JPS63263394A - 回転蓄熱式セラミツク熱交換体 - Google Patents
回転蓄熱式セラミツク熱交換体Info
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- JPS63263394A JPS63263394A JP62095688A JP9568887A JPS63263394A JP S63263394 A JPS63263394 A JP S63263394A JP 62095688 A JP62095688 A JP 62095688A JP 9568887 A JP9568887 A JP 9568887A JP S63263394 A JPS63263394 A JP S63263394A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
- F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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- F28D19/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
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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。
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)
本発明はガスタービンエンジン、スターリングエンジン
をはじめ、その他一般産業用にも用いられる高温ガス用
回転蓄熱式セラミック熱交換体に関するものである。
をはじめ、その他一般産業用にも用いられる高温ガス用
回転蓄熱式セラミック熱交換体に関するものである。
(従来の技術)
回転蓄熱式セラミック熱交換体は直径20cm〜2II
厚さの寸法のハニカム構造を宵する円盤状のもので、回
転蓄熱式セラミック熱交換体は、直径20〜200c1
m、厚さ2〜20c−程度の寸法のハニカム構造を有す
る円盤上のもので、円を二分割した2つの通路をさえぎ
るよう回転可能な状態で置かれる。
厚さの寸法のハニカム構造を宵する円盤状のもので、回
転蓄熱式セラミック熱交換体は、直径20〜200c1
m、厚さ2〜20c−程度の寸法のハニカム構造を有す
る円盤上のもので、円を二分割した2つの通路をさえぎ
るよう回転可能な状態で置かれる。
片側の通路に高温の排気ガスが流され、吸熱した交換体
が回転してゆき、反対側の通路で対面方向から流される
低温の吸収ガスに放熱する。この時のガスの温度は例え
ば、排気ガスで熱交換体入口面1000℃、出口面20
0℃、吸収ガス入口面100℃、出口面900℃のよう
な値で、排気ガスと吸収ガスが対面方向で流されるため
排気ガス入口面と出口面は吸収ガスの出口面、入口面と
なり常時全体に800℃差の温度差が生じ熱応力を受け
る。
が回転してゆき、反対側の通路で対面方向から流される
低温の吸収ガスに放熱する。この時のガスの温度は例え
ば、排気ガスで熱交換体入口面1000℃、出口面20
0℃、吸収ガス入口面100℃、出口面900℃のよう
な値で、排気ガスと吸収ガスが対面方向で流されるため
排気ガス入口面と出口面は吸収ガスの出口面、入口面と
なり常時全体に800℃差の温度差が生じ熱応力を受け
る。
また、熱交換体の外周部は外気に接しているため中心部
と外周部で温度差が生じ別の熱応力を受ける、従ってこ
の回転蓄熱式セラミック熱交換体には、熱交換効率が大
きいことが要求されるのみならず、使用中の熱応力に耐
えることが要求される。また小型のものは一体押出成形
が可能であるが、中型あるいは大型のものはセラミック
類のマトリックスセグメントをセメント、セラミック、
ガラス等の接合剤により接合しなければならないという
問題がある。
と外周部で温度差が生じ別の熱応力を受ける、従ってこ
の回転蓄熱式セラミック熱交換体には、熱交換効率が大
きいことが要求されるのみならず、使用中の熱応力に耐
えることが要求される。また小型のものは一体押出成形
が可能であるが、中型あるいは大型のものはセラミック
類のマトリックスセグメントをセメント、セラミック、
ガラス等の接合剤により接合しなければならないという
問題がある。
上記の・ような接合型の回転蓄熱式セラミック熱交換体
の代表的なものは、本出願人の出願に係る特開昭55−
46338号公報に記載されている、ところがこの公報
に記載したように、多数のマトリックスセグメントをセ
ルの方向を揃えて接合したものは、使用時に円周方向に
生じる大きい引張応力により、外周部付近にクランクを
発生するおそれがあることが判明した。この引張応力は
前述の熱応力に加え、回転力とによって発生するもので
あって、周知のとおりセラミックは圧縮に対する強度に
比べ引張に対する強度が小さいためにこの引張応力によ
りクランクを生ずるのである。
の代表的なものは、本出願人の出願に係る特開昭55−
46338号公報に記載されている、ところがこの公報
に記載したように、多数のマトリックスセグメントをセ
ルの方向を揃えて接合したものは、使用時に円周方向に
生じる大きい引張応力により、外周部付近にクランクを
発生するおそれがあることが判明した。この引張応力は
前述の熱応力に加え、回転力とによって発生するもので
あって、周知のとおりセラミックは圧縮に対する強度に
比べ引張に対する強度が小さいためにこの引張応力によ
りクランクを生ずるのである。
そこでこのような欠点を解決するため、米国特許第43
81815号明細書では複数種類のセル形状を持つマト
リックスセグメントを組合わせて配置することを提案し
ている。ところがこの米国特許に示されるものは、セル
形状の異なる複数種類のマトリックスセグメントを用い
る必要があるので製造工程が複雑化し、コスト高となる
欠点がある。
81815号明細書では複数種類のセル形状を持つマト
リックスセグメントを組合わせて配置することを提案し
ている。ところがこの米国特許に示されるものは、セル
形状の異なる複数種類のマトリックスセグメントを用い
る必要があるので製造工程が複雑化し、コスト高となる
欠点がある。
(発明が解決しようとする問題点)
本発明は上記のような従来の問題点を解決して、熱応力
を受けた場合におけるクランクの発生を有効に防止する
ことができ、しかも複数種類のセル形状を持つマトリッ
クスセグメントを用いる必要のない回転蓄熱式セラミッ
ク熱交換体を目的として完成されたものである。
を受けた場合におけるクランクの発生を有効に防止する
ことができ、しかも複数種類のセル形状を持つマトリッ
クスセグメントを用いる必要のない回転蓄熱式セラミッ
ク熱交換体を目的として完成されたものである。
(問題点を解決するための手段)
本発明は複数個のハニカム構造のセラミック製マトリッ
クスセグメントを円盤状に接合した回転蓄熱式セラミッ
ク熱交換体であって、各マトリックスセグメントはヤン
グ率が断面内で異方性を示すセル形状を持ち、またこれ
らのマトリックスセグメントは円盤上外周部の少なくと
も4箇所において、ヤング率が小となる方向を円盤の円
周方向に一致させて配置されていることを特徴とするも
のである。
クスセグメントを円盤状に接合した回転蓄熱式セラミッ
ク熱交換体であって、各マトリックスセグメントはヤン
グ率が断面内で異方性を示すセル形状を持ち、またこれ
らのマトリックスセグメントは円盤上外周部の少なくと
も4箇所において、ヤング率が小となる方向を円盤の円
周方向に一致させて配置されていることを特徴とするも
のである。
本発明の第、lの特徴は、セラミック製マトリックスセ
グメントとして、3角形状又は長方形状のような貫通孔
に垂直な断面内においてヤング率が異方性を示すセル形
状を持つものを用いることである。このようなセル形状
はこの種の回転蓄熱式セラミック熱交換体の熱交換効率
を評価する尺度となる総括フィン効率を向上させるため
に有利である。即ち、総括フィン効率は熱伝達係数/壁
面摩擦係数として算出され、レイノルズ数の関数となる
が、特に短辺と長辺のピッチ比が実質的に1.31/l
である長方形のセル形状を採用した場合には正方形状の
ものよりも総括フィン効率は著しく向上する。また単位
面積当たりのセル数を増加させた場合には3角形状のセ
ル形状のものが正方形状のものよりも優れた総括フィン
効率を示す。
グメントとして、3角形状又は長方形状のような貫通孔
に垂直な断面内においてヤング率が異方性を示すセル形
状を持つものを用いることである。このようなセル形状
はこの種の回転蓄熱式セラミック熱交換体の熱交換効率
を評価する尺度となる総括フィン効率を向上させるため
に有利である。即ち、総括フィン効率は熱伝達係数/壁
面摩擦係数として算出され、レイノルズ数の関数となる
が、特に短辺と長辺のピッチ比が実質的に1.31/l
である長方形のセル形状を採用した場合には正方形状の
ものよりも総括フィン効率は著しく向上する。また単位
面積当たりのセル数を増加させた場合には3角形状のセ
ル形状のものが正方形状のものよりも優れた総括フィン
効率を示す。
そして短辺と長辺の比が1,317M・のセル形状を持
つコーディエライト質のハニカム構造体については、例
えば短辺方向のヤング率は4.45X10’kgf/e
1m”であるに対して長辺方向のヤング率は6.00
X10’ kgf/(2)8と35%も大きく異方性を
示す。
つコーディエライト質のハニカム構造体については、例
えば短辺方向のヤング率は4.45X10’kgf/e
1m”であるに対して長辺方向のヤング率は6.00
X10’ kgf/(2)8と35%も大きく異方性を
示す。
本発明の第2の特徴はこのようなりフグ率に異方性を示
す複数個のマトリックスセグメントを、円盤上外周部の
少なくとも4箇所において、ヤング率が小となる方向を
円盤の円周方向に一致させて配置し、接合することであ
る。温度差により発生する熱応力は熱交換体の片面に熱
が加わることにより発生するものであるから、一般にい
われる耐熱衝撃性であるので、耐熱衝撃性は次式に示さ
れるようにヤング率に反比例するので、使用時に特に大
きい引張応力が発生する円周方向にヤング率が小となる
方向を一致させることは耐熱衝撃性の向上に有利である
。耐熱衝撃性は一般に次式によって検討される。
す複数個のマトリックスセグメントを、円盤上外周部の
少なくとも4箇所において、ヤング率が小となる方向を
円盤の円周方向に一致させて配置し、接合することであ
る。温度差により発生する熱応力は熱交換体の片面に熱
が加わることにより発生するものであるから、一般にい
われる耐熱衝撃性であるので、耐熱衝撃性は次式に示さ
れるようにヤング率に反比例するので、使用時に特に大
きい引張応力が発生する円周方向にヤング率が小となる
方向を一致させることは耐熱衝撃性の向上に有利である
。耐熱衝撃性は一般に次式によって検討される。
ΔTc −σt (1−ν)/E・α但し ΔTc:
温度差 σf二強度 シ:ボアソン比 E: ヤング率 α:熱膨張係数 なおこの種の°回転蓄熱式セラミック熱交換体において
は、特に大きい引張応力が外周部分において円周方向に
発生するため、外周部分におけるマトリックスセグメン
トの方向が重要であって、中心部及び中間部分の方向は
重要性が少ない、またセル方向は全周にわたって上記の
ように揃えることが好ましいが、扇形状のマトリックス
セグメントを製造しない場合はそのような配置が困難で
あるから、後の実施例1にも示すように円盤上外周部の
少なくとも4箇所においてこの条件を満たせばよいもの
とする。次に本発明の好ましい実施例を示す。
温度差 σf二強度 シ:ボアソン比 E: ヤング率 α:熱膨張係数 なおこの種の°回転蓄熱式セラミック熱交換体において
は、特に大きい引張応力が外周部分において円周方向に
発生するため、外周部分におけるマトリックスセグメン
トの方向が重要であって、中心部及び中間部分の方向は
重要性が少ない、またセル方向は全周にわたって上記の
ように揃えることが好ましいが、扇形状のマトリックス
セグメントを製造しない場合はそのような配置が困難で
あるから、後の実施例1にも示すように円盤上外周部の
少なくとも4箇所においてこの条件を満たせばよいもの
とする。次に本発明の好ましい実施例を示す。
(実施例)
実施例1
第1図に示すように、短辺と長辺とのピッチ比が1.3
′/2のセル形状を持つハニカム構造のコーディエライ
ト類のマトリックスセグメント+11〜(8)を円盤状
に配置して相互間を接合剤により接合一体化した。図示
のように、マトリックスセグメント+11、(4)、(
6)、(7)はセルのヤング率の小さい方向、即ちセル
の短辺方向を円周方向に一致させであるが、その他のマ
トリックスセグメント(2)、(3)、(5)、(8)
は正確には一敗していない、これと同一のパターンがA
−A軸及びB−B軸と対称に配置されている。セル形状
は短辺側ピッチ0.56mm、長辺側ピッチ0.96鶴
、壁厚0.11鰭であり、回転蓄熱式セラミック熱交換
体の全体の大きさは外径453龍、厚さ83uである。
′/2のセル形状を持つハニカム構造のコーディエライ
ト類のマトリックスセグメント+11〜(8)を円盤状
に配置して相互間を接合剤により接合一体化した。図示
のように、マトリックスセグメント+11、(4)、(
6)、(7)はセルのヤング率の小さい方向、即ちセル
の短辺方向を円周方向に一致させであるが、その他のマ
トリックスセグメント(2)、(3)、(5)、(8)
は正確には一敗していない、これと同一のパターンがA
−A軸及びB−B軸と対称に配置されている。セル形状
は短辺側ピッチ0.56mm、長辺側ピッチ0.96鶴
、壁厚0.11鰭であり、回転蓄熱式セラミック熱交換
体の全体の大きさは外径453龍、厚さ83uである。
これを電気炉において熱衝撃を加え、耐熱衝撃性試験を
行ったところ、特開昭55−46338号に示される従
来のものでは温度差が800’cを越えるとクランクが
発生したのに対して、本実施例のものは温度差が875
℃を越えるまでクランクが発生せず、耐熱衝撃性は75
℃向上した。
行ったところ、特開昭55−46338号に示される従
来のものでは温度差が800’cを越えるとクランクが
発生したのに対して、本実施例のものは温度差が875
℃を越えるまでクランクが発生せず、耐熱衝撃性は75
℃向上した。
電気炉における熱衝撃性試験は、熱交換体を上または左
右に熱源を有する電気炉に入れたとき、熱交換体の片面
に急激な熱が加わり熱交換体の使。
右に熱源を有する電気炉に入れたとき、熱交換体の片面
に急激な熱が加わり熱交換体の使。
用中の熱応力の加わり方と近偵することから熱交換体の
熱応力チェ7クの試験として用いられる。
熱応力チェ7クの試験として用いられる。
またコンピュータによる熱応力解析を行ったところ、温
度差を875℃と設定した場合、実施例のものは円周方
向の引張応力が30.0ktf/cra” 、半径方向
の引張応力が28.5 kg f/cm”であって、両
方向のバランスが取れていることが確認された。
度差を875℃と設定した場合、実施例のものは円周方
向の引張応力が30.0ktf/cra” 、半径方向
の引張応力が28.5 kg f/cm”であって、両
方向のバランスが取れていることが確認された。
実施例2
第2図に示すように、セル形状が正3角形である扇形状
のコーディエライト製マトリックスセグメン) (11
)の12個を円盤状に配置して相互間を接合剤により接
合一体化した。このマトリックスセグメント(11)は
半径方向のヤング率が大で円周方向のヤング率が小さい
もので、セル形状は一辺が1.27鶴、壁厚0.13鶴
、155 龍X 100 tm x 75gB厚のセグ
メントを加工して残る回転蓄熱式セラミック熱交換体で
、全体の大きさは外径353m5.厚さ75鰭である。
のコーディエライト製マトリックスセグメン) (11
)の12個を円盤状に配置して相互間を接合剤により接
合一体化した。このマトリックスセグメント(11)は
半径方向のヤング率が大で円周方向のヤング率が小さい
もので、セル形状は一辺が1.27鶴、壁厚0.13鶴
、155 龍X 100 tm x 75gB厚のセグ
メントを加工して残る回転蓄熱式セラミック熱交換体で
、全体の大きさは外径353m5.厚さ75鰭である。
これを実施例1と同様に電気炉に入れて熱衝撃を加え、
耐熱衝撃性試験を行ったところ、やはり温度差が875
℃を越えるまでクランクが発生せず、耐熱衝撃性の向上
が確認された。
耐熱衝撃性試験を行ったところ、やはり温度差が875
℃を越えるまでクランクが発生せず、耐熱衝撃性の向上
が確認された。
なお以上の実施例では長方形と正3角形のセル形状を持
つマトリックスセグメントを用いたが、このほか扁平な
ひし形、扁平な6角形、細長い3角形等の種々のセル形
状のものを用いても良いことは言うまでもない。
つマトリックスセグメントを用いたが、このほか扁平な
ひし形、扁平な6角形、細長い3角形等の種々のセル形
状のものを用いても良いことは言うまでもない。
(発明の効果)
本発明は以上の説明からも明らかなように、ヤング率が
断面内で異方性を示すセル形状を持つマトリックスセグ
メントを、ヤング率が小となる方向を円周方向と一敗さ
せて配置することにより、耐熱衝撃性を著しく向上させ
ることができ、しかも単一のセル形状のマトリックスセ
グメントにより構成することができるので、製造コスト
を引下げることができるものである。よって本発明は従
来の回転蓄熱式セラミック熱交換体の問題点を解決した
ものとして産業の発展に寄与するところは掻めて大であ
る。
断面内で異方性を示すセル形状を持つマトリックスセグ
メントを、ヤング率が小となる方向を円周方向と一敗さ
せて配置することにより、耐熱衝撃性を著しく向上させ
ることができ、しかも単一のセル形状のマトリックスセ
グメントにより構成することができるので、製造コスト
を引下げることができるものである。よって本発明は従
来の回転蓄熱式セラミック熱交換体の問題点を解決した
ものとして産業の発展に寄与するところは掻めて大であ
る。
第1図は本発明の第1の実施例を示す平面図、第2図は
第2の実施例を示す平面図である。 (11〜+8) : 第1の実施例のマトリックスセグ
メント、(11):第2の実施例のマトリックスセグメ
ント。
第2の実施例を示す平面図である。 (11〜+8) : 第1の実施例のマトリックスセグ
メント、(11):第2の実施例のマトリックスセグメ
ント。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、複数個のハニカム構造のセラミック製マトリックス
セグメントを円盤状に接合した回転蓄熱式セラミック熱
交換体であって、各マトリックスセグメントはヤング率
が断面内で異方性を示すセル形状を持ち、またこれらの
マトリックスセグメントは円盤上外周部の少なくとも4
箇所において、ヤング率が小となる方向を円盤の円周方
向に一致させて配置されていることを特徴とする回転蓄
熱式セラミック熱交換体。 2、セル形状が3角形状又は長方形状である特許請求の
範囲第1項記載の回転蓄熱式セラミック熱交換体。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62095688A JPS63263394A (ja) | 1987-04-17 | 1987-04-17 | 回転蓄熱式セラミツク熱交換体 |
US07/180,789 US4856577A (en) | 1987-04-17 | 1988-04-12 | Rotary regenerative heat exchanging ceramic body |
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