JP2004293853A - 高温用熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温あるいはさらに水蒸気添加雰囲気で高温酸化による腐食、減肉を生じにくいフェライト系ステンレス鋼を用いた高温用熱交換器を提供する。
【解決手段】高温側の流体温度が５５０ ℃以上、あるいはさらに熱交換流体の少なくとも一方を水蒸気含有ガスとする熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成してなる高温用熱交換器である。運転中、鋼中含有Ａｌが強固なアルミナ被膜を形成し、高温酸化が顕著に防止される。
【選択図】 図３
【解決手段】高温側の流体温度が５５０ ℃以上、あるいはさらに熱交換流体の少なくとも一方を水蒸気含有ガスとする熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成してなる高温用熱交換器である。運転中、鋼中含有Ａｌが強固なアルミナ被膜を形成し、高温酸化が顕著に防止される。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温用熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器、特にプレート式熱交換器などの構成部品は大きな伝熱容量を確保するために、できるだけ薄板にすることが求められている。しかしながら、こうした熱交換器用伝熱プレートなどは、板厚が薄くなればなるほど繰返し酸化に伴うスケール剥離を起因とする特性の低下と耐用期間の縮減を招くことになる。このような背景のもとに採用されている従来の熱交換器用材料としてはＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６Ｌ のステンレス鋼が一般的であり、これらの材料で耐用不十分な場合はＳＵＳ３１０Ｓ や特許文献１記載の熱交換器用フェライト系ステンレス鋼が使用されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２６４２０５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来使われている熱交換器用材料としての上記ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ （オーステナイト系ステンレス鋼）はスケールがスポーリング（剥離）して板厚減少が大きく高温での使用に難点がある。また、水蒸気の添加された高温雰囲気では、さらにオーステナイト系ステンレス鋼の中でも材料グレードの高いＳＵＳ３１０Ｓ や特許文献１記載の熱交換器用フェライト系ステンレス鋼でも同様の現象が発生する。また一般に熱交換器の場合、単位時間あたりの伝熱量が大きいほど、すなわち熱伝導率が大きいほど好ましいといえるが、一方においてこのことは運転時に各部位で発生する温度差を助長して熱応力を発生しやすくなる。この熱応力により熱交換器に熱歪みが生じて割れが発生する問題がある。この点、オーステナイト系ステンレス鋼は熱膨張率が高く、割れに対しては不利となる。
【０００５】
そこで、本発明は５５０ ℃以上の高温あるいはさらに水蒸気添加雰囲気で高温酸化による腐食、減肉を生じにくいフェライト系ステンレス鋼を用いた高温用熱交換器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成した本発明は、（１） 流体温度が５５０ ℃以上の熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成されたことを特徴とする高温用熱交換器であり、また、（２） 流体温度が５５０ ℃以上でかつ熱交換流体の少なくとも一方を水蒸気含有ガスとする熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成されたことを特徴とする高温用熱交換器であり、また、（３） 流体温度が７５０ ℃以上でかつ熱交換流体の少なくとも一方を水蒸気含有ガスとする熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成されたことを特徴とする高温用熱交換器である。
【０００７】
本発明の高温用熱交換器では、熱交換器部材としてＡｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いたので、流体温度５５０ ℃以上での運転中に鋼表面に厚さ０．１ μｍ 以上の強固なアルミナ被膜が形成され、高温酸化による腐食、減肉が防止される。また、水蒸気含有ガスによる水蒸気酸化による金属組織の粒界からの剥離も防止される。また、流体温度７５０ ℃以上では前記アルミナ被膜の厚みが０．５ μｍ 以上となって、高温酸化による腐食、減肉および水蒸気酸化による金属組織の粒界からの剥離が防止される。よって、本発明によれば、５５０ ℃以上の高温環境で異常酸化による崩壊もなく、熱応力による割れが発生しなくなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る熱交換器の構成部材は、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼（本発明用鋼という。）であることが必要であり、Ａｌ以外の成分については、フェライト系ステンレス鋼から逸脱しない範囲で適宜の元素を適宜の量添加してもよい。例えば酸化被膜の密着性を良くするためにＬａを適量添加してもよい。
【０００９】
熱交換器は図１に示すチューブフィン型および図２に示すプレートフィン型などがある。図２に示すプレートフィン型熱交換器において、プレート厚み０．２５ｍｍ、およびフィン厚み０．１２ｍｍの材料として、２０ｍａｓｓ％Ｃｒ− ５ｍａｓｓ％Ａｌ（−０．０８０ｍａｓｓ％Ｌａ添加）含有フェライト系ステンレス鋼（本発明用鋼Ａという。）、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ およびＳＵＳ３１０Ｓ （後三者はいずれもＡｌ＜１．０ｍａｓｓ ％）をそれぞれ用いた熱交換器を９００ ℃‐３０ｖｏｌ．％水蒸気雰囲気で酸化テストした際の各材料表面の耐酸化性を図３に示す。酸化の進展度合いは酸化増量で評価した。酸化が進むと鋼が酸素と結合して重量が増加するので酸化増量にて材料および部材の耐酸化性が評価できる。本発明用鋼Ａが格段に優れた耐酸化性を示すことがわかる。また、１１００℃×３００ ｈで酸化テストした材料表層部を顕微鏡で調べたところ、本発明用鋼Ａは緻密なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３ ）被膜を形成して酸化を抑制した（図４ 参照）のに対し、オーステナイト系の中でも耐熱性に優れるＳＵＳ３１０Ｓ でさえも結晶粒界が侵食されスケールが剥離していた（図５参照）。
【００１０】
本発明用鋼のＡｌ量を１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％とした理由は、１．０ｍａｓｓ ％未満では緻密なアルミナ被膜が形成されずに、（ＦｅＣｒ）２Ｏ被膜ができて酸化を充分に抑制することができず（図６参照）、一方、８．０ｍａｓｓ ％を超えると熱延板の靭性が著しく低下（図７参照）して製造ラインに通板することができないからである。
【００１１】
【実施例】
前記本発明用鋼Ａの板をプレート厚０．２５ｍｍ、フィン厚０．１２ｍｍにプレス加工し、ロウ付け構成によりプレートフィン型熱交換器とした本発明例を、図８に示すシステムフローにて運転される個体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの高温側熱交換器として使用した。運転条件は熱交換器の排ガス側のガス組成が２５ｖｏｌ．％水蒸気‐ＣＯ２ ‐Ｏ２‐Ｎ２、天然ガスのガス組成が２０ｖｏｌ．％水蒸気‐ＣＨ４ ‐Ｈ２‐ＣＯ‐ＣＯ２ であり、高温側のガス温度を８５０ ℃、ガス圧を５００ｍｍＨ２Ｏとした。また、比較例１〜３として、上記本発明例において本発明用鋼Ａに代えてＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ 、ＳＵＳ３１０Ｓ をそれぞれ用いた以外は同様に構成した熱交換器を、上記本発明例と同一条件で運転した。その結果、熱交換器の寿命は、比較例１，２，３ではそれぞれ６００ ｈ、９００ ｈ、１５００ｈであったのに対し、本発明例では４００００ ｈまで延長できた。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、５５０ ℃以上の高温環境で、異常酸化による崩壊もなく、熱応力による割れが発生しない熱交換器が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】チューブフィン型熱交換器を示す立体図である。
【図２】プレートフィン型熱交換器を示す（ａ）は部分組立図、（ｂ）は立体図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図である。
【図３】各種ステンレス鋼の９００ ℃‐３０ｖｏｌ．％Ｈ２Ｏ 雰囲気における酸化時間と酸化増量の関係を示すグラフでである。
【図４】本発明用鋼Ａの１１００℃×３００ ｈ高温水蒸気酸化試験後の試料断面観察結果を示す（ａ）はミクロ組織の走査型電子顕微鏡写真複写図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ（ａ）のＯ、Ｃ、ＡｌのＥＰＭＡ濃度分布図である。
【図５】ＳＵＳ３１０Ｓ の１１００℃×３００ ｈ高温水蒸気酸化試験後の試料断面観察結果を示すミクロ組織の光学顕微鏡写真複写図である。
【図６】フェライト系ステンレス鋼のＡｌ含有量とスケール組成の関係を示す模式図である。
【図７】０．０１ｍａｓｓ％Ｃ‐２０ｍａｓｓ％Ｃｒ‐ｘｍａｓｓ％Ａｌ（ｘ＝３，４，５，７，９）含有フェライト系ステンレス鋼熱間圧延板（板厚２．５ｍｍ ）のシャルピー衝撃値の温度依存性を示すグラフである。
【図８】固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムを示すシステムフロー図である。
【符号の説明】
１ チューブ
２ フィン
３ 隔離薄板（プレート）
４ フィン
５ チューブ薄板
６ 端支持
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温用熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器、特にプレート式熱交換器などの構成部品は大きな伝熱容量を確保するために、できるだけ薄板にすることが求められている。しかしながら、こうした熱交換器用伝熱プレートなどは、板厚が薄くなればなるほど繰返し酸化に伴うスケール剥離を起因とする特性の低下と耐用期間の縮減を招くことになる。このような背景のもとに採用されている従来の熱交換器用材料としてはＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６Ｌ のステンレス鋼が一般的であり、これらの材料で耐用不十分な場合はＳＵＳ３１０Ｓ や特許文献１記載の熱交換器用フェライト系ステンレス鋼が使用されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２６４２０５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来使われている熱交換器用材料としての上記ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ （オーステナイト系ステンレス鋼）はスケールがスポーリング（剥離）して板厚減少が大きく高温での使用に難点がある。また、水蒸気の添加された高温雰囲気では、さらにオーステナイト系ステンレス鋼の中でも材料グレードの高いＳＵＳ３１０Ｓ や特許文献１記載の熱交換器用フェライト系ステンレス鋼でも同様の現象が発生する。また一般に熱交換器の場合、単位時間あたりの伝熱量が大きいほど、すなわち熱伝導率が大きいほど好ましいといえるが、一方においてこのことは運転時に各部位で発生する温度差を助長して熱応力を発生しやすくなる。この熱応力により熱交換器に熱歪みが生じて割れが発生する問題がある。この点、オーステナイト系ステンレス鋼は熱膨張率が高く、割れに対しては不利となる。
【０００５】
そこで、本発明は５５０ ℃以上の高温あるいはさらに水蒸気添加雰囲気で高温酸化による腐食、減肉を生じにくいフェライト系ステンレス鋼を用いた高温用熱交換器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成した本発明は、（１） 流体温度が５５０ ℃以上の熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成されたことを特徴とする高温用熱交換器であり、また、（２） 流体温度が５５０ ℃以上でかつ熱交換流体の少なくとも一方を水蒸気含有ガスとする熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成されたことを特徴とする高温用熱交換器であり、また、（３） 流体温度が７５０ ℃以上でかつ熱交換流体の少なくとも一方を水蒸気含有ガスとする熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成されたことを特徴とする高温用熱交換器である。
【０００７】
本発明の高温用熱交換器では、熱交換器部材としてＡｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いたので、流体温度５５０ ℃以上での運転中に鋼表面に厚さ０．１ μｍ 以上の強固なアルミナ被膜が形成され、高温酸化による腐食、減肉が防止される。また、水蒸気含有ガスによる水蒸気酸化による金属組織の粒界からの剥離も防止される。また、流体温度７５０ ℃以上では前記アルミナ被膜の厚みが０．５ μｍ 以上となって、高温酸化による腐食、減肉および水蒸気酸化による金属組織の粒界からの剥離が防止される。よって、本発明によれば、５５０ ℃以上の高温環境で異常酸化による崩壊もなく、熱応力による割れが発生しなくなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る熱交換器の構成部材は、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼（本発明用鋼という。）であることが必要であり、Ａｌ以外の成分については、フェライト系ステンレス鋼から逸脱しない範囲で適宜の元素を適宜の量添加してもよい。例えば酸化被膜の密着性を良くするためにＬａを適量添加してもよい。
【０００９】
熱交換器は図１に示すチューブフィン型および図２に示すプレートフィン型などがある。図２に示すプレートフィン型熱交換器において、プレート厚み０．２５ｍｍ、およびフィン厚み０．１２ｍｍの材料として、２０ｍａｓｓ％Ｃｒ− ５ｍａｓｓ％Ａｌ（−０．０８０ｍａｓｓ％Ｌａ添加）含有フェライト系ステンレス鋼（本発明用鋼Ａという。）、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ およびＳＵＳ３１０Ｓ （後三者はいずれもＡｌ＜１．０ｍａｓｓ ％）をそれぞれ用いた熱交換器を９００ ℃‐３０ｖｏｌ．％水蒸気雰囲気で酸化テストした際の各材料表面の耐酸化性を図３に示す。酸化の進展度合いは酸化増量で評価した。酸化が進むと鋼が酸素と結合して重量が増加するので酸化増量にて材料および部材の耐酸化性が評価できる。本発明用鋼Ａが格段に優れた耐酸化性を示すことがわかる。また、１１００℃×３００ ｈで酸化テストした材料表層部を顕微鏡で調べたところ、本発明用鋼Ａは緻密なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３ ）被膜を形成して酸化を抑制した（図４ 参照）のに対し、オーステナイト系の中でも耐熱性に優れるＳＵＳ３１０Ｓ でさえも結晶粒界が侵食されスケールが剥離していた（図５参照）。
【００１０】
本発明用鋼のＡｌ量を１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％とした理由は、１．０ｍａｓｓ ％未満では緻密なアルミナ被膜が形成されずに、（ＦｅＣｒ）２Ｏ被膜ができて酸化を充分に抑制することができず（図６参照）、一方、８．０ｍａｓｓ ％を超えると熱延板の靭性が著しく低下（図７参照）して製造ラインに通板することができないからである。
【００１１】
【実施例】
前記本発明用鋼Ａの板をプレート厚０．２５ｍｍ、フィン厚０．１２ｍｍにプレス加工し、ロウ付け構成によりプレートフィン型熱交換器とした本発明例を、図８に示すシステムフローにて運転される個体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの高温側熱交換器として使用した。運転条件は熱交換器の排ガス側のガス組成が２５ｖｏｌ．％水蒸気‐ＣＯ２ ‐Ｏ２‐Ｎ２、天然ガスのガス組成が２０ｖｏｌ．％水蒸気‐ＣＨ４ ‐Ｈ２‐ＣＯ‐ＣＯ２ であり、高温側のガス温度を８５０ ℃、ガス圧を５００ｍｍＨ２Ｏとした。また、比較例１〜３として、上記本発明例において本発明用鋼Ａに代えてＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ 、ＳＵＳ３１０Ｓ をそれぞれ用いた以外は同様に構成した熱交換器を、上記本発明例と同一条件で運転した。その結果、熱交換器の寿命は、比較例１，２，３ではそれぞれ６００ ｈ、９００ ｈ、１５００ｈであったのに対し、本発明例では４００００ ｈまで延長できた。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、５５０ ℃以上の高温環境で、異常酸化による崩壊もなく、熱応力による割れが発生しない熱交換器が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】チューブフィン型熱交換器を示す立体図である。
【図２】プレートフィン型熱交換器を示す（ａ）は部分組立図、（ｂ）は立体図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図である。
【図３】各種ステンレス鋼の９００ ℃‐３０ｖｏｌ．％Ｈ２Ｏ 雰囲気における酸化時間と酸化増量の関係を示すグラフでである。
【図４】本発明用鋼Ａの１１００℃×３００ ｈ高温水蒸気酸化試験後の試料断面観察結果を示す（ａ）はミクロ組織の走査型電子顕微鏡写真複写図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ（ａ）のＯ、Ｃ、ＡｌのＥＰＭＡ濃度分布図である。
【図５】ＳＵＳ３１０Ｓ の１１００℃×３００ ｈ高温水蒸気酸化試験後の試料断面観察結果を示すミクロ組織の光学顕微鏡写真複写図である。
【図６】フェライト系ステンレス鋼のＡｌ含有量とスケール組成の関係を示す模式図である。
【図７】０．０１ｍａｓｓ％Ｃ‐２０ｍａｓｓ％Ｃｒ‐ｘｍａｓｓ％Ａｌ（ｘ＝３，４，５，７，９）含有フェライト系ステンレス鋼熱間圧延板（板厚２．５ｍｍ ）のシャルピー衝撃値の温度依存性を示すグラフである。
【図８】固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムを示すシステムフロー図である。
【符号の説明】
１ チューブ
２ フィン
３ 隔離薄板（プレート）
４ フィン
５ チューブ薄板
６ 端支持
Claims (3)
- 流体温度が５５０ ℃以上の熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成されたことを特徴とする高温用熱交換器。
- 流体温度が５５０ ℃以上でかつ熱交換流体の少なくとも一方を水蒸気含有ガスとする熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成されたことを特徴とする高温用熱交換器。
- 流体温度が７５０ ℃以上でかつ熱交換流体の少なくとも一方を水蒸気含有ガスとする熱交換器において、Ａｌ：１．０ 〜８．０ｍａｓｓ ％を含有するフェライト系ステンレス鋼を用いて構成されたことを特徴とする高温用熱交換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003084588A JP2004293853A (ja) | 2003-03-26 | 2003-03-26 | 高温用熱交換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003084588A JP2004293853A (ja) | 2003-03-26 | 2003-03-26 | 高温用熱交換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004293853A true JP2004293853A (ja) | 2004-10-21 |
| JP2004293853A5 JP2004293853A5 (ja) | 2006-04-06 |
Family
ID=33399729
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003084588A Pending JP2004293853A (ja) | 2003-03-26 | 2003-03-26 | 高温用熱交換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004293853A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006236600A (ja) * | 2005-02-22 | 2006-09-07 | Jfe Steel Kk | 固体酸化物形燃料電池 |
| WO2013175760A1 (ja) * | 2012-05-22 | 2013-11-28 | 株式会社Ｇｓユアサ | 蓄電素子 |
-
2003
- 2003-03-26 JP JP2003084588A patent/JP2004293853A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006236600A (ja) * | 2005-02-22 | 2006-09-07 | Jfe Steel Kk | 固体酸化物形燃料電池 |
| WO2013175760A1 (ja) * | 2012-05-22 | 2013-11-28 | 株式会社Ｇｓユアサ | 蓄電素子 |
| JPWO2013175760A1 (ja) * | 2012-05-22 | 2016-01-12 | 株式会社Ｇｓユアサ | 蓄電素子 |
| US9905369B2 (en) | 2012-05-22 | 2018-02-27 | Gs Yuasa International Ltd. | Energy storage device |
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