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WO2010110238A1 - セラミック熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

セラミック熱交換器及びその製造方法 Download PDF

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Publication number
WO2010110238A1
WO2010110238A1 PCT/JP2010/054924 JP2010054924W WO2010110238A1 WO 2010110238 A1 WO2010110238 A1 WO 2010110238A1 JP 2010054924 W JP2010054924 W JP 2010054924W WO 2010110238 A1 WO2010110238 A1 WO 2010110238A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flow path
heat exchanger
medium
channel
ceramic heat
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/054924
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
村山元英
磯村浩介
鶴薗佐蔵
Original Assignee
株式会社Ihi
京セラ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社Ihi, 京セラ株式会社 filed Critical 株式会社Ihi
Priority to EP10756034.4A priority Critical patent/EP2413079B1/en
Priority to JP2011506043A priority patent/JP5514190B2/ja
Priority to US13/257,827 priority patent/US9097473B2/en
Priority to CN201080022474.6A priority patent/CN102439389B/zh
Publication of WO2010110238A1 publication Critical patent/WO2010110238A1/ja

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F7/00—Elements not covered by group F28F1/00, F28F3/00 or F28F5/00
    • F28F7/02—Blocks traversed by passages for heat-exchange media
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making

Definitions

  • the present invention relates to a ceramic heat exchanger and a method for manufacturing the same, and more particularly to a ceramic heat exchanger suitable for a microchannel counter flow type heat exchanger and a method for manufacturing the same.
  • Ceramics are a material suitable for heat exchangers because they are lighter than metals and have excellent thermal conductivity. In particular, ceramics are also excellent in heat resistance, and thus are expected as materials that can be used for heat recovery of high-temperature gas exceeding 800 ° C. such as exhaust gas from gas turbines. Moreover, although the metal plate fin type heat exchanger generally used in a high temperature region has a high heat exchange rate, there is a problem that the shape of the fin is complicated and expensive. On the other hand, ceramic is a material that is difficult to process into a complicated shape because of its high hardness and high brittleness. As heat exchangers using ceramics having such properties, for example, those described in Patent Documents 1 to 3 have already been proposed.
  • the ceramic heat exchanger described in Patent Document 1 separates the fluid passage from an outer frame, a plurality of fluid passages provided for flowing a high-temperature fluid and a low-temperature fluid in the outer frame to face each other. It is characterized in that the partition wall and the outer frame are integrally fired ceramic, and heat exchange between the high temperature fluid and the low temperature fluid is performed through the partition wall.
  • the ceramic heat exchanger described in Patent Document 2 forms a raw material mixture formed by mixing silicon carbide powder, carbon powder, and a binder to produce a plurality of grooved plate-like molded bodies. After temporarily bonding the plate-shaped molded body with an adhesive to form a laminated body with the above grooves as pores, and performing a binder removal treatment on the obtained laminated body to obtain a degreased body, The degreased body is heated, impregnated with molten silicon and subjected to reactive sintering to form an integrated sintered body.
  • the ceramic heat exchanger described in Patent Document 3 is introduced through a casing for introducing exhaust gas into the interior, from the outside of one end of the casing to the inside, and at the other end of the casing.
  • the tube is composed of a plurality of tubes that extend through from the inside to the outside.
  • the tube is filled with a heat medium, and the heat medium is transferred from the downstream side to the upstream side of the exhaust gas flow.
  • the space between the joints of the casing and each tube is filled with a ceramic material or ceramics made of a ceramic solid material and a ceramic material.
  • JP 2002-107072 A JP 2005-289744 A JP-A-10-29876
  • Patent Document 1 discloses a ceramic heat exchanger in which flow paths facing each other are arranged in a grid pattern, but how a high-temperature fluid and a low-frequency fluid are caused to flow into the flow path with respect to the ceramic heat exchanger.
  • Patent Document 2 discloses a ceramic heat exchanger in which a plurality of flow paths are formed by laminating and joining grooved plate-shaped molded bodies.
  • Patent Document 3 discloses a tube-type ceramic heat exchanger, but this ceramic heat exchanger has a complicated joining of the tube and the casing, and not only requires man-hours for manufacturing but also leaks. There is a problem that it is easy to produce.
  • the present invention has been devised in view of the above-described problems, and provides a ceramic heat exchanger that can be easily manufactured by reducing the number of joints and that can reduce leakage, and a method for manufacturing the same.
  • the purpose is to do.
  • the ceramic is composed of ceramics, and heat-exchanges between the first medium and the second medium by sending the first medium and the second medium having a temperature difference to face each other.
  • a heat exchanger comprising a body portion formed with a first flow path for feeding the first medium and a second flow path for feeding the second medium, and connected to both ends of the body section, the first flow path
  • a lid portion formed with an opening communicating with the one flow path, and the body portion passes the second medium from the side surface portion to the end corresponding to the outlet side of the first flow path.
  • an outlet channel that discharges the second medium from the second channel to the side surface at an end corresponding to the inlet side of the first channel.
  • the first flow path and the second flow path are alternately formed for each row, for example. Further, the first flow path and the second flow path are formed in a lattice shape or a honeycomb shape, for example. Moreover, the flow path cross sections of the first flow path and the second flow path may be constituted by long sides and short sides. Further, in the channel cross section, the ratio of the long width to the short width is preferably 1.2 to 3.0.
  • the inlet channel and the outlet channel are constituted by, for example, a groove formed so as to communicate with the second channel from a side surface portion of the body portion and a back surface of the lid portion. Further, the outlet channel may be formed to have a larger volume than the inlet channel.
  • the ceramic heat exchanger has a cylindrical part into which the body part can be inserted, and the cylindrical part communicates with the inlet channel and has an inlet chamber having the inlet part of the second medium, and the outlet. And an outlet chamber communicating with the flow path and having an outlet portion of the second medium.
  • a ceramic heat exchanger manufacturing method comprising: a molded body having a first flow path for feeding the first medium and a second flow path for feeding the second medium; and communication with the first flow path
  • the ceramic heat exchanger is constituted by the body portion and the lid portion, and the body portion and the lid portion are joined by forming the structure.
  • the ceramic heat exchanger can be manufactured, the joints can be reduced, the heat exchanger can be easily manufactured, and the leakage can be reduced.
  • FIG. 1 A is a side view
  • B is a B arrow view in FIG. 1 (A).
  • A is SA-SA sectional drawing
  • B is SB-SB sectional drawing.
  • A is the sintered compact of the trunk
  • B is a trunk
  • C shows the sintered body of the body part after the coating step and the sintered body of the lid part corresponding to this.
  • FIG. 1 is a figure which shows one Embodiment of the ceramic heat exchanger which concerns on this invention
  • (A) is a side view
  • (B) is a B arrow view in FIG. 1 (A).
  • 2 is a cross-sectional view of the ceramic heat exchanger shown in FIG. 1A, where FIG. 2A is an SA-SA cross-sectional view and FIG. 2B is an SB-SB cross-sectional view.
  • the ceramic heat exchanger 1 shown in FIGS. 1 and 2 is made of ceramics and has a first medium (hereinafter referred to as “hot medium”) having a temperature difference and a second medium (hereinafter referred to as “low temperature medium”).
  • the ceramic heat exchanger 1 exchanges heat between the high-temperature medium and the low-temperature medium, and sends the first flow path 21 for supplying the high-temperature medium and the low-temperature medium.
  • the body part 2 corresponds to an inlet channel 23 for introducing a low-temperature medium into the second channel 22 from the side surface at the end 2 a corresponding to the outlet side of the first channel 21, and the inlet side of the first channel 21.
  • An outlet channel 24 that discharges the low temperature medium from the second channel 22 to the side surface portion is provided at the end 2b.
  • the body 2 has a function of sending a high-temperature medium and a low-temperature medium facing each other.
  • the body portion 2 is a ceramic sintered body having a cylindrical shape, and a plurality of through holes are formed in the axial direction.
  • the through holes are formed in a lattice shape, and the first flow path 21 and the second flow path 22 are alternately set for each row.
  • oxide ceramics such as alumina and zirconia and non-oxide ceramics such as silicon nitride and silicon carbide can be used.
  • Oxide ceramics are excellent in oxidation resistance at high temperatures, and non-oxide ceramics are excellent in mechanical properties at high temperatures because of their low coefficient of thermal expansion.
  • silicon carbide having high thermal conductivity and excellent high-temperature strength for the body portion 2.
  • the first flow path 21 is a through hole formed over the entire axial direction of the trunk portion 2, and feeds a high-temperature medium along the axial direction of the trunk portion 2. . That is, the high-temperature medium flows into the body 2 from the end surface on the end 2b side of the body 2 and flows out of the body 2 from the end surface on the end 2a side.
  • the second flow path 22 is a through-hole formed over a portion excluding both end portions 2a and 2b in the axial direction of the body portion 2, and a low temperature medium is supplied to the body portion 2.
  • An inlet channel 23 is formed on the upstream side (end 2a side) of the second channel 22, and an outlet channel 24 is formed on the downstream side (end 2b side). Therefore, the low-temperature medium flows into the body part 2 from the side surface part of the end part 2a of the body part 2, passes through the second flow path 22, and flows out of the body part 2 from the side surface part of the end part 2b.
  • the inlet channel 23 and the outlet channel 24 are constituted by groove portions 23 a and 24 a formed so as to communicate with the second channel 22 from the side surface portion of the body portion 2 and the back surface 3 a of the lid portion 3.
  • the groove portions 23 a and 24 a are formed from the side surface portion of the trunk portion 2 to the entire region of the second flow path 22. Further, as shown in FIG. 1A, the widths Da and Db of the groove portions 23a and 24a are adjusted depending on the positions where they are formed.
  • the widths Da and Db are formed so that, for example, the widths Da and Db at the center are large and the widths Da and Db at both ends are small according to the flow path cross-sectional area of the second flow path 22. Are configured to be able to flow to each second flow path 22 substantially evenly.
  • the inlet channel 23 and the outlet channel 24 also function as buffer spaces arranged upstream and downstream of the second channel 22 as shown in FIG.
  • the low temperature medium flows into the body portion 2 from the inlet flow path 23, and is heat-exchanged with the high temperature medium through the partition formed between the first flow path 21 and the temperature rises when passing through the second flow path 22.
  • the low temperature medium flows out of the body 2 from the outlet channel 24. Therefore, since the low temperature medium that has reached the outlet channel 24 is more thermally expanded than when it flows into the body 2, the outlet channel 24 is formed to have a larger volume than the inlet channel 23. ing. That is, the grooves 23 a and 24 a are formed so that the width Db of the outlet channel 24> the width Da of the inlet channel 23.
  • the lid 3 is connected to both end faces of the body 2 and has a function of partitioning the first flow path 21 and the second flow path 22.
  • the lid portion 3 is a ceramic sintered body having a disk shape having a larger diameter than the body portion 2, and the first flow path 21 is formed. Openings 31 are formed along the outer shape of each row.
  • the ceramic for example, a material mainly composed of silicon nitride or silicon carbide is used, but is not limited thereto, but it is preferable to use the same ceramic as that of the body portion 2.
  • the shape of the lid 3 is not limited to the illustrated disk shape, and may be a quadrangular shape, a rounded quadrangular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, or the like, and the ceramic heat exchanger 1 is attached. You may form in the shape suitable for a part.
  • the opening 31 is formed in the lid 3 so as to communicate with the first flow path 21 and not to communicate with the second flow path 22, the inlet flow path 23, and the outlet flow path 24.
  • the openings 31 are formed in a rectangular shape connecting the outer frame shapes of the first flow paths 21 in the row in which the first flow paths 21 are formed, but are not limited to such shapes.
  • the lengths of the columns may be substantially the same.
  • FIG. 3 is a figure which shows the sintered compact obtained using the manufacturing method of the ceramic heat exchanger which concerns on this invention
  • (A) is a sintered compact of the trunk
  • (B) Shows the sintered body of the body after the processing step
  • (C) shows the sintered body of the body after the coating step and the sintered body of the lid that matches this.
  • 3A to 3C the end surface of the trunk portion 2 on the inlet channel 23 side is illustrated.
  • the method for manufacturing the ceramic heat exchanger 1 according to the present invention is made of ceramics, and heat exchange is performed between a high-temperature medium and a low-temperature medium by flowing a high-temperature medium and a low-temperature medium facing each other with a temperature difference.
  • the ceramic heat exchanger 1 is manufactured in such a manner that the molded body of the body 2 having the first flow path 21 for feeding the high-temperature medium and the second flow path 22 for feeding the low-temperature medium communicates with the first flow path 21.
  • the forming step of forming the lid body molded body having the opening 31, and the body 2 and the lid 3 molded body are fired to form the body 2 sintered body 20 and the lid 3 sintered body 30.
  • a forming step, a processing step of forming groove portions 23a and 24a communicating with the second flow path 22 from the side surface portions at both end portions 2a and 2b of the sintered body 20 of the body portion 2, and a sintered body of the body portion 2 20 and the bonding agent 4 are applied to at least one bonding surface of the sintered body 30 of the lid portion 3.
  • the sintered body 30 of the lid 3 is disposed and heat-treated so that the first flow path 21 and the opening 31 are aligned with both end faces of the sintered body 20 of the body 2.
  • the molding step is a step of forming the molded body of the body portion 2 and the molded body of the lid portion 3.
  • a clay-like clay obtained by mixing ceramic powder, a binder, and water and kneading using a stirring mixer such as a kneader is shown in FIG. It can obtain by extruding using the metal mold
  • the granule granulated by spray-drying has an opening part 31 as shown in FIG.3 (C). It can be obtained by filling a mold that can be formed into a disk shape and pressurizing under a predetermined condition.
  • the molding method is not limited to the method described above, and may be subjected to cutting after molding using a hydrostatic press molding method (rubber press molding method) or may be a cast molding method. . Needless to say, the obtained molded body may be cut as necessary.
  • silicon carbide is specifically used as the ceramic material.
  • a silicon carbide primary material having an average particle diameter of 0.5 to 10 ⁇ m and a purity of 99 to 99.8%, together with carbon (C) and boron (B), alumina (Al 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ), magnesia (MgO) and other sintering aids are added, and this is added to a stirring mixer such as a kneader together with binders such as polyethylene glycol and polyethylene oxide and water.
  • a clay-like clay that can be used for extrusion molding is obtained.
  • a molded object can be obtained by extruding this clay using the metal mold
  • the silicon carbide primary material having an average particle diameter of 0.5 to 10 ⁇ m and a purity of 99 to 99.8% was added to carbon (C) and boron (B) together with alumina (Al 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ), magnesia (MgO) and other sintering aids are added, and a suitable amount of binder such as polyethylene glycol and polyethylene oxide is added to form a slurry, which is then spray dried. Granulate by the method (spray drying method). And a molded object can be obtained by filling this granule in the metal mold
  • the firing step is a step of firing the molded body of the body portion 2 and the lid portion 3 to form the sintered body 20 of the body portion 2 and the sintered body 30 of the lid portion 3.
  • the molded body of the body portion 2 and the lid portion 3 is placed in a firing furnace and fired at a predetermined atmosphere, temperature, and holding time according to the material of the ceramic powder, so that FIG. 3 has a cylindrical body 2 sintered body 20 having a plurality of through holes (first flow path 21 and second flow path 22) and an opening 31 shown in FIG. 3C.
  • a sintered body 30 of the disc-shaped lid portion 3 can be obtained.
  • the ceramic material is silicon carbide
  • each sintered body can be obtained by firing at a temperature of 1800 to 2200 ° C. in a non-oxidizing atmosphere.
  • the processing step is a step of forming the grooves 23a and 24a constituting the inlet channel 23 and the outlet channel 24. Specifically, groove portions 23 a and 24 a communicating with the second flow path 22 are formed at both end portions 2 a and 2 b of the sintered body 20 of the body portion 2.
  • the widths Da and Db of the groove portions 23a and 24a at both end portions 2a and 2b of the body portion 2 are set as shown in FIG. 1A, for example.
  • ceramic is a material that has high hardness and high brittleness, and is difficult to process.
  • the processing is easy, and the groove portions 23a and 24a can be formed without damaging the sintered body 20 of the body portion 2, and the end portion 2a side of the sintered body 20 of the body portion 2 after the processing step can be formed.
  • the end face is as shown in FIG.
  • the application step is a step of applying the bonding agent 4 to at least one bonding surface of the sintered body 20 of the body portion 2 and the sintered body 30 of the lid portion 3.
  • the bonding agent 4 for example, a vitreous glaze is used.
  • Such a bonding agent 4 is applied to both end surfaces of the sintered body 20 of the body portion 2 which is a bonding surface with a brush or the like.
  • the end surface on the end 2a side of the sintered body 20 of the body portion 2 after the coating step is as shown by the shaded portion in FIG. 3C.
  • the bonding agent 4 may be applied to the back surface 3a of the sintered body 30 of the lid portion 3 that is the bonding surface while performing masking or the like as necessary.
  • the sintered body 20 of the trunk portion 2 and the lid portion 3 The bonding agent 4 may be applied to both bonding surfaces of the sintered body 30.
  • the heat treatment step is a step in which the sintered body 20 of the body portion 2 and the sintered body 30 of the lid portion 3 are integrated to obtain the ceramic heat exchanger 1 shown in FIGS.
  • the sintered body 30 of the lid 3 is arranged so that the first flow path 21 and the opening 31 are in communication with both end faces of the sintered body 20 of the body 2 to which the bonding agent 4 is applied.
  • the sintered body 20 of the body portion 2 and the sintered body 30 of the lid portion 3 are integrated with the bonding agent 4 by heat treatment.
  • the joints that are likely to cause leakage in the ceramic heat exchanger 1 obtained after the heat treatment can be reduced to two places on both end faces of the body portion 2.
  • the possibility that a leak will occur can be reduced.
  • the bonding agent 4 is applied to at least one joining surface of the both end surfaces of the sintered body 20 of the body portion 2 or the back surface 3a of the sintered body 30 of the lid portion 3, so Since only one flow path 21 and the opening 31 of the sintered body 30 of the lid portion 3 are arranged so as to communicate with each other and heat treatment is performed, the sintered body 20 and the lid portion of the body portion 2 can be easily integrated. 3 sintered bodies 30 can be joined, and the number of work steps can be reduced.
  • the inlet channel 23 and the outlet channel 24 for allowing the low temperature medium to flow through the second channel 22 are formed with groove portions 23a, 24a at both ends 2a, 2b of the sintered body 20 of the body portion 2, and a lid portion. Therefore, it is possible to select a processing method that can be applied to ceramics that are highly brittle and difficult to process, and can be easily processed.
  • FIG. 4 is a figure which shows the use condition of the ceramic heat exchanger which concerns on this invention, (A) has shown the 1st usage example, (B) has shown the 2nd usage example.
  • A) has shown the 1st usage example
  • B has shown the 2nd usage example.
  • symbol is attached
  • the use example of the ceramic heat exchanger 1 has a cylindrical part 5 into which the body part 2 can be inserted.
  • the cylindrical part 5 communicates with the inlet channel 23 and is a low temperature medium.
  • An inlet chamber 51 having an inlet portion 51a, and an outlet chamber 52 communicating with the outlet channel 24 and having an outlet portion 52a for a low-temperature medium.
  • a low-temperature medium is allowed to flow in and out from the side surface side of the ceramic heat exchanger 1.
  • the cylindrical portion 5 is mounted between the lid portions 3 of the ceramic heat exchanger 1, and guide channels 6 for guiding the high temperature medium are connected to both ends thereof by fasteners 8 such as bolts.
  • an elastic body 7 is disposed between the lid 3 and the guide channel 6. Since the cylindrical portion 5 and the guide channel 6 are generally made of metal, there may be a case where a difference in thermal expansion occurs with the ceramic heat exchanger 1, and this difference in thermal expansion is absorbed by the elastic body 7.
  • the elastic body 7 may be a rubber member rich in sealing performance, or may be a spring member when sealing performance is ensured in other portions.
  • the cylindrical portion 5 has a convex portion 53 on the inner peripheral surface, and an inlet chamber 51 and an outlet chamber 52 are formed by the convex portion 53.
  • the internal diameter of the convex part 53 is formed a little larger than the outer diameter of the trunk
  • the axial width Dc of the convex portion 53 is formed so as not to overlap the inlet channel 23 and the outlet channel 24 as shown in FIG. 4A, for example.
  • the length of the buffer space of the inlet channel 23 and the outlet channel 24 may be adjusted according to the length of the axial width Dc).
  • the cylinder part 5 is comprised, for example so that it can be divided
  • One inlet portion 51a and one outlet portion 52a may be formed in each of the inlet chamber 51 and the outlet chamber 52, or a plurality of inlet portions 51a and a plurality of outlet portions 52a may be formed radially.
  • the high-temperature medium is sent in the axial direction of the ceramic heat exchanger 1 and enters the first flow path 21 from the end 2b side where the outlet flow path 24 is formed. It is sent to the outside from the formed end 2a side. Further, the low temperature medium is fed into the inlet chamber 51 from the inlet portion 51a of the cylindrical portion 5, enters the second flow passage 22 from the inlet passage 23 formed in the side surface portion of the ceramic heat exchanger 1, and Heat is exchanged with the high-temperature medium in the section 2 and is sent to the outside through the outlet channel 24, the outlet chamber 52, and the outlet section 52a.
  • the high-temperature medium is, for example, exhaust gas at 800 ° C.
  • the low-temperature medium is, for example, compressed air of about 150 to 200 ° C. supplied to an internal combustion engine such as an engine.
  • the temperature of the compressed air which is a low-temperature medium, is increased to, for example, about 500 ° C.
  • a low-temperature medium is caused to flow in and out from the axial direction of the ceramic heat exchanger 1.
  • the adapter 9 for reducing the diameter of the inlet is connected to the upstream side of the high-temperature medium of the ceramic heat exchanger 1, and the cylindrical portion 5 is mounted between the lid portion 3 on the downstream side and the flange portion 91 of the adapter 9.
  • the guide flow path 6 for guiding the high-temperature medium is disposed at both ends thereof.
  • the adapter 9 is, for example, an annular structure having a conical surface.
  • the adapter 9 is comprised with the ceramic material similar to the ceramic heat exchanger 1, for example, and is joined to the trunk
  • the cylinder part 5 has the entrance part 51a, the entrance chamber 51, the convex part 53, the exit part 52a, and the exit chamber 52 similarly to the 1st usage example.
  • a low-temperature medium introduction path 54 is formed on the outer periphery of the inlet chamber 51 and the outlet chamber 52.
  • the cylindrical portion 5 has a double wall structure, the outer peripheral space is used as the low-temperature medium introduction path 54, and the inner peripheral space is used as the ceramic heat exchanger 1 installation space and the low-temperature medium outlet path ( It is used as the exit chamber 52).
  • a stepped portion 55 projecting inward is formed on the upstream side of the high temperature medium of the cylindrical portion 5, and the inlet portion 54 a of the introduction path 54 and the outlet portion 52 a of the outlet chamber 52 are formed on the stepped portion 55. It is formed in the axial direction of the exchanger 1. Further, the stepped portion 55 is configured to come into contact with the flange portion 91 of the adapter 9 via the elastic body 7, and the guide channel 6 on the upstream side of the high-temperature medium is integrally formed.
  • the ceramic heat exchanger 1 is inserted from the downstream side of the high-temperature medium of the cylindrical portion 5 and brought into contact with the stepped portion 55 in the cylindrical portion 5, and the cylindrical portion 5 and the guide channel 6 are connected by the fastener 8.
  • the ceramic heat exchanger 1 can be installed in the guide channel 6 of the high temperature medium only by connecting.
  • the high temperature medium is sent in the axial direction of the ceramic heat exchanger 1 and enters the first flow path 21 via the adapter 9, and the end 2 a side where the inlet flow path 23 is formed. Is sent to the outside. Further, the low-temperature medium is sent from the introduction port 54 a of the introduction path 54 of the cylindrical portion 5 into the inlet chamber 51 via the inlet portion 51 a, and is formed in the inlet channel 23 formed in the side surface portion of the ceramic heat exchanger 1. Enters the second flow path 22, exchanges heat with the high-temperature medium in the body portion 2, and is sent to the outside through the outlet flow path 24, the outlet chamber 52, and the outlet section 52 a.
  • the low temperature medium may flow in and out from the axial direction downstream of the high temperature medium, or one of the low temperature medium inflow and outflow may be in the side surface direction and the other in the axial direction.
  • the low temperature medium may flow from the axial direction on the downstream side of the high temperature medium and flow out from the axial direction on the upstream side.
  • FIG. 5 is a figure which shows the modification of the ceramic heat exchanger which concerns on this invention
  • (A) is a side view which shows a 1st modification
  • (B) is sectional drawing which shows a 2nd modification
  • FIG. 6 is a figure which shows the 3rd modification of the ceramic heat exchanger which concerns on this invention
  • (A) is an end surface of a ceramic heat exchanger
  • (B) is an end surface of a trunk
  • (C) is a lid
  • symbol is attached
  • the widths Da and Db of the grooves 23a and 24a in the inlet channel 23 and the outlet channel 24 are formed equally.
  • the widths Da and Db of the grooves 23a and 24a in the inlet channel 23 and the outlet channel 24 may be various shapes depending on design conditions and use conditions, such as narrowing the central part and widening the vicinity of both ends. Of course, it can be deformed.
  • the cross-sectional view of the second modification shown in FIG. 5B corresponds to the cross-sectional view of SB-SB shown in FIG.
  • the widths Da and Db of the groove portions 23a and 24a in the inlet channel 23 and the outlet channel 24 are curved so as to be maximum at the center in the groove forming direction.
  • the degree of such bending is configured such that the low-temperature medium can be sent to each second channel 22 substantially evenly according to the channel cross-sectional area of the second channel 22 and each of the grooves 23a and 24a.
  • the widths Da and Db of the groove portions 23a and 24a in the inlet channel 23 and the outlet channel 24 may be curved so as to be a minimum value at the center portion in the groove forming direction. Needless to say, it can be formed into various shapes depending on design conditions and use conditions, such as being inclined and narrow or wide.
  • each through hole of the third modified example has a hexagonal cross section and is arranged in a honeycomb shape.
  • the first flow path 21 and the second flow path 22 are alternately arranged for each row. Is set.
  • a groove portion 23a constituting the inlet flow path 23 is formed from the side face portion to the side face portion so as to communicate with the second flow path 22.
  • the groove 23 a is formed on one side of the hexagonal cross section of the second flow path 22 so as not to communicate with the first flow path 21.
  • the outlet channel 24 side has the same shape.
  • the lid 3 is formed with an opening 31 that communicates with the first flow path 21 that constitutes the flow path of the high-temperature medium.
  • the opening 31 is formed in a shape connecting the outer frame shapes of the first flow paths 21 in the row in which the first flow paths 21 are formed.
  • FIG. 7 is a figure which shows the other modification of the ceramic heat exchanger which concerns on this invention, (A) is a 4th modification, (B) is a 5th modification. 7A and 7B illustrate the end surface of the body 2 in the ceramic heat exchanger 1 (with the lid 3 removed).
  • symbol is attached
  • the cross sections of the first flow path 21 and the second flow path 22 are rectangular. That is, the channel cross section of the first channel 21 is configured by a pair of long sides 21a and a pair of short sides 21b, and the channel cross section of the second channel 22 is configured by a pair of long sides 22a and a pair of short sides 22b. ing.
  • the number of partition walls can be reduced, processing can be facilitated, and the weight of the heat exchanger can be reduced.
  • the heat transfer area of the first flow path 21 and the second flow path 22 can be increased and the hydraulic diameter (representative dimension of the flow path cross section used in the heat transfer calculation) can be reduced. The heat transfer rate can be improved.
  • the cross sections of the first flow path 21 and the second flow path 22 are formed by a rectangle having a long width X and a short width Y.
  • the ratio of the long width X to the short width Y (long width X / short width Y) is set to 1.2 to 3.0.
  • the ratio of long width X / short width Y is smaller than 1.2, the processing resistance is large, and it is difficult to form a specific flow path cross section.
  • the ratio of long width X / short width Y is larger than 3.0, the long width X is more easily contracted than the short width Y, and the flow path cross section is easily deformed.
  • one side may be made into a square and the other may be comprised in a rectangle, long width X and short width Y, The ratio may be different.
  • the cross sections of the first flow path 21 and the second flow path 22 are configured by hexagons having a long width X and a short width Y. That is, the flow path cross section of the first flow path 21 is composed of a pair of long sides 21a and two pairs of short sides 21b, and the flow path cross section of the second flow path 22 is composed of a pair of long sides 22a and two pairs of short sides 22b. It is configured. With this configuration, the number of partition walls can be reduced, processing can be facilitated, and the weight of the heat exchanger can be reduced.
  • the heat transfer area of the first flow path 21 and the second flow path 22 can be increased and the hydraulic diameter (representative dimension of the flow path cross section used in the heat transfer calculation) can be reduced.
  • the heat transfer rate can be improved. Note that the ratio between the long width X and the short width Y is the same as that in the fourth modification example shown in FIG.

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Abstract

　接合部を低減することにより、容易に熱交換器を製造することができ、リークを低減することができるセラミック熱交換器及びその製造方法を提供する。　本発明のセラミック熱交換器１は、高温媒体を送流する第一流路２１及び低温媒体を送流する第二流路２２が形成された胴部２と、胴部２の両端部２ａ，２ｂに接続され第一流路２１と連通する開口部３１が形成された蓋部３と、を有し、胴部２は、第一流路２１の出口側に相当する端部２ａに低温媒体を側面部から第二流路２２に導入する入口流路２３と、第一流路２１の入口側に相当する端部２ｂに低温媒体を第二流路２２から側面部に排出する出口流路２４と、を有する。

Description

セラミック熱交換器及びその製造方法
　本発明は、セラミック熱交換器及びその製造方法に関し、特に、マイクロチャネル式対向流型の熱交換器に適したセラミック熱交換器及びその製造方法に関する。
　セラミックスは、金属よりも軽量であり、熱伝導性に優れていることから、熱交換器に適した素材である。特に、セラミックスは耐熱性にも優れていることから、ガスタービン等の排気ガスのように８００℃を超える高温ガスの熱回収に利用できる素材として期待されている。また、高温領域で一般に使用される金属製のプレートフィン式熱交換器は、熱交換率が高いものの、フィンの形状が複雑であり高価であるという問題がある。一方で、セラミックスは高硬度であるとともに脆性が高いために、複雑な形状に加工することが難しい材料である。かかる性質を備えたセラミックスを使用した熱交換器には、例えば、特許文献１～特許文献３に記載されたものが既に提案されている。
　特許文献１に記載されたセラミック熱交換器は、外枠と、該外枠の内部に高温流体及び低温流体を互いに対向して流すために設けられた複数の流体通路と、該流体通路を分離する隔壁とを具備し、該隔壁と前記外枠とが一体的に焼成されてなるセラミックスであり、かつ高温流体及び低温流体との熱交換が前記隔壁を介して行われることを特徴とする。
　特許文献２に記載されたセラミック熱交換器は、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とバインダーとを混合して成る原料混合体を成形して溝付きの板状成形体を複数個作製し、これらの複数の板状成形体を接着剤で仮接合することにより上記溝を細孔として内部に備えた積層体を形成し、得られた積層体について脱バインダー処理を実施して脱脂体とした後に、この脱脂体を加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて一体の焼結体とすることを特徴とする。
　特許文献３に記載されたセラミック熱交換器は、排ガスを内部に導入するためのケーシングと、ケーシングの一端部の外方から内方へと貫通して導入されると共に、ケーシングの他端部の内方から外方へと貫通して延出される複数本のチューブとで構成され、チューブは、その内部が熱媒体で満たされており、排ガスの流れの下流側から上流側へと熱媒体を循環させ、ケーシングと各チューブとの接合部の空隙は、セラミックス原料、または、セラミック固形物およびセラミックス原料でなるセラミックスで充填されていることを特徴とする。
特開２００２－１０７０７２号公報 特開２００５－２８９７４４号公報 特開平１０－２９８７６号公報
　特許文献１には、互いに対向する流路を格子状に配置したセラミック熱交換器が開示されているが、このセラミック熱交換器に対して高温流体及び低音流体をどのように流路に流入させるかについての具体的な記載がない。また、特許文献２には、溝付きの板状成形体を積層して接合することにより複数の流路を形成したセラミック熱交換器が開示されているが、このセラミック熱交換器は、接合箇所が多く、製造に工数を要するだけでなく、リークを生じ易いという問題がある。さらに、特許文献３には、チューブ式のセラミック熱交換器が開示されているが、このセラミック熱交換器は、チューブとケーシングとの接合が複雑であり、製造に工数を要するだけでなく、リークを生じ易いという問題がある。
　本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、接合部を低減することにより、容易に製造することができ、リークを低減することができるセラミック熱交換器及びその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明によれば、セラミックスにより構成され、温度差を有する第一媒体と第二媒体とを対向させて送流することにより、前記第一媒体と前記第二媒体との間で熱交換するセラミック熱交換器であって、前記第一媒体を送流する第一流路及び前記第二媒体を送流する第二流路が形成された胴部と、該胴部の両端部に接続され前記第一流路と連通する開口部が形成された蓋部と、を有し、前記胴部は、前記第一流路の出口側に相当する端部に前記第二媒体を側面部から前記第二流路に導入する入口流路と、前記第一流路の入口側に相当する端部に前記第二媒体を前記第二流路から側面部に排出する出口流路と、を有することを特徴とするセラミック熱交換器が提供される。
　前記第一流路及び前記第二流路は、例えば、一列毎に交互に形成される。また、前記第一流路及び前記第二流路は、例えば、格子状又はハニカム状に形成される。また、前記第一流路及び前記第二流路の流路断面は、長辺及び短辺により構成されていてもよい。さらに、前記流路断面は、短幅に対する長幅の比率が１．２～３．０であることが好ましい。
　前記入口流路及び前記出口流路は、例えば、前記胴部の側面部から前記第二流路と連通するように形成された溝部と前記蓋部の裏面とにより構成される。また、前記出口流路は、前記入口流路よりも容積が大きく形成されていてもよい。
　さらに、前記セラミック熱交換器は、前記胴部を挿入可能な筒部を有し、該筒部は、前記入口流路と連通するとともに前記第二媒体の入口部を有する入口室と、前記出口流路と連通するとともに前記第二媒体の出口部を有する出口室と、を備えていてもよい。
　また、本発明によれば、セラミックスにより構成され、温度差を有する第一媒体と第二媒体とを対向させて送流することにより、前記第一媒体と前記第二媒体との間で熱交換するセラミック熱交換器の製造方法であって、前記第一媒体を送流する第一流路及び前記第二媒体を送流する第二流路を有する胴部の成形体と前記第一流路と連通する開口部を有する蓋部の成形体とを形成する成形工程と、前記胴部及び前記蓋部の成形体を焼成して前記胴部及び前記蓋部の焼結体を形成する焼成工程と、前記胴部の焼結体の両端部に側面部から前記第二流路と連通する溝部を形成する加工工程と、前記胴部及び前記蓋部の焼結体の少なくとも一方の接合面に接合剤を塗布する塗布工程と、前記胴部の焼結体の両端面に前記第一流路と前記開口部とを一致させるように前記蓋部の焼結体を配置して熱処理し、前記胴部及び前記蓋部の焼結体を前記接合剤で一体化する熱処理工程と、を有することを特徴とするセラミック熱交換器の製造方法が提供される。
　上述した本発明のセラミック熱交換器及びその製造方法によれば、セラミック熱交換器を胴部と蓋部とにより構成し、これらを接合した構造としたことにより、胴部と蓋部とを接合するだけでセラミック熱交換器を製造することができ、接合部を低減することができ、容易に熱交換器を製造することができ、リークを低減することができる。
本発明に係るセラミック熱交換器の一実施形態を示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＢ矢視図、である。 図１（Ａ）に示したセラミック熱交換器の断面図であり、（Ａ）はＳＡ‐ＳＡ断面図、（Ｂ）はＳＢ‐ＳＢ断面図、である。 本発明に係るセラミック熱交換器の製造方法を用いて得られる焼結体を示す図であり、（Ａ）は焼成工程後の胴部の焼結体、（Ｂ）は加工工程後の胴部の焼結体、（Ｃ）は塗布工程後の胴部の焼結体及びこれに一致させる蓋部の焼結体、を示している。 本発明に係るセラミック熱交換器の使用状態を示す図であり、（Ａ）は第一使用例、（Ｂ）は第二使用例、を示している。 本発明に係るセラミック熱交換器の変形例を示す図であり、（Ａ）は第一変形例を示す側面図、（Ｂ）は第二変形例を示す断面図、である。 本発明に係るセラミック熱交換器の第三変形例を示す図であり、（Ａ）は胴部の端面、（Ｂ）は蓋部の端面、（Ｃ）はセラミック熱交換器の端面、を示している。 本発明に係るセラミック熱交換器の他の変形例を示す図であり、（Ａ）は第四変形例、（Ｂ）は第五変形例、である。
　以下、本発明の実施形態について図１～図７を用いて説明する。ここで、図１は、本発明に係るセラミック熱交換器の一実施形態を示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＢ矢視図、である。また、図２は、図１（Ａ）に示したセラミック熱交換器の断面図であり、（Ａ）はＳＡ‐ＳＡ断面図、（Ｂ）はＳＢ‐ＳＢ断面図、である。
　図１及び図２に示したセラミック熱交換器１は、セラミックスにより構成され、温度差を有する第一媒体（以下、「高温媒体」とする。）と第二媒体（以下、「低温媒体」とする。）とを対向させて送流することにより、高温媒体と低温媒体との間で熱交換するセラミック熱交換器１であって、高温媒体を送流する第一流路２１及び低温媒体を送流する第二流路２２が形成された胴部２と、胴部２の両端部２ａ，２ｂに接続され第一流路２１と連通する開口部３１が形成された蓋部３と、を有し、胴部２は、第一流路２１の出口側に相当する端部２ａに低温媒体を側面部から第二流路２２に導入する入口流路２３と、第一流路２１の入口側に相当する端部２ｂに低温媒体を第二流路２２から側面部に排出する出口流路２４と、を有する。
　前記胴部２は、高温媒体と低温媒体とを対向させて送流する機能を有する。具体的には、図１及び図２に示したように、胴部２は円柱形状をなしたセラミック焼結体であり、軸方向に複数の貫通孔が形成されている。かかる貫通孔は、例えば、図１（Ｂ）に示したように、格子状に形成されており、一列毎に交互に第一流路２１及び第二流路２２が設定される。
　なお、前記胴部２に用いられるセラミック焼結体としては、アルミナ，ジルコニア等の酸化物セラミックス及び窒化珪素，炭化珪素等の非酸化物セラミックスが使用可能である。酸化物セラミックスは、高温での耐酸化性に優れ、非酸化物セラミックスは、熱膨張率が低いため、高温での機械的特性に優れる。特に、セラミック熱交換器の性能を高めるため、胴部２には、熱伝導率が高く、高温強度に優れた炭化珪素を用いることが好ましい。
　前記第一流路２１は、図２（Ａ）に示すように、胴部２の軸方向全体に渡って形成された貫通孔であり、高温媒体を胴部２の軸方向に沿って送流する。すなわち、高温媒体は、胴部２の端部２ｂ側の端面から胴部２内に流入し、端部２ａ側の端面から胴部２外に流出する。
　前記第二流路２２は、図２（Ｂ）に示すように、胴部２の軸方向の両端部２ａ，２ｂを除く部分に渡って形成された貫通孔であり、低温媒体を胴部２の軸方向に沿って高温媒体の送流方向と対向する方向に送流する。また、第二流路２２の上流側（端部２ａ側）には入口流路２３が形成され、下流側（端部２ｂ側）には出口流路２４が形成されている。したがって、低温媒体は、胴部２の端部２ａの側面部から胴部２内に流入し、第二流路２２を通過して端部２ｂの側面部から胴部２外に流出する。
　前記入口流路２３及び出口流路２４は、胴部２の側面部から第二流路２２と連通するように形成された溝部２３ａ，２４ａと蓋部３の裏面３ａとにより構成される。溝部２３ａ，２４ａは、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、胴部２の側面部から第二流路２２の列の全域に渡って形成されている。また、図１（Ａ）に示すように、溝部２３ａ，２４ａは、形成される位置によって幅Ｄａ，Ｄｂが調整される。かかる幅Ｄａ，Ｄｂは、例えば、第二流路２２の流路断面積に応じて、中央部の幅Ｄａ，Ｄｂが大きく、両端部の幅Ｄａ，Ｄｂが小さくなるように形成され、低温媒体を各第二流路２２に略均等に送流できるように構成される。
　また、入口流路２３及び出口流路２４は、図２（Ｂ）に示すように、第二流路２２の上流及び下流側に配置されたバッファ空間としても作用する。低温媒体は、入口流路２３から胴部２内に流入し、第二流路２２の通過時に第一流路２１との間に形成された隔壁を介して高温媒体と熱交換され、昇温した低温媒体は出口流路２４から胴部２外に流出する。したがって、出口流路２４に到達した低温媒体は、胴部２内に流入したときよりも熱膨張しているため、出口流路２４は、入口流路２３よりも容積が大きくなるように形成されている。すなわち、溝部２３ａ，２４ａは、出口流路２４の幅Ｄｂ＞入口流路２３の幅Ｄａとなるように形成されている。
　前記蓋部３は、胴部２の両端面に接続され、第一流路２１と第二流路２２とを仕切る機能を有する。具体的には、図１及び図２に示したように、蓋部３は、胴部２よりも大きな径を有する円板形状をなしたセラミック焼結体であり、第一流路２１が形成された列の外形に沿って開口部３１が形成されている。セラミックスとしては、例えば、窒化珪素や炭化珪素を主成分としたものが使用され、これらに限定されるものではないが、胴部２と同じセラミックスを使用することが好ましい。なお、蓋部３の形状は、図示した円板形状に限定されるものではなく、四角形状・角丸四角形状・楕円形状・多角形状等であってもよいし、セラミック熱交換器１を取り付ける部分に適した形状に形成してもよい。
　前記開口部３１は、第一流路２１と連通し、第二流路２２・入口流路２３・出口流路２４とは連通しないように蓋部３に形成される。図１（Ｂ）では、開口部３１は、第一流路２１が形成された列の第一流路２１の外枠形状を結んだ長方形状に形成されているが、かかる形状に限定されるものではなく、例えば、各列の長さが略同じとなるように形成されていてもよい。
　次に、本発明に係るセラミック熱交換器１の製造方法について説明する。ここで、図３は、本発明に係るセラミック熱交換器の製造方法を用いて得られる焼結体を示す図であり、（Ａ）は焼成工程後の胴部の焼結体、（Ｂ）は加工工程後の胴部の焼結体、（Ｃ）は塗布工程後の胴部の焼結体及びこれに一致させる蓋部の焼結体、を示している。なお、図３（Ａ）～（Ｃ）においては、胴部２の入口流路２３側の端面を図示している。
　本発明に係るセラミック熱交換器１の製造方法は、セラミックスにより構成され、温度差を有する高温媒体と低温媒体とを対向させて送流することにより、高温媒体と低温媒体との間で熱交換するセラミック熱交換器１の製造方法であり、高温媒体を送流する第一流路２１及び低温媒体を送流する第二流路２２を有する胴部２の成形体と第一流路２１と連通する開口部３１を有する蓋部の成形体とを形成する成形工程と、胴部２及び蓋部３の成形体を焼成して胴部２の焼結体２０及び蓋部３の焼結体３０を形成する焼成工程と、胴部２の焼結体２０の両端部２ａ，２ｂに側面部から第二流路２２と連通する溝部２３ａ，２４ａを形成する加工工程と、胴部２の焼結体２０及び蓋部３の焼結体３０の少なくとも一方の接合面に接合剤４を塗布する塗布工程と、胴部２の焼結体２０の両端面に第一流路２１と開口部３１とを一致させるように蓋部３の焼結体３０を配置して熱処理し、胴部２の焼結体２０及び蓋部３の焼結体３０を接合剤４で一体化する熱処理工程と、を有する。
　前記成形工程は、胴部２の成形体及び蓋部３の成形体を形成する工程である。具体的には、胴部２の成形体については、セラミック粉体とバインダーと水とを混合し、ニーダー等の攪拌混合機を用いて混練した粘土状の坏土を、図３（Ａ）に示すような、格子状に複数の貫通孔（第一流路２１及び第二流路２２）を備えた円柱形状を形成可能な金型を用いて押し出すことによって得ることができる。また、蓋部３の成形体については、セラミック粉体にバインダーを添加してスラリーとした後、噴霧乾燥して造粒した顆粒を、図３（Ｃ）に示すような、開口部３１を有する円板形状に形成可能な金型に充填して所定の条件で加圧することによって得ることができる。なお、成形方法は、上述した方法に限定されるものではなく、静水圧プレス成形法（ラバープレス成形法）を用いて成形した後に切削加工を施したり、鋳込み成形法を用いたりしてもよい。また、得られた成形体に必要に応じて切削加工を施してよいことはいうまでもない。
　ここで、具体的にセラミックスの材質として炭化珪素を用いた例について説明する。まず、胴部２については、平均粒径が０．５～１０μｍであり、純度が９９～９９．８％の炭化珪素１次原料に、炭素（Ｃ）及びホウ素（Ｂ）とともに、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３），イットリア（Ｙ２Ｏ３），マグネシア（ＭｇＯ）等の焼結助剤を添加し、さらにこれをニーダーなどの攪拌混合機に、ポリエチレングリコール，ポリエチレンオキサイド等のバインダー及び水とともに適量投入して、混合することにより、押出成形に用いることが可能な粘土状の坏土を得る。そして、この坏土を前述した金型を用いて押し出すことにより、成形体を得ることができる。
　また、蓋部３については、平均粒径が０．５～１０μｍであり、純度が９９～９９．８％の炭化珪素１次原料に、炭素（Ｃ）及びホウ素（Ｂ）とともに、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３），イットリア（Ｙ２Ｏ３），マグネシア（ＭｇＯ）などの焼結助剤を添加し、ポリエチレングリコール，ポリエチレンオキサイド等のバインダーを適量添加してスラリーとした後、このスラリーを噴霧乾燥法（スプレードライ法）にて造粒して顆粒を得る。そして、この顆粒を前述した金型に充填して所定の条件で加圧することによって、成形体を得ることができる。
　前記焼成工程は、胴部２及び蓋部３の成形体を焼成して胴部２の焼結体２０及び蓋部３の焼結体３０を形成する工程である。具体的には、胴部２及び蓋部３の成形体を焼成炉に入れて、セラミック粉体の材質に合わせた、所定の雰囲気，温度及び保持時間で焼成することにより、図３（Ａ）に示した格子状に複数の貫通孔（第一流路２１及び第二流路２２）を備えた円柱形状の胴部２の焼結体２０及び図３（Ｃ）に示した開口部３１を有する円板形状の蓋部３の焼結体３０を得ることができる。セラミックスの材質が炭化珪素であるときには、非酸化雰囲気中１８００～２２００℃の温度で焼成することにより、各焼結体を得ることができる。
　前記加工工程は、入口流路２３及び出口流路２４を構成する溝部２３ａ，２４ａを形成する工程である。具体的には、胴部２の焼結体２０の両端部２ａ，２ｂに第二流路２２と連通する溝部２３ａ，２４ａを形成する。なお、胴部２の両端部２ａ，２ｂにおける溝部２３ａ，２４ａの幅Ｄａ，Ｄｂは、例えば、図１（Ａ）に示したように設定される。一般にセラミックスは、高硬度であるとともに脆性が高く、加工の難しい材料であるが、本発明の加工工程では、胴部２の両端部２ａ，２ｂを側面部から真っ直ぐに切削又は研磨するだけでよいため、加工が容易であり、胴部２の焼結体２０を破損することなく溝部２３ａ，２４ａを形成することができ、加工工程後の胴部２の焼結体２０の端部２ａ側の端面は、図３（Ｂ）に示すようになっている。
　前記塗布工程は、胴部２の焼結体２０及び蓋部３の焼結体３０の少なくとも一方の接合面に接合剤４を塗布する工程である。接合剤４には、例えば、ガラス質の釉薬が使用される。かかる接合剤４は、接合面である胴部２の焼結体２０の両端面に刷毛等により塗布する。塗布工程後の胴部２の焼結体２０の端部２ａ側の端面は、塗布した部分を図３（Ｃ）に網掛けで示したようになっている。なお、胴部２の焼結体２０に接合剤４を塗布するときには、第二流路２２及び溝部２３ａに接合剤４が流入しないようにすることが好ましい。また、接合面である蓋部３の焼結体３０の裏面３ａに必要に応じてマスキング等を施しながら接合剤４を塗布してもよく、胴部２の焼結体２０及び蓋部３の焼結体３０の両方の接合面に接合剤４を塗布してもよい。
　前記熱処理工程は、胴部２の焼結体２０及び蓋部３の焼結体３０を一体化して図１及び図２に示したセラミック熱交換器１を得る工程である。具体的には、接合剤４を塗布した胴部２の焼結体２０の両端面に第一流路２１と開口部３１とが一致して連通するように蓋部３の焼結体３０を配置して、熱処理することによって胴部２の焼結体２０と蓋部３の焼結体３０とを接合剤４で一体化させる。
　かかる本発明のセラミック熱交換器１の製造方法によれば、熱処理後に得られるセラミック熱交換器１においてリークを生じ易い接合部が、胴部２の両端面の２ヶ所に低減することができ、リークが生じる可能性を低減することができる。また、胴部２の焼結体２０の両端面又は蓋部３の焼結体３０の裏面３ａの少なくとも一方の接合面に接合剤４を塗布して、胴部２の焼結体２０の第一流路２１と蓋部３の焼結体３０の開口部３１とが連通するように配置して熱処理することによって一体化させるだけでよいため、容易に胴部２の焼結体２０及び蓋部３の焼結体３０を接合することができ、作業工数を低減することができる。さらに、第二流路２２に低温媒体を流通させる入口流路２３及び出口流路２４は、胴部２の焼結体２０の両端部２ａ，２ｂに溝部２３ａ，２４ａを形成して、蓋部３の焼結体３０と接合するだけで形成することができるため、脆性が高くて加工の難しいセラミックスにも適用することができる加工方法を選択することができ、容易に加工することができる。
　次に、本発明に係るセラミック熱交換器１の使用例について説明する。ここで、図４は、本発明に係るセラミック熱交換器の使用状態を示す図であり、（Ａ）は第一使用例、（Ｂ）は第二使用例、を示している。なお、図１及び図２に示した構成部品と同じ部品については、同じ符号を付し重複した説明を省略する。
　図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すセラミック熱交換器１の使用例は、胴部２を挿入可能な筒部５を有し、筒部５は、入口流路２３と連通するとともに低温媒体の入口部５１ａを有する入口室５１と、出口流路２４と連通するとともに低温媒体の出口部５２ａを有する出口室５２と、を備えている。
　図４（Ａ）に示した第一使用例は、低温媒体をセラミック熱交換器１の側面部側から流出入させるようにしたものである。具体的には、セラミック熱交換器１の蓋部３の間に筒部５を装着し、その両端部に高温媒体を案内する案内流路６をボルト等の締結具８により接続している。また、蓋部３と案内流路６との間には弾性体７が配置されている。筒部５及び案内流路６は、一般に金属製であるため、セラミック熱交換器１と熱膨張差を生じる場合があり、この熱膨張差を弾性体７で吸収するようにしている。弾性体７は、シール性能に富んだゴム部材であってもよいし、他の部分でシール性が担保されている場合にはバネ部材であってもよい。
　筒部５は、内周面に凸部５３を有し、かかる凸部５３により入口室５１と出口室５２とを形成している。また、凸部５３の内径は、セラミック熱交換器１の胴部２の外径よりも若干大きく形成されており、この隙間によりセラミック熱交換器１と筒部５の熱膨張差に対応することができる。また、凸部５３の軸方向幅Ｄｃは、例えば、図４（Ａ）に示したように、入口流路２３及び出口流路２４と重ならないように形成される。勿論、入口流路２３と出口流路２４の容積を同じ大きさに形成して（溝部２３ａの幅Ｄａ＝溝部２４ａの幅Ｄｂの状態）、凸部５３の被せ具合（凸部５３の形成位置及び軸方向幅Ｄｃの長さ）によって、入口流路２３と出口流路２４のバッファ空間の容積を調整するようにしてもよい。また、筒部５は、例えば、軸方向に複数に分割可能に構成されており、それらを密封状態に連結することにより、セラミック熱交換器１の胴部２に装着される。なお、入口部５１ａ及び出口部５２ａは、それぞれ入口室５１及び出口室５２に１個ずつ形成されていてもよいし、放射状に複数個ずつ形成されていてもよい。
　かかる第一使用例では、高温媒体は、セラミック熱交換器１の軸方向に送流され、出口流路２４が形成された端部２ｂ側から第一流路２１に進入し、入口流路２３が形成された端部２ａ側から外部に送流される。また、低温媒体は、筒部５の入口部５１ａから入口室５１内に送流され、セラミック熱交換器１の側面部に形成された入口流路２３から第二流路２２に進入し、胴部２内で高温媒体と熱交換されて出口流路２４・出口室５２・出口部５２ａを介して外部に送流される。高温媒体は、例えば、８００℃以上の排気ガスであり、低温媒体は、例えば、エンジン等の内燃機関に供給される１５０～２００℃程度の圧縮空気である。本発明のセラミック熱交換器１を使用することにより、低温媒体である圧縮空気は、例えば、５００℃程度にまで昇温される。
　図４（Ｂ）に示した第二使用例は、低温媒体をセラミック熱交換器１の軸方向から流出入させるようにしたものである。具体的には、セラミック熱交換器１の高温媒体の上流側に入口を縮径させるアダプタ９を接続し、下流側の蓋部３とアダプタ９のフランジ部９１の間に筒部５を装着し、その両端部に高温媒体を案内する案内流路６を配置したものである。アダプタ９は、例えば、円錐面をなした環状の構造体である。また、アダプタ９は、例えば、セラミック熱交換器１と同様のセラミックス素材で構成され、接合工程により胴部２に接合される。なお、アダプタ９が金属製の場合には、ボルト等の締結具により胴部２に接続すればよい。
　筒部５は、第一使用例と同様に、入口部５１ａ・入口室５１・凸部５３・出口部５２ａ・出口室５２を有する。加えて、第二使用例では、入口室５１及び出口室５２の外周に低温媒体の導入路５４が形成されている。すなわち、筒部５は、二重壁構造をなし、外周側の空間を低温媒体の導入路５４として使用し、内周側の空間をセラミック熱交換器１の設置スペース及び低温媒体の導出路（出口室５２）として使用している。また、筒部５の高温媒体の上流側には内側に突出した段差部５５が形成されており、この段差部５５に導入路５４の導入口５４ａ及び出口室５２の出口部５２ａが、セラミック熱交換器１の軸方向に形成されている。また、段差部５５は、アダプタ９のフランジ部９１と弾性体７を介して当接するように構成されるとともに、高温媒体の上流側の案内流路６が一体に形成されている。かかる構成により、セラミック熱交換器１を筒部５の高温媒体の下流側から挿入して筒部５内の段差部５５に当接させ、締結具８により筒部５と案内流路６とを連結するだけで、セラミック熱交換器１を高温媒体の案内流路６に据え付けることができる。
　かかる第二使用例では、高温媒体は、セラミック熱交換器１の軸方向に送流され、アダプタ９を経由して第一流路２１に進入し、入口流路２３が形成された端部２ａ側から外部に送流される。また、低温媒体は、筒部５の導入路５４の導入口５４ａから入口部５１ａを経由して入口室５１内に送流され、セラミック熱交換器１の側面部に形成された入口流路２３から第二流路２２に進入し、胴部２内で高温媒体と熱交換されて出口流路２４・出口室５２・出口部５２ａを介して外部に送流される。
　上述した第一使用例及び第二使用例では、低温媒体を筒部５の側面部又は高温媒体の上流側の軸方向から流出入させる場合について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば、低温媒体を高温媒体の下流側の軸方向から流出入させるようにしてもよいし、低温媒体の流出入のいずれか一方を側面部方向とし他方を軸方向としてもよいし、低温媒体を高温媒体の下流側の軸方向から流入させて上流側の軸方向から流出させるようにしてもよい。
　続いて、本発明に係るセラミック熱交換器１の変形例について説明する。ここで、図５は、本発明に係るセラミック熱交換器の変形例を示す図であり、（Ａ）は第一変形例を示す側面図、（Ｂ）は第二変形例を示す断面図、である。また、図６は、本発明に係るセラミック熱交換器の第三変形例を示す図であり、（Ａ）はセラミック熱交換器の端面、（Ｂ）は胴部の端面、（Ｃ）は蓋部の端面、を示している。なお、各図において、図１及び図２に示した構成部品と同じ部品については、同じ符号を付し重複した説明を省略する。
　図５（Ａ）に示した第一変形例は、入口流路２３及び出口流路２４における溝部２３ａ，２４ａの幅Ｄａ，Ｄｂをそれぞれ均等に形成したものである。なお、入口流路２３及び出口流路２４における溝部２３ａ，２４ａの幅Ｄａ，Ｄｂは、中央部を狭くして両端部付近を広くしてもよい等、設計条件や使用条件により種々の形状に変形できることは勿論である。
　図５（Ｂ）に示した第二変形例の断面図は、図２（Ｂ）に示したＳＢ－ＳＢ断面図に相当する。かかる第二変形例は、入口流路２３及び出口流路２４における溝部２３ａ，２４ａの各幅Ｄａ，Ｄｂを溝形成方向の中心部で最大値となるように湾曲させたものである。かかる湾曲の程度は、例えば、第二流路２２や各溝部２３ａ，２４ａの流路断面積に応じて、低温媒体を各第二流路２２に略均等に送流できるように構成される。なお、入口流路２３及び出口流路２４における溝部２３ａ，２４ａの各幅Ｄａ，Ｄｂは、溝形成方向の中心部で最小値となるように湾曲させてもよい、溝形成方向の一方向に傾斜して狭く又は広くなるように形成してもよい等、設計条件や使用条件により種々の形状に変形できることは勿論である。
　図６に示した第三変形例は、胴部２の貫通孔をハニカム状に形成したものである。図６（Ａ）に示すように、第三変形例の各貫通孔は、六角形断面を有し、ハニカム状に配置されており、一列毎に交互に第一流路２１及び第二流路２２が設定されている。また、低温媒体の流路を構成する第二流路２２の列には、入口流路２３を構成する溝部２３ａが第二流路２２と連通するように側面部から側面部まで形成されている。溝部２３ａは、第一流路２１と連通しないように、第二流路２２の六角形断面の一辺に形成される。なお、図示しないが、出口流路２４側も同様の形状をなしている。
　また、蓋部３は、図６（Ｂ）に示すように、高温媒体の流路を構成する第一流路２１と連通する開口部３１が形成されている。開口部３１は、第一流路２１が形成された列の第一流路２１の外枠形状を結んだ形状に形成されている。かかる蓋部３を、図６（Ａ）に示した胴部２に接合すると、図６（Ｃ）に示したように、高温媒体が胴部２及び蓋部３を貫通して送流される第一流路２１と、低温媒体が胴部２の側面部から流出入して高温媒体と対向する方向に送流される第二流路２２とが構成される。なお、上述した第三変形例のその他の部分の形状、製造方法及び使用例は、図１～図４に示した実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
　さらに、本発明に係るセラミック熱交換器１の他の変形例について説明する。ここで、図７は、本発明に係るセラミック熱交換器の他の変形例を示す図であり、（Ａ）は第四変形例、（Ｂ）は第五変形例、である。また、図７（Ａ）及び（Ｂ）は、セラミック熱交換器１における胴部２の端面（蓋部３を外した状態）を図示したものである。なお、上述した実施形態と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。
　図７（Ａ）に示した第四変形例は、第一流路２１及び第二流路２２の流路断面を長方形に構成したものである。すなわち、第一流路２１の流路断面は一対の長辺２１ａ及び一対の短辺２１ｂにより構成され、第二流路２２の流路断面は一対の長辺２２ａ及び一対の短辺２２ｂにより構成されている。かかる構成により、隔壁数を少なくすることができ、加工を容易にすることができるとともに熱交換器の軽量化を図ることができる。また、かかる構成により、第一流路２１及び第二流路２２の伝熱面積を増加させることができるとともに水力直径（伝熱計算で使用する流路断面の代表寸法）を小さくすることができ、熱伝達率を向上させることができる。
　また、図示したように、第一流路２１及び第二流路２２の流路断面は、長幅Ｘと短幅Ｙとを有する長方形により構成されている。かかる流路断面は、例えば、短幅Ｙに対する長幅Ｘの比率（長幅Ｘ／短幅Ｙ）が１．２～３．０に設定される。長幅Ｘ／短幅Ｙの比率が１．２より小さい場合には、加工抵抗が大きく、特定の流路断面を形成することが困難である。また、長幅Ｘ／短幅Ｙの比率が３．０より大きい場合には、短幅Ｙよりも長幅Ｘの方が収縮し易く、流路断面が変形し易くなってしまう。なお、第一流路２１及び第二流路２２の流路断面の形状が同じ場合について説明したが、一方を正方形とし、他方を長方形に構成にしてもよいし、長幅Ｘと短幅Ｙとの比率を異なるように構成してもよい。
　図７（Ｂ）に示した第五変形例は、第一流路２１及び第二流路２２の流路断面を長幅Ｘと短幅Ｙとを有する六角形により構成したものである。すなわち、第一流路２１の流路断面は一対の長辺２１ａ及び二対の短辺２１ｂにより構成され、第二流路２２の流路断面は一対の長辺２２ａ及び二対の短辺２２ｂにより構成されている。かかる構成により、隔壁数を少なくすることができ、加工を容易にすることができるとともに熱交換器の軽量化を図ることができる。また、かかる構成により、第一流路２１及び第二流路２２の伝熱面積を増加させることができるとともに水力直径（伝熱計算で使用する流路断面の代表寸法）を小さくすることができ、熱伝達率を向上させることができる。なお、長幅Ｘと短幅Ｙとの比率については、図７（Ａ）に示した第四変形例と同じであるため、ここでは重複した説明を省略する。
　本発明は上述した実施形態に限定されず、第三変形例に第一変形例や第二変形例を適用してもよい等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

Claims (9)

  1. 　セラミックスにより構成され、温度差を有する第一媒体と第二媒体とを対向させて送流することにより、前記第一媒体と前記第二媒体との間で熱交換するセラミック熱交換器であって、
    　前記第一媒体を送流する第一流路及び前記第二媒体を送流する第二流路が形成された胴部と、該胴部の両端部に接続され前記第一流路と連通する開口部が形成された蓋部と、を有し、前記胴部は、前記第一流路の出口側に相当する端部に前記第二媒体を側面部から前記第二流路に導入する入口流路と、前記第一流路の入口側に相当する端部に前記第二媒体を前記第二流路から側面部に排出する出口流路と、を有することを特徴とするセラミック熱交換器。
  2. 　前記第一流路及び前記第二流路は、一列毎に交互に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック熱交換器。
  3. 　前記第一流路及び前記第二流路は、格子状又はハニカム状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック熱交換器。
  4. 　前記第一流路及び前記第二流路の流路断面は、長辺及び短辺により構成されていることを特徴とする請求項３に記載のセラミック熱交換器。
  5. 　前記流路断面は、短幅に対する長幅の比率が１．２～３．０であることを特徴とする請求項４に記載のセラミック熱交換器。
  6. 　前記入口流路及び前記出口流路は、前記胴部の側面部から前記第二流路と連通するように形成された溝部と前記蓋部の裏面とにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック熱交換器。
  7. 　前記出口流路は、前記入口流路よりも容積が大きく形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック熱交換器。
  8. 　前記胴部を挿入可能な筒部を有し、該筒部は、前記入口流路と連通するとともに前記第二媒体の入口部を有する入口室と、前記出口流路と連通するとともに前記第二媒体の出口部を有する出口室と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のセラミック熱交換器。
  9. 　セラミックスにより構成され、温度差を有する第一媒体と第二媒体とを対向させて送流することにより、前記第一媒体と前記第二媒体との間で熱交換するセラミック熱交換器の製造方法であって、
    　前記第一媒体を送流する第一流路及び前記第二媒体を送流する第二流路を有する胴部の成形体と前記第一流路と連通する開口部を有する蓋部の成形体とを形成する成形工程と、
    　前記胴部及び前記蓋部の成形体を焼成して前記胴部及び前記蓋部の焼結体を形成する焼成工程と、
    　前記胴部の焼結体の両端部に側面部から前記第二流路と連通する溝部を形成する加工工程と、
    　前記胴部及び前記蓋部の焼結体の少なくとも一方の接合面に接合剤を塗布する塗布工程と、
    　前記胴部の焼結体の両端面に前記第一流路と前記開口部とを一致させるように前記蓋部の焼結体を配置して熱処理し、前記胴部及び前記蓋部の焼結体を前記接合剤で一体化する熱処理工程と、
    　を有することを特徴とするセラミック熱交換器の製造方法。
     
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