(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換パイプ取付孔を長軸に沿って多数有する２本の並列するヘッダー管、両端部がヘッダー管の取付孔に取り付けられているフッ素樹脂製熱交換パイプ及び該パイプ内をパイプの長軸に沿って貫通すると共に両端部をヘッダー管を直交する方向で貫通した後に前記取付孔とは反対側でヘッダー管に固定されている棒状体を具備する熱交換装置。
【請求項２】
熱交換パイプのフッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体又はテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体である請求項１記載の熱交換装置。
【請求項３】
棒状体が耐食性及び導電性を有する金属である請求項１又は２記載の熱交換装置。
【請求項４】
金属がステンレス、チタン又はハステロイである請求項３記載の熱交換装置。
【請求項５】
熱交換装置を表面処理槽内に懸架した請求項１ないし４のいずれか１に記載の熱交換装置を装備した加熱処理液による表面処理装置。
【請求項６】
熱交換装置を表面処理槽の両側部に沿って配置した請求項５記載の表面処理装置。
【請求項７】
表面処理槽の中央側に配置した熱交換装置のヘッダー管を熱媒体供給用とした請求項５又は６記載の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、フッ素樹脂製の熱交換パイプを具備し、パイプ内に熱交換媒体を通過させ、パイプ外に存在する液体を加熱する際等に使用する熱交換装置及びそれを装備した表面処理装置に関する。より詳細にはフッ素樹脂製の熱交換パイプ内に加熱媒体である水蒸気を通過させ外部に存在する表面処理液体等の被加熱液体を１００℃未満の温度に加熱する際等に好適に使用できる熱交換装置及びそれを装備した加熱処理液による表面処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フッ素樹脂製の熱交換パイプを具備した熱交換装置は従前から知られており、それを使用して熱交換パイプに加熱蒸気を通過させパイプ外に存在する液体を加熱することも既に大分以前から実用に供されていることである。そのフッ素樹脂は、高価であって、かつ熱伝導率が特に優れているわけでもないが、それは耐蝕性を有することから金属酸洗あるいはリン酸処理等の腐食性の表面処理液の加熱に好適に利用されている。
【０００３】
そして、その際には前記したようなフッ素樹脂単独で熱交換パイプに使用する場合もあれば、その内側に金属パイプを密接して配置しフッ素樹脂を被覆材のようにしたタイプのものも存在する。このようなフッ素樹脂の利用は、いずれの場合にあってもフッ素樹脂が有する耐蝕性に着目したものであることは前記したとおりである。その際の利用形態としては、熱伝導率が低いことから内部に水蒸気を流し、外部に液体を存在させ１００℃未満の温度に加熱するケースが最も一般的である。
【０００４】
このようなフッ素樹脂製パイプを具備する熱交換装置は、熱伝導率が低いにもかかわらず耐蝕性の故に採用されているものであるが、この樹脂を使用しても微細な亀裂が発生することは回避できず、その原因が静電気の発生にあることを本発明者が知見し、それを回避するためにパイプ中にステンレス製のアース用導線を配置した図７に図示する構造の熱交換装置も既に開発し特許された（特公昭６１−５３６４０号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者はこのようにフッ素樹脂製パイプを具備する熱交換装置の普及及び技術開発に貢献しているものであるが、このような中でフッ素樹脂製熱交換パイプがヘッダー管取付部分（図７の（Ａ）の部分参照）で時々切断あるいは破損等を起こし、その度に破損等を起こした不良状態のパイプを新規なパイプと交換していた。そのようなことでかかる対策には苦慮していたが、現在までのところ、その完全なる解決策を見出すことはできなかった。
【０００６】
ところが、先行技術に開示されているアース用導線のステンレスの直径をそこに具体的に記載されたものより多少太めにし、かつ端部を移動可能の自由な状態にしたままにしておくのではなく、ヘッダー管に固定した構造のものを作成し、これを長期間に亘ってリン酸処理液の加熱に使用して試験した。その結果多数のフッ素樹脂製熱交換パイプが設置されているもかかわらず、従前のように前記パイプのヘッダー管取付部分における切断あるいは破損等の損傷が全く発生しないという予想外の結果が出た。
【０００７】
以上のとおりであるから、本発明はかかる新規な知見に基づいて開発されたものであって、優れた効果を奏することのできる発明である。したがって、本発明はフッ素樹脂製熱交換パイプのヘッダー管取付位置における切断あるいは破損等の損傷の発生を抑制した熱交換装置及びそれを装備した表面処理装置を提供することを解決課題とするものであり、またかかる熱交換装置及び表面処理装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明において上記目的を達成するために採用した熱交換装置は、熱交換パイプ取付孔を長軸に沿って多数有する２本の並列するヘッダー管、両端部がヘッダー管の取付孔に取り付けられているフッ素樹脂製熱交換パイプ及び該パイプ内をパイプの長軸に沿って貫通すると共に両端部をヘッダー管を直交する方向で貫通した後に前記取付孔とは反対側でヘッダー管に固定されている棒状体あるいは線状体（本明細書おいては全体を通して棒状体と呼称する）を具備することからなるものである。またそのための表面処理装置はこの熱交換装置を表面処理槽内に懸架したことからなるものであり、以上の両者が本発明において上記目的を達成するために採用した解決手段である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を図面に記載された熱交換装置及び表面処理装置に基づいて具体的に説明するが、本発明はこの具体例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて把握されるものであることはいうまでもないことである。
まず本発明の全体的内容を図１及び２に記載された表面処理装置に基づいて説明する。
【００１０】
図１及び２に記載の本発明の表面処理装置１については、上部は水平断面が長方形で、下部がテーパー状に狭くなる形状の表面処理槽２にフッ素樹脂製熱交換パイプを具備する熱交換装置１１を装備するものである。その熱交換装置１１は表面処理槽２の両側部に配置され、かつそのヘッダー管１２の両端部を槽壁最上部に掛けて熱交換パイプ１５が槽２内に垂下するように槽壁に懸架された状態で表面処理槽２に装備されている
【００１１】
このように配置してあるので、表面処理槽の中央部には表面処理対象物を浸漬できる広い空間が存在する。熱交換装置１１を表面処理槽２に装備する際にはヘッダー管１２のうち蒸気供給側のヘッダー管１２ａを処理槽２の中央側に配置し、排出側のヘッダー管１２ｂを外側にするのが好ましい。その理由は加熱対象の処理液が内側に存在するので加熱効率が良好となるからである。また両ヘッダー管１２はフランジ１６とボルト１７によって蒸気供給管１３及び排出官１４と結合されている。さらに底部には劣化した使用済みの処理液を排出するための排出口３が設けられている。
【００１２】
そして、この熱交換装置１１の細部構造は、図４を利用して説明すると以下のとおりである。ヘッダー管１２には、その下面側に開口部１８が設けられており、そこに熱交換パイプ取付具２１用が装着される。その取付具２１は中心に熱交換パイプを挿入する貫通開口があり、その外周側には中央部にレンチ等の締付具が装着できるように６角等の角状構造の締付具取付部２１ａがある。その取付部２１ａの両側には雄ねじが形成されていて、この雄ねじによって取付具２１はヘッダー管１２の開口部１８に螺着してしっかりと取り付けられる。
【００１３】
次いで熱交換パイプ１５を中心に挿通した袋ナット２２を熱交換パイプ取付具２１のヘッダー管１２と反対側の外周に形成されている雄ねじにねじ込み螺着して熱交換パイプ１５をヘッダー管１２に取り付ける。その際には蒸気等の熱媒体の漏洩あるいは熱交換パイプの脱離を防止するために各種の常套手段が採用できる。それには例えば図５に図示するような金属製の係止用リング２７あるいはゴム製のＯリング等が採用できる。さらに熱交換パイプを安定して取り付けるにはパイプ内に金属製のチューブスペーサー２６を挿入するのがよく、それは図６に図示される構造のものが例示できインサートと呼称される。
【００１４】
金属製の係止用リングを使用して熱交換パイプをヘッダー管に取り付ける場合について図５を使用して更に具体的に説明と以下のとおりである。熱交換パイプ取付具２１、袋ナット２２並びにフロントフェルール２７ａ及びバックフェルール２７ｂと呼称される２個の組合係止用リング２７を図５に図示するような位置関係で組み合わせ使用する。それらの取付はまず該取付具２１をヘッダー管に螺着し、次いで熱交換パイプを袋ナット２２及び係止用リング２７ａ、ｂの中心に存在する開口を通過させ、それに続いて袋ナット２２を該取付具２１に螺着することによって行う。このようにすることによって熱交換パイプはしっかりと固定される。
【００１５】
今回本発明で特に採用した棒状体２３の新規な取付構造について説明すると、棒状体２３は熱交換パイプ１５に沿って該パイプ内を一端から他端まで貫通し、それに続いて袋ナット２２の中心に形成された開孔及び熱交換パイプ取付具２１の中心の貫通開口を貫通し、更にヘッダー管を一面から他面まで貫通している。そしてヘッダー管１２を貫通後は熱交換パイプ取付具２１とは反対側において蒸気等の熱媒体が漏洩するがなく、かつ脱離することのないようにヘッダー管１２にしっかりと取り付けられる。
【００１６】
その取付構造は、熱交換パイプ１５をヘッダー管に取り付ける際の構造と同様のものであり、具体的にはヘッダー管の上面側に開口が設けられており、そこに棒状体係止具２４が装着される。その係止具２４は中心に棒状体を挿入する貫通孔があり、その外周側には中央部にレンチ等の締付具が装着できるように６角等の角状構造の締付具取付部２４ａがある。その取付部２４ａの両側には雄ねじが切ってあり、この雄ねじによって係止具２４はヘッダー管１２の開口に螺着してしっかりと取り付けられる。
【００１７】
この係止具２４にもヘッダー管の反対側の外周にも雄ねじが切られており、この雄ねじに棒状体２３が中心を挿通した袋ナット２５をねじ込み螺着して、棒状体２３をヘッダー管１２にしっかり固定する。その際には蒸気等の熱媒体の漏洩あるいは棒状体の脱離を防止するために各種の常套手段が採用できることは熱交換パイプの取付の場合と同様であり、熱交換パイプの取付の場合に具体的に記載した手段は同様に採用できる。
【００１８】
本発明は、このような構造を採用することによって従来回避することのできなかった熱交換パイプにおける袋ナット直下の部分（図４のＡの部分）、すなわち熱交換パイプをヘッダー管に取り付けるために挿入する袋ナットとの境目あるいはそれより多少下側で従来発生した切断あるいは破損等の損傷発生を回避することができるという卓越した効果を奏するものである。
【００１９】
本発明の熱交換装置の利用形態及び使用範囲等については、それで採用する熱交換パイプの素材がフッ素樹脂であることから耐蝕性という特性は有するものの、金属に比し耐熱性及び伝熱性が低くかつ高価であることから、その特性を活用できる範囲に自ずと限られる。その結果、その特性を活用するために加熱に利用されることが多く、そのため１００℃未難の加熱に利用されのが通常である。その際に熱交換パイプ内に供給する水蒸気の圧力及び温度は１〜７ｋｇ／ｃｍ2Ｇ及び１２０〜１７０℃の範囲のものが好ましい。以上のとおりではあるが、熱媒体は９５℃前後の熱水あるいは油性液状熱媒体であってもよい。さらにこれを冷却に利用することも可能であり、本発明はそれを排除するものではない。
【００２０】
本発明において、熱交換パイプにフッ素樹脂製のものを使用するのは、フッ素樹脂が耐熱性、耐薬品性及び固体非付着性等の特性を有するからであり、したがって、フッ素樹脂としてはこれらの特性を有する限り何等制限されることなく使用できる。そのフッ素樹脂としては具体的にはエチレンの水素の一部あるいは全てをフッ素化し重合したもので、先の特性を有するものであれば何等制限されるものではなく、単独重合体あるいは共重合体のいずれであってもよい。
【００２１】
このようなフッ素樹脂としては、具体的にはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＥＰＥ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）あるいはポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）等が例示できる。
【００２２】
それらの中で、本発明において好ましく使用できるフッ素樹脂としてはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）及びテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）がある。
【００２３】
この熱交換パイプの素材であるフッ素樹脂の伝熱性は熱良導体の金属に比較すると低いから、その直径は余り大きくすることはできず、１．５〜２５ｍｍ程度がよく、好ましくは４〜１５ｍｍがよい。２０ｍｍより太くなると伝熱性が低下しすぎるので避けるのがよい。また１．５ｍｍ未満になると細くなり過ぎ、棒状体の挿入が難しくなり、かつ熱媒体も流通し難くなるので好ましくない。
【００２４】
そして、熱交換パイプの形状については、図１及び図２に図示されたような細長く一巻きした陸上競技場のトラックのような形状が好ましいが、一巻しないままのＵ字状の形状であってもよいし、また二巻き以上巻いてもよく、特に制限されるものではない。要はそれが設置された各種装置の使用目的を害さない形状であればよい。
【００２５】
本発明において熱交換パイプ内に配置する棒状体は、その端部をヘッダー管に固定することによって熱交換パイプとヘッダー管との係合部付近で従前発生していた熱交換パイプの切断あるいは破損等を抑制するものであるから、該棒状体は、それとその外側にある熱交換パイプとがヘッダー管に長期間安定して維持できるように取り付けられ、かつ熱交換パイプと棒状体の空間を適正な速度で蒸気等の熱媒体が通過可能であるのがよい。
【００２６】
そして、その素材については特に制限されることはなく、耐熱性のエンジニアリングプラスチック等も使用可能であるが、高温の熱媒体に曝され、かつフッ素樹脂と同時にループ状等に加工される必要があることから、自ずと金属が好ましく採用されることになる。また金属を採用する際には、蒸気等の熱媒体に対して耐蝕性のあるものがよく、しかも前記したように静電気による微細な亀裂の発生も回避するのが好ましいので電気伝導性にも優れた静電気をアースすることのできる素材を選択するのがよい。なお棒状体に電気伝導性の良くない材料を採用した場合には、棒状体にアース用の導体を沿わせるあるいはコイル状に巻き付けるのがよい。
【００２７】
そのような金属材料としては具体的にはステンレス、チタン又はハステロイ等が好ましい。その金属は熱膨張係数がフッ素樹脂に比較し小さく、それの約１／１０であるから、このような差があっても、それによって熱交換パイプ及び棒状体の取付及び固定状態に悪影響を与えないように配慮することも必要である。棒状体は以上のとおりのことを意図して使用されるものであるから、棒状体の太さについても考慮することが好ましい。
【００２８】
その太さについては、棒と呼称するには不適切な細い線状ものから太い棒状のものまで使用できるが、先の意図を的確に達成するには棒状体と熱交換パイプとの間の間隙を考慮することも必要であり、それは棒状体の外側に位置する熱交換パイプの内径との関連で変動するので、両者の直径を対比した関係で示すと棒状体の外径は熱交換パイプの内径の１０〜８０％がよく、好ましくは２０〜６０％がよい。
【００２９】
また、その形状についてはヘッダー管等への装着性あるいは対面するフッ素樹脂と接触した際の損傷回避等からして断面が円形であるのが好ましいが、四角、６角、８角等の多角形丸状あるいは楕円等の異形断面であってもよい。またそれは太くなるに従いフッ素樹脂製パイプ内で該パイプと同一形状に加工することが難しくなるので、中心を中空としたパイプであってもよく、特に太くなった場合にはこの方が望ましい。
【００３０】
【実施例】
（実施例）
図４に図示するところの熱交換装置２基を、図１ないし３に図示するように表面処理槽２に懸架し、該処理槽２内にリン酸亜鉛溶液（２２％）を供給して温度８０℃で鉄鋼材料を継続して表面処理した。その際に使用した熱交換パイプはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製で内径１２ｍｍであり、棒状体はステンレス製で外径３ｍｍである。また熱交換装置に供給した加熱蒸気は、圧力５ｋｇ／ｃｍ2Ｇ、温度１５８℃であった。
【００３１】
そして、使用開始２月経過後に全熱交換パイプを詳細に観察したが、ヘッダー管取付位置付近での熱交換パイプの破損あるいは切断等は一切発見することができず、従前の熱交換装置のような損傷は発生していなかった。さらに使用を継続し、６月後に同様に観察したが、この際にも損傷の発生はなかった。その結果、この実施例により多数の熱交換パイプを取り付けた熱交換装置を長期間使用した場合においても従前のような損傷の発生がないことを確認することができた。またその表面には付着物もほとんど形成されていなかった。
さらに直径７ｍｍの棒状体を使用した場合にも同様に損傷も発生せず、かつ付着物の形成もなかった。
【００３２】
（比較例）
この比較例で使用した熱交換装置は熱交換パイプ内を貫通するステンレス線の太さ、取付及び固定が実施例のものと異なっている。すなわち熱交換パイプ内を貫通するステンレス線は、図４に図示する本発明の場合のようにヘッダー管を反対側まで貫通することはなく、その端部は図７に図示する従来技術の場合と同様に何等固定せずにヘッダー管内に位置させた。その結果端部は何等拘束されことなく自由な状態となっている。またステンレス線の太さについては従来技術に近い直径１ｍｍのものを使用した。
【００３３】
これ以外の点については実施例の場合と同様にして表面処理を開始した。その結果使用開始２０日後に熱交換パイプから蒸気漏洩が発生したので、熱交換パイプを観察したところヘッダー管取付位置付近での熱交換パイプの損傷が確認できた。そのパイプを新しいパイプに交換後更に処理を継続したところ１０日後に他のパイプの同じ位置で同様の損傷が発生した。また２月経過後には厚さ２ｍｍの付着物が形成された。
以上のことから熱交換パイプ内を貫通させる棒（線）状体については、その端部をヘッダー管に固定した場合には、固定しない場合に比しヘッダー管取付位置付近での熱交換パイプの損傷が抑制できる卓越した効果を奏することが明らかとなる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明では、熱交換パイプ内を貫通する棒状体をヘッダー管も貫通させ熱交換パイプ取付側とは反対側面でヘッダー管に固定することにより、ヘッダー管取付位置付近での熱交換パイプの切断あるいは破損等の損傷を抑制できる卓越した効果を奏するものである。
またこのよう構造を採用し、かつ熱交換パイプに内に配置する棒状体の径を特定の範囲に選択することにより俗にスケールと称されることもある付着物の形成も回避できることも判った。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面処理装置の側面断面図。
【図２】本発明の表面処理装置の平面図。
【図３】本発明の表面処理装置の正面断面図。
【図４】本発明の熱交換装置の部分側面図。
【図５】蒸気漏洩を防止等のための係止用リング等を含む熱交換パイプ取付具の好ましい構造の１例を図示する図。
【図６】熱交換パイプ取付具の位置において熱交換パイプ内に挿入するチューブスペーサーを示す図。
【図７】従来の熱交換装置の構造を図示する図。
【符号の説明】
１            表面処理装置
２            表面処理槽
１１          熱交換装置
１２          ヘッダー管
１５          熱交換パイプ
２１          熱交換パイプ取付具
２３          棒状体
２４          棒状体係止具
２２、２５    袋ナット
【図１】
0003706254.tif 000002
【図２】
0003706254.tif 000003
【図３】
0003706254.tif 000004
【図４】
0003706254.tif 000005
【図５】
0003706254.tif 000006
【図６】
0003706254.tif 000007
【図７】
0003706254.tif 000008