JP2019158247A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】霜成長を充分に遅延させ得る熱交換器を提供する。【解決手段】所定の湿度を有する空気と、空気よりも低温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２０は、第一層２１と第一層２１よりも空気側に位置する第二層２２とを有しており、第二層２２は、複数のポリマー鎖２２０を有するポリマー層から構成されており、隣り合うポリマー鎖２２０における主鎖２２１の第一層２１側の根元が、金属酸化物のネットワーク構造を有して相互に結合されている。【選択図】図２

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。

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。

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。

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。

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。

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。これによれば、凝縮水の接触角を小さくすることで霜の成長を遅延させる効果が期待される。

特開２０１２−２５８２０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、着霜抑制層を通常のポリマー塗布膜によって形成しているので、充分な着霜抑制効果を発揮するだけの表面官能基密度を賄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親水性を得ることができないという問題がある。したがって、霜成長を充分に遅延させるための技術が待望されている。

本発明は上記問題点に鑑み、霜成長を充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。

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、空気よりも低温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）とを有しており、第二層は、複数のポリマー鎖（２２０）を有するポリマー層から構成されており、隣り合うポリマー鎖における主鎖（２２１）の第一層側の根元が、金属酸化物のネットワーク構造を有して相互に結合されている。

これによれば、第二層（２２）のポリマー鎖（２２０）を第一層（２１）に対して垂直方向に高密度に結合させることができるので、伝熱部（２０）の表面の親水性を確実に向上させることができる。このため、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充分に遅延させることができる。

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。

第１実施形態に係る熱交換器を示す斜視図である。 第１実施形態の伝熱部の構成を示す模式図である。 第１実施形態の伝熱部の構成を示す説明図である。 冷却面に水滴が付着したことにより空気の澱みが発生する様子を示す説明図である。 伝熱部の空気側に水の薄膜が形成された様子を示す説明図である。 伝熱部の第二層の構成と霜成長抑制効果との関係を示す説明図である。 第２実施形態の伝熱部の構成を示す模式図である。

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。

（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。

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。

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、空気よりも低温の流体である。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。

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（すなわち熱交換部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。

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。

図２に示すように、伝熱部２０は、第一層２１および第二層２２の二層を有している。第一層２１は、伝熱部２０の二層の材料のうち、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。

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。更に第二層２２は、第一層２１と化学的に結合している。

第二層２２は、複数のポリマー鎖２２０を有するポリマー層から構成されている。隣り合うポリマー鎖２２０における主鎖２２１の第一層２１側の根元は、金属酸化物のネットワーク構造を有して相互に結合されている。これにより、第二層２２を、ポリマーブラシとして構成することができる。なお、ポリマーブラシとは、高分子鎖が基板（本例では第一層２１）に対して垂直方向に高密度に結合した高分子集合体である。

次に、本実施形態の第二層２２について、図３に基づいてより詳細に説明する。図３に示すように、第二層２２のポリマー鎖２２０は、側鎖に両性イオン構造を有している。

第二層２２のポリマー層は、オルガノポリシロキサンを有している。オルガノポリシロキサンは、第一層２１に直接結合している。すなわち、オルガノポリシロキサン中のケイ素原子が、酸素原子を介して第一層２１と化学的に結合している。

オルガノポリシロキサンの空気側には、ポリマー鎖２２０が共有結合している。すなわち、オルガノポリシロキサン中のケイ素原子に、ポリマー鎖２２０が共有結合している。

ポリマー鎖２２０は、アクリルポリマーまたはメタクリルポリマーの側鎖に両性イオン基が結合した構造を有している。ここで、ポリマー鎖２２０としては、下記一般式（１）で表されるポリマー鎖２２０を採用してもよい。

一般式（１）中、Ｒ^１〜Ｒ^３は、それぞれ独立に、水素またはメチル基を表す。一般式（１）中、Ｒ^４は、臭素または金属カルボキシル基を表す。一般式（１）中、Ｒ^５は、下記一般式（２）〜（５）のいずれかを表す。

ただし、一般式（２）〜（５）中、ｘ、ｙは、それぞれ独立に、１〜８の整数を表す。一般式（２）〜（５）中、Ｍは金属カチオンを表す。

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のシロキサン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。

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４および図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。

図４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。

図４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。

これに対し、図５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が多数作られる。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。

以上説明したように、本実施形態の伝熱部２０では、第二層２２が、複数のポリマー鎖２２０を有するポリマー層から構成されるとともに、隣り合うポリマー鎖２２０における主鎖２２１の第一層２１側の根元が、金属酸化物のネットワーク構造を有して相互に結合している。これによれば、第二層２２のポリマー鎖２２０を第一層２１に対して垂直方向に高密度に結合させることができる。すなわち、第二層２２を、ポリマーブラシとして構成することができる。このため、伝熱部２０の表面の官能基密度を上昇させることができるので、伝熱部２０の表面の親水性を確実に向上させることができる。したがって、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充分に遅延させることができる。

ところで、以下、本実施形態の各種ポリマー層を第二層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。

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６に示す。

図６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ｈ_０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／ｈ_０）を示している。ｈ／ｈ_０の値が小さい程、霜成長抑制効果が高い。

図６の（ｂ）〜（ｆ）に示すように、第二層２２として、第一層２１に結合したオルガノポリシロキサンを有するポリマー層を採用した場合には、熱交換部１１の霜高さを比較例の０．８５倍以下とすることができ、良好な霜成長抑制効果が得られる。

また、本実施形態の伝熱部２０では、第二層２２の隣り合うポリマー鎖２２０における主鎖２２１の第一層２１側の根元が、金属酸化物のネットワーク構造を有して相互に結合している。このポリマー層の存在により、通常のシランカップリング剤やホスホン酸による単分子膜に比べて、加水分解による膜分子２２０の第一層２１からの脱離が抑制されるので、耐水性を向上させることができる。

（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７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２３が形成されている。防錆層２３は、第二層２２におけるシロキサン中のケイ素原子と酸素原子を介して化学的に結合している。

つまり、基材を構成する第一層２１の表面に防錆層２３が形成され、防錆層２３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２３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。

防錆層２３は、遷移金属を含んで構成されている。本明細書中では、遷移金属は、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。

防錆層２３は、少なくとも遷移金属の酸化物を含んで構成されている。なお、防錆層２３には、遷移金属以外の物質が含まれていてもよい。防錆層２３に含まれる遷移金属は、１種類でも複数種類でもよい。防錆層２３に含まれる遷移金属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。

第一層２１がアルミニウムである場合は、防錆層２３を構成する遷移金属として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２３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。

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２３に含まれる遷移金属が第一層２１の表面に移動し、第一層２１の表面が防錆層２３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る。この結果、伝熱部２０の熱交換性能を長期間に渡って維持させることができる。

（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。

（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。

（２）上記第２実施形態では、防錆層２３を、遷移金属の酸化物を含んで構成した例について説明したが、防錆層２３の構成はこれに限定されない。例えば、防錆層２３を、ケイ素の酸化物を含んで構成してもよいし、遷移金属以外の金属の酸化物を含んで構成してもよい。

２１ 第一層
２２ 第二層
２２０ ポリマー鎖
２２１ 主鎖

Claims (7)

1. 所定の湿度を有する空気と、前記空気よりも低温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、
   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）とを有しており、
   前記第二層は、複数のポリマー鎖（２２０）を有するポリマー層から構成されており、
   隣り合う前記ポリマー鎖における主鎖（２２１）の前記第一層側の根本が、金属酸化物のネットワーク構造を有して相互に結合されている熱交換器。
2. 前記ポリマー鎖は、側鎖に両性イオン構造を有している請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ポリマー層は、オルガノポリシロキサンを有しており、
   前記オルガノポリシロキサンは、前記第一層に直接結合されており、
   前記オルガノポリシロキサンの前記空気側の先端には、前記ポリマー鎖が共有結合されている請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記ポリマー鎖は、アクリルポリマーまたはメタクリルポリマーの側鎖に両性イオン基が結合した構造を有している請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 前記ポリマー鎖は、下記一般式（１）で表される請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。
   

   

   一般式（１）中、Ｒ^１〜Ｒ^３は、それぞれ独立に、水素またはメチル基を表す。一般式（１）中、Ｒ^４は、臭素または金属カルボキシル基を表す。一般式（１）中、Ｒ^５は、下記一般式（２）〜（５）のいずれかを表す。
   

   

   

   

   

   ただし、一般式（２）〜（５）中、ｘ、ｙは、それぞれ独立に、１〜８の整数を表す。一般式（２）〜（５）中、Ｍは金属カチオンを表す。
6. 前記第一層における前記第二層に対向する側には、防錆層（２３）が形成されており、
   前記防錆層は、ケイ素の酸化物または金属の酸化物から構成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 前記防錆層は、金属の酸化物から構成されており、
   前記金属は、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｏのうち１種類あるいは複数種類を含んでいる請求項６に記載の熱交換器。

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