JP2014035110A - 吸着熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着熱交換器フィンへ目詰まり無く、吸着型吸湿剤を担持させることができ、しかも、水系バインダーによる吸着性能の低下を抑えることで、調湿効率が高く、通風抵抗が適正な高性能の吸着熱交換器を提供することにある。
【解決手段】本発明は、複数の板状のフィンが配列された熱交換器における該板状のフィンへ吸着型吸湿剤と塗膜形成性樹脂を含有してなる吸着層が形成された吸着熱交換器において、塗膜形成性樹脂が溶剤系樹脂であり、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂及びこれらの変性物から選ばれる少なくとも１種の樹脂であることを特徴とする吸着熱交換器である。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱交換器本体の表面に吸着型吸湿剤を含む吸着層が形成される吸着熱交換器に関するものである。

従来、空気中の水分を吸脱着して室内の調湿を行う調湿装置が知られている。例えば、特許文献１には、吸着熱交換器が接続された冷媒回路を有する調湿装置が開示されている。この調湿装置の冷媒回路には、圧縮機、２つの吸着熱交換器、膨張弁及び四方切換弁が接続されている。この冷媒回路では、冷媒を循環させることで冷凍サイクルが行われる。その結果、２つの吸着熱交換器は、一方の吸着熱交換器が蒸発器として機能し、他方の吸着熱交換器が凝縮器として機能する。

具体的に、この調湿装置の加湿運転時には、室外空気が凝縮器となる吸着熱交換器を通過する。この吸着熱交換器では、冷媒によって吸着型吸湿剤が加熱されており、吸着型吸湿剤から水分が脱離して室外空気へ放出される。以上のようにして、加湿された空気は室内へ供給され、室内の加湿が行われる。一方、室内空気は蒸発器となる吸着熱交換器を通過する。この吸着熱交換器では、冷媒によって吸着型吸湿剤が冷却されており、空気中の水分が吸着型吸湿剤に吸着されると同時にその際生じる吸着熱が冷媒に奪われる。以上のようにして、吸着型吸湿剤に水分を付与した空気は室外へ排出される。

また、この調湿装置の除湿運転時には、室外空気が蒸発器となる吸着熱交換器を通過する。この吸着熱交換器では、冷媒によって吸着型吸湿剤が冷却されており、空気中の水分が吸着型吸湿剤に吸着されると同時にその際生じる吸着熱が冷媒に奪われる。以上のようにして、除湿された空気は室内へ供給され、この室内の除湿が行われる。一方、室内空気は凝縮器となる吸着熱交換器を通過する。この吸着熱交換器では、吸着型吸湿剤が冷媒によって加熱されており、吸着型吸湿剤から水分が脱離して空気へ放出される。以上のようにして、吸着型吸湿剤の再生に利用された空気は室外へ排出される。

この調湿装置では、空気の流路をダンパで切り換えると同時に、冷媒回路の冷媒の循環方向を四方切換弁で切り換えることで、２つの吸着熱交換器で再生動作と吸着動作とが交互に繰り返し行われる。即ち、この調湿装置では、吸着型吸湿剤の吸着能力や再生能力を損なうことなく、調湿した空気が室内に連続供給される。

以上のようにして空気の調湿に利用される吸着熱交換器は、熱交換器本体と、この熱交換器本体に形成される吸着型吸湿剤の積層膜（吸着層）によって構成される。上記熱交換器本体は、長方形板状に形成されて互いに平行に配列されてなるアルミニウム製の多数のフィンと、各フィンを貫通する銅製の伝熱管とからなるフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成される。また、上記吸着型吸湿剤としては、粉末状のゼオライト、シリカゲル、活性炭などが用いられる。

上述のようにして、熱交換器本体の表面に吸着層を形成する方法としては、例えば、特許文献２にあるように、吸着型吸湿剤及び水系塗膜形成性樹脂（水系バインダー）を含む水系スラリー状の原料液に熱交換器本体を浸積させて熱交換器本体の表面に原料液を付着させ、この膜状に付着した原料液を乾燥固化する方法が挙げられる。ところが、吸着型吸湿剤自体の水分吸着によるスラリー液の流動性悪化により、フィン間に目詰まりが起こり、吸着熱交換器の通風抵抗が増加する問題や、水系バインダーが吸着型吸湿剤の細孔を塞ぐことによる吸着性能の低下等の問題があった。

特許文献３には、有機溶剤を使用した例が記載されていて、バインダーとしては、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等の撥水性バインダーが好ましいことが記載されている。しかしながら、本文献は、熱交換器表面への着霜防止を目的とするものであり、具体的には、熱交換器表面へ撥水性バインダー樹脂層を設け、表面を極端に疎水性にすることで、熱交換器表面への水の付着を防止するものである。吸着型吸湿剤と塗膜形成性樹脂を含有してなる吸着層による表面の水蒸気の吸脱着性能を制御するための、バインダー樹脂の選択には言及していない。

特開２００４−２９４０４８号公報 特開２００７−１０１８１号公報 特開２００４−２９４０４９号公報

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、吸着熱交換器フィンへ目詰まり無く、吸着型吸湿剤を担持させることができ、しかも水系バインダーによる吸着性能の低下を抑えることで、調湿効率が高く、通風抵抗が適正な高性能の吸着熱交換器を提供することにある。

本発明は、複数の板状のフィンが配列された熱交換器における該板状のフィンへ吸着型吸湿剤と塗膜形成性樹脂を含有してなる吸着層が形成された吸着熱交換器において、塗膜形成性樹脂が溶剤系樹脂であり、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂及びこれらの変性物から選ばれる少なくとも１種の樹脂であることを特徴とする吸着熱交換器である。

本発明では、複数の板状のフィンが配列された熱交換器における該板状のフィンへ吸着型吸湿剤と該吸着型吸湿剤の吸湿性能を低下させることなく、かつ強固な塗膜形成能を有する溶剤系塗膜形成性樹脂を含有した吸着層を形成させることにより、吸着型吸湿剤の効率を向上させることで、吸着層の厚みを薄くすることが可能となり、吸着剤の脱落を抑制すると共に、吸着熱交換器の通風抵抗を軽減させることができる。

本発明の吸着熱交換器は、複数の板状のフィンが配列された熱交換器における該板状のフィンへ吸着型吸湿剤と塗膜形成性樹脂として溶剤系エポキシ樹脂を含有した吸着層を形成させた吸着熱交換器である。

吸着型吸湿剤としては、高吸水性高分子、カルボキシメチルセルロース等の有機系吸湿剤、セピオライト、ゼオライト、ベントナイト、アタパルジャイト、珪藻土、珪藻土頁岩、活性炭、多孔質シリカ、メソポーラスシリカ、水酸化アルミニウム、繊維状酸化チタン、アロフェン、イモゴライト、非晶質アルミノ珪酸塩等の無機系吸湿剤を用いることができる。また、高吸水性高分子、カルボキシメチルセルロース等の有機系水分吸着剤を使用することもできる。

本発明の吸着層形成に用いられる溶剤系塗膜形成性樹脂は、塗膜形成能を有する溶剤系樹脂であり、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂及びこれらの変性物から選ばれる少なくとも１種の樹脂である。具体的には、エポキシ樹脂及びその変性物（アクリル変性エポキシ樹脂等）；ポリエステル樹脂及びその変性物（ウレタン変性ポリエステル樹脂、エポキシ変性ポリエステル樹脂、シリコーン変性ポリエステル樹脂等）；アクリル樹脂及びその変性物（シリコーン変性アクリル樹脂等）などの樹脂を挙げることができる。これらの樹脂は１種のみを単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

エポキシ樹脂としては、例えば、エピクロルヒドリンとビスフェノールとを必要に応じてアルカリ触媒などの触媒存在下で高分子量まで縮合させてなる樹脂；ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型等のビスフェノール型エポキシ樹脂；及びノボラック型エポキシ樹脂などを挙げることができる。

エポキシ樹脂の変性物としては、例えば、アクリル変性エポキシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、アミン変性エポキシ樹脂などの変性エポキシ樹脂を挙げることができる。例えば、アクリル変性エポキシ樹脂を例に挙げれば、これは、上記ビスフェノール型エポキシ樹脂または上記ノボラック型エポキシ樹脂に、アクリル酸またはメタクリル酸などを含む重合性不飽和モノマー成分を反応させて調製することができる。また、ウレタン変性エポキシ樹脂を例に挙げれば、これは、上記ビスフェノール型エポキシ樹脂または上記ノボラック型エポキシ樹脂にポリイソシアネート化合物を反応させて調製することができる。

上記ポリエステル樹脂は、多価アルコールと多塩基酸との重縮合により得られるものである。上記多価アルコールの具体例としては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、２，３−ブタンジオールまたは１，４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、水添ビスフェノールＡ、ヒドロキシアルキル化ビスフェノールＡ、１，４−シクロヘキサンジメタノール、２，２−ジメチル−３−ヒドロキシプロピル−２，２−ジメチル−３−ヒドロキシプロピオネート（ＢＡＳＨＰＮ）、Ｎ，Ｎ−ビス−（２−ヒドロキシエチル）ジメチルヒダントイン、ポリカプロラクトンポリオール、グリセリン、ソルビトール、アンニトール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、トリメチロールブタン、ヘキサントリオール、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、トリス−（ヒドロキシエチル）イソシアナートなどを挙げることができる。多価アルコールは１種のみを単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

また、上記多塩基酸の具体例としては、例えば、フタル酸、無水フタル酸、テトラヒドロフタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロフタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラフタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、無水ハイミック酸、トリメリット酸、無水トリメリット酸、ピロメリット酸、無水ピロメリット酸、イソフタル酸、テレフタル酸、マレイン酸、無水マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、コハク酸、無水コハク酸、乳酸、ドデセニルコハク酸、ドデセニル無水コハク酸、シクロヘキサン−１，４−ジカルボン酸、無水エンド酸などを挙げることができる。多塩基酸は１種のみを単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

ポリエステル樹脂の変性物としては、例えば、ウレタン変性ポリエステル樹脂、エポキシ変性ポリエステル樹脂、アクリル変性ポリエステル樹脂、シリコーン変性ポリエステル樹脂などの変性ポリエステル樹脂を挙げることができる。例えば、シリコーン変性ポリエステル樹脂を例に挙げれば、これは、ポリエステル樹脂と有機シリコーン（例えば、官能基として−ＳｉＯＣＨ_３基及び／または−ＳｉＯＨ基を有する数平均分子量３００〜１０００程度の有機シリコーン）とを反応させることにより調製することができる。有機シリコーンの使用量は、通常、ポリエステル樹脂１００質量部に対して、５〜５０質量部程度である。また、ウレタン変性ポリエステル樹脂を例に挙げれば、これは、上記ポリエステル樹脂とポリイソシアネート化合物とを反応させて調製することができる。

上記アクリル樹脂としては、例えば、（メタ）アクリル酸ヒドロキシメチル、（メタ）アクリル酸ヒドロキシルエチル、（メタ）アクリル酸ヒドロキシルプロピル、（メタ）アクリル酸ヒドロキシブチル、Ｎ−メチロールアクリルアミド等のヒドロキシル基を有する（メタ）アクリル系モノマー及びそのラクトン付加物；（メタ）アクリル酸；（メタ）アクリル酸アルキル等の（メタ）アクリル酸エステル；（メタ）アクリロニトリルなどから選択される１種または２種以上のモノマーからなるアクリル樹脂を挙げることができる。アクリル樹脂は、上記モノマーに由来する構成単位のほか、他のモノマー（例えば、クロトン酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸等のカルボキシル基含有エチレン性モノマーや、スチレンなどのビニル系モノマー等）に由来する構成単位を含んでいてもよい。

アクリル樹脂の変性物としては、例えば、シリコーン変性アクリル樹脂などの変性アクリル樹脂を挙げることができる。例えば、シリコーン変性アクリル樹脂を例に挙げれば、これは、アクリル樹脂と上記したような有機シリコーンとを反応させることにより調製することができる。有機シリコーンの使用量は、通常、アクリル樹脂１００質量部に対して、５〜５０質量部程度である。

溶剤系塗膜形成性樹脂がエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂及びこれらの変性物から選ばれる少なくとも１種の樹脂である場合、得られる塗膜の加工密着性や得られる塗膜の耐湿性、耐食性及び耐候性のバランスに優れている。また、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂及びこれらの変性物から選ばれる１種以上を用いることがより好ましい。さらに、水酸基含有エポキシ樹脂、水酸基含有ポリエステル樹脂及び水酸基を含有するこれらの変性物から選ばれる１種以上が用いられることが好ましい。エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂及びこれらの変性物が水酸基を有していると、架橋剤として、各種メラミン樹脂、各種イソシアネート化合物を選択することができる。その結果、種々の架橋剤の中から、所望の性質を有する架橋剤を選択することによって、塗膜に多様な物性を付与することができるようになるため、特に好ましい。

本発明において、複数の板状のフィンへ吸着型吸湿剤と塗膜形成性樹脂を含有した吸着層を形成させた吸着熱交換器における吸着型吸湿剤と塗膜形成性樹脂を含有する吸着層の担持量は、フィンの面積に対して５０〜５００ｇ／ｍ^２、より好ましくは１００〜３００ｇ／ｍ^２である。５０ｇ／ｍ^２未満になると、目的とする吸着効果が得られなくなる場合があり、５００ｇ／ｍ^２を超えると、吸着層が粉落ちする等の問題を招く場合がある。

本発明における吸着型吸湿剤と塗膜形成性樹脂の含有比率については、質量比率で１０：９０〜９０：１０、より好ましくは３０：７０〜７０：３０である。吸着型吸湿剤含有比率が１０質量％未満になると、目的とする熱交換効果が得られなくなる場合があり、吸着型吸湿剤含有比率が９０質量％を超えると、吸着型吸湿剤の脱落を招く場合がある。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の吸着熱交換器は、室内の調湿を行う調湿装置に搭載されるものである。この調湿装置は、除湿した空気を室内へ供給する除湿運転と、加湿した空気を室内へ供給する加湿運転とが可能に構成されている。

上記調湿装置は、冷媒回路を備えている。この冷媒回路は、２つの吸着熱交換器、圧縮機、四方切換弁及び電動膨張弁が設けられた閉回路である。この冷媒回路は、充填された冷媒を循環させることによって、蒸気圧縮冷凍サイクルを行う。

＜吸着熱交換器の構成＞
２つの吸着熱交換器は、熱交換器本体の表面に吸着型吸湿剤を含む吸着層を形成したものである。上記熱交換器本体は、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ型の熱交換器で構成されている。これら熱交換器本体は、アルミニウム製のフィンと、このフィンを貫通する銅製の伝熱管とを備えている。上記複数のフィンは、細長の長方形板状に形成され、伝熱管の伸長方向に一定の間隔で平行に配列されている。

上記各フィンのピッチは、１．２ｍｍ以上２．２ｍｍ以下の範囲が好適であり、さらには１．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下の範囲が好適である。また、上記伝熱管の直径は、７．０ｍｍ以上９．５ｍｍ以下の範囲が好適である。また、伝熱管におけるフィンの幅方向の列数は、２列から４列までの範囲が好適である。また、伝熱管におけるフィンの長手方向の段数は、１０段から２０段までの範囲が好適である。さらに、上記フィンは、長方形板状のいわゆるプレートフィンで構成されているが、このフィンは、その幅方向の断面形状においてゆるやかな波形状になった、いわゆるワッフルフィンで構成されていてもよい。

＜熱交換器の製造方法＞
上記実施形態に係る吸着熱交換器の製造方法としては、基本的に熱交換器本体を吸着型吸湿剤と溶剤系塗膜形成性樹脂を含有した原料液中に浸積させる工程により、熱交換器本体の表面全域に原料液を付着させた後、乾燥工程において、この原料液を乾燥固化させると、熱交換器本体の表面全域に亘って均一な吸着層が形成された吸着熱交換器を得ることができる。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに何ら限定されるものではない。

実施例１
吸着型吸湿剤（シリカゲルＡ型）２０質量部、溶剤系変性エポキシ系塗膜形成性樹脂（日本ペイント（株）製、ニッペパワーバインド（登録商標））７質量部及び希釈剤（日本ペイント（株）製、ニッペパワーバインド（登録商標）スタンダードシンナー）７３質量部を含有してなる塗液を調製し、この塗液に熱交換器本体を浸積させる工程により、熱交換器本体の表面全域に吸着層を付着させた後、８０℃、２時間の乾燥工程において、この塗液を乾燥固化させ、熱交換器本体の表面全域に亘って均一な吸着層が、フィンの面積に対して、１００ｇ／ｍ^２形成された吸着熱交換器を得た。

実施例２
溶剤系変性エポキシ系塗膜形成性樹脂を溶剤系変性ポリエステル系塗膜形成性樹脂（日本ペイント（株）製、ニッペウレトップエコ（登録商標））に変更した以外、実施例１と同様にして吸着熱交換器を得た。

実施例３
溶剤系変性エポキシ系塗膜形成性樹脂を溶剤系変性アクリル系塗膜形成性樹脂（日本ペイント（株）製、スーパーラック（登録商標）ネオ）に変更した以外、実施例１と同様にして吸着熱交換器を得た。

比較例１
吸着型吸湿剤（シリカゲルＡ型）２０質量部、水系樹脂バインダー（エチレン−酢酸ビニル重合体のエマルジョン）７質量部及び水７３質量部を含有してなる塗料を調製し、この塗液に熱交換器本体を浸積させる工程により、熱交換器本体の表面全域に吸着層を付着させた後、８０℃、２時間の乾燥工程において、この塗液を乾燥固化させ、熱交換器本体の表面全域に亘って均一な吸着層が、フィンの面積に対して、２００ｇ／ｍ^２形成された吸着熱交換器を得た。

比較例２
溶剤系変性エポキシ系塗膜形成性樹脂を弗素系撥水性バインダー樹脂（ダイキン工業（株）製、ゼッフルＧＫ−５１０（登録商標））に変更した以外、実施例１と同様にして吸着熱交換器を得た。

＜吸着熱交換器の性能評価＞
実施例１で得られた吸着熱交換器を２つ用いた調湿装置によって、吸着熱交換器の性能を評価した。まず、第一の熱交換器における吸着ゾーンにおいて、冷媒を循環させながら、第一の吸着熱交換器のクロスフィンに面速２ｍ／ｓｅｃで外気（２５℃、質量絶対湿度１６．０ｇ／ｋｇ（ＤＡ））を流入させた。第一の吸着熱交換器から出てきた空気の出口での温湿度を測定したところ、安定状態で温度３０℃、質量絶対湿度１１．０ｇ／ｋｇ（ＤＡ）であった。入口質量絶対湿度と出口質量絶対湿度の差から絶対除湿質量５．０ｇ／ｋｇ（ＤＡ）を求めた。

一方、第二の吸着熱交換器における脱着ゾーンにおいて、冷媒を循環させながら、第二の吸着熱交換器のクロスフィンに面速２ｍ／ｓｅｃで、加熱空気（５５℃、質量絶対湿度１６．０ｇ／ｋｇ（ＤＡ））を流入させた。第二の吸着熱交換器から出てきた空気の出口での温湿度を測定したところ、安定状態で温度４４℃、質量絶対湿度２１．０ｇ／ｋｇであった。再生出口質量絶対湿度と再生入口質量絶対湿度の差から、絶対再生質量５．０ｇ／ｋｇ（ＤＡ）を求めた。

さらに、第一の吸着熱交換器における吸着ゾーン及び第２の吸着熱交換器を脱着ゾーンの入口と出口の差圧をデジタル微差圧計により測定し、吸着ゾーンの圧力損失２５０Ｐａ、脱着ゾーンの圧力損失２５０Ｐａを求めた。これらの評価を他の実施例及び比較例で得られた吸着熱交換器に対しても同様に実施した。

各実施例及び比較例で得られた吸着熱交換器の評価結果を表１に示す。

実施例１〜３と比較例１の結果より、吸着型吸湿剤を含有した吸着層を形成させた吸着熱交換器において、吸着型吸湿剤と溶剤系塗膜形成性樹脂を含有した吸着層を形成させることにより、少ない吸着層においても調湿性能に優れ、除湿後の空気の温度上昇を抑えられると共に、圧力損失の低いことが確認された。さらに、実施例１〜３と比較例２の結果より、同じ溶剤系塗膜形成性樹脂の中でも、特にエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂及びこれらの変性物から選ばれる樹脂が、吸着型吸湿剤の吸湿性能を低下させることなく、調湿性能に優れ、除湿後の空気の温度上昇を抑えられると共に、圧力損失の低いことが確認された。

本発明の吸着熱交換器は、一般調湿装置に使用できるほか、特に、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒回路を備えた調湿装置に利用することができる。

Claims (1)

1. 複数の板状のフィンが配列された熱交換器における該板状のフィンへ吸着型吸湿剤と塗膜形成性樹脂を含有してなる吸着層が形成された吸着熱交換器において、塗膜形成性樹脂が溶剤系樹脂であり、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂及びこれらの変性物から選ばれる少なくとも１種の樹脂であることを特徴とする吸着熱交換器。