JP5217309B2 - フィンアンドチューブ型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、冷蔵庫等に用いられるフィンアンドチューブ型熱交換器に関するものである。

一般に、冷蔵庫用のフィンアンドチューブ型熱交換器（エバポレータ）は、庫内雰囲気環境に曝された状態にあり、特に業務用冷蔵庫は庫内に腐食性の強いガスが発生するような食品を多量に保存し、家庭用冷蔵庫と比べると食品にラップ等をしていない場合が多い。

そのため腐食性の強いガスが発生し易く、例えば、タマゴ、マヨネーズ、チーズ、魚介類等から硫黄系ガスが発生し、マヨネーズ、ソース、パン酵母菌等からカルボン酸（酢酸、蟻酸などの有機酸）が発生する。また食品が腐敗するとき、食品そのものがもつタンパク質及び脂肪質等の有機物が酸化分解や加水分解を起こし、硫黄系ガス、カルボン酸、アンモニアガス、エチレンガスが発生する。

最近では、病原性大腸菌Ｏ−１５７の問題より漂白剤、殺菌剤または消毒用アルコールが使用される頻度が高くなってきている。漂白剤、殺菌剤は次亜塩素酸ナトリウム等が使われ、塩素系ガスが発生する。また、消毒用アルコールは酸化分解よりカルボン酸が発生する。

したがって、庫外にかかる消毒対応が行われると、冷蔵庫の扉の開け閉めにより、庫外から庫内に腐食性ガスが進入してくる。

以上のような腐食環境下に庫内が曝されると、冷蔵庫を冷却するときに発生する結露水に腐食媒である硫黄、蟻酸や酢酸等のカルボン酸、塩素等が溶け込み、さらにデフロスト等をすることにより乾湿の繰り返しが起こり、フィンやチューブ腐食が始まる。腐食が始まると白錆、黒錆、緑青等の腐食生成物が発生する。

このような腐食生成物が発生すると、ファンからの風により腐食生成物が剥離して飛ばされ、庫内にある食品に付着して商品価値がなくなるという問題が起こる。さらに腐食が促進されるとチューブが腐食電池作用によって孔食され、ついには冷媒ガスリークに至り、冷えなくなるという致命的な欠陥に繋がるという問題があった。

従来、以上のようなフィンアンドチューブ型熱交換器の腐食を防止する技術としては、熱交換器組立て後に、熱交換器全面に防錆塗料を塗装することが主体で行われている（例えば、特許文献１参照）。

その一例として、熱交換器表面に浸漬塗装方式で焼付け塗装を施すものがある。また焼付け乾燥は１コート１ベーク、または２コート２ベークでコート数に応じた焼付け方式で塗装乾燥が行われる。防錆塗料は熱硬化性樹脂であるポリエステル樹脂、アルキド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂の塗料が使われる。そして、熱交換器は、腐食環境が厳しいところで使用されるため、塗膜の最小膜厚は１０μｍを超えた塗装が一般的に施される。
特開２００３−１３９４８５号公報

しかしながら、アルキド樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂の塗装は、一般環境下では防食効果はあるが、硫黄系やカルボン酸等の高腐食環境下では架橋した樹脂モノマー同士の架橋部が加水分解し、破壊され、腐食性物質を含んだ結露水を吸水し、防食効果が著しく低下するという問題がある。

一方、エポキシ樹脂の塗装は、アルキド樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂の塗装に比べて耐水透過性が高いので、硫黄系やカルボン酸等の高腐食環境下でも架橋した樹脂モノマー同士の架橋部が加水分解しにくく、比較的防食効果は維持されるが、反面時間経過とともに密着性が低下し、防食効果が低下する問題がある。

一般的に、ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等の防錆塗料では、苛酷な腐食環境下になると十分な防食効果が得られないという大きな課題がある。

また、熱交換器の加工工程では、加工油として揮発性オイルを使用し、揮発性オイルを強制加熱により乾燥させている。このような加工工程によれば、揮発オイルの残渣はほとんどなく、熱交換器表面と塗装との初期の密着性は十分確保されているが、苛酷な腐食環境に曝されると、熱交換器表面と塗装との密着性が十分に得られない課題もあり、僅かな揮発オイルの残渣が影響し、防食効果に影響を及ぼしていることがわかっている。

そのため、苛酷な腐食環境下では膜厚効果を出すために、最小膜厚は１０μｍを超えた塗装が行われる。しかし、膜厚を高めると、使用量が増え、塗装の垂れによる外観品質が著しく低下するという課題がある。

さらに、近年ではホルムアルデヒドによるシックハウス問題が社会問題となっており、塗料も環境面で対応が求められている。ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂の熱硬化性の防錆塗料には、硬化剤にメラミン樹脂やフェノール樹脂を用いるものが多く、この樹脂にはホルムアルデヒドが含まれるため、作業安全性の問題や焼付け乾燥炉の排気問題、またＶＯＣ（有機揮発性化合物）規制等一段と環境に対する対応が求められている。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、塗料の硬化剤にメラミン樹脂やフェノール樹脂を用いないのでホルムアルデヒドの含有がなく、環境に対応した塗料であると共に苛酷な高腐食環境下に置かれた場合でも、熱交換器表面と塗装との密着性を著しく向上させることで、優れた防食効果を発揮することができるフィンアンドチューブ型熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明のフィンアンドチューブ型熱交換器は、前記アルミフィン及び前記アルミチューブの表面にベーマイト皮膜処理を施した後、さらに分子構造に二塩基酸を持つウレタン変性エポキシ樹脂を施したものである。

すなわち、ベーマイト皮膜処理を行うことで、表面の残渣を完全に除去させ、表面に微細な凹凸を与え、表面積を増やすとともに熱交換器表面がＯＨ基（水酸基）となり密着性が向上する。

さらに分子構造に二塩基酸を分子配合したウレタン変性エポキシ樹脂を施すことで、ウレタン結合によって塗膜中のＯＨ基（水酸基）が多くなり、素地との密着性を向上させるとともに、二塩基酸によって焼付け乾燥時の反応促進性を高め、塗膜の架橋を密とし３次元網目構造の高分子構造体の塗膜にすることができ防食効果が高くなる。

よって、苛酷な高腐食環境下に置かれた場合でも、熱交換器表面と塗装との密着性を著しく向上させることができ、優れた防食効果を発揮することができる。

さらに、このベーマイト皮膜処理と分子構造に二塩基酸を持つウレタン変性エポキシ樹脂との結合性がよいので、密着性を著しく高め、また維持できそれによって防食効果を極めて高くすることが可能となった。

本発明のフィンアンドチューブ型熱交換器は、アルミフィン及びアルミチューブの表面にベーマイト皮膜処理を施した後、さらに分子構造に二塩基酸を持つウレタン変性エポキシ樹脂を施したことで、熱交換器が苛酷な高腐食環境下に置かれ、塗膜層内部に硫黄系やカルボン酸などの腐食性物質が徐々に侵入してきた場合でも、ベーマイト皮膜処理の表面積増大及びＯＨ基（水酸基）効果、およびウレタン結合による塗膜中のＯＨ基（水酸基）の効果が相乗し、素地との密着性を著しく向上させることができる。

また、二塩基酸の高分子反応促進効果により、塗膜の防食効果を著しく発揮することができ、冷凍システムを構成する熱交換器としての長寿命化が可能となり、長期間の運転が維持できる冷凍システムとして信頼性を高めることができるものである。

尚、前述のベーマイト皮膜処理効果及びＯＨ基（水酸基）効果の相乗効果により極めて高い防食効果が可能となった。

請求項１に記載の発明は、複数の貫通孔が形成され、一定間隔をおいて平行に配置する多数のアルミフィンと、前記貫通孔よりアルミフィンに直角に挿入され、かつ内部を流体が流動するアルミチューブを具備する熱交換器において、前記アルミフィン及び前記アルミチューブの表面に膜厚が０．１〜０．５μｍの範囲としたベーマイト皮膜を形成し、前記ベーマイト皮膜の処理は、温度は８０℃以下とした湯水で湯水洗を用いて前洗浄を行い、次に、電気伝導度２μｓ／ｃｍ以下のイオン交換水を用い温度は９５℃以上で行い、さらに前記ベーマイト皮膜の表面に、特殊ウレタン変性エポキシ樹脂の皮膜を施し、前記特殊ウレタン変性エポキシ樹脂は、ウレタン結合とブロックイソシアネートと二塩基酸との配合によって構成されたことを特徴とする冷凍機器に用いられるものである。

かかる構成とすることにより、熱交換器が、苛酷な高腐食環境下に置かれた場合でも、ベーマイト皮膜処理による表面積増大及びＯＨ基（水酸基）効果およびウレタン結合による塗膜中のＯＨ基（水酸基）の効果が相乗し、素地（アルミフィン、アルミチューブ）との密着性を著しく向上させることができ、また二塩基酸の高分子反応促進効果により、塗膜の防食効果を著しく発揮することができる。
また、このように、ベーマイト皮膜の膜厚を薄膜にすることで、表面に微細な凹凸ができ、より特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜との密着性を高めることができる。
また、かかることにより、二塩基酸によって特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜の焼付け乾燥時の反応促進性を高め、塗膜の架橋を密とし３次元網目構造の高分子構造体の塗膜にすることができ、防食効果がより高くなる。

以下、本発明によるフィンアンドチューブ型熱交換器の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるフィンアンドチューブ型熱交換器の概略構成図、図２は、同実施の形態におけるフィンアンドチューブ型熱交換器のアルミパイプ部の断面図、図３は、同実施の形態におけるフィンアンドチューブ型熱交換器のアルミフィン部の断面図である。

図１に示すように、フィンアンドチューブ型熱交換器（以下、熱交換器と称す）１は、所定間隔あけて配置された一対の端板２と、この端板２間において一定間隔をおいて平行に配置された多数のアルミフィン３と、端板２及びアルミフィン３に直角に挿入され、内部を流体が流動するアルミチューブ４とから構成されている。

かかる熱交換器１は、蛇行状に曲げ加工されたアルミチューブ４を、端板２及びアルミフィン３に設けた長穴（図示せず）に貫通するように挿入して製作されたものである。

熱交換器１の構造は、周知の構成でよいため、ここでの詳細な説明は省略する。

そして、製作された熱交換器１のアルミフィン３とアルミチューブ４の表面にベーマイト皮膜５が形成されるように処理を施し、そのベーマイト皮膜処理を施した後、そのベーマイト皮膜５の表面にさらに二塩基酸を分子配合した特殊ウレタン変性エポキシ樹脂の皮膜（以下、特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜と称す）６を施した構造を有している。

ベーマイト皮膜処理は、熱交換器１の組立て後に、該熱交換器１の全面に行うもので、そのとき、ベーマイト皮膜処理に悪影響を及ぼすゴミ、油、汚れを取り除くため、前洗浄を行う。

前洗浄は、湯水洗を用い、温度は８０℃以下とする。８０℃超えると、不安定なベーマイト皮膜５ができるので、表面の微細な凹凸ができなくなり、アルミフィン３およびアルミチューブ４のそれぞれの表面との密着性に影響を及ぼす。

次に、ベーマイト皮膜処理は、イオン交換水（電気伝導度２μｓ／ｃｍ以下）を用い、温度９５℃以上で行うことにより、安定で均一なベーマイト皮膜５を生成させることができる。

さらにベーマイト皮膜処理の後、浸漬塗装方式で高温焼付け塗装を行う。この塗装は、塗膜の架橋を密とし３次元網目構造の高分子構造体の塗膜にするため、ブロックイソシアネートと二塩基酸を重合反応させ高分子構造体の塗膜にした特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜６を形成するものである。そして、塗料には、特殊ウレタン変性エポキシ樹脂を、添加剤等を含有した揮発性の溶剤で溶かし、液状にした塗料を用いる。

この特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜６は、エポキシ樹脂の平均分子量を高分子化にしたことと、さらにガラス転移点を高くし、かつ塗膜を硬くし、塗膜層内部に硫黄系やカルボン酸等の腐食性物質を含んだ水が浸入し難くなるようにするものである。

以上のように、本実施の形態１においては、アルミフィン３及びアルミチューブ４の表面にベーマイト皮膜処理を施した後、さらに二塩基酸を分子配合したウレタン変性エポキシ樹脂皮膜６を施すことを、２回繰り返し行ったことで、苛酷な高腐食環境下に置かれた熱交換器１の塗膜層内部に、硫黄系やカルボン酸等の腐食性物質が徐々に侵入してきた場合でも、ベーマイト皮膜処理による表面積増大効果及びＯＨ基（水酸基）効果およびウレタン結合による塗膜中のＯＨ基（水酸基）の効果が相乗し、素地（アルミ材）との密着性を著しく向上させることができる。

また二塩基酸の高分子反応促進効果により塗膜の防食効果を著しく発揮することができ、冷凍システムを構成する熱交換器１の信頼性、長寿命化を可能とし、長期の使用を可能とすることができる。

また、ベーマイト皮膜５の膜厚を０．１〜０．５μｍにしたことにより、素地であるアルミフィン３、アルミチューブ４の表面に最適な微細凹凸を生成することができ、その結果、二塩基酸を分子配合した特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜６との結合性が良くなり、両皮膜５、６の密着性が極めて高くなる。

一方、ベーマイト皮膜５の膜厚を０．１μｍ未満にすると、微細な凹凸が形成され難くなり、不安定なベーマイト皮膜となって、特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜６との密着性が低下する。また、０．５μｍを超えると、ＯＨ基（水酸基）によって水分吸着が極端に多くなり、逆に特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜６との密着性が低くなるとともに、ベーマイト処理時間も多くなり、処理工数がかかる。

この特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜６は、分子構造に二塩基酸を分子配合したことにより、焼付け乾燥時の反応促進性を高め、塗膜の架橋を密とし、３次元網目構造の高分子構造体の塗膜にすることができ、防食効果がより高くなる。またブロックイソシアネートと二塩基酸の重合反応により、一層塗膜が高分子構造体となり、極めて高い防食効果が得られる。

また、特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜６を生成するために、１コート（１回と定めた内容の塗装）の最小膜厚を１０μｍ以下にしたことにより、均一な塗膜を生成することができる。塗料は流動性がよくなり、使用量、即ち、持ち出し量（浸漬塗料時の熱交換器に付着する塗料総量）を抑えることができ、低コストでの塗装が可能となる。

これとは逆に、１０μｍを超える塗装仕様にすると、塗料の粘度が極端に高くなり、使用量が増え、塗装の垂れによる外観品質が著しく低下する。

さらに、特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜６を、塗装と強制乾燥を交互に２回繰り返し行う、所謂２コート２ベークとしたことにより、１コート目に発生したミクロ的な塗膜のピンホール（塗膜欠陥でない）部分にも塗膜樹脂層（特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜６）が形成されるので、防食効果をさらに高くすることができる。また２コートにすることで、膜厚効果以上にベーマイト皮膜処理による密着性向上効果と相乗して大幅な防食効果を発揮させることができる。

さらに、この特殊ウレタン変性エポキシ樹脂は、ウレタン結合とブロックイソシアネートと二塩基酸との配合によって、乾燥し易い性質となり、その結果、焼付け乾燥（塗膜架橋が行われる工程）前に指触レベルで常乾状態となるので、強制的な乾燥（ベーク）を入れずに２コート（重ね塗り）しても、膜厚が形成（付着）できるようになり、塗装工程の簡素化につながる。即ち、浸漬塗料方式では不可能であった、強制乾燥を行わずに繰り返し行った塗装（重ね塗り）後に最終の強制乾燥を行う、所謂２コート１ベークの焼付け塗装（強制乾燥）が可能となった。

またこの特殊ウレタン変性エポキシ樹脂は、塗料の硬化剤にホルムアルデヒドの含有があるメラミン樹脂やフェノール樹脂を用いないので、塗装作業者の安全性が確保でき、また焼付け乾燥炉の排気にホルムアルデヒドが含有することもなく、社会問題となっているシックハウス問題が起こる心配がない。環境面にも対応した塗料である。

本発明のフィンアンドチューブ型熱交換器は、苛酷な高腐食環境下に置かれ、塗膜層内部に硫黄系やカルボン酸などの腐食性物質が徐々に侵入してきた場合でも、塗膜の防食効果を著しく発揮することができるもので、冷凍冷蔵庫用、ショーケース等の冷凍機器に用いられるフィンアンドチューブ型熱交換器として広く適用できる。

本発明の実施の形態１におけるフィンアンドチューブ型熱交換器の概略構成図 同実施の形態のフィンアンドチューブ型熱交換器におけるアルミパイプの径方向での断面図 同実施の形態のフィンアンドチューブ型熱交換器におけるアルミフィンの厚み方向での断面図

符号の説明

１ フィンアンドチューブ型熱交換器
３ アルミフィン
４ アルミチューブ
５ ベーマイト皮膜
６ 特殊ウレタン変性エポキシ樹脂皮膜

Claims (1)

1. 複数の貫通孔が形成され、一定間隔をおいて平行に配置する多数のアルミフィンと、前記貫通孔よりアルミフィンに直角に挿入され、かつ内部を流体が流動するアルミチューブを具備する熱交換器において、前記アルミフィン及び前記アルミチューブの表面に膜厚が０．１〜０．５μｍの範囲としたベーマイト皮膜を形成し、前記ベーマイト皮膜の処理は、温度は８０℃以下とした湯水で湯水洗を用いて前洗浄を行い、次に、電気伝導度２μｓ／ｃｍ以下のイオン交換水を用い温度は９５℃以上で行い、さらに前記ベーマイト皮膜の表面に、特殊ウレタン変性エポキシ樹脂の皮膜を施し、前記特殊ウレタン変性エポキシ樹脂は、ウレタン結合とブロックイソシアネートと二塩基酸との配合によって構成されたことを特徴とする冷凍機器に用いられるフィンアンドチューブ型熱交換器。

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