(57)【要約】【課題】耐食性等を十分に向上可能な、熱交換器などを提供する。【解決手段】実施形態の熱交換器は、チューブと電気防食層とを有する。チューブは、内部を流れる被加熱媒体が外部を流れる燃焼ガスによって加熱される。電気防食層は、チューブの外周面に設けられており、犠牲陽極として機能してチューブを防食する。ここでは、電気防食層は、シリコーン樹脂と、チューブよりもイオン化傾向が大きい金属材料で形成された犠牲陽極粉末とを含む。【選択図】図２
2016008755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を流れる被加熱媒体が外部を流れる燃焼ガスによって加熱されるチューブと、
前記チューブの外周面に設けられており、犠牲陽極として機能して前記チューブを防食する電気防食層と
を有し、
前記電気防食層は、シリコーン樹脂と、前記チューブよりもイオン化傾向が大きい金属材料で形成された犠牲陽極粉末とを含む、
熱交換器。
【請求項２】
前記電気防食層は、導電性フィラーを更に含む、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記電気防食層は、
前記シリコーン樹脂の含有割合が、４０〜５７重量％であり、
前記犠牲陽極粉末の含有割合が、４０〜５７重量％であり、
前記導電性フィラーの含有割合が、０．１〜３重量％である、
請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記チューブは、炭素鋼または低合金鋼で形成されており、
前記電気防食層は、前記犠牲陽極粉末が、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、および、これらの合金の少なくとも１つで形成された粉末であり、前記導電性フィラーが、カーボン系粉末、金属酸化物系粉末の少なくとも１つである、
請求項２または３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記犠牲陽極粉末の組成は、
アルミニウム元素の含有割合が、４０〜６０重量％であり、
亜鉛元素の含有割合が、２０〜６０重量％であり、
マグネシウム元素の含有割合が、０〜１０重量％である、
請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記犠牲陽極粉末は、粒子径が１０ｎｍ〜１００μｍの範囲であり、
前記導電性フィラーは、粒子径が１ｎｍ〜１μｍの範囲である、
請求項２から５のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項７】
熱交換器のうち、内部を流れる被加熱媒体が外部を流れる燃焼ガスによって加熱されるチューブを防食する防食方法であって、
犠牲陽極として機能して前記チューブを防食する電気防食層を前記チューブの外周面に形成する、電気防食層形成工程
を有し、
前記電気防食層は、シリコーン樹脂と、前記チューブよりもイオン化傾向が大きい金属材料で形成された犠牲陽極粉末とを含む、
防食方法。
【請求項８】
防食対象の面を防食する防食方法であって、
前記防食対象に対して犠牲陽極として機能する電気防食層を前記防食対象の面に形成する、電気防食層形成工程
を有し、
前記電気防食層は、シリコーン樹脂と、前記チューブよりもイオン化傾向が大きい金属材料で形成された犠牲陽極粉末とを含む、
防食方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、熱交換器，防食方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、発電分野等のさまざまな分野において利用されている。
【０００３】
熱交換器は、たとえば、ボイラであり、化石燃料（重油、石炭、液化天然ガスなど）を燃焼させて生じた燃焼ガスと、被加熱媒体である水との間において熱交換が行われることによって、蒸気を生成する。具体的には、ボイラは、中空胴の内部にチューブが収容されており、チューブの内部を流れる水が、チューブの外部を流れる燃焼ガスで加熱されて蒸気になる。ボイラで生成された蒸気は、たとえば、蒸気タービンに作動媒体として供給され、発電が行われる。
【０００４】
上記のボイラにおいては、チューブに腐食（エロージョン）が発生する場合がある。特に、チューブの外周面のうち、温度が低い低温部分においては、いわゆる硫酸露点腐食が著しく生じる場合がある。硫酸露点腐食は、燃焼ガス中に微量含有する亜硫酸ガス（ＳＯ３）および水がチューブの鋼材表面で硫酸露点以下の温度になって凝縮して硫酸が生成されるために発生する。ＳＯ３が高い濃度になるに伴って硫酸露点が高くなるため、ＳＯ３の濃度上昇に伴って硫酸露点腐食が激しく発生する。その結果、チューブの管厚が薄くなって破損する場合がある。
【０００５】
上記のボイラのうち、チューブは、安全性などの観点から予め定められた規格に基いて、炭素鋼や低合金鋼を用いて製造される。このため、チューブ自身の材料を変更することによって、腐食の発生を防止することが容易でない。そこで、チューブの腐食を防止するために、さまざまな技術が提案されている。たとえば、チューブの外周面に耐食性の被膜層を形成すること等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３２４９７６号公報
【特許文献２】特開平０８−２８５４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記においては、耐食性が十分でなく、チューブの腐食を効果的に防止することが困難な場合がある。また、耐熱性などの特性が不十分である場合がある。この他に、施工が容易でなく、施工コストが高くなる場合がある。
【０００８】
ボイラなどの熱交換器以外の機器においても、腐食を効果的に防止すること等が求められている。
【０００９】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、耐食性等を十分に向上可能な、熱交換器、および、防食方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態の熱交換器は、チューブと電気防食層とを有する。チューブは、内部を流れる被加熱媒体が外部を流れる燃焼ガスによって加熱される。電気防食層は、チューブの外周面に設けられており、犠牲陽極として機能してチューブを防食する。ここでは、電気防食層は、シリコーン樹脂と、チューブよりもイオン化傾向が大きい金属材料で形成された犠牲陽極粉末とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る熱交換器を示す図である。
【図２】実施形態に係る熱交換器において、チューブの一部を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
［Ａ］熱交換器１の構成
図１は、実施形態に係る熱交換器１を示す図である。図１は、断面図であり、熱交換器１の要部を模式的に示している。また、図１においては、燃焼ガスＦ１の流れを破線の矢印で示すと共に、被加熱媒体Ｆ２の流れを実線の矢印で示している。
【００１４】
熱交換器１は、図１に示すように、中空胴１０とチューブ２０とを備える。熱交換器１は、ボイラであって、燃焼ガスＦ１と被加熱媒体Ｆ２との間において熱交換が行われ、被加熱媒体Ｆ２が加熱される。熱交換器１を構成する各部の詳細について、順次、説明する。
【００１５】
［Ａ−１］中空胴１０
中空胴１０は、図１に示すように、管状体であって、燃焼ガスＦ１が内部を流れる。
【００１６】
具体的には、中空胴１０は、管軸方向（ｘ方向）において、一端（図１では左端）側に位置する入口から、燃焼ガスＦ１が流入する。そして、中空胴１０は、管軸方向（ｘ方向）において、他端（図１では右端）側に位置する出口から外部へ流出する。
【００１７】
中空胴１０は、たとえば、蒸気タービン（図示省略）とガスタービン（図示省略）とを含むコンバインドサイクル発電システム（図示省略）において、ガスタービンから排気された燃焼ガスＦ１が供給される。
【００１８】
［Ａ−２］チューブ２０（伝熱管）
チューブ２０は、図１に示すように、被加熱媒体Ｆ２が内部を流れる。チューブ２０は、伝熱管であり、内部を流れる被加熱媒体が、外部を流れる燃焼ガスＦ１によって加熱される。
【００１９】
ここでは、チューブ２０は、複数であり、その複数のチューブ２０が中空胴１０の内部において間を隔てて配置されている。複数のチューブ２０のそれぞれは、チューブ２０の管軸方向（ｚ方向）が、中空胴１０の管軸方向（ｘ方向）に対して直交するように設置されている。
【００２０】
複数のチューブ２０においては、中空胴１０の管軸方向（ｘ方向）において一端（図１では右端）側に位置するチューブ２０の入口から、被加熱媒体Ｆ２が流入する。そして、中空胴１０の管軸方向（ｘ方向）において一端（左端）側から他端（左端）へ向かうように、被加熱媒体Ｆ２が複数のチューブ２０のそれぞれを流れる。そして、中空胴１０の管軸方向（ｘ方向）において、他端（左端）に位置するチューブ２０の出口から、被加熱媒体Ｆ２が外部へ流出する。
【００２１】
複数のチューブ２０は、たとえば、コンバインドサイクル発電システムにおいて、蒸気タービンから排気された後に復水器で凝縮された水が、被加熱媒体Ｆ２として供給される。そして、その供給された被加熱媒体Ｆ２は、燃焼ガスＦ１の熱がチューブ２０の管壁を介して伝達し、加熱される。ここでは、被加熱媒体Ｆ２は、中空胴１０の管軸方向（ｘ方向）において一端（右端）側から他端（左端）へ向かうに伴って、温度が上昇する。たとえば、被加熱媒体Ｆ２としてチューブ２０に流入した液体状態の水が、燃焼ガスＦ１の熱によって気化し、蒸気になる。この蒸気になった被加熱媒体Ｆ２は、たとえば、コンバインドサイクル発電システムにおいて、蒸気タービンに作動媒体として供給される。
【００２２】
チューブ２０は、定められた規格に基いて、炭素鋼または低合金鋼を用いて形成されている。低合金鋼は、合金金属（Ａｌ，Ｂ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｐｂ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｚｒの少なくとも１つ）の合計量が５から１０質量％である鋼である。
【００２３】
図２は、実施形態に係る熱交換器１において、チューブ２０の一部を拡大して示す断面図である。
【００２４】
図２では、複数のチューブ２０のうち、中空胴１０の管軸方向（ｘ方向）において一端（右端）側に位置するチューブ２０に関して、示している。つまり、複数のチューブ２０のうち、内部を流れる被加熱媒体Ｆ２の温度が相対的に低いチューブ２０であって、硫酸露点腐食が生じ易い部分に関して示している。
【００２５】
図２に示すように、チューブ２０は、電気防食層２１が外周面に設けられている。
【００２６】
［Ａ−２−１］電気防食層２１
電気防食層２１は、犠牲陽極（流動陽極）として機能し、チューブ２０を防食するように構成されている。また、電気防食層２１は、耐熱温度が室温（通常２０℃）から５００℃の範囲になるように形成されている。
【００２７】
本実施形態では、電気防食層２１は、シリコーン樹脂と犠牲陽極粉末とを含む。この他に、電気防食層２１は、導電性フィラーを更に含んでもよい。
【００２８】
［Ａ−２−１−１］シリコーン樹脂
電気防食層２１において、シリコーン樹脂は、オルガノポリシロキサンを主鎖として構成されるケイ素樹脂であって、バインダーとして機能する。
【００２９】
本実施形態では、シリコーン樹脂は、たとえば、熱安定性のために、ストレートシリコーン、変性シリコーンなどを用いることが好ましい。
【００３０】
［Ａ−２−１−２］犠牲陽極粉末
電気防食層２１において、犠牲陽極粉末は、被防食体であるチューブ２０よりもイオン化傾向が大きい金属材料で形成されており、犠牲陽極（流動陽極）として機能する。
【００３１】
本実施形態では、犠牲陽極粉末は、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、および、これらの合金の少なくとも１つで形成された粉末であることが、シリコーン樹脂に対して均一に分散することができるので好ましい。犠牲陽極粉末で使用する合金としては、たとえば、ＡｌＺｎ合金またはＡｌＺｎＭｇ合金などが好ましい。犠牲陽極粉末がＡｌＺｎ合金またはＡｌＺｎＭｇ合金などの合金である場合には、ＭｇやＺｎなどの単体である場合よりも、被防食体に対して電気防食に必要最小限の電流を流すことが可能であり、合金自身が適切な速度で犠牲電極として溶解するので、防食期間を最大限にすることができる。
【００３２】
犠牲陽極粉末の組成において、アルミニウム元素の含有割合は、４０〜６０重量％であることが、好ましい。また、亜鉛元素の含有割合は、２０〜６０重量％であることが好ましい。さらに、マグネシウム元素の含有割合は、０〜１０重量％であることが好ましい。
【００３３】
［Ａ−２−１−３］導電性フィラー
導電性フィラーは、導電材料で形成された粉末であって、電気防食層２１の導電性を向上するために添加されている。
【００３４】
本実施形態では、導電性フィラーは、バインダーであるシリコーン樹脂の導電性を上げて、犠牲陽極粉末を効率よく犠牲陽極として機能させるために、カーボン系粉末であることが好ましい。
【００３５】
［Ａ−２−１−４］犠牲陽極粉末および導電性フィラーの粒子径
電気防食層２１のうち、犠牲陽極粉末は、粒子径が１０ｎｍ〜１００μｍの範囲であることが好ましい。犠牲陽極粉末の粒子径が上記の下限値よりも小さいときには、電気防食に必要な防食電流が十分流れなくなる場合がある。また、上記の上限値よりも大きいときは、犠牲陽極粉末がシリコーン樹脂に均一に分散しない場合がある。
【００３６】
また、導電性フィラーは、粒子径が１ｎｍ〜１μｍの範囲であることが好ましい。導電性フィラーの粒子径が上記の下限値よりも小さいときには、導電性が十分でなくなる場合がある。また、上記の上限値よりも大きいときは、導電性フィラーがシリコーン樹脂に均一に分散しない場合がある。なお、上記において、粒子径は、ナノ粒子径分布測定装置（例えば、SALD-7500nano（島津製作所製））を用いて測定された値である。
【００３７】
［Ａ−２−１−５］電気防食層２１の含有割合
電気防食層２１は、シリコーン樹脂の含有割合が、４０〜５７重量％であり、犠牲陽極粉末の含有割合が、４０〜５７重量％であり、導電性フィラーの含有割合が、０．１〜３重量％であることが、好ましい。
【００３８】
シリコーン樹脂の含有割合が上記の下限値よりも小さいときには、電気防食層２１の塗布性が悪化し、電気防食層２１が剥離しやすくなる場合がある。そして、上記の上限値よりも大きいときは、導電性が十分でなく、犠牲陽極粉末が効果的に電気防食機能を発揮できない場合がある。
【００３９】
犠牲陽極粉末の含有割合が上記の下限値よりも小さいときには、効果的に電気防食機能が発揮しない場合がある。そして、上記の上限値よりも大きいときは、電気防食層２１の塗布性が悪化し、電気防食層２１が剥離しやすくなる場合がある。
【００４０】
導電性フィラーの含有割合が上記の下限値よりも小さいときには、導電性が十分でなくなる場合がある。そして、上記の上限値よりも大きいときは、電気防食層２１の塗布性が悪化し、電気防食層２１が剥離しやすくなる場合がある。
【００４１】
［Ａ−２−１−６］電気防食層２１の膜厚
電気防食層２１は、膜厚が５０から２００μｍであることが好ましい。
【００４２】
電気防食層２１の膜厚が上記の下限値よりも小さいときには、電気防食層の防食寿命が短くなる場合があり、上記の上限値よりも大きいときは、電気防食層２１が剥離しやすくなる場合がある。
【００４３】
［Ｂ］防食方法
上記のように、チューブ２０を防食する方法について説明する。
【００４４】
本実施形態では、チューブ２０を防食するために、上述したように、まず、電気防食層２１をチューブ２０の外周面に形成する。
【００４５】
ここでは、電気防食層２１を構成する材料を含む塗布液を準備する。そして、その準備した塗布液をチューブ２０の外周面に塗布する。たとえば、刷毛またはエアスプレーを用いて塗布を行う。そして、乾燥を行う。
【００４６】
上記の塗布液（溶剤）において、電気防食層２１を構成する材料を溶解または分散させる溶媒としては、たとえば、アルコール類、ケトン類、エステル類などを用いる。また、乾燥温度は、たとえば、室温から１５０℃の範囲のいずれでもよい。
【００４７】
［Ｃ］まとめ
以上のように、本実施形態の熱交換器１は、内部を流れる被加熱媒体が、外部を流れる燃焼ガスによって加熱されるチューブ２０を有する。そして、チューブ２０の外周面には、犠牲陽極として機能してチューブ２０を防食する電気防食層２１が設けられている。ここでは、電気防食層２１は、高い耐熱性を有するシリコーン樹脂と、チューブ２０よりもイオン化傾向が大きい金属材料で形成された犠牲陽極粉末とを含む。このため、本実施形態では、シリコーン樹脂によって高い耐熱性を実現することができる。さらに、本実施形態では、犠牲陽極粉末によって電気防食層２１が犠牲陽極として機能し、チューブ２０を防食するので、チューブ２０の腐食を効果的に防止することが可能である。
【００４８】
また、本実施形態では、電気防食層２１は、導電性フィラーを更に含む。このため、本実施形態では、電気防食層２１の導電性が高くなるので、チューブ２０の電気防食を更に効果的に実現することができる。
【００４９】
［Ｄ］変形例
本実施形態では、熱交換器１に流入する被加熱媒体Ｆ２が、水である場合について説明したが、これに限らない。被加熱媒体Ｆ２は、たとえば、水よりも沸点が低い有機媒体などの低沸点媒体であってもよい。つまり、本実施形態の熱交換器１を、ＯＲＣ（Organic Rankin Cycle）発電システムなどの発電システムに適用してもよい。
【００５０】
本実施形態では、熱交換器１のチューブ２０を防食する場合について説明したが、これに限らない。熱交換器１以外の機器において、腐食が生じ得る防食対象の面を防食するために、電気防食層２１などを形成してもよい。つまり、防食対象に対して犠牲陽極として機能する電気防食層２１を防食対象の面に形成してもよい。たとえば、発電プラントにおいて防食が必要な部分に、電気防食層２１などを形成してもよい。
【００５１】
本実施形態では、電気防食層２１の形成について、刷毛またはエアスプレーを用いて塗布を行う場合に関して説明したが、これに限らない。ショットコーティングなどのように、他の塗布方法で、電気防食層２１について形成してもよい。ショットコーティングで塗布を行うときには、常温環境下において、複雑な装置を使用せずに、容易に電気防食層２１などの層を形成することができる。
【００５２】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、耐食性等を十分に向上できる。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１…熱交換器、１０…中空胴、２０…チューブ、２１…電気防食層、Ｆ１…燃焼ガス、Ｆ２…被加熱媒体
【図１】
2016008755.tif 000003
【図２】
2016008755.tif 000004