JP6940270B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、空気との熱交換を行う伝熱部材を備える熱交換器に関する。

従来から、空気と熱交換を行うヒートポンプ式の空調機や冷凍機が提供されている。このようなヒートポンプでは、例えば空調機であれば冬期には冷たい空気からさらに熱を吸収することになり、熱交換器に着霜を生じる。また冷凍機であれば目的の低温を生成するために氷点下まで熱交換器を冷却するため、やはり熱交換器には着霜を生じる。霜層は熱伝導率が低いために断熱材となり、ヒートポンプの動作効率が低下する原因となる。このため、着霜すると除霜する必要がある。

従来のヒートポンプの除霜運転は、着霜の程度を冷媒圧力等で検知すると、いったん動作を停止し、冷凍サイクルを逆に動作させ、ホットガスにより解氷している。また、冷媒を逆回転させることによって蒸発器を凝縮器として動作させることにより解氷している場合もある。特許文献１には、四方切替弁によって熱交換器の機能を逆転させるように冷媒の流れ方向を切り替えて除霜運転を行う冷凍サイクル装置が開示されている。

しかし、ヒートポンプの除霜運転に際して特許文献１のように冷媒を逆回しする場合には、本来の動作を間欠的に停止する必要があり、連続運転できないという問題がある。また、除霜のための熱を本来の動作の相手方から吸収することはできないため（例えば、暖房運転中の除霜運転で、室内空気の熱を吸収するわけにはいかない）、除霜するための熱量はもっぱらポンプ仕事に頼ることになる。このときのＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）は１であるため、ヒートポンプの全体的なＣＯＰが低下する要因となっている。

ところで、着霜は熱伝導率を低下させるという問題はあるものの、凝固熱を取得できるという点においては価値がある。暖房時のヒートポンプは、空気および湿分の顕熱のほか、湿分の凝縮熱及び凝固熱（いずれも潜熱）を使っている。発明者らが行った試験では、この潜熱は全交換熱量の最大40％を占めるという結果になった（相対湿度50〜80%時に0〜40％）。

このことから、仮に着霜を全く生じないとすると、ヒートポンプが得られる熱も不足してしまうと考えられる。したがって、霜を熱で解氷するのではなく、機械的（物理的）に着霜を除去することができれば、エネルギーの損失がなく、凝固熱を最大限有効に利用できる可能性がある。しかし凝固した氷の結晶は固く、機械的に除去することは容易ではないことは周知の通りである。

そこで発明者らは、着霜した霜を機械的に容易に除去することができる熱交換器を開発した（特許文献２）。特許文献２の熱交換器では、熱交換器のフィンの表面に微細な凸部および凹部を形成している。これにより、凸部の上面の平面部の上に垂直方向に霜結晶が成長し、凹部の上は間隙となる。この結果、フィンには、全体として櫛歯状の霜結晶が形成される。このような形状の霜結晶は構造的に弱いため、例えばブラシやスクレーパーなどを用いた械的な除去手段で容易に払い落とすことができる。したがって、特許文献２によれば、熱交換器において、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能となる。

特開２００９−１０９０６３号公報 特許第５９８９９６１号

特許文献２の構成であると、上述したようにフィンには、全体として櫛歯状の霜結晶が形成される。このため、フィンの外周近傍の霜結晶はブラシ等によって容易に除去できるが、ブラシ等が届かない内側の領域には霜結晶が残ってしまう。このため、霜結晶をより効率的に除去することができるよう、更なる改善の余地があった。

本発明は、このような課題に鑑み、付着した霜をより効率的に除去することが可能な熱交換器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる熱交換器の代表的な構成は、空気との熱交換を行う伝熱部材を備える熱交換器であって、伝熱部材は、空気の進行方向の上流側の縁近傍に、縁と並行に形成された複数本の線状の凸部を有することを特徴とする。

上記構成では、熱交換器の伝熱部材には、空気の進行方向の上流側の縁に線状の凸部が形成されている。これにより、空気が熱交換器を通過する際、空気中の水分は線状の凸部で垂直方向に霜結晶が成長する。このような形状は構造的に弱いため、機械的な除去手段で容易に払い落とすことができる。

このとき、上記構成のように線状の凸部が伝熱部材の上流側の縁近傍に設けられていることにより、霜結晶は、伝熱部材全体ではなく、その上流側の縁近傍に形成される。すなわち霜結晶は、ブラシ等が届きやすい範囲に形成される。したがって、伝熱部材に付着した霜をブラシ等によって効率的に除去することが可能となる。

上記伝熱部材はフィンであり、複数本の線状の凸部は、フィンの空気の進行方向の上流側の縁近傍に該縁と並行に形成されているとよい。かかる構成によれば、伝熱部材がフィンであるとき、その上流側の縁近傍に複数本の線状の凸部を形成することにより、上述した効果を好適に得ることが可能である。

上記伝熱部材はフィンレスチューブであり、複数本の線状の凸部は、フィンレスチューブの少なくとも空気の進行方向の上流側の面に上下方向に延びて形成されているとよい。かかる構成のように、フィンではなくフィンレスチューブを備える熱交換器であっても、上流側の面に凸部を形成することにより、上記と同様の効果を得ることが可能である。

上記凸部は、伝熱部材の空気の進行方向の下流側の縁近傍にも形成されているとよい。かかる構成によれば、フィンの下流側においても空気中の水分が凸部において結晶化する。これにより、上流側で結晶化しきれなかった水分を下流側の凸部で結晶化させることができ、より効率的に凝固熱を空気から吸熱することができる。

上記凸部の数は、伝熱部材の下流側よりも上流側の方が多いとよい。空気中の水分が主に結晶化する上流側の凸部の数を多くすることにより、水分の結晶化を促進し、効率的に凝固熱を吸熱することができる。そして、下流側では、上流側を通過した空気に残っている水分が更に結晶化される。

当該熱交換器は、伝熱部材の下流側に、伝熱部材と間隔をあけて配置される後段伝熱部材を更に備えるとよい。これにより、空気との熱交換をより効率的に行うことが可能となる。

上記複数本の凸部は、空気の進行方向で間隔をあけて配置され、凸部の上面に幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部を有し、凸部の平面部の間隔が１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、凸部の高さは５０μｍ以上であるとよい。。

かかる構成のように、凸部の上面に平面部が設けられていることにより、凸部の上面における霜結晶の法線方向への成長を促進することができる。平面部の幅は、過冷却液滴の大きさより大きい１００μｍ以上であることが好ましく、機械的除去のための剛性を考慮して５００μｍ以下であることが好ましい。また隣接する凸部の間への着霜を抑制するために凸部の平面部の間隔は１０００μｍ以下であることが好ましく、凸部の上の霜結晶同士が結合することを抑制するために凸部の平面部の間隔は１００μｍ以上であることが好ましい。

更に凸部の高さは５０μｍ以上であることが好ましい。凸部の高さは、すなわち複数の凸部の間の空間（以下、凹部と称する）の深さと一致する。凹部は熱伝達への寄与が少なく、霜結晶の分断に主な役割を有している。そして凹部への着霜を抑制するためには、凸部の高さが５０μｍ以上であることが好ましいためである。

当該熱交換器は、凸部に当接して上下方向に移動可能なブラシを更に備えるとよい。これにより、フィンやフィンレスチューブ等の伝熱部材の凸部に付着した霜を好適に除去することができる。

上記ブラシは、上方から下方に向かって移動して上方に戻るとよい。かかる構成によれば、ブラシが上方から下方に移動する際に伝熱部材から剥離した霜が下方に落下する。したがって、除去した霜の周辺への飛散を防ぐことができ、霜を効率的に収集することが可能となる。またブラシの待機位置が上方になるため、ブラシが霜受け皿から水分を吸うおそれがない。

上記ブラシは、縦断面視において毛先が上下方向に広がった扇形をしているとよい。これにより、ブラシが下方および上方のいずれの方向に移動する際にも霜を奥側に押し込むことなく、好適に霜を除去することができる。

本発明によれば、付着した霜をより効率的に除去することが可能な熱交換器を提供することができる。

第１実施形態にかかる熱交換器の構成を説明する図である。 図１に示すフィンの平面図である。 図１に示すフィンの断面図である。 凸部および凹部の三面図と霜結晶の様子を模式的に示す図である。 機械的な除去手段としてのブラシを説明する図である。 霜結晶の形成および除去について説明する図である。 第１実施形態の熱交換器の変形例を説明する図である。 第１実施形態の熱交換器における自然対流下試験の試験結果を説明する図である。 第１実施形態の熱交換器における強制対流下試験の試験結果を説明する図である。 寸法関係に関する実験を説明する図である。 着霜の様子を説明する顕微鏡写真である。 実施例７の着霜の様子を説明する顕微鏡写真である。 熱流束について説明する図である。 第２実施形態にかかる熱交換器の構成を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる熱交換器の構成を説明する図である。熱交換器１００は空気（外気）と熱交換を行うものであって、不図示のファンなどによって気流が通過するフィンチューブ式の熱交換器である。チューブ１０２には、冷媒が不図示のポンプ、凝縮器、膨張弁を通って循環している。第１実施形態の熱交換器１００は、空気との熱交換を行う伝熱部材としてフィン１０４を備える。フィン１０４は銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属によって形成され、チューブ１０２に拡管接合されており、表面積を増やすことによって空気との熱伝導率を高めている。

図２は、図１に示すフィン１０４の平面図である。図２に示すように、第１実施形態の熱交換器１００の特徴として、伝熱部材の例としてのフィン１０４には、空気の進行方向の上流側の縁１０４ａ近傍に、縁１０４ａと並行に複数本の線状の凸部１０６が形成されている。凸部１０６は、フィン１０４の上流側の縁１０４ａと並行に上下方向に線状に延びている。凸部１０６はプレス加工を行うことにより好適に形成することが可能である。なお、フィン１０４には、縁よりも内側の領域に、上述したチューブ１０２が挿通される挿通孔１０３が形成されている。

図３は、図１のフィン１０４の断面図である。図３に示すように、本実施形態の熱交換器１００では、複数の凸部１０６が、空気の進行方向で間隔をあけて配置されている。これにより、図３の拡大図に示すように、複数の凸部１０６の間にはそれぞれ凹部１０８が形成される。フィン１０４は薄板であるから、凹部１０８は反対側の面において凸部１０６を形成する。すなわち本実施形態では、フィン１０４の上流側の縁１０４ａ近傍には凸部１０６およびその間の凹部１０８からなる微細な波形状が形成されている。凸部１０６の上面には平面部１０６ａが形成されている。

図４は、凸部１０６および凹部１０８の三面図と霜結晶１２０の様子を模式的に示す図である。上記のような凸部１０６と凹部１０８が形成されていることにより、ここに着霜するときには、凸部１０６の上面の平面部１０６ａにもっぱら付着し、かつ、平面部１０６ａの法線方向に結晶が成長する。したがって図２に示すように、霜結晶１２０は凸部１０６を延長したようなリブ形状の薄板が配列した構造となる。なお、仮に凸部１０６の上面が丸く形成されていると、霜結晶１２０も放射状に成長する。したがって、霜結晶１２０を上方に向かって成長させるために（薄板状に成長させるために）、凸部１０６の上面に平面部１０６ａを形成することが重要である。

このような霜結晶１２０が形成されるメカニズム（理由）については、まだ未解明な部分も多い。推論も含めて説明すれば、まず空気中の湿分はフィン１０４に近づいたときに過冷却液滴となり、凸部１０６の平面部１０６ａに付着する。その過冷却状態が解除されると、液滴の内部で氷の結晶化が開始される（なお、約−４０度以下の低温になると、空気中で結晶化する）。結晶の上に次の過冷却液滴が付着すると、氷の結晶がエピタキシャル成長し、既存結晶の結晶構造を継承して新しい結晶が形成される。これにより結晶方向が揃った霜結晶１２０が形成され、平面部１０６ａの法線方向に向かって成長すると考えられる。

なお霜が凸部１０６の上面に付着して凹部１０８の内部に付着しないのは、凸部１０６の上面に過冷却液滴が付着することによって空気が乾燥してしまって、凹部１０８の内部には湿分がほとんど到達しないためと考えられる。

上記のようにして形成された霜結晶１２０は、薄板であるから構造的に弱く、凸部１０６との接合面から折れやすいため、ブラシなどの機械的な除去手段によって容易に除去することができる。そこで図１に示すように、本実施形態にかかる熱交換器１００では、ブラシ１１０を備えている。ブラシ１１０は、フィン１０４の凸部１０６に当接して配置され、上下方向に移動可能である。

このとき、特に第１実施形態の熱交換器１００では、上述した凸部１０６および凹部１０８は、フィン１０４の全面ではなく上流側の縁１０４ａ近傍に形成されている。このため、霜結晶１２０は、フィン１０４全体ではなく上流側の縁１０４ａ近傍のみに形成される。したがって、凸部１０６に接触するように配置されたブラシ１１０を上下方向に移動させることにより、フィン１０４の上流側の縁１０４ａの霜結晶１２０を好適に除去することができる。換言すれば、フィン１０４の上流側の縁１０４ａはブラシ１１０が届きやすい領域である。したがって、そこにのみ霜結晶１２０が形成されることにより、ブラシ１１０を上下方向に移動させるだけで霜結晶１２０を除去することが可能となる。

図５は、機械的な除去手段としてのブラシ１１０を説明する図である。図３に示すように、本実施形態のブラシ１１０は、軸１１０ａに毛１１２が付けられていて、毛１１２の毛先は縦断面視において上下方向に広がった扇形をしている。

仮に毛先が広がってない従来のブラシであると、ブラシが下方に移動する際には毛先が全体的に上方に向かって曲がってしまい、せっかく除去した霜結晶１２０がフィン１０４の奥側に向かって押し込まれてしまう可能性がある。そして、ブラシが上方に移動する際には毛先が全体的に下方に向かって曲がってしまい、やはり除去した霜結晶１２０がフィン１０４の奥側に向かって押し込まれてしまう可能性がある。

これに対し本実施形態では、ブラシ１１０の毛先が上下方向に広がった扇型となっている。ブラシが下方に向かって移動する際には、下側に向かった毛先によって霜結晶１２０が除去される。ブラシが上方に向かって移動する際には、上側に向かった毛先によって霜結晶１２０が除去される。したがって、ブラシ１１０が上方および下方のいずれの方向に移動する際にも、除去した霜結晶１２０をフィン１０４の奥側に押し込むことがなく、霜結晶１２０を効率的に除去することが可能である。

ブラシ１１０は、フィン１０４の上部を待機位置とすることが好ましい。そして、霜結晶１２０を除去する際には、ブラシ１１０を上方から下方に向かって移動させ、下方から上方に戻すことが好ましい。ブラシ１１０を往復させるとき、最初の移動においてより多くの霜が剥離される。したがって、まず上方から下方に向かって移動させることにより、除去した霜の周辺への飛散を防ぐことができ、霜を効率的に収集することが可能となる。

また本実施形態では、図１に示すようにフィン１０４の上流側の下部に霜受け皿１３０を設けている。これにより、上述したようにブラシ１１０を移動させることによって除去した霜結晶１２０は霜受け皿１３０に堆積する。したがって、除去した霜結晶１２０を好適に収集することができ、フィン１０４周囲の清掃の手間を軽減することができる。なお、ブラシ１１０の待機位置がフィン１０４の上部であるから、ブラシ１１０が霜受け皿１３０から水分を吸うおそれがない。

なお、本実施形態では機械的な除去手段としてブラシを例示したが、これに限定するものではない。機械的な除去手段の他の例としては、ブラシの他にスクレーパーを用いたり、フィンに振動や衝撃を与えたりすることでもよい。またブラシの形状においても、必ずしも扇状に限定するものではなく他の形状のブラシを採用することも可能である。更にブラシの動作についても上記動作に限定されず、ブラシを回転させながら霜結晶１２０を除去してもよい。換言すれば、回転ブラシを用いることも可能である。

なお空気が熱交換器１００を通過するとき、上流側（一次側）で冷却と凝縮がおきて着霜し、熱交換器１００の内部でさらに冷却され、下流側（二次側）では乾燥空気となっている。したがって着霜するのは主として上流側であるから、上流側のみにブラシ１１０を備えていれば足り、一方側にのみブラシ１１０を備えていることで装置構成の簡略化を図ることができる。

ただし結晶が成長するにつれて方向性には乱れが生じ、霜結晶１２０の個々の薄板は幅が太くなっていき、やがて隣接する薄板と結合してしまう。そうなると相互に補完しあって剛性が高くなってしまうために、ブラシ１１０では除去しにくくなってしまう。そこで、霜結晶１２０の成長速度に応じて、ある程度の頻度でブラシ１１０を稼働させることが好ましい。

更に第１実施形態では、図２に示すように、フィン１０４の上流側の縁１０４ａだけではなく、フィン１０４（伝熱部材）の空気の進行方向の下流側の縁１０４ｂの近傍にも凸部１０６が形成されている。これにより、フィン１０４の下流側においても空気中の水分が凸部１０６において結晶化する。したがって、水分が結晶化する際の凝固熱を空気から吸熱することができる。

図６は、霜結晶１２０の形成および除去について説明する図である。図６（ａ）は、霜結晶１２０が形成されているフィン１０４を模式的に示した図であり、図６（ｂ）は、霜結晶１２０を除去したフィン１０４を模式的に示した図である。平面部１０６ａに液滴が付着すると、図６（ａ）に示すように、かかる平面部１０６ａ状に種結晶１２２が形成される。そして、この種結晶１２２上に枝結晶１２４が成長していくことにより上述した霜結晶１２０が形成される。

そして、上述したようにブラシ１１０による除去作業を行うと、図６（ｂ）に示すように、枝結晶１２４が除去され、種結晶が１０６ａ上に残存する。これにより、残存した種結晶１２２を基としてかかる種結晶１２２上に枝結晶１２４が成長する。すなわち霜結晶１２０を除去した際に種結晶１２２が平面部１０６ａ上に残存することにより、枝結晶１２４の生成を促進することができる。これにより、水分が結晶化する際の凝固熱を空気から効率的に吸熱することが可能となる。

図７は、第１実施形態の熱交換器１００の変形例を説明する図である。図２に示すフィン１０４では、上流側の縁１０４ａおよび下流側の縁１０４ｂの両方の近傍に凸部１０６を形成していた。これに対し、図７（ａ）に示すフィン１４０ａでは上流側の縁１０４ａ近傍のみに凸部１０６を形成している。気流が熱交換器１００を通過する際、それに含まれる水分の大部分は上流側の縁１０４ａ近傍の凸部１０６において霜結晶として析出する。したがって、図７（ａ）に示すようにフィン１４０ａの上流側の縁１０４ａ近傍のみに凸部１０６を設ける構成としても、上述した効果を十分に得ることが可能である。

図７（ｂ）に示すフィン１４０ｂは、上流側の縁１０４ａおよび下流側の縁１０４ｂの両方の近傍に凸部１０６が形成されているが、凸部１０６の数は下流側よりも上流側の方が多く設定されている。これにより、上流側の凸部１０６において空気から吸熱することができ、且つ下流側では、上流側を通過した空気に残っている水分が更に結晶化される。空気中の水分が主に結晶化する上流側の凸部１０６の数を多くすることにより、水分の結晶化を促進し、効率的に凝固熱を吸熱することができる。

図７（ｃ）では、伝熱部材であるフィン１０４の下流側に、かかるフィン１０４と間隔をあけて後段伝熱部材である後段フィン１５０を配置している。後段フィン１５０においては乾燥した空気が流通するために着霜の量がきわめて少なく、熱伝達率の低下が小さい。これにより、空気との熱交換をより効率的に行うことが可能となる。

図８は、第１実施形態の熱交換器１００における自然対流下試験の試験結果を説明する図である。自然対流下試験では、鉛直冷却面に第１実施形態の熱交換器のフィン１０４を貼付した実験体を作成した。実験条件は、冷却面の表面温度を約−１２０℃とし、周辺環境を温度２１０００℃、湿度０．０１２ｋｇ／ｋｇとした。トレーサー粒子は、境界層内で発生する氷の粒子を用いた。

図８（ａ）に示すように、フィン１０４では、かかるフィン１０４に形成された凸部１０６上に霜結晶１２０が形成されていて、凹部１０８には着霜していないことが確認できる。このように、上記説明したようにフィン１０４の縁に凸部１０６を設けることにより、フィン１０４全体ではなく、凸部１０６に選択的に霜結晶を形成させることができる。これにより、凹部における熱伝達率の低下を防止すると共に、霜結晶１２０をブラシ１１０によって好適に除去することが可能となる。

図８（ｂ）では、フィン１０４の凸部１０６近傍におけるトレーサー粒子の流れを観察した図である。図８（ｂ）に示すように、フィン１０４の凸部１０６近傍では、複数の凸部１０６の頂点に沿うように空気が流れる。このとき、空気の一部が凹部１０８に入りこむことにより、凹部１０８では渦が発生する。そして、凹部１０８において渦状の空気とフィン１０４との熱交換が行われることにより、フィン１０４における熱交換効率の向上を図ることができる。

図９は、第１実施形態の熱交換器１００における強制対流下試験の試験結果を説明する図である。図９（ａ）は実施例および比較例における総括熱伝達率の変化を示すグラフである。図９（ｂ）は実施例および比較例における熱交換効率の値を示す図である。実施例は、第１実施形態の熱交換器１００（縁に凸部１０６を設けたフィン１０４を備える熱交換器１００）を用いている。比較例は、凸部を設けていない平坦な板状のフィンを備える熱交換器を用いている。なお、実験条件は、空気の温度を２℃、湿度を８０％とし、面風速を１ｍ／ｓとした。

図９（ａ）に示すように、総括熱伝達率は、経過時間に拘わらず、常に比較例よりも実施例のほうが高い値を示している。このことから、本発明によれば、空気との熱交換効率を向上する効果が得られることが理解できる。また図９（ｂ）を参照しても、いずれの経過時間においても、比較例よりも実施例のほうが大幅に高い熱交換効率が得られていることが明らかである。

次に、上記のような霜結晶１２０を形成するために、凸部１０６と凹部１０８の寸法関係について説明する。まず結論から先に述べると、平面部１０６ａの最小の幅が１００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。凸部１０６の平面部１０６ａの間隔（すなわち凹部１０８の幅）の最小の幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。最小の幅とは、凸部１０６および凹部１０８の長手方向の幅（リブまたは溝の長さ）ではなく、短手方向の幅を意味している。凸部の高さは５０μｍ以上であることが好ましい。なお、凸部１０６の高さとは、言い換えると凹部１０８の深さである。

図１０は、寸法関係に関する実験を説明する図である。試験片である銅板に、放電加工によって線状の溝である凹部１０８を６本形成することにより、下記寸法の凸部１０６および凹部を形成した。図１０（ａ）に示すように、平面部１０６ａの幅をＷ［μｍ］、平面部１０６ａの間隔をＬ［μｍ］、凸部の高さをＺ［μｍ］とする。そして図１０（ｂ）に示すように、実施例１〜３は平面部の間隔Ｌを２５０μｍに固定し、平面部の幅Ｗをそれぞれ１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍとした。凸部の高さＺは、枝番ａ〜ｅを付して、３００μｍ〜７００μｍまで１００μｍ刻みで変化させた。実施例４〜６は、平面部の幅Ｗを２５０μｍ、凸部の高さＺを７００μｍに固定し、平面部の間隔Ｌをそれぞれ５００μｍ、７５０μｍ、１０００μｍとした。また比較例として、無加工の銅板に対する着霜の様子を観察した。

図１１は着霜の様子を説明する顕微鏡写真である。図１１において基準面とは、実施例では凸部１０６の上面の平面部１０６ａであり、比較例では銅板の表面である。図１１に示す着霜の実験では、図４に示した試験片を−１０℃まで冷却して、大気下で霜結晶の成長過程を撮影した。

図１１（ａ）は平面部の幅Ｗを比較する図である。比較例では基準面に一様に着霜していることがわかる。一方、実施例１−ｅ（幅Ｗが１００μｍ）、実施例２−ｅ（幅Ｗが２５０μｍ）では、凸部１０６の平面部１０６ａ上に着霜して法線方向に結晶成長し、凹部１０８にはほとんど着霜していないことがわかる。図示しないが実施例３（幅Ｗが５００μｍ）でも、同様に平面部１０６ａの表面に着霜し、平面部１０６ａの法線方向に結晶が成長していた。これらのことから、平面部１０６ａの幅が１００μｍ以上５００μｍ以下が好ましいことが確認できた。

平面部の幅Ｗが１００μｍ未満の場合について説明する。空気中の湿分がフィン１０４に付着するとき、過冷却液滴として付着し、その過冷却状態が解除されると、液滴の内部で氷の結晶化が開始される。ここで平面部の幅Ｗが過冷却液滴の大きさよりも狭いと、凸部１０６の先端に球状に液滴が付着し、放射状に結晶が成長してしまう。すなわち平面部１０６ａの法線方向に結晶を成長させるためには、過冷却液滴の直径よりも平面部の幅Ｗを大きくする必要がある。この過冷却液滴の大きさは、別途の実験を行ったところ、親水処理をしたもので７２μｍ、撥水処理をしたもので２８μｍであった。そこで、若干のばらつきを考慮して、平面部の幅Ｗが１００μｍ以上であればほぼ確実に平面部１０６ａの法線方向に結晶成長させられると考えられる。

平面部の幅Ｗが５００μｍより大きい場合について考える。このとき結晶の成長方向は法線方向になるが、平面部１０６ａと霜結晶１２０との接合面が大きくなる（結晶の根元の幅が太くなる）ため、機械的強度が増してしまい、機械的に除去することが困難になってしまう。したがってこの上限については除去手段との兼ね合いにもなるが、５００μｍ以下であれば上記のブラシ１１０によっても容易に除去可能であった。

図１１（ｂ）は、平面部の間隔Ｌを比較する図である。実施例２−ｅ（間隔Ｌが２５０μｍ）では凹部１０８の中にはほとんど着霜していないが、実施例６（間隔Ｌが１０００μｍ）では凹部１０８の中にも若干着霜してしまっている。また図５（ａ）に示しているように、実施例１−ｅ（間隔Ｌが１００μｍ）の場合にも、凹部１０８の中にはほとんど着霜していない。

平面部の間隔Ｌが１００μｍ未満の場合、凹部１０８の中への着霜は生じない。しかし、霜結晶１２０の薄板は結晶成長に伴って幅が太くなっていくため、隣接する霜の薄板が近すぎると早期に相互に結合して堅牢な構造を形成してしまう。そのため、平面部の間隔Ｌは１００μｍ以上であることが好ましい。

平面部の間隔Ｌが１０００μｍより大きくなると、さらに凹部１０８の中への着霜が大きくなり、凹凸を形成していることの意義が失われてしまう。平面部の間隔Ｌが１０００μｍの場合も凹部１０８の中への着霜が見られるが、この状態でも上記のブラシ１１０による除去は可能であった。そのため、平面部の間隔Ｌは、１０００μｍ以下が好ましいことが確認された。

繰り返しになるが、平面部の幅Ｗが１００μｍ以上５００μｍ以下、平面部の間隔Ｌが１００μｍ以上１０００μｍ以下という数値範囲の限界的意義は、この範囲であれば本発明を実施可能であることが確認できていることを意味している。換言すれば、この範囲をわずかでも超えたら実施不可能になることを意味するものではない。

図１１（ｃ）は凸部の高さＺを比較する図である。実施例２−ａ（高さＺが３００μｍ）でも、実施例２−ｅ（高さＺが７００μｍ）でも、凹部１０８の中には着霜せず、空隙が形成されていることがわかる（写真の黒い部分）。これらのことから、凸部の高さＺが３００μｍ以上であれば、平面部１０６ａの上に霜結晶１２０が形成されることが確認された。なお凹部１０８がさらに深いことについては、熱的な制限はほとんどなく、凹部１０８を形成するための加工技術上の制限によってその高さＺが決定されると考えられる。

図１２は、実施例７の着霜の様子を説明する顕微鏡写真である。実施例７では、図１０（ａ）に示す各パラメータを、平面部の幅Ｗ＝１００μｍ、平面部の間隔Ｌ＝２００μｍ、凸部の高さＺ＝５０μｍとしたフィンを用いている。図１２から明らかなように、凸部の高さＺを５０μｍとした場合においても、基準面すなわちフィンの凸部の平面部に霜結晶が形成している。したがって、凸部の高さＺは、上述した３００μｍよりも低い５０μｍであっても十分に本発明の効果が得られることが理解できる。

図１３は熱流束について説明する図である。図１３は図１０に示した比較例と実施例２−ｅの熱流束を測定した結果を示している。図１３に示すグラフの横軸は冷却面温度［℃］、縦軸は熱流束［Ｗ／ｍ^２］である。なお冷却面初期温度ｔｗ０＝−１９０℃、空気温度ｔａ＝２５℃、冷却面姿勢θ＝９０度、空気湿度ｘａ＝０．０１１９ｋｇ／ｋｇである。

図１３に示すように、熱流束については、無加工の銅板である比較例と実施例２−ｅとの間で、ほとんど差が見られなかった。このことから、凸部１０６および凹部１０８を形成しても熱交換器１００としての能力の低下はないことが確認された。

上記説明したように、熱交換器１００の表面に上記のような凸部１０６および凹部１０８を設けることにより、凸部１０６の上面の平面部１０６ａの上に薄板が配列した櫛歯状の構造の霜結晶１２０を形成することができる。このような霜結晶１２０は構造的に弱く、機械的な除去手段で容易に払い落とすことができるため、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な熱交換器を提供することができる。

本発明は、従来の熱による除霜（ヒートポンプにおける冷媒の逆回しや、散水による除霜）を必ずしも除外するものではなく、併用して利用可能である。例えば、熱による除霜を従来は２０分に１回程度行っていたところを、本発明を併用することによって１時間に１回程度の頻度にすることができれば、十分に利益を得ることができる。

［第２実施形態］
図１４は、第２実施形態にかかる熱交換器２００の構成を説明する図である。図１４（ａ）に示すように、第２実施形態の熱交換器２００は、第１実施形態の熱交換器１００のフィン１０４に替えて、伝熱部材の例としてのフィンレスチューブ２１０を備える。なお図１４（ａ）ではフィンレスチューブ２１０を３つだけ描いているが、熱交換器２００は多数のフィンレスチューブ２１０を備える。フィンレスチューブ２１０は、内部を冷媒が通過する冷媒流路２１２を有する。

本実施形態の特徴として、フィンレスチューブ２１０には、複数本の線状の凸部２１６が形成されている。これにより、伝熱部材としてフィン１０４ではなくフィンレスチューブ２１０を備える熱交換器２００であっても同様の効果を得ることが可能である。

なお、図１４（ａ）に示すフィンレスチューブ２１０では外側の面の全面に凸部２１６を形成しているが、これに限定するものではない。凸部２１６は、フィンレスチューブ２１０の外側の面のうち少なくとも、空気の進行方向の上流側の面に形成されていれば、第１実施形態の熱交換器１００と同様の効果を得ることが可能である。

図１４（ｂ）は、第２実施形態の熱交換器２００の変形例である。図１４（ｂ）に示す熱交換器２００ａは、伝熱部材であるフィンレスチューブ２１０の下流側に、かかるフィンレスチューブ２１０と間隔をあけて、後段伝熱部材の例としての後段フィン１５０が配置されている。このように、２つの伝熱部材を配置することにより、より効率的に空気から吸熱することが可能となる。

なお、図７（ｃ）では伝熱部材の例としてフィン１０４を示し、後段伝熱部材の例として後段フィン１５０を示した。図１４（ｂ）では伝熱部材の例としてフィンレスチューブ２１０を示し、後段伝熱部材の例として後段フィン１５０を示した。しかし本発明はこれらの組み合わせに限定されない。すなわち、前段と後段はフィンチューブないしフィンレスチューブをいずれも適宜選択することができる。

また後段伝熱部材のフィンまたはフィンレスチューブには、上流側の縁に凸部１０６を形成してもよいし、凸部１０６を形成しなくてもよい。更に本実施形態では伝熱部材としてフィンおよびフィンレスチューブを例示したが、これにおいても限定されず、他の伝熱部材に本発明を適用することも可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、空気との熱交換を行う伝熱部材を備える熱交換器として利用可能である。

１００…熱交換器、１０２…チューブ、１０３…挿通孔、１０４…フィン、１０４ａ…縁、１０４ｂ…縁、１０６…凸部、１０６ａ…平面部、１０８…凹部、１１０…ブラシ、１１０ａ…軸、１１２…毛、１１２ａ…上側毛、１１２ｂ…下側毛、１２０…霜結晶、１２２…種結晶、１２４…枝結晶、１３０…霜受け皿、１４０ａ…フィン、１５０…後段フィン、２００…熱交換器、２００ａ…熱交換器、２１０…フィンレスチューブ、２１２…冷媒流路、２１６…凸部

Claims (3)

1. 空気との熱交換を行う伝熱部材を備える熱交換器であって、
   前記伝熱部材は薄板のフィンであり、
   前記フィンは、
   空気の進行方向の上流側の縁近傍に該縁と並行に形成された複数本の線状の凸部を有し、
   前記縁近傍よりも内側の領域に冷媒が循環するチューブが挿通される挿通孔を有していて、
   前記縁近傍よりも内側の領域には前記凸部を有しておらず、
   前記複数本の凸部は、空気の進行方向で間隔をあけて配置され、
   前記凸部の上面に幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部を有し、
   前記凸部の平面部の間隔が１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、
   前記凸部の高さは５０μｍ以上であることを特徴とする熱交換器。
2. 前記凸部は、前記伝熱部材の空気の進行方向の下流側の縁近傍にも形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記凸部の数は、前記伝熱部材の下流側よりも上流側の方が多いことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。

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