JPH0536717B2 - - Google Patents
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- JPH0536717B2 JPH0536717B2 JP62095688A JP9568887A JPH0536717B2 JP H0536717 B2 JPH0536717 B2 JP H0536717B2 JP 62095688 A JP62095688 A JP 62095688A JP 9568887 A JP9568887 A JP 9568887A JP H0536717 B2 JPH0536717 B2 JP H0536717B2
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- 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
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D19/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
- F28D19/04—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier
- F28D19/041—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier with axial flow through the intermediate heat-transfer medium
- F28D19/042—Rotors; Assemblies of heat absorbing masses
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明はガスタービンエンジン、スターリング
エンジンをはじめ、その他一般産業用にも用いら
れる高温ガス用回転蓄熱式セラミツク熱交換体に
関するものである。
エンジンをはじめ、その他一般産業用にも用いら
れる高温ガス用回転蓄熱式セラミツク熱交換体に
関するものである。
（従来の技術）
回転蓄熱式セラミツク熱交換体は直径20cm〜２
ｍ厚さの寸法のハニカム構造を有する円盤状のも
ので、回転蓄熱式セラミツク熱交換体は、直径20
〜200cm、厚さ２〜20cm程度の寸法のハニカム構
造を有する円盤上のもので、円を二分割した２つ
の通路をさえぎるよう回転可能な状態で置かれ
る。
ｍ厚さの寸法のハニカム構造を有する円盤状のも
ので、回転蓄熱式セラミツク熱交換体は、直径20
〜200cm、厚さ２〜20cm程度の寸法のハニカム構
造を有する円盤上のもので、円を二分割した２つ
の通路をさえぎるよう回転可能な状態で置かれ
る。
片側の通路に高温の排気ガスが流され、吸熱し
た交換体が回転してゆき、反対側の通路で対面方
向から流される低温の吸収ガスに放熱する。この
時のガスの温度は例えば、排気ガスで熱交換体入
口面1000℃、出口面200℃、吸収ガス入口面100
℃、出口面900℃のような値で、排気ガスと吸収
ガスが対面方向で流されるため排気ガス入口面と
出口面は吸収ガスの出口面、入口面となり常時全
体に800℃差の温度差が生じ熱応力を受ける。
た交換体が回転してゆき、反対側の通路で対面方
向から流される低温の吸収ガスに放熱する。この
時のガスの温度は例えば、排気ガスで熱交換体入
口面1000℃、出口面200℃、吸収ガス入口面100
℃、出口面900℃のような値で、排気ガスと吸収
ガスが対面方向で流されるため排気ガス入口面と
出口面は吸収ガスの出口面、入口面となり常時全
体に800℃差の温度差が生じ熱応力を受ける。
また、熱交換体の外周部は外気に接しているた
め中心部と外周部で温度差が生じ別の熱応力を受
ける。従つてこの回転蓄熱式セラミツク熱交換体
には、熱交換効率が大きいことが要求されるのみ
ならず、使用中の熱応力に耐えることが要求され
る。また小型のものは一体押出成形が可能である
が、中型あるいは大型のものはセラミツク製のマ
トリツクスセグメントをセメント、セラミツク、
ガラス等の接合剤により接合ししなければならな
いという問題がある。
め中心部と外周部で温度差が生じ別の熱応力を受
ける。従つてこの回転蓄熱式セラミツク熱交換体
には、熱交換効率が大きいことが要求されるのみ
ならず、使用中の熱応力に耐えることが要求され
る。また小型のものは一体押出成形が可能である
が、中型あるいは大型のものはセラミツク製のマ
トリツクスセグメントをセメント、セラミツク、
ガラス等の接合剤により接合ししなければならな
いという問題がある。
上記のような接合型の回転蓄熱式セラミツク熱
交換体の代表的なものは、本出願人の出願に係る
特開昭55−46338号公報に記載されている。とこ
ろがこの公報に記載したように、多数のマトリツ
クスセグメントをセルの方向を揃えて接合したも
のは、使用時に円周方向に生じる大きい引張応力
により、外周部付近にクラツクを発生するおそれ
があることが判明した。この引張応力は前述の熱
応力に加え、回転力とによつて発生するものであ
つて、周知のとおりセラミツクは圧縮に対する強
度に比べ引張に対する強度が小さいためにこの引
張応力によりクラツクを生ずるのである。
交換体の代表的なものは、本出願人の出願に係る
特開昭55−46338号公報に記載されている。とこ
ろがこの公報に記載したように、多数のマトリツ
クスセグメントをセルの方向を揃えて接合したも
のは、使用時に円周方向に生じる大きい引張応力
により、外周部付近にクラツクを発生するおそれ
があることが判明した。この引張応力は前述の熱
応力に加え、回転力とによつて発生するものであ
つて、周知のとおりセラミツクは圧縮に対する強
度に比べ引張に対する強度が小さいためにこの引
張応力によりクラツクを生ずるのである。
そこでこのような欠点を解決するため、米国特
許第4381815号明細書では複数種類のセル形状を
持つマトリツクスセグメントを組合わせて配置す
ることを提案している。ところがこの米国特許に
示されるものは、セル形状の異なる複数種類のマ
トリツクスセグメントを用いる必要があるので製
造工程が複雑化し、コスト高となる欠点がある。
許第4381815号明細書では複数種類のセル形状を
持つマトリツクスセグメントを組合わせて配置す
ることを提案している。ところがこの米国特許に
示されるものは、セル形状の異なる複数種類のマ
トリツクスセグメントを用いる必要があるので製
造工程が複雑化し、コスト高となる欠点がある。
（発明が解決しようとする問題点）
本発明は上記のような従来の問題点を解決し
て、熱応力を受けた場合におけるクラツクの発生
を有効に防止することができ、しかも複数種類の
セル形状を持つマトリツクスセグメントを用いる
必要のない回転蓄熱式セラミツク熱交換体を目的
として完成されたものである。
て、熱応力を受けた場合におけるクラツクの発生
を有効に防止することができ、しかも複数種類の
セル形状を持つマトリツクスセグメントを用いる
必要のない回転蓄熱式セラミツク熱交換体を目的
として完成されたものである。
（問題点を解決するための手段）
本発明は複数個のハニカム構造のセラミツク製
マトリツクスセグメントを円盤状に接合した回転
蓄熱式セラミツク熱交換体であつて、各マトリツ
クスセグメントはヤング率が断面内で異方性を示
すセル形状を持ち、またこれらのマトリツクスセ
グメントは円盤上外周部の少なくとも４箇所にお
いて、ヤング率が小となる方向を円盤の円周方向
に一致させて配置されていることを特徴とするも
のである。
マトリツクスセグメントを円盤状に接合した回転
蓄熱式セラミツク熱交換体であつて、各マトリツ
クスセグメントはヤング率が断面内で異方性を示
すセル形状を持ち、またこれらのマトリツクスセ
グメントは円盤上外周部の少なくとも４箇所にお
いて、ヤング率が小となる方向を円盤の円周方向
に一致させて配置されていることを特徴とするも
のである。
本発明の第１の特徴は、セラミツク製マトリツ
クスセグメントとして、３角形状又は長方形状の
ような貫通孔に垂直な断面内においてヤング率が
異方性を示すセル形状を持つものを用いることで
ある。このようなセル形状はこの種の回転蓄熱式
セラミツク熱交換体の熱交換効率を評価する尺度
となる総括フイン効率を向上させるために有利で
ある。即ち、総括フイン効率は熱伝達係数／壁面
摩擦係数として算出され、レイノルズ数の関数と
なるが、特に短辺と長辺のピツチ比が実質的に
１：31/2である長方形のセル形状を採用した場合
には正方形状のものよりも総括フイン効率は著し
く向上する。また単位面積当たりのセル数を増加
させた場合には３角形状のセル形状のものが正方
形状のものよりも優れた総括フイン効率を示す。
そして短辺と長辺の比が１：31/2のセル形状を持
つコーデイエライト質のハニカム構造体について
は、例えば短辺方向のヤング率は4.45×104Kg
ｆ／cm2であるに対して長辺方向のヤング率は6.00
×104Kgｆ／cm2と35％も大きく異方性を示す。
クスセグメントとして、３角形状又は長方形状の
ような貫通孔に垂直な断面内においてヤング率が
異方性を示すセル形状を持つものを用いることで
ある。このようなセル形状はこの種の回転蓄熱式
セラミツク熱交換体の熱交換効率を評価する尺度
となる総括フイン効率を向上させるために有利で
ある。即ち、総括フイン効率は熱伝達係数／壁面
摩擦係数として算出され、レイノルズ数の関数と
なるが、特に短辺と長辺のピツチ比が実質的に
１：31/2である長方形のセル形状を採用した場合
には正方形状のものよりも総括フイン効率は著し
く向上する。また単位面積当たりのセル数を増加
させた場合には３角形状のセル形状のものが正方
形状のものよりも優れた総括フイン効率を示す。
そして短辺と長辺の比が１：31/2のセル形状を持
つコーデイエライト質のハニカム構造体について
は、例えば短辺方向のヤング率は4.45×104Kg
ｆ／cm2であるに対して長辺方向のヤング率は6.00
×104Kgｆ／cm2と35％も大きく異方性を示す。
本発明の第２の特徴はこのようなヤング率に異
方性を示す複数個のマトリツクスセグメントを、
円盤上外周部の少なくとも４箇所において、ヤン
グ率が小となる方向を円盤の円周方向に一致させ
て配置し、接合することである。温度差により発
生する熱応力は熱交換体の片面に熱が加わること
により発生するものであるから、一般にいわれる
耐熱衝撃性であるので、耐熱衝撃性は次式に示さ
れるようにヤング率に反比例するので、使用時に
特に大きい引張応力が発生する円周方向にヤング
率が小となる方向を一致させることは耐熱衝撃性
の向上に有利である。耐熱衝撃性は一般に次式に
よつて検討される。
方性を示す複数個のマトリツクスセグメントを、
円盤上外周部の少なくとも４箇所において、ヤン
グ率が小となる方向を円盤の円周方向に一致させ
て配置し、接合することである。温度差により発
生する熱応力は熱交換体の片面に熱が加わること
により発生するものであるから、一般にいわれる
耐熱衝撃性であるので、耐熱衝撃性は次式に示さ
れるようにヤング率に反比例するので、使用時に
特に大きい引張応力が発生する円周方向にヤング
率が小となる方向を一致させることは耐熱衝撃性
の向上に有利である。耐熱衝撃性は一般に次式に
よつて検討される。
ΔTc＝σf（１−ν）／Ｅ・α
但し
ΔTc：温度差
σf：強度
ν：ポアソン比
Ｅ：ヤング率
α：熱膨脹係数
なおこの種の回転蓄熱式セラミツク熱交換体に
おいては、特に大きい引張応力が外周部分におい
て円周方向に発生するため、外周部分におけるマ
トリツクスセグメントの方向が重要であつて、中
心部及び中間部分の方向は重要性が少ない。また
セル方向は全周にわたつて上記のように揃えるこ
とが好ましいが、扇形状のマトリツクスセグメン
トを製造しない場合はそのような配置が困難であ
るから、後の実施例１にも示すように円盤上外周
部の少なくとも４箇所においてこの条件を満たせ
ばよいものとする。次に本発明の好ましい実施例
を示す。
おいては、特に大きい引張応力が外周部分におい
て円周方向に発生するため、外周部分におけるマ
トリツクスセグメントの方向が重要であつて、中
心部及び中間部分の方向は重要性が少ない。また
セル方向は全周にわたつて上記のように揃えるこ
とが好ましいが、扇形状のマトリツクスセグメン
トを製造しない場合はそのような配置が困難であ
るから、後の実施例１にも示すように円盤上外周
部の少なくとも４箇所においてこの条件を満たせ
ばよいものとする。次に本発明の好ましい実施例
を示す。
（実施例）
実施例 １
第１図に示すように、短辺と長辺とのピツチ比
が１：31/2のセル形状を持つハニカム構造のコー
デイエライト製のマトリツクスセグメント１〜８
を円盤状に配置して相互間を接合剤により接合一
体化した。図示のように、マトリツクスセグメン
ト１，４，６，７はセルのヤング率の小さい方
向、即ちセルの短辺方向を円周方向に一致させて
あるが、その他のマトリツクスセグメント２，
３，５，８は正確には一致していない。これと同
一のパターンがＡ−Ａ軸及びＢ−Ｂ軸と対称に配
置されている。セル形状は短辺側ピツチ0.56mm、
長辺側ピツチ0.96mm、壁厚0.11mmであり、回転蓄
熱式セラミツク熱交換体の全体の大きさは外径
453mm、厚さ83mmである。
が１：31/2のセル形状を持つハニカム構造のコー
デイエライト製のマトリツクスセグメント１〜８
を円盤状に配置して相互間を接合剤により接合一
体化した。図示のように、マトリツクスセグメン
ト１，４，６，７はセルのヤング率の小さい方
向、即ちセルの短辺方向を円周方向に一致させて
あるが、その他のマトリツクスセグメント２，
３，５，８は正確には一致していない。これと同
一のパターンがＡ−Ａ軸及びＢ−Ｂ軸と対称に配
置されている。セル形状は短辺側ピツチ0.56mm、
長辺側ピツチ0.96mm、壁厚0.11mmであり、回転蓄
熱式セラミツク熱交換体の全体の大きさは外径
453mm、厚さ83mmである。
これを電気炉において熱衝撃を加え、耐熱衝撃
性試験を行つたところ、特開昭55−46338号に示
される従来のものでは温度差が800℃を越えると
クラツクが発生したのに対して、本実施例のもの
は温度差が875℃を越えるまでクラツクが発生せ
ず、耐熱衝撃性は75℃向上した。
性試験を行つたところ、特開昭55−46338号に示
される従来のものでは温度差が800℃を越えると
クラツクが発生したのに対して、本実施例のもの
は温度差が875℃を越えるまでクラツクが発生せ
ず、耐熱衝撃性は75℃向上した。
電気炉における熱衝撃性試験は、熱交換体を上
または左右に熱源を有する電気炉に入れたとき、
熱交換体の片面に急激な熱が加わり熱交換体の使
用中の熱応力の加わり方と近似することから熱交
換体の熱応力チエツクの試験として用いられる。
またコンピユータによる熱応力解析を行つたとこ
ろ、温度差を875℃と設定した場合、実施例のも
のは円周方向の引張応力が30.0Kgｆ／cm2、半径方
向の引張応力が28.5Kgｆ／cm2であつて、両方向の
バランスが取れていることが確認された。
または左右に熱源を有する電気炉に入れたとき、
熱交換体の片面に急激な熱が加わり熱交換体の使
用中の熱応力の加わり方と近似することから熱交
換体の熱応力チエツクの試験として用いられる。
またコンピユータによる熱応力解析を行つたとこ
ろ、温度差を875℃と設定した場合、実施例のも
のは円周方向の引張応力が30.0Kgｆ／cm2、半径方
向の引張応力が28.5Kgｆ／cm2であつて、両方向の
バランスが取れていることが確認された。
実施例 ２
第２図に示すように、セル形状が正３角形であ
る扇形状のコーデイエライト製マトリツクスセグ
メント１１の12個を円盤状に配置して相互間を接
合剤により接合一体化した。このマトリツクスセ
グメント１１は半径方向のヤング率が大で円周方
向のヤング率が小さいもので、セル形状は一辺が
1.27mm、壁厚0.13mm、155mm×100mm×75mm厚のセ
グメントを加工して残る回転蓄熱式セラミツク熱
交換体で、全体の大きさは外径353mm、厚さ75mm
である。
る扇形状のコーデイエライト製マトリツクスセグ
メント１１の12個を円盤状に配置して相互間を接
合剤により接合一体化した。このマトリツクスセ
グメント１１は半径方向のヤング率が大で円周方
向のヤング率が小さいもので、セル形状は一辺が
1.27mm、壁厚0.13mm、155mm×100mm×75mm厚のセ
グメントを加工して残る回転蓄熱式セラミツク熱
交換体で、全体の大きさは外径353mm、厚さ75mm
である。
これを実施例１と同様に電気炉に入れて熱衝撃
を加え、耐熱衝撃性試験を行つたところ、やはり
温度差が875℃を越えるまでクラツクが発生せず、
耐熱衝撃性の向上が確認された。
を加え、耐熱衝撃性試験を行つたところ、やはり
温度差が875℃を越えるまでクラツクが発生せず、
耐熱衝撃性の向上が確認された。
なお以上の実施例では長方形と正３角形のセル
形状を持つマトリツクスセグメントを用いたが、
このほか扁平なひし形、扁平な６角形、細長い３
角形等の種々のセル形状のものを用いても良いこ
とは言うまでもない。
形状を持つマトリツクスセグメントを用いたが、
このほか扁平なひし形、扁平な６角形、細長い３
角形等の種々のセル形状のものを用いても良いこ
とは言うまでもない。
（発明の効果）
本発明は以上の説明からも明らかなように、ヤ
ング率が断面内で異方性を示すセル形状を持つマ
トリツクスセグメントを、ヤング率が小となる方
向を円周方向と一致させて配置することにより、
耐熱衝撃性を著しく向上させることができ、しか
も単一のセル形状のマトリツクスセグメントによ
り構成することができるので、製造コストを引下
げることができるものである。よつて本発明は従
来の回転蓄熱式セラミツク熱交換体の問題点を解
決したものとして産業の発展に寄与するところは
極めて大である。
ング率が断面内で異方性を示すセル形状を持つマ
トリツクスセグメントを、ヤング率が小となる方
向を円周方向と一致させて配置することにより、
耐熱衝撃性を著しく向上させることができ、しか
も単一のセル形状のマトリツクスセグメントによ
り構成することができるので、製造コストを引下
げることができるものである。よつて本発明は従
来の回転蓄熱式セラミツク熱交換体の問題点を解
決したものとして産業の発展に寄与するところは
極めて大である。
第１図は本発明の第１の実施例を示す平面図、
第２図は第２の実施例を示す平面図である。 １〜８……第１の実施例のマトリツクスセグメ
ント、１１……第２の実施例のマトリツクスセグ
メント。
第２図は第２の実施例を示す平面図である。 １〜８……第１の実施例のマトリツクスセグメ
ント、１１……第２の実施例のマトリツクスセグ
メント。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 複数個のハニカム構造のセラミツク製マトリ
ツクスセグメントを円盤状に接合した回転蓄熱式
セラミツク熱交換体であつて、各マトリツクスセ
グメントはヤング率が断面内で異方性を示すセル
形状を持ち、またこれらのマトリツクスセグメン
トは円盤上外周部の少なくとも４箇所において、
ヤング率が小となる方向を円盤の円周方向に一致
させて配置されていることを特徴とする回転蓄熱
式セラミツク熱交換体。 ２ セル形状が３角形状又は長方形状である特許
請求の範囲第１項記載の回転蓄熱式セラミツク熱
交換体。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| JP62095688A JPS63263394A (ja) | 1987-04-17 | 1987-04-17 | 回転蓄熱式セラミツク熱交換体 |
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