JPS6089691A - 熱交換体保持構造 - 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】 ス製熱交換体の保持構造に関する。

近年、省エネルギーの観点から、炉の排ガスより熱回収
して、エネルギーの節約を行なうことが試みられており
、特に高温の排ガスから燃焼用空気に直接熱交換する技
術が望まれている。かかる熱交換においては、排ガス温
度が１０００°Ｃ以上になると従来使用されている金属
の熱交換体では耐熱部、耐食性の点で問題があり、セラ
ミックス製熱交換体が必要となる。

そして、セラミックス製熱交換体としてプロ。

ク状に形成されたものが知られている。このセラミック
ス製熱交換体は、外形がほぼ直方体状をなし、第一対向
面内に第一流体流路が開口し、第二対向面内に第二流体
流路が開口し、内部に両流体流路を区画する多数の隔壁
が設けられてできており、高温度領域で使用でき、コン
パクトな構造で熱効率も高く、耐熱割魅性に優れている
ので，高温排ガスの熱交換に適している。

この熱交換体は、実際にはメタルケースの内側にセラミ
ックスの断熱材が張られたケーシングに収容されて使用
される。しかしながら、メタルケース、断熱材、熱交換
体は、それぞれ特有の熱膨張係数を有するため、高温下
において特に断熱材と熱交換体との間に隙間が生じ、し
っかりと保持することができなくなる。特に熱交換体の
材質として、熱応力による割れを防ぐために例えばコー
ジェライト質のような低膨張率のセラミックスを使用し
た場合には、断熱材との熱膨張率の差が大きくなるので
、隙間も大きくなる。このように、断熱材と熱交換体と
の間に隙間が生じると、ガタ伺きが生じるばかりではな
く、例えば高温の排ガスと予熱空気とが互いにリークす
るという不都合が生じる。すなわち、一般に予熱空気は
排ガスよりも高圧であるため、予熱空気が上記の隙間を
通って排ガス側に混入する。

特開昭５７−３１７８２号には、スプリングを介して熱
交換体をケーシング内に弾性保持する技術が開示されて
いる。しかし、この従来技術によれば、断熱材と熱交換
体との熱膨張率の差によるガタ付きをスプリングによっ
て吸収することはできるが、熱交換体とケーシングとの
間に生じる隙間をシールすることはできないため、予熱
空気と排ガスとのリークを防止することはできなかった
。

したがって、本発明の目的は、ブロック状の熱交換体を
ケーシングに収容する際に、熱膨張率の差によるガタ付
きを吸収し、かつ、流体が互いにリークしないようにし
た熱交換体保持構造を提供することにある。

本発明の熱交換体保持構造は、熱交換体の少なくとも一
面の開口部を囲むスペーサーと、このスペーサーの外側
の端部に装着されたゴムパ、ンキンとを介して熱交換体
が前記ケーシング内に弾性保持されている。

したがって、熱交換体とケーシングとの熱ＩＩＩ張率の
差によるガタ付きはゴムパンキンの弾性力によって吸収
され、また、熱交換体の開口部外周がスペーサーとゴム
パツキンによってシールされるので、流体のリークも防
止される。また、ゴムパツキンは高温の熱交換体に直接
に触れず、スペーサーを介して熱交換体を押圧している
ので、ゴムパツキンが熱的に損傷することは少ない。

本発明の実施に際し、スペーサーとゴムノく・ンキンは
開口部を有する四面のすべてに設けてもよいが、三面の
み、二面のみ、−面のみであっても充分である。すなわ
ち、−面のみに設けた場合でも当該開口部において排ガ
スまたは予熱空気のリークが防止されるとともに、これ
と対向する開口部の周囲も断熱材に押圧されることとな
ってここでのガタ付きもリークも防止されるからである
。二面のみにスペーサーとゴムパツキンを設ける場合に
は、これらを予熱空気の流路を形成する開口部に設ける
ことが好ましい。このようにすれば、排ガスよりも圧力
の高い予熱空気側の流路をシールするのでリークを防止
する上でより効果的となる。その上、排ガスよりも温度
の低い予熱空気が内部を流通するので、ゴムパツキンの
熱損傷はより確実に防止できる。同様にして一面のみに
スペーサーとゴムパツキンを設ける場合にはガス温度の
最も低い予熱空気入口側の開口部が好ましく這ばれる。

また、スペーサーと熱交換体開口部周囲との当接部分お
よび必要に応じこれと対向する開口部周囲と断熱材との
当接部分は接着モルタルでシールすることが好ましい。

このようにすれば、熱交換体の開口部外周をより確実に
シールすることができる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図には本発明が適用されるセラミックス製熱交換体
の一例が示されている。すなわち、この熱交換体ｌは、
全体としてほぼ立方体状をなし、第一対向面Ａ−Ａ内に
スリット状の空気流路２が複数形成されている。また、
第二対向面Ｂ−Ｂ内に同じくスリット状の排ガス流路３
が複数形成されている。そして、熱交換体１の内部にお
いて、空気流路２と排ガス流路３とは交互に層状に形成
され、多数の隔壁によって互いに区画されている。

第２図ないし第５図には本発明の熱交換体保持構造の一
実施例が示されている。すなわち、熱交換体１はケーシ
ング４内に収容される。ケーシング４は外側を覆うメタ
ルケース５と、このメタルケース５の内側に張られた断
熱材６とからなり、内部には熱交換体１を収容する凹所
７が形成され、熱交換体１の第一の対向面Ａ−Ａに対応
する部分には空気入口８と空気出口９とが設けられ、熱
交換体ｌの第二の対向面Ｂ−Ｈに対応する部分には排ガ
ス入口１１と排ガス出口１２とが設けられている。この
場合、断熱材６としては通気性の小さいキャスタブルセ
ラミックス酸が好ましい。また、空気入口８には空気入
口フランジ１３が着脱自在に取付けられるようになって
おり、熱交換体１はこの空気入口８からケーシング４内
に挿入される。

空気入口フランジ１３には、整流板１４が取付けられて
いる。熱交換体１をケーシング４内に挿入する際、熱交
換体１と断熱材６との間には、接着モルタル１５を介在
させる。すなわち、接着モルタル１５を断熱材６の内側
に塗布して熱交換体ｌを挿入した後、振動機によって加
振して熱交換体１を断熱材６に接着する。この接着モル
タル１５は耐熱性のあるセラミックス質のものを使用す
る。この場合、通常市販のセラミックスモルタルあるい
は接着剤は、乾燥固化後もしくは加熱後には、含まれて
いた水分や有機物が飛散し気孔を形成することにより通
気性を生じる恐れもあるので、モルタル部の厚さは１〜
２　ｍｍ程度に薄く形成することが好ましい。

そして、空気人口８には、熱交換体１の空気流路２の開
口部を囲むように、スペーサー１６が挿入され、スペー
サー１６の内端は接着モルタル１５を介して熱交換体１
に接着される。スペーサー１６の材質としては、熱交換
体１と同材質のセラミックスが好ましいが、場合によっ
ては耐熱メタルであってもよい。また、気密性をより確
実に賦与するため、スペーサー１６の内面または外面に
釉薬処理してもよい。スペーサーの外側の端部にはゴム
パンキン１７が装着される。このゴムパツキン１７とし
て１は市販のゴムが使用できるが、好ましくはシリコン
ゴムやフッ素ゴムのようなやや耐熱性の高いゴムを使用
する。そして、このゴムパツキン１７の外側から空気入
口フランジ１３が被せられる。この場合、特に第５図に
示すように、ゴムパツキン１７はスペーサ−１６の端部
ばかりでなく、ケーシング４の開口縁部をもシールする
ようになっている。そして、空気入口フランジ１３はそ
の周縁部をケーシング４にポルｈ１８およびナツト１９
によって締付は固定されている。

上記の構成において、高温の排ガスは第２図中白抜矢印
で示すように排ガス入口１１から熱交換体１の排ガス流
路３を通り排ガス出口１２から流出する。一方、予熱空
気は第２図中矢印で示すように空気入口フランジ１３が
ら空気入口８を通りさらに熱交換体１の空気流路２を通
って空気出口８から流出する。したがって、この実施例
では予熱空気と排ガスとが直交流型に流れる。そして、
熱交換体１の内部において、予熱空気は排ガスと熱交換
され、加熱されて取出される。ところで、例えば１００
０°Ｃ以上の排ガスが流通することによって熱交換体１
およびその周囲が例えば５００〜１０００℃に加熱され
ると、熱交換体１、断熱材６、メタルケース５、スペー
サー１６の熱膨張率の差によって、特に熱交換体】と断
熱材６との間に隙間が生じる。

しかし、本発明においては、空気入口フランジ１３がゴ
ムパツキン１７、スペーサー１６を介して熱交換体１を
内方に押し付けているので、熱膨張率の差による隙間は
ゴムパツキン１７の弾性によって吸収され、高温下にお
いても熱交換体１をしっがりと保持することができる。

また、スペーサー１６およびゴムパツキン１７によって
熱交換体１の空気流路２の開口部外周がシールされるの
で予熱空気が排ガス側にリークすることが防止される。

さらに、このゴムパツキン１７はメタルケース５と空気
入口フランジ１３とをシールし排ガスのリーク防止にも
役だっ−ている。ゴムパツキン１７としては好ましくは
ｌ１ｌｌｔ熱性のあるものが使用されるが、こρ実施例
の場合、内部に未加熱の予熱空気が流通するのであまり
温度は上がらず、せいぜい１００′Ｏ前後であり、充分
長期の耐久性に耐えられる。

第７図には本発明の他の実施例が示されている。この実
施例においては、第６図（ａ）に示すような直方体状の
熱交換体１が適用されるようになっている。この熱交換
体１は第一の対向面Ａ−Ａのそれぞれ片半部にスリット
状の複数の空気流路２が開口している。また、第二の対
向面Ｂ−Ｈに同じくスリット状の複数の排ガス流路３が
開口している。この空気流路２および排ガス流路３には
それぞれ第６図（ｂ）および第６図（Ｃ）に示すように
、内部に整流壁２０が設けられている。また、空気流路
２と排ガス流路３とは交互に層状に形成され、かつ、隔
壁によって互いに区画されている。

そして、第７図に示すように、熱交換体１はケーシング
４内に収容され、第一の対向面Ａ−Ａのそれぞれの空気
流路２を囲むようにスペーサー１６．１６が挿入され、
ゴムパツキン１７．１７を介して空気入口フランジ１３
オよび空気出口フランジ２１によって押し伺けられるよ
うにして固定されている。なお、加熱された予熱空気の
放熱を防ぐため空気出口フランジ２１には断熱材２２が
内張すされている。・また、空気出口部は比較的温度が
高くなり、ゴムパツキン１７が熱的損傷を受ける恐れが
ある。したがって、空気出口側のスペーサー１６は第７
に示すように外側周に凸部を有する異形をなし、ゴムパ
ツキン１７が加熱された空気に直接に触れるのをなるべ
く防ぐようにされている。排ガスは第７図中白抜矢印で
示すように排ガス人口１１から熱交換体１を通って排ガ
ス出口１２から流出し、一方、予熱空気は第７図中矢印
で示すように空気入口フランジ１３がら空気人口８を通
って熱交換体ｌに入り、さらに空気出口８を通って空気
出口フランジ２１から流出する。したがって、この実施
例では、排ガスと予熱空気とは熱交換体１の内部におい
ておおむね向流型に流れる。そして、熱膨張率の差によ
る隙間は各ゴムパツキン１７．１７の弾性によって吸収
され、かつ、熱交換体１の空気流路２の開口部外周がス
ペーサー１６．１６およびゴムパツキン１７．１７によ
ってシールされので刊ガスと予熱空気のリークが防止さ
れる。

次に本発明の詳細な説明する。

試験例１ 第２図ないし第５図に示した熱交換装置を用いてリーク
テストを行なった。

熱交換体１として、コージェライト質からなる一体型の
外形寸法が３５０　Ｘ３５０　Ｘ、３５０ｍｍのものを
使用した。この熱交換体１の空気流路２は４×２９０ｍ
ｍの断面を有し１４通路がらなり、排ガス流路３は１０
１０Ｘ２９０の断面を有し１３通路からなっている。そ
して、伝熱面積は２．１８ｒｎ’である。

ケーシング４としては、メタルケース５の外形寸法が　
５２５　Ｘ４５０　Ｘ８２５　ｍｍであり、断熱材６と
して断熱キャスタブル（旭硝子株式会社製　商品名「ラ
イトキャスター１４」）を場所により異なるが平均５０
〜？Ｏｍｎ＋内張すしたものを使用した。

組立ては、ます熱交換体ｌと断熱材６との間に接着モル
タル１５をヘラで約３ｍｍ塗布し、ただちに熱交換体１
を組込み、振動機によって約３０秒加振し、熱交換体１
と断熱材６とを接着した。次に熱交換体１の空気流路２
の入口側外周に同様の接着モルタル１５をヘラで塗布し
、コージェライト質からなる外寸３５ｏ×内寸３ｏ５×
高さ７３ｍｍのスペーサー１６をセットし、振動機にて
加振して接着を行なった。さらに、厚さ７１、外寸３９
０　ｍｍ、内寸３０５ｍｍのシリコンゴムのパツキン１
７をこのスペーサーの上に置き、空気入口フランジ１３
をセットしてポル）１８、ナツト１９にて締付は固定し
た。この状態で８０℃Ｘ　２４Ｈｒ乾燥して、リークテ
ストを行なった。

まず、空気の入出口を密閉し、その内部に空気を加圧し
て送入し、空気圧力とリニク量を測定した。その結果は
第８図に示す通りである。

次にこの熱交換装置をＬＰＧ燃料を使用するテスト炉の
排ガス出口部に取付け、熱交換の性能をテストした。そ
の結果、排ガス流１２５ＯＮｒｎ’／Ｈｒ、排ガス温度
１２００°Ｃ１空気流　２３１］Ｎｍ’／Ｈｒ　、空気
入口温度２０°Ｃのとき、空気出口温度が４２９°Ｃ１
排ガス温度が８８８℃であった。温度効率は３５％であ
る。このときの空気入口圧力は５８０ｍｍ　Ｈ２Ｏであ
り、空気出口圧力は５７０ｍｍ　Ｈ２０であった。また
、排ガス入ｌコ部の圧力は５ｍｍ　Ｈ２０であり、υ１
ガスはそのまま大気へ放出した。

この状態での空気のリーク量の測定は空気入口、出口お
よび排ガス入口、出口での０２Ｍを測定することによっ
て行なった。その結果、空気の排ガス側へのリーク量は
１．５Ｎｒｒｆ／Ｈｒであることが判明した。室温のリ
ーク量よりも減少しているのは、空気温度が高いために
空気の粘性が大きくなったこと等によるものと思われる
。この場合での空気リーク率は０．６％であり、極めて
優れた結果となった。

試験例２ 第７図に示した熱交換装置を用いてリークテストを行な
った。

熱交換体１として、外径寸法２８０　Ｘ２８０　Ｘ５０
０ｍｍ、空気流路２は巾３ｍｍのものが１４、排ガス流
路３は巾？＋ｎｍのものが１３、伝熱面積２．２５ｍ’
のものを使用した。組立て方法等は試験例１と同様であ
る。

この装置の室温での空気のリークテストを実施した結果
、第９図に示すようになった。

次に、試験例１と同様な方法で熱交換の性能テストを行
なった結果、排ガス流量２５ＯＮｍ’／Ｈｒ　、排ガス
温度１２００°Ｃ１空気流量２１９Ｎｍ’／Ｈｒ　、空
気入口温度２　Ｑ　’Ｏのとき、空気出口温度がθ２Ｑ
’Ｃ１排ガス出口温度が６３０℃であり、温度効率が５
１％であった。このときの空気入口圧力は［１２０ｍｍ
　Ｈ２Ｏであり、空気出口圧力は５８５ｍｍ　Ｈ２０で
あった。また、排ガス入口圧力は３２ｍｍＨ２０であり
、排ガスは排ガス出口１２よりそのまま大気に放出した
。

この状態で試験例１と同様に酸素濃度によって空気の排
ガス側へのリーク量を測定した。その結果、空気のリー
ク量は３．５Ｎｒｎ’／Ｈｒであり、空気のリーク率は
１．４％であった。試験例１の直交流型熱交換装置に比
べて少し大きくはなったが、セラミンクス熱交換装置と
しては良好な結果といえる。

以上説明したように、木・発明によれば、熱交換体の少
なくとも一面の開口部を囲むスペーサーと、このスペー
サーの外側の端部に装着されたゴムパツキンとを介して
熱交換体がケーシング内に弾性保持されているので、高
温下において熱交換体とケーシングとの熱膨張率の差に
よって隙間が生じても熱交換体をしっかりと保持するこ
とができ、かつ、スペーサーとゴムパツキンとによって
熱交換体の流体流路開口部外周がレールされるので、各
流体が熱交換体とケーシングとの隙間からリークするこ
とも防止できる。さらに、スペーサーとゴムパツキンと
によって弾性保持するようにしたので、構造が簡単であ
り、組立てが容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される熱交換体の一例を示す斜視
図、第２図は本発明の熱交換体保持構造の一実施例を示
す正面断面図、第３図は同実施例を示す平面半断面図、
第４図は同実施例を示す右側面半断面図、第５図は同実
施例の要部を示す部分拡大断面図、第６図（ａ）は本発
明が適用される熱交換体の他の例を示す斜視図、第６図
（ｂ）および第６図（ｃ）は第６図（ａ）の熱交換体の
それぞれ空気流路および排ガス流路を含む平面にわける
断面図、第７図は本発明の熱交換体保持構造の他の実施
例を示す正面断面図、第８図および第９図は室温空気の
リークテスト結果を示すグラフである。 図中、１は熱交換体、２は空気流路、３は排ガス流路、
４はケーシング、８は空気入口、８は空気出口、１１は
排ガス入口、１２は排ガス出口、１５は接着モルタル、
１６はスペーサー、１７はゴムツク１．キン、Ａ−Ａは
第一対向面、Ｂ−８は第二対向面である。 特許出願人　旭硝子株式会社 代理人　弁理士　松井　茂 第４図 １２ 第５図 第６（ｄ）図 第６（ｂ）図 第６（〔）図 第７図 ↓

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 外形がほぼ直方体状をなし、第一対向面内に第一流体流
   路が開口し、第二対向面内に第二流体流路が開口し、内
   部に両流体流路を区画する多数の隔壁が設けられたセラ
   ミックス製の熱交換体をケーシング内に収容し保持する
   熱交換体保持構造において、前記熱交換体の少なくとも
   一面の開口部を囲むスペーサーと、このスペーサーの外
   側の端部に装着されたゴムパツキンとを介して前記熱交
   換体が前記ケーシング内に弾性保持されていることを特
   徴とする熱交換体保持構造。