JPH0718667B2

JPH0718667B2 - セラミツク熱交換器

Info

Publication number: JPH0718667B2
Application number: JP61038892A
Authority: JP
Inventors: 紀之織田; 勝美東; 啓次村松
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1985-02-25
Filing date: 1986-02-24
Publication date: 1995-03-06
Anticipated expiration: 2010-03-06
Also published as: JPS6256793A

Description

【発明の詳細な説明】「技術分野」本発明は、対向配置された一対の管板でセラミック伝熱
管の両端部を支持してなる熱交換器に関し、特にセラミ
ック伝熱管と管板との接続構造の改良に関する。

「従来技術およびその問題点」現在使用されている多管式熱交換器は、大多数が伝熱管
や管板、その他の構造体を金属で形成しており、管板お
よび伝熱管の接続は溶接、拡管などの方法で行なわれ、
加熱および被加熱流体の間の漏洩もなかった。しかしな
がら、金属製伝熱管では、その耐熱温度に限度があり、
800〜900℃以上の流体の熱交換は不可能であった。

そこで、伝熱管としてセラミック製のチューブを用いる
試みがなされている。しかし、セラミックは、金属と異
なり外力を加えるとほとんど変形することなく破断に至
るため、伝熱管と管板との接続部においては、部品の寸
法誤差、使用時の熱膨張差などによる相対的変位を許容
するようにしなければならなかった。

従来、セラミック伝熱管と管板との接続構造として、例
えば第10図に示すような構造が採用されている。すなわ
ち、セラミック伝熱管11の端部が金属製の管板12の流体
流通孔に挿通されている。管板12には伝熱管11を囲む円
筒部13が形成されている。そして、伝熱管11外周と円筒
部13内周との間に一対の耐熱性のシールリング14、14が
配置され、シールリング14、14の間にシール砂15が充填
されている。さらに、外側のシールリング14が押え蓋16
により押圧されている。なお、17は断熱材である。した
がって、伝熱管11はシール砂15を介して管板12に対する
相対変位が可能なように支持されている。

しかしながら、上記の接続構造では、伝熱管11と管板12
との間のシール部において、流体の漏洩を完全に防止す
ることができず、例えば加熱流体と被加熱流体との圧力
差が１気圧以上になると流体の漏洩を無視することがで
きなくなる。このため、流体の漏洩を許容できない熱交
換器または高圧ないし高差圧の熱交換器には使用できな
かった。

「発明の目的」本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、セラ
ミック伝熱管と管板との接続部における相対変位を可能
にし、かつ、接続部における流体の漏洩を防止するよう
にしたセラミック熱交換器を提供することにある。

「発明の構成」すなわち、本発明の１つは、対向配置された一対の金属
製の管板にセラミック伝熱管の両端部が支持されてなる
セラミック熱交換器において、一方の上記管板の流体流
通孔に対応して保持リングが配置され、この保持リング
と上記管板との間に設けられた加圧手段により上記保持
リングが上記セラミック伝熱管の一方の端面に圧接され
ており、その付勢力により上記セラミック伝熱管の他方
の端面が他方の上記管板の受け面に圧接されて支持され
ており、上記セラミック伝熱管の両端面と、上記保持リ
ングおよび上記受け面との接触面が、表面あらさ6.3S以
下となように平滑処理されていることを特徴とする。

また、本発明のもう１つは、対向配置された一対の金属
製の管板にセラミック伝熱管の両端部が支持されてなる
セラミック熱交換器において、一方の上記管板の流体流
通孔に対応して保持リングが配置され、この保持リング
と上記管板との間に設けられた加圧手段により上記保持
リングが上記セラミック伝熱管の一方の端面に接続リン
グを介して圧接されており、その付勢力により上記セラ
ミック伝熱管の他方の端面が他方の上記管板の受け面に
同じく接続リングを介して圧接されて支持されており、
上記セラミック伝熱管、上記接続リング、上記保持リン
グおよび上記受け面のそれぞれの接触面が、表面あらさ
6.3S以下となるように平滑処理されていることを特徴と
する。

したがって、寸法誤差や熱膨張率の差に伴なう伝熱管の
軸方向の相対変位を保持リングの移動によって吸収する
ことができる。また、伝熱管の半径方向の相対変位は、
保持リングおよび他方の管板の受け面における接触面の
摺動によって吸収することもできる。さらに、伝熱管の
両端面が対応する接触面に加圧手段によって圧着されて
いるので、流体の漏洩も防止される。

本発明の１つによれば、前記セラミック伝熱管の両端面
は、前記保持リングおよび前記受け面に直接圧接されて
おり、それらの接触面が平滑処理されている。このよう
に、接触面を平滑処理することにより、接触面が摺動し
やすくなるので、伝熱管の半径方向の相対変位を吸収し
やすくすることができ、また、密着性が向上するので流
体の漏洩もより確実に防止される。なお、ここで平滑処
理とは、各接触面の表面あらさが6.3S以下、好ましくは
0.8S以下に仕上げられており、しかも端面全周にわたっ
て密着するような形状とされることを意味する。

本発明のもう１つによれば、前記セラミック伝熱管の両
端面は、それぞれ接続リングを介して前記保持リングお
よび前記受け面に圧接されている。このように、接続リ
ングを介在させることにより、セラミック伝熱管を成形
が容易な円筒状に形成したとき、その端部を接続リング
によって所望の形状に変化させることができる。なお、
保持リングは通常金属製が望ましいが、接続リングはセ
ラミック製であることが必要である。すなわち、接続リ
ングは高温となる伝熱管と接触してそれ自身が高温とな
るので、耐熱性が高く、しかも伝熱管の熱を保持リング
に伝えないように熱伝導率が低いという条件を満たすも
のでなければならないからである。

接続リングは保持リングのような円盤状であってもよい
が、本発明のさらに好ましい態様によれば、上記接続リ
ングは、断面テーパ状内径を有するものとされる。この
ように、接続リングを断面テーパ状内径とすることによ
り、流路断面積を縮小させることなく、接続リング内周
に筒状の断熱材等を配置することができ、それによって
外周に位置する保持リング等の金属部品を、伝熱管内部
を流通する高温流体から保護することができる。

なお、接続リングを用いた場合においても、前記と同様
な理由から、セラミック伝熱管、接続リング、保持リン
グおよび受け面のそれぞれの接触面は、平滑処理されて
いることが必要である。

本発明のさらに好ましい態様によれば、前記保持リング
に前記セラミック伝熱管の軸方向に延びる筒体が形成さ
れ、この筒体が一方の前記管板の貫通孔内周に摺接して
いる。これによれば、保持リングを管板に対して軸方向
変位可能に支持すると共に、筒体によって保持リングと
管板との間の気密性を保持することができる。

本発明のさらに好ましい態様によれば、前記加圧手段は
スプリングまたは流体圧シリンダーで構成される。この
場合、スプリングとしては、コイルばね、皿ばね等種々
のものが使用できる。

本発明のさらにまた好ましい態様によれば、前記管板は
水冷構造とされ、前記保持リングおよび前記加圧手段は
上記水冷構造で囲まれた部分に配置されている。これに
よれば、保持リングおよび加圧手段が水冷構造により輻
射冷却されるので、充分な耐熱性を付与することができ
る。

このような本発明に使用されるセラミック伝熱管として
は、肉厚が小さくても強度が充分でかつ熱伝導率がよい
ものが望ましい。具体的には、肉厚５〜10mm程度であっ
ても例えば20kg/mm²以上の抗折強度をもち、かつ、20kc
al/m/h/K以上の熱伝導率をもつものが望ましく、これら
を満足しやすい材質としては、炭化珪素が最も好まし
い。一方、接続リングは同上の強度を有しながらも熱伝
導率の相対的に低い窒化珪素などからなるものが適当で
ある。

なお、本発明において、保持リングや接続リングは複数
のセラミック伝熱管に共通して設けられていてもよい
が、セラミック伝熱管はその材質の特性から個々の部品
毎に寸法精度や熱膨張率にバラツキが生じやすいので、
保持リングが接続リングは各セラミック伝熱管毎にそれ
ぞれ設けることが好ましい。

「発明の実施例」第１図には本発明を実施した熱交換器のほぼ全体が示さ
れている。この熱交換器21は、複数のセラミック伝熱管
22を有し、伝熱管22はその両端部を一対の管板23、24に
よって支持されている。管板23、24の間は、伝熱管22を
横切る加熱流体Ｈの流路20をなしている。また、管板2
3、24の外側はヘッダー25、26でそれぞれ囲まれてお
り、一方のヘッダー26から伝熱管22内を通り他方のヘッ
ダー25に流出する被加熱流体Ｃの流路27が形成されてい
る。管板23、24には水冷ジャケット28がそれぞれ形成さ
れており、伝熱管22の両端部はこの水冷ジャケット28で
囲まれた部分に支持されている。伝熱管22の両端部は共
に拡管され、端面は平滑処理されている。伝熱管22の一
方の端面は円盤状の保持リング29下面の受け面に圧接さ
れ、伝熱管22の他方の端面は管板24に固定して設けられ
た受け面30に圧接されている。この場合、保持リング29
の受け面および管板24の受け面30も平滑処理されてお
り、伝熱管22の端面と密着するようになっている。な
お、管板23、24の内外面はそれぞれ断熱材31で覆われて
いる。

第２図および第３図には上記熱交換器21における保持リ
ング29部分の接続構造が示されている。保持リング29に
はガイド棒32が立設されている。ガイド棒32は保持リン
グ29の周縁部に沿って複数本（この実施例では８本）設
けられている。管板23の上面に固定された環状のサポー
ト33の内側下面には、ガイド棒32の位置に対応して筒34
が設けられている。ガイド棒32の先端は筒34内に挿入さ
れている。したがって、保持リング29はガイド棒32を介
し、伝熱管22の軸方向に沿って移動可能に支持されてい
る。ガイド棒32の外周において、保持リング29と筒34先
端との間にはスプリング36が配置され、スプリング36は
保持リング29を伝熱管22の一方の端面に圧接している。
なお、この付勢力により、前述したように伝熱管22の他
方の端面は他方の管板24の受け面30に圧接されている。
保持リング29とサポート33との間には被加熱流体Ｃの流
通孔37を囲むように伸縮継手38が装着されている。ま
た、流通孔37の周壁を形成する筒状の断熱材39が保持リ
ング29およびサポート33の内側に配置され、その先端は
テーパ状をなして伝熱管22の拡径部に入り込んでいる。
なお、第１図、第２図、第３図および後述する第４図、
第６図、第７図、第８図において、スプリング36は一点
鎖線をもって略示してある。

上記の構成において、流路20には加熱流体Ｈが流れ、伝
熱管22に接触して伝熱管22を加熱する。ヘッダー26から
伝熱管22内を通りヘッダー25に至る流路27には被加熱流
体Ｃが流れ、被加熱流体Ｃは伝熱管22内を通るときに熱
交換されて加熱される。なお、流路20に被加熱流体Ｃを
流し、流路27に加熱流体Ｈを流すこともできる。ところ
で、熱交換器21の本体や管板23、24は金属でできている
ので、セラミック伝熱管22と熱膨張率が異なり、熱膨張
率の差による相対変位が生じる。伝熱管22の軸方向の相
対変位は、スプリング36が伸縮して保持リング29が軸方
向に移動することおよびそれに伴って伸縮継手38が伸縮
することによって吸収される。また、伝熱管22の半径方
向の変位は、伸縮継手38がある程度の半径方向の変位を
許容することや伝熱管22の両端面における接触面間で摺
動することによって吸収される。この場合、接触面はい
ずれも平滑処理されているので、摺動は容易になされ
る。そして、伝熱管22の両端面における接触面が平滑処
理により密着しているので、この部分における流体の漏
洩が充分に防止される。さらに、この実施例では、伸縮
継手38を設けているので、保持リング29とサポート33と
の間の気密性も保持される。また、スプリング36や伸縮
継手38は金属からなり、高温に弱いことが予想される
が、それらの外周を水冷ジャケット28が囲んでいること
により輻射冷却がなされ、かつ、断熱材39の外側に配置
されているので、熱損傷が防止される。

第４図には、保持リング29部分の接続構造を変えた他の
実施例が示されている。この実施例では、保持リング29
の内側上面から上方に筒体40が立設され、筒体40は管板
23から延設されて貫通孔を形成する環状のサポート41の
内周に摺接している。筒体40とサポート41との間にはシ
リコーンゴム等の耐熱性ゴムからなるシールリング42が
介在されている。また、サポート41の下面には軸方向に
複数のガイド棒43が立設され、ガイド棒43の下端は保持
リング29の周縁部に設けられた孔部に挿通されている。
そして、ガイド棒43の外周において、保持リング29とサ
ポート41との間にはスプリング36が装着されている。し
たがって、保持リング29は、筒体40およびガイド棒43に
ガイドされながら軸方向に移動可能とされ、スプリング
36によって伝熱管22の端面に圧接されている。また、保
持リング29とサポート41との間において、断熱材39の外
周を筒体40が囲むので、その部分における気密性が保持
されている。

第５図には、保持リング29部分の接続構造を変えたさら
に他の実施例が示されている。この実施例では、保持リ
ング29に立設されたガイド棒32の先端にピストン44が装
着され、ピストン44は管板23のサポート41に形成された
シリンダ45内に挿入されている。そして、ピストン44の
上側のシリンダ45内に加圧流体導入路46を通して加圧流
体が導入されるようになっている。なお、保持リング29
とシリンダ45との間に伸縮継手38が設けられていること
は第２図と同様である。この実施例では、シリンダ45内
に導入された加圧流体によりピストン44が押され、ガイ
ド棒32を介して保持リング29を伝熱管22の端面に押圧す
るようになっている。

第６図および第７図には、保持リング29部分の接続構造
を変えたさらに他の実施例が示されている。この実施例
では、伝熱管22の両端面がそれぞれ接続リング47を介し
て保持リング29および受け面30に圧接されている。接続
リング47は、断面テーパ状内径を有する形状とされ、接
続リング47の小さい径の方の端面にセラミック伝熱管22
の一方の端面が接触し、接続リング47の大きい径の方の
端面に保持リング29または受け面30が接触している。ま
た、流通孔37の周壁を形成する筒状の断熱材39の先端は
テーパ状をなして接続リング47の拡径部に入り込んでい
る。その他の構成は、第１図、第２図および第３図に示
した実施例と同様である。この実施例では、接続リング
47によって拡径させたので、セラミック伝熱管22をほぼ
長さ方向にわたって等径の円筒状に形成でき、セラミッ
ク伝熱管22の製造が容易となる利点がある。

第８図には、伝熱管の接続構造を変えたさらに他の実施
例が示されている。この実施例においてもセラミック伝
熱管22の端部が接続リング47を介して保持リング29に圧
接されている。その他の構成は第４図に示す実施例と同
様である。

第９図には、伝熱管の接続構造を変えたさらに他の実施
例が示されている。この実施例においてもセラミック伝
熱管22の端部が接続リング47を介して保持リング29に圧
接されている。その他の構成は第５図に示す実施例と同
様である。

さらに第４図および第８図に示した接続構造を有する場
合にあって、それぞれスプリング36に代えて、第５図の
例の如く、流体圧シリンダーを加圧手段として採用して
もよい。

「発明の効果」以上説明したように、本発明によれば、一方の管板に設
けられた保持リングを加圧手段によりセラミック伝熱管
の一方の端面に直接もしくは間接的に圧接させ、その付
勢力でセラミック伝熱管の他方の端面を他方の管板に直
接もしくは間接的に圧接させるようにしたので、熱膨張
率の差や寸法誤差による軸方向変位を保持リングの軸方
向変位によって吸収することができる。また、セラミッ
ク伝熱管、保持リング、受け面、あるいはさらに接続リ
ングのそれぞれの接触面を、表面あらさ6.3S以下となる
ように平滑処理したことにより、セラミック伝熱管の両
端部における各接触面のずれにより、伝熱管の半径方向
の変位も吸収しやすくなり、さらに、セラミック伝熱管
の両端面における接触面が良好に密着するので、流体の
漏洩を確実に防止することができる。したがって、1000
℃を超える高温であって、かつ、漏洩の許容されない分
野での熱交換にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるセラミック熱交換器の一実施例を
示す断面図、第２図は同熱交換器の保持リング部分の接
続構造を示す部分断面図、第３図は第２図におけるA-A
線に沿った断面図、第４図、第５図は同熱交換器の保持
リング部分の接続構造を変えたそれぞれ他の実施例を示
す部分断面図、第６図は本発明によるセラミック熱交換
器の他の実施例を示す断面図、第７図は同熱交換器の保
持リング部分の接続構造を示す部分断面図、第８図、第
９図は同熱交換器の保持リング部分の接続構造を変えた
それぞれ他の実施例を示す部分断面図、第10図はセラミ
ック伝熱管の端部の接続構造の従来例を示す部分断面図
である。図中、21は熱交換器、22は伝熱管、23、24は管板、25、
26はヘッダー、27は流路、28は水冷ジャケット、29は保
持リング、30は受け面、36はスプリング、37は流通孔、
38は伸縮継手、40は筒体、44はピストン、45はシリンダ
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向配置された一対の金属製の管板にセラ
ミック伝熱管の両端部が支持されてなるセラミック熱交
換器において、一方の上記管板の流体流通孔に対応して
保持リングが配置され、この保持リングと上記管板との
間に設けられた加圧手段により上記保持リングが上記セ
ラミック伝熱管の一方の端面に圧接されており、その付
勢力により上記セラミック伝熱管の他方の端面が他方の
上記管板の受け面に圧接されて支持されており、上記セ
ラミック伝熱管の両端面と、上記保持リングおよび上記
受け面との接触面が、表面あらさ6.3S以下となように平
滑処理されていることを特徴とするセラミック熱交換
器。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記保持
リングに前記セラミック伝熱管の軸方向に延びる筒体が
形成され、この筒体が一方の前記管板の貫通孔内周に摺
接しているセラミック熱交換器。
【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項におい
て、前記加圧手段はスプリングまたは流体圧シリンダー
であるセラミック熱交換器。
【請求項４】特許請求の範囲第１項ないし第３項のいず
れか一において、前記管板は水冷構造とされ、前記保持
リングおよび前記加圧手段は上記水冷構造で囲まれた部
分に配置されているセラミック熱交換器。
【請求項５】対向配置された一対の金属製の管板にセラ
ミック伝熱管の両端部が支持されてなるセラミック熱交
換器において、一方の上記管板の流体流通孔に対応して
保持リングが配置され、この保持リングと上記管板との
間に設けられた加圧手段により上記保持リングが上記セ
ラミック伝熱管の一方の端面に接続リングを介して圧接
されており、その付勢力により上記セラミック伝熱管の
他方の端面が他方の上記管板の受け面に同じく接続リン
グを介して圧接されて支持されており、上記セラミック
伝熱管、上記接続リング、上記保持リングおよび上記受
け面のそれぞれの接触面が、表面あらさ6.3S以下となる
ように平滑処理されていることを特徴とするセラミック
熱交換器。
【請求項６】特許請求の範囲第５項において、前記接続
リングは、断面テーパ状内径を有するものであるセラミ
ック熱交換器。
【請求項７】特許請求の範囲第５項または第６項におい
て、前記保持リングに前記セラミック伝熱管の軸方向に
延びる筒体が形成され、この筒体が一方の前記管板の貫
通孔内周に摺接しているセラミック熱交換器。
【請求項８】特許請求の範囲第５項ないし第７項のいず
れか一において、前記加圧手段はスプリングまたは流体
圧シリンダーであるセラミック熱交換器。
【請求項９】特許請求の範囲第５項ないし第８項のいず
れか一において、前記管板は水冷構造とされ、前記保持
リングおよび前記加圧手段は上記水冷構造で囲まれた部
分に配置されているセラミック熱交換器。