに限定されるものでなく、四角柱形状等の他の形状であってもよい(図3A参照)し、条件を満たすハニカム集合体となる構造であってもよい(図4A~4C参照)。
図3A及び図3Bに示す実施形態は、第一の流体と第二の流体が、対向流で熱交換する熱交換器30である。対向流とは、第一の流体の流れる方向と並行して逆方向に第二の流体が流れることをいう。第二の流体を流通させる方向は、第一の流体が流通する方向と逆方向(対向流)に限られず、同方向(並行流)、或いは、ある一定角度(0°<x<180°:但し直交を除く)など、適宜選択・設計は可能である。
図4Aに示す熱交換器30は、ケーシング21内に、複数のハニカム構造体1が、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7を対向させて配置されている。なお、図4Aは、ハニカム構造体1の配置を模式的に示したものであり、ケーシング21等は省略されている。具体的には、ハニカム構造体1が縦3列、横4列に間隙を有した状態で積層されている。このような構成とすることにより、第一の流体が流通するセル3が多くなり、多量の第一の流体を流通させることができる。また、複数のハニカム構造体1が、間隙を有した状態で、その外周面7を対向させて配置されているため、ハニカム構造体1の外周面7と第二の流体との接触面積が多く、効率よく第一の流体と第二の流体との熱交換を行うことができる。なお、円相当径Φは、1本1本のハニカム構造体1について求めた値である。
図4B及び図4Cに、複数のハニカム構造体1の正三角形千鳥配置の実施形態を示す。図4Bは、斜視図、図4Cは、第一の流体の入口側から見た図である。複数のハニカム構造体1が、それぞれのハニカム構造体1の中心軸1jを結んだ線が正三角形を形成するように配置されている。このように配置することにより、第二の流体を均一的にハニカム構造体1間(各モジュール間)に流通させることができ、熱交換効率を向上させることができる。このため、複数のハニカム構造体1を配置する場合には、正三角形千鳥配置が好ましい。正三角形千鳥配置により一種のフィン構造となり、第二の流体の流れが乱流となり、第一の流体とより熱交換しやすくなる。
図4Dに異なる大きさのハニカム構造体1が含まれる実施形態を示す。図4Dの実施形態には、正三角形千鳥配置のハニカム構造体1の隙間に、補充ハニカム構造体1hが配置されている。補充ハニカム構造体1hは、隙間を埋め合わせるものであり、他の通常のハニカム構造体1と大きさや形状が異なるものである。すなわち、すべてのハニカム構造体1が同じ大きさや形状である必要はない。このように、大きさや形状の異なる補充ハニカム構造体1hを用いることにより、ケーシング21とハニカム構造体1との隙間を埋め、熱交換効率を向上させることができる。
ハニカム構造体1のセル3の隔壁4の密度は、0.5~5g/cm3であることが好ましい。0.5g/cm3未満の場合、隔壁4は強度不足となり、第一流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁4が破損する可能性がある。また、5g/cm3を超えると、ハニカム構造体1自体が重くなり、軽量化の特徴が損なわれる可能性がある。上記の範囲の密度とすることにより、ハニカム構造体1を強固なものとすることができる。また、熱伝導率を向上させる効果も得られる。
ハニカム構造体1は、耐熱性に優れるセラミックスを用いることが好ましく、特に伝熱性を考慮すると炭化珪素が好ましい。但し、必ずしもハニカム構造体1の全体が炭化珪素で構成されている必要はなく、炭化珪素が本体中に含まれていれば良い。即ち、ハニカム構造体1は、炭化珪素を含む導電性セラミックスからなるものであることが好ましい。ハニカム構造体1の物性として、室温における熱伝導率λ[W/mK]は10≦λ≦300が好ましいが、これに限定されるものでない。導電性セラミックスの代わりに、Fe-Cr-Al系合金等の耐蝕金属材料を用いることもできる。
本発明の熱交換器30が高い熱交換効率を得るためには、ハニカム構造体1の材質に熱伝導が高い炭化珪素を含むものを用いた方がより好ましい。但し、炭化珪素であっても多孔体の場合は高い熱伝導率が得られないため、ハニカム構造体1の作製過程でシリコンを含浸させて緻密体構造とした方がより好ましい。緻密体構造にすることで高い熱伝導率が得られる。例えば、炭化珪素の多孔体の場合、20W/mK程度であるが、緻密体とすることにより、150W/mK程度とすることができる。
つまり、セラミックス材料として、Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC、金属複合SiC、Si3N4、及びSiC(特に、SiCのみからなり緻密化されたものが好ましい)等を採用することができるが、高い熱交換効率を得るための緻密体構造とするためにSi含浸SiC、(Si+Al)含浸SiCを採用することがより望ましい。Si含浸SiCは、SiC粒子表面を金属珪素融体の凝固物が取り囲むとともに、金属珪素を介してSiCが一体に接合した構造を有するため、炭化珪素が酸素を含む雰囲気から遮断され、酸化から防止される。さらに、SiCは、熱伝導率が高く、放熱しやすいという特徴を有するが、Siを含浸するSiCは、高い熱伝導率や耐熱性を示しつつ、緻密に形成され、伝熱部材として十分な強度を示す。つまり、Si-SiC系(Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC)材料からなるハニカム構造体1は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性を初め、酸やアルカリなどに対する耐蝕性に優れた特性を示すとともに、高熱伝導率を示す。
さらに具体的に説明すると、ハニカム構造体1がSi含浸SiC複合材料、又は(Si+Al)含浸SiCを主成分とする場合、Si/(Si+SiC)で規定されるSi含有量が少なすぎると結合材が不足するために隣接するSiC粒子同士のSi相による結合が不十分となり、熱伝導率が低下するだけでなく、ハニカム構造のような薄壁の構造体を維持し得る強度を得ることが困難となる。逆にSi含有量が多すぎると、適切にSiC粒子同士を結合し得る以上に金属珪素が存在することに起因して、ハニカム構造体1が焼成により過度に収縮してしまい、気孔率低下、平均細孔径縮小などの弊害が併発してくる点において好ましくない。したがってSi含有量は、5~50質量%であることが好ましく、10~40質量%であることが更に好ましい。
このようなSi含浸SiC、又は(Si+Al)含浸SiCは、気孔が金属シリコンで埋められており、気孔率が0または0に近い場合もあり、耐酸化性、耐久性に優れ、高温雰囲気化での長期間の使用が可能である。一度酸化されると酸化保護膜が形成されるため、酸化劣化が発生しない。また常温から高温まで高強度を有するため、肉薄で軽量な構造体を形成することができる。さらに、熱伝導率が銅やアルミニウム金属と同程度に高く、遠赤外線放射率も高く、電気導電性があるため静電気を帯びにくい。
本発明の熱交換器30に流通させる第一の流体(高温側)が排ガスの場合、第一の流体(高温側)が通過するハニカム構造体1のセル3内部の壁面には、触媒が担持されていることが好ましい。これは、排ガス浄化の役割に加えて、排ガス浄化の際に発生する反応熱(発熱反応)も熱交換することが可能になるためである。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、亜鉛、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と良い。これらは金属、酸化物、及びそれ以外の化合物であっても良い。第一の流体(高温側)が通過するハニカム構造体1の第一流体流通部5に担持される触媒(触媒金属+担持体)の担持量としては、10~400g/Lであることが好ましく、貴金属であれば0.1~5g/Lであることが更に好ましい。触媒(触媒金属+担持体)の担持量を10g/L未満とすると、触媒作用が発現し難いおそれがある。一方、400g/Lを超えると、圧力損失が大きくなる他、製造コストが上昇するおそれがある。必要に応じて、ハニカム構造体1のセル3の隔壁4に触媒を担持させる。触媒を担持させる場合、ハニカム構造体1にマスキングを施し、ハニカム構造体1に触媒が担持されるようにする。予め、担体微粒子となるセラミックス粉末に触媒成分を含む水溶液を含浸させた後、乾燥し、焼成することにより触媒コート微粒子を得る。この触媒コート微粒子に分散媒(水等)、その他の添加剤を加えてコーティング液(スラリー)を調製し、このスラリーをハニカム構造体1の隔壁4にコーティングした後、乾燥し、焼成することによって、ハニカム構造体1のセル3の隔壁4に触媒を担持する。尚、焼成する際は、ハニカム構造体1のマスキングを剥す。
以上のような構成の本発明の熱交換器30に流通させる第一の流体である加熱体としては、熱を有する媒体であれば、気体、液体等、特に限定されない。例えば、気体であれば自動車の排ガス等が挙げられる。また、加熱体から熱を奪う(熱交換する)第二の流体である被加熱体は、加熱体よりも低い温度であれば、媒体としては、気体、液体等、特に限定されない。隔壁4及び外周壁7hの少なくとも一方が緻密質として形成されていることから、第二の流体は、液体を用いることが好ましく、取扱いを考慮すると水が好ましいが、特に水に限定されない。
以上のように、ハニカム構造体1が高い熱伝導性を持ち、隔壁4によって流路となる箇所が複数あることで、高い熱交換効率が得られる。このため、ハニカム構造体1全体を小型化でき、車載化も可能となる。
熱交換部材であるハニカム構造体1が円柱である場合の他の実施形態についてさらに説明する。図5Aは、ケーシング21内に円柱形状のハニカム構造体1が収容された熱交換器30の他の実施形態を示す斜視図であり、図5Bは、軸方向に平行な断面で切断した断面図、図5Cは、軸方向に垂直な断面で切断した断面図である。
図5A~図5Cの実施形態では、第二の流体の入口22と出口23とが、ハニカム構造体1に対し、同じ側に形成されている。熱交換器30の設置場所、配管等に合わせて、本実施形態のような構造とすることも可能である。本実施形態では、第二流体流通部6がハニカム構造体1の外周を周回する周回構造となっている。つまり、ハニカム構造体1の外周を周回するように第二の流体が流通する。
図6に第二流体流通部6におけるハニカム構造体1の外周面7に複数の孔を有する有孔金属板であるパンチングメタル55が備えられている熱交換器30の実施形態を示す軸方向に平行な断面で切断した断面図を示す。ケーシング21内に円柱形状のハニカム構造体1が収容されている。そして、第二流体流通部6におけるハニカム構造体1の外周面7に嵌合してパンチングメタル55が備えられている。パンチングメタル55は、金属素材の板を孔開け加工したもので、ハニカム構造体1の外周面7の形状に沿った筒状に形成されている。つまり、パンチングメタル55は、孔55aを有するため、第二の流体とハニカム構造体1とが直接接する箇所があり熱伝達を低下させない。またパンチングメタル55でハニカム構造体1の外周面7を覆ってハニカム構造体1を保護することでハニカム構造体1の破損を抑制することができる。なお、有孔金属板とは、複数の孔を有する金属板であり、パンチングメタル55に限定されない。
図7A及び図7Bは、ケーシング21が、チューブ状に形成され、ハニカム構造体1の外周面7上を螺旋状に巻き付けられた形状で備えられている実施形態の熱交換器30を示す。図7Aは、ケーシング21が、ハニカム構造体1の外周面7上を螺旋状に巻き付けた状態を説明するための模式図である。図7Bは、ケーシング21が、ハニカム構造体1の外周面7上を螺旋状に巻き付けられた状態を説明するための軸方向に平行な方向の模式図である。本実施形態では、チューブ内が第二流体流通部6とされており、ケーシング21は、ハニカム構造体1の外周面7上を螺旋状に巻き付けられた形状であるため、第二流体流通部6を流通する第二の流体は、ハニカム構造体1の外周面7上をハニカム構造体1の外周面7に直接接触せずに螺旋状に流通して熱を交換することになる。このような構成とすることにより、ハニカム構造体1に破損があった場合でも、第一の流体と第二の流体が漏れたり混合したりすることがない。
図8は、ケーシング21が、ハニカム構造体1の外周面7に嵌合する筒状部21aと、その筒状部21aの外側に第二流体流通部6を形成する外側ケーシング部21bとを一体として備える熱交換器30の実施形態を示す。筒状部21aは、ハニカム構造体1の外周面7の形状に対応した形状を有し、外側ケーシング部21bは、筒状部21aの外側に、第二の流体が流通するための空間を有した筒状の形状を有している。また、外側ケーシング部21bの一部に第二の流体の入口22及び出口23が形成されている。本実施形態では、第二流体流通部6は、筒状部21aと外側ケーシング部21bとに囲まれて形成されており、第二流体流通部6を流通する第二の流体は、ハニカム構造体1の外周面7上をハニカム構造体1の外周面7に直接接触せずに周方向に流通して熱を交換することになる。このような構成とすることにより、ハニカム構造体1に破損があった場合でも、第一の流体と第二の流体が漏れたり混合したりすることがない。
次に、本発明の熱交換器30の製造方法を説明する。まず、セラミックス成形原料を押出して、セラミックスの隔壁4により仕切られて一方の端面2から他方の端面2まで軸方向に貫通する、流体の流路となる複数のセル3が区画形成されたハニカム成形体を成形する。
具体的には、以下のように製造することができる。セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出してハニカム成形体を成形後、乾燥し、焼成することによって、隔壁4によってガスの流路となる複数のセル3が区画形成されたハニカム構造体1を得ることができる。
ハニカム構造体1の材料としては、前述のセラミックスを用いることができるが、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、まず、所定量のC粉末、SiC粉末、バインダー、水又は有機溶媒を混練し、成形して所望形状の成形体を得る。次いで、この成形体を、金属Si雰囲気下、減圧の不活性ガス又は真空中に置き、成形体中に金属Siを含浸させる。
なお、Si3N4、及びSiC等を採用した場合も、成形原料を坏土化し、この坏土を成形工程において押出成形することにより、隔壁4によって区画された排ガスの流路となる複数のセル3を有するハニカム形状の成形体を成形することができる。これを乾燥、焼成することにより、ハニカム構造体1を得ることができる。そして、ハニカム構造体1をケーシング21内に収容することにより、熱交換器30を作製することができる。
本発明の熱交換器30は、従来と比べて高い熱交換効率を示すため、熱交換器30自体を小型化できる。更に、押出し成形による一体型から製造することができるために低コスト化できる。熱交換器30は、第一の流体が気体であり、第二の流体が液体である場合に、好適に用いることができ、例えば、自動車の燃費向上として、排熱回収等の用途に好適に用いることができる。
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1~15、比較例1~6)
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。
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。
(ハニカム構造体の製造)
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、本体サイズが表1に記載のハニカム構造体1を製造した。なお、ハニカム構造体1の外形形状によらず、集熱部分の面積と同じ面積の円の直径である円相当径Φが40mm、ハニカム構造体1の軸方向の長さの全長L[mm]が100mmであった。また表1に、隔壁4の材質の熱伝導率λ[W/K・m]、隔壁4の壁厚t[mm]、セル密度ρ[個/平方インチ]を記載した。
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、本体サイズが表1に記載のハニカム構造体1を製造した。なお、ハニカム構造体1の外形形状によらず、集熱部分の面積と同じ面積の円の直径である円相当径Φが40mm、ハニカム構造体1の軸方向の長さの全長L[mm]が100mmであった。また表1に、隔壁4の材質の熱伝導率λ[W/K・m]、隔壁4の壁厚t[mm]、セル密度ρ[個/平方インチ]を記載した。
(ケーシング)
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1~15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2C参照)。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1~15のハニカム構造体1の外形構造は、全て同一とした。図2Cにおいて、ハニカム構造体1の外周面7とケーシング21の内周面24との間隔L3を1mmとした。
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1~15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2C参照)。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1~15のハニカム構造体1の外形構造は、全て同一とした。図2Cにおいて、ハニカム構造体1の外周面7とケーシング21の内周面24との間隔L3を1mmとした。
(第一の流体、及び第二の流体)
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、500℃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。
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、500℃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。
(試験方法)
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6L/sとした。(冷却)水の流量は15L/minとした。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。実施例1は、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(図2B参照)。(冷却)水は配管の外側(ギャップ(L3)が1mm)を流れる構成であった(図2C参照)。実施例1の配管容積とは、第一の流体の流路との体積を指す。ハニカム構造体1の前段及び後段の第一の流体の流路配管に圧力計を配置し、その圧力差からハニカム構造体1の圧力損失を特定した。
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6L/sとした。(冷却)水の流量は15L/minとした。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。実施例1は、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(図2B参照)。(冷却)水は配管の外側(ギャップ(L3)が1mm)を流れる構成であった(図2C参照)。実施例1の配管容積とは、第一の流体の流路との体積を指す。ハニカム構造体1の前段及び後段の第一の流体の流路配管に圧力計を配置し、その圧力差からハニカム構造体1の圧力損失を特定した。
(試験結果)
表1に熱交換効率と圧力損失を示す。熱交換効率(%)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) 熱交換効率(%)=(第一の流体(ガス)の入口温度-第二の流体(冷却水)出口温度)/(第一の流体(ガス)の入口温度-第一の流体(ガス)の出口温度)×100
表1に熱交換効率と圧力損失を示す。熱交換効率(%)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) 熱交換効率(%)=(第一の流体(ガス)の入口温度-第二の流体(冷却水)出口温度)/(第一の流体(ガス)の入口温度-第一の流体(ガス)の出口温度)×100
表1は、集熱部のハニカム全長(L=100mm)、ハニカムの隔壁4の材質の熱伝導率(100[W/K・m])をそろえ、セル構造(セルの隔壁4の壁厚t、セル密度ρ)を変えたときの熱交換効率と圧力損失を示す。このとき、圧力損失が5.0[kPa]より小さいこと、熱交換効率が50%を上回ること、の全てを満たすことによって従来品よりも軽量で簡素な構造を達成できる。圧力損失はセルの隔壁の壁厚とセル密度が大きくなるにつれて大きくなり、壁厚が0.3でセル密度が600の時に圧力損失が5.0[kPa]を越えてしまう。一方、壁厚が0.1、セル密度が100の時では、熱交換効率は50%を越えることがない。
(実施例16~23、比較例7~9)
次に、ハニカム構造体1の外形(円相当径Φが45mm、全長Lが100mm)、隔壁4の壁厚tを同一とし、隔壁4の材質の熱伝導率を変化させたハニカム構造体を作製した。結果を表2に示す。
次に、ハニカム構造体1の外形(円相当径Φが45mm、全長Lが100mm)、隔壁4の壁厚tを同一とし、隔壁4の材質の熱伝導率を変化させたハニカム構造体を作製した。結果を表2に示す。
熱交換効率は、セル密度が100では低いが、隔壁の熱伝導率とセル密度が大きくなるにつれて大きくなる傾向にある。従来よりも性能のよい熱交換部材であること、具体的には、圧力損失が5.0[kPa]より小さいこと、熱交換効率が50%より大きいこと、の要求を満たすためには、表1と表2からハニカム構造体の隔壁の熱伝導率をλ[W/K・m]、前記隔壁の壁厚をt[mm]、セル密度をρ[個/平方インチ]としたとき、t≧0.2、ρ>100、20≦t×ρ≦250、10,000≦λ×ρであることの全てを満たすことが必要である。
(実施例24~34)
次に、ハニカム構造体1の隔壁の熱伝導率をλ[W/K・m]、前記隔壁の壁厚をt[mm]、セル密度をρ[個/平方インチ]を同一とし、外径(円相当径Φ)、全長(L)を変化させたハニカム構造体1を作製した。結果を表3に示す。
次に、ハニカム構造体1の隔壁の熱伝導率をλ[W/K・m]、前記隔壁の壁厚をt[mm]、セル密度をρ[個/平方インチ]を同一とし、外径(円相当径Φ)、全長(L)を変化させたハニカム構造体1を作製した。結果を表3に示す。
外径(円相当径Φ)が大きくなるにつれて熱交換効率が上がり、あるところをピークに再び下がる傾向にあるのに対し、圧力損失は小さくなっていく傾向にある。前述の体積と圧力損失、熱交換効率を満たすためには、20≦Φ≦60、1.66≦L/Φ≦7.5であることの全てを満たすことが必要である。
本発明の熱交換器は、加熱体(高温側)と被加熱体(低温側)で熱交換する用途であれば、自動車分野、産業分野であっても特に限定されない。自動車分野で排ガスから排熱回収用途で使用する場合は、自動車の燃費向上に役立てることができる。
1:ハニカム構造体、1h:補充ハニカム構造体、1j:中心軸、2:(軸方向の)端面、3:セル、4:隔壁、5:第一流体流通部、6:第二流体流通部、7:外周面、7h:外周壁、21:ケーシング、21a:筒状部、21b:外側ケーシング部、22:(第二の流体の)入口、23:(第二の流体の)出口、24:内周面、25:(第一の流体の)入口、26:(第一の流体の)出口、30:熱交換器、55:パンチングメタル、55a:(パンチングメタルの)孔。
Claims (3)
- 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第一流体流通部とされる複数のセルを有するハニカム構造体として形成され、
前記第一流体流通部を流通する前記第一の流体と、前記ハニカム構造体の外周壁の外周面上を流通することにより前記第一の流体から熱を受け取る前記第二の流体とが混合しないように、前記ハニカム構造体の前記隔壁及び前記外周壁の少なくとも一方が緻密質とされ、
前記ハニカム構造体の前記隔壁の材質の熱伝導率をλ[W/K・m]、前記ハニカム構造体のセル構造について、前記隔壁の壁厚をt[mm]、セル密度をρ[個/平方インチ]としたとき、t≧0.2、ρ>100、20≦t×ρ≦250、10,000≦λ×ρの全てを満たす熱交換部材。 - 前記ハニカム構造体のセル構造について、前記ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面の断面積の円相当径をΦ[mm]とし、前記ハニカム構造体の軸方向の長さの全長をL[mm]としたとき、20≦Φ≦60、1.66≦L/Φ≦7.5である請求項1に記載の熱交換部材。
- 請求項1または2に記載の熱交換部材である前記ハニカム構造体と、前記第二の流体の入口及び出口が形成されており、前記ハニカム構造体を内部に含むケーシングとを備え、
前記ケーシングの内側が第二流体流通部とされ、前記第二の流体が前記第二流体流通部において前記ハニカム構造体の外周面上を流通することにより、前記第一の流体から熱を受け取る熱交換器。
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