JPH0261497A

JPH0261497A - 熱交換器

Info

Publication number: JPH0261497A
Application number: JP21094688A
Authority: JP
Inventors: Shoji Doi; 祥司土肥; Akio Nakashiba; 中芝　明雄
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1988-08-25
Filing date: 1988-08-25
Publication date: 1990-03-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、受熱フィンを有する熱交換器に関する。

〔従来の技術〕

従来、受熱フィンの材料は銅であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、熱効率が十分に高（なく、例えば瞬間式湯沸器
においては８０％であり、熱効率向上に技術課題があっ
た。

本発明の目的は、熱効率を十分に向上でき、しかも耐久
性に優れた熱交換器を提供する点にある。

〔課題を解決するための手段〕

本第１発明の特徴構成は、熱交換器において、Ｆｅ、　
Ｃｒ及びＡｌを含有するステンレス鋼の表面に、大部分
の長さが２μｍ以上のアルミナウィスカを有すると共に
、前記表面の粗度Ｒａが０．５μｍ以上である遠赤外線
吸収材によって、受熱フィンが形成されていることにあ
り、その作用は次の通りである。

〔作　用〕

つまり、遠赤外線を放射する能力の大きい材料は、遠赤
外線を吸収する能力も大きい事実に着目し、いかなる材
料で受熱フィンを形成すれば、熱効率を向上できると共
に耐久性に優れたものにできるかについて、各種実験に
より追究した結果、次の事実が判明した。

Ｆｅ５Ｃｒ、　Ａｆ金含有ステンレス鋼の表面を、大部
分の長さが２μｍ以上のアルミナウィスカを有すると共
に、粗度Ｒａが０．５μｍ以上のものに形成し、そのス
テンレス鋼の表面で遠赤外線を吸収させると、普通のス
テンレス鋼の吸収率よりもはるかに高い吸収率が得られ
た。

また、アルミナウィスカが十分に成長しているために耐
食性に優れ、その上、表面の粗度Ｒａが十分に大きいた
めにアルミナウィスカの密度が大になり、そのことによ
ってもアルミナウィスカの耐食性が向上され、全体とし
て、使用に際してのアルミナウィスカのドレンによる剥
離を完全に防止できた。

したがって、上述のアルミナウィスカ付のステンレス鋼
で熱交換器の受熱フィンを形成すると、バーナや器壁な
どからの遠赤外線の効率良い吸収によって、熱交換器の
熱効率を十分に高く、例えば瞬間式湯沸器においては従
来よりも１０％も高い９０％程度にでき、しかも、その
熱効率良好な受熱をドレンによる腐食の無い状態で長期
間確実に維持できる。

ちなみに、受熱フィンに公知の遠赤外線放射塗料を付着
させると、早期に塗料が剥離して遠赤外線吸収性能が低
下し、実用できない。

さらに、アルミナウィスカを有する表面は微細な凹凸面
であるために高温流体との間の対流伝熱効率も良く、そ
のことによって熱効率向上を一層向上できる。

〔課題を解決するための手段〕

本第２発明の特徴構成は、熱交換器において、２０〜３
５重量％のＣｒ、　０．５〜５重量％のＭＯ１３重量％
以下のＭｎ及び３重量％以下のＳｉを含有するＦｅ　−
Ｃｒ　−Ｍｏステンレス鋼の表面に、０．２ｍｇ／ａｆ
１以上の高温酸化膜を備えさせて成る遠赤外線吸収材に
よって、受熱フィンが形成されていることにあり、その
作用は次の通りである。

〔作　用〕

つまり、いかなる材料で受熱フィンを形成すれば、遠赤
外線吸収能力向上により熱効率を向上できると共に耐久
性に優れたものにできるかについて、各種実験によりさ
らに追究した結果、次の事実が判明した。

ステンレス鋼の組成を、２０〜３５重量％のＣｒ。

０．５〜５重景重量Ｍｏ、　３重量％以下のＭｎ及び３
重量％以下のＳｉを含有するように調整し、そのステン
レス鋼の表面に、０．２ｍｇ／ａｆ１以上の高温酸化膜
を備えさせ、ステンレス鋼の表面で遠赤外線を吸収させ
ると、普通のステンレス鋼の吸収率よりもはるかに高い
吸収率が得られた。

また、０．２＋ＩＩｇ／ｃｊ以上にした高温酸化膜はド
レンによって腐食せず、使用に際しての高温酸化膜の剥
離を完全に防止できた。

したがって、上述の高温酸化膜付のステンレス鋼で、熱
交換器の受熱フィンを形成すると、熱交換器の熱効率を
十分に高くできると共に十分な耐久性を得られる。

〔発明の効果〕

その結果、熱効率が高くて小型化できると共に耐久性に
おいて優れた、−段と高性能な熱交換器を提供できるよ
うになった。

〔実施例〕

次に図面により実施例を示す。

筒状ケース（１）内の下部にガスバーナ（２）をかつ上
部に湯沸用の熱交換器（３）を設け、給水管（４）から
の冷水を熱交換器（３）で加熱して、給湯管（５）から
湯を供給する瞬間式湯沸器を形成しである。

熱交換器（３）は水管（３ａ）と多数の受熱フィン（３
ｂ）から成り、受熱フィン（３ｂ）、必要に応じて水管
（３ｂ）は遠赤外線吸収材で形成されており、次に遠赤
外線吸収材の詳細を説明する。

（実施例１）遠赤外線吸収材は、Ｆｅ、　Ｃｒ及び八２を含有するス
テンレス鋼の表面にアルミナウィスカを有するものであ
る。

Ｃｒの含有量は、防錆面から１２重量％以上が、かつ、
脆化防止面から２８重量％以下が望ましい。

＾２の含有量は、アルミナウィスカ形成面から２重量％
以上が、かつ、脆化防止面から６重量％以下が望ましい
。

ステンレス鋼にＣ５５ｔ、　Ｍｎが含まれる場合、Ｃの
含有量を割れ防止面から０．０３重量％以下に、Ｓｉの
含有量を延性維持面から１重量％以下に、Ｍｎの含有量
を靭性劣化防止面や高温耐酸化性維持面から１重量％以
下にすることが望ましい。

靭性や耐酸化性向上のために０．５重量％以下のＴｉや
ＮｂやＺｒをステンレス鋼に含有させたり、あるいは、
耐剥離性向上のために０．３重量％以下のＹ、　Ｃｅ、
　Ｌａ５Ｎｄなどの希土類元素をステンレス鋼に含有さ
せてもよい。

アルミナウィスカは大部分の長さが２μｍ以上であり、
そのことによって遠赤外線吸収効率向上とアルミナウィ
スカのドレンによる剥離防止を図れるように構成して、
ある。

２μｍ以上のアルミナウィスカと形成するには、ステン
レスを酸化雰囲気で、８５０〜１０００°Ｃで４Ｈｒ以
上高温酸化処理することが必要であり、望ましくは９２
０〜９３０″Ｃで１６Ｈｒ程高温酸化処理する。

アルミナウィスカを密度の高い状態で形成して、遠赤外
線吸収効率向上とアルミナウィスカのドレンによる剥離
防止を一層効果的に図れるようにするために、ステンレ
ス鋼の表面の粗度Ｒａを０．５μｍ以上にしである。尚
、粗度Ｒａは、触針式表面粗さ測定器（ＪＩＳ　ＢＯ６
５１）で測定した中心線平均粗さ（ＪＩＳ　ＢＯ６０１
）である。

表面の粗度Ｒａを０．５μｍ以上にするに、高温酸化処
理前にブラスト処理を施す。

ブラスト処理は、例えば、粗度１００〜４００番のアル
ミナや炭化硅素の砥粒、又は、直径０．０５〜１、抛−
の鉄球や鉄グリッド等の投射で行う。

Ａｌの含有量が３重量％未満の場合や、ブラスト処理に
よるステンレス鋼表面の加工歪が不十分な場合、アルミ
ナウィスカの長さと密度を十分にするために、上記高温
酸化処理の前に予備酸化処理を施すことが望ましい。

予備酸化処理において、アルミナウィスカ形成を良好に
するために、雰囲気中のＯｔ濃度を０．１％以下に、加
熱温度を７００℃以上に、処理時間を１０ｓｅｃ以上に
し、また、脆化防止のために加熱温度を１０００℃以下
にする。

（実施例２）遠赤外線吸収材は、Ｆｅ、　Ｃｒ及びＭｏを含有するス
テンレス鋼の表面に０．２＋ｗｇ／ｃＩｉ１以上の高温
酸化膜を有するものである。

Ｃｒの含有量は、耐食性向上の面から２０重量％以上に
、かつ、脆化防止と易加工性の面から３５重量％以下に
する必要がある。

Ｍｏの含有量は、耐食性向上の面から０．５重量％以上
に、かつ、脆化防止と易加工性の面から３５重量％以下
にする必要がある。

Ｍｎが含まれる場合、靭性及び高温での耐酸化性の劣化
を防止するために３重量％以下にする必要がある。

Ｓｉが含まれると、高温での耐酸化性が向上して、高温
酸化処理が容易になるが、延性劣化防止面から３重量％
以下が望ましい。

Ｔｉ、　Ｎｂ、　Ｚｒから成る群から選択された一種又
は複数種が含まれる場合、その含有率を０．３重量％以
下にして、靭性や耐酸化性を向上することが望ましい。

Ｌａ５ＣｅＳＮｄＳＹから成る群から選択された一種又
は複数種が含まれる場合、その含有率を０．３重量％以
下にして１．高温酸化膜の耐剥離性を向上することが望
ましい。

高温酸化膜を形成するに、ステンレス鋼を酸化性雰囲気
中で９００〜１２００°Ｃで加熱することが望ましい。

つまり、加熱温度が９００°Ｃ未満では、ステンレス鋼
中でのＣｒの拡散が遅いために、表面で酸化物として抜
けるＣｒの量に対し、内部から表面へのＣｒの拡散補充
量が少なくなり、表面側の厚さ数十μｍにわたってＣｒ
含有率の低い層が形成されて、耐食性が顕著に劣化する
が、９００°Ｃ以上で加熱すると、内部でのＣｒの拡散
速度が十分に大きくなり、十分な耐食性が得られる。ま
た、加熱温度が１２００”Ｃを越えると、ステンレス鋼
の高温変形が激しくなって実用できないが、１２００°
Ｃ以下で加熱すると、変形を十分に抑制できる。

高温酸化膜を０．２■／ｄ以上で形成するための加熱プ
ログラムは適当に選定できるが、一般的には、９００℃
以上〜１１００″Ｃ未満では、温度をＴ（”Ｃ）、時間
をｔ（ｗｉｎ）としてｔ≧１４２．５−０．１２５７となるように加熱時間を設定し、また、１１００°Ｃ以
上〜１２００″Ｃ以下では５ｍ１ｎ以上加熱する。尚、
加熱温度を加熱途中で適当に変更してもよい。

酸化性雰囲気にするに、大気、酸素富化ガス、水蒸気富
化ガス、燃焼ガス、その他適当なガスを利用できる。

高温酸化膜は０．５〜２■／ｃｄが最適であり、剥離し
にくくするためには１０■／−以下にすることが望まし
い。

ステンレス鋼の表面粗度を大きくして、遠赤外線の放射
面積を増大することが望ましく、その場合、加熱前にプ
ラスト処理やダルスキンバス圧延で表面に加工歪みを与
える。

〔実験例〕次に実験例を示す。

〈実験例１〉圧延、焼鈍、酸洗の順で処理したステンレス鋼から成る
下記表１の組成の鋼板を準備した。

尚、鋼板は１０ｃｍ角で厚さがｌｌｌ１ｌＩであり、Ａ
−１ないしＡ−３は本発明のステンレス鋼に相当する組
成であり、Ｂ−１及びＢ−２は従来品に相当する組成で
あり、表１の単位は重量％である。

表１表１のＡ−１ないしＡ−３の試料にプラスト処理、予備
酸化処理、高温酸化処理の一部又は全部を施し、処理条
件を変更し、粗度Ｒａ、アルミナウィスカの長さ、放射
率を測定し、下記表２の結果を得た。

尚、プラスト処理においてＳｉＣは１８０番のＳｉＣシ
ョットを用いた場合であり、Ｆｅは０．１ｍｍの鉄球シ
ゴットを用いた場合である。また、放射率は、４００″
Ｃでの波長５〜１５μｍの遠赤外線放射強度を黒体放射
との平均比で示す。

表２表２の結果から、大部分の長さが２μｍ以上のアルミナ
ラ・イス力を表面に有すると共に、その表面の粗度Ｒａ
が０．５μｍ以上である場合に、０．７以上の高い放射
率、換言すると高い遠赤外線吸収率が得られることが判
明した。

次に、上記表２の試料Ｎｏｌないし５（本発明品）と、
上記表１のＢ−１、Ｂ−２の試料に市販のアルミナ・シ
リカ系遠赤外線塗料をコーティングしたもの（従来品）
について、下記（イ）及び（０）項の加熱・冷却繰返試
験を行った。

（（）　７００℃に加熱した後、２０分間空中放冷し、
その加熱・冷却を繰返す。

（ｏ）　７００″Ｃに加熱した後、２０分間霧吹水冷し
、その加熱・冷却を繰返す。

その結果、本発明品はいずれも、２０回の加熱・冷却繰
返し後に全く変化を生じず、ドレンによって剥離しない
良好な性状のままであった。しかし、従来品の８−１は
、上記（イ）の試験において１７回の加熱・冷却繰返し
により塗料に割れを生じ、また、従来品のＢ−２は、上
記（０）項の試験において５回の加熱・冷却繰返しによ
り塗料に茶褐色の斑点を生じ、いずれも塗料がドレンに
より剥離しやすい状態になった。

つまり、本発明品は、高温で使用してもドレンにより剥
離しないので、熱交換器の受熱フィンとして実用できる
ことが判明した。

〈実験例２〉上記表３の組成のステンレス鋼板を準備した。

尚、鋼板はｌ０Ｃ１１角と厚さがＩＩＩｍである。Ｃ−
１ないしＣ−６は市販品で焼鈍及び酸洗したステンレス
鋼であり、Ｄ−１及びＤ−２は、実験的に溶製し、圧延
、焼鈍、酸洗の順で処理したステンレス鋼である。表３
の単位は重量％である。

表３表３の試料に表面処理を施して、又は、表面処理無しで
高温酸化処理し、処理条件を変更し、粗度Ｒａ、高温酸
化膜の量、放射率を測定し、かつ、耐食性を調べ、上記
表４の結果を得た。

尚、表面処理において、ＳｉＣは１８０番のＳｉＣシッ
ットを用いたプラスト処理であり、Ｆｅは０．１閣の鉄
球ショットを用いたブラスト処理であり、圧延は荒い表
面のロールによる圧延で表面をあらすダルスキンパス圧
延処理である。

高温酸化膜の量は、ステンレス鋼板の高温酸化処理前後
夫々における重量を測定し、単位表面積当りの増加重量
を求め、その増加重量“を３．３倍した値である。つま
り、高温酸化膜はＸ線分析によるとほとんどＣｒｚＯ，
から成り、Ｃｒ１ｅｓとＯｌのモル重量比（ＣｒｔＯｓ
ｌｏｔ）が３．３であるから、上記のようにして高温酸
化膜の量を求めた。

放射率は実験例１と同様にして求めた。

耐食性は塩水噴霧試験（ＪＩＳ　ｚ２３７１）　　を４
時間行った。

表表４の結果から、Ｆｅ　−Ｃｒ　−Ｍｏステンレス鋼が
、２０〜３５重量％のＣｒ、　０．５〜５重量％のＭＯ
１３重量％以下のＭｎ及び３重量％以下のＳｉを含有す
るものであり、表面に０．２■／ｃ＋ｆ１以上の高温酸
化膜を備えたもの、つまりＮｏ１〜５において、０．７
以上の高い放射率、換言すると高い遠赤外線吸収率が得
られると共に、耐食性に優れてドレンにより剥離しない
ことが判明した。

したがって、熱交換器の受熱用フィンとして実用できる
。

〔別実施例〕

次に別実施例を説明する。

熱交換器の構造、形状、用途などは適当に選定でき、例
えば各種の家庭用や工業用の流体加熱機器に利用できる
。

アルミナウィスカや高温酸化膜を受熱フィンの全体に備
えさせることが望ましいが、例えば片面だけなどの一部
に備えさせてもよい。また、遠赤外線放射が余り無い箇
所に普通のステンレス鋼から成る受熱フィンを設けても
よい。

水管（３ａ）にアルミナウィスカや高温酸化膜を備えさ
せる場合、外面と内面のいずれか一方又は両方に備えさ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示す概略図である。（３ｂ）・・・・・・受熱フィン。

Claims

【特許請求の範囲】１、Ｆｅ、Ｃｒ及びＡｌを含有するステンレス鋼の表面
に、大部分の長さが２μｍ以上のアルミナウィスカを有
すると共に、前記表面の粗度Ｒａが０．５μｍ以上であ
る遠赤外線吸収材によって、受熱フィン（３ｂ）が形成
されている熱交換器。２、２０〜３５重量％のＣｒ、０．５〜５重量％のＭｏ
、３重量％以下のＭｎ及び３重量％以下のＳｉを含有す
るＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏステンレス鋼の表面に、０．２ｍｇ
／ｃｍ＾２以上の高温酸化膜を備えさせて成る遠赤外線
吸収材によって、受熱フィン（３ｂ）が形成されている
熱交換器。