JP5478330B2 - 熱交換器用耐アルカリ性アルミニウムフィン材及び熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、エアーコンディショナーなどの熱交換器に用いられる耐アルカリ性アルミニウムフィン材及び熱交換器に関する。

エアーコンディショナーでは、熱交換器を冷却側で使用する場合に水が凝集して水滴となり、隣り合うフィン間に水のブリッジが形成される場合がある。このような現象が発生すると、空気の通路が狭くなって通風抵抗が大きくなり、熱交換効率が低下することになる。このため、熱交換器用フィンにあっては、その表面に濡れ性（親水性）を付与する処理が施されている。
従来、アルミニウム合金からなる熱交換器において、水分と接触する環境下において水和反応が進行し、水酸化アルミニウムからなる白色の腐食生成物が生成されることがあり、この腐食生成物が乾燥された白色の生成物を熱交換器の設置環境に吹き出してしまう問題を回避するため、熱交換器をアルカリ珪酸塩水溶液に浸漬して表面処理する技術が知られている。（特許文献１参照）
また、熱交換器用フィンの間に水滴が残存して通風抵抗を増加し熱交換効率を低下させる現象を防止するために、フィン材表面を多孔性シリカ微粒子を含有する有機高分子樹脂溶液で表面処理する技術（特許文献２参照）、あるいは、アクリル系樹脂などからなる皮膜形成有機高分子物質と水に不溶の５〜１０μｍの粒子径のＳｉＯ_２及びまたはＴｉＯ_２を含む水性組成物で塗装してから乾燥し、乾燥後の皮膜でもって被覆する技術が知られている。（特許文献３参照）

しかし、上述の濡れ性を付与する表面処理のうち、特許文献１に記載の珪酸塩を用いる表面処理方法では、大気中の臭気成分を吸着し易い問題があり、エアーコンディショナーの運転中に悪臭が発生し易いという問題がある。また、特許文献２、３に記載の如く無機酸化物粉末を含有させた組成物を塗布して塗膜を形成する技術では、シリカ粒子の硬度が高いために、アルミニウムの板材をフィン材に成形加工する際に金型が摩耗しやすいという欠点がある。

そこで、近年では、上述の無機成分を使用することなく、親水性の高分子体を複数組み合わせた処理剤をフィン材などの表面に塗布する方法が広く行われている。例えば一例として、セルロースポリマーとポリアルキレンオキサイドを配合し、アクリル樹脂、架橋剤を添加してなる水溶性樹脂混合物を塗布し焼き付けすることで塗膜を形成する構造（特許文献４参照）が知られている。また、同様な目的において、ポリアクリル酸にヒドロキシ基を有する水溶性樹脂を混合し、フィン材表面に塗布、焼き付けして得られた親水性皮膜を利用する技術が提供されている。（特許文献５参照）

一方、エアーコンディショナーにおいては、空気中を浮遊する塵や埃、有機物などで熱交換器が汚染されることがある。そして、室内機の熱交換器がこれらの物質で汚染されると、運転中に特有の臭気を発生するとともに、親水性の低下を引き起こすおそれがある。このため、これらの汚れを除去するために、アルカリ性の洗浄剤を用いて室内機の熱交換器を洗浄することが一般に行われている。

特公昭５５−１３４７号公報 特公昭５７−４６０００号公報 特公昭５９−８３７２号公報 特開平７−１９５０３２号公報 特開２００１−２０１２８９号公報 特開平５−３２２４６９号公報

前記特許文献４、５に記載されている表面処理の技術においては、親水性の樹脂を主成分として用いている。しかし、それらいずれの親水性樹脂においても耐食性には問題があり、これらの処理液で表面処理を行ったアルミニウムのフィン材をアルカリ性の洗浄液で洗浄した場合、親水性皮膜の剥離は生じないものの下地のアルミニウム材に腐食が発生する問題がある。
ここで表面未処理のアルミニウム材の場合、アルカリ洗浄液で洗浄すると単純にアルミニウムが溶解し、表面は清浄な状態となる。しかし、親水性の皮膜を有しているアルミニウム材の場合、アルカリ洗浄液で洗浄を行うと、洗浄液が親水性皮膜中を浸透し、下地のアルミニウムを侵すが、溶解したアルミニウムを含むイオンは塗膜を透過することができず、結果として塗膜下にアルミニウム水酸化物層を生成するため、塗膜の下が腐食した状態を呈する。そして、このアルミニウム水酸化物層は多数の水酸基を有するため、空気中の臭気成分を吸着し易く、珪酸塩系の表面処理を用いた場合と同様に運転中に悪臭を発する問題がある。

ところで、上述のような親水性皮膜を備えた構造における悪臭の問題を回避できる可能性を有する技術として、耐食性皮膜の塗工後に親水性皮膜を塗工する２層コート技術が特許文献６に記載されている。
ここで従来から、下塗り型の耐食性皮膜として、各種のものが用いられているが、環境重視の観点から溶剤系の処理剤は使用されなくなってきており、水系の処理剤に限定して例示すると、アクリル系変性エポキシ系、水溶性ポリエステル−アミノ系、水溶性ポリウレタン系の耐食性皮膜などが使用されている。
しかし、本発明者の研究によれば、これらいずれの系の下塗り型の耐食性皮膜を用いたとしても、殆どの耐食性皮膜において、熱交換器のアルミニウム板材をアルカリ系洗浄剤により洗浄した場合、下地のアルミニウムは腐食しないものの、熱交換器から悪臭が発生することを知見している。

本願発明は、これらの背景に鑑み、熱交換器のアルカリ洗浄後の臭気発生の問題に鑑み鋭意検討した結果、アルミニウムあるいはアルミニウム合金の板材に親水性皮膜とともに特殊な樹脂の下地皮膜を設けることでアルカリ系洗浄剤による洗浄後においても臭気を生じることがない耐アルカリ性アルミニウムフィン材を提供すること、及びその耐アルカリ性アルミニウムフィン材を備えた熱交換器を提供することを目的とする。

本発明者は、アクリル変性エポキシ系、水溶性ポリエステル−アミノ系、水溶性アクリル−アミノ系の樹脂を下地皮膜として用いると、いずれの樹脂製の下地皮膜であってもアルカリ洗浄後に熱交換器を運転すると臭気が発生することを知見している。
これら樹脂系の下地皮膜がアルカリ洗浄によって臭気を発生させる理由は明確ではないが、本発明者の研究により、アクリル変性エポキシ樹脂の場合、アクリル樹脂中に存在するカルボキシル基の量が多い程、臭気が悪くなることが判っている。従って本発明者の考察ではカルボキシル基とアルカリ成分との間で何らかの臭気発生作用が起こっているものと考えている。
また、本発明者の検討により、アクリルアミノ系、ポリエステル系の皮膜の場合、アミノ樹脂含有量が多い程、臭気が強くなることから、アミノ樹脂と種樹脂の間の架橋点に洗浄剤のアルカリ成分が何らかの作用をなし、一部結合が分解され。臭気成分が吸着され易い官能基が生成することが臭気発生の原因ではないかと考えている。

しかしながら、本発明者の研究により、ジイソシアネートと平均分子量１０００〜５０００のポリオールを必須成分として反応させた重合物と、水とアミン化合物を含む媒体に溶解もしくは分散させた処理液を、アルミニウムまたはアルミニウムの板材の上に塗布焼き付けしたことによって得られたウレタン系の下地皮膜と親水性皮膜とを塗工することによりアルカリ洗浄後においても臭気が発生せず、かつ、親水性を有するフィン材を提供できることを知見し、本願発明に到達した。

本発明のアルカリ洗浄後の臭気性を低減した熱交換器用耐アルカリ性アルミニウムフィン材は、ジイソシアネートと平均分子量１０００〜５０００のポリオールを必須成分として反応させたウレタン重合物を水に溶解もしくは分散させた処理液を、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる板材の上に塗布焼付けしたことによって得られる下地皮膜を有し、その下地皮膜の上に塗布焼付けにより形成された親水性皮膜を具備してなることを特徴とする。
本発明において、ポリアクリル酸及びその中和物、ポリビニルアルコール、セルロース系高分子体のいずれかを含む処理液を塗布、焼付けした親水性皮膜を有しても良い。
本発明の熱交換器は、先に記載の熱交換器用耐アルカリ性アルミニウムフィン材を複数備えてなることを特徴とする。

本発明によれば、ジイソシアネートと平均分子量１０００〜５０００のポリオールを必須成分として反応させたウレタン重合物を水に溶解もしくは分散させた処理液を、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる板材の上に塗布焼付けしたことによって得られる下地皮膜とその上に形成した親水性皮膜を有しているので、アルカリ系洗浄液により熱交換器を洗浄した後であっても、これらの膜から臭気が発生することがない。よって、アルカリ洗浄しても臭気発生のおそれがない熱交換器用耐アルカリ性アルミニウムフィン材並びにそれを備えた熱交換器を提供できる。

本発明に係る耐アルカリ性アルミニウムフィン材の一構成例を示す部分断面図。 図１に示すアルミニウムフィン材の部分断面図。 図１に示すアルミニウムフィン材を複数備えた熱交換器の一例を示す斜視図。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る耐アルカリ性アルミニウムフィン材の一例を示す斜視図、図２は同アルミニウムフィン材の部分断面図、図３は同アルミニウムフィン材を備えた熱交換器の一例を示す斜視図である。
この例の耐アルカリ性アルミニウムフィン材１０は細長い短冊形状を有しており、銅製の伝熱管を通すラッパ状のフレア１１が、長さ方向に単列、或いは複数列で等間隔に配されている。また、アルミニウムフィン材１０の表面には、伝熱性能の向上を目的にスリット１２などを必要箇所に設けることがある。
図１に示すフィン１０は、図２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用の板材１３の表面に、耐食性の下地皮膜１４と親水性皮膜１５が形成されてなるものである。
フィン用の板材１３としては、燐酸クロメート処理などの表面処理を施し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。また、フィン用の板材１３の表面に形成される下地皮膜１４と親水性皮膜１５の膜厚は０．５〜３．０μｍ程度であることが好ましい。

前記耐食性の下地皮膜１４は、ジイソシアネートと平均分子量１０００〜５０００のポリオールを必須成分として反応させた重合物と、水とアミン化合物を含む媒体に溶解もしくは分散させた処理液を、フィン用の板材１３上に塗布焼き付けしたことによってなる。

本実施形態において適用されるジイソシアネートの成分は特に制限するものではなく、トリレンジイソシアネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、キシレンジイソシアネート、１，５−ナフチレンジイソシアネート、ジフェニルメタン−４，４’−ジイソシアネート、３，３’−ジメチルジフェニル４，４’−ジイソシアネート、ジアニシジンジイソシアネート、テトラメチルキシリレンジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネート；イソホロンジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタン４，４’−ジイソシアネート、トランス−１，４−シクロヘキシルジイソシアネート、ノルボルネンジイソシアネート等の脂環式ジイソシアネート；１，６−ヘキサメチレンジイソシアネート、リシンジイソシアネート等の脂肪族イソシアネートなどの１種類または２種類以上を混合して用いることができる。

本実施形態で用いるポリオール成分についても平均分子量が１０００〜５０００の間であれば特に制限はない。
より具体的には、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイドなどのポリエーテルジオール、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、アジピン酸、テレフタル酸、イソフタル酸などの多価カルボン酸とエチレングリコール、１，２プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、ネオペンチルグリコールなどのポリオール成分及び、メチロールプロピオン酸、ジメチロールブタン酸、ジメチロール酪酸などのカルボキシル基含有ポリオールとの反応によって得られるポリエステルポリオールなどを用いることができる。この場合、カルボキシル基含有モノマーの比率が高すぎると、アルカリ洗浄時の臭気に悪影響を与えるため、カルボキシル基含有モノマー／低分子ポリオール成分が１／２（重合比）以下である方が好ましい。
また、これらのポリオールは２種類以上のものを混合して用いても構わない。

ジイソシアネートと平均分子量１０００〜５０００のポリオールは親和性の大きい溶媒中で反応させウレタン重合物を得、そのままの組成では水に溶解しない場合はこれにアミン類を加えた後、水に分散または溶解することによって処理液を作成する。ここで使用するアミン類としては、エチルアミン、プロピルアミン、２−プロピルアミン、ジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミンなどの各種のアミンを用いることができる。水に対しての添加量について特に規定はないが、樹脂を安定して水に分散できるだけの量が含まれていれば良い。
ポリオールの平均分子量を１０００〜５０００に規定した理由は以下の通りである。ポリオールの平均分子量が１０００未満の場合、アルカリ洗浄後の臭気が悪化してくる。この理由については明確ではないが、塗膜中にウレタン結合の占める割合が多くなり、このウレタン結合部分がアルカリの洗浄液によって劣化し、臭気を吸収し易くなっていると本発明者は推定している。
ポリオールの平均分子量が５０００を超えるようになると、塗膜の硬度が下がりすぎるため、アルミニウムの板材１３に塗布した後にコイル状に巻き付けると、塗膜どうしがブロッキングし易くなり（密着し易くなり）、コイルを巻き戻す時に剥がれなくなるというトラブルを発生し易くなる。

このようにして得られたポリウレタン重合物水溶液を、アルミニウムの板材１３の上にロールコーターなどの塗布装置を用いて塗布し、加熱炉で焼き付けることによって下地皮膜１４を得ることができる。
ここでアルミニウムの板材１３にあっては、無処理のもの、リン酸クロメート皮膜を形成したもの、または、プライマーとなる樹脂皮膜を予め塗装したものなど、いずれの形態であっても差し支えない。また、焼付け温度についても特に制限はないが、２５０℃を超える温度で焼き付けるとエーテル系のポリオールを用いた場合などに熱分解が発生し、塗膜強度が著しく低下する場合もあるので、２５０℃以下の温度、例えば、１８０℃〜２３０℃の範囲が好ましい。

また、以上説明の如く得られた下地皮膜１４は接触角５０〜８０゜程度であるので、エアーコンディショナーの室内機用のフィン材として使用するには親水性が不足している。そのため本実施形態では、先の下地皮膜１４の上に親水性皮膜１５を塗布し、親水性を向上させることが必要である。
親水性皮膜１５の一例は、ポリアクリル酸及びその中和物、ポリビニルアルコール、セルロース系高分子体のいずれかを含む処理液を塗布し、焼き付けることによって得ることができる。ここでの焼付け温度についても特に制限はないが、耐水性、親水性を確保するために、２００〜２５０℃の範囲で焼付け温度を選択することが好ましい。

前記構成の下地皮膜１４と親水性皮膜１５を備えた２層構造の膜を有するフィン材１０であるならば、エアーコンディショナーの熱交換器用としてフィン材１０が組み込まれた構造において、フィン材１０の表面に堆積している塵埃をアルカリ洗浄剤により洗浄した後であっても、エアーコンディショナーの運転時に臭気を放出してしまうことがない。
これは、通常のフィン材を備えた熱交換器であるならば、２槽構造の塗膜が形成されていたとしても、下側の下地皮膜を通過してアルカリ洗浄液がアルミニウムに到達してアルミニウムの表面を一部溶解し、イオンを含むアルミニウムの溶解物（水酸化物）が下地皮膜の内側に残存し、下地皮膜を劣化させる結果、下地皮膜の劣化部分に臭気を吸着する性質を付与する結果、エアーコンディショナーを設置している室内の臭気成分を吸着し、エアーコンディショナーが臭気を発生させてしまう問題があったが、本実施形態の構造ではこの現象を防止して臭気の発生を防止できる。即ち、前記構造の下地皮膜１４であるならば、アルカリ洗浄液がアルミニウムに到達してアルミニウムの表面を一部溶解し、イオンを含むアルミニウムの溶解物（水酸化物）が下地皮膜の内側に残存しても、下地皮膜１４のウレタン結合部分がイオンを含むアルミニウムの溶解物（水酸化物）に侵されるおそれが少なく、ウレタン結合部分が周囲の臭気を吸着するようにならないために、臭気発生の少ないフィン材１０を提供できるという効果がある。

また、前記構造のフィン材１０にあっては、表面に親水性皮膜１５を有し、親水性に優れるので、エアーコンディショナーの運転時にフィン材１０に水滴などが付着した場合であっても、隣接するフィン材１０間において水滴による水膜を生成し難くなるので、通風抵抗の増加を防止することができ、熱交換効率の低下を防止することができる。

図３は、本発明のアルミニウムフィン材１０を備えた熱交換器の一例を示した斜視図である。
図３に示す熱交換器２０は、図２に示すフィン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材１０は、一定の等間隔で平行に並べられており、アルミニウムフィン材１０の相互間に空気が流動するようになっている。伝熱管３０は、アルミニウムフィン材１０のフレア１１を貫通しており、その内部を冷媒が流動するようになっている。
図３に示す熱交換器２０は、図２に示すアルミニウムフィン材１０を備えているので、空気中から凝縮した水滴がアルミニウムフィン材１０に付着しにくく、アルミニウムフィン材１０に水滴が付着することによる圧力損失が小さく、長期にわたって使用した場合でも熱交換能力が低下しにくいものとなる。また、アルカリ洗浄剤によりフィン１０を洗浄した後であっても、上述の説明の如く下地皮膜１４が臭気を吸着することがないので、臭気発生の生じない熱交換器２０を提供できる。

以下実施例に基づき本発明を更に説明する。
１．実施例サンプルの作成
予め重合しておいたポリオール化合物とジイソシアネートをＮ−メチルピロリドンの中で窒素気流下、１２５℃で２時間反応させてポリウレタン系の重合物を得た。ポリオール化合物とジイソシアネートの比は、モル比でポリオール化合物／ジイソシアネート＝１：１となるように調整した。

一部の試料では、水への分散・溶解性を得るために、アミンを添加した後、水に溶解した。このようにして得られた、ポリウレタン化合物を含む処理液をリン酸クロメート処理したＪＩＳ規定Ａ１０５０のアルミニウムからなる板材にバーコーターを用いて２μｍの厚さになるように塗工し、２００℃で５分間焼付けを行った。この時点でのサンプルをブロッキング性試験に供した。
また、以上のように作成したウレタン重合物の下地皮膜上に表１の親水性塗膜の欄に示す親水性皮膜を厚さ１μｍになるようにバーコーターで塗工し、２２０℃で２分間焼付けを行い、後述のアルカリ洗浄臭気、親水性、耐食性の評価用サンプルを作成した。表１にこれらの試験に供したポリウレタン重合体の組成を示した。

２．比較用サンプルの作成
本発明範囲外の組成のポリウレタン重合体について、「１．実施例サンプルの作成」で説明した製造方法と同等の方法で作成し、その後、表１の親水性塗膜の欄に示す親水性塗膜を塗布し、前記と同じ条件で焼き付けして各試験に供した。これらのサンプルについては、表２に示した。
また、ポリウレタン以外の樹脂系の塗膜についても、厚さ２μｍになるように塗工し、それぞれの塗膜についての最適焼付け温度にて焼付けを行った。その試料を先の実施例試料と同様にブロッキング性試験に供した。また、その上に、前記と同じ親水性の皮膜を塗布し、後述のアルカリ洗浄臭気、親水性、耐食性の評価用サンプルを作成した。また、親水性皮膜のみを塗装したサンプルも作成した。表３にこれらサンプルを示した。

３．評価
（１）アルカリ洗浄後臭気
ＳＨＯＷＡ製強力アルミフィンクリーナー：ＥＡ１１５−３６を２０％に希釈した液に塗装サンプルを１０分間浸漬した後、水道水で１０分間洗浄し、５０℃で乾燥を行った。これを５サイクル繰り返した後、臭気について１０名のテスターによる官能試験を実施した。評価点は以下の３段階とした。
○印：ほとんど臭気がない：△印：やや臭気がある： ×印：著しい臭気がある

（２）ブロッキング性評価
下地皮膜のみをアルミニウム板材の表面に塗装焼き付けしたサンプルを１０枚重ねてその上に２０ｃｍφ、２０ｋｇの重りを載せ、５０℃で１時間加熱を行った。その後、室温まで冷却した後、重りを外し、１枚ずつサンプルを剥がして板材どうしが接着しているか否かを評価した。
○印：接着していない：△印：僅かに接着している：×印：かなり接着している

（３）親水性
水洗２４時間の前処理を行った後、接触角の測定を行った。接触角が３０゜以下であれば、実用レベルである。
（４）耐食性
耐食性については、ＪＩＳ Ｚ２３７１に従い、塩水噴霧試験を１０００時間行った後の腐食状態を目視観察し、Ｒ．Ｎ． ９．８以上を評価値１、Ｒ．Ｎ． ９．０以上を評価値２、Ｒ．Ｎ． ９．０未満を評価値３とした。耐食性の熱交換用フィン材としては、評価値１が求められる。
（５）平均分子量の測定
重量平均分子量（Ｍｗ）は、ＳＥＣ／ＭＡＬＳ（サイズ排除クロマトグラフィー／多角度光散乱検出器：東ソー（株）製ＨＬＣ−８０２０）を使用して測定した、絶対分子量を示す。
以上説明した（１）〜（４）の評価結果と重量平均分子量の測定結果について表４に示した。

表４に示す試験結果から、本発明に係る耐アルカリ性アルミニウムフィン材は、アルカリ洗浄後の臭気の発生が抑えられるとともに、ブロッキング性評価に優れ、コイル巻きした場合であっても支障がなく、親水性と耐食性にも優れていることが判明した。
表４に示す結果から特に、平均分子量が１０００〜５０００の範囲内のポリオールとジイソシアネートを重合させてなるウレタン重合物を使用したものが、アルカリ洗浄後の臭気とブロッキング性評価と親水性と耐食性においてバランスのとれた優れた特性を発揮していることが明らかである。

１０…耐アルカリ性アルミニウムフィン材、１２…スリット、１３…板材、１４…下地皮膜、１５…親水性皮膜、２０…熱交換器、３０…伝熱管。

Claims (3)

1. ジイソシアネートと平均分子量１０００〜５０００のポリオールを必須成分として反応させたウレタン重合物を水に溶解もしくは分散させた処理液を、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる板材の上に塗布焼付けしたことによって得られる下地皮膜を有し、その下地皮膜の上に塗布焼付けにより形成された親水性皮膜を具備してなることを特徴とするアルカリ洗浄後の臭気性を低減した熱交換器用耐アルカリ性アルミニウムフィン材。
2. ポリアクリル酸及びその中和物、ポリビニルアルコール、セルロース系高分子体のいずれかを含む処理液を塗布、焼付けした親水性皮膜を有することを特徴とする請求項１に記載のアルカリ洗浄後の臭気性を低減した熱交換器用耐アルカリ性アルミニウムフィン材。
3. 請求項１または２に記載の熱交換器用耐アルカリ性アルミニウムフィン材を複数枚備えてなる熱交換器。

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