JP4444001B2

JP4444001B2 - 熱交換装置

Info

Publication number: JP4444001B2
Application number: JP2004160007A
Authority: JP
Inventors: 進稲井; 精一市川; 雅之小平; 弘宜錦織
Original assignee: Katayama Chemical Works Co Ltd; Hisaka Works Ltd
Current assignee: Katayama Chemical Works Co Ltd; Hisaka Works Ltd
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: JP2005337643A

Description

この発明は、熱交換装置に関し、さらに詳細には、プレート式熱交換器を備えた熱交換装置に関する。

この発明に関連する技術としては、海水が流入・排出する海水容器内に浸漬された熱交換パイプに熱水を導入するようにした熱交換器において、熱交換パイプを正極とし、海水容器内に負極を設置したもの（例えば、特許文献１参照）や、海水と接する構造物の海水側表面に電気的触媒を設け、電気的触媒から酸素を発生させて海生生物の付着を防止する、海水に接する構造物の防汚装置（例えば、特許文献２参照）などが知られている。

特公平１−４６５９５号公報（第９欄、第２７〜３７行）特開２００２−１６７７２５号公報（段落［００１３］）

熱交換器は、温度の異なる２種類の流体の熱的な接触によって熱エネルギーの交換を行う装置であり、流体を介して各種装置の冷却、加温を行ったり、流体の復水、気化などに広く用いられている。なかでもプレート式熱交換器は、省スペース化が可能で機器の重量が軽く、熱効率の高い熱交換器として各種産業で利用されている。

一方、淡水を冷却水としている工場では、その冷却水系にスライムやスケールが付着して各種障害が生じるという問題がある。
また、海水を冷却水として利用する火力発電所や石油精製工場などでは、その冷却水系にムラサキイガイ、フジツボ、ヒドロムシ、コケムシなどの海生付着生物やスライムなどが付着して各種障害が生じるという問題がある。
これらが熱交換器に付着した場合には、熱交換率を著しく低下させ、ストレーナや熱交換器を閉塞させたり、腐食させたりするなどの障害が生じる。

特に海水冷却水系に設けたプレート式熱交換器の場合には、淡水冷却水系のプレート式熱交換器よりも、前述のムラサキイガイ等の付着の恐れが大であり、そのような環境下でも適用可能なプレート式熱交換器が要望されてきた。
この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、海水冷却水系にも適用できるプレート式熱交換器を備えた熱交換装置を提供するものである。

この発明は、互いに電気的に導通するように積み重ねられた複数枚の導電性の伝熱プレートの間に交互に形成された複数の第１および第２流液室と、複数の第１流液室に連通して第１液体の供給と排出をそれぞれ行う流路と、複数の第２流液室に連通して第２液体の供給と排出をそれぞれ行う流路とを備え、複数の第１および第２流液室を、各々が第１および第２流液室を含むように複数の区分に分割し、伝熱プレートを各区分間で絶縁する絶縁部材を設け、少なくとも１つの区分の伝熱プレートと他の区分の伝熱プレートとの間に直流電流を第１液体を介して通電できるようにした熱交換装置を提供するものである。

この発明によれば、第１液体として海水又は淡水を用い、第１液体を介して各区分の伝熱プレート間に通電することにより、第１液体に接している伝熱プレート表面を防汚することができる。

この発明による熱交換装置は、互いに電気的に導通するように積み重ねられた複数枚の伝熱プレートの間に交互に形成された複数の第１および第２流液室と、複数の第１流液室に連通して第１液体の供給と排出をそれぞれ行う流路と、複数の第２流液室に連通して第２液体の供給と排出をそれぞれ行う流路とを備え、複数の第１および第２流液室を、各々が第１および第２流液室を含むように複数の区分に分割し、伝熱プレートを各区分間で絶縁する絶縁部材を設け、少なくとも１つの区分の伝熱プレートと他の区分の伝熱プレートとの間に直流電流を第１液体を介して通電できるようにしたことを特徴とする。

この発明による熱交換装置では、上記のような構成を採用したことにより、通電された伝熱プレートから、例えば、酸素や水素等の付着防止物質を発生させることができ、第１液体に接する伝熱プレートの防汚を図ることができる。
この発明による熱交換装置では、例えば、第１液体を海水または淡水などの冷却水とすることができ、第２液体は被冷却媒体であって、例えば、工場用循環水とすることができる。
また、この発明による熱交換装置において、第１および第２流液室に対する第１液体および第２液体の流路の配置はとくに限定されず、任意に設定できる。
また、第１および第２流液室は、各区分において交互に形成されていればよく、必ずしも全区分にわたって一律に交互に形成される必要はない。

伝熱プレートとしては、チタンおよびチタン合金、ステンレス、銅および銅合金、ニッケルおよびニッケル合金などからなるものが用いられる。伝熱プレートの伝熱面には熱伝達効率を増大させるための凹凸パターンが形成されることが好ましい。

伝熱プレートは、少なくとも第１液体と接する面に、白金、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族金属やそれらの酸化物、その他の導電性化合物（窒化物等）または導電性ダイヤモンドなどの非金属の被覆処理が施されることが、導電性の保持、電気反応の促進、伝熱プレートの保護等の点で好ましい。
これらの被覆処理は全面あるいは必要に応じて部分的に施してもよく、目的に応じて種々の変形を施してもよい。例えば、伝熱プレートの導電性や耐久性を保持するためには、酸化ルテニウム（ＲｕＯ₂）と酸化チタン（ＴｉＯ₂）とからなる複合酸化物や、酸化イリジウム（ＩｒＯ₂）と酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）とからなる複合酸化物を好適に使用することができる。

絶縁部材としては、板状の絶縁材料を好適に用いることができ、例えば、ゴムからなる絶縁板や樹脂板およびこれらをライニングやコーティングしたものを好適に用いることができる。
ゴムとしては、例えば、ＮＢＲ、ＩＩＲ、ＥＰＤＭ、ＦＰＭ、シリコンゴムなど、樹脂としては、例えば、フッ素樹脂、塩化ビニル、ポリプロピレンなどを用いることができる。

また、この発明による熱交換装置は、前記直流電流を供給する直流電源装置と、その電源の極性を反転させる切換え部をさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、負極となる伝熱プレート周辺のｐＨが高くなり、その表面や近傍に炭酸カルシウムや水酸化マグネシウムなどの化合物が付着又は沈殿した場合に、一時的に正極と負極を逆転することによりその化合物を除去することができる。
また、供給する直流電流の方向を定期的に逆転し、通電された伝熱プレートの極性を反転させることが、前記伝熱プレートの耐久性および前記伝熱プレートへのスケール汚れ付着防止の点から好ましい。
なお、直流電源装置は、出力電流値を任意に設定できるものが好ましく、供給する直流電流は、０．０００１〜１０Ａ／ｄｍ²とするのが好ましく、さらに好ましくは０．０１〜３Ａ／ｄｍ²である。

また、この発明による熱交換装置において、少なくとも第１液体には、スライム防止剤やスケール防止剤、あるいは海生生物付着防止剤等の薬剤が添加されてもよい。
これらの薬剤としては、例えば、塩素剤、臭素剤、ホスホン酸系ポリマー、過酸化水素、界面活性剤などが挙げられる。

また、この発明による熱交換装置は、１つの区分がｎ個（ｎは自然数）の第１流液室と、ｎ個の第２流液室を備えてもよい。
また、この発明による熱交換装置は、１つの区分がｎ個（ｎは自然数）の第１流液室と、（ｎ＋１）個の第２流液室を備えてもよい。
また、この発明による熱交換装置は、１つの区分が（ｎ＋１）個（ｎは自然数）の第１流液室と、ｎ個の第２流液室を備えてもよい。

また、この発明による熱交換装置は、複数の第１および第２流液室が３つの第１流液室と６つの第２流液室からなり、１つの第１流液室と、それを挟む２つの第２流液室とからなる３つの区分に分割され、１つの区分の伝熱プレートが直流電源装置の正極に、他の区分の伝熱プレートが電源の負極に接続されてもよい。
このような構成によれば、正極と負極の面積比を適正な範囲に保ちつつ、より綿密に付着防止効果を発揮させ、かつ、炭酸カルシウムや水酸化マグネシウムなどの化合物の沈殿を抑制することができる。なお、上述の通り、供給する直流電流の方向を定期的に逆転し、通電された伝熱プレートの極性を反転させることが、前記伝熱プレートの耐久性および前記伝熱プレートへのスケール汚れ付着防止の点から好ましい。

以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳細に説明するが、この発明はこれによって限定されるものではない。なお、複数の図面において、同じ部材には同じ符号を用いて説明する。

実施例１
この発明の実施例による熱交換装置について、図１〜１３に基づいて説明する。図１は実施例１による熱交換装置の斜視図、図２は分解斜視図、図３は側面図、図４は図３のＡ−Ａ断面図、図５は図３のＢ−Ｂ断面図、図６は図４のＣ−Ｃ断面図、図７は図５のＤ−Ｄ断面図、図８は第１区分の横断面図、図９は装置の要部説明図である。

これらの図に示されるように、熱交換装置１００は、互いに電気的に導通するように積み重ねられた８枚の導電性の伝熱プレート１，１ａ，１ｂの間に交互に形成された２つの第１流液室２および４つの第２流液室３と、２つの第１流液室２に連通して第１液体の供給と排出をそれぞれ行う第１流路４および第２流路５と、４つの第２流液室３に連通して第２液体の供給と排出をそれぞれ行う第３流路６および第４流路７とを備え、２つの第１流液室２と４つの第２流液室３を、各々が第１および第２流液室２，３を含むように第１区分８および第２区分９に分割し、上記８枚の伝熱プレート１，１ａ，１ｂを第１および第２区分８，９間で絶縁する絶縁板１０，１０ａを設け、第１区分８の伝熱プレート１ａと第２区分９の伝熱プレート１ａとの間に直流電流を第１液体を介して通電できるように構成されている。

伝熱プレート１，１ａ，１ｂと絶縁板１０，１０ａは、所定の順序に重ねられた状態で、正面側フレーム１１と背面側フレーム１２によって両端から挟まれ、複数のボルト１３およびナット１４で締め付けられている。

図２、図３および図９に示されるように、第１区分８は隣接する４枚の伝熱プレート１，１ａ，１ａ，１と、これら伝熱プレート１，１ａ，１ａ，１を両側から挟む絶縁板１０とから主に構成されている。
隣接する伝熱プレート１，１ａの間にはガスケット１５ａ，１５ｂが互い違いに介挿されている。これにより、図９に示されるように、第１流液室２と第２流液室３が交互に形成され、第１および第２流液室２，３に第１および第２液体をそれぞれ流すことにより、第１液体と第２液体の間で伝熱プレート１ａを介して熱交換が行われる。
なお、絶縁板１０とそれに隣接する伝熱プレート１との間には形状の異なるガスケット１５ｃがそれぞれ介挿されている。このガスケット１５ｃは、他のガスケット１５ａ，１５ｂのように第１および第２流液室２，３を形成するものではなく、第１区分８から第２区分９へ続く第１〜第４流路４，５，６，７を形成することのみを目的としている。

一方、第２区分９は、第１区分８とほぼ同様の構成を有するが、背面側フレーム１２からみて１枚目の絶縁板１０ａと伝熱プレート１ｂには、第１〜第４流路４，５，６，７を形成する開口が形成されず、さらにこれら絶縁板１０ａと伝熱プレート１ｂとの間にはガスケットが介挿されない。

冷却水としての第１液体は、図１に示す第１流路４へ通ずる正面側フレーム１１の第１導入口４ａから供給され、図９の矢印で示すように各第１流液室２を通り、図１に示す第２流路５を介して第１排出口５ａから排出される。
一方、被冷却水としての第２液体は、図１に示す第３流路６へ通ずる正面側フレーム１１の第２導入口６ａから供給され、図９の矢印で示すように各第２流液室３を通って第１液体と熱交換を行った後、図１に示す第４流路７を介して第２排出口７ａから排出される。
なお、第１導入口４ａから供給された第１液体が各第１流液室２を通って第２導入口６ａから排出され、第１排出口５ａから供給された第２液体が各第２流液室３を通って第２排出口７ａから排出されるように、各ガスケットを構成することもできる。

図２、図３および図９に示されるように、第１および第２区分８，９ともに、第１液体と接触する伝熱プレート１ａの下端中央からは端子部１６がそれぞれ突出しており、これらの端子部１６に直流定電流電源１７の正極と負極から極性切換機構（切換え部）１８を介して延びるコードの先端に設けられた端子１９がそれぞれボルト留めされている。

ところで、図４〜７に示されるように、伝熱プレート１，１ａはその表面および裏面に表面積を大きくするための凹凸が形成されている。図４および図５に示される伝熱プレート１，１ａは実質的に同じものであり、図５に示される伝熱プレート１は図４に示される伝熱プレート１ａを上下に反転させたものである。伝熱プレート１と伝熱プレート１ａの構成上の差異は、後述の導電性を向上させるためのコーティングの有無のみである。図４に示される伝熱プレート１ａと図５に示される伝熱プレート１を交互に重ねると、図８に示されるように、一方の凸部が他方の凹部に当接し電気的に導通するようにデザインされている。

このため、絶縁板１０によって挟まれて区画された同一区分内の伝熱プレート１，１ａは、通電時に同じ極性をもつこととなり、第１区分内の伝熱プレート１，１ａが正極となれば、第２区分内の伝熱プレート１，１ａ，１ｂが負極となり、極性切換機構によって極性が切換えられると、第１区分８内の伝熱プレート１，１ａが負極となり、第２区分９内の伝熱プレート１，１ａ，１ｂが正極となる。

第１区分８の伝熱プレート１，１ａと第２区分９の伝熱プレート１，１ａ，１ｂの間に直流電流を供給すると、第１区分８と第２区分９の間に介在する絶縁板１０によってショートを起こすことなく、第１液体を介して通電が行われる。この際、通電された伝熱プレート１ａからの酸素あるいは水素の発生により前記伝熱プレート１ａに対する海生付着生物やスライムの付着が抑制され、長期間にわたり熱交換能を持続させることができる。

極性切換機構１８は、極性を切換えることにより、負極となる伝熱プレート１ａの周辺のｐＨが高くなることに起因して生じる炭酸カルシウムや水酸化マグネシウムなどの化合物の沈殿を除去することにも寄与する。

なお、理論的には、上述の通り、同一区分内の伝熱プレート１，１ａが同じ極性をもつため、第２液体を介しても通電が行われることとなるが、この実施例では第１液体を介して通電させることにより、通電された伝熱プレート１ａから酸素あるいは水素を発生させて前記伝熱プレート１ａに対する海生付着生物やスライムの付着を抑制し、長期間にわたり熱交換能を持続させることを目的としている。
このため、この実施例では、伝熱プレート１，１ａ，１ｂのうち、第１液体と接する伝熱プレート１ａの第１液体と接する面にのみ導電性を向上させるためのコーティングが施され、直流定電流電源１７から供給された電流は、その大半が第１液体を介して通電することとなる。

以下、熱交換装置を構成する各部材について詳細に説明する。
伝熱プレート
図２に示す伝熱プレート１，１ａ，１ｂはいずれもチタンからなり、通常は長方形で、板厚は０．４〜１．０ｍｍである。図４および図５に示すように、伝熱プレート１，１ａは四隅に第１〜第４流路４，５，６，７に対応する第１〜第４開口２０，２１，２２，２３がそれぞれ形成されている。また図６および図７に示すように、伝熱プレート１，１ａの表面には、ガスケット１５ａ，１５ｂをそれぞれ嵌め込むための溝と、熱交換に寄与する表面積を増大させるための凹凸がプレス成型によって形成されている。
なお、伝熱プレート１ａの第１液体との接触面には、導電性を向上させるためのＲｕＯ₂コーティング（膜厚０．１μｍ）が施され、さらに下端中央から端子をビス留めするための端子部１６が突出している。
また、図２に示されるように、最も背面フレーム側１２へ配される伝熱プレート１ｂには、第１〜第４開口が形成されていない。

ガスケット
図２に示すガスケット１５ａ，１５ｂ，１５ｃはいずれも合成ゴムからなる。ガスケット１５ａ，１５ｂは上下を反転させたもので実質的には同じものである。

絶縁板
図２に示す絶縁板１０，１０ａはいずれも合成ゴムや樹脂あるいはこれらのライニング、コーティングからなる。絶縁板１０は四隅に第１〜第４流路４，５，６，７に対応する第１〜第４開口２４，２５，２６，２７がそれぞれ形成されているが、最も背面フレーム１２側に配される絶縁板１０ａには第１〜第４開口が形成されていない。

正面側フレーム
図２に示す正面側フレーム１１は長方形の鋼板からなる。図示されないが、第１および第２導入口４ａ，６ａ、並びに、第１および第２排出口５ａ，７ａの周囲にはスタッドボルトが埋め込まれ、冷却水を導入・排出するための配管および被冷却水を導入・排出するための配管のフランジがそれぞれボルト止めされるようになっている。

背面側フレーム
図２に示す背面側フレーム１２は、長方形の鋼板からなる。

以上のような構成からなる実施例１による熱交換装置１００に、第１液体としての冷却水と第２液体としての被冷却水をそれぞれ通水し、直流定電流電源１７から所定の電流を継続的に通電する。
ここで、冷却水は淡水または海水のいずれであってもよい。また冷却水にはスライム防止剤やスケール防止剤、あるいは海生生物付着防止剤等の薬剤が注入されることが好ましいが、必ずしも必須ではない。つまり、薬剤が注入されていない冷却水であっても所定の電流を継続的に通電することにより、通電された伝熱プレート１ａから酸素あるいは水素が発生し、伝熱プレート１ａに対する付着物の付着防止が図られる。もちろん、薬剤を併用すればその効果はさらに増大する。
極性切換機構１８による極性の切換えは、定期的でも不定期でもよいが、装置１００全体において均一な付着防止効果を得るためには定期的に極性を切換えることが好ましい。

実施例２
この発明の実施例２による熱交換装置について図１０および図１１に基づいて説明する。図１０は実施例２による熱交換装置の側面図、図１１は実施例２による熱交換装置の要部説明図である。

図１０に示されるように、実施例２による熱交換装置２００は、実施例１による熱交換装置１００（図３参照）にもう１つの区分を追加して第１区分３１、第２区分３２および第３区分３３の３区分構成とし、極性切換機構１８を介して１つの区分の伝熱プレート１ａを直流定電流電源１７の正極に、他の２つの区分の伝熱プレート１ａを直流定電流電源１７の負極に接続したものである。
第１および第２区分３１，３２の構成は、実施例１による熱交換装置１００の第１区分８と同一であり、第３区分３３の構成は、実施例１による熱交換装置１００の第２区分９の構成と同一であり、その他の各部の構成も上述の実施例１による熱交換装置１００と同様である。

このような構成によれば、正極と負極の面積比を適正な範囲に保ちつつ、より綿密に付着防止効果を発揮させ、かつ、炭酸カルシウムや水酸化マグネシウムなどの化合物の沈殿を抑制することができる。
実施例１と同様に、極性切換機構１８により、定期的又は不定期に極性を切換えることができるが、実施例２では、一例として、以下の表１ようなタイムスケジュールで切換を行い、５時間後以降についてはその繰り返しとする。

表１に示されるようなタイムスケジュールで切換えを行えば、いずれの区分においても、通電された伝熱プレート１ａから酸素あるいは水素を発生させることができ、高い付着防止効果を得ることができる。

実施例２による熱交換装置２００に第１液体（冷却水）としての海水あるいは、過酸化水素が添加された海水と、第２液体（被冷却水）としての加熱状態にある工場用循環水をそれぞれ通水し、直流定電流電源１７から所定の電流を継続的に通電する。所定の電流を継続的に通電することにより付着物の付着防止が図られ、過酸化水素が添加された海水ではその効果がさらに増大する。その理由は、熱交換装置２００内の負極としての伝熱プレート１ａからヒドロキシラジカルが発生し、効果的に付着物の付着防止が図られるためと考えられる。

この発明の実施例１による熱交換装置の斜視図である。図１に示される熱交換装置の分解斜視図である。図１に示される熱交換装置の側面図である。図３のＡ−Ａ断面図である。図３のＢ−Ｂ断面図である。図４のＣ−Ｃ断面図である。図５のＤ−Ｄ断面図である。第１区分の横断面図である。実施例１による熱交換装置の要部説明図である。この発明の実施例２による熱交換装置の側面図である。実施例２による熱交換装置の要部説明図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ・・・伝熱プレート
２・・・第１流液室
３・・・第２流液室
４・・・第１流路
４ａ・・・第１導入口
５・・・第２流路
５ａ・・・第１排出口
６・・・第３流路
６ａ・・・第２導入口
７・・・第４流路
７ａ・・・第２排出口
８，３１・・・第１区分
９，３２・・・第２区分
１０，１０ａ・・・絶縁板
１１・・・正面側フレーム
１２・・・背面側フレーム
１３・・・ボルト
１４・・・ナット
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ・・・ガスケット
１６・・・端子部
１７・・・直流定電流電源
１８・・・極性切換機構
１９・・・端子
２０，２４・・・第１開口
２１，２５・・・第２開口
２２，２６・・・第３開口
２３，２７・・・第４開口
３３・・・第３区分
１００，２００・・・熱交換装置

Claims

互いに電気的に導通するように積み重ねられた複数枚の導電性の伝熱プレートの間に交互に形成された複数の第１および第２流液室と、複数の第１流液室に連通して第１液体の供給と排出をそれぞれ行う流路と、複数の第２流液室に連通して第２液体の供給と排出をそれぞれ行う流路とを備え、複数の第１および第２流液室を、各々が第１および第２流液室を含むように複数の区分に分割し、伝熱プレートを各区分間で絶縁する絶縁部材を設け、少なくとも１つの区分の伝熱プレートと他の区分の伝熱プレートとの間に直流電流を第１液体を介して通電できるようにした熱交換装置。
前記直流電流を供給する直流電源装置と、その電源の極性を反転させる切換え部をさらに備える請求項１記載の熱交換装置。
１つの区分がｎ個（ｎは自然数）の第１流液室と、ｎ個の第２流液室を備える請求項１記載の熱交換装置。
１つの区分がｎ個（ｎは自然数）の第１流液室と、（ｎ＋１）個の第２流液室を備える請求項１記載の熱交換装置。
１つの区分が（ｎ＋１）個（ｎは自然数）の第１流液室と、ｎ個の第２流液室を備える請求項１記載の熱交換装置。
複数の第１および第２流液室が３つの第１流液室と６つの第２流液室からなり、１つの第１流液室と、それを挟む２つの第２流液室とからなる３つの区分に分割され、１つの区分の伝熱プレートが直流電源装置の正極に、他の区分の伝熱プレートが電源の負極に接続される請求項２記載の熱交換装置。