JP7590887B2 - Heat exchange member and heat exchanger - Google Patents
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Description
本発明は、熱交換部材及び熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchange member and a heat exchanger.
近年、自動車の燃費改善が求められている。特に、エンジン始動時などのエンジンが冷えている時の燃費悪化を防ぐため、冷却水、エンジンオイル、オートマチックトランスミッションフルード(ATF:Automatic Transmission Fluid)などを早期に暖めて、フリクション(摩擦)損失を低減するシステムが期待されている。また、排ガス浄化用触媒を早期に活性化するために触媒を加熱するシステムが期待されている。 In recent years, there has been a demand for improved fuel economy in automobiles. In particular, to prevent a deterioration in fuel economy when the engine is cold, such as when the engine is started, there is a demand for systems that can quickly warm the coolant, engine oil, automatic transmission fluid (ATF), etc., thereby reducing friction loss. There is also a demand for systems that can heat exhaust gas purification catalysts in order to quickly activate them.
上記のようなシステムとして、例えば、熱交換器がある。熱交換器は、内部に第1流体を流通させるとともに外部に第2流体を流通させることにより、第1流体と第2流体との間で熱交換を行う装置である。このような熱交換器では、高温の流体(例えば、排ガスなど)から低温の流体(例えば、冷却水など)へ熱交換することにより、熱を有効利用することができる。 An example of such a system is a heat exchanger. A heat exchanger is a device that exchanges heat between a first fluid and a second fluid by circulating a first fluid inside and a second fluid outside. In such a heat exchanger, heat can be effectively utilized by exchanging heat from a high-temperature fluid (such as exhaust gas) to a low-temperature fluid (such as cooling water).
自動車の排ガスのような高温の気体から熱を回収する熱交換器としては、ハニカム構造体を有する熱交換部材を用いた熱交換器が提案されている。また、排ガスのバイパス経路として機能する中空領域を備えた中空型のハニカム構造体を有する熱交換部材を用いた熱交換器も提案されている。
例えば、特許文献1には、第1端面から第2端面まで貫通して第1流体の流路となるセルを区画成形する隔壁、内周壁及び外周壁を有する中空型のハニカム構造体と、ハニカム構造体の外周壁を被覆する被覆部材とを備え、第1流体の流路方向に直交するハニカム構造体の断面において、セルが放射状に設けられており、内周壁及び外周壁の厚みが隔壁の厚みよりも大きい熱交換部材と、被覆部材との間に第2流体の流路を形成するフレーム(外筒)とを備える熱交換器が提案されている。
As a heat exchanger for recovering heat from high-temperature gas such as exhaust gas from an automobile, a heat exchanger using a heat exchange member having a honeycomb structure has been proposed. Also, a heat exchanger using a heat exchange member having a hollow honeycomb structure having a hollow region that functions as a bypass path for exhaust gas has been proposed.
For example, Patent Document 1 proposes a heat exchanger comprising a hollow honeycomb structure having partition walls, inner and outer walls that penetrate from a first end face to a second end face to define cells that serve as flow paths for a first fluid, and a covering member that covers the outer wall of the honeycomb structure, in which cells are arranged radially in a cross section of the honeycomb structure perpendicular to the flow path direction of the first fluid, and the heat exchange member has inner and outer walls whose thicknesses are greater than the thickness of the partition walls, and a frame (outer cylinder) that forms a flow path for a second fluid between the heat exchange member and the covering member.
特許文献1に記載の熱交換器において、内周壁側のセルを流通する第1流体は、被覆部材の外周を流通する第2流体からの距離が長いため、熱回収が十分に行われない(すなわち、第1流体が高温のまま流通してしまう)。他方、外周壁側のセルを流通する第1流体は、被覆部材の外周を流通する第2流体からの距離が近いため、熱回収が行われ易い(すなわち、第1流体が冷却されて低温になり易い)。
また、第2流体の供給口側のセルを流通する第1流体は、第2流体の温度が低いため熱回収が行われ易いのに対し、第2流体の排出口側のセルを流通する第1流体は、第2流体の温度が高いため熱交換が十分に行われ難い。
上記のような要因のため、従来の熱交換部材では、熱回収効率が十分に向上しないという課題があった。
In the heat exchanger described in Patent Document 1, the first fluid flowing through the cells on the inner circumferential wall side is far from the second fluid flowing around the outer periphery of the covering member, so heat recovery is not sufficient (i.e., the first fluid flows at a high temperature). On the other hand, the first fluid flowing through the cells on the outer circumferential wall side is close to the second fluid flowing around the outer periphery of the covering member, so heat recovery is easy to perform (i.e., the first fluid is easily cooled to a low temperature).
In addition, the first fluid flowing through the cell on the supply port side of the second fluid is easy to recover heat from because the temperature of the second fluid is low, whereas the first fluid flowing through the cell on the discharge port side of the second fluid is difficult to exchange heat sufficiently because the temperature of the second fluid is high.
Due to the above-mentioned factors, conventional heat exchange elements have a problem in that the heat recovery efficiency is not sufficiently improved.
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱回収効率を向上させることが可能な熱交換部材及び熱交換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a heat exchange member and a heat exchanger that can improve heat recovery efficiency.
上記の課題は、以下の本発明によって解決されるものであり、本発明は以下のように特定される。 The above problems are solved by the present invention, which is specified as follows:
本発明は、外周壁と、前記外周壁の内側に配設され、第1端面から第2端面まで延びる第1流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁とを有するハニカム構造体と、
前記外周壁の外周面を被覆する被覆部材と
を備え、
前記第1流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が、放射方向に延びる1つ以上の第1隔壁と、周方向に延びる1つ以上の第2隔壁とを含み、
前記第1隔壁が、1つ以上の連通孔を有する熱交換部材である。
The present invention relates to a honeycomb structure having an outer peripheral wall and partition walls disposed inside the outer peripheral wall and defining a plurality of cells that serve as a flow path for a first fluid extending from a first end surface to a second end surface;
A covering member that covers an outer peripheral surface of the outer peripheral wall,
In a cross section of the honeycomb structure perpendicular to a flow path direction of the first fluid, the partition walls include one or more first partition walls extending in a radial direction and one or more second partition walls extending in a circumferential direction,
The first partition wall is a heat exchange member having one or more communication holes.
また、本発明は、前記熱交換部材と、
前記被覆部材の外周を第2流体が流通可能となるように、前記被覆部材の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒と
を備える熱交換器である。
The present invention also relates to a heat exchange member,
and an outer cylinder disposed radially outwardly of the covering member at a distance therefrom so that a second fluid can flow around the outer periphery of the covering member.
本発明によれば、熱回収効率を向上させることが可能な熱交換部材及び熱交換器を提供することができる。 The present invention provides a heat exchange member and a heat exchanger that can improve heat recovery efficiency.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and it should be understood that modifications and improvements to the following embodiments, as appropriate, based on the ordinary knowledge of those skilled in the art, fall within the scope of the present invention, provided they do not deviate from the spirit of the present invention.
(1)熱交換部材
図1は、本発明の実施形態に係る熱交換部材の、ハニカム構造体の軸方向に平行な断面図である。また、図2は、図1に示す熱交換部材のa-a’線の断面図、すなわち、本発明の実施形態に係る熱交換部材の、ハニカム構造体の第1流体の流路方向(軸方向)に直交する断面図である。
本発明の実施形態に係る熱交換部材100は、外周壁11と、外周壁11の内側に配設され、第1端面13から第2端面14まで延びる第1流体の流路となる複数のセル15を区画形成する隔壁12とを有するハニカム構造体10と、外周壁11の外周面を被覆する被覆部材20とを備える。このような構造を有する熱交換部材100では、セル15内を流通可能な第1流体と被覆部材20の外周を流通可能な第2流体との間の熱交換が、ハニカム構造体10の外周壁11及び被覆部材20を介して行われる。なお、図1において、第1流体は、紙面の左右のいずれの方向にも流れることができる。第1流体としては、特に限定されず、種々の液体又は気体を用いることができる。例えば、自動車に搭載される熱交換器に熱交換部材100が用いられる場合には、第1流体は排ガスであることが好ましい。
(1) Heat exchange member Fig. 1 is a cross-sectional view parallel to the axial direction of a honeycomb structure of a heat exchange member according to an embodiment of the present invention. Fig. 2 is a cross-sectional view of the heat exchange member shown in Fig. 1 taken along line aa', that is, a cross-sectional view perpendicular to the flow path direction (axial direction) of a first fluid of the honeycomb structure of the heat exchange member according to an embodiment of the present invention.
The heat exchange member 100 according to the embodiment of the present invention includes a honeycomb structure 10 having an outer peripheral wall 11, partition walls 12 disposed inside the outer peripheral wall 11 and partitioning a plurality of cells 15 that serve as a flow path for a first fluid extending from a first end face 13 to a second end face 14, and a covering member 20 that covers the outer peripheral surface of the outer peripheral wall 11. In the heat exchange member 100 having such a structure, heat exchange between the first fluid that can flow in the cells 15 and the second fluid that can flow around the outer periphery of the covering member 20 is performed through the outer peripheral wall 11 of the honeycomb structure 10 and the covering member 20. In FIG. 1, the first fluid can flow in either the left or right direction of the paper. The first fluid is not particularly limited, and various liquids or gases can be used. For example, when the heat exchange member 100 is used in a heat exchanger mounted on an automobile, the first fluid is preferably exhaust gas.
ハニカム構造体10を構成する隔壁12は、第1流体の流路方向に直交するハニカム構造体10の断面(すなわち、図2に示す断面)において、放射方向に延びる1つ以上の第1隔壁12aと、周方向に延びる1つ以上の第2隔壁12bとを含む。特に、放射方向に延びる1つ以上の第1隔壁12aを設けることにより、第1隔壁12aを介して第1流体の熱を放射方向に伝達し易くすることができる。 The partition walls 12 constituting the honeycomb structure 10 include one or more first partition walls 12a extending in the radial direction and one or more second partition walls 12b extending in the circumferential direction in a cross section of the honeycomb structure 10 perpendicular to the flow direction of the first fluid (i.e., the cross section shown in FIG. 2). In particular, by providing one or more first partition walls 12a extending in the radial direction, it is possible to facilitate the transfer of heat of the first fluid in the radial direction via the first partition walls 12a.
第1隔壁12a及び第2隔壁12bの少なくとも一方は、1つ以上の連通孔16を有する。なお、図2では、第1隔壁12a及び第2隔壁12bの両方に、1つ以上の連通孔16が設けられた形態を一例として示しているが、第1隔壁12a及び第2隔壁12bのいずれか一方に1つ以上の連通孔16が設けられていてもよいことに留意すべきである。
ここで、第1流体の流路方向(ハニカム構造体10の軸方向)に平行且つ第1隔壁12aの厚み方向に直交する第1隔壁12aの部分拡大断面図を図3、第1流体の流路方向に平行且つ第2隔壁12bの厚み方向に直交する第2隔壁12bの部分拡大断面図を図4にそれぞれ示す。
第1隔壁12aにおける1つ以上の連通孔16の形成位置は、特に限定されない。例えば、第1隔壁12aに設けられた連通孔16は、第1隔壁12aによって隔てられた隣り合うセル15の間で第1流体が流通可能に構成されていればよい。
同様に、第2隔壁12bにおける1つ以上の連通孔16の形成位置も、特に限定されない。例えば、第2隔壁12bに設けられた連通孔16は、第2隔壁12bによって隔てられた隣り合うセル15の間で第1流体が流通可能に構成されていればよい。
At least one of the first partition wall 12a and the second partition wall 12b has one or more communication holes 16. Note that, although Fig. 2 shows an example in which one or more communication holes 16 are provided in both the first partition wall 12a and the second partition wall 12b, it should be noted that one or more communication holes 16 may be provided in either one of the first partition wall 12a and the second partition wall 12b.
Here, Figure 3 shows a partially enlarged cross-sectional view of the first partition wall 12a parallel to the flow direction of the first fluid (axial direction of the honeycomb structure 10) and perpendicular to the thickness direction of the first partition wall 12a, and Figure 4 shows a partially enlarged cross-sectional view of the second partition wall 12b parallel to the flow direction of the first fluid and perpendicular to the thickness direction of the second partition wall 12b.
There is no particular limitation on the position at which the one or more communication holes 16 are formed in the first partition wall 12a. For example, the communication holes 16 provided in the first partition wall 12a may be configured to allow the first fluid to flow between the adjacent cells 15 separated by the first partition wall 12a.
Similarly, the position at which the one or more communication holes 16 are formed in the second partition wall 12b is not particularly limited. For example, the communication holes 16 provided in the second partition wall 12b may be configured to allow the first fluid to flow between the adjacent cells 15 separated by the second partition wall 12b.
第1隔壁12aに連通孔16を設ける場合、セル15を流通する第1流体の温度の周方向の偏りを低減させることができるため、熱回収効率が向上する。具体的には、熱交換部材100と、第2流体の供給口及び排出口を有する外筒とを備える熱交換器(下記で詳細に説明する)において、第2流体の供給口側のセルを流通する第1流体の温度は、第2流体の温度が低いため低下し易い(熱交換がされ易い)のに対し、第2流体の排出口側のセルを流通する第1流体の温度は、第2流体の温度が高いため低下し難い(熱交換がされ難い)ため、セル15を流通する第1流体の温度が周方向でばらついてしまう。しかし、第1隔壁12aに連通孔16を設けることにより、第1流体の温度が周方向で偏り難くなるため、第1流体の熱を第2流体に効率良く伝達することが可能となる。 When the first partition wall 12a is provided with the communication hole 16, the circumferential deviation of the temperature of the first fluid flowing through the cell 15 can be reduced, improving the heat recovery efficiency. Specifically, in a heat exchanger (described in detail below) including a heat exchange member 100 and an outer cylinder having a supply port and an outlet port for the second fluid, the temperature of the first fluid flowing through the cell on the supply port side of the second fluid is easy to decrease (easy to exchange heat) because the temperature of the second fluid is low, whereas the temperature of the first fluid flowing through the cell on the outlet side of the second fluid is difficult to decrease (difficult to exchange heat) because the temperature of the second fluid is high, resulting in the temperature of the first fluid flowing through the cell 15 varying in the circumferential direction. However, by providing the communication hole 16 in the first partition wall 12a, the temperature of the first fluid is less likely to be biased in the circumferential direction, making it possible to efficiently transfer the heat of the first fluid to the second fluid.
第2隔壁12bに連通孔16を設ける場合、セル15を流通する第1流体の温度の放射方向(径方向)の偏りを低減させることができるため、熱回収効率が向上する。具体的には、中心側のセル15を流通する第1流体は、第2流体からの距離が長いため温度が低くなり難いのに対し、外周壁11側のセル15を流通する第1流体は、第2流体からの距離が近いため温度が低くなり易いため、セル15を流通する第1流体の温度が放射方向で偏ってしまう。しかし、第2隔壁12bに連通孔16を設けることにより、第1流体の温度が放射方向で偏り難くなるため、第1流体の熱を第2流体に効率良く伝達することが可能となる。 When the second partition wall 12b is provided with the communication holes 16, the temperature deviation in the radial direction (diameter direction) of the first fluid flowing through the cells 15 can be reduced, improving the heat recovery efficiency. Specifically, the first fluid flowing through the cells 15 on the center side is less likely to have a low temperature because it is far from the second fluid, whereas the first fluid flowing through the cells 15 on the outer peripheral wall 11 side is more likely to have a low temperature because it is close to the second fluid, resulting in the temperature of the first fluid flowing through the cells 15 being biased in the radial direction. However, by providing the communication holes 16 in the second partition wall 12b, the temperature of the first fluid is less likely to be biased in the radial direction, making it possible to efficiently transfer the heat of the first fluid to the second fluid.
連通孔16は、第1隔壁12a又は第2隔壁12bに設けることにより、上記の効果を得ることができるが、熱回収効率をより一層向上させる観点からは、第1隔壁12a及び第2隔壁12bの両方に設けることが好ましい。 The above-mentioned effect can be obtained by providing the communication holes 16 in either the first partition 12a or the second partition 12b, but from the viewpoint of further improving the heat recovery efficiency, it is preferable to provide them in both the first partition 12a and the second partition 12b.
連通孔16の形状としては、特に限定されず、図3及び図4に示されるような各種形状とすることができる。その中でも、加工性の観点から、連通孔16の形状は円形、楕円形又は多角形であることが好ましい。また、複数の連通孔16を設ける場合、それらの連通孔16の形状は同一であっても異なっていてもよいが、加工性の観点からは同一であることが好ましい。
なお、連通孔16の形状とは、第1流体の流路方向(ハニカム構造体10の軸方向)に平行な第1隔壁12a又は第2隔壁12bの断面における連通孔16の形状のことを意味する。
The shape of the communication hole 16 is not particularly limited, and may be various shapes such as those shown in Figures 3 and 4. Among these, from the viewpoint of processability, the shape of the communication hole 16 is preferably a circle, an ellipse, or a polygon. Furthermore, when a plurality of communication holes 16 are provided, the shapes of the communication holes 16 may be the same or different, but from the viewpoint of processability, it is preferable that the shapes of the communication holes 16 are the same.
The shape of the communication hole 16 means the shape of the communication hole 16 in a cross section of the first partition wall 12a or the second partition wall 12b parallel to the flow path direction of the first fluid (the axial direction of the honeycomb structure 10).
連通孔16が設けられる第2隔壁12bの位置としては、特に限定されないが、図2に示す断面において、隣り合う第1隔壁12aの間に位置し且つ放射方向における2つ以上の第2隔壁12b(すなわち、第2隔壁12bを介して放射方向に配置された2つ以上のセル15をそれぞれ構成する2つ以上の第2隔壁12b)の全てに連通孔16が設けられていることが好ましい。このような構成とすることにより、セル15を流通する第1流体の温度の放射方向(径方向)の偏りを低減させる効果を高めることができるため、熱回収効率がより一層向上する。 The position of the second partition 12b in which the communication hole 16 is provided is not particularly limited, but in the cross section shown in FIG. 2, it is preferable that the communication hole 16 is provided in all of the two or more second partitions 12b located between adjacent first partitions 12a in the radial direction (i.e., the two or more second partitions 12b that respectively constitute the two or more cells 15 arranged in the radial direction via the second partitions 12b). With this configuration, it is possible to enhance the effect of reducing the radial (radial) bias in the temperature of the first fluid flowing through the cells 15, thereby further improving the heat recovery efficiency.
また、図2に示す断面において、隣り合う第1隔壁12aの間に位置する1つの第2隔壁12bの周方向におけるそれぞれの領域(すなわち、第1隔壁12aを介して周方向に配置された2つ以上のセル15をそれぞれ構成する1つの第2隔壁12bの領域の全て)に対して、連通孔16が設けられていることが好ましい。このような構成とすることにより、セル15を流通する第1流体の温度の周方向の偏りを低減させることができるため、熱回収効率がより一層向上する。 In addition, in the cross section shown in FIG. 2, it is preferable that communication holes 16 are provided in each circumferential region of one second partition 12b located between adjacent first partitions 12a (i.e., all regions of one second partition 12b that each constitute two or more cells 15 arranged in the circumferential direction via the first partition 12a). With this configuration, it is possible to reduce the circumferential bias of the temperature of the first fluid flowing through the cells 15, thereby further improving the heat recovery efficiency.
連通孔16が設けられる第1隔壁12aの位置としては、特に限定されない。ただし、第1隔壁12aは、上記したように放射方向の熱伝導に寄与するため、全ての第1隔壁12aに連通孔16を設けると、放射方向の熱伝導が阻害されてしまい、熱回収効率が低下する恐れがある。したがって、放射方向の熱伝導を安定して確保する観点から、第1隔壁12aの一部が、1つ以上の連通孔16を有することが好ましい。このような構成とすることにより、放射方向の熱伝導が阻害されることを抑制しつつ、熱回収効率を向上させることができる。 The position of the first partition 12a where the communication hole 16 is provided is not particularly limited. However, since the first partition 12a contributes to the thermal conduction in the radial direction as described above, providing communication holes 16 in all of the first partitions 12a may hinder the thermal conduction in the radial direction and reduce the heat recovery efficiency. Therefore, from the viewpoint of ensuring stable thermal conduction in the radial direction, it is preferable that a part of the first partition 12a has one or more communication holes 16. With this configuration, it is possible to improve the heat recovery efficiency while suppressing the inhibition of the thermal conduction in the radial direction.
また、上記したように、熱交換部材100と、第2流体の供給口及び排出口を有する外筒とを備える熱交換器では、第2流体の供給口側のセルを流通する第1流体の温度は、第2流体の温度が低いため低下し易い(熱交換がされ易い)のに対し、第2流体の排出口側のセルを流通する第1流体の温度は、第2流体の温度が高いため低下し難い(熱交換がされ難い)。そのため、ハニカム構造体10の第1流体の流路方向に直交する断面において、第2流体の排出口から遠い領域の隣り合う第1隔壁12aに連通孔16が連続して設けられていることが好ましい。このような構成とすることにより、第1流体と第2流体との熱交換がされ易い領域(すなわち、第2流体の排出口から遠い領域、例えば、第2流体の供給口側の領域など)において第1流体の温度の周方向の偏りを低減することができるため、熱回収効率がより一層向上する。 As described above, in a heat exchanger including a heat exchange member 100 and an outer cylinder having a supply port and a discharge port for a second fluid, the temperature of the first fluid flowing through the cells on the supply port side of the second fluid is easy to drop (easy to exchange heat) because the temperature of the second fluid is low, whereas the temperature of the first fluid flowing through the cells on the discharge port side of the second fluid is difficult to drop (difficult to exchange heat) because the temperature of the second fluid is high. Therefore, in a cross section perpendicular to the flow direction of the first fluid of the honeycomb structure 10, it is preferable that the communication holes 16 are continuously provided in the adjacent first partition walls 12a in the area far from the discharge port of the second fluid. With this configuration, it is possible to reduce the circumferential bias of the temperature of the first fluid in the area where heat exchange between the first fluid and the second fluid is easy (i.e., the area far from the discharge port of the second fluid, for example, the area on the supply port side of the second fluid), and thus the heat recovery efficiency is further improved.
第1隔壁12a及び第2隔壁12bの各位置に設けられる連通孔16の数は、特に限定されず、第1流体の流路方向長さ(ハニカム構造体10の軸方向長さ)に応じて適宜設定すればよい。例えば、連通孔16は、第1流体の流路方向において2つ以上設けられていることが好ましい。このような構成とすることにより、セル15を流通する第1流体の温度の放射方向及び/又は周方向の偏りを低減させることができるため、熱回収効率がより一層向上する。
なお、この連通孔16の数の上限値は、特に限定されないが、連通孔16の数が多すぎると、ハニカム構造体10の強度が低下する恐れがある。そのため、ハニカム構造体10の強度が確保される範囲で、第1流体の流路方向長さに応じて設定すべきである。
The number of communication holes 16 provided at each position of the first partition wall 12a and the second partition wall 12b is not particularly limited, and may be appropriately set according to the length in the flow path direction of the first fluid (the axial length of the honeycomb structure 10). For example, it is preferable that two or more communication holes 16 are provided in the flow path direction of the first fluid. With such a configuration, it is possible to reduce the radial and/or circumferential bias of the temperature of the first fluid flowing through the cells 15, thereby further improving the heat recovery efficiency.
Although the upper limit of the number of the communicating holes 16 is not particularly limited, if the number of the communicating holes 16 is too large, there is a risk of the strength of the honeycomb structure 10 decreasing. Therefore, the upper limit should be set according to the length in the flow path direction of the first fluid within a range in which the strength of the honeycomb structure 10 is ensured.
第1隔壁12aに設けられる連通孔16の径は、特に限定されず、隣り合う第2隔壁12bの間及び隣り合う第2隔壁12bと外周壁11との間の距離よりも小さければよい。同様に、第2隔壁12bに設けられる連通孔16の径は、隣り合う第1隔壁12aの間の距離よりも小さければよい。ここで、連通孔16の径とは、第1流体の流路方向に平行な第1隔壁12a又は第2隔壁12bの断面における連通孔16の形状の最大径のことを意味する。 The diameter of the communication hole 16 provided in the first partition 12a is not particularly limited, and may be smaller than the distance between adjacent second partitions 12b and between adjacent second partitions 12b and the outer peripheral wall 11. Similarly, the diameter of the communication hole 16 provided in the second partition 12b may be smaller than the distance between adjacent first partitions 12a. Here, the diameter of the communication hole 16 means the maximum diameter of the shape of the communication hole 16 in the cross section of the first partition 12a or the second partition 12b parallel to the flow direction of the first fluid.
第1流体の流路方向における2つの連通孔16の間には、図5に示すように、突起部17が設けられていてもよい。突起部17を設けることにより、第1流体の流路の表面積が増大するため、熱回収効率がより一層向上する。なお、図5は、第1流体の流路方向(ハニカム構造体10の軸方向)及び隔壁12の厚み方向に平行な隔壁12の部分拡大断面図である。
突起部17としては、特に限定されないが、連通孔16を形成する際に生じたバリであってよいし、突起状の部材を2つの連通孔16の間に接合してもよい。なお、突起状の部材を接合する場合、隔壁12と同種の材質であることが好ましい。
As shown in Fig. 5, a protrusion 17 may be provided between two communication holes 16 in the flow direction of the first fluid. By providing the protrusion 17, the surface area of the flow path of the first fluid is increased, and the heat recovery efficiency is further improved. Fig. 5 is a partially enlarged cross-sectional view of the partition wall 12 parallel to the flow direction of the first fluid (the axial direction of the honeycomb structure 10) and the thickness direction of the partition wall 12.
The protrusion 17 is not particularly limited, but may be a burr generated when forming the communication hole 16, or a protruding member may be joined between the two communication holes 16. When a protruding member is joined, it is preferably made of the same material as the partition wall 12.
ハニカム構造体10の形状(外形)としては、特に限定されず、例えば、円柱、楕円柱、四角柱又はその他の多角柱などとすることができる。したがって、図2の断面におけるハニカム構造体10の外形(すなわち、外周壁11の外形)は、円形、楕円形、四角形又はその他の多角形などとすることができる。
また、ハニカム構造体10は、図6に示すように、内周壁18を更に有する中空型のハニカム構造体10aであってもよい。なお、図6は、中空型のハニカム構造体10aの第1流体の流路方向に直交する断面図である。この場合、中空部の形状は、特に限定されず、例えば、円柱、楕円柱、四角柱又はその他の多角柱などとすることができる。したがって、第1流体の流路方向に直交する断面における中空部の形状(すなわち、内周壁18の内形)は、円形、楕円形、四角形又はその他の多角形などとすることができる。中空型のハニカム構造体10aの形状と中空部の形状とは同一であっても異なっていてもよいが、外部からの衝撃、熱応力などに対する耐性の観点から、同一であることが好ましい。
The shape (outer shape) of the honeycomb structure 10 is not particularly limited and may be, for example, a circular cylinder, an elliptical cylinder, a rectangular cylinder, or other polygonal cylinder. Therefore, the outer shape of the honeycomb structure 10 in the cross section of Fig. 2 (i.e., the outer shape of the outer peripheral wall 11) may be a circle, an ellipse, a rectangle, or other polygonal shape.
In addition, the honeycomb structure 10 may be a hollow honeycomb structure 10a further having an inner peripheral wall 18 as shown in FIG. 6. FIG. 6 is a cross-sectional view of the hollow honeycomb structure 10a perpendicular to the flow path direction of the first fluid. In this case, the shape of the hollow portion is not particularly limited, and may be, for example, a cylinder, an elliptical cylinder, a square cylinder, or other polygonal cylinder. Therefore, the shape of the hollow portion in the cross section perpendicular to the flow path direction of the first fluid (i.e., the inner shape of the inner peripheral wall 18) may be a circle, an ellipse, a square, or other polygonal shape. The shape of the hollow honeycomb structure 10a and the shape of the hollow portion may be the same or different, but it is preferable that they are the same from the viewpoint of resistance to external impacts, thermal stress, and the like.
外周壁11(中空型のハニカム構造体10aの場合は外周壁11及び内周壁18)の厚みは、隔壁12の厚みよりも大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、外部からの衝撃、第1流体と第2流体との間の温度差による熱応力などによって破壊(例えば、ひび、割れなど)が起こり易い外周壁11(中空型のハニカム構造体10aの場合は外周壁11及び内周壁18)の強度を高めることができる。
外周壁11及び隔壁12(中空型のハニカム構造体10aの場合は外周壁11、隔壁12及び内周壁18)の厚みは、用途などに応じて適宜調整することができる。例えば、外周壁11及び内周壁18の厚みは、熱交換部材100を一般的な熱交換用途に用いる場合は、0.3mm超過10mm以下とすることが好ましく、0.5mm~5mmとすることがより好ましく、1mm~3mmとすることが更に好ましい。また、熱交換部材100を蓄熱用途に用いる場合は、外周壁11の厚みを10mm以上として外周壁11の熱容量を増大させることも好ましい。
隔壁12の厚みは、0.1~1mmとすることが好ましく、0.2~0.6mmとすることがより好ましい。隔壁12の厚みを0.1mm以上とすることにより、ハニカム構造体10の機械的強度を十分なものとすることができる。また、隔壁12の厚さを1mm以下とすることにより、開口面積の低下によって圧力損失が大きくなったり、第1流体との接触面積の低下によって熱回収効率が低下したりする問題を抑制することができる。
The thickness of the outer peripheral wall 11 (the outer peripheral wall 11 and the inner peripheral wall 18 in the case of the hollow honeycomb structure 10a) is preferably larger than the thickness of the partition walls 12. By adopting such a configuration, it is possible to increase the strength of the outer peripheral wall 11 (the outer peripheral wall 11 and the inner peripheral wall 18 in the case of the hollow honeycomb structure 10a), which is easily destroyed (e.g., cracked, broken, etc.) by an external impact, a thermal stress due to a temperature difference between the first fluid and the second fluid, etc.
The thicknesses of the outer peripheral wall 11 and the partition walls 12 (the outer peripheral wall 11, the partition walls 12 and the inner peripheral wall 18 in the case of the hollow honeycomb structure 10a) can be appropriately adjusted depending on the application. For example, when the heat exchange member 100 is used for general heat exchange applications, the thicknesses of the outer peripheral wall 11 and the inner peripheral wall 18 are preferably more than 0.3 mm and not more than 10 mm, more preferably 0.5 mm to 5 mm, and even more preferably 1 mm to 3 mm. When the heat exchange member 100 is used for heat storage applications, it is also preferable to set the thickness of the outer peripheral wall 11 to 10 mm or more to increase the heat capacity of the outer peripheral wall 11.
The thickness of the partition walls 12 is preferably 0.1 to 1 mm, and more preferably 0.2 to 0.6 mm. By making the thickness of the partition walls 12 0.1 mm or more, it is possible to ensure sufficient mechanical strength of the honeycomb structure 10. Furthermore, by making the thickness of the partition walls 12 1 mm or less, it is possible to suppress problems such as an increase in pressure loss due to a decrease in the opening area and a decrease in heat recovery efficiency due to a decrease in the contact area with the first fluid.
外周壁11及び隔壁12(中空型のハニカム構造体10aの場合は外周壁11、隔壁12及び内周壁18)は、セラミックスを主成分とする。「セラミックスを主成分とする」とは、外周壁11及び隔壁12(中空型のハニカム構造体10aの場合は外周壁11、隔壁12及び内周壁18)の全質量に占めるセラミックスの質量比率が50質量%以上であることをいう。 The outer peripheral wall 11 and partition walls 12 (in the case of the hollow honeycomb structure 10a, the outer peripheral wall 11, partition walls 12 and inner peripheral wall 18) are mainly composed of ceramics. "Mainly composed of ceramics" means that the mass ratio of ceramics to the total mass of the outer peripheral wall 11 and partition walls 12 (in the case of the hollow honeycomb structure 10a, the outer peripheral wall 11, partition walls 12 and inner peripheral wall 18) is 50 mass% or more.
外周壁11及び隔壁12(中空型のハニカム構造体10aの場合は外周壁11、隔壁12及び内周壁18)の気孔率は、10%以下であることが好ましく、5%以下であることが更に好ましく、3%以下であることが特に好ましい。また、これらの気孔率は0%とすることもできる。これらの気孔率を10%以下とすることにより、熱伝導率を向上させることができる。 The porosity of the outer peripheral wall 11 and partition walls 12 (in the case of a hollow honeycomb structure 10a, the outer peripheral wall 11, partition walls 12 and inner peripheral wall 18) is preferably 10% or less, more preferably 5% or less, and particularly preferably 3% or less. These porosities can also be 0%. By making these porosities 10% or less, the thermal conductivity can be improved.
外周壁11及び隔壁12(中空型のハニカム構造体10aの場合は外周壁11、隔壁12及び内周壁18)は、熱伝導性が高いSiC(炭化珪素)を主成分として含むことが好ましい。「SiC(炭化珪素)を主成分として含む」とは、外周壁11及び隔壁12(中空型のハニカム構造体10aの場合は外周壁11、隔壁12及び内周壁18)の全質量に占めるSiC(炭化珪素)の質量比率が50質量%以上であることを意味する。 The outer peripheral wall 11 and partition walls 12 (in the case of the hollow honeycomb structure 10a, the outer peripheral wall 11, partition walls 12, and inner peripheral wall 18) preferably contain SiC (silicon carbide), which has high thermal conductivity, as a main component. "Containing SiC (silicon carbide) as a main component" means that the mass ratio of SiC (silicon carbide) to the total mass of the outer peripheral wall 11 and partition walls 12 (in the case of the hollow honeycomb structure 10a, the outer peripheral wall 11, partition walls 12, and inner peripheral wall 18) is 50 mass% or more.
さらに具体的には、外周壁11及び隔壁12(中空型のハニカム構造体10aの場合は外周壁11、隔壁12及び内周壁18)の材料としては、Si含浸SiC、(Si+Al)含浸SiC、金属複合SiC、再結晶SiC、Si3N4、及びSiCなどを採用することができる。その中でも、安価に製造でき、高熱伝導であることからSi含浸SiC、(Si+Al)含浸SiCを採用することが好ましい。 More specifically, the materials that can be used for the outer peripheral wall 11 and the partition walls 12 (the outer peripheral wall 11, the partition walls 12 and the inner peripheral wall 18 in the case of the hollow honeycomb structure 10a) include Si-impregnated SiC, (Si+Al)-impregnated SiC, metal composite SiC, recrystallized SiC, Si3N4 , and SiC. Among these, it is preferable to use Si-impregnated SiC and (Si + Al)-impregnated SiC because they can be manufactured inexpensively and have high thermal conductivity.
第1流体の流路方向に直交するハニカム構造体10の断面におけるセル密度(即ち、単位面積当たりのセル15の数)は、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよいが、4~320セル/cm2の範囲であることが好ましい。セル密度を4セル/cm2以上とすることにより、隔壁12の強度、ひいてはハニカム構造体10自体の強度及び有効GSA(幾何学的表面積)を十分に確保することができる。また、セル密度を320セル/cm2以下とすることにより、第1流体が流れる際の圧力損失の増大を防止することができる。 The cell density (i.e., the number of cells 15 per unit area) in the cross section of the honeycomb structure 10 perpendicular to the flow direction of the first fluid is not particularly limited and may be appropriately adjusted depending on the application, but is preferably in the range of 4 to 320 cells/ cm2 . By setting the cell density to 4 cells/cm2 or more , the strength of the partition walls 12, and therefore the strength and effective GSA (geometric surface area) of the honeycomb structure 10 itself can be sufficiently ensured. In addition, by setting the cell density to 320 cells/cm2 or less , an increase in pressure loss when the first fluid flows can be prevented.
ハニカム構造体10のアイソスタティック強度は、100MPa超過が好ましく、150MPa以上がより好ましく、200MPa以上が更に好ましい。ハニカム構造体10のアイソスタティック強度が、100MPa超過であると、ハニカム構造体10が耐久性に優れたものとなる。ハニカム構造体10のアイソスタティック強度は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格であるJASO規格M505-87に規定されているアイソスタティック破壊強度の測定方法に準じて測定することができる。 The isostatic strength of the honeycomb structure 10 is preferably greater than 100 MPa, more preferably greater than 150 MPa, and even more preferably greater than 200 MPa. If the isostatic strength of the honeycomb structure 10 exceeds 100 MPa, the honeycomb structure 10 will have excellent durability. The isostatic strength of the honeycomb structure 10 can be measured in accordance with the method for measuring isostatic fracture strength stipulated in JASO standard M505-87, an automotive standard issued by the Society of Automotive Engineers of Japan.
第1流体の流路方向に直交する断面における外周壁11の直径(外径)は、20~200mmであることが好ましく、30~100mmであることがより好ましい。このような直径とすることにより、熱回収効率を向上させることができる。外周壁11が円形でない場合には、外周壁11の断面形状に内接する最大内接円の直径を、外周壁11の直径とする。
また、中空型のハニカム構造体10aの場合、第1流体の流路方向に直交する断面における内周壁18の直径は、1~60mmであることが好ましく、2~30mmであることがより好ましい。内周壁18の断面形状が円形でない場合には、内周壁18の断面形状に内接する最大内接円の直径を、内周壁18の直径とする。
The diameter (outer diameter) of the outer peripheral wall 11 in a cross section perpendicular to the flow direction of the first fluid is preferably 20 to 200 mm, more preferably 30 to 100 mm. By setting the diameter in this range, the heat recovery efficiency can be improved. When the outer peripheral wall 11 is not circular, the diameter of the maximum inscribed circle inscribed in the cross-sectional shape of the outer peripheral wall 11 is defined as the diameter of the outer peripheral wall 11.
In the case of the hollow honeycomb structure 10a, the diameter of the inner peripheral wall 18 in a cross section perpendicular to the flow direction of the first fluid is preferably 1 to 60 mm, and more preferably 2 to 30 mm. When the cross-sectional shape of the inner peripheral wall 18 is not circular, the diameter of the inner peripheral wall 18 is defined as the diameter of the maximum inscribed circle inscribed in the cross-sectional shape of the inner peripheral wall 18.
ハニカム構造体10の熱伝導率は、25℃において、50W/(m・K)以上であることが好ましく、100~300W/(m・K)であることがより好ましく、120~300W/(m・K)であることが更に好ましい。ハニカム構造体10の熱伝導率を、このような範囲とすることにより、熱伝導性が良好となり、ハニカム構造体10内の熱を外部に効率良く伝達させることができる。なお、熱伝導率の値は、レーザーフラッシュ法(JIS R1611-1997)により測定した値である。 The thermal conductivity of the honeycomb structure 10 at 25°C is preferably 50 W/(m·K) or more, more preferably 100 to 300 W/(m·K), and even more preferably 120 to 300 W/(m·K). By setting the thermal conductivity of the honeycomb structure 10 within this range, the thermal conductivity is improved, and the heat within the honeycomb structure 10 can be efficiently transferred to the outside. The thermal conductivity value is measured by the laser flash method (JIS R1611-1997).
ハニカム構造体10のセル15に、第1流体として排ガスを流す場合、ハニカム構造体10の隔壁12に触媒を担持させてもよい。隔壁12に触媒を担持させると、排ガス中のCO、NOx、HCなどを触媒反応によって無害な物質にすることが可能になるとともに、触媒反応の際に生じる反応熱を熱交換に用いることも可能になる。触媒としては、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、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ものであることが好ましい。上記元素は、金属単体、金属酸化物、又はそれ以外の金属化合物として含有されていてもよい。 When exhaust gas is passed through the cells 15 of the honeycomb structure 10 as the first fluid, a catalyst may be supported on the partition walls 12 of the honeycomb structure 10. Supporting a catalyst on the partition walls 12 makes it possible to convert CO, NOx, HC, etc. in the exhaust gas into harmless substances through a catalytic reaction, and also makes it possible to use the reaction heat generated during the catalytic reaction for heat exchange. The catalyst preferably contains at least one element selected from the group consisting of precious metals (platinum, rhodium, palladium, ruthenium, indium, silver, and gold), aluminum, nickel, zirconium, titanium, cerium, cobalt, manganese, zinc, copper, tin, iron, niobium, magnesium, lanthanum, samarium, bismuth, and barium. The above elements may be contained as simple metals, metal oxides, or other metal compounds.
被覆部材20は、ハニカム構造体10の外周壁11の外周面を被覆し得るものであれば特に限定されない。例えば、ハニカム構造体10の外周壁11の外周面に嵌合してハニカム構造体10の外周壁11を周回被覆する管状部材を用いることができる。また、緩衝作用の観点から、ハニカム構造体10と被覆部材20との間に無機マットなどを介在させてもよい。
ここで、本明細書において、「嵌合」とは、ハニカム構造体10と被覆部材20とが、相互に嵌まり合った状態で固定されていることをいう。したがって、ハニカム構造体10と被覆部材20との嵌合においては、すきま嵌め、締まり嵌め、焼き嵌めなどの嵌め合いによる固定方法の他、ろう付け、溶接、拡散接合などにより、ハニカム構造体10と被覆部材20とが相互に固定されている場合なども含まれる。
The covering member 20 is not particularly limited as long as it can cover the outer peripheral surface of the outer peripheral wall 11 of the honeycomb structure 10. For example, a tubular member can be used that fits onto the outer peripheral surface of the outer peripheral wall 11 of the honeycomb structure 10 and circumferentially covers the outer peripheral wall 11 of the honeycomb structure 10. In addition, from the viewpoint of a cushioning effect, an inorganic mat or the like may be interposed between the honeycomb structure 10 and the covering member 20.
In this specification, the term "fitting" refers to the honeycomb structure 10 and the covering member 20 being fixed in a mutually fitted state. Therefore, the fitting of the honeycomb structure 10 and the covering member 20 includes cases where the honeycomb structure 10 and the covering member 20 are fixed to each other by brazing, welding, diffusion bonding, etc., in addition to a fixing method based on fitting such as clearance fitting, interference fitting, and shrink fitting.
被覆部材20は、ハニカム構造体10の外周壁11に対応した内面形状を有することができる。被覆部材20の内面がハニカム構造体10の外周壁11に直接接触することで、熱伝導性が良好となり、ハニカム構造体10内の熱を被覆部材20に効率良く伝達することができる。 The covering member 20 can have an inner surface shape that corresponds to the outer wall 11 of the honeycomb structure 10. By having the inner surface of the covering member 20 directly contact the outer wall 11 of the honeycomb structure 10, the thermal conductivity is improved, and the heat within the honeycomb structure 10 can be efficiently transferred to the covering member 20.
熱回収効率を高めるという観点からは、ハニカム構造体10の外周壁11の外周面の全面積に対する、被覆部材20によって周回被覆されるハニカム構造体10の外周壁11の外周面の面積の割合は高いほうが好ましい。具体的には、当該面積割合は80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましく、100%(すなわち、ハニカム構造体10の外周壁11の外周面の全部が被覆部材20によって周回被覆される。)であることが更により好ましい。
なお、ここでいう「外周壁11」とは、ハニカム構造体10の第1流体の流路方向に平行な面を指し、ハニカム構造体10の第1流体の流路方向と直交する面(第1端面13及び第2端面14)は含まれない。
From the viewpoint of increasing the heat recovery efficiency, it is preferable that the ratio of the area of the outer peripheral surface of the outer peripheral wall 11 of the honeycomb structure 10 that is circumferentially covered by the covering member 20 to the total area of the outer peripheral surface of the outer peripheral wall 11 of the honeycomb structure 10 is high. Specifically, the area ratio is preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and even more preferably 100% (i.e., the entire outer peripheral surface of the outer peripheral wall 11 of the honeycomb structure 10 is circumferentially covered by the covering member 20).
In addition, the "outer wall 11" referred to here refers to a surface parallel to the flow direction of the first fluid in the honeycomb structure 10, and does not include surfaces (first end face 13 and second end face 14) perpendicular to the flow direction of the first fluid in the honeycomb structure 10.
被覆部材20は、製造性の観点から金属製であることが好ましい。また、被覆部材20が金属製であると、後述する外筒30(ケーシング)との溶接が容易に行える点でも優れている。被覆部材20の材料としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などを用いることができる。その中でも、耐久信頼性が高く、安価という理由により、ステンレスが好ましい。 From the viewpoint of manufacturability, the covering member 20 is preferably made of metal. In addition, if the covering member 20 is made of metal, it is also advantageous in that it can be easily welded to the outer tube 30 (casing) described below. For example, stainless steel, titanium alloy, copper alloy, aluminum alloy, brass, etc. can be used as the material for the covering member 20. Among these, stainless steel is preferred because of its high durability, reliability, and low cost.
被覆部材20の厚みは、耐久信頼性の理由により、0.1mm以上が好ましく、0.3mm以上がより好ましく、0.5mm以上が更により好ましい。被覆部材20の厚みは、熱抵抗を低減して熱伝導性を高めるという理由により、10mm以下が好ましく、5mm以下がより好ましく、3mm以下が更により好ましい。 For reasons of durability and reliability, the thickness of the covering member 20 is preferably 0.1 mm or more, more preferably 0.3 mm or more, and even more preferably 0.5 mm or more. For reasons of reducing thermal resistance and increasing thermal conductivity, the thickness of the covering member 20 is preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less, and even more preferably 3 mm or less.
被覆部材20の長さ(第1流体の流路方向の長さ)は、特に限定されず、ハニカム構造体10のサイズなどに応じて適宜調整すればよい。例えば、被覆部材20の長さは、ハニカム構造体10の長さよりも大きいことが好ましい。具体的には、被覆部材20の長さは、5mm~250mmとすることが好ましく、10mm~150mmとすることがより好ましく、20mm~100mmとすることが更に好ましい。
なお、被覆部材20の長さがハニカム構造体10の長さよりも大きい場合、被覆部材20の中央部にハニカム構造体10が位置するように設けることが好ましい。
The length of the covering member 20 (the length in the flow path direction of the first fluid) is not particularly limited, and may be appropriately adjusted depending on the size of the honeycomb structure 10. For example, the length of the covering member 20 is preferably greater than the length of the honeycomb structure 10. Specifically, the length of the covering member 20 is preferably 5 mm to 250 mm, more preferably 10 mm to 150 mm, and further preferably 20 mm to 100 mm.
When the length of the covering member 20 is greater than the length of the honeycomb structure 10 , it is preferable that the honeycomb structure 10 be positioned at the center of the covering member 20 .
次に、熱交換部材100の製造方法を説明する。但し、熱交換部材100の製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されることはない。 Next, a method for manufacturing the heat exchanger member 100 will be described. However, the method for manufacturing the heat exchanger member 100 is not limited to the manufacturing method described below.
まず、セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押出成形し、ハニカム成形体を作製する。このとき、適切な形態の口金及び治具を選択することにより、セル15の形状及び密度、隔壁12の数、長さ及び厚さ、外周壁11の形状及び厚さなどを制御することができる。また、ハニカム成形体の材料としては、上記のセラミックスを用いることができる。例えば、Si含浸SiC複合材料を主成分とするハニカム成形体を製造する場合、所定量のSiC粉末に、バインダーと、水又は有機溶媒とを加え、得られた混合物を混練し坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得ることができる。そして、得られたハニカム成形体を乾燥し、減圧の不活性ガス又は真空中で、ハニカム成形体中に金属Siを含浸焼成することによって、ハニカム構造体10を得ることができる。 First, a clay containing ceramic powder is extruded into a desired shape to produce a honeycomb molded body. At this time, by selecting an appropriate type of die and jig, the shape and density of the cells 15, the number, length and thickness of the partition walls 12, the shape and thickness of the outer peripheral wall 11, etc. can be controlled. The above-mentioned ceramics can be used as the material for the honeycomb molded body. For example, when manufacturing a honeycomb molded body mainly composed of a Si-impregnated SiC composite material, a binder and water or an organic solvent are added to a predetermined amount of SiC powder, the resulting mixture is kneaded to form a clay, and molded to obtain a honeycomb molded body of the desired shape. The obtained honeycomb molded body is then dried, and metal Si is impregnated and fired in a reduced pressure inert gas or vacuum to obtain a honeycomb structure 10.
連通孔16の形成方法としては、特に限定されないが、機械加工を用いてもよいし、隔壁12に連通孔16となる欠損が生じるような製造条件を選択してもよい。
機械加工によって連通孔16を形成する場合、第1流体の流路方向の長さが短い複数のハニカムセグメントを作製し、これらのハニカムセグメントに対して機械加工で連通孔16を形成した後、複数のハニカムセグメントを接合すればよい。ハニカムセグメントの接合は、接合材などを用いてもよいが、被覆部材20に複数のハニカムセグメントを配置して焼き嵌めすることにより、接合材なしでハニカムセグメント同士を接合することができる。なお、接合材を設ける場合、ハニカム成形体の作製に用いる材料と同種のセラミックス粉末を含む接合材を用いればよい。
ここで、一例として、機械加工によって連通孔16が形成されたハニカムセグメントの部分拡大斜視図を図7に示す。このハニカムセグメントは、中空型のハニカム構造体10aの製造に用いられる。連通孔16は、例えば、ハニカムセグメントの隔壁12の中央部(図7(a))や端部(図7(b))に形成すればよい。
ハニカムセグメントは、焼成前のハニカム成形体の乾燥体のセグメントであっても、焼成後のハニカム構造体10のセグメントであってもよい。
機械加工としては、特に限定されないが、例えば、研削加工、切削加工、レーザー加工、ウォータージェット加工、放電(EDM)加工などを用いることができる。
また、第1流体の流路方向における2つの連通孔16の間に突起部17を設ける場合には、連通孔16を作製した後に、所定の位置に突起状の部材を接合すればよい。
The method for forming the communication hole 16 is not particularly limited, but may be mechanical processing, or manufacturing conditions may be selected so that a defect that will become the communication hole 16 is formed in the partition wall 12 .
When forming the communication holes 16 by machining, a plurality of honeycomb segments each having a short length in the flow path direction of the first fluid are produced, and the communication holes 16 are formed in these honeycomb segments by machining, and then the plurality of honeycomb segments are joined together. The honeycomb segments may be joined together using a bonding material or the like, but the honeycomb segments can be joined together without a bonding material by arranging the plurality of honeycomb segments on the covering member 20 and shrink fitting them together. When a bonding material is provided, a bonding material containing the same type of ceramic powder as the material used to produce the honeycomb formed body may be used.
As an example, Fig. 7 shows a partially enlarged perspective view of a honeycomb segment in which communicating holes 16 are formed by machining. This honeycomb segment is used to manufacture a hollow honeycomb structure 10a. The communicating holes 16 may be formed, for example, in the center (Fig. 7(a)) or end (Fig. 7(b)) of the partition walls 12 of the honeycomb segment.
The honeycomb segment may be a segment of a dried honeycomb formed body before firing, or a segment of the honeycomb structure 10 after firing.
The mechanical processing is not particularly limited, but for example, grinding, cutting, laser processing, water jet processing, electric discharge (EDM) processing, etc. can be used.
Furthermore, when providing a protrusion 17 between two communication holes 16 in the flow path direction of the first fluid, a protruding member may be bonded to a predetermined position after the communication holes 16 are formed.
隔壁12に連通孔16となる欠損を生じさせる方法としては、例えば、口金のスリット幅やSiC粉末の粒径を隔壁12に欠損が生じるような条件に制御する方法を採用してもよい。
また、坏土に造孔材を含有させることによって隔壁12に欠損を生じさせてもよい。具体的には、第1隔壁12aの厚みよりも大きく且つ第2隔壁12bの厚みよりも小さな粒径を有する造孔材を坏土に含有させてハニカム成形体を作製し、焼成時に造孔材を除去することにより、第1隔壁12aのみに欠損(連通孔16)を生じさせることができる。逆に、第1隔壁12aの厚みよりも小さく且つ第2隔壁12bの厚みよりも大きな粒径を有する造孔材を坏土に含有させてハニカム成形体を作製し、焼成時に造孔材を除去することにより、第2隔壁12bのみに欠損(連通孔16)を生じさせることができる。もちろん、第1隔壁12a及び第2隔壁12bの厚みよりも大きな粒径を有する造孔材を坏土に含有させてハニカム成形体を作製し、焼成時に造孔材を除去すれば、第1隔壁12a及び第2隔壁12bの両方に欠損(連通孔16)を生じさせることもできる。
更に、セラミックス粉末などを混錬して坏土を形成する際に意図的に気泡を混入させることにより、気泡による欠損(連通孔16)を隔壁12に生じさせてもよい。
As a method for generating defects that become the communicating holes 16 in the partition walls 12, for example, a method of controlling the slit width of the die or the particle size of the SiC powder to conditions that generate defects in the partition walls 12 may be used.
Also, defects may be generated in the partition walls 12 by including a pore-forming material in the clay. Specifically, a honeycomb molded body is manufactured by including a pore-forming material having a particle size larger than the thickness of the first partition walls 12a and smaller than the thickness of the second partition walls 12b in the clay, and the pore-forming material is removed during firing, so that defects (communicating holes 16) can be generated only in the first partition walls 12a. Conversely, a honeycomb molded body is manufactured by including a pore-forming material having a particle size smaller than the thickness of the first partition walls 12a and larger than the thickness of the second partition walls 12b in the clay, and the pore-forming material is removed during firing, so that defects (communicating holes 16) can be generated only in the second partition walls 12b. Of course, if a honeycomb formed body is produced by adding a pore-forming material having a particle size larger than the thickness of the first partition wall 12a and the second partition wall 12b to the clay, and the pore-forming material is removed during firing, it is also possible to create defects (communicating holes 16) in both the first partition wall 12a and the second partition wall 12b.
Furthermore, air bubbles may be intentionally mixed in when ceramic powder or the like is mixed to form a clay, thereby causing defects (communicating holes 16) in the partition walls 12 due to the air bubbles.
次に、ハニカム構造体10を被覆部材20に焼き嵌めすることにより、ハニカム構造体10の外周壁11の外周面を被覆部材20で周回被覆する。具体的には、被覆部材20を加熱膨張させ、ハニカム構造体10を被覆部材20の中に挿入した後、被覆部材20を冷却収縮させることにより、被覆部材20内にハニカム構造体10を固定することができる。なお、ハニカム構造体10と被覆部材20との嵌合は、上記したように、焼き嵌め以外に、すきま嵌め、締まり嵌めといった嵌め合いによる固定方法、更にはろう付け、溶接、拡散接合などにより行うことができる。このようにして熱交換部材100を得ることができる。 Next, the honeycomb structure 10 is shrink-fitted into the covering member 20, thereby covering the outer peripheral surface of the outer wall 11 of the honeycomb structure 10 with the covering member 20. Specifically, the covering member 20 is heated and expanded, the honeycomb structure 10 is inserted into the covering member 20, and then the covering member 20 is cooled and contracted, thereby fixing the honeycomb structure 10 within the covering member 20. As described above, the honeycomb structure 10 and the covering member 20 can be fitted together by a fixing method using fitting such as a clearance fit or an interference fit, as well as by shrink fitting, as well as brazing, welding, diffusion bonding, etc. In this way, the heat exchange member 100 can be obtained.
本発明の実施形態に係る熱交換部材100は、第1隔壁12a及び第2隔壁12bの少なくとも一方に、1つ以上の連通孔16を設けているため、熱回収効率を向上させることができる。 The heat exchange member 100 according to the embodiment of the present invention has one or more communication holes 16 in at least one of the first partition wall 12a and the second partition wall 12b, thereby improving the heat recovery efficiency.
(2)熱交換器
本発明の実施形態に係る熱交換器は、上記の熱交換部材100を有する。熱交換部材100以外の部材については、特に限定されず、公知の部材を用いることができる。例えば、本発明の実施形態に係る熱交換器は、熱交換部材100と、熱交換部材100の被覆部材20の外周を第2流体が流通可能となるように、被覆部材20の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒(ケーシング)とを備えることができる。
(2) Heat Exchanger The heat exchanger according to the embodiment of the present invention has the above-mentioned heat exchange member 100. There are no particular limitations on the members other than the heat exchange member 100, and known members can be used. For example, the heat exchanger according to the embodiment of the present invention can include the heat exchange member 100 and an outer cylinder (casing) disposed at a distance from the outer periphery of the covering member 20 of the heat exchange member 100 so that the second fluid can flow around the outer periphery of the covering member 20.
図8は、本発明の実施形態に係る熱交換器の、ハニカム構造体の第1流体の流路方向に平行な断面図である。また、図9は、図8に示す熱交換器のb-b’線の断面図であり、本発明の実施形態に係る熱交換器の、ハニカム構造体の第1流体の流路方向に直交する断面図である。 Figure 8 is a cross-sectional view parallel to the flow direction of the first fluid in the honeycomb structure of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention. Also, Figure 9 is a cross-sectional view of line b-b' of the heat exchanger shown in Figure 8, and is a cross-sectional view perpendicular to the flow direction of the first fluid in the honeycomb structure of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
本発明の実施形態に係る熱交換器200は、熱交換部材100と、熱交換部材100の被覆部材20の外周を第2流体が流通可能となるように、被覆部材20の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒30とを備える。外筒30は、第2流体の供給管31及び排出管32を有する。また、外筒30は、熱交換部材100の外周全体を周回被覆していることが好ましい。
上記のような構造を有する熱交換器200では、第2流体が供給管31から外筒30内に流入する。次いで、第2流体は、第2流体の流路を通る間に、熱交換部材100の被覆部材20を介してハニカム構造体10のセル15を流通する第1流体と熱交換した後、第2流体の排出管32から排出される。なお、熱交換部材100の被覆部材20の外周面は伝熱効率を調整するための部材によって被覆されていてもよい。
A heat exchanger 200 according to an embodiment of the present invention includes a heat exchange member 100 and an outer cylinder 30 arranged at a distance from the outer periphery of the covering member 20 of the heat exchange member 100 so that a second fluid can flow around the outer periphery of the covering member 20. The outer cylinder 30 has a supply pipe 31 and a discharge pipe 32 for the second fluid. In addition, it is preferable that the outer cylinder 30 circumferentially covers the entire outer periphery of the heat exchange member 100.
In the heat exchanger 200 having the above-mentioned structure, the second fluid flows into the outer casing 30 from the supply pipe 31. Next, while passing through the flow path of the second fluid, the second fluid exchanges heat with the first fluid flowing through the cells 15 of the honeycomb structure 10 via the covering member 20 of the heat exchange element 100, and is then discharged from the discharge pipe 32 of the second fluid. The outer peripheral surface of the covering member 20 of the heat exchange element 100 may be covered with a member for adjusting the heat transfer efficiency.
第2流体としては、特に制限はないが、熱交換器200が、自動車に搭載される場合には、第2流体は、水又は不凍液(JIS K2234:2006で規定されるLLC)であることが好ましい。第1流体及び第2流体の温度に関しては、第1流体の温度>第2流体の温度であることが好ましい。その理由としては、熱交換部材100の被覆部材20が低温で膨張せず、ハニカム構造体10がより高温で膨張することで、両者の嵌合が緩み難い条件となるためである。特に、ハニカム構造体10と被覆部材20との嵌合が焼き嵌めの場合、嵌合が緩み、ハニカム構造体10が抜け落ちるリスクを最小限にすることができる。 The second fluid is not particularly limited, but when the heat exchanger 200 is mounted on an automobile, the second fluid is preferably water or antifreeze (LLC as defined in JIS K2234:2006). Regarding the temperatures of the first and second fluids, it is preferable that the temperature of the first fluid is greater than the temperature of the second fluid. This is because the covering member 20 of the heat exchange member 100 does not expand at low temperatures, and the honeycomb structure 10 expands at higher temperatures, making it difficult for the fitting between the two to loosen. In particular, when the fitting between the honeycomb structure 10 and the covering member 20 is a shrink fit, the risk of the fitting loosening and the honeycomb structure 10 falling out can be minimized.
外筒30の内面は、熱交換部材100の被覆部材20の外周面と嵌合していることが好ましい。このようにすることで、第1流体の流路方向の両端部における被覆部材20の外周面が外筒30の内面と周回状に密接した構造とし、第2流体が外部に漏れないようにすることができる。被覆部材20の外周面と外筒30の内面とを密接させる方法としては、特に限定されないが、溶接、拡散接合、ろう付け、機械的な締結などが挙げられる。これらの中でも、耐久信頼性が高く、構造強度の改善も図ることができるという理由により、溶接が好ましい。 The inner surface of the outer tube 30 is preferably fitted with the outer peripheral surface of the covering member 20 of the heat exchange member 100. In this way, the outer peripheral surface of the covering member 20 at both ends in the flow direction of the first fluid is in close circumferential contact with the inner surface of the outer tube 30, and the second fluid is prevented from leaking to the outside. Methods for bringing the outer peripheral surface of the covering member 20 into close contact with the inner surface of the outer tube 30 include, but are not limited to, welding, diffusion bonding, brazing, mechanical fastening, and the like. Among these, welding is preferred because it has high durability and reliability and can also improve structural strength.
外筒30は、熱伝導性及び製造性の観点から、金属製であることが好ましい。金属としては、例えば、ステンレス、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などを用いることができる。その中でも、安価で耐久信頼性が高いという理由により、ステンレスが好ましい。 From the viewpoints of thermal conductivity and manufacturability, the outer cylinder 30 is preferably made of a metal. Examples of metals that can be used include stainless steel, titanium alloys, copper alloys, aluminum alloys, and brass. Among these, stainless steel is preferred because it is inexpensive and has high durability and reliability.
外筒30の厚みは、耐久信頼性の理由により、0.1mm以上が好ましく、0.5mm以上がより好ましく、1mm以上が更により好ましい。外筒30の厚みは、コスト、体積、重量などの観点から、10mm以下が好ましく、5mm以下がより好ましく、3mm以下が更により好ましい。 For reasons of durability and reliability, the thickness of the outer cylinder 30 is preferably 0.1 mm or more, more preferably 0.5 mm or more, and even more preferably 1 mm or more. From the standpoints of cost, volume, weight, etc., the thickness of the outer cylinder 30 is preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less, and even more preferably 3 mm or less.
外筒30は、一体成形品であってよいが、2つ以上の部材から形成される接合部材であってもよい。外筒30が、2つ以上の部材から形成される接合部材である場合、外筒30の設計自由度を高めることができる。 The outer tube 30 may be an integrally molded product, or may be a joined member formed from two or more members. When the outer tube 30 is a joined member formed from two or more members, the design freedom of the outer tube 30 can be increased.
第2流体の供給管31及び排出管32の位置は、特に限定されず、熱交換器200の設置場所、配管位置、熱交換効率などを考慮して軸方向及び外周方向に適宜変更可能である。例えば、第2流体の供給管31及び排出管32は、ハニカム構造体10の軸方向両端部に対応する位置に設けることができる。また、第2流体の供給管31及び排出管32は、同じ方向に向けて延出されていても、異なる方向に向けて延出されていてもよい。 The positions of the supply pipe 31 and the discharge pipe 32 of the second fluid are not particularly limited, and can be changed appropriately in the axial and circumferential directions taking into consideration the installation location of the heat exchanger 200, the piping position, the heat exchange efficiency, etc. For example, the supply pipe 31 and the discharge pipe 32 of the second fluid can be provided at positions corresponding to both axial ends of the honeycomb structure 10. In addition, the supply pipe 31 and the discharge pipe 32 of the second fluid may extend in the same direction or in different directions.
本発明の実施形態に係る熱交換器200は、ハニカム構造体10が中空型のハニカム構造体10aである場合、中空部(内周壁18の内周側)に内筒と、内筒に設けられた開閉弁とを更に備えることができる。
内筒には、第1流体をハニカム構造体10のセル15に導入するための貫通孔を形成することができ、貫通孔によって第1流体の流れを2つ(ハニカム構造体10のセル15及び中空部)に分岐させてもよい。
開閉弁は、その開閉機構により、ハニカム構造体10の中空部を流れる第1流体の量を制御することができる。特に、開閉弁は、第1流体と第2流体との間の熱交換時に、内筒の内側における第1流体の流れを遮断することにより、貫通孔を介してハニカム構造体10のセル15に第1流体を選択的に導入することができるため、第1流体と第2流体との間の熱交換を効率的に行うことができる。
When the honeycomb structure 10 of the heat exchanger 200 according to an embodiment of the present invention is a hollow honeycomb structure 10a, the heat exchanger 200 may further include an inner tube in the hollow portion (the inner side of the inner wall 18) and an opening/closing valve provided in the inner tube.
The inner tube may have a through hole formed therein for introducing the first fluid into the cells 15 of the honeycomb structure 10, and the through hole may branch the flow of the first fluid into two (the cells 15 of the honeycomb structure 10 and the hollow portion).
The on-off valve can use its on-off mechanism to control the amount of the first fluid flowing through the hollow portion of the honeycomb structure 10. In particular, the on-off valve can selectively introduce the first fluid into the cells 15 of the honeycomb structure 10 through the through holes by blocking the flow of the first fluid inside the inner tube during heat exchange between the first fluid and the second fluid, thereby making it possible to efficiently exchange heat between the first fluid and the second fluid.
内筒に設けられる貫通孔は、内筒の全周に形成されていてもよいし、内筒の部分的な位置(例えば、上部、中央部又は下部のみ)に形成されていてもよい。また、貫通孔の形状は、円形、楕円形、四角形などの各種形状とすることができる。 The through holes in the inner tube may be formed around the entire circumference of the inner tube, or may be formed at a partial position of the inner tube (for example, only the upper, middle, or lower part). The shape of the through holes may be various shapes such as circular, elliptical, or rectangular.
このような構造を有する熱交換器200では、第1流体を内筒の内部に流通させることができる。このとき、開閉弁が閉であると、内筒内の通気抵抗が上昇し、貫通孔を介してセル15に第1流体が選択的に流入する。一方、開閉弁が開であると、内筒内の通気抵抗が低下するため、第1流体が中空部内の内筒に選択的に流入する。したがって、開閉弁の開閉を制御することにより、セル15に流入する第1流体の量を調整することができる。なお、中空部内の内筒を流れる第1流体は、第2流体との熱交換にはほとんど寄与しないため、この第1流体の経路は、第1流体の熱回収を抑制したい場合などにおけるバイパス経路として機能する。つまり、第1流体の熱回収を抑制したい場合には、開閉弁を開とすればよい。 In the heat exchanger 200 having such a structure, the first fluid can be circulated inside the inner cylinder. At this time, when the on-off valve is closed, the air flow resistance inside the inner cylinder increases, and the first fluid selectively flows into the cell 15 through the through hole. On the other hand, when the on-off valve is open, the air flow resistance inside the inner cylinder decreases, and the first fluid selectively flows into the inner cylinder in the hollow part. Therefore, by controlling the opening and closing of the on-off valve, the amount of the first fluid flowing into the cell 15 can be adjusted. Note that the first fluid flowing through the inner cylinder in the hollow part hardly contributes to heat exchange with the second fluid, so the path of this first fluid functions as a bypass path when it is desired to suppress the heat recovery of the first fluid. In other words, when it is desired to suppress the heat recovery of the first fluid, the on-off valve can be opened.
次に、熱交換器200の製造方法を説明する。但し、熱交換器200の製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されることはない。
熱交換器200は、熱交換部材100の被覆部材20の外周を第2流体が流通可能となるように、被覆部材20の径方向外側に間隔をおいて外筒30を配置して接合することによって製造することができる。具体的には、熱交換部材100の被覆部材20の両端部を外筒30の内面と接合する。接合方法は上記した通り、嵌合を含む種々の方法がある。必要に応じて、接合箇所は溶接などにより接合可能である。これにより、被覆部材20の外周を周回被覆する外筒30が形成され、被覆部材20の外周面と外筒30の内面との間に第2流体の流路が形成される。このようにして熱交換器200を得ることができる。
また、ハニカム構造体10が中空型のハニカム構造体10aである場合、中空型のハニカム構造体10aの内周壁18の内部に、開閉弁を設けた内筒を挿入し、焼き嵌めして嵌合すればよい。中空型のハニカム構造体10aの内周壁18と内筒との嵌合は、上記したように、焼き嵌め以外に、すきま嵌め、締まり嵌めといった嵌め合いによる固定方法、更にはろう付け、溶接、拡散接合などにより行うことができる。
Next, a description will be given of a manufacturing method of the heat exchanger 200. However, the manufacturing method of the heat exchanger 200 is not limited to the manufacturing method described below.
The heat exchanger 200 can be manufactured by disposing and joining the outer tube 30 at a distance from the radial outside of the covering member 20 of the heat exchange member 100 so that the second fluid can flow around the outer periphery of the covering member 20. Specifically, both ends of the covering member 20 of the heat exchange member 100 are joined to the inner surface of the outer tube 30. As described above, there are various joining methods including fitting. If necessary, the joining points can be joined by welding or the like. As a result, the outer tube 30 that circumferentially covers the outer periphery of the covering member 20 is formed, and a flow path for the second fluid is formed between the outer periphery of the covering member 20 and the inner surface of the outer tube 30. In this manner, the heat exchanger 200 can be obtained.
Furthermore, when the honeycomb structure 10 is a hollow honeycomb structure 10a, an inner cylinder provided with an on-off valve may be inserted into the inner peripheral wall 18 of the hollow honeycomb structure 10a and fitted by shrink fitting. As described above, the fitting between the inner peripheral wall 18 of the hollow honeycomb structure 10a and the inner cylinder may be performed by a fixing method based on fitting, such as a clearance fit or an interference fit, in addition to shrink fitting, or further by brazing, welding, diffusion bonding, or the like.
本発明の実施形態1に係る熱交換器200は、上記の熱交換部材100を備えているため、熱回収効率を向上させることができる。 The heat exchanger 200 according to the first embodiment of the present invention is equipped with the above-mentioned heat exchange member 100, and therefore can improve the heat recovery efficiency.
10 ハニカム構造体
10a 中空型のハニカム構造体
11 外周壁
12 隔壁
12a 第1隔壁
12b 第2隔壁
13 第1端面
14 第2端面
15 セル
16 連通孔
17 突起部
18 内周壁
20 被覆部材
30 外筒
31 供給管
32 排出管
100 熱交換部材
200 熱交換器
REFERENCE SIGNS LIST 10 Honeycomb structure 10a Hollow honeycomb structure 11 Outer peripheral wall 12 Partition wall 12a First partition wall 12b Second partition wall 13 First end face 14 Second end face 15 Cell 16 Communication hole 17 Projection 18 Inner peripheral wall 20 Covering member 30 Outer cylinder 31 Supply pipe 32 Discharge pipe 100 Heat exchange member 200 Heat exchanger
Claims (11)
前記外周壁の外周面を被覆する被覆部材と
を備え、
前記第1流体の流路方向に直交する前記ハニカム構造体の断面において、前記隔壁が、放射方向に延びる1つ以上の第1隔壁と、周方向に延びる1つ以上の第2隔壁とを含み、
前記第1隔壁が、1つ以上の連通孔を有する熱交換部材。 A honeycomb structure having an outer peripheral wall and partition walls disposed inside the outer peripheral wall and defining a plurality of cells that serve as flow paths for a first fluid extending from a first end surface to a second end surface;
A covering member that covers an outer peripheral surface of the outer peripheral wall,
In a cross section of the honeycomb structure perpendicular to a flow path direction of the first fluid, the partition walls include one or more first partition walls extending in a radial direction and one or more second partition walls extending in a circumferential direction,
The heat exchange member, wherein the first partition wall has one or more communication holes.
前記被覆部材の外周を第2流体が流通可能となるように、前記被覆部材の径方向外側に間隔をおいて配置される外筒と
を備える熱交換器。 The heat exchange member according to any one of claims 1 to 10 ,
and an outer cylinder disposed radially outwardly of the covering member at a distance therefrom so that a second fluid can flow around the outer periphery of the covering member.
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