WO2017150353A1 - 熱交換器 - Google Patents

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WO2017150353A1
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heat exchanger
air
phosphonic acid
heat
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卓哉 布施
稲垣　孝治
裕太 才賀
侑樹 小中出
上仁 柴田
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株式会社デンソー
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/02—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings
    • F28F19/06—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings of metal

Definitions

  • This disclosure relates to a heat exchanger that exchanges heat between air having a predetermined humidity and a low-temperature fluid.
  • the heat exchanger is indispensable when transferring heat between two fluids, and high performance has been studied. For example, a case where the air is cooled by exchanging heat between the outside air and the evaporative refrigerant as two fluids, such as an outdoor unit, can be considered. In this case, the air has a predetermined humidity, and water inevitably condenses and freezes on the heat transfer wall. As a result, “frost” grows on the heat transfer surface.
  • frost grows, there is a risk of blocking the air flow path of the heat exchanger. Therefore, generally, when a predetermined frost growth is detected, a so-called “defrosting operation” for removing frost is often performed. This defrosting operation not only takes extra energy for melting the frost, but also the air conditioning does not function during that period. For this reason, it is required to earn as much time as possible before shifting to the defrosting operation mode.
  • Patent Document 1 proposes a technique in which a super-water-repellent treatment is performed on a heat transfer surface of a heat exchanger, and moisture contained in the air is condensed on the water-repellent surface and then slides down before freezing. Thereby, suppression of frost growth is anticipated.
  • This indication aims at providing the heat exchanger which can fully suppress frost growth in view of the above-mentioned point.
  • the heat exchanger is configured to exchange heat between air having a predetermined humidity and a fluid having a temperature lower than that of air, and is disposed so as to be in contact with at least air.
  • the heat transfer unit includes at least a first layer and a second layer located between the first layer and air.
  • the second layer is composed of a plurality of molecules having hydrophilicity or hydrophobicity, and includes phosphonic acid at the first end of the plurality of molecules facing the first layer, and oxygen in the phosphonic acid is combined with the first layer. Shares chemical bonds.
  • the surface of the second layer can be covered with the second layer made of phosphonic acid-based molecules, and even when condensed water is generated on the surface of the heat transfer section, frost growth is effectively suppressed. can do.
  • phosphonic acid is provided at the end of the plurality of molecules facing the first layer, and oxygen in the phosphonic acid shares a chemical bond with the first layer.
  • a 1st layer and a 2nd layer can be couple
  • the heat exchanger is a heat exchanger for absorbing heat, and is an evaporator that cools air for air conditioning in a refrigeration cycle of a vehicle air conditioner, for example.
  • the heat exchanger 10 includes a heat exchange unit 11 and a pair of header tanks 12 connected to the heat exchange unit 11.
  • the heat exchanging portion 11 includes a plurality of tubes 13 having a flat cross section and corrugated fins 14 interposed between the tubes 13.
  • the tube 13 and the fin 14 are made of aluminum.
  • the tube 13 is a tube member through which a refrigerant as a heat medium flows, and both ends of each tube 13 are connected to communicate with the inside of the pair of header tanks 12, respectively.
  • the refrigerant is a fluid having a temperature lower than that of air.
  • the fin 14 is a heat transfer member that is formed in a wave shape from a thin strip material and forms a heat transfer surface. The fin 14 is joined to the tube 13.
  • the refrigerant that has been depressurized in the refrigeration cycle to low temperature and low pressure flows through the plurality of tubes 13. Further, air passes through the outside of the tube 13 and around the fins 14 (outside of the heat exchange unit 11), and the air is cooled by the low-temperature refrigerant.
  • the heat transfer unit 20 is a part of the heat exchanger 10 that is configured to exchange heat between air and the refrigerant, and is disposed so as to be in contact with at least air.
  • the outer surface in contact with air corresponds to the heat transfer unit 20
  • both sides of the plate surface in contact with air correspond to the heat transfer unit 20.
  • the heat transfer section 20 has two layers of a first layer 21 and a second layer 22.
  • the first layer 21 is made of a material having a higher thermal conductivity among the two layers of the heat transfer section 20.
  • the 1st layer 21 is a substrate which constitutes tube 13 and fin 14, and is constituted from aluminum in this embodiment.
  • the second layer 22 is formed on the air side surface of the first layer 21. That is, the second layer 22 is located on the air side with respect to the first layer 21.
  • the 2nd layer 22 is positioned as a film formed in the surface of the 1st layer 21 which is a substrate.
  • the second layer 22 is configured to share chemical bonds with the first layer 21.
  • the second layer 22 may be located between the first layer 21 and the air.
  • the second layer 22 is made of a material having a higher affinity for water among the two layers of the heat transfer section 20. Specifically, the second layer 22 is configured as a rod-shaped molecule having a linear structure.
  • the rod-like molecule of the present embodiment is a hydrophilic molecule and includes a polymer composed of repeating unit structures represented by the following chemical formula 1 or chemical formula 2.
  • the second layer 22 of the present embodiment contains polyethylene glycol (PEG) as a polymer.
  • the second layer 22 is a phosphonic acid-based hydrophilic molecule and has phosphonic acid on one end side located on the first layer 21 side. Phosphorus in the phosphonic acid shares a chemical bond with one end of the polymer contained in the second layer 22.
  • the second layer 22 includes a carboxylate group and an alkali metal ion as a counter cation on the other end located on the air side. Specifically, the air side of the second layer 22 is sodium carboxylate (COONa). One end of the second layer 22 may be the first end, and the other end may be the second end.
  • Aluminum constituting the first layer 21 as a base material shares a chemical bond with oxygen in the phosphonic acid of the second layer 22. Thereby, the 1st layer 21 and the 2nd layer 22 are combined firmly, and the coverage of the 1st layer 21 by the 2nd layer 22 can be increased.
  • a boehmite treatment is performed as a pretreatment to boehmite the surface of a substrate made of an aluminum plate.
  • the boehmite treatment can be performed, for example, by boiling an aluminum base material in ion exchange water for 10 minutes.
  • hydroxyl groups are generated on the surface of the aluminum substrate.
  • a baking process is performed in which the aluminum base material having phosphonic acid hydrophilic molecules introduced on the surface thereof is heated. Specifically, the aluminum base material into which the phosphonic acid-based hydrophilic molecule is introduced is heated at 140 ° C. for 6 hours. As a result, the dehydration reaction proceeds, the oxygen contained in the phosphonic acid hydrophilic molecule phosphonic acid and the aluminum contained in the aluminum substrate are covalently bonded, and the phosphonic acid hydrophilic molecule is firmly attached to the surface of the aluminum substrate. Join.
  • the aluminum substrate to which the phosphonic acid-based hydrophilic molecule is bonded is immersed in alcohol, ultrasonic waves are applied for 10 minutes, ethanol washing is performed, and drying is further performed.
  • a sodium chloride step is performed in which sodium is introduced into the carboxylate group located on the air side of the phosphonic acid hydrophilic molecule. Specifically, an aluminum base material to which phosphonic acid-based hydrophilic molecules are bonded is immersed in a saturated aqueous NaHCO3 solution at room temperature for 20 minutes. Thereby, the hydrogen of the carboxylate group is replaced with sodium, and sodium chloride can be performed.
  • FIG. 5A shows a case where condensed water is generated on the surface of the heat exchange unit 11 that does not include the heat transfer unit 20 of this embodiment
  • FIG. 5B condenses on the surface of the heat exchange unit 11 that includes the heat transfer unit 20.
  • the case where water is generated is shown.
  • the surface of the heat exchange unit 11 that does not include the heat transfer unit 20 (hereinafter referred to as the cooling surface 30) is formed of only the first layer 21 without the second layer 22 of the heat transfer unit 20 formed. .
  • the condensed water adheres as water droplets W1 on the cooling surface 30.
  • the water droplet W1 has a large contact angle, and air stagnation is formed on the cooling surface 30, so that water vapor easily collects in the water droplet W1. For this reason, there exists a possibility that the growth of the frost pillar based on the water droplet W1 may be accelerated
  • the air side in the heat transfer section 20 is hydrophilized, so that condensed water adheres as a thin film W2.
  • the water thin film W2 has a small contact angle and inhibits air flow from being inhibited. Thereby, it becomes difficult to cause air stagnation by the thin film W2, and water vapor hardly collects in the thin film W2. For this reason, the growth of frost based on the thin film W2 of water is suppressed.
  • the surface of the heat transfer section 20 is covered by covering the surface of the first layer 21 as the base material with the second layer 22 made of phosphonic acid-based hydrophilic molecules. Even when condensed water is generated, the growth of frost can be effectively suppressed.
  • phosphonic acid is provided at the end of the second layer 22 on the first layer 21 side, and oxygen in the phosphonic acid is chemically bonded to aluminum in the first layer 21. Share. Thereby, the 1st layer 21 and the 2nd layer 22 can be combined firmly, and the coverage of the 1st layer 21 by the 2nd layer 22 can be made high.
  • a rust prevention layer 21 a is formed on the first layer 21 on the side facing the second layer 22.
  • the rust preventive layer 21 a shares a chemical bond with oxygen in the phosphonic acid in the second layer 22.
  • the rust prevention layer 21a is formed on the surface of the first layer 21 constituting the base material, and the second layer 22 constituting the coating layer is formed on the surface of the rust prevention layer 21a.
  • the rust prevention layer 21 a has a function of suppressing corrosion that occurs in the first layer 21.
  • the rust prevention layer 21a includes a transition element.
  • the transition element is an element between the Group 3 element and the Group 12 element of the periodic table.
  • the anticorrosive layer 21 a containing the transition element has a higher bonding strength with the second layer 22 than the first layer 21.
  • the rust prevention layer 21a may be composed of only a transition element, or may contain a substance other than the transition element.
  • the transition element contained in the rust prevention layer 21a may be one kind or plural kinds.
  • the effect of suppressing corrosion of the first layer 21 is higher when there are a plurality of types of transition elements contained in the rust prevention layer 21a.
  • the transition element contained in the rust prevention layer 21a exists in an oxide state.
  • the first layer 21 is aluminum
  • Zr, Ti, V, Cr, Ni, Zn, and Mo as transition elements constituting the rust prevention layer 21a
  • the first layer 21 is used.
  • V is contained in the rust prevention layer 21a, the effect of suppressing the corrosion of the first layer 21 made of aluminum is high.
  • the manufacturing method of the second embodiment is mainly different from the first embodiment in the first step (pretreatment).
  • a transition element-containing layer containing a transition element is formed on the surface of the aluminum substrate.
  • the aluminum base material constitutes the first layer 21 of the heat transfer section 20, and the transition element-containing layer constitutes the rust prevention layer 21 a of the heat transfer section 20.
  • the transition element-containing layer can be formed, for example, by immersing the aluminum base material in a solution containing a transition element. Next, a hydroxyl group is introduced into the surface of the transition element-containing layer by performing plasma treatment or chemical treatment on the surface of the transition element-containing layer.
  • the second step hydrophilic molecule introduction step
  • the third step baking step
  • the fourth step sodium chloride
  • Steps are performed in order.
  • the bonding strength between the rust preventive layer 21 a formed on the first layer 21 and the second layer 22 by forming the rust preventive layer 21 a on the surface of the first layer 21. Can be improved. Thereby, detachment
  • the transition element contained in the rust prevention layer 21a moves to the surface of the first layer 21 and The surface is covered with a rust prevention layer 21a.
  • the 1st layer 21 corrodes by contact with water, it can control that this corrosion spreads, and the further secession of the 2nd layer 22 resulting from corrosion of the 1st layer 21 can be controlled.
  • the film molecular structure of the second layer 22 aligned with the surface of the heat transfer section 20 is maintained, and the hydrophilicity of the second layer 22 can be maintained over a long period of time.
  • the first layer 21 is made of aluminum, but is not limited thereto, and may be made of other materials such as copper and SUS.
  • the first layer 21 is made of copper or SUS, by providing a binder layer between the first layer 21 and the second layer 22, these layers can be firmly bonded to each other.
  • the binder layer can be made of, for example, SiO2.
  • the second layer 22 is configured as a phosphonic acid-based hydrophilic molecule.
  • the present invention is not limited thereto, and the second layer 22 may be configured as a phosphonic acid-based hydrophobic molecule.
  • the second layer 22 is a phosphonic acid-based hydrophobic molecule, even if condensed water is generated on the surface of the heat transfer section 20, the condensed water is quickly removed. As a result, it is possible to prevent the condensed water from freezing and growing frost on the surface of the heat transfer section 20.
  • phosphonic acid is provided on one end side of the phosphonic acid-based hydrophobic molecule located on the first layer 21 side, and oxygen in the phosphonic acid and aluminum in the first layer 21 share a chemical bond. Good.

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Abstract

熱交換器は、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、少なくとも空気と接するように配設された伝熱部（２０）を備える。伝熱部は、少なくとも第１層（２１）と、第１層と空気との間に位置する第２層（２２）とを有する。第２層は、親水性または疎水性を有する複数の分子から構成されるとともに、第１層に対向する複数の分子の第１端にホスホン酸を備え、ホスホン酸中の酸素が第１層と化学的結合を共有している。この熱交換器によると、霜成長を十分に抑制することができる。

Description

熱交換器 関連出願の相互参照
　本出願は、当該開示内容が参照によって本出願に組み込まれた、２０１６年３月３日に出願された日本特許出願２０１６－０４０７８９および、２０１７年１月２７日に出願された日本特許出願２０１７－０１２８０４を基にしている。
　本開示は、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。
　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。
　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。
　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。
国際公開第２０１２／１４７２８８号
　しかしながら、本発明者らの検討によると、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おそれがある。
　本開示は上記点に鑑み、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。
　本開示の一態様によると、熱交換器は、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、少なくとも空気と接するように配設された伝熱部を備える。伝熱部は、少なくとも第１層と、第１層と空気との間に位置する第２層とを有する。第２層は、親水性または疎水性を有する複数の分子から構成されるとともに、第１層に対向する複数の分子の第１端にホスホン酸を備え、ホスホン酸中の酸素が第１層と化学的結合を共有している。
　これにより、第２層の表面をホスホ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。
　また、複数の分子における第１層に対向する端部にホスホン酸が設けられ、ホスホン酸中の酸素が第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。
本開示の第１実施形態に係る熱交換器の斜視図である。 第１実施形態に係る伝熱部の構成を示す模式図である。 第１実施形態に係る伝熱部の製造工程を示す図である。 第１実施形態に係る伝熱部の製造工程を示す図である。 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である。 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。 第２実施形態に係る伝熱部の構成を示す模式図である。
　以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
　（第１実施形態）
　以下、本開示の第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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。第２層２２は、第１層２１と空気との間に位置しても良い。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 　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。
　第２層２２は、ホスホ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ホスホン酸を備えている。ホスホン酸中のリンが、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。第２層２２の一端は第１端でも良く、他端は第２端でも良い。
　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のホスホ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。
　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。
　〔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。
　〔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ホスホン酸系親水性分子を導入する。具体的には、ホスホ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、ホスホ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ホスホン酸系親水性分子が導入される。
　〔第３工程：ベーキング工程〕
　次に、図４に示すように、表面にホスホ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、ホスホ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、ホスホン酸系親水性分子のホスホ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ホスホン酸系親水性分子が強固に結合する。
　その後、ホスホ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。
　〔第４工程：ナトリウム塩化工程〕
　次に、ホスホ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、ホスホ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。
　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。
　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。
　図５Ａ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５Ｂ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。
　図５Ａ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おそれがある。
　これに対し、図５Ｂ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。
　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の表面をホスホ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。
　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側の端部にホスホン酸が設けられ、ホスホン酸中の酸素が第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。
（第２実施形態）
　次に、本開示の第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。
　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におけるホスホン酸中の酸素と化学的結合を共有している。
　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。
　防錆層２１ａは、遷移元素を含んで構成されている。本開示では、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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　本開示は上述の実施形態に限定されることなく、本開示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。
　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。
　上記実施形態では、第２層２２をホスホ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をホスホン酸系疎水性分子として構成してもよい。第２層２２をホスホ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、ホスホ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ホスホン酸が設けられ、ホスホン酸中の酸素と第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。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (8)

  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層と前記空気との間に位置する第２層（２２）とを有し、
    　前記第２層は、親水性または疎水性を有する複数の分子から構成されるとともに、前記第１層に対向する前記複数の分子の第１端にホスホン酸を備え、前記ホスホ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。
  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。
  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。
  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層に含まれるホスホ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。
  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層に含まれるホスホン酸中のリンが前記重合体の一端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。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
  6. 　前記複数の分子のそれぞれは、前記第１端と反対の第２端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。
  7. 　前記第１層における前記第２層に対向する面は、遷移元素を含んだ防錆層（２１ａ）を有し、
    　前記第２層における前記ホスホ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。
  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む請求項７に記載の熱交換器。
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