JP2018155431A - 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、熱交換器の伝熱面を疎水化して、空気に含まれる水分が伝熱面で凝縮した後、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, a technique has been proposed in which the heat transfer surface of a heat exchanger is hydrophobized so that moisture contained in air condenses on the heat transfer surface and then slides down before freezing. Thereby, suppression of frost growth is anticipated.
しかしながら、この伝熱面を疎水化する技術では、伝熱面に付着した凝縮水の滑落が起きる前に、ゴミや汚れを起点とした凝縮水の凍結が起き易く、より早く熱交換器の空気流路を閉塞させてしまう。その結果、熱交換器の冷却効率が低下するため、現在のところ未だに実用化されていない。 However, with this technology for hydrophobizing the heat transfer surface, it is easy for freezing of the condensed water starting from dust and dirt before the condensate that adheres to the heat transfer surface slides down. The flow path is blocked. As a result, since the cooling efficiency of the heat exchanger is lowered, it has not been put into practical use at present.
これに対し、特許文献1では、伝熱面の表面に、ポリマー化合物から構成される着霜抑制層を形成することによって、凝縮水が接触する面を親水化する技術が提案されている。これにより、凝縮水の接触角を小さくしつつ、凝縮水が伝熱面にとどまることなく、除去・排出されやすくする効果が期待される。
On the other hand, in
しかしながら、上記特許文献1に記載の技術では、着霜抑制層をポリマーの化合物によって形成しているため、伝熱面の表面を綿密に覆うことは困難である。このため、霜成長を遅延させるために必要な十分に低い接触角を実現できないという問題がある。したがって、霜成長を十分に遅延させるための技術が待望されている。
However, in the technique described in
本発明は上記問題点に鑑み、霜成長を十分に遅延させ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 delay frost growth in view of the said problem.
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、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るとともに、少なくとも空気と接するように設けられた伝熱部(20)を備えており、伝熱部は、少なくとも第一層(21)と第一層よりも空気側に位置する第二層(22)とを有して構成され、第二層は、水素イオンもしくはアルカリ金属イオンが結合したアニオン性の親水性官能基を有する親水性分子、または、ハロゲン化物イオンが結合したカチオン性の親水性官能基を有する親水性分子から構成されている。 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 air, and at least comes into contact with air. The heat transfer section (20) is provided, 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 having an anionic hydrophilic functional group to which hydrogen ions or alkali metal ions are bonded, or a hydrophilic molecule having a cationic hydrophilic functional group to which halide ions are bonded. It is composed of
これによれば、第一層(21)の表面を親水性分子からなる第二層(22)で被覆することができるので、伝熱部(22)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遅延させることができる。 According to this, since the surface of the first layer (21) can be covered with the second layer (22) made of hydrophilic molecules, even when condensed water is generated on the surface of the heat transfer section (22). Can effectively delay frost growth.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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 means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(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、第一層21および第二層22の2層を有して構成されている。第一層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。第一層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
第二層22は、第一層21における空気側の面に形成されている。つまり、第二層22は、第一層21よりも空気側に位置している。第二層22は、基材である第一層21の表面に形成された被膜として位置付けられる。第二層22は、第一層21と化学的結合を共有するよう構成されている。
The
第二層22は、伝熱部20の二層の材料のうち、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、第二層22は、親水性分子で構成されている。ここで、親水性分子としては、水素イオンもしくはアルカリ金属イオンが結合したアニオン性の親水性官能基を有する親水性分子、または、ハロゲン化物イオンが結合したカチオン性の親水性官能基を有する親水性分子を採用することができる。
The
アニオン性の親水性官能基としては、例えば、カルボキシル基、スルホ基、リン酸基、ホスホノ基、ボロン酸基またはホウ酸基等が挙げられる。また、カチオン性の親水性官能基としては、アンモニウム基、イミニウム基、アミジニウム基、ピリジニウム基、またはイミダゾリニウム基等が挙げられる。 Examples of the anionic hydrophilic functional group include a carboxyl group, a sulfo group, a phosphoric acid group, a phosphono group, a boronic acid group, and a boric acid group. Examples of the cationic hydrophilic functional group include an ammonium group, an iminium group, an amidinium group, a pyridinium group, and an imidazolinium group.
以下、本実施形態の第二層22について、より詳細に説明する。本実施形態では、第二層22は、直鎖型構造の棒状分子として構成されている。
Hereinafter, the
図2に示す例では、第二層22は、ホスホン酸系親水性分子であり、第一層21側に位置する一端側にホスホン酸を備えている。このホスホン酸中のリン原子が、酸素原子を介して第一層21と化学的に結合している。
In the example shown in FIG. 2, the
また、第二層22は、空気側に位置する他端側に、アニオン性の親水性官能基とその対カチオンとしての水素イオンまたはアルカリ金属イオンとを備えている。図2に示す例では、第二層22は、スルホ基とその対カチオンとしてのナトリウムイオンからなるスルホン酸ナトリウム(SO3Na)を備えている。
The
基材である第一層21を構成するアルミニウムは、第二層22のホスホン酸中の酸素と化学的に結合している。これにより、第一層21と第二層22とが強固に結合される。
The aluminum constituting the
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3および図4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3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4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の第二層22が形成されておらず、第一層21のみから構成されている。
FIG. 3 shows a case where condensed water is generated on the surface of the
図3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を基点とした樹枝状霜柱が複数成長し、密度の低い氷が生成される。
As shown in FIG. 3, in the configuration in which the
これに対し、図4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ため、伝熱部20全体に薄膜W2が多数つくられる。そのため、伝熱部20全体に広がった水の薄膜W2を形成させることができる。そして、伝熱部20全体に広がった水の薄膜W2が凍結すると、密度の高い氷が生成されることによって、霜の成長を遅延させることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 4, in the configuration in which the
以上説明した本実施形態の伝熱部20によれば、基材としての第一層21の表面を親水性分子からなる第二層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遅延させることができる。
According to the
ところで、以下、本実施形態の各種親水性分子を第二層22として用いた伝熱部20を備えている熱交換部11を、本実施形態の熱交換部11という。また、以下、本実施形態の伝熱部20を備えていない熱交換部11を、比較例の熱交換部11という。
By the way, hereinafter, the
本発明者らは、本実施形態の熱交換部11および比較例の熱交換部11について、霜成長抑制効果を検証した。具体的には、本実施形態の熱交換部11および比較例の熱交換部11のそれぞれの表面について、検証開始から60分後の霜の高さ(以下、霜高さという)を計測した。その結果を図5に示す。
The present inventors verified the frost growth suppression effect for the
図5の縦軸は霜成長抑制効果を示している。ここで、霜成長抑制効果とは、比較例の熱交換部11の表面における検証開始から60分後の霜高さh0に対する、本実施形態の熱交換部11の表面における検証開始から60分後の霜高さhの値(h/h0)を示している。h/h0の値が小さい程、霜成長抑制効果が高い。
The vertical axis | shaft of FIG. 5 has shown the frost growth suppression effect. Here, the frost growth suppression effect is 60 minutes from the start of verification on the surface of the
図5の(a)〜(c)に示すように、第二層22として、空気側に位置する他端側にスルホ基を備えている親水性分子を用いた場合に、良好な霜成長抑制効果が得られる。
As shown to (a)-(c) of FIG. 5, when the hydrophilic molecule | numerator provided with the sulfo group in the other end side located in the air side is used as the
さらに、図5の(a)、(b)に示すように、第二層22として、空気側に位置する他端側に、スルホン酸ナトリウムが結合した親水性分子を用いた場合に、より良好な霜成長抑制効果が得られる。この場合、親水性分子の炭素鎖長を短くすることがより望ましい。具体的には、図5(a)に示すように、炭素鎖長を2とすることで、熱交換部11の霜高さを比較例の0.67倍とすることができ、特に良好な霜成長抑制効果が得られる。
Further, as shown in FIGS. 5A and 5B, the
また、図5の(d)〜(f)に示すように、第二層22として、空気側に位置する他端側に、カルボン酸が結合した親水性分子を用いた場合も、良好な霜成長抑制効果が得られる。この場合も、親水性分子の炭素鎖長を短くすることがより望ましい。具体的には、図5(d)、(e)に示すように、炭素鎖長を10より小さくすることで、より良好な霜成長抑制効果が得られる。
Moreover, as shown to (d)-(f) of FIG. 5, also when using the hydrophilic molecule which the carboxylic acid couple | bonded with the other end side located in the air side as the
また、図5の(a)〜(d)に示すように、第二層22として、空気側に位置する他端側にスルホ基またはカルボキシル基を備える親水性分子を用いた場合、炭素鎖長を3以下とすることで、より良好な霜成長抑制効果が得られる。
Further, as shown in FIGS. 5A to 5D, when a hydrophilic molecule having a sulfo group or a carboxyl group on the other end side located on the air side is used as the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図に基づいて説明する。図6に示すように、本第2実施形態の伝熱部20では、第一層21における第二層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、第二層22におけるホスホン酸中の酸素と化学的結合を共有している。
(Second Embodiment)
Next, 2nd Embodiment of this invention is described based on figures. As shown in FIG. 6, in the
つまり、基材を構成する第一層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二層22が形成されている。防錆層21aは、第一層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、遷移金属元素を含んで構成されている。本明細書中では、遷移金属元素は、周期律表の第3族元素から第12族元素の間の元素としている。
The
防錆層21aは、少なくとも酸素と遷移金属元素から構成されていて、遷移金属元素以外の物質が含まれていてもよい。防錆層21aに含まれる遷移金属元素は、1種類でも複数種類でもよい。防錆層21aに含まれる遷移金属元素は複数種類である方が、第一層21の腐食を抑制する効果が高い。
The
第一層21がアルミニウムである場合は、防錆層21aを構成する遷移金属元素として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、第一層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一層21の腐食を抑制する効果が高い。
When the
以上説明したように、本第2実施形態によれば、第一層21の表面に防錆層21aが形成することで、第一層21に形成された防錆層21aと第二層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における第二層22の離脱を抑制することができ、第二層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。
As described above, according to the second embodiment, the
また、伝熱部20から第二層22が離脱して第一層21が露出したとしても、防錆層21aに含まれる遷移金属元素が第一層21の表面に移動し、第一層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一層21が腐食し、この腐食が広がることを抑制でき、第一層21の腐食に起因する第二層22のさらなる離脱を抑制できる。この結果、伝熱部20の表面に形成された第二層22の膜構造が維持され、第二層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、例えば以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified as follows, for example, within a range not departing from the gist of the present invention.
(1)上記実施形態では、第一層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。第一層21を銅やSUSによって構成する場合には、第一層21と第二層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TiO2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、第二層22を、第一層21側に位置する一端側にホスホン酸を備えるホスホン酸系親水性分子で構成した例について説明したが、第二層22を構成する親水性分子はこれに限定されない。例えば、第二層22を、第一層21側に位置する一端側にシロキサンを備えるシロキサン系親水性分子で構成してもよい。この場合、シロキサンは、第二層22に含まれる親水性分子の一端側に備えられている。
(2) In the above embodiment, the example in which the
(3)上記実施形態では、第二層22を、空気側に位置する他端側に、アニオン性の親水性官能基とその対カチオンとしての水素イオンまたはアルカリ金属イオンとを備える親水性分子で構成した例について説明したが、第二層22を構成する親水性分子はこれに限定されない。例えば、第二層22を、空気側に位置する他端側に、カチオン性の親水性官能基とその対アニオンとしてのハロゲン化物イオンとを備える親水性分子で構成してもよい。
(3) In the above embodiment, the
21 第一層
22 第二層
21
Claims (8)
前記伝熱部は、少なくとも第一層(21)と前記第一層よりも前記空気側に位置する第二層(22)とを有して構成され、
前記第二層は、水素イオンもしくはアルカリ金属イオンが結合したアニオン性の親水性官能基を有する親水性分子、または、ハロゲン化物イオンが結合したカチオン性の親水性官能基を有する親水性分子から構成されている熱交換器。 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) provided so as to be in contact with at least the air. And
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 having an anionic hydrophilic functional group to which hydrogen ions or alkali metal ions are bonded, or a hydrophilic molecule having a cationic hydrophilic functional group to which halide ions are bonded. Heat exchanger.
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