(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のハニカム構造体を積み重ねてなり、貫通孔から構成される流路に排ガスと被加熱ガスとを交互に通過させて排ガス中の廃熱を回収するハニカム状蓄熱体において、少なくとも高温の排ガスに接する高温側のハニカム構造体の気孔率が、それ以外の低温側のハニカム構造体の気孔率よりも低く、前記高温側のハニカム構造体と低温側のハニカム構造体とが同一素材からなることを特徴とするハニカム状蓄熱体。
【請求項２】
前記低温側のハニカム構造体の被加熱ガスと接する面上にコージェライトまたはムライトからなるハニカム構造体からなる層を設けた請求項１記載のハニカム状蓄熱体。
【請求項３】
前記高温側のハニカム構造体の開口率が、それ以外の低温側のハニカム構造体の開口率よりも大きい請求項１または２記載のハニカム状蓄熱体。
【請求項４】
前記高温側のハニカム構造体の気孔率と、それ以外の低温側のハニカム構造体の気孔率とを、同一原料系からなる焼成前のハニカム構造体の焼成温度を変更することで制御する請求項２または３記載のハニカム状蓄熱体。
【請求項５】
前記ハニカム構造体の主成分が単一金属酸化物である請求項１〜４のいずれか１項に記載のハニカム状蓄熱体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のハニカム構造体を積み重ねてなり、貫通孔から構成される流路に排ガスと被加熱ガスとを交互に通過させて排ガス中の廃熱を回収するハニカム状蓄熱体に関し、特に高温の排ガスに対して好適に使用できるハニカム状蓄熱体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、鉄鋼、アルミ、ガラス等の溶融及び加熱加工等に用いる一般産業用の燃焼加熱炉において、エネルギー効率を改善するために、排ガス中の廃熱を回収し燃焼用空気を予め加熱する方法が行われている。これに用いる蓄熱体として、従来は、例えば特開昭５８−２６０３６号公報に記載の如くセラミックボール、サドル、ペレット等が使用されていたが、排ガスあるいは燃焼用空気等が蓄熱体を通過する際圧力損失が高く、また、容積当たりの熱交換面積が小さいため、蓄熱体容積を大きくする必要があった。
【０００３】
これを改善するために、近年は蓄熱体としてハニカム構造体を用いる事が、例えば特開平４−２５１１９０号公報に記載されているように行われている。ハニカム構造体では排ガス等の通過における圧力損失が低く、容積当たりの熱交換面積も大きいことから、ハニカム構造体は非常に効率的な熱交換を行うことができる。しかしながら、これらのハニカム構造体にも以下のような問題点があった。すなわち、ハニカム構造体は非常に薄いセル壁から構成されているため、従来使用されていたセラミックボール等と比較すると強度、熱耐久性等に問題があった。そのため、衝撃や異常高温ガスの接触等によってハニカム構造体が破損し蓄熱体として機能しなくなる場合が発生し、最悪の場合、システムの停止につながる問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したこれらの問題を解消するために、本出願人は特願平７−３４２６３４号においてアルミニウムチタネート製ハニカム構造体を使用した蓄熱体を提案した。アルミニウムチタネートは耐熱性に優れる材料であることが知られている。しかし、長期間の使用ではアルミニウムチタネートは分解する傾向があり、また、非常に高価な材料である。そのため、アルミニウムチタネート製ハニカム構造体を使用することで熱効率を改善しても、これらアルミニウムチタネート製ハニカム構造体を使用すると、従来のセラミックボール等に対するコストメリットが同等もしくは若干しか望めない問題があった。従って、ランニングコストを含めたコストメリットが有効に発揮できる蓄熱体の開発が必要であった。
【０００５】
本発明の目的は上述した課題を解消して、高温の排ガスに対しても破壊せず効率良く熱交換を行うことができ、しかもランニングコストを含めたコストメリットが有効に発揮できるハニカム状蓄熱体を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のハニカム状蓄熱体は、複数のハニカム構造体を積み重ねてなり、貫通孔から構成される流路に排ガスと被加熱ガスとを交互に通過させて排ガス中の廃熱を回収するハニカム状蓄熱体において、少なくとも高温の排ガスに接する高温側のハニカム構造体の気孔率が、それ以外の低温側のハニカム構造体の気孔率よりも低く、前記高温側のハニカム構造体と低温側のハニカム構造体とが同一素材からなることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明における実施の形態を説明する前に、上記構成の技術的作用について以下に説明する。ハニカム構造体を蓄熱体として使用する場合の問題点は、上述したように、強度、耐熱性による破壊及び高コストである。耐熱性を改善するために、材料的に実際の使用温度に耐え得る材料を使用することは当業者として当然である。例えば、従来から知られているアルミナを使用した場合、アルミナの耐熱温度は十分に実使用に耐え得るものであるが、アルミナの熱膨張が高く耐熱衝撃に非常に弱い材料であることが当業者に広く知られている。
【０００８】
ハニカム構造体を積み重ねることで組み合わせてハニカム状蓄熱体とする場合、ハニカム構造体に変形等があると、その部位で積み重ねた上下のハニカム構造体の外周壁間に隙間が発生し、ハニカム構造体中を通過する排ガスや燃焼用空気の流速が速くなり、また、これらのガスが熱交換されずにハニカム状蓄熱体を通過するため、ハニカム状蓄熱体に熱衝撃を発生する要因となっていた。本発明では、強度における問題をクリアするために、少なくとも高温の排ガスに接する高温側のハニカム構造体として、気孔率がその他の低温側のハニカム構造体よりも低く、強度に強いハニカム構造体で同一組成からなるハニカム構造体を用いる。
【０００９】
また、一般的に気孔率を低くするためには、ハニカム構造体の焼成温度を高くして収縮させることが最も容易な方法であるが、収縮率が大きいためにハニカム構造体が変形することが多々発生する。このように変形したハニカム構造体を蓄熱体全てに使用すると、先に記載したように隙間が生じて高温排ガスあるいは燃焼用空気が熱交換されずに通過する。そのため、ハニカム構造体に熱衝撃が発生し、ハニカム構造体にクラックや割れを生じさせる。
【００１０】
よって、本発明では、低温側の耐熱特性への要求が小さい部位のハニカム構造体には、焼成温度が低く気孔率が高い、寸法精度に優れたハニカム構造体を使用する。そうすることで、積み重ねてハニカム状蓄熱体を構成した場合でも、上下のハニカム構造体の外周壁間に隙間を生じさせず、クラックの問題を解決するだけでなくハニカム構造体の製造コストをも安価にすることができる。
【００１１】
上記本発明の構成を実施するには、アルミナ、ジルコニア等の単一金属酸化物を使用することが好適である。すなわち、単一金属酸化物は焼成温度によって容易に気孔率を変更することが可能である。これに対し、複合金属化合物等を使用すると、焼成温度によっては分解、異物質生成等が発生するため焼成温度のみによる気孔率変更が難しくなり、結果として製造コストが高くなる。ここで、材料を選択するにあたり、使用される排ガス温度に対して融点が高く軟化し難い材料であれば、上記技術を使用することでクラック等の問題は解決するため、従来から公知のいずれの材料も使用することができる。
【００１２】
また、本発明では、さらに好適な例として、高温側のハニカム構造体の開口率を低温側のハニカム構造体の開口率よりも大きくする。これにより、高温排ガスから廃熱を回収する際において吸温速度が緩やかになり、高温に使用されるハニカム構造体の耐久特性を一層向上させることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のハニカム状蓄熱体の一例の構成を示す図である。図１に示す例において、ハニカム状蓄熱体１は、直方体形状のハニカム構造体２を、一方向に貫通孔３から構成される流路が揃うよう複数個積み重ねて（ここでは２段に積み重ねて）構成されている。図１において、図中上方が排ガスに接する高温側のハニカム構造体２であり、図中下方がそれ以外の低温側のハニカム構造体２である。本発明の特徴は、上記構成のハニカム状蓄熱体１において、高温側のハニカム構造体２の気孔率を、低温側のハニカム構造体２の気孔率よりも低く構成するとともに、高温側のハニカム構造体２と低温側のハニカム構造体２とを同一素材で形成した点である。
【００１４】
気孔率を変えたハニカム構造体２を得るためには、上述したように収縮率を小さく保ちハニカム構造体２の変形を防止する観点から、焼成温度を変えることにより気孔率を変化させることが好ましい。また、高温側のハニカム構造体２と低温側のハニカム構造体２の材質としては、アルミナ、ジルコニア等の従来から蓄熱体用の材料として知られているいずれの材料をも使用することができるが、アルミナ、ジルコニア等の単一金属酸化物を使用することが、焼成温度を変えることで容易に気孔率を変更できるため好ましい。これに対し、複合金属化合物等を使用すると、焼成温度によっては分解、異物質生成等が発生するため焼成温度のみによる気孔率変更が難しくなり、結果として製造コストが高くなる。
【００１５】
図２は本発明のハニカム状蓄熱体の他の例の構成を示す図である。図２に示す例において、ハニカム状蓄熱体１１は、図１に示す構成の高温側のハニカム構造体２と低温側のハニカム構造体２とからなるハニカム状蓄熱体１において、低温側のハニカム構造体の被加熱ガスと接する面上にコージェライト、ムライト等からなるハニカム構造体１２からなる層を設けて構成されている。図２に示す例では、図１に示す例と同様の効果を得ることができるのに加えて、図１に示す例と比較してコージェライト、ムライト等を使用できる分だけ安価にハニカム状蓄熱体１１を作製することができる。また、コージェライト、ムライト等からなるハニカム構造体１２は温度の低い箇所にのみ設けられているため、高温の排ガスと接触することによる熱衝撃の影響を受ける可能性の少ないため、好ましい例となる。
【００１６】
なお、図１および図２に示す例では、高温側のハニカム構造体２と低温側のハニカム構造体２とのセル開口率については特に言及しなかったが、いずれの場合も、高温側のハニカム構造体２の開口率を低温側のハニカム構造体２の開口率よりも大きくすると、高温排ガスから廃熱を回収する際において吸温速度が緩やかになり、高温に使用されるハニカム構造体の耐久特性を一層向上させることが可能となるため好ましい。
【００１７】
図３は本発明のハニカム状蓄熱体を使用した熱交換体を燃焼加熱炉の燃焼室に設置した例を示す図である。図３に示す例において、２１は燃焼室、２２−１、２２−２は図１または図２に示す構造のハニカム状蓄熱体、２３−１、２３−２はハニカム状蓄熱体２２−１、２２−２から構成される熱交換体、２４−１、２４−２は熱交換体２３−１、２３−２に設けた燃料投入口である。図３に示す例において、２個の熱交換体２３−１、２３−２を設けたのは、一方が高温の排ガスを流すことにより蓄熱を行っているとき、同時に他方が低温の被加熱ガスを加熱できるよう構成して、熱交換を効率的に行うためである。
【００１８】
図３に示す例において、片側のハニカム状蓄熱体２２−１の下方より燃焼用空気が進入する。ハニカム状蓄熱体２２−１を通過した後に、燃料投入口２４−１から供給された燃料と混合され、燃焼室２１内で点火される。燃焼された排ガスは他方のハニカム状蓄熱体２２−２の上部より進入し、廃熱はハニカム状蓄熱体２２−２に蓄熱され、低温となった排ガスは外部へ放出される。次に、燃焼用空気の進入方向が切り替えられ、先程廃熱を回収した側のハニカム状蓄熱体２２−２の下部より燃焼用空気が進入する。この際、熱交換が行われ、燃焼用空気は予熱されハニカム状蓄熱体２２−２の上部で燃料投入口２４−２から供給された燃料と混合され、燃焼室２１内で点火される。排ガスは他方のハニカム状蓄熱体２２−１を通って排出されるが、この際、先程同様にハニカム状蓄熱体２２−１に廃熱が回収される。
【００１９】
【実施例】
以下、実際の例について説明する。
以下の表１に示す形状および特性を有するアルミナからなるハニカム構造体Ａ〜Ｄを準備し、高温側の蓄熱体Ａと低温側の蓄熱体Ｂとを以下の表２に示すように上記アルミナハニカム構造体Ａ〜Ｄから選択して、図１に示す形状のハニカム状蓄熱体（試験Ｎｏ．１〜１６）を作製した。次に、得られた各ハニカム状蓄熱体を実験装置に組み込み、所定の温度で１０００時間保持するエージング試験を実施した。エージング試験終了後、各蓄熱体の外観および寸法収縮を調査した。また、各ハニカム状蓄熱体の焼成エネルギー比および熱交換面積比を求めた。結果を表２に示す。
【００２０】
表２の結果において、蓄熱体ＡおよびＢの外観は、欠陥が全く存在しない例を◎、若干欠陥が存在するが実使用に支障がない例を○、クラックが発生した例を△、割れが発生した例を×として示した。蓄熱体ＡおよびＢの寸法収縮は、焼成前後の各蓄熱体の寸法から求めた。また、各ハニカム状蓄熱体の焼成エネルギー比は、焼成に一番エネルギーを必要としないアルミナハニカム構造体Ｄを電気炉で焼成するのに必要なエネルギーを基準として、各ハニカム状蓄熱体を電気炉で焼成するのに必要なエネルギーとの比として求めた。さらに、各ハニカム状蓄熱体の熱交換面積比は、幾何学的比表面積から求めた貫通孔のガスと接触する部分の面積から求めた。
【００２１】
【表１】
0003694150.tif 000002
【００２２】
【表２】
0003694150.tif 000003
【００２３】
表１および表２の結果から明らかなように、本発明例のハニカム状蓄熱体（試験Ｎｏ．２、４、１０、１２）では、高温側（蓄熱体Ａ）、低温側（蓄熱体Ｂ）ともにハニカム構造体にはクラックや割れの発生の問題がなかった。一方、高温側も低温側も全て同一の気孔率が低いハニカム構造体（アルミナハニカム構造体Ａ、Ｄ）を使用した比較例のハニカム状蓄熱体（試験Ｎｏ．１、１１）では、ハニカム構造体にクラックや割れが発生していた。これは、低温側に使用したハニカム構造体を組み合わせる際に変形が大きく、ハニカム構造体間に隙間が生じており、低温の焼成用空気が熱交換されずに上部まで進入し、熱衝撃によってクラックが発生したものと考えられる。また、低温側に使用したハニカム構造体にも若干のクラックが発生しているが、これは高温の排ガスが上記の隙間を通過し熱交換されずに低温部まで進入することで、熱衝撃が発生したことによりクラックが生じたものと考えられる。
【００２４】
さらに、高温側に気孔率が高いハニカム構造体を使用した比較例のハニカム状蓄熱体（試験Ｎｏ．５〜８、１３〜１６）では、高温排ガスによる収縮が大きく、これによって割れが発生していた。この場合は、下方の低温側に気孔率が高いハニカム構造体を使用しようと気孔率の低いハニカム構造体を使用しようと、いずれの場合も、上部の高温側のハニカム構造体が収縮して隙間が開くため、高温排ガスあるいは低温燃焼用空気が隙間から進入して、先程同様にクラックが生じたものと考えられる。また、下部の低温側ハニカム構造体の収縮も大きくなり、上記クラックの発生を助長する結果となった。
【００２５】
一方、上部高温側に気孔率が低いハニカム構造体を使用し、下部低温側に気孔率が高いハニカム構造体を使用した本発明例のハニカム状蓄熱体では、上部および下部のハニカム構造体ともに収縮が小さく、クラックや割れも発生していなかった。また、本発明例のうち高温側のハニカム構造体に開口率が大きいものを使用した本発明例のハニカム状蓄熱体（試験Ｎｏ．４）は、さらに耐久性が向上していた。
【００２６】
本発明は上述した実施例にのみ限定されるものでなく、幾多の変形、変更が可能である。例えば、上述した実施例では、高温の排ガスと接する高温側のハニカム構造体を一層のみ設けたが、一層に限定されないことはいうまでもない。例えば、一層の高さが低いような場合は、二層以上の気孔率の低いハニカム構造体から高温側のハニカム構造体を構成しても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高温側のハニカム構造体の気孔率を、低温側のハニカム構造体の気孔率よりも低くするとともに、両者を同一素材から構成してるため、高温の排ガスに対しても破壊せず効率よく熱交換を行うことができるハニカム状蓄熱体を得ることができる。また、アルミニウムチタネートのような高価な材料を使用する必要がなく、またその場合気孔率を焼成温度を変えることで制御できるため、低コストで上記ハニカム状蓄熱体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のハニカム状蓄熱体の一例の構成を示す図である。
【図２】本発明のハニカム状蓄熱体の他の例の構成を示す図である。
【図３】本発明のハニカム状蓄熱体を使用した熱交換体を燃焼加熱炉の燃焼室に設置した例を示図である。
【符号の説明】
１、１１、２２−１、２２−２  ハニカム状蓄熱体、２、１２、  ハニカム構造体、３  貫通孔、２３−１、２３−２  熱交換体、２４−１、２４−２  燃料投入口
【図１】
0003694150.tif 000004
【図２】
0003694150.tif 000005
【図３】
0003694150.tif 000006