JPH1130496A - セラミックス製熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が単純で容易に大型化することができ、
熱回収の効率化が可能な熱交換器を実現する。 【解決手段】 高温側ヘッダー１００ａと低温側ヘッダ
ー１００ｂの間に懸架され直管部１０２ａとＵ字部１０
２ｂからなるセラミックスＵ字形伝熱管１０２、および
同伝熱管１０２内に挿入されＵ字部１０２ｂの重量の一
部を支持するセラミック複合繊維１０６を備えたものと
し、また、セラミック複合繊維をリボン状のものとし、
更に、セラミックスＵ字形伝熱管の直営部の先端外周の
一部につば部を設け、ヘッダーにはめ合い部を設けるも
のとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１３００℃以上の
高温・腐食ガス雰囲気中で機能するセラミックス製熱交
換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、セラミックスを利用して高温排ガ
スから直接熱交換を行うことができるセラミックス製熱
交換器の開発が進められている。

【０００３】図８は、従来のセラミックス製熱交換器の
一例を示すものである。図８に示す従来のセラミックス
製熱交換器は、左右の管板１ａ，１ｂ間に複数のセラミ
ックス製の伝熱管２を並設支持させ、伝熱管２内に被加
熱流体（例えば空気や蒸気等）３を通すと共に、伝熱管
群の間に高温ガスの加熱流体４を通すように、キャスタ
ブル耐火材等により熱交換器本体５が構成されていた。

【０００４】上記のような熱交換器においては、伝熱管
２と管板１ａ，１ｂとの接合部について、伝熱管２と管
板１ａ，１ｂの熱膨張差による熱応力の吸収と流体振動
や地震による破損防止を図るため、セラミックス製伝熱
管２を保護する機能を考慮する必要がある。

【０００５】そのため、従来の装置においては、伝熱管
２の一端は一方の管板１ｂに固定支持させ、他端は、伝
熱管２の軸方向への移動が可能なように管板１ａに支持
させたものとし、管板１ａ，１ｂの構造はそれぞれ図５
（ｂ）により以下に説明するものとしていた。

【０００６】即ち、一方の管板１ｂには、管内流体孔１
３とによりこれを貫通し、伝熱管２の一端が嵌合される
嵌合穴６を設けていた。また、他方の管板１ａについて
は、これを貫通し移動部材（入口温度によりセラミック
スあるいは金属を使用）８が挿入される支持孔９を形成
し、移動部材８には、管内流体孔１４とによりこれを貫
通し、伝熱管２の他端が嵌合される嵌合穴７を設け、移
動部材８と固定部１１の間には移動部材８を伝熱管２の
他端に嵌合させる方向に押付ける圧縮ばね１０を設けて
いた。

【０００７】なお、移動部材８の嵌合穴７の底部と伝熱
管２の他端の端面とを接着材（例えば、ガラス接着材Ｓ
ｉＯ₂ ・Ｂ₂ Ｏ₃ ・Ｎａ₂ Ｏ等）１２により接着するこ
とでシール性を確保していた。また、管板１ａ，１ｂ及
び移動部材８に形成した管内流体孔１３，１４の内径
は、伝熱管２の内径と一致するものとしていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のセラミックス製
熱交換器においては、伝熱管の固定構造が複雑であり、
熱交換器の大型化が困難であると共に、ボイラへの組込
みも難しかった。また、伝熱管の固定のために複数の管
板を並設させる必要があるために空間が大きくとられ、
熱回収の効率が悪くなる等の課題があった。

【０００９】本発明は、上記の課題を解決するため、熱
回収の効率化を図ることができ、管板等の部品の削減に
よって低コスト化を図ることができるセラミックス製熱
交換器を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

（１）請求項１の発明に係るセラミックス製熱交換器
は、高温側ヘッダーと低温側ヘッダーとの間にセラミッ
クスＵ字形伝熱管を吊り下げ支持させ、同伝熱管は直管
部とＵ字部とを接合して形成したセラミックス製熱交換
器において、伝熱管内にセラミック複合繊維を挿入して
前記Ｕ字部の重量の一部を支持させたことを特徴として
いる。

【００１１】本発明においては、伝熱管はＵ字形状とし
て高温側ヘッダーと低温側ヘッダーとにより吊り下げら
れているため、熱伸びが自由であり、熱応力を軽減する
ことができ、また、伝熱管内にはセラミック複合繊維が
挿入されているため、これにより伝熱管の直管部とＵ字
部の接合強度の強化が可能となり、更に、吊り下げ型の
Ｕ字形状としているため、伝熱面積を大きくとることが
でき、熱交換の効率化、低コスト化を図ることが可能と
なる。

【００１２】（２）請求項２の発明は、上記発明（１）
に記載のセラミックス製熱交換器において、前記セラミ
ック複合繊維をねじれたリボン状としたことを特徴とし
ている。

【００１３】本発明においては、伝熱管内に挿入される
セラミック複合繊維がねじれたリボン状のため、伝熱管
の直管部とＵ字部の接合性の強化とともに、伝熱管内部
を流動する被加熱流体に乱流を発生させ、伝熱管による
熱交換を一層促進させることが可能となる。

【００１４】（３）請求項３の発明は、上記発明（１）
又は（２）に記載のセラミックス製熱交換器において、
セラミックスＵ字形伝熱管の直管部の先端外周の一部に
つば部を設け、また、ヘッダーにつば部の通過可能なは
め合い部を設け、前記伝熱管をヘッダーに挿入後回転さ
せて前記つば部で伝熱管を支持させたことを特徴として
いる。

【００１５】本発明において、伝熱管のヘッダーへの取
付け時には、伝熱管のつば部にヘッダーのはめ合い部を
通過させた後、伝熱管を回転させることにより、伝熱管
のつば部がヘッダーの内面に支持されるため、伝熱管の
マニホールドへの取付けが上記発明（１）又は（２）に
比べて容易となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の第１形態に係るセ
ラミックス製熱交換器について、図１乃至図３により説
明する。

【００１７】図１に示す本実施形態に係るセラミックス
製熱交換器は、高温側ヘッダー１００ａと低温側ヘッダ
ー１００ｂにそれぞれ設けられたマニホールド１０１の
間に懸架され直管部１０２ａとＵ字部１０２ｂからなる
セラミックスＵ字形伝熱管１０２、および同伝熱管１０
２に挿入され両端が上記マニホールド１０１内に設けら
れた支持具１１０に結合されたセラミック複合繊維１０
６を備えている。

【００１８】上記において、セラミックスＵ字形伝熱管
１０２には、図１（ｂ）に示すように加圧された被加熱
流体１０３が低温側ヘッダー１００ｂから供給され、こ
の被加熱流体１０３はＵ字形伝熱管１０２の外側を流れ
る高温ガスの加熱流体１０４との熱交換により加熱され
ながらセラミックスＵ字形伝熱管１０２内を通過し、高
温側ヘッダー１００ａへと排出される。

【００１９】上記セラミックスＵ字形伝熱管１０２内に
は、セラミック複合繊維１０６が挿入されており、この
セラミック複合繊維１０６は、伝熱管１０２が自重等に
より落下しない程度および直管部１０２ａとＵ字部１０
２ｂの接合部がはずれない程度の張力が付与された後、
その両端が支持具１１０に結合されて、マニホールド１
０１内にて固定されているため、セラミックスＵ字形伝
熱管１０２の直管部１０２ａとＵ字部１０２ｂの接合性
が強化されている。

【００２０】また、伝熱管１０２の直管部１０２ａとＵ
字部１０２ｂの接合部については、図２（ａ）に示すよ
うに直管部１０２ａとＵ字部１０２ｂの間隙に接着材１
１１が充填されており、低温状態での接合部強度の助勢
と高温状態でのシール性の確保が図られている。

【００２１】上記接合部に用いる接着材１１１には、融
点が適当な接着ガラス（例えば、ガラスペーストＳｉＯ
₂ ・ＢａＯ・ＺｎＯ等）を用いることができる。なお、
接合部の強度およびシール性を高めるため、図２（ｂ）
に示すように、伝熱管１０２の内外面をねじ状に加工し
て接合すると更に有効である。

【００２２】上記セラミックスＵ字形伝熱管１０２が接
続されるマニホールド１０１は、２分割された上下部分
が溶接により一体化されて形成されるものであり、図３
に示すように上部が開放された状態でセラミックスＵ字
形伝熱管１０２が挿入される。

【００２３】なお、マニホールド１０１とセラミックス
Ｕ字形伝熱管１０２の接触面は、両者の熱膨張を拘束し
ない程度の間隙を設けた円筒面としてもよいが、球面部
分を設けることにより伝熱管１０２保持の安定性を向上
させ、また、伝熱管１０２に倒れを生じた場合にも面支
持できるものとし、伝熱管１０２の破壊防止やシール性
の向上を図っている。

【００２４】また、伝熱管１０２とマニホールド１０１
との間には、くさび形のグランドパッキン１０８が挿入
されており、ねじ溝を有するホルダー１０７を締め付け
ることにより、グランドパッキン１０８とマニホールド
１０１および伝熱管１０２がそれぞれ圧着され、伝熱管
１０２の内外の流体のシール性が確保されている。

【００２５】更に、セラミックスＵ字形伝熱管１０２
は、軸方向（図３においては上下方向）が何ら拘束され
ていないため、熱膨張による熱伸びに対して自由であ
り、熱応力を軽減することができる。

【００２６】なお、セラミックスＵ字形伝熱管１０２の
保持と伝熱促進のために伝熱管内部に挿入されたセラミ
ック複合繊維１０６の両端が結合・固定される支持具１
１０は、ホルダー１０７に取付けられている。

【００２７】上記のように、Ｕ字形状のセラミックス製
の伝熱管を用い、吊り下げ形式のものとしたため、熱伸
びに対して自由であり、熱応力の軽減が可能になるとと
もに、伝熱面積を大きくとることができ、熱効率の向上
と低コスト化が可能となり、構造が単純で、容易に大型
化が可能な熱交換器を実現することができた。

【００２８】本発明の実施の第２形態に係るセラミック
ス製熱交換器について、図４により説明する。本実施形
態に係る熱交換器においては、上記第１実施形態におけ
るセラミック複合繊維として、図４に示すリボン状のセ
ラミック複合繊維１０６ａを用いている。

【００２９】本実施形態においては、その形状が不規則
にねじれたリボン状のセラミック複合繊維１０６ａが伝
熱管１０２の内部を流動する被加熱流体１０３の流れに
乱流を発生させるため、この乱流によって伝熱管１０２
内の熱伝達率が増加し、伝熱が促進される。

【００３０】本発明の実施の第３形態に係るセラミック
ス製熱交換器について、図５及び図６により説明する。
図５及び図６に示す本実施形態は、前記第１実施形態の
熱交換器において、マニホールド１０１の間に縣架され
たセラミックスＵ字形伝熱管１０２が、その直管部１０
２ａの上端外周に図５（ｂ），（ｃ）に示すように互い
に対向する９０度の切欠き部を有するつば部１１５を備
え、上記マニホールド１０１が、その周壁に図５
（ｄ），（ｅ）に示すように上記つば部１１５の通過を
可能とする貫通孔により形成されたはめ合い部１１６を
備えている。

【００３１】また、上記セラミックスＵ字形伝熱管１０
２内に挿入されるセラミック複合繊維１０６が、図６
（ｂ）に示すようにその両端をマニホールド１０１に設
けられた支持ピン１１７に結合され、更に、伝熱管１０
２の内外の流体のシール性の確保のためのグランドパッ
キン１０８が、下側からホルダー１０７を締め付けるこ
とによりマニホールド１０１と伝熱管１０２に圧着され
ている。

【００３２】なお、上記セラミックスＵ字形伝熱管１０
２の直管部１０２ａとＵ字部１０２ｂの接合部は、図６
（ｃ）に示すように内外面にねじ状の加工が施されてい
ないものである。

【００３３】本実施形態においては、前記第１実施形態
とは、マニホールド１０１へのセラミックスＵ字形伝熱
管１０２の取付け要領が異なり、その他の点ではほぼ同
様のため、この取付け要領について詳細に説明する。

【００３４】マニホールド１０１への伝熱管１０２の取
付けを行う場合、伝熱管１０２の直管部１０２ａとＵ字
部１０２ｂの接合前に、まず、直管部１０２ａのつば部
１１５とマニホールド１０１のはめ合い部１１６の位置
を合わせてマニホールド１０１に直管部１０２ｂを挿入
し、十分挿入したところで直管部１０２ｂを９０度回転
させて引戻す。

【００３５】これにより、図５（ａ）に示すように直管
部１０２ｂがマニホールド１０１の内面で固定支持さ
れ、伝熱管１０２の自重等による落下を防止することが
可能となる。

【００３６】次に、直管部１０２ａの下端からホルダー
１０７とグランドパッキン１０８を挿入した後、伝熱管
１０２の直管部１０２ａとＵ字部１０２ｂを接続し、最
後にホルダー１０７によるグランドパッキン１０８の締
め付けを行う。

【００３７】本実施形態の場合、上記のようにマニホー
ルド１０１にはめ合い部１１６を、直管部１０２ａにつ
ば部１１５を設け、これらにより接合するものとしたた
め、セラミックスＵ字形伝熱管１０２をマニホールド１
０１へ容易かつ確実に取付けることが可能となった。

【００３８】なお、セラミックスＵ字形伝熱管１０２の
直管部１０２ａのつば部１１５のマニホールド１０１と
の接触面は、両者の熱膨張を拘束しない程度に間隙を設
けた円筒面としてもよいが、球面部分を設けることによ
り伝熱管１０２保持の安定性を向上させ、また、伝熱管
１０２に倒れを生じた場合にも面支持できるものとし、
伝熱管１０２の破壊防止やシール性の向上を図ってい
る。

【００３９】本発明の実施の第４形態に係るセラミック
ス製熱交換器について、図７により説明する。図７に示
す本実施形態は、前記第３実施形態において、セラミッ
クスＵ字形伝熱管１０２の直管部１０２ａとＵ字部１０
２ｂの接合部を形成するそれぞれの内外面をねじ状に加
工したものであり、セラミック複合繊維１０２と支持ピ
ン１１０を不要としたものである。

【００４０】本実施形態の場合、直管部１０２ａとＵ字
部１０２ｂの接合をねじ接合として、セラミック複合繊
維１０６の使用を不要としたため、構造が簡素となり、
前記第３実施形態と比べて一層製作が容易となった。

【００４１】

【発明の効果】本発明のセラミックス製熱交換器は、高
温側ヘッダーと低温側ヘッダーの間に懸架され直管部と
Ｕ字部からなるセラミックスＵ字形伝熱管、および同伝
熱管内に挿入されＵ字部の重量の一部を支持するセラミ
ック複合繊維を備えたものとしたことによって、伝熱管
がＵ字形状のため、熱応力を軽減することができ、セラ
ミック複合繊維が挿入されたため、伝熱管の直管部とＵ
字部の接合強度が強化され、吊り下げ型のＵ字形状の伝
熱管としたため、熱交換効率の向上、低コスト化が可能
であり、構造が単純で容易に大型化が可能な熱交換器を
実現する。

【００４２】また、上記セラミック複合繊維をその形状
が不規則にねじれたリボン状のものとしたことによっ
て、伝熱管内を流れる被加熱流体に乱流を発生させるこ
とができるため、伝熱管による熱交換の一層の促進が可
能となる。

【００４３】更に、セラミックスＵ字形伝熱管の直管部
の先端外周の一部につば部を設け、ヘッダーにはめ合い
部を設けるものとしたことによって、ヘッダーへの伝熱
管の取付けが容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１形態に係るセラミックス製
熱交換器の説明図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は構造説
明図である。

【図２】上記第１実施形態に係るセラミックスＵ字形伝
熱管の直管部とＵ字部の接合部の拡大図で、（ａ）は一
例、（ｂ）は他の例である。

【図３】上記第１実施形態に係るセラミックスＵ字形伝
熱管とマニホールドの接合部の拡大断面図である。

【図４】本発明の実施の第２形態に係るセラミックス製
熱交換器のセラミック複合繊維の説明図である。

【図５】本発明の実施の第３形態に係るセラミックス製
熱交換器の説明図で、（ａ）は伝熱管の直管部とマニホ
ールドの接合部の断面図、（ｂ）は直管部のつば部の平
面図、（ｃ）は同つば部の斜視図、（ｄ）はマニホール
ドのはめ合い部の平面図、（ｅ）は同はめ合い部の斜視
図である。

【図６】上記第３実施形態に係るセラミックス製熱交換
器の説明図で、（ａ）は伝熱管をマニホールドに接合し
た状態の斜視図、（ｂ）はセラミック複合繊維を支持ピ
ンに接続した状態の断面図、（ｃ）は伝熱管の直管部と
Ｕ字部の接合部の断面図である。

【図７】本発明の実施の第４形態に係るセラミックス製
熱交換器の説明図で、（ａ）は伝熱管をマニホールドに
接合した状態の斜視図、（ｂ）は伝熱管の直管部とＵ字
部の接合部の断面図である。

【図８】従来のセラミックス製熱交換器の説明図で、
（ａ）は全体図、（ｂ）は伝熱管支持部の説明図であ
る。

【符号の説明】

１００ａ，１００ｂ ヘッダー １０１ マニホールド １０２ セラミックスＵ字形伝熱管 １０２ａ 直管部 １０２ｂ Ｕ字部 １０３ 被加熱流体 １０４ 加熱流体 １０６，１０６ａ セラミック複合繊維 １０７ ホルダー １０８ グランドパッキン １１０ 支持具 １１１ 接着材 １１５ つば部 １１６ はめ合い部 １１７ 支持ピン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栗村 隆之 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 相木 英鋭 神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号 三 菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 中村 貴往 神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号 三 菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温側ヘッダーと低温側ヘッダーとの間
   にセラミックスＵ字形伝熱管を吊り下げ支持させ、同伝
   熱管は直管部とＵ字部とを接合して形成したセラミック
   ス製熱交換器において、伝熱管内にセラミック複合繊維
   を挿入して前記Ｕ字部の重量の一部を支持させたことを
   特徴とするセラミックス製熱交換器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のセラミックス製熱交換
   器において、前記セラミック複合繊維をねじれたリボン
   状としたことを特徴とするセラミックス製熱交換器。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のセラミックス製
   熱交換器において、セラミックスＵ字形伝熱管の直管部
   の先端外周の一部につば部を設け、また、ヘッダーにつ
   ば部の通過可能なはめ合い部を設け、前記伝熱管をヘッ
   ダーに挿入後回転させて前記つば部で伝熱管を支持させ
   たことを特徴とするセラミックス製熱交換器。