JP5534951B2 - 熱交換器の処理方法及び熱交換器 - Google Patents
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Description
一方、アルミニウムやアルミニウム合金を塗装する際の下地として使用するために陽極酸化処理を行う場合、封孔してしまうと塗装の密着性が低下してしまう。また、耐摩耗性が要求される用途においても封孔によって耐摩耗性が低下してしまう。そのため、特定の用途においては封孔処理を行わない。
この熱交換器では、空気と冷媒との間で熱交換が行われると、冷却された空気中に含まれる水蒸気が過飽和状態で熱交換器の表面に付着して霜が形成される。特に、フィンアンドチューブ型の熱交換器の場合、霜の成長と共にフィン間の隙間が減少する結果、熱交換器の圧力損失が増大し、空気の流れが妨げられると共にフィンと空気との間の熱伝達力が低下する。また、一部分のフィンに霜が集中的に形成される偏着霜が発生すると、フィン間の閉塞が早まるばかりでなく、除霜時に霜が融けきらずに残ってしまう。その結果、熱交換器の熱交換効率が著しく低下する。そこで、特許文献1は、ナノ細孔を有するアルミニウム陽極酸化皮膜をフィン表面に形成することによって、偏着霜を抑制し、フィン表面に均一に着霜させる技術を提案している。
自然封孔を抑制する技術として、特許文献1では、陽極酸化処理によってアルミニウム陽極酸化皮膜を形成した後に150℃で1時間熱処理することにより、アルミニウム陽極酸化皮膜から水を除去してアルミニウム陽極酸化皮膜を安定化させ、自然封孔を抑制している。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、処理時間が短いと共に、クラックを生じさせることなくナノ細孔の閉塞を抑制してナノ細孔を安定に維持することが可能なアルミニウム陽極酸化皮膜の処理方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、熱交換効率の低下が生じ難い熱交換器を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される熱交換器の処理方法であって、前記アルミニウム又はアルミニウム合金を陽極酸化処理し、その表面に円筒柱形状のナノ細孔を有するアルミニウム陽極酸化皮膜を形成した後、下記の式:
A=4500/{C×t×2(T−50)/10}
(式中、Cは水溶液中のリン酸濃度(質量%)、tは浸漬時間(秒)、Tは浸漬温度(℃)を表す)で表されるAの値が30以上150以下となる条件で、リン酸を含む水溶液に浸漬し、水洗及び乾燥処理を行い、リン酸アルミニウムの耐水性皮膜を形成することを特徴とする熱交換器の処理方法である。
また、本発明は、上記の方法によって処理されたアルミニウム又はアルミニウム合金から構成されることを特徴とする熱交換器である。
また、本発明によれば、熱交換効率の低下が生じ難い熱交換器を提供することができる。
本実施の形態のアルミニウム陽極酸化皮膜の処理方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金を陽極酸化処理し、その表面にアルミニウム陽極酸化皮膜を形成した後、所定の濃度のリン酸を含む水溶液に所定の時間及び温度で浸漬する。
以下、本実施の形態のアルミニウム陽極酸化皮膜の処理方法について図面を用いて説明する。
まず、アルミニウム又はアルミニウム合金を陽極酸化処理する前に、必要に応じて前処理(S1〜S3)を行う。ただし、この前処理(S1〜S3)は必須ではない。ここで、本明細書におけるアルミニウム合金とは、強度、耐食性、加工性などの各種特性の向上を目的として、マグネシウム、銅、ケイ素、マンガン、鉄、クロム、ジルコニウム、チタンなどの元素の少なくとも1種をアルミニウムに添加したものを意味する。これらの元素の添加量は、特に限定されないが、一般に0.1原子%以上10原子%以下である。
アルミニウム又はアルミニウム合金を成形加工する場合、曲げ工程やプレス工程などで油脂成分が付着することがある。そのため、アルミニウム又はアルミニウム合金を成形加工する場合には、脱脂処理(S1)を行うことが好ましい。脱脂処理(S1)の方法としては、特に限定されず、公知の方法に準じて行うことができる。例えば、脱脂液として、界面活性剤を含むアルカリ性の脱脂液を用い、この脱脂液に成形品を浸漬すればよい。また、脱脂処理(S1)の後、脱脂液を除去するために水洗を行うことが好ましい。
ここで、上記のリン酸を含む水溶液による浸漬処理(S5)の条件を最適化するため
に、以下の実験を行った。
次に、電解液として硫酸の水溶液を用い、電解液中の硫酸濃度が1.5モル/L、電流密度が1A/dm2、浴温が20±2℃、通電時間が10分の条件下で陽極酸化処理を行うことによって、アルミニウムの表面にアルミニウム陽極酸化皮膜を形成した。
次に、アルミニウム陽極酸化皮膜を形成したアルミニウムを、下記の表1〜3に示す条件でリン酸を含む水溶液に浸漬した(サンプル1〜60)。
また、比較として、リン酸を含む水溶液による浸漬処理(S4)の代わりに130℃で30分間熱処理したサンプルを作製した(サンプル61)。
ナノ細孔の閉塞の程度は、各サンプルを60℃の飽和水蒸気圧下で5日間放置した後、電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)を用いて各サンプルの表面を観察することによって評価した。
この評価において、リン酸を含む水溶液による浸漬処理の代わりに熱処理を行ったサンプル61に比べて、ナノ細孔の閉塞の程度が多いものを×、ナノ細孔の閉塞が同程度のものを○、ナノ細孔の閉塞の程度が少ないものを◎とした(評価A)。
また、この評価において、ナノ細孔が確認できないものを×、陽極酸化処理で形成されるナノ細孔の細孔径(約10nm)に比べて2倍(約20nm)以上の細孔径を有するナノ細孔が確認されたものを○、陽極酸化処理で形成されるナノ細孔の細孔径(約10nm)に比べて2倍(約20nm)以内の細孔径を有するナノ細孔が確認されたものを◎とした(評価B)。
上記の評価A及びBの結果を表4に示す。
また、水溶液中のリン酸濃度が高く、浸漬時間が長く、浸漬温度が高いサンプル59及び60では、アルミニウム陽極酸化皮膜がリン酸によって溶解し、ナノ細孔の円筒柱形状が確認できない状態まで崩壊していた。
その他のサンプルにおいては、サンプル61に比べてナノ細孔の閉塞が同程度以下であると共に、ナノ細孔の円筒柱形状を維持していた。特に、サンプル7〜8、11〜14、17〜18、24、27〜28、30〜31、33〜34、37、43〜46及び49〜50は、サンプル61に比べてナノ細孔の閉塞が極めて少ないと共に、ナノ細孔の円筒柱形状も良好に維持していた。
まず、浸漬温度が同じサンプルにおいて、ナノ細孔の円筒柱形状を比較したところ、サンプル6(リン酸濃度2質量%、浸漬時間30秒)とサンプル9(リン酸濃度1質量%、浸漬時間60秒)との間のナノ細孔の円筒柱形状は、ほぼ同じであった。同様に、サンプル8(リン酸濃度15質量%、浸漬時間30秒)とサンプル11(リン酸濃度8質量%、浸漬時間60秒)との間、及びサンプル14(リン酸濃度2質量%、浸漬時間300秒)とサンプル17(リン酸濃度1質量%、浸漬時間600秒)との間のナノ細孔の円筒柱形状はほぼ同じであった。これらの結果から、アルミニウム陽極酸化皮膜のアルミニウムイオンとリン酸イオンとの反応は、リン酸濃度及び浸漬時間に比例すると推測された。
α=(C/15)×(t/300)×2(T−50)/10
式中、Cは水溶液中のリン酸濃度(質量%)、tは浸漬時間(秒)、Tは浸漬温度(℃)である。
A=4500/{C×t×2(T−50)/10}
式中、Cは水溶液中のリン酸濃度(質量%)、tは浸漬時間(秒)、Tは浸漬温度(℃)である。
サンプル1〜60において、Aの値を評価した結果を表5に示す。
乾燥処理(S6)の方法としては、特に限定されず、公知の方法に準じて行うことができる。例えば、乾燥機などを用いた加熱乾燥、ブロアなどを用いた送風乾燥、その場や太陽光の下で放置する自然乾燥などが挙げられる。
本実施の形態の熱交換器は、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される熱交換器であって、上記の方法によって処理されたアルミニウム陽極酸化皮膜を有する。
以下、本実施の形態の熱交換器について図面を用いて説明する。
図3は本実施の形態の熱交換器の斜視図、図4は本実施の形態の熱交換器の上面図である。
図3及び4において、熱交換器10は、所定の間隔で複数並べた金属フィン11と、各金属フィン11の貫通穴を通過するように設けられた伝熱管12とから構成されている。この熱交換器10では、伝熱管12の内部を流れる冷媒と外部を流れる空気との熱を金属フィン11を介して伝達することにより、冷媒と空気との間の熱交換を行うことができる。
このような構成を有する熱交換器10は、クラックがないと共に、ナノ細孔の閉塞を抑制してナノ細孔を安定に維持したアルミニウム陽極酸化皮膜を有しているため、偏着霜を抑制することができ、熱交換効率が低下しない。
Claims (4)
- アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される熱交換器の処理方法であって、
前記アルミニウム又はアルミニウム合金を陽極酸化処理し、その表面に円筒柱形状のナノ細孔を有するアルミニウム陽極酸化皮膜を形成した後、下記の式:
A=4500/{C×t×2(T−50)/10}
(式中、Cは水溶液中のリン酸濃度(質量%)、tは浸漬時間(秒)、Tは浸漬温度(℃)を表す)で表されるAの値が30以上150以下となる条件で、リン酸を含む水溶液に浸漬し、水洗及び乾燥処理を行い、リン酸アルミニウムの耐水性皮膜を形成することを特徴とする熱交換器の処理方法。 - 前記水溶液中のリン酸濃度は1質量%以上15質量%以下、前記浸漬時間は10秒以上600秒以下、前記浸漬温度は20℃以上50℃以下であることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器の処理方法。
- 前記アルミニウム又はアルミニウム合金は成形品であることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱交換器の処理方法。
- 請求項1〜3のいずれか一項の方法によって処理されたアルミニウム又はアルミニウム合金から構成されることを特徴とする熱交換器。
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