JPWO2009119474A1 - 熱交換器及びそれを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)水蒸気から凝縮水滴への相変化
(2)凝縮水滴から氷滴への相変化
に注目し、熱交換器のフィンに多数の穴を設けることで、着霜領域の制限、凝固温度の低下を行い、着霜が生じても性能を長く維持して、省エネを図ろうとするものである。
また、熱交換器を構成する伝熱用のフィンの表面にギブス・トムソン効果が生じる穴を設け、該穴内で凝縮水滴(又は凝縮液滴)の凝固点を0℃以下に低下するようにしたものである。
また、熱交換器を構成する複数枚平行に並べられた伝熱用のフィンに対して、各々のフィンの片面のみに穴を持たせ、霜層によるフィン間の閉塞に要する時間を遅延させ、さらにデフロストに要する時間を短くするようにしたものである。
この発明に係る熱交換器の実施の形態1について、それが用いられている冷凍サイクル装置を例にして図を用いて説明する。図1は、冷凍装置の冷媒回路を表している。この冷凍装置は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、屋内の冷凍に使用される装置である。図1において、11は室外機、12は室内機である。室外機11は、圧縮機21、凝縮器22、凝縮器22に空気を送る凝縮器用ファン23を備え、室内機12は、膨張手段24、蒸発器25、蒸発器25に空気を送る蒸発器用ファン26を備えている。圧縮機21、凝縮器22、膨張手段24、及び蒸発器25は冷凍サイクル回路を構成し、その内部には循環用冷媒が充填されている。本装置は主にユニットクーラーやショーケースなどの低温機器に見られる形態である。
次に、この発明の実施の形態2の熱交換器を説明する。図8に蒸発器(熱交換器)25を構成しているフィン71及び伝熱管72を示した。既に述べたように、凝縮器(熱交換器)25は伝熱管72を通じて流れ込んだ液冷媒が気化することで吸熱を行い、外部の空気とフィン71を介して熱交換する。上述したように、冷凍条件では周囲の空気温度が−20℃、蒸発温度が約−30℃であり、フィン71表面は0℃以下となり着霜が生じる。また、図8に示すように伝熱管72の周りはフィン71表面でも特に温度が低いといえる。実施の形態2では、以下の式(5)、(6)のギブス・トムソン効果によって、凝縮水滴の凝固点の低下に供する穴73を、フィン71の全体若しくは伝熱管72の周りに設けることで、着霜に至る時間を遅延させ、装置の性能低下を抑えるようにしたものである。
なお、穴83間の間隔はその穴径と等しいオーダーの数nm程度の間隔が望ましいく、最低限でも200nm×200nmの平面に200個の穴83が必要であり、50個程度の穴数では最適な効果は見込まれない。
次に、この発明の実施の形態3の構成について説明する。図11に蒸発器(熱交換器)のよく知られた構成の一例を示している。この蒸発器(熱交換器)は、複数のフィン31が一定の間隔で複数枚平行に並べられて、そこに伝熱管32が通されている。このような熱交換器においてフィン31が0℃以下まで冷却され、着霜が始まると、向かい合うフィン31の両面から霜が成長する。そしてある時間経つと、フィン31間が霜で閉塞され、フィン31が埋まり、蒸発器の性能が低下する。このため蒸発器のデフロストを行い、フィン31間の霜を溶かす。一般的なデフロスト方法は、四方弁を切り替えて、冷媒の流れる向きを逆転させ、蒸発器熱交換器と凝縮器熱交換器を変えて霜を溶かすものである。
さらに、この発明の実施の形態4の構成について説明する。図12に実施の形態1に示した凝縮器(熱交換器)の伝熱フィン31を示す。前述したようにフィン31は各々が一定の間隔で複数枚平行に並べられており、0℃以下まで冷却されると、着霜が始まる。その後、フィン31間が霜で閉塞され、フィン31が埋まり、装置の性能が低下する。
この際、フィン31に設ける穴は、ピッチを小さくし密集させるか若しくは複数列を互いに近接して配置するほうがよい。なおこれは、実施の形態4だけでなく、他の実施の形態においても当てはまることである。
また、穴52,63,73,83をフィンの風上側に設けることで、フィン表面の霜層は、風の進行方向に対して高さがほぼ一定となる。これにより風路抵抗が軽減され、着霜時の性能が向上し、省エネを図ることができる。
また、穴73,83内の凝縮水滴の凝固点は、ギブス・トムソン効果により低下するので、フィン全体にそのような穴73,83を設けることで、熱交換器を0℃以下の低温で運転する際に、フィンの着霜が遅延される。
また、同様にフィンの伝熱管周りに穴52,63,73,83を集中的に設けることで、熱抵抗軽減でき、熱交換器を0℃以下の低温で運転する際に、能力低下を遅延できる。
さらに、フィンの片面のみに上述の穴を持たせることで、霜の成長を向かい合うフィンの片方のみに限定でき、フィン間の閉塞にかかる時間を遅らせることができ、しかもデフロストの際、霜がフィンから剥がれ易くなり、デフロストに要する時間が短くなる。
Claims (10)
- 流体が通る伝熱管と、前記伝熱管が貫通し空気と熱交換を行う伝熱フィンとを備えた熱交換器であって、
前記伝熱フィンの周囲の空気温度及び空気湿度と、前記伝熱フィンの表面温度とによって決まる凝縮水滴の臨界半径r*よりも小さい半径を持つ穴が、前記伝熱フィンの表面に複数設けられていることを特徴とする熱交換器。 - 前記臨界半径r*が、p/pe=exp((2γv)/(kTr*))の関係にあるものであり、
pは水蒸気圧、peは凝縮水滴の平衡蒸気圧、γは表面エネルギー密度、vは分子1個の体積、kはボルツマン定数、Tは伝熱フィンの表面温度である、ことを特徴とする請求項1記載の熱交換器。 - 流体が通る伝熱管と、前記伝熱管が貫通し空気と熱交換を行う伝熱フィンとを備えた熱交換器であって、
前記伝熱フィンの表面に、Tm-T=(2γvTm/L)・(1/r*)、
ただし、γは表面エネルギー密度、vは分子1個の体積、Tmは凝固温度、Lは融解潜熱、Tは伝熱フィンの表面温度、で与えられるr*よりも小さな半径を持つ穴が、前記伝熱フィンの表面に複数設けられていることを特徴とする熱交換器。 - 前記伝熱フィンの片面にだけ前記穴を設けていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記伝熱フィンの表面にスリットを有するものにおいて、前記スリットの近傍に前記穴を設けていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記伝熱フィンの風上側となる領域に前記穴が設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記伝熱フィンの前記伝熱管の周囲に前記穴が設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 空気の通過方向と平行に前記穴が列状に設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記伝熱フィンに設けられる複数の穴は、ピッチを小さくし密集されるか若しくは複数列を互いに近接して配置されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱交換器を、蒸発器として備えた冷凍サイクル装置。
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