JP7067054B2 - 伝熱部材及びこれを用いた熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、所定の湿度を有する空気に接する伝熱部材及びこれを用いた熱交換器に関する。

ヒートポンプサイクルを用いて暖房する場合には、室外熱交換器を流れる冷媒の温度が露点温度を下回ると、室外熱交換器の伝熱面で結露、着霜、着氷または着雪が生じる。伝熱面に着霜等が生じると、室外熱交換器における外気からの吸熱量が減少し、暖房性能が著しく低下してしまう。このため、所定の霜成長を検出した場合に暖房を中断して除霜運転がなされる場合が多い。除霜運転中は、霜の融解に余分なエネルギーが必要になるとともに、暖房が行われないため室内の快適性を損ねる。

これに対し、特許文献１では、親水性樹脂と架橋性微粒子を含有する親水性塗膜が提案されている。また、特許文献２では、アクリル変性エポキシ樹脂に、架橋剤、フッ素系ポリマー等を混合添加した着霜抑制処理組成物が提案されている。また、特許文献３では、アルミニウム合金板等の圧延各方向における親水性塗膜の表面粗さをある数値以下とすることが提案されている。

特開２０１４－０００５３４号公報 特開２０１１－１０２３３４号公報 特開２０１７－９６５４５号公報

しかしながら、特許文献１の塗膜は、高い親水性効果があるものの、残存した凝縮水によって表面で生成する霜の対策について何ら触れられていない。また、特許文献２の組成物は、滑水性対策が十分でない。また、特許文献３の塗膜は、霜の付着性対策については何ら触れられていない。

本発明は上記点に鑑み、伝熱面における耐着霜性を向上させ、さらに着霜した伝熱面からの霜の除去性を向上させ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接する伝熱部（２０）は、基材である第一層（２１）とその上の空気側に位置するところに形成される被膜である第二層（２２）を備えており、第二層（２２）は、その一部または全体が電荷を有する有機物および電荷を有する無機物を含んでいる親水性樹脂であり、有機物は、アニオン性ポリマーあるいはカチオン性ポリマーのいずれか一方であり、無機物は構造破壊性イオンであることを特徴とする。

本発明によれば、表層の一部または全体に電荷を持つ荷電性有機物または荷電性無機物の少なくともいずれかを含んだ親水性樹脂からなる第二層を設けることで、伝熱部の表面に凝縮水が付着した場合に、水分子への静電相互作用によって水和層を生じさせることができる。これにより、伝熱部の表面で着雪、着霜、着氷が生じにくくなり、耐着雪性、耐着霜性、耐着氷性を向上させることができる。また、伝熱部の表面で着雪、着霜、着氷が生じた場合には、伝熱部の表面からの雪、霜、氷の除去性を向上させることができる。

なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、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。

本発明の実施形態に係る室外熱交換器を示す正面図である。 熱交換器の伝熱部を示す断面図である。 伝熱部の着氷状態を示す断面図である。 伝熱部の着雪状態を示す断面図である。 伝熱部における霜高さの測定結果を示すグラフである。 伝熱部近傍における水和層の分析結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。本実施形態は、本発明の伝熱部材を、ヒートポンプサイクルにおける低圧冷媒を外気と熱交換させて蒸発させる蒸発器として機能する室外熱交換器に適用している。以下、室外熱交換器を単に熱交換器１０という。

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に接続される冷媒の分配を行うヘッダタンク１２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又は丸管チューブ等からなるチューブ１３と、各チューブ１３の間に介在されるフィン１４を備えている。チューブ１３およびフィン１４は、主にアルミニウムから構成されている。なお、チューブ１３およびフィン１４が本発明の伝熱部材に相当している。

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、冷媒の分配を行うヘッダタンク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、空気と冷媒の熱交換を促進する。フィン１４は、チューブ１３に接している。

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（熱交換部１１の外側）を空気が通過し、低温冷媒が当該空気から吸熱する。

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、所定の湿度を有する空気と、冷媒との間で熱交換を行い、少なくとも空気と接している部分である。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。

冷媒が空気よりも低温の場合には、伝熱部２０の表面で空気が冷却される。空気の温度が空気中に含まれる水分の露点温度を下回ると、水分は凝縮水となって伝熱部２０の表面に付着する。さらに、凝縮水が凍結することで伝熱部２０の表面で霜が生じ、霜が所定高さに達した場合に除霜運転が行われる。除霜運転は、例えばヒートポンプサイクルの膨張弁の絞り開度を増加させるか、または、冷媒流路を切り替えてコンプレッサで圧縮後の冷媒を熱交換器１０へ流入させることによって行うことができる。

図２に示すように、伝熱部２０は、基材である第一層２１とその上の被覆部である第二層２２を有している。第一層２１は、熱伝導率が大きい材料を用いている。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を用いている。

図２では図示を省略しているが、第一層２１における第二層２２が設けられた面には、第二層２２の強度などを高めるために無機化成処理による被膜が形成されている。つまり、第一層２１と第二層２２の間には、無機化成処理層が設けられている。また、第一層２１と第二層２２の間に、第一層２１と第二層２２の接合性などを高めるためのプライマ層（下地層）が設けられていてもよい。

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親水性の被膜である。第二層２２は、第一層２１の表面の一部に設けられていてもよく、第一層２１の表面の全体に設けられていてもよい。

第二層２２は、親水性樹脂であり、電荷を持つ荷電性有機物および荷電性無機物の少なくともいずれかを含んでいる。荷電性有機物および荷電性無機物は、第二層２２の表面に凝縮水が付着している場合に、水分子への静電相互作用によって水和層を生じさせることができる。

荷電性有機物あるいは荷電性無機物は、第二層２２の一部に存在していてもよく、第二層２２の全体に存在していてもよい。荷電性有機物あるいは荷電性無機物は、少なくとも第二層２２の表面に存在していることが望ましい。第二層２２の表面は、空気との接触面であり、凝縮水が付着する面である。第二層２２の表面付近に荷電性有機物あるいは荷電性無機物が存在していることで、水分子への相互静電作用を発揮させやすい。

親水性樹脂としては、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、アクリル樹脂等を用いることができる。本実施形態では、親水性樹脂としてポリビニルアルコール系樹脂を用いている。

親水性樹脂に含まれる荷電性有機物としては、カチオン性ポリマーまたはアニオン性ポリマーを用いることができ、特にカチオン性ポリマーを用いることが望ましい。アニオン性ポリマーは、水の未結合水素と結合して大きく振動するため、水の無秩序性が大きくなる。カチオン性ポリマーは、水を構成する酸素原子と結合するため、回転振動の振幅は小さくなる。

荷電性有機物としてカチオン性ポリマーを用いる場合には、ノニオン性もしくはカチオン性の親水性樹脂を用いる。荷電性有機物としてアニオン性ポリマーを用いる場合には、ノニオン性もしくはアニオン性の親水性樹脂を用いる。これにより、第二層２２の電荷を保持することができ、水分子への静電相互作用を発揮させることができる。

カチオン性ポリマーとしては、アミノ基、ピリジン基、イミダゾール基、イミノ基、プリン塩基、チミン、ピラゾール基、ピリダジン基、ピリミジン塩基、ピラジン基を有する重合体やカチオン性のタンパク質又はカチオン性多糖類などを用いることができる。例えば、ポリアミン、ポリアリルアミン、ポリ（４－ビニルピリジン）、ポリホルミルエチレンイミン、ポリアルキレンイミン、キトサン、ビニルピロリドン・Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノエチルメタクリル酸共重合体ジエチル硫酸塩、ポリスチレンの芳香族骨格へのカチオン性基置換体などであって、またはこれらの塩を用いることができる。

アニオン性ポリマーとしては、カルボキシル基、スルホン基、ホスホン基、リン酸基、ホウ酸基、ヒドロキシル基を有する重合体やアニオン性タンパク質、アニオン性多糖類、またはこれらアニオン性化合物のアルカリ金属塩を用いることができる。例えば、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸、ポリビニルスルホン酸、ポリイタコン酸、ポリフマル酸、ポリスチレンの芳香族骨格へのアニオン性基置換体、ポリ（２－（メタ）アクリルアミド）－２－メチルプロパンスルホン酸、ヒアルロン酸、カルボキシメチルセルロース、ポリ（メタ）アクリル酸ホスホオキシエチル、ポリ（４－ビニルフェニルホウ酸）、ポリ（Ｎ－（４－ビニルベンジル）イミノ）ジ酢酸、ポリ（Ｄ，Ｌ－グルタミン酸）、およびこれらを構成するモノマーの共重合体、リン酸－アクリル酸エステル共重合体、イソブチレン－無水マレイン酸共重合体、酢酸ビニル－無水マレイン酸共重合体などであって、またはこれらアニオン性化合物のアルカリ金属塩を用いることができる。

親水性樹脂に含まれる荷電性無機物としては、構造形成性イオン（つまり、正水和イオン）または構造破壊性イオン（つまり、負水和イオン）を用いることができる。荷電性無機物としては、カルシウムイオン、リチウムイオン、ナトリウムイオン、亜鉛イオン、鉄イオンまたは銅イオンの少なくともいずれかの構造形成性イオンを好適に用いることができる。

本実施形態では、第二層２２として荷電性有機物を含んだ親水性樹脂を用いている。具体的には、第二層２２として、ポリアミン系のカチオン性ポリマーであるポリエチレンイミン（分子量１００００）で修飾したポリビニルアルコール系樹脂を用いている。

上述したように、第二層２２に含まれる荷電性有機物による水分子への静電相互作用によって、第二層２２の近傍に水和層が生じる。水和層は、第二層２２の表面に存在する水のうち通常の水よりも水分子の整列性が高くなっている層である。水和層の中でも第二層２２に近いほど水分子の整列性が高くなっている。水和層は、通常の水よりも凝固点が低下しており、凍りにくくなっている。

図２に示すように、水和層では、第二層２２に近いほど水の分子間距離が短くなっている。また、水和層の中でも、第二層２２に最も近接した水和層の厚さは、数オングストローム程度となっており、それより第二層２２から離れた水和層の厚さは、数十オングストローム以上となっている。

次に、伝熱部２０の表面における凝縮水の凍結について図３、図４を用いて説明する。伝熱部２０の表面に存在する凝縮水（バルク水）は、第二層２２の親水性樹脂によって膜厚が薄くなる。さらに第二層２２に含まれる荷電性有機物によって、第二層２２の表面に通常の水よりも凍りにくく水分子整列性の良い水和層を存在させることができる。この結果、伝熱部２０の表面における水膜量自体が減り、着霜量や着氷量が低減する。また、水和層からの吸熱が起きることで、凝縮水が凍結する際に霜や氷の結晶が密化する。

このため、伝熱部２０の表面で凝縮水が凍結しても霜や氷の高さが高くなりにくく、除霜運転開始までの時間が長くなる。この結果、除霜運転の頻度が低減し、除霜運転の時間も短くなることから、除霜運転に起因するエネルギーロスを減少させることができ、さらに室内空調の快適性を向上させることができる。

また、除霜運転時に伝熱部２０の表面温度を上昇させると、密化した霜や氷で熱伝導性がよくなっていること、融点近傍で霜や氷の結晶から現れる擬似液体層が存在すること、第二層２２の近傍に凍りにくい水和層が存在することにより、第二層２２の表面での霜や氷の結晶の付着力が低下する。さらに発生した融解水は、第二層２２が親水性であるために水膜として界面に集まり易く、界面水膜量が増加する。このため、雪や霜の水分浸透層が早期に飽和することにより第二層２２の表面に沿った方向への移動が早まり、伝熱部２０の表面から雪、霜及び氷が脱落しやすくなる。この結果、除霜運転の頻度が低減し、除霜運転の時間も短くなることから、除霜運転に起因するエネルギーロスを減少させることができ、さらに室内空調の快適性を向上させることができる。

次に、本実施形態の伝熱部２０の表面に生成した霜高さを測定した結果を図５を用いて説明する。図５の測定では、伝熱部２０の空気側温度を１０℃とし、冷媒側温度を－１０℃とした。空気の相対湿度を４５％とし、風速を０．５ｍ／ｓとした。なお、図５では、伝熱部２０に第二層２２を設けない例を比較例１とし、伝熱部２０の表面に親水性樹脂であるポリビニルアルコール系樹脂の被膜を形成した例を比較例２としている。

伝熱部２０の表面に生成した凝縮水の接触角は、本実施形態は５°以下であり、比較例１は７０°であり、比較例２は接触角が１０°であった。このように、伝熱部２０に親水性樹脂の被膜が形成されている本実施形態及び比較例２は、親水性樹脂の被膜が形成されていない比較例１よりも凝縮水の接触角が大幅に小さくなっている。

図５に示すように、本実施形態、比較例１、２ともに時間の経過とともに伝熱部２０の表面で霜高さが高くなっている。比較例１より比較例２の方が霜高さが低くなっており、比較例２より本実施形態の方が霜高さが低くなっている。つまり、本実施形態では、伝熱部２０に荷電性有機物を含んだ親水性樹脂からなる被膜を形成することで、伝熱部２０に親水性樹脂のみからなる被膜を形成した比較例２よりも霜高さを低くすることができる。

次に、本実施形態の伝熱部２０の表面近傍における水和層を評価した結果を図６を用いて説明する。水和層の評価は、走査型プローブ顕微鏡（株式会社島津製作所製ＳＰＭ－８０００ＦＭ）を用いて行った。図６の縦軸は、伝熱部２０からの距離を示している。なお、図６では、伝熱部２０の表面となる第二層２２として親水性樹脂であるポリビニルアルコール系樹脂の被膜を形成した例を比較例としている。

図６に示すように、本実施形態では５０ｎｍ付近から電圧変化が始まり、伝熱部２０に近くなるほど電圧が大きくなっている。つまり、本実施形態では、伝熱部２０の表面で５０ｎｍ程度の水和層が生成していることが確認できた。比較例では、伝熱部２０の近傍で電圧変化が見られるが、水和層が生成していることを明確に確認できなかった。

以上説明した本実施形態によれば、伝熱部２０に電荷を持つ荷電性有機物または荷電性無機物の少なくともいずれかを含んだ親水性樹脂からなる第二層２２を設けることで、伝熱部２０の表面に凝縮水が付着した場合に、水分子への静電相互作用によって水和層を生じさせることができる。これにより、伝熱部２０の表面で着雪、着霜、着氷が生じにくくなり、耐着雪性、耐着霜性、耐着氷性等を向上させることができる。また、伝熱部２０の表面で着雪、着霜、着氷が生じた場合には、伝熱部２０の表面からの雪、霜、氷の除去性等を向上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、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。

（１）上記実施形態では、本発明の伝熱部材をヒートポンプサイクルの室外熱交換器に適用したが、異なる種類の熱交換器に適用してもよい。本発明の伝熱部材は、伝熱面で空気中の水分が凍結して着霜や着氷が生じ得る部材であれば、熱交換器以外にも適用可能である。

（２）上記実施形態では、第一層２１をアルミニウムとしたが、これに限らず、第一層２１を銅やＳＵＳ等の他の材料としてもよい。

（３）上記実施形態では、第二層２２の全体を荷電性有機物または荷電性無機物を含んだ親水性樹脂としたが、第二層２２の一部または全体が荷電性有機物または荷電性無機物を含んだ親水性樹脂であればよい。第二層２２の一部を親水性樹脂とする場合は、第二層２２に荷電性有機物または荷電性無機物を含んだ親水性樹脂以外の物質が含まれていてもよい。

（４）上記実施形態では、第二層２２を荷電性有機物（例えばポリエチレンイミン）を含んだ親水性樹脂（例えばポリビニルアルコール）としたが、親水性樹脂自体が電荷を有する荷電性有機物であってもよい。例えば、第二層２２の一部または全体が親水性を有するカチオン性ポリマーあるいは親水性を有するアニオン性ポリマーからなる親水性樹脂であってもよい。

（５）上記実施形態では、第一層２１と第二層２２の間に無機化成処理層を設けた例について説明したが、第一層２１の上に第二層２２が直接形成されていてもよい。

（６）上記実施形態では、第二層２２が第一層２１の表面全体を覆うように形成されている例について説明したが、第二層２２は第一層２１の表面の少なくとも一部を覆っていればよく、第二層２２は第一層２１の表面に点在するように形成されていてもよい。この場合、第二層２２を構成する点在物を、荷電性有機物または荷電性無機物の少なくともいずれかを含んだ親水性樹脂、あるいは電荷を有する親水性樹脂とすればよい。第一層２１の表面に無機化成処理層やプライマ層が設けられている場合には、これらの層の表面に第二層２２が点在していればよい。

１０ 熱交換器
１３ チューブ（伝熱部材）
１４ フィン（伝熱部材）
２０ 伝熱部
２１ 第一層
２２ 第二層

Claims (5)

1. 所定の湿度を有する空気と接する伝熱部（２０）を備えており、
   伝熱部は、少なくとも第一層（２１）と前記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、
   前記第二層の一部または全体は、電荷を有する有機物および電荷を有する無機物を含んでいる親水性樹脂であり、
   前記有機物は、アニオン性ポリマーあるいはカチオン性ポリマーのいずれか一方であり、
   前記無機物は構造破壊性イオンである伝熱部材。
2. 前記有機物は、前記カチオン性ポリマーである請求項１に記載の伝熱部材。
3. 前記カチオン性ポリマーは、ポリエチレンイミンである請求項２に記載の伝熱部材。
4. 前記第二層は、前記第一層の表面に点在して設けられている請求項１乃至３のいずれか１つに記載の伝熱部材。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の伝熱部材を備え、
   前記伝熱部は、前記空気と、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熱交換器。

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