(57)【要約】      （修正有）【課題】熱媒水を用いる小型化や軽量化等が可能なビル空調システム用熱交換器として有利に用いることができるパラレルフロー型等のアルミ製熱交換器を提供し、また、熱交換効率の低下や熱交換管閉塞の原因となるスケールの付着を防止するスケール付着防止方法を提供する。【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金で形成された複数の熱交換管は、管内部に互いに区画されて略平行な複数の区画流路を形成する隔壁ｅを備えた厚さａ１．５〜３mm及び孔幅ｃ３mm以下の扁平チューブで構成されてその水力直径が１．３〜３．０mmであり、また、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されて各熱交換管の間に配設されたフィンが高さｈ６〜１２mmのコルゲートフィンであり、熱媒体として水を用いるアルミ製熱交換器であり、また、熱媒体として、予めスケール付着防止処理された処理水にアルミ防食剤を添加してなる熱媒水を用いるスケール付着防止方法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに所定の間隔を置いて配設され、熱媒体の入口と出口とを有する一対のヘッダパイプと、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成され、上記一対のヘッダパイプ間に架設されて複数の熱媒流路を形成する複数の熱交換管と、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されて上記各熱交換管の間に配設されたフィンとを有し、熱媒体として水を用いるアルミ製熱交換器であり、
上記各熱交換管は、管内部に互いに区画されて略平行な複数の区画流路を形成する隔壁ｅを備えた厚さａ１．５〜３mm及び孔幅ｃ３mm以下の扁平チューブで構成されてその水力直径が１．３〜３．０mmであり、また、
上記フィンが、高さｈ６〜１２mmのコルゲートフィンであることを特徴とするアルミ製熱交換器。
【請求項２】
各熱交換管は、その肉厚ｄが０．２〜０．５mmである請求項１に記載のアルミ製熱交換器。
【請求項３】
熱交換管内における熱媒体である水の流速が、冷房時１．２〜３．０m/sである請求項１又は２に記載のアルミ製熱交換器。
【請求項４】
熱交換管内における熱媒体である水の流速が、暖房時０．５〜３．０m/sである請求項１又は２に記載のアルミ製熱交換器。
【請求項５】
互いに所定の間隔を置いて配設され、熱媒体の入口と出口とを有する一対のヘッダパイプと、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成され、上記一対のヘッダパイプ間に架設されて複数の熱媒流路を形成する複数の熱交換管と、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されて上記各熱交換管の間に配設されたコルゲートフィンとを有し、上記各熱交換管の水力直径が１．３〜３．０mmであるアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法であり、
熱媒体として、予めスケール付着防止処理された処理水にアルミ防食剤を添加してなる熱媒水を用いることを特徴とするアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法。
【請求項６】
処理水が、カルシウムイオン濃度５mg/L以下の淡水である請求項５に記載のアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法。
【請求項７】
処理水が、未処理水をイオン交換樹脂により脱カルシウム処理して得られた淡水である請求項６に記載のアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法。
【請求項８】
処理水が、未処理水に酸を添加しスケール成分を析出させて分離除去する酸添加処理により得られた淡水である請求項６に記載のアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法。
【請求項９】
処理水が、未処理水にキレート剤を添加してスケール成分の析出を抑制するキレート剤添加処理により得られた水である請求項５に記載のアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法。
【請求項１０】
スケール付着防止処理が、未処理水をヒーターで所定の温度に加熱する加熱処理であり、未処理水のスケール成分を上記ヒーターの伝熱表面に優先的に析出させて除去する請求項５に記載のアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法。
【請求項１１】
スケール付着防止処理が、少なくとも各熱交換管が形成する熱媒流路内の流速より早い流速で流れる高速流路内に未処理水を流す高速通水処理であり、未処理水のスケール成分を高速流路内に優先的に析出させて除去する請求項５に記載のアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、温水や冷水を熱媒体とするアルミ製熱交換器及びそのスケール付着防止方法に係り、特に限定するものではないが、水を熱媒体として用いるパラレルフロー型アルミ製熱交換器であって、ビルやオフィス等の大規模な屋内空間の空調機器において用いるのに好適なアルミ製熱交換器及びそのスケール付着防止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ビル全体の空調を管理したり、あるいは、各オフィスごとの空調を管理するような比較的大規模な屋内空間の空調機器に用いられる熱交換器（以下、「ビル空調システム用熱交換器」という）には、熱媒体として水道水、工業用水、地下水等の淡水が使用されており、熱伝導性や耐食性に優れた材料が必要であるために、銅パイプ製で１穴の熱交換管を備えた銅製熱交換器が用いられており、また、このような銅製熱交換器で用いる熱媒体としては、熱交換管の水力直径が通常８mm以上であるので、水中のスケール成分（主としてカルシウム分やマグネシウム分）が熱交換管の内壁面にスケールとなって付着し難く、また、この熱交換管を閉塞する虞が比較的少なく、更に、スケール付着防止のための対策が比較的容易であるために、必要により以下のようなスケール付着防止の対策を講じて水（温水や冷水）が用いられている。
【０００３】
すなわち、このように熱媒体として水を用いる銅製熱交換器のスケール付着防止の手段として、例えば、Ｈ型カチオン交換樹脂とｐＨ検出手段とを設け、冷却水の一部又は全部をＨ型カチオン交換樹脂に通じて冷却水中のスケール成分を除去すると共に冷却水のｐＨ値を検出し、このｐＨ値によってＨ型カチオン交換樹脂を通過する冷却水の量を制御することによりスケールの発生を抑制する方法（特公昭55-28,759号公報参照）、熱媒体としての水中にＥＤＴＡ等のキレート剤を所定の割合で添加し、スケールの発生を防止する方法（特開昭61-174,990号や特開2000-246,286号の各公報参照）、冷却水を炭酸カルシウム粒子及び／又はシリカゲル粒子と接触させてスケール成分を除去すると共に冷却水中に水中の固体表面に粘稠なゼラチン状のフィルム（スライム）が形成されるのを防止するスライムコントロール剤を添加する方法（特開2002-273,477号公報参照）等が知られている。
【０００４】
一方、車両用として用いられる空調機器については、小型で軽量であることが要求されることから、アルミニウム又はアルミニウム合金（以下、「アルミニウム材」という）の加工性、伝熱性及び軽量性を利用し、互いに所定の間隔を置いて平行に配設され、熱媒体の入口と出口とを有する一対のヘッダパイプと、アルミニウム材で形成され、上記一対のヘッダパイプ間に架設されて互いに平行な複数の熱媒流路を形成する複数の熱交換管（凝縮管）とを有するパラレルフロー型アルミ製熱交換器が用いられている。また、このパラレルフロー型アルミ製熱交換器においては、伝熱面積を効率良く確保するために、その熱交換管の水力直径が通常０．３８mmφにまでなるため、水中のスケール成分によるスケールが熱交換管の内壁面に付着し易く、また、容易に熱交換管の閉塞が起こり易く、更に、アルミニウム材製の熱交換管の腐食の問題も発生するため、熱媒体としては、フロンガス等の非水系の熱媒体が用いられている（例えば、特公平5-87,752号、特公平7-62,596号、特開平9-68,395号等の各公報参照）。
【０００５】
しかるに、近年、ビル空調システム用熱交換器においても、地球環境保全という理由から、高性能化、省スペース化、軽量化、リサイクルの簡素化等の要請も高まっている。しかし、従来の空調機器では、熱媒体として水の使用は特に問題にならないが、熱交換管の伝熱面積を容易には増やすことができず、更なる高性能化、省スペース化等が困難な状況にあった。
【０００６】
そこで、加工性や熱伝導性に優れた特性を有し、熱交換管の伝熱面積が大きいパラレルフロー型アルミ製熱交換器を使用することが考えられる。しかしながら、このパラレルフロー型アルミ製熱交換器は、元々自動車室内空調用として開発されてきたために、熱媒体としてフロンガス等の非水系のものを使用し、高性能かつ省スペース化が進められてきた。このため、熱媒体が通る熱交換管の熱媒流路はその伝熱面積を可能な限り大きくするために、極めて細い管束の集合となっているほか、アルミニウム材が比較的水道水や工業用水等の淡水に対して耐食性が悪く、このために、温水や冷水を熱媒体とするパラレルフロー型アルミ製熱交換器がビル空調システム用熱交換器として試みられたことがない。
【０００７】
更に、車両用ラジエーター等については、熱交換管としてアルミニウム材で形成された扁平チューブが用いられている（例えば、特開2004-17,116号、特開平8-134,574号、特開平7-83,594号等の各公報参照）。しかしながら、これら車両用ラジエーター等に用いられている扁平チューブは、薄板から形成される電縫管、ろう付管であることから、その管内部が１孔あるいは２孔程度の長孔構造となっており、ビル空調システム用熱交換器の熱媒体としての水の移動に必要なポンプ圧（通常０．５MPa以上）には耐えられない。
【特許文献１】特公昭55-28,759号公報
【特許文献２】特開昭61-174,990号公報
【特許文献３】特開2000-246,286号公報
【特許文献４】特開2002-273,477号公報
【特許文献５】特公平5-87,752号公報
【特許文献６】特公平7-62,596号公報
【特許文献７】特開平9-68,395号公報
【特許文献８】特開2004-17,116号公報
【特許文献９】特開平8-134,574号公報
【特許文献１０】特開平7-83,594号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明者らは、温水や冷水を熱媒体とする小型化や軽量化等が可能なパラレルフロー型等のアルミ製熱交換器であって、ビル空調システム用熱交換器として有利に用いることができるアルミ製熱交換器とそのスケール付着防止方法について鋭意検討した結果、水力直径が１．３〜３．０mmのアルミニウム材で形成された熱交換管を用いることにより、また、熱媒体として予めスケール付着防止処理された処理水にアルミ防食剤を添加してなる熱媒水を用いることにより、目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
【０００９】
従って、本発明の目的は、熱媒体として水を用いる小型化や軽量化等が可能なパラレルフロー型等のアルミ製熱交換器であって、ビル空調システム用熱交換器として有利に用いることができるアルミ製熱交換器を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、温水や冷水を熱媒体とするパラレルフロー型等のアルミ製熱交換器において、熱交換効率の低下や熱交換管閉塞の原因となるスケールの付着を可及的に防止することができ、小型化や軽量化等が可能であって、ビル空調システム用熱交換器として有利に用いることができるアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明は、互いに所定の間隔を置いて配設され、熱媒体の入口と出口とを有する一対のヘッダパイプと、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成され、上記一対のヘッダパイプ間に架設されて複数の熱媒流路を形成する複数の熱交換管と、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されて上記各熱交換管の間に配設されたフィンとを有し、熱媒体として水を用いるアルミ製熱交換器であり、上記各熱交換管は、管内部に互いに区画されて略平行な複数の区画流路を形成する隔壁ｅを備えた厚さａ１．５〜３mm及び孔幅ｃ３mm以下の扁平チューブで構成されてその水力直径が１．３〜３．０mmであり、また、上記フィンが高さｈ６〜１２mmのコルゲートフィンであることを特徴とするアルミ製熱交換器である。
【００１２】
また、本発明は、互いに所定の間隔を置いて配設され、熱媒体の入口と出口とを有する一対のヘッダパイプと、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成され、上記一対のヘッダパイプ間に架設されて複数の熱媒流路を形成する複数の熱交換管と、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されて上記各熱交換管の間に配設されたコルゲートフィンとを有し、上記各熱交換管の水力直径が１．３〜３．０mmであるアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法であり、熱媒体として、予めスケール付着防止処理された処理水にアルミ防食剤を添加してなる熱媒水を用いることを特徴とするアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法である。
【００１３】
本発明の熱交換器は、互いに所定の間隔を置いて配設され、熱媒体の入口と出口とを有する一対のヘッダパイプと、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成され、上記一対のヘッダパイプ間に架設されて複数の熱媒流路を形成する複数の熱交換管と、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されて上記各熱交換管の間に配設されたコルゲートフィンとを有するアルミ製熱交換器であり、好ましくは一対のヘッダパイプが互いに平行に配置され、また、複数の熱交換管がこれら一対のヘッダパイプ間に互いに平行に架設された、いわゆるパラレルフロー型等のアルミ製熱交換器である。
【００１４】
ここで、上記各熱交換管については、所望の熱交換効率を達成するために扁平チューブであることが必要であり、また、この管内部には管内部を互いに区画する隔壁ｅを有し、これによって管内部が好ましくは断面略四角形状で互いに略平行な複数の区画流路に形成されている必要がある。そして、この区画流路の孔幅ｃについては、少なくとも３mm以下である必要があり、扁平チューブの肉厚ｄによっても異なるが、好ましくは１．５mm以上２．５mm以下程度であるのがよい。この区画流路の孔幅ｃは、孔幅ｃを広くするに従って肉厚ｄを厚くする必要が生じ、この孔幅ｃが３mmを超えると、扁平チューブの肉厚ｄを０．４mm以上にしない限り、ビル空調用熱交換器として所望される耐圧強度０．５MPaを満足できなくなり、反対に、扁平チューブの肉厚ｄをあまり厚くすると、熱交換器重量が嵩むだけでなく、扁平チューブの厚さａを変えない限り必然的に水力直径が小さくなり、この水力直径が１．５mmより小さくなると後述する弊害が生じ、また、通路断面形状を変えずに扁平チューブの厚さａを厚くすると、空気側伝熱面積の減少、通気抵抗の増大等の問題が生じるので好ましくない。
【００１５】
また、熱交換管として用いる扁平チューブの厚さａについては、１．５mm以上３mm以下、好ましくは１．５mm以上２．５mm以下であることが必要であり、このチューブ厚さａが１．５mmより小さいと、必然的に区画流路の高さが低くなり、水力直径が小さくなって冷房運転時の遷移流速が３m/秒を超えてエロージョン発生の原因になり、また、チューブ厚さａが３mmを超えると、フィン高さｈを大きくしない限り扁平チューブの厚さａ／チューブピッチ（ｈ＋ａ）の比が大きくなり、空気側の抵抗が大きくなると共に、空気側の伝熱面積が減少し、同一ファンを用いた場合には風量不足、及び空気側の伝熱面積不足による熱交換性能の低下が生じ、このフィン高さｈを１２mmを超えて高くするとフィン効率（フィンの全表面が扁平チューブの極近傍の温度に等しいと仮定した場合の熱交換量に対する実際のフィン表面の熱交換量）が０．８より低くなり、熱交換効率が低下する。
【００１６】
そして、各熱交換管の間に配設されるコルケートフィンについては、その高さｈが６mm以上１２mm以下である必要があり、このフィン高さｈが６mmより低いと、熱交換効率上要求される扁平チューブの厚さａ／ピッチチューブ（ｈ＋ａ）の比が０．２以下という条件を満たすことが難しくなり、反対に、フィン高さｈが１２mmを超えると、フィン効率が０．８より低くなり、熱交換効率が低下する。
【００１７】
本発明のアルミ製熱交換器において、上記各熱交換管は、その水力直径が１．３mm以上３．０mm以下である必要があり、水力直径が１．３mmより小さいと水側の圧力損失が大きくなって熱媒体である水が流れ難くなり、冷房運転時に遷移流速として３m/秒以上の流速が必要になってエロージョンが発生するという問題が生じ、反対に、３．０mmを超えると通水断面積に対して水側の伝熱面積が低下し、熱交換効率が低下して大規模な屋内空間用空調機器の熱交換器として用いることが困難になる。ここで、「水力直径」とは、熱交換管の流路の断面積（mm2）に４を乗じ、得られた値を流路の濡れ周囲長（mm）で除した値（mm）である。
【００１８】
ここで、上記熱交換管が扁平チューブで形成され、上記水力直径が３．０mmを超えた場合について検討してみると、(1)：扁平チューブの厚さａを厚くせずに水力直径だけを大きくすると、短辺に対して長辺が非常に大きな穴形状となり、ビル空調システム用熱交換器として使用可能な耐圧強度を発現させることができず、(2)：扁平チューブの厚さａを厚くして水力直径を大きくすると、フィン高さｈが一定の場合には、フィン高さｈ＋扁平チューブの厚さａに対するフィン高さｈの割合が小さくなって空気側圧力損失が増大して風量が減少し、あるいは、空気側伝熱面積が低下して、熱交換効率が低下し、(3)：上記(2)の場合においてフィン高さｈの割合が変わらないようにすると、フィン高さｈが高くなってフィン効率が低下し、この場合も熱交換効率が低下する。
【００１９】
更に、本発明においては、好ましくは上記扁平チューブの肉厚ｄを０．２mm以上０．５mm以下、好ましくは０．３mm以上０．４mm以下とするのがよく、このチューブ肉厚ｄが０．２mmより薄くなると、扁平チューブの耐圧強度が低下し、所望の耐圧強度（例えば０．５MPa）を達成することが困難になり、反対に、チューブ肉厚ｄを０．５mmより厚くしても、材料費が嵩んで製品重量が増すだけであり、また、流路断面積を減らす方向にチューブ肉厚ｄを厚くすると、所望の水力直径を保てなくなる。
【００２０】
本発明において、熱媒体としては水が用いられるが、この熱媒体としての水については、必要により、エチレングリコール、プロピレングリコール等の不凍液や、種々のアルミ防食剤等の添加物が添加されていてもよい。
【００２１】
ところで、熱交換管における熱伝導率はこの管内を流れる熱媒体の流れにより大きく変わり、熱伝導率を高くするためには管内の流れを乱流にすることが必要である。このため、下記の式で表されるレイノルズ数（Ｒe）については、２，７００以上、好ましくは３，０００以上であることが必要である。
Ｒe＝ρ・ｕ・Ｄe／η
（ρ：熱媒体の密度、η：熱媒体の粘性係数、Ｄe：熱交換管の孔の水力直径、ｕ：熱交換管内の熱媒体の流速）
そして、水を熱媒体とするビル空調システム用熱交換器において、熱媒体の温度は、冷房時には５〜１０℃、好ましくは７℃であり、暖房時には４０〜５０℃、好ましくは４５℃である。
【００２２】
そこで、水力直径が１．３〜３．０mmである熱交換管を使用した場合、冷房時に乱流になるためには、水力直径が１．３mmのときに約２．５m/秒以上の流速が必要であり、また、水力直径が３．０mmのときに約１．２m/秒以上の流速が必要であり、更に、熱交換管内面のエロージョンは流速が３m/秒以上で発生し易いので、この冷房時の流速としては１．２m/秒以上３．０m/秒以下であるのがよい。また、暖房時に乱流になるためには、水力直径が１．３mmのとき約１．１m/秒以上の流速が必要であって、水力直径が３．０mmのとき約０．５m/秒以上の流速が必要であり、また、熱交換管内面のエロージョンは流速が３m/秒以上で発生し易いので、この暖房時の流速としては０．５m/秒以上３．０m/秒以下であるのがよい。
【００２３】
上述した本発明のアルミ製熱交換器を、例えばビル空調システム用熱交換器として実際に使用するに際しては、熱媒体として水を用いるので、熱交換管内にスケールが付着してこの熱交換管が閉塞するのを防止することが必要であり、本発明においては、このアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法として、予めスケール付着防止処理された処理水にアルミ防食剤を添加してなる熱媒水を熱媒体として用いる。
【００２４】
ここで、予めスケール付着防止処理された処理水とは、水道水や工業用水等の未処理水を適当な方法で脱スケール処理して得られたスケール成分の含有量の少ない、好ましくはカルシウムイオン濃度５mg/L以下、より好ましくはカルシウムイオン濃度３mg/L以下の淡水を始めとして、本発明のアルミ製熱交換器が組み込まれた熱交換サイクルの熱媒経路の中に、あるいは、この熱媒経路の外に適当な処理手段を設け、この処理手段においてアルミ製熱交換器の各熱交換管内でのスケール成分の析出に先駆けて優先的にスケール成分を析出させて得られる淡水も含まれる。脱スケール処理して得られた処理水のカルシウムイオン濃度が５mg/Lを超えると、長期間運転を続けた際にカルシウム主体のスケールが析出して熱交換管が閉塞する虞がある。
【００２５】
このような予めスケール付着防止処理された処理水としては、具体的には、先ず、未処理水をイオン交換樹脂により脱カルシウム処理して得られた淡水を挙げることができる。この目的で用いられるイオン交換樹脂としては、弱酸性又は強酸性の陽イオン交換樹脂、モノベットイオン交換樹脂を挙げることができ、具体的には、例えばオルガノ社製イオン交換樹脂アンバーライト商品名、ＩＲＣ５０、ＩＲ１２０Ｂ、ＭＢ−２等を例示することができる。
【００２６】
また、他の処理水としては、未処理水に酸を添加しスケール成分を析出させて分離除去して（酸添加処理）得られた淡水を挙げることができる。この目的で用いられる酸としては、リン酸、硝酸、塩素酸、硫酸等の鉱酸や、シュウ酸、クエン酸、酢酸等の有機酸を挙げることができ、アルミニウム材の腐食性の観点から、好ましくはリン酸やシュウ酸である。
【００２７】
更に、他の処理水としては、未処理水中のスケール成分と結合して水に易溶性のキレート化合物を形成し、スケール成分の析出を抑制する適当なキレート剤を添加し、スケール成分の析出を可及的に抑制するキレート剤添加処理により得られた淡水を挙げることができる。この目的で添加されるキレート剤としては、例えば、イミノ二酢酸、ニトリロ三酢酸、エチレンジアミン四酢酸（EDTA）、シクロヘキサンジアミン四酢酸、エチルエーテルジアミン四酢酸、グリコールエーテルジアミン四酢酸、プロピレンジアミン四酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、トリエチレンテトラミン六酢酸等のアミノカルボン酸又はその金属塩、シュウ酸、クエン酸等の多価カルボン酸又はその金属塩、リン酸等の無機酸又はその金属塩等を挙げることができる。このキレート剤の添加量は、未処理水中に含まれるスケール成分の量によって定まり、例えばスケール成分としてのアルカリ土類金属イオン１mmol当り通常１０mmol以上５０００mmol以下、好ましくは１００mmol以上１０００mmol以下であるのがよい。
【００２８】
また、予めスケール付着防止処理された処理水の他の例としては、未処理水をヒーターで所定の温度、通常６０℃以上１００℃以下、好ましくは７０℃以上８０℃以下に加熱して未処理水のスケール成分を上記ヒーターの伝熱表面に優先的に析出させる加熱処理される淡水を挙げることができる。この目的で用いられるヒーターとしては、例えばステンレス被覆電気ヒーター等のものを挙げることができ、後に伝熱面に析出したスケールの除去を考慮すると、好ましくは伝熱面をフッ素樹脂で被覆した、谷口製商品名Ｕフロンヒーターであるのがよい。
【００２９】
更にまた、処理水の他の例としては、少なくとも各熱交換管が形成する熱媒流路内の流速より早い流速で流れる高速流路内に未処理水を流して未処理水のスケール成分を高速流路内に優先的に析出させる高速通水処理される淡水を挙げることができる。ここで、高速流路内での流速は、各熱交換管が形成する熱媒流路内の流速より少しでも早ければよいが、好ましくは１．１〜５．０倍程度、より好ましくは１．５〜５．０倍であるのがよい。
【００３０】
また、上記の処理水に添加されるアルミ防食剤としては、アルミニウムと淡水とが接触する系において淡水中に添加され、アルミニウムの腐食を防止することができるものであれば特に制限はなく、従来よりこの種のアルミ防蝕剤として用いられているものを使用することができ、例えば、大塚化学社製商品名「シャダンＲ」、千代田ケミカル社製商品名「チオライトＣ−４１２」等のリン酸系防食剤、ケイ酸ソーダ３号（Na2O・3SiO2；日本化学工業社製）、ニックリ社製商品名「冷温水２０−Ｌ」等のケイ酸系防食剤、日本ペイント社製商品名「アルサーフ＃１２００」等のクロム酸系防食剤、千代田ケミカル社製商品名「チオライトＣ−３７２Ａ」等のアミン系防食剤、等を例示することができる。これらのうち、リン酸系防食剤やケイ酸系防食剤は、アルミニウム材に対する防食性能に優れているだけでなく、動物や人間、更には環境に対する安全性が高く、特に好ましいものである。
【００３１】
本発明のスケール付着防止方法において、熱媒水を構成する処理水中に添加されるアルミ防食剤の添加量については、アルミ防食剤の種類によって異なり、防食性能が発現する有効量であるということができるが、例えば、上記シャダンＲ（大塚化学社製商品名）の場合には通常０．１g/L以上１００g/L以下、好ましくは０．１g/L以上１０g/L以下であり、また、ケイ酸ソーダ３号（Na2O・3SiO2）の場合には通常０．１g/L以上１００g/L以下、好ましくは０．１g/L以上１０g/L以下であるのがよい。
【００３２】
また、本発明方法で使用する熱媒水中には、上記のアルミ防食剤以外に第三成分として、例えば、エチレングリコール等の凍結防止剤、パラオキシ安息香酸（パラベン）等の防腐剤等を目的に応じて適宜添加することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のアルミ製熱交換器は、従来の径の大きな銅配管の熱交換器と比較して体積当りの性能に優れており、小型化が可能であると共に軽量化も可能であり、熱媒体として水を用いるビル等の比較的大規模な屋内空間の空調機器に用いられる熱交換器（ビル空調システム用熱交換器）として有用である。
【００３４】
また、本発明のアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法によれば、温水や冷水を熱媒体としてパラレルフロー型等のアルミ製熱交換器を用いても、熱交換効率の低下や熱交換管閉塞の原因となるスケールの付着を可及的に防止することができ、小型化や軽量化等が可能であって、アルミニウム材の腐食の問題も解決することができ、ビル空調システム用熱交換器に好適に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、実験例、実施例及び比較例に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。
【００３６】
〔実験例１：水力直径と圧力損失との関係〕
アルミニウム合金（JIS A1050）を用い、押出成形により表１に示す孔の形状、大きさ及び数を有する扁平チューブ（熱交換管）を作製し、孔形状が丸孔である場合には１m/秒及び３m/秒の流速で、また、孔形状が四角孔である場合には１m/秒の流速でそれぞれ水を流し、各熱交換管の水力直径に対する圧力損失を調べた。
結果を表１及び図１に示す。
【００３７】
【表１】
2005351600.tif 000002
【００３８】
この表１の結果から明らかなように、水力直径が１．０mm以下であると圧力損失が著しく増大することが判る。圧力損失が増大すると熱媒体である水または水を主成分とする液体の搬送手段であるポンプが大きなものが必要になる。従って、この圧力損失の点からは、水力直径は１．０mm以上、好ましくは１．３mm以上であるのがよい。
【００３９】
〔実験例２：熱交換管の形状と耐圧強度との関係〕
アルミニウム合金（JIS A1050）を用い、押出成形により図２に示す形状（四角孔及び孔数４）及び表２に示すサイズを有する１２種類の扁平チューブ（熱交換管）Ａ〜Ｌを作製し、各扁平チューブＡ〜Ｌに０．５MPaの内圧をかけたときのチューブ厚さａの増加量（加圧時厚さ増加量）及びその後に内圧をゼロに戻したときのチューブ厚さａの残留増加量（開放時厚さ残留量）とをそれぞれマイクロメータで測定し、各扁平チューブＡ〜Ｌが塑性変形を起すときの内圧（変形圧）を調べた。
結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】
2005351600.tif 000003
【００４１】
〔実験例３：熱交換管（扁平チューブ）厚さａと空気側圧力損失の関係〕
扁平チューブとコルゲートフィンの幅寸法が共に１６mmで熱交換領域の前面面積が０．３m×０．６m＝０．１８m2の大きさの熱交換器であって、下記の表３に示すフィン高さｈ及びフィンピッチを有する５種類の扁平チューブを備えた熱交換器を製作し、風速２m/秒及び５m/秒で空気を通過させたときの空気側の圧力損失を求めた。
結果を図３に示す。
【００４２】
【表３】
2005351600.tif 000004
【００４３】
〔実験例４：フィン高さｈ、熱交換管（扁平チューブ）厚さａと空気側伝熱面積の関係〕
扁平チューブとコルゲートフィンの幅寸法が共に１６mmでフィンピッチが１．４mmであり、熱交換領域の前面面積が１m×１m＝１m2の大きさがである熱交換器であって、下記の表４に示す５種類のチューブ厚さａ及び３種類のフィン高さｈの組合せからなる１５種類の熱交換器をモデルとして伝熱面積を計算し、扁平チューブのチューブ厚さａ及びコルゲートフィンのフィン高さｈが空気側の伝熱面積に及ぼす影響を調べた。
結果を図４に示す。
【００４４】
【表４】
2005351600.tif 000005
【００４５】
上記実験例３及び実験例４の結果から明らかなように、フィン高さｈを変えずに扁平チューブのチューブ厚さａを厚くすると、フィン高さｈの比率で低下して通風面積が低下し、空気側の圧力損失が大きくなり、また、空気側の伝熱面積が低下し、熱交換性能も低下する。また、チューブ厚さａを厚くすると共にフィン高さｈも高くすると、空気側の圧力損失や空気側の伝熱面積の低下はなくなるが、フィン効率が低下して熱交換性能も低下する。
【００４６】
〔実験例５：フィン高さｈとフィン効率の関係〕
熱伝導度１９０W/m・Kのアルミニウム合金（JIS A3003）を用い、フィン板厚０．１mm及びフィン幅１６mmであって、フィン高さｈの異なる６種類のコルゲートフィンを調製し、扁平チューブに接合幅１４mmの大きさで接合し、空気側の熱伝導率を５０W/m2・Kとしてコルゲートフィンのフィン高さｈに対するフィン効率を調べた。
結果を図５に示す。
【００４７】
この図５に示す結果から明らかなように、空気側の圧力損失を降下させるためにフィン高さｈを高くすると、フィン効率が低下し、熱交換器の性能が低下することが判明した。
【００４８】
〔実験例６：好ましい管内流速の検討〕
水の温度（℃）と粘度（μPa・s）との関係は図６に示す通りであり、また、水の温度（℃）と密度（kg/m3）との関係は図７に示す通りであり、熱交換管内の熱伝導率を上げるためには熱交換管内の流れを乱流にする必要があり、このためにレイノルズ数は２，７００以上、好ましくは３，０００以上が必要であり、水力直径が１．０mm、１．５mm、２．０mm、２．５mm、３．０mm及び３．５mmの場合における温度（℃）と遷移流速（m/s）との関係を求めると、図８に示す通りである。
【００４９】
〔実験例７：扁平チューブの孔幅ｃと厚さａの検討〕
熱伝導度１９０W/m・Kのアルミニウム合金（JIS A3003）を用い、肉厚ｄ０．３mm−孔幅ｃ１．３mm、肉厚ｄ０．３mm−孔幅ｃ３．２mm、及び肉厚ｄ０．２mm−孔幅ｃ１．３mmの３種の熱交換管を製作し、０．５MPaの内圧をかけたときのチューブ厚さａの増加量とその後に内圧をゼロに戻したときのチューブ厚さａの残留増加量とをそれぞれマイクロメータで調べた。
結果を図９に示す。
【００５０】
〔実験例８：従来のフィンプレート型熱交換器との比較〕
本発明の熱交換器として、図１０に示されているように、扁平チューブ10とコルゲートフィン11とを交互に積層して構成され、前面面積：幅６００mm×高さ３００mm、扁平チューブ10：材質A1050、厚さａ２mm、幅２１mm、穴数８、及びピッチ１０mm、並びに、コルゲートフィン11：材質A3003、幅２１mm、高さｈ８．０mm、及びピッチ１．４mmのパラレルフロー型（PF型）アルミ製熱交換器を用い、空気側としてこの熱交換器の前面面積と略同じ断面形状及び大きさのダクトを用い、このダクトの中に熱交換器を据え付けて熱交換性能試験装置を構成し、空気側には温度２５℃の空気を風速（Va）２．０〜４．５m/sで流すと共に、水側には温度１５℃の水を流速０．８m/s、１．２m/s、及び２．０m/sで流し、均一な温度の空気を均一な風速で通過させたときの熱交換量を測定し、その結果から伝熱係数を求め、空気側の風速に対する伝熱係数の関係を求めた。
結果を図１１に実線で示す。
【００５１】
また、比較として、前面面積：幅６００mm×高さ３００mm、熱交換器の厚さ：８８mm、銅１穴チューブ：材質：りん脱酸銅継ぎ目無し管、列数４列、径９．５３mm、及びピッチ２５．４mm、並びに、フィン：材質A3003、及びピッチ３．６mmの従来のフィンプレート型（T&F型）熱交換器を用い、上記の本発明の場合と全く同様にして、熱交換性能試験装置を構成し、熱交換量を測定し、その結果から伝熱係数を求め、空気側の風速に対する伝熱係数の関係を求めた。
本発明の場合と同様に、結果を図１１に破線で示す。
【００５２】
図１１に示す本発明のパラレルフロー型（PF型）アルミ製熱交換器の結果と従来のフィンプレート型（T&F型）熱交換器の結果との比較から明らかなように、本発明の熱交換器は、熱媒体である水の流速が１m/s前後では従来の熱交換器と略同じ伝熱係数の値を示すが、水の流速が２m/sになると従来の熱交換器の場合より明らかに高い伝熱係数を示した。なお、この実験例８では、略同等の空気側の圧力損失を示す熱交換器として比較するため、本発明の熱交換器としては熱交換器厚さ２１mm及びフィンピッチ１．４mmのＰＦ型熱交換器が用いられ、また、従来型の熱交換器としては熱交換器厚さ１００mm及びフィンピッチ３．６mmのＴ＆Ｆ型熱交換器が用いられているので、熱交換器の大きさ（体積）を考慮すると、本発明の熱交換器は１／５程度の体積で従来の熱交換器と同等程度の性能を示すことが分かる。
【００５３】
〔スケール付着防止方法の実施例及び比較例〕
〔アルミ製熱交換器の構成〕
以下の実施例及び比較例で用いられたアルミ製熱交換器は、アルミニウム合金（JIS 3003）により円筒状に形成され、互いに平行に配置された一対のヘッダーパイプ（大きさ：直径２５mmφ×厚さ１．６mm）と、アルミニウム合金（JIS 1050）により多孔扁平管状に形成され、上記の一対のヘッダーパイプ間に架設された２０本の熱交換管（１本の大きさ：218mm×22mm×厚さ2mm、水力直径：1.5mm）と、アルミニウム合金（JIS BAS272P）により波板状に形成され、平行に配置された熱交換管の間に取り付けられた２１本の熱交フィン（１本の大きさ：864mm×22mm×厚さ0.1mm）とにより構成されたパラレルフロー型アルミ製熱交換器であり、一方のヘッダーパイプに熱媒体入口が、また、他方のヘッダーパイプに熱媒体出口がそれぞれ設けられている。
【００５４】
〔運転試験装置〕
また、以下の実施例及び比較例で用いられた運転試験装置の基本構造は、熱媒体として用いられる熱媒水を収容する熱媒体槽と上記アルミ製熱交換器の熱媒体入口との間をポンプを介してパイプラインで接続し、また、上記アルミ製熱交換器の熱媒体出口と上記熱媒体槽との間をパイプラインで接続して構成され、熱媒体槽→ポンプ→アルミ製熱交換器の熱媒体入口→アルミ製熱交換器の熱媒体出口→熱媒体槽の熱媒流路を有する。
【００５５】
〔試験方法〕
上記の運転試験装置において、以下に示す各実施例及び比較例のスケール付着防止方法を適用し、試験方法：内部循環試験、熱媒水の液量：１００L、循環液温度：７：００〜１７：００の間は６０℃でそれ以外はヒーターオフ、及び液循環：熱交換管内流速１m/秒（φ25mm配管を24mm/分）で８時間(9:00-17:00)／１日の条件で６ヶ月間に亘って熱媒水を通水し、その間における熱媒水のカルシウムイオン濃度（Ca濃度：mg/L）を測定し、また、熱媒流路のスケール付着防止効果と耐食性とを調べた。
【００５６】
上記熱媒流路のスケール付着防止効果と防食効果については、１ヵ月後、３ヵ月後、及び６ヵ月後に、試験品である熱交換器を取り出し、熱交換管の内面が観察できるように切り出して、マイクロゲージを用いて肉厚減少の大きさを測定し、全面腐食の有無を確認し、更に、焦点目盛りのついた光学顕微鏡を用いて焦点深度法により表面から非接触で最大孔食深さ（μm）を調べると共に、測定に用いた熱交換管について管の詰り状況を目視観察により調べ、この管の詰り状況を○：スケールの付着が認められない、△：スケールの付着が認められるが管の詰りまでは認められない、及び、×：スケールによる管の詰りが認められる、の３段階で評価し、また、上記最大孔食深さ（μm）と管の詰り状況との結果から○：腐食の発生がなく、スケールによる詰りも認められない、△：腐食の発生はないが、スケールの付着が認められる、及び×：腐食の発生、又は、スケールによる詰りのいずれかが認められる、の基準で総合評価を行った。
なお、以下の実施例及び比較例において、全面腐食は認められなかった。
【００５７】
実施例１〜４及び比較例１
弱酸性陽イオン交換樹脂（オルガノ社製商品名：アンバーライトIRC50）又はモノベットイオン交換樹脂（オルガノ社製商品名：MB-2）を用い、これに水道水〔分析値（mg/L）：Ca:30, Mg:5.8, Na:9.0, Fe:0.03, Cu<0.005, SiO2:23.4, Cl-:12.4, SO42-:28, PO42-:<0.2；比抵抗(Ω・cm)：4200〕を通水してCa濃度が検出限界（<0.01mg/L）以下の処理水Ａを調製し、更に、このCa濃度検出限界以下の処理水Ａに水道水を添加してCa濃度が３mg/Lの処理水Ｂ、５mg/Lの処理水Ｃ、及び１０mg/Lの処理水Ｄをそれぞれ調製した。
【００５８】
次に、Ca濃度の異なる４種の処理水Ａ〜Ｄ中に、アルミ防食剤としてリン酸系防食剤〔大塚化学社製商品名：シャダンＲ（組成；PO4:173g/L, K:122g/L, NO2:17g/L, Na:9g/L, NO3:0.2g/L）〕６g/L又はケイ酸系防食剤〔日本化学工業社製ケイ酸ソーダ３号（Na2O・3SiO2）〕０．５g/Lを添加し、各実施例１〜４及び比較例１の熱媒水を調製した。
【００５９】
得られた各実施例１〜４及び比較例１の熱媒水を上記の試験運転装置に充填し、上記の試験方法により内部循環試験を行って、上記のパラレルフロー型アルミ製熱交換器におけるスケール付着防止効果を調べた。
結果を表５に示す。
【００６０】
実施例５
水道水にリン酸０．０１g/Lを添加し、軽く攪拌しながら１日放置した。その後、水酸化ナトリウム（NaOH）を添加してｐＨ８に調整し、析出したリン酸カルシウムを網目1μmのフィルターでろ過し、得られたろ液を処理水Ｅとした。
この処理水にアルミ防食剤としてリン酸系防食剤（大塚化学社製商品名：シャダンＲ）６g/Lを添加し、実施例５の熱媒水とした。
得られた実施例５の熱媒水を用い、上記実施例１と同様にして上記パラレルフロー型アルミ製熱交換器におけるスケール付着防止効果を調べた。
結果を表５に示す。
【００６１】
実施例６
リン酸に代えてシュウ酸０．００１mol/Lを用いた以外は、上記実施例５と同様に、カルシウム分をシュウ酸カルシウムとして除去して処理水Ｆとし、これにリン酸系防食剤（大塚化学社製商品名：シャダンＲ）６g/Lを添加して実施例６の熱媒水とした。
得られた実施例６の熱媒水を用い、上記実施例１と同様にして上記パラレルフロー型アルミ製熱交換器におけるスケール付着防止効果を調べた。
結果を表５に示す。
【００６２】
実施例７〜１１
水道水にキレート剤としてＥＤＴＡ（実施例7）、イミノ二酢酸（実施例8）、オキシン（実施例9）、リンゴ酸（実施例10）、又は酒石酸（実施例11）を０．１mol/Lの割合で添加し、更にリン酸系防食剤（大塚化学社製商品名：シャダンＲ）６g/Lを添加して実施例７〜１１の熱媒水とした。
得られた実施例７〜１１の熱媒水を用い、上記実施例１と同様にして上記パラレルフロー型アルミ製熱交換器におけるスケール付着防止効果を調べた。
【００６３】
実施例１２
図１２に示すように、上記パラレルフロー型アルミ製熱交換器１と、熱媒体槽２と、ポンプ３との間をパイプライン４で接続して構成された上記の試験運転装置の基本構造において、その熱媒体槽２に、ポンプ５と加熱処理槽６とをパイプライン７で接続して構成された熱媒体加熱装置を付設した。また、上記熱媒体槽２と加熱処理槽６には、それぞれ表面をフッ素樹脂で被覆した谷口製Ｕフロンヒーター2a,6aを設置した。
【００６４】
また、水道水にリン酸系防食剤（大塚化学社製商品名：シャダンＲ）６g/Lを添加して熱媒水とし、この熱媒水１００Lを熱媒体加熱装置が付設された試験運転装置に充填し、熱媒体槽２では上記試験条件の６０℃に加温すると共に、加熱処理槽６では８０℃に加熱し、上記実施例１と同様にして上記パラレルフロー型アルミ製熱交換器におけるスケール付着防止効果を調べた。
結果を表５に示す。
【００６５】
実施例１３
図１３に示すように、上記と同じ試験運転装置の基本構造において、その熱媒体槽２に、ポンプ５とダミーの熱交換器８とをパイプライン７で接続して構成された高速通水処理装置を付設した。なお、上記熱媒体槽２には谷口製Ｕフロンヒーター2aが設置されている。
【００６６】
また、水道水にリン酸系防食剤（大塚化学社製商品名：シャダンＲ）６g/Lを添加して熱媒水とし、この熱媒水１００Lを高速通水処理装置が付設された試験運転装置に充填し、アルミ製熱交換器１ではその熱交換管内を熱媒水が流速１m/秒で流れるようにすると共に、高速通水処理装置のダミーの熱交換器８ではその熱交換管内を熱媒水が流速２m/秒で流れるようにし、上記実施例１と同様にして上記パラレルフロー型アルミ製熱交換器におけるスケール付着防止効果を調べた。
結果を表５に示す。
【００６７】
比較例２〜６
熱媒体として、水道水そのもの（比較例２）、水道水にリン酸系防食剤（大塚化学社製商品名：シャダンＲ）６g/Lを添加して得られた熱媒水（比較例３）、水道水にケイ酸系防食剤（日本化学工業社製ケイ酸ソーダ３号）０．５g/Lを添加して得られた熱媒水（比較例４）、Ca濃度検出限界以下の処理水Ａ（比較例５）、及びCa濃度検出限界以下の処理水Ａにキレート剤として酒石酸０．１mol/Lを添加した熱媒水（比較例６）を用い、上記実施例１と同様にして上記パラレルフロー型アルミ製熱交換器におけるスケール付着防止効果を調べた。
結果を表５に示す。
【００６８】
【表５】
2005351600.tif 000006
【００６９】
上記実施例１〜６及び比較例１〜５の結果から、処理水中のカルシウムイオン濃度を５mg/L以下にすると共にアルミ防食剤を添加することにより、パラレルフロー型アルミ熱交換器に熱媒体として水を用いても、熱交換管内でのスケール付着を防止できると共にこのアルミニウム製の熱交換管の腐食を確実に防止できることが判明した。
【００７０】
また、実施例７〜１１の結果から、キレート剤添加とアルミ防食剤添加とを併用することによってもスケール付着防止効果が得られ、更に、実施例１２及び１３の結果から、加熱処理や高速通水処理によりアルミ製熱交換器以外の場所にスケールを優先的に析出させることによっても、アルミニウム製の熱交換管の腐食を確実に防止できることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明のアルミ製熱交換器は、熱媒体として水を用いる小型化や軽量化等が可能なパラレルフロー型等のアルミ製熱交換器であって、ビルやオフィス等の大規模な屋内空間用空調機器の熱交換器として有利に用いることができる。
【００７２】
また、本発明のアルミ製熱交換器のスケール付着防止方法によれば、温水や冷水を熱媒体とするパラレルフロー型等のアルミ製熱交換器において、腐食し易いアルミニウム材製の熱交換管の腐食を完全に防止できると共に、熱交換効率の低下や熱交換管閉塞の原因となるスケールの付着を可及的に防止することができ、しかも、小型化や軽量化等が可能であるので、ビルやオフィス等の大規模な屋内空間用空調機器の熱交換器に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は、異なる孔の形状、大きさ及び数を有する熱交換管（扁平チューブ）を用いて調べた水力直径−圧力損失の関係を示すグラフ図である。
【図２】図２は、本発明の実験例２で形成された熱交換管（扁平チューブ）の形状を示す部分斜視説明図である。
【００７４】
【図３】図３は、本発明の実験例３で得られたチューブ厚さａ／チューブピッチの比と通気抵抗との関係を示すグラフ図である。
【図４】図４は、本発明の実験例４で得られたチューブ厚さａと空気側伝熱面積との関係を示すグラフ図である。
【００７５】
【図５】図５は、本発明の実験例５で得られたフィン高さｈとフィン効率との関係を示すグラフ図である。
【図６】図６は、本発明の実験例６で用いた熱媒体（水）の温度と粘度との関係を示すグラフ図である。
【００７６】
【図７】図７は、本発明の実験例６で用いた熱媒体（水）の温度と密度との関係を示すグラフ図である。
【図８】図８は、本発明の実験例６で求められた熱交換管（扁平チューブ）の水力直径と熱媒体（水）の温度と遷移流速との関係を示すグラフ図である。
【００７７】
【図９】図９は、本発明の実験例７で得られた熱交換管（扁平チューブ）の孔幅ｃと厚さａとの関係を示すグラフ図である。
【図１０】図１０は、本発明の実験例７で用いられたパラレルフロー型アルミ製熱交換器の要部（扁平チューブとコルゲートフィンからなる熱交換部）を示す部分斜視説明図である。
【図１１】図１１は、本発明の実験例８で得られた熱交換器の熱交換通過風速と伝熱係数との関係を示すグラフ図である。
【００７８】
【図１２】図１２は、本発明の実施例１２に係る熱媒体加熱装置が付設された試験運転装置を示す説明図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施例１３に係る高速通水処理装置が付設された試験運転装置を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７９】
１…パラレルフロー型アルミ製熱交換器、２…熱媒体槽、2a,6a…ヒーター、３，５…ポンプ、４，７…パイプライン、６…加熱処理槽、８…ダミーの熱交換器、10……扁平チューブ、11……コルゲートフィン。
【図１】
2005351600.tif 000007
【図２】
2005351600.tif 000008
【図３】
2005351600.tif 000009
【図４】
2005351600.tif 000010
【図５】
2005351600.tif 000011
【図６】
2005351600.tif 000012
【図７】
2005351600.tif 000013
【図８】
2005351600.tif 000014
【図９】
2005351600.tif 000015
【図１０】
2005351600.tif 000016
【図１１】
2005351600.tif 000017
【図１２】
2005351600.tif 000018
【図１３】
2005351600.tif 000019