特許 7602251 熱交換器用部材、熱交換器、空気調和機、及び冷蔵庫

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-10

(45)【発行日】2024-12-18

(54)【発明の名称】熱交換器用部材、熱交換器、空気調和機、及び冷蔵庫

(51)【国際特許分類】

   F28F 13/18 20060101AFI20241211BHJP

   F28F 1/32 20060101ALI20241211BHJP

【ＦＩ】

F28F13/18 Z

F28F13/18 B

F28F1/32 H

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021042273

(22)【出願日】2021-03-16

(65)【公開番号】P2022142195

(43)【公開日】2022-09-30

【審査請求日】2023-10-11

(73)【特許権者】

【識別番号】724010754

【氏名又は名称】株式会社山一ハガネ

(74)【代理人】

【識別番号】110000497

【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】多胡 絵美

(72)【発明者】

【氏名】田島 秀春

【審査官】河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１６７６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２４８９５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００２５４６４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０６１５２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０１５３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２８１６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２０７６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５１８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／０６４４５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／０４６２９１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ １３／１８

Ｆ２８Ｆ １／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属からなる熱交換器用部材であって、
前記金属の表面に設けられ結晶質炭素が含有された金属酸化膜を有し、
前記金属酸化膜のみによって表面に凹凸が形成されており、
前記凸部の頂点の平均間隔が２０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、隣接する凸部の頂点の高さの平均値が１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であって、
且つ前記金属酸化膜の表面が水和酸化物であって、且つ前記表面は親水性を示すことを特徴とする熱交換器用部材。

【請求項2】

金属からなる熱交換器用部材であって、
前記金属の表面に凹凸が設けられ結晶質炭素が含有された金属酸化膜を有し、
前記凸部の頂点の平均間隔が２０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、隣接する凸部の頂点の高さの平均値が１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であって、
且つ前記金属酸化膜の表面が水和酸化物であって、且つ前記表面は親水性を示し、
前記金属酸化膜の表面から３～５ｎｍの範囲に含有されている結晶質炭素の含有比率が３ａｔ％以上４０ａｔ％以下あることを特徴とする熱交換器用部材。

【請求項3】

上記金属酸化膜の厚さが１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器用部材。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器用部材からなる熱交換フィンが設けられていることを特徴とする熱交換器。

【請求項5】

請求項４の熱交換器が設けられていることを特徴とする空気調和機用室内機。

【請求項6】

請求項４の熱交換器が設けられていることを特徴とする空気調和機用室外機。

【請求項7】

請求項４に記載の熱交換機が設けられていることを特徴とする冷蔵庫。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属表面にこの金属固有の特性以外の特性が付与されている熱交換器用部材及びこの部材を含む機器に関する。

【背景技術】

【0002】

空調機の稼働時に室内機及び室外機に設けられている熱交換器の熱交換フィン表面に結露や着霜が発生する。この熱交換フィン表面の結露や着霜は、送風効率の低下や、熱交換性の低下、それらに伴う空気調和機自体の消費電力の増加等、悪影響を及ぼす。近年、空気調和分野において、この熱交換フィン表面の結露や着霜に対する対策として親水化に関する技術が盛んに検討されている。このような技術は、例えば特許文献１に開示されている。

【0003】

特許文献１には、アクリル系樹脂（ポリアクリル酸系、アクリルアミノ系、アクリルアミド系等）、セルロース系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、アミド系樹脂、アミノ系樹脂等からなる親水性樹脂塗膜を熱交換器の熱交換フィン表面に形成することによって、熱交換フィンに発生する結露による通風抵抗の増大を抑制する方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平５－３２２４６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の技術では、熱交換器の熱交換フィンの一般的な材料であるアルミニウムや、その表面に自然に形成されている酸化アルミニウムよりも、著しく熱伝導性の低いアクリル系樹脂（酸化アルミニウムの熱伝統率の１/１８０程度）などの有機樹脂や、同じく親水性塗膜に用いられるシリカ粒子（酸化アルミニウムの熱伝統率の１/２０程度）やゼオライト（酸化アルミニウムの熱伝統率の１/１８０程度）等のセラミック材料を用いている。このため、空調機の消費電力増加の対策であるはずの親水性塗膜の組成物自体が、結露等が発生しない環境で空調機を稼働させる際には空調機の消費電力を増加させるという問題があった。

【0006】

さらに、接触角が小さくなるだけの親水化技術では、実際の結露によって生じる水滴が付着したまま滑落せず、ついには通風抵抗になるという問題もあった。

【0007】

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱交換器や熱交換器の熱交換フィンを形成している金属表面に、親水性と熱伝導性に優れる被膜で金属自体にはない特性を付与し、高効率な熱交換機用部材、熱交換器、空気調和機及び冷蔵庫を実現することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決するために、本発明の熱交換器用部材は、金属からなる熱交換器用部材であって、前記金属の表面に凹凸が設けられ結晶質炭素が含有された金属酸化膜を有し、前記凸部の頂点の平均間隔が２０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、隣接する凸の頂点の高さの平均値が１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であって、且つ前記金属酸化膜の少なくとも表面の一部が水和酸化物である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、熱交換器用部材に熱交換器の熱交換効率が向上する機能を付加できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態１に係る熱交換器用部材を用いた空気調和機の室内機を示す斜視図である。

【図2】本発明の実施形態１に係る熱交換器用部材を示す図である。

【図3】図２の矢視ａ－ａ断面を示す模式図である。

【図4】本発明の実施形態１に係る熱交換器用部材の表面のＳＥＭ斜視図である。

【図5】本発明の実施形態１を作製するための設備を示す図である。

【図6】本発明の実施形態１を作製するための負荷電解密度のタイムチャートを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

〔実施形態１〕
以下に、本発明の実施形態について、図１～図６に基づいて説明する。

【0012】

＜部材が組み込まれた空気調和機の室内機の構成＞
図１は、空気調和機の室内機１００のカットモデルを示す図である。空気調和機の室内機１００は、熱交換器１１０、エアフィルター１２０、送風ファン１３０、ドレンパン１４０、筐体１５０と図示しない制御部や駆動部等からなる。

【0013】

熱交換器１１０は冷媒配管１１１とフィン１１２からなる。本発明の熱交換器用部材は、熱交換器１１０（冷媒配管１１１及びフィン１１２）を構成する部材を意味する。以降の説明では、熱交換器用部材はフィン１１２を構成する部材として説明する。

【0014】

＜部材の構成＞
図２及び図２のａ－ａ断面図である図３は、本発明の熱交換器用部材の具体的例である熱交換器１１０を構成するフィン１１２を示す図である。図３に示すように、フィン１１２を形成する主要材料（アルミニウム、銅等）からなる金属素地１１２Ａ上に微細凹凸１１２Ｃが設けられた炭素含有水和酸化膜１１２Ｂを備えている。この微細凹凸１１２Ｃを有する炭素含有水和酸化膜１１２Ｂは、炭素が含有された少なくとも一部が水和された水和金属酸化膜であり、熱交換器１１０の熱交換効率が向上する機能を付与する。

【0015】

フィン１１２は、圧延アルミニウム板、又は圧延銅板からなる。フィン１１２の厚さは０．０５～０．５０であれば良い。さらに、このフィン１１２の厚さは、熱交換機として構成した際に、同じ体積の熱交換器で、フィン１１２より表面積を広くできるように、０．０５～０．２０が好ましい。大きさは、使用目的に応じて適宜決定される。

【0016】

炭素含有水和酸化膜１１２Ｂは、炭素が含有された金属素地材料と同じ又は同様の金属の酸化物であり、少なくとも一部が水和金属酸化物となっている。この炭素含有水和酸化膜１１２Ｂの膜厚は４０ｎｍ～３００ｎｍであれば良い。さらに、この炭素含有水和酸化膜１１２Ｂの膜厚は、含有される炭素類の熱伝導性を活用し、耐食性を向上させるために、１００ｎｍ～３００ｎｍが好ましい。この炭素含有水和酸化膜１１２Ｂに含有される炭素の含有比率は、表面（金属素地１１２Ａと接触する面の反対面）から３ｎｍ～５ｎｍの地点で１ａｔ％～５０ａｔ％であれば良い。さらに、この炭素含有水和酸化膜１１２Ｂに含有される炭素の含有比率は、炭素が含有されたことによって付与される特性を備えさせ、且つ皮膜の強度を保つために、表面から３ｎｍ～５ｎｍの地点で３ａｔ％～４０ａｔ％が好ましい。

【0017】

炭素含有水和酸化膜１１２Ｂに含有される炭素は、結晶性を有する物が好ましく、カーボンナノチューブやフラーレンやグラフェン等が、熱伝導を高めるために好ましい。

【0018】

なお、カーボンナノチューブやフラーレンやグラフェンなどは高価であるが、これらが含有される炭素含有水和酸化膜１１２Ｂは、いわゆるコーティングに比較して、極めて薄いため、実際に含有される量自体が非常に少なくなるのでコストの面でも優れている。

【0019】

微細凹凸１１２Ｃは、炭素含有水和酸化膜１１２Ｂの表面（金属素地１１２Ａと接触する面の反対面）に設けられており、微細凹凸１１２Ｃの凸部の頂点の平均間隔が２０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下で、かつ隣接する凸部の頂点及び凹部の底点の高さの差の平均値が１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であれば良い。さらに、この微細凹凸１１２Ｃは、より親水性を付与するため、凸部の頂点及び凹部の底点の高さの差の平均値が１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがより好ましい。

【0020】

以下に、図５～図６に基づき実施形態１に係る実施例を説明する。実施例におけるフィン１１２は、６０ｍｍ×６０ｍｍ×０．５ｍｍのアルミニウム板から作製される。このアルミニウム板（金属素地１１２Ａ）の表面に、微細凹凸１１２Ｃのある炭素含有水和酸化膜１１２Ｂを設けるために以下の処理を行った。

【0021】

先ず、このアルミニウム板（金属素地１１２Ａ）を、純度９９．５％のエタノールにて超音波洗浄（洗浄時間：５分）する。その後、処理液３０１が入った浴槽３００に、図５に示すように、電気回路４００に接続したアルミニウム板と、電気回路４００に接続したＳＵＳ３０４製電極４０４、４０５とを浸漬する。浴槽３００内の処理液３０１は、水酸化ナトリウムと、０．２％のカーボンナノチューブ分散液を、それぞれ濃度１．７ｇ／ｌ、１．６４ｍｌ／ｌとなるように精製水に添加することでなり、液温は室温（２０～３０℃）である。

【0022】

その後、図５に示す矢印の方向に電流が流れる場合を＋方向の電圧とした場合、図６に示すようなパターンで、整流器４０１と整流器４０２と切り替えスイッチ４０３により、アルミ板に電圧を負荷した。

【0023】

次に精製水にて超音波洗浄（洗浄時間：５分）する。更に９８℃の熱水に１５分に浸漬することでアルミニウム板表面の酸化アルミニウムを水和し、最後にエアブローで乾燥させる。このようにして、アルミニウム板（金属素地１１２Ａ）の表面に炭素含有水和酸化膜１１２Ｂを２００ｎｍ設けると同時に、炭素含有水和酸化膜１１２Ｂの表面に凹凸形状の凸部の頂点の平均間隔が７５ｎｍで、かつ隣接する凸部の頂点及び凹部の底点の高さの差の平均値が５０ｎｍである微細凹凸１１２Ｃを設け、フィン１１２とした。

【0024】

＜実証試験＞
ここで、熱交換器を構成するフィンで求められている特性について説明する。熱交換器では、多数の熱交換のためのフィンが、極狭い隙間を開けて配列されている。そのため、外気から熱を奪うために使われる際には、フィン表面に結露が生じる。結露は、冷房運転時の室内機において、フィンとフィンとの間に水滴のブリッジを作り、フィンとフィンの間の通風を阻害する。その結果、結露が熱交換の熱変換効率を阻害する。このように、結露によるフィン間の水滴のブリッジを防止する事で、熱交換器の熱交換効率を著しく向上させることができる。しかしながら、結露発生自体を防止する事は困難であり、フィンに親水コート塗布する親水処理を施すことにより、結露水のブリッジを抑制するしかなく、接触角が十分に低くならず、且つ水滴自体が滑落しないため、水滴がたまり結局ブリッジが生じるなど、十分に抑制できていなかった。

【0025】

更に、親水コートによる接触角の低減効果は耐久性がなく、結露と乾燥が繰り返されるとすぐに接触角が大きくなるため、長期的な抑制効果にかけた。

【0026】

さらに、上記親水処理は、アルミニウムの表面に自然に形成される酸化アルミニウムより熱伝導性の低いアクリル系樹脂や、シリカ粒子や、ゼオライト等を設けるため、肝心の熱交換率が低下するという問題もあった。

【0027】

本発明の熱交換を構成するフィン１１２は、そのメカニズムは不明であるが、接触角を小さくすると同時に、付着した水滴を容易に滑落させるため、結露水のブリッジを抑制する顕著な効果がある。また、アルミニウムの表面にある酸化アルミニウムに比較して熱伝導性の高い炭素が含有された炭素含有水和酸化膜１１２Ｂが設けられているので、アルミニウムに比較して熱伝導性の低いアクリル系樹脂や、シリカ粒子や、ゼオライト等を設ける一般的な親水処理に比較して、フィン１１２の主要材料であるアルミニウムの熱交換効率を阻害しない。

【0028】

図４に示す本発明の熱交換器を構成するフィン１１２と、図示しない比較用の上述の炭素含有水和酸化膜を形成する処理を行う前のアルミニウム板と同等の未処理のアルミ板からなる比較用フィン１１３と、同じく図示しない未処理のアルミニウム板に水和処理のみを施した比較用フィン１１４と、同じく図示しない未処理のアルミニウム板に現行空調機に使用されているシリカ系親水コートをアルミ板表面に塗布した比較用フィン１１５の水との接触角と滑落角を各々測定した。結果、本発明のフィン１１２は、接触角１７°、滑落角２６°、比較用フィン１１３は接触角：９３°、滑落はせず、比較用フィン１１４が接触角：４６°、滑落はせず、比較用フィン１１５が接触角１４°、滑落せずとなった。

【0029】

なお、上述の滑落角とは１０μｌの精製水からなる水滴を、水平に置かれた測定対象の板に滴下し、水滴が付着した板を所定の速さで傾けていき、水滴が滑落し始めた角度である。つまり、滑落角が小さいということは、結露した水滴がより滑落しやすく、単に接触角が小さい場合と比較して、フィンとフィンの間に生じる水滴のブリッジがより形成され難いことを意味する。

【0030】

上記結果より、本発明のフィン１１２は、比較フィン１１３～１１５よりも水滴ブリッジ抑制効果が高いことが確認された。

【0031】

また、空調機に用いられ熱交換フィンは、結露による水滴の付着と、運転休止時の乾燥が繰り返されながら長期にわたって使用される。そのため、初期の特性のみならず水滴付着と乾燥が繰り返された後の特性維持も重要である。

【0032】

そのため、水滴付着と乾燥のサイクルの加速試験として、乾湿試験がある。上記乾燥試験を本発明のフィン１１２と比較用フィン１１５で実施したところ、試験後の接触角の増加角はそれぞれ、５°と５５°であった。上記結果より、本発明のフィン１１２の特性維持性が優れていることが確認された。

【0033】

また、本発明のフィン１１２と比較用フィン１１３を用いて、図示しない熱交換器を作製し、内部での空気循環可能な密閉ＢＯＸ内に設置し、低湿度下（２６℃ ３０％ＲＨ）で冷却特性を確認したところ、本発明のフィン１１２を用いた熱交換器では、２時間後の到達温度が５．６℃であったが、比較用フィン１１３を用いた熱交換器では、７．６度までしか冷却できなかった。つまり、現時点で明確な理由は不明であるが、本発明のフィンは結露にかかわらず、熱交換性に優れるといえる。

【0034】

なお、本実施例では、表面に微細凹凸１１２Ｃを有する炭素含有水和酸化膜１１２Ｂを形成するために、上記条件での湿式での電解処理を用いたが、これに限られるものではなく、他の条件や他の処理法（カーボンナノチューブを含有した金属酸化物ターゲットを用いたスパッタやゾルゲル法等）により、形成したのち、水和処理しても良い。ただし、湿式での電解処理は、他の処理法よりコストの点で優れる。

【0035】

このように、本発明のフィン１１２は、従来の親水コート形成による親水処理に比較して、結露水ブリッジによる通風低下を抑制するとともに、結露が生じない場合でも熱交換器の熱交換率を改善できるという効果を奏する。

【0036】

また、本発明の実施形態１は、フィン１１２に限られるものではなく、例えば、銅製のラジエーター用冷却水配管や、パワーデバイスを冷却するための水冷ジャケット構成する部材であっても良く、いずれの場合も、フィン１１２と同様の効果を奏する。また、炭素含有水和酸化膜１１２Ｂは部材の耐食性を向上させるという効果も奏する。

【0037】

また、上記フィン１１２等の部材で構成される熱交換器は、フィン１１２と同様の効果を奏する。

【0038】

さらに、フィン１１２等の部材で構成された熱交換器が設けられている空気調和機や冷蔵庫も、フィン１１２と同様の効果を奏することは明らかであるので、結果的に消費電力が低減できるという効果を奏する。

【0039】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

【産業上の利用可能性】

【0040】

本発明は、結露水ブリッジによる通風低下抑制が必要とされる熱交換器用部材に利用することができる。

【符号の説明】

【0041】

１００…空気調和機の室内機
１１２…フィン
１１２Ｂ…炭素含有水和金属酸化膜（金属酸化膜）
１１２Ｃ…微細凹凸
３００…処理槽
４００…電気回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】