JPS6270035A - セラミツクス製構造体 - 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あるいはボイラ
ーなどの排気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構造体に関する。

「従来技術およびその問題点」 チューブを用いた熱交換器などの構造体においては、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高価で熱伝
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、局部的な
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、金属製フィンを使用
することは困難であった。さらに、不純物として硫黄分
など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。

これらの欠点を解決する方法として、セラミンクスチュ
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
型、射出成型もしくは液圧プ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
が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構造体は公知で
あり（例えば、実開昭５８−９３８９５．特開昭５７−
３１７９２参照）、例えば、第７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１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２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。この構造体１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
こととなって、熱伝達のバランスが悪く、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
熱回収に適応することができ、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、さらに需要に
応じて自在の大きさに製作することのできるセラミック
ス製構造体を提供することにある。

「発明の概要」 本発明によるセラミックス製構造体は、セラミックス製
のハニカム体と、このハニカム体の通気路と交差するよ
うに前記ハニカム体に挿通されてなるセラミックス製の
チューブとを備えてなるセラミックス製構造体であって
、前記ハニカム体は波板同士または波板と平板とを積層
されてなり、この積層によって形成される前記通気路が
いずれも平行に構成されてなることを主成分とする。

したがって、チューブに水などのに６密度流体を通し、
Ｌ配積層により構成されたハニカ１、体の通気路に排気
ガスなどの低密度流体を流すことによって、熱伝達係数
の高い高密度流体側の伝熱面積よりも伝熱係数の低い低
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。

本発明の好ましい態様では、ハニカム体は、平板を挟ん
で隣接する二枚の波板の山部がそれぞれ突き合わされて
なっている。

本発明の別の好ましい態様では、ハニカム体は、波板の
山部同士をそれぞれ向かい合わせに突き合わせてなって
おり、これにより形成されたセル断面積が、上記のよう
な平板を介在させたときと比べ約２倍となっている。し
たがって、ススなどの多い排気ガスからの熱回収を行な
うような場合に、ススが通気路内壁に堆積してガス側の
圧力損失が増大する可能性を減少させることができる。

未発明のまた別の好ましい態様では、ハニカム体は１両
面に交尾に突起状の小さな波形部を有する平板状波板の
それぞれの波形部同士を突き合わせてなっている。

本発明のさらに好ましい態様では、ハニカム体は、サイ
ンカーブが緩やかに形成され、その山部、谷部にさらに
突出する波形部を有する波板が、ｆ板を挟んでその波形
部を向かい合わせにして交互に積層したものである。ハ
こカム体をこのような形状にすることにより、フィンプ
レート間のピッチを小さくすることが可能となる。

これらの諸態様によれば、波板に穿設されるチューブ挿
通孔の選定が容易になる。

本発明のさらに別の好ましい態様では、ハニカム体は、
波板と平板との交互積層にあたり、波板は、その山部と
谷部を同一方向に配尚してなっている。これによれば、
波板と平板の当接部位では、平板は一枚の波板とだけ当
接しているので、熱応力などによる破損が起こりにくい
。

本発明では、上記のような波板と平板とがともに熱伝導
率の大なるセラミックスからなっている。このような熱
伝導率の大なるセラミックスとしては、炭化珪素、窒化
珪素、窒化アルミニウム、サイアロンおよび珪素から選
ばれる一種または二種以上を主成分とするものが好まし
く挙げられ、なかでも、炭化珪素を主成分とするもの、
もしくは炭化珪素と珪素とを主成分とするものが好まし
い。しかしながら、波板、平板を構成するセラミックス
の材質は必ずしもこれに限定されず、例えばアルミナ、
マグネシアなどのような酸化物系の高熱伝導率のセラミ
ックスも場合によっては採用可能である。波板または平
板を形成するセラミックスの熱伝導率は、１５ｋｃａｌ
／　ｍ　／　ｈｒ／　℃以に、特には５０ｋｃａｌ／　
ｍ　／　ｈｒ／　”Ｃ以上であることが好ましい。

このような積層法によって本発明の構造体を製造するに
あたっては、例えば、炭素紙、特に樹脂を配合された炭
素紙を波形などに成形し、これらを積層もしくは接着し
て所定の７Ｘニカム形状とする。得られたハニカム形状
品の波板などを貫通するようにチューブ挿通部を切除し
たのち、同じく炭素紙、特に樹脂を配合された炭素紙か
らなるチューブを挿通し、ついで溶融金属珪素浴中にこ
れらの一部を浸漬することにより、毛細管現象により金
属珪素がこれの全体に含浸されるとともに、ハニカム体
とチューブとの当接部分の間隙にも金属珪素が充填され
、ついで反応焼結されることにより、ハニカム体、チュ
ーブ、固着材とも炭化珪素質、もしくは炭化珪素／珪未
質に変化し、堅固な構造体が得られる。この場合、チュ
ーブ挿通部を切除する工程は、積層もしくは接着する以
前の波板に対して行なってもよく、また、チューブはあ
らかじめ炭化珪素質とされているものを採用してもよい
。また、溶融金属珪素浴で処理する前に、加熱処理もし
くは温媒処理して樹脂の一部もしくは実質的に全部を除
去してもよい。

「発明の実施例」 以下に、本発明の望ましい実施例を図面に基いて詳細に
説明する。

第１図において、ハニカム体１１はセラミックス製波板
１２と同じくセラミックス製平板１３とが交互に積層さ
れてな・っている。積層にあたっては、この実施例では
、平板１３を挟んで隣接する二枚の波板１２の山部がそ
れぞれ突き合わされている。このような波板１２と平板
１３の積層によって多数の断面半月状のセル１４が形成
される。セル１４は平行に走行しており、それぞれ通気
路として機能する。このように積層されてなるハニカム
体１１の両端面には、ハニカム体１１の損傷防止および
保護のため、寸法精度の確保されたセラミックス製の端
板１５が配置される。端板１５およびハニカム体１１に
はセル１４の走行方向と直交して交差する複数の貫通孔
が穿設され、その孔にセラミックス酸の複数のチューブ
１６が挿通されている。この場合、挿通されたチューブ
１８によって各セル１４が閉塞されないようにするため
、チューブ１６の径を各セル１４の断面形状の長手方向
寸法より小さくされ、あるいはこれに代えて、チューブ
１８の径が前記長手方向・１法の２倍以下であれば波板
１２の山部と谷部との中間の斜面部を結ぶ線上にチュー
ブ１８の中心を位置させてもよい。

このような積層法によって本発明の構造体を製造するに
あたっては、炭素紙、特に、樹脂を配合した炭素紙をサ
インカーブ状断面を有する波板１２および平板１３に成
形し、次いでチューブ１８の挿通されるべき部位がパン
チによって打ち抜かれる。

このような波板１２と平板１３とを交互に積層または接
着し１両端面に挿通孔の形成された端板１５を接着して
所定のハニカム形状とする。この波板１２と平板１３の
大きさ、および両者の積層厚さは需要に応じて自在に変
更することができる。この場合、挿通孔の形成は波板１
２と平板１３とを交互積層して得られたハニカム体１１
に対して行なわれてもよい。そして、この挿通孔に、同
じく炭素紙、特に樹脂を配合した炭素紙よりなるチュー
ブ１６を挿通し、ハニカム状の成形体を得る。　′ このようにして得られた成形体は、樹脂を除去された後
、その一部を溶融金属珪素浴中に浸漬される。これによ
り、金属珪素は毛細管現象によりハニカム体１１の全体
に含浸されるとともに、ハニカム体１１とチューブ１６
との当接部分の間隙にも充填される０次いで反応焼結さ
れることにより、ハニカム体１１全体およびチューブ１
６は炭化珪素質、もしくは炭化珪素／珪素質に変化し、
さらに炭化珪素間の微細な空間の多くは珪素で充填され
る。

さらに、波板１２、平板１３、端板１５およびチューブ
１８の相互間の当接部分の多くが珪素で充填され、さら
にその一部は炭化珪素に変化し、強固な固着材となる。

この固着材を介してチューブ１６は、波板１２、平板１
３および端板１５と強固に接合され、この間の熱抵抗が
実質上無視できるまで小さくされている。さらに、チュ
ーブ１Ｂの内面には、うわ薬もしくはうわ薬懸濁液を流
し込んだのち、焼結させたり、フ・ン素樹脂などのプラ
スチック材料を流入、塗布などすることによりチューブ
１Ｂの気密性を確実にして、ピンホールや微小クラック
などからの流体の漏洩が防止されている。

に記のようにして得られた構造体の諸元は以ドの通りで
ある。

〜　　間口Ａ　　　　　　１２５ｍｍ 高さ８　　　　　１３２ｍｍ 奥行Ｃ１ｆ３０＋ａｍ 波板１２の枚数２３枚 平板１３の枚数２４枚（両側の端板１５を含む）波板１
２の山部／山部間の長さ２２ｍ５波板１２の山部／谷部
間の高さ４．８■チユーブ１８の木１ａ３３本 チューブ１Ｂの外径　７ｍｌ１１ 有効伝熱面積　　　１．４　ｍ’ この構造体をケーシングに収容し、チューブ１６の両端
を金属製へラダーに接続し、３０℃の水を２０交／ｗｉ
ｎの流量に保ってチューブ１６内に流通させた。一方、
通気路として機能するセル１４にはディーゼルエンジン
の排気ガスを導入し、この構造体の性能を試験した。な
お、ガス入口温度Ｔｇは４５０℃、３００℃、２００°
Ｃとした。その結果を第２図に示す０図中、ａはＴｇ＝
４５０℃、ｂはＴｇ＝３００℃、Ｃは↑ｇ＝２００℃の
場合をそれぞれ表わしている。試験結果からも明らかな
ように、この構造体はきわめてコンパクトであるにもか
かわらず、熱交換州すなわち伝熱量、および総括熱伝達
係数が非常に大きいことがわかる。したがって、例えば
、ディーゼルエンジン搭載のパスなどで、そのエンジン
の排気ガスから熱回収する装殿として利用する場合、排
気ガスの熱によりチューブ１６内を流通する水は効率よ
く加熱され、これを例えば別に設置されたファンヒータ
に送ることにより、車内の暖房として利用することがで
きる。また、エンジン始動時に排気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加熱する
ことにより、暖気のほかにも例えばパスの乗客へのサー
ビスなど種々の利用方法が考えられる。なお１本発明に
おいては、チューブ１６側に通す流体は水などの液体に
限らず、高圧空気や高圧ガスなどの高密度流体にも適用
でき、これらの流体の加熱においても、熱バランス上本
発明の構造体は有利な構成となっている。

第３図ないし第６図には、波板１２同士、または波板１
２と平板１３とを積層してなるハニカム体１１のそれぞ
れ別の実施例が示されている。

第３図の実施例は、波板１２だけを用い、その山部同士
を向かい合わせに積層したものである。それぞれの波板
１２の波形は第１図の例と同一であるが、平板１３を介
在させていないため、セル１４の断面積が第１図の場合
と比べ約２倍となっている。

したがって、ススなどの多い排気ガスからの熱回収を行
なうような場合に、ススが通気路内壁に堆積してガス側
の圧力損失が増大する可能性を減少させることができる
。

第４図の実施例は、両面に交互に突起状の小さな波形部
１７を有する平板状波板１８を、その波形部１７同士を
突き合わせて積層したものである。また、第５図の例は
、平板１３と、サインカーブが緩やかに形成され、その
山部、谷部にさらに突出する波形部１８を有する波板２
０とを、その波形部１９を向かい合わせにして交互に積
層したものである。

ハニカム体１１を第４図、第５図のような形状にするこ
とにより、例えば金属珪素が含浸されるとき狭い隙間を
金属珪素が埋めてしまい、フィンにならなくなるような
状況を防止するため、フィンプレート間のピッチを小さ
くすることが可能となる。

また、第６図の実施例は、波板１２と平板１３とを交互
に積層するにあたり、波板１２の山部と谷部を同一方向
に配向したものが示されている。これによれば、波板１
２と平板１３の当接部位では、平板１３は−・枚の波板
１２とだけ当接しているので、熱応力などによる破損が
起こりにくい。

なお、本発明においては、チューブ１６はハニカム体１
１の通気路と交差していればよく、したがって、両者は
直交関係にある必要はなく、適宜斜交していてもよい、
また、チューブ１６は必ずしも相生に平行であることを
要せず、さらにチューブ１Ｂの末端が端板１５の外面か
ら突出する代りに、端板１５の外面上までであってもよ
い・ 「発明の効果」 以ヒ説明したように、本発明によれば、チューブをハニ
カム体に挿通させることにより、フィンチューブと同等
な効果をもつ構造体を安価に提供することができる。ま
た、水とガスのように熱伝達係数の著しく異なる流体の
熱交換に適用した場合、ハニカム体すなわちフィンの表
面積をチューブ内面積に比して自由に大きくとれるため
、熱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、フィンの作用をするハニカム体の隔壁に平
行にガスなどの流体が流されるので、その流体の通過圧
損を低く押える。ことができる。さらに、従来の金属製
熱交換器では扱うことのできなかった高圧ガスや腐食性
ガスに適用することができ、例えば、ディーゼルエンジ
ンの排気ガスなどに適用した際、スートファイアリング
や酸露点腐食に対抗することができる。加えて、チュー
ブの厚み、材質、処理法を調整することにより、流体の
漏洩を防止することが容易であり、さらにまた、発生す
る熱応力も低いレベルに押えることができる。また、ハ
ニカム体の成形を積層法により行なうので、需要に応じ
てハニカム体の大きさを自在に変更することもできるし
、材質や波板形状の選択も容易にできるので、安価な製
造が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２図は第１
図に示された構造体の性能曲線図、第３図、第４図、第
５図および第６図は本発明のそれぞれ異なる実施例を示
す部分拡大側面図、第７図は従来のセラミックス構造体
の斜視図である。 １１・・・ハニカム体、　１２．２０・・・波板、１３
・・・平板１３．１４・・・セル、１５・・・端板、１
６・・・チューブ、１７．１９・・・波形部、１８・・
・平板状波板。 特許出願人　　　　旭硝子株式会社 代理人　　　　　弁理士　松井　茂 同　　　　　　弁理士　三浦邦夫 第１図 第２図 だス已驚ｉ（Ｎｒｎ３／ｈｒ　） 第３図　　第５図 第４図　　　第６図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス製のハニカム体と、このハニカム体
   の通気路と交差するように前記ハニカム体に挿通されて
   なるセラミックス製のチューブとを備えてなるセラミッ
   クス製構造体であって、前記ハニカム体は波板同士また
   は波板と平板とを積層されてなり、この積層によって形
   成される前記通気路がいずれも平行に構成されてなるセ
   ラミックス製構造体。
2. （２）前記波板と平板との積層が、平板を挟んで隣接す
   る二枚の波板の山部をそれぞれ突き合わせてなっている
   特許請求の範囲第１項に記載のセラミックス製構造体。
3. （３）前記波板同士の積層が、波板の山部同士をそれぞ
   れ向かい合わせに突き合わせてなっている特許請求の範
   囲第１項に記載のセラミックス製構造体。
4. （４）前記波板同士の積層が、両面に交互に突起状の小
   さな波形部を有する平板状波板をそれぞれの波形部同士
   を向かい合わせに突き合わせてなっている特許請求の範
   囲第１項に記載のセラミックス製構造体。
5. （５）前記波板と平板との積層が、緩かなサインカーブ
   状の山部、谷部にさらに突出した波形部を有する波板を
   、平板を挟んでその波形部で向かい合わせに突き合わせ
   てなっている特許請求の範囲第１項に記載のセラミック
   ス製構造体。
6. （６）前記波板と平板との積層が、平板を挟んで波板の
   山部と谷部が同一方向に配向してなっている特許請求の
   範囲第１項に記載のセラミックス製構造体。
7. （７）前記波板と前記平板とは、ともに熱伝導率の大な
   るセラミックスからなっている特許請求の範囲第２項な
   いし第６項のうちのいずれかに記載のセラミックス製構
   造体。
8. （８）前記熱伝導率の大なるセラミックスは、炭化珪素
   、窒化珪素、窒化アルミニウム、サイアロン、珪素から
   選ばれる一種または二種以上を主成分とする特許請求の
   範囲第７項に記載のセラミックス製構造体。