JP4534113B2 - ロウ付け用ニッケル被膜の形成に用いるのに適した粉末組成物、被膜付きステンレススチール材及び熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステンレススチール材表面へのロウ付け用ニッケル被膜の形成に用いるのに適した粉末組成物、該粉末組成物を用いて形成された被膜を有するステンレススチール材、該被膜を有するステンレススチール材の焼成により形成されたニッケル被膜付きステンレススチール材、及び該ニッケル被膜付きステンレススチール材を用いて形成されたチューブアンドコルゲーテッドフィンコア型熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒータコア、ラジエータ、コンデンサ等として使用されるチューブアンドコルゲーテッドフィンコア型熱交換器は、それぞれ偏平管状に造られている多数のチューブとコルゲート型の多数のフィンとを交互に重ね合わせたコア部を有している。このチューブ及びコルゲート型フィンは従来はアルミニウム合金を使用して製造されていた。
【０００３】
アルミニウム合金自体は比重が小さく、伝熱率が良好な金属であるが、チューブ及びコルゲート型フィンを全てアルミニウム合金で製造する場合には、必要とする強度及び耐久性を確保するために、チューブの肉厚を極端に薄くすることはできず、そのため熱交換器の軽量化及び熱交換性能の向上には限界がある。チューブを、アルミニウム合金に比べて遥かに優れた耐蝕性を有するステンレススチールを用いて製造すれば、アルミニウム合金で製造する場合に比べてチューブの肉厚を遥かに薄くすることができ、軽量化及び熱交換性能の向上を図ることができる。
【０００４】
また、近年、省エネルギーの観点より、熱回収を含めて熱効率が非常に高い小型ガスタービン発電機の需要が多くなってきている。小型ガスタービン発電機の熱回収の要となる熱交換器は長期間高熱に晒されることから、ステンレススチール薄板のロウ付けによって構成される場合が多い。このステンレススチール薄板のロウ付けに関しては、従来は手作業によるロウ付けが大部分であったので、ロウ付け時にロウ付け用の金属ニッケル粉末をロウ付け部だけに直接付与していた。しかしながら、近年の熱交換器の需要増により、大量生産の必要性が出てきた。
【０００５】
大量生産の必要性に対処するために、チューブアンドコルゲーテッドフィンコア型熱交換器を製造するのに用いるステンレススチール製チューブの外周面にロウ材となるニッケル箔をクラッドしておき、このチューブとコルゲート型フィンとを交互に重ね合わせ、ロウ付けしてチューブアンドコルゲーテッドフィンコア型熱交換器を製造している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステンレススチール製チューブの外周面にロウ材となるニッケル箔をクラッドすることはコスト高となるので、ステンレススチール製チューブの外周面に安価に且つ確実にロウ材を設ける手段が必要とされる。
【０００７】
本発明は、ステンレススチール材表面にロウ付け用ニッケル被膜を安価に且つ確実に形成するのに用いるのに適した粉末組成物、該粉末組成物を用いて形成された被膜を有するステンレススチール材、該被膜を有するステンレススチール材の焼成により形成されたニッケル被膜付きステンレススチール材、及び該ニッケル被膜付きステンレススチール材を用いて形成されたチューブアンドコルゲーテッドフィンコア型熱交換器を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、所定の特性を有する熱溶融性樹脂と、所定の特性を有する所定量の金属ニッケル粉末とからなる粉末組成物をステンレススチール材表面に静電塗装し、融着させ、焼成することにより安価に且つ確実にステンレススチール材表面に金属ニッケル粉末を塗布できる事を見出し本発明を完成した。
【０００９】
即ち、ステンレススチール材表面へのロウ付け用ニッケル被膜の形成に用いるのに適した本発明の粉末組成物は、ガラス転移温度が３０℃〜１００℃であり、４０℃以下の温度で固体で且つ非粘着性である熱溶融性樹脂と、体積平均粒径が４０〜１５０μｍである金属ニッケル粉末とからなり、該金属ニッケル粉末の含有量がＰＷＣで７０〜９５％であり、該混合物が粉末となっていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の、ステンレススチール材表面へのロウ付け用ニッケル被膜の形成に適した被膜を有するステンレススチール材は、ステンレススチール材と、該ステンレススチール材表面に上記の粉末組成物を塗布し、熱溶融後冷却させて形成した被膜とからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の、ロウ付け用ニッケル被膜付きステンレススチール材は、上記のロウ付け用ニッケル被膜の形成に適した被膜を有するステンレススチール材の焼成により形成されたニッケル被膜を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のチューブアンドコルゲーテッドフィンコア型熱交換器は、上記のロウ付け用ニッケル被膜付きステンレススチール材からなるチューブとコルゲーテッドフィンとのロウ付けによって形成されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。
本発明の粉末組成物を構成する樹脂成分として、ガラス転移温度が３０℃〜１００℃であり、４０℃以下の温度で固体で且つ非粘着性である熱溶融性樹脂、好ましくは焼成段階において有害物質を発生しない樹脂、例えば樹脂構成元素が炭素及び水素からなるか、炭素、水素及び酸素からなり、ベンゼン環を持たない樹脂、具体的には、ビニルブチラール単位と、ビニルアセテート単位及びビニルアルコール単位の少なくとも１種とからなるブチラール樹脂を挙げることができる。
【００１４】
樹脂成分のガラス転移温度が３０℃未満である場合には、粉末組成物をステンレススチール材表面上で熱溶融させた際に溶融粘度が低くなりすぎて金属ニッケル粉末が流出し易くなる傾向があるので好ましくない。また、樹脂成分のガラス転移温度が１００℃を超える場合には、金属ニッケル粉末の含有量が本発明で規定しているようにＰＷＣで７０〜９５％であると、樹脂成分と金属ニッケル粉末との混練が困難になり、また必然的に溶融混練時の温度が高くなるので金属ニッケル粉末の酸化が進み、ロウ付け作業に支障をきたす傾向があるので好ましくない。
【００１５】
なお、ＰＷＣとは、Pigment Weight Concentration（顔料質量濃度）のことであり、式
ＰＷＣ（％）＝［（含有顔料質量）／（全塗料固形分質量）］×１００
により算出されるが、本明細書においてはＰＷＣは粉末組成物中の金属ニッケル粉末の質量濃度であり、式
ＰＷＣ（％）＝[(金属ニッケル粉末質量）／（粉末組成物質量)]×１００
により算出される。
【００１６】
樹脂成分が常温で流動性又は粘着性である場合には、該樹脂と金属ニッケル粉末とからなる粉末組成物をステンレススチール材表面に塗布し、熱溶融後冷却させて形成した被膜を有するステンレススチール材を製造した後、これの被膜を有するステンレススチール材を積み重ねた時に、ステンレススチール材同士が付着したり、また積み重ねを解体したときに被膜が一方のステンレススチール材表面から他方のステンレススチール材表面に移動したりする。従って、本発明の粉末組成物を構成する樹脂成分は常温付近、即ち４０℃以下の温度で固体で且つ非粘着性である必要がある。しかし、本発明の粉末組成物を構成する樹脂成分は、ステンレススチール材表面に塗布し、熱溶融後冷却させて被膜を形成できるためには熱溶融性である必要がある。
【００１７】
本発明のロウ付け用ニッケル被膜付きステンレススチール材は、樹脂と金属ニッケル粉末とからなる被膜を有するステンレススチール材を焼成し、樹脂を熱分解させて金属ニッケル粉末だけを残して形成されたニッケル被膜を有するものであり、この焼成段階において有害物質を発生しない樹脂、例えば樹脂構成元素が炭素及び水素からなるか、炭素、水素及び酸素からなり、ベンゼン環を持たない樹脂、具体的には、ポリビニルアルコールや、ビニルブチラール単位と、ビニルアセテート単位及びビニルアルコール単位の少なくとも１種とからなるブチラール樹脂を用いることが好ましい。
【００１８】
本発明の粉末組成物を構成する金属ニッケル粉末の粒度については体積平均粒径で４０〜１５０μｍであることが望ましい。金属ニッケル粉末の体積平均粒径が４０μｍ未満である場合には、金属ニッケル粉末の含有量が本発明で規定しているようにＰＷＣで７０〜９５％であると、吸油量の増大化を招き、樹脂成分と金属ニッケル粉末との溶融混練作業が困難になる。また、金属ニッケル粉末の体積平均粒径が１５０μｍを超えると、溶融混練後の成形物を粉砕して得られる粉末組成物の粒子も大きくなり、粒子の質量が大きくなる。そのため通常の静電塗布を行う際に、静電力で垂直面に付着させる事が困難となり、また熱溶融でステンレススチール材表面に付着させる以前に粉末組成物が脱落してしまう為好ましくない。
【００１９】
金属ニッケル粉末の含有量については、ＰＷＣで７０％未満である場合には、塗装後の焼成でステンレススチール材上に残留する金属ニッケル粉末の密度が低くなり、その後のロウ付け作業において十分な強度が得られないので好ましくない。また、ＰＷＣで９５％を超える場合には、溶融混練後の成形物を粉砕して得られる粉末組成物において金属ニッケル粉末に付着している樹脂の量が静電塗布を行えるレベルよりも低くなり、静電気のリークが発生し、粉末の付着に必要な静電気力が得られないので好ましくない。
【００２０】
本発明の粉末組成物は、上記の樹脂成分及び金属ニッケル粉末を用いて、例えば、周知の粉体塗料製造技術により製造することができる。例えば、上記の原料をドライ状態で混合した後、適当な押出混練機（１軸、２軸又は多軸の任意の押出混練機）を用いて樹脂の軟化点付近の温度で混練を行い、出来た溶融混練物を冷却加工してシート状のペレットにし、その後ピンミル等の剪断衝突型機械粉砕器や、クロスジェットミル等の衝突型空気粉砕器を用いて粉砕し、次いで、その粉砕物を振動フルイ等の機械分級機や空気分級機を用いて所望の粒度分布に調整して本発明の粉末組成物を得る。
【００２１】
得られた粉末組成物を、静電塗装装置を用いてステンレススチール材表面に所定の膜厚になるよう塗布し、樹脂の軟化点＋１０℃で樹脂が溶融して、粉末組成物の粒子同士が結合し、塗膜状になるまで加熱を行い、その後冷却させる。このように処理することにより本発明の、ステンレススチール材表面へのロウ付け用ニッケル被膜の形成に適した被膜を有するステンレススチール材が得られる。
【００２２】
上記のようにして得られた被膜を有するステンレススチール材を１０００℃以上の高温の雰囲気中に放置し、被膜中の樹脂成分を熱分解させることにより、ニッケル粉末だけが残った本発明の、ロウ付け用ニッケル被膜付きステンレススチール材が得られる。
【００２３】
上記のようにして得られたロウ付け用ニッケル被膜付きステンレススチール材からなる偏平管状のチューブを用い、多数のこのチューブとコルゲート型の多数のフィンとを交互に重ね合わせ、そのニッケル被膜をロウ材としてロウ付けすることにより本発明のチューブアンドコルゲーテッドフィンコア型熱交換器が得られる。
【００２４】
【実施例】
以下に、実施例及び比較例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。
＜実施例１＞
ガラス転移温度が７１℃であり、４０℃以下の温度で固体で且つ非粘着性であるブチラール樹脂（デンカブチラール＃２０００−Ｌ、ビニルブチラール単位、ビニルアセテート単位及びビニルアルコール単位とからなる樹脂、電気化学工業社製）１０質量部と、体積平均粒径が５８μｍの金属ニッケル粉末９０質量部とを乾式混合し、１軸押出混練機を用いて樹脂の軟化点付近の温度で混練を行い、出来た溶融混練物を冷却加工してペレットにし、その後粉砕し、次いで、その粉砕物を分級して、体積平均粒径１０５μｍの粉末組成物を得た。
【００２５】
得られた粉末組成物を静電粉体塗装機（ＧＥＭＡ社製 ＰＧ−１）を用いて厚さ１．０ｍｍのステンレススチール板表面に１２０μｍの膜厚になるように塗布し、１３０℃の雰囲気下で５分間加熱し、成膜させて、被膜を有するステンレススチール板を得た。成膜後、以下の評価を行った。
【００２６】
＜耐積み重ね性＞
上記の被膜を有するステンレススチール板１０枚をその被膜が上になるようにして重ね合わせ、３５℃の雰囲気中に２４時間放置した後、ステンレススチール板同士が付着しているか、付着していないかを判定した。その結果を下記の基準で第１表に示す。
○：付着していない
×：付着している。
【００２７】
＜発生ガスの調査＞
上記の被膜を有するステンレススチール板を４時間をかけて１１００℃まで昇温させ、その間に発生するガスの中に有害なものがあるか無いかを測定した。その結果を下記の基準で第１表に示す。
○：有害なガスは無い
×：有害なガス有る。
【００２８】
＜焼成後の金属ニッケル粉末の分散状態＞
上記のようにして焼成した後のステンレススチール板表面上の金属ニッケル粉末の分散状態を目視で観察した。その結果を下記の基準で第１表に示す。
○：均一に分散している
×：不均一に分散している。
【００２９】
＜比較例1 ＞
実施例１で用いたブチラール樹脂５０質量部と、実施例１で用いた体積平均粒径が５８μｍの金属ニッケル粉末５０質量部とを乾式混合し、１軸押出混練機を用いて樹脂の軟化点付近の温度で混練を行い、出来た溶融混練物を冷却加工してペレットにし、その後粉砕し、次いで、その粉砕物を分級して、体積平均粒径１００μｍの粉末組成物を得た。
【００３０】
得られた粉末組成物を静電粉体塗装機（ＧＥＭＡ社製 ＰＧ−１）を用いて厚さ１．０ｍｍのステンレススチール板表面に１２０μｍの膜厚になるように塗布し、１３０℃の雰囲気下で５分間加熱し、成膜させて、被膜を有するステンレススチール板を得た。成膜後、実施例１と同様にして、耐積み重ね性の判定、発生ガスの調査、焼成後の金属ニッケル粉末の分散状態の観察を実施した。それらの結果は第１表に示す通りであった。
【００３１】
＜比較例２＞
実施例１で用いたブチラール樹脂２質量部と、実施例１で用いた体積平均粒径が５８μｍの金属ニッケル粉末９８質量部とを乾式混合し、１軸押出混練機を用いて樹脂の軟化点付近の温度で混練を行おうとしたが、混練できなかった。従って、耐積み重ね性の判定、発生ガスの調査、焼成後の金属ニッケル粉末の分散状態の観察は実施できなかった。
【００３２】
＜比較例３＞
ガラス転移温度が３８℃であり、常温で僅かに粘着性であるロジンエステル樹脂（パインクリスタルＫＥ−１００：荒川化学社製）１０質量部と、体積平均粒径が５８μｍの金属ニッケル粉末９０質量部とを乾式混合し、１軸押出混練機を用いて樹脂の軟化点付近の温度で混練を行い、出来た溶融混練物を冷却加工してペレットにし、その後粉砕し、次いで、その粉砕物を分級して、体積平均粒径７６μｍの粉末組成物を得た。
【００３３】
得られた粉末組成物を静電粉体塗装機（ＧＥＭＡ社製 ＰＧ−１）を用いて厚さ１．０ｍｍのステンレススチール板表面に１２０μｍの膜厚になるように塗布し、１３０℃の雰囲気下で５分間加熱し、成膜させて、被膜を有するステンレススチール板を得た。成膜後、実施例１と同様にして、耐積み重ね性の判定、発生ガスの調査、焼成後の金属ニッケル粉末の分散状態の観察を実施した。それらの結果は第１表に示す通りであった。
【００３４】
第 １ 表

【００３５】
【発明の効果】
本発明の粉末組成物は、ステンレススチール材表面にロウ付け用ニッケル被膜を安価に且つ確実に形成するのに用いるのに適しており、本発明の粉末組成物を用いて形成された被膜を有するステンレススチール材を焼成することによりニッケル被膜付きステンレススチール材が得られ、該ニッケル被膜付きステンレススチール材を用いることによりチューブアンドコルゲーテッドフィンコア型熱交換器を容易に得ることできる。

Claims (4)

1. ガラス転移温度が３０℃〜１００℃であり、４０℃以下の温度で固体で且つ非粘着性である熱溶融性樹脂と、体積平均粒径が４０〜１５０μｍである金属ニッケル粉末とからなり、該金属ニッケル粉末の含有量がＰＷＣで７０〜９５％であり、該混合物が粉末となっていることを特徴とするステンレススチール材表面へのロウ付け用ニッケル被膜の形成に用いるのに適した粉末組成物。
2. ステンレススチール材と、該ステンレススチール材表面に請求項１記載の粉末組成物を塗布し、熱溶融後冷却させて形成した被膜とからなることを特徴とするステンレススチール材表面へのロウ付け用ニッケル被膜の形成に適した被膜を有するステンレススチール材。
3. 請求項２記載のロウ付け用ニッケル被膜の形成に適した被膜を有するステンレススチール材の焼成により形成されたニッケル被膜を有することを特徴とするロウ付け用ニッケル被膜付きステンレススチール材。
4. 請求項３記載のロウ付け用ニッケル被膜付きステンレススチール材からなるチューブとコルゲーテッドフィンとのロウ付けによって形成されていることを特徴とするチューブアンドコルゲーテッドフィンコア型熱交換器。