セラミックス製熱交換器
【課題】硫酸などの高温腐食性流体下でも熱交換効率が高く、かつ構造信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供する。
【解決手段】セラミックスブロックに複数個の流路を一列とする列を数列平行に形成し、隣接する列毎に前記流路を流体Ａと流体Ｂとが流れる流路とし、これらの流路には隣接する列毎に異なる流体Ａおよび流体Ｂを対向流として流し、流体Ａと流体Ｂとの熱交換を行うセラミックス製熱交換器で、熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体化し、端板の外面側に前記タイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設ける。
【解決手段】セラミックスブロックに複数個の流路を一列とする列を数列平行に形成し、隣接する列毎に前記流路を流体Ａと流体Ｂとが流れる流路とし、これらの流路には隣接する列毎に異なる流体Ａおよび流体Ｂを対向流として流し、流体Ａと流体Ｂとの熱交換を行うセラミックス製熱交換器で、熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体化し、端板の外面側に前記タイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力産業、航空宇宙、化学産業等で適用されるセラミックス製熱交換器に係り、特に核熱を利用して水原料から大量の水素と酸素を製造する熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置の熱交換器として好適なセラミックス製熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力産業、航空宇宙、化学産業および一般産業の広い産業分野で各種熱交換器が使用されている。特に、耐高温や耐腐食性が要求される熱交換器では熱交換部にセラミックスブロックが採用される。ここでは、その一例として、約９５０℃の核熱を利用して水原料から大量の水素と酸素を製造する熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置に用いる熱交換器について説明する。
【０００３】
ＩＳプロセスは基本的に下記の３つのサブシステムからなる反応である。
【化１】
【０００４】
この３つのサブシステムのうち、硫酸分解反応とヨウ化水素分解反応とは、吸熱反応で熱交換器を介して高温ガス炉等から供給される高温ヘリウムガス等と熱交換して加熱される。
【０００５】
硫酸は金属類を腐食させるため、熱交換部には耐腐食性が要求される。さらに、使用温度が４００℃〜８００℃以上と高いので、硫酸プラント等で一般に使用されるポリテトラフルオロエチレン系材料と金属との組み合わせを使用できない等の課題がある。
【０００６】
そこで、従来では高温耐食性および高温強度の両面から、セラミックスブロックを適用して、硫酸分解反応を行う硫酸蒸発器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
この提案では、同文献の明細書［００１１］〜［００１５］及び図２、図３〜図１１等に示されるように、高温ヘリウムガスを収容する圧力容器の底部に接続された硫酸供給管により、下部プレナムに供給された約４５５℃の硫酸を熱交換部に貫流させ、上部プレナム部を経て硫酸ガス排出管から排出するようになっている。
【０００８】
熱交換部は、それぞれ直行する２組の流路Ａと流路を有するセラミックスブロックと、セラミックスブロックの外周に配設された複数枚の仕切り板と、仕切り板を包含するように配置された内筒とで構成されている。
【０００９】
熱交換部の上部には、圧力容器から内筒に延在するヘリウム入口ノズルが設けられ、高温熱交換系統から供給される約６８９℃の高温ヘリウムガスが熱交換部の上部室に流入する。流入した高温ヘリウムガスは仕切り板と内筒とで仕切られた各室を蛇行しながらセラミックスブロックの一方の流路を流れ、他方の流路を流れる硫酸と熱交換される。そして、熱交換部の下部室から圧力容器に流出したヘリウムガスは、ヘリウム出口ノズルから高温熱交換系統に戻る。
【特許文献１】特開２００５−６１７８５号公報（明細書［００１１］〜［００１５］及び図２、図３〜図１１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
セラミックスブロックの製法としては、一般的には粉末を成形後、成形体を所定の寸法に加工し、その後焼結する方法が適用される。セラミックスは高温強度も高く、使用雰囲気に合った適切な材料選択で、しかも耐食性も有する。また、熱交換器に使用する場合には、熱伝導率が大きいことも選択因子である。硫酸を使用する熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置用の熱交換器としては、硫酸との耐食性および耐熱性が要求される。
【００１１】
硫酸製造などの硫酸プラントでは、温度が約２００℃程度と低く、ポリテトラフルオロエチレンやガラスなどの耐食材を金属にコーティングして使用しているのが現状である。
【００１２】
しかし、４００℃以上の熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置用熱交換器では、ポリテトラフルオロエチレン等も使用できないので、硫酸との耐食性および耐熱性の面から、炭化珪素や窒化珪素等のセラミックス熱交換器が提案されている。但し、セラミックスは弾性材料である金属と比較して、構造材として使用するには種々の課題がある。
【００１３】
すなわち、第１の課題は、セラミックスが脆性材料であるため靭性値が低く、脆い材料である点である。したがって、応力集中や微小クラックが起点になって亀裂進展が起こり易く、時には破壊に至ることもある。
【００１４】
第２の課題は、接合が困難な点である、冶金的接合方法としては、（１）ロー付け、（２）反応焼結、（３）常圧焼結等がある。この課題としては、信頼性のある接合には炉が必要であり、接合体の大きさが現有する炉の設備容量の制約を受ける。さらに、接合部に欠陥や強度不均一がある場合には、強度低下のみならず、前述した応力集中による亀裂進展の恐れもある。
【００１５】
第３の課題は、セラミックスの線膨張係数が約４Ｅ−６／℃のように、例えばステンレス鋼（１８Ｅ−６／℃）、あるいはインコネル等（１５Ｅ−６／℃）等の金属製構造材に比較して小さく、高温下では大きな熱膨張差を生じる。
【００１６】
特に、硫酸蒸発器においては、上述の問題点が顕著となる。すなわち、特許文献１に示されている従来の熱交換部においては、一方の流路の加工制限上、複数のセラミックスブロックを接合して一体化される。したがって、一体化の大きさは接合する炉の大きさに制限される。もし、炉を使用しない接着等の簡易接合では、母材と同等な高温強度を得ることができない。さらに、接合部は強度不連続部になり、応力集中で破壊する恐れがある。
【００１７】
また、一方の流路と他方の流路とは直交しており、例えば一方の流路を流れるヘリウムガスと他方の流路を流れる硫酸との仕切りが容易である反面、管状流路同士の直交流では対向面積が見掛け上、点接触状態となって小さく、熱交換熱量が低下する。また、仕切り板とセラミックスブロック、仕切り板と内筒との熱膨張差が問題になる。
【００１８】
すなわち、内筒はステンレス鋼などの金属である端板に取り付けられので、内筒や仕切り板の材質はステンレス鋼などの金属が好ましい。仕切り板と内筒とを例えばステンレス鋼製とした場合には、セラミックスブロックの外周と仕切り板の内周とにギャップが生じ、この部分からヘリウムが漏洩し、結果的に交換熱量を低下させる。この熱膨張差によるヘリウムガスの漏洩を回避するには、何らかの熱膨張吸収手段を設ける必要がある。
【００１９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、硫酸などの高温腐食性流体下でも熱交換効率が高く、かつ構造信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、セラミックスブロックに複数個の流路を一列とする列を数列平行に形成し、隣接する列毎に前記流路を流体Ａと流体Ｂとが流れる流路とし、これらの流路には隣接する列毎に異なる前記流体Ａおよび前記流体Ｂを対向流として流し、前記流体Ａと前記流体Ｂとの熱交換を行うセラミックス製熱交換器であって、前記熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体化し、前記端板の外面側に前記タイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設けた構成としたことを特徴とするセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２１】
請求項２に係る発明では、前記各セラミックスブロックの接合端部の少なくともいずれか一方に、端部側に向って次第に拡径するテーパ部を設け、前記テーパ部外周に嵌合するテーパリングと、このテーパリングの外周に配設され、前記テーパリングの端部に当接する段部を有するフランジと、前記フランジ同士を締結する複数本のタイロッドとを備えたセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２２】
請求項３に係る発明では、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記タイロッドと同系またはこれよりも熱膨張係数の大きい材質からなるスペーサを、前記端板と前記タイロッド先端部間に介挿したセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２３】
請求項４に係る発明では、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記端板は、熱膨張係数の異なる複数枚の板をシール部材を介して積層する構成としたセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２４】
請求項５に係る発明では、前記熱交換部がセラミックスブロックで構成された熱交換器であって、前記セラミックスブロック端部の軸方向所定の位置に大径頭部を形成し、この大径頭部に当接するシール部材と、このシール材を大径頭部に押し付けるばねと、これらシール材およびばねの外周側に配置され、軸方向の熱膨張差を吸収するベローズを有するヘリウム入口容器とを備えたセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２５】
請求項６に係る発明では、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記シール材を前記流体Ａまたは前記流体Ｂの少なくともいずれか一方の流路の外周側に配設したセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２６】
請求項７に係る発明では、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記シール材は、前記流体Ａおよび前記流体Ｂの流路に連通する孔を有する孔開き板であるセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２７】
請求項８に係る発明では、軸方向に複数の流路を形成したセラミックスブロックの両端に端板を配接し、この端板を複数本のタイロッドでシール材を介してセラミックスブロックに締結接合したセラミックス製熱交換器であって、前記端板と前記セラミックスブロックとの接合面に所定の直径差で相噛み合う段差部を設け、この直径差で相噛み合う前記段差部間に形成された空間部に、軸方向に開口部を有するシールリングを装着したセラミックス製熱交換器を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、流体Ａと流体Ｂとを対向流として流し、これら流体Ａと流体Ｂとの熱交換を行う熱交換を行う熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体化し、端板の外面側にタイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設けた構成としたことにより、セラミックスブロックは焼結炉等の製造設備に依存することなくシール材を介して積層することで、熱交換容量に応じた所定の大きさを実現することができる。そして、熱膨張吸収手段を介してセラミックスブロックを連結一体化したので、高温使用時のセラミックスブロックとタイロッドとの熱膨張差が生じても、確実にシールすることができる。よって、本発明によれば、硫酸などの高温腐食性流体下でも熱交換効率が高く、かつ構造信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係るセラミックス製熱交換器の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、核熱を利用して水原料から大量の水素と酸素を製造する熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置のセラミックス製熱交換器を例として説明する。
【００３０】
［第１実施形態（図１〜図８）］
図１は、本発明の第１実施形態によるセラミックス製熱交換器の構成を示す全体構成図である。まず、図１を参照して、熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置のセラミックス製熱交換器の全体構成を概略的に説明する。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態のセラミックス製熱交換器は、縦長筒状の圧力容器１を有する。この圧力容器１は、例えば円筒状胴部１ａの上下端部に半球状の上鏡部１ｂおよび下鏡部１ｃを設けた密閉容器として構成されている。下鏡部１ｃにはスカート状の支持部１６が設けられ、この支持部１ｄにより圧力容器１が所定の設置床上に直立状態で固定設置される。
【００３２】
圧力容器１の円筒状胴部１ａの周壁部上側には、第１の熱交換用流体である高温ヘリウムガスａを導入するためのヘリウム入口ノズル２が設けられている。ヘリウム入口ノズル２の外部には、図示省略のヘリウム供給管が接続されている。ヘリウム入口ノズル２の内部は、曲管状のヘリウム導入管２ａに接続され、このヘリウム導入管２ａは、圧力容器１内の上部空間側に導かれて、ヘリウム入口容器２ｂに連結されている。ヘリウム入口容器２ｂは、後述する熱交換部６のヘリウム入口２ｃに接続され、ヘリウムガスａは熱交換部６内を下方に向って流下するようになっている。
【００３３】
また、圧力容器１の下鏡部１ｃには、第２の熱交換用流体である硫酸ｂを導入するための硫酸導入部３が設けられている。硫酸導入部３の外部には、図示省略の硫酸供給管が接続されている。硫酸導入部３の内部には垂直な硫酸導入管３ａが接続され、この硫酸導入管３ａは、圧力容器１内の底部側に設けられた下部プレナム３ｂに連結されている。下部プレナム３ｂは、熱交換部６に接続され、硫酸ｂは熱交換部６内を上方に向って上昇するようになっている。
【００３４】
また、圧力容器１の上鏡部１ｂの上方には、熱交換後のヘリウムガスａを排出するためのヘリウム出口ノズル４が設けられている。このヘリウム出口ノズル４には、熱交換部６内を流下して硫酸ｂとの熱交換後に熱交換部６からヘリウム出口２ｄを介して圧力容器１内に排出されたヘリウムガスａが、圧力容器１内で上昇流となって導かれ、外部に排出されて図示省略のヘリウムガス供給部側に還流するようになっている。
【００３５】
さらに、圧力容器１の上鏡部１ｂの上方には、熱交換後の硫酸ｂを排出するための硫酸排出部５が設けられている。このヘリウム出口ノズル４には、熱交換部６内を上昇してヘリウムガスａとの熱交換によってガス化した硫酸ガスｂが、上部プレナム３ｃを経て硫酸ガス排出管３ｄに導かれ、外部に排出されて図示省略の硫酸処理部へ送られるようになっている。
【００３６】
圧力容器１の内部中央位置には、第１の流体であるヘリウムガスａと、第２の流体である硫酸ｂとを熱交換するための熱交換部６が設置されている。この熱交換部６は、上下方向に沿う多数の熱交換用流路が隣接配置で形成された複数体、例えば２体のセラミックスブロック７，８を上下に積層した縦長円柱状のものであり、上下のセラミックスブロック７，８の接合部には、両者の接合面を気密にシールするためのシール材１０が設けられている。
【００３７】
上側のセラミックスブロック（上側ブロック）７の上端部は、水平な金属製の上側端板１１によって上方から保持され、また下側のセラミックスブロック（下側ブロック）８の下端部は、水平な金属製の下側端板１２によって下方から支持され、これら上側端板１１と下側端板１２とが、セラミックスブロック７，８の周囲に配設された複数本の縦長な金属製タイロッド１３によって連結一体化されている。
【００３８】
即ち、各タイロッド１３の上端側にはねじ部が形成され、このねじ部が上側端板１１を貫通して上方に突出し、締結手段としてのナット１４によって締結されている。上側端板１１とナット１４との間には、セラミックスブロック７、８と金属製タイロッド１３との熱膨張差を吸収する熱膨張吸収手段１５として、例えば複数の皿ばね又はコイルばね等のスプリング材が設けられている。
【００３９】
同様に、各タイロッド１３の下端側にもねじ部が形成され、このねじ部が下側端板１２を貫通して下方に突出し、締結手段としてのナット１６によって締結されている。下側端板１２とナット１６との間にも、熱膨張吸収手段１７として、例えば複数の皿ばね、コイルばね等のスプリング材、又は弾性素材等からなる筒状体が設けられている。
【００４０】
上側端板１１及び下側端板１２は、それぞれ支持機構１８，１９によって圧力容器１内に固定されている。
【００４１】
このように、熱交換部６はセラミックス製の上側ブロック７と下側ブロック８とをシール材１０を介して積み重ねた構成のものであり、上側ブロック７の上端側には段部９ａを介して大径頭部９が一体に形成されている。なお、下側ブロック８は、上側ブロック７の下側胴部分と同一径であり、上下方向全体に亘って一定径となっている。
【００４２】
次に、図２〜図７を参照してセラミックス製熱交換器の構成を詳細に説明する。図２は、上側ブロック７及び下側ブロック８によって構成される熱交換部６を拡大して示す構成図（側面図）である。図３〜図７は、各セラミックスブロック７，８に形成される熱交換用流路を示す説明図である。図３は、図２のＡ−Ａ矢視図（平面図）であり、図４は、図２のＢ矢視図（大径頭部９の横断面図）であり、図５は、図２のＣ−Ｃ矢視図（上側ブロック横断面図）である。図６は、上側ブロック７の一部を切欠した切断部付き斜視図であり、図７は、下側ブロック８の一部を切欠した切断部付き斜視図である。
【００４３】
これらの図３〜図７に示すように、セラミックスブロック７，８には、複数個の流路２０，２１を一列とする列が複数列（例えば９列）平行に形成され、これらの流路２０，２１は隣接する列毎に異なる流体Ａ（ヘリウムガスａ：第１の流体（外側５列））および流体Ｂ（硫酸：第２の流体（内側４列））を対向流として流す流路構成をなしている。即ち、流体Ａの列からなる流路（列Ａ）はヘリウム流路２０とされ、流体Ｂの列からなる流路（列Ｂ）は硫酸流路２１とされており、これらが交互に配置されている。
【００４４】
このように、セラミックスブロック７，８には、隣接する列毎にヘリウムガスａ（流体Ａ）の流路２０と硫酸（流体Ｂ）の流路２１とが形成され、セラミックスブロック７，８のヘリウム入口２ｃ及びヘリウム出口２ｄが形成された上下端部では、ヘリウム流路２０は閉塞し、硫酸流路２１のみが開口する構成となっている。すなわち、上側ブロック７の上端部の大径頭部９の周側面には、図２および図６に示すように、ヘリウム流路（列Ａ）に連通する横孔からなるヘリウム入口２ｃが開口し、また下側ブロック８の下端の周側面には、図２および図７に示すように、ヘリウム流路（列Ａ）に連通する横孔からなるヘリウム出口２ｄが開口している。
【００４５】
図８（ａ）は、セラミックスブロック７、８と上側端板１１および下側端板１２との接合構成を一部断面として示す側面図である。この図８（ａ）に示すように、上側ブロック７の大径頭部９の外周面には、ヘリウム入口２ｃが開口しており、このヘリウム入口２ｃを覆うようにヘリウム入口容器２ｂが形成されている。ヘリウム入口容器２ｂは、金属製の上側端板１１と、この上側端板の下方に対向して配置された補助端板２２と、ヘリウム導入管２ａの先端部とによって形成され、上側端板１１の周縁部を密閉空間とし、ヘリウム入口２ｃへのヘリウムガス供給を行うようになっている。
【００４６】
図８（ｂ）、（ｃ）は、上側ブロック７の大径頭部９と、上側端板１１および補助端板２２との間のシール構造を示している。すなわち、図８（ｂ）に組立前状態として示すように、上側端板１１の下面周囲部には下向き垂下枠１１ａが形成され、上側ブロック７の大径頭部９を囲む構成となっている。また、この下向き垂下枠１１ａの内側に位置する上側端板１１の下面には、下向きに開口するリング状のシール溝１１ｂが形成されている。そして、このシール溝１１ｂの位置に対応して、リング状のシール部材２３が配置されている。このシール部材２３は、例えば金、または他の金属への金メッキを施して構成したものである。
【００４７】
また、図８（ｂ）に示すように、補助端板２２の上面周囲部には、上側ブロック７の大径頭部９を縦壁２２ａが設けられ、この縦壁２２ａの内側に位置する補助端板２２の上面にはリング状のシール溝２２ｂが形成されている。このシール溝２２ｂの位置に対応して、中空材からなるＯリング状のシール部材２４が配置されている。このシール部材２４は、例えばインコネルに銀メッキを施して構成したものである。
【００４８】
そして、図８（ｃ）に組立て後の状態を示すように、上側端板１１をセラミックスブロック７の大径頭部１１に接合した場合には、シール部材２３が潰れた状態となり、シール溝１１ｂ内に充填して、上側端板１１と大径頭部１１との間を気密にシールし、各流体の仕切りが確実に行われる。なお、補助端板２２と上側ブロック７の大径頭部９との間のシール部材２４も、上記同様にシールされる。
【００４９】
なお、図８（ｃ）に示すように、シール部材２３の外周位置に、セラミックス製である大径頭部１１の外周側隅角部を保護するために、金属製のクッション材２５を配置することが望ましい。
【００５０】
なお、本実施形態において、セラミックスブロック７，８の材質については、流体が硫酸の場合には炭化珪素または窒化珪素が望ましい。これらの耐食性および高温強度や熱伝導率の点から適している。
【００５１】
また、硫酸導入管３ａおよび硫酸ガス排出管３ｄの圧力容器１の貫通部には、熱膨張差吸収機能を有するシール機構が装備されている。
【００５２】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００５３】
図示省略の硫酸供給系から供給された約４５５℃の硫酸ｂは、硫酸導入管３ａから下部プレナム３ｂに流入し、セラミックスブロック７，８に形成された硫酸流路（列Ｂ）２１を貫流し、下向きの対向流として流通する高温ヘリウムａで加熱されたセラミックスブロック７，８の流路壁面を介しての熱交換により加熱され、上部プレナム３ｃに流出し、硫酸ガス流出管３ｄから図示しないブンゼン反応系統に排出される。
【００５４】
一方、図示しない高温ガス炉熱交換系統から供給される約６８９℃の高温ヘリウムガスａは、圧力容器１のヘリウム入口ノズル２からヘリウム導入管２ａを経て熱交換部６のヘリウム入口容器２ｂに流入する。ヘリウム入口容器２ｂの両側は、それぞれ端板と上側ブロック７に形成された大径頭部９でシール部材２３を介してシールされている。すなわち、ヘリウム入口容器２ｂの一端は、上側ブロック７に形成された大径頭部９でシール部材２３を介してシールされている。そして、ヘリウム入口容器２ｂに流入した高温ヘリウムガスａは、上側ブロック７の上部側面に形成されたヘリウム入口２ｃから各ヘリウム流路２０に分流してセラミックスブロック７，８内を下向きに貫流し、下側ブロック８の下部側面に形成されたヘリウム出口２ｄから圧力容器１内に流出する。流出したヘリウムガスａは、セラミックスブロック７，８を余熱しながら圧力容器１内を上昇し、ヘリウム出口ノズル４から高温ガス炉熱交換系統に戻る。
【００５５】
以上の大実施形態によれば、セラミックスブロック７に複数個の流路を一列とする列を数列形成し、隣接する列毎にヘリウム（流体Ａ）ａと硫酸（流体Ｂ）ｂの流路を形成し、セラミックスブロック７，８のヘリウム入口２ｃ、またはヘリウム出口２ｄが形成された端部ではヘリウム流路２０は閉塞し、硫酸流路２１のみが開口するように構成したので、セラミックスブロック７，８内のヘリウムガスａと硫酸ｂとの熱交換は対向流熱交換が可能となり、その結果、直交流に比較して対向面積が大きくなる。
【００５６】
また、従来構造と異なり、仕切り板や内筒も不要で、熱膨張差などによるヘリウムの漏洩も大幅に低減できる。さらに、ヘリウム入口容器２ｂの一端は、上側ブロック７に形成された大径頭部９でシール部材２３を介してシールされているため、上側ブロック７との径方向熱膨張差は大径頭部９とシール部材２３とのすべりにより吸収できるので、高温でも確実にヘリウムガスａをシールすることができる。したがって、熱交換面積が大きく、ヘリウムガスａのバイパス漏洩も低減できるので、熱交換効率が格段に向上する。
【００５７】
また、熱交換部６は、複数のセラミックスブロック７，８をシール材１０を介して積み重ね、セラミックスブロック７、８の最上下部にクッション部材２３，２４を介して配設された端板１１，１２同士を、タイロッド１３で熱膨張吸収手段１５，１７を介してセラミックスブロックを連結一体化したので、セラミックスブロック７，８は焼結炉等の製造設備に依存することなく、シール材１０を介して積層することで、熱交換容量に応じた所定の大きさを実現できるようになる。
【００５８】
そして、熱膨張吸収手段１５，１７を介してセラミックスブロック７，８を連結一体化したので、高温使用時のセラミックスブロック７，８とタイロッド１３との熱膨張差が生じても、確実にシールすることができる。
【００５９】
なお、タイロッド１３の材質としては、高温強度が大きく、かつ線膨張係数がステンレス鋼やインコネルよりも小さく、セラミックスブロック７，８に比較的近いモリブデンやモリブデン合金、またはチタン合金、タングステン等が適している。
【００６０】
また、拡端板１１，１２の材質も、その線膨張係数がセラミックスブロック７，８と上部プレナム３ｃや下部プレナム３ｂの中間値にあるチタン合金、またはモリブデンやモリブデン合金が、径方向の熱膨張差を小さくできる点から望ましい。
【００６１】
さらに、タイロッド１３の締結により、端板１１，１２が変形してセラミックスブロック７，８に片当りし、ヘルツ応力による応力集中で生じる圧痕や傷が亀裂進展による破壊を招く恐れがあるが、セラミックスブロック７，８と端板１１，１２との間にはクッション材２５を介挿することにより、応力集中が緩和され、構造健全性を向上することができる。なお、クッション材２５の材質としては、耐高温、硫酸ｂに対する耐食性および展延性が要求される。これを満たす材質としては、金が適切である。なお、クッション材２５が硫酸ｂに接しない個所では銀でもよい。
【００６２】
以上で説明したように、本実施形態によれば、硫酸などの高温腐食性流体下でも熱交換効率が高く、かつ構造健全性にすぐれた高信頼性のセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【００６３】
［第２実施形態（図１、図９、図１０）］
本実施形態では、各セラミックスブロック７，８の接合端部の少なくともいずれか一方に、端部側に向って次第に拡径するテーパ部３０、３１を設け、テーパ部３０、３１の外周に嵌合するテーパリング３２，３３と、このテーパリング３２，３３の外周に配設され、テーパリング３２，３３の端部に当接する段部３４，３５を有するフランジ３６，３７と、フランジ３６，３７同士を締結する複数本のタイロッド３８とを備えたセラミックス製熱交換器について説明する。なお、第１実施形態と同一の構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６４】
図９は、本実施形態の一構成例として、セラミックスブロック７，８同士の締結手段としての締結部を示す詳細図である。
【００６５】
図９に示すように、本実施形態では、各セラミックスブロック７，８の端部にテーパ部３１，３２がそれぞれ形成されている。このテーパ部３１，３２の外周には、テーパリング３２，３３が嵌合している。
【００６６】
さらに、テーパリング３２，３３の外周には、テーパリング３２，３３の端部に当接する段部３４，３５を有するフランジ３６，３７が配設され、このフランジ３６，３７同士は、複数本のタイロッド３８により、熱膨張吸収手段３９を介して締結されている。
【００６７】
熱膨張吸収手段３９としては、例えば複数の皿ばね、コイルばね等のスプリング材、又は弾性素材等からなる筒状体が適用されている。
【００６８】
このような構成によると、セラミックスブロック７，８とテーパリング３２，３３とがテーパ嵌合しているので、締結による曲げモーメントも作用せず、テーパ部３０，３１には圧縮応力が生じるので、脆性材料であるセラミックスブロック７，８の破壊を抑制することができる。
【００６９】
さらに、フランジ３６，３７とテーパリング３２，３３の端部とは、段部３４，３５で当接しているので、フランジ３６，３７とテーパリング３２，３３との材質の違いによる径方向熱膨張差を吸収することができる。また、軸方向の熱膨張差は熱膨張吸収手段３９により吸収される。
【００７０】
なお、テーパリング３２，３３の材質には、セラミックスブロック７，８と線膨張係数が近いものが適しており、セラミックスブロッ７，８と同一材質が最適であるが、線膨張係数が近いモリブデンやモリブデン合金でも、熱膨張吸収手段３９の吸収必要熱変形量を小さくすることができる。
【００７１】
また、テーパリング３２，３３を少なくとも周方向に２分割にすることで、セラミックブロック７，８のテーパ側の端面からテーパリング３２，３３およびフランジ３６，３７を取り付けることができる。
【００７２】
図１０は本実施形態における第２構成例を示している。図１０に示すように、この例は、図９における各セラミックスブロック７，８の端部に形成されたテーパ部２０，３１の外周に嵌合するテーパリング３２，３３とフランジ３６、３７とを一体化した構成のものである。このテーパリング３２，３３とフランジ３６、３７とを一体化した部分同士が複数本のタイロッドで締結されている。
【００７３】
このような構成によっても、図９に示した第１構成例と同様に、セラミックスブロックとテーパリングとがテーパ嵌合しているので、締結による曲げモーメントも作用せず、テーパ部には圧縮応力が生じる。したがって、脆性材料であるセラミックスブロック７，８の破壊を抑制することができる。
【００７４】
以上で説明したように、本発明の第２実施形態によれば、第１実施形態の作用効果に加えて、さらに製作性や構造健全性が向上するので、熱交換効率が高く、かつ高信頼性のセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【００７５】
なお、テーパリングの材質はセラミックスブロックと同一であることが望ましい。また、テーパリングは少なくとも周方向２分割であることが望ましい。また、テーパリングの材質はモリブデンまたはモリブデン合金のいずれかであることが望ましい。
【００７６】
［第３実施形態（図１、図１１〜図１３）］
本実施形態では、複数個のセラミックスブロック７，８を分解可能なシール材１０を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロック７，８の外側に端板１１，１２を配設し、これらの端板１１，１２間を複数本のタイロッド１３で締結して各セラミックスブロック７，８を連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、タイロッド１３と同系またはこれよりも熱膨張係数の大きい材質からなるスペーサ４０を、端板１２とタイロッド１３の先端部間に介挿したセラミックス製熱交換器について説明する。
【００７７】
上述の第１、第２実施形態のように、複数のセラミックスブロック７，８をシール材１０を介して締結一体化する構成において、炭化珪素や窒化珪素等のセラミックスは線膨張係数が約４Ｅ−６／℃とステンレス鋼やインコネル等金属構造材に比較して小さく、高温下では大きな熱膨張差を生じる。従って、タイロッド１３の材質としては、高温強度が大で、かつ線膨張係数がステンレス鋼やインコネルよりも小さく、セラミックスブロックに比較的近いモリブデンやモリブデン合金、またはチタン合金、タングステン等が適している。参考に５００℃での線膨張係数を下記する。
【００７８】
・ステンレス鋼 １８Ｅ−６／℃
・インコネル １５Ｅ−６／℃
・チタン合金 １０Ｅ−６／℃
・モリブデン ６Ｅ−６／℃
【００７９】
セラミックスブロック７，８の両端に端板１１，１２を配設し、これらの端板１１，１２を複数本のタイロッド１３でシール材１０を介してセラミックスブロック７，８に締結接合して硫酸ガスをシールする必要があるが、金属であるタイロッド１３とセラミックスブロック７，８との間には大きな熱膨張差を生じる。仮に端板１１，１２の材質がモリブデン、タイロッドの長さが１５００ｍｍ、温度が５００℃とすると、軸方向の熱膨張差は約１．４ｍｍにもなる。
【００８０】
この場合、上述の第１実施形態及び第２実施形態では、大きな軸方向の熱膨張差を、熱膨張吸収手段１７としての皿ばねを使用して吸収することになる。しかし、高温時のばね力の減少による締結力の低下は、シール面圧の低下に繋がり、漏洩の原因になる。
【００８１】
一方、金属である端板１１，１２とセラミックスブロック７，８との間にも大きな熱膨張差を生じる。仮に端板の材質がステンレス鋼、シール材１０の半径が２００ｍｍ、温度が５００℃とすると、半径熱膨張差は約１．３ｍｍにもなる。
【００８２】
一般に用いられるメタルＯリングや金属ガスケットでは、この大きな半径熱膨張差をシール面の滑りで吸収することになる。シール接触面の滑りはシール面圧の低下や接触状態の変化によって漏洩の原因になる。
【００８３】
本実施形態では、このような事情に鑑み、高温環境下でも熱膨張を吸収できる熱膨張吸収構造を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供するものである。
【００８４】
図１１は、本実施形態によるセラミックス製熱交換器の軸方向の熱膨張吸収構造を示している。
【００８５】
図１１に示すように、セラミックスブロック７，８はシール材１０を介して積み重ね、上側ブロック７の最上部に上側端板１１を配設し、下側ブロック８の最下部に下側端板１２を配設した構成となっている。上下の端板１１，１２同士はタイロッド１３で連結され、セラミックスブロック７，８が一体化されている。
【００８６】
このような構成のもとで、本実施形態では、セラミックスブロック７，８とタイロッド１３との熱膨張差を吸収する熱膨張吸収手段１５として、上側端板１１側に例えば皿ばね、板ばね、あるいはコイルばね等が設けられている。
【００８７】
また、セラミックスブロック７，８とタイロッド１３との熱膨張差を吸収する他の熱膨張吸収手段として、下側端板１２側に、タイロッ１３ドよりも熱膨張係数が大きい材質からなるスペーサ４０が設けられている。このスペーサ４０は、例えば下側端板１２とタイロッド１３の下端部との間に介挿されている。
【００８８】
このスペーサ４０は、高温環境下において、タイロッド１３と熱膨張差を生じ、この熱膨張差が皿ばねのばね定数の減少分だけ皿ばねをたわませ、シール面圧の低下を防ぐ効果がある。
【００８９】
また、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、スペーサ４０の長さをｍ、熱膨張係数をαｓ、セラミックスブロック７，８の長さをＬ、熱膨張係数をαｃ、タイロッド１３の熱膨張係数をαｔとした時、ｍが略Ｌ（αｔ−αｃ）／（αｓ−αｔ）になるようにすることにより、セラミックスブロック７，８とタイロッド１３との熱膨張差をゼロにすることができ、皿ばねを使用しなくてもよくなる。皿ばねを使用した場合には、常温時よりもシール面圧を高くすることができる。
【００９０】
なお、図１１に示す構成では、スペーサ４０が皿ばねと反対側に配設されているが、皿ばね側の端板１１とタイロッド１３の先端部との間に介挿させてもよい。
【００９１】
また、タイロッド１３の材質をセラミックスブロック７，８と同系のセラミックスとすることにより、熱膨張差をゼロにすることができる。その場合、セラミックス製タイロッド１３ａは、ねじ部を設けて締結部材として使用することが困難であるため、図１３に示すように、セラミックス製タイロッド１３ａの先端部に次第に拡径するホルダ４３を形成し、内面にテーパが形成された２つ割りのテーパリング４２をホルダ４３の外周面側に介在させて、テーパリング４２による外周面を一定外径状とする。このテーパリング４２を金属製の締結部材である筒状のホルダ４３に挿入することにより、セラミックス製タイロッド１３ａの先端部をホルダ４３の一端側に保持させる。なお、ホルダ４３の他端側には雌ねじ４４が形成されている。
【００９２】
一方、金属製の短いタイロッド１３ｂを備え、この金属製のタイロッド１３ｂの先端に形成した雄ねじ４５ａをホルダ４３に羅合させる。これにより、セラミックス製のタイロッド１３ａと金属製タイロッド１３ｂとを連結することができ、セラミックスブロック締結部材として構成することができる。
【００９３】
以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張をも吸収できる熱膨張吸収構造を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【００９４】
［第４実施形態（図１、図１４）］
本実施形態では、複数個のセラミックスブロック７，８を分解可能なシール材１０を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロックの外側に端板１１を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、端板１１は、熱膨張係数の異なる複数枚の金属製板１１ａ，１１ｂ、１１ｃ‥をシール部材４６ａ，４６ｂ，４６ｃ‥を介して積層する構成としたセラミックス製熱交換器について説明する。
【００９５】
なお、第１実施形態と同一の構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９６】
図１４はセラミックスブロック７，８の締結手段を示す詳細図である。図１４に示すように、本実施形態では、熱膨張係数の異なる複数枚の金属製板１１ａ，１１ｂ、１１ｃが積層され、これらの金属製板１１ａ，１１ｂ、１１ｃにはセラミックスブロック７，８側に向って次第に熱膨張係数が段階的に小さくなる構成とされている。このような構成により、端板１１に対して、セラミックスブロックの径方向の熱膨張によるシール材１０の滑りを小さくすることができる。
【００９７】
なお、図１４には、端板１１を３枚の板１１ａ，１１ｂ、１１ｃの積層構成とした例を示しているが、端板１１の板積層枚数については、特に限定されない。
【００９８】
以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張差をも吸収できる熱膨張吸収機構を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【００９９】
［第５実施形態（図１、図１５）］
本実施形態では、熱交換部６がセラミックスブロック７，８で構成された熱交換器であって、セラミックスブロック端部の軸方向所定の位置に大径頭部９を形成し、この大径頭部９に当接するシール部材２４と、このシール部材２４を大径頭部９に押し付けるばね５０と、これらシール部材２４およびばね５０の外周側に配置され、軸方向の熱膨張差を吸収するベローズ５１を有するヘリウム入口容器２ｂとを備えたセラミックス製熱交換器について説明する。
【０１００】
なお、本実施形態において、シール部材２４及びヘリウム入口容器２ｂについては、図８（ａ），（ｂ）に示したシール部材２４及びヘリウム入口容器２ｂと同一構成のものである。その他の構成について、第１〜第４実施形態と同一の構成部品には図１〜図４と同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０１】
図１５に示すように、本実施形態のヘリウム入口容器２ｂは第１実施形態で示したヘリウム入口容器２ｂと略同様の機能を果すものであるが、大径頭部９に当接するシール部材２４と、このシール部材２４を大径頭部９に押し付けるばね（例えば皿ばね）５０と、これらシール部材２４およびばね５０の外周側に配置され、軸方向の熱膨張差を吸収するベローズ５１を有する構成としたことにより、ばね５０及びベローズ５１等により、高温時にセラミックスブロック７、８とヘリウム入口容器２ｂとの熱膨張差によるシール面圧の低下が有効に防止される効果がある。
【０１０２】
即ち、上側ブロック７の大径頭部９にヘリウム入口容器２ｂが配設され、容器上側端は上側端板１１に気密に接続され、容器下側端は上側ブロック７に形成された大径頭部９にシール部材２４を介して当接し、さらにシール部材２４はヘリウム入口容器２ｂに内包されている皿ばね５０により大径頭部９に押し付けられており、高温時にセラミックスブロックとヘリウム入口容器２ｂとの熱膨張差によりシール面圧の低下が効果的に防止される。
【０１０３】
なお、本実施形態では、ばね５０として皿ばねを適用しているが、板ばね、コイルばね等を適用することもできる。また、ヘリウム入口容器２ｂにはベローズ５１が備えられており、軸方向の熱膨張差または皿ばね締付時のたわみを吸収し、ヘリウム入口容器２ｂを形成する役割を担っている。
【０１０４】
以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張差をも吸収できる熱膨張吸収機構を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【０１０５】
［第６実施形態（図１、図１６〜図２０）］
本実施形態では、複数個のセラミックスブロック７，８を分解可能なシール材１０を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロック７，８の外側に端板１１，１２を配設し、これらの端板１１，１２間を複数本のタイロッド１３で締結して各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、金属製のシール材１０を流体Ａまたは流体Ｂの少なくともいずれか一方の流路２０，２１の外周側に配設したセラミックス製熱交換器について説明する。
【０１０６】
図１６（ａ），（ｂ）は、本実施形態に係るセラミックス製熱交換器のセラミックスブロック接合面のシール材の配置図である。
【０１０７】
この図１６（ａ），（ｂ）に示すように、セラミックスブロック７，８にはヘリウム流路２０と硫酸流路２１とが列毎に配置されている。そして、この例では、各ヘリウム流路２０および各硫酸流路２１毎に対応して、全ての流路の外周部にそれぞれ対応してシール材１０が複数配設されている。各シール材１０の形状を図１７〜図１９に示している。
【０１０８】
図１７（ａ），（ｂ）に示すシール材１０は、平板ドーナツリング状で、その内周は流路２０，２１の内周側に突出している。セラミックスブロック７，８の上下面には、加圧時にシール材１０の一部が入り込むリング状の溝穴部６１が形成されている。
【０１０９】
このようなシール材１０によれば、所定の締め付け力でシール材１０を締め付けることによって、シール材１０の流路２０，２１の内周縁との接触部が面圧集中を受け、流路２０，２１の内周縁がシール材１０の溝穴６１に食い込み、シール面圧を高くすることができる。
【０１１０】
また、この食い込みによって、流路２０，２１に作用する差圧での変形や移動を抑制することができる。さらに、セラミックスブロック７，８のシール材当接面に溝を形成することによって、溝孔６１の縁部にも面圧集中してシール効果および変形や移動の抑制効果がより向上する。なお、溝穴６１に代えて突起を設けても同一作用効果を呈する。
【０１１１】
図１８（ａ），（ｂ）に示すシール材１０は、リング径状の内周側に板厚方向に幅広状に突出する突出部６２を有し、セラミックスブロック７，８には、その突出部６２が流路２０，２１の内周側に嵌合する傾斜面６３を有する構成としたものである。これにより、流路２０，２１に作用する差圧で突出部６２の変形や移動を確実に抑制することができ、またシール材１０をセラミックスブロック７，８に取り付ける際には、突出部６２がガイドになるので、取り付け作業性が向上する。
【０１１２】
図１９（ａ），（ｂ）に示すシール材１０は、図１８（ａ），（ｂ）に示したシール材１０の変形例であり、流路内周に嵌合する突出部６４をブッシュとして形成したものである。これにより、取り付け作業性がより向上する。また、ブッシュ状の突出部６４が圧力により流路２０，２１の内壁に押し付けられるので、シール性が一層向上する。
【０１１３】
なお、以上の説明ではシール材１０を全流路２０，２１に配置したが、図２０（ａ），（ｂ）に示すように、硫酸流路２１、ヘリウム流路２０のいずれか一方に配置する構成としてもよい。この場合には、外周側にセラミックスブロック７，８の外形に沿う第２のシール材６５が装着されるようになっている。
【０１１４】
また、全流路２０，２１に配置する代わりに、流体列毎にシール材１０を配置してもよい。
【０１１５】
なお、以上のシール材１０の材質としては、硫酸機器用セラミックス製熱交換器では耐食性およびシール性の観点から、金または金被着金属が最適である。また耐食性の点では炭化珪素、窒化珪素被着金属も使用することができる。
【０１１６】
また、硫酸機器以外のセラミックス製熱交換器におけるシール材１０の材質としては、その機器の使用条件に適合する材質を選択することができる。
【０１１７】
なお、シール材１０としては、弾性復元機構を有するメタルシールすなわち、メタルオーリング、メタルＣリング、ヘリコフレックス、レジリエントシール等を適宜利用することができる。
【０１１８】
以上のように、本実施形態によれば、硫酸などの高温腐食性流体下でも使用できるシールを実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【０１１９】
なお、シール材１０は平板ドーナツリングであることが望ましい。また、セラミックスブロックのシール当接面に溝または突起のいずれかを形成することが望ましい。また、シール材１０は、その内周に板厚方向に突出する突出部を設け、その突出部を流路内周に嵌合する構成とすることが望ましい。また、シール材１０は、弾性復元機構を有するメタルシールであることが望ましい。
【０１２０】
［第７実施形態（図１、図２１、図２２）］
本実施形態では、複数個のセラミックスブロック７，８を分解可能なシール材１０を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロック７，８の外側に端板１１，１２を配設し、これらの端板１１，１２間を複数本のタイロッド１３で締結して各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、シール材１０は、流体Ａおよび流体Ｂの流路２０、２１に連通する多数の孔７０を有する孔開き板であるセラミックス製熱交換器について説明する。
【０１２１】
図２１（ａ），（ｂ）は、本実施形態によるセラミックス製熱交換器のシール材１０の一構成例を示す図である。このシール材１０は、流体Ａおよび流体Ｂの流路２０，２１に連通する孔７０を有し、シール材１０をセラミックスブロック７，８間に配置して、セラミックスブロックを締結することで、容易に流路２０，２１を隔離シールすることができる。
【０１２２】
図２２（ａ），（ｂ）は本実施形態によるセラミックス製熱交換器のシール材１０の他の構成例を示す図である。このシール材１０は、流路２０，２１に嵌挿するブッシュ状の突出部７１が形成されている。これにより、流路２０，２１の差圧によるシール材１０の差圧での変形や移動を確実に抑制できるようになっている。
【０１２３】
また、シール材１０をセラミックスブロック７，８に取付ける際には、突出部がガイドになるので取り付け作業性が向上する。
【０１２４】
本実施形態におけるシール材１０の材質としては、硫酸機器用セラミックス製熱交換器では耐食性およびシール性の観点から金または金被着金属が最適である。また耐食性の点では炭化珪素、窒化珪素被着金属も使用することができる。
【０１２５】
また、硫酸機器以外のセラミックス製熱交換器におけるシール材１０の材質としては、その機器の使用条件に適合する材質を選択することができる。
【０１２６】
以上で説明したように、本実施形態によれば、第６実施形態の作用効果に加えて、さらに取り付け作業性が向上する効果が奏される。
【０１２７】
なお、本実施形態において、シール材１０の材質は、金または金被着金属のいずれか一方であることが望ましい。また、シール材１０の材質は炭化珪素または窒化珪素のいずれかを被着した金属であることが望ましい。
【０１２８】
［第８実施形態（図１、図２３）］
本実施形態では、軸方向に複数の流路２０，２１を形成したセラミックスブロック７，８の両端に端板１１，１２を配接し、これらの端板１１，１２を複数本のタイロッド１３でシール材１０を介してセラミックスブロック７，８に締結接合したセラミックス製熱交換器であって、端板１１，１２とセラミックスブロック７，８との接合面に所定の直径差で相噛み合う段差部８０を設け、この直径差で相噛み合う段差部８０間に形成された空間部８１に、軸方向に開口部８２を有するシールリング８３を装着したセラミックス製熱交換器について説明する。
【０１２９】
図２３は、セラミックス製熱交換器における端板１１，１２とセラミックスブロック７，８との接合部のシール構造を示す図である。
【０１３０】
このシール構造では、端板１１，１２とセラミックスブロック７，８との接合面に、所定の直径差で相噛み合う段差部８０が設けられ、この直径差で相噛み合う段差部８０間に形成された空間部８１に、軸方向に開口部を有するシールリング８３が装着されている。
【０１３１】
金属である端板１１，１２およびセラミックスブロック７，８には、熱交換時に大きな熱膨張差が生じる。本実施形態のシール構造によれば、この大きな半径熱膨張差をシールリングの弾性変形で吸収することができる。
【０１３２】
即ち、シールリング８３のそれぞれの先端がセラミックスブロック７，８および端板１１，１２の段差部８０に当接して流体がシールされる。そして、半径方向の熱膨張差は、その当接部が滑りや変形することなく、シールリング８３自体の弾性変形で吸収できるので、シール接触面の滑りによるシール面圧の低下や、接触状態の変化に起因する漏洩を抑止することができる。なお、開口部８２については、高圧側になるように設置した方がよりシール性能向上が図れる。
【０１３３】
以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張差をも吸収できるシールを実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の第１実施形態を示すセラミックス製熱交換器の断面図。
【図２】本発明の第１実施形態による熱交換部を構成するセラミックスブロックの外観図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う矢視図。
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図５】図２のＣ−Ｃ線に沿う断面図。
【図６】本発明の第１実施形態によるセラミックスブロックの上部の流路構成を示す斜視図。
【図７】本発明の第１実施形態によるセラミックスブロックの下部の流路構成を示す斜視図。
【図８】（ａ）は本発明の第１実施形態によるセラミックス製熱交換器を構成する熱交換部の部分断面図、（ｂ）は（ａ）の要部を示す組立前の拡大断面解図、（ｃ）は（ａ）の要部を示す組立後の拡大断面解図。
【図９】本発明の第２実施形態の一構成例を示す締結部要部を示す断面図
【図１０】本発明の第２実施形態の変形例を示す断面図。
【図１１】本発明の第３実施形態を示すセラミックス製熱交換器の軸方向の熱膨張吸収構造を示す構成図。
【図１２】（ａ）は図１１に示した熱膨張吸収手段の一例を示す拡大断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図。
【図１３】本発明の第３実施形態による締結手段であるタイロッドの変形例を示す断面図。
【図１４】本発明の第４実施形態によるセラミックス製熱交換器の軸方向の熱膨張吸収構造を示す説明図。
【図１５】本発明の第５実施形態によるセラミックス製熱交換器の軸方向の熱膨張吸収構造を示す断面図。
【図１６】（ａ）は本発明の第６実施形態によるセラミックス製熱交換器のセラミックスブロック接合面のシール材配置図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図。
【図１７】（ａ）は本発明の第６実施形態によるシール材の一例を示す構成図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図。
【図１８】（ａ）は本発明の第６実施形態によるシール材の変形例を示す構成図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図。
【図１９】（ａ）は本発明の第６実施形態によるシール材の他の変形例を示す構成図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図。
【図２０】（ａ）は本発明の第６実施形態によるシール材の他の配置図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図。
【図２１】（ａ）は本発明の第７実施形態によるセラミックス製熱交換器のシール材の一例を示す構成図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図。
【図２２】（ａ）は本発明の第７実施形態の変形例によるセラミックス製熱交換器のシール材の一例を示す構成図（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線断面図。
【図２３】本発明の第８実施形態によるセラミックス製熱交換器のシール構造を示す拡大断面図。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 圧力容器
２ ヘリウム入口ノズル
３ 硫酸導入部
４ ヘリウム出口ノズル
６ 熱交換部
７，８ セラミックスブロック
１０ シール材
１１ 上側端板
１２ 側端板
１３ タイロッド
１４ ナット
１５ 熱膨張吸収手段
１６ ナット
１７ 熱膨張吸収手段
１８，１９ 支持機構
２０ ヘリウム流路
２１ 硫酸流路
２３ シール部材
２４ シール部材
３０，３１ テーパ部
３２，３３ テーパリング
３４，３５ 段部
３６，３７ フランジ
３８ タイロッド
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 金属製板
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ シール部材
５０ ばね
５１ ベローズ
７０ 孔
８０ 段差部
８１ 空間部
８２ 開口部
８３ シールリング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力産業、航空宇宙、化学産業等で適用されるセラミックス製熱交換器に係り、特に核熱を利用して水原料から大量の水素と酸素を製造する熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置の熱交換器として好適なセラミックス製熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力産業、航空宇宙、化学産業および一般産業の広い産業分野で各種熱交換器が使用されている。特に、耐高温や耐腐食性が要求される熱交換器では熱交換部にセラミックスブロックが採用される。ここでは、その一例として、約９５０℃の核熱を利用して水原料から大量の水素と酸素を製造する熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置に用いる熱交換器について説明する。
【０００３】
ＩＳプロセスは基本的に下記の３つのサブシステムからなる反応である。
【化１】
【０００４】
この３つのサブシステムのうち、硫酸分解反応とヨウ化水素分解反応とは、吸熱反応で熱交換器を介して高温ガス炉等から供給される高温ヘリウムガス等と熱交換して加熱される。
【０００５】
硫酸は金属類を腐食させるため、熱交換部には耐腐食性が要求される。さらに、使用温度が４００℃〜８００℃以上と高いので、硫酸プラント等で一般に使用されるポリテトラフルオロエチレン系材料と金属との組み合わせを使用できない等の課題がある。
【０００６】
そこで、従来では高温耐食性および高温強度の両面から、セラミックスブロックを適用して、硫酸分解反応を行う硫酸蒸発器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
この提案では、同文献の明細書［００１１］〜［００１５］及び図２、図３〜図１１等に示されるように、高温ヘリウムガスを収容する圧力容器の底部に接続された硫酸供給管により、下部プレナムに供給された約４５５℃の硫酸を熱交換部に貫流させ、上部プレナム部を経て硫酸ガス排出管から排出するようになっている。
【０００８】
熱交換部は、それぞれ直行する２組の流路Ａと流路を有するセラミックスブロックと、セラミックスブロックの外周に配設された複数枚の仕切り板と、仕切り板を包含するように配置された内筒とで構成されている。
【０００９】
熱交換部の上部には、圧力容器から内筒に延在するヘリウム入口ノズルが設けられ、高温熱交換系統から供給される約６８９℃の高温ヘリウムガスが熱交換部の上部室に流入する。流入した高温ヘリウムガスは仕切り板と内筒とで仕切られた各室を蛇行しながらセラミックスブロックの一方の流路を流れ、他方の流路を流れる硫酸と熱交換される。そして、熱交換部の下部室から圧力容器に流出したヘリウムガスは、ヘリウム出口ノズルから高温熱交換系統に戻る。
【特許文献１】特開２００５−６１７８５号公報（明細書［００１１］〜［００１５］及び図２、図３〜図１１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
セラミックスブロックの製法としては、一般的には粉末を成形後、成形体を所定の寸法に加工し、その後焼結する方法が適用される。セラミックスは高温強度も高く、使用雰囲気に合った適切な材料選択で、しかも耐食性も有する。また、熱交換器に使用する場合には、熱伝導率が大きいことも選択因子である。硫酸を使用する熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置用の熱交換器としては、硫酸との耐食性および耐熱性が要求される。
【００１１】
硫酸製造などの硫酸プラントでは、温度が約２００℃程度と低く、ポリテトラフルオロエチレンやガラスなどの耐食材を金属にコーティングして使用しているのが現状である。
【００１２】
しかし、４００℃以上の熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置用熱交換器では、ポリテトラフルオロエチレン等も使用できないので、硫酸との耐食性および耐熱性の面から、炭化珪素や窒化珪素等のセラミックス熱交換器が提案されている。但し、セラミックスは弾性材料である金属と比較して、構造材として使用するには種々の課題がある。
【００１３】
すなわち、第１の課題は、セラミックスが脆性材料であるため靭性値が低く、脆い材料である点である。したがって、応力集中や微小クラックが起点になって亀裂進展が起こり易く、時には破壊に至ることもある。
【００１４】
第２の課題は、接合が困難な点である、冶金的接合方法としては、（１）ロー付け、（２）反応焼結、（３）常圧焼結等がある。この課題としては、信頼性のある接合には炉が必要であり、接合体の大きさが現有する炉の設備容量の制約を受ける。さらに、接合部に欠陥や強度不均一がある場合には、強度低下のみならず、前述した応力集中による亀裂進展の恐れもある。
【００１５】
第３の課題は、セラミックスの線膨張係数が約４Ｅ−６／℃のように、例えばステンレス鋼（１８Ｅ−６／℃）、あるいはインコネル等（１５Ｅ−６／℃）等の金属製構造材に比較して小さく、高温下では大きな熱膨張差を生じる。
【００１６】
特に、硫酸蒸発器においては、上述の問題点が顕著となる。すなわち、特許文献１に示されている従来の熱交換部においては、一方の流路の加工制限上、複数のセラミックスブロックを接合して一体化される。したがって、一体化の大きさは接合する炉の大きさに制限される。もし、炉を使用しない接着等の簡易接合では、母材と同等な高温強度を得ることができない。さらに、接合部は強度不連続部になり、応力集中で破壊する恐れがある。
【００１７】
また、一方の流路と他方の流路とは直交しており、例えば一方の流路を流れるヘリウムガスと他方の流路を流れる硫酸との仕切りが容易である反面、管状流路同士の直交流では対向面積が見掛け上、点接触状態となって小さく、熱交換熱量が低下する。また、仕切り板とセラミックスブロック、仕切り板と内筒との熱膨張差が問題になる。
【００１８】
すなわち、内筒はステンレス鋼などの金属である端板に取り付けられので、内筒や仕切り板の材質はステンレス鋼などの金属が好ましい。仕切り板と内筒とを例えばステンレス鋼製とした場合には、セラミックスブロックの外周と仕切り板の内周とにギャップが生じ、この部分からヘリウムが漏洩し、結果的に交換熱量を低下させる。この熱膨張差によるヘリウムガスの漏洩を回避するには、何らかの熱膨張吸収手段を設ける必要がある。
【００１９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、硫酸などの高温腐食性流体下でも熱交換効率が高く、かつ構造信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、セラミックスブロックに複数個の流路を一列とする列を数列平行に形成し、隣接する列毎に前記流路を流体Ａと流体Ｂとが流れる流路とし、これらの流路には隣接する列毎に異なる前記流体Ａおよび前記流体Ｂを対向流として流し、前記流体Ａと前記流体Ｂとの熱交換を行うセラミックス製熱交換器であって、前記熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体化し、前記端板の外面側に前記タイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設けた構成としたことを特徴とするセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２１】
請求項２に係る発明では、前記各セラミックスブロックの接合端部の少なくともいずれか一方に、端部側に向って次第に拡径するテーパ部を設け、前記テーパ部外周に嵌合するテーパリングと、このテーパリングの外周に配設され、前記テーパリングの端部に当接する段部を有するフランジと、前記フランジ同士を締結する複数本のタイロッドとを備えたセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２２】
請求項３に係る発明では、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記タイロッドと同系またはこれよりも熱膨張係数の大きい材質からなるスペーサを、前記端板と前記タイロッド先端部間に介挿したセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２３】
請求項４に係る発明では、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記端板は、熱膨張係数の異なる複数枚の板をシール部材を介して積層する構成としたセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２４】
請求項５に係る発明では、前記熱交換部がセラミックスブロックで構成された熱交換器であって、前記セラミックスブロック端部の軸方向所定の位置に大径頭部を形成し、この大径頭部に当接するシール部材と、このシール材を大径頭部に押し付けるばねと、これらシール材およびばねの外周側に配置され、軸方向の熱膨張差を吸収するベローズを有するヘリウム入口容器とを備えたセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２５】
請求項６に係る発明では、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記シール材を前記流体Ａまたは前記流体Ｂの少なくともいずれか一方の流路の外周側に配設したセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２６】
請求項７に係る発明では、複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記シール材は、前記流体Ａおよび前記流体Ｂの流路に連通する孔を有する孔開き板であるセラミックス製熱交換器を提供する。
【００２７】
請求項８に係る発明では、軸方向に複数の流路を形成したセラミックスブロックの両端に端板を配接し、この端板を複数本のタイロッドでシール材を介してセラミックスブロックに締結接合したセラミックス製熱交換器であって、前記端板と前記セラミックスブロックとの接合面に所定の直径差で相噛み合う段差部を設け、この直径差で相噛み合う前記段差部間に形成された空間部に、軸方向に開口部を有するシールリングを装着したセラミックス製熱交換器を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、流体Ａと流体Ｂとを対向流として流し、これら流体Ａと流体Ｂとの熱交換を行う熱交換を行う熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体化し、端板の外面側にタイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設けた構成としたことにより、セラミックスブロックは焼結炉等の製造設備に依存することなくシール材を介して積層することで、熱交換容量に応じた所定の大きさを実現することができる。そして、熱膨張吸収手段を介してセラミックスブロックを連結一体化したので、高温使用時のセラミックスブロックとタイロッドとの熱膨張差が生じても、確実にシールすることができる。よって、本発明によれば、硫酸などの高温腐食性流体下でも熱交換効率が高く、かつ構造信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係るセラミックス製熱交換器の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、核熱を利用して水原料から大量の水素と酸素を製造する熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置のセラミックス製熱交換器を例として説明する。
【００３０】
［第１実施形態（図１〜図８）］
図１は、本発明の第１実施形態によるセラミックス製熱交換器の構成を示す全体構成図である。まず、図１を参照して、熱化学ＩＳプロセス法水素製造装置のセラミックス製熱交換器の全体構成を概略的に説明する。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態のセラミックス製熱交換器は、縦長筒状の圧力容器１を有する。この圧力容器１は、例えば円筒状胴部１ａの上下端部に半球状の上鏡部１ｂおよび下鏡部１ｃを設けた密閉容器として構成されている。下鏡部１ｃにはスカート状の支持部１６が設けられ、この支持部１ｄにより圧力容器１が所定の設置床上に直立状態で固定設置される。
【００３２】
圧力容器１の円筒状胴部１ａの周壁部上側には、第１の熱交換用流体である高温ヘリウムガスａを導入するためのヘリウム入口ノズル２が設けられている。ヘリウム入口ノズル２の外部には、図示省略のヘリウム供給管が接続されている。ヘリウム入口ノズル２の内部は、曲管状のヘリウム導入管２ａに接続され、このヘリウム導入管２ａは、圧力容器１内の上部空間側に導かれて、ヘリウム入口容器２ｂに連結されている。ヘリウム入口容器２ｂは、後述する熱交換部６のヘリウム入口２ｃに接続され、ヘリウムガスａは熱交換部６内を下方に向って流下するようになっている。
【００３３】
また、圧力容器１の下鏡部１ｃには、第２の熱交換用流体である硫酸ｂを導入するための硫酸導入部３が設けられている。硫酸導入部３の外部には、図示省略の硫酸供給管が接続されている。硫酸導入部３の内部には垂直な硫酸導入管３ａが接続され、この硫酸導入管３ａは、圧力容器１内の底部側に設けられた下部プレナム３ｂに連結されている。下部プレナム３ｂは、熱交換部６に接続され、硫酸ｂは熱交換部６内を上方に向って上昇するようになっている。
【００３４】
また、圧力容器１の上鏡部１ｂの上方には、熱交換後のヘリウムガスａを排出するためのヘリウム出口ノズル４が設けられている。このヘリウム出口ノズル４には、熱交換部６内を流下して硫酸ｂとの熱交換後に熱交換部６からヘリウム出口２ｄを介して圧力容器１内に排出されたヘリウムガスａが、圧力容器１内で上昇流となって導かれ、外部に排出されて図示省略のヘリウムガス供給部側に還流するようになっている。
【００３５】
さらに、圧力容器１の上鏡部１ｂの上方には、熱交換後の硫酸ｂを排出するための硫酸排出部５が設けられている。このヘリウム出口ノズル４には、熱交換部６内を上昇してヘリウムガスａとの熱交換によってガス化した硫酸ガスｂが、上部プレナム３ｃを経て硫酸ガス排出管３ｄに導かれ、外部に排出されて図示省略の硫酸処理部へ送られるようになっている。
【００３６】
圧力容器１の内部中央位置には、第１の流体であるヘリウムガスａと、第２の流体である硫酸ｂとを熱交換するための熱交換部６が設置されている。この熱交換部６は、上下方向に沿う多数の熱交換用流路が隣接配置で形成された複数体、例えば２体のセラミックスブロック７，８を上下に積層した縦長円柱状のものであり、上下のセラミックスブロック７，８の接合部には、両者の接合面を気密にシールするためのシール材１０が設けられている。
【００３７】
上側のセラミックスブロック（上側ブロック）７の上端部は、水平な金属製の上側端板１１によって上方から保持され、また下側のセラミックスブロック（下側ブロック）８の下端部は、水平な金属製の下側端板１２によって下方から支持され、これら上側端板１１と下側端板１２とが、セラミックスブロック７，８の周囲に配設された複数本の縦長な金属製タイロッド１３によって連結一体化されている。
【００３８】
即ち、各タイロッド１３の上端側にはねじ部が形成され、このねじ部が上側端板１１を貫通して上方に突出し、締結手段としてのナット１４によって締結されている。上側端板１１とナット１４との間には、セラミックスブロック７、８と金属製タイロッド１３との熱膨張差を吸収する熱膨張吸収手段１５として、例えば複数の皿ばね又はコイルばね等のスプリング材が設けられている。
【００３９】
同様に、各タイロッド１３の下端側にもねじ部が形成され、このねじ部が下側端板１２を貫通して下方に突出し、締結手段としてのナット１６によって締結されている。下側端板１２とナット１６との間にも、熱膨張吸収手段１７として、例えば複数の皿ばね、コイルばね等のスプリング材、又は弾性素材等からなる筒状体が設けられている。
【００４０】
上側端板１１及び下側端板１２は、それぞれ支持機構１８，１９によって圧力容器１内に固定されている。
【００４１】
このように、熱交換部６はセラミックス製の上側ブロック７と下側ブロック８とをシール材１０を介して積み重ねた構成のものであり、上側ブロック７の上端側には段部９ａを介して大径頭部９が一体に形成されている。なお、下側ブロック８は、上側ブロック７の下側胴部分と同一径であり、上下方向全体に亘って一定径となっている。
【００４２】
次に、図２〜図７を参照してセラミックス製熱交換器の構成を詳細に説明する。図２は、上側ブロック７及び下側ブロック８によって構成される熱交換部６を拡大して示す構成図（側面図）である。図３〜図７は、各セラミックスブロック７，８に形成される熱交換用流路を示す説明図である。図３は、図２のＡ−Ａ矢視図（平面図）であり、図４は、図２のＢ矢視図（大径頭部９の横断面図）であり、図５は、図２のＣ−Ｃ矢視図（上側ブロック横断面図）である。図６は、上側ブロック７の一部を切欠した切断部付き斜視図であり、図７は、下側ブロック８の一部を切欠した切断部付き斜視図である。
【００４３】
これらの図３〜図７に示すように、セラミックスブロック７，８には、複数個の流路２０，２１を一列とする列が複数列（例えば９列）平行に形成され、これらの流路２０，２１は隣接する列毎に異なる流体Ａ（ヘリウムガスａ：第１の流体（外側５列））および流体Ｂ（硫酸：第２の流体（内側４列））を対向流として流す流路構成をなしている。即ち、流体Ａの列からなる流路（列Ａ）はヘリウム流路２０とされ、流体Ｂの列からなる流路（列Ｂ）は硫酸流路２１とされており、これらが交互に配置されている。
【００４４】
このように、セラミックスブロック７，８には、隣接する列毎にヘリウムガスａ（流体Ａ）の流路２０と硫酸（流体Ｂ）の流路２１とが形成され、セラミックスブロック７，８のヘリウム入口２ｃ及びヘリウム出口２ｄが形成された上下端部では、ヘリウム流路２０は閉塞し、硫酸流路２１のみが開口する構成となっている。すなわち、上側ブロック７の上端部の大径頭部９の周側面には、図２および図６に示すように、ヘリウム流路（列Ａ）に連通する横孔からなるヘリウム入口２ｃが開口し、また下側ブロック８の下端の周側面には、図２および図７に示すように、ヘリウム流路（列Ａ）に連通する横孔からなるヘリウム出口２ｄが開口している。
【００４５】
図８（ａ）は、セラミックスブロック７、８と上側端板１１および下側端板１２との接合構成を一部断面として示す側面図である。この図８（ａ）に示すように、上側ブロック７の大径頭部９の外周面には、ヘリウム入口２ｃが開口しており、このヘリウム入口２ｃを覆うようにヘリウム入口容器２ｂが形成されている。ヘリウム入口容器２ｂは、金属製の上側端板１１と、この上側端板の下方に対向して配置された補助端板２２と、ヘリウム導入管２ａの先端部とによって形成され、上側端板１１の周縁部を密閉空間とし、ヘリウム入口２ｃへのヘリウムガス供給を行うようになっている。
【００４６】
図８（ｂ）、（ｃ）は、上側ブロック７の大径頭部９と、上側端板１１および補助端板２２との間のシール構造を示している。すなわち、図８（ｂ）に組立前状態として示すように、上側端板１１の下面周囲部には下向き垂下枠１１ａが形成され、上側ブロック７の大径頭部９を囲む構成となっている。また、この下向き垂下枠１１ａの内側に位置する上側端板１１の下面には、下向きに開口するリング状のシール溝１１ｂが形成されている。そして、このシール溝１１ｂの位置に対応して、リング状のシール部材２３が配置されている。このシール部材２３は、例えば金、または他の金属への金メッキを施して構成したものである。
【００４７】
また、図８（ｂ）に示すように、補助端板２２の上面周囲部には、上側ブロック７の大径頭部９を縦壁２２ａが設けられ、この縦壁２２ａの内側に位置する補助端板２２の上面にはリング状のシール溝２２ｂが形成されている。このシール溝２２ｂの位置に対応して、中空材からなるＯリング状のシール部材２４が配置されている。このシール部材２４は、例えばインコネルに銀メッキを施して構成したものである。
【００４８】
そして、図８（ｃ）に組立て後の状態を示すように、上側端板１１をセラミックスブロック７の大径頭部１１に接合した場合には、シール部材２３が潰れた状態となり、シール溝１１ｂ内に充填して、上側端板１１と大径頭部１１との間を気密にシールし、各流体の仕切りが確実に行われる。なお、補助端板２２と上側ブロック７の大径頭部９との間のシール部材２４も、上記同様にシールされる。
【００４９】
なお、図８（ｃ）に示すように、シール部材２３の外周位置に、セラミックス製である大径頭部１１の外周側隅角部を保護するために、金属製のクッション材２５を配置することが望ましい。
【００５０】
なお、本実施形態において、セラミックスブロック７，８の材質については、流体が硫酸の場合には炭化珪素または窒化珪素が望ましい。これらの耐食性および高温強度や熱伝導率の点から適している。
【００５１】
また、硫酸導入管３ａおよび硫酸ガス排出管３ｄの圧力容器１の貫通部には、熱膨張差吸収機能を有するシール機構が装備されている。
【００５２】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００５３】
図示省略の硫酸供給系から供給された約４５５℃の硫酸ｂは、硫酸導入管３ａから下部プレナム３ｂに流入し、セラミックスブロック７，８に形成された硫酸流路（列Ｂ）２１を貫流し、下向きの対向流として流通する高温ヘリウムａで加熱されたセラミックスブロック７，８の流路壁面を介しての熱交換により加熱され、上部プレナム３ｃに流出し、硫酸ガス流出管３ｄから図示しないブンゼン反応系統に排出される。
【００５４】
一方、図示しない高温ガス炉熱交換系統から供給される約６８９℃の高温ヘリウムガスａは、圧力容器１のヘリウム入口ノズル２からヘリウム導入管２ａを経て熱交換部６のヘリウム入口容器２ｂに流入する。ヘリウム入口容器２ｂの両側は、それぞれ端板と上側ブロック７に形成された大径頭部９でシール部材２３を介してシールされている。すなわち、ヘリウム入口容器２ｂの一端は、上側ブロック７に形成された大径頭部９でシール部材２３を介してシールされている。そして、ヘリウム入口容器２ｂに流入した高温ヘリウムガスａは、上側ブロック７の上部側面に形成されたヘリウム入口２ｃから各ヘリウム流路２０に分流してセラミックスブロック７，８内を下向きに貫流し、下側ブロック８の下部側面に形成されたヘリウム出口２ｄから圧力容器１内に流出する。流出したヘリウムガスａは、セラミックスブロック７，８を余熱しながら圧力容器１内を上昇し、ヘリウム出口ノズル４から高温ガス炉熱交換系統に戻る。
【００５５】
以上の大実施形態によれば、セラミックスブロック７に複数個の流路を一列とする列を数列形成し、隣接する列毎にヘリウム（流体Ａ）ａと硫酸（流体Ｂ）ｂの流路を形成し、セラミックスブロック７，８のヘリウム入口２ｃ、またはヘリウム出口２ｄが形成された端部ではヘリウム流路２０は閉塞し、硫酸流路２１のみが開口するように構成したので、セラミックスブロック７，８内のヘリウムガスａと硫酸ｂとの熱交換は対向流熱交換が可能となり、その結果、直交流に比較して対向面積が大きくなる。
【００５６】
また、従来構造と異なり、仕切り板や内筒も不要で、熱膨張差などによるヘリウムの漏洩も大幅に低減できる。さらに、ヘリウム入口容器２ｂの一端は、上側ブロック７に形成された大径頭部９でシール部材２３を介してシールされているため、上側ブロック７との径方向熱膨張差は大径頭部９とシール部材２３とのすべりにより吸収できるので、高温でも確実にヘリウムガスａをシールすることができる。したがって、熱交換面積が大きく、ヘリウムガスａのバイパス漏洩も低減できるので、熱交換効率が格段に向上する。
【００５７】
また、熱交換部６は、複数のセラミックスブロック７，８をシール材１０を介して積み重ね、セラミックスブロック７、８の最上下部にクッション部材２３，２４を介して配設された端板１１，１２同士を、タイロッド１３で熱膨張吸収手段１５，１７を介してセラミックスブロックを連結一体化したので、セラミックスブロック７，８は焼結炉等の製造設備に依存することなく、シール材１０を介して積層することで、熱交換容量に応じた所定の大きさを実現できるようになる。
【００５８】
そして、熱膨張吸収手段１５，１７を介してセラミックスブロック７，８を連結一体化したので、高温使用時のセラミックスブロック７，８とタイロッド１３との熱膨張差が生じても、確実にシールすることができる。
【００５９】
なお、タイロッド１３の材質としては、高温強度が大きく、かつ線膨張係数がステンレス鋼やインコネルよりも小さく、セラミックスブロック７，８に比較的近いモリブデンやモリブデン合金、またはチタン合金、タングステン等が適している。
【００６０】
また、拡端板１１，１２の材質も、その線膨張係数がセラミックスブロック７，８と上部プレナム３ｃや下部プレナム３ｂの中間値にあるチタン合金、またはモリブデンやモリブデン合金が、径方向の熱膨張差を小さくできる点から望ましい。
【００６１】
さらに、タイロッド１３の締結により、端板１１，１２が変形してセラミックスブロック７，８に片当りし、ヘルツ応力による応力集中で生じる圧痕や傷が亀裂進展による破壊を招く恐れがあるが、セラミックスブロック７，８と端板１１，１２との間にはクッション材２５を介挿することにより、応力集中が緩和され、構造健全性を向上することができる。なお、クッション材２５の材質としては、耐高温、硫酸ｂに対する耐食性および展延性が要求される。これを満たす材質としては、金が適切である。なお、クッション材２５が硫酸ｂに接しない個所では銀でもよい。
【００６２】
以上で説明したように、本実施形態によれば、硫酸などの高温腐食性流体下でも熱交換効率が高く、かつ構造健全性にすぐれた高信頼性のセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【００６３】
［第２実施形態（図１、図９、図１０）］
本実施形態では、各セラミックスブロック７，８の接合端部の少なくともいずれか一方に、端部側に向って次第に拡径するテーパ部３０、３１を設け、テーパ部３０、３１の外周に嵌合するテーパリング３２，３３と、このテーパリング３２，３３の外周に配設され、テーパリング３２，３３の端部に当接する段部３４，３５を有するフランジ３６，３７と、フランジ３６，３７同士を締結する複数本のタイロッド３８とを備えたセラミックス製熱交換器について説明する。なお、第１実施形態と同一の構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６４】
図９は、本実施形態の一構成例として、セラミックスブロック７，８同士の締結手段としての締結部を示す詳細図である。
【００６５】
図９に示すように、本実施形態では、各セラミックスブロック７，８の端部にテーパ部３１，３２がそれぞれ形成されている。このテーパ部３１，３２の外周には、テーパリング３２，３３が嵌合している。
【００６６】
さらに、テーパリング３２，３３の外周には、テーパリング３２，３３の端部に当接する段部３４，３５を有するフランジ３６，３７が配設され、このフランジ３６，３７同士は、複数本のタイロッド３８により、熱膨張吸収手段３９を介して締結されている。
【００６７】
熱膨張吸収手段３９としては、例えば複数の皿ばね、コイルばね等のスプリング材、又は弾性素材等からなる筒状体が適用されている。
【００６８】
このような構成によると、セラミックスブロック７，８とテーパリング３２，３３とがテーパ嵌合しているので、締結による曲げモーメントも作用せず、テーパ部３０，３１には圧縮応力が生じるので、脆性材料であるセラミックスブロック７，８の破壊を抑制することができる。
【００６９】
さらに、フランジ３６，３７とテーパリング３２，３３の端部とは、段部３４，３５で当接しているので、フランジ３６，３７とテーパリング３２，３３との材質の違いによる径方向熱膨張差を吸収することができる。また、軸方向の熱膨張差は熱膨張吸収手段３９により吸収される。
【００７０】
なお、テーパリング３２，３３の材質には、セラミックスブロック７，８と線膨張係数が近いものが適しており、セラミックスブロッ７，８と同一材質が最適であるが、線膨張係数が近いモリブデンやモリブデン合金でも、熱膨張吸収手段３９の吸収必要熱変形量を小さくすることができる。
【００７１】
また、テーパリング３２，３３を少なくとも周方向に２分割にすることで、セラミックブロック７，８のテーパ側の端面からテーパリング３２，３３およびフランジ３６，３７を取り付けることができる。
【００７２】
図１０は本実施形態における第２構成例を示している。図１０に示すように、この例は、図９における各セラミックスブロック７，８の端部に形成されたテーパ部２０，３１の外周に嵌合するテーパリング３２，３３とフランジ３６、３７とを一体化した構成のものである。このテーパリング３２，３３とフランジ３６、３７とを一体化した部分同士が複数本のタイロッドで締結されている。
【００７３】
このような構成によっても、図９に示した第１構成例と同様に、セラミックスブロックとテーパリングとがテーパ嵌合しているので、締結による曲げモーメントも作用せず、テーパ部には圧縮応力が生じる。したがって、脆性材料であるセラミックスブロック７，８の破壊を抑制することができる。
【００７４】
以上で説明したように、本発明の第２実施形態によれば、第１実施形態の作用効果に加えて、さらに製作性や構造健全性が向上するので、熱交換効率が高く、かつ高信頼性のセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【００７５】
なお、テーパリングの材質はセラミックスブロックと同一であることが望ましい。また、テーパリングは少なくとも周方向２分割であることが望ましい。また、テーパリングの材質はモリブデンまたはモリブデン合金のいずれかであることが望ましい。
【００７６】
［第３実施形態（図１、図１１〜図１３）］
本実施形態では、複数個のセラミックスブロック７，８を分解可能なシール材１０を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロック７，８の外側に端板１１，１２を配設し、これらの端板１１，１２間を複数本のタイロッド１３で締結して各セラミックスブロック７，８を連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、タイロッド１３と同系またはこれよりも熱膨張係数の大きい材質からなるスペーサ４０を、端板１２とタイロッド１３の先端部間に介挿したセラミックス製熱交換器について説明する。
【００７７】
上述の第１、第２実施形態のように、複数のセラミックスブロック７，８をシール材１０を介して締結一体化する構成において、炭化珪素や窒化珪素等のセラミックスは線膨張係数が約４Ｅ−６／℃とステンレス鋼やインコネル等金属構造材に比較して小さく、高温下では大きな熱膨張差を生じる。従って、タイロッド１３の材質としては、高温強度が大で、かつ線膨張係数がステンレス鋼やインコネルよりも小さく、セラミックスブロックに比較的近いモリブデンやモリブデン合金、またはチタン合金、タングステン等が適している。参考に５００℃での線膨張係数を下記する。
【００７８】
・ステンレス鋼 １８Ｅ−６／℃
・インコネル １５Ｅ−６／℃
・チタン合金 １０Ｅ−６／℃
・モリブデン ６Ｅ−６／℃
【００７９】
セラミックスブロック７，８の両端に端板１１，１２を配設し、これらの端板１１，１２を複数本のタイロッド１３でシール材１０を介してセラミックスブロック７，８に締結接合して硫酸ガスをシールする必要があるが、金属であるタイロッド１３とセラミックスブロック７，８との間には大きな熱膨張差を生じる。仮に端板１１，１２の材質がモリブデン、タイロッドの長さが１５００ｍｍ、温度が５００℃とすると、軸方向の熱膨張差は約１．４ｍｍにもなる。
【００８０】
この場合、上述の第１実施形態及び第２実施形態では、大きな軸方向の熱膨張差を、熱膨張吸収手段１７としての皿ばねを使用して吸収することになる。しかし、高温時のばね力の減少による締結力の低下は、シール面圧の低下に繋がり、漏洩の原因になる。
【００８１】
一方、金属である端板１１，１２とセラミックスブロック７，８との間にも大きな熱膨張差を生じる。仮に端板の材質がステンレス鋼、シール材１０の半径が２００ｍｍ、温度が５００℃とすると、半径熱膨張差は約１．３ｍｍにもなる。
【００８２】
一般に用いられるメタルＯリングや金属ガスケットでは、この大きな半径熱膨張差をシール面の滑りで吸収することになる。シール接触面の滑りはシール面圧の低下や接触状態の変化によって漏洩の原因になる。
【００８３】
本実施形態では、このような事情に鑑み、高温環境下でも熱膨張を吸収できる熱膨張吸収構造を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供するものである。
【００８４】
図１１は、本実施形態によるセラミックス製熱交換器の軸方向の熱膨張吸収構造を示している。
【００８５】
図１１に示すように、セラミックスブロック７，８はシール材１０を介して積み重ね、上側ブロック７の最上部に上側端板１１を配設し、下側ブロック８の最下部に下側端板１２を配設した構成となっている。上下の端板１１，１２同士はタイロッド１３で連結され、セラミックスブロック７，８が一体化されている。
【００８６】
このような構成のもとで、本実施形態では、セラミックスブロック７，８とタイロッド１３との熱膨張差を吸収する熱膨張吸収手段１５として、上側端板１１側に例えば皿ばね、板ばね、あるいはコイルばね等が設けられている。
【００８７】
また、セラミックスブロック７，８とタイロッド１３との熱膨張差を吸収する他の熱膨張吸収手段として、下側端板１２側に、タイロッ１３ドよりも熱膨張係数が大きい材質からなるスペーサ４０が設けられている。このスペーサ４０は、例えば下側端板１２とタイロッド１３の下端部との間に介挿されている。
【００８８】
このスペーサ４０は、高温環境下において、タイロッド１３と熱膨張差を生じ、この熱膨張差が皿ばねのばね定数の減少分だけ皿ばねをたわませ、シール面圧の低下を防ぐ効果がある。
【００８９】
また、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、スペーサ４０の長さをｍ、熱膨張係数をαｓ、セラミックスブロック７，８の長さをＬ、熱膨張係数をαｃ、タイロッド１３の熱膨張係数をαｔとした時、ｍが略Ｌ（αｔ−αｃ）／（αｓ−αｔ）になるようにすることにより、セラミックスブロック７，８とタイロッド１３との熱膨張差をゼロにすることができ、皿ばねを使用しなくてもよくなる。皿ばねを使用した場合には、常温時よりもシール面圧を高くすることができる。
【００９０】
なお、図１１に示す構成では、スペーサ４０が皿ばねと反対側に配設されているが、皿ばね側の端板１１とタイロッド１３の先端部との間に介挿させてもよい。
【００９１】
また、タイロッド１３の材質をセラミックスブロック７，８と同系のセラミックスとすることにより、熱膨張差をゼロにすることができる。その場合、セラミックス製タイロッド１３ａは、ねじ部を設けて締結部材として使用することが困難であるため、図１３に示すように、セラミックス製タイロッド１３ａの先端部に次第に拡径するホルダ４３を形成し、内面にテーパが形成された２つ割りのテーパリング４２をホルダ４３の外周面側に介在させて、テーパリング４２による外周面を一定外径状とする。このテーパリング４２を金属製の締結部材である筒状のホルダ４３に挿入することにより、セラミックス製タイロッド１３ａの先端部をホルダ４３の一端側に保持させる。なお、ホルダ４３の他端側には雌ねじ４４が形成されている。
【００９２】
一方、金属製の短いタイロッド１３ｂを備え、この金属製のタイロッド１３ｂの先端に形成した雄ねじ４５ａをホルダ４３に羅合させる。これにより、セラミックス製のタイロッド１３ａと金属製タイロッド１３ｂとを連結することができ、セラミックスブロック締結部材として構成することができる。
【００９３】
以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張をも吸収できる熱膨張吸収構造を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【００９４】
［第４実施形態（図１、図１４）］
本実施形態では、複数個のセラミックスブロック７，８を分解可能なシール材１０を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロックの外側に端板１１を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、端板１１は、熱膨張係数の異なる複数枚の金属製板１１ａ，１１ｂ、１１ｃ‥をシール部材４６ａ，４６ｂ，４６ｃ‥を介して積層する構成としたセラミックス製熱交換器について説明する。
【００９５】
なお、第１実施形態と同一の構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９６】
図１４はセラミックスブロック７，８の締結手段を示す詳細図である。図１４に示すように、本実施形態では、熱膨張係数の異なる複数枚の金属製板１１ａ，１１ｂ、１１ｃが積層され、これらの金属製板１１ａ，１１ｂ、１１ｃにはセラミックスブロック７，８側に向って次第に熱膨張係数が段階的に小さくなる構成とされている。このような構成により、端板１１に対して、セラミックスブロックの径方向の熱膨張によるシール材１０の滑りを小さくすることができる。
【００９７】
なお、図１４には、端板１１を３枚の板１１ａ，１１ｂ、１１ｃの積層構成とした例を示しているが、端板１１の板積層枚数については、特に限定されない。
【００９８】
以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張差をも吸収できる熱膨張吸収機構を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【００９９】
［第５実施形態（図１、図１５）］
本実施形態では、熱交換部６がセラミックスブロック７，８で構成された熱交換器であって、セラミックスブロック端部の軸方向所定の位置に大径頭部９を形成し、この大径頭部９に当接するシール部材２４と、このシール部材２４を大径頭部９に押し付けるばね５０と、これらシール部材２４およびばね５０の外周側に配置され、軸方向の熱膨張差を吸収するベローズ５１を有するヘリウム入口容器２ｂとを備えたセラミックス製熱交換器について説明する。
【０１００】
なお、本実施形態において、シール部材２４及びヘリウム入口容器２ｂについては、図８（ａ），（ｂ）に示したシール部材２４及びヘリウム入口容器２ｂと同一構成のものである。その他の構成について、第１〜第４実施形態と同一の構成部品には図１〜図４と同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０１】
図１５に示すように、本実施形態のヘリウム入口容器２ｂは第１実施形態で示したヘリウム入口容器２ｂと略同様の機能を果すものであるが、大径頭部９に当接するシール部材２４と、このシール部材２４を大径頭部９に押し付けるばね（例えば皿ばね）５０と、これらシール部材２４およびばね５０の外周側に配置され、軸方向の熱膨張差を吸収するベローズ５１を有する構成としたことにより、ばね５０及びベローズ５１等により、高温時にセラミックスブロック７、８とヘリウム入口容器２ｂとの熱膨張差によるシール面圧の低下が有効に防止される効果がある。
【０１０２】
即ち、上側ブロック７の大径頭部９にヘリウム入口容器２ｂが配設され、容器上側端は上側端板１１に気密に接続され、容器下側端は上側ブロック７に形成された大径頭部９にシール部材２４を介して当接し、さらにシール部材２４はヘリウム入口容器２ｂに内包されている皿ばね５０により大径頭部９に押し付けられており、高温時にセラミックスブロックとヘリウム入口容器２ｂとの熱膨張差によりシール面圧の低下が効果的に防止される。
【０１０３】
なお、本実施形態では、ばね５０として皿ばねを適用しているが、板ばね、コイルばね等を適用することもできる。また、ヘリウム入口容器２ｂにはベローズ５１が備えられており、軸方向の熱膨張差または皿ばね締付時のたわみを吸収し、ヘリウム入口容器２ｂを形成する役割を担っている。
【０１０４】
以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張差をも吸収できる熱膨張吸収機構を実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【０１０５】
［第６実施形態（図１、図１６〜図２０）］
本実施形態では、複数個のセラミックスブロック７，８を分解可能なシール材１０を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロック７，８の外側に端板１１，１２を配設し、これらの端板１１，１２間を複数本のタイロッド１３で締結して各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、金属製のシール材１０を流体Ａまたは流体Ｂの少なくともいずれか一方の流路２０，２１の外周側に配設したセラミックス製熱交換器について説明する。
【０１０６】
図１６（ａ），（ｂ）は、本実施形態に係るセラミックス製熱交換器のセラミックスブロック接合面のシール材の配置図である。
【０１０７】
この図１６（ａ），（ｂ）に示すように、セラミックスブロック７，８にはヘリウム流路２０と硫酸流路２１とが列毎に配置されている。そして、この例では、各ヘリウム流路２０および各硫酸流路２１毎に対応して、全ての流路の外周部にそれぞれ対応してシール材１０が複数配設されている。各シール材１０の形状を図１７〜図１９に示している。
【０１０８】
図１７（ａ），（ｂ）に示すシール材１０は、平板ドーナツリング状で、その内周は流路２０，２１の内周側に突出している。セラミックスブロック７，８の上下面には、加圧時にシール材１０の一部が入り込むリング状の溝穴部６１が形成されている。
【０１０９】
このようなシール材１０によれば、所定の締め付け力でシール材１０を締め付けることによって、シール材１０の流路２０，２１の内周縁との接触部が面圧集中を受け、流路２０，２１の内周縁がシール材１０の溝穴６１に食い込み、シール面圧を高くすることができる。
【０１１０】
また、この食い込みによって、流路２０，２１に作用する差圧での変形や移動を抑制することができる。さらに、セラミックスブロック７，８のシール材当接面に溝を形成することによって、溝孔６１の縁部にも面圧集中してシール効果および変形や移動の抑制効果がより向上する。なお、溝穴６１に代えて突起を設けても同一作用効果を呈する。
【０１１１】
図１８（ａ），（ｂ）に示すシール材１０は、リング径状の内周側に板厚方向に幅広状に突出する突出部６２を有し、セラミックスブロック７，８には、その突出部６２が流路２０，２１の内周側に嵌合する傾斜面６３を有する構成としたものである。これにより、流路２０，２１に作用する差圧で突出部６２の変形や移動を確実に抑制することができ、またシール材１０をセラミックスブロック７，８に取り付ける際には、突出部６２がガイドになるので、取り付け作業性が向上する。
【０１１２】
図１９（ａ），（ｂ）に示すシール材１０は、図１８（ａ），（ｂ）に示したシール材１０の変形例であり、流路内周に嵌合する突出部６４をブッシュとして形成したものである。これにより、取り付け作業性がより向上する。また、ブッシュ状の突出部６４が圧力により流路２０，２１の内壁に押し付けられるので、シール性が一層向上する。
【０１１３】
なお、以上の説明ではシール材１０を全流路２０，２１に配置したが、図２０（ａ），（ｂ）に示すように、硫酸流路２１、ヘリウム流路２０のいずれか一方に配置する構成としてもよい。この場合には、外周側にセラミックスブロック７，８の外形に沿う第２のシール材６５が装着されるようになっている。
【０１１４】
また、全流路２０，２１に配置する代わりに、流体列毎にシール材１０を配置してもよい。
【０１１５】
なお、以上のシール材１０の材質としては、硫酸機器用セラミックス製熱交換器では耐食性およびシール性の観点から、金または金被着金属が最適である。また耐食性の点では炭化珪素、窒化珪素被着金属も使用することができる。
【０１１６】
また、硫酸機器以外のセラミックス製熱交換器におけるシール材１０の材質としては、その機器の使用条件に適合する材質を選択することができる。
【０１１７】
なお、シール材１０としては、弾性復元機構を有するメタルシールすなわち、メタルオーリング、メタルＣリング、ヘリコフレックス、レジリエントシール等を適宜利用することができる。
【０１１８】
以上のように、本実施形態によれば、硫酸などの高温腐食性流体下でも使用できるシールを実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【０１１９】
なお、シール材１０は平板ドーナツリングであることが望ましい。また、セラミックスブロックのシール当接面に溝または突起のいずれかを形成することが望ましい。また、シール材１０は、その内周に板厚方向に突出する突出部を設け、その突出部を流路内周に嵌合する構成とすることが望ましい。また、シール材１０は、弾性復元機構を有するメタルシールであることが望ましい。
【０１２０】
［第７実施形態（図１、図２１、図２２）］
本実施形態では、複数個のセラミックスブロック７，８を分解可能なシール材１０を介して積み重ね、この積み重ねたセラミックスブロック７，８の外側に端板１１，１２を配設し、これらの端板１１，１２間を複数本のタイロッド１３で締結して各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、シール材１０は、流体Ａおよび流体Ｂの流路２０、２１に連通する多数の孔７０を有する孔開き板であるセラミックス製熱交換器について説明する。
【０１２１】
図２１（ａ），（ｂ）は、本実施形態によるセラミックス製熱交換器のシール材１０の一構成例を示す図である。このシール材１０は、流体Ａおよび流体Ｂの流路２０，２１に連通する孔７０を有し、シール材１０をセラミックスブロック７，８間に配置して、セラミックスブロックを締結することで、容易に流路２０，２１を隔離シールすることができる。
【０１２２】
図２２（ａ），（ｂ）は本実施形態によるセラミックス製熱交換器のシール材１０の他の構成例を示す図である。このシール材１０は、流路２０，２１に嵌挿するブッシュ状の突出部７１が形成されている。これにより、流路２０，２１の差圧によるシール材１０の差圧での変形や移動を確実に抑制できるようになっている。
【０１２３】
また、シール材１０をセラミックスブロック７，８に取付ける際には、突出部がガイドになるので取り付け作業性が向上する。
【０１２４】
本実施形態におけるシール材１０の材質としては、硫酸機器用セラミックス製熱交換器では耐食性およびシール性の観点から金または金被着金属が最適である。また耐食性の点では炭化珪素、窒化珪素被着金属も使用することができる。
【０１２５】
また、硫酸機器以外のセラミックス製熱交換器におけるシール材１０の材質としては、その機器の使用条件に適合する材質を選択することができる。
【０１２６】
以上で説明したように、本実施形態によれば、第６実施形態の作用効果に加えて、さらに取り付け作業性が向上する効果が奏される。
【０１２７】
なお、本実施形態において、シール材１０の材質は、金または金被着金属のいずれか一方であることが望ましい。また、シール材１０の材質は炭化珪素または窒化珪素のいずれかを被着した金属であることが望ましい。
【０１２８】
［第８実施形態（図１、図２３）］
本実施形態では、軸方向に複数の流路２０，２１を形成したセラミックスブロック７，８の両端に端板１１，１２を配接し、これらの端板１１，１２を複数本のタイロッド１３でシール材１０を介してセラミックスブロック７，８に締結接合したセラミックス製熱交換器であって、端板１１，１２とセラミックスブロック７，８との接合面に所定の直径差で相噛み合う段差部８０を設け、この直径差で相噛み合う段差部８０間に形成された空間部８１に、軸方向に開口部８２を有するシールリング８３を装着したセラミックス製熱交換器について説明する。
【０１２９】
図２３は、セラミックス製熱交換器における端板１１，１２とセラミックスブロック７，８との接合部のシール構造を示す図である。
【０１３０】
このシール構造では、端板１１，１２とセラミックスブロック７，８との接合面に、所定の直径差で相噛み合う段差部８０が設けられ、この直径差で相噛み合う段差部８０間に形成された空間部８１に、軸方向に開口部を有するシールリング８３が装着されている。
【０１３１】
金属である端板１１，１２およびセラミックスブロック７，８には、熱交換時に大きな熱膨張差が生じる。本実施形態のシール構造によれば、この大きな半径熱膨張差をシールリングの弾性変形で吸収することができる。
【０１３２】
即ち、シールリング８３のそれぞれの先端がセラミックスブロック７，８および端板１１，１２の段差部８０に当接して流体がシールされる。そして、半径方向の熱膨張差は、その当接部が滑りや変形することなく、シールリング８３自体の弾性変形で吸収できるので、シール接触面の滑りによるシール面圧の低下や、接触状態の変化に起因する漏洩を抑止することができる。なお、開口部８２については、高圧側になるように設置した方がよりシール性能向上が図れる。
【０１３３】
以上で説明したように、本実施形態によれば、高温下での熱膨張差をも吸収できるシールを実現して、高性能でかつ製作性に優れた信頼性の高いセラミックス製熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の第１実施形態を示すセラミックス製熱交換器の断面図。
【図２】本発明の第１実施形態による熱交換部を構成するセラミックスブロックの外観図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う矢視図。
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図５】図２のＣ−Ｃ線に沿う断面図。
【図６】本発明の第１実施形態によるセラミックスブロックの上部の流路構成を示す斜視図。
【図７】本発明の第１実施形態によるセラミックスブロックの下部の流路構成を示す斜視図。
【図８】（ａ）は本発明の第１実施形態によるセラミックス製熱交換器を構成する熱交換部の部分断面図、（ｂ）は（ａ）の要部を示す組立前の拡大断面解図、（ｃ）は（ａ）の要部を示す組立後の拡大断面解図。
【図９】本発明の第２実施形態の一構成例を示す締結部要部を示す断面図
【図１０】本発明の第２実施形態の変形例を示す断面図。
【図１１】本発明の第３実施形態を示すセラミックス製熱交換器の軸方向の熱膨張吸収構造を示す構成図。
【図１２】（ａ）は図１１に示した熱膨張吸収手段の一例を示す拡大断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図。
【図１３】本発明の第３実施形態による締結手段であるタイロッドの変形例を示す断面図。
【図１４】本発明の第４実施形態によるセラミックス製熱交換器の軸方向の熱膨張吸収構造を示す説明図。
【図１５】本発明の第５実施形態によるセラミックス製熱交換器の軸方向の熱膨張吸収構造を示す断面図。
【図１６】（ａ）は本発明の第６実施形態によるセラミックス製熱交換器のセラミックスブロック接合面のシール材配置図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図。
【図１７】（ａ）は本発明の第６実施形態によるシール材の一例を示す構成図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図。
【図１８】（ａ）は本発明の第６実施形態によるシール材の変形例を示す構成図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図。
【図１９】（ａ）は本発明の第６実施形態によるシール材の他の変形例を示す構成図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図。
【図２０】（ａ）は本発明の第６実施形態によるシール材の他の配置図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図。
【図２１】（ａ）は本発明の第７実施形態によるセラミックス製熱交換器のシール材の一例を示す構成図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図。
【図２２】（ａ）は本発明の第７実施形態の変形例によるセラミックス製熱交換器のシール材の一例を示す構成図（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線断面図。
【図２３】本発明の第８実施形態によるセラミックス製熱交換器のシール構造を示す拡大断面図。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 圧力容器
２ ヘリウム入口ノズル
３ 硫酸導入部
４ ヘリウム出口ノズル
６ 熱交換部
７，８ セラミックスブロック
１０ シール材
１１ 上側端板
１２ 側端板
１３ タイロッド
１４ ナット
１５ 熱膨張吸収手段
１６ ナット
１７ 熱膨張吸収手段
１８，１９ 支持機構
２０ ヘリウム流路
２１ 硫酸流路
２３ シール部材
２４ シール部材
３０，３１ テーパ部
３２，３３ テーパリング
３４，３５ 段部
３６，３７ フランジ
３８ タイロッド
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 金属製板
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ シール部材
５０ ばね
５１ ベローズ
７０ 孔
８０ 段差部
８１ 空間部
８２ 開口部
８３ シールリング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスブロックに複数個の流路を一列とする列を数列平行に形成し、隣接する列毎に前記流路を流体Ａと流体Ｂとが流れる流路とし、これらの流路には隣接する列毎に異なる前記流体Ａおよび前記流体Ｂを対向流として流し、前記流体Ａと前記流体Ｂとの熱交換を行う熱交換部を有するセラミックス製熱交換器であって、前記熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体化し、前記端板の外面側に前記タイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設けた構成としたことを特徴とするセラミックス製熱交換器。
【請求項２】
前記各セラミックスブロックの接合端部の少なくともいずれか一方に、端部側に向って次第に拡径するテーパ部を設け、前記テーパ部外周に嵌合するテーパリングと、このテーパリングの外周に配設され、前記テーパリングの端部に当接する段部を有するフランジと、前記フランジ同士を締結する複数本のタイロッドとを備えた請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項３】
複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記タイロッドと同系またはこれよりも熱膨張係数の大きい材質からなるスペーサを、前記端板と前記タイロッド先端部間に介挿した請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項４】
複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記端板は、熱膨張係数の異なる複数枚の板をシール部材を介して積層する構成とした請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項５】
前記熱交換部がセラミックスブロックで構成された熱交換器であって、前記セラミックスブロック端部の軸方向所定の位置に大径頭部を形成し、この大径頭部に当接するシール部材と、このシール材を大径頭部に押し付けるばねと、前記シール材を内包し、軸方向熱膨張差吸収用ベローズを有するヘリウム入口容器とを備えた請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項６】
複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記シール材を前記流体Ａまたは前記流体Ｂの少なくともいずれか一方の流路の外周側に配設した請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項７】
複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記シール材は、前記流体Ａおよび前記流体Ｂの流路に連通する孔を有する孔開き板である請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項８】
軸方向に複数の流路を形成したセラミックスブロックの両端に端板を配接し、この端板を複数本のタイロッドでシール材を介してセラミックスブロックに締結接合したセラミックス製熱交換器であって、前記端板と前記セラミックスブロックとの接合面に所定の直径差で相噛み合う段差部を設け、この直径差で相噛み合う前記段差部間に形成された空間部に、軸方向に開口部を有するシールリングを装着した請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項１】
セラミックスブロックに複数個の流路を一列とする列を数列平行に形成し、隣接する列毎に前記流路を流体Ａと流体Ｂとが流れる流路とし、これらの流路には隣接する列毎に異なる前記流体Ａおよび前記流体Ｂを対向流として流し、前記流体Ａと前記流体Ｂとの熱交換を行う熱交換部を有するセラミックス製熱交換器であって、前記熱交換部は、複数のセラミックスブロックをシール材を介して積み重ね、積み重ね方向の両端部を端板とタイロッドとからなる締結手段により連結して一体化し、前記端板の外面側に前記タイロッドの軸方向の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を設けた構成としたことを特徴とするセラミックス製熱交換器。
【請求項２】
前記各セラミックスブロックの接合端部の少なくともいずれか一方に、端部側に向って次第に拡径するテーパ部を設け、前記テーパ部外周に嵌合するテーパリングと、このテーパリングの外周に配設され、前記テーパリングの端部に当接する段部を有するフランジと、前記フランジ同士を締結する複数本のタイロッドとを備えた請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項３】
複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記タイロッドと同系またはこれよりも熱膨張係数の大きい材質からなるスペーサを、前記端板と前記タイロッド先端部間に介挿した請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項４】
複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記端板は、熱膨張係数の異なる複数枚の板をシール部材を介して積層する構成とした請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項５】
前記熱交換部がセラミックスブロックで構成された熱交換器であって、前記セラミックスブロック端部の軸方向所定の位置に大径頭部を形成し、この大径頭部に当接するシール部材と、このシール材を大径頭部に押し付けるばねと、前記シール材を内包し、軸方向熱膨張差吸収用ベローズを有するヘリウム入口容器とを備えた請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項６】
複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記シール材を前記流体Ａまたは前記流体Ｂの少なくともいずれか一方の流路の外周側に配設した請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項７】
複数個のセラミックスブロックを分解可能なシール材を介して積み重ね、この積み重ねた前記セラミックスブロックの外側に端板を配設し、これらの端板間を複数本のタイロッドで締結して前記各セラミックスブロックを連結一体化したセラミックス製熱交換器であって、前記シール材は、前記流体Ａおよび前記流体Ｂの流路に連通する孔を有する孔開き板である請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【請求項８】
軸方向に複数の流路を形成したセラミックスブロックの両端に端板を配接し、この端板を複数本のタイロッドでシール材を介してセラミックスブロックに締結接合したセラミックス製熱交換器であって、前記端板と前記セラミックスブロックとの接合面に所定の直径差で相噛み合う段差部を設け、この直径差で相噛み合う前記段差部間に形成された空間部に、軸方向に開口部を有するシールリングを装着した請求項１記載のセラミックス製熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２００６−３１７１０６（Ｐ２００６−３１７１０６Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４１７６７（Ｐ２００５−１４１７６７）
【出願日】平成１７年５月１３日（２００５．５．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１３日（２００５．５．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
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