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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauschkomponente. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Wärmeaustauschkomponente, die die Förderung und die Unterdrückung des Wärmeaustausches zwischen zwei Arten von Fluiden ohne eine äußere Steuerung wechseln kann.
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Stand der Technik
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In den letzten Jahren hat es einen Bedarf an einer Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit von Kraftfahrzeugen gegeben. Insbesondere gibt es eine Erwartung für ein System, das einen Reibungsverlust durch das Erwärmen des Kühlwassers, des Kraftmaschinenöls, des ATF (des Automatikgetriebefluids) und dergleichen in einer frühen Stufe verringert, um eine Verschlechterung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verhindern, wenn eine Kraftmaschine kalt ist, wie z. B. wenn die Kraftmaschine gestartet wird. Zusätzlich gibt es eine Erwartung für ein System, das einen Katalysator wärmt, um einen Abgasreinigungskatalysator in einer frühen Stufe zu aktivieren.
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Ein Beispiel eines derartigen Systems ist ein Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, die eine Komponente (eine Wärmeaustauschkomponente) enthält, die den Wärmeaustausch ausführt, indem sie verursacht, dass ein erstes Fluid durch das Innere hindurchgeht und ein zweites Fluid durch das Äußere hindurchgeht. In einem derartigen Wärmetauscher ist es möglich, die Wärme durch das Austauschen der Wärme von einem Fluid mit hoher Temperatur (z. B. einem Abgas) zu einem Fluid mit tiefer Temperatur (z. B. dem Kühlwasser) effektiv zu verwenden.
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Das Patentdokument 1 offenbart eine Wärmeaustauschkomponente, die die Kraftstoffwirtschaftlichkeit eines Kraftfahrzeugs in dem Fall verbessern kann, in dem sie für das Zurückgewinnen der Abgaswärme von einem Abgas und das Erwärmen einer Kraftmaschine im Gebiet der Kraftfahrzeuge verwendet wird. Die Wärmeaustauschkomponente des Patentdokuments 1 weist jedoch eine Struktur auf, bei der die Abwärme ständig von einem ersten Fluid (z. B. dem Abgas) zu einem zweiten Fluid (z. B. dem Kühlwasser) zurückgewonnen wird und folglich die Abwärme sogar in einigen Fällen zurückgewonnen wird, wenn es keinen Bedarf gibt, die Abwärme zurückzugewinnen. Folglich ist es notwendig, die Kapazität eines Kühlers zu vergrößern, der konfiguriert ist, die zurückgewonnene Abwärme abzugeben, wenn es keinen Bedarf gibt, die Abwärme zurückzugewinnen. Wenn zusätzlich die von dem ersten Fluid zu dem zweiten Fluid ausgetauschte Wärmemenge zunimmt, siedet in einigen Fällen das zweite Fluid (z. B. das Kühlwasser).
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Das Patentdokument 2 beschreibt einen Wärmetauscher, der die Wärme eines Abgases einer Kraftmaschine zurückgewinnt. Ferner ist der Wärmetauscher ein Wärmetauscher, der das Sieden und die Verdampfung des Kühlwassers der Kraftmaschine unterdrückt, wenn die Wärme des Abgases der Kraftmaschine zu dem Kühlwasser zurückgewonnen wird. Der im Patentdokument 2 beschriebene Wärmetauscher ist konfiguriert, so dass ein Abgaskanal und ein Kanal eines ersten Mediums mit einem Kanal eines zweiten Mediums dazwischen einander benachbart sind und der Kanal des zweiten Mediums zum Zeitpunkt des Förderns des Wärmeaustausches zwischen dem Abgas und dem ersten Medium mit einem zweiten Medium in einer flüssigen Phase gefüllt ist. Folglich ist es gemäß dem im Patentdokument 2 beschriebenen Wärmetauscher möglich, den Wärmeaustausch im Vergleich zu dem Fall des direkten Ausführens des Wärmeaustausches ohne die Vermittlung des zweiten Mediums schonender zu fördern, während das Sieden und die Verdampfung des ersten Mediums durch den Wärmeaustausch unter Verwendung der Konvektion des zweiten Mediums in der flüssigen Phase unterdrückt wird. Zusätzlich ist der Wärmetauscher konfiguriert, um das Innere des Kanals des zweiten Mediums zum Zeitpunkt des Unterdrückens des Wärmeaustausches zwischen dem Abgas und dem ersten Medium mit einem Gas zu füllen. Folglich ist es gemäß dem Wärmetauscher im Vergleich zu dem oben beschriebenen Wärmeaustausch möglich, mit der Vermittlung des zweiten Mediums in der flüssigen Phase das Sieden und das Verdampfen des ersten Mediums weiter zu unterdrücken.
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Liste der Entgegenhaltungen
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Patentdokumente
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- [Patentdokument 1] JP-A-2012-037165
- [Patentdokument 2] JP-A-2013-185806
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das durch die Erfindung zu lösende Problem
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In dem im Patentdokument 2 beschriebenen Wärmetauscher gibt es jedoch ein Problem, dass eine Struktur des Wärmetauschers kompliziert wird und eine Größe des Wärmetauschers zunimmt, weil es notwendig ist, einen zweiten Zirkulationskanal, einen Kältemitteltank und dergleichen vorzusehen. Zusätzlich sind das erste Medium und das zweite Medium erforderlich und konfiguriert, um nicht gemischt zu werden, wobei es folglich notwendig ist, die Strömung der beiden Arten von Medien unabhängig zu steuern. Zusätzlich ist es notwendig, einen Hahn des Kältemitteltanks zu öffnen und eine Pumpe zu betreiben, um zu verursachen, dass das zu dem Kältemitteltank ausgestoßene zweite Medium abermals zu dem Kanal des zweiten Mediums zurückkehrt, wobei es ein Problem gibt, dass zusätzliche Energie verbraucht wird, um eine derartige Operation auszuführen. Der oben beschriebene im Patentdokument 2 offenbarte Wärmetauscher ist z. B. konfiguriert, so dass das zweite Medium als eine Restflüssigkeit zu dem zweiten Zirkulationskanal und dem Kältemitteltank ausgestoßen wird, wenn das zweite Medium verdampft wird und der Kanal des zweiten Mediums mit einem Gas des zweiten Mediums gefüllt wird. Zusätzlich ist ein Rückschlagventil vorgesehen, so dass das zu dem zweiten Zirkulationskanal ausgestoßene zweite Medium nicht zu dem Kanal des zweiten Mediums zurückkehrt. Deshalb weist der im Patentdokument 2 beschriebene Wärmetauscher eine äußerst komplizierte Konfiguration auf, wobei die Steuerung des Wärmetauschers kompliziert ist, so dass es eine Anforderung für die Entwicklung einer Wärmeaustauschkomponente gibt, die eine einfache Konfiguration aufweist und leicht zu steuern ist.
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Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht derartiger Probleme gemacht worden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmeaustauschkomponente geschaffen, die die Förderung und die Unterdrückung des Wärmeaustausches zwischen zwei Arten von Fluiden ohne eine äußere Steuerung wechseln kann.
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Die Mittel zum Lösen des Problems
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Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung die folgende Wärmeaustauschkomponente
- [1] Eine Wärmeaustauschkomponente enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur, die eine Trennwand enthält, die eine Keramik als eine Hauptkomponente enthält; und ein Gehäuse, das angeordnet ist, so dass es eine äußere Umfangsfläche der Wabenstruktur ummantelt, wobei mehrere Zellen, die sich von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche erstrecken und als die Strömungswege eines ersten Fluids dienen, durch die Trennwand in der Wabenstruktur definiert und ausgebildet sind, das Gehäuse einen inneren Zylinder, der angeordnet ist, so dass er an die äußere Umfangsfläche der Wabenstruktur angepasst ist, einen mittleren Zylinder, der angeordnet ist, so dass er den inneren Zylinder ummantelt, und einen äußeren Zylinder, der angeordnet ist, so dass er den mittleren Zylinder ummantelt, enthält, so dass ein Umfangsströmungsweg, der als ein Strömungsweg eines zweiten Fluids dient, zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder ausgebildet ist, der Umfangsströmungsweg einen inneren Umfangsströmungsweg, der zwischen wenigstens einem Abschnitt des inneren Zylinders und wenigstens einem Abschnitt des mittleren Zylinders ausgebildet ist, und einen äußeren Umfangsströmungsweg, der zwischen wenigstens einem Abschnitt des mittleren Zylinders und wenigstens einem Abschnitt des äußeren Zylinders ausgebildet ist, enthält, und wenigstens ein Verbindungsloch, das den inneren Umfangsströmungsweg und den äußeren Umfangsströmungsweg verbindet, in einem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, ausgebildet ist.
- [2] Die Wärmeaustauschkomponente nach [1], wobei ein Verhältnis einer Öffnungsfläche des Verbindungslochs, das in dem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, ausgebildet ist, bezüglich einer Fläche des Abschnitts des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, 50% oder weniger ist.
- [3] Die Wärmeaustauschkomponente nach [1] oder [2], wobei in dem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, mehrere der Verbindungslöcher ausgebildet sind.
- [4] Die Wärmeaustauschkomponente nach [3], wobei eine Öffnungsfläche der Verbindungslöcher 0,5 bis 5000 mm2 beträgt.
- [5] Die Wärmeaustauschkomponente nach einer von [1] bis [4], wobei ein Abstand zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder in einer radialen Richtung der Wabenstruktur eine Länge ist, die 0,1 bis 10% eines Durchmessers der Wabenstruktur entspricht.
- [6] Die Wärmeaustauschkomponente nach einer von [1] bis [5], wobei ein Netzelement an einem Ort, wo das Verbindungsloch in dem mittleren Zylinder ausgebildet ist, zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder angeordnet ist.
- [7] Die Wärmeaustauschkomponente nach einer von [1] bis [6], wobei das Verbindungsloch an einer Position ausgebildet ist, die einem Endabschnitt der Wabenstruktur entspricht.
- [8] Die Wärmeaustauschkomponente nach [7], wobei das Verbindungsloch in einer Ringform ausgebildet ist, so dass es einen äußeren Umfang der Wabenstruktur umgibt.
- [9] Die Wärmeaustauschkomponente nach einer von [1] bis [8], wobei das Gehäuse zwei oder mehr mittlere Zylinder enthält, so dass die zwei oder mehr mittleren Zylinder einen oder mehrere dazwischenliegende Umfangsströmungswege definieren und bilden, die zwischen dem inneren Umfangsströmungsweg und dem äußeren Umfangsströmungsweg ausgebildet sind, ein inneres Verbindungsloch, das den inneren Umfangsströmungsweg und den dazwischenliegenden Umfangsströmungsweg verbindet, als das Verbindungsloch in dem mittleren Zylinder auf der Seite des inneren Zylinders zwischen den zwei oder mehr mittleren Zylindern ausgebildet ist und ein äußeres Verbindungsloch, das den dazwischenliegenden Umfangsströmungsweg und den äußeren Umfangsströmungsweg verbindet, als das Verbindungsloch in dem mittleren Zylinder auf der Seite des äußeren Zylinders ausgebildet ist.
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Die Wirkung der Erfindung
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Die Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung kann die Förderung und die Unterdrückung des Wärmeaustausches zwischen zwei Arten von Fluiden ohne eine äußere Steuerung wechseln. Die Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung kann z. B. die Förderung und die Unterdrückung des Wärmeaustausches zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid ohne eine äußere Steuerung wechseln, wenn sie als ein Abschnitt eines Wärmetauschers verwendet wird, der die Abwärme von einem Abgas einer Kraftmaschine zurückgewinnt. Wenn verursacht wird, dass das ”Abgas” als das erste Fluid und das ”Kältemittel, das einen Siedepunkt aufweist, der tiefer als eine maximale erreichbare Temperatur des inneren Zylinders (der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders) ist, der die Wärmeaustauschkomponente bildet” als das zweite Fluid durch die Wärmeaustauschkomponente hindurchgehen, wird der Wärmeaustausch in den folgenden Fällen gefördert. Das heißt, wenn die Temperatur des inneren Zylinders (spezifisch der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders), der die Wärmeaustauschkomponente bildet, tiefer als der Siedepunkt des Kältemittels ist, wird der Wärmeaustausch gefördert, weil der Umfangsströmungsweg mit dem Kältemittel in einem flüssigen Zustand gefüllt ist. Wenn andererseits die Temperatur des inneren Zylinders (der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders), der die Wärmeaustauschkomponente bildet, gleich dem oder höher als der Siedepunkt des Kältemittels ist, wird der Wärmeaustausch unterdrückt, weil das Kältemittel in dem inneren Umfangsströmungsweg siedet und verdampft und das Kältemittel in einem gasförmigen Zustand, das durch das Sieden und die Verdampfung erzeugt wird, in dem inneren Umfangsströmungsweg vorhanden ist. Das heißt, ein Zustand, in dem sich das Kältemittel im flüssigen Zustand nicht mit wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche des inneren Zylinders in Kontakt befindet, wird aufgrund des Vorhandenseins des Kältemittels im gasförmigen Zustand in dem inneren Umfangsströmungsweg leicht aufrechterhalten, so dass der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid unterdrückt ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform einer Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt, und ist die Querschnittsansicht, die einen zu einer Erstreckungsrichtung einer Zelle einer Wabenstruktur orthogonalen Querschnitt zeigt.
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2A ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Zustand (zum Zeitpunkt des Förderns des Wärmeaustausches) zeigt, wobei ein Umfangsströmungsweg der in 1 gezeigten Wärmeaustauschkomponente mit einem zweiten Fluid in einem flüssigen Zustand gefüllt ist und ein erstes Fluid durch einen Strömungsweg des ersten Fluids hindurchgeht.
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2B ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Zustand (zum Zeitpunkt des Unterdrückens des Wärmeaustausches) zeigt, wobei ein innerer Umfangsströmungsweg der in 1 gezeigten Wärmeaustauschkomponente mit einem zweiten Fluid in einem gasförmigen Zustand gefüllt ist, ein äußerer Umfangsströmungsweg mit dem zweiten Fluid im flüssigen Zustand gefüllt ist und das erste Fluid durch den Strömungsweg des ersten Fluids hindurchgeht.
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3A ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt, und ist die Querschnittsansicht, die einen zu einer Erstreckungsrichtung einer Zelle einer Wabenstruktur orthogonalen Querschnitt zeigt.
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3B ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen inneren Zylinder gemäß einer weiteren Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen inneren Zylinder gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt, und ist die Querschnittsansicht, die einen zu einer Erstreckungsrichtung einer Zelle einer Wabenstruktur orthogonalen Querschnitt zeigt.
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6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt, und ist die Querschnittsansicht, die einen Querschnitt parallel zu einer Erstreckungsrichtung einer Zelle einer Wabenstruktur zeigt.
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7 ist eine Querschnittsansicht, die einen entlang der Linie A-A' nach 6 genommenen Querschnitt schematisch zeigt.
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8 ist eine Querschnittsansicht, die einen entlang der Linie B-B' in 6 genommenen Querschnitt schematisch zeigt.
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Die Art zum Ausführen der Erfindung
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Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgenden Ausführungsformen eingeschränkt, wobei es selbstverständlich sein sollte, dass jene mit zu der Ausführungsform im Folgenden auf der Grundlage der allgemeinen Kenntnis der Fachleute auf dem Gebiet gegebenenfalls hinzugefügten Änderungen, Verbesserungen und dergleichen, die sich innerhalb eines Schutzumfangs befinden, der nicht vom Wesentlichen der vorliegenden Erfindung abweicht, außerdem im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
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(1) Die Wärmeaustauschkomponente:
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Eine Ausführungsform einer Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung ist eine Wärmeaustauschkomponente 100, die enthält: eine säulenförmige Wabenstruktur 1, die eine Trennwand aufweist, die eine Keramik als eine Hauptkomponente enthält; und ein Gehäuse 10, das angeordnet ist, so dass es eine äußere Umfangsfläche 4 der Wabenstruktur 1 ummantelt, wie in den 1 bis 26 gezeigt ist. In der Wabenstruktur 1 sind mehrere Zellen 2, die sich von einer ersten Stirnfläche bis zu einer zweiten Stirnfläche erstrecken und als die Strömungswege eines ersten Fluids dienen, durch eine Trennwand 3 definiert und ausgebildet. Das Gehäuse 10 enthält einen inneren Zylinder 11, der angeordnet ist, so dass er an die äußere Umfangsfläche 4 der Wabenstruktur 1 angepasst ist, einen mittleren Zylinder 12, der angeordnet ist, so dass er den inneren Zylinder 11 ummantelt, und einen äußeren Zylinder 13, der angeordnet ist, so dass er den mittleren Zylinder 12 ummantelt. Zusätzlich ist ein Umfangsströmungsweg 16, der als ein Strömungsweg eines zweiten Fluids dient, zwischen dem inneren Zylinder 11 und dem äußeren Zylinder 13 ausgebildet. Zusätzlich enthält der Umfangsströmungsweg 16 einen inneren Umfangsströmungsweg 16a, der zwischen wenigstens einem Abschnitt des inneren Zylinders 11 und wenigstens einem Abschnitt des mittleren Zylinders 12 ausgebildet ist, und einen äußeren Umfangsströmungsweg 16b, der zwischen wenigstens einem Abschnitt des mittleren Zylinders 12 und wenigstens einem Abschnitt des äußeren Zylinders 13 ausgebildet ist. Ferner ist wenigstens ein Verbindungsloch 17, das den inneren Umfangsströmungsweg 16a und den äußeren Umfangsströmungsweg 16b verbindet, in einem Abschnitt des mittleren Zylinders 12 ausgebildet, der die Wabenstruktur 1 ummantelt. In der Wärmeaustauschkomponente 100, die in den 1 bis 2B gezeigt ist, sind ein Einlass 14, der konfiguriert ist, um ein zweites Fluid F1 in den Umfangsströmungsweg 16 einzuleiten, und ein Auslass 15, der konfiguriert ist, um das zweite Fluid F1 aus dem Umfangsströmungsweg 16 ausströmen zu lassen, in dem äußeren Zylinder 13 des Gehäuses 10 ausgebildet. Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Paar des Einlasses 14 und des Auslasses 15 in dem äußeren Zylinder 13 ausgebildet ist. Zusätzlich bedeutet ”angepasst zu sein” in der vorliegenden Beschreibung, dass die Wabenstruktur 1 und der innere Zylinder 11 in einem Zustand befestigt sind, in dem sie aneinander angepasst sind. Folglich ist die Passung zwischen der Wabenstruktur 1 und dem inneren Zylinder 11 nicht auf ein Befestigungsverfahren unter Verwendung einer Passung, wie z. B. der Spielpassung, der Übermaßpassung und der Schrumpfpassung eingeschränkt, wobei die Wabenstruktur 1 und der innere Zylinder 11 z. B. durch Hartlöten, Diffusionsschweißen und dergleichen aneinander befestigt werden können.
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Hier enthält der Fall der Verwendung der Wärmeaustauschkomponente als ein Wärmetauscher, der die Abwärme von einem Abgas einer Kraftmaschine zurückgewinnt und die zurückgewonnene Abwärme der Kraftmaschine bereitstellt, einen Fall, in dem es notwendig ist, die Rückgewinnung der Abwärme zu fördern, und einen Fall, in dem es notwendig ist, die Rückgewinnung der Abwärme zu unterdrücken. Das heißt, es ist notwendig, die Rückgewinnung der Abwärme zu fördern, wenn sich die Kraftmaschine auf einer tiefen Temperatur (in einem Kleinlastzustand) befindet, wie z. B. wenn die Kraftmaschine gestartet wird, weil es erwünscht ist, die Abwärme zurückzugewinnen und die Temperatur der Kraftmaschine in einer frühen Stufe durch die zurückgewonnene Abwärme zu erhöhen. Zusätzlich ist es notwendig, die Rückgewinnung der Abwärme zu unterdrücken, wenn sich die Kraftmaschine auf einer hohen Temperatur (in einem Hochlastzustand) befindet, weil es überflüssig ist, die Abwärme zurückzugewinnen und die Temperatur der Kraftmaschine durch die zurückgewonnene Abwärme zu erhöhen. Wenn die Wärmeaustauschkomponente als ein Teil des Wärmetauschers verwendet wird, der die Abwärme von dem Abgas der Kraftmaschine zurückgewinnt, kann sie die Förderung und die Unterdrückung des Wärmeaustausches der Wärmeaustauschkomponente (spezifisch des Wärmeaustausches zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid) ohne eine äußere Steuerung wechseln. Das heißt, die Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung kann die Förderung und die Unterdrückung des Wärmeaustausches unter Verwendung einer Zustandsänderung des zweiten Fluids in dem inneren Umfangsströmungsweg wechseln. Wenn z. B. das ”Abgas” als das erste Fluid verwendet wird und das ”Kältemittel, das einen Siedepunkt aufweist, der tiefer als eine maximale erreichbare Temperatur des inneren Zylinders (der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders) ist, der die Wärmeaustauschkomponente bildet” als das zweite Fluid verwendet wird, wird der Wärmeaustausch in den folgenden Fällen gefördert. Das heißt, wenn die Temperatur des inneren Zylinders (spezifisch der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders), der die Wärmeaustauschkomponente bildet, tiefer als der Siedepunkt des Kältemittels ist, ist der Umfangsströmungsweg mit dem flüssigen Kältemittel gefüllt. In einem derartigen Fall wird der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid (z. B. dem Abgas) und dem zweiten Fluid (dem flüssigen Kältemittel) gefördert. Wenn andererseits die Temperatur des inneren Zylinders (der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders), der die Wärmeaustauschkomponente bildet, gleich dem oder höher als der Siedepunkt des Kältemittels ist, siedet und verdampft das Kältemittel in dem inneren Umfangsströmungsweg, wobei das Kältemittel in einem gasförmigen Zustand, das durch das Sieden und die Verdampfung erzeugt wird, in dem inneren Umfangsströmungsweg vorhanden ist. In einem derartigen Fall wird der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid (dem flüssigen Kältemittel) unterdrückt. Das heißt, der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid (dem flüssigen Kältemittel) wird unterdrückt, wenn das durch das Sieden und die Verdampfung erzeugte Kältemittel im gasförmigen Zustand in dem inneren Umfangsströmungsweg vorhanden ist. Ein Zustand, in dem sich das Kältemittel im flüssigen Zustand nicht mit wenigstens einem Abschnitt einer Oberfläche des inneren Zylinders in Kontakt befindet, wird z. B. aufgrund des Vorhandenseins des Kältemittels im gasförmigen Zustand in dem inneren Umfangsströmungsweg leicht aufrechterhalten, so dass der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid (dem flüssigen Kältemittel) unterdrückt wird. Zusätzlich wird der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid (dem flüssigen Kältemittel) weiter unterdrückt, wenn ein Volumenverhältnis des durch das Sieden und die Verdampfung erzeugten Kältemittels im gasförmigen Zustand, das auf das Gesamtvolumen des inneren Umfangsströmungswegs entfällt, höher wird. Das heißt, der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid (dem flüssigen Kältemittel) wird äußerst effektiv unterdrückt, wenn der innere Umfangsströmungsweg mit dem durch das Sieden und die Verdampfung erzeugten Kältemittel im gasförmigen Zustand gefüllt ist. Folglich wird der Wärmeaustausch bei der Temperatur unterdrückt, bei der es erwünscht ist, dass der Wärmeaustausch unterdrückt wird, indem das Kältemittel mit einem Siedepunkt ausgewählt wird, der gleich der oder tiefer als die Temperatur ist, bei der es erwünscht ist, dass der Wärmeaustausch unterdrückt wird, und indem der Umfangsströmungsweg so konfiguriert wird, dass das durch das Sieden und die Verdampfung erzeugte Kältemittel im gasförmigen Zustand bei einer Temperatur, bei der es erwünscht ist, dass der Wärmeaustausch unterdrückt wird, im inneren Umfangsströmungsweg vorhanden ist. Wenn zusätzlich die Temperatur der Wärmeaustauschkomponente gleich der oder tiefer als die Temperatur, bei der es erwünscht ist, dass der Wärmeaustausch unterdrückt wird, (die Temperatur, bei der es erwünscht wird, dass der Wärmeaustausch gefördert wird) wird, wird das Kältemittel im gasförmigen Zustand eine Flüssigkeit, wobei der Umfangsströmungsweg mit dem Kältemittel im flüssigen Zustand gefüllt ist, so dass der Wärmeaustausch gefördert wird. Das erste Fluid ist übrigens nicht auf das Abgas eingeschränkt und kann entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Zusätzlich bedeutet in der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck, dass ”der Umfangsströmungsweg, der äußere Umfangsströmungsweg oder der innere Umfangsströmungsweg mit dem Kältemittel im flüssigen Zustand oder im gasförmigen Zustand gefüllt ist”, dass ”80% oder mehr des Gesamtvolumens des Umfangsströmungswegs, des äußeren Umfangsströmungswegs oder des inneren Umfangsströmungswegs durch das Kältemittel im flüssigen Zustand oder im gasförmigen Zustand belegt ist”.
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Hier ist 1 eine schematische Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei sie die Querschnittsansicht ist, die einen zu der Erstreckungsrichtung der Zelle der Wabenstruktur orthogonalen Querschnitt zeigt. 2A ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Zustand (zum Zeitpunkt des Förderns des Wärmeaustausches) zeigt, wobei der Umfangsströmungsweg der in 1 gezeigten Wärmeaustauschkomponente mit dem zweiten Fluid im flüssigen Zustand gefüllt ist und das erste Fluid durch den Strömungsweg des ersten Fluids hindurchgeht. 2B ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Zustand (zum Zeitpunkt des Unterdrückens des Wärmeaustausches) zeigt, wobei der innere Umfangsströmungsweg der in 1 gezeigten Wärmeaustauschkomponente mit dem zweiten Fluid im gasförmigen Zustand gefüllt ist, der äußere Umfangsströmungsweg mit dem zweiten Fluid im flüssigen Zustand gefüllt ist und das erste Fluid durch den Strömungsweg des ersten Fluids hindurchgeht.
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Hier werden die Zustände der zweiten Fluide F1 und F2 der Wärmeaustauschkomponente zum Zeitpunkt des Förderns des Wärmeaustausches und des Unterdrückens des Wärmeaustausches bezüglich der 2A und 2B ausführlich beschrieben. In dem Fall der Verwendung des Abgases als ein erstes Fluid E und des Kältemittels, das einen Siedepunkt aufweist, der tiefer als die maximale erreichbare Temperatur des inneren Zylinders 11 (der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders 11) ist, als die zweiten Fluide F1 und F2, werden die Zustände der zweiten Fluide F1 und F2 der Wärmeaustauschkomponente zum Zeitpunkt des Förderns des Wärmeaustausches und des Unterdrückens des Wärmeaustausches wie folgt gebildet. Wenn die Temperatur des inneren Zylinders 11 (der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders 11) tiefer als ein Siedepunkt des zweiten Fluids F1 ist, ist das zweite Fluid F1 während des Austausches von Wärme (des Wärmeaustausches) zwischen dem ersten Fluid E und dem zweiten Fluid F1 über den inneren Zylinder 11 in einem flüssigen Zustand vorhanden, wie in 2A gezeigt ist. Hier gibt das Bezugszeichen F1 das zweite Fluid im flüssigen Zustand an. Wenn das zweite Fluid F1 im flüssigen Zustand vorhanden ist, sind sowohl der innere Umfangsströmungsweg 16a als auch der äußere Umfangsströmungsweg 16b des Umfangsströmungswegs 16 mit dem zweiten Fluid F1 im flüssigen Zustand gefüllt. In einem derartigen Zustand tauschen das erste Fluid E und das zweite Fluid F1 im flüssigen Zustand die Wärme direkt über den inneren Zylinder 11 aus. Deshalb wird der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid E und dem zweiten Fluid F1 im flüssigen Zustand gefördert, wenn die Temperatur des inneren Zylinders 11 (der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders 11) tiefer als der Siedepunkt des zweiten Fluids F1 ist. Wenn andererseits die Temperatur des inneren Zylinders 11 (der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders 11) höher als der Siedepunkt des zweiten Fluids F1 ist, tritt die Verdampfung des zweiten Fluids F1 auf der Seite der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders 11 auf, wobei innerhalb des inneren Umfangsströmungswegs 16a das zweite Fluid F2 im gasförmigen Zustand vorhanden ist, wie in 2B gezeigt ist. In einem derartigen Zustand tauschen das erste Fluid E und das zweite Fluid F2 im gasförmigen Zustand die Wärme über einen Abschnitt des inneren Zylinders 11 aus, wobei gleichzeitig das erste Fluid E und das zweite Fluid F1 im flüssigen Zustand die Wärme über einen Abschnitt des inneren Zylinders 11 austauschen. Deshalb wird der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid E und dem zweiten Fluid F1 im flüssigen Zustand unterdrückt. Zusätzlich wird der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid E und dem zweiten Fluid F1 im flüssigen Zustand unterdrückt, wenn ein Volumenverhältnis des durch das Sieden und die Verdampfung erzeugten zweiten Fluids F2 im gasförmigen Zustand, das auf das Gesamtvolumen des inneren Umfangsströmungswegs 16a entfällt, höher wird. Hier gibt das Bezugszeichen F2 das zweite Fluid im gasförmigen Zustand an. Wenn die Verdampfung des zweiten Fluids F1 kontinuierlich stattfindet, wird das Innere des inneren Umfangsströmungswegs 16a allmählich mit dem zweiten Fluid F2 im gasförmigen Zustand gefüllt. Der äußere Umfangsströmungsweg 16b im Umfangsströmungsweg 16 ist jedoch durch den mittleren Zylinder 12 teilweise von dem inneren Umfangsströmungsweg 16a isoliert, wobei folglich die Verdampfung des zweiten Fluids F1 hauptsächlich in der Nähe der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders 11 stattfindet. Das heißt, der äußere Umfangsströmungsweg 16b wird in dem Zustand aufrechterhalten, in dem er mit dem zweiten Fluid F1 im flüssigen Zustand gefüllt ist. In einem derartigen Zustand tauschen das erste Fluid E und das zweite Fluid F2 im gasförmigen Zustand die Wärme über den inneren Zylinder 11 aus. Unterdessen weist das zweite Fluid F2 im gasförmigen Zustand eine Wärmekapazität pro Einheitsvolumen auf, die kleiner als die des zweiten Fluids F1 im flüssigen Zustand ist, wobei folglich der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid E und den zweiten Fluiden F1 und F2 unterdrückt wird. Mit anderen Worten, das erste Fluid E und das zweite Fluid F1 im flüssigen Zustand, das durch den äußeren Umfangsströmungsweg 16a hindurchgeht, tauschen die Wärme über das zweite Fluid F2 im gasförmigen Zustand, das innerhalb des inneren Zylinders 11 und des inneren Umfangsströmungswegs 16a vorhanden ist, in einem derartigen Zustand aus. Folglich wird im Vergleich zu dem Fall, in dem das Innere des inneren Umfangsströmungswegs 16a nicht mit dem zweiten Fluid F2 im gasförmigen Zustand gefüllt ist, der Wärmeaustausch weiter unterdrückt. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet das zweite Fluid F2 im gasförmigen Zustand innerhalb des inneren Umfangsströmungswegs 16a als ein Wärmeisolationsmaterial während des Wärmeaustausches, wobei es dadurch den Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid E und dem zweiten Fluid F1 im flüssigen Zustand unterdrückt. Zum Zeitpunkt des Förderns des Wärmeaustausches kann übrigens das zweite Fluid F1 im flüssigen Zustand im inneren Umfangsströmungsweg 16a vorhanden sein oder kann das zweite Fluid F2 im gasförmigen Zustand im äußeren Umfangsströmungsweg 16b vorhanden sein. Wenn z. B. die Temperatur des ersten Fluids E abnimmt, durchläuft zusätzlich das zweite Fluid F2 im gasförmigen Zustand innerhalb des inneren Umfangsströmungswegs 16a eine Phasenänderung, um das zweite Fluid F1 im flüssigen Zustand zu werden.
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Es gibt keine besondere Einschränkung an eine Form des in dem mittleren Zylinder ausgebildeten Verbindungslochs. Die Form des Verbindungslochs kann z. B. eine Kreisform, eine elliptische Form, eine polygonale Form oder dergleichen sein oder kann eine zu der Erstreckungsrichtung der Zelle parallele Schlitzform, eine Form eines spiralförmigen Schlitzes entlang einer Oberfläche des mittleren Zylinders oder dergleichen sein.
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Ein Verhältnis einer Öffnungsfläche des Verbindungslochs, das in dem Abschnitt des mittleren Zylinders ausgebildet ist, der die Wabenstruktur ummantelt, bezüglich der Fläche des Abschnitts des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, beträgt vorzugsweise 50% oder weniger, bevorzugter 20% oder weniger und besonders bevorzugt 10% oder weniger. Die ”Fläche des Abschnitts des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt”, bedeutet übrigens eine ”Gesamtfläche eines wesentlichen Abschnitts und eines Abschnitts, wo das Verbindungsloch in dem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, ausgebildet ist”. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, das Wechseln zwischen der Unterdrückung und der Förderung des Wärmeaustausches der Wärmeaustauschkomponente geeignet zu steuern. Der Wärmeaustausch wird z. B. unterdrückt, wenn das Volumenverhältnis des durch das Sieden und die Verdampfung erzeugten zweiten Fluids im gasförmigen Zustand, das auf das Gesamtvolumen des inneren Umfangsströmungswegs entfällt, höher wird. Ferner ist es möglich, das Volumenverhältnis des durch das Sieden und die Verdampfung erzeugten zweiten Fluids, das auf das Gesamtvolumen des inneren Umfangsströmungswegs entfällt, unter Verwendung des Verhältnisses der Öffnungsfläche des Verbindungslochs, das in dem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, ausgebildet ist, bezüglich der Fläche des Abschnitts des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, einzustellen. Deshalb ist es möglich, das Wechseln zwischen der Unterdrückung und der Förderung des Wärmeaustausches der Wärmeaustauschkomponente sogar unter Verwendung des Verhältnisses der Öffnungsfläche des Verbindungslochs, das in dem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, ausgebildet ist, bezüglich der Fläche des Abschnitts des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, zu steuern. Im Folgenden wird der ”Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt”, in einigen Fällen einfach als ein ”Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt” bezeichnet.
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In dem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, (dem Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt) können mehrere Verbindungslöcher ausgebildet sein. Wenn die mehreren Verbindungslöcher in dem Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt ausgebildet sind, ist zusätzlich ein Verhältnis einer Summe der Öffnungsflächen der mehreren Verbindungslöcher, die in dem Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt ausgebildet sind, bezüglich der Fläche des Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitts vorzugsweise 50% oder weniger, bevorzugter 20% oder weniger und besonders bevorzugt 10% oder weniger. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, das Wechseln zwischen der Unterdrückung und der Förderung des Wärmeaustausches der Wärmeaustauschkomponente zu steuern. Das heißt, der Wärmeaustausch wird unterdrückt, wenn das Volumenverhältnis des zweiten Fluids im gasförmigen Zustand, das auf das Gesamtvolumen des inneren Umfangsströmungswegs entfällt, höher wird. Ferner ist es möglich, das Volumenverhältnis des durch das Sieden und die Verdampfung erzeugten zweiten Fluids im gasförmigen Zustand, das auf das Gesamtvolumen des inneren Umfangsströmungswegs entfällt, sogar unter Verwendung des Verhältnisses der Summe der Öffnungsflächen der mehreren Verbindungslöcher, die in dem Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt ausgebildet sind, bezüglich der Fläche des Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitts einzustellen. Deshalb ist es möglich, das Wechseln zwischen der Unterdrückung und der Förderung des Wärmeaustausches der Wärmeaustauschkomponente sogar unter Verwendung des Verhältnisses der Summe der Öffnungsflächen der mehreren Verbindungslöcher, die in dem Wabenstruktur-Verbindungsabschnitt ausgebildet sind, bezüglich der Fläche des Wabenstruktur-Verbindungsabschnitts zu steuern.
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Wenn die mehreren Verbindungslöcher in dem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, (dem Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt) ausgebildet sind, ist eine Öffnungsfläche eines Verbindungslochs vorzugsweise 0,5 bis 5000 mm2, bevorzugter 1 bis 1000 mm2 und besonders bevorzugt 2 bis 100 mm2. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, das Wechseln zwischen der Unterdrückung und der Förderung des Wärmeaustausches der Wärmeaustauschkomponente zu steuern. Der Wärmeaustausch wird z. B. unterdrückt, wenn das Volumenverhältnis des durch das Sieden und die Verdampfung erzeugten zweiten Fluids im gasförmigen Zustand, das auf das Gesamtvolumen des inneren Umfangsströmungswegs entfällt, höher wird. Ferner ist es möglich, das Volumenverhältnis des durch das Sieden und die Verdampfung erzeugten zweiten Fluids, das auf das Gesamtvolumen des inneren Umfangsströmungswegs entfällt, selbst unter Verwendung der Öffnungsfläche eines Verbindungslochs einzustellen. Deswegen ist es möglich, das Wechseln zwischen der Unterdrückung und der Förderung des Wärmeaustausches der Wärmeaustauschkomponente sogar unter Verwendung der Öffnungsfläche eines Verbindungslochs zu steuern.
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Wenn die mehreren Verbindungslöcher in dem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, ausgebildet sind, ist es bevorzugt, die Wärmeaustauschkomponente wie folgt zu konfigurieren. Der Abschnitt, der die Wabenstruktur ummantelt, wird übrigens in einigen Fällen als der ”Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt” bezeichnet. Es ist bevorzugt, dass das Verhältnis der Summe der Öffnungsflächen der mehreren Verbindungslöcher, die in dem Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt ausgebildet sind, bezüglich der Fläche des Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitts 50% oder weniger beträgt und die Öffnungsfläche eines Verbindungslochs 0,5 bis 5000 mm2 beträgt. Es ist bevorzugt, dass das Verhältnis der Summe der Öffnungsflächen der mehreren Verbindungslöcher, die in dem Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt ausgebildet sind, bezüglich der Fläche des Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitts 10% oder weniger beträgt und die Öffnungsfläche eines Verbindungslochs 0,5 bis 1000 mm2 beträgt. Ferner ist es besonders bevorzugt, dass das Verhältnis der Summe der Öffnungsflächen der mehreren Verbindungslöcher, die in dem Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt ausgebildet sind, bezüglich der Fläche des Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitts 5% oder weniger beträgt und die Öffnungsfläche eines Verbindungslochs 0,5 bis 500 mm2 beträgt. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, das Wechseln zwischen der Unterdrückung und der Förderung des Wärmeaustausches der Wärmeaustauschkomponente im hohen Grade zu steuern.
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Wenn die mehreren Verbindungslöcher in dem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, (dem Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt) ausgebildet sind, beträgt die Anzahl der Verbindungslöcher vorzugsweise 2 bis 1000, bevorzugter 10 bis 1000 und besonders bevorzugt 20 bis 1000.
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Wenn die mehreren Verbindungslöcher in dem Abschnitt des mittleren Zylinders, der die Wabenstruktur ummantelt, (dem Wabenstruktur-Ummantelungsabschnitt) ausgebildet sind, können die mehreren Verbindungslöcher nur in einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich, die im Folgenden beschrieben werden, in einem zu der Erstreckungsrichtung der Zelle der Wabenstruktur orthogonalen Querschnitt vorgesehen sein. Der erste Bereich und der zweite Bereich weisen die folgende Bedeutung auf. Zuerst sind die XY-Koordinaten, die einen geometrischen Mittelpunkt der Wabenstruktur als einen Ursprung O aufweisen, in dem Querschnitt der Wärmeaustauschkomponente, der zu der Erstreckungsrichtung der Zelle der Wabenstruktur orthogonal ist, virtuell definiert. Die oben beschriebenen XY-Koordinaten sind nicht besonders eingeschränkt, solange wie sie ein Koordinatensystem sind, in dem die X-Achse und die Y-Achse zueinander orthogonal sind. Die X-Achse kann z. B. eine Richtung sein, in der eine Länge des Querschnitts der Wabenstruktur die längste wird, wenn die Länge mit einem Messschieber gemessen wird. Zusätzlich kann die X-Achse eine Richtung sein, in der die Länge des Querschnitts der Wabenstruktur die kürzeste wird, wenn die Länge mit einem Messschieber gemessen wird. Als nächstes werden die virtuellen Geraden A und B, die durch den Ursprung O hindurchgehen, bezüglich der oben beschriebenen XY-Koordinaten gezeichnet. Die Winkel der virtuellen Geraden A und B bezüglich der X-Achse sind auf +60° bzw. –60° gesetzt. Ferner ist einer der Bereiche, wo die virtuellen Geraden A und B einander unter 120° schneiden, im Querschnitt der Wärmeaustauschkomponente, der durch die virtuellen Geraden A und B in vier aufgeteilt ist, als der erste Bereich definiert, während der andere Bereich, wo sich die virtuellen Geraden A und B einander unter 120° schneiden, als der zweite Bereich definiert ist. Die mehreren Verbindungslöcher können übrigens nur in einem des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs vorgesehen sein oder können nur sowohl im ersten Bereich als auch im zweiten Bereich vorgesehen sein.
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Ein Abstand zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder in einer radialen Richtung der Wabenstruktur ist vorzugsweise eine Länge, die 0,1 bis 10% eines Durchmessers der Wabenstruktur entspricht, bevorzugter eine Länge, die 0,1 bis 5% davon entspricht, und besonders bevorzugt eine Länge, die 0,1 bis 2,5% davon entspricht. Zusätzlich ist in einem weiteren Aspekt der oben beschriebene Abstand vorzugsweise eine Länge, die 0,5% bis 10% des Durchmessers der Wabenstruktur entspricht, bevorzugter eine Länge, die 0,5 bis 5% davon entspricht, und besonders bevorzugt eine Länge, die 0,5 bis 2,5% davon entspricht. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, das Wechseln zwischen der Unterdrückung und der Förderung des Wärmeaustausches der Wärmeaustauschkomponente zu steuern. In der Wärmeaustauschkomponente wird der Wärmeaustausch unterdrückt, wenn das Volumenverhältnis des durch das Sieden und die Verdampfung erzeugten zweiten Fluids im gasförmigen Zustand, das auf das Gesamtvolumen des inneren Umfangsströmungswegs entfällt, höher wird. Ferner ist es möglich, das Volumenverhältnis des durch das Sieden und die Verdampfung erzeugten zweiten Fluids im gasförmigen Zustand, das auf das Gesamtvolumen des inneren Umfangsströmungswegs entfällt, sogar unter Verwendung eines Verhältnisses des Abstands zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder in der radialen Richtung der Wabenstruktur bezüglich des Durchmessers der Wabenstruktur einzustellen. Deshalb ist es möglich, das Wechseln zwischen der Unterdrückung und der Förderung des Wärmeaustausches der Wärmeaustauschkomponente sogar unter Verwendung des Verhältnisses des Abstands zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder in der radialen Richtung der Wabenstruktur bezüglich des Durchmessers der Wabenstruktur zu steuern. Die radiale Richtung der Wabenstruktur gibt übrigens die Richtung an, die zu der Erstreckungsrichtung der Zelle der Wabenstruktur orthogonal ist. Zusätzlich ist der Durchmesser der Wabenstruktur als ein Radius eines Kreises in dem Querschnitt, der zu der Erstreckungsrichtung der Zelle der Wabenstruktur orthogonal ist, definiert, wenn eine Querschnittsform der Wabenstruktur der Kreis ist. Zusätzlich ist, wenn die Querschnittsform der Wabenstruktur eine andere Form als der Kreis ist, der Durchmesser der Wabenstruktur als ein Radius eines maximalen einbeschriebenen Kreises, der in die Form einbeschrieben ist, definiert. Zusätzlich gibt der Abstand zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder einen kürzesten Abstand zwischen dem inneren Zylinder und den mittleren Zylinder an. Weil zum Zeitpunkt des Wärmeaustausches (mit anderen Worten, zum Zeitpunkt der Rückgewinnung der Abwärme) der Wärmeaustausch mit der Vermittlung des Kältemittels im inneren Umfangsströmungsweg ausgeführt wird, gibt es einen Fall, in dem sich die Leistung der Rückgewinnung der Abwärme verschlechtert, falls der Abstand zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder zu groß ist. Wenn der Abstand zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder auf die Länge gesetzt ist, die 0,1 bis 10% des Durchmessers der Wabenstruktur entspricht, ist es möglich, die Wärmerückgewinnungsmenge bei einer tieferen Wassertemperatur zu verbessern, ohne die Wärmerückgewinnungsmenge bei einer hohen Wassertemperatur zu vergrößern.
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Wie in 5 gezeigt ist, kann ein Netzelement 18, das eine Netzstruktur aufweist, an einem Ort, wo das Verbindungsloch 17 in dem mittleren Zylinder 12 ausgebildet ist, zwischen dem inneren Zylinder 11 und dem mittleren Zylinder 12 vorgesehen sein. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei sie die Querschnittsansicht ist, die einen zu einer Erstreckungsrichtung einer Zelle einer Wabenstruktur orthogonalen Querschnitt zeigt. In 5 sind die gleichen konstituierenden Elemente wie jene der in den 1 bis 2B gezeigten Wärmeaustauschkomponente 100 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei deren Beschreibung in einigen Fällen weggelassen wird.
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Gemäß einer Wärmeaustauschkomponente 102, wie sie in 5 gezeigt ist, ist es möglich, einen Durchlasswiderstand eines zweiten Fluids als eine Flüssigkeit zu vergrößern, die versucht, in den inneren Umfangsströmungsweg 16a einzudringen, ohne das Fehlen des zum Sieden gebrachten und verdampften zweiten Fluids (z. B. des Kältemittels im gasförmigen Zustand) innerhalb des inneren Umfangsströmungswegs 16a zu ändern. Folglich wird das Innere des inneren Umfangsströmungswegs 16a leicht mit einem Gas gefüllt, wobei es möglich ist, die Wärmeabschirmungseigenschaft durch den inneren Umfangsströmungsweg 16a gemäß der Wärmeaustauschkomponente 102 zu verbessern, wie in 5 gezeigt ist. Zusätzlich ist es bevorzugt, dass eine bestimmte Menge des zweiten Fluids als die Flüssigkeit (z. B. das Kältemittel in einem flüssigen Zustand) in den inneren Umfangsströmungsweg 16a eingeleitet wird, um einen Zustand aufrechtzuerhalten, in dem das Innere des inneren Umfangsströmungswegs 16a mit dem Gas gefüllt ist. Wenn das Netzelement 18 vorgesehen ist, ist es möglich, es zu verursachen, dass das zweite Fluid als die Flüssigkeit schonend durch das Netz des Netzelements 18 strömt. Wenn z. B. das Netzelement 18 nicht vorgesehen ist, wird das zweite Fluid im flüssigen Zustand in einigen Fällen im Zustand von Tröpfchen intermittierend in den inneren Umfangsströmungsweg 16a eingeleitet. Wenn das zweite Fluid als die Tröpfchen ununterbrochen siedet und verdampft, kann aufgrund der plötzlichen Volumenausdehnung eine Schwingung innerhalb der Wärmeaustauschkomponente erzeugt werden oder kann in einigen Fällen ein lautes Siedegeräusch erzeugt werden. Wenn das Netzelement 18 vorgesehen ist, so dass das zweite Fluid als die Flüssigkeit schonend einströmt, ist es möglich, die Erzeugung der Schwingung und des Siedegeräuschs effektiv zu unterdrücken.
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Obwohl es an die Rauigkeit des Netzes des Netzelements 18 oder dergleichen keine besondere Einschränkung gibt, beträgt eine Sieböffnung des Netzes vorzugsweise 0,02 bis 4,5 mm und bevorzugter 0,1 bis 1,0 mm. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, den Durchlasswiderstand des zweiten Fluids als die Flüssigkeit zu vergrößern, ohne das Fehlen des zum Sieden gebrachten und verdampften zweiten Fluids im gasförmigen Zustand zu ändern.
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Das Verbindungsloch 17 kann an einer Position, die einem Endabschnitt der Wabenstruktur 1 entspricht, wie in der in den 6 bis 8 gezeigten Wärmeaustauschkomponente 103 ausgebildet sein. Zu diesem Zeitpunkt kann das Verbindungsloch 17, das an der Position ausgebildet ist, die dem Endabschnitt der Wabenstruktur 1 entspricht, in einer Ringform ausgebildet sein, so dass es einen äußeren Umfang der Wabenstruktur 1 umgibt. Hier ist 6 eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei sie eine Querschnittsansicht ist, die einen Querschnitt parallel zu einer Erstreckungsrichtung einer Zelle einer Wabenstruktur zeigt. 7 ist eine Querschnittsansicht, die einen entlang der Linie A-A' nach 6 genommenen Querschnitt schematisch zeigt. 8 ist eine Querschnittsansicht, die einen entlang der Linie B-B' nach 6 genommenen Querschnitt schematisch zeigt. In den 6 bis 8 sind die gleichen konstituierenden Elemente wie jene der in den 1 bis 2B gezeigten Wärmeaustauschkomponente 100 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in einigen Fällen deren Beschreibung weggelassen wird.
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Selbst wenn das Innere des inneren Umfangsströmungswegs 16a mit dem Gas gefüllt ist, kann die in den 6 bis 8 gezeigte Wärmeaustauschkomponente 103 einen ”Zustand, in dem sich das zweite Fluid als die Flüssigkeit mit der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders 11 in Kontakt befindet”, auf einer Seite des Endabschnitts der Wabenstruktur 1 aufrechterhalten. Folglich wird ein Endabschnitt des inneren Zylinders 11 kaum übermäßig erwärmt, wobei es möglich ist, eine übermäßige Wärmeausdehnung des inneren Zylinders 11 effektiv zu unterdrücken. Deshalb ist es möglich, eine Verringerung einer Bindungskraft bezüglich der Wabenstruktur 1, die durch die übermäßige Wärmeausdehnung des inneren Zylinders 11 verursacht wird, gemäß der in den 6 bis 8 gezeigten Wärmeaustauschkomponente 103 effektiv zu unterdrücken. Das heißt, die in den 6 bis 8 gezeigte Wärmeaustauschkomponente 103 kann ein Herausfallen oder eine Positionsabweichung der Wabenstruktur 1 von dem inneren Zylinder 11 insbesondere in dem Zustand effektiv verhindern, in dem der Wärmeaustausch unterdrückt wird, weil der Endabschnitt des inneren Zylinders 11 durch das zweite Fluid kontinuierlich gekühlt wird.
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Das Gehäuse kann zwei oder mehr mittlere Zylinder enthalten, wobei die zwei oder mehr mittleren Zylinder einen oder mehrere dazwischenliegende Umfangsströmungswege definieren und bilden können, die zwischen dem inneren Umfangsströmungsweg und dem äußeren Umfangsströmungsweg ausgebildet sind. Wenn der dazwischenliegende Umfangsströmungsweg definiert und ausgebildet ist, ist ein inneres Verbindungsloch, das den inneren Umfangsströmungsweg und den dazwischenliegenden Umfangsströmungsweg verbindet, als das Verbindungsloch im mittleren Zylinder auf der Seite des inneren Zylinders ausgebildet. Es ist ein äußeres Verbindungsloch, das den dazwischenliegenden Umfangsströmungsweg und den äußeren Umfangsströmungsweg verbindet, als das Verbindungsloch in dem mittleren Zylinder auf der Seite des äußeren Zylinders ausgebildet. Wenn das Gehäuse drei oder mehr mittlere Zylinder enthält und zwei oder mehr dazwischenliegende Umfangsströmungswege zwischen dem inneren Umfangsströmungsweg und dem äußeren Umfangsströmungsweg definiert und ausgebildet sind, sind in dem mittleren Zylinder außer den mittleren Zylindern auf der Seite des inneren Zylinders und der Seite des äußeren Zylinders dazwischenliegende Verbindungslöcher, die die dazwischenliegende Umfangsströmungswege verbinden, jeweils als die Verbindungslöcher ausgebildet. Bei einer derartigen Konfiguration wird die in dem zweiten Fluid erzeugte Konvektion im Vergleich zu dem Fall, in dem der dazwischenliegende Umfangsströmungsweg nicht definiert und ausgebildet ist, kompliziert, wenn der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid ausgeführt wird. Folglich ist es möglich, es effektiv zu unterdrücken, dass auf einen Abschnitt des mittleren Zylinders und des inneren Zylinders, die den inneren Umfangsströmungsweg definieren und bilden, z. B. aufgrund des Anprallens des zweiten Fluids innerhalb des inneren Umfangsströmungswegs lokal ein großer Druck ausgeübt wird. Wenn der innere Umfangsströmungsweg mit dem zweiten Fluid im gasförmigen Zustand gefüllt ist, tritt zusätzlich der folgende Ausgleich der Kräfte in dem inneren Verbindungsloch auf, das den inneren Umfangsströmungsweg und den dazwischenliegenden Umfangsströmungsweg verbindet. Das heißt, eine Kraft des zweiten Fluids im gasförmigen Zustand innerhalb des inneren Umfangsströmungswegs zu dem äußeren Umfangsströmungsweg und eine Kraft des zweiten Fluids im flüssigen Zustand innerhalb des äußeren Umfangsströmungswegs zu dem inneren Umfangsströmungsweg werden ausgeglichen, wenn der Einfluss der Schwerkraft ausgeschlossen wird. Wenn die Kraft des zweiten Fluids im flüssigen Zustand innerhalb des äußeren Umfangsströmungswegs zum inneren Umfangsströmungsweg abnimmt, ist es folglich wahrscheinlicher, dass das Innere des inneren Umfangsströmungswegs mit dem zweiten Fluid im gasförmigen Zustand gefüllt wird. Deshalb wird das Innere des inneren Umfangsströmungswegs mit dem zweiten Fluid im gasförmigen Zustand leicht gefüllt, indem es konfiguriert wird, wie oben beschrieben worden ist, weil das zweite Fluid im flüssigen Zustand innerhalb des inneren Umfangsströmungswegs im Vergleich zu dem Fall, in dem der dazwischenliegende Umfangsströmungsweg nicht definiert und ausgebildet ist, kaum in den inneren Umfangsströmungsweg strömt.
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Wenn das Gehäuse zwei mittlere Zylinder aufweist und die beiden mittleren Zylinder einen dazwischenliegenden Umfangsströmungsweg definieren und bilden, der zwischen dem inneren Umfangsströmungsweg und dem äußeren Umfangsströmungsweg ausgebildet ist, sind das innere Verbindungsloch und das äußere Verbindungsloch vorzugsweise wie folgt ausgebildet. Zuerst wird der mittlere Zylinder, der auf der Innenseite zwischen den beiden mittleren Zylindern angeordnet ist, als ein ”innerer mittlerer Zylinder” definiert, während der auf der Außenseite angeordnete mittlere Zylinder als ein ”äußerer mittlerer Zylinder” definiert wird. Ferner wird ein in dem inneren mittleren Zylinder ausgebildetes inneres Verbindungsloch als ein ”inneres Verbindungsloch a” definiert, während ein in dem äußeren mittleren Zylinder ausgebildetes äußeres Verbindungsloch als ein ”äußeres Verbindungsloch b” definiert wird. Zusätzlich wird eine Normale, die sich von einer Mittelachse des inneren mittleren Zylinders in einem zu der Mittelachse des inneren mittleren Zylinders orthogonalen Querschnitt radial erstreckt, als eine ”Normale des inneren mittleren Zylinders” definiert. Zusätzlich wird gegebenenfalls eine Erstreckungsrichtung jeder Normalen des inneren mittleren Zylinders manchmal als eine ”Normalenrichtung des inneren mittleren Zylinders” bezeichnet. Das innere Verbindungsloch a und das äußere Verbindungsloch b sind vorzugsweise konfiguriert, so dass die Fläche eines Abschnitts, wo die Positionen der wechselseitig offenen Enden in der Normalenrichtung des inneren mittleren Zylinders einander überlappen, 80% oder weniger bezüglich einer Öffnungsfläche des Verbindungslochs ist, das zwischen dem inneren Verbindungsloch a und dem äußeren Verbindungsloch b eine größere Öffnungsfläche aufweist. Das oben beschriebene Verhältnis der Fläche beträgt bevorzugter 50% oder weniger, noch bevorzugter 30% oder weniger und besonders bevorzugt 0% (die wechselseitig offenen Enden überlappen einander nicht). Der Ausdruck, dass die ”Positionen der wechselseitig offenen Enden in der Normalenrichtung des inneren mittleren Zylinders einander überlappen”, bedeutet den folgenden Abschnitt. Zuerst erstreckt sich die ”Normale des inneren mittleren Zylinders”, die durch einen Umfangsrand des inneren Verbindungslochs a hindurchgeht, zu einer Innenfläche des äußeren mittleren Zylinders, wobei ein Abschnitt auf einer Innenfläche des äußeren mittleren Zylinders, der durch die verlängerte Normale umgeben ist, als ein Überlappungsbereich der offenen Enden definiert ist. Ferner ist ein Fall, in dem wenigstens ein Abschnitt des äußeren Verbindungslochs b in dem ”Überlappungsbereich der offenen Enden” ausgebildet ist, als der Fall definiert, in dem ”die Positionen der wechselseitig offenen Enden einander überlappen”. In dem äußeren Verbindungsloch b ist der oben beschriebene Abschnitt, der in dem Überlappungsbereich der offenen Enden ausgebildet ist, als ein ”Abschnitt des äußeren Verbindungslochs b, wo die Positionen der offenen Enden einander überlappen”, definiert. In dem inneren Verbindungsloch a ist die ”Normale des inneren mittleren Zylinders”, die durch einen Umfangsrand des ”Abschnitts, wo die Positionen der offenen Enden einander überlappen” des äußeren Verbindungslochs b hindurchgeht, zu der Oberfläche des inneren mittleren Zylinders zurückgeführt, wobei ein Abschnitt auf der Oberfläche des inneren mittleren Zylinders, der von der zurückgeführten Normalen umgeben ist, als ein ”Abschnitt des inneren Verbindungslochs a, wo die offenen Enden einander überlappen”, definiert ist. Hinsichtlich des oben beschriebenen Verhältnisses der Fläche des Abschnitts, wo die Positionen der offenen Enden einander überlappen, wird ein Verhältnis der Fläche des ”Abschnitts, wo die Positionen der offenen Enden einander überlappen”, in dem Verbindungsloch, das zwischen dem inneren Verbindungsloch a und dem äußeren Verbindungsloch b die größere Öffnungsfläche aufweist, bezüglich der Öffnungsfläche des Verbindungslochs, das die größerer Öffnungsfläche aufweist, erhalten. Wenn die Öffnungsfläche des äußeren Verbindungslochs b zwischen dem inneren Verbindungsloch a und dem äußeren Verbindungsloch b groß ist, wird ein Verhältnis der Fläche des ”Abschnitts des äußeren Verbindungslochs b, wo die Positionen der offenen Enden einander überlappen”, bezüglich der Öffnungsfläche des äußeren Verbindungslochs b erhalten.
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Wenn das Gehäuse drei oder mehr mittlere Zylinder aufweist und die drei oder mehr mittleren Zylinder zwei oder mehr dazwischenliegende Umfangsströmungswege definieren und bilden, die zwischen dem inneren Umfangsströmungsweg und dem äußeren Umfangsströmungsweg ausgebildet sind, sind das innere Verbindungsloch und das dazwischenliegende Verbindungsloch vorzugsweise wie folgt ausgebildet. Zuerst wird der mittlere Zylinder, der auf der innersten Seite unter den drei oder mehr mittleren Zylindern angeordnet ist, als ein ”innerer mittlerer Zylinder” definiert, während der mittlere Zylinder, der auf der äußeren Seite als der innere mittlere Zylinder angeordnet ist, so dass er sich am nächsten an dem inneren mittleren Zylinder befindet, als ein ”dazwischenliegender mittlerer Zylinder” definiert wird. Ferner wird ein inneres Verbindungsloch, das in dem inneren mittleren Zylinder ausgebildet ist, als ein ”inneres Verbindungsloch a1” definiert, während ein in dem ”dazwischenliegenden mittleren Zylinder” ausgebildetes Verbindungsloch als ein ”dazwischenliegendes Verbindungsloch c1” definiert wird. Ferner sind das ”innere Verbindungsloch a1” und das ”dazwischenliegende Verbindungsloch c1” vorzugsweise ausgebildet, so dass sie die gleiche Positionsbeziehung wie das ”innere Verbindungsloch a” und das ”äußere Verbindungsloch b”, die oben beschrieben worden sind, aufweisen. Bei einer derartigen Konfiguration strömt das zweite Fluid im flüssigen Zustand innerhalb des äußeren Umfangsströmungswegs zum Zeitpunkt des Unterdrückens des Wärmeaustausches z. B. kaum in den inneren Umfangsströmungsweg. Folglich wird das Innere des inneren Umfangsströmungswegs zum Zeitpunkt des Unterdrückens des Wärmeaustausches leicht mit dem zweiten Fluid im gasförmigen Zustand gefüllt.
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Wie oben beschrieben worden ist, ist es wahrscheinlicher, dass das Innere des inneren Umfangsströmungswegs mit dem zweiten Fluid im gasförmigen Zustand gefüllt wird, wenn die Kraft des zweiten Fluids im flüssigen Zustand innerhalb des äußeren Umfangsströmungswegs zu dem inneren Umfangsströmungsweg abnimmt. Das heißt, das Innere des inneren Umfangsströmungswegs wird leicht mit dem zweiten Fluid im gasförmigen Zustand gefüllt, selbst wenn der Dampfdruck des zweiten Fluids im gasförmigen Zustand klein ist. Folglich kann die Konfiguration, um die Kraft des zweiten Fluids im flüssigen Zustand innerhalb des äußeren Umfangsströmungswegs zum Inneren des inneren Umfangsströmungswegs zu verringern, geeignet angewendet werden. Es kann z. B. konfiguriert sein, so dass die Kraft des zweiten Fluids im flüssigen Zustand innerhalb des äußeren Umfangsströmungswegs zum Inneren des inneren Umfangsströmungswegs verringert wird, indem innerhalb des äußeren Umfangsströmungswegs eine Unebenheit vorgesehen wird oder indem auf einem Umfangsrand eines offenen Endes wenigstens eines des inneren Verbindungslochs, des dazwischenliegenden Verbindungslochs und des äußeren Verbindungslochs ein konvexer Abschnitt vorgesehen wird.
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Zusätzlich können in der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Ausführungsform zwei oder mehr der bisher beschriebenen Wärmeaustauschkomponenten vorgesehen sein, obwohl dies nicht gezeigt ist, so dass die zwei oder mehr Wärmeaustauschkomponenten in einer Strömungsrichtung des ersten Fluids in Reihe geschaltet sind. Die beiden Wärmeaustauschkomponenten, von denen jede eine Wabenstruktur mit einer halbierten Länge aufweist, können z. B. vorgesehen sein, so dass die zwei Wärmeaustauschkomponente direkt verbunden sind. Wenn die zwei oder mehr Wärmeaustauschkomponenten in Reihe geschaltet sind, ist es möglich, die Wärmerückgewinnungsmenge im Hochlastzustand, in dem der Wärmeaustausch unterdrückt wird, zu verringern. Die zwei oder mehr Wärmeaustauschkomponenten können übrigens in Intervallen in Reihe miteinander geschaltet sein, indem Rohre oder dergleichen dazwischen vorgesehen sind, oder können in einem Zustand verbunden sein, in dem die benachbarten Wärmeaustauschkomponenten aneinander angrenzend sind, ohne die oben beschriebenen Rohre oder dergleichen vorzusehen.
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In der Wabenstruktur sind die mehreren Zellen, die sich von der ersten Stirnfläche bis zu der zweiten Stirnfläche erstrecken und als die Strömungswege des ersten Fluids dienen, durch die Trennwand definiert und ausgebildet. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, die Wärme des ersten Fluids, das durch die Zellen der Wabenstruktur strömt, effizient zu sammeln und die gesammelte Wärme nach außen zu übertragen.
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Es gibt keine spezielle Einschränkung an eine äußere Form der Wabenstruktur. Eine Querschnittsform des zu der Zellenerstreckungsrichtung orthogonalen Querschnitts der Wabenstruktur kann eine Kreisform, eine elliptische Form, eine viereckige Form oder andere polygonale Formen sein.
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Eine Trennwand der Wabenstruktur enthält eine Keramik als die Hauptkomponente. Der Ausdruck ”enthält eine Keramik als die Hauptkomponente” bedeutet, dass ”ein Massenverhältnis der Keramik, die auf das Gesamtgewicht der Trennwand entfällt, 50 Masse-% oder mehr beträgt”.
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Die Porosität der Trennwand beträgt vorzugsweise 10% oder weniger, bevorzugter 5% oder weniger und besonders bevorzugt 3% oder weniger. Wenn die Porosität der Trennwand auf 10% oder weniger festgelegt ist, ist es möglich, die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Die Porosität der Trennwand ist übrigens ein durch das Archimedes-Verfahren gemessener Wert.
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Die Trennwand enthält vorzugsweise SiC (Siliciumcarbid), das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, als eine Hauptkomponente. Die Hauptkomponente bedeutet übrigens, dass 50 Masse-% oder mehr der Wabenstruktur SiC sind.
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Spezifischer kann ein mit Si imprägniertes SiC, ein mit (Si + Al) imprägniertes SiC, ein Metall-Verbundwerkstoff-SiC, ein umkristallisiertes SiC, Si3N4, SiC und dergleichen als ein Material der Wabenstruktur angewendet werden.
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Es gibt keine besondere Einschränkung an eine Zellenform in dem zu der Erstreckungsrichtung der Zelle der Wabenstruktur orthogonalen Querschnitt. Eine gewünschte Form kann aus einer Kreisform, einer elliptischen Form, einer dreieckigen Form, einer viereckigen Form, einer hexagonalen Form oder anderen polygonalen Formen geeignet ausgewählt werden.
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Es gibt keine besondere Einschränkung an die Zellendichte der Wabenstruktur (d. h., die Anzahl der Zellen pro Einheitsfläche). Die Zellendichte kann geeignet entworfen werden, wobei sie vorzugsweise im Bereich von 4 bis 320 Zellen/cm2 liegt. Wenn die Zellendichte auf 4 Zellen/cm2 oder mehr gesetzt ist, ist es möglich, eine ausreichende Festigkeit der Trennwand und ferner eine Festigkeit und effektive GSA (geometrische Oberfläche) der Wabenstruktur selbst zu schaffen. Zusätzlich ist es möglich, durch das Festlegen der Zellendichte auf 320 Zellen/cm2 oder weniger eine Zunahme des Druckverlustes, der verursacht wird, wenn das erste Fluid strömt, zu verhindern.
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Die isostatische Festigkeit der Wabenstruktur beträgt vorzugsweise 1 MPa oder mehr und bevorzugter 5 MPa oder mehr. Wenn die isostatische Festigkeit der Wabenstruktur 1 MPa oder mehr beträgt, ist es möglich, eine ausreichende Haltbarkeit der Wabenstruktur zu schaffen. Ein oberer Grenzwert der isostatischen Festigkeit der Wabenstruktur beträgt übrigens etwa 100 MPa. Die isostatische Festigkeit der Wabenstruktur kann gemäß dem Verfahren zum Messen der isostatischen Bruchfestigkeit gemessen werden, das in dem JASO-Standard M505-87 definiert ist, der ein durch die Gesellschaft der Kraftfahrzeugingenieure Japans ausgegebener Kraftfahrzeugstandard ist.
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Der Durchmesser der Wabenstruktur in dem zu der Zellenerstreckungsrichtung orthogonalen Querschnitt beträgt vorzugsweise 20 bis 200 mm und bevorzugter 30 bis 100 mm. Es ist möglich, den Wärmeaustauschwirkungsgrad durch das Festlegen eines derartigen Durchmessers zu verbessern. Wenn die Form der Wabenstruktur in dem zu der Zellenerstreckungsrichtung orthogonalen Querschnitt nicht kreisförmig ist, ist ein Durchmesser eines maximalen einbeschriebenen Kreises, der in die Form des Querschnitts der Wabenstruktur einbeschrieben ist, als der Durchmesser der Wabenstruktur in dem zu der Zellenerstreckungsrichtung orthogonalen Querschnitt definiert.
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Eine Dicke der Trennwand der Zelle der Wabenstruktur kann gemäß dem Zweck geeignet entworfen werden und ist nicht besonders eingeschränkt. Die Dicke der Trennwände beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1 mm, bevorzugter 0,2 bis 0,6 mm. Wenn die Dicke der Trennwand auf 0,1 mm oder mehr gesetzt ist, ist es möglich, eine ausreichende mechanische Festigkeit zu schaffen und einen durch einen Aufprall oder thermische Beanspruchung verursachten Bruch zu verhindern. Wenn die Dicke der Trennwand auf 1 mm oder weniger gesetzt ist, ist es zusätzlich möglich, Probleme, wie z. B. die Zunahme des Druckverlustes des ersten Fluids und die Abnahme des Wärmeaustauschwirkungsgrads bezüglich der Permeation pf eines Wärmemediums zu verhindern.
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Die Dichte der Trennwände beträgt vorzugsweise 0,5 bis 5 g/cm3. Wenn die Dichte der Trennwände auf 0,5 g/cm3 oder mehr gesetzt ist, ist es möglich, die ausreichende Festigkeit der Trennwand bereitzustellen und zu verhindern, dass die Trennwand durch den Widerstand zerbrochen wird, der verursacht wird, wenn das erste Fluid durch das Innere des Strömungswegs (innerhalb der Zelle) hindurchgeht. Wenn zusätzlich die Dichte der Trennwände auf 5 g/cm3 oder weniger gesetzt ist, ist es möglich, das Gewicht der Wabenstruktur zu verringern. Wenn die Dichte innerhalb des oben beschriebenen Bereichs festgelegt ist, ist es möglich, die Wabenstruktur zu verstärken und die Wirkung des Verbesserns der Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Die Dichte der Trennwände ist übrigens ein durch das Archimedes-Verfahren gemessener Wert.
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Die Wärmeleitfähigkeit der Wabenstruktur beträgt vorzugsweise 50 W/(m·K) oder mehr, bevorzugter 100 bis 300 W/(m·K) und besonders bevorzugt 120 bis 300 W/(m·K). Wenn die Wärmeleitfähigkeit der Wabenstruktur innerhalb eines derartigen Bereichsfestgelegt ist, ist die Wärmeleitfähigkeit vorteilhaft, wobei es möglich ist, die Wärme innerhalb der Wabenstruktur effizient zu dem inneren Zylinder des Gehäuses zu übertragen. Ein Wert der Wärmeleitfähigkeit ist übrigens ein durch ein Laserblitzverfahren gemessener Wert.
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Wenn verursacht wird, dass das Abgas als das erste Fluid zu der Zelle der Wabenstruktur strömt, ist es bevorzugt, einen Katalysator auf den Trennwänden der Wabenstruktur aufzubringen. Wenn der Katalysator auf die Trennwand aufgebracht ist, ist es möglich, CO3 NOx, HC und dergleichen im Abgas durch die katalytische Reaktion in harmlose Substanzen zu verwandeln, wobei es ferner möglich ist, die während der katalytischen Reaktion erzeugte Reaktionswärme für den Wärmeaustausch zu verwenden. Der Katalysator enthält vorzugsweise wenigstens eine Art eines Elements, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die die Edelmetalle (Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium, Indium, Silber und Gold), Aluminium, Nickel, Zirkon, Titan, Cer, Kobalt, Mangan, Zink, Kupfer, Zinn, Eisen, Niob, Magnesium, Lanthan, Samarium, Bismut und Barium umfasst. Das oben beschriebene Element kann als ein einfaches Metall, Metalloxide oder andere Metallverbindungen enthalten sein.
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Eine Beladungsmenge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) beträgt vorzugsweise 10 bis 400 g/l. Zusätzlich beträgt in dem Fall, in dem der Katalysator ein Edelmetall enthält, die Beladungsmenge vorzugsweise 0,1 bis 5 g/l. Wenn die Beladungsmenge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) auf 10 g/l oder mehr gesetzt ist, tritt die katalytische Wirkung leicht auf. Wenn andererseits die Beladungsmenge des Katalysators auf 400 g/l oder weniger gesetzt ist, ist es möglich, den Druckverlust zu unterdrücken und eine Zunahme der Herstellungskosten zu unterdrücken. Der Träger ist ein Träger, auf dem das Katalysatormetall aufgebracht ist. Der Träger enthält vorzugsweise wenigstens eine Art, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Cer und Zirkon umfasst.
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Es gibt keine besondere Einschränkung an eine Form des Gehäuses, solange wie es konfiguriert ist, so dass der innere Zylinder angeordnet ist, so dass er an die äußere Umfangsfläche der Wabenstruktur angepasst ist, der mittlere Zylinder angeordnet ist, so dass er den inneren Zylinder ummantelt, und der äußere Zylinder den mittleren Zylinder ummantelt.
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Es gibt keine besondere Einschränkung an ein Material des Gehäuses. Die Beispiele des Materials des Gehäuses enthalten Metalle, Keramik und dergleichen. Es kann z. B. rostfreier Stahl, eine Titanlegierung, eine Kupferlegierung, eine Aluminiumlegierung, Messing oder dergleichen als das Metall verwendet werden. Wenn die Wärmeaustauschkomponente verwendet wird, um die Abwärme von dem Abgas der Kraftmaschine oder dergleichen zurückzugewinnen, können zusätzlich beide Endabschnitte des Gehäuses konfiguriert sein, so dass sie mit einem Rohr verbindbar sind, durch das das Abgas der Kraftmaschine hindurchgeht. Wenn sich ein Innendurchmesser des Rohrs, durch das das Abgas hindurchgeht, von jedem Innendurchmesser der beiden Endabschnitte des Gehäuses unterscheidet, kann ein Gaseinleitungsrohr, dessen Innendurchmesser allmählich zunimmt oder abnimmt, zwischen dem Rohr und dem Gehäuse vorgesehen sein, oder das Rohr und das Gehäuse können direkt miteinander verbunden sein. Wenn das Rohr und das Gehäuse direkt miteinander verbunden sind, ohne das Gaseinleitungsrohr vorzusehen, siedet und verdampft das zweite Fluid innerhalb des inneren Umfangsströmungswegs leicht, da das Abgas den inneren Umfangsströmungsweg des Gehäuses trifft, wobei dadurch die Wärmeabschirmungseigenschaft verbessert wird.
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Es gibt keine besondere Einschränkung an das erste Fluid. Wenn die Wärmeaustauschkomponente als ein Teil eines Wärmetauschers, der an einem Kraftfahrzeug angebracht ist, verwendet wird, ist das erste Fluid vorzugsweise ein Abgas.
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Es gibt keine besondere Einschränkung an das zweite Fluid. Wenn die Wärmeaustauschkomponente als ein Teil eines Wärmetauschers, der an dem Kraftfahrzeug angebracht ist, verwendet wird, ist das zweite Fluid vorzugsweise Wasser oder eine Frostschutzlösung (LLC, spezifiziert im JIS K 2234).
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Als Nächstes wird eine weitere Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Wärmeaustauschkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Wärmeaustauschkomponente 101, wie in den 3A und 3B gezeigt ist. 3A ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt, und ist die Querschnittsansicht, die einen zu einer Erstreckungsrichtung einer Zelle einer Wabenstruktur orthogonalen Querschnitt zeigt. 3B ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen inneren Zylinder gemäß einer weiteren Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt. Andere Konfigurationen als der innere Zylinder sind in 3B nicht gezeigt. Das heißt, 3B zeigt nur den inneren Zylinder und die an dem inneren Zylinder ausgebildeten Kühlrippen. In den 3A und 3B sind die gleichen konstituierenden Elemente wie jene der in den 1 bis 2B gezeigten Wärmeaustauschkomponente 100 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in einigen Fällen deren Beschreibung weggelassen wird.
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Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, weist die Wärmeaustauschkomponente 101 gemäß einer weiteren Ausführungsform die gleiche Konfiguration wie die in den 1 bis 2B gezeigte Wärmeaustauschkomponente 100 auf, mit Ausnahme, dass eine Kühlrippe 48 auf einer Fläche (einer äußeren Umfangsfläche eines inneren Zylinders 41) des inneren Zylinders 41 ausgebildet ist, die sich nicht mit der Wabenstruktur 1 in Kontakt befindet. Wenn die Kühlrippe 48 in dieser Weise auf dem inneren Zylinder 41 ausgebildet ist, nimmt eine Oberfläche des inneren Zylinders 41 zu, wobei es möglich ist, die Geschwindigkeit des Wärmeaustausches zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid zu vergrößern. Zusätzlich wird eine Temperaturänderung des ersten Fluids leicht zu dem zweiten Fluid, das durch den inneren Umfangsströmungsweg 16a hindurchgeht, übertragen, wobei folglich die Temperatur des zweiten Fluids schnell steigt und fällt, wobei es außerdem möglich ist, einen Zeitpunkt des Wechselns zwischen der Förderung und der Unterdrückung des Wärmeaustausches vorzuverlegen. Die in dem inneren Zylinder 41 ausgebildete Kühlrippe 48 befindet sich übrigens nicht mit dem mittleren Zylinder 12 in der Wärmeaustauschkomponente 101 in Kontakt.
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Weil die Kühlrippe 48 an dem inneren Zylinder 41 ausgebildet ist, ist es zusätzlich möglich, die Wärmeableitung des inneren Zylinders 41 zu fördern und einen übermäßigen Temperaturanstieg des inneren Zylinders 41 zu unterdrücken, wenn sich das zweite Fluid im gasförmigen Zustand befindet.
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Es gibt keine besondere Einschränkung an eine Form der Kühlrippen, solange wie die Kühlrippen auf der Fläche des inneren Zylinders ausgebildet sind, wo sich die Kühlrippen nicht mit der Wabenstruktur in Kontakt befinden, um die Oberfläche des Abschnitts des inneren Zylinders zu vergrößern, der mit der Wabenstruktur versehen ist, und so dass sie sich nicht mit dem mittleren Zylinder in Kontakt befinden. Beispiele der Form der Kühlrippen können eine Form, in der auf dem inneren Zylinder Vorsprünge ausgebildet sind und sich die Vorsprünge in einer Geraden, einer gebogenen Linie, einer Spiralform oder dergleichen erstrecken, eine Form, in der auf dem inneren Zylinder Vorsprünge ausgebildet sind und sich die Vorsprünge in einer punktierten Linie erstrecken, und dergleichen enthalten.
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Eine Oberfläche der Kühlrippen ist vorzugsweise eine Fläche, die 10% oder mehr einer Oberfläche des inneren Zylinders, ausgenommen die Kühlrippen, bevorzugter eine Fläche, die 20% oder mehr davon entspricht, und besonders bevorzugt eine Fläche, die 30% oder mehr davon entspricht. Hier ist die ”Oberfläche des inneren Zylinders, ausgenommen die Kühlrippen”, eine Oberfläche in einem Fall, in dem der innere Zylinder ein zylindrischer Körper ist, der eine konstante Dicke aufweist. Wenn der innere Zylinder übrigens der zylindrische Körper mit der konstanten Dicke ist, ist eine Dicke des inneren Zylinders eine Dicke des dünnsten Abschnitts der Dicke des inneren Zylinders. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, die Geschwindigkeit des Wärmeaustausches zu verbessern, der zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid ausgeführt wird. Der Abschnitt des inneren Zylinders, der mit der Wabenstruktur versehen wird, ist ein Abschnitt des inneren Zylinders, der zwischen einer ersten Geraden und einer zweiten Geraden vorhanden ist, wenn die erste Gerade, die durch eine erste Stirnfläche der Wabenstruktur hindurchgeht, und die zweite Gerade, die durch eine zweite Stirnfläche hindurchgeht, in einem zu der Zellenerstreckungsrichtung parallelen Querschnitt gezeichnet werden.
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Es gibt keine besondere Einschränkung an ein Material der Kühlrippe. Die Kühlrippe kann ausgebildet sein, so dass sie mit dem inneren Zylinder integriert ist, oder kann an dem inneren Zylinder befestigt sein. Die Kühlrippe ist vom Standpunkt der Leichtigkeit der Herstellung vorzugsweise ausgebildet, so dass sie mit dem inneren Zylinder integriert ist. Die Kühlrippe kann z. B. durch das Ausführen einer Prägeverarbeitung oder dergleichen an dem inneren Zylinder an dem inneren Zylinder gebildet werden.
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Zusätzlich kann eine Kühlrippe 48a nur auf den Seiten der beiden Endabschnitte der Wabenstruktur 1 (siehe 3A) des inneren Zylinders 41a auf einer Fläche (einer äußeren Umfangsfläche eines inneren Zylinders 41a), die sich nicht mit der Wabenstruktur 1 in Kontakt befindet (siehe 3A), ausgebildet sein, wie in 4 gezeigt ist. 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die den inneren Zylinder gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung zeigt. 4 zeigt nur den inneren Zylinder und die an dem inneren Zylinder ausgebildeten Kühlrippen.
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(Ein Verfahren zum Herstellen der Wärmeaustauschkomponente)
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Als Nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen der Wärmeaustauschkomponente beschrieben. Die Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung kann z. B. wie folgt hergestellt werden. Zuerst wird ein geknetetes Material, das ein Keramikpulver enthält, in eine gewünschte Form extrudiert, um einen als Wabe geformten Körper herzustellen. Es ist möglich, die oben beschriebene Keramik als das Material der Wabenstruktur zu verwenden. In dem Fall des Herstellens einer Wabenstruktur, die ein mit Si imprägniertes SiC-Verbundmaterial als eine Hauptkomponente enthält, ist es möglich, den als Wabe geformten Körper, der eine gewünschte Form aufweist, durch das Hinzufügen eines Bindemittels und Wassers oder eines organischen Lösungsmittels zu einer vorgegebenen Menge des SiC-Pulvers, das Kneten der resultierenden Mischung, um ein geknetetes Material zu bilden, und das Formen des gekneteten Materials zu erhalten. Ferner wird der erhaltene als Wabe geformte Körper getrocknet, wobei der als Wabe geformte Körper mit metallischem Si imprägniert und in einem druckreduzierten Inertgas oder im Vakuum gebrannt wird, wodurch es möglich ist, die Wabenstruktur zu erhalten, in der die mehreren Zellen, die als die Strömungswege des ersten Fluids dienen, durch die Trennwände definiert und ausgebildet sind.
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Als Nächstes wird die Wabenstruktur in den aus rostfreiem Stahl hergestellten inneren Zylinder eingesetzt, wobei der innere Zylinder angeordnet ist, um durch Schrumpfpassung an die Wabenstruktur angepasst zu werden. Für die Passung zwischen der Wabenstruktur und dem inneren Zylinder kann außer der Schrumpfpassung übrigens die Presspassung, Hartlöten, Diffusionsschweißen oder dergleichen verwendet werden.
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Als Nächstes wird ein Gehäuseelement, das aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, den mittleren Zylinder und den äußeren Zylinder aufweist und als ein Abschnitt des Gehäuses dient, hergestellt. Das Gehäuseelement weist eine doppelte Rohrstruktur auf, bei der ein Abschnitt (der äußere Umfangsströmungsweg) des Umfangsströmungswegs, der als der Strömungsweg des zweiten Fluids dient, zwischen dem mittleren Zylinder und dem äußeren Zylinder ausgebildet ist. In dem mittleren Zylinder das Gehäuseelements ist wenigstens ein offenes Ende ausgebildet, so dass es die Seite der Vorder- und der Rückseite des mittleren Zylinders durchdringt. Dieses offene Ende dient als das Verbindungsloch, das den inneren Umfangsströmungsweg und den äußeren Umfangsströmungsweg in der Wärmeaustauschkomponente verbindet. Zusätzlich ist es bevorzugt, den Einlass des zweiten Fluids und den Auslass des zweiten Fluids in dem äußeren Zylinder das Gehäuseelements zu bilden.
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Als Nächstes werden die Wabenstruktur und der innere Zylinder, der angeordnet ist, so dass er an die Wabenstruktur angepasst ist, innerhalb des hergestellten Gehäuseelements angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Lücke, die konfiguriert ist, um den inneren Umfangsströmungsweg zu bilden, zwischen dem mittleren Zylinder des Gehäuseelements und dem inneren Zylinder gebildet. Als Nächstes werden das Gehäuseelement und der innere Zylinder miteinander verbunden, um das Gehäuse herzustellen, das den inneren Zylinder, der angeordnet ist, so dass er an die äußere Umfangsfläche der Wabenstruktur angepasst ist, den mittleren Zylinder, der angeordnet ist, so dass er den inneren Zylinder ummantelt, und den äußeren Zylinder, der angeordnet ist, so dass er den mittleren Zylinder ummantelt, enthält.
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Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, die Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung herzustellen. Das Verfahren zum Herstellen der Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf das Herstellungsverfahren eingeschränkt, das bisher beschrieben worden ist. Die Wärmeaustauschkomponente kann z. B. durch das Herstellen eines Gehäuses, das einen inneren Zylinder, einen mittleren Zylinder und einen äußeren Zylinder enthält, vor der Montage der Wabenstruktur und des inneren Zylinders aneinander, und das Anordnen der Wabenstruktur innerhalb des inneren Zylinders des hergestellten Gehäuses hergestellt werden.
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(Ein Beispiel)
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Beispielen ausführlicher beschrieben, wobei aber die vorliegende Erfindung keinesfalls durch diese Beispiele eingeschränkt ist.
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Die Wärmeaustauschkomponenten gemäß dem Beispiel 1 und gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 wurden wie folgt hergestellt.
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(Das Beispiel 1)
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(Die Herstellung der Wabenstruktur)
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Ein geknetetes Material, das SiC-Pulver enthält, wurde in eine gewünschte Form extrudiert und dann getrocknet, verarbeitet, so dass es eine vorgegebene Abmessung der äußeren Form aufweist, und mit Si imprägniert und gebrannt, um eine runde, säulenförmige Wabenstruktur herzustellen. In der Wabenstruktur war ein Durchmesser (eine äußere Form) einer Stirnfläche 55,4 mm und war eine Länge in einer Erstreckungsrichtung einer Zelle 40 mm. Die Zellendichte der Wabenstruktur betrug 23 Zellen/cm2, während eine Dicke (eine Wanddicke) einer Trennwand 0,3 mm betrug. Die Wärmeleitfähigkeit der Wabenstruktur betrug 150 W/(m·K).
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(Die Herstellung der Wärmeaustauschkomponente)
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Als Nächstes wurde ein aus rostfreiem Stahl hergestellter innerer Zylinder hergestellt. Der innere Zylinder wies eine zylindrische Form mit einem Innendurchmesser von 55,2 mm und einer axialen Länge von 44 mm auf, wobei er eine Wanddicke von 1,0 mm aufwies. Als Nächstes wurde die Wabenstruktur in den hergestellten inneren Zylinder eingesetzt, wobei der innere Zylinder angeordnet wurde, so dass er an eine äußere Umfangsfläche der Wabenstruktur durch Schrumpfpassung angepasst war.
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Als Nächstes wurde ein aus rostfreiem Stahl hergestelltes Gehäuseelement, das einen mittleren Zylinder und einen äußeren Zylinder enthält, hergestellt. Der mittlere Zylinder wies eine zylindrische Form mit einem Innendurchmesser von 59,2 mm und einer axialen Länge von 42,5 mm auf, wobei er eine Wanddicke von 1,5 mm aufwies. Der äußere Zylinder wies eine zylindrische Form mit einem Innendurchmesser von 66,2 mm und eine axiale Länge von 47 mm auf, wobei er eine Wanddicke von 1,5 mm aufwies. In dem mittleren Zylinder wurden vier Verbindungslöcher, von denen jedes das Innere und das Äußere des mittleren Zylinders verbindet und eine Öffnungsfläche von 3,14 mm2 aufweist, gebildet. Die beiden Bildungspositionen der Verbindungslöcher wurden sowohl in einem ersten Bereich als auch in einem zweiten Bereich in einem zu der Erstreckungsrichtung der Zelle der Wabenstruktur orthogonalen Querschnitt der Wärmeaustauschkomponente festgelegt. Zusätzlich wurde ein Einlass für die Einleitung eines zweiten Fluids, das als ein Wärmemedium dient, und ein Auslass für das Ausströmen des zweiten Fluids in dem äußeren Zylinder gebildet.
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Als Nächstes wurde der innere Zylinder, an dem die Wabenstruktur durch eine Passung befestigt wurde, innerhalb des mittleren Zylinders des hergestellten Gehäuseelements angeordnet, wobei der mittlere Zylinder und der innere Zylinder durch Schweißen miteinander verbunden wurden, wobei dadurch die Wärmeaustauschkomponente hergestellt wurde, die die Wabenstruktur und das Gehäuse enthält. Ein innerer Umfangsströmungsweg, der einen Abstand von 1 mm zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder aufweist, wurde in einer radialen Richtung der Wabenstruktur zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder des Gehäuses gebildet. Zusätzlich wurde ein äußerer Umfangsströmungsweg, der einen Abstand von 2,7 mm zwischen dem mittleren Zylinder und dem äußeren Zylinder aufweist, in der radialen Richtung der Wabenstruktur zwischen dem mittleren Zylinder und dem äußeren Zylinder des Gehäuses gebildet. Das in dem mittleren Zylinder ausgebildete Verbindungsloch wurde in einem Abschnitt des Gehäuses positioniert, das die Wabenstruktur ummantelt, wobei der innere Umfangsströmungsweg und der äußere Umfangsströmungsweg durch dieses Verbindungsloch miteinander in Verbindung stehen.
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(Ein Wärmeaustauschtest)
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Für die hergestellte Wärmeaustauschkomponente wurde durch das folgende Verfahren ein Wärmeaustauschtest ausgeführt. Das heißt, die Wärmeeingabemenge, die in die Wärmeaustauschkomponente strömt, die durch die Wärmeaustauschkomponente zurückgewonnene Wärmerückgewinnungsmenge und die Temperatur des mittleren Zylinders wurden gemessen, während verursacht wurde, dass ein erstes Fluid, das als ein Wärmemedium dient, durch die in der Wabenstruktur ausgebildet Zelle hindurchgeht, und verursacht wurde, dass ein zweites Fluid, das als ein weiteres Wärmemedium dient, durch den Umfangsströmungsweg des Gehäuses hindurchgeht. Spezifisch wurde zuerst verursacht, dass das erste Fluid bei 400°C und das zweite Fluid bei 80°C während fünf Minuten durch die Wärmeaustauschkomponente hindurchgehen. Als Nächstes wurde verursacht, dass das erste Fluid und das zweite Fluid durch die Wärmeaustauschkomponente hindurchgehen, während die Temperaturen des ersten Fluids und des zweiten Fluids sequentiell bis zu 800°C bzw. 100°C erhöht wurden. Als Nächstes wurde verursacht, dass das erste Fluid bei 800°C und das zweite Fluid bei 100°C während fünf Minuten durch die Wärmeaustauschkomponente hindurchgehen. Als Nächstes wurde verursacht, dass das erste Fluid und das zweite Fluid durch die Wärmeaustauschkomponente hindurchgehen, während die Temperaturen des ersten Fluids und des zweiten Fluids sequentiell bis zu 400°C bzw. 80°C verringert wurden. Dann wurde verursacht, dass das erste Fluid bei 400°C und das zweite Fluid bei 80°C während fünf Minuten durch die Wärmeaustauschkomponente hindurchgehen. Als das erste Fluid wurde Luft verwendet, während Wasser als das zweite Fluid verwendet wurde. Dann wurde verursacht, dass die erwärmte Luft mit einer Durchflussmenge von 10 g/s durch die Zelle hindurchgeht, während verursacht wurde, dass das Wasser mit einer Durchflussmenge von 10 l/min durch den Umfangsströmungsweg hindurchgeht. Zusätzlich wurde die Wärmeaustauschtestmessung als die ”Messung der Wärmeeingabemenge, die in die Wärmeaustauschkomponente strömt, der von der Wärmeaustauschkomponente zurückgewonnenen Wärmerückgewinnungsmenge und der Temperatur des mittleren Zylinders” unter den drei Zuständen einer ersten Bedingung einer tiefen Temperatur, einer ersten Bedingung einer hohen Temperatur und einer zweiten Bedingung einer tiefen Temperatur, die später beschrieben werden, ausgeführt. Die erste Bedingung einer tiefen Temperatur war eine Bedingung, die erhalten wurde, unmittelbar nachdem verursacht wurde, dass das erste Fluid bei 400°C und das zweite Fluid bei 80°C während fünf Minuten durch die Wärmeaustauschkomponente hindurchgehen. Die erste Bedingung einer hohen Temperatur war eine Bedingung, die erhalten wurde, unmittelbar nachdem verursacht wurde, dass das erste Fluid bei 800°C und das zweite Fluid bei 100°C während fünf Minuten durch die Wärmeaustauschkomponente hindurchgehen. Die zweite Bedingung einer tiefen Temperatur war eine Bedingung, die nach der ersten Bedingung einer hohen Temperatur und unmittelbar nach dem Verursachen, dass das erste Fluid bei 400°C und das zweite Fluid bei 800°C während fünf Minuten durch die Wärmeaustauschkomponente hindurchgehen, erhalten wurde. Die Ergebnisse der Wärmeaustauschtestmessung unter der ersten Bedingung einer tiefen Temperatur und der zweiten Bedingung einer tiefen Temperatur waren die gleichen. Die Tabelle 1 und die Tabelle 2 zeigen die Ergebnisse der Wärmeaustauschtestmessung unter der ersten Bedingung einer tiefen Temperatur (der zweiten Bedingung einer tiefen Temperatur) bzw. der ersten Bedingung einer hohen Temperatur. Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Wärmeaustauschtestmessung unter der ersten Bedingung einer tiefen Temperatur (der zweiten Bedingung einer tiefen Temperatur), während die Tabelle 2 die Ergebnisse der Wärmeaustauschtestmessung unter der ersten Bedingung einer hohen Temperatur zeigt. Die Wärmeeingabemenge und die Wärmerückgewinnungsmenge wurden übrigens unter Verwendung einer von ON Sogo Denko Co., Ltd., hergestellten Wärmeaustauschelement-Auswertungsvorrichtung gemessen.
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Die Wärmeeingabemenge kann als ein Produkt aus einem ”Temperaturunterschied zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid vor dem Hindurchgehen durch die Wärmeaustauschkomponente”, einer ”spezifischen Wärmekapazität des ersten Fluids” und einer ”Massendurchflussmenge des ersten Fluids” erhalten werden. Der ”Temperaturunterschied zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid vor dem Hindurchgehen durch die Wärmeaustauschkomponente” ist übrigens ein Wert, der durch das Abziehen der Temperatur des zweiten Fluids unmittelbar vor dem Strömen in die Wärmeaustauschkomponente von der Temperatur des ersten Fluids unmittelbar vor dem Strömen in die Wärmeaustauschkomponente erhalten wird. Zusätzlich kann die Wärmerückgewinnungsmenge als ein Produkt aus dem ”Temperaturunterschied des zweiten Fluids vor und nach dem Hindurchgehen durch die Wärmeaustauschkomponente”, einer ”spezifischen Wärmekapazität des zweiten Fluids” und einer ”Massendurchflussmenge des zweiten Fluids” erhalten werden. Der ”Temperaturunterschied des zweiten Fluids vor und nach dem Hindurchgehen durch die Wärmeaustauschkomponente” ist übrigens ein Wert, der durch das Abziehen der Temperatur des zweiten Fluids unmittelbar vor dem Strömen in die Wärmeaustauschkomponente von der Temperatur des zweiten Fluids unmittelbar nach dem Strömen aus der Wärmeaustauschkomponente erhalten wird. [Tabelle 1]
| Wärmeeingabemenge (kW) | Wärmerückgewinnungsmenge (kW) | Temperatur des mittleren Zylinders (°C) |
Beispiel 1 | 3,4 | 1,13 | 98 |
Vergleichsbeispiel 1 | 3,4 | 1,34 | 99 |
[Tabelle 2]
| Wärmeeingabemenge (kW) | Wärmerückgewinnungsmenge (kW) | Temperatur des mittleren Zylinders (°C) |
Beispiel 1 | 29 | 1,1 | 380 |
Vergleichsbeispiel 1 | 29 | 4,6 | 106 |
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(Das Vergleichsbeispiel 1)
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Es wurde die gleiche Wabenstruktur wie im Beispiel 1 hergestellt, wobei ein aus rostfreiem Stahl hergestellter innerer Zylinder angeordnet wurde, so dass er an die Wabenstruktur angepasst ist. Ferner wurden die Wabenstruktur und der innere Zylinder, der angeordnet war, so dass er an die Wabenstruktur angepasst ist, in einem aus rostfreiem Stahl hergestellten Gehäuseelement, das einen äußeren Zylinder enthält, angeordnet, wobei dadurch eine Wärmeaustauschkomponente, die die Wabenstruktur und das Gehäuse enthält, hergestellt wurde. Das Gehäuseelement gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 wurde nicht mit einem mittleren Zylinder versehen, wobei folglich dessen Umfangsströmungsweg keinen inneren Umfangsströmungsweg und keinen äußeren Umfangsströmungsweg enthielt. Der oben beschriebene Wärmeaustauschtest wurde außerdem in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 für die Wärmeaustauschkomponente gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 ausgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 und der Tabelle 2 gezeigt. Die Temperatur des äußeren Zylinders wurde übrigens anstelle der Temperatur des mittleren Zylinders gemessen, weil die Wärmeaustauschkomponente gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 nicht mit dem mittleren Zylinder versehen war.
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(Die Ergebnisse)
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(Das Beispiel 1)
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Die Wärmeaustauschkomponente nach Beispiel 1 zeigte unter der ersten Bedingung einer tiefen Temperatur und der zweiten Bedingung einer tiefen Temperatur im Wesentlichen das gleiche Niveau der Wärmerückgewinnungsmenge und im Wesentlichen die gleiche Temperatur des mittleren Zylinders wie jene der Wärmeaustauschkomponente gemäß dem Vergleichsbeispiel 1. Andererseits betrug unter der ersten Bedingung einer hohen Temperatur die Temperatur des mittleren Zylinders der Wärmeaustauschkomponente gemäß dem Beispiel 1 380°C, während die Temperatur des mittleren Zylinders der Wärmeaustauschkomponente gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 106°C betrug. Zusätzlich war die Wärmerückgewinnungsmenge durch die Wärmeaustauschkomponente gemäß dem Beispiel 1 unter der ersten Bedingung einer hohen Temperatur kleiner als die Wärmerückgewinnungsmenge durch die Wärmeaustauschkomponente gemäß dem Beispiel 1 unter der ersten Bedingung einer tiefen Temperatur und der zweiten Bedingung einer tiefen Temperatur.
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(Das Vergleichsbeispiel 1)
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Die Wärmerückgewinnungsmenge der Wärmeaustauschkomponente gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 unter der ersten Bedingung einer hohen Temperatur war größer als deren Wärmerückgewinnungsmenge unter der ersten Bedingung einer tiefen Temperatur und der zweiten Bedingung einer tiefen Temperatur. Zusätzlich war die Wärmerückgewinnungsmenge der Wärmeaustauschkomponente gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 unter der ersten Bedingung einer hohen Temperatur das 3-fache oder mehr der Wärmerückgewinnungsmenge der Wärmeaustauschkomponente gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 unter der ersten Bedingung einer tiefen Temperatur und der zweiten Bedingung einer tiefen Temperatur.
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Wie oben beschrieben worden ist, wird angenommen, dass der innere Umfangsströmungsweg der Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 1 mit Wasserdampf gefüllt ist und dass der Wasserdampf in dem inneren Umfangsströmungsweg ein Wärmeisolationsmaterial wird, so dass der Wärmeaustausch unter der ersten Bedingung einer hohen Temperatur unterdrückt wird. Zusätzlich wurden die gleichen Ergebnisse wie jene unter der ersten Bedingung einer tiefen Temperatur unter der zweiten Bedingung einer tiefen Temperatur des Beispiels 1 erhalten. Folglich wird angenommen, dass die Unterdrückung des Wärmeaustausches und die Förderung des Wärmeaustausches ohne eine äußere Steuerung gewechselt werden.
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(Das Beispiel 2)
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An einem Ort, wo das Verbindungsloch in dem mittleren Zylinder ausgebildet war, wurde ein Netzelement zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder der Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 1 vorgesehen, wobei dadurch eine Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 2 hergestellt wurde. Es wurde das Netzelement mit einer Sieböffnung von 0,13 mm verwendet.
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Für die Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 1 und die Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 2 wurde unter den gleichen Bedingungen ein Wärmeaustauschtest ausgeführt. Bei dem Wärmeaustauschtest wurde der Test bei drei Punkten der Wassertemperatur von 40°C, 60°C und 80°C ausgeführt. Wenn die Wassertemperatur 40°C und 60°C betrug, wurde keine signifikante Änderung des Temperaturwirkungsgrades beobachtet. Wenn die Wassertemperatur 80°C betrug, wurde im Vergleich zu dem der Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 1 eine Abnahme des Temperaturwirkungsgrads der Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 2 beobachtet. Deshalb wurde erkannt, dass die Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 2, die mit dem Netzelement versehen ist, in der Wärmeabschirmungseigenschaft hervorragend ist.
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Zusätzlich wurde für die Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 1 und die Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 2 eine Verifikation eines Siedegeräuschs des zweiten Fluids zum Zeitpunkt der Wärmeabschirmung unter den folgenden Bedingungen ausgeführt. Als das erste Fluid wurde Luft verwendet, während Wasser als das zweite Fluid verwendet wurde. Es wurde verursacht, dass die erwärmte Luft bei 700°C durch die Zelle der Wabenstruktur mit einer Durchflussmenge von 20 g/s hindurchgeht, während verursacht wurde, dass das Wasser mit einer Durchflussmenge von 10 l/min durch den Umfangsströmungsweg hindurchgeht. Die Verifikation des Siedegeräuschs wurde an vier Punkten der Wassertemperatur von 40°C, 60°C, 80°C und 90°C ausgeführt. In der Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 1 gab es fast kein Siedegeräusch, wenn die Wassertemperatur 40°C betrug, während das Siedegeräusch laut wurde, wenn die Wassertemperatur auf 60°C und 80°C erhöht wurde. Wenn andererseits die Wassertemperatur in der Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 2 40°C, 60°C und 80°C betrug, war das Siedegeräusch kleiner als in dem Zustand des Beispiels 1 bei der Wassertemperatur von 60°C. Aus den oben beschriebenen Ergebnissen wies die Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 2 zum Zeitpunkt der Verdampfung des zweiten Fluids im Vergleich zu der Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 1 das verringerte Siedegeräusch auf.
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(Die Beispiele 3 und 4)
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Eine Wärmeaustauschkomponente, die in der gleichen Weise wie die des Beispiels 1 konfiguriert war, mit Ausnahme, dass der Abstand zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder auf 0,5 mm gesetzt war, wurde als eine Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 3 hergestellt. Eine Wärmeaustauschkomponente, die in der gleichen Weise wie die des Beispiels 1 konfiguriert war, mit Ausnahme, dass ein Abstand zwischen einem inneren Zylinder und einem mittleren Zylinder auf 0,3 mm gesetzt war, wurde als eine Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 4 hergestellt.
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Für die Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 3 und die Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 4 wurde unter den gleichen Bedingungen ein Wärmeaustauschtest ausgeführt. Bei dem Wärmeaustauschtest wurde der Test an vier Punkten der Wassertemperatur von 40°C, 60°C, 80°C und 90°C ausgeführt. Es wurde erkannt, dass die Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 4, bei der der Abstand zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder auf 0,3 mm gesetzt war, im Vergleich zu der Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 3 die verbesserte Wärmerückgewinnungsmenge aufwies, wenn die Wassertemperatur tief war. Spezifisch wiesen beide das gleiche Niveau der Wärmerückgewinnungsmenge auf, wenn die Wassertemperatur 90°C betrug, wobei aber die Wärmerückgewinnungsmenge der Wärmeaustauschkomponente gemäß Beispiel 4 verbessert war, wenn die Temperatur auf 80°C, 60°C und 40°C verringert war. Es wurde folglich erkannt, dass es möglich ist, durch das Verringern des Abstands zwischen dem inneren Zylinder und dem mittleren Zylinder die Wärmerückgewinnungsmenge bei einer tiefen Wassertemperatur zu verbessern, ohne die Wärmerückgewinnungsmenge bei einer hohen Wassertemperatur zu vergrößern.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die Wärmeaustauschkomponente der vorliegenden Erfindung kann für den Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid verwendet werden. Wenn die Wärmeaustauschkomponente verwendet wird, um die Abwärme vom Abgas im Gebiet der Kraftfahrzeuge zurückzugewinnen, kann die Wärmeaustauschkomponente dazu dienen, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit der Kraftfahrzeuge zu verbessern.
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Beschreibung der Bezugszeichen
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- 1: Wabenstruktur, 2: Zelle, 3: Trennwand, 4: äußere Umfangsfläche, 10: Gehäuse, 11, 41, 41a: innerer Zylinder, 12: mittlerer Zylinder, 13: äußerer Zylinder, 14: Einlass (Einlass des zweiten Fluids), 15: Auslass (Auslass des zweiten Fluids), 16: Umfangsströmungsweg, 16a: innerer Umfangsströmungsweg (Umfangsströmungsweg), 16b: äußerer Umfangsströmungsweg (Umfangsströmungsweg), 17: Verbindungsloch, 18: Netzelement, 48, 48a: Kühlrippe, F1: zweites Fluid (zweites Fluid im flüssigen Zustand), F2: zweites Fluid (zweites Fluid im gasförmigen Zustand), E: erstens Fluid, 100, 101, 102, 103: Wärmeaustauschkomponente.