JPS61213497A - コ−テイングが施されている熱交換体 - 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】 （産業上の利用分野］ 本発明は産業用または民生用のセラミックス熱交換体に
関する。

［従来技術とその問題点］ 高温、たとえば約４００℃以上の流体、あるいは腐食性
の流体と他の流体との熱交換には、耐熱性、耐食性の優
れるセラミックスを伝熱壁とした熱交換体が用いられて
いる。こうした熱交換体は特開昭５５−３５８９７など
からも知られるように、主として気体−気体間の熱交換
体として利用されている。

しかし、従来のセラミックス熱交換体では、セラミック
ス製の伝熱壁に生じる温度差によって熱応力が発生し、
クラックが走ったり、ひどい場合には破損にまで至るこ
ともあった。

このことは、当然ながら、一方の流体が他方の流体中に
洩れ出し、あるいは少なくとも一方の流体が系外に洩れ
出すなどの原因となる。このため、クローηＪサイクル
内の熱媒が減少したり、有毒性または腐食性の流体が外
部に洩れだすなどのおそれがあって、セラミックス製熱
交換体が広く実用化されない大きな理由となっていた。

さらに、こうしたセラミックス製熱交換体は押出し成形
、その他の成形法によって製造されるが、こうした製造
法によると、伝熱壁にり　□ラックや細孔などの欠陥が
存在することが多く、製造歩留りの低下をもたらしてい
た。

また、セラミックス製の伝熱壁にセラミックス系のうわ
薬を施して焼成するものも提案されているが、熱応力や
機械的衝撃などに基づくクラックの発生を防止できるも
のではなく、したがって、ｔｌＬ体の洩れも防止できる
ものではない。

［発明の目的］ 本発明は、従来技術の前述のような問題点を解決するた
めになされたものである。すなわち本発明は、セラミッ
クス製の伝熱壁にクラックや細孔などの欠陥が存在ルー
エいても、流体の洩れを防とできる熱交換体を提供する
にあり、また、熱応力や機械的衝撃によってもクラック
が発生せず、あるいは発生しても破損にまで至らぬ熱交
換体を提供するにあり、またクラックが発生しても実質
的に流体が洩れない熱交換体を提供するにある。

［発明の構成］ 本発明は、セラミックスからなる伝熱壁を備える熱交換
体において、前記伝熱壁の少なくとも一面には有機物を
主成分とするコーティングが施されていることを特徴と
する熱交換体である。

本発明によれば、有機物を主成分とするコーティングが
伝熱壁の少なくとも一面に施されており、かかるコーテ
ィングは伝熱壁のクラックや細孔にも入り込んで、流体
の洩れを防止できる。また熱応力や機械的衝撃によって
クラックが発生しそうになっても、有機物系のコーティ
ングはセラミックス製伝熱壁に比べて優れた応力吸収性
を備えているため、かかる−Ｖラックの発生が防止され
、あるいは仮りにクラックが発生してもその影響は最小
限にとどまり、かつ、有機物系コーティングにはクラッ
クが発生せず、すなわち、このコーティングには亀裂な
どが走らないことと相まって、実質的に流体の洩れない
熱交換体が提供される。

本発明において、伝熱壁に施されるコーティングは有機
物を主成分とするが、この有機物としてはゴムタル性を
有する有機樹脂が望ましい。

これにより、コーティング操作として各種の公知り法が
採用できるとともに、そのゴム弾性に、Ｊ−リ、セラミ
ックス伝熱壁へのクラック発生がより確実に防１トされ
、あるいは、この伝熱壁にクラックが発生しても、かか
る有機樹脂の優れた伸びによってこのコーティングが切
断されることがなく、したがって流体の洩れがなくなる
。

本発明において伝熱壁を形成するセラミックスとしては
炭化ケイ素質または窒化ケイ素質のセラミックスが望ま
しい、これらのセラミツ４Ｌスは熱伝導率が大きい上に
、たとえば反応焼結法などによって、薄肉の伝熱壁を比
較的容易に形成できるからである。

本発明の熱交換体は、その伝熱壁を気液伝熱用の伝熱壁
とされ、かつ、有機物を主成分とするコーティングがこ
の伝熱壁の液側の一面に施されているのが望ましい、こ
れは高温、たとえば４００−１５００℃の気体カラ、タ
カだカ１５０”ｃ。

特には　１００℃以下の木などの液体への熱交換にあっ
ては液側の伝熱面は液温とほぼ同程度の温度までしか昇
温せず、コーティングが熱的に損傷を受けることがほと
んどないためである。

本発明の熱交換体は、多数の流体流路を有するセラミッ
クスハニカムブロックであることが望ましい、このよう
なセラミックスハニカムブロックは体積当りのセル壁面
積を大きくとることが容易にでき、セル壁を二つの流体
間の伝熱壁として利用する場合であっても、セル壁を流
体から伝８壁への伝熱を促進するフィンとして利用ｊる
場合であっても、コンパクトにして伝熱速度の大きい、
かつ、製造容易な熱交換体が得られる。

以下、実施例の図面を参照しながら、本発明の詳細な説
明する。

［発明の具体的構成と作用］ 第１図および第２図に示すように、本発明の実施例の熱
交換体ｌＯは所定間隔をおいて相互に平行に配置された
複数の平板１１と、これらの平板１１を貫通する複数の
パイプ１２からなる。この実施例にあっては平板１１お
よびパイプ１２はいずれも反応焼結炭化ケイ素質からな
り、平板１１とパイプ１２との継ぎ目は適宜な固着剤、
好ましくは同質の固着剤により固着されている。

また平板１１の厚さは０，３〜１．０ｍｓ　、　となり
あう平板１１．１１間のピッチは２〜ｌｈｍ、パイプ１
２の外径は５〜１５ｍｍ、パイプ１２の肉厚は１〜２■
票とされる。パイプ１２は平板１１と直交し、かつ。

複数のパイプ１２は相互に千鳥状に配置され、となりあ
うパイプ１２．１２間のピッチは１５〜５０膳層とされ
る。まな伝熱壁となるパイプ１２の内面にはシリコーン
ゴムからなるコーティング１４が施されている。このコ
ーティング１４の厚みは約０゜１■とされる。またパイ
プ１２の外面および平板１１の両面にはこうしたコーテ
ィングは施されていない。

この熱交換体１Ｇは薗示せぬ適宜なケーシングに収容さ
れ、たとえば温水器として使用される。すなわちバイブ
１２内には被加熱流体として木が流され、加熱流体とし
ての高温の燃焼排ガスは各平板１１．１１間を平板に平
行に流される。

第２図において、高温ガスは紙面右方から左方へ流され
、あるいは紙面上方から紙面下方に流される。また、必
要に応じて紙面右方から入り、紙面下方から出る如くに
されてもよい（この場合には紙面左方および紙面上方の
端部がケーシングによりふさがれていることになる）。

このような場合にあって、約４００〜６００℃の燃焼排
ガスの熱エネルギーは、フィンの機能を果す平板１１に
伝熱さ、れる、平板１１およびノくイブ１２は熱伝導率
の高い炭化ケイ素質でできているので、平板１１からパ
イプ１２にはすみやかに伝熱される。コーティング１４
はアルミニウム粉末が混合された比較的熱伝導率の良好
なシリコーンゴムでできており、かつ、その厚みも小さ
いので、パイプ１２の熱はこのコーティング目を経て水
に伝えられる。

一般に単位伝熱面積当りの熱伝達係数は固体／液体間に
比べて固体／気体間では小さいが。

この熱交換体ｌＯにあってはパイプ１２に比べて平板＋
１の面積がかなり大となるようにされているので、気体
から液体への伝熱がバランスよく円滑に進む、このこと
と、熱交換体１０の素材が熱伝導率の高いセラミックス
からできていることとにより、燃焼排ガスの温度が約４
００〜１５００℃と高温であっても、平板１１およびパ
イプ１２の温度はパイプ１２内を流れる水などの液体よ
り若干高い温度までしか上昇しない、すなわちパイプ１
２内に水が流れる場合には、水温は一般にたかだか１０
０℃であり、したが−）：せニジｏｏｏ〜１５００°Ｃ
の高温の燃焼排ガスが平板１１．１１の間に流されても
、平板１１の温度は約１５０℃、パイプ１２の温度は約
　１１０℃となり、コーティング１４がシリコーンゴム
などの有機物であっても、充分、その耐熱温度以下で使
用できることとなる。

また、燃焼排ガスは窒素、炭酸ガス、水蒸気などととも
に、一般に、イオウ酸化物、窒素酸化物などの腐食性成
分も含有している。これらの腐食性成分は、その露点以
上の温度にあるときにはざほど問題を起ざないが、温度
が露点以下に下がると、低温腐食の問題を起こす、この
ことは金属質の素材を用いる熱交換体にとっては深刻な
問題であるが、本発明の熱交換体にあっては、こうした
ガスと接触する平板１１、パイプ１２が耐食性のすぐれ
るセラミックスからなるので、平板１１．パイプ１２が
パイプ１２内を流れる液体よりやや高い温度、すなわち
、腐食性成分の露点以下の温度となっても安心して使用
できる。

第３図および第４図には本発明の別りｌ施例が示されて
いる。すなわち、さきの熱交換体ｌＯではフィンが相互
に平行な平板１１によって形成されていたのに代えて、
この熱交換体２０ではフィンが相互に平行な平板１７と
、となりあう平板１７．１７に山部、谷部が接するよう
に配置された波板１８によって形成されている。

第３図かられかるように、一枚の波板１８はその各部に
おいて波長、振幅を等しくするとともに、異なる波板１
８．１８間にあっても同様にされている。また、となり
あう波板１８．１８間にあっては、一方の波板１８の谷
部と他方の波板１Ｂの山部が、その間に位置する平板１
７をはさんでほぼ同位置に来るようにされている。平板
１７と波板１８とをこのような形状、配置にすることは
本発明の熱交換体の製造しやすさや、強度の点で点で望
ましいが、本発明においては、特にこれらに限定される
ものではない、この熱交換体２０では、内面にシリコー
ンゴムのコーティング１４を有するパイプ１２が、波形
１８の谷部、山部を貫通する。ｂうに、かつ、相互に千
鳥状になるように配置されている。なおパイプ１２の配
置を千４鳥状とするのが伝熱性能向上には望ましいが、
基盤目状などであってもよい。

この熱交換体２０の好ましいディメンジョンを例示すれ
ば、平板１７、波板１８の厚さは０．３〜１．０ｍｍ　
、　となりあう平板１７．１７間のピッチは３〜２０ａ
ｍ、波板１８の波長、したがって、となりあうパイプ１
２．１２間のピッチはｌＯ〜５０■鳳、パイプ１２の外
径は６〜２０５ｍ、パイプ１２の肉厚は０．５〜３膳Ｉ
、コーチインク１４のｆｆミ４；１．０３〜０．２１鳳
である。

この熱交換体２０も適宜なケーシングに収容され、さき
の熱交換体ｌＯと同様に使用される。このとき、高温の
燃焼排ガスは第３図において紙面に垂直な方向に流され
る。

熱交換体２０と、コーティング１４が施されていない点
を除いては同様の熱交換体とを各１０個用いて比較実験
を行なった。パイプ１２には室温の水を流し、平板１７
．波板１８によって区画される流路には約４．５．ｎ−
ｉの自動車、エンジン排ガスを流した。コーティングな
しの熱交換体では排ガスを流しはじめたときの熱応力に
より、パイプ１２、またはパイプ１２と平板１７の接続
部、またはパイプ１２と波板１８との接続部にクラック
の発生したものがかなりあり、パイプ１２にクラックが
発生したものはまもなく、あるいはひきつづく５時間の
試験中に水洩れが起きた。一方、コーティング１４の施
された熱交換体２０の多くにあっては、パイプ１２にク
ラックが発生せず、クラックの発生が認められた一部の
ものにあっても、５時間の試験中に水洩れは起きなかっ
た。

熱交換体１０と、コーティング１４が施されていない点
を除いてはこれと同じ熱交換体との比較実験でも同様な
結果が得られた。

本発明において、パイプ１２などの伝熱壁は適宜なセラ
ミックスでつくることができ、緻密質のセラミックスで
あると、水などの流体の洩れを防止できて好ましいが、
ある程度多孔質であってもよい、すなわち、コーティン
グ！４によって流体の洩れを防シ易きるからである。具
体的な材質として酸化物系ではアルミナ質、ムライト質
″、ジルコニア質、コージライト質、スポジュメン質、
チタン酸アルミニウム質などが挙げらたれ、特に後四者
は低＆ｖ１１！質であって大きな熱応力が発生しにくく
て望ましい、一方、非酸化物系では炭化ケイ素質、窒化
ケイ素質、サイアロン質、窒化アルミニウム質などが好
ましく、なかでも炭化ケイ素質、窒化ケイ素質は高強度
、低膨張性、高熱伝導性で望ましい。

炭化ケイ素質、窒化ケイ素質などのセラミックスで伝熱
壁を形成するにあたり、これらは各種の成形法で成形さ
れ、ホットプレス法、熱間静水圧プレス法などによって
焼成されてもよいが、反応焼結法、常圧焼結法によって
焼成されるのが好便である。これによれば部内複雑形状
の伝熱壁、さらにはフィンが容易に形成できるのみなら
ず、シリコーンゴムなどのコーティング１４とのなじみ
がよい利点がある０反応焼結セラミックスにあっては炭
化ケイｊ質セラミックスが特に好適である。これは１反
応焼結前の薄肉複雑形状の構造体が変形しにくいなどの
理由による。

本発明の熱交換体において、伝熱壁は管状をなしていて
も、平板または曲板などの板状をなしてもよい、その肉
厚はさきの実施例の如く１〜２ｍｌに限定されるもので
はなく、所要強度が満たされる範囲で０．５−履以下の
薄肉であってもよいし、所要熱伝達率が満たされる範囲
で５■以上の厚肉であってもよい、さらに本発明の熱交
換体において、伝熱壁に付随するフィンなどが多数形成
されていることは、全体としての熱伝達を大きくするの
みならず、伝熱壁の温度が上昇しすぎるのを防止する上
でも望ましく、さらにこれにより、コーティング１４の
過熱も抑制される。またこうしたフィンが伝熱壁と同材
質のセラミックスでできていることは、この熱交換体の
製造しやすさにつながる。

本発明の熱交換体は単なる一本のセラミックス伝熱管、
あるいはこれらを複数個アセｖ−Ａししたものであって
もよいが、好ましくは多数の流体流路を有する、いわゆ
るセラミックスハニカムブロックとされる。このような
セラミックスハニカムブロックにおいては加熱流体流路
、被加熱流体流路が一般にはそれぞれ複数個、ないしは
多数個形成されており、かつ、これらが同材質のセラミ
ックスにより一体物として形成されている。さきに示し
た第１〜４図もこうしたセラミックスハニカムブロック
であるが、第５図以下にも他のセラミックスハニカムブ
ロックの例が示されている。

第５図のハニカムブロック３０は、格子状の断面を有す
るセラミックス成形体の側面から対向する側面に、複数
本のパイプ３１を貫通せしめた形状をしている。コーテ
ィングはこのパイプ３１の内面に施される。この場合に
は、パイプ３１には好ましくは水などの液体が流され、
格子状をなす流路３２には気体が流される。

ｗＳ６図のハニカムブロック３３は、断面が櫛歯状へ土
」ミックス成形体を、一段毎に向きを直交させて積層し
、焼結体としたものである。この場合には第一流体流路
３４と第二流体流路３５とが直交して、いわゆる直交流
型の熱交換体が得られる。なお第５図のおいては要部の
みを実線で示し、他は外形線のみで略示している。この
へ二カムブロック３３は、気／気熱交換用、あるいは液
／液熱交換用に好適である。有機ゴム買からなるコーテ
ィングは、流体流路３４．３５のうち、被加熱流体側、
または腐食性成分の少ない流体側の内面に施される。

第６図のハニカムブロックの変形例として、平板と波板
とを交互に積層し、かつ、この波板の向きを交互に直交
させたものなども挙げられる。

第７回には主要部が向流もしくは並流となるようにされ
たハニカムブロック３ｅが示されている。このハニカム
ブロック３８は、第８図に示すような、断面が櫛歯状の
セラミックス体３７と、第９図に示すような、断面が変
形櫛歯状のセラミックス体３８（」交互に桔層して形成
される。

このハニカムブロック３Ｂも第６図のハニカムフロック
３３と同様にコーティングが施され、かつ、ハニカムブ
ロック３３と同様に使用できる。

本発明においてコーティングは伝熱壁の両面に施されて
いてもよく、あるいは両面にそれぞれ異なる有機物を主
とするコーティングが施されるのが有効な場合もあるが
、一般には、流体の洩れを防止するため辷は、どちらか
−面にコーティングが施されていれば充分であり、コー
テイング材の節約および熱伝達率の低下防止にもつなが
る。特に、気／液伝熱用の伝熱壁にあっては、液側の伝
熱壁面にコーティングがされているのがよい、これは、
気・側であると、気体中の腐食性成分が凝縮し、これが
有機物からなるコーティングを損傷させるように作用す
ることがあるが、液側であると、かかる現象も防止され
る。またフィンにはかかるコーティングが施されていな
い方が、熱伝達率の低下防止のためなどには好ましい。

コーティングを構成す−る１機物には、それが施された
側を流れる流体の化学的作用と、そのコーティングのさ
らされる温度とに対して所要の安定性を備えるものが適
宜採用される。したがってこの有機物は必ずしも高分子
化合物であることを要しないが、一般には高分子化合物
、なかでもゴム弾性を有する有機樹脂が好ましく採用で
きる。これらの有機樹脂としてはシリコーンゴム、含フ
ー２素有機ゴム、エポキシ樹脂系ゴムなど、特には前二
者が、耐熱性、耐薬品性、接着性、伸び性に富んで好ま
しい、さらにセラミックスが反応焼結型の炭化ケイ素質
、窒化ケイ素質であるときには、かかるセラミックスに
比較的多く存在する金属ケイ素との親和性が良い点でシ
リコーンゴムが好適である。

またコーティングは有機物を主成分とするが、これに金
属粉末などが分散されているものであってもよい、これ
により、コーティング層の熱伝導度を向上したり、コー
ティング層に電気伝導性を付与したりすることもできる
。

コーティングの施し方には、各種４朝が適宜採用でき、
−例を挙げれば、シリコーンゴムと溶剤と必要に応じて
加えられる金属粉末とからなる低粘度の溶液または分散
液をコーティングを施すべき伝熱壁面に流し、ついでこ
れを乾燥することにより、コーティングが施される。余
剰のコーテイング液は適宜回収し、再使用してもよい、
また、コーティングを施すべき管状伝熱壁の出口を仮り
に封じておき、管内をコーテイング液で満たしたのち、
空気圧をかけ、伝熱壁面の微ｍなりチックなどにもコー
テイング液を充分に浸み込ませることも有効である。

［発明の効果］ 本発明の熱交換体は、その伝熱壁の少なくとも一面に、
有機物、特にはシリコーンゴムなどのゴム弾性を有する
有機樹脂、を主成分とするコーティングが施されている
ので、こうしたコーティングが伝熱壁のクラックや細孔
に入り込んで、流体の洩れを防止する。またコーティン
グが施されていないと熱応力、機械的衝撃などによって
クラックが発生する場合であっ一工一も、こうしたコー
ティングが施されていると。

クラックが発生せず、あるいはクラ７りが発生してもそ
の成長が防止される。

加えて、本発明によれば、コーティング層がいわば断熱
層として機能し、セラミックスからなる伝熱壁、さらに
はフィンを含むセラミックス体の各部分の温度差を小さ
くする効果が挙げられる。このことは本発明の熱交換体
の使用にあたって、スタートアップ時などの熱衝撃の激
しい条件下で発生する熱応力を緩和し、クラックなどの
発生を抑制する。

また加熱流体として燃焼排ガスを使用する場合には、こ
のガス中に含まれる未燃カーボンが、熱交換体における
このガスの流路の内壁に付着、堆積し、圧力損失の上昇
、流路の閉塞、熱伝達率の低下をひきおこすことが多い
、しかるに、未発１７５の如く、被加熱流体側の伝熱壁
面にかかるコーティングを施すと、コーチインクを施し
ていない場合に比べて加熱流体側の伝熱壁面、−一には
フィン面の温度が上昇し、未燃カーボンの付着などを抑
制、防止する。

かくして本発明の熱交換体は各種の熱交換用に使用でき
、車両用ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンの燃焼
排ガスの熱から車内暖房用温水を得るための熱交換器、
あるいは家庭用のプロパンガス、タウンガスによる厨房
用瞬間湯沸し器、風呂・洗面用湯沸し器をはじめ多方面
に利用でさる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の熱交換体の一部切欠正面図で
ある。第２図は第１図の熱交換体の平面図である。第３
図は本発明の別の実施例の熱交換体の一部切欠正面図で
ある。第４図は第３図の熱交換体の平面図である。第５
図、第６図および第７図は本発明のそれぞれ異なる別の
実施例の熱交換体に使用されるハニカムブロックの斜視
図である。第８図および第９図は第７図のハニカムブロ
ックを構成するそれぞれ異なるセラミックス体の側視図
である。 第１図 第　２　図　　　　−（ 頭 や　４　　図　　　　　　　／−− ＼こ／゛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックスからなる伝熱壁を備える熱交換体にお
   いて、前記伝熱壁の少なくとも一面には有機物を主成分
   とするコーティングが施されていることを特徴とする熱
   交換体。 ２、前記有機物はゴム弾性を有する有機樹脂である特許
   請求の範囲第１項の熱交換体。 ３、前記セラミックスは炭化ケイ素質または窒化ケイ素
   質セラミックスである特許請求の範囲第１項または第２
   項の熱交換体。 ４、前記伝熱壁は気液伝熱用の伝熱壁であり、かつ、前
   記伝熱壁の液側の一面に前記コー ティングが施されている特許請求の範囲第１〜３項のい
   ずれかの熱交換体。 ５、前記熱交換体は多数の流体流路を有するセラミック
   スハニカムブロックである特許請求の範囲第１〜４項の
   いずれかの熱交換体。