JPS62272095A - セラミツクス製熱交換器 - 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】 ３、発明の詳細な説明 「技術分野Ｊ 本発明は、セラミックス製フィンにセラミックス製チュ
ーブを挿通してなるセラミックス製熱交換器に関し、ざ
らに詳しくはセラミックス製フィンの破損を防止する構
造に関する。

「従来技術およびその問題点」 従来、燃焼式の給湯器、ボイラ等には、金属製の熱交換
エレメントを有する熱交換器が使用されでいたが、燃焼
ガス中の水蒸気の潜熱まで回収して高効率を得ようとす
る場合、Ｍ熱回収時に発生するドレインに対しての耐食
性か乏しいという問題があった。また、バーナと熱交換
エレメントとを接近させて小型化を図ろうとした場合、
高温による溶損が起こるという問題があった。

そこで、耐食性、耐熱牲に優れたセラミックス類の熱交
換エレメントを用いる試みがなされている。かかるセラ
ミックス製熱交換器としては、セラミックス製フィンに
セラミックス製チューブを挿通したものなどが採用され
ている。

しかしながら、セラミックスは、一般にしん性が低いた
め、高温ガスか熱交換器に流れた際、高温ガス流入部の
フィンの温度が局部的に上昇すると、比較的低温（こ保
たれている近傍の他の部位との間で熱応力が生し、フィ
ンが割れて欠損しでしまうという問題があった。この問
題は、フィンとチューブとの接着が良好でない場合に多
く発生するものであった。

Ｔなわち、第１２図１ご示すように、セラミックス熱交
換器において、高温ガスＧの流入側の第１列目を構成す
るチューブ１とフィン２どの接着が高温ガスＧの流入側
半面で不良であった場合（製作にあたってはこうした接
着不良＠なくしたいのであるが、現実には統計的に一定
の割合で発生する。）、チューブｉ内に低温の液体が流
されるのでフィン２のチューブ１に接触している内側部
分の温度ｔ１は比較的低い温度に保たれるが、フィン２
のチューブ１に対して外側部分の温度ｔ２は高温ガスに
接触して極度に高くなり、フィン２の内部で温度差（ｔ
２−ｔｌ）か発生することになる。この温度差（ｔ２−
ｔｌ）は、例えば熱交換器に流入する高温ガスの温度か
１０００℃、チューブ１内を流れる液体の温度か９０゛
Ｃである場合には、４００℃を超えるものとなることも
ある。この温度差（ｔ２−ｔｌ）によってフィン２の高
温ガス流入側の端縁部に過大な熱応力（圧縮応力）Ｓか
発生し、フィン２が割れで欠損する原因となる。

「発明の目的」 本発明の目的は、上記のような従来技術の問題点を解決
し、高温ガスから高効率で熱回収することが可能であり
、かつ、使用時においで発生する局部的な温度差によっ
てフィンか破損し欠落するといった虞れもないセラミッ
クス製熱交換器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熱交換器は、所定間隔で配
列された板状部を宵し、これらの板状部の間隙が高温ガ
スの通気路をなすセラミックス製フィンと、前記通気路
に交差するように前記セラミックス製フィンに挿通され
て固着され、互いにほぼ平行に配列された複数本のセラ
ミックス製チューブとを備え、前記セラミックス製フィ
ンの高温ガス流入側に位置する端縁部が、高温ガス流入
側の第１列目を構成する前記セラミックス製チューブの
挿通孔に至るように少なくとも部分的に欠除されている
ことを特徴とする。

本発明をよつ具体的に説明すると、例えば蔦９図〜第１
１図に示すように、セラミックス類のチューブ１がセラ
ミックス類のフィン２に挿通ざれて８つ、セラミックス
製のフィン２の高温ガスＧの流入側の端縁部に、高温ガ
スＧの流入側の第１列目を構成するチューブ１の挿通孔
４に至る欠除部３が形成されている。このため、フィン
２のチューブ１に対して外側に位置する部分の温度ｔ２
と、フィン２のチューブ１に対して内側に位置する部分
の温度ｔ１との温度差（ｔ２−ｔ＋）が大きくなり、こ
の温度差によりフィン２の内部で熱膨張差そ生したとし
でも、その部分に欠除部３が設けられでいるので、熱膨
張差に起因する熱応力が逃がされ、フィン２の破損を防
止できる。

上記欠除部３の形状は、フィン２の高温ガス流入側の端
縁部から、高温ガス流入側の第１列目に位置するチュー
ブ１の挿通孔４に至るものであれば、特に限定されない
。例えば、第９図に示すものは、となつあう２つの挿通
孔４．４のほぼ軸心を含む平面に至るまでフィン２が全
て欠除されているが、このように挿通孔の複数を含む平
面に至るまでフィン２か全て欠除されでいてもよい、ま
た、第１０図に示すように、フィン２の端縁部からチュ
ーブ１の挿通孔４に至って細長い溝状に欠除されていて
もよい。ざらに、第１Ｉ図に示すように、フィン２の端
縁部から挿通孔４に至ってＶ字状に欠除されていてもよ
い。

本発明は、上記のようにフィン２の高温ガス流入側の端
縁部に欠除部３そ設けたことを特徴ヒするものであるか
ら、フィン２の形状、チューブ１の配置等は任意に構成
することかできる。特に好ましい態様を挙げれば、フィ
ン２としでは、長方形、三角形、ひし形等の端面形状の
多数のセルを有するセラミックスハニカム体や、波板同
士もしくは波板と平板とを積層して形成される形状のセ
ラミックスハニカム体や、セラミックス板を複数枚所定
間隔をおいて配列した通常のフィンが採用される。また
、チューブ１の配列としでは、端面方向から見て千鳥状
または碁盤目状の配列などが採用される。ざらに、チュ
ーブ１の外径は５〜２０ｍｍ、チューブ１の配列間隔は
１０〜５０ｍｍが好ましい。

そして、本発明は、フィン２の温度差による熱応力を低
減するものであるから、高温ガスＧの流入温度が７００
℃以上である熱交換に特に有効なものである。

ｒ発明の実施例」 第１図、第２図および第３図には、本発明による熱交換
器の一実施例か示されている。すなわち、複数枚のセラ
ミックス板が所定間隔をおいで平行に配列されてフィン
２か構成されている。

フィン２の各セラミックス板の間隙は、高温ガスＧの通
気路となっている。そして、この通気路と交差するよう
に複数本のセラミックス製のチューブ１がフィン２に挿
通されている。この場合、チューブ１は、端面方向から
見て千鳥状に配列されている。なお、各チューブ１は、
フィン２の挿通孔４に固着されている。また、各チュー
ブ１の両端部は、フィン２０両端に位置する比較的厚め
の端板５．５に挿通支持されている。

そして、この実施例においては、高温ガス流入側の第１
列目を構成するチューブ１ａの中心ｙＡを含む平面より
高温ガス流入側に位置するフィン２の端縁部（第３図に
おける斜線部６）が欠除され二いる。すなわち、チュー
ブ１ａは半割つ状の挿通孔４に挿通された形態をなして
いる。なお、端板５．５の端縁部は欠除されていないの
で、チューブ１ａは端ｗ！、５．５によってしっかりと
保持されている。

上記の構成において、チューブ１、ｉａ内に水等の流体
を流し、バーナの燃焼等によって発生した高温ガスＧを
フィン２０間隙に流通させることにより、熱交換を行な
うことかできる。すなわち、チューブ１．１ａは、高温
ガスＧによって直接加熱されると共に、加熱されたフィ
ン２がらの伝熱によっても加熱され、チューブｌ　、　
Ｉａ内を流れる木等の流体を昇温させることかできる。

そして、第９図に示したように、フィシ２の高温ガス流
入側の端縁部は、高温ガス流入側に近い部分の温度ｔ２
と、高温ガス流入側から離れた内側部分の温度ｔ１との
間で温度差（ｔ２−ｔ＋）そ主し、それ（こよって熱膨
張差か主しるが、フィン２の１４縛部が欠除されている
ことから熱応力の集中か避けられ、フィン２の破損を防
止することかできる。

第４図および第５図には、本発明による熱交換器の他の
実施例が示されている。この熱交換器では、フィン２の
欠除部３が、フィン２の高温ガス流入側の端縁部から高
温ガス流入側の第１列目に位置するチューブ１ａの挿通
孔４に至るようにＶ字状に切欠いて形成されている。こ
の熱交換器においても、第１１図に示したように、フィ
ン２の端縁部に温度差（ｔ２−ｔｌ）か主しるが、欠除
部３によつ熱応力の集中か避けられ、フィン２の破損を
防止できる。

第６図および第７図には、本発明による熱交換器のざら
に他の実施例か示されている。この熱交換器では、フィ
ン２の欠除部３が、フィン２の高温ガス流入側の端縁部
から高温ガス流入側の第１列目に位置するチューブ１ａ
の挿通孔４に至るように細長い溝状（こ切欠いて形成さ
れている。この熱交換器においでも、第１０図に示した
ように、フィン２の端縁部に温度差（ｔ２−ｔｌ）が生
しるが、欠除部３により熱応力の集中か避１すられ、フ
ィン２の破損を防止できる。

ｘ８図には、本発明による熱交換器のざらにまた他の例
が示されている。この熱交換器では、フィン２としで、
長方形の端面形状をなす多数のセルフを有するセラミッ
クスハニカム体が採用されている。そしで、フィン２の
一方の端面がらセルフの内部に高温ガスＧが導入される
ようになっており、チューブ１はこの高温ガスＧの流路
と交差するように挿通されている。なお、チューブ１の
配列は、セルフを仕切る隔壁と隔壁の間に対応して配列
された碁盤目状となっている。この熱交換器においでも
、フィン２の高温ガスＧの流入側に位置する端縁部に、
開端締部から高温ガス流入側の第１列目に位置するチュ
ーブ１ａの挿通孔４に至るように細長い溝状に切欠いて
なる欠除部３が形成されている。

なお、本発明において、高温ガス流入側に位置する端縁
部に前述した欠除部を設（丈るのみならず、必ずしも高
温ガス流入側とはならないフィン端縁部にも同様の欠除
部を設けであってもよ例えば第１図の実施例のような熱
交換器にあっては４面が、ｘ８図の実施例のような熱交
換器にあっては２面かガスの出入面となりうるが、これ
らのうちのいずれか２面以上に前述したような欠除部を
設けであってもよい。すなわち、熱交換器を製作した段
階では、いずれの面を高温ガス流入側とすべきか定めに
くいことかしばしばあり、あるいは製作俊の検査により
当初予定したいた高温ガス流入側の面か不良とされたつ
することもあるが、かかる場合に欠除部を設けであった
他の面を高温ガス流入側とすることができるなどの利点
がある。

ざらに同一面内であっても高温ガスの流入部分と、それ
ほど高温ではないガスの流出入部分とがあるときなどに
、高温ガスの流入部分のみに欠除部を設け、あるいはそ
れほど高温ではないガスの流出入部分にも欠除部を設け
るなどの態様も本発明（こ包含される。

また、第１図の実施例では、厚めの端板５．５が設けら
れているが、かかる厚めの端板＠設けでないもの、ある
いは中間部にも端縁部の欠除されていない厚めの中間支
持板を設けであるものなどの態様も本発明に包含される
。

従来型のセラミックス製フィンとチューブとがうなる熱
交換器と、第１図に示したような本発明による熱交換器
とを用いて、チューブ内には水を流し、チューブ外には
高温ガスを流しで耐熱牲試験を行なった。高温ガスの流
入温度は９００℃まで段階的に昇温した。本発明品につ
いては、欠除部を高温ガス入口側に向けた。試験結果を
次表に示す。

（以下、余白） 表（高温ガス通過試験結果） この表から明らかなように、従来型の熱交換器は、流入
ガス温度か８５０℃でガス入口側（高温側）のフィンが
欠損し始めたのに対して本発明による熱交換器は９００
℃以上でも欠損は全くなかった。

［発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、セラミックス製
フィンの高温ガス流入側の端縁部に、同端縁部から高温
ガス流入側の第１列目に位置するセラミックス製チュー
ブの挿通孔に至る欠除部を設けたので、フィンの高温ガ
ス流入側の端縁部に大きな温度差が生したとしでも、こ
の温度差による熱膨張差が上記欠除部によって吸収され
、熱応力の集中を避（丈でフィンの破損、欠落を防止す
ることかできる。これにより、伝熱面積の減少による受
熱量の低下や、欠損したフィンの破片による他の部材の
損傷が起こらなくなり、燃焼式の給湯器、ボイラ等にお
ける熱交換器として好適に使用することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す平面図、第２図は第１
図のＩＩ　−ＩＩ線に治った断面図、第３図は同実施例
のフィンの欠除部を示す第２図と同様な図、第４図は本
発明の他の実施例を示す平面図、第５図は第４図の■−
■線に治った断面図、笥６図は本発明のざらに他の実施
例を示す平面図、第７図は第６図の■−ＶＩＩ線に沿っ
た断面図、第８図は本発明のざらにまた他の実施例を示
す斜視図、第９図、第１０図、第１１図は本発明の実施
例による熱交換器の高温ガス流入側のフィンの状態をそ
れぞれ示す部分拡大断面図、第１２図は従来の熱交換器
の高温ガス流入側のフィンの状態を示す部分拡大断面図
である。 図中、１．１ａはセラミックス製チューブ、２はセラミ
ックス製フィン、３は欠除部、４は挿通孔、Ｇ（よ高温
ガスである。 第１図 第２図　　　第３図 第４図 ◇ 第５図 第６図 分 第７図 Ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｇ第９
図　　　　　　第１０図

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定間隔で配列された板状部を有し、これらの板
   状部の間隙か高温ガスの通気路をなすセラミックス製フ
   ィンと、前記通気路に交差するように前記セラミックス
   製フィンに挿通されて固着され、互いにほぼ平行に配列
   された複数本のセラミックス製チューブとを備えたセラ
   ミックス製熱交換器において、前記セラミックス製フィ
   ンの高温ガス流入側に位置する端縁部が、高温ガス流入
   側の第１列目を構成する前記セラミックス製チューブの
   挿通孔に至るように少なくとも部分的に欠除されている
   ことを特徴とするセラミックス製熱交換器。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記セラミック
   ス製フィンの端縁部が、高温ガス流入側の第１列目を構
   成する前記セラミックス製チューブの挿通孔の複数を含
   む平面に至るまて全て欠除されているセラミックス製熱
   交換器。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、前記セラミック
   ス製フィンの端縁部が、高温ガス流入側の第１列目を構
   成する前記セラミックス製チューブの挿通孔に至るよう
   にＶ字状に欠除されているセラミックス製熱交換器。
4. （４）特許請求の範囲第１項において、前記セラミック
   ス製フィンの端縁部が、高温ガス流入側の第１列目を構
   成する前記セラミックス製チューブの挿通孔に至るよう
   に溝状に欠除されているセラミックス製熱交換器。
5. （５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか一
   において、前記セラミックス製フィンは、セラミックス
   ハニカム体からなるセラミックス製熱交換器。
6. （６）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか一
   において、前記セラミックス製フィンは、複数枚のセラ
   ミックス板を配列したものからなるセラミックス製熱交
   換器。
7. （７）特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか一
   において、前記セラミックス製チューブは、端面方向か
   ら見て千鳥状または碁盤目状に配列されているセラミッ
   クス製熱交換器。
8. （８）特許請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか一
   においで、前記セラミックス製チューブの外径が５〜２
   ０ｍｍ、前記セラミックス製チューブの配列間隔が１０
   〜５０ｍｍであるセラミックス製熱交換器。
9. （９）特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれか一
   において、前記高温ガスの流入温度が７００℃以上であ
   るセラミックス製熱交換器。