JP5859131B2 - 防汚コーティング、それを備えた熱交換器及びその製造方法 - Google Patents
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Description
熱交換器は冷媒が通るパイプに多数枚のフィン(例えば、アルミフィン)が取り付けられた構造を有しており、表面積が大きいフィンによって熱交換効率を高めている。このフィンの表面には、冷暖房時に凝結水が付着し易く、フィン間が凝結水によって封鎖される現象(以下、「ブリッジ現象」という。)によって通風抵抗が増大して熱交換効率が低下することがある。特に、ブリッジ現象は、粉塵などの汚れがフィンの表面に付着することによって起こり易くなるため、防汚性能に優れた有機系又は無機系の親水性コーティングをフィンの表面に形成することによってブリッジ現象を一般に防止している。ここで、本明細書において「防汚性能」とは、汚れが付着し難い性能及び付着した汚れが除去され易い性能を意味する。
そこで、このような親水性コーティングの防汚性能及び親水性の低下を防止するために、様々な塗料を用いて親水性コーティングを形成する技術が提案されている。例えば、特許文献1では、変性ポリビニルアルコール及び架橋剤を含む塗料を用いて親水性コーティングを形成する方法が提案されている。また、特許文献2では、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレングリコール及び架橋剤を含む塗料を用いて親水性コーティングを形成する方法が提案されている。また、特許文献3では、シリカ超微粒子とフッ素樹脂粒子とからなる薄膜を形成する技術が提案されている。親水性表面に疎水性部分が点在した構成とすることで、膜全体としては高い親水性を保ったまま、親水性あるいは疎水性の多様な性質の汚れの付着を抑制できるものである。薄膜であるため着臭等の問題が回避でき、熱交換器への適応も可能なものである。
溶接や切断等の金属の加工現場、金属粉塵を扱う事業所、鉄道等の車両や関連施設等では、空気中に鉄、銅、亜鉛やその合金等の金属粒子あるいはそれらが付着した粒子が浮遊する(以降、これらを合わせて金属粒子と称する)。無機物や有機物あるいはそれらの複合体のコーティング、特に表面に水酸基等の極性基を多数有する親水性の高いコーティングは、金属粒子が付着することで劣化したり、金属粒子が固着したりしやすい。
図1は、金属粒子の付着による従来のコーティングの劣化を説明する模式図である。図1において、従来のコーティングは、無機微粒子としてのシリカ超微粒子11が集積すると共にフッ素樹脂粒子12が点在するものである。このような構成のコーティングは、後述するように、粉塵の付着が起こりにくいが、水で濡れている場合等においては、金属粒子13(例えば鉄粉)が付着してしまう。金属粒子13の一部が水分で腐食することで、コーティング中のシリカ超微粒子11に吸着した金属イオン14となる。このような状態となると、金属粒子13はコーティングと強固に固着することになり、コーティングの汚損、固着した金属粒子13による防汚性の劣化が生じることになる。
本発明の実施の形態2に係る防汚コーティングは、無機コーティングの下地として親水性有機コーティングを有する。このような形態の防汚コーティングを熱交換器に適用することで熱交換器としての良好な特性を得ることができる。フィン等の熱交換器表面に親水性有機コーティングを下地として形成し、その親水性有機コーティング上に、塩化ジルコニウム及び塩化ジルコニルから選択される少なくとも一種のジルコニウム化合物を含む水溶液から反応層を形成し、反応層上にシリカ超微粒子を含む水系コーティング組成物から無機コーティングを形成するか、又はシリカ超微粒子と塩化ジルコニウム及び塩化ジルコニルから選択される少なくとも一種のジルコニウム化合物とを含む水系コーティング組成物から無機コーティングを形成することにより、長期にわたり、フィンの腐食を抑制し且つ親水性及び防汚性を維持することができる。親水性有機コーティングは、熱交換器表面の腐食を抑制する効果を担う。無機コーティングは、表面の親水性を高めることで、凝結水が液滴を形成して通風抵抗を大きくするのを抑制したり、熱交換器に吸入される粉塵及び繊維汚れの付着を抑制する効果を担う。
親水性有機コーティング22を形成するためのコーティング組成物には、不溶化及び強度向上のために、架橋剤、ラジカル開始剤、反応性成分、シリカ、チタニアなどの無機粒子等を添加してもよい。
親水性有機コーティング22の厚さは、0.1μm以上15μm以下であることが好ましい。親水性有機コーティング22の厚さが0.1μm未満では薄すぎて、防食効果が十分に得られない場合がある。一方、親水性有機コーティング22の厚さが15μmを越えると、膜が厚すぎて熱伝達の効率を低下させてしまう場合があり好ましくない。
[実施例1]
純水と、平均粒径6nmのシリカ超微粒子を含むコロイダルシリカ(日産化学工業株式会社製スノーテックスOXS)と、平均粒径150nmのPTFEディスパージョンと、塩化ジルコニウム(シリカ超微粒子の12質量%)とを撹拌混合した後、混合物に対して0.1質量%の非イオン系界面活性剤(ポリオキシエチレンラウリルアルキルエステル)を加えて更に撹拌混合することにより、表1の組成を有する水系コーティング組成物を調製した。
得られた水系コーティング組成物をアルミフィン材に塗布し、エアブローで乾燥させた。コーティング形成後のアルミフィン材を水に浸して湿潤させ、平均粒径45μmの鉄粉を吹き付け、エアブローで乾燥後、鉄粉の付着状態を観察した。鉄粉の付着状態を目視にて判定した。未処理のアルミフィン材に対して鉄粉付着を行った場合(比較例4)には、鉄粉が多量に付着した状態となるため、これを5とし、鉄粉が全く付着していない状態を0として、6段階で判定した。
鉄粉を付着させたアルミフィン材を、湿度90%で3日間放置した後、水流を吹き付け、汚染状況を目視で確認した。
接触角は、接触角計PD−X(協和界面科学)を用いて測定した。
結果を表2に示す。
純水と、平均粒径6nmのシリカ超微粒子を含むコロイダルシリカ(日産化学工業株式会社製スノーテックスOXS)と、平均粒径150nmのPTFEディスパージョンと、塩化ジルコニウム(シリカ超微粒子の10質量%)とを撹拌混合した後、混合物に対して0.1質量%の非イオン系界面活性剤(ポリオキシエチレンラウリルアルキルエステル)を加えて更に撹拌混合することにより、表1の組成を有する水系コーティング組成物を調製した。この水系コーティング組成物を用いたこと以外は実施例1と同様にして、コーティングが形成されたアルミフィン材を作製した。これを実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
塩化ジルコニウムの代わりに塩化ジルコニルを用いたこと以外は実施例1と同様にして、コーティングが形成されたアルミフィン材を作製した。これを実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
塩化ジルコニウムの代わりに塩化ジルコニルを用いたこと以外は実施例2と同様にして、コーティングが形成されたアルミフィン材を作製した。これを実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
PTFEディスパージョンを使用しないこと以外は実施例1と同様にして、コーティングが形成されたアルミフィン材を作製した。これを実施例1と同様にして評価を行った。
結果を表2に示す。
塩化ジルコニウムの含有量をシリカ超微粒子の60質量%に変更したこと以外は実施例1と同様にして、コーティングが形成されたアルミフィン材を作製した。これを実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
塩化ジルコニウムを使用しないこと以外は実施例1と同様にして、コーティングが形成されたアルミフィン材を作製した。これを実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
PTFEディスパージョン及び塩化ジルコニウムを使用しないこと以外は実施例1と同様にして、コーティングが形成されたアルミフィン材を作製した。これを実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
未処理のアルミフィン材(コーティングを形成していないアルミフィン材)を実施例1と同様に評価した。結果を表2に示す。
鉄粉を腐食させた場合、ジルコニウム化合物を添加していない比較例2〜4では、錆が表面に硬く固着しスプレーでは剥離しないのに対し、実施例1〜5及び比較例1では、錆の固着が大きく抑制されている。更に、実施例1〜5では、高い親水性と粉塵付着抑制効果が得られると共に、付着した鉄粉が腐食した場合においても固着しにくいことが分かる。
ポリビニルアルコールZ−200(日本合成化学)の3質量%及びポリビニルアルコールに対し5質量%のグリオキザールを混合した水溶液をアルミフィン材に塗布し、150℃で5分間加熱し、厚さ0.7μmの親水性有機コーティングを形成した。親水性有機コーティング上に、塩化ジルコニルの5質量%の水溶液を塗布し、常温のエアブローで乾燥させ、反応層を形成した(事前処理)。その後、表3の組成の水系コーティング組成物を反応層上に塗布し、エアブローで乾燥させ、無機コーティングを形成した。
コーティング形成後のアルミフィン材を水に浸して湿潤させ、平均粒径45μmの鉄粉を吹き付け、エアブローで乾燥後、鉄粉の付着状態を観察した。鉄粉の付着状態を目視にて判定した。親水性有機コーティングのみの場合(比較例5)では、真っ黒に汚れた状態となるため、これを5とし、鉄粉が全く付着していない状態を0として、6段階で判定した。
更に、鉄粉が付着した状態で、湿度90%で3日間放置した後、スプレーにて水流を吹き付け、腐食した鉄粉の状態を確認した。また、1%の水酸化ナトリウム水溶液に1分間浸漬し、鉄粉近辺のコーティングの変化を確認した。結果を表4に示す。
ポリビニルアルコールZ−200(日本合成化学)の3質量%及びポリビニルアルコールに対し5質量%のグリオキザールを混合した水溶液をアルミフィン材に塗布し、150℃で5分間加熱し、厚さ0.7μmの親水性有機コーティングを形成した。親水性有機コーティング上に、表3の組成の水系コーティング組成物を反応層上に塗布し、エアブローで乾燥させ、無機コーティングを形成し、コーティングが形成されたアルミフィン材を作製した。これを実施例6及び7と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
ポリビニルアルコールZ−200(日本合成化学)の3質量%及びポリビニルアルコールに対し5質量%のグリオキザールを混合した水溶液をアルミフィン材に塗布し、150℃で5分間加熱し、厚さ0.7μmの親水性有機コーティングを形成し、コーティングが形成されたアルミフィン材を作製した。これを実施例6及び7と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
ポリビニルアルコールZ−200(日本合成化学)の3質量%及びポリビニルアルコールに対し5質量%のグリオキザールを混合した水溶液をアルミフィン材に塗布し、150℃で5分間加熱し、厚さ0.7μmの親水性有機コーティングを形成した。親水性有機コーティング上に、表3の組成の水系コーティング組成物を反応層上に塗布し、エアブローで乾燥させ、無機コーティングを形成し、コーティングが形成されたアルミフィン材を作製した。これを実施例6及び7と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
Claims (5)
- 親水性有機コーティングが形成されたフィンを冷媒が通るパイプに接合した後、前記親水性有機コーティング上に、塩化ジルコニウム及び塩化ジルコニルから選択される少なくとも一種のジルコニウム化合物を含む水溶液から反応層を形成し、前記反応層上に25nm以下の平均粒径を有するシリカ超微粒子を0.1〜10質量%含む水系コーティング組成物から無機コーティングを形成するか、又は前記親水性有機コーティング上に、25nm以下の平均粒径を有するシリカ超微粒子を0.1〜10質量%含み、塩化ジルコニウム及び塩化ジルコニルから選択される少なくとも一種のジルコニウム化合物を前記シリカ超微粒子の5〜50質量%含み且つ水を30〜99.5質量%含む水系コーティング組成物から無機コーティングを形成することを含むことを特徴とする熱交換器の製造方法。
- 前記水系コーティング組成物が、50〜500nmの平均粒径を有するフッ素樹脂粒子を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器の製造方法。
- 冷媒が通るパイプと、前記パイプに取り付けられたフィンとを備える熱交換器であって、前記フィン上に形成された親水性有機コーティングと、前記親水性有機コーティングの表層に塩化ジルコニウム及び塩化ジルコニルから選択される少なくとも一種のジルコニウム化合物を反応させた反応層と、前記反応層上に25nm以下の平均粒径を有するシリカ超微粒子を0.1〜10質量%含む水系コーティング組成物から形成された無機コーティングとを有することを特徴とする熱交換器。
- 冷媒が通るパイプと、前記パイプに取り付けられたフィンとを備える熱交換器であって、前記フィン上に形成された親水性有機コーティングと、前記親水性有機コーティング上に、25nm以下の平均粒径を有するシリカ超微粒子を0.1〜10質量%含み、塩化ジルコニウム及び塩化ジルコニルから選択される少なくとも一種のジルコニウム化合物を前記シリカ超微粒子の5〜50質量%含み且つ水を30〜99.5質量%含む水系コーティング組成物から形成された無機コーティングとを有することを特徴とする熱交換器。
- 25nm以下の平均粒径を有するシリカ超微粒子を0.1〜10質量%含み、
塩化ジルコニウム及び塩化ジルコニルから選択される少なくとも一種のジルコニウム化合物を前記シリカ超微粒子の5〜50質量%含み、
50〜500nmの平均粒径を有するフッ素樹脂粒子を、前記シリカ超微粒子と前記フッ素樹脂粒子との質量比が70:30〜95:5の量で含み、
且つ水を30〜99.5質量%含む水系コーティング組成物から形成されることを特徴とする防汚コーティング。
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