JPH0588183B2 - - 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ツクス製構造体に関
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に大きさ
に製作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構造体は、セラミ
ツ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
なるセラミツクス製のチユーブとを備えてなるセ
ラミツクス製構造体であつて、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、
この積層によつ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特徴とする。

したがつて、チユーブに水などの高密度流体を
通し、上記積層により構成されたハニカム体の通
気路に排気ガスなどの低密度流体を流すことによ
つて、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
突き合わされてなつている。

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
き合わせてなつており、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倍となつている。したがつて、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。

本発明のまた別の好ましい態様では、ハニカム
体は、両面に交互に突起状の小さな波形部を有す
る平板状波板のそれぞれの波形部同士を突き合わ
せてなつている。

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、平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。ハニカム体をこの
ような形状にすることにより、フインプレート間
のピツ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
ユ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向してなつて
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ツクスからなつてい
る。このような熱伝導率の大なるセラミツクスと
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
ラミツ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ツクスも場合によつては
採用可能である。波板または平板を形成するセラ
ミツクスの熱伝導率は、15Kcal／ｍ／hr／℃以
上、特には50Kcal／ｍ／hr／℃以上であること
が好ましい。

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ハニカム形状とす
る。得られたハニカム形状品の波板などを貫通す
るようにチユ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
ユーブを挿通し、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、
ハニカム体とチユ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、チユーブ、固着材とも炭化珪
素質、もしくは炭化珪素／珪素質に変化し、堅固
な構造体が得られる。この場合、チユーブ挿通部
を切除する工程は、積層もしくは接着する以前の
波板に対して行なつてもよく、また、チユーブは
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、加熱処理もしくは浴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。積層にあたつて
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
つ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
ラミツクス製の端板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
孔にセラミツクス製の複数のチユーブ１６が挿通
されている。この場合、挿通されたチユーブ１６
によつて各セル１４が閉塞されないようにするた
め、チユーブ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、チユーブ１６の径が前記長手方向寸法の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１
２および平板１３に成形し、次いでチユーブ１６
の挿通されるべき部位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、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１２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
りなるチユーブ１６を挿通し、ハニカム体の成形
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１６との当接部分の間隙
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全体およびチユーブ１６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１
５およびチユーブ１６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
てチユーブ１６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。さらに、チ
ユーブ１６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１６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。

間口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１６の本数 33本 チユーブ１６の外径 ７mm 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
６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℃とした。その結果を第
２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１
６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つている。

第３図ないし第６図には、波板１２同士、また
は波板１２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倍となつ
ている。したがつて、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１９を有する波板２０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は埋めてし
まい、フインにならなくなるような状況を防止す
るため、フインプレート間のピツチを小さくする
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１２と平板１３の当接部位で
は、平板１３は一枚の波板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、チユーブ１６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１６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１６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
壁に平行にガスなどの流体が流されるので、その
流体の通過損失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
は従来のセラミツクス構造体の斜視図である。 １１……ハニカム体、１２，２０……波板、１
３……平板１３、１４……セル、１５……端板、
１６……チユーブ、１７，１９……波形部、１８
……平板状波板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツ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ツクス製のチユーブとを備
   えてなるセラミツクス製構造体であつて、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、この積層によつ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ツクス
   製構造体。 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
   なつている特許請求の範囲第１項に記載のセラミ
   ツクス製構造体。 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つている特
   許請求の範囲第１項に記載のセラミツクス製構造
   体。 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つて
   いる特許請求の範囲第１項に記載のセラミツクス
   製構造体。 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つている特許請求の範囲第
   １項に記載のセラミツクス製構造体。 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つている
   特許請求の範囲第１項に記載のセラミツクス製構
   造体。 ７ 前記波板と前記平板とは、ともに熱伝導率の
   大なるセラミツクスからなつ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
   セラミツクス製構造体。 ８ 前記熱伝導率の大なるセラミツクスは、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項に記載のセラミツ
   クス製構造体。