JP3867632B2 - 流体流路用の導管及び該導管を備えた熱交換器 - Google Patents
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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、Ａ１２０３、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａ１２０３、Ｍｇ３Ｎ２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、第１の発明として、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金属メッキ層からなる下層メッキ層、Ａｕメッキ層と高耐食性セラミック層を下層側から順に積層した高耐食性被覆層を備え、
上記下層メッキ層は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からなる一方、上記高耐食性セラミック層はＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＣの内、少なくとも一種以上からなり、
かつ、上記高耐食性金属メッキ層と上記高耐食性セラミック層との複合層の厚さは２μｍ〜３０μｍとしていることを特徴とする流体流路用の導管を提供している。
また、第２の発明として、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金属メッキ層と高耐食性セラミック層を積層した高耐食性被覆層を備え、
上記高耐食性金属メッキ層は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からなる一方、上記高耐食性セラミック層はＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＣの内、少なくとも一種以上からなり、
かつ、上記高耐食性金属メッキ層の厚さは５μｍ〜３０μｍ、上記高耐食性セラミック層の厚さは１μｍ〜１０μｍとしてい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
【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、Ａ１２０３、ＭｇＯ、ＭｇＯ・Ａ１２０３、Ｍｇ３Ｎ２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、第１の発明として、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金属メッキ層からなる下層メッキ層、Ａｕメッキ層と高耐食性セラミック層を下層側から順に積層した高耐食性被覆層を備え、
上記下層メッキ層は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からなる一方、上記高耐食性セラミック層はＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＣの内、少なくとも一種以上からなり、
かつ、上記高耐食性金属メッキ層と上記高耐食性セラミック層との複合層の厚さは２μｍ〜３０μｍとしていることを特徴とする流体流路用の導管を提供している。
また、第２の発明として、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金属メッキ層と高耐食性セラミック層を積層した高耐食性被覆層を備え、
上記高耐食性金属メッキ層は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からなる一方、上記高耐食性セラミック層はＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＣの内、少なくとも一種以上からなり、
かつ、上記高耐食性金属メッキ層の厚さは５μｍ〜３０μｍ、上記高耐食性セラミック層の厚さは１μｍ〜１０μｍとしてい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】
【表２】
（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
Claims (9)
- 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金属メッキ層からなる下層メッキ層、Ａｕメッキ層と高耐食性セラミック層を下層側から順に積層した高耐食性被覆層を備え、
上記下層メッキ層は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からなる一方、上記高耐食性セラミック層はＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＣの内、少なくとも一種以上からなり、
かつ、上記高耐食性金属メッキ層と上記高耐食性セラミック層との複合層の厚さは２μｍ〜３０μｍとしていることを特徴とする流体流路用の導管。 - 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金属メッキ層と高耐食性セラミック層を積層した高耐食性被覆層を備え、
上記高耐食性金属メッキ層は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からなる一方、上記高耐食性セラミック層はＤＬＣ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＣの内、少なくとも一種以上からなり、
かつ、上記高耐食性金属メッキ層の厚さは５μｍ〜３０μｍ、上記高耐食性セラミック層の厚さは１μｍ〜１０μｍとしていることを特徴とする流体流路用の導管。 - 上記管の外面側に、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請求項１または請求項２記載の流体流路用の導管
。 - 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請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の流体流路用の導管。 - 上記高耐食性セラミック層は、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請求項１乃至請求項４のいずれか
１項に記載の流体流路用の導管。 - 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の導管として用いられる請求項１乃至請求項５のいずれか
１項に記載の流体流路用の導管。 - 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の流体流路用の導管を備えた熱交換器。
- 上記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上記導管内を流通する流体を加熱する構成としている請求項７に記載の流体流路用の
導管を備えた熱交換器。 - 上記導管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請求項７または請求項８に記載の流体流路用の導管を備えた熱交換器。
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