JP2004325063A - アルミニウム製熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 アルミニウム製熱交換器表面に施した皮膜の検査の必要もなく、確実に水素発生を防止できるアルミニウム製熱交換器を提供する。
【解決手段】 本発明の吸着式冷凍装置用吸着器は、ケーシング110内に配置されたアルミニウム製熱交換器120,130の表面に水分を透過させない皮膜、例えばSiO2 皮膜、アルマイト皮膜等を形成すると共に、ケーシング内に封入される冷媒(水)にPO4 3- 或いはSiO3 2- 等のマイナスイオンを数ppm 〜百数十ppm 添加している。
【選択図】 図2

Description

本発明は、アルミニウム製熱交換器に関するもので、例えば吸着式冷凍装置に適用される吸着器やヒートパイプに用いられる。
吸着式冷凍装置は、ゼオライト、シリカゲル等の吸着剤が水蒸気を吸着する作用を利用したものであり、略真空状態に保たれたケーシング内に封入された水等の液相冷媒が吸着される際の気化熱(蒸発潜熱)により液が冷却されて冷凍能力を得るものである。以下、液相冷媒の蒸発及び気相冷媒の吸着が行われている吸着器を吸着工程にある吸着器と呼ぶ。
その後、ケーシング内の液相冷媒が全て蒸発したとき、又は吸着剤の吸着能力が飽和して(吸着剤の吸着量が限界に達して)ケーシング内の圧力が上昇し、液相冷媒の蒸発が停止したとき等には、吸着剤を加熱して吸着した気相冷媒(水蒸気)を吸着剤から脱離する(以下、この行為を吸着剤の再生と呼ぶ。)とともに、脱離した気相冷媒を冷却して凝縮(液化)させる。以下、吸着剤の再生及び気相冷媒の凝縮が行われている吸着器を脱離工程にある吸着器と呼ぶ。
ところで、吸着器内では前述のごとく、吸着作用による液相冷媒の冷却、吸着剤の過熱及び発生した冷凍能力の回収等の行為が行われるので、これらの行為を行うための熱交換器がケーシング内に収納されている。そして、熱交換器の材質としては、一般的にアルミニウム等の熱伝導率の大きく、加工性に優れた金属が採用されている。
このとき、例えば冷媒を水(H2 O)とし、熱交換器をアルミニウムとした場合には、アルミニウム(Al)が冷媒中の水素(H)よりイオン化傾向が大きいため、アルミニウムと水とが化学反応して水素ガス(H2 )が発生してしまう。そして、水素が発生すると、吸着剤の細孔内に凝縮しない水素ガスが溜まるので、水蒸気の吸着が阻害され吸着剤の吸着能力が低下してしまうので、冷媒の蒸発量が減少し冷凍能力が低下する。
このため通常、定期的に真空ポンプによりケーシング内の水素ガス等の凝縮しないガス(不凝縮ガス)を排出し、ケーシング内の真空度を維持していた。しかしながら、このように発生した水素等の不凝縮ガスを吸着器外に排出することは、真空ポンプ等の設備を新たに設けなければならず、コストアップ及び装置の大型化による体格重量アップを招くと共に、性能ダウンをも招来するという問題がある。
このため、本出願人は、ケーシング内で水素ガス等の不凝縮ガスが発生するのを防止する目的で、ケーシング内の熱交換器の表面に水分を透過させない皮膜を形成することを提案している(特許文献1参照。)。
特開2001−124435号公報(第5頁、第2図)
しかしながら、この従来技術の吸着器では、水素の発生を完全に防止する欠陥のない皮膜を熱交換器に形成すること、即ち水を完全に遮断する皮膜を熱交換器に形成することは非常に難しいという問題がある。また熱交換器表面に形成された皮膜が、欠陥のないことを証明する検査が難しいという問題もある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、アルミニウム製熱交換器を、常に水と接触している部分、常に水蒸気に接触している部分及び水と水蒸気が周期的に且つ交互に接触する部分に分けて対応することで、熱交換器表面に施した皮膜の検査の必要もなくかつ確実に水素発生を防止できるアルミニウム製熱交換器を提供することである。
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のアルミニウム製熱交換器を提供する。
請求項1に記載のアルミニウム製熱交換器は、ケーシング内に配置されたアルミニウム製の熱交換器の表面に水分を透過させない皮膜を形成すると共に、ケーシング内に封入される冷媒に無機酸化系マイナスイオンを数ppm 〜百数十ppm 、単独又は複数組み合わせて添加するようにしたものである。これにより、ケーシング内に配置されたアルミニウム製熱交換器において、常に冷媒蒸気(水蒸気)が接触している部分は当然にアルミニウムが溶出することはなく、また冷媒(水)と冷媒蒸気(水蒸気)とが周期的に変って接触している部分では、アルミニウム表面には皮膜が形成されているため、皮膜の欠陥があって侵入した冷媒(水)がアルミニウム表面に到達するまで時間がかかり、その間に冷媒蒸気(水蒸気)に切り替われば水素発生を生じることは無く、更に常に冷媒(水)と接触する部分では、冷媒中のマイナスイオンが皮膜の欠陥を補修することから、確実に水素発生を防止することができる。
請求項2は、アルミニウム製熱交換器を吸着式冷凍装置用吸着器もしくはヒートパイプに適用したものであり、請求項3のアルミニウム製熱交換器は、皮膜として、ケイ酸(SiO2 )皮膜を採用したものであり、請求項4のアルミニウム製熱交換器は、ケイ酸皮膜の厚さを約5μm以下と規定したものである。
また、請求項5のアルミニウム製熱交換器は、皮膜としてアルマイト皮膜等の化成皮膜を採用したものである。
請求項6のアルミニウム製熱交換器は、水に添加する無機酸化系マイナスイオンとして、PO4 3-,SiO3 2-,SO4 2-の少なくとも1つのイオンを数ppm 〜百数十ppm 添加したものである。
以下、図面に基づいて、本発明のアルミニウム製熱交換器を吸着式冷凍装置用吸着器として用いた実施の形態について説明する。図1は、本発明に係る吸着式冷凍装置用吸着器を吸着式空調装置に適用したものであって、その模式図を示している。図1(a)中、100は本実施形態に係る吸着器であり、この吸着器100は少なくとも2個設けられており、図中上側の吸着器100を第1吸着器100A、下側の吸着器100を第2吸着器100Bとする。同様に第1吸着器100A内の第1、第2熱交換器120,130を第1熱交換器120A及び第2熱交換器130Aとし、第2吸着器100B内の第1、第2熱交換器120,130を第1熱交換器120B及び第2熱交換器130Bとする。
200は吸着器100内を循環した熱媒体(本実施形態では、水にエチレングリコール系の不凍液を加えた流体でエンジン冷却水と同一のもの)と室外空気とを熱交換する室外熱交換器であり、300は吸着器100にて発生した冷凍能力により冷却された熱媒体と室内に吹き出す空気(空調風)とを熱交換し、空調風を冷却する室内熱交換器である。
因みに、室内熱交換器300は、図1(b)に示すように空調風の通路を形成する空調ケーシング310内に配設されており、この空調ケーシング310の空気流れ上流側には、例えば遠心式送風機320が配設されている。
なお、本実施形態では、水冷式エンジンの冷却水(熱媒体と同じ流体)を吸着器100(後述する第2熱交換器130)内に循環させることにより吸着剤の再生を行っており、410〜440は熱媒体の循環経路を切り換える切換弁(四方弁)である。
次に吸着器100について述べる。吸着器100は、図2に示すように、内部が略真空に保たれた状態で冷媒(本実施形態では、水)が封入されたステンレス(SUS304)製のケーシング110、熱媒体とケーシング110内の冷媒(水)との間で熱交換を行う第1熱交換器(蒸発/凝縮コア)120、及び吸着剤135、例えばシルカゲル、ゼオライト、活性炭、活性アルミナ等を冷却又は加熱する第2熱交換器(吸着コア)130等から構成されている。
ここで、両熱交換器120,130はケーシング110内に収納されていると共に、アルミニウム製のチューブ121,131及びアルミニウム製のフィン122,132からなるもので、第2熱交換器(吸着コア)130のチューブ131及びフィレ132の表面には、図2に拡大して示すように吸着剤135が接着剤によって接着固定されている。因みに、チューブ121,131は熱媒体が流通する扁平状の管であり、フィン122,132は外表面積を増大させて熱交換効率を増大させる波状に形成されたコルゲートフィンである。
また、123,133は第1、第2熱交換器120,130に接合されてケーシング110内外側を貫通するアルミニウム製の配管であり、この配管123,133により熱媒体が吸着器100(第1、第2熱交換器120,130)に導かれる。
両熱交換器120,130の外表面には、水分を透過させない皮膜、例えばケイ酸(SiO2 )皮膜、アルマイト皮膜、ベーマイト皮膜等が形成されている。SiO2 皮膜を形成するSiO2 処理溶液は、(1)高温(450℃以上)で加熱・乾燥させたときセラミック化(硬化)するもの、又は(2)触媒反応により常温(約25℃)〜低温(200℃)以下の温度でセラミック化して無機皮膜となるものを使用することが望ましい。このとき、いずれのSiO2 処理溶液であっても、アルコール系を溶媒としたSiO2 処理溶液とすれば、熱交換器120、130表面の塗れ性が良いので、SiO2 処理溶液が一様にディップ又は塗布によりアルミニウム表面に付着できる。
この場合、SiO2 皮膜の厚さは、被膜形成時のクラック欠陥の発生の防止、及び第2熱交換器(吸着コア)130においては吸着剤135の充填効率等を考慮して、5μm以下、好ましくは約2〜3μmにすることが望ましい。
更に本発明においては、上記のような皮膜においては、アルミニウムの腐食を大幅に減少させるが皮膜の欠陥を完全に無くすことは困難であることから、吸着器100内の冷媒(本実施形態では、水)にPO4 3- あるいはSiO3 3- などの無機酸化系マイナスイオンを数ppm 〜百数十ppm 、単独又は複数組み合わせて添加する。
次に、吸着式空調装置の概略の作動について説明する。
先ず、切換弁410〜440を図1(a)の実線に示すように切り換えて、第1吸着器100Aの第1熱交換器120Aと室内熱交換器300との間、第1吸着器100A第2熱交換器130Aと室外熱交換器200との間、並びに第2吸着器100Bの第1熱交換器120Bと室外熱交換器200との間、第2吸着器100Bの第2熱交換器130Bとエンジンとの間に熱媒体を循環させる。
これにより、第1吸着器100Aが吸着工程となり、第2吸着器100Bが脱離工程となるので、第1吸着器100Aで発生した冷凍能力により空調風が冷却され、第2吸着器100Bで吸着剤135の再生が行われる。
つまり、この状態(以下、第1状態と称す)では、第1吸着器100Aの第1熱交換器120Aは液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第1吸着器100Aの第2熱交換器130Aは吸着剤135を冷却する冷却器として機能し、第2吸着器100Bの第1熱交換器120Aは吸着剤135から脱離した水蒸気を冷却する凝縮器として機能し、第2吸着器100Bの第2熱交換器130Bは吸着剤135を加熱する加熱器として機能する。
そして、第1状態で所定時間、例えば60秒〜100秒が経過したときに、切換弁410〜440を図1(a)の破線に示すように切り換え作動させて、第2吸着器100Bの第1熱交換器120Bと室内熱交換器300との間、第2吸着器100Bの第2熱交換器130Bと室外熱交換器200との間、並びに第1吸着器100Aの第1熱交換器120Aと室外熱交換器200との間、第1吸着器100Aの第2熱交換器130Aとエンジンとの間に熱媒体を循環させる。
これにより、第2吸着器100Bが吸着工程となり、第1吸着器100Aが脱離工程となるので、第2吸着器100Bで発生した冷凍能力により空調風が冷却され、第1吸着器100Aで吸着剤135の再生が行われる。
つまり、この状態(以下、第2状態と称す)では、第2吸着器100Bの第1熱交換器120Bは液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第2吸着器100Bの第2熱交換器130Bは吸着剤135を冷却する冷却器として機能し、第1吸着器100Aの第1熱交換器120Aは吸着剤135から脱離した水蒸気を冷却する凝縮器として機能し、第1吸着器100Aの第2熱交換器130Aは吸着剤135を加熱する加熱器として機能する。
そして、第2状態で所定時間が経過したとき、切換弁410〜440を切り換え作動させて再び第1状態とする。このように、第1状態及び第2状態を所定時間毎に交互に繰り返えして、吸着式空調装置を連続的に稼動させる。
次に、本実施形態の特徴を説明する。
本発明においては、アルミニウム製の両熱交換器120,130の表面には、水分を透過させない皮膜が形成されていると共に、吸着器100内の冷媒(水)にPO4 3- 或いはSiO3 2- 等の無機酸化系マイナスイオンを数ppm 〜百数十ppm 添加している。吸着器100内に配置されるアルミニウム製の両熱交換器120,130は、図2に見られるように、(1)常に液冷媒(水)と接触している部分、(2)常に蒸気冷媒(水蒸気)と接触している部分、及び(3)液冷媒(水)と蒸気冷媒(水蒸気)とが周期的に且つ交互に接触する部分とが存在する。
まず、上記(2)の水蒸気に接触しているアルミニウム製熱交換器130の部分からは、アルミニウム(Al)が溶出しない。したがって水素の発生もない。このことは、図6からも明らかである。即ち、図6は水蒸気中での水素発生量を示すグラフであり、縦軸が水素発生分圧(Torr)を、横軸が時間(hr)を示しており、90℃の条件下で、1000時間を経過しても水素発生分圧が略零である。このことは、水素の発生がないことを示している。
次に上記(3)の水蒸気と水とが交互に接触しているアルミニウム製熱交換器120,130の部分からの水素発生は、常に水と接触しているときより腐食環境は穏やかである。アルミニウム表面に皮膜が存在する場合、表面に水が付着してもすぐに腐食は始まらない。まず、水が何らかの理由によって皮膜を通過し、アルミニウム素地に到達して初めて腐食が始まる。到達するまでの時間は、皮膜の種類・厚さ・欠陥の大きさ・温度などによって異なるが、かなり長い時間が必要である。したがって、表面に水が付着してもアルミニウム表面に到達する前に水蒸気雰囲気に切り替われば、アルミニウム表面に到達せず、アルミニウム(Al)の溶出もないことから水素の発生も起らない。
更に上記(1)のアルミニウム製熱交換器120が常に水と接触している場合、アルミニウム表面に皮膜があっても欠陥があれば時間が経過すると水がアルミニウム表面に到達し、アルミニウム(Al)が溶出し水素が発生する。図4は、このような水中における腐食形態の説明図であり、Al23皮膜(アルマイト皮膜)及びSiO2 皮膜の欠陥から水がアルミニウム素地の表面に達し、アルミニウムがAl+ イオンとして溶出し、水素H2 が発生する様子を示している。また、図3は、SiO2 皮膜での水素発生量を示すグラフであり、縦軸が水素発生分圧(Torr)を、横軸が時間(hr)を示している。即ち、90℃の温度状態で、SiO2 皮膜を施したアルミニウム製熱交換器においては、700時間経過後から、水素発生分圧が上昇(水素が発生)し始めている。
しかし、本発明のように、水(冷媒)に数ppm 〜百数十ppm の無機酸化系マイナスイオンが存在すると、皮膜欠陥部のアルミニウム素地にこのマイナスイオンが吸着して欠陥を修復する作用を行う。図5は、アルミニウム製熱交換器表面に皮膜が形成されていない場合において、水中にマイナスイオンを添加したときの水素発生量を示すグラフであり、図7は、アルミニウム製熱交換器表面にSiO2 皮膜が形成されている場合において、水中にマイナスイオンを添加したときの水素発生量を示すグラフである。いずれのグラフも、縦軸は水素発生分圧(Torr)を、横軸は時間(hr)を示している。試験条件は、40℃の温度で、マイナスイオンとしてPO4 を150ppm 、SiO3 を40ppm 、水に添加している。図5及び図7から分るように、皮膜がない場合においては、作動直後から徐々に水素発生分圧は上昇する傾向を見せており、水素の発生が次第に増加しているが、皮膜がある場合においては、1000時間を経過してもほとんど水素発生分圧は増加せずに略零のままであり、水素の発生が行われていないことが分る。
図8は、水素発生を抑制するメカニズムを推定したものである。アルミニウムの表面は、常に自然酸化皮膜(Al23)が形成されているが、水に浸漬すると図8(a)に示すように自然酸化皮膜(Al23)の表面には、水中のOH-イオンにより水和した沈殿物(Al23・nH2O)が形成されるが、酸化皮膜(Al23)の薄い部位(例えば、皮膜欠陥部位と称す)では、アルミニウム(Al)がAl+イオンとして溶出し、水素が発生する。
ところが、水中にマイナスイオン(PO4 3-)が存在する場合は、図8(b)に示すように皮膜欠陥部から溶出したAl+イオンとマイナスイオン(PO4 3-)が引き寄せられる(吸着する)ことにより、この欠陥部には水和化合物(Al23・nH2O・PO4)が形成されるため、水素の発生が抑制されるものと考えられる。
他のマイナスイオンであるSiO3 2-,SO4 2-についても同様のメカニズムで水素発生が抑制されるものと考えられる。この場合、特に無機酸化系イオンがアルミニウムの腐食抑制剤(インヒビター)として作用するマイナスイオンとして望ましい。
なお、本発明の好適な実施例では、アルミニウム製熱交換器表面のSiO2 被膜の厚さを約2〜3μmとし、吸着器内の水には、PO4 3- イオンを150ppm 、SiO3 2- イオンを40ppm 添加したものとして説明しているが、これらの数値に限定されるものではない。
次に、本発明のアルミニウム製熱交換器をヒートパイプとして用いた別の実施形態について説明する。図9は、ヒートパイプの正面図及び縦断面図を示している。ヒートパイプ1は、一般的に吸熱部(加熱部)10Aと放熱部10Bとを有する中空な閉鎖体10よりなり、この閉鎖体10内に冷媒が封入されているものである。また、使用形態によって吸熱部10Aには吸熱フィン11が、放熱部10Bには放熱フィン12が設けられている。本発明のヒートパイプ1は、アルミニウムより形成され、閉鎖体10の内壁には、水を透過させない保護皮膜13、例えばケイ酸(SiO2)皮膜、アルマイト(Al23)皮膜、ベーマイト皮膜等が形成されていると共に、冷媒として水が封入されている。封入されている水には、マイナスイオンPO4 3-或いはSiO3 2-,SO4 2-などが数ppm〜百数十ppm添加されている。
このようなヒートパイプ1は、吸熱部10Aで発熱体2から熱を吸収して閉鎖体10内の水を蒸発する。蒸発した水は上昇して放熱部10Bに移動し、ここで熱を放熱し、蒸発した水が凝縮する。凝縮した水は、降下して吸熱部10Aに戻る。このように冷媒である水が閉鎖体10内を状態変化して循環することにより熱交換が行われる。
なお、閉鎖体10の内壁の保護膜13の上に、多孔質の物質よりなるウィック層(図示せず)を設けて、毛管現象を利用して冷媒を循環させるようにしてもよい。
このように本発明のヒートパイプ1においても、吸着器100と同様にアルミニウムの表面に水を透過させない保護皮膜13を形成すると共に、水にマイナスイオンを加えているので、保護皮膜13の一部に欠陥部があっても、マイナスイオンによってこの欠陥部に水和化合物が形成されるので、水素の発生が抑制される。
図10(a),(b)は、本発明のヒートパイプ1の具体的な例を示している。即ち、図10(a)においては、ヒートパイプ1の閉鎖体10はL字状に曲げられていて、吸熱部10Aが、CPUなどの発熱体2に接触して取り付けられている。発熱体2からは離れている放熱部10Bには放熱フィン12が設けられていて、外部の空気によって放熱部10Bが冷却される。したがって、発熱体2の熱は吸熱部10Aで水に吸熱されることによって、水が蒸発して吸熱部10Aから放熱部10Bに移動し、放熱部10Bで蒸発した水が外部の空気によって冷却されて凝縮し、水となって吸熱部10Aに戻る。このようにして、発熱体2が冷却される。
図10(b)に示されたヒートパイプ1においては、吸熱部10Aと放熱部10Bとの間に複数本の中空部材が架設され、放熱部10B側の中空部材間には、波形状の放熱フィン12が設けられている。そして、吸熱部10Aが、CPUなどの発熱体2に接触して取り付けられ、放熱部10Bは発熱体2と離れて配置され、外部の空気によって冷却される。発熱体2の放熱(冷却)作用は、先の図10(a)のヒートパイプ1と同様である。
以上説明したように、本発明ではアルミニウム製熱交換器に皮膜を施こし、かつ水(冷媒)にマイナスイオンを添加することによって、皮膜の欠陥部をマイナスイオンが修復するように作用するので、皮膜の欠陥の存否を検査する必要がない。
本発明を吸着式冷凍装置用吸着器として用いた場合の(a)吸着式空調装置に適用した模式図を示しており、(b)は空調ケーシングの模式図である。 本発明の実施の形態の吸着式冷凍装置用吸着器の断面図を示している。 吸着器内のアルミニウム製熱交換器表面にSiO2 皮膜を成膜した場合の水素発生量を示すグラフである。 水中における腐食形態を説明する図である。 水中にマイナスイオンを添加したときの水素発生量を示すグラフである。 水蒸気中での水素発生量を示すグラフである。 本発明におけるアルミニウム製熱交換器表面にSiO2 皮膜を施こし、かつ水中にマイナスイオンを添加した場合の水素発生量を示すグラフである。 (a),(b)は水素発生を抑制するメカニズムを説明する図である。 本発明のアルミニウム製熱交換器をヒートパイプとして用いた別の実施形態を説明する正面図と縦断面図である。 本発明のヒートパイプの具体例(a),(b)である。
符号の説明
100,100A,100B…吸着器
120,120A,120B…第1熱交換器(蒸発器/凝縮コア)
121…チューブ
122…フィン
130,130A,130B…第2熱交換器(吸着コア)
1…ヒートパイプ
10…閉鎖体
10A…吸熱(加熱)部
10B…放熱部
11…吸熱フィン
12…放熱フィン
13…保護皮膜
2…発熱体

Claims (6)

  1. 空気が存在しない密閉されたケーシング内に水とアルミニウムが存在し、アルミニウム表面で蒸発と凝縮が起こる環境において、アルミニウムの表面に水分を透過させない皮膜が形成されていると共に、前記ケーシング内に封入される水に無機酸化系マイナスイオンが数ppm 〜百数十ppm 単独又は複数組み合わせて添加されていることを特徴とするアルミニウム製熱交換器。
  2. 前記アルミニウム製熱交換器は吸着式冷凍装置用吸着器またはヒートパイプであることを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム製熱交換器。
  3. 前記皮膜がケイ酸(SiO2 )皮膜であることを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム製熱交換器。
  4. 前記ケイ酸(SiO2 )皮膜の厚さが、約5μm以下であることを特徴とする請求項3に記載のアルミニウム製熱交換器。
  5. 前記皮膜がアルマイト皮膜、或いはベーマイト皮膜など化成皮膜であることを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム製熱交換器。
  6. 前記無機酸化系マイナスイオンはPO4 3-,SiO3 2-,SO4 2-の少なくとも1つであり、数ppm 〜百数十ppm 添加することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のアルミニウム製熱交換器。
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