WO2019078226A1 - 熱交換器 - Google Patents

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WO2019078226A1
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heat exchanger
peripheral wall
enlarged diameter
cell
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Inventor
祥啓 古賀
祐生 藤田
村田　登志朗
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イビデン株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger.
  • the heat exchanger 50 of Patent Document 1 includes a cylindrical peripheral wall 51 and a plurality of first cells and a plurality of second cells 53 extending in the axial direction of the peripheral wall 51 inside the peripheral wall 51. And a dividing wall 52.
  • the peripheral wall 51 is provided with a plurality of openings 54 communicating with the first cell, and between the liquid heat medium M flowing through the first cell through the opening 54 and the gas G flowing through the second cell 53. Heat exchange takes place.
  • At least one of the end portion on the inflow space side of the introduction path and the end portion on the outflow space side of the discharge path is an enlarged diameter portion expanding toward the inflow space side or the outflow space side to be communicated
  • the flow resistance can be reduced when the first fluid is supplied from the introduction passage to the inflow space, or when the first fluid is discharged from the outflow space to the discharge passage, by being formed. Thereby, the first fluid can be efficiently circulated to improve the heat exchange efficiency.
  • the outflow space of the flow passage is provided across the plurality of openings on the outflow side, and the inflow space of the flow passage is a plurality of openings of the inflow side It is preferable to be provided across the two. According to this configuration, the configuration of the flow path portion can be simplified as compared with the aspect in which the outflow space and the inflow space are individually provided for the plurality of openings.
  • the flow passage portion is preferably integrated with the peripheral wall. According to this configuration, as compared with the aspect in which the flow path portion and the peripheral wall are separately configured, it becomes easy to arrange the flow path portion at an accurate position. Moreover, it becomes easy to suppress that the first fluid leaks from the boundary portion between the flow passage portion and the peripheral wall.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the flow passage portion of the present embodiment.
  • the number of rows of the second cell row 16b arranged between the adjacent first cell rows 16a is not particularly limited, it is set according to the number ratio of the first cell 13a and the second cell 13b. be able to.
  • the number ratio (first cell 13a: second cell 13b) is preferably 1: 3 to 1: 6, and more preferably 1: 4 to 1: 5. Therefore, the number of rows of the second cell row 16b disposed between the adjacent first cell rows 16a is preferably 3 to 6 and more preferably 4 to 5.
  • the heat exchanger 10 includes, as a communicating portion, a first communicating portion 17 a provided on the side of the first end 10 a which is one end of the heat exchanger 10 in the axial direction, and the other in the axial direction of the heat exchanger 10 And a second communicating portion 17b provided on the side of the second end 10b, which is the end of the second end.
  • a first communicating portion 17 a provided on the side of the first end 10 a which is one end of the heat exchanger 10 in the axial direction, and the other in the axial direction of the heat exchanger 10
  • a second communicating portion 17b provided on the side of the second end 10b, which is the end of the second end.
  • the opening 14 in the peripheral wall of the first communication portion 17a is the first opening 14a
  • the opening 14 of the peripheral wall in the second communication portion 17b is the second opening 14b.
  • a first flow passage 18 configured of a first cell 13 a, a first communication portion 17 a, and a second communication portion 17 b is formed in the heat exchanger 10, and a first opening is formed.
  • the portion 14a and the second opening 14b function as an inlet or an outlet of the first flow passage 18, respectively.
  • a second flow passage 19 configured of the second cell 13 b is formed in the heat exchanger 10, and the first end 10 a and the second end of the peripheral wall 11 are formed.
  • Each 10 b functions as an inlet or an outlet of the second flow passage 19.
  • the heat exchanger 10 configured as described above performs heat exchange via the partition wall 12 between the liquid first fluid flowing in the first flow passage 18 and the second fluid flowing in the second flow passage 19. it can.
  • the enlarged diameter part 25 diameter-expanded toward the 2nd space S2 side is formed in the edge part by the side of the 2nd space S2 in the flow path in the 2nd tube part 24b.
  • the shape of the enlarged diameter portion 25 is similar to that of the enlarged diameter portion 25 formed in the flow passage in the first pipe portion 24a.
  • the heat exchanger is manufactured by sequentially passing through a forming process, a processing process, a degreasing process, and an impregnating process described below.
  • the first processing for example, a part of the peripheral wall 11 and the first partition wall 12 a in the molded body 30 is removed using a method of bringing the heated processing tool 31 into contact with the molded body 30.
  • the first communication portion 17a and the second communication portion 17b are formed.
  • the first opening 14 a and the second opening 14 b are also formed in the peripheral wall of the molded body 30.
  • a blade having an outer shape corresponding to the first communication portion 17 a and the second communication portion 17 b is prepared as the processing tool 31.
  • the blade is formed of a heat-resistant metal (for example, stainless steel), and the thickness thereof is set to a thickness not exceeding the width of the first partition wall 12a.
  • the blade is heated to a temperature at which the organic binder contained in the molded body 30 is burned off.
  • the organic binder is methyl cellulose
  • the blade is heated to 400 ° C. or higher.
  • the blade is inserted from a direction perpendicular to the pair of horizontal side walls 11a parallel to each other in the peripheral wall 11 and the first partition wall 12a.
  • the flow path portion 20 as shown in FIG. 6 is separately formed using the clay-like mixture used in the forming step, and the flow path portion 20 is formed into a predetermined shape. Place in the position of.
  • the impregnation step metal silicon is impregnated into the interior of each wall constituting the degreased body.
  • heating is performed to a temperature above the melting point of metal silicon (for example, 1450 ° C. or more) in a state where a mass of metal silicon is in contact with the degreased body.
  • the molten metal silicon enters into the gaps between the particles constituting the skeleton of the degreased body by capillary action, and the metal silicon is impregnated in the gaps.
  • the diameter of the end portion on the inflow space side of the introduction path and the end portion on the outflow space side of the discharge path increase toward the communicated inflow space side and the outflow space side
  • An enlarged diameter portion is formed.
  • the maximum inner diameter of the enlarged diameter portion is 1.3 to 2.0 times the minimum inner diameter of the enlarged diameter portion, and the difference between the maximum inner diameter of the enlarged diameter portion and the minimum inner diameter of the enlarged diameter portion
  • the ratio of the length of the enlarged diameter portion in the axial direction of the passage and the discharge passage is 1: 0.5 to 1: 1.5. Therefore, the shape of the enlarged diameter portion is suitable for reducing the flow resistance of the heat medium.
  • the flow path portion is integrated with the peripheral wall. Therefore, compared with the aspect in which the flow path portion and the peripheral wall are separately formed, it becomes easy to arrange the flow path portion in the correct position. Moreover, it becomes easy to suppress that a heat carrier leaks out from a boundary part of a channel part and a peripheral wall.
  • the dimension of the heat exchanger in the axial direction of a surrounding wall was longer than the dimension in the direction orthogonal to the axial direction of a surrounding wall, it is not limited to this aspect.
  • the dimension in the axial direction of the peripheral wall may be shorter than the dimension in the direction orthogonal to the axial direction of the peripheral wall, or may be configured to have the same length.
  • the partition part of the flow channel part is provided on the outer peripheral side of the peripheral wall so as to partition the inflow space and the outflow space of the heat medium.
  • the second fluid flowing through the second cell is not limited to the gas.
  • a liquid may be passed through the second cell as the second fluid.
  • a channel part and peripheral wall were impregnated with metallic silicon, and were unified, a method of unification is not limited to the above-mentioned method.
  • the boundary portion between the flow passage portion and the peripheral wall may be joined with an adhesive or the like.
  • the flow path portion may be prepared as a separate member, and may be disposed via a packing between the flow path portion and the peripheral wall.
  • the material of the flow passage portion is not limited to the ceramic material, and may be made of a metal material such as stainless steel.
  • the shape of the enlarged diameter portion may be configured to have a plurality of C-chamfered portions and to gradually expand in diameter, as shown in FIG. Further, the enlarged diameter portion may not be provided all around the end of the flow path, and may be partially provided at the end of the flow path. Even in such a case, it is preferable that the shape of the enlarged diameter portion satisfy the magnification and the ratio.
  • the peripheral wall is not limited to a rectangular cylindrical shape. It may be configured in a cylindrical shape or a cylindrical shape having an elliptical cross section. Further, the shape of the cell is not limited to the rectangular cross section. It may be a polygonal shape other than a rectangular shape, or may be circular or elliptical. The corners of the polygonal shape may be chamfered. The shapes of the cells may be different between the first cell and the second cell.
  • a molded product having the same shape as that of the above was molded to have a length of 35 mm, a width of 94 mm, a length of 80 mm, a thickness of 0.3 mm for the peripheral wall, a thickness of 0.25 mm for the partition wall and a cell width of 1.2 mm.
  • a plate-like jig heated to 400 ° C. was inserted into the peripheral wall of the molded body to form a first communication portion and a second communication portion. Further, using a clay-like mixture having the same composition as that of the above mixture, predetermined cells were sealed to prepare a compact having a first cell and a second cell.
  • the width 94 mm, length 80 mm, height 10 mm, thickness 3 mm, inner diameter of the pipe (dimension N shown in FIG. 6C) 14 mm , The outer diameter of the tube portion 17 mm, the maximum inner diameter of the enlarged diameter portion (dimension L shown in FIG. 6C) 20 mm, and the length of the enlarged diameter portion (dimension P shown in FIG. 6C) 8.2 mm A molded product having a C-chamfered shape was produced. This molded body was disposed on the communication part forming surface side of the molded body having the first cell and the second cell to prepare a processed molded body.
  • the introduction and discharge channels have the same shape.
  • the processed and formed body was heated at 450 ° C. for 5 hours to obtain a degreased body from which the organic binder was removed. Then, in the state which mounted the board
  • Example 2 A molded body was produced with the maximum inner diameter (dimension L shown in FIG. 6C) of 24 mm of the enlarged diameter portion in the compartment and the length of the enlarged diameter portion (dimension P shown in FIG. 6C) 13.8 mm A heat exchanger of Example 2 was obtained in the same manner as Example 1 except for the above.
  • Example 3 The shape of the enlarged diameter portion in the partitioned portion is as shown in FIG. 15, the radius of curvature (R) of the enlarged diameter portion 3 mm, the maximum inside diameter of the enlarged diameter portion (dimension L shown in FIG. 15) 20 mm, the length of the enlarged diameter portion
  • a heat exchanger of Example 3 was obtained in the same manner as Example 1 except that a molded product having an R-chamfered enlarged diameter portion was produced at a dimension P) of 3 mm shown in FIG.
  • Example 4 A molded body was produced with the radius of curvature (R) of the enlarged diameter portion 5 mm, the maximum inner diameter of the enlarged diameter portion (dimension L shown in FIG. 15) 24 mm, and the length of the enlarged diameter portion (dimension P shown in FIG. 15) 5 mm.
  • R radius of curvature
  • Example 4 A heat exchanger of Example 4 was obtained in the same manner as Example 3 except for the above.
  • Comparative example 1 As shown in FIG. 16, the heat exchanger of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that a compact was produced without forming the enlarged diameter portion in the partition.
  • the end portions on the inflow space side of the introduction path and the end portions on the outflow space side of the discharge path are formed with enlarged diameter portions that expand in diameter toward the inflow space side and the outflow space side to be communicated. It is understood that the flow resistance is reduced when the heat medium is supplied from the introduction passage to the inflow space and when the heat medium is discharged from the outflow space to the discharge passage.

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Abstract

熱交換器１０の流路部２０は、流入側の開口部に連通する流入空間及び流出側の開口部に連通する流出空間を周壁１１の外周側に区画する区画部２１と、流入空間に連通されて、流入空間に第１流体を供給する導入路と、流出空間に連通されて、流出空間から第１流体を排出する排出路とを備え、導入路の流入空間側の端部及び排出路の流出空間側の端部の少なくとも一方には、連通される流入空間側又は流出空間側に向かって拡径する拡径部２５が形成されている。

Description

熱交換器
　本発明は、熱交換器に関する。
　図１８に示すように、特許文献１の熱交換器５０は、筒状の周壁５１と、周壁５１の内部を周壁５１の軸方向に延びる複数の第１セル及び複数の第２セル５３に区画する区画壁５２とを備えている。周壁５１には、第１セルに連通する複数の開口部５４が設けられ、この開口部５４を通じて第１セルを流通する液状の熱媒体Ｍと、第２セル５３を流通するガスＧとの間で熱交換が行われる。
特開２０１５－１４０９７２号公報
　ところで、上記熱交換器は、液状の熱媒体を給排する配管と周壁の開口部とを接続する流路部を、周壁の外周側に設けて使用される。そのため、第１セルを熱媒体が効率よく流通するようにして熱交換効率を高めるためには、流路部の内部における熱媒体の流通抵抗も考慮する必要がある。本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、流路部の内部における熱媒体の流通抵抗を小さくすることにある。
　上記課題を解決するための本発明の熱交換器は、筒状の周壁と、上記周壁の内部を上記周壁の軸方向に延びる複数の第１セル及び複数の第２セルに区画する区画壁とを備え、上記周壁には、上記第１セルに連通する複数の開口部が設けられ、上記第１セルを流通する液状の第１流体と、上記第２セルを流通する第２流体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、熱交換器は、上記第１セルに上記第１流体を給排するための流路部をさらに備え、上記流路部は、流入側の上記開口部に連通する流入空間及び流出側の上記開口部に連通する流出空間を上記周壁の外周側に区画する区画部と、上記流入空間に連通されて、上記流入空間に上記第１流体を供給する導入路と、上記流出空間に連通されて、上記流出空間から上記第１流体を排出する排出路とを備え、上記導入路の上記流入空間側の端部及び上記排出路の上記流出空間側の端部の少なくとも一方には、連通される上記流入空間側又は上記流出空間側に向かって拡径する拡径部が形成されていることを要旨とする。
　この構成によれば、導入路の流入空間側の端部及び排出路の流出空間側の端部の少なくとも一方には、連通される流入空間側又は流出空間側に向かって拡径する拡径部が形成されていることにより、第１流体が導入路から流入空間に供給される際、又は、第１流体が流出空間から排出路に排出される際の流通抵抗を小さくすることができる。これにより、第１流体を効率良く流通させて熱交換効率を向上させることができる。
　本発明の熱交換器について、上記拡径部の最大内径は、上記拡径部の最小内径の１．３倍～２．０倍であり、上記拡径部の最大内径及び上記拡径部の最小内径の間の差と、上記導入路又は上記排出路の軸方向における上記拡径部の長さとの比率が、１：０．５～１：１．５であることが好ましい。この構成によれば、拡径部の形状が、第１流体の流通抵抗を小さくするうえで好適なものとなる。
　本発明の熱交換器について、上記拡径部は、Ｃ面取り部であること、すなわち４５度の角度で面取りされた部分であることが好ましい。この構成によれば、第１流体の流通抵抗を好適に小さくすることができる。
　本発明の熱交換器について、上記流路部の上記流出空間は、複数の流出側の上記開口部に跨って設けられ、上記流路部の上記流入空間は、複数の流入側の上記開口部に跨って設けられていることが好ましい。この構成によれば、複数の開口部に対して個別に流出空間及び流入空間が設けられた態様に比べて、流路部の構成を簡素化することができる。
　本発明の熱交換器について、上記流路部は、上記周壁と一体化されていることが好ましい。この構成によれば、流路部と周壁とが別体で構成された態様に比べて、流路部を正確な位置に配置することが容易になる。また、第１流体が流路部と周壁の境界部分から漏れ出すことを抑制することが容易になる。
　本発明によれば、流路部の内部における液状の流体の流通抵抗を小さくすることができる。
熱交換器の斜視図。 熱交換器の分解図。 図１の４－４線断面図。 図３の５－５線断面図。 図３の６－６線断面図。 （ａ）は流路部の表側の斜視図、（ｂ）は流路部の裏側の斜視図、（ｃ）は流路部の部分断面図。 成形工程の説明図。 加工工程の説明図（第１加工の加工治具が成形体に挿入された状態の説明図）。 加工工程の説明図（第１加工の加工治具を成形体に挿入して引き抜いた後の説明図）。 加工工程の説明図（第２加工の説明図）。 加工工程の説明図（第３加工の説明図）。 脱脂工程の説明図。 含浸工程の説明図。 本実施形態の流路部の部分断面図。 本実施形態の他の流路部の部分断面図。 比較例の流路部の部分断面図。 変更例の流路部の部分断面図。 従来技術の熱交換器の斜視図。
　以下、熱交換器の一実施形態を説明する。
　図１、２に示すように、本実施形態の熱交換器１０は、矩形筒状の周壁１１と、周壁１１の内部を周壁１１の軸方向に延びる複数の第１セル１３ａ及び複数の第２セル１３ｂに区画する区画壁１２とを備えている。矩形筒状の周壁１１は、互いに対向する一対の横側壁１１ａと、互いに対向する一対の縦側壁１１ｂとを有し、周壁１１の軸方向に直交する断面形状が横長の長方形をなすように構成されている。
　図３に示すように、区画壁１２は、横側壁１１ａに平行な第１区画壁１２ａと、第１区画壁１２ａ同士を接続するとともに、縦側壁１１ｂに平行な第２区画壁１２ｂとを備え、周壁１１の軸方向に直交する断面において、矩形状のセル１３を形成するように構成されている。区画壁１２が構成するセル構造は特に限定されるものではないが、例えば、区画壁１２の壁厚が０．１～０．５ｍｍであり、セル密度が、周壁１１の軸方向に直交する断面１ｃｍ２あたり１５～９３セルであるセル構造とすることができる。
　図３に示すように、熱交換器１０は、周壁１１の縦側壁１１ｂに平行に第１セル１３ａのみが配列した複数の第１セル列１６ａと、縦側壁１１ｂに平行に第２セル１３ｂのみが配列した複数の第２セル列１６ｂとを備える。本実施形態においては、隣り合う第１セル列１６ａ同士の間に、４列の第２セル列１６ｂが配置され、この配置が繰り返された配置パターンが形成されている。
　隣り合う第１セル列１６ａ同士の間に配置される第２セル列１６ｂの列数は特に限定されるものではないが、第１セル１３ａと第２セル１３ｂとの個数比に応じて設定することができる。例えば、上記個数比（第１セル１３ａ：第２セル１３ｂ）は、１：３～１：６であることが好ましく、１：４～１：５であることがより好ましい。したがって、隣り合う第１セル列１６ａ同士の間に配置される第２セル列１６ｂの列数は、３～６列であることが好ましく、４～５列であることがより好ましい。
　図４に示すように、第１セル１３ａは、液状の第１流体として熱媒体を流通させるセルであり、その両端部が共に封止部１５によって封止されている。図５に示すように、第２セル１３ｂは、第２流体として処理対象のガスを流通させるセルであり、その両端部が共に開放されている。熱媒体としては特に限定されず、公知の液状の熱媒体を用いることができる。公知の熱媒体としては、例えば、冷却水（Ｌｏｎｇ　Ｌｉｆｅ　Ｃｏｏｌａｎｔ：ＬＬＣ）や、エチレングリコール等の有機溶剤が挙げられる。処理対象のガスとしては、例えば、内燃機関の排気ガスが挙げられる。
　図１、４に示すように、熱交換器１０において、第１セル列１６ａには、縦側壁１１ｂに沿った方向である縦方向に延びるように形成された連通部が設けられており、連通部は、縦方向に隣接する第１セル１３ａ同士を区画する第１区画壁１２ａを貫通して、第１セル列１６ａを構成するセル同士を相互に連通させる。連通部における縦方向の一方側（図４の上側）の端部は、周壁１１（横側壁１１ａ）に開口するとともに、同他方側（図４の下側）の端部は、縦方向において最も他方側に位置する第１セル１３ａにまで達している。すなわち、連通部はいずれも周壁１１の同一面に開口し、各連通部は当該連通部の開口から最も離れて位置する第１セル１３ａにまで延びている。熱交換器１０は、連通部として、熱交換器１０の軸方向の一方の端部である第１端部１０ａ側に設けられた第１連通部１７ａと、熱交換器１０の軸方向の他方の端部である第２端部１０ｂ側に設けられた第２連通部１７ｂとを有している。図２、４に示すように、第１連通部１７ａにおける周壁の開口部１４が第１開口部１４ａとなり、第２連通部１７ｂにおける周壁の開口部１４が第２開口部１４ｂとなる。
　図４に示すように、熱交換器１０の内部には、第１セル１３ａ、第１連通部１７ａ及び第２連通部１７ｂにより構成される第１流路１８が形成されており、第１開口部１４ａ及び第２開口部１４ｂがそれぞれ第１流路１８の流入口又は流出口として機能する。また、図５に示すように、熱交換器１０の内部には、第２セル１３ｂにより構成される第２流路１９が形成されており、周壁１１の第１端部１０ａ及び第２端部１０ｂがそれぞれ第２流路１９の流入口又は流出口として機能する。上記構成の熱交換器１０は、第１流路１８を流れる液状の第１流体と、第２流路１９を流れる第２流体との間で、区画壁１２を介して熱交換を行うことができる。
　図２、６（ａ）、６（ｂ）に示すように、横側壁１１ａの一方には、横側壁１１ａ全体を覆うように配置されて第１セル１３ａに熱媒体を給排する流路部２０が設けられている。流路部２０は、周壁の外周側に所定の空間を区画する区画部２１を備えている。区画部２１は、矩形板状の上壁部２２と、上壁部２２の短辺側の縁部及び長辺側の縁部から上壁部２２の厚さ方向にそれぞれ立設する短側壁部２３ａ及び長側壁部２３ｂとを有する。また、区画部２１は仕切壁２３ｃを有し、仕切壁２３ｃは、上壁部２２の中央部から上壁部２２の厚さ方向に立設し、長側壁部２３ｂ同士を繋いでいる。仕切壁２３ｃは、区画部２１における上壁部２２と短側壁部２３ａと長側壁部２３ｂとにより囲まれる空間を、一方の短側壁部２３ａ側に位置する第１空間Ｓ１と、他方の短側壁部２３ａ側に位置する第２空間Ｓ２とに区画する。
　図２に示すように、第１空間Ｓ１は、複数の第１開口部１４ａに跨るように周壁１１の外周側に位置するとともに、第２空間Ｓ２は、複数の第２開口部１４ｂに跨るように周壁１１の外周側に位置している。したがって、流路部２０の区画部２１は、第１開口部１４ａに連通する第１空間Ｓ１、及び第２開口部１４ｂに連通する第２空間Ｓ２を周壁１１の外周側に区画している。
　また、流路部２０は、区画部２１の上壁部２２に接続される管部２４として、第１管部２４ａ及び第２管部２４ｂを有している。第１管部２４ａは、上壁部２２における仕切壁２３ｃよりも一方の短側壁部２３ａ側に設けられ、その内部に第１空間Ｓ１に連通する流路を形成している。第２管部２４ｂは、上壁部２２における仕切壁２３ｃよりも他方の短側壁部２３ａ側に設けられ、その内部に第２空間Ｓ２に連通する流路を形成している。第１管部２４ａと第２管部２４ｂは、流路部２０の外側に突出した状態で設けられている。
　図１、２に示すように、流路部２０が熱交換器１０の周壁１１に位置した状態で、短側壁部２３ａ、長側壁部２３ｂ及び仕切壁２３ｃの先端部分は、周壁１１に対して一体に固定されている。そして、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２のいずれか一方は、導入路となる管部２４から供給された熱媒体を開口部１４に流入させる流入空間として機能するとともに、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２のいずれか他方は、開口部１４から流出した熱媒体を排出路となる管部２４から排出させる流出空間として機能する。
　図６（ｃ）に示すように、第１管部２４ａ内の流路における第１空間Ｓ１側の端部には、第１空間Ｓ１側に向かって拡径する拡径部２５が形成されている。拡径部２５は、流路の端部がＣ面取り（すなわち４５度の角度で面取り）されたＣ面取り部で構成され、全周に亘ってテーパ状に形成されている。拡径部はＣ面取りされた形状に限定されず、Ｒ面取りによってテーパ状に形成されていてもよい。拡径部２５をなすテーパ形状は特に限定されないが、拡径部２５の最大内径Ｌが、拡径部２５の最小内径Ｎの１．３倍～２．０倍であることが好ましい。また、拡径部２５の最大内径Ｌ及び拡径部２５の最小内径Ｎの間の差（Ｌ－Ｎ）と、流路の軸方向における拡径部２５の長さＰとの比率（Ｌ－Ｎ）：Ｐが、１：０．５～１：１．５であることが好ましい。拡径部２５の形状が上記数値範囲内であると、熱媒体の流通抵抗を小さくするうえで拡径部の形状が好適なものとなる。
　第２管部２４ｂ内の流路における第２空間Ｓ２側の端部には、第２空間Ｓ２側に向かって拡径する拡径部２５が形成されている。この拡径部２５の形状は、第１管部２４ａ内の流路に形成された拡径部２５と同様な形状を有している。
　熱交換器１０の矩形筒状の周壁１１、区画壁１２、及び流路部２０を構成する材料は特に限定されるものではなく、公知の熱交換器に用いられる材料を用いることができ、例えば、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物、窒化ケイ素、窒化ホウ素等の窒化物が挙げられる。これらの中でも、炭化ケイ素を主成分として含む材料は、他のセラミック材料に比べて熱伝導率が高く、熱交換効率を高くすることができるため好ましい。ここで、「主成分」とは、５０質量％以上を意味するものとする。炭化ケイ素を主成分として含む材料としては、例えば、炭化ケイ素の粒子と金属ケイ素を含む材料が挙げられる。
　次に、図７～１３に基づいて、本実施形態の熱交換器の一製造方法について説明する。熱交換器は、以下に記載する成形工程、加工工程、脱脂工程、含浸工程を順に経ることにより製造される。
　（成形工程）
　熱交換器の成形に用いる原料として、炭化ケイ素の粒子と、有機バインダーと、分散媒とを含有する粘土状の混合物を調製する。この粘土状の混合物を用いて、図７に示す成形体３０を成形する。成形体３０は、矩形筒状の周壁１１と、周壁１１の内部を周壁１１の軸方向に延びる複数の第１セル１３ａ及び複数の第２セル１３ｂに区画する区画壁１２とを備える。この成形体３０に含まれる全ての第１セル１３ａ及び第２セル１３ｂについて、その両端が開放された状態となっている。成形体３０は、例えば、押し出し成形により成形することができる。得られた成形体３０に対して、成形体３０を乾燥させる乾燥処理を行う。
　（加工工程）
　加工工程では、成形体３０に第１連通部１７ａ及び第２連通部１７ｂを形成する第１加工と、成形体３０における第１セル１３ａの両端部を封止する第２加工と、成形体３０に流路部２０を配置する第３加工とを行う。
　図８に示すように、第１加工では、例えば、加熱された加工具３１を成形体３０に接触させる方法を用いて、成形体３０における周壁１１及び第１区画壁１２ａの一部を除去して、第１連通部１７ａ及び第２連通部１７ｂを形成する。この際、成形体３０の周壁に第１開口部１４ａ及び第２開口部１４ｂも形成される。
　具体的には、図８に示すように、加工具３１として、第１連通部１７ａ及び第２連通部１７ｂに対応する外形状を有するブレードを用意する。このブレードは、耐熱性の金属（例えば、ステンレス鋼）により形成され、その厚さは、第１区画壁１２ａの幅を超えない厚さに設定されている。次に、成形体３０に含まれる有機バインダーが焼失する温度となるようにブレードを加熱する。例えば、有機バインダーがメチルセルロースである場合には、ブレードを４００℃以上に加熱する。そして、周壁１１における互いに平行な一対の横側壁１１ａと、第１区画壁１２ａとに対して垂直な方向からブレードを差し込む。
　図９に示すように、加熱されたブレードを周方向外方から成形体３０に差し込んだ後、これを引き抜くことによって、第１開口部１４ａ、第２開口部１４ｂ、第１連通部１７ａ及び第２連通部１７ｂを形成する。このとき、加熱されたブレードと成形体３０とが接触すると、その接触部分において成形体３０に含まれる有機バインダーが燃焼して焼失する。そのため、成形体３０に対するブレードの挿入抵抗は非常に小さく、ブレードの挿入時に、挿入された部分の周辺部分に変形や破壊が生じ難い。また、有機バインダーが焼失することによって、発生する加工屑の量が減少する。
　図１０に示すように、第２加工では、成形体３０に形成される複数のセルのうち、第１セル１３ａを構成するセルの両端部に対して、成形工程において用いた粘土状の混合物を充填して、当該セルの両端部を封止する封止部１５を形成する。その後、成形体３０に対して、封止部１５を乾燥させる乾燥処理を行う。
　図１１に示すように、第３加工では、成形工程において用いた粘土状の混合物を用いて図６に示すような流路部２０を別途成形し、この流路部２０を成形体３０の所定の位置に配置する。
　上記の第１加工、第２加工及び第３加工を含む加工工程を経ることにより、加工成形体が得られる。第１加工と第２加工の順序は特に限定されず、第２加工を行った後、第１加工を行ってもよい。
　（脱脂工程）
　脱脂工程では、加工成形体を加熱することによって、加工成形体に含まれる有機バインダーを焼失させる。これにより、加工成形体から有機バインダーが除去された脱脂体が得られる。図１２に示すように、脱脂工程を経ることで加工成形体から有機バインダーを除去して得られる脱脂体４０は、炭化ケイ素の粒子同士が接触した状態で配置された骨格部分を有する。
　（含浸工程）
　含浸工程では、脱脂体を構成する各壁の内部に金属ケイ素を含浸させる。含浸工程においては、脱脂体に対して金属ケイ素の塊を接触させた状態で、金属ケイ素の融点以上（例えば、１４５０℃以上）に加熱する。これにより、図１３に示すように、溶融した金属ケイ素が毛細管現象によって、脱脂体の骨格部分を構成する粒子間の隙間へ入り込み、同隙間に金属ケイ素が含浸される。脱脂体の周壁と流路部の境界部分にも金属ケイ素が含浸されることによって境界部分は消失し、周壁と流路部は一体化する。これにより、流路部は、周壁に対して一体に固定された状態となる。
　含浸工程の加熱処理は、脱脂工程の加熱処理から連続して行ってもよい。例えば、加工成形体に対して金属ケイ素の塊を接触させた状態で、金属ケイ素の融点未満の温度で加熱することにより有機バインダーを除去して脱脂体とした後、加熱温度を金属ケイ素の融点以上に上昇させ、溶融した金属ケイ素を脱脂体に含浸させてもよい。
　上記の含浸工程を経ることにより、熱交換器が得られる。
　ここで、本実施形態においては、脱脂工程以降の工程において特別な温度管理を行っている。すなわち、脱脂工程以降の工程は、成形工程に用いた混合物に含まれる炭化ケイ素の焼結温度未満の温度下で実施され、加工成形体及び脱脂体を上記焼結温度以上の温度に曝さないようにしている。したがって、脱脂工程においては、有機バインダーが焼失可能な温度以上、かつ上記焼結温度未満の温度で加熱を行う。同様に、含浸工程においては、金属ケイ素の融点以上、かつ上記焼結温度未満の温度で加熱を行う。
　次に、本実施形態の作用について記載する。
　図１４に示すように、第１管部２４ａ及び第２管部２４ｂ内の流路における第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２側の端部には、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２側に向かって拡径する拡径部２５が形成されている。これにより、拡径部２５を有さない態様に比べて、流路内を流通する熱媒体にかかる流通抵抗が減少する。また、拡径部２５が形成されていることにより、流路と第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２との境界部周辺において熱媒体が滞留することが抑制される。これらにより、熱媒体の狭い空間から広い空間への流れ、又はその逆の流れが良好になる。
　次に、本実施形態の効果について記載する。
　（１）熱交換器の流路部において、導入路の流入空間側の端部及び排出路の流出空間側の端部には、連通される流入空間側及び流出空間側に向かって拡径する拡径部が形成されている。これにより、熱媒体が導入路から流入空間に供給される際、及び、熱媒体が流出空間から排出路に排出される際の流通抵抗を小さくすることができる。したがって、熱媒体を効率良く流通させて熱交換効率を向上させることができる。
　（２）拡径部の最大内径は、拡径部の最小内径の１．３倍～２．０倍であり、拡径部の最大内径及び拡径部の最小内径の間の差と、導入路及び排出路の軸方向における拡径部の長さとの比率が、１：０．５～１：１．５である。したがって、拡径部の形状が、熱媒体の流通抵抗を小さくするうえで好適なものとなる。
　（３）拡径部は、Ｃ面取り部である。したがって、熱媒体の流通抵抗を好適に小さくすることができる。
　（４）流路部の流出空間は、複数の流出側の開口部に跨って設けられ、流路部の流入空間は、複数の流入側の開口部に跨って設けられている。したがって、複数の開口部に対して個別に流出空間及び流入空間が設けられた態様に比べて、流路部の構成を簡素化することができる。また、流出空間及び流入空間が複数の開口部に跨って設けられることによって流出空間及び流入空間が相対的に大きく構成された態様において、拡径部は流通抵抗を小さくするうえで効果的に機能する。
　（５）流路部は、周壁と一体化されている。したがって、流路部と周壁とが別体で構成された態様に比べて、流路部を正確な位置に配置することが容易になる。また、熱媒体が流路部と周壁の境界部分から漏れ出すことを抑制することが容易になる。
　（６）本実施形態の熱交換器は、上記のような温度管理下で製造されることにより、炭化ケイ素の粒子同士が接触した状態で配置されて骨格部分が形成され、この骨格部分の隙間に金属ケイ素が充填されて形状が保持されたものとなる。すなわち、炭化ケイ素の粒子同士は、焼結による結合部（ネック）を有していない状態となっている。これにより、熱交換器の使用中に、内部の温度差に起因して区画壁の内部にひずみが生じても、炭化ケイ素の粒子間のネックに亀裂が生じることを抑制することができる。また、ネックを介して亀裂が伸展することを抑制することができる。
　本実施形態は、次のように変更して実施することも可能である。また、上記実施形態の構成や以下の変更例に示す構成を適宜組み合わせて実施することも可能である。
　・本実施形態では、導入路の流入空間側の端部及び排出路の流出空間側の端部の両方に拡径部が形成されていたが、いずれか一方のみに拡径部が形成されていてもよい。排出路の流出空間側の端部は、広い空間から狭い空間への流れであるため流通抵抗が大きくなりやすい。したがって、拡径部は、排出路の流出空間側の端部に形成されていると、流通抵抗を効果的に小さくすることができる。
　・本実施形態では、熱交換器は、周壁の軸方向における寸法が、周壁の軸方向に直交する方向における寸法よりも長く構成されていたが、この態様に限定されない。周壁の軸方向における寸法が、周壁の軸方向に直交する方向における寸法よりも短く構成されていてもよいし、同じ長さに構成されていてもよい。熱交換器の寸法に関わらず、流路部の区画部は、周壁の外周側に熱媒体の流入空間及び流出空間を区画するように設けられる。
　・第２セルを流通する第２流体は、ガスに限定されない。第２流体として液体を第２セルに流通させてもよい。
　・本実施形態では、流路部と周壁とは金属ケイ素が含浸されて一体化されていたが、一体化の方法は上記方法に限定されない。例えば、流路部と周壁との境界部分を接着材等で接合してもよい。
　・本実施形態では、流路部は周壁と一体化されていたが、別体で構成されていてもよい。例えば、流路部を別部材で用意し、周壁との間にパッキンを介して配置してもよい。この場合、流路部の材料はセラミック材料に限定されず、ステンレス等の金属材料で構成されていてもよい。
　・拡径部の形状は、図１７に示すように、複数のＣ面取り部を有して徐々に拡径するように構成されていてもよい。また、拡径部は、流路における端部の全周に設けられていなくてもよく、流路における端部に部分的に設けられていてもよい。このような場合であっても、拡径部の形状は、上記倍率と比率とを満たすことが好ましい。
　・本実施形態では、流路部は、複数の第１開口部に対して共通の第１空間を有するとともに、複数の第２開口部に対して共通の第２空間を有していたが、この態様に限定されない。複数の第１開口部に対して、複数の第１空間を個別に設けてもよく、複数の第２開口部に対して、複数の第２空間を個別に設けてもよい。
　・第１空間と第２空間とが別々の区画部によって区画されていてもよい。すなわち、第１流体を流通させる流路部が、第１空間側と第２空間側とで別々に配置されていてもよい。
　・周壁は、矩形筒状に限定されない。円筒状や、断面が楕円形の筒状に構成されていてもよい。また、セルの形状は断面矩形状に限定されない。矩形状以外の多角形状であってもよいし、円形や楕円形であってもよい。多角形状の角部が面取りされた形状であってもよい。第１セルと第２セルとにおいて、セルの形状が異なっていてもよい。
　以下、上記実施形態をさらに具体化した実施例について説明する。
　（実施例１）
　まず、下記組成の混合物を調製した。
　平均粒子径１５μｍの炭化ケイ素の粒子（大粒子）：５２．５質量部
　平均粒子径０．５μｍの炭化ケイ素の粒子（小粒子）：２３．６質量部
　メチルセルロース（有機バインダー）：５．４質量部
　グリセリン（潤滑剤）：１．１質量部
　ポリオキシアルキレン系化合物（可塑剤）：３．２質量部
　水（分散媒）：１１．５質量部
　この混合物を用いて、図７に示したものと同様の形状を有し、縦３５ｍｍ、横９４ｍｍ、長さ８０ｍｍ、周壁の厚さ０．３ｍｍ、区画壁の厚さ０．２５ｍｍ、セル幅１．２ｍｍの成形体を成形した。
　次に、成形体の周壁に４００℃に加熱した板状の治具を挿入して、第１連通部及び第２連通部を形成した。また、上記混合物と同じ組成を有する粘土状の混合物を用いて、所定のセルを封止して第１セル及び第２セルを有する成形体を作成した。
　区画部として、上記混合物を用いて押出成形およびプレス加工することで、横９４ｍｍ、長さ８０ｍｍ、高さ１０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、管部の内径（図６（ｃ）に示される寸法Ｎ）１４ｍｍ、管部の外形１７ｍｍ、拡径部の最大内径（図６（ｃ）に示される寸法Ｌ）２０ｍｍ、拡径部の長さ（図６（ｃ）に示される寸法Ｐ）８．２ｍｍで、拡径部がＣ面取り形状の成形体を作製した。この成形体を、第１セル及び第２セルを有する成形体の連通部形成面側に配置して加工成形体を作成した。なお、導入路、排出路ともに同形状とした。
　次に、加工成形体を４５０℃で５時間加熱することにより、有機バインダーが除去された脱脂体を得た。その後、脱脂体の上に金属ケイ素の板材を載置した状態で、真空下、１５５０℃で７時間、加熱することにより、金属ケイ素を含浸させて、実施例１の熱交換器を得た。
　（実施例２）
　区画部における拡径部の最大内径（図６（ｃ）に示される寸法Ｌ）２４ｍｍ、拡径部の長さ（図６（ｃ）に示される寸法Ｐ）１３．８ｍｍとして成形体を作製したこと以外は実施例１と同様にして実施例２の熱交換器を得た。
　（実施例３）
　区画部における拡径部の形状を図１５のようにし、拡径部の曲率半径（Ｒ）３ｍｍ、拡径部の最大内径（図１５に示される寸法Ｌ）２０ｍｍ、拡径部の長さ（図１５に示される寸法Ｐ）３ｍｍとして、拡径部がＲ面取り形状の成形体を作製したこと以外は実施例１と同様にして実施例３の熱交換器を得た。
　（実施例４）
　拡径部の曲率半径（Ｒ）５ｍｍ、拡径部の最大内径（図１５に示される寸法Ｌ）２４ｍｍ、拡径部の長さ（図１５に示される寸法Ｐ）５ｍｍとして成形体を作製したこと以外は実施例３と同様にして実施例４の熱交換器を得た。
　（比較例１）
　図１６に示すように、区画部における拡径部を形成せずに成形体を作製したこと以外は実施例１と同様にして比較例１の熱交換器を得た。
　（通水抵抗評価）
　実施例１～４、比較例１の熱交換器に対して、それぞれの流入口及び流出口に冷却水を導入及び排出するためのパイプを設置し、熱交換器の外周にシール材を介してケースに装入した。次に、流入口から第１セルに４０℃の冷却水を１０Ｌ／ｍｉｎで、第２セルに４００℃の高温ガスを１０ｇ／ｓｅｃの流量でそれぞれ導入し、差圧計にて冷却水の熱交換器導入前後の圧力差を測定した。その結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１に示す結果から、導入路の流入空間側の端部及び排出路の流出空間側の端部に、連通される流入空間側及び流出空間側に向かって拡径する拡径部が形成されていることで、熱媒体が導入路から流入空間に供給される際、及び、熱媒体が流出空間から排出路に排出される際の流通抵抗が小さくなることが分かる。
　１０…熱交換器、１１…周壁、１２…区画壁、１３ａ…第１セル、１３ｂ…第２セル、１４…開口部、２０…流路部、２１…区画部、２５…拡径部。

Claims (5)

  1. 　筒状の周壁と、前記周壁の内部を前記周壁の軸方向に延びる複数の第１セル及び複数の第２セルに区画する区画壁とを備え、前記周壁には、前記第１セルに連通する複数の開口部が設けられ、前記第１セルを流通する液状の第１流体と、前記第２セルを流通する第２流体との間で熱交換が行われる熱交換器であって、
    　熱交換器は、前記第１セルに前記第１流体を給排するための流路部をさらに備え、
    　前記流路部は、
    　流入側の前記開口部に連通する流入空間及び流出側の前記開口部に連通する流出空間を前記周壁の外周側に区画する区画部と、
    　前記流入空間に連通されて、前記流入空間に前記第１流体を供給する導入路と、
    　前記流出空間に連通されて、前記流出空間から前記第１流体を排出する排出路とを備え、
    　前記導入路の前記流入空間側の端部及び前記排出路の前記流出空間側の端部の少なくとも一方には、連通される前記流入空間側又は前記流出空間側に向かって拡径する拡径部が形成されていることを特徴とする熱交換器。
  2. 　前記拡径部の最大内径は、前記拡径部の最小内径の１．３倍～２．０倍であり、
    　前記拡径部の最大内径及び前記拡径部の最小内径の間の差と、前記導入路又は前記排出路の軸方向における前記拡径部の長さとの比率が、１：０．５～１：１．５である請求項１に記載の熱交換器。
  3. 　前記拡径部は、Ｃ面取り部である請求項１又は２に記載の熱交換器。
  4. 　前記流路部の前記流出空間は、複数の流出側の前記開口部に跨って設けられ、
    　前記流路部の前記流入空間は、複数の流入側の前記開口部に跨って設けられている請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換器。
  5. 　前記流路部は、前記周壁と一体化されている請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器。
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