JP7435978B2 - 熱交換器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents
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- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
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Description
「(メタ)アクリレート」は、「アクリレート」及び「メタクリレート」の両方、又は、いずれかを意味する。
「(メタ)アクリル」は、「アクリル」及び「メタクリル」の両方、又は、いずれかを意味する。
図1は、実施形態の一例である冷凍サイクル装置1を示した概略構成図である。冷凍サイクル装置1は、圧縮機2と、四方切換弁3と、室外熱交換器4と、膨張装置5と、室内熱交換器6とが冷媒配管7を介して順次接続されている、ヒートポンプ式の冷凍サイクル装置である。
室外熱交換器4は、複数の伝熱フィン10と、複数本の伝熱管12と、複数本のUベンド管13とから組み立てられている。
伝熱フィン10の材質としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。
伝熱管12及びUベンド管13の材質としては、例えば、銅、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。
被膜層20は、伝熱フィン10の表面10aの少なくとも一部に形成することができる。例えば、被膜層20は、伝熱フィン10の表面10aにおける高さ方向の中間から底側の半分の領域A(図2)に部分的に形成する。被膜層20は、伝熱フィン10の表面10aの全体に形成してもよい。被膜層20は、伝熱管12の表面12aの少なくとも一部に形成することもでき、伝熱管12の表面12aの全体に形成することが好ましい。
また、被膜層に安定な液体層が存在し得ることにより、氷点以下でも水が凝固することなく熱運動できるので、熱交換器の表面上での水の氷結温度をより低下させることができると推測される。そのため、氷核の発生温度を低下させることができ、優れた氷核形成抑制効果及び着霜防止効果が発現されると推測される。
被膜層の膜厚は、分光エリプソメトリー法等によって測定できる。
被膜層の表面の水に対する接触角θ1の値は、被膜層の表面に水を1μL着摘し、着滴1秒後の表面の水の接触角を測定して求めた値である。
高分子鎖集合体とは、複数の高分子鎖の集合体であって、全体としてブラシ様の形状をなしているものであり、高分子の溶液を単に塗布して形成した有機膜とは異なるものである。
「高分子鎖」とは、複数の構成単位が鎖状に連なった構造を有する分子又は分子の部分のことをいう。高分子鎖集合体を構成する複数の高分子鎖は、互いに同一であっても異なっていてもよい。また、高分子鎖は、複数の構成単位が鎖状に連なった構造を有していればよく、側鎖を有していても分岐構造を有していてもよく、高分子鎖同士の間や、高分子鎖と熱交換器の高分子鎖を固定する表面との間に架橋構造が形成されていてもよい。
ポリマーブラシの高分子鎖集合体は、複数の高分子鎖をグラフト鎖として熱交換器の表面上に結合させるグラフト重合法により得ることができる。このグラフト重合は、Grafting-from法やGrafting-to法で行うことができる。中でも、Grafting-from法を用いることが好ましい。ここで、Grafting-from法は、高分子鎖を結合させる表面に重合開始基を導入して、その重合開始基からグラフト鎖を成長させる方法である。Grafting-to法は、予め合成したグラフト鎖を、高分子鎖を結合させる表面に導入した反応点に結合させる方法である。
以下に、高分子鎖集合体を、グラフト重合法を用いて形成する方法を具体的に説明する。
グラフト重合法で用いる高分子鎖の生成方法は、特に限定されないが、ラジカル重合法を用いることが好ましく、リビングラジカル重合(LRP)法を用いることがより好ましく、原子移動ラジカル重合(ATRP)法を用いることがさらに好ましい。
リビングラジカル重合法は、高分子鎖の分子量や分子量分布をコントロールし易い、様々な種類のコポリマー(例、ランダムコポリマー、ブロックコポリマー、組成傾斜型コポリマー等)をグラフト鎖として生成できるという利点がある。また、リビングラジカル重合法によれば、高圧条件やイオン液体を用いることで、濃厚ポリマーブラシを、その密度及び厚さを精密に制御して生成することができる。ここで、リビングラジカル重合法を用いる場合のグラフト重合の方法は、Grafting-from法、Grafting-to法のいずれであってもよいが、Grafting-from法であることが好ましい。リビングラジカル重合法とGrafting-from法を組み合わせたグラフト重合法の詳細については、特開平11-263819号公報等を参照することができる。
高分子鎖集合体を例えばGrafting-from法を用いて形成するには、高分子鎖を結合する表面に重合反応の開始点となる重合開始基を導入し、この重合開始基から、上記の重合方法を用いて高分子鎖をグラフト成長させる。重合開始基としては、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン化スルホニル基等が挙げられる。グラフト鎖の密度(グラフト密度)及びグラフト重合により得られる高分子鎖の一次構造(分子量、分子量分布、モノマー配列様式)を精度よく制御できることから、重合開始基は、高分子鎖を結合する表面に物理的若しくは化学的に結合されていることが好ましい。高分子鎖を結合する表面に重合開始基を導入(結合)する方法としては、化学吸着法、ラングミュアー・ブロジェット(LB)法等が挙げられる。
ポリマーブラシの高分子鎖集合体は、下記の調製工程、製膜工程及び相分離工程を含む製造方法によって製造することもできる。
調製工程:高分子鎖を結合する担体となる基材を構成する有機材料(以下、基材ポリマーともいう)と、ポリマーブロックA及びポリマーブロックAよりも基材ポリマーに対する親和性が低いポリマーブロックBを備え、かつ、ポリマーブロックAを少なくとも2箇所に有している複数のブロックコポリマーとを溶剤中で混合して混合液を調製する。
製膜工程:前記混合液を熱交換器の表面に塗布して製膜する。
相分離工程:前記混合液中から溶剤を除去して、相分離を生じさせる。
この製造方法によれば、高分子鎖集合体を構成する高分子鎖の両末端のそれぞれが担体である基材を介して熱交換器の表面に固定されているループ構造のポリマーブラシを製造することができる。
熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、ジアリルフタレート樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系樹脂(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリシクロオレフィン等)、ビニル系樹脂(ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリビニルアルコール等)、フッ素系樹脂(ポリテトラフルオロエチレン等)、ポリエステル系樹脂(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等)、シリコーン樹脂(ポリジメチルシロキサン等)等が挙げられる。ゴムとしては、ジエン系ゴム(ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、イソプレンゴム、天然ゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム等)、ジエン系ゴム以外のゴム(エチレンプロピレンゴム、アクリルゴム、ポリエーテルゴム、ポリウレタンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム等)等が挙げられる。
なお、ポリマーブロックA及びポリマーブロックBのSP値は、例えば、ポリマーハンドブック(第4版、Wiley-Interscience)に開示された値を用いることができる。
調製工程:基材ポリマーと、ポリマーブロックA及びポリマーブロックAよりも基材ポリマーに対する親和性が低いポリマーブロックBとを備え、かつ、ポリマーブロックAを少なくとも2箇所に有している複数のブロックコポリマーとを加熱下で混合して溶融混合物を調製する。
製膜工程:前記溶融混合物を熱交換器の表面に製膜する。
相分離工程:前記溶融混合物を冷却させることで相分離を生じさせる。
この製造方法によっても、高分子鎖集合体を構成する高分子鎖の両末端のそれぞれが担体である基材を介して熱交換器の表面に固定されているループ構造のポリマーブラシの高分子鎖集合体を製造することができる。
ポリマーブラシの高分子鎖集合体を構成する高分子鎖における分子量分布指数(PDI=Mw/Mn)は、1.0~2.0が好ましく、1.0~1.5がより好ましい。分子量分布指数が前記範囲内であれば、高分子鎖集合体を構成する高分子鎖の最表面まで高密度な状態を維持し得るという効果が期待できる。
高分子鎖の密度(鎖/nm2)=W(g/nm2)/Mn×(アボガドロ数)
前記式において、Wは単位面積当たりのグラフト量を表し、Mnは高分子鎖集合体を構成する高分子鎖の数平均分子量を表す。
被膜層を形成する熱交換器の表面が伝熱フィンのような平面の場合には、エリプソメトリー法によって、乾燥状態の膜厚、すなわち被膜層の乾燥状態における厚みを測定し、バルクフィルムの密度を用いて、単位面積当たりのグラフト量(W)を算出することができる。
高分子鎖集合体を構成する高分子鎖のMnは、上述した方法にて測定することができる。
次に、ボトルブラシ構造を有するポリマーについて説明する。
ボトルブラシ構造は、主鎖から複数の側鎖が分岐していて、全体としてボトルブラシ様の形状をなす分岐高分子構造のことをいう。ボトルブラシ構造を有するポリマーは、主鎖に側鎖として結合している複数の高分子鎖が高分子鎖集合体を構成している。ボトルブラシ構造を有するポリマーは、上述の担体としての基材を介して熱交換器の表面に固定されていてもよい。この場合、ボトルブラシ構造を有するポリマーとポリマーブラシの両方を担体である基材を介して熱交換器の表面に固定してもよい。その場合、ポリマーブラシは濃厚ポリマーブラシであることが好ましい。
被膜層に保持される液状物質としては、水、イオン液体、フッ素系溶剤、オイル(炭化水素系オイル、シリコーンオイル等)等が挙げられる。中でも、水及び不揮発性のイオン液体から選ばれる少なくとも1種が好ましい。液状物質が水の場合、蒸発等で被膜層から失われた場合でも、大気中の水分を吸収することで被膜層に水が補充されるため、液状物質が枯渇し難く長時間保持されやすい。また、被膜層表面の結露水の水滴に対する接触角を極めて小さくでき、フィン間に付着する結露水の体積が減少するため、通風抵抗が低減され、熱交換効率が向上する。液状物質が不揮発性のイオン液体の場合、大気中においても液状物質が蒸発等によって枯渇し難く長時間保持されやすい。不揮発性のイオン液体としては、例えば、特許第5585873号公報に記載のものが挙げられる。
R21、R22、R23及びR24において、R’-O-(CH2)n-で表されるアルコキシアルキル基としては、メトキシメチル基又はエトキシメチル基、2-メトキシエチル基又は2-エトキシエチル基、3-メトキシプロピル基又は3-エトキシプロピル基、4-メトキシブチル基又は4-エトキシブチル基等が好ましい。
R21、R22、R23及びR24のいずれか2つが互いに結合して環状構造を形成している化合物としては、X21に窒素原子を採用した場合には、アジリジン環、アゼチジン環、ピロリジン環、ピペリジン環等を有する4級アンモニウム塩等が好ましく、X21にリン原子を採用した場合には、ペンタメチレンホスフィン(ホスホリナン)環等を有する4級ホスホニウム塩等が好ましい。また、4級アンモニウム塩としては、置換基として、R’がメチル基であり、nが2の2-メトキシエチル基を少なくとも1つ有するものが好適である。
Yにおける一価のアニオンとしては、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、SbF6 -、AlCl4 -、NbF6 -、HSO4 -、ClO4 -、CH3SO3 -、CF3SO3 -、CF3CO2 -、(CF3SO2)2N-、Cl-、Br-、I-等が挙げられ、BF4 -、PF6 -、(CF3SO2)2N-、CF3SO3 -、又はCF3CO2 -であることが好適である。
Claims (14)
- 表面の少なくとも一部に被膜層が形成された熱交換器であって、
前記被膜層が、複数の高分子鎖が集合して構成されたブラシ状の高分子鎖集合体を含み、
前記被膜層に液状物質が保持されたときに、前記液状物質が氷点より低い温度でも液体状態に保持される、熱交換器。 - 前記液状物質が水である、請求項1に記載の熱交換器。
- 前記液状物質が不揮発性のイオン液体である、請求項1に記載の熱交換器。
- 前記複数の高分子鎖の片側又は両側の末端が前記熱交換器の表面上に固定されて前記高分子鎖集合体が形成され、前記高分子鎖の密度が0.01鎖/nm2以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記高分子鎖集合体が、前記複数の高分子鎖が側鎖として主鎖に結合したボトルブラシ構造を有するポリマーである、請求項1~3のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記ポリマーの側鎖の密度が、0.01鎖/nm2以上である、請求項5に記載の熱交換器。
- 前記被膜層の膜厚が350nm以上である、請求項1~6のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記被膜層の表面の25℃の水に対する接触角θ1が、10°≦θ1≦90°を満たす、請求項1~7のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記被膜層の表面の水平面に対する角度θ2と前記接触角θ1とが、10°≦θ1≦75°、かつ90°≧θ2>90-θ1の関係を満たす、請求項8に記載の熱交換器。
- 前記熱交換器が、複数の伝熱フィンと、前記複数の伝熱フィンに固定され、内部を冷媒が流れる伝熱管とを備え、前記被膜層が前記伝熱フィンの表面の少なくとも一部に形成されている、請求項1~9のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記伝熱フィンの表面における高さ方向の中間から底側の半分の領域に部分的に前記被膜層が形成されている、請求項10のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記伝熱フィンの表面全体に前記被膜層が形成されている、請求項10に記載の熱交換器。
- 請求項1~12のいずれか一項の熱交換器と、前記熱交換器に接続された圧縮機と、前記圧縮機に接続された放熱器と、前記放熱器に接続された膨張装置と、を備えている、冷凍サイクル装置。
- 前記熱交換器が室外機に設けられている、請求項13に記載の冷凍サイクル装置。
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