JP2009058178A - 蒸発器用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の冷媒回路の変更によるデフロスト方式では、除霜運転の間は冷凍性能および快適性が失われる欠点がある。また一定時間経過すると、再び着霜するので、定期的な除霜運転が必要となる。このような問題を解決する。
【解決手段】この発明の蒸発器用熱交換器では、蒸発器用熱交換器の伝熱フィンの表面に不凍液を流し、同伝熱フィンの表面に不凍液の膜を形成するようにしている。
このようにすると、伝熱フィンの表面で凝結し、生成した微細な氷の核は流動する不凍液層によって邪魔され、伝熱フィン面への固着力を生じることができないようになる。
そして、氷の成長にともない、氷は自重（または容積の増加）により、容易に伝熱フィンの表面から滑り落ちて連続的に脱落する。
この結果、同構成の熱交換器では、殆ど従来のような除霜運転の必要がなくなる。
【選択図】 図２

Description

本願発明は、着霜を生じにくくした蒸発器用熱交換器の構成に関するものである。

家庭用冷蔵庫の冷却器やエアコンの暖房運転における室外機の伝熱コイルなど、空気を冷却する蒸発器の伝熱面が零度以下になると、伝熱面に空気中の水分が凝縮・氷結して霜が生じる。このような霜は、厚みが増すことにより空気から冷媒への伝熱を阻害する。また、空気の流路が狭くなり風量が低下して霜の成長をさらに促進させる。 霜の放置は熱交換量の減少、蒸発圧力の異常な低下、さらには圧縮機への冷媒液の戻りを引き起こし、冷凍機の性能低下や故障の原因となる。

そこで、一般に蒸発圧力の低下の検出やタイムスイッチなどにより、ある程度霜が成長したところで、例えば冷媒サイクルを逆にするなどの方法で除霜運転を行っている（例えば冷媒サイクルを可逆構成にしたものとして、特許文献１を参照）。

特開平６−３４１７４１号公報（明細書３〜４頁の説明および図１の記載）

しかし、このような冷媒回路の変更による従来のデフロスト方式では、その除霜運転時間の間は冷凍性能および快適性が失われる欠点がある。また一定時間経過すると、再び着霜するので、定期的な除霜運転が必要となる。

そこで、本願発明はこのような問題を解決するために、蒸発器伝熱フィンの表面に不凍液を流し、伝熱フィンの表面に移動する不凍液の膜（又は層）をつくることにより、伝熱フィン表面で凝結し生成した微細な氷の核は流動する不凍液層に邪魔されて、伝熱フィン面への固着力を生じることができないようにした蒸発器用熱交換器を提供することを目的とするものである。

本願発明は、上記の目的を達成するために、次のような課題解決手段を備えて構成されている。

（１） 請求項１の発明
この発明は、蒸発器用熱交換器の伝熱フィンの表面に不凍液を流し、同伝熱フィンの表面に不凍液の膜を形成するようにしている。

このようにすると、伝熱フィンの表面で凝結し、生成した微細な氷の核は流動する不凍液層によって邪魔され、伝熱フィン面への固着力を生じることができないようになる。

そして、氷の成長にともない、氷は自重（または容積の増加）により、容易に伝熱フィンの表面から滑り落ちて連続的に脱落する。

この結果、同構成の熱交換器では、殆ど従来のような除霜運転の必要がなくなる。

（２） 請求項２の発明
この発明は、蒸発器用熱交換器の上部側に不凍液分配ヘッダを、また下部側に不凍液タンクを設けるとともに、それらをポンプを介した不凍液循環パイプで連通させることにより不凍液循環回路を形成して、伝熱フィンの表面に不凍液を連続的又は定期的に循環させるようにしている。

このようにすると、不凍液循環回路を介して伝熱フィンの表面に安定した不凍液の膜が形成され、伝熱フィンの表面で凝結し、生成した微細な氷の核は当該不凍液膜の流動する不凍液層により邪魔されて、伝熱フィン面への固着力を生じることができないようになる。

そして、氷の成長にともない、氷は自重（または容積の増加）により、容易に伝熱フィンの表面から滑り落ちて連続的に脱落する。

この結果、殆ど従来のような除霜運転の必要がなくなる。

（３） 請求項３の発明
この発明は、上記請求項２記載の発明の構成において、上部側不凍液分配ヘッダには、流量調節機能を果す多孔部材が設けられている。

このようにすると、多孔部材によって伝熱フィン表面に流される不凍液の量が適切に調節され、伝熱フィンの表面に流される不凍液の量を常に一定のものにすることができ、膜厚も一定になって安定した不凍液供給状態を実現することができる。

（４） 請求項４の発明
この発明は、上記請求項３記載の発明の構成において、下部側不凍液タンクにも、流量調節機能を果す多孔部材が設けられている。

このようにすると、上記のように伝熱フィンの表面を介して流下してくる一定量の不凍液を、さらに同じ量だけ回収して再び上方側分配ヘッダに循環させることができるようになるので、全体として循環量を常に一定のものにすることができ、より膜厚も一定になって、より安定した不凍液供給状態を実現することができる。

（５） 請求項５の発明
この発明は、上記請求項３又は４記載の発明の構成において、多孔部材は疎水性を有し、水を分離する機能を果すようになっている。

このような構成によると、伝熱フィンの表面を流れる不凍液中に水が混入しなくなるので、より着霜しにくくなる。

（６） 請求項６の発明
この発明は、上記請求項１，２，３，４又は５記載の発明の構成において、不凍液は、水よりも表面張力が小さい流体よりなっている。

伝熱フィンの表面全体に、均一な厚さの不凍液の流下膜をスムーズに形成するためには、不凍液のフィン面に対する濡れ性が高いことが必要である。

このような観点から見て、上記不凍液は、水よりも表面張力が小さい流体よりなることが好ましい。

（７） 請求項７の発明
この発明は、上記請求項１，２，３，４，５又は６記載の発明の構成において、不凍液は、潤滑オイルよりなっている。

潤滑オイルは、水よりも表面張力が小さく、必要な粘性その他の点から見て、上述のような作用を果させる不凍液として最適のものである。

そして、潤滑オイルとしては、例えばフッ素系オイルやシリコン系オイルが適している。

（８） 請求項８の発明
この発明は、上記請求項１，２，３，４，５又は６記載の発明の構成において、不凍液は、不活性液体よりなっている。

不活性液体は、水よりも表面張力が小さく、熱伝導率も高い。また必要な粘性その他の点から見て、上述のような作用を果させる不凍液として最適のものである。

そして、不活性液体としては、例えばフッ素系のものが適している。

（９） 請求項９の発明
この発明は、上記請求項１，２，３，４，５又は６記載の発明の構成において、不凍液は、アルコールよりなっている。

アルコール（例えばベンゼン、エタノール等）も水よりも表面張力が小さく、必要な粘性その他の点から見て、上述のような作用を果させる不凍液として最適のものである。

図１および図２は、本願発明の最良の実施の形態に係る蒸発器用熱交換器の全体および要部の構成を示している。この実施の形態では、適用機器として、例えば空気調和機用の室外機ユニットが選ばれている。

そして、図１は、先ず同空気調和機用室外機ユニットの全体的な構造を示している。

同図１中、符号１が空気調和機用の室外機ユニットであり、該室外機ユニット１は、箱型の本体ケーシング２と、該本体ケーシング２の上部３ｂの背面側に形成された空気吸込口４ａと、上記本体ケーシング２内の上記空気吸込口４ａに沿って延設された蒸発器用熱交換器７と、上記本体ケーシング２の上部３ｂの前面側に形成された空気吹出口４ｂと、上記本体ケーシング２の空気吹出口４ｂおよびその内側の上記蒸発器用熱交換器７の熱交換器部分に対向して設けられたプロペラファン８と、上記本体ケーシング２内の下部３ａ側に仕切壁２ａを介して設けられた圧縮機８およびアキュームレータ６と、電気部品その他の必要な冷凍装置構成部品とを備えて構成され、上記圧縮機５、蒸発器用熱交換器７は、所定の冷媒配管Ｌ₁〜Ｌ₃を介して室内機ユニット（凝縮用熱交換器）１０と接続され、空調用冷凍回路を構成している。

上記蒸発器用熱交換器７は、例えば前後２列の伝熱管７ｂ，７ｂ・・・、７ｂ，７ｂ・・・に対して多数枚のプレート型の伝熱フィン７ａ，７ａ・・・を所定の間隔で嵌装並設したクロスフィンコイル型の熱交換器として構成されており、その冷媒入口側端部（図示圧縮機５側端部）に例えば図示しない冷媒分流器を設け、該冷媒分流器を介してその上流側冷媒入口部から下流側方向に冷媒を供給するようになっている。

そして、この発明の実施の形態では、上記蒸発器用熱交換器７の伝熱フィン７ａ，７ａ・・・の表面に不凍液を流し、同表面に空気との伝熱性能を阻害しない範囲で所定の厚さの不凍液の膜（又は層）を形成するようになっている。

すなわち、同構成では、上記蒸発器用熱交換器７の上部側に不凍液分配ヘッダ１１を、また下部側に不凍液タンク１４を設けるとともに、それらをオイルポンプ（液体循環ポンプ）９を介した不凍液循環パイプＬｐで連通させることによって、図示のような不凍液循環回路を形成して、上部の不凍液分配ヘッダ１１下面の隙間１１ａ，１１ｂから伝熱フィン７ａ，７ａ・・・の端面を含む全表面に不凍液１２を連続的に、または定期的に循環流下させるようにしている。

このようにすると、上記不凍液循環回路を介して、例えば図２の矢印およびハッチングに示すように、伝熱フィン７ａ，７ａ・・・の表面に薄く安定した不凍液１２の流下膜（又は流下層）１２ａが形成され、伝熱フィン７ａ，７ａ・・・の表面で凝結し、生成した微細な氷の核は当該不凍液の流下膜１２ａの流動する不凍液層により邪魔されて、伝熱フィン７ａ，７ａ・・・面への固着力を生じることができないようになる。

そして、氷の成長にともない、氷は自重（または容積の増加）により、容易に伝熱フィン７ａ，７ａ・・・の表面から滑り落ちて連続的に脱落する。また、一部のものはファン８の風で下流側に吹き飛ばされる。

この結果、同構成によれば、殆ど従来のような除霜運転の必要がなくなる。また、同構成によれば、一部で試みられているガラス系ビーズや硅砂等粒子系のものを流動させる場合のような粒子の系外への飛散、フィン面（親水層コーティング）の損傷も生じない。

しかも、その場合において、上記上部側不凍液分配ヘッダ１１内および下部側不凍液タンク１４内には、それぞれ不凍液１２の流量調節機能を果す多孔部材（不凍液が通過するに十分な口径の多数の穴を備えた一種の多孔性フィルタ）１３，１５が設けられている。

このようにすると、先ず上部側不凍液分配ヘッダ１１内の多孔部材１３によって伝熱フィン７ａ，７ａ・・・の表面に流される不凍液１２の量が適切に調節され、伝熱フィン７ａ，７ａ・・・の表面に流される不凍液１２の量を常に一定のものにすることができ、膜厚も一定になって安定した不凍液供給状態を実現することができる。

次に上記のようにして伝熱フィン７ａ，７ａ・・・の表面を介して流下してくる一定量の不凍液１２を、さらに下部側不凍液タンク１４の多孔部材１５により同じ量だけ回収して再び上方側分配ヘッダ１１に循環させることができるようになるので、全体としての不凍液１２の循環量を常に一定のものにすることができ、より膜厚も一定になって、より安定した不凍液供給状態を実現することができる。

またその場合において、上記多孔部材１３，１５はそれぞれ疎水性を有して構成され、水を分離する機能を果すようになっている。

このような構成によると、伝熱フィン７ａ，７ａ・・・の表面を流れる不凍液中に水が混入しなくなるので、より着霜しにくくなる。

そして、上記不凍液１２には、例えば潤滑オイルが採用される。

潤滑オイルは、表面張力や比重、粘性その他の点から見て、上述のような作用を果させる不凍液として最適のものである。

そして、潤滑オイルとしては、具体的には例えば水よりも表面張力が小さく、比重および粘性が大きいフッ素系オイルやシリコン系オイルが適している。

フッ素系オイル（例えば直鎖構造を有するパーフルオロポリエーテル油など）は、熱的、化学的にきわめて安定かつ不活性であり、特に耐久性やクリーン性に富み、次のような特性を有している。

（１） 表面張力が水（７２．０）よりも小さく（１７．０〜１８．０）、非常に狭い隙間にも素早く浸透する。

したがって、伝熱フィン７ａのフィン面に対する濡れ性に優れており、フィン面上に均一な厚さの流下膜をスムーズに形成することができ、またフィン面との間に殆ど空気層を生じさせない。

その結果、フィン面上に着層自体が生じにくくなる。

（２） 温度による表面張力、粘性の変化が小さく、広い温度領域（−７０℃〜３００℃）での使用が可能である。したがって、寒冷地でも使用が可能である。

そして、流動点が低く、液膜状態で流下させやすいとともに、蒸気圧が低く、蒸発しにくいので、繰返し循環使用するのに適している。

（３） 水に溶解せず、しかも発水性が高いので、水との分離が容易である。

（４） 化学的に不活性で、銅材等を腐食させない。

したがって、伝熱管７ｂを腐食させる恐れも生じない。

また、シリコン系オイル（例えばジメチルシリコン油など）は、次のような特性を有している。

（１） 表面張力が水（７２．０）よりも小さく（２０．０〜２１．０）、非常に狭い隙間にも素早く浸透する。

したがって、伝熱フィン７ａのフィン面に対する濡れ性に優れており、フィン面全体に均一な流下膜をスムーズに形成することができ、またフィン面との間に殆ど空気層を生じさせない。

その結果、フィン面上に着層自体が生じにくくなる。

（２） 温度による表面張力、粘性の変化が小さく、低い温度領域（−５０℃〜−６５℃）でも十分な流動性がある。したがって、寒冷地でも使用が可能である。

また、流動点が低く、液膜状態で流下させやすいとともに、蒸気圧が低く、蒸発しにくいので、繰返し循環しようするのに適している。

（３） 水に溶解せず、しかも発水性にも優れているので、水との分離が容易である。

（４） 化学的に不活性で、銅材等を腐食させない。

したがって、伝熱管７ｂを腐食させる恐れもない。

さらに、不凍液は、フッ素系不活性液体やアルコールでもよい。

フッ素系不活性液体（例えばハイドロフルオロエーテル）やアルコール（例えばベンゼン、エタノール等）も、上記表面張力（１２〜１８）や粘性その他の点から見て、上述のような作用を果させる不凍液として最適のものである。

さらに、それらは特に流動点の低さ（−９０℃）と熱伝導率の高さで優位性がある（上記フッ素系不活性液体の場合、自然対流伝熱時でシリコン油の５倍）。したがって、熱交換器に適している。

一方、上記多孔部材１３，１５には、例えば発水性に優れ、化学的安定性の高いポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）を繊維構造の多孔質体、超高分子量のポリエチレンの単一素材を原料として多孔質構造に焼結成形した多孔質のプラスチック成形体その他類似のものの採用が可能である。

（適用対象）
本願発明の蒸発器用熱交換器は、上述のようなヒートポンプ式空調機の暖房運転時の室外機（蒸発器として作動）に限られるものではなく、例えばエコ給湯システムの熱源機の蒸発器や冷凍冷蔵庫内の蒸発器など、各種のものに適用することが可能である。

空気調和機用室外機に適用した本願発明の最良の実施の形態に係る蒸発器用熱交換器の全体的な構成を示す断面図である。 同蒸発器用熱交換器の要部の構成と作用を示す拡大断面図である。

符号の説明

１は空気調和機用室外機ユニット、２は本体ケーシング、４ａは空気吸込口、４ｂは空気吹出口、５は圧縮機、７は蒸発器用熱交換器、７ａは伝熱フィン、７ｂは伝熱管、８はファン、９はオイルポンプ、１０は室内機ユニット、１１は上部側不凍液分配ヘッダ、１２は不凍液、１３，１５は多孔部材、１４は下部側不凍液タンクである。

Claims (9)

1. 伝熱フィンの表面に不凍液を流し、同伝熱フィンの表面に不凍液の膜を形成するようにしたことを特徴とする蒸発器用熱交換器。
2. 蒸発器用熱交換器の上部側に不凍液分配ヘッダを、また下部側に不凍液タンクを設けるとともに、それらをポンプを介した不凍液循環パイプで連通させることにより不凍液循環回路を形成して、伝熱フィンの表面に不凍液を連続的又は定期的に循環させるようにしたことを特徴とする蒸発器用熱交換器。
3. 上部側不凍液分配ヘッダには、流量調節機能を果す多孔部材が設けられていることを特徴とする請求項２記載の蒸発器用熱交換器。
4. 下部側不凍液タンクにも、流量調節機能を果す多孔部材が設けられていることを特徴とする請求項３記載の蒸発器用熱交換器。
5. 多孔部材は発水性を有し、水を分離する機能を果すようになっていることを特徴とする請求項３又は４記載の蒸発器用熱交換器。
6. 不凍液は、水よりも表面張力が小さい流体よりなっていることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載の蒸発器用熱交換器。
7. 不凍液は、潤滑オイルよりなっていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の蒸発器用熱交換器。
8. 不凍液は、不活性液体よりなっていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の蒸発器用熱交換器。
9. 不凍液は、アルコールよりなっていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の蒸発器用熱交換器。

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