JP2002534605A - 付着汚染傾向の低い熱伝達装置およびこれらの製造 - Google Patents

付着汚染傾向の低い熱伝達装置およびこれらの製造

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、熱伝達装置上に、金属／重合体分散層の無電解化学めっきを行なうことを含む熱伝達装置の製造方法であって、該重合体がハロゲン化されていることを特徴とする方法に関する。さらに本発明は、厚さ１から１５μｍの金属／リン層を、金属／重合体分散層の析出前に無電解化学めっきにより析出させる熱伝達装置の製造方法に関する。本発明は。さらに、本発明による方法により製造することができる熱伝達装置に関し、被覆された表面の流体から固体を蓄積して、付着を起こす傾向を低下させるために、重合体がハロゲン化されている、金属／重合体分散層の無電解化学めっきにより製造される被覆層の使用方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、金属／重合体分散層の無電解化学めっきを含む、熱伝達装置の製造
方法に関する。本発明は、さらに熱伝達装置に関する。さらに本発明は、金属／
重合体分散層の永続的な付着防止剤の使用方法に関する。
【０００２】 近年の１０年間で、工業的な部門では、熱伝達装置の付着に苦しめられてきた
(Steinhagen1ら（１９８２）、ニュージーランドの工業における熱交換器の付着
の問題とコスト、heat Transfer Eng.,14(1),19-30頁）。熱交換器を設計する場
合に、付着に起因する増大する摩擦圧力損失と熱伝達抵抗を考慮すべきである。
これは、１０から２００％、熱伝達装置の寸法設計を過大なものとする。
【０００３】 それゆえ非付着方法の開発は、かなり重要となってきている。
【０００４】 機械的解決は、比較的大きい熱交換器に限定され、さらに、相当のコストの上
昇を招くという不利益を持つ。化学添加剤は、製品の望ましくない汚染を招き、
ある場合には環境を汚染するという結果となる可能性がある。これらの理由によ
り、熱伝達装置の改良により、付着の傾向を減少させる方法が、最近考え出され
ている。有機重合体、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）により表
面の被覆をおこなうことによって付着の傾向は減少するが、公知の被覆剤は、そ
れ自体著しい熱流抵抗を引き起こす。同時に、耐久性の理由により、層の厚さは
下限を持つ。類似の問題が、防護する表面へのシランの単層被覆の塗布を含む方
法で見受けられる（Polym. Mater. Sci.およびEngineering, Proceeding of the
ACS Division of Polymeric Materials Science and Engineering(1990)６２巻
、259-263頁）。
【０００５】 重合体被覆の使用と結びついた問題は、ＷＯ９７／１６６９２に記載された方
法では発生しない。この方法では、表面の疎水性が、イオン注入によりまたはス
パッタリング方法により上昇する。その結果、付着傾向が減少するが、この方法
の使用は、常に減圧技術を必要とし、非常に高価である。加えて、記載された方
法は、不十分な接触可能表面、錯体を形成した表面または均一の層の成分の不十
分さで被覆を不適当なものとしている。
【０００６】 形成を避けるべき付着物は、無機塩、例えば硫酸カルシウム、硫酸バリウム、
炭酸カルシウム、および炭酸マグネシウム、無機リン酸塩、ケイ酸およびケイ酸
塩、腐食性生成物、微粒子付着物、例えば砂（河川または海）、有機付着物例え
ばバクテリア、藻類、タンパク質、マッスル（mussles)およびその幼虫、重合体
、油および樹脂および上記物質を含む生物石化（biomineralized)複合体である
。
【０００７】 本発明の目的は、熱伝達表面の固体の付着物の蓄積、付着の発生の傾向を減少
させる一方で高い安定性（例えば熱、腐食、不十分な洗浄に対して）を持ちなが
ら、耐熱貫流性が無視できる程度である、熱伝達装置の製造の方法を示すことに
ある。同時に、その方法により処理された表面は、満足のいく耐久性を持つべき
である。その方法は、不十分な接触可能表面に対して利用する場合にも安価でも
あるべきである。
【０００８】 本発明者らは、この目的が、熱伝達表面上の、重合体がハロゲン化された金属
／重合体分散層の無電解化学めっきを含む熱伝達装置の製造の方法により達成で
きることを見出した。
【０００９】 本発明では、熱伝達装置は、熱交換（熱伝達表面）のために設計された表面を
持つ装置である。流体の熱交換、特に液体の熱交換を行なう熱伝達装置が好まし
い。
【００１０】 加熱要素および熱交換器は、特に、プレート熱交換器およびスパイラル熱交換
器が、熱伝達装置の態様として好ましい。
【００１１】 ハロゲン化された重合体は、フッ素化または塩素化重合体であり、フッ素化重
合体、特にペルフルオロ化重合体が好ましい。ペルフルオロ化重合体の例として
、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）およびペルフルオロアルコキシ重合
体（ＰＦＡ、ＤＩＮ７７２８、パート１、Jan.,1988）が挙げられる。
【００１２】 本発明のこの解決法は、それ自身公知である金属／重合体分散体相(W.Riedel:
funktionelle Vernickelung[実用的なニッケルメッキ］、Eugen leize publishe
r,1989,231-236頁、ＩＳＢＮ ３−７５６０４８０−０４４−ｘ）の無電解化学
めっきの方法を基礎としている。金属／重合体分散体相は、重合体を含み、本発
明では、ハロゲン化された重合体であり、金属合金に分散している。金属合金は
好ましくは金属／リン合金である。
【００１３】 付着物の傾向を回避するために、従来から使用される方法は、電解研磨鋼（表
１を参照）よりも大きな粗度を表面に有すことにある。今や粗度を減少させる被
覆が、同様な機能を持つことが見出された。加えて、分散層中の重合体含量はむ
しろ低く、５から３０容量％であるにもかかわらず、付着傾向の減少における重
合体成分の効果は決定的であることが見出された。
【００１４】 さらに、本発明の表面の処理が、被覆が１から１００μｍのわずかな厚さでは
ないのにかかわらず良好な熱伝達を促進することを見出した。さらに本発明によ
り処理された表面は満足できる耐久性を持ち、これは層厚さ１から１００μｍが
、適当であることが明らかである。層の厚さは好ましくは３から２０μｍ、特に
５から１６μｍである。被覆を行なう重合体の分散の含量は、５から３０容量％
であり、好ましくは１５から２５容量％、特に１９から２１容量％である。さら
に、本発明により使用される被覆は、この方法の結果として、比較的安価で、利
用が不十分な表面に対しても施すことができる。これらの表面は、いかなる所望
の熱伝達表面でもよく、例えばパイプの内面、電気加熱の要素の表面、プレート
熱交換器の表面などであり、工業プラントにおいて、個人的な日常において、食
品加工、または電力発生において、またはプラントの水処理において、流体を加
熱するか冷却するために使用される。
【００１５】 「熱流」は、熱伝達装置の内部より生じ、流体側に存在するいずれの被覆への
熱の移動を意味し、被覆層での熱伝導、被覆層から流体（例えば塩溶液）への熱
伝達を意味する。
【００１６】 本発明による方法の好ましい態様においては、金属／重合体分散層の金属／リ
ン混合物は、銅／リンまたはニッケル／リン、好ましくはニッケル／リンである
。
【００１７】 本発明による方法のさらなる態様では、ニッケル／重合体分散層が、ニッケル
／リン／ポリテトラフルオロエチレンの分散層である。しかし、他のフッ素化重
合体、例えばペルフルオロアルコキシ重合体（ＰＦＡ、テトラフルオロエチレン
とペルフルオロアルコキシビニルエーテルの共重合体、例えばペルフルオロビニ
ルプロピルエーテル）も適当である。熱伝達装置が、比較的低い温度で操作され
る場合、クロロ化重合体も同様に使用することができる。
【００１８】 電気めっきと対照的に、ニッケル／リンの化学または自己触媒めっきに必要な
電子は、外部電源から供給されない。しかし、その代わりに、電解質それ自身の
化学反応によって発生させる（還元試薬の酸化）。被覆は、予め安定化された重
合体と混合した金属電解質溶液中に、製品を浸漬することにより行なわれる。浸
漬操作の次に、好ましくは、２００から４００℃、特に３１５から３２５℃に加
温する。加温時間は、一般に５分間から３時間であり、好ましくは３５から４５
分間である。使用することができる金属溶液の例として、ＮｉＩＩ、次亜リン酸
塩、カルボン酸およびフッ化物、所望により例えばＰｂ２＋のようなめっき調節
剤を含む市販のニッケル電解質溶液が挙げられる。このような溶液は、例えば、
Riedel Galvano- und Filtertechnik GmbH, Halle, Westphalia,およびAtotech
Deutschland GmbH, Berlinより市販されている。使用できる重合体としては、例
えば市販のポリテトラフルオロエチレン分散体（ＰＴＦＥ 分散体）が挙げられ
る。ＰＴＦＥ分散体は、固体含量が３５から６０質量％であり、平均粒子直径が
０．１から１μｍ、特に０．１から０．３μｍ、粒子が形態学上球状であり、中
性の界面活性剤（例えばポリグリコール、アルキルフェノールエトキシラート、
または、所望により、これらの物質の混合物、１Ｌあたり８０から１２０ｇの界
面活性剤）および、イオン性界面活性剤（例えば、アルキル−、およびハロアル
キルスルホナート、アルキルベンゼンスルホナート、アルキルフェノールエーテ
ルスルファート、テトラアルキルアンモニウム塩または所望によりこれらの物質
のの混合物、１Ｌあたり１５から６０ｇのイオン性界面活性剤）を含む。典型的
な浸漬浴はｐＨが約５であり、２７ｇ／ｌのＮｉＳＯ４ｘ６Ｈ２Ｏおよび約２１
ｇ／ｌのＮａＨ２ＰＯ２ｘＨ２Ｏ、ＰＴＦＥ含量が１から２５ｇ／ｌであること
が好ましい。分散体被覆の重合体含量は主として加える重合体分散体の量および
界面活性剤の選択により影響を受ける。
【００１９】 本発明は、さらに、特に密着性、耐久性、熱抵抗性被覆を有する熱伝達装置の
製造方法に関する。このため、本発明の目的が特別な方法で達成される。この方
法は、重合体がハロゲン化されており、熱伝達表面に金属／重合体分散体被覆の
無電解化学めっきを施す熱伝達装置の製造の方法に基づく。
【００２０】 この方法は、付加的に、金属／重合体分散層を析出させる前に、無電解化学め
っきにより１から１５μｍの厚さの金属／リン層を析出させることを含む。
【００２１】 密着性を改善するために、１から１５μｍの厚さの金属／リン層の無電解化学
めっきを、上記の金属電解質浴により、しかしこの場合安定化した重合体分散体
を加えることなしに行なう。加温は、このときには好ましくない。なぜならこれ
は一般に次の金属／重合体分散層の密着性に悪影響を与えるからである。金属／
リン層のめっきの後に、製品を浸漬浴の中上記のように導入する。金属電解質は
別として、浴は安定化した重合体の分散体も含む。金属／重合体分散層は、この
操作の間に形成される。この層は好ましくは、次いで２００から４００℃、特に
３１５から３２５℃に加温される。加温の持続時間は一般に５分間から３時間で
あり、好ましくは３５から４５分間である。
【００２２】 本発明の方法の別の態様では、金属／リン層は、１から５μｍの厚さを有して
いる。
【００２３】 本発明の方法の別の態様では、金属／重合体分散層のおよび金属／リン層の金
属／リン混合物が、ニッケル／リンまたは銅／リンである。
【００２４】 本発明の別の態様では、金属／重合体分散層は、ニッケル／リン／ポリテトラ
フルオロエチレンの分散層である。
【００２５】 本発明は、さらに、本発明による方法により製造される熱伝達装置に関する。
本発明による熱伝達装置は、好ましくは本発明の方法を用いて製造される。
【００２６】 別の態様では、上記熱伝達装置は、流体への、特に液体への熱の伝達のために
設計されている。適当な加熱要素は、ここでは流体への熱の伝達を行なうものす
べてである。さらに、熱交換器、特にプレート熱交換器およびスパイラル熱交換
器が、このような熱伝達装置の例として好ましい。
【００２７】 さらに本発明は、重合体がハロゲン化されており、金属／重合体分散層の無電
解化学めっきにより製造された被覆の使用に関し、流体からの固体の蓄積、付着
を引き起こす被覆した表面の傾向を低くするための使用に関する。流体は好まし
くは液体である。本発明により避けられる形成された付着は、すでに述べた。
【００２８】 本発明の熱伝達装置またはこれらの被覆の利点を付属の図に示す。 図１ 時間の関数として、境界層を通った熱伝達係数を示すものであり、沸騰し
た塩溶液と様々な熱交換器表面が接触するときの被覆層の存在を考慮したもので
ある。 図２ 時間の関数として、境界層を通った熱伝達係数を示すものであり、温塩溶
液流と様々な熱交換器表面が接触するときの被覆層の存在を考慮したものである
。
【００２９】 図１は、表面の性質が異なる様々な熱伝達装置の、時間を関数とした（ｔ分、
横座標）、ＣａＳＯ４の付着物による熱伝達係数（α[Ｗ／ｍ２Ｋ]）の減少を示
す。参照数字１は、実施例（＊７）の本発明による被覆の測定値を示す。参照数
字２は、電解研磨をした鋼表面の測定値を示している。単位面積あたりの仕事率
は２００ｋＷ／ｍ２であり、ＣａＳＯ４溶液の濃度は１．６ｇ／ｌであり、温度
は沸点と対応する。
【００３０】 図２は、表面の性質が異なる様々な熱伝達装置の、時間を関数とした（ｔ分、
横座標）、ＣａＳＯ４の付着物による熱伝達係数（α[Ｗ／ｍ２Ｋ]）の減少を示
す。参照数字１は、実施例（＊７）の本発明による被覆の測定値を示す。参照数
字３は、未処理の鋼表面を示す。単位面積当たりの熱伝達装置の仕事率は１００
ｋＷ／ｍ２である。２．５ｇ／ｌの濃度を持つＣａＳＯ４溶液は、８０ｃｍ／ｓ
の速度で熱伝達装置を流れ、温度は８０℃である。
【００３１】 [実施例] 本発明による被覆の、未処理の表面、電解研磨表面、イオン注入またはスパッタ
表面と比較した利点が、実験室での調査により決定された。表１は、表面粗度、
表面エネルギーおよび加熱表面の濡れ角を調査し、実験の最初の１００時間以内
に測定された熱伝達係数の比較減少を測定した値の比較を含んでいる。本発明に
よる熱伝達装置が、非常に小さい表面エネルギー、非常に大きい接触角、および
非常に良好な熱伝達挙動を提供することは明らかである。
【００３２】
【表１】
【００３３】 表２は、先行技術の熱伝達装置と比較した表面エネルギー、接触角、および単位
面積当たりの付着したバクテリア(ストレプトコッカス セルモフィラス、Ｓｔ
ｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ）を示している。
【００３４】
【表２】 ＊ A, J Kinloch, Adhesion and Adhesives, Chapman & Hall,University pres
s, Cambridge, 1994の方法により測定した。 ＊＊ D.K.Owens, J.of Appl. Polym. Sci. 13(1969) 1741-1747の方法により測
定した。 ＊＊＊ １００時間の操作後の熱伝達係数比（Mueller-Steinhagenら、Heat Transfer Engineering 17(1998) 46-63の方法による。） ＊＊＊＊表面粗度、ＤＩＮ ＩＳＯ１３０２によるＲａ ＊５ J, W, Mayer,[Ion Implantation in semiconductors, Silicon and Germa
nium] Academic press, 1970(ISBN 75107563)に記載された方法。 ＊６ ＧＢ−Ａ９００６０７３によるダイヤモンド様炭素ＤＬＣの施用方法。 ＊７ まず５μｍの、８％のリンを含む無電解化学ニッケル層を、密着性を改善
するために、無電解化学ニッケル電解液溶液に浸すことによって析出させた。次
いで被覆したＮｉ／リン／ＰＴＦＥ分散体を、無電解化学ニッケル電解質とおよ
び界面活性剤により安定化されたＰＴＦＥ分散体との混合物からなる浴に浸して
製造した。
【００３５】 ニッケル／リン／ポリテトラフルオロエチレンの析出は、８７から８９℃で行
なわれた。即ち、９０℃を下回り、電解質液のｐＨが、４．６から５．０であっ
た。析出速度は１０μｍ／時間であり、層の厚さは１５μｍであった。無電解化
学ニッケル電解質／ＰＴＦＥ溶液の成分を表３に示した。
【００３６】
【表３】
【００３７】 無電解化学ニッケル電解質溶液は市販されている(Riedel, Galvano - unt Filtertechnik GmbH halle, WestphaliaおよびAtotech Deutshland GmbH
,Berlin)。ニッケル／リン／ＰＴＦＥ層を析出させたあとに、製品は３００℃で
２０分間加温される。分散層の重合体およびリンの含量は、２０容量％のＰＴＦ
Ｅ、対応する６質量％のＰＴＦＥ、および７％のリンである。 ＊８ ＰＴＦＥ分散体は市販されている。固体含量および平均粒子径は、各々５
０質量％および０．２μｍであった。分散体は中性の界面活性剤（５０ｇ／ｌの
Ｌｕｔｅｎｓｏｌ（登録商標）アルキルフェノールエトキシラート、５０ｇ／ｌ
のＥｍｕｌａｎ（登録商標)アルキルフェノールエトキシラート、どちらの界面
活性剤も、ＢＡＳＦ ＡＧ Ｌｕｄｗｉｇｓｈａｆｅｎにより製造されたもので
ある。）イオン性の界面活性剤（１５ｇ／ｌのＬｕｔｅｎｓｉｔ(登録商標）ア
ルキルスルホナート、ＢＡＳＦ ＡＧ Ｌｕｄｗｉｇｓｈａｆｅｎ、（８ｇ／ｌ
のＺｏｎｉｌ(登録商標）ペルフルオロＣ３−Ｃ６アルキルスルホナート、Ｄｕ
ｐｏｎｔ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＵＳＡ）により安定化された。 ＊９ 測定は、H.Mueller-Steinhagen, Q.ZaoおよびM.Reiss,[A nobel low foul
ing metal heat transfer surface],第５版、UK National Conference on Heat Transfer, London,９月, 17-18, 1997の方法により行なわれた。細胞培養
はストレプトコッカス テルモフィラスである。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年１月２３日（２００１．１．２３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ショル，シュテファン ドイツ、Ｄ−67098、バート、デュルクハ イム、ヴェルスリング、62 (72)発明者 ミュラー−シュタインハーゲン，ハンス イギリス、ジーユー26 ６エスエヌ、ハイ ンドヘッド サリー、ハイダウン タワー ロード (72)発明者 ツァオ，キ イギリス、ジーユー１ ４オージー、サリ ー、ギルドフォード、ヨーク ロード、61 (72)発明者 ディーボルト，ベルント ドイツ、Ｄ−67136、フスゲンハイム、ハ ウプトシュトラーセ、53 (72)発明者 ディルマン，ペーター ドイツ、Ｄ−76865、インスハイム、リン グシュトラーセ、３ Ｆターム(参考） 4K022 AA02 AA49 BA32 BA34 BA36 DA01

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】熱伝達装置上に、金属／重合体分散層の無電解化学めっきを行
    なうことを含む熱伝達装置の製造方法であって、該重合体がハロゲン化されてい
    ることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】金属／重合体分散層の金属／リン合金が銅／リンまたはニッケ
    ル／リンである請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】ニッケル／重合体分散層が、ニッケル／リン／ポリテトラフル
    オロエチレンの分散層である請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】金属／重合体分散層が平均粒子直径０．１から１μｍである球
    状の重合体粒子を有する請求項１から３のいずれかに記載の方法。
  5. 【請求項５】金属／重合体分散層が平均粒子直径０．１から０．３μｍであ
    る球状の重合体粒子を有する請求項１から３のいずれかに記載の方法。
  6. 【請求項６】厚さ１から１５μｍの金属／リン層を、金属／重合体分散層の
    析出前に無電解化学めっきにより析出させる請求項１から５のいずれかに記載の
    方法。
  7. 【請求項７】金属／リン層が、１から５μｍの厚さを有している請求項６に
    記載の方法。
  8. 【請求項８】金属／重合体分散層および金属／リン層の金属／リン合金がニ
    ッケル／リンまたは銅／リンである請求項６または８のいずれかに記載の方法。
  9. 【請求項９】金属／重合体分散層が、ニッケル／リン／ポリテトラフルオロ
    エチレンの分散層である請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】請求項１から９のいずれかに記載の方法により製造された熱
    伝達装置。
  11. 【請求項１１】流体で熱交換するように設計された請求項１０に記載の熱伝
    達装置。
  12. 【請求項１２】被覆された表面の流体から固体を蓄積して、付着を起こす傾
    向を低下させるために、重合体がハロゲン化されている、金属／重合体分散層の
    無電解化学めっきにより製造される被覆層の使用方法。
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