JPH0285697A

JPH0285697A - プレート式熱交換器

Info

Publication number: JPH0285697A
Application number: JP23626888A
Authority: JP
Inventors: Kenjiro Ito; 伊東　建次郎; Masahiro Kinugasa; 衣笠　雅普; Tsuguyasu Yoshii; 吉井　紹泰
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1988-09-22
Filing date: 1988-09-22
Publication date: 1990-03-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は渇水等の０２−を多く含む液を液媒として利用
できるようにしたステンレス鋼製のプレート式熱交換器
に関する。

〔発明の背景〕

熱交換器の伝熱面をステンレス鋼で構成するステンレス
ｗＪ製熱交換器が普及しているが、海水用としては汎用
化されていない。これはステンレス鋼でも海水を通液し
た場合には隙間腐蝕を起こすからである。

ステンレス鋼は非常に優れた耐食材料であり。

耐食性を有することから水環境で使用される各種形成の
熱交換機器に汎用されているが１機器として組み立てた
場合、溶接、かしめ、ガスケット部などで部分的に隙間
構造となることが避けられない。ステンレス鋼は一般の
平坦な部位では耐食性が優れるものの、隙間構造となる
と、使用環境によっては腐食、いわゆる隙間腐食を起こ
すことがある。ステンレス鋼の隙間腐食は、水に含まれ
る塩素イオンによって誘発されるもので、Ｃ２−濃変が
高いほど、また温度が高いほど隙間腐食性が強くなる。

従って例えば高温水を海水によって冷却するような用途
向きに適用した場合には短時間で該隙間部が腐食してし
まうことが多い。

ステンレス鋼の隙間腐蝕の防止に対しては、外部電源に
よる電気防食法或いは犠牲陽極法などの対策が温水器な
どでは広く適用されているが、熱交換器のように隙間部
が多枝にわたり構造が複雑なものでは２その全通液路に
設置することが困難であったり、設置したとしても充分
な効果を発揮できない場合も多くまた費用も窩むことに
なる。

このため、Ｍｏを添加したりＣｒ含存量を著しく高めた
ような高価な材料を使用して隙間腐蝕に対応しているが
完全ではなく、現在のところ海水熱交換器として隙間腐
蝕が発生せず半永久的に機能し得るものは、一般のステ
ンレス鋼を使用した汎用機器として出現していないと言
える。

〔発明の目的〕

本発明は、高価な耐食性元素を多量に含有させた特殊な
ステンレス鋼を使用しなくても汎用ステンレス鋼で隙間
腐蝕に耐える熱交換器を得ることを目的としたものであ
り、特に経済的な海水熱交換器を提供しようとするもの
である。

〔発明の構成〕

伝熱面をステンレス鋼で形成し、該伝熱面の少なくとも
一方の面を液媒体の接液面とする熱交換器において１本
発明は。

（１）該ステンレス鋼製伝熱面の接液側表面にＺｎまた
はＺｎ合金の被膜を密着させてなるステンレス鋼製プレ
ート式熱交換器。

（２）該ステンレス鋼製伝熱面の接液側表面にＺｎまた
はＺｎ合金の被膜を密着させ、さらにこの被膜ノ表面に
クロメート被膜を被着させてなるステンレス鋼製プレー
ト式熱交換器。

（３）該ステンレス鋼製伝熱面の接液側表面にＺｎまた
はＺｎ合金の被膜を密着させ、さらにこの被膜の表面に
水酸化亜鉛被膜を被着させてなるステ〉ルス鋼製プレー
ト式熱交換器、および。

（４）該ステンレス鋼製伝熱面の接液側表面に水酸化亜
鉛被膜を被着させてなるステンレス鋼製プレート式熱交
換器、を提供するものである。

本発明のプレート式熱交換器は、耐隙間腐蝕性が極めて
良好であり、汎用ステンレス鋼を用いた場合でも海水熱
交換器として充分に使用することができる。本発明の熱
交換器は伝熱面をステンレス鋼で形成した伝熱面の一方
に液が流れる液−液熱交換器または気−液熱交換器とし
て使用する場合に好適であり、伝熱面が大きなプレート
式熱交換器として構成する場合にその効果が大きい。

（発明の詳述〕第１図は高温水（被冷却水）を海水と熱交換して冷却す
るプレート式熱交換器の構造例を示したものである０図
示の例では平行に配置した多数のプレートｌの間隙に海
水通路２と被冷却水通路３とが形成され、各プレートｌ
を伝熱面として両者が熱交換される。各プレート１の間
にはパツキン部材（ガスケット）４がプレート周縁を廻
るように介装され、各通路２に海水を導入する海水供給
路５と各通路２から排水を取り出す海水導出路６゜並び
に各通路３に被冷却水を導入する温水供給路７と各通路
４から被冷却水を取り出す温水導出路７が接続され、各
々の海水通路２と被冷却水通路３は互いに反対方向の流
れをもつ通水路が形成されている。かような対向流式の
プレート式熱交換器自身の構造は良く知られており、伝
熱面となるプレートをステンレス鋼で構成するステンレ
ス鋼製熱交換器も知られているが、ガスケット周囲。

液出入口周囲などには多数の隙間が不可避的に生する、
また伝熱面となるプレートも波板やエンボス板等を使用
してその伝熱面積を多くすると共に液の流れを乱流化し
て熱交換効率を高めるようにしているが、この場合には
一層その隙間の量が多くなる。

例えば第２図は、波板プレートｌａとｌｂを、その波の
方向がクロスするように、そして各波の稜線で接するよ
うにして交互に積層し、ジグザグ状の海水通路２と被冷
却水通路３とが両プレートの間に形成されるようにした
例をその−ｍ１面で示したものであるが、このような波
板をクロスさせる場合には、そのクロス点において無数
の隙間が生ずる。すなわち、熱交換効率を高めるべく、
伝熱面に凹凸を持たせたり波板として伝熱面積の拡大と
乱流化を意図すればするほど隙間の数は増大することに
なり、性能のよい熱交換器はどその隙間の量は多くなる
と言える。このことは、逆に言えば性能のよい熱交換器
はど隙間腐蝕が甚大となることを示している。本発明は
、かような隙間を多量にもつステンレス鋼製プレート式
熱交換器の隙間腐蝕の防止に成功したものである。

第３〜６図は熱交換器の該隙間部分に対する本発明の隙
間腐蝕防止構造を図解的に示したものである。これらの
図において、１１ａ、ｌｌｂはステンレス鋼の伝熱面、
　１２ａ、］、２ｂは該伝熱面の接液側の表面。

１３は液側での隙間を示している。

第３図は前記（１）に対応する本発明の基本構成を示し
たもので、隙間１３に面するステンレス鋼の接液側表面
１２ａ、　１２ｂを、ＺｎまたはＺｎ合金のめっき層１
４ａ、１４ｂ（好ましくは膜厚が０．５ｇ／ｍ”以上）
で覆ったものである。伝熱面１１ａ、　ｌｌｂの他方の
面１５ａ、１５ｂも接液面である場合（液−液熱交換器
である場合）には同様の被膜を形成するのがよいが。

図には省略しである（以下の第４〜６図も同様）。

すなわち、隙間１３を形成している最外表面（液と接す
る面）はステンレス鋼製伝熱面１１ａ、ｌｌｂに密着し
ためっき層１４ａ、　１４ｂからなっている。めっき層
１４ａ、　１４ｂは隙間１３を形成している伝熱面の全
表面に密着していることが必要である。隙間１３を形成
していない伝熱表面、従って隙間腐蝕が問題とはならな
いステンレス鋼伝熱面については本発明の目的から外れ
るが２機器製造の都合上めっき層で覆うことが有利な場
合には覆っておけばよい。

また、この隙間１３の表面とは外れた表面にＺｎまたは
Ｚｎ合金のめっき府が存在すると、この部分が犠牲陽極
として作用し、またここで形成した水酸化亜鉛被膜が酸
素還元のバリヤーとなって自然電位の上昇を抑え、隙間
腐蝕の防止に有利に作用する。したがって、隙間を形成
しているステンレス鋼伝熱表面と、この表面以外の表面
にも同様のめっき層を形成しておくことは隙間腐蝕の防
止に一層有利に作用する。しかし、少なくとも隙間を形
成しているステンレス鋼伝熱面の接液側表面には該めっ
き層を密着させておくことが必要である。

第４図は前記（２）に対応する本発明の伝熱面の被膜構
造を示したもので、隙間１３に面するステンレス鋼伝熱
表面１２ａ、　１２ｂを、ＺｎまたはＺｎ合金のめっき
層１４ａ、　１４ｂと、その表面に形成したクロメート
被膜１６ａ、　１６ｂとで覆ったものである。すなわち
、隙間１３に面するステンレス鋼表面１２ａ、　１２ｂ
をＺｎまたはＺｎ合金のめっき層１４ａ、　１４ｂで密
着させたうえ、このめっき層１４ａ、１４ｂの接液側表
面にクロメート処理被膜１６ａ、１６ｂを形成させたも
のである。

第５図は前記（３）に対応する本発明の伝熱面の被膜構
造を示したもので、隙間１３に面するステンレス鋼伝熱
表面１２ａ、　１２ｂを、ＺｎまたはＺｎ合金のめっき
Ｎ　１４ａ、　１４ｂと、その表面に形成した水酸化並
鉛被ＩＱ１７ａ、１７ｂとで覆ったものである。すなわ
ち、隙間１３に面するステンレス鋼表面１２ａ、　１２
ｂをＺｎまたはＺｎ合金のめっき層１４ａ、　１４ｂで
密着させたうえ、このめっき層１４ａ、１４ｂの接液側
表面に水酸化亜鉛被膜１７ａ、　１７ｔ＋を形成させた
ものである。この水酸化並鉛被ｌ１ｉ１７ａ、１７ｂは
めっき層１４ａ、　１４ｂを形成させたあと、そのめっ
き亜鉛の表面部を化学反応によって水酸化亜鉛に変えて
水酸化亜鉛被膜を形成するのがよい。

第６図は前記（４）に対応する本発明の伝熱面の被膜構
造を示したもので、隙間１３に面するステンレス鋼伝熱
面１２ａ、１２ｂを水酸化亜鉛被膜１７ａ、　１７ｂで
覆ったものである。この水酸化亜鉛被膜１７ａ、１７ｂ
は前記（３）の構造におけるめっき層の全厚みを水酸化
亜鉛に化学変化させることによって形成するのがよい、
これによってステンレス鋼表面１２ａ、１２ｂに対して
水酸化亜鉛被膜１７ａ、　１７ｂを形成させることがで
きる。

これらいずれの構造（１）〜（４）においても、伝熱面
の接液側の隙間はステンレス鋼表面同士で形成される場
合のほか、隙間を形成する一方の面だけがステンレス鋼
である場合でもそのステンレス鋼の接液側表面に前記の
構造の被膜を形成させることによってその伝熱面の隙間
腐蝕を防止することができる。また、隙間の形状は図示
の例に限らず。

隙間腐蝕を起こすような隙間であれば全て本発明の構造
が適用できる。そのさい被膜はステンレス鋼の接液側表
面に密着して形成されていることが必要であり、該被膜
が隙間以外のステンレス鋼接液側表面に形成されていて
も特に問題はなく、むしろ好ましい場合が多い。

従来より、Ｚｎ被覆は一般に普通鋼の腐食を防止するた
めに用いられてきた。普通鋼においてはＺｎが犠牲溶解
し、金属Ｚｎが消耗すると直ちに腐食することから、金
属Ｚｎとして残存する期間が耐久性の指標となっている
。Ｚｎが犠牲溶解してなくなる現象は普通鋼のＺｎ被覆
材と同様にＺｎ被覆ステンレス鋼においても推察される
。すなわち、ステンレス鋼上のＺｎが溶解して無くなる
と普通鋼と同じようにＺｎによる防食効果は無くなると
考えるのが普通である。

ところが１本発明者らはステンレス鋼にＺｎ被覆した場
合の防食効果について、Ｚｎの溶解後についてもさらに
細部にわたって種々の面から検討した結果、Ｚｎが存在
しているときはもちろんのこと、Ｚｎが腐食し水酸化亜
鉛となった際にもステンレス鋼の腐食を防止する作用の
あることを見出した。また、Ｚｎの消耗量も普通鋼に比
ベステンレス鋼のほうが少ないこともわかった。したが
って１本発明のプレート式熱交換器は金属Ｚｎが無くな
ったあとでも水酸化亜鉛が防食効果を発運し、長期にわ
たって隙間腐蝕を防止することができる点で、その効果
は格段のものがある。この防食効果を示す水酸化亜鉛被
膜は予め形成させておいてもよいし、熱交換器使用中に
Ｚｎ被膜が水酸化亜鉛被膜に変性したものでもよい。ま
たクロメート処理を最外層に形成しておくと一層防食効
果が良好となる。　隙間での防食機構としては、第一に
、隙間内のＺｎは溶出し難＜、Ｚｎがある間は犠牲溶解
による防食効果が働き、さらに隙間内で溶解し腐食生成
物となった水酸化亜鉛が隙間内でのｐＨの低下を抑制し
て、素地の腐食を防止する作用として働くものと考えら
れる。第二に、隙間外部でのＺｎはもちろん犠牲防食の
役目をし。

Ｚｎが溶けて水酸化亜鉛となっても、この水酸化亜鉛が
酸素還元のバリヤーとなって自然電位の上昇を抑え、腐
食を防止するものと考えられる。

このことは、以下に示す本発明者らの行った試験結果か
ら実証され得る。

試験例第７図は５ＵＳ３１６ステンレス鋼の素材と、めっき１
４寸量をかえてＺｎめっきした５ＵＳ３１６ステンレス
鋼の隙間腐食性を調べた結果を示す。隙間構造は第８図
に示したようにして形成させた。すなわち板状試験片１
８の中央に穴をあけ、これにＴｉボルト１９を通してテ
フロンガスケット２０およびＴｉワッシャ２１を介して
Ｔｉナツト２２で固定する。これによって、テフロンガ
スケット２０と試験片１８の間には隙間が形成される。

試験片はボルト穴をあけたあとめっきした。従って穴の
表面にもめっき層が存在する。試験は３．５χＮａＣｌ
の８０°Ｃの水溶液にこの試験構造体を浸漬して行い、
自然電位の変化と試験片の隙間内の腐食状況を観測した
。

第７図の結果から、ステンレス鋼の素材の電位は高いが
４短時間で腐食し腐食電位まで低下してくることがわか
る。一方＋　　Ｚｎ被覆したステンレス鋼は、Ｚｎが存
在する間は電位も低くＺｎの犠牲溶解による防食効果が
認められる。Ｚｎが溶解して消耗すると電位は上昇して
くる。隙間内のＺｎは液面との接触面積が狭く液中への
Ｚｎの拡散が抑制されＺｎの消耗速度は遅（なるが１時
間と共に順次なくなり２時間とともに電位も上昇する。

しかし、めっき付着量が０．５ｇ／ｍ”以上のものは腐
食しない、これは水酸化亜鉛のｐＨ緩衝作用が有効に働
いてきたためと考えられる。

第１表は第７図で示した試験を種々の表面処理材につい
て６ケ月間行った後の腐食の状況を示したものである。

第１表の結果から、水酸化亜鉛になっても、Ｚｎの目付
量が０．５ｇ／ｍ”以上あると隙間腐食がおこらないこ
とがわかる。めっき量がこれ以下では、Ｚｎの効果が十
分に得られず隙間腐食を防止する時間は短くなる。また
、めっき量が多いほど効果的と考えられる。

第２表は鋼種を変えて同じ実験をｌＯ日日間ったときの
結果を示す、鋼種が異なる場合にもＺｎの効果は十分に
認められる。

第３表はＺｎ合金被覆したステンレス鋼の隙間腐食性を
第１図と同じ条件で調べたものである。

Ｚｎ被覆の効果はＺｎ単独被覆のみならずＺｎ合金被覆
においても認められる。これらの合金被覆においても付
着量が、　０．５ｇ／ａ”以上であれば、隙間腐食は生
じない。

第１表第２表り！タノメイ１第３表　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔイ１く（！【：イＳイｌ話このように、ステンレス鋼の隙間腐食の防止に寸して水
酸化亜鉛は有効に作用している。

第９図は、試験片に２３ｇ７ｍ”　（Ｄ　Ｚ　ｎめっき
を施しこうえ、そのＺｎめっき層の表面を水酸化亜鉛化
５理し、Ｚｎ＋水酸化亜鉛被膜とした場合と、全に酸化
亜鉛被膜とした場合について、第７図の場（と同じ条件
で隙間腐食試験を行った結果を示しこものである。第９
図の結果がら、Ｚｎめっきのヒま、Ｚｎと水酸化亜鉛の
複層構造、および水酸ヒ亜鉛被膜ではそれぞれ電位の変
化は異なること；（わかる、Ｚｎめっきの表面の厚みの
一部を水酸ヒ処理した複層構造では電位の上昇する時間
は速：なるが９その後の電位の変化はＺｎめっきまま＝
殆ど同じである。水酸化亜鉛だけの被覆構造でｔＺｎの
犠牲溶解による防食は見られないが、電γの変化はＺｎ
めっき材のＺｎの溶解後の電位の変りと同じ挙動を示す
、第４表はこの試験後の腐食（ａを示したが、素材以外
のいずれの材料も隙間３食は発生していない。

第４表以上の試験結果は、実際の熱交換器においても本発明の
効果がｆ！認された。すなわち、先に第２図を参照して
説明した多数の凹凸をもつ伝熱面を重ねて海水通路２と
、被冷却水通路３を形成してなる隙間を無数にもつステ
ンレス鋼のプレート式熱交換器に対して、該伝熱面プレ
ート材料として５ＵＳ３１６を使用し、この５ＵＳ３１
５の熱交プレート板にＺｎ被覆を約４０ｇ／ｍ”、　１
８０ｇ／ｍ”施したもの、さらに水酸化処理やクロメー
ト処理した熱交換器を作製し、６０°Ｃの海水を３０日
間循環させ熱交換器としての耐久性試験を行った。試験
後プレートを解体して内面を調査したが５いずれの熱交
換器もプレート相互の接触面やガスケットの当り面とも
に腐食は全く認められなかった。同じ実験を５ＵＳ３１
６の素材のままを伝熱面とするもので行ったところ。

海水路側のプレート相互の接触面やガスケットの当り面
で激しい隙間腐食を起こしていた。

以上説明したように５本発明のプレート式熱交換器は海
水に対しても隙間腐蝕を起こさない８本発明に従う伝熱
面の被膜構造としては、電気Ｚｎめっき、溶融Ｚｎめっ
き、蒸着ＺｎめっきなどでＺｎまたはＺｎ合金を被覆す
る。塗布や溶射などによってＺｎまたはＺｎ合金とその
水酸化物を付着させる、さらに隙間内にＺｎまたはＺｎ
合金の箔または板状のものを挿入する。といった処決で
該被膜構造を形成することができ、いずれの方法におい
てもステンレス鋼伝熱面の隙間腐食の防止が達成できる
。

本発明によれば、中性の水環境はもとより塩素イオンの
捲めて高い塩溶液などを対象とした場合にも隙間構造部
の隙間腐食が防止され、その結果機器の耐久性が著しく
向上することができると共に１本発明によれば、Ｃｒや
Ｍｏなどの耐食性改善元素を多くした高価な材料を用い
る必要がなく、コストの低減が可能な上１省！Ｗ源の観
点からも非常に有益である。また、ステンレス鋼素材そ
のままを伝熱面として熱交換器を構成する場合と比べて
隙間腐蝕を避けるための設計上の制約を受けないことか
ら、構造が複雑で熱交換効率のよい熱交換器を自由に構
成することができることになり、熱交換器の技術分野に
著しい貢献ができ、一般の熱交換器はもとより海水を液
媒とする工業用熱交換分野において特にその効果は甚大
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のブレニド式熱交換器の例を示す部分略
断面図、第２図はプレート式熱交換器の隙間を説明する
ための液通路の略断面図、第３図〜第６図はいずれも本
発明に従う熱交換器の隙間部の被膜構造例を示した拡大
断面図、第７図は隙間腐蝕試験における自然電位の経時
変化を示す図。第８図は隙間試験における隙間形成状態を示す側面図、
第９図は他の隙間試験における自然電位の経時変化を示
す図である。ｌ・・伝熱面を形成するプレート。２・・海水通路、　　３・・被冷却水通路。４・・パンキン部材（ガスケット）。１１ａ、　ｌｌｂ　　・・ステンレス鋼の伝熱面。１２ａ、１２ｂ・・該伝熱面の接液側の表面。１３・・伝熱面の液側隙間。１４ａ、　１４ｂ・・ステンレス鋼製伝熱面に形成した
ＺｎまたはＺｎ合金のめっき層。１６ａ、１６ｂ・−クロメート被膜。１７ａ、１７ｂ・・水酸化亜鉛被膜。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）伝熱面をステンレス鋼で形成し、該伝熱面の少な
くとも一方の面を液媒体の接液面とするプレート式熱交
換器において、該ステンレス鋼製伝熱面の接液側表面に
ＺｎまたはＺｎ合金の被膜を密着させてなるステンレス
鋼製プレート式熱交換器。
（２）伝熱面をステンレス鋼で形成し、該伝熱面の少な
くとも一方の面を液媒体の接液面とするプレート式熱交
換器において、該ステンレス鋼製伝熱面の接液側表面に
ＺｎまたはＺｎ合金の被膜を密着させ、さらにこの被膜
の表面にクロメート被膜を被着させてなるステンレス鋼
製プレート式熱交換器。
（３）伝熱面をステンレス鋼で形成し、該伝熱面の少な
くとも一方の面を液媒体の接液面とするプレート式熱交
換器において、該ステンレス鋼製伝熱面の接液側表面に
ＺｎまたはＺｎ合金の被膜を密着させ、さらにこの被膜
の表面に水酸化亜鉛被膜を被着させてなるステンレス鋼
製プレート式熱交換器。
（４）伝熱面をステンレス鋼で形成し、該伝熱面の少な
くとも一方の面を液媒体の接液面とするプレート式熱交
換器において、該ステンレス鋼製伝熱面の接液側表面に
水酸化亜鉛被膜を被着させてなるステンレス鋼プレート
式熱交換器。
（５）伝熱面の少なくとも一方の面に接して通液する液
媒体が海水である請求項１、２、３または４項に記載の
海水用ステンレス鋼製プレート式熱交換器。