JP2005308306A - 再結晶炭化珪素製熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 主要部材を連結接合したセラミック製の熱交換器であって、それらの部材の接合個所が高温での使用時にも良好なシール性を維持することができ、高い信頼性と長寿命を有する熱交換器を提供する。
【解決手段】 炭化珪素粉末スラリーでパイプ部材１と周壁部材２、３の成形体を作製し、これらの成形体をそのまま又は焼成して炭化珪素を再結晶化させてから組み立て、互いの接合個所を炭化珪素粉末スラリーで接着した後、炭化珪素の再結晶化温度以上で焼成して、再結晶炭化珪素からなる各部材１、２、３が互いの接合個所を再結晶炭化珪素で結合された熱交換器とする。再結晶炭化珪素の気孔内に結晶化ガラスを充填して、見掛気孔率を５％以下とすることもできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温の流体から低温の流体に熱を伝える熱交換器、例えば焼却炉などで使用される炭化珪素製の熱交換器及びその製造方法に関するものである。

通常、熱交換器の材料として、低温用では高熱伝導率を有する銅、銅合金などが使用され、また１０００℃以下程度の高温用としてはインコネル、ハステロイなどの金属材料が使用されている。更に、１０００℃を越える場合には、金属の耐熱限界を超えることから、コーディエライト、炭化珪素などのセラミック材料が使用されている。

一般に、熱交換器には高度の信頼性と共に長寿命であることが要求されるが、これらの点で従来のセラミック材料には満足すべきものは少ない。高温用熱交換器の材料として、極限られたセラミック材料が使用されているが、非常にコストの高いものであるため実用的ではない。例えば、コーディエライト質材料は、耐熱性、耐スポーリング性は満足できるものの、腐食性の環境で実用に耐えるものは得られていない。

また、炭化珪素質材料は、耐熱性や熱伝導率は良好であるが、気孔率が高いため通気性に問題が残り、更に粘土、水ガラスなどで結合したものは熱間荷重と耐食性に劣るという問題がある。この気孔率に関する問題を解決するため、特公平２−６９９８号公報には、再結晶質炭化珪素に金属シリコンを含浸するか、あるいは炭化珪素の被膜をＣＶＤ法により形成した材料が記載されている。しかし、この方法では、コストが高くなるという問題があった。

更に、セラミック材料は耐熱性に優れているものの、加工性に難があるため複雑形状の製造には適さない。そのため、一般にセラミック製の熱交換器では、比較的単純な形状の部材を作製し、これらの部材を組み合わせて連結することにより製品とすることが多い。しかし、加熱・冷却により各部材に亀裂が生じたり、各部材の連結箇所がセラミックファイバーやガラスなどでシールされるため、使用時に良好なシール性を確保することが難しいなどの問題があった。

特公平２−６９９８号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑み、主要部材を連結接合したセラミック製の熱交換器であって、その主要部材に加熱・冷却により亀裂が生じることがなく、それらの部材の接合個所が高温での使用時にも良好なシール性を確保することができ、高い信頼性と長寿命を有する熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供するセラミック製の熱交換器は、熱交換室内に配置されたパイプ部材と該熱交換室の周壁部材とが共に再結晶炭化珪素からなり、且つ該パイプ部材及び周壁部材の互いの接合個所が再結晶炭化珪素で結合されていることを特徴とする。

上記本発明の再結晶炭化珪素製熱交換器においては、前記パイプ部材と周壁部材を構成する再結晶炭化珪素の気孔内に、熱間線膨張係数１〜１０×１０^−７／℃の結晶化ガラスが充填固着されていて、該パイプ部材及び周壁部材の見掛気孔率が５％以下であることが好ましい。

また、本発明は、パイプ部材と周壁部材で熱交換室を構成する熱交換器の製造方法であって、炭化珪素粉末のスラリーでパイプ部材と周壁部材の成形体を作製し、これらの成形体をそのまま組み立てるか又は成形体を焼成して炭化珪素を再結晶化させてから組み立てると共に、互いの接合個所を前記炭化珪素粉末のスラリーで接着した後、炭化珪素の再結晶化温度以上で焼成することを特徴とする再結晶質炭化珪素製熱交換器の製造方法を提供する。

上記本発明の再結晶質炭化珪素製熱交換器の製造方法では、前記パイプ部材と周壁部材を構成する再結晶炭化珪素の気孔内に、最大粒径が５μｍ以下で、結晶化後の熱間線膨張係数が１〜１０×１０^−７／℃であるガラス粒子のスラリーを充填し、焼成して該ガラスを結晶化させることにより、該パイプ部材と周壁部材の見掛気孔率を５％以下とすることができる。

本発明によれば、熱交換器の主要部材である熱交換室の周壁部材とパイプ部材を再結晶炭化珪素で構成し、同時にそれらの部材を再結晶炭化珪素で接合してあるので、優れた耐熱性と高い熱伝導率を有するだけでなく、加熱・冷却により亀裂を生じることがなく、使用時にも良好なシール性を確保することができ、安価であって高い信頼性と長寿命を備えた熱交換器を提供することができる。また、通気性が問題となる場合には、パイプ部材と周壁部材を構成する再結晶炭化珪素の気孔内に結晶化ガラスを充填することで、これらの部材の見掛気孔率を簡単且つ安価に５％以下に低下させることができる。

本発明の熱交換器は、熱交換室内に配置されたパイプ部材と、熱交換室の周壁部材とが、共に再結晶炭化珪素で構成されている。再結晶炭化珪素は、炭化珪素粉末のスラリーを通常のセラミックスの成形方法、例えば、押出、鋳込、プレスなどの方法で成形した後、真空雰囲気下にて６００℃以下で乾燥して有機バインダーを除き、アルゴンなどの不活性雰囲気中にて再結晶化温度（２０００℃前後）以上で焼結することによって得られる。得られる再結晶炭化珪素は焼成収縮がほとんど無く、１０〜２５％程度の気孔率を有している。

上記のごとく得られた再結晶炭化珪素のパイプ部材と周壁部材は、その後、炭化珪素粉末のスラリーを用いて接合し、一体化することができる。即ち、再結晶炭化珪素のパイプ部材と周壁部材を所定の熱交換室の構造に組み合わせ、そのパイプ部材と周壁部材並びに周壁部材同士の接合個所を炭化珪素粉末のスラリーで接着する。その後、上記と同様に乾燥し、再結晶化温度以上で焼成することにより、接合個所の炭化珪素を再結晶化させる。このようにして、再結晶炭化珪素のパイプ部材及び周壁部材を互いに再結晶炭化珪素で接合して一体化し、再結晶炭化珪素からなる熱交換器を作製することができる。

また、別の製造方法として、炭化珪素は再結晶化による焼成収縮がほとんど無いため、パイプ部材と周壁部材の成形体及びその接合個所の窒化ケイ素を同時に焼成して、炭化珪素の再結晶化と同時に各部材を接合することも可能である。即ち、炭化珪素粉末のスラリーを上記のごとくパイプ部材と周壁部材の形状に成形した後、その成形体を所定の熱交換室の構造に組み合わせ、更に接合箇所を同じ炭化珪素粉末スラリーで接着し、上記と同様に乾燥及び焼成することにより、パイプ部材と周壁部材の成形体及びその接合個所の炭化珪素を同時に再結晶化させて一体化することができる。

パイプ部材と周壁部材、及び両者の接合に用いる炭化珪素粉末のスラリーは、少なくとも炭化珪素（ＳｉＣ）粉末と分散媒とバインダー成分からなり、必要に応じて分散剤などを含むことができる。炭化珪素粉末としては、粉末冶金に通常使用されているもので良く、粒径が０.５〜１０μｍ程度のものが好ましい。バインダー成分としては、従来から粉末冶金で使用されている有機又は無機のバインダーであってよい。また、分散媒としては、水やアルコールなどを用いることができる。

好ましくは、水への分散性を向上させるため界面活性剤などで表面処理を施した炭化珪素粉末、例えばＮＯＲＴＯＮ社製のＳｉＣ微粉Ｗ−７（商品名）などを用い、水を分散媒として炭化珪素スラリーを調整することができる。また、得られる再結晶炭化珪素の気孔率は、通常の炭化珪素粉末を用いた場合では２５％程度まで高くなるが、上記の分散性を向上させるための表面処理を施した炭化珪素粉末を用いた場合には、１５％程度まで低くすることが可能である。

このようにして製造した本発明の熱交換器は、主な部材であるパイプ部材と周壁部材が焼成収縮のほとんど無い再結晶炭化珪素で構成されるだけでなく、これらの部材の接合個所も同じ再結晶炭化珪素で構成されるため、加熱・冷却の際に各部材間の膨張差による熱的な歪を生じることがなく、従って高い耐スポーリング性を得ることができる。また、再結晶炭化珪素の気孔率は、製造方法によって通常１０〜２５％の範囲となるが、この気孔率を高めに調整すれば更に耐スポーリング性を向上させる効果がある。

一般に、気体−気体間の熱交換器では、高温気体と低温気体の混合を防止するために、パイプ部材と周壁部材の気孔率は低いことが望ましい。しかしながら、反応焼結あるいは再結晶炭化珪素などは通常は多孔質であるため、従来は金属シリコンを含浸させるか又は炭化珪素をＣＶＤ法により被着させて通気率を低下させる処理が行われていた。しかし、焼却炉に用いる燃焼ガスと燃焼用空気の熱交換器のように、使用目的によっては高温側と低温側の流体が多少混合しても問題無い場合もあり、このような用途の熱交換器には上記１０〜２５％の気孔率を有する再結晶炭化珪素をそのまま使用することができるため、気孔率を低下させるための余分な費用を節約できるうえ、耐スポーリング性の向上が期待できるという利点がある。

一方、通気性が問題となる熱交換器の場合には、パイプ部材と周壁部材を構成する再結晶炭化珪素の気孔内に、熱間線膨張係数１〜１０×１０^−７／℃の結晶化ガラスを充填固着させることにより、気孔率を低下させることが可能である。具体的には、再結晶炭化珪素の気孔内に、結晶化後の熱間線膨張係数が１〜１０×１０^−７／℃で、最大粒径が５μｍ以下、好ましくは１μｍ以下の結晶化可能なガラス粒子のスラリーを充填し、焼成して溶融させると同時にガラスを結晶化させて気孔内に固着させることにより、その見掛気孔率を５％以下にすることができる。

結晶化ガラスの熱間線膨張係数を１〜１０×１０^−７／℃とするのは、使用時の加熱・冷却時に膨張係数差による亀裂の発生を防止するためである。この結晶化ガラスの熱間膨張係数は、再結晶炭化珪素の室温から１０００℃の間の線膨張係数４５×１０^−７／℃程度に比較して小さく、従って再結晶炭化珪素からなる部材は加熱・冷却を受けても応力を発生することが無いため、耐スポーリング性が損なわれることが無い。

また、上記ガラス粒子の最大粒径を５μｍ以下とするのは、１０〜１００μｍ程度の再結晶炭化珪素の気孔内に充填しやすくするためである。尚、使用する結晶化ガラスは、上記熱間線膨張係数を有するものであれば従来公知のものでよく、例えば、ＳｉＯ_２：５０〜６０重量％、ＺｎＯ：１０〜２０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１５〜２０重量％、ＭｇＯ＋ＢａＯ＋ＣａＯ：６重量％以下の組成を有するものを好適に用いることができる。

粒径が０.５〜１０μｍで、水中へ分散性を良くする表面処理をした炭化珪素粉末（ＮＯＲＴＯＮ社製、ＳｉＣ微粉Ｗ−７）８５ｋｇと、水道水１５ｋｇとを配合し、一軸撹拌機で１２時間処理した後、減圧により脱気して、鋳込用の炭化珪素粉末スラリーとした。

この炭化珪素粉末スラリーを用いた石膏鋳込みにより、図１に示す熱交換室用の部材の成形体として、外径４０ｍｍ、内径３４ｍｍ、長さ４１０ｍｍのパイプ部材１、縦３７０ｍｍ×横３７０ｍｍ×厚さ１２ｍｍの周壁部材２、及び縦３７６ｍｍ×横３７６ｍｍ×厚さ１２ｍｍの周壁部材３の各成形体を作製した。これらの成形体を乾燥した後、２枚の周壁部材２にはパイプ部材１の挿入が可能な孔２ａを複数設けた。

その後、図１に示すように、この２枚の周壁部材２と２枚の周壁部材３を同じ部材同士が互いに対向するように組み合わせ、周壁部材２と周壁部材３の接合個所を上記鋳込用の炭化珪素粉末スラリーで接着して、２面を欠く直方体を形成した。更に、この直方体の対向する２枚の周壁部材２に設けた複数の孔２ａにそれぞれパイプ部材１を挿入してセットし、周壁部材２とパイプ部材１の間隙に上記鋳込用の炭化珪素スラリーを充填して接着した。

得られたパイプ部材１と周壁部材２と周壁部材３からなる熱交換室成形体を、更に乾燥した後、電気炉に入れて真空中で４００℃まで加熱して、有機物を分解除去した。次いで、アルゴン雰囲気中にて２０００〜２４００℃で２時間焼成することにより、炭化珪素を再結晶化させると同時に、パイプ部材１、周壁部材２、周壁部材３を接合して一体化させ、図１に示す構造の熱交換器を作製した。

このように各成形体の焼結と接合を１回の焼成で同時に行なうことにより、複雑な形状の熱交換器を安価に製造することができた。尚、乾燥後の成形体強度が低い場合、あるいは形状が複雑で乾燥後の成形体の接着が困難な場合などには、上記の各成形体を予め２０００〜２４００℃で焼成して再結晶化させた後、得られた再結晶炭化珪素からなるパイプ部材１と周壁部材２と周壁部材３を上記と同様に組み合わせて炭化珪素スラリーで接着し、乾燥、焼成して一体化することも可能である。

上記実施例において、成形から乾燥までの線収縮率は約０.２％、乾燥から焼成までの線収縮率は約０.０５％であって、線収縮率が極めて小さいため、乾燥及び焼成での歪による亀裂は認められなかった。また、得られた再結晶炭化珪素の見掛気孔率は１５％であった。尚、上記水分散性改善の表面処理をした炭化珪素粉末に代えて、その表面処理をしていない通常の炭化珪素粉末を使用すれば、得られる再結晶炭化珪素の見掛気孔率が高くなり、最大で２５％程度までの気孔率とすることが可能である。

次に、上記により得られた熱交換器について、その構成部材である再結晶炭化珪素の見掛気孔率（１５％）を小さくする処理を行なった。まず、ＳｉＯ_２：５０〜６０重量％、ＺｎＯ：１０〜２０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１５〜２０重量％、ＭｇＯ＋ＢａＯ＋ＣａＯ：６重量％以下の組成に調整したガラス材料を、粉砕混合した後、１６００℃で溶融して室温まで急冷した。得られたガラスを最大粒径が５μｍ以下となるように粉砕し、水と混合してスラリーとした。

このガラス粒子のスラリーを、上記熱交換器を構成する各部材表面に、浸漬、スプレー、刷毛塗りなどの方法で含浸させ、乾燥した後、１２００℃で１時間熱処理した。この熱処理によりガラス粉末は軟化して一体化し、再結晶炭化珪素の気孔内に固着して気孔を塞ぐため、再結晶炭化珪素の見掛気孔率を０.５％とすることができた。また、焼成によりガラスは最終的に結晶化し、その熱間線膨張係数は１〜１０×１０^−７／℃の範囲となる。

本発明による熱交換器の一具体例を示す概略の斜視図である。

符号の説明

１ パイプ部材
２ 周壁部材
２ａ 孔
３ 周壁部材

Claims (4)

1. 熱交換室内に配置されたパイプ部材と該熱交換室の周壁部材とが共に再結晶炭化珪素からなり、且つ該パイプ部材及び周壁部材の互いの接合個所が再結晶炭化珪素で結合されていることを特徴とする再結晶炭化珪素製熱交換器。
2. 前記パイプ部材と周壁部材を構成する再結晶炭化珪素の気孔内に、熱間線膨張係数１〜１０×１０^−７／℃の結晶化ガラスが充填固着されていて、該パイプ部材及び周壁部材の見掛気孔率が５％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の再結晶炭化珪素製熱交換器。
3. パイプ部材と周壁部材で熱交換室を構成する熱交換器の製造方法であって、炭化珪素粉末のスラリーでパイプ部材と周壁部材の成形体を作製し、これらの成形体をそのまま組み立てるか又は成形体を焼成して炭化珪素を再結晶化させてから組み立てると共に、互いの接合個所を前記炭化珪素粉末のスラリーで接着した後、炭化珪素の再結晶化温度以上で焼成することを特徴とする再結晶質炭化珪素製熱交換器の製造方法。
4. 前記パイプ部材と周壁部材を構成する再結晶炭化珪素の気孔内に、最大粒径が５μｍ以下で、結晶化後の熱間線膨張係数が１〜１０×１０^−７／℃であるガラス粒子のスラリーを充填し、焼成して該ガラスを結晶化させることにより、該パイプ部材と周壁部材の見掛気孔率を５％以下とすることを特徴とする、請求項３に記載の再結晶炭化珪素製熱交換器の製造方法。
   
   
   

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