JPH026998B2 - - Google Patents
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- JPH026998B2 JPH026998B2 JP57157762A JP15776282A JPH026998B2 JP H026998 B2 JPH026998 B2 JP H026998B2 JP 57157762 A JP57157762 A JP 57157762A JP 15776282 A JP15776282 A JP 15776282A JP H026998 B2 JPH026998 B2 JP H026998B2
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
- F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
Description
本発明は炭化珪素からなる熱交換器の改良に関
するものである。 通常熱交換器は高熱伝導性を有するものとして
銅、銅合金等が低温（２〜300℃）用として、又
高温（1000℃以下）用としてインコネル、ハステ
ロイ等の金属材料が使用されている。又特に1000
℃以上の高温としては金属では耐熱限界を超える
ことから、コージライト、炭化珪素等のセラミツ
ク材料が知られている。 セラミツク材料は一般に耐熱耐蝕性にすぐれて
いるが特に溶接が困難な点等加工性に難点があ
り、複雑な形状には適さない。 又、熱交換器は高度の信頼性が要求され、しか
も長寿命のものである必要があり、これらの点で
従来のセラミツク材料では満足すべきものは得ら
れていなかつた。例えば、コージライト質のもの
は耐熱、耐スポーリング性は満足できるにして
も、複合成分素地から作られるため均質性に乏し
く実用に耐えるものは得られていない。又、炭化
珪素質のものは熱伝導性は良好であるが、粘土等
で焼結したものであるため熱間荷重に弱く、特に
通気性に問題が残つていた。更に高温における耐
酸化性に難点があり、SiO2の形成と共に表面及
び内部との応力の差が次第に拡大し、ついには破
壊に至る等持てる特性を充分に発揮し得ない状態
であつた。 本発明は炭化珪素の持つ特性を充分生かすべく
その欠点を究明し、これを改善することによつて
従来に見られない熱交換器を開発したもので再結
晶炭化珪素成形体の気孔をシリコンによつて充填
し、しかもその不純物をFe500ppm以下、
Al1000ppm以下、Na100ppm以下の炭化珪素−
シリコンからなる高純度の材料としたものであ
る。 即ち、炭化珪素の酸化は炭化珪素自体が酸化さ
れその表面にSiO2の被膜が形成され、このSiO2
の被膜が剥離すると新たに露出した炭化珪素が酸
化を受けるというような過程で進行する。この場
合生成したSiO2被膜が剥離することなく存在す
れば炭化珪素の酸化は停止するが、このSiO2被
膜はFe2O3、Al2O3等の不純物が存在すると熱的
に不安定な組成に転化しSiO2被膜の剥離に連が
るということが明らかとなつた。 従つて本発明のものにおいては高純度の炭化珪
素を使用し、金属に換算してFe500ppm以下、
Al1000ppm以下、Na100ppm以下とすることに
より、かつ形成した炭化珪素成形体の気孔を高純
度のシリコンによつて充填することによつて炭化
珪素が本来持つている耐熱温度まで長時間の使用
に耐え、従来のセラミツクス材料では得られなか
つた熱交換器を提供するものである。 以下に本発明の実施例を説明する。 先ず常法により再結晶炭化珪素成形体を得て試
片とした。 即ち、炭化珪素紛及び炭素紛をフエノールレジ
ンを使用してパイプ状に成形し、これを炭化焼成
した後これを二分し、一方をHClガスによつて純
化処理し、他方をそのまゝでいずれにも超高純度
シリコンを含浸させた。 これらの密度はいずれも3.10±0.05ｇ／c.c.であ
り、室温における曲げ強度は500〜550MPaの範
囲内にあつて、相互の純度と曲げ強度の関係の相
関関係は明確ではなかつた。これらを1350℃に加
熱し、パイプ内部に空気及び２％のSO2ガスを含
む重油燃焼廃ガスを流して1000時間熱処理した。 その重量増加（減少）及び曲げ強度を測定した
結果を表１に示す。又純化処理したものの自然空
気対流下で1350℃に熱処理した場合の経時変化を
表２に示す。 表１において、実施例１及び参考例１〜３は空
気酸化させた場合、実施例２及び参考例４〜６は
２％SO2含有の重油燃焼廃ガスによつて処理した
場合を示している。
するものである。 通常熱交換器は高熱伝導性を有するものとして
銅、銅合金等が低温（２〜300℃）用として、又
高温（1000℃以下）用としてインコネル、ハステ
ロイ等の金属材料が使用されている。又特に1000
℃以上の高温としては金属では耐熱限界を超える
ことから、コージライト、炭化珪素等のセラミツ
ク材料が知られている。 セラミツク材料は一般に耐熱耐蝕性にすぐれて
いるが特に溶接が困難な点等加工性に難点があ
り、複雑な形状には適さない。 又、熱交換器は高度の信頼性が要求され、しか
も長寿命のものである必要があり、これらの点で
従来のセラミツク材料では満足すべきものは得ら
れていなかつた。例えば、コージライト質のもの
は耐熱、耐スポーリング性は満足できるにして
も、複合成分素地から作られるため均質性に乏し
く実用に耐えるものは得られていない。又、炭化
珪素質のものは熱伝導性は良好であるが、粘土等
で焼結したものであるため熱間荷重に弱く、特に
通気性に問題が残つていた。更に高温における耐
酸化性に難点があり、SiO2の形成と共に表面及
び内部との応力の差が次第に拡大し、ついには破
壊に至る等持てる特性を充分に発揮し得ない状態
であつた。 本発明は炭化珪素の持つ特性を充分生かすべく
その欠点を究明し、これを改善することによつて
従来に見られない熱交換器を開発したもので再結
晶炭化珪素成形体の気孔をシリコンによつて充填
し、しかもその不純物をFe500ppm以下、
Al1000ppm以下、Na100ppm以下の炭化珪素−
シリコンからなる高純度の材料としたものであ
る。 即ち、炭化珪素の酸化は炭化珪素自体が酸化さ
れその表面にSiO2の被膜が形成され、このSiO2
の被膜が剥離すると新たに露出した炭化珪素が酸
化を受けるというような過程で進行する。この場
合生成したSiO2被膜が剥離することなく存在す
れば炭化珪素の酸化は停止するが、このSiO2被
膜はFe2O3、Al2O3等の不純物が存在すると熱的
に不安定な組成に転化しSiO2被膜の剥離に連が
るということが明らかとなつた。 従つて本発明のものにおいては高純度の炭化珪
素を使用し、金属に換算してFe500ppm以下、
Al1000ppm以下、Na100ppm以下とすることに
より、かつ形成した炭化珪素成形体の気孔を高純
度のシリコンによつて充填することによつて炭化
珪素が本来持つている耐熱温度まで長時間の使用
に耐え、従来のセラミツクス材料では得られなか
つた熱交換器を提供するものである。 以下に本発明の実施例を説明する。 先ず常法により再結晶炭化珪素成形体を得て試
片とした。 即ち、炭化珪素紛及び炭素紛をフエノールレジ
ンを使用してパイプ状に成形し、これを炭化焼成
した後これを二分し、一方をHClガスによつて純
化処理し、他方をそのまゝでいずれにも超高純度
シリコンを含浸させた。 これらの密度はいずれも3.10±0.05ｇ／c.c.であ
り、室温における曲げ強度は500〜550MPaの範
囲内にあつて、相互の純度と曲げ強度の関係の相
関関係は明確ではなかつた。これらを1350℃に加
熱し、パイプ内部に空気及び２％のSO2ガスを含
む重油燃焼廃ガスを流して1000時間熱処理した。 その重量増加（減少）及び曲げ強度を測定した
結果を表１に示す。又純化処理したものの自然空
気対流下で1350℃に熱処理した場合の経時変化を
表２に示す。 表１において、実施例１及び参考例１〜３は空
気酸化させた場合、実施例２及び参考例４〜６は
２％SO2含有の重油燃焼廃ガスによつて処理した
場合を示している。
【表】
【表】
その結果、実施例１及び２のものは明らかに酸
化増量及び強度変化がほとんど認められず、又不
純物含有量の多いものは明らかに強度が低下して
いる。尚、実施例２及び参考例４〜６のものは酸
化増量がマイナスを示しているが、これは詳細な
理由は明らかではないが、おそらく生成した
SiO2質被膜がSO2ガスと何らかの反応を起し、こ
れが揮散することによつて減量したものと思われ
る。少なくともSiO2質被膜の形成され易いもの
程酸化減量が多くなつており、強度の低下は特に
著しい。 本発明においてシリコンを充填させる理由は再
結晶炭化珪素成形体は気孔率が高いためガス透過
性があり、このままでは隔壁を通じて高温流体と
低温流体の混合が起り熱交換器として適さない。
従つて、これをガス不透過性とするためにシリコ
ンを含浸するものである。その量は成形体の全て
の気孔に充填されるものが好ましいが、含浸後の
気孔率が３％以下の場合には実用上何等不都合は
ない。 この場合、再結晶炭化珪素成形体の気孔率によ
つてシリコン含有量は変化する。熱交換器として
機能するための強度に影響を与えない範囲で炭化
珪素成形体の気孔率を求めなければならないが、
その量は6.5〜35％が適当であり、従つて充填さ
れるシリコンの量も6.5〜35重量％となることに
なる。（この場合、炭化珪素とシリコンの比重の
差が小さいためその換算は無視した。） 実施例においては炭化珪素成形体は再結晶炭化
珪素としたが、一次成形体に直接シリコンを含浸
させたものでよい。更にシリコンを充填した高純
度炭化珪素成形体にCVD（化学蒸着）法によつて
炭化珪素を被覆させたものは、この被膜自体が緻
密であり、これ自身が耐酸化耐蝕性に富んだもの
であるため、より一層すぐれた機能を発揮させる
ことができる。 本発明によつて期待できる効果は形状の単純な
二重管式のみならず、一般に知られている多管式
のものでもよく、又自動車用等のガスタービンエ
ンジンの蓄熱式、伝熱式の形式にとらわれること
もなく応用が可能であり、更に熱交換器全部に適
用する場合だけでなく、必要最小限の部分のみに
適用することも可能である。
化増量及び強度変化がほとんど認められず、又不
純物含有量の多いものは明らかに強度が低下して
いる。尚、実施例２及び参考例４〜６のものは酸
化増量がマイナスを示しているが、これは詳細な
理由は明らかではないが、おそらく生成した
SiO2質被膜がSO2ガスと何らかの反応を起し、こ
れが揮散することによつて減量したものと思われ
る。少なくともSiO2質被膜の形成され易いもの
程酸化減量が多くなつており、強度の低下は特に
著しい。 本発明においてシリコンを充填させる理由は再
結晶炭化珪素成形体は気孔率が高いためガス透過
性があり、このままでは隔壁を通じて高温流体と
低温流体の混合が起り熱交換器として適さない。
従つて、これをガス不透過性とするためにシリコ
ンを含浸するものである。その量は成形体の全て
の気孔に充填されるものが好ましいが、含浸後の
気孔率が３％以下の場合には実用上何等不都合は
ない。 この場合、再結晶炭化珪素成形体の気孔率によ
つてシリコン含有量は変化する。熱交換器として
機能するための強度に影響を与えない範囲で炭化
珪素成形体の気孔率を求めなければならないが、
その量は6.5〜35％が適当であり、従つて充填さ
れるシリコンの量も6.5〜35重量％となることに
なる。（この場合、炭化珪素とシリコンの比重の
差が小さいためその換算は無視した。） 実施例においては炭化珪素成形体は再結晶炭化
珪素としたが、一次成形体に直接シリコンを含浸
させたものでよい。更にシリコンを充填した高純
度炭化珪素成形体にCVD（化学蒸着）法によつて
炭化珪素を被覆させたものは、この被膜自体が緻
密であり、これ自身が耐酸化耐蝕性に富んだもの
であるため、より一層すぐれた機能を発揮させる
ことができる。 本発明によつて期待できる効果は形状の単純な
二重管式のみならず、一般に知られている多管式
のものでもよく、又自動車用等のガスタービンエ
ンジンの蓄熱式、伝熱式の形式にとらわれること
もなく応用が可能であり、更に熱交換器全部に適
用する場合だけでなく、必要最小限の部分のみに
適用することも可能である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 高温流体によつて隔壁を介して低温流体を加
熱する方式の熱交換器において、該隔壁の少なく
とも一部が、気孔中にシリコンが充填された再結
晶炭化珪素成形体から成り、かつ不純物含有割合
が金属状態に換算してFe500ppm以下、
Al1000ppm以下、Na100ppm以下であることを
特徴とする炭化珪素質熱交換器。 ２ 気孔中に充填されたシリコン含有割合が6.5
〜35重量％であることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の熱交換器。 ３ 気孔中にシリコンが充填された再結晶炭化珪
素成形体の気孔率が３％以下であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項または第２項記載の熱
交換器。 ４ 少なくとも表面の一部にCVD法による炭化
珪素膜が被覆されていることを特徴とする特許請
求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の熱
交換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15776282A JPS5946491A (ja) | 1982-09-10 | 1982-09-10 | 炭化珪素質熱交換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15776282A JPS5946491A (ja) | 1982-09-10 | 1982-09-10 | 炭化珪素質熱交換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5946491A JPS5946491A (ja) | 1984-03-15 |
| JPH026998B2 true JPH026998B2 (ja) | 1990-02-14 |
Family
ID=15656757
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15776282A Granted JPS5946491A (ja) | 1982-09-10 | 1982-09-10 | 炭化珪素質熱交換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5946491A (ja) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB928683A (en) * | 1958-10-23 | 1963-06-12 | Siemens Ag | A method of producing highly purified silicon carbide |
| US3951587A (en) * | 1974-12-06 | 1976-04-20 | Norton Company | Silicon carbide diffusion furnace components |
| JPS52145419A (en) * | 1976-05-29 | 1977-12-03 | Toshiba Ceramics Co | Manufacture of silicon carbide articles for semiconductor production |
| US4070197A (en) * | 1975-06-25 | 1978-01-24 | Norton Company | Gas tight silicon carbide body |
| JPS5410825A (en) * | 1977-06-24 | 1979-01-26 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | Prefiring preventing arrangement for two cycle engine |
| JPS555852A (en) * | 1978-06-28 | 1980-01-17 | Toyo Boseki | Evaporated polyester film |
-
1982
- 1982-09-10 JP JP15776282A patent/JPS5946491A/ja active Granted
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB928683A (en) * | 1958-10-23 | 1963-06-12 | Siemens Ag | A method of producing highly purified silicon carbide |
| US3951587A (en) * | 1974-12-06 | 1976-04-20 | Norton Company | Silicon carbide diffusion furnace components |
| US4070197A (en) * | 1975-06-25 | 1978-01-24 | Norton Company | Gas tight silicon carbide body |
| JPS52145419A (en) * | 1976-05-29 | 1977-12-03 | Toshiba Ceramics Co | Manufacture of silicon carbide articles for semiconductor production |
| JPS5410825A (en) * | 1977-06-24 | 1979-01-26 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | Prefiring preventing arrangement for two cycle engine |
| JPS555852A (en) * | 1978-06-28 | 1980-01-17 | Toyo Boseki | Evaporated polyester film |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5946491A (ja) | 1984-03-15 |
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