JPS629183A - ハニカム熱交換器 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は、熱交換器に関し、更に詳しくは高熱伝導性セ
ラミックハニカムを組合わせて成るハニカム熱交換器に
関する。

（従来の技術） 最近、大きな温度差を有する流体間において熱交換を行
わせるハニカム熱交換器として、第５図に示すように、
一体成形されたハニカム成形体５０を円筒隔壁５１．５
２によって、中心部と外周部とに区画して各々高温流体
用通路５３及び低温流体用通路５４とし、対向流になる
ように高温流体及び低温流体を通して熱交換を行わせる
ハニカム熱交換器が開発されている。熱は半径方向に放
射状にハニカム仕切壁５５．５６を伝って伝達され、そ
の広い電熱面積によって静止状態においても効率的に優
れた流体間の熱交換が行われる特徴を有している。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、この新しく開発されたハニカム熱交換器は、使
用中円周方向及び長手方向に作用する引張応力を伴う熱
歪が発生するため、゛円周方向及び長手方向にクラック
が発生し、流体間の混合が起こる可能性があった。

（発明の目的） 本発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みなされたもの
であって、ハニカム熱交換器を、複数の独立した高熱伝
導性セラミックハニカムを高温流体を通すブロックと低
温流体を通すブロックとに集約して、結合手段によって
一体的に組合わせて構成し、セグメント化によって応力
を開放し、更に各成形体に発生する熱歪を結合手段にも
分担させ引張り応力の発生を防ぎ耐久性を改善すること
を目的とする。又高温流体を通すブロックと低温流体を
通すブロックとの間に、高温高強度かつ高熱伝導性セラ
ミック円筒体を介設することにより、ハニカム熱交換器
を補強すると共に、万が−クラックが生じたとき流体間
の混合を確実に防止することもできる。

（問題点を解決するための手段） 前記目的を達成するための手段は、複数の独立した高熱
伝導性セラミックハニカムを、高温流体を通すブロック
と低温流体を通すブロックとに集約して、結合手段によ
って一体的に組合わせて構成されたハニカム熱交換器で
ある。

（作用） 高熱伝導性セラミックハニカムは、多数のハニカム形成
仕切り壁によって広い伝熱面積を提供すると共に、これ
ら縦横にめぐらされた高熱伝導性セラミック仕切り壁に
より授受される熱は高い効率で高温ブロックから低温ブ
ロックに伝達される。

又複数のセラミックハニカムの組合せによる構造は、一
体成形による構造に比較して、熱変形、熱歪に対する拘
束力を大幅に解決し、クラック発生の原因になる特に大
きな引張り応力の発生を抑制する。緊締バンドや焼嵌め
リング、または焼嵌スリーブ等の結合手段は、個々に独
立して成形された複数のセラミックハニカムを熱交換器
として組合せ結束する他、個々のセラミックハニカムの
熱膨張を拘束しセラミックスに有利な圧縮応力を発生さ
せクラックの発生を防ぐ。

（実施例） 以下、本発明のハニカム熱交換器の一実施例を図面によ
って詳細に説明する。

第１図乃至第２図（ｂ）に示すように１本実施例のハニ
カム熱交換器１は、高温高強度かつ高熱伝導性を有する
実質的に炭化けい素質焼結体からなる粉体にバインダー
を加えたスラリーを押出成形によりハニカム形状に成形
され、これを焼成することにより作成される。第２図（
ａ）及び（ｂ）に示す実施例においては、このように作
成されるハニカム成形体が横断面円形のものと扇形のも
のとの２種ある。横断面円形のものを高温流体を通すブ
ロック１０とし、扇形のものを低温流体を通すブロック
２０・・・とじ、さらにこれらブロック１０゜２０・・
・間にこれらハニカム成形体と同一材質である炭化けい
素質焼結体からなるセラミック円筒体１９を介設しこれ
らを一体的にした組合せ体２としてケーシング３内に設
置している。

高温流体を通すブロックを構成する中央ハニカム成形体
１０は、円筒状の外周壁１１と、該外周壁１１の内部に
おいて格子状に水平方向及び垂直方向に相互に直交する
ように一体成形された多数の仕切り壁１２・・・、１３
・・・と、これら仕切り壁間に又仕切り壁と外周壁との
間に形成された長手方向に貫通した多数の通路空間１４
・・・とから構成されている。中央セラミックハニカム
１ｏは、外周部に前記セラミックハニカムと同材質の炭
化けい１ｉＪ質焼結体から成る高強度で熱伝導性に優れ
たセラミック円筒体１９を周設している。

低温流体を通すブロックを構成する外周部セラミックハ
ニカム２０は、内径が前記セラミック円筒体１９の外径
に等しく、外径が例えば前記中央セラミックハニカム１
０の２倍に相当する大きさのリングを均等に４分割した
扇形の横断面を有しており、この扇形の輪郭に沿った外
周壁２１と、外周壁の内部において格子状に水平方向及
び垂直方向に相互に直交するように一体成形された多数
の仕切り壁２２・・・、２３・・・と、これら仕切り壁
間に又仕切り壁と外周壁との間に形成された多数の長手
方向の貫通通路空間２４・・・とから構成されている。

長さは中央セラミックハニカム１ｏよりも短い。

前記セラミックハニカムと一体的に構成するための結合
手段３ｏは、略Ｃ形状に曲成された帯鋼より成るバンド
３１と、その両端部において各々直角状態に外側に折曲
され補強されたフランジ３２．３３と、ボルト及びナツ
ト等のファスナ３４とから構成されており、バンド３１
の長さは前記外周部セラミックハニカム２０が４個で形
成する円筒外周の長さよりも締代を見込んで若干短く決
められている。

外周部にセラミックハニカム２０に対して中央セラミッ
クハニカム１０を両端部において突出状態に組立てた組
立体２は、その前方の突出部を成す中央セラミックハニ
カム１０の前端部において支持フランジ４によってガス
ケットパツキン４ａを介して円筒状ケーシング３内に固
定状態に支持されている。ケーシング３は、組立体２と
の間に、低温流体Ｃの供給路５ａとその排出路５ｂとを
形成しており、又中央セラミックハニカム１０とほぼ同
直径の高温流体導入用短管３ａと排出用短管３ｃを各々
前方端壁３ｂと後方端壁３ｄとに中央セラミックハニカ
ム１０と同軸的に突設しており、組立体２を更に周壁３
ｅにおいて断熱材より成る支持体１８によって緩衝状態
に支持している。又ケーシング３は１周壁３ｅの前、後
端部において各々低温流体が加熱されて排出する出口短
管３ｆと低温流体の入口短管３ｇを突設している。

高温流体Ｈと低温流体Ｃは、各々対向流を成すように、
前者は導入用短管３ａから中央セラミックハニカム１ｏ
へ又後者は入口短管３ｇから供給路５ａを経て外周部セ
ラミックハニカム２０へ導入され、高熱伝導性のハニカ
ム仕切り壁１２・・・、１３・・・、２２・・・、２３
・・・及び密着性の良いセラミック円筒体１９を介して
効率良く熱の授受が行われる。高温流体Ｈを通す中央セ
ラミックハニカム１０は外周セラミックハニカムと分離
しかつ熱膨張が制限されて圧縮応力を生じさせ、又熱の
伝達を受は温度が上昇する外周部セラミックハニカム２
０も４分割体となっているために熱膨張に起因する引張
り応力は開放されて小さくむしろ４分割体の外周セラミ
ックハニカム２０を結束している結合手段３０によって
熱膨張が拘束されて圧縮応力を生じクラックの発生は効
果的に予防されている。万が一部分的にクラックが生じ
たとしても、高温高強度なセラミック円筒体１９によっ
て流体間の混合は完全に防止される。前記セラミックハ
ニカムであるブロック１０．２０及びセラミック円筒体
１９は炭化けい素質焼結体を使用したが他のセラミック
であっても、高温高強度、高熱伝導性及び耐熱性を有し
熱交換器として適用できるもの例えば窒化けい素であれ
ば当然使用できる。以下に本発明で利用し得る炭化けい
素（ＳｉＣ）及び窒化けい素（Ｓ　１３Ｎ４）に対し他
のセラミック（ＺｒＯ２・Ａ１□０３）及び金属の諸特
性を、第１表に挙げ比較する。

え上人 但し、×印の試料番号は本発明の範囲外である・（−）
印は融解又は融解に近いため測定せず・第１表から理解
されるように熱伝導率に関してはＡ１金属が優れている
が高温強度及び耐熱性が低く、また５ＵＳ３０４は熱伝
導率、高温強度及び耐熱性共に低く熱交換器として使用
に耐えない。

これに対しセラミックスは大半使用できるが、特に炭化
けい素質焼結体（ＳｉＣ）は熱伝導率が優れ、高温強度
及び耐熱性も良好である。ジルコニア（ＺｒＯ２）やＡ
１□０３は高温強度に関し不利であるが、熱交換器の使
用温度や構造を工夫すれば使用できるものと考えられる
。

セラミック円筒体１９に関してはセラミックハニカム１
０．２ｏと同一の材料、即ち熱膨張係数が同一のもので
あることが好ましい。同一材料でなくても熱膨張係数が
近似していればよい。例えば炭化けい素質焼結体の熱膨
張係数は３〜４×１０−６／’Ｃであり、これに使用で
きるセラミック円筒体としては熱膨張係数が約３　Ｘ　
１０−’／’Ｃの窒化けい素質焼結体が利用できる。

〈応用例〉 上記実施例のハニカム熱交換器１は、第３図に示すよう
に乗用車等の急速暖房システムに適用されるもので、エ
ンジンＥの吸気管■のバイパスラインＢに組込まれた燃
焼器ＣＢより高温流体としての燃焼ガスＨの供給を受け
、エアコンユニットＡＣによって循環される低温流体と
しての暖房用空気Ｃを急速に加熱するために応用される
。

燃焼器ＣＢは、エンジンＥのセルモータの始動と共にエ
アーフィルタＡＦより吸引された空気をバイパスライン
Ｂを経てスロットル弁Ｓｖと螺形弁ＢＶの制御を受けて
導入し、制御器ＣＵの制御の下にタンクＦＴから燃焼ポ
ンプＦＰによって供給されて来る燃料を制御して気化器
ＣＡで気化させ点火栓ＨＰで点火させて燃焼させ高温ガ
スを発生させる。

高温燃焼ガスＨは、上記ハニカム熱交換器１へ供給され
、暖房用熱源として利用されると共に、エンジンＥの始
動時の吸気加熱として利用され、インテークバーナとほ
ぼ同様にエンジンの始動性を大幅に改善する。従って、
ディーゼル車においては始動時特有の青白煙の問題や、
臭気の問題も解消される。

このように本発明の高温度Ｔ□の燃焼ガスの供給を受け
るハニカム熱交換器１を組込んだ急速暖房システムによ
り、第４図に示すように、軽油１６ｃｃ／分、風量３０
０Ｑ／分、室温１０℃の条件下において、２４０ｍ’／
時の風量の空気が着火後６０秒前後で約１００℃（熱交
換後の温風温度Ｔ２に相当）で得られ、氷点下において
もより早くフロントガラスの凍結を解凍しデフロストす
ることが可能となった。

（発明の効果） 以上述べた通り１本発明のハニカム熱交換器によれば、
複数の独立した高熱伝導性セラミックハニカムを高温流
体を通すブロックと、低温流体を通すブロックとに集約
して、結合手段によって一体的に組合せて構成している
ために、セグメント化によって熱膨張に起因する引張り
応力を解放し。

更に結合手段によって熱膨張を拘束することによってセ
ラミックスが良く耐える圧縮応力に転換してクラックの
発生を効果的に防ぐことが可能となり、耐久性を大幅に
改善することができる。又高温流体を通すブロックと低
温流体を通すブロックとの間に、高強度の高熱伝導性セ
ラミック円筒体を介設することによって、ハニカム熱交
換器を補強すると共に熱伝達を向上し、父方が一部分的
にクラックが生じたとしても流体間の混合を確実に防止
することが可能となる６

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のハニカム熱交換器の一実施例の縦断面
図、第２図（ａ）は同実施例のセラミックハニカムの組
合せ体の一部断面斜視図、第２図（ｂ）は部分展開斜視
図、第３図はハニカム熱交換器の応用例を示す系統説明
図、第４図は本発明のハニカム熱交換器の性能を示すグ
ラフ、第５図は従来のハニカム熱交換器の部分横断面図
である。 （符号の説明） １・・・本発明のハニカム熱交換器、１０．２０・・・
セラミックハニカム、１９・・・セラミック円筒体、３
０・・・結合手段。 一以上一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高温流体を通すセラミックハニカムの外周部に低温
   流体を通すセラミックハニカムをセラミック円筒体を介
   して一体的に接合したことを特徴とするハニカム熱交換
   器。 ２、前記セラミックハニカムが、炭化けい素質焼結体よ
   り成るハニカム熱交換器。 ３、前記セラミック円筒体が炭化けい素質焼結体より成
   るハニカム熱交換機。