JP6608598B2 - ハニカム構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はハニカム構造体の製造方法に関する。

一般的に、空気予熱装置における熱交換器の性能は、熱交換する気体に接する伝熱面の面積に大きく依存し、伝熱面の面積が大きいほど熱交換器の熱交換性能が優れ、高温の予熱空気が得られる。そのため、熱交換器の熱交換エレメントには、微細構造を有し且つ耐熱性に優れることが求められる。
特許文献１には、微細構造を有し且つ耐熱性に優れるセラミックハニカム構造体を熱交換器の熱交換エレメントとして用いた空気予熱装置が記載されている。また、特許文献２には、微細構造を有し且つ外周面が外周被覆剤で被覆されたセラミックハニカム構造体を基体として用いたフィルタが記載されている。さらに、特許文献３には、微細構造を有し且つ表面が触媒被覆層で被覆されたセラミックハニカム構造体を抵抗体として用いた発熱体が記載されている。

しかしながら、特許文献１〜３に記載のセラミックハニカム構造体は、微細構造を有し且つ高温下での使用が可能であるものの、一般的にセラミックハニカム構造体は多孔質セラミックで構成されているため、セラミックハニカム構造体のセルを区画する隔壁を気体が透過するおそれがあった。したがって、特許文献１〜３に記載のセラミックハニカム構造体を、２種の気体の間で熱交換を行う熱交換器の熱交換エレメントとして用いると、２種の気体が隔壁を透過して混合してしまうので、熱交換器としての機能が低下するおそれがあった。

特許文献２，３には、多孔質セラミックで構成されたセラミックハニカム構造体の隔壁の表面を被覆する技術が開示されているが、特許文献２においては、高温下で使用された際に発生する熱応力を緩和する目的で外周被覆剤が被覆されており、また、特許文献３においては、高温下で使用された際の酸化を防ぐ目的で触媒被覆層が被覆されているので、気体の透過を防止する機能は不十分であった。

特開２０１２−１９３９４６号公報 特開２０１１−８４４４８号公報 特開平９−３０６６４４号公報

そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、気体の透過が生じにくいハニカム構造体の製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の一態様に係るハニカム構造体は、セラミック製の隔壁で多角柱状に区画されたセルの複数がハニカム状に配列された基体を有し、該複数のセルの一部に高温のガスを導入し、他部に低温のガスを導入して、前記高温のガスと前記低温のガスとの間で連続的に熱交換を行う熱交換エレメントに用いるハニカム構造体であって、前記隔壁の表面に被覆されたガラス層を備え、前記ガラス層の質量は前記基体の質量の２０質量％以上であることを特徴とする。

このハニカム構造体においては、前記ガラス層の厚さは、前記セルの軸方向端部に開口する多角形状の開口部が有する最小の辺の長さの１０％以下であってもよい。
また、前記ガラス層は、セラミック粉末を含有する表面処理液を前記隔壁の表面に配した後に熱処理を施す表面処理により形成されたものであり、前記表面処理液の粘度は６０ｍＰａ・ｓ以下であってもよい。そして、前記熱処理の温度は１０００℃以上１３００℃以下としてもよい。
さらに、このハニカム構造体においては、前記ガラス層をシリカ及びアルミナの少なくとも一方で構成してもよい。さらに、このハニカム構造体においては、前記隔壁を構成するセラミックを炭化ケイ素としてもよい。

本発明に係るハニカム構造体は、基体の隔壁の表面にガラス層が被覆され、ガラス層の質量が基体の質量の２０質量％以上であるため、気体の透過が生じにくい。

本発明に係るハニカム構造体の一実施形態を示す図であり、（ａ）は全体の斜視図、（ｂ）は部分拡大図（（ａ）の丸で囲んだ部分の拡大図）である。 ガラス層を説明する拡大図である。 ガラス層の質量とハニカム構造体の通気抵抗値との関係を示すグラフである。 ガラス層の質量とハニカム構造体の気体透過率との関係を示すグラフである。 表面処理液の粘度とハニカム構造体の嵩比重及びガラス層の厚さとの関係を示すグラフである。 熱交換エレメントとして用いられるハニカム構造体の細部を拡大して示す部分拡大図である。

本発明の実施の形態を、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１に示すハニカム構造体１は、多孔質セラミック製の隔壁２ａで四角柱状に区画されたセル１０（一辺の長さは例えば１ｍｍ以上１０ｍｍ以下）の複数がハニカム状に配列された基体２を備えている。詳述すると、基体２は、複数のセル１０が縦方向及び横方向に隙間なく並べられて格子状をなす構造を有している。
なお、セル１０の形状は四角柱状に限定されるものではなく、隙間なく並べて空間充填が可能な形状であれば、どのような形状でも適用可能である。例えば、三角柱状や六角柱状でもよい。また、四角柱状の場合でも、セル１０の断面形状は、図１に示すような正方形に限定されるものではなく、長方形、平行四辺形等の形状も適用可能である。

また、隔壁２ａを構成するセラミック（すなわち、基体２を構成するセラミック）の種類は特に限定されるものではなく、炭化ケイ素、シリカ、ガラス、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、マグネシア、ジルコニア、チタニア、ハフニア、イットリア、ランタナ等のセラミックのうち１種を単独で使用することができるし、あるいは２種以上を併用することもできる。これらの中では、耐熱性に優れることから、炭化ケイ素が好ましい。
このハニカム構造体１は、下記に示す処理を基体２に施すことにより基体２の表面（隔壁２ａの表面）に被覆されたガラス層３を備えている（図２を参照）。すなわち、セラミック粉末を含有する表面処理液を基体２の隔壁２ａの表面に例えば膜状に配した後に熱処理を施す表面処理を行うことにより、基体２の隔壁２ａの表面にガラス層３が形成されている。表面処理液を基体２の表面に配する方法は特に限定されるものではなく、浸漬、スプレー、塗布等があげられる。

基体２を構成する多孔質セラミックに表面処理を施すと、表面処理液中のセラミック粉末がガラス化して流動化し、多孔質セラミックの気孔内に浸透し硬化して気孔を塞ぐとともに、隔壁２ａの表面を覆って硬化し、ガラス層３となる。そして、このガラス層３は、ガラス層３の質量が基体２の質量の２０質量％以上となるように形成されている。
このように、ガラス層３で気孔が塞がれるとともに隔壁２ａの表面が被覆されているので、ハニカム構造体１の気体透過率が低くなり、セル１０中の気体が隔壁２ａを透過して隣接するセル１０に漏洩することが抑制される。ガラス層３の質量が基体２の質量の２０質量％以上であれば、十分な量のガラス層３が隔壁２ａの表面に被覆されているため、セル１０中の気体が隔壁２ａを透過して隣接するセル１０に漏洩することが防止される。

ただし、ガラス層３の質量が多すぎると、セル１０の目詰まりが生じるおそれがある。すなわち、セル１０の軸方向端部に開口する正方形状の開口部１０ａが、ガラス層３により閉塞するおそれがある。セル１０の目詰まりを防止するためには、ガラス層３の厚さＴを、セル１０の開口部１０ａが有する各辺のうち最小の辺の長さＬ（本実施形態の場合は、開口部１０ａの形状は正方形であり、全ての辺の長さが同一であるので、一辺の長さ）の１０％以下とすることが好ましく、５％以下とすることがより好ましい（図２を参照）。

ガラス層３の厚さＴを上記のような範囲とすれば、セル１０の目詰まりを防止しつつ気体透過率が低いハニカム構造体１を得ることができる。また、ガラス層３に厚みムラが生じにくく、均一な厚さのガラス層３を形成することができる。例えば、ガラス層３の厚さＴが開口部１０ａが有する最小の辺の長さＬの１５％以上であると、ガラス層３０の厚みムラによりセル１０に目詰まりが生じて閉塞し、全セルの２０％程度が閉塞する。ガラス層３の厚さＴが開口部１０ａが有する最小の辺の長さＬの１０％以下であれば、セル１０の閉塞は発生しにくい。

そして、このようなハニカム構造体１を熱交換器の熱交換エレメントとして使用すれば、各セル１０に均等に空気及び排気ガスを通気できるとともに、セル１０に空気及び排気ガスを通気する際の圧力損失を小さくすることができる。
ガラス層３の質量や厚さＴは、表面処理を施す回数や表面処理に用いる表面処理液の粘度によって制御することができる。例えば、表面処理液の粘度は６０ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。そうすれば、表面処理液が多孔質セラミックの気孔内に容易に浸透するため、隔壁２ａの表面に形成されるガラス層３の質量が大きくなりやすく、質量が基体２の質量の２０質量％以上であるガラス層３を容易に形成することができる。また、隔壁２ａの表面に形成されるガラス層３の厚さを小さくできるので、セル１０の目詰まりを防止しつつ気体透過率が低いハニカム構造体１を得ることができる。

なお、熱処理の温度は、１０００℃以上１３００℃以下であることが好ましい。１０００℃以上であれば、ガラス化したセラミック粉末の流動性が高くなるので、気孔内に浸透しやすくなる。また、１３００℃以下であれば、ガラス化したセラミック粉末の発泡を抑制することができるので、発泡によるセル１０の目詰まりが抑制される。
また、表面処理液の組成は、セラミック粉末と溶媒であり、必要に応じて増粘剤、界面活性剤（分散剤）、解膠剤、流動点降下剤等の添加剤を添加してもよい。溶媒の種類は特に限定されるものではないが、水や、イソプロピルアルコール、エタノール等の有機溶剤があげられる。

さらに、表面処理液中のセラミック粉末の濃度は特に限定されるものではないが、２０質量％以上６０質量％以下とすることが好ましい。
さらに、セラミック粉末の平均粒径は特に限定されるものではないが、０．１μｍ以上２００μｍ以下とすることが好ましい。
さらに、表面処理液に含まれるセラミック粉末の種類は特に限定されるものではなく、シリカ、ガラス、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、マグネシア、ジルコニア、チタニア、ハフニア、イットリア、ランタナ等のセラミックのうち１種を単独で使用することができるし、あるいは２種以上を併用することもできる。これらの中では、シリカ及びアルミナの少なくとも一方を使用することが好ましく、シリカを使用することがより好ましい。セラミック粉末としてシリカを用いれば、ガラス層３はシリカで構成される珪酸ガラス層となる。

ここで、ガラス層の質量とハニカム構造体の通気抵抗値及び気体透過率との関係を、図３，４のグラフに示す。なお、ハニカム構造体を構成するセラミックの種類は炭化ケイ素であり、ガラス層を構成するセラミックの種類はシリカ（表面処理液に含まれるセラミック粉末の種類はシリカ）である。
また、気体透過率とは、ハニカム構造体のセルの隔壁を透過してセル内からセル外に出る気体の量の比率である。この気体透過率は、ハニカム構造体のセル内に気体を加圧しつつ導入し（ハニカム構造体が熱交換器の熱交換エレメントとして使用される場合の圧力で気体を導入する）、セルの隔壁を透過してセル内からセル外に出た気体の量を測定することによって得ることができる。

さらに、通気抵抗値とは、気体の透過しやすさを示す数値であり、図３のグラフにおいては、ガラス層の質量が基体の質量の５質量％以下であるハニカム構造体の気体の透過しやすさを１とした場合の相対値で示してある。この通気抵抗値は、ハニカム構造体のセル内に高圧の気体を導入し、セルの隔壁を透過してセル内からセル外に出た気体の量を測定することによって得ることができる。
図３のグラフから、ガラス層の質量の増加とともに通気抵抗値が増加し、ガラス層の質量を基体の質量の２０質量％以上とすれば、通気抵抗値が極めて高く、気体がセルの隔壁を極めて透過しにくいことが分かる。また、図４のグラフから、ガラス層の質量の増加とともに気体透過率が低下し、ガラス層の質量を基体の質量の２０質量％以上とすれば、気体がセルの隔壁を透過しないことが分かる。

次に、表面処理に用いる表面処理液の粘度とハニカム構造体の嵩比重及びガラス層の厚さとの関係を、図５のグラフに示す。なお、図５のグラフにおけるハニカム構造体の嵩比重の数値は、ガラス層を形成していないハニカム構造体の嵩比重を１とした場合の相対値で示してある。また、図５のグラフにおけるガラス層の厚さの数値は、隔壁の厚さとガラス層の厚さとの和であり、ガラス層を形成していないハニカム構造体の隔壁の厚さを１とした場合の相対値で示してある。
さらに、ハニカム構造体に形成されているガラス層の質量は、ガラス層が形成されているものについては基体の質量の２０質量％である。さらに、ハニカム構造体を構成するセラミックの種類は炭化ケイ素であり、ガラス層を構成するセラミックの種類はシリカ（表面処理液に含まれるセラミック粉末の種類はシリカ）である。

図５のグラフから、表面処理液の粘度が６０ｍＰａ・ｓ以下である場合は、ハニカム構造体の嵩比重が増大し、且つ、ガラス層の厚さが小さいのに対して、表面処理液の粘度が６０ｍＰａ・ｓ超過である場合は、ハニカム構造体の嵩比重がほとんど増大せず、且つ、ガラス層の厚さが大きいことが分かる。
これは、表面処理液の粘度が６０ｍＰａ・ｓ以下である場合は、表面処理液が気孔の内部に浸透しやすく、気孔の内部にまでガラス層が形成されるため、ガラス層の厚さを薄く保ちつつ十分な質量のガラス層を形成することができ、嵩比重が増大したものと考えられる。

このような本実施形態のハニカム構造体１は、気体の透過が生じにくいので、２種の気体の間で熱交換を行う熱交換器の熱交換エレメントとして好適である。以下に、本実施形態のハニカム構造体１を熱交換器の熱交換エレメントとして用いた例について、図１，６を参照しながら説明する。
本実施形態の熱交換器は、熱処理炉等のバーナに適用する排熱回収型の空気予熱装置に備えられるものである。この熱交換器は、燃料を空気によって燃焼させるバーナ（図示せず）からの燃焼気を加熱に用いた後の高温の排気ガスと、バーナに供給される低温の前記空気との間で熱交換を行って、排気ガスの持つ熱を回収するものであり、熱交換エレメントとして用いられるハニカム構造体１のセル１０のうち一部に高温のガス、すなわち排気ガスが導入され、他部に低温のガス、すなわち空気が導入される。高温の排気ガスが導入される排気セル１０Ａと、低温の空気が導入される空気セル１０Ｂは隣接しているため、隔壁２ａを介して連続的に熱交換が行われ、空気が予熱される。以下に、さらに詳細に説明する。

図１，６に示すように、熱交換器の熱交換エレメントとして用いられるハニカム構造体１は、多孔質セラミック製の隔壁２ａで四角柱状に区画されたセル１０の複数がハニカム状に配列された基体２を備えている。詳述すると、基体２は、複数のセル１０が縦方向及び横方向に隙間なく並べられて格子状をなす構造を有している。そして、基体２の隔壁２ａの表面は、前記表面処理により形成されたガラス層３で被覆されている。
排気ガスが導入される排気セル１０Ａが横方向に一列に並べられ、排気セル列をなしている（図１のＡ−Ａ断面図である図６の（ａ）を参照）。また、空気が導入される空気セル１０Ｂが横方向に一列に並べられ、空気セル列をなしている（図１のＢ−Ｂ断面図である図６の（ｂ）を参照）。そして、排気セル列と空気セル列とが縦方向に交互に並べられている。

さらに、排気セル列の両端は開口しており、バーナから排出された排気ガスは、熱交換エレメントの一端側の開口部１１（図６の例では下端側の開口部１１）から排気セル１０Ａに導入され、熱交換エレメントの他端側の開口部１２（図６の例では上端側の開口部１２であり、以下「排気ガス排出口」と記す）から排出されるようになっている。
なお、排気セル列の上端は、排気セル１０Ａの長手方向を横切るように斜め方向に切断されているため、排気セル列中の各排気セル１０Ａの排気ガス排出口１２は、排気セル１０Ａの並び順に従って排気セル１０Ａの長手方向の順次異なる位置に配置されている（図６の（ａ）を参照）。また、熱交換エレメントの上端面は封止材１３により封止されている。これにより、各排気セル１０Ａの排気ガス排出口１２から排出された排気ガスは合流し、封止されている熱交換エレメントの上端面（封止材１３）と各排気ガス排出口１２との間に形成された排気合流路１４を通って、排気セル列の側面に設けられた共通排出口１５から排出されるようになっている。

一方、空気セル列の両端も開口しており、空気は、熱交換エレメントの他端側の開口部２１（図６の例では上端側の開口部２１）から空気セル１０Ｂに導入されて予熱され、熱交換エレメントの一端側の開口部２２（図６の例では下端側の開口部２２であり、以下「空気排出口」と記す）から排出されてバーナに供給されるようになっている。
なお、空気セル列の下端は、空気セル１０Ｂの長手方向を横切るように斜め方向に切断されているため、空気セル列中の各空気セル１０Ｂの空気排出口２２は、空気セル１０Ｂの並び順に従って空気セル１０Ｂの長手方向の順次異なる位置に配置されている（図６の（ｂ）を参照）。また、熱交換エレメントの下端面は封止材２３により封止されている。これにより、各空気セル１０Ｂの空気排出口２２から排出された空気は合流し、封止されている熱交換エレメントの下端面（封止材２３）と各空気排出口２２との間に形成された空気合流路２４を通って、空気セル列の側面に設けられた共通排出口２５から排出されるようになっている。

このような構成により、排気ガスと空気とが、分離した別の流路を流れることとなる。そして、この流路を構成する微小なセル１０Ａ，１０Ｂが隣接しており、しかも両セル１０Ａ，１０Ｂ間の隔壁において気体透過がほとんどないので、高い効率で向流形式の熱交換を行うことが可能であり、予熱された空気を得ることができる。また、空気が排気ガスに混入することにより空気量が不十分となることがないので、バーナにおける燃料の燃焼に支障が生じにくい。さらに、熱交換エレメントがセラミックで構成されているため、耐熱性が優れており、高温下でも使用することができる。

１ ハニカム構造体
２ 基体
２ａ 隔壁
３ ガラス層
１０ セル
１０ａ 開口部

Claims (2)

1. セラミック製の隔壁で多角柱状に区画されたセルの複数がハニカム状に配列された基体を有し、該複数のセルの一部に高温のガスを導入し、他部に低温のガスを導入して、前記高温のガスと前記低温のガスとの間で連続的に熱交換を行う熱交換エレメントに用いるハニカム構造体の製造方法であって、
   前記隔壁を構成するセラミックが炭化ケイ素であり、
   セラミック粉末を含有し且つ粘度が６０ｍＰａ・ｓ以下である表面処理液を前記隔壁の表面に配した後に熱処理を施す表面処理により、前記基体の質量の２０質量％以上の質量であり且つ前記隔壁の表面を被覆するガラス層を形成することを特徴とするハニカム構造体の製造方法。
2. 前記ガラス層はシリカ及びアルミナの少なくとも一方で構成されることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体の製造方法。

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