热交换器的制作方法

本发明涉及热交换器。

背景技术：

如图14所示，专利文献1的热交换器40具备矩形筒状的周壁41、以及将周壁41的内部划分成沿着周壁41的轴向延伸的多个第1孔道42和多个第2孔道43的划分壁44。在与周壁41的轴向正交的截面中，第1孔道42和第2孔道43分别按照在纵向上成列的方式进行配置。具体地说，在从图14的纸面左侧起的第1列、第3列、第5列和第7列配置第1孔道42，在第2列、第4列、第6列和第8列配置第2孔道43。这样的热交换器40中，在第1孔道42中流通的第1流体和在第2孔道43中流通的第2流体之间进行热交换。

另外，在专利文献1的热交换器40中，使第2孔道43的流路截面积大于第1孔道42的流路截面积。并且，在热容量不同的流体间进行热交换的情况下，通过使热容量较小的第2流体在流路截面积大的第2孔道43中流通以使得热交换器40内存在更多的第2流体，可将热交换器40内的第1流体整体的热容量与第2流体整体的热容量组合，使热交换效率提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-140960号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

另外，图14所示的热交换器有时被用于尾气等气体与冷却水等液态载热体之间的热交换。这种情况下，气体的热经由热交换器的划分壁被传递至液态的载热体，但由于气体的热难以传递到划分壁，因此具有难以提高热交换器的热交换效率的课题。本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供热交换效率高的热交换器。

用于解决课题的手段

用于解决上述课题的本发明的热交换器具备筒状的周壁以及划分壁，该划分壁将上述周壁的内部划分成沿着上述周壁的轴向延伸的多个载热体流通孔道和多个气体流通孔道，在上述载热体流通孔道中流通的液态的载热体与在上述气体流通孔道中流通的气体之间进行热交换，该热交换器的要点在于，上述载热体流通孔道与上述气体流通孔道的个数比为1:3～1:6。

根据该构成，通过使气体流通孔道的个数相对于载热体流通孔道的个数为3倍以上，气体流通孔道的总流路截面积增大，通过气体流通孔道的气体的流速降低。由此，气体与划分壁的接触时间变长。此外，由于气体与划分壁的接触面积也增大，因此气体的热容易传递到划分壁。另外，通过使气体流通孔道的个数相对于载热体流通孔道的个数为6倍以下，能够利用在载热体流通孔道中流通的液态的载热体将划分壁整体冷却。通过将划分壁整体冷却，能够快速地传递气体的热。其结果，能够提高热交换器的热交换效率。

本发明的热交换器中，优选：上述周壁形成具有对置的一对第1侧壁和对置的一对第2侧壁的矩形筒状，上述载热体流通孔道和上述气体流通孔道在与上述周壁的轴向正交的截面中具备与上述第1侧壁平行地排列的多个载热体流通孔道列和多个气体流通孔道列；在沿着上述第2侧壁的方向上，在相邻的上述载热体流通孔道列彼此之间配置有3～6列的上述气体流通孔道列。根据该构成，通过将载热体流通孔道固定配置、以及对于大部分的气体流通孔道而言载热体流通孔道配置在一定范围内，由此容易形成划分壁整体冷却的状态，并且能够降低压力损失。

本发明的热交换器中，优选在上述周壁的同一面上设有与上述载热体流通孔道连通的载热体的流入口和流出口。根据该构成，通过将载热体的流入口和流出口设置在热交换器的一侧，能够减小在连接载热体流经的管等时的总容积。

本发明的热交换器中，优选多个上述载热体流通孔道分别具有相同的截面形状，并且多个上述气体流通孔道分别具有相同的截面形状。根据该构成，能够抑制由于截面形状不同而在气体流通孔道间产生热交换效率的偏差以及在载热体流通孔道间产生热交换效率的偏差，并且能够降低气体流通孔道的压力损失。

本发明的热交换器中，优选在与上述周壁的轴向正交的截面中，各个上述载热体流通孔道具有比各个上述气体流通孔道大的截面形状。由于在载热体流通孔道中流通的载热体为液态，因此与气体相比，在孔道中流通时的流通阻力大。根据该构成，能够使流通阻力高的载热体容易地流通。

本发明的热交换器中，优选上述划分壁包含碳化硅作为主成分。根据该构成，由于碳化硅在陶瓷材料中也是热导率高的材料，因此能够提高划分壁的热导率。由此，能够提高热交换器的热交换效率。

发明的效果

根据本发明，能够提高热交换效率。

附图说明

图1是热交换器的立体图。

图2是图1的2-2线截面图。

图3是图2的3-3线截面图。

图4是图2的4-4线截面图。

图5是成型工序的说明图。

图6是加工工序的说明图(第1加工的加工治具被插入到成型体中的状态的说明图)。

图7是加工工序的说明图(第1加工的加工治具被插入到成型体中并将其拔出后的说明图)。

图8是加工工序的说明图(第2加工的说明图)。

图9是脱脂工序的说明图。

图10是渗入工序的说明图。

图11是变更例的热交换器的正面图。

图12是示出模拟中的尺寸测定部位的示意图。

图13是基于模拟的温度分布图。

图14是现有技术的热交换器的截面图。

具体实施方式

以下对热交换器的一个实施方式进行说明。

如图1、图2所示，本实施方式的热交换器10具备矩形筒状的周壁11以及划分壁12，该划分壁12将周壁11的内部划分成沿着周壁11的轴向延伸的多个载热体流通孔道13a和多个气体流通孔道13b。矩形筒状的周壁11具有相互对置的一对纵侧壁11a(第1侧壁)、以及相互对置的一对横侧壁11b(第2侧壁)，按照与周壁11的轴向正交的截面的形状形成横长的长方形的方式来构成。

如图2所示，划分壁12在与周壁11的轴向正交的截面中包含与纵侧壁11a平行的划分壁12、以及与横侧壁11b平行的划分壁12，构成格子状的孔道结构。划分壁12所构成的孔道结构没有特别限定，例如可以为划分壁12的壁厚为0.1～0.5mm、孔道密度在每1cm²的与周壁11的轴向正交的截面中为15～93孔道的孔道结构。

如图3所示，载热体流通孔道13a为流通载热体的孔道，其两端部均利用密封部22进行密封。如图4所示，气体流通孔道13b为流通处理对象的气体的孔道，其两端部均开放。作为载热体没有特别限定，可以使用公知的液态的载热体。作为公知的载热体，例如可以举出冷却水(longlifecoolant(长效冷却液)：llc)、乙二醇等有机溶剂。作为处理对象的气体，例如可以举出内燃机的尾气。

如图2所示，在与周壁11的轴向正交的截面上，载热体流通孔道13a的截面形状与气体流通孔道13b的截面形状完全相同。

如图2所示，热交换器10具备仅载热体流通孔道13a与周壁11的纵侧壁11a平行地排列而成的多个载热体流通孔道列14a、以及仅气体流通孔道13b与纵侧壁11a平行地排列而成的气体流通孔道列14b。

此处，热交换器10中，载热体流通孔道13a与气体流通孔道13b的个数比被设定为特定范围。上述个数比(载热体流通孔道13a：气体流通孔道13b)为1:3～1:6，优选为1:4～1:5。

本实施方式中，通过载热体流通孔道列14a和气体流通孔道列14b的配置来调整上述个数比。即，在沿着周壁11的横侧壁11b的方向上，在相邻的载热体流通孔道列14a彼此之间配置多列气体流通孔道列14b，形成该配置重复而成的配置图案。并且，通过使配置在相邻的2个载热体流通孔道列14a之间的气体流通孔道列14b的数目为3～6列，上述个数比可成为1:3～1:6。另外，配置在相邻的2个载热体流通孔道列14a之间的气体流通孔道列14b的数目优选为4～5列。

如图1、图3所示，热交换器10中，在载热体流通孔道列14a中设有按照沿纵向延伸的方式形成的连通部15，连通部15贯穿将在纵向相邻的载热体流通孔道13a彼此进行划分的划分壁12，使构成载热体流通孔道列14a的孔道彼此相互连通。连通部15中的纵向的一侧(图3的上侧)的端部在周壁11(横侧壁11b)开口，并且其另一侧(图3的下侧)的端部在纵向上到达位于最靠另一侧的载热体流通孔道13a。即，连通部15均在周壁11的同一面开口，各连通部15延伸至位于最远离该连通部15的开口的位置的载热体流通孔道13a。热交换器10中，作为连通部15，具有设于作为热交换器10的轴向的一个端部的第1端部10a侧的第1连通部15a、以及设于作为热交换器10的轴向的另一端部的第2端部10b侧的第2连通部15b。

如图3所示，在热交换器10的内部形成由载热体流通孔道13a、第1连通部15a和第2连通部15b构成的载热体流路16，在热交换器10的周壁11形成的第1连通部15a的开口和第2连通部15b的开口分别起到作为载热体流路16的流入口或流出口的功能。另外，如图4所示，在热交换器10的内部形成有由气体流通孔道13b构成的气体流路17，轴向两端部10a、10b分别起到作为气体流路17的流入口或流出口的功能。上述构成的热交换器10可以在流动于载热体流路16的载热体与流动于气体流路17的气体之间藉由划分壁12进行热交换。

构成热交换器10的矩形筒状的周壁11、以及划分壁12的材料没有特别限定，可以使用公知的用于热交换器的材料，例如可以举出碳化硅、碳化钽、碳化钨等碳化物、氮化硅、氮化硼等氮化物。这些之中，包含碳化硅作为主成分的材料的热导率比其他陶瓷材料高，能够提高热交换效率，因而优选。此处，“主成分”是指50质量％以上。作为包含碳化硅作为主成分的材料，例如可以举出包含碳化硅颗粒和金属硅的材料。

接着，基于图5～图10对本实施方式的热交换器的一个制造方法进行说明。热交换器通过依次经历以下记载的成型工序、加工工序、脱脂工序、渗入工序来制造。

(成型工序)

作为热交换器的成型中使用的原料，制备含有碳化硅颗粒、有机粘结剂以及分散介质的粘土状的混合物。使用该粘土状的混合物成型出图5所示的成型体20。成型体20具备矩形筒状的周壁11、以及划分壁12，该划分壁12将周壁11的内部划分成沿着周壁11的轴向延伸的多个孔道13。该成型体20中包含的全部孔道13的两端呈开放状态。成型体20例如可通过挤出成型进行成型。对于所得到的成型体20进行使成型体20干燥的干燥处理。

(加工工序)

在加工工序中，进行在成型体中形成第1连通部和第2连通部的第1加工以及将成型体中的部分孔道的两端部密封的第2加工。

如图6所示，在第1加工中，例如使用使经加热的加工工具21与成型体接触的方法，除去成型体20中的周壁11和划分壁12的一部分，形成第1连通部15a和第2连通部15b。

具体地说，如图6所示，作为加工工具21，准备具有与第1连通部15a和第2连通部15b相对应的外形形状的插片(blade)。该插片由耐热性的金属(例如不锈钢)形成，其厚度被设定为不超过载热体流通孔道13a的宽度的厚度。接着，将插片进行加热以使其达到成型体20中包含的有机粘结剂烧失的温度。例如，有机粘结剂为甲基纤维素的情况下，将插片加热至400℃以上。

如图7所示，将经加热的插片从周向外侧插入到成型体20中，然后将其拔出，由此形成第1连通部15a和第2连通部15b。此时，经加热的插片与成型体20接触时，该接触部分中的包含在成型体20中的有机粘结剂燃烧而发生烧失。因此，插片相对于成型体20的插入阻力非常小，在插片插入时，在所插入的部分的周边部分不容易发生变形或破坏。另外，通过有机粘结剂发生烧失，所产生的加工屑的量减少。

如图8所示，在第2加工中，在成型体20中形成的多个孔道13中，对于构成载热体流通孔道13a的孔道13的两端部填充成型工序中使用的粘土状的混合物，形成将该孔道13的两端部密封的密封部22。然后，对于成型体20进行使密封部22干燥的干燥处理。

通过经历包括上述第1加工和第2加工的加工工序而得到加工成型体。第1加工和第2加工的顺序没有特别限定，也可以在进行第2加工之后进行第1加工。

(脱脂工序)

在脱脂工序中，通过对加工成型体进行加热而将加工成型体中包含的有机粘结剂烧失。由此可得到从加工成型体中除去了有机粘结剂的脱脂体。如图9所示，通过经历脱脂工序从加工成型体中除去了有机粘结剂的脱脂体30具有以碳化硅颗粒彼此接触的状态进行配置的骨架部分。

(渗入工序)

在渗入工序中，使金属硅渗入到构成脱脂体的各壁的内部。渗入工序中，在使金属硅的块与脱脂体接触的状态下加热至金属硅的熔点以上(例如1450℃以上)。由此，如图10所示，熔融的金属硅通过毛细管现象进入到构成脱脂体的骨架部分的颗粒间的间隙中，使金属硅渗入到该间隙中。

渗入工序的加热处理可以与脱脂工序的加热处理连续地进行。例如，可以在使金属硅的块与加工成型体接触的状态下通过在小于金属硅的熔点的温度进行加热而除去有机粘结剂、制成脱脂体，然后使加热温度升至金属硅的熔点以上，使熔融的金属硅渗入到脱脂体中。

通过经历上述的渗入工序可得到热交换器。

此处，本实施方式中，在脱脂工序以后的工序中进行特殊的温度管理。即，脱脂工序以后的工序在小于成型工序中使用的混合物中包含的碳化硅的烧结温度的温度下实施，使得加工成型体和脱脂体不会暴露于上述烧结温度以上的温度。因此，在脱脂工序中，在有机粘结剂能够烧失的温度以上、且小于上述烧结温度的温度下进行加热。同样地，在渗入工序中，在金属硅的熔点以上、且小于上述烧结温度的温度下进行加热。

接着对本实施方式的作用和效果进行叙述。

(1)热交换器的载热体流通孔道与气体流通孔道的个数比为1:3～1:6。通过使气体流通孔道的个数相对于载热体流通孔道的个数为3倍以上，气体流通孔道的总流路截面积增大，通过气体流通孔道的气体的流速降低。由此，气体与划分壁的接触时间变长。此外，由于气体与划分壁的接触面积也增大，因此气体的热容易传递到划分壁。另外，通过使气体流通孔道的个数相对于载热体流通孔道的个数为6倍以下，能够利用在载热体流通孔道中流通的液态的载热体将划分壁整体冷却。通过将划分壁整体冷却，能够快速地传递气体的热。其结果，能够提高热交换器的热交换效率。

(2)在相邻的载热体流通孔道列彼此之间配置有3～6列的气体流通孔道列。通过将载热体流通孔道固定配置、以及对于大部分的气体流通孔道而言载热体流通孔道配置在一定范围内，由此容易形成划分壁整体冷却的状态，并且能够降低压力损失。

(3)在周壁的同一面上设有与载热体流通孔道连通的载热体的流入口和流出口。通过将载热体的流入口和流出口设置在热交换器的一侧，能够减小在连接载热体流经的管等时的总容积。

(4)在与周壁的轴向正交的截面中，多个载热体流通孔道分别具有相同的截面形状，并且多个气体流通孔道分别具有相同的截面形状。因此，能够抑制由于截面形状不同而在气体流通孔道间产生热交换效率的偏差以及在载热体流通孔道间产生热交换效率的偏差。

(5)划分壁包含碳化硅作为主成分。由于碳化硅在陶瓷材料中也是热导率高的材料，因此通过使划分壁包含碳化硅作为主成分，能够提高划分壁的热导率。由此，能够提高热交换器的热交换效率。

(6)本实施方式的热交换器通过在上述的温度管理下进行制造，由此，碳化硅的颗粒以彼此接触的状态进行配置而形成骨架部分，在该骨架部分的间隙中填充金属硅而使形状得以保持。即，碳化硅的颗粒彼此形成不具有因烧结所致的结合部(颈部)的状态。由此，在热交换器的使用中，即使因内部的温度差而在划分壁的内部产生应变，也能够抑制在碳化硅的颗粒间的颈部产生龟裂。并且能够抑制龟裂藉由颈部发生扩展。

本实施方式也可以如下进行变更来实施。另外，还可以将上述实施方式的构成或下述变更例所示的构成适宜地组合来实施。

·本实施方式中为多个孔道列沿矩形筒状的周壁的纵向排列而成的构成，但孔道的排列并不限于纵向。也可以将热交换器以横向使用，使孔道的排列为横向。

·载热体流通孔道列并不限于仅载热体流通孔道进行排列的方式，也可以为80％以上的孔道由载热体流通孔道构成的方式。另外，气体流通孔道列并不限于仅气体流通孔道进行排列的方式，也可以为80％以上的孔道由气体流通孔道构成的方式。即，在载热体流通孔道列中可以以20％以下的比例包含气体流通孔道。另外，在气体流通孔道列中可以以20％以下的比例包含载热体流通孔道。

·周壁并不限于矩形筒状。也可以构成为圆筒状或截面为椭圆形的筒状。另外，划分壁并不限于划分壁彼此以约90°交叉的格子状。可以按照孔道的截面为菱形来构成，也可以按照该截面为四边形以外的多边形来构成。例如，划分壁可以按照具有截面六边形状来构成。在周壁不是矩形筒状的情况下、或者划分壁不是以约90°交叉的格子状的情况下，由周壁和划分壁形成的孔道的形状与其他孔道的形状可以不同。例如，在划分壁具有截面六边形状等的孔道的方式中，由周壁和划分壁形成的孔道的形状可以由截面五边形状、截面四边形状等形成。

·载热体流通孔道可以分别具有不同的截面形状。另外，气体流通孔道可以分别具有不同的截面形状。

·本实施方式中，周壁和划分壁由包含碳化硅作为主成分的材料构成，但并不限定于该方式。可以仅划分壁由包含碳化硅作为主成分的材料构成，也可以周壁和划分壁由包含碳化硅作为主成分的材料以外的材料构成。

·载热体流通孔道和气体流通孔道在与周壁的轴向正交的截面中的截面形状的尺寸可以不同。例如，如图11所示，载热体流通孔道13a可以使宽度方向的尺寸比气体流通孔道13b大来构成，可以按照截面形状增大的方式来构成。与气体相比，在载热体流通孔道中流通的液态的载热体在孔道中流通时的流通阻力大。因此，通过使各载热体流通孔道具有比各气体流通孔道大的截面形状，能够使载热体容易流通。例如，在图11所示的方式中，可以使宽度方向的尺寸在载热体流通孔道中为1.0～5.0mm、在气体流通孔道中为0.9～2.5mm。另外，载热体流通孔道也可以使宽度方向的尺寸比气体流通孔道小来构成。

·在相邻的载热体孔道列彼此之间配置3～6列气体流通孔道列的方式中，气体流通孔道列的数目在3～6列间可以不固定。即，气体流通孔道列的数目可以在3～6列间变动。

·只要载热体流通孔道与气体流通孔道的个数比为1:3～1:6，载热体流通孔道和气体流通孔道的配置并不限于在相邻的载热体孔道列彼此之间配置3～6列气体流通孔道列的方式。需要说明的是，与气体流通孔道的个数比为1:3～1:6时，例如在观察纵横4×7个的任意孔道集合的情况下，载热体流通孔道的个数为4～7。

实施例

以下对进一步具体化上述实施方式的实施例进行说明。

(实施例1)

首先制备下述组成的混合物。

平均粒径15μm的碳化硅的颗粒(大颗粒)：52.5质量份

平均粒径0.5μm的碳化硅的颗粒(小颗粒)：23.6质量份

甲基纤维素(有机粘结剂)：5.4质量份

甘油(润滑剂)：1.1质量份

聚氧化烯系化合物(增塑剂)：3.2质量份

水(分散介质)：11.5质量份

使用该混合物，成型出纵50mm、横100mm、具有长100mm、周壁的厚度0.3mm、划分壁的厚度0.25mm、孔道宽1.2mm的蜂窝结构的成型体。

接着，将加热至400℃的板状的治具插入到成型体的周壁中，形成第1连通部和第2连通部。另外，使用与上述混合物具有相同组成的粘土状的混合物，将规定的孔道密封，制作在相邻的载热体流通孔道之间具有4列气体流通孔道列的加工成型体。即，在加工成型体中，设载热体流通孔道与气体流通孔道的个数比为1:4。接着，将加工成型体在450℃加热5小时，由此得到除去了有机粘结剂的脱脂体。然后以在脱脂体上载置金属硅的板材20g的状态在真空下在1550℃加热7小时，由此渗入金属硅，得到实施例1的热交换器。

(评价试验)

对于实施例1的热交换器，通过模拟来评价载热体流通孔道与气体流通孔道的温度分布。另外，作为实施例2～4，将相邻的载热体流通孔道列之间的气体流通孔道列设定为3列、5列、6列，即将载热体流通孔道与气体流通孔道的个数比设定为1:3、1:5、1:6，除此以外在与实施例1相同的条件下评价温度分布。另外，作为比较例1、2，将相邻的载热体流通孔道列之间的气体流通孔道列设定为2列、8列，即将载热体流通孔道与气体流通孔道的个数比设定为1:2、1:8，除此以外在与实施例1相同的条件下评价温度分布。

(模拟条件)

模拟条件如下所示。关于孔道的尺寸，图12中示出了测定部位。

·孔道的纵宽t：1.2mm、孔道的横宽h：1.2mm、载热体流通孔道的长度：100mm、气体流通孔道的长度：100mm

·划分壁的厚度w：0.25mm、划分壁的热导率190w/m·k

·载热体的温度40℃、载热体的流量10l/min

·气体的温度400℃、气体的流量10g/sec

·模拟软件名：fluent(注册商标)(ansys公司制造)

图13中示出了模拟的结果。

图13的左侧的列中示出了热交换器的轴向中央侧(距轴向端部10mm)的温度分布图，图13的右侧的列中示出了热交换器的出口侧(距轴向端部90mm)的温度分布图。孔道内的温度分布进行颜色区分来表示。

首先举出实施例1的温度分布为例进行说明。将载热体流通孔道一半(1/2孔道的量)配置在左侧，在该载热体流通孔道的右侧配置2列的量的气体流通孔道，按照孔道的个数比为1:4进行设定。并且示出在使载热体和气体以规定的条件流通时的载热体流通孔道、划分壁以及气体流通孔道的温度分布。

如图13所示，实施例1～4中，载热体流通孔道和划分壁均为50℃以下，划分壁整体被冷却。另外，在热交换器的轴向中央侧，气体流通孔道内的最高温度为120℃以下。另外，在热交换器的出口侧，气体流通孔道内的最高温度为58℃以下。特别是在实施例1、3中，在热交换器的出口侧，温度接近58℃的区域减小。由此确认到，气体流通孔道内的气体被适当地冷却，热交换效率高。

与之相对，比较例1、2中，在热交换器的轴向中央侧，气体流通孔道内的最高温度为120℃以上。另外，在热交换器的出口侧，气体流通孔道内的最高温度为58℃以上。此外，比较例2中，在热交换器的轴向中央侧，存在划分壁的温度为50℃以上的区域，划分壁整体未被冷却。由此确认到热交换效率低。

符号的说明

10…热交换器、11…周壁、12…划分壁、13a…载热体流通孔道、13b…气体流通孔道。