JP2007512493A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属、特にアルミニウムまたはアルミニウム化合物からなる熱伝達表面に、従来技術に比較して改良された表面コーティングが設けられている、表面処理された熱伝達体表面を有する熱交換器と、その表面コーティングに適した方法を提供する。
【解決手段】 金属、特にアルミニウムまたはアルミニウム化合物からなる幾つかの熱伝達表面を有し、前記熱伝達表面上に複数の層が塗布されており、その場合にコーティングのためにナノ粒子が使用される、熱交換器、特に自動車内の空調設備のための蒸発器。
【選択図】 なし

Description

本発明は、表面処理された熱伝達表面を有する熱交換器に関する。本発明は、さらに、熱交換器を表面処理する方法に関する。

産業の構成部品に対する要請、たとえば自動車業界の熱交換器または熱伝達体に対する要請を考慮するために、材料表面の処理は、幾重にも避けて通れない。表面処理によって、該当する構成部品に、それらを改良された性能と、特に環境影響に対する延長された寿命が得られるように保護する、特殊な特性が与えられる。その場合に特に、特殊な使用領域と構造的な条件が考慮されなければならない。

−特に自動車内の−空調設備に使用される熱交換器、特に蒸発器は、通常、互いに列に並べられて互いに液密に結合された多数のディスクまたは管からなり、それらの間に波形フィンが密に詰めて配置されている。それが、一方で、ディスクまたは管を通って流れる冷凍剤と波形フィン網を通って流れる空気との間の最適な熱伝達を可能にするが、他方では、復水と埃または汚れが付着するようにも定められている。この濡れて汚れた熱伝達体表面が、微生物のために理想的な温床を提供し、その微生物が住み着いた結果、好ましくない臭気の発生がもたらされるおそれがある。さらに、湿った汚れによって、腐食による損傷が促進される。

表面への水分と汚れの付着を回避するために、対象の表面が通常疎水性に整えられる。疎水性の構成により表面に球状の水滴が形成されて、それが滴り落ちることによって、この表面は原則的に汚れや水を弾く。しかし、上述した熱伝達体の疎水性に形成された表面において、極めて密に詰められた波形フィンにより水滴は滴り落ちることができない。その代りに水滴は、隣接する狭いフィンとエラの間にひっかかる。従って疎水性に形成することによる、望ましい自己清掃する効果が、まさに阻止されてしまう。それがさらに、通常、熱交換器の出力全体を減少させてしまう。

この熱交換器の構造を維持しながら、この問題を解決するために、熱伝達体表面を親水性に整えることが望ましい。

物質の親水性は、特に、その極性、水に対する低い界面張力および水による良好な濡れ性を特徴としており、その濡れ性は、境界面において、その物質の分子間に作用する付着力が、その物質の分子間に作用する凝集力に比較して大きいことによってもたらされる。表面が良好に濡れることができる場合には、その上で液滴は、９０°より小さい接触角度を形成し、すなわち液体は表面上で余り広がることができない。従って表面を親水性に形成することは、薄い、閉成された液体フィルムの形成をもたらす。閉成された液体フィルムによって、ほこりおよび汚れの粒子の流出が可能となり、従ってほこりと汚れが永続して堆積することが減少される。さらに、波形フィン表面が比較的薄い水フィルム形成によって、より迅速に乾燥するので、熱伝達体表面の微生物の定着も減少される。

すなわち、従来技術（たとえば、特許文献１を参照）に、アルミニウム熱交換器が開示されており、その熱交換器には、特に高分子の界面活性剤と架橋化可能な不飽和モノマーベースのナノ粒子を含み、かつ腐食を防止する親水性の特性を有する層が設けられている。

さらに、他の従来技術（たとえば、特許文献２を参照）からは、熱交換器が知られており、その熱交換器において、熱交換器表面には、きれいに清掃した後に、クロムまたはジルコンを含む転換層と、５と１０００ｎｍの間の直径を有するケイ酸塩粒子を有するポリマーベースの親水性の層が設けられている。

この種のコーティングによって、通常、妥協が必要となるので、たとえば最適な耐腐食性と、同時に永続する、自己清掃のため親水性の表面とが同じ品質においては達成されない。
ＣＮ１３２４２７３２ 欧州特許出願公報ＥＰ１１５４０４２Ａ１

本発明の課題は、金属、特にアルミニウムまたはアルミニウム化合物からなる熱伝達表面に、従来技術に比較して改良された表面コーティングが設けられている、表面処理された熱伝達体表面を有する熱交換器を提供することである。さらに、上述した熱交換器のこの種の表面コーティングに特に適した方法を提供しようとしている。

熱交換器に関して、この課題は、本発明によれば、その熱伝達表面上に複数の層が設けられており、その場合にコーティングするためにナノ粒子が使用されることによって、解決される。

発明の実施の形態

本発明は、熱交換器のための永い寿命と改良された性能のために同じように追求される設計目標は、唯一の層によっては達成できず、あるいは少なくとも満足できるようには達成できない、という考えに基づいている。これは特に、互いに対して本来相違する、すなわちたとえば一方では、最適な腐食防止のため、他方では親水性の表面形成のための、設計目標について言えることである。すなわち、原則的に、まさに親水性または水を引き付ける、従って濡れた表面が、化学的または電気化学的な反応による材料の損傷または破壊を支援する。従って腐食を回避するためには、原則的に、疎水性に形成することによって材料と水との接触を阻止することが望ましい。上述したように、熱伝達表面の有効な自己清掃のためには、表面を親水性に形成し、それによって、ほこりやよごれの粒子の流出を可能にする、薄い閉成された液体膜の形成が促進されるようにすることが望ましい。

従って、しばしば相反する、複数の設計目標を考慮するために、多重コーティングが設けられており、その場合に各層は専用の固有の特性のために強化されている。すなわち層が１つである場合に層内の欠陥が金属を遊離させることがあり、特に層が親水性である場合、従って層が液体を引き付ける場合に、金属のこの箇所が、腐食損傷に適した攻撃面を提供する。層が複数である場合には、層内の欠陥が直接重なり合って、金属を遊離させることが少なくなる確率が高い。これが、腐食損傷の減少にポジティブに作用する。

層のための材料使用において、たとえば、物質の分子間に作用する付着力のような、コーティングシステムの所望の機能にとって、オーダーメードの構造が重要な役割を果たす。機能的なコーティングを形成するために、個々のコンポーネントおよび混合物の寸法設計または規模が共に果たす役割が大きい。特に小さい粒子、特に百万分の数ミリメートルの大きさを有する粒子は、ナノ粒子と称される。最も小さいナノ粒子は、数百の分子のクラスターであり、量子力学の法則の元にあり、その、より大きい種類については、通常伝統的な固体物理学が適用される。ナノ粒子は、同じ化学組成の大きい粒子に比較して、ずっと小さい数の構造欠陥を有する。従ってそれらは、その幾何学的および材料固有の特性に基づいて、特に大きくかつ多面的な作用スペクトルを提供する。この理由から、コーティングにナノ粒子が使用される。

ナノ粒子は、たとえばプラズマ方法、レーザーアブレーション、気相合成、ゾル−ゲル方法、火花腐食または結晶化などによって形成される。

ナノ粒子は、特に大きい表面／体積比を特徴としている。粒子の付着力と結合は、表面の増大とともに上昇するので、それによって形成された層は通常、特に引掻きと摩耗に強い。それによって、このように形成された表面は保護層の損傷のための攻撃面を提供せず、それによってたとえば腐食損傷を小さく抑えることができる。物質的にそれ相応に選択されたナノスケールの添加物によって、腐食保護がさらに改良される。この粒子は、その親水性と比較的大きい表面に基づいて、吸湿性である。従ってその表面は湿っており、かつ薄い液体フィルムをもたらし、その液体フィルムがほこりや汚れの粒子の流出を可能にすると共に、薄い液体フィルムの急速な乾燥によって微生物の定着を減少させる。従って熱交換器の各層は、好ましくは物質的に異なるナノ粒子を有している。

熱交換器の改良された性能と延長された寿命を保証するために、好ましくは少なくとも１つの層は腐食を防止する特性を有し、かつ少なくとも１つの他の層は親水性で、従って自己清掃する特性を有している。

特に好ましい形態において、特に腐食防止の理由から、好ましくはまず腐食を防止する層が、そして好ましくはその上に親水性の層が配置されている。特に効果的な自己清掃特性を得るために、親水性の層が好ましくはマルチコーティングのカバー層を形成する。好ましくは親水性の特性を有する層は、６０°以下の、好ましくは４０°以下の、水との濡れ接触角度を有する。その場合に濡れ接触角度は、固体の濡れ行動を定めるための光学的な接触角度測定である、いわゆるＳｅｓｓｉｌｅ Ｄｒｏｐ方法によって定められる。

熱伝達体表面の特に好ましい形態において、表面コーティングのために、好ましくはクロムを含まない、無毒の添加物が使用される。そのために、好ましくはアルミニウム、ケイ素、ホウ素および／または、好ましくは周期系の第IVと第Ｖの副族の、遷移金属の有機および／または無機の化合物、および／または有機および／または無機の溶剤内に溶解され、あるいは分散された形式のセリウムからなるナノ粒子が、コーティングのために使用される。

熱交換器を、特に自動車内の、空調設備に使用するために、効率の理由から、好ましくは特に、体積および重量の増加をほとんどもたらさない、薄いコーティングが設けられている。従って各層厚は、好ましくは１．５μｍ以下、好ましくは１μｍ以下であり、全層厚は５μｍ以下である。

熱交換器の表面処理する方法に関して、上述した課題は、金属から、特にアルミニウムまたはアルミニウム化合物からなる、幾つかの熱交換器表面上に、複数の層が塗布され、その場合にコーティングのためにナノ粒子が使用されることによって、解決される。

その場合に、アルミニウム、ケイ素、ホウ素および／または、特に周期系の第IVまたは第Ｖ副族の、遷移金属の有機および／または無機の化合物および／または無機および／または有機の溶剤内に溶解および／または分散された形式のセリウムからなるナノ粒子が使用される。

層の塗布は、好ましくは浸漬、流動またはスプレイによって行われ、その場合に個々の層は、特に迅速な層構築のために、直接次々に、いわゆるウェット−イン−ウエット技術で、一回の乾燥によって塗布される。

本発明の代替的な形態において、個々の層は好ましくは、それぞれ中間乾燥を有する別々の処理ステップにおいて塗布される。

本発明によって得られる利点は、特に、熱交換器表面の多重コーティングによって（その場合にコーティングのためにナノ粒子が使用される）、種々の、一部は相違する要請も保証する、熱交換器が提供されることにある。異なる材料からなるナノスケールの粒子を選択的に使用することによって、熱交換器表面の所望の機能性が達成される。このような表面コーティングによって、たとえば腐食防止または硬度と引掻き強度を改良することができ、さらに、自己清掃する、抗微生物表面を形成することができる。改良された腐食防止と同時に熱伝達表面の親水化により改良された自己清掃効果を得るために、少なくとも１つの耐腐食層と、特にその上に配置された、少なくとも１つの他の親水層が設けられている。上述した改良された特性によって、熱交換器の可用性および／または性能の向上が達成される。

実施例として、アルミニウム基質からなる熱伝達表面の二重コーティングを有する熱交換器、特に自動車内の空調設備のための蒸発器が設けられている。その場合にそれぞれの層のためのナノ粒子は、ゾル−ゲル−方法に従って形成される。

もちろん、それぞれ熱交換表面に対する所望の要請プロフィールに応じて、多重コーティングも適用され、かつもちろん各層について物質的に異なるナノ粒子を、たとえばプラズマ方法、レーザーアブレーション、気相合成、火花腐食または結晶化などによるような、ゾル−ゲル方法とは異なるプロセスによって、形成することもできる。

実施例において、第１の耐腐食性の、親水性でない層またはそれに応じた構造の基層が、水ベースの溶剤を有する有機改質された無機のゾル−ゲル層内で浸漬処理することによって設けられる。次に１００−１５０℃の範囲内の温度で１０分間乾燥させることによって、その基層が硬化される。形成された層厚は、１μｍより小さい。第２の層またはカバー層として、水ベースの溶剤を有する他の有機改質された無機のゾル−ゲル層が、浸漬処理によって設けられる。この層は、その下にある層とは、化学組成において異なっている。第２の層またはカバー層が、新たに１００−１５０℃で１０分間硬化される。その表面は、親水性の特徴を有しており、かつ４０°より小さい、水との濡れ接触角度を有している。この親水性は、復水が連続的に作用した場合でも耐えるので、接触角度は、ＤＩＮ５００１７−ＫＫに基づく復水接触気候テストに従って１０００時間を超える復水負荷の後も、まだ４０°より小さい。基層とカバー層からなる層構造の全層厚は、最大で２μｍである。

従って第１の層または基層によって最適な腐食保護が保証され、機能的な親水性のカバー層の形成によって、熱伝達表面上の水流出が改良される。それによって表面のほこりと汚れの流出が支援され、比較的薄い水フィルム形成によって、表面のより迅速な乾燥が保証される。この自己清掃する、急速な乾燥特性が、微生物の繁殖を最小限に抑える。これらすべてのファクターによって、このようにコーティングされた熱伝達表面を有する熱交換器の可用性および／または性能が改良される。

Claims (10)

1. 金属、特にアルミニウムまたはアルミニウム化合物からなる幾つかの熱伝達表面を有し、前記熱伝達表面上に複数の層が塗布されており、その場合にコーティングのためにナノ粒子が使用される、熱交換器、特に自動車内の空調設備のための蒸発器。
2. 各層が、物質的に異なるナノ粒子を有している、請求項１に記載の熱交換器。
3. 少なくとも１つの層が腐食から保護する特性を有し、好ましくはその上に配置された、少なくとも１つの他の層が、親水性の特性を有している、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 親水性の特性を有する層が、６０°以下、好ましくは４０°以下の、水との濡れ接触角度を有している、請求項３に記載の熱交換器。
5. アルミニウム、ケイ素、ホウ素および／または、好ましくは周期系の第IVまたは第Ｖ副族の、遷移金属の有機および／または無機の化合物、および／または無機および／または有機の溶剤内に溶融および／または分散された形式のセリウムからなるナノ粒子が、コーティングに使用される、請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 各層厚が１．５μｍ以下、好ましくは１μｍ以下であって、全層厚が５μｍ以下である、請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 特に請求項１から６のいずれか１項に記載の、熱交換器を表面処理する方法であって、金属、特にアルミニウムまたはアルミニウム化合物からなる幾つかの熱伝達表面上に複数の層が設けられ、その場合にコーティングのためにナノ粒子が使用される、熱交換器を表面処理する方法。
8. アルミニウム、ケイ素、ホウ素および／または、好ましくは周期系の第IVまたは第Ｖ副族の、遷移金属の有機および／または無機の化合物および／または無機および／または有機の溶剤内に溶融および／または分散された形式のセリウムからなるナノ粒子がコーティングに使用される、請求項７に記載の方法。
9. 層の塗布が、浸漬、流動またはスプレイによって行われ、その場合に個々の層はそれぞれ中間乾燥なしで、直接重ねて設けられる、請求項７または８に記載の方法。
10. 層の塗布が、浸漬、流動またはスプレイによって行われ、その場合に個々の層は、それぞれ中間乾燥を有する別々の処理ステップで設けられる、請求項７または８に記載の方法。