JPH11304395A - 熱交換器用部材、およびそれを用いた熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蟻の巣状腐食に対する耐食性に優れ、かつ親
水性を損なわない熱交換器用部材および、それを用いた
熱交換器を提供する。 【解決手段】 この熱交換器用部材は、銅、銅合金、ア
ルミニウムまたはアルミニウム合金から成り、金属亜鉛
粉末５を１〜５０体積％含有し、かつ、厚さが０．１〜
１０μｍである親水性皮膜４でその表面が被覆されてい
る熱交換器用部材である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱交換器用部材およ
び熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱交換器は空調機器の室内機や室外機，
冷温水を利用した空調機器の室内機などに使用され、通
常はアルミニウムまたはアルミニウム合金から成るフィ
ンに、銅または銅合金から成る伝熱管を拡管接合させた
クロスフィンタイプが主流となっている。

【０００３】このような熱交換器は、例えば、アルミニ
ウム板にプレス加工を行って伝熱管を通すカラー部（以
下「フィンカラー」という）を形成させてフィンとし、
このフィンの複数枚を各フィンカラーの位置を一致させ
て積層した後、フィンカラーに伝熱管を挿通し、さらに
伝熱管を拡管して両者を接合せしめて製造される。

【０００４】ところで、熱交換器が冷房運転時の室内機
や暖房運転時の室外機のように、蒸発器として作用する
場合には、熱交換器のフィン表面温度が周囲の空気より
低下する。その結果、フィン表面の露点は低下し、雰囲
気中の水蒸気が結露水となってフィンに付着することに
なる。また、何らかの原因で水滴が付着することもあ
る。

【０００５】しかしながら、結露水や水滴（以下、「付
着水」という）はフィン間の隙間を塞いでブリッジを形
成し、通風抵抗や騒音を増大させ、冷暖房能力の低下を
引き起こす原因となる。

【０００６】上記した問題に対しては、フィン表面を親
水性皮膜で被覆することにより、付着水をフィンの親水
性皮膜に沿って流下させて、フィン間の隙間を塞がない
ようにする手段が採られている。このような働きをする
親水性皮膜の材料として、従来から水ガラスや極性基な
どを有する各種の物質が使用されている。これらの皮膜
は、極性基や解離基を含む原子団の親水基（−OH基、>C
=O基、−NH₂基、−COOH基等）が露出した状態になって
いるため、付着水と皮膜表面との接触角が小さくなっ
て、それらは前記したように表面を流下していくことが
容易になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たようにフィン表面を親水性皮膜で被覆すると次のよう
な問題が生じやすくなる。即ち、フィンカラーと伝熱管
は拡管接合によっても完全に密着せず両者の間には隙間
ができるので、フィンや伝熱管表面を親水性皮膜で被覆
すると、かえって付着水が隙間に侵入しやすくなる。そ
して、この付着水が腐食媒を含む場合には、親水性皮膜
で被覆されたアルミフィンは銅管に対して犠牲陽極とし
て作用することもなく、上記隙間部分の伝熱管表面に局
部的な蟻の巣状の腐食が発生する結果となるのである。

【０００８】かかる蟻の巣状の腐食は、有機酸（蟻酸や
酢酸等のカルボン酸）に伝熱管の成分である銅が溶解す
るために発生するものであるが、このカルボン酸は室内
の合板やクロス用の接着材から発生するホルムアルデヒ
ドやアルコールが酸化しても生成するので、空調機器の
室内機は腐食媒を含む環境にさらされて使用される場合
が多くなる。

【０００９】そして、この腐食の進行速度はきわめて大
きく、短期間で伝熱管内部まで腐食し、冷媒の漏洩を生
じて空調機器の機能を失わしめるため、実用上極めて大
きな問題となっていた。このようなことから、蟻の巣状
腐食に対する耐食性に優れた熱交換器用部材の開発が強
く望まれている。

【００１０】本発明は、熱交換器用部材における上記し
た問題を解決することができ、蟻の巣状腐食に対する耐
食性に優れ、かつ親水性を損なわない熱交換器用部材お
よび、それを用いた熱交換器の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、金属亜鉛粉末を１〜５０体
積％含有し、かつ、厚さが０．１〜１０μｍである親水
性皮膜で表面が被覆されていることを特徴とする熱交換
器用部材が提供される。

【００１２】また、本発明においては、管体とフィン体
が嵌合されている熱交換器であって、前記管体または／
および前記フィン体は銅、銅合金、アルミニウム、若し
くはアルミニウム合金から成り、かつ、少なくとも前記
管体と前記フィン体の嵌合部における嵌合界面には、上
記の親水性皮膜が形成されていることを特徴とする熱交
換器が提供される。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の熱交換器用部材か
ら成る熱交換器の基本構成例を示す断面図である。図に
おいて、積層されたフィン体２のフィンカラー３を通し
て管体１を挿通し、フィン体２に管体１を嵌合すること
によって熱交換器が構成される。また両者の表面は、あ
らかじめ金属亜鉛粉末５を含有した親水性皮膜４で被覆
されており、嵌合の際に管体１とフィン体２の隙間にも
皮膜４が介在するようになっている。

【００１４】熱交換器用部材を構成する管体及びフィン
体の材料としては、後述する親水性皮膜に含有した亜鉛
に比べてイオン化傾向が小さく、かつ熱伝導率の高い材
料であれば何であってもよく、例えば、銅、銅合金、ニ
ッケル、ニッケル合金、鋼、ステンレス鋼等が使用でき
るが、その他、表面に不動態を形成するアルミニウムや
アルミニウム合金も使用することができる。特に銅、銅
合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金が好適であ
る。また、管体には銅または銅合金を、フィン体には
銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金を使
用するのが好ましい。

【００１５】そして、管体に銅または銅合金を使用する
場合は、管のろう付け時の水素脆化を防止するため、リ
ン脱酸銅であることが望ましい。

【００１６】次に、本発明の親水性皮膜について詳細に
説明する。

【００１７】伝熱管の蟻の巣状腐食は、伝熱管の成分に
含まれる銅が有機酸を含んだ付着水へ溶解することによ
って進行する。特に、最近は熱交換器の小型化を図るた
めにフィンの間隔を狭める傾向にあり、図１に示すよう
に、積層された各フィンカラー３に管体１が完全に覆わ
れて外部に露出しない場合もあるので、管体１の表面
は、フィンカラー３と管体１の隙間に滞留した付着水に
長期間さらされることになる。

【００１８】そこで、本発明は、熱交換器用部材である
フィン体や管体の表面に、銅に比べてイオン化傾向の大
きい物質である亜鉛を存在させ、酸性を示す付着水に亜
鉛を優先的に溶解させることによって、付着水をアルカ
リ側に変化させて無害化し、その結果として銅の溶出を
抑制して管体の蟻の巣状腐食を有効に防止することを技
術思想とするものである。ここで、付着水のアルカリ側
への変化は、金属亜鉛の付着水への溶解に伴うカソード
反応によるものである。

【００１９】さらに加えて、熱交換器用部材の特性とし
て必須の要件である、熱交換器用部材表面の親水性をも
兼ね備えさせるために、本発明においては、親水性皮膜
の中に金属亜鉛粉末を含有・分散させることにより親水
性も確保されるのである。

【００２０】従って、本発明の熱交換器用部材が付着水
にさらされると、その都度、皮膜から亜鉛粉末が適度に
溶出し、防食効果を長期間にわたって維持する一方、熱
交換器用部材の表面は残った親水性皮膜によって覆われ
ているので、親水性を損なうこともない。

【００２１】親水性皮膜を形成する物質としては、部材
表面に塗着させることができ、硬化を経て成膜化し、か
つ、例えば、−OH基、>C=O基、−NH₂基、−COOH基のよ
うな親水基が表面に存在している物質であれば何であっ
てもよい。アルミフィンへの親水性皮膜としては、水ガ
ラス系、シリカ系、有機系が実用化されている。

【００２２】特に、ウレタン樹脂にシリカを加えた場合
には、皮膜の耐久性が優れたものとなる。この場合にお
いて、皮膜中の水溶性ウレタン樹脂の硬化物とシリカの
割合（ウレタン樹脂／シリカ）を重量比で０．０３〜
０．５とすることが望ましい。その理由としては、重量
比が０．０３未満である場合はシリカ分が多すぎてバイ
ンダー効果が不十分となるためであり、重量比が０．５
を超える場合にはシリカ分が少なすぎて当初から親水性
が得られないためである。

【００２３】本発明の親水性皮膜は、金属亜鉛粉末が上
記皮膜中に１〜５０体積％の割合で分散・含有されてい
るものである。亜鉛を皮膜に含有させる手段としては、
上記の水ガラスや樹脂に金属亜鉛粉末を混合・分散さ
せ、この混合物を熱交換器用部材に塗布または浸漬した
のち、それを硬化させればよい。ここで、亜鉛含有量が
１体積％未満である場合は亜鉛の溶解による防食効果が
得られず、５０体積％を超えると親水性皮膜の成膜性が
著しく低下する。

【００２４】また、皮膜中の金属亜鉛の含有量は皮膜形
成剤に添加する亜鉛粉末の量を調整すればよい。なお金
属亜鉛粉末は、溶解性や均一分散性のことを考えるとあ
まり大きいことは避けるべきであり、通常は粒径１０μ
ｍ以下に設定することが好ましい。

【００２５】この親水性皮膜の厚さは０．１〜１０μｍ
の範囲に設定される。０．１μｍ未満である場合は皮膜
中における亜鉛粉末の含有量が少なくなって、皮膜の親
水性が不十分になると同時に前記した防食効果が短時間
で消失するようになり、また１０μｍを超えても、皮膜
の深部に存在する亜鉛粉末は溶出できないので全体とし
て無駄となって不経済な上、皮膜が断熱材となってしま
い、熱交換器の伝熱特性が低下するからである。

【００２６】皮膜の厚さは、皮膜形成剤として用いる樹
脂と溶剤との配合比率を変えて樹脂濃度を調整すればよ
く、薄い皮膜の場合は樹脂濃度を低く、厚い皮膜の場合
は濃度を高くすればよい。また樹脂濃度を一定として、
塗装・浸漬回数を増減させてもよい。

【００２７】本発明の親水性皮膜は、熱交換器を構成す
る管体またはフィン体のいずれに被覆してもよい。即
ち、フィンカラーを通して管体をフィン体へ拡管接合し
て両者を嵌合するので、管体とフィン体のいずれか一方
に親水性皮膜が形成されていれば、結果として両者の隙
間（嵌合界面）には亜鉛を含有した上記皮膜が形成され
ることになるからである。

【００２８】例えば管体のみに皮膜を被覆した場合は、
フィン体と管体の隙間に侵入した付着水が管体表面に接
触した際に、皮膜中の金属亜鉛粉末が溶出する。これに
伴うカソード反応により、付着水は酸性からアルカリ性
へと変化して管体の腐食が防止される。一方、フィン体
のみに皮膜を被覆した場合も、フィン体表面に発生した
付着水により皮膜中の金属亜鉛粉末が溶出し、上記の反
応が生じるので結果として管体の腐食が防止される。

【００２９】さらに、管体およびフィン体の双方に親水
性皮膜を被覆してもよく、この場合は一層の防食効果が
期待できる。

【００３０】

【実施例】実施例１〜５，比較例１〜６ １．親水性皮膜形成剤の調製 本発明の親水性皮膜を形成する焼き付け硬化型の皮膜形
成剤として、水ガラス系皮膜形成剤、アクリル樹脂系皮
膜形成剤、ウレタン樹脂／シリカ系皮膜形成剤に、平均
粒径１μｍの亜鉛粉末を混合してよく攪拌した。なお、
皮膜中のウレタン樹脂硬化物とシリカの割合は、水溶性
ウレタン樹脂溶液へのシリカの添加量を調整し、０．１
３とした。

【００３１】なお、皮膜の厚さは樹脂と溶剤の配合比率
を調整することで変化させ、水ガラス系皮膜およびウレ
タン樹脂／シリカ系皮膜の膜厚は、蛍光Ｘ線によって皮
膜中のＳｉを測定し検量線より求めた。アクリル系樹脂
皮膜の膜厚は、皮膜の焼却前後の重量差および皮膜密度
から算出した。また、皮膜中における亜鉛の含有量（体
積％）は皮膜形成剤への亜鉛粉末の添加量によって調整
した。

【００３２】２．熱交換器用部材への親水性皮膜の被覆 アルミニウム素条（ＪＩＳ−Ａ１２００，５００×２５
×０．１ｍｍ）にプレス加工して２列×１２個のフィン
カラーを形成させアルミフィン体とし、この所要枚数に
対してアルカリ脱脂およびリン酸クロメート処理を行っ
た後、上記の皮膜形成剤を入れた槽に浸漬した。

【００３３】その後、直ちに槽からフィン体を取り出し
て水切りを行い、大気雰囲気で２３０℃×５分間の焼き
付け処理を行ってフィン表面に皮膜を形成させた。この
アルミフィン体の所要枚数を、前記フィンカラーを一致
させて積層し、この積層体のフィンカラーに皮膜形成処
理を行わなかったリン脱酸銅から成る管体（ＪＩＳ規格
Ｃ１２２０Ｔ、外径７×長さ２５０×肉厚０．３ｍ
ｍ、）を挿通し、マンドレルによる拡管を行って両者を
接合して熱交換器（外寸５００×２５×２５０ｍｍ）を
組立てた。

【００３４】３．熱交換器サンプルの評価 各熱交換器サンプルについて、以下の仕様で特性評価を
行った。

【００３５】(1)耐食性評価 内容量１Ｌの密閉容器に１体積％の蟻酸水溶液を１００
ｍＬ入れ、液に直接接触しないように１００ｍＬビーカ
ーに熱交換器から切り出したサンプル（外寸５０×２５
×１５０ｍｍ）を入れてから、これを上記密閉容器内に
設置した。次に容器内の雰囲気を酸素に置換し、４０日
間室温に保持した。試験後、熱交換器サンプルから伝熱
管を引き離して切断し、断面顕微鏡観察により切断面で
の最大腐食深さを測定した。

【００３６】この値が小さいほど、耐食性に優れている
ことを表す。

【００３７】(2)親水性評価 耐食性評価を行った熱交換器サンプルからフィン体を外
し、フィンに蒸留水を滴下して、接触角計によりフィン
と蒸留水との接触角を測定した。

【００３８】この値が小さいほど、親水性に優れている
ことを表す。

【００３９】(3)密着性評価 親水性皮膜で被覆されているフィン体（耐食性評価を行
っていないもの）の表面に、カッターナイフでアルミ素
地に達するキズをクロス状に形成し、この部分を覆うよ
うにセロハンテープ（登録商標）を貼付した後、それを
いきおい良く剥がして、テープへの皮膜の付着の有無を
肉眼で評価した。

【００４０】テープに皮膜が付着しなかった場合を剥離
無しとした。

【００４１】(4)伝熱特性の評価 耐食性評価を行っていない熱交換器サンプルについて、
下記条件で蒸発時の空気側交換熱量を測定した。

【００４２】(a)管内冷媒：Ｒ２２ (b)入口空気温度（乾球温度／湿球温度）：２７．０℃
／１９．０℃ (c)風速：１ｍ／ｓ (d)出口冷媒蒸発圧力：５．４ｋｇ／ｃｍ² (e)膨張弁前冷媒温度：４０．０℃ (f)出口冷媒過熱度：５．０℃ 親水性皮膜を形成していない熱交換器の測定値と比較し
て、◎（格段に優れる）、○（優れる）、△（同等）、
×（劣る）の４段階で評価した。

【００４３】以上の結果を表１に示した。

【００４４】

【表１】 表１から次のことが明らかである。

【００４５】(1)本発明の熱交換器は、耐食性、親水
性、密着性、伝熱特性のいずれもが良好である。このよ
うなことから、親水性皮膜の厚さは０．１〜１０μｍ
に、皮膜への金属亜鉛粉末の含有量は１〜５０体積％に
設定すべきであることがわかる。

【００４６】(2)実施例と比較例１を対比して明らかな
ように、亜鉛を含有しない親水性皮膜をフィン体表面に
形成させた比較例１の場合は、実施例に比べて耐食性が
大幅に劣っている。

【００４７】(3)実施例と比較例２を対比して明らかな
ように、実施例１，２と同一の親水性皮膜であるが皮膜
が薄い比較例２の場合は、実施例に比べて耐食性が大幅
に劣っている。

【００４８】(4)実施例と比較例３を対比して明らかな
ように、実施例１，２と同一の親水性皮膜であるが皮膜
が厚い比較例３の場合は、実施例に比べて伝熱特性が大
幅に劣っている。

【００４９】(5)実施例と比較例４を対比して明らかな
ように、実施例３，４と同一の親水性皮膜であるが皮膜
への亜鉛粉末の含有量が少ない比較例４の場合は、実施
例に比べて耐食性が大幅に劣っている。

【００５０】(6)実施例と比較例５を対比して明らかな
ように、実施例３，４と同一の親水性皮膜であるが皮膜
への亜鉛粉末の含有量が多い比較例５の場合は、実施例
に比べて密着性が大幅に劣っている。

【００５１】(7)さらに、フィン体表面を全く皮膜で被
覆しなかった比較例６の場合は、実施例に比べて耐食
性、親水性のいずれもが大幅に劣っている。

【００５２】実施例６〜８ １．親水性皮膜形成剤の調製 実施例１〜５と同様にして行った。

【００５３】２．熱交換器用部材への親水性皮膜の被覆 実施例１〜５と同様にして行った。

【００５４】３．熱交換器サンプルの評価 (1)皮膜の耐久性試験 上水道水を３００ｍＬ／分の流量で循環させた水槽に、
耐食性評価を行う前の熱交換器サンプルを３日間浸漬
後、乾燥させた。

【００５５】(2)耐食性、親水性の評価 皮膜の耐久性試験が終了したサンプルについて、実施例
１〜５と同様にして行った。

【００５６】以上の結果を表２に示した。

【００５７】

【表２】 表２から次のことが明らかである。

【００５８】本発明の熱交換器は、皮膜の耐久性試験後
においても、耐食性、親水性のいずれもが良好である。
特に、実施例６と実施例７及び８を対比して明らかなよ
うに、ウレタン樹脂／シリカ系皮膜の場合に耐食性、親
水性が最も良好となり、皮膜の耐久性が最も優れている
ことが示される。

【００５９】実施例９〜１４ １．親水性皮膜形成剤の調製 実施例１〜５における、ウレタン樹脂／シリカ系皮膜形
成剤のシリカ配合比率を変化させたものを調製した。

【００６０】２．熱交換器用部材への親水性皮膜の被覆 実施例１〜５と同様にして行った。

【００６１】３．熱交換器サンプルの評価 実施例６〜８と同様にして行った。

【００６２】以上の結果を表３に示した。

【００６３】

【表３】 表３から次のことが明らかである。

【００６４】本発明の熱交換器は、皮膜の耐久性試験後
においても、耐食性、親水性のいずれもが良好である。
特に、実施例１０〜１３の場合、実施例９及び１４に比
べて、さらに耐食性、親水性が良好となる。このような
ことから、皮膜中のウレタン樹脂硬化物とシリカの割合
を重量比で０．０３〜０．５の範囲とすることが、より
好ましい。

【００６５】実施例１５、比較例７，８ 実施例１５、比較例７，８では、管体のみを使用し、管
体の評価のみを行った。

【００６６】１．親水性皮膜形成剤の調製 実施例１〜５と同様にして行った。

【００６７】２．熱交換器用部材への親水性皮膜の被覆 リン脱酸銅管に実施例１〜５と同様にして皮膜形成処理
を行った。

【００６８】３．熱交換器サンプルの評価 実施例１〜５と同様にして管体のみの耐食性評価を行
い、最大腐食深さを測定した。

【００６９】以上の結果を表４に示した。

【００７０】

【表４】 表４から次のことが明らかである。

【００７１】(1)本発明の熱交換器用管体は耐食性に優
れており、管体に直接親水性皮膜を被覆した場合におい
ても防食効果があることが判明した。

【００７２】(2)実施例と比較例７、８を対比して明ら
かなように、亜鉛を含有しない親水性皮膜を管体表面に
被覆した比較例７、および管体表面に全く皮膜を被覆し
なかった比較例８のいずれの場合も、実施例に比べて耐
食性が大幅に劣っている。

【００７３】

【発明の効果】この発明によれば、腐食防止効果を有す
る親水性皮膜で表面が被覆されているため、蟻の巣状腐
食に対する耐食性に優れ、かつ親水性、伝熱特性を損な
わない熱交換器用部材、およびそれを用いた熱交換器を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】親水性皮膜を被覆した管体およびフィン体から
成る本発明の熱交換器の断面図の一例である。

【符号の説明】

１管体 ２フィン体 １フィンカラー ３親水性皮膜 １金属亜鉛粉末

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属亜鉛粉末を１〜５０体積％含有し、
   かつ、厚さが０．１〜１０μｍである親水性皮膜で表面
   が被覆されていることを特徴とする熱交換器用部材。
2. 【請求項２】 前記親水性皮膜が水溶性ウレタン樹脂の
   硬化物をバインダーとし、それにシリカと前記金属亜鉛
   粉末が分散している複合材から成る請求項１に記載の熱
   交換器用部材。
3. 【請求項３】 前記親水性皮膜における前記水溶性ウレ
   タン樹脂の硬化物と前記シリカの割合（ウレタン樹脂／
   シリカ）が重量比で０．０３〜０．５である請求項２に
   記載の熱交換器用部材。
4. 【請求項４】 管体とフィン体が嵌合されている熱交換
   器であって、前記管体または／および前記フィン体は
   銅、銅合金、アルミニウム、若しくはアルミニウム合金
   から成り、かつ、少なくとも前記管体と前記フィン体の
   嵌合部における嵌合界面には、請求項１〜３のいずれか
   に記載の親水性皮膜が形成されていることを特徴とする
   熱交換器。