JP2024019900A - 熱交換器用フィン材 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来技術よりも着霜を抑制できる熱交換器用フィン材を提供する。【解決手段】金属板と、前記金属板の少なくとも一方の面に配置された皮膜とを含み、前記皮膜は、ポリアルキレングリコール基およびアルコキシシリル基を有する第1化合物に由来する部分と、フルオロアルキル基およびアルコキシシリル基を有する第2化合物に由来する部分と、を含む、熱交換器用フィン材。【選択図】なし
Description
本開示は熱交換器用フィン材に関する。
空調機の熱交換器のフィンには、暖房運転時に結露水が付着し得る。結露水は凍結して霜となり、熱交換器の性能を低下させる。またフィンから霜を除去するためには、除霜運転を行う必要があり、それにより熱交換器で消費するエネルギーが増加する。
上記問題を解決するために、特許文献1には、合成シリカを含む塗料を金属板に塗布して着霜を低減する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1に開示されるような従来技術においても、着霜抑制効果は不十分である場合があり、さらなる改善が必要とされている。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、従来技術よりも着霜を抑制できる熱交換器用フィン材を提供することである。
本発明の態様1は、
金属板と、前記金属板の少なくとも一方の面に配置された皮膜とを含み、
前記皮膜は、ポリアルキレングリコール基およびアルコキシシリル基を有する第1化合物に由来する部分と、フルオロアルキル基およびアルコキシシリル基を有する第2化合物に由来する部分と、を含む、熱交換器用フィン材である。
金属板と、前記金属板の少なくとも一方の面に配置された皮膜とを含み、
前記皮膜は、ポリアルキレングリコール基およびアルコキシシリル基を有する第1化合物に由来する部分と、フルオロアルキル基およびアルコキシシリル基を有する第2化合物に由来する部分と、を含む、熱交換器用フィン材である。
本発明の態様2は、
前記金属板と前記皮膜との間に、水酸基を含む中間層を有する、態様1に記載の熱交換器用フィン材である。
前記金属板と前記皮膜との間に、水酸基を含む中間層を有する、態様1に記載の熱交換器用フィン材である。
本発明の態様3は、
前記第1化合物は下記一般式(1)で表され、前記第2化合物は下記一般式(2)で表される、態様1または2に記載の熱交換器用フィン材である。
X-SiR1 3-a(OR2)a ・・・(1)
Y-SiR3 3-b(OR4)b ・・・(2)
式(1)及び(2)中、Xはポリアルキレングリコール基を含む一価の有機基であり、Yはフルオロアルキル基を含む一価の有機基であり、R1、R2、R3およびR4は、各出現において独立して、炭素数1~10のアルキル基であり、aおよびbは1~3の整数である。
前記第1化合物は下記一般式(1)で表され、前記第2化合物は下記一般式(2)で表される、態様1または2に記載の熱交換器用フィン材である。
X-SiR1 3-a(OR2)a ・・・(1)
Y-SiR3 3-b(OR4)b ・・・(2)
式(1)及び(2)中、Xはポリアルキレングリコール基を含む一価の有機基であり、Yはフルオロアルキル基を含む一価の有機基であり、R1、R2、R3およびR4は、各出現において独立して、炭素数1~10のアルキル基であり、aおよびbは1~3の整数である。
本発明の実施形態によれば、従来技術よりも着霜を抑制できる熱交換器用フィン材を提供することが可能である。
本発明者らは、従来技術よりも着霜を抑制できる熱交換器用フィン材を実現するべく、様々な角度から検討した。その結果、金属板の少なくとも一方の面に、ポリアルキレングリコール基およびアルコキシシリル基を有する第1化合物に由来する部分と、フルオロアルキル基およびアルコキシシリル基とを有する第2化合物に由来する部分と、を含む皮膜を形成することにより、従来技術よりも着霜を抑制できることを見出した。これは、親水性の高いポリアルキレングリコール基と、疎水性の高いフルオロアルキル基とにより、フィン材に付着する水分子が集合しにくくなり、氷核の生成が抑制されるためと考えられる。また、各化合物に含まれるアルコキシシリル基により、各化合物同士が結合して緻密な皮膜を形成でき、また金属板と皮膜との間の密着性も確保でき、継続的に(例えば複数サイクルの着霜性評価を行ったとしても)着霜を抑制できることも見出した。
以上により、従来技術よりも着霜を抑制できる熱交換器用フィン材を実現することができた。なお、上記メカニズムは、本発明の実施形態の技術的範囲を制限するものではない。
以上により、従来技術よりも着霜を抑制できる熱交換器用フィン材を実現することができた。なお、上記メカニズムは、本発明の実施形態の技術的範囲を制限するものではない。
以下に、本発明の実施形態が規定する各要件の詳細を示す。
本発明の実施形態に係る熱交換器用フィン材は、金属板と、前記金属板の少なくとも一方の面に配置された皮膜とを含み、前記皮膜は、ポリアルキレングリコール基およびアルコキシシリル基を有する第1化合物に由来する部分と、フルオロアルキル基およびアルコキシシリル基を有する第2化合物に由来する部分と、を含む。これにより、従来技術よりも着霜を抑制できる。
本発明の実施形態に用いられる金属板として、例えば、アルミニウム板、アルミニウム合金板、鋼板、めっき鋼板、銅板およびチタン板等が挙げられる。これらの中でも、アルミニウム板またはアルミニウム合金板が好ましく、熱伝導性および加工性が優れることから、JIS H 4000:2014に規定されている1000系のアルミニウム板がより好ましい。より具体的には、合金番号1050、1070、1200のアルミニウム板がより好ましい。板厚は0.05~0.3mm程度のものが好ましい。
本発明の実施形態において、金属板の一方の面または両面に皮膜が形成される。皮膜が金属板両面に形成される場合、皮膜は両面で同じものであってもよく、異なっていてもよい。
本発明の実施形態に係る皮膜は、ポリアルキレングリコール基およびアルコキシシリル基を有する第1化合物に由来する部分と、フルオロアルキル基およびアルコキシシリル基を有する第2化合物に由来する部分と、を含む。第1化合物および第2化合物は、それぞれ一種または2種以上であってもよい。
本発明の実施形態において、「ポリアルキレングリコール基およびアルコキシシリル基を有する第1化合物に由来する部分」とは、第1化合物、及び/又は第1化合物のアルコキシシリル基の一部が反応したものを指す。「フルオロアルキル基およびアルコキシシリル基を有する第2化合物に由来する部分」とは、第2化合物、及び/又は第2化合物のアルコキシシリル基の一部が反応したものを指す。アルコキシシリル基が一部反応したものとして、例えば、アルコキシシリル基の少なくとも一部が加水分解してシラノール基を形成したものであってもよく、さらに当該シラノール基が別のシラノール基またはヒドロキシル(OH)基等と脱水縮合反応したものであってもよい。
ポリアルキレングリコール基およびアルコキシシリル基を有する第1化合物は、下記一般式(1)で表され得る。
X-SiR1 3-a(OR2)a ・・・(1)
式(1)中、Xはポリアルキレングリコール基を含む一価の有機基であり、R1およびR2は、各出現において独立して、炭素数1~10のアルキル基であり、aは1~3の整数である。
第1化合物は、上記式(1)で表されるような化合物を少なくとも1種以上を含んでいてもよく、2種以上の混合物であってもよい。
X-SiR1 3-a(OR2)a ・・・(1)
式(1)中、Xはポリアルキレングリコール基を含む一価の有機基であり、R1およびR2は、各出現において独立して、炭素数1~10のアルキル基であり、aは1~3の整数である。
第1化合物は、上記式(1)で表されるような化合物を少なくとも1種以上を含んでいてもよく、2種以上の混合物であってもよい。
R1は、炭素数1~5のアルキル基であることが好ましく、より好ましくは炭素数1~3のアルキル基であり、さらに好ましくはメチル基またはエチル基である。
R2は、加水分解しやすい観点からメチル基またはエチル基であることが好ましい。
aは、皮膜形成および金属板との密着性の観点から、2以上であることが好ましく、3であることがより好ましい。
R2は、加水分解しやすい観点からメチル基またはエチル基であることが好ましい。
aは、皮膜形成および金属板との密着性の観点から、2以上であることが好ましく、3であることがより好ましい。
Xに含まれるポリアルキレングリコール基のアルキレングリコール単位は、例えば2~20個であり得る。Xは、ポリアルキレングリコール基以外の構造を含んでもよく、例えば、下記一般式(3)で表されるものであってもよい。
R5-O-(R6-O)n-R7-・・・(3)
式(3)中、R5は水素原子または炭素数1~10のアルキル基を表し、R6は炭素数1~10のアルキレン基であり、nは2~20の整数であり、R7は炭素数1~10のアルキレン基である。
R5-O-(R6-O)n-R7-・・・(3)
式(3)中、R5は水素原子または炭素数1~10のアルキル基を表し、R6は炭素数1~10のアルキレン基であり、nは2~20の整数であり、R7は炭素数1~10のアルキレン基である。
R5は、炭素数1~10のアルキル基であることが好ましく、より好ましくは炭素数1~5のアルキル基であり、さらに好ましくは炭素数1~3のアルキル基、さらにより好ましくはメチル基またはエチル基である。R6は炭素数1~5のアルキレン基であることが好ましく、より好ましくは炭素数1~3のアルキレン基である。R7は、炭素数1~5のアルキレン基であることが好ましい。
本発明の実施形態において、第2化合物中のフルオロアルキル基とは、少なくとも1つの水素原子をフッ素原子により置換されたアルキル基であればよく、アルキル基のすべての水素をフッ素に置換したパーフルオロアルキル基が好ましい。
フルオロアルキル基およびアルコキシシリル基を有する第2化合物は、下記一般式(2)で表され得る。
Y-SiR3 3-b(OR4)b ・・・(2)
式(2)中、Yはフルオロアルキル基を含む一価の有機基であり、R3およびR4は、各出現において独立して、炭素数1~10のアルキル基であり、bは1~3の整数である。
Y-SiR3 3-b(OR4)b ・・・(2)
式(2)中、Yはフルオロアルキル基を含む一価の有機基であり、R3およびR4は、各出現において独立して、炭素数1~10のアルキル基であり、bは1~3の整数である。
R3は、炭素数1~5のアルキル基であることが好ましく、より好ましくは炭素数1~3のアルキル基であり、さらに好ましくはメチル基またはエチル基である。
R4は、加水分解しやすい観点からメチル基またはエチル基であることが好ましい。
bは、皮膜形成および金属板との密着性の観点から、2以上であることが好ましく、3であることがより好ましい。
R4は、加水分解しやすい観点からメチル基またはエチル基であることが好ましい。
bは、皮膜形成および金属板との密着性の観点から、2以上であることが好ましく、3であることがより好ましい。
Yに含まれるフッ素数は、例えば1個以上または2個以上であり得、41個以下、29個以下または27個以下であり得る。Yは、フルオロアルキル基以外の構造を含んでもよく、例えば、下記一般式(4)で表されるものであってもよい。
Rf-R8- ・・・(4)
式(4)中、Rfはフッ素数1~41、炭素数1~20のフルオロアルキル基であり、R8は、炭素数1~10のアルキレン基である。
Rf-R8- ・・・(4)
式(4)中、Rfはフッ素数1~41、炭素数1~20のフルオロアルキル基であり、R8は、炭素数1~10のアルキレン基である。
Rfは、パーフルオロアルキル基であることが好ましく、そのフッ素数は3~41個であり得る。R8は、炭素数1~5のアルキレン基であることが好ましい。
本発明の実施形態に係る皮膜において、第1化合物に由来する部分および第2化合物に由来する部分が多い方が好ましく、例えば、皮膜中の第1化合物に由来する部分および第2化合物に由来する部分の合計が50質量%以上であることが好ましく、60質量%以上、70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上であることが順により好ましい。
本発明の実施形態において、第1化合物に由来する部分および第2化合物に由来する部分以外に、他の部分を有していてもよい。例えば、第1化合物および第2化合物とは異なる、アルコキシシリル基を有する第3化合物に由来する部分を有していてもよい。第3化合物としては、アミノ基およびアルコキシシリル基を有する化合物が挙げられ、例えば、第2化合物に良好な水溶性を付与するために、当該化合物を第2化合物と共縮合させてもよい。第3化合物に由来する部分の質量は、第2化合物に由来する部分の質量よりも少ないことが好ましい。ここで、「アルコキシシリル基を有する第3化合物に由来する部分」とは、第3化合物、及び/又は第3化合物のアルコキシシリル基の一部が反応したものを指す。アルコキシシリル基が一部反応したものとして、例えば、アルコキシシリル基の少なくとも一部が加水分解してシラノール基を形成したものであってもよく、さらに当該シラノール基が別のシラノール基またはヒドロキシル(OH)基等と脱水縮合反応したものであってもよい。第3化合物は、一種または2種以上であり得る。
本発明の実施形態において、皮膜中に含まれる、第2化合物に由来する部分に対する第1化合物に由来する部分の質量比(すなわち、[第1化合物に由来する部分の質量]/[第2化合物に由来する部分の質量])は、0.1~10であることが好ましく、より好ましくは0.2~5である。
また、第3化合物に由来する部分を含む場合、第2化合物に由来する部分と第3化合物に由来する部分の合計質量に対する第1化合物に由来する部分の質量比(すなわち、[第1化合物に由来する部分の質量]/[第2化合物に由来する部分の質量+第3化合物に由来する部分の質量])は、0.1~10であり、好ましくは0.2~5である。
また、第3化合物に由来する部分を含む場合、第2化合物に由来する部分と第3化合物に由来する部分の合計質量に対する第1化合物に由来する部分の質量比(すなわち、[第1化合物に由来する部分の質量]/[第2化合物に由来する部分の質量+第3化合物に由来する部分の質量])は、0.1~10であり、好ましくは0.2~5である。
本発明の実施形態において、皮膜中の、第2化合物に由来する部分のモル数に対する第1化合物に由来する部分のモル数の比は、0.1~10であることが好ましく、0.2~5であることがより好ましく、0.5~1.5であることがさらに好ましい。
本発明の実施形態において、皮膜中の、フッ素数に対するアルキレングリコール単位のモル比(すなわち[アルキレングリコール単位のモル数]/[フッ素モル数])は、0.05~5であることが好ましく、0.1~2であることがより好ましく、0.3~0.8であることがさらに好ましい。
皮膜の厚さは特に制限されず、例えば0.001~1.0g/m2であり得る。
本発明の実施形態に係る熱交換器用フィン材は、本発明の目的を達成する上で他の層を含んでいてもよい。密着性の観点では、金属板と皮膜との間に、水酸基を含む中間層を有することが好ましい。水酸基を含む中間層としては、金属酸化物もしくはシリカなどの無機酸化物層(これらの表面は、水酸基で終端されている)、または水酸基を含む高分子層が挙げられる。水酸基を含む高分子としては、ポリビニルアルコール、セルロースなどが挙げられる。中間層の厚さは特に制限されないが、0.1μm以上10μm以下であり得る。
本発明の実施形態に係る熱交換器用フィン材は、例えば金属板の上に、第1化合物および第2化合物(および第3化合物)を所定量混合して得られる組成物を塗布し、加熱乾燥することで得られる。なお、塗布前に、酸等を加えて攪拌混合することにより、第1化合物等のアルコキシシリル基を加水分解しておくのがよい。組成物の固形分濃度、pHは、塗布性、加水分解性等を考慮して適宜調整され得る。加熱温度および時間は特に制限されないが、例えば100~200℃で10秒以上10分以下とすることができる。熱交換器用フィン材が中間層を有する場合、上記組成物を塗布する前に、金属板上に中間層を公知の方法で形成し、その後上記組成物を塗布して皮膜を形成すればよい。
以下、実施例を挙げて本発明の実施形態をより具体的に説明する。本発明の実施形態は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述および後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の実施形態の技術的範囲に包含される。
金属板は、JIS H 4000:2014に規定されている合金番号1070の規格のアルミニウム板(板厚:0.1mm)上に、リン酸クロメート処理を施した後、縦20cm、横10cmに裁断することで用意した。その金属板上に、ポリビニアルコール(PVA)樹脂(クラレ社製、PVA-117)をメラミン樹脂(DIC社製、ベッカミンM-3)で架橋してなる中間層(厚さ0.5μm)を形成した。その後、イオン交換水4.45質量部に、第1化合物A(メトキシPEG-10プロピルトリメトキシシラン、Dynasylan 4150、固形分濃度100質量%)を0.06質量部、第2化合物B1(変性フルオロアルキルシロキサン水溶液、Dynasylan F8815、固形分濃度14質量%)を0.43質量部、10%酢酸溶液0.05質量部を添加し、一晩攪拌した組成物を用意した。なお、以上の処理により、第1化合物Aおよび第2化合物B1のアルコキシシリル基の少なくとも一部が加水分解してシラノール基を形成していると考えられる。
その後、当該組成物を、中間層上に塗布し、150℃で1分加熱乾燥させることで、皮膜厚さを0.06g/m2とする試験No.1の熱交換器用フィン材を得た。なお、以上の処理により、上記処理で形成されたシラノール基の少なくとも一部は別のシラノール基またはヒドロキシル(OH)基等と脱水縮合反応していると考えられる。
試験No.1から、表1のように化合物、添加量等を変更することにより、試験No.2~10の熱交換器用フィン材を得た。なお試験No.6については、イオン交換水0.75質量部に、第1化合物Aを0.19質量部、第2化合物B2(トリメトキシ(1H,1H,2H,2H-ヘプタデカフルオロデシル)シラン、固形分濃度100質量%)を0.19質量部、エタノール10質量部、10%酢酸溶液0.05質量部を添加し、一晩攪拌した組成物を用いて皮膜を形成した。試験No.5、9および10については、合成シリカを含む塗料を塗布して中間層を形成した。
表1において、「皮膜」の行内の数値は、皮膜形成用組成物中の各素材の添加量(質量部)を示し、「皮膜」の行内の「-」は、皮膜形成用組成物において該当の素材を含まないことを示し、「中間層」の行内の「←」は、左記と同一であることを示す。
その後、当該組成物を、中間層上に塗布し、150℃で1分加熱乾燥させることで、皮膜厚さを0.06g/m2とする試験No.1の熱交換器用フィン材を得た。なお、以上の処理により、上記処理で形成されたシラノール基の少なくとも一部は別のシラノール基またはヒドロキシル(OH)基等と脱水縮合反応していると考えられる。
試験No.1から、表1のように化合物、添加量等を変更することにより、試験No.2~10の熱交換器用フィン材を得た。なお試験No.6については、イオン交換水0.75質量部に、第1化合物Aを0.19質量部、第2化合物B2(トリメトキシ(1H,1H,2H,2H-ヘプタデカフルオロデシル)シラン、固形分濃度100質量%)を0.19質量部、エタノール10質量部、10%酢酸溶液0.05質量部を添加し、一晩攪拌した組成物を用いて皮膜を形成した。試験No.5、9および10については、合成シリカを含む塗料を塗布して中間層を形成した。
表1において、「皮膜」の行内の数値は、皮膜形成用組成物中の各素材の添加量(質量部)を示し、「皮膜」の行内の「-」は、皮膜形成用組成物において該当の素材を含まないことを示し、「中間層」の行内の「←」は、左記と同一であることを示す。
試験No.1~10の熱交換器用フィン材に対して、以下の着霜性の評価を行った。
アクリル製の筒の内側上部に、冷媒流路、ペルティエ素子及び空気流路を備える銅板を配置し、これを温度2℃、相対湿度85%の環境下に3時間静置した。その後、銅板表面温度を10℃に調整し、銅板上であって筒内部の空気と接する位置に試験No.1~10の熱交換器用フィン材を配置した。次いで、筒内部に1.5m/秒の風速で送風し、2分静置した。その後、筒内部への送風を同じ風速で続けながら、銅板を冷却し、表面温度を-7.5℃とした。冷却開始から熱交換器用フィン材に霜が発生するまで-7.5℃を維持した。霜発生後、除霜を行うため、40℃に昇温し5分間保持して熱交換器用フィン材を乾燥させた後、10℃に降温して1分間保持した後、-7.5℃まで冷却した。-7.5℃冷却開始から霜が発生するまでの時間を、着霜遅延時間とし、10回以上繰り返した平均値を算出した。一方で、比較サンプルとして、従来技術と同様に、合成シリカを含む塗料を、試験No.1~10に用いた金属板上に塗布したものを用意した。比較サンプルに対して、平均着霜遅延時間が1.5倍以上の熱交換器用フィン材を、従来技術よりも着霜を抑制できる(〇)とし、1.5倍未満の熱交換器用フィン材を従来技術よりも着霜を抑制できない(×)とした。評価結果を表2に示す。
アクリル製の筒の内側上部に、冷媒流路、ペルティエ素子及び空気流路を備える銅板を配置し、これを温度2℃、相対湿度85%の環境下に3時間静置した。その後、銅板表面温度を10℃に調整し、銅板上であって筒内部の空気と接する位置に試験No.1~10の熱交換器用フィン材を配置した。次いで、筒内部に1.5m/秒の風速で送風し、2分静置した。その後、筒内部への送風を同じ風速で続けながら、銅板を冷却し、表面温度を-7.5℃とした。冷却開始から熱交換器用フィン材に霜が発生するまで-7.5℃を維持した。霜発生後、除霜を行うため、40℃に昇温し5分間保持して熱交換器用フィン材を乾燥させた後、10℃に降温して1分間保持した後、-7.5℃まで冷却した。-7.5℃冷却開始から霜が発生するまでの時間を、着霜遅延時間とし、10回以上繰り返した平均値を算出した。一方で、比較サンプルとして、従来技術と同様に、合成シリカを含む塗料を、試験No.1~10に用いた金属板上に塗布したものを用意した。比較サンプルに対して、平均着霜遅延時間が1.5倍以上の熱交換器用フィン材を、従来技術よりも着霜を抑制できる(〇)とし、1.5倍未満の熱交換器用フィン材を従来技術よりも着霜を抑制できない(×)とした。評価結果を表2に示す。
表2の結果より、次のように考察できる。試験No.1~6の熱交換器用フィン材は、いずれも本発明の実施形態で規定する要件を満足しており、従来技術よりも着霜を抑制できた。
一方、試験No.7~10の熱交換器用フィン材は、皮膜が第1化合物に由来する部分および第2化合物に由来する部分のいずれかを含んでおらず、従来技術よりも着霜を抑制できなかった。
一方、試験No.7~10の熱交換器用フィン材は、皮膜が第1化合物に由来する部分および第2化合物に由来する部分のいずれかを含んでおらず、従来技術よりも着霜を抑制できなかった。
Claims (3)
- 金属板と、前記金属板の少なくとも一方の面に配置された皮膜とを含み、
前記皮膜は、ポリアルキレングリコール基およびアルコキシシリル基を有する第1化合物に由来する部分と、フルオロアルキル基およびアルコキシシリル基を有する第2化合物に由来する部分と、を含む、熱交換器用フィン材。 - 前記金属板と前記皮膜との間に、水酸基を含む中間層を有する、請求項1に記載の熱交換器用フィン材。
- 前記第1化合物は下記一般式(1)で表され、前記第2化合物は下記一般式(2)で表される、請求項1または2に記載の熱交換器用フィン材。
X-SiR1 3-a(OR2)a ・・・(1)
Y-SiR3 3-b(OR4)b ・・・(2)
式(1)及び(2)中、Xはポリアルキレングリコール基を含む一価の有機基であり、Yはフルオロアルキル基を含む一価の有機基であり、R1、R2、R3およびR4は、各出現において独立して、炭素数1~10のアルキル基であり、aおよびbは1~3の整数である。
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