特許第6857589号(P6857589)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6857589
(24)【登録日】2021年3月24日
(45)【発行日】2021年4月14日
(54)【発明の名称】熱交換器
(51)【国際特許分類】
   F28D 7/16 20060101AFI20210405BHJP
   F01N 5/02 20060101ALI20210405BHJP
   F28F 21/04 20060101ALI20210405BHJP
【FI】
   F28D7/16 A
   F01N5/02 G
   F28F21/04
【請求項の数】3
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2017-201116(P2017-201116)
(22)【出願日】2017年10月17日
(65)【公開番号】特開2019-74268(P2019-74268A)
(43)【公開日】2019年5月16日
【審査請求日】2020年2月6日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000158
【氏名又は名称】イビデン株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】古賀 祥啓
(72)【発明者】
【氏名】村田 登志朗
【審査官】 西塚 祐斗
(56)【参考文献】
【文献】 特開2017−170645(JP,A)
【文献】 特開2010−271031(JP,A)
【文献】 特開平09−292194(JP,A)
【文献】 特開2015−140972(JP,A)
【文献】 特開2016−006373(JP,A)
【文献】 特開2017−170384(JP,A)
【文献】 米国特許第04298059(US,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F28D 7/16
F01N 5/02
F28F 21/04
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
軸方向両端部が封止された前記第1セル同士が連通されてなり、前記周壁に開口する流入側開口部及び流出側開口部を有する第1流路を備え、
前記流入側開口部及び前記流出側開口部の少なくとも一方は、軸方向に対して直角の方向に沿った長さである幅が前記第1セルよりも幅広に形成され
前記第1セルよりも幅広に形成されている前記流入側開口部及び前記流出側開口部の少なくとも一方は、前記周壁の外面側に向かって徐々に拡幅する拡幅部を備え、
前記拡幅部における最大幅部の幅(W1)と最小幅部の幅(W2)との比率(W1/W2)が1.5〜3.5であり、
前記最大幅部の幅(W1)と前記最小幅部の幅(W2)との差(W1−W2)と、前記最大幅部と前記最小幅部との間の距離(D)との比率((W1−W2)/D)が0.5〜2.1であることを特徴とする熱交換器。
【請求項2】
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備え、
前記流路部は、
前記流入側開口部に連通する流入空間及び前記流出側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る請求項に記載の熱交換器。
【請求項3】
前記流路部の前記流入空間は、複数の前記流入側開口部に跨って設けられ、
前記流路部の前記流出空間は、複数の前記流出側開口部に跨って設けられている請求項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱交換器に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2015−140972号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上記熱交換器は、例えば、車両等に搭載されて、排気ガス等の高温の流体と、冷却水等の熱媒体との間での熱交換に用いられる。この場合に、熱媒体が熱交換器内で沸騰してしまうことがあった。熱交換器内における熱媒体の沸騰を抑制する方法として、熱交換器内を流通する熱媒体の流通抵抗を減少させて、熱交換器内における熱媒体の滞留を生じ難くすることが考えられる。
【0005】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱交換器内を流通する熱媒体等の流体の流通抵抗を減少させることにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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、軸方向両端部が封止された上記第1セル同士が連通されてなり、上記周壁に開口する流入側開口部及び流出側開口部を有する第1流路を備え、上記流入側開口部及び上記流出側開口部の少なくとも一方は、上記第1セルよりも幅広に形成されている。
【0007】
上記構成によれば、流入側開口部及び流出側開口部の少なくとも一方が、第1セルよりも幅広に形成されていることにより、狭い第1流路へ第1流体が流入する際の流通抵抗、及び狭い第1流路から第1流体が排出する際の流通抵抗の少なくとも一方が減少する。これにより、第1流路へ第1流体の流入及び第1流路からの第1流体の排出が効率的に行われるようになって、第1流路内における第1流体の流通抵抗が減少する。その結果、第1流路内における第1流体の滞留が抑制されて、第1流路内における第1流体の沸騰を抑制することができる。
【0008】
本発明の熱交換器について、上記第1セルよりも幅広に形成されている上記流入側開口部及び上記流出側開口部の少なくとも一方は、上記周壁の外面側に向かって徐々に拡幅する拡幅部を備えることが好ましい。
【0009】
上記構成によれば、流入側開口部及び流出側開口部を第1流体がスムーズに流通するようになり、第1流路内における第1流体の流通抵抗がより効果的に減少する。
本発明の熱交換器について、上記拡幅部における最大幅部の幅(W1)と最小幅部の幅(W2)との比率(W1/W2)が1.5〜3.5であり、上記最大幅部の幅(W1)と上記最小幅部の幅(W2)との差(W1−W2)と、上記最大幅部と上記最小幅部との間の距離(D)との比率((W1−W2)/D)が0.5〜2.1であることが好ましい。
【0010】
上記構成によれば、拡幅部の形状が、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、上記第1セルに上記第1流体を給排するための流路部を備え、上記流路部は、上記流入側開口部に連通する流入空間及び上記流出側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ることが好ましい。
【0011】
上記構成によれば、第1流体に対する第1流体の給排を効率的に行うことができる。
本発明の熱交換器について、上記流路部の上記流入空間は、複数の上記流入側開口部に跨って設けられ、上記流路部の上記流出空間は、複数の上記流出側開口部に跨って設けられていることが好ましい。
【0012】
上記構成によれば、流入空間及び流出空間が複数の流入側開口部及び流出側開口部に跨って設けられることによって流入空間及び流出空間が大きく構成された態様となる。流入側開口部及び流出側開口部の幅を広くする構成は、こうした態様において特に効果的である。また、複数の開口部に対して個別に流入空間及び流出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。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、熱交換器内を流通する流体の流通抵抗を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】熱交換器の分解斜視図。
図2図1の2−2線断面図。
図3図1の3−3線断面図。
図4図3の4−4線断面図。
図5図3の5−5線断面図。
図6】(a)、(b)は、流入側開口部の部分断面図。
図7】成形工程の説明図。
図8】加工工程の説明図(第1加工の加工治具を挿入した状態の説明図)。
図9】加工工程の説明図(第1加工の加工治具を挿入した後の説明図)。
図10】加工工程の説明図(第2加工の説明図)。
図11】加工工程の説明図(第3加工の説明図)。
図12】脱脂工程の説明図。
図13】含浸工程の説明図。
図14】変更例の流入側開口部の部分断面図。
図15】変更例の流入側開口部の部分断面図。
図16】変更例の加工工程の説明図。
図17】変更例の加工工程の説明図。
図18】従来技術の熱交換器の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【0015】
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、対向する一対の横側壁11aと、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。
【0016】
図2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1cmあたり15〜93セルであるセル構造とすることができる。
【0017】
図2、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。
【0018】
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、第2セル列16bの上記列数は、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。
【0019】
図4に示すように、第1セル13aは、液状の第1流体としての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。
【0020】
図3、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て、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を構成する各セルを連通する連通部が設けられている。連通部における縦方向の一方側(図面の上側)の端部には、周壁11(横側壁11a)に開口するとともに、同他方側(図面の下側)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。
【0021】
図4に示すように、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。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。そして、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、第1開口部14a及び第2開口部14bを流入口又は流出口とする第1流路18が形成されている。
【0022】
図1、3に示すように、第1開口部14a及び第2開口部14bは、第1セル列16aを構成する第1セル13aよりも幅広に形成されている。本実施形態において、第1開口部14a及び第2開口部14bは同様の形状であることから、以下では、第1開口部14aについて説明し、第2開口部14bについての具体的な説明を省略する。
【0023】
図6(a)、(b)に示すように、第1開口部14aは、第1セル13aの幅の2〜3倍の幅(2〜3セル分の幅)を有するように構成されている。詳述すると、第1開口部14aには、周壁11の外面側に向かって徐々に拡幅する拡幅部14cが設けられており、拡幅部14cを介して第1開口部14aの幅が拡げられている。
【0024】
図6(a)に示すように、側方の両側に第2セル列16bが配置された第1セル列16aに位置する第1開口部14aについては、軸方向に平行な縁部の両方に拡幅部14cが設けられている。また、図6(b)に示すように、側方の片側のみに第2セル列16bが配置された第1セル列16aに位置する第1開口部14aについては、軸方向に平行な縁部における第2セル列16bが配置された側の縁部にのみ、拡幅部14cが設けられている。
【0025】
拡幅部14cの形状は特に限定されないが、拡幅部14cにおける最大幅部の幅(W1)と最小幅部の幅(W2)との比率(W1/W2)が1.5〜3.5であることが好ましい。また、最大幅部の幅(W1)と最小幅部の幅(W2)との差(W1−W2)と、最大幅部と最小幅部との間の距離(D)との比率((W1−W2)/D)が0.5〜2.1であることが好ましい。拡幅部14c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幅部14cの形状が好適なものとなる。図6(a)に示すような第1開口部14aについては、比率(W1/W2)が2.0〜3.5であり、比率((W1−W2)/D)が1.0〜2.1であることが好ましく、図6(b)に示すような第1開口部14aについては、比率(W1/W2)が1.5〜2.3であり、比率((W1−W2)/D)が0.5〜1.1であることが好ましい。
【0026】
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、周壁11の第1端部10a及び第2端部10bを流入口又は流出口とする第2流路19が形成されている。上記構成の熱交換器10は、第1流路18を流れる液状の熱媒体(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。
【0027】
図1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、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同士を繋ぐ仕切壁23cを有する。仕切壁23cは、区画部21における上壁部22、短側壁部23a、長側壁部23b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。
【0028】
図1、4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。
【0029】
また、流路部20は、区画部21の上壁部22に接続される管部として、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。
【0030】
図2〜5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は、第1管部24a内の導入路から供給された熱媒体を第1流路18に流入させる流入空間として機能するとともに、第2空間S2は、第1流路18から流出した熱媒体を第2管部24b内の排出路から排出させる流出空間として機能する。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
(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。図7に示すように、この粘土状の混合物を用いて、略矩形筒状の周壁11と、周壁11の内部を周壁11の軸方向に延びる複数のセルCに区画する区画壁12とを備える成形体30を成形する。この成形体30は、セルCについて、その両端が開放された状態となっている。
【0034】
また、成形体30の周壁11の外面の一面には、拡幅部と等しい断面形状を有する溝部31が、周壁11の軸方向全体に亘って軸方向に延びるように形成されている。この溝部は、後の加工工程において、第1開口部及び第2開口部となる。溝部31を有する成形体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。
【0035】
(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、成形体30における第1セル13aの両端部を封止するとともに溝部31を部分的に埋める第2加工、及び成形体30に流路部20を配置する第3加工を行う。
【0036】
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32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。
【0037】
具体的には、図8に示すように、加工具32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、セルC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における溝部31の底面の位置において、周壁11から周方向外方からブレードを差し込む。
【0038】
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いものとなり、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。
【0039】
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。また、成形体30の溝部31における第1連通部17a及び第2連通部17bが形成されていない部分に対して、成形工程において用いた粘土状の混合物を充填して、溝部31を部分的に埋める。これにより、成形体30の周壁に対して、溝部31が埋められていない部分として、第1開口部14a及び第2開口部14bが形成される。その後、封止部15等の成形体30に充填した混合物を乾燥させる乾燥処理を行う。
【0040】
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1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。
【0041】
上記の第1加工、第2加工、及び、第3加工からなる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。
【0042】
(脱脂工程)
脱脂工程は、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とにより、加工成形体から有機バインダーが除去された脱脂体を得る工程である。図12に示すように、脱脂工程を経ることにより、加工成形体から有機バインダーが除去されて、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脱脂体40が得られる。
【0043】
(含浸工程)
含浸工程は、脱脂体の各壁の内部に金属ケイ素を含浸させる工程である。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として、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。
【0044】
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として、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る。
【0045】
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においては、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にて実施し、加工成形体、脱脂体を上記焼結温度以上の温度下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。
【0046】
次に、本実施形態の作用について記載する。
図4に示すように、流路部20の第1管部24aに熱媒体が供給されると、熱媒体は、第1空間S1(流入空間)を通じて、それぞれの第1開口部14a(流入側開口部)から各第1流路18内に流入する。そして、熱媒体は、第1流路18内を通過して、それぞれの第2開口部14b(流出側開口部)から第2空間S2(流出空間)に流出し、第2空間S2(流出空間)を通じて第2管部24bから排出される。
【0047】
ここで、図6(a)、(b)に示すように、第1開口部14a(流入側開口部)及び第2開口部14b(流出側開口部)は、第1セル列16aを構成する第1セル13aよりも幅広に形成されている。これにより、広い第1空間S1(流入空間)から狭い第1流路18へ熱媒体が流入する際の流通抵抗、及び狭い第1流路18から広い第2空間S2(流出空間)へ熱媒体が流出する際の流通抵抗が減少する。加えて、第1開口部14a及び第2開口部14bには、周壁11の外面側に向かって徐々に拡幅する拡幅部14cが設けられていることにより、第1開口部14a及び第2開口部14bを熱媒体がスムーズに流通する。これらの結果、第1流路18へ熱媒体の流入及び第1流路18からの熱媒体の排出が効率的に行われるようになって、第1流路18内における熱媒体の流通抵抗が減少する。
【0048】
次に、本実施形態の効果について記載する。
(1)熱交換器は、筒状の周壁と、周壁の内部を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ている。また、軸方向両端部が封止された第1セル同士が連通されてなり、周壁に開口する第1開口部及び第2開口部を有する第1流路を備え、第1開口部及び第2開口部は、第1セルよりも幅広に形成されている。
【0049】
上記構成によれば、第1流路へ熱媒体の流入及び第1流路からの熱媒体の排出が効率的に行われるようになることにより、第1流路内における熱媒体の流通抵抗が減少する。その結果、第1流路内における熱媒体の滞留が抑制されて、第1流路内における熱媒体の沸騰を抑制することができる。
【0050】
なお、熱交換器内で熱媒体が沸騰すると、その沸騰の衝撃によって熱交換器の強度が低下するおそれがある。そのため、熱交換器内における熱媒体の沸騰を抑制することにより、熱交換器の長寿命化を図ることができる。また、熱交換器に求められる強度が低くなることにより、熱交換効率等の強度以外の要素を重視して熱交換器の材料を選択することも可能となり、材料選択の自由度が向上する。
【0051】
(2)第1開口部及び第2開口部は、周壁の外面側に向かって徐々に拡幅する拡幅部を備えている。
上記構成によれば、第1開口部及び第2開口部を熱媒体がスムーズに流通するようになり、第1流路内における熱媒体の流通抵抗がより効果的に減少する。
【0052】
(3)拡幅部における最大幅部の幅(W1)と最小幅部の幅(W2)との比率(W1/W2)が1.5〜3.5であり、最大幅部の幅(W1)と最小幅部の幅(W2)との差(W1−W2)と、最大幅部と最小幅部との間の距離(D)との比率((W1−W2)/D)が0.5〜2.1である。
【0053】
上記構成によれば、拡幅部の形状が、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。
(4)流路部の第1空間は、複数の第1開口部に跨って設けられ、流路部の第2空間は、複数の第2開口部に跨って設けられている。
【0054】
上記構成によれば、第1空間及び第2空間が複数の第1開口部及び第2開口部に跨って設けられることによって第1空間(流入空間)及び第2空間(流出空間)が大きく構成された態様となる。第1開口部及び第2開口部の幅を広くする構成は、こうした態様において特に効果的である。また、複数の開口部に対して個別に第1空間(流入空間)及び第2空間(流出空間)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。
【0055】
(5)流路部は、周壁と一体化されている。
上記構成によれば、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、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できる。
【0056】
(6)第1開口部及び第2開口部は共に、周壁の同じ側に開口している。
上記構成によれば、熱媒体を第1流路に供給するための流路部と、熱媒体を第1流路から排出するための流路部とを周壁の同じ側に設けることができる。これにより、流路部を含めた熱交換器の設置スペースの低減を図ることができる。
【0057】
(7)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。
【0058】
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。
・上記実施形態では、第1開口部及び第2開口部の両方について、第1セルよりも幅広に形成していたが、第1開口部及び第2開口部の一方のみが第1セルよりも幅広に形成されていてもよい。なお、第1流路内における熱媒体の流通抵抗を効果的に減少させる観点においては、流入側開口部として機能する開口部を第1セルよりも幅広とすることが好ましい。
【0059】
・側方の両側に第2セル列が配置された第1セル列に位置する流入側開口部及び流出側開口部について、軸方向に平行な縁部の一方側のみに拡幅部を設けてもよい。また、側方の片側のみに第2セル列が配置された第1セル列に位置する流入側開口部及び流出側開口部について、軸方向に平行な縁部の両方に拡幅部が設けられていてもよい。なお、第2セル列が配置されない側の上記縁部に拡幅部を設ける場合には、例えば、拡幅部の幅を考慮して周壁を厚く形成すればよい。
【0060】
・拡幅部について、周壁の外面側に向かって徐々に拡幅する形状は、上記実施形態の形状に限定されるものではない。例えば、図14に示すようにR面取り形状であってもよい。また、図15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。なお、これらの場合にも、上記比率(W1/W2)、及び上記比率((W1−W2)/D)が上記の範囲であることが好ましい。
【0061】
・周壁における異なる方向に、第1開口部及び第2開口部が開口する構成であってもよい。
・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流体として液体を流通させてもよい。
【0062】
・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。
【0063】
・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。また、熱交換器は、その構成として流路部を備えないものであってもよい。
【0064】
・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。
【0065】
・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。
【0066】
・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。
【0067】
・上記実施形態では、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。
【0068】
・熱交換器の製造方法について、第1開口部及び第2開口部を第1セルよりも幅広に形成する方法は、上記実施形態の方法に限定されない。
例えば、加工工程の第2加工における溝部31を部分的に埋める処理を省略する。そして、図16に示すように、加工工程の第3加工において、流路部20における短側壁部23a及び仕切壁23c対して、溝部31の断面形状と同形状の突出部23dを形成し、この突出部23dが溝部31内に位置するように、成形体30に対して流路部20を配置する。これにより、突出部23dにより溝部31が仕切られてなる第1開口部及び第2開口部を形成することができる。
【0069】
また、図17に示すように、溝部31を設けない直方体状の成形体30aを成形した後、この成形体30の周壁の一部(二点鎖線部分)を切削し、成形工程において用いた粘土状の混合物を詰める等して、切削した部分の形状を整えることにより第1開口部及び第2開口部を形成することもできる。
【実施例】
【0070】
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。
【0071】
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、拡幅部の幅(図6(a)のW1)3.0mm、拡幅部の幅(図6(b)のW1)2.1mmの成形体を成形した。
【0072】
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セルを有する加工成形体を作成した。
【0073】
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14mm、外径17mmの成形体を作製し、加工成形体の連通部形成面側に配置した。
【0074】
次に、区画部を配置した加工成形体を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として、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1の熱交換器における比率(W1/W2)は、「2.5」及び「1.75」であり、比率((W1−W2)/D)は、「1.2」及び「0.6」である。
【0075】
(実施例2)
成形体について、拡幅部の幅(図6(a)のW1)を4.2mmとし、拡幅部の幅(図6(b)のW1)を2.7mmとした以外は実施例1と同様にして実施例2の熱交換器を得た。実施例2の熱交換器における比率(W1/W2)は、「3.5」及び「2.25」であり、比率((W1−W2)/D)は、「2.0」及び「1.0」である。
【0076】
(比較例1)
成形体について、拡幅部を設けない形状(図17のような成形体)とした以外は実施例1と同様にして比較例1の熱交換器を得た。
【0077】
(通水抵抗評価)
実施例1、2及び比較例1の熱交換器に対して、それぞれの流入口、流出口に冷却水を導入、排出するためのパイプを設置し、熱交換器の外周との間にシール材を介して熱交換器をケースに装入した。そして、各熱交換器に対して、流入口から第1セルに40℃の冷却水を10L/minの流量で導入するとともに、第2セルに400℃の高温ガスを10g/secの流量で導入し、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。
【0078】
【表1】
表1に示すように、第1開口部及び第2開口部が第1セルよりも幅広に形成されていることで、冷却水(熱媒体)が流入空間から第1セルにより構成される第1流路に供給される際、及び冷却水(熱媒体)が第1流路から流出空間に排出される際の流通抵抗が小さくなり、第1流路内における冷却水(熱媒体)の流通抵抗が小さくなることがわかる。
【符号の説明】
【0079】
D…最大幅部と最小幅部との間の距離、S1…第1空間、S2…第2空間、W1…最大幅部の幅、W2…最小幅部の幅、10…熱交換器、11…周壁、12…区画壁、13a…第1セル、13b…第2セル、14a…第1開口部、14b…第2開口部、14c…拡幅部、16a…第1セル列、16b…第2セル列、17a…第1連通部、17b…第2連通部、18…第1流路、19…第2流路、20…流路部、21…区画部。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
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