JPS6183897A - セラミツクス製の熱交換体 - Google Patents

セラミツクス製の熱交換体

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JPS6183897A
JPS6183897A JP59203089A JP20308984A JPS6183897A JP S6183897 A JPS6183897 A JP S6183897A JP 59203089 A JP59203089 A JP 59203089A JP 20308984 A JP20308984 A JP 20308984A JP S6183897 A JPS6183897 A JP S6183897A
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tubes
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深津　幸雄
Yasuhiko Endo
康彦 遠藤
Tetsuo Takehara
徹雄 竹原
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「技術分野」 本発明は、例えばディーゼルエンジンなどの排ガスの有
する熱エネルギーを回収するのに好適なセラミックス製
の熱交換体に関する。
「従来技術およびその問題点」 チューブを用いた熱交換器において、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、管の外側にフィ
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、金属製チューブに金属製フィン
を巻いてフィンチュ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、通常の金属フィンでは耐熱性がなく、また、
耐熱性のある特殊合金では価格が高い上に熱伝導性が悪
いなどの欠点があった。また、ディ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、局部的なスートファ
イアリングが起こり、金属製フィンの融点を超えるよう
な高温部ができるため、金属製フィンは使用できなかっ
た。
さらに硫黄などの不純物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、フィンやチューブ外表面の
低温腐食が問題となり、通常の金属では熱交換器として
の寿命を著しく短線されるという欠点があった。
これらの欠点を解決する方法として、セラミ・ンクスチ
ューブとセラミックスフィンを別々に作って接着する方
法、あるいはフィン付きチューブをセラミックスの鋳込
成形、射出成形もしくは液圧プレスで作る方法が容易に
考えられるが、熱抵抗の少ないフィ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ｌ、％な
Ｉ／１゜一方、セラミックス製ノ＼ニカムを用いた熱交
換体は公知であり（例えば実開昭５８−９３８９５、特
開昭５７−３１７９２参照）１例えば第５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１．％られている。この熱交
換体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、例えばカ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
余裕があることになって、熱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たセラミックス
製の熱交換体を提供することにある。
「発明の構成」 本発明によるセラミックス製の熱交換体は、セラミック
ス製ハニカム体と、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た複数のセラミックス
製チューブと、前記ハニカム体と前記チューブとの当接
部分に施された固着材とからなっている。
したがって、チューブに水などの高密度流体をＭＬ、ハ
ニカム体の通気路に排ガスなどの低密度流体を通すこと
によって、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。この場合、適用する流体に応じてハニカム体の
寸法、形状やチューブの本数、肉厚、外径を選択するこ
とにより、伝熱面積を調整することができる。
本発明の熱交換体はハニカム体の通気路内を流れる流体
側よりもチューブ内を流れる流体側の熱伝達係数が５倍
以上大きい場合に特に有効である。
この場合、高密度流体が接するチューブの内面積に対し
て、低密度流体が接するハニカム体の通気路隔壁の総表
面積（隔壁の両側に低密度流体が接する場合は表裏とも
表面積に算入される。）は５倍以上とされるのが然バラ
ンス上、望ましい。
さらに高密度流体が水で、低密度流体が燃焼排ガスであ
るような場合には水側伝熱面積（チューブ内面積）に対
し、ガス側伝熱面積（通気路隔壁総表面積）は２０倍以
上であることが好ましく、この場合には、チューブが交
差するハニカム体通気路隔壁のピッチは一般に５ｍｍ程
度以下となるように密に配置されることとなる。
また、従来のセラミックス製熱交換体においてハニカム
体の通気路隔壁は両流体を区画する隔壁として使用され
るのに対し、本発明においてハニカム体の通気路隔壁は
かかる機能は必要とせず、熱交換を助けるフィンとして
用いている。このように、ハニカム体をフィンとして用
いたので、単位体積当りの表面積が大で軽量という理想
的なフィンが得られる。
さらに、従来のセラミックス製熱交換体において、例え
ば高温ガスと空気との熱交換をする場合、セラミックス
体の温度は高温ガスと空気との平均温度近辺まで加熱さ
れ、セラミックス体のガス出入口部に大きな温度差がつ
き、これによって発生する熱応力により、セラミックス
体に亀裂が発生しやすかった。しかし、本発明の熱交換
体においては、ハニカム体は炭化珪素質、窒化珪素質、
窒化アルミニウム質、サイアロン質など、特には炭化珪
素質に代表される熱伝導率の大きいセラミックスからな
るのが好ましく、これにより、例えば壁面熱伝達率の非
常に大きな水などの液体をチューブに通したとき、熱伝
導率の大きなセラミックス製のハニカム体の通気路隔壁
をフィンとして用いているのでチューブおよびハニカム
体の温度は水などの液体の温度に非常に近いレベルに抑
えることが可能なため、結果的にセラミックス体のガス
出入口部の温度差も小さくなり、発生する熱応力を低く
抑えることができる。
さらにまた、本発明においては、水などの高密度流体の
通路が比較的少数のチューブからなるので、チューブの
製法、肉厚、内面処理などを適当に選ぶことにより、一
方の流体から他方の流体への漏洩の可能性を公知のセラ
ミックス製熱交換体と比べて大幅に減少させることがで
きる。
本発明において、固着材は少なくともハニカム体の外壁
とチューブとの当接部分に実質的に気密となるように施
されることが必要であり、この場合、固着材はチューブ
の固定と流体のシールとを兼ねている。また、固着材は
ざらにハニカム体内部の隔壁とチューブとの当接部分に
も施されてハニカム体とチューブとの伝熱性を良好にす
る。ハニカム体内部の隔壁とチューブとの当接部分に固
着材を施すにあたっては必ずしも気密であることを要せ
ず、フィンとして作用する隔壁とチューブとの間の所要
の伝熱が確保できればよい、このためには、かかる隔壁
とチューブとの当接部分の延面積の３０ｚ以上が固着材
によって接合されていることが好ましい。
本発明においては、ハニカム体およびチューブはいずれ
も同質のセラミックス材料からなることが、熱膨張差に
よる熱応力割れを防止する上で好ましく、特にはいずれ
も炭化珪素質材料からなるのが好ましい。両者が炭化珪
素質材料からなる場合においては、固着材は炭化珪素質
または金属珪素質材料からなるのが好ましい、どちらの
場合も反応焼結設備で容易に形成でき、さらに固着材が
炭化珪素質であれば熱応力割れが同様に防止でき、固着
材が金属珪素質であれば簡便に製作できる。
本発明のかかる熱交換体は例えば次のように製造できる
。炭化珪素質チューブ外周に、炭化分および必要に応じ
てざらに炭化珪素粉末を含有する粉末または泥漿をコー
ティングしておき、炭化珪素質ハニカム体にチューブを
挿通した状態で、チューブとハニカム体との当接部分に
金属珪素をディッピング、吸上げ、注入、塗布などの方
法で流入し、その後、溶融金属珪素雰囲気下で炭素と珪
素を反応させつつ焼結して接合するなどの、いわゆる反
応焼結法を採用してチューブとハニカム体を炭化珪素質
固着材で固着することができる。
したがって、ハニカム体内部の隔壁とチューブとの接合
も比較的容易に行なうことができる。なお固着材のみな
らずハニカム体、チューブとも反応焼結炭化珪素質であ
ってもよく、さらにこのハニカム体、チューブともに固
着材の反応焼結時に同時に反応焼結されてもよい、そし
て、ハニカム体、チューブおよび固着材の熱膨張係数が
等しくなるので、熱応力が生じにくくなる。さらに、炭
化珪素は熱伝導率が高いので熱交換効率も良好となる。
なお固着材は金属珪素質であってもよく、この場合には
例えばいずれも炭化珪素質からなるハニカム体にチュー
ブを挿通し、これの一部または全部を金属珪素浴中に浸
漬することにより、ハニカム体とチューブとの間隙に毛
細管現象などにより金属珪素が充填され、これを引上げ
て冷却することにより固着する。このような熱交換体は
製作が簡便である上に、さほど高温でない温度下では充
分使用できる。
本発明では、チューブはハニカム体の通気路を閉塞しな
いような位置に配置される。すなわち、チューブかハニ
カム体の通気路を閉塞すると、その部分に位置するハニ
カム体のセルに通気がなされなくなり、ハニカム体を流
れる流体とチューブとが直接接触できなくなるので、熱
交換効率が低下する。チューブがハニカム体の通気路を
閉塞しないようにするためには１例えばハニカム体のセ
ルの断面形状を長四角形、長三角形、長穴角形などとし
、それらの断面形状のｐ手廿法６町１もチューブ外形を
小さくしてもよい。
本発明ではハニカム体は押出し成形法によって製造され
てもよく、もしくは平板と波板との交互積層法などの積
層法によってもよい、積層法にあっては例えば波形など
に成形した炭素紙を接着して所定のハニカム形状とし、
この波形板を質通ずるようにチューブ挿通部を切除した
のち、同じく炭素紙からなるチューブを挿通し、ついで
溶融金属珪素浴中にこれ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ューブとの当接部分の間隙にも金
属珪素が充填され、ついで反応焼結することによりハニ
カム体、チューブ、固着材ともに炭化珪素質からなる熱
交換体を得てもよい。
「発明の実施例」 第１図および第２図には本発明の一実施例が示されてい
る。これらの図において、ハニカム体１１は、セラミッ
クスの押出成形体からなり、断面が長方形ななす多数の
平行に走行するセル１２を有する。ハニカム体１１には
セルＩ２が形成する通気路と直交して交差する複数の貫
通孔が穿設され、その孔に回じくのセラミックスの複数
のチューブ１３が挿通されている。この場合、第２図に
示すように、チューブ１３によってセル１２の流路が閉
塞されないようにするため、チューブ１３はセル１２の
正断面の長手方向と直交し、かつセル１２の走行方向と
も直交するように挿通されている。この実施例の場合、
ハニカム体１１およびチューブ１３は共に炭化珪素質セ
ラミックスからなり、炭素分などを外周に塗付されたチ
ューブ１３の外径とハニカム体１２の孔の内径との隙間
には、高温下で金属珪素が含浸されるとともに反応焼結
されることにより、炭化珪素質の固着材１４が形成され
ている。この固着材１４はハニカム体１１の外壁部分の
みでなく、内部の隔壁部分にも形成されており、これに
よってチューブ１３はハニカム体１１の各隔壁と固着材
１４を介して接合され、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、チューブ１３の内
面には、セラミックス溶液（うわ薬）を流入して焼結さ
せたり、フッ素樹脂などのプラスチック材料を流入、塗
布などすることによりチューブの気密性を確実にして、
ピンホールや微小クラックなどからの流体の漏洩が防止
されている。
この熱交換体を用いて、例えば高温の排ガスと水とを熱
交換する場合、高温の排ガスはハニカム体１１の各セル
１２に流通させ、水はチューブ１３に流通させる。した
がって、排ガスはハニカム体１１内においてチューブ１
３と衝突迂回し、チューブ１３を加熱すると共に、ハニ
カム体１１内の隔壁をも加熱することになる。そして、
チューブ１３は排ガスにより直接加熱されると共にハニ
カム体１１の隔壁からの伝熱によっても加熱される。こ
の場合、ハニカム体１１の隔壁は炭化珪素質の固着材１
４によってチューブ１３に連結されているので熱伝達は
良好になされ、ハニカム体１１の隔壁が伝熱フィンの役
割をなす。全屈珪素質の固着材であっても同様に良好な
熱伝達がされる。
このように、壁面熱伝達率の良好な水は比較的伝熱面積
の小さいチューブ１３内を流通しても良好な熱伝達がな
され、壁面熱伝達率の悪い高温の排ガスは伝熱面積の大
きなハニカム体１１−の各セル１２を流通してその熱を
効率的にハニカム体１１の隔壁およびチューブ１３に与
える。したがって、加熱側と被加熱側との両者の熱バラ
ンスがよく、熱交換効率は良好となる。
この実施例による熱交換体を用いて実際に試験を行なっ
た例を示すと次の通りである。ノ＼ニカム体１１として
、外形の断面が１辺１００＋ｍｍの正方形をなし、奥行
２００ｍｍ　、各セル１２の流路断面は２４．７Ｘ２．
７■で、壁厚０　、３ｍ＋＊のものを使用した。チュー
ブ１３として、外径５■のものを３２本配置した。ガス
は第２図において紙面に垂直方向に流れ、その流量は約
４０ＯＮｍ’／ｈである。ガスの入口側の温度は約４０
０℃、出口側の温度は約２８０℃であった。
チューブ１３には水を１．８ｒｎ’／ｈの流量で流通さ
せ、入口側の温度は約７０℃、出口側の温度は約８０℃
であった。チューブ１３内部の水側熱伝達係数は約１１
４００ｋｃａｌ／ｍ’ｈ　”Ｃであり、チューブ１３外
部のガス側熱伝達係数は約１０８ｋｃａ　ｌ／ｒｒｒ’
　ｈ　’Ｃであるが、ハニカム体１１の隔壁によりガス
側の有効伝熱面積はチューブ１３内面の３０倍以上とる
ことができ、全体として熱交換量は１７０００ｋｃａ　
ｌ／　ｈを確保することができた。
以上の関係を数式で示すと次の通りである。
Ｑ　＝Ｇｗ（Ｃｐｗ２７ｗ２−　Ｃｐｗｌ　ＴＷＩ）＝
　ＧｇＣＣｐｇＩＴｇ＋　　　ＣＰｇｚ　Ｔｇｚ　）＝
　ＵＡｇ　　ΔＴｍ 水量Ｇｖ＝　１．８　ｒｎ’／ｈｒ 水比熱（入口）　　ＣＰＩＩｌｌ　＝　９７９ｋｃａｌ
／ｍ’　”０（ただし、７１＝７０”Ｃで） 水比熱（出ｏ）　　Ｃｐｗ２＝９７５ｋｃａｌ／ｒｎ”
０（ただし、７ｗ２　＝８０”０７り ガスｉＧｇ＝４０ＯＮｍ’ハｒ ガス比熱　（入口）　　Ｃｐｇ＋’　＝　０．３４３ｋ
ｃａｌ／ｍ”０（ただし、Ｔｇ、　＝４００　’Ｃテ）
ガス比熱（出口）　　Ｃｐｇ２　＝　０．３３８ｋｃａ
ｌ／ｍ’　”Ｃ（ただし、７．２＝２８０　”Ｃ：テ）
チューブ内伝熱面積Ａ胃＝　０．０３４８ｒｎ’チユー
ブ内熱伝達係数 ａ　ｗ　＝　ＮｕｗＫｗ／Ｄｉ＝　１１４００チユ一ブ
内ヌセルト数Ｎｕｗ　＝　７０．０チユーブ内水の熱伝
導率Ｋｗ＝　０．５７２ｋｃａｌ／ｍｈｒ　”Ｃチュー
ブ内向径Ｄｉ　＝　０．００３５＋ガス側伝熱面積Ａｇ
　＝　１．２８５　ｒｒｆガス側熱伝達係数 Ｇｇ　＝　ＮｕｇＫｇ１０６　＝　１ＯＥｉガス側ヌセ
ルト数Ｎｕｇ　＝　ｌ：ｌ’、８ガス側の熱伝導率Ｋｇ
＝　０．０４２　ｋｃａｌ／ｍｈｒ”ｃ；チューブ外径
Ｄｏ　＝０．００５ｍ 総括伝総括伝熱係数法式で表される。
１／Ｕ＝１／αｇ＋γ＋γｆ　＋　Ａｇ／Ａｍ　Ｘ　Ｔ
ｔ／Ｋｔ＋１／αｗ（Ａｇ／Ａｍ） 汚れ係数γ＝　０．００２　ｍ”ｈｒ”ｏへｃａｌフィ
ン伝熱抵抗ｙｆ　＝０．００４８ｒｎ’ｈｒ”Ｃ／ｋｃ
ａｌチューブ平均径面積Ａ層＝０．０４０ｒｎ′チユー
ブ肉厚Ｔｔ　＝　０．０００７５層チューブ熱伝導率Ｋ
ｔ＝　１１０　ｋｃａｌ／ｍｈｒ’０これよりＵ　＝　
５１．０ｋｃａｌ／　ｍ’ｈｒ”ｃ対数平均温度差Δガ
＝ ＝２６１ 以上によりＱの各式とも約１７０００ｋｃａ　ｉ／ｈに
なる。
圧損はガス側１９０＋＊ｍＡｇ　、温水側１１０＋ｓｍ
Ａｇでいずれも低い値に押えることができる。
この熱交換体の応用例として、例えばパスなどのディー
ゼルエンジンの排ガスから熱回収する装置として利用す
る場合、排ガスをハニカム体１１の各セル１２に流通さ
せ、チューブ１３にエンジンの冷却水を流通させて、排
ガスの熱により冷却水を加熱する。加熱された冷却水は
、例えば別に設置されたファンヒータに送ることにより
車両の室内の暖房として利用することができる。また、
エンジンの始動時に排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、ブ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房
の他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。勿論、本発明においてチューブ側に
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熱交換体は有利な構成とな
っている。
第３図には、本発明による熱交換体の他の実施例が示さ
れており、この実施例ではハニカム体１１として、断面
が三角形をなすセル１２を有するものが使用されている
。このように、セル１２の断面形状は種々のものが採用
できる。
なおこれらの実施例ではハニカム体１１にチューブ孔を
あけるにあたってチューブと直交するハニカム隔壁に断
続的にドリルで孔あけ加工されるが、この際ハニカム隔
壁が所望以上に割れるなどの困難がある場合には、ハこ
カム体１１のチューブと平行するハニカム隔壁上に孔の
中心線がくるように孔あけ加工すると連続切削が可能と
なり、孔あけ加工が容易となって、第６図および第７図
に示すような熱交換体が得られる。
なお孔あけ加工はドリルによる代りに放電加工、レーザ
ー加工なども可能である。
第４図には、本発明による熱交換体の製造において、他
の例が示されている・、すなわち、ハニカム体１１の隔
壁の厚みが薄くて孔あけ加工が困難な場合、あるいは隔
壁に意図的に隙間を設けたい場合などに好適な構造であ
る。この例によれば、チューブ１３の外径よりもわずか
に大きめの円弧状の凹部１５を形成された分割ハニカム
体１８を用意し、この凹部１５にチューブ１３を嵌合さ
せながら分割ハニカム体１６を接合することによりチュ
ーブ１３を組み込んだハニカム体が構成される。
なお１本発明においてチューブはハニカム体の通気路と
交差していればよく、したがって両者は適宜斜交してい
てもよい。またチューブは必ずしも相互に平行であるこ
とを要せず、さらにチューブの末端がハニカム体の外壁
から突出する代りに、ハニカム体の外壁面上までであっ
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、チューブをハニ
カム体に挿通させることによって、フィンチューブと同
等な効果をもつ熱交換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が著しく異なる流
体の熱交換に適用した際、ハニカム体すなわちフィンの
表面積をチュ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。またフィンの作用をするノーニカム体の隔壁に
平行にガスなどの流体が流されるのでその流体の通過圧
損を低く抑えることができる。
さらに、従来の金属製熱交換器では扱うことのできなか
った高温ガスや腐食性ガスに適用することができ、例え
ばディーゼルエンジンの排ガスなどに適用した際、スー
トファ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、チューブの厚み、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。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例を示す斜視図、第２図は同実施
例の断面図、第３図は他の実施例を示す断面図、第４図
は本発明の熱交換体の製造法の一例を示す分解斜視図、
第５図は従来のセラミックス製熱交換体を示す斜視図、
第６図は本発明の別の実施例を示す側面図、第７図は第
６図におけるＸ−Ｘ線矢視図である。 図中、１１はハニカム体、１２はセル、１３はチューブ
、１４は固着材、１５は凹部、１Ｂは分割ハニカム体で
ある。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）セラミックス製ハニカム体と、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た複
    数のセラミックス製チューブと、前記ハニカム体と前記
    チューブとの当接部分に施された固着材とからなること
    を特徴とするセラミックス製の熱交換体。
  2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記ハニカム体
    および前記チューブはいずれも炭化珪素質材料からなり
    、前記固着材は炭化珪素質または金属珪素質材料からな
    るセラミックス製の熱交換体。
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