(57)【要約】【課題】金属などで構成された既存の熱交換器の構成においても、熱伝導率効率を向上させることができるようにした炭素繊維含有塗料、および、この炭素繊維含有塗料を塗布した熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器１のチューブ３やフィン４などの金属部分に塗布される炭素繊維含有塗料において、ワニス系樹脂に分散剤を入れたマトリクス樹脂に対して、粉砕された炭素繊維を混入させる。この炭素繊維としては、平均繊維長１０〜１００μｍ、平均繊維径を５〜１５μｍとなるように粗粉砕された炭素繊維と、平均繊維長０．５μｍ〜５μｍ、平均繊維径０．３〜１μｍとなるように細粉砕された炭素繊維を重量比率２０：８０〜１０：９０の割合で含有させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器に塗布される炭素繊維含有塗料において、
粉砕された炭素繊維粉と、
当該炭素繊維粉を含有するマトリクス樹脂と、
を設けたことを特徴とする炭素繊維含有塗料。
【請求項２】
炭素繊維粉が、平均繊維長１００μｍ以下の炭素繊維で構成されるものである請求項１に記載の炭素繊維含有塗料。
【請求項３】
前記炭素繊維粉が、平均繊維長５〜１００μｍの炭素繊維粉と、平均繊維長０．５〜５μｍの炭素繊維粉を配合させてなるものである請求項１に記載の炭素繊維含有塗料。
【請求項４】
前記炭素繊維粉を５〜３５重量部の割合で配合させるようにした請求項１に記載の炭素繊維含有塗料。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の炭素繊維含有塗料を塗布した熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に塗布される炭素繊維含有塗料、および、この炭素繊維含有塗料を塗布した熱交換器に関するものであり、より詳しくは、金属で構成されたチューブやフィンなどを保護しつつ熱伝導率を向上させるようにした炭素繊維含有塗料などに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、熱交換器は、熱交換の対象となる流体を通すチューブや、このチューブと交叉するように設けられた複数枚のフィンとを備えて構成されている。そして、このチューブに加熱対象となる流体を通し、また、その流体とフィンの外部を流れる流体との間で熱交換をさせるようにしている。
【０００３】
このような熱交換器は、多種多様な分野で用いられているが、例えば、重油を用いたボイラの排気ガスを用いて水を加熱させる場合、次のような問題が生ずる。
【０００４】
すなわち、硫黄分が入っている重油を燃焼させて水を加熱させる場合、一般的に、排気ガスの温度が１０℃下がるたびに、熱交換効率は１％上昇すると言われている。しかるに、排気ガス温度が１２０℃以下になると、排気ガスに含まれる硫黄分がチューブやフィンの表面に摘出し、硫酸となってチューブやフィンを腐食してしまう。このため、従来では、排気ガスの温度を２００℃まで上昇させるようにしているが、このようにすると、硫黄分が大気に放出されて酸性雨の原因となってしまうばかりでなく、熱交換効率も落ちてしまう。
【０００５】
これに対して、フィンなどをマトリクス樹脂で構成し。また、そこに炭素繊維を含有させるようにした熱交換器も提案されている。
【０００６】
例えば、下記の特許文献１には、チューブの長手方向と直交方向に炭素繊維を配列させた樹脂を用いた熱交換器が提案されている。このような熱交換器では、金属が硫黄分によって腐食することもなく、チューブに直交する方向の炭素繊維によってフィンに熱を伝達させることができるため、金属に代わって熱伝導率の高い炭素繊維を用いて熱交換させることができるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１７−２１９２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような構成では、あらかじめ格子状に配列させた炭素繊維を有する樹脂を成形しておかなければならず、製造コストが高くついてしまうばかりでなく、格子状の炭素繊維の隙間部分では熱を伝達させることができない。また、既存の熱交換器にこのような構成を後から採用させることができない。さらには、チューブとフィンとの境界部分は屈曲しているため、炭素繊維をそのような局面に沿って曲げることが難しくなり、隙間を生じて熱伝導率が落ちてしまう。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、金属などで構成された既存の熱交換器の構成においても、熱伝導率効率を向上させることができるようにした炭素繊維含有塗料、および、この炭素繊維含有塗料を塗布した熱交換器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明は、上記課題を解決するために、熱交換器に塗布される炭素繊維含有塗料において、粉砕された炭素繊維粉と、当該炭素繊維粉を含有するマトリクス樹脂とを設けて構成されたものである。
【００１１】
このように構成すれば、既存の金属製の熱交換器にこのような塗料を塗布するだけで、粉砕された炭素繊維粉を付着させることができ、チューブやフィンの熱を伝達させて熱交換させることができるようになる。また、フィンなどを塗料でコーティングすることができるため、硫黄分が付着しても金属が腐食するようなことがなくなり、メンテナンスの必要性を低減させることができるようになる。これにより、排気ガスの温度を下げて、熱交換効率を向上させることができるようになる。
【００１２】
さらに、このような発明において、炭素繊維粉を、繊維長１００μｍ以下の炭素繊維で構成する。
【００１３】
このようにすれば、熱交換器のチューブとフィンとの接合部分などにも炭素繊維を密着させることができるようになり、各部と炭素繊維との熱伝導性を高めることができるようになる。
【００１４】
さらに、平均繊維長５〜１００μｍと、平均繊維長０．５〜５μｍの炭素繊維を配合させる。
【００１５】
このようにすれば、炭素繊維同士の接触面積を大きくして熱伝導性を向上させることができるとともに、焼成時に炭素繊維粉の凝集を抑えることができ、ピンホールの発生や剥離などの障害を防止することができるようになる。
【００１６】
また、炭素繊維粉を５〜３５重量部の割合で配合させる。
【００１７】
このようにすれば、チューブやフィンと炭素繊維との接触性を高めることができるとともに、その炭素繊維と塗膜表面に露出した炭素繊維との間で熱交換させることができるようになる。また、炭素繊維の含有量を多くしすぎれば、塗膜にクラックが入ってしまうが、この割合の場合、クラックが入ることもない。また、炭素繊維の含有量を小さくしすぎれば、熱交換効率が落ちるが、このような含有量であれば、熱交換効率を向上させることができるようになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、熱交換器に塗布される炭素繊維含有塗料において、粉砕された炭素繊維粉と、当該炭素繊維粉を含有するマトリクス樹脂とを設けるようにしたので、既存の金属製の熱交換器にこのような塗料を塗布するだけで、粉砕された炭素繊維粉を付着させることができ、チューブやフィンの熱を伝達させて熱交換させることができるようになる。また、フィンなどを塗料でコーティングすることができるため、硫黄分が付着しても金属が腐食するようなことがなくなり、メンテナンスの必要性を低減させることができるようになる。これにより、排気ガスの温度を下げて、熱交換効率を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態における炭素繊維含有塗料が塗布される熱交換器
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
この実施の形態の炭素繊維マトリクス樹脂が塗布される熱交換器１は、ボイラからの廃熱を利用して水を加熱させるようにしたものであって、図１に示すように、ボイラからの排ガスが入れられる熱交換室２と、この熱交換室２内で蛇行するように設けられたチューブ３と、このチューブ３に直交するように配列された複数枚の平行なフィン４とを設けて構成される。そして、このチューブ３に冷水を通すとともに、熱交換室２に高熱の排ガスを流入させ、フィン４を介してチューブ３内の水と熱交換させて水を加熱させるようにしたものである。そして、特徴的に、この熱交換器１に、粉砕させた炭素繊維を含有するマトリクス樹脂を塗布し、これにより、硫黄分による金属の腐食を防止するとともに、熱交換効率を向上させるようにしたものである。以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
【００２２】
まず、この炭素繊維含有塗料が塗布される熱交換器１の概要について簡単に説明する。
【００２３】
まず、熱交換器１を構成する熱交換室２は、高温の排ガスなどの流体が通されるものであって、図１に示すように、一方側に投入口２１、他方側に排出口２２が設けられる。そして、この投入口２１に流入された高温の第一流体をフィンの隙間に通し、排出口２２から排出させるようにしている。なお、図１では、投入口２１をフィン４と直交する方向（法線方向）に設けるようにしているが、フィン４と平行な方向に第一流体を入れて排ガスをフィン４の隙間に通しやすくするようにしてもよい。
【００２４】
一方、チューブ３は、左右に蛇行するように設けられるものであって、内部に熱交換の対象となる第二流体を通すようになっている。ここでは、第二流体として冷水を用いるものとし、この冷水を加熱させて温水として排出させるようにしている。なお、ここでは、チューブ３を蛇行させるようにしているが、左右両端にチューブ３内の第二流体を蛇行させる図示しないヘッダを設け、このヘッダに直線状のチューブ３を連結して蛇行させるようにしてもよい。
【００２５】
また、このチューブ３と交叉するように設けられるフィン４は、チューブ３内の第二流体と熱交換室２内の第一流体とで熱交換させるようにしたものであって、チューブ３に溶接して設けられる。そして、この隙間に排ガスである第一流体を通してフィン４に熱を吸収させ、その熱をチューブ３内の第二流体に伝達させるようにしている。
【００２６】
このような構成において、第一流体として、重油を燃焼させた排ガスを用いるようにすると、その重油に含まれる硫黄分が熱交換室の内壁や、チューブ３、フィン４などに付着し、その金属と反応して腐食してしまう。また、従来では、付着した汚れなど溶液で溶かして定期的に除去するために、フィン４とフィン４の隙間を空ける方法などを採用していたが、このようにすると、装置が大型化してしまうばかりでなく、腐食を防ぐために高価なチタンやＳＵＳ３１６Ｌなどの金属を用いる必要があった。そこで、この実施の形態では、従来の金属製の熱交換器において、炭素繊維を含有したマトリクス樹脂を塗布することで、金属表面を塗膜でコーティングして腐食を防ぐようにするとともに、従来のように汚れを溶液で溶かして除去するのではなく、簡単にその汚れを除去できるようにしている。
【００２７】
このような炭素繊維含有塗料としては、炭素繊維とマトリクス樹脂とを含有するように構成される。
【００２８】
このような炭素繊維を用いる場合、炭素繊維の繊維長が長すぎれば、チューブ３とフィン４の連結部分や、チューブ３の屈曲部分や外周部分、フィン４の端部などに沿って炭素繊維をうまく付着させることができない。また、繊維長が短すぎれば、それぞれの炭素繊維との連結が少なくなるばかりでなく、マトリクス樹脂に混入させる際に、凝集が起こってしまう。このため、好ましくは、炭素繊維の平均繊維長が１００μｍ以下となる範囲で粉砕させて、フィン４の端部やチューブ３の屈曲部分などに密着させるようにする。このとき、粗粉砕された炭素繊維として、平均繊維長５〜１００μｍ、平均繊維径５〜１５μｍとしておく。また、このような粗粉砕された炭素繊維だけでは、炭素繊維同士の接触面積が小さくなってしまい、熱伝導効率が悪くなってしまう。そこで、本実施の形態では、細粉砕された炭素繊維として繊維長５μｍ以下（好ましくは、平均繊維長０．５〜５μｍ）、平均繊維径０．３〜１μｍの炭素繊維を含有させるようにする。このような微粒子の炭素繊維を含有させるようにすれば、マトリクス樹脂内における炭素繊維同士の凝集を防止することができるとともに、マトリクス樹脂焼成時における再凝集や、ピンホールの発生、剥離などを防止することができるようになる。なお、この粗粉砕された炭素繊維と細粉砕された炭素繊維の割合として、重量比率で２０：８０〜１０：９０の範囲内とする。
【００２９】
このような炭素繊維は、新品またはリサイクルの炭素繊維などを用いることができ、また、炭素繊維の種類としてはＰＡＮ系であってもピッチ系であってもよい。このような炭素繊維を粉砕させて粒子化する場合、公知の方法を用いて粉砕させることができるが、例えば、気流粉砕やボールミル、クラッシャーミルなどを用いることができる。
【００３０】
一方、マトリクス樹脂は、炭素繊維を含有させるとともに、チューブ３やフィン４などの金属に付着させるようにしたものであって、ここでは、ワニス系樹脂、シリコン系樹脂、アクリル系樹脂、酢酸ビニル系樹脂などを用いることができ、また、必要に応じて共重合化したものも用いることができる。ここでは、ポリイミドワニスを用いるものとし、溶媒ポロリドンで希釈したものを用いる。このワニス系樹脂は、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸溶液であるため、これを熱交換器１の表面に塗布して高温で焼き付けることにより、溶媒が除去されるとともに、イミド化の反応が進んで、不溶不融、耐熱性、体薬品性、電気絶縁性に優れたポリイミド塗膜になる。そして、このマトリクス樹脂に適宜分散剤を入れて炭素繊維を溶液中で分散させるようにする。
【００３１】
このワニス系マトリクス樹脂を使う場合の作用について説明する。
【００３２】
ポリイミド塗膜を成形する場合、ワニス系樹脂の中に含まれるポリアミド酸をイミド化（閉環）することによって金属表面に塗膜を成形するようにするが、このとき、ポリアミド酸の調整のために、一般的に、ジアミン成分またはテトラカルボン酸二無水物成分などを用いるようにしている。しかるに、このジアミン成分またはテトラカルボン酸二無水物成分は、炭素繊維の分散剤による大きな影響を受けてしまい、特に、１００〜１２０℃での初期焼成時においてワニス系樹脂をイミド化する際のピロリドンなどの溶剤の残差の含有率は１０ｐｐｍ前後に下がり、更に１８０℃を越えてくると、炭素繊維粉の分散に用いた水系分散剤の気化も始まり、立体障害を失った炭素粒子は溶融した状態から熱硬化するマトリクス樹脂の中で再凝集を起こし、マトリクス樹脂内の気道を広げて発泡状態になってしまう。そこで、これまで炭素繊維の分散に利用していた親油基が小さく炭素粒子表面に吸着し易い親水基の数の多い分散剤では、ポリイミド樹脂を成形することで前述の状況に陥って不可能となる。このため、無極性表面に適した吸着を持つリン酸塩を含まない脂肪酸系の分散剤を用い、これを全体量に対して１〜３重量部配合させるようにする。これによって、２００℃を越えてから高温分解するまで水分子の気化移動による炭素繊維の再凝集が少なくなり、ピンホールの発生などを防止することができる。
【００３３】
このようなマトリクス樹脂に炭素繊維を含有させる場合、炭素繊維の割合が少ないと、チューブ３やフィン４と塗膜外部との間に炭素繊維が連続せず、熱交換をさせることができなくなる。一方、炭素繊維の割合が多すぎると、亀裂や、金属との間で剥離を生じてしまう。このため、好ましくは、炭素繊維を５〜３５重量部の割合で配合させ、好ましくは、塗膜硬化後の剥離防止やクラック防止などを考慮して、１０〜２０重量部の範囲内としておく。
【００３４】
このように配合された炭素繊維含有塗料を熱交換器１に塗布する場合、種々の方法を用いることができ、例えば、チクソ性を持ったワニスに低合する塗装方法、エアーカップによる吹き付け塗装方法、脱泡ローラーによる塗装方法、ディッピング塗布方法、刷毛塗りなどを用いることができる。このとき、ディッピング塗布方法を用いれば、均一に塗膜を生成することができ、金属の露出部分がなくなるとともに、厚みを均一にして金属と塗膜表面との間で炭素繊維を連続的に接触させて熱交換を行わせることができるようになる。
【００３５】
このような構成において、まず、炭素繊維含有塗料を製造する場合、ＰＡＮ系やピッチ系の炭素繊維を粗粉砕してチップドファイバーを生成し、そのチップドファイバーを気流粉砕器などに投入する。そして、平均繊維長５〜１００μｍ、平均繊維径５〜１５μｍの粗炭素繊維粉を生成する。そして、その粗炭素繊維粉を取り出すとともに、一部の炭素繊維粉を再び粉砕器に投入し、今度は細粉砕として平均繊維長０．５〜５μｍ、平均繊維径０．３〜１μｍの細炭素繊維粉を生成し、この粗粉砕された炭素繊維粉と細粉砕された炭素繊維粉を重量比で２０：８０〜１０：９０の割合で混合させる。
【００３６】
一方、これとともにマトリクス樹脂を生成すべく、ワニス系樹脂に分散剤を投入するとともに、混合された炭素繊維粉を５〜３５重量部の割合で投入して混合させる。
【００３７】
このとき、投入された炭素繊維粉が細粉砕された炭素繊維粉だけであると、凝集を生じてしまうが、粗粉砕された炭素繊維と細粉砕された炭素繊維が混合していることで、凝集を防止することができるとともに、炭素繊維同士の接触面積を大きくして熱伝導性を確保することができるようになる。そして、このように炭素繊維を投入したマトリクス樹脂を撹拌させて、炭素繊維を溶液中で分散化させる。
【００３８】
次に、このように生成されたマトリクス樹脂を熱交換器１のチューブ３やフィン４に塗布する。この塗布工程においては、既存の熱交換器１に塗布する場合はフィン４とフィン４の間に塗布することが困難であるため、浴槽にマトリクス樹脂を入れておき、そこに熱交換器１をディッピング（漬け込み）する。そして、その後、熱交換器１を取り出して、乾燥させた後、焼成室で加熱処理を行う。
【００３９】
この加熱処理の工程においては、高温によって溶剤が除去されるとともに、イミド化の反応が進み、不溶不融、耐熱性、耐薬品性などに優れたポリイミド塗膜が生成される。また、分散剤として、リン酸塩を含まない脂肪酸系の分散剤を用いることにより、高温加熱時においても、水分子の気化移動による炭素繊維の再凝集が少なくなり、ピンホールの発生などを防止することができる。
【００４０】
このように上記実施の形態によれば、熱交換器１に塗布される炭素繊維含有塗料において、粉砕された炭素繊維粉と、当該炭素繊維粉を含有するマトリクス樹脂とを設けるようにしたので、既存の金属製の熱交換器１にこのような塗料を塗布するだけで、粉砕された炭素繊維粉を付着させることができ、チューブ３やフィン４の熱を伝達させて熱交換させることができるようになる。また、フィン４などを塗料でコーティングすることができるため、硫黄分が付着しても金属が腐食するようなことがなくなり、メンテナンスの必要性を低減させることができるようになる。これにより、排気ガスの温度を下げて、熱交換効率を向上させることができるようになる。
【００４１】
また、炭素繊維粉を、平均繊維長１００μｍ以下の炭素繊維で構成するようにしたので、熱交換器１のチューブ３とフィン４との接合部分などにも炭素繊維を密着させることができるようになり、各部の炭素繊維の密着性を高めることができるようになる。
【００４２】
さらに、平均繊維長５〜１００μｍと、平均繊維長０．５〜５μｍの炭素繊維を配合させるようにしたので、炭素繊維同士の接触面積を大きくして熱伝導性を向上させることができるとともに、焼成時に繊維の凝集を抑えることができ、ピンホールの発生や剥離などの障害を防止することができるようになる。
【００４３】
また、炭素繊維粉を５〜３５重量部の割合で配合させるようにしたので、チューブ３やフィン４と炭素繊維との接触性を高めることができるとともに、その炭素繊維と塗膜表面に露出した炭素繊維との間で熱交換させることができるようになる。また、炭素繊維の含有量を多くしすぎれば、塗膜にクラックが入ってしまうが、この割合の場合、クラックが入ることもない。また、炭素繊維の含有量を小さくしすぎれば、熱交換効率が落ちるが、このような含有量であれば、熱交換効率を向上させることができるようになる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々の態様で実施することができる。
【００４５】
例えば、上記実施の形態では、平均繊維長１００μｍ以下の炭素繊維粉を用いるようにしたが、熱交換器１の大きさによっては、これよりも平均繊維長の大きい炭素繊維粉を用いるようにしてもよい。すなわち、熱交換器１の大きさや構造の複雑さなどに応じて平均繊維長や平均繊維径などを変更すればよい。
【００４６】
また、上記実施の形態では、熱交換器１に炭素繊維粉を含有した塗膜を生成するようにしたが、使用によって樹脂がなくなって塗膜が薄くなる可能性がある。このような場合においても、炭素繊維だけが残ることになるが、その上から更に同様にして塗膜を生成することで、熱伝導性を確保することもできる。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・熱交換器
２・・・交換室
２１・・・投入口
２２・・・排出口
３・・・チューブ
４・・・フィン
【図１】
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