CN110392815B - 热交换器及空调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热交换器及空调装置，该热交换器具有即使在结霜环境下使用时，也能够通过使冷凝水飞散而抑制结霜的表面构造。所述热交换器具有表面设置有疏水性涂膜的部分，其中，设置有疏水性涂膜的表面具有如下表面构造，在设L：凸部的平均间距、d：凸部的平均直径、rw(整体)：表面整体的平均面积扩大率、rw(凸部)：表面凸部的平均面积扩大率、θw：疏水性涂膜的平滑平面上的水的接触角的情况下，满足如下所有的关系：rw(整体)＞0.6/|cosθw|；rw(凸部)＞0.6/|cosθw|；0.1＜d/L＜0.8；L＜3.0μm；以及90°＜θw＜120°。

Description

热交换器及空调装置
技术领域
本发明涉及一种热交换器及空调装置。
背景技术
目前，已知有在空调中被用作制冷剂的蒸发器的热交换器。
当该热交换器在温度及湿度满足特定条件的环境下使用时，有时霜附着在表面上，并且由于该霜生长而使得热交换器的通风阻力增大。
这样，当热交换器的通风阻力增大时，热交换器的热交换效率就会降低。因此，在霜的附着量增大的情况下，通过进行用于使该霜融化的运转(除霜运转)等，能够减小热交换器中的通风阻力。
但是，当频繁地进行用于使该霜融化的除霜运转时，使热交换器作为制冷剂的蒸发器起作用并进行热负荷的处理这样的本来的运转会受到阻碍。
与此相对，例如，根据专利文献1(日本特开2013-120047号公报)的记载，提案有：通过将对形成有疏水性的皮膜的热交换器从送风风扇供给的空气的送风方向朝向下方，将冷凝水的自重作用的方向和送风方向设为相同的方向，易于使冷凝水飞散或下落，从而减少热交换器中的结霜量。
发明内容
发明要解决的问题
但是，在专利文献1记载的方法中，只不过讨论了通过设置疏水性的皮膜以及特定送风方向来实现结霜量的减少，对于用于减少结霜量的热交换器的表面构造没有进行任何讨论。
本公开是鉴于上述的要点而完成的，本公开的目的在于，提供一种具有即使在结霜环境下使用时，也能够通过使冷凝水飞散而抑制结霜的表面构造的热交换器及空调。
用于解决问题的技术方案
在本案中，为了解决上述问题而进行了深入研究，结果发现，通过在具备疏水性的表面构造中采用满足特定条件的表面构造，能够使冷凝水飞散来抑制结霜，从而完成了本公开内容。
第一观点所涉及的热交换器是一种具有表面设置有疏水性涂膜的部分的热交换器，其中，设置有疏水性涂膜的表面具有包含多个凸部的表面构造。该表面构造是能够通过冷凝水滴彼此结合产生的能量使结合后的冷凝水滴从疏水性涂膜的表面脱离的构造。该冷凝水滴的水滴直径是即使在规定的冻结条件下也能够维持过冷却状态的液滴直径。
在此，作为规定的冻结条件，没有特别限定，但也可以设定为冷凝水的周围的气氛温度成为水的融点即0℃以下的温度的条件，还可以设为更低的-1℃以下，也可以设定为-3℃以下，也可以设定为-5℃以下。
此外，上述表面构造可以仅设置于设置有疏水性涂膜的表面的一部分，也可以在整体上设置，在一部分具有上述表面构造的情况下，在该一部分获得效果，在整体具有上述表面构造的情况下，整体上获得效果。
在该热交换器中，通过设置疏水性涂膜，能够使得冷凝水等难以被保持，从而易于飞散。
而且，在疏水性涂膜的表面，即使在如规定的冻结条件下那样的低温环境下，在疏水性涂膜表面存在的冷凝水的水滴直径是小到可维持过冷却状态的程度的液滴直径的状态下，由于冻结而变成冰的情况得以抑制，所以容易被维持在液体状态。
另外，在上述疏水性涂膜的表面，在这样的过冷却状态的微小的液滴直径的冷凝水滴彼此结合的情况下，即使因结合而产生的能量不足以从疏水性涂膜的表面脱离，在这种情况下，结合后的冷凝水依然会成为微小的液滴直径，容易维持过冷却状态，冻结而变成冰的情况得以抑制，易于维持在液体状态。
另外，根据上述疏水性涂膜的表面构造，在这样的过冷却状态的微小的液滴直径的冷凝水滴彼此结合的情况下，在因结合而产生的能量足以能够从疏水性涂膜的表面脱离的情况下，假设即使水滴直径变大到难以维持过冷却状态的程度，结合形成的液滴即冷凝液滴也能够通过因该结合而产生的能量从疏水性涂膜的表面脱离。
如上所述，在疏水性涂膜的表面，能够抑制成为霜生长的起点的冰核的发生，冷凝水能够在热交换器表面冻结之前飞散，因此，能够抑制热交换器上的结霜导致的通风阻力的增大。
第二观点所涉及的热交换器是一种具有表面设置有疏水性涂膜的部分的热交换器。设置有疏水性涂膜的表面具有如下表面构造，在设
L：凸部的平均间距、
d：凸部的平均直径、
rw(整体)：表面整体的平均面积扩大率、
rw(凸部)：表面凸部的平均面积扩大率、
θw：疏水性涂膜的平滑平面上的水的接触角
的情况下，满足如下所有关系：
rw(整体)＞0.6/|cosθw|
rw(凸部)＞0.6/|cosθw|
0.1＜d/L＜0.8
L＜3.0μm
90°＜θw＜120°。
此外，上述表面构造可以仅设置于设置有疏水性涂膜的表面的一部分，也可以在整体上设置，在一部分具有上述表面构造的情况下，在该一部分获得效果，在整体具有上述表面构造的情况下，在整体上获得效果。
该热交换器通过设置疏水性涂膜，冷凝水等难以被保持，容易飞散。并且，由于在形成有疏水性涂膜的部位采用了该表面构造，所以冷凝水能够在热交换器表面冻结之前飞散。因此，能够抑制由于热交换器上的结霜导致的通风阻力的增大。
第三观点所涉及的热交换器是第一观点或第二观点所涉及的热交换器，其中，凸部具有垂直于凸部突出的突出方向的面上的截面的面积在突出方向上不同的部分。
在此，凸部可以是垂直于凸部的突出方向的面上的截面的面积在突出方向上越朝向凸部的前端越变小的形状，也可以是垂直于凸部的突出方向的面上的截面的面积在突出方向上越朝向凸部的前端越变大的形状，也可以是垂直于凸部的突出方向的面上的截面的面积在突出方向上越朝向凸部的前端越变小之后再变大的蘑菇型等颈部形状。
另外，在从凸部的突出方向侧观察时，凸部可以是圆形，也可以是矩形。
在该热交换器中，能够进一步抑制对热交换器的结霜导致的通风阻力的增大。
第四观点所涉及的热交换器是第一观点至第三观点中任一观点所涉及的热交换器，其中，凸部具有垂直于凸部突出的突出方向的面上的截面的面积在突出方向上包含至少一个极小值的形状。
在此，在从凸部的突出方向侧观察时，凸部可以是圆形，也可以是矩形。
该热交换器能够进一步抑制热交换器上的结霜导致的通风阻力的增大。
第五观点所涉及的热交换器是第一观点至第四观点中任一观点所涉及的热交换器，其中，具备多个散热片和传热管。传热管被固定在多个散热片上，制冷剂在内部流通。表面构造设置在散热片的表面。
该热交换器由于在散热片的表面设置了特定的表面构造，所以能够容易地进行用于实现该特定的表面构造的加工。
第六观点所涉及的空调装置具备制冷剂回路和控制部。制冷剂回路具有第一观点至第五观点中任一观点所涉及的热交换器和压缩机。控制部在制冷剂回路中执行使热交换器作为制冷剂的蒸发器起作用的通常运转和用于使附着在热交换器上的霜融化的除霜运转。
该空调由于在热交换器中采用了特定的表面构造，所以能够抑制冷凝水的附着，因此，也能抑制霜的附着。由此，能够抑制进行除霜运转的频率，从而能够长时间执行通常运转。
第七观点所涉及的空调具备第一观点至第五观点中任一观点所涉及的热交换器和送风风扇。送风风扇向热交换器供给空气流。从送风风扇供给到热交换器的空气沿水平方向送出。
该空调即使在沿水平方向(非冷凝水的自重方向的方向)供给空气流的情况下，也能够使冷凝水飞散在热交换器的特定表面构造上。
附图说明
图1是包含空调装置的制冷剂回路的概略结构图；
图2是空调装置的概略框结构图；
图3是室外单元的外观立体图；
图4是室外单元的俯视配置结构图；
图5是室外热交换器的正面概略图；
图6是沿翅片的主面的法线方向观察的概略外观图；
图7是凸部为圆锥台的形状时的翅片的表面附近的概略剖视图；
图8是凸部为颈部形状时的翅片的表面附近的概略剖视图；
图9是沿翅片的板厚方向观察的概略图；
图10是说明液滴跳跃的现象的机理的图；
图11是说明翅片的制造例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对作为一实施方式所涉及的热交换器的室外热交换器23及作为空调装置的空调装置100进行说明。此外，以下的实施方式是具体例，不限定本公开的技术范围，在不脱离公开内容的宗旨的范围内可适当变更。
(1)空调装置100
图1是一实施方式所涉及的空调装置100的概略结构图。空调装置100是通过进行蒸汽压缩式的冷冻循环来调节对象空间的空气的装置。
空调装置100主要具有：室外单元2、室内单元50、连接室外单元2和室内单元50的液体制冷剂连通管6及气体制冷剂连通管7、作为输入装置及输出装置的多个遥控器50a、以及控制空调装置100的动作的控制器70。
在空调装置100中，对封入制冷剂回路10内的制冷剂进行压缩、冷却或冷凝、减压、加热或蒸发，之后再次进行压缩这样的冷冻循环。在本实施方式中，在制冷剂回路10中，作为用于进行蒸汽压缩式的冷冻循环的制冷剂填充有R32。
(1-1)室外单元2
室外单元2经由液体制冷剂连通管6及气体制冷剂连通管7与室内单元50连接，构成制冷剂回路10的一部分。室外单元2主要具有：压缩机21、四通切换阀22、室外热交换器23、室外膨胀阀24、室外风扇25、液体侧关闭阀29、气体侧关闭阀30、以及室外机壳2a。
另外，室外单元2具有构成制冷剂回路10的配管即排出管31、吸入管34、室外气体侧配管33、以及室外液体侧配管32。排出管31连接压缩机21的排出侧和四通切换阀22的第一连接口。吸入管34连接压缩机21的吸入侧和四通切换阀22的第二连接口。室外气体侧配管33连接四通切换阀22的第三口和气体侧关闭阀30。室外液体侧配管32从四通切换阀22的第四口经由室外热交换器23及室外膨胀阀24延伸至液体侧关闭阀29。
压缩机21是将冷冻循环中的低压的制冷剂压缩至高压的设备。在此，作为压缩机21，使用旋转式或涡旋式等容积式的压缩要素(省略图示)通过压缩机马达M21旋转驱动的密闭式构造的压缩机。压缩机马达M21用于改变容量，可通过变频器进行运转频率的控制。
四通切换阀22可通过切换连接状态来切换在将压缩机21的排出侧与室外热交换器23连接的同时将压缩机21的吸入侧和气体侧关闭阀30连接的制冷运转连接状态(及除霜运转状态)、及在将压缩机21的排出侧和气体侧关闭阀30连接的同时将压缩机21的吸入侧和室外热交换器23连接的制热运转连接状态。
室外热交换器23是在制冷运转时作为冷冻循环中的高压的制冷剂的散热器起作用，并在制热运转时作为冷冻循环中的低压的制冷剂的蒸发器起作用的热交换器。
室外风扇25产生用于将室外的空气吸入室外单元2内，并在室外热交换器23中与制冷剂进行热交换后，排出到外部的空气流。室外风扇25由室外风扇马达M25旋转驱动。
室外膨胀阀24是能够进行阀开度控制的电动膨胀阀，设置于室外液体侧配管32的中途的室外热交换器23与液体侧关闭阀29之间。
液体侧关闭阀29是配置于室外液体侧配管32和液体制冷剂连通管6的连接部分的手动阀。
气体侧关闭阀30是配置于室外气体侧配管33和气体制冷剂连通管7的连接部分的手动阀。
在室外单元2中配置有各种传感器。
具体而言，在室外单元2的压缩机21周边，配置有用于检测压缩机21的吸入侧的制冷剂的温度的吸入温度传感器35、检测压缩机21的吸入侧的制冷剂的压力即吸入压力的吸入压力传感器36、以及检测压缩机21的排出侧的制冷剂的压力即排出压力的排出压力传感器37。
另外，在室外热交换器23上设置有检测流经室外热交换器23的制冷剂的温度的室外热交温度传感器38。
而且，在室外热交换器23或室外风扇25的周边，配置有检测被吸入室外单元2内的室外的空气的温度的外气温度传感器39。
室外单元2具有控制构成室外单元2的各部的动作的室外单元控制部20。室外单元控制部20具有包含CPU或存储器等的微机。室外单元控制部20经由通信线与各室内单元50的室内单元控制部57连接，进行控制信号等的收发。另外，室外单元控制部20与吸入温度传感器35、吸入压力传感器36、排出压力传感器37、室外热交温度传感器38、以及外气温度传感器39分别电连接，接收来自各传感器的信号。
此外，如图3所示的外观立体图、图4所示的俯视配置结构图所示，以上的构成室外单元2的各要素被收容于室外机壳2a内。室外机壳2a通过隔板2c划分为送风机室S1和机械室S2。室外热交换器23以沿垂直方向立设的姿势设置，以使其主面在送风机室S1内，在室外机壳2a的背面及与机械室S2相反侧的侧面扩展。室外风扇25是将旋转轴方向设为前后方向的螺旋桨式风扇，从送风机室S1中的室外机壳2a的背面及与机械室S2相反侧的侧面朝向内部沿大致水平方向取入空气，并形成经由设置于室外机壳2a的送风机室S1的正面的风扇格栅2b朝向正面沿大致水平方向吹出的空气流(参照图4的双点划线的箭头)。通过以上的结构，使得由室外风扇25形成的空气流以与室外热交换器23的主面正交的方式通过。
(1-2)室内单元50
室内单元50设置于作为对象空间的室内的壁面或天井等上。室内单元50经由液体制冷剂连通管6及气体制冷剂连通管7与室外单元2连接，构成制冷剂回路10的一部分。
室内单元50具有室内膨胀阀51、室内热交换器52、以及室内风扇53。
另外，室内单元50具有连接室内热交换器52的液体侧端和液体制冷剂连通管6的室内液体制冷剂管58、及连接室内热交换器52的气体侧端和气体制冷剂连通管7的室内气体制冷剂管59。
室内膨胀阀51是能够进行阀开度控制的电动膨胀阀，设置于室内液体制冷剂管58的中途。
室内热交换器52是在制冷运转时作为冷冻循环中的低压的制冷剂的蒸发器起作用，且在制热运转时作为冷冻循环中的高压的制冷剂的散热器起作用的热交换器。
室内风扇53产生用于将室内的空气吸入室内单元50内，并在室内热交换器52中与制冷剂进行热交换之后排出到外部的空气流。室内风扇53由室内风扇马达M53旋转驱动。
在室内单元50中配置有各种传感器。
具体而言，在室内单元50的内部配置有检测设置有室内单元50的空间中的空气温度的室内空气温度传感器54、及检测流经室内热交换器52的制冷剂的温度的室内热交温度传感器55。
另外，室内单元50具有控制构成室内单元50的各部的动作的室内单元控制部57。室内单元控制部57具有包含CPU或存储器等的微机。室内单元控制部57经由通信线与室外单元控制部20连接，进行控制信号等的收发。
室内单元控制部57分别电连接室内空气温度传感器54、室内热交温度传感器55，接收来自各传感器的信号。
(1-3)遥控器50a
遥控器50a是用于输入各种指示的输入装置，各种指示是室内单元50的用户用于切换空调装置100的运转状态的指示。另外，遥控器50a还作为用于进行空调装置100的运转状态或规定通知的输出装置起作用。遥控器50a经由通信线与室内单元控制部57连接，相互进行信号的收发。
(2)控制器70的详细内容
在空调装置100中，室外单元控制部20和室内单元控制部57经由通信线连接，由此构成控制空调装置100的动作的控制器70。
图2是示意性示出控制器70的概略结构和连接到控制器70的各部的框图。
控制器70具有多个控制模式，根据控制模式控制空调装置100的运转。例如，控制器70作为控制模式具有制冷运转模式、制热运转模式、以及除霜运转模式。
控制器70与室外单元2中包含的各致动器(具体而言，压缩机21(压缩机马达M21)、室外膨胀阀24及室外风扇25(室外风扇马达M25))、以及各种传感器(吸入温度传感器35、吸入压力传感器36、排出压力传感器37、室外热交温度传感器38及外气温度传感器39等)电连接。另外，控制器70与室内单元50中包含的致动器(具体而言，室内风扇53(室内风扇马达M53)、及室内膨胀阀51)电连接。另外，控制器70与室内空气温度传感器54、室内热交温度传感器55及遥控器50a电连接。
控制器70主要具有存储部71、通信部72、模式控制部73、致动器控制部74、以及输出控制部75。此外，控制器70内的这些各部通过使室外单元控制部20和/或室内单元控制部57中包含的各部一体地发挥作用来实现。
(2-1)存储部71
存储部71例如由ROM、RAM、以及闪存存储器等构成，包含易失性存储区域和非易失性存储区域。在存储部71存储有控制程序，该控制程序定义控制器70的各部的处理。另外，存储部71通过控制器70的各部将规定的信息(例如，各传感器的检测值、输入到遥控器50a的指令等)适当地存储于规定存储区域。
(2-2)通信部72
通信部72是起到作为用于与连接到控制器70的各设备进行信号的收发的通信接口的作用的功能部。通信部72接受来自致动器控制部74的请求，向指定的致动器发送规定信号。另外，通信部72接收从各种传感器35～39、54、55、遥控器50a输出的信号，并将其存储于存储部71的规定的存储区域。
(2-3)模式控制部73
模式控制部73是进行控制模式的切换等的功能部。模式控制部73根据来自遥控器50a的输入或运转状况，切换并执行制冷运转模式、制热运转模式和除霜运转模式。
(2-4)致动器控制部74
致动器控制部74按照控制程序并根据状况控制空调装置100中包含的各致动器(例如压缩机21等)的动作。
例如，致动器控制部74根据设定温度或各种传感器的检测值等，实时控制压缩机21的转速、室外风扇25、室内风扇53的转速、室外膨胀阀24的阀开度、以及室内膨胀阀51的阀开度等。
(2-5)输出控制部75
输出控制部75是控制作为显示装置的遥控器50a的动作的功能部。
输出控制部75将规定的信息输出到遥控器50a，以向用户显示有关运转状态或状况的信息。
(3)各种运转模式
以下，说明制冷运转模式、制热运转模式、以及除霜运转模式时的制冷剂流。
(3-1)制冷运转模式
在空调装置100中，在制冷运转模式下，将四通切换阀22的连接状态设为在连接压缩机21的排出侧和室外热交换器23的同时连接压缩机21的吸入侧和气体侧关闭阀30的制冷运转连接状态，使填充在制冷剂回路10中的制冷剂主要以压缩机21、室外热交换器23、室外膨胀阀24、室内膨胀阀51、室内热交换器52的顺序循环。
更具体而言，当制冷运转模式开始时，在制冷剂回路10内，制冷剂被吸入压缩机21并在压缩后被排出。
从压缩机21排出的气体制冷剂经由排出管31、四通切换阀22流入室外热交换器23的气体侧端。
在室外热交换器23中，流入到室外热交换器23的气体侧端的气体制冷剂与通过室外风扇25供给的室外侧空气进行热交换并散热、冷凝，形成液体制冷剂，并从室外热交换器23的液体侧端流出。
从室外热交换器23的液体侧端流出的液体制冷剂经由室外液体侧配管32、室外膨胀阀24、液体侧关闭阀29及液体制冷剂连通管6流入室内单元50。此外，在制冷运转模式下，室外膨胀阀24被控制为全开状态。
流入到室内单元50的制冷剂经过室内液体制冷剂管58的一部分，流入室内膨胀阀51。流入室内膨胀阀51的制冷剂被室内膨胀阀51减压至冷冻循环中的低压之后，流入室内热交换器52的液体侧端。此外，在制冷运转模式中，室内膨胀阀51的阀开度被控制为压缩机21的吸入制冷剂的过热度成为规定过热度。在此，使用吸入温度传感器35的检测温度和吸入压力传感器36的检测压力，在控制器70中计算压缩机21的吸入制冷剂的过热度。在室内热交换器52中，流入室内热交换器52的液体侧端的制冷剂与由室内风扇53供给的室内空气进行热交换之后蒸发，成为气体制冷剂并从室内热交换器52的气体侧端流出。从室内热交换器52的气体侧端流出的气体制冷剂经由室内气体制冷剂管59，流向气体制冷剂连通管7。
这样，流经气体制冷剂连通管7的制冷剂经由气体侧关闭阀30、室外气体侧配管33、四通切换阀22及吸入管34，再次被吸入压缩机21。
(3-2)制热运转模式
在空调装置100中，在制热运转模式下，将四通切换阀22的连接状态设为在将压缩机21的排出侧和气体侧关闭阀30连接的同时将压缩机21的吸入侧和室外热交换器23连接的制热运转连接状态，使填充在制冷剂回路10中的制冷剂主要以压缩机21、室内热交换器52、室内膨胀阀51、室外膨胀阀24、室外热交换器23的顺序循环。
更具体而言，当制热运转模式开始时，在制冷剂回路10内，制冷剂被吸入压缩机21并在压缩后被排出。
从压缩机21排出的气体制冷剂在流过排出管31、四通切换阀22、室外气体侧配管33、以及气体制冷剂连通管7之后，经由室内气体制冷剂管59流入室内单元50。
流入室内单元50的制冷剂经由室内气体制冷剂管59，流入室内热交换器52的气体侧端。在室内热交换器52中，流入室内热交换器52的气体侧端的制冷剂与由室内风扇53供给的室内空气进行热交换并散热、冷凝，形成液体制冷剂，并从室内热交换器52的液体侧端流出。从室内热交换器52的液体侧端流出的制冷剂经由室内液体制冷剂管58、室内膨胀阀51，流向液体制冷剂连通管6。此外，在制热运转模式下，室内膨胀阀51的阀开度被控制为处于全开状态。
这样，流经液体制冷剂连通管6的制冷剂经由液体侧关闭阀29、室外液体侧配管32，流入室外膨胀阀24。
流入室外膨胀阀24的制冷剂在减压至冷冻循环中的低压之后，流入室外热交换器23的液体侧端。此外，在制热运转模式中，室外膨胀阀24的阀开度被控制为压缩机21的吸入制冷剂的过热度成为规定过热度。
在室外热交换器23中，从室外热交换器23的液体侧端流入的制冷剂与通过室外风扇25供给的室外空气进行热交换并蒸发，成为气体制冷剂，并从室外热交换器23的气体侧端流出。
从室外热交换器23的气体侧端流出的制冷剂经由四通切换阀22及吸入管34，再次被吸入压缩机21。
(3-3)除霜操作模式
如上所述，当执行制热运转模式时，在满足了规定结霜条件的情况下，暂时中断制热运转模式，进行用于使附着在室外热交换器23上的霜融化的除霜运转模式。
此外，作为规定的结霜条件，没有特别限定，例如，可设定为外气温度传感器39的检测温度和室外热交温度传感器的检测温度满足规定的温度条件的状态继续持续规定时间以上。
在除霜运转模式下，将四通切换阀22的连接状态设定为与制冷运转时的连接状态相同，在停止了室内风扇53的驱动的状态下，驱动压缩机21。在开始除霜运转模式之后，满足了规定除霜结束条件的情况下(例如，开始除霜运转模式之后经过了规定时间时等)，使四通切换阀22的连接状态再次回到制热运转时的连接状态，重新开始制热运转模式。
(4)室外热交换器23的构造
如图5的室外热交换器23的正面概略图所示，室外热交换器23具有沿水平方向延伸的多个传热管41、连接传热管41的端部彼此的多个U字管42、以及在上下及空气流动方向扩展的多个翅片43。
传热管41由铜、铜合金、铝、铝合金等构成，如图6的沿翅片43的主面的法线方向观察的概略外观图所示，以贯通设置于翅片43上的插入口43a的方式，被固定于翅片43来使用。此外，为了使流经内部的制冷剂流回来，在传热管41的端部连接有U字管42。
(5)翅片43的构造
如图7的凸部61为圆锥台形状时的翅片43的表面附近的概略剖视图、图8的凸部61为颈部形状时的翅片43的表面附近的概略剖视图、以及图9的沿翅片43的板厚方向观察的概略图所示，翅片43具有基板62和设置于基板62的表面的凸部61。此外，凸部61和基板62均在表层具有疏水性涂膜。
(5-1)基板62
基板62是板状部件，为70μm以上200μm以下，优选为90μm以上110μm以下。另外，作为基板62所使用的材质，可举出铝、铝合金、硅等。此外，基板62中未形成凸部61的部位的表面由疏水性涂膜构成。
(5-2)凸部61
凸部61形成于基板62的两表面。凸部61没有特别限定，但是例如可以采用由铝、铝合金、硅等被疏水性涂膜覆盖的结构。
在设L为凸部的平均间距时，凸部61被设为满足平均间距L＜3.0μm。此外，从容易使水滴从表面跳跃的观点来看，更优选满足平均间距L＜1.8μm，进一步优选满足L＜0.3μm。此外，虽然没有特别限定，但平均间距L的下限例如也可以为0.01μm。另外，在10μm×10μm的范围观察时，对于各凸部之间的间距，优选多个间距中的80％以上满足上述间距L的条件，更优选90％以上满足上述间距L的条件。
在此，“平均间距”是指在观察视野10μm×10μm的范围内观察翅片43的任意表面时，满足rw(凸部)＞0.6/|cosθw|的各凸部61(比其小的突起除外)的高度方向上的中心高度位置处的截面的中心间的距离的平均值(关于rw(凸部)，稍后描述)。
此外，之所以将观察视野设为10μm×10μm是因为，观察到自动跳跃的液滴直径为120μm左右，该120μm的液滴以接触角175°存在于固体表面上时，固体和液滴接触的范围的直径为10μm。
凸部61被设置为设d为凸部61的平均直径时的“平均直径d/平均间距L”的值满足0.1＜d/L＜0.8。
在此，在d/L为0.1以下的情况下，设置于翅片43的表面的凸部61的密度较低，水滴容易进入凸部61彼此之间，不能使气泡包含在凸部61彼此之间的下方，水滴会进入到凸部61彼此之间的底部(基板62的表面)，液滴的附着力增大。此外，由于水滴与凸部61之间的凹部的底面(基板62)相接，使得当水滴与翅片43的接触面积增大时，液滴在跳跃时从固体表面受到的约束力增大，因此，从将该约束力抑制得较小的观点来看，更优选满足0.16＜d/L，进一步优选满足0.20＜d/L。
另外，在d/L为0.8以上的情况下，虽然能够将气泡确保在凸部61彼此之间的下方，但是因为凸部61彼此的间隔较窄，保持水滴的部位的间隔变窄，因此毛细管力会作用于水滴，水滴被强力保持在翅片43上。此外，由于水滴与凸部61的前端部分的接触面积增大，当水滴与翅片43的接触面积增大时，液滴在跳跃时从固体表面受到的约束力会增大，因此，从将该约束力抑制得较小的观点来看，更优选满足d/L＜0.5，进一步优选满足d/L＜0.36。
在此，“凸部的平均直径d”是指对于在垂直于突出方向的面上的截面的面积在突出方向上具有极小值的形状以外的形状，在观察视野10μm×10μm的范围内观察翅片43的任意表面时，具有相当于在满足rw(凸部)＞0.6/|cosθw|的各凸部61(比其小的突起除外)的高度方向上的中心高度位置处的截面的轮廓长度的圆周长度的圆的直径的平均值(后述rw(凸部))。此外，在凸部是垂直于突出方向的面的截面的面积在突出方向上具有极小值的形状(例如颈部形状)的情况下，“凸部的平均直径d”是指在观察视野10μm×10μm的范围内观察翅片43的任意的表面时，对于以满足rw(凸部)＞0.6/|cosθw|的各凸部61(比其小的突起除外)为对象，并且具有相当于用各凸部的突出高度除各凸部61的体积所得的面积的面积的圆的直径，将各凸部61的值平均所得的直径。
凸部61的形状没有特别限定，例如，可举出图7所示的圆锥台(用平行于底面的平面将圆锥切断并去除了小的圆锥部分的形状)、棱锥台等锥台(Frustum)、圆锥、角锥、四棱锥等锥体(conic solid)、圆柱、棱柱、四棱柱等柱体(具有全等的两个平面作为底面及顶面的筒状体)、图8所示的颈部形状(例如，像圆柱的侧面的一部分被去除的形状、棱柱的侧面的一部分被去除的形状、圆锥台的侧面的一部分被去除的形状等那样，垂直于凸部61的突出方向的面上的截面的面积在突出方向上具有极小值的形状)。其中，从易于使水滴从表面跳跃的观点来看，与垂直于凸部61的突出方向的面上的截面的面积在突出方向上一样的形状相比，凸部61的形状优选为在突出方向上变化的形状，更优选为截面的面积随着朝向突出方向的前端而减小的形状，进一步优选在突出方向上具有至少一个极小值的形状，特别优选为蘑菇型。
此外，优选的是，凸部61为锥台或锥体时，相对于基板62表面的倾斜角度即凸部梯度θg(参照图7)为60°以上。在凸部梯度θg低于60°的情况下，对于水滴来说，存在翅片43的表面没有凹凸构造而是按平坦的表面来对待的倾向。此外，凸部梯度θg的上限没有特别限定，但从制造容易性的观点来看，优选为90°以下。该凸部梯度θg可在原子力显微镜(AtomicForce Microscopy：以下简称为AFM)日立高科技公司制AFM5200S中，根据设：观察视野10μm×10μm、测定点数256×256的测定结果(关于AFM的测定，以下相同。)来掌握凸部61的形状的坐标，并将其作为凸部61的倾斜部分的主面与基板62的平面交叉而获得的角度来掌握。更具体而言，在根据AFM的测定结果特定了表面形状的坐标的情况下，可根据截面轮廓来掌握。
此外，在凸部61像颈部形状那样是垂直于突出方向的面上的截面的面积在突出方向上具有极小值的形状的情况下(参照图8)，该极小值可以位于突出方向上的中心的前端侧，优选位于距突出方向上的前端30％以内的位置。另外，垂直于凸部61的突出方向的面上的截面的面积中、最大的面积部分和具有极小值的部位的面积的比率(大的面积/小的面积)的值优选为1.5以上4.0以下，更优选为2.0以上3.0以下。此外，垂直于凸部61的突出方向的面上的横截面积例如可根据AFM的测定结果掌握凸部61的形状的坐标并根据该横截面轮廓来特定。
凸部61的平均高度h没有特别限定，但从抑制由于水滴附着在凹部(基板62)而引起的水滴和翅片43的接触面积的增大的观点来看，优选为0.5μm以上，更优选为0.7μm以上，进一步优选为1.0μm以上。另外，凸部61的平均高度h的上限没有特别限定，例如，优选为8.0μm、7.0μm。
(5-3)疏水性涂膜
疏水性涂膜构成凸部61及基板62的表层部分，因为膜厚非常薄，所以凸部61不会对翅片43的表面构造造成影响。
具体而言，构成凸部61及基板62的表层的疏水性涂膜的膜厚例如为0.3nm以上20nm以下，优选为1nm以上17nm以下。这样的疏水性涂膜例如可构成为防水剂的单分子膜。
作为疏水性涂膜的形成方法，可举出通过如下方法来形成，例如，凸部61或基板62与疏水性涂料的分子的结合力大于疏水性涂料的分子间的结合力，在对凸部61及基板62涂布疏水性涂料之后，进行只切断疏水性涂料的分子间的结合的处理，以排除多余的涂料。
疏水性涂膜的平滑平面上的水W的接触角θw为90°＜θw＜120°。由此，能够将水滴与翅片43的接触面积抑制得较小。此外，从将水滴与翅片43的接触面积抑制得足够小的观点来看，优选为114°＜θw＜120°。
以上的疏水性涂膜没有特别限定，但优选为含有氟、硅、烃中的至少一种的有机单分子膜，其中，更优选为含有氟的有机单分子膜。作为含有氟的单分子膜，可从目前已知的化合物中选择，例如，可使用具有各种氟代烷基、或全氟聚醚基团的硅烷偶联剂。此外，作为用于形成含有氟的单分子膜的产品，例如，可举出1H，1H，2H，2H-十七氟癸基三甲氧基硅烷(东京化成工业(株)制)、OPTOOL DSX(大金工业(株)制)等。
(5-4)关于翅片43的表面积
如上所述，翅片43具有表面由疏水性涂膜构成的凸部61和基板62，但在用疏水性涂膜的平滑平面上的水的接触角θw的函数表示翅片43的表面整体相对于翅片43的投影面积(未形成凸部61的平滑平面的表面积)的平均面积扩大率rw(整体)的情况下，该表面整体满足rw(整体)＞0.6/|cosθw|的条件。这样，与在翅片43的表面上没有凸部61的情况相比，通过形成于翅片43的表面上的凸部61使表面积扩大，能够使得液滴容易地自发地跳跃。此外，该函数如下来确定：对于相邻的凸部61之间和由液滴包围的区域中包含空气层的状态、以及液滴润湿扩散到相邻的凸部61之间的状态分别计算表面自由能，前者被确定为表面自由能低，处于稳定状态。
此外，表面整体的平均面积扩大率rw(整体)是指，对于在观察视野10μm×10μm的范围观察翅片43的表面的任意的表面时表面积相对于平坦面的面积(投影面积)扩大的比例，改变观察视野并观察10次时的平均值。该表面整体的平均面积放大率rw(整体)可通过根据AFM的测定结果特定表面形状的坐标来掌握。
此外，从容易在凸部61彼此之间的凹部且液滴的下方形成空气层，并且更容易产生液滴的自发跳跃的观点来看，表面整体的平均面积扩大率rw(整体)优选为rw(整体)＞1.0/|cosθw|。
另外，就翅片43而言，对于表面中形成有凸部61的部位，在用疏水性涂膜的平滑平面上的水的接触角θw的函数表示凸部61的表面积相对于凸部61的投影面积的比例即表面凸部的平均面积扩大率rw(凸部)的情况下，满足rw(凸部)＞0.6/|cosθw|的条件。这样，与在翅片43的表面上没有凸部61的情况相比，通过在翅片43上设置凸部61而使表面积扩大，从而能够使得液滴容易地自发地跳跃。
此外，从容易在凸部61彼此之间的凹部中在液滴的下方形成空气层并且能够更容易产生液滴的自发跳跃的观点来看，表面凸部的平均面积扩大率rw(凸部)优选为rw(凸部)＞1.0/|cosθw|。
此外，表面凸部的平均面积扩大率rw(凸部)是指在观察视野10μm×10μm的范围内观察翅片43的表面的任意表面时所包含的各凸部61的面积扩大率的平均值。该表面凸部的平均面积扩大率rw(凸部)可通过根据AFM的测定结果特定表面形状的坐标来掌握。
(6)特征
在本实施方式的室外热交换器23中，在翅片43的表面构造中采用特定的细微的凹凸形状，并且在表面设置有具备特定的疏水性的疏水性涂膜，因此，即使在产生了冷凝水的情况下，在液滴变大时，不管重力如何，均能够通过释放多余的表面能量使液滴自发地从翅片43跳跃。
因此，即使在结霜环境下使用室外热交换器23的情况下，也能够通过使冷凝水飞散来抑制结霜，延长制热运转时间，直到开始除霜运转。另外，由此能够抑制除霜运转频繁地进行，从而抑制空调对象空间的温度降低之类的舒适性的恶化。
另外，本实施方式的室外热交换器23接受从室外风扇25沿水平方向流动的空气流(并非接受沿垂直方向流动的空气流以促进水滴的下落)，但通过采用特定的细微构造及具备疏水性的构造，即使仅供给水平方向的空气流，也能够充分地从翅片43表面去除水滴。特别是，通过采用上述的表面构造及疏水性，即使在没有产生空气流的部位或空气流较弱的部位，也能够使水滴自己跳跃，因此，能够有效地抑制霜的附着。
此外，当液滴在翅片43的表面变大时，不管重力如何，通过释放多余的表面能，使得液滴可以自发地跳跃的机制没有特别限定，例如，可认为如图10所示。
首先，如图(a)所示，在作为制冷剂的蒸发器发挥作用的室外热交换器23的翅片的表面上，产生成为核的细微的液滴(直径数nm左右)。接着，如图(b)所示，产生的核生长，冷凝液滴的粒径增大。之后，如(c)所示，液滴进一步生长，成为翅片43的凸部61彼此之间的凹部被液体充满并且附着于相邻的凸部61上的状态。进而，如(d)所示，液滴以横跨多个相邻的凸部61之间的方式生长，如(e)所示，相邻的液滴彼此结合。在液滴结合时，由于表面自由能发生变化，超出液滴向翅片43表面的约束力，如(f)所示，液滴自发地跳跃。
此外，当将设m为液滴的质量、将U设为跳跃的液滴的移动速度时的力学上的关系模型化时，用于使液滴自发地跳跃的运动能Ek可如下表达。
Ek＝0.5mU2＝△Es-Ew-Eh-Evis
在此，△Es表示液滴结合时的表面自由能的变化量，Ew表示液滴从固体表面受到的约束能，△Eh表示位置能的变化量(本实施方式的翅片43沿垂直方向扩展，所以实质上为0)，Evis表示液体流动时的粘性阻力。
在以上的关系式中，在液滴小的情况下，由于结合时产生的表面自由能较小，所以不会达到自发的跳跃。此外，在该阶段，因为液滴的尺寸较小，所以即使周围温度变成0℃以下，也不会冻结，容易维持在过冷却状态。另外，为了促进液滴的自发的跳跃，优选为翅片43上的表面的约束力小的表面构造。而且，可认为在液滴结合时产生的表面自由能超过对表面的约束力的情况下会产生自发的跳跃。这样，可认为即使由于液滴的尺寸变大，液滴难以维持过冷却状态而变成容易冻结的状况，在该情况下，由于液滴结合时产生的表面自由能的作用，液滴也能够跳跃，难以残留在表面，从而能抑制结霜。
这样，因为在翅片43的表面产生的液滴其温度逐渐降低且开始冻结，所以优选的是，在翅片43的表面开始冻结之前，使翅片43表面产生的液滴跳跃。因此，寻求将冷凝液滴的生长速度也考虑在内来设计表面的构造。在此，考虑到空调条件(将室外热交换器23用作制冷剂的蒸发器时)下的室外热交换器23的翅片43上的液滴的生长速度的同时，寻求能够使液滴开始冻结之前生长的液滴直径自动跳跃的表面细微构造及防水特性。根据以上的观点，来确定本实施方式的翅片43的表面细微构造及防水特性。
(7)室外热交换器23的翅片43的制造方法
室外热交换器23的翅片43的制造方法没有特别限定，例如，可举出图11所示的方法。
首先，如(1)中所示，准备表面平滑的板状的部件即基板62。该基板62由铝合金等金属或硅构成。
接着，如(2)中所示，在基板62的表面形成特定膜厚的层。该层由铝合金或硅等构成。
然后，如(3)中所示，对(2)中形成的层以特定间隔进行屏蔽，照射等离子。根据屏蔽的间隔来控制平均间距L，根据屏蔽的形状来控制以凸部61的平均直径d为主的凸部形状。其中，在将凸部61的形状设定为垂直于凸部61的突出方向的面上的截面的面积在突出方向上包含至少一个极小值的形状时，通过分别调整等离子的照射量和照射时间，分别控制形成凸部61的柱的形状。
接着，如(4)中所示，进行蚀刻，形成特定形状即特定图案的突出形状。在此，通过蚀刻时间来控制凸部高度。
此外，在凹凸形状的形成中，不限于等离子蚀刻处理，例如，可使用阳极氧化处理、勃姆石处理、氧化铝处理等公知的方法。
最后，如(5)中所示，对于凸部61及未形成凸部61的基板62表面形成疏水性涂膜。此外，用于形成疏水性涂膜的疏水性涂料选定凸部61或基板62与疏水性涂料的分子间的结合力大于疏水性涂料的分子间的结合力的涂料，涂布疏水性涂料之后，将表层以外的多余的涂料冲洗掉，由此，能够实质上维持涂布前的凹凸形状。
(8)变形例
如以下的变形例所示，上述实施方式能够适当变形。
(8-1)变形例A
在上述实施方式中，举例说明了在室外热交换器23的表面上具备特定的细微的凹凸构造及疏水性涂膜的情况。
但是，在冷凝水可附着的其他部位，也可以具备特定的细微的凹凸构造及疏水性涂膜。例如，在构成室外热交换器23的传热管41的表面或U字管42的表面，也可以具备上述的特定的细微的凹凸构造及疏水性涂膜。在这种情况下，能够抑制该部位的冷凝水的附着，并抑制冷凝水冻结导致的霜的附着。
[实施例]
以下，示出了实施例和比较例，但是本公开内容不限于此。
(实施例1)
使用作为通用品的综研化学社制纳米压印模具PIN70-250获得板状部件1。
对于获得的板状部件1的表面如下赋予疏水性涂膜。
首先，将板状部件1放入用能够将整体充分浸渍的量的丙酮充满的玻璃容器中，在超声波洗净器中照射15分钟的超声波。此后，实施10分钟的UV/臭氧照射。
将上述板状部件1浸渍在用Novec7200(3M社制)将1H，1H，2H，2H-十七氟癸基三甲氧基硅烷[CF3(CF2)7CH2CH2Si(OCH3)3]稀释为0.1wt％的溶液中，之后使用恒温干燥机在150℃干燥1小时，之后风干一昼夜。通过将干燥后的板状部件在Novec7200中浸渍5分钟，去除无助于表面处理的多余的表面处理剂，获得显示疏水性的板状部件1即实施例1。
(比较例1)
使用作为通用品的综研化学社制纳米压印模具PIN70-3000获得板状部件2。
除了对获得的板状部件2赋予疏水性涂膜这一点以外，与上述实施例1同样获得显示疏水性的板状部件2即比较例1。
(接触角)
使用接触角度计Drop Master701，设水的液滴体积2μl，对样品进行5点测定，测定水的接触角(静态接触角)。当接触角达到大致150°以上时，根据条件，其液体不能独立地存在于基材表面。因此，在这种情况下，将注射器的针头作为支承体测定接触角，将此时获得的值作为接触角。
(结果)
无论实施例1还是比较例1，疏水性涂膜的平坦面上的水的接触角均为114°。
在实施例1中，平均间距L为220～280nm，平均直径d(平均直径)为115～175nm，凸部的平均高度h为220～280nm，d/L为0.41～0.80，表面整体的平均面积扩大率rw(整体)为2.17～4.67，用于作为制冷剂的蒸发器起作用的室外热交换器的情况下，可以看到冷凝水滴的跳跃。
另外，在比较例1中，平均间距L为2700～3300nm，平均直径d(平均直径)为1400～2000nm，凸部的平均高度h为1200～1800nm，d/L为0.42～0.74，表面整体的平均面积扩大率rw(整体)为1.55～2.79，即使在用于作为制冷剂的蒸发器起作用的室外热交换器的情况下，也未能看到冷凝水滴的跳跃。
(实施例2～7、比较例2)
除了凸部61的形状不同这一点以外，与上述实施例1、比较例1同样，对形成特定的凸部61的形状的板状部件1的表面赋予疏水性涂膜，获得实施例2～7、比较例2。此外，在实施例4中，以成为与其他不同的间距的方式进行屏蔽。在实施例2～4中，通过调节蚀刻时间的长度来调节平均高度h。实施例2～7中的各凸部61的形状形成通过分别调整等离子的照射量和照射时间来形成。另外，各形状及尺寸根据AFM的测定结果掌握凸部61的形状的坐标，根据其横截面轮廓进行特定。
此外，在以下的表1中，用括号记载的内容是指凸部的形状。在此，最大直径是指垂直于凸部的突出方向的面上的截面中的圆的直径中在突出方向上最大的直径，在实施例5～7中是指凸部的下端部分的圆的直径(此外，在实施例7中，上端部分的圆的直径和下端部分的圆的直径相等)。此外，关于最大直径，也是指从AFM的测定结果掌握的各凸部61的最大直径的平均值。
另外，最小直径是指垂直于凸部的突出方向的面上的截面上的圆的直径中在突出方向上最小的直径，在为圆锥台的实施例5、6中是指上端部分的圆的直径，在颈部形状中的蘑菇型的实施例7中是指突出方向上的中间位置的上方的部分(在突出方向上距上端15％的部分)的圆的直径。此外，最小直径也是指从AFM的测定结果掌握的各凸部61的最小直径的平均值。
滚落角SA(Sliding Angle)是指放置在表面上的水滴滑出时的表面与水平形成的角度，是表示水滴掉落容易度的指标。
结霜量mf是指在各实施例、比较例中共通的规定时间(在此为120分钟)，在加霜的条件下进行冷冻循环并进行试验后的结霜量，是通过测定试验前后的板状部件1的试样的重量之差而算出的值，单位为g。
结霜量比率(相对于无处理)是将在比较例2的无处理表面产生的结霜量mf设为100％时的、在实施例2～7中进行了评价的各自的结霜量mf的比率，表示结霜量比率的值越小越使液滴脱离，从而能够抑制结霜。
此外，各值的大小的单位是nm。
[表1]
Figure BDA0002171915820000201
以上，对本公开的实施方式进行了说明，但应该理解为不脱离权利要求书所记载的本公开的宗旨及范围，能够进行形式及细节的各种各样的变更。
附图标记说明
2：室外单元
10：制冷剂回路
20：室外单元控制部
21：压缩机
23：室外热交换器
24：室外膨胀阀
25：室外风扇
41：传热管
42：U字管
43：翅片
50：室内单元
51：室内膨胀阀
52：室内热交换器
53：室内风扇
57：室内单元控制部
61：凸部
62：基板
70：控制器(控制部)
100：空调装置
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-120047号公报

Claims (6)

1.一种热交换器(23)，其具有表面设置有疏水性涂膜的部分，其中，
所述设置有疏水性涂膜的表面具有包含多个凸部的表面构造，
所述表面构造能够通过冷凝水滴彼此结合产生的能量，使结合后的冷凝水滴脱离，所述冷凝水滴具有即使在规定的冻结条件下也可维持过冷却状态的液滴直径，
所述凸部具有垂直于所述凸部突出的突出方向的面上的截面的面积在所述突出方向上包含至少一个极小值的形状。
2.一种热交换器(23)，其具有表面设置有疏水性涂膜的部分，其中，
所述设置有疏水性涂膜的表面具有如下表面构造，在设
L：凸部的平均间距、
d：凸部的平均直径、
rw(整体)：表面整体的平均面积扩大率、
rw(凸部)：表面凸部的平均面积扩大率、
θw：疏水性涂膜的平滑平面上的水的接触角的情况下，满足如下所有的关系：
rw(整体)＞0.6/|cosθw|
rw(凸部)＞0.6/|cosθw|
0.1＜d/L＜0.8
L＜3.0μm
90°＜θw＜120°。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，
所述凸部具有垂直于所述凸部突出的突出方向的面上的截面的面积在所述突出方向上不同的部分。
4.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，
具备：
多个散热片；以及
固定于多个所述散热片，且制冷剂在内部流通的传热管，
所述表面构造设置于所述散热片的表面。
5.一种空调装置(100)，
其具备：
制冷剂回路(10)，所述制冷剂回路(10)具有权利要求1至4中任一项所述的热交换器(23)及压缩机(21)；以及
控制部(70)，所述控制部(70)在所述制冷剂回路中执行使所述热交换器作为制冷剂的蒸发器起作用的通常运转和用于使附着在所述热交换器上的霜融化的除霜运转，
在所述通常运转中满足规定的结霜条件的情况下，所述控制部切换为所述除霜运转。
6.一种空调装置(100)，
其具备：
权利要求1至4中任一项所述的热交换器(23)；以及
向所述热交换器供给空气流的送风风扇(25)，
从所述送风风扇向所述热交换器供给的所述空气沿水平方向送出。
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