(57)【要約】【課題】例えば、ＳＯｘを含む腐食性流体を扱う耐酸熱交換器用のシェルに好適に用いることができる、複合材料製構造体を提供する。【解決手段】腐食性流体を囲うための構造体２において、継ぎ目のない筒状の炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製の一体成形品１０同士が、流体出入り口周縁部２２に一体成形されたフランジ部２０を介して接続されたことを特徴とする炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製の構造体２を提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
腐食性流体を囲うための構造体において、継ぎ目のない筒状の炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製の一体成形品同士が、流体出入り口周縁部に一体成形されたフランジ部を介して接続された炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製の構造体。
【請求項２】
耐酸熱交換器の腐食性流体を囲うシェル用であって、内壁面が表層にフッ素系樹脂シートの密着した炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製であり、外壁面の一部或いは全壁面に冷却機構が備え付けられた請求項１に記載の炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製の構造体。
【請求項３】
シェルのフランジ部に鉄骨フレームが取り付けられており、前記フランジ部が架台に固定される請求項１または２に記載の炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製の構造体。
【請求項４】
耐酸熱交換器中で、８０℃〜２００℃の温度範囲にある水分を含んだ二酸化硫黄ガスおよび／または三酸化硫黄ガスからなる腐食性流体を冷却するシェルとして、請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製の構造体を用いた耐酸熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、腐食性流体を扱う化学プラントのダクト、チャンバー、シェルに関するものであり、特にＳＯｘを含む排ガスを扱う耐酸熱交換器用のシェルに好適に用いられる複合材料製構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明での腐食性流体は、例えば、化学プラントにおけるＳＯｘ、ＮＯｘ、塩酸ガス等の酸性ガス体を対象とし、特に発電等に用いられる、硫黄分を含む燃料を燃焼させるボイラーからの排ガスを対象とする。
ボイラーからの排ガスはＳＯｘガスを主成分とするが、同時に水分も多く含むため、露点以下の温度では濃硫酸が生成することになる。更には流体通路に蓄積する個体微粒子の洗浄のために散水を施す場合があり、部分的には高濃度の硫酸水溶液が多く含まれることになる。このボイラーからの排ガスは二酸化硫黄ガス（以下、ＳＯ２と呼ぶことがある。）を含有する。このＳＯ２ガスの一部は三酸化硫黄ガス（以下、ＳＯ３と呼ぶことがある。）に変化する。ＳＯ３を含有する排ガスは、水分のみを含んだ排ガスよりも露点が著しく高く、露点以下の温度で生成する凝縮物も、排ガス中のＳＯ３が水と反応して生じる硫酸である。
【０００３】
硫酸が凝縮する露点（以下、酸露点と呼ぶことがある。）は排ガスの組成によって異なるが、一般的なボイラー排ガスの場合、６０℃〜１６０℃程度である。また、酸露点で凝縮する硫酸濃度は、排ガス組成、凝縮面の温度によっても異なるが、場合によっては１００％に近い濃度に達することもある。露点以上の温度では気体状態になっており酸化力は比較的弱い。しかし、露点より少し低い温度にあっては高温高濃度の硫酸環境で、非常に強い酸化雰囲気にあり、多くの物質は激しく腐食劣化を受ける。
【０００４】
この酸化雰囲気に耐える物質は極一部の特殊金属や無機材料に限られており、有機物ではＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が知られている。
【０００５】
この様な腐食性流体を移送するために該腐食性流体を囲う構造体としては、具体的にはダクトやチャンバー、更には熱交換器のシェル等が挙げられる。しかし、これらの構造体はガス移送の際、構造体内部が通常１気圧以下になるため、大気圧による外圧を常時受ける。また、同時に種々の配管や計器類の装着による荷重を常時受けている。これら構造体は流体が外部に漏れることなく、流体を完全密閉するものでなければならないのは言うまでもなく、前記の大気圧による外圧に抗する剛性や取り付け物を支えるだけの強度、更には腐食に対する耐久性や耐熱性が重要な特性となる。
【０００６】
腐食性流体を扱う化学プラントのダクトやシェル等では従来から金属系材料や無機材料が使われることが殆どであったが、コスト低減や耐久性向上に向けてガラス繊維強化の耐食性熱硬化樹脂（ＦＲＰ）を使う試みが多くなってきている。これは、ＦＲＰは形状設計の自由度が大きく、製作が簡便であり、大幅なコスト削減が可能であることによる。また、無機材料に比べ耐衝撃性が大きく、製作加工が容易であることが大きな特長である。
【０００７】
煙道や煙突など酸露点以上の気体状態にある雰囲気下では、従来の高価な金属材料や脆い無機材料に代わって、比較的耐熱耐食性の良いビニルエステル樹脂やフェノール樹脂のＦＲＰが使用されてきている。
特許文献１には、品質、耐久性向上と施工の容易性を目的としてプラスチック板またはＦＲＰ板により構成された煙道が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１２２５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、酸露点以上の気体状態で使われるＦＲＰ構造体は通常、断熱のためにサンドイッチパネル類を継ぎ合わせた設計になっており、継ぎ目からの流体の漏洩防止のための処置が難しく、耐久性において常に問題を抱えている。例えば、４枚のパネルを継ぎ合わせて設計される矩形の構造体は、パネル同士の継ぎ目からの流体の漏洩を防止することが極めて困難である。また、パネル体を現地で組み立て施工するため、継ぎ目のシール処理作業が極めて煩雑である。
【０００９】
更には、従来の単なるガラス繊維によるＦＲＰは、酸露点以下の高温高濃度の硫酸雰囲気では酸化劣化を受け耐久性が不足するだけでなく、高温での弾性率が不足する。そのため、構造体としては肉厚にせざるを得ず、反りや変形が大きく、寸法精度が悪くなる等の問題がある。そのため、ガラス繊維ＦＲＰは酸露点以下の高温高濃度の硫酸雰囲気では使用できなかった。
【００１０】
更に、化学プラントにおけるＦＲＰ構造体の内面にはライニング塗装が施されるのが一般的であるが、高温高腐食性流体が激しく流れる過酷な条件では塗装が剥がれることがあり、耐久性の点で充分満足できるものではなかった。例えば、ガラス繊維布で裏打ちされたフッ素系樹脂シートをＦＲＰ管の内面に貼り付けた例があるが、一般的なガラス繊維のＦＲＰでは接着界面での耐食性が不足し、充分な耐久性が得られないのが実状である。
【００１１】
特に、ボイラー排ガスで２００℃以下の温度領域の熱回収を行なう熱交換器は、ガスを冷却する過程で必然的に酸露点以下の温度範囲となるため、高濃度硫酸が生成し、熱交換器を形成する材料を著しく酸化劣化させてしまう。しかし、現状では、耐熱耐食性に優れた材料は極めて限られており、経済的に有効な材料が現れていないために、未だに１００〜２００℃のガス熱量の殆どが廃棄されている。熱交換器のシェルに使える有効な材料があればエネルギー回収に大いに貢献でき、その社会的意義は大きい。
本発明は、例えば、ＳＯＸガスを主成分とするボイラーからの排ガスを冷却するための熱交換器のシェルとして使用できる、腐食性流体を外部へと漏洩させず、充分な耐久性を有する、腐食性流体を囲う構造体を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の構造体は、腐食性流体を囲うための構造体において、継ぎ目のない筒状の一体成形品同士が、流体出入り口周縁部に一体成形されたフランジ部を介して接続されたことを特徴とする炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製の構造体である。
【００１３】
本発明の構造体を耐酸熱交換器の腐食性流体を囲うシェルとして用いる場合には、内壁面が表層にフッ素系樹脂シートが密着した炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製であり、外壁面の一部或いは全壁面に冷却機構が備え付けられるのが好ましい。
また、シェルのフランジ部に鉄骨フレームが取り付け、前記フランジ部が架台に固定されることが好ましい。
また、本発明の構造体は、耐酸熱交換器中で、８０℃〜２００℃の温度範囲にある水分を含んだ二酸化硫黄ガスおよび／または三酸化硫黄ガスからなる腐食性流体を冷却するためのシェルとして用いるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、腐食性流体が外部へ漏洩することを防ぐとともに、充分な耐久性を有する、腐食性流体を囲う構造体を提供できる。
また、本発明の構造体は、ＳＯｘガスを主成分とするボイラーからの排ガスを冷却するための熱交換器のシェルとして好適に使用でき、露点以下の温度で生成する高濃度硫酸を含む液体が外部へ漏洩することがなく、充分な耐久性を備えた熱交換器が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明について詳細に説明する。
図１および図２に、本発明の炭素繊維複合材料製の構造体ユニット（以下、構造体ユニットと略する。）の一例を示す。図１に示すように、構造体ユニット１は、筒状の一体成形品１０とフランジ部２０が一体成形されている。
本発明の特徴は、腐食性流体を囲うための構造体ユニット１が、炭素繊維複合材料製の一体成形品１０を具備することにある。継ぎ目のない一体成形品１０で腐食性流体を囲うことにより、構造体ユニット１には継ぎ目がなくなるため、腐食性流体の漏洩の問題が無くなる。一体成形品１０の形状は、例えば、四角柱状（図１）あるいは円柱状（図２）で、矩形あるいは円形の流体出入り口２１を有する筒状体である。また、該一体成形品１０の流体出入り口周縁部２２にフランジ部２０が一体成形されている。
【００１６】
一体成形品１０は炭素繊維複合材料を用いる事により作製が可能となる。本発明でいう炭素繊維複合材料とは、低密度、高強度、高弾性を示し、耐酸性および耐熱性に極めて優れた炭素繊維と、比較的耐食性および耐熱性に優れる熱硬化性フェノール樹脂とからなる炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料である。炭素繊維としては弾性率２００ＧＰａ〜２５０ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維が経済性からも望ましく、フェノール樹脂は加熱硬化タイプのレゾール系樹脂が望ましい。
【００１７】
これらの原材料は通常、中間材である織布プリプレグの形態で用いられるが、織布の形態は平織りや綾織りであり、樹脂含有量は３０〜５０重量％で、総目付けは２００〜１５００ｇ／ｍ２であり、揮発分が０.０１％〜３％であるプリプレグが好んで使用される。織布プリプレグは仕様が満たされていれば、その製作方法は乾式、湿式のいずれでも良い。炭素繊維は織布で用いられるのが一般的であるが、機械特性で異方性を発揮させるために一方向プリプレグを併用することは差し支えない。
【００１８】
構造体ユニット１の一体成形は、割型の上にプリプレグを積層し、賦型した後、フィルムで覆い、その状態で真空引きしながら加熱炉で硬化し、一旦、成形品を脱型した後、再加熱してなされる。構造体ユニット１は筒状に設計されているので賦型や脱型の作業は極めて容易である。前記の一体成形は、製品形状に合わせて製作された型の上にプリプレグを積層していく際、広幅に裁断されたプリプレグを用い、同じ層で重なった材料端部を層毎に順次除変して積層していく。このような、炭素繊維複合材料に特有の多層積層技術により始めて一体成形が可能となる。
【００１９】
継ぎ目のない一体成形品１０により流体の漏洩が皆無となり、構造体ユニット１の耐久性や信頼性が確保されるため、この一体成形技術が最重要である。また、この軽量高剛性な構造体ユニット１は、炭素繊維プリプレグ材の使用により始めて技術的、経済的に成り立つものである。
【００２０】
構造体ユニット１の容量の増大は、構造体ユニット１そのものを大型化することで可能ではあるが、本発明の特徴は、図３に示すように、構造体ユニット１を基本の構造ユニットとし、複数個重ねることにより容量の増大が図れることにある。すなわち、一体成形品１０の、流体出入り口周縁部２２にフランジ部２０を一体成形し、該フランジ部２０同士を接合することにより、複数個の構造体ユニット１同士を重ねた構造体２が形成できる。
【００２１】
最終的な構造体２の容量に依って、重ねる構造体ユニット１の個数が適宜設計される。構造体全体をユニット化することにより、容量の大きな構造体に対しても、成形型や加熱炉等の付帯設備が一定容量の設備で済まされ、設備費用が安価で済み、経済性においても大いに有利となる。
【００２２】
また、構造体の容量を増大させるには、図３のように、構造体ユニットを直列に重ね合わせるのが、並列に重ね合わせるよりも望ましい。すなわち、前者は耐久性の観点で常に厳しい環境におかれている上流側の構造体ユニット１のみを適宜交換することができ、メンテナンス上非常に有利であり、構造体全体の経済性を確保する上で非常に重要である。
【００２３】
構造体ユニット１を重ね合わせる際は、構造体ユニット１同士はフランジ部２０を介し、通常、ボルト・ナットで機械接合される。フランジ部２０の設計は一般的なダクトの設計基準を満足するものであれば良く、特にフランジ部２０を接合するボルト・ナットの数、締め付けトルクを考慮した剛性を確認する事が重要である。また、フランジ部２０表面（接続面）の仕上げ精度もシール性を確保する上で重要である。フランジ部２０の接続面はパッキン、ガスケットで圧着シールされ、ボルト・ナットが腐食性流体に晒されないような設計がなされる。上述のパネル同士の継ぎ目とは異なり、シール性が高められる。
【００２４】
更には、フランジ部２０は一体成形品１０の壁面リブとして作用するため、構造体ユニット１全体の剛性が飛躍的に向上し、流体内圧による壁面膨張を抑える効果が出る。これまでに説明した本発明の構造体を熱交換器のシェルとして用いる場合にも、フランジ部２０を設けることでシェル壁面の厚みを薄くすることが可能となり、軽量化でき、経済効果も大いに高まる。更に、フランジ部２０は、構造体ユニット１を囲む鉄骨フレーム等の取り付け部位としても利用できる。
【００２５】
これまでに説明した本発明の構造体をボイラー排ガス用の耐酸熱交換器のシェルとして用いる場合には、通常、シェルアンドチューブ型熱交換器（以下、熱交換器と略する。）に適応させるのが最適である。図４に、本発明の構造体を熱交換器として使用する場合の一例を示す。熱交換器３は、一体成形品１０とフランジ部２０とが一体成形されたシェル４（構造体ユニット１に相当）と、該シェル４に設けられた伝熱管４０とを有する。高さａ、長さｂ、幅ｃのシェル４の管板１１には、伝熱管４０が高さａ方向に３行、幅ｃ方向に３列設けられている（３行３列）。シェルに設けられる伝熱管の本数は適宜設計できる。複数の伝熱管４０が一体成形品１０に、腐食性流体の流れ３０に対し直角方向（長さｂ方向）に配されており、一体成形品１０は流れの均一化を図る上で矩形断面を有している。
【００２６】
熱交換器３のシェル４にあっては、一体成形品１０の対向する一対の面あるいは１つの面が管板１１と称され、伝熱管４０群が取り付けられる面となる。また、シェル４には内部監視用の覗き窓が取り付けられることがある。これら管板１１や覗き窓は、一旦、シェル４が成形された後、それらを取り付ける部分を切り取り除去するか、割型に積層する際に取り付け部分を除いてプリプレグを積層し、管板１１を別途賦型し、成形品に組込むことが可能である。或いは、伝熱管４０を取り付ける場合に、一体成形品１０の側面から伝熱管４０の貫通部分を切り抜き除去し、穿孔する方法も可能である。
【００２７】
ボイラー排ガス用の熱交換器では８０℃〜２００℃の、より好ましくは１００℃〜１６０℃の温度範囲にある排ガスを冷却して熱回収を行なう。排ガス温度が８０℃以上であれば熱回収効率が高くなり、２００℃以下であれば材質的に耐久性が長く保たれ、経済性にも優れる。
【００２８】
ところで、酸露点以下の温度まで熱回収を行なう熱交換器の場合、安定運転を実施するためには、使用しているボイラー排ガスの酸露点、及び装置内で凝縮する硫酸の濃度をある程度的確に把握しておく必要がある。酸露点は、いわゆるｍｕｌｌｅｒ曲線によっても把握できるし、文献（１）記載の方法で推定することもできる。更に、酸露点計を用いて実測することもできる。硫酸濃度は文献（２）の方法で推定できる。
【００２９】
文献（１）：Ａ．Ｇ．Ｏｋｋｅｓ，Ｂａｄｇｅｒ  Ｂ．Ｖ．，  Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ．  ｖｏｌ．６６，Ｎｏ．７，１９８７，  ｐａｇｅ５３〜５５
文献（２）：Ｔａｙｌｏｒ，  Ｈ．Ｄ．，Ｔｒａｎｓ  Ｆａｒａｄａｙ  Ｓｏｃ．，ｖｏｌ．４７（１９５１），ｐａｇｅ１１１４〜１１２０
【００３０】
熱交換器３のシェル４の材質としては、炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料であれば硫酸による化学劣化が進みにくく、充分な耐腐食性を示すが、一方では、ガス流が直接当る箇所では一部劣化したフェノール樹脂が物理的に脱落し、露出した新たな面が酸による化学劣化を受けることで腐食が内部に進行していくことがある。このガス流による物理的脱落を抑制するためには、シェル４の内側壁面表層にフッ素系樹脂シートの密着した炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料を用いる事が有効である。
【００３１】
すなわち、炭素繊維織布の生機片面にフッ素系樹脂シートを加熱密着させた後、もう一方の面に未硬化フェノール樹脂を含浸して、片面フッ素系樹脂シートのフェノール樹脂プリプレグを作製する。シェル４の賦型時に、まず、フッ素系樹脂シート側を成形型面に押し当て、その後、他のプリプレグを同時積層することで成形品表層にフッ素系樹脂シートを担持させることが可能となる。一方、フッ素系樹脂シートを炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料の硬化成形品に貼り合わせることは接着上極めて困難である。
フッ素系樹脂シートを貼り付ける箇所は壁面全面である必要はなく、ガス流が直接当るフランジ部内面や、酸露点付近の温度となるシェル４の内壁面に部分的に貼り付けることが経済性からも望ましい。
【００３２】
フッ素系樹脂としては最も優れた耐食性を示すＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が好ましく、シートの厚みは０.０５〜１ｍｍが好ましい。
【００３３】
本発明ではシェル４の酸による腐食を軽減するために、シェル４の外壁面の一部或いは全壁面に冷却機構が備え付けられることが望ましい。冷却機構内には冷媒として水の他にブライン、熱媒油などを使用することができるが、伝熱管４０内に流す冷媒と同じものを用いれば、冷却機構内に流す冷媒も伝熱管４０内の冷媒と合わせて熱交換に利用できる。冷却機構はシェル内壁面の温度が酸露点付近の温度となる箇所の外壁面に取り付けることが望ましい。但し、伝熱管４０群が取り付けられる管板１１面や覗き窓の取り付けられる箇所が除かれるのは当然である。
【００３４】
通水する冷却水は伝熱管冷却水の一部を分配することが可能で、温度や水量は全体のシステムを調和させる様に決められる。冷却水を通す事で、通常、２０℃〜５０℃の壁面温度の低下が図られる。
【００３５】
この様な冷却機構は、蛇管式やジャケット式のものでよく、公知の技術が適応できる。冷却性能を確保するにはシェルとの密着性と伝熱性の確保が重要で、そのためには一般のサーモセメント類が利用できる。本発明では、シェル４が炭素繊維複合材料製であり、外壁が薄く設計できるため、該壁面に冷却機構を設けても冷却が有効に行える。
【００３６】
通常、シェル４には伝熱管４０等多くの配管が設備されることになるが、それらの全荷重、および付属する上下の通気ダクトの荷重等を全てシェル４が支えるとなると、シェル４の壁面厚みは過大なものとなり経済性が損なわれる。従って、図５に示すように、シェル４には鉄骨フレーム５０を設けることが望ましい。すなわち、シェル４は自重程度の荷重負担とし、鉄骨フレーム５０に外部荷重を負担させる設計とし、シェル４の壁面厚みは耐熱性と耐食性から必要な厚みのみとするのが望ましい。但し、鉄骨フレーム５０を多用すると熱交換器３自体が重くなり炭素繊維複合材料の特徴である軽量性が損なわれるので、その使用は極力抑え、当て板であるフランジ部２０部分の鉄骨フレーム５１と、鉄骨フレーム５２、鉄骨フレーム５２を繋ぐ斜交いの鉄骨フレーム５３程度とするのが望ましい。
【００３７】
本発明においては、図５に示すように、シェル４（構造体ユニット１に相当）に一体成形されたフランジ部２０に鉄骨フレーム５１を取り付け、更に前記フランジ部２０を介して、シェル４を架台６０に固定することが好ましい。すなわち、予め鉄骨フレーム５１を準備し、シェル４のフランジ部２０に一旦鉄骨フレーム５１を取り付けた上で、鉄骨フレーム５０と架台６０とを固定することで、フランジ部２０を介してシェル４を架台６０に固定する。
【００３８】
炭素繊維複合材料は非常に剛性が高く変形し難い構造物が形成されるため、現場で架台６０に接続する際、場合によっては、シェル４を損傷させる危険性がある。従って、シェル４に一旦鉄骨フレーム５１を固定した後、鉄骨フレーム５１と架台６０とを固定するのが、作業性から優れている。
【００３９】
また、炭素繊維複合材料は熱膨張係数が小さく、架台６０との熱膨張差により、気温による寸法変化で反りや異常な応力を発生することがある。しかし、その場合はシェル４を固定する鉄骨フレーム５０で寸法調整が可能となり、熱膨張差による応力を緩和することが容易となる。更に、鉄骨フレーム５０を設けることにより外部冷却機構の取り付けと荷重負担が非常に楽になる。
【実施例】
【００４０】
以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
［プリプレグＡ、樹脂フィルムＤ］
炭素繊維織布として、三菱レイヨン株式会社製パイロフィルクロスＴＲ３１１０を用意した。この炭素繊維織布は引張弾性率２３５ＧＰａ、引張強度４４１０ＭＰａ、フィラメント数３０００本の炭素繊維をたて糸、よこ糸ともに１インチあたり１２．５本の打ち込み本数で平織り製織したものである。
炭素繊維織布に含浸する樹脂組成物として、変性フェノール樹脂（昭和高分子株式会社製ＢＲＭ−７９７Ｈ）を用意し、この樹脂組成物を１０８ｇ／ｍ２になるように離型紙上に塗工し樹脂フィルムＤを作製した。
炭素繊維織布と樹脂フィルムＤを重ね合わせて、ニップロール温度８０℃、圧力０．４ＭＰａで、炭素繊維織布に樹脂組成物を含浸し、樹脂含有率３５質量％のプリプレグＡを準備した。
【００４１】
［プリプレグＢ］
炭素繊維織布を三菱レイヨン株式会社製パイロフィルクロスＴＲＫ５１０とし、樹脂フィルムの目付けを２１６ｇ／ｍ２とし、炭素繊維織布を２枚の樹脂フィルムで挟んでニップロールに供給した他は、プリプレグＡと同様にして、樹脂含有率４０質量％のプリプレグＢを準備した。
プリプレグＢで用いた炭素繊維織布は、引張弾性率２４０ＧＰａ、引張強度４９００ＭＰａ、フィラメント数１２０００本の炭素繊維をたて糸、よこ糸ともに１インチあたり１０本の打ち込み本数で２／２綾織り製織したものである。
【００４２】
［成形中間材料Ｃ］
特開２００２−２４２０２７号公報記載の方法により得たフィラメント数３０００本の炭素繊維を用意し、たて糸、よこ糸ともに１インチあたり１２．５本の打ち込み本数で平織り製織した炭素繊維織布を用意した。次に離型処理された２枚の金属板間に、炭素繊維織布とＰＴＦＥシート（日東電工株式会社製ニトフロンＮＯ．９００ＵＬ、厚み１００μｍ）とを重ねて配置した。これを熱プレスの熱板上に置き、室温、１５ＭＰａで加圧しながら３０分かけて３７０℃に昇温した。その温度、圧力で３０分保持した後、徐冷して室温となった成形中間材料Ｃを取り出した。得られた成形中間材料Ｃ（幅３００ｍｍ、長さ３０００ｍｍ）は片面がＰＴＦＥ層で被覆され、反対面に炭素繊維織布が残る構成のものであった。
【００４３】
［伝熱管Ｅの作製］
長さ２５００ｍｍ、外径２８ｍｍのスチール製芯金にプリプレグＡを炭素繊維織布のたて糸が芯金の長手方向に配向するように１０層巻きまわした。この巻きまわしにはプレスロールを用い、０．４ＭＰａの圧力を付与した。巻きまわしされたプリプレグＡの上に厚み２５μｍ、幅３０ｍｍの熱収縮性を有するポリエチレンテレフタレートテープ（信越フィルム株式会社製ＰＥＴ−２５Ｋ）を３ｍｍピッチで巻きまわした。これをオーブンに移し、９０℃×１０時間、１００℃×４時間、１３０℃×２時間の温度条件で加熱硬化し、外径３２ｍｍの伝熱管Ｅを得た。
【００４４】
［伝熱管Ｆの作製］
スチール製芯金の寸法を長さ２３００ｍｍ、外径１７ｍｍ、プリプレグＡの巻きまわし数を７層、ポリエチレンテレフタレートテープを厚み３０μｍ、幅２０ｍｍ、巻きまわしピッチを２ｍｍとした他は伝熱管Ｅと同様にして外径２０ｍｍの伝熱管Ｆを得た。
【００４５】
［バーコール硬度］
実用試験に供したシェルの内表面について、バーコール硬度計（コールマン社製ＧＹＺＪ−９３４−１型）を用いた硬度測定を実施した。尚、未使用時のシェル内表面材料のバーコール硬度は約７５であった。
【００４６】
［実施例１］
シェルの成形用として境界部にシール材がセットできる金属製の分割型を準備した。分割型は外面を成形面とし、分割型組合わせ時の成形表面の寸法として高さａが１０７０ｍｍ、長さｂが２１５０ｍｍ、幅ｃが２８０ｍｍの矩形筒状シェル５（図６）が成形できるものとした。
この分割型成形表面に離型処理を施した後、プリプレグＡを３層、プリプレグＢを４層、を順次、上下する層のプリプレグ端部の突合わせ位置が重ならない様に積層し、積層の際は２層毎に一昼夜の脱気処理を行った。ただし、最終層は１層で一昼夜の脱気を行った。また、一体成形品１０と直角をなすフランジ部２０の積層も同時に行ない、フランジ部２０のプリプレグを一体成形品１０面に渡って折り曲げて積層したり、一体成形品１０面のプリプレグをフランジ部２０に渡って折り曲げて積層したりする事により、プリプレグの突合わせ位置をずらしながら一体成形品１０面とフランジ部２０を一体に積層した。
積層が終了した材料の上からバギングを行ない、一昼夜の脱気の後、これをオーブンへ移し、伝熱管Ｅと同じ温度条件で加熱硬化、自然冷却し、その後脱型してシェル５を得た。
得られたシェル５の管板１１部分に伝熱管４０を取り付ける穴を開け、そこに伝熱管Ｅを取り付けた。上下する伝熱管４０内には対向する方向へ冷却水が流れるように伝熱管４０を連結した。伝熱管４０の取り付け位置は、腐食性流体（ガス）が流入する、シェル開口部のフランジ部２０からの距離ｄが１７１ｍｍ、シェル側面１２からの距離ｅが３６ｍｍの部位に基準となる伝熱管４０ａを設置し、そこから高さａ方向、幅ｃ方向に、共に配列ピッチが５２ｍｍとなるよう、高さ方向に１４本、幅方向に５本、合計７０本（１４行５列）の伝熱管４０をシェル内に設置し、熱交換ユニット６を準備した。図６において、伝熱管の本数は省略して描いている（図７においても同様。）。
前記熱交換ユニット６を３機、フランジ部２０の間でシール材を介して直列に接合し、各熱交換ユニットの外周には上下高さが微調整可能な鉄骨フレーム５０を配置し、鉄骨フレーム５０でフランジ部２０を挟持する形でボルト・ナットによる締付けにより組み立てを実施した。鉄骨フレーム５０は厚さ６ｍｍ、幅７５ｍｍのＬ型アングル鋼材を用いた。鉄骨フレーム５１は、フランジ部２０に沿って枠状に設置した。また、シェル開口部の４隅に高さ方向に沿って鉄骨フレーム５２を４つ設置し、また、２つのシェル側面１２それぞれに、該シェル側面１２を３等分するように、高さ方向に沿って２つの鉄骨フレーム５４を設置し、一体成形品１０に合計８つの鉄骨フレーム５０を設置した。ボルトによる接合は、フランジ部２０に設置した鉄骨フレーム５１と、一体成形品１０に設置した鉄骨フレーム５２、５４との間で行った。以下、上下に接合された３機の熱交換ユニット６を、それぞれ上段熱交換ユニット７、中段熱交換ユニット８、下段熱交換ユニット９とする（図７）。
下段熱交換ユニット９に設置された最下行の伝熱管４０ｂに冷却水の給水ホースを、上段熱交換ユニット最上行の伝熱管４０ｃに冷却水の取り出しホースを接続した後、自家発電プラントの排ガス配管途中に挿入接続し、表１の条件で３ヶ月間の実用試験を実施した。実用試験では冷却水は最下行すなわち４２行目の伝熱管４０ｂへ給水され、最上行すなわち１行目の伝熱管４０ｃから採取された。また、排ガスは上段熱交換ユニット７の上端開口部から下段熱交換ユニット９の下端開口部へ向かって流れるようにした。
【００４７】
［実施例２］
シェルの成形の際、上段熱交換ユニット７に相当する構造体で、腐食性流体（ガス）が流入する開口部のフランジ部２０ａ（図７）から１００ｍｍ〜３７０ｍｍの範囲の一体成形品１０の領域に成形中間材料Ｃを適用した以外は実施例１と同様にしてシェル５ａを成形した。成形中間材料Ｃは所定の寸法に裁断した後、ＰＴＦＥ面が分割型の成形面に接触するように１層配置し、残りの成形面に配置されたプリプレグＡの端面と突き合わされる状態にした。積層の２層目以降は実施例１と同様にプリプレグＡとプリプレグＢのみで実施した。
この様にして成形した成形中間材料Ｃが配されたシェル５ａを上段熱交換ユニット７に、中段熱交換ユニット８、下段熱交換ユニットには実施例１のシェル５を用いた以外は実施例１と同様に伝熱管４０を配置し、鉄骨フレーム５０を用いて組み立て、給排水ホースを取り付けて表１の条件で３ヶ月間の実用試験を実施した。
【００４８】
実施例１および２の運転状態におけるシェル内表面の温度分布を計算により求めると図８のようになった。図８の横軸は伝熱管の位置を示し、縦軸はシェル内表面の温度を示している。上段熱交換ユニット７の排ガス入口部から１行目の伝熱管４０ｃまでの領域のシェル内表面温度は、排ガス温度である１６５〜１６０℃程度と考えられ、伝熱管群が位置する領域のシェル内表面温度は図８のように下方へいくに従い温度が下がり、４２行目の伝熱管位置では約７０℃になっている。この温度状態を踏まえ、実用試験後の各熱交換ユニットの状態を観察すると表２のようになり、充分な耐久性を維持している事を確認した。また、実用試験中にシェルから硫酸を含む腐食性溶液が漏洩することもなかった。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
【表２】
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【００５１】
［実施例３］
シェルの内側寸法を高さａが５４０ｍｍ、長さｂが４００ｍｍ、幅ｃが２３２ｍｍとし、使用材料の積層構成としてプリプレグＡを３層、プリプレグＢを７層に変更した以外は実施例１と同様にしてシェル５ｂを成形した。
シェル５ｂに取り付ける伝熱管４０を伝熱管Ｆとし、基準となる伝熱管４０ａの位置を、距離ｄが１００ｍｍ、距離ｅが２０ｍｍとした。また、そこから高さ方向、幅方向共に配列ピッチが３２ｍｍとなるよう高さ方向に８本、幅方向に７本、合計５６本（８行７列）となるようにして伝熱管４０をシェル５ｂに設置した。それ以外については実施例１と同様にして熱交換ユニット６を準備したが、ここでは熱交換ユニット６を１機のみで実施した。
熱交換ユニット内部の伝熱管４０や内壁面の主要箇所にはシース付き熱伝対（株式会社岡崎製作所製ＡＥＲＯＰＡＫ  ＳＫ、φ１．６ｍｍ）を取り付け、運転時の内部温度状態を記録した。また、熱交換ユニットの外壁面には熱伝対を設置した面を除き、冷却水による冷却機構を取り付けた。冷却機構は、設置する面に相当する面積を持つ、厚み２ｍｍの銅板に、４０ｍｍ間隔で折り曲げ加工により蛇管状にした外径１０ｍｍの銅管をろう付けしたものである。冷却機構は伝熱セメント（株式会社八光製サーモンＴ−６３）により熱交換ユニットの外壁面に接着した。
また、鉄骨フレーム５０は、シェル側面１２に設置する鉄骨フレーム５４を１つとし、一体成形品１０に設置する鉄骨フレーム５０の合計を６つとした他は、実施例１と同様にした。
最下行の伝熱管４０ｄに冷却水の給水ホースを、最上行の伝熱管４０ａに冷却水の取り出しホースを接続した後、自家発電プラントの排ガス配管途中に挿入接続し、表３の条件で１１ヶ月間の実用試験を実施した（図６参照）。実用試験では冷却水は最下行すなわち８行目の伝熱管４０ｄへ給水され、最上行すなわち１行目の伝熱管４０ａから採取された。また、排ガスは熱交換ユニットの上端開口部から下方へ向かって流れるようにした。
【００５２】
【表３】
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【００５３】
実施例３の運転状態におけるシェル内表面の温度分布を計算により求めると図９、図１０のようになった。図９の横軸はシェルの排ガス入口部からの距離を示し、縦軸はシェル内表面の温度を示している。図１０の横軸は伝熱管相当位置を示し、１行目の伝熱管を１とし、８行目の伝熱管を８としている。図９、図１０には白抜きのプロットでシース付き熱電対からの実測値を示したが、計算値は実測値に良く一致している。この結果から、図８での計算値も実際の状態を良く示しているといえる。また、シェルの外壁面に取り付けた冷却機構の効果が表れている。この温度状態を踏まえ、実用試験後のシェルの状態を観察すると表４のようになり、充分な耐久性を維持している事を確認した。また、実用試験中にシェルから硫酸を含む腐食性溶液が漏洩することもなかった。
【００５４】
【表４】
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【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】開口部が矩形の構造体ユニットを示す斜視図である。
【図２】開口部が円形の構造体ユニットを示す斜視図である。
【図３】構造体ユニットを３段重ねにした構造体の斜視図である。
【図４】本発明の構造体を用いた熱交換器のシェルを示した斜視図である。
【図５】フランジ部に鉄骨フレームを取り付け、更に前記フランジ部が架台に固定されたシェルを示した斜視図である。
【図６】本発明の構造体を用いた熱交換ユニットを示した斜視図である。
【図７】図６の熱交換ユニットを３段重ねにした斜視図である。
【図８】実施例１、２のシェル内表面の温度分布である。伝熱管位置は上方から伝熱管の行数で表した。
【図９】実施例３の排ガス入口から最上行伝熱管までの範囲のシェル内表面の温度分布である。
【図１０】実施例３の最上行伝熱管から最下行伝熱管までの範囲のシェル内表面の温度分布である。伝熱管位置は上方から伝熱管の行数で表した。
【符号の説明】
【００５６】
２  炭素繊維強化フェノール樹脂複合材料製の構造体
３  熱交換器
４  シェル
１０  一体成形品
２０  フランジ部
３０  腐食性流体の流れ
５０  鉄骨フレーム
６０  架台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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