JP6350112B2 - 熱交換器用部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、撥水構造を有する熱交換器用部材及びその製造方法に関する。

従来より、金属基材と、この金属基材の表面に設けた撥水構造と、を備える熱交換器用部材が知られている。金属基材を備える熱交換器用部材において、金属基材の表面に水が付着すると、付着した水は金属基材の表面で水膜となる。この水膜は、熱交換器における熱交換機能を低下させる。そのため、金属基材に撥水構造を設けることによって、金属基材の表面に付着した水が水膜になり難いようにしている。

このような熱交換器用部材としては、金属基材と、この金属基材の表面に設けた耐濡れ性材料のコーティング（撥水構造）と、を備える熱交換器用部材が知られている（特許文献１参照。）。この熱交換器用部材においては、耐濡れ性材料として、セリウム及びハフニウムを含む一次酸化物カチオンを含む一次酸化物と、希土類元素、イットリウム及びスカンジウムからなる群から選択される二次酸化物カチオンを含む二次酸化物と、を含有する材料が使用される。また、金属基材の材料として、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、銅又はチタンのような金属及び合金が使用される。

特開２００９−１４９９８２号公報

熱交換器用部材において、金属基材の表面に設けられた撥水構造は、撥水性を有するものであると共に、熱交換器の熱交換機能の低下を抑制するものであることが必要とされる。しかし、特許文献１に記載された熱交換器用部材において使用されている耐濡れ性材料のコーティング（撥水構造）においては、熱交換器の熱交換機能が低下するおそれがある。

本発明は、撥水性を有すると共に、熱交換機能の低下を抑制する撥水構造を備える熱交換器用部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、金属からなる基材と、前記基材の表面に付着した撥水構造と、を備え、前記撥水構造は、前記金属と同一の金属を含む複数の突起であり、前記複数の突起は、複数の微粒子の集合体である熱交換器用部材に関する。

また、前記金属は、銅であることが好ましい。

金属からなる基材を用意する工程と、前記金属と同一の金属を含むペーストを用意する工程と、スクリーン印刷によって、前記基材の表面に前記ペーストを印刷する工程と、前記ペーストが印刷された前記基材を焼成し、前記金属と同一の金属を含む複数の突起を形成することによって、前記基材の表面に撥水構造を付着させる工程と、を備える熱交換器用部材の製造方法に関する。

また、前記金属は、銅であることが好ましい。

また、前記複数の突起は、複数の微粒子の集合体であることが好ましい。

本発明によれば、撥水性を有すると共に、熱交換機能の低下を抑制する撥水構造を備える熱交換器用部材及びその製造方法を提供することができる。

（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施形態の熱交換器用部材を示す図であり、（Ａ）は熱交換器用部材の全体図、（Ｂ）は基材の表面に付着した突起の拡大図、（Ｃ）は熱交換器用部材１に水が付着した様子を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、一実施形態の熱交換器用部材の製造方法の前半を説明するための図であり、（Ａ）は容器に入った銅を含むペースト、（Ｂ）はスクリーン印刷用のスクリーン、（Ｃ）はスクリーンの網部の部分拡大図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、一実施形態の熱交換器用部材の製造方法の後半を説明するための図であり、（Ａ）はスクリーン印刷によってペーストを印刷する様子を示す図、（Ｂ）はペーストが印刷された基材、（Ｃ）は基材の表面に付着した突起状ペーストの拡大図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態の熱交換器用部材を示す図であり、（Ａ）は熱交換器用部材の全体図、（Ｂ）は基材の表面に付着した突起の拡大図であり、（Ｃ）は熱交換器用部材１に水が付着した様子を示す図である。

図１（Ａ）に示すように、本実施形態における熱交換器用部材１は、基材１１と、撥水構造１２と、を備えている。

なお、以下の説明において、「熱交換器用部材」とは、熱交換器における熱交換機能を担う部分に用いられる部材（例えば、熱交換器におけるフィン材等）のことをいう。
また、「撥水構造」とは、以下の条件（ａ）及び条件（ｂ）の少なくともいずれかの条件を満たす構造のことをいう。
条件（ａ）：付着した水の接触角が９０°より大きい。
条件（ｂ）：付着した水の転落角が６０°以下である。

基材１１は、銅からなる略平板状の部材である。撥水構造１２は、複数の第１突起１２Ａであり、基材１１の表面に付着している。各々の第１突起１２Ａは、高さが１０〜１００μｍ、幅（径）が１０〜１００μｍの突起である。また、複数の第１突起１２Ａの各々の間隔は、１０〜１００μｍである。なお、複数の第１突起１２Ａが撥水構造として機能する理由は、後述する。

図１（Ｂ）に示すように、各々の第１突起１２Ａは、基材１１の表面に付着した複数の銅微粒子１３の集合体である。図１（Ｂ）の破線で示すように、銅微粒子１３の形状は、略球形である。そのため、第１突起１２Ａは、図１（Ｂ）の実線で示すように、その表面に複数の第２突起１２Ｂを有するものとなっている。各々の第２突起１２Ｂは、１つの銅微粒子１３の表面の一部である。そのため、第２突起１２Ｂの形状は、球の一部を切り取った形状（球面形状）となっている。

ここで、全体と部分とがほぼ同じ構造を有するような自己相似性を有する構造のことをフラクタル構造という。そして、複数の第１突起１２Ａ（すなわち、全体）と、各々の第１突起１２Ａの表面に存在する複数の第２突起１２Ｂ（すなわち、部分）とは、ほぼ同じ構造（すなわち、共に突起を有する構造）であり、自己相似性を有している。よって、複数の第１突起１２Ａは、フラクタル構造を有している。

上述したような複数の第１突起１２Ａが基材１１の表面に付着している場合、基材１１に付着した水は、複数の第１突起１２Ａ及び複数の第２突起１２Ｂの間に入り込めず、且つ複数の第１突起１２Ａや複数の第２突起１２Ｂと点接触した状態となる。そのため、図１（Ｃ）に示すように、基材１１の表面に付着した水２０は、水自身の表面張力によって球形に近い形状となる。その結果、基材１１の表面に付着した水２０は、接触角が９０°より大きくなるか、転落角は６０°以下となるか、接触角が９０°より大きく且つ転落角が６０°以下となる。

よって、複数の第１突起１２Ａは、上述した条件（ａ）及び条件（ｂ）の少なくともいずれかの条件を満足する構造となるため、撥水構造であるといえる。なお、複数の第１突起１２Ａが撥水構造として機能する原理は、ハスの葉が撥水性を有する原理と同様である。ハスの葉の表面にはフラクタル構造を有する複数の突起が付着しており、この複数の突起がハスの葉における撥水構造として機能している。そのため、フラクタル構造は、ハスの葉構造ともいわれる。

一実施形態の熱交換器用部材１においては、フラクタル構造を有する複数の第１突起１２Ａが、銅からなる基材１１の表面に付着している。上述したように、複数の第１突起１２Ａは、銅微粒子１３の集合体である。よって、複数の第１突起１２Ａは、基材１１と同じ金属、すなわち熱伝導率が高い銅である。そのため、一実施形態の熱交換器用部材１によれば、撥水性を有すると共に、熱交換機能の低下を抑制する撥水構造を備える熱交換器用部材及びその製造方法を提供することができる。

次に、熱交換器用部材１の製造方法について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、一実施形態の熱交換器用部材の製造方法の前半を説明するための図であり、（Ａ）は、容器に入った銅を含むペースト、（Ｂ）は、スクリーン印刷用のスクリーン、（Ｃ）は、スクリーンの網部の部分拡大図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、一実施形態の熱交換器用部材の製造方法の後半を説明するための図であり、（Ａ）は、スクリーン印刷によってペーストを印刷する様子を示す図、（Ｂ）は、ペーストが印刷された基材、（Ｃ）は、基材の表面に付着した突起状ペーストの拡大図である。

図２（Ａ）に示すように、容器１００の中において、銅微粒子１３を溶媒１４に分散させることによって、銅を含むペースト１５を用意する（作成する）。銅微粒子１３は、略球形であり、平均粒子径（体積平均径）は、０．０５〜１０μｍのものが好ましい。特に、フラクタル構造を形成させる観点から、平均粒子径が０．０５〜０．１μｍ程度の銅微粒子１３と、平均粒子径が０．１〜１０μｍ程度の銅微粒子１３との２種類の微粒子を含むことが好ましい。なお、本実施形態では、平均粒子径が異なる２種類の銅微粒子１３を用いたが、本発明はこれに限定されない。平均粒子径は、１種類のみ又は２種類以上であってもよい。溶媒１４は、粘度調整された高分子化合物からなる。高分子化合物としては、ポリビニルブチラール及びエチルセルロース等が使用される。

図２（Ｂ）に示すように、スクリーン印刷用のスクリーン１６が用意される。スクリーン１６は、枠体１６Ａと、網部１６Ｂと、を有する。枠体１６Ａは、矩形状の開口を有する矩形状の部材である。網部１６Ｂは、枠体１６Ａの矩形状の開口内に設けられた網状の部材である。

図２（Ｃ）に示すように、網部１６Ｂは、第１方向Ｘ（縦方向）に延在する複数の縦糸１６Ｂ１と、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙ（横方向）に延在する複数の横糸１６Ｂ２と、で構成されている。縦糸１６Ｂ１と横糸１６Ｂ２とは、互いに織り込まれている。縦糸１６Ｂ１及び横糸１６Ｂ２は、ステンレスやポリエステル等からなる。網部１６Ｂは、複数の開口部１６Ｂ３を有する。開口部１６Ｂ３は、網部１６Ｂの網目である。開口部１６Ｂ３の形状は、略長方形又は略正方形である。複数の開口部１６Ｂ３の大きさ及び間隔は、複数の縦糸１６Ｂ１の間隔Ｌ１、複数の横糸１６Ｂ２の間隔Ｌ２、縦糸１６Ｂ１の太さＤ１及び横糸１６Ｂ２の太さＤ２によって規定される。開口部１６Ｂ３の横一辺の長さＳ１及び開口部１６Ｂ３の縦一辺の長さＳ２は、１０〜１００μｍである。また、横方向に隣り合う開口部１６Ｂ３の中心同士の間隔Ｋ１及び縦方向に隣り合う開口部１６Ｂ３の中心同士の間隔Ｋ２は、１０〜１００μｍである。

図３（Ａ）に示すように、用意された基材１１上にスクリーン１６が配置される。その後、スクリーン１６の網部１６Ｂにペースト１５が配置される。スクリーン１６の網部１６Ｂに配置されたペースト１５は、スキージ（不図示）等によって、網部１６Ｂの複数の開口部１６Ｂ３から押し出される。その結果、基材１１の表面にペースト１５が印刷される。

図３（Ｂ）に示すように、印刷されたペースト１５は、複数の突起状ペースト１５Ａとして、基材１１の表面に付着する。図３（Ｃ）に示すように、突起状ペースト１５Ａは、複数の銅微粒子１３の集合体と、溶媒１４と、で構成されている。上述したように、溶媒１４は、粘度調整された高分子化合物からなる。この粘度調整された高分子化合物は、流動性をほとんど有さない。そのため、突起状ペースト１５Ａの形状は、基材１１の表面に付着した後も、ほとんど変化しない。

次に、突起状ペースト１５Ａが表面に付着した基材１１は、５００℃〜６００℃で焼成される。焼成される過程で、溶媒１４は蒸発するため、複数の銅微粒子１３の集合体と溶媒１４とで構成されていた突起状ペースト１５Ａは、複数の銅微粒子１３の集合体である第１突起１２Ａとなる。よって、突起状ペースト１５Ａが表面に付着した基材１１（図３（Ｂ）参照）が焼成されることによって、図１（Ａ）に示した熱交換器用部材１は製造される。このように、ペースト１５が印刷された基材１１を焼成することによって、基材１１の表面に撥水構造１２を付着させることができる。

なお、基材１１上にペースト１５を印刷した後、基材１１を焼成するまでの時間は、短い方が望ましい。溶媒１４は流動性をほとんど有さないものの、時間経過と共に、溶媒１４の形状は少しずつ変化するからである。

すなわち、本実施形態の熱交換器用部材１の製造方法においては、一般的なスクリーン印刷において行われるレベリングは行われない。ここで、レベリングとは、基材上に付着したペースト材料を平坦化するために、一定時間放置することである。一般的なスクリーン印刷においては、ペースト材料は、一定時間放置されることによって平坦化される。よって、一般的なスクリーン印刷においては、基材上に付着したペーストは、突起状のままで残されることはなく、平坦化される。一方、本実施形態の熱交換器用部材１の製造方法においては、突起状ペースト１５Ａは平坦化されない。このように、本実施形態の熱交換器用部材１の製造方法は、スクリーン印刷を利用したものではあるが、一般的なスクリーン印刷に付随するレベリングは行われない。

溶媒１４の粘度は、大きい方が望ましいが、粘度が大き過ぎると、溶媒１４が網部１６Ｂの開口部１６Ｂ３から押し出され難くなることがあり得る。一方、溶媒の粘度が小さいと、基材１１の表面に印刷された後、焼成されるまでの間、突起状の形状が維持され難くなる。そのため、溶媒１４の粘度は、網部１６Ｂにおける開口部１６Ｂ３の大きさ及び間隔、焼成されるまでの時間等に応じて、適宜決定される。

一実施形態の熱交換器用部材１の製造方法によれば、一般的なスクリーン印刷の手法を利用することにより、撥水性を有すると共に、熱交換を妨げ難い撥水構造を備える熱交換器用部材を容易に製造することができる。

また、上述した製造方法から明らかなように、複数の第１突起１２Ａの大きさ及び間隔は、スクリーン１６の網部１６Ｂの開口部１６Ｂ３の大きさ及び間隔に依存する。そして、複数の第１突起１２Ａの大きさ及び間隔が変化すると、撥水構造１２の撥水特性も変化する。よって、スクリーン１６の網部１６Ｂの開口部１６Ｂ３の大きさ及び間隔を調整することによって、撥水構造１２の撥水特性を調整することができる。より具体的には、複数の縦糸１６Ｂ１の間隔Ｌ１、複数の横糸１６Ｂ２の間隔Ｌ２、縦糸１６Ｂ１の太さＤ１及び横糸１６Ｂ２の太さＤ２を調整することによって、撥水構造１２の撥水特性を調整することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において種々に変形可能である。

上記実施形態においては、基材１１の材料となる金属として、銅が使用されているが、これに限定されない。基材１１の材料となる金属は、熱交換器に使用可能な程度に熱伝導率が高い金属であればよい。基材１１の材料となる金属は、例えば、銅合金（銅を５０％以上含む合金）、アルミニウム、アルミニウム合金（アルミニウムを５０％以上含む合金）等であってもよい。また、基材１１の材料となる金属は、表面が酸化された金属であってもよい。基材１１の材料となる金属は、熱交換器に使用可能な程度に高い熱伝導率を有していればよい。

上記実施形態においては、複数の第１突起１２Ａとして、銅が使用されているが、これに限定されない。複数の第１突起１２Ａは、熱交換器に使用可能な程度に熱伝導率が高い金属であればよい。複数の第１突起１２Ａが含む金属は、例えば、銅合金（銅を５０％以上含む合金）、アルミニウム、アルミニウム合金（アルミニウムを５０％以上含む合金）等であってもよい。ただし、複数の第１突起１２Ａは、基材１１の材料となる金属と同一の金属を含んでいることが好ましい。完全に異なる金属が使用された場合、異種金属接触腐食が生じ、熱交換器用部材１は、腐食し易くなるからである。なお、「複数の第１突起１２Ａは、基材１１の材料となる金属と同一の金属を含む」とは、複数の第１突起１２Ａを構成する材料の５０％以上が、基材１１の材料となる金属と同一の金属であることを意味する。また、複数の第１突起１２Ａは、表面が酸化された金属であってもよい。複数の第１突起１２Ａは、熱交換器に使用可能な程度に熱伝導率が高ければよい。
また、銅微粒子１３の形状は、上記実施形態においては略球形であったが、略球状でなくてもよい。

１ 熱交換器用部材
１１ 基材
１２ 撥水構造
１２Ａ 複数の第１突起（複数の突起）
１５ ペースト

Claims (5)

1. 金属からなる基材と、
   前記基材の表面に付着した撥水構造と、
   を備え、
   前記撥水構造は、前記金属と同一の金属を含む複数の突起であり、
   前記複数の突起は、複数の微粒子の集合体である熱交換器用部材。
2. 前記金属は、銅である請求項１に記載の熱交換器用部材。
3. 金属からなる基材を用意する工程と、
   前記金属と同一の金属を含むペーストを用意する工程と、
   スクリーン印刷によって、前記基材の表面に前記ペーストを印刷する工程と、
   前記ペーストが印刷された前記基材を焼成し、前記金属と同一の金属を含む複数の突起を形成することによって、前記基材の表面に撥水構造を付着させる工程と、
   を備える熱交換器用部材の製造方法。
4. 前記金属は、銅である請求項３に記載の熱交換器用部材の製造方法。
5. 前記複数の突起は、複数の微粒子の集合体である請求項３又は４に記載の熱交換器用部材の製造方法。

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