DE102020201715A1

DE102020201715A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102020201715A1
Application number: DE102020201715.8A
Authority: DE
Inventors: Yutaro Fumoto; Tatsuo Kawaguchi; Daisuke Kimura
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2020-10-01
Also published as: JP7169923B2; US11719489B2; JP2020159652A; CN111750723A; US20200309464A1

Abstract

Wärmetauscher 100, aufweisend: einen Innenzylinder 10, durch welchen ein erstes Fluid strömen kann, wobei der Innenzylinder 10 dazu ausgebildet ist, ein Wärmerückgewinnungselement 30 aufzunehmen; und einen Außenzylinder 20, der so angeordnet ist, dass er auf einer radial äußeren Seite des Innenzylinders 10 beabstandet ist, so dass ein zweites Fluid zwischen dem Außenzylinder 20 und dem Innenzylinder 10 strömen kann. In dem Wärmetauscher 100 weist zumindest ein Teil des Außenzylinders 20 und/oder des Innenzylinders 10 mindestens eine durchgängige unregelmäßige Struktur 40 auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Unlängst existiert ein Bedarf für die Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit von Kraftfahrzeugen. Insbesondere wird ein System erwartet, das ein Kühlmittel, Motoröl und ein Automatikgetriebeöl (ATF: Automatic Transmission Fluid) in einem frühen Stadium erwärmt, um Reibungsverluste zu verringern, um eine Verschlechterung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit zum Zeitpunkt, wenn ein Motor kalt ist, zu verhindern, wie beispielsweise wenn der Motor angelassen wird. Ferner wird ein System erwartet, das einen Abgasreinigungskatalysator erwärmt, um den Katalysator in einem frühen Stadium zu aktivieren.
Ein derartigen Systemen zum Beispiel ist ein Wärmetauscher vorhanden. Der Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, die Wärme zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid austauscht, indem es dem ersten Fluid erlaubt wird, innerhalb zu strömen, und dem zweiten Fluid, außerhalb zu strömen. Zum Beispiel kann in einem derartigen Wärmetauscher die Wärme effektiv genutzt werden, indem die Wärme von dem ersten Fluid mit einer höheren Temperatur (zum Beispiel ein Abgas) zu dem zweiten Fluid mit einer niedrigeren Temperatur (zum Beispiel Kühlwasser) getauscht wird.
Patentdokument 1 schlägt einen Wärmetauscher vor, der Folgendes aufweist: einen Wärmeaufnahmeabschnitt, der als eine Wabenstruktur mit einer Mehrzahl von Zellen ausgebildet ist, durch welche eine erstes Fluid (zum Beispiel ein Abgas) strömen kann; und ein Gehäuse, das angeordnet ist, eine Außenumfangsfläche des Wärmeaufnahmeabschnitts abzudecken, durch welchen ein zweites Fluid (zum Beispiel Kühlwasser) zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt und dem Gehäuse strömen kann.
Der Wärmetauscher von Patentdokument 1 weist jedoch eine Struktur auf, bei der Abwärme von dem ersten Fluid zu dem zweiten Fluid fortwährend aufgenommen wird. Daher wird die Abwärme möglicherweise aufgenommen, selbst wenn keine Notwendigkeit besteht, die Abwärme aufzunehmen. Daher musste der Wärmetauscher eine Kapazität eines Kühlers zur Abgabe der aufgenommenen Abwärme erhöhen, selbst wenn keine Notwendigkeit bestand, die Abwärme aufzunehmen.
Patentdokument 2 schlägt daher einen Wärmetauscher vor, der Folgendes aufweist: einen Innenzylinder, der so angeordnet ist, dass ein Gehäuse, das angeordnet ist, eine Außenumfangsfläche einer Wabenstruktur abzudecken, an einer Außenumfangsfläche der Wabenstruktur angebracht ist; einen Zwischenzylinder, der angeordnet ist, den Innenzylinder abzudecken; einen Außenzylinder, der angeordnet ist, den Zwischenzylinder abzudecken, wobei ein Innenseiten-Außenumfangsströmungsweg zwischen dem Innenzylinder und dem Zwischenzylinder gebildet ist und ein Außenseiten-Außenumfangsströmungsweg zwischen dem Zwischenzylinder und dem Außenzylinder gebildet ist. Wenn eine Temperatur des Innenzylinders niedriger als ein Siedepunkt eines Kühlmittels (eines zweiten Fluids) ist (wenn es notwendig ist, Abwärme zurückzugewinnen), sind gemäß dem Wärmetauscher der Innenseiten-Außenumfangsströmungsweg und der Außenseiten-Außenumfangsströmungsweg mit dem Kühlmittel in Form von Flüssigkeit gefüllt, so dass ein Wärmeaustausch gefördert werden kann. Wenn eine Temperatur des Innenzylinders gleich dem Siedepunkt des Kühlmittels oder höher als dieser ist (wenn es nicht notwendig ist, die Abwärme zurückzugewinnen) ist das gasförmige Kühlmittel, das durch Sieden und Verdampfen erzeugt wird, ferner in dem Innenseiten-Außenumfangsströmungsweg vorhanden, so dass ein Wärmeaustausch unterdrückt werden kann. Daher kann der Wärmetauscher Umschalten zwischen Förderung und Unterdrückung des Wärmetauschers zwischen den zwei Fluidtypen durchführen.
LISTE DER ANFÜHRUNGEN
Patentliteratur

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.2012-037165A
Patentdokument 2: WO 2016/185963 A1

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Technische Aufgabe
Die betreffenden Erfinder haben den Wärmetauscher wie in Patentdokument 2 beschrieben untersucht und herausgefunden, dass, wenn Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid durchgeführt wird, eine Differenz von Temperaturen zwischen einem Abschnitt, der mit dem ersten Fluid in Kontakt steht, und einem Abschnitt, der mit dem zweiten Abschnitt in Kontakt steht, erhöht wird, und Elemente aufgrund von thermischer Beanspruchung plastisch verformt werden können. Eine derartige Verformung der Elemente führt zu einer verschlechterten Leistung der Abwärmerückgewinnung.
Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um die obigen Aufgaben zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der plastische Verformung von Elementen aufgrund der Temperaturdifferenz während des Wärmeaustauschs zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid unterdrücken kann.
Lösung der Aufgabe
Als Ergebnisse intensiver Untersuchungen zur Lösung der oben genannten Aufgaben haben die betreffenden Erfinder festgestellt, dass durch Bilden einer durchgängigen unregelmäßigen Struktur auf einem bestimmten Element oder durch Vorsehen eines Elements mit einer durchgängigen unregelmäßigen Struktur auf einem bestimmten Abschnitt die plastische Verformung der Elemente aufgrund der Temperaturdifferenz unterdrückt werden kann, und die vorliegende Erfindung vollendet.
Daher betrifft die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher, umfassend:

einen Innenzylinder, durch welchen ein erstes Fluid strömen kann, wobei der Innenzylinder dazu ausgebildet ist, ein Wärmerückgewinnungselement aufzunehmen; und
einen Außenzylinder, der so angeordnet ist, dass er auf einer radial äußeren Seite des Innenzylinders beabstandet ist, so dass ein zweites Fluid zwischen dem Außenzylinder und dem Innenzylinder strömen kann;
wobei zumindest ein Teil des Außenzylinders und/oder des Innenzylinders mindestens eine durchgängige unregelmäßige Struktur aufweist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls einen Wärmetauscher, umfassend:

einen Innenzylinder, durch welchen ein erstes Fluid strömen kann, wobei der Innenzylinder dazu ausgebildet ist, ein Wärmerückgewinnungselement aufzunehmen; und
einen Außenzylinder, der so angeordnet ist, dass er auf einer radial äußeren Seite des Innenzylinders beabstandet ist, so dass ein zweites Fluid zwischen dem Außenzylinder und dem Innenzylinder strömen kann;
wobei der Wärmetauscher mindestens ein Pufferelement mit mindestens einer durchgängigen unregelmäßigen Struktur umfasst, das auf mindestens einem Abschnitt ausgebildet ist, der aus Abschnitten zwischen zwei oder mehr geteilten Teilen des Außenzylinders, Abschnitten zwischen zwei oder mehr geteilten Teilen des Innenzylinders und Teilen zwischen dem Außenzylinder und dem Innenzylinder ausgewählt sind.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der plastische Verformung von Elementen aufgrund einer Temperaturdifferenz während des Wärmeaustauschs zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid unterdrücken kann.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht eines Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Seitenansicht eines Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen konkret beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen begrenzt ist und dass diejenigen, die auf der Grundlage von Kenntnissen eines Fachmanns den folgenden Ausführungsformen Änderungen, Verbesserungen und dergleichen hinzugefügt haben, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
(Ausführungsform 1)
Die 1 und 2 sind Querschnittsansichten (Querschnittsansichten parallel zu einer Strömungsrichtung eines ersten Fluids) eines Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, enthält ein Wärmetauscher 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung: einen Innenzylinder 10; und einen Außenzylinder 20, der so angeordnet ist, dass er auf einer radial äußeren Seite des Innenzylinders 10 beabstandet ist. Innenumfangsflächen beider Enden in einer axialen Richtung des Außenzylinders 20 sind durch Schweißen oder dergleichen an einer Außenumfangsfläche des Innenzylinders 10 befestigt. Daher kann ein erstes Fluid durch den Innenzylinder 10 strömen, und ein zweites Fluid kann zwischen dem Innenzylinder 10 und dem Außenzylinder 20 strömen.
Der Wärmetauscher 100 kann ferner ein Wärmerückgewinnungselement 30 enthalten, das in dem Innenzylinder 10 aufgenommen ist.
Es können verschiedene Flüssigkeiten und Gase als das erste und zweite Fluid genutzt werden. Wenn der Wärmetauscher 100 an einem Kraftfahrzeug angebaut ist, kann zum Beispiel ein Abgas als das erste Fluid und Wasser oder Frostschutzmittel (LLC vorgegeben von JIS K2234: 2006) als das zweite Fluid genutzt werden. Ferner kann das erste Fluid ein Fluid mit einer Temperatur sein, die höher als jene des zweiten Fluids ist.
Wenn Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid durchgeführt wird, strömt das erste Fluid mit einer höheren Temperatur innerhalb des Innenzylinders 10, während das zweite Fluid mit einer niedrigeren Temperatur außerhalb des Innenzylinders 10 strömt, wobei eine Temperaturdifferenz in dem Zylinder 10 erzeugt wird, was zu einem Unterschied in einem thermischen Ausdehnungsverhalten führt. Das heißt, in dem Innenzylinder 10 neigt ein Abschnitt in Kontakt mit dem ersten Fluid mit der höheren Temperatur dazu, sich auszudehnen, wohingegen ein Abschnitt in Kontakt mit dem zweiten Fluid mit der niedrigeren Temperatur dazu neigt, sich zusammenzuziehen. Aufgrund dieses Unterschieds im thermischen Ausdehnungsverhalten wird in dem Innenzylinder 10 eine größere thermische Beanspruchung erzeugt. Wenn der Innenzylinder 10 der thermischen Beanspruchung nicht standhalten kann, wird er plastisch verformt, und es wird ein Zwischenraum zwischen dem Innenzylinder 10 und dem Wärmerückgewinnungselement 30 geschaffen. Wenn ein derartiger Zwischenraum geschaffen ist, kann die Wärme, die durch das Wärmerückgewinnungselement 30 zurückgewonnen wird, nicht effizient über den Innenzylinder 10 an das zweite Fluid übertragen werden, was zu verringerter Leistung bei der Abwärmerückgewinnung führt.
Daher ist in dem Wärmetauscher 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung mindestens eine durchgängige unregelmäßige Struktur 40 auf zumindest einem Teil des Außenzylinders 20 und/oder des Innenzylinders 10 ausgebildet.
1 zeigt den Wärmetauscher 100 mit den durchgängigen unregelmäßigen Strukturen 40, die in einem Teil des Außenzylinders 20 ausgebildet sind. 2 zeigt den Wärmetauscher 100 mit der durchgängigen unregelmäßigen Struktur 40, die in einem Teil des Innenzylinders 10 ausgebildet ist.
In dem Wärmetauscher 100, wie in 1 gezeigt, haben die unregelmäßigen Strukturen 40, die auf dem Außenzylinder 20 ausgebildet sind, eine Funktion des elastischen Verformens des Außenzylinders 20 in verschiedene Richtungen. Daher werden die durchgängigen unregelmäßigen Strukturen 40 elastisch verformt, so dass sich der Außenzylinder 20 entsprechend der thermischen Beanspruchung des Innenzylinders 10 ausdehnt und zusammenzieht. Aufgrund der elastischen Verformung der durchgängigen unregelmäßigen Strukturen 40, die in dem Außenzylinder 20 ausgebildet sind, wird die thermische Beanspruchung des Innenzylinders 10 abgeschwächt, so dass die plastische Verformung des Innenzylinders 10 unterdrückt werden kann.
In dem Wärmetauscher 100, wie in 2 gezeigt, hat die durchgängige unregelmäßige Struktur 40, die in dem Innenzylinder 10 ausgebildet sind, eine Funktion des elastischen Verformens des Innenzylinders 10 in verschiedene Richtungen. Daher wird die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 elastisch verformt, so dass sich der Innenzylinder 10 entsprechend der thermischen Beanspruchung des Innenzylinders 10 ausdehnt und zusammenzieht. Aufgrund der elastischen Verformung der durchgängigen unregelmäßigen Struktur 40, die in dem Innenzylinder 10 ausgebildet ist, wird die thermische Beanspruchung des Innenzylinders 10 abgeschwächt, so dass die plastische Verformung des Innenzylinders 10 unterdrückt werden kann.
Eine Position der durchgängigen unregelmäßigen Struktur 40, die in dem Außenzylinder 20 oder dem Innenzylinder 10 ausgebildet ist, ist nicht sonderlich begrenzt. Vom Standpunkt des Nichthemmens des Wärmeaustauschs sind die durchgängigen unregelmäßigen Strukturen 40 vorzugsweise an Enden in der axialen Richtung des Außenzylinders 20 oder Innenzylinders 10 ausgebildet.
Die Anzahl der durchgängigen unregelmäßigen Strukturen 40, die in dem Außenzylinder 20 oder dem Innenzylinder 10 ausgebildet sind, ist nicht sonderlich begrenzt, beträgt jedoch vorzugsweise eins, besser noch zwei.
Die durchgängigen unregelmäßigen Strukturen 40 können, obwohl sie nicht gezeigt sind, zumindest in einem Teil sowohl des Außenzylinders 20 als auch des Innenzylinders 10 ausgebildet sein. Selbst mit so einer Struktur können die obigen Wirkungen erzielt werden.
Die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 ist nicht sonderlich begrenzt, solange sie eine Struktur ist, bei der die Unregelmäßigkeiten durchgängig in verschiedenen Richtungen in dem Außenzylinder 20 oder dem Innenzylinder 10 vorliegen, und es können verschiedene bekannte Strukturen genutzt werden. Die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 ist vorzugsweise unter anderem eine Balgstruktur.
Die „Balgstruktur“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Struktur mit einer oder mehreren sich wiederholenden Strukturen eines Bergfaltabschnitts und eines Talfaltabschnitts auf der Oberfläche einer Zielstruktur (zum Beispiel dem Außenzylinder 20 und dem Innenzylinder 10).
Die Anzahl von sich wiederholenden Strukturen der Balgstruktur beträgt vorzugsweise zwei oder mehr, besser noch drei oder mehr, und noch besser fünf oder mehr. Dies ist so, weil die Fähigkeit zur Ausdehnung / zum Zusammenziehen umso höher ist, je größer die Anzahl von sich wiederholenden Strukturen ist, wodurch die Eignung, thermische Beanspruchung zu verringern, verbessert wird.
Nachstehend wird jedes Element, das den Wärmetauscher 100 bildet, für jedes Element weiter im Detail beschrieben.
<Bezüglich des Innenzylinders 10>
Der Innenzylinder 10 ist ein zylindrisches Element, das auf einer Außenumfangsfläche des Wärmerückgewinnungselements 30 in der axialen Richtung (der Strömungsrichtung des ersten Fluids) angeordnet ist.
Eine Innenumfangsfläche des Innenzylinders 10 kann in direktem oder indirektem Kontakt mit einer axialen Außenumfangsfläche des Wärmerückgewinnungselements 30 stehen. Im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit wird jedoch bevorzugt, dass eine axiale Richtung des Wärmerückgewinnungselements 30 in direktem Kontakt mit der Außenumfangsfläche steht. In diesem Fall stimmt eine Querschnittsform der Innenumfangsfläche des Innenzylinders 10 mit einer Querschnittsform der Außenumfangsfläche des Wärmerückgewinnungselements 30 überein. Es wird ebenfalls bevorzugt, dass die axiale Richtung des ersten Innenzylinders 10 mit jener des Wärmerückgewinnungselements 30 zusammenfällt und eine Mittelachse des ersten Innenzylinders 60 mit jener des Wärmerückgewinnungselements 30 zusammenfällt.
Es wird bevorzugt, dass eine axiale Länge des Innenzylinders 10 länger als jene des Wärmerückgewinnungselements 30 ist. In der axialen Richtung des Innenzylinders 10 stimmt eine Mittelposition des Innenzylinders 10 vorzugsweise mit jener des Wärmerückgewinnungselements 30 überein.
Durchmesser (ein Außendurchmesser und ein Innendurchmesser) des ersten Innenzylinders 10 können in der axialen Richtung einheitlich sein, jedoch kann der Durchmesser zumindest eines Teils (zum Beispiel beide Enden in der axialen Richtung oder dergleichen) des Innenzylinders reduziert oder erweitert sein.
Da die Wärme des ersten Fluids, welches das Wärmerückgewinnungselement 30 durchläuft, über das Wärmerückgewinnungselement 30 an den Innenzylinder 10 übertragen wird, ist der Innenzylinder 10 vorzugsweise aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet. Beispiele eines Materials, das für den Innenzylinder 10 genutzt wird, umfassen Metalle, Keramik und dergleichen. Beispiele der Metalle umfassen rostfreien Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen und Messing. Das Material des Innenzylinders 10 ist vorzugsweise rostfreier Stahl, da dieser beständiger und zuverlässiger ist.
<Bezüglich des Außenzylinders 20>
Der Außenzylinder 20 ist ein zylindrisches Element, das so angeordnet ist, dass es auf einer radial äußeren Seite des Innenzylinders 10 beabstandet ist.
Es wird bevorzugt, dass eine axiale Richtung des Außenzylinders 20 mit jener von jedem des Wärmerückgewinnungselements 30 und des Innenzylinders 10 zusammenfällt, und eine Mittelachse des Außenzylinders 20 mit jener von jedem des Wärmerückgewinnungselements 30 und des Innenzylinders 10 zusammenfällt.
Es wird bevorzugt, dass eine axiale Länge des Außenzylinders 20 so festgelegt ist, dass sie länger als jene des Wärmerückgewinnungselements 30 ist. In der axialen Richtung des Außenzylinders 20 stimmt eine Mittelposition des Außenzylinders 20 vorzugsweise mit jener von jedem des Wärmerückgewinnungselements 30 und des Innenzylinders 10 überein.
Der Außenzylinder 20 ist sowohl mit einem Zuführungsrohr 21 zur Zuführung des zweiten Fluids in einen Bereich zwischen dem Außenzylinder 20 und dem Innenzylinder 10 und einem Ablassrohr 22 zum Ablassen des zweiten Fluids in einen Bereich zwischen dem Außenzylinder 20 und dem Innenzylinder 10 verbunden. Das Zuführungsrohr 21 und das Ablassrohr 22 sind vorzugsweise an Positionen vorgesehen, die jeweils beiden axialen Enden des Wärmerückgewinnungselements 30 entsprechen.
Das Zuführungsrohr 21 und das Ablassrohr 22 können sich in dieselbe Richtung erstrecken, oder können sich in verschiedene Richtungen erstrecken, wie in 2 gezeigt.
Durchmesser (ein Außendurchmesser und ein Innendurchmesser) des Außenzylinders 20 können in der axialen Richtung einheitlich sein, jedoch kann der Durchmesser zumindest eines Teils (zum Beispiel eines Mittelabschnitts in der axialen Richtung, beider Enden in der axialen Richtung oder dergleichen) des Außenzylinders reduziert oder erweitert sein. Zum Beispiel kann sich durch Reduzierung des Durchmessers des Mittelabschnitts in der axialen Richtung des Außenzylinders 20, um einen reduzierten Abschnitt 23 zu bilden, wie in 2 gezeigt, das zweite Fluid in dem Außenzylinder 20 auf den Seiten des Zuführungsrohrs 21 und des Ablassrohrs 22 über die gesamte Außenumfangsrichtung des Innenzylinders 10 verteilen. Auch ist in dem reduzierten Abschnitt 23 des Außenzylinders 20 eine Querschnittsfläche des Strömungswegs reduziert, so dass eine Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Fluids erhöht ist, um die Wärmeübertragung zu begünstigen. Daher kann die Effizienz des Wärmeaustauschs verbessert werden.
Ferner kann der reduzierte Abschnitt 23 in einer Spiralform entlang der axialen Richtung des Außenzylinders 20 ausgebildet sein. Hier ist eine Seitenansicht des Wärmetauschers 100 in 3 gezeigt. 3(a) ist eine Seitenansicht des Wärmetauschers 100 von 2, bei dem der reduzierte Abschnitt 23 an einem Mittelabschnitt in der axialen Richtung des Außenzylinders 20 ausgebildet ist. Andererseits ist der reduzierte Abschnitt 23 wie in 3(b) gezeigt in einer Spiralform entlang der axialen Richtung des Außenzylinders 20 ausgebildet, so dass zusätzlich zu der obigen Wirkung des reduzierten Abschnitts 23 die axiale Länge reduziert werden kann. Daher kann die Größe des Wärmetauschers 100 reduziert werden.
Der Außenzylinder 20 kann vorzugsweise aus Metall oder Keramik hergestellt sein. Beispiele von Metallen umfassen rostfreien Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen. Von diesen ist das Material des Außenzylinders 20 vorzugsweise der rostfreie Stahl, da er eine hohe Beständigkeit und Zuverlässigkeit aufweist.
<Bezüglich des Wärmerückgewinnungselements 30>
Das Wärmerückgewinnungselement 30 ist nicht sonderlich begrenzt, solange es Wärme rückgewinnen kann. Zum Beispiel kann eine Wabenstruktur als das Wärmerückgewinnungselement 30 genutzt werden.
Die Wabenstruktur ist im Allgemeinen eine säulenförmige Struktur. Eine Querschnittsform, die senkrecht zu der axialen Richtung der Wabenstruktur verläuft, ist nicht sonderlich begrenzt, und sie kann ein Kreis, eine Ellipse, ein Viereck oder andere Polygone sein.
Die Wabenstruktur weist eine Mehrzahl von Zellen auf, die durch Trennwände und eine Außenumfangswand voneinander getrennt sind und die hauptsächlich auf Keramik basieren. Jede der Zellen verläuft durch das Innere der Wabenstruktur von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche der Wabenstruktur. Sowohl die erste Endfläche als auch die zweite Endfläche sind Endflächen der Wabenstruktur in der axialen Richtung (einer Zellenerstreckungsrichtung).
Jede der Zellen kann eine beliebige Querschnittsform (eine Form eines Querschnitts, der senkrecht zu der Zellenerstreckungsrichtung verläuft) aufweisen, einschließlich Kreis-, Ellipsen-, Dreiecks-, Vierecks-, Sechseck- und anderer Polygonformen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Auch können die Zellen in einem Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu der Zellenerstreckungsrichtung radial ausgebildet sein. Eine derartige Struktur kann es erlauben, dass Wärme des ersten Fluids, das durch die Zellen strömt, effizient zum Äußeren der Wabenstruktur übertragen wird.
Die Außenumfangswand weist vorzugsweise eine größere Dicke als jene der Trennwand auf. Eine derartige Struktur kann zu einer erhöhten Stärke der Außenumfangswand führen, die anderenfalls dazu neigen würde, durch thermische Beanspruchung aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid einen Bruch (z.B. Riss-, Spaltbildung und dergleichen) hervorzurufen.
Eine Dicke jeder Trennwand ist nicht sonderlich begrenzt und kann in Abhängigkeit von den Anwendungen nach Bedarf angepasst werden. Zum Beispiel kann die Dicke jeder Trennwand vorzugsweise von 0,1 bis 1 mm und besser noch von 0,2 bis 0,6 mm betragen. Die Dicke der Trennwand von 0,1 mm oder mehr kann der Wabenstruktur eine ausreichende mechanische Stärke verleihen. Ferner kann die Dicke der Trennwand von 1 mm oder weniger Probleme verhindern, dass der Druckverlust aufgrund einer Verringerung einer Öffnungsfläche erhöht wird, und dass die Effizienz der Wärmerückgewinnung aufgrund einer Verringerung einer Kontaktfläche mit dem ersten Fluid verhindert wird.
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers 100 beschrieben.
Der Wärmetauscher 100 kann gemäß einem auf dem Gebiet bekannten Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 100 wie nachstehend beschrieben hergestellt werden, wenn die Wabenstruktur als das Wärmerückgewinnungselement 30 genutzt wird. Zuerst wird ein Grünkörper, der Keramikpulver enthält, zu einer gewünschten Form extrudiert, um einen wabenförmigen Körper zu erstellen. Das Material des wabenförmigen Körpers ist nicht sonderlich begrenzt, und es kann ein bekanntes Material genutzt werden. Wenn zum Beispiel ein wabenförmiger Körper hergestellt wird, der ein Si-imprägniertes SiC-Verbundmaterial als eine Hauptkomponente enthält, werden ein Binder und Wasser oder ein organisches Lösungsmittel einer vorbestimmten Menge von SiC-Pulver hinzugegeben, und das resultierende Gemisch wird zu einem Grünkörper geknetet, der dann zu einem wabenförmigen Körper mit einer gewünschten Form geformt werden kann. Der resultierende wabenförmige Körper kann dann getrocknet werden, und der getrocknete wabenförmige Körper kann mit metallischem Si imprägniert und in einem Inertgas unter reduziertem Druck oder Vakuum gebrannt werden, um eine Wabenstruktur mit Zellen zu erhalten, die als Strömungswege für das erste Fluid dienen, die durch Trennwände definiert sind.
Die Wabenstruktur wird dann in den Innenzylinder 10 eingefügt, und der Innenzylinder 10 wird so angeordnet, dass er durch Aufschrumpfen an der Wabenstruktur befestigt ist. Die Wabenstruktur und der Innenzylinder 10 können anstelle des Aufschrumpfens durch Einpressen, Hartlöten, Diffusionsschweißen oder dergleichen befestigt werden. Wenn ein Durchmesser eines Teils des Innenzylinders 10 reduziert oder erweitert ist, kann es durchgeführt werden, nachdem der Innenzylinder 10 angeordnet wurde, oder bevor der Innenzylinder 10 angeordnet wird.
Die oben hergestellte Struktur wird innerhalb des Außenzylinders 20 angeordnet, der mit dem Zuführungsrohr 21 und dem Ablassrohr 22 für das zweite Fluid versehen ist, und durch Schweißen oder dergleichen befestigt.
Das Verfahren des Bildens der durchgängigen unregelmäßigen Struktur 40 in dem Innenzylinder 10 und/oder dem Außenzylinder 20 ist nicht sonderlich begrenzt, und es können verschiedene Verarbeitungsverfahren genutzt werden, wie beispielsweise mechanische Mittel und hydraulische Mittel. Ferner kann die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 zuvor in dem Innenzylinder 10 und/oder dem Außenrohr 20 gebildet werden, oder gebildet werden, nachdem sie an einer vorbestimmten Position angeordnet wurde.
Gemäß dem Wärmetauscher 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ist die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 zumindest in einem Teil des Außenzylinders 20 und/oder Innenzylinders 10 ausgebildet. Daher kann die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 die thermische Beanspruchung, die in dem Innenzylinder 10 durch elastische Verformung erzeugt wird, abschwächen, so dass die plastische Verformung des Innenzylinders 10 unterdrückt werden kann.
(Ausführungsform 2)
Die 4 und 6 sind Querschnittsansichten (Querschnittsansichten parallel zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids) eines Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Die Elemente mit denselben Bezugszeichen wie jene in den Beschreibungen des Wärmetauschers 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung sind dieselben wie jene eines Wärmetauschers 200 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Daher sind deren Beschreibungen weggelassen.
Daher ist in dem Wärmetauscher 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 in zumindest einem Teil des Außenzylinders 20 und/oder des Innenzylinders 10 ausgebildet. Jedoch unterscheidet sich der Wärmetauscher 200 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung darin von dem Wärmetauscher 100 gemäß Ausführungsform 1, dass die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 in einem Pufferelement 50 ausgebildet ist, das getrennt von dem Außenzylinder 20 und dem Innenzylinder 10 vorgesehen ist.
4 zeigt den Wärmetauscher 200, bei dem ein Pufferelement 50 mit einer durchgängigen unregelmäßigen Struktur 40 zwischen zwei oder mehr geteilten Außenzylindern 20 angeordnet ist. Wie beim Wärmetauscher 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung kann der Wärmetauscher 200 die elastische Verformung des Innenzylinders 10 unterdrücken, weil die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 des Pufferelements 50, das zwischen den zwei oder mehr geteilten Außenzylindern 20 angeordnet ist, elastisch verformt wird, dadurch die thermische Beanspruchung abschwächen, die in dem Innenzylinder 10 erzeugt wird. Es sollte beachtet werden, dass mit den zwei oder mehr geteilten Außenzylindern 20 gemeint ist, dass der Außenzylinder in der Längsrichtung des Außenzylinders 20 in zwei oder mehr Teile geteilt ist.
In dem Wärmetauscher 200, wie in 4 gezeigt, weist der Außenzylinder 20 Wände 24 auf, die sich jeweils in der radialen Richtung erstrecken, und jede Wand 24 des Außenzylinders 20 ist mit dem Innenzylinder 10 verbunden. Der Wärmetauscher 200 enthält ferner Kegel 70, die jeweils durch Schweißen oder dergleichen an einem Ende des Außenzylinders 20 mit der Wand 24 befestigt sind.
Der Wärmetauscher 200, der diese Struktur aufweist, kann die Verformung des Innenzylinders 10 weiter unterdrücken, weil die Wand 24 des Außenzylinders 20 elastisch verformt wird, wenn sich der Innenzylinder 10 ausdehnt.
Jeder Kegel 70 ist ein zylindrisches Element. Vorzugsweise fällt eine axiale Richtung des Kegels 70 mit jener des Außenzylinders 20 und dergleichen und eine Mittelachse des Kegels 70 mit jener des Außenzylinders 20 zusammen. Auch ist ein Durchmesser eines Endes des Kegels 70, der an dem Außenzylinder 20 befestigt ist, vorzugsweise derselbe wie jener des Außenzylinders 20.
Als ein Material, das für den Kegel 70 genutzt wird, kann zum Beispiel ein Metall, eine Keramik oder dergleichen genutzt werden. Beispiele des Metalls umfassen rostfreien Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen und Messing. Das Material des Kegels 70 ist vorzugsweise rostfreier Stahl, da dieser beständiger und zuverlässiger ist.
5 zeigt den Wärmetauscher 200, bei dem das Pufferelement 50 mit der durchgängigen unregelmäßigen Struktur 40 zwischen zwei oder mehr geteilten Innenzylindern 10 angeordnet ist. Wie beim Wärmetauscher 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung kann der Wärmetauscher 200 die elastische Verformung des Innenzylinders 10 unterdrücken, weil die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 des Pufferelements 50, das zwischen den zwei oder mehr geteilten Innenzylindern 10 angeordnet ist, elastisch verformt wird, um die thermische Beanspruchung abschwächen, die in dem Innenzylinder 10 erzeugt wird. Es sollte beachtet werden, dass mit den zwei oder mehr geteilten Innenzylindern 10 gemeint ist, dass der Innenzylinder 10 in der Längsrichtung des Innenzylinders 10 in zwei oder mehr Teile geteilt ist.
6 zeigt den Wärmetauscher 200, bei dem die Pufferelemente 50 jeweils mit der durchgängigen unregelmäßigen Struktur 40 jeweils zwischen dem Außenzylinder 20 und dem Innenzylinder 10 angeordnet sind. Wie beim Wärmetauscher 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Wärmetauscher 200 die elastische Verformung des Innenzylinders 10 unterdrücken, weil die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 jedes Pufferelements 50, das zwischen dem Außenzylinder 20 und dem Innenzylinder 10 angeordnet ist, elastisch verformt wird, um die thermische Beanspruchung abschwächen, die in dem Innenzylinder 10 erzeugt wird.
Es sollte beachtet werden, dass die 4 bis 6 Beispiele zeigen, bei denen das/die Pufferelement(e) 50 zwischen den zwei oder mehr geteilten Außenzylindern 20, zwischen den zwei oder mehr geteilten Innenzylindern 10 oder zwischen dem Außenzylinder 20 und dem Innenzylinder 10 vorgesehen ist/sind. Die Pufferelemente 50 können jedoch an diesen zwei oder mehr Positionen angeordnet sein.
Jedes der Pufferelemente 50 ist ein zylindrisches Element, und die durchgängigen unregelmäßigen Strukturen 40 sind in einem Teil der Pufferelemente 50 ausgebildet. Wenn das Pufferelement 50 zwischen den zwei oder mehr geteilten Außenzylindern 20 oder den zwei oder mehr geteilten Innenzylindern 10 angeordnet ist, wie in den 4 und 3 gezeigt, sind beide Enden des Pufferelements 50 in der axialen Richtung durch Schweißen oder dergleichen an dem Außenzylinder 20 oder dem Innenzylinder 10 befestigt. Ferner können das Pufferelement 50 und der Außenzylinder 20 oder der Innenzylinder 10 direkt befestigt oder über ein anderes Element indirekt befestigt sein. Wenn die Pufferelemente 50 jeweils zwischen dem Außenzylinder 20 und dem Innenzylinder 10 angeordnet sind, wie in 6 gezeigt, ist ein Ende jedes Pufferelements 50 in der axialen Richtung durch Schweißen oder dergleichen an dem Außenzylinder 20 und das andere Ende in der axialen Richtung durch Schweißen oder dergleichen an dem Innenzylinder 10 befestigt. Jedes Pufferelement 50 und der Außenzylinder 20 oder der Innenzylinder 10 können direkt befestigt oder über ein anderes Element indirekt befestigt sein.
Als ein Material, das für das Pufferelement 50 genutzt wird, kann zum Beispiel ein Metall, Keramik oder dergleichen genutzt werden. Beispiele des Metalls umfassen rostfreien Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen und Messing. Das Material des Pufferelements 50 ist vorzugsweise rostfreier Stahl, da dieser beständiger und zuverlässiger ist.
Der Wärmetauscher 200 mit der obigen Struktur kann nach einem auf dem Gebiet bekannten Verfahren hergestellt werden, wie beim Wärmetauscher 100. Ferner kann das Pufferelement 50 gemäß anzuordnenden Positionen auf jedem Element bei einer geeigneten Stufe angeordnet sein. Das Verfahren des Bildens des Pufferelements 50 mit der durchgängigen unregelmäßigen Struktur 40 ist nicht sonderlich begrenzt, und es können verschiedene Verarbeitungsverfahren genutzt werden, wie beispielsweise mechanische Mittel und hydraulische Mittel.
Wie bei dem Wärmetauscher 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung kann der Wärmetauscher 200 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung mit dem/den Pufferelement(en) 50 an der/den vorbestimmten Position(en) die plastische Verformung des Innenzylinders 10 unterdrücken, weil die durchgängige unregelmäßige Struktur 40 des Pufferelements 50 elastisch verformt wird, um die thermische Beanspruchung abzuschwächen, die in dem Innenzylinder 10 erzeugt wird.
(Ausführungsform 3)
Die 7 und 8 sind Querschnittsansichten (Querschnittsansichten parallel zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids) eines Wärmetauschers gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Die Elemente mit denselben Bezugszeichen wie jene in den Beschreibungen des Wärmetauschers 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung sind dieselben wie jene eines Wärmetauschers 300 gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Daher sind deren Beschreibungen weggelassen.
Der Wärmetauscher 300 gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich darin von dem Wärmetauscher 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, dass Ersterer zwischen dem Innenzylinder 10 und dem Außenzylinder 20 angeordnet ist und ferner einen Zwischenzylinder 60 enthält, der den Strömungsweg für das zweite Fluid aufteilt.
Der Zwischenzylinder 60 ist ein zylindrisches Element. Es wird bevorzugt, dass eine axiale Richtung des Zwischenzylinders 60 mit des Wärmerückgewinnungselements 30 und eine Mittelachse des Zwischenzylinders 60 mit jener des Wärmerückgewinnungselements 30 zusammenfällt.
Es wird bevorzugt, dass eine axiale Länge des Zwischenzylinders 60 länger als jene des Wärmerückgewinnungselements 30 ist. In der axialen Richtung des Zwischenzylinders 60 fällt die Mittelposition des Zwischenzylinders 60 vorzugsweise mit jener von jedem des Wärmerückgewinnungselements 30, des Innenzylinders 10 und des Außenzylinders 20 zusammen.
Das Vorsehen des Zwischenzylinders 60, der den Strömungsweg für das zweite Fluid zwischen dem Innenzylinder 10 und dem Außenzylinder 20 aufteilt, führt zur Bildung sowohl eines ersten Strömungswegs 61a für das zweite Fluid, der zwischen dem Außenzylinder 20 und dem Zwischenzylinder 60 gebildet wird, als auch eines zweiten Strömungswegs 61b für das zweite Fluid, der zwischen dem Innenzylinder 10 und dem Zwischenzylinder 60 gebildet wird.
Wenn der zweite Strömungsweg 61b mit dem flüssigen zweiten Fluid gefüllt ist, wird die Wärme des ersten Fluids, die von dem Wärmerückgewinnungselement 30 an den Innenzylinder 10 übertragen wird, an das zweite Fluid in dem ersten Strömungsweg 61a über das zweite Fluid in dem zweiten Strömungsweg 61b übertragen. Andererseits wird die Wärmeleitung des zweiten Fluids in dem ersten Strömungsweg 61a über das zweite Fluid in dem zweiten Strömungsweg 61b unterdrückt, wenn eine Temperatur des Innenzylinders 10 höher ist und Dampf (Blasen) des zweiten Fluids in dem zweiten Strömungsweg 61b erzeugt wird. Dies liegt daran, dass die Wärmeleitfähigkeit eines gasförmigen Fluids niedriger als jene eines flüssigen Fluids ist. Das heißt, ein Zustand, in dem der Wärmeaustausch effizient durchgeführt wird, und ein Zustand, in dem der Wärmeaustausch unterdrückt wird, kann in Abhängigkeit davon umgeschaltet werden, ob der Dampf des zweiten Fluids in dem zweiten Strömungsweg 61b erzeugt wird oder nicht. Die Zustände des Wärmeaustauschs erfordern keine externe Steuerung. Daher kann das Vorsehen des Zwischenzylinders 60 ein einfaches Umschalten zwischen Begünstigung und Unterdrückung des Wärmeaustauschs zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid ohne externe Steuerung erlauben.
Es sollte beachtet werden, dass das zweite Fluid ein Fluid mit einem Siedepunkt in einem Temperaturbereich sein kann, in welchem Wärmeaustausch unterdrückt werden soll.
Das Verfahren zur Anordnung des Zwischenzylinders 60 ist nicht sonderlich begrenzt. Wie zum Beispiel in 7 gezeigt, kann der Zwischenzylinder 60 durch Abstandhalter 62, die an beiden Enden in der axialen Richtung des Zwischenzylinders 60 vorgesehen sind, an dem Innenzylinder 10 gehalten werden. Wie in 8 gezeigt, können alternativ beide Enden in der axialen Richtung des Zwischenzylinders 60 mit dem Innenzylinder 10 mit dem vergrößerten Durchmesser verbunden sein.
Jeder Abstandhalter 62 ist ein Element zum Sichern und Halten eines Raums zwischen dem Zwischenzylinder 60 und dem Innenzylinder 10 und ist zwischen dem Zwischenzylinder 60 und dem Innenzylinder 10 vorgesehen. Es wird bevorzugt, dass sich jeder Abstandhalter 62 über die gesamte Umfangsrichtung des Innenzylinders 10 erstreckt. Der Abstandhalter 62 kann von einem Element gebildet sein, das sich durchgängig über die gesamte Umfangsrichtung des Innenzylinders 10 erstreckt, oder kann von einer Mehrzahl von Elementen gebildet sein, die aneinander angrenzend oder voneinander getrennt in der Umfangsrichtung des Innenzylinders 10 angeordnet sind.
Die Abstandhalter 62 sind vorzugsweise jeweils an Positionen auf zwei axialen Endflächenseiten des Wärmerückgewinnungselements 30, und besser noch jeweils an Positionen außerhalb der zwei axialen Endflächen des Wärmerückgewinnungselements 30 angeordnet. Durch Anordnung der Abstandhalter 62 an diesen Positionen kann es schwierig sein, die Wärme des Wärmerückgewinnungselements 30 über die Abstandhalter 62 an den Zwischenzylinder 60 zu übertragen. Wenn die Wärme des Wärmerückgewinnungselements 30 über die Abstandhalter 62 an den Zwischenzylinder 60 übertragen wird, wird die Wirkung der Unterdrückung des Wärmeaustauschs durch das gasförmige zweite Fluid reduziert.
Jeder Abstandhalter 62 weist vorzugsweise eine dreidimensionale Struktur auf, durch welche das zweite Fluid hindurchlaufen kann. Unter anderem wird es besonders bevorzugt, dass jeder Abstandhalter 62 eine dreidimensionale Struktur aufweist, die den Durchlauf des flüssigen zweiten Fluids erlaubt und ebenfalls den Durchlauf der Blasen des zweiten Fluids hemmt. Beispiele einer derartigen dreidimensionalen Struktur umfassen eine Gitterstruktur (eine Netzstruktur) und eine schwammartige Struktur (eine poröse Struktur). Mit der Abstandhalter 62 „erlaubt den Durchlauf des flüssigen zweiten“ ist gemeint, dass das zweite Fluid den Abstandhalter 62 durchlaufen kann und der Abstandhalter 62 ein Widerstand gegen den Durchlauf des zweiten Fluids sein kann. Der Abstandhalter 62 „hemmt den Durchlauf der Blasen des zweiten Fluids“ umfasst Haften der Blasen des zweiten Fluids an dem Abstandhalter 62 und Widerstand des Abstandhalters 62 gegen die Bewegung der Blasen des zweiten Fluids. Es wird bevorzugt, dass der Abstandhalter 62 eine Gitterstruktur aufweist, da sie leicht sowohl die Erlaubnis des Durchlaufs des flüssigen zweiten Fluids als auch die Hemmung des Durchlaufs von Blasen des zweiten Fluids erreicht.
Wenn ein großer Teil des Inneren des zweiten Strömungswegs 61b mit dem gasförmigen zweiten Fluid gefüllt ist, erzeugt das Strömen einer großen Menge des zweiten Fluids in dem zweiten Strömungsweg 61b schnell eine Siedeverdampfung des zweiten Fluids. Diese schnelle Siedeverdampfung des zweiten Fluids verursacht Vibrationen und Geräusche. Der Abstandhalter 62 weist einen Widerstand gegen den Durchlauf des flüssigen zweiten Fluids auf, so dass die Strömung des zweiten Fluids in den zweiten Strömungsweg 61b sanft wird und die Erzeugung von Vibrationen und Geräuschen unterdrückt werden kann.
Der Abstandhalter 62 hemmt den Durchlauf der Blasen des zweiten Fluids, wodurch sich das gasförmige zweite Fluid in dem zweiten Strömungsweg 61b sammelt und die Unterdrückung des Wärmeaustauschs durch das gasförmige zweite Fluid zuverlässiger ausgeübt wird. Um die Unterdrückung des Wärmeaustauschs zuverlässiger auszuüben, weist der Abstandhalter 62 vorzugsweise eine Porosität von 20 % oder mehr und besser noch 40 % oder mehr, noch besser 60 % oder mehr auf. Ferner beträgt die Porosität des Abstandhalters 62 vorzugsweise 98 % oder weniger, besser noch 95 % oder weniger und weiter vorzugsweise 90 % oder weniger. In der vorliegenden Erfindung wird die Porosität des Abstandhalters 62 durch das folgende Verfahren gemessen:

1) Die wahre Dichte des Materials, das den Abstandhalter 62 bildet, wird mit der archimedischen Methode bestimmt.
2) Die Raumdichte wird anhand eines scheinbaren Volumens des Abstandhalters 62 bestimmt, das anhand der Außenabmessungen (Dicke und vertikale und horizontale Längen) des Abstandhalters 62 und anhand des Gewichts des Abstandhalters 62 berechnet wird.
3) die Porosität wird mithilfe des folgenden relationalen Ausdrucks berechnet: Porosität = (1 - Raumdichte / wahre Dichte) x 100 %.

Die Abstandhalter 62 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass der Abstandhalter 62, der an einem Endabschnitt in der axialen Richtung des Zwischenzylinders 60 vorgesehen ist, sowohl an dem Zwischenzylinder 60 als auch dem Innenzylinder 10 befestigt ist und der Abstandhalter 62, der an dem anderen Endabschnitt in der axialen Richtung des Zwischenzylinders 60 vorgesehen ist, an dem Innenzylinder 10 befestigt und zu dem Zwischenzylinder 60 bewegbar ist. Zusätzlich kann Schweißen und dergleichen genutzt werden, wenngleich die Befestigungsmethode nicht sonderlich begrenzt ist.
Wenn die Abstandhalter 62 an beiden Enden in der axialen Richtung jeweils sowohl an dem Zwischenzylinder 60 als auch dem Innenzylinder 10 befestigt sind, können die folgenden Ereignisse eintreten. Das heißt, wenn Dampf (Blasen) des zweiten Fluids in dem zweiten Strömungsweg 61b erzeugt wird und Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Fluid in dem zweiten Strömungsweg 61b und dem zweiten Fluid in dem ersten Strömungsweg 61a unterdrückt wird, wird eine Temperaturdifferenz zwischen dem Innenzylinder 10 und dem Zwischenzylinder 60 erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Innenzylinder 10 durch die Wärme des ersten Fluids erwärmt, während der Zwischenzylinder 60 durch das zweite Fluid in dem ersten Strömungsweg 61a gekühlt wird, so dass sich vielmehr der Innenzylinder 10 ausdehnt als der Zwischenzylinder 60. Wenn die Abstandhalter 62 an beiden Enden in der axialen Richtung jeweils sowohl an dem Zwischenzylinder 60 als auch dem Innenzylinder 10 befestigt sind, werden die befestigten Abschnitte an beiden Enden in der axialen Richtung durch Beanspruchung aufgrund einer Ausdehnungsdifferenz zwischen dem Zwischenzylinder 60 und dem Innenzylinder 10 beschädigt, wodurch die Positionsbeziehung zwischen dem Zwischenzylinder 60 und dem Innenzylinder 10 verschoben wird, um den zweiten Strömungsweg 61b zu verlieren.
Wie oben beschrieben, ist der Abstandhalter 62, der an einem axialen Ende des Zwischenzylinders 60 vorgesehen ist, sowohl an dem Zwischenzylinder 60 als auch dem Innenzylinder 10 befestigt, während der Abstandhalter 62, der an dem anderen axialen Ende des Zwischenzylinders 60 vorgesehen ist, an dem Innenzylinder 10 befestigt und zu dem Zwischenzylinder 60 bewegbar (nicht befestigt) ist, wodurch der Zwischenzylinder 60 auf dem Abstandhalter 62 an der nicht befestigten Position gleitet, wenn sich der Innenzylinder 10 ausdehnt. Dies kann eine Beschädigung des befestigten Abschnitts des Abstandhalters 62 durch die Beanspruchung aufgrund der Ausdehnungsdifferenz zwischen dem Zwischenzylinder 60 und dem Innenzylinder 10 verhindern, um die Positionsbeziehung zwischen dem Zwischenzylinder 60 und dem Innenzylinder 10 zu verschieben, um den zweiten Strömungsweg 61b zu verlieren.
Wie in 8 gezeigt, weist beim Verbinden beider Enden in der axialen Richtung des Zwischenzylinders 60 mit dem Innenzylinder 10 mit dem vergrößerten Durchmesser der Zwischenzylinder 60 Durchgangslöcher 63 auf, durch welche sich das zweite Fluid hindurchbewegen kann.
Die Durchgangslöcher 63 können sowohl auf der Einlassseite als auch der Auslassseite des zweiten Strömungswegs 61b in der Strömungsrichtung des zweiten Fluids vorgesehen sein. Jedoch können die Durchgangslöcher nur auf einer der Einlassseite und der Auslassseite vorgesehen sein.
Es wird bevorzugt, dass eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 63 in Abständen in der Umfangsrichtung des Zwischenzylinders 60 vorgesehen sind. Die Anzahl der Durchgangslöcher 63 ist nicht sonderlich begrenzt. Ferner können die Abstände zwischen den Durchgangslöchern 63 dieselben oder verschieden sein.
Es wird ebenfalls bevorzugt, dass, wenn beide Enden des Zwischenzylinders 60 in der axialen Richtung mit dem Innenzylinder 10 mit dem vergrößerten Durchmesser verbunden werden, ein Ende des Zwischenzylinders 60 in der axialen Richtung an dem Innenzylinder 10 mit dem vergrößerten Durchmesser befestigt wird und das andere Ende in der Richtung so vorgesehen wird, dass es zu dem Innenzylinder 10 mit dem vergrößerten Durchmesser bewegbar ist.
Gemäß der obigen Struktur gleitet der Zwischenzylinder 60 auf dem Innenzylinder 10 an der nicht befestigten Position, wenn sich der Innenzylinder 10 ausdehnt. Dies kann eine Verformung des Innenzylinders 10 durch die Beanspruchung aufgrund der Ausdehnungsdifferenz zwischen dem Zwischenzylinder 60 und dem Innenzylinder 10 verhindern, um die Positionsbeziehung zwischen dem Zwischenzylinder 60 und dem Innenzylinder 10 zu verschieben, um den zweiten Strömungsweg 61b zu verlieren.
Der Wärmetauscher 300 mit der obigen Struktur kann nach einem auf dem Gebiet bekannten Verfahren hergestellt werden, wie beim Wärmetauscher 100. Nachdem das Wärmerückgewinnungselement 30 in dem Innenzylinder 10 angeordnet wurde, kann der Zwischenzylinder 60 über die Abstandhalter 62 auf dem Innenzylinder 10 angeordnet werden, oder direkt auf dem Innenzylinder 10 angeordnet werden, dessen beide Enden in der axialen Richtung vergrößert wurden.
Es sollte beachtet werden, dass die Struktur des Merkmals (des Zwischenzylinders 60) des Wärmetauschers 300 gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung auf den Wärmetauscher 200 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Innenzylinder
20: Außenzylinder
21: Zuführungsrohr
22: Ablassrohr
23: reduzierter Abschnitt
24: Wand
30: Wärmerückgewinnungselement
40: durchgängige unregelmäßige Struktur
50: Pufferelement
60: Zwischenzylinder
61a: erster Strömungsweg
61b: zweiter Strömungsweg
62: Abstandhalter
63: Durchgangsloch
70: Kegel
100, 200, 300: Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/185963 A1 [0006]

Claims

Wärmetauscher, umfassend: einen Innenzylinder, durch welchen ein erstes Fluid strömen kann, wobei der Innenzylinder dazu ausgebildet ist, ein Wärmerückgewinnungselement aufzunehmen; und einen Außenzylinder, der so angeordnet ist, dass er auf einer radial äußeren Seite des Innenzylinders beabstandet ist, so dass ein zweites Fluid zwischen dem Außenzylinder und dem Innenzylinder strömen kann; wobei zumindest ein Teil des Außenzylinders und/oder des Innenzylinders mindestens eine durchgängige unregelmäßige Struktur aufweist.
Wärmetauscher, umfassend: einen Innenzylinder, durch welchen ein erstes Fluid strömen kann, wobei der Innenzylinder dazu ausgebildet ist, ein Wärmerückgewinnungselement aufzunehmen; und einen Außenzylinder, der so angeordnet ist, dass er auf einer radial äußeren Seite des Innenzylinders beabstandet ist, so dass ein zweites Fluid zwischen dem Außenzylinder und dem Innenzylinder strömen kann; wobei der Wärmetauscher mindestens ein Pufferelement mit mindestens einer durchgängigen unregelmäßigen Struktur umfasst, das auf mindestens einem Abschnitt ausgebildet ist, der aus Abschnitten zwischen zwei oder mehr geteilten Teilen des Außenzylinders, Abschnitten zwischen zwei oder mehr geteilten Teilen des Innenzylinders und Teilen zwischen dem Außenzylinder und dem Innenzylinder ausgewählt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine durchgängige unregelmäßige Struktur eine Balgstruktur ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wärmetauscher ferner ein Wärmerückgewinnungselement umfasst, und wobei das Wärmerückgewinnungselement eine Wabenstruktur mit Trennwänden ist, wobei die Trennwände eine Mehrzahl von Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstreckt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend einen Zwischenzylinder, wobei der Zwischenzylinder zwischen dem Innenzylinder und dem Außenzylinder angeordnet ist, um einen Strömungsweg für das zweite Fluid aufzuteilen.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, wobei der Zwischenzylinder durch Abstandhalter auf dem Innenzylinder gehalten wird, wobei die Abstandhalter an beiden Endabschnitten in einer axialen Richtung des Zwischenzylinders vorgesehen sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei jeder der Abstandhalter eine dreidimensionale Struktur aufweist, durch welche das zweite Fluid hindurchlaufen kann.
Wärmetauscher nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Abstandhalter, der an einem Ende in der axialen Richtung des Zwischenzylinders vorgesehen ist, sowohl an dem Zwischenzylinder als auch dem Innenzylinder befestigt ist, und der Abstandhalter, der an dem anderen Ende in der axialen Richtung des Zwischenzylinders vorgesehen ist, an dem Innenzylinder befestigt und so ausgebildet ist, dass er zu dem Zwischenzylinder bewegbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, wobei die beiden Endabschnitte in der axialen Richtung des Zwischenzylinders mit dem Innenzylinder mit einem vergrößerten Durchmesser verbunden sind, und wobei der Zwischenzylinder mindestens ein Durchgangsloch aufweist, durch welches sich das zweite Fluid bewegen kann.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, wobei ein Endabschnitt in der axialen Richtung des Zwischenzylinders an dem Innenzylinder mit dem vergrößerten Durchmesser befestigt ist und der andere Endabschnitt in der axialen Richtung des Zwischenzylinders so vorgesehen ist, dass er zu dem Innenzylinder mit dem vergrößerten Durchmesser bewegbar ist.