JP2014206313A - 熱交換器及び空気調和機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】冷媒が通るパイプと、前記パイプに取り付けられ且つコーティング膜が表面に形成された複数枚のフィンとを有する熱交換器であって、前記コーティング膜は、空気の流れ方向に直交する方向に沿って2つ以上の疎水性部分と2つ以上の親水性部分とが交互に配置された縞状構造を有し、且つ対向する2つの前記フィンの表面に形成された前記コーティング膜の前記疎水性部分及び前記親水性部分の配置が反転していることを特徴とする熱交換器とする。
【選択図】図3
Description
そこで、デフロスタヒータ等の加熱装置を蒸発器に取り付け、定期的に霜取り運転(除霜運転)を行う必要がある。
しかしながら、除霜運転を行なう場合、蒸発器への着霜を除去することができるものの、その結果として余計なエネルギーを消費してしまう。また、除霜運転によって冷凍・冷蔵倉庫内の温度が上昇してしまうことから、必要な温度域とするためのエネルギーが必要であり、消費電力を更に増大させてしまう。
しかしながら、第1列目のフィンの間隔を広げる方法は、着霜による空気流路の閉塞を遅延させることができるため、通常の運転を中断せずに済むものの、フィンの間隔の増大によって熱交換効率が低下する。また、電気ヒータ又はサイクルの逆運転によって霜を融解させる方法は、完全な除霜ができるものの、通常の運転を中断する必要があると共に、霜を完全に融解させるために多くの電力が必要になる。
以下、本発明の熱交換器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
図1は、本実施の形態の熱交換器の斜視図である。図1において、本実施の形態の熱交換器1は、冷媒が通るパイプ2と、パイプ2に取り付けられた複数枚のフィン3とを有する。フィン3の表面にはコーティング膜が形成されている(図1では図示していない)。
親水性部分6を与える材料及び疎水性部分5を与える材料としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
この水系コーティング組成物は、被対象物の表面に塗布して乾燥させることで、シリカ微粒子からなる親水性のシリカ被膜中に疎水性のフッ素樹脂粒子が点在した構造を有する被膜を形成することができる。この被膜の表面では、親水性のシリカ被膜の面積が疎水性のフッ素樹脂粒子の面積に比べて十分に大きいため、被膜全体としてみると親水性となる。また、この被膜の表面では、親水性のシリカ被膜が分断されることなく連続しているため、被膜の表面に水滴等が付着した場合には被膜全体に水が拡がる。さらに、この被膜は、親水性のシリカ被膜中に疎水性のフッ素樹脂粒子が点在した構造を有しているため、親水性及び疎水性の両方の汚れ(例えば、粉塵等)に対する防汚性能が高い。ここで、本明細書における「防汚性能」とは、汚れが付着し難い性能及び/又は付着した汚れが除去され易い性能のことを意味する。したがって、汚れが付着し易い場所で使用される熱交換器1(例えば、ルームエアコンの室外熱交換器等)に使用する場合に特に適している。
シリカ微粒子の平均粒径は、特に限定されないが、好ましくは15nm以下、より好ましくは4nm以上12nm以下である。ここで、本明細書において「平均粒径」とは、レーザー光散乱式又は動的光散乱式の粒度分布計で測定した時の粒子の平均粒径の値を意味する。
ここで、シリカ超微粒子の分散液は、シリカ微粒子が水等の極性溶媒中に分散されたものであればよく、市販のコロイダルシリカを用いることもできる。
また、フッ素樹脂粒子の分散液は、フッ素樹脂粒子が水に分散されたものを用いることが好ましい。なお、かかる分散液では、フッ素樹脂粒子を均一に分散させるために界面活性剤が配合されているものを用いてもよい。
疎水処理が行われるシリカ粒子としては、特に限定されず、乾式法(例えば、燃焼法)、湿式法(例えば、ゾルゲル法や沈降法)等により製造される各種シリカ粒子を用いることができる。また、シリカ粒子は、一部又は全部が溶融したシリカ粒子であってもよい。
湿式法シリカは、ケイ酸ソーダを鉱酸で中和することによって溶液中でシリカを析出させることによって一般に製造することができ、ホワイトカーボンとも称されている。また、鉱酸の代わりにケイ酸ソーダを酸で中和するゾルゲル法を用いて製造することもできる。湿式法シリカもまた、製造条件を変えることによって約50〜1000m2/gの範囲の比表面積を有する粒子を得ることができる。この湿式法シリカ粒子は、平均粒径が約3〜50nmの粒子が合成途中で凝集した凝集粒子であると考えられている。湿式法シリカ粒子は、通常、中和反応後に濾過や洗浄を行い、乾燥後、必要により粉砕することによって得ることができる。一般的に、入手可能な湿式法シリカ粒子の平均粒子径は1μm〜数百μmである。
また、高圧分散処理は、1〜100回繰り返して処理することができる。ここで、本明細書において、1回以上の処理は、高圧分散処理を行ったものを再度処理することを意味し、1回処理することを1パス、2回処理することを2パス、3回処理することを3パスという。パスの回数は、生産性の観点から、好ましくは1パス以上20パス以下、より好ましくは1パス以上10パス以下である。なお、高圧分散処理の方法として、高圧式分散機で処理されて吐出された分散液を原料槽に直接戻して、循環処理を行うことも可能である。
例えば、フィン3の表面全体に親水性部分6を与える材料を塗布して乾燥させることで親水性被膜を形成した後、その上にマスキング部材を配置し、その上から疎水性部分5を与える材料を塗布して乾燥させることで、疎水性部分5と親水性部分6とが交互に配置された縞状構造を形成することができる。或いは、フィン3の表面に、疎水性部分5と親水性部分6とが交互に配置されるように、親水性部分6を与える材料及び疎水性部分5を与える材料の各々をフィン3の表面に塗布して乾燥させてもよい。
以下、本発明の熱交換器の他の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
なお、この実施の形態の熱交換器は、対向する2つのフィンの表面に形成されたコーティング膜の疎水性部分及び親水性部分の配置を変更したこと以外は、実施の形態1の熱交換器と同じであるため、同一の部材については、実施の形態1の熱交換器の説明で用いた符号と同じ符号を用いると共に、変更点以外の説明は省略する。
また、疎水性部分5及び親水性部分6が逆方向に傾斜した縞状構造のコーティング膜4とすることにより、フィン3をパイプ2に取り付けて熱交換器1を組み立てる際に、フィン3の取り付け方向のミスを少なくすることもできる。
以下、本発明の空気調和機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
図6は、本実施の形態の空気調和機の概略模式図である。図6において、空気調和機は、室内機10及び室外機12を一般に備えている。室内機10には、室内熱交換器11が内蔵されている。また、室外機12には、室外熱交換器13、膨張弁14及び圧縮機15が内蔵されている。室内熱交換器11及び室外熱交換器13のパイプには、冷媒配管16が接続されており、室内熱交換器11と、膨張弁14と、室外熱交換器13と、圧縮機15とが、冷媒配管16を介して直列的に接続されている。また、冷媒配管16中には、冷媒が充填されている。
また、暖房標準運転の場合、従来の空気調和機では、室外熱交換器13のフィン3の表面に凝縮水(結露水)がフィン3間にブリッジングして通風抵抗が増大する結果、熱交換効率が低下してしまうという問題があったが、本実施の形態の空気調和機では、室外熱交換器13のフィン3の表面に、実施の形態1及び2のコーティング膜4を形成しているため、凝縮水のブリッジングを抑制することができる。
以下の実施例及び比較例では、フィンとして、幅:24mm、長さ:100mm、厚さ:0.1mmのルームエアコン用アルミフィンを用いた。
1.コーティング膜の親水性部分を与える水系コーティング組成物の調製
純水及び平均粒径5nmのシリカ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カタロイドSI−550)と、平均粒径250nmのPTFE粒子を含むPTFEディスパージョンとを撹拌混合した後、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)を加えて撹拌混合することにより、水系コーティング組成物を調製した。ここで、水系コーティング組成物の組成は、シリカ微粒子の含有量が2.0質量%、PTFE粒子の含有量が2.0質量%、非イオン系界面活性剤の含有量が0.1質量%、溶媒(純水)の含有量が残部となるように設定した。
疎水性シリカ粒子(平均粒径12nm、日本アエロジル株式会社製R974)及びフルオロエチレン/ビニルエステル系フッ素樹脂(大日本インキ工業株式会社製フルオネートFEM−600)をキシレンに配合して混合した後、高圧式分散機(吉田機械興業株式会社製ナノマイザー、YSNM−1500AR)を用いて150MPaの圧力下で高圧分散処理を2パス行うことにより、コーティング組成物を調製した。ここで、このコーティング組成物の組成は、疎水性シリカ粒子の含有量が7.0質量%、フルオロエチレン/ビニルエステル系フッ素樹脂の含有量が3.0質量%、溶媒(キシレン)の含有量が残部となるように設定した。
まず、親水性部分を与える水系コーティング組成物をフィンの表面に塗布した後、60℃のエアブロー乾燥させることで親水性の被膜(親水性部分)を形成した。この被膜の静的接触角は、11°であった。
次に、空気の流れ方向に直交する方向に沿って疎水性部分と親水性部分とが交互に配置される縞状構造(疎水性部分及び親水性部分の列数及び列幅については、表1参照)となるようにマスキングを施し、疎水性部分を与えるコーティング組成物を親水性の被膜上に塗布して60℃のエアブローで乾燥させた。その後、マスキングを除去することにより、所定の縞状構造を有するコーティング膜を得た。このコーティング膜中の疎水性部分の静的接触角は、152°であった。
次に、コーティング膜を形成したフィンとパイプとを用い、対向する2つのフィンの表面に形成されたコーティング膜の疎水性部分及び親水性部分の配置が反転するように組み立て、フィンピッチが4mmの熱交換器を作製した。
表1に示すような列数及び列幅の縞状構造を有するコーティング膜に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフィン表面にコーティング膜を形成して熱交換器を作製した。なお、形成されたコーティング膜中の親水性部分及び疎水性部分の静的接触角は、それぞれ11°及び152°であった。
疎水性部分を与えるコーティング組成物中のフルオロエチレン/ビニルエステル系フッ素樹脂の含有量を3.9質量%に変更すると共に、表1に示すような列数及び列幅の縞状構造を有するコーティング膜に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフィン表面にコーティング膜を形成して熱交換器を作製した。なお、形成されたコーティング膜中の親水性部分及び疎水性部分の静的接触角は、それぞれ10°及び155°であった。
疎水性部分を与えるコーティング組成物中のフルオロエチレン/ビニルエステル系フッ素樹脂の含有量を2.0質量%に変更すると共に、表1に示すような列数及び列幅の縞状構造を有するコーティング膜に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフィン表面にコーティング膜を形成して熱交換器を作製した。なお、形成されたコーティング膜中の親水性部分及び疎水性部分の静的接触角は、それぞれ12°及び155°であった。
空気の流れ方向に直交する方向から10°の角度で傾斜して疎水性部分と親水性部分とが交互に配置される縞状構造(詳細な縞状構造は、表1参照)となるようにマスキングを施し、疎水性部分を与えるコーティング組成物を親水性の被膜上に塗布して乾燥させたこと以外は、実施例1と同様にしてフィン表面にコーティング膜を形成して熱交換器を作製した。なお、形成されたコーティング膜中の親水性部分及び疎水性部分の静的接触角は、それぞれ11°及び152°であった。
実施例1と同様にして熱交換器を作製した後、熱交換器の風上側のコーティング膜の端部に、疎水性部分を与えるコーティング組成物を塗布して乾燥させることにより、疎水性部分を形成した。
実施例1で調製された、親水性部分を与える水系コーティング組成物を用い、フィンの表面に親水性の被膜(親水性部分)のみを形成したこと以外は、実施例1と同様にして熱交換器を作製した。なお、形成された親水性部分の静的接触角は、11°であった。
疎水性部分を与えるコーティング組成物中のフルオロエチレン/ビニルエステル系フッ素樹脂の含有量を6.0質量%に変更すると共に、このコーティング組成物を用い、フィンの表面に疎水性の被膜(疎水性部分)のみを形成したこと以外は、実施例1と同様にして熱交換器を作製した。なお、形成された疎水性部分の静的接触角は、159°であった。
表1に示すようなコーティング膜の縞状構造に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフィン表面にコーティング膜を形成して熱交換器を作製した。なお、形成されたコーティング膜中の親水性部分及び疎水性部分の静的接触角は、それぞれ11°及び152°であった。
着霜遅延効果は、着霜による熱交換器のフィン間の閉塞時間と共に、コーティング膜を形成したフィンの表面における着霜量を測定することによって評価した。
コーティング膜を形成したフィンの表面における着霜量の評価は、フィンをペルチェ素子上に配置し、温度2℃/湿度80%の条件でペルチェ表面を−5℃に冷却した。120分経過後にフィンの表面に生成した霜を全量スパチュラにて採取して質量を測定した。
1:着霜量が20mg以下のもの
2:着霜量が21mg以上40mg以下のもの
3:着霜量が41mg以上60mg以下のもの
4:着霜量が61mg以上80mg以下のもの
5:着霜量が80mg以上のもの
また、圧力損失の増加率の評価は、以下のように5段階評価した。
1:圧損増加率が20%未満のもの
2:圧損増加率が21%以上40%未満のもの
3:圧損増加率が41%以上60%未満のもの
4:圧損増加率が61%以上80%未満のもの
5:圧損増加率が80%以上のもの
これに対して比較例1の熱交換器では、フィンの表面に形成されたコーティング膜が親水性部分のみから構成される被膜であるため、圧力損失の増加率は少なく、凝縮水のブリッジング抑制効果は良好であったものの、フィンの表面における着霜量が多く、着霜遅延効果が十分でなかった。逆に、比較例2の熱交換器では、フィンの表面に形成されたコーティング膜が疎水性部分のみから構成される被膜であるため、フィンの表面における着霜量が少なく、着霜遅延効果は良好であったものの、圧力損失の増加率が大きく、凝縮水のブリッジング抑制効果が十分でなかった。
また、比較例3の熱交換器では、フィンの表面における着霜量が少なく、着霜遅延効果は良好であったものの、親水性部分及び疎水性部分の列数が少なすぎるため、圧力損失の増加率が大きく、凝縮水のブリッジング抑制効果が十分でなかった。
Claims (9)
- 冷媒が通るパイプと、前記パイプに取り付けられ且つコーティング膜が表面に形成された複数枚のフィンとを有する熱交換器であって、
前記コーティング膜は、空気の流れ方向に直交する方向に沿って2つ以上の疎水性部分と2つ以上の親水性部分とが交互に配置された縞状構造を有し、且つ対向する2つの前記フィンの表面に形成された前記コーティング膜の前記疎水性部分及び前記親水性部分の配置が反転していることを特徴とする熱交換器。 - 前記コーティング膜における疎水性部分の列幅をa(mm)、前記フィン間の幅をb(mm)としたときに、a/bが0.2以上1.5以下であることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
- 前記コーティング膜における親水性部分及び疎水性部分の列幅は、0.8mm以上6mm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱交換器。
- 前記コーティング膜における風上側の端部に疎水処理が施されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 冷媒が通るパイプと、前記パイプに取り付けられ且つコーティング膜が表面に形成された複数枚のフィンとを有する熱交換器であって、
前記コーティング膜は、空気の流れ方向に対して傾斜して2つ以上の疎水性部分と2つ以上の親水性部分とが交互に配置された縞状構造を有し、且つ対向する2つの前記フィンの表面に形成された前記コーティング膜の前記疎水性部分及び前記親水性部分が逆方向に傾斜していることを特徴とする熱交換器。 - 前記コーティング膜における前記疎水性部分及び前記親水性部分は、空気の流れ方向に直交する方向から5°以上20°以下の角度で傾斜していることを特徴とする請求項5に記載の熱交換器。
- 前記親水性部分は、15nm以下の平均粒径を有するシリカ微粒子と、50nm以上500nm以下の平均粒径を有するフッ素樹脂粒子とを含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記疎水性部分は、水の静的接触角が100°以上、水の転落角が10°以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の熱交換器を備えることを特徴とする空気調和機。
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