JPH036405B2 - - Google Patents

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JPH036405B2
JPH036405B2 JP58199857A JP19985783A JPH036405B2 JP H036405 B2 JPH036405 B2 JP H036405B2 JP 58199857 A JP58199857 A JP 58199857A JP 19985783 A JP19985783 A JP 19985783A JP H036405 B2 JPH036405 B2 JP H036405B2
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ceramic
porosity
present
radiator
strength
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Koichi Kobayashi
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/008Bodies obtained by assembling separate elements having such a configuration that the final product is porous or by spirally winding one or more corrugated sheets

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

(産業上の利用分野) 最近、加熱炉等の排ガス中の熱エネルギーを簡
便な通気性固体を用いて、輻射熱に変換し、加熱
側に回収返還するという簡便な省エネルギー方法
(特公昭55−25353号公報)が提案され、注目され
ている。本発明は、該方法に最も適した通気性固
体であるセラミツク質輻射体に関する。 (従来技術) これまでこの通気性固体として提案されている
ものに、金網を幾層か重ねたものや、多孔質形成
体・セラミツクフオーム・ハニカム成形体などの
セラミツク多孔体があげられる。 金網は、使用温度にもよるが、加熱炉の一般的
燃焼条件である高温酸化性雰囲気下では腐蝕され
易く、寿命の点でセラミツク質に及ばない。一
方、セラミツク質多孔体は、耐熱性・耐蝕性に於
いて、金属性通気性固体に優るものである。その
反面、一般にセラミツク製品は、温度の急変に対
する抵抗性、即ち、耐熱衝撃性が小さく、燃焼バ
ーナの着火・停止に伴う急熱・急冷の熱サイクル
により、割れが生じ易い。 セラミツク製品が一般的に有する耐熱衝撃性の
小さい理由を考察すると、 (1) 熱膨張率が大きいこと、 (2) 熱伝導率が小さいこと、 (3) ひずみに対する順応性が小さいこと、 (4) 引張強度が小さいこと、 があげられる。 セラミツク多孔体を炉に用いて省エネルギー効
果を得る場合(たとえば、特開昭59−222536号開
報)、圧力損失を小さくするため、空孔率の大き
いことが好ましい。 セラミツクフオームは、正十二面体の骨格構造
を有し、80〜90%という大きな空孔率を示し、注
目されている。このセラミツクフオームを上記の
4点から概観してみると、(1)については、コージ
エライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)等のセラミ
ツク単体を複合化した低熱膨張性の素材を用いる
ことで解決され、(2)については、セラミツクフオ
ームの構造が無数の連通孔をもつている多孔体で
あることから、構造面である程度回避されてい
る。 他方、(3)については、セラミツクフオームは、
正十二面体の骨格のみが残つた構造であり、空孔
率が非常に大きいにもかかわらず、極めて強固な
構造体であるが、しかし、その反面、熱ひずみに
対しての順応性は小さいと思われる。フオーム全
体が均等に加熱あるいは冷却されれば、温度勾配
によつて発生する熱ひずみは生じず、割れは発生
しない。しかし、実際に使用される状態を想定す
ると、フオームと周辺部の熱の取り合い、又は加
熱源の温度ムラ等により、フオーム全体が均等に
加熱あるいは冷却されるのは、希有な事である。
従つて、現実的には熱ひずみは生じると考えなけ
ればならない。一般に、このひずみのもとで破壊
するということは、その固体のいろいろな機械的
強度の中で最も弱い種類の強度(セラミツク質の
様な脆性材料では、引張強度が最も弱い)がひず
みに耐えられない結果として生じるといわれてい
る。 また、(4)についても、一本の骨格の中でその中
央部が極端に細くなつているため、引張力がかか
つた場合、その個所で容易に破壊してしまう。更
に、セラミツクフオームは、その製法上、個々の
骨格内部には、ベースとなるポリウレタンフオー
ムが飛散する際の抜け跡が存在し、これが、ノツ
チ効果を生み、引張強度を低下させている。 セラミツクフオームは、耐熱性・耐蝕性に於
て、金属性通気性固体に優るものであるが、耐熱
衝撃性・引張強度の点で逆に劣るものである。 多孔質形成体(特開昭58−116134号公報に開示
されている)は、セラミツクフオームと同様に、
大きな空孔率を有する通気性セラミツクスである
が、その構造はセラミツクスよりなる多数本の線
状押出物が夫々螺旋状に巻回積層されると共に、
該螺旋状巻回積層物が夫々隣接面で相互に接合さ
れるか、又は、絡み合つて成形されている。第1
図と第2図の参照番号11,12は、その例を図
式的に示す図である。 ハニカム成形体は、セラミツクスにセルをハニ
カム状に成形したものであるが、加工技術上の制
約から、ある程度以上の微細構造は得られず、空
孔率は小さい。 (発明の目的) 本発明の目的は、耐熱衝撃性の優れた多孔質輻
射体を提供することである。 (発明の構成) このため、本発明は、セラミツク質よりなる多
数本の線状押出物が夫々螺旋状に巻回積層される
とともに、該螺旋状巻回積層物が夫々隣接面で相
互に接合されるか又は絡み合つて成形されている
セラミツク質輻射体において、 線状押出物の糸径を1.0mmφ〜4.0mmφ、空孔率
を50〜90%とし巻回積層物の軸方向を板厚方向と
したことを特徴としている。 本発明でいう、線状押出物の糸径は、セラミツ
ク質とバインダを混合した粘状物を、適宜なノズ
ルから押し出して得られるが、その大きさによつ
て、強度また、圧力損失が異なつてくる。本発明
の如く、螺旋状の巻回積層を得るためには、1.0
mmφより小さくなると、ループ状の輪が形成され
なくなり、また、4.0mmφより大きくなると、重
り部分のカサが大きくなり、所望の空孔率を得に
くくなるため、1.0mmφ〜4.0mmφとするものであ
る。 また、ここでいう空孔率とは、輻射体そのもの
を水中に没し、ここで得られる体積V1と、上記
セラミツク質輻射体の外形寸法から得られる体積
V2を用い、次式で求めるものである。 空孔率=(1−V1/V2)×100(%) 従つて、体積V1は、糸状体そのものの実体積
を示すものと考えてよく、成形体にかかる付加を
担う部分を表すものである。 前記した耐熱衝撃性について4つの観点をここ
で考察すると、(3)、(4)については、本発明の骨格
が、線状に押出されたもので構成されている事か
ら、骨格のサイズは、どの箇所を取つてみても一
定であり、また、その内部にあつても、セラミツ
クフオームの様に素材自身に空洞は存在せず、ほ
ぼ中実のものであり、耐熱衝撃性の点でセラミツ
クフオームに優るものである。 なお、(1)、(2)については、セラミツクフオーム
と同様に、低熱膨張性の素材を用いることと、多
孔体であることで、それぞれある程度解決されて
いる。 (実施例) 第1表に、低熱膨張性のコージエライトを素材
とした、本発明による多孔質形成体と、比較のた
め、セラミツクフオームとハニカム成形体とにつ
いての熱衝撃試験の結果を示す。 試料は、本発明品は、外寸が130φ×110
(mm)で、糸サイズが1.5mmφ丸型で、空孔率が70
%のものであり、セラミツクフオームは、外寸が
130φ×50(mm)で、番手が#13で、空孔率が
87%のものであり、また、ハニカム成形体は、外
寸が95φ×100(mm)で、セル数が400セルで、
空孔率が74%のものである。
(Industrial Application Field) Recently, a simple energy-saving method has been developed in which the thermal energy in the exhaust gas of heating furnaces, etc. is converted into radiant heat using a simple breathable solid material, and then recovered and returned to the heating side (Japanese Patent Publication No. 55-25353). No. 2) has been proposed and is attracting attention. The present invention relates to a ceramic radiator which is the most suitable breathable solid for the method. (Prior Art) Examples of gas-permeable solids that have been proposed so far include those made by stacking several layers of wire mesh, and ceramic porous bodies such as porous bodies, ceramic foams, and honeycomb molded bodies. Although wire mesh depends on the temperature at which it is used, it is easily corroded under the high temperature oxidizing atmosphere that is the general combustion condition of heating furnaces, and its lifespan is not as long as ceramic. On the other hand, ceramic porous bodies are superior to metallic air-permeable solids in terms of heat resistance and corrosion resistance. On the other hand, ceramic products generally have low resistance to sudden changes in temperature, that is, low thermal shock resistance, and are susceptible to cracking due to thermal cycles of rapid heating and cooling associated with ignition and shutdown of the combustion burner. Considering the reasons why ceramic products generally have low thermal shock resistance, (1) high coefficient of thermal expansion, (2) low thermal conductivity, (3) low adaptability to strain, (4) ) Low tensile strength. When a porous ceramic body is used in a furnace to obtain an energy saving effect (for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-222536), it is preferable that the porous body has a large porosity in order to reduce pressure loss. Ceramic foam has a regular dodecahedral skeleton structure and exhibits a large porosity of 80 to 90%, and has attracted attention. Looking at this ceramic foam from the four points above, (1) can be achieved by using a material with low thermal expansion that is a composite of single ceramics such as cordierite (2MgO・2Al 2 O 3・5SiO 2 ). Regarding (2), the structure of ceramic foam is a porous body with countless communicating pores, so it has been avoided to some extent in terms of structure. On the other hand, regarding (3), the ceramic foam is
It has a structure in which only the regular dodecahedral skeleton remains, and although it has a very high porosity, it is an extremely strong structure, but on the other hand, it has little adaptability to thermal strain. I think that the. If the entire foam is heated or cooled evenly, thermal distortions caused by temperature gradients will not occur and cracks will not occur. However, assuming that the foam is actually used, it is rare that the entire foam is heated or cooled evenly due to heat exchange between the foam and the surrounding area or uneven temperature of the heating source.
Therefore, it must be considered that thermal strain actually occurs. Generally speaking, failure under this strain means that the weakest type of mechanical strength of the solid (for brittle materials such as ceramics, tensile strength is the weakest) can withstand the strain. It is said that this occurs as a result of not being able to do something. Regarding (4), the central part of a single skeleton is extremely thin, so if tensile force is applied, it will easily break at that part. Furthermore, due to the manufacturing method of ceramic foam, there are traces inside each skeleton when the base polyurethane foam is scattered, which creates a notch effect and reduces tensile strength. Ceramic foam is superior to metallic air-permeable solids in heat resistance and corrosion resistance, but is inferior in thermal shock resistance and tensile strength. Similar to the ceramic foam, the porous former (disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 116134/1983)
Air-permeable ceramics have a large porosity, and their structure consists of multiple linear extrusions made of ceramics each spirally wound and laminated.
The spirally wound laminates are either joined to each other on adjacent surfaces or formed intertwined. 1st
Reference numerals 11 and 12 in the figures and in FIG. 2 indicate diagrammatically an example thereof. A honeycomb molded body is made by molding cells into a honeycomb shape in ceramics, but due to limitations in processing technology, it is not possible to obtain a fine structure beyond a certain level, and the porosity is small. (Objective of the Invention) An object of the present invention is to provide a porous radiator with excellent thermal shock resistance. (Structure of the Invention) Therefore, in the present invention, a large number of linear extrudates made of ceramic are each spirally wound and laminated, and the spirally wound laminates are bonded to each other on adjacent surfaces. In the ceramic radiant body, which is formed by intertwining or intertwining, the thread diameter of the linear extrudate is 1.0 mmφ to 4.0 mmφ, the porosity is 50 to 90%, and the axial direction of the wound laminate is the plate thickness. It is characterized by the direction. The thread diameter of the linear extrudate referred to in the present invention is obtained by extruding a viscous mixture of ceramic and binder through an appropriate nozzle, but the strength and pressure loss vary depending on the size. It's coming. In order to obtain a spirally wound stack as in the present invention, 1.0
If it is smaller than mmφ, a loop-shaped ring will not be formed, and if it is larger than 4.0mmφ, the bulk of the weight part will become large, making it difficult to obtain the desired porosity. be. In addition, the porosity here refers to the volume obtained by submerging the radiator itself in water, V 1 , and the volume obtained from the external dimensions of the ceramic radiator described above.
It is calculated using the following formula using V 2 . Porosity = (1-V 1 /V 2 ) x 100 (%) Therefore, the volume V 1 can be considered to indicate the actual volume of the filament itself, and represents the part responsible for addition to the molded body. It is something. Considering the four aspects of thermal shock resistance mentioned above, regarding (3) and (4), since the skeleton of the present invention is composed of a linear extrusion, the size of the skeleton is , is constant no matter where you look at it, and even inside it, unlike ceramic foam, there are no cavities in the material itself, and it is almost solid, so ceramic is superior in terms of thermal shock resistance. It is superior to foam. Note that (1) and (2) have been solved to some extent by using a material with low thermal expansion and by being a porous body, similar to ceramic foam. (Example) Table 1 shows the results of thermal shock tests on a porous formed body according to the present invention made of low thermal expansion cordierite, and for comparison, a ceramic foam and a honeycomb formed body. The sample of the present invention has an external dimension of 130φ x 110
(mm), thread size is 1.5mmφ round, porosity is 70
%, and the ceramic foam has an external dimension of
130φ×50 (mm), the count is #13, and the porosity is
87%, and the honeycomb molded body has external dimensions of 95φ x 100 (mm) and 400 cells.
The porosity is 74%.

【表】 × 割れ発生
試験では、試験温度に設定した炉中に上記の試
料を投入し、30分間保持した後取り出し、ただち
に水中(室温)に投入し急冷させ、割れ有無の確
認をした。 このデータより明らかなように、材質は、同一
のコージエライトであるにもかかわらず、顕著な
差があらわれた。本発明品は、950℃でも割れを
生ぜず、セラミツクフオームとハニカム成形体試
料よりも優れている。 本輻射体に要求される一性能として、燃焼ガス
の流れを阻害せず、かつ適度の流動抵抗を有する
ものが望ましい。このため、本発明は、輻射体と
して使用する板状物において、板状物の厚さ方向
に、巻回積層物の軸方向を合わせたものである。 すなわち、輻射体は、主として、巻回積層物の
開口側から気体が通流し、燃焼ガスの流れがスム
ーズに行なわれるのである。圧力損失は、線状押
出物の径(糸サイズ)・輻射板の厚さ・燃焼ガス
の流速によつて変化する。第3図は、圧力損失と
空孔率との関係を示すグラフである。ここで、本
発明品の板厚は10mm、糸サイズは4mmφ、流速は
0.2m/sであつた。圧力損失は、空孔率が増す
と、低下する。圧力損失の使用減界を3mmH2O
とすると、本発明に於ては、実用上問題ない圧力
損失を維持する空孔率は50%以上である。 また、本輻射体の強度は、主に、糸サイズと空
孔率によつて変化する。また、使用状態(負荷の
有無など)によつては、形さえ保つていれば良い
場合もある。しかし、実際的には、輸送などの点
も含めて、ある程度の実用的強度は、必要であ
る。第4図は、本発明品の圧縮強度と空孔率との
関係を示すグラフである。ここで、糸サイズは1
mmφである。今、実用強度の下限を3Kg/cm2とす
ると、この値は、空孔率の90%に対応する。空孔
率が90%を越えると、その強度は、螺旋状に接合
または絡み合つて成形された事による強度上昇の
効果は得られず、各糸状押出物そのものの強度に
近くなり、糸サイズの強度と同等と考えられる程
の実体でしかなくなつてくる。さらに、空孔率90
%以上の成形体においては、実装施工上、作業し
にくく、実用的でなくなる。 本発明で、その空孔率を50〜90%と規定したの
は、上記の圧力損失、及び成形体として効果と強
度上の観点からである。 次に、本発明品を含む上記の三種の多孔性固体
の輻射板としての省エネルギー効果を試験した。 ここに、省エネルギー効果は次の式で求めた。 省エネルギー効果(%) (1−特定輻射体の必要エネルギー/輻射体の無い場合
の必要エネルギー) ×100 第5図に示す炉1に輻射板2が取付けられてい
る。炉の左端部にバーナが取付けられる。15mmt
の輻射板2は、170mmφの内径を有する炉内に、
炉内左端部から410mm離れた位置に垂直に設置さ
れる。炉温を1100℃まで加熱するのに要した必要
エネルギーを測定した。燃料は、都市ガスを用い
た。その燃焼量は、1.6×104kcal/hrである。な
お、炉温測定位置は、第5図に“X”で示す。
[Table] × Occurrence of cracks In the test, the above sample was placed in a furnace set to the test temperature, held for 30 minutes, then taken out, immediately placed in water (room temperature) to be rapidly cooled, and the presence or absence of cracks was confirmed. As is clear from this data, there were significant differences even though the materials were the same cordierite. The product of the present invention does not crack even at 950°C and is superior to ceramic foam and honeycomb molded samples. As one performance required of the present radiator, it is desirable that the radiator not inhibit the flow of combustion gas and have appropriate flow resistance. Therefore, in the present invention, in a plate-shaped article used as a radiator, the axial direction of the wound laminate is aligned with the thickness direction of the plate-shaped article. That is, gas mainly flows through the radiator from the opening side of the wound laminate, and combustion gas flows smoothly. The pressure loss changes depending on the diameter of the linear extrudate (thread size), the thickness of the radiant plate, and the flow rate of the combustion gas. FIG. 3 is a graph showing the relationship between pressure loss and porosity. Here, the plate thickness of the product of the present invention is 10 mm, the thread size is 4 mmφ, and the flow rate is
It was 0.2m/s. Pressure drop decreases as porosity increases. The use limit of pressure drop is 3mmH 2 O
Accordingly, in the present invention, the porosity that maintains a pressure loss that causes no practical problems is 50% or more. Further, the strength of the present radiator mainly changes depending on the thread size and porosity. Furthermore, depending on the usage conditions (such as presence or absence of load), it may be sufficient to maintain the shape. However, in reality, a certain degree of practical strength is necessary, including for transportation. FIG. 4 is a graph showing the relationship between compressive strength and porosity of the product of the present invention. Here, the thread size is 1
It is mmφ. Now, assuming that the lower limit of practical strength is 3 Kg/cm 2 , this value corresponds to 90% of the porosity. If the porosity exceeds 90%, the strength will not increase due to being formed by joining or intertwining in a spiral shape, and the strength will be close to that of each filament extrudate itself, and the strength will vary depending on the yarn size. It becomes nothing more than a substance that can be considered equivalent to strength. In addition, the porosity is 90
% or more, it becomes difficult to work and impractical in mounting work. In the present invention, the porosity is defined as 50 to 90% from the viewpoint of the above-mentioned pressure loss and the effectiveness and strength of the molded product. Next, the energy-saving effects of the three types of porous solids described above, including the products of the present invention, as radiant plates were tested. Here, the energy saving effect was calculated using the following formula. Energy saving effect (%) (1-Required energy of specific radiator/Required energy in case of no radiator) ×100 A radiant plate 2 is attached to a furnace 1 shown in FIG. A burner is attached to the left end of the furnace. 15mmt
The radiation plate 2 is placed in a furnace having an inner diameter of 170 mmφ.
It is installed vertically 410mm away from the left end of the furnace. The energy required to heat the furnace to 1100℃ was measured. City gas was used as fuel. Its combustion amount is 1.6×10 4 kcal/hr. Note that the furnace temperature measurement position is indicated by "X" in FIG.

【表】 昇温速度は、当然、輻射板の有無および輻射板
の形態によつて変わり、このため、必要燃料の差
が生じる。第2表に示された測定結果より、本発
明品の省エネルギー効果は著しく大きいことがわ
かつた。本発明によるセラミツク質輻射体の素材
としては、コージエナイト以外にリチウム系低熱
膨張性材料であるユークリプタイト(Li2O・
Al2O3・2SiO2)スポジユメン(Li2O・Al2O3
4SiO2)を用いてもよい。なお、本発明による輻
射板の特徴は、一定の骨格サイズを有するその構
造が、熱衝撃に強いということであり、これらの
低熱膨張性材料の耐熱温度を超える箇所で使用す
る際は、膨張率は大きいが耐熱性の高いムライト
(3Al2O3・2SiO2)・アルミナ(Al2O3)・マグネシ
ア(MgO)などの材料を適宜選定する。 (発明の効果) 本発明によるセラミツク質輻射体は、燃焼ガス
の流れを阻害しないと共に、強度的にも実用的で
ある。また耐熱衝撃性も優れており、炉内におけ
る輻射体として実用的である。また、優れた省エ
ネルギー効果を示す。
[Table] The temperature increase rate naturally varies depending on the presence or absence of a radiant plate and the form of the radiant plate, which causes a difference in the amount of fuel required. From the measurement results shown in Table 2, it was found that the energy saving effect of the product of the present invention was significantly large. In addition to cordienite, the ceramic radiator according to the present invention may be made of eucryptite (Li 2 O.
Al 2 O 3・2SiO 2 ) Spodium (Li 2 O・Al 2 O 3
4SiO 2 ) may also be used. A feature of the radiation plate according to the present invention is that its structure with a certain skeleton size is resistant to thermal shock, and when used in locations exceeding the heat resistance temperature of these low thermal expansion materials, the expansion coefficient Materials such as mullite (3Al 2 O 3・2SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), and magnesia (MgO), which are large but have high heat resistance, are selected as appropriate. (Effects of the Invention) The ceramic radiator according to the present invention does not inhibit the flow of combustion gas, and is also practical in terms of strength. It also has excellent thermal shock resistance, making it practical as a radiator in a furnace. It also shows an excellent energy saving effect.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図と第2図とは、セラミツク質輻射体の例
を示す一部拡大平面図である。第3図は、圧力損
失と空孔率との関係を示すグラフである。第4図
は、強度と空孔率との関係を示すグラフである。
第5図は、省エネルギー効果を測定するための炉
の断面図である。 1……炉、2……セラミツク質輻射体、11,
12……セラミツク糸状体。
1 and 2 are partially enlarged plan views showing examples of ceramic radiators. FIG. 3 is a graph showing the relationship between pressure loss and porosity. FIG. 4 is a graph showing the relationship between strength and porosity.
FIG. 5 is a sectional view of a furnace for measuring the energy saving effect. 1...furnace, 2...ceramic radiator, 11,
12... Ceramic filament.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 セラミツク質よりなる多数本の線状押出物が
夫々螺旋状に巻回積層されるとともに、該螺旋状
巻回積層物が夫々隣接面で相互に接合されるか又
は絡み合つて成形されているセラミツク質輻射体
において、 線状押出物の糸径を1.0mmφ〜4.0mmφ、空孔率
を50〜90%とし巻回積層物の軸方向を板厚方向と
したことを特徴とするセラミツク質輻射体。
[Scope of Claims] 1. A large number of linear extrudates made of ceramic are each spirally wound and laminated, and the spirally wound laminates are joined or entwined with each other on adjacent surfaces. In the ceramic radiant body that is molded together, the thread diameter of the linear extrudate is 1.0 mmφ to 4.0 mmφ, the porosity is 50 to 90%, and the axial direction of the wound laminate is the thickness direction. Features a ceramic radiant body.
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