JP2017180961A - 親水性皮膜及びそれを用いた熱交換器用フィン並びに熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】親水性及びその持続性に優れた親水性皮膜及びそれを用いた熱交換器用フィン並びに熱交換器を提供すること。
【解決手段】親水性皮膜32は、少なくとも、Si、Al及びFを含有する。親水性皮膜32の厚さ方向におけるグロー放電発光分光分析による、Alに対するSiの発光強度比Si/Alが7.0×10-3〜3.0×10-1であり、かつ、Fに対するSiのピーク発光強度比Si/Fが2.0×10-3〜4.0×10-2である。
【選択図】図2
【解決手段】親水性皮膜32は、少なくとも、Si、Al及びFを含有する。親水性皮膜32の厚さ方向におけるグロー放電発光分光分析による、Alに対するSiの発光強度比Si/Alが7.0×10-3〜3.0×10-1であり、かつ、Fに対するSiのピーク発光強度比Si/Fが2.0×10-3〜4.0×10-2である。
【選択図】図2
Description
本発明は、親水性皮膜及びそれを用いた熱交換器用フィン並びに熱交換器に関する。
例えば、エアコン等に用いられる空調用の熱交換器は、内部に冷媒を流通させる1又は複数の流路を有するチューブと、そのチューブに接合された複数のフィンとを備えている。熱交換器は、チューブ内の流路を流通する冷媒と外気との熱交換が複数のフィンを介して行われるように構成されている。
熱交換器において、フィンがチューブ内の流路を流通する冷媒によって冷却されると、フィンの表面に凝縮水が発生することがある。フィンの表面に発生した凝縮水は、フィンとフィンとの隙間における外気の流れを阻害し、結果として熱交換器の伝熱性能の低下を招いてしまう。そのため、熱交換器において、フィンの表面の排水性を確保するため、親水性を有するフィンの適用が望ましい。
例えば、特許文献1には、アルミニウム基材の表面にケイ酸塩を主成分とする塗膜をプレコートした、親水性を有するフィンを備えた熱交換器が開示されている。また、特許文献2には、アルミニウム基材の表面にアルミニウムと無機微粒子とを共析させた複合めっき被膜が形成された、親水性を有するフィンを備えた熱交換器が開示されている。
しかしながら、表面に上記塗膜及び上記複合めっき被膜を有するフィンを備えた、上記特許文献1、2の熱交換器においては、フィンの親水性にまだまだ改善の余地があり、フィンの親水性及びその持続性のさらなる向上が望まれている。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、親水性及びその持続性に優れた親水性皮膜及びそれを用いた熱交換器用フィン並びに熱交換器を提供する。
本発明の一の態様である親水性皮膜は、少なくとも、Si、Al及びFを含有する。親水性皮膜の厚さ方向のグロー放電発光分光分析による、Alに対するSiの発光強度比Si/Alが7.0×10-3〜3.0×10-1であり、かつ、Fに対するSiのピーク発光強度比Si/Fが2.0×10-3〜4.0×10-2である。
上記親水性皮膜は、親水性皮膜の厚さ方向のグロー放電発光分光分析による、上記特定の元素の発光強度比及びピーク発光強度比を上記特定の範囲内としている。そのため、優れた親水性及びその持続性を発現する。これにより、上記親水性皮膜を例えば熱交換器用フィンに適用すれば、熱交換器用フィンの表面に発生する凝縮水の排水性を向上させ、通風抵抗を抑制でき、結果として伝熱性能を向上させることができる。
上記親水性皮膜において、親水性皮膜は、単位面積当たりの皮膜量が0.5〜10g/m2であることが好ましい。この場合には、親水性皮膜を表面に有する部材とアルミニウム製部材とのろう付け接合性を向上させることができる。例えば、親水性皮膜を表面に有する熱交換器用フィンとアルミニウム製の熱交換器用チューブとのろう付け接合性を向上させることができる。
本発明の他の態様である熱交換器用フィンは、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成されたアルミニウム基材と、アルミニウム基材の表面に形成された上記親水性皮膜と、を備えている。
上記熱交換器用フィンは、親水性及びその持続性に優れた上記親水性皮膜を備えている。そのため、表面に発生する凝縮水の排水性を向上させ、通風抵抗を抑制でき、結果として伝熱性能を向上させることができる。これにより、上記熱交換器用フィンを熱交換器に適用すれば、熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。
本発明のさらに他の態様である熱交換器は、内部に少なくとも1つの流路が形成された流路管と、流路管に接合された少なくとも1つの上記熱交換器用フィンと、を備えている。
上記熱交換器は、親水性及びその持続性に優れた上記親水性皮膜を有する上記熱交換器用フィンを備えている。そのため、熱交換性能を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
上記親水性皮膜は、上述したとおり、少なくとも、Si、Al及びFを含有する。親水性皮膜は、例えば、Si単体又はSi系化合物とAlを含有するフッ化物系フラックスとの反応物により構成することができる。上記反応物とは、Si単体又はSi系化合物とAlを含有するフッ化物系フラックスとを例えば加熱等により反応させたものである。
上記Si系化合物としては、例えば、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム等の水ガラス、コロイダルシリカ等を用いることができる。
上記Alを含有するフッ化物系フラックスとしては、例えば、KAlF4、K3AlF6、AlF3、Li3AlF6、CsAlF4等を用いることができる。
上記Alを含有するフッ化物系フラックスとしては、例えば、KAlF4、K3AlF6、AlF3、Li3AlF6、CsAlF4等を用いることができる。
上記親水性皮膜は、上述したとおり、親水性皮膜の厚さ方向のグロー放電発光分光分析(GD−OES:Glow discharge optical emission spectrometry)による、Alに対するSiの発光強度比Si/Alが7.0×10-3〜3.0×10-1であり、かつ、Fに対するSiのピーク発光強度比Si/Fが2.0×10-3〜4.0×10-2である。なお、グロー放電発光分光分析は、JIS K 0144(2001年)に準拠して行うことができる。
上記発光強度比Si/Alが7.0×10-3未満の場合及び3.0×10-1を超える場合には、親水性皮膜における親水性の持続性が低下する。また、上記ピーク発光強度比Si/Fが2.0×10-3未満の場合及び4.0×10-2を超える場合には、親水性皮膜における親水性の持続性が低下する。
上記発光強度比Si/Alは、1.0×10-2〜2.3×10-1であることが好ましい。また、上記ピーク発光強度比Si/Fは、3.0×10-3〜3.1×10-2であることが好ましい。これらの場合には、親水性皮膜の親水性及びその持続性をさらに向上させることができる。
上記発光強度比Si/Al及び上記ピーク発光強度比Si/Fは、親水性皮膜の厚さ方向のグロー放電発光分光分析結果から求めることができる。上記発光強度比Si/Al及び上記ピーク発光強度比Si/Fの求め方については、後述の実施例において詳細に説明する。
上記親水性皮膜は、上述したとおり、単位面積当たりの皮膜量が0.5〜10g/m2であることが好ましい。なお、上記単位面積当たりの皮膜量は、親水性皮膜を形成する対象を基材とした場合、((親水性皮膜形成後の基材及び親水性皮膜の乾燥重量)−(親水性皮膜形成前の基材の重量))/(基材における親水性皮膜形成面積)の式により求めることができる。
親水性皮膜の単位面積当たりの皮膜量が0.5g/m2未満の場合には、親水性皮膜中に含まれるフッ化物系フラックスの機能が十分に得られず、親水性皮膜を表面に有する部材(例えば、親水性皮膜を表面に有する熱交換器用フィン)とアルミニウム製部材(例えば、アルミニウム製の熱交換器用チューブ)とのろう付け接合性が低下するおそれがある。親水性皮膜の単位面積当たりの皮膜量が10g/m2を超える場合には、親水性皮膜を表面に有する部材とアルミニウム製部材との間(より具体的には、例えば親水性皮膜を形成する基材とアルミニウム製部材との間)に親水性皮膜に起因する隙間(クリアランス)が生じ、ろう付け接合性が低下するおそれがある。なお、アルミニウム製部材とは、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成された部材のことである。
上記親水性皮膜は、単位面積当たりの皮膜量が1.1〜4.0g/m2であることがより好ましい。この場合には、親水性皮膜を表面に有する部材とアルミニウム製部材とのろう付け接合性をさらに向上させることができる。
上記熱交換器用フィンは、上述したとおり、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成されたアルミニウム基材と、アルミニウム基材の表面に形成された親水性皮膜と、を備えている。アルミニウム基材に用いるアルミニウム合金としては、例えば、日本工業規格(JIS)の1100、1050、1N30等の純アルミニウム、2017合金、2024合金等のAl−Cu系合金、3003合金、3004合金等のAl−Mn系合金、5052合金、5083合金等のAl−Mg系合金、6061合金等のAl-Mg-Si系合金等が挙げられる。
上記熱交換器用フィンにおいて、親水性皮膜を形成するアルミニウム基材の表面には、化成皮膜による下地処理層が形成されていてもよい。下地処理層の成分、例えば、Cr、Zr、Zn、Ti等は、親水性皮膜の親水性及びその持続性にほとんど影響を与えることはない。
上記熱交換器は、上述したとおり、内部に冷媒等を流通させる少なくとも1つの流路が形成された流路管と、流路管に接合された少なくとも1つのフィン(熱交換器用フィン)と、を備えている。流路管を構成する材料としては、例えば、上記熱交換器用フィンのアルミニウム基材と同様に、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることができる。
上記熱交換器の一実施形態について、図1を用いて説明する。
図1、図2に示すように、空調用の熱交換器1は、チューブ(流路管)2と、複数のフィン3とを備えている。
図1、図2に示すように、空調用の熱交換器1は、チューブ(流路管)2と、複数のフィン3とを備えている。
チューブ2は、アルミニウム合金により構成されている。チューブ2は、軸方向に直交する断面が扁平状であり、内部に冷媒を流通させる複数の流路21が形成された扁平多穴管により構成されている。チューブ2は、外表面にろう材層(図示省略)を有する。
各フィン3は、板状に形成されている。フィン3は、アルミニウム合金により構成されたアルミニウム基材31と、アルミニウム基材31の表面に形成された親水性皮膜32とを備えている。各フィン3には、凹状の切欠部30が形成されている。
複数のフィン3は、フィン3の厚み方向に互いに間隔を設けて配置されている。一列に並んだ複数の切欠部30内には、チューブ2が嵌め込まれている。チューブ2と各フィン3とは、ろう材(チューブ2の外表面のろう材層)を介して接合されている。すなわち、チューブ2と各フィン3とは、ろう付けにより接合されている。
以下、本発明の実施例について、比較例と対比しながら、表1及び表2を用いて説明する。以下に示す実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明は何らこれらに限定されるものではない。
本実施例では、表面に親水性皮膜を有する複数の熱交換器用フィン及びそれを用いた複数の熱交換器コア部(実施例A1〜A16、B1〜B4、比較例A17〜A26、B5、B6)を作製し、初期親水性、親水性の持続性、ろう付け接合性を評価した。
<親水性皮膜の形成及び熱交換器コア部の作製>
リン酸クロメートによる下地処理層を有するJISのA1050組成の板状のフィン材(アルミニウム基材)の表面に、ケイ酸塩を主体とする皮膜を形成した。ケイ酸塩を主体とする皮膜とは、LiO2・nSiO2(n=3.2〜3.8)からなる皮膜である。そして、フィン材をプレス成形し、コルゲート状のフィンを作製した。その後、フィンの表面に、Alを含有するフッ化物系フラックスを塗布した。フッ化物系フラックスとしては、KAlF4を用いた。
リン酸クロメートによる下地処理層を有するJISのA1050組成の板状のフィン材(アルミニウム基材)の表面に、ケイ酸塩を主体とする皮膜を形成した。ケイ酸塩を主体とする皮膜とは、LiO2・nSiO2(n=3.2〜3.8)からなる皮膜である。そして、フィン材をプレス成形し、コルゲート状のフィンを作製した。その後、フィンの表面に、Alを含有するフッ化物系フラックスを塗布した。フッ化物系フラックスとしては、KAlF4を用いた。
次いで、図3、図4に示すように、プレコートされたコルゲート状のフィン3を、表面にろう材層(図示略)を有する3000系アルミニウム合金製の扁平多穴管からなるチューブ(流路管)2で挟み込んだ。このとき、チューブ2を互いに対向させた状態で、すなわちチューブ2の表面に形成されたろう材層を互いに対向させた状態で、チューブ2同士の間にコルゲート状のフィン3を挟み込むことにより、チューブ2の表面のろう材層とコルゲート状のフィン3における各山部の頂点部分とを当接させた。なお、ろう材層は、Si粉末からなるろう材をチューブ2の表面に塗布することにより形成した。扁平多穴管とは、軸方向に直交する断面が扁平状であり、内部に冷媒を流通させる複数の流路が形成された流路管である。
そして、複数のチューブ2と複数のフィン3とを最高到達温度600℃に加熱し、不活性雰囲気中でろう付け加熱を行った。これにより、複数のチューブ2と、アルミニウム基材31の表面に親水性皮膜32が形成された複数のフィン3とにより構成された熱交換器コア部1aを作製した。
<グロー放電発光分光分析>
作製した熱交換器コア部におけるフィンから、幅30mm×長さ40mmの測定用試料を切り出した。そして、グロー放電発光分光分析装置を用いて、フィン(親水性皮膜)の厚さ方向におけるグロー放電発光分光分析を行った。グロー放電発光分光分析結果から、発光強度比Si/Al及びピーク発光強度比Si/Fを求めた。
作製した熱交換器コア部におけるフィンから、幅30mm×長さ40mmの測定用試料を切り出した。そして、グロー放電発光分光分析装置を用いて、フィン(親水性皮膜)の厚さ方向におけるグロー放電発光分光分析を行った。グロー放電発光分光分析結果から、発光強度比Si/Al及びピーク発光強度比Si/Fを求めた。
グロー放電発光分光分析装置としては、SPECTRUMA社製GDA750を用いた。グロー放電発光分光分析装置を用いたグロー放電発光分光分析の条件は、ネオンガス圧20.0hPaで置換後、出力30W、周波数13.6MHz、アノード径2.5mmφでのAl検出波長396.152nm、Si検出波長288.157nm、F検出波長238.204nm、Cr検出波長267.716nmとした。
ここで、図5に、親水性皮膜の厚さ方向におけるグロー放電発光分光分析結果の一例を示す。図5の縦軸は各元素の発光強度(counts)であり、横軸はスパッタ時間(s)である。ここで、countsとは、25ms毎で数えられた発光の総数である。
発光強度比Si/Alとは、親水性皮膜中に含まれるAl及びSiの発光強度をそれぞれ積算し、Alに対するSiの発光強度の積算値の比を算出したものである。このとき、図5に示すスパッタ時間0(s)からtF(s)までを親水性皮膜として、親水性皮膜中に含まれるAl及びSiの発光強度をそれぞれ積算した。
ピーク発光強度比Si/Fとは、図5に示すF及びSiのピーク発光強度Fp及びSipの比Sip/Fpを算出したものである。ここで、Fのピーク発光強度Fpとは、特定のFの発光強度におけるスパッタ時間tF(s)の前後5秒以内の発光強度差が7.0×10−1以上の場合に発光強度のピークであると判断し、そのピークの発光強度である。Siのピーク発光強度Sipとは、特定のSiの発光強度におけるスパッタ時間tSi(s)の前後5秒以内の発光強度差が3.0×10−3以上の場合に発光強度のピークであると判断し、そのピークの発光強度である。
<単位面積当たりの皮膜量>
電子天秤にて、親水性皮膜形成前のアルミニウム基材の重量を測定する。次いで、アルミニウム基材の表面に親水性皮膜を形成し、アルミニウム基材及び親水性皮膜の乾燥重量を測定する。そして、親水性皮膜形成前後の重量増加量をアルミニウム基材における親水性皮膜形成面積で除することにより、親水性皮膜の単位面積当たりの皮膜量(表2には単に「皮膜量」と記載)を求めた。なお、各測定値は小数点下二桁目を四捨五入した。
電子天秤にて、親水性皮膜形成前のアルミニウム基材の重量を測定する。次いで、アルミニウム基材の表面に親水性皮膜を形成し、アルミニウム基材及び親水性皮膜の乾燥重量を測定する。そして、親水性皮膜形成前後の重量増加量をアルミニウム基材における親水性皮膜形成面積で除することにより、親水性皮膜の単位面積当たりの皮膜量(表2には単に「皮膜量」と記載)を求めた。なお、各測定値は小数点下二桁目を四捨五入した。
<初期親水性>
作製した熱交換器コア部におけるフィンと同様の構成の平板状の試験板を準備した。そして、試験板に対して接触角の測定を行った。具体的には、室温で、試験板に2μlの水滴を滴下し、30秒後の水滴の接触角を測定した。接触角の測定は、共和界面化学株式会社製のFACE自動接触角計CA-Zを用いて行った。
作製した熱交換器コア部におけるフィンと同様の構成の平板状の試験板を準備した。そして、試験板に対して接触角の測定を行った。具体的には、室温で、試験板に2μlの水滴を滴下し、30秒後の水滴の接触角を測定した。接触角の測定は、共和界面化学株式会社製のFACE自動接触角計CA-Zを用いて行った。
親水性の評価は、親水性皮膜と水滴との接触角が10℃以下の場合を「◎◎」、10°を超え20°以下の場合を「◎」、20°を超え30°以下となる場合を「○」、30°を超える場合を「×」とした。そして、評価結果が「◎◎」、「◎」、「○」の場合を合格とし、「×」の場合を不合格とした。
<親水性の持続性>
上記試験板を純水に2分間浸漬した後、6分間風乾した。この純水への浸漬と風乾というサイクルを300回繰り返し実施した。その後、上述した親水性の評価と同様に、親水性皮膜と水滴との接触角を測定した。
上記試験板を純水に2分間浸漬した後、6分間風乾した。この純水への浸漬と風乾というサイクルを300回繰り返し実施した。その後、上述した親水性の評価と同様に、親水性皮膜と水滴との接触角を測定した。
親水性の持続性の評価は、300サイクル後における親水性皮膜と水滴との接触角が10°以下の場合を「◎◎」、10°を超え20°以下の場合を「◎」、20°を超え30°以下の場合を「○」、30°を超える場合を「×」とした。そして、評価結果が「◎◎」、「◎」、「○」の場合を合格とし、「×」の場合を不合格とした。
<ろう付け接合性>
作製した熱交換器コア部におけるチューブとコルゲート状のフィンとのろう付け接合部をカッターナイフによりチューブの平面(主面)に沿って切断した。そして、チューブに対するコルゲート状のフィンの山部における接合長さの総和(L1)と、チューブに当接させたコルゲート状のフィンの山部における長さの総和(L2)を測定し、L1をL2で除して百分率で表した(L1/L2×100)を接合率(%)とした。
作製した熱交換器コア部におけるチューブとコルゲート状のフィンとのろう付け接合部をカッターナイフによりチューブの平面(主面)に沿って切断した。そして、チューブに対するコルゲート状のフィンの山部における接合長さの総和(L1)と、チューブに当接させたコルゲート状のフィンの山部における長さの総和(L2)を測定し、L1をL2で除して百分率で表した(L1/L2×100)を接合率(%)とした。
ろう付け接合性の評価は、接合率が90%以上の場合を「◎」、80%以上90%未満の場合を「○」、80%未満の場合を「×」とした。そして、評価結果が「◎」及び「○」の場合を合格とし、「×」の場合を不合格とした。
上記の評価結果を表1及び表2に示す。
表1及び表2に示すように、実施例A1〜A16及び実施例B1〜B4は、親水性、親水性の持続性、ろう付け接合性のいずれも良好(合格)であった。一方、比較例A17〜A26及び比較例B5、B6は、親水性、親水性の持続性、ろう付け接合性のいずれかが不十分(不合格)であった。
表1及び表2に示すように、実施例A1〜A16及び実施例B1〜B4は、親水性、親水性の持続性、ろう付け接合性のいずれも良好(合格)であった。一方、比較例A17〜A26及び比較例B5、B6は、親水性、親水性の持続性、ろう付け接合性のいずれかが不十分(不合格)であった。
上記の実施例及び比較例の結果から、親水性皮膜の厚さ方向におけるグロー放電発光分光分析による、Alに対するSiの発光強度比Si/Alが7.0×10-3〜3.0×10-1の範囲内であり、かつ、Fに対するSiのピーク発光強度比Si/Fが2.0×10-3〜4.0×10-2の範囲内であることにより、親水性皮膜の親水性及びその持続性に優れることがわかった。
また、表面に親水性皮膜を有する熱交換器用フィンにおいては、親水性皮膜の単位面積当たりの皮膜量が0.5〜10g/m2の範囲内であることにより、アルミニウム製のチューブとフィンとのろう付け接合性に優れることがわかった。
1…熱交換器、2…チューブ(流路管)、3…フィン、21…流路、31…アルミニウム基材、32…親水性皮膜
Claims (4)
- 少なくとも、Si、Al及びFを含有する親水性皮膜であって、
該親水性皮膜の厚さ方向におけるグロー放電発光分光分析による、Alに対するSiの発光強度比Si/Alが7.0×10-3〜3.0×10-1であり、かつ、Fに対するSiのピーク発光強度比Si/Fが2.0×10-3〜4.0×10-2である、親水性皮膜。 - 前記親水性皮膜は、単位面積当たりの皮膜量が0.5〜10g/m2である、請求項1に記載の親水性皮膜。
- アルミニウム又はアルミニウム合金により構成されたアルミニウム基材と、
該アルミニウム基材の表面に形成された、請求項1又は2に記載の親水性皮膜と、を備えた、熱交換器用フィン。 - 内部に少なくとも1つの流路が形成された流路管と、
該流路管に接合された、少なくとも1つの請求項3に記載の熱交換器用フィンと、を備えた、熱交換器。
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