JPS6270042A - セラミツクス製の構造体 - 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
などの排ガスの有する熱エネルギーを回収するのに好適
なセラミックス製の構造体の改良に関する。

「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、通常の一金属フインでは耐
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
型、射出成型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
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５８−９３８！３５、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ｌは、例
えば、排ガスと空気ど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
熱回収に適用することができ、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、ハニ
カム体自体の組立時、焼結時または使用時の損傷を防止
するとともにハニカム体外壁のチューブ挿通部分を気密
に保持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の構造体は、複数の層状部
分が積層されてなるセラミックス製ハニカム体と、この
ハニカム体の外壁に固着された板厚の厚いセラミックス
製端板と、前記ハニカム体の通気路と交差するように前
記端板およびハニカム体に挿通されて固着されてなるセ
ラミックス製のチューブとを備えてなることを特徴とす
る。

したがって、チューブに水等の高密度流体を流し、ハニ
カム体の通気路に排気ガスなどの低密度流体を通すこと
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。また、ハニカム体の外壁は端板により保護され
ているので、ハニカム体の角などが損傷する事態が避け
られる。

本発明の一つの好ましい態様では、端板の板厚がハニカ
ム体の隔壁の肉厚の２倍以上となっている。

また、本発明の別の好ましい態様では、チューブを挿通
する端板の挿通孔が、ハニカム体のチューブ挿通孔より
も高精度で位置決めされてなっている。

本発明のさらに別の好ましい態様では、端板とチューブ
とは両者の当接部分に施された固着材により気密に固着
されてなっている。したがって、ハニカム体の通気路に
流される排気ガスなどの低密度流体が両者の当接部分の
間隙から漏洩しなくなり、熱交換効率をさらに高めるこ
とができる。

「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図では、ハニカム体１１の構成の一実施例が示され
ている。ハニカム体１１は、例えば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。これら両者の積層は、例えば第１図の
ように、平板１３に挟まれるそれぞれの波板１２の山部
が相互に平行に走行してなっている。また、両者の積層
の別の例としては、第２図のように、平板１３に挟まれ
る波板１２の山部の走行方向を交互に直交させてなって
いる。

両者の積層のさらに別の例としては、第３図のように、
波板１２の山部が平板１３を挟んで相互に平行走行して
なる積層体を二分割して、一方の積層体の山部の走行に
対して他方の積層体の山部の走行を直交させてなってい
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は第１図で
は相互に平行に走行しており、第２図では交互に直交し
て走行しており、また、第３図では相互に平行走行して
いる一方側が半分の位置で他方側と直交している。これ
らセル１４はそれぞれ流体の通気路として機能する。第
２ｒｇＪまたは第３図に示すようなハニカム体を有する
セラミックス製構造体にあっては、相互に平行な通気路
群と、これに直交する通気路群とに、同種のガス流体を
流してもよいし、あるいは温度、組成の少なくとも一方
が異なる異種のガス流体を流してもよい。

このようにａ層されてなるハニカム体１１の外壁面には
、その両面からハニカム体１１を押圧するようにセラミ
ックス製の端板１５が配置される。端板１５は、その厚
さが波板１２および平板１３の板厚の約４倍となってお
り、ハニカム体１１を補強してハニカム体１１の特に端
部の損傷を防止するようになっている。端板１５および
ハニカム体１１には、セル１４の走行方向とほぼ直交し
て交差する複数の貫通孔１８．１７がそれぞれ穿設され
、その孔にセラミックス製の複数のチューブ１８が挿通
されている。端板１５の挿通孔１７はハニカム体１１の
挿通孔１Ｂよりも特にはめ合い精度が高く穿設され、位
置決めされている。これにより、チューブ１８の位置決
めが容易となる。すなわち、波板１２．平板１３は薄く
、また面形状精度は一般に高精度としがたく、また高精
度を要しないことが多い、そのため、ハニカム体１１の
挿通孔１６も必ずしも高精度ではないことが多い、一方
、端板１５は厚く、かつ、一般に平板状であるため、挿
通孔１７を高精度に設けることが容易にできるし、また
これにより所望のシール性が確保できる。この場合、挿
通されたチューブ１８の径を各セルＩ４の断面形状の長
手方向寸法より小さくし、あるいはこれに代えて、チュ
ーブ１８の径が各セル１４の断面形状の長手方向寸法の
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！２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に挿通
孔１８がパンチによって打ち抜かれる。また、端板１５
は、波板１２および平板１３よりも４倍の厚手の炭素紙
、特に樹脂を配合した炭素紙で成形し、同じくチューブ
１８の挿通されるべき部位に高精度で位置決めしたうえ
で挿通孔１７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、挿
通孔１６と挿通孔１７の位置合わせをルた上で、両端面
に端板１５を接着して所定のハニカム形状とする。この
場合、挿通孔１６，１７は、端板１５を接着して得られ
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１Ｂ、１７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１日を挿通し、ハニカム
状の成形体を得るに 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！ｌの全体に
含浸されるとともに、ハニカム体！ｌとチューブ１８と
の当接部分の間隙および端板１５とチューブ１８の当接
部分にも充填される。

次いで反応焼結されることにより、ハニカム体１１全体
、端板１５およびチューブ１８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！５およびチューブ】８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１８は、波板１２、平板１３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。特にチューブ１日と端板１５間では
、この固着材によって気密に接合されるので、セル１４
に流れる低密度流体が両者の当接部分から漏洩すること
はなくなる。さらに、チューブ１８の内面には、うわ薬
もしくはうわ懸濁液を流し込んだのち、焼結させたり、
フッ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１８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。

上記のようにして得られた構造体の諸元は以下の通りで
ある。

間口Ａ１２５厘謬 高さＢ　　　　　　１３２ｍ膳 奥行ＣＩＥＩＯｍｍ 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２２＋ａｍ波板１２の山部／谷
部間の高さ４．９ｍ＋＊チューブ１８の本数　３３本 チューブ１８の外径　７璽履 端板１５の板厚　　　２．４１層 有効伝熱面積　　　１．４　ｒｎ’ この構造体をケーシングに収容し、チューブ１８の両端
を金属製へラグ−に接続し、３０℃の水を２０見／ｗｉ
ｎの流量に保ってチューブ１８丙に流通させた。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℃、　２０
０℃で行なった。その結果を第５図に示す０図中、ｄは
Ｔｇ−４５０℃、ｂはＴｇ−３００℃、ＣはＴｔ−２０
０℃の場合をそれぞれ表わす。

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、熱交換量すなわち
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
バスなどで、そのエンジンの排気ガスから熱回収する装
置として利用する場合、排気ガスの熱によりチューブ１
８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、ブレヒータ
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
えばバ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、本発明においては、チューブ１８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、熱バランス土木発明の構造体は有利な構成とな
っている。

なお、本発明においては、チューブ１８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１８は必ずしも相互に平行であること
を要せず、さらにチューブ１８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」 以上説明したように、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ガ
スなどの流体が流されるので、その波体の通過圧損を低
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、ハニカム体の外壁に厚い板厚の端板を両側から押
圧して接合しであるので、焼成前の組立時や焼成時、あ
るいは金属製へ７グーへの接続時、さらには熱交換体と
しての使用中に、ハニカム体の損傷を防ぐことができる
。また、端板が厚板であると、端板と金属ケーシングと
の間のシールおよび組付けが容易となる。さらに、端板
のチューブ挿通孔をハニカム体のそれよりも高精度では
め合い位置決めすることが容易であるし、両者の当接部
分を固着材などにて気密に固着することも容易であるの
で、セル内を通過する低密度流体が当接部分から外部に
漏洩する事態も避けられる。また、厚板にした端板の挿
通孔とチューブの間には焼成前にペーストを用いて固着
を確実にしておくことにより、焼成時までに波板！２や
平板１３がゆるんでチューブからはずれるといったトラ
ブルもなくなる。また、端板が厚板であると、その剛性
により、脱脂時、焼成時のハニカム体の反りなどによる
寸法の狂いも防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す分解斜視図、第２図は
本発明を構成するハニカム体の別の実施例を示す斜視図
、第３図は本発明を構成するハニカム体のさらに別の実
施例を示す斜視図、第４図は第１図の組み付は状態斜視
図、第５図は第４図に示された構造体の性能曲線図、第
６図は従来のセラミックス製構造体を示す斜視図である
。 １１・・・ハニカム体、１２・・・波板、１３・・・平
板、１４・・・セル、１５・・・端板、１８．１７・・
・挿通孔、１８・・・チューブ。 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３図 第６（！１ 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の層状部分が積層されてなるセラミックス製
   ハニカム体と、このハニカム体の外壁に固着された板厚
   の厚いセラミックス製端板と、前記ハニカム体の通気路
   と交差するように前記端板およびハニカム体に挿通され
   て固着されてなるセラミックス製のチューブとを備えて
   なることを特徴とするセラミックス製の構造体。
2. （２）前記端板の板厚が前記ハニカム体の隔壁の肉厚の
   ２倍以上である特許請求の範囲第１項に記載のセラミッ
   クス製の構造体。
3. （３）前記チューブを挿通する前記端板の挿通孔は高精
   度で位置決めされてなる特許請求の範囲第１項に記載の
   セラミックス製の構造体。
4. （４）前記端板と前記チューブとは両者の当接部分に施
   された固着材により気密に固着されている特許請求の範
   囲第１項に記載のセラミックス製の構造体。