JP2008304170A - 耐スケール付着性熱交換器用伝熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】銅合金管における冷媒接触面に炭酸カルシウムからなるスケールが付着することを防止できる耐スケール付着性熱交換器用伝熱管を提供する。
【解決手段】伝熱管は、Ｐを０．３乃至８質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成を有する銅合金管からなる。この伝熱管において、前記Ｐは０．３乃至３質量％であることが好ましい。これにより、伝熱管を構成する銅合金管の管壁を負に帯電させることができると共に、銅合金管壁の表面のｐＨを下げることができ、スケール付着を抑制できる。
【選択図】なし

Description

本発明は、給湯器等の熱交換器に使用される銅合金管からなる熱交換器用伝熱管に関し、特に、伝熱管における冷媒接触面におけるスケールの付着を防止した耐スケール付着性熱交換器用伝熱管に関する。

地下水及び上水にはカルシウムイオンや炭酸水素イオンが含まれているため、熱交換器で水が加熱されると下記の反応（化学反応式１）により、炭酸カルシウムのスケールが生成し、冷媒接触面である管内壁に付着する。

スケールの付着が進行すると、圧力損失の増加、管の閉塞が発生するようになる。このため、下記のようなスケール対策が提案されている。

特許文献１においては、水系流体として冷却水を循環させる循環路を形成する配管に、前記配管の少なくとも一部に磁場を形成する磁気処理部を設けるとともに、前記冷却水に磁性体を添加する。

特許文献２においては、第１電解部及び第２電解部が設けられており、第１電解部にあっては、陽極の近傍に隔膜で囲まれたゾーンが形成され、このゾーン内に金属粒子が充填されており、第２電解部にあっては、電極間は粒子が全く充填されていない通水スペースとなっている。第１電解部及び第２電解部のいずれにおいても、陰極側でスケールが微粒子状に生成し、この微粒子が冷却水に混合されたまま、循環冷却水ラインを流れる。金属粒子から亜鉛又はアルミニウムイオンが溶出し、このイオンが微粒子に吸着され、特に微粒子の成長点（キンク）の活性が低下し、微粒子が過剰に成長することが防止される。

特許文献３においては、内部に冷煤用流路が形成された内管と、内管の外側に設けられ、内管との間に水用流路が形成された外管とを有し、渦巻状に曲成された２重管式熱交換器において、水用流路を水が内側に向かって渦巻状に流通するように形成された内巻き２重管を有する熱交換ユニットと、水用流路を水が外側に向かって渦巻状に流通するように形成された外巻き２重管を有する熱交換ユニットとが交互に積層されており、水の出ロ側の熱交換ユニットには外巻き２重管が設けられた２重管式熱交換器が開示されている。

特許文献４においては、銅又は銅合金製基材からなる部分と、前記部分の少なくとも使用時に水と接触する面に形成されている親水性被膜とを含む給湯器用熱交換機が開示されている。

更に、上述のように、耐スケール付着性の向上を目的とする発明ではないが、Ｐを含有する銅合金管としては、以下のものが公知である。

特許文献５に記載された熱交換器用銅合金管は、Ｓｎ：０．１乃至１．０質量％、Ｐ：０．００５乃至０．１質量％、酸素：０．００５質量％以下及び水素：０．０００２％以下であり、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径が３０μｍ以下である。また、Ｚｎ：０．０１乃至１．０質量％を含有する場合もある。更に、８５０℃で３０秒間加熱した後の平均結晶粒径が１００μｍ以下、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ^２以上、疲れ試験において繰り返し応力を９２ＭＰａとしたとき、繰り返し数ｎ＝１０７回で破断しない疲労強度を有する。

特許文献６においては、リン（Ｐ）を０．０５〜０．２５％含有し、かつ残部が銅からなる組成を有する耐孔食性銅基合金管材が開示されている。

特開２００５−２７０６９８号公報 特開２００５−２３８０２３号公報 特開２００５−１４７５６９号公報 特開２００２−９８４９６号公報 特開２００３−２６８４６７号公報 特開２００１−２４７９２３号公報

しかしながら、上述の従来技術においては、以下に示す問題点がある。特許文献１に開示された技術は、冷却水に磁性体を添加するため、冷却水が人体に接するような使用目的には適さない。

また、特許文献２に開示された従来技術においては、水中に亜鉛等の金属イオンが溶出して水が汚染されるため、水が人体に接触するような使用目的には適さない。

更に、特許文献３に記載の従来技術においては、熱交換器出側で銅管の直線部を長くすることにより、水中に浮遊するスケールの沈積を抑制することができるが、銅管壁へのスケールの析出は抑制できず、耐スケール付着性効果が不十分である。

更にまた、特許文献４に記載の従来技術においては、親水性皮膜により熱交換機表面に局所的な高温部分が生じなくなり、炭酸カルシウムの結晶核の生成・成長に伴う付着量が減少し、スケール堆積が進行しにくくなるが、この効果は、水温が比較的低温の場合に表れるものの、高温の水では、熱交換器表面が全体的にスケール生成温度まで上昇するため、スケール付着防止効果が不十分である。

特許文献５及び６に記載の従来技術は、耐スケール付着防止という課題が存在しない。そして、これらの特許文献５及び６に記載の従来技術においては、Ｐ含有量が少ないため、スケールの付着防止効果が低い。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、銅合金管における冷媒接触面に炭酸カルシウムからなるスケールが付着することを防止できる耐スケール付着性熱交換器用伝熱管を提供することを目的とする。

本発明に係る耐スケール付着性熱交換器用伝熱管は、Ｐを０．３乃至８質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成を有する銅合金管からなることを特徴とする。この伝熱管において、前記Ｐは０．３乃至３質量％であることが好ましい。

銅合金管が、Ｐを０．３乃至８質量％含有することにより、炭酸カルシウムからなるスケールが冷媒接触面に付着することを防止することができる。また、本発明においては、冷媒中に磁性体又は金属粒子を添加することがないので、冷却水等の冷媒を汚染することがなく、冷媒が９０℃程度の高温水であっても、冷媒接触面へのスケールの付着を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。スケールは、下記化学式２に示す反応により、生成する。

この反応は水温が高いほど進行する。そして、この生成したスケールが銅合金管に付着する機構としては、生成したＣａＣＯ_３微粒子が銅合金管壁に付着し、それが核となって、スケールが成長すると考えられる。

このスケールが銅合金管に付着する機構を明らかにするために、ＣａＣＯ_３粒子の表面電荷を測定したところ、−２８．０５ｍＶと負に帯電していることが判明した。一方、銅合金管壁は、ＣｕＯ及びＣｕ_２Ｏからなる自然酸化膜で覆われているが、これらの表面電荷を測定すると、ＣｕＯは＋３５．３５ｍＶ、Ｃｕ_２Ｏは＋１３．１３ｍＶであり、いずれも正に帯電していることが判明した。これから、スケール成分のＣａＣＯ_３と銅合金管壁は静電的に引き合い、付着すると考えられる。

スケールの主成分であるＣａＣＯ_３微粒子が銅合金管壁に付着することを防止すれば、スケール付着を抑制することができると考えられるが、そのためには、銅合金管壁をＣａＣＯ_３と同符号のマイナスに帯電させ、銅合金管壁とＣａＣＯ_３とを静電的に反発させることによって、ＣａＣＯ_３の付着を抑制することが好適である。

また、上記化学式２に示すスケール生成反応は、炭酸水素イオンが炭酸イオンに変化するものであることから、逆に、下記化学式３の反応を促進させることにより、化学式２の逆方向への反応を促進して、スケールの生成を防止できる。

このように、化学式３の反応を促進するためには、ｐＨを低下させればよい。

以上の観点から、本発明者等が種々実験研究した結果、伝熱管を銅にＰを含有させた組成とすることにより、銅合金管壁を負に帯電させることができると共に、銅合金管壁の表面のｐＨを下げることができ、スケール付着を抑制できることを見いだした。

この銅合金へのＰ含有量は、０．３乃至８質量％であることが必要である。Ｐ含有量が０．３質量％未満では、スケール付着抑制効果が低く、逆にＰを８質量％以上含有しても、Ｐの添加効果は飽和し、それ以上の耐スケール付着防止効果が得られない。

好ましくは、この銅合金中のＰ含有量を、０．３乃至３質量％とする。コスト及び製造工程上の便宜からは、この範囲が好適である。

以下、本発明の効果を実証するための試験結果について説明する。下記表１は、伝熱管を構成する銅合金管のＰ含有量、表面処理の内容と、得られた伝熱管のスケール付着量の測定結果を示す。なお、銅合金管の組成は、比較例１３を除いて、残部は、銅及び不可避的不純物である。比較例１３はＰの他に、Ｓｎを０．７質量％を含有し、残部が銅及び不可避的不純物である。

実施例１〜６及び比較例７〜１１は、直径が１０ｍｍ、長さが５０ｍｍの銅管をイソプロパノールで脱脂したものであり、表面処理は実施していない。比較例１２については、Ｐ含有量０．０２質量％の銅管（直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ）を、イソプロパノールで脱脂した後、表１に記載の処理液に浸漬し、表面に被膜を形成した後、室温で乾燥し、更に、２００℃で熱硬化させた。

スケール付着量の評価方法は以下のとおりである。ＮａＨＣＯ_３（０．０１８ｍｏｌ／Ｌ）とＣａＣｌ_２／２Ｈ_２Ｏ（０．００９ｍｏｌ／Ｌ）との混合水溶液を、２０℃で調製し、Ｃａ（ＨＣＯ_３）_２を含むスケール生成溶液とした。このスケール生成溶液１００ｍｌに、表１の実施例１〜６及び比較例７〜１３の銅合金管を浸潰し、９０℃まで昇温させた。この操作を、各実施例及び比較例の試験材に対し、その都度、新しいスケール生成溶液を使用して５回繰り返した。その後、試験材をスケール生成溶液から取り出し、水洗し、更に乾燥した後、秤量し、上記スケール付着操作の前後の重量差から、スケール付着量を算出した。

このスケール付着量を、表１に示す。この表１に示すように、本発明の実施例１〜６では、りん脱酸銅相当の比較例７〜１０と比べて、スケール付着量が低減され、Ｐ含有量が多いほど、スケール付着量が少ないものであった。

一方、比較例１２では、親水性皮膜の作用によって気泡による局所的な過熱が防止されても、水温が９０℃と高いため、スケールが析出してしまい、耐スケール付着性にとって十分な効果が得られなかった。

比較例１３は、比較例８とりん含有量は同一であるが、リン以外にＳｎを添加したものであり、比較例８よりもスケール付着量が増大した。これは、Ｐ以外にＳｎを含有することにより、スケール付着防止効果が減殺されためと考えられる。

Claims (2)

1. Ｐを０．３乃至８質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成を有する銅合金管からなることを特徴とする耐スケール付着性熱交換器用伝熱管。
2. 前記Ｐは０．３乃至３質量％であることを特徴とする請求項１に記載の耐スケール付着性熱交換器用伝熱管。