JP5506566B2

JP5506566B2 - 熱交換器用アルミニウムフィン及び熱交換器

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Publication number: JP5506566B2
Application number: JP2010144621A
Authority: JP
Inventors: 康二久保; 隆徳道木; 貴彦水田
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: JP2011027398A

Description

本発明は、熱交換器用アルミニウムフィン及びそれを用いた熱交換器に関する。なお、本明細書中の「アルミニウム」は、アルミニウムを主体とする金属及び合金の総称であり、純アルミニウム及びアルミニウム合金を含む概念である。

空調機や冷蔵庫における熱交換器としては、多数のプレートフィンとチューブ（伝熱管）とを組み合わせて構成されるクロスフィンチューブ型熱交換器が多用されている。
従来から、上記プレートフィンには、軽量で熱伝導性及び加工性に優れていることからアルミニウムが使用されている。

クロスフィンチューブを作製するに当たっては、まず、アルミニウム板よりなる熱交換器用フィンに、上記伝熱管を挿通して固定するための１〜４ｍｍ程度の高さのフィンカラー部を有する組み付け孔をプレス加工して上記プレートフィンを作製する。
次いで、この得られたプレートフィンを積層した後に、組み付け孔の内部に、別途作製した伝熱管を挿通させる。

伝熱管には、通常、銅管又は銅合金管の内面に転造加工等によって溝加工を施すと共に、定尺切断・ヘアピン曲げ加工を施したものが供される。
次に、伝熱管をアルミニウムプレートフィンに拡管固着し、ヘアピン曲げ加工を施した側と反対側の伝熱管端部にＵベンド管をろう付け加工する工程を経て、熱交換器が作製される。

このような空調機用熱交換器は、例えば暖房運転時の室外器では、空気中の水分がアルミニウムフィンの表面に凝縮水となって付着し、更にはその凝縮水が凍結し着霜する。金属材料の表面は、一般に親水性に乏しいため、この凝縮水はフィン表面に半円形もしくはフィン間にブリッジ状になって存在し、やがて着霜する。これはフィン間の空気の流れを妨げ、通風抵抗を増大させ、熱交換効率を著しく低下させる原因となる。熱交換器の熱効率を向上させるためには、フィン表面の凝縮水を着霜前に迅速に排除すると共に着霜しにくい表面にする必要がある。

この解決法として、以下の２つの対策が考えられる。
（１）アルミニウム合金フィン表面に高親水性被膜を形成し、凝縮水を薄い水膜として流下させる。
（２）アルミニウム合金フィン表面に撥水性被膜を形成し、凝縮水を早期に排除して表面に残りにくいようにする。

上記（２）のアルミニウム合金フィン表面を撥水化し、凝縮水が留まりにくくした撥水性被膜としては、種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、シリコーン系または、フッ素系樹脂化合物からなる溶液と、前記溶液中の固形分に対する比率が１０〜４０重量％であり、比表面積が５０ｍ²／ｇ以上、かつ平均粒子径４μｍ以下でさらに表面に疎水化処理を施した無機微粒子とからなる撥水性コーティング組成物が開示されている。
特許文献２には、シリコーン系樹脂化合物からなる溶液及び分子中に少なくとも２種の官能基を有する樹脂改質剤及び粒径が４μｍ以下であり、前記溶液中の固形分に対する構成比率が５〜６０重量％である無機微粒子とからなる撥水性コーティング用組成物が開示されている。

特許文献３には、アルミニウム板表面に、バインダーとしての熱硬化性樹脂１重量部に対し、フッ素系又はシリコン系の撥水化剤を０．２重量部以上、平均粒径が０．５〜５μｍのアルミナ、ジルコニア、チタニア及び炭化ケイ素からなる群から選択された１種又は２種以上の混合粉末を４〜８重量部混合した混合物からなる皮膜を１ｍｇ／ｄｍ²以上設けたことを特徴とする表面処理アルミニウムフィン材が開示されている。

特許文献４には、熱硬化性樹脂固形分１重量部に対して、疎水性シリカを０．２重量部以上と、パーフルオロアルキル基を有する撥水化剤を０．１重量部以上含むことを特徴とする撥水性塗料が開示されている。
特許文献５には、金属材の少なくとも一方の表面に、有機または無機の微粒子（Ａ）を含む有機樹脂からなる下地被膜が形成され、該下地被膜の上に撥水性を示す仕上げ被膜が形成され、前記微粒子（Ａ）の平均粒径は前記有機樹脂下地被膜の膜厚より１．５倍以上大きいことを特徴とする撥水性金属塗装材が開示されている。

特開平３−２４４６８０７号公報特開平５−２２２３３９号公報特開平８−２８５４９１号公報特開平８−２６９３６７号公報特開２００９−１２２３８号公報

ところが、上記特許文献１〜５については、優れた撥水性を実現しているものの、必ずしも着霜を抑制する特性、つまり、難着霜性が十分に得られているとは言えない。さらに、撥水性を長期間維持することが困難なものもある。
例えば、特許文献１、２に記載の技術では、撥水性被膜中の粒子が脱落しやすいという問題がある。特許文献３についても、特許文献１、２と同様、アルミナ等の粒子が脱落しやすいという問題がある。特許文献４の技術は、疎水性シリカが皮膜表面に露出した状態にある必要があり、やはり疎水シリカが脱落しやすいという問題がある。

特許文献５の技術は、特許文献１、２などの粒子の脱落を防止するという課題の下になされたものであり、仕上げ被膜形成後の粒子脱落防止効果は期待できるが、下地被膜形成から仕上げ被膜形成までに粒子が脱落し、性能低下を招くうえ、生産ライン汚染する恐れがある。

このように、初期の性能を維持し、安定量産に適した撥水性被膜が得られていないというのが現状である。
さらに、近年、熱交換器の軽量化や熱効率の向上、さらにはコンパクト化等の要請に応えるために、アルミニウムフィンの間隔をますます狭くする設計が取り入れられている。このようなフィン間隔の狭いクロスフィンチューブ型熱交換器においては、特許文献１〜５に開示されている撥水性塗膜を塗布したアルミニウムフィン材では、水の接触角が大きいため、より小さい凝縮水でもフィン間に凝縮水のブリッジを形成し、通風抵抗を増大させるうえ、着霜も早い。

そこで、これまでの水との接触角をできるだけ大きくするような撥水性塗膜を得ることを主眼とするのではなく、適切な塗膜の材質構成を選択することで、優れた難着霜性が得られるアルミニウムフィンの開発をすることが必要であるという新たな課題が見出された。

本発明は、フィン間隔の狭い（フィン間隔２ｍｍ以下）クロスフィンチューブ型熱交換器においても、難着霜性に優れるアルミニウムフィン及びそれを用いた熱交換器を提案することを目的とするものである。

第１の発明は、アルミニウムよりなる基板と、該基板の表面に形成した１層もしくは複層の塗膜からなる熱交換器用アルミニウムフィンであって、
上記塗膜のうち、最外層の塗膜に含有される成分は、固形分質量％で、パーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂をＡ、アミノ樹脂をＢとしたとき、
Ａ＋Ｂ≧９５％
Ａ≧１％、Ｂ≧１％
であることを特徴とする熱交換器用アルミニウムフィンにある（請求項１）。

第２の発明は、アルミニウムからなるフィンを多数積層し、該フィンに設けられた円筒状のカラー部内に挿入配設することにより上記伝熱管と多数の上記フィンとを一体的に組み付けてなるクロスフィンチューブからなる熱交換器であって、
上記フィンは、第１の発明の熱交換器用アルミニウムフィンを用いて形成され、
上記フィンの積層ピッチが、２ｍｍ以下であることを特徴とする熱交換器にある（請求項４）。

第１の発明の熱交換器用アルミニウムフィン（以下、適宜、単に「フィン」という）は、上記最外層の塗膜が、上記特殊な成分構成になっており、パーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂と、アミノ樹脂とを主成分とするものである。これにより、本発明のフィンは、従来の撥水性のみを追求した塗膜に比べて、フィン間に凝縮水のブリッジが形成されにくく、さらに着霜しにくい特性を発揮する。そして、撥水性のパーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂を含むことで、粒子を添加することなく水との接触角を適正化し、通風抵抗の増大を抑制し、着霜しにくい塗膜表面を得ることが可能である。

第２の発明の熱交換器は、上記の優れたフィンを用いて構成してある。そのため、難着霜性に優れ、フィンピッチが２ｍｍ以下の場合においても、着霜による通風抵抗増大が効果的に抑制され、良好な熱交換性能を維持することが可能である。

実施例における、熱交換器用アルミニウムフィンの塗膜構成を示す説明図。実施例における、熱交換器用アルミニウムフィンの塗膜構成の別例を示す説明図。実施例における、熱交換器の構成を示す説明図。実施例における、水滴接触角αについて示す説明図。

本発明のフィンは、上記のごとく、１層もしくは複層の塗膜を有している。ここでいう１層は、同一種類の塗膜を塗っている層を意味し、同一種類の塗膜を１回塗った場合だけでなく、同一種類の塗膜を複数回塗り重ねて形成した塗膜も１層である。したがって、複数層とは、異なる種類の塗膜が積層された場合を意味する。

複層の塗膜の場合、例えば、第１層目として、エポキシ系塗膜を設け、その上に上記最外層を設けることができる。また、アルミニウム基板上の片面又は両面には、下地処理層を設けることが好ましい。下地処理層としては、例えば塗布型あるいは反応型のリン酸クロメート、またはクロムフリー化成皮膜層皮膜が採用される。

そして、上記最外層の塗膜に含有される成分は、上述したごとく、固形分質量％で、パーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂をＡ、アミノ樹脂をＢとしたとき、Ａ＋Ｂ≧９５％であり、かつ、Ａ≧１％、Ｂ≧１％である。したがって、最外層の塗膜は、パーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂と、アミノ樹脂とを主成分とするものである。

撥水性のパーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂を含むことで、粒子を添加することなく水との接触角を適正化し、通風抵抗をの増大を抑制し、着霜しにくい塗膜表面を得ることが可能である。
一方、アミノ樹脂は、基本的に親水性であるが、パーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂に適正量を含有させると、塗膜の密着性を強度を高める他に、水滴接触角の顕著な低下なしに（＝撥水性の顕著な低下なしに）効果的に難着霜性を向上させることが見出されたのである。親水性のアミノ樹脂の添加により、パーフルオロアルキル基の撥水部分が塗膜表面に配向し、撥水効果を高めるものとも考えられる。

上記Ａ＋Ｂが９５％未満、つまり、Ａ、Ｂ以外の成分が５％以上含まれる場合には、撥水性が低下したり、塗膜における上記難着霜性が十分に得られなくなる。一方、Ａ、Ｂ以外の成分としては、５％未満であれば加えてもよい。好ましくは、Ａ＋Ｂ≧９９％、さらに好ましくはＡ＋Ｂ＝１００％であって、Ａ＋Ｂ以外は０であるのがよい。
また、従来技術にあるような、アルミナ等の粒子を含有させることも可能であるが、この含有量が多すぎると、脱落し易いという問題があり好ましくない。

また、ＡとＢとは、それぞれ最低でも１％は含有させることが必要である。Ａが１％未満の場合、またはＢが１％未満の場合には、塗膜における上記難着霜性が十分に得られない。

さらに、Ａ≧１５％、Ｂ≧１０％であることが好ましい（請求項２）。
Ａ＜１５％の場合には、ＡとＢとを混合した後、塗装までの間に塗料の一部が固化し易く、板面に均一に塗装することが困難となるおそれがあり、塗装性に劣るおそれがある。

また、Ｂ＜１０％の場合には、塗膜の密着性が劣るおそれがある。特に、塗料をロールコート法、バーコート法などでアルミニウムの板に事前に（フィン形状への切断を行う前に）塗装した、いわゆるプレコートフィンの場合には、プレス加工にてフィン形状への切断を行う際に、塗膜が剥がれやすくなるおそれがある。

上記パーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂としては、例えば、パーフルオロアルキル基含有ポリエステルまたはパーフルオロアルキル基含有アクリル樹脂が望ましい。
上記アミノ樹脂の一例としては、メラミン樹脂を挙げることができる。

また、上記最外層の塗膜は、水滴接触角が９０°〜１５０°であることが好ましい（請求項３）。すなわち、上記最外層の塗膜は、適度な撥水性を有することが好ましい。上記水滴接触角が９０°未満の場合には、塗膜が親水性の状態となり、塗膜表面において発生した凝縮水の排除が遅くなるおそれがある。一方、上記水滴接触角が１５０°を超える場合には、撥水性が強すぎて、凝縮水が少なくても球状に近くなって狭いフィン間においてブリッジを形成しやすくなるおそれがある。

なお、上記塗膜を塗装する方法としては、特に制限されるものではないが、ロールコート法、バーコート法、浸漬塗布法、スプレー法等の公知の各種手法を採用しうる。また、塗料を上記基板の片面又は両面に塗布した後、硬化させるための硬化条件、即ち焼き付け条件等についても、各合成樹脂塗料の種類等に応じて種々の条件を選択することができる。

本発明の実施例にかかる熱交換器用アルミニウムフィンにつき説明する。
本例の熱交換器用アルミニウムフィン１は、図１に示すごとく、アルミニウムよりなる基板１０と、該基板１０の表面に形成した１層の撥水性の塗膜２からなる。なお、後述する試料Ｎｏ．６については、図２に示すごとく、撥水性の塗膜２と基板１０との間に、耐食性の下塗り塗膜３を形成し、２層構造の塗膜とした。なお、基板１０と塗膜２または塗膜３との間には、後述する試料Ｎｏ．６以外において、リン酸クロメートよりなる化成被膜４が形成されている。

本例では、上記最外層の塗膜２の成分を変更した複数の実施例（試料Ｎｏ．１〜６、１０〜１３）と比較例（試料Ｎｏ．７〜９）を準備して、その性能を評価した。具体的な評価は、後述するごとく、クロスフィンチューブよりなる熱交換器を作製して行う評価と、全く同様の塗膜構成を有する平板状のサンプルを作製して行う評価とを行った。

まずは、表１に、各試料の塗膜の成分を示す。
本例では、フッ素樹脂は、パーフルオロアルキル基を含むもので、具体的には旭硝子製ＡＧ−Ｅ０６０を使用した。アミノ樹脂は、具体的にはメラミン樹脂（ＤＩＣ製ベッカミンＪ１０１）を使用した。

また、表１より知られるごとく、本発明の実施例である試料Ｎｏ．１〜６、１０〜１３は、最外層の塗膜２に含有される成分は、固形分質量％で、パーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂をＡ、アミノ樹脂をＢとしたとき、Ａ＋Ｂ≧９５％、Ａ≧１％、Ｂ≧１％をすべて満たしている。また、試料Ｎｏ．５は、上記フッ素樹脂及びアミノ樹脂のほかにシリコーン樹脂を２％含有し、上記Ａ＋Ｂ＝９８％であるが、試料Ｎｏ．１〜４、６、１０〜１３は、Ａ＋Ｂ＝１００％である。

また、比較例としての試料Ｎｏ．７は、最外層の塗膜が、パーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂を１００％含有するものであり、アミノ樹脂を含んでいない。
また、比較例としての試料Ｎｏ．８は、最外層の塗膜が、アミノ樹脂を１００％含有するものであり、パーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂を含んでいない。
また、比較例としての試料Ｎｏ．９は、上記フッ素樹脂及びアミノ樹脂を含有するが、そのほかにシリコーン樹脂を１２％含有し、上記Ａ＋Ｂ＝８８％である。

平板状のサンプルとしての上記試料を作製するに当たっては、まず、基板として、ＪＩＳＡ１０５０−Ｈ２６、厚み０．１ｍｍのアルミニウム板を準備し、リン酸クロメートを浸漬処理することにより、基板の表面に化成皮膜を形成した。なお、試料Ｎｏ．６については、弱アルカリ系脱脂剤により脱脂のみを行なった。

その後、試料Ｎｏ．１〜５、７〜１３については、最外層の塗膜２となる塗料を、浸漬法により１００℃に２０分間保持する条件で焼き付けた。撥水性の塗膜２の厚さは１．５μｍに設定した。
試料Ｎｏ．６については、耐食性の塗膜３となるエポキシ樹脂塗料を、浸漬法により塗装し、１７０℃に２０分間保持する条件で焼き付けた。耐食性の塗膜３の厚さは１．０μｍに設定した。塗膜３の上層には、上記と同様の条件により最外層の塗膜２を塗装した。

次に、熱交換器の製造方法について説明する。
本例で用いる熱交換器６は、図３に示すごとく、上記熱交換器用アルミニウムフィン１よりなる多数のプレートフィンと、これらを貫通させた伝熱管６１とを組み合わせたクロスフィンチューブタイプのものである。

上記熱交換器６を作製するに当たっては、まず、上記と同様に、基板として、ＪＩＳＡ１０５０−Ｈ２６、厚み０．１ｍｍのアルミニウム板を準備し、リン酸クロメートを浸漬処理することにより、基板の表面に化成皮膜を形成した。なお、試料Ｎｏ．６については、弱アルカリ系脱脂剤により脱脂のみを行なった。

次いで、アルミニウム板よりなるフィン１に、上記伝熱管６１を挿通して固定するための１〜４ｍｍ程度の高さのフィンカラー部を有する組み付け孔（図示略）をプレス加工して上記プレートフィンを作製する。
次いで、この得られたプレートフィンを積層した後に、組み付け孔の内部に、別途作製した伝熱管６１を挿通させる。

伝熱管６１には、通常、銅管又は銅合金管の内面に転造加工等によって溝加工を施すと共に、定尺切断・ヘアピン曲げ加工を施したものが供される。
次に、伝熱管６１をフィン１に拡管固着し、ヘアピン曲げ加工を施した側と反対側の伝熱管端部にＵベンド管６２をろう付け加工する工程を経て、熱交換器６が作製される。
各部のサイズは、フィン１の幅Ｗは２５．４ｍｍ、長さＬは２９４ｍｍ、フィンの積層ピッチＰは１．４ｍｍ、熱交換器６全体の幅Ｄは３００ｍｍとした。

伝熱管６１としては、外径：７．０ｍｍ、底肉厚：０．４５ｍｍ、フィン高さ：０．２０ｍｍ、フィン頂角：１５．０°、らせん角：１０．０°のらせん溝付内面溝付銅管を採用した。
得られた熱交換器６は、脱脂のため１４０℃で２０分加熱した。
脱脂後の熱交換器全体を塗料に浸漬する浸漬法を用いて、フィン１の表面を塗装した。塗装条件は、上述した平板状のサンプルの場合と同じにした。

＜水滴接触角の評価＞
各試料につき、上述した平板状のサンプルを用いて、水滴接触角の評価を行った。
評価方法は、図４に示すごとく、フィン表面に２μｌの純水を滴下し、その水滴８と塗膜２の表面との接触角αを測定するというものである。
評価結果は表２に示す。

＜難着霜性の評価＞
各試料つき、上述した熱交換器を用いて、難着霜性の評価を行った。
評価は、雰囲気温度（乾球温度）が２℃、湿球温度が１℃の環境下に上記熱交換器を設置し、伝熱管内に、２０ｋｇ／ｈｒの流量で−５℃の冷媒９１を流し、流通させる風の入り口風速を１．５ｍ／ｓｅｃとするという運転条件で行った。そして、風９２の通風抵抗を、熱交換器の入り側と出側での差圧によって測定し、その値が５００Ｐａになるまでの運転時間にて評価した。通風抵抗が５００Ｐａになるまでの運転時間が、比較のために別途準備した無塗装材を用いた熱交換器（アルミニウム基板表面を露出させ、一切塗膜等を形成していないフィン）よりも３０分以上延びたものを（◎）、２０分以上３０分未満延びたものを（○）とし、◎と○を合格、２０分未満のものを不合格（×）とした。評価結果は表２に示す。

＜塗膜密着性の評価＞
各試料につき、上述した平板状のサンプルを用いて、塗膜密着性の評価を行った。
具体的には、塗装２の表面を上にした状態で設置したサンプル上に、日本製紙クレシア（株）製キムワイプを先端重量が０．９ｋｇのハンマー先端に８枚重ねて巻きつけたものを置き、塗膜２の表面を摺動させ、アルミニウム板が露出したときの摺動回数で比較した。摺動回数が５回以上を合格（○）、５回未満を不合格（×）とした。
評価結果を表２に示す。

表２より知られるごとく、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜６、１０〜１３）は、難着霜性が良好であった。
一方、比較例の試料Ｎｏ．７は、最外層の塗膜２の成分としてアミノ樹脂が含有されておらず、難着霜性が良好でなかった。
比較例の試料Ｎｏ．８は、最外層の塗膜２の成分としてフッ素樹脂が含有されておらず、難着霜性が良好でなかった。
比較例の試料Ｎｏ．９は、最外層の塗膜２の成分としてフッ素樹脂とアミノ樹脂の合計量（Ａ＋Ｂ）が少なく、難着霜性が良好でなかった。
特に、試料Ｎｏ．１〜６は、難着霜性の他、密着性、塗装性とも良好であった。一方、試料Ｎｏ．１０、１１は、Ａ＜１５％であり、塗装性が良好でなかった。試料Ｎｏ．１２及び１３は、Ｂ＜１０％であり、密着性が良好でなかった。

また、水滴接触角については、本発明の実施例は、９０°〜１５０°の範囲内の適度な撥水性を示す範囲内に止まっている。この範囲でも、非常に優れた難着霜性が得られることがわかる。

１熱交換器用アルミニウムフィン
１０基板
２最外層の塗膜
６熱交換器

Claims

アルミニウムよりなる基板と、該基板の表面に形成した１層もしくは複層の塗膜からなる熱交換器用アルミニウムフィンであって、
上記塗膜のうち、最外層の塗膜に含有される成分は、固形分質量％で、パーフルオロアルキル基を含むフッ素樹脂をＡ、アミノ樹脂をＢとしたとき、
Ａ＋Ｂ≧９５％、
Ａ≧１％、Ｂ≧１％、
であることを特徴とする熱交換器用アルミニウムフィン。
請求項１に記載の熱交換器用アルミニウムフィンにおいて、
さらに、Ａ≧１５％、Ｂ≧１０％、
であることを特徴とする熱交換器用アルミニウムフィン。
請求項１又は２に記載の熱交換器用アルミニウムフィンにおいて、上記最外層の塗膜は、水滴接触角が９０°〜１５０°であることを特徴とする熱交換器用アルミニウムフィン。
アルミニウムからなるフィンを多数積層し、該フィンに設けられた円筒状のカラー部内に挿入配設することにより上記伝熱管と多数の上記フィンとを一体的に組み付けてなるクロスフィンチューブからなる熱交換器であって、
上記フィンは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器用アルミニウムフィンを用いて形成され、
上記フィンの積層ピッチが、２ｍｍ以下であることを特徴とする熱交換器。