JPH0268495A - 熱交換器並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、給湯装置、ラジェーター等に適した高熱伝導
性セラミックスを主体とする熱交換器並びにその製造方
法に関する。

（従来の技術） 給湯装置等に用いられる熱交換器としては、複数の平行
な熱交換媒体流通パイプと、多数のフィンとを組み合わ
せ構成したものが挙げられる。従来から用いられている
この種熱交換器は、全金属製のものが主流を占めており
、これは一般に銅製のフィンとパイプとを組み合わせ構
成されている。

亦、最近では、特開昭６２−７００３５及び特開昭６２
−７００４２号公報において、耐熱、耐蝕性に優れたセ
ラミック材のみにより構成されたものも提案されている
。このセラミックス製の熱交換器は、第４図に示すよう
に予めパイプ挿入孔ｆ・・を穿設したハニカム体（フィ
ンの集合体）ｈにパイプｐ・・・をねじ込んだ後、パイ
プｐ・・とハニカム体りとをガラス質の接合材によって
固定し、或いは、第５図に示すように分割したハニカム
構造体ｈ１・・・に予めガラスペーストを塗布し、パイ
プＰ・・・をはさみ込むようにして両者を固定一体とし
て得られる。

（発明が解決しようとする課題） 上記のうち、全金属製の熱交換器は、耐熱性に乏しいこ
とから高温下での使用が難しく、その為熱交換効率が悪
いばかりでなく、耐蝕性物質を含んだ排ガス、排液など
が接触すると腐蝕し易く、これが原因で寿命が短くなっ
たりする。

一方、セラミック製の熱交換器の場合、高温特性、耐蝕
性の面では優れているものの、熱伝導性が悪いと云う致
命的欠陥があり、特に比較的低温となる交換器の上側の
フィン効率は良くなく、更に、熱伝導率が劣る為に、１
０号型のように大型化したり、バーナーを近付けたりす
ると、内部に極端な温度分布を生じ、熱応力により割れ
てしまうと云う欠点があり、加えてコスト的な問題点も
抱えていた。亦、セラミックス製のハニカム体にパイプ
を挿入して構成する場合、パイプと各格子（フィン）と
の接合部全てについて熱伝導性を良好に保つことが難し
く、たとえハニカム体を分割体としても、ハニカム体で
あるが故に流通ガスの圧力損失が大きく、熱交換効率の
低下は免れなかった。

（発明の目的） 本発明は、上記に鑑みなされたもので、高温・腐蝕条件
下に晒される場合にも、長寿命且つ優れた熱交換効率を
奏する新規な熱交換器並びにその有効な製造方法を提供
せんとするものである。

（課題を解決する為の手段） 上記目的を達成する為の本発明の構成を添付の実施例図
に基づき説明する。第１図は本発明熱交換器の一例を示
す全体斜視図、第２図は同熱交換器を構成するパイプと
フィンの斜視図、第３図は同熱交換器を製造する為の治
具の斜視図である。

即ち、本発明の特定発明である熱交換器は、複数の上下
平行な熱交換媒体流通パイブト・・と、該パイブト・・
に直交状態で且つ該パイブト・・を間隔保持するよう互
いに平行に装着された多数の板状フィン２・・・、３・
・・とより成り、上記パイブト・・及びフィン２・・・
、３・・・の一部若しくは全部が炭化珪素若しくは窒化
アルミ等の高熱伝導性セラミックス製であり、他のパイ
ブト・及びフィン２・・・、３・・が銅製であることを
特徴とするものである。

亦、第２発明の熱交換器の製造方法は、複数の熱交換媒
体流通パイブト・・及び多数の板状フィン２・・、３・
・・の一部若しくは全部を炭化珪素若しくは窒化アルミ
等の高熱伝導性セラミックスで、他のパイブト・・及び
フィン２・・・、３・・・を銅により夫々形成し、周体
に予め活性金属層を被着形成した上記パイブト・・を上
下平行に配置させると共に該パイブト・に直交状態且つ
該パイブト・・を間隔保持するよう上記フィン２・・・
、３・・・を互いに平行に配置させ、これらを１０−３
〜１０−５ｔｏｒｒの減圧雰囲気下８００〜１０００℃
で加熱し、上記活性金属層の熱融着によりパイブト・・
とフィン２・・・、３・・・とを接合一体とするように
したことを要旨とするものである。

本発明には、パイブト・・及びフィン２・・・、３・・
・を全て上記高熱伝導性セラミックスで構成すること、
或いはこれらを混在させることも含まれるが、比較的低
温の熱交換器本体の上半部ではパイブト・及びフィン２
・・・、３・・・を銅製とし、一方高温に晒される下半
部ではパイブト・・及びフィン２・・・３・・・を上記
高熱伝導性セラミックスにより構成することが望まれる
。この高熱伝導性セラミックスは、上記の如く炭化珪素
若しくは窒化アルミ等が望ましく採用されるが、炭化珪
素の熱伝導率は６３ワット／ｍ−に以上であり、また窒
化アルミの熱伝導率は１２０ワット／ｍ−に以上である
。

パイブト・・とフィン２・・・、３・・・とを接合一体
とする活性金属層は、チタン、銅及び銀等のペースト或
いは箔を予め各パイブト・・の周体に塗着若しくは貼着
することにより被着形成される。この活性金属層は上記
雰囲気下で加熱することにより融解しパイブト・・とフ
ィン２・・・、３・とを接合一体とするが、真空度が１
Ｏ−３ｔｏｒｒを上回ると活性金属が酸化し易くなり、
一方１０−５ｔｏｒｒ未満となると融解した活性金属が
蒸散し易くなる。

また、加熱温度が８００℃未満の場合、活性金属の融解
が十分でなく、１０００℃を超えると活性金属が酸化及
び蒸散し易くなる。

（作用） 上記構成の熱交換器は前記給湯装置やラジェーター等に
組み込まれる。そして、パイブト・・内を熱交換媒体が
流通し、他方の熱交換媒体はフィン２・・、３・・・に
接触的に流通し１両媒体間で熱の交換がなされる。この
時、パイブト・及びフィン２・・、３・・が高熱伝導性
材料により成り、しかもフィン２・・、３・・板状で互
いに平行に配置されているから、熱交換媒体の圧力損失
が小さく、極めて効率的に熱交換がなされる。また、」
１記セラミックスで構成されている部位は高温下に晒さ
れても十分に耐用できる。更に、該セラミックスは高熱
伝導性を有しているから、熱交換器を大型化したり、バ
ーナーを近付けても、内部に温度分布を生じることが少
なく、熱応力により割れるような懸念がない。特に、熱
交換器本体の上半部を銅で、下半部を上記高熱伝導性セ
ラミックスで構成した場合、高温下での使用が可能とな
り、バーナー容量を大とすることが出来、全体をコンパ
クトなものとすることが出来る。また、比較的低温の上
半部は銅で構成されているからその優れた熱伝導性によ
り温度分布を小さくすることが出来、耐熱応力が大とな
る。

上記熱交換器の製造法を具体的に述べる。先ず、所定寸
法に調製されたパイブト・・の周体に上記活性金属層を
被着形成し、該パイブト・・と別途作成されたフィン２
・・、３・・・とを後記の実施例で示す如きカーボン製
組立治具４内に上記の位置関係になるよう配置し、これ
を上記雰囲気条件に保持された炉内で約３０分加熱処理
する。加熱処理後治具４を取外すと第１図に示す如く活
性金属層の融着により各パイブト・・及びフィン２・・
・、３・・・が接合一体とされた熱交換器が組立構成さ
れる。

斯くして得られた熱交換器に於けるパイブト・・とフィ
ン２・・・、３・・との接合部には活性金属の融着層が
介在されるから、接合強度が大でありしかもこの部分の
熱伝導性は良好である。

（実施例） 次に実施例について述べる。第２図（イ）（ロ）及び（
ハ）は、本発明熱交換器を構成するパイプ及びフィンの
形状を示すものである。パイプ１は、外径１６ｍｍ程度
の大きさであり、炭化珪素或いは窒化アルミ等のセラミ
ック原料に適量の焼結助剤、粘結材を加えて混練し、該
混線物を所定の金型より円筒状に押出し成型し、この成
型体を各セラミック体に適した温度雰囲気中で焼成して
得たもの、或いは市販の鋼管を所定寸法に切断したもの
である。亦、フィン２．３は、パイプ１の外周を抱持し
得る略半円形の切欠部２１．３１を有する板状体で、第
２図（ロ）（ハ）に示す如く２種例示されている。これ
らフィン２．３は、上記同様のセラミック原料を金型プ
レス成型して後焼成処理して得たもので、或いは市販の
銅板を打ち抜き加工して得たものである。

上記パイプ１の周体には前記の如く活性金属層が被着形
成され、上記フィン２．３と共に第３図に示すカーボン
製組立治具４内に配置され、真空加熱処理に供される。

即ち、該組立治具４はカーボン製の枠材により上面開放
の箱型に枠組されたものであり、その内底面及び両側内
面にはフィンを等間隔で立設する為の多数の平行な溝４
１・・・が等間隔で凹設されている。第２図（ロ）に示
すフィン２をその切欠部２１が上向きになるよう該溝４
１・・・に順次嵌合立設し、切欠部２１の一連的連なり
によって形成された凹部に上記パイプ１を横架させ、更
に第２図（ハ）に示す中間フィン３を側部の溝４１・・
・間に挿入させると共に下辺の切欠部３１によって既に
横架されているパイプ１の周体を抱持するよう定置させ
る。次いでこのフィン３の上辺に形成された切欠部３１
にょる凹所に別のパイブ１を横架させ、同要領で別のフ
ィン３を天地逆にして定置させると共に別のパイプ１を
その上に横架させた後、最後に最下部と同様のフィン２
を天地逆にして溝４１・・・間に挿入保持させる。この
状態では各パイプ］　・は上下に平行で且つ間隔保持さ
れ、またフィン２・、３・・はパイブト・・に直交状態
で且つ互いに平行状態で保持される。尚、パイプ１が途
中で撓んだりする場合は、中間に別に準備したスペーサ
ー（不図示）を介在させることは可能である。

このようにして調製された構造体をそのまま上記条件下
で加熱処理すると、パイブト・の周体に被着形成された
活性金属が融解し、パイブト・・とフィン２・・、３・
・・とが融着し、その硬化と共にこれらが強固に接合一
体とされ、爾後組立治具４を取外すと第１図に示す如き
熱交換器が得られる。

第１図の熱交換器は、上下平行に均等配置された５本の
パイブト・・を４種（実質的には２種）のフィン２・・
、３・・で上下よりはさみ込むよう固定−体としたもの
である。該熱交換器のパイブト・・及びフィン２・・・
、３・・・を全て窒化アルミセラミックスで構成し、第
４図に示すハニカム構造体による熱交換器と、同一諸元
と同一条件下で熱交換効率を測定したところ、前者の方
が約１０％程熱交換効率が良く、また熱交換媒体の通路
抵抗が小さいことにより媒体供給用ファンの回転数が大
幅に下がり、機器騒音の低下にもつながることが確認さ
れた。亦、一部銅製のパイプ及びフィンにした場合でも
同様の効果が確認された。更に上半部を銅製、下半部を
上記高熱伝導性セラミックス製とした場合は、熱分布が
小さくバーナーを近付けることが可能であることも確認
された。

（発明の効果） 叙上の如く、本発明の熱交換器は、高熱伝導性セラミッ
クスを主体とするパイプ及びフィンにより構成され、且
つ板状フィンがパイプに直交且つ互いに平行となるよう
装着されているから熱交換媒体の流通抵抗が小さく、高
温下でも十分耐用出来ると共に熱交換効率が極めて大で
ある。亦、熱分布が小さく、特に上半部を銅製で、下半
部を上記高熱伝導性セラミックスで構成した場合、高温
下に晒しても熱分布は小さく、バーナー容量を大とし或
いはバーナーを近付けることも可能となり、熱交換器の
コンパクト化に寄与すると共に、逆に大型化にも対応が
可能となる。

一方、本発明の製造方法に於いては、パイプに予め被着
形成された活性金属層の加熱融着によりパイプとフィン
とを接合一体としているから、両者が強固に一体とされ
、高精度で高性能な熱交換器を提供することが出来る。

このように本発明は給湯装置やラジェーターへの適正の
増大を約束させるものであり、その価値は極めて大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明熱交換器の一例を示す全体斜視図、第２
図は同熱交換器を構成するパイプとフィンの斜視図、第
３図は同熱交換器を製造する為の治具の斜視図、第４図
及び第５図は従来の熱交換器の斜視図である。 （符号の説明） １・・・パイプ、 ２．３・・・フィン、 ４・・・組立治 具・ 一以上一

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．複数の上下平行な熱交換媒体流通パイプと、該パイ
   プに直交状態で且つ該パイプを間隔保持するよう互いに
   平行に装着された多数の板状フィンとより成り、上記パ
   イプ及びフィンの一部若しくは全部が炭化珪素若しくは
   窒化アルミ等の高熱伝導性セラミックス製であり、他の
   パイプ及びフィンが銅製であることを特徴とする熱交換
   器。
2. ２．熱交換器本体の上半部が銅製のパイプ及びフィン、
   下半部が上記高熱伝導性セラミックス製のパイプ及びフ
   ィンより成る請求項１記載の熱交換器。
3. ３．複数の熱交換媒体流通パイプ及び多数の板状フィン
   の一部若しくは全部を炭化珪素若しくは窒化アルミ等の
   高熱伝導性セラミックスで、他のパイプ及びフィンを銅
   により夫々形成し、周体に予め活性金属層を被着形成し
   た上記パイプを上下平行に配置させると共に該パイプに
   直交状態且つ該パイプを間隔保持するよう上記フィンを
   互いに平行に配置させ、これらを１０＾−＾３〜１０＾
   −５ｔｏｒｒの減圧雰囲気下８００〜１０００℃で加熱
   し、上記活性金属層の熱融着によりパイプとフィンとを
   接合一体とするようにした熱交換器の製造方法。