JP5643500B2

JP5643500B2 - 熱交換器用アルミニウムフィン材

Info

Publication number: JP5643500B2
Application number: JP2009249067A
Authority: JP
Inventors: 直隆冨田; 紀寿磯村
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: JP2011094873A

Description

本発明は、熱交換器用アルミニウムフィン材に関する。

空調機や冷蔵庫における熱交換器としては、多数のプレートフィンとチューブとを組み合わせて構成されるプレートフィンチューブ熱交換器が多用されている。
従来、上記プレートフィンには、軽量で熱伝導性及び加工性に優れていることからアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、アルミニウムという）が使用されている。

上記プレートフィンは、アルミニウム板よりなる熱交換器用フィン材に、上記チューブを挿通して固定するための１〜４ｍｍ程度の高さのフィンカラー部を有する組み付け孔をプレス加工して作製する。
次いで、この得られたプレートフィンを積層した後に、前記組み付け孔の内部に、別途作製したチューブを挿通させる。

チューブには、通常、銅管又は銅合金管を転造加工等によって内面に溝加工を施す加工等を行い、定尺切断・ヘアピン曲げ加工を施したものが供される。
次に、チューブをアルミニウムプレートフィンに拡管固着し、ヘアピン曲げ加工を施した側と反対側のチューブ端部にＵベンド管をろう付け加工する工程を経て、熱交換器が作製される。

上記プレートフィンチューブ熱交換器のフィン表面は、使用時に結露状態となる。
そのため、アルミニウム板よりなる上記熱交換器用フィン材の表面には、親水性塗膜が形成されている。この親水性塗膜により、結露水を均一な水膜とし、円滑に落下、排出させ、結露水による通風抵抗（空気がフィン間を通過する際の抵抗）を低くし、熱交換器の性能を維持することが可能になる。

ところが、近年、エアコンなどの空調機の冷房運転時に、噴出し口から水滴が飛散するという所謂水飛び現象が問題となっている。これは、室内空間中を浮遊するさまざまな汚染物質が熱交換器用のプレートフィン表面に付着し、親水化表面が撥水化するためにおこると考えられている。
そこで、汚染物質がプレートフィンに付着しても親水性を維持できる耐汚染性に優れた塗料組成物及びアルミニウムフィン材が開発されている（特許文献１〜特許文献３参照）

特開２００１−２０１２８９号公報特開２００５−７５８４１号公報特開２０００−２５６８６８号公報

しかしながら、従来のフィン材及び塗料組成物を用いても上述の水飛び現象を十分に回避することはできなかった。
本願発明者らは、水飛び現象の原因を詳細に解析した結果、汚染物質の中でも、ヘキサデカノール、オクタデカノール等の高級アルコールが水飛び現象の原因となっていることを見出した。そして、これらの汚染物質がフィン材に付着することにより、フィン材が撥水化しなくとも均一な水膜の形成が阻害され、水飛び現象を引き起こすことを見出した。

本願発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ヘキサデカノール等の高級アルコールが付着し難く、水飛び現象を抑制できる熱交換器用アルミニウムフィン材を提供しようとするものである。

本発明は、アルミニウムよりなる基板と、該基板の表面に形成した１層又は複数層の塗膜とからなり、
該塗膜の最外層は、ケン化度９０％以上のポリビニルアルコール系樹脂を固形分質量％で９５％以上含有し、かつ流速５Ｌ／時間の温度２５℃の流水に２４時間曝した後の表面粗さＲａが０．２μｍ以下の親水性塗膜からなり、
上記親水性塗膜に、少なくともヘキサデカノール又はオクタデカノールからなる高級アルコールを接触させた後の該高級アルコールの付着量が２ｍｇ／ｍ²未満であることを特徴とする熱交換器用アルミニウムフィン材にある（請求項１）。

本発明の熱交換器用アルミニウムフィン材においては、上記最外層に、ケン化度９０％以上のポリビニルアルコール系樹脂を固形分質量％で９５％以上含有し、かつ上記条件で流水に曝した後の表面粗さＲａが０．２μｍ以下の上記親水性塗膜が形成されている。該親水性塗膜は、親水性を示し、ヘキサデカノール及びオクタデカノール等の高級アルコールの付着を防止することができる。
そのため、上記熱交換器用アルミニウムフィン材においては、結露水を均一な水膜にすることができ、水飛び現象の発生を抑制することができる。
このように、本発明によれば、ヘキサデカノール等の高級アルコールが付着し難く、水飛び現象を抑制できる熱交換器用アルミニウムフィン材を提供することができる。

実施例１における、基板上に、化成皮膜と親水性塗膜とが形成された熱交換器用アルミニウムフィン材の断面を示す説明図。実施例１における、基板上に、化成皮膜と耐食性塗膜と親水性塗膜とが形成された熱交換器用アルミニウムフィン材の断面を示す説明図。実施例１における、耐汚染性の評価装置の構成を示す説明図。ポリビニルアルコール系樹脂の基本骨格の構造式を示す説明図。

上記熱交換器用アルミニウムフィン材は、上述のごとくアルミニウムよりなる基板を有する。
上記基板としては、フィン材として用いられるものであれば、いずれのアルミニウムを用いても良い。本明細書において「アルミニウム」は、アルミニウムを主体とする金属及び合金の総称であり、純アルミニウム及びアルミニウム合金を含む概念である。

また、上記熱交換器用アルミニウムフィン材は、上記基板の表面に形成された１層又は複数層の塗膜を有している。該塗膜は、上記基板の片面又は両面に形成することができる。
複数層から塗膜は、異なる成分組成の塗料を重ね塗りすることにより形成することができる。同一種類の塗料を一回塗布して形成した塗膜は１層であるが、さらに成分組成が同一の塗料を複数回重ね塗りして形成した塗膜も１層である。

複数層の上記塗膜を形成する場合には、例えば、上記基板の表面に、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、塩化ビニル系樹脂等からなる耐食性塗膜を形成し、さらにその上に上記親水性塗膜を最外層として形成することができる。
この場合には、上記熱交換器用アルミニウムフィン材の耐食性を向上させることができる。
上記耐食性塗膜は、例えば膜厚０．５〜３．０μｍで形成することができる。
上記耐食性塗膜の膜厚が０．５μｍ未満の場合には、耐食性を十分に確保することができなくなるおそれがある。一方、３．０μｍを越える場合には、上記熱交換器用アルミニウムフィン材の伝熱性を低下させてしまうおそれがある。

また、上記塗膜と上記基板の間には、化成皮膜からなる下地処理層を設けることができる。
上記化成皮膜としては、例えば、リン酸クロメート、クロム酸クロメート等のクロメート処理、クロム化合物以外のリン酸チタンやリン酸ジルコニウム、リン酸モリブデン、リン酸亜鉛、酸化ジルコニウム等によるノンクロメート処理等の化学皮膜処理、いわゆる化成処理により得られる皮膜を採用することができる。なお、上記クロメート処理やノンクロメート処理等の化成処理方法には、反応型及び塗布型があるが、本発明においてはいずれの手法が採用されても何ら差し支えない。
下地処理層は、例えば１００ｍｇ／ｍ²以下で形成することができる。

上記基板に化成皮膜を形成する場合には、アルミニウムよりなる基板と上記塗膜との密着性を向上させることができる。また、耐食性を向上することができ、水、塩素化合物等の腐食性物質が基板の表面に浸透した際に惹起される塗膜下腐食が抑制され、塗膜割れや塗膜剥離を防止することができる。

上記親水性塗膜は、ケン化度９０％以上のポリビニルアルコール系樹脂を固形分質量％で９５％以上含有する。
上記親水性塗膜による上述の高級アルコールに対する付着抑制効果は、上記ポリビニルアルコール系樹脂の含有量が多い程大きくなる。
ポリビニルアルコール系樹脂の含有量が５０％以下の場合には、ヘキサデカノール等の高級アルコールが付着し易くなるおそれがある。また、上記親水性塗膜の親水性が低下するおそれがある。より好ましくはポリビニルアルコールの含有量は７０％以上がよく、さらにより好ましくは９０％以上がよい。

また、ケン化度が９０％未満の場合には、上記熱交換器用アルミニウムフィン材表面が結露状態になったときに、上記ポリビニルアルコール系樹脂が結露水に溶け込み易くなる。その結果、上記親水性塗膜が上述の高級アルコールに対する付着抑制効果を十分に発揮することができなくなるおそれがある。

ケン化度は、ＪＩＳＫ６７２６（１９７７）に準じて測定することができる。
また、ケン化度は、市販のポリビニルアルコール系樹脂のカタログ等に記載されており、これらのカタログスペックから、ケン化度９０％以上のポリビニルアルコール系樹脂を採用することができる。

また、上記ポリビニルアルコール系樹脂は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）樹脂及びＰＶＡ変性樹脂を含む概念である。
ＰＶＡは、図４に示す基本骨格構造を有する合成樹脂であり、ＰＶＡ変性樹脂は、図４に示す基本骨格構造の水酸基（ＯＨ基）の一部を例えばアクリル酸アミド、アルキル基、及びカルボキシル基等で置換した基本骨格構造を有する合成樹脂である。
上記ポリビニルアルコール系樹脂としては、ＰＶＡ樹脂及び／又はＰＶＡ変性樹脂を採用することができる。

上記親水性塗膜は、上記ポリビニルアルコール系樹脂以外の合成成分として、例えばポリアクリルアミド系樹脂（ポリアクリルアミド及びその誘導体等）、ポリアクリル酸系樹脂（ポリアクリル酸及びその誘導体等）、セルロース系樹脂（カルボキシメチルセルロースナトリウム、カルボキシメチルセルロース系アンモニウム等）、ポリエチレングリコール系樹脂（ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド等）、及びコロイダルシリカ等を含有することができる。これらは１種又は２種以上を含有することができる。

また、上記親水性塗膜は、ノニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、及びアニオン系界面活性剤等の界面活性剤を含有することもできる。これらは１種又は２種以上を含有することができる。

また、上記親水性塗膜は、ワックス類を含有することができる。この場合には、上記親水性塗膜の表面の滑りをよくすることができる。
また、上記親水性塗膜は、消泡剤を含有することもできる。

また、上記親水性塗膜は、親水性塗膜上に水２μｌを滴下し、１０秒以内に接触角計を用いて測定した水との接触角が５０°以内であることが好ましい。
接触角が５０°を越える場合には、上記親水性塗膜の親水性が不十分になるおそれがある。接触角５０°以下の親水性塗膜は、上記の所定のポリビニルアルコール系樹脂の含有量を５０％以上にすることにより実現することができる。より好ましくは４５°以下がよい。上記親水性塗膜は、流速５Ｌ／時間の温度２５℃の流水に２４時間曝した後及び流水に曝す前において、上述の水との接触角が５０°以下であることが好ましく、４５°以下であることがより好ましい。

また、上記最外層の上記親水性塗膜は、流速５Ｌ／時間の温度２５℃の流水に２４時間曝した後の表面粗さＲａが０．２μｍ以下である。
一般に、上記親水性塗膜は、流水に曝した後は、表面粗さＲａが大きくなる傾向にあるが、本発明においては、上記のごとく流水に曝した後における表面粗さＲａが０．２μｍ以下になっている。
そのため、熱交換器用アルミニウムフィン材としての実使用環境下でヘキサデカノール等の高級アルコールの付着を長期間抑制することができる。
上記表面粗さＲａが０．２μｍを越える場合には、ヘキサデカノール及びオクタデカノール等の高級アルコールの蒸気が、上記親水性塗膜の表面に接触した際に微粒子となって付着し易くなり、さらに付着した後に脱落し難くなる。そのため、水飛び現象を抑制することが困難になるおそれがある。

また、上記親水性塗膜の膜厚は、０．３〜１０μｍであることが好ましい。
上記親水性塗膜の膜厚が０．３μｍ未満の場合には、その親水性効果を十分に発揮することができなくなるおそれがある。一方、１０μｍを超える場合には、上記熱交換器用アルミニウムフィン材の伝熱性を低下させてしまうおそれがある。より好ましくは、上記親水性塗膜の膜厚は１μｍ〜５μｍ以下がよい。

（実施例１）
本例は、本発明の実施例及び参考例にかかる熱交換器用アルミニウムフィン材（試料Ｅ１〜試料Ｅ５）及び比較例にかかる熱交換器用アルミニウムフィン材（試料Ｃ１〜試料Ｃ５）を作製し、これらの特性を評価する例である。
本発明の実施例及び参考例にかかる熱交換器用アルミニウムフィン材１（試料Ｅ２〜試料Ｅ５）は、図１に示すごとく、アルミニウムよりなる基板２と、その表面に形成した親水性塗膜３１からなる塗膜３とを有する。
また、熱交換器用アルミニウムフィン材１（試料Ｅ２〜試料Ｅ５）においては、図１に示すごとく、基板２と塗膜３との間、即ち、基板２と親水性塗膜３１との間に、化成皮膜からなる下地処理層４が形成されている。

また、試料Ｅ１の熱交換器用アルミニウムフィン材１は、図２に示すごとく、アルミニウムよりなる基板２と、その上に形成された下地処理層４と、その上に形成された塗膜３とを有する。塗膜３においては、耐食性塗膜３２と親水性塗膜３１が積層形成されており、耐食性塗膜３２が基板２側（下地処理層４側）に形成され、その上に形成された親水性塗膜３１が最外層を形成している。

以下、本例の熱交換器用アルミニウムフィン材１の製造方法につき、説明する。
まず、アルミニウムよりなる基板２として、ＪＩＳＡ１０５０−Ｈ２６、厚み０．１ｍｍのアルミニウム板を準備した。
次に、基板２に対してリン酸クロメートを浸漬処理することにより、基板２の表面にリン酸クロメートよりなる化成皮膜４を形成した。

次に、試料Ｅ１の熱交換器用アルミニウムフィン材の作製にあたっては、図２に示すごとく、化成皮膜４上に、バーコーターを用いてエポキシ樹脂を塗布し、温度２２０℃で１０秒間加熱することにより、膜厚１μｍの耐食性塗膜３２を形成した。空冷後、表１に示す組成の親水性塗膜用の塗料を耐食性塗膜３２の表面に塗布し、温度２２０℃で１０秒間加熱することにより、膜厚１．５μｍの親水性塗膜３１を形成した。このようにして、熱交換器用アルミニウムフィン材１（試料Ｅ１）を得た。

また、図１に示すように、試料Ｅ２〜試料Ｅ５及び試料Ｃ１〜試料Ｃ５の作製にあたっては、耐食性塗膜を形成することなく、上記化成皮膜４の上に、表１に示す組成の親水性塗膜用の塗料を塗布し、温度２２０℃で１０秒間加熱することにより、膜厚１．５μｍの親水性塗膜３１を形成した。このようにして、熱交換器用アルミニウムフィン材１（試料Ｅ２〜試料Ｅ５及び試料Ｃ１〜試料Ｃ５）を得た。
各試料について、親水性塗膜が含有するＰＶＡ系樹脂のケン化度、その含有量、ＰＶＡ系樹脂以外の成分、及び耐食性塗膜の有無を表１に示す。なお、親水性塗膜は、表１に示すＰＶＡ系樹脂とＰＶＡ系樹脂以外の成分との合計量１００質量部からなる。

次に、各試料（試料Ｅ１〜試料Ｅ５及び試料Ｃ１〜試料Ｃ５）について、その表面粗さを測定した。
具体的には、まず、各試料を１００ｍｍ×１００ｍｍ角に切断し、流速５Ｌ／時間の流水（温度２５℃）に２４時間曝した。次いで、各試料から走査型レーザー顕微鏡観察用の試料を調整し、走査型レーザー顕微鏡により、１００倍の倍率で、板の圧延方向と平行な方向で表面粗さＲａを測定した。測定は同一条件の試料についてそれぞれ７回ずつ実施し、その平均を求めた。その結果を表１に示す。

次に、各試料について、以下のようにして耐汚染性と親水性の評価を行った。
＜耐汚染性＞
各試料を１００ｍｍ×１００ｍｍ角に切断し、流速５Ｌ／時間の流水（温度２５℃）に２４時間曝した。次いで、図３に示すごとく、容積１００Ｌの蓋５０付きの円柱形容器５を準備し、この円柱形容器５の底部にヒータ６を配置し、さらにヒータ６上にヘキサデカノールを４０ｍｌ入れた直径約１００ｍｍのビーカ７を配置した。
また、円柱形容器５の上部に、その直径方向に伸びる針金８１を張り、さらにこの針金８１から円柱形容器５の底部の方向に針金８２を垂らした。そして、針金８２の端部に、各試料の熱交換器用アルミニウムフィン材１を取り付けた。
次に、ヒータ６を作動させて、ビーカ７内のヘキサデカノールを加熱し、温度６０℃で保持した。この状態で円柱形容器５の上部に蓋５０を配置して円柱形容器５内を密閉した。このように、熱交換器用アルミニウムフィン材１がヘキサデカノールの蒸気に曝される状態にして、７２時間保持した。
次に、各試料に付着したヘキサデカノールをエタノールにより抽出し、ガスクロマトグラフィ分析によりその付着量を定量した。
その結果を表２に示す。

＜親水性＞
接触角計を用いて液滴法により接触角を測定した。
具体的には、各試料の親水性塗膜上に水２μｌを滴下し、１０秒以内にＥＬＭＡ社製ゴニオメータを用いて、水との接触角を測定した。
接触角は、流水に曝す前の初期状態の試料と、流速５Ｌ／時間の流水（温度２５℃）に２４時間曝した試料についてそれぞれ測定した。
その結果を表２に示す。

表１及び表２より知られるごとく、試料Ｅ１〜試料Ｅ５は、十分に優れた親水性を示しつつ、ヘキサデカノールが付着し難くなっていた。即ち、流水に曝す前後において、水との接触角５０°以下という十分に優れた親水性を示しつつ、ヘキサデカノールの付着量が０．２ｍｇ／ｍ²未満（検出限界以下）であり、ヘキサデカノールなどの高級アルコールに対して優れた耐汚染性を示した。

これに対し、試料Ｃ１及び試料Ｃ２は、親水性塗膜のポリビニルアルコール系樹脂の含有量が少なすぎ、さらに、表面粗さＲａが大きすぎるため、ヘキサデカノールの付着量が多くなっていた。
また、試料Ｃ３は、表面粗さＲａが大きすぎ、試料Ｃ４はポリビニルアルコール系樹脂の含有量が少なすぎたため、これらの試料Ｃ３及び試料Ｃ４は、やはりヘキサデカノールの付着量が多くなっていた。
また、試料Ｃ５は、ポリビニルアルコール系樹脂のケン化度が低すぎて、流水に曝した後における親水性塗膜の親水性が大きく劣化していた。また、耐汚染性についても、ヘキサデカノールの付着量が多くなっていた。これは、ケン化度の低いポリビニルアルコール系樹脂を用いたため、流水に曝したときに親水性塗膜から流出するポリビニルアルコール系樹脂の量が多くなったことによると考えられる。

以上のように、ケン化度９０％以上のポリビニルアルコール系樹脂を５０％を超える量で含有し、かつ表面粗さが０．２μｍ以下の親水性塗膜を有する熱交換器用アルミニウムフィン材（試料Ｅ１〜試料Ｅ５）は、優れた親水性を示しつつ、ヘキサデカノール等の高級アルコールが付着しにくい。よって、かかる熱交換器用アルミニウムフィン材は、水飛び現象を防止することができる。

１熱交換器用アルミニウムフィン材
２基板
３塗膜
３１親水性塗膜

Claims

アルミニウムよりなる基板と、該基板の表面に形成した１層又は複数層の塗膜とからなり、
該塗膜の最外層は、ケン化度９０％以上のポリビニルアルコール系樹脂を固形分質量％で９５％以上含有し、かつ流速５Ｌ／時間の温度２５℃の流水に２４時間曝した後の表面粗さＲａが０．２μｍ以下の親水性塗膜からなり、
上記親水性塗膜に、少なくともヘキサデカノール又はオクタデカノールからなる高級アルコールを接触させた後の該高級アルコールの付着量が２ｍｇ／ｍ²未満であることを特徴とする熱交換器用アルミニウムフィン材。