(57)【要約】【課題】霜成長を十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、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とを有して構成され、第二層２２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。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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るとともに、少なくとも前記空気と接するように設けられた伝熱部（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。
【請求項２】
前記アニオン性の親水性官能基は、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である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記カチオン性の親水性官能基は、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である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記親水性分子の炭素鎖長が１０より小さい請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
【請求項５】
前記親水性分子の炭素鎖長が３以下である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第二層は、前記第一層側に位置する一端側にホスホン酸またはシロキサンを備えるとともに、前記ホスホン酸または前記シロキサンが前記第一層と結合している請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。
【請求項７】
前記第一層における前記第二層に対向する側には、遷移金属元素を含んだ防錆層（２１ａ）が形成されている請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱交換器。
【請求項８】
前記防錆層は、前記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含んで構成されている請求項７に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−８９１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る熱交換器を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の伝熱部の構成を示す模式図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】第二層を構成する親水性分子と霜成長抑制効果との関係を示す特性図である。
【図６】第２実施形態の伝熱部の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
（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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
（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。
【００４８】
（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。
【００４９】
（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。
【００５０】
（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。
【符号の説明】
【００５１】
２１  第一層
２２  第二層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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