JPS62147294A - セラミツクと金属の継手及び換熱器管アセンブリ− - Google Patents

セラミツクと金属の継手及び換熱器管アセンブリ−

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JPS62147294A
JPS62147294A JP61286895A JP28689586A JPS62147294A JP S62147294 A JPS62147294 A JP S62147294A JP 61286895 A JP61286895 A JP 61286895A JP 28689586 A JP28689586 A JP 28689586A JP S62147294 A JPS62147294 A JP S62147294A
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ceramic
tube
metal
sleeve
assembly
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マイケル　アール　ワード
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Solar Turbines Inc
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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、一般にセラミック及び金属部材を連結するた
めの継手の構造に関し、より詳細には換熱器又は熱交チ
ューブアセンブリーに利用されるそのような継手の構造
に関する。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕セラ
ミック及び金属物質は典型的に非常に異なった熱膨張性
を有し、この特性は、このような別種の物質で構成され
た部材を高温環境中での使用を企図する単一の構造アセ
ンブリーへ連結することを困難にしてきた。セラミック
及び金属構造部材を連結する１つの試みが、１９８５年
２月１９日にリチャード・Ｌ・アロアらに対して発行さ
れた米国特許第４，４９９，６４６号に記載されている
。該アロア特許は、セラミック部材の一端が金属部材中
へ螺挿され、可撓性膨張スリーブがセラミック及び金属
部材間に位置しているセラミックー金Ｊ２４１１手を開
示している。樹脂状物質で構成された該膨張スリーブは
、セラミック又は金属物質よりも延性があり、異種類の
前記構造部材のいずれよりも大きな熱膨張率を有してい
る。その結果該膨張スリーブはセラミック物質と適合し
、セラミックと金属の表面間の大きくて局部的な接触応
力を防止する。
しかしながら、アロアらにより代表されるような継手構
造は多数の固有の欠点を有し、カミつ付加的な問題を提
示する。例えばねし山をセラミック物質に形成すること
は困難であり、それらは繰り返される熱サイクルの間に
割れ易い高応力領域を作り出す。更に、樹脂状膨張部材
は比較的低温で使用しなければならないという制限があ
り、これはこのような部材を組み入れたアセンブリーの
熱的な操作環境を制限する。
セラミック物質を高温用熱交換器に適用する際に付加的
な問題に遭遇する。現在の管壁セラミ。
り＋ａ熱器の最大の問題点は原管のヘッダーへの接合に
ある。特に複合されたセラミックー金属熱交換器は、別
種の物質の同じでない熱膨張特性の結果として生ずる内
部応力に起因する問題を有している。該内部応力は構造
的な欠陥と熱交換器の高圧側と低圧側の間の流体の漏れ
を／′ｔしさせうる。
更に現在のセラミックー金属熱交換器は手入れと修理が
困難である。
本発明は、上述の問題点の１つ又はそれ以上を解決する
ことを指向する。特に本発明を具現化するセラミックと
金属の継手は、セラミック及び金属部材間で継手を結合
しシールするための独立した手段を含んでいる。このよ
うな継手の特定の態様では、換熱器の管アセンブリーは
、金属スリーブに永続的に結合されたセラミック管を含
み、そして該金属スリーブは金属のマニホールド又はヘ
ッダーアセンブリーに容易にねじ込まれる。この構造は
、複数のこのような管アセンブリーを組み立ててモジュ
ーラマニホールド又はヘッダーユニットとすることを可
能とする。更にモジュール中の各管アセンブリーは洗浄
又は交換のために取はずすことができ、モジュール中の
他の管アセンブリーと独立して自由に伸び縮みさせるこ
とができる。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の一つの態様によると、セラミックと金属の継手
は、セラミック部材の一部を囲みかつそれから離間し、
かつ該セラミック部材と協同してその間に部分的に閉塞
されたチャンバーを形成する金属部材を含んでいる。結
合物質が少なくとも前記チャンバー内の一部に配置され
、セラミックと金属部材の両者に接触している。更にシ
ール部材がセラミックと金属部材の間に位置して該セラ
ミック及び金属部材間に流体シールを与えている。
〔実施例及び作用効果〕
換熱器の管アセンブリー１０は、上部間口端１４及び離
間した閉塞端１６を有する中空で細長いセラミック管１
２を含んでいる。例示した態様では、原管１２は押出成
型されかつ焼結されたα相炭化珪素物質で形成されてい
る。該セラミック管１２はその開口端１４の近傍で金属
スリーブＩ８に接合されている。好ましくはステンレス
鋼又は他の高温耐性合金で形成された該金属スリーブ１
８は、前記管１２の開口端に隣接する該スリーブの端部
に、該スリーブ上に形成された複数の外向きのねじ山２
０を有している。該金属スリーブ１８の他端部、つまり
末端部は内向きに延びるフランジ２２を有している。該
フランジ２２の内径は前記管１２の外径より大きく、こ
れによりスリーブ１８だけでなくフランジ２２も非接触
状態で前記管を取り囲み、原管の外壁と協同して部分的
に閉塞されたチャンバー２４を形成している。
原管１２とスリーブ１８は、該セラミック管と金属スリ
ーブとの間の部分的に閉塞されたチャンバー２４中に配
置された結合物質２８を含むセラミックと金属の継手２
６により接合されている。
例示の態様では、該結合物質２８は、約７０重量％のＡ
ｌ２Ｏ，＋、２５重里％のＳＩＯ□及び５重量％の？＆
　量元素から成る組成を有する緻密なキャスタブル耐火
性物質である。便宜」二、該結合物質２８は、炉のライ
ニングとして使用される予備混合された乾燥粒状物質を
改質することにより形成することができよう。このよう
な市販物質の一つは、ニューヨーク州ニューヨーク市の
ハブコック・アンド・ウィルコックス社（Ｂａｂｃｏｃ
ｋ　ａｎｄ　ＷｉｌｃｏｘＣｏ、、）により、カオクレ
ート（Ｋａｏｃｒｅｔｅ）　３２　　Ｃの商標名で販売
されている。この物質は、購入時には集合粒子と微粒子
の混合物であり、該微粒子は混合物全体の約６０％を構
成し、約０．０３９４インチ（１，０ｍｍ）の公称の開
口径を有する１８番の篩を通過する混合物の部分として
定義される。前記結合物質２８は、上述した予備混合さ
れた乾燥粒状物質の混合物を、まず集合粒子と微粒子と
を分離して改質することにより調製される。
分離された集合粒子は、次いでボールミル等で砕いて、
集合粒子を約０．０７８　フインチ（２，０ｍｍ）の公
称の開口径を有する１０番の篩をｉｌｎ遇する、より小
さく、不規則な形を有しかつ鋭い端部を有する粒子に破
砕する。砕かれ、所定大きさを有する集合粒子は、次い
で以前に分離された微粒子と再び＆ｄ１合わされ、流動
できるスラリーを形成するために十分な量の蒸留水と混
合される。このｙＩ製されたスラリーを、管１２とスリ
ーブ１８間のチャンバー２４内にその場で注入し、通常
の室温で２４時間硬化させる。室温硬化の後、該結合物
質は更に１２時間２０４℃（４００°Ｆ）で硬化させる
。セラミック管１２の表面への注入結合物質２８の付着
性を改良するために、該管１２は第２図に示すようにロ
ーレフト切り３０などにより軽く刻み目を付けてもよい
が、焼結前にはまだこの刻み目は未加工である。その代
わりに第３図に示すように、管１２の表面にコーティン
グ３２を適用してもよい。好適なコーティングは、珪素
粉末と小径（１，６ｍｍ　（１／　１６インチ））の炭
化珪素チップの水性スラリーをブラシで塗布して形成す
ることができよう。塗布後、該コーティングを非還元性
雰囲気中で加熱して管表面に融着させる。
高圧を適用する場合、接合部の片側の流体圧力は通常他
の側の流体圧力より有意に高くなり、結合物質２８に関
して管１２の位置が変化することを防止するための付加
的な機械式のゆるみ止め手段を用意するのが望ましいこ
とがある。そのような機械的補助手段の１つの形態は、
第３図に示すセラミック保持リング３４により与えられ
、これは管１２とスリーブ１８の間に結合物質を注入す
る前に管１２の表面にろう付けされる。該セラミックリ
ング３４は、管の材料つまり炭化珪素に類似する材料で
形成し、線管にろう付けにより結合させてもよい。この
ろう付けは、珪素粉末の水性スラリーのようなろう付は
用化合物を、まずろう付けして接合する領域に塗布し、
次いでアルゴンガスのような非還元性雰囲気中で管の端
部領域およびリング３４を加熱することによって果すこ
とができる。上述の珪素粉末−炭化珪素チップのコーテ
ィング３２を適用して管１２表面への結合物質２８の付
着性を改良する場合、リング３４をろう付けしかつコー
ティング３２を融着させるのを同一の炉における加熱操
作で行うことが便利である。
本発明中で具現化されるセラミックと金属の継手２６は
また、セラミック部材と金属部材間に位置するシール部
材３６を含んでいる。例示した態様では、該シール部材
は継手へ結合物質２８を注入する前にチャンバー２４内
に配置されたガラスワッシャー３６である。該ガラスワ
ッシャー３６は金属スリーブ１８の内向きに延びるフラ
ンジ２２上に載置され、管の外径とスリーブ本体の内径
とそれぞれ実質的に等しい内径と外径を有している。結
合物［２８は実質的に脆い耐火性部材であるのに対し、
シール部材３６は、接合アセンブリー２６の設計温度又
は予定の操作温度において軟化しそして幾分展延性のあ
る物質から作られる。
特に該シール部材は、予め定められた熱的操作領域の範
囲内で、結合物質２８又は金属フランジ２２に対して可
塑的に変形するのに十分な展延性を有し、しかも依然と
して接合部のセラミックと金属部材間に効果的なシール
を提供することのできる固い連続体のままであるガラス
物質から望ましく作られる。ガラス類の好適な種類とそ
れらに対応する効果的な展延性シール範囲の例は次の通
りである。
Ａ、単−相硼珪酸ガラス、１４００’Ｆから１６００°
Ｆ（７６０℃から８７１℃）、Ｂ、単−相カルシウムー
バリウム硼珪酸ガラス、１４００”Ｆから１６００’Ｆ
（７６０℃から８１６℃）、 Ｃ８二相アルミノ珪酸ガラス、１６５０６Ｆから２００
０”Ｆ　（８９９°Ｃから１０９３℃）、Ｄ０石英ガラ
ス、２５００”Ｆから３０２９゜Ｆ（１３７１℃から１
６６５℃）。
ガラスシール部材３６は、より脆い結合物質２８が操り
返される熱応力負荷の下でたとえひび割れを起したとし
ても効果的なシールを提供する。
シール部材３６がないと、操作の間に成長することのあ
る結合物質２８中の割れ目を通してガス状流体が漏れる
ことがある。その選択された物質の性質のため、ガラス
シールは設計された操作温度で幾分軟化し、割れること
がなく、隣接する物質に追従してこれにより継手のセラ
ミックと金属部材間にガスの流れに対する妨害物を与え
る。
換熱器の管アセンブリー１０は、第１図に示される着脱
自在の熱交換モジュール３８中に組み入れられたときに
特に有用である。管内に管のある形態を有する該モジュ
ール３８は、金属装入ロヘソダ一つまり高圧ヘッダー４
０と、同様の金属製排出ヘッダ一つまり低圧ヘッダー４
２を含んでいる。複数の内向きのねじ山４４が低圧ヘッ
ダー４２に形成され、換熱器の管アセンブリー１０のね
じ付き金属スリーブ１８を受は入れる。セラミック管１
２の内径よりも小さい外径を有する中空の金属管４６が
、ねじ又はろう付は等の機械的手段で入ロヘフダー４０
に装着されている。該金属管４６は排出ヘッダー４２で
区画されるチャンバーを貫通し、セラミック管１２内を
同軸的に延びて、該金属管の末端はセラミック管の下端
つまり閉塞された端部の近くに存在する。該金属管は図
示しない好適なスペーサーによりセラミック管の内壁と
同心的関係を維持し、これにより金属管４６の外壁とセ
ラミック管１２の内壁間に均一な環状通路を区画してい
る。
第１図中に流れを示す矢印により例示された典型的な１
桑作では、冷たいガスが入ロヘソグー４０で区画された
チャンバー内に入り、金属管４６の内部を下方に向かっ
て通過する。金属管の下端から出た後、該ガス状媒体は
前記金属管と前記セラミック管との間の環状チャンバー
を上方に向かって流れる。熱いガスがセラミック管１２
の外表面に向かって流され、原管を通して熱が内壁表面
に伝達され、こうして冷たいガスは環状空間を通過しな
がら加熱される。環状空間を出た後、加熱されたガスは
排出ヘッダー４２で区画されたチャンバーに入り、その
後モジュール３８から排出される。
前記機熱罎管アセンブリー１０は、予め定められた流れ
及び熱移動特性を有する完全に組み立てられた熱交換器
モジエール３８を構成することを可能にする。対になっ
た又は複数組み合わされたモジュールの空気の流れを組
合せることにより、複数の通路を有するほぼ任意の所望
の容量の熱交換器を形成することができる。更に個々の
モジュールは洗浄、検査又は取替えのために容易に取り
はずすことができる。他の利点は、モジュール３日中の
個々の管１２が現場で容易に交換できることである。更
にセラミック要素のみが高温と潜在的な損傷環境とに露
出される。更にセラミックと金属との継手２６は、セラ
ミックの熱交換部材１２と金属の機械的装着部材１８と
の間に永続的な漏れのない結合を提供する。
本発明の他の態様、目的及び利点は、図面、発明の開示
及び特許請求の範囲の検討から得るこ也ができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明を具現化した管アセンブリーを有する
換熱器モジュールの斜視図、 第２図は、本発明の一態様に従って組み立てられたセラ
ミックと金属の継手を有する換熱器の管アセンブリーの
部分断面立面図、 第３図は、本発明の第２の態様に従って組み立てられた
セラミックと金属の継手の断面図である。 １０・・・換熱器管アセンブリー、 １２・・・セラミック管、 Ｉ４・・・上部開口端、　　１Ｇ・・・閉塞端、１８・
・・金属スリーブ、２０．４４・・・装着手段、２２・
・・フランジ、　　　２４・・・チャンバー、２６・・
・継手、　　　　　２８・・・結合物質、３２・・・コ
ーティング、３４・・・リング、３Ｇ・・・シール部材
、　　３８・・・モジュール、４０．４２・・・ヘッダ
ー、 ４６・・・金属管。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、セラミック部材（１２）と、 該セラミック部材（１２）をそれと離間した関係で取り
    囲み、該セラミック部材（１２）とともに部分的に閉塞
    されたチャンバー（２４）を定める金属部材（１８）と
    、 Ａｌ＿２Ｏ＿３とＳｉＯ＿２を含む組成を有し、かつ粒
    度が２．０ｍｍ未満である鋭い端部を有する集合粒子と
    、粒度が１．０ｍｍ未満である微粒子との混合物を含ん
    で成る耐火性物質の水性スラリーをその場で注入するこ
    とにより形成される、少なくとも該チャンバー（２４）
    の一部に配置され該セラミック及び該金属部材（１２、
    １８）の両者に接触する結合物質（２８）及び、 該セラミック及び該金属部材（１２、１８）間に挿入さ
    れたシール部材（３６）を含んで成るセラミックと金属
    の継手（２６）。 ２、前記シール部材（３６）が予め定められた熱的操作
    範囲内で融解することなく軟化して、該範囲で前記挿入
    部材（１２、１８）間に効果的な流体のシールを与える
    、特許請求の範囲第１項に記載のセラミックと金属の継
    手（２６）。 ３、前記結合物質（２８）が、約４０重量％の集合粒子
    と約６０重量％の微粒子の混合物を含んで成る、特許請
    求の範囲第１項に記載のセラミックと金属の継手（２６
    ）。 ４、緻密なキャスタブル耐火性物質（２８）が、７０重
    量％のＡｌ＿２Ｏ＿３、２５重量％のＳｉＯ＿２、及び
    ５重量％の微量元素の組成物である、特許請求の範囲第
    ３項に記載のセラミックと金属の継手（２６）。 ５、セラミック物質で作られ、少なくとも１つの開口端
    （１４）を有する細長い管（１２）と、該管（１２）に
    対してその周囲を囲む関係にある、前記開口端（１４）
    に隣接して位置する金属スリーブ（１８）と、 該スリーブ（１８）を選択的にヘッダーアセンブリー（
    ４２）に装着する手段（２０、４４）と、前記管を前記
    スリーブに結合させる手段（２８）及び、 前記セラミック管（１２）と前記金属スリーブ（１８）
    間に挿入されたシール部材（３６）を含んで成る交換可
    能な換熱器管アセンブリー（１０）６、前記スリーブ（
    １８）を選択的にヘッダーアセンブリー（４２）に装着
    する前記手段（２０、４４）が、該スリーブ（１８）に
    形成された外向きのねじ山（２０）と、これと一致する
    、ヘッダーアセンブリー（４２）に形成された内向きの
    ねじ山（４４）を含む、特許請求の範囲第５項に記載の
    管アセンブリー（１０）。 ７、前記管（１２）を前記スリーブ（１８）に結合させ
    るための前記手段（２８）が、該管（１２）の外表面と
    該スリーブ（１８）の内表面間に配置された緻密なキャ
    スタブル耐火性物質（２８）を含む、特許請求の範囲第
    ５項に記載の管アセンブリー（１０）。 ８、前記アセンブリー（１０）が、前記管 （１２）の外表面上に位置してそれに結合され、かつ少
    なくとも前記緻密なキャスタブル耐火性物質（２８）の
    一部に接触しているリング状部材（３４）を含む、特許
    請求の範囲第７項に記載の管アセンブリー（１０）。 ９、前記金属スリーブが一端に放射状に内向きに延びる
    フランジを有し、前記シール部材が、該フランジ上に一
    端で接触し、かつ少なくとも前記緻密なキャスタブル耐
    火性物質の一部に接触するガラスワッシャーを含む、特
    許請求の範囲第７項に記載の管アセンブリー。 １０、予め定められた熱的操作範囲を有し、前記シール
    部材が、前記熱的操作範囲内で前記キャスタブル耐火性
    物質及び前記金属スリーブの少なくとも１つに関して移
    動するのに十分な展延性を有する一方、連続体を維持し
    かつ前記セラミック管と前記スリーブの間に効果的な流
    体シールを与える、特許請求の範囲第９項に記載の管ア
    センブリー。
JP61286895A 1985-12-20 1986-12-03 セラミツクと金属の継手及び換熱器管アセンブリ− Pending JPS62147294A (ja)

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