JP2008249251A - 伝熱部材の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な形状の伝熱部材であっても表面に微小な凹凸を形成することのできる処理方法を提供することを目的とする。
【解決手段】金属からなる伝熱部材を陽極酸化することにより、伝熱部材の前記表面に凹部２２を形成することを特徴とする伝熱部材の処理方法により上記課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は伝熱部材の表面処理方法に係り、より詳細には伝熱効率を向上させられる表面処理方法に係る。

伝熱部材の性能を左右する因子の一つとして伝熱効率が挙げられる。伝熱効率を向上させる手段として、伝熱部材の表面に凹凸を設けることにより、比表面積を増加させたり、伝熱部材と接触する熱媒体の流れを攪拌してより多くの流体分子が伝熱部材と接触できるようにしたりする方法が採られてきた。

また、凹凸の大きさによっては、攪拌された熱媒体自身が熱媒体の流れを阻止し、熱媒体を流す際に大きな圧力を要することがあった。これに対し、凹凸を非常に微小なものとすることで、凹凸の表面付近のみで熱媒体の流れを攪拌させられ、圧力損失を抑制しつつ熱媒体を流動させられることが判明している。特許文献１には、この様な微小な凹凸を有する熱交換器が開示されている。
特開２００５−９８６９４号公報

伝熱部材は用途によっては複雑な形状をとる。そこで、本発明は、複雑な形状の伝熱部材であっても表面に微小な凹凸を形成することのできる処理方法を提供することを目的とする。

本発明者等は複雑な形状の熱交換器であっても、陽極酸化法を用いることにより表面に微小な凹部を形成することにより、微小な凹凸を設けられることを見いだした。

すなわち、本発明は、金属からなる伝熱部材を陽極酸化することにより、前記伝熱部材の表面に凹部を形成することを特徴とする伝熱部材の処理方法により上述の課題を解決する。

本発明により、複雑な形状の伝熱部材であっても微小な凹部を形成することのできる処理方法を提供することができる。

本発明の第一は、金属からなる伝熱部材を陽極酸化することにより、前記伝熱部材の表面に凹部を形成することを特徴とする伝熱部材の処理方法である。陽極酸化法とは対象物を陽極として通電し、強制的に酸化させる方法である。金属に陽極酸化を施すことにより、微小な凹部を有する酸化被膜が表面に形成されるため、表面に微小な凹凸を有する伝熱部材を得ることができる。

陽極酸化によるその他の利点として、被膜が形成されることで耐候性が向上する点が挙げられる。さらに他の利点として、絶縁性が向上する点が挙げられる。

凹部の深さ、直径、または凹部の割合などは陽極酸化の条件により適宜調節することができる。以下にこれらの好ましい範囲を記載する。

凹部の最大深さは５０μｍ以下であることが好ましい。最大深さが５０μｍ以下であると圧力損失を抑制し易い。凹部の深さはＳＥＭ観察により確認することができる。

凹部の平均直径は２μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは２５０ｎｍ以下である。平均直径が２μｍ以下であると圧力損失を抑制し易い。さらに平均直径が２５０ｎｍ以下であると凹部にゴミ等の不純物が詰まりにくく伝熱部材の性能を維持できる期間が向上する。凹部の平均直径はＳＥＭ観察結果から算出することができる。この場合、無作為に少なくとも２０箇所の凹部を選出し、その平均から平均値を導き出すことが好ましい。本発明において凹部の形状が真円でない場合、凹部の断面積から算出される等価円直径を直径とする。

凹部の平均直径は４０ｎｍ以上であることが好ましい。４０ｎｍ以下であると、凹部が小さすぎるために、伝熱部材の性能が向上しない場合がある。

図１に例示するように凹部１２は互いに独立していてもよいし、図２に例示するように凹部２２同士が部分的につながっていてもよい。図１における符号１０、図２における符号２０はそれぞれ伝熱部材表面の凸部を示す。図３に凹部同士が部分的につながっている場合の、ピッチ（Ｐ）と、直径（Ｄ）とを示す。図３における符号３０は凹部を示し、符号３２は凸部を示す。

伝熱部材を形成する金属としては、いわゆるバルブメタルが例示され、アルミニウム、アルミニウム合金、またはチタンが好ましく、より好ましくはアルミニウム、またはアルミニウム合金であり、更に好ましくはアルミニウムである。アルミニウムおよびアルミニウム合金はリサイクル性に優れるという利点を有する。

前記アルミニウム合金としては特に限定されないが、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、またはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金などが挙げられる。アルミニウム合金を用いる場合、合金に含まれる各成分の割合は特に限定されず、伝熱部材の用途などに応じて適宜決定される。

陽極酸化を行う方法としては特に限定されないが、電解液に前記伝熱部材を陽極として浸漬しながら電解処理を行う方法が挙げられる。前記電解液としては特に限定されないがシュウ酸水溶液、リン酸水溶液、硫酸が好ましい。

電解処理時の電圧または処理時間は特に限定されず、目的の凹部の形状に合わせて適宜決定することができる。例えば、電解処理時の電圧を大きくするほど凹部の直径を大きくすることができる。また、電解処理時間を長くするほど凹部の深さを大きくすることができる。また、電解処理の際に用いる陰極としては特に限定されず、従来公知の導電性物質が用いられうる。

陽極酸化の前に、伝熱部材に研磨処理を施しておいてもよい。研磨処理を施すことにより、各凹部の直径、深さ、または間隔を統一し易い。研磨処理としてはバフ研磨、化学研磨、または電解研磨などが挙げられる。バフ研磨は廃液処理などが不要であるという利点を有し、一方、化学研磨および電解研磨は液体を用いた研磨であることからバフが触れられない部分、例えばパイプ内部などを研磨できるという利点を有する。

陽極酸化の後に、さらに伝熱部材の凹部が形成された部位にエッチングを行ってもよい。エッチングを行うことにより、凹部の形状を調節することができ、例えば、凹部の深さを増加させたり、凹部の直径を増加させたり、それぞれ独立していた凹部同士をつなげたり、伝熱部材の表面の空孔率を増加させたりすることができる。

エッチングの際の温度または時間は特に限定されず、目的の凹部の形状に合わせて適宜決定することができる。

本発明の処理は、予め、表面に従来公知の大きさの凹凸が形成された伝熱部材に施すこともできる。

本発明の第二は、上述の伝熱部材の用途である。

上述の伝熱部材は、従来公知の様々な用途に用いることができるが、好ましくは熱交換器に用いられる。熱交換器に含まれる伝熱部材は用途に合わせて様々な形状を有しているが、フィンの形状で用いる場合には、上述の処理は少なくともフィン表面に施されていることが好ましい。フィンに施すことで、フィン一基の伝熱効率を向上させることができる。その結果、フィンの使用数を減らすことができ、フィンの間隔を広げることができる。さらにその結果、熱交換器を小型化することができたり、フィン同士の間の熱媒体の流量を増加させて熱交換量をさらに向上させることができたりする。またチューブの形状で用いる場合には、上述の処理は少なくともチューブ内面に施されていることが好ましい。チューブ内部に施すことで、チューブの口径を小さくすることができ、熱交換器を小型化することができる。

熱交換器としては特に限定されず従来公知のものに適用することができるが、ラジエーター、ヒーター、コンデンサ、コンデンサの伝熱フィン、エバポレータ、ウォータージャケット、オイルクーラー、インタークーラー、またはヒートパイプなどが挙げられる。

上述の処理を施した伝熱部材または熱交換器は車両用部材として用いられることが好ましい。本発明の処理を施した伝熱部材または熱交換器は熱伝達率に優れるため、小型化することも可能である。一方で、車両には人間や荷物を載せるスペースを確保しつつ様々な車両用部材を詰め込まなくてはならないことから、本発明の処理を施した伝熱部材または熱交換器を従来の部材の代わりに用いることは好ましい。

本発明の第三は上述の車両用部材を含む車両である。

上述の車両用部材は伝熱効率に優れることから、燃費を下げることができたり、また、上述したように小型化が可能であることから、軽量化が可能となったり、車両に含まれる他の部材、例えばエンジンなどの設計の自由度を上げられたりできる。

車両としては特に限定されないが、例えば、自動車、鉄道車両、航空機、または特殊車両などが挙げられる。

次に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらの実施例は何ら本発明を制限するものではない。

（比較例１）
伝熱部材として純アルミニウム（純度９９．９９％）からなる板材（直径１００．５ｍｍ、厚み１．５ｍｍ）を用意した。

［ＳＥＭ観察］
ＳＥＭを用いて倍率５００００〜２０００００倍で表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部は形成されていなかった。

［熱伝達率の測定］
特開２００５−９８６９４号公報に記載の装置を用いて、伝熱部材の熱伝達率を測定した。

実施例は以下の前処理を実施した後に陽極酸化処理を実施した。

［前処理］
前処理として、伝熱部材に対してバフ研磨、脱脂、水洗、電解研磨の各処理を施した。

（実施例１）
［陽極酸化］
比較例１と同様の伝熱部材（アルミニウム板材）に、陽極酸化処理を実施した。陽極酸化は電解液としてシュウ酸水溶液を用い、陰極としてアルミニウムを用い、４０Ｖで行った。

［ＳＥＭ観察］
比較例１と同様にして表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部が形成されていた。凹部の平均ピッチ、平均直径、最大深さを下記表１に示す。画像処理ソフトを用いて、表面ＳＥＭ画像を解析することで、孔の等価円直径を求めた。また、同一のＳＥＭ画像から孔とそれ以外の面積率も算出した。孔径と面積率とから、平均ピッチを算出した。孔の深さは、断面ＳＥＭ画像から算出した。結果を下記表１に示す。

［熱伝達率の測定］
比較例１と同様にして伝熱部材の熱伝達率を測定した。比較例１の伝熱部材の熱伝達率を１とした際の相対値を下記表１に示す。

（実施例２）
［陽極酸化］
比較例１と同様の伝熱部材（アルミニウム板材）に、陽極酸化処理を実施した。陽極酸化は電解液としてシュウ酸水溶液を用い、陰極としてアルミニウムを用い、４８Ｖで行った。

［ＳＥＭ観察］
比較例１と同様にして表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部が形成されていた。凹部の平均ピッチ、平均直径、最大深さを下記表１に示す。また、表面の空孔率を測定した結果を下記表１に示す。これらの算出方法は実施例１と同様である。

［熱伝達率の測定］
比較例１と同様にして伝熱部材の熱伝達率を測定した。比較例１の伝熱部材の熱伝達率を１とした際の相対値を下記表１に示す。

（実施例３）
［陽極酸化］
比較例１と同様の伝熱部材（アルミニウム板材）に、陽極酸化処理を実施した。陽極酸化は電解液としてシュウ酸水溶液を用い、陰極としてアルミニウムを用い、７６Ｖで行った。

［エッチング］
陽極酸化を行った後エッチングを行った。エッチングは腐食液としてシュウ酸水溶液を用い、伝熱部材を腐食液に浸漬することで行った。

［ＳＥＭ観察］
比較例１と同様にして表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部が形成されていた。凹部の平均ピッチ、平均直径、最大深さを下記表１に示す。また、表面の空孔率を測定した結果を下記表１に示す。これらの算出方法は実施例１と同様である。

［熱伝達率の測定］
比較例１と同様にして伝熱部材の熱伝達率を測定した。比較例１の伝熱部材の熱伝達率を１とした際の相対値を下記表１に示す。

（実施例４）
［陽極酸化］
比較例１と同様の伝熱部材（アルミニウム板材）に、陽極酸化処理を実施した。陽極酸化は電解液としてリン酸水溶液を用い、陰極としてアルミニウムを用い、１２０Ｖで行った。

［ＳＥＭ観察］
比較例１と同様にして表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部が形成されていた。凹部の平均ピッチ、平均直径、最大深さを下記表１に示す。また、表面の空孔率を測定した結果を下記表１に示す。これらの算出方法は実施例１と同様である。

［熱伝達率の測定］
比較例１と同様にして伝熱部材の熱伝達率を測定した。比較例１の伝熱部材の熱伝達率を１とした際の相対値を下記表１に示す。

（実施例５）
［陽極酸化］
比較例１と同様の伝熱部材（アルミニウム板材）に、陽極酸化処理を実施した。陽極酸化は電解液としてリン酸水溶液を用い、陰極としてアルミニウムを用い、１２０Ｖで行った。

［エッチング］
陽極酸化を行った後エッチングを行った。エッチングは腐食液としてリン酸水溶液を用い、伝熱部材を腐食液に浸漬することで行った。

［ＳＥＭ観察］
比較例１と同様にして表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部が形成されていた。凹部の平均ピッチ、平均直径、最大深さを下記表１に示す。また、表面の空孔率を測定した結果を下記表１に示す。これらの算出方法は実施例１と同様である。

［熱伝達率の測定］
比較例１と同様にして伝熱部材の熱伝達率を測定した。比較例１の伝熱部材の熱伝達率を１とした際の相対値を下記表１に示す。

本発明の処理を施した後の伝熱部材の表面の一例を示す斜視概略図である。 本発明の処理を施した後の伝熱部材の表面の一例を示す斜視概略図である。 凹部同士が部分的につながっている場合の、ピッチ（Ｐ）と直径（Ｄ）とを示す平面概略図である。

符号の説明

１０、２０、３０ 凹部、
１２、２２、３２ 凸部。

Claims (11)

1. 金属からなる伝熱部材を陽極酸化することにより、前記伝熱部材の表面に凹部を形成することを特徴とする伝熱部材の処理方法。
2. 前記凹部の最大深さは５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
3. 前記凹部の平均直径は２μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の処理方法。
4. 前記凹部の平均直径は２５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の処理方法。
5. 前記凹部の平均直径は４０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の処理方法。
6. 前記金属は、アルミニウム、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の処理方法。
7. 前記陽極酸化の後に、さらに伝熱部材の凹部が形成された部位にエッチングを行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の処理方法。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の処理方法により処理された伝熱部材が用いられてなる熱交換器。
9. フィンの形状を有し、前記処理方法によりフィン表面が処理された伝熱部材、または
   チューブの形状を有し、前記処理方法によりチューブ内面が処理された伝熱部材が用いられてなる請求項８に記載の熱交換器。
10. 請求項１〜７のいずれかに記載の処理方法により処理された伝熱部材、または
    請求項８または９に記載の熱交換器を含むことを特徴とする車両用部材。
11. 請求項１０に記載の車両用部材を含むことを特徴とする車両。

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