JP2002005593A - Ceramic component of heat exchanger - Google Patents

Ceramic component of heat exchanger

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JP2002005593A
JP2002005593A JP2000189265A JP2000189265A JP2002005593A JP 2002005593 A JP2002005593 A JP 2002005593A JP 2000189265 A JP2000189265 A JP 2000189265A JP 2000189265 A JP2000189265 A JP 2000189265A JP 2002005593 A JP2002005593 A JP 2002005593A
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ceramic
heat exchanger
rib
flat plate
ribs
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JP2000189265A
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Koichi Tanaka
広一 田中
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Kyocera Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plate rib type heat exchanger which can be used even under high temperature. SOLUTION: A plurality of ceramic ribs 3 are provided integrally on at least one side of a ceramic plate 2 wherein the ceramic principally comprises at least one kind of alumina, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, boron carbide, mullite, and cordierite.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器に関し、
特に化学プラント、燃料電池プラント、ガスタービン又
はマイクロガスタービン等の高温で長時間繰り返し使用
する場合に好適なプレートリブ型熱交換器に関するもの
である。
The present invention relates to a heat exchanger,
In particular, the present invention relates to a plate-rib type heat exchanger suitable for repeated use at a high temperature for a long time such as a chemical plant, a fuel cell plant, a gas turbine, or a micro gas turbine.

【0002】[0002]

【従来技術】ガスまたは液体を加熱して所定の温度に昇
温させる加熱器に、熱交換効率に優れ小型化が可能な熱
交換器であるプレートフィン型熱交換器が多用されてい
る。
2. Description of the Related Art A plate fin type heat exchanger, which is a heat exchanger which is excellent in heat exchange efficiency and can be miniaturized, is widely used as a heater for heating a gas or liquid to a predetermined temperature.

【0003】高温流体の温度は、化学プラントや燃料電
池発電プラント等では500℃以上、ガスタービンやマ
イクロガスタービンでは800℃以上であり、用いられ
るプレートフィン型熱交換器の起動停止回数は数千回、
高温に曝される時間は数万〜十数万時間に達し、最近
は、前記高温流体の温度が上昇する傾向にある。
The temperature of a high-temperature fluid is 500 ° C. or more in a chemical plant or a fuel cell power plant, etc., and 800 ° C. or more in a gas turbine or a micro gas turbine. Times,
The time of exposure to high temperatures reaches tens of thousands to hundreds of thousands of hours, and recently, the temperature of the high-temperature fluid tends to increase.

【0004】この熱交換器の内部構造は例えば、特開平
7−167580号公報では、図6に示すように、低温
流体通路と高温流体通路を分離する平板81と、伝熱を
促進するためのフィン82が交互に積層されている。ま
た、スペーサーバー83が両側面に配置されている。そ
して、フィン82から平板81への伝熱を高めるため、
フィン82と平板81とは溶接によって接続され、積層
されてコア85が構成されている。
The internal structure of this heat exchanger is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-167580, as shown in FIG. 6, a flat plate 81 for separating a low-temperature fluid passage from a high-temperature fluid passage, and a heat-transfer plate for promoting heat transfer. Fins 82 are alternately stacked. Further, spacer bars 83 are arranged on both side surfaces. Then, in order to increase the heat transfer from the fins 82 to the flat plate 81,
The fins 82 and the flat plate 81 are connected by welding and laminated to form a core 85.

【0005】ここで、プレートフィン型熱交換器のフィ
ンは、平板と流体との熱交換を促進し、伝熱面積を拡大
するために設けられており、ステンレス鋼などからなる
耐熱合金からなり、その形状は種々あり、一般には波板
状のものが用いられている。
Here, the fins of the plate fin type heat exchanger are provided to promote heat exchange between the flat plate and the fluid and to enlarge the heat transfer area, and are made of a heat-resistant alloy made of stainless steel or the like. There are various shapes, and a corrugated shape is generally used.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、流体の
高温化が進んでおり、特に800℃以上の高温流体を扱
う熱交換器において、特開平7−167580号公報に
記載された平板81、プレートフィン型熱交換器のフィ
ン82及びスペーサーバー83等の熱交換器を構成する
部品が金属では軟化したり、接合部の強度が低下し、剥
離する問題があった。
However, the temperature of the fluid is increasing, and particularly in a heat exchanger handling a high temperature fluid of 800 ° C. or more, the flat plate 81 and the plate fin described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-167580. The components constituting the heat exchanger such as the fins 82 and the spacer bars 83 of the mold heat exchanger are softened with metal, the strength of the joint is reduced, and there is a problem of peeling.

【0007】また、従来のプレートフィン型熱交換器の
コアの構造では、熱交換器の昇温と降温の繰り返しによ
ってフィン82の部分は圧縮あるいは座屈と引張が繰り
返されているため、フィン82及び平板81との接合部
には疲労による損傷が蓄積され、さらに高温時にはクリ
ープ損傷も加わり、長期間運転を継続していくうちにコ
ア85のフィン82及び平板81との接合部の損傷が大
きくなり、ついには亀裂を生じる問題があった。
In the conventional core structure of the plate-fin type heat exchanger, the fin 82 is repeatedly compressed or buckled and stretched by repeatedly raising and lowering the temperature of the heat exchanger. Damage due to fatigue accumulates at the joint with the flat plate 81, and further, creep damage is added at a high temperature, and the damage of the joint between the fin 82 of the core 85 and the flat plate 81 increases during a long-term operation. And finally had the problem of cracking.

【0008】さらに、セラミックスは高温に耐える材料
ではあるが、従来のプレートフィン型熱交換器は波板状
のフィン82が平板81に溶接されており、このような
複雑構造をセラミックスで構成することは困難を伴い、
新たな発想による熱交換器の見直しが必要であった。
Further, although ceramics is a material that can withstand high temperatures, conventional plate fin type heat exchangers have corrugated fins 82 welded to a flat plate 81 to form such a complicated structure with ceramics. Is difficult,
It was necessary to reconsider the heat exchanger based on a new idea.

【0009】したがって本発明は、セラミック材料で製
造が容易で、高温においても使用できるプレートリブ型
熱交換器を提供することを目的としている。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a plate-rib type heat exchanger which can be easily manufactured from a ceramic material and can be used even at a high temperature.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、プレートフィ
ン型熱交換器のフィン構造をリブ構造とし、そのリブを
セラミックスによって最適化することによって、セラミ
ックスがプレートフィン型熱交換器に使用可能となり、
高温においても信頼性の高い熱交換器として使用できる
という知見に基づくものである。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a fin structure of a plate fin type heat exchanger has a rib structure, and the ribs are optimized by ceramics, so that the ceramics can be used for the plate fin type heat exchanger. ,
It is based on the finding that it can be used as a highly reliable heat exchanger even at high temperatures.

【0011】すなわち、本発明のセラミック熱交換器構
成部品は、セラミック平板の少なくとも一方の面に複数
のセラミックリブが一体的に設けられたことを特徴とす
るものである。この構成にすることによって、平板とリ
ブを一体化することにより接合の必要が無く、伝熱ロス
を低減でき、かつ製造も容易となり、熱交換器用セラミ
ックスを実現することが可能となった。
That is, the ceramic heat exchanger component of the present invention is characterized in that a plurality of ceramic ribs are integrally provided on at least one surface of a ceramic flat plate. By adopting this configuration, there is no need for joining by integrating the flat plate and the rib, the heat transfer loss can be reduced, and the manufacture becomes easy, and it is possible to realize ceramics for a heat exchanger.

【0012】また、前記セラミック平板及びセラミック
リブが金属の酸化物、窒化物、炭化物及び硼化物のうち
少なくとも1種を主体とするセラミックスからなること
が好ましい。特に、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化
珪素、炭化珪素、炭化硼素、ムライト及びコージェライ
トのうち少なくとも1種を主体とするセラミックスから
なることが好ましい。これらの材料は、化学的な安定性
が高く、また高温での機械特性、熱伝導率に優れるため
である。
Preferably, the ceramic flat plate and the ceramic rib are made of a ceramic mainly composed of at least one of metal oxides, nitrides, carbides and borides. In particular, it is preferable to use a ceramic mainly composed of at least one of alumina, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, boron carbide, mullite and cordierite. This is because these materials have high chemical stability and excellent mechanical properties and thermal conductivity at high temperatures.

【0013】さらに、前記セラミック平板及びセラミッ
クリブの熱伝導率が20W/mK以上であることが好ま
しい。これにより、熱交換率を高めることが可能とな
る。
Further, the thermal conductivity of the ceramic plate and the ceramic rib is preferably 20 W / mK or more. This makes it possible to increase the heat exchange rate.

【0014】さらにまた、前記セラミック平板及びセラ
ミックリブの強度が250MPa以上であることが好ま
しい。これにより、流体の圧力に耐えるとともに、熱交
換器の組立時、移動時又は動作時の故障率を低下するこ
とができる。
Further, the strength of the ceramic flat plate and the ceramic rib is preferably 250 MPa or more. Thereby, it is possible to withstand the pressure of the fluid and to reduce the failure rate at the time of assembling, moving or operating the heat exchanger.

【0015】また、本発明のセラミック熱交換器構成部
品の製造方法は、セラミック粉末と有機結合剤との混合
物からなる成形体平板表面に、複数の凹凸を刻設した円
筒状の転圧ローラーを一定圧力下で回転させ、前記成形
体平板の少なくとも一方の面にリブを形成した後、焼成
することを特徴とする。
Further, the method for manufacturing a ceramic heat exchanger component according to the present invention is directed to a method for manufacturing a ceramic heat exchanger component, comprising the steps of: forming a cylindrical compacting roller having a plurality of irregularities engraved on a flat plate surface formed of a mixture of a ceramic powder and an organic binder; The method is characterized by rotating under a constant pressure, forming a rib on at least one surface of the flat plate, and firing.

【0016】また、セラミック粉末と有機結合剤との混
合物からなる粘性流体を凹凸を有するスリットから押し
出すことにより、前記成形体平板の少なくとも一方の面
にリブを形成した後、焼成することを特徴とする。これ
らの方法によって、平板とリブとが一体となったセラミ
ックスを形成することができる。
Further, a viscous fluid comprising a mixture of a ceramic powder and an organic binder is extruded from a slit having irregularities to form ribs on at least one surface of the flat plate of the molded body, and then fired. I do. By these methods, a ceramic in which the flat plate and the rib are integrated can be formed.

【0017】さらに、本発明の熱交換器用セラミックコ
アは、本発明のセラミック熱交換器構成部品を積重し、
前記リブ間に流体通路を設けたことを特徴とするもので
ある。この構成により、高温においても使用できる熱交
換器を構成するコアを実現できる。
Further, the ceramic core for a heat exchanger of the present invention stacks the ceramic heat exchanger constituent parts of the present invention,
A fluid passage is provided between the ribs. With this configuration, a core constituting a heat exchanger that can be used even at a high temperature can be realized.

【0018】特に、流体通路が直線であることが好まし
く、セラミック熱交換器構成部品を形成するための転圧
ローラーの凹凸形状を単純化でき、また、押し出し成形
を可能にするため、熱交換器用セラミックコアの製造を
容易にし、かつ歩留まりを高め、コスト低下に寄与でき
る。
In particular, the fluid passage is preferably straight, and the concavo-convex shape of the compacting roller for forming the ceramic heat exchanger components can be simplified. This facilitates the production of the ceramic core, increases the yield, and contributes to cost reduction.

【0019】また、流体通路が非直線であることが好ま
しく、これにより、流体とリブとの伝熱効率が高まり、
高い熱交換率を達成でき、処理量や熱交換器サイズを最
適化することができる。
Preferably, the fluid passage is non-linear, which increases the efficiency of heat transfer between the fluid and the ribs,
High heat exchange rates can be achieved and throughput and heat exchanger size can be optimized.

【0020】さらにまた、本発明のプレートリブ型熱交
換器は、本発明のセラミック熱交換器構成部品及び/又
は熱交換器用セラミックコアを有することを特徴とする
ものである。これにより、高温で動作が可能な熱交換器
が実現できる。
Still further, a plate rib type heat exchanger of the present invention is characterized by having the ceramic heat exchanger component and / or the ceramic core for a heat exchanger of the present invention. As a result, a heat exchanger that can operate at a high temperature can be realized.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】図1は、本発明のセラミック熱交
換器構成部品の斜視図である。本発明の熱交換器構成部
品1によれば、図1に示すように、セラミック平板2上
にセラミックリブ3が一体的に設けられている。この構
成にすることにより、従来平板とフィンを接合していた
が、本発明の熱交換器構成部品ではセラミック平板2と
セラミックリブ3との接合の必要が無くなり、セラミッ
クリブ3からセラミック平板2への伝熱ロスを低減でき
るとともに、平板とフィンとの接合部剥離の問題を回避
できる。また、形状が比較的単純であるため、金属に比
べて靭性の低いセラミックスにとって製造が容易であ
る。
FIG. 1 is a perspective view of the components of a ceramic heat exchanger according to the present invention. According to the heat exchanger component 1 of the present invention, as shown in FIG. 1, a ceramic rib 3 is integrally provided on a ceramic flat plate 2. With this configuration, the flat plate and the fin have been conventionally joined, but the heat exchanger component of the present invention eliminates the need for joining the ceramic flat plate 2 and the ceramic rib 3, and the ceramic rib 3 is connected to the ceramic flat plate 2. The heat transfer loss can be reduced, and the problem of peeling of the joint between the flat plate and the fin can be avoided. Further, since the shape is relatively simple, it is easy to manufacture ceramics having lower toughness than metal.

【0022】また、図2は、本発明の他のセラミック熱
交換器構成部品の斜視図である。図2(a)の熱交換器
構成部品11は、セラミック平板12の両面にセラミッ
クリブ13が一体的に設けられている。このセラミック
リブ13は、セラミック平板12を中心にして相対向す
る両側に設けられている。
FIG. 2 is a perspective view of another ceramic heat exchanger component of the present invention. In the heat exchanger component 11 of FIG. 2A, ceramic ribs 13 are integrally provided on both surfaces of a ceramic flat plate 12. The ceramic ribs 13 are provided on opposite sides of the ceramic flat plate 12.

【0023】さらに、図2(b)のセラミック熱交換器
構成部品21は、図2(a)と同様に、セラミック平板
22の両面にセラミックリブ23が一体的に設けられた
ものであるが、このセラミックリブ23は、図2(a)
のように相対向する位置からずれた位置に設けられてい
る。
Further, the ceramic heat exchanger component 21 shown in FIG. 2B has a ceramic flat plate 22 on both sides of which ceramic ribs 23 are integrally provided, as in FIG. 2A. This ceramic rib 23 is shown in FIG.
As shown in FIG.

【0024】さらにまた、図3は、本発明のさらに他の
セラミック熱交換器構成部品を示している。図3(a)
のセラミック熱交換器構成部品31は、セラミック平板
32の片面にセラミックリブ33が一体的に設けられて
いるものであるが、図1及び図2におけるセラミックリ
ブ3、13、23は、そのセラミック平板への投影図形
が、略長方形であるのに対して、図3(a)のセラミッ
クリブ33は、投影図形が多角形である。換言すれば、
セラミックリブ33は「く」の字状の屈曲部を有するも
ので、リブ間の流体の流れが乱れるため、伝熱効率が高
くなる。
FIG. 3 shows yet another ceramic heat exchanger component of the present invention. FIG. 3 (a)
The ceramic heat exchanger component 31 has a ceramic flat plate 32 on which ceramic ribs 33 are integrally provided on one side, and the ceramic ribs 3, 13, and 23 in FIGS. 3A is a substantially rectangular shape, whereas the ceramic rib 33 shown in FIG. 3A has a polygonal shape. In other words,
The ceramic ribs 33 have a "-"-shaped bent portion, and the flow of fluid between the ribs is disturbed, so that the heat transfer efficiency is increased.

【0025】さらに、図3(b)のセラミック熱交換器
構成部品41は、セラミック平板42の片面にセラミッ
クリブ43が一体的に設けられているものであるが、上
記の「く」の字形状が複数繰り返してなる形状であり、
伝熱効率を高めるためにより好ましい。特に、上記
「く」の字の屈曲角度を大きくして、流体に乱流を起こ
させ、伝熱効率を高めることが好ましい。
The ceramic heat exchanger component 41 shown in FIG. 3B has a ceramic flat plate 42 and a ceramic rib 43 provided integrally on one surface thereof. Is a shape consisting of multiple repetitions,
It is more preferable to increase the heat transfer efficiency. In particular, it is preferable to increase the bending angle of the above-mentioned "<" to cause turbulence in the fluid and increase the heat transfer efficiency.

【0026】なお、本発明のセラミック熱交換器構成部
品のセラミックリブは、「く」の字以外に「S」字状等
の曲線を有していても良い。例えば、図3(c)のセラ
ミック熱交換器構成部品51は、セラミック平板52の
片面にセラミックリブ53が一体的に設けられているも
のであり、セラミックスは靭性が低いため、角などに曲
線を用いることによってチッピングを防止することがで
きる。なお、図3(a)〜(c)の非直線形状のセラミ
ックリブは、セラミック平板の両面に設けることによ
り、さらに伝熱効率を高めることができる。
The ceramic rib of the ceramic heat exchanger component of the present invention may have a curve such as an "S" shape in addition to the "" shape. For example, the ceramic heat exchanger component 51 shown in FIG. 3C has a ceramic flat plate 52 on which ceramic ribs 53 are integrally provided on one surface, and the ceramic has low toughness. By using it, chipping can be prevented. The non-linear ceramic ribs shown in FIGS. 3A to 3C can be provided on both surfaces of the ceramic flat plate to further enhance the heat transfer efficiency.

【0027】本発明で使用されるセラミックスは金属の
酸化物、窒化物、炭化物及び硼化物のうち少なくとも1
種を主体とするセラミックスからなることが好ましく、
特に、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪
素、炭化硼素、ムライト及びコージェライトのうち少な
くとも1種を主体とするセラミックスからなることが好
ましい。これらの材料は、化学的な安定性が高く、また
高温での機械特性に優れるため、高温での使用に適す
る。そして、これらのうち、窒化珪素、窒化アルミニウ
ム、炭化珪素が高い熱伝導率を有するため、熱交換率の
点で好適に使用できる。特に、窒化珪素は、破壊靭性が
高く、製品寿命の点で最も好適である。
The ceramic used in the present invention is at least one of metal oxides, nitrides, carbides and borides.
Preferably, it is made of a ceramic mainly composed of seeds,
In particular, it is preferable to use a ceramic mainly composed of at least one of alumina, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, boron carbide, mullite and cordierite. These materials are suitable for use at high temperatures because of their high chemical stability and excellent mechanical properties at high temperatures. Among these, silicon nitride, aluminum nitride, and silicon carbide have a high thermal conductivity, and therefore can be suitably used in terms of a heat exchange rate. In particular, silicon nitride has high fracture toughness and is most suitable in terms of product life.

【0028】さらに、前記セラミックスの熱伝導率が2
0W/mK以上、特に30W/mK以上であることが好
ましい。これにより、熱交換率を高めることが可能とな
る。
Further, the ceramic has a thermal conductivity of 2
It is preferably at least 0 W / mK, particularly preferably at least 30 W / mK. This makes it possible to increase the heat exchange rate.

【0029】さらにまた、前記セラミックスの強度が2
50MPa以上、特に350MPa以上、さらには45
0MPa以上であることが好ましい。これにより、流体
の圧力に耐えるとともに、熱交換器の組立時、移動時又
は動作時の故障率を低下することができる。
Further, the strength of the ceramic is 2
50 MPa or more, especially 350 MPa or more, furthermore 45
The pressure is preferably 0 MPa or more. Thereby, it is possible to withstand the pressure of the fluid and to reduce the failure rate at the time of assembling, moving or operating the heat exchanger.

【0030】また、本発明のセラミック熱交換器構成部
品に使用されるセラミックスは、破壊靭性が3MPa・
1/2以上、特に4MPa・m1/2以上、さらには5MP
a・m1/2以上が、製品歩留まりを高める上で好まし
い。
The ceramic used in the ceramic heat exchanger component of the present invention has a fracture toughness of 3 MPa.
m 1/2 or more, especially 4 MPa · m 1/2 or more, and further 5 MP
a · m 1/2 or more is preferable for increasing the product yield.

【0031】さらに、本発明のセラミック熱交換器構成
部品に使用されるセラミックスの相対密度は95%以
上、特に97%以上、さらには98%以上、最も好適に
は99%以上が好ましい。これによって気孔量が減少
し、強度及び熱伝導率を高めるとともに、流体中の微生
物や塵等が付着しにくくなるため、メンテナンス回数を
低減することができる。
Furthermore, the relative density of the ceramic used in the ceramic heat exchanger component of the present invention is preferably 95% or more, particularly 97% or more, more preferably 98% or more, and most preferably 99% or more. This reduces the amount of porosity, increases strength and thermal conductivity, and makes it difficult for microorganisms, dust, and the like in the fluid to adhere, so that the number of maintenance operations can be reduced.

【0032】以上のように構成された本発明のセラミッ
ク熱交換器構成部品は、フィン構造をセラミックスに最
適化したリブ構造とし、特定の材料を使用することによ
り、高温において使用でき、しかも、平板とリブを一体
化することにより接合の必要が無いため製造が容易とな
り、かつ伝熱ロスを低減し、熱交換率を高めることがで
きる。
The ceramic heat exchanger component of the present invention having the above-described structure can be used at a high temperature by using a fin structure having a rib structure optimized for ceramics and using a specific material. By integrating the ribs and the ribs, there is no need for joining, so that the production becomes easy, the heat transfer loss can be reduced, and the heat exchange rate can be increased.

【0033】次に、上記のセラミック熱交換器構成部品
を作製する方法について説明する。
Next, a method of manufacturing the above-described ceramic heat exchanger components will be described.

【0034】まず、所望のセラミック粉末と有機結合剤
とを混合し、リブを有するセラミック平板の成形体を形
成する。
First, a desired ceramic powder and an organic binder are mixed to form a ceramic flat plate having ribs.

【0035】成形体の第1の形成方法は、例えば図4に
示すように、まず、金型プレス、鋳込成形、冷間静水圧
成形、押出し成形、ドクターブレード法等の公知の成形
方法によって作製した成形体61の成形体表面に、複数
の凹凸を刻設した円筒状の転圧ローラー63を一定圧力
下で、矢印の方向rに回転させながらX方向に移動さ
せ、凹部65の形状に相当するリブ67を形成する。
As shown in FIG. 4, for example, the first method of forming a molded body is as follows: first, a known molding method such as a die press, a casting molding, a cold isostatic pressing, an extrusion molding, a doctor blade method, or the like. On the surface of the formed body 61 of the formed body 61, a cylindrical pressure roller 63 in which a plurality of irregularities are engraved is moved under a constant pressure in the X direction while rotating in the direction r as indicated by an arrow to form the recess 65. A corresponding rib 67 is formed.

【0036】特に、セラミック平板の両面にリブを形成
するには、セラミック粉末と有機結合剤との混合物から
なり、変形が容易な成形体又は粘性流体を、一対の転圧
ローラー間に通し、上下面からローラーの凹凸を転写す
ることにより両面にリブを有する成形体を形成すること
ができる。なお、一つにローラーのうち一方は固定式で
も良く、円筒形状でなくてもかまわない。また、上下ロ
ーラー間で、上記成形体又は粘性流体が横方向に広がる
ため、その広がりを抑制する壁面を設けることが好まし
い。
In particular, in order to form ribs on both sides of a ceramic flat plate, a compact or viscous fluid, which is made of a mixture of ceramic powder and an organic binder and is easily deformed, is passed between a pair of compaction rollers. By transferring the unevenness of the roller from the lower surface, a molded body having ribs on both surfaces can be formed. In addition, one of the rollers may be of a fixed type, and may not be of a cylindrical shape. Further, since the formed body or the viscous fluid spreads in the lateral direction between the upper and lower rollers, it is preferable to provide a wall surface for suppressing the spread.

【0037】成形体の第2の形成方法は、セラミック粉
体と有機結合剤との混合物からなる粘性流体を、凹凸を
有するスリットから押し出す手法、いわゆる押し出し成
形法により成形体を得ることができる。かかる方法で
は、スリットの形状を種々に変化させることによって片
面又は両面にリブを有する成形体を容易に形成できる。
In the second method of forming a compact, a compact can be obtained by a method of extruding a viscous fluid comprising a mixture of a ceramic powder and an organic binder from a slit having irregularities, that is, a so-called extrusion molding method. In such a method, a molded article having ribs on one or both sides can be easily formed by changing the shape of the slit in various ways.

【0038】そして、得られた成形体を各セラミックス
が十分に焼結し得る温度に加熱焼結することによって図
1乃至図3に示したような部材を作製することができ
る。
Then, the member as shown in FIGS. 1 to 3 can be manufactured by heating and sintering the obtained molded body to a temperature at which each ceramic can be sufficiently sintered.

【0039】このように、セラミックリブは、成形時に
セラミック平板の少なくとも一面に一体的に設けられる
ため、焼成して得られた焼結体をセラミック熱交換器構
成部品として用いることによって、熱伝導による伝熱性
が向上することで熱交換率を高めることができる。
As described above, since the ceramic rib is provided integrally on at least one surface of the ceramic flat plate at the time of molding, the sintered body obtained by firing is used as a component of the ceramic heat exchanger, so that the ceramic rib is formed by heat conduction. By improving the heat transfer property, the heat exchange rate can be increased.

【0040】従来のプレートフィン型熱交換器では、平
板とフィンとを溶接等により接合する必要があり、その
ため製造上の困難、コスト高、伝熱ロスの原因となって
いたが、本発明によれば、平板とリブを一体的に成形す
ることができるため、これらの問題を解決でき、かつ量
産性も向上できる。特に、セラミック熱交換器構成部品
を積重して用いる場合、リブとリブとを接触させるよう
に配置できるため、リブを平板の両面に形成すること
で、リブの高さを低減することができ、これにより伝熱
ロスを低減し、熱交換率を向上させることができる。
In the conventional plate fin type heat exchanger, it is necessary to join the flat plate and the fins by welding or the like, which causes difficulties in manufacturing, high cost and heat transfer loss. According to this, since the flat plate and the rib can be integrally formed, these problems can be solved and mass productivity can be improved. Particularly, when the ceramic heat exchanger components are stacked and used, the ribs can be arranged so as to be in contact with each other, so that the height of the ribs can be reduced by forming the ribs on both sides of the flat plate. Thereby, the heat transfer loss can be reduced and the heat exchange rate can be improved.

【0041】上記のように形成した図1乃至図3の本発
明のセラミック熱交換器構成部品を積重し、リブ間に複
数の流体通路を設けた熱交換器用セラミックコアを形成
する。積重にあたり、リブとリブ、あるいはリブと平板
を接合して一体的に形成しても良いが、必ずしも接合す
る必要はない。接合せず、単に積重して側面を固定し、
容器に収納することによって、製造が容易となりかつコ
ストが低減できる。
The ceramic heat exchanger components of the present invention formed as described above and shown in FIGS. 1 to 3 are stacked to form a ceramic core for a heat exchanger having a plurality of fluid passages between ribs. In stacking, the ribs may be integrally formed by joining the ribs or the ribs and the flat plate, but the joining is not necessarily required. Do not join, just stack and fix the side,
By storing in a container, manufacture becomes easy and cost can be reduced.

【0042】また、本発明のセラミック熱交換器構成部
品の成形体を所望の寸法に裁断後積重し、焼成して熱交
換器用セラミックコアを形成しても良い。
Further, the ceramic heat exchanger component parts of the present invention may be cut into desired dimensions, stacked and fired to form a ceramic core for a heat exchanger.

【0043】本発明の熱交換器用セラミックコアは、図
1又は図2のリブのように、流体通路が直線であって
も、又は図3のリブのように非直線でも良い。直線の場
合、製造が簡単で、転圧ローラーの形状を単純化でき、
製造歩留まりを高め、コストを低下できる。また、押し
出し成形も容易に用いることができる。
In the ceramic core for a heat exchanger of the present invention, the fluid passage may be straight like the rib of FIG. 1 or FIG. 2, or may be non-linear like the rib of FIG. In the case of a straight line, manufacturing is easy and the shape of the compacting roller can be simplified,
Manufacturing yield can be increased and costs can be reduced. Extrusion molding can also be used easily.

【0044】また、流体の進行方向が少なくとも一箇所
で偏向されており、流体通路が非直線の場合、リブに加
わる流体の圧力が高まり、伝熱効率が高くなる。特に、
流体が乱流を発生する場合、高い熱交換率を達成すると
ともに、処理量、熱交換器サイズを最適化することがで
きる。このようなリブの形成は転圧ローラーの凹凸の形
状、スリットの位置の移動、粘性流体を回転させながら
押し出す方法等により達成できる。
When the direction of travel of the fluid is deflected at at least one location and the fluid passage is non-linear, the pressure of the fluid applied to the ribs increases, and the heat transfer efficiency increases. In particular,
When a fluid generates turbulence, a high heat exchange rate can be achieved, and the throughput and the size of the heat exchanger can be optimized. The formation of such ribs can be achieved by a method of extruding the viscous fluid while rotating, by moving the shape of the concavities and convexities of the roller, moving the position of the slit, and rotating the viscous fluid.

【0045】さらに、本発明のプレートリブ型熱交換器
は、本発明のセラミック熱交換器構成部品及び/又は熱
交換器用セラミックコアを具備するため、セラミック熱
交換器を容易に製造できると共に、高温で使用でき、か
つ熱交換率の高い熱交換器を実現できる。
Further, since the plate-rib type heat exchanger of the present invention includes the ceramic heat exchanger constituent parts and / or the ceramic core for the heat exchanger of the present invention, the ceramic heat exchanger can be easily manufactured and the high temperature can be obtained. And a heat exchanger having a high heat exchange rate can be realized.

【0046】例えば、図5はプレートリブ型熱交換器の
一部を示す斜視図であるが、図5に示すように、プレー
トリブ型熱交換器71は、セラミック平板72の片面に
セラミックリブ73が一体的に形成されたセラミック熱
交換器構成部品を形成し、それを5段に積重して熱交換
器用セラミックコア75としたものをケース76に入れ
ている。
For example, FIG. 5 is a perspective view showing a part of a plate rib type heat exchanger. As shown in FIG. Are formed integrally with each other, and the components are stacked in five stages to form a ceramic core 75 for a heat exchanger.

【0047】このケース76は、金属製でも良いが、高
温流体による腐食や変形を考慮して、セラミックスから
なることが好ましい。特に、ケース76からの熱を外部
に逃さないように、ケース76の熱伝導率が20W/m
K以下、特に15W/mK以下、さらには10W/mK
以下であることが好ましい。
The case 76 may be made of metal, but is preferably made of ceramics in consideration of corrosion and deformation due to high temperature fluid. In particular, the heat conductivity of the case 76 is set to 20 W / m so that the heat from the case 76 does not escape to the outside.
K or less, especially 15 W / mK or less, further 10 W / mK
The following is preferred.

【0048】また、ケース76は高温流体と低温流体と
に接触するため、発生する熱応力を低減するために、ケ
ース76の40〜800℃の熱膨張率を1×10-5/℃
以下、特に8×10-6/℃以下、さらには5×10-6
℃以下、より好適には3.5×10-6/℃以下、最も好
適には2×10-6/℃以下であることが好ましい。
Since the case 76 contacts the high-temperature fluid and the low-temperature fluid, the thermal expansion coefficient of the case 76 at 40 to 800 ° C. is set to 1 × 10 −5 / ° C. in order to reduce the generated thermal stress.
Or less, especially 8 × 10 −6 / ° C. or less, and further 5 × 10 −6 / ° C.
C. or lower, more preferably 3.5 × 10 −6 / ° C. or lower, and most preferably 2 × 10 −6 / ° C. or lower.

【0049】なお、図5において、流体通路は5段に分
かれており、高温流体通路と低温流体通路を交互に、反
対方向に配置しているが、流体通路の方向を直交させた
り、角度を変えても差し支えない。また、5段に限ら
ず、所望の段数を用いることができる。さらに、図5に
は図示してないが、2つの流体は分離される必要がある
ため、熱交換器の両端には2種類の流体を分離する装置
を設ける必要がある。
In FIG. 5, the fluid passages are divided into five stages, and the high-temperature fluid passages and the low-temperature fluid passages are alternately arranged in the opposite directions. You can change it. The number of stages is not limited to five, and a desired number of stages can be used. Further, although not shown in FIG. 5, since the two fluids need to be separated, it is necessary to provide a device for separating the two types of fluids at both ends of the heat exchanger.

【0050】[0050]

【実施例】α型窒化珪素で粒子径0.5μmの窒化珪素
粉末18kg、粒子径1.0μmのY23粉末2kg、
窒化珪素ボール20kg、メタノール20kg及び有機
結合剤2kgとを秤量し、バレルミルで30時間混合粉
砕し、ロール圧延法により成形体を作製した。即ち、バ
レルミルで得られた粘性流体を一対の転圧ローラー間に
流し込んで、図2(a)のように一対のセラミックリブ
がセラミック平板に対して相対向した位置に、セラミッ
ク平板と一体的に形成された成形体を形成した。ここ
で、リブ数90、リブの厚み2mm、高さ4mm、リブ
間隔3mm、セラミック平板の形状450×450×2
mmであった。
EXAMPLE 18 kg of α-type silicon nitride silicon nitride powder having a particle diameter of 0.5 μm, 18 kg of Y 2 O 3 powder having a particle diameter of 1.0 μm,
20 kg of silicon nitride balls, 20 kg of methanol and 2 kg of an organic binder were weighed, mixed and pulverized by a barrel mill for 30 hours, and formed into a compact by a roll rolling method. That is, the viscous fluid obtained by the barrel mill is poured between a pair of compaction rollers, and the pair of ceramic ribs is integrally formed with the ceramic flat plate at a position where the pair of ceramic ribs face each other as shown in FIG. The formed molded body was formed. Here, the number of ribs is 90, the rib thickness is 2 mm, the height is 4 mm, the rib interval is 3 mm, and the shape of the ceramic flat plate is 450 × 450 × 2.
mm.

【0051】次に、この成形体を積層し、窒素中300
℃で20時間熱処理して脱脂した後、窒素中1900℃
の温度で焼成し、セラミック熱交換器構成部品を作製し
た。得られた焼結体を交互に直交させながら積重し、熱
交換器用セラミックコアを作製した。即ち、高温流体と
低温流体が直交するように熱交換器用セラミックコアを
構成した。また、アルミナ製容器を作製した。そして、
熱交換器用セラミックコアを容器にパッキングし、プレ
ートリブ型熱交換器とした。
Next, the compacts were laminated, and the
Degreased by heat treatment at 20 ° C for 20 hours, then 1900 ° C in nitrogen
At the above temperature to produce a ceramic heat exchanger component. The obtained sintered bodies were stacked alternately orthogonally to produce a ceramic core for a heat exchanger. That is, the ceramic core for a heat exchanger was configured such that the high-temperature fluid and the low-temperature fluid were orthogonal to each other. Also, an alumina container was prepared. And
The ceramic core for a heat exchanger was packed in a container to obtain a plate-rib type heat exchanger.

【0052】作製した熱交換器に低温流体が25℃の空
気、高温流体が800℃の空気を用いて、動作確認を行
った。製造段階においても、動作段階においても装置の
異常は見られず、温度効率は80%であった。
The operation of the heat exchanger was confirmed using low-temperature air at 25 ° C. and high-temperature fluid at 800 ° C. No abnormality was found in the device in both the production stage and the operation stage, and the temperature efficiency was 80%.

【0053】なお、上記で用いた温度効率は、低温流体
の入口温度をTLow(in)、低温流体の出口温度をT
Low(out)、及び高温流体の入口温度をTHigh(in)とした
ときに、(TLow(out)−TLow(in))/(THigh(in)
Low(in))で与えられる。
Note that the temperature efficiency used above is such that the inlet temperature of the low-temperature fluid is T Low (in) , and the outlet temperature of the low-temperature fluid is T Low (in) .
When low (out) and the inlet temperature of the high-temperature fluid are T High (in) , (T Low (out) −T Low (in) ) / (T High (in)
T Low (in) ).

【0054】[0054]

【発明の効果】本発明のプレートリブ型熱交換器は、リ
ブ構造をセラミックスに最適化することによって、高温
においても信頼性の高い熱交換器として使用できる。
The plate-rib type heat exchanger of the present invention can be used as a highly reliable heat exchanger even at high temperatures by optimizing the rib structure for ceramics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のセラミック熱交換器構成部品の構造を
示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a ceramic heat exchanger component of the present invention.

【図2】本発明のセラミック熱交換器構成部品の他の構
造を示す斜視図で、a)相対向するセラミックリブを有
する構造、(b)相対向する位置からずれた位置にセラ
ミックリブを有する構造である。
FIG. 2 is a perspective view showing another structure of the ceramic heat exchanger component of the present invention, a) a structure having opposing ceramic ribs, and (b) a ceramic rib at a position shifted from the opposing position. Structure.

【図3】本発明のセラミック熱交換器構成部品のさらに
他の構造を示すもので、(a)屈曲部を有する構造の斜
視図、(b)複数の「く」状屈曲を有する構造の平面
図、(c)複数の「S」状屈曲を有する構造の平面図で
ある。
FIGS. 3A and 3B show still another structure of the ceramic heat exchanger component of the present invention, wherein FIG. 3A is a perspective view of a structure having a bent portion, and FIG. FIG. 3C is a plan view of a structure having a plurality of “S” -shaped bends.

【図4】本発明のセラミック熱交換器構成部品の製造方
法を示す概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a method for manufacturing a ceramic heat exchanger component of the present invention.

【図5】本発明のプレートリブ型熱交換器の一部の概略
を示す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing a part of the plate-rib type heat exchanger of the present invention.

【図6】従来の熱交換器用セラミックコアの構造を示す
分解斜視図である。
FIG. 6 is an exploded perspective view showing the structure of a conventional ceramic core for a heat exchanger.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、11、21、31・・・熱交換器用コア構成部品 2、12、22、32・・・セラミック平板 3、13、23、33・・・セラミックリブ 1, 11, 21, 31 ... core components for heat exchanger 2, 12, 22, 32 ... ceramic flat plate 3, 13, 23, 33 ... ceramic rib

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】セラミック平板の少なくとも一方の面に複
数のセラミックリブが一体的に設けられたことを特徴と
するセラミック熱交換器構成部品。
1. A ceramic heat exchanger component, wherein a plurality of ceramic ribs are integrally provided on at least one surface of a ceramic flat plate.
【請求項2】前記セラミック平板及びセラミックリブが
金属の酸化物、窒化物、炭化物及び硼化物のうち少なく
とも1種を主体とするセラミックスからなることを特徴
とする請求項1記載のセラミック熱交換器構成部品。
2. A ceramic heat exchanger according to claim 1, wherein said ceramic flat plate and said ceramic rib are made of a ceramic mainly composed of at least one of metal oxides, nitrides, carbides and borides. Component part.
【請求項3】前記セラミック平板及びセラミックリブ
が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪
素、炭化硼素、ムライト及びコージェライトのうち少な
くとも1種を主体とするセラミックスからなることを特
徴とする請求項1又は2記載のセラミック熱交換器構成
部品。
3. The ceramic flat plate and the ceramic rib are made of a ceramic mainly composed of at least one of alumina, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, boron carbide, mullite and cordierite. The ceramic heat exchanger component according to claim 1 or 2.
【請求項4】前記セラミック平板及びセラミックリブの
熱伝導率が20W/mK以上であることを特徴とする請
求項1乃至3のうちいずれかに記載のセラミック熱交換
器構成部品。
4. The ceramic heat exchanger component according to claim 1, wherein the thermal conductivity of the ceramic flat plate and the ceramic rib is 20 W / mK or more.
【請求項5】前記セラミック平板及びセラミックリブの
強度が250MPa以上であることを特徴とする請求項
1乃至4のうちいずれかに記載のセラミック熱交換器構
成部品。
5. The ceramic heat exchanger component according to claim 1, wherein the strength of the ceramic flat plate and the ceramic rib is not less than 250 MPa.
【請求項6】セラミック粉末と有機結合剤との混合物か
らなる成形体平板表面に、複数の凹凸を刻設した円筒状
の転圧ローラーを一定圧力下で回転させ、前記成形体平
板の少なくとも一方の面にリブを形成した後、焼成する
ことを特徴とするセラミック熱交換器構成部品の製造方
法。
6. A compact roller made of a mixture of a ceramic powder and an organic binder, which is rotated under a constant pressure on a surface of a compact roller having a plurality of concaves and convexes formed on the surface of the compact, thereby forming at least one of the compact flat plates. Forming a rib on a surface of the ceramic heat exchanger and then firing the rib.
【請求項7】セラミック粉末と有機結合剤との混合物か
らなる粘性流体を凹凸を有するスリットから押し出すこ
とにより、前記成形体平板の少なくとも一方の面にリブ
を形成した後、焼成することを特徴とするセラミック熱
交換器構成部品の製造方法。
7. A molded body flat plate is formed by extruding a viscous fluid comprising a mixture of a ceramic powder and an organic binder from a slit having irregularities to form a rib on at least one surface of the molded body flat plate, and then firing. Of manufacturing ceramic heat exchanger components.
【請求項8】前記請求項1乃至5のうちいずれかに記載
のセラミック熱交換器構成部品を積重し、前記リブ間に
流体通路を設けたことを特徴とする熱交換器用セラミッ
クコア。
8. A ceramic core for a heat exchanger, wherein the ceramic heat exchanger components according to claim 1 are stacked and a fluid passage is provided between the ribs.
【請求項9】前記流体通路が直線であることを特徴とす
る請求項8記載の熱交換器用セラミックコア。
9. The ceramic core for a heat exchanger according to claim 8, wherein said fluid passage is straight.
【請求項10】前記流体通路が非直線であることを特徴
とする請求項8記載の熱交換器用セラミックコア。
10. The ceramic core for a heat exchanger according to claim 8, wherein said fluid passage is non-linear.
【請求項11】前記請求項1乃至5のうちいずれかに記
載のセラミック熱交換器構成部品及び/又は前記請求項
8乃至10のいずれかに記載の熱交換器用セラミックコ
アを有することを特徴とするプレートリブ型熱交換器。
11. A ceramic heat exchanger component according to any one of claims 1 to 5, and / or a ceramic core for a heat exchanger according to any one of claims 8 to 10. Plate-rib type heat exchanger.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013534608A (en) * 2010-06-30 2013-09-05 エスゲーエル カーボン ソシエタス ヨーロピア HEAT TRANSFER PLATE, FLAT HEAT TRANSFER HAVING THE SAME, AND METHOD FOR PRODUCING PLATE HEAT TRANSFER
JP2016221461A (en) * 2015-06-01 2016-12-28 東京理化器械株式会社 Condenser for physicochemical experiment

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