JP5932597B2

JP5932597B2 - 熱交換器及びその製造方法、並びに該熱交換器を備えた空気調和機

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Publication number: JP5932597B2
Application number: JP2012226232A
Authority: JP
Inventors: 栗木　宏徳; 宏徳栗木; 古川　誠司; 誠司古川; 一普宮; 英幸森村; 外囿　圭介; 圭介外囿
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-10-11
Also published as: JP2014077600A

Description

この発明は、空気調和装置などにおける熱交換器において、特に結露水を排水する方法に関する。

板状のフィンと伝熱管を組み合わせたフィンチューブ型熱交換器は、空気調和機用の熱交換器として一般的に用いられているものである。フィンチューブ型熱交換器の製造には、適宜間隔をおいて多数重ねられた板状フィンを治具で固定し、各板状フィンの挿通穴に伝熱管を挿入して板状フィンと円管を接触させ、その後、円管の拡管や、ろう材、接着剤などによって接合ないし固定している。

フィンチューブ型熱交換器は、凝縮器のみでの利用には適しているが、蒸発器として使用した場合、空気と熱交換する際に伝熱管内を流れる冷媒の温度が空気の露点を下回ると、空気中の水分が熱交換器表面で結露し、結露水（ドレン水）が発生する。発生した結露水は、フィン端面や伝熱管表面から速やかに排水されれば問題はないが、表面に溜まると熱交換器の通風抵抗が増大して通過する風量が低下する。その結果、蒸発温度が低下することで結露水が霜へと変化成長し、さらに通風抵抗が増大して風量が低下する悪循環に陥ると、熱交換効率が著しく損なわれた状態となるおそれがある。

また、結露水に海塩粒子等外気の腐食因子が溶け込んだ場合、滞留したその結露水が熱交換器を構成する金属材料を腐食するという問題も生じる。したがって、熱交換効率低下、ならびに材料の腐食を抑制するためには、フィンおよび伝熱管表面の排水性を確保する必要がある。

一方で、断面形状が扁平で外郭に平坦部を有し、内部に複数の冷媒流路をもつ扁平形状伝熱管(以降、扁平管とする)とフィン材を組み合わせたフィンチューブ型熱交換器が用いられることがある。熱交換器の伝熱管に扁平管を用いることにより、円管を用いた熱交換器と比較して、冷媒に接触する管内面積を大きくとることができ、さらに通風抵抗を小さくできるという利点がある。

しかしながら、扁平管を用いたフィンチューブ型熱交換器は、板状フィンどうしの間や扁平管の上面に結露水が溜まりやすいという排水性の欠点があり、円管を用いたフィンチューブ型熱交換器と比べて、使用条件に制約があった。

従来のフィンチューブ型熱交換器においては、フィン表面の親水性あるいは撥水性のポリアミド樹脂のコーティング層にプラズマ照射により微細凹凸を形成し、所望の親水性を得ている。（例えば特許文献１参照。）
また、アルミニウム基材上に、ろう材層、フラックス層、二酸化ジルコニウムのナノ粒子を有するゾル層を用い、ろう付け工程で半セラミックス酸化物層を形成して、親水性を調整している。（例えば特許文献２参照。）

特開２００２−９００８４号公報特表２００９−５０２５０９号公報

従来のフィンチューブ型熱交換器では、フィンないし伝熱管の表面にコーティングないし加工を施すことで親水性の調整を行なっているが、アルミニウムなどの金属からなるフィンとコーティング材料とは熱膨張係数が異なる。そのため、板厚みが０．３ｍｍ以下のごく薄いフィンにおいては、反りの問題が生じることがあった。また、運転時と停止時の温度差、および昼夜の温度差などによる温度サイクルによってコーティングの亀裂、剥離等が生じる問題があった。

さらに、ポリアミド樹脂など有機高分子樹脂を用いる場合は、ろう付け時の６００℃程度の高温に耐えられないことから、ろう付け後にコーティングを行なう必要があり、親水化層の形成方法に制約があった。さらに、表面加工による親水化処理は、製造するために複雑な工程・設備を要することから、製造上の観点から適用に困難があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高温処理を伴うろう付によって製造されたフィンチューブ型熱交換器においても、熱交換器表面に生成した結露水を効率的かつ安定的に外部へ排水するための親水化処理がなされた熱交換器を得ることを目的とする。

本発明の熱交換機においては、所定の間隔で平行に並べられた複数のフィンと、前記複数のフィンの面を貫通し、親水性を有する金属酸化物粒子が分散してある接合材により前記複数のフィンに接合された伝熱管とを備え、前記複数のフィンと前記伝熱管とに囲まれた風路の空気接触面に、空気流れ方向に沿って前記金属酸化物粒子の密度が単調に増加する親水性勾配領域を有するものである。

本発明の熱交換器は風路下流に向かって親水性が向上する親水性勾配領域を有することから、運転時にフィンどうしの間や扁平管上から、風路の下流側に向かって結露水が流れ、結露水を効率的かつ安定的に熱交換器の外に排出することができる。

この発明の実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器及び送風ファンの位置関係を示す概略斜視図である。この発明の実施の形態１に係る扁平管及びフィンで構成される熱交換器の構造例を示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係るろう付時におけるフィンと扁平管の位置関係を示す図である。この発明の実施の形態１に係るろう付後におけるフィンと扁平管との接合部の拡大図である。この発明の実施の形態１に係るクラッドフィンの構造を示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係るフィン表面の金属酸化物濃度分布を示す模式図である。この発明の実施の形態１に係るクラッドフィンと扁平管を組み合わせた状態を示す断面図である。この発明の実施の形態１に係る熱交換器における結露水の流れを示す模式図である。この発明の実施の形態１に係るろう付後におけるフィンと扁平管との接合部の拡大図である。複合サイクル試験の試験条件を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１の変形例に係るろう付け時のろう材の配置例を示す図である。この発明の実施の形態３に係る熱交換器における結露水の流れを示す模式図である。この発明の実施の形態３に係る扁平管の傾斜角を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るフィンチューブ型熱交換器及び送風ファンの位置関係を示す概略斜視図で、例えば、空気調和機用の室外機などに該当するものである。送風ファン１と熱交換器３が対向して筐体２の中に配置されており、空気流れ４は運転時に送風ファン１から熱交換器３に向けて送られた風が熱交換器３を通過する方向を示す。なお、空気調和機用の室外機には、熱交換器、送風ファン１の他に、機械室、制御用基板、圧縮機などが空気調和機構成に含まれるが、これらは運転時における風の流れ、結露水の動きに直接関係しないので省略している。また、他の図において同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは本明細書の全文において共通することである。

図２は、扁平管及びフィンを縦横に組み合わせて構成される熱交換器３のコア部の構造例を示す斜視図であり、扁平管５の内部構造を示すために扁平管５の断面が示されている。実際の熱交換器は、コア部の扁平管５が配管接続されて冷媒回路を構成している。熱交換器３は、Ｕ字形の切り欠きを複数有する板状のフィン６が所定の間隔で平行に並べられており、複数のフィン６の面を垂直に貫通してフィン６に接合された扁平管５を備えている。熱交換器３の使用にあたっては、通常は、図２のようにフィン６が地面に対して垂直方向に立つように配置する。フィン６と扁平管５で区画された空間は、熱交換器３の風路を形成している。また、扁平管５の内部は仕切りがあって、仕切られたそれぞれの空間が冷媒の流路となっている。

図１に示す配置の送風ファンと熱交換器においては、図２に示す扁平管５の送風ファン１側が空気流れの上流側に、送風ファン１の反対側が下流側となる。図２においては、Ｕ字形の切り欠きから扁平管５の側面部となる曲面が露出する部分が上流側とすればよい。扁平管５とフィン６は嵌合部でろう材によって接合され、熱的に接続されている。複数のフィン６と扁平管５は、後述するように金属酸化物粒子が分散されたろう材で接合されており、接合後のろう材層は空気流れの上流側から下流側に向かって金属酸化物粒子の密度が単調に高くなることによって、上流側から下流側に向かって親水性が単調に高くなる親水性勾配領域を有している。なお、親水性は一般に水滴の接触角で評価することができ、接触角が小さいほど親水性が高いと定義することができる。その他、表面からの落下速度などの評価方法を用いてもよい。

次に、図２に示す熱交換器３の製造方法について述べる。図３は、ろう付時のフィン及び扁平管の位置関係を示す図であり、組立のためにそれぞれの部材が配置された様子を示している。空気流れ４の矢印は、熱交換器３完成後に使用する際の風の流れる方向を示しており、図３においては下側方向を指している。コア部の具体的な作製手順は、板状のフィン６を互いに平行に所定間隔をあけて配列し、扁平管５をフィン６のＵ字形切欠き部に挿入し、全体を加熱してろう付けを行なう。フィン６のＵ字形切欠き端面と扁平管５が所定のクリアランスをもって挿入されていることから、ろう材により溶接してクリアランスをほぼ、ろう材で満たすものである。

図４は、ろう付後におけるフィン６と扁平管５との接合部の拡大図で、Ｕ字形切欠き部に扁平管５が挿入されて、両者の間のクリアランスにろう材が侵入し、両者を隙間無く接合している様子を示している。扁平管５の材料としては、例えばＪＩＳＡ１０００番台、ＪＩＳＡ３０００番台のアルミニウム合金または銅が使用される。また、フィン６の材料としては、ＪＩＳＡ１０００番台のアルミニウム材料などが使用される。

図５は、フィン６の組み立て前の状態である、クラッドフィンの構造を示す斜視図で、アルミニウム合金の芯材層７と、ろう材層８からなる二層構造を有している。ろう材層８に用いるろう材には、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるＪＩＳＡ４０００番台など、扁平管５及びフィン６の芯材層となるＡｌ材またはＡｌ合金よりも融点の低いＡｌ合金が用いられる。ろう材層８には、ろう材のほか、金属酸化物粒子が混合されている。

金属酸化物はその表面にカルボニル基(=Ｏ基)又は水酸基(-ＯＨ基)を有しており、これらが水分子をひきつけるために親水性を発現する。クラッドフィンの状態では、金属酸化物粒子がろう材層８中に均一に分散されている。本実施の形態１では、酸化鉄(Ｆｅ２Ｏ３,Ｆｅ(ＯＨ)_３)をろう材層８に分散させたクラッドフィンを扁平管５と組み合わせてろう付けにより熱交換器３のコア部を作製する。この方法を用いることにより、ろう付け工程後の溶融したろう材層に担持された金属酸化物粒子がフィンおよび接合部の表面に露出して熱交換器３に親水機能を付与している。酸化鉄の密度は５．２４ｇ／ｃｍ^３であり、アルミニウムの密度は２．３８ｇ／ｃｍ^３（溶融時）であるため、図３に示すようにフィン６と扁平管５を組み合わせた状態でろう付を行った場合に、クラッドフィン中のろう材層８が溶融し親水機能を有する酸化鉄粒子は重力により下方へと移動する。すなわち、接合に用いるろう材よりも密度の大きい、親水機能を有する粒子をろう材内部に分散させて、ろう材が溶融したときに粒子を重力の作用により下方へ移動させて、熱交換器表面に粒子の密度勾配を持たせることが本発明の製造方法の特徴である。つまり、ろう付工程において、溶融したろう材中の金属酸化物粒子が沈降により下方に移動し、金属酸化物粒子の分布状態に勾配が生じることから、フィン６の表面に親水性の勾配をもつ領域が生じる。

図６は、フィン６表面の金属酸化物粒子の濃度分布を示す模式図であり、金属酸化物の密度が高い領域が濃い灰色で表現されている。なお、図６では扁平管５は省略されて、扁平管５が１本設置されるＵ字切欠き部９の周辺を示している。図６に示すように、フィン表面にて、熱交換器使用時の風下側にいくほど金属酸化物粒子が多く含まれており、その結果、風下側にいくほど親水性が高くなる親水性勾配領域が形成されている。なお、ろう材に分散させる粒子は、耐熱性と親水性を有する材料であれば、酸化鉄粒子に限定されないことは言うまでもない。

図７は、クラッドフィンと扁平管を組み合わせた状態を示す断面図で、Ｕ字形切欠き部に設置された１本の扁平管５の周囲に、フィンカラー１０を備えたクラッドフィンが配置された部分を拡大して示している。フィンカラー１０はＵ字形切欠き部端面に立ち上がり形状を形成したもので、Ｕ字形切欠き部を形成する際に、バーリング加工を行なって作製することができる。
熱交換器を構成するフィン６はその間隔(フィンピッチ)が２ｍｍ程度になるように配置されており、扁平管５の表面はろう付時のフィン-扁平管接合面となるフィンカラー１０でほぼ覆われる。フィンカラーにて覆われていない部分についても、ろう付時の余剰ろう材が拡がってカバーされるため、ろう付け後は扁平管表面にも親水機能が付与されることになる。

次に、フィン６に親水機能を有する金属酸化物の担持と、ろう付けによる金属酸化物の移動について説明する。ろう付け前のろう材に添加する酸化鉄粒子については、その分量が多くなるとろう付性が低下し、少なくなると親水機能が低下する。本発明においては、ろう材量に対する酸化鉄の添加量は、１０〜３０重量％の範囲内であることが望ましい。フィン６表面の空気流れにおける上流側にも多少の酸化鉄粒子が残留していることが望ましく、上流側にて酸化鉄が残留するよう酸化物の各添加量に対応したろう付時間を制御することが必要である。

また、添加する酸化鉄粒子の粒径についても制御する必要がある。酸化鉄粒子の平均粒径が大きいと、ろう材層８内における均一分散が難しくなるが、平均粒径が小さすぎると、ろう付け工程で沈降が生じにくい。そのため、酸化鉄粒子の平均粒径は、０．５〜１０μｍが適当である。上述のろう付性低下及び金型磨耗の観点から、ろう材層８の厚みの範囲については、フィンの芯材層７の厚みに対して、５％以上１５％以下が望ましい範囲となる。

次に、親水性に勾配を持たせた熱交換器で構成された空気調和機を実際に運転した場合の、フィン表面に生成した結露水の流れについて説明する。図８は、熱交換器の扁平管上およびフィン表面における結露水の流れを示す模式図で、板状のフィン６が縦に配置されるとともに、扁平管５の平坦面が水平に配置された熱交換器に送風している状態を示す。熱交換器の下方には、結露水を受ける底板１１が配置される。ファンから吹き付けられた空気の流れ４ａと、熱交換器内の風路を通過した空気の流れ４ｂが矢印で示されており、破線の矢印は、結露水の流れる方向を模式的に示している。
先に述べたように、熱交換器３のフィン６の表面には親水性勾配領域が形成されており、送風ファンから室外機外部へ空気が流れるときに、風路となるフィン６表面において、親水性の低い上流側から、親水性の高い下流側に向かって空気が流れる。

本発明に係る熱交換器用フィンは、親水性を有する粒子表面すなわち酸化鉄粒子表面にて結露水を取り込もうとする親和力が働くため、結露水が酸化鉄の分布密度の高い領域に引き寄せられていく。すなわち、結露水がフィン６の表面の風路上流から風路下流に向かう際に、次第に親水性が高まる親水性勾配領域を通過することで、結露水が下流側に移動する駆動力を生じる。したがって、本発明においては、空気流れのない状態においても、結露水が酸化鉄の高密度領域側すなわち高親水性側に移動する駆動力を持っている。そのため、送風ファンからの送風による空気流れは、熱交換作用と同時に、結露水移動の駆動力を補助するものと考えることができる。

フィン６は底板１１に対して垂直に配置されており、基本的に熱交換器上部から底板１１の上方までつながっている。室外機を稼動させて、送風ファン１により空気流れが生じ、圧縮機の運転により熱交換器表面で生成した結露水がフィンの空気流れ上流側から空気流れ下流側に移動し、下流側に集まった結露水はフィンを伝わり熱交換器下部へ向かって流れ落ちる。流れ落ちた結露水は底板１１に集められ、ドレイン穴（図示せず）から放流されるため、熱交換機と底板１１の間に結露水が滞留することがない。その結果として、鋼板等から構成される底板１１による熱交換器の異種金属接触腐食の進行が促進されることもない。
なお、扁平管５の表面にもろう付時にフィンからフィン-扁平管接合部へと流れ込むろう材に含まれる酸化鉄粒子の沈降現象が生じることから親水性勾配領域が形成される。したがって、扁平管５の表面に生成された結露水についても親水性勾配領域の駆動力を利用した排水がなされる。

また、実施の形態１においては、図５に示すように親水機能を有するろう材層８をフィン片側に付与させる構造を採っている。これは、熱交換器のフィンピッチが１．５〜２．５ｍｍ程度と非常に狭く、結露水がフィン同士の隙間にブリッジを形成しながら生成されるため、片側に付与した親水機能にて下流側へ移動させることが可能なためである。一方、両面にろう材層を設けると、ろう材層中のＡｌ-Ｓｉ合金が芯材層７よりも硬いため、フィン材の硬度が上がる問題がある。フィン材が硬くなると、フィンの製造時に使用する金型が磨耗することから、両面にろう材層を形成することはフィンの製造上不利となる。

図９は、ろう付後におけるフィン６と扁平管５との接合部の拡大図で、扁平管５がフィン６のＵ字切欠き部９のＵ字底部に嵌め合う箇所の間隔ｄが図４に比べてやや拡がっており、その空間にろう材が充填されてろう付け部Ｓが形成された状態を示している。扁平管５の短辺側とフィン６のＵ字切欠き部の間隔ｄは扁平管５の長辺側（平坦部側）とフィン６の間の間隔に比べて広くなる場合があり、その結果、ろう材の充填不足による隙間が生じることがある。この熱交換器では、ろう材が未充填となったことによる隙間においても、親水機能を有する金属酸化物粒子の作用により結露水が濡れ拡がって、滞留を防ぐことができる。結露水の滞留がないため、実機運転時に海塩粒子等の腐食因子を取り込んだ場合でも、扁平管５の短辺側とフィンＵ字切欠き部９の隙間での腐食進行が抑制される。

以上のように、本発明では、親水性勾配領域をもつ熱交換器と、送風ファンとを組み合わせて室外機に用いることにより、結露水を熱交換器から室外機の外部に効率的に排除することが可能である。

続いて、上記の作用、効果を実証する方法とその結果について述べる。
勾配を持った親水化表面が結露水移動に与える影響を評価するため、次のような実験を行なった。まず、表面に有機系溶剤を塗布することにより予め親水機能を付加させたフィンを用意し、扁平管に接着方式により接合させて熱交換器Ｔ１を作製した。この場合、熱交換器Ｔ１のフィン表面は、親水性能が均一となって分布を持たないと考えられる。さらに比較のため、親水機能を付加しないフィンを持つ熱交換器Ｒも作製した。
熱交換器Ｔ１を空調機用室外機に搭載し、送風ファンを稼動させて運転した結果、熱交換器Ｒと比較すると、結露水の滞留を抑制する効果は認められたものの、フィン表面の一部に結露水が滞留し、通風抵抗の増大および熱交換性能の低下が見られた。
一方、親水機能を段階的に変化させたフィンを用いた熱交換器Ｔ２を作製して同様に試験を行なったところ、結露水の滞留が低減し、通風抵抗の増大および熱交換性能の低下を抑制することができることを確認した。

前述のように、フィン６と扁平管５にアルミニウム材を用いる場合には、熱交換器表面の排水性が充分でないと、アルミニウム材表面に滞留した結露水が海塩粒子等の腐食因子を取り込み、アルミニウム材腐食を加速する可能性がある。また、アルミニウムよりも貴な金属がそれらの表面に付着した場合、付着した金属によるアルミニウムの異種金属接触腐食が進行する恐れがある。親水機能付加のための金属酸化物はアルミニウム材よりも貴なものが多いため、これらによるアルミニウム材腐食への影響を把握する必要がある。ここでは、熱交表面への金属酸化物添加による排水効果の確認とアルミフィンの腐食への影響について評価するため、加速試験による熱交換器の表面状態の経時変化を調べた。

フィンと扁平管を組み合わせた熱交換器を搭載した室外機において、送風ファンを稼動させた状態で、実機運転の加速試験となる複合サイクル試験を実施し、熱交換器の腐食状態を評価した。図１０は複合サイクル試験の試験条件を示すフローチャートである。噴霧液として食塩濃度５重量％の水溶液を使用した。試験時間は２０００ｈとした。

試験は、ろう材層に酸化鉄を添加して親水性勾配領域を設けたフィンを適用して製造した熱交換器Ａと、酸化鉄を添加していないろう材層を有するフィンを適用して製造した熱交換器Ｂとの比較を行なった。親水性機能向上を確認するため、それぞれ熱交換器のフィン材を切り出し、その接触角について調査したところ、熱交換器Ａのフィンにおける接触角は最小値で５０°であり、熱交換器Ｂのフィンにおける接触角は９０°となった。ろう材層への酸化鉄添加により接触角が小さくなっており、親水性が向上していることを確認した。

熱交換器Ａを複合サイクル試験にかけた後、熱交換器を構成するアルミニウム材を調査したところ、全面腐食による白錆発生は認められたものの、冷媒ガス漏れやフィン脱落につながる局所的な腐食がないことを確認した。熱交換器表面にて親水性勾配による排水機能が働いたために、噴霧された塩水は熱交換器表面に滞留することがなく室外機外部へ速やかに排除された結果と考えられる。また、隙間のできやすい、扁平管の短辺側とフィンＵ字切欠き部の間の領域においても、親水機能のために海塩粒子等の腐食因子を取り込んだ結露水が滞留することがなく、腐食進行が抑制されていることを確認した。

なお、酸化鉄(Ｆｅ_２Ｏ_３,Ｆｅ(ＯＨ)_３)とアルミニウム材が接触した場合、酸化鉄はアルミ金属より電位が高いためにアルミニウム材の腐食を促進することが懸念されるが、試験後において酸化鉄を起点とした局部腐食進行は認められなかった。これは、酸化鉄自体はアルミニウムよりも電位が高いものの、アルミニウムと接触している酸化鉄表面の分極が大きいため、酸化鉄-アルミニウム材間に流れる腐食電流が小さくなり、結果としてアルミニウム材の腐食進行が抑制されたものと考えられる。すなわち、酸化鉄粒子を用いた熱交換器においては、長期の運転を行なっても親水機能の変化はなく、熱交換器から結露水を排除する作用に影響がないことが確認された。

同様に、熱交換器Ｂを搭載した室外機において送風ファンを稼動させた状態で前述の複合サイクル試験を行なって、熱交換器の腐食状態を評価した。試験後、熱交換器を構成するアルミニウム材を調査したところ、アルミニウム材表面に全面腐食による白錆発生を確認すると共に、塩水が滞留した痕の下に孔食が発生していることを確認した。断面観察による孔食深さを調べたところ、およそ１５０μｍであった。局部腐食の形態として知られている孔食は、深さ方向への腐食進行を抑制することが困難であり、結果として貫通孔形成に至る可能性がある。本発明による熱交換器を適用することにより、ガス漏れに至る孔食を抑制できることが確認された。

本発明では、表面に金属酸化物の密度が単調に変化する親水性勾配領域を有するフィン６を用いることにより、伝熱管として扁平管５を用いた場合であっても結露水を熱交換器３から効率的に排除することが可能となり、長期運転を経てもアルミニウム材の腐食を抑制することができるものである。

上記の実施の形態１では、芯材層７に金属酸化物粒子を含有するろう材層８を張り合わせたクラッドフィンを用いてろう付プロセスを行なっていたが、アルミニウムの芯材層７にろう材層８を設ける他の手段として、ペーストろうを表面に塗布する方法を用いることもできる。ここでは、フィンにろう材層８を設ける方法およびそのフィンを適用したフィンチューブ型熱交換器について説明する。

ペーストろうは、粘結材としてポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)等有機樹脂からなるバインダーをベースに、ろう材となるＡｌ−Ｓｉ合金の微細粉と酸化鉄などの金属酸化物を添加し、ペースト状にしたものをフィン表面に塗布する。このフィンと扁平管を実施の形態１と同様に組み立ててろう付することにより、フィン表面に塗布されたペーストろうが溶融して、フィンと扁平管の間に流れ込みながらフィンと扁平管が接合される。このとき、バインダーが分解してろう材が溶融し、同様に重力の影響により風路下流側のほうに酸化鉄が多く流れ込むことにより、金属酸化物粒子の密度勾配領域が形成される。空気調和機運転時に伝熱面表面を風路下流側へ向かって結露水が移動して、熱交換器に結露水が滞留することを防ぐ効果が得られることから、熱交換効率の低下や腐食進行が抑制される。

実施の形態２.
実施の形態１ではフィンの芯材層にろう材層を設け、ろう材層に親水機能を有する金属酸化物を分散させたが、フィンろう材層を設けず、フィン扁平管組み付け時にその隙間に流れ込むように、ろう材単体をフィンと扁平管と共にろう付プロセスにおいて組み込むことが可能である。図１１は、本実施の形態２における、ろう付け時のろう材の配置例を示しており、金属酸化物粒子を含有したろう材１２が、扁平管５と等ピッチで配置されている。図１１のろう材１２は、断面が楕円の棒状の形状を有しているが、板状の形状でもよい。

ろう付け工程では、熱交換器として使用する際の風路上流側を上向きとして、フィンの端部上にろう材を配置し、ろう材１２が溶融したときにフィン６と扁平管５の隙間に毛細管現象によってろう材１２が流れ込んで下方まで流動する。溶融したろう材の中では、重力の影響により酸化鉄が下側、すなわち熱交換器として使用する際の風路下流側に向かって分散する。以上のように、ろう材内部で酸化鉄等の金属酸化物粒子が下方へ分散しながら、下方側に密度の高い親水性勾配領域を形成してフィン６と扁平管５が接合される。また、一部は、フィン６の表面を流れてフィン６表面にろう材層を形成する。接合部は、図９のろう付け部Ｓと同様であり、担持された金属酸化物粒子が表面に露出して親水性を有している。

したがって、空気調和機運転時に結露水が溜まる扁平管５上のフィン６との接合部分において、風路下流側へ向かって結露水が移動し、熱交換器から排除されて熱交換器に結露水が滞留することがない。さらに、隙間のできやすい扁平管の短辺側とフィンＵ字切欠き部の間にも親水機能を有する金属酸化物を含んだろう材が流れ込むため、この隙間においても運転時に海塩粒子等の腐食因子を取り込んだ結露水が滞留することがなく、扁平管５の短辺側とフィン６のＵ字切欠き部９の隙間での腐食進行が抑制される。

実施の形態３.
図１４は、本実施の形態３における熱交換器の構造および熱交換器上の結露水の流れを示す模式図であり、フィン１６の面を垂直に貫通した扁平管１５を示している。実施の形態１では、図８のように扁平管５の平坦部が水平になるように配置されていたのに対し、図１２では、扁平管１５が空気流れの下流側１４ｂが下がる方向に一定角度で傾斜するように、垂直配置されたフィン１６に固定されている。すなわち、フィン１６に扁平管１５を挿入するＵ字切欠きの方向が異なっている。ろう付けの際は、扁平管１５の平坦面が地面に対して垂直になるように配置することで、ろう材中に分散している金属酸化物粒子が下向きに流れて親水性勾配領域を形成する。

この構造を採用することによって、扁平管１５表面の結露水は重力の影響を受けることから、結露水をより効率的に熱交換器から排除することが可能となる。なお、上流側の空気流れ１４ａは、図８と同様に水平方向となっていることから、本実施の形態３では、熱交換器内の風路で空気流れの向きが下向きに変更される。

なお、扁平管１５の傾斜角を大きくすることによって、扁平管表面の結露水はより風路下流側に移動しやすくなるが、同時に熱交換器の通風抵抗も増大する。通風抵抗が大きくなると、熱交換器を通過する空気流量が減少するため熱交換効率が低下する。したがって、熱交換器における送風ファン１から送られる空気流れに対する角度は、通風抵抗について考慮する必要がある。

図１５は、扁平管１５の傾斜角θを示す断面図である。傾斜角θは、水平方向に対する角度であり、通常、送風ファン１を傾斜させると筐体２の設置面積が増大することから、送風ファン１の回転軸および空気流れ１４ａは水平方向を仮定している。実験の結果、扁平管１５の厚みｈ０に対して、傾斜した扁平管１５の水平方向から見た有効高さｈ１がｈ０の１２０％よりも大きくなると熱交換器の伝熱性能の低下が顕著になることがわかった。したがって、熱交換器における送風ファン１から送られる空気流れ１４ａに対する傾斜角θは、ｈ１がｈ０の１２０％以下であることが望ましい。また、送風ファン側を扁平管と同角度となるよう角度を付けて設置し、送風ファン１の送風方向と扁平管の長辺側の平坦面が平行となるように配置すれば、通風抵抗が低減することは言うまでもない。

したがって、空気調和機運転時に結露水が溜まる扁平管１５上において、風路下流側へ向かって結露水が移動し、熱交換器から効率的に排除されて滞留することがない。さらに、隙間のできやすい扁平管１５の短辺側とフィンＵ字切欠き部の間にも親水機能を有する金属酸化物を含んだろう材が存在するため、この隙間においても腐食因子を取り込んだ結露水が滞留することがなく腐食進行が抑制される。

なお、実施の形態１から３においては、空気調和機用の室外機に適用する熱交換器を前提に説明してきたが、室内機に使用する熱交換器に適用することも可能である。

１送風ファン
２筐体
３熱交換器
４空気流れ
５扁平管
６フィン
７芯材層
８ろう材層
９Ｕ字切欠き部
１０フィンカラー
１１底板
１２ろう材
Ｓろう付け部

Claims

所定の間隔で平行に並べられた複数のフィンと、
前記複数のフィンの面を貫通し、親水性を有する金属酸化物粒子が分散してある接合材により前記複数のフィンに接合された伝熱管とを備え、
前記複数のフィンと前記伝熱管とに囲まれた風路の空気接触面に、空気流れ方向に沿って前記金属酸化物粒子の密度が単調に増加する親水性勾配領域を有する熱交換器。
前記複数のフィンの材質はアルミニウムを主成分とする金属であり、
前記金属酸化物粒子は酸化鉄粒子であり、
前記接合材はアルミニウム合金である、
請求項１に記載の熱交換器。
前記伝熱管は断面形状が扁平な扁平管であり、
前記複数のフィンはフィンの面が垂直となる方向に配置され、
前記扁平管の平坦面が水平となる方向に配置された、
請求項１または２に記載の熱交換器。
前記伝熱管は断面形状が扁平な扁平管であり、
前記複数のフィンはフィンの面が垂直となる方向に配置され、
前記扁平管の平坦面が空気流れの方向に対して所定の角度を持って傾斜して配置された、
請求項１または２に記載の熱交換器。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器と、
前記熱交換器に向けて送風するファンとを備え、
前記熱交換器の前記親水性勾配領域は前記ファンから送られる風の上流側から下流側に向かって親水性が高くなっている空気調和機。
フィン部材の開口部ないし切欠き部に伝熱管を挿入し、
前記フィン部材の空気流れの下流側となる端部を下向きにした状態で接合材と金属酸化物粒子とを含有した接合材層を溶融させて、
前記金属酸化物粒子が前記下向きに沈降して密度勾配領域を形成したのち、
前記フィン部材と前記伝熱管とを接合する熱交換器の製造方法。
片面に前記接合材層が形成された前記フィン部材の開口部ないし切欠き部に前記伝熱管を挿入し、
前記フィン部材と前記伝熱管とを接合する請求項６に記載の熱交換器の製造方法。
前記金属酸化物粒子の比重は前記接合材の比重より大きい、
請求項６または７に記載の熱交換器の製造方法。
前記金属酸化物粒子は平均粒子径が０．５μｍ〜１０μｍの酸化鉄粒子であり、
前記接合材層の厚みは前記フィン部材の芯材の厚みに対して５％〜１５％である、
請求項８に記載の熱交換器の製造方法。