JP4838680B2

JP4838680B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4838680B2
Application number: JP2006264510A
Authority: JP
Inventors: 知徳寺澤; 篤生谷本; 友弘伊藤
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP2007292436A

Description

本発明はシェルアンドチューブ式熱交換器に関するものであり、更には排煙脱硫装置などに付属する高温腐食性ガスを扱う熱交換器に関するものである。

代表的な熱交換器として従来からシェルアンドチューブ式熱交換器が知られており、シェル内には高温ガスなどの流体を通し、向流或いは垂直流でチューブに冷却水などの流体を流して熱交換を行なう。
この様な熱交換器では多本数の伝熱管がシェルの開口部を塞ぐ板状の管板を貫通し、シェル外部に備えられたジャケットやＵ字形状のリターンベントによって伝熱管を折り返し、伝熱管内部を流通する流体を折り返す構造のものが知られている。
また、伝熱管を折り返すことなく、直管状の伝熱管の一方の端部と他方の端部を対向して配置された別々の管板にそれぞれ貫通させて両端を支持する構造のものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−３３７２９５号公報

しかしながら、上記従来のシェルアンドチューブ式熱交換器にあっては、多本数の伝熱管を管板に貫通させるため多数箇所の穿孔を必要とする。したがって、これら多数箇所の穿孔に対してのシール性を確保するため、例えば、金属管の溶接加工等のシール加工を多数、確実に行わなくてはならない。しかし、多数本の伝熱管が密集した状態で多数のシール加工を確実に行うことは困難で、製作に手間が掛かるという課題があった。
また、従来、伝熱管を流通する流体の折り返しはシェルの外側で行われていた。したがって、対抗する両管板で多数本の伝熱管を支持する必要があった。このため、双方の管板に同様のシール加工を行わなくてはならず、工数を増加させていた。
また、複数の伝熱管を対向する一対の管板で貫通させて、シェルの外側で冷却水などの伝熱管内部の流体を折り返して流す構造の場合、伝熱管とシェルの間に使用環境下の温度変化に起因する線膨張の差により伝熱管とシェルの接合部にひずみが発生し、漏れの原因となることがあった。
また、特に高温の腐食性ガスを扱う場合、用いられる材料は特殊な金属系に限られてきたため、材料入手が困難で溶接性が低いことなどが課題となっていた。
更に金属に替わる耐食性材料としてＰＴＦＥシートが用いられることもあるがシートは破損し易く加工作業が容易ではない。加えて、メンテナンスおよび部分修復が困難である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、製作が簡便で、メンテナンスが容易な熱交換器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する本発明は、第１の流体が流通する伝熱管を第２の流体が流通するシェル内に複数回折り返した状態で収容し、前記伝熱管の両端部を、前記シェルの前壁を構成する管板に貫通支持させて外部で開口させたことを特徴とするものである。

このように構成することで、伝熱管を対抗する双方の管板に貫通させる場合と比較して、管板の穿孔箇所数が減少する。
また、シェル内部に挿入される伝熱管の長さを長くすることができる。これにより、シェル内部の第２の流体に接触する伝熱管の表面積も大きくなる。
また、管板が対抗して配置されている場合と比較して、管板がシェルに係止される箇所が減少する。また、シェル内部で複数回折り返された伝熱管は管板によって片持ち状に支持される。

また、本発明は、前記シェル内に折り返された状態で収容されている伝熱管が、折り返された部分を跨るようにして連結する支持板によって支持固定されていることを特徴とするものである。
このように構成することで、複数回折り返され片持ち状に支持された伝熱管の複数の折り返し部を支持板で補強し剛性を高くすることができる。

また、本発明は、前記シェルの側壁下部に両側壁に渡ってサポートロッドを支持すると共に、前記支持板の下部に前記伝熱管の配置位置に沿ってスライドロッドを設け、前記シェルに対して管板ごと伝熱管をスライド可能に装着したことを特徴とするものである。
このように構成することで、支持板の下部に設けられたスライドロッドが、サポートロッドによって支持される。これにより、支持板に支持固定された伝熱管は、スライドロッドおよびサポートロッドを介してシェルの側壁に支持される。
また伝熱管をシェル内に挿入、あるいはシェル内から抜き取るときには、支持板の下部に設けられたスライドロッドが挿入および抜き取り方向に沿って伝熱管と一体的にサポートロッド上をスライドする。このとき、伝熱管の端部を支持固定する管板もこれらと一体的にスライドする。また、管板は伝熱管をシェル内部に収容した後はシェル前壁に固定される。

また、本発明は、前記伝熱管をストレート管と、折り返し部を構成するリターンベントとで構成したことを特徴とするものである。
このように構成することで、メンテナンス時に伝熱管を交換することが可能となる。また、チューブの製作時には、まず、連結後に伝熱管の末端部に位置するストレート管を予め管板に貫通させて管板のシール加工をしておき、その後、リターンベントとストレート管を交互に連結させていくことができる。

また、本発明は、前記ストレート管および前記リターンベントを炭素繊維補強樹脂複合材料で形成したことを特徴とするものである。
このように構成することで、金属材料と比較して、ストレート管およびリターンベントの軽量化を図ることができる。また金属材料と比較して接合、切断等の加工を容易にすることができる。また、高温腐食性ガスに対する耐久性を高くすることができる。

したがって、本発明によれば、管板の穿孔箇所数を減少させてリークの要因となり得る箇所を減少させ、同時に熱交換器の製作を簡便にすることができる。加えて、シェル内部の第２の流体に接触する伝熱管の表面積を大きくすることができるので、熱交換の効率を低下させることがない。また、管板のシェルへの係止箇所を減少させ、伝熱管の抜き取り、挿入などのメンテナンスを容易にすることができる。また、伝熱管は片持ち状に支持されるので、熱によって伝熱管が長手方向に膨張あるいは収縮しても、開放端側に自由に伸縮することができる。これにより、伝熱管の管板貫通部への熱応力の集中を防止して、メンテナンスの頻度を削減し、メンテナンスを容易にすることができる。

また、本発明によれば、支持板により伝熱管を補強して剛性を上げることができるので、伝熱管のたわみを防止して、伝熱管の損傷を防止することができる。また、運転中の振動を抑制し、損傷を防止することができる。したがって、メンテナンスの頻度を低減し、メンテナンスを容易にすることができる。

また、本発明によれば、伝熱管が支持板、スライドロッド、サポートロッドを介してシェルの側壁に支持されるので、伝熱管全体の重量が両端部の管板貫通部に集中することを防止できる。したがって、伝熱管の損傷を防止し、メンテナンスの頻度を低減し、メンテナンスを容易にすることができる。
また、伝熱管をシェル内部に挿入あるいはシェル内部から抜き取るときに、伝熱管をサポートロッド上に支持させた状態で、管板ごとサポートロッド上をスライドさせることができる。したがって、伝熱管の挿入および抜き取りを容易に行うことができる。よって、メンテナンスを容易にすることができる。

また、本発明によれば、伝熱管の一部が損傷した場合でも、損傷箇所の伝熱管を交換することができるので、メンテナンスを簡便にすることができる。さらに、伝熱管の管板貫通部と折り返し部を別々に製作することができるので、製作を容易にすることができる。

また、本発明によれば、伝熱管の軽量化を図ることができるので、伝熱管の両端部の管板貫通部に掛かる荷重を減少させ、伝熱管のたわみを防止し、損傷を防ぐことができる。さらに、金属材料と比較して容易に加工できるので、製作を簡便にすることができる。
また、伝熱管の高温の腐食性ガスに対する耐久性を高くすることができるので、伝熱管の寿命を延長して熱交換器のメンテナンスを容易にすることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳しく説明する。
図１に示すように、熱交換器１は矩形で筒状のシェル２０を備えている。なお、図１は図示都合上、熱交換器１の中間部を省略して表している。シェル２０の図示上下方向には、例えば高温の腐食性ガスである第２の流体を導入する第２流体入口２３と、導入した第２の流体を排出する第２流体出口２４が設けられている。第２流体入口２３および出口２４の外縁には、図示しない外部のダクト等に接続可能なフランジ２１が形成されている。シェル２０の前壁２５には矩形の伝熱管挿入口２６が設けられている。
シェル２０の伝熱管挿入口２６は、矩形の板である管板２２によって封止されている。管板２２は後述するようにボルト等の係止具によってシェル２０に固定される。これにより、管板２２はシェル２０の前壁２５の一部を構成する。

ここで、シェル２０の材質としては特に限定は無く、使用環境、目的とするコストによってはステンレス鋼などの金属を使用することができる。特に高温の腐食性ガスを扱う場合、そのまま使用できる金属材料は、例えば、ニッケル基の耐熱・耐食合金であるハステロイ（登録商標）などの特殊な金属系に限られ、コスト面で現実的でないことからステンレス鋼にＰＴＦＥシートを被覆した構造のものがある。しかしＰＴＦＥシートは破損し易く加工作業が容易ではない上にメンテナンスが難しく部分修復が困難であることから、炭素繊維補強樹脂複合材料を用いても良い。

シェル２０の内部には、例えば冷却水等の第１の流体が流通する伝熱管１２が収容されている。伝熱管１２は直線部分を構成するストレート管１０と、折り返し部を構成するＵ字管状のリターンベント１１により構成されている。ここで、伝熱管１２を構成するストレート管１０およびリターンベント１１は炭素繊維補強樹脂複合材料によって形成されている。
伝熱管１２はストレート管１０とリターンベント１１を交互に接合することで、シェル２０内部で蛇行するように複数回折り返された状態となっている。伝熱管１２の両端部１３，１４は、シェル２０の伝熱管挿入口２６に固定される管板２２に貫通し、シェル２０の外部で開口する構造となっている。伝熱管１２はこの管板２２の貫通部２７，２７によって、シェル２０内部に片持ち状に支持固定されている。また、貫通部２７，２７は図５に示すようにシール部材２８を用いて固定シールする。
図２に示すように、伝熱管１２は図示左右方向（ｚ軸方向）に複数並べて設けられ、管束５０を形成している。管板２２には各伝熱管１２につき２箇所の貫通部２７，２７が形成される。すなわち、各伝熱管１２は給水部である端部１４と排水部である端部１３のみにおいて管板２２に接合、支持されている。

また、シェル２０内を蛇行するように折り返された状態で収容されている伝熱管１２は、折り返された部分を跨ぐようにして連結する支持板３０によって固定支持されている。図１に示すように、この実施の形態では、折り返された伝熱管１２の管板側、中央部、開放端側の３箇所に、図示上下方向（図１のｙ方向）に支持板３０が設けられている。図１では、図示都合上、中央と開放端側の支持板３０の上部を省略して表している。
ここで、支持板３０は、例えば、２枚一組の板で構成され、各板に予め伝熱管１２の外径および蛇行の間隔に合致する断面半円状の複数の凹部を設けておき、蛇行する伝熱管１２を各板の各凹部の間に挟み込んで接合することで伝熱管１２を固定している。

図３および図４に示すように支持板３０には必要に応じて図示左右方向（図２のｚ方向）の振れ止め３５を取付ける。振れ止め３５は、例えば、支持板３０の上下端部および中間部の必要な位置に取付ける。振れ止め３５は、両端につば３６を有する通しロッド３３が支持板３０を伝熱管１２と略直交するように（図２のｚ方向）に貫通させる。また、並列する支持板３０間における通しロッド３３の周りにカラー３４が配されている。通しロッド３３は中実でも中空でも良く、その材質は高温、腐食環境下において十分な剛性などの機械特性を維持するものであれば良い。また、カラー３４はその外径が伝熱管１２の間隔Ｄ１より小さく、内径が通しロッド３３の外径より大きく、その長さが支持板３０の間隔Ｄ２を維持させることが可能な範囲にあれば良く、その材質については通しロッド３３と同様である。

図２および図１に示すように、シェル２０の側壁２９，２９下部には、両側壁２９，２９に渡ってパイプ状のサポートロッド３２が支持されている。図４および図５に示すように、サポートロッド３２はシェル２０の側壁２９内面に固定されたパイプ受け４０によって支持されている。パイプ受け４０にはサポートロッド３２を収容する凹部が設けられ、ボルト４２によって、シェル２０の側壁２９外面から固定されている。ボルト４２貫通部はテフロン（登録商標）パッキン４１によりシールされている。
図１および図２に示すように、サポートロッド３２の上にはパイプ状のスライドロッド３１が伝熱管１２の配置位置に沿って、伝熱管１２の下方に設けられている。スライドロッド３１は、支持板３０の下部に接合され、支持板３０と一体的に設けられている。

図１に示すように、管板２２はシェル２０の前壁２５に設けられた伝熱管挿入口２６を覆うように、伝熱管挿入口２６の周囲に接合される。
図５に示すように、シェル２０の前壁２５と管板２２との接合部には増圧部４４が形成されている。図６に示すように、増圧部４４はシェル２０成型時に伝熱管挿入口２６の周囲に中子４７等を挿入することにより、中実断面形状となっている。また、増圧部４４には適当な間隔で、ナットサート４５’が埋め込まれ、この増圧部４４のナットサート４５’にボルト４５を締結することで、管板２２をシェル２０の前壁２５に固定する。このとき、増圧部４４と管板２２の間にはガスケット４６を挿入する。

次に、この実施の形態における作用・効果について説明する。
図１に示すようにこの実施の形態では図示下側の伝熱管１２の末端１４から図示上側の伝熱管１２の末端１３に向けて第１の流体である冷却水を流過させる。また、シェル２０の図示上側に設けられた第２流体入口２３から、図示下側の第２流体出口２４に向けて（図１のｙのマイナス方向）第２の流体である高温の腐食性ガスを流過させる。これにより、伝熱管１２を介して第１の流体と第２の流体との間で熱交換が行われる。

このとき、熱交換性能を上げるには冷却水の流速を上げ、限られたシェル２０の空間内に効率良く配置された伝熱管１２の本数で充分な伝熱管１２の長さを確保する必要がある。ここで、この実施の形態によれば、一定間隔で並べられた複数本のストレート管１０の端部同士をリターンベント１１で接続し、冷却水の流れを複数回折り返した伝熱管１２を形成している。それにより伝熱管１２の圧力損失を最小限にして流速を確保し、かつ伝熱管１２の長さを従来の一往復の場合と比較して大きくできる。したがって、熱交換効率をより自由に制御できる。すなわち、熱交換効率を必要以上に低下させることがない。

また、複数のストレート管１０が複数のリターンベント１１を介して折り返し連結された伝熱管１２を用い、ストレート管１０、リターンベント１１が炭素繊維補強樹脂複合材料で形成されていて軽量なため、伝熱管１２の給水部である端部１４と排水部である端部１３の２ヶ所だけを一枚の管板２２に貫通、支持させた片持ち構造をとることができる。
したがって、管板２２への穿孔箇所が激減しリークの要因となり得る箇所が減ると同時に製作が簡便化され、更には穿孔に対する加工コストを減少させることができる。
また、万一伝熱管１２の一部が損傷したとしても、損傷箇所の伝熱管１２を交換するだけでよいので、メンテナンスが容易である。
さらに、伝熱管１２の管板２２貫通部２７，２７と折り返された伝熱管１２を別々に製作することができる。したがって、蛇行する伝熱管１２を作製してから管板２２に貫通支持させる場合と比較して、製作を容易にすることができる。

また、伝熱管１２がシェル２０内に片持ち状に支持されていることにより、伝熱管１２が熱によって膨張・収縮したとしても、伝熱管１２は片持ち構造の開放端側、すなわち管板２２の反対側に自由に伸縮することができる。したがって、管板２２の貫通部２７，２７に伝熱管１２の膨張・収縮による熱応力が集中するのを防止することができる。すなわち、使用環境における熱変形に対して良好な状態を維持することができる。また、対向する一対の管板２２に伝熱管１２が支持されている場合と比較して、シェル２０と管板２２との係止箇所が減少するので、伝熱管１２の挿入・抜き取りが容易となる。すなわち、シェル２０の前壁２５に設けられた伝熱管挿入口２６から伝熱管１２を挿入、設置でき、従来にないメンテナンス性が確保できる。
したがって、伝熱管１２の損傷を防止し、メンテナンスの頻度を低下させ、メンテナンスを容易にすることができる。

また、伝熱管１２に第１の流体である冷却水が流通することにより、伝熱管１２の重量は伝熱管１２自身の重量に冷却水の重量が加わった重量となる。このとき、この実施の形態によれば、伝熱管１２の複数個所を適宜支持板３０によって支持し、その支持板の下部のスライドロッド３１をサポートロッド３２によって支持し、さらにそのサポートロッド３２をシェル２０に固定されたパイプ受け４０で支持することにより、管板２２の伝熱管１２貫通部２７，２７に荷重が集中することを防止することができる。また、伝熱管１２を支持板３０に固定することで、伝熱管１２が重量によって撓んだり、流体の流れによって振動したりすることを防止することができる。
したがって、伝熱管１２の損傷を防止し、メンテナンスの頻度を低下させ、メンテナンスを容易にすることができる。
また、図４に示すように、シェル２０の側壁２９，２９の外面において、フランジ２１に載置される外部支持体４３を、パイプ受け４０を固定するボルト４２で挟持、固定することにより、サポートロッド３２、パイプ受け４０に加わる荷重を外部の部材に担わせることができる。

また、伝熱管１２は管板２２を介してシェル２０に固定されているだけなので、メンテナンス時における伝熱管１２の抜き取り時には、管板２２をシェル２０に固定するボルト４５を外すことで、伝熱管１２を管板２２ごと伝熱管挿入口２６からシェル２０の外部へと引き抜くことができる。
このとき、図１に示すように、伝熱管１２は支持板３０およびスライドロッド３１を介してサポートロッド３２上に支持される。すなわち、スライドロッド３１は支持板３０を介して伝熱管１２と一体となっている。一方、サポートロッド３２は、図４および図５に示すようにパイプ受け４０によって支持され、シェル２０と一体的に構成されている。
したがって、伝熱管１２を管板２２ごとシェル２０の外部に引き抜くときには、伝熱管１２はサポートロッド３２によってその重量を支持された状態で、伝熱管１２の引き抜きに伴ってスライドロッド３１がサポートロッド３２上をスライドする。

すなわち、図１に示すように、スライドロッド３１は複数の支持板３０を合せて固定し、支持板３０を介して伝熱管１２の荷重を受け、更にその荷重をシェル２０やシェル２０外部へサポートロッド３２を介して伝える機能を持つと同時に、伝熱管１２の管束５０をシェル２０から引抜いたり、挿入したりするためのガイドとしての機能を持つ。このとき、サポートロッド３２が円形断面であれば管束５０の抜出し、挿入操作時にサポートロッド３２が回転することが可能となり、シェル２０からの管束５０の抜出し、挿入操作性が良くなる。
したがって、伝熱管１２を取付けた管板２２はシェル２０から容易に取り外し、伝熱管１２を管束５０として引抜いたり挿入したりすることが可能であり、伝熱管１２等のメンテナンスおよび修復を簡単に行なうことができる。

また、管板２２をボルト４５によってシェル２０に固定するときに、増圧部４４を設けたことによりボルト４５がシェル２０内部に貫通することを防止できる。したがって、シェル２０のシール性を向上させることができる。

以上に述べたように、この実施の形態によれば、製作が簡便で、メンテナンスが容易な熱交換器１を提供することができる。

尚、シェルは繋ぎ目をもたない矩形筒型の完全一体成形品であることが好ましい。完全一体構造をとることで、シェル内部を流通する流体ガスや液の漏れを防止することができる。
また、伝熱管の長さは伝熱管直径やシェルの大きさ更には製作機械の容量等で決まり、自ずとその長さは制限され、必要な伝熱面積を得るための本数も自ずと決まることになる。

また、リターンベントの構造には特に規制がなく、実質的に冷却水がリターンベントにより折り返して流れる構造であれば良い。例えば、Ｕ字形状筒や有孔ブロックなどが挙げられる。但し、用いる材質は耐腐食性に優れ、且つ内部を流れる冷却水の水圧に耐えるものでなければならず、後述する様に炭素繊維補強フェノール樹脂複合材料製であれば、耐熱耐食性に優れており、成形も簡便であり材料として望ましく、耐圧性に優れたリターンベントを得ることができる。

また、伝熱管を構成する際、ストレート管とリターンベントの接続においてシール性が確保されなければならないのは言うまでもないが、その接続方法に特に限定は無く、ねじやジョイントを使用した機械接合、接着剤等を使用した化学的な接合、或いは両者を併用した接続が可能である。

また、伝熱管の両末端に位置するストレート管が冷却水の給排水口に繋がるのであるが、ストレート管の連結数が少ないと、伝熱管長さが不足するばかりでなく、給排水口の個数が多くなり加工処理工数が増え不利になる。通常、少なくとも１０本以上のストレート管を連結するのが望ましい。

また、使用環境、目的とするコストによっては伝熱管の材質としてステンレスなどの金属を使用してもよい。しかし伝熱管内に冷却水などの流体を流すとその流体重量による負荷が管板や支持板と伝熱管との支持部に掛かることから、伝熱管自体は軽量である必要があり、そのためには伝熱管を構成する部材の材質は炭素繊維補強樹脂複合材料であることが好ましい。
また、高温の腐食性ガスを扱う環境では炭素繊維補強フェノール樹脂複合材料製であれば、耐熱耐食性に優れており、成形も簡便であり材料としてより望ましい。

また、支持板を伝熱管に対して略直角（図のｙ方向）に設け、伝熱管から伸びるフィンの形状で連続させれば、シェルの内部を流れる高温ガスなどの流体の流れに対して全く問題がない。
また、支持板への伝熱管の固定方法については特に限定はないが、Ｕ字型の固定具などにより伝熱管を支持板に固定したり、直接支持板に接合したりしてもよい。

また、支持板は伝熱管の端部およびその中間部で伝熱管を把持するが、その構造、製造方法は任意のものであって良い。リターンベント部で把持する場合は、ストレート管とリターンベントの接続箇所付近で把持するか、ストレート管とリターンベントを接合するのと同時に支持板を接合することも可能で、その構造、製造方法は任意のものであって良いが、ストレート管とリターンベントの接合と同時に支持板を一体化した方がストレート管／リターンベント接合部でのリークを防止でき、工数も削減できるので好ましい。しかし、支持板は伝熱管と一体化するものであることから、伝熱管と同様軽量であること、更に高温、腐食環境下において十分な剛性などの機械特性を維持することが必要で、その材質としては炭素繊維補強樹脂複合材料であることが好ましく、炭素繊維補強フェノール樹脂複合材料であることがより好ましい。

また、図１では伝熱管とスライドロッドを別に示したが、最下段のストレート管をスライドロッドとして使用することも可能である。この場合、スライドロッドが冷却され耐久性上好ましい。また、最下段のストレート管をスライドロッドとして使用する場合はパイプの肉厚を十分厚くする必要がある。

また、スライドロッドの形状は特に限定されるものではないが、ロッド周囲を通過する流体との関係、物質の滞留を考え合わせると円形断面が良好であり、使用環境下で剛性や強度などの機械特性が維持できる範囲であれば中実でも中空でも良い。またその材質は高温、腐食環境下において十分な剛性などの機械特性を維持するものであれば良い。スライドロッドの表面には高温・腐食環境において耐久性のあるＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂層を厚く設けても良く、これによりサポートロッドとの摺動性が向上しシェルからの管束の抜出し、挿入操作性が良くなる。

また、サポートロッドには並列に並んだ複数の伝熱管に一体化されたスライドロッドが載置されても撓まない様に剛性が充分大きい構造のものでなければならない。サポートロッドの形状は特に限定されるものではないが、ロッド周囲を通過する流体との関係、物質の滞留を考え合わせると円形断面が良好であり、使用環境下で剛性や強度などの機械特性が維持できる範囲であれば中実でも中空でも良い。またその材質は高温、腐食環境下において十分な剛性などの機械特性を維持するものであれば良い。サポートロッドの表面にはスライドロッドと同様の理由、目的でＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂層を厚く設けても良い。

また、伝熱管と管板の接合方法は特に限定されるものではなくシール性が確保されなければならないのは言うまでもないが、その接続方法に特に限定は無く、ねじやジョイントを使用した機械接合、接着剤等を使用した化学的な接合、或いは両者を併用した接続が可能である。

以下に実施例を示し、本発明を更に具体的に説明する。
（プリプレグＡ、樹脂フイルムＣ）
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４，４１０ＭＰａ、フィラメント数３，０００本の炭素繊維束をたて糸、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／ｍ^２になるように離型紙上に塗工し樹脂フイルムＣを作製した。

炭素繊維織布と樹脂フイルムＣ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。

（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に変更し、樹脂フイルムの目付けを２１６ｇ／ｍ^２に変更し、炭素繊維織布を２枚の樹脂フイルムで挟んでニップロールに供給したほかは、プリプレグＡを得るときと同様にして、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４，９００ＭＰａ、フィラメント数１２，０００本の炭素繊維束をたて糸、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。

（ストレート管の作製）
長さ２，５００ｍｍ、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（信越フイルム株式会社製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、ストレート管を得た。

（リターンベントの作製）
芯型としてシリコーンゴム（信越化学工業株式会社製ＫＥ−１３１０ＳＴ）を用いて外形２８ｍｍ（両端部５８ｍｍは外径２４ｍｍ）、曲率部半径４０ｍｍ、真直部長７８ｍｍのＵ字型を用意した。次に材料としてプリプレグＡを炭素繊維織布のたて糸が長手方向と４５°の角度をなすように切断し、幅２０ｍｍのテープ状プリプレグを用意した。Ｕ字型の両端に外径３２ｍｍの金属パイプを差込み、表面に離型処理を施した後、張力を変化させながら用意したテープ状プリプレグを重ね代１０ｍｍで型表面に巻まわした。材料の巻きまわし時に１層毎に脱気処理を施し、６層分巻きまわした後ポリプロピレンテープ（信越フィルム株式会社製ＰＴ−３０Ｈ、幅１５ｍｍ）を幅の２／３が重なるように巻きまわして固定した。ポリプロピレンテープの外側をブリーザークロス、バギングフイルムで真空バッグした後オーブンに移し、減圧下で伝熱管の作製時と同じ硬化条件で加熱硬化し、Ｕ字管状のリターンベントを得た。

（伝熱管の作製）
幅を３０ｍｍに変えた他はリターンベントの作製時と同様にしてテープ状プリプレグを用意した。
リターンベントにストレート管を差込み、接合部をリターンベント側、ストレート管側それぞれ５０ｍｍの巻き代を設けてリターンベントの作製時と同様にして用意したテープ状プリプレグを重ね代１０ｍｍでリターンベントおよびストレート管表面に巻まわした。材料の巻きまわし時に１層毎に脱気処理を施し、６層分巻きまわした後ポリプロピレンテープ（信越フィルム株式会社製ＰＴ−３０Ｈ、幅１５ｍｍ）を幅の２／３が重なるように巻きまわして固定した。リターンベントとストレート管は伝熱管が蛇管状となるように接続した。ポリプロピレンテープの外側をブリーザークロス、バギングフイルムでバッグした後オーブンに移し、ストレート管の作製時と同じ硬化条件で加熱硬化し、ストレート管を１４本接続した１４行の伝熱管を得た。伝熱管の両端には長さ２，３００ｍｍ、その他部分には長さ２，０００ｍｍのストレート管を使用した。またこの伝熱管のストレート管ピッチは５２ｍｍとした。得られた伝熱管に１．５ＭＰａの水圧を加え、接合部での漏れの無いことを確認した。

（スライドロッドの作製）
スライドロッドには長さ２，１００ｍｍのストレート管と同じパイプにプリプレグＢを２層オーバーレイして増厚したものを用意した。

（サポートロッドの作製）
サポートロッドには長さ２７０ｍｍのストレート管と同じパイプにプリプレグＢを２層オーバーレイして増厚したものを用意した。

（支持板の作製および伝熱管、スライドロッドの固定）
支持板の作製にはプリプレグＢを幅７０ｍｍに切出したものを材料として用意した。伝熱管を支持板で挟み合せた成形形状の半割れで、伝熱管と支持板が直角となる形状のシリコーン型を準備し、用意した材料を４層シリコーン型に積層した後バギングした。スライドロッドの繋ぎ合わせ部は用意した材料をスライドロッドに巻きつけ４層の目板となる様に積層してからバギングした。バギングした積層体はオーブンへ移した後、ストレート管の作製時と同じ硬化条件で加熱硬化した。

伝熱管、支持板とスライドロッドの接続は、先ず前述の半割り２枚合わせの支持板の間に伝熱管を挟み込み、伝熱管の間で支持板同士が接する部分の所定箇所に貫通孔を開けた後、相接する支持板をＰＴＦＥ製インシロックで固定した。更にスライドロッドと接合する側の支持板とスライドロッド目板とをＰＴＦＥ製ボルトナットにて締め込み一体化した。

（管束の作製）
伝熱管のｚ方向の振れ止め用として、プリプレグＡを用いて伝熱管と同様の方法で外径１０ｍｍの通しロッドおよび外径２０ｍｍのカラーを作製した。通しパイプは支持板の所定位置に空けられた孔に通し、支持板間に配置したカラーを通して両端の支持板間に渡してｚ方向の伝熱管間隔保持と振れ防止とした。

（シェルの作製）
幅２８０ｍｍ、長さ２１５０ｍｍ、高さ１０７０ｍｍの寸法を有する金型を用意し、その金型表面に離型処理を施した。金型上にプリプレグＡ３層、プリプレグＢ４層を各層を積層する毎に脱気処理をして積層した。これにバギングフイルムを被せて内部を脱気した。これをオーブンに移し、伝熱管の作製時と同じ硬化条件で加熱硬化し、両端部にフランジを有する矩形筒型のシェルを得た。尚、シェル成形時にはシェルへ伝熱管（管束）を挿入出するための幅２８０ｍｍ、高さ８７０ｍｍの開口部と、管板を固定するための幅４０ｍｍの管板受けフランジを同時施工した。管板受けフランジには管板固定用のインサートナットを設置する埋め込み有効厚さを確保するための積層厚さが必要であった。そこで受けフランジはＦＲＰ製中子を挿入する方式とし、内周が開口寸法、幅がフランジ幅となる厚さ２５ｍｍの額縁状中子を事前に作製し、シェル開口部のプリプレグ積層時にはこの額縁状中子を包み込む形で積層した。

シェル下部には伝熱管の支持板が位置する部位のｚ方向にスライドロッドを支持するサポートロッドを設けた。サポートロッドはシェル両壁面に設けられたパイプ受けに載置した。パイプ受けは、プリプレグＢを積層、バギングし、伝熱管の作製と同様に加熱硬化した厚み２５ｍｍの厚板から７０×４０ｍｍの長方形を切り出し、サポートロッドがはまるφ３６ｍｍ相当の溝を削りだして作製した。さらにパイプ受け２ヶ所にシェルへボルト留めするためのＭ８ＳＵＳ製インサートを埋め込んだ。パイプ受けのシェルへの接合は図４に示すようにテフロン（登録商標）パッキンおよびシェル材を介してボルトで固定した。

（管板の作製）
管板の寸法は幅３６０ｍｍ、高さ９５０ｍｍとし、プリプレグＡ３層、プリプレグＢ６層をシェルと同様の手順で全体を積層・成形した。更に後工程で、伝熱管の給排水口が貫通する部分についてのみ増厚を実施した。得られた管板の伝熱管が貫通する位置には組立時に使用するジョイントが取付けられる寸法の孔を開けた。

（熱交換器の実用実験）
管板の伝熱管貫通用開口部にフェノール樹脂製ジョイントを解して伝熱管を固定した後、開口部から伝熱管の管束をシェル内に挿入し、シェルの側壁の間に渡したサポートロッド上をスライドロッドが滑る様にして管束をシェル内に収納した。管板はシールガスケットを介してシェル開口部のフランジへボルト締めにより固定した。前記、伝熱管とシェルを主要部材として構成するシェルアンドチューブ式熱交換ユニットを３ユニット用意し、フランジ部で接合した上で発電プラントの排ガスバイパス配管の途中に挿入接続し、表１の条件で３ヶ月間の実用運転を実施した。

実用運転の途中、バイパス配管への排ガス流入を遮断し、管束をシェルから引き出して内部状況を調査したが、管束の引き出しは容易であり、調査後の管束収納も難なく実施された。

実用運転後の伝熱管の評価において、その表面状態は極めて良好であり、伝熱管内に水圧を加える実験においては１．５ＭＰａ以上の耐圧性を維持していることが確認された。

熱交換器の横断面図図１の熱交換器のＡ−Ａ線に沿う断面図図２の部分拡大図（支持板詳細図）図２の部分拡大図図１の部分拡大図図５の部分拡大図

符号の説明

１０・・・ストレート管
１１・・・リターンベント
１２・・・伝熱管
１３・・・端部
１４・・・端部
２０・・・シェル
２２・・・管板
２５・・・前壁
２９・・・側壁
３０・・・支持板
３１・・・スライドロッド
３２・・・サポートロッド

Claims

第１の流体が流通する伝熱管を第２の流体が流通するシェル内に複数回折り返した状態で収容し、前記伝熱管の両端部を、前記シェルの前壁を構成する管板に貫通支持させて外部で開口させ、
前記シェル内に折り返した状態で収容されている前記伝熱管が、折り返された部分を跨るようにして連結する支持板によって支持固定され、
前記シェルの側壁下部に両側壁に渡ってサポートロッドを支持すると共に、前記支持板の下部に前記伝熱管の配置位置に沿ってスライドロッドを設け、前記シェルに対して管板ごと伝熱管をスライド可能に装着したことを特徴とする熱交換器。
前記伝熱管をストレート管と、折り返し部を構成するリターンベントとで構成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記ストレート管および前記リターンベントを炭素繊維補強樹脂複合材料で形成したことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。