JP7217654B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関する。

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。

こ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。
特許文献１には、第１流体（例えば、排ガス）が流通可能な複数のセルを有するハニカム構造体として形成された集熱部と、集熱部の外周面を覆うように配置され、集熱部との間に第２流体（例えば、冷却水）が流通可能なケーシングとを有する熱交換器が提案されている。
しかしながら、特許文献１の熱交換器は、第１流体から第２流体に排熱を常時回収する構造となっているため、排熱を回収する必要がない場合（熱交換が必要でない場合）にも排熱を回収してしまうことがあった。そのため、排熱を回収する必要がない場合に回収された排熱を放出するためのラジエータの容量を大きくする必要があった。

一方、特許文献２には、エンジンからの排気ガスを車両後方側へ流通させる内管と；前記内管の外周に前記内管の軸方向に沿って配置され、前記内管の後端部よりも車両後方側に延出された外管と；前記内管の後端部を開閉するバルブと；前記内管の内部に対して車両後方側へ向かって開口する流入口を有し、前記内管の内部から前記流入口を通じて流入した排気ガスを車両前方側へ流通させ、該排気ガスを前記内管に形成された孔を通じて前記内管の径方向外側へ導く第一絞り部と；前記内管と前記外管との間に形成され、前記孔を通じて前記内管の径方向外側へ導かれた排気ガスを、前記内管の径方向外側で車両後方側へ流通させる流路と；前記内管の径方向外側に配置され、前記流路を流通する排気ガスと冷媒との間で熱交換する熱交換部と；前記流路における前記熱交換部よりも流通方向下流側に設けられた第二絞り部とを備える熱交換器（排気熱回収器）が提案されている。

特許文献２の熱交換器は、バルブの開閉によって熱回収（熱交換）の促進と抑制との切替えを行うことができる。特に、この熱交換器は、第一絞り部及び第二絞り部を設けているため、熱回収抑制時には、内管の後端部を開放する（バルブを開とする）ことにより、内管から熱交換部へ排気ガスが流入し難くなる結果として熱遮断性能を高めることができる。

特開２０１２－０３７１６５号公報 特開２０１８－１１９４１８号公報

しかしながら、本発明者らの検討の結果、特許文献２の熱交換器は、第一絞り部及び第二絞り部を設けているため、熱回収促進時に内管の後端部を閉鎖する場合（バルブを閉とする場合）にも内管から熱交換部へ排気ガスが流入し難く、熱回収効性能が低下すると共に圧力損失が増大し易いという課題があることがわかった。
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、熱回収促進時には圧力損失に影響を与えることなく熱回収効性能を向上させ、熱回収抑制時には熱遮断性能を向上させることが可能な熱交換器を提供することを目的とする。

本発明者らは、熱交換器の構造について鋭意研究を行った結果、特定の構造を有する熱交換器とすることにより、上記の問題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、流入端面から流出端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁、内周壁及び外周壁を有する中空型の柱状ハニカム構造体と、
前記柱状ハニカム構造体の外周壁と接するように配置された第１外筒と、
前記第１流体の流入口及び流出口を有し、外周面の一部が前記柱状ハニカム構造体の前記内周壁と接するように配置された第１内筒と、
前記第１内筒とは別の内筒である第２内筒であって、前記第１流体の流入口及び流出口を有し、前記流出口が前記柱状ハニカム構造体の前記内周壁の径方向内側に間隔をおいて配置された第２内筒と、
前記第１内筒の前記流出口側に配置された開閉バルブと
を備え、
前記第１内筒の前記流入口が、前記柱状ハニカム構造体の軸方向において、前記流出端面よりも前記流入端面側に位置し、
前記第２内筒の前記流出口が、前記柱状ハニカム構造体の軸方向において、前記流入端面よりも前記流出端面側に位置し、
前記第２内筒の前記流出口の径が、前記第１内筒の前記流入口の径よりも小さく、
前記第１内筒と前記第２内筒との間に前記第１流体の流路（ただし、前記第１内筒又は前記第２内筒に形成された貫通孔ではない）が形成されている、熱交換器である。

本発明によれば、熱回収促進時には圧力損失に影響を与えることなく熱回収効性能を向上させ、熱回収抑制時には熱遮断性能を向上させることが可能な熱交換器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。 図１の熱交換器におけるａ－ａ’線の断面図である。 本発明の実施形態に係る別の熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。 本発明の実施形態に係る別の熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。 本発明の実施形態に係る別の熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。 本発明の実施形態に係る別の熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。

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。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器の第１流体の流通方向に平行な断面図である。また、図２は、図１の熱交換器におけるａ－ａ’線の断面図である。
図１に示されるように、本発明の実施形態に係る熱交換器１００は、中空型の柱状ハニカム構造体１０（以下、「柱状ハニカム構造体」と略すことがある）と、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１４と接するように配置された第１外筒２０と、外周面の一部が柱状ハニカム構造体１０の内周壁１３と接するように配置された第１内筒３０と、流出口４１ｂが柱状ハニカム構造体１０の内周壁１３の径方向内側に間隔をおいて配置された第２内筒４０と、第１内筒３０の流出口３１ｂ側に配置された開閉バルブ５０とを備えている。

中空型の柱状ハニカム構造体１０は、流入端面１０ａから流出端面１０ｂまで延びる第１流体の流路となる複数のセル１１を区画形成する隔壁１２、内周壁１３及び外周壁１４を有する。
ここで、本明細書において「中空型の柱状ハニカム構造体１０」とは、第１流体の流路方向に垂直な中空型の柱状ハニカム構造体の断面において、中心部に中空領域を有する柱状ハニカム構造体を意味する。
中空型の柱状ハニカム構造体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。
また、中空型の柱状ハニカム構造体１０における中空領域の形状についても、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。
なお、中空型の柱状ハニカム構造体１０の形状と、中空領域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。

セル１１の形状としては、特に限定されず、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面において、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、又はその他の多角形などとすることができる。また、セル１１は、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面において、放射状に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１１を流通する第１流体の熱を中空型の柱状ハニカム構造体１０の外部に効率良く伝達することができる。

隔壁１２の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．１～１ｍｍ、より好ましくは０．２～０．６ｍｍである。隔壁１２の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、中空型の柱状ハニカム構造体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などの問題を抑制することができる。

内周壁１３及び外周壁１４の厚みは、特に限定されないが、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）が起こり易い内周壁１３及び外周壁１４の強度を高めることができる。
なお、内周壁１３及び外周壁１４の厚みは、特に限定されず、用途などに応じて適宜調整すればよい。例えば、内周壁１３及び外周壁１４の厚みは、熱交換器１００を一般的な熱交換用途に用いる場合は、好ましくは０．３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ～５ｍｍ、さらに好ましくは１ｍｍ～３ｍｍである。また、熱交換器１００を蓄熱用途に用いる場合は、外周壁１４の厚みを１０ｍｍ以上として外周壁１４の熱容量を増大させてもよい。

隔壁１２、内周壁１３及び外周壁１４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、全成分の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。

隔壁１２、内周壁１３及び外周壁１４の気孔率は、特に限定されないが、好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは３％以下である。また、隔壁１２、内周壁１３及び外周壁１４の気孔率は０％であってもよい。隔壁１２、内周壁１３及び外周壁１４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。

隔壁１２、内周壁１３及び外周壁１４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。このような材料としては、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、及びＳｉＣなどが挙げられる。これらの中でも、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を用いることが好ましい。

第１流体の流路方向に垂直な中空型の柱状ハニカム構造体１０の断面におけるセル密度（すなわち、単位面積当たりのセル１１の数）は、特に限定されないが、好ましくは４～３２０セル／ｃｍ²である。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、ひいては中空型の柱状ハニカム構造体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抑制することができる。

中空型の柱状ハニカム構造体１０のアイソスタティック強度は、特に限定されないが、好ましくは１００ＭＰａ以上、より好ましくは１５０ＭＰａ以上、さらに好ましくは２００ＭＰａ以上である。中空型の柱状ハニカム構造体１０のアイソスタティック強度を１００ＭＰａ以上とすることにより、中空型の柱状ハニカム構造体１０の耐久性を向上させることができる。中空型の柱状ハニカム構造体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。

第１流体の流路方向に垂直な方向の断面における外周壁１４の直径（外径）は、特に限定されないが、好ましくは２０～２００ｍｍ、より好ましくは３０～１００ｍｍである。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１４が円形でない場合には、外周壁１４の断面形状に内接する最大内接円の直径を、外周壁１４の直径とする。
また、第１流体の流路方向に垂直な方向の断面における内周壁１３の直径は、特に限定されないが、好ましくは１～５０ｍｍ、より好ましくは２～３０ｍｍである。内周壁１３の断面形状が円形でない場合には、内周壁１３の断面形状に内接する最大内接円の直径を、内周壁１３の直径とする。

中空型の柱状ハニカム構造体１０の熱伝導率は、特に限定されないが、２５℃において、好ましくは５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、より好ましくは１００～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、さらに好ましくは１２０～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。中空型の柱状ハニカム構造体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、中空型の柱状ハニカム構造体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）により測定した値を意味する。

中空型の柱状ハニカム構造体１０のセル１１に、第１流体として排ガスを流す場合、中空型の柱状ハニカム構造体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共に、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。

触媒（触媒金属＋担持体）の担持量としては、特に限定されないが、好ましくは１０～４００ｇ／Ｌである。また、貴金属を含む触媒を用いる場合、その担持量は、特に限定されないが、好ましくは０．１～５ｇ／Ｌである。触媒（触媒金属＋担持体）の担持量を１０ｇ／Ｌ以上とすることにより、触媒作用が発現し易くなる。また、触媒（触媒金属＋担持体）の担持量４００ｇ／Ｌ以下とすることにより、圧力損失と共に製造コストの上昇を抑えることができる。担持体とは、触媒金属が担持される担体のことである。担持体としては、アルミナ、セリア、及びジルコニアからなる群より選択される少なくとも一種を含有するものを用いることができる。

第１外筒２０は、筒状部材であり、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１４と接するように配置される。
第１外筒２０の軸方向は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向と一致し、第１外筒２０の中心軸は柱状ハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。また、第１外筒２０の径（外径及び内径）は、軸方向にわたって一様であってよいが、少なくとも一部（例えば、軸方向両端部など）が縮径又は拡径していてもよい。
第１外筒２０としては、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１４と接するものであれば特に限定されない。例えば、第１外筒２０として、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１４に嵌合して柱状ハニカム構造体１０の外周壁１４を周回被覆する筒状部材を用いることができる。

ここで、本明細書において、「嵌合」とは、柱状ハニカム構造体１０と第１外筒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、柱状ハニカム構造体１０と第１外筒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、柱状ハニカム構造体１０と第１外筒２０とが相互に固定されている場合なども含まれる。

第１外筒２０は、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１４に対応した内周面形状を有することが好ましい。第１外筒２０の内周面が柱状ハニカム構造体１０の外周壁１４に直接接触することで、熱伝導性が良好となり、柱状ハニカム構造体１０内の熱を第１外筒２０に効率良く伝達することができる。

熱回収効率を高めるという観点からは、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１４の全面積に対する、第１外筒２０によって周回被覆される柱状ハニカム構造体１０の外周壁１４の部分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、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上、さらに好ましくは１００％（すなわち、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１４の全部が第１外筒２０によって周回被覆される。）である。
なお、ここでいう「外周壁１４」とは、柱状ハニカム構造体１０の第１流体の流路方向に平行な面を指し、柱状ハニカム構造体１０の第１流体の流路方向と垂直な面（流入端面１０ａ及び流出端面１０ｂ）は含まれない。

第１外筒２０の材料は、特に限定されないが、製造性の観点から金属であることが好ましい。また、第１外筒２０が金属製であると、後述する第２外筒６０との溶接が容易に行える点でも優れている。第１外筒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。

第１外筒２０の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．３ｍｍ以上、さらに好ましくは０．５ｍｍ以上である。第１外筒２０の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、耐久信頼性を確保することができる。また、第１外筒２０の厚みは、好ましくは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。第１外筒２０の厚みを１０ｍｍ以下とすることにより、熱抵抗を低減して熱伝導性を高めることができる。

第１内筒３０は、第１流体の流入口３１ａ及び流出口３１ｂを有する筒状の部材である。
第１内筒３０の軸方向は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向と一致し、第１内筒３０の中心軸は柱状ハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。また、第１内筒３０の径（外径及び内径）は、軸方向にわたって一様であってよいが、少なくとも一部（例えば、流出口３１ｂ周辺）が縮径又は拡径していてもよい。
第１内筒３０は、柱状ハニカム構造体１０の内周壁１３に収容され得るものであれば特に限定されない。例えば、第１内筒３０として、外周面の一部が柱状ハニカム構造体１０の内周壁１３と接する筒状部材を用いることができる。

ここで、第１内筒３０の外周面の一部と柱状ハニカム構造体１０の内周壁１３とは直接的に接していてもよく、他の部材を介して間接的に接していてもよい。
第１内筒３０の外周面の一部と柱状ハニカム構造体１０の内周壁１３とは、相互に嵌まり合った状態で固定されている。固定方法としては、特に限定されないが、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、拡散接合などを用いることができる。

第１内筒３０の流入口３１ａは、柱状ハニカム構造体１０の軸方向において、流出端面１０ｂよりも流入端面１０ａ側に位置している。このような位置に第１内筒３０の流入口３１ａを設けることにより、柱状ハニカム構造体１０の内周壁１３に第１内筒３０を固定することができると共に、熱回収抑制時の第１流体の流路を確保することができる。
また、第１内筒３０の流入口３１ａは、柱状ハニカム構造体１０の軸方向において、流入端面１０ａよりも流出端面１０ｂ側に位置していることが好ましい。すなわち、第１内筒３０の流入口３１ａが、柱状ハニカム構造体１０の軸方向において、流入端面１０ａから流出端面１０ｂまでの間に位置することが好ましい。このような位置に第１内筒３０の流入口３１ａを設けることにより、熱回収促進時に第１流体の流路が狭くなることを抑制することができるため、圧力損失が上昇し難くなる。

第１内筒３０の材料は、特に限定されないが、製造性の観点から金属であることが好ましい。第１内筒３０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。

第１内筒３０の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．３ｍｍ以上、さらに好ましくは０．５ｍｍ以上である。第１内筒３０の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、耐久信頼性を確保することができる。また、第１内筒３０の厚みは、好ましくは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。第１内筒３０の厚みを１０ｍｍ以下とすることにより、熱交換器１００を軽量化することができる。

第２内筒４０は、第１流体の流入口４１ａ及び流出口４１ｂを有する筒状の部材である。第２内筒４０の軸方向は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向と一致し、第２内筒４０の中心軸は柱状ハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。
第２内筒４０は、流出口４１ｂが柱状ハニカム構造体１０の内周壁１３の径方向内側に間隔をおいて配置することができるものであれば特に限定されない。例えば、第２内筒４０として、流出口４１ｂの外径が柱状ハニカム構造体１０の内周壁１３の内径よりも小さな外径を有する筒状部材を用いることができる。

第２内筒４０の流出口４１ｂの径は、第１内筒３０の流入口３１ａの径よりも小さい。このような構成とすることにより、第１内筒３０と第２内筒４０とが接触せず、第２内筒４０と第１内筒３０との間に形成される第１流体の流路を確保することができる。
第２内筒４０の流出口４１ｂの径（外径）と第１内筒３０の流入口３１ａの径（内径）との差は、特に限定されないが、好ましくは１～２０ｍｍ、より好ましくは８～１０ｍｍである。このような範囲に径の差を制御することにより、熱回収促進時に圧力損失が増大することを抑制することができる。

第２内筒４０の径（外径及び内径）は、軸方向にわたって一様であってよいが、少なくとも一部（例えば、流入口４１ａ周辺）が縮径又は拡径していてもよい。例えば、図３に示されるように、第２内筒４０は、流入口４１ａの径が流出口４１ｂの径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、圧力損失の増大を抑制することができる。

第２内筒４０の流出口４１ｂは、柱状ハニカム構造体１０の軸方向において、流入端面１０ａよりも流出端面１０ｂ側に位置している。このような位置に第２内筒４０の流出口４１ｂを設けることにより、柱状ハニカム構造体１０に向かう第１流体の流路方向が、第２内筒４０内を第１流体が流れる方向とは逆になる。そのため、熱回収抑制時には、第２内筒４０の流出口４１ｂを出た第１流体は、第１内筒３０の流入口３１ａに流入し易くなると共に、柱状ハニカム構造体１０に流入し難くなる結果、熱遮断性能を向上させることができる。

第２内筒４０の流出口４１ｂは、図４に示されるように、第１内筒３０の軸方向において、第１内筒３０の流入口３１ａよりも流出口３１ｂ側に位置していてもよい。このような位置に第２内筒４０の流出口４１ｂを設けることにより、第２内筒４０内を第１流体が流れる方向とは逆の第１流体の流通経路が長くなる。そのため、熱遮断性能の向上効果をより一層向上させることができる。

第２内筒４０の流出口４１ｂは、図４に示されるように、柱状ハニカム構造体１０の軸方向において、柱状ハニカム構造体１０の流出端面１０ｂを超えて延在していてもよい。このような位置に第２内筒４０の流出口４１ｂを設けることにより、第２内筒４０内を第１流体が流れる方向とは逆の第１流体の流通経路が長くなる。そのため、熱遮断性能の向上効果をより一層向上させることができる。

第２内筒４０は、図５に示されるように、流出口４１ｂ側の外周面に、第２内筒４０の軸方向に沿って延在する溝４２が形成されていてもよい。溝４２は、第２内筒４０の周方向全体に設けられていることが好ましい。このような溝４２を設けることにより、熱遮断性能の効果をより一層向上させることができる。

第２内筒４０は、図６に示されるように、流出口４１ｂ側に、第２内筒４０の径方向に貫通する貫通孔４３が形成されていてもよい。貫通孔４３は、第２内筒４０の周方向全体に設けられていることが好ましい。このような貫通孔４３を設けることにより、熱遮断性能の効果をより一層向上させることができる。

第２内筒４０の固定方法としては、特に限定されないが、例えば、フロントカバー７０などに固定すればよい。ここで、フロントカバー７０は、筒状を有し、軸方向一端が後述する第２外筒６０の外周面に固定され、軸方向他端が第２内筒４０の外周面に固定される。固定方法としては、特に限定されないが、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、拡散接合などを用いることができる。

第２内筒４０の材料は、特に限定されないが、製造性の観点から金属であることが好ましい。第２内筒４０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。

第２内筒４０の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．３ｍｍ以上、さらに好ましくは０．５ｍｍ以上である。第２内筒４０の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、耐久信頼性を確保することができる。また、第２内筒４０の厚みは、好ましくは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。第２内筒４０の厚みを１０ｍｍ以下とすることにより、熱交換器１００を軽量化することができる。

開閉バルブ５０は、第１内筒３０の流出口３１ｂ側に配置される。開閉バルブ５０は、熱交換時（熱回収促進時）に第１内筒３０の内側における第１流体の流れを遮断可能に構成される。また、開閉バルブ５０は、非熱交換時（熱回収抑制時）に第１内筒３０の内側における第１流体の流れを開放可能に構成される。すなわち、開閉バルブ５０は、熱回収促進時に閉状態とすることにより、柱状ハニカム構造体１０に第１流体を流通させることができ、熱回収抑制時に開状態とすることにより、第１内筒３０内に第１流体を流通させることができる。

開閉バルブ５０の形状及び構造は、特に限定されず、開閉バルブ５０が設けられる第１内筒３０の形状などに応じて適切なものを選択すればよい。

本発明の実施形態に係る熱交換器１００は、第１外筒２０の径方向外側に間隔をおいて配置され、第１外筒２０との間を第２流体が流通可能な第２外筒６０を更に備えることができる。
第２外筒６０は、筒状の部材である。第２外筒６０の軸方向は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向と一致し、第２外筒６０の中心軸は柱状ハニカム構造体１０の中心軸と一致することが好ましい。

第２外筒６０は、第２流体を第２外筒６０と第１外筒２０との間の領域に供給するための供給管６１、及び第２流体を第２外筒６０と第１外筒２０との間の領域から排出するための排出管６２に接続されていることが好ましい。供給管６１及び排出管６２は、柱状ハニカム構造体１０の軸方向両端部に対応する位置に設けられていることが好ましい。
また、供給管６１及び排出管６２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。

第２外筒６０は、軸方向両端部の内周面が第１外筒２０の外周面と直接的又は間接的に接するように配置されていることが好ましい。
第２外筒６０の軸方向両端部の内周面を第１外筒２０の外周面に固定する方法としては、特に限定されないが、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、拡散接合などを用いることができる。

第２外筒６０の径（外径及び内径）は、軸方向にわたって一様であってよいが、少なくとも一部（例えば、軸方向中央部、軸方向両端部など）が縮径又は拡径していてもよい。例えば、第２外筒６０の軸方向中央部を縮径させることにより、供給管６１及び排出管６２側の第２外筒６０内で第２流体を第１外筒２０の外周方向全体に行き渡らせることができる。そのため、軸方向中央部で熱交換に寄与しない第２流体が低減するため、熱交換効率を向上させることができる。

第２外筒６０の材料は、特に限定されないが、製造性の観点から、金属であることが好ましい。第２外筒６０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。

第２外筒６０の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．３ｍｍ以上、さらに好ましくは０．５ｍｍ以上である。第２外筒６０の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、耐久信頼性を確保することができる。また、第２外筒６０の厚みは、好ましくは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。第２外筒６０の厚みを１０ｍｍ以下とすることにより、熱交換器１００を軽量化することができる。

第２外筒６０は、軸方向一端の外周面が上述したフロントカバー７０の内周面と固定され、軸方向他端の外周面がバックカバー８０の内周面と固定されることが好ましい。このような構成とすることにより、熱交換器１００への第１流体の流入と流出とを確保することができる。固定方法としては、特に限定されないが、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、拡散接合などを用いることができる。

熱交換器１００に用いられる第１流体及び第２流体としては、特に限定されず、種々の液体及び気体を利用することができる。例えば、熱交換器１００が自動車に搭載される場合、第１流体として排ガスを用いることができ、第２流体として水又は不凍液（ＪＩＳ Ｋ２２３４：２００６で規定されるＬＬＣ）を用いることができる。また、第１流体は、第２流体よりも高温の流体とすることができる。

上記のような構造を有する熱交換器１００は、当該技術分野において公知の方法に準じて製造することができる。例えば、熱交換器１００は、以下に説明する製造方法に従って行うことができる。
まず、セラミックス粉末を含む坏土を所望の形状に押し出し、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１１の形状及び密度、隔壁１２、内周壁１３及び外周壁１４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、前述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、水及び／又は有機溶媒とを加え、得られた混合物を混練して坏土とし、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、隔壁１２により区画形成されたセル１１を有する中空型の柱状ハニカム構造体１０を得ることができる。

次に、中空型の柱状ハニカム構造体１０を第１外筒２０内に挿入し、所定の位置で固定する。次に、第２外筒６０を所定の位置に配置し、第２外筒６０の軸方向両端部の内周面を第１外筒２０の軸方向両端部の外周面に固定する。次に、第１内筒３０を所定の位置に配置し、第１内筒３０の流入口３１ａ側の外周面を中空型の柱状ハニカム構造体１０の内周壁１３に固定する。次に、フロントカバー７０及びバックカバー８０を所定の位置に配置し、フロントカバー７０及びバックカバー８０の内周面を第２外筒６０の外周面に固定する。次に、第２内筒４０を所定の位置に配置し、第２内筒４０の外周面をフロントカバー７０の内周面に固定する。次に、第１内筒３０の流出口３１ｂ側に開閉バルブ５０を取り付ける。
なお、供給管６１及び排出管６２は、第２外筒６０に予め固定しておいてもよいが、適切な段階で第２外筒６０に固定してもよい。また、各部材の配置及び固定の順番は上記に限定されず、製造可能な範囲で適宜変更してもよい。また、固定方法は、上述した方法を用いればよい。

本発明の実施形態に係る熱交換器１００は、熱回収抑制時に、柱状ハニカム構造体１０に向かう第１流体の流路方向が、第２内筒４０内を第１流体が流れる方向とは逆になるように構成しているため、第１流体が、柱状ハニカム構造体１０に流入し難くなり、熱遮断性能を向上させることができる。一方、熱回収促進時には、第１流体の流路が狭くならないように構成しているため、第１流体が、柱状ハニカム構造体１０に流入し易くなり、圧力損失に影響を与えることなく熱回収効性能を向上させることができる。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

＜中空型の柱状ハニカム構造体の作製＞
ＳｉＣ粉末を含む坏土を所望の形状に押出成形した後、乾燥させ、所定の外形寸法に加工し、Ｓｉ含浸焼成することによって、中空型の柱状ハニカム構造体を製造した。中空型の柱状ハニカム構造体は、外径を７５ｍｍ、中空領域の径を５７ｍｍ、第１流体の流路方向の長さを３３ｍｍ、隔壁の厚さを０．３ｍｍ、内周壁の厚さを１．５ｍｍ、外周壁の厚さを１．５ｍｍに設定した。また、中空型の柱状ハニカム構造体は、隔壁、内周壁及び外周壁の気孔率を１％、セル密度を３００セル／ｃｍ²、アイソスタティック強度を１５０ＭＰａ、２５℃における熱伝導率を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）に設定した。

＜熱交換器の作製＞
（実施例１）
上記で作製した中空型の柱状ハニカム構造体を用い、図１及び２に示される構造を有する熱交換器を上述の方法によって作製した。熱交換器の各部材は、ステンレス製とし、それらの厚さは１～１．５ｍｍとした。第２内筒の流出口の径（外径）と第１内筒の流入口の径（内径）との差は、１０ｍｍとした。
（比較例１）
上記で作製した中空型の柱状ハニカム構造体を用い、国際公開第２０１７／０６９２６５号に記載の構造を有する熱交換器を作製した。

上記の実施例及び比較例で得られた熱交換器について、熱回収促進時及び熱回収抑制時の熱回収効率及び圧力損失を評価した。圧力損失及び熱回収効率は、次のようにして評価を行った。

（熱回収効率）
第１流体として空気、第２流体として水を用いた。第２内筒には、４００℃（Ｔｇ１）の空気を２０ｇ／ｓｅｃ（Ｍｇ）の流量で供給し、第１外筒と第２外筒との間には、供給管から水を１６６ｇ／ｓｅｃ（Ｍｗ）の流量で供給し、排出管から熱交換後の水を回収した。上記の各条件にて、熱交換器に対して空気及び水の供給を開始してから５分間通過させた直後に、熱交換器の供給管における水の温度（Ｔｗ１）及び排出管における水の温度（Ｔｗ２）を測定し、熱回収効率を求めた。ここで、水によって回収される熱量Ｑは次式で表される。
Ｑ（ｋＷ）＝ΔＴｗ×Ｃｐｗ×Ｍｗ
式中、ΔＴｗ＝Ｔｗ２－Ｔｗ１、Ｃｐｗ（水の比熱）＝４１８２Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）とした。
また、熱交換器による熱回収効率ηは次式で表される。
η（％）＝Ｑ／｛（Ｔｇ１－Ｔｗ１）×Ｃｐｇ×Ｍｇ｝×１００
式中、Ｃｐｇ（空気の比熱）＝１０５０Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）とした。

（圧力損失）
上述した熱回収効率の熱交換試験において、熱交換器の前後に位置する空気の流路内に、それぞれ圧力計を配置して圧力を測定した。これらの測定した圧力の差を、熱交換器内を流れる空気の圧力損失とした。なお、圧力は、熱交換器に対して空気及び水の供給を開始してから５分間通過させた直後の測定値である。
上記の評価結果を表１に示す。

表１に示されるように、実施例１の熱交換器は、比較例１の熱交換器に比べて、熱回収促進時には圧力損失が小さいと共に熱回収効率が高く、また、熱回収抑制時には熱回収効率が低かった。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、熱回収促進時には圧力損失に影響を与えることなく熱回収効性能を向上させ、熱回収抑制時には熱遮断性能を向上させることが可能な熱交換器を提供することができる。

１０ 柱状ハニカム構造体
１０ａ 流入端面
１０ｂ 流出端面
１１ セル
１２ 隔壁
１３ 内周壁
１４ 外周壁
２０ 第１外筒
３０ 第１内筒
３１ａ 流入口
３１ｂ 流出口
４０ 第２内筒
４１ａ 流入口
４１ｂ 流出口
５０ 開閉バルブ
６０ 第２外筒
６１ 供給管
６２ 排出管
７０ フロントカバー
８０ バックカバー
１００ 熱交換器

Claims (8)

1. 流入端面から流出端面まで延びる第１流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁、内周壁及び外周壁を有する中空型の柱状ハニカム構造体と、
   前記柱状ハニカム構造体の外周壁と接するように配置された第１外筒と、
   前記第１流体の流入口及び流出口を有し、外周面の一部が前記柱状ハニカム構造体の前記内周壁と接するように配置された第１内筒と、
   前記第１内筒とは別の内筒である第２内筒であって、前記第１流体の流入口及び流出口を有し、前記流出口が前記柱状ハニカム構造体の前記内周壁の径方向内側に間隔をおいて配置された第２内筒と、
   前記第１内筒の前記流出口側に配置された開閉バルブと
   を備え、
   前記第１内筒の前記流入口が、前記柱状ハニカム構造体の軸方向において、前記流出端面よりも前記流入端面側に位置し、
   前記第２内筒の前記流出口が、前記柱状ハニカム構造体の軸方向において、前記流入端面よりも前記流出端面側に位置し、
   前記第２内筒の前記流出口の径が、前記第１内筒の前記流入口の径よりも小さく、
   前記第１内筒と前記第２内筒との間に前記第１流体の流路（ただし、前記第１内筒又は前記第２内筒に形成された貫通孔ではない）が形成されている、熱交換器。
2. 前記第１外筒の径方向外側に間隔をおいて配置され、前記第１外筒との間を第２流体が流通可能な第２外筒を更に備える請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記開閉バルブは、熱交換時に前記第１内筒の内側における前記第１流体の流れを遮断可能に構成されている、請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記第２内筒の前記流出口側の外周面に、前記第２内筒の軸方向に沿って延在する溝が形成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記第２内筒の前記流出口側に、前記第２内筒の径方向に貫通する貫通孔が形成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記第２内筒は、前記流入口の径が前記流出口の径よりも大きい、請求項１～５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 前記第２内筒の前記流出口が、前記第１内筒の軸方向において、前記第１内筒の前記流入口よりも前記流出口側に位置している、請求項１～６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記第２内筒の前記流出口が、前記柱状ハニカム構造体の軸方向において、前記柱状ハニカム構造体の前記流出端面を超えて延在している、請求項１～７のいずれか一項に記載の熱交換器。

Images