液体冷却システムの腐食の回避

水と水/グリコール溶液は、冷却システムや再循環チラーで使用される一般的な熱伝達流体です。流体は熱伝達アプリケーションの生命線ですが、システム内で腐食を引き起こす可能性もあります。

液冷システムの腐食防止

リークやパフォーマンス低下からシステムを保護する

この腐食は、伝熱面のスケーリングによるシステムの熱性能の低下、腐食堆積物によるパイプの直径の減少による流量の減少、そして最終的には腐食損傷によるシステムコンポーネントの交換の必要性をもたらす可能性があります。

腐食は、材料(通常は金属とその環境)の間の化学的または電気化学的反応であり、金属とその特性の劣化をもたらします。この記事では、化学腐食について説明します。(電気化学的またはガルバニック腐食の詳細については、アプリケーションノート「ガルバニック腐食の回避」を参照してください。多くの金属は水の存在下で自然に酸化する傾向があるため、金属部品の腐食は水および水/グリコール冷却システムに固有の問題です。水中の溶存酸素は、ほとんどの腐食プロセスを加速します。閉ループシステムでは、溶存酸素は時間の経過とともに消費され、腐食のリスクがなくなります。ただし、開ループシステムの場合、空気に継続的にさらされると、酸素がクーラントに溶解します。したがって、開ループシステムは、閉口ユニットと比較して腐食の問題が多くなることがよくあります。

腐食は通常、一般または局所的に分類されます。一般的な腐食は、表面全体に均一に分布した金属の損失です。金属が破裂する前に金属損失の速度を検出できるため、通常は急速なシステム障害にはつながりません。一方、局所的な腐食はそれほど予測可能ではありません。それは通常、孔食の形で現れ、金属を非常に素早く貫通し、空洞や穴を形成する可能性があります。局所腐食の別の一般的な形態はキャビテーションであり、これは蒸気のポケットが液体中に形成されるときに起こる。このプロセスは、金属表面近くの局所的な圧力が液体の蒸気圧を下回ったときに発生します。これらの蒸気の泡が崩壊または爆発すると、大量のエネルギーが発生します。これにより、システムコンポーネント(ポンプなど)に深刻な孔食が発生し、大量のノイズが発生し、ポンプ効率が低下します。

潜在的な腐食の問題

腐食は多くの問題を引き起こす可能性があり、最も重要なのはクーラントの漏れを引き起こす可能性のあるミシン目です。その他の問題には、金属が冷媒中の酸素、塩化物、および/または抑制剤と反応して金属表面に戻って析出し、熱伝達バリアとして機能する層を作成するときに発生する表面スケーリングによって引き起こされる熱伝達の減少が含まれる場合があります。さらに、パティキュレートフィルターの目詰まりやメカニカルシールの損傷が懸念されます。

銅が腐食すると、孔食よりも一般的な腐食によって劣化することがよくあります。一般的な腐食は、アンモニア、酸素、または硫黄含有量の高い流体にさらされた銅を攻撃することがよくあります。銅に影響を与える別の腐食源は、塩化物、硫酸塩、重炭酸塩などの流体中の溶解塩です。

アルミニウムの場合、孔食は最も一般的な腐食形態です。孔食は通常、ハロゲン化物イオンの存在によって生成され、そのうち塩化物(Cl-)は液体冷却ループで最も頻繁に発生します。空気に開放されたハロゲン化物溶液中のアルミニウムの孔食は、酸素の存在下で、金属がその孔食電位に容易に分極され、天然に存在する保護酸化物層または膜が浸透するために起こる。このフィルムは、pHが約4.0〜8.5の場合、水溶液中で安定です。フィルムは自然に自己複製され、表面酸化膜の偶発的な摩耗または他の機械的損傷は急速に修復される。 Boyd strongly recommends an inhibitor when using water with aluminum to maintain a clean heat transfer surface.

ステンレス鋼は通常、腐食性環境で使用されますが、アルミニウムと同様に、酸化環境では高濃度の塩化物(>100 ppm)に敏感です。孔食は、ステンレス鋼合金の最も一般的で有害な腐食形態の1つですが、材料が酸素にさらされ、可能な限り塩化物から保護されるようにすることで防ぐことができます。クロム、特にモリブデンと窒素を多く含むステンレス鋼は、孔食に対してより耐性があります。

抑制されていないエチレングリコールによる腐食

Studies show that uninhibited ethylene glycol will degrade into five organic acids - glycolic, glyoxylic, formic, carbonic, and oxalic - in the presence of heat, oxygen, and common cooling system metals such as copper and aluminum. 銅およびアルミニウムは、抑制されていないエチレングリコールの存在下で触媒として作用する。これらの有機酸は、極端な条件(212°Fと抑制されていないエチレングリコール溶液に泡立つ酸素)でわずか3週間で銅とアルミニウムを化学的に攻撃し、流体中に金属有機化合物を形成し、パイプ、ポンプ、バルブなどの詰まりを引き起こす可能性があります。

Literature references often state that copper and aluminum are compatible with uninhibited ethylene glycol, but usually those recommendations are based on a two-week chemical compatibility study of various metals at different temperatures.上記の研究は、抑制されていないエチレングリコールは通常、これらの極端な条件下で3週間後まで分解し始めないことを示しています。結論として、報告されたデータは、金属を溶解するエチレングリコールの能力に基づいており、劣化した酸性の抑制されていないエチレングリコールとその金属への影響の懸念を無視しています。後者は金属に対してはるかに腐食性があります。

腐食からの保護

一般に、腐食はpH制御と腐食防止剤の使用によって減らすことができます。インヒビターは金属表面に付着して不動態化し、腐食を防ぎます。腐食の原因となる可能性のある冷却システム内の停滞ゾーンを回避するために、安定した水流を維持することも重要です。

腐食を防ぐ際には、水質も考慮する必要があります。天然水の腐食効果は、その化学組成によってかなり異なります。この記事で前述したように、塩化物は腐食性であり、水道水に100ppmを超える塩化物が含まれている場合は、水道水の使用を最小限に抑えるか避ける必要があります。水の硬度も、金属表面にスケールを形成するカルシウムとマグネシウムを導入するため、考慮する必要があります。塩化物やスケールの蓄積を防ぐために、脱イオン水、脱塩水、または逆浸透プロセスを通過して有害なミネラルや塩分を除去した水を強くお勧めします。適切な腐食防止剤は、脱イオン水または脱塩水とともに使用する必要があります。

さまざまな金属で使用するためのさまざまな阻害剤があり、それぞれに長所と短所があります。

• リン酸塩は、鉄、鋼、鉛/錫はんだ、およびほとんどのアルミニウム部品の効果的な腐食防止剤です。また、pH制御のための非常に優れたバッファーです。リン酸塩の欠点の1つは、硬水中にカルシウムが沈殿することであり、これは、グリコール/水冷却剤の希釈に脱イオン水が使用される理由の1つです。
• トリルトリアゾールは、銅と真ちゅうに一般的で非常に効果的な腐食防止剤です。
• メルカプトベンゾチアゾールは銅や真ちゅうにも機能しますが、トリルトリアゾールほど安定していません。
• 亜硝酸塩は鉄の優れた腐食防止剤です。高濃度では、この阻害剤は鉛/スズはんだに対して腐食性があります。
• ケイ酸塩はほとんどの金属にとって効果的な抑制剤ですが、冷却システムで厚い堆積物を形成する傾向があります。自動車の不凍液の防錆剤は、ポンプシールの早期故障を引き起こす可能性があります。クロメート油と可溶性油は過去に使用されてきましたが、毒性のためにその使用は大幅に減少しています。現代の阻害剤がそれらに取って代わりました。

液体冷却システムの侵食-腐食

エロージョン腐食の管理による長寿命化

熱交換器とコールドプレートは、水、エチレングリコール、水溶液、油などの熱伝達流体を使用して、ある場所から別の場所に熱を除去して伝達するために冷却アプリケーションで使用されます。これらのアプリケーションで使用される流体と流体経路材料の組み合わせは数千あります。これらのコンポーネントの流体経路材料を選択するための主な基準の1つは、腐食に耐える材料の能力です。腐食には、「侵食腐食」を含むさまざまな形態があります。エロージョン腐食を最小限に抑え、システムの性能と寿命を最適化するためには、流体特性と材料特性を知ることが重要です。

侵食腐食とは何ですか?

エロージョン腐食は、流体と金属表面の相対運動による金属の腐食速度の加速です。これは通常、パイプの曲げとエルボ、チューブのくびれ、および流れの方向や速度を変更するその他の構造で発生します。このタイプの腐食のメカニズムは、金属表面から保護膜または金属酸化物を除去する流体の連続的な流れです。それは、フローストリーム中の浮遊物質の存在下および非存在下の両方で起こり得る。浮遊物質の存在下では、その効果はサンドブラストと非常によく似ており、強いフィルムでさえ比較的低い流体速度で除去することができます。金属表面が露出すると、腐食性媒体に侵食され、流体摩擦によって侵食されます。金属酸化物の不動態層を十分に迅速に再生できない場合、重大な損傷が発生する可能性があります。

一部の材料は、同じ流体条件下での侵食腐食に対して他の材料よりも耐性があります。エロージョン腐食は、銅やアルミニウムなどの軟質合金で最も一般的です。冷却用途で流体の流量を増やすと、その性能が向上する可能性がありますが、侵食腐食も増加する可能性があります。したがって、熱交換器またはコールドプレートの寿命が大幅に低下し、パフォーマンスの改善が最小限に抑えられる可能性があるため、流量を増やすと熱性能にどの程度の影響があるかを判断することが重要です。

表1

エロージョン腐食の制御

侵食腐食を最小限に抑えるためのいくつかの方法には、バリ取り(すなわち、凹凸を滑らかにする)によってパイプ内の流路を改善すること、曲げをより大きな角度にすることを許可すること、およびパイプの直径を突然ではなく徐々に変化させることが含まれます。他の方法には、流量を遅くする(乱流を最小限に抑える)、溶存酸素の量を減らす、pHを変える、パイプ材料を別の金属または合金に切り替えるなどがあります。

使用する流体経路材料に加えて、流体の温度を考慮することも重要です。より高い温度では、浸食腐食を最小限に抑えるために流量を下げる必要があります。たとえば、原則として、水流速度は冷水の場合は8フィート/秒、温水の場合は5フィート/秒を超えてはなりません(最大約140°F)。水温が日常的に140°Fを超えるシステムでは、流速は3フィート/秒を超えてはなりません。他の一般的なチューブ材料で推奨される最大水速度については、表1を参照してください。他の流体の場合、最大許容流体速度は以下から計算できます。

特定の流体の許容速度] = [水の許容速度] x [水の密度/特定の液体の密度] 1/2。

どの冷却システムにおいても、熱性能と信頼性/寿命の間には常にトレードオフがあります。流体の流れを増やすと、ある程度までしか冷却またはパフォーマンスが向上します。その後、流体速度の増加により、チューブの内側の金属表面が急速に侵食され、腐食し始める可能性があります。設計者は、アプリケーションに最適なソリューションを決定するために、上記のようなさまざまな要因を考慮する必要があります。

ガルバニック腐食の回避

液体冷却ループでの腐食の発生

ガルバニック腐食速度は、2つの金属間の電位に依存します。ガルバニックシリーズ(図2)は、流れる海水中で金属が示す電位に基づいて金属を注文します。最も反応性の高いものはテーブルの上部にあり、最も反応の少ないものは下部にあります。

冷却ループ内にある可能性が高い高温は、ガルバニック腐食を加速します。温度が10°C上昇すると、腐食速度が約2倍になる可能性があります。腐食防止剤を冷却水に添加することができる。

これは、ガルバニック腐食を遅くしますが、排除するものではありません。腐食防止剤は、溶液中のイオンと結合して中和します。阻害剤はこのプロセスで消費されるため、定期的に交換する必要があります。オイルなどの非水性クーラントは、イオンをサポートしないため、ガルバニック腐食を排除します。ただし、伝熱油の熱伝導率は一般に水ベースのクーラントよりも大幅に低いため、熱性能が犠牲になります。

ガルバニック腐食を避けるために、冷却ループ全体で同じ材料、または同様の電位を持つ材料を使用することを強くお勧めします。配管、コネクタ、およびその他のコンポーネントがシステムに反応性金属を導入しないようにする必要があります。

回路全体で同じ材料を使用しても、パフォーマンスを犠牲にする必要はありません。Boydは、アルミニウム、銅、ステンレス鋼の流体経路を備えた高性能熱交換器とコールドプレートを提供しています。

Boydのアプリケーションエンジニアは、コンポーネント材料の互換性について相談することができます。慎重な設計とコンポーネントの選択により、冷却ループから何年にもわたって信頼性が高く腐食のないサービスを保証できます。

液体冷板およびプレートフィン熱交換器用のアルミニウム耐食性

液体冷却ループのコンポーネントを選択するときは、それらの材料の互換性と個々の性能を考慮する必要があります。アルミニウム管のコールドプレートと銅管の熱交換器を組み合わせると、熱要件を満たす可能性がありますが、信頼性の高い冷却回路ではありません。銅とアルミニウムは電気化学ポテンシャルが大きく異なるため、冷却システムで組み合わせると、ガルバニック腐食が発生する可能性があります。ガルバニック腐食(異種金属腐食とも呼ばれます)は金属を侵食し、時間の経過とともに漏れを引き起こします。

液体コールドプレート内のアルミニウムの腐食

アルミニウムはその耐食性で知られています。適切な条件下では、アルミニウムは急速に保護酸化物層を形成します。一般に、これは酸素が容易に利用可能であり、周囲の媒体が適度なpHを有するときに起こる。アルミニウム腐食には、均一腐食と局所腐食の2つの典型的な症状があります。 Uniform corrosion happens when the oxide layer is soluble in the corrosive medium. "The oxide film is soluble in alkaline solutions and in strong acids…but is stable over a pH range of approximately 4.0 - 9.0." In uniform corrosion, the entire oxide layer is being stripped away faster than it can reform.局所腐食は、通常はピットの形で、母材または周囲の環境に不均一性がある場合に発生します。金属は、ガルバニック対を生成する合金元素の局所濃度を有し得る。同様に、周囲の環境は、塩化物などの活性元素の局所的な濃度を有し得る。

液体コールドプレートと熱交換器は、多くの異なる流体とともに使用され、通常、同じ流体の再循環を伴います。アルミニウム製のコールドプレートや熱交換器で使用してはならない流体の1つは水です。水道水には、銅、重炭酸塩、塩化物、および/または腐食を促進するその他の不純物などの活性イオンが含まれている可能性があります。さらに、閉ループで同じ流体を経時的に再循環させると、溶存酸素が溶液から出てきます。結果として生じる酸素の欠乏は、酸化物層の形成を阻害するであろう。十分な時間があれば、アルミニウムは酸素から隔離され、低品質の水にさらされると最終的に腐食します。

水が熱伝達システムに適した選択肢である場合、蒸留水は通常、グリコールと組み合わせて凝固点を下げ、沸点を上げます。上記の理由から、腐食防止剤を使用することが重要です。腐食防止剤は、耐食性層の形成において酸素の役割を引き継ぐ活性イオン(通常はリン酸塩)の制御された量です。これらの阻害剤はアルミニウムとの化学反応に依存するため、水道水などの低品質の水を使用すると、阻害剤の有効性が低下します。

耐食性の設計

合金の選択は、高い耐食性の重要な要素です。例えば、プレートフィン熱交換器の流体通路を分離するろう付けシートは、通常、シート全体の厚さの約10%を占める内部コアと外部クラッド層で構成されています。クラッド層は、ろう付けシートをホットフィンとコールドフィンの両方に、ろう付けシートをサイドバーに接合するろう付け合金です。真空ろう付け合金は、シリコーンやその他の元素を使用して合金の融点を下げます。ろう付け合金はコアよりも陽極であるため、ろう付け合金は陰極防食、ひいては腐食保護を提供します。

陰極防食は、何十年にもわたって造船業で使用されてきた概念です。鋼製の船体の場合、亜鉛などの活性元素で作られたプラグを使用して船体を保護します。亜鉛は鋼よりも活性が高いため、亜鉛は鋼よりも速く腐食します。 Among the alloying elements of aluminum, the alloys with a minimum of copper and iron have the best corrosion resistance. "3xxx series alloys are generally among those having the highest general corrosion resistance…The 6xxx alloys also have high resistance."

コールドプレートと熱交換器の設計には、他にも考慮事項があります。内部流体静圧と外部応力により、コアコンポーネントにストレスがかかります。これらの応力により、ろう付けシートやフィンに高強度合金(6xxxシリーズ)を使用する必要があることがよくあります。ろう付けシートの厚さは、性能、重量、および腐食保護の間のトレードオフです。厚いろう付けシートは重く、熱性能を低下させます。薄いろう付けシートは、応力に耐える強度が低く、腐食保護が少なくなります。腐食性環境が存在する場合、薄いろう付けシートは厚いシートよりも短い時間で攻撃に耐えます。

コールドプレートと熱交換器のリークテスト

コールドプレートと熱交換器は、製造プロセス中に純水で油圧でテストされる場合があります。ただし、テストの実施に必要な時間よりも長く水がユニット内に留まってはいけません。 A thorough drying process is critical to eliminate the possibility of water corrosion. “Bubble testing,” or pressurizing a unit with a gas and submerging it in water, is used widely throughout the industry.この方法では、テスト後に外面を乾燥させる必要があります。 Boydのテストサービスと手順の詳細をご覧ください。

液体コールドプレートと熱交換器の操作

水/グリコールコールドプレートまたは熱交換器を操作するときは、メンテナンス計画を立てることが重要です。典型的なメンテナンス作業は、抑制されたエチレングリコールと水の適切な混合物をシステムに洗い流して補充することです。これは、運用評価フェーズ中のシステムレベルのテストによって決定された間隔で定期的に実行する必要があります。定期的に、流体のpHと屈折率を測定する必要があります。これらの測定値は時間の経過とともに変化します。これらの測定値から、フラッシング頻度を決定することができました。

展開中、クーラントシステムが「補充」されるのが一般的です。この方法は、グリコール濃度が阻害剤を無効にするほど希釈されない限り、コールドプレートまたは熱交換器に害を及ぼすことはありません。阻害剤の有効性は、トップオフ水質、流体ループ内の他の金属タイプ、およびシステム内の阻害剤の年齢の関数です。「トッピングオフ」を使用する場合は、液体のpHを監視することをお勧めします。pHが4.0を下回るか、9.0を超えた場合は、できるだけ早くシステムのフラッシュ/充填を行う必要があります。

耐食性は、コールドプレートまたは熱交換器の設計から始まります。アルミニウムコールドプレートまたは熱交換器の寿命を最大化するメンテナンス手順を開発することも重要です。

腐食防止の概要

腐食を一斉に止めることはできませんが、腐食を大幅に制限する方法はあります。適切な流体経路材料を選択し、溶液の化学的性質(特にpHレベルと水質)を監視し、適切な阻害剤を選択することにより、腐食によるコストへの影響を最小限に抑え、液体冷却ループの効果的な動作を何年にもわたって保証できます。