JP6560536B2 - 熱交換体及び熱交換体の製造方法 - Google Patents
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Description
上記のような構成により、排気と空気とは隣り合うセル内を、セルの軸方向に沿って反対方向に流通するため、隔壁を介した接触時間が長く、高い効率で熱交換することができる。また、隣接するセル間には、切除される端部を除いて隔壁が存在するため、機械的強度が高いという利点がある。
「接合層」は、接着性を有する接合剤の固化により形成される。接合剤は、セラミックス焼結体を構成させるセラミックス材料と近似した組成の材料であれば熱膨張率が近く、熱応力の発生やこれに起因する亀裂などが生じ難く望ましい。
「第一スリット」及び「第二スリット」は、セグメントにおいて軸方向に直交する方向に貫通している。そして、第一スリット同士、及び第二スリット同士を連通させて複数のセグメントが接合されてハニカムユニットが形成されていることにより、第一スリットも第二スリットも、ハニカムユニットにおける一対の側面にそれぞれ開口する。そして、ハニカムユニットにおける一対の側面に開口する第一スリットの開口のうち、一方のみが第一封止部で封止されており、ハニカムユニットにおける一対の側面に開口する第二スリットの開口のうち、一方のみが第二封止部で封止されている。ここで、ハニカムユニットにおいて、封止されることなく第一スリットが開口している側面と、封止されることなく第二スリットが開口している側面とは、異なっていても同一であってもよい。第一スリットが開口する側面と第二スリットが開口する側面が異なっている場合は、熱交換後に第一スリット及び第二スリットのそれぞれから排出される温度差のある流体の排出方向が異なるため、その温度差を維持し易い利点がある。一方、第一スリットが開口する側面と第二スリットが開口する側面が同一の場合は、第一スリット及び第二スリットそれぞれの開口に連通させるパイプなどを配設した熱交換器の全体を、コンパクトにすることができる利点がある。
この熱交換体において、上記構成に加え、前記セラミックス焼結体は、炭化珪素質セラミックス焼結体であり、前記隔壁の表面に形成された珪酸系ガラスの酸化防止層を更に具備するとよい。
ところが、炭化珪素は酸素の存在する雰囲気下で高温に加熱されると、酸化してしまうという問題がある。これに対し本構成の熱交換体では、炭化珪素質セラミックス焼結体である隔壁の表面に、珪酸系ガラスの酸化防止層が形成されている。この珪酸系ガラスの層によって、炭化珪素質セラミックスの隔壁と酸素との接触が妨げられるため、炭化珪素質セラミックスの酸化が有効に抑制される。なお、酸化防止層は、隔壁の表面に加えて、ハニカムユニットの側面の表面にも形成させることができる。
加えて、珪酸系ガラスは高温下で軟化して延び、塑性変形する。そのため、脆性材料である炭化珪素質セラミックス焼結体に、仮に亀裂が発生した場合であっても、軟化した珪酸系ガラスがそれを埋めるため、亀裂が伸展して破壊に至ることが抑制される。従って、本発明の熱交換体は、耐熱衝撃性の高い炭化珪素質セラミックスで構成されていることに加え、更に珪酸系ガラスの層を備えていることにより、より耐熱衝撃性に優れており、高温下での機械的強度が高い。
「焼成工程」における「非酸化性雰囲気」は、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、これらの混合ガス雰囲気、或いは、真空雰囲気とすることができる。
本構成の製造方法により、上記構成に加え、「前記セラミックス焼結体は、炭化珪素質セラミックス焼結体であり、前記隔壁の表面に形成された珪酸系ガラスの酸化防止層を更に具備する」構成の熱交換体を製造することができる。
更に、熱交換体1では、セラミックス焼結体は炭化珪素質セラミックス焼結体であり、熱交換体1は、隔壁17の表面に形成された珪酸系ガラスの酸化防止層(図示しない)を更に具備している。
焼成工程では、加熱炉を非酸化性雰囲気として、1800℃〜2300℃の所定温度で一定時間保持する。焼成温度が1800℃より低い場合は反応焼結が不十分となるおそれがあり、2350℃を超えると炭化珪素が昇華するおそれがある。焼成温度は2000℃〜2200℃とすれば、比較的短時間で十分な強度の焼結体を得ることができるため、より望ましい。焼結時間は成形体のサイズにもよるが、例えば、30分から3時間とすることができる。
「スリット形成工程」では、セグメント10の第一端面11から第二端面12側に向かって切り込むように、セル19の一列おきに隔壁17を切除し、第一側面13から第二側面14まで貫通する第一スリット21を形成する。また、セグメント10の第二端面12から第一端面11側に向かって切り込むように、セル19の一列おきに隔壁17を切除し、第一側面13から第二側面14まで貫通する第二スリット22を形成する。このとき、第一スリット21が形成されるセル19の列と、第二スリット22が形成されるセル19の列とは、異なる列すなわち隣り合う列とする。
被覆工程は、酸化防止剤をハニカムユニット50に含浸させる工程とすることができ、この場合はまず、密閉できる容器内にハニカムユニット50を収容し、容器内の空気を真空ポンプ等で吸引する。次に、開閉弁付きのパイプやホースを介して、密閉容器内に酸化防止剤を導入する。酸化防止剤としては、二酸化珪素の粉末に上記の副成分を添加し、水を加えて適度な粘度とした懸濁液を使用する。これにより、ハニカムユニット50の外表面及び隔壁17の表面が酸化防止剤によって被覆される。また、隔壁17が多孔質であっても、開気孔の内部まで酸化防止剤が浸入する。
そして、第一スリット21が形成されたセル19と第二スリット22が形成されたセル19とは、異なる列のセル19である。そのため、何れの列も、スリットの形成のために隔壁17が切除されているのは、第一端面11側及び第二端面12側のうち一方のみであり、他方では端面に至るまで隔壁17が存在する。これにより、第一スリット21及び第二スリット22を形成することによってセグメント10の機械的強度、ひいてはハニカムユニット50の機械的強度が低下するおそれが低減され、機械的強度が高い熱交換体1とすることができる。
次に、本発明の第二実施形態の熱交換体2について、図6を用いて説明する。第一実施形態の熱交換体1との相違は、第一実施形態では第一スリット21と第二スリット22がハニカムユニット50における異なる側面に開口していたところ(第一スリット21が最外周のセグメント10の第一側面13に開口し、第二スリット22が最外周に位置するセグメント10の第二側面14に開口)、第二実施形態では第一スリット21と第二スリット22がハニカムユニット50における同一の側面に開口しており、その側面が最外周に位置するセグメント10の第一側面13である点である。
例えば、上記の実施形態では、合計6個のセグメント10が、第一スリット21及び第二スリット22の延びる方向に2列、これと直交する方向に3列接合された態様を図示により例示したが、一つのハニカムユニット50を構成するセグメント10の数は、これに限定されるものではない。
また、上記の製造方法では、接合剤の熱処理と封止剤の熱処理とを個別に行う場合を例示したが、一度の加熱処理で、接合剤の熱処理と封止剤の熱処理とを同時に行う構成とすることもできる。
10 セグメント
11 第一端面
12 第二端面
19 セル
17 隔壁
21 第一スリット
22 第二スリット
31 第一封止部
32 第二封止部
40 接合層
50 ハニカムユニット
Claims (4)
- 単一の軸方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有し四角柱状に形成されたセラミックス焼結体のセグメントが、
前記セルが開口する一対の端面のうち一方の第一端面側で、前記セルの一列おきに、同一の列に属する前記セルを区画する複数の前記隔壁のそれぞれが奥行き方向にわたって前記第一端面から同一の長さ除かれて形成された、それぞれが前記軸方向に直交する方向に貫通していると共に奥行き方向にわたって前記軸方向の長さが一定である複数の第一スリットと、
前記一対の端面のうち他方の第二端面側で、前記第一スリットが形成された前記セルとは異なる列に属する前記セルを区画する複数の前記隔壁のそれぞれが奥行き方向にわたって前記第二端面から同一の長さ除かれて形成された、それぞれが前記軸方向に直交する方向に貫通していると共に奥行き方向にわたって前記軸方向の長さが一定である複数の第二スリットとを具備しており、
複数の前記セグメントが、前記第一スリット同士、及び前記第二スリット同士を連通させて、接合層を介して前記セグメントの側面で接合されてハニカムユニットを形成しており、
該ハニカムユニットは、
それぞれの前記第一スリットの前記第一端面側の開口を封止していると共に、前記ハニカムユニットの側面に開口する前記第一スリットの一対の開口のうち一方の開口のみを封止している第一封止部と、
それぞれの前記第二スリットの前記第二端面側の開口を封止していると共に、前記ハニカムユニットの側面に開口する前記第二スリットの一対の開口のうち一方の開口のみを封止している第二封止部とを具備することを特徴とする熱交換体。 - 前記セラミックス焼結体は、炭化珪素質セラミックス焼結体であり、
前記隔壁の表面に形成された珪酸系ガラスの酸化防止層を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の熱交換体。 - セラミックス原料で、単一の軸方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造の成形体を四角柱状に成形する成形工程と、
前記成形体を焼成し、セラミックス焼結体のセグメントを得る焼成工程と、
前記セグメントにおいて前記セルが開口する一対の端面のうち一方の第一端面側で、前記セルの一列おきに、同一の列に属する前記セルを区画する複数の前記隔壁のそれぞれを奥行き方向にわたって前記第一端面から同一の長さ切除し、それぞれが前記軸方向に直交する方向に貫通し奥行き方向にわたって前記軸方向の長さが一定である複数の第一スリットを形成すると共に、前記一対の端面のうち他方の第二端面側で、前記第一スリットが形成された前記セルとは異なる列に属する前記セルを区画する複数の前記隔壁のそれぞれを奥行き方向にわたって前記第二端面から同一の長さ切除し、それぞれが前記軸方向に直交する方向に貫通し奥行き方向にわたって前記軸方向の長さが一定である複数の第二スリットを形成するスリット形成工程と、
該スリット形成工程を経た前記セグメントの複数を、前記第一スリット同士、及び前記第二スリット同士が連通するように、接合剤を用いて前記セグメントの側面で接合してハニカムユニットを形成する接合工程と、
該ハニカムユニットにおいて、それぞれの前記第一スリットの前記第一端面側の開口、及び、前記ハニカムユニットの側面に開口する前記第一スリットの一対の開口のうち一方の開口のみを封止すると共に、それぞれの前記第二スリットの前記第二端面側の開口、及び、前記ハニカムユニットの側面に開口する前記第二スリットの一対の開口のうち一方の開口のみを封止する封止工程とを具備することを特徴とする熱交換体の製造方法。 - 前記セラミックス原料は、焼成により炭化珪素質セラミックス焼結体となるものであり、前記焼成工程は非酸化性雰囲気下で行われると共に、
前記封止工程の前または後に行われ、二酸化珪素を含有する酸化防止剤を前記隔壁の表面に被覆し、前記隔壁の表面に前記酸化防止剤が被覆された前記ハニカムユニットを加熱し、前記酸化防止剤を珪酸系ガラスの酸化防止層として前記隔壁の表面に固着させる酸化防止層形成工程を、更に具備することを特徴とする請求項3に記載の熱交換体の製造方法。
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