JP2022067041A - 熱交換システム及び熱交換システムを備える応用機器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換システムにおいて、駆動中に熱交換器のフィンに水分が付着した場合でも、駆動初期から長期間にわたり優れた熱交換効率が得られるようにする。【解決手段】熱交換システムは、水分を含有する空気と接触する複数のフィンを有し、内部を流通する冷媒と、空気との間で、フィンを介して熱交換することで空気を冷却する熱交換器と、前記冷却によりフィンに付着した水分に、フィンに対する接触角を減少させる添加剤を供給する供給部材と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、熱交換システム及び熱交換システムを備える応用機器に関し、特に熱交換システムの熱交換効率を向上させる技術に関する。

空調装置等に搭載される熱交換システムは、例えば、複数のフィンを有する熱交換器を備え、複数のフィンを介して、空気と、内部を流通する熱媒体との間で熱交換する。熱交換システムの駆動時において、フィンが熱交換により冷却されると、空気がフィンと接触することで空気中の水分が凝集し、フィンに水分が付着することがある。フィンに水分が付着すると、水分の比熱、熱伝導率、潜熱、又は顕熱等の影響により、熱交換器の熱交換効率が低下する。また、複数のフィンに水分が付着すると、フィン同士の間隙が水分により閉塞される。これにより、熱交換器内の空気の流通が阻害されて熱交換効率が低下する。

そこで、例えば特許文献１には、熱交換器のフィンの表面に、親水性樹脂と、シリコーン樹脂とを含有する親水性膜を形成し、フィンに付着した水分を速やかに排出すると共に、フィンに防汚性を付与する方法が開示されている。

特開２０１４－２９２４８号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、親水性膜の親水性がシリコーン樹脂の撥油性により低下し易い。また当該方法では、防汚性を十分に得ることが難しく、フィンに汚れが付着し、親水性膜の親水性が低下する。これにより、熱交換器の熱交換効率が低下する。

そこで本開示は、熱交換システムにおいて、駆動中に熱交換器のフィンに水分が付着した場合でも、駆動初期から長期間にわたり優れた熱交換効率が得られるようにすることを目的とする。

本開示の一態様に係る熱交換システムは、水分を含有する空気と接触する複数のフィンを有し、内部を流通する冷媒と、前記空気との間で、前記フィンを介して熱交換することで前記空気を冷却する熱交換器と、前記冷却により前記フィンに付着した水分に、前記フィンに対する接触角を減少させる添加剤を供給する供給部材と、を備える。

上記構成によれば、空気を冷媒との間で熱交換して冷却する際に熱交換器のフィンに水分が付着すると、供給部材から供給される添加剤より、水分のフィンに対する接触角が減少する。これにより、フィンの表面の濡れ性が向上し、フィンの表面に形成される水膜を薄くできる。また、水分の表面張力が低下するため、フィンの表面から水分を排出し易くできる。その結果、フィンに付着した水分により熱交換効率が低下したり、フィンの表面に付着した水分により熱交換器内の空気の流通が阻害されて熱交換システムの熱交換効率が低下するのが防止される。また、フィンの表面に薄い水膜が形成されることで、フィンに空気中の不純物が付着した場合でも、不純物が水膜と共に速やかに排出され、フィンを清浄な状態に維持できる。

また、これらの効果は、フィンに付着した水分に対し、添加剤が供給部材により供給されることで持続する。またフィンに付着した水分に対し、添加剤を供給部材により供給できるため、添加剤を供給する手間を省略できる。従って、熱交換システムにおいて、駆動中に熱交換器のフィンに水分や汚れが付着した場合でも、長期間にわたり優れた熱交換効率が得られる。

前記供給部材から、前記フィンに付着した水分に、前記添加剤が自由落下により供給されてもよい。これにより、重力を利用して供給部材からフィンに添加剤を自動的に効率よく添加できると共に、熱交換システムの構造を簡素化できる。

前記供給部材が、前記フィンと接触するように配置されていてもよい。これにより、フィンに付着した水分に、供給部材から添加剤を供給し易くできる。

前記複数のフィンが、鉛直方向に延びると共に、前記鉛直方向に交差する交差方向に並ぶように配置され、前記供給部材は、前記交差方向に長尺状であり、前記複数のフィンの端面と接触するように配置されていてもよい。これにより、複数のフィンに付着した水分に対し、供給部材から添加剤を各フィンの鉛直方向に延びる表面に沿って拡散させて供給し易くできる。

前記供給部材が、前記熱交換器に対して着脱自在に配置されていてもよい。これにより、熱交換システムのメンテナンス性を向上でき、必要に応じて供給部材を容易に交換できる。よって、長期にわたり安定した熱交換効率を維持できる。

前記供給部材は、前記添加剤を担持する複数の担持体と、前記複数の担持体を分散させた状態で、前記添加剤を前記担持体から前記供給部材の外部へ放出可能に支持する支持体とを含んでいてもよい。

上記構成によれば、分散された複数の担持体により添加剤を担持することで、各担持体からフィンに付着した水分に対して広範囲に添加剤を供給し易くできる。また支持体により、添加剤を複数の担持体から供給部材の外部へ放出可能に複数の担持体を支持することで、担持体を支持しながら、供給部材からフィンに対して添加剤を安定して供給できる。

前記担持体は、多孔質の粒状物であってもよい。これにより、担持体の孔内に豊富な添加剤を保持させて、供給部材からフィンに対して添加剤を徐放させ、フィンに付着した水分に添加剤を熱交換システムの駆動初期から長期間にわたり供給できる。

前記添加剤は、界面活性剤であってもよい。これにより、フィンに付着した水分の接触角を良好に減少させ易くできる。また、添加剤として例えば既存の界面活性剤を利用することで、熱交換システムの設計自由度を向上できる。

前記添加剤は、前記フィンに付着した水分に対して、溶解、分散、又は拡散してもよい。これにより、フィンに付着した水分に対して、供給部材から添加剤を迅速に行き渡らせることができる。

本開示の一態様に係る応用機器は、上記したいずれかの熱交換システムを備える。この応用機器は、室内機を備える空調装置であり、前記熱交換システムが、前記室内機に搭載されていてもよい。また、この応用機器は、室外機を備える空調装置であり、前記熱交換器に付着した霜を除去する除霜機構を備え、前記熱交換システムが、前記室外機に搭載されていてもよい。また、この応用機器は、前記熱交換器に付着した霜を除去する除霜機構を備え、対象物を冷蔵又は冷凍する冷凍装置であってもよい。

本開示の各態様によれば、熱交換システムにおいて、駆動中に熱交換器のフィンに水分が付着した場合でも、駆動初期から長期間にわたり優れた熱交換効率が得られる。

図１は、第１実施形態に係る応用機器の室内機の斜視図である。 図２は、図１の供給部材からフィンに付着した水分に添加剤が供給される様子を示す拡大模式図である。 図３は、図１の供給部材の内部構造を示す拡大図である。 図４は、第２実施形態に係る応用機器の模式図である。 図５は、従来の除霜前後における熱交換器のフィンとその周辺の様子を模式的に示す図である。図５（ａ）は、フィンに水分が付着した様子を示す図である。図５（ｂ）は、フィンに付着した水が溶解する様子と、フィンに水分が残留する様子を示す図である。図５（ｃ）は、フィンに霜が堆積する様子を示す図である。 図６は、第２実施形態の除霜前後における熱交換器のフィンとその周辺の様子を模式的に示す図である。図６（ａ）は、フィンに水分が付着した様子を示す図である。図６（ｂ）は、フィンから水が滑落する様子を示す図である。図６（ｃ）は、除霜されたフィンを示す図である。 図７は、試験５の試験結果における応用機器の動作サイクル時間と暖房能力との関係を示すグラフである。 図８は、試験６の試験結果における除霜回数と除霜時間との関係を示すグラフである。 図９は、試験６の試験結果における除霜回数と冷却時間との関係を示すグラフである。 図１０は、除霜前の実施例５の熱交換器の様子を示す写真である。 図１１は、除霜後の実施例５の熱交換器の様子を示す写真である。 図１２は、除霜前の比較例６の熱交換器の様子を示す写真である。 図１３は、除霜後の比較例６の熱交換器の様子を示す写真である。 図１４は、除霜前の比較例７の熱交換器の様子を示す写真である。 図１５は、除霜後の比較例７の熱交換器の様子を示す写真である。 図１６は、試験６の試験結果における運転時間と冷凍室温度との関係を示すグラフである。 図１７は、試験６の試験結果における除霜回数と冷凍室温度との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して各実施形態を説明する。
（第１実施形態）
［熱交換システム及び応用機器］
図１は、第１実施形態に係る応用機器１の室内機の斜視図である。図２は、図１の供給部材４からフィン５に付着した水分に添加剤が供給される様子を示す拡大模式図である。図１に示される応用機器１は、一例として、室内機１０と、不図示の室外機を備える空調装置である。この空調装置は、本実施形態では冷房装置として機能する。応用機器１は、熱交換システム２を備える。この熱交換システム２は、室内機１０に搭載されている。

応用機器１では、室内機１０と室外機との間を冷媒が循環する。熱交換システム２は、室内の空気と冷媒との間で熱交換する。熱交換システム２は、水分を含有する空気と接触する複数のフィン５を有し、内部を冷媒が流通する熱交換器（エバポレータ）３と、フィン５に付着した水分に、フィン５に対する接触角を減少させる添加剤を供給する複数の供給部材４とを備える。

空調装置が冷房装置として駆動される際、熱交換器３は、内部を流通する冷媒と室内の空気との間でフィン５を介して熱交換することで、室内の空気を冷却する。複数のフィン５は、一例として鉛直方向に延びると共に、鉛直方向に交差する交差方向（ここでは水平方向）に間隔をあけて並ぶように配置されている。フィン５は、一例として熱伝導性に優れる金属材料（アルミニウム等）を含有するが、フィン５の材質はこれに限定されない。複数のフィン５は、熱交換器３の冷媒が流通する流通管６と接触している。

供給部材４は、室内の空気が冷却される際にフィン５に付着した水分に、フィン５に対する接触角を減少させる添加剤を供給する。これにより後述するように、供給部材４は、フィン５の表面に形成される水膜を薄くできる。本実施形態では、供給部材４からフィン５に付着した水分に対し、供給部材４の添加剤が自由落下により供給される。供給部材４は、フィン５に付着した水分に、所定期間（例えば数年程度）にわたり添加剤を供給し続けるように添加剤を徐放する。供給部材４は、水分と接触することにより、水中に添加剤を分散させながら添加剤を外部に放出する。

図１及び２に示すように、一例として、供給部材４は前記交差方向に長尺状であり、複数のフィン５の端面と接触するように配置されている。供給部材４は、短冊状に形成され、複数のフィン５の配列方向に長手方向が沿うようにして配置されている。供給部材４は、熱交換器３に対して着脱自在に配置されている。即ち供給部材４は、所定のタイミングで熱交換器３に対して交換可能である。

本実施形態の熱交換システム２は、互いに離隔して配置された複数の供給部材４を備える。１つの供給部材４は、熱交換器３の複数のフィン５の厚み方向に延びながら各フィン５の端面と接触している。図１に示すように、熱交換器３は、一例として、室内機１０が有する円柱状のファン１１の周方向に互いに折れ曲がって配置された複数のブロック３ａ～３ｃを有する。複数の供給部材４は、各ブロック３ａ～３ｃと重なるように配置されている。これにより各供給部材４は、各ブロック３ａ～３ｃの複数のフィン５に付着した水分に対して添加剤を供給する。本実施形態では、室内機１０が有するフィルター７と熱交換器３との間に、少なくとも１つの供給部材４が配置されている。

図３は、図１の供給部材４の内部構造を示す拡大図である。図３に示すように、供給部材４は、添加剤を担持する複数の担持体４０と、複数の担持体４０を分散させた状態で、添加剤を担持体４０から供給部材４の外部へ放出可能に支持する支持体４１とを含有する。

本実施形態の担持体４０は、多孔質の粒状物である。この粒状物の外径は、適宜設定可能であり、例えば数μｍの値に設定できる。また一例として、この粒状物は、細孔容積を数ｍＬ／ｇの値、細孔径を十数ｎｍの値、比表面積を数百ｍ^２／ｇの値にそれぞれ設定できる。粒状物の粒径、比表面積、細孔径は、例えば供給部材４に要求される添加剤の徐放性に適した値に設定される。多孔質の粒状物により担持体４０を構成することで、例えば担持体４０の内部に豊富な添加剤を担持させることができる。本実施形態の担持体４０は、無機成分を含有する。一例として、担持体４０は、アモルファスシリカ等のガラスを含有する多孔質ガラスで構成されている。担持体４０の材質としては、多孔質ガラス、活性炭、ゼオライト、ポーラスコンクリートのうちの少なくともいずれかを例示できる。

本実施形態の支持体４１は、水不溶性成分を含有する。この水不溶性成分は、一例として水不溶性樹脂である。この水不溶性樹脂としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、及び、アクリル変性ポリエチレン（例えば住友化学（株）製「アクリフト」）のうちの少なくともいずれかを例示できる。

供給部材４では、複数の担持体４０の間隙に支持体４１が充填されている。これにより、複数の担持体４０は、互いに接触し又は離間した状態で、支持体４１に支持されている。供給部材４が水と接触すると、例えば、供給部材４の表層に位置する担持体４０から添加剤が供給されて水に溶出する。これにより、表層の担持体４０の添加剤の濃度が低下する。その後、供給部材４の内部に位置する担持体４０から供給部材４の表層に位置する担持体４０に向けて添加剤が移動し、表層の担持体４０の添加剤の濃度が上昇する。この表層の担持体４０の添加剤が、水に溶出する。この繰り返しにより、供給部材４から外部の水へ添加剤が供給される。

この添加剤としては、フィン５に付着した水分に対し、フィン５に対する接触角を減少させるものであれば、適宜選択可能である。添加剤としては、例えば界面活性剤を例示できる。ここで言う界面活性剤とは、親水基と疎水基とを分子構造に有する化合物を指す。界面活性剤としては、例えばアニオン系界面活性剤であれば、脂肪酸塩、Ｎ－アシルサルコシン塩、Ｎ－アシルグルタミン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、リンゴ酸アミド、アルカンスルホン酸塩、アルキル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、αオレフィンスルホン酸塩、Ｎ－アシル－Ｎ－メチルタウリン酸塩、Ｎ－スルホ脂肪酸エステル、アルキルリン酸等が例示できる。また、カチオン系界面活性剤であれば、アルキルトリメチルアンモニウム塩、塩化アルキルベンザルコニウム、脂肪酸アミドプロピルカチオン、脂肪酸アミドブチルグアニジン、ジアルキルジメチルアンモニウム塩等が例示できる。また、両性界面活性剤であれば、アルキルジメチル酢酸ベタイン、脂肪酸アミドプロピルベタイン、アルキルジメチルヒドロキシスルホベタイン、アミドアミノ酸塩、アルキルアミンオキシド、アルキルイミダゾリニウムベタイン等が例示できる。また、非イオン性界面活性剤であれば、脂肪酸グリセリンエステル、脂肪酸ソルビタンエステル、脂肪酸ショ糖エステル、アルキルポリグルコシド、ポリオキシエチレンプロピレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール等のオキシアルキレンアルキルエーテル系界面活性剤を例示できる。界面活性剤はこれに限定されず、使用対象や環境に応じて好適に選択することができる。

供給部材４は、一例として、２０重量％以上５０重量％以下の支持体４１と、１０重量％以上３０重量％以下の担持体４０と、残部から形成される組成物とを含有する。添加剤は、この残部が含有している。供給部材４の組成比率は、これに限定されない。

図２に示すように、添加剤として界面活性剤を用いることで、複数のフィン５に付着した水分に対して添加剤を供給した場合、前記接触角を良好に低減させ、各フィン５の広範囲な面積にわたって添加剤を拡散させることができる。添加剤としては、界面活性剤の他、水溶性の有機溶剤等も例示できる。有機溶剤としてはアルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類等が挙げられる。このうち例えば、低級アルコールが好適である。低級アルコールとしては、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール等が例示できる。

本実施形態の添加剤は、フィン５に付着した水分に対して、溶解、分散、又は拡散する。これにより、例えば鉛直方向と交差する方向においても、フィン５に付着した水分に対して、供給部材４から添加剤を迅速に行き渡らせることができる。

次に、供給部材４の製造方法を例示する。一例として、担持体４０、支持体４１、及び添加剤を加熱混錬してストランドを形成する。このストランドを所定寸法に切断した後、切片を射出成形することで、所望形状の供給部材４が得られる。供給部材４を射出成形により製造すれば、例えば熱交換器３の形状等に合わせて供給部材４の形状を容易に設定できる。このように、材料を加熱混錬し且つ射出成形して供給部材４を製造する場合、担持体４０の材質としては、混錬に耐えうる強度を有し、且つ、射出成形時の温度域での耐熱性を有するものが好適である。また支持体４１及び添加剤の材質としては、前記射出成形時の温度域での耐熱性を有するものが好適である。

供給部材４の形状は、長尺状に限定されず、例えば楕円球等の球状や直方体等でもよい。単一又は少量の供給部材４を室内機１０に配置する場合、例えば、円柱状の供給部材４を、複数のフィン５の配列方向に長手方向が沿うように、熱交換器３の頂部に配置することで、各フィン５の広範囲な面積にわたって添加剤を効率よく拡散させることができる。

供給部材４は、その他の成分を含んでいてもよい。当該成分としては、例えば、前記添加剤とは別の界面活性剤、エステル、塩類、消泡剤、粘度調整剤、香料、着色料、ｐＨ調整剤、酸化防止剤、タルクやシリカ等の無機物のうちの少なくとも１つを例示できるが、これに限定されない。また、熱交換システム２が備える供給部材４の数は限定されない。

応用機器１が冷房装置として駆動される際、例えば、室外機が有するコンプレッサーより供給される低温の冷媒が、室内機１０の熱交換器３内を流通する。室内の空気は、熱交換器３の複数のフィン５と接触する。これにより室内の空気は、複数のフィン５を介して、熱交換器３の内部を流通する冷媒との間で熱交換されて冷却される。この冷却された空気は、室内機１０から室内に排出される。室内の空気は水分を含有しているため、冷媒により冷却されたフィン５が室内の空気に触れることで、フィン５に水分が付着する。熱交換に用いられた冷媒は、室内機１０から室外機に送られる。この冷媒は、室外機が有するコンデンサにより、外気との間で熱交換されて凝縮された後、コンプレッサーにより圧縮され、再び室内機１０に供給される。

ここで従来、フィンに付着した水分は、例えば凝集して水滴となる。フィンに水滴が付着すると、水の比熱、熱伝導率、潜熱、又は顕熱等の影響により、熱交換器の熱交換効率が低下する。また、複数のフィンに水滴が付着すると、フィン同士の間隙が水滴により閉塞され、熱交換器内の空気の流通が阻害されて熱交換効率が低下する。また、フィンに空気中の不純物が付着してフィンが汚れることによっても熱交換効率が低下する。

これに対して本実施形態では、空気を冷媒との間で熱交換して冷却する際に熱交換器３のフィン５に水分が付着すると、供給部材４から供給される添加剤より、水分のフィン５に対する接触角が減少する。これにより、フィン５の表面の濡れ性が向上し、フィン５の表面に形成される水膜を薄くできる。また、水分の表面張力が低下する（言い換えると水分の表面エネルギーが低下する）ため、フィン５の表面から水分を排出し易くできる。その結果、フィン５に付着した水分により熱交換システム２の熱交換効率が低下したり、フィン５に付着した水分により熱交換器３内の空気の流通が阻害されて熱交換効率が低下するのが防止される。また、フィン５に薄い水膜が形成されることで、フィン５に空気中の不純物が付着した場合でも、不純物が水膜と共に速やかに排出され、フィン５を清浄な状態に維持できる。

また、これらの効果は、フィン５に付着した水分に対し、添加剤が供給部材４により供給されることで持続する。またフィン５に付着した水分に対し、添加剤を供給部材４により供給できる。このため、添加剤を供給する手間を省略できる。従って、熱交換システム２において、駆動中に熱交換器３のフィン５に水分や汚れが付着した場合でも、熱交換システム２の駆動初期から長期間にわたり優れた熱交換効率が得られる。

また本実施形態では、供給部材４から、フィン５に付着した水分に、添加剤が自由落下により供給される。これにより、重力を利用して供給部材４からフィンに添加剤を自動的に効率よく添加できると共に、熱交換システム２の構造を簡素化できる。

また供給部材４が、フィン５と接触するように配置されている。これにより、フィン５に付着した水分に、供給部材４から添加剤を供給し易くできる。

また複数のフィン５が、鉛直方向に延びると共に、鉛直方向に交差する交差方向に並ぶように配置され、供給部材４は、前記交差方向に長尺状であり、複数のフィン５の端面と接触するように配置されている。これにより、複数のフィン５に付着した水分に対し、供給部材４から添加剤を各フィン５の鉛直方向に延びる表面に沿って拡散させて供給し易くできる。

また供給部材４が、熱交換器３に対して着脱自在に配置されている。これにより、熱交換システム２のメンテナンス性を向上でき、必要に応じて供給部材４を容易に交換できる。よって、長期にわたり安定した熱交換効率を維持できる。

また供給部材４は、一例として、添加剤を担持する複数の担持体４０と、複数の担持体４０を分散させた状態で、添加剤を担持体４０から供給部材４の外部へ放出可能に支持する支持体４１とを含んでいる。

上記構成によれば、分散された複数の担持体４０により添加剤を担持することで、各担持体４０から、フィン５に付着した水分に対して広範囲に添加剤を供給し易くできる。また支持体４１により、添加剤を複数の担持体４０から供給部材４の外部へ放出可能に複数の担持体４０を支持することで、担持体４０を支持しながら、供給部材４からフィン５に対して添加剤を安定して供給できる。

また担持体４０は、多孔質の粒状物である。これにより、担持体４０の孔内に豊富な添加剤を保持させて、供給部材４からフィン５に対して添加剤を徐放させ、フィン５に付着した水分に添加剤を熱交換システム２の駆動初期から長期間にわたり供給できる。

また添加剤は、界面活性剤である。これにより、フィン５に付着した水分の接触角を良好に減少させ易くできる。また、添加剤として例えば既存の界面活性剤を利用することで、熱交換システム２の設計自由度を向上できる。

また図１に示すように、本実施形態では、フィン５の表面を流通した添加剤は、室内機１０が備えるドレンパン８、９に受け止められる。これにより、例えば添加剤が応用機器１の不要な箇所に付着するのが良好に防止される。

なお、熱交換システム２を備える応用機器１が空調装置である場合、空調装置は、暖房装置を兼ねていてもよい。空調装置が暖房装置として駆動される場合、熱交換システム２は、室外機に搭載されていてもよい。また空調装置は、室内機１０及び室外機を備える構成に限定されず、例えば、スポットエアコンやカーエアコンでもよい。また応用機器１は、空調装置に限定されず、例えば冷蔵装置、冷凍装置、乾燥装置等であってもよい。熱交換システム２の用途は、熱交換器３の内部を流通する冷媒と空気とを熱交換器３のフィン５を介して熱交換させて、空気を冷却する用途であればよい。以下、第２実施形態について、第１実施形態との差異を中心に説明する。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る応用機器１０１の模式図である。図５は、従来の除霜（デフロスト）前後における熱交換器のフィンとその周辺の様子を模式的に示す図である。図６は、第２実施形態の除霜前後における熱交換器３のフィン５とその周辺の様子を模式的に示す図である。図４に示す応用機器１０１は、対象物を冷蔵又は冷凍する冷凍装置である。応用機器１０１は、冷蔵室１０２、冷凍室１０３、野菜室１０４、熱交換器３、及び、熱交換器３に付着した霜を除去する除霜機構１０５を備える。除霜機構１０５の除霜方法は、一例として、ヒータ方式である。除霜機構１０５の除霜方法は、これに限定されず、ホットガス方式、散水方式、オフサイクル方式等、その他の公知の方法のいずれかでもよい。

図５に示すように、従来の冷凍装置では、熱交換器のフィンが氷点下まで冷却されて過冷却状態を経過し、過冷却状態が開放されると、フィンに付着した水分（結露水）が凍結する。これにより、フィンに霜が付着する（図５（ａ））。このフィンへの霜の付着が繰り返されると、霜が堆積することになる。霜が堆積することで、熱交換効率が低下する。そのため、この状態で除霜機構を作動させることで、フィンに付着した霜が融解して除去される。しかしながら、除霜機構の通常の除霜運転により完全に除霜することは難しく、フィンには若干の水分（霜や水滴）が残留する（図５（ｂ））。フィンに水分が残留した状態で、除霜運転後に冷凍装置が庫内を設定温度まで再冷却する再冷却運転を行うと、水分が再凍結されて、フィンの表面に氷として残留する。この残留分をベースに更なる霜の付着が起こるため、累積的に霜が堆積する。（図５（ｃ））。これにより、熱交換器の正常な熱交換が妨げられ、冷凍装置の熱交換率が低下する。

図６に示すように、これに対して応用機器１０１では、除霜機構１０５の除霜運転により、霜が融解して複数の水滴が生じる（図６（ａ））。水滴の水分は、供給部材４により供給される添加剤により改質される。複数の隣接する水滴は、互いの親水性により結合し、自重によりフィン５の表面を滑落する。これにより、フィン５から霜が除去される（図６（ｂ））。その結果、フィン５からほとんどの水分が排出される。これにより、除霜運転と再冷却運転とを繰り返し行っても、フィン５の表面に累積的に霜が堆積するのが防止される（図６（ｃ））。よって、長期間にわたって応用機器１０１の優れた熱交換率が得られる。このため、応用機器１の全体での省電力性を向上できる。また、フィン５の表面に対する累積的な霜の堆積が防止されることにより、１回の除霜運転で除霜すべき除霜量を低減できる。これにより、除霜時間が短縮される。また、除霜のために必要な熱量が抑制されることで、除霜運転中における庫内温度の上昇も比較的抑制される。このため、冷蔵又は冷凍される庫内の対象物の温度上昇も抑制できる。また、除霜運転の頻度を低減することもできるため、前述の効果をさらに高めることができる。

次に、本実施形態の変形例を説明する。本変形例に係る応用機器は、室外機を備える空調装置である。この応用機器は、暖房装置として駆動される。この暖房装置として駆動される応用機器としては、ヒートポンプ式の給湯器、ヒートポンプ式の温水暖房装置、給湯による温水暖房装置、及び、電気自動車（ＥＶ）専用のヒートポンプ式暖房装置を例示できるが、これに限定されない。この応用機器は、例えば、熱交換器３に付着した霜を除去する除霜機構１０５を備える。熱交換器３を有する熱交換システム２は、室外機に搭載されている。このような構成を有する本変形例の応用機器でも、応用機器１０１と同様の効果が得られる。なお、室外機において熱交換器に付着する霜は、雪に由来するものであってもよい。

（確認試験）
［試験１］
熱交換システム２とコンデンサとが同一筐体内に配置され、熱交換器３（エバポレータ）を通過した空気が更にコンデンサを通過して筐体外に排出される構成の市販品の除湿機（ＳＵＧＧＥＳＴ（株）製「ＡＲ－３０ＨＣ」）と、供給部材４とを備える応用機器１を実施例１として準備した。

この実施例１では、鉛直方向に延びると共に鉛直方向に交差する交差方向に並ぶように配置された複数のフィン５の上部に、各フィン５の端面と接触するように、長手が水平方向に延びる短冊状の３つの供給部材４を互いに離隔して配置した。また実施例１では、平面視において、両端部の幅寸法が長手方向中央部の幅寸法よりも大きいダンベル型形状の供給部材４を用いた。

また比較例１として、供給部材４の代わりにダミーの板体を用いたこと以外は実施例１と同様の除湿機を準備した。室温２７℃、相対湿度（ＲＨ）４５％の条件下で実施例１及び比較例１を駆動させ、駆動開始後１００分経過前までの実施例１と比較例１の性能差を確認した。

その結果、実施例１は、比較例１に比べて、熱交換器３に空気を導入する導入口付近の空気の温度Ｔ１と、熱交換器３を通過した直後の空気の温度Ｔ２との温度差が大きく、熱交換器３により、空気が冷媒との間で適切に熱交換されることが確認された。

［試験２］
熱交換システム２とコンデンサとが同一筐体内に配置され、熱交換器（エバポレータ）３を通過した空気と、コンデンサを通過した空気とが個別に排出される構成の市販品のスポットエアコン（ハイアール（株）製「ＪＡ－ＳＰＨ２５Ｊ」）と、供給部材４とを備える応用機器１を実施例２として準備した。実施例２では、機器側面に配置されて熱交換器３に空気を導入する導入口に、長手が水平方向に延びる円柱状の４つの供給部材４を互いに離隔して配置した。また比較例２として、供給部材４を用いないこと以外は実施例２と同様のスポットエアコンを準備した。実施例２及び比較例２を駆動させ、実施例２と比較例２の性能差を確認した。

その結果、実施例２は、吸い込み風速を１ｍ／Ｓに設定した条件下で、気温が１０℃以上３５℃以下の範囲において、高湿度になるほど消費電力が低減されることが確認された。また実施例２は、吸い込み風速４ｍ／ｓ以下の範囲において、吸い込み風速が低風速になるほど消費電力が低減されることが確認された。また実施例２は、環境絶対湿度が３０．０ｇ／ｍ^３以下の範囲において、環境絶対湿度が増加するほど、比較例２に比べて除湿量が増大することが確認された。また、気温２７度で湿度７０％の環境下において、実施例２は、比較例２に比べて、空気の吹出口の相対湿度値が低く、吹出口から排出される空気の温度も低いことが確認された。これにより実施例２は、本試験範囲において安定した除湿性能及び冷却機能を有することが分かった。

［試験３］
空調装置のドレンパンに対し、供給部材４から供給される添加剤と水とを混合したものを実施例３として準備し、水を比較例３として準備した。実施例３として、添加剤を濃度１００ｐｐｍで含有する実施例３Ａと、添加剤を濃度１０００ｐｐｍで含有する実施例３Ｂとを準備した。実施例３Ａ、３Ｂと比較例３とを、空調装置のドレンパンの表面に展開し、一定時間経過後のドレンパン表面の残水量を確認した。

その結果、実施例３Ａ、３Ｂのいずれも、比較例３に比べて残水量が半分以下程度に抑制されたことが確認された。また実施例３Ｂは、実施例３Ａよりも残水量が少ないことが確認された。これにより、供給部材４を用いた場合、添加剤を水分と接触させることで薄い水膜を形成し、水分をその付着面から早期に除去できることが分かった。よって、供給部材４を熱交換器３に適用した場合、フィン５に水分が残留するのを防止でき、フィン５の表面にカビ等が発生するのを抑制できると考えられる。

［試験４］
次に、大型空調装置の室内機が備える熱交換システム２を準備した。この熱交換システム２の複数のフィン５を有する熱交換器３から、所定サイズ（縦１７．５ｃｍ、横９．５ｃｍ、厚み９ｍｍ）の略直方体状の切片（複数のフィン５と流通管６とを含む）を切り出した。この切片の初期重量を、切片を吊るした状態で秤により測定した。その後、スポイトを用いて、所定濃度の添加剤を水に混合した混合液を、切片に供給した。添加剤としては、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルを含有する非イオン性界面活性剤である花王（株）製「エマルゲンＬＳ－１０６」を用いた。

切片から混合液が垂れ始め、切片に供給した混合液量が飽和した時点から更に３分間放置した後、切片の重量を測定し、その測定重量と前記初期重量との差により、切片の保水量を測定した。試験結果を表１に示す。表１には、各添加剤濃度の混合液について２度ずつ測定した切片の保水量の測定値、前記２つの測定値の平均値である保水量平均値、並びに、添加剤濃度が０のときの保水量平均値Ａに対する添加剤濃度が各濃度のときの保水量平均値Ｂの保水量比率Ｂ／Ａを示した。

表１に示すように、本試験範囲では、添加剤を供給された水（上記混合液）の添加剤濃度が数十ｐｐｍでも、フィン５の保水量をほぼ６割以下まで減少できることが確認された。

［試験５］
第２実施形態の変形例に係る、暖房装置として駆動される応用機器を、実施例４として準備した。この応用機器の室外機は、上下方向と水平方向とに配置された複数の熱交換器３を有する。本試験では、水平方向に配置された複数の熱交換器３のうち、当該室外機の外側に位置する熱交換器３に対し、熱交換器３の側面の一部を囲むように、複数の長尺状の供給部材４を、長手を水平にして配置した。また、供給部材４を備えないこと以外は実施例４と同様の応用機器を比較例４として準備した。

実施例４及び比較例４の各応用機器について、ＪＩＳ Ｃ ９６１２：２０１３に準拠する低温暖房能力（ｋＷ）と、室内の目標温度（２０℃）までの温度上昇に要する時間（暖房時間）と除霜に要する時間（除霜時間）との組み合わせである動作サイクル時間との関係を調べた。試験時において、室外の乾球温度は２℃、湿外の湿球温度は１℃、室内の乾球温度は２０℃、室内の湿球温度は１４.５℃であった。実施例４及び比較例４の各応用機器は、熱交換器の配管温度が基準温度以下となった場合に除霜機構が作動するように設定した。

図７は、試験５の試験結果における応用機器の動作サイクル時間と暖房能力との関係を示すグラフである。図７に示すように、実施例４は、比較例４に比べて、暖房能力の若干（約１％）の向上がみられた。また実施例４は、比較例４に比べて、暖房運転開始後に熱交換器３のフィン５に霜が付着するまでの時間が短く、且つ、暖房能力のピーク後の能力低下勾配が大きい結果となった。しかしながら実施例４は、比較例４に比べて、除霜時間が短縮化された。これにより、動作サイクル時間全体での運転率は、実施例４が比較例４よりも高いことが確認された。具体的に本試験では、実施例４が、比較例４に比べて、当該運転効率が約３％以上向上することが確認された。また実施例４は、比較例４に比べて、除霜中の暖房運転の停止時間が２５％低減されることが確認された。これにより実施例４では、除霜運転中に暖房が停止し寒く感じる時間を低減できることが分かった。

［試験６］
第２実施形態に係る冷凍装置である応用機器１０１を実施例５として準備した。実施例５では、長手が水平方向に延びる円柱状の複数の供給部材４を配置した。また、供給部材を備えないこと以外は実施例５と同様の応用機器を比較例６として準備した。また、熱交換器のフィンに親水性膜を配置したこと以外は比較例６と同様の比較例７を準備した。実施例５及び比較例６、７の各応用機器の元となる構成として、パナソニック（株）製冷蔵庫「ＮＲーＦ６０６ＷＰＸ」を用いた。そして実施例５及び比較例６、７の各応用機器を、空調温度２５設定、湿度制御なし（約２０ＲＨ％）の試験室内に載置した。

金属製のトレー内に、紙製ウエス（日本製紙クレシア（株）製「キムタオル」）１枚と、純水２００ｍＬとを入れた試験用物品を複数セット準備した。この試験用物品を用い、金属トレー内の純水により熱交換器に霜が付着するように、実施例５及び比較例６、７の各応用機器に水分負荷を掛けた。また、１３時間おきに除霜運転を開始し、除霜運転中に熱交換器の所定位置の周辺温度が１０℃に達したときに除霜運転を終了するように各応用機器を設定した。

また各応用機器に対し、異なる負荷レベル（「低程度」、「中程度その１」、「高程度」、及び「中程度その２」）の負荷を、各一定期間、同順に掛けて駆動させた。各負荷レベルの設定内容を以下の表２に示す。「低程度」では、合計３セットの試験用物品を用い、冷蔵室に２セットの試験用物品を配置し、野菜室に１セットの試験用物品を配置した。「中程度その１」、「高程度」、及び「中程度その２」では、合計５セットの試験用物品を用い、冷蔵室に４セットの試験用物品を配置し、野菜室に１セットの試験用物品を配置した。表２に示すように、「中程度その２」は、試験用物品数が「低程度」よりも多い点で「低程度」よりも負荷が大きく、且つ、扉の開閉負荷がない点で「中程度その１」よりも負荷が小さい。

図８は、試験６の試験結果における除霜回数と除霜時間との関係を示すグラフである。図９は、試験６の試験結果における除霜回数と冷却時間との関係を示すグラフである。図中の「中その１」は「中程度その１」、「中その２」は「中程度その２」を示す。図８に示すように、実施例５は、比較例６及び７に比べて、全ての負荷レベルにおいて、除霜時間が短縮されることが確認された。また除霜時間は、実施例５、比較例７、及び比較例６の順に長くなることが確認された。また図９に示すように、実施例５は、負荷レベルが「低程度」、「中程度その１」、及び、「中程度その２」のいずれである場合も、除霜後の再冷却時間をほぼ初期値のままで維持できることが分かった。図８及び９に示すように、比較例６及び７は、除霜回数の増加（応用機器の運転時間の経過）に伴い、熱交換器に付着して残留する霜の堆積量が増加したため、実施例５に比べて、除霜時間及び除霜後の再冷却時間の両方が増大する結果となった。

また別の試験によれば、負荷レベルが「低程度」の場合、実施例５は、比較例６に比べて、除霜時間中の消費電力量を３８．１％低減できることが確認された。またこの場合、実施例５は、比較例６に比べて、運転全体の消費電力量（起動時、安定時、除霜運転直前、除霜運転中、及び、除霜後の再冷却期間の合計の消費電力量）を１２％低減できることが確認された。

ここで図１０は、除霜前の実施例５の熱交換器３の様子を示す写真である。図１１は、除霜後の実施例５の熱交換器３の様子を示す写真である。図１２は、除霜前の比較例６の熱交換器の様子を示す写真である。図１３は、除霜後の比較例６の熱交換器の様子を示す写真である。図１４は、除霜前の比較例７の熱交換器の様子を示す写真である。図１５は、除霜後の比較例７の熱交換器の様子を示す写真である。図１１、１３、１５は、応用機器の運転開始後、１７回目の除霜運転を行う直前の熱交換器の様子を示す。

図１０及び１１に示すように、実施例５では、負荷レベルが「低程度」、「中程度その１」、及び、「中程度その２」のいずれの場合でも、除霜運転によって熱交換器３に付着したほぼ全ての霜が除霜されることが確認された。また実施例５では、負荷レベルが上記いずれの場合でも、隣接するフィン５同士を接続するように形成される霜のブリッジは確認されなかった。図１２及び１３に示すように、これに対して比較例６では、除霜運転後もフィンに相当量の水滴状の霜が残留し、霜が累積的に堆積することが分かった。また比較例６では、熱交換器の下側に前記ブリッジが形成されることが確認された。また図１４及び１５に示すように、比較例７では、除霜運転によりある程度の量の霜が除霜されるものの、親水性膜が配置されていない熱交換器のフィンの端部や端面、及び、流通管の表面に、水滴状の霜の塊が局所的に残留することが確認された。

このように実施例５の除霜効果が高い理由としては、供給部材４により供給される添加剤により、フィン５に付着した水分が改質されることが考えられる。即ち実施例５では、フィン５に付着した水分が添加剤と接触することで改質され、水分がフィン５から滑落して排水（液切れ）が促進される。これに対して比較例７では、フィンの表面に配置された親水性膜の作用により水分が多少除去し易くなるものの、水分自体は改質されていない。従って、フィンの親水性膜がない部分では、水分はフィンから滑落しにくいものと考えられる。また比較例６は、水分が添加剤により改質されず、フィンの表面に親水性膜も配置されていないため、除霜前後にわたって、フィンの表面に水分が比較的付着し易い状態になっていたものと考えられる。

図１６は、試験６の試験結果における運転時間と冷凍室温度との関係を示すグラフである。図１６は、負荷レベルが「高程度」における実施例５と比較例６との比較結果を示している。図１６に示すように、実施例５は、負荷レベルが「高程度」であっても、比較例６に比べて、庫内温度が安定しており、除霜運転中の冷凍室の温度上昇が最大でも４．４℃であったことが確認された。これに対し、同様の条件下では、比較例６の温度上昇が、最大で１１．１℃に達したことが確認された。

図１７は、試験６の試験結果における除霜回数と冷凍室温度との関係を示すグラフである。図１７に示すように、負荷レベルを「低程度」、「中程度その１」、「高程度」、及び「中程度その２」の間で変化させた場合でも、実施例５は、比較例６及び７に比べて、除霜運転中の冷凍庫内の温度変化を抑制できることが確認された。実施例５によれば、冷蔵庫内の温度を安定に保ち、冷蔵品質及び冷凍品質を向上できると考えられる。

本開示は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、その構成及び方法を変更、追加、又は削除できる。供給部材４により供給される添加剤は、複数成分を含有していてもよい。添加剤が複数成分を含有する場合、添加剤は、例えば、水分のフィン５に対する接触角を減少させる機能を有する第１成分と、前記接触角を減少させるように第１成分の機能を活性化させる第２成分とを含んでいてもよい。

また供給部材４は、フィン５に付着した水分に添加剤を供給可能に配置されていればよい。このため、例えば供給部材４とフィン５とは離隔して配置されていてもよい。この場合、フィン５に付着した水分に対し、供給部材４の添加剤が滴下されてもよいし、供給部材４とは別個の部材を通じて添加剤が供給されてもよい。

１、１０１ 応用機器
２ 熱交換システム
３ 熱交換器
４ 供給部材
５ フィン
１０ 室内機
４０ 担持体
４１ 支持体
１０５ 除霜機構

Claims (13)

1. 水分を含有する空気と接触する複数のフィンを有し、内部を流通する冷媒と、前記空気との間で、前記フィンを介して熱交換することで前記空気を冷却する熱交換器と、
   前記冷却により前記フィンに付着した水分に、前記フィンに対する接触角を減少させる添加剤を供給する供給部材と、を備える、熱交換システム。
2. 前記供給部材から、前記フィンに付着した水分に、前記添加剤が自由落下により供給される、請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記供給部材が、前記フィンと接触するように配置されている、請求項１又は２に記載の熱交換システム。
4. 前記複数のフィンが、鉛直方向に延びると共に、前記鉛直方向に交差する交差方向に並ぶように配置され、
   前記供給部材は、前記交差方向に長尺状であり、前記複数のフィンの端面と接触するように配置されている、請求項３に記載の熱交換システム。
5. 前記供給部材が、前記熱交換器に対して着脱自在に配置されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の熱交換システム。
6. 前記供給部材は、前記添加剤を担持する複数の担持体と、前記複数の担持体を分散させた状態で、前記添加剤を前記担持体から前記供給部材の外部へ放出可能に支持する支持体とを含有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の熱交換システム。
7. 前記担持体は、多孔質の粒状物である、請求項６に記載の熱交換システム。
8. 前記添加剤は、界面活性剤である、請求項１～７のいずれか１項に記載の熱交換システム。
9. 前記添加剤は、前記フィンに付着した水分に対して、溶解、分散、又は拡散する、請求項１～８のいずれか１項に記載する熱交換システム。
10. 請求項１～９のいずれかに記載の熱交換システムを備える、応用機器。
11. 室内機を備える空調装置であり、
    前記熱交換システムが、前記室内機に搭載されている、請求項１０に記載の応用機器。
12. 室外機を備える空調装置であり、
    前記熱交換器に付着した霜を除去する除霜機構を備え、
    前記熱交換システムが、前記室外機に搭載されている、請求項１０又は１１に記載の応用機器。
13. 前記熱交換器に付着した霜を除去する除霜機構を備え、対象物を冷蔵又は冷凍する冷凍装置である、請求項１０に記載の応用機器。

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