JP7633820B2 - Heat exchangers and reformers - Google Patents
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Description
本発明は、熱交換器及び改質器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger and a reformer.
内燃機関の燃料を改質して燃費を改善する技術として、特許文献1には、以下のような技術が開示されている。すなわち、内燃機関の排気通路から排ガスの一部をEGR(排ガス再循環)ガスとして吸気通路へ還流させ、このEGR通路の途中に、改質用燃料を噴射する改質用燃料噴射弁と改質用燃料を改質する燃料改質触媒とを配置する。そして、改質用燃料噴射弁により噴射された改質用燃料とEGRガス中の水分(水蒸気)等を燃料改質触媒で改質反応させて水素(H2)や一酸化炭素(CO)を生成させることで、改質用燃料を改質して燃焼性の高い改質ガスを生成させ、その改質ガスを内燃機関の吸気通路に供給している。また、燃料改質触媒の温度と改質ガス量とに基づいて設定された制御領域内となるように改質用燃料の噴射量を制御することで、燃料改質触媒の劣化を抑制して改質性能の向上を図っている。 Patent Document 1 discloses the following technology for improving fuel efficiency by reforming fuel for an internal combustion engine. That is, a part of exhaust gas from an exhaust passage of an internal combustion engine is recirculated to an intake passage as EGR (exhaust gas recirculation) gas, and a reforming fuel injection valve for injecting reforming fuel and a fuel reforming catalyst for reforming the reforming fuel are arranged in the middle of the EGR passage. Then, the reforming fuel injected by the reforming fuel injection valve and moisture (water vapor) in the EGR gas are reformed by the fuel reforming catalyst to generate hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), thereby reforming the reforming fuel to generate a highly combustible reformed gas, and the reformed gas is supplied to the intake passage of the internal combustion engine. In addition, the amount of injection of the reforming fuel is controlled so as to be within a control region set based on the temperature of the fuel reforming catalyst and the amount of the reformed gas, thereby suppressing deterioration of the fuel reforming catalyst and improving the reforming performance.
上記燃料改質触媒では、水蒸気と炭化水素とが改質器で反応する際に、排ガスの熱を奪うため、燃料改質触媒を、排気管を流れる排ガスと熱交換することができる構成とし、排ガスから熱を供給し、改質反応を促進させている。 The above fuel reforming catalyst absorbs heat from the exhaust gas when water vapor and hydrocarbons react in the reformer. Therefore, the fuel reforming catalyst is configured to be able to exchange heat with the exhaust gas flowing through the exhaust pipe, supplying heat from the exhaust gas and promoting the reforming reaction.
特許文献1には、上記燃料改質触媒の具体的な材料や構成等は記載されていないが、改質器での反応を促進させるためには、600℃以上の温度が必要となり、燃料改質触媒を構成する材料として600℃以上の温度に耐え、かつ、熱交換機能を有する改質触媒が必要となると考えられる。 Patent Document 1 does not disclose the specific materials or configuration of the fuel reforming catalyst, but in order to promote the reaction in the reformer, a temperature of 600°C or higher is required, and it is believed that the material that constitutes the fuel reforming catalyst must be able to withstand temperatures of 600°C or higher and have a heat exchange function.
一方、特許文献2には、流路を有する第1の層と第2の層とを互いに交差する方向に積み重ね、焼成したモノリシックセラミック構造を有する熱交換器が開示されている。 On the other hand, Patent Document 2 discloses a heat exchanger having a monolithic ceramic structure in which a first layer and a second layer having flow paths are stacked in a direction intersecting each other and sintered.
特許文献1に開示された燃料改質触媒用の触媒を担持した熱交換器として、文献2に開示されたような熱交換器を用いることが想定される。このような構成の熱交換器では、各層間は接着層を介して接着され、外周面にはコート層が形成されている。熱交換器は、通常、金属ケース内で保持マットを介して保持されて用いられるが、使用環境下において、金属ケースが熱によって伸び、それによって保持力が低下するため、保持マットを介してあらかじめ高い圧力をかけて熱交換器を保持しておく必要があった。
しかしながら、第1流通路と第2流通路をそれぞれ流通する流体に温度差があると、熱交換器に局所的な膨張差が生じ、それに起因して接着層及びコート層にクラックが入り易いという問題があった。
It is assumed that a heat exchanger such as that disclosed in Document 2 is used as a heat exchanger carrying a catalyst for a fuel reforming catalyst disclosed in Patent Document 1. In a heat exchanger having such a configuration, each layer is bonded via an adhesive layer, and a coating layer is formed on the outer circumferential surface. A heat exchanger is usually used while being held in a metal case via a retaining mat, but in the usage environment, the metal case expands due to heat, which reduces the holding force, so it is necessary to hold the heat exchanger in advance by applying high pressure via the retaining mat.
However, if there is a temperature difference between the fluids flowing through the first flow passage and the second flow passage, a local expansion difference occurs in the heat exchanger, which can easily cause cracks to occur in the adhesive layer and the coating layer.
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、第1の流通路が隔壁を隔てて長手方向に並設された第1のハニカム構造体と、第2の流通路が隔壁を隔てて長手方向に並設された第2のハニカム構造体とが、接着層を介して上記第1流通路と上記第2流通路とが交差するように組み合わされ、外周面にコート層が形成された熱交換器において、上記接着層及び上記コート層が高温においても破損しにくい熱交換器及び該熱交換器を備えた改質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 exchanger in which a first honeycomb structure in which first flow passages are arranged in parallel in the longitudinal direction separated by a partition wall and a second honeycomb structure in which second flow passages are arranged in parallel in the longitudinal direction separated by a partition wall are combined so that the first flow passages and the second flow passages intersect with each other via an adhesive layer, and a coating layer is formed on the outer peripheral surface, in which the adhesive layer and the coating layer are not easily damaged even at high temperatures, and a reformer equipped with the heat exchanger.
上記目的を達成するための本発明の熱交換器は、流体の第1流通路となる多数のセルが隔壁を隔てて長手方向に並設された第1のハニカム構造体と、流体の第2流通路となる多数のセルが隔壁を隔てて長手方向に並設された第2のハニカム構造体とが、接着層を介して上記第1流通路と上記第2流通路とが直交するように組み合わされてなる柱状の熱交換器であって、
上記熱交換器は、両端面に上記第1流通路が開口し、外周面に上記第2流通路が開口し、
上記外周面に形成された上記第2のハニカム構造体の開口部を除き、他の部分はコート層で被覆されており、
第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数をC1、上記接着層の熱膨張係数をC2、上記コート層の熱膨張係数をC3とした際、C1<C2≦C3を満たすように熱膨張係数が設定されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the heat exchanger of the present invention is a columnar heat exchanger including a first honeycomb structure in which a number of cells serving as first fluid flow passages are arranged in parallel in the longitudinal direction with partition walls therebetween, and a second honeycomb structure in which a number of cells serving as second fluid flow passages are arranged in parallel in the longitudinal direction with partition walls therebetween, the first flow passages and the second flow passages being combined via an adhesive layer such that the first flow passages and the second flow passages are perpendicular to each other,
The heat exchanger has the first flow passage opening at both end surfaces and the second flow passage opening at an outer circumferential surface,
Except for the opening of the second honeycomb structure formed on the outer peripheral surface, other portions are covered with a coating layer,
The present invention is characterized in that when the thermal expansion coefficients of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure are C1, the thermal expansion coefficient of the adhesive layer is C2, and the thermal expansion coefficient of the coating layer is C3, the thermal expansion coefficients are set to satisfy C1<C2≦C3.
本発明の熱交換器によれば、上記第1のハニカム構造体及び上記第2のハニカム構造体の熱膨張係数をC1、上記接着層の熱膨張係数をC2、上記コート層の熱膨張係数をC3とした際、C1<C2≦C3を満たすように熱膨張係数が設定されているので、第2のハニカム構造体と第1のハニカム構造体の間に温度差が生じて、熱交換器が部分的に膨張しても、接着層やコート層がより膨張しやすいため、接着層及びコート層にクラックが発生しにくい。
また、熱交換器が保持マットを介して改質器等の金属容器に収納されている場合、保持マットによる保持力の変化が少ないので、熱交換器が金属製容器から脱落するのを、確実に防止することができる。
According to the heat exchanger of the present invention, when the thermal expansion coefficients of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure are C1, the thermal expansion coefficient of the adhesive layer is C2, and the thermal expansion coefficient of the coating layer is C3, the thermal expansion coefficients are set to satisfy C1<C2≦C3. Therefore, even if a temperature difference occurs between the second honeycomb structure and the first honeycomb structure and the heat exchanger expands partially, the adhesive layer and coating layer are more likely to expand, so that cracks are less likely to occur in the adhesive layer and coating layer.
In addition, when the heat exchanger is stored in a metal container such as a reformer via a retaining mat, the retaining force of the retaining mat changes little, so that the heat exchanger can be reliably prevented from falling off the metal container.
本発明の熱交換器では、上記熱膨張係数C1は、2.80~4.50×10-6
K
-1 、上記熱膨張係数C2及び上記熱膨張係数C3は、3.05~4.75×10-6
K
-1 であることが望ましい。
本発明の熱交換器において、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1、上記接着層の熱膨張係数C2、及び、上記コート層の熱膨張係数C3が上記の値であると、接着層及びコート層にクラックがより発生しにくい。
In the heat exchanger of the present invention, it is desirable that the thermal expansion coefficient C1 is 2.80 to 4.50×10 −6 K −1 , and the thermal expansion coefficients C2 and C3 are 3.05 to 4.75×10 −6 K −1 .
In the heat exchanger of the present invention, when the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure, the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer, and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are the above-mentioned values, cracks are less likely to occur in the adhesive layer and the coating layer.
本発明の熱交換器では、上記熱膨張係数C3と上記熱膨張係数C1との差が下記の不等式(1)で表示されることが望ましい。
C2-C1≧0.05×10-6・・・(1)
本発明の熱交換器において、上記熱膨張係数C3と上記熱膨張係数C1との差が上記の不等式(1)で表示される値であると、接着層及びコート層にクラックがより発生しにくい。
In the heat exchanger of the present invention, it is preferable that the difference between the thermal expansion coefficient C3 and the thermal expansion coefficient C1 be expressed by the following inequality (1).
C2-C1≧0.05×10 -6 ...(1)
In the heat exchanger of the present invention, when the difference between the thermal expansion coefficient C3 and the thermal expansion coefficient C1 is the value expressed by the above inequality (1), cracks are less likely to occur in the adhesive layer and the coating layer.
本発明の熱交換器では、上記熱交換器は、3個の上記第1のハニカム構造体と4個の上記第2のハニカム構造体とが、接着層を介してそれぞれ交互に配置されていることが望ましい。
本発明の熱交換器において、3個の上記第1のハニカム構造体と4個の上記第2のハニカム構造体とが、接着層を介してそれぞれ交互に配置されていると、第2のハニカム構造体と第1のハニカム構造体との接触面積が大きく、効率よく熱交換を行うことができる。
In the heat exchanger of the present invention, it is preferable that three of the first honeycomb structures and four of the second honeycomb structures are alternately arranged with adhesive layers interposed therebetween.
In the heat exchanger of the present invention, when three of the first honeycomb structures and four of the second honeycomb structures are arranged alternately with adhesive layers interposed therebetween, the contact area between the second honeycomb structures and the first honeycomb structures is large, enabling efficient heat exchange.
本発明の熱交換器では、上記第1のハニカム構造体を構成するセルの隔壁に触媒が担持されていることが望ましい。 In the heat exchanger of the present invention, it is desirable that a catalyst is supported on the partition walls of the cells that constitute the first honeycomb structure.
本発明の熱交換器において、上記第1のハニカム構造体を構成するセルの隔壁に触媒が担持されていると、上記第1のハニカム構造体の内部で改質反応を行うことができ、上記第2のハニカム構造体に流入した排ガスから熱の供給を受けることにより、改質触媒としての機能を充分に発揮させることができる。 In the heat exchanger of the present invention, when a catalyst is supported on the partition walls of the cells that make up the first honeycomb structure, a reforming reaction can take place inside the first honeycomb structure, and by receiving heat from the exhaust gas that has flowed into the second honeycomb structure, the catalyst can fully function as a reforming catalyst.
本発明の熱交換器では、上記第1のハニカム構造体及び上記第2のハニカム構造体は、炭化ケイ素とシリコンとからなることが望ましい。 In the heat exchanger of the present invention, it is desirable that the first honeycomb structure and the second honeycomb structure are made of silicon carbide and silicon.
本発明の熱交換器において、上記第1のハニカム構造体及び上記第2のハニカム構造体が、炭化ケイ素とシリコンとからなると、熱伝導性、耐熱性に優れるため、良好な熱交換機能を有し、大きな温度差が発生した場合であっても、破壊等がさらに発生しにくい。 In the heat exchanger of the present invention, when the first honeycomb structure and the second honeycomb structure are made of silicon carbide and silicon, they have excellent thermal conductivity and heat resistance, and therefore have good heat exchange function, and are less likely to break even when a large temperature difference occurs.
本発明の熱交換器では、上記接着層は、炭化ケイ素とシリコンとからなることが望ましい。
本発明の熱交換器において、接着層が炭化ケイ素とシリコンとからなると、熱伝導性に優れ、第1のハニカム構造体と第2のハニカム構造体との間の熱交換性能をさらに向上させることができる。
In the heat exchanger of the present invention, it is desirable that the adhesive layer is made of silicon carbide and silicon.
In the heat exchanger of the present invention, when the adhesive layer is made of silicon carbide and silicon, the adhesive layer has excellent thermal conductivity, and the heat exchange performance between the first honeycomb structure and the second honeycomb structure can be further improved.
本発明の改質器は、上記構成の熱交換器を備えた改質器であって、
上記第2のハニカム構造体には、内燃機関より排出され、主排気管を流通する排ガスが通過するように構成され、上記第1のハニカム構造体には、隔壁に改質用の触媒が担持され、上記主排気管より分岐した排ガス再循環配管に流入した排ガスが通過するように構成されていることを特徴とする。
The reformer of the present invention is a reformer equipped with the heat exchanger having the above configuration,
The second honeycomb structure is configured to allow exhaust gas discharged from an internal combustion engine and flowing through a main exhaust pipe to pass therethrough, and the first honeycomb structure is configured such that a reforming catalyst is supported on the partition walls and exhaust gas that flows into an exhaust gas recirculation pipe branched off from the main exhaust pipe to pass therethrough.
本発明の改質器が上記のように構成されていると、第2のハニカム構造体から第1のハニカム構造体に排ガスの熱を良好に供給することができ、内燃機関の燃料を改質して燃費を改善する改質器としての性能を良好に発揮させることができる。さらに、熱交換器が炭化ケイ素とシリコンからなる場合、改質されたガスに含まれる水素に対して腐食されにくい。 When the reformer of the present invention is configured as described above, it is possible to effectively supply exhaust gas heat from the second honeycomb structure to the first honeycomb structure, and it is possible to effectively perform as a reformer that reforms fuel for an internal combustion engine to improve fuel efficiency. Furthermore, when the heat exchanger is made of silicon carbide and silicon, it is not easily corroded by the hydrogen contained in the reformed gas.
本発明の改質器では、上記熱交換器は、上記主排気管及び上記排ガス再循環配管に接続された金属製容器内に保持マットを介して収納されていることが望ましい。
本発明の改質器において、上記熱交換器は、金属製容器内に保持マットを介して収納されている場合、上記熱交換器が高温になっても、接着層にクラックが発生しにくい。
In the reformer of the present invention, it is preferable that the heat exchanger is housed, via a retaining mat, in a metal container connected to the main exhaust pipe and the exhaust gas recirculation pipe.
In the reformer of the present invention, when the heat exchanger is housed in a metal container via a retaining mat, cracks are unlikely to occur in the adhesive layer even if the heat exchanger becomes hot.
(発明の詳細な説明)
本発明の熱交換器について説明する。
本発明の熱交換器は、流体の第1流通路となる多数のセルが隔壁を隔てて長手方向に並設された第1のハニカム構造体と、流体の第2流通路となる多数のセルが隔壁を隔てて長手方向に並設された第2のハニカム構造体とが、接着層を介して上記第1流通路と上記第2流通路とが直交するように組み合わされてなる柱状の熱交換器であって、
上記熱交換器は、両端面に上記第1流通路が開口し、外周面に上記第2流通路が開口し、上記外周面に形成された上記第2のハニカム構造体の開口部を除き、他の部分はコート層で被覆されており、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数をC1、上記接着層の熱膨張係数をC2、上記コート層の熱膨張係数をC3とした際、C1<C2≦C3を満たすように熱膨張係数が設定されていることを特徴とする。
Detailed Description of the Invention
The heat exchanger of the present invention will now be described.
The heat exchanger of the present invention is a columnar heat exchanger in which a first honeycomb structure in which a number of cells serving as first flow passages for a fluid are arranged in parallel in the longitudinal direction with partition walls therebetween, and a second honeycomb structure in which a number of cells serving as second flow passages for a fluid are arranged in parallel in the longitudinal direction with partition walls therebetween, are combined via an adhesive layer such that the first flow passages and the second flow passages are perpendicular to each other,
The heat exchanger has the first flow passage opening at both end faces and the second flow passage opening at the outer peripheral face, and except for the opening of the second honeycomb structure formed on the outer peripheral face, other parts are covered with a coating layer, and the thermal expansion coefficients are set so as to satisfy C1<C2≦C3, where C1 is the thermal expansion coefficient of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure, C2 is the thermal expansion coefficient of the adhesive layer, and C3 is the thermal expansion coefficient of the coating layer.
図1Aは、本発明の第1の実施形態に係る熱交換器を模式的に示す斜視図であり、図1Bは、図1Aに示した熱交換器のA-A線断面図である。
図1A及び図1Bに示すように、本発明の熱交換器100は、流体の第1流通路となる多数のセル13が隔壁12を隔てて長手方向に並設された第1のハニカム構造体10と、流体の第2流通路となる多数のセル23が隔壁22を隔てて長手方向に並設された第2のハニカム構造体20とが、第1流通路(セル13)と第2流通路(セル23)とが直交するように組み合わされて構成されてなる柱状の熱交換器100である。
FIG. 1A is a perspective view that illustrates a heat exchanger according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the heat exchanger illustrated in FIG. 1A taken along line AA.
As shown in Figures 1A and 1B, the
図1A及び図1Bに示す熱交換器100では、3個の第1のハニカム構造体10と4個の第2のハニカム構造体20とが、接着層18を介してそれぞれ交互に配置されている。なお、図1A及び図1Bに示す熱交換器100では、第1のハニカム構造体10は、1個のハニカムセグメント11により第1のハニカム構造体10を構成しているが、第1のハニカム構造体10は、2個以上のハニカムセグメント11が接着層18を介して接着されることにより1個のハニカム構造体10を構成していてもよい。従って、本発明では、第2のハニカム構造体20に挟まれた1個又は2個以上のハニカムセグメント11の集合体を第1のハニカム構造体10ということとする。なお、ハニカムセグメントは、ハニカム構造体と同じ構造を有する部材である。
In the
第2のハニカム構造体20は、2個のハニカムセグメント21が接着層で接着されることで、ハニカム構造体20を構成しているが、1個のハニカム構造体20により構成されていてもよく、3個以上のハニカムセグメント21が接着層18を介して接着されることにより1個のハニカム構造体20を構成していてもよい。従って、本発明では、第1のハニカム構造体10に挟まれた1個又は2個以上のハニカムセグメント21の集合体を第2のハニカム構造体20ということとする。ただし、第2のハニカム構造体20は、最も外側に位置する場合もあり、その場合は、最も外側の1個又は2個のハニカムセグメント21の集合体も第2のハニカム構造体20である。
The
図1A及び図1Bにおいて、第1のハニカム構造体10を構成するセル13の延びる方向は、上下方向であり、第2のハニカム構造体20を構成するセル23の伸びる方向は、水平方向であり、お互いの流路は、直交しているので、2種類の流体(ガス)を流通させ易く、熱交換を効率的に行うことができる。
In Figures 1A and 1B, the extension direction of the
図1A及び図1Bに示す熱交換器100では、両端面に第1のハニカム構造体10の第1流通路となるセル13が開口し、外周面に第2のハニカム構造体20の第2流通路となるセル23が開口し、外周面を構成する第1のハニカム構造体10の表面の全部は、コート層32で被覆され、外周面を構成する第2のハニカム構造体20の表面は、角部34aが面取りされた四角形状の開口部34を除いてコート層31a、31bで被覆されている。
In the
開口部34の角部34aには、直線状のC面取りが施されていてもよいが、図1Aに示すように、曲率半径が1~15mmのR面取りが施されていることが望ましい。
また、熱交換効率を高くするためには、開口部34とコート層31a、31b、32の面積の合計に対する開口部34の面積の割合(開口部/開口部+コート層)の百分率が72~93%であることが望ましく、75~85%がより望ましい。コート層31a、31b、32の厚さは、0.1~0.5mmであることが望ましく、0.2~0.3mmがより望ましい。
The
In order to increase the heat exchange efficiency, the percentage of the area of the
本発明の熱交換器においては、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数をC1、上記接着層の熱膨張係数をC2、上記コート層の熱膨張係数をC3とした際、C1<C2≦C3を満たすように熱膨張係数が設定されている。
すなわち、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1より接着層の熱膨張係数C2の方が大きい。また、接着層の熱膨張係数C2とコート層の熱膨張係数C3とは、同じであるか、コート層の熱膨張係数C3の方が接着層の熱膨張係数C2よりも大きいことが望ましい。なお、本明細書において、「本発明の熱交換器」と記載している場合は、上記している第1の実施形態に係る熱交換器、後述する第2の実施形態に係る熱交換器等、本発明の全ての実施形態に係る熱交換器を構成する部材、上記熱交換器に関連する部材等に共通する特性、条件等を記載しているものとする。
In the heat exchanger of the present invention, when the thermal expansion coefficients of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure are C1, the thermal expansion coefficient of the adhesive layer is C2, and the thermal expansion coefficient of the coating layer is C3, the thermal expansion coefficients are set so as to satisfy C1<C2≦C3.
That is, the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer is larger than the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure. It is also preferable that the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are the same, or that the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer is larger than the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer. In this specification, the term "heat exchanger of the present invention" refers to the heat exchanger according to the first embodiment described above, the heat exchanger according to the second embodiment described later, and other components constituting the heat exchangers according to all embodiments of the present invention, and the components related to the heat exchangers described above.
本発明の熱交換器において、上記第1のハニカム構造体、上記第2のハニカム構造体、上記接着層及び上記コート層の熱膨張係数が上記のように設定されていると、第2のハニカム構造体と第1のハニカム構造体の間に温度差が生じて、熱交換器が部分的に膨張しても、接着層やコート層がより膨張しやすいため、接着層及びコート層にクラックが発生しにくい。
また、熱交換器が保持マットを介して改質器等の金属容器に収納されている場合、金属容器の温度が上昇することにより熱膨張しても、接着層やコート層も金属容器と同様に膨張するため、保持マットによる保持力の変化が少なく、熱交換器が金属製容器から脱落するのを、確実に防止することができる。
In the heat exchanger of the present invention, when the thermal expansion coefficients of the first honeycomb structure, the second honeycomb structure, the adhesive layer and the coating layer are set as described above, even if a temperature difference occurs between the second honeycomb structure and the first honeycomb structure and the heat exchanger expands partially, the adhesive layer and the coating layer are more likely to expand, so that cracks are less likely to occur in the adhesive layer and the coating layer.
Furthermore, when the heat exchanger is housed in a metal container such as a reformer via a retaining mat, even if the metal container thermally expands due to an increase in temperature, the adhesive layer and coating layer also expand in the same way as the metal container, so there is little change in the holding force of the retaining mat, and the heat exchanger can be reliably prevented from falling off the metal container.
本発明の熱交換器では、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1、接着層の熱膨張係数C2、及び、コート層の熱膨張係数C3が、C1<C2≦C3を満たすように設定されており、さらに、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1は、2.80~4.50×10-6
K
-1 、上記接着層の熱膨張係数C2及び上記コート層の熱膨張係数C3は、3.05~4.75×10-6
K
-1 であることが望ましい。
本発明の熱交換器において、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1、上記接着層の熱膨張係数C2、及び、上記コート層の熱膨張係数C3が上記の値であると、接着層及びコート層にクラックがより発生しにくい。
In the heat exchanger of the present invention, the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure, the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer, and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are set to satisfy C1<C2≦C3, and further, it is desirable that the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure is 2.80 to 4.50× 10−6K − 1 , and the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are 3.05 to 4.75× 10−6K − 1 .
In the heat exchanger of the present invention, when the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure, the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer, and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are the above-mentioned values, cracks are less likely to occur in the adhesive layer and the coating layer.
また、本発明の熱交換器では、上記熱膨張係数C3と上記熱膨張係数C1との差が下記の不等式(1)で表示されることが望ましい。
C2-C1≧0.05×10-6・・・(1)
すなわち、接着層の熱膨張係数C2やコート層の熱膨張係数C3は、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1よりも0.05×10-6以上、熱膨張係数が大きいことが望ましい。
第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1、接着層の熱膨張係数C2及びコート層の熱膨張係数C3が上記のように設定されていると、接着層及びコート層にクラックがさらに発生しにくい。コート層の熱膨張係数C3は、接着層の熱膨張係数C2より大きくてもよい。
In the heat exchanger of the present invention, it is preferable that the difference between the thermal expansion coefficient C3 and the thermal expansion coefficient C1 be expressed by the following inequality (1).
C2-C1≧0.05×10 -6 ...(1)
That is, it is desirable that the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are larger than the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure by 0.05×10 −6 or more.
When the thermal expansion coefficients C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure, the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer, and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are set as described above, cracks are less likely to occur in the adhesive layer and the coating layer. The thermal expansion coefficient C3 of the coating layer may be larger than the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer.
第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1、接着層の熱膨張係数C2及びコート層の熱膨張係数C3を、上述のように設定するためには、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体と接着層とコート層の組成を変える必要がある。
すなわち、上記の各部材がSiCとシリコンとから構成されている場合、SiCの方が、熱膨張率が高いので、SiCの含有割合を増加させることにより、熱膨張率をより高くすることができる。
In order to set the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure, the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer, and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer as described above, it is necessary to change the compositions of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure, the adhesive layer, and the coating layer.
In other words, when the above components are made of SiC and silicon, SiC has a higher thermal expansion coefficient, so by increasing the SiC content, the thermal expansion coefficient can be made higher.
本発明の熱交換器において、熱交換の対象となる流体は、水、エチレングリコール等の有機溶剤、液化ガス等の液体であっても、気体(ガス)であってもよいが、ガスが望ましく、排気ガスがより望ましい。 In the heat exchanger of the present invention, the fluid to be subjected to heat exchange may be a liquid such as water, an organic solvent such as ethylene glycol, or a liquefied gas, or a gas, but a gas is preferable, and exhaust gas is more preferable.
本発明の第1の実施形態に係る熱交換器の体積は、1.2~3.2リットルであることが望ましい。
本発明の熱交換器において、上記熱交換器の体積が、1.2~3.2リットルであると、熱交換器が適切な体積を有しているので、車両等に搭載し易く、熱交換器としての効果を十分に発揮することができる。
The volume of the heat exchanger according to the first embodiment of the present invention is preferably 1.2 to 3.2 liters.
In the heat exchanger of the present invention, when the volume of the heat exchanger is 1.2 to 3.2 liters, the heat exchanger has an appropriate volume, making it easy to mount on a vehicle, etc., and capable of fully exerting its effect as a heat exchanger.
上記熱交換器の体積が、1.2リットル未満であると、熱交換器の体積が小さすぎ、充分な量の触媒を担持することが難しくなり、一方、熱交換器の体積が、3.2リットルを超えると、改質器の容量が大きくなるため、車両に搭載することが難しくなる。 If the volume of the heat exchanger is less than 1.2 liters, the heat exchanger volume is too small and it becomes difficult to support a sufficient amount of catalyst, while if the volume of the heat exchanger exceeds 3.2 liters, the reformer capacity becomes too large, making it difficult to install in a vehicle.
本発明の熱交換器において、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体又はこれらの構成部材であるハニカムセグメントの材料は、特に限定されるものではなく、例えば、コージェライト、アルミナ、シリカ、ムライト等の酸化物系セラミック、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物系セラミック、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン等の窒化物系セラミック等や、これらのセラミックと金属との複合材料等が挙げられる。これらのなかでは、炭化ケイ素の複合材料が好ましく、シリコンと炭化ケイ素とからなる複合材料が特に望ましい。 In the heat exchanger of the present invention, the materials of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure or the honeycomb segments which are their constituent members are not particularly limited, and examples thereof include oxide-based ceramics such as cordierite, alumina, silica, and mullite; carbide-based ceramics such as silicon carbide, zirconium carbide, titanium carbide, tantalum carbide, and tungsten carbide; nitride-based ceramics such as aluminum nitride, silicon nitride, boron nitride, and titanium nitride; and composite materials of these ceramics and metals. Among these, composite materials of silicon carbide are preferred, and composite materials of silicon and silicon carbide are particularly desirable.
シリコンと炭化ケイ素とからなる複合材料の具体的な構成は特に限定されるものではないが、炭化ケイ素粒子の隙間にシリコンが入り込み、独立した炭化ケイ素粒子が周囲に存在するシリコンにより接着された態様のシリコンと炭化ケイ素の複合材料が望ましい。
このような態様のシリコンと炭化ケイ素とからなる複合材料は、後述するように、ハニカム成形体の脱脂体に溶融状態のシリコンを接触させることにより製造することができる。
開気孔を有する多孔質の炭化ケイ素焼結体の開気孔にシリコンが充填されたものであってもよい。
Although the specific configuration of the composite material made of silicon and silicon carbide is not particularly limited, a composite material of silicon and silicon carbide in which silicon fills the gaps between silicon carbide particles and independent silicon carbide particles are bonded together by the silicon present around them is desirable.
A composite material made of silicon and silicon carbide in this manner can be produced by bringing a degreased honeycomb formed body into contact with molten silicon, as described below.
The porous sintered silicon carbide may have open pores filled with silicon.
溶融状態のシリコンと炭化ケイ素とを接触させる際、複数のハニカム成形体の脱脂体が炭化ケイ素を含む接着層となる層を介してお互いに密着した状態で溶融シリコンと接触させることにより、炭化ケイ素とシリコンとからなる接着層も形成され、複数のハニカム構造体(又はハニカムセグメント)が炭化ケイ素とシリコンとからなる接着層で結合された熱交換器とすることができる。 When molten silicon is brought into contact with silicon carbide, the degreased bodies of multiple honeycomb molded bodies are brought into contact with the molten silicon while being in close contact with each other via an adhesive layer containing silicon carbide, and an adhesive layer consisting of silicon carbide and silicon is also formed, making it possible to create a heat exchanger in which multiple honeycomb structures (or honeycomb segments) are bonded together with an adhesive layer consisting of silicon carbide and silicon.
本発明の熱交換器において、ハニカム構造体(又はハニカムセグメント)同士を結合させる接着層は、特に限定されるものではないが、ハニカム構造体(又はハニカムセグメント)と同様、炭化ケイ素粒子の隙間にシリコンが入り込んだ状態の複合材料が望ましい。このような複合材料は、後述するように、炭化ケイ素の含有割合が原料ペーストに比べて高い接着層用ペーストを、ハニカム成形体同士を接着させるために側壁に塗布し、ハニカム成形体同士を接着させた後乾燥させ、これらを溶融状態のシリコンと接触させることにより作製することができる。 In the heat exchanger of the present invention, the adhesive layer that bonds the honeycomb structures (or honeycomb segments) together is not particularly limited, but is preferably a composite material in which silicon fills the gaps between silicon carbide particles, similar to the honeycomb structures (or honeycomb segments). As described below, such a composite material can be produced by applying an adhesive layer paste with a higher silicon carbide content than the raw material paste to the side walls to bond the honeycomb bodies together, drying the honeycomb bodies after bonding them together, and contacting them with molten silicon.
本発明の熱交換器において、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の隔壁の厚さは、均一であることが望ましい。具体的には、触媒を担持する第1のハニカム構造体の隔壁の厚さは、0.08~0.30mmであることが望ましく、0.10~0.20mmであることがより望ましい。第1のハニカム構造体の隔壁の厚さが薄いので、表面積が大きくなり、より多量の触媒を担持することが可能となる。 In the heat exchanger of the present invention, it is desirable that the thickness of the partition walls of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure is uniform. Specifically, the thickness of the partition walls of the first honeycomb structure that supports the catalyst is desirably 0.08 to 0.30 mm, and more desirably 0.10 to 0.20 mm. Because the thickness of the partition walls of the first honeycomb structure is thin, the surface area is large, making it possible to support a larger amount of catalyst.
第2のハニカム構造体の隔壁の厚さは、0.10~0.40mmであることが望ましく、0.15~0.30mmであることがより望ましい。第2のハニカム構造体の隔壁の厚さが厚いので、熱容量が大きくなり、多量の熱を第1のハニカム構造体に供給することができる。 The thickness of the partition walls of the second honeycomb structure is preferably 0.10 to 0.40 mm, and more preferably 0.15 to 0.30 mm. Because the partition walls of the second honeycomb structure are thick, the heat capacity is large and a large amount of heat can be supplied to the first honeycomb structure.
第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の隔壁の厚さが上記のように設定されていると、より多量に触媒が担持可能となり、改質効率が高くなるとともに、第2のハニカム構造体から第1のハニカム構造体により多量の熱を供給することができるため、触媒の活性をより高くすることができる。 When the thickness of the partition walls of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure are set as described above, a larger amount of catalyst can be supported, improving the reforming efficiency, and a larger amount of heat can be supplied from the second honeycomb structure to the first honeycomb structure, thereby increasing the activity of the catalyst.
本発明の熱交換器において、ハニカム構造体を構成するセルの形状としては、例えば、端面が矩形状であり、全体が四角柱状であることが望ましいが、三角柱状や六角柱状であってもよい。
セルの形状はそれぞれ異なっていてもよいが、全て同じであることが望ましい。すなわち、ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面において、隔壁に囲まれたセルのサイズが同じであることが望ましい。容易に製造することができるからである。
In the heat exchanger of the present invention, the shape of the cells constituting the honeycomb structure is preferably, for example, a quadrangular prism with rectangular end faces as a whole, but may also be a triangular prism or hexagonal prism.
The shapes of the cells may be different, but it is preferable that they are all the same. In other words, it is preferable that the size of the cells surrounded by the partition walls is the same in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the honeycomb structure. This is because it is easy to manufacture.
本発明の熱交換器において、第1のハニカム構造体のセルの長手方向に垂直な断面におけるセル密度は、46~124個/cm2(300~800個/inch2)であることが望ましく、62~93個/cm2(400~600個/inch2)がより望ましい。表面積が大きくなり、多量の触媒を担持することができるからである。
また、第2のハニカム構造体のセルの長手方向に垂直な断面におけるセル密度は、16~78個/cm2(100~500個/inch2)であることが望ましく、31~62個/cm2(200~400個/inch2)であることがより望ましい。熱容量がおおきくなり、多量の熱を第1のハニカム構造体に供給することができる。
In the heat exchanger of the present invention, the cell density in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the cells of the first honeycomb structure is preferably 46 to 124 cells/cm 2 (300 to 800 cells/inch 2 ), and more preferably 62 to 93 cells/cm 2 (400 to 600 cells/inch 2 ). This is because the surface area becomes large and a large amount of catalyst can be supported.
The cell density in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the cells of the second honeycomb structure is preferably 16 to 78 cells/ cm2 (100 to 500 cells/ inch2 ), and more preferably 31 to 62 cells/ cm2 (200 to 400 cells/ inch2 ).The heat capacity becomes large, and a large amount of heat can be supplied to the first honeycomb structure.
本発明の熱交換器において、第1のハニカム構造体を構成するセルには、触媒が担持されていることが望ましく、燃料改質触媒が担持されていることがより望ましい。
触媒としては、Co、Ni、Rh、Pt、Pdが望ましく、Rhがより望ましい。担体に担持された触媒としては、Rh/ZrO2、Rh/CoO2が望ましい。担体は、シリカ、アルミナ等の他のセラミックであってもよい。
In the heat exchanger of the present invention, it is preferable that a catalyst is supported on the cells constituting the first honeycomb structure, and it is more preferable that a fuel reforming catalyst is supported on the cells.
The catalyst is preferably Co, Ni, Rh, Pt, Pd, more preferably Rh. The catalyst supported on a support is preferably Rh/ ZrO2 , Rh/ CoO2 . The support may be other ceramics such as silica, alumina, etc.
[熱交換器の製造方法]
次に、本発明の熱交換器を製造する方法について説明する。
本発明の熱交換器を製造する際には、以下に示す工程を経て、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体を含んで構成される熱交換器を製造する。以下では、上記ハニカム構造体を構成する材料として、炭化ケイ素及びシリコンを使用した場合について説明するが、ハニカム構造体を構成する材料は、上記材料に限られない。
[Method of manufacturing heat exchanger]
Next, a method for producing the heat exchanger of the present invention will be described.
When manufacturing the heat exchanger of the present invention, a heat exchanger including a first honeycomb structure and a second honeycomb structure is manufactured through the steps shown below. In the following, a case where silicon carbide and silicon are used as materials constituting the honeycomb structure will be described, but the materials constituting the honeycomb structure are not limited to the above materials.
本発明の熱交換器は、例えば、炭化ケイ素粉末、有機バインダ等を含む原料ペーストを成形することにより、複数のセルが隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム成形体を作製する成形工程と、上記成形工程により成形されたハニカム成形体を乾燥する乾燥工程と、上記乾燥工程により乾燥された第1のハニカム構造体となるハニカム成形体と第2のハニカム構造体となるハニカム成形体同士を、接着層となる接着層用ペーストを介して接着させ、ハニカム成形体の集合体(ハニカム集合体)を作製するハニカム集合体作製工程と、上記ハニカム集合体を円柱形状に加工する柱状体作製工程と、円周形状に加工された柱状体の外周部分にコート層となるコート層用ペーストを塗布し、コート層用ペースト層を形成するコート層用ペースト塗布工程と、コート層用ペーストが塗布された柱状体を脱脂し、さらに高温に加熱し、脱脂体に溶融シリコンを含浸させることにより、炭化ケイ素とシリコンの複合材料からなるハニカム構造体と接着層とコート層とから構成される熱交換器を製造する脱脂・含浸・接着工程とを行うことにより製造することができる。 The heat exchanger of the present invention includes a molding process for producing a honeycomb molded body having a plurality of cells arranged in parallel in the longitudinal direction separated by partitions by molding a raw material paste containing, for example, silicon carbide powder, an organic binder, etc.; a drying process for drying the honeycomb molded body formed by the molding process; and a honeycomb aggregate production process for producing an aggregate of honeycomb molded bodies (honeycomb aggregate) by bonding the honeycomb molded body that becomes the first honeycomb structure dried by the drying process and the honeycomb molded body that becomes the second honeycomb structure together via an adhesive layer paste that serves as an adhesive layer. The honeycomb aggregate is processed into a cylindrical shape in a columnar body fabrication process, a coating layer paste application process is performed in which a coating layer paste is applied to the outer periphery of the columnar body processed into a circumferential shape to form a coating layer paste layer, and a degreasing, impregnation, and adhesion process is performed in which the columnar body to which the coating layer paste has been applied is degreased, heated to a high temperature, and the degreased body is impregnated with molten silicon to produce a heat exchanger composed of a honeycomb structure made of a composite material of silicon carbide and silicon, an adhesive layer, and a coating layer.
(成形工程)
成形工程では、まず、炭化ケイ素粉末、有機バインダ等を混合して原料ペーストを調製する。
原料ペーストには、さらに造孔剤、成形助剤、水等の分散媒等が含まれていてもよい。
(Molding process)
In the molding process, first, silicon carbide powder, an organic binder, and the like are mixed to prepare a raw material paste.
The raw material paste may further contain a pore-forming agent, a forming aid, a dispersion medium such as water, and the like.
有機バインダとしては、特に限定されないが、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレングリコール、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられ、二種以上併用してもよい。 The organic binder is not particularly limited, but examples include methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, polyethylene glycol, phenolic resin, epoxy resin, etc., and two or more types may be used in combination.
造孔剤としては、特に限定されないが、例えば、アクリル樹脂、コークス、デンプン等が挙げられる。造孔剤とは、ハニカム構造体(又はハニカムセグメント)を製造する際、ハニカム構造体(又はハニカムセグメント)の内部に気孔を導入するために用いられるものをいう。 The pore-forming agent is not particularly limited, but examples include acrylic resin, coke, starch, etc. The pore-forming agent is a material used to introduce pores into the honeycomb structure (or honeycomb segment) when manufacturing the honeycomb structure (or honeycomb segment).
成形助剤としては、特に限定されないが、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等が挙げられ、二種以上併用してもよい。 The molding aids are not particularly limited, but include ethylene glycol, dextrin, fatty acids, fatty acid soaps, polyalcohols, etc., and two or more of them may be used in combination.
分散媒としては、特に限定されないが、水、ベンゼン等の有機溶媒、メタノール等のアルコール等が挙げられ、二種以上併用してもよい。 The dispersion medium is not particularly limited, but examples include water, organic solvents such as benzene, and alcohols such as methanol, and two or more of these may be used in combination.
原料ペーストを調製する際には、混合混練することが望ましく、ミキサー、アトライタ等を用いて混合してもよく、ニーダー等を用いて混練してもよい。 When preparing the raw material paste, it is desirable to mix and knead the ingredients. Mixing may be performed using a mixer, attritor, etc., or kneading may be performed using a kneader, etc.
成形工程では、上記原料ペーストを押出成形することにより、複数のセルが隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム成形体を得る。
ハニカム成形体の形状は特に限定されるものではないが、角柱形状が望ましく、四角柱形状がさらに望ましい。また、第1のハニカム構造体(又はハニカムセグメント)となるハニカム成形体と第2のハニカム構造体(又はハニカムセグメント)となるハニカム成形体とは、隔壁の厚さやセル密度が異なることが望ましいので、それに合致するような形状のハニカム成形体をそれぞれ作製する必要がある。
In the molding step, the raw material paste is extrusion molded to obtain a honeycomb molded body in which a plurality of cells are arranged in parallel in the longitudinal direction with partition walls between them.
The shape of the honeycomb formed body is not particularly limited, but a prismatic shape is preferable, and a quadrangular prismatic shape is more preferable. In addition, since it is preferable that the honeycomb formed body to become the first honeycomb structure (or honeycomb segment) and the honeycomb formed body to become the second honeycomb structure (or honeycomb segment) have different partition wall thicknesses and cell densities, it is necessary to prepare honeycomb formed bodies having shapes that match these.
ハニカム成形体の端面が矩形からなる場合、長い方の辺の長さが20~50mmであることが望ましい。上記ハニカム成形体の端面が矩形からなり、長い方の辺の長さが20~50mmであると、製造されるハニカム構造体(又はハニカムセグメント)の形状が充分に小さいので、熱交換器全体に大きな温度差が発生した場合であっても、破壊等が発生しにくいからである。 When the end face of the honeycomb formed body is rectangular, it is desirable that the length of the longer side is 20 to 50 mm. This is because when the end face of the honeycomb formed body is rectangular and the length of the longer side is 20 to 50 mm, the shape of the honeycomb structure (or honeycomb segment) produced is sufficiently small, so that even if a large temperature difference occurs across the entire heat exchanger, damage is unlikely to occur.
(乾燥工程)
続いて、ハニカム成形体を乾燥してハニカム乾燥体を得る乾燥工程を行う。
乾燥工程では、マイクロ波乾燥機、熱風乾燥機、誘電乾燥機、減圧乾燥機、真空乾燥機、凍結乾燥機等の乾燥機を用いて、ハニカム成形体を乾燥してハニカム乾燥体を作製する。
この工程により、第1のハニカム構造体(又はハニカムセグメント)用のハニカム乾燥体と第2のハニカム構造体(又はハニカムセグメント)用のハニカム乾燥体が作製される。
(Drying process)
Next, a drying step is carried out to dry the honeycomb formed body to obtain a dried honeycomb body.
In the drying step, the honeycomb molded body is dried using a dryer such as a microwave dryer, a hot air dryer, a dielectric dryer, a reduced pressure dryer, a vacuum dryer, or a freeze dryer to produce a dried honeycomb body.
By this step, a dried honeycomb body for the first honeycomb structure (or honeycomb segment) and a dried honeycomb body for the second honeycomb structure (or honeycomb segment) are produced.
(ハニカム集合体作製工程)
この工程では、原料ペーストとほぼ同じ組成であるが、原料ペーストよりもSiCの含有割合が高い接着層用ペーストを用い、ハニカム乾燥体を、接着層用ペーストを介して接着させ、ハニカム乾燥体の集合体(ハニカム集合体)を作製する。
この際、脱脂・含浸・接着工程を経ることにより、本発明の熱交換器の構成となるように上記した形状の異なる2種類のハニカム乾燥体、すなわち、第1のハニカム構造体(又はハニカムセグメント)用のハニカム乾燥体と第2のハニカム構造体(又はハニカムセグメント)用のハニカム乾燥体同士を組み合わせて接着する。
(Honeycomb aggregate manufacturing process)
In this process, an adhesive layer paste, which has approximately the same composition as the raw material paste but has a higher SiC content than the raw material paste, is used to bond the dried honeycomb bodies via the adhesive layer paste to produce an aggregate of the dried honeycomb bodies (honeycomb aggregate).
In this case, by undergoing the degreasing, impregnation, and bonding processes, the two types of honeycomb dried bodies having different shapes as described above, i.e., a honeycomb dried body for a first honeycomb structure (or honeycomb segment) and a honeycomb dried body for a second honeycomb structure (or honeycomb segment), are combined and bonded together to form the heat exchanger of the present invention.
(柱状体作製工程)
この工程では、角柱形状の上記ハニカム集合体に対し、ダイヤモンドカッター等の切削工具を用いて切削加工を施し、円柱形状に加工する。
(Columnar body manufacturing process)
In this step, the honeycomb aggregate having a rectangular column shape is cut using a cutting tool such as a diamond cutter to process it into a cylindrical shape.
(コート層用ペースト塗布工程)
次に、図1A及び図1Bや図3A及び図3Bに示したコート層を形成する箇所にコート層用ペーストを塗布し、乾燥固化することによりコート層となる層を形成することができる。
コート層用ペーストとしては、原料ペーストとほぼ同じ組成のものであるが、SiCの含有割合が原料ペーストよりも高いものが挙げられる。
なお、下記する脱脂・含浸・接着工程の後に、コート層用ペースト塗布工程を行い、コート層用ペーストを乾燥固化することによりコート層を形成してもよい。
(Coating layer paste application process)
Next, a paste for a coating layer is applied to the area where the coating layer shown in FIGS. 1A and 1B or 3A and 3B is to be formed, and then dried and solidified to form a layer that will become the coating layer.
The coating layer paste may have substantially the same composition as the raw material paste, but may contain a higher proportion of SiC than the raw material paste.
After the degreasing, impregnation and adhesion steps described below, a coating layer paste application step may be carried out, and the coating layer paste may be dried and solidified to form the coating layer.
(脱脂・含浸・接着工程)
この工程では、円柱形状に加工され、コート層となる層が形成されたハニカム集合体に対し、脱脂工程を行った後、引き続き、含浸・接着工程を行う。
従って、この工程においては、上面が開口しているセラミック製の容器の底面にシリコン(金属ケイ素)を配置し、容器の内部に多孔質のセラミックからなる支持具を介してハニカム集合体を配置し、脱脂工程を行った後、含浸・接着工程を行う。
(Degreasing, impregnation, and adhesion processes)
In this step, a honeycomb aggregate that has been machined into a cylindrical shape and on which a layer that will become a coating layer is formed is subjected to a degreasing step, and then an impregnation and adhesion step is subsequently performed.
Therefore, in this process, silicon (metallic silicon) is placed on the bottom of a ceramic container with an open top, and a honeycomb aggregate is placed inside the container via a support made of porous ceramic. After a degreasing process, the impregnation and bonding process is carried out.
脱脂工程では、乾燥工程により乾燥されたハニカム乾燥体の集合体を400~1400℃の温度で加熱し、ハニカム乾燥体に含まれる有機分を焼失させる。脱脂温度は、400~600℃がより望ましい。雰囲気は、酸素を含む雰囲気が望ましい。 In the degreasing process, the honeycomb dried body assembly dried in the drying process is heated at a temperature of 400 to 1400°C to burn off the organic matter contained in the honeycomb dried body. The degreasing temperature is preferably 400 to 600°C. The atmosphere is preferably an oxygen-containing atmosphere.
続いて、含浸・接着工程を行う。すなわち、脱脂工程を終了した脱脂体を1420~2000℃の温度で加熱し、炭化ケイ素とシリコンの複合材料とする。加熱温度は、1420~1600℃がより望ましい。雰囲気は、不活性ガス雰囲気が望ましい。
上記温度で加熱することにより溶融したシリコン(金属ケイ素)が毛細管現象により多孔質の支持具を通じて脱脂体の隔壁を構成する炭化ケイ素の粒子の隙間に入り込み、その隙間にシリコンが含浸される。
This is followed by the impregnation and adhesion process. That is, the degreased body that has undergone the degreasing process is heated at a temperature of 1420 to 2000°C to produce a composite material of silicon carbide and silicon. The heating temperature is preferably 1420 to 1600°C. The atmosphere is preferably an inert gas atmosphere.
By heating at the above temperature, the molten silicon (silicon metal) penetrates by capillary action through the porous support into the gaps between the silicon carbide particles that make up the partitions of the degreased body, and the silicon is impregnated into the gaps.
また、溶融したシリコンは、接着層用ペーストの脱脂体やコート層用ペーストの脱脂体の間にも入り込み、脱脂体に含まれる炭化ケイ素と複合材を形成し、接着層となってハニカム構造体(又はハニカムセグメント)同士をしっかりと接着するとともに、外周部分を被覆するコート層が形成される。
上記の温度範囲であると、得られる熱交換器は、その構成成分である炭化ケイ素の殆どが焼結されず、炭化ケイ素粒子とシリコンとがそれぞれ独立して存在する未焼結のハニカム構造体となる。すなわち、ハニカム構造体(又はハニカムセグメント)を構成する隔壁は、独立した炭化ケイ素粒子が周囲に存在するシリコンにより接着された状態のシリコンと炭化ケイ素との複合材料から構成されている。この未焼結のハニカム構造体は、ヤング率が高く、変形し難い特性を有しており、熱交換器として有用である。
In addition, the molten silicon also penetrates between the degreased body of the adhesive layer paste and the degreased body of the coating layer paste, forming a composite material with the silicon carbide contained in the degreased body, forming an adhesive layer that firmly bonds the honeycomb structures (or honeycomb segments) together and also forms a coating layer that covers the outer periphery.
In the above temperature range, the heat exchanger obtained is an unsintered honeycomb structure in which most of the silicon carbide, which is a component of the heat exchanger, is not sintered and silicon carbide particles and silicon exist independently. That is, the partition walls constituting the honeycomb structure (or honeycomb segment) are composed of a composite material of silicon and silicon carbide in which independent silicon carbide particles are bonded by silicon existing around them. This unsintered honeycomb structure has a high Young's modulus and is difficult to deform, and is useful as a heat exchanger.
また、上記工程を経ることにより、流体の第1流通路となる多数のセルが隔壁を隔てて長手方向に並設された第1のハニカム構造体と、流体の第2流通路となる多数のセルが隔壁を隔てて長手方向に並設された第2のハニカム構造体とが、前記第1流通路と前記第2流通路とが直交するように組み合わされてなる熱交換器を作製することができる。 Furthermore, by going through the above process, it is possible to produce a heat exchanger in which a first honeycomb structure in which a large number of cells that become the first flow passages for fluid are arranged in parallel in the longitudinal direction separated by partition walls, and a second honeycomb structure in which a large number of cells that become the second flow passages for fluid are arranged in parallel in the longitudinal direction separated by partition walls are combined so that the first flow passages and the second flow passages are perpendicular to each other.
本発明の熱交換器の製造方法では、それぞれのハニカム乾燥体を脱脂する脱脂工程を行った後、通常の焼成工程を行って多孔質の炭化ケイ素の焼結体からなるハニカム焼成体を製造し、その後、ハニカム焼成体同士を接着させる接着工程、円周形状に加工する加工工程、シリコンを含浸させる含浸・接着工程、コート層を形成する工程等を行ってもよい。 In the method for manufacturing a heat exchanger of the present invention, a degreasing process is performed to degrease each of the dried honeycomb bodies, followed by a normal firing process to produce a honeycomb fired body made of a porous sintered silicon carbide body, after which a bonding process for bonding the honeycomb fired bodies together, a processing process for processing them into a circumferential shape, an impregnation/bonding process for impregnating them with silicon, a process for forming a coating layer, etc. may be performed.
(触媒担持工程)
本発明では、本発明の熱交換器に燃料改質触媒等の触媒を担持することにより、燃料改質触媒として使用することができる。
上記熱交換器にロジウム等の貴金属からなる燃料改質触媒等の触媒を担持する方法としては、例えば、貴金属粒子もしくは錯体を含む溶液にハニカム構造体を浸漬した後、引き上げて加熱する方法等が挙げられる。
(Catalyst supporting process)
In the present invention, by supporting a catalyst such as a fuel reforming catalyst on the heat exchanger of the present invention, it can be used as a fuel reforming catalyst.
As a method for supporting a catalyst such as a fuel reforming catalyst made of a precious metal such as rhodium on the above-mentioned heat exchanger, for example, a method in which a honeycomb structure is immersed in a solution containing precious metal particles or complexes, then pulled out and heated can be mentioned.
図2Aは、上記構成の熱交換器を改質器に収納する際に用いられる保持マットを模式的に示した斜視図であり、図2Bは、この保持マットを熱交換器に巻き付ける巻き付け方法を模式的に示す説明図である。 Figure 2A is a perspective view showing a retaining mat used when storing the heat exchanger of the above configuration in a reformer, and Figure 2B is an explanatory diagram showing a method of wrapping the retaining mat around the heat exchanger.
保持マット50は、マット51の両端部に凸部51a及び凹部51bを有するとともに、熱交換器100に巻き付けた際に流体入り口及び流体出口であるセル23が露出するように、マット開口部51c、51d、51e、51f、51g、51hが形成されており、図2Bに示すように、熱交換器100に巻き付けると、マット開口部51c、51d、51e、51f、51g、51hを介して流体入り口及び流体出口であるがセル23が露出し、保持マット50を介して改質器を構成する金属容器に押し込んで、固定することにより、流体入り口及び流体出口であるがセル23が露出した状態で改質器にしっかりと収納される。
The retaining
図3Aは、本発明の第2の実施形態に係る熱交換器を模式的に示す斜視図であり、図3Bは、図3Aに示した熱交換器のB-B線断面図である。 Figure 3A is a perspective view showing a schematic diagram of a heat exchanger according to a second embodiment of the present invention, and Figure 3B is a cross-sectional view of the heat exchanger shown in Figure 3A along line B-B.
図3A及び図3Bに示すように、本発明の第2の実施形態に係る熱交換器200は、流体の第1流通路となる多数のセル113が隔壁112を隔てて長手方向に並設されたセラミック製の第1のハニカム構造体110と、流体の第2流通路となる多数のセル123が隔壁122を隔てて長手方向に並設されたセラミック製の第2のハニカム構造体120とが、第1流通路(セル113)と第2流通路(セル123)とが直交するように組み合わされて構成されてなる柱状の熱交換器200である。
As shown in Figures 3A and 3B, the
第2の実施形態に係る熱交換器200では、第1のハニカム構造体110の両側に接着層118を介して第2のハニカム構造体120が配置されている。第1の実施形態の場合と同様に、第1のハニカム構造体110及び第2のハニカム構造体120は、図3A及び図3Bに示すように、1個のハニカムセグメントから構成されていてもよく、3個以上のハニカムセグメントが接着層を介して接着されることにより1個の第1のハニカム構造体110を構成していてもよく、第2のハニカム構造体120を構成していてもよい。
In the
図3A及び図3Bにおいて、第1のハニカム構造体110を構成するセル113の延びる方向は、上下方向であり、第2のハニカム構造体120を構成するセル123の伸びる方向は、水平方向であり、お互いの流路は、直交しているので、2種類の流体(ガス)を流通させ易く、熱交換を効率的に行うことができる。
In Figures 3A and 3B, the extension direction of the
図3A及び図3Bに示す熱交換器200では、両端面に第1のハニカム構造体110の第1流通路となるセル113が開口し、外周面に第2のハニカム構造体120の第2流通路となるセル123が開口し、外周面を構成する第1のハニカム構造体110の表面の全部は、コート層132で被覆されており、外周面を構成する第2のハニカム構造体120の表面は、角部134aが面取りされた四角形状の開口部134を除いてコート層131a、131bで被覆されている。
In the
従って、大きな熱応力が作用した場合であっても、開口部134の角部134aに熱応力が集中せず、周囲のコート層131a、131b、132に破損等が発生しにくい。
Therefore, even if a large thermal stress acts, the thermal stress does not concentrate at the
開口部134の角部134aには、直線状のC面取りが施されていてもよいが、曲率半径が1~15mmのR面取りが施されていることが望ましい。
また、熱交換効率を高くするためには、開口部134とコート層131a、131b、132の面積の合計に対する開口部134の面積の割合(開口部/開口部+コート層)の百分率が72~93%であることが望ましく、75~85%がより望ましい。コート層131a、131b、132の厚さは、0.1~0.5mmであることが望ましく、0.2~0.3mmがより望ましい。
本発明の第2の実施形態に係る熱交換器の体積は、1.2~3.2リットルであることが望ましい。
The
In order to increase the heat exchange efficiency, the percentage of the area of the
The volume of the heat exchanger according to the second embodiment of the present invention is preferably 1.2 to 3.2 liters.
本発明の熱交換器においては、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数をC1、上記接着層の熱膨張係数をC2、上記コート層の熱膨張係数をC3とした際、C1<C2≦C3を満たすように熱膨張係数が設定されている。
すなわち、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1より接着層の熱膨張係数C2の方が大きい。また、接着層の熱膨張係数C2とコート層の熱膨張係数C3とは、同じであるか、コート層の熱膨張係数C3の方が接着層の熱膨張係数C2よりも大きいことが望ましい。
In the heat exchanger of the present invention, when the thermal expansion coefficients of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure are C1, the thermal expansion coefficient of the adhesive layer is C2, and the thermal expansion coefficient of the coating layer is C3, the thermal expansion coefficients are set so as to satisfy C1<C2≦C3.
That is, the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer is larger than the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure. It is also preferable that the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are the same, or that the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer is larger than the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer.
本発明の熱交換器において、上記第1のハニカム構造体、上記第2のハニカム構造体、上記接着層及び上記コート層の熱膨張係数が上記のように設定されていると、第2のハニカム構造体と第1のハニカム構造体の間に温度差が生じて、熱交換器が部分的に膨張しても、接着層やコート層がより膨張しやすいため、接着層及びコート層にクラックが発生しにくい。
また、熱交換器が保持マットを介して改質器等の金属容器に収納されている場合、金属容器の温度が上昇することにより熱膨張しても、接着層やコート層も金属容器と同様に膨張するため、保持マットによる保持力の変化が少なく、熱交換器が金属製容器から脱落するのを、確実に防止することができる。
In the heat exchanger of the present invention, when the thermal expansion coefficients of the first honeycomb structure, the second honeycomb structure, the adhesive layer and the coating layer are set as described above, even if a temperature difference occurs between the second honeycomb structure and the first honeycomb structure and the heat exchanger expands partially, the adhesive layer and the coating layer are more likely to expand, so that cracks are less likely to occur in the adhesive layer and the coating layer.
Furthermore, when the heat exchanger is housed in a metal container such as a reformer via a retaining mat, even if the metal container thermally expands due to an increase in temperature, the adhesive layer and coating layer also expand in the same way as the metal container, so there is little change in the holding force of the retaining mat, and the heat exchanger can be reliably prevented from falling off the metal container.
本発明の熱交換器では、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1、接着層の熱膨張係数C2、及び、コート層の熱膨張係数C3が、C1<C2≦C3を満たすように設定されており、さらに、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1は、2.80~4.50×10-6 K -1 、上記接着層の熱膨張係数C2及び上記コート層の熱膨張係数C3は、3.05~4.75×10-6 K -1 であることが望ましい。 In the heat exchanger of the present invention, the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure, the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer, and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are set to satisfy C1<C2≦C3, and further, it is desirable that the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure is 2.80 to 4.50× 10−6K − 1 , and the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are 3.05 to 4.75× 10−6K − 1 .
また、本発明の熱交換器では、上記熱膨張係数C3と上記熱膨張係数C1との差が下記の不等式(1)で表示されることが望ましい。
C2-C1≧0.05×10-6・・・(1)
すなわち、接着層の熱膨張係数C2やコート層の熱膨張係数C3は、第1のハニカム構造体及び第2のハニカム構造体の熱膨張係数C1よりも0.05×10-6以上、熱膨張係数が大きいことが望ましい。
In the heat exchanger of the present invention, it is preferable that the difference between the thermal expansion coefficient C3 and the thermal expansion coefficient C1 be expressed by the following inequality (1).
C2-C1≧0.05×10 -6 ...(1)
That is, it is desirable that the thermal expansion coefficient C2 of the adhesive layer and the thermal expansion coefficient C3 of the coating layer are larger than the thermal expansion coefficient C1 of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure by 0.05×10 −6 or more.
また、第1の実施形態に係る熱交換器では、3個の上記第1のハニカム構造体と4個の上記第2のハニカム構造体とが、それぞれ交互に配置されており、第2の実施形態に係る熱交換器では、第1のハニカム構造体の両側に第2のハニカム構造体が配置されているが、本発明の熱交換器では、これらの実施形態に限定されるものではなく、流体の第1流通路となる多数のセルが隔壁を隔てて長手方向に並設された第1のハニカム構造体と、流体の第2流通路となる多数のセルが隔壁を隔てて長手方向に並設された第2のハニカム構造体とが、上記第1流通路と上記第2流通路とが直交するように組み合わされておれば、組み合わせの数は限定されないが、第1のハニカム構造体と第2のハニカム構造体とがそれぞれ交互に配置されていることが望ましい。 In the heat exchanger according to the first embodiment, three of the first honeycomb structures and four of the second honeycomb structures are arranged alternately, and in the heat exchanger according to the second embodiment, the second honeycomb structures are arranged on both sides of the first honeycomb structure. However, the heat exchanger of the present invention is not limited to these embodiments. As long as a first honeycomb structure in which a large number of cells serving as a first flow passage for a fluid are arranged in parallel in the longitudinal direction separated by a partition wall and a second honeycomb structure in which a large number of cells serving as a second flow passage for a fluid are arranged in parallel in the longitudinal direction separated by a partition wall are combined so that the first flow passage and the second flow passage are perpendicular to each other, the number of combinations is not limited, but it is preferable that the first honeycomb structures and the second honeycomb structures are arranged alternately.
本発明の改質器は、上述の熱交換器を備えた改質器であって、
上記第2のハニカム構造体には、内燃機関より排出され、主排気管を流通する排ガスが通過するように構成され、上記第1のハニカム構造体には、隔壁に改質用の触媒が担持され、上記主排気管より分岐した排ガス再循環配管に流入した排ガスが通過するように構成されていることを特徴とする。
The reformer of the present invention is a reformer including the above-mentioned heat exchanger,
The second honeycomb structure is configured to allow exhaust gas discharged from an internal combustion engine and flowing through a main exhaust pipe to pass therethrough, and the first honeycomb structure is configured such that a reforming catalyst is supported on the partition walls and exhaust gas that flows into an exhaust gas recirculation pipe branched off from the main exhaust pipe to pass therethrough.
図4は、本発明の改質器を備えた燃料改質ガソリンエンジンシステムを模式的に示す説明図である。
この燃料改質ガソリンエンジンシステム300では、ガソリンエンジン41から排出される排気ガスを通過させる排気管42の途中で排気管が主排気管43と排ガス再循環配管44(以下、EGR管という)とに分岐し、EGR管44の途中に燃料改質触媒として機能する熱交換器100及び保持マット50を収納した改質器60が配置されている。図4に示すように、この改質器60には、主排気管43も接続されており、主排気管43を流れるガスは、保持マット50のマット開口部51c、51d、51e、51f、51g、51h及び熱交換器100の流体入り口及び流体出口であるマット開口部を介して第2のハニカム構造体のセルに導入、排出され、一方、EGR管44を流れるガスは、熱交換器100を構成する第1のハニカム構造体のセルを通過し、熱交換がなされる。なお、図中、45は、自動弁であり、状況に応じて適宜、開閉する。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic diagram of a fuel reforming gasoline engine system equipped with a reformer of the present invention.
In this fuel reforming
EGR管44における改質器60の入り口には、改質用燃料噴射装置46が配置されており、この改質用燃料噴射装置46より改質用燃料が噴射される。一方、ガソリンエンジン41の吸入用配管49には、ポート式燃料噴射装置48が配置されており、吸入時にエンジン用の燃料が噴射される。
A reforming
改質器60では、改質用燃料噴射装置46より噴射された燃料は、排ガス中の水蒸気とガソリン燃料の主成分である炭化水素とが熱交換器100に担持された燃料改質触媒により活性化されて反応し、水素と一酸化炭素とメタンに変わる。このような組成の水素を含む気体は、エンジンの吸入空気と混ざるとともに、ポート式燃料噴射装置48より噴射された燃料とも混ざり、混合気となってガソリンエンジン41の内部に入り、ガソリンエンジン41の内部で燃焼される。混合気に混じった水素は、燃焼速度を速めることができ、ガソリンエンジン41の燃焼効率を高めることができる。
In the
改質器60内の第1のハニカム構造体では、上記した燃料改質触媒の存在下での吸熱反応により熱を奪われるが、本発明の熱交換器では、第2のハニカム構造体から第1のハニカム構造体に排ガスの熱を良好に供給することができ、温度低下が抑制され、内燃機関(ガソリンエンジン)の燃料を改質して燃費を改善する改質触媒としての性能を良好に発揮させることができる。さらに、熱交換器が炭化ケイ素とシリコンからなる場合、改質されたガスに含まれる水素に対して腐食されにくい。
また、熱交換器を構成するハニカム構造体、接着層及びコート層の熱膨張率が適切に設定されているので、接着層及びコート層にクラックが発生しにくい。
In the first honeycomb structure in the
Furthermore, since the thermal expansion coefficients of the honeycomb structure, adhesive layer and coating layer constituting the heat exchanger are appropriately set, cracks are unlikely to occur in the adhesive layer and coating layer.
(実施例)
以下、本発明の実施形態をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
(Example)
EXAMPLES Hereinafter, examples will be given that more specifically disclose the embodiments of the present invention, however, the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
平均粒子径22μmを有する炭化ケイ素の粗粉末56.3重量%と、平均粒子径0.5μmの炭化ケイ素の微粉末24.1重量%とを混合し、得られた混合物に対して、有機バインダ(メチルセルロース)4.4重量%、潤滑剤(日油社製 ユニルーブ)0.8重量%、グリセリン0.8重量%、オレイン酸2.2重量%、および、水11.4重量%を加えて混練して原料ペーストを得た。
Example 1
56.3% by weight of coarse silicon carbide powder having an average particle size of 22 μm and 24.1% by weight of fine silicon carbide powder having an average particle size of 0.5 μm were mixed, and 4.4% by weight of an organic binder (methyl cellulose), 0.8% by weight of a lubricant (UNILUB manufactured by NOF Corporation), 0.8% by weight of glycerin, 2.2% by weight of oleic acid, and 11.4% by weight of water were added to the resulting mixture and kneaded to obtain a raw material paste.
この後、第1のハニカム構造体を構成するハニカムセグメントを製造するための金型、及び、第2のハニカム構造体を構成するハニカム成形体を製造するための金型を用い、原料ペーストの押出成形を行い、ハニカム成形体を作製した。 Then, using a mold for manufacturing the honeycomb segments that constitute the first honeycomb structure and a mold for manufacturing the honeycomb formed body that constitutes the second honeycomb structure, the raw material paste was extrusion molded to produce a honeycomb formed body.
上記工程により作製された第1のハニカム構造体を構成するハニカムセグメント用のハニカム成形体は、端面の形状に関し、14.6mm×105.4mmの長方形で、その長さは、140mm、セル密度は、47個/cm2(300個/inch2)、隔壁の厚さは、0.25mmであり、第2のハニカム構造体を構成するハニカムセグメント用のハニカム成形体は、端面の形状に関し、14.6mm×70mmの長方形で、その長さは、105mm、セル密度は、47個/cm2(300個/inch2)、隔壁の厚さは、0.25mmであった。 The honeycomb molded body for the honeycomb segment constituting the first honeycomb structure produced by the above process had a rectangular end face shape of 14.6 mm x 105.4 mm, a length of 140 mm, a cell density of 47 cells/ cm2 (300 cells/ inch2 ), and a partition wall thickness of 0.25 mm, and the honeycomb molded body for the honeycomb segment constituting the second honeycomb structure had a rectangular end face shape of 14.6 mm x 70 mm, a length of 105 mm, a cell density of 47 cells/ cm2 (300 cells/ inch2 ), and a partition wall thickness of 0.25 mm.
次いで、マイクロ波乾燥機を用いて上記生のハニカム成形体を乾燥させることにより、ハニカム成形体の乾燥体を作製した。 Then, the raw honeycomb molded body was dried using a microwave dryer to produce a dried honeycomb molded body.
次に、平均粒子径22μmを有する炭化ケイ素の粗粉末53.5重量%と、平均粒子径0.5μmの炭化ケイ素の微粉末22.9重量%とを混合し、得られた混合物に対して、有機バインダ(メチルセルロース)4.4重量%、潤滑剤(日油社製 ユニルーブ)0.8重量%、グリセリン0.8重量%、オレイン酸2.2重量%、および、水15.4重量%を加えて混練して接着層用ペーストを得た。 Next, 53.5% by weight of coarse silicon carbide powder having an average particle size of 22 μm was mixed with 22.9% by weight of fine silicon carbide powder having an average particle size of 0.5 μm, and 4.4% by weight of organic binder (methyl cellulose), 0.8% by weight of lubricant (UNILUBE manufactured by NOF Corp.), 0.8% by weight of glycerin, 2.2% by weight of oleic acid, and 15.4% by weight of water were added to the resulting mixture and kneaded to obtain a paste for the adhesive layer.
得られた第1のハニカム構造体を構成するハニカムセグメント用のハニカム乾燥体と第2のハニカム構造体を構成するハニカムセグメント用のハニカム乾燥体とを用い、接着層用ペーストを接着材として、製造工程を終えたハニカム乾燥体の集合体(ハニカム集合体)が図1A及び図1Bに示す熱交換器100の構成となるようにハニカム乾燥体を組み合わせ、乾燥させた。なお、接着層の厚みがそれぞれ1mmとなるように接着層用ペーストを塗布した。
The obtained honeycomb dried bodies for the honeycomb segments constituting the first honeycomb structure and the honeycomb dried bodies for the honeycomb segments constituting the second honeycomb structure were used, and the adhesive layer paste was used as an adhesive to combine and dry the honeycomb dried bodies so that the assembly (honeycomb assembly) of the honeycomb dried bodies after the manufacturing process had the configuration of the
得られたハニカム乾燥体の集合体をその両端面が第1のハニカム構造体の端面になるように、直径が105mm、長さが140mmの円柱状に外形加工した。さらに、円柱状のハニカム集合体の外周面を構成する第2のハニカム構造体に、角部に曲率半径10mmのR面取りが施された縦120mm×横14.6mmの長方形の開口部が形成されるように、外周のその他の部分にコート層の厚さが0.3mmとなるように、コート層用ペーストを塗布した。コート層用ペーストには上記接着層用ペーストと同じものを用いた。なお、開口長さは外周の曲面に沿って測定したものである。 The resulting honeycomb dried body assembly was machined into a cylindrical shape with a diameter of 105 mm and a length of 140 mm so that both end faces of the first honeycomb structure would become the end faces of the first honeycomb structure. Furthermore, a coating layer paste was applied to the second honeycomb structure that constitutes the outer peripheral surface of the cylindrical honeycomb assembly so that a rectangular opening of 120 mm in length and 14.6 mm in width with a chamfered corner with a radius of curvature of 10 mm was formed, and the thickness of the coating layer was 0.3 mm on the other parts of the periphery. The coating layer paste used was the same as the adhesive layer paste described above. The opening length was measured along the curved surface of the periphery.
底面に金属ケイ素(シリコン)を載置したセラミック製の容器に、支持具を介してコート層が形成されたハニカム乾燥体の集合体を載置し、加熱炉に搬入し、大気雰囲気下、400℃で脱脂する脱脂工程を行った後、加熱炉内をアルゴンガスで置換し、1450℃、1時間の加熱条件下、含浸接着工程を行った。 The honeycomb dried body assembly with the coating layer formed thereon was placed, via a support, in a ceramic container with metal silicon placed on the bottom, and then carried into a heating furnace. After a degreasing process in which the honeycomb dried body was degreased at 400°C in an air atmosphere, the atmosphere inside the heating furnace was replaced with argon gas, and the impregnation and adhesion process was carried out under heating conditions of 1450°C for 1 hour.
得られた図1に示す構成の熱交換器において、外形は直径105mm、長さ140mmであり、第1及び第2のハニカム構造体を構成するハニカムセグメント11のセル密度は、47個/cm2(300個/inch2)、隔壁の厚さは、0.25mmである。
第1のハニカム構造体は、1個のハニカムセグメントで、第2のハニカム構造体は2個のハニカムセグメントが接着層で接着されることで、1個の第1及び第2のハニカム構造体を構成しており、3個の第1のハニカム構造体10と4個の第2のハニカム構造体20とが、接着層18を介してそれぞれ交互に配置されていた。また、第2のハニカム構造体20を構成するハニカムセグメント21の流路と第1のハニカム構造体10を構成するハニカムセグメント11の流路とがお互いに直交するように配置されていた。
The obtained heat exchanger having the configuration shown in FIG. 1 had an outer diameter of 105 mm and a length of 140 mm, the
The first honeycomb structure was one honeycomb segment, and the second honeycomb structure was two honeycomb segments bonded together with an adhesive layer to form one first and second honeycomb structure, with three
(比較例1)
接着層用ペースト及びコート層用ペーストとして、原料ペーストと同じ組成のものを用いた他は、実施例1と同様にして、熱交換器を製造した。
(Comparative Example 1)
A heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the adhesive layer paste and the coating layer paste had the same compositions as the raw material paste.
(評価)
[キャニング]
製造された実施例1及び比較例1に係る熱交換器を図2A及び図2Bに示すように保持マットを巻いて、円筒状の金属ケースに収容したところ、保持マットに破損なく熱交換器の外周からのガス漏れがないことが確認できた。
(evaluation)
[Canning]
The manufactured heat exchangers of Example 1 and Comparative Example 1 were wrapped with a retaining mat as shown in Figures 2A and 2B and housed in a cylindrical metal case. It was confirmed that the retaining mat was not damaged and that there was no gas leakage from the outer periphery of the heat exchanger.
[耐久性及び熱交換効率試験]
改質器と同様の構造の金属ケースに収容された実施例1及び比較例1に係る熱交換器の第2のハニカム構造体を構成するセルに900℃のガスを流量50g/秒で流し、第1のハニカム構造体を構成するセルに500℃のガスを流量15g/秒で1分間流し、その後、熱交換器の接着層やコート層にクラック等が発生されているか否かを観察した。
[Durability and heat exchange efficiency test]
A gas at 900°C was passed through the cells constituting the second honeycomb structure of the heat exchangers of Example 1 and Comparative Example 1, which were housed in a metal case having a similar structure to the reformer, at a flow rate of 50 g/sec, and a gas at 500°C was passed through the cells constituting the first honeycomb structure at a flow rate of 15 g/sec for one minute, and then it was observed whether or not cracks had occurred in the adhesive layer or coating layer of the heat exchanger.
その結果、実施例1に係る熱交換器の接着層やコート層にクラックは発生しておらず、良好に熱交換器が機能することが明らかになった。また、第1のハニカム構造体から流出するガスが、710℃に温められており、熱交換器が良好な熱交換性能を示すことが証明された。 As a result, it was found that no cracks occurred in the adhesive layer or coating layer of the heat exchanger of Example 1, and the heat exchanger functioned well. In addition, the gas flowing out of the first honeycomb structure was heated to 710°C, proving that the heat exchanger exhibited good heat exchange performance.
一方、比較例1に係る熱交換器の接着層にはクラックが発生しており、ハニカム構造体と接着層とが同じ熱膨張率であると、接着層にクラックが発生し易いことが判明した。 On the other hand, cracks occurred in the adhesive layer of the heat exchanger in Comparative Example 1, and it was found that cracks are likely to occur in the adhesive layer when the honeycomb structure and the adhesive layer have the same thermal expansion coefficient.
10、110 第1のハニカム構造体
11、21 ハニカムセグメント
12、22、112、122 隔壁
13、23、113、123 セル
18、118 接着層
20、120 第2のハニカム構造体
31a、31b、32、131a、131b、132 コート層
34、134 開口部
34a、134a 角部
41 ガソリンエンジン
42 排気管
43 主排気管
44 排ガス再循環配管(EGR管)
45 自動弁
46 改質用燃料噴射装置
48 ポート式燃料噴射装置
49 吸入用配管
50 保持マット
51 マット
51a 凸部
51b 凹部
51c、51d、51e、51f、51g、51h マット開口部
60 改質器
100、200 熱交換器
300 ガソリンエンジンシステム
45
Claims (9)
前記熱交換器は、両端面に前記第1流通路が開口し、外周面に前記第2流通路が開口し、
前記外周面に形成された前記第2のハニカム構造体の開口部を除き、他の部分はコート層で被覆されており、
前記第1のハニカム構造体及び前記第2のハニカム構造体の熱膨張係数をC1、前記接着層の熱膨張係数をC2、前記コート層の熱膨張係数をC3とした際、C1<C2≦C3を満たすことを特徴とする熱交換器。 A columnar heat exchanger comprising a first honeycomb structure in which a number of cells serving as first fluid flow passages are arranged in parallel in the longitudinal direction with partition walls therebetween, and a second honeycomb structure in which a number of cells serving as second fluid flow passages are arranged in parallel in the longitudinal direction with partition walls therebetween, the first flow passages and the second flow passages being combined via an adhesive layer such that the first flow passages and the second flow passages are perpendicular to each other,
The heat exchanger has the first flow passage opening at both end surfaces and the second flow passage opening at an outer circumferential surface,
Except for the opening of the second honeycomb structure formed on the outer peripheral surface, other portions are covered with a coating layer,
A heat exchanger characterized in that, when the thermal expansion coefficients of the first honeycomb structure and the second honeycomb structure are C1, the thermal expansion coefficient of the adhesive layer is C2, and the thermal expansion coefficient of the coating layer is C3, C1 < C2 ≦ C3 is satisfied.
前記熱膨張係数C1は、2.80~4.50×10-6 K -1 、前記熱膨張係数C2及び前記熱膨張係数C3は、3.05~4.75×10-6 K -1 である請求項1に記載の熱交換器。 (correction)
2. The heat exchanger according to claim 1, wherein the thermal expansion coefficient C1 is 2.80 to 4.50×10 −6 K −1 , and the thermal expansion coefficients C2 and C3 are 3.05 to 4.75×10 −6 K −1 .
C2-C1≧0.05×10-6・・・(1) 3. The heat exchanger according to claim 1, wherein a difference between the thermal expansion coefficient C3 and the thermal expansion coefficient C1 is expressed by the following inequality (1).
C2-C1≧0.05×10 -6 ...(1)
前記第2のハニカム構造体には、内燃機関より排出され、主排気管を流通する排ガスが通過するように構成され、前記第1のハニカム構造体には、隔壁に改質用の触媒が担持され、前記主排気管より分岐した排ガス再循環配管に流入した排ガスが通過するように構成されていることを特徴とする改質器。 A reformer comprising the heat exchanger according to any one of claims 1 to 7,
A reformer characterized in that the second honeycomb structure is configured to allow exhaust gas emitted from an internal combustion engine and flowing through a main exhaust pipe to pass therethrough, and the first honeycomb structure has a reforming catalyst supported on its partition walls and is configured to allow exhaust gas that flows into an exhaust gas recirculation piping branched off from the main exhaust pipe to pass therethrough.
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