JP2017190876A

JP2017190876A - 熱交換器用セラミックス部材

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Publication number: JP2017190876A
Application number: JP2016078580A
Authority: JP
Inventors: 高橋　宏和; Hirokazu Takahashi; 宏和高橋; 正実天野; Masami Amano; 正博安藤; Masahiro Ando; 裕緑川; Yutaka Midorikawa
Original assignee: Coorstek KK
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2016-04-11
Publication date: 2017-10-19

Abstract

【課題】圧力損失の増加を抑制させつつ、熱交換効率に優れた熱交換器用セラミックス部材を提供する。【解決手段】本発明にかかる熱交換器用セラミックス部材１にあっては、流体が流通する第１流路２と、前記第１流路２と平面視上交差または平行に形成され、かつ側面視上離間した、流体が流通する第２流路３と、を備え、前記第１流路２若しくは第２流路３の少なくとも一の流路の断面が矩形形状または楕円形状に形成されている。この熱交換器用セラミックス部材では、第１流路と第２流路のうち少なくとも一の流路の断面が矩形形状または楕円形状に形成されているため、圧力損失の増加を抑制させつつ、流路数及び熱交換面積を増加させることができ、優れた熱交換効率を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換用セラミックス部材に関する。

従来から、特許文献１，２に示すように、熱交換器用部材として立方体状体や円柱状等のブロック体状のセラミックス部材が知られている。
このブロック体状のセラミックス部材１０は、例えば、図６に示すように、側面１Ｃから対向面（側面）１Ｅに向けて延設された第１の流路４と、前記側面１Ｃと異なる側面１Ｄから対向面（側面）１Ｆに向けて、前記第１の流路４の間を通るように延設された第２の流路５とを備えている。
また、前記第１の流路４、前記第２の流路５はドリル等の穿孔手段によって形成される。そのため、前記第１の流路４、前記第２の流路５の断面形状は円形状に形成されている。
そして、このように構成された前記第１の流路４に媒体を流通させると共に、第２の流路５に冷媒または熱媒体を流通させることより、前記セラミックス部材１０を介して熱交換が行われる。

特開昭５３−１３８５６７号公報特開２００５−２８９７９９号公報

ところで、前記したように、第１流路、前記第２流路の断面形状は、等方的な円形状であるため、前記第１流路、前記第２流路をセラミックス部材の一面内に密に配置することができず、熱交換効率の更なる向上を図ることができないという技術的課題があった。
この課題を解決するために、第１流路、前記第２流路の直径（内径）を小さくすること（微細な流路にすること）により、流路数を増やし、熱交換効率の向上を図ることが考えられる。しかしながら、第１流路、前記第２流路の直径（内径）を小さくすることは、圧力損失が増大するという新たな技術的課題を招来するものである。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、圧力損失の増加を抑制させつつ、熱交換効率に優れた熱交換器用セラミックス部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明にかかる熱交換器用セラミックス部材は、流体が流通する第１流路と、前記第１流路と平面視上交差または平行に形成され、かつ側面視上離間した、流体が流通する第２流路と、を備え、前記第１流路と第２流路のうち少なくとも一の流路の断面が矩形形状または楕円形状であることを特徴としている。

このように、本発明にかかる熱交換器用セラミックス部材では、第１流路と第２流路のうち少なくとも一の流路の断面が矩形形状または楕円形状に形成されているため、圧力損失の増加を抑制させつつ、流路数及び熱交換面積を増加させることができ、優れた熱交換効率を得ることができる。
尚、矩形形状は一般にすべての角が直角の四辺形を意味するが、ここでは角部が直角の形状ものに限定されない。また、角部は面取り加工、アール（曲面）加工あるいはフルアール加工を施していても良い。

ここで、前記第２流路と前記第１流路とが、互いに平面視上直交し、かつ側面視上離間していることが望ましい。
また、前記一の流路の断面における矩形形状または楕円形状の短径が、３．２ｍｍ以上であって、前記一の流路の断面における矩形形状または楕円形状の短径に対する前記長径の比が１．２以上１０以下であることが望ましい。

本発明によれば、圧力損失の増加を抑制させつつ、熱交換効率に優れた熱交換器用セラミックス部材を得ることができる。

図１は、本発明の熱交換器用セラミックス部材にかかる一実施形態を示す図であって、（ａ）はセラミックス部材の斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ｒ１の拡大図、（ｃ）は（ａ）に示す領域Ｒ２の拡大図である。図２は、図１（ａ）に示す領域Ｒ３の拡大図（平面図）である。図３は、図１に示すセラミックス部材の流路配置の変形例を示す平面図である。図４は、図１に示すセラミックス部材の流路断面の変形例を示す図である。図５は、セラミックス部材の流路断面の長径と短径の関係を示す図である。図６は、従来の熱交換器用セラミックス部材を示す図であって、（ａ）はセラミックス部材の斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ｒ１の拡大図、（ｃ）は（ａ）に示す領域Ｒ２の拡大図である。

以下、本発明にかかる熱交換器用セラミックス部材の一実施形態を、図１乃至図６に基づいて説明する。
図１に示すように、本願にかかる熱交換器用セラミックス部材（以下、セラミックス部材という）１は、セラミックス材料で形成された直方体形状のブロック体である。このセラミックス部材１の形状は、前記直方体形状に限定されるものではなく、円柱形状、立方体形状であっても良い。また、セラミックス部材１の材質としては、例えば炭化ケイ素、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、マグネシア、グラファイトを用いるのが好ましい。さらに、セラミックス部材１の材質は、炭化ケイ素、アルミナであることがさらに好ましい。特に、熱伝導率が高く耐薬品性に優れた炭化ケイ素が好ましく、中でも常圧焼結炭化ケイ素がより好ましい。

前記したように、セラミックス部材１は直方体形状のブロック体であり、上面１Ａと、前記上面１Ａの対向面である底面１Ｂと、前記上面１Ａと前記底面１Ｂの間に垂直に設置された４つの側面１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆにより構成されている。
尚、前記側面１Ｃと前記側面１Ｅは相対向する面であり、前記側面１Ｄと前記側面１Ｆは相対向する面である。

前記セラミックス部材１は、図１及び図２に示すように、媒体である流体が流通する第１流路２が形成されている。
この第１流路２は複数の流路からなり、セラミックス部材１の側面１Ｃからその対向面（側面）１Ｅに直線状に延設され、夫々の側面１Ｃ，１Ｅにおいて開口部２ａが形成されている。

また、前記セラミックス部材１は、図１及び図２に示すように、媒体である流体が流通する第２流路３が形成されている。
この第２流路３は複数の流路からなり、セラミックス部材１の側面１Ｄからその対向面１Ｆに直線状に延設され、夫々の側面１Ｄ、１Ｆにおいて開口部３ａが形成されている。

前記第１流路２と前記第２流路３は、図２に示すように平面視上直交して形成されている。また、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、前記第１流路２と前記第２流路３は、側面視上離間している。即ち、前記第１流路２と第２流路３は互いに交わることなく配置されている。
尚、図３（ａ）に示しように、前記第１流路２と第２流路３とが、平面視上交差するように配置しても良い。また図３（ｂ）に示すように、前記第１流路２と第２流路３とが、平面視上平行に配置しても良く、この場合、前記第１流路２の開口部２ａが形成された面と同一の面に、第２流路３の開口部３ａが形成される。

更に、第１流路２の断面形状について図１、図４、図５に基づいて説明する。
この第１流路２の断面は、第２流路３の円形の断面形状とは異なり、図１に示すように矩形形状に形成されている。尚、第１流路２の断面は、矩形形状に限定されるものではなく、図４（ａ）に示すように、楕円形状であっても良い。
このように、第１流路２の断面の形状が、矩形形状または楕円形状になすことにより、第１流路２を密に配置することができ、流路数及び熱交換面積（流路表面積）を増加させることができる。

前記矩形形状は，一般にすべての角が直角の四辺形を意味するが、ここでは角部が直角の形状ものに限定されず、図４（ｃ）に示すように、前記矩形形状の流路の角部をアール形状の角部２ｂ、図４（ｄ）に示すように面取り部２ｃ、あるいは図４（ｂ）に示すようにフルアール（半円状のアール）２ｄとしたものであっても良い。

更に図５（ａ）に示すように、前記第１流路２の断面は、前記第１流路２の断面形状の短径ａが３．２ｍｍ以上に、かつ前記第１流路２の断面形状の短径ａに対する前記長径ｂの比が１．２以上、１０以下になるように形成されている。
前記第１流路２の断面形状の短径ａが３．２ｍｍ未満の場合には、圧力損失が大きくなるため好ましくない。なお、短径ａの上限は特に限定されないが、流路を高密度で配置することができるため、３０ｍｍ以下が好ましい。

また、前記第１流路２の断面形状の短径ａに対する前記長径ｂの比が１．２未満の場合には第２流路を高密度に配置できなくなるため圧力損失が大きく、また前記第１流路２の断面形状の短径ａに対する前記長径ｂの比が１０を超える場合には、第１流路を高密度に配置することができないため、好ましくない。
したがって、前記第１流路２の断面形状の短径ａが３．２ｍｍ以上に、かつ前記第１流路２の断面形状の短径ａに対する前記長径ｂの比が１．２以上１０以下である場合には、圧力損失が少なく、従来のセラミックス部材よりも高密度に流路を配置することができ、熱交換効率の向上を図ることができる。
尚、長径、短径とは、矩形形状の場合には幅、高さをいう。また図５（ｂ）に示すように、角部をアール形状角部２ｂ、面取り部２ｃとした場合、図５（ｃ）に示すようにフルアール（半円状のアール）２ｄとした場合には、長径を示す辺と短径を示す辺を延長した交点から交点までの距離をもって、長径、短径の長さとする。
隣り合う断面形状の距離（ピッチ）は、１．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。この範囲であることにより、流路を高密度で配置することができるため好ましい。

上記実施形態にあっては、前記第１流路の断面形状が矩形形状等に形成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記第２流路の断面形状を矩形形状等に形成しても良く、また前記第１、第２流路の断面形状を矩形形状等に形成しても良い。

また、本願に係る熱交換器用セラミックス部材は、公知の手法によって製造することができる。好ましくは鋳込み成形により矩形形状の流路を形成する。例えば、流路断面形状を有する棒状部材を所定の位置に配置した型内に、セラミックス部材の泥漿を流し込み、固化後に前記棒状部材を取り除くことにより成形し、乾燥後、必要であれば成形体加工をおこない、焼成することにより得ることができる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明をするが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。

（実施例１）
１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍの立方体からなるセラミックス部材１を用いて行った。
セラミックス部材の側面１Ｃから対向する側面１Ｅ方向へ延びる第１流路を形成した。この第１流路は、矩形形状の断面形状を有し、短径ａは断面の底面から垂直方向に４ｍｍとし、長径ｂは断面の底面から水平方向に１３ｍｍとした。第１流路の間隔は水平方向に１．８ｍｍ、垂直方向に１０．１ｍｍとし、合計２５本の第１流路を設けた。

つぎに、側面１Ｄから対向する側面１Ｆ方向へ延びる第２流路を形成した。
この第２流路は、円形形状の断面形状を有し、内径は６．５ｍｍとした。
第２流路の間隔は水平方向に１．８ｍｍ、垂直方向に７．６ｍｍとし、合計５４本の第２流路を設けた。

そして、側面１Ｃ側から、９５℃の温水を０．５ｔｏｎ／ｈで第１流路に導入した。一方、側面１Ｄ側から、２０℃の冷水を０．５ｔｏｎ／ｈで第２流路に導入した。

（実施例２）
１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍの立方体からなるセラミックス部材１を用いて行った。
セラミックス部材の側面１Ｃから対向する側面１Ｅ方向へ延びる第１流路を形成した。この第１流路は、楕円形状の断面形状を有し、短径ａは断面の底面から垂直方向に４ｍｍとし、長径ｂは断面の底面から水平方向に１３ｍｍとした。第１流路の間隔は水平方向に１．８ｍｍ、垂直方向に１０．１ｍｍとし、合計２５本の第１流路を設けた。

比較例

比較例として用いたセラミックス部材を図７に示す。第１流路の断面形状及びその設置間隔以外は、実施例と同様である。

比較例の側面１Ｃから対向する側面１Ｅ方向へ延びる、内径φ６．５ｍｍの円形形状の断面形状を有する第１流路を形成した。また、第１流路の間隔は水平方向に１．８ｍｍ、垂直方向に１０．１ｍｍとし、合計４５本の第１流路を設けた。
つぎに、側面１Ｄから対向する側面１Ｆ方向へ延びる第２流路を形成した。
この第２流路の断面形状は円形形状であり、内径は６．５ｍｍとした。第２流路の間隔は水平方向に１．８ｍｍ、垂直方向に１０．１ｍｍとし、合計３６本の第２流路を設けた。

そして、実施例と同様に側面１Ｃから、９５℃の温水を０．５ｔｏｎ／ｈで第１流路に導入した。また、側面１Ｄから、２０℃の冷水を０．５ｔｏｎ／ｈで第２流路に導入した。

実施例及び比較例の結果を表１、表２に示す。
表１、表２中の導入温度とは、側面１Ｃ、側面１Ｄにおける流路開口部における温度であり、流出温度とは側面１Ｅ、側面１Ｆにおける流路開口部における温度である。温度差は前記導入温度と流出温度の差を示したものである。また、圧力損失とは、第１、第２流路内の圧力損失を示す。

表１、表２に示す結果より、実施例１の熱交換の結果は２２．５℃の温度差を生じた。一方、比較例の温度差は約２０℃であった。このことから、実施例１では、約１３％の熱交換効率の向上が確認された。

また、実施例１の第１流路の圧力損失は０．９９Ｐａであり、比較例の第１流路の圧力損失は０．７４Ｐａであり、大きな差異は認められなかった。
一方、実施例１の第２流路の圧力損失は１．１６Ｐａであり、比較例の第１流路の圧力損失は１．８５Ｐａであり、第１流路を発明のような矩形形状にしたことにより第２流路の本数を増やすことができたため圧力損失を小さくすることができた。

１熱交換器用セラミックス部材
１Ａ上面
１Ｂ底面
１Ｃ側面
１Ｄ側面
１Ｅ側面
１Ｆ側面
２第１流路
３第２流路

Claims

流体が流通する第１流路と、
前記第１流路と平面視上交差または平行に形成され、かつ側面視上離間した、流体が流通する第２流路と、
を備え、
前記第１流路と第２流路のうち少なくとも一の流路の断面が矩形形状または楕円形状であることを特徴とする熱交換器用セラミックス部材。
前記第２流路と前記第１流路とが、互いに平面視上直交し、かつ側面視上離間していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器用セラミックス部材。
前記一の流路の断面における矩形形状または楕円形状の短径が、３．２ｍｍ以上であって、
前記一の流路の断面における矩形形状または楕円形状の短径に対する前記長径の比が、１．２以上１０以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換用セラミックス部材。