JP6374219B2 - 熱交換器用フィン材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、親水性、防汚性、金型摩耗性に優れる塗膜を形成した熱交換器用フィン材及びその製造方法に関する。

熱交換器用フィン材には、軽量性、加工性、熱伝導性の面で優れるアルミニウムやアルミニウム合金が使用されている。
また、エアコンなどの熱交換器ではエバポレーター側として使用される場合、空気中の水蒸気を凝縮し、その結露水がフィンに水滴として付着すると通風抵抗が増加することによって圧力損失が大きくなり、熱交換器の能力低下が生じる。このため、フィンに凝縮した水を容易に流下させるために、表面に親水性塗膜を形成している。

特許文献１には、Ｚｒ化合物を用いて金属架橋させたポリアクリル酸等の有機樹脂に、シリカ粒子、ポリエチレングリコールを含有した親水性塗膜をアルミニウム合金基材の表面に形成することが開示されている。
特許文献２には、アルミニウム板に、樹脂とジルコニウムとを含有する下地皮膜層を形成し、その上に、樹脂、コロイダルシリカ、ジルコニウム化合物を含有する親水性被膜層を形成することが開示されている。

特開２０１０−９６４１６号公報 特許第４６６７９７８号公報

ところで、フィン材を熱交換器用フィンに加工するためにプレス成形されるが、特許文献記載の親水性塗膜ではモース硬度が高いシリカ粒子が表面層に存在するため、プレス成形時に金型摩耗を生じ易い。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、親水性、防汚性だけでなく、金型摩耗性にも優れる塗膜を形成した熱交換器用フィン材を提供することを目的とする。

本発明者は、親水性、防汚性、金型摩耗性に優れる熱交換器用フィン材について鋭意研究した結果、以下の知見を得た。
ポリアクリル酸を含むアクリル樹脂、ポリビニルアルコール等とともにポリエチレングリコールやポリエチレンオキサイド等のポリオキシエチレン鎖を含む高分子化合物は、親水性を有する塗装材として用いることができる。このポリオキシエチレン鎖を含む高分子化合物を添加することによって、塗膜の硬化反応を促進して密着性を向上する作用があり、更に焼き付け後の被膜に潤滑性を与え、プレス加工時の金型への焼き付きの防止、金型摩耗の抑制等の効果がある。
一方で、ポリオキシエチレン鎖を含む高分子化合物は焼き付け後に被膜の最上層にあると、静電気が発生し易く、親水性、疎水性の汚れ（ほこり等）が付着し易い。この汚れを付着しにくくするためには、親水性被膜上にアルミナ粒子、シリカ粒子を含む水系塗料を塗布、乾燥することで、帯電防止効果を発揮して親水性汚れ、疎水性等の汚れが付着しにくくなる。

アルミナ粒子、シリカ粒子を単独で塗布すると固着しにくいため、接着のためにバインダー樹脂を添加するが、ポリオキシエチレン鎖を主成分とする高分子化合物を含有する親水性塗膜上に塗布した場合、親水性塗膜表面の凹凸面にアルミナ粒子、シリカ粒子が入り込み、バインダー樹脂がなくても親水性塗膜に密着し、結露水で洗われてもアルミナ粒子、シリカ粒子は残存する。
この場合、モース硬度が高いシリカ粒子が被膜最上層に存在すると、プレス加工において金型摩耗性が悪化するおそれがある。そこで、親水性被膜上にシリカ粒子よりモース硬度が低いアルミナ粒子を混合させ、更に潤滑性向上のためにポリオキシエチレン系潤滑剤（例えばポリオキシエチレンアルキルエーテル）を混合させることにより、潤滑成分が塗膜の最上層に存在し、プレス加工時の金型摩耗性を低減することができる。
また、シリカ粒子単独では親水性が向上するものの、防汚性が不足し、アルミナ粒子単独では防汚性が向上するものの、プレス油塗布後の親水性や耐汚染性が劣化する。したがって、アルミナ粒子とシリカ粒子を混合することにより、親水性と防汚性とを両立することが可能となる。

なお、塗膜最上層に潤滑成分であるポリオキシエチレン系潤滑剤を含有させた場合、帯電防止効果が低減するが、エアコン運転によりフィン表面に結露水が付着することによって、潤滑成分が洗い流されて、帯電防止効果を発揮することができる。
以上の知見の下、本発明を以下の解決手段とした。

すなわち、本発明の熱交換器用フィン材は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材の表面に、０．４ｇ／ｍ^２〜１．２ｇ／ｍ^２の被着量で設けられたポリオキシエチレン鎖を主成分とする高分子化合物を含有する親水性被膜と、該親水性被膜の上に０．１ｇ／ｍ^２〜０．５ｇ／ｍ^２の被着量で設けられたアルミナ粒子、シリカ粒子及びポリオキシエチレン系潤滑剤を含有する水系塗料を塗布乾燥してなる防汚性被膜とが形成されてなり、前記アルミナ粒子及びシリカ粒子は、Ａｌ _２ Ｏ _３ が１重量部に対してＳｉＯ _２ が０．２５重量部〜１重量部となるように含有されていることを特徴とする。

シリカ粒子よりアルミナ粒子の方がモース硬度が低いので、アルミナ粒子の混合比率をシリカ粒子と同等以上とすることにより、金型摩耗を効果的に低減することができる。

本発明の熱交換器用フィン材において、表面の動摩擦係数が０．２以下であることが好ましい。

本発明の熱交換器用フィン材において、前記親水性被膜中にフッ素樹脂を含有しているとよい。
親水性被膜中にフッ素樹脂を含有することにより、更に帯電防止効果を発揮して汚れを付着しにくくすることができる。

なお、熱交換器に組み立てられた後のフィンにおいては、表面のポリオキシエチレン系潤滑剤は結露水等によって流されてしまうが、アルミナ粒子及びシリカ粒子が混合して付着しているので、防汚性及び親水性を発揮することができる。

本発明の熱交換器用フィン材の製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材の表面に、０．４ｇ／ｍ^２〜１．２ｇ／ｍ^２の被着量でポリオキシエチレン鎖を主成分とする高分子化合物を含有する親水性被膜を形成し、該親水性被膜の上に０．１ｇ／ｍ^２〜０．５ｇ／ｍ^２の被着量でアルミナ粒子、シリカ粒子及びポリオキシエチレン系潤
滑剤を含有する水系塗料を塗布乾燥して防汚性被膜を形成する方法であり、前記水系塗料における前記アルミナ粒子及びシリカ粒子は、Ａｌ _２ Ｏ _３ が１重量部に対してＳｉＯ _２ が０．２５重量部〜１重量部となるように含有することを特徴とする。

本発明の熱交換器用フィン材の製造方法において、前記基材の表面に形成した前記親水性被膜を洗浄した後に前記防汚性被膜を形成するとよい。
親水性被膜を洗浄することによって、被膜の凹凸面が大きくなり、アルミナ粒子、シリカ粒子の密着性が向上する。

本発明によれば、親水性、防汚性だけでなく、金型摩耗性にも優れる塗膜を形成した熱交換器用フィン材を得ることができる。

本発明の熱交換器用フィン材の一実施形態における使用前の状態を模式的に示す断面図である。 図１の熱交換器用フィン材を熱交換器に組み付けて使用された状態を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。
熱交換器用フィン材は、図１に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材１と、この基材１の表面に形成された化成被膜２と、この化成被膜２の上に形成された親水性被膜３と、この親水性被膜３の上に形成された防汚性被膜４とを備える。
基材１としては、例えばＪＩＳ規格の合金番号で１１００、１２００、１０５０、３００３等が用いられる。この基材１の表面には、化成被膜２として、クロメート処理された薄いクロメート被膜が形成されている。

親水性被膜３は、ポリオキシエチレン鎖を主成分とする高分子化合物を含有する。ポリオキシエチレン鎖を主成分とする高分子化合物としては、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイドなどから選ぶことができる。
また、この親水性被膜３中に、フッ素樹脂５を添加してもよい。フッ素樹脂５としては、ＰＴＦＥディスパージョン、ＦＥＰディスパージョンなどを用いることができる。添加量としては、０．１質量％〜５質量％が好ましい。
この親水性被膜３は、基材１の化成被膜２の上に０．４ｇ／ｍ^２〜１．２ｇ／ｍ^２の被着量で設けられる。被着量が０．４ｇ／ｍ^２未満であると、親水性が不足するとともに、耐汚染性も好ましくない。被着量が１．２ｇ／ｍ^２を超えると、コスト増を招くだけでなく、基材への密着性が損なわれる。

防汚性被膜４は、アルミナ粒子６ａ及びシリカ粒子６ｂからなる微粒子及びポリオキシエチレン系潤滑剤を含有する水系塗料を塗布乾燥して形成されたものである。
アルミナ粒子は、平均粒子径が１０ｎｍ〜１００ｎｍの微粒子であり、その水系分散物であるアルミナゾルとして塗料に添加される。シリカ粒子は、平均粒子径が５ｎｍ〜８０ｎｍの微粒子であり、その水系分散物であるコロイダルシリカとして塗料に添加される。
これらアルミナ粒子６ａ及びシリカ粒子６ｂの微粒子は、その両方が混在していることが重要であり、これらの混合比は、Ａｌ_２Ｏ_３が１重量部に対してＳｉＯ_２が０．２５重量部〜１重量部となるように設定される。この場合、モース硬度はシリカ粒子６ｂが６であるのに対して、アルミナ粒子６ａは、それより低く、３．５〜４とされる。このアルミナ粒子６ａ及びシリカ粒子６ｂの微粒子は、防汚性塗料中に固形分として０．５質量％〜５質量％含有するとよい。

ポリオキシエチレン系潤滑剤としては、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンミリスチルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルデシル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等の中から選ぶことができる。

そして、このような組成からなる防汚性被膜４は、基材１の親水性被膜３の上に０．１ｇ／ｍ^２〜０．５ｇ／ｍ^２の被着量で設けられる。その被着量が０．１ｇ／ｍ^２未満では防汚性が不足し、０．５ｇ／ｍ^２を超えるとコスト増となるだけでなく、プレス成形時の金型摩耗が大きくなる。
また、この防汚性被膜４表面の動摩擦係数は０．２以下とされる。

このように構成される熱交換器用フィン材は、基材１の表面に、リン酸クロメート処理を施して下地膜として化成被膜（クロメート被膜）２を形成した後に、親水性被膜３を形成し、その上に防汚性被膜４を形成することにより製造される。
この場合、親水性被膜３を形成した後、防汚性被膜４を形成する前に、親水性被膜３の表面を水で洗浄する。これにより、親水性被膜３の表面の凹凸が大きくなり、後述するようにアルミナ粒子６ａ及びシリカ粒子６ｂの微粒子の密着性が向上する。

このようにして製造される熱交換器用フィン材は、プレス成形により、曲げ、穴明け等の加工がなされ、熱交換器用フィンとして成形された後、熱交換器に組み込まれる。この成形時において、フィン材の表面の防汚性被膜４には、ポリオキシエチレン系潤滑剤が添加されて、動摩擦係数が０．２以下と小さいので、円滑にプレス加工され、フィンにクラック等が発生せず、また金型摩耗も低減することができる。
この場合、防汚性被膜４中に存在するアルミナ粒子６ａ及びシリカ粒子６ｂからなる微粒子は硬質粒子であり、金型を摩耗させるおそれがあるが、シリカ粒子よりもモース硬度の小さいアルミナ粒子が半分以上の量で混在しているので、シリカ粒子単独の場合に比べて金型摩耗が抑制され、かつ、ポリオキシエチレン系潤滑剤の存在により、金型摩耗を低減することができる。

そして、このフィン材が熱交換器として組み込まれて使用されると、最初の熱交換器の運転時にフィン上に結露が生じた際に、ポリオキシエチレン系潤滑剤は水溶性であるので、結露した水によって流される。ここで、防汚性被膜４の下に存在している親水性被膜３の表面が露出してしまうと、ポリオキシエチレン鎖を主成分とする高分子化合物により静電気が発生し易く、親水性、疎水性の汚れが付着し易くなるが、防汚性被膜４に含有されていたアルミナ粒子６ａ及びシリカ粒子６ｂの微粒子は、その下層の親水性被膜３の表面が凹凸面であることから、図２に示すように、この凹凸面によって流されずに保持される。前述したように、この親水性被膜３の表面は、製造時の水洗浄によって凹凸が大きくなっているため、アルミナ粒子６ａ及びシリカ粒子６ｂの微粒子が凹凸内に入り込んで残存する。

このため、親水性被膜３の表面にアルミナ粒子６ａ及びシリカ粒子６ｂの微粒子が密着してなる防汚性被膜１１が存在し、フィンとして引き続き、親水性と防汚性を発揮することができる。この場合、シリカ粒子６ｂとアルミナ粒子６ａとを混在させているので、シリカ粒子６ｂによる親水性と、アルミナ粒子６ａによる防汚性との両方の機能を効果的に発揮させることができる。
また、親水性被膜３にフッ素樹脂５が添加される場合は、更に帯電防止効果を発揮して汚れがより付着しにくくなる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

以下、本発明の実施例を説明する。
化成処理としてリン酸クロメート処理を施したアルミニウム合金板の表面に、表１に示した組成の親水性被膜用塗料をバーコーターで塗布し、オーブンにて２２０℃（設定温度）×３０秒で焼き付けした。その後、親水性被膜の表面を６０℃の温水中に１０秒間浸漬することによって洗浄し、洗浄後の親水性被膜の上に、表１に示す防汚性被膜用塗料をバーコーターで塗布して、オーブンにて１２０℃（設定温度）×３０秒で焼き付けた。併せて、親水性被膜形成後に水で洗浄せずに、そのまま防汚性被膜を形成したものも作製した。
表１中、親水性被膜の樹脂１、樹脂２は以下の通りとした。
樹脂１：ポリアクリル酸系コポリマー、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイドを混合して得たもの
樹脂２：アクリル酸、メタクリル酸−２−ヒドロキシエチル、アクリロニトリル、アクリルアミド共重合体、カルボキシメチルセルロースＮａ、ポリエチレングリコールを混合して得たもの
この場合、この親水性被膜中にフッ素樹脂を添加したものと添加しなかったものとを作製した。
また、防汚性被膜は、原料１、２、３を表１に示すように混合した塗料により形成され、原料１はアルミナゾル、原料２はコロイダルシリカ、原料３はポリオキシエチレンアルキルエーテルとした。原料１と原料２はその混合比率（重量部）を示している。
そして、表１に示す１９種類の組み合わせからなる塗料を表２及び表３の塗布量で塗布して焼き付けた。

得られた試料につき、被膜の密着性、親水性として各種の接触角、動摩擦係数、防汚性として粉体付着率、金型摩耗性を評価した。
密着性は、１ポンドのハンマーに貼り付けたキムタオル（登録商標）を試料の被膜表面に載置して、往復１０回擦った後の被膜の密着状態を観察した。剥離が全く認められず、密着良好と判断されたものを◎、一部剥離のものを○、完全剥離が認められたものを×とした。
親水性については、プレス油乾燥後接触角、乾湿サイクル後接触角、汚染試験後接触角を評価した。
プレス油乾燥後接触角は、試料の被膜表面にプレス油（揮発性油）を塗布し、１５０℃×５分乾燥後に被膜表面の接触角を測定した。接触角が２０°以下のものを○、２０°を超えていたものを×とした。
乾湿サイクル後接触角は、試料に対して、流量３Ｌ／ｍｉｎの常温流水に８時間浸漬、８０℃×１６時間乾燥を交互に１４サイクル行った後の被膜表面の接触角を測定した。接触角が４０°以下のものを○、４０°を超えていたものを×とした。
汚染試験後接触角は、汚染物質としてバルミチン酸６ｇと試料とをビーカーの中に入れて、１００℃で６日間加熱暴露後の被膜表面の接触角を測定した。接触角が６０°以下のものを○、６０°を超えていたものを×とした。
動摩擦係数は、バウデン式摩擦試験機を用い、プレス油を塗布しないで、試料の被膜表面に鋼球サイズφ９／３２インチの接触子を２００ｇの荷重で押し付け、試料の表面上を長さ１０ｍｍにわたって１往復摺動させたときの摩擦力を測定して、動摩擦係数を求めた。動摩擦係数が０．２以下のものを○、０．２を超えていたものを×とした。
粉体付着率は、１００ｍｍ×１００ｍｍの試料を流量３Ｌ／ｍｉｎの常温流水に１時間浸漬後、ＪＩＳ Ｚ８９０１で定められる試験用粉体１１種、１２種のそれぞれを試料の被膜表面に付着させて、画像解析にて付着面積率を測定した。付着面積率が０．１％以下のものを◎、０．２％以下のものを○、０．２％を超えていたものを×とした。
金型摩耗性は、プレス加工で１００万回試料を切断し、金型（スリット刃）の摩耗状態を観察した。スリット刃硬度はＨＲＣ３７〜４１のものを使用し、定量評価としてレーザー顕微鏡にて金型（スリット刃）の刃先の摩耗面積を測定し、２次元断面での摩耗面積が１００μｍ^２以下のものを◎、１００μｍ^２を超え３００μｍ^２以下のものを○、３００μｍ^２を超えたものを×とした。
これらの評価結果を表４及び表５に示す。

これらの結果から明らかなように、本発明の実施例品は、密着性、親水性、防汚性に優れ、プレス加工時の金型摩耗も生じにくいものであることがわかる。

１ 基材
２ 化成被膜
３ 親水性被膜
４ 防汚性被膜
５ フッ素樹脂
６ａ アルミナ粒子
６ｂ シリカ粒子
１１ 防汚性被膜

Claims (5)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材の表面に、０．４ｇ／ｍ^２〜１．２ｇ／ｍ^２の被着量で設けられたポリオキシエチレン鎖を主成分とする高分子化合物を含有する親水性被膜と、該親水性被膜の上に０．１ｇ／ｍ^２〜０．５ｇ／ｍ^２の被着量で設けられたアルミナ粒子、シリカ粒子及びポリオキシエチレン系潤滑剤を含有する水系塗料を塗布乾燥してなる防汚性被膜とが形成されてなり、
   前記アルミナ粒子及びシリカ粒子は、Ａｌ _２ Ｏ _３ が１重量部に対してＳｉＯ _２ が０．２５重量部〜１重量部となるように含有されていることを特徴とする熱交換器用フィン材。
2. 表面の動摩擦係数が０．２以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用フィン材。
3. 前記親水性被膜中にフッ素樹脂を含有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器用フィン材。
4. アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材の表面に、０．４ｇ／ｍ^２〜１．２ｇ／ｍ^２の被着量でポリオキシエチレン鎖を主成分とする高分子化合物を含有する親水性被膜を形成し、該親水性被膜の上に０．１ｇ／ｍ^２〜０．５ｇ／ｍ^２の被着量でアルミナ粒子、シリカ粒子及びポリオキシエチレン系潤滑剤を含有する水系塗料を塗布乾燥して防汚性被膜を形成する方法であり、前記水系塗料における前記アルミナ粒子及びシリカ粒子は、Ａｌ _２ Ｏ _３ が１重量部に対してＳｉＯ _２ が０．２５重量部〜１重量部となるように含有することを特徴とする熱交換器用フィン材の製造方法。
5. 前記基材の表面に形成した前記親水性被膜を洗浄した後に前記防汚性被膜を形成することを特徴とする請求項４記載の熱交換器用フィン材の製造方法。

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