JP2005527776A - 熱交換器用防食装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器のアルミニウム壁を腐食性媒体による腐食から保護するのに効果的な防食装置を提供する。
【解決手段】 この防食装置は、熱交換器の壁体を形成しているアルミニウムの電気化学的ポテンシャルを、少なくとも局所的に低下させうる元素、特に亜鉛、またはマグネシウムからなる少なくとも１つの再生可能な犠牲防食部材14を含む。犠牲防食部材は、熱交換器自体、または熱交換器を構成要素の１つとする流体循環サイクルにおいて用いられる。この防食装置は、特に自動車向けの熱交換器において用いられる。

Description

本発明は、自動車等において用いられる熱交換器に関する。

より詳しくいうと、本発明は、熱交換器のアルミニウム壁を、腐食性媒体による腐食から保護するための装置に関する。

本明細書において、「壁」とは、熱交換器のチューブ、ならびにヘッダボックスと、この連結用の口金を含む、あらゆる流体通路の壁体を指す。

本明細書において、「アルミニウム」とは、各種のアルミニウム合金を含む。

熱交換器は、通常、複数のチューブを１つに束ねたものから構成され、これらのチューブは、腐食性の伝熱媒体（通常は液体）、またはいずれ腐食性となる伝熱媒体が流れる空間を区画する１つまたは複数のヘッダボックスに連結されている。

このような熱交換器は、通常、酸性、中性または塩基性の液体（一般にｐＨは２〜１０）が流れるようになっている。

上述のような特性を有する熱交換器は、特に、自動車において用いられる軽金属製の熱交換器である。このような熱交換器としては、例えば、エンジン冷却用のラジエータ、車室を暖房するためのラジエータまたはユニットヒータ、より一般的には、腐食性の伝熱媒体、もしくはいずれ腐食性となる伝熱媒体が通過する熱交換器がある。

上述のような腐食が生じると、熱交換器の非常に薄い壁体、特にいくつかのチューブが損傷を受ける。

その結果、自動車のエンジンの作動に影響を及ぼすか、または自動車の乗員に危険をもたらす液漏れのおそれが生じる。

この問題を解決し、アルミニウム壁、特にアルミニウム製チューブの腐食を防止するために、種々の提案がなされている。

従来、アルミニウム製チューブの腐食を防止するためには、アルミニウム片に、これを保護しうる防食片を重ねて一体としてローラで巻き取り、この積層片でチューブを形成した後、黄銅を被覆することが必要とされている。

このような腐食防止策においては、アルミニウム片の防食片を積層した面とは反対側の面に、適当な合金、すなわち黄銅の層を積層しなければならない。

このような腐食防止策は、電気化学的侵食において陰極となるアルミニウムを保護するために、防食片の電気化学的ポテンシャルを、アルミニウムのそれよりも低くすることを狙いとしている。このような防食片における電気化学的ポテンシャルの低下は、防食片に対して、防食片の構成成分であるアルミニウム合金の電気化学的ポテンシャルを約３０〜２００mV低下させる（すなわち、電気陰性度を高める）性質をもつ亜鉛、亜鉛−アルミニウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、または亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金を添加することによって実現される。

この腐食防止策は、アルミニウムとの間で、ローラによる巻き取りを行わなければならないため、製造プロセスが複雑となり、またチューブの厚さを増大させることとなる。この外、この腐食防止策においては、防食片の材料と黄銅との親和性が要求される。

もう１つの腐食防止策は、アルミニウム片に直接熱噴射によって亜鉛を蒸着させ、その後チューブを形成するというものである。

黄銅を用いない熱交換器にも適用可能な別の腐食防止策は、伝熱媒体用の経路が、その壁体の内側に、優先的に腐食を受ける合金の層を有するように、この合金と、壁体を構成するアルミニウムとを同時押出成形するというものである。

この外、熱交換器自体、または熱交換器がその一部を構成するような熱交換サイクルに、アルミニウムの腐食を阻害する効果のあるケイ酸塩を基本成分とする部材のカートリッジを配置するという腐食防止策も知られている。自動車の場合、このカートリッジは、エンジン冷却用ラジエータ、またはエンジン冷却サイクルに配置される。

しかし、上記の腐食防止策には、いずれも短所がある。

このような短所のうち特に顕著なものは、防食用の合金をアルミニウム壁に適用する腐食防止策においてみられる。すなわち、このような合金は、自ら腐食することが予定されているため、その厚さが、アルミニウム壁の厚さの１０％にも上ることである。一方、アルミニウム壁を全体として薄くする場合は、このような合金は、十分な防食効果を発揮することができない。このような防食効果の不足という事態は、腐食性の媒体が、中性で、かつ大量の塩化物（８０〜１０００ppm）や銅（１〜３０ppm）を含む場合、または媒体が酸性（ｐＨ２〜６．５）で、かつこれ以上の塩化物や銅を含む場合、または媒体が塩基性（ｐＨ７．５〜１１）の場合によくみられる。

上述の防食効果の不足に対する１つの解決策は、自らが犠牲となって腐食する合金の厚さを、アルミニウム壁全体の厚さの２０〜３０％に至るまで増大させるというものである。しかし、このような解決策には、十分な防食性を付与しうるという保証がないにも拘らず、アルミニウム壁全体が厚くなるという欠点がある。

上述の問題に対するもう１つの解決策は、自らが犠牲となって腐食する元素の含有量を変更するものであると思われる。しかし、例えば亜鉛の濃度は、０．８〜５％、最大で１５％までの範囲で変動するため、この場合には、元素の含有量を十分に制御することはできない。このような亜鉛の拡散に伴う濃度制御の問題は、黄銅で被覆されている熱交換器にみられる。また、このような熱交換器においては、合金のリサイクルが難しいという問題もある。

さらに、合金防食層の電気化学的ポテンシャルを低下させると、合金防食層に、クラック、引っかき傷、その他の損傷が生じて、腐食性の液体が内部に入り込むようになると、直ちにその溶解速度が増大するという問題もある。

アルミニウムの腐食を阻害する効果のあるケイ酸塩を基本成分とする部材のカートリッジを配置するという腐食防止策の場合は、腐食性媒体が酸性のときには、ケイ酸塩が不安定となり、不活性な酸化ケイ素の形で沈殿するため、防食性は発揮されない。

本発明は、上述の腐食防止策における問題を克服するために、熱交換器のアルミニウム壁を腐食性媒体による腐食から保護するのに効果的な防食装置を提供することを目的としている。

本発明は、特に、例えば共にローラで巻き取るなどして、アルミニウム製チューブの壁体に防食性合金を適用する必要のない防食装置を提供することを目的としている。

本発明はまた、黄銅で被覆されている熱交換器や、ローラによる巻き取り等の機械的手段を用いて製造される熱交換器を含むあらゆるタイプの熱交換器に適用しうる防食装置を提供することを目的としている。

上記目的のため、本発明においては、熱交換器の壁体を形成しているアルミニウムの電気化学的ポテンシャルを、少なくとも局所的に低下させうる元素からなる少なくとも１つの再生可能な犠牲防食部材を含む装置を提案する。

前記犠牲防食部材は、防食性媒体に完全に浸漬されて、すべてが用尽されるようにするのが好ましい。

前記元素は、例えば、亜鉛、またはマグネシウムである。

本発明の一態様においては、犠牲防食部材は、熱交換器の内側に設置される。この熱交換器は、例えば、自動車のエンジンを冷却するためのラジエータとすることができる。

他の態様においては、犠牲防食部材は、熱交換器を構成要素の１つとする流体の循環サイクルに用いられる。この流体循環サイクルは、例えば、自動車のエンジン冷却サイクルとすることができる。

再生可能な犠牲防食部材は、例えば亜鉛、またはマグネシウム等の犠牲防食性の元素が、犠牲防食作用（徐々に消失する）を果たすように、防食のための理論的な量を十分に上回る量のこれら元素を放出する。

「再生可能」なる語は、犠牲防食部材に対して、犠牲防食性元素を再充填しうることを意味している。

犠牲防食部材中には、枯渇のおそれなく、常時防食作用を果たしうるよう、十分な量の犠牲防食性元素が存在する。

犠牲防食性元素は、亜鉛、またはマグネシウムが好ましい。この亜鉛、またはマグネシウムは、亜鉛合金、マグネシウム合金、または亜鉛−マグネシウム合金とすることもできる。

犠牲防食部材は、種々の形態をとることができる。

犠牲防食部材は、非整合の状態（特に粉末、顆粒、または散弾状）をなしているのが好ましい。

また、犠牲防食部材は、連続的な形状、特に、厚さ０．１〜３０mmのプレート、またはインサート形状とすることもできる。

犠牲防食部材は、腐食性媒体を透過しうる容器に収容されているのが好ましい。この容器は、特に、腐食性媒体が通過しうる孔を有する、好ましくはステンレススチール、またはプラスチック製の袋体、またはカートリッジであるのが好ましい。

犠牲防食部材は、熱交換器において腐食性媒体に晒されるハウジング内に収容されているのが好ましい。

犠牲防食部材を構成する元素は、熱交換器の壁体の内面に付される塗料に含まれているのが好ましい。また、この塗料の固体成分は、８０重量％を超える犠牲防食性元素、特に亜鉛、またはマグネシウムを含むのが好ましい。

本発明の一態様においては、犠牲防食部材は、熱交換器の所定の場所に配置される。犠牲防食部材は、タンク、特に熱交換器のヘッダボックスに適用されるのが好ましい。犠牲防食部材はまた、熱交換器の口金に適用することもできる。

犠牲防食部材は、熱交換器を構成要素の１つとする流体の循環サイクルに適用されるのが好ましい。

本発明の防食装置は、公知の防食手段に比べて、種々の利点を有する。

本発明の第１の利点は、黄銅による被覆や、ローラによる巻き取り等の機械的手段による製造を必要とする熱交換器においても、上述の問題を引き起こさないことである。

本発明のもう一つの利点は、腐食性媒体、特に酸性、またはアルカリ性のｐＨをもつものが、腐食性を増せば増すほど、犠牲防食部材は、腐食されて、その構成元素、例えば亜鉛、またはマグネシウムのイオンを、防食が必要な箇所におけるアルミニウムの表面に放出することである。

ただし、本発明は、犠牲防食部材が存在することにより、これが最初に腐食されて、その構成元素、例えば亜鉛、またはマグネシウムのイオンが、防食が必要な箇所におけるアルミニウムの表面に放出されるという特定の１つの理論にのみ拘泥してなされたものではない。

本発明のさらなる利点は、アルミニウムの表面上に微小な陰極を形成し、特に穿孔の形をとる腐食の速度を増大させるあらゆるイオンが、犠牲防食部材によって捕捉されることである。このような効果が得られるのは、本発明に係る防食装置が、アルミニウム製チューブ上に積層される防食片に用いられる上述の合金よりも、はるかに大きな電気化学的ポテンシャルを有するためである。

上述の微小な陰極を形成するイオンとは、例えば、鉄、銅、錫、銀等の各イオンである。

本発明のもう１つの目的は、上述の防食装置を備えた熱交換器を提供することであり、さらに、本発明は、上述の防食装置と熱交換器とを備えた流体循環サイクルを提供することも目的とする。

本発明によれば、熱交換器のアルミニウム壁を腐食性媒体による腐食から保護するのに効果的な防食装置が提供される。

以下に、例示の目的で、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１は、自動車において用いられる熱交換器のヘッダボックス10を示す。このヘッダボックス10には、伝熱用の液体が流入または流出するための口金12が接続されている。

ヘッダボックス10は、エンジン冷却材が循環して自動車のエンジンを冷却するためのラジエータの一部を構成する。このラジエータは、流体の循環サイクル、この場合は上記エンジン冷却材が循環する冷却サイクルの一部を構成している。

口金の壁体における腐食のおそれを回避するため、自らが腐食する防食装置14が、口金12の内側に配置されている。防食装置14は、この実施形態においては、口金12の内面に適用される管状インサートの形をとっている。防食装置14は、このような位置にあるため、エンジン冷却材に完全に浸漬される。

このインサートは、熱交換器の壁体を形成しているアルミニウムについて、少なくとも局所的に、その電気化学的ポテンシャルを低下させうる元素を含む再生可能な犠牲防食部材から形成されている。例えば、このインサートは、亜鉛、またはマグネシウム、好ましくは、亜鉛合金、マグネシウム合金、または亜鉛−マグネシウム合金から形成される。

図２は、長手の立体形状を有するヘッダボックス10を示す。このヘッダボックス10には、本発明に係る他の犠牲防食部材16が設けられている。この防食部材16は、ヘッダボックスの壁体内面に適用されるインサートの形で形成されているが、例えば上記の元素が、顆粒のようなばらばらの形態で充填されたカートリッジの形にすることもできる。

防食用の元素を、亜鉛またはマグネシウムとする実施形態においては、亜鉛もしくはマグネシウムのインサート、またはこれら元素の顆粒を充填したカートリッジを用いることができる。

図３は、Ｕ字形の断面を有するもう１つの熱交換器用ヘッダボックス10を示す。このヘッダボックスの内側には、本発明に係る犠牲防食部材18が設けられている。この実施形態においては、防食部材18は、インサート、または顆粒状の防食用元素を含むカートリッジの形態をなしている。図２に示す実施形態と同様に、インサートの場合は、亜鉛、またはマグネシウムを主成分とし、カートリッジの場合は、これら元素の顆粒を含む。

図４は、図３と同じく断面Ｕ字形のもう１つの熱交換器用ヘッダボックス10を示す。

断面Ｕ字形の壁体の内面には、亜鉛、またはマグネシウムのような犠牲防食元素を８０重量％以上含有する固体成分を含む塗料20が付されている。

図２と図３に示すカートリッジは、ステンレススチールやプラスチックのような非腐食性の材料から形成され、かつ腐食性の媒体が通過しうる微細な孔を有する。

カートリッジを用いる代わりに、腐食性媒体が通過しうる微細な孔を有する袋体のような容器を用いることもできる。

犠牲防食部材は、熱交換器の図に示した箇所以外の箇所、例えばタンク、突起、または熱交換器が区画する他のハウジング等にも配置することができる。

変形例として、犠牲防食部材は、熱交換器を構成要素の１つとする腐食性媒体の循環サイクルに設けることもできる。

犠牲防食部材は、たとえいかなる場所に設けられるにせよ、腐食性媒体に完全に浸漬することができる。

以下に、本発明の試験結果を示す。

薄い壁体で包囲された経路（特にチューブ）を含むアルミニウム合金製の熱交換器を組み入れた試験用の閉ループにおいて、比較試験を行った。この比較試験は、本発明に係る防食装置を備えた熱交換器と、そうでない熱交換器を用いて行った。

約９０℃において、ｐＨを約３まで低下させるのに十分な約２００mg/l（２００ppm）の塩素イオン、１ppmの銅イオン、および第二鉄イオンを含む伝熱用の液体を、試験用の閉ループ内で循環させた。

本発明に係る犠牲防食部材は、ステンレススチール製の袋体に収容された顆粒状のものとして用いた。顆粒は、長さが約３〜５mm、幅が約１．５〜３mmのものとし、袋体は、径が約１mmの微細な孔を有するものとした。

袋体は、熱交換器、好ましくはヘッダボックスの適当な位置に配置した。

試験は５００時間かけて行った。試験時間の終了後、本発明に係る防食装置を用いた熱交換器には、腐食による穿孔は観察されなかった。この熱交換器を検査装置で調べたところ、腐食の深さは、１ミクロンより小さく、従って本発明に係る防食装置を用いた熱交換器は、作動不良となるおそれのないことが分かった。

同様の試験を、本発明に係る防食装置を備えていない熱交換器を用いて行った。この熱交換器は、１００時間の作動後に、腐食によって生じた穿孔が原因の液漏れのために、作動を停止しなければならなかった。

本発明に係る防食装置が適用された連結用の口金を備える熱交換器用ヘッダボックスの斜視図である。 インサートまたはカートリッジの形態をなす本発明に係る防食装置を備えた熱交換器用ヘッダボックスの一部を示す断面図である。 防食インサートまたはカートリッジが配置された熱交換器用ヘッダボックスの断面図である。 壁体内面に塗料の形で適用された本発明に係る防食装置を含む熱交換器用ヘッダボックスの断面図である。

符号の説明

10 ヘッダボックス
12 口金
14 防食装置
16 犠牲防食部材
18 防食部材
20 塗料

Claims (15)

1. 熱交換器のアルミニウム壁を腐食性媒体による腐食から保護するための防食装置であって、前記アルミニウムの電気化学的ポテンシャルを、少なくとも局所的に低下させうる元素からなる少なくとも１つの再生可能な犠牲防食部材(14)(16)(18)(20)を含むことを特徴とする防食装置。
2. 前記元素は、亜鉛、またはマグネシウムであることを特徴とする請求項１記載の防食装置。
3. 前記犠牲防食部材は、非整合状をなし、特に粉末、顆粒、または散弾状であることを特徴とする請求項１または２記載の防食装置。
4. 前記犠牲防食部材は、連続的な形状、特にプレート、またはインサート形状をなすことを特徴とする請求項１または２記載の防食装置。
5. 前記犠牲防食部材を構成する元素は、腐食性媒体を透過しうる容器に収容されていることを特徴とする請求項３または４記載の防食装置。
6. 前記容器は、腐食性媒体が通過しうる孔を有する、好ましくはステンレススチール、またはプラスチック製の袋体、またはカートリッジであることを特徴とする請求項５記載の防食装置。
7. 前記犠牲防食部材を構成する元素は、熱交換器において腐食性媒体に晒されるハウジング内に収容されていることを特徴とする請求項３または４記載の防食装置。
8. 前記犠牲防食部材を構成する元素は、熱交換器の壁体の内面に付される塗料に含まれていることを特徴とする請求項１記載の防食装置。
9. 前記塗料の固体成分は、８０重量％を超える犠牲防食性元素、特に亜鉛、またはマグネシウムを含むことを特徴とする請求項８記載の防食装置。
10. 前記犠牲防食部材は、タンク、特に熱交換器のヘッダボックス(10)に適用されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の防食装置。
11. 前記犠牲防食部材は、熱交換器の口金(12)に適用されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の防食装置。
12. 前記犠牲防食部材は、熱交換器を構成要素の１つとする流体の循環サイクルに適用されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の防食装置。
13. 前記犠牲防食部材は、腐食性媒体に完全に浸漬されて、すべてが用尽されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の防食装置。
14. 請求項１〜１１および１３のいずれかに記載の防食防食装置を備えル、自動車用の熱交換器。
15. 請求項１〜６、１２、および１３のいずれかに記載の防食防食装置と熱交換器とを備える、自動車エンジン冷却サイクル等の流体循環サイクル。

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