(57)【要約】【課題】霜成長を十分に抑制し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、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、少なくとも第１層２１と第１層２１よりも空気側に位置する第２層２２を有して構成され、第２層２２は、第１層２１側に位置する一端側にリン酸を備え、リン酸中の酸素が第１層２１と化学的結合を共有している。第２層２２は、リン酸系親水性分子からなる。第１層２１はアルミニウムから構成され、第１層２１のアルミニウムと第２層２２に含まれるリン酸中の酸素とが化学的結合を共有している。【選択図】図２
2017161215.tif 000002
【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、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１層（２１）と前記第１層よりも前記空気側に位置する第２層（２２）とを有して構成され、
前記第２層は、親水性分子または疎水性分子から構成されるとともに、前記第１層側に位置する一端側にリン酸を備え、前記リン酸中の酸素が前記第１層と化学的結合を共有している熱交換器。
【請求項２】
前記第２層は親水性分子からなる請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１層は、アルミニウム、銅、及びＳＵＳのうちのいずれかの材料で構成されている請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第１層はアルミニウムから構成され、前記第１層のアルミニウムと前記第２層に含まれるリン酸中の酸素とが化学的結合を共有している請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第２層は、少なくとも下記化学式１または化学式２で示される単位構造の繰り返しで構成される重合体が含まれており、前記第２層に含まれるリン酸中のリンが前記重合体の一端側と化学的結合を共有している請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。
【化１】
2017161215.tif 000005
【化２】
2017161215.tif 000006
【請求項６】
前記第２層は、前記空気側に位置する他端側にカルボキシレート基と、そのカウンタカチオンとしてのアルカリ金属イオンとを備える請求項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１層における前記第２層に対向する側には、遷移元素を含んだ防錆層（２１ａ）が形成されており、
前記第２層における前記リン酸中の酸素が前記防錆層と化学的結合を共有している請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第１層はアルミニウムから構成され、前記防錆層は前記遷移元素として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、熱交換器の空気の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、特許文献１では、熱交換器の伝熱面に超撥水処理を施し、空気に含まれる水分が撥水面で凝縮した後、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１４７２８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術では、コンタミネーション成分が水中に入る等して水分が滑落前に凍結する蓋然性がある。このため、霜成長が十分に抑制できないという問題がある。したがって、霜成長を十分に抑制するための技術が待望されている。
【０００７】
本発明は上記点に鑑み、霜成長を十分に抑制し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】
【０００８】
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、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、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、伝熱部は、少なくとも第１層（２１）と第１層よりも空気側に位置する第２層（２２）を有して構成され、第２層は、親水性分子または疎水性分子から構成されるとともに、第１層側に位置する一端側にリン酸を備え、リン酸中の酸素が第１層と化学的結合を共有していることを特徴とする。
【０００９】
これにより、第２層の表面をリン酸系分子からなる第２層で被覆することができ、伝熱部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抑制することができる。
【００１０】
また、第２層における第１層側の端部にリン酸が設けられ、リン酸中の酸素が第１層と化学的結合を共有している。これにより、第１層と第２層を強固に結合することができ、第２層による第１層の被覆率を高くすることができる。
【００１１】
なお、上記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】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の斜視図である。
【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】伝熱部の製造工程を示す図である。
【図４】伝熱部の製造工程を示す図である。
【図５】（ａ）は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した図、（ｂ）は伝熱部の空気側に水の薄膜が形成された様子を示した図である。
【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】
【００１３】
（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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
図２に示すように、伝熱部２０は、第１層２１および第２層２２の２層を有して構成されている。第１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１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。
【００１９】
第２層２２は、第１層２１における空気側の面に形成されている。つまり、第２層２２は、第１層２１よりも空気側に位置している。第２層２２は、基材である第１層２１の表面に形成された被膜として位置付けられる。第２層２２は、第１層２１と化学的結合を共有するよう構成されている。
【００２０】
第２層２２は、伝熱部２０の２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２層２２は、直鎖型構造の棒状分子として構成されている。
【００２１】
本実施形態の棒状分子は、親水性分子であり、以下の化学式１または化学式２で示される単位構造の繰り返しで構成される重合体が含まれている。
【００２２】
【化１】
2017161215.tif 000003
【００２３】
【化２】
2017161215.tif 000004
【００２４】
化学式１及び化学式２において、ｎは１以上の整数であり、例えばｎ＝１〜２００００である。本実施形態の第２層２２は、重合体としてポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を含んでいる。
【００２５】
第２層２２は、リン酸系親水性分子であり、第１層２１側に位置する一端側にリン酸を備えている。リン酸中のリンが、第２層２２に含まれる重合体の一端側と化学的結合を共有している。また、第２層２２は、空気側に位置する他端側にカルボキシレート基とそのカウンタカチオンとしてのアルカリ金属イオンとを備えている。具体的には、第２層２２の空気側はカルボン酸ナトリウム（ＣＯＯＮａ）となっている。
【００２６】
基材である第１層２１を構成するアルミニウムは、第２層２２のリン酸中の酸素と化学的結合を共有している。これにより、第１層２１と第２層２２とが強固に結合され、第２層２２による第１層２１の被覆率を増大させることができる。
【００２７】
次に、本実施形態の伝熱部２０の製造方法を図３、図４を用いて説明する。
【００２８】
〔第１工程：前処理〕
図３に示すように、前処理として、アルミニウム製板材からなる基材の表面をベーマイト化するベーマイト処理を行う。ベーマイト処理は、例えばアルミニウム基材をイオン交換水中で１０分間煮沸することによって行うことができる。ベーマイト処理によって、アルミニウム基材の表面に水酸基が生成される。
【００２９】
〔第２工程：親水性分子導入工程〕
次に、ベーマイト処理したアルミニウム基材の表面に上述したリン酸系親水性分子を導入する。具体的には、リン酸系親水性分子を含有するエタノール溶液にアルミニウム基材を室温で２４時間浸漬させる。これにより、リン酸系親水性分子がアルミニウム基材の表面に形成された水酸基と水素結合し、アルミニウム基材の表面にリン酸系親水性分子が導入される。
【００３０】
〔第３工程：ベーキング工程〕
次に、図４に示すように、表面にリン酸系親水性分子が導入されたアルミニウム基材を加熱するベーキング工程を行う。具体的には、リン酸系親水性分子が導入されたアルミニウム基材を１４０℃で６時間加熱する。これにより、脱水反応が進み、リン酸系親水性分子のリン酸に含まれる酸素とアルミニウム基材に含まれるアルミニウムとが共有結合し、アルミニウム基材の表面にリン酸系親水性分子が強固に結合する。
【００３１】
その後、リン酸系親水性分子が結合したアルミニウム基材をアルコールに浸漬して超音波を１０分間印加してエタノール洗浄を行い、さらに乾燥させる。
【００３２】
〔第４工程：ナトリウム塩化工程〕
次に、リン酸系親水性分子の空気側に位置するカルボキシレート基にナトリウムを導入するナトリウム塩化工程を行う。具体的には、リン酸系親水性分子が結合したアルミニウム基材をＮａＨＣＯ3飽和水溶液に室温で２０分間浸漬させる。これにより、カルボキシレート基の水素がナトリウムに置換され、ナトリウム塩化を行うことができる。
【００３３】
その後、純水洗浄およびアセトン洗浄を行い、さらに乾燥させる。これにより、本実施形態の第１層２１および第２層２２を備える伝熱部２０を得ることができる。
【００３４】
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。
【００３５】
図５（ａ）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（ｂ）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２層２２が形成されておらず、第１層２１のみから構成されている。
【００３６】
図５（ａ）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を基点とした霜柱の成長が促進される。
【００３７】
これに対し、図５（ｂ）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。このため、水の薄膜Ｗ２を基点とした霜の成長が抑制される。
【００３８】
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１層２１の表面をリン酸系親水性分子からなる第２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抑制することができる。
【００３９】
また、本実施形態の伝熱部２０によれば、第２層２２における第１層２１側の端部にリン酸が設けられ、リン酸中の酸素が第１層２１のアルミニウムと化学的結合を共有している。これにより、第１層２１と第２層２２を強固に結合することができ、第２層２２による第１層２１の被覆率を高くすることができる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４１】
図６に示すように、本第２実施形態の伝熱部２０では、第１層２１における第２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２層２２におけるリン酸中の酸素と化学的結合を共有している。
【００４２】
つまり、基材を構成する第１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２層２２が形成されている。防錆層２１ａは、第１層２１に発生する腐食を抑制する機能を備えている。
【００４３】
防錆層２１ａは、遷移元素を含んで構成されている。本明細書中では、遷移元素は、周期表の第３族元素から第１２族元素の間の元素としている。遷移元素を含んだ防錆層２１ａは、第１層２１よりも第２層２２との結合力が高い。
【００４４】
防錆層２１ａは、遷移元素のみから構成されていてもよく、遷移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に含まれる遷移元素は複数種類である方が、第１層２１の腐食を抑制する効果が高い。防錆層２１ａに含まれる遷移元素は、酸化物の状態で存在している。
【００４５】
第１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１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１層２１の腐食を抑制する効果が高い。
【００４６】
ここで、本第２実施形態の伝熱部２０の製造方法を説明する。本第２実施形態の製造方法は、上記第１実施形態に対して主に第１工程（前処理）が異なっている。
【００４７】
本第２実施形態では、第１工程（前処理）において、アルミニウム基材の表面に遷移元素を含んだ遷移元素含有層を形成する。アルミニウム基材が伝熱部２０の第１層２１を構成し、遷移元素含有層が伝熱部２０の防錆層２１ａを構成する。
【００４８】
遷移元素含有層の形成は、例えばアルミニウム基材を遷移元素を含んだ溶液に浸漬することで行うことができる。次に、遷移元素含有層の表面にプラズマ処理あるいは薬液処理等を行うことで、遷移元素含有層の表面に水酸基を導入する。
【００４９】
次に、遷移元素含有層が形成されたアルミニウム基材に対し、上記第１実施形態と同様の第２工程（親水性分子導入工程）、第３工程（ベーキング工程）、第４工程（ナトリウム塩化工程）を順に行う。以上の第１工程から第４工程を行うことで、本第２実施形態の第１層２１、防錆層２１ａおよび第２層２２を備える伝熱部２０を得ることができる。
【００５０】
以上説明した本第２実施形態によれば、第１層２１の表面に防錆層２１ａが形成することで、第１層２１に形成された防錆層２１ａと第２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２層２２の離脱を抑制することができ、第２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。
【００５１】
また、伝熱部２０から第２層２２が離脱して第１層２１が露出したとしても、防錆層２１ａに含まれる遷移元素が第１層２１の表面に移動し、第１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１層２１が腐食し、この腐食が広がることを抑制でき、第１層２１の腐食に起因する第２層２２のさらなる離脱を抑制できる。この結果、伝熱部２０の表面に整列している第２層２２の膜分子構造が維持され、第２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。
【００５２】
（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。
【００５３】
（１）上記実施形態では、第１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１層２１を銅やＳＵＳによって構成する場合には、第１層２１と第２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ＳｉＯ2によって構成することができる。
【００５４】
（２）上記実施形態では、第２層２２をリン酸系親水性分子として構成したが、これに限らず、第２層２２をリン酸系疎水性分子として構成してもよい。第２層２２をリン酸系疎水性分子とする場合には、伝熱部２０の表面で凝縮水が発生しても、凝縮水が速やかに取り除かれる。この結果、伝熱部２０の表面で凝縮水が凍結して霜が成長することを抑制できる。この場合、リン酸系疎水性分子における第１層２１側に位置する一端側にリン酸が設けられ、リン酸中の酸素と第１層２１のアルミニウムとが化学的結合を共有していればよい。
【符号の説明】
【００５５】
１０    熱交換器
２０    伝熱部
２１    第１層
２１ａ  防錆層
２２    第２層
【図１】
2017161215.tif 000007
【図２】
2017161215.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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