JP2012187607A - 熱交換器用アルミニウムフィン材 - Google Patents

Abstract

【課題】外面に潤滑層が形成された構造であって、プレス加工を行っても金型に転写し難い潤滑層を備えたフィン材を提供する。
【解決手段】熱交換器用アルミニウムフィン材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるフィン材本体１３の外面に、水溶性樹脂からなり、分子量が５０００以上、２０万以下で、針入度が１０以下の潤滑層１５が形成されてなることを特徴とする。潤滑層１５は水溶性ポリエーテルからなることが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、潤滑剤を備えた熱交換器用アルミニウムフィン材に関する。

ルームエアコンなどの熱交換器のフィンの構成材料として、軽量性、加工性、熱伝導性の面からアルミニウムやアルミニウム合金（以下併せて、アルミニウム材という）が広く使用されている。このアルミニウム材からなる熱交換器用フィンは、表面に予め耐食性下地皮膜と親水性皮膜をこの順に形成し、特に長期の耐湿環境下における親水性皮膜の密着性に優れ、目的の親水性と耐食性を長期に渡り維持できるようにした構造が採用されている。また、この種の親水性皮膜を備えた構造の熱交換器用プレコートフィンは、各種用途に応じたフィン形状にプレス加工された後、各種空調機器対応の熱交換器用プレコートフィンとして使用されている。
この熱交換器用プレコートフィンは、通常、フィンの表面で結露した水滴がフィンの隙間を塞いで通風抵抗の増加をもたらし、熱交換効率が低下することを防止する必要があるので、上述の如く親水性皮膜が設けられている。

このような親水性皮膜を形成したプレコートフィンの一例として、水溶性有機高分子化合物と無機ケイ酸塩との混合物を塗布して水ガラス系の親水性皮膜を形成した構造が知られている。
また、上述の無機系耐食皮膜に代えて、有機高分子樹脂からなる下地皮膜を形成した後、前記した水ガラス系の親水性皮膜を形成するタイプの皮膜構造を備えた熱交換器用フィンが知られている。（特許文献１、２参照）

しかし、この種のタイプのプレコートフィンは、表面に無機系耐食皮膜が存在するので、この無機系耐食皮膜の硬さが原因でフィン成形加工時にプレス金型が摩耗しやすくなる問題がある。
即ち、従来のプレコートフィンにあっては、上述の結露の問題を解消した上で加工用金型の摩耗を少なくできる構造が望まれている。
また、熱交換器用のプレコートフィンとして、多価アルコールを主成分として含む耐食性皮膜と、親水性皮膜とがこの順で形成され、親水皮膜形成後に水洗または酸洗処理が施され、耐食性と親水性に優れた皮膜構造を有するものが知られている。（特許文献３参照）

特公平２−４２３８９号公報 特公平３−７７４４０号公報 特開平１１−８３３８４号公報

上述の背景から、プレコートフィン材において、プレス加工性と親水性を考慮した場合、アルミニウム材の表面に親水性皮膜を塗布した上にもう一層、潤滑層を塗布して製品化することがなされている。この潤滑層をプレス加工以前に親水性皮膜上に被覆しておくならば、プレス加工中の金型に対しフィン材の潤滑性を向上させることができ、焼き付きや編肉のない状態で目的の寸法精度のプレコートフィンを成形できる。
ところが、プレコートフィン材の表面に潤滑層が存在し、金型を用いてフィン材をプレス加工するということは、加工中の型に対し潤滑層が擦り付けられることでもあるので、潤滑層が滑り易いという性質だけではなく、潤滑層を構成する潤滑剤が金型に転写しやすい成分であった場合、プレス加工を繰り返すうちに、潤滑剤が徐々に金型側に堆積し、潤滑剤過多となる傾向がある。この結果、フィン材が金型内で更に滑りやすくなり、プレス加工時にフィン材の送りピッチが乱れるおそれがある。プレス加工時の送りピッチが乱れると、フィン材各部のピッチや形状が乱れるのでフィン材の成型精度が低下する結果、フィン材の挿通孔に冷媒循環用の銅管などの伝熱管を差し込み、熱交換器として組み付ける場合、伝熱管を挿入することが困難になるなどの問題を生じるおそれがある。

本発明者は上述のプレス加工時のフィン材の成形挙動を研究した結果、熱交換器のアルミニウムフィン用の潤滑剤は、フィンの加工のために重要であるが、潤滑剤が柔らかすぎるとプレス加工の金型に潤滑剤が過剰に転写し、過潤滑となり易く、アルミニウムフィンを形成するためのアルミニウム材において金型への送り量が安定しなくなり、上述の問題を引き起こすことが判明した。
本発明は、上述の背景に鑑みなされたもので、外面に潤滑層が形成された構造であって、プレス加工を行って目的の形状に加工しても金型に転写し難い潤滑層を備え、過潤滑を生じないので成型精度を高めることができる熱交換器用アルミニウムフィン材の提供を目的とする。

本発明の熱交換器用アルミニウムフィン材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるフィン材本体の外面に、水溶性樹脂からなり、分子量が５０００以上、２０万以下で、針入度が１０以下の潤滑剤が塗布されてなることを特徴とする。
本発明の熱交換器用アルミニウムフィン材は、前記潤滑剤が水溶性ポリエーテルからなることを特徴とする。
本発明の熱交換器用アルミニウムフィン材は、前記フィン材本体の外面に親水性皮膜が形成され、その上に前記潤滑剤が塗布されたことを特徴とする。

分子量が５０００以上、２０万以下で針入度が１０以下の潤滑層を外面に備えているならば、プレス加工を行って熱交換器用アルミニウムフィンに成形した場合、プレス成形用金型に対する潤滑剤の転写量を適切な量に抑制することができ、過剰な潤滑剤を金型側に堆積させないので、アルミニウムフィン材をプレス加工により形成する場合にピッチが乱れること無く精度良くアルミニウム材を送ってプレス加工することができる。よって、目的の形状に目的の寸法精度のアルミニウムフィン材を加工できるので、加工ムラが無くなり、銅管などの伝熱管を挿通して熱交換器として組み立てる場合に問題を起こすことなく組立ができる。

また、分子量が５０００以上、２０万以下で針入度が１０以下の潤滑層を外面に備えているならば、潤滑剤の塗布の際に糸を引くことなく均一に塗布が可能であり、均一な潤滑層を形成できる。前記潤滑層を設けることによって、下地の親水性皮膜が有する親水性を阻害することなく潤滑ができるようになり、プレス加工後においても優れた親水性を備えた熱交換器用アルミニウムフィン材が得られる。

本発明に係るアルミニウムフィン材からなる熱交換器用アルミニウムフィンの一構成例を示す斜視図。 図１に示すアルミニウムフィンを複数備えて構成された熱交換器の一例構造を示す斜視図。 本発明に係るアルミニウムフィン材の一例を示す部分断面図。 図３に示すアルミニウムフィン材と抑え部材との位置関係を示す部分断面図。 図３に示すアルミニウムフィン材表面の潤滑剤が抑え部材側に転写された状態の一例を示す部分断面図。

以下、本発明の潤滑剤、アルミニウムフィン材および熱交換器について詳細に説明する。
図１は、本発明に係るアルミニウムフィン材からなるアルミニウムフィンの一例を示す斜視図、図２は同アルミニウムフィンを複数備えた熱交換器の一例を示す斜視図、図３は同アルミニウムフィン材の部分断面図である。
本実施形態のアルミニウムフィン１０は細長い短冊形状をなしており、銅製の伝熱管を通すためのラッパ状のフレア１１が、長さ方向に単列、或いは複数列で所定の間隔に配されている。また、アルミニウムフィン１０の表面には、伝熱性能の向上を目的にスリット１２が必要箇所設けられている。
図１に示すアルミニウムフィン１０は、一例として図３に示すように、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるフィン材本体１３の両面に親水性皮膜１４と潤滑層１５とがこの順に形成されたフィン材１６を用意し、このフィン材１６に金型を用いたプレス加工を施し、フレア１１やスリット１２などをプレス成型して得られる。

図２は、前記アルミニウムフィン１０を備えた熱交換器の一例を示した斜視図である。
図２に示す熱交換器２０は、図１に示すアルミニウムフィン１０と、複数の伝熱管３０とを備えたものである。アルミニウムフィン１０は、一定の間隔で平行に並べられており、複数のアルミニウムフィン１０の相互の間隙を空気が流動するようになっている。伝熱管３０は、複数整列されたアルミニウムフィン１０のフレア１１を貫通するように設けられており、その内部を冷媒が流動するようになっている。
図２に示す熱交換器２０は、図１に示すアルミニウムフィン１０を複数備えているので、アルミニウムフィン１０の表面（親水性皮膜１４の表面あるいは潤滑層１５の表面）に付着した水が容易に濡れ広がって流れ落ち、水滴が発生し難い。このため、アルミニウムフィン１０の隣合う壁面同士の間隙に、水のブリッジが形成されるのが抑えられ、空気の通風抵抗を小さく抑えることができる。そのため、長期にわたって使用した場合であっても熱交換能力が低下しにくい熱交換器を提供できるものとなる。

前記アルミニウムフィン１０を構成するフィン材本体１３としては、リン酸クロメート処理あるいは陽極酸化処理などの表面処理を施して耐食性を向上させたアルミニウムまたはアルミニウム合金板などが好適に用いられる。フィン材本体１３の形状は、特に限定されず、フィン材が適用される熱交換器の形態に応じて適宜選択される。例えば、本実施形態においてフィン材本体１３の形状は平板状であるが、フィン材本体１３は、波板状、蛇腹状など、適用する熱交換器に必要とする形状にプレス加工されていることが望ましいので、本発明においてフィン材本体１３の形状は問わない。

また、フィン材本体１３を構成するアルミニウム合金材料についても特に限定するものではなく、一般的に熱交換器用のフィンに適用されている組成のアルミニウムまたはアルミニウム合金を適宜用いて良い。なお、例示するならばＪＩＳ規定Ａ１０５０、Ａ１２００材等を例示することができる。

フィン材本体１３の厚さは特に問わないが、熱交換器のコンパクト化に対応し、熱交換効率を確保するためにはできるだけ薄くすることが望ましい。一例として、０．１０ｍｍ以下とすることができ、フィン材本体３の板厚を０．１０ｍｍ以下とすることで熱交換器の薄肉化、小型化に対応できる。また、フィン材本体１３として十分な強度を保持するために、フィン材本体１３の板厚は０．０４ｍｍ以上であることが好ましい。

フィン材本体１３の両面に被覆されている親水性皮膜１４は、高分子化合物を含有する塗膜を塗布した後、塗膜の焼付けにより塗膜密着性を高くした皮膜であることが望ましい。
親水性皮膜１４の一例として、水酸基、カルボキシル基、エステル基、エーテル基のうち、１種又は２種以上などの親水性官能基を有する樹脂を例示することができる。より具体的には、ポリアクリル酸を主成分としたアクリル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、セルロース樹脂、ウレタン樹脂などを例示することができるがこれらに限るものではない。

親水性皮膜１４を形成する塗膜の厚さは、特に限定されないが、３μｍ以下であることが望ましい。塗膜の厚さが３μｍを超えると、これを焼付けして得られる親水性皮膜１４の厚さも厚くなる。その結果、フィン材１０を熱交換器に組み込んだとき、チューブとフィンとが比較的厚い親水性皮膜１４を介し接続されることになり、チューブ−フィン間の伝熱抵抗が大きくなる可能性がある。また、親水性皮膜１４の厚さが薄過ぎると、親水性皮膜１４を設ける効果が十分に得られない場合がある。以上の観点から、塗膜の厚さは、必要な親水性が得られる厚さ範囲の下限程度に設定するのが望ましく、具体的には、親水性皮膜１４の厚さを０．５μｍ以上程度とすることができる。

前記親水性皮膜１４の上に形成される潤滑層１５は、分子量５０００以上、２０万以下であって、後述する針入度が１０以下の潤滑剤を塗布した層である。潤滑層１５を構成する潤滑剤として具体的には、水溶性ポリエーテル、ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレン・アルキル・エーテル、ポリオキシエチレン硬化ヒマシ油エーテルなどを用いることができる。
また、潤滑層１５を構成する潤滑剤の分子量が３０万であるポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）を用いて潤滑層を形成すると、摩擦係数を抑えることができ、滑り過ぎない表面を得ることができる。しかし、量産塗装時の設備として一般的なロールコーターによって潤滑剤の塗装を行うと、分子量が大きすぎる影響で糸引きが発生し、潤滑剤の塗布が困難となり易いが、分子量２０万以下の潤滑剤ではこのような問題は生じない。この面から鑑み、潤滑剤の分子量の上限を２０万とすることが好ましい。さらに好ましい潤滑剤の分子量の上限は１５万以下である。

潤滑剤の分子量において５０００未満では潤滑層１５が塗膜にならない可能性が高く、粘着物のままで、触感がべたべたする問題がある。これらを勘案し、潤滑剤の分子量は５０００以上、２０万以下とする必要性がある。
また、潤滑剤は水溶性である必要があり、水溶性でないと、親水性皮膜１４の親水性に悪影響を及ぼし、接触角が大きくなって親水性が低下してしまう。接触角が大きくなると、複数配列されているフィンの隙間を水滴が閉じることになり、熱交換器とした場合の通風抵抗が大きくなり、熱交換効率が低下する。

前記潤滑層１５の硬さを示す針入度については、ＪＩＳ Ｋ２２３５に規定されている値を適用する。潤滑剤を一端溶かして固めて形成した潤滑層に重さ１００ｇの針を置き、５秒放置し、５秒後に潤滑層に刺さった長さ（ｍｍ）を１０倍とした値を採用する。針入度において１０以下であることが必要となる。針入度が１０以下であると潤滑層１５が適度に硬いために、潤滑層１５を構成する潤滑剤が金型に転写する割合が少なくなる。
針入度が１０を超えて大きくなると、潤滑層１５が柔らかくなり過ぎる結果、潤滑層を構成する潤滑剤が金型に転写する量が増加し、フィン材が金型において滑り過ぎる結果、プレス加工するために金型に送るアルミニウム材の送り精度がばらつく結果と、金型においてアルミニウム材が滑る結果として、プレス加工不良となり易く、フィン材によって形が不揃いになるおそれがある。

以上説明の如く親水性皮膜１４と潤滑層１５を備えたフィン材１６であるならば、プレス加工時に金型でプレス加工を行った場合であっても、潤滑層１５を構成する潤滑剤が金型側に転写される率が低く、金型側に過剰な潤滑剤の堆積が生じないので、繰り返しプレス加工を行ってもアルミニウム材が金型に介して過剰に滑りすぎることが無く、目的のピッチで金型にアルミニウムフィン材を送り込むことができるので、精度の高いプレス加工ができる。この結果、形状の整った熱交換器用のアルミニウムフィン１０をプレス加工により得ることができるので、図２に示す如く複数のアルミニウムフィン１０を伝熱管３０と組み付けて熱交換器２０を構成した場合、伝熱管３０をアルミニウムフィン１０のフレア１１に確実に挿通して組み立てることができ、組み立て不良を生じない。

ここまでの説明において、フィン材１６において、潤滑層１５を設ける理由は、金型に対する潤滑性の付与という目的で述べてきたが、図４、図５に示す如く、フィン材１６を金型に付属して設けられる板抑え部材１８が押さえた状態においてフィン材１６が摺動し、潤滑剤１５の表面部分が板抑え部材１８に擦り取られるように動作する場合についても同様な過潤滑防止効果を得ることができる。
即ち、金型に対しフィン材１６が水平移動しながら送り込まれている状態において、フィン材１６の上下のぶれを抑えてフィン材１６を金型に安定状態で送り込もうとする場合、フィン材１６の上面を板抑え部材１８が押さえ付ける構成を採用する場合がある。ここで、板抑え部材１８の下をフィン材１６が移動すると、潤滑剤１５の表面の一部が板抑え部材１８の底面側に一部転写されるが、ここで本願請求項１に記載の構造を備えたフィン材であるならば、潤滑剤１５の表面側の一部分のみを板抑え部材１８の底面側に図５の符号１５ａで示す程度薄く転写させる程度に抑えることができ、過剰な量の潤滑剤１５を板抑え部材１８側に堆積させることがない。
このため、フィン材１６を送る場合に板押さえ部材１８が抑えている部位において過潤滑が生じないので、フィン材１６を規定量正確に金型側に送ることができ、金型において精密なプレス加工ができる効果がある。

以下に、本発明の具体的実施例について説明するが、本願発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
ＪＩＳ規定Ａ１０５０合金のアルミニウムからなる厚さ０．１０ｍｍのアルミニウムフィン材に対し、リン酸クロメート処理を施した後、アクリル樹脂からなる親水性塗膜を塗布量１ｇ／ｍ^２で塗布形成し、この親水性塗膜を２２０℃で焼き付けして親水性塗膜とした後、この親水性塗膜付きのアルミニウムフィン材を用いて以下の各種の試験を行った。

＜塗装性試験＞
表１に示す種類の潤滑剤を用いて１０％水溶液を作成し、この水溶液にアルミニウムフィン材を浸漬し、水溶液から引き上げた際、引き上げた状態から潤滑剤の糸引きが発生し、その糸引き部分が３０ｍｍ以上延びるか、糸引き状態がフィン材から水溶液まで繋がるものは糸引きが生じ易いものと判断し、塗装性試験において不合格とした。（表１の糸引き性の欄に×印で示している。）
＜金型転写性試験：バウデン動摩擦係数測定＞
前記親水性皮膜を備えたアルミニウムフィン材の上に表１に示す各潤滑層を塗布量０．１ｇ／ｍ^２）試験片を用いて金型転写性試験を行った。摩擦係数測定装置の接触子の鋼球にキムタオル（日本製紙クレシア株式会社、商品名）を被せ、潤滑剤表面を擦り付ける試験を行った。キムタオルの表面には潤滑剤が転写されることになる。潤滑剤が塗布されていないアルミニウムフィン材の表面に前記潤滑層を擦った後のキムタオルを被せた接触子で摩擦係数を測定し、潤滑剤の影響で摩擦係数が小さくなるか、否かを評価した。潤滑剤の転写がない場合に計測した摩擦係数に対し、低下率％で評価した。

＜接触角＞
１０％水溶性アクリル樹脂をリン酸クロメート処理したアルミニウムフィン材に塗布し（約１ｇ／ｃｍ^２）、その上に上述の各潤滑剤３％水溶液を用い、バーコーターにて約０．１ｇ／ｍ^２の皮膜を塗装し、水滴接触角を評価した。
＜針入度＞
ＪＩＳ Ｋ２３３５に規定されている如く、潤滑剤を一端溶かして固めたものに重さ１００ｇの針を置き、５秒放置し、針が５秒後に刺さっている長さ（ｍｍ）を１０倍して求めた。
以上の結果を以下の表１に示す。表１には、用いた潤滑剤成分とその分子量、各分子量表記に対応した潤滑剤の商品名、製造社名を併記するとともに、針入度の計測結果、糸引き性試験結果、金型転写率測定結果、接触角測定結果を示す。

表１に示す結果から分子量が１０００、４０００の比較例試料は針入度が大きく、金型転写性試験の結果が悪化し、分子量が３０万の比較例試料は糸引き性が悪く、塗装性が悪化した。また、針入度について１０を超えた１２、１５の比較例は、金型転写性試験の結果が悪化した。
表１に示す結果から、潤滑剤の分子量について、５０００以上、２０万以下の範囲が好ましいことが判明した。また、分子量６０００〜１５万の範囲で全ての特性に優れることを実証できた。更に、分子量６万〜１５万の範囲で針入度が特に低い場合、転写率の面で特に有利であり、かつ、接触角においても低い値を維持し、より優れていることがわかる。
また、ポリビニルアルコールの潤滑剤では接触角が上昇した。
以上のことから水溶性樹脂からなる潤滑剤であって、分子量が５０００以上、２０万以下であり、針入度１０以下の潤滑剤であれば目的を達成できることが判明した。

１０…フィン、１１…フレア、１２…スリット、１３…フィン材本体、１４…親水性皮膜、１５…潤滑層、１６…フィン材、１８…板抑え部材、２０…熱交換器、３０…伝熱管。

Claims (3)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるフィン材本体の外面に、水溶性樹脂からなり、分子量が５０００以上、２０万以下で、針入度が１０以下の潤滑層が形成されてなることを特徴とする熱交換器用アルミニウムフィン材。
2. 前記潤滑層が水溶性ポリエーテルからなることを特徴とする請求項１記載の熱交換器用アルミニウムフィン材。
3. 前記フィン材本体の外面に親水性皮膜が形成され、その上に前記潤滑層が形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器用アルミニウムフィン材。

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