JPH09263458A - フィン付きセラミックス管及びその製造方法 - Google Patents

フィン付きセラミックス管及びその製造方法

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JPH09263458A
JPH09263458A JP7697296A JP7697296A JPH09263458A JP H09263458 A JPH09263458 A JP H09263458A JP 7697296 A JP7697296 A JP 7697296A JP 7697296 A JP7697296 A JP 7697296A JP H09263458 A JPH09263458 A JP H09263458A
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JP
Japan
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fins
tubular body
firing
fin
ceramic
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Withdrawn
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JP7697296A
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Shinzo Hayashi
伸三 林
Mitsuru Miyamoto
満 宮本
Masaru Doi
勝 土井
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NGK Insulators Ltd
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 主にセラミックス製多管式熱交換器の伝熱管
として使用可能なフィン付きのセラミックス管とその製
造方法を提供する。 【解決手段】 セラミックス焼結体からなる管状体2
に、セラミックス未焼結体からなり、前記管状体を挿通
するための貫通孔を有するリング状のフィン4を、所定
の間隔で多数装着し、これを焼成することにより前記管
状体2とフィン4との焼成収縮率の差を利用して、前記
管状体2とフィン4とを一体に接合固定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主としてセラミッ
クス製多管式熱交換器の伝熱管として使用されるフィン
付きのセラミックス管に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、高効率、低公害、燃料の多様化等
を目的とした先進型セラミックガスタービンの研究開発
が、国家プロジェクトとして実施されている。そして、
このセラミックガスタービンの要素機器の一つとして、
従来の金属材料に代えて、耐熱高温材料として優れた性
能を有するセラミック材料を用いた熱交換器の開発が行
われている。このようなセラミックス製の熱交換器の代
表的なものとして、伝熱管を多数束ねて伝熱管群を構成
した多管式熱交換器が知られている。この多管式熱交換
器の伝熱管には、図6に示すようなセラミックス管14
が用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、熱交換器に
おいては、その熱交換効率の向上が最も重要な技術課題
となっている。金属製の多管式熱交換器では、熱交換効
率向上のための有効な手段の1つとして、伝熱管の外面
にフィンを形成して伝熱面積を拡大させることが行われ
ている。しかしながら、セラミックス製の伝熱管は、主
として押し出し成形法により作製されるためにその外周
形状が限定されることや、セラミック材の加工の困難さ
等の理由からフィン付きの伝熱管は使用されていなかっ
た。本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので
あり、主にセラミックス製多管式熱交換器の伝熱管とし
て使用可能なフィン付きのセラミックス管とその製造方
法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、セラミ
ックス焼結体からなる管状体に、セラミックス未焼結体
からなり、前記管状体を挿通するための貫通孔を有する
リング状のフィンを、所定の間隔で多数装着し、これを
焼成することにより前記管状体とフィンとの焼成収縮率
の差を利用して、前記管状体とフィンとを一体に接合固
定してなることを特徴とするフィン付きセラミックス管
の製造方法、が提供される。
【0005】また、本発明によれば、セラミックスから
なる管状体に、セラミックスからなるリング状のフィン
が接合固定されていることを特徴とするフィン付きセラ
ミックス管、が提供される。
【0006】なお、本発明において、「セラミックス未
焼結体」とは、セラミックスの成形体(生素地)又は仮
焼体(仮焼素地)を意味する。
【0007】
【発明の実施の形態】上記のように本発明の製造方法
は、管状体とフィンとの焼成収縮率の差を利用して両者
を一体化するものである。すなわち、既に焼結を完了
し、それ以上焼成してもほとんど焼成収縮しない管状体
に、未焼結状態で焼成により大きな焼成収縮を示すリン
グ状のフィンを装着して焼成を行う。このような状態で
焼成を実施すると、フィンの焼成収縮により、管状体が
挿通された貫通孔部において、フィンが管状体を締めつ
ける状態となり両者が一体に接合固定される。
【0008】以下、本発明を図面を参照しながら詳しく
説明する。図1は、本発明の製造方法の一例を示す説明
図である。図中、6は焼成用の枠体であり、対向する二
つの枠構成面6a、6bには管状体2を支持するための
溝8が形成されている。また、他の対向する二つの枠構
成面6c、6dには、管状体2に装着した各フィン4を
所定の間隔で位置決めするためのスペーサー棒12を支
持する溝10が形成されている。
【0009】このような枠体6を用い、まず、枠体6の
枠構成面6c、6dに所定間隔で形成された溝10のそ
れぞれにスペーサー棒12を架け渡し、スペーサー棒1
2が所定の間隔で平行に並んだ状態とする。次いで、フ
ィン4の貫通孔に管状体2を挿通して、管状体2に必要
枚数のフィン4を装着した後、この管状体2を端部が枠
構成面6a、6bの溝8に支持されるように枠体6に架
け渡す。
【0010】このとき、管状体2に装着したフィン4
が、平行に並んだ各スペーサー棒12の間に、一枚づつ
その一部が収まるようにフィン4の位置を調整する。こ
うして、図のように管状体2にフィン4が所定の間隔で
装着された状態とし、この状態で焼成を行う。この焼成
によって、上述したように管状体2とフィン4とが、両
者の焼成収縮率の差によって一体化する。
【0011】なお、本発明において、フィンの外周形状
には特に限定はなく、フィンの一例を示した図3の平面
図(a)のような円形のもののみならず、他の形状、例え
ば多角形であってもよい。また、フィンの断面形状にも
特に限定はなく、図3の断面図(b)のようなフィン4全
体の厚みが均一なものでもよいし、図4のように外周に
近づくにしたがって徐々にフィン4の厚みが薄くなるよ
うにしたものでもよい。また、図5のようにフィン4の
外周部に丸みを持たせてもよく、こうすることにより、
フィン先端部の欠けを防ぐ効果が得られる。
【0012】ただし、フィン4の幅(=(外径−貫通孔
径)/2)をAとし、管状体と接する部分(貫通孔形成
部分)のフィン4の厚みをBとしたときに、これらの比
A/Bが80以上となるような形状のフィンを用いる
と、接合の過程でフィンに変形を生じやすいので、この
比の値が80未満となるような形状とすることが好まし
い。
【0013】また、本発明の製造方法において管状体と
フィンとの良好な接合状態を得るためには、下式により
示される締め代の値が0より大きく、1.5mmより小さ
くなるようにすることが好ましい。
【0014】
【数2】 (式中、「フィンの焼成割掛け」とは、貫通孔に何も挿
通せず、焼成収縮が拘束無く進行する状態でフィンを焼
成した場合において、フィンの焼成前の寸法を焼成後の
寸法で除した値をいう。)
【0015】この締め代の値が0以下の場合(0又はマ
イナスの値をとる場合)には、焼成しても管状体とフィ
ンとの接合状態が得られず、一方、1.5mm以上の場合
には接合過程でフィンが割れやすい。
【0016】なお、管状体やフィンの外周形状や内周形
状(孔形状)が円以外の形状、例えば多角形である場
合、「管状体外径」、「フィンの外径」、「フィンの貫
通孔径(内径)」とは、それぞれの外周形状や内周形状
に内接する円の直径をいうものとする。
【0017】図2に上記のようして得られたフィン付き
セラミックス管の一例を示す。このセラミックス管は、
セラミックスからなる管状体2に、セラミックスからな
るリング状のフィン4が接合固定されたものである。こ
のセラミックス管では、管状体2に接合されたフィン4
によって、管外面の面積が拡大されているので、これを
多管式熱交換器の伝熱管に用いると、フィンの無い伝熱
管に比べて大きな伝熱面積が得られ、この結果、熱伝達
率が向上して、高い熱交換効率が得られる。
【0018】上記のように、本発明のフィン付きセラミ
ックス管は、その主な用途としてセラミックス製多管式
熱交換器の伝熱管が挙げられるが、伝熱管以外にもこの
ような構造体が利用できる他の用途に使用してもよい。
【0019】本発明に使用されるセラミックスとして
は、特に限定はないが、高強度・高耐熱性の窒化珪素や
炭化珪素が好適に用いられる。管状体とフィンとは同種
のセラミックスで作製してもよいし、それぞれ異種のセ
ラミックスで作製してもよい。例えば、管状体を窒化珪
素で作製し、フィンをより熱伝導率の高い窒化アルミニ
ウムで作製することができる。
【0020】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に
説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。
【0021】〔実施例1〕:Si34粉末1000g
に、焼結助剤としてY23 10g、MgO 10g、Z
rO2 5g、有機バインダーとしてポリビニルアルコー
ル1gを添加し、更に水1000gを加え、Si34
石(φ5mm)を用いてアトライタにより4時間粉砕・混
合を行った。得られた微粉砕混合物を、スプレードライ
ヤーによって乾燥・造粒して得た粉末を原料として、押
出成形により管状の成形体を作製し、110℃で10時
間乾燥させた。乾燥後500℃で5時間バインダー仮焼
を行い、更に1650℃で1時間焼成して、外径8mm、
内径6mm、長さ200mmの管状体(焼結体)を得た。
【0022】また、管状体の作製に用いたものと同じ原
料を用い、静水圧プレス成形により、7ton/cm2の圧力
を加えてリング状の成形体を作製した。これを上記管状
体の作製におけると同様の条件で乾燥及びバインダー仮
焼し、その後、窒素雰囲気中1350℃で3時間仮焼を
行った。こうして後述の焼成後におけるフィンの幅がそ
れぞれ12mm、24mm、48mmとなるような3種類のリ
ング状フィン(仮焼体)を得た(フィンの厚みはすべて
2mm)。
【0023】得られた管状体とフィンを用い、図1に示
すような上述の枠体を用いた方法にて、管状体にフィン
を8mm間隔で装着し、その状態で窒素雰囲気中1650
℃で3時間焼成した。こうして、管状体とフィンとを一
体に接合し、フィンの幅が異なる3種類のフィン付きセ
ラミックス管を得た。なお、この焼成よる接合において
締め代の値はすべて0.5mmとした。また、比較として
フィンを接合しないセラミックス管(管状体のみのも
の)を用意し、フィン付きセラミックス管とともに熱伝
達率の測定に供した。
【0024】熱伝達率は、一定流量の空気気流中に、管
内部をコイルヒーターで加熱したセラミックス管を配置
し、空気温度と管表面の温度とを測定して求めた。この
結果を、フィンの無いセラミックス管の熱伝達率を10
0%として表1に示した。表1に示す結果から、リング
状フィンを形成することにより、熱伝達率が大幅に向上
することがわかる。
【0025】
【表1】
【0026】〔実施例2〕:上記実施例1と同様にして
管状体(焼結体)を作製し、また、実施例1のフィンの
作製方法に準じて外径が20mmで、締め代が表2に示す
値になるように貫通孔径(内径)を調整した種々のリン
グ状フィン(仮焼体)を作製した。次いで、実施例1と
同様に管状体にフィンを装着して焼成を行い、焼成後、
管状体とフィンとの接合状態を調べた。その結果は表2
に示すとおりであり、締め代が0mm以下の場合及び1.
5mm以上の場合には接合不良やフィン割れが生じ、締め
代が前記以外の範囲にある場合に良好な接合状態が得ら
れた。
【0027】
【表2】
【0028】〔実施例3〕:上記実施例1と同様にして
管状体(焼結体)を作製し、また、実施例1のフィンの
作製方法に準じて後述の焼成後におけるフィンの幅とフ
ィンの厚みとの関係が表3のようになるような種々のリ
ング状フィン(仮焼体)を作製した。次いで、実施例1
と同様に管状体にフィンを装着して焼成を行い、焼成
後、管状体とフィンとの接合状態を調べた。その結果は
表3に示すとおりであり、フィンの幅(A)とフィンの
厚み(B)との比(A/B)が80以上の場合にはフィ
ンに変形が生じ、80より小さい場合に良好な接合状態
が得られた。
【0029】
【表3】
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の製造方法
は、セラミックス焼結体である管状体と、セラミックス
未焼結体であるフィンとを組み合わせて焼成し、両者の
焼成収縮率の差を利用して接合一体化するものである。
本製造方法によれば、従来製造が困難であったフィン付
きのセラミックス管を比較的容易に製造することが可能
となる。また、本発明のフィン付きセラミックス管は、
フィンが接合されていることにより、これを多管式熱交
換器の伝熱管として用いると、大きな伝熱面積が得ら
れ、熱交換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るフィン付きセラミックス管の製造
方法の一例を示す説明図である。
【図2】本発明に係るフィン付きセラミックス管の一例
を示す斜視図である。
【図3】本発明に用いられるフィンの一例を示す図であ
り、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図4】本発明に用いられるフィンの一例を示す断面図
である。
【図5】本発明に用いられるフィンの一例を示す断面図
である。
【図6】従来、セラミックス製多管式熱交換器の伝熱管
として用いられてきたセラミックス管を示す斜視図であ
る。
【符号の説明】
2…管状体、4…フィン、6…枠体、8…溝、10…
溝、12…スペーサー棒

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス焼結体からなる管状体に、
    セラミックス未焼結体からなり、前記管状体を挿通する
    ための貫通孔を有するリング状のフィンを、所定の間隔
    で多数装着し、これを焼成することにより前記管状体と
    フィンとの焼成収縮率の差を利用して、前記管状体とフ
    ィンとを一体に接合固定してなることを特徴とするフィ
    ン付きセラミックス管の製造方法。
  2. 【請求項2】 下式により示される締め代の値を0より
    大きく、1.5mmより小さくなるようにした請求項1記
    載の製造方法。 【数1】 (式中、「フィンの焼成割掛け」とは、貫通孔に何も挿
    通せず、焼成収縮が拘束無く進行する状態でフィンを焼
    成した場合において、フィンの焼成前の寸法を焼成後の
    寸法で除した値をいう。)
  3. 【請求項3】 セラミックスからなる管状体に、セラミ
    ックスからなるリング状のフィンが接合固定されている
    ことを特徴とするフィン付きセラミックス管。
JP7697296A 1996-03-29 1996-03-29 フィン付きセラミックス管及びその製造方法 Withdrawn JPH09263458A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006112777A (ja) * 2004-10-14 2006-04-27 Nova Chem Internatl Sa 外部リブ付き炉用チューブ
WO2012102378A1 (ja) * 2011-01-28 2012-08-02 京セラ株式会社 炭化珪素質接合体およびこれからなる伝熱管ならびにこの伝熱管を備える熱交換器

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