WO2006121158A1

WO2006121158A1 - セラミックス製熱交換器

Info

Publication number: WO2006121158A1
Application number: PCT/JP2006/309567
Authority: WO
Inventors: Takanari Inatomi; Yasuhiro Sakai; Shigeki Maruyama; Shoko Suyama; Ryutaro Hino; Atsuhiko Terada; Kaoru Onuki; Shinji Kubo; Seiji Kasahara
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2006-11-16
Also published as: JP2006317106A; US20090056924A1; EP1881291A1; JP4742233B2; US8360139B2; EP1881291A4

Abstract

　セラミックスブロックに複数個の流路を一列とする列を数列平行に形成し、隣接する列毎に前記流路を流体Ａと流体Ｂとが流れる流路とし、これらの流路には隣接する列毎に異なる流体Ａおよび流体Ｂを対向流として流し、流体Ａと流体Ｂとの熱交換を行うセラミックス製熱交換器で、熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体化し、端板の外面側に前記タイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設けている。

Description

セラミックス製熱交換器

技術分野

[0001] 本発明は、原子力産業、航空宇宙、化学産業等で適用されるセラミックス製熱交換器に係り、特に核熱を利用して水原料から大量の水素と酸素を製造する熱化学 ISOo dine-Sulfor)プロセス法水素製造装置の熱交^^として好適なセラミックス製熱交換器に関する。

背景技術

[0002] 原子力産業、航空宇宙、化学産業および一般産業の広!、産業分野で各種熱交換器が使用されている。特に、耐高温や耐腐食性が要求される熱交換器では熱交換部にセラミックスブロックが採用される。ここでは、その一例として、約 950°Cの核熱を利用して水原料力大量の水素と酸素を製造する熱化学 ISプロセス法水素製造装置に用いる熱交翻について説明する。

[0003] ISプロセスは基本的に下記の 3つのサブシステムからなる反応である。

[0004] (化 1)

I +SO + 2H 0 = 2HI+H SO ：ブンゼン反応（発熱）〜 100°C

2 2 2 2 4

2HI=H +1 ：ヨウ化水素分解反応（吸熱) 400°C

2 2

H SO =H O + SO + 1/20 ：硫酸分解反応（吸熱） 800°C

2 4 2 2 2

この 3つのサブシステムのうち、硫酸分解反応とヨウ化水素分解反応とは、吸熱反応で熱交を介して高温ガス炉等力供給される高温ヘリウムガス等と熱交換して加熱される。

[0005] 硫酸は金属類を腐食させるため、熱交換部には耐腐食性が要求される。さらに、使用温度が 400°C〜800°C以上と高いので、硫酸プラント等で一般に使用されるポリテトラフルォロエチレン系材料と金属との組み合わせを使用できない等の課題がある。

[0006] そこで、従来では高温耐食性および高温強度の両面から、セラミックスブロックを適用して、硫酸分解反応を行う硫酸蒸発器が提案されている (例えば、特許文献:特開 2005— 61785号公報、参照）。 [0007] この提案では、高温へリウムガスを収容する圧力容器の底部に接続された硫酸供給管により、下部プレナムに供給された約 455°Cの硫酸を熱交換部に貫流させ、上部プレナム部を経て硫酸ガス排出管から排出するようになって、る。

[0008] 熱交換部は、それぞれ直行する 2組の流路と流路を有するセラミックスブロックと、セラミックスブロックの外周に配設された複数枚の仕切り板と、仕切り板を包含するように配置された内筒とで構成されて！、る。

[0009] 熱交換部の上部には、圧力容器から内筒に延在するヘリウム入口ノズルが設けられ、高温熱交換系統力供給される約 689°Cの高温ヘリウムガスが熱交換部の上部室に流入する。流入した高温ヘリウムガスは仕切り板と内筒とで仕切られた各室を蛇行しながらセラミックスブロックの一方の流路を流れ、他方の流路を流れる硫酸と熱交換される。そして、熱交換部の下部室力圧力容器に流出したヘリウムガスは、へリウム出口ノズル力高温熱交換系統に戻る。

[0010] セラミックスブロックの製法としては、一般的には粉末を成形後、成形体を所定の寸法に加工し、その後焼結する方法が適用される。セラミックスは高温強度も高ぐ使用雰囲気に合った適切な材料選択で、しかも耐食性も有する。また、熱交換器に使用する場合には、熱伝導率が大きいことも選択因子である。硫酸を使用する熱化学 IS プロセス法水素製造装置用の熱交^^としては、硫酸との耐食性および耐熱性が要求される。

[0011] 硫酸製造などの硫酸プラントでは、温度が約 200°C程度と低ぐポリテトラフルォロエチレンやガラスなどの耐食材を金属にコーティングして使用しているのが現状である。

[0012] しかし、 400°C以上の熱化学 ISプロセス法水素製造装置用熱交換器では、ポリテトラフルォロエチレン等も使用できな、ので、硫酸との耐食性および耐熱性の面から、炭化珪素ゃ窒化珪素等のセラミックス熱交^^が提案されている。但し、セラミックスは弾性材料である金属と比較して、構造材として使用するには種々の課題がある。

[0013] すなわち、第 1の課題は、セラミックスが脆性材料であるため靭性値が低ぐ t ヽ材料である点である。したがって、応力集中や微小クラックが起点になって亀裂進展が起こり易ぐ時には破壊に至ることもある。 [0014] 第 2の課題は、接合が困難な点である。冶金的接合方法としては、 (1)ロー付け、（ 2)反応焼結、（3)常圧焼結等がある。この課題としては、信頼性のある接合には炉が必要であり、接合体の大きさが現有する炉の設備容量の制約を受ける。さらに、接合部に欠陥や強度不均一がある場合には、強度低下のみならず、前述した応力集中による亀裂進展の恐れもある。

[0015] 第 3の課題は、セラミックスの線膨張係数が約 4E— 6Z°Cのように、例えばステンレス鋼（ 18E— 6/°C)、ある、はインコネル等（ 15E— 6/°C)等の金属製構造材に比較して小さぐ高温下では大きな熱膨張差を生じる、点にある。

[0016] 特に、硫酸蒸発器においては、上述の問題点が顕著となる。すなわち、上記特許文献に示されている従来の熱交換部においては、一方の流路の加工制限上、複数のセラミックスブロックを接合して一体ィ匕される。したがって、一体ィ匕の大きさは接合する炉の大きさに制限される。もし、炉を使用しない接着等の簡易接合では、母材と同等な高温強度を得ることができない。さらに、接合部は強度不連続部になり、応力集中で破壊する恐れがある。

[0017] また、一方の流路と他方の流路とは直交しており、例えば一方の流路を流れるヘリゥムガスと他方の流路を流れる硫酸との仕切りが容易である反面、管状流路同士の直交流では対向面積が見掛け上、点接触状態となって小さぐ熱交換熱量が低下する。また、仕切り板とセラミックスブロック、仕切り板と内筒との熱膨張差が問題になる。

[0018] すなわち、内筒はステンレス鋼などの金属である端板に取り付けられので、内筒や仕切り板の材質はステンレス鋼などの金属が好まし、。仕切り板と内筒とを例えばステンレス鋼製とした場合には、セラミックスブロックの外周と仕切り板の内周とにギヤップが生じ、この部分力ヘリウムが漏洩し、結果的に交換熱量を低下させる。この熱膨張差によるヘリウムガスの漏洩を回避するには、何らかの熱膨張吸収手段を設ける必要がある。

[0019] 発明の開示

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、硫酸などの高温腐食性流体下でも熱交換効率が高ぐかつ構造信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することにある。 [0020] 前記の目的を達成するために、本発明によれば、セラミックスブロックに複数個の流路を一列とする列を数列平行に形成し、隣接する列毎に前記流路を流体 Aと流体 B とが流れる流路とし、これらの流路には隣接する列毎に異なる前記流体 Aおよび前記流体 Bを対向流として流し、前記流体 Aと前記流体 Bとの熱交換を行うセラミックス製熱交^^であって、前記熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体化し、前記端板の外面側に前記タイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設けた構成としたことを特徴とするセラミックス製熱交を提供する。

[0021] 上記観点における本発明の好適な実施例では、前記各セラミックスブロックの接合端部の少なくともいずれか一方に、端部側に向って次第に拡径するテーパ部を設け、前記テーパ部外周に嵌合するテーノリングと、このテーノリングの外周に配設され、前記テーパリングの端部に当接する段部を有するフランジと、前記フランジ同士を締結する複数本のタイロッドとを備えたセラミックス製熱交翻を提供する。

[0022] また、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交^^であって、前記タイロッドと同系またはこれよりも熱膨張係数の大きい材質力もなるスぺーサを、前記端板と前記タイロッド先端部間に介挿したセラミックス製熱交を提供する。

[0023] また、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交換器であって、前記端板は、熱膨張係数の異なる複数枚の板をシール部材を介して積層する構成としたセラミックス製熱交を提供する。

[0024] また、前記熱交換部がセラミックスブロックで構成された熱交^^であって、前記セラミックスブロック端部の軸方向所定の位置に大径頭部を形成し、この大径頭部に当接するシール部材と、このシール材を大径頭部に押し付けるばねと、これらシール材およびばねの外周側に配置され、軸方向の熱膨張差を吸収するべローズを有するヘリウム入口容器とを備えたセラミックス製熱交翻を提供する。

[0025] また、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交換器であって、前記シール材を前記流体 Aまたは前記流体 Bの少なくとも、ずれか一方の流路の外周側に配設したセラミックス製熱交換器を提供する。

[0026] また、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交換器であって、前記シール材は、前記流体 Aおよび前記流体 Bの流路に連通する孔を有する孔開き板であるセラミックス製熱交を提供する。

[0027] さらにまた、軸方向に複数の流路を形成したセラミックスブロックの両端に端板を配接し、この端板を複数本のタイロッドでシール材を介してセラミックスブロックに締結接合したセラミックス製熱交^^であって、前記端板と前記セラミックスブロックとの接合面に所定の直径差で相嚙み合う段差部を設け、この直径差で相嚙み合う前記段差部間に形成された空間部に、軸方向に開口部を有するシールリングを装着したセラミックス製熱交を提供する。

[0028] 上述した本発明によるセラミック製熱交^^によれば、流体 Aと流体 Bとを対向流として流し、これら流体 Aと流体 Bとの熱交換を行う熱交換を行う熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体ィ匕し、端板の外面側にタイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設けた構成としたことにより、セラミックスブロックは焼結炉等の製造設備に依存することなくシール材を介して積層することで、熱交換容量に応じた所定の大きさを実現することができる。そして、熱膨張吸収手段を介してセラミックスブロックを連結一体ィ匕したので、高温使用時のセラミックスブロックとタイロッドとの熱膨張差が生じても、確実にシールすることができる。よって、本発明によれば、硫酸などの高温腐食性流体下でも熱交換効率が高ぐかつ構造信頼性の高ヽセラミックス製熱交翻を提供することができる。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明の第 1実施形態を示すセラミックス製熱交換器の断面図。

[図 2]本発明の第 1実施形態による熱交換部を構成するセラミックスブロックの外観図

[図 3]図 2の ΠΙ-ΠΙ線に沿う矢視図。

[図 4]図 2の IV-IV線に沿う断面図。

[図 5]図 2の V-V線に沿う断面図。

[図 6]本発明の第 1実施形態によるセラミックスブロックの上部の流路構成を示す斜視図。

[図 7]本発明の第 1実施形態によるセラミックスブロックの下部の流路構成を示す斜視図。

[図 8]図 8Aは本発明の第 1実施形態によるセラミックス製熱交換器を構成する熱交換部の部分断面図、図 8Bは図 8Aの要部を示す,袓立前の拡大断面解図、図 8Cは図 8 Aの要部を示す組立後の拡大断面解図。

[図 9]本発明の第 2実施形態の一構成例を示す締結部要部を示す断面図

[図 10]本発明の第 2実施形態の変形例を示す断面図。

[図 11]本発明の第 3実施形態を示すセラミックス製熱交換器の軸方向の熱膨張吸収構造を示す構成図。

[図 12]図 12Aは図 11に示した熱膨張吸収手段の一例を示す拡大断面図、図 12Bは図 12Aの平面図。

[図 13]本発明の第 3実施形態による締結手段であるタイロッドの変形例を示す断面図。

[図 14]本発明の第 4実施形態によるセラミックス製熱交換器の軸方向の熱膨張吸収構造を示す説明図。

[図 15]本発明の第 5実施形態によるセラミックス製熱交^^の軸方向の熱膨張吸収構造を示す断面図。

[図 16]図 16Aは本発明の第 6実施形態によるセラミックス製熱交^^のセラミックスブロック接合面のシール材配置図、図 16Bは図 16Aの XVIB- XVIB線断面図。

[図 17]図 17Aは本発明の第 6実施形態によるシール材の一例を示す構成図、（図 17

Bは図 17Aの要部拡大図。

[図 18]図 18Aは本発明の第 6実施形態によるシール材の変形例を示す構成図、図 1 8B9は図 18Aの要部拡大図。

[図 19]図 19Aは本発明の第 6実施形態によるシール材の他の変形例を示す構成図、図 19Bは図 19Aの要部拡大図。

[図 20]図 20A1は本発明の第 6実施形態によるシール材の他の配置図、図 20Bは図 20Aの XXB- XXB線断面図。

[図 21]図 21Aは本発明の第 7実施形態によるセラミックス製熱交翻のシール材の一例を示す構成図、図 21Bは図 21Aの XXIB- XXIB線断面図。

[図 22]図 22Aは本発明の第 7実施形態の変形例によるセラミックス製熱交換器のシ一ル材の一例を示す構成図、図 22Bは図 22Aの ΧΧΠΒ- ΧΧΠΒ線断面図。

[図 23]本発明の第 8実施形態によるセラミックス製熱交換器のシール構造を示す拡大断面図。

発明を実施するための最良の形態

[0030] 以下、本発明に係るセラミックス製熱交換器の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、核熱を利用して水原料から大量の水素と酸素を製造する熱化学 ISプロセス法水素製造装置のセラミックス製熱交換器を例として説明する。

[0031] [第 1実施形態 (図 1〜図 8) ]

図 1は、本発明の第 1実施形態によるセラミックス製熱交換器の構成を示す全体構成図である。まず、図 1を参照して、熱化学 ISプロセス法水素製造装置のセラミックス製熱交換器の全体構成を概略的に説明する。

[0032] 図 1に示すように、本実施形態のセラミックス製熱交は、縦長筒状の圧力容器 1を有する。この圧力容器 1は、例えば円筒状胴部 laの上下端部に半球状の上鏡部 lbおよび下鏡部 lcを設けた密閉容器として構成されている。下鏡部 lcにはスカート状の支持部 16が設けられ、この支持部 Idにより圧力容器 1が所定の設置床上に直立状態で固定設置される。

[0033] 圧力容器 1の円筒状胴部 laの周壁部上側には、第 1の熱交換用流体である高温ヘリウムガス aを導入するためのヘリウム入口ノズル 2が設けられて!/、る。ヘリウム入口ノズル 2の外部には、図示省略のヘリウム供給管が接続されている。ヘリウム入口ノズル 2の内部は、曲管状のヘリウム導入管 2aに接続され、このヘリウム導入管 2aは、圧力容器 1内の上部空間側に導かれて、ヘリウム入口容器 2bに連結されている。へリウム入口容器 2bは、後述する熱交換部 6のヘリウム入口 2cに接続され、ヘリウムガス a は熱交換部 6内を下方に向って流下するようになって、る。

[0034] また、圧力容器 1の下鏡部 lcには、第 2の熱交換用流体である硫酸 bを導入するための硫酸導入部 3が設けられている。硫酸導入部 3の外部には、図示省略の硫酸供給管が接続されている。硫酸導入部 3の内部には垂直な硫酸導入管 3aが接続され、この硫酸導入管 3aは、圧力容器 1内の底部側に設けられた下部プレナム 3bに連結されている。下部プレナム 3bは、熱交換部 6に接続され、硫酸 bは熱交換部 6内を上方に向って上昇するようになって!/、る。

[0035] また、圧力容器 1の上鏡部 lbの上方には、熱交換後のヘリウムガス aを排出するためのヘリウム出口ノズル 4が設けられている。このヘリウム出口ノズル 4には、熱交換部 6内を流下して硫酸 bとの熱交換後に熱交換部 6からヘリウム出口 2dを介して圧力容器 1内に排出されたヘリウムガス aが、圧力容器 1内で上昇流となって導かれ、外部に排出されて図示省略のヘリウムガス供給部側に還流するようになっている。

[0036] さらに、圧力容器 1の上鏡部 lbの上方には、熱交換後の硫酸 bを排出するための硫酸排出部 5が設けられている。このヘリウム出口ノズル 4には、熱交換部 6内を上昇してヘリウムガス aとの熱交換によってガス化した硫酸ガス bが、上部プレナム 3cを経て硫酸ガス排出管 3dに導かれ、外部に排出されて図示省略の硫酸処理部へ送られるようになっている。

[0037] 圧力容器 1の内部中央位置には、第 1の流体であるヘリウムガス aと、第 2の流体である硫酸 bとを熱交換するための熱交換部 6が設置されている。この熱交換部 6は、上下方向に沿う多数の熱交換用流路が隣接配置で形成された複数体、例えば 2体のセラミックスブロック 7, 8を上下に積層した縦長円柱状のものであり、上下のセラミツタスブロック 7, 8の接合部には、両者の接合面を気密にシールするためのシール材 1 0が設けられている。

[0038] 上側のセラミックスブロック（上側ブロック） 7の上端部は、水平な金属製の上側端板 11によって上方力保持され、また下側のセラミックスブロック（下側ブロック） 8の下端部は、水平な金属製の下側端板 12によって下方力も支持され、これら上側端板 1 1と下側端板 12とが、セラミックスブロック 7, 8の周囲に配設された複数本の縦長な金属製タイロッド 13によって連結一体化されて!/、る。

[0039] 即ち、各タイロッド 13の上端側にはねじ部が形成され、このねじ部が上側端板 11を貫通して上方に突出し、締結手段としてのナット 14によって締結されている。上側端板 11とナット 14との間には、セラミックスブロック 7、 8と金属製タイロッド 13との熱膨張差を吸収する熱膨張吸収手段 15として、例えば複数の皿ばね又はコイルばね等のスプリング材が設けられて！/、る。

[0040] 同様に、各タイロッド 13の下端側にもねじ部が形成され、このねじ部が下側端板 12 を貫通して下方に突出し、締結手段としてのナット 16によって締結されている。下側端板 12とナット 16との間にも、熱膨張吸収手段 17として、例えば複数の皿ばね、コィルばね等のスプリング材、又は弾性素材等力なる筒状体が設けられて、る。

[0041] 上側端板 11及び下側端板 12は、それぞれ支持機構 18, 19によって圧力容器 1内に固定されている。

[0042] このように、熱交換部 6はセラミックス製の上側ブロック 7と下側ブロック 8とをシール材 10を介して積み重ねた構成のものであり、上側ブロック 7の上端側には段部 9aを介して大径頭部 9がー体に形成されている。なお、下側ブロック 8は、上側ブロック 7 の下側胴部分と同一径であり、上下方向全体に亘つて一定径となっている。

[0043] 次に、図 2〜図 7を参照してセラミックス製熱交^^の構成を詳細に説明する。

[0044] これらの図 2〜図 7に示すように、セラミックスブロック 7, 8には、複数個の流路 20, 21を一列とする列が複数列（例えば 9列）平行に形成され、これらの流路 20, 21は隣接する列毎に異なる流体 A (ヘリウムガス a：第 1の流体 (外側 5列））および流体 B ( 硫酸:第 2の流体（内側 4列））を対向流として流す流路構成をなしている。即ち、流体 Aの列力もなる流路 (列 A)はヘリウム流路 20とされ、流体 Bの列からなる流路 (列 B) は硫酸流路 21とされており、これらが交互に配置されている。

[0045] このように、セラミックスブロック 7, 8には、隣接する列毎にヘリウムガス a (流体 A)の流路 20と硫酸 (流体 B)の流路 21とが形成され、セラミックスブロック 7, 8のヘリウム入口 2c及びヘリウム出口 2dが形成された上下端部では、ヘリウム流路 20は閉塞し、硫酸流路 21のみが開口する構成となっている。すなわち、上側ブロック 7の上端部の大径頭部 9の周側面には、図 2および図 6に示すように、ヘリウム流路（列 A)に連通する横孔力なるヘリウム入口 2cが開口し、また下側ブロック 8の下端の周側面には、図 2 および図 7に示すように、ヘリウム流路 (列 A)に連通する横孔力なるヘリウム出口 2 dが開口している。

[0046] 図 8Aは、セラミックスブロック 7、 8と上側端板 11および下側端板 12との接合構成を一部断面として示す側面図である。この図 8Aに示すように、上側ブロック 7の大径頭部 9の外周面には、ヘリウム入口 2cが開口しており、このヘリウム入口 2cを覆うようにヘリウム入口容器 2bが形成されている。ヘリウム入口容器 2bは、金属製の上側端板 11と、この上側端板の下方に対向して配置された補助端板 22と、ヘリウム導入管 2a の先端部とによって形成され、上側端板 11の周縁部を密閉空間とし、ヘリウム入口 2 cへのヘリウムガス供給を行うようになって、る。

[0047] 図 8B、 Cは、上側ブロック 7の大径頭部 9と、上側端板 11および補助端板 22との間のシール構造を示している。すなわち、図 8Bに組立前状態として示すように、上側端板 11の下面周囲部には下向き垂下枠 11aが形成され、上側ブロック 7の大径頭部 9 を囲む構成となっている。また、この下向き垂下枠 11aの内側に位置する上側端板 1 1の下面には、下向きに開口するリング状のシール溝 l ibが形成されている。そして、このシール溝 l ibの位置に対応して、リング状のシール部材 23が配置されている。このシール部材 23は、例えば金、または他の金属への金メッキを施して構成したものである。

[0048] また、図 8Bに示すように、補助端板 22の上面周囲部には、上側ブロック 7の大径頭部 9を縦壁 22aが設けられ、この縦壁 22aの内側に位置する補助端板 22の上面にはリング状のシール溝 22bが形成されている。このシール溝 22bの位置に対応して、中空材からなる Oリング状のシール部材 24が配置されて!、る。このシール部材 24は、例えばインコネルに銀メツキを施して構成したものである。

[0049] そして、図 8Cに組立て後の状態を示すように、上側端板 11をセラミックスブロック 7 の大径頭部 11に接合した場合には、シール部材 23が潰れた状態となり、シール溝 1 lb内に充填して、上側端板 11と大径頭部 11との間を気密にシールし、各流体の仕切りが確実に行われる。なお、補助端板 22と上側ブロック 7の大径頭部 9との間のシ一ル部材 24も、上記同様にシールされる。

[0050] なお、図 8Cに示すように、シール部材 23の外周位置に、セラミックス製である大径頭部 11の外周側隅角部を保護するために、金属製のクッション材 25を配置することが望ましい。

[0051] なお、本実施形態において、セラミックスブロック 7, 8の材質については、流体が硫酸の場合には炭化珪素または窒化珪素が望まし、。これらの耐食性および高温強度や熱伝導率の点から適して!/ヽる。

[0052] また、硫酸導入管 3aおよび硫酸ガス排出管 3dの圧力容器 1の貫通部には、熱膨張差吸収機能を有するシール機構が装備されて、る。

[0053] 次に、本実施形態の作用を説明する。

[0054] 図示省略の硫酸供給系から供給された約 455°Cの硫酸 bは、硫酸導入管 3aから下部プレナム 3bに流入し、セラミックスブロック 7, 8に形成された硫酸流路 (列 B) 21を貫流し、下向きの対向流として流通する高温ヘリウム aで加熱されたセラミックスブロック 7, 8の流路壁面を介しての熱交換により加熱され、上部プレナム 3cに流出し、硫酸ガス流出管 3dから図示しないブンゼン反応系統に排出される。

[0055] 一方、図示しない高温ガス炉熱交換系統力供給される約 689°Cの高温ヘリウムガス aは、圧力容器 1のヘリウム入口ノズル 2からヘリウム導入管 2aを経て熱交換部 6のヘリウム入口容器 2bに流入する。ヘリウム入口容器 2bの両側は、それぞれ端板と上側ブロック 7に形成された大径頭部 9でシール部材 23を介してシールされて、る。すなわち、ヘリウム入口容器 2bの一端は、上側ブロック 7に形成された大径頭部 9でシ一ル部材 23を介してシールされている。そして、ヘリウム入口容器 2bに流入した高温ヘリウムガス aは、上側ブロック 7の上部側面に形成されたヘリウム入口 2cから各へリウム流路 20に分流してセラミックスブロック 7, 8内を下向きに貫流し、下側ブロック 8 の下部側面に形成されたヘリウム出口 2dから圧力容器 1内に流出する。流出したへリウムガス aは、セラミックスブロック 7, 8を余熱しながら圧力容器 1内を上昇し、へリウム出口ノズル 4力高温ガス炉熱交換系統に戻る。

[0056] 以上の大実施形態によれば、セラミックスブロック 7に複数個の流路を一列とする列を数列形成し、隣接する列毎にヘリウム (流体 A) aと硫酸 (流体 B) bの流路を形成し、セラミックスブロック 7, 8のヘリウム入口 2c、またはヘリウム出口 2dが形成された端部ではヘリウム流路 20は閉塞し、硫酸流路 21のみが開口するように構成したので、セラミックスブロック 7, 8内のヘリウムガス aと硫酸 bとの熱交換は対向流熱交換が可能となり、その結果、直交流に比較して対向面積が大きくなる。

[0057] また、従来構造と異なり、仕切り板や内筒も不要で、熱膨張差などによるヘリウムの漏洩も大幅に低減できる。さらに、ヘリウム入口容器 2bの一端は、上側ブロック 7に形成された大径頭部 9でシール部材 23を介してシールされて、るため、上側ブロック 7 との径方向熱膨張差は大径頭部 9とシール部材 23とのすべりにより吸収できるので、高温でも確実にヘリウムガス aをシールすることができる。したがって、熱交換面積が大きぐヘリウムガス aのノィパス漏洩も低減できるので、熱交換効率が格段に向上する。

[0058] また、熱交換部 6は、複数のセラミックスブロック 7, 8をシール材 10を介して積み重ね、セラミックスブロック 7、 8の最上下部にクッション部材 23, 24を介して配設された端板 11 , 12同士を、タイロッド 13で熱膨張吸収手段 15, 17を介してセラミックスプロックを連結一体ィ匕したので、セラミックスブロック 7, 8は焼結炉等の製造設備に依存することなぐシール材 10を介して積層することで、熱交換容量に応じた所定の大きさを実現できるようになる。

[0059] そして、熱膨張吸収手段 15, 17を介してセラミックスブロック 7, 8を連結一体化したので、高温使用時のセラミックスブロック 7, 8とタイロッド 13との熱膨張差が生じても、確実にシールすることができる。

[0060] なお、タイロッド 13の材質としては、高温強度が大きぐかつ線膨張係数カ^テンレス鋼ゃインコネルよりも小さぐセラミックスブロック 7, 8に比較的近いモリブデンやモリブデン合金、またはチタン合金、タングステン等が適している。 [0061] また、拡端板 11, 12の材質も、その線膨張係数がセラミックスブロック 7, 8と上部プレナム 3cや下部プレナム 3bの中間値にあるチタン合金、またはモリブデンゃモリブデン合金が、径方向の熱膨張差を小さくできる点力も望ましい。

[0062] さらに、タイロッド 13の締結により、端板 11, 12が変形してセラミックスブロック 7, 8 に片当りし、ヘルツ応力による応力集中で生じる圧痕や傷が亀裂進展による破壊を招く恐れがある力セラミックスブロック 7, 8と端板 11, 12との間にはクッション材 25を介挿することにより、応力集中が緩和され、構造健全性を向上することができる。なお、クッション材 25の材質としては、耐高温、硫酸 bに対する耐食性および展延性が要求される。これを満たす材質としては、金が適切である。なお、クッション材 25が硫酸 bに接しな、個所では銀でもよ、。

[0063] 以上で説明したように、本実施形態によれば、硫酸などの高温腐食性流体下でも熱交換効率が高ぐかつ構造健全性にすぐれた高信頼性のセラミックス製熱交換器を提供することができる。

[0064] [第 2実施形態（図 1、図 9、図 10) ]

本実施形態では、各セラミックスブロック 7, 8の接合端部の少なくともいずれか一方に、端部側に向って次第に拡径するテーパ部 30、 31を設け、テーパ部 30、 31の外周に嵌合するテーノリング 32, 33と、このテーノリング 32, 33の外周に配設され、テーノリング 32, 33の端部に当接する段部 34, 35を有するフランジ 36, 37と、フランジ 36, 37同士を締結する複数本のタイロッド 38とを備えたセラミックス製熱交換器について説明する。なお、第 1実施形態と同一の構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

[0065] 図 9は、本実施形態の一構成例として、セラミックスブロック 7, 8同士の締結手段としての締結部を示す詳細図である。

[0066] 図 9に示すように、本実施形態では、各セラミックスブロック 7, 8の端部にテーパ部 3

1, 32がそれぞれ形成されている。このテーパ部 31, 32の外周には、テーパリング 3

2, 33が嵌合している。

[0067] さらに、テーノリング 32, 33の外周には、テーノリング 32, 33の端部に当接する段部 34, 35を有するフランジ 36, 37が配設され、このフランジ 36, 37同士は、複数本のタイロッド 38により、熱膨張吸収手段 39を介して締結されている。

[0068] 熱膨張吸収手段 39としては、例えば複数の皿ばね、コイルばね等のスプリング材、又は弾性素材等力なる筒状体が適用されている。

[0069] このような構成によると、セラミックスブロック 7, 8とテーパリング 32, 33とがテーパ嵌合しているので、締結による曲げモーメントも作用せず、テーパ部 30, 31には圧縮応力が生じるので、脆性材料であるセラミックスブロック 7, 8の破壊を抑制することができる。

[0070] さらに、フランジ 36, 37とテーノリング 32, 33の端部とは、段部 34, 35で当接しているので、フランジ 36, 37とテーノリング 32, 33との材質の違いによる径方向熱膨張差を吸収することができる。また、軸方向の熱膨張差は熱膨張吸収手段 39により吸収される。

[0071] なお、テーノリング 32, 33の材質には、セラミックスブロック 7, 8と線膨張係数が近いものが適しており、セラミックスブロッ 7, 8と同一材質が最適であるが、線膨張係数が近!、モリブデンやモリブデン合金でも、熱膨張吸収手段 39の吸収必要熱変形量を/ J、さくすることができる。

[0072] また、テーノリング 32, 33を少なくとも周方向に 2分割にすることで、セラミックブロック 7, 8のテーパ側の端面からテーパリング 32, 33およびフランジ 36, 37を取り付けることがでさる。

[0073] 図 10は本実施形態における第 2構成例を示している。図 10に示すように、この例は、図 9における各セラミックスブロック 7, 8の端部に形成されたテーパ部 20, 31の外周に嵌合するテーノリング 32, 33とフランジ 36、 37とを一体ィ匕した構成のものである。このテーパリング 32, 33とフランジ 36、 37とを一体化した部分同士が複数本のタイロッドで締結されて、る。

[0074] このような構成によっても、図 9に示した第 1構成例と同様に、セラミックスブロックとテーノリングとがテーパ嵌合しているので、締結による曲げモーメントも作用せず、テーパ部には圧縮応力が生じる。したがって、脆性材料であるセラミックスブロック 7, 8 の破壊を抑制することができる。

[0075] 以上で説明したように、本発明の第 2実施形態によれば、第 1実施形態の作用効果に加えて、さらに製作性や構造健全性が向上するので、熱交換効率が高ぐかつ高信頼性のセラミックス製熱交翻を提供することができる。

[0076] なお、テーパリングの材質はセラミックスブロックと同一であることが望ましい。また、テーノリングは少なくとも周方向 2分割であることが望ましい。また、テーノリングの材質はモリブデンまたはモリブデン合金の、ずれかであることが望まし!/、。

[0077] [第 3実施形態（図 1、図 11〜図 13) ]

本実施形態では、複数個のセラミックスブロック 7, 8を分解可能なシール材 10を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロック 7, 8の外側に端板 11, 12を配設し、これらの端板 11, 12間を複数本のタイロッド 13で締結して各セラミックスブロック 7 , 8を連結一体ィ匕したセラミックス製熱交^^であって、タイロッド 13と同系またはこれよりも熱膨張係数の大きい材質力もなるスぺーサ 40を、端板 12とタイロッド 13の先端部間に介挿したセラミックス製熱交^^について説明する。

[0078] 上述の第 1、第 2実施形態のように、複数のセラミックスブロック 7, 8をシール材 10 を介して締結一体化する構成において、炭化珪素ゃ窒化珪素等のセラミックスは線膨張係数が約 4E— 6Z°Cとステンレス鋼やインコネル等金属構造材に比較して小さぐ高温下では大きな熱膨張差を生じる。従って、タイロッド 13の材質としては、高温強度が大で、かつ線膨張係数がステンレス鋼やインコネルよりも小さぐセラミックスブロックに比較的近いモリブデンやモリブデン合金、またはチタン合金、タングステン等が適して!/、る。参考に 500°Cでの線膨張係数を下記する。

[0079] 'ステンレス鋼 18E-6/°C

'インコネル 15E— 6/°C

•チタン合金 10E— 6Z°C

'モリブデン 6E— 6Z°C

セラミックスブロック 7, 8の両端に端板 11, 12を配設し、これらの端板 11, 12を複数本のタイロッド 13でシール材 10を介してセラミックスブロック 7, 8に締結接合して硫酸ガスをシールする必要がある力金属であるタイロッド 13とセラミックスブロック 7, 8 との間には大きな熱膨張差を生じる。仮に端板 11, 12の材質がモリブデン、タイロッドの長さが 1500mm、温度が 500°Cとすると、軸方向の熱膨張差は約 1. 4mmにもなる。

[0080] この場合、上述の第 1実施形態及び第 2実施形態では、大きな軸方向の熱膨張差を、熱膨張吸収手段 17としての皿ばねを使用して吸収することになる。しかし、高温時のばね力の減少による締結力の低下は、シール面圧の低下に繋がり、漏洩の原因になる。

[0081] 一方、金属である端板 11, 12とセラミックスブロック 7, 8との間にも大きな熱膨張差を生じる。仮に端板の材質がステンレス鋼、シール材 10の半径が 200mm、温度が 5

00°Cとすると、半径熱膨張差は約 1. 3mmにもなる。

[0082] 一般に用いられるメタル Oリングや金属ガスケットでは、この大きな半径熱膨張差をシール面の滑りで吸収することになる。シール接触面の滑りはシール面圧の低下や接触状態の変化によって漏洩の原因になる。

[0083] 本実施形態では、このような事情に鑑み、高温環境下でも熱膨張を吸収できる熱膨張吸収構造を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高、セラミックス製熱交翻を提供するものである。

[0084] 図 11は、本実施形態によるセラミックス製熱交^^の軸方向の熱膨張吸収構造を示している。

[0085] 図 11に示すように、セラミックスブロック 7, 8はシール材 10を介して積み重ね、上側ブロック 7の最上部に上側端板 11を配設し、下側ブロック 8の最下部に下側端板 12 を配設した構成となっている。上下の端板 11, 12同士はタイロッド 13で連結され、セラミックスブロック 7, 8が一体化されている。

[0086] このような構成のもとで、本実施形態では、セラミックスブロック 7, 8とタイロッド 13との熱膨張差を吸収する熱膨張吸収手段 15として、上側端板 11側に例えば皿ばね、板ばね、あるいはコイルばね等が設けられて、る。

[0087] また、セラミックスブロック 7, 8とタイロッド 13との熱膨張差を吸収する他の熱膨張吸収手段として、下側端板 12側に、タイロッ 13ドよりも熱膨張係数が大きい材質力もなるスぺーサ 40が設けられている。このスぺーサ 40は、例えば下側端板 12とタイロッド 13の下端部との間に介挿されている。

[0088] このスぺーサ 40は、高温環境下において、タイロッド 13と熱膨張差を生じ、この熱膨張差が皿ばねのばね定数の減少分だけ皿ばねをたわませ、シール面圧の低下を防ぐ効果がある。

[0089] また、図 12A, Bに示すように、スぺーサ 40の長さを m、熱膨張係数を a s、セラミツタスブロック 7, 8の長さを L、熱膨張係数を a c、タイロッド 13の熱膨張係数を a tとした時、 mが略 L t— a c)Z( a s— a t)になるようにすることにより、セラミックスブロック 7, 8とタイロッド 13との熱膨張差をゼロにすることができ、皿ばねを使用しなくてもよくなる。皿ばねを使用した場合には、常温時よりもシール面圧を高くすることができる。

[0090] なお、図 11に示す構成では、スぺーサ 40が皿ばねと反対側に配設されているが、皿ばね側の端板 11とタイロッド 13の先端部との間に介挿させてもよ、。

[0091] また、タイロッド 13の材質をセラミックスブロック 7, 8と同系のセラミックスとすることにより、熱膨張差をゼロにすることができる。その場合、セラミックス製タイロッド 13aは、ねじ部を設けて締結部材として使用することが困難であるため、図 13に示すように、セラミックス製タイロッド 13aの先端部に次第に拡径するホルダ 43を形成し、内面にテーパが形成された 2つ割りのテーパリング 42をホルダ 43の外周面側に介在させて、テーノリング 42による外周面を一定外径状とする。このテーノリング 42を金属製の締結部材である筒状のホルダ 43に挿入することにより、セラミックス製タイロッド 13aの先端部をホルダ 43の一端側に保持させる。なお、ホルダ 43の他端側には雌ねじ 44 が形成されている。

[0092] 一方、金属製の短いタイロッド 13bを備え、この金属製のタイロッド 13bの先端に形成した雄ねじ 45aをホルダ 43に羅合させる。これにより、セラミックス製のタイロッド 13 aと金属製タイロッド 13bとを連結することができ、セラミックスブロック締結部材として構成することができる。

[0093] 以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張をも吸収できる熱膨張吸収構造を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高、セラミックス製熱交翻を提供することができる。

[0094] [第 4実施形態（図 1、図 14) ]

本実施形態では、複数個のセラミックスブロック 7, 8を分解可能なシール材 10を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロックの外側に端板 11を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交換器であって、端板 11は、熱膨張係数の異なる複数枚の金属製板 11a, l ib, 11c…をシール部材 46a, 46b, 46c…を介して積層する構成としたセラミックス製熱交翻にっ、て説明する。

[0095] なお、第 1実施形態と同一の構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

[0096] 図 14はセラミックスブロック 7, 8の締結手段を示す詳細図である。図 14に示すように、本実施形態では、熱膨張係数の異なる複数枚の金属製板 11a, l ib, 11cが積層され、これらの金属製板 11a, l ib, 11cにはセラミックスブロック 7, 8側に向って次第に熱膨張係数が段階的に小さくなる構成とされている。このような構成により、端板 11に対して、セラミックスブロックの径方向の熱膨張によるシール材 10の滑りを小さくすることができる。

[0097] なお、図 14には、端板 11を 3枚の板 11a, l ib, 11cの積層構成とした例を示しているが、端板 11の板積層枚数については、特に限定されない。

[0098] 以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張差をも吸収できる熱膨張吸収機構を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高!ヽセラミックス製熱交翻を提供することができる。

[0099] [第 5実施形態（図 1、図 15) ]

本実施形態では、熱交換部 6がセラミックスブロック 7, 8で構成された熱交^^であつて、セラミックスブロック端部の軸方向所定の位置に大径頭部 9を形成し、この大径頭部 9に当接するシール部材 24と、このシール部材 24を大径頭部 9に押し付けるばね 50と、これらシール部材 24およびばね 50の外周側に配置され、軸方向の熱膨張差を吸収するべローズ 51を有するヘリウム入口容器 2bとを備えたセラミックス製熱交翻について説明する。

[0100] なお、本実施形態において、シール部材 24及びヘリウム入口容器 2bについては、図 8A、 Bに示したシール部材 24及びヘリウム入口容器 2bと同一構成のものである。その他の構成について、第 1〜第 4実施形態と同一の構成部品には図 1〜図 4と同一符号を付し、重複する説明は省略する。

[0101] 図 15に示すように、本実施形態のヘリウム入口容器 2bは第 1実施形態で示したへリウム入口容器 2bと略同様の機能を果すものである力大径頭部 9に当接するシール部材 24と、このシール部材 24を大径頭部 9に押し付けるばね（例えば皿ばね） 50 と、これらシール部材 24およびばね 50の外周側に配置され、軸方向の熱膨張差を吸収するべローズ 51を有する構成としたことにより、ばね 50及びべローズ 51等により、高温時にセラミックスブロック 7、 8とヘリウム入口容器 2bとの熱膨張差によるシール面圧の低下が有効に防止される効果がある。

[0102] 即ち、上側ブロック 7の大径頭部 9にヘリウム入口容器 2bが配設され、容器上側端は上側端板 11に気密に接続され、容器下側端は上側ブロック 7に形成された大径頭部 9にシール部材 24を介して当接し、さらにシール部材 24はヘリゥム入口容器 2bに内包されている皿ばね 50により大径頭部 9に押し付けられており、高温時にセラミックスブロックとヘリウム入口容器 2bとの熱膨張差によりシール面圧の低下が効果的に防止される。

[0103] なお、本実施形態では、ばね 50として皿ばねを適用している力板ばね、コイルばね等を適用することもできる。また、ヘリウム入口容器 2bにはべローズ 51が備えられており、軸方向の熱膨張差または皿ばね締付時のたわみを吸収し、ヘリウム入口容器 2bを形成する役割を担って、る。

[0104] 以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張差をも吸収できる熱膨張吸収機構を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高!ヽセラミックス製熱交翻を提供することができる。

[0105] [第 6実施形態（図 1、図 16〜図 20) ]

本実施形態では、複数個のセラミックスブロック 7, 8を分解可能なシール材 10を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロック 7, 8の外側に端板 11, 12を配設し、これらの端板 11, 12間を複数本のタイロッド 13で締結して各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交^^であって、金属製のシール材 10を流体 Aまたは流体 Bの少なくともいずれか一方の流路 20, 21の外周側に配設したセラミックス製熱交翻にっ、て説明する。 [0106] 図 16A、 Bは、本実施形態に係るセラミックス製熱交^^のセラミックスブロック接合面のシール材の配置図である。

[0107] この図 16A、 Bに示すように、セラミックスブロック 7, 8にはヘリウム流路 20と硫酸流路 21とが列毎に配置されている。そして、この例では、各ヘリウム流路 20および各硫酸流路 21毎に対応して、全ての流路の外周部にそれぞれ対応してシール材 10が複数配設されて、る。各シール材 10の形状を図 17〜図 19に示して、る。

[0108] 図 17A、 Bに示すシール材 10は、平板ドーナツリング状で、その内周は流路 20, 2 1の内周側に突出している。セラミックスブロック 7, 8の上下面には、加圧時にシール材 10の一部が入り込むリング状の溝穴部 61が形成されている。

[0109] このようなシール材 10によれば、所定の締め付け力でシール材 10を締め付けることによって、シール材 10の流路 20, 21の内周縁との接触部が面圧集中を受け、流路 20, 21の内周縁がシール材 10の溝穴 61に食い込み、シール面圧を高くすることができる。

[0110] また、この食い込みによって、流路 20, 21に作用する差圧での変形や移動を抑制することができる。さらに、セラミックスブロック 7, 8のシール材当接面に溝を形成することによって、溝孔 61の縁部にも面圧集中してシール効果および変形や移動の抑制効果がより向上する。なお、溝穴 61に代えて突起を設けても同一作用効果を呈する

[0111] 図 18A、 Bに示すシール材 10は、リング径状の内周側に板厚方向に幅広状に突出する突出部 62を有し、セラミックスブロック 7, 8には、その突出部 62が流路 20, 21の内周側に嵌合する傾斜面 63を有する構成としたものである。これにより、流路 20, 21 に作用する差圧で突出部 62の変形や移動を確実に抑制することができ、またシール材 10をセラミックスブロック 7, 8に取り付ける際には、突出部 62がガイドになるので、取り付け作業性が向上する。

[0112] 図 19A、 Bに示すシール材 10は、図 18A、 Bに示したシール材 10の変形例であり、流路内周に嵌合する突出部 64をブッシュとして形成したものである。これにより、取り付け作業性がより向上する。また、ブッシュ状の突出部 64が圧力により流路 20, 21 の内壁に押し付けられるので、シール性が一層向上する。 [0113] なお、以上の説明ではシール材 10を全流路 20, 21に配置した力図 20A、 Bに示すように、硫酸流路 21、ヘリウム流路 20のいずれか一方に配置する構成としてもよい。この場合には、外周側にセラミックスブロック 7, 8の外形に沿う第 2のシール材 65が装着されるようになっている。

[0114] また、全流路 20, 21に配置する代わりに、流体列毎にシール材 10を配置してもよい。

[0115] なお、以上のシール材 10の材質としては、硫酸機器用セラミックス製熱交^^では耐食性およびシール性の観点から、金または金被着金属が最適である。また耐食性の点では炭化珪素、窒化珪素被着金属も使用することができる。

[0116] また、硫酸機器以外のセラミックス製熱交^^におけるシール材 10の材質としては、その機器の使用条件に適合する材質を選択することができる。

[0117] なお、シール材 10としては、弾性復元機構を有するメタルシールすなわち、メタルオーリング、メタル Cリング、へリコフレックス、レジリエントシール等を適宜利用することができる。

[0118] 以上のように、本実施形態によれば、硫酸などの高温腐食性流体下でも使用できるシールを実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高、セラミックス製熱交翻を提供することができる。

[0119] なお、シール材 10は平板ドーナツリングであることが望ましい。また、セラミックスブロックのシール当接面に溝または突起のいずれかを形成することが望ましい。また、シール材 10は、その内周に板厚方向に突出する突出部を設け、その突出部を流路内周に嵌合する構成とすることが望ましい。また、シール材 10は、弾性復元機構を有するメタルシールであることが望まし、。

[0120] [第 7実施形態（図 1、図 21、図 22) ]

本実施形態では、複数個のセラミックスブロック 7, 8を分解可能なシール材 10を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロック 7, 8の外側に端板 11, 12を配設し、これらの端板 11, 12間を複数本のタイロッド 13で締結して各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交^^であって、シール材 10は、流体 Aおよび流体 Bの流路 20、 21に連通する多数の孔 70を有する孔開き板であるセラミックス製熱交翻について説明する。

[0121] 図 21A、 Bは、本実施形態によるセラミックス製熱交^^のシール材 10の一構成例を示す図である。このシール材 10は、流体 Aおよび流体 Bの流路 20, 21に連通する孔 70を有し、シール材 10をセラミックスブロック 7, 8間に配置して、セラミックスブロックを締結することで、容易に流路 20, 21を隔離シールすることができる。

[0122] 図 22A、 Bは本実施形態によるセラミックス製熱交^^のシール材 10の他の構成例を示す図である。このシール材 10は、流路 20, 21に嵌揷するブッシュ状の突出部 7 1が形成されている。これにより、流路 20, 21の差圧によるシール材 10の差圧での変形や移動を確実に抑制できるようになって、る。

[0123] また、シール材 10をセラミックスブロック 7, 8に取付ける際には、突出部がガイドになるので取り付け作業性が向上する。

[0124] 本実施形態におけるシール材 10の材質としては、硫酸機器用セラミックス製熱交換器では耐食性およびシール性の観点力も金または金被着金属が最適である。また耐食性の点では炭化珪素、窒化珪素被着金属も使用することができる。

[0125] また、硫酸機器以外のセラミックス製熱交^^におけるシール材 10の材質としては、その機器の使用条件に適合する材質を選択することができる。

[0126] 以上で説明したように、本実施形態によれば、第 6実施形態の作用効果に加えて、さらに取り付け作業性が向上する効果が奏される。

[0127] なお、本実施形態にぉ、て、シール材 10の材質は、金または金被着金属の!/、ずれか一方であることが望ましい。また、シール材 10の材質は炭化珪素または窒化珪素の、ずれかを被着した金属であることが望ま、。

[0128] [第 8実施形態（図 1、図 23) ]

本実施形態では、軸方向に複数の流路 20, 21を形成したセラミックスブロック 7, 8 の両端に端板 11, 12を配接し、これらの端板 11, 12を複数本のタイロッド 13でシール材 10を介してセラミックスブロック 7, 8に締結接合したセラミックス製熱交^^であつて、端板 11, 12とセラミックスブロック 7, 8との接合面に所定の直径差で相嚙み合う段差部 80を設け、この直径差で相嚙み合う段差部 80間に形成された空間部 81に、軸方向に開口部 82を有するシールリング 83を装着したセラミックス製熱交翻について説明する。

[0129] 図 23は、セラミックス製熱交^^における端板 11, 12とセラミックスブロック 7, 8との接合部のシール構造を示す図である。

[0130] このシール構造では、端板 11, 12とセラミックスブロック 7, 8との接合面に、所定の直径差で相嚙み合う段差部 80が設けられ、この直径差で相嚙み合う段差部 80間に形成された空間部 81に、軸方向に開口部を有するシールリング 83が装着されている

[0131] 金属である端板 11, 12およびセラミックスブロック 7, 8には、熱交換時に大きな熱膨張差が生じる。本実施形態のシール構造によれば、この大きな半径熱膨張差をシールリングの弾性変形で吸収することができる。

[0132] 即ち、シールリング 83のそれぞれの先端がセラミックスブロック 7, 8および端板 11, 12の段差部 80に当接して流体がシールされる。そして、半径方向の熱膨張差は、その当接部が滑りや変形することなぐシールリング 83自体の弾性変形で吸収できるので、シール接触面の滑りによるシール面圧の低下や、接触状態の変化に起因する漏洩を抑止することができる。なお、開口部 82については、高圧側になるように設置した方がよりシール性能向上が図れる。

[0133] 以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張差をも吸収できるシールを実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高、セラミックス製熱交翻を提供することができる。

Claims

請求の範囲

[1] セラミックスブロックに複数個の流路を一列とする列を数列平行に形成し、隣接する列毎に前記流路を流体 Aと流体 Bとが流れる流路とし、これらの流路には隣接する列毎に異なる前記流体 Aおよび前記流体 Bを対向流として流し、前記流体 Aと前記流体 Bとの熱交換を行う熱交換部を有するセラミックス製熱交換器であって、前記熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体ィ匕し、前記端板の外面側に前記タイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設けた構成としたことを特徴とするセラミックス製熱交^^。

[2] 前記各セラミックスブロックの接合端部の少なくともいずれか一方に、端部側に向って次第に拡径するテーパ部を設け、前記テーパ部外周に嵌合するテーノリングと、このテーパリングの外周に配設され、前記テーパリングの端部に当接する段部を有するフランジと、前記フランジ同士を締結する複数本のタイロッドとを備えた請求項 1記載のセラミックス製熱交^^。

[3] 複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交であって、前記タイロッドと同系またはこれよりも熱膨張係数の大きい材質力もなるスぺーサを、前記端板と前記タイロッド先端部間に介挿した請求項 1記載のセラミックス製熱交概

[4] 複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交であって、前記端板は、熱膨張係数の異なる複数枚の板をシール部材を介して積層する構成とした請求項 1記載のセラミックス製熱交^^。

[5] 前記熱交換部がセラミックスブロックで構成された熱交^^であって、前記セラミックスブロック端部の軸方向所定の位置に大径頭部を形成し、この大径頭部に当接するシール部材と、このシール材を大径頭部に押し付けるばねと、前記シール材を内包し、軸方向熱膨張差吸収用べローズを有するヘリウム入口容器とを備えた請求項 1 記載のセラミックス製熱交^^。

[6] 複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交であって、前記シール材を前記流体 Aまたは前記流体 Bの少なくともヽずれか一方の流路の外周側に配設した請求項 1記載のセラミックス製熱交換器。

[7] 複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体ィ匕したセラミックス製熱交であって、前記シール材は、前記流体 Aおよび前記流体 Bの流路に連通する孔を有する孔開き板である請求項 1記載のセラミックス製熱交^^。

[8] 軸方向に複数の流路を形成したセラミックスブロックの両端に端板を配接し、この端板を複数本のタイロッドでシール材を介してセラミックスブロックに締結接合したセラミックス製熱交^^であって、前記端板と前記セラミックスブロックとの接合面に所定の直径差で相嚙み合う段差部を設け、この直径差で相嚙み合う前記段差部間に形成された空間部に、軸方向に開口部を有するシールリングを装着した請求項 1記載のセラミックス製熱交^^。