JP2002107072A

JP2002107072A - セラミック熱交換器構成部品

Info

Publication number: JP2002107072A
Application number: JP2000294745A
Authority: JP
Inventors: Kiko Hiura; 規光日浦; Koichi Tanaka; 広一田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2002-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】高温でも使用可能で、熱交換率が高く、信頼性
の高いセラミック熱交換器構成部品を容易に提供する。【解決手段】外枠１と、該外枠１の内部に高温流体及び
低温流体を互いに対向して流すために設けられた複数の
流体通路４、５と、該流体通路４、５を分離する隔壁２
とを具備し、該隔壁２と前記外枠１とが一体的に焼成さ
れてなるセラミックスであり、かつ高温流体及び低温流
体との熱交換が前記隔壁２を介して行われることを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
する場合に好適な格子型熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来技術】近年、省資源、環境に対する負荷の軽減な
どを考慮して、廃熱の回収など熱エネルギーの有効利用
が重要視されてきており、そのために熱交換器の役割が
増大している。従来からも、比較的低温の条件下に使用
される熱交換器においては、耐熱性等の性能上の制約が
少ないため、種々の材料が広く使用されており、熱交換
器自体も広く普及している。

【０００３】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３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３１と、伝熱を
促進するためのフィン３２が交互に積層されている。ま
た、スペーサーバー３３が両側面に配置されている。そ
して、フィン３２から平板３１への伝熱を高めるため、
フィン３２と平板３１とは溶接によって接続され、積層
されて熱交換器構成部品が構成されている。

【０００４】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。

【０００５】また、セラミック材料を用いた熱交換器
は、図４に示すように、一方向に複数の流体通路が設け
た直方体形状の第１の方向層４１と第２の方向層４２と
が積層され、第１の方向層４１と第２の方向層４２とが
直交して積層され、積層した成形体の層間のシールを行
ってから焼成して得られることが、特開平７−１５１４
７８号公報に開示されている。

【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、特にガスタービン等のように８０
０℃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プレートフィン型熱
交換器のフィン及びスペーサーバー等の熱交換器を構成
する部品が金属であるため、軟化したり、接合部の強度
が低下して剥離するという問題があった。

【０００７】また、上記の構造では、熱交換器の昇温と
降温の繰り返しによりフィン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、フィン及び平板との接合
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
コアのフィン及び平板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。

【０００８】さらに、セラミックスは高温に耐える材料
ではあるが、上記のプレートフィン型熱交換器は波板状
のフィンが平板に溶接されており、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であるという問題
があった。

【０００９】また、特開平７−１５１４７８号公報に記
載の熱交換器の熱交換器構成部品は、複数の方向層の成
形体を作製し、それらを積層してセラミックセメントで
接着を行った後に焼成しても、方向層間の熱伝達が十分
ではなく、高い熱交換率が得られないという問題があっ
た。

【００１０】さらに、積層体を作製するため、工程が複
雑であると共に、直方体形状であるため、作業中に成形
体の欠損が特に端部で生じやすく、そのために高い歩留
まりを得ることが難しいという問題があった。

【００１１】したがって本発明は、高温でも使用可能
で、熱交換率が高く、信頼性の高いセラミック熱交換器
構成部品を容易に提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の熱交換器構成部
品は、構造をセラミック材料に最適化し、高温流体と低
温流体との流れの向きを互いに相対向するように流れる
向流とし、隔壁を介して行わせることにより、高温にお
いても高効率で、機械的信頼性の高い熱交換器が実現で
きるという知見に基づくものである。

【００１３】すなわち、本発明のセラミック熱交換器構
成部品は、外枠と、該外枠の内部に高温流体及び低温流
体を互いに対向して流すために設けられた複数の流体通
路と、該流体通路を分離する隔壁とを具備し、該隔壁と
前記外枠とが一体的に焼成されてなるセラミックスから
成り、かつ前記高温流体及び前記低温流体との熱交換が
前記隔壁を介して行われることを特徴とするものであ
る。

【００１４】この構成にすることによって、セラミック
ス同士の接合の必要が無いため、剥離や亀裂の問題を回
避でき、またそれに伴う伝熱ロスを低減し、向流とする
ことで熱変換効率を高めることができ、さらにセラミッ
クスの製造も容易となって、量産性向上が実現可能な熱
交換器用セラミックスを提供できる。

【００１５】特に、全体の外形形状が円柱であって、該
円柱の軸方向に流体通路が設けられていることが好まし
い。これにより外枠の強度が向上し、熱交換器の組立
時、移動時又は動作時の欠損などによる故障率を低下す
ることができ、信頼性を高める効果がある。

【００１６】また、前記セラミックスが、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望ましい。特
に、前記セラミックスが、アルミナ、窒化アルミニウ
ム、窒化珪素、炭化珪素、炭化硼素及びジルコニアのう
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。これにより、熱的、化学的な安定性が高
く、また高温での機械特性、熱伝導率に優れた熱交換器
構成部品を提供することが可能となる。

【００１７】さらにまた、前記セラミックスの相対密度
が９７％以上であることが好ましい。これにより、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
スや部品交換の回数を低減することができる。

【００１８】また、前記セラミックスの熱伝導率が１５
Ｗ／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。

【００１９】さらに、前記セラミックスの破壊靭性が
５．０ＭＰａ・ｍ^1/2以上であることが好ましい。これ
により、欠損を防止し、製品の信頼性を高めることがで
きる。

【００２０】さらにまた、前記セラミックスの強度が２
５０ＭＰａ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共に、熱交換器の組立時、移動時又
は動作時の衝撃等に対して破壊する確率を低下すること
ができる。

【００２１】また、前記セラミックスが、３００℃以上
の熱衝撃に耐えることが好ましい。これにより、熱交換
器の故障率、特に始動時と停止時の故障率を低下するこ
とができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のセラミック熱交
換器構成部品の構造を示す概略図である。本発明の熱交
換器構成部品によれば、図１に示すように、外枠１と隔
壁２とが一体的に成形され、かつ焼成されたセラミック
スからなることが重要であり、このような構成のセラミ
ック熱交換器構成部品３は、隔壁２によって複数の低温
流体通路４と複数の高温流体通路５とが形成され、低温
流体通路４と高温流体通路５との間の隔壁２を介して熱
交換が行われる。なお、流体の流れを図１中に矢印で図
示した。

【００２３】これにより、従来のプレートフィン型熱交
換器は平板とフィンを接合していたが、本発明の熱交換
器構成部品では一切接合の必要が無く、伝熱ロスを低減
できると共に、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好適な構造であ
り、また製造が容易である。

【００２４】また、図２は本発明の熱交換器構成部品の
他の構造を示すもので、円柱形状の熱交換部品を示して
いる。即ち、外枠１１と隔壁１２とが一体的に成形さ
れ、かつ焼成されたセラミックスからなり、隔壁１２に
よって低温流体通路１４と高温流体通路１５とが形成さ
れ、低温流体通路１４と高温流体通路１５との間の隔壁
１２を介して熱交換が行われる。

【００２５】このように、外形形状が円柱で、円柱の軸
方向に流体通路が設けられている場合、外枠の強度が向
上し、熱交換器の組立時、移動時又は動作時の欠損など
による故障率を低下することができ、信頼性を高める効
果がある。また、外周が角を持たないため、チッピング
等の欠損が起こりにくい。なお、角柱の場合には外枠の
端部を丸めたり、Ｃ面を取ることが欠損をさらに避ける
ために好ましい。

【００２６】さらに、高い熱交換率を得るため、低温流
体通路は、隣接する通路の少なくとも一つが高温流体通
路であることが好ましく、同様に高温流体通路も隣接す
る通路の少なくとも一つが低温流体通路であることが好
ましい。

【００２７】なお、外枠１１とは、隔壁１２、低温流体
経路１４及び高温流体経路１５を機械的に保護するため
のもので、その厚みが形状全体にわたって均一である必
要はなく、図２のように、流体通路の位置により厚みが
異なっていても何ら差し支えない。また、低温流体経路
１４及び高温流体経路１５の断面形状は、特に正方形で
ある必要はなく、三角形、平行四辺形又は六角形でもよ
く、これらの組合せでも良い。

【００２８】本発明の外枠及び隔壁に使用されるセラミ
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、炭化硼素及びジルコニアのうち少な
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、熱的及び化学的な安定性が高
いため、腐食性の流体を使用することも可能となり、ま
た、高温での機械特性に優れるため、ガスタービン等の
高温での使用に適する。

【００２９】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、高
い熱交換率が得られやすいという観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。

【００３０】さらに、前記セラミックスの熱伝導率が１
５Ｗ／ｍＫ以上、特に２５Ｗ／ｍＫ以上、さらには３５
Ｗ／ｍＫ以上、より好適には４５Ｗ／ｍＫ以上であるこ
とが好ましい。本発明の熱交換器構成部品は隔壁を介し
て熱交換が行われるため、隔壁を構成するセラミックス
の熱伝導率が高くなると、熱交換率がさらに高められ、
性能の優れた熱交換器を実現することが可能となる。

【００３１】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、特に異常事態が発生して高圧力が隔壁に
加わったとしても、その圧力で破壊することが避けるこ
とが可能となり、また、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。

【００３２】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５．０ＭＰ
ａ・ｍ^1/2以上、特に５．５ＭＰａ・ｍ^1/2以上、さらに
は６．０ＭＰａ・ｍ^1/2以上であることがこのましい。
破壊靭性を高くすることにより、セラミックスの製造時
や製品の組立時等において、欠けやクラックの発生を抑
制することが可能となり、歩留まりを高める上で好まし
い。

【００３３】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９７％以
上、特に９８％以上、さらには９９％以上、より好適に
は９９．５％以上が好ましい。この相対密度は気孔率と
関連し、相対密度が高くなると気孔量が減少し、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。

【００３４】また、前記セラミックスが、３００℃以
上、特に４００℃以上、さらには５００℃以上の熱衝撃
に耐えることが好ましい。これにより、熱交換器の故障
率が低下するとともに、特に始動時と停止時の故障率を
低下することができる。さらに、不慮の事故等により高
温流体の供給が停止した場合でも壊れにくく、安全な熱
交換器構成部品を実現できる。

【００３５】なお、本発明のセラミック熱交換器構成部
品を容器に組み込み、高温流体出入口及び低温流体出入
口を設けて熱交換モジュールとして使用する場合、セラ
ミック熱交換器構成部品を流れる２種類の流体を分離す
る必要がある。そのため、例えば、端面に分離用の治具
を設ければよい。

【００３６】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、外枠と隔壁とが一体的に焼成さ
れてなるセラミックスで構成される、即ち、セラミック
格子構造が一体的に焼成されてなり、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、熱交
換器構成部品を一体化することにより接合の必要が無い
ため信頼性が高く、かつ伝熱ロスを低減し、熱交換率を
高めることができる。

【００３７】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窒化珪素を例として説明する。

【００３８】窒化珪素原料として、平均粒径が０．３〜
３μｍ好ましくは０．５〜１．０μｍの窒化珪素粉末を
準備する。この原料粉末は、不純物酸素量０．５〜５．
０重量％であればα型、β型のいずれでも使用できる。
なお、所望により、窒化珪素の一部あるいは全部を平均
粒径１０μm以下の珪素に置き換え、１０００〜１５０
０℃、窒素ガス雰囲気中で熱処理することにより、窒化
珪素に変換させ、使用することもできる。

【００３９】上記原料の粒径を規定したのは窒化珪素粉
末の平均粒径が０．３μｍ未満であると焼成時に収縮し
やすく変形が生じ、研削量が増加する。また窒化珪素粉
末の粒径が３μｍ以上もしくは珪素粉末の粒径が１０μ
ｍより大きいと緻密化が抑制され、焼結体のボイド径も
大きくなりやすいためである。

【００４０】そして、焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃
及びＥｒ₂Ｏ₃等の希土類元素酸化物等の粉末を準備す
る。希土類元素とは、周期律表第３族元素のことであ
り、Ｙ、Ｙｂ及びＥｒの他にＬａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ及
びＬｕ等の原子番号５７〜７１までの元素を指す。これ
らの中で入手のしやすさでＹ、低価格の点でＣｅ、取扱
い安さでＹｂ及びＥｒ、高い熱伝導率が得られる点でＬ
ｕが好ましい。

【００４１】窒化珪素粉末を７０〜９９重量％、好まし
くは７５〜９５重量％、特に８０〜９３重量％と、焼結
助剤として酸化物を１〜３０重量％、好ましくは５〜２
５重量％、特に７〜２０重量％の割合で混合する。

【００４２】窒化珪素粉末と珪素粉末とを上記のような
混合組成にすることにより、低温焼成によっても緻密化
が促進されやすい。また、、窒化珪素の場合には強度を
４５０ＭＰａ以上、破壊靭性を６ＭＰａ・ｍ^1/2以上に
することが容易であり、組成と焼成条件を制御すれば、
さらに強度を６００ＭＰａ以上、特に８００ＭＰａ以
上、破壊靭性は６．５ＭＰａ・ｍ^1/2以上、特に７ＭＰ
ａ・ｍ^1/2以上にすることも可能である。

【００４３】さらに、窒化珪素焼結体の熱伝導率を１５
Ｗ／ｍＫ以上、特に２５Ｗ／ｍＫ以上にでき、さらには
焼成条件により３５Ｗ／ｍＫ以上、あるいは原料を厳選
することで４５Ｗ／ｍＫ以上が可能となり、熱変換効率
が高く、信頼性の高い熱交換器構成部品を実現すること
が容易になる。

【００４４】次に、成形体の作製には、上記組成を満足
するように配合された混合粉末をボールミルなどにより
十分混合粉砕した後、所望の成形手段、例えば、金型プ
レス、鋳込成形、冷間静水圧成形、射出成形、押出成形
等の手法により成形することができる。

【００４５】特に、これらの成形法の中で、射出成形及
び押出成形が複雑形状を容易に得られる点で好ましく、
コストを考えると押出成形が望ましい。押出成形を行う
ときには、上記原料粉末と有機結合剤とを攪拌、混錬
し、押出成形により外枠と隔壁とを一体的に成形体を形
成する。かかる方法では、円柱、角柱等、押出金型の形
状により様々な形の成形体を容易に成形できる。

【００４６】これらの成形体を１１００〜２０００℃、
好適には１２００〜１９００℃の温度域で、窒素を含む
不活性雰囲気中において窒化および焼成することにより
焼結体が得られる。焼成温度が１１００℃より低いと窒
化及び緻密化が十分でなく、２０００℃より高いと硬
度、靭性が高くなり、研削性が劣化する。焼成方法とし
ては、例えば、ホットプレス方法、常圧焼成、窒素ガス
圧力焼成、さらには、これらの焼成後、さらに緻密化を
促進するために、５００〜２０００気圧のＡｒガスや窒
素ガスを用いて、１５００〜１９００℃で熱間静水圧焼
成することもできる。

【００４７】

【実施例】α型窒化珪素で、珪素以外の金属不純物が
０．５重量％、平均粒径０．５μｍの窒化珪素粉末１８
ｋｇ、純度９９．５％、粒子径１．０μｍのＹ₂Ｏ₃粉末
２ｋｇ、窒化珪素ボール２０ｋｇ、メタノール２０ｋｇ
を秤量し、バレルミルで３０時間混合粉砕した。

【００４８】その後、有機結合剤を原料に対して１０重
量％添加して攪拌、混錬し、押出成形法により一体的に
円柱型の成形体を作製した。

【００４９】ここで、隔壁厚さは高温流体通路と隣接す
る高温流体通路との隔壁の厚みを０．６ｍｍ、低温流体
通路と隣接する低温流体通路との隔壁の厚みが０．６ｍ
ｍ、高温流体通路と隣接する低温流体通路との隔壁の厚
みが１ｍｍ、高温流体通路及び低温流体通路の寸法は縦
１．５ｍｍ、横１．５ｍｍであり、熱交換器構成部材は
寸法が直径１００ｍｍ、長さ３００ｍｍの円柱形状であ
った。

【００５０】次に、この成形体を、窒素中５００℃で２
０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
られた円柱形状の焼結体の両端部に治具を装着して低温
流体と高温流体を分離し、低温流体と高温流体を対向し
て流す構造を具備する熱交換器を作製した。

【００５１】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９０％であった。

【００５２】なお、上記で用いた温度効率は、低温流体
の入口温度をＴ_Low(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Ｔ_High(in)とした
ときに、（Ｔ_Low(out)−Ｔ_Low(in)）／（Ｔ_High(in)−
Ｔ_Low(in)）で与えられる。

【００５３】

【発明の効果】本発明の熱交換器構成部品は、構造をセ
ラミックス用に最適化することによって、高温でも使用
可能で、熱交換率が高く、信頼性の高いセラミック熱交
換器構成部品を容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミック熱交換器構成部品の構造を
示す概略図である。

【図２】本発明のセラミック熱交換器構成部品の他の構
造の概略を示す斜視図である。

【図３】従来のセラミック熱交換器構成部品の構造を示
す概略図である。

【図４】従来のセラミック熱交換器構成部品の他の構造
の概略を示す斜視図である。

【符号の説明】

１、１１・・・外枠２、１２・・・隔壁３、１３・・・熱交換器構成部品４、１４・・・低温流体通路５、１５・・・高温流体通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外枠と、該外枠の内部に高温流体及び低温
流体を互いに対向して流すために設けられた複数の流体
通路と、該流体通路を分離する隔壁とを具備し、該隔壁
と前記外枠とが一体的に焼成されてなるセラミックスか
らなり、かつ前記高温流体及び前記低温流体との熱交換
が前記隔壁を介して行われることを特徴とするセラミッ
ク熱交換器構成部品。
【請求項２】全体の外形形状が円柱であって、該円柱の
軸方向に前記流体通路が設けられていることを特徴とす
る請求項１記載のセラミック熱交換器構成部品。
【請求項３】前記セラミックスが、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又は
２記載のセラミック熱交換器構成部品。
【請求項４】前記セラミックスが、アルミナ、窒化アル
ミニウム、窒化珪素、炭化珪素、炭化硼素及びジルコニ
アのうち少なくとも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。
【請求項５】前記セラミックスの相対密度が９７％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。
【請求項６】前記セラミックスの熱伝導率が１５Ｗ／ｍ
Ｋ以上であることを特徴とする請求項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。
【請求項７】前記セラミックスの破壊靭性が５．０ＭＰ
ａ・ｍ^1/2以上であることを特徴とする請求項１乃至６
のうちいずれかに記載のセラミック熱交換器構成部品。
【請求項８】前記セラミックスの強度が２５０ＭＰａ以
上であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれ
かに記載のセラミック熱交換器構成部品。
【請求項９】前記セラミックスが、３００℃以上の熱衝
撃に耐えることを特徴とする請求項１乃至８のうちいず
れかに記載のセラミック熱交換器構成部品。