JPH09253945A - フィン付きセラミック製シェルアンドチューブ型熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

フィン付きセラミック製シェルアンドチューブ型熱交換器及びその製造方法

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JPH09253945A
JPH09253945A JP8067869A JP6786996A JPH09253945A JP H09253945 A JPH09253945 A JP H09253945A JP 8067869 A JP8067869 A JP 8067869A JP 6786996 A JP6786996 A JP 6786996A JP H09253945 A JPH09253945 A JP H09253945A
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transfer tube
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plates
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Mitsuru Hattori
満 服部
Yoshinobu Goto
義信 後藤
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 焼成接合過程における伝熱管の変形抑制と、
フィンの形成とを同時に成し得るフィン付きセラミック
製シェルアンドチューブ型熱交換器の製造方法を提供す
る。 【解決手段】 複数の貫通孔を有するセラミックス未焼
結体である管板１ａ、１ｂの各貫通孔に、セラミックス
焼結体である伝熱管２を挿入し、伝熱管２の上下両端に
それぞれ管板１ａ、１ｂを位置決めするとともに、複数
の貫通孔を有する薄肉板状の伝熱管支持面部６ａと、伝
熱管支持面部６ａの外縁に形成された伝熱管支持面部６
ａに対して垂直方向に突出する突出部６ｂとからなるセ
ラミックス未焼結体であるフィン板６を、伝熱管２の上
下両端に位置決めする管板１ａ、１ｂの間において、伝
熱管２の長手方向に積み上げるようにして多数配置し、
この状態で加熱焼成して、これらを一体的に接合した
後、フィン板６の突出部６ｂを除去する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック製シェ
ルアンドチューブ型熱交換器及びその製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】現在、高効率、低公害、燃料の多様化等
を目的とした先進型セラミックガスタービンの研究開発
が、国家プロジェクトとして実施されている。そして、
このセラミックガスタービンの要素機器の一つとして、
従来の金属材料に代えて、耐熱高温材料として優れた性
能を有するセラミック材料を用いた熱交換器の開発が行
われている。図１１は、従来開発が行われているセラミ
ック製シェルアンドチューブ型熱交換器の一例を示す側
面概要図で、管状のセラミック体である複数の伝熱管２
の両端部に、これら伝熱管２を挿入し固定するための複
数の貫通孔を有する板状のセラミック体である２枚の管
板１ａ、１ｂを接合固定して構成されている。
【０００３】このようなセラミック製シェルアンドチュ
ーブ型熱交換器の一般的な製造方法として、図７に示す
ような複数の貫通孔３を有する板状のセラミックス未焼
結体である管板１の各貫通孔に、管状のセラミックス焼
結体である伝熱管の端部を挿入した状態で加熱焼成し、
両者の焼成収縮率の差を利用して一体的に接合する方法
（以下、このような焼成収縮率の差を利用した接合を、
「焼成接合」という）が知られている。
【０００４】すなわち、伝熱管は焼結体であるため、こ
の加熱焼成の過程においてあまり収縮しないが、管板は
未焼結体であるため伝熱管に比して焼成収縮率が大き
く、上記のような状態で加熱焼成を行うと、管板１の貫
通孔３に挿入された伝熱管の端部が、焼結に伴う貫通孔
３の収縮により締め付けられて管板１と伝熱管が一体化
する。管板と伝熱管との焼成収縮率を考慮して、適切な
締め代を設定することにより強固な接合状態が得られ
る。
【０００５】そして、この場合の焼成接合は、通常、炉
材からのカーボン等の混入防止や雰囲気調整などを目的
として密閉構造とした匣鉢内において、図１０に示すよ
うにトチ４を敷き、この上で伝熱管２が床面に対して垂
直になるように立て、固定用治具５を用いることによ
り、伝熱管２の上下両端にそれぞれ管板１ａ、１ｂが位
置決めされた状態にして実施される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の製造方法においては、焼成接合の過程で伝熱管に変
形が生じやすく、このため、伝熱管と管板との接合強度
が低下したり、伝熱管と管板との接合不良によるガス漏
れが発生するという問題があった。この伝熱管の変形
は、伝熱管が長い場合に一層顕著となるため、特に伝熱
管の長いセラミック製シェルアンドチューブ型熱交換器
を製造することは困難であった。
【０００７】このような焼成接合過程での伝熱管の変形
を抑制するための手段として、本願出願人は、先に、図
９に示すように伝熱管２の上下両端に位置決めされた管
板１ａ、１ｂの間に、更に別の管板（中間管板）１ｃを
挿入し、これら管板を固定用治具５で支持しながら焼成
接合することを提案した（特開平７−２７００９３号公
報）。この方法では、中間管板１ｃにより、伝熱管２が
その中間部において拘束されるため、確かに伝熱管の変
形抑制に有効であったが、必ずしも満足のいくものでは
なく、更に効果的な方法が求められていた。
【０００８】また、熱交換器においては、その熱交換効
率を向上することが最も重要な技術課題となっている
が、その手段の１つとして伝熱管にフィンを形成して伝
熱面積を拡大することが非常に有効である。
【０００９】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、焼成接合過程におけるより効果的な伝熱
管の変形抑制と、伝熱管のフィンの形成とを同時に成し
得るフィン付きセラミック製シェルアンドチューブ型熱
交換器の製造方法を提供することを主な目的とするもの
である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、伝熱管
を挿入し固定するための複数の貫通孔を有する板状のセ
ラミックス未焼結体である管板の各貫通孔に、管状のセ
ラミックス焼結体である伝熱管を挿入し、該伝熱管を床
面に対して垂直に立て、該伝熱管の上下両端にそれぞれ
管板を位置決めするとともに、伝熱管を挿入し固定する
ための複数の貫通孔を有する薄肉板状の伝熱管支持面部
と、該伝熱管支持面部の外縁に形成された該伝熱管支持
面部に対して垂直方向に突出する突出部とからなるセラ
ミックス未焼結体であるフィン板を、前記伝熱管の上下
両端に位置決めする管板の間において、伝熱管の長手方
向に積み上げるようにして多数配置し、この状態で加熱
焼成して、伝熱管と管板及びフィン板との焼成収縮率の
差を利用してこれらを一体的に接合した後、フィン板の
突出部を除去することを特徴とするフィン付きセラミッ
ク製シェルアンドチューブ型熱交換器の製造方法、が提
供される。なお、本発明において、「セラミックス未焼
結体」とは、セラミックスの成形体（生素地）又は仮焼
体（仮焼素地）を意味する。
【００１１】また、本発明によれば、それぞれが管状の
セラミック体である平行に並んだ複数の伝熱管の両端部
に、これら伝熱管を挿入し固定するための複数の貫通孔
を有する板状のセラミック体である２枚の管板が接合固
定されるとともに、前記伝熱管の両端部に接合固定され
た２枚の管板の間において、伝熱管を挿入し固定するた
めの複数の貫通孔を有する薄肉板状のセラミック体であ
るフィンが伝熱管に接合固定されていることを特徴とす
るフィン付きセラミック製シェルアンドチューブ型熱交
換器、が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】上記構成からなる本発明の製造方
法によれば、伝熱管の上端に位置決めされた管板（以
下、「上管板」という）と下端に位置決めされた管板
（以下、「下管板」という）との間において、伝熱管の
長手方向に積み上げるようにして多数配置されたフィン
板により、焼成接合過程における伝熱管の変形が抑止さ
れ、その結果として形状精度に優れた熱交換器を得るこ
とができる。また、焼成接合後、フィン板の突出部を除
去して得られた熱交換器は、伝熱管に多数のフィンが形
成されたものとなるので、伝熱面積が広く、高い熱交換
効率が得られる。
【００１３】以下、本発明を図面を参照しながら詳しく
説明する。図１は、本発明の製造方法の一例を示す説明
図であり、セラミックス未焼結体である管板１ａ、１ｂ
の各貫通孔に、管状のセラミックス焼結体である伝熱管
２を挿入し、トチ４上において垂直に立てられた伝熱管
２の上下両端部にそれぞれ上管板１ａ、下管板１ｂを位
置決めする。更に、本発明では、これら上・下管板１
ａ、１ｂを位置決めするとともに、これら上・下管板１
ａ、１ｂの間において、フィン板６を、伝熱管２の長手
方向に積み上げるようにして多数配置する。
【００１４】フィン板６は、管板と同様にセラミックス
未焼結体であって、図３の平面図(Ａ)及び断面図(Ｂ)に
示すように、伝熱管を挿入し固定するための複数の貫通
孔７を有する薄肉板状の伝熱管支持面部６ａと、該伝熱
管支持面部６ａの外縁に形成された該伝熱管支持面部６
ａに対して垂直方向に突出する突出部６ｂとからなる。
このようなフィン板６を図１のように多数積み上げる
と、突出部６ｂにより、隣接するフィン板６の伝熱管支
持面部６ａ間に所定の間隔が形成される。
【００１５】すなわち、この突出部６ｂの高さｈによ
り、各フィン板の伝熱管支持面部６ａ間の間隔（ピッ
チ）が決まる。伝熱管支持面部６ａは、本発明の方法に
よる熱交換器の完成時において、伝熱管外側の伝熱面積
を拡大するためのフィンとして機能する。したがって、
使用するフィン板６の枚数は、目的とする伝熱面積を得
るために必要なフィンの枚数とし、このフィン板６の枚
数や伝熱管２の長さ等を考慮した上で、突出部６ｂの高
さｈが決定される。伝熱管支持面部６ａの厚さは特に限
定されないが、０．５〜３mm程度が好ましい。
【００１６】図１のような状態で加熱焼成を行うことに
より、大きな焼成収縮率を有するセラミックス未焼結体
である管板１ａ、１ｂ、及びフィン板６が、それらの貫
通孔部において伝熱管２を締め付け、伝熱管２と管板１
ａ、１ｂ及びフィン板６との接合状態が得られる。伝熱
管２は多数積み上げられた各フィン板６の貫通孔に挿入
された状態で焼成接合が行われるので、この焼成接合の
間、伝熱管２は各フィン板６の貫通孔によって動きが拘
束され、焼成接合中の変形が抑制される。本発明の方法
を、先述の中間管板を用いた方法（特開平７−２７００
９３号公報）と比べた場合、伝熱管２は多数のフィン板
６によって、より狭い間隔で、かつ多くの位置で拘束さ
れるので、伝熱管の変形抑制効果もより高いものとな
る。
【００１７】なお、図１の例では、一番上のフィン板６
と上管板１ａとの間にスペーサー８を挿入して両者の間
に所定の間隔を持たせるようにしてあるが、このような
スペーサーを用いずに、図４に示すような突出部６ｂが
上下二方向に突出したフィン板６を用いてフィン板６と
上管板１ａとの間隔を確保するようにしてもよい。
【００１８】本発明では、焼成接合に際し、上・下管板
１ａ、１ｂの間に積み上げて配置したフィン板６によっ
て、管板１ａ、１ｂを支持し、伝熱管２の所定の位置に
位置決めすることができるので、管板を支持し位置決め
するための専用の治具を用意する必要はなく、位置決め
の作業も容易に行うことができる。
【００１９】なお、管板及びフィン板の形状は、図７の
管板１や図３のフィン板６ような矩形のみでなく、他の
形状であってもよい。例えば、図８は円形の管板１を示
す平面図である。また、フィン板６は、図５及び図６の
ように伝熱管支持面部６ａを波状にしたり、凹凸を設け
るなどして、伝熱面積を拡大させてもよい。更に、伝熱
管支持面部６ａには、伝熱管２を挿入するための貫通孔
７の他に、スリット等を形成してもよい。
【００２０】フィン板の突出部は、伝熱管支持面部の外
縁に全周にわたって形成してもよいが、フィン板を積み
上げたときにそれぞれ隣接するフィン板の伝熱管支持面
部の間に所定の間隔が確保できれば、伝熱管支持面部の
外縁に部分的に形成してあってもよい。例えば、図３に
示す矩形のフィン板６では、対向する二辺の外縁に突出
部６ｂを形成してある。
【００２１】図１のような状態で加熱焼成して、伝熱管
２と管板１ａ、１ｂ及びフィン板６とを一体に接合した
後、フィン板６から突出部６ｂを除去する。突出部６ｂ
の除去は、例えばフィン板が矩形の場合は平面研削、円
形の場合は円筒研削等により行うことができる。なお、
この突出部６ｂの除去の際に、管板１ａ、１ｂの外周部
分も同時に研削加工して、突出部６ｂを除去した後のフ
ィン板（フィン）と管板１ａ、１ｂの形状・寸法を揃え
るようにしてもよい。
【００２２】こうして得られた熱交換器は、図２に示す
ように、平行に並んだ複数の伝熱管２の両端部に、２枚
の管板１ａ、１ｂが接合固定されるとともに、これら管
板１ａ、１ｂの間において、薄肉板状のフィン６′（フ
ィン板６から突出部６ｂを除去したもの）が伝熱管２に
多数接合固定されたものとなる。この熱交換器は、フィ
ン６′によって伝熱管２外側の伝熱面積が拡大され、こ
の結果、管外の熱交換量が増加して、全体として高い熱
交換効率が得られる。
【００２３】本発明に使用されるセラミックスとして
は、特に限定はないが、高強度・高耐熱性の窒化珪素や
炭化珪素が好適に用いられる。管板、フィン板及び伝熱
管は、全て同種のセラミックスで作製してもよいし、そ
れぞれ異種のセラミックスで作製してもよい。例えば、
管板と伝熱管とを窒化珪素で作製し、フィン板をより熱
伝導率の高い窒化アルミニウムで作製することができ
る。管板とフィン板に設けられる貫通孔の数や配置など
も特に制限されず、熱交換器の使用条件等にあわせて適
宜選択すればよい。貫通孔は、管板やフィン板の基本形
状となる板状体の成形時に同時に設けてもよいし、成形
後に押し抜きや超音波加工等の手段により穿つようにし
てもよい。
【００２４】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に
説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。
【００２５】〔実施例〕：Ｓｉ3Ｎ4粉末１０００ｇに、
焼結助剤としてＹ2Ｏ3 １０ｇ、ＭｇＯ １０ｇ、ＺｒＯ
2 ５ｇ、有機バインダーとしてポリビニルアルコール１
ｇを添加し、更に水１０００ｇを加え、Ｓｉ3Ｎ4玉石
（φ５mm）を用いてアトライタにより４時間粉砕・混合
を行った。得られた微粉砕混合物を、スプレードライヤ
ーによって乾燥・造粒して得た粉末を原料として、押出
成形により管状の成形体を作製し、１１０℃で１０時間
乾燥させた。乾燥後５００℃で５時間バインダー仮焼を
行い、更に１６５０℃で１時間焼成して、外径７mm、内
径５mm、長さ１０５０mmの伝熱管（焼結体）を得た。
【００２６】また、伝熱管の作製に用いたものと同じ原
料を用いて、静水圧プレス成形により、７ton/cm2 の圧
力を加えて板状の成形体を作製した。これを上記伝熱管
の作製におけると同様の条件で乾燥及びバインダー仮焼
し、その後、窒素雰囲気中１３５０℃で３時間仮焼を行
った。得られた３００×１５０×２５mmの仮焼体に、超
音波加工により、管状体を挿入し接合するための孔径
７．１mmの複数の貫通孔を形成し、管板（仮焼体）を得
た。なお、貫通孔の配列は、図７のような千鳥配列とし
た（配列ピッチｓ1＝９．８mm、ｓ2＝９．１mm）。
【００２７】また、上記管板の作製と同様の手法で、伝
熱管支持面部の寸法が３５０×１５０×１mm、突出部の
高さが５mmで、管板と同じ配列で貫通孔を形成したフィ
ン板（仮焼体）を得た。
【００２８】次いで、図１に示すように、得られた管板
１ａ、１ｂ及びフィン板６の各貫通孔に伝熱管２を挿入
し、トチ４上で管板１ａ、１ｂを伝熱管２の上下両端に
位置決めするとともに、これら管板１ａ、ｂの間におい
て、フィン板６を伝熱管２の長手方向に１９９枚積み上
げ配置した。なお、一番上のフィン板６と管板１ａとの
間には、高さ５mmのスペーサー８を挿入して両者の間の
間隔を確保した。
【００２９】このような状態にて、窒素雰囲気中１６５
０℃で３時間加熱焼成し、伝熱管２、管板１ａ、１ｂ及
びフィン板６を一体に接合し、その後、フィン板６の突
出部６ｂ及び管板１ａ、１ｂの外周を平面研削により除
去した。こうして図２のような、平行に並んだ複数の伝
熱管２の両端部に、２枚の管板１ａ、１ｂが接合固定さ
れるとともに、これら管板１ａ、１ｂの間において、フ
ィン６′が伝熱管２に接合固定されてなるフィン付きの
シェルアンドチューブ型熱交換器を得た。なお、焼成接
合の締め代は０．２mmとした。
【００３０】〔比較例〕：図１０に示すように、管板１
ａと１ｂの間にフィン板を配置することなく、治具５を
用いることにより管板の支持、位置決めをして焼成接合
を行った以外は上記実施例と同様にして、図１１のよう
に、伝熱管２の上下両端に管板１ａ、１ｂが接合一体化
されたシェルアンドチューブ型熱交換器を得た。
【００３１】上記実施例及び比較例により得られた各熱
交換器の伝熱管の変形量（真直度）を測定したところ、
フィン板を配置せずに焼成接合を行った比較例における
伝熱管の変形量が３mm程度だったのに対し、フィン板を
配置して焼成接合を行った実施例では変形量が１mm程度
であり、比較例に比して伝熱管の変形を大幅に抑制する
ことができた。
【００３２】また、実施例及び比較例により得られた各
熱交換器を用い、管外流体として入口温度９００℃の空
気を伝熱管の長手方向に対して直角の方向から流速９kg
/m2・sec で伝熱管に向けて流し、また、管内流体として
入口温度５００℃の空気を伝熱管内に流速９０kg/m2・se
c で流して、この時の管外の熱伝達率を計算により求め
た。その結果、比較例のフィンの無い熱交換器では管外
の熱伝達率が２０８kcal/m2hr℃ であったのに対し、実
施例のフィン付きの熱交換器では２９６kcal/m2hr℃ で
あり、比較例に比して管外の熱伝達率が４２％向上して
いた。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のフィン付
きセラミック製シェルアンドチューブ型熱交換器の製造
方法によれば、伝熱管の上端に位置決めされる管板と下
端に位置決めされる管板との間において、フィン板を伝
熱管の長手方向に積み上げるようにして多数配置するこ
とにより、焼成接合の過程での伝熱管の変形が効果的に
抑制される。また、焼成接合の際、管板はフィン板によ
って支持し所定の位置に位置決めすることができるの
で、管板の位置決め用の治具を用いることなく焼成接合
を行うことができる。更に、フィン板は、焼成接合後に
突出部を除去することによって、伝熱管外側の伝熱面積
を拡大するためのフィンとなる。本発明のフィン付きセ
ラミック製シェルアンドチューブ型熱交換器は、伝熱管
に接合固定された多数のフィンによって、伝熱管外側の
伝熱面積が拡大され、この結果、管外の熱伝達率が向上
し、高い熱交換効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフィン付きセラミック製シェルア
ンドチューブ型熱交換器の製造方法の一例を示す説明図
である。
【図２】本発明の製造方法により得られたフィン付きセ
ラミック製シェルアンドチューブ型熱交換器の一例を示
す側面概要図である。
【図３】フィン板の一例を示す説明図で、(Ａ)が平面
図、(Ｂ)が断面図である。
【図４】フィン板の一例を示す断面図である。
【図５】フィン板の一例を示す断面図である。
【図６】フィン板の一例を示す断面図である。
【図７】管板の一例を示す平面図である。
【図８】管板の一例を示す平面図である。
【図９】特開平７−２７００９３号公報記載のセラミッ
ク製シェルアンドチューブ型熱交換器の製造方法を示す
側面説明図である。
【図１０】従来の一般的なセラミック製シェルアンドチ
ューブ型熱交換器の製造方法を示す側面説明図である。
【図１１】従来法により製造されたセラミック製シェル
アンドチューブ型熱交換器を示す側面概要図である。
【符号の説明】
１…管板、１ａ…上管板、１ｂ…下管板、１ｃ…中間管
板、２…伝熱管、３…貫通孔、４…トチ、５…固定用治
具、６…フィン板、６ａ…伝熱管支持面部、６ｂ…突出
部、６′…フィン、７…貫通孔、８…スペーサー

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 伝熱管を挿入し固定するための複数の貫
    通孔を有する板状のセラミックス未焼結体である管板の
    各貫通孔に、管状のセラミックス焼結体である伝熱管を
    挿入し、該伝熱管を床面に対して垂直に立て、該伝熱管
    の上下両端にそれぞれ管板を位置決めするとともに、伝
    熱管を挿入し固定するための複数の貫通孔を有する薄肉
    板状の伝熱管支持面部と、該伝熱管支持面部の外縁に形
    成された該伝熱管支持面部に対して垂直方向に突出する
    突出部とからなるセラミックス未焼結体であるフィン板
    を、前記伝熱管の上下両端に位置決めする管板の間にお
    いて、伝熱管の長手方向に積み上げるようにして多数配
    置し、この状態で加熱焼成して、伝熱管と管板及びフィ
    ン板との焼成収縮率の差を利用してこれらを一体的に接
    合した後、フィン板の突出部を除去することを特徴とす
    るフィン付きセラミック製シェルアンドチューブ型熱交
    換器の製造方法。
  2. 【請求項２】 それぞれが管状のセラミック体である平
    行に並んだ複数の伝熱管の両端部に、これら伝熱管を挿
    入し固定するための複数の貫通孔を有する板状のセラミ
    ック体である２枚の管板が接合固定されるとともに、前
    記伝熱管の両端部に接合固定された２枚の管板の間にお
    いて、伝熱管を挿入し固定するための複数の貫通孔を有
    する薄肉板状のセラミック体であるフィンが伝熱管に接
    合固定されていることを特徴とするフィン付きセラミッ
    ク製シェルアンドチューブ型熱交換器。
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