JP2010048484A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】
寒冷地の室外機、冷凍装置の室内機では、熱交換器温度が空気露点温度以下に冷却され、その温度が０℃以下の時、表面に着霜現象が生じる。着霜は風路抵抗や熱抵抗の増加を引き起こし、装置の能力の低下につながる。着霜が除去できれば省エネ化が可能となる。
【解決手段】
熱交換器にフィンに対して平行に音波をあて，音波の波長で決まる間隔で霜を配列させる．音波発生装置を前後に周期的に動かすか，もしくは多くの周波数帯の音波を発生させることで，凝縮水滴を除去し，熱交換器に生成した凝縮水滴の 'お掃除' を行う．
【選択図】 図５

Description

この発明は、空調機、低温機器、給湯機器等に配備されている、空気と熱交換を行う熱交換器、あるいはその他の各種伝熱面であって表面に霜が付着するのを抑制する必要がある面を対象とし、その伝熱面上に音波の半波長の間隔で生成される腹と節を設けることで、伝熱面に生成する霜を節の位置に集中させ、また節の位置を移動させることで伝熱面上に発生する霜を除去し、装置の性能を維持する技術に関するものである。

従来の冷凍サイクルシステムにおいて、空気と熱交換を行う伝熱フィンの表面温度が０℃以下になる場合、空気中の水蒸気がフィン表面で凝縮水滴となり、その後冷やされ氷滴となり、結果として霜となる着霜現象が生じる。

フィン表面上に着霜が始まると、霜が厚くなるにつれフィン表面の熱抵抗が増していき、その結果空気との熱交換量が減少し、装置の性能低下につながる。

さらに霜が厚くなることで、フィン間が霜により閉塞され、通風量が減少し装置の性能は大きく低下する。

上記の性能低下を阻止するため、装置は定期的にフィン表面に付着した霜を除去するため、上記フィンをヒータ等により過熱するか若しくは上記冷凍サイクル内の冷媒を逆に流し上記熱交換器を凝縮器として動作させるが、これもまた装置の性能を著しく低下させている。

この着霜問題に対して、超音波振動子を用いてフィン自体を振動させ、フィン表面の霜を除去する手法が考案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−２６５２９１号公報

またこの着霜問題に対して、超音波振動子を用いてフィン表面に生成した霜の融解及び凝縮水滴の蒸発を行う装置が考案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−３２２３８６号公報

従来の冷凍サイクルシステムでは、伝熱フィン表面上に生じる霜により、熱抵抗の増加、通風量の減少が生じ、着霜時に装置の性能が悪化する問題があった。

また、従来の超音波振動子を用いた霜の除去若しくは融解を促す技術は、物理的にフィンを振動させる、若しくは霜を融解させるため、大出力の超音波を必要となり省エネにならず、さらに周波数は融解に最適な超音波領域に限定されている。そして除去した霜は水蒸気となり装置内に戻り、結果的に再度熱交換器上で冷却され霜となる。

この発明は、音波の波長の間隔で生成する腹と節とを利用して、水滴を節の位置に集中させ、また前記の節の位置をフィン上で動かし、水滴をフィンから除去し、霜の発生を抑制することを目的とし、着霜が生じる温度領域でも装置の性能を維持し、省エネにつなげるものである。そして除去した水滴はドレンパンから排水されるので、再度水蒸気となって装置内に戻ることはなく結果的に装置の性能向上につながる。また発生音波も共鳴音波を用いるので少ないエネルギーで音波を発生でき省エネにつながる。

本発明に係る伝熱面は空気と熱交換を行う熱交換器、あるいはその他の各種伝熱面であって表面に霜が付着するのを抑制する必要がある面を対象とし、伝熱面近傍に音波発生装置を設け、音波を伝熱面に向けて平行に発生させる。そして発生した定在波音波により伝熱面間の空気が振動し、前記定在波音波の半波長の間隔で生成する腹と節を用いて、節の位置に水滴を集中させ、着霜に至っても風路の完全閉塞を阻止する。

また本発明に係る伝熱面は空気と熱交換を行う熱交換器、あるいはその他の各種伝熱面であって表面に霜が付着するのを抑制する必要がある面を対象とし、伝熱面近傍に音波発生装置を設け、音波を伝熱面に向けて平行に発生させる。そして発生した定在波音波の周波数を任意の時間で変化させることで、音波の波長を変化させ、これによりフィン上の節の位置及び間隔を変化させ、前記の節に集中した水滴を動かし、伝熱面から除去し霜の発生を抑える。

また本発明に係る伝熱面は空気と熱交換を行う熱交換器、あるいはその他の各種伝熱面であって表面に霜が付着するのを抑制する必要がある面を対象とし、伝熱面近傍に音波発生装置を設け、音波を伝熱面に向けて平行に発生させる。そして前記音波発生装置の伝熱面からの距離を変化させることで、伝熱面上の節の位置を移動させる。結果として前記の節に集中した水滴は節の移動と共に伝熱面上を移動し、伝熱面から水滴を除去し霜の発生を抑える。

また本発明に係る伝熱面は空気と熱交換を行う熱交換器、あるいはその他の各種伝熱面であって表面に霜が付着するのを抑制する必要がある面を対象とし、伝熱面近傍に音波発生装置を対向して配置させることで大振幅の音波を発生させ、音波に由来する音響流を利用して、水滴を一方向に動かし伝熱面から除去し、霜の発生を抑える。

この発明により、伝熱フィン表面に生じる空気中の水蒸気の凝縮水滴を、定在波音波の節の位置に集中させることが可能となり、フィン間の閉塞を阻止することができる。

実施の形態１.
この発明の実施の形態１の構成について、冷凍装置や空調機の蒸発器に広く利用されているフィンチューブ式の熱交換器を用いて説明する。図１は、フィンチューブ式の熱交換器を示した。フィンチューブ式の熱交換器は主として複数の熱交換フィン１１と複数の伝熱管１２とで構成されている。このフィン１１は所定の間隔で複数枚積層されており、各フィン１１に設けた貫通穴を貫通するように、伝熱管１２が設けられている。例えば蒸気圧縮式の冷凍装置では、冷凍装置内の冷媒が圧縮機で圧縮され、高温高圧となって凝縮器へと流れ込む。冷媒は凝縮器で放熱し液冷媒となり、その後、膨張手段により膨張され気液二相の冷媒となる。気液二相になった冷媒が図１のフィンチューブ式熱交換器の伝熱管１２に流れ込み、伝熱管１２内で冷媒が気化することでフィン１１を介して周囲空気から吸熱を行い、冷凍装置として動作する。また図１のフィンチューブ式熱交換器では、空気との熱交換過程を効率的に行うため、フィン１１に向かって平行に蒸発器ファンにより空気が送り込まれる。

例えば冷蔵条件で上記冷凍装置を動作させるとき、周囲の空気温度が０℃、冷媒の蒸発温度が約−１０℃であり、フィン表面温度は０℃以下となる。この時、フィン１１では空気中の水蒸気が霜となって着霜が生じ、フィン間に霜層１３が形成されフィン間が閉塞される。その結果、霜層１３によりフィン間に流れる風量が減少し、空気と冷媒の熱交換量が減少し、装置の冷却性能は悪化する。

以上のことから、霜層によるフィン間の風量低下を回避することで、着霜する条件で装置を運転する時でも性能を維持できる。以下に音波を用いて風量低下を回避する手法について述べる。

図２は本発明の原理を説明する図であって、一端の閉じた長さLの管２１の他端にスピーカなどの音波発生装置２２を設置する。スピーカを管の共鳴周波数f（f=L/v v:音速）の整数倍で駆動すると、管内では閉端で反射された元の波とが干渉して節や腹が生成され、圧力振幅の大きな定在波音波が発生する。

図２では１波長共鳴の様子を描いた。この時、共鳴周波数fと音速vによって決まる波長λ（λ=v/f）の半分のλ/2の間隔で節２３と腹２４はできる。なお節２３の位置は音圧が低く、腹２４の位置は音圧が高い。一方、音波に付随して音波の振動を担う媒体（この場合は空気）もまた振動数fで振動し、前記媒体の振動中心位置からの変位は、節２３の位置では小さく（音圧が小さいため）、腹２４の位置では大きい（音圧が大きいため）。

例えば空気の振動に追従できるくらい軽い媒体（砂や発泡スチロール片など）を管内に撒いておくと、節の位置に前記媒体が集まり、腹と節の縞模様が管内で形成される。この定在波音波で生成する節を用いて、伝熱フィン上の霜の発生位置を限定する。以下に霜の生成過程を述べ、その手法を示す。

図３を用いて霜の成長過程を説明する。０℃以下に冷却された表面３１に水蒸気３２を含んだ空気が接しているとき、空気中の水蒸気３２は表面３１で冷却され、表面上に核３３となり凝縮され、凝縮水滴３４が形成される。この凝縮水滴３４は冷却面３１の至る所で発生する。凝縮水滴３４は表面エネルギーを下げるため隣同士の凝縮水滴３４と合体し大きな凝縮水滴３５になる。但し、表面温度が０℃以下に冷却されているため、凝縮水滴３５はいずれ０℃以下になり凝固し、氷滴３６となる。その氷滴３６上から針状に霜３７が発生し、全体として霜層が形成されていく。

上記の水蒸気が凝縮し凝縮水滴が表面上に発生する過程で、冷却面上に腹と節が存在しているときを考える。この様子を図４に示す。図４に示すように冷却面４１の中央に節４２があるとする。上記に示したように定在波音波により生じる節の位置に媒体は集まるため、節４２がなければ冷却面４１の至る所に凝縮水滴は発生するが、節４２が存在することで凝縮水滴を節４２の位置に集めることができる。こうすることで、図４に示すように節４２の位置へと水滴４５は次々に集まり、結果として節では大きな水滴４６が生成し、一方腹ではほとんど水滴４６が存在しなくなる。上記に述べたように水滴４６が凝固した後の氷滴上から霜が生成するので、腹の位置では霜の発生はなくなる。

上記の効果が期待できる一例として、音波発生装置つきフィンチューブ式の熱交換器の概略図を図５に示す。フィンチューブ式熱交換器は前記に示したようにフィン５１に平行に風が流れる。前記風の進行方向に対して垂直に音波発生装置５３と反射板５４を置く。通常のフィンチューブ式熱交換器は筐体に入っているため、反射板５４は不必要の場合もある。音波発生装置５３と反射板５４との距離をあらかじめ測定し、その距離から上記の共鳴周波数を算出し、必要な節の数がフィンにできるよう周波数を選び音波発生装置５３を駆動する。

この時、図５に示すようにフィン一枚５１ごとに風の進行方向に平行に節５５が生成する。上記に述べたように節５５に凝縮水滴が集中し霜が生成するので、節５５と節５５の間の腹の位置では霜が生成する０℃以下の温度にフィンの温度がなっても着霜しない領域となる。図５ではフィン一枚５１上に３つの節５５が存在する状況を模式的に示した。なお節の数及び節の間隔は先に述べたように周波数fと音速ｖにより決まる。節が多いほど腹の位置も多くなり着霜に至ってもフィン上に風路を確保できるが、前記で述べたように節の数は周波数に比例するため、節の数を増やすには周波数を高くする必要がある。音波の進行方向に対する減衰量は、周波数に比例するため、高い周波数ほど減衰量は大きい。そのため節の数をフィンに増やすためには、音波発生器の出力を大きくする必要がある。

なお音波発生装置としては用いる周波数により様々な装置が考えられる。例えば比較的高い周波数を用いる（例えば20kHzなど）場合は、ランジュバン型の超音波発生器があげられる。この発生器は指向性の高い発生器で、広い振動板を用いれば、均一に広い範囲に音波を発生することができる。また比較的低い周波数であれば、一般的なスピーカ等でもよい。さらに大きな振動を与えるにはピストン機構を持つ振動発生装置でもよい。いずれの発生装置でも定在波音波が発生し、節が伝熱フィン上にでき、伝熱面間の空気が振動されれば本発明には有効である。また音波発生装置は伝熱フィンを振動させるのではなく、伝熱面間の空気を振動させるため、熱交換器に接触しなくてもよく、またフィン間が狭い熱交換器に対しても有効である。

また空気との熱交換を効率的に行うようフィンにスリットを持つ熱交換器に対しては、スリット位置に腹が来るよう周波数を決めることで、上記の効果が増す。略図を図６に示す。スリットフィンは空気との熱交換を積極的に行うためにスリットをフィン上に持っている。しかし、熱交換が積極的に行われるため、前記スリット部では凝縮水滴の生成量が多い。そのため着霜量も多くなり、霜によってスリットが埋まり、スリットの効果がなくなる。前記の腹をスリット部に設けることで、スリット部での霜の発生を抑えることができ、スリットの効果を着霜時にも発揮することができる。

また上記と同様に伝熱管部分も温度が低いために着霜量が多い。前記と同様に伝熱管近傍に腹が来るよう周波数を決めることで、上記の効果が増す。

この発明の他の実施の形態１の構成について、図を用いて説明する。図７に実施の形態１で示した蒸発器熱交換器を示す。ただし、実施の形態１とは異なり、音波発生器は周波数変換器７１に接続されている。上記に述べたように、音波発生器の周波数によって決まる定在波音波の半波長の間隔で、節７２がフィン上に生成し、節７２の位置に凝縮水滴が集まる。

ここで周波数変換器７１により駆動周波数を変化させる。例えば駆動周波数を１kHzから1.5kHzに変化させると、波長は約10cm短くなる（音速を340m/sとした）。これにより、フィン上の節の間隔も同距離（この場合10cm）だけ変化する。

上記の変化により得られる効果を模式的に図８に示した。フィン８１上に凝縮し発生した水滴８２は節８３の位置に集まっている。ここで周波数が変化すると節の間隔が変化して、水滴８２は新たな節８３の位置へと移動する。

上記の周波数の変化を任意の時間間隔で行い節８３のフィン８１上の数を増やす。これにより節８３の位置が徐々にフィン８１の端に移動させる。こうすることで、節８３に集まっていた水滴８２が節の移動と共にフィン８１の端へと移動され、いずれフィン８１から除去することができる。

なお周波数の変化の方法としては、例えば周波数発生器の周波数挿引（周波数スイープ）を用いる手法がある。周波数スイープでは連続的に周波数を変化させるので、水滴の移動がスムーズになる。

ただし、上記の水滴の移動が可能な時間は、水滴が凝固する直前までと考えられる。氷滴になることで、冷却面との付着力が大きくなり、移動に要する力が大きくなる。音源の発生する音波のエネルギーにもよるが、凝縮水滴を容易に移動させるためには、水滴が凝固に至るまでに周波数変化を行う必要がある。実際には流入空気の温湿度によらず頻繁に周波数を変化させるほうが効果的と考えられる。

例えばこの効果をより向上させるフィンの素材として、撥水処理をしたフィンが考えられる。撥水処理した表面上の水滴は、表面エネルギーが小さいため、フィン表面と水滴との接触角が９０°を上回り、水滴と表面との接触面積は非常に小さい。水滴の移動の際、接触面積が小さいほど移動に要する力は小さくなる。そのため短い時間で水滴を移動できる。

この発明の他の実施の形態１の構成について、図を用いて説明する。図９に音波発生器９２を有するフィン９１を持つ熱交換器を上面より模式的に示した。この時、上記に述べたように、音波発生器９２により発生した定在波音波の節９３の位置に凝縮水滴９４は集まる。

この時、音波発生器９２のフィン９１からの距離を変化させる。図９は音波発生器９２をフィン９１に近づけた様子を示した。この際、周波数を変化させず、音波発生器９２の位置だけを移動させると、節９３の間隔はフィン９１で変化しないが、フィン９１上の節９３の位置が変化する。前で述べたが、節９３の位置の移動と共に、凝縮水滴も新たな節の位置へと移動する。前記では周波数を変化させることで節の間隔を変化させ、水滴を移動させたが、音波発生器９２のフィン９１からの距離を変化させることで、節９３の間隔は一定のまま、節９３の位置をフィンの端へと移動させることができる。

この時、音波発生器の移動の手法として、前記発生器にモーター等の移動手段を取り付け、ガイドレールに沿って移動させる手法が挙げられる。またその移動間隔はステップ的に少しずつ動かすのではなく、むしろ連続的に動かすことで水滴が凝固されることなく移動でき、上記の効果が向上すると考えられる。

この発明の他の実施の形態１の構成について、図を用いて説明する。図１０に実施の形態１に示したフィンチューブ式熱交換器を示す。但し、上記とは異なり、図１０に示すように音波発生装置１０１を風方向に垂直に熱交換器に対して対向に配置する。

前記の上下に対向に配置された音波発生装置１０１を用いて、上記の手法では共鳴周波数が音波発生装置と反射板との距離で決まっていたが、図１０では対向する発生装置の駆動周波数に位相差を与えることで、任意の周波数で定在波音波をフィン上に発生させることができる。なぜなら反射板は振動しないので、反射板で反射した音波は位相が１８０°変化するが、スピーカを配置することで前記スピーカの位相により反射波の位相を１８０°以外で反射させることができるためである。

また上音波発生装置１０１を対向させることで、大きな音圧の定在波音波がフィン上に発生する。音圧が大きいとき、音圧に比例して２次的な流れ（音響流）が管内に発生する。図１１に１/２波長共鳴が生じている管内で大振幅音波が発生している際に生成する代表的な音響流を示す。音響流は渦のように定常的に流れる場合もあり、節と節とを行き来する流れもある。特にフィン上の水滴の除去に効果的な音響流は、音響強度に比例した流れであり、この流れは片方の音波発生装置からもう一方の音波発生装置へと流れる。この音響流を利用することで、一方向に水滴を移動させることができ、フィン上から水滴の除去が可能となる。

この発明により、伝熱フィン表面に生じる空気中の水蒸気の凝縮水滴を、定在波音波の節の位置に集中させることが可能となり、フィン間の閉塞を阻止することができる。そして定在波音波の周波数を変化させることで、節の間隔が変わり、前記の節に集中した水滴が移動され、フィンから水滴を除去でき、着霜を抑えることができる。さらに音波発生装置の伝熱面からの距離を変化させることで、伝熱面上の節の位置が変化し、前記の節に集中した水滴が節の移動と共に移動され、フィンからの除去が可能となる。また音波発生装置を伝熱面に対して対向に配置するなど大振幅の音波を発生させ伝熱面間の空気を大振幅で振動させることで、音波に由来する音響流が発生し、一方向に凝縮水滴を動かすことができ、凝縮水滴の伝熱面上からの除去を行う。これらの効果により伝熱フィン表面に発生する霜を抑制または除去でき、着霜による性能低下を回避でき、省エネが期待できる。

本発明を利用すれることで、空気と熱交換を行う熱交換器、あるいはその他の各種伝熱面であって表面に霜が付着するのを抑制する必要がある面を０℃以下に冷却した際、空気中の水蒸気が霜となって面上に付着する着霜問題の改善につながる。特に冷凍サイクルシステムでは、着霜により、風路閉塞が生じ、熱抵抗やデフロストといった性能低下を引き起こしていた。本発明により、定在波音波の節を利用することで風路閉塞を阻止でき、さらに大振幅音波を用いることで、霜の要因となる凝縮水滴を例えば冷蔵庫では下方へ、空調機ではドレンパン方向へ流し除去でき、着霜条件でも装置の性能を維持でき省エネにつながる。

この発明の実施の形態１を示す冷凍装置の構成図である。 この発明の実施の形態１を示す定在波音波が生成する管内の音圧を表した図である。 この発明の実施の形態１を示す凝縮液滴の生成過程を示した図である。 この発明の実施の形態１を示す節を持つ冷却面上の凝縮液滴の生成過程を示した図である。 この発明の実施の形態１を示す音波発生器を持った熱交換器を示した図である。 この発明の実施の形態１を示すスリットフィンを持った熱交換器を示した図である。 この発明の実施の形態１を示す周波数変換器を有する音波発生器付熱交換器を示した構成図である。 この発明の実施の形態１を示す周波数変化による凝縮水滴の移動を示した概略図である。 この発明の実施の形態１を示す音波発生器の移動による凝縮水滴の変化を示した図である。 この発明の実施の形態１を示す２つの音波発生器を持つ熱交換器を示した構成図である。 この発明の実施の形態１を示す音響流を示した構成図である。

符号の説明

１１ 熱交換フィン、１２ 伝熱管、１３ 霜層、２１ 一端の閉じた管、２２ 音波発生器、２３ 節、２４ 腹、３１ 冷却面表面、３２ 水蒸気、３３ 核、３４ 凝縮水滴、３５ 合体後の凝縮水滴、３６ 氷滴、３７ 針状の霜、４１ 冷却面表面、４２ 節、４３ 水蒸気、４４ 凝縮水滴、４５ 節に集まる凝縮水滴、４６ 大きな水滴、５１ フィン、５２ 伝熱管、５３ 音波発生器、５４ 反射板、５５ 節、６１ フィン、６２ スリット、６３ 腹の位置、６４ 節の位置、７１ 周波数変換器、７２ 節、８１ フィン、８２ 水滴、８３ 節、９１ フィン、９２ 音波発生器、９３ 節、９４ 水滴、９５ 反射板、１０１ 音波発生器、１１１ 音響流の流れる向き

Claims (7)

1. 熱源から熱が伝熱されるとともに略平行に設けられた間の空間に空気等の媒体を通過させて前記熱を前記媒体と熱交換する複数の伝熱面と、前記伝熱面に接触させ又は前記伝熱面の近傍に配置され前記複数の伝熱面の間に向けて音波を発生させる音波発生装置と、前記音波発生装置の発生する音波により前期伝熱面の空気を振動させて前記伝熱面間に空気振動の腹と節を生成する前記音波の周波数とを備えたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記音波の周波数を変化させて前記節の位置を前記伝熱面上で動かすことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記音波発生装置の前記伝熱面からの距離を変化させて前記節の位置を前記伝熱面上で動かすことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
4. 前記音波発生装置を前記伝熱面と平行且つ風の進行方向に略垂直な方向へ動かすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記伝熱面に水滴の集中可能な節を生成し、前記節の位置を動かし、又は節に集中した水滴を前記音波の音響流により動かして前記伝熱面から除去することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記腹の位置を前記伝熱面に設けたスリット位置、または前記伝熱面に熱を伝熱する伝熱管の位置に設けることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
7. 前記伝熱面に撥水処理をすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱交換器。

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