JP6091758B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器内の配管を表面処理するために用いられる鋼材被覆層及び伝熱管の表面処理方法に関する。

熱交換器のシェル（胴体）に設けられる多数の熱交換用チューブ（伝熱管）には、伝熱効率、材料コストの関係から、炭素鋼が主に使用されている。また、伝熱管にはベア型とフィン型とがあるが、伝熱効率はフィン型の方が良いことから、伝熱管にはフィン型が用いられる。

熱交換器は、連続運転に伴って伝熱管の伝熱表面に灰や煤が付着して堆積することで熱交換性能が低下する。排ガス中の灰や煤が伝熱管の表面に付着して堆積すると、伝熱管同士の隙間で灰や煤が架橋（ブリッジ）を形成し、伝熱管同士の間の排ガス流路は狭くなり、伝熱管群を排ガスがすり抜ける流れを妨げるようになり、排ガスの圧損が高くなる。また、排ガス中の水分（ミスト）が伝熱管に付着することで伝熱管が濡れた状態となり、腐食の要因の１つになっている。

伝熱管に付着した灰や煤を除去する方法としては、鉄球を落球させ、鉄球が伝熱管と衝突することで生じた衝撃により、伝熱管に付着した灰や煤をふるい落す方法や、伝熱管の外周面に加熱用電線を取り付け、この加熱用電線を用いて伝熱管の外周面に付着・堆積した煤を強制的に燃焼させる方法、伝熱管の表面に付着した灰や煤に蒸気あるいは空気を吹きつけるスーツブロワにより取り除く方法などがある（例えば、特許文献１〜３参照）。

伝熱管の腐食対策としては、樹脂チューブを用いて伝熱管を被覆する方法や、伝熱管の伝熱表面に塗装を施す方法などがある（例えば、特許文献４参照）。

特開平５−１３３６９５号公報 特開平７−６３４９５号公報 特開２０１０−１１７０６７号公報 特開２００５−９８６６６号公報

しかしながら、伝熱管に付着した灰や煤を除去する方法として、鉄球を落球させることで生じる衝撃を利用する方法では伝熱管同士の間に鉄球が詰まってしまう場合がある。また、加熱用電線やスーツブロワを用いる方法では加熱用電線やスーツブロワを設置するための設備を別途設ける必要であり、費用が増大する。また、灰や煤は伝熱管に固着しているため、スーツブロワだけでは伝熱管に固着した灰や煤を十分除去できない。

伝熱管の腐食対策として、樹脂チューブは伝熱管を覆うようにして用いられるため、伝熱効率の良いフィン型の伝熱管には適用できない。また、伝熱管の伝熱表面に塗装を施すと、塗装の膜厚が厚くなるため、伝熱効率が低下する。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、排ガス中に含まれる灰や煤等が伝熱管の伝熱表面に付着するのを抑制することが可能な鋼材被覆層及び伝熱管の表面処理方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、シリコーン系樹脂組成物及びフッ素系樹脂組成物からなる群から選択された少なくとも１種で排ガスの流れ方向に対して複数段配置された伝熱管の表面にそれぞれ形成される表面層と、前記伝熱管と前記表面層との間に形成され、シランカップリング剤及びＳｉ−Ｏ構造からなるガラスコーティング剤からなる群から選択された少なくとも１種からなるバインダー層とを有することを特徴とする熱交換器である。

第２の発明は、第１の発明において、前記バインダー層の膜厚が、５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする熱交換器である。

第３の発明は、第２の発明において、前記バインダー層の膜厚が、１０μｍ以下であることを特徴とする熱交換器である。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、前記低表面エネルギー材料は、（ＣＨ₄）₃−Ｓｉ−構造、Ｆ₃Ｃ−構造、又はシランカップリング反応基の少なくとも何れか１つを有することを特徴とする熱交換器である。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記表面層は、膜厚が１０ｎｍ以上１μｍ以下の単分子膜からなることを特徴とする熱交換器である。
第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、前記表面層の膜厚が、１μｍ以下であることを特徴とする熱交換器である。

本発明によれば、排ガス中に含まれる灰や煤等が伝熱管の伝熱表面に付着するのを抑制することができる。

図１は、本発明による実施例１に係る鋼材被覆層を示す概略図である。 図２は、シランカップリング反応基と伝熱管の伝熱表面との結合状態を示す説明図である。 図３は、鋼材被覆層の他の構成を示す概略図である。 図４は、伝熱管に排ガス中の灰や煤が付着する状態の一例を示す説明図である。 図５は、本発明による実施例２に係る鋼材被覆層を示す概略図である。 図６は、バインダー層と伝熱管の伝熱表面との結合状態を示す説明図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施例により本発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

本発明による実施例１に係る鋼材被覆層を熱交換器のシェル（胴体）に設けられる多数の熱交換用チューブ（伝熱管）に適用した場合について、図面を参照して説明する。図１は、本発明による実施例１に係る鋼材被覆層を示す概略図である。図１に示すように、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ａは、伝熱管１１の表面１１ａに表面層１２で形成されている。

表面層１２は、低表面エネルギー材料で形成されてなるものである。低表面エネルギー材料としては、例えば、シリコーン系樹脂組成物、フッ素系樹脂組成物などが挙げられる。シリコーン系樹脂組成物としては、撥水性又は撥水撥油性（以下、「撥水・撥油性」とする。）を有する（ＣＨ₄）₃−Ｓｉ−構造を持つことが好ましい。また、フッ素系樹脂組成物としては、末端置換基として、Ｆ₃Ｃ−構造を持つことが好ましい。具体的には、例えば、シリコンレジン（信越シリコーン社製）、ユニダイン（ダイキン工業社製）、フロロサーフ（フロロテクノロジー社製）、ルミフロン（旭硝子社製）等が挙げられる。表面層１２は、１種類単独、又はこれら複数で形成されていてもよい。

表面層１２として、上記シリコーン系樹脂組成物、フッ素系樹脂組成物を用いて形成することで、界面の表面エネルギーを低くすることができるため、灰、煤などが付着するのを低下することができ、表面層１２の表面が汚染されるのを抑制することができる。また、表面層１２の表面に灰、煤などが付着しても灰、煤などが表面層１２から剥離する効果を高めることができる。

表面層１２は、基材と共有結合で結合する為のシランカップリング反応基｛（ＲＯ）ｎＳｉ−｝を分子内に持つことが好ましい。図２は、表面層１２がシランカップリング反応基を備えている場合の伝熱管１１表面との結合状態を示す説明図である。図２に示すように、シランカップリング反応基｛（ＲＯ）ｎＳｉ−｝を分子内に持つことで、伝熱管１１表面のＯＨ基との脱水反応により、共有結合（−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−）を形成する。これにより、表面層１２と伝熱管１１の表面とは、架橋層を形成し、伝熱管１１の表面と表面層１２は強固に結合することができる。

低表面エネルギー材料は、スプレー塗布、刷毛塗り、ディッピング等によりコーティング施工可能な液体状であることが好ましい。低表面エネルギー材料は、低表面エネルギー材料を含む溶液を塗布して熱処理し、乾燥させることにより表面層１２が得られる。

表面層１２は上記のようにシリコーン系樹脂組成物、フッ素系樹脂組成物などのような有機材料を原料として用いることから、伝熱管１１などの被着体に容易に塗布し、薄膜を形成することができる。また、伝熱管１１の表面に表面層１２を再度形成する場合でも、シリコーン系樹脂組成物、フッ素系樹脂組成物などのような有機材料を塗布するだけで済むため、表面層１２が劣化した場合でも表面層１２を形成するための原料を伝熱管１１に塗布して表面層１２を容易に再形成することができる。

表面層１２は、膜厚が１０ｎｍ以上１μｍ以下の単分子膜であることが好ましい。単分子膜としては、具体的には、例えば、フロロテクノジー社製のフロロサーフなどが挙げられる。なお、単分子膜とは、分子内の一端に反応基、他端に撥水・撥油基を持つ分子構造であり、伝熱管の伝熱表面に一分子の膜を形成することができる。表面層１２を単分子膜とすることにより、伝熱管１１の熱伝導率を損なわないコーティングが可能となる。

また、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ａは、表面層１２のみとして、伝熱管１１の表面に表面層１２を形成するようにしているが、これに限定されるものでなく、図３に示すように、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ａはプライマー層１３を表面層１２の伝熱管１１側に設けるようにしてもよい。表面層１２の伝熱管１１側にプライマー層１３を設けることで、伝熱管１１と表面層１２との密着性を向上させることができ、表面層１２の伝熱管１１との接着性を向上させることができる。

よって、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ａは、表面層１２で形成されているため、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ａの表面に灰、煤などが付着するのを抑制するができる。また、プライマー層１３を表面層１２の伝熱管１１側に設けることで、伝熱管１１の表面との接着性を更に高めることができる。

伝熱管１１はその表面に灰、煤などが付着するのが抑制されるため、安定して伝熱効率を維持することができる。従来のように、熱交換器のシェルに設けられる多数の伝熱管をそのまま用いた場合、図４に示すように、灰や煤を含む排ガス１５が１段目の伝熱管１１を通過する際、排ガス１５中の灰や煤が１段目の伝熱管１１に付着して固着し付着物１６を形成し、１段目の伝熱管１１同士の間の流路が狭くなり、２段目の伝熱管１１のガス流れ方向の正面側に灰や煤を含む排ガス１５の流路が集中し易くなる。このように、前段側の伝熱管１１のガス流れ方向の正面側に排ガス１５中の灰や煤が多量に付着することで、その後段側以降に設けられる伝熱管１１のガス流れ方向の正面側に灰や煤を含む排ガス１５の流路が集中し易くなるため、後段側に設けられる伝熱管１１にも準じ、排ガス１５中の灰や煤が付着し、後段側に設けられる伝熱管１１でも伝熱効率が低下するため、熱交換器全体での熱交換効率が低下する。

これに対し、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ａを伝熱管１１の表面に設けているため、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ａはその表面に灰、煤などが付着するのを抑制するができ、伝熱管１１の伝熱効率が低下することを抑制することができる。これにより、熱交換器全体での熱交換効率の低下を抑制でき、熱交換器の安定した運転を行うことが可能となる。

本発明による実施例２に係る鋼材被覆層について、図面を参照して説明する。図５は、本発明による実施例２に係る鋼材被覆層を示す概略図である。図５に示すように、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ｂは、表面層１２とバインダー層２１とを有するものであり、伝熱管１１の表面に、バインダー層２１と表面層１２とをこの順に伝熱管１１の表面１１ａに形成されている。

バインダー層２１は、伝熱管１１と表面層１２との間に形成されており、緻密な膜を形成し、且つ表面層１２との反応性が高い無機系材料で形成されてなる層である。無機系材料としては、シランカップリング剤、Ｓｉ−Ｏ構造からなるガラスコーティング剤などが挙げられる。シランカップリング剤としては、具体的には、信越シリコーン社製のものなどが挙げられる。ガラスコーティング剤は、Ｓｉ−Ｏ構造を有するため、図６に示すように、基材である伝熱管１１の表面のＯＨ基との脱水反応により、共有結合（−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−）を形成する。また、ガラスコーティング剤としては、具体的には、日興社製のクリスタルコーティング、エスマック社製のクリスタルＸ、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製のパーヒドロキシポリシラザンを主成分とするアクアミカ、アポロリンク社製のＴＧＡ等が挙げられる。

バインダー層２１が緻密であり、且つ表面層１２との反応性が高い無機系材料で形成される膜で形成されることで、伝熱管１１に水分が接触するのを抑制することができ、腐食の抑制が可能となる。

バインダー層２１は、膜厚が５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは７μｍ以上５０μｍ以下であり、更に好ましくは１０μｍ以上３０μｍ以下である。

無機系材料は、表面層１２と同様、スプレー塗布、刷毛塗り、ディッピング等によりコーティング施工可能な液体状であることが好ましい。無機系材料は、加熱、吸湿、触媒の作用により硬化してバインダー層２１が得られる。

バインダー層２１は上記のような無機系材料を含む有機材料を原料として用いることから、表面層１２と同様、伝熱管１１などの被着体に容易に塗布し、薄膜を形成することができる。また、伝熱管１１の表面にバインダー層２１を再度形成する場合でも、上記のような有機材料を塗布するだけで済むため、バインダー層２１が劣化した場合でもバインダー層２１を形成するための原料を伝熱管１１に塗布して、バインダー層２１を容易に再形成することができる。

本実施例に係る鋼材被覆層１０Ｂは、表面層１２とバインダー層２１との２層構造としているが、表面層１２とバインダー層２１との組み合せとしては、例えば、表面層１２を形成する材料としてＴＧＡを用い、バインダー層２１を形成する材料としてフロロサーフを用いることが好ましい。表面層１２を形成する材料としてＴＧＡを用い、バインダー層２１を形成する材料としてフロロサーフを用いることで、いずれの層も薄膜での形成が可能であるため、表面層１２とバインダー層２１とで膜厚を１０μm以下とすることができる。

（試験例）
次に、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ｂの灰、煤などの付着低減効果、耐腐食性について検討した結果を示す。試験例１は、素地（金属板）に対して、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ｂの表面層１２としてフッ素系樹脂組成物（フロロサーフ、フロロテクノロジー社製）を用い、バインダー層２１としてフッ素系樹脂組成物（ＴＧＡ、アポロリンク社製）を用いた試験片の場合における灰、煤の付着性、素地の腐食性を求めた試験結果であり、比較例１は、素地のみを試験片に用いた場合における灰、煤などの付着性、素地の腐食性を求めた試験結果である。
灰、煤などの付着性は、試験片に付着させたフライアッシュ塊の剥離力として求めた。また、素地の腐食性は、ｐＨ２の硫酸水溶液中に浸漬し、腐食が発生するまでの時間として求めた。
試験例１、比較例１の試験結果を表１に示す。なお、本試験例では、灰、煤の付着性は、比較例１において素地に付着した灰、煤の付着量を１とした場合の相対比として表し、耐腐食性は、比較例１における素地の腐食具合を１とした場合の相対比として表した。

表１に示すように、素地に付着した灰、煤などの付着性は、試験例１では比較例１の１／１０程度であり、試験例１は比較例１の９０％程度低減された。また、素地の腐食性は、試験例１では比較例１の１／６程度であった。

よって、試験例１のように、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ｂを素地に設けることで、灰、煤などの付着低減効果を素地のみの場合の１０倍程度向上させることができると共に、耐腐食性を素地のみの場合の６倍程度向上させることができるといえる。

したがって、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ｂは、伝熱管１１と表面層１２との間にバインダー層２１が形成された２層構造で形成されているため、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ｂの表面に灰、煤などが付着するのを抑制することができると共に伝熱管１１が腐食するのを抑制することができる。

従来のように、熱交換器のシェルに設けられる多数の伝熱管をそのまま用いた場合、上述の図４に示すように、前段側の伝熱管１１のガス流れ方向の正面側に排ガス１５中の灰や煤が多量に付着することで、その後段以降に設けられる伝熱管１１にも排ガス１５中の灰や煤が付着し、伝熱管１１全体での伝熱効率が低下するため、熱交換器全体での熱交換効率が低下する。

これに対し、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ｂを伝熱管１１の表面に設けているため、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ｂはその表面に灰、煤などが付着するのを抑制すると共に、伝熱管１１の腐食も抑制できるため、伝熱管１１の伝熱効率が低下することを抑制すると共に伝熱管１１の劣化も抑制できる。これにより、伝熱管１１全体での熱交換効率の低下を抑制し、安定した伝熱効率を維持しつつ、熱交換器の安定した運転を行うことが可能となる。

なお、上記各実施例では、フィンチューブ熱交換器に設けられる伝熱管１１に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、気−液接触させる空冷式熱交換器、直接接触式熱交換器などの熱交換器でもよい。また、本実施例に係る鋼材被覆層１０Ａ、１０Ｂは、気−液接触させる熱交換器に限定されるものではなく、液−液接触させる熱交換器、気−気接触させる熱交換器でもよい。液−液接触させる熱交換器としては、例えば、スパイラル式熱交換器、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器、シェルアンドチューブタイプ熱交換器（多管円筒式熱交換器）、渦巻管式熱交換器、渦巻板式熱交換器、タンクコイル式熱交換器、タンクジャケット式熱交換器、直接接触液液式熱交換器などがある。気−気接触させる熱交換器としては、例えば、静止型熱交換器、回転再生式熱交換器、周期流蓄熱式熱交換器、ボルテックスチューブなどがある。

また、本実施例においては、熱交換器に適用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、大気汚染、腐食等の厳しい環境下に用いられる鋼材、鋼構造物においても同様に適用することができる。

１０Ａ、１０Ｂ 鋼材被覆層
１１ 伝熱管
１２ 表面層
１３ プライマー層
１５ 排ガス
１６ 付着物
２１ バインダー層

Claims (6)

1. シリコーン系樹脂組成物及びフッ素系樹脂組成物からなる群から選択された少なくとも１種で排ガスの流れ方向に対して複数段配置された伝熱管の表面にそれぞれ形成される表面層と、前記伝熱管と前記表面層との間に形成され、シランカップリング剤及びＳｉ−Ｏ構造からなるガラスコーティング剤からなる群から選択された少なくとも１種からなるバインダー層とを有することを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１において、
   前記バインダー層の膜厚が、５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項２において、
   前記バインダー層と前記表面層との膜厚が、１０μｍ以下であることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１乃至３の何れか１つにおいて、
   前記表面層は、（ＣＨ₄）₃−Ｓｉ−構造、Ｆ₃Ｃ−構造、又はシランカップリング反応基の少なくとも何れか１つを有することを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１乃至４の何れか１つにおいて、
   前記表面層は、膜厚が１０ｎｍ以上１μｍ以下の単分子膜からなることを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１乃至５の何れか１つにおいて、
   前記表面層の膜厚が、１μｍ以下であることを特徴とする熱交換器。

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