JPS62225893A - セラミツクス構造体 - 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排ガスの有
する熱エネルギを回収するのに好適なセラミックス構造
体に関する。

「従来技術とその問題点」 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
ンを設けると熱又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属製フィン
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℃を超えるような高温ガスを管外に流
す場合、通常の金属フィンでは耐熱性がなく、また、耐
熱性のある特殊合金では価格が高いＬに熱伝導性が悪い
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
体として用いる場合、排ガス中に含まれる黒煙粉末によ
り断続的、周部的なスートファイアリングが起こり、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、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。

一刀、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（例えば実開昭５８−９３８９５、特開昭５７−
３１７９２参照）１例えば第５図に示すように、全体と
して直方体状をなす本体１の一組の対向壁を貫通するよ
うに第一の流体の流路２を上下に平行に形成し、別の対
向壁を貫通するように第二の流体の流路３を流路２に対
し薄い隔壁を介して上下方向交互に配置されるように形
成したものも用いられている。この熱交換体１は、例え
ば排ガスと空気との熱交換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ないが
、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、ガス側の伝熱面積は大幅に
不足し、水側の伝熱面積は大幅に余裕があることになっ
て、熱バランスが悪く熱交換効率が低下する。

「発明の目的」 本発明の目的は、高温または腐食性の排ガスなどからの
熱回収に適用でき、熱交換効率が高く、かつ、カスと液
体との熱交換のように比熱や隔壁の両側の熱伝達係数の
異なる流体間の熱交換に適したセラミックス構造体を提
供することにある。

「発明の構成」 本発明は、相互に平行な複数枚のセラミックスフィンと
、前記フィンに挿通固着されてなる相互に平行な複数本
のセラミックスチューブとを備えるセラミックス構造体
であって、前記チューブ間に位置するフィン部分には、
前記チューブ以外のスペーサを設けていないことを特徴
とするセラミックス構造体である。

したがって、チューブ内に水などの高密度流体を流し、
チューブ外にはフィンに平行に排ガスなどの低密度流体
を流すことにより、熱伝達係数の高い高密度流体側の伝
熱面積よりも熱伝達係数の低い低密度流体側の伝熱面積
を大きくして熱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、適用する流体に応じてフィ
ンの間隔、厚さ、寸法、形状やチューブの本数、肉厚、
外径を選択することにより、伝熱面積を調整できる。

本発明の構造体を熱交換体として使用する際は、チュー
ブ外を流れる流体側よりもチューブ内を流れる流体側の
熱伝達係数が５倍以上大きい場合に特に有効である。

この場合、高密度流体が接するチューブの内面積に対し
て、低密度流体が接するフィンの表裏あわせた総表面積
は５倍以上とされるのが然バランス上、望ましい。さら
に高密度流体が水で、低密度流体が燃焼排ガスであるよ
うな場合には水側伝熱面積（チューブ内面Ｍ）に対し、
ガス側伝熱面積（フィン総表面ａ）は２０倍以上である
のがよく、この場合には、フィンとフィンとの間隔は一
般に５ｍｍ程度以下となるように密に配置されることと
なる。

さらに、従来のセラミックス熱交換体にて、例えば高温
ガスと空気との熱交換をする場合、セラミックス体の温
度は高温ガスと空気との平均温度近くまで加熱され、セ
ラミックス体のガス出入口部に大きな温度差がつき、こ
れによって発生する熱応力により、セラミックス体に亀
裂が発生しやすかった。しかし、本発明の構造体は、フ
ィンは炭化珪素質、窒化′珪素質、窒化アルミニウム質
、サイアロン質など、特には炭化珪素質に代表される熱
伝導率の大きいセラミックスからなるのが好ましく、こ
れにより、例えば壁面熱伝達率の非常に大きな水などの
液体をチューブ内に流したとき、フィンを熱伝導率の大
きなセラミックス製としているので、チューブおよびフ
ィンの温度は水などの液体の温度に非常に近いレベルに
抑えることができ、結果的にセラミックス体のガス出入
口部の温度差も小さくなり、発生する熱応力を低く抑え
ることができる。

さらにまた、本発明では、水などの高密度流体の通路が
比較的少数のチューブからなるので、チューブの製法、
肉厚、内面処理などを適当に選ぶことにより、チューブ
内外間での流体の漏洩の可能性を前述した公知のセラミ
ックス製熱交換体と比べて大幅に減少させられる。

本発明において、チューブをフィンに挿通固着するにあ
たり、チューブとフィンとの当接部分には、好ましくは
固着材が施される。この固着材はチューブをフィンに確
実に固定するとともに、フィンからチューブへの伝熱性
能を向上させる。したがってこの当接部分のチューブ全
周に固着材が施されているのが望ましいが、所要の伝熱
性能の確保には必ずしも全周であることを要せず、例え
ば当接部分のチューブ全周のうち、３０％以北が固着材
によって接合されているものであってもよい。

また本発明の構造体では、後述する実施例からもわかる
ように、チューブとチューブとの間に位置するフィンの
部分には、隣りあラフインとフィンとの間隔を保つため
のスペーサをチューブ以外には設けていない、すなわち
隣りあうフィンとフィンとの間隔を保つ機能はチューブ
が受けもっている。

本発明では、フィンとチューブはいずれも同頁のセラミ
ックス材料からなることが、熱膨張差による熱応力割れ
を防止するＥで好ましく、特にはいずれも炭化珪素質材
料からなるのが好ましい０両者が炭化珪素質材料からな
る場合においては、固着材は炭化珪素質または金属珪素
質材料からなるのが好ましい、どちらの場合も反応焼結
設備で容易に形成でき、さらに固着材が炭化珪素質であ
れば熱応力割れが同様に防止でさ、金属珪素質であれば
簡便に製作できる。

本発明の構造体は例えば次のように製造できる。炭化珪
素質チューブ外周に、炭素分および必要に応じてさらに
炭化珪素粉末を含有する粉末またはスラリーをコーティ
ングしておき、炭化珪素質フィンにチューブを挿通した
状態で、チューブとフィンとの当接部分に金属珪素をテ
ィッピング、吸上げ、注入、塗布などの方法で介在させ
、その後、溶融金属珪素雰囲気下で炭素と珪素を反応さ
せつつ焼結して接合するなどの、いわゆる反応焼結法を
採用してチューブとフィンを炭化！ｌｌＥ素質固着材で
固着することができる。なお固着材のみならずフィン、
チューブとも反応焼結炭化珪素質であってもよく、さら
にこのフィン、チューブともに固着材の反応焼結時に同
時に反応焼結されてもよい、そして、フィン、チューブ
および固着材の熱膨張係数が等しくなるので、熱応力が
生じにくくなる。さらに、炭化珪素は熱伝導率が高いの
で熱交換効率も良好となる。なお固着材は金属珪素であ
ってもよく、この場合には例えば炭化珪素質フィンに炭
化珪素質チューブを挿通し、これの一部または全部を溶
融金属珪素浴中に浸漬することにより、フィンとチュー
ブとの間隙に毛細管現象などにより金属珪素が充填され
、これを引上げて冷却することにより固着する。このよ
うな構造体は製作が簡便である上に、ざほど高温でない
温度下では充分使用できる。

「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例示されて
いる。相互の平行な複数枚のセラミックス製のフィンｌ
ｌａ、ｌｌｂ、・・・・には所定間隔を隔てて複数の貫
通孔が穿設されている。この貫通孔には複数本のセラミ
ックス製のチューブ１３ａ、　１３ｂ、・・・・が挿通
されて、チューブ１３ａ、１３ｂ、・・・拳は相互に平
行に、かつ、フィン１１ａ、１１ｂ、・・・・とは垂直
に位置せしめられている。フィン１１ａ、１１ｂ、・・
・・とチューブ１３ａ、１３ｂ、・・・・　との当接部
分には固着材１４が施されて、チューブとフィンとを固
着している。この実施例の場合。

チューブおよびフィンは炭化珪素質セラミックスからな
り、固着材は反応焼結炭化珪素質セラミックスからなる
０図かられかるように。

チューブ１３ａとチューブ１３ｂとの間には、フィン部
分１２ａとフィン部分１２ｂとが隣りあって位置してい
るが、このフィン部分１２ａとフィン部分１２ｂとの間
にはチューブ以外のスペーサを設けていない、同様にし
て、どのチューブ間に位置するフィン部分にも、チュー
ブ以外のスペーサを設けていない。

このセラミックス構造体を熱交換体として用いる場合に
は、水などの高密度流体がチューブ１３ａｊ３ｂ、・・
・・内を流され、高温の排ガスなどの低密度流体がチュ
ーブ外を、フィン１１ａ、１１ｂ、・・・・の面に沿っ
て流される。低密度流体の流される向きはフィン面に沿
って自由に選択でき１例えば第２図において紙面上下方
向としてもよいし１紙面表裏方向としてもよい。

排ガスなどの熟エネルギは大きな伝熱面積を有するフィ
ンｌｌａ、ｌｌｂ、・・・・に伝熱され、熱伝達係数の
大きな固着材を介してチューブ１３ａ、　１３ｂ、・・
・・に伝熱される。チューブの伝熱面積はフィンの伝熱
面積よりはかなり小さいが、チューブ内には水などの高
密度流体が流されていて、チューブから高密度流体への
熱伝達係数は、低密度流体からフィンへの熱伝達係数に
比べてきわめて大きいので、全体として低密度流体から
高′！Ｅ度流体への伝熱がバランスよく、効率的に行わ
れる。

７５３図および第４図には本発明の別の実施例が示され
ている。この実施例では、外側のフィ７１１ａ、１１ｅ
が内側のフィンｌｌｂ、　ｌｉｅ、　ｌｉｄより肉厚と
されている点、およびフィン群の上縁部、下縁部には肉
厚の炭化珪素質セラミックスからなる天板１５ａ、　１
５ｂが設けられている点を除いては、第１図および第２
図の実施例と同様にして構成されている。この実施例に
あっては、低密度流体の流される方向は第４図において
紙面上下方向とされる。この実施例によれば、チューブ
群の外側のフィン部分すなわちチューブ間に位置しない
フィン部分に設けられた天板１５ａ、１５ｂはフィン群
の位置ずれや変形を防止するスペーサとして機能すると
ともに、最も外側のフィンｌｌａ、１１ｅが肉厚とされ
ていることと相まって、このセラミックス構造体のフィ
ンの破損やひびわれを防止している。

なお本発明においてチューブとフィンは語文していても
よいし、チューブの末端が外側のフィンから突出してい
なくてもよい。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、金属製フィンチ
ューブでは適用不可能であった高温ガス、あるいは腐食
性ガスと水などとの熱交換に熱バランスよく、効率的に
使用できるセラミックス構造体を安価に提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるセラミックス構造体の一実施例を
示す斜視図、第２図は同セラミックス構造体の部分切欠
き側面図、第３図は本発明によるセラミックス構造体の
別の実施例を示す斜視図、第４図は同セラミックス構造
体の部分切欠き側面図、第５図は従来のセラミックス製
熱交換体を示す斜視図である。 １１ａ、１１ｂ、ｌｌｃ、ｌｉｄ、ｌｉｅ　：　７４ン
１２ａ、１２ｂ　：　７４７部分 １３ａ、１３ｂ、１３ｃ　：チューブ １４：固着材 第５図 ■

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、相互に平行な複数枚のセラミックスフィンと、前記
   フィンに挿通固着されてなる相互に平行な複数本のセラ
   ミックスチューブとを 備えるセラミックス構造体であって、前記 チューブ間に位置するフィン部分には、前記チューブ以
   外のスペーサを設けていないことを特徴とするセラミッ
   クス構造体。 ２、前記チューブ間に位置しないフィン部分には、前記
   チューブ以外のスペーサを設けてあることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のセラミックス構造体。