JP4889747B2 - 熱交換器及びこれを備えた空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器及びこれを備えた空気調和機に関するものである。

空気調和機、給湯機、冷凍装置などの、空気等の媒体と冷媒の如き熱源からの熱との熱交換を行うフィンチューブ式熱交換器において、伝熱面である板状フィンの表面温度が空気露点温度以下に冷却されると、空気中の水蒸気が板状フィンの表面で凝縮され、板状フィンの表面上に凝縮水滴が生成されて、熱交換性能に大きな影響を与える。

図４は空気調和機や給湯機などに広く用いられるフィンチューブ式熱交換器（以下、単に熱交換器という）の模式的説明図である。
熱交換器１は、所定の間隔でほぼ平行に積層されて、その間を媒体である空気が流れるように構成された伝熱面を形成する複数の板状フィン２と、各板状フィン２に設けた貫通穴に挿通された伝熱管３とによって構成されている。

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、高温高圧の気体となって凝縮器へ送られる。冷媒は凝縮器で放熱して液冷媒となり、その後膨張手段により膨張されて気液二相の冷媒となる。
気液二相となった冷媒は、熱交換器１の伝熱管３に流入して気化することにより、板状フィン２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。なお、空気との熱交換を効率的に行うために、矢印で示すように、板状フィン２に向って平行に、送風機（図示せず）により空気（風）が送り込まれる。

例えば、上記の場合、板状フィン２の表面温度が０℃以下となる条件（冷蔵条件、暖房機室外条件）のもとでは、板状フィン２には空気中の水蒸気が霜となって着霜し、図４（ｂ）に示すように、板状フィン２の間に霜層１０が形成されて板状フィン２の間が狭くなる。その結果、霜層１０により板状フィン２の間を流れる風量が低下し、空気と冷媒との熱交換量が減少して装置の冷却性能が悪化する。さらに霜層１０が厚くなると、板状フィン２の間が霜層１０によって閉塞され、通風量が大幅に減少して装置の冷却性能が大きく低下する。

このような装置の冷却性能の低下を回避するために、板状フィン２をヒータ等により定期的に加熱するか、あるいは、冷凍サイクル内の冷媒を逆に流して熱交換器を凝縮器として動作させるなどして、板状フィン２の表面に生成した霜を溶かして除去するデフロスト運転を行っている。デフロスト運転中は装置の冷却性能が低下するため、霜層１０による板状フィン２の間の閉塞を遅延させて装置の運転を続けることが、冷凍サイクルを効率よく運転させるための必要条件となっている。
このように霜層１０を生成する凝縮水滴は、熱交換器の性能に大きな影響を与えるため、種々対策が講じられている。

従来の熱交換器に、アルミ部材（板状フィン）の表面に空気の流入方向と平行に複数の切り溝を設け、この切り溝の間に凸部を設けて凹凸面を形成し、その表面に撥水膜を形成すると共に、凹凸面の上にアルミ素地の新鮮面である複数の切欠部が離散的に現われるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２４０４８７号公報（第３−４頁、図３）

特許文献１の熱交換器は、アルミ部材（板状フィン）の表面に生じる凝縮水滴を処理するために、アルミ部材の表面に切り溝を設けるなど、種々加工することが必要なため、構造が複雑で製造が面倒であるばかりでなく、アルミ部材（板状フィン）の製作コストが高くなるという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、板状フィンになんらの加工を施すことなく、板状フィンの表面に生じた凝縮水滴の径をこれを備えた装置の運転条件に最適な径に制御することにより、伝熱性能を高めると共に省エネルギー化を実現することのできる熱交換器及びこれを備えた空気調和機を提供することを目的としたものである。

本発明は、所定の間隔でほぼ平行に積層された複数の板状フィンと、これら板状フィンを貫通して設けられた伝熱管とを有し、前記板状フィンの間を通過する空気と前記伝熱管中を流れる冷媒との間で熱交換を行う熱交換器において、前記熱交換器の風が流入方向と直交する一方の側に前記板状フィン近接して該板状フィン間の空気を振動させる振動周波数可変の音波発生装置を配設し、他方の側に反射板を設け、前記音波発生装置と反射板との間で共鳴周波数を発生させて、空気の進行方向と平行に複数の腹と節を生成させるようにしたものである。

また、本発明に係る空気調和機は、上記の熱交換器を備えたものである。

本発明に係る熱交換器は、音波発生装置と反射板との間で共鳴周波数を発生させ、空気の進行方向と平行に複数の腹と節を生成させて、板状フィンに加工を施すことなく、板状フィンの間の空気を振動させることにより、板状フィンの表面に生成される空気中の水蒸気の凝縮水滴の径を、これを備えた空気調和機等の装置の運転条件に合わせて最適径に制御するようにしたので、装置の性能を向上することができると共に、省エネルギー化を実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器の模式的説明図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図１の熱交換器の作用説明図である。 熱交換器の板状フィンの表面に凝縮水滴が生成される過程の説明図である。 従来の熱交換器の模式的説明図及び板状フィンへの着霜状態を示す説明図である。

本発明の実施の形態を説明する前に、熱交換器の板状フィンの表面に凝縮水滴が生成される過程について、図３により説明する。
空気露点温度以下に冷却された板状フィン２の表面に、水蒸気１１を含んだ空気が接しているとき、空気中の水蒸気１１は板状フィン２の表面で冷却され、表面上に核１２となって凝縮され凝縮水滴１３が生成される。この凝縮水滴１３は、板状フィン２の表面の至る所で発生する。そして、凝縮水滴１３は、表面エネルギーを下げるため隣どうしの凝縮水滴１３が合体して大きな凝縮水滴１４となる。

この場合、板状フィン２の表面が０℃以下に冷却されているときは、凝縮水滴１４は過冷却水滴となる。そして、過冷却水滴となった凝縮水滴１４はいずれ凝固して氷滴１５となり、この氷滴１５から針状に霜１６が発生し、全体として霜層１０が形成されていく。

上記のような一連の凝縮水滴の生成過程において、凝縮水滴１３が合体する量に注目すると、合体が抑制されれば凝縮水滴１３はある程度の大きさにとどまった状態で存在する。
一方、合体が促進されれば凝縮水滴１３は周りの凝縮水滴１３と合体を続けてどんどん大きくなる。

このような凝縮水滴１３の合体は、凝縮水滴１３の周囲の空気の振動を制御することにより、任意の大きさの凝縮水滴を生成することができる。以下、振動の凝縮水滴に与える影響について説明する。
例えば、図３の凝縮水滴１３の周りの空気が大きく振動しているときは、凝縮水滴１３自身も振動を続ける。その結果、周りの凝縮水滴１３と触れるため合体が促進され、大きな凝縮水滴１４へと変化する。

一方、図３の凝縮水滴１３の周りの空気の振動を小さくして、凝縮水滴１３に極力その位置で束縛されるような振動を与えると、凝縮水滴１３は拘束されて周りの凝縮水滴１３との合体が阻止され、比較的小さい水滴のままで存在する。

本発明は、上記のような結果に基いて、凝縮水滴１３の周りの空気の振動を制御することにより、凝縮水滴１３の径をこれを備えた装置の運転条件に合わせて最適の水滴径に制御して、装置の性能向上をはかるようにしたものである。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る熱交換器の模式的説明図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。なお、図４の従来技術と同じ部分には、これと同じ符号が付してある。
熱交換器１の風の流入方向（矢印で示す）と直交する一方の側には、板状フィン２に近接して音波発生装置５が配設されており、他方の側には反射板６が設けられている。なお、音波発生装置５は板状フィン２に接触させてもよい。また、熱交換器は一般に筐体内に収容されているので、その場合は筐体を反射板に利用し、反射板６を省略してもよい。

そして、音波発生装置５と反射板６との距離をあらかじめ測定しておき、その距離から共鳴周波数を算出して、音波発生装置５と反射板６との間で共鳴が起きるように、音波発生装置５を駆動する。
このとき、図２に示すように、隣接する板状フィン２の間の空気に、風（空気）の進行方向と平行に複数の節７及び節７の間に腹８が周期的に生成される。

この節７では音圧は低く空気の変位は小さい。一方、節７の間の腹８では音圧は高く、空気の変位は大きい。つまり、節７の位置では、凝縮水滴は周りの凝縮水滴とは合体することができず、その位置に拘束され、腹８の位置では、凝縮水滴の変位が大きいため周りの凝縮水滴との合体が進み、大きな凝縮水滴が生成される。

図２では板状フィン２の間に３つの節７が存在する場合を模式的に示したが、着霜条件下では極力小さい凝縮水滴を板状フィン２の表面に発生させることで、霜の高さ方向の成長を抑制できるため、板状フィン２の間にできる節７の数を増やすことにより、上記の効果を発揮させることができる。

このような節７の数は、音波発生装置５の駆動周波数ｆと空気音速ｖとによって決るため、高い共鳴周波数で音波発生装置５を駆動することにより上記の効果が得られるが、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、板状フィン２の間の節７の数を増やすためには、音波発生装置５の出力を大きくする必要がある。

上記のような音波発生装置５には、駆動周波数によって様々な装置が用いられる。例えば、比較的高い周波数（例えば、２０ＫＨｚなど）を用いる場合は、ランジュバン型の超音波発生器があげられる。この超音波発生器は指向性が高く、広い振動板を用いれば、均一に広い範囲に超音波を発生することができる。また、比較的低い周波数を用いる場合は、一般的なスピーカなどでもよく、さらに、大きな振動を与えるためには、ピストン機構をもつ空気振動発生装置を用いてもよい。

いずれの音波（空気振動）発生装置でも、板状フィン２の間の空気が振動されて節７ができれば、本発明に有効である。なお、音波発生装置５は板状フィン２を振動させるのではなく、板状フィン２の間の空気を振動させるものであるから、熱交換器１に接触させる必要はなく、また、板状フィン２の間が狭い熱交換器１に対しても前記の効果を得ることができる。

本実施の形態によれば、熱交換器の板状フィン２になんらの加工を施すことなく、板状フィン２の間の空気を振動させることにより、板状フィン２の表面に生成される空気中の水蒸気の凝縮水滴の径を、これを備えた空気調和機等の装置の運転条件に合わせた最適の径に制御することができるので、装置の性能を向上すると共に、省エネルギー化を実現することができる。

［実施の形態２］
前述のように、熱交換器が低温環境下で動作するとき、板状フィン２の間は霜で閉塞される。そのため、これを用いた装置は定期的にデフロスト運転を行うが、デフロスト運転中は、例えば空気調和機では室内温度が低下し、給湯器では水温が低下するため、デフロスト運転はできるだけ短時間で行うことが装置の安全運転には重要である。つまり、デフロスト運転中に素早く板状フィン２の表面の霜を融解させる必要がある。

しかしながら、板状フィン２の間の霜が融解した凝縮水滴を残したまま通常運転を開始すると、図３で説明した凝縮水滴が大きい状態から着霜が進み、霜の高さ方向の成長が早くなって、板状フィン２の間を水滴（又は氷滴）で埋めてしまうブリッジングと呼ばれる現象が発生するため、結果としてデフロスト運転の回数が多くなる。

そのため、デフロスト運転時間の短縮に加えて、的確に板状フィン２の間の凝縮水滴を除去することが重要である。一般的な冷凍装置では水切り時間を設けており、水切り時間中は、凝縮水滴の自重による落下で板状フィン２の表面の凝縮水滴を除去している。

本実施の形態においては、デフロスト運転中に板状フィン２に残った凝縮水滴の径を大きくして落下を促進することにより、水切り時間を短縮するようにしたものである。
具体的には、図１に示した音波発生装置５により、実施の形態１の場合と同様に、板状フィン２の間の空気に節７と腹８を発生させる。

腹８の位置では前述のように凝縮水滴の変位が大きいため、凝縮水滴は積極的に近隣の凝縮水滴と合体を繰り返えし、大きな水滴となる。水滴が大きくなれば質量も大きくなるため落下が促進され、板状フィン２の表面から凝縮水滴を除去する時間を短かくすることができる。つまり、水滴の径を大きくすることにより、短かい水切り時間で装置を通常運転に復帰させることができ、安定した室温や水温などを供給することができる。

［実施の形態３］
図１の熱交換器１において、板状フィン２の表面温度が空気露点温度以下のときは、板状フィン２上に凝縮水滴が生成される。板状フィン２の表面温度が０℃以下の場合は、実施の形態１で説明したように、凝縮水滴が氷滴となって霜が発生するが、板状フィン２の表面温度が０℃以上で空気露点温度以下のときは、板状フィン２の表面に凝縮水滴が生成される。なお、このような条件は、濡面条件と呼ばれている。

濡面条件下では、熱交換器の熱交換量は空気の温度変化分に加えて、水蒸気の相変化によって生じる潜熱分も加わるため、積極的に板状フィン２の表面上で水蒸気が凝縮水滴へと変化することにより、熱交換量が増加する。
しかしながら、板状フィン２の表面に径の大きな凝縮水滴が存在すると、この凝縮水滴が板状フィン２の間の通風抵抗となるため、板状フィン２の間に流入する空気量が徐々に低下し、熱交換量が減少する。

このようなことから、濡面条件下においても音波発生装置５により、径の小さい凝縮水滴を板状フィン２の表面に均一に存在させることにより、通風抵抗を減少させることができ、また、これにより熱交換器の熱交換量の減少を防止することができる。
また、板状フィン２の表面が径の小さい凝縮水滴で満たされた場合は、径の大きい凝縮水滴になるように変化させ、実施の形態２の場合のように凝縮水滴の質量を大きくして排水性を高めることにより熱交換器の性能を向上させることができる。

本実施の形態によれば、実施の形態１，２とほぼ同様の効果を得ることができ、熱交換器の性能の向上、省エネルギー効果を実現することができる。

以上のように、本発明に係る熱交換器によれば、表面に空気が流れる板状フィン２に生成される凝縮水滴の径を、この熱交換器を備えた装置の運転条件に最適となるように制御することができるので、熱交換器及びこれを用いた装置の性能を向上することができ、併せて省エネルギー効果を実現することができる。

特に、冷凍サイクルシステムにおいては、着霜条件では風路閉塞を遅延させるために径の小さい凝縮水滴に、また、デフロスト運転中は性能低下を引き起こす時間を短縮するために径の大きい凝縮水滴に、さらに、濡面条件下では通風抵抗の低減のために凝縮水滴径を小さくすると共に、排水促進のため凝縮水滴の径を大きくすることにより、装置の性能向上と省エネルギー効果を実現することができる。

［実施の形態４］
本実施の形態は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を冷媒配管により順次接続した冷凍サイクルを有する空気調和機において、凝縮器及び蒸発器の両者又はいずれか一方に、本発明に係る熱交換器を用いたものである。
本実施の形態によれば、信頼性が高く省エネルギー効果を有する空気調和機を得ることができる。

実施の形態４では、空気調和機に本発明に係る熱交換器を用いた場合を示したが、例えば給湯器や冷凍装置など、熱交換器を搭載する他の機器や装置にも本発明に係る熱交換器を用いることができる。

１ 熱交換器、２ 板状フィン、３ 伝熱管、５ 音波発生装置、６ 反射板、７ 節、８ 腹。

Claims (5)

1. 所定の間隔でほぼ平行に積層された複数の板状フィンと、これら板状フィンを貫通して設けられた伝熱管とを有し、前記板状フィンの間を通過する空気と前記伝熱管中を流れる冷媒との間で熱交換を行う熱交換器において、
   前記熱交換器の風の流入方向と直交する一方の側に前記板状フィンに近接して該板状フィン間の空気を振動させる振動周波数可変の音波発生装置を配設し、他方の側に反射板を設け、前記音波発生装置と反射板との間で共鳴周波数を発生させて、空気の進行方向と平行に複数の腹と節を生成することを特徴とする熱交換器。
2. 前記複数の節で発生する凝縮水滴をその位置に拘束して、他の凝縮水滴との合体を抑制することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記音波発生装置と反射板との間において、少なくとも高低２種類の共鳴周波数を発生させ、
   前記熱交換器を備えた装置が着霜条件下においては前記高い共鳴周波数を発生させ、前記複数の節の数を増やし、
   前記装置がデフロスト運転中は前記低い共鳴周波数を発生させ、前記複数の腹の数を減らすことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記板状フィンの表面温度が０℃以上で該板状フィンの表面に凝縮水滴が生成したときは前記高い共鳴周波数を発生させ、排水時には前記低い共鳴周波数を発生させることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器を備えたことを特徴とする空気調和機。

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