(57)【要約】【課題】高温でも使用可能で高熱交換率、容積効率がよく小型化が図れセラミックス多孔体からなる材料製の熱交換器を提供する。【解決手段】本熱交換器は、ほぼ球状の気孔が互いに接して、その接触部が開口し、三次元状に連通した構造のセラミックス多孔体中に流体を通過させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ球状の気孔が互いに接して、その接触部が開口し、三次元状に連通した構造のセラミックス多孔体中に流体を通過させ、熱交換を行うことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記セラミックス多孔体を流れる気体の圧力損失は、２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記セラミックスが炭化珪素であることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項４】
前記気密な隔壁を介して高温流体と低温流体を接触させて熱交換を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記セラミックス多孔体中を流れる流体の流れる方向が対向していることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に係わり、特にセラミックス多孔質体を用いた熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に燃料を燃焼させて発生するエネルギーを動力に変換するエンジンやガスタービン等において、燃料と燃焼用空気を混合して燃焼させる際、燃焼用空気を予熱しておけばより効率よくエネルギーを発生させることができる。さらに、燃焼室から排出される高温の排気ガスの顕熱を燃焼用空気の予熱に利用すれば燃焼機関としての熱効率が向上する。近年、省資源、環境に対する負荷の軽減などを考慮して、廃熱の回収など熱、エネルギーの有効利用が重要視されてきており、そのために熱交換器の役割が増大している。
【０００３】
従来、比較的低温の条件下に使用される熱交換器においては、耐熱性等の性能上の制約が少ないため、種々の材料が広く使用されており、熱交換器自体も広く普及している。これら交換器には、セラミックスまたは金属に多数の通気孔を開口したハニカム体を用いる構造やコルゲート状の金属板（波板）と平坦な金属板（平板）とを積層させ両金属板の接触部をロウ付けし、多数の通気孔を有するメタルハニカム体などが用いられている。
【０００４】
従来の熱交換器のうち、後加工や押出成型などでセラミックスのブロックに多数の通気孔を開口したものは、熱衝撃に対して弱く、大型の熱交換用部品を製造することが困難であるという問題を有していた。特に大型の部品では、複数のブロックに分割して製造した上で組合せて用いていたが、これでは機械的に十分な強度を有することはできない。
【０００５】
また、セラミックフォームのようにスポンジにセラミックスラリーを被覆し、焼抜きで三次元網目状構造のセラミックスを製造するものはあるが、このものは、骨格部中央に空隙が残り、強度が弱く、骨格部が棒状に残り、表面積が小さくなり、問題がある。さらに、金属ブロックに多数の通気孔を開口したものは、重量が過大となり実用性に乏しいという問題点を有していた。
【０００６】
また、金属製の平箔と波箔とを積層し、金属箔の接触部を接合して多数の通気孔を有するメタルハニカム体は、軽量かつ、熱衝撃に対する強度は十分に有しており、大型の構造物とすることも可能である。しかし、金属箔を用いるために耐熱性はセラミックスに比べて低く、耐熱性ステンレス鋼箔を用いた場合でも耐熱温度は１０００℃程度である。そのため、特にガスタービン等のように８００℃以上の高温流体を扱う熱交換器において、金属で構成されたプレートフィン型熱交換器のフィン及びスペーサーバー等の部品には、軟化したり、接合部の強度が低下して剥離するという問題があった。
【０００７】
近年、マイクロガスタービンによる発電が、コージェネレーションシステムとして注目されており、小型化により急速な普及が期待されている。このマイクロガスタービンにも、小型化に伴い低下した効率を向上させるために、燃焼用圧縮空気を排気ガスにより予熱する再生熱交換器が用いられているが、現状の金属部品よりさらに高温で機能させることによる高効率化が期待されている。
【０００８】
また、現状では、１ｍ３クラスの大型システムとなるため、部品の小型化によりさらなる小規模化が期待される。
【０００９】
なお、特許文献１には、無機質多孔体を用いて、水の吸着離脱を行う技術が提案されているが、特許文献１に記載に多孔質体は細孔が三次元網目状に形成されたものであり、細孔同士が接触し開口するものでないため、流体が気体の場合には、通気抵抗が増大するため、気体同士の熱交換器には適さない。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−４８６７３号公報（段落番号［００３５］、［００４８］、図４（ａ））
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、高温でも使用可能で高熱交換率、容積効率がよく小型化が図れセラミックス多孔体からなる材料製の熱交換器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、ほぼ球状の気孔が互いに接して、その接触部が開口し、三次元状に連通した構造のセラミックス多孔体中に流体を通過させ、熱交換を行う熱交換器が提供される。これにより、高温でも使用可能で高熱交換率、容積効率がよく小型化が図れセラミックス多孔体からなる材料製の熱交換器が実現される。
【００１３】
好適な一例では、前記セラミックス多孔体を流れる気体の圧力損失は、２０％以下である。これにより、流通抵抗が小さく抑えられて、十分な流量を得られる。
【００１４】
また、他の好適な一例では、前記セラミックスが炭化珪素である。
【００１５】
これにより、窒化珪素やアルミナとの複合化や繊維材等による補強を必要とせず、また、耐熱性及び耐食性に優れ、熱伝導率も高く高熱交換効率になる。
【００１６】
また、他の好適な一例では、前記気密な隔壁を介して高温流体と低温流体を接触させ熱交換を行う。
【００１７】
また、他の好適な一例では、流体の流れる方向が対向している。これにより、熱交換効率が向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる熱交換器の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明に係わる熱交換器の断面を示す概念図である。
【００２０】
図１に示すように、本発明に係わる熱交換器１は、緻密体からなる例えば平面視ロ字状のケーシング２に収容され、緻密体からなる隔壁３により気密的に分離されたセラミックス多孔体４（４ａ、４ｂ）からなっている。このセラミックス多孔体４は、セラミックス骨格４ｑにより形成されたほぼ球状の気孔４ｐ（但し、図２においては球状気孔の半球状態が見える）が互いに接して、その接触部４ｒが開口し、三次元状に連通した構造を有している。ケーシング２及び隔壁３は、セラミックス多孔体４と同一材質であるのが好ましい。これにより、熱膨張の違い等による破壊等が発生することなく、適度な強度及び耐熱衝撃性を保つことができる。
【００２１】
上記セラミックス多孔体４の材質としては、アルミナ、ジルコニア、シリカ、ムライト、炭化珪素、炭素等耐熱性のセラミックスであればいずれでもよく、気体、液体等流体の性質と耐熱度によって選択すればよい。
【００２２】
材質に求められる基本特性として、曲げ強さ４５０ＭＰａ、耐熱衝撃温度Δ４５０℃であるのが好ましいが、これを充足するセラミックスを用いれば、窒化珪素やアルミナとの複合化や繊維材等による補強を必要としない。特に炭化珪素（熱伝導率７０Ｗ／（ｍＫ）を用いれば、従来の金属部品（熱伝導率２２．５Ｗ／（ｍＫ）に比べて、耐熱性及び耐食性に優れ、熱伝導率も高い。
【００２３】
また、セラミックス多孔体３を流れる気体の圧力損失は、２０％以下であるのが好ましい。すなわち、セラミックス多孔体３を通過する気体の出口圧力が、入口圧力より２０％を超えて低下しないことが好ましい。２０％を超えると、流通抵抗が大きく、十分な流量を得られなくなり好ましくない。圧力損失は主に気孔径と気孔率を調整することにより適正化できる。好ましくは、平均気孔径を５０〜５０００μｍ、気孔率を８０％以上にそれぞれ制御することにより、圧力損失が２０％以下となるように調整すればよい。
【００２４】
また、図１に示すように、熱交換器１は、隔壁２を介してセラミックス多孔体３ａに高温流体ＦＨを接触させ、セラミックス多孔体３ｂに低温流体ＦＬを接触させて熱交換させるようになっており、熱交換器１は、対向流型として用いるのが好ましい。これにより、熱交換効率が向上する。
【００２５】
上記構造を有する熱交換器１によれば、熱交換器１内を流れる流体は、セラミックス多孔体３ｂに接触するため、熱交換面積が増大する。この理由は次の通りである。
【００２６】
物質間の熱伝達プロセスでは、熱伝達量Ｑは次式で表される。
【００２７】
【数１】
2004294025.tif 000003
また、熱通過率Ｋは、次式で表される。
【数２】
2004294025.tif 000004
【００２８】
上記式において、排気ガスの熱伝達率、熱交換器の熱伝導率及び水蒸気の熱伝達率の値などを代入すると、熱通過率Ｋの値にとって、排気ガスの熱伝達率、乾き水蒸気の熱伝達率の寄与率が大きく作用していることがわかる。そこで、熱通過率Ｋを大きくし熱伝達率Ｑを大きくするには、接触面積Ａ１〜Ａ３の値を大きくし、寄与率を小さくする必要である。また、熱交換器を構成している材質についても熱伝導率λ１を大きくして壁圧δ１をなるべく小さくすることが有効である。
【００２９】
なお、熱交換器は、図１に示すような平面視ロ字状のケーシングを用いるものに限らず、図３に示すように、熱交換器１Ａは円筒状のケーシング２Ａに同心円的に隔壁３Ａを設けるようにしてもよく、また、ケーシングと隔壁は如何なる形状のものであってもよい。
【００３０】
本実施形態の熱交換器は、上記のように熱交換器１を流れる流体が、セラミックス多孔体に接触するため、熱交換面積が増大して、熱交換率が高い熱交換器を実現でき、また、高温での使用が可能となり、さらに、少ない容積でもフィンやハニカム型の熱交換器と同等の表面積を得ることができ、構成部品及び熱交換器の小型化が図れる。
【００３１】
【実施例】
セラミックス粉末として平均粒径約１μｍの炭化珪素粉末１００重量部、液体媒質としてイオン交換水４０重量部、起泡剤としてラウリル硫酸トリエタノールアミン１重量部、焼結助剤として比表面積２６０ｍ２／ｇのカーボンブラック２重量部及び平均粒径１．６μｍの炭化硼素粉末０．５重量部ならびにゲル化主剤としてポリエチレンイミン６重量部を混合したスラリーを作製する。起泡剤としてラウリル硫酸トリエタノールアミンを炭化珪素粉末に１００重量部に対して、１重量部添加し、攪拌器で混合攪拌しながら空気を導入して泡立て、泡状のスラリーを作製した。次に泡状のスラリーを攪拌しながら、これに硬化剤としてエポキシ樹脂２７重量部を添加し、型に流し込み、３０分経過するとゲル化が十分に進行しゲル化体となった。
【００３２】
次にセラミックス粉末として平均粒径約１μｍの炭化珪素粉末１００重量部、液体媒質としてイオン交換水４０重量部、起泡剤としてラウリル硫酸トリエタノールアミン１重量部、焼結助剤として、比表面積２６０ｍ２／ｇのカーボンブラック２重量部及び平均粒径１．６μｍの炭化硼素粉末０．５重量部ならびにゲル化主剤としてポリエチレンイミン６重量部を混合したスラリーに、ラウリル硫酸トリエタノールアミンを炭化珪素粉末に対して１重量部ならびに硬化剤としてエポキシ樹脂２重量部を添加し、空気が巻込まれないように、静かに混合して、泡の含まれていないスラリーを作製する。
【００３３】
次に、泡状のゲル化体を型から取り出し、半分に切断し、型の中に平行に置いた。型と成形体、成形体と成形体との隙間を約１．２ｍｍに調整し、その隙間に泡の入っていないスラリーを鋳込み、３０分間静置し、ゲル化させた。ゲル化体を６０℃で一昼夜乾燥して、成形体を得た。
【００３４】
次に、アルゴンガス雰囲気において２３００℃で１時間焼成して焼成体を得た。得られた焼成体の多孔体部分は、ほぼ球状の多数の気孔の隣接するもの同士が連通孔を介して互いに連通する三次元網目状の骨格構造を有していた。また、多孔体の側面は、緻密な焼結体で構成されており、多孔体と一体化していた。流体、主に通気ガスの圧力損失をなるべく抑えるため、多孔体の気孔径は１０００〜２０００μｍ、気孔率は８５％に制御した。また、高温流体通路と隣接する低温流体通路との隔壁の厚みを約１ｍｍとし、熱交換器構成部材は寸法を１００×１００ｍｍ、長さ３００ｍの角柱形状とした。得られた角柱形状の焼結体の両端部に治具を装着して低温流体と高温流体を分離し、低温流体と高温流体を対向して流す構造を具備する熱交換器を作製した。作製した熱交換器に低温流体が２５℃の空気、高温流体が８００℃の空気を用いて、動作確認を行った。製造段階においても、動作段階においても装置の異常は見られず、温度効率は９０％以上であった。
【００３５】
上記で用いた温度効率は下式で与えられる。
【数３】
2004294025.tif 000005
【発明の効果】
本発明に係わる熱交換器によれば、高温でも使用可能で高熱交換率、容積効率がよく小型化が図れセラミックス多孔体からなる材料製の熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる熱交換器の一実施形態の斜視図。
【図２】本発明に用いられるセラミックス多孔体の拡大写真図。
【図３】本発明に係わる熱交換器の他の実施形態の斜視図。
【符号の説明】
１  熱交換器
２  ケーシング
３  隔壁
４（４ａ、４ｂ）  セラミックス多孔体
４ｐ  気孔
４ｑ  セラミックス骨格
４ｒ  接触部
【図１】
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【図２】
2004294025.tif 000007
【図３】
2004294025.tif 000008