特開 2020-159674 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-159674(P2020-159674A)

(43)【公開日】2020年10月1日

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28F 17/00 20060101AFI20200904BHJP

   F28F 13/18 20060101ALI20200904BHJP

   F28F 1/32 20060101ALI20200904BHJP

   F28F 21/08 20060101ALI20200904BHJP

【ＦＩ】

   F28F17/00 501A

   F28F13/18 A

   F28F1/32 G

   F28F1/32 L

   F28F1/32 Y

   F28F21/08 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2019-63118(P2019-63118)

(22)【出願日】2019年3月28日

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】519111866

【氏名又は名称】デゾン・ジャパン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001472

【氏名又は名称】特許業務法人かいせい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】布施 卓哉

(72)【発明者】

【氏名】江夏 偉鵬

(72)【発明者】

【氏名】陳 宏棟

(57)【要約】

【課題】第１流体と第２流体の熱交換を行う熱交換器において、着霜の進行を抑制可能とする。
【解決手段】第１流体と、第１流体より低温の第２流体との間における熱交換を行うように構成され、少なくとも第１流体と接するように配設された伝熱部２０を備える。伝熱部は、第１流体と接する表面の少なくとも一部において、シリコン原子を含有する分子で構成されたシリコン含有粒子からなる被覆層２２を備える。シリコン含有粒子は、ナノサイズからマイクロサイズの粒子径を有しており、ナノサイズの粒子径を有していることが望ましい。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１流体と、前記第１流体より低温の第２流体との間における熱交換を行うように構成され、少なくとも前記第１流体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、前記第１流体と接する表面の少なくとも一部において、シリコン原子を含有する分子で構成されたシリコン含有粒子からなる被覆層（２２）を備える熱交換器。

【請求項2】

前記シリコン含有粒子は、ナノサイズからマイクロサイズの粒子径を有している請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記シリコン含有粒子は、ナノサイズの粒子径を有している請求項２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記伝熱部は、前記基材（２１）と、前記基材を構成する材料に基づく結晶で構成される凹凸形状の凹凸部（２１ａ）とを有しており、前記シリコン含有粒子が前記凹凸部の内部に入り込んでいる請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。

【請求項5】

前記基材を構成する材料はアルミニウムであり、前記凹凸部はアルミニウムのベーマイト処理によって形成された針状結晶によって構成されている請求項４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、第１流体と第２流体の熱交換を行う熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

電気自動車等の車両では、エンジン廃熱を車室内暖房の熱源として利用することができない。そこで、特許文献１では、室外熱交換器で吸熱した外気の熱をヒートポンプ式の冷凍サイクル装置で汲み上げ、室内の暖房に用いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７−１１０８９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、外気が低温且つ高湿度である場合には、室外熱交換器の伝熱面に着霜するおそれがある。室外熱交換器で着霜が進行すると、伝熱面の空気流路を閉塞し、熱交換できなくなる。このため、所定の霜成長を検出した場合、霜を除去する除霜運転がなされる場合が多い。除霜運転では、霜の融解にエネルギーが必要となり、除霜運転中は空調が機能しなくなる。

【0005】

本発明は上記点に鑑み、第１流体と第２流体の熱交換を行う熱交換器において、着霜の進行を抑制可能とすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の熱交換器は、第１流体と、第１流体より低温の第２流体との間における熱交換を行うように構成され、少なくとも第１流体と接するように配設された伝熱部（２０）を備える。伝熱部は、第１流体と接する表面の少なくとも一部において、シリコン原子を含有する分子で構成されたシリコン含有粒子からなる被覆層（２２）を備える。

【0007】

これにより、伝熱部の撥水性を高めることができる。このため、伝熱部に水分が付着することを抑制でき、伝熱部における霜の成長を遅延させることができる。霜の成長後に除霜運転を行う場合にも、伝熱部から霜を容易に滑落させることができ、早期に除霜を行うことができる。

【0008】

また、シリコン含有粒子からなる被覆層は、高い耐久性を備えている。このため、熱交換器を長時間使用しても、伝熱部の撥水性を長期間に渡って維持することができる。シリコン含有粒子は、ナノサイズからマイクロサイズの粒子径を有していることが望ましく、特にナノサイズの粒子径を有していることが望ましい。

【0009】

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。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態に係る熱交換器の斜視図である。

【図2】熱交換器の伝熱部を示す模式図である。

【図3】熱交換器の伝熱部の製造工程を示す図である。

【図4】熱交換器の伝熱部の接触角の変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の一実施形態に係る熱交換器について図を参照して説明する。本実施形態の熱交換器１０は、第１流体および第１流体より低温の第２流体とを熱交換する。本実施形態の熱交換器１０は、例えば車両用空調装置の室外熱交換器とすることができる。この場合において、第１流体は外気であり、第２流体は熱媒体であり、熱交換器１０は外気の熱を熱媒体に吸熱する。外気は、水分を含有する気体であり、所定の湿度を有している。熱媒体は、例えばエチレングリコール系の不凍液（ＬＬＣ）等を用いることができる。

【0012】

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。本実施形態では、チューブ１３およびフィン１４の材料としてアルミニウムを用いている。

【0013】

チューブ１３は、内部を熱媒体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。熱媒体は、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。

【0014】

このような構成において、熱媒体が複数のチューブ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）を外気が通過し、当該外気の熱が熱媒体に吸熱される。

【0015】

低温環境下では、熱交換器１０で外気と熱媒体とを熱交換する際に、外気に含まれる水分が熱交換部１１で凍結し、着霜することがある。熱交換器１０は着霜した場合に、加熱された熱媒体を供給する除霜運転で霜を除去することが可能となっている。

【0016】

次に、外気と熱媒体とを隔てる伝熱部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、外気と熱媒体との間において熱交換を行うように構成され、少なくとも外気と接するように配設された部分である。チューブ１３であれば外気に接する外表面が伝熱部２０に対応し、フィン１４であれば外気に接する板面の両側が伝熱部２０に対応する。

【0017】

図２に示すように、伝熱部２０は、基材２１と、その表面に設けられた被覆層２２を備えている。基材２１は、伝熱部２０の本体部であり、アルミニウムによって構成されている。

【0018】

基材２１の表面は、多数の突起部を有する凹凸部２１ａが形成されている。凹凸部２１ａは、針状の結晶構造となっており、基材２１の表面は微細な凹凸形状になっている。本実施形態では、基材２１の表面をベーマイト処理することで、凹凸部２１ａを形成している。ベーマイト処理された基材２１の表面の組成はＡｌＯ（ＯＨ）である。ベーマイト処理された基材２１の表面は、水酸基およびロータス効果によって、親水性が付与されている。

【0019】

図２は、基材２１の表面を模式的に表した図であり、実際の構造よりも単純化して示している。例えば、凹凸部２１ａにおける隣り合う突起部の先端側は互いに交差したり重なったりする場合があり、突起部は基材２１からまっすぐに延びずに、湾曲するように延びたり、折曲がって延びたりする場合がある。

【0020】

基材２１の表面には、凹凸部２１ａによって微小な細孔が形成されている。基材２１の表面に形成された細孔の大きさと形状は不均一である。基材２１の表面に形成された細孔は、後述するシリコン含有粒子がよりも充分に大きくなっており、細孔の内部にシリコン含有粒子が入り込むことができる
被覆層２２は、基材２１の表面を覆うように設けられている。被覆層２２は、シリコン含有粒子によって構成されている。シリコン含有粒子は、シリコン原子を含有する分子で構成される粒子である。シリコン原子を含有する分子としては、例えばシロキサンを好適に用いることができる。シロキサンは、シリコン原子と酸素原子が交互に結合したシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ）を骨格とする化合物である。

【0021】

シリコン含有粒子は、ナノサイズからマイクロサイズの粒子であり、１０ｎｍ程度〜１０μｍ程度の粒子径を有している。本実施形態では、粒径が１μｍ未満のナノサイズのシリコン含有粒子を用いており、シリコン含有粒子をシリコンナノ粒子ともいう。

【0022】

被覆層２２のシリコン含有粒子は、基材２１の表面に化学結合しておらず、基材２１の表面に分子間力によって結合している。分子間力は静電相互作用に基づく引力である。このため、分子間力による結合は、共有結合やイオン結合といった原子同士が結合する化学結合（分子内結合）に比べて弱い結合となっている。

【0023】

伝熱部２０では、基材２１の表面に被覆層２２が形成されていることで、撥水機能が付与される。

【0024】

次に、熱交換器１０の伝熱部２０の製造方法について説明する。

【0025】

〔第１工程：ベーマイト処理〕
ベーマイト処理の前処理として、基材２１をイソプロピルアルコール中で１０分間超音波処理する。超音波処理後、基材２１を１１０℃で１０分間加熱し、イソプロピルアルコールを除去する。

【0026】

次に、沸騰させた超純水によって基材２１を１０分間煮沸し、基材２１の表面をベーマイト化するベーマイト処理を行う。ベーマイト処理によって、基材２１の表面に針状の結晶構造が形成される。これにより、基材２１の表面に微細な細孔を有する凹凸部２１ａが形成される。

【0027】

ベーマイト処理の後処理として、室温で基材２１を超純水で洗浄する。超純水による洗浄後、基材２１に窒素ガスを吹きつける。

【0028】

〔第２工程：加熱処理〕
次に、ベーマイト処理された基材２１を加熱する加熱処理を行う。加熱処理では、基材２１を６０℃で１０分間加熱する。加熱処理によって、基材２１の表面から水分が除去され、シリコン含有粒子が付着しやすくなる。

【0029】

〔第３工程：シリコン付着処理〕
次に、基材２１にシリコン含有粒子を付着させるシリコン付着処理を行う。シリコン付着処理では、浸漬、ポッティング、スプレー等によって、基材２１の表面にシリコン含有粒子を付着させることができる。本実施形態では、シリコン含有粒子を液体に分散させたシリコン分散液体に基材２１を浸漬する浸漬処理を行う。

【0030】

シリコン含有粒子として、シロキサンナノ粒子を用いている。シリコン含有粒子を分散させる液体としては、オイルを用いている。オイルの種類は特に限定されず、原油や鉱物油等を用いることができる。オイルとして、原油や鉱物油よりも精製度の高い油を用いてもよい。

【0031】

本実施形態では、基材２１をシリコン分散液体に浸漬する時間を３０分間としている。浸漬処理後、空気流で基材２１から余剰なシリコン分散液体を吹き飛ばす。

【0032】

〔第４工程：液体除去処理〕
次に、基材２１の表面に付着したシリコン分散液体からオイルを除去する液体除去処理を行う。本実施形態では、基材２１を加熱することで、オイルを気化させてシリコン分散液体からオイルを除去している。

【0033】

本実施形態の液体除去処理では、基材２１を１７０℃で３０分間加熱している。液体除去処理の加熱温度は、オイルの種類によって変更すればよい。精製度が低いオイルであれば加熱温度を高くし、精製度が高いオイルであれば加熱温度を低くすればよい。

【0034】

液体除去処理によって、基材２１の表面からオイルが除去され、基材２１の表面にシリコン含有粒子からなる被覆層２２を形成できる。

【0035】

液体除去処理では、基材２１の表面からオイルを完全に除去する必要はなく、シリコン含有粒子が基材２１の表面で保持できれば、基材２１の表面にオイルが少量残留していてもよい。オイルは疎水性を有しているので、基材２１の表面に残留したオイルは、伝熱部２０への水分の付着抑制に寄与する。

【0036】

以上の第１工程から第４工程を行うことで、基材２１の表面に被覆層２２が形成された伝熱部２０を得ることができる。

【0037】

次に、伝熱部２０における被覆層２２の耐久性を図４を用いて説明する。図４は、基材２１の表面に水を流し続ける水洗処理を長時間行った場合の接触角の変化を示している。図４の接触角は、水の接触角を意味している。接触角は、３点で測定した平均値である。図４の実施例１および実施例２では、基材２１として用いたアルミニウムの種類が異なっている。

【0038】

実施例１では、ベーマイト処理の前後で接触角が９０．０６７°から２１．３５２°に低下している。ベーマイト処理後の基材２１に被覆層２２を形成した後には、接触角が１０８．０７８°になっている。実施例１では、水洗開始後の接触角は、２０時間後に１１８．３６１°になり、４１時間後に１１９．９７５°になり、６４時間後に１２０．３１１°になり、９０時間後に１０２．０４１°になった。

【0039】

実施例２では、ベーマイト処理前の接触角が８８．０２°であり、ベーマイト処理を行った基材２１に被覆層２２を形成した後には、接触角が１０６．７８４°になっている。実施例２では、水洗開始後の接触角は、２０時間後に１０７．９５４°になり、４１時間後に１２０．８７４°になり、６４時間後に１１６．５０８°になり、９０時間後に８９．２９５°になった。

【0040】

実施例１、２では、基材２１の表面に被覆層２２を形成することで、ベーマイト処理前よりも接触角が大きくなっている。つまり、基材２１の表面に被覆層２２を形成することで、撥水性が高くなっている。基材２１の水洗開始から６４時間経過後では、接触角が小さくなっていない。基材２１の水洗開始から９０時間経過後では、接触角が若干小さくなっているものの、ベーマイト処理前よりも大きな接触角を維持している。これは、基材２１の表面を長時間水洗しても、基材２１の表面に被覆層２２が保持されており、高い撥水性を維持していることを示している。

【0041】

以上説明した本実施形態によれば、熱交換器１０の伝熱部２０において、基材２１の表面にシリコン含有粒子からなる被覆層２２を形成することで、撥水性を高めることができる。このため、熱交換器１０の伝熱部２０に水分が付着することを抑制でき、伝熱部２０における霜の成長を遅延させることができる。霜の成長後に除霜運転を行う場合にも、伝熱部２０から霜を容易に滑落させることができ、早期に除霜を行うことができる。

【0042】

また、シリコン含有粒子からなる被覆層２２は、高い耐久性を備えている。このため、熱交換器１０を長時間使用しても、伝熱部２０の撥水性を長期間に渡って維持することができる。

【0043】

また、本実施形態では、基材２１の表面をベーマイト処理し、基材２１の表面に多数の細孔を有する凹凸部２１ａを形成している。このような基材２１の表面形状によっても、伝熱部２０に水分が付着することを抑制できる。さらに、基材２１の凹凸部２１ａに形成された細孔にシリコン含有粒子が入り込んで被覆層２２が形成されることから、基材２１の表面に被覆層２２が保持されやすくなり、耐久性を向上させることができる。

【0044】

また、本実施形態では、シリコン含有粒子をオイルに分散させたシリコン分散液体を用いて基材２１の表面に被覆層２２を形成している。これにより、簡易な方法で基材２１の表面に被覆層２２を形成することができる。

【0045】

（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。

【0046】

例えば、上記実施形態では、本発明の熱交換器を車両用空調装置の室外熱交換器に適用したが、これに限らず、本発明の熱交換器を異なる種類の熱交換器に適用してもよい。

【0047】

また、上記実施形態では、第１流体として外気を用い、第２流体として熱媒体を用いたが、第１流体および第２流体はこれらの流体に限定されず、異なる種類の流体を用いることができる。

【0048】

また、上記実施形態では、第１流体を気体、第２流体を液体としたが、第１流体および第２流体はそれぞれ気体でも液体でもよい。第１流体が液体の場合には、冷却によって固形化した第１液体中の成分が伝熱部２０に付着することを抑制できる。

【0049】

また、上記実施形態では、伝熱部２０の全体において、基材２１の表面に被覆層２２を形成するようにしたが、伝熱部２０の少なくとも一部において、基材２１の表面に被覆層２２を形成すればよい。例えば伝熱部２０に着霜しやすい部位が存在する場合には、着霜しやすい部位において、基材２１の表面に被覆層２２を形成すればよい。

【0050】

また、上記実施形態では、伝熱部２０の外気（第１流体）に接触する側において、基材２１の表面に被覆層２２を形成するようにしたが、伝熱部２０の熱媒体（第２流体）に接触する側にも、基材２１の表面に被覆層２２を形成してもよい。

【0051】

また、上記実施形態では、第４工程である液体除去処理において、基材２１を加熱して基材２１の表面に付着したシリコン分散液体からオイルを除去するようにしたが、加熱以外の方法によってオイルを除去するようにしてもよい。例えば、減圧によってオイルの気化温度を低下させ、シリコン分散液体からオイルを除去するようにしてもよい。

【0052】

また、上記実施形態では、基材２１の表面に形成する被覆層２２を１層とした例について説明したが、複数の被覆層２２を積層して形成してもよい。複数の被覆層２２を積層する場合には、上述した第２工程〜第４工程を繰り返し行えばよい。被覆層２２の積層数を多くすることで、被覆層２２の厚みを大きくすることができ、耐久性を向上させることができる。

【符号の説明】

【0053】

２０ 伝熱部
２１ 基材
２１ａ 凹凸部
２２ 被覆層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】