JP3413141B2 - メタルハニカム体、熱交換器用蓄熱体、蓄熱式バーナー及びメタル担体 - Google Patents
メタルハニカム体、熱交換器用蓄熱体、蓄熱式バーナー及びメタル担体Info
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Description
るメタルハニカム体、該メタルハニカム体を用いてなる
高温の排気ガスが有する熱を低温の吸入ガスに熱交換す
るための熱交換器用蓄熱体、該蓄熱体を用いた燃焼用バ
ーナー、及び該メタルハニカム体を用いてなる排気ガス
浄化用メタル担体に関する。
を発生し、燃焼室そのもの及び燃焼室内に配置した製品
を加熱したり、あるいは耐火物を内張りした溶湯容器を
乾燥・予熱する方法が知られている。高温ガスの発生に
際しては、燃料と燃焼用空気を混合して燃料を燃焼させ
る。この燃焼用空気を予め高温に熱しておけばより温度
の高い高温ガスを発生させることができる。そして、燃
焼室から排出する高温の排気ガスの顕熱を燃焼用空気に
熱交換することにより、燃焼用空気を予熱することがで
きる。
み上げ、該蓄熱室内に高温の排気ガスを通過させて蓄熱
体を熱し、次いで該蓄熱室内に燃焼用空気を通過させて
燃焼用空気を熱する方法が知られている。室炉式コーク
ス炉や蓄熱式バーナーにおいては、2組の蓄熱室(蓄熱
体)を準備して、排気ガスによる蓄熱体の予熱と蓄熱体
による燃焼用空気の予熱とを交互に繰り返し、燃焼用空
気と排気ガスとの間で熱交換を行なっている。
蓄熱体として、特開平6−201276号公報には、セ
ラミックボールやセラミックペレット、更にはセラミッ
クス又は金属に多数の通気孔を開口したハニカム体を用
いる方法が開示されている。また、蓄熱式ラジアントチ
ューブバーナーや蓄熱式オープンフレームバーナー用の
蓄熱体として、特公平7−39913号公報には、同じ
くセラミックスに多数のハニカム状の通気孔を有する蓄
熱体を用いる方法が開示されている。
スの熱を吸入空気に熱交換するために、回転体状の蓄熱
体が用いられる。該蓄熱体は円筒形状をなし、円筒形の
軸方向に多数の通気孔を有し、円筒形の中心軸のまわり
に回転する。蓄熱体の約半分の領域の通気孔を高温の排
気ガスが通過することによって排気ガスの熱を蓄熱体に
蓄熱しする。蓄熱体の残り半分の領域の通気孔を吸入空
気が通過する。蓄熱体は回転しているので、排気ガスに
よって高温に熱せられた蓄熱体の部分が順次吸入空気が
通過する部分に移動し、これによって熱が吸入空気に移
動する。加熱炉等におけるバーナーについても、炉室か
ら排出される高温の排気ガスの熱を燃焼用空気に熱交換
するために、回転体式の蓄熱体を用いることができる。
体に使用することのできる構造物の製造方法として、米
国特許第3479731号公報には、コルゲート状の金
属板(波板)と平坦な金属板(平板)とを巻き回して積
層した上で両金属板の接触部をロウ付けし、多数の通気
孔を有するハニカム体を製造する方法が開示されてい
る。
めの触媒担体として、ステンレス鋼製平箔と波箔とを積
層し、多数の通気孔を有するメタルハニカム体としたメ
タル担体が用いられている。
レットを用いた蓄熱体では、蓄熱体を構成する該ボール
やペレット自体は蓄熱体の強度部材となり得ないので、
回転体のような蓄熱体そのもので強度を保有する必要の
ある用途に用いることはできなかった。
開口してなる蓄熱体は、熱衝撃に対して弱く、大型の蓄
熱体を製造することが困難であるという問題点を有して
いた。回転体式の蓄熱体を用いるバーナー、特に燃焼熱
量の大きい加熱炉に用いるバーナー等においては、蓄熱
体として大きな回転体状の構造物を用いる必要がある
が、従来のセラミックス製蓄熱体においては、いくつか
のブロックに分割して製造した上で組み合わせて用いて
いた。これでは機械的に十分な強度を有する蓄熱体を製
造することはできない。
なる蓄熱体は、重量が過大となり回転機構が大型となる
ため、バーナーには実用的でないという問題点を有して
いた。
接触部を接合して多数の通気孔を有するハニカム体とし
てなる蓄熱体は、軽量、かつ、熱衝撃に対する強度は十
分に有しており、大型の構造物とすることも可能であ
る。一方、金属箔を用いるために耐熱性はセラミックス
に比べて低く、耐熱性ステンレス鋼箔を用いた場合でも
耐熱温度は1000℃程度である。また、蓄熱体として
用いるには金属箔の熱容量が小さいという問題があっ
た。
レス鋼製平箔と波箔とを積層してハニカム体としたメタ
ル担体を用いた場合、エンジン始動初期において速やか
に担体の温度が上昇して触媒反応が開始するというメリ
ットがある反面、エンジンを停止するとメタル担体の温
度が低下する速度も速く、再度エンジンを始動したとき
は温度の低いメタル担体の昇温を待つ必要があるという
課題を有していた。
有し、かつ耐熱性と熱容量とを備えた熱交換器用の蓄熱
体を提供することを第1の目的とする。
体として、エンジン始動時における温度上昇特性は確保
しつつ、エンジン停止時においてもメタル担体の温度低
下速度が低いメタル担体を提供することを第2の目的と
する。
るところは、以下の通りである。 (1)金属製平箔2と波箔3とを積層して多数の通気孔
5を有するハニカム体とし、該ハニカム体の通気孔5の
壁面を構成する金属箔表面にセラミック層4をコーティ
ングしてなることを特徴とするメタルハニカム体。 (2)上記(1)に記載のメタルハニカム体を蓄熱体8
として用いたことを特徴とする熱交換器用蓄熱体。 (3)ハニカム体を構成する金属箔がステンレス鋼箔で
あり、該ステンレス鋼箔の厚みが50μm〜200μm
であり、セラミック層厚みが30μm〜100μmであ
ることを特徴とする上記(2)に記載の熱交換器用蓄熱
体。 (4)前記金属製平箔2と波箔3とをスパイラル状に巻
き回して積層し、蓄熱体中心部に中空部9を有する回転
体状の形状であることを特徴とする上記(2)又は
(3)に記載の熱交換器用蓄熱体。 (5)燃料供給パイプ11と、該燃料供給パイプ11先
端の燃料ノズル12と、前記燃料供給パイプ11の外側
に上記(4)に記載の熱交換器用蓄熱体8を回転可能に
配置した熱交換器とを有し、燃焼室10内の高温の燃焼
排ガス25は前記熱交換器の一部分において前記蓄熱体
8の通気孔5を経由して排出し、燃焼用空気24は前記
熱交換器の他の部分において前記蓄熱体8の通気孔5を
経由して燃焼室10内に導入し、前記燃料ノズル12か
ら供給した燃料21を燃焼することを特徴とする蓄熱式
バーナー。 (6)上記(1)に記載のメタルハニカム体1を触媒担
体として用いたことを特徴とする排気ガス浄化用メタル
担体17。 (7)ステンレス鋼製平箔2と波箔3とを積層して多数
の通気孔5を有するハニカム体とし、該ハニカム体の外
周側(18)に配置された通気孔の壁面を構成するステ
ンレス箔表面にセラミック層4をコーティングしてなる
ことを特徴とする上記(6)に記載の排気ガス浄化用メ
タル担体。
(b)に示すように、金属製平箔2と波箔3とを積層し
て多数の通気孔5を有するハニカム体とし、該ハニカム
体の通気孔5の壁面を構成する金属箔表面にセラミック
層4をコーティングすることを特徴とする。
カム体を構成しているので、耐熱衝撃性を十分に保有
し、大型の蓄熱体8を構成する上でも十分な強度を有し
ている。蓄熱体8、特に各通気孔5の加熱と冷却が短時
間で繰り返される蓄熱体においては、通気孔の表面は加
熱時に高温に熱せられるものの、通気孔壁面の内部の温
度は表面ほどには上昇しない。また本発明のメタルハニ
カム体1の金属箔表面はセラミック層4でコーティング
されているので、酸化性のある排ガスや空気に直接接触
することがないため、内部の金属箔(2、3)の酸化を
防止することが可能である。そのため、従来のメタルハ
ニカム体の耐熱温度を超えた1200℃程度の高温の環
境において蓄熱体として使用することが可能になる。ま
た、従来のメタルハニカム体による蓄熱体に比較して熱
容量が増大し、蓄熱体体積当たりの蓄熱容量が増大する
という効果も有する。
化用の触媒担体として使用すると、従来のメタルハニカ
ム体を使用した場合と比較して触媒担体の熱容量を増大
することができる。特に、図4に示すようにハニカム体
の外周側(18)に配置された通気孔の壁面を構成する
ステンレス箔表面にセラミック層をコーティングすると
有利である。
排気ガス30の流速はメタル担体の半径方向に分布を有
し、ハニカム体の中心部は外周側に比較して流速が大き
い。エンジン始動時には排気ガスは主にハニカム体の中
心部の通気孔に流入し、本発明においては、ハニカム体
の中心部(19)に配置された通気孔5は金属製平箔2
と波箔3のみで構成されているので熱容量が小さく、該
中心部の通気孔は急速に温度が上昇して触媒に着火し排
気ガスの浄化が開始される。着火後は外周部(18)の
通気孔の温度も上昇し、外周部を含めて排気ガスの浄化
が行われる。
るいは停止後は、中心部(19)の通気孔は熱容量が小
さいので温度は急速に低下するものの、外周部(18)
の通気孔5は金属箔表面にセラミック層4がコーティン
グされていて熱容量が大きいので温度低下の速度は低
い。そのため、エンジンの回転を再度上昇あるいはエン
ジンを再始動した時点において外周部の通気孔は高温を
保っており、速やかに触媒を着火することができる。
交換器用の蓄熱体8として用いる場合の実施の形態につ
いて図1に基づいて説明する。
ては、耐熱性を有するステンレス鋼を用いることが好ま
しい。ステンレス鋼製の平箔にコルゲート加工を加えて
波箔3とし、該波箔3と平箔2とを積層してハニカム体
とする。波箔3と平箔2とを重ね合わせて巻き回すこと
により積層することができる。ガスタービンエンジン用
の蓄熱体のように該蓄熱体8の回転中心にガス管等が存
在しない場合には、円盤状のハブ7の外周に波箔3と平
箔2とを巻き回すことによってメタルハニカム体1を形
成する。蓄熱体8の中心に燃料ガスの配管15を通過さ
せる場合には、図1(a)に示すように前記ハブ7とし
て中空部9を有するハブを用いる。巻き回しを完了した
ハニカム体の外周部にステンレス鋼製の外筒6を配置
し、ハニカム体の平箔2と波箔3との接触部、ハブ7と
箔との接触部、外筒6と箔との接触部についてロウ付け
又は拡散接合によって接合する。
は、50μm〜200μmの範囲が好ましい。箔の厚み
が50μm以上であれば、蓄熱容量を確保するととも
に、大型構造物としての強度を確保することが可能であ
る。また200μm以下であれば通気抵抗(圧力損失)
が小さく、燃焼用空気ブロアーのエネルギーロスが少な
いからである。
セル〜600セルの範囲が好ましい。50セルより少な
いと蓄熱容量が低いため蓄熱体を大型にせざるを得なく
なり、不経済である。600セルより多いと、圧力損失
が過大となったり通気孔が小さくなりすぎて目詰まりを
起こしやすい問題がある。
する金属箔表面にセラミック層4をコーティングする。
コーティングするセラミックとしては、高温の耐熱性に
優れる材質であればよい。具体的にはシリカ、アルミ
ナ、SiC等を主成分としたものが耐熱性に優れ好まし
い。セラミック層4のコーティング厚みは片側で30μ
m〜100μmの範囲が好ましい。コーティング厚みが
30μm以上であれば、通気孔5を通過する高温ガスが
酸化性ガスであっても金属箔が酸化されることがない。
また、コーティング厚みが100μm以下であれば、製
造コストを安価に保ち、かつセラミック層4のひび割れ
の発生がなく、通気孔5の通気抵抗を低く保つことがで
きる。
は、例えば、水とシリカ粉とを混合したスラリー中にメ
タルハニカム体1を浸漬し、メタルハニカム体1の通気
孔壁面にスラリーが付着した状態でスラリー槽から引き
上げ、通気孔中に向けてエアーブローを行なうことによ
って付着スラリーの厚みを調整する。次いでメタルハニ
カム体1を高温に保持することによってセラミック層4
を金属箔に焼き付ける。
と冷却のサイクルが60秒程度未満の短周期熱交換器と
して使用する場合には、高温ガスの温度が1300℃ま
で上昇しても使用可能であり、1000時間以上の耐久
時間を有する。また、加熱冷却サイクルが60秒程度以
上の場合においても、1200℃の高温ガス温度に耐え
ることができる。
場合の実施の形態について図2、3に基づいて説明す
る。
ガスを通過させて蓄熱体を加熱している間に他方の蓄熱
体に燃焼用空気を通過させて燃焼用空気を加熱し、燃焼
用空気と排気ガスとを通過させる蓄熱体を交互に切り替
える方式の蓄熱式バーナーにおいても、もちろん本発明
の蓄熱体を用いることができる。
8を用いる熱交換器においてより効果を発揮する。回転
体式蓄熱体8は、蓄熱体それ自体で十分な強度を有する
ことが必要であり、大容量のバーナーであれば蓄熱体を
大型化することも必要である。本発明により、これらの
要求を満たす蓄熱体を構成することが可能である。
方向一方の側において蓄熱体8に高温の燃焼排ガス25
を通すことにより排ガス25の熱を蓄熱体8に熱交換
し、蓄熱体8の周方向他方の側において蓄熱体8に燃焼
用空気24を通すことによって蓄熱体8の熱を燃焼用空
気24に熱交換する。蓄熱体8は回転しているので、排
ガス25の熱を燃焼用空気24に熱交換することが可能
である。
する形状とすることにより、図3に示すように該中空部
9に燃料供給パイプ11を通過させることができる。該
燃料供給パイプ11先端の燃料ノズル12から燃焼室1
0内に燃料を供給し、蓄熱体8を通過した高温の燃焼用
空気24を同じく燃焼室内に供給することにより、燃焼
室内で燃焼が行われて高温の燃焼ガスを発生させること
ができる。燃料供給パイプ11が蓄熱体8の中心部を貫
通する形で配置されているので、燃料供給パイプ11と
蓄熱体8とをコンパクトに構成することができ、一体化
した安価な蓄熱式バーナーとすることができる。
用の触媒担体(メタル担体17)として用いる場合の実
施の形態について図4に基づいて説明する。
と波箔3とを交互に巻き回してハニカム体とし、ステン
レス鋼製の外筒6に収納し、平箔と波箔の接触部及びハ
ニカム体と外筒との接触部をロウ付けや拡散接合によっ
て接合することにより構成する。ステンレス箔の厚みは
20μm〜50μmの範囲が好ましい。次いで、メタル
担体の中心部(19)の通気孔5を除き、外周部(1
8)の通気孔5を構成する箔の表面にセラミック層4の
コーティングを行なう。セラミック粉を含んだスラリー
を用意し、中心部(19)の通気孔5の開口部を閉鎖し
た状態でメタル担体を該スラリー中に浸漬することによ
り、外周部(18)の通気孔5にのみセラミック層4を
コーティングすることができる。コーティングするセラ
ミックとしてはシリカ、アルミナ、SiC等を用いるこ
とができ、コーティング層厚みは30μm〜100μm
が好ましい。コーティング層厚みが30μm以上であれ
ばセラミックコートによる蓄熱容量の点で好ましく、1
00μm以下であればセラミックコートのひび割れの発
生が少なく、剥離しにくい点で好ましい。このメタル担
体の各通気孔の壁面に触媒を担持させることによって触
媒担体が完成する。
わない部分19と外周部のセラミック沿うコーティング
を行なう部分18との境界は、メタル担体中心からの距
離がメタル担体の半径の0.5〜0.8倍の範囲が好ま
しい。0.5未満になると中心部の非コーティング部分
の面積が小さくなり、始動時にメタル担体が暖まりにく
くなる。0.8を超えると、ハニカム外周部のコーティ
ング部分の半径方向長さが小さくなり、保温性が低下し
て降温時にメタル担体が冷えやすくなる。
メタルハニカム体の用途は、上記蓄熱体及び排気ガス浄
化用触媒担体に限定されるものではなく、他の有用な用
途に用いることができる。
熱するためのバーナーに、図3に示す本発明の蓄熱式バ
ーナーを用いた。蓄熱体8として中空部9を有する回転
体式の蓄熱体を用い、該中空部9を燃料供給パイプ11
が貫通する。溶鋼鍋の上面開口部を覆う蓋に蓄熱式バー
ナーを配置し、該蓋で溶鋼鍋を覆った上でバーナーを燃
焼して溶鋼鍋内部の耐火物を乾燥・予熱する。
50mm、中空部9の直径300mmであり、メタルハ
ニカム体1の部分は厚み100μmのステンレス鋼製平
箔2と波箔3とを交互に巻き回して構成する。通気孔5
の密度は、平方インチ当たり100セルとした。箔の表
面に厚み30μmのシリカによってセラミック層4をコ
ーティングした。
溶鋼鍋内部の高温の燃焼排ガス25を蓄熱体8の周方向
一方の側から通過させて系外に排出し、蓄熱体8の周方
向他方の側から燃焼用空気24を通過させて燃焼用空気
24を予熱し、更に蓄熱体8の中空部9を貫通する燃料
供給パイプ11から燃料を供給し、溶鋼鍋内に配置した
燃料ノズル12から燃料を噴出し、燃焼用空気と混合し
て燃焼を行なった。燃料としてはコークス炉ガスを用い
た。燃焼用空気の温度は、溶鋼鍋内部のガス温度より1
00℃低い温度まで上昇した。
場合、溶鋼鍋内部のガス温度は10時間経過後に400
℃までしか上昇せず、溶鋼鍋耐火物温度は100℃以下
であった。本発明の上記蓄熱体を用いた蓄熱式バーナー
を用いたところ、溶鋼鍋内部のガス温度は10時間経過
後に800℃まで上昇し、溶鋼鍋耐火物温度は200℃
を超える温度とすることができた。この結果、溶鋼鍋予
熱・乾燥において、省エネルギー率が34%改善され、
熱効率は49%改善され、排熱回収率は42%改善され
た。
を用いて交互に切り替えながら加熱を行なう方式と比較
し、蓄熱式でありながら非常にコンパクトな設備とする
ことができた。その結果、蓄熱式ではない従来の溶鋼鍋
乾燥・予熱装置をそのまま用い、バーナー部分のみを取
り換えることによって簡単に蓄熱式の予熱・乾燥装置に
改造することができた。
とを積層してハニカム体を構成しているので、耐熱衝撃
性を十分に保有し、大型の蓄熱体を構成する上でも十分
な強度を有している。また金属箔表面はセラミック層で
コーティングされているので、従来のメタルハニカム体
の耐熱温度を超えた高温の環境において蓄熱体として使
用することが可能になるとともに、蓄熱体体積当たりの
蓄熱容量が増大する。
用の触媒担体として使用し、ハニカム体の外周側に配置
された通気孔の壁面を構成するステンレス箔表面にセラ
ミック層をコーティングすることにより、エンジン始動
時には排気ガスは主にハニカム体の中心部の通気孔に流
入し、ハニカム体の中心部に配置された通気孔は金属製
平箔と波箔のみで構成されているので熱容量が小さく、
該中心部の通気孔は急速に温度が上昇して触媒に着火し
排気ガスの浄化が開始される。エンジンの運転をアイド
リングに変更後あるいは停止後は、外周部の通気孔は金
属箔表面にセラミックがコーティングされていて熱容量
が大きいので温度低下の速度は低く、エンジンの回転を
再度上昇あるいはエンジンを再始動した時点において外
周部の通気孔は高温を保っており、速やかに触媒を着火
することができる。
す図であり、(a)は全体斜視図、(b)は部分断面図
である。
ナーを示す部分図である。
ナーを示す部分図である。
あり、(a)は排気管に接続した状況を示す断面図、
(b)は(a)のA−A矢視断面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 金属製平箔と波箔とを積層して多数の通
気孔を有するハニカム体とし、該ハニカム体の通気孔の
壁面を構成する金属箔表面にセラミック層をコーティン
グしてなることを特徴とするメタルハニカム体。 - 【請求項2】 請求項1に記載のメタルハニカム体を蓄
熱体として用いたことを特徴とする熱交換器用蓄熱体。 - 【請求項3】 ハニカム体を構成する金属箔がステンレ
ス鋼箔であり、該ステンレス鋼箔の厚みが50μm〜2
00μmであり、セラミック層厚みが30μm〜100
μmであることを特徴とする請求項2に記載の熱交換器
用蓄熱体。 - 【請求項4】 前記金属製平箔と波箔とをスパイラル状
に巻き回して積層し、蓄熱体中心部に中空部を有する回
転体状の形状であることを特徴とする請求項2又は3に
記載の熱交換器用蓄熱体。 - 【請求項5】 燃料供給パイプと、該燃料供給パイプ先
端の燃料ノズルと、前記燃料供給パイプの外側に請求項
4に記載の熱交換器用蓄熱体を回転可能に配置した熱交
換器とを有し、燃焼室内の高温の燃焼排ガスは前記熱交
換器の一部分において前記蓄熱体の通気孔を経由して排
出し、燃焼用空気は前記熱交換器の他の部分において前
記蓄熱体の通気孔を経由して燃焼室内に導入し、前記燃
料ノズルから供給した燃料を燃焼することを特徴とする
蓄熱式バーナー。 - 【請求項6】 請求項1に記載のメタルハニカム体を触
媒担体として用いたことを特徴とする排気ガス浄化用メ
タル担体。 - 【請求項7】 ステンレス鋼製平箔と波箔とを積層して
多数の通気孔を有するハニカム体とし、該ハニカム体の
外周側に配置された通気孔の壁面を構成するステンレス
箔表面にセラミック層をコーティングしてなることを特
徴とする請求項6に記載の排気ガス浄化用メタル担体。
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JP32538599A JP3413141B2 (ja) | 1999-11-16 | 1999-11-16 | メタルハニカム体、熱交換器用蓄熱体、蓄熱式バーナー及びメタル担体 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2001138417A JP2001138417A (ja) | 2001-05-22 |
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JP32538599A Expired - Lifetime JP3413141B2 (ja) | 1999-11-16 | 1999-11-16 | メタルハニカム体、熱交換器用蓄熱体、蓄熱式バーナー及びメタル担体 |
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-
1999
- 1999-11-16 JP JP32538599A patent/JP3413141B2/ja not_active Expired - Lifetime
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