JPS6176891A - セラミツクス製熱交換体 - 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】 「技術分野」 本発明は、例えばディーゼルエンジンなどの高温排ガス
の有する熱エネルギーを回収するのに好適なセラミック
ス製熱交換体に関する。

「従来技術およびその問題点」 チューブを用いた熱交換器において、管内に水などの流
体を流し管外に気体を流すような場合。

管の外側にフィンを設けると熱交換が効果的に行なわれ
ることはよく知られている。このため、金属製チューブ
に金ｈル製フィン°を巻いてフィンチューブとすること
は広く行なわれている。しかし、８００°Ｃを超えるよ
うな高温ガスを管外に流す場合、通常の金ＩＡ製フィン
では耐熱性がなく、また、＋１熱性のある特殊合金では
価格が高い上に熱伝導性が劣るなどの欠点があった。ま
た、ディーゼルエンジンなどの排ガスなどを管外の流体
としで用いる場ａ、排ガス中に含まれる黒煙粉末により
断続的、局部的なスートファイアリングが起こリ、金属
製フィンの融点を超えるような高温部ができるため、金
属製フィンは使用できなかった。

さらに硫黄分などの不純物を含む燃料の燃焼ガスを管外
の流体として用いる場合には、フィンやチューブ外表面
の低温腐食が問題となり１通常の金属では熱交換器とし
ての寿命を著しく短縮されるという欠点があった。

これらの欠点を解決する方法として、セラミックスチュ
ーブとセラミックスフィンを別々に作って接着する方法
、あるいはフィン付きチューブをセラミックスの鋳込成
形、射出成形もしくは液圧ブレスで作る方法が容易に考
えられるが、熱抵抗の少ないフィンの接着技術が確立し
ていないことや熱応力の発生しにくい均一な成形技術か
安価に得られないことから未だ実用化されていない。

一方、セラミックス製ハニカムを用いた熱交換体は公知
であり、例えば第１Ｏ図および第１１図に示すように、
全体として直方体状をなすセラミックス製のハニカム体
１１から成り、交互に列をなして形成されたセル群１２
ａおよびセル群１２ｂのうち、セル群１２ｂの＋＋＋４
端面が横方向から見て斜めに切り欠かれてなる熱交換体
が知られている（特開昭５６−１３３５９８参照）。こ
の熱交換体においては１両端面において突出したセル群
１２ａにヘッダーを接続して第１の流体の流路Ａを形成
し、両端面を切り欠かれたセル群１２ｂには横方向から
流体を流通させるようにして第２の流体の流路Ｂを形成
する。

そして、各セル＃Ｔ１２ａ　、　＋２ｂの隔壁を介して
熱交換かなされるようになっている。

しかしながら、この熱交換体では、例えば排ガスと空気
との熱交換などのように比熱や隔壁の両側における熱伝
達係数が同程度にとれる場合には問題がないか、例えば
ガスと水のように隔壁の両側における熱伝達係数が著し
く異なる場合には、ガスの伝熱面積は大幅に不足し、水
の伝熱面積は大幅に余裕かあることになって、熱バラン
スが悪く熱交換効率か低下する。

「発明の１゛１的」 本発明の目的は、高温の排ガスなどに適用することかで
き、熱交換効率が高く、かつ、ガスと液体との熱交換の
ように比熱や両側の熱伝達係数の大きく異なる流体間の
熱交換に適したセラミ・ノクス製熱交換体を提供するこ
とにある。

「発明の構成」 本発明のセラミックス製熱交換体は、隔壁によって区画
された多数のセルを有するセラミックス製のハニカム体
から成り、前記セルの孔部総断面積の３０％以下のもの
が両端面から突出して構成されている。

したがって５両端面が突出したセルを通る第１の流体の
流路と、両端面が突出していないセルを通る第２の流体
の流路とを容易に形成することができ、第１の流体と第
２の流体との間で熱交換を行なわせることができる。そ
して、両端面が突出したセルはセルの孔部総断面積の３
０％以下とされているので、第１の流体の流路断面積は
第２の流体の流路断面積よりも小さくなる。これにより
、例えば液体とガスとの熱交換のように比熱や両側の熱
伝達係数が異なる流体間の熱交換を行なう場合に、第１
の流体として液体を用い、第２の流体としてカスを用い
ることにより、熱伝達係数の高い液体側の伝熱面積より
も熱伝達係数の低いガス側の伝熱面積を大きくして熟バ
ランスを良好にし、熱交換効率を高めることができる。

この場合、従来のセラミックス製熱交換体においてはハ
ニカム体の隔壁が主として熱交換する流体の隔壁として
のみ使用されるのに対し、本発明の熱交換体においては
ハニカム体の隔壁が主として熱交換を助けるフィンどし
ても作用するので、第２の流体側の伝熱面積を極めて大
きくすることが可能である。

また、一般にセラミックス製熱交換体を例えば高温ガス
と室温近くの空気との熱交換に用いた場合、セラミック
スの温度は高温ガス体と空気とのＷ　Ｐｌ温度近辺まで
加熱され、ガス出入口に大きな温度差がつき、これによ
って発生する熱応力に起因してセラミックスの各部に亀
裂が生じやすかった。しかし、本発明の熱交換体によれ
ば、一方の流路に壁ＩｎＩ熱伝達率や熱容湯が非常に大
さな水なとの流体を用いることができ、このときフィン
とし４用するハニカム体の隔室を介して熱が効率よく伝
導し、セラミックスの各部の温度を水なとの流体の温度
にきわめて近いレベルにおさえることが６丁能なため、
結果的にガス出入口の温度差も小さくなり、発生する熱
応力を低くおさえることかできる。

さらに１本発明においては、第１の流体の流路か全体の
流路断面積の３０％以下、特には２０％以下とされるの
で、両流体の密度、比熱、流量などに大きく差があって
もバランスのよい熱交換ができ、第１の流体の流路と第
２の流体の流路とを実質的に区画する隔壁部分の面積を
大幅に少なくすることができ、一方の流体から他方の流
体への漏洩の可能性を公知の熱交換体と比べて大幅に減
少させることができる。

未発明の好ましい態様によれば、両端面から突出したセ
ルは、互いに隣接することなく分散して配置される。こ
のようにすれば、両端面から突出したセルを通る第１の
流体の流路が、両端面から突出していないセルを通る第
２の流体の流路に囲よれるので　ｆｊｚ４換効率がざら
に向上する。

ｋ発明の別の好ましい態様によれば、両端面から突出し
たセルの隔壁は、他のセルの障壁よりも厚イされる。こ
れによって、両端面から突出したセルを通る第１の流体
のンール性を確実にし、−力の流体から他方の流体への
漏洩の可能性をより一層減少させることができる。

本発明のさらに別の好ましい７ｍ様によれば、両端面か
ら突出したセルは、池のセルの隔壁の交点に配置される
。これによって、熱伝達がセルの隔壁を介して良好にな
されるようになり、熱交換効−Ｆとさらに向上させるこ
とができる。

、１明の他の好ましい態様にｒれば、ハニカム体は、反
応焼結炭化珪素体、特には炭化珪素および炭素を主成分
とする材料に金属珪素が含浸されて形成される反応焼結
炭化珪素体からなる。これによって、両端面から突出し
たセルを通る第１の流体の流路壁に存在する可能性があ
る気孔を埋め、ＩＱ体の漏洩をより確実に防１ヒできる
。

「発明の実施例」 第１図および第２図には本発明の一実施例が示されてい
る。この熱交換体は、セラミックスのハニカム本体２１
と筒体２３からなるハニカム体をなし、ハニカム本体２
１には断面が円形をなすセル２２ａと、断面が三角形を
なすセル２２ｂとが形成されている。セル２２ａはセル
２２ｂの隔壁の交点に位置するように形成されており、
セル２２ａの孔部の３計の断面積はこの実施例の場合全
セルの孔部の総断面積の約１３％となるようにされてい
る。そして、セル２２ａの両端面にはセル２２ａと内外
径が同じで同材質のセラミックスからなる筒体２３が接
着され、実質的にセル２２ａの両端面がセル２２ｂの両
端面から突出するようにされている。ハニカム本体２１
および筒体２３はそれぞれ炭化珪素および炭素を主成分
とする材料を例えば押出し成型してなり、さらに１４２
０℃以上の溶融珪票または珪素蒸気と接触させることに
よって金属珪素が含浸されて反応焼結炭化珪素体となっ
ている。なお、画成形体を接触させつつ同時に反応焼結
させることによって筒体２３はハニカム本体２１」接着
されている。

この熱交換体の使用に際しては　筒体２３を介して１ｌ
Ｉ４端而から突出したセル２２ａと、両端面から突出し
ていないセル２２ｂとがそれぞれ別の流体流路をなすよ
うに適宜な構造のへラダーを取付ける。

そして、この熱交換体を用いて１例えば高温の排カスと
水とを熱交換する場合、高温の排ガスはハニカム本体２
１のセル２２ｂに魔通させ、水はセル２２ａｌ；ｌｉ通
させる。したがって、高温の排ガスはセル２２ｂの隔１
Ｖを加熱し、その熱がセル２２ｂの隔１（？を介してセ
ル２２ａの周壁に伝達される。そして、水はセル２２ａ
の周壁から熱を受けとり、熱交換がなされる。この場合
、高温の排ガスはセル２２ｂの隔壁に接触して伝熱面積
が大きくされている。また、水はセル２２ａを通るので
伝熱面積が小さくなるか、高温の排ガスよりも比熱が犬
きく、水側の熱伝達係数も大きいので、セル２２ａの周
壁かも効−（４的に熱を受けとることができる。したか
って、高温の排ガスと水との熱交換のバランス２２ａは
セル２２ｂの隔壁の交点に配置されているので、セル２
２ａの周壁が多数のセル２２ｂの隔壁と連結されており
、これによってセル２２ｂの隔壁からセル２２ａの周壁
に良好に熱が伝達される。総じて、この熱交換器によれ
ば極めて高い熱交換効率を得ることができる。また、こ
の実施例では、／＼二カム本体２１が炭化珪素および炭
素を主成分とする材料に反応焼結によって金属珪素が含
浸されて反応焼結炭化珪素体となっているので、当初セ
ル２２ａ　、　２２ｂの周壁に部分的に気孔が生じてい
たとしてもこの気孔を金属珪素などが埋めて流体のシー
ル性を確実にするので、流体の漏洩も防１トされる。

本実施例の熱交換体を用いて４００℃の排ガスを４０Ｏ
Ｎｒｎ’／ｈ流すことにより、７０℃の水　１．８ｒｎ
’／ｈを８０℃まで加熱することができ、車両の客室暖
房用としての実用性が実証された。このときの水側の熱
伝達係数は約５０００ｋｃａｌ／　ｒｎ’　ｈ　℃、ガ
ス側のそれは約　ＩＱＯｋｃａｌ／　ｍ’　ｈ　℃で、
交換熱湯は約１８００ｋｃａｌ゛丁（１ ／ｈで１つた＠ なお、前記実施例において、使用される温度条件によっ
ては筒体２３を他の各種接着剤により接着させてもよい
。

第３図ないし第７図には、セル２２ａおよびセル２２ｂ
の断面形状を変えた他の実施例が示されている。

すなわち、第３図の実施例では、第１図および第２図の
実施例において、セル２２ａがさらに分散して配置され
ると共に、セル２２ａの周壁がセル２２ｂの隔壁よりも
厚くされている。これによれば、セル２２ａの断面積が
さらに小さくされるので、水などの流体の流肇がさらに
少ない場合に好適であり、かつ、セル２２ａの周壁が厚
いので流体のシール性をより良好にすることができる。

第４図の実施例では、セル２２ｂの断面形状が正方形を
なすようにその隔壁が格子状に形成されており、それら
の隔壁の交点の一つ置きに断面形状が円形をなすセル２
２ａが形成されている。

第５図に示す実施例では、セル２２ａおよびセル２２ｂ
の断面形状が共に正方形をなすように隔壁が格子状に形
成されており、セル２２ａの周壁部分が特に厚くされて
いる。

第６図に示す実施例では、セル２２ａおよびセル２２ｂ
が図中縦横に走る隔壁によって形成されており、図中横
方向に走る隔壁はセル２２ａを形成する部分においては
間隔が狭くされ、セル２２ｂを形成する部分については
間隔か広くされている。したがって、セル２２ａの断面
形状はほぼ正方形をなし、セル２２ｂの断面形状は長方
形をなしている。

なお、この実施例では一つの筒体２３は複数のセル２２
ａに区画されている。

第７図に示す実施例では、セル２２ａおよびセル２２ｂ
の断面形状が共に三角形をなすように形成され、セル２
２ａの周壁部分が特に厚くされている。

第８図および第９図にはセル２２ａの両端面を突出させ
る方法として別の方法を採用した実施例が示されている
。

すなわち、第８図に示す実施例では、ハニカム本体２１
のセルのうちのいくつかに、同様なセラミックスからな
る管体２４を挿通させてその両端部をハニカム本体２１
の端面より突出させることにより、゛に質的に両端面か
ら突出したセル２２ａが形成されている。この場合、ハ
ニカム本体２１の隔壁から管体２４へのｇ（べ達を良好
にするため、管体２４はハニカム、（体２１のセルの内
周にＴ：着するような形状をなすようにし、かつ、ハニ
カム本体２１のセルの内周と管体２４の外周との隙間に
例えば反応焼結法により金属珪素を含浸させて隙間をな
くすようにすることが好ましい。

第３図に示す実施例では、ハニカム本体２１のセル２２
ｂの両端部をなす図中側破線で示す部分２５を切り欠く
ことによって除去し、これによってセル２２ａの１−→
端面が実質的に突出されている。

本発明による熱交換体の具体的な応用分野としては、種
々の分野が考えられる。−例として、パスなどのディー
ゼルエンジンの排ガスから熱回収する装置として利用す
ることができる。その場合には、排ガスをセル２２ｂに
流通させ、エンジンの冷却水をセル２２ａに流通させて
、排ガスの熱により冷却水を加熱する。加熱されヒ呪却
水は、例えば別に設置されたファンヒータに送ることに
より＋　＋Ｊ４の室内の暖房として利用することができ
る。

また、エンジンの始動時に排ガスの熱エネルギーを冷却
水に伝達させることはエンジンの暖気を早める効果が大
きいので、プレヒータとしても利用できる。さらに、エ
ンジン冷却水とは独立した系統の水を排ガスによって加
熱することにより、暖房の他に１例えば車両内に設置さ
れる湯沸器などとしての利用方法も考えられる。また、
別の応用分野として、家庭用湯沸器など各種の加熱器に
おいて硫黄分を含む燃料の燃焼ガスを使用し、始動、停
止ト時に酸露点腐食や水露点腐食がおきる可能性がある
場合、あるいは、ガス中の水分の凝縮熱の回収までねら
う余熱交換器のエレメントとして使用する場合などにも
材質が耐食性、耐久性に１ｐれたセラミックスである利
点を生かせるので好適である。

なお、本発明の熱交換体に適用される流体は、水などの
液体と高温排ガスなどの気体との組合せに限らず、高圧
空気や高圧ガスなどの高密−６体と常圧の′仝気などの
低密度流体との組合せであってもよい、これらの流体の
熱交換においても、本発明の熱交換体は熱バランスを良
好にして優れた熱交換効率を得ることができる。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、隔壁によって区
画された多数のセルを有するセラミックス製のハニカム
体から成り、前記セルの孔部総断面積り３０％以下のも
のが両端面から突出しているので、例えば水などの液体
を両端面から突出したセルに通し、高温排ガスなどの気
体を他のセルに通すことにより、隔壁の両側の熱伝達係
数が著しく異なっていても熟バランスを良好にして熱交
換効率を高めることができる。また、ハニカム体の隔壁
がフィンと同様な作用もなすので、コンパクトな形状で
伝熱面積を大きくすることができる。

さらに、材質がセラミックスからなるので、従来の金Ｉ
Ａ製熱交換器では扱うことのできなかった高温カスや腐
食性ガスを扱うことができ、例えばディ；型層エンジン
に特有のスートファイアリングに対処することができる
。加えて、ハニカム体の隔壁の厚み、材質、処理法を調
整することにより、流体の漏洩を防市することが容易で
ある。また、例えば一方の流体として液体を用いた場合
には、炭化珪素体のような熱伝導のよい材料を使用すれ
ばセラミックスの各部が液体の温度に近い温度とされる
ので、各部の温度差が小さくなり発生する熱応力を低い
レベルに押えることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の実施例を示す一部切欠き正面図、第２
図は同実施例の一部切欠き側面図、第３図、第４図、第
５図、第６図および第７図はそれぞれセルの断面形状を
変えた他の実施例を示す正面図、第８図および第９図は
それぞれ別の方法によりセルの両端面を突出させた他の
実施例を示す−・部切欠き側面図、第１０図は従来の熱
交換体の一例を示す凝視図、第１１図は同然交換体の側
面図である。 図中、２１はハニカム本体、２２ａは両端面から突出し
たセル、２２″５−’４両端面から突出していないセル
５２３は筒体、２４は管体、２５は切り欠いた部分であ
る。 算　１　図 篇　２　回 第　３　図 第　４　回 浜　５　凹 第　６　図 幌　　７　　＾ 第　１０　回 第　１１　　目

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）隔壁によって区画された多数のセルを有するセラ
   ミックス製のハニカム体から成り、前記セルの孔部総断
   面積の３０％以下のものが両端面から突出していること
   を特徴とするセラミックス製熱交換体。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、両端面から突出
   したセルは、互いに隣接することなく分散して配置され
   ている熱交換体。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項において、両
   端面から突出したセルの隔壁は、他のセルの隔壁よりも
   厚くされている熱交換体。
4. （４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに
   おいて、両端面から突出したセルは、他のセルの隔壁の
   交点に配置されている熱交換体。
5. （５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに
   おいて、前記ハニカム体は反応焼結炭化珪素体からなる
   熱交換体。