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技術 伝熱部材の表面処理方法

出願人 日産自動車株式会社
発明者 肥塚洋輔中山達臣保田芳輝功刀資彰
出願日 2007年3月30日 (12年11ヶ月経過) 出願番号 2007-091420
公開日 2008年10月16日 (11年5ヶ月経過) 公開番号 2008-249251
状態 特許登録済
技術分野 自動車用空気調和 一般的な熱交換又は熱伝達装置の細部4 車両用空気調和
主要キーワード 流体分子 凹部同士 車両用部材 アルミニウム板材 バルブメタル 特殊車 チューブ内面 平均ピッチ
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この項目の情報は公開日時点(2008年10月16日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

複雑な形状の伝熱部材であっても表面に微小凹凸を形成することのできる処理方法を提供することを目的とする。

解決手段

金属からなる伝熱部材を陽極酸化することにより、伝熱部材の前記表面に凹部22を形成することを特徴とする伝熱部材の処理方法により上記課題を解決する。

概要

背景

伝熱部材の性能を左右する因子の一つとして伝熱効率が挙げられる。伝熱効率を向上させる手段として、伝熱部材の表面に凹凸を設けることにより、比表面積を増加させたり、伝熱部材と接触する熱媒体の流れを攪拌してより多くの流体分子が伝熱部材と接触できるようにしたりする方法が採られてきた。

また、凹凸の大きさによっては、攪拌された熱媒体自身が熱媒体の流れを阻止し、熱媒体を流す際に大きな圧力を要することがあった。これに対し、凹凸を非常に微小なものとすることで、凹凸の表面付近のみで熱媒体の流れを攪拌させられ、圧力損失を抑制しつつ熱媒体を流動させられることが判明している。特許文献1には、この様な微小な凹凸を有する熱交換器が開示されている。
特開2005−98694号公報

概要

複雑な形状の伝熱部材であっても表面に微小な凹凸を形成することのできる処理方法を提供することを目的とする。金属からなる伝熱部材を陽極酸化することにより、伝熱部材の前記表面に凹部22を形成することを特徴とする伝熱部材の処理方法により上記課題を解決する。

目的

伝熱部材は用途によっては複雑な形状をとる。そこで、本発明は、複雑な形状の伝熱部材であっても表面に微小な凹凸を形成することのできる処理方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
3件

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請求項1

金属からなる伝熱部材陽極酸化することにより、前記伝熱部材の表面に凹部を形成することを特徴とする伝熱部材の処理方法

請求項2

前記凹部の最大深さは50μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の処理方法。

請求項3

前記凹部の平均直径は2μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の処理方法。

請求項4

前記凹部の平均直径は250nm以下であることを特徴とする請求項3に記載の処理方法。

請求項5

前記凹部の平均直径は40nm以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の処理方法。

請求項6

前記金属は、アルミニウム、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の処理方法。

請求項7

前記陽極酸化の後に、さらに伝熱部材の凹部が形成された部位にエッチングを行うことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の処理方法。

請求項8

請求項1〜7のいずれかに記載の処理方法により処理された伝熱部材が用いられてなる熱交換器

請求項9

フィンの形状を有し、前記処理方法によりフィン表面が処理された伝熱部材、またはチューブの形状を有し、前記処理方法によりチューブ内面が処理された伝熱部材が用いられてなる請求項8に記載の熱交換器。

請求項10

請求項1〜7のいずれかに記載の処理方法により処理された伝熱部材、または請求項8または9に記載の熱交換器を含むことを特徴とする車両用部材

請求項11

請求項10に記載の車両用部材を含むことを特徴とする車両。

技術分野

0001

本発明は伝熱部材表面処理方法係り、より詳細には伝熱効率を向上させられる表面処理方法に係る。

背景技術

0002

伝熱部材の性能を左右する因子の一つとして伝熱効率が挙げられる。伝熱効率を向上させる手段として、伝熱部材の表面に凹凸を設けることにより、比表面積を増加させたり、伝熱部材と接触する熱媒体の流れを攪拌してより多くの流体分子が伝熱部材と接触できるようにしたりする方法が採られてきた。

0003

また、凹凸の大きさによっては、攪拌された熱媒体自身が熱媒体の流れを阻止し、熱媒体を流す際に大きな圧力を要することがあった。これに対し、凹凸を非常に微小なものとすることで、凹凸の表面付近のみで熱媒体の流れを攪拌させられ、圧力損失を抑制しつつ熱媒体を流動させられることが判明している。特許文献1には、この様な微小な凹凸を有する熱交換器が開示されている。
特開2005−98694号公報

発明が解決しようとする課題

0004

伝熱部材は用途によっては複雑な形状をとる。そこで、本発明は、複雑な形状の伝熱部材であっても表面に微小な凹凸を形成することのできる処理方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0005

本発明者等は複雑な形状の熱交換器であっても、陽極酸化法を用いることにより表面に微小な凹部を形成することにより、微小な凹凸を設けられることを見いだした。

0006

すなわち、本発明は、金属からなる伝熱部材を陽極酸化することにより、前記伝熱部材の表面に凹部を形成することを特徴とする伝熱部材の処理方法により上述の課題を解決する。

発明の効果

0007

本発明により、複雑な形状の伝熱部材であっても微小な凹部を形成することのできる処理方法を提供することができる。

発明を実施するための最良の形態

0008

本発明の第一は、金属からなる伝熱部材を陽極酸化することにより、前記伝熱部材の表面に凹部を形成することを特徴とする伝熱部材の処理方法である。陽極酸化法とは対象物陽極として通電し、強制的に酸化させる方法である。金属に陽極酸化を施すことにより、微小な凹部を有する酸化被膜が表面に形成されるため、表面に微小な凹凸を有する伝熱部材を得ることができる。

0009

陽極酸化によるその他の利点として、被膜が形成されることで耐候性が向上する点が挙げられる。さらに他の利点として、絶縁性が向上する点が挙げられる。

0010

凹部の深さ、直径、または凹部の割合などは陽極酸化の条件により適宜調節することができる。以下にこれらの好ましい範囲を記載する。

0011

凹部の最大深さは50μm以下であることが好ましい。最大深さが50μm以下であると圧力損失を抑制し易い。凹部の深さはSEM観察により確認することができる。

0012

凹部の平均直径は2μm以下であることが好ましく、より好ましくは250nm以下である。平均直径が2μm以下であると圧力損失を抑制し易い。さらに平均直径が250nm以下であると凹部にゴミ等の不純物詰まりにくく伝熱部材の性能を維持できる期間が向上する。凹部の平均直径はSEM観察結果から算出することができる。この場合、無作為に少なくとも20箇所の凹部を選出し、その平均から平均値を導き出すことが好ましい。本発明において凹部の形状が真円でない場合、凹部の断面積から算出される等価円直径を直径とする。

0013

凹部の平均直径は40nm以上であることが好ましい。40nm以下であると、凹部が小さすぎるために、伝熱部材の性能が向上しない場合がある。

0014

図1に例示するように凹部12は互いに独立していてもよいし、図2に例示するように凹部22同士が部分的につながっていてもよい。図1における符号10、図2における符号20はそれぞれ伝熱部材表面の凸部を示す。図3凹部同士が部分的につながっている場合の、ピッチ(P)と、直径(D)とを示す。図3における符号30は凹部を示し、符号32は凸部を示す。

0015

伝熱部材を形成する金属としては、いわゆるバルブメタルが例示され、アルミニウムアルミニウム合金、またはチタンが好ましく、より好ましくはアルミニウム、またはアルミニウム合金であり、更に好ましくはアルミニウムである。アルミニウムおよびアルミニウム合金はリサイクル性に優れるという利点を有する。

0016

前記アルミニウム合金としては特に限定されないが、Al−Cu系合金、Al−Mg系合金、Al−Mg−Si系合金、またはAl−Zn−Mg−Cu系合金などが挙げられる。アルミニウム合金を用いる場合、合金に含まれる各成分の割合は特に限定されず、伝熱部材の用途などに応じて適宜決定される。

0017

陽極酸化を行う方法としては特に限定されないが、電解液に前記伝熱部材を陽極として浸漬しながら電解処理を行う方法が挙げられる。前記電解液としては特に限定されないがシュウ酸水溶液リン酸水溶液硫酸が好ましい。

0018

電解処理時電圧または処理時間は特に限定されず、目的の凹部の形状に合わせて適宜決定することができる。例えば、電解処理時の電圧を大きくするほど凹部の直径を大きくすることができる。また、電解処理時間を長くするほど凹部の深さを大きくすることができる。また、電解処理の際に用いる陰極としては特に限定されず、従来公知の導電性物質が用いられうる。

0019

陽極酸化の前に、伝熱部材に研磨処理を施しておいてもよい。研磨処理を施すことにより、各凹部の直径、深さ、または間隔を統一し易い。研磨処理としてはバフ研磨化学研磨、または電解研磨などが挙げられる。バフ研磨は廃液処理などが不要であるという利点を有し、一方、化学研磨および電解研磨は液体を用いた研磨であることからバフが触れられない部分、例えばパイプ内部などを研磨できるという利点を有する。

0020

陽極酸化の後に、さらに伝熱部材の凹部が形成された部位にエッチングを行ってもよい。エッチングを行うことにより、凹部の形状を調節することができ、例えば、凹部の深さを増加させたり、凹部の直径を増加させたり、それぞれ独立していた凹部同士をつなげたり、伝熱部材の表面の空孔率を増加させたりすることができる。

0021

エッチングの際の温度または時間は特に限定されず、目的の凹部の形状に合わせて適宜決定することができる。

0022

本発明の処理は、予め、表面に従来公知の大きさの凹凸が形成された伝熱部材に施すこともできる。

0023

本発明の第二は、上述の伝熱部材の用途である。

0024

上述の伝熱部材は、従来公知の様々な用途に用いることができるが、好ましくは熱交換器に用いられる。熱交換器に含まれる伝熱部材は用途に合わせて様々な形状を有しているが、フィンの形状で用いる場合には、上述の処理は少なくともフィン表面に施されていることが好ましい。フィンに施すことで、フィン一基の伝熱効率を向上させることができる。その結果、フィンの使用数を減らすことができ、フィンの間隔を広げることができる。さらにその結果、熱交換器を小型化することができたり、フィン同士の間の熱媒体の流量を増加させて熱交換量をさらに向上させることができたりする。またチューブの形状で用いる場合には、上述の処理は少なくともチューブ内面に施されていることが好ましい。チューブ内部に施すことで、チューブの口径を小さくすることができ、熱交換器を小型化することができる。

0025

熱交換器としては特に限定されず従来公知のものに適用することができるが、ラジエーターヒーターコンデンサ、コンデンサの伝熱フィンエバポレータウォータージャケットオイルクーラーインタークーラー、またはヒートパイプなどが挙げられる。

0026

上述の処理を施した伝熱部材または熱交換器は車両用部材として用いられることが好ましい。本発明の処理を施した伝熱部材または熱交換器は熱伝達率に優れるため、小型化することも可能である。一方で、車両には人間や荷物を載せるスペースを確保しつつ様々な車両用部材を詰め込まなくてはならないことから、本発明の処理を施した伝熱部材または熱交換器を従来の部材の代わりに用いることは好ましい。

0027

本発明の第三は上述の車両用部材を含む車両である。

0028

上述の車両用部材は伝熱効率に優れることから、燃費下げることができたり、また、上述したように小型化が可能であることから、軽量化が可能となったり、車両に含まれる他の部材、例えばエンジンなどの設計の自由度を上げられたりできる。

0029

車両としては特に限定されないが、例えば、自動車鉄道車両航空機、または特殊車両などが挙げられる。

0030

次に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらの実施例は何ら本発明を制限するものではない。

0031

(比較例1)
伝熱部材として純アルミニウム純度99.99%)からなる板材(直径100.5mm、厚み1.5mm)を用意した。

0032

[SEM観察]
SEMを用いて倍率50000〜200000倍で表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部は形成されていなかった。

0033

[熱伝達率の測定]
特開2005−98694号公報に記載の装置を用いて、伝熱部材の熱伝達率を測定した。

0034

実施例は以下の前処理を実施した後に陽極酸化処理を実施した。

0035

[前処理]
前処理として、伝熱部材に対してバフ研磨、脱脂水洗、電解研磨の各処理を施した。

0036

(実施例1)
[陽極酸化]
比較例1と同様の伝熱部材(アルミニウム板材)に、陽極酸化処理を実施した。陽極酸化は電解液としてシュウ酸水溶液を用い、陰極としてアルミニウムを用い、40Vで行った。

0037

[SEM観察]
比較例1と同様にして表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部が形成されていた。凹部の平均ピッチ、平均直径、最大深さを下記表1に示す。画像処理ソフトを用いて、表面SEM画像解析することで、孔の等価円直径を求めた。また、同一のSEM画像から孔とそれ以外の面積率も算出した。孔径と面積率とから、平均ピッチを算出した。孔の深さは、断面SEM画像から算出した。結果を下記表1に示す。

0038

[熱伝達率の測定]
比較例1と同様にして伝熱部材の熱伝達率を測定した。比較例1の伝熱部材の熱伝達率を1とした際の相対値を下記表1に示す。

0039

(実施例2)
[陽極酸化]
比較例1と同様の伝熱部材(アルミニウム板材)に、陽極酸化処理を実施した。陽極酸化は電解液としてシュウ酸水溶液を用い、陰極としてアルミニウムを用い、48Vで行った。

0040

[SEM観察]
比較例1と同様にして表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部が形成されていた。凹部の平均ピッチ、平均直径、最大深さを下記表1に示す。また、表面の空孔率を測定した結果を下記表1に示す。これらの算出方法は実施例1と同様である。

0041

[熱伝達率の測定]
比較例1と同様にして伝熱部材の熱伝達率を測定した。比較例1の伝熱部材の熱伝達率を1とした際の相対値を下記表1に示す。

0042

(実施例3)
[陽極酸化]
比較例1と同様の伝熱部材(アルミニウム板材)に、陽極酸化処理を実施した。陽極酸化は電解液としてシュウ酸水溶液を用い、陰極としてアルミニウムを用い、76Vで行った。

0043

[エッチング]
陽極酸化を行った後エッチングを行った。エッチングは腐食液としてシュウ酸水溶液を用い、伝熱部材を腐食液に浸漬することで行った。

0044

[SEM観察]
比較例1と同様にして表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部が形成されていた。凹部の平均ピッチ、平均直径、最大深さを下記表1に示す。また、表面の空孔率を測定した結果を下記表1に示す。これらの算出方法は実施例1と同様である。

0045

[熱伝達率の測定]
比較例1と同様にして伝熱部材の熱伝達率を測定した。比較例1の伝熱部材の熱伝達率を1とした際の相対値を下記表1に示す。

0046

(実施例4)
[陽極酸化]
比較例1と同様の伝熱部材(アルミニウム板材)に、陽極酸化処理を実施した。陽極酸化は電解液としてリン酸水溶液を用い、陰極としてアルミニウムを用い、120Vで行った。

0047

[SEM観察]
比較例1と同様にして表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部が形成されていた。凹部の平均ピッチ、平均直径、最大深さを下記表1に示す。また、表面の空孔率を測定した結果を下記表1に示す。これらの算出方法は実施例1と同様である。

0048

[熱伝達率の測定]
比較例1と同様にして伝熱部材の熱伝達率を測定した。比較例1の伝熱部材の熱伝達率を1とした際の相対値を下記表1に示す。

0049

(実施例5)
[陽極酸化]
比較例1と同様の伝熱部材(アルミニウム板材)に、陽極酸化処理を実施した。陽極酸化は電解液としてリン酸水溶液を用い、陰極としてアルミニウムを用い、120Vで行った。

0050

[エッチング]
陽極酸化を行った後エッチングを行った。エッチングは腐食液としてリン酸水溶液を用い、伝熱部材を腐食液に浸漬することで行った。

0051

[SEM観察]
比較例1と同様にして表面観察を行ったところ、伝熱部材の表面に凹部が形成されていた。凹部の平均ピッチ、平均直径、最大深さを下記表1に示す。また、表面の空孔率を測定した結果を下記表1に示す。これらの算出方法は実施例1と同様である。

0052

[熱伝達率の測定]
比較例1と同様にして伝熱部材の熱伝達率を測定した。比較例1の伝熱部材の熱伝達率を1とした際の相対値を下記表1に示す。

0053

図面の簡単な説明

0054

本発明の処理を施した後の伝熱部材の表面の一例を示す斜視概略図である。
本発明の処理を施した後の伝熱部材の表面の一例を示す斜視概略図である。
凹部同士が部分的につながっている場合の、ピッチ(P)と直径(D)とを示す平面概略図である。

符号の説明

0055

10、20、30 凹部、
12、22、32 凸部。

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