KR20180057487A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

[과제] 부착된 성에를 보다 효율적으로 제거하는 것이 가능한 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[해결 수단] 본 발명에 따르는 열교환기(100)의 구성은, 공기와의 열교환을 행하는 전열 부재(핀(104))를 구비하는 열교환기(100)로서, 전열 부재(핀(104))는, 공기의 진행 방향의 상류측의 가장자리(104a) 근방에, 가장자리(104a)와 나란히 형성된 복수 개의 선형상의 볼록부(106)를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은, 공기와의 열교환을 행하는 전열 부재를 구비하는 열교환기에 관한 것이다.

종래부터, 공기와 열교환을 행하는 히트 펌프식의 공조기나 냉동기가 제공되고 있다. 이러한 히트 펌프에서는, 예를 들어 공조기이면 동기에는 차가운 공기로부터 더욱 열을 흡수하게 되어, 열교환기에 결상이 생긴다. 또 냉동기이면 목적의 저온을 생성하기 위해 빙점 아래까지 열교환기를 냉각하기 때문에, 역시 열교환기에는 결상이 생긴다. 성에층은 열전도율이 낮기 때문에 단열재가 되어, 히트 펌프의 동작 효율이 저하하는 원인이 된다. 이로 인해, 결상되면 제상할 필요가 있다.

종래의 히트 펌프의 제상 운전은, 결상의 정도를 냉매 압력 등으로 검지하면, 일단 동작을 정지하고, 냉동 사이클을 거꾸로 동작시켜, 핫 가스에 의해서 해빙시키고 있다. 또, 냉매를 역회전시킴으로써 증발기를 응축기로서 동작시키는 것에 의해 해빙되고 있는 경우도 있다. 특허 문헌 1에는, 사방 전환 밸브에 의해서 열교환기의 기능을 역전시키도록 냉매의 흐름 방향을 전환하여 제상 운전을 행하는 냉동 사이클 장치가 개시되어 있다.

그러나, 히트 펌프의 제상 운전시에 특허 문헌 1과 같이 냉매를 거꾸로 돌리는 경우에는, 본래의 동작을 간헐적으로 정지할 필요가 있으며, 연속 운전할 수 없다고 하는 문제가 있다. 또, 제상을 위한 열을 본래 동작의 상대방으로부터 흡수할 수 없기 때문에(예를 들어, 난방 운전 중의 제상 운전으로, 실내 공기의 열을 흡수할 수는 없다), 제상하기 위한 열량은 오로지 펌프 운전에 의지하게 된다. 이때의 COP(Coefficient Of Performance：성적 계수)는 1이기 때문에, 히트 펌프의 전체적인 COP가 저하하는 요인이 되고 있다.

그런데, 결상은 열전도율을 저하시킨다고 하는 문제는 있지만, 응고열을 취득할 수 있다고 하는 점에 있어서는 가치가 있다. 난방시의 히트 펌프는, 공기 및 습분의 현열 외, 습분의 응축열 및 응고열(모두 잠열)을 사용하고 있다. 발명자들이 행한 시험에서는, 이 잠열은 전체 교환 열량의 최대 40%를 차지한다고 하는 결과가 되었다(상대 습도 50~80%시에 0~40%).

이것으로부터, 만일 결상이 전혀 생기지 않는다고 하면, 히트 펌프가 얻어지는 열도 부족해 버린다고 생각할 수 있다. 따라서, 성에를 열로 해빙하는 것이 아닌, 기계적(물리적)으로 결상을 제거할 수 있으면, 에너지의 손실이 없고, 응고열을 최대한 유효하게 이용할 수 있을 가능성이 있다. 그러나 응고된 얼음의 결정은 단단해, 기계적으로 제거하는 것은 용이하지 않은 것은 주지대로이다.

그래서 발명자들은, 결상된 성에를 기계적으로 용이하게 제거할 수 있는 열교환기를 개발했다(특허 문헌 2). 특허 문헌 2의 열교환기에서는, 열교환기의 핀의 표면에 미세한 볼록부 및 오목부를 형성하고 있다. 이것에 의해서, 볼록부의 상면의 평면부 위에 수직 방향으로 성에 결정이 성장하고, 오목부 위는 간극이 된다. 이 결과, 핀에는, 전체적으로 빗살형상의 성에 결정이 형성된다. 이러한 형상의 성에 결정은 구조적으로 약하기 때문에, 예를 들어 브러시나 스크레이퍼 등을 이용한 기계적인 제거 수단으로 용이하게 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 특허 문헌 2에 의하면, 열교환기에 있어서, 응고열을 이용하면서, 장시간의 연속 운전이 가능하게 된다.

일본국 특허 공개 2009-109063호 공보 일본국 특허 제5989961호

특허 문헌 2의 구성이면, 상기 서술한 바와 같이 핀에는, 전체적으로 빗살형상의 성에 결정이 형성된다. 이로 인해, 핀의 외주 근방의 성에 결정은 브러시 등에 의해서 용이하게 제거할 수 있지만, 브러시 등이 닿지 않는 내측의 영역에는 성에 결정이 남아 버린다. 이로 인해, 성에 결정을 보다 효율적으로 제거할 수 있도록, 더욱 개선의 여지가 있었다.

본 발명은, 이러한 과제를 감안하여, 부착된 성에를 보다 효율적으로 제거하는 것이 가능한 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따르는 열교환기의 대표적인 구성은, 공기와의 열교환을 행하는 전열 부재를 구비하는 열교환기로서, 전열 부재는, 공기의 진행 방향의 상류측의 가장자리 근방에, 가장자리와 나란히 형성된 복수 개의 선형상의 볼록부를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에서는, 열교환기의 전열 부재에는, 공기의 진행 방향의 상류측의 가장자리에 선형상의 볼록부가 형성되어 있다. 이것에 의해서, 공기가 열교환기를 통과할 때, 공기 중의 수분은 선형상의 볼록부에서 수직 방향으로 성에 결정이 성장한다. 이러한 형상은 구조적으로 약하기 때문에, 기계적인 제거 수단으로 용이하게 떨어뜨릴 수 있다.

이때, 상기 구성과 같이 선형상의 볼록부가 전열 부재의 상류측의 가장자리 근방에 설치되어 있음으로써, 성에 결정은, 전열 부재 전체가 아닌, 그 상류측의 가장자리 근방에 형성된다. 즉 성에 결정은, 브러시 등이 닿기 쉬운 범위에 형성된다. 따라서, 전열 부재에 부착된 성에를 브러시 등에 의해서 효율적으로 제거하는 것이 가능하게 된다.

상기 전열 부재는 핀이며, 복수 개의 선형상의 볼록부는, 핀의 공기의 진행 방향의 상류측의 가장자리 근방에 상기 가장자리와 나란히 형성되어 있으면 된다. 이러한 구성에 의하면, 전열 부재가 핀일 때, 그 상류측의 가장자리 근방에 복수 개의 선형상의 볼록부를 형성함으로써, 상기 서술한 효과를 적절하게 얻는 것이 가능하다.

상기 전열 부재는 핀리스 튜브이며, 복수 개의 선형상의 볼록부는, 핀리스 튜브의 적어도 공기의 진행 방향의 상류측의 면에 상하 방향으로 연장되어 형성되어 있으면 된다. 이러한 구성과 같이, 핀이 아닌 핀리스 튜브를 구비하는 열교환기여도, 상류측의 면에 볼록부를 형성함으로써, 상기와 같은 효과를 얻는 것이 가능하다.

상기 볼록부는, 전열 부재의 공기의 진행 방향의 하류측의 가장자리 근방에도 형성되어 있으면 된다. 이러한 구성에 의하면, 핀의 하류측에 있어서도 공기 중의 수분이 볼록부에 있어서 결정화된다. 이것에 의해서, 상류측에서 결정화되지 않았던 수분을 하류측의 볼록부에서 결정화시킬 수 있어, 보다 효율적으로 응고열을 공기로부터 흡열할 수 있다.

상기 볼록부의 수는, 전열 부재의 하류측보다 상류측쪽이 많으면 된다. 공기 중의 수분이 주로 결정화되는 상류측의 볼록부의 수를 많게 함으로써, 수분의 결정화를 촉진하여, 효율적으로 응고열을 흡열할 수 있다. 그리고, 하류측에서는, 상류측을 통과한 공기에 남아 있는 수분이 더욱 결정화된다.

상기 열교환기는, 전열 부재의 하류측에, 전열 부재와 간격을 두고 배치되는 후단 전열 부재를 더 구비하면 된다. 이것에 의해서, 공기와의 열교환을 보다 효율적으로 행하는 것이 가능하게 된다.

상기 복수 개의 볼록부는, 공기의 진행 방향으로 간격을 두고 배치되고, 볼록부의 상면에 폭이 100㎛ 이상 500㎛ 이하인 평면부를 가지며, 볼록부의 평면부의 간격이 100㎛ 이상 1000㎛ 이하이고, 볼록부의 높이는 50㎛ 이상이면 된다.

이러한 구성과 같이, 볼록부의 상면에 평면부가 설치되어 있음으로써, 볼록부의 상면에 있어서의 성에 결정의 법선 방향으로의 성장을 촉진할 수 있다. 평면부의 폭은, 과냉각 액적의 크기보다 큰 100㎛ 이상인 것이 바람직하고, 기계적 제거를 위한 강성을 고려하여 500㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또 인접하는 볼록부 사이로의 결상을 억제하기 위해 볼록부의 평면부의 간격은 1000㎛ 이하인 것이 바람직하고, 볼록부 위의 성에 결정들이 결합하는 것을 억제하기 위해 볼록부의 평면부의 간격은 100㎛ 이상인 것이 바람직하다.

또한 볼록부의 높이는 50㎛ 이상인 것이 바람직하다. 볼록부의 높이는, 즉 복수의 볼록부 사이의 공간(이하, 오목부로 칭한다)의 깊이와 일치한다. 오목부는 열전달에 대한 기여가 적고, 성에 결정의 분단에 주된 역할을 갖고 있다. 그리고 오목부로의 결상을 억제하기 위해서는, 볼록부의 높이가 50㎛ 이상인 것이 바람직하기 때문이다.

상기 열교환기는, 볼록부에 맞닿아 상하 방향으로 이동 가능한 브러시를 더 구비하면 된다. 이것에 의해서, 핀이나 핀리스 튜브 등의 전열 부재의 볼록부에 부착된 성에를 적절하게 제거할 수 있다.

상기 브러시는, 상방으로부터 하방을 향해 이동하여 상방으로 되돌아오면 된다. 이러한 구성에 의하면, 브러시가 상방으로부터 하방으로 이동할 때에 전열 부재로부터 박리된 성에가 하방으로 낙하한다. 따라서, 제거한 성에의 주변으로의 비산을 막을 수 있어, 성에를 효율적으로 수집하는 것이 가능하게 된다. 또 브러시의 대기 위치가 상방이 되기 때문에, 브러시가 성에 받침 접시로부터 수분을 빨아들일 우려가 없다.

상기 브러시는, 종단면에서 봤을 때 털끝이 상하 방향으로 퍼진 부채꼴로 되어 있으면 된다. 이것에 의해서, 브러시가 하방 및 상방 중 어느 한 방향으로 이동할 때에도 성에를 안쪽측에 밀어넣는 일 없이, 적절하게 성에를 제거할 수 있다.

본 발명에 의하면, 부착된 성에를 보다 효율적으로 제거하는 것이 가능한 열교환기를 제공할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 따르는 열교환기의 구성을 설명하는 도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 핀의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시하는 핀의 단면도이다.
도 4는 볼록부 및 오목부의 삼면도와 성에 결정의 모양을 모식적으로 도시하는 도이다.
도 5는 기계적인 제거 수단으로서의 브러시를 설명하는 도이다.
도 6은 성에 결정의 형성 및 제거에 대해 설명하는 도이다.
도 7은 제1 실시 형태의 열교환기의 변형예를 설명하는 도이다.
도 8은 제1 실시 형태의 열교환기에 있어서의 자연 대류하 시험의 시험 결과를 설명하는 도이다.
도 9는 제1 실시 형태의 열교환기에 있어서의 강제 대류하 시험의 시험 결과를 설명하는 도이다.
도 10은 치수 관계에 관한 실험을 설명하는 도이다.
도 11은 결상의 모양을 설명하는 현미경 사진이다.
도 12는 실시예 7의 결상의 모양을 설명하는 현미경 사진이다.
도 13은 열류속에 대해 설명하는 도이다.
도 14는 제2 실시 형태에 따르는 열교환기의 구성을 설명하는 도이다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 적절한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 이러한 실시 형태에 나타내는 치수, 재료, 그 외 구체적인 수치 등은, 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 지나지 않으며, 특별히 예고하는 경우를 제외하고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능, 구성을 갖는 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙임으로써 중복 설명을 생략하고, 또 본 발명에 직접 관계가 없는 요소는 도시를 생략한다.

[제1 실시 형태]

도 1은, 제1 실시 형태에 따르는 열교환기의 구성을 설명하는 도이다. 열교환기(100)는 공기(외기)와 열교환을 행하는 것이며, 도시 생략된 팬 등에 의해서 기류가 통과하는 핀 튜브식의 열교환기이다. 튜브(102)에는, 냉매가 도시 생략된 펌프, 응축기, 팽창 밸브를 통해 순환되고 있다. 제1 실시 형태의 열교환기(100)는, 공기와의 열교환을 행하는 전열 부재로서 핀(104)을 구비한다. 핀(104)은 구리나 알루미늄 등의 열전도율이 높은 금속에 의해서 형성되고, 튜브(102)에 확관 접합되어 있으며, 표면적을 늘림으로써 공기와의 열전도율을 높이고 있다.

도 2는, 도 1에 도시하는 핀(104)의 평면도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 제1 실시 형태의 열교환기(100)의 특징으로서, 전열 부재의 예로서의 핀(104)에는, 공기의 진행 방향의 상류측의 가장자리(104a) 근방에, 가장자리(104a)와 나란히 복수 개의 선형상의 볼록부(106)가 형성되어 있다. 볼록부(106)는, 핀(104)의 상류측의 가장자리(104a)와 나란히 상하 방향으로 선형상으로 연장되어 있다. 볼록부(106)는 프레스 가공을 행함으로써 적절하게 형성하는 것이 가능하다. 또한, 핀(104)에는, 가장자리보다 내측의 영역에, 상기 서술한 튜브(102)가 삽입 통과되는 삽입 통과 구멍(103)이 형성되어 있다.

도 3은, 도 1의 핀(104)의 단면도이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 열교환기(100)에서는, 복수의 볼록부(106)가, 공기의 진행 방향으로 간격을 두고 배치되어 있다. 이것에 의해서, 도 3의 확대도에 도시하는 바와 같이, 복수의 볼록부(106)의 사이에는 각각 오목부(108)가 형성된다. 핀(104)은 박판이기 때문에, 오목부(108)는 반대측의 면에 있어서 볼록부(106)를 형성한다. 즉 본 실시 형태에서는, 핀(104)의 상류측의 가장자리(104a) 근방에는 볼록부(106) 및 그 사이의 오목부(108)로 이루어지는 미세한 물결 형상이 형성되어 있다. 볼록부(106)의 상면에는 평면부(106a)가 형성되어 있다.

도 4는, 볼록부(106) 및 오목부(108)의 삼면도와 성에 결정(120)의 모양을 모식적으로 도시하는 도이다. 상기와 같은 볼록부(106)와 오목부(108)가 형성되어 있음으로써, 이곳에 결상될 때에는, 볼록부(106)의 상면의 평면부(106a)에 오로지 부착되고, 또한, 평면부(106a)의 법선 방향으로 결정이 성장한다. 따라서 도 2에 도시하는 바와 같이, 성에 결정(120)은 볼록부(106)를 연장한 것 같은 리브 형상의 박판이 배열된 구조가 된다. 또한, 만일 볼록부(106)의 상면이 둥글게 형성되어 있으면, 성에 결정(120)도 방사형상으로 성장한다. 따라서, 성에 결정(120)을 상방을 향해 성장시키기 위해(박판형상으로 성장시키기 위해), 볼록부(106)의 상면에 평면부(106a)를 형성하는 것이 중요하다.

이러한 성에 결정(120)이 형성되는 메커니즘(이유)에 대해서는, 아직 미해명인 부분도 많다. 추론도 포함하여 설명하면, 우선 공기 중의 습분은 핀(104)에 가까워졌을 때에 과냉각 액적이 되어, 볼록부(106)의 평면부(106a)에 부착된다. 그 과냉각 상태가 해제되면, 액적의 내부에서 얼음의 결정화가 개시된다(또한, 약 -40도 이하의 저온이 되면, 공기 중에서 결정화된다). 결정 위에 다음의 과냉각 액적이 부착되면, 얼음의 결정이 에피택셜 성장하여, 기존 결정의 결정 구조를 계승해 새로운 결정이 형성된다. 이것에 의해서 결정 방향이 갖추어진 성에 결정(120)이 형성되고, 평면부(106a)의 법선 방향을 향해 성장한다고 생각할 수 있다.

또한 성에가 볼록부(106)의 상면에 부착되고 오목부(108)의 내부에 부착되지 않는 것은, 볼록부(106)의 상면에 과냉각 액적이 부착됨으로써 공기가 건조해 버리고, 오목부(108)의 내부에는 습분이 거의 도달하지 않기 때문이라고 생각할 수 있다.

상기와 같이 하여 형성된 성에 결정(120)은, 박판이기 때문에 구조적으로 약하고, 볼록부(106)와의 접합면으로부터 꺾이기 쉽기 때문에, 브러시 등의 기계적인 제거 수단에 의해서 용이하게 제거할 수 있다. 그래서 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따르는 열교환기(100)에서는, 브러시(110)를 구비하고 있다. 브러시(110)는, 핀(104)의 볼록부(106)에 맞닿아 배치되고, 상하 방향으로 이동 가능하다.

이때, 특히 제1 실시 형태의 열교환기(100)에서는, 상기 서술한 볼록부(106) 및 오목부(108)는, 핀(104)의 전면이 아닌 상류측의 가장자리(104a) 근방에 형성되어 있다. 이로 인해, 성에 결정(120)은, 핀(104) 전체가 아닌 상류측의 가장자리(104a) 근방에만 형성된다. 따라서, 볼록부(106)에 접촉하도록 배치된 브러시(110)를 상하 방향으로 이동시킴으로써, 핀(104)의 상류측의 가장자리(104a)의 성에 결정(120)을 적절하게 제거할 수 있다. 바꾸어 말하면, 핀(104)의 상류측의 가장자리(104a)는 브러시(110)가 닿기 쉬운 영역이다. 따라서, 그곳에만 성에 결정(120)이 형성됨으로써, 브러시(110)를 상하 방향으로 이동시키는 것만으로 성에 결정(120)을 제거하는 것이 가능하게 된다.

도 5는, 기계적인 제거 수단으로서의 브러시(110)를 설명하는 도이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 브러시(110)는, 축(110a)에 털(112)이 붙여져 있고, 털(112)의 털끝은 종단면에서 봤을 때 상하 방향으로 퍼진 부채꼴로 되어 있다.

만일 털끝이 퍼지지 않은 종래의 브러시이면, 브러시가 하방으로 이동할 때에는 털끝이 전체적으로 상방을 향해 구부러져 버려, 모처럼 제거한 성에 결정(120)이 핀(104)의 안쪽측을 향해 밀어넣어져 버릴 가능성이 있다. 그리고, 브러시가 상방으로 이동할 때에는 털끝이 전체적으로 하방을 향해 구부러져 버려, 역시 제거한 성에 결정(120)이 핀(104)의 안쪽측을 향해 밀어넣어져 버릴 가능성이 있다.

이것에 비해 본 실시 형태에서는, 브러시(110)의 털끝이 상하 방향으로 퍼진 부채형으로 되어 있다. 브러시가 하방을 향해 이동할 때에는, 하측을 향한 털끝에 의해서 성에 결정(120)이 제거된다. 브러시가 상방을 향해 이동할 때에는, 상측을 향한 털끝에 의해서 성에 결정(120)이 제거된다. 따라서, 브러시(110)가 상방 및 하방 중 어느 한 방향으로 이동할 때에도, 제거한 성에 결정(120)을 핀(104)의 안쪽측으로 밀어넣는 일 없이, 성에 결정(120)을 효율적으로 제거하는 것이 가능하다.

브러시(110)는, 핀(104)의 상부를 대기 위치로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 성에 결정(120)을 제거할 때에는, 브러시(110)를 상방으로부터 하방을 향해 이동시켜, 하방으로부터 상방으로 되돌리는 것이 바람직하다. 브러시(110)를 왕복시킬 때, 최초의 이동에 있어서 보다 많은 성에가 박리된다. 따라서, 우선 상방으로부터 하방을 향해 이동시킴으로써, 제거한 성에의 주변으로의 비산을 막을 수 있어, 성에를 효율적으로 수집하는 것이 가능하게 된다.

또 본 실시 형태에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이 핀(104)의 상류측의 하부에 성에 받침 접시(130)를 설치하고 있다. 이것에 의해서, 상기 서술한 바와 같이 브러시(110)를 이동시킴으로써 제거한 성에 결정(120)은 성에 받침 접시(130)에 퇴적된다. 따라서, 제거한 성에 결정(120)을 적절하게 수집할 수 있고, 핀(104) 주위의 청소의 수고를 경감할 수 있다. 또한, 브러시(110)의 대기 위치가 핀(104)의 상부이기 때문에, 브러시(110)가 성에 받침 접시(130)로부터 수분을 빨아들일 우려가 없다.

또한, 본 실시 형태에서는 기계적인 제거 수단으로서 브러시를 예시했는데, 이것에 한정되는 것은 아니다. 기계적인 제거 수단의 다른 예로는, 브러시 외에 스크레이퍼를 이용하거나, 핀에 진동이나 충격을 부여하는 것이어도 된다. 또 브러시의 형상에 있어서도, 반드시 부채꼴로 한정하는 것은 아닌 다른 형상의 브러시를 채용하는 것도 가능하다. 또한 브러시의 동작에 대해서도 상기 동작에 한정되지 않으며, 브러시를 회전시키면서 성에 결정(120)을 제거해도 된다. 바꾸어 말하면, 회전 브러시를 이용하는 것도 가능하다.

또한, 공기가 열교환기(100)를 통과할 때, 상류측(일차측)에서 냉각과 응축이 일어나 결상되고, 열교환기(100)의 내부에서 더욱 냉각되어, 하류측(이차측)에서는 건조 공기로 되어 있다. 따라서 결상되는 것은 주로 상류측이기 때문에, 상류측에만 브러시(110)를 구비하고 있으면 충분하고, 한쪽측에만 브러시(110)를 구비함으로써 장치 구성의 간략화를 도모할 수 있다.

단, 결정이 성장함에 따라 방향성에는 혼란이 생겨, 성에 결정(120)의 개개의 박판은 폭이 두꺼워져 가, 이윽고 인접하는 박판과 결합해 버린다. 그렇게 되면 상호 보완하여 강성이 높아져 버리기 때문에, 브러시(110)로는 제거하기 어려워져 버린다. 그래서, 성에 결정(120)의 성장 속도에 따라, 어느 정도의 빈도로 브러시(110)를 가동시키는 것이 바람직하다.

또한 제1 실시 형태에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 핀(104)의 상류측의 가장자리(104a) 만이 아닌, 핀(104)(전열 부재)의 공기의 진행 방향의 하류측의 가장자리(104b)의 근방에도 볼록부(106)가 형성되어 있다. 이것에 의해서, 핀(104)의 하류측에 있어서도 공기 중의 수분이 볼록부(106)에 있어서 결정화된다. 따라서, 수분이 결정화될 때의 응고열을 공기로부터 흡열할 수 있다.

도 6은, 성에 결정(120)의 형성 및 제거에 대해 설명하는 도이다. 도 6(a)는, 성에 결정(120)이 형성되어 있는 핀(104)을 모식적으로 도시한 도이고, 도 6(b)는, 성에 결정(120)을 제거한 핀(104)을 모식적으로 도시한 도이다. 평면부(106a)에 액적이 부착되면, 도 6(a)에 도시하는 바와 같이, 이러한 평면부(106a) 상에 종자 결정(122)이 형성된다. 그리고, 이 종자 결정(122) 상에 가지 결정(124)이 성장해 감으로써 상기 서술한 성에 결정(120)이 형성된다.

그리고, 상기 서술한 바와 같이 브러시(110)에 의한 제거 작업을 행하면, 도 6(b)에 도시하는 바와 같이, 가지 결정(124)이 제거되고, 종자 결정이 평면부(106a) 상에 잔존한다. 이것에 의해서, 잔존한 종자 결정(122)을 토대로서 이러한 종자 결정(122) 상에 가지 결정(124)이 성장한다. 즉, 성에 결정(120)을 제거했을 때에 종자 결정(122)이 평면부(106a) 상에 잔존함으로써, 가지 결정(124)의 생성을 촉진할 수 있다. 이것에 의해서, 수분이 결정화될 때의 응고열을 공기로부터 효율적으로 흡열하는 것이 가능하게 된다.

도 7은, 제1 실시 형태의 열교환기(100)의 변형예를 설명하는 도이다. 도 2에 도시하는 핀(104)에서는, 상류측의 가장자리(104a) 및 하류측의 가장자리(104b)의 양방의 근방에 볼록부(106)를 형성하고 있었다. 이것에 비해, 도 7(a)에 도시하는 핀(140a)에서는 상류측의 가장자리(104a) 근방에만 볼록부(106)를 형성하고 있다. 기류가 열교환기(100)를 통과할 때, 거기에 포함되는 수분의 대부분은 상류측의 가장자리(104a) 근방의 볼록부(106)에 있어서 성에 결정으로서 석출된다. 따라서, 도 7(a)에 도시하는 바와 같이 핀(140a)의 상류측의 가장자리(104a) 근방에만 볼록부(106)를 설치하는 구성으로 해도, 상기 서술한 효과를 충분히 얻는 것이 가능하다.

도 7(b)에 도시하는 핀(140b)은, 상류측의 가장자리(104a) 및 하류측의 가장자리(104b)의 양방에 볼록부(106)가 형성되어 있는데, 볼록부(106)의 수는 하류측보다 상류측쪽이 많게 설정되어 있다. 이것에 의해서, 상류측의 볼록부(106)에 있어서 공기로부터 흡열할 수 있고, 또한 하류측에서는, 상류측을 통과한 공기에 남아 있는 수분이 더욱 결정화된다. 공기 중의 수분이 주로 결정화되는 상류측의 볼록부(106)의 수를 많게 함으로써, 수분의 결정화를 촉진하여, 효율적으로 응고열을 흡열할 수 있다.

도 7(c)에서는, 전열 부재인 핀(104)의 하류측에, 이러한 핀(104)과 간격을 두고 후단 전열 부재인 후단 핀(150)을 배치하고 있다. 후단 핀(150)에 있어서는 건조한 공기가 유통되기 때문에 결상의 양이 매우 적고, 열전달율의 저하가 작다. 이것에 의해서, 공기와의 열교환을 보다 효율적으로 행하는 것이 가능하게 된다.

도 8은, 제1 실시 형태의 열교환기(100)에 있어서의 자연 대류하 시험의 시험 결과를 설명하는 도이다. 자연 대류하 시험에서는, 연직 냉각면에 제1 실시 형태의 열교환기의 핀(104)을 붙인 실험체를 작성했다. 실험 조건은, 냉각면의 표면 온도를 약 -120℃로 하고, 주변 환경을 온도 21000℃, 습도 0.012kg/kg으로 했다. 트레이서 입자는, 경계층 내에서 발생하는 얼음 입자를 이용했다.

도 8(a)에 도시하는 바와 같이, 핀(104)에서는, 이러한 핀(104)에 형성된 볼록부(106) 상에 성에 결정(120)이 형성되어 있고, 오목부(108)에는 결상되어 있지 않은 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 상기 설명한 바와 같이 핀(104)의 가장자리에 볼록부(106)를 설치함으로써, 핀(104) 전체가 아닌, 볼록부(106)에 선택적으로 성에 결정을 형성시킬 수 있다. 이것에 의해서, 오목부에 있어서의 열전달율의 저하를 방지함과 더불어, 성에 결정(120)을 브러시(110)에 의해서 적절하게 제거하는 것이 가능하게 된다.

도 8(b)에서는, 핀(104)의 볼록부(106) 근방에 있어서의 트레이서 입자의 흐름을 관찰한 도이다. 도 8(b)에 도시하는 바와 같이, 핀(104)의 볼록부(106) 근방에서는, 복수의 볼록부(106)의 꼭대기점을 따르도록 공기가 흐른다. 이때, 공기의 일부가 오목부(108)에 파고 들어감으로써, 오목부(108)에서는 소용돌이가 발생한다. 그리고, 오목부(108)에 있어서 소용돌이형상의 공기와 핀(104)의 열교환이 행해짐으로써, 핀(104)에 있어서의 열교환 효율의 향상을 도모할 수 있다.

도 9는, 제1 실시 형태의 열교환기(100)에 있어서의 강제 대류하 시험의 시험 결과를 설명하는 도이다. 도 9(a)는 실시예 및 비교예에 있어서의 총괄 열전달율의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 9(b)는 실시예 및 비교예에 있어서의 열교환 효율의 값을 도시하는 도이다. 실시예는, 제1 실시 형태의 열교환기(100)(가장자리에 볼록부(106)를 설치한 핀(104)을 구비하는 열교환기(100))를 이용하고 있다. 비교예는, 볼록부를 설치하지 않은 평탄한 판형상의 핀을 구비하는 열교환기를 이용하고 있다. 또한, 실험 조건은, 공기의 온도를 2℃, 습도를 80%로 하며, 면 풍속을 1m/s로 했다.

도 9(a)에 도시하는 바와 같이, 총괄 열전달율은, 경과 시간에 관계없이, 항상 비교예보다 실시예가 높은 값을 나타내고 있다. 이것으로부터, 본 발명에 의하면, 공기와의 열교환 효율을 향상시키는 효과가 얻어지는 것을 이해할 수 있다. 또 도 9(b)를 참조해도, 어느 경과 시간에 있어서도, 비교예보다 실시예가 큰 폭으로 높은 열교환 효율이 얻어지고 있는 것이 분명하다.

다음에, 상기와 같은 성에 결정(120)을 형성하기 위해서, 볼록부(106)와 오목부(108)의 치수 관계에 대해 설명한다. 우선 결론부터 먼저 말하면, 평면부(106a)의 최소의 폭이 100㎛ 이상 500㎛ 이하인 것이 바람직하다. 볼록부(106)의 평면부(106a)의 간격(즉 오목부(108)의 폭)의 최소의 폭이 100㎛ 이상 1000㎛ 이하인 것이 바람직하다. 최소의 폭이란, 볼록부(106) 및 오목부(108)의 길이 방향의 폭(리브 또는 홈의 길이)이 아닌, 폭 방향의 폭을 의미하고 있다. 볼록부의 높이는 50㎛ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 볼록부(106)의 높이란, 바꾸어 말하면 오목부(108)의 깊이이다.

도 10은, 치수 관계에 관한 실험을 설명하는 도이다. 시험편인 구리판에, 방전 가공에 의해서 선형상의 홈인 오목부(108)를 6개 형성함으로써, 하기 치수의 볼록부(106) 및 오목부를 형성했다. 도 10(a)에 도시하는 바와 같이, 평면부(106a)의 폭을 W[㎛], 평면부(106a)의 간격을 L[㎛], 볼록부의 높이를 Z[㎛]로 한다. 그리고 도 10(b)에 도시하는 바와 같이, 실시예 1~3은 평면부의 간격 L을 250㎛로 고정하고, 평면부의 폭 W를 각각 100㎛, 250㎛, 500㎛로 했다. 볼록부의 높이 Z는, 지번 a~e를 붙이며, 300㎛~700㎛까지 100㎛씩 변화시켰다. 실시예 4~6은, 평면부의 폭 W를 250㎛, 볼록부의 높이 Z를 700㎛로 고정하고, 평면부의 간격 L을 각각 500㎛, 750㎛, 1000㎛로 했다. 또 비교예로서, 무가공의 구리판에 대한 결상의 모양을 관찰했다.

도 11은 결상의 모양을 설명하는 현미경 사진이다. 도 11에 있어서 기준면이란, 실시예에서는 볼록부(106)의 상면의 평면부(106a)이며, 비교예에서는 구리판의 표면이다. 도 11에 도시하는 결상의 실험에서는, 도 4에 도시한 시험편을 -10℃까지 냉각하고, 대기하에서 성에 결정의 성장 과정을 촬영했다.

도 11(a)는 평면부의 폭 W를 비교하는 도이다. 비교예에서는 기준면에 균일하게 결상되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 실시예 1－e(폭 W가 100㎛), 실시예 2－e(폭 W가 250㎛)에서는, 볼록부(106)의 평면부(106a) 상에 결상되어 법선 방향으로 결정 성장하고, 오목부(108)에는 거의 결상되어 있지 않은 것을 알 수 있다. 도시하지는 않으나 실시예 3(폭 W가 500㎛)에서도, 마찬가지로 평면부(106a)의 표면에 결상되고, 평면부(106a)의 법선 방향으로 결정이 성장하고 있었다. 이러한 것으로부터, 평면부(106a)의 폭이 100㎛ 이상 500㎛ 이하가 바람직한 것을 확인할 수 있었다.

평면부의 폭 W가 100㎛ 미만인 경우에 대해 설명한다. 공기 중의 습분이 핀(104)에 부착될 때, 과냉각 액적으로서 부착되고, 그 과냉각 상태가 해제되면, 액적의 내부에서 얼음의 결정화가 개시된다. 여기서 평면부의 폭 W가 과냉각 액적의 크기보다 좁으면, 볼록부(106)의 선단에 구형상으로 액적이 부착되어, 방사형상으로 결정이 성장해 버린다. 즉 평면부(106a)의 법선 방향으로 결정을 성장시키기 위해서는, 과냉각 액적의 직경보다 평면부의 폭 W를 크게 할 필요가 있다. 이 과냉각 액적의 크기는, 별도의 실험을 행한 결과, 친수 처리를 한 것으로 72㎛, 발수 처리를 한 것으로 28㎛였다. 그래서, 약간의 편차를 고려하여, 평면부의 폭 W가 100㎛ 이상이면 거의 확실히 평면부(106a)의 법선 방향으로 결정 성장된다고 생각할 수 있다.

평면부의 폭 W가 500㎛보다 큰 경우에 대해 생각한다. 이때 결정의 성장 방향은 법선 방향이 되지만, 평면부(106a)와 성에 결정(120)의 접합면이 커지기(결정의 근원의 폭이 두꺼워지기) 때문에, 기계적 강도가 증가해 버려, 기계적으로 제거하는 것이 어렵게 되어 버린다. 따라서 이 상한에 대해서는 제거 수단과의 균형에도 따르나, 500㎛ 이하이면 상기의 브러시(110)에 의해서도 용이하게 제거 가능했다.

도 11(b)는, 평면부의 간격 L을 비교하는 도이다. 실시예 2－e(간격 L이 250㎛)에서는 오목부(108) 중에는 거의 결상되어 있지 않으나, 실시예 6(간격 L이 1000㎛)에서는 오목부(108) 중에도 약간 결상되어 버렸다. 또 도 5(a)에 도시하고 있는 바와 같이, 실시예 1－e(간격 L이 100㎛)의 경우에도, 오목부(108) 중에는 거의 결상되어 있지 않다.

평면부의 간격 L이 100㎛ 미만인 경우, 오목부(108) 중으로의 결상은 생기지 않는다. 그러나, 성에 결정(120)의 박판은 결정 성장에 수반하여 폭이 두꺼워져 가기 때문에, 인접하는 성에의 박판이 너무 가까우면 조기에 서로 결합하여 견뢰한 구조를 형성해 버린다. 그로 인해, 평면부의 간격 L은 100㎛ 이상인 것이 바람직하다.

평면부의 간격 L이 1000㎛보다 커지면, 더욱 오목부(108) 중으로의 결상이 커져, 요철을 형성하고 있는 것의 의의를 잃어버리게 된다. 평면부의 간격 L이 1000㎛인 경우도 오목부(108) 중으로의 결상이 보여지는데, 이 상태에서도 상기의 브러시(110)에 의한 제거는 가능했다. 그로 인해, 평면부의 간격 L은, 1000㎛ 이하가 바람직한 것이 확인되었다.

반복이 되지만, 평면부의 폭 W가 100㎛ 이상 500㎛ 이하, 평면부의 간격 L이 100㎛ 이상 1000㎛ 이하라고 하는 수치 범위의 한계적 의의는, 이 범위이면 본 발명을 실시 가능하다라고 하는 것이 확인되어 있는 것을 의미하고 있다. 바꾸어 말하면, 이 범위를 아주 약간이라도 초과하면 실시 불가능하게 되는 것을 의미하는 것은 아니다.

도 11(c)는 볼록부의 높이 Z를 비교하는 도이다. 실시예 2－a(높이 Z가 300㎛)에서도, 실시예 2－e(높이 Z가 700㎛)에서도, 오목부(108) 중에는 결상되지 않고, 공극이 형성되어 있는 것을 알 수 있다(사진의 검은 부분). 이러한 것으로부터, 볼록부의 높이 Z가 300㎛ 이상이면, 평면부(106a) 위에 성에 결정(120)이 형성되는 것이 확인되었다. 또한 오목부(108)가 더욱 깊은 것에 대해서는, 열적인 제한은 거의 없고, 오목부(108)를 형성하기 위한 가공 기술상의 제한에 의해서 그 높이 Z가 결정된다고 생각할 수 있다.

도 12는, 실시예 7의 결상의 모양을 설명하는 현미경 사진이다. 실시예 7에서는, 도 10(a)에 도시하는 각 파라미터를, 평면부의 폭 W=100㎛, 평면부의 간격 L=200㎛, 볼록부의 높이 Z=50㎛로 한 핀을 이용하고 있다. 도 12로부터 명백하듯이, 볼록부의 높이 Z를 50㎛로 한 경우에 있어서도, 기준면 즉 핀의 볼록부의 평면부에 성에 결정이 형성되어 있다. 따라서, 볼록부의 높이 Z는, 상기 서술한 300㎛보다 낮은 50㎛여도 충분히 본 발명의 효과가 얻어지는 것을 이해할 수 있다.

도 13은 열류속에 대해 설명하는 도이다. 도 13은 도 10에 도시한 비교예와 실시예 2－e의 열류속을 측정한 결과를 도시하고 있다. 도 13에 도시하는 그래프의 횡축은 냉각면 온도[℃], 종축은 열류속[W/m²]이다. 또한 냉각면 초기 온도 tw0=－190℃, 공기 온도 ta=25℃, 냉각면 자세 θ=90도, 공기 습도 xa=0.0119kg/kg이다.

도 13에 도시하는 바와 같이, 열류속에 대해서는, 무가공의 구리판인 비교예와 실시예 2－e의 사이에서, 거의 차가 보여지지 않았다. 이것으로부터, 볼록부(106) 및 오목부(108)를 형성해도 열교환기(100)로서의 능력의 저하는 없는 것이 확인되었다.

상기 설명한 바와 같이, 열교환기(100)의 표면에 상기와 같은 볼록부(106) 및 오목부(108)를 설치함으로써, 볼록부(106)의 상면의 평면부(106a) 위에 박판이 배열된 빗살형상 구조의 성에 결정(120)을 형성할 수 있다. 이러한 성에 결정(120)은 구조적으로 약해, 기계적인 제거 수단으로 용이하게 떨어뜨릴 수 있기 때문에, 응고열을 이용하면서, 장시간의 연속 운전이 가능한 열교환기를 제공할 수 있다.

본 발명은, 종래의 열에 의한 제상(히트 펌프에 있어서의 냉매의 거꾸로 돌리기나, 살수에 의한 제상)을 반드시 제외하는 것이 아니며, 병용하여 이용 가능하다. 예를 들어, 열에 의한 제상을 종래는 20분에 1회 정도 행하고 있던 것을, 본 발명을 병용함으로써 1시간에 1회 정도의 빈도로 할 수 있으면, 충분히 이익을 얻을 수 있다.

[제2 실시 형태]

도 14는, 제2 실시 형태에 따르는 열교환기(200)의 구성을 설명하는 도이다. 도 14(a)에 도시하는 바와 같이, 제2 실시 형태의 열교환기(200)는, 제1 실시 형태의 열교환기(100)의 핀(104)을 바꾸어, 전열 부재의 예로서의 핀리스 튜브(210)를 구비한다. 또한 도 14(a)에서는 핀리스 튜브(210)를 3개만 그리고 있는데, 열교환기(200)는 다수의 핀리스 튜브(210)를 구비한다. 핀리스 튜브(210)는, 내부에 냉매가 통과하는 냉매 유로(212)를 갖는다.

본 실시 형태의 특징으로서, 핀리스 튜브(210)에는, 복수 개의 선형상의 볼록부(216)가 형성되어 있다. 이것에 의해서, 전열 부재로서 핀(104)이 아닌 핀리스 튜브(210)를 구비하는 열교환기(200)여도 같은 효과를 얻는 것이 가능하다.

또한, 도 14(a)에 도시하는 핀리스 튜브(210)에서는 외측의 면의 전체면에 볼록부(216)를 형성하고 있는데, 이것에 한정되는 것은 아니다. 볼록부(216)는, 핀리스 튜브(210)의 외측의 면 중 적어도, 공기의 진행 방향의 상류측의 면에 형성되어 있으면, 제1 실시 형태의 열교환기(100)와 같은 효과를 얻는 것이 가능하다.

도 14(b)는, 제2 실시 형태의 열교환기(200)의 변형예이다. 도 14(b)에 도시하는 열교환기(200a)는, 전열 부재인 핀리스 튜브(210)의 하류측에, 이러한 핀리스 튜브(210)와 간격을 두고, 후단 전열 부재의 예로서의 후단 핀(150)이 배치되어 있다. 이와 같이, 2개의 전열 부재를 배치함으로써, 보다 효율적으로 공기로부터 흡열하는 것이 가능하게 된다.

또한, 도 7(c)에서는 전열 부재의 예로서 핀(104)을 도시하고, 후단 전열 부재의 예로서 후단 핀(150)을 도시했다. 도 14(b)에서는 전열 부재의 예로서 핀리스 튜브(210)를 도시하고, 후단 전열 부재의 예로서 후단 핀(150)을 도시했다. 그러나 본 발명은 이들 조합에 한정되지 않는다. 즉, 전단과 후단은 핀 튜브 내지 핀리스 튜브를 모두 적절히 선택할 수 있다.

또 후단 전열 부재의 핀 또는 핀리스 튜브에는, 상류측의 가장자리에 볼록부(106)를 형성해도 되고, 볼록부(106)를 형성하지 않아도 되다. 또한 본 실시 형태에서는 전열 부재로서 핀 및 핀리스 튜브를 예시했는데, 이것에 있어서도 한정되지 않으며, 다른 전열 부재에 본 발명을 적용하는 것도 가능하다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적절한 실시 형태에 대해 설명했는데, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 당업자이면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종의 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하고, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명은, 공기와의 열교환을 행하는 전열 부재를 구비하는 열교환기로서 이용 가능하다.

100…열교환기, 102…튜브, 103…삽입 통과 구멍, 104…핀, 104a…가장자리, 104b…가장자리, 106…볼록부, 106a…평면부, 108…오목부, 110…브러시, 110a…축, 112…털, 112a…상측 털, 112b…하측 털, 120…성에 결정, 122…종자 결정, 124…가지 결정, 130…성에 받침 접시, 140a…핀, 150…후단 핀, 200…열교환기, 200a…열교환기, 210…핀리스 튜브, 212…냉매 유로, 216…볼록부

Claims (10)

1. 공기와의 열교환을 행하는 전열 부재를 구비하는 열교환기로서,
   상기 전열 부재는, 공기의 진행 방향의 상류측의 가장자리 근방에, 상기 가장자리와 나란히 형성된 복수 개의 선형상의 볼록부를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전열 부재는 핀이며,
   상기 복수 개의 선형상의 볼록부는, 상기 핀의 공기의 진행 방향의 상류측의 가장자리 근방에 상기 가장자리와 나란히 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 전열 부재는 핀리스 튜브이며,
   상기 복수 개의 선형상의 볼록부는, 상기 핀리스 튜브의 적어도 공기의 진행 방향의 상류측의 면에 상하 방향으로 연장되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 볼록부는, 상기 전열 부재의 공기의 진행 방향의 하류측의 가장자리 근방에도 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 볼록부의 수는, 상기 전열 부재의 하류측보다 상류측쪽이 많은 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 열교환기는, 상기 전열 부재의 하류측에, 상기 전열 부재와 간격을 두고 배치되는 후단 전열 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수 개의 볼록부는, 공기의 진행 방향으로 간격을 두고 배치되고,
   상기 볼록부의 상면에 폭이 100㎛ 이상 500㎛ 이하인 평면부를 가지며,
   상기 볼록부의 평면부의 간격이 100㎛ 이상 1000㎛ 이하이고,
   상기 볼록부의 높이는 50㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 열교환기는, 상기 볼록부에 맞닿아 상하 방향으로 이동 가능한 브러시를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 브러시는, 상방으로부터 하방을 향해 이동하여 상방으로 되돌아오는 것을 특징으로 하는 열교환기.
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 브러시는, 종단면에서 봤을 때 털끝이 상하 방향으로 퍼진 부채꼴로 되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.

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