JP5456160B2 - クロスフィン型熱交換器及びこのクロスフィン型熱交換器を用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
本発明は、複数の折返し部を介して蛇行する伝熱管の直管部の周りに複数の伝熱フィンを積層してなるクロスフィン型熱交換器とこのクロスフィン型熱交換器を用いた冷凍サイクル装置に関する。
一般に、折返し部を介して蛇行する伝熱管の直管部の周りに複数のフィンを積層してなるクロスフィン型熱交換器においては、伝熱面の表面温度が空気露点温度以下に冷却されるとき、伝熱面表面で空気中の水蒸気が凝縮され、表面に水滴が発生する。特にフィン温度が０℃以下になる場合に、空気中の水蒸気が伝熱面表面で霜となる着霜現象が生じる。伝熱面表面の着霜が進むにつれ、空気が通過する風路が閉塞し、通風抵抗が増加し、装置の性能は大きく低下する。
このような着霜による性能低下を回避するためには、熱交換器表面上に発生した霜を除去するデフロスト（除霜）運転を定期的に行う必要がある。デフロスト運転には、例えば冷凍サイクルの冷媒の流れを切り替えて対象となる熱交換器を内部から加熱するホットガス方式や、熱交換器の近傍に設けたヒーターで外部から加熱するヒーター方式などがある。デフロスト運転中は、装置としての役割、例えば空調での快適性が低下し、また機器の効率も低下する。このため、デフロスト運転時間は、極力短縮する必要がある。
この着霜問題に対して、従来は、フィン表面に親水性のコーティング層を形成して、この親水性コーティング層にプラズマ照射により微細凹凸を形成することで、フィン表面の親水性コーティング層の面積を拡大してコーティング層による効果を増強した超親水性とし、霜の原因となる付着水分をフィン表面に馴染み易くして、重力による流下排出を促進したり、又はフィン表面に撥水性のコーティング層を形成して、この撥水性コーティング層にプラズマ照射により微細凹凸を形成することで、フィン表面の撥水性コーティング層の面積を拡大してコーティング層による効果を増強した超撥水性とし、霜の原因となる付着水分を球状化させてフィン表面からの重力による落下排出を促進して、着霜遅延を行っている（例えば、特許文献１参照）。
このように、従来のクロスフィン型熱交換器では、基本的にフィン表面に形成した親水性または撥水性のコーティング層のもつ効果を利用して重力による水の排水性を高め、着霜遅延効果を得られるようにしていた。
しかしながら、冷媒を流す伝熱管が例えば偏平形状をしているクロスフィン型熱交換器の場合、偏平伝熱管の長手方向は水平に配置される場合が多く、この水平配置部分においては重力による排水効果は期待できない。又、同じ理由からデフロスト時間の短縮効果も期待できない。
本発明の技術的課題は、重力によらない排水効果を得られるようにして、排水性向上、フィン間（風路）の閉塞に至るまでの時間の延長、及びデフロスト時間の短縮を可能ならしめるようにすることにある。
本発明に係るクロスフィン型熱交換器は、下記の構成からなるものである。すなわち、複数の折返し部を介して蛇行する伝熱管の直管部の周りに複数の伝熱フィンを積層してなるクロスフィン型熱交換器であって、伝熱管と伝熱フィンの空気との伝熱面に、水蒸気から凝縮液滴への相変化の際に発生する核の臨界半径よりも小さな半径をもつ穴を設け、かつこれら伝熱管の穴の径と伝熱フィンの穴の径を異ならせたものである。
本発明に係るクロスフィン型熱交換器において、伝熱管と伝熱フィンの空気との伝熱面に設けた穴は、水蒸気から凝縮液滴への相変化の際に発生する核の臨界半径よりも小さな半径をもつため、その穴内部には凝縮液滴はできず、常に空気で満たされることになる。また、伝熱面には空気の部分と金属の部分が常に存在する。表面エネルギーが大きいほど水に濡れやすいため、表面エネルギーの小さい空気よりも、表面エネルギーの大きい金属部に水は移動する。この空気で満たされた穴から金属部への水の移動が駆動力となり、排水性が促進され、排水性が向上し、着霜の成長の核となる凝縮液滴の排除による着霜遅延、デフロスト時の水切り性向上によるデフロスト時間の短縮が可能となり、延いてはこのクロスフィン型熱交換器を用いた冷凍サイクル装置の高効率な運転を実現することができる。また、伝熱管の穴の径と伝熱フィンの穴の径を異ならせることで、伝熱管の形状やフィンピッチに応じた穴径とすることができる。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るクロスフィン型熱交換器を蒸発器として用いた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。冷凍サイクル装置は、図１のように圧縮機１、四方弁２、凝縮器３、膨張手段４、及び蒸発器５を、冷媒配管によって閉ループに接続するとともに、凝縮器用送風機６と、蒸発器用送風機７とを備えて構成されており、冷媒回路内には冷媒が充填されている。
図１は本発明の実施の形態１に係るクロスフィン型熱交換器を蒸発器として用いた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。冷凍サイクル装置は、図１のように圧縮機１、四方弁２、凝縮器３、膨張手段４、及び蒸発器５を、冷媒配管によって閉ループに接続するとともに、凝縮器用送風機６と、蒸発器用送風機７とを備えて構成されており、冷媒回路内には冷媒が充填されている。
四方弁２が図１のような切り替え位置にある場合、冷媒は、圧縮機１で圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって四方弁２を通り凝縮器３へ流れ込む。冷媒は凝縮器３で放熱し液冷媒となり、その後、膨張手段４により膨張され低圧の気液二相の冷媒となる。次いで、冷媒は、蒸発器５で周囲空気から吸熱し、気体となって圧縮機１へと戻る。なお、フロン系冷媒やＨＣ冷媒の場合、凝縮が起こりガスと液の冷媒が存在するため、ガスを液に凝縮する凝縮器３としたが、この凝縮器３は、冷媒としてＣＯ2 のような超臨界圧冷媒を場合、熱を放熱する放熱器となる。
図２に図１の蒸発器５の詳細を示す。蒸発器５は、複数の伝熱フィン８と複数の伝熱管９を備えている。伝熱フィン８は、所定の間隔で複数枚積層されており、各フィンに設けた貫通穴を貫通するように伝熱管９が設けられている。伝熱管９は、偏平形状をしており、内部を流れる冷媒が気化することで吸熱を行い、当該伝熱管外表面および伝熱フィン８を介して熱交換する。フィン材および伝熱管には、加工し易く熱伝導率のよいアルミ板がよく用いられる。空気との熱交換過程を効率的に行うため、蒸発器５には伝熱フィン８に向かって並行に設けられた蒸発器用送風機７により空気が送り込まれる。なお、ここでは平行な板状フィンで説明するが、例えばコルゲート式の伝熱フィンなどであっても同一の動作と効果を生ずる。
例えば、空調機では暖房運転時の室外熱交換器が蒸発器５となり、蒸発器５に流れ込む空気温度が２℃の場合、蒸発器５内の冷媒の蒸発温度は約−５℃である。伝熱面表面は０℃以下であり、伝熱面上では流れ込む空気中の水蒸気により着霜が生じる。着霜により、図３のように伝熱フィン８間（風路）が霜層１１で閉塞され風量が減少し、空気との熱交換量が低下し、機器効率が悪化する。図３の（ａ）は熱交換器の要部の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図である。
熱交換器に着霜する場合は、伝熱面に生成する霜の量を減少させるか、同じ着霜量であっても密度の高い霜を生成させることで、伝熱フィン８間（風路）の閉塞を遅らせることが重要となってくる。
また、伝熱面に生成した霜層１１を除去するため、装置は除霜（デフロスト）運転を行うが、例えば空調機では図４に示すように四方弁２を切り替えて蒸発器５内に高温高圧のガス冷媒を流すことで霜層１１を融解させる。融解した霜は除霜水１２となり伝熱フィン８を伝って重力方向に落下し、外部へと流出する。
除霜運転中は、暖房運転は停止しているため、室温が低下する。室温が低下すると、快適性が損なわれるだけでなく、暖房運転復帰時に、室内温度低下した分、暖房負荷が高くなり、効率が悪化してしまう。除霜時間が長ければ長いほど室温低下幅は大きくなるので、除霜時間は短くした方が、快適性および省エネ性のどちらも向上する。ただし、除霜水１２を伝熱面に残したまま再び暖房運転を開始すると、伝熱面上に残った除霜水１２が起点となって霜が発生する。そのため、確実に伝熱面から除霜水１２を除去することが重要となる。
特に、図２に示す偏平管を伝熱管９として用いたクロスフィン型熱交換器の場合は、図５に示すように伝熱管９の上面に除霜水１２が溜まって排水されにくくなってしまうため、排水性を向上させることが一層重要となる。
以下に、排水性を向上させ、かつ伝熱フィン間（風路）の閉塞を遅らせる手法について詳述する。初めに、水蒸気から凝縮液滴への相変化の際に発生する核の臨界半径について説明する。相変化とは、安定な環境相に核が発生し、その核が成長することで異なる相ができていく現象をいう。核が成長するためには、熱力学的に相全体の自由エネルギーdGを下げる必要がある。半径rの核が発生したときの自由エネルギーは下記（１）式で与えられる。
ここで、ｖは分子１個の体積、dμは分子一個あたりの化学ポテンシャルの変化量、γは表面エネルギー密度を示す。核が成長することでdGを下げるということは、rが増加することでdGが小さくなればよいことを意味する。（１）式のr依存性を図６のグラフに示す。図６の縦軸は（１）式の値を表し、横軸は核の半径rを表す。（１）式の右辺第１項ではrの増加に伴って負に減少し、（１）式の右辺第２項ではrの増加に伴って正に増加する。図６に示すように、（１）式はあるr=r*で極大値を持ち、0<r<r*ではrの増加とともにdGは増え、一方r>r*ではrの増加に伴ってdGは減少する。つまり、半径rがr*以上の核のみが成長を続けることができる。このrを臨界半径r*と呼ぶ。r*は（１）式をrで微分することで得られ、下記（２）式で与えられる。
次に、水蒸気から凝縮液滴への相変化の制御について説明する。前記の生成過程が水蒸気から凝縮液滴の場合を考える。気相の変化を考えるとき、（２）式のdμすなわち分子一個あたりの化学ポテンシャルの変化量は、各々の相の圧力を用いて下記（３）式で与えられる。
ここで、kはボルツマン定数、Tは温度、pは水蒸気圧、peは凝縮液滴の平衡蒸気圧を示す。
また、（３）式を（２）式に代入することで、下記（４）式が得られる。
図７は凝縮液滴を０℃としたときのp/peをr*の関数として表したグラフである。但し、γ=76[erg/cm2]、v=3*10-23[cm3]（水の０℃における物性値）を用いた。なお、図７に示したp/peのr*依存性はTを変化させても（例えばT=263、283[K]としても）、値は大きく変化しない。つまり、水蒸気から凝縮液滴への相変化はこの図７で考えることができる。
例えば、空気条件が７℃、相対湿度８５％のとき、空気中の水蒸気圧は８５４[Pa]である。また、伝熱面の温度が-10℃のとき、凝縮液滴の温度はおおよそ表面温度と等しい-10℃と考えられるので、凝縮液滴-10℃における平衡蒸気圧はpe=286Paであり、おおよそpはpeの３倍となる。このような条件下では臨界半径r*は、図７よりr*=1nmである。つまりr>1nmの核は成長できる。一方、半径1nmの穴内部では、1nm以上の凝縮液滴が生成できないので、穴内部には凝縮液滴はできず、常に空気で満たされる。
熱交換器で考えると、図８のように蒸発器５の伝熱面上に、空気条件と冷却面条件によって決まる臨界半径よりも小さな半径をもつ穴２１を設けた場合、図９のように伝熱面は空気の部分と金属の部分が常に存在する。表面エネルギーが大きいほど水に濡れやすいため、表面エネルギーの小さい空気よりも、表面エネルギーの大きい金属部に水は移動する。
除霜運転時は、空気で満たされた穴２１から金属部への水の移動が駆動力となり、排水性が促進される。この効果により、偏平管を伝熱管９として用いたクロスフィン型熱交換器においても、伝熱管９上の水の排水がスムーズとなる。そして、着霜時は過冷却液滴が凍る前に排除され、着霜量が減って伝熱フィン８間（風路）の閉塞が遅延されるという効果が得られる。
また、伝熱面上に核の臨界半径よりも小さな半径をもつ穴２１がある場合と無い場合について、着霜時の霜の成長過程を図１０に示す。穴２１が無い場合（図１０(a)）は、伝熱面上に発生した凝縮液滴２２が隣の液滴と合体して、大きな液滴となり凝固して霜へと成長していく。穴２１がある場合（図１０(b)）は、金属部に凝縮液滴が発生し、凝縮液滴２２は穴２１を越えて隣の液滴とは合体せず、小さな液滴径のまま凝固し、霜へと成長するため、密度の高い霜となり、霜高さが低くなる。その結果、伝熱フィン間（風路）の閉塞が遅延される。
以上のように、装置を使用する条件（空気条件と冷却面条件）から決まる核の臨界半径よりも小さな半径をもつ穴２１を伝熱面上に設けることで、排水性が向上してデフロスト時間を短縮できるとともに、伝熱フィン間（風路）の閉塞が遅延化してデフロスト回数を削減することができる。
また、設ける穴径はナノサイズであり、通常室内や室外で想定されるごみやちり等の径に比べて十分小さいため、ごみやちりによって穴が塞がることは無く、経年的に性能は維持できる。
なお、穴の深さは、実際のフィンや伝熱管の強度を考えると、貫通しないことが望ましい。例えばアルミ製のフィンおよび伝熱管に穴を空ける手法として、図１６に示す陽極酸化法が挙げられる。陽極酸化法とは、処理対象となる金属を陽極とし、不溶性電極を陰極として電解質溶液中で直流電解操作を行うものである。陰極と陽極とが通電することで、陽極の金属の表面が酸化し、金属の一部がイオン化して電解質溶液中に溶解する。この酸化皮膜５４は電気伝導率が悪いため、陽極酸化処理が進むにつれ、図１９のように金属酸化物が金属素地５３上に形成され、規則正しく成長した穴構造ができる。穴２１の深さは、電圧を印加する時間によって決まるが、先に述べたように貫通しない程度がよいといえる。また、酸化皮膜５４は熱伝導率も悪いので、表面と空気との熱交換を悪化させるため、必ずしも深い穴を空けることが良いとはいえない。しかし、本質的には貫通した穴に対しても、前述の効果は変わらない。伝熱管９は冷媒が漏れてしまうため貫通穴は空けられないが、伝熱フィン８については、貫通穴を空けてもよい。
陽極酸化処理で生成した酸化皮膜５４は、耐腐食性が高いので、信頼性が向上するという効果が得られる。また、伝熱フィン８と伝熱管９が陽極酸化処理可能なアルミなどの金属でできている場合は、図２に示すような熱交換器として組みあがった状態で容易に処理が可能というメリットがある。
なお、本実施の形態１の技術は、排水性向上および伝熱フィン間（風路）の閉塞の遅延を行うものであり、伝熱管９が偏平形状をしたクロスフィン型熱交換器だけでなく、他の形状の伝熱管、例えば円形状の伝熱管を用いたクロスフィン型熱交換器にも適用できる技術であることは言うまでもない。
このように、本実施の形態２のクロスフィン型熱交換器を冷凍サイクル装置に用いることで、伝熱フィン間（風路）の閉塞に至るまでの時間を延長でき、かつデフロスト時間の短縮が可能となり、高効率な運転を実現することができて省エネにつながる。そして、この冷凍サイクル装置を、例えば空調機や冷蔵庫に適用することで、これら空調機や冷蔵庫の高効率な運転を実現することができる。例えば、空調機であれば、フィンピッチ（フィン間隔）1.0mm〜2.5mmで、円形伝熱管の外径が4mm〜13mm程度の熱交換器、ユニットクーラやショーケースや冷蔵庫などに使用される機器であれば、フィンピッチ（フィン間隔）4.0mm〜10mmで、円形伝熱管の外径が6mm〜16mm程度の熱交換器に適用可能である。
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係るクロスフィン型熱交換器の構成について図１１乃至図１３に基づき説明する。なお、冷媒回路構成は実施の形態１で説明した図１と同じであるため、説明にあたっては図１を参照するものとする。
次に、本発明の実施の形態２に係るクロスフィン型熱交換器の構成について図１１乃至図１３に基づき説明する。なお、冷媒回路構成は実施の形態１で説明した図１と同じであるため、説明にあたっては図１を参照するものとする。
本実施の形態２のクロスフィン型熱交換器は、図１１に示すように蒸発器５の伝熱フィン８及び伝熱管９の空気との伝熱面に、下記（５）式、（６）式で表されるギブス・トムソン効果によって、凝縮液滴の凝固点を低下させる穴３１を設けたものである。
すなわち、前述の実施の形態１では、水蒸気から凝縮液滴への相変化を考えたが、ここでは、凝縮液滴から氷滴への相変化を考える。融液相の変化を考えるとき、分子一個あたりの化学ポテンシャルの変化量dμは液相の温度Tを用いて下記（５）式で与えられる。
ここで、Lは融解潜熱、Tmは凝固温度を表わす。
（５）式を（２）式に代入することで、下記（６）式が得られる。
（６）式の左辺は凝固温度と液相の温度差を表している。（６）式の右辺は非負なので、Tm<Tとなり液相の凝固温度からの降下を表わす。
図１２は水のTm-Tのr*依存性を示すグラフである。但し、Tm=273[K]、L=9.97*10-14[erg]（水の物性値）を用いた。図１２に示すように、r*の減少とともにTm-Tが増加している。つまりr*が小さいほど凝固点降下が大きい。この効果はギブス・トムソン効果といわれる。
例えば、図１１の穴３１の半径は10nmであり、穴３１が凝縮液滴で埋まっているとき、その凝縮水滴の半径は10nmと考えることができる。この時、図１２から穴３１内の凝縮液滴の凝固温度は-15℃近くになっていることが分かる。この時、蒸発器５の伝熱面が-10℃に冷却されても、穴３１内の凝縮液滴は凝固せず、穴３１以外の領域だけで氷滴となる。その結果、着霜量は減少する。つまり、（６）式のr*の半径をもつ穴３１を伝熱面全体に設けることで、凝縮液滴の凝固点を低下させて着霜量を減らし、伝熱フィン間（風路）の閉塞を遅延させることが可能となる。
また、図１３に示すように、穴３１の中は常に水で満たされている状態となる。その結果、水は金属よりも表面エネルギーが大きくなるので、水は金属面から水表面へ移動する。この力が駆動力となって排水性を向上させることが可能となる。
以上のように、装置を使用する条件と（６）式から決まる半径よりも小さな半径をもつ穴、つまり内部に溜まった液滴の凝固温度が伝熱面温度より低くなる半径を備えた穴３１を、伝熱面上に設けることで、排水性が向上してデフロスト時間を短縮できるとともに、伝熱フィン間（風路）閉塞が遅延化してデフロスト回数を削減することができる。
また、本実施の形態２においても設ける穴径はナノサイズであり、通常室内や室外で想定されるごみやちり等の径に比べて十分小さいため、ごみやちりによって穴が塞がることは無く、経年的に性能は維持できる。
なお、本実施の形態２においても穴の深さは、実際のフィンや伝熱管の強度を考えると、貫通しないことが望ましい。例えばアルミ製のフィンおよび伝熱管に穴を空ける手法として、図１６に示す陽極酸化法が挙げられる。陽極酸化法とは、既述したように処理対象となる金属を陽極とし、不溶性電極を陰極として電解質溶液中で直流電解操作を行うものであり、陰極と陽極とが通電することで、陽極の金属の表面が酸化し、金属の一部がイオン化して電解質溶液中に溶解する。この酸化皮膜５４は、電気伝導率が悪いため、陽極酸化処理が進むにつれ、図１９のように金属酸化物が金属素地５３上に形成され、規則正しく成長した穴構造ができる。穴３１の深さは、電圧を印加する時間によって決まるが、先に述べたように貫通しない程度がよい。また、酸化皮膜５４は熱伝導率も悪いので、表面と空気との熱交換を悪化させるため、必ずしも深い穴を空けることが良いとはいえない。しかし、ここでも本質的には貫通した穴に対しても、前述の効果は変わらない。すなわち、穴３１の中が金属よりも表面エネルギーが大きな水で常に満たされている状態となることによる排水性の向上効果が得られる。ここでも、伝熱管９は冷媒が漏れてしまうため貫通穴は空けられないが、伝熱フィン８については、貫通穴を空けてもよいことは言うまでもない。
ここでも、陽極酸化処理で生成した酸化皮膜は、耐腐食性が高いので、信頼性が向上するという効果が得られる。また、伝熱フィン８と伝熱管９が陽極酸化処理可能なアルミなどの金属でできている場合は、図２に示すような熱交換器として組みあがった状態で容易に処理が可能というメリットも得られる。
なお、本実施の形態２の技術も排水性向上および伝熱フィン間（風路）の閉塞の遅延を行うものであり、伝熱管９が偏平形状をしたクロスフィン型熱交換器だけでなく、他の形状の伝熱管、例えば円形状の伝熱管を用いたクロスフィン型熱交換器にも適用できる技術であることは言うまでもない。
このように、本実施の形態２のクロスフィン型熱交換器を冷凍サイクル装置に用いることで、伝熱フィン間（風路）の閉塞に至るまでの時間を延長でき、かつデフロスト時間の短縮が可能となり、高効率な運転を実現することができて省エネにつながる。そして、この冷凍サイクル装置を、例えば空調機や冷蔵庫に適用することで、これら空調機や冷蔵庫の高効率な運転を実現することができる。例えば、空調機であれば、フィンピッチ（フィン間隔）1.0mm〜2.5mmで、円形伝熱管の外径が4mm〜13mm程度の熱交換器、ユニットクーラやショーケースや冷蔵庫などに使用される機器であれば、フィンピッチ（フィン間隔）4.0mm〜10mmで、円形伝熱管の外径が6mm〜16mm程度の熱交換器に適用可能である。
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係るクロスフィン型熱交換器の構成について図１４乃至図１９に基づき説明する。なお、ここでも冷媒回路構成は実施の形態１で説明した図１と同じであるため、説明にあたっては図１を参照するものとする。
次に、本発明の実施の形態３に係るクロスフィン型熱交換器の構成について図１４乃至図１９に基づき説明する。なお、ここでも冷媒回路構成は実施の形態１で説明した図１と同じであるため、説明にあたっては図１を参照するものとする。
本発明の実施の形態３のクロスフィン型熱交換器は、図１４に示すように、蒸発器５の伝熱フィン８及び伝熱管９の空気との伝熱面に、水蒸気から凝縮液滴への相変化の際に発生する核の臨界半径よりも小さな半径をもつ第１の穴（実施の形態１で説明した穴）２１と、内部に溜まった液滴の凝固温度が伝熱面温度より低くなる半径を備えた第２の穴（実施の形態２で説明した穴）３１の両方を混在させたものである。
穴２１で霜層密度の向上による伝熱フィン間（風路）の閉塞遅延効果、穴３１で着霜量減少による伝熱フィン間（風路）の閉塞遅延効果が得られ、これらの相乗効果により、さらに伝熱フィン間（風路）の閉塞が遅延化される効果がある。また、図１５に示すように穴２１と穴３１が混在していると、穴２１の空気層部分の表面エネルギーが最も小さく、次に金属部の表面エネルギーが大きくなって、穴３１の常に水が存在する部分は最も表面エネルギーが大きくなる。つまり、伝熱面表面の水は穴２１→金属部→穴３１に向かって移動する駆動力を得て、より排水性が向上することになる。
以上のように、水蒸気から凝縮液滴への相変化の際に発生する核の臨界半径よりも小さな半径をもつ第１の穴２１と、装置を使用する条件から決まる、つまり液滴の凝固温度が伝熱面温度より低くなる半径をもつ第２の穴３１の両方を伝熱面上に設けることで、排水性を向上させてデフロスト時間を短縮することができるとともに、伝熱フィン間（風路）の閉塞の遅延化が可能となってデフロスト回数を削減することができるといった効果が得られる。
また、本実施の形態３においても設ける穴径はナノサイズであり、通常室内や室外で想定されるごみやちり等の径に比べて十分小さいため、穴が塞がることは無く、経年的に性能は維持できる。
なお、本実施の形態３においても穴の深さは、実際のフィンや伝熱管の強度を考えると、貫通しないことが望ましい。例えばアルミ製のフィンおよび伝熱管に穴を空ける手法として、図１６に示す陽極酸化法が挙げられる。陽極酸化法とは、既述したように処理対象となる金属を陽極とし、不溶性電極を陰極として電解質溶液中で直流電解操作を行うものであり、陰極と陽極とが通電することで、陽極の金属の表面が酸化し、金属の一部がイオン化して電解質溶液中に溶解する。この酸化皮膜５４は、電気伝導率が悪いため、陽極酸化処理が進むにつれ、図１９のように金属酸化物が金属素地５３上に形成され、規則正しく成長した穴構造ができる。穴２１，３１の深さは電圧を印加する時間によって決まるが、先に述べたように貫通しない程度がよいといえる。また、酸化皮膜は熱伝導率も悪いので、表面と空気との熱交換を悪化させるため、必ずしも深い穴を空けることが良いとはいえない。しかし、ここでも本質的には貫通した穴に対しても、前述の効果は変わらない。伝熱管９は冷媒が漏れてしまうため貫通穴は空けられないが、伝熱フィン８については、貫通穴を空けてもよい。
また、ここでも陽極酸化処理で生成した酸化皮膜５４は、耐腐食性が高いので、信頼性が向上するという効果が得られる。また、伝熱フィン８と伝熱管９が陽極酸化処理可能なアルミなどの金属でできている場合は、図２に示すような熱交換器として組みあがった状態で容易に処理が可能というメリットがある。
また、陽極酸化処理において、穴径は電流に依存し、図１６に示すように、熱交換器を陽極とする場合に電極４１との接続を伝熱管９にした場合は、図１８（ａ）に示すように伝熱管９に電流が流れ易く大きな穴３１が開き易くなる。逆に図１７に示すように、電極との接続を伝熱フィン８にした場合は、図１８（ｂ）に示すように伝熱フィン８に電流が流れ易くなり大きな穴３１が開く。
したがって、偏平伝熱管を用いたクロスフィン型熱交換器のように伝熱管上の排水性を高めたい場合は、伝熱管９の穴径を大きくして、表面エネルギーの大きい水の領域を増やして、排水性を向上させることが望ましい。
逆にフィンピッチが狭く、伝熱フィン間での水滴のブリッジが起きて、伝熱フィン８上の排水性が悪化するような場合は、伝熱フィン８の穴径を大きくして、排水性を向上させることが望ましい。
なお、本実施の形態３の技術も排水性向上および伝熱フィン間（風路）の閉塞の遅延を行うものであり、伝熱管９が偏平形状をしたクロスフィン型熱交換器だけでなく、他の形状の伝熱管、例えば円形状の伝熱管を用いたクロスフィン型熱交換器にも適用できる技術であることは言うまでもない。
このように、本実施の形態３のクロスフィン型熱交換器を冷凍サイクル装置に用いることで、伝熱フィン間（風路）の閉塞に至るまでの時間を延長でき、かつデフロスト時間の短縮が可能となり、高効率な運転を実現することができて省エネにつながる。そして、この冷凍サイクル装置を、例えば空調機や冷蔵庫に適用することで、これら空調機や冷蔵庫の高効率な運転を実現することができる。例えば、空調機であれば、フィンピッチ（フィン間隔）1.0mm〜2.5mmで、円形伝熱管の外径が4mm〜13mm程度の熱交換器、ユニットクーラやショーケースや冷蔵庫などに使用される機器であれば、フィンピッチ（フィン間隔）4.0mm〜10mmで、円形伝熱管の外径が6mm〜16mm程度の熱交換器に適用可能である。
本発明を利用すれば、０℃以下で空気と熱交換する熱交換器の表面上に生じる着霜問題の改善につながる。冷凍サイクル装置を用いる空調機や冷蔵庫では、伝熱フィン間（風路）の閉塞やデフロスト運転による効率低下を引き起こしていた。本発明のクロスフィン型熱交換器を有する冷凍サイクル装置を空調機や冷蔵庫に用いることで、伝熱フィン間（風路）の閉塞に至るまでの時間を延長でき、かつデフロスト時間の短縮が可能となり、空調機や冷蔵庫の高効率な運転を実現することができて省エネにつながる。
１ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 膨張弁（膨張手段）
５ 蒸発器
８ 伝熱フィン
９ 伝熱管
２１ 穴（核の臨界半径以下の半径をもつ穴）
２２ 凝縮液滴
３１ 穴（ギブス・トムソン効果が得られる半径をもつ穴）
５３ 金属素地
５４ 酸化皮膜
３ 凝縮器
４ 膨張弁（膨張手段）
５ 蒸発器
８ 伝熱フィン
９ 伝熱管
２１ 穴（核の臨界半径以下の半径をもつ穴）
２２ 凝縮液滴
３１ 穴（ギブス・トムソン効果が得られる半径をもつ穴）
５３ 金属素地
５４ 酸化皮膜
Claims (8)
- 複数の折返し部を介して蛇行する伝熱管の直管部の周りに複数の伝熱フィンを積層してなるクロスフィン型熱交換器であって、
前記伝熱管と前記伝熱フィンの空気との伝熱面に、水蒸気から凝縮液滴への相変化の際に発生する核の臨界半径よりも小さな半径をもつ穴を設け、かつこれら伝熱管の穴の径と伝熱フィンの穴の径を異ならせたことを特徴とするクロスフィン型熱交換器。 - 複数の折返し部を介して蛇行する伝熱管の直管部の周りに複数の伝熱フィンを積層してなるクロスフィン型熱交換器であって、
前記伝熱管と前記伝熱フィンの空気との伝熱面に、内部に溜まった液滴の凝固温度が前記伝熱面の温度より低くなる半径を備えた穴を設け、かつこれら伝熱管の穴の径と伝熱フィンの穴の径を異ならせたことを特徴とするクロスフィン型熱交換器。 - 複数の折返し部を介して蛇行する伝熱管の直管部の周りに複数の伝熱フィンを積層してなるクロスフィン型熱交換器であって、
前記伝熱管と前記伝熱フィンの空気との伝熱面に、水蒸気から凝縮液滴への相変化の際に発生する核の臨界半径よりも小さな半径をもつ第１の穴と、内部に溜まった液滴の凝固温度が前記伝熱面の温度より低くなる半径を備えた第２の穴の両方を設けたことを特徴とするクロスフィン型熱交換器。 - 前記伝熱管の穴の径と前記伝熱フィンの穴の径を異ならせたことを特徴とする請求項３記載のクロスフィン型熱交換器。
- 前記伝熱面の穴は、前記伝熱管と前記伝熱フィンが組み上がった状態で、陽極酸化処理によって形成され、前記陽極酸化処理で穴をあける際、電源との接続を前記伝熱管のみにして、該伝熱管に空ける穴の径を前記伝熱フィンに空ける穴の径よりも大きくされていることを特徴とする請求項４記載のクロスフィン型熱交換器。
- 前記伝熱面の穴は、前記伝熱管と前記伝熱フィンが組み上がった状態で、陽極酸化処理によって形成され、前記陽極酸化処理で穴をあける際、電源との接続を前記伝熱フィンのみにして、該伝熱フィンに空ける穴の径を前記伝熱管に空ける穴の径よりも大きくされていることを特徴とする請求項４記載のクロスフィン型熱交換器。
- 前記伝熱面に前記陽極酸化処理で穴をあけることにより、酸化皮膜を形成することを特徴とする請求項５又は６に記載のクロスフィン型熱交換器。
- 少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張手段、及び蒸発器を備え、これらが冷媒配管によって閉ループに接続されて冷媒回路を構成し、該冷媒回路内には冷媒を充填してなる冷凍サイクル装置であって、
前記蒸発器として、請求項１〜７のいずれかに記載のクロスフィン型熱交換器を用いたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
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