JP2004053167A

JP2004053167A - Conduit for fluid channel and heat exchanger comprising the same

Info

Publication number: JP2004053167A
Application number: JP2002212744A
Authority: JP
Inventors: Manabu Hashikura; 橋倉　学; Hirohiko Nakada; 仲田　博彦
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-07-22
Also published as: JP3867632B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a conduit for a fluid channel having high corrosion resistance to an acid flocculated water, preventing the reaction of the conduit with the fluid flowing in the conduit and components included in the fluid to improve the corrosion resistance and heat conductance, further to improve the heat efficiency of a heat exchanger, and in particular, to provide the conduit properly used in the heat exchanger for collecting the latent heat to save the energy. <P>SOLUTION: This conduit 10 configurated by a pipe 11 made out of a base material of high heat conductive metal having heat conductivity of 100 W/mK or more, and having high corrosion-resisting coating layers 20 on an inner face 11b or/and outer face 11a of the pipe 11, is mounted in the heat exchanger. Preferably, the conductor 10 has fins 12, and the high corrosion-resisting coating layer 20 is configurated by a high-corrosion resisting ceramic layer 23 of DLC and the like, a lower plating layer 21 of Ni-P and the like, and an Au layer 22 and the like successively laminated. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体流路用の導管及び該導管を備えた熱交換器に関し、詳しくは、ガス給湯器等の燃焼装置において、排ガス中の水蒸気の潜熱を回収する熱交換器に用いられる導管の耐食性と熱伝導性を改良し、熱交換効率を向上するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガス給湯器などの燃焼装置において、省エネルギーの観点から熱効率の向上を図るために燃焼排ガス中の水蒸気を積極的に凝縮させて、水蒸気潜熱を導管等を介して回収する機能を付加した熱交換器を備えた機種が実用化されている。
【０００３】
燃焼排ガス中には多量の窒素酸化物、炭酸ガス、水蒸気と微量の硫黄酸化物が含まれているため、上記のように導管を用いて潜熱を回収するために水蒸気を凝縮させると、それら燃焼ガス中の成分が溶解し、ＰＨ＝２〜４の酸性凝縮水が多量に生成する。
【０００４】
導管の形成材料を銅又は銅合金等とすると、上記酸性凝縮水に対する耐食性低いため、この酸性凝縮水が導管の外面と接触することにより導管が腐食され、熱交換器の性能が低下したり、導管に孔かあいて水漏れなどの原因になることがある。
【０００５】
また、導管の形成材料をアルミニウム又はアルミニウム合金とすると、表面に厚さ数μｍの陽極酸化処理膜を形成した場合でも、酸性凝縮水に対する耐食性をさほど向上することはできず、長期間にわたる酸性凝縮水との接触によって、導管の腐食が進行してしまう。
【０００６】
これら酸性凝縮水（酸性結露水）による導管腐食に関して、種々の提案がなされており、例えば、特開昭６０−２４５７８７号では、銅製の導管の表面にニッケルを主成分としたメッキ層、又は、その上にスズを主成分としたメッキ層を形成し、酸性に対する腐食性を向上させることが提案されている。
【０００７】
また、特開昭６０−１６４１６７号では、有機ケイ素重合体とチタン有機化合物と熱伝導性の高いＳｉＣ等の無機充填材よりなる層と、有機系樹脂バインダーを導管表面にコーティングし、導管の耐食性と熱伝導性の両立を果たしている。さらに、特開昭６１−１１９６９７号、特開昭６１−１５０４４号でも、メッキ層の上に有機系樹脂バインダーや樹脂コーティングを施し、酸性凝縮水に対する腐食性を向上させている。
【０００８】
一方、特開平１０−２７４４０１号では、ステンレス綱などの耐熱金属からなる熱交換用チューブ（導管）の外表面に積層させたセラミックス皮膜をコーティングさせ、耐食性を向上させることが提案されている。
【０００９】
また、特開２００２−３８２７７号では、鋼管と皮膜との熱膨張差を無くし、皮膜の剥離がないように、Ａ１_２０_３、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａ１_２０_３、Ｍｇ_３Ｎ_２から選ばれた化合物で被覆されたアルミニウム粒子を含む金属アルミニウム膜で、鋼管を被覆して耐食性を向上させている。
【００１０】
また、現在実用化されている熱交換器では、導管自体の材質を上記のようなステンレス鋼、あるいはチタン又はチタン合金製にして、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金から形成される導管よりも、導管自体の耐食性を向上させることが行われている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６０−２４５７８７号では、ニッケルやスズは高耐食性を備えているがピンホール等の欠陥があった場合には、酸性凝縮水により腐食してしまう。それを防ぐためには、メッキ層を厚くする必要があった。その結果、ニッケルやスズのメッキ層が厚くなるため、メッキ層により導管の熱伝導性が阻害され、熱交換効率が悪くなるという問題がある。一方、導管内壁においては、導管内を流れる流体や流体中に含まれる成分と、導管を形成する銅とが導管内面で反応し、銅が流体中に溶け出すことがある。特に、導管内の流体が水道水である場合には、水道水中に含まれる塩素と銅が反応し、銅が水道水中に溶け出して法律による基準値を超えないようにすることが望まれている。
【００１２】
また、特開昭６０−１６４１６７号、特開昭６１−１１９６９７号、特開昭６１−１５０４４号では、いずれも有機系樹脂バインダーや樹脂コーティングが施こされているため、樹脂層により導管の熱伝導性が阻害され、熱交換の効率が悪くなるという問題がある。
【００１３】
さらに、特開平１０−２７４４０１号では、導管がステンレス製であるため、酸性凝縮水に対する耐食性を向上することができるものの、導管自体の熱伝導率が２３Ｗ／ｍＫ程度と非常に悪いため、熱交換効率が低下するという問題がある。同様に、特開２００２−３８２７７号でも、使用される鋼管の熱伝導率が非常に悪いため、同様に熱交換率が低下すると共に、被覆層が非常に厚いため、より熱伝導性が悪くなるという問題がある。また、上述したチタン又はチタン合金等も、同様に、導管自体の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ程度と非常に悪いため、熱交換効率が低下するという問題がある。
【００１４】
本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、酸性凝縮水に対する耐食性が良好である上に、導管内を流れる流体や流体中に含まれる成分と導管との反応を防止でき、耐食性と熱伝導性に優れた流体流路用の導管を提供すると共に、非常に熱効率に優れた熱交換器を提供することを課題としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、熱伝導度が１００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性金属からなる基材で管が形成され、該管の内面あるいは／及び外面に高耐食性被覆層を備えてなることを特徴とする流体流路用の導管を提供している。
【００１６】
本発明者は、鋭意研究の結果、流体を流通するための管を、熱伝導性に優れた高熱伝導性金属からなる基材で形成することで、導管の熱伝導性を高めると共に、該管の内面あるいは／及び外面に非常に耐食性に優れた高耐食性被覆層を備えることにより、管の腐食を抑制でき、よって、高熱伝導性と高耐食性とを両立できることを見出した。
また、被覆層が高耐食性であるため、できる限り薄膜で腐食を防止することができ、耐久性にも優れており、高熱伝導性を有する基材の熱伝導性を長期間に渡って維持することができる。
【００１７】
具体的には、管の内面に非常に耐食性に優れた高耐食性被覆層を備えることにより、導管内を流れる流体や流体中に含まれる成分と、管を形成する高熱伝導性金属との反応により、高熱伝導性金属が流体中に溶け出すのを防止することができる。特に、水に対する耐食性が高いため、管の基材成分が、導管内部を流通する水道水に溶解し混入するのを防止することができる。例えば、厚生省の水質基準に関する省令によれば、水道水中の銅は１．０ｍｇ／Ｌ以下と定められており、この条件をクリアすることができる。また、基材の溶出を防止できるため、非常に高温下に導管を配置することも可能となる。
【００１８】
また、管の外面に非常に耐食性に優れた高耐食性被覆層を備えることにより、導管の外面で水蒸気が冷やされ凝縮される際に発生する酸性凝縮水による管の腐食を防止することができる。なお、高耐食性被覆層は、高耐食性を損なわない範囲で熱伝導度が高い材料からなることが好ましい。
【００１９】
熱伝導度が１００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性金属からなる基材で管を形成しているのは、熱伝導度が１００Ｗ／ｍＫより小さいと、導管の外面側と、導管の内面側の流体との間で熱を効率良く伝えることができないためである。高熱伝導性金属の熱伝導度は、好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上、さらに好ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上が良い。熱伝導度は高い方が好ましいが、耐食性等との兼ね合いより４００Ｗ／ｍＫ以下が良い。
また、導管の熱伝導度は１５０Ｗ／ｍＫ〜４００Ｗ／ｍＫ、さらには１７０Ｗ／ｍＫ〜４００Ｗ／ｍＫであることが好ましい。
【００２０】
上記導管は管の外面側に、放熱用あるいは吸熱用のフィンを一体または別体で備え、熱交換用の導管として用いられることが好ましい。このように、放熱用あるいは吸熱用のフィンを備えることにより、導管の外面側に存在する水蒸気等の物質と導管との間の接触面積が大きくなり、熱伝導性を高めることができる。よって、熱交換の効率が高まり、熱交換用の導管として好適である。
【００２１】
具体的には、フィンと管とを一体とする際には、フィンも高耐食性被覆層を備えていることが好ましい。
また、フィンと管とを別体とする際には、フィンと管を同材質あるいは、フィンを耐食性の良くない材質とする場合、フィンも管と同様に高耐食性被覆層を備えていることが好ましい。なお、フィンと管とを別体とし、フィンを高耐食性を有する材質とする場合、フィンは高耐食性被覆層を備えていなくても良い。このように、導管は、高耐食性被覆層を、その外面及び内面の全面に備えていることが好ましいが、部分的に備えていても良い。
【００２２】
上記フィンは、リング状、蛇腹状、螺旋状、板状等とすることができ、流体や水蒸気等との接触面積が大きくなるような種々の形状の突起物等とすることができ、フィンの個数や配置位置等も適宜設定可能である。また、管は円筒状であることが好ましいが、流路の断面形状は、円以外にも用途に応じて、楕円、多角形、これらの組み合わせの形状等とすることができる。なお、流体の流れを損なわないように、導管の内面に放熱用あるいは吸熱用のフィンを設け、導管の内面側の熱伝導性を向上させることもできる。
【００２３】
上記高熱伝導性金属は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅とアルミニウムの合金から選択される金属であり、１種のみの単体又は複数種の複合材を上記基材としていることが好ましい。１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導度を実現するには、これらの金属が好ましく、フィン等を設ける場合には、これらの金属を組み合わせて複合体として用いることができる。なお、基材を上記金属からなるクラッド材から形成することもできる。また、これらの金属は、加工性にも優れている。熱伝導性の点からは、上記基材は、銅、銅合金が好ましい。
【００２４】
上記高耐食性被覆層は、ＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＣの内、少なくとも一種以上からなる高耐食性セラミック層からなり、１層又は２層以上に積層され、２層以上の場合は上記ＤＬＣまたはＳｉＣを最表面としていることが好ましい。
【００２５】
このような材料からなる高耐食性セラミック層は、耐食性が高く、非常に薄膜で高耐食性を得ることができるため、基材の熱伝導性を妨げることもない。また、高耐食性セラミック層を、異なる材質で２層以上積層することにより、ピンホールによる腐食をより確実に防止することができる。
中でもＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ＳｉＣは、特に、耐食性に優れており、最表面（導管の内面の場合は最内層、外面の場合は最外層）とされることが好ましく、特に、ＤＬＣが最適である。ＤＬＣは、作製方法、作製条件で性能が顕著に変化するが、ヌープ硬度で８００〜５０００の硬度を有することが望ましい。
【００２６】
上記高耐食性被覆層は、Ｎｉ−Ｐメッキ、Ｎｉ−Ｂメッキ、Ｎｉメッキの内、少なくとも一種以上の下層メッキ層の表面にＡｕメッキ層が施された高耐食性金属メッキ層からなり、上記下層メッキ層は１層又は２層以上に積層されていることが好ましい。
【００２７】
上記高耐食性金属メッキ層は、耐食性に優れたＡｕ（金）メッキ層が最表面に施されると共に、Ｎｉ等からなる下層メッキ層が施され、導管の基材とＡｕメッキ層との密着性を高めている。このように、下層メッキ層とＡｕメッキ層を組み合わせることにより、非常に薄膜で高耐食性を得ることができ、基材の熱伝導性を妨げることもないため、高耐食性と高熱伝導性を効率良く実現することができる。
【００２８】
また、高耐食性金属メッキ層の下地メッキ層を、異なる材質で２層以上積層することにより、ピンホールによる腐食をより確実に防止することができる。基材と接触する下層メッキ層はＮｉ−Ｐメッキとするのが良い。また、Ａｕメッキ層を積層すると、熱交換部において、例えば、ガスバーナーからの顕熱等を効率よく熱交換することができる。
【００２９】
上記高耐食性被覆層は、上記高耐食性セラミック層と、上記高耐食性金属メッキ層を構成する下層メッキ層あるいは／及びＡｕメッキ層とを積層している複合層であることが好ましい。
【００３０】
このように、上記各層を組み合わせて積層することができ、基材／Ｎｉ−Ｐメッキ／Ａｕメッキ／ＤＬＣの順の積層が最も好ましく、基材／Ｎｉ−Ｐメッキ／ＤＬＣ、基材／Ｎｉ−Ｐメッキ／Ａｕメッキ／ＳｉＣ、基材／Ｎｉ−Ｐメッキ／ＳｉＣ等も好適であり、高耐食性セラミック層を最表面とするのが好ましい。また、基材との接触層は下層メッキ層が好ましい。使用環境や基材の材質等に応じて、積層構成を適宜設定することができる。
【００３１】
上記高耐食性被覆層の厚さが１μｍ〜３０μｍであることが好ましい。これにより、ピンホールの発生をより確実に防止できると共に、基材との密着性や基材の高熱伝導度を維持することができ、良好な耐食性と熱伝導性とをさらに効率良く実現することができる。また、２層以上を積層することが好ましく、１層分の厚さが１μｍ以上であることが好ましい。
【００３２】
特に、高耐食性セラミック層の厚さは１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。
上記範囲としているのは、高耐食性セラミック層が１μｍより薄いと、耐食性が低下しやすくなるためである。一方、１０μｍより厚いと、基材に比べ、高耐食性セラミック層の構成材料の熱膨張係数が小さいため、熱交換器用の導管では加熱冷却の繰り返しにより高耐食性セラミック層が剥難しやすくなるためである。
なお、上記高耐食性セラミック層は、化学的蒸着法（ＣＶＤ）、物理的蒸着法（ＰＶＤ）、プラズマＰＶＤにより被覆することができる。管の内面に被覆する場合には、管を軸方向等に分割して、管の内面に蒸着等により被覆することができ、被覆後、管を接合し、シール等を行うことができる。
【００３３】
また、高耐食性金属メッキ層の厚さは５μｍ〜３０μｍであることが好ましい。
上記範囲としているのは、高耐食性金属メッキ層が５μｍより薄いと、耐食性が低下しやすくなるためである。一方、３０μｍより厚いと、高耐食性金属メッキ層が剥難しやすくなったり、導管の熱伝導性が低下しやすくなるためである。なお、上記高耐食性金属メッキ層は、電解メッキや無電解メッキ等により被覆することができる。
【００３４】
また、高耐食性セラミック層と高耐食性金属メッキ層との複合層の厚さは上記同様の理由により、２μｍ〜３０μｍであることが好ましい。
【００３５】
また、本発明の導管は、熱源がガス、灯油、石油からなる給湯器、床下暖房機、ボイラ、吸収冷凍機等の潜熱回収用の熱交換器の導管として用いられることが好ましい。
本発明の導管は、上述したように、非常に耐食性に優れているため、燃焼排ガス中の水蒸気を積極的に凝縮させて水蒸気潜熱を回収する潜熱回収用の熱交換器の導管として用いた場合でも、導管の外面側で発生する酸性凝縮水による導管の腐食を抑制することができる。また、本発明の導管は、熱伝導性にも優れるため、熱交換の効率も向上することができる。さらに、導管の内面の耐食性にも優れるため、導管内を流通する水等の流体に影響を及ぼすことなく、導管内の流体を潜熱を利用して加熱することができる。よって、熱源がガス、灯油、石油からなる給湯器、床下暖房機、ボイラ、吸収冷凍機等の潜熱回収用に好適に用いることができ、省エネルギー化を実現することができる。特に、導管内に水を流し、その水を加熱するのに適している。流体としては、その他、各種水溶液等の液体、気体等が挙げられる。
また、ガスバーナーからの顕熱回収用として用いることもでき、ガスバーナーで直接加熱される主熱交換器用の熱交換器の導管として用いることもできる。
【００３６】
また、本発明は、上記流体流路用の導管を備えたことを特徴とする流体流路用の導管を備えた熱交換器を提供している。
【００３７】
このように、本発明の流体流路用の導管を配設した熱交換器は、導管が高耐食性と高熱伝導性を両立しているため、導管の腐食等が生じることもなく、長期間に渡り、高い熱交換性を得ることができる。
【００３８】
また、本発明の熱交換器は、流体流路用の導管の外面側から排気ガス中の水蒸気の潜熱を吸収して導管内を流通する流体を加熱する構成としていることが好ましい。
上記導管は、高熱伝導性を有する上に、酸性凝縮水に対して腐食することがないため、排気ガス中の水蒸気の潜熱を長期間に渡り、安定して吸収することができる。さらに、上記導管は熱伝導性に優れているため、導管を介して潜熱を導管内を流通する流体に伝えることができ、流体を効率良く加熱することができる。また、熱交換器は、ガスバーナー等により直接加熱される主熱交換部と潜熱交換部とを併設していることが好ましく、潜熱交換部により予備加熱する構成が好ましい。
【００３９】
本発明の熱交換器は、上記導管内に流体を通すことにより流体温度を５℃〜２０℃昇温させる構成としていることが好ましい。
潜熱等を利用して、流体温度を５℃〜２０℃昇温させることができるため、２０℃〜２５℃程度の常温の水を４０℃〜４５℃程度の温水に加熱するようなガス給湯器等において特に有用であり、上記構成の熱交換器により予備加熱等を行うことにより、熱交換の効率を向上させ、省エネルギー化を実現することができる。
なお、本発明の熱交換器において、導管は、室温〜３００℃、好ましくは室温〜２００℃の温度環境下に配置されるのが良い。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、本発明の流体流路用の導管１０を示す。導管１０は、熱交換用の導管であり、基材となる管１１と、管１１の外面１１ａに突設された吸熱用のフィン１２とを備えると共に、管１１の外面１１ａ及び内面１１ｂの全面には高耐食性被覆層２０を備えている。
【００４１】
導管１０の基材となる管１１は、高熱伝導性金属である銅（熱伝導度３９５Ｗ／ｍＫ）から形成されてなり、フィン１２を除くと略円筒状としている。フィン１２は管１１と一体的に形成されており、フィン１２の外面１２ａにも高耐食性被覆層２０を備えている。即ち、導管１０の外面１０ａは全て高耐食性被覆層２０で覆われた構成としている。また、フィン１２は管１１の周方向の全周に渡ってリング状に設けられており、フィン１２は管１１の外面１１ａに対して垂直に突設しており、このリング状の複数のフィン１２が、管１１の軸方向に等間隔に配置されている。
【００４２】
具体的には、図１（Ｄ）に示すように、高耐食性被覆層２０は、３層構造とされ、高耐食性金属メッキ層を構成する下層メッキ層２１及びＡｕメッキ層２２と、高耐食性セラミック層２３とが積層された複合層としている。即ち、基材として銅が用いられ、基材となる管１１の表面に、１層目の下層メッキ層２１としてＮｉ−Ｐメッキ、その表面に２層目としてＡｕメッキ層２２、その表面に３層目としてＤＬＣからなる高耐食性セラミック層２３を最表面に積層している。
【００４３】
フィン１２を除いた管１１の厚さは０．７１ｍｍ、外径は１５．８８ｍｍ、フィン１２の突設高さは６．６６ｍｍ（フィン１２の外径は２９．２０ｍｍ）、下層メッキ層２１の厚さは５μｍ、Ａｕメッキ層２２の厚さは２μｍ、高耐食性セラミック層２３の厚さは１μｍとしている。即ち、高耐食性被覆層２０の厚さは合計８μｍとしている。高耐食性被覆層２０は、管１１の外面１１ａ及び内面１１ｂの両面共に、上記のような積層構成としている。
【００４４】
また、本発明の導管１０を備えた熱交換器２５について説明する。
図２に示すように、熱交換器２５は、ガス給湯器に用いられており、約１２００℃で燃焼するガスバーナー２６の上面側に、導管１０（高耐食性被覆層は図示せず）がＵ字状に折り曲げられて配設されている。また、導管１０内には、図中矢印の向きに流体である水が流通される構成としている。
【００４５】
導管１０は、潜熱回収用の熱交換器２５の導管１０として用いられ、ガスバーナー２６から排出される約２００℃の燃焼排気ガス中の水蒸気を積極的に凝縮させて、その水蒸気潜熱を、導管１０を介して吸収し、導管１０内を流通する水を加熱する構成としている。
【００４６】
具体的には、導管１０の外面１０ａ側から排気ガス中の水蒸気の潜熱を吸収して、その熱が高耐食性被覆層及び管とフィン１２とを介して、導管１０内を流通される水に伝えられることにより、水の温度を５℃〜２０℃昇温させる構成としている。導管１０の外面１０ａと排気ガスとの接触面積ができるだけ大きくなるように、導管１０はフィン１２を備えていると共に、省スペースで効率良く熱を吸収するために、導管１０は折り曲げて配設されている。導管１０内には水が連続的に流通されており、排気ガスの潜熱を利用して、連続的に安定して水を加熱する構成としている。
【００４７】
このように、導管１０は、管１１の外面１１ａに高耐食性被覆層２０を備えているため、潜熱回収時に酸性凝縮水が導管１０の外面１０ａに接触しても導管１０が腐食することがない。また、管１１の内面１１ｂにも高耐食性被覆層２０を備えているため、基材である管１１を形成する銅が導管１０内を流れる水中に、溶出することもない。
【００４８】
また、高耐食性被覆層２０は合計８μｍと非常に薄膜であるため、管１１の基材の熱伝導度に影響を及ぼすことがなく、導管１０全体として非常に高熱伝導性を維持することができる。よって、熱交換器２５は、非常に熱伝導率が高く、熱交換の効率が良い上に、導管１０の腐食も生じないため、長期に渡って安定した性能を発揮することができ、省エネルギー化を図ることができる。
【００４９】
図３は、第２実施形態の導管を示す。
図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、導管１０’は、管１１’の外面１１ａ’のみに高耐食性被覆層２０’を備えており、高耐食性被覆層２０’は、高耐食性セラミック層２３’（ＤＬＣ）の１層のみとしている。また、図３（Ｃ）（Ｄ）に示すように、導管１０”は、管１１”の内面１１ｂ”のみに高耐食性被覆層２０”を備えても良く、高耐食性被覆層２０”は、１層目の下層メッキ層２１”（Ｎｉ−Ｐメッキ）と、その表面に２層目のＡｕメッキ層２２”の２層としている。
【００５０】
また、図４に示すように、導管３０の管３１とフィン３２とを別体とすることもできる。具体的には、銅製の管３１の外面３１ａに、管３１とは材質を変更し、アルミニウム（熱伝導度２２０Ｗ／ｍＫ）からなるリング状のフィン３２を取り付けることもでき、フィン３２を取り付けた後に、高耐食性被覆層３４を管３１とフィン３２の外面側に形成することができる。なお、管とフィンとのそれぞれに高耐食性被覆層を形成した後に、管にフィンを取り付けても良い。
【００５１】
また、図５に示すように、複数の貫通穴４２ａが穿設された平板４２を、貫通穴４２ａの位置を合わせて複数枚準備し、貫通穴４２ａに複数の管４１を差し込み、平板４２をフィンの代用とすることで、複数の管４１とフィンとなる平板４２とを備えた導管４０を得ることもできる。特に、熱交換器に用いる際に好適であり、潜熱等を効率良く利用して、大量の流体を加熱することが可能となる。
【００５２】
図６（Ａ）に示すように、導管５０の基材となる管５１自体の形状を蛇腹状とし、高耐食性被覆層５４を備える構成とすることもでき、導管５０の外面５０ａ及び内面５０ｂを凹凸面とすることもできる。図６（Ｂ）に示すように、導管５０’は、フィンを備えず、基材となる管５１’の外面５１ａ’に高耐食性被覆層５４’を備えた構成とすることもできる。なお、管の内面に高耐食性被覆層を有していても良い。
【００５３】
上記実施形態以外にも、基材は、銅合金、アルミニウム合金、銅とアルミニウムの合金等の高熱伝導性金属を用いることができ、複数種の複合材としても良い。
高耐食性被覆層は、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＣ等の高耐食性セラミック層とすることもでき、Ｎｉ−Ｂメッキ、Ｎｉメッキ等の下層メッキ層の表面にＡｕメッキ層が施された高耐食性金属メッキ層とすることもでき、これらを組み合わせることもできる。
【００５４】
また、熱交換器は、熱源がガス、灯油、石油からなる給湯器、床下暖房機、ボイラ、吸収冷凍機の潜熱回収用の熱交換器とすることができる。また、導管は、ガスバーナーで直接加熱される主熱交換器用として用いることもでき、導管とガスバーナー等の熱源との配置位置を変更し、潜熱回収時よりも熱源と導管との距離を小さくし、高温下に導管を配設することもできる。
【００５５】
以下、本発明の実施例について詳述する。
（実施例１〜６１）
基板として、熱伝導度が１００Ｗ／ｍＫ以上を有する無酸素銅（ＪＩＳ：Ｃ１０２０）、リン脱酸銅（ＪＩＳ：Ｃ１２２０）、純アルミ（ＪＩＳ：Ａ１０００）の３種類の導管に使用することを想定した材料を準備した。大きさは、５０ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍであり、全面を研磨し、アセトンで脱脂洗浄した。
この基板上に、高耐食性被覆層を形成した。高耐食性セラミック層の材料として、ＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＣを使用した。高耐食性金属メッキ層の下層メッキ層の材料として、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ、Ｎｉを使用し、Ａｕメッキ層の材料としてＡｕを使用した。これらの材料を組み合わせ、厚みや積層順を適宜設定し、下記の表１、表２に示すように高耐食性被覆層を備えた基板からなる試験片（実施例１〜６１）を作成した。この試験片を用いて、酸性腐食試験、熱伝導度の測定、剥離性試験を実施した。
【００５６】
【表１】

【００５７】
【表２】

【００５８】
（酸性腐食試験）
亜硝酸、硝酸、硫酸、塩酸各水溶液を用いて、潜熱回収用熱交換器で発生する酸性凝縮水に近い酸性水溶液を作製した。その水溶液の各イオン濃度は
亜硝酸イオン：３０ｍｇ／Ｌ
硝酸イオン：５０ｍｇ／Ｌ
硫酸イオン：１．１ｍｇ／Ｌ
塩素イオン：０．８ｍｇ／Ｌ
であり、そのｐＨは３であった。この水溶液に各試験片を３００Ｈｒ侵食させて、試験前後の試験片の重量差（腐食減量）を調査した。０．１≦腐食減量の量比≦０．８を可、腐食減量の量比＜０．１を良とした。なお、無酸素銅（ＪＩＳ：Ｃ１０２０）、リン脱酸銅（ＪＩＳ：Ｃ１２２０）、純アルミ（ＪＩＳ：Ａ１０００）のみの場合は、上記量比は０．８を越えていた。
【００５９】
（熱伝導度の測定）
上記試験片について、レーザーフラッシュ法により熱伝導度を測定した。
【００６０】
（剥離性試験）
試験片を温度３００℃に急速加熱（１００℃／分）し、１０分保持し、その後、室温まて強制冷却（１００℃／分）するサイクルを５００回以上実施し、高耐食性被覆層が基板から剥げている箇所を目視で観察した。
５０００回で剥離がなかったものを「◎」
１０００回〜５０００回で剥離したものを「○」
５００回では剥離がなく、５００回〜１０００回で剥離したものを「△」とした。
【００６１】
上記試験片で実施した酸性腐食試験と剥離性試験の結果を、試験片の熱伝導度を併せて、表１、表２の実施例１〜６１に示す。
【００６２】
表１及び表２に示すように、高耐食性金属メッキ層を用いた例において、実施例２０と実施例５４を比較すると、高耐食被覆層の厚さが３０μｍより厚い実施例５４は、酸性腐食試験での腐食減量は少ないが、剥離性試験で、加熱冷却の繰り返しの剥離回数が小さく、他の実施例に比べて、剥離しやすかった。従って、剥離をできるだけ少なくするには３０μｍ以下の厚さが好ましいことが確認できた。
【００６３】
一方、高耐食性セラミック層を用いた例において、実施例７〜９、１１、１２と実施例５６、５７を比較すると、高耐食被覆層の厚さが１μｍより薄いと、剥離性試験で加熱冷却の繰り返しによる剥離は観察されないが、酸性腐食試験での腐食減量がやや多くなった。従って、酸性水溶液に対しての腐食をより確実なものとするためには、厚さは１μｍ以上が好ましいことが確認できた。
【００６４】
複合膜を用いた例において、実施例３５と実施例５５を比較する。高耐食被覆層の厚さが３０μｍ以上より厚い実施例５５は、酸性腐食試験での腐食減量は少ないが、剥離性試験で、加熱冷却の繰り返しの剥離回数が小さく、他の実施例に比べて剥離しやすかった。従って、剥離をできるだけ少なくするには３０μｍ以下の厚さが好ましいことが確認できた。
【００６５】
一方、高耐食性金属メッキ層を用いた例において、実施例２０と実施例５８、実施例２１と実施例５９を比較する。高耐食被覆層の厚さが１μｍより小さくなると、剥離性試験で加熱冷却の繰り返しによる剥離は観察されないが、酸性腐食試験での腐食減量がやや多くなった。従って、酸性水に対しての腐食をより確実なものとするためには、厚さは１μｍ以上が好ましいことが確認できた。
【００６６】
一方、複合膜を用いた例において、実施例３５と実施例６０、実施例３６と実施例６１を比較する。高耐食被覆層の厚さが１μｍより小さいと、剥離性試験で加熱冷却の繰り返しによる剥離は観察されないが、酸性腐食試験での腐食減量がやや多くなった。従って、酸性水に対しての腐食をより確実なものとするためには、厚さは１μｍ以上が好ましいことが確認できた。なお、実施例１〜６１は、無酸素銅（ＪＩＳ：Ｃ１０２０）、リン脱酸銅（ＪＩＳ：Ｃ１２２０）、純アルミ（ＪＩＳ：Ａ１０００）のみに比べ、いずれも酸性腐食試験の結果に優れており、高耐食性を有していた。
【００６７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、高熱伝導性金属からなる機材で形成される管の内面あるいは／及び外面に高耐食性被覆層を備えている。このため、導管の外面が酸性凝縮水と接触しても、高耐食性被覆層により管の腐食を防止することができると共に、導管内を流れる流体や流体中に含まれる成分と、管とが接触することがないため、管の成分が流体中に溶出するのを防止することができる。
【００６８】
また、管を形成する基材が高熱伝導性を有する上に、高耐食性被覆層が非常に薄膜であるため、基材の高熱伝導性を妨げることもなく、非常に熱効率の良い導管とすることができる。特に、高耐食性被覆層の厚さを１μｍ〜３０μｍとすることにより、非常に効率良く、高熱伝導性と高耐食性を実現することができ、ピンホールの発生等を確実に防止することができる。
【００６９】
さらに、耐食性に優れるため、寿命も非常に長く、耐久性に優れており、長期間に渡って安定した性能を持続することができる。よって、熱源がガス、灯油、石油からなる給湯器、床下暖房機、ボイラ、吸収冷凍機等の潜熱回収用の熱交換器の導管として好適に用いることができる。
【００７０】
また、本発明の導管を備えた熱交換器によれば、導管の熱伝導性が非常に高いため、非常に効率良く、他の熱源からの熱を導管内の流体に伝えることができ、省エネルギー化を実現することができる。特に、排気ガス中の潜熱を吸収して、導管内を流れる水等の流体を加熱するのに最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導管を示し、（Ａ）は導管の概略斜視図、（Ｂ）は導管の軸方向断面図、（Ｃ）は導管の周方向断面図、（Ｄ）は要部拡大断面図である。
【図２】本発明の導管を備えた熱交換器の概略構成図である。
【図３】第２実施形態の導管を示し、（Ａ）（Ｂ）は管の外面に高耐食性被覆層を備えた図、（Ｃ）（Ｄ）は管の内面に高耐食性被覆層を備えた図である。
【図４】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、管とフィンとを別体とした時の導管の構成の説明図である。
【図５】（Ａ）（Ｂ）は、複数の管とフィンとを備えた導管を示す図である。
【図６】（Ａ）（Ｂ）は導管の他の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０　導管
１１　管
１１ａ　外面
１１ｂ　内面
１２　フィン
２０　高耐食性被覆層
２１　下層メッキ層
２２　Ａｕメッキ層
２３　高耐食性セラミック層
２５　熱交換器
２６　ガスバーナー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a conduit for a fluid flow path and a heat exchanger including the conduit, and more particularly, to a conduit used for a heat exchanger for recovering latent heat of water vapor in exhaust gas in a combustion device such as a gas water heater. It improves corrosion resistance and heat conductivity, and improves heat exchange efficiency.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in combustion devices such as gas water heaters, heat has been added with the function of actively condensing steam in the flue gas and recovering latent heat of steam through conduits, etc. in order to improve thermal efficiency from the viewpoint of energy saving. Models equipped with exchangers have been put to practical use.
[0003]
Since the flue gas contains a large amount of nitrogen oxides, carbon dioxide gas, water vapor and a small amount of sulfur oxides, when steam is condensed to recover latent heat using a conduit as described above, The components in the gas are dissolved, and a large amount of acidic condensed water having a pH of 2 to 4 is generated.
[0004]
If the material for forming the conduit is copper or a copper alloy or the like, the corrosion resistance to the acidic condensed water is low, so that the acidic condensed water comes into contact with the outer surface of the conduit, thereby corroding the conduit and deteriorating the performance of the heat exchanger, A hole in the conduit may cause water leakage.
[0005]
Further, if the material for forming the conduit is aluminum or an aluminum alloy, even if an anodized film having a thickness of several μm is formed on the surface, the corrosion resistance to acidic condensed water cannot be improved so much, and the acid condensing for a long period of time cannot be achieved. Contact with water causes corrosion of the conduit to progress.
[0006]
Various proposals have been made with respect to conduit corrosion caused by such acidic condensed water (acid dew water). For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-245787, a plating layer containing nickel as a main component on the surface of a copper conduit, or It has been proposed that a plating layer containing tin as a main component is formed thereon to improve the corrosion property against acidity.
[0007]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-164167 discloses a method in which a layer made of an organic silicon polymer, a titanium organic compound, and an inorganic filler such as SiC having high thermal conductivity, and an organic resin binder are coated on the surface of the conduit, and the corrosion resistance of the conduit is improved. And heat conductivity. Further, in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 61-11997 and 61-15044, an organic resin binder or a resin coating is applied on a plating layer to improve the corrosiveness to acidic condensed water.
[0008]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-274401 proposes improving the corrosion resistance by coating the outer surface of a heat exchange tube (conduit) made of a heat-resistant metal such as stainless steel with a laminated ceramic film.
[0009]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-38277, A1 is used to eliminate the difference in thermal expansion between the steel pipe and the film and to prevent the film from peeling. ₂ 0 ₃ , MgO, MgO · A1 ₂ 0 ₃ , Mg ₃ N ₂ The steel tube is coated with a metal aluminum film containing aluminum particles coated with a compound selected from the group consisting of aluminum, thereby improving corrosion resistance.
[0010]
Further, in heat exchangers currently in practical use, the material of the conduit itself is made of stainless steel or titanium or a titanium alloy as described above, and copper, a copper alloy, aluminum, or a conduit formed of aluminum or aluminum alloy. Attempts have been made to improve the corrosion resistance of the conduit itself.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-245787, nickel and tin have high corrosion resistance, but if there are defects such as pinholes, they are corroded by acidic condensed water. To prevent this, the plating layer had to be thickened. As a result, the thickness of the nickel or tin plating layer is increased, so that the thermal conductivity of the conduit is impaired by the plating layer, resulting in a problem that the heat exchange efficiency is deteriorated. On the other hand, on the inner wall of the conduit, a fluid flowing in the conduit or a component contained in the fluid and copper forming the conduit react on the inner surface of the conduit, and copper may be dissolved in the fluid. In particular, when the fluid in the conduit is tap water, it is desired that chlorine and copper contained in the tap water react with each other, so that the copper does not dissolve into the tap water and does not exceed the legal standard value. I have.
[0012]
In JP-A-60-164167, JP-A-61-119697, and JP-A-61-15044, since an organic resin binder and a resin coating are applied, the heat of the conduit is reduced by the resin layer. There is a problem that conductivity is hindered and heat exchange efficiency is reduced.
[0013]
Further, in JP-A-10-274401, although the conduit is made of stainless steel, the corrosion resistance to acidic condensed water can be improved. However, since the thermal conductivity of the conduit itself is very poor at about 23 W / mK, heat exchange is not performed. There is a problem that efficiency is reduced. Similarly, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-38277, the thermal conductivity of the steel pipe used is very poor, so that the heat exchange rate is similarly reduced, and the thermal conductivity is further deteriorated because the coating layer is very thick. There is a problem. Similarly, the above-mentioned titanium or titanium alloy also has a problem that the heat exchange efficiency is reduced because the thermal conductivity of the conduit itself is very low, about 20 W / mK.
[0014]
The present invention has been made in view of the above-described problem, and has good corrosion resistance to acidic condensed water, and can prevent a reaction between a fluid flowing in the conduit or a component contained in the fluid and the conduit, thereby improving corrosion resistance. It is an object of the present invention to provide a conduit for a fluid flow path having excellent heat conductivity and to provide a heat exchanger having excellent heat efficiency.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method in which a tube is formed of a base material made of a high heat conductive metal having a thermal conductivity of 100 W / mK or more, and a high corrosion-resistant coating layer is provided on an inner surface and / or an outer surface of the tube. A conduit for a fluid flow path is provided.
[0016]
The present inventor has conducted extensive studies, and as a result, formed a pipe for flowing a fluid from a base material made of a highly heat-conductive metal having excellent heat conductivity, thereby improving the heat conductivity of the conduit and improving the heat conductivity of the pipe. It has been found that by providing a highly corrosion-resistant coating layer having extremely excellent corrosion resistance on the inner surface and / or the outer surface of the steel, corrosion of the pipe can be suppressed, and thus both high thermal conductivity and high corrosion resistance can be achieved.
In addition, since the coating layer has high corrosion resistance, it is possible to prevent corrosion with a thin film as much as possible, has excellent durability, and maintains the thermal conductivity of the substrate having high thermal conductivity for a long period of time. be able to.
[0017]
Specifically, by providing a highly corrosion-resistant coating layer with excellent corrosion resistance on the inner surface of the pipe, the reaction between the fluid flowing in the conduit and the components contained in the fluid and the high thermal conductive metal forming the pipe is achieved. In addition, it is possible to prevent the high heat conductive metal from being dissolved in the fluid. In particular, since the corrosion resistance to water is high, it is possible to prevent the base material component of the pipe from being dissolved and mixed in the tap water flowing inside the pipe. For example, according to a ministerial ordinance on water quality standards of the Ministry of Health and Welfare, copper in tap water is set at 1.0 mg / L or less, and this condition can be satisfied. Further, since the elution of the base material can be prevented, the conduit can be arranged at a very high temperature.
[0018]
In addition, by providing a highly corrosion-resistant coating layer having extremely excellent corrosion resistance on the outer surface of the pipe, corrosion of the pipe due to acidic condensed water generated when steam is cooled and condensed on the outer surface of the pipe can be prevented. The high corrosion resistance coating layer is preferably made of a material having high thermal conductivity as long as high corrosion resistance is not impaired.
[0019]
When the heat conductivity is less than 100 W / mK, the pipe is formed on the outer surface of the conduit and the fluid on the inner surface of the conduit when the thermal conductivity is less than 100 W / mK. This is because heat cannot be efficiently transmitted between the heat exchanger. The thermal conductivity of the high thermal conductive metal is preferably 150 W / mK or more, and more preferably 200 W / mK or more. The higher the thermal conductivity, the better. However, the thermal conductivity is preferably 400 W / mK or less in consideration of corrosion resistance.
Further, the thermal conductivity of the conduit is preferably 150 W / mK to 400 W / mK, and more preferably 170 W / mK to 400 W / mK.
[0020]
It is preferable that the above-mentioned conduit is provided with fins for heat radiation or heat absorption on the outer surface side of the tube, integrally or separately, and used as a heat exchange conduit. As described above, by providing the heat dissipating or heat absorbing fins, the contact area between the conduit and the substance such as water vapor existing on the outer surface side of the conduit is increased, and the heat conductivity can be increased. Therefore, the efficiency of heat exchange is increased, and it is suitable as a conduit for heat exchange.
[0021]
Specifically, when the fin and the tube are integrated, it is preferable that the fin also has a high corrosion-resistant coating layer.
When the fin and the tube are separated from each other, when the fin and the tube are made of the same material or the fin is made of a material having poor corrosion resistance, the fin may be provided with a high corrosion-resistant coating layer like the tube. preferable. In the case where the fin and the tube are separated from each other and the fin is made of a material having high corrosion resistance, the fin may not have the high corrosion resistance coating layer. As described above, the conduit is preferably provided with the high corrosion resistant coating layer on the entire outer surface and inner surface, but may be provided partially.
[0022]
The fins can be ring-shaped, bellows-shaped, spiral-shaped, plate-shaped or the like, and can be projections of various shapes or the like having a large contact area with a fluid or water vapor. The number, arrangement position, and the like can be set as appropriate. Further, the pipe is preferably cylindrical, but the cross-sectional shape of the flow path may be an ellipse, a polygon, a combination thereof, or the like, depending on the application other than the circle. In order to prevent the flow of the fluid from being impaired, fins for heat dissipation or heat absorption may be provided on the inner surface of the conduit to improve the heat conductivity on the inner surface side of the conduit.
[0023]
The high heat conductive metal is a metal selected from copper, a copper alloy, aluminum, an aluminum alloy, and an alloy of copper and aluminum, and it is preferable that only one kind of a single material or a plurality of kinds of composite materials is used as the base material. . These metals are preferable for realizing a thermal conductivity of 100 W / mK or more, and when fins or the like are provided, these metals can be combined and used as a composite. In addition, the base material may be formed from a clad material made of the above metal. These metals are also excellent in workability. From the viewpoint of thermal conductivity, the substrate is preferably made of copper or a copper alloy.
[0024]
The high corrosion resistant coating layer is composed of a high corrosion resistant ceramic layer composed of at least one of DLC, CrN, TiN, and SiC, and is laminated in one or two or more layers. In the case of two or more layers, the DLC or SiC is used. Preferably, it is the outermost surface.
[0025]
A highly corrosion-resistant ceramic layer made of such a material has high corrosion resistance and can obtain high corrosion resistance with a very thin film, and thus does not hinder the thermal conductivity of the base material. Further, by laminating two or more high corrosion resistant ceramic layers of different materials, corrosion due to pinholes can be more reliably prevented.
Among them, DLC (diamond-like carbon) and SiC are particularly excellent in corrosion resistance and are preferably used as the outermost surface (the innermost layer in the case of the inner surface of the conduit, and the outermost layer in the case of the outer surface). It is. Although the performance of DLC changes significantly depending on the manufacturing method and manufacturing conditions, it is preferable that the DLC has a Knoop hardness of 800 to 5000.
[0026]
The high corrosion-resistant coating layer comprises a high corrosion-resistant metal plating layer in which at least one of Ni-P plating, Ni-B plating, and Ni plating is provided with an Au plating layer on the surface of the lower plating layer. The layers are preferably stacked as one layer or two or more layers.
[0027]
The high corrosion-resistant metal plating layer is provided with an Au (gold) plating layer having excellent corrosion resistance on the outermost surface and a lower plating layer made of Ni or the like, so that the adhesion between the base material of the conduit and the Au plating layer. Is increasing. Thus, by combining the lower plating layer and the Au plating layer, it is possible to obtain a very thin and high corrosion resistance without interfering with the thermal conductivity of the base material, so that the high corrosion resistance and the high thermal conductivity can be efficiently achieved. Can be realized.
[0028]
In addition, by laminating two or more base plating layers of a highly corrosion-resistant metal plating layer with different materials, corrosion due to pinholes can be more reliably prevented. The lower plating layer in contact with the base material is preferably Ni-P plating. Further, when the Au plating layers are stacked, for example, sensible heat from a gas burner can be efficiently exchanged in the heat exchange section.
[0029]
The high corrosion-resistant coating layer is preferably a composite layer in which the high corrosion-resistant ceramic layer and the lower plating layer or / and the Au plating layer constituting the high corrosion-resistant metal plating layer are laminated.
[0030]
As described above, the above-mentioned layers can be combined and laminated, and the lamination in the order of substrate / Ni-P plating / Au plating / DLC is most preferable, and substrate / Ni-P plating / DLC, substrate / Ni- P plating / Au plating / SiC, base material / Ni-P plating / SiC, etc. are also suitable, and it is preferable that the high corrosion resistant ceramic layer be the outermost surface. The contact layer with the substrate is preferably a lower plating layer. The lamination structure can be appropriately set according to the use environment, the material of the base material, and the like.
[0031]
The thickness of the high corrosion resistant coating layer is preferably 1 μm to 30 μm. As a result, the occurrence of pinholes can be more reliably prevented, the adhesion to the substrate and the high thermal conductivity of the substrate can be maintained, and good corrosion resistance and thermal conductivity can be realized more efficiently. Can be. In addition, two or more layers are preferably stacked, and the thickness of one layer is preferably 1 μm or more.
[0032]
In particular, the thickness of the high corrosion resistant ceramic layer is preferably 1 μm to 10 μm.
The reason for setting the above range is that when the high corrosion resistant ceramic layer is thinner than 1 μm, the corrosion resistance tends to decrease. On the other hand, when the thickness is more than 10 μm, the constituent material of the high corrosion-resistant ceramic layer has a smaller thermal expansion coefficient than the base material, and thus the high corrosion-resistant ceramic layer is easily peeled off by repeating heating and cooling in a heat exchanger conduit. .
The high corrosion resistant ceramic layer can be coated by a chemical vapor deposition method (CVD), a physical vapor deposition method (PVD), or plasma PVD. When coating on the inner surface of the tube, the tube can be divided in the axial direction or the like, and the inner surface of the tube can be coated by vapor deposition or the like. After coating, the tube can be joined and sealed.
[0033]
Further, the thickness of the highly corrosion-resistant metal plating layer is preferably 5 μm to 30 μm.
The reason for setting the above range is that if the high corrosion resistant metal plating layer is thinner than 5 μm, the corrosion resistance is likely to be reduced. On the other hand, when the thickness is more than 30 μm, the highly corrosion-resistant metal plating layer is easily peeled off, and the heat conductivity of the conduit is easily lowered. The highly corrosion-resistant metal plating layer can be covered by electrolytic plating, electroless plating, or the like.
[0034]
Further, the thickness of the composite layer of the high corrosion resistant ceramic layer and the high corrosion resistant metal plating layer is preferably 2 μm to 30 μm for the same reason as described above.
[0035]
In addition, the conduit of the present invention is preferably used as a conduit of a heat exchanger for latent heat recovery such as a water heater, a floor heater, a boiler, an absorption refrigerator, or the like, whose heat source is made of gas, kerosene, or petroleum.
As described above, since the conduit of the present invention is extremely excellent in corrosion resistance, it is used as a conduit of a latent heat recovery heat exchanger that collects steam latent heat by actively condensing steam in combustion exhaust gas. However, corrosion of the conduit due to acidic condensed water generated on the outer surface side of the conduit can be suppressed. Further, since the conduit of the present invention has excellent heat conductivity, the efficiency of heat exchange can be improved. Further, since the inner surface of the conduit is excellent in corrosion resistance, the fluid in the conduit can be heated using latent heat without affecting the fluid such as water flowing in the conduit. Therefore, the heat source can be suitably used for latent heat recovery of a water heater, an underfloor heater, a boiler, an absorption refrigerator, or the like made of gas, kerosene, or petroleum, and energy saving can be achieved. In particular, it is suitable for flowing water in a conduit and heating the water. Examples of the fluid include liquids such as various aqueous solutions, gases, and the like.
Further, it can be used for recovering sensible heat from a gas burner, and can also be used as a conduit of a heat exchanger for a main heat exchanger directly heated by a gas burner.
[0036]
Further, the present invention provides a heat exchanger provided with a conduit for a fluid flow path, comprising the conduit for a fluid flow path.
[0037]
As described above, in the heat exchanger in which the conduit for the fluid flow path of the present invention is disposed, since the conduit has both high corrosion resistance and high thermal conductivity, the conduit does not corrode, etc. Over time, high heat exchange properties can be obtained.
[0038]
Further, it is preferable that the heat exchanger of the present invention be configured to absorb the latent heat of the water vapor in the exhaust gas from the outer surface side of the conduit for the fluid flow path and heat the fluid flowing in the conduit.
The conduit has high thermal conductivity and does not corrode with acidic condensed water, so that the latent heat of water vapor in the exhaust gas can be stably absorbed over a long period of time. Further, since the conduit has excellent heat conductivity, latent heat can be transmitted to the fluid flowing through the conduit through the conduit, and the fluid can be efficiently heated. Further, the heat exchanger preferably has a main heat exchange section and a latent heat exchange section which are directly heated by a gas burner or the like, and preferably has a configuration in which preliminary heat is applied by the latent heat exchange section.
[0039]
The heat exchanger of the present invention is preferably configured to raise the fluid temperature by 5 ° C to 20 ° C by passing the fluid through the conduit.
A gas water heater that heats room temperature water of about 20 ° C to 25 ° C to warm water of about 40 ° C to 45 ° C because the fluid temperature can be raised by 5 ° C to 20 ° C using latent heat and the like. It is particularly useful in such a case, and by performing preheating or the like using the heat exchanger having the above configuration, the efficiency of heat exchange can be improved and energy saving can be achieved.
In the heat exchanger of the present invention, the conduit is preferably placed in a temperature environment from room temperature to 300 ° C, preferably from room temperature to 200 ° C.
[0040]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A, 1B, 1C, and 1D show a conduit 10 for a fluid flow channel according to the present invention. The conduit 10 is a conduit for heat exchange, and includes a tube 11 serving as a base material, and fins 12 for heat absorption protruding from an outer surface 11 a of the tube 11, and the entire outer surface 11 a and inner surface 11 b of the tube 11. Is provided with a high corrosion-resistant coating layer 20.
[0041]
The tube 11 serving as a base material of the conduit 10 is formed of copper (thermal conductivity: 395 W / mK), which is a metal having high thermal conductivity, and has a substantially cylindrical shape except for the fins 12. The fin 12 is formed integrally with the tube 11, and the outer surface 12 a of the fin 12 is also provided with a highly corrosion-resistant coating layer 20. That is, the outer surface 10 a of the conduit 10 is entirely covered with the high corrosion-resistant coating layer 20. The fins 12 are provided in a ring shape over the entire circumference of the tube 11, and the fins 12 project perpendicularly to the outer surface 11 a of the tube 11. 12 are arranged at equal intervals in the axial direction of the tube 11.
[0042]
Specifically, as shown in FIG. 1 (D), the high corrosion resistant coating layer 20 has a three-layer structure, and includes a lower plating layer 21 and an Au plating layer 22 constituting a high corrosion resistant metal plating layer, and a high corrosion resistant ceramic. It is a composite layer in which the layer 23 is laminated. That is, copper is used as the base material, Ni-P plating is used as the first lower plating layer 21 on the surface of the tube 11 serving as the base material, the Au plating layer 22 is used as the second lower layer, and three layers are provided on the surface. As an eye, a high corrosion resistant ceramic layer 23 made of DLC is laminated on the outermost surface.
[0043]
The thickness of the tube 11 excluding the fin 12 is 0.71 mm, the outer diameter is 15.88 mm, the protruding height of the fin 12 is 6.66 mm (the outer diameter of the fin 12 is 29.20 mm), and the lower plating layer 21 is formed. The thickness is 5 μm, the thickness of the Au plating layer 22 is 2 μm, and the thickness of the high corrosion resistant ceramic layer 23 is 1 μm. That is, the total thickness of the high corrosion resistant coating layer 20 is 8 μm. The high-corrosion-resistant coating layer 20 has the above-described laminated configuration on both the outer surface 11a and the inner surface 11b of the tube 11.
[0044]
Further, the heat exchanger 25 including the conduit 10 of the present invention will be described.
As shown in FIG. 2, the heat exchanger 25 is used in a gas water heater, and a conduit 10 (a highly corrosion-resistant coating layer is not shown) is provided on the upper surface side of a gas burner 26 burning at about 1200 ° C. It is arranged in a bent shape. Further, water as a fluid flows in the conduit 10 in the direction of the arrow in the figure.
[0045]
The conduit 10 is used as the conduit 10 of the heat exchanger 25 for latent heat recovery, and actively condenses the steam in the combustion exhaust gas at about 200 ° C. discharged from the gas burner 26, and transfers the latent heat of the steam to the conduit. It absorbs via the pipe 10 and heats the water flowing through the conduit 10.
[0046]
Specifically, the latent heat of the water vapor in the exhaust gas is absorbed from the outer surface 10a side of the conduit 10 and the heat is transmitted to the water flowing through the conduit 10 through the highly corrosion-resistant coating layer and the tube and the fins 12. By being transmitted, the temperature of the water is raised by 5 ° C. to 20 ° C. The conduit 10 is provided with fins 12 so that the contact area between the outer surface 10a of the conduit 10 and the exhaust gas is as large as possible, and the conduit 10 is bent so as to save space and efficiently absorb heat. ing. Water is continuously circulated in the conduit 10, and the water is continuously and stably heated using the latent heat of the exhaust gas.
[0047]
As described above, since the conduit 10 is provided with the highly corrosion-resistant coating layer 20 on the outer surface 11a of the tube 11, the conduit 10 does not corrode even when the acidic condensed water contacts the outer surface 10a of the conduit 10 during latent heat recovery. . Further, since the inner surface 11b of the tube 11 is also provided with the high corrosion-resistant coating layer 20, the copper forming the tube 11, which is the base material, does not elute into the water flowing in the conduit 10.
[0048]
Further, since the high corrosion-resistant coating layer 20 is a very thin film having a total thickness of 8 μm, it does not affect the thermal conductivity of the base material of the tube 11, and can maintain a very high thermal conductivity as the entire conduit 10. . Therefore, the heat exchanger 25 has a very high thermal conductivity, a high heat exchange efficiency, and does not cause corrosion of the conduit 10, so that the heat exchanger 25 can exhibit stable performance for a long period of time, and can save energy. Can be achieved.
[0049]
FIG. 3 shows a conduit of the second embodiment.
As shown in FIGS. 3A and 3B, the conduit 10 'has a high corrosion-resistant coating layer 20' only on the outer surface 11a 'of the tube 11', and the high corrosion-resistant coating layer 20 'is a high corrosion-resistant ceramic layer. 23 ′ (DLC) only. As shown in FIGS. 3 (C) and 3 (D), the conduit 10 "may be provided with a high corrosion-resistant coating layer 20" only on the inner surface 11b "of the pipe 11". The lower plating layer 21 "(Ni-P plating) of the second layer and the second Au plating layer 22" of the second layer are formed on the surface.
[0050]
Further, as shown in FIG. 4, the tube 31 of the conduit 30 and the fin 32 can be formed separately. Specifically, a ring-shaped fin 32 made of aluminum (thermal conductivity 220 W / mK) can be attached to the outer surface 31 a of the copper tube 31 by changing the material of the tube 31, and the fin 32 is attached. Later, a high corrosion resistant coating layer 34 can be formed on the outer surfaces of the tubes 31 and fins 32. The fins may be attached to the tube after forming the high corrosion-resistant coating layer on each of the tube and the fin.
[0051]
Further, as shown in FIG. 5, a plurality of flat plates 42 having a plurality of through holes 42a formed therein are prepared by adjusting the positions of the through holes 42a, and a plurality of tubes 41 are inserted into the through holes 42a. By substituting the fins, it is also possible to obtain a conduit 40 having a plurality of tubes 41 and a flat plate 42 serving as a fin. In particular, it is suitable for use in a heat exchanger, and can efficiently heat a large amount of fluid by utilizing latent heat and the like efficiently.
[0052]
As shown in FIG. 6A, the shape of the tube 51 itself, which is the base material of the conduit 50, may be formed in a bellows shape, and may be provided with a high corrosion-resistant coating layer 54. The outer surface 50a and the inner surface 50b of the conduit 50 may be formed. The surface may be uneven. As shown in FIG. 6 (B), the conduit 50 ′ may have a configuration in which the outer surface 51 a ′ of the tube 51 ′ as the base material is provided with the high corrosion-resistant coating layer 54 ′ without the fin. In addition, you may have a highly corrosion-resistant coating layer on the inner surface of a pipe.
[0053]
In addition to the above embodiments, the base material may be a high heat conductive metal such as a copper alloy, an aluminum alloy, or an alloy of copper and aluminum, and may be a plurality of composite materials.
The high corrosion resistant coating layer may be a high corrosion resistant ceramic layer such as CrN, TiN, SiC, etc., and a high corrosion resistant metal plating layer in which an Au plating layer is formed on the surface of a lower plating layer such as Ni-B plating or Ni plating. And these can be combined.
[0054]
Further, the heat exchanger may be a water heater whose heat source is made of gas, kerosene, or petroleum, a heat exchanger for recovering latent heat of an underfloor heater, a boiler, or an absorption refrigerator. In addition, the conduit can be used for a main heat exchanger directly heated by a gas burner, and the arrangement of the conduit and a heat source such as a gas burner is changed so that the distance between the heat source and the conduit is smaller than at the time of latent heat recovery. However, it is also possible to arrange the conduit at a high temperature.
[0055]
Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail.
(Examples 1 to 61)
The substrate is assumed to be used for three kinds of conduits of oxygen-free copper (JIS: C1020), phosphorus deoxidized copper (JIS: C1220), and pure aluminum (JIS: A1000) having a thermal conductivity of 100 W / mK or more. The prepared material was prepared. The size was 50 mm × 50 mm × 3 mm, and the entire surface was polished and degreased and washed with acetone.
On this substrate, a high corrosion resistant coating layer was formed. DLC, CrN, TiN, and SiC were used as the material of the high corrosion resistant ceramic layer. Ni-P, Ni-B, and Ni were used as the material of the lower plating layer of the highly corrosion-resistant metal plating layer, and Au was used as the material of the Au plating layer. These materials were combined, the thickness and the order of lamination were appropriately set, and test pieces (Examples 1 to 61) composed of substrates provided with a high corrosion-resistant coating layer were prepared as shown in Tables 1 and 2 below. Using this test piece, an acid corrosion test, a measurement of thermal conductivity, and a peeling test were performed.
[0056]
[Table 1]

[0057]
[Table 2]

[0058]
(Acid corrosion test)
Using aqueous solutions of nitrous acid, nitric acid, sulfuric acid, and hydrochloric acid, an acidic aqueous solution close to the acidic condensed water generated in the latent heat recovery heat exchanger was prepared. The concentration of each ion in the aqueous solution is
Nitrite ion: 30 mg / L
Nitrate ion: 50mg / L
Sulfate ion: 1.1 mg / L
Chloride ion: 0.8mg / L
And its pH was 3. Each test piece was eroded by the aqueous solution for 300 hours, and the weight difference (corrosion loss) of the test piece before and after the test was investigated. A ratio of 0.1 ≦ corrosion weight loss ≦ 0.8 was acceptable, and a ratio of corrosion weight loss <0.1 was good. In the case of only oxygen-free copper (JIS: C1020), phosphorous deoxidized copper (JIS: C1220), and pure aluminum (JIS: A1000), the above ratio exceeded 0.8.
[0059]
(Measurement of thermal conductivity)
The thermal conductivity of the test piece was measured by a laser flash method.
[0060]
(Release test)
The test piece was rapidly heated to a temperature of 300 ° C. (100 ° C./min), held for 10 minutes, and then forcedly cooled to room temperature (100 ° C./min) 500 times or more. The part peeled off from was observed visually.
"◎" indicates that there was no peeling after 5,000 cycles.
What was peeled off after 1000 to 5000 times was "O"
After 500 times, no peeling was observed, and when peeled after 500 to 1000 times, "△" was given.
[0061]
The results of the acidic corrosion test and the peelability test performed on the test piece are shown in Examples 1 to 61 of Tables 1 and 2 together with the thermal conductivity of the test piece.
[0062]
As shown in Tables 1 and 2, in the example using the high corrosion resistant metal plating layer, when comparing Example 20 and Example 54, Example 54 in which the thickness of the high corrosion resistant coating layer is more than 30 μm shows that Although the corrosion weight loss in the test was small, the number of times of repetition of heating and cooling was small in the releasability test, and it was easier to peel than the other examples. Therefore, it was confirmed that a thickness of 30 μm or less is preferable in order to minimize peeling.
[0063]
On the other hand, in the example using the high corrosion resistant ceramic layer, when comparing Examples 7 to 9, 11, and 12 with Examples 56 and 57, if the thickness of the high corrosion resistant coating layer is thinner than 1 μm, heating and cooling are performed in the peeling test. No peeling due to repetition of was observed, but the corrosion weight loss in the acid corrosion test was slightly increased. Therefore, it was confirmed that the thickness is preferably 1 μm or more in order to make the corrosion to the acidic aqueous solution more reliable.
[0064]
In the example using the composite membrane, Example 35 and Example 55 are compared. In Example 55 in which the thickness of the high corrosion resistant coating layer was thicker than 30 μm or more, the weight loss in the acid corrosion test was small, but in the peeling test, the number of times of repeated heating and cooling was small. It was easy to peel off. Therefore, it was confirmed that a thickness of 30 μm or less is preferable in order to minimize peeling.
[0065]
On the other hand, in an example using a highly corrosion-resistant metal plating layer, Examples 20 and 58 and Examples 21 and 59 are compared. When the thickness of the high-corrosion-resistant coating layer was smaller than 1 μm, peeling due to repeated heating and cooling was not observed in the peeling test, but the corrosion weight loss in the acid corrosion test was slightly increased. Therefore, it was confirmed that the thickness is preferably 1 μm or more in order to make the corrosion to the acidic water more reliable.
[0066]
On the other hand, in an example using a composite film, the example 35 and the example 60 are compared, and the example 36 and the example 61 are compared. When the thickness of the high corrosion-resistant coating layer is smaller than 1 μm, peeling due to repeated heating and cooling is not observed in the peeling test, but the corrosion weight loss in the acid corrosion test is slightly increased. Therefore, it was confirmed that the thickness is preferably 1 μm or more in order to make the corrosion to the acidic water more reliable. Examples 1 to 61 are all superior to the results of the acid corrosion test as compared with only oxygen-free copper (JIS: C1020), phosphorous deoxidized copper (JIS: C1220), and pure aluminum (JIS: A1000). And high corrosion resistance.
[0067]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, a tube formed of a device made of a metal having high thermal conductivity has a high corrosion-resistant coating layer on the inner surface and / or the outer surface. Therefore, even if the outer surface of the conduit comes in contact with the acidic condensed water, the corrosion-resistant coating layer can prevent the corrosion of the pipe, and the fluid flowing in the conduit and the components contained in the fluid come into contact with the pipe. This prevents the components of the tube from being eluted into the fluid.
[0068]
In addition, since the base material that forms the tube has high thermal conductivity and the highly corrosion-resistant coating layer is very thin, it does not hinder the high thermal conductivity of the base material and should be a very thermally efficient conduit. Can be. In particular, by setting the thickness of the high corrosion resistant coating layer to 1 μm to 30 μm, high thermal conductivity and high corrosion resistance can be realized very efficiently, and generation of pinholes and the like can be reliably prevented.
[0069]
Further, since it has excellent corrosion resistance, it has a very long life and excellent durability, and can maintain stable performance for a long period of time. Therefore, the heat source can be suitably used as a conduit of a heat exchanger for latent heat recovery such as a water heater, a floor heater, a boiler, an absorption refrigerator, or the like whose gas source is gas, kerosene, or petroleum.
[0070]
Further, according to the heat exchanger including the conduit of the present invention, since the thermal conductivity of the conduit is very high, heat from another heat source can be transmitted to the fluid in the conduit very efficiently, and energy can be saved. Can be realized. In particular, it is optimal for absorbing latent heat in exhaust gas to heat a fluid such as water flowing in a conduit.
[Brief description of the drawings]
1 shows a conduit of the present invention, (A) is a schematic perspective view of the conduit, (B) is an axial sectional view of the conduit, (C) is a circumferential sectional view of the conduit, and (D) is an enlarged main part. It is sectional drawing.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a heat exchanger including the conduit of the present invention.
FIGS. 3A and 3B show a conduit according to a second embodiment, in which (A) and (B) each have a highly corrosion-resistant coating layer on the outer surface of the tube, and (C) and (D) have a highly corrosion-resistant coating layer on the inner surface of the tube. FIG.
FIGS. 4A, 4B, and 4C are explanatory views of a configuration of a conduit when a tube and a fin are separated from each other.
FIGS. 5A and 5B are views showing a conduit provided with a plurality of tubes and fins.
FIGS. 6A and 6B are diagrams showing another configuration of the conduit.
[Explanation of symbols]
10 conduit
11 tubes
11a outer surface
11b inside
12 Fins
20 High corrosion resistance coating layer
21 Lower plating layer
22 Au plating layer
23 High corrosion resistant ceramic layer
25 heat exchanger
26 Gas Burner

Claims

A tube for a fluid flow path, wherein a tube is formed of a substrate made of a high heat conductive metal having a thermal conductivity of 100 W / mK or more, and a high corrosion resistant coating layer is provided on an inner surface and / or an outer surface of the tube. conduit.

The conduit for a fluid flow path according to claim 1, wherein a fin for heat dissipation or heat absorption is provided integrally or separately on an outer surface side of the tube, and is used as a conduit for heat exchange.

The high thermal conductive metal is a metal selected from copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, and an alloy of copper and aluminum, and the base material is a single material alone or a composite material of a plurality of materials. Or the conduit for a fluid flow path according to claim 2.

The high corrosion resistant coating layer is composed of a high corrosion resistant ceramic layer composed of at least one of DLC, CrN, TiN, and SiC, and is laminated in one or two or more layers. In the case of two or more layers, the DLC or SiC is used. The conduit for a fluid flow path according to any one of claims 1 to 3, which is an outermost surface.

The high corrosion-resistant coating layer is formed of a high corrosion-resistant metal plating layer in which at least one of Ni-P plating, Ni-B plating, and Ni plating is coated with an Au plating layer on the surface of the lower plating layer. The conduit for a fluid flow path according to any one of claims 1 to 4, wherein the layers are stacked in one layer or two or more layers.

The said high corrosion-resistant coating layer is a composite layer which laminated | stacked the said high corrosion-resistant ceramic layer and the lower plating layer and / or Au plating layer which comprise the said high corrosion-resistant metal plating layer, The Claims 1 thru | or 5 characterized by the above-mentioned. A conduit for a fluid flow path according to any one of the preceding claims.

The conduit for a fluid flow path according to any one of claims 1 to 6, wherein the thickness of the high corrosion-resistant coating layer is 1 µm to 30 µm.

The fluid according to any one of claims 1 to 7, wherein the heat source is used as a conduit of a heat exchanger for recovering latent heat of a water heater, an underfloor heater, a boiler, and an absorption refrigerator, which is made of gas, kerosene, or petroleum. Conduit for flow path.

A heat exchanger comprising the conduit for a fluid flow path according to any one of claims 1 to 8.

The fluid channel conduit according to claim 9, wherein the fluid channel conduit is configured to absorb latent heat of water vapor in exhaust gas from the outer surface side of the fluid channel conduit to heat the fluid flowing in the conduit. Heat exchanger.

The heat exchanger provided with a conduit for a fluid passage according to claim 9 or 10, wherein the fluid temperature is raised by 5C to 20C by passing through the conduit.