熱交換器の銅

熱交換器は、熱を伝達して必要な加熱または冷却を実現する装置です。熱交換器技術の重要な設計面は、熱を迅速かつ効率的に伝導および伝達するために適切な材料を選択することです。

銅は、熱効率と耐久性に優れた熱交換器に望ましい特性を数多く備えています。まず第一に、銅は優れた熱伝導体です。つまり、銅は熱伝導率が高いため、熱が素早く通過します。熱交換器における銅のその他の望ましい特性には、耐腐食性、生物付着耐性、最大許容応力と内部圧力、クリープ破断強度、疲労強度、硬度、熱膨張、比熱、抗菌性、引張強度、降伏強度、高融点、合金性、製造の容易さ、接合の容易さなどがあります。

これらの特性の組み合わせにより、銅は工業施設の熱交換器、HVACシステム、車両用クーラーやラジエーター、コンピューター、ディスクドライブ、テレビ、コンピューターモニター、その他の電子機器を冷却するためのヒートシンクとして指定されています。 ^[1]銅は熱を素早く伝導し、均等に分散するため 、高品質の調理器具の底にも使用されています。

銅以外の熱交換器も利用できます。代替材料としては、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタンなどがあります。

この記事では、熱交換器における銅の有益な特性と一般的な用途に焦点を当てています。また、特定の用途向けの新しい銅熱交換器技術も紹介されています。

銅およびその合金を使用した熱交換器は、過去数百年にわたる熱伝達技術とともに進化してきました。銅製のコンデンサーチューブは、1769年に蒸気エンジン用に初めて使用されました。当初、チューブは非合金銅で作られていました。1870年までに、60% Cu-40% Zn真鍮合金であるMuntzメタルが、海水冷却のコンデンサーに使用されるようになりました。耐食性を向上させるために1%のスズが追加された70% Cu-30% Zn黄銅合金であるAdmiraltyメタルは、1890年に海水用に導入されました。 ^[2] 1920年代までには、海軍のコンデンサー用に70% Cu-30% Ni合金が開発されました。その後すぐに、耐浸食性を高めるために2%マンガンと2%鉄の銅合金が導入されました。90% Cu-10% Ni合金は1950年代に初めて利用可能になり、最初は海水配管用でした。この合金は現在、船舶用熱交換器で最も広く使用されている銅ニッケル合金です。

現在、蒸気、蒸発器、凝縮器のコイルは銅や銅合金で作られています。^[3]これらの熱交換器は、空調・​​冷凍システム、産業用・中央暖房・冷房システム、ラジエーター、温水タンク、床暖房システムに使用されています。

銅ベースの熱交換器は、銅管/アルミニウムフィン、銅ニッケル、または全銅構造で製造できます。チューブとフィンの耐腐食性を高めるために、さまざまなコーティングを施すことができます。^{[3] [4]}

熱伝導率 (k、λ または κ とも表記) は、物質の熱伝導能力の尺度です。熱伝導率の高い物質の熱伝達は、熱伝導率の低い物質の熱伝達よりも速くなります。国際単位系(SI) では、熱伝導率はワット/メートル ケルビン (W/(m•K)) で測定されます。ヤードポンド法 (イギリス帝国単位系、またはヤードポンド法) では、熱伝導率は Btu/(hr•ft⋅F) で測定されます。

銅の熱伝導率は231 Btu/(hr-ft-F)です。これは貴金属である銀を除く他のすべての金属よりも高い値です。銅の熱伝導率はアルミニウムよりも60%高く、ステンレス鋼の熱伝導率のほぼ30倍です。^[5]

特定の金属の熱伝導率に関するさらなる情報は入手可能である。^[7]

耐食性は、温水タンクやラジエーターなどの流体が関係する熱伝達用途では不可欠です。銅と同様の耐食性を持つ唯一の手頃な材料はステンレス鋼です。しかし、ステンレス鋼の熱伝導率は銅の1/30倍です。アルミニウム管はpH<7.0で腐食し、水素ガスを放出するため、飲料水や未処理水用途には適していません。^{[8] [9] [10]}

銅合金管の内面に保護フィルムを塗布すると、耐食性を高めることができます。特定の用途では、フィルムは鉄でできています。発電所のコンデンサーでは、内側にチタン層、外側に銅ニッケル合金からなる二重管が使用されています。これにより、銅の有益な機械的および化学的特性（応力腐食割れ、アンモニア攻撃など）とチタンの優れた耐食性を活用できます。内側にアルミニウム真鍮または銅ニッケル、外側にステンレス鋼または軟鋼の二重管は、石油精製および石油化学産業の冷却に使用できます。^[11]

銅および銅ニッケル合金は、他の材料に比べて生物付着に対する高い耐性を自然に備えています。熱交換器に使用される鋼、チタン、アルミニウムなどの他の金属は、容易に付着します。銅金属を使用すると、特に海洋構造物における生物付着に対する保護を長期間にわたって実現できます。

銅ニッケル合金は、海水配管やその他の海洋用途で長年にわたって実証されています。これらの合金は、外洋での生物付着に抵抗し、微生物のスライムが蓄積してマクロファウリングを助長することはありません。^[12]

研究者たちは、銅が温帯水域でも生物付着に耐性を持つ理由として、2つのメカニズムを挙げています。1) 腐食プロセス中に銅イオンがゆっくりと放出され、微生物層の海洋表面への付着が阻害されることによってコロニー形成のシーケンスが遅延される、^[13]および/または、2) 腐食性生成物とマクロ付着生物の幼虫を含む層を分離する。^[14]後者のメカニズムは、生物を殺すのではなく、金属表面への浮遊幼虫の定着を阻止します。

銅の強力な抗菌特性により、銅フィンは空調システムによく発生する細菌、真菌、ウイルスの増殖を抑制できます。そのため、銅ベースの熱交換器の表面は、他の金属で作られた熱交換器よりも長期間にわたって清潔です。この利点により、熱交換器の耐用年数が大幅に延長され、空気の質が向上します。フルスケールの HVAC システムで抗菌銅とアルミニウムから別々に製造された熱交換器は、シングルパスの外気を使用した通常の流量の条件下で微生物の増殖を抑制する能力が評価されました。一般的に使用されるアルミニウム部品は、動作開始から 4 週間以内に細菌と真菌の安定したバイオフィルムを形成しました。同じ期間に、抗菌銅は銅熱交換器フィンに関連する細菌負荷を 99.99%、真菌負荷を 99.74% 抑制することができました。^{[15] [16] [17]}

上海のバスには銅フィンエアコンが設置されており、以前は銅製ではないフィンで繁殖し、システム内を循環していた細菌、ウイルス、真菌を迅速かつ完全に殺菌します。アルミニウムを銅に置き換える決定は、上海市疾病予防管理センター（SCDC）が2010年から2012年にかけて行った抗菌テストの結果に基づいています。この研究では、銅フィン表面の微生物レベルはアルミニウムよりも大幅に低く、バスの乗客の健康を守るのに役立つことがわかりました。^{[17] [18]}

HVACシステムにおける抗菌銅の利点に関するさらなる情報は入手可能である。^{[19] [20] [21]}

直径が小さい、内部に溝が入った銅管は、熱効率や材料効率が高く、曲げやフレア加工などの作業も簡単です。通常、非常に柔らかい金属である銅で内部に溝が入った管を作る方が簡単です。

銅合金は、化石燃料や原子力発電所、化学・石油化学プラント、海洋サービス、淡水化プラントの熱交換器チューブとして広く使用されています。

銅合金熱交換器チューブのユニット当たりの使用量が最も多いのは、公益発電所です。これらの発電所には表面コンデンサー、ヒーター、クーラーがあり、すべてに銅チューブが使用されています。タービン蒸気排出を受け入れる主な表面コンデンサーには、最も多くの銅が使用されています。^[2]

銅ニッケルは、淡水化プラント、プロセス産業プラント、火力発電所の空気冷却ゾーン、高圧給水加熱器、船舶の海水配管などの蒸発器の熱交換器や凝縮器チューブに一般的に指定される合金のグループです。^[11]合金の組成は、90％Cu-10％Niから70％Cu-30％Niまで変化します。

かつては、ヒ素を含む黄銅（Cu-Zn-Sn-As）製のコンデンサーと熱交換器のチューブが産業施設市場を独占していました。その後、耐食性が向上したため、アルミニウム黄銅の人気が高まりました。^{[22]今日では、アルミニウム黄銅、90%Cu-10%Ni、およびその他の銅合金が、}海水、汽水、淡水の管状熱交換器や配管システムに広く使用されています。アルミニウム黄銅、90%Cu-10%Ni、および70%Cu-30%Ni合金は、脱気された高温の海水や多段フラッシュ淡水化プラントの塩水で優れた耐食性を示します。 ^{[23] [24]}

海洋や過酷な用途に特に適した固定管式液冷熱交換器は、真鍮製のシェル、銅管、真鍮製のバッフル、および鍛造真鍮製の一体型エンドハブを使用して組み立てることができます。^[25]

銅合金管は、光沢のある金属表面（CuNiO）または薄くしっかりと付着した酸化物層（アルミニウム黄銅）のいずれかで供給されます。これらの仕上げタイプにより、保護層を形成できます。^[24]保護酸化物表面は、システムを数週間にわたって酸素を含むきれいな冷却水で運転すると最もよく形成されます。保護層が形成される間、硫酸鉄の追加や断続的な管洗浄などの補助措置を実施して、プロセスを強化することができます。空気を含んだ海水中の Cu-Ni 合金に形成される保護膜は、60 °F で約 3 か月で成熟し、時間の経過とともに保護力が増します。この膜は、汚染された水、不規則な速度、その他の厳しい条件に耐性があります。詳細は入手可能です。^[26]

Cu-Ni 合金は生物付着に対する耐性があるため、熱交換ユニットは機械洗浄の間隔を数か月間空けても稼働できます。ただし、元の熱伝達能力を回復するには洗浄が必要です。塩素注入により、Cu-Ni 合金に悪影響を与えることなく、機械洗浄の間隔を 1 年以上延長できます。

産業施設向け銅合金熱交換器に関する詳細情報は入手可能である。^{[27] [28] [29] [30]}

太陽熱温水器は、世界の多くの地域で家庭に温水を供給する費用対効果の高い方法です。銅製の熱交換器は、銅の高い熱伝導率、大気や水に対する耐性、はんだ付けによる密封と接合、機械的強度などの理由から、太陽熱暖房・冷房システムで重要です。銅は、太陽熱温水システムの受熱器と一次回路（水タンクのパイプと熱交換器）の両方で使用されます。^[31]

住宅用途の様々なタイプの太陽熱集熱器が、直接循環（すなわち、水を加熱して直接住宅に運び使用させる）または間接循環（すなわち、熱交換器を通して熱伝達流体を送り、その後、住宅に流入する水を加熱する）システムで利用可能である。^[32]間接循環システムを備えた真空管式太陽熱温水器では、真空管にはガラス製の外管とフィンに取り付けられた金属製の吸収管が含まれている。太陽熱エネルギーは真空管内で吸収され、使用可能な集中熱に変換される。真空ガラス管は二重層になっている。ガラス管の内側には銅製のヒートパイプがある。これは密閉された中空の銅管で、低圧下では非常に低い温度で沸騰する少量の熱伝達流体（水またはグリコール混合物）が含まれている。銅製ヒートパイプは、太陽熱管内の熱エネルギーを銅製ヘッダーに伝達する。溶液が銅製ヘッダーを循環すると、温度が上昇する。

太陽熱温水システムで銅を含むその他の部品には、太陽熱交換器タンク、太陽熱ポンプステーション、ポンプ、コントローラなどがあります。^{[33] [34] [35] [36] [37]}

建物や自動車の空調と暖房は、熱交換器の最も大きな用途の2つです。ほとんどの空調システムと冷蔵システムでは銅管が使用されていますが、一般的な空調ユニットでは現在、アルミニウムフィンが使用されています。これらのシステムは、細菌やカビの温床となり、悪臭や汚れが発生して機能が低下する可能性があります。^{[38]運転効率の向上や有害物質の排出の削減または排除などの厳しい新しい要件により、現代の}HVACシステムにおける銅の役割が高まっています。^[39]

銅の抗菌特性は、HVACシステムの性能と関連する室内空気の質を高めることができます。広範囲にわたるテストの後、銅は米国で暖房および空調機器の表面を細菌、カビ、および白カビから保護するための材料として登録されました。さらに、米国国防総省が資金提供したテストでは、銅製のエアコンが、悪臭の原因となりシステムのエネルギー効率を低下させる細菌、カビ、および白カビの増殖を抑制することが実証されています。アルミニウム製のユニットではこの利点は実証されていません。^{[40] [41]}

銅は他の合金と共存するとガルバニック反応を起こし、腐食を引き起こす可能性がある。^[42]

給湯は、家庭で 2 番目に多いエネルギー消費です。3 ～ 300 キロワット熱量 (kWth) でガス燃料の熱を水に伝達するガス水熱交換器は、給湯や暖房ボイラー機器の用途で住宅や商業施設で広く使用されています。

エネルギー効率の高いコンパクトな給湯システムの需要が高まっています。タンクレスガス給湯器は、必要なときにお湯を作ります。銅製の熱交換器は、熱伝導率が高く、製造が容易なため、これらのユニットに好まれる素材です。酸性環境でこれらのユニットを保護するために、耐久性のあるコーティングやその他の表面処理が利用可能です。耐酸性コーティングは、1000℃の温度に耐えることができます。^{[43] [44]}

空気熱源ヒートポンプは、長年、住宅や商業施設の暖房や冷房に使用されてきました。これらのユニットは、エアコンに使用されるものと同様の蒸発器ユニットを介して空気対空気の熱交換に依存しています。フィン付き水対空気熱交換器は、屋内および屋外の薪ストーブ、ボイラー、ストーブなどの強制空気暖房および冷房システムに最も一般的に使用されています。また、液体冷却アプリケーションにも適しています。銅は、供給マニホールドと戻りマニホールド、およびチューブコイルに指定されています。^[8]

地熱ヒートポンプ技術は、「地中熱源」、「地中結合型」、「直接交換型」などとも呼ばれ、埋設された銅管を通して冷媒を循環させて熱交換を行う。空気熱源ヒートポンプよりはるかに効率の高いこれらのユニットは、凍結帯以下の地中温度の一定性を利用して熱を伝達する。最も効率的な地中熱源ヒートポンプは、ACR、タイプ L、または特殊サイズの銅管を地中に埋めて、空調された空間との間で熱を伝達する。フレキシブル銅管 (通常 1/4 インチから 5/8 インチ) は、深い垂直の穴に埋めたり、比較的浅いグリッド パターンで水平に埋めたり、中程度の深さの溝に垂直のフェンスのような配置で埋めたり、カスタム構成で埋めたりできる。詳細情報はこちら。^[45]

銅とアルミニウムは、電子機器の冷却用途でヒートシンクやヒートパイプとして使用されます。ヒートシンクは、周囲の空気中に熱を放散することで半導体や光電子デバイスを冷却する受動部品です。ヒートシンクの温度は周囲の環境よりも高いため、対流、放射、伝導によって熱が空気中に伝達されます。

アルミニウムはコストが低いため、最も広く使用されているヒートシンク材料です。^[46]銅ヒートシンクは、より高い熱伝導率が必要な場合に必要です。オール銅またはオールアルミニウムヒートシンクの代替として、アルミニウムフィンを銅ベースに接合する方法があります。^[47]

銅製ヒートシンクはダイカストで作られ、プレート状に結合されています。熱源から銅またはアルミニウムのフィンに熱を素早く拡散し、周囲の空気に放出します。

ヒートパイプは、中央処理装置(CPU) やグラフィック処理装置(GPU) から熱をヒートシンクへ移動させ、熱エネルギーを環境に放散させるために使用されます。銅製およびアルミニウム製のヒートパイプは、電力要件の増加とそれに伴う熱放出によって冷却システムに対する要求が高まっている現代のコンピュータ システムで広く使用されています。

ヒートパイプは、通常、高温端と低温端の両方に密閉されたパイプまたはチューブで構成されています。ヒートパイプは、作動流体または冷却剤の蒸発と凝縮によって、ある点から別の点に熱エネルギーを伝達する蒸発冷却を利用しています。ヒートパイプの有効熱伝導率は同等の固体導体よりも数桁大きいため、ヒートシンクよりも長距離の熱伝導が基本的に優れています。^[48]

接合部温度を125～150℃以下に維持する必要がある場合は、通常、銅/水ヒートパイプが使用されます。銅/メタノールヒートパイプは、アプリケーションでヒートパイプを0℃以下で動作させる必要がある場合に使用されます。^[49]

熱伝達における小径の内面溝付き銅管の利点はよく知られている。^{[50] [51]}

直径の小さいコイルは、従来サイズのコイルよりも熱伝達率が高く、環境に優しい新世代の冷媒に必要な高圧に耐えることができます。直径の小さいコイルは、冷媒、フィン、コイルの材料が少なくて済むため、材料コストも低くなります。また、蒸発器と凝縮器のコイルが小さくて軽いため、より小型で軽量な高効率のエアコンや冷蔵庫の設計が可能になります。MicroGroove は、チューブの溝付き内面を使用して表面積と体積の比率を高め、乱流を増加させて冷媒を混合し、チューブ全体の温度を均一化します。^{[52] [53] [54]}

熱交換器を作るための新しい技術は3Dプリントです。3Dプリントでは、複雑な形状や内部チャネルを作成できます。これにより、熱交換器の高性能化が実現します。^[55]印刷された熱交換器は主に産業用です。熱交換器は、純銅、CuCrZr、CuNi2SiCr合金で印刷できます。