JP7169923B2

JP7169923B2 - 熱交換器

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Publication number: JP7169923B2
Application number: JP2019061721A
Authority: JP
Inventors: 悠太郎麓; 竜生川口; 大輔木村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2039-03-27
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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：ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＦｌｕｉｄ）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。

そこで、特許文献２には、ハニカム構造体の外周面を覆うように配置されたケーシングを、ハニカム構造体の外周面に嵌合するように配置された内筒と、内筒を覆うように配置された中筒と、中筒を覆うように配置された外筒とから構成し、内筒と中筒との間に内側外周流路、中筒と外筒との間に外側外周流路が形成された熱交換器が提案されている。この熱交換器によれば、内筒の温度が冷媒（第２流体）の沸点未満である場合（排熱を回収する必要がある場合）には、内側外周流路及び外側外周流路が液体状態の冷媒で満たされているため、熱交換を促進することができる。また、内筒の温度が冷媒の沸点以上である場合（排熱を回収する必要がない場合）には、内側外周流路に、沸騰気化により生じた気体状態の冷媒が存在するようになるため、熱交換を抑制することができる。したがって、この熱交換器は、２種類の流体間における熱交換器の促進と抑制との切替えを行うことが可能である。

特開２０１２－０３７１６５号公報国際公開第２０１６／１８５９６３号

本発明者らは、特許文献２に記載の熱交換器を検討したところ、第１流体と第２流体との熱交換を行う場合、第１流体と接する部分と第２流体と接する部分との間の温度差が大きくなり、熱応力によって部材が塑性変形する場合があることが分かった。このように部材が変形してしまうと、排熱の回収性能が低下する要因になる。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、第１流体と第２流体との熱交換の際に温度差による部材の塑性変形を抑制す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、上記のような課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、特定の部材に、連続した凹凸構造を形成するか、又は特定の箇所に、連続した凹凸構造を有する部材を設けることで、温度差による部材の塑性変形を抑制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、第１流体が流通可能であり、熱回収部材を収容するための内筒と、
前記内筒の径方向外側に間隔をおいて配置され、前記内筒との間を第２流体が流通可能な外筒と、
前記内筒と前記外筒との間に配置され、前記第２流体の流路を仕切る中筒と
を備え、
前記外筒及び／又は前記内筒の少なくとも１つの軸方向端部側に、連続した凹凸構造が形成されており、
前記中筒は、前記中筒の軸方向両端部に設けられたスペーサーによって前記内筒に保持されている熱交換器である。
また、本発明は、第１流体が流通可能であり、熱回収部材を収容するための内筒と、
前記内筒の径方向外側に間隔をおいて配置され、前記内筒との間を第２流体が流通可能な外筒と、
前記内筒と前記外筒との間に配置され、前記第２流体の流路を仕切る中筒と
を備え、
前記外筒及び／又は前記内筒の少なくとも１つの軸方向端部側に、連続した凹凸構造が形成されており、
前記中筒の軸方向両端部が、拡径された前記内筒に接続されており、
前記中筒が、前記第２流体が移動可能な貫通孔を有する熱交換器である。

本発明によれば、第１流体と第２流体との熱交換の際に温度差による部材の塑性変形を抑制す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１に係る熱交換器の断面図である。本発明の実施形態１に係る別の熱交換器の断面図である。本発明の実施形態１に係る熱交換器の側面図である。本発明の実施形態２に係る熱交換器の断面図である。本発明の実施形態２に係る別の熱交換器の断面図である。本発明の実施形態２に係る別の熱交換器の断面図である。本発明の実施形態３に係る熱交換器の断面図である。本発明の実施形態３に係る別の熱交換器の断面図である。

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。

（実施形態１）
図１及び２は、本発明の実施形態１に係る熱交換器の断面図（第１流体の流通方向に平行な断面図）である。
図１及び２に示されるように、本発明の実施形態１に係る熱交換器１００は、内筒１０と、内筒１０の径方向外側に間隔をおいて配置された外筒２０とを備えている。また、外筒２０の軸方向両端部の内周面は、溶接などによって内筒１０の外周面に固定されている。そのため、内筒１０内には第１流体が流通可能であり、内筒１０と外筒２０との間には第２流体が流通可能である。
また、熱交換器１００は、内筒１０内に収容される熱回収部材３０を更に備えていてもよい。

第１流体及び第２流体としては、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（ＪＩＳＫ２２３４：２００６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。

第１流体と第２流体との熱交換を行う場合、内筒１０の内部には温度が高い第１流体が流れる一方、内筒１０の外部には温度が低い第２流体が流れるため、内筒１０には温度差が生じ、熱膨張挙動に違いが生じる。すなわち、内筒１０は、温度が高い第１流体と接する部分が膨張する傾向にあるのに対し、温度が低い第２流体と接する部分が収縮する傾向にある。このような熱膨張挙動の違いにより、内筒１０には大きな熱応力が発生する。そして、内筒１０は、この熱応力に耐えられなくなると塑性変形し、内筒１０と熱回収部材３０との間に隙間が生じる。このような隙間が生じると、熱回収部材３０で回収された熱を、内筒１０を介して第２流体に効率良く伝達することができなくなるため、排熱の回収性能が低下してしまう。

そこで、本発明の実施形態１に係る熱交換器１００では、外筒２０及び／又は内筒１０の少なくとも一部に、連続した凹凸構造４０が形成されている。
図１は、外筒２０の一部に、連続した凹凸構造４０が形成されている熱交換器１００を示し、図２は、内筒１０の一部に連続した凹凸構造４０が形成されている熱交換器１００を示す。
図１に示される熱交換器１００では、外筒２０に形成された連続した凹凸構造４０が、外筒２０を様々な方向に弾性変形させる機能を有する。そのため、連続した凹凸構造４０は、内筒１０の熱応力にあわせて、外筒２０が伸縮するように弾性変形する。この外筒２０に形成された連続した凹凸構造４０の弾性変形により、内筒１０の熱応力が緩和され、内筒１０の塑性変形を抑制することが可能になる。
図２に示される熱交換器１００では、内筒１０に形成された連続した凹凸構造４０が、内筒１０を様々な方向に弾性変形させる機能を有する。そのため、連続した凹凸構造４０は、内筒１０の熱応力にあわせて、内筒１０が伸縮するように弾性変形する。この内筒１０に形成された連続した凹凸構造４０の弾性変形により、内筒１０の熱応力が緩和され、内筒１０の塑性変形を抑制することが可能になる。

外筒２０又は内筒１０に形成される連続した凹凸構造４０の位置は、特に限定されないが、熱交換を阻害しないようにする観点から、外筒２０又は内筒１０の軸方向端部に形成されることが好ましい。
また、外筒２０又は内筒１０に形成される連続した凹凸構造４０の数は、特に限定されないが、好ましくは１つ、より好ましくは２つである。
なお、図示していないが、外筒２０及び内筒１０の両方の少なくとも一部に、連続した凹凸構造４０が形成されていてもよい。このような構成としても、上記の効果を得ることができる。

連続した凹凸構造４０としては、外筒２０又は内筒１０を各種方向に凹凸が連続している構造であれば特に限定されず、公知の様々な構造を用いることができる。その中でも、連続した凹凸構造４０は、蛇腹構造であることが好ましい。
ここで、本明細書において「蛇腹構造」とは、対象となる構造体（例えば、外筒２０、内筒１０）の表面において山折り部及び谷折り部の繰返し構造を１つ以上有する構造を意味する。
蛇腹構造の繰返し構造の数は、好ましくは２つ以上、より好ましくは３つ以上、さらに好ましくは５つ以上である。これは、繰返し構造の数が多いほど、伸縮能力が高くなり、熱応力を緩和する能力が向上するためである。

以下、熱交換器１００の各構成部材について、更に、構成部材ごとに詳細に説明する。
＜内筒１０について＞
内筒１０は、熱回収部材３０の軸方向（第１流体の流通方向）外周面に配置された筒状の部材である。
内筒１０の内周面は、熱回収部材３０の軸方向外周面と直接的に接していても間接的に接していてもよいが、熱伝導性の観点から、熱回収部材３０の軸方向外周面と直接的に接していることが好ましい。この場合、内筒１０の内周面の断面形状は、熱回収部材３０の外周面の断面形状と一致する。また、内筒１０の軸方向は、熱回収部材３０の軸方向と一致し、内筒１０の中心軸は熱回収部材３０の中心軸と一致することが好ましい。
内筒１０の軸方向長さは、熱回収部材３０の軸方向長さよりも長く設定されていることが好ましい。また、内筒１０の軸方向において、内筒１０の中央位置は、熱回収部材３０の中央位置と一致することが好ましい。
内筒１０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。

熱回収部材３０を通り抜ける第１流体の熱は、熱回収部材３０を介して内筒１０に伝達されるため、内筒１０は、熱伝導性に優れた材料から形成されていることが好ましい。内筒１０に用いられる材料としては、例えば、金属、セラミックスなどを用いることができる。金属としては、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などが挙げられる。耐久信頼性が高いという理由により、内筒１０の材料はステンレス鋼であることが好ましい。

＜外筒２０について＞
外筒２０は、内筒１０の径方向外側に間隔をおいて配置された筒状の部材である。
外筒２０の軸方向は、熱回収部材３０及び内筒１０の軸方向と一致し、外筒２０の中心軸は熱回収部材３０及び内筒１０の中心軸と一致することが好ましい。
外筒２０の軸方向長さは、熱回収部材３０の軸方向長さよりも長く設定されていることが好ましい。また、外筒２０の軸方向において、外筒２０の中央位置は、熱回収部材３０及び内筒１０の中央位置と一致することが好ましい。

外筒２０は、第２流体を外筒２０と内筒１０との間の領域に供給するための供給管２１、及び第２流体を外筒２０と内筒１０との間の領域から排出するための排出管２２に接続されている。供給管２１及び排出管２２は、熱回収部材３０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２１及び排出管２２は、図１に示されるように同じ方向に向けて延出されていても、図２に示されるように異なる方向に向けて延出されていてもよい。

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、図２に示されるように外筒２０の軸方向中央部を縮径させて絞り部２３を形成することにより、供給管２１及び排出管２２側の外筒２０内で第２流体を内筒１０の外周方向全体に行き渡らせることができる。また、外筒２０の絞り部２３では、流路断面積が小さくなるため、第２流体の流速が増加して熱伝達が促進される。そのため、熱交換効率を向上させることができる。

また、絞り部２３は、外筒２０の軸方向沿って螺旋状に形成されていてもよい。ここで、図３に熱交換器１００の側面図を示す。図３（ａ）は、図２の熱交換器１００の側面図であり、絞り部２３が外筒２０の軸方向中央部に形成されている。これに対して、図３（ｂ）に示されるように、絞り部２３を外筒２０の軸方向沿って螺旋状に形成することにより、絞り部２３による上記効果に加えて、外筒２０の軸方向長さを短くすることができるため、熱交換器１００を小型化することができる。

外筒２０に用いられる材料としては、例えば、金属、セラミックスなどを用いることができる。金属としては、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などが挙げられる。耐久信頼性が高いという理由により、外筒２０の材料はステンレス鋼であることが好ましい。

＜熱回収部材３０について＞
熱回収部材３０としては、熱を回収できるものであれば特に限定されない。例えば、熱回収部材３０としてハニカム構造体を用いることができる
ハニカム構造体は、一般的に柱状の構造体である。ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面形状は、特に限定されず、円、楕円又は四角若しくはその他の多角形とすることができる。

ハニカム構造体は、セラミックスを主成分とする隔壁及び外周壁により互いに区画された複数のセルを有する。各セルは、ハニカム構造体の第１端面から第２端面までハニカム構造体の内部を貫通している。第１端面及び第２端面は、ハニカム構造体の軸方向（セルが延びる方向）の両側の端面である。
各セルの断面形状（セルが延びる方向に垂直な断面の形状）は、特に限定されず、円形、楕円形、扇形、三角形、四角形、五角角形以上の多角形等の任意の形状とすることができる。
また、各セルは、ハニカム構造体の軸方向に垂直な断面において放射状に形成されていてもよい。このような構成とすることにより、セルを流通する第１流体の熱をハニカム構造体の径方向外側に向けて効率良く伝達させることができる。

ハニカム構造体の外周壁は、隔壁よりも厚いことが好ましい。このような構成とするにより、外部からの衝撃、第１流体と第２流体との間の温度差による熱応力などによって破壊（例えば、ひび、割れなど）が起こり易い外周壁の強度を高めることができる。

隔壁の厚みは、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、隔壁の厚みは、０．１～１ｍｍとすることが好ましく、０．２～０．６ｍｍとすることが更に好ましい。隔壁の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、ハニカム構造体の機械的強度を十分なものとすることができる。また、隔壁の厚さを１ｍｍ以下とすることにより、開口面積の低下によって圧力損失が大きくなったり、第１流体との接触面積の低下によって熱回収効率が低下したりする問題を改善することができる。

次に、熱交換器１００の製造方法について説明する。
熱交換器１００の製造方法としては、当該技術分野において公知の方法に準じて行うことができる。例えば、熱回収部材３０としてハニカム構造体を用いる場合、熱交換器１００は、以下のようにして製造することができる。
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。ハニカム構造体の材料としては、特に限定されず、公知のもの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構造体を製造する場合、所定量のＳｉＣ粉末に、バインダーと、水又は有機溶媒とを加え、得られた混合物を混練し坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得ることができる。そして、得られたハニカム成形体を乾燥し、減圧の不活性ガス又は真空中で、ハニカム成形体中に金属Ｓｉを含浸焼成することによって、隔壁によって第１流体の流路となる複数のセルが区画形成されたハニカム構造体を得ることができる。

次に、ハニカム構造体を内筒１０に挿入して、焼き嵌めにより、ハニカム構造体に嵌合するように内筒１０を配置する。なお、ハニカム構造体と内筒１０との嵌合は、焼き嵌め以外に、圧入やろう付け、拡散接合などを用いてもよい。また、内筒１０の一部を縮径又は拡径する場合、内筒１０を配置した後に行っても、内筒１０を配置する前に行ってもよい。
次に、第２流体の供給管２１及び排出管２２を設けた外筒２０の内部に、上記で作製した構造体を配置し、溶接などによって固定する。
内筒１０及び／又は外筒２０に、連続した凹凸構造４０を形成する方法としては、特に限定されず、機械的手段や液圧による手段などの各種加工方法を用いることができる。また、連続した凹凸構造４０は、内筒１０及び／又は外筒２０に予め形成してもよいし、所定の位置に配置した後に形成してもよい。

本発明の実施形態１に係る熱交換器１００によれば、外筒２０及び／又は内筒１０の少なくとも一部に、連続した凹凸構造４０が形成されているため、内筒１０に生じた熱応力を連続した凹凸構造４０が弾性変形によって緩和し、内筒１０の塑性変形を抑制することができる。

（実施形態２）
図４～６は、本発明の実施形態２に係る熱交換器の断面図（第１流体の流通方向に平行な断面図）である。なお、本発明の実施形態１に係る熱交換器１００の説明の中で登場した符号と同一の符号を有する構成要素は、本発明の実施形態２に係る熱交換器２００の構成要素と同一であるので、その説明を省略する。
本発明の実施形態１に係る熱交換器１００は、外筒２０及び／又は内筒１０の少なくとも一部に、連続した凹凸構造４０が形成されているが、本発明の実施形態２に係る熱交換器２００は、外筒２０及び内筒１０とは別に設けられた緩衝部材５０に、連続した凹凸構造４０が形成されている点で異なる。

図４は、２つ以上に分割された外筒２０の間に、連続した凹凸構造４０を有する緩衝部材５０が配置されている熱交換器２００を示す。この熱交換器２００は、本発明の実施形態１に係る熱交換器１００と同様に、２つ以上に分割された外筒２０の間に配置された緩衝部材５０の連続した凹凸構造４０が弾性変形し、内筒１０に生じた熱応力を緩和するため、内筒１０の塑性変形を抑制することができる。なお、２つ以上に分割された外筒２０とは、外筒２０の長手方向において、２つ以上に分割されていることを意味する。

また、図４に示される熱交換器２００は、外筒２０が径方向に延びた壁部２４を有し、外筒２０の壁部２４が内筒１０と接続されている。また、この熱交換器２００は、壁部２４を有する外筒２０の一端に溶接などによって固定されたコーン７０を更に備える。
このような構造を有する熱交換器２００は、内筒１０が膨張した際に外筒２０の壁部２４が弾性変形するため、内筒１０の変形をより一層抑制することができる。
コーン７０は、筒状の部材である。コーン７０の軸方向は、外筒２０などの軸方向と一致し、コーン７０の中心軸は外筒２０の中心軸と一致することが好ましい。また、外筒２０に固定されるコーン７０の一端の径は、外筒２０の径と同じであることが好ましい。
コーン７０に用いられる材料としては、例えば、金属、セラミックスなどを用いることができる。金属としては、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などが挙げられる。耐久信頼性が高いという理由により、コーン７０の材料はステンレス鋼であることが好ましい。

図５は、２つ以上に分割された内筒１０の間に、連続した凹凸構造４０を有する緩衝部材５０が配置されている熱交換器２００を示す。この熱交換器２００も、本発明の実施形態１に係る熱交換器１００と同様に、２つ以上に分割された内筒１０の間に配置された緩衝部材５０の連続した凹凸構造４０が弾性変形し、内筒１０に生じた熱応力を緩和するため、内筒１０の塑性変形を抑制することができる。なお、２つ以上に分割された内筒１０とは、内筒１０の長手方向において、２つ以上に分割されていることを意味する。

図６は、外筒２０と内筒１０との間に、連続した凹凸構造４０を有する緩衝部材５０が配置されている熱交換器２００を示す。この熱交換器２００も、本発明の実施形態１に係る熱交換器１００と同様に、外筒２０と内筒１０の間に配置された緩衝部材５０の連続した凹凸構造４０が弾性変形し、内筒１０に生じた熱応力を緩和するため、内筒１０の塑性変形を抑制することができる。

なお、図４～６では、２つ以上に分割された外筒２０の間、２つ以上に分割された内筒１０の間、又は外筒２０と内筒１０との間に、緩衝部材５０が配置されている例を示しているが、これらの２つ以上の箇所に緩衝部材５０が配置されていてもよい。

緩衝部材５０は、いずれも筒状部材であり、その一部に、連続した凹凸構造４０が形成されている。
２つ以上に分割された外筒２０の間又は２つ以上に分割された内筒１０の間に、緩衝部材５０が配置される場合、図４及び５に示されるように、緩衝部材５０の軸方向両端部が外筒２０又は内筒１０と溶接などによって固定される。また、緩衝部材５０と外筒２０又は内筒１０との間は直接的に固定してもよいが、他の部材を介して間接的に固定してもよい。
外筒２０と内筒１０との間に緩衝部材５０が配置される場合、図６に示されるように、緩衝部材５０の軸方向一端が外筒２０と溶接などによって固定され、緩衝部材５０の軸方向他端が内筒１０と溶接などによって固定される。緩衝部材５０と外筒２０又は内筒１０との間は直接的に固定してもよいが、他の部材を介して間接的に固定してもよい。

緩衝部材５０に用いられる材料としては、例えば、金属、セラミックスなどを用いることができる。金属としては、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、真鍮などが挙げられる。耐久信頼性が高いという理由により、部材５０の材料はステンレス鋼であることが好ましい。

上記のような構造を有する熱交換器２００は、熱交換器１００と同様に、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。また、緩衝部材５０は、設置される位置に応じて、適切な段階で各部材に配置すればよい。連続した凹凸構造４０を有する緩衝部材５０の形成方法としては、特に限定されず、機械的手段や液圧による手段などの各種加工方法を用いることができる。

所定の位置に緩衝部材５０を有する本発明の実施形態２に係る熱交換器２００は、本発明の実施形態１に係る熱交換器１００と同様に、緩衝部材５０の連続した凹凸構造４０が弾性変形し、内筒１０に生じた熱応力を緩和するため、内筒１０の塑性変形を抑制することができる。

（実施形態３）
図７及び８は、本発明の実施形態３に係る熱交換器の断面図（第１流体の流通方向に平行な断面図）である。なお、本発明の実施形態１に係る熱交換器１００の説明の中で登場した符号と同一の符号を有する構成要素は、本発明の実施形態３に係る熱交換器３００の構成要素と同一であるので、その説明を省略する。
本発明の実施形態３に係る熱交換器３００は、内筒１０と外筒２０との間に配置され、第２流体の流路を仕切る中筒６０を更に備える点で、本発明の実施形態１に係る熱交換器１００と異なる。

中筒６０は、筒状部材である。中筒６０の軸方向は、熱回収部材３０の軸方向と一致し、中筒６０の中心軸は熱回収部材３０の中心軸と一致することが好ましい。
中筒６０の軸方向長さは、熱回収部材３０の軸方向長さよりも長く設定されていることが好ましい。また、中筒６０の軸方向において、中筒６０の中央位置は、熱回収部材３０、内筒１０及び外筒２０の中央位置と一致することが好ましい。

内筒１０と外筒２０との間に第２流体の流路を仕切る中筒６０を設けることにより、外筒２０と中筒６０との間に形成される第２流体の第１流路６１ａと、内筒１０と中筒６０との間に形成される第２流体の第２流路６１ｂが形成される。
第２流路６１ｂが液体の第２流体で満たされているとき、熱回収部材３０から内筒１０に伝えられた第１流体の熱が、第２流路６１ｂの第２流体を介して第１流路６１ａの第２流体に伝えられる。一方、内筒１０の温度が高く、第２流路６１ｂ内で第２流体の蒸気（気泡）が発生したとき、第２流路６１ｂの第２流体を介する第１流路６１ａの第２流体への熱伝導が抑制される。これは、液体の流体に比べて気体の流体の熱伝導率が低いためである。すなわち、第２流路６１ｂ内で第２流体の蒸気が発生するか否かにより、熱交換を効率的に行う状態と熱交換を抑制する状態とを切り替えることができる。この熱交換の状態は、外部からの制御を必要としない。したがって、中筒６０を設けることにより、外部から制御することなく、第１流体と第２流体との間の熱交換の促進と抑制との切り替えを容易に行うことが可能になる。
なお、第２流体は、熱交換を抑制したい温度域に沸点を有する流体を使用すればよい。

中筒６０の設置方法としては、特に限定されないが、例えば、図７に示されるように、中筒６０の軸方向両端部に設けられたスペーサー６２によって内筒１０に中筒６０を保持することができる。あるいは、図８に示されるように、中筒６０の軸方向両端部を、拡径された内筒１０に接続してもよい。

スペーサー６２は、中筒６０と内筒１０との間の空間を確保しつつ保持するための部材であり、中筒６０と内筒１０との間に設けられる。
スペーサー６２は、内筒１０の周方向全体にわたって延在していることが好ましい。スペーサー６２は、内筒１０の周方向全体にわたって連続的に延在する１つの部材により構成されていてもよいし、内筒１０の周方向に互いに隣接又は離間して配置された複数の部材によって構成されていてもよい。

スペーサー６２は、熱回収部材３０の軸方向の２つの端面側の位置にそれぞれ配置されていることが好ましく、熱回収部材３０の軸方向の２つの端面の外側の位置にそれぞれ配置されていることがより好ましい。このような位置にスペーサー６２を配置することにより、熱回収部材３０の熱がスペーサー６２を介して中筒６０に伝わり難くすることができる。スペーサー６２を介して熱回収部材３０の熱が中筒６０に伝わると、気体の第２流体による熱交換の抑制の効果が減じられてしまう。

スペーサー６２は、第２流体が通過可能な三次元構造を有することが好ましい。その中でもスペーサー６２は、液体の第２流体の通過を許容しつつ、第２流体の気泡の通過を阻害する三次元構造を有することが特に好ましい。このような三次元構造としては、メッシュ構造（網目構造）又はスポンジ状構造（多孔質構造）を挙げることができる。スペーサー６２が液体の第２流体の通過を許容するとは、第２流体がスペーサー６２を通過できることを意味し、スペーサー６２が第２流体の通過の抵抗となっていてもよい。スペーサー６２が第２流体の気泡の通過を阻害するとは、第２流体の気泡がスペーサー６２に付着すること、及び第２流体の気泡の移動にスペーサー６２が抵抗となることが含まれる。液体の第２流体の通過許容性と第２流体の気泡の通過阻害性とを両立しやすいとの理由により、スペーサー６２がメッシュ構造を有していることが好ましい。

第２流路６１ｂ内の大部分が気体の第２流体で満たされているとき、大量の第２流体が第２流路６１ｂ内に一時に流れ込むと、第２流体の沸騰気化が急激に発生する。このような急激な第２流体の沸騰気化は、振動及び騒音の原因となる。液体の第２流体の通過に対してスペーサー６２が抵抗となることで、第２流路６１ｂ内への第２流体の流入が穏やかとなり、振動及び騒音の発生を抑制できる。

スペーサー６２が第２流体の気泡の通過を阻害することにより、気体の第２流体が第２流路６１ｂに溜まり、気体の第２流体による熱交換の抑制がより確実に発揮される。この熱交換の抑制をより確実に発揮させるため、スペーサー６２の空隙率は、２０％以上であることが好ましく、４０％以上であることがより好ましく、６０％以上であることがさらに好ましい。また、スペーサー６２の空隙率は、９８％以下であることが好ましく、９５％以下であることがより好ましく、９０％以下であることがさらに好ましい。本発明において、スペーサー６２の空隙率は以下の手順により測定する。
（１）スペーサー６２を構成する材料の親密度をアルキメデス法により求める。
（２）スペーサー６２の外形寸法（厚み及び縦横の長さ）から計算したスペーサー６２のみかけ体積と、スペーサー６２の重量から嵩密度とを求める。
（３）空隙率＝（１－嵩密度／真密度）×１００％との関係式を用いて空隙率を算出する。

スペーサー６２は、中筒６０の軸方向一端に設けられたスペーサー６２が、中筒６０及び内筒１０の両方に固定され、中筒６０の軸方向他端に設けられたスペーサー６２が、内筒１０に対して固定され且つ中筒６０に対して可動可能に構成されていることが好ましい。なお、固定方法としては、特に限定されないが、溶接などを用いることができる。

軸方向両端のスペーサー６２が中筒６０及び内筒１０の両方にそれぞれ固定されていると、以下の事象が生じる虞がある。すなわち、第２流路６１ｂ内で第２流体の蒸気（気泡）が発生し、第２流路６１ｂの第２流体と第１流路６１ａの第２流体との熱交換が抑制されているとき、内筒１０と中筒６０との間に温度差が生じる。このとき、第１流体の熱により内筒１０が加熱される一方で、第１流路６１ａの第２流体により中筒６０が冷却されるため、中筒６０よりも内筒１０が膨張する。軸方向両端のスペーサー６２が中筒６０及び内筒１０の両方にそれぞれ固定されている場合、中筒６０と内筒１０との間の膨張差による応力により軸方向両端の固定箇所が破損して、中筒６０と内筒１０との位置関係にずれが生じて第２流路６１ｂが失われてしまう。
上記のように、中筒６０の軸方向一端に設けられたスペーサー６２が中筒６０及び内筒１０の両方に固定される一方で、中筒６０の軸方向他端に設けられたスペーサー６２が内筒１０に固定され且つ中筒６０に可動可能（非固定）とすることにより、内筒１０が膨張した際に、非固定の位置でスペーサー６２上を中筒６０がスライドする。そのため、中筒６０と内筒１０との間の膨張差による応力によりスペーサー６２の固定箇所が破損して、中筒６０と内筒１０との位置関係にずれが生じて第２流路６１ｂが失われてしまうことを回避できる。

図８に示されるように、中筒６０の軸方向両端部を、拡径された内筒１０に接続する場合、中筒６０は、第２流体が移動可能な貫通孔６３を有する。
貫通孔６３は、第２流体の流れ方向に関する第２流路６１ｂの入側と出側との両方に設けられていてもよいが、入側と出側とのいずれか一方のみに設けられていてもよい。
貫通孔６３は、中筒６０の周方向に間隔をおいて複数設けられていることが好ましい。貫通孔６３の数は、特に限定されない。また、貫通孔６３の間の間隔は同一でも異なっていてもよい。

また、中筒６０の軸方向両端部を、拡径された内筒１０に接続する場合、中筒６０の軸方向一端部が、拡径された内筒１０に固定され、中筒６０の軸方向他端部が、拡径された内筒１０に対して可動可能に設けられていることが好ましい。
上記のような構成とすることにより、内筒１０が膨張した際に、非固定の位置で内筒１０上を中筒６０がスライドする。そのため、中筒６０と内筒１０との間の膨張差による応力により内筒１０が変形し、中筒６０と内筒１０との位置関係にずれが生じて第２流路６１ｂが失われてしまうことを回避できる。

上記のような構造を有する熱交換器３００は、熱交換器１００と同様に、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。中筒６０は、熱回収部材３０を内筒１０に配置した後、内筒１０上にスペーサー６２を介して配置するか、又は軸方向両端部が拡径された内筒１０上に直接配置すればよい。

なお、本発明の実施形態３に係る熱交換器３００の特徴（中筒６０）の構成は、本発明の実施形態２に係る熱交換器２００にも適用することができることに留意すべきである。

１０内筒
２０外筒
２１供給管
２２排出管
２３絞り部
２４壁部
３０熱回収部材
４０連続した凹凸構造
５０緩衝部材
６０中筒
６１ａ第１流路
６１ｂ第２流路
６２スペーサー
６３貫通孔
７０コーン
１００、２００、３００熱交換器

Claims

第１流体が流通可能であり、熱回収部材を収容するための内筒と、
前記内筒の径方向外側に間隔をおいて配置され、前記内筒との間を第２流体が流通可能な外筒と、
前記内筒と前記外筒との間に配置され、前記第２流体の流路を仕切る中筒と
を備え、
前記外筒及び／又は前記内筒の少なくとも１つの軸方向端部側に、連続した凹凸構造が形成されており、
前記中筒は、前記中筒の軸方向両端部に設けられたスペーサーによって前記内筒に保持されている熱交換器。
前記スペーサーは、前記第２流体が通過可能な三次元構造を有する、請求項１に記載の熱交換器。
前記中筒の軸方向一端に設けられたスペーサーは、前記中筒及び前記内筒の両方に固定され、前記中筒の軸方向他端に設けられたスペーサーは、前記内筒に対して固定され且つ前記中筒に対して可動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。
第１流体が流通可能であり、熱回収部材を収容するための内筒と、
前記内筒の径方向外側に間隔をおいて配置され、前記内筒との間を第２流体が流通可能な外筒と、
前記内筒と前記外筒との間に配置され、前記第２流体の流路を仕切る中筒と
を備え、
前記外筒及び／又は前記内筒の少なくとも１つの軸方向端部側に、連続した凹凸構造が形成されており、
前記中筒の軸方向両端部が、拡径された前記内筒に接続されており、
前記中筒が、前記第２流体が移動可能な貫通孔を有する熱交換器。
前記中筒の軸方向一端部は、拡径された前記内筒に固定され、前記中筒の軸方向他端部は、拡径された前記内筒に対して可動可能に設けられている、請求項４に記載の熱交換器。
前記連続した凹凸構造が蛇腹構造である、請求項１～５のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記熱交換器が、熱回収部材を更に備え、
前記熱回収部材が、第１端面から第２端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカム構造体である、請求項１～６のいずれか一項に記載の熱交換器。