JP7016692B2 - Ceramic heat exchanger - Google Patents
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Description
本発明は、セラミック製の熱交換器に関するものである。 The present invention relates to a ceramic heat exchanger.
工業炉から排出される排ガスなど高温の流体から、低温の流体へ熱を与える熱交換器として、従前より、直交する二つの流路をセラミック壁が隔てている構造体が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。特許文献1の構造体は、セラミック製の平板から一方向に多数のリブが突出した板体の複数を、リブの方向が交差するように積層した構造である。かかる構成では、ある平板に着目すると、その平板の一方の面側でリブとリブとの間に形成される第一の流路と、他方の面側でリブとリブとの間に形成される第二の流路とが直交しており、第一の流路を流通する第一の流体と第二の流路を流通する第二の流体との間で、平板を介して熱交換が行われる。
As a heat exchanger that applies heat from a high-temperature fluid such as exhaust gas discharged from an industrial furnace to a low-temperature fluid, a structure in which a ceramic wall separates two orthogonal channels has been proposed (for example). ,
特許文献2の構造体は、一方向に貫通した多数のセルを有するセラミック製のハニカム構造体において、一段おきにセルそれぞれの両端を封止して封止部を形成すると共に、封止された段のセルの隔壁を、封止部及びその近傍を除いて直角方向から穿孔することにより、セルに直交する方向に貫通するスリットを形成したものである。かかる構成では、両端に封止部を有さず貫通しているセルを流通する第一の流体と、セルに直交するスリットを流通する第二の流体との間で、隔壁を介して熱交換が行われる。
The structure of
熱交換器については、より熱交換率が高いものに対する要請が常に存在する。また、上記のようにセラミックス壁を介して熱交換する熱交換器では、熱交換率を高めるためには壁の厚さを薄くすることが望ましいが、そうすると機械的強度が低下するおそれがある。機械的強度が低下すると、熱交換される二つの流体の混合や外部への流体のリークを防止するために、シーリング材を介して締め付けるように熱交換器をケーシングに収容する際、熱交換器が破損するおそれがある。 For heat exchangers, there is always a demand for higher heat exchange rates. Further, in the heat exchanger that exchanges heat through the ceramic wall as described above, it is desirable to reduce the thickness of the wall in order to increase the heat exchange rate, but this may reduce the mechanical strength. When the heat exchanger is housed in a casing so that it is tightened through a sealant to prevent mixing of the two fluids that are heat exchanged and leakage of the fluid to the outside when the mechanical strength is reduced, the heat exchanger May be damaged.
そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、直交する二つの流路をセラミック壁が隔てている熱交換器であって、熱交換率を高めることができると共に、機械的強度を高めることができるセラミック熱交換器の提供を、課題とするものである。 Therefore, in view of the above circumstances, the present invention is a heat exchanger in which a ceramic wall separates two orthogonal channels, and the heat exchange rate can be increased and the mechanical strength can be increased. The subject is to provide a ceramic heat exchanger.
上記の課題を解決するため、本発明にかかるセラミック熱交換器(以下、単に「熱交換器」と称することがある)は、
「第一方向に貫通し、該第一方向に直交する第二方向に閉塞されている第一流路と、前記第二方向に貫通し、前記第一方向に閉塞されている第二流路とが、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に壁体を介して隣接しているセラミック製の熱交換体を備え、
該熱交換体において、前記第三方向に交差する二つの端面に、閉じた空間内に空気が保持されている断熱層が積層されている」ものである。
In order to solve the above problems, the ceramic heat exchanger according to the present invention (hereinafter, may be simply referred to as “heat exchanger”) is
"A first flow path that penetrates in the first direction and is closed in the second direction orthogonal to the first direction, and a second flow path that penetrates in the second direction and is closed in the first direction. Provided a ceramic heat exchanger that is adjacent via a wall in the first direction and the third direction orthogonal to the second direction.
In the heat exchanger, a heat insulating layer in which air is held in a closed space is laminated on the two end faces intersecting in the third direction. "
本構成により、第一流路に第一流体を流通させ、第二流路に第二流体を流通させることにより、第一流体と第二流体との間で壁体を介して熱交換させることができる。 With this configuration, the first fluid is circulated in the first flow path, and the second fluid is circulated in the second flow path, so that heat is exchanged between the first fluid and the second fluid through the wall body. can.
ここで、第一方向に交差する両端面は第一流路を開口させておく面であり、第二方向に交差する両端面は第二流路を開口させておく面であるのに対し、第三方向に交差する両端面は、熱交換のためには使用されない面である。本構成では、このような端面に、空気が保持された断熱層を積層している。従って、熱を与える側の高温の流体が保持している熱や、低温側の流体に与えられた熱が、熱交換器の外部に放出されることが断熱層によって抑制されるため、熱交換率を高めることができる。 Here, both end faces intersecting in the first direction are surfaces for opening the first flow path, while end faces intersecting in the second direction are surfaces for opening the second flow path. Both end faces that intersect in three directions are faces that are not used for heat exchange. In this configuration, an air-retaining heat insulating layer is laminated on such an end face. Therefore, the heat exchanged because the heat insulating layer suppresses the heat held by the high-temperature fluid on the heat-giving side and the heat given to the fluid on the low-temperature side from being released to the outside of the heat exchanger. The rate can be increased.
更に、第一方向に貫通している第一流路と、第二方向に貫通している第二流路とが隣接している熱交換体は、二方向に開放している構造体であって機械的強度が低いものとなりやすいところ、本構成の熱交換器は閉じた空間である断熱層を備えている。従って、断熱層の存在によって、熱交換器の機械的強度を高めることができる。 Further, the heat exchanger in which the first flow path penetrating in the first direction and the second flow path penetrating in the second direction are adjacent to each other is a structure that is open in two directions. The heat exchanger of this configuration is provided with a heat insulating layer, which is a closed space, where the mechanical strength tends to be low. Therefore, the presence of the heat insulating layer can increase the mechanical strength of the heat exchanger.
本発明にかかるセラミック熱交換器は、上記構成において、
「断熱層は、単一の軸方向に延びた隔壁により区画された複数のセルが、それぞれ軸方向の両端部で封止材により封止されていることにより形成されている」ものである。或いは、「断熱層は、隣接する平板間に、長手方向を一致させた長棒状のスペーサの複数が間隔をあけて配されることにより形成されたスリットが、長手方向の両端部で封止材により封止されていることにより形成されている」ものである。
The ceramic heat exchanger according to the present invention has the above configuration.
"The insulation layer is formed by a plurality of cells partitioned by a single axially extending partition wall, each sealed with a sealant at both ends in the axial direction . " .. Alternatively, "the heat insulating layer has slits formed by arranging a plurality of long rod-shaped spacers having the same longitudinal direction at intervals between adjacent flat plates, and a sealing material is provided at both ends in the longitudinal direction. It is formed by being sealed with . "
このような構成とすることにより、空気を保持する大きな空間を有する断熱層を、簡易に製造することができる。 With such a configuration, a heat insulating layer having a large space for holding air can be easily manufactured.
本発明にかかるセラミック熱交換器は、上記構成に加え、
「前記第一流路及び前記第二流路のうち、前記断熱層に隣接しているのは前記第一流路であり、
前記熱交換体において、前記第一方向と交差する両端面の一方に第一流体を供給する第一流体供給管が接続されており、他方に前記第一流体を排出させる第一流体排出管が接続されていると共に、前記第二方向と交差する両端面の一方に、前記第一流体より高温の第二流体を供給する第二流体供給管が接続されており、他方に前記第二流体を排出させる第二流体排出管が接続されている」ものとすることができる。
In addition to the above configuration, the ceramic heat exchanger according to the present invention has
"Of the first flow path and the second flow path, the one adjacent to the heat insulating layer is the first flow path.
In the heat exchanger, a first fluid supply pipe for supplying the first fluid is connected to one of both end faces intersecting with the first direction, and a first fluid discharge pipe for discharging the first fluid is connected to the other. A second fluid supply pipe that supplies a second fluid having a temperature higher than that of the first fluid is connected to one of both end faces that are connected and intersects with the second direction, and the second fluid is connected to the other. It can be assumed that the second fluid discharge pipe to be discharged is connected. "
本構成では、熱交換体において断熱層と隣接しているのは、高温の第二流体から熱を与えられる側である第一流体を流通させる第一流路である。従って、与えられた熱がこれから使用される第一流体の熱を、断熱層によって有効に保持することができる。 In this configuration, adjacent to the heat insulating layer in the heat exchanger is the first flow path through which the first fluid, which is the side to which heat is applied from the high temperature second fluid, flows. Therefore, the heat given can effectively retain the heat of the first fluid to be used by the heat insulating layer.
以上のように、本発明によれば、それぞれ流体を流通させる二つの流路が直交している熱交換器であって、熱交換率が高められていると共に、機械的強度が高められているセラミック熱交換器を、提供することができる。 As described above, according to the present invention, the heat exchanger is a heat exchanger in which two flow paths for flowing a fluid are orthogonal to each other, and the heat exchange rate is increased and the mechanical strength is increased. Ceramic heat exchangers can be provided.
以下、本発明の具体的な実施形態であるセラミック熱交換器について説明する。まず、第一実施形態の熱交換器1、及びその変形例の熱交換器1bについて、図1乃至図5を用いて説明する。
Hereinafter, the ceramic heat exchanger, which is a specific embodiment of the present invention, will be described. First, the
第一実施形態の熱交換器1は、熱交換体40と断熱層50とを主な構成とする。熱交換体40はセラミック製であり、第一方向Xに貫通し第一方向Xに直交する第二方向Yに閉塞されている第一流路P1と、第二方向Yに貫通し第一方向Xに閉塞されている第二流路P2とが、第一方向X及び第二方向Yに直交する第三方向Zに壁体を介して隣接している構成である。また、断熱層50は、内部に空気が保持されている閉じた空間を有する層であり、熱交換体40において第三方向Zに交差する両端面にそれぞれ積層されている。
The
具体的には、熱交換体40は、単一の軸方向に延びた隔壁11a,11bにより区画された複数のセル15が一列に配列されたセル列10を、軸方向を同一として複数備えており、隣接するセル列10の間に、セル15の軸方向と直交する方向に貫通したスリット25を有している。
Specifically, the
ここでは、セル15の形状(軸方向に直交する断面の外形)が正方形で、各セル15が二対の隔壁11a,11bで囲まれている場合を図示している。複数のセル15が隔壁11aを介して一列に並んでいる一段のセル列10は、隣接するセル列10と、それぞれの軸方向を一致させた状態で、セル列10とセル列10との間に配されたスペーサ21によって接合されている。スペーサ21は細長い四角柱状で、その長手方向はセル15の軸方向に直交している。また、ここでは、隣接するセル列10それぞれの両端部が、一対のスペーサ21で接合されている場合を図示により例示しているが、隣接するセル列10を接合するスペーサ21の数は、三以上であっても良い。
Here, the case where the shape of the cells 15 (the outer shape of the cross section orthogonal to the axial direction) is square and each
このような構成の熱交換体40において、セル15の軸方向を第一方向Xとし、セル列10においてセル15が並んでいる方向を第二方向Yとすると、各セル15が、第一方向Xに貫通し隔壁11aによって第二方向Yに閉塞されている第一流路P1である。一方、隣接しているスペーサ21間と、隣接しているセル列10それぞれの隔壁11bとの間に形成されているスリット25が、第二方向Yに貫通しスペーサ21によって第一方向Xに閉塞されている第二流路P2である。そして、第一流路P1であるセル15と第二流路P2であるスリット25が、第三方向Zに隔壁11bを介して隣接している。従って、本実施形態では、隔壁11bが、第三方向Zに隣接する第一流路P1と第二流路P2との間に介在する「壁体」に相当する。
In the
なお、一段のセル列10は、一般的な押出成形によって成形された、単一の軸方向を有するセル列10が複数段、積層されているハニカム構造体を、一段ごと切断して得ることができる。或いは、単一の軸方向を有する複数のセル15が一列に並んでいる一段のハニカム構造体を、押出成形により成形しても良い。また、スリット25は、単一の軸方向を有するセル列が複数段、積層されている一般的なハニカム構造体において、一段おきにセルの両端部を封止して封止部を形成し、両端部が封止されたセルからなるセル列について、封止部及びその近傍を除いて、セルの軸方向に直交する方向に隔壁を切除することによっても、形成することができる。
The
一方、断熱層50は、単一の軸方向に延びた隔壁により区画されており、それぞれ軸方向の両端部が封止材17により封止されている複数のセル15からなる。セル15の隔壁11a,11bと両端部の封止材17との間に閉じた空間が形成されており、その内部に空気が保持されていることにより、断熱層50は空気の層Sを複数備えている。なお、断熱層50を構成するセル15の軸方向は第一方向Xであっても第二方向Yであっても良いが、ここでは第一方向Xを軸方向とし両端部を封止されているセル15が第二方向Yに並んでいるセル列10が、複数段積層されて断熱層50を形成している場合を例示している。
On the other hand, the
なお、熱交換体40を構成するセル列10においても、第二方向Yに交差する両端部近傍のセル15のいくつかが、全長にわたり封止材17によって封止されている。これにより、極めて厚さの薄い隔壁のみによって支えられる構造体であるセル列10の機械的強度が、高められている。
Also in the
また、熱交換器1は、第一流体供給管、第一流体排出管、第二流体供給管、及び第二流体排出管を備えている(何れも図示を省略)。熱交換体40において第一方向Xと交差する両端面、すなわちセル15が開口している両端面の一方に第一流体供給管が接続されると共に、他方に第一流体排出管が接続される。一方、第二方向Yと交差する端面、すなわちスリット25が開口している両端面の一方に第二流体供給管が接続されると共に、他方に第二流体排出管が接続される。本実施形態の熱交換器1では、熱交換体40において断熱層50と隣接しているのは第一流路P1であるセル15であり、第一流体供給管には、熱を与えられる側の流体、つまり低温側の流体が供給される。従って、第二流体供給管には、熱を与える側の流体、つまり第一流体より高温の流体が供給される。
Further, the
上記の構成により、第一流路P1であるセル15に第一流体を流通させ、第二流路P2であるスリット25に第二流体を流通させることにより、第一流体と第二流体との間で隔壁11bを介して熱交換させることができる。
With the above configuration, the first fluid is circulated through the
また、熱交換体40において、第一方向Xに交差する両端面は第一流体を通過させるために第一流路P1(ここでは、セル15)を開口させておく面であり、第二方向Yに交差する両端面は第二流体を通過させるために第二流路P2(ここでは、スリット25)を開口させておく面であるのに対し、第三方向Zに交差する両端面は流体を通過させるために開口させておく必要がない面である。本実施形態では、第三方向Zに交差する両端面という、いわば熱交換のためには従来使用されなかった端面に、断熱層50を積層している。断熱層50は、空気の層Sを複数有しており、断熱性が高い。従って、高温の第二流体が保持している熱や、低温の第一流体が第二流体から与えられた熱が、熱交換器1の外部に放出されることが断熱層50によって抑制されるため、熱交換率を高めることができる。
Further, in the
更に、第一流路P1であるセル15の段は第一方向Xに貫通した空間を有しており、第二流路P2であるスリット25の段は第二方向Yに貫通した空間を有しているのに対し、断熱層50は封止材17やセル15の隔壁11a,11bで全方向を閉塞された閉じた空間であるため、機械的強度が高い。従って、断熱層50の存在によって熱交換器1の機械的強度を高めることができ、熱交換器1をシールしつつケーシングに収容する際の締め付け力等の外力に対して、耐性の高い熱交換器1となる。
Further, the step of the
加えて、本実施形態では、熱交換体40において断熱層50と隣接しているのはセル15、すなわち、熱を与えられる側の第一流体を流通させる第一流路P1である。従って、与えられた熱がこれから使用される第一流体の熱を、断熱層50によって有効に保持することができる。
In addition, in the present embodiment, in the
更に、本実施形態では、第一流路P1が細密なセル15であるのに対し、第二流路P2はセル15より内部空間の広いスリット25である。従って、高温の第二流体として、排ガスや排水など不純物を含むことがある流体を使用しても、第二流路P2が詰まるおそれが低減されている。一方、低温の第一流体としては、空気や水など不純物を含まない流体を使用すれば、表面積が大きいというセル15の利点を活かして、効率的に熱を回収することができる。
Further, in the present embodiment, the first flow path P1 is a
実際に、断熱層を備える熱交換器を製造し、断熱作用や熱交換率を測定した結果を示す。測定には、セル数、セル列やスペーサの段数を除き、図1~図4に示した熱交換器1と同じ構成の熱交換器E1を使用した。熱交換器E1の熱交換体は炭化珪素製であり、セル列の20個と19対のスペーサとが、セル列とセル列との間にスペーサを一対挟むように計38段積層された構成であり、各セル列は98個のセルからなる。熱交換体のサイズは、セル及びスリットが延びる方向の長さをそれぞれ170mmとし、セル列とスペーサとの積層方向の長さを138.7mmとした。そして、熱交換体においてセルもスリットも開口しない一対の端面に、それぞれ断熱層を積層した。それぞれの断熱層は、熱交換体を構成しているセル列と同一のセル列を8段積層して積層方向の長さを20mmとし、全てのセルの軸方向の両端部を、それぞれ長さ20mmずつ封止材で封止して形成した。なお、封止材としては、シリカ、アルミナ等のセラミックを主成分とする無機接着剤(朝日化学工業株式会社製、スミセラム)を使用した。この無機接着剤は、100℃~300℃で硬化して、硬化後は1000℃以上の耐熱性を示す。
The results of actually manufacturing a heat exchanger provided with a heat insulating layer and measuring the heat insulating action and the heat exchange rate are shown. For the measurement, a heat exchanger E1 having the same configuration as the
断熱層による効果を検討するために、熱交換器E1より断熱層が小さい熱交換器E2を製造した。熱交換器E2の構成は、セル15の数、セル列10やスペーサ21の段数を除き、図5(a)に示した熱交換器1bと同一である。熱交換器E2と熱交換器E1とで熱交換体は共通であり、熱交換器E1ではセル列を8段積層して積層方向の長さを20mmとし、軸方向の両端部を封止して断熱層としたのに対し、熱交換器E2ではセル列を5段積層して積層方向の長さを13mmとし、軸方向の両端部を封止して断熱層とした上で、炭化珪素製で厚さ7mmの平板(図5における符号60に相当)を接着して、合計の長さを熱交換器E1の断熱層と同一の20mmとした。
In order to examine the effect of the heat insulating layer, a heat exchanger E2 having a smaller heat insulating layer than the heat exchanger E1 was manufactured. The configuration of the heat exchanger E2 is the same as that of the
熱交換器E1,E2のそれぞれに、第一流体として常温の空気を流通させ、第二流体として高温の排気ガスを流通させて熱交換させ、熱交換器を収容しているケーシングの外表面温度を、接触式温度計で測定した。第二流体としては、流入温度が400℃の排ガスAと、流入温度が800℃の排ガスBを使用した。流体の流量は、第一流体、第二流体(排ガスA,排ガスB)の何れについても、140m3N/hとした。ケーシングの外表面において温度を測定した部分は、熱交換器において断熱層が形成されている両端面を被覆しているケーシングの両側面であり、それぞれの側面を第一流体の流通方向に3分割、第二流体の流通方向に2分割し、計12箇所の温度を測定した。各測定位置におけるケーシングの外表面温度を、表1に示す。表1で測定位置を示している番号とケーシングの側面における位置との関係を、図5(b)に示す。 Air at room temperature is circulated as the first fluid in each of the heat exchangers E1 and E2, and high-temperature exhaust gas is circulated as the second fluid to exchange heat, and the outer surface temperature of the casing accommodating the heat exchanger is exchanged. Was measured with a contact thermometer. As the second fluid, exhaust gas A having an inflow temperature of 400 ° C. and exhaust gas B having an inflow temperature of 800 ° C. were used. The flow rate of the fluid was 140 m 3 N / h for both the first fluid and the second fluid (exhaust gas A and exhaust gas B). The part where the temperature was measured on the outer surface of the casing is both side surfaces of the casing covering both end faces on which the heat insulating layer is formed in the heat exchanger, and each side surface is divided into three in the flow direction of the first fluid. , The temperature was divided into two in the flow direction of the second fluid, and the temperatures of a total of 12 points were measured. Table 1 shows the outer surface temperature of the casing at each measurement position. The relationship between the numbers indicating the measurement positions in Table 1 and the positions on the side surfaces of the casing is shown in FIG. 5 (b).
表1から、第二流体の流入温度が400℃の場合、800℃の場合の何れも、ほぼ全ての測定位置において、熱交換器E1の方が熱交換器E2に比べてケーシングの外表面の温度が低いことが分かる。これにより、断熱層が大きいほど(積層方向の長さが大きいほど)、断熱効果が大きくなっていることが分かる。熱交換器E1と熱交換器E2それぞれのケーシングの外表面の温度差は、第二流体の流入温度が400℃の場合は最大で53℃であり、第二流体の流入温度が800℃の場合は最大で101℃であり、大きなものであった。 From Table 1, when the inflow temperature of the second fluid is 400 ° C. and 800 ° C., the heat exchanger E1 has a surface on the outer surface of the casing as compared with the heat exchanger E2 at almost all measurement positions. It can be seen that the temperature is low. From this, it can be seen that the larger the heat insulating layer (the longer the length in the stacking direction), the larger the heat insulating effect. The temperature difference between the outer surfaces of the casings of the heat exchanger E1 and the heat exchanger E2 is 53 ° C at the maximum when the inflow temperature of the second fluid is 400 ° C, and when the inflow temperature of the second fluid is 800 ° C. The maximum temperature was 101 ° C, which was a large one.
また、流入温度400℃の排ガスAである第二流体が第一流体と熱交換した場合、流入温度800℃の排ガスBである第二流体が第一流体と熱交換した場合のそれぞれについて、第一流体及び第二流体の流出温度を測定し、これに基づいて熱交換の温度効率を求めた。温度効率は、次の式により算出した。結果を、表2に示す。
第一流体の温度効率
(Tair-out-Tair-in)/(Tex-in-Tair-in)
第二流体の温度効率
(Tex-in-Tex-out)/(Tex-in-Tair-in)
上式において、
Tair-in:第一流体の流入温度
Tair-out:第一流体の流出温度
Tex-in:第二流体の流入温度
Tex-out:第二流体の流出温度
Further, in each case where the second fluid, which is the exhaust gas A having an inflow temperature of 400 ° C., exchanges heat with the first fluid, and when the second fluid, which is the exhaust gas B having an inflow temperature of 800 ° C., exchanges heat with the first fluid, the first The outflow temperatures of the first fluid and the second fluid were measured, and the temperature efficiency of heat exchange was determined based on this. The temperature efficiency was calculated by the following formula. The results are shown in Table 2.
Temperature efficiency of the first fluid ( Tair-out - Tair-in ) / ( Tex-in - Tair-in )
Temperature efficiency of the second fluid ( Tex-in - Tex-out ) / ( Tex-in - Tair-in )
In the above formula,
T air-in : Inflow temperature of the first fluid T air-out : Outflow temperature of the first fluid Tex-in : Inflow temperature of the second fluid Tex-out : Outflow temperature of the second fluid
表2から、第一流体の温度効率も第二流体の温度効率も、熱交換器E1の方が熱交換器E2より高く、断熱層が大きいほど(積層方向の長さが大きいほど)、熱交換の温度効率が高くなることが明らかである。また、熱交換器E1及び熱交換器E2の何れでも、第一流体の温度効率及び第二流体の温度効率は、第二流体の温度が400℃であるか800℃であるかによらず同程度であった。従って、第一流体が常温であり第二流体の温度が400℃~800℃の範囲であり、断熱層の積層方向の長さが13mm~20mmのとき、断熱層の大きさが同程度であれば第二流体の温度によらず同程度の温度効率で熱交換されると考えられた。なお、断熱層は積層方向の長さが大きいほど断熱効果が高くなると考えられ、20mm以上とすることが望ましいが、熱交換器の体積が一定の場合に断熱層の占める体積が増加すると、熱交換に使用される体積が減少する。そのため、断熱効果と熱交換率の双方を考え合わせ、上記の温度範囲では断熱層の積層方向の長さの上限は30mmとすることが望ましい。一方、断熱層の積層方向の長さの下限は、セルの一段分として2mmとすることができる。 From Table 2, both the temperature efficiency of the first fluid and the temperature efficiency of the second fluid are higher in the heat exchanger E1 than in the heat exchanger E2, and the larger the heat insulating layer (the longer the length in the stacking direction), the more heat. It is clear that the temperature efficiency of the exchange will be high. Further, in both the heat exchanger E1 and the heat exchanger E2, the temperature efficiency of the first fluid and the temperature efficiency of the second fluid are the same regardless of whether the temperature of the second fluid is 400 ° C. or 800 ° C. It was about. Therefore, when the first fluid is at room temperature, the temperature of the second fluid is in the range of 400 ° C. to 800 ° C., and the length of the heat insulating layer in the stacking direction is 13 mm to 20 mm, the size of the heat insulating layer is about the same. For example, it was considered that heat exchange was performed with the same temperature efficiency regardless of the temperature of the second fluid. It is considered that the larger the length of the heat insulating layer in the stacking direction, the higher the heat insulating effect, and it is desirable that the heat insulating layer is 20 mm or more. The volume used for replacement is reduced. Therefore, considering both the heat insulating effect and the heat exchange rate, it is desirable that the upper limit of the length of the heat insulating layer in the stacking direction is 30 mm in the above temperature range. On the other hand, the lower limit of the length of the heat insulating layer in the stacking direction can be 2 mm for one stage of the cell.
次に、第二実施形態の熱交換器2について、図6乃至図9を用いて説明する。熱交換器2が熱交換器1と相違する点は、熱交換体40bが平板31と細長い四角柱状のスペーサ32とを積み重ねることによって形成されており、隣接する平板31と隣接するスペーサ32との間に形成されたスリット35,36によって、それぞれ第一流路P1及び第二流路P2が構成されている点である。また、断熱層50bが、スリットの長手方向の両端部が封止材37で封止されることによって形成されている点でも、熱交換器1と相違している。
Next, the
具体的には、隣接する平板31と平板31とは、長手方向を同一とし一定の間隔をあけて並んだ複数のスペーサ32によって接合されており、長手方向が第一方向Xであるスペーサ32の段と長手方向が第二方向Yであるスペーサ32の段とが、交互となるように接合されている。これにより、隣接する平板31間と長手方向が第一方向Xであるスペーサ32間に形成されたスリット35が、第一方向Xに貫通しスペーサ32によって第二方向Yに閉塞されている第一流路P1である。一方、隣接する平板31間と長手方向が第二方向Yであるスペーサ32間に形成されたスリット36が、第二方向Yに貫通しスペーサ32によって第一方向Xに閉塞されている第二流路P2である。そして、第一流路P1であるスリット35と第二流路P2であるスリット36とが、第三方向Zに平板31を介して隣接している。従って、本実施形態では、平板31が、第三方向Zに隣接する第一流路P1と第二流路P2との間に介在する「壁体」に相当する。
Specifically, the adjacent
そして、断熱層50bは、隣接する平板31間と隣接するスペーサ32間に形成されたスリットを、長手方向の両端部で封止材37により封止することにより形成されている。なお、断熱層50bにおけるスリットの長手方向は第一方向Xであっても第二方向Yであっても良いが、ここでは第一方向Xを長手方向とし両端部を封止されたスリットと、第二方向Yを長手方向とし両端部を封止されたスリットとの双方で、断熱層50bが構成されている場合を例示している(図9(c),(d)参照)。
The
また、熱交換体40bにおいて、第一方向Xに貫通するスリット35の段、及び第二方向Yに貫通するスリット36の段のうち、断熱層50bと隣接しているのはスリット35の段である。そして、熱交換体40bにおいて第一方向Xと交差する両端面、すなわちスリット35が開口している両端面の一方に第一流体供給管が接続され、他方に第一流体排出管が接続されると共に、第二方向Yと交差する端面、すなわちスリット36が開口している両端面の一方に第二流体供給管が接続され、他方に第二流体排出管が接続される。低温側の流体が第一流体であり、高温側の流体が第二流体である点は、第一実施形態と同様である。
Further, in the
上記の構成により、第一流路P1であるスリット35に第一流体を流通させ、第二流路P2であるスリット36に第二流体を流通させることにより、第一流体と第二流体との間で平板31を介して熱交換させることができる。
With the above configuration, the first fluid is circulated through the
更に、熱交換体40bにおいて、第三方向Zに交差する両端面という、いわば熱交換のためには従来使用されなかった端面に断熱層50bが積層されていることにより、熱交換器1と同様に、高温の第二流体が保持している熱や、低温の第一流体が第二流体から与えられた熱が、熱交換器2の外部に放出されることが断熱層50bによって抑制されるため、熱交換率を高めることができる。また、断熱層50bの存在によって、熱交換体40b2の機械的強度が高められている点も、熱交換器1と同様である。
Further, in the
加えて、熱交換器1と同様に、熱交換体40bにおいて断熱層50bと接しているのは、熱を与えられる側の第一流体を流通させる第一流路P1であるスリット35の段である。従って、与えられた熱がこれから使用される第一流体の熱を、断熱層50bによって有効に保持することができる。
In addition, similarly to the
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。 Although the present invention has been described above with reference to suitable embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and as shown below, various improvements are made without departing from the gist of the present invention. And the design can be changed.
例えば、第一実施形態では、セル列10とスペーサ21とが積層されることにより、セル15が第一流路P1となりスリット25が第二流路P2となる場合を例示した。これに限定されず、複数のセル列を、隣接するセル列に属するセルの軸方向が直交するように積層することにより、第一流路及び第二流路の双方がセルである構成の熱交換器とすることができる。また、セルの形状として、軸方向に直交する断面の外形が正方形であるものを例示した。セルの形状は、軸方向に直交する方向に閉塞する隔壁を備えるものであれば特に限定されず、六角形、八角形、三角形等とすることができる。
For example, in the first embodiment, the case where the
更に、第二実施形態では、平板31とスペーサ32とが積層されることにより、貫通方向が直交するスリット35,36がそれぞれ第一流路P1及び第二流路P2となる場合を例示した。これに限定されず、長手方向を一致させ間隔をあけて並んだ複数のリブが平板と一体となった形状に相当する“くし歯状”の構造体を積層することにより、同様に、貫通方向が直交するスリットがそれぞれ第一流路及び第二流路となる熱交換器とすることができる。
Further, in the second embodiment, the case where the
1,1b,2 熱交換器(セラミック熱交換器)
11a 隔壁
11b 隔壁(壁体)
15 セル
17 封止材
31 平板(壁体)
32 スペーサ
37 封止材
40,40b 熱交換体
50,50b 断熱層
P1 第一流路
P2 第二流路
X 第一方向
Y 第二方向
Z 第三方向
1,1b, 2 heat exchanger (ceramic heat exchanger)
15
32
Claims (3)
該熱交換体において、前記第三方向に交差する二つの端面に、閉じた空間内に空気が保持されている断熱層が積層されているものであり、
該断熱層は、隣接する平板間に、長手方向を一致させた長棒状のスペーサの複数が間隔をあけて配されることにより形成されたスリットが、長手方向の両端部で封止材により封止されていることにより形成されている
ことを特徴とするセラミック熱交換器。 The first flow path penetrating in the first direction and being closed in the second direction orthogonal to the first direction and the second flow path penetrating in the second direction and being closed in the first direction are A ceramic heat exchanger that is adjacent via a wall in the first direction and the third direction orthogonal to the second direction.
In the heat exchanger, a heat insulating layer in which air is held in a closed space is laminated on two end faces intersecting in the third direction .
In the heat insulating layer, slits formed by arranging a plurality of long rod-shaped spacers having the same longitudinal direction at intervals between adjacent flat plates are sealed with a sealing material at both ends in the longitudinal direction. Formed by being stopped
A ceramic heat exchanger characterized by that.
該熱交換体において、前記第三方向に交差する二つの端面に、閉じた空間内に空気が保持されている断熱層が積層されているものであり、
該断熱層は、単一の軸方向に延びた隔壁により区画された複数のセルが、それぞれ軸方向の両端部で封止材により封止されていることにより形成されている
ことを特徴とするセラミック熱交換器。 The first flow path penetrating in the first direction and being closed in the second direction orthogonal to the first direction and the second flow path penetrating in the second direction and being closed in the first direction are A ceramic heat exchanger that is adjacent via a wall in the first direction and the third direction orthogonal to the second direction.
In the heat exchanger, a heat insulating layer in which air is held in a closed space is laminated on two end faces intersecting in the third direction.
The heat insulating layer is characterized in that a plurality of cells partitioned by a single axially extending partition wall are formed by sealing with a sealing material at both ends in the axial direction. Ceramic heat exchanger.
前記熱交換体において、前記第一方向と交差する両端面の一方に第一流体を供給する第一流体供給管が接続されており、他方に前記第一流体を排出させる第一流体排出管が接続されていると共に、前記第二方向と交差する両端面の一方に、前記第一流体より高温の第二流体を供給する第二流体供給管が接続されており、他方に前記第二流体を排出させる第二流体排出管が接続されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のセラミック熱交換器。 Of the first flow path and the second flow path, the first flow path is adjacent to the heat insulating layer.
In the heat exchanger, a first fluid supply pipe for supplying the first fluid is connected to one of both end faces intersecting with the first direction, and a first fluid discharge pipe for discharging the first fluid is connected to the other. A second fluid supply pipe that supplies a second fluid having a temperature higher than that of the first fluid is connected to one of both end faces that are connected and intersects with the second direction, and the second fluid is connected to the other. The ceramic heat exchanger according to claim 1 or 2 , wherein a second fluid discharge pipe for discharging is connected .
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