JPH0335108B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「技術分野」 本発明は、例えば、デイ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ツクス製の構造体を改良
に関する。

「従来技術およびその問題点」 チユ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、管の外側にフインを設けると熱
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、金属製チユーブに金属製フインを
巻いてフインチユ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つた。また、デイ
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、局部的なスートフアイアリングが
起こり、金属製フインの融点を超えるような高温
部ができるため、金属製フインを使用することは
困難であつた。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、フインやチユ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つた。

これらの欠点を解決する方法として、セラミツ
クスチユーブとセラミツクスフインを別々に作つ
て接着する方法、あるいはフイン付きチユーブを
セラミツクスの鋳込成型、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
の少ないフイ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、セラミツ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56−93695、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つて、熱伝達
のバランスが悪く、熱交換率が低下する。

「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
ニカム体外壁のチユーブ挿通部分を気密に保持す
ることのできるセラミツ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ツクス製の構造体は、複数
の層状部分が積層されてなるセラミツクス製ハニ
カム体と、このハニカム体の外壁に固着された板
厚の厚いセラミツクス製端板と、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ツクス製
のチユーブとを備えてなることを特徴とする。

したがつて、チユ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つて、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倍以上となつてい
る。

また、本発明の別の好ましい態様では、チユー
ブを挿通する端板と挿通孔が、ハニカム体のチユ
ーブ挿通孔よりも高精度で位置決めされてなつて
いる。

本発明のさらに別の好ましい態様では、端板と
チユ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つている。したがつて、
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
ミツクス製波板１２と同じくセラミツクス製平板
１３とが交互に積層されてなつている。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
に走行してなつている。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行させて
なつている。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つている。

このような波板１２と平板１３の積層によつて
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２図ま
たは第３図に示すようなハニカム体を有するセラ
ミツクス製構造体にあつては、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。

このように積層されてなるカニカム体１１の外
壁面には、その両面からハニカム体１１を押圧す
るようにセラミツクス製の端板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倍となつており、ハニカム体１
１を補強してハニカム体１１の特に端部の損傷を
防止するようになつている。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１６，１７がそれぞれ
穿設され、その孔にセラミツクス製の複数のチユ
ーブ１８が挿通されている。端板１５の挿通孔１
７はハニカム体１１の挿通孔１６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、チユーブ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、挿通されたチーユ
ブ１８の径を各セル１４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、チユー
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ユーブ１８の中心を
位置させてもよい。

このような積層法によつて本発明の構造体を製
造するにあたつは、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、次いでチユーブ１８の
挿通されるべき部位に挿通孔１６がパンチによつ
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、同じくチユーブ１
８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がパンチによつて打ち抜かれ
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
合わせをした上で、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１
６，１７は、ハニカム体１１に端板１５を接着し
た後に形成してもよい。そして、この挿通孔１
６，１７に、同じく炭素紙、特に樹脂を配合した
炭素紙よりなるチユーブ１８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とチユーブ１８との当接部分の間隙
および端板１５とチユーブ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およびチユーブ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１５およびチユーブ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、強固な固着材料となる。この固着材
を介してチユーブ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
チユーブ１８と端板１５間では、この固着材によ
つ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、チユーブ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、フツ素樹脂などのプラスチツク材料を流
入、塗布などすることによりチユーブ１８の気密
性を確実にして、ピンホールや微小クラツクなど
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。

開口Ａ 125mm 高さＢ 132mm 奥行Ｃ 160mm 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１２の山部／山部間の長さ22mm 波板１２の山部／谷部間の高さ4.9mm チユーブ１８の本数 33本 チユーブ１８の外径 ７mm 端板１５の板厚 2.4mm 有効伝熱面積 1.4m² この構造体をケーシングに収容し、チユーブ１
８の両端を金属製ヘツダーに接続し、30℃の水を
20／minの流量に保つてチユーブ１８内に流通
させた。一方、通気路として機能するセル１４に
はデイ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℃で行なつた。その結
果を第５図に示す。図中、ａはTg＝450℃、ｂは
Tg＝300℃、ｃはTg＝200℃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。したがつて、例え
ば、デイ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ユーブ１８内
を流通する水は効率よく加熱され、これを例えば
別に設置されたフア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
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、チユーブ１
８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つている。

なお、本発明においては、チユーブ１８はハニ
カム体１１の通気路と交差していればよく、した
がつて、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、チユーブ１８は必ず
しも相互に平行であることを要せず、さらにチユ
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の外面上までであつてもよい。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、チユー
ブをハニカム体に挿通させることにより、フイン
チユ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インの表面積をチユー
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、フイ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つた
高圧ガスや腐食性ガスに適用することができ、例
えば、デイーゼルエンジンの排気ガスなどに適用
した際、スートフア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、チユーブの厚み、
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てあるので、焼成前の組立時
や焼成時、あるいは金属製ヘツダーの接続時、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、端板のチユーブ
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ユーブの間には
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１２や平板１３が
ゆるんでチユーブからはずれるといつたトラブル
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図の組み付け状態斜視図、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
セラミツ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、１６，１７
……挿通孔、１８……チユーブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の層状部分が積層されてなるセラミツク
   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ツクス製端板と、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
   ツクス製のチユーブとを備えてなることを特徴と
   するセラミツクス製の構造体。 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
   のセラミツクス製の構造体。 ３ 前記チユ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
   項に記載のセラミツクス製の構造体。 ４ 前記端板と前記チユ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項に記載のセラミツクス製の構
   造体。