JP2017161215A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、所定の湿度を有する空気と、低温流体とを熱交換させる熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger for exchanging heat between air having a predetermined humidity and a low-temperature fluid.
熱交換器は、2流体間の熱授受を執り行う際に必要不可欠であり、高性能化が検討されてきている。例えば、室外機等のように、2流体として外気/蒸発冷媒間にて熱交換し、空気が冷却される場合が考えられる。この場合、空気は所定の湿度を有しており、必然的に水が伝熱壁に凝縮・凍結していく。この結果、伝熱面において「霜」が成長していく。 A heat exchanger is indispensable when performing heat transfer between two fluids, and high performance has been studied. For example, a case where the air is cooled by exchanging heat between the outside air and the evaporative refrigerant as two fluids, such as an outdoor unit, can be considered. In this case, the air has a predetermined humidity, and water inevitably condenses and freezes on the heat transfer wall. As a result, “frost” grows on the heat transfer surface.
霜が成長した場合、熱交換器の空気の流路を閉塞する恐れがある。したがって、一般に、所定の霜成長を検出した場合、霜を除去する所謂「除霜運転」がなされる場合が多い。この除霜運転は、霜の融解に余分なエネルギーがかかるのみならず、その期間には空調が機能しないことになる。このため、除霜運転モードに移行するまでの時間を、極力長く稼ぐことが要求されている。 When frost grows, the air flow path of the heat exchanger may be blocked. Therefore, generally, when a predetermined frost growth is detected, a so-called “defrosting operation” for removing frost is often performed. This defrosting operation not only takes extra energy for melting the frost, but also the air conditioning does not function during that period. For this reason, it is required to earn as much time as possible before shifting to the defrosting operation mode.
これに対し、伝熱面において、霜の成長を抑制するための技術が開発されてきている。例えば、特許文献1では、熱交換器の伝熱面に超撥水処理を施し、空気に含まれる水分が撥水面で凝縮した後、凍結する前に滑落させる技術が提案されている。これにより、霜成長の抑制が期待される。
On the other hand, techniques for suppressing the growth of frost on the heat transfer surface have been developed. For example,
しかしながら、上記従来の技術では、コンタミネーション成分が水中に入る等して水分が滑落前に凍結する蓋然性がある。このため、霜成長が十分に抑制できないという問題がある。したがって、霜成長を十分に抑制するための技術が待望されている。 However, in the above-described conventional technology, there is a probability that the contamination component freezes before it slides due to entering the water. For this reason, there exists a problem that frost growth cannot fully be suppressed. Therefore, a technique for sufficiently suppressing frost growth is desired.
本発明は上記点に鑑み、霜成長を十分に抑制し得る熱交換器を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the heat exchanger which can fully suppress frost growth in view of the said point.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、所定の湿度を有する空気と、前記空気よりも低い温度の流体との間における熱交換を行うように構成され、少なくとも前記空気と接するように配設された伝熱部(20)を備えており、伝熱部は、少なくとも第1層(21)と第1層よりも空気側に位置する第2層(22)を有して構成され、第2層は、親水性分子または疎水性分子から構成されるとともに、第1層側に位置する一端側にリン酸を備え、リン酸中の酸素が第1層と化学的結合を共有していることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, heat exchange is performed between air having a predetermined humidity and a fluid having a temperature lower than that of the air, and is in contact with at least the air. The heat transfer section (20) is arranged, and the heat transfer section has at least a first layer (21) and a second layer (22) located on the air side of the first layer. The second layer is composed of a hydrophilic molecule or a hydrophobic molecule, and has phosphoric acid at one end located on the first layer side, and oxygen in the phosphoric acid has a chemical bond with the first layer. It is characterized by sharing.
これにより、第2層の表面をリン酸系分子からなる第2層で被覆することができ、伝熱部の表面で凝縮水が発生した場合においても、霜が成長することを効果的に抑制することができる。 As a result, the surface of the second layer can be covered with the second layer made of phosphoric acid molecules, and even when condensed water is generated on the surface of the heat transfer section, frost growth is effectively suppressed. can do.
また、第2層における第1層側の端部にリン酸が設けられ、リン酸中の酸素が第1層と化学的結合を共有している。これにより、第1層と第2層を強固に結合することができ、第2層による第1層の被覆率を高くすることができる。 Further, phosphoric acid is provided at the end of the second layer on the first layer side, and oxygen in the phosphoric acid shares a chemical bond with the first layer. Thereby, a 1st layer and a 2nd layer can be couple | bonded firmly and the coverage of the 1st layer by a 2nd layer can be made high.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。熱交換器は、吸熱用の熱交換器であって、例えば車両用空調装置の冷凍サイクルにおいて空調用の空気を冷却する蒸発器となっている。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The heat exchanger is a heat exchanger for absorbing heat, and is an evaporator that cools air for air conditioning in a refrigeration cycle of a vehicle air conditioner, for example.
図1に示すように、熱交換器10は、熱交換部11と、この熱交換部11に接続される一対のヘッダタンク12と、を備えている。熱交換部11は、複数積層される断面扁平状のチューブ13と、各チューブ13の間に介在される波形のフィン14と、を有している。チューブ13およびフィン14は、アルミニウムから構成されている。
As shown in FIG. 1, the
チューブ13は、内部を熱媒体としての冷媒が流通する管部材であり、各チューブ13の両先端部は、一対のヘッダタンク12内部にそれぞれ連通するように接続されている。冷媒は、空気よりも低い温度の流体である。また、フィン14は、薄肉の帯板材から波状に形成されて伝熱面を形成する伝熱部材である。フィン14は、チューブ13に接合されている。
The
このような構成において、冷凍サイクル内で減圧されて低温低圧となった冷媒が、複数のチューブ13内を流通する。また、チューブ13の外側及びフィン14の周り(熱交換部11の外側)を空気が通過し、当該空気が低温冷媒によって冷却されるようになっている。
In such a configuration, the refrigerant that has been depressurized in the refrigeration cycle to low temperature and low pressure flows through the plurality of
次に、冷媒と空気とを隔てる伝熱部20の具体的な構成を図2に基づいて説明する。伝熱部20は、熱交換器10のうち、空気と冷媒との間において熱交換を行うように構成され、少なくとも空気と接するように配設された部分である。チューブ13であれば空気に接する外表面が伝熱部20に対応し、フィン14であれば空気に接する板面の両側が伝熱部20に対応する。
Next, a specific configuration of the
図2に示すように、伝熱部20は、第1層21および第2層22の2層を有して構成されている。第1層21は、伝熱部20の2層の材料のうち、熱伝導率がより大きい材料で構成されている。第1層21は、チューブ13やフィン14を構成する基材であり、本実施形態ではアルミニウムから構成されている。
As shown in FIG. 2, the
第2層22は、第1層21における空気側の面に形成されている。つまり、第2層22は、第1層21よりも空気側に位置している。第2層22は、基材である第1層21の表面に形成された被膜として位置付けられる。第2層22は、第1層21と化学的結合を共有するよう構成されている。
The
第2層22は、伝熱部20の2層の材料のうち、水に対する親和性がより大きい材料で構成されている。具体的には、第2層22は、直鎖型構造の棒状分子として構成されている。
The
本実施形態の棒状分子は、親水性分子であり、以下の化学式1または化学式2で示される単位構造の繰り返しで構成される重合体が含まれている。
The rod-like molecule of this embodiment is a hydrophilic molecule, and includes a polymer composed of repeating unit structures represented by the following
化学式1及び化学式2において、nは1以上の整数であり、例えばn=1〜20000である。本実施形態の第2層22は、重合体としてポリエチレングリコール(PEG)を含んでいる。
In Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2, n is an integer of 1 or more, for example, n = 1 to 20000. The
第2層22は、リン酸系親水性分子であり、第1層21側に位置する一端側にリン酸を備えている。リン酸中のリンが、第2層22に含まれる重合体の一端側と化学的結合を共有している。また、第2層22は、空気側に位置する他端側にカルボキシレート基とそのカウンタカチオンとしてのアルカリ金属イオンとを備えている。具体的には、第2層22の空気側はカルボン酸ナトリウム(COONa)となっている。
The
基材である第1層21を構成するアルミニウムは、第2層22のリン酸中の酸素と化学的結合を共有している。これにより、第1層21と第2層22とが強固に結合され、第2層22による第1層21の被覆率を増大させることができる。
Aluminum constituting the
次に、本実施形態の伝熱部20の製造方法を図3、図4を用いて説明する。
Next, the manufacturing method of the heat-
〔第1工程:前処理〕
図3に示すように、前処理として、アルミニウム製板材からなる基材の表面をベーマイト化するベーマイト処理を行う。ベーマイト処理は、例えばアルミニウム基材をイオン交換水中で10分間煮沸することによって行うことができる。ベーマイト処理によって、アルミニウム基材の表面に水酸基が生成される。
[First step: Pretreatment]
As shown in FIG. 3, a boehmite treatment is performed as a pretreatment to boehmite the surface of a base material made of an aluminum plate material. The boehmite treatment can be performed, for example, by boiling an aluminum base material in ion exchange water for 10 minutes. By the boehmite treatment, hydroxyl groups are generated on the surface of the aluminum substrate.
〔第2工程:親水性分子導入工程〕
次に、ベーマイト処理したアルミニウム基材の表面に上述したリン酸系親水性分子を導入する。具体的には、リン酸系親水性分子を含有するエタノール溶液にアルミニウム基材を室温で24時間浸漬させる。これにより、リン酸系親水性分子がアルミニウム基材の表面に形成された水酸基と水素結合し、アルミニウム基材の表面にリン酸系親水性分子が導入される。
[Second step: hydrophilic molecule introduction step]
Next, the above-described phosphate-based hydrophilic molecule is introduced into the surface of the boehmite-treated aluminum substrate. Specifically, the aluminum substrate is immersed in an ethanol solution containing a phosphate-based hydrophilic molecule for 24 hours at room temperature. Thereby, the phosphoric acid hydrophilic molecule is hydrogen-bonded to the hydroxyl group formed on the surface of the aluminum substrate, and the phosphoric acid hydrophilic molecule is introduced to the surface of the aluminum substrate.
〔第3工程:ベーキング工程〕
次に、図4に示すように、表面にリン酸系親水性分子が導入されたアルミニウム基材を加熱するベーキング工程を行う。具体的には、リン酸系親水性分子が導入されたアルミニウム基材を140℃で6時間加熱する。これにより、脱水反応が進み、リン酸系親水性分子のリン酸に含まれる酸素とアルミニウム基材に含まれるアルミニウムとが共有結合し、アルミニウム基材の表面にリン酸系親水性分子が強固に結合する。
[Third step: Baking step]
Next, as shown in FIG. 4, the baking process which heats the aluminum base material with which the phosphate hydrophilic molecule was introduce | transduced on the surface is performed. Specifically, the aluminum base material into which the phosphate-based hydrophilic molecules are introduced is heated at 140 ° C. for 6 hours. As a result, the dehydration reaction proceeds, oxygen contained in phosphoric acid of the phosphate-based hydrophilic molecule and aluminum contained in the aluminum substrate are covalently bonded, and the phosphate-based hydrophilic molecule is firmly attached to the surface of the aluminum substrate. Join.
その後、リン酸系親水性分子が結合したアルミニウム基材をアルコールに浸漬して超音波を10分間印加してエタノール洗浄を行い、さらに乾燥させる。 Thereafter, the aluminum base material to which the phosphate-based hydrophilic molecules are bonded is immersed in alcohol, and ultrasonic waves are applied for 10 minutes to perform ethanol cleaning, followed by drying.
〔第4工程:ナトリウム塩化工程〕
次に、リン酸系親水性分子の空気側に位置するカルボキシレート基にナトリウムを導入するナトリウム塩化工程を行う。具体的には、リン酸系親水性分子が結合したアルミニウム基材をNaHCO3飽和水溶液に室温で20分間浸漬させる。これにより、カルボキシレート基の水素がナトリウムに置換され、ナトリウム塩化を行うことができる。
[Fourth step: Sodium chloride step]
Next, a sodium chloride step is performed in which sodium is introduced into the carboxylate group located on the air side of the phosphate-based hydrophilic molecule. Specifically, an aluminum substrate to which phosphate-based hydrophilic molecules are bonded is immersed in a saturated aqueous NaHCO 3 solution at room temperature for 20 minutes. Thereby, the hydrogen of the carboxylate group is replaced with sodium, and sodium chloride can be performed.
その後、純水洗浄およびアセトン洗浄を行い、さらに乾燥させる。これにより、本実施形態の第1層21および第2層22を備える伝熱部20を得ることができる。
Then, pure water washing and acetone washing are performed and further dried. Thereby, the heat-
次に、熱交換部11の表面に凝縮水が付着した場合について図5を用いて説明する。所定の湿度を有する空気が熱交換部11で冷却され、空気の温度が空気中に含まれる水蒸気の露点温度を下回ると、水蒸気は凝縮水となって熱交換部11の表面に付着する。
Next, the case where condensed water adheres to the surface of the
図5(a)は本実施形態の伝熱部20を備えていない熱交換部11の表面で凝縮水が発生した場合を示し、図5(b)は伝熱部20を備えている熱交換部11の表面で凝縮水が発生した場合を示している。伝熱部20を備えていない熱交換部11の表面(以下、冷却面30という)は、伝熱部20の第2層22が形成されておらず、第1層21のみから構成されている。
FIG. 5A shows a case where condensed water is generated on the surface of the
図5(a)に示すように、熱交換器10が伝熱部20を備えていない構成では、冷却面30において凝縮水が水滴W1となって付着する。水滴W1は接触角が大きく、冷却面30に空気の澱みができて水蒸気が水滴W1に集まりやすくなる。このため、水滴W1を基点とした霜柱の成長が促進される。
As shown to Fig.5 (a), in the structure where the
これに対し、図5(b)に示すように、熱交換器10が伝熱部20を備えた構成では、伝熱部20における空気側が親水化しているため、凝縮水が薄膜W2となって付着する。水の薄膜W2は接触角が小さく、空気の流れを阻害することが抑制される。これにより、薄膜W2による空気の澱みができにくくなり、水蒸気が薄膜W2に集まりにくくなる。このため、水の薄膜W2を基点とした霜の成長が抑制される。
On the other hand, as shown in FIG.5 (b), in the structure with which the
以上説明した本実施形態の伝熱部20によれば、基材としての第1層21の表面をリン酸系親水性分子からなる第2層22で被覆することで、伝熱部20の表面で凝縮水が発生した場合においても、霜が成長することを効果的に抑制することができる。
According to the
また、本実施形態の伝熱部20によれば、第2層22における第1層21側の端部にリン酸が設けられ、リン酸中の酸素が第1層21のアルミニウムと化学的結合を共有している。これにより、第1層21と第2層22を強固に結合することができ、第2層22による第1層21の被覆率を高くすることができる。
Further, according to the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。以下、上記第1実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Hereinafter, description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted, and only different parts will be described.
図6に示すように、本第2実施形態の伝熱部20では、第1層21における第2層22に対向する側に防錆層21aが形成されている。防錆層21aは、第2層22におけるリン酸中の酸素と化学的結合を共有している。
As shown in FIG. 6, in the
つまり、基材を構成する第1層21の表面に防錆層21aが形成され、防錆層21aの表面に被覆層を構成する第2層22が形成されている。防錆層21aは、第1層21に発生する腐食を抑制する機能を備えている。
That is, the
防錆層21aは、遷移元素を含んで構成されている。本明細書中では、遷移元素は、周期表の第3族元素から第12族元素の間の元素としている。遷移元素を含んだ防錆層21aは、第1層21よりも第2層22との結合力が高い。
The
防錆層21aは、遷移元素のみから構成されていてもよく、遷移元素以外の物質が含まれていてもよい。防錆層21aに含まれる遷移元素は、1種類でも複数種類でもよい。防錆層21aに含まれる遷移元素は複数種類である方が、第1層21の腐食を抑制する効果が高い。防錆層21aに含まれる遷移元素は、酸化物の状態で存在している。
The
第1層21がアルミニウムである場合は、防錆層21aを構成する遷移元素としてZr、Ti、V、Cr、Ni、Zn、Moのうち1種類あるいは複数種類を用いることで、第1層21の腐食を効果的に抑制できる。特に防錆層21aにVを含んでいる場合は、アルミニウムからなる第1層21の腐食を抑制する効果が高い。
When the
ここで、本第2実施形態の伝熱部20の製造方法を説明する。本第2実施形態の製造方法は、上記第1実施形態に対して主に第1工程(前処理)が異なっている。
Here, the manufacturing method of the heat-
本第2実施形態では、第1工程(前処理)において、アルミニウム基材の表面に遷移元素を含んだ遷移元素含有層を形成する。アルミニウム基材が伝熱部20の第1層21を構成し、遷移元素含有層が伝熱部20の防錆層21aを構成する。
In the second embodiment, in the first step (pretreatment), a transition element-containing layer containing a transition element is formed on the surface of the aluminum substrate. The aluminum base material constitutes the
遷移元素含有層の形成は、例えばアルミニウム基材を遷移元素を含んだ溶液に浸漬することで行うことができる。次に、遷移元素含有層の表面にプラズマ処理あるいは薬液処理等を行うことで、遷移元素含有層の表面に水酸基を導入する。 The transition element-containing layer can be formed, for example, by immersing the aluminum base material in a solution containing a transition element. Next, a hydroxyl group is introduced into the surface of the transition element-containing layer by performing plasma treatment or chemical treatment on the surface of the transition element-containing layer.
次に、遷移元素含有層が形成されたアルミニウム基材に対し、上記第1実施形態と同様の第2工程(親水性分子導入工程)、第3工程(ベーキング工程)、第4工程(ナトリウム塩化工程)を順に行う。以上の第1工程から第4工程を行うことで、本第2実施形態の第1層21、防錆層21aおよび第2層22を備える伝熱部20を得ることができる。
Next, the second step (hydrophilic molecule introduction step), the third step (baking step), and the fourth step (sodium chloride) similar to those in the first embodiment are performed on the aluminum base material on which the transition element-containing layer is formed. Steps) are performed in order. By performing the first to fourth steps described above, the
以上説明した本第2実施形態によれば、第1層21の表面に防錆層21aが形成することで、第1層21に形成された防錆層21aと第2層22との結合力を向上させることができる。これにより、伝熱部20における第2層22の離脱を抑制することができ、第2層22による親水性を長期間に渡って維持させることができる。
According to the second embodiment described above, the bonding strength between the rust
また、伝熱部20から第2層22が離脱して第1層21が露出したとしても、防錆層21aに含まれる遷移元素が第1層21の表面に移動し、第1層21の表面が防錆層21aで覆われる。これにより、水の接触によって第1層21が腐食し、この腐食が広がることを抑制でき、第1層21の腐食に起因する第2層22のさらなる離脱を抑制できる。この結果、伝熱部20の表面に整列している第2層22の膜分子構造が維持され、第2層22による親水性を長期間に渡って維持させることができる。
Even if the
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified as follows without departing from the spirit of the present invention. Further, the means disclosed in each of the above embodiments may be appropriately combined within a practicable range.
(1)上記実施形態では、第1層21をアルミニウムによって構成したが、これに限らず、銅やSUS等の他の材料によって構成してもよい。第1層21を銅やSUSによって構成する場合には、第1層21と第2層22の間にバインダ層を設けることで、これらの層同士を強固に結合することができる。バインダ層は、例えばSiO2によって構成することができる。
(1) In the said embodiment, although the
(2)上記実施形態では、第2層22をリン酸系親水性分子として構成したが、これに限らず、第2層22をリン酸系疎水性分子として構成してもよい。第2層22をリン酸系疎水性分子とする場合には、伝熱部20の表面で凝縮水が発生しても、凝縮水が速やかに取り除かれる。この結果、伝熱部20の表面で凝縮水が凍結して霜が成長することを抑制できる。この場合、リン酸系疎水性分子における第1層21側に位置する一端側にリン酸が設けられ、リン酸中の酸素と第1層21のアルミニウムとが化学的結合を共有していればよい。
(2) In the above embodiment, the
10 熱交換器
20 伝熱部
21 第1層
21a 防錆層
22 第2層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記伝熱部は、少なくとも第1層(21)と前記第1層よりも前記空気側に位置する第2層(22)とを有して構成され、
前記第2層は、親水性分子または疎水性分子から構成されるとともに、前記第1層側に位置する一端側にリン酸を備え、前記リン酸中の酸素が前記第1層と化学的結合を共有している熱交換器。 It is configured to perform heat exchange between air having a predetermined humidity and a fluid having a temperature lower than that of the air, and includes a heat transfer section (20) disposed so as to be in contact with at least the air. ,
The heat transfer section includes at least a first layer (21) and a second layer (22) located on the air side of the first layer,
The second layer is composed of a hydrophilic molecule or a hydrophobic molecule, and has phosphoric acid on one end located on the first layer side, and oxygen in the phosphoric acid is chemically bonded to the first layer. Sharing heat exchanger.
前記第2層における前記リン酸中の酸素が前記防錆層と化学的結合を共有している請求項1ないし6のいずれか1つに記載の熱交換器。 On the side of the first layer facing the second layer, a rust prevention layer (21a) containing a transition element is formed,
The heat exchanger according to any one of claims 1 to 6, wherein oxygen in the phosphoric acid in the second layer shares a chemical bond with the antirust layer.
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