JP2007198706A - 交差した流路方向を有する内部発熱式の熱交換構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 隔壁11によって仕切られた並行に一方向に伸長する多数の縦流路12を備えて一体に形成されたハニカム構造と、流体を加熱するための発熱手段とを備えた熱交換構造体であって、前記ハニカム構造の縦流路方向の一方の端面13において一部の縦流路が目封じされ、他方の端面において、該目封じされた縦流路と目封じされていない縦流路12とを連絡して流体の流れ方向を反転させる回り込み部15が形成され、該目封じされた各縦流路に、熱交換構造体の外壁の少なくとも1面に形成された穴まで、該縦流路に交差し前記隔壁を貫いて該縦流路を連結する横断流路が形成された熱交換構造体。
【選択図】 図1
Description
また、自動車エンジン等の内燃機関の排ガスに関し、一般に、ガソリンエンジンの排ガスには、有害物質の一酸化炭素、炭化水素類、及び窒素酸化物が含まれ、ディーゼルエンジンの排ガスには、さらにパティキュレートが含まれる。これらの有害物質は、酸化触媒、三元触媒、選択還元触媒等の触媒作用により浄化され得るが、地球温暖化防止等の観点から、二酸化炭素(CO2)の排出量の低減、即ち、燃費の向上もまた要請されている。この燃費が向上されるにつれてエンジン排ガスの温度は必然的に低下するため、かかる触媒作用による浄化は、より低温でも行われることが要請されつつある。
先行技術において、こうした発熱成分を利用して熱交換作用により有利に排ガス浄化を行う装置又はデバイスが提案されている(特許文献1、特許文献2、特許文献3)。これらの装置では、コンパクトながら高い熱交換性能を発揮する構造として、一体型波形伝熱面を基本とする熱交換構造体が用いられている。この場合、高い熱交換性能を発揮させるためには、処理する流体が通過する波形構造体のすき間間隔を全領域で一定に保つ必要があり、そのため波形伝熱面にさらに細かいピッチの凹凸をつけたり、あるいは流体が通過できる空隙を有する板状の金網などの構造体をスペーサーとしてすき間にはさむ必要がある。波形伝熱面にさらに細かいピッチの凹凸をつけることは技術的にたいへんむずかしく、従って経済的でない。また、スペーサーをすき間にはさむと流通抵抗を増したり、装置としての熱容量が大きくなって、熱交換構造体としての性能を大幅に損ねることになる。
また、ハニカム構造体に熱交換機能を与えて有利に反応を進めることが提案されている(特許文献4)。しかし、この提案で、熱交換されるのは、伝熱面をはさんで互いに独立した2つの流路を流れる流体間であり、1系統の流体を一時的に効率的に加熱させるという目的に使用することはできない。
前記ハニカム構造の縦流路方向の一方の端面において一部の縦流路が目封じされ、他方の端面において、該目封じされた縦流路と目封じされていない縦流路とを連絡して流体の流れ方向を反転させる回り込み部が形成され、
該目封じされた各縦流路に、熱交換構造体の外壁の少なくとも1面に形成された穴まで、該縦流路に交差し前記隔壁を貫いて該縦流路を連結する横断流路が形成されており、
前記回り込み部の上流側の縦流路を流れる流体と前記回り込み部の下流側の縦流路を流れる流体とが向流を形成し、かつ前記発熱手段によって生じた熱が、該下流側の縦流路を流れる流体から該上流側の縦流路を流れる流体に隔壁を介して伝達されることを特徴とする熱交換構造体である。
図1,2は、本発明の熱交換構造体の好ましい態様の1つ模式的に示すものであり、該熱交換構造体は、ハニカム構造の縦流路方向の一方の端面において一部の縦流路が目封じされ、他方の端面において目封じされた縦流路と目封じされていない縦流路とを連絡し、それにより流体の流れ方向を反転させる回り込み部が形成される。図1は該熱交換構造体の斜視図であり、図2はその平面図である。
この態様においても、流体は、先の態様と同様に、熱交換構造体10の目封じされていない縦流路12から流入する。そして、流体は、上流側の縦流路12を通り、回り込み部で流れの方向を変え、上流側の縦流路12と反対向きに下流側の縦流路12を流通して横断流路16に到達するが、1つの外壁に形成された穴14から熱交換構造体10の系外に流出する。
横断流路16は、縦流路12の目封じ材料13と隔壁11の端部との間隙によって形成することができる。即ち、目封じされる箇所の隔壁を外壁よりも短く終端させ、その隔壁端部と目封じ材料との間に空隙を連通させることにより、その空隙を横断流路として利用することができる。あるいは、横断流路は、ハニカム構造の隔壁に穴を連通させることにより形成することもできる。
図4は、目封じされた縦流路の1つの態様を例示する平面図である。この態様においては、目封じされた縦流路が、ハニカム構造の縦流路の一方の端面において、縞状のパターンを形成している。
これらの縦流路のパターンは、所望とする流れの均一性、圧力損失、伝熱面積等を考慮して適宜選択することができる。
また、本発明の熱交換構造体においては、縦流路の数やサイズ、隔壁の厚さを特に限定する必要はなく、ハニカム構造体においてあり得る範囲の中で、流体の種類や流量、熱交換構造体のサイズ、必要とされる熱交換率、許容される圧力損失等を考慮して適切に決めることができる。同様に、横断流路の数やサイズも、流体の種類や流量、熱交換構造体のサイズ、必要とされる熱交換率、許容される圧力損失等を考慮して適切に決めることができる。
かかる触媒を用いることにより、例えば、1%程度、あるいはそれ以下の1000ppm程度の可燃成分と数%の酸素からなる発熱成分を含む流体であっても、酸化反応等により熱を発生させることができる。
これらの発熱手段は、好ましくは、回り込み部又はその近傍に配置される。これにより、発熱手段が、熱交換構造体の中の流通経路におけるほぼ中央部分に位置することができ、縦流路を全体的に伝熱が生じる流路として最大限に利用することができる。
11 隔壁
12 縦流路
13 目封じ材料
14、14´ 外壁面の穴
15 回り込み部
16 横断流路
17 横断穴
Claims (20)
- 隔壁によって仕切られた並行に一方向に伸長する多数の縦流路を備えて一体に形成されたハニカム構造と、流体を加熱するための発熱手段とを備えた熱交換構造体であって、
前記ハニカム構造の縦流路方向の一方の端面において一部の縦流路が目封じされ、他方の端面において、該目封じされた縦流路と目封じされていない縦流路とを連絡して流体の流れ方向を反転させる回り込み部が形成され、
該目封じされた各縦流路に、熱交換構造体の外壁の少なくとも1面に形成された穴まで、該縦流路に交差し前記隔壁を貫いて該縦流路を連結する横断流路が形成されており、
前記回り込み部の上流側の縦流路を流れる流体と前記回り込み5部の下流側の縦流路を流れる流体とが向流を形成し、かつ前記発熱手段によって生じた熱が、該下流側の縦流路を流れる流体から該上流側の縦流路を流れる流体に隔壁を介して伝達されることを特徴とする熱交換構造体。 - 前記流体は、前記ハニカム構造の目封じされていない縦流路から流入し、前記上流側の縦流路、前記回り込み部、前記下流側の縦流路、及び前記横断流路を順に流通して外壁に形成された穴から流出する請求項1に記載の熱交換構造体。
- 前記流体は、外壁に形成された穴から流入し、前記横断流路、前記上流側の縦流路、前記回り込み部、前記下流側の縦流路を順に流通して、前記ハニカム構造の目封じされていない縦流路から流出する請求項1に記載の熱交換構造体。
- 前記横断流路が、前記縦流路の目封じされた部分材料と前記隔壁の端部との間隙によって形成された請求項1ないし3のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記横断流路が、前記隔壁を連通する穴によって形成された請求項1ないし3のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記横断流路が、該ハニカム構造を一体に形成した後に、前記隔壁を穿孔して形成されたものである請求項1ないし5のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記ハニカム構造の縦流路の一方の端面において、目封じされた縦流路が、縞状のパターンを形成した請求項1ないし6のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記ハニカム構造の縦流路の一方の端面において、目封じされた縦流路が、格子状のパターンを形成している請求項1ないし6のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記ハニカム構造の縦流路の一方の端面において、目封じされた縦流路が、屈曲した線状のパターンを形成している請求項1ないし5のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記ハニカム構造の縦流路の一方の端面において、目封じされた縦流路が、分枝した線状のパターンを形成している請求項1ないし5のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記外壁に形成された穴が、1つの外壁面に形成された請求項1ないし10のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記外壁に形成された穴が、2つ以上の外壁面に形成された請求項1ないし10のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記縦流路が、三角形、四角形、六角形、及びこれらの組み合わせから選択された断面形状を有する請求項1ないし12のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記熱交換構造体の外壁が延長され、記回り込み部が、その外壁端部を封止することにより形成された縦流路の端部の先の空洞からなる請求項1ないし13のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記ハニカム構造の縦流路方向の一方の端面において一部の縦流路が目封じされ、他方の端面において全ての縦流路が目封じされており、前記回り込み部が、該他方の目封じされた縦流路の端部近傍の隔壁を該横断流路の伸長方向と交差して貫く横断穴によって形成されている請求項1ないし13のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記発熱手段が、前記流体に含まれる発熱成分を化学反応により発熱させる触媒であり、該触媒が、前記回り込み部の近傍の隔壁に担持された請求項1ないし15のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記発熱手段が、前記流体に含まれる発熱成分を化学反応により発熱させる触媒であり、該触媒が、前記回り込み部の近傍の流路内に充填された請求項1ないし15のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記発熱手段が、前記回り込み部又はその近傍に配置された電気ヒーターである請求項1ないし15のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 前記発熱手段が、前記回り込み部又はその近傍に配置された燃焼バーナーである請求項1ないし15のいずれか1項に記載の熱交換構造体。
- 焼成により硬化するセラミック材料配合物を用いて、前記ハニカム構造を一体に形成した後、該縦流路を連結する複数の横断流路を設け、次いで該セラミック材料配合物を焼成することを特徴とする請求項1ないし15のいずれか1項に記載の熱交換構造体の製造方法。
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