JPS60213757A - 熱交換器 - Google Patents

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 本発明は給湯あるいは暖房用の燃焼装置に使用さＩＬる
熱交換器に関するものである。

従来例の構成とその問題点 最近、給湯あるいは暖房を行なう燃焼装置において、省
エネルギーや高性能化の指向が強くなり熱効率の向上を
図るため燃焼排ガス中の水蒸気を積極的に縦組させ潜熱
を回収する機能を付加した熱交換器の開発が活発に行な
わｉｔでおり、一部実用化さｎている。

第１図はその一例を示す燃焼と置の断面図である。１は
バーナ、２は燃焼室、３は熱交換器、４は吸熱フィン、
５は水管であり、熱交換器３は燃焼室２の下部に配置さ
ｆＬ、主熱交換部Ａと潜熱回収用熱交換部Ｂが一体化さ
れた構成となっている。

天然ガス、ＬＰＧなどの可燃ガスがバーナ１で空気とと
もに燃焼室２の内部で燃焼し、主熱交換部Ａと潜熱回収
用熱交換部Ｂよりなる熱交換器３で吸熱フィン４と水管
５を介して水管５内を流れる水が加熱される。

この構成において、潜熱回収用熱交換部Ｂでは燃焼排ガ
ス中の水蒸気を積極的に耐縮させ水蒸気潜熱を回収する
設計となっているため燃焼中は常に吸熱フィン４、水管
６は露点以下となり、多量の結露水が生成する。この結
露水は燃焼排ガス中（１）Ｎｏｘ、　ＳＯｘ　、　ＣＯ
Ｉ　Ｃ０２ｋ溶解し、ｐＨ（水素イオン濃度）が２〜４
の腐食性の強い酸性を呈するため極めて厳しい腐食環境
となる。一方、主熱交換部Ａはバーナからの燃焼熱によ
り高温に加熱さｊＬ、吸熱フィン４の先端部は２５０〜
３００℃の温度になるとともに水蒸気などを含む燃焼排
ガスの雰囲気にさらさＩしたり、着火、消火の際、一時
的に表面が結露し、わずかであるが前述の酸性結露水が
生成する環境となる。

熱交換器３を構成する吸熱フィン４、水管５の伝熱部材
は熱効率の向上の点から銅が用いらＩＬるが銅は２００
℃以上の温度になると激しい酸化を起こし、使用に耐え
なくなるため従来より銅表面に鉛を主成分とする溶融メ
ッキを施さｒＬることか多い。

しかしながら、このような環境下では前記メンキが激し
い腐食を起こし、炭酸鉛、硝酸鉛などの腐食生成物が吸
熱フィン４０間に堆積し、排ガスの流ＩＬが阻害さｒＬ
不完全燃焼を起こしたり、熱伝導が悪くなるために熱効
率を低１ゞさせたり、腐食生成物が粉状となって飛散し
、周囲を汚染させる　でなどの間紬があった。また、こ
の腐食が進行すると前記メッキ層や銅製伝熱部側に穴が
あいたり、剥離・脱落などの原因となり耐久性、信頼性
を著しく損なうという問題があった。

主熱交換部と潜熱回収用熱交換部が一体化した構成の熱
交換器においては耐熱性、耐食性の両特性を満足する必
要があるが、従来の鉛を主成分とするメッキではこの両
特性を満足することができないのみならず、末だこｔし
に代わる表面処理材料がない状況にある。

発明の目的 本発明はかかる従来の問題を解消するもので熱交換器の
燃焼排ガスが溶解した酸性結露水による腐食や高温酸化
による腐食を著しく防止することにより、熱交換器の耐
久性の向上を図るとともに、不完全燃焼や熱効率の低下
を防止し、燃焼装置としての信頼性の向上を図ることを
目的とする。

発明の構成 この目的を達成するために本発明は、バーナと燃焼室の
下部に装置さ１し、吸熱フィンと水管の銅製伝熱部側よ
りなる主熱交換部と潜熱回収用熱交換部が一体化する構
成とし、前記主熱交換部と潜熱回収用熱交換部の銅製伝
熱部材表面にニッケルもしくは鉛を主成分とする金属メ
ッキ層と、この金属メッキ層上にポリポロシロキサンを
主成分とする有機ケイ素ポリマーをバインダーとし、こ
扛にチタン有機化合物と鱗片状無機質粉末と球状無機゛
質粉末を添加し、分散混合した塗料でコーティング層を
形成を形成するとともに、さらに潜熱回収用熱交換部の
前記コーティング層上に有機系バインダーのみよりなる
コーティング層を形成する構成としたものである。

この構成によって、燃焼中に潜熱回収用熱交換部におい
て多量の酸性結露水が生成しても銅製伝熱部材と金属メ
ッキ層上に設けた２層のコーティング層により前記銅製
伝熱部材と金属メッキ層、の腐食を著しく抑制すること
ができ、また、主熱交換部においては前記銅製伝熱部材
と金属メッキ層上に設けた１層のコーティング層により
高温下での酸化による腐食や着火、消火時に生ずる酸性
結露水による腐食を防止でき、かつ、こ１しらコーティ
ング層は銅製伝熱部材に設けた金属メッキ層により優ｌ
した密着性を実現できるので、腐食生成物の堆積によっ
て生ずる不完全燃焼、熱効率の低下や腐食生成物の飛散
などによる周囲への汚染を防止するとともに、熱交換器
、燃焼装置の耐久性、信頼性の向上を図ることができる
。

実施例の説明 以下、本発明の一実施例について第２図により説明する
。

同図は本発明を示す熱交換器の要部断面図であり、（ａ
）は主熱交換部Ａ　、　（ｂｌは潜熱回収部Ｂの構成を
示す。６は吸熱フィン、水管よりなる銅製伝熱部目、７
はニッケルもしくは鉛を主成分とする金属メッキ層、８
はポリボロシロキサンを主成分とする有機ケイ素ポリマ
ーのバインダーとチタン有機化合物と鱗片状無機質粉末
と球状無機質粉末よりなるコーティング層、９は有機系
樹脂バインダーよりなるコーティング層である。

コーティング層８中には耐酸性、耐熱性、熱伝導性に優
ｆした石英、アｌレミナ、炭化ケイ素、酸化チタン、酸
化ニッケルなどの少なくとも１種以上からなる粒子形が
球状である無機質粉末８ｂと、マイカ、ステンレスなど
の少なくとも１種以上よりなる粒子形が鱗片状である無
機質粉末８ａを均一に分散させている。また、有機ケイ
素ポリマーの硬化促進剤（重合反応促進剤）であるチタ
ントリエタノールアミネート、チタンアセチルアセトネ
ート、チタンラクテートエタルエステルなどのチタン有
機化合物もコーティングｗ８中に含有（図示せず）して
いる。

一方、コーティング層９は、コーティング層８で適用さ
れる有機ケイ素ポリマーとチタン有様化合物の混合物、
シリコン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フッ素樹脂のい
す１しか１種よりなる有機系樹脂バインダーのみで構成
さｎ、潜熱回収用熱交換部Ｂのコーティング層８０表面
のみに形成さγしる。

この構成において、第１図に示す燃焼装置を用いて燃焼
させた際、主熱交換部Ａにおいてはバーナからの燃焼熱
により加熱さｎ　２５　Ｑ〜３００℃の高温になり、し
かも高温下で水蒸気、燃焼排ガスによるアタックを受け
るとともに着火、消火の際には一時的に露点以下の環境
となり吸熱フィン４と水管５の接触部はわずかであるが
酸性結露水が生成する。コーティング層８を４イク成す
る有機ケイ素ポリマーがチタン有機化合物との車台反応
により耐酸性に優Ｉした緻密な膜となるとともにコーテ
ィング層８中に鱗片状無機質粉末８ａと球状無機質粉末
８ｂを均一に分散させることにより耐熱性を大幅に向上
させることができるので、熱による劣化を防止できると
ともに高温酸化や酸性結露水による腐食を防止すること
ができる。

一方、潜熱回収用熱交換部Ｂは、熱交換器の設計上燃焼
中は常に露点Ｊｕｌ’となり水蒸気が凝縮し、こγＬに
燃焼排ガスが溶解し、ｐＨが３程度の酸性結露水が多槍
に生成する環境となるがコーティング層９が前述の有機
系樹脂バインダーのみの構成となっているため、コーテ
ィング層８よりもさらにピンホールが少なく、前記酸性
結露水の浸入を著しく阻止できるとともに、ピンホー）
／ｆ介してわずかに侵入してもコーティング層９の下に
コーティング層８が存在するため１〕ｊノ記酸性結露水
の金属メッキ層７への侵入はほとんど阻ＩＪ＝さｎ腐食
の発生を著しく抑制することができる。

したがって、コーティング層８．９を形成することによ
り優れた耐食性、耐熱性を実現することができるので吸
熱フィン４、水管５より構成さｎる伝熱部材６への腐食
生成物の堆積がなくなり、不完全燃焼、熱効率の低下や
腐食生成物の飛散、脱落による周囲の汚染を防止するこ
とができるとともに熱交換器としての耐久性、燃焼装置
の信頼性を著しく向上させることができる。

また、銅製伝熱部Ｈ’ａ上に金属メッキ層７を形成する
ことによりコーティング層８の密着性が大幅に向上し、
長期にわたり優ｒした密着性を維持することができる。

次に本発明の昂体的効果を表わす実験結果を説明する。

実験例１（コーティング層８について）伝熱部材として
寸法が７６　ｘ　７５　ｘ　０．４ｍｍの銅板を用いこ
れに膜厚５μｎｔの無電解ニッケルメッキ゛にソケル９
１％、リン１１％の組成）を施した。このテストピース
を基伺とし、次に述べる＆１〜７のコーティング組成物
を塗布し、３００℃で１時間の焼成を行ないコーティン
グ層８を形成した。こ１しらコーティング層８の膜Ｊ！
１．はすべて約１０μｍであった。

以上の屋１〜７のコーティング試料について、６０℃、
１％ＨＮ○３溶液の条件で浸漬試験による耐酸性と３０
０℃における耐熱性を評価した。

第１表にコーティング組成物と試験結果を記す。

第１表において、表中００内数字はバインダーであるボ
ロシロキサンポリマー１００重量部（３００℃加熱残分
５０ｗｔ％）に対する添加重量部を示す。

なお、表中の／／６３〜７の試料は、平均粒子径が１〜
２１ｔｒｎの球状石英粉末、平均粒子径が３０〜４０μ
ｍ（ＤＨ片状ヌテンレス粉末を用い、ボロシロキサンポ
リマーにこＩＬら粉末を加え、ボールミルで２４時間分
散混合して得た塗料にチタン有機化合物を添加混合し、
直ちにヌグレーにより塗布しコーティング層を形成した
ものである。

試料のＡ１　、Ａ２において、ボロシロキサンポリマー
へのチタン有機化合物の添加の有無により耐酸性、耐熱
性が逆転する結果を得た。チタン有機化合物は本来ボロ
シロキサンポリマーの低温焼成を目的とした硬化促進剤
として用いるものであるがこＩＬがボロシロキサンポリ
マーの重合反応を著しく促進し、酸に対する抵抗全増加
させるとともにボロシロキサンポリマーの分子構造を密
にする７ｈめに耐酸性が向上し、逆に重合反応の進行が
熱的劣化を起こすことやチタン有機化合物が耐熱性に乏
しいことが耐熱性を低下させたものと考えられる。

一方、４３〜煮７の試料の様に無機質粉末をコーチイン
ク層に分散させたものは、チタン有機化合物を含有して
いても耐熱性は良い結果を得ている。特に、鱗片状の粒
子形を有する無機質粉末を含有するものが良好である。

鱗片状の粉末はコー　てティングした際、木の葉状に平
行配列するため面同志での接着となり非常に高い密着力
が得られ耐剥離強度が著しく向上することが考えら扛る
。しかしながら、無機質粉末が鱗片状のもののみで構成
した屋７の試料はその粉末の面と面との微少のすきまが
問題となり、酸素濃淡″ｒ（ｉ池を形成し激しいすきま
腐食を起こし、試験結果で明らかな様に極めて短時間で
コーティング層の剥離が発生する。

したがって、コーティング層８は耐酸性と耐熱性を両立
させるために鱗片状無機質粉末８ａと球状無機質粉末８
ｂの両者をコーティング中に分散させる構成とした方が
良く、その構成比は（＃片伏無機質粉末二球状無機質粉
末）が重量比で７：３〜３ニアの範囲であることが望ま
しい。

前述の無機質粉末はいす！しも耐酸性、耐熱性に優ｉし
ている必要があり、実験例１で用いたもの１シ外では鱗
片状粒子形はマイカ粉末、球状粒子形は炭化ケイ素、ア
ルミナ、酸化チタン、酸化ニッケルが挙げられ、とＩし
らを用いたコーティング層も実験例１とほぼ同等の性能
を得ている。また、これら無、Ｈ質粉末のボロシロキサ
ンポリマーの３００℃加熱残分に対する総添加量は１０
ｗｔ％以下になると耐熱性が、４０ｗｔ％以上になると
耐酸性が悪くなり、耐酸性、耐熱性の両立の点から１０
〜４０ｗｔ％の範囲であることが望ましい。

一方、チタントリエタノールアミネート以外のチタン有
機化合物としてはチタンアセチルアセトネート、ポリチ
タンアセチルアセトネート、チタンオクチレングリコレ
ート、チタンラクテート、チタンラクテートエチルエス
テル、テトライソプロピルチタネート、テトヲノルマル
グチルチタネー、トなどが挙げら１シ、これらはいずＩ
Ｌも前述のチタントリエタノールアミネートとほぼ同等
の性能を得ている。このチタン有機化合物のボロシロキ
サンポリマーの３００℃加熱残分に対する添加量は、耐
酸性、耐熱性の点から１０〜３０　ｗｔ％の範囲である
ことが望ましい。

実験例２（コーティング層９について）実験例１で用い
た無電解ニッケルメッキを施したテストピース上に実験
例１で述べた試料Ａ５のコーティング構成のものをコー
ティング層８として膜Ｊ！＃約１０μＩｎで形成した。

さらにその」−に以下述べる試料煮８〜１１の有機系樹
脂バインダーを塗布し、コーティング層９を形成した。

こＩＬら、コーティング層９の膜厚はすべて約１０μｍ
ｎであった。

試１ＩＡＡ８〜１１のコーティング層９について６０℃
、ｐＨ＃３（１）ＨＮＯ３溶液での浸漬試験ｒ札、施し
た。第２表にコーティング層９に用いまた有機系樹脂バ
インダーの種類と試験結果を記す。なお、些較のため、
実験例１で述べた試料Ａ５のコーティング層８について
も同様に実施した。

１！上のようにコーティング層８の上にコーティング層
９を形成したＩ６．８〜１１の試料はコーティング層の
保持はもちろん、外観上の１局食の発生もなく良好な結
果全書た。このコーティング層９は潜熱回収用熱交換部
であるのでその温度は高くとも１５０℃レベルであり、
耐熱性は要求さＩＬないことか、ら、試料Ａ８〜１１の
有機系樹脂バインダーのいずれでも、′コーティング層
９として適用ＯＪ能である。

実験例３（金属メッキ層について） コーティング層８に用いるボロシロキサンポリマーは銅
との密着が悪く、かつ銅が２００℃以上の温度で激しく
酸化し、この酸化皮膜が非常に脆いことから、銅に直接
コーティング層８を形成することができない。したがっ
て、ボロシロキサンポリマーと密着性に優れ、かつ銅の
酸化を防止する下地が必要となるが、この倒斜としては
無７山解二、′ｆルメソキ及び鉛を主成分とする溶融鉛
メッキが挙げらＩＬる。これらを鋼上にメッキし、コー
ティング層８を形成したものについて、３００℃の耐熱
試験を実施したが、コーティング層の剥離、前記メッキ
層の剥離は認めらｎず良好な結果を得た。

次に実験例１，２で述べた試料Ａ５をコーティング層８
、試料Ａ　８　′ｔ−コーティング層９として第１図、
第２図に示す燃焼装置と熱交換器を用い、１分間燃焼、
１分間消火の繰返し試験テ５万すイクル実施したが、熱
交換器の腐食は外観上はと／しど認めらＩＬず良好な結
果を得た。なお、金属メッキ層７として無電解ニッケル
メッキを適用した。

また、前述の燃焼装置を用いコーティング層８．９の有
無による熱効率の比較を行なったが両者はぼ同等の性能
を示した。これは、コーティング層８，９の膜厚が２０
μｍレベルの薄膜で形成しており、コーティング層によ
る熱ロス“が極めて少ないためと推定される。したがっ
て、本発明のコーティング層は、耐熱性、耐酸性、熱伝
導性に優７したものといえる。

発明の効果 −以上のように本発明の熱交換器は銅製伝熱部トオ表面
に耐酸化性、密着性に優Ｉした金属メッキ層と、耐熱性
、耐酸性、熱伝導性に優ｙしたコーティング層？主熱交
換部には１層、潜熱回収用熱交換部には２層形成した構
成としているため、次の効果を得ることができる。

（１）伝熱部材の腐食を著しく抑制できるので、吸熱フ
ィン間に腐食生成物の堆積がなくなり、燃焼排ガスの流
ｒＬが阻１トさＩＬないため不完全燃焼の発生全防止で
きる。

（２）伝熱部材の腐食による穴あきや脱落がなくなり、
熱交換器の耐久性が大幅に向上し、込焼装置としての信
頼性が向上する。

（３コーティングＭ’ｆｔ設けたことによる熱ロスはほ
とんどなく、優！した熱効率を実用することができる。

ｆ４１　さらに腐食の発生全防止できるので長期にわた
り、優れた熱効率を維持することができる、

【図面の簡単な説明】

第１図は燃焼装置のＬｒ面図、第２図１ａｌ　（ｂｌは
本発明の一実施例の熱交換器を示す要部断面図である。 ６・・・・・銅製伝熱部材、７・・・・・・金属メッキ
層、８・・・・・・コーティング層、９・・・・・・コ
ーティング層、８ａ・・・・・鱗片状無機質粉末、８ｂ
・・・・・・球状無機質粉末、Ａ・・・・・主熱交換部
、Ｂ・・・・・・潜熱回収用熱交換部。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名］。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　バーナと燃焼室の下部に配置さ扛、吸熱フィン
   と水管の銅製伝熱部材よりなる主熱交換部と潜熱回収用
   熱交換部を一体化した構成とし、前記主熱交換部と潜熱
   回収用熱交換部の銅製伝熱部柑表面にニッケルもしくは
   鉛を主成分とする金属メッキ層と、この金属メッキ層上
   にポリボロシロキサンを主成分とする有機ケイ素ポリマ
   ーをバインダーとし、こ１しにチタン有機化合物と鱗片
   状の粒形を有する無機質粉末と球状の粒診を有する無機
   質粉末を加え、分散混合した塗料でコーティング層を形
   成するとともに、さらに潜熱回収用熱交換部の前記コー
   ティング層上に有機系バインダのみよ、りなるコーティ
   ング層を形成した熱交換器。
2. （２）鱗片状無機質粉末と球状無機質粉末の構成比が重
   量比で７：３〜３ニアの範囲とする特許請求の範囲第１
   項記載の熱交換器。 （３有機系樹脂バインダーがポリボロシロキサンを主成
   分とする有機ケイ素ポリマーとチタン有機化合物の混合
   物、ポリアミドイミド樹脂、シリコン樹脂、フン素樹脂
   のいずｔか１種よ、りなる特許請求の範囲第１項記載の
   熱交換器。