WO2015056285A1 - 熱交換面の保全方法および湿り空気の冷却方法 - Google Patents

熱交換面の保全方法および湿り空気の冷却方法 Download PDF

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carrier
heat exchange
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temperature
boundary layer
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大久保　英敏
関　光雄
将 松下
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株式会社Ｎａｔｏｍｉｃｓ
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    • F25D2317/041—Treating air flowing to refrigeration compartments by purification
    • F25D2317/0411—Treating air flowing to refrigeration compartments by purification by dehumidification

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchange surface maintenance method and wet air cooling method, and more specifically, maintenance-free heat exchange surface by preventing mass transfer on a heat exchange surface having a large temperature difference from the surroundings.
  • the heat exchange surface maintenance method that can provide high efficiency and stability on the heat exchange surface when moist air is cooled through the heat exchange surface or when absorbing heat from below-freezing humid air in the temperature boundary layer
  • the present invention relates to a method for cooling wet air that enables efficient cooling.
  • the heat exchange surface temperature is lower than the air temperature between the fluid and the humid air on the heat exchange surface on the side in contact with the air.
  • condensation, frost formation or freezing occurs frequently.
  • the conditions for the occurrence of the frosting phenomenon or the condensation phenomenon will be described with reference to FIG.
  • the air temperature is 0 ° C or higher and the water vapor state of the atmosphere is a water saturated atmosphere (including the above)
  • water droplets are generated by condensing water vapor to the condensation nuclei in the atmosphere, and then drop and accumulate on the cooling surface Then, water vapor condenses on the water droplets, and the water droplets grow and merge repeatedly to form large water droplets, and when the adhesive force cannot resist gravity, it flows down (falls) on the cooling surface.
  • the air temperature is 0 ° C or lower and -40 ° C or higher
  • the water vapor state of the atmosphere is a water saturated atmosphere (including the above)
  • supercooled water droplets are generated by condensing water vapor to the condensation nuclei in the atmosphere. Then, it drops and accumulates on the cooling surface, and after the supercooled water droplets grow and merge, it freezes, and the frozen ice particles sublimate water vapor to cause frost growth.
  • ice crystals are generated by sublimation of water vapor to the sublimation nuclei in the atmosphere. After that, it falls and accumulates on the cooling surface, and water vapor sublimates to the ice crystals, resulting in a phenomenon of frost growth.
  • ice crystals Water vapor appears as ice crystals (called ice crystals) in ice crystal nuclei in the air by sublimation.
  • the air temperature is defined as the freezing point temperature.
  • dew point temperature The air temperature at this time.
  • the supercooled liquid droplets are stochastically frozen over time. Since the ice water vapor pressure is lower than the surrounding water vapor pressure in the frozen particles that have become ice, the water vapor sublimes more actively on this ice surface, and the frost crystal P4 starts growing rapidly. It will be.
  • the water vapor state in the atmosphere is a water-saturated atmosphere (including the above), and water vapor condenses on the condensation nuclei in the atmosphere, but immediately becomes frozen particles, and then on the cooling surface.
  • the phenomenon is that the frozen particles that fall and accumulate on the surface accumulate and form powdery frost.
  • the cooling surface is -40 ° C or lower, but the ambient air temperature is warmer than -40 ° C, the accumulated powdery frost becomes thick, and the surface temperature of the frost layer exposed to the atmosphere is -40 ° C. If it becomes above, water vapor
  • Condensation may cause deterioration of hygiene such as generation of fungi, or corrosion or leakage, contamination of the heat exchange surface, etc.
  • frost formation or icing will cause problems similar to dew condensation when frosted.
  • the ice layer is a heat resistance layer in heat exchange, and there is also an obstruction of ventilation due to physical thickness, which causes a large decrease in the amount of heat exchange together with the heat resistance layer due to liquid film formation on the heat exchange surface during condensation. Therefore, conventionally, various techniques for defrosting or dehumidifying the heat exchange surface have been performed.
  • Patent Document 1 discloses a humidity control agent or a dew condensation preventing agent using a porous material. More specifically, in this humidity control agent or anti-condensation agent, fine particles of nanometer order are packed and accumulated without impairing voids between the particles without using a material having porous particles.
  • a porous material having nanometer-sized pores between fine particles, having a porous structure having a broad pore distribution in a pore radius range of 1 nm to 10 nm Based on Kelvin's capillary condensation theory, it shows an increase in water vapor adsorption in the region of relative humidity of 75% to 93%.
  • the rise of the adsorption isotherm is about 80%
  • the moisture absorption in the range of 75% to 93% relative humidity is about 12 mass%
  • the relative humidity is about 70 from the desorption isotherm. %
  • the water vapor adsorbed in the range of 75% to 93% relative humidity is released and the dew condensation preventing ability is restored.
  • a humidity control agent or anti-condensation agent it can be used repeatedly by adsorbing water vapor in the humid air that is the cause of dew condensation and recovering the anti-condensation ability by desorption. Since the pore radius is 1 nm to 10 nm, it is possible to capture water vapor in the humid air, but in the case where supercooled condensed droplets are generated in the humid air when the humid air is at a temperature below freezing point. Since the diameter of the supercooled condensed droplet is at least 1 ⁇ m, it is impossible to control humidity or prevent condensation by capturing the supercooled condensed droplet.
  • maintenance-free heat exchange is prevented by preventing mass transfer on the heat exchange surface where the temperature difference from the surroundings is large, such as in humidifier coolers of refrigeration systems that handle humid air below freezing.
  • Realization of a heat exchange surface maintenance method capable of providing a surface is desired.
  • Patent Document 2 discloses a heat exchanger that can be continuously operated for a long time while utilizing heat of solidification by making it easy to mechanically remove frost.
  • this heat exchanger is a heat exchanger that can absorb heat from humid air, and has fine convex portions and concave portions on the surface, and a minimum width of 100 ⁇ m or more and 500 ⁇ m on the upper surface of the convex portion. It has the following plane portions, and the minimum width of the recess is 100 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
  • Patent Literature 3 discloses a frost prevention member that suppresses frost growth. More specifically, the anti-frosting member has a water repellent part having a high water repellency and a hydrophilic part having a higher hydrophilicity than the water repellent part in a predetermined pattern on the surface of the member. Since the part has relatively high water repellency, it is difficult for frost to adhere to it, while the hydrophilic part tends to adhere to frost. Therefore, frost does not grow greatly in the water repellent part, but frost grows greatly in the hydrophilic part, so that the frost in the hydrophilic part grows large and then collapses when it cannot resist the flow of humid air and grows again. -Repeat the collapse.
  • Patent Document 4 discloses a frost reduction device for a cooler. More specifically, this apparatus is disposed in the vicinity of a cooling heat exchanger in which a plurality of plate-like fins are joined to a heat transfer tube, and has an injection means having a plurality of nozzles perpendicular to or parallel to the plane direction of the fins, Drive means for reciprocating the injection means, and the injection means moves parallel or perpendicular to the plane direction of the fins to inject the humid air.
  • this frost reduction device of the cooler forcibly removes frost by injecting moist air against the frost frosted on the fin surface, and does not prevent frost formation in the first place. Since the frost formed on the fin surface cannot be frosted, it is necessary to perform maintenance so that the nozzle opening is not blocked due to the separate arrangement of the frost reduction device in the vicinity of the cooling heat exchanger.
  • Patent Documents 5 and 6 disclose an ice frost or ice / snow removal net that removes ice / snow from the windshield when ice or frost adheres to the windshield of an automobile or when snow has accumulated.
  • this ice / frost or ice / snow removal net is made of wire rods arranged in a planar grid pattern having a predetermined wire width and a predetermined mesh width, and is directly laid on the windshield of an automobile. It is.
  • the ice or frost formed in the mesh opening is integrated with the net and the snow falling on the mesh opening is pulled through the mesh opening through the mesh opening.
  • the width of the wire is determined according to the thickness of the formed ice, frost or snow, and the adhesion of the wire to ice, frost or snow is determined. The mesh width is determined accordingly.
  • the wire width is set to 2 mm to 6 mm and the mesh width is set to 10 mm to 50 mm (Patent Document 5). If the thickness of ice, frost or snow is 2 mm or less, the wire width is set to 0.5 mm or more and less than 2 mm, and the mesh width is set to 1 mm or more and 10 mm or less (Patent Document 6).
  • the ice frost or ice / snow removal net simplifies the formation of ice frost or snow on the car windshield, as in the case of a car windshield with no parking roof.
  • the ice frost or ice snow integrated on the net by the net formed in (1) above is merely removed by pulling or peeling the net together with the net.
  • the object of the present invention is to provide a heat exchange surface capable of providing a maintenance-free heat exchange surface by preventing mass transfer on the heat exchange surface having a large temperature difference from the surroundings. It is to provide a maintenance method.
  • the object of the present invention is to provide high efficiency on the heat exchange surface when the humid air is cooled via the heat exchange surface or when absorbing heat from below the freezing point in the temperature boundary layer. Provided is a method for cooling wet air that enables stable cooling.
  • a method for maintaining a heat exchange surface includes: In the heat exchange surface for cooling in contact with humid air, In the temperature boundary layer determined according to the temperature and airflow of the heat exchange surface, when the air temperature in the temperature boundary layer is 0 ° C or higher and below the dew point temperature, and below 0 ° C and below the freezing point temperature, A step of dehumidifying the humid air by condensing or sublimating water vapor in the humid air; Thereby, it is set as the structure which suppresses the dew condensation or frost formation on a heat exchange surface.
  • the dew point is set when the air temperature in the temperature boundary layer is 0 ° C. or higher in the temperature boundary layer determined according to the temperature of the heat exchange surface and the air flow.
  • the temperature is below the temperature, or below 0 ° C or below the freezing point temperature
  • the moisture in the humid air is condensed into condensation nuclei or sublimated into ice crystal nuclei before reaching the heat exchange surface.
  • the amount of water vapor in the humid air reaching the heat exchange surface is reduced, and as a result, dew condensation or frost formation on the heat exchange surface is suppressed, resulting in a temperature difference from the surroundings.
  • freeze point temperature is used in the following meaning.
  • water saturation the water vapor in the air becomes saturated
  • dew point temperature the temperature at this time.
  • the air temperature is defined as the freezing point temperature. If cooling is further performed at a low temperature, water saturation occurs, and condensation begins in the same manner as above 0 ° C. However, when the air temperature is in the range of -40 ° C, the condensed droplets do not freeze and become supercooled droplets. Become. The air temperature at this time is called dew point temperature, which is the same as 0 ° C. or higher.
  • the carrier may be configured to be exchangeable when the dehumidifying performance of the carrier according to claim 2 deteriorates.
  • the method for cooling wet air through the heat exchange surface of the present invention is as follows.
  • the heat exchange surface for cooling in contact with humid air In the temperature boundary layer determined according to the temperature and airflow of the heat exchange surface, when the air temperature in the temperature boundary layer is 0 ° C or higher and below the dew point temperature, and below 0 ° C and below the freezing point temperature, Providing a carrier having a higher thermal conductivity than moist air; By placing the carrier in the temperature boundary layer facing the heat exchange surface, A step of dehumidifying the humid air by condensing or sublimating water vapor in the humid air on the surface of the carrier; Thereby, it is set as the structure which suppresses the dew condensation or frost formation on a heat exchange surface.
  • the air temperature in the temperature boundary layer is 0 ° C. or more and the dew point temperature or less.
  • the temperature is below freezing point below 0 ° C
  • the heat conductivity is higher than that of the humid air.
  • Water vapor in the humid air may be condensed on the surface of the carrier where the surface temperature of the carrier opposite to the heat exchange surface is equal to or lower than the dew point temperature of the humid air, and the condensate may flow down from the carrier surface.
  • the temperature of the humid air in the temperature boundary layer determined according to the temperature of the heat exchange surface and the airflow is 0 ° C or lower and -40 ° C or higher
  • the water vapor in the humid air is sublimated to the ice surface that has undergone condensation, supercooling, and supercooling elimination, and frost crystals P4 It is also possible to suppress the frost formation on the heat exchange surface by dehumidifying the humid air.
  • the carrier is a planar carrier having a predetermined shape with a predetermined depth from the heat exchange surface, having a configuration in which a predetermined width and openings are alternately arranged, having a regular or irregular cross section. It's okay.
  • the planar carrier is mesh-shaped and may have a predetermined mesh opening width, a predetermined wire width and thickness.
  • the size of the planar carrier is such that the width of the carrier is 100 ⁇ m or more and 2000 ⁇ m or less, the width of the opening is 100 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less, and the depth from the surface on the temperature boundary layer side of the carrier to the heat exchange surface is 100 ⁇ m or more. It is good to do.
  • the carrier may be a three-dimensional carrier having a three-dimensional structure having voids by superposing fibers of a predetermined length having a regular or irregular cross section in a nonwoven fabric shape.
  • the planar carrier is arranged by being divided in the flow direction of the heat exchange surface, A part of the upstream side is arranged in the main airflow outside the temperature boundary layer, and the arrangement of the divided planar carrier is arranged so that there is only an opening gap, The heat transfer on the heat exchange surface may be promoted by inducing an air flow into the carrier in the boundary layer.
  • the three-dimensional support is thickened so that a part of the three-dimensional support can be arranged in the main airflow outside the temperature boundary layer, and the heat transfer is promoted on the heat exchange surface by guiding the airflow into the support in the boundary layer. It may be allowed.
  • water repellency treatment to the surface of the carrier, the surface property of the carrier is changed, and the dehumidifying performance for water vapor sublimation and condensation on the carrier surface is improved, and the opening is closed in a liquid state. It may not be possible.
  • the surface property of the carrier may be changed to improve the dehumidification performance related to sublimation and condensation of water vapor on the carrier surface.
  • the dehumidification performance for water vapor sublimation and condensation on the carrier surface is improved. It may be allowed.
  • the heat quantity of the frost may be used.
  • a material with low thermal conductivity of the carrier place the carrier close to the boundary layer in the temperature boundary layer, and raise the surface temperature of the carrier as high as possible to reduce the amount of frost growing on the carrier surface.
  • latent heat exchange of the carrier surface may be performed together with sensible heat exchange of the heat exchange surface.
  • the heat exchange surface in contact with the humid air is below the freezing point, and the air temperature in the temperature boundary layer is below the freezing point temperature within the temperature boundary layer determined according to the temperature of the heat exchange surface and the airflow.
  • a carrier having a higher thermal conductivity than that of humid air is prepared and placed in the temperature boundary layer with the carrier facing the heat exchange surface, water vapor in the humid air is condensed or sublimated on the surface of the carrier. Thereby dehumidifying the humid air, and as a result, the amount of water vapor in the humid air reaching the heat exchange surface is reduced, thereby suppressing condensation or frost formation on the heat exchange surface.
  • the carrier is made of a metal material with high thermal conductivity, and the carrier is placed near the heat exchange surface in the temperature boundary layer so that the surface temperature of the carrier is as low as possible.
  • latent heat exchange on the carrier surface may be increased together with sensible heat exchange on the heat exchange surface.
  • the heat exchange surface in contact with the humid air is below the freezing point, and the air temperature in the temperature boundary layer is below the freezing point temperature within the temperature boundary layer determined according to the temperature of the heat exchange surface and the airflow.
  • a carrier having a higher thermal conductivity than that of humid air is prepared and placed in the temperature boundary layer with the carrier facing the heat exchange surface, water vapor in the humid air is condensed or sublimated on the surface of the carrier. Thereby dehumidifying the humid air, and as a result, the amount of water vapor in the humid air reaching the heat exchange surface is reduced, thereby suppressing condensation or frost formation on the heat exchange surface.
  • Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, taking as an example a case where air is cooled below the freezing point using a refrigerant by a heat exchanger HX.
  • a planar carrier having an opening is disposed in an atmosphere of humid air outside the heat exchanger HX.
  • the heat exchanger HX has a plate thickness t, allows a refrigerant having a temperature Tc to flow therein, and forms the heat exchange surface S on the outer surface of the heat exchanger HX.
  • the temperature Tm of the humid air that flows along the cooling surface passes through the temperature boundary layer B formed on the surface of the heat exchange surface S, forms a gentle temperature distribution, and forms a temperature distribution that reaches the low temperature Tout of the cooling surface.
  • the air temperature is 0 ° C. or lower and ⁇ 40 ° C. or higher.
  • the droplets are supercooled, but when the thickness is about 100 ⁇ m, the supercooling is canceled and the ice surface becomes frozen. As a result, water vapor sublimates on the ice surface, and frost crystals P4 are rapidly formed.
  • frost By forming frost, the opening O is closed, and the air-permeable frost is densely formed. When this happens, the water vapor in the humid air grows into the frost crystals P4 and is eaten by the surface of the frost crystals P4, reducing the amount of water vapor passing through the opening O and reaching the heat exchange surface S, thereby exchanging heat. Frost will no longer grow on surface S.
  • temperature boundary layer BL demonstrated here
  • the thickness of temperature boundary layer BL changes with installation environments. Usually, it is explained by its environmental temperature and fluid flow, which is omitted here.
  • FIG. 2 (A) when there is a temperature boundary layer BL in the state where there is nothing in the temperature boundary layer BL, the carrier C in the boundary layer as shown in FIG. A frost layer growing on the surface will be described.
  • FIG. 2 (B) the thin boundary layer in FIG. 2 (A) shows a state in which the boundary layer becomes thicker when the carrier C is inserted.
  • FIG. 2 (C) shows that the boundary layer further changes in thickness as frost grows.
  • the condensed droplet P1 does not freeze immediately but is supercooled. It becomes a water droplet P3.
  • the air temperature at this time is called dew point temperature, which is the same as 0 ° C. or higher.
  • the supercooled water droplet P3 is stochastically frozen over time. The frozen particles become ice, and the water vapor pressure of the ice is lower than the surrounding water vapor pressure, so the water vapor sublimes more actively on this ice surface, and the frost crystal P4 starts to grow rapidly. It will be.
  • the air temperature is -40 ° C or lower
  • the water vapor state in the atmosphere is a water-saturated atmosphere (including the above).
  • the frozen particles that have fallen and deposited on the heat exchange surface S accumulate and form a powdery frost.
  • the heat exchange surface S is -40 ° C or lower, but the ambient air temperature is warmer than -40 ° C, the accumulated powdery frost becomes thick, and the surface temperature of the frost layer exposed to the atmosphere is- When the temperature exceeds 40 ° C., water vapor may sublimate to the frost, and frost growth may occur.
  • condensation nucleus and the sublimation nucleus existed in the atmosphere in the temperature boundary layer BL near the heat exchange surface S
  • the condensation nucleus and the sublimation nucleus are also on the heat exchange surface S. Therefore, even on the heat exchange surface S, phenomena such as condensation and sublimation to the condensed nuclei and sublimation nuclei directly occur. Even if the supersaturation phenomenon does not occur in the air, the condensation and sublimation phenomenon occurs on the heat exchange surface S if the heat exchange surface S is equivalent to the atmosphere. That is, even if the atmosphere of the temperature boundary layer BL is not supersaturated, condensation and sublimation occur only on the surface of the carrier C if the surface temperature of the carrier C is in a supersaturated state corresponding to the atmosphere.
  • the particles become frozen after becoming large supercooled water droplets P3 which are repeatedly joined.
  • it is an ice particle
  • water vapor in the air sublimates to the ice particle, and frost growth starts as shown in FIG. 4 (D).
  • the rapid growth on the surface of the support C starts, the water vapor in the atmosphere is eaten by that surface, and the amount of water vapor flowing into the heat exchange surface S atmosphere is reduced, thereby mitigating the supersaturation phenomenon.
  • frost grows, frost grows on the upper part between the carriers C as shown in FIG. 4 (E), so that a large amount of water vapor cannot flow between the carrier C and the heat exchange surface S.
  • FIG. 5A shows an example in which the carrier C and the heat transfer promoting body N in FIG. A normal planar carrier C is divided in the flow direction, and a part of the upstream side thereof is arranged outside the boundary layer.
  • the carrier C in frost growth in an atmosphere of 0 ° C. or lower and ⁇ 40 ° C. or higher may have such a size that condensed water droplets are deposited to form a supercooled water droplet P3 group, and the cross-sectional shape is arbitrary. It is preferable that the opening O closes the opening O when the frost layer grown on the carrier C is in the growth stage. An image in which the opening O between the carriers C is blocked by the frost growth on the carriers C at both ends may be used.
  • the depth of the carrier C is arbitrary, and it is important that the space between the carrier C and the heat exchange surface S is open. If the carrier C is installed on the heat exchange surface S, the heat exchange is performed. Since the area of the surface S where sensible heat is exchanged is reduced, it is important to separate the latent heat exchange and the sensible heat exchange when separated by the carrier C. Although the space between the heat exchange surface S and the carrier C has been described as a problem of water vapor passing through the opening O, it is assumed that water vapor does not enter from the left and right sides of the illustrated space. Since the form of the heat exchange surface S varies depending on the heat exchanger HX, it is not specifically described here, but it is specifically formed to prevent intrusion by the heat exchanger HX form. Is natural.
  • the cross section of the carrier C is arbitrary, and may have any shape as shown in FIGS.
  • the opening O is formed in the planar carrier C, the opening O may be formed by a method such as mechanical cutting, electric discharge machining, sandblasting, etching, or press working. It does not specify a method.
  • the width W of the carrier C is 100 ⁇ m or more and 2000 ⁇ m or less, and the width L of the opening O is 100 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
  • the depth from the surface of the carrier C to the heat exchange surface S is 100 ⁇ m or more.
  • a non-woven carrier C may be used as shown in FIG. 7A. This non-woven fabric is advantageous in that even if it is installed on the heat exchange surface S without leaving a gap, it will function without problems in terms of functionality.
  • the carrier C portion outside the boundary layer can function as the heat transfer promoting body N.
  • frost grown on the carrier C surface It is fundamental to suppress condensation and sublimation of the heat exchange surface S by dehumidification of the carrier C by condensation and sublimation, but another important thing is This is a treatment of frost grown on the surface of the carrier C due to a phenomenon of 0 ° C. or lower. Over time, frost grows thick and becomes a heat resistance layer, and its growth decreases, and it inhibits the passage of air and causes poor heat exchange. Need frost treatment. The frost treatment is different in each of “maintenance of heat exchange surface S”, “frosting”, and “separation of latent heat / sensible heat exchange”.
  • the purpose is heat exchange surface S, heat exchange on heat exchange surface S and carrier C surface, respectively, and frost treatment is not the purpose It is. Therefore, there is no problem in any processing, and the method is diverse. That is, a conventional defrosting method (hot gas, watering, off-cycle, electric heater, brine spraying, etc.) may be used. It is possible to use a new idea such as an air nozzle using a jet jet or a mechanical treatment with a brush. Further, the carrier C may be vibrated.
  • a conventional defrosting method hot gas, watering, off-cycle, electric heater, brine spraying, etc.
  • frost since frost is regarded as a heat storage body, it is necessary to make secondary use. Therefore, the frost that has increased on the surface of the carrier C over time is replaced with a carrier C that does not have new frost over time, and the carrier C to which the frost has adhered is moved to a predetermined use or processing place, Peeling with a jet jet or vibration, which is a physical peeling method, or a brush, which is mechanical peeling, is used for use.
  • the carrier C may be used as it is depending on the method of use.
  • the carrier C may be exchanged.
  • the feature of this embodiment is that the relationship between the carrier C and the heat exchange surface S in the dew condensation phenomenon is specified.
  • the heat exchange surface S is basically a vertical surface. This condition is necessary for the condensed droplet P1 to act so as to drop by gravity.
  • the problem of the condensation phenomenon of the heat exchange surface S is generally caused by the surface tension of the condensed droplet P1 on the heat exchange surface S. This is a decrease in heat transfer on the heat exchange surface S due to the formation of a water film.
  • the condensed liquid droplet P1 is processed on the surface of the carrier C, and the carrier C surface is dropped by gravity, whereby the heat exchange surface.
  • the heat exchange phenomenon is more efficient than the heat exchange only on the heat exchange surface S.
  • water repellent treatment or the like is performed as the surface treatment of the carrier C, a droplet condensation phenomenon occurs, heat transfer of condensation can be further improved, and droplets also drop by gravity with a small droplet diameter. Therefore, a good condensation phenomenon can be expressed. Further, the liquid droplet does not block the opening O.
  • the relationship between the width W of the carrier C, the width L of the opening O, and the depth cannot be expected. Since it is easy to reach the heat exchange surface S through O, it is presumed that the size of the opening O needs to be smaller than frost formation. In addition, since the water vapor in the atmosphere is reduced by condensation on the surface of the carrier C, the water vapor in the atmosphere in the space with the heat exchange surface S after passing through the opening O is reduced, and positive condensation is generated on the heat exchange surface S. This is expected to disappear.
  • the present inventors For the purpose of realizing the phenomenon that the frost crystals P4 do not adhere on the heat exchange surface S, the present inventors have installed a micro object in the boundary layer, utilizing the condensation and solidification generated in the boundary layer. In addition, an experiment relating to a technology for suppressing the frost crystal P4 that controls the growth of the frost crystal P4 in the boundary layer was conducted, and the effectiveness of the present invention was confirmed.
  • the temperature and humidity of the experimental room were controlled by an air conditioner, humidifier, dehumidifier, and heater, and the temperature and humidity were measured by an Asman ventilated wet and dry bulb hygrometer installed in the experimental room.
  • the photographs and 3D images of the wire mesh used in this study are shown in FIGS.
  • the wire mesh is a 100 mesh plain weave with a wire diameter of 100 ⁇ m, an opening of 150 ⁇ m, and the material is SUS304.
  • frost crystal P4 generation / growth was performed by using a digital microscope to capture images on the wire mesh side and the heat exchange surface S side, and to perform image processing using analysis software.
  • the experiment was performed under the condition that the S temperature of the heat exchange surface changes with time.
  • the heat exchange surface S is made of oxygen-free copper.
  • FIG. 11 shows an outline of the heat transfer section.
  • oxygen-free copper plates were embedded on the top and bottom and side surfaces of the measurement section.
  • the heat transfer portion was covered with a polyethylene sheet so that frost formation did not occur until the start of the experiment.
  • ethanol for cooling contained in a Dewar bottle was adjusted to an arbitrary temperature with liquid nitrogen, and was immersed in the ethanol to be cooled to a predetermined temperature. After maintaining the surface temperature of the heat exchange surface S constant for 10 minutes, the experiment was started by attaching it vertically to the experimental chamber.
  • the convex portion is square, but after the start of the experiment, supercooled water droplets P3 are generated on the surface of the convex portion, and the supercooled water droplets P3 coalesce and become larger.
  • the supercooled water droplet P3 which repeated the coalescence became one on the surface of the square convex part, and became hill-shaped ice after the supercooling was eliminated. Up to 15 minutes after the start of the experiment, it is in a supercooled state, and a white ring of illumination can be confirmed in the center.
  • a plurality of frost crystals P4 were generated from the hill-shaped ice. Even when the frost crystal P4 grew, the frost crystal P4 could not be confirmed in the groove portion.
  • FIG. 13 shows the observation result when the frost crystal P4 is generated when the wire mesh shown in FIG. 10 is placed on the smooth heat exchange surface S. Note that the observation was performed from above the surface of the heat exchange surface S.
  • FIG. 14 shows a sketch diagram of the frost crystal P4 generation / growth mechanism.
  • the frost crystal P4 the convex part of the wire mesh has the fastest crystal growth rate, and after the supercooling is eliminated, the spherical ice adheres to the surface of the heat exchange surface S. P4 never grew.
  • FIG. 15 shows the observation results from the side
  • FIG. 16 shows the sketches created based on the observation results.
  • FIG. 18 shows the temperature distribution in the temperature boundary layer BL with the frost layer surface position as a reference. In addition, the frost layer surface was made into the measurement position of frost layer thickness.
  • the heat exchange surface S to which the frost crystals P4 adhere is horizontally upward.
  • the heat exchange surface S is the end face of an oxygen-free copper prism with a width of 50 mm and a height of 50 mm, and a 1 mm thick copper plate was added to the surface with an Epoxy adhesive to make the surface of the heat exchange surface S.
  • the surface temperature of the heat exchange surface S was measured by bonding a CA thermocouple (elementary linear 100 ⁇ m) to the back side of the copper plate.
  • the frost layer surface temperature was measured by a thermocouple.
  • thermocouple was attached to a traverse apparatus that was movable in a horizontal and vertical direction with respect to the heat exchanging surface S via a metal support bar, attached to a support portion made of bakelite having a heat insulation effect.
  • the measurement was performed by measuring the temperature in the boundary layer using a digital microscope while defining the temperature of the humid air portion at the measurement position of the frost layer thickness as the frost layer surface temperature.
  • the side of the heat transfer unit is insulated with urethane foam and silicon adhesive, and the heat transfer unit main body was installed in an experimental chamber made by Dumpler. Even when a metal mesh was attached, the surface temperature of the frost layer was lower than 0 ° C., and it was confirmed that frost crystals P4 could grow.
  • the mesh carrier C by arranging the mesh carrier C in the temperature boundary layer BL determined according to the temperature of the heat exchange surface, the mesh carrier C is frosted on the surface of the mesh carrier C, and the frost formed is grown.
  • the case where the carrier C is replaced has been described.
  • the present invention is not limited to this, and by placing another material that can grow frost on the surface, frost formation or condensation on the heat exchange surface can be achieved. It only needs to be preventable.
  • FIG. 1 is a schematic side view according to a first embodiment of the present invention. It is a schematic diagram which shows temperature distribution according to the frosting condition on the support
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing still another modification example of the carrier C with respect to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing still another modification example of the carrier C with respect to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing still another modification example of the carrier C with respect to the first embodiment of the present invention. It is a conceptual diagram which shows the condensation phenomenon and the heat exchange surface S on the surface of the support
  • Example of this invention it is a figure which shows the observation result at the time of the production
  • it is a graph which shows the relationship between a heat flux and the heat exchange surface S temperature when the metal mesh is installed in the boundary layer and when it is not installed.
  • it is a graph which shows the temperature distribution in the temperature boundary layer BL on the basis of the frost layer surface position.

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Abstract

【課題】周囲との温度差が大きい熱交換面上での物質移動を防止することにより、メンテナンスフリーな熱交換面を提供可能な熱交換面の保全方法を提供する。 【解決手段】湿り空気に接する冷却のための熱交換面において、熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層BL内で、温度境界層BL内の空気温度が0℃以上では露点温度以下となる場合において、また0℃以下では氷点温度以下となる場合において、湿り空気より高い熱伝導率を有する担体Cを準備する段階を有し、その担体Cを熱交換面に対して対向させて温度境界層BL内に配置することにより、その担体C表面に湿り空気中の水蒸気を凝縮もしくは昇華させることにより、湿り空気を除湿する段階を有し、それにより、熱交換面上での結露または着霜を抑制することを特徴とする、熱交換面を介する湿り空気の冷却方法。　

Description

熱交換面の保全方法および湿り空気の冷却方法
　本発明は、熱交換面の保全方法および湿り空気の冷却方法に関し、より詳細には、周囲との温度差が大きい熱交換面上での物質移動を防止することにより、メンテナンスフリーな熱交換面を提供可能な熱交換面の保全方法、熱交換面を介して湿り空気を冷却したり、温度境界層内の氷点下以下の湿り空気から吸熱する場合において、熱交換面での高効率かつ安定的な冷却を可能とする湿り空気の冷却方法に関する。
熱交換面を介して、流体と湿り空気との間で熱交換を行う際、流体と湿り空気との間では、空気に接する側の熱交換面では、熱交換面温度が空気温度よりも低い場合には(以下、冷却面と記します)、結露、着霜あるいは氷結が頻繁に起きる。
以下に、図３を参照しながら、着霜現象あるいは凝縮現象の発現条件について、説明する。
空気温度0℃以上で、雰囲気の水蒸気状態が水飽和雰囲気(以上も含む)での発生現象では、雰囲気中の凝縮核へ水蒸気が凝縮することにより水滴が発生し、その後冷却面上に落下堆積して、その水滴に水蒸気が凝縮して水滴が成長・合流を繰り返して、大きな水滴となり、重力に付着力が抗しきれなくなると、冷却面を流下(落下)する。
また、空気温度0℃以下-40℃以上で、雰囲気の水蒸気状態が水飽和雰囲気(以上も含む)での発生現象では、雰囲気中の凝縮核へ水蒸気が凝縮することにより過冷却水滴が発生し、その後冷却面上に落下堆積して過冷却水滴が成長・合流後、凍結し、その凍結氷粒子に水蒸気が昇華して着霜成長する現象となる。
また、同じ空気温度0℃以下-40℃以上で、雰囲気の水蒸気状態が氷飽和以上、水飽和以下の雰囲気での発生現象では、雰囲気中の昇華核へ水蒸気が昇華することにより氷晶が発生し、その後冷却面上に落下堆積して、その氷晶に水蒸気が昇華することにより着霜成長する現象となる。
なお、ここで凝縮や昇華の現象をもう少し説明しておく。湿り空気を冷却したときに、空気中の水蒸気が飽和状態(水飽和という)となり、それ以上の水蒸気は気体でいられなくなり、凝縮が始まる。このときの空気温度を露点温度と言う。また、気温が0℃以下の場合には、水蒸気の飽和状態は氷飽和と水飽和の二つの飽和現象がある。これは、水の状態の飽和水蒸気量と比べ、氷の状態の飽和水蒸気量は小さいので、0℃以下の湿り空気において冷却をしていくと、氷飽和状態が先にはじまり、飽和水蒸気量以上の水蒸気は、昇華により空気中の氷晶核に氷結晶(氷晶という)として出現する。そのときの空気温度を、ここでは氷点温度と定義することにする。なお、低温下ではさらに冷却をすると水飽和状態となり、0℃以上と同じように凝縮が始まるが、空気温度が-40℃までの範囲では、凝縮液滴はすぐに凍結することなく過冷却液滴になる。このときの空気温度は、0℃以上と同じに露点温度という。そして時間経過とともに過冷却液滴は確率的に凍結をする。氷となった凍結粒子には、氷の水蒸気圧が周囲の水蒸気圧よりも低くなるため、より積極的に水蒸気がこの氷面に昇華するようになり、急激に霜結晶P4が成長を開始することになる。
また、空気温度-40℃以下では、雰囲気中の水蒸気状態が水飽和雰囲気(以上も含む)での発生現象では、雰囲気中の凝結核へ水蒸気が凝縮するが即凍結粒子となり、その後冷却面上に落下堆積した凍結粒子が堆積して粉末状の着霜をする現象となる。なお、このとき冷却面が-40℃以下であるが雰囲気空気温度が-40℃以上の暖かいときには、堆積した粉末状の霜が厚くなり、その雰囲気にさらされる霜層の表面温度が-40℃以上になると、その霜に水蒸気が昇華して着霜成長する現象になることもある。
また、同じ空気温度-40℃以下で、雰囲気の水蒸気状態が氷飽和以上、水飽和以下の雰囲気での発生現象では、雰囲気の昇華核へ水蒸気が昇華することにより氷晶が発生し、その後冷却面上への落下堆積した氷晶に、水蒸気が昇華成長する着霜現象となる。
なお、上記の説明は冷却面近傍の温度境界層内の雰囲気中に凝結核や昇華核が存在したときのことを記載したが、冷却面上にも凝結核や昇華核は存在するので、その冷却面でもその凝結核や昇華核への凝縮や昇華などの現象は直接的に発生する。このように、空気中で過飽和現象が起きなくても、冷却面がその雰囲気相当となっていれば、冷却面で凝縮、昇華現象が起きると云うことになる。
結露は、かび発生などの衛生面の低下、または腐食あるいは漏電、熱交換面の汚れ等の原因となる一方、着霜あるいは氷結は、氷解すれば結露と同様な問題が起きるが、霜層あるいは氷層は熱交換における熱抵抗層であり、物理的な厚みによる通風の阻害もあり、結露における熱交換面の液膜形成による熱抵抗層とともに熱交換量の低下の大きな原因になる。そのため、従来から、熱交換面の除霜あるいは除湿のいろいろな技術が行われてきている。
この点、特許文献１には、多孔質材料を用いた調湿剤、あるいは結露防止剤が開示されている。
より詳細には、この調湿剤あるいは結露防止剤は、粒子自体が多孔質性を有する材料を用いることなしに、ナノメートルオーダーの微粒子が、その粒子間の空隙を損なうことなく充填、集積された構造体からなり、微粒子間に、ナノメートルサイズの空孔を有する多孔質材料が使用されており、細孔半径１ｎｍから１０ｎｍの範囲にブロードな細孔分布を有する多孔質構造を有し、ケルビンの毛管凝縮理論に基づき、相対湿度７５％から９３％の領域で水蒸気吸着量の増加を示す。より具体的には、吸着等温線の立ち上がりは約８０％付近であり、相対湿度７５％から９３％の範囲での吸湿量は、約１２ｍａｓｓ％であり、脱着等温線からは、相対湿度約７０％において、相対湿度７５％から９３％の範囲で吸着していた水蒸気は放湿され、結露防止能力が回復される。
　このような調湿剤、あるいは結露防止剤によれば、結露の原因である湿り空気中の水蒸気を吸着するとともに、脱着することにより結露防止能力を回復することで繰り返し使用可能であるが、細孔半径１ｎｍから１０ｎｍであることから、湿り空気中の水蒸気を捕捉することは可能であるが、湿り空気が氷点下の温度の状態で、湿り空気中に過冷却凝縮液滴が生じるような場合には、過冷却凝縮液滴の径は少なくとも少なくとも１μmであることから、過冷却凝縮液滴を捕捉することにより、調湿あるいは結露防止を行うことはできない。
　この点において、氷点下の湿り空気を扱う冷凍装置の湿り空気冷却器等のような場合に、周囲との温度差が大きい熱交換面上での物質移動を防止することにより、メンテナンスフリーな熱交換面を提供可能な熱交換面の保全方法の実現が要望されている。
　一方、特に、湿り空気冷却器等湿り空気を氷点下に冷却する場合、あるいはＬＮＧ気化器等湿り空気から吸熱する場合等、湿り空気が氷点下となる際、熱交換面である冷却面には、結露でなく、着霜あるいは氷結が起こるが、霜層は熱伝導率が低いために熱抵抗層となるとともに、成長した霜が冷却対象である湿り空気の通風を阻害することがあり、総じて、熱交換効率が低下する原因となる。
　この点、特許文献２には、機械的に霜を除去しやすくすることにより、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な熱交換器が開示されている。より詳細には、この熱交換器は、湿り空気から熱を吸収しうる熱交換器であって、表面に微細な凸部および凹部を有し、凸部の上面に最小の幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部を有し、凹部の最小の幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下である。熱交換器の表面に凸部および凹部を設けることにより、凸部の上面の平面部の上に垂直方向に霜結晶P4を成長させることができ、凸部の上は霜結晶P4が成長し、凹部の上は間隙となるため、全体として櫛歯状の霜結晶P4が形成される。このような形状は構造的に弱いため、例えばブラシやスクレーパー等機械的な除去手段で容易に払い落とすことができ、これにより、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な熱交換器を提供することが可能となる。
さらに、特許文献３には、霜の成長を抑制する着霜防止部材が開示されている。より詳細には、この着霜防止部材は、部材の表面に、撥水性が高い撥水部及び撥水部に比較して親水性が高い親水部を所定のパターンで形成しており、撥水部は相対的に撥水性が高いため、霜が付着しにくく、一方、親水部は霜が付着し易い。したがって、撥水部では霜は大きく成長しないが、親水部では霜は大きく成長することから、親水部の霜は、大きく成長した後、湿り空気の流れに抗しきれなくなると崩壊し、再び成長・崩壊を繰り返す。このように、部材の表面に撥水部及び親水部を所定のパターンで形成することにより、霜の成長・崩壊の繰り返しを促進して霜の成長を抑制している。
しかしながら、特許文献２および特許文献３に開示されるような、熱交換面の表面加工あるいは表面処理により、着霜防止を達成する場合、そもそも、時間経過とともに着霜が生じてしまい、長時間に亘って着霜防止を維持するのが困難である一方、冷媒あるいは湿り空気の温度条件、湿度条件、あるいは湿り空気の流れ状態の変動に応じて、着霜状況は変化するところ、このような条件の変動に対して対処することが困難である。
さらには、湿り空気の着霜自体を防止することから、冷却面での着霜防止による顕熱交換の促進は達成可能であるが、水蒸気の相変化に伴う潜熱交換（凝固熱）を排除しており、トータル的な熱交換方法としては、必ずしも改善とはいえない。
この点、特許文献４には、冷却器の着霜低減装置が開示されている。より詳細には、この装置は、伝熱管に複数の平板状のフィンを接合した冷却用熱交換器の近傍に配置され、フィンの平面方向と直角もしくは平行に複数のノズルを有する噴射手段と、噴射手段を往復運動させる駆動手段とを具え、噴射手段がフィンの平面方向と平行もしくは直角に移動し、湿り空気を噴射する。複数のノズルを一列に並設し、フィンの平面方向と平行もしくは直角に移動させ、そのノズル列を冷却器のフィン面に沿って湿り空気を吐出することにより、冷却用熱交換器のフィン全域に湿り空気を噴射し、フィン表面に付着した霜に流体の圧力抗力を作用させて、その霜になる前の過冷却状態の水滴、および氷結した霜を除去することができるので、冷却装置の運転を停止させることなく、少ない湿り空気吐出量で着霜低減する結果、冷却の運転効率を高く維持でき、除霜防止および除霜の運転コストを低減することができる。
しかしながら、この冷却器の着霜低減装置は、フィン表面に着霜した霜に対して湿り空気を噴射することにより強制的に霜を除去するもので、そもそも、着霜自体を防止するものでなく、フィン表面に着霜した霜を利霜することができず、冷却用熱交換器の近傍に別途着霜低減装置を配置する関係から、ノズル開口が塞がされないように保守する必要もある。
この点、特許文献５および６には、自動車のフロントガラスに氷または霜が張り付いた際、あるいは雪が降り積もった際に、フロントガラスから氷雪を除去する氷霜または氷雪除去ネットが開示されている。
　より詳細には、この氷霜または氷雪除去ネットは、所定の線材の幅および所定のメッシュの幅を具備する平面格子状に配置された線材からなり、自動車のフロントガラスに直接敷設しておくものである。
　このような氷霜または氷雪除去ネットによれば、メッシュ開口部内に形成する氷、霜ありはメッシュ開口部に降り積もる雪をネットと一体化し、ネットを引張り、あるいは剥ぎ取ることにより、メッシュ開口部を通じてフロントガラスに形成される氷、霜あるいは降り積もった雪をネットごと除去するものである。
　そのため、除去すべき氷、霜あるいは雪をネットと一体化するために、形成される氷、霜あるいは雪の厚みに応じて、線材の幅を決定し、線材の氷、霜あるいは雪に対する付着力に応じて、メッシュの幅を決定している。
より具体的には、氷、霜あるいは雪の厚みが３ミリ程度であれば、線材の幅を２ミリ以上６ミリ以下、メッシュの幅を１０ミリ以上５０ミリ以下と設定し（特許文献５）、氷、霜あるいは雪の厚みが２ミリ以下であれば、線材の幅を０，５ミリ以上２ミリ未満、メッシュの幅を１ミリ以上１０ミリ以下と設定している（特許文献６）。
いずれにしても、氷霜または氷雪除去ネットは、駐車場の屋根がある車のフロントガラスには着霜がない現象のように、自動車のフロントガラスへの氷霜または氷雪の形成を、簡易的に形成したネットによりネット上に一体化した氷霜または氷雪を、ネットごと引っ張り、あるいは剥ぎ取ることにより、氷霜または氷雪を除去するものに過ぎない。
以上のように、従来の熱交換面は、長期的な熱交換面の保全ができないし、冷却面の熱交換の経時的維持もできるものではない。
以上のように、これらの凝縮、着霜などの現象を、冷却面と区別させて作用させる発想は、開示はおろか示唆すらなされていない。
特許第４５９９５９２号公報 特開２０１２－８２９８９号公報 特開２００３－２４０４８７号公報 特開２００８－６４３２６号公報 実用新案登録第３１６９４８８号公報 特許第４２２４１２１号公報
　以上の技術的問題点に鑑み、本発明の目的は、周囲との温度差が大きい熱交換面上での物質移動を防止することにより、メンテナンスフリーな熱交換面を提供可能な熱交換面の保全方法を提供することにある。
本発明の目的は、熱交換面を介して、熱交換面を介して湿り空気を冷却したり、温度境界層内の氷点下以下の湿り空気から吸熱する場合において、熱交換面での高効率かつ安定的な冷却を可能とする湿り空気の冷却方法を提供する。
本発明は、この熱交換面での、凝縮、着霜、氷結の現象に着目し、これらの昇華・凝縮・凍結の現象を、冷却面に作用させるのではなく、冷却面と区別して作用させることを発想するものである。
上記課題を達成するために、本発明の熱交換面の保全方法は、
湿り空気に接する冷却のための熱交換面において、
熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内で、温度境界層内の空気温度が0℃以上では露点温度以下となる場合において、また0℃以下では氷点温度以下となる場合において、
湿り空気中の水蒸気を凝縮もしくは昇華させることにより、湿り空気を除湿する段階を有し、
それにより、熱交換面上での結露または着霜を抑制する、構成としている。
　以上の構成によれば、湿り空気に接する冷却のための熱交換面において、熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内で、温度境界層内の空気温度が0℃以上では露点温度以下となる場合において、また0℃以下では氷点温度以下となる場合において、湿り空気中の水蒸気を凝縮核に凝縮もしくは氷晶核に昇華させることにより、熱交換面に到達する前に湿り空気を除湿する段階を有し、それにより、熱交換面に達する湿り空気中の水蒸気量が減少し、その結果、熱交換面上での結露または着霜を抑制することにより、周囲との温度差が大きい熱交換面上での物質移動が抑制され、結露による液滴または着霜による霜を除去する手間を減じることにより、メンテナンスフリーに近づけた熱交換面を提供することが可能である。
　なお、本明細書においては、『氷点温度』とは、以下の意味で用いる。湿り空気を冷却したときに、空気中の水蒸気が飽和状態(水飽和という)となり、それ以上の水蒸気は気体でいられなくなり、凝縮が始まる。このときの空気温度を露点温度と言う。また、気温が0℃以下の場合には、水蒸気の飽和状態は氷飽和と水飽和の二つの飽和現象がある。これは、水の状態の飽和水蒸気量と比べ、氷の状態の飽和水蒸気量は小さいので、0℃以下の湿り空気において冷却をしていくと、氷飽和状態が先にはじまり飽和水蒸気量以上の水蒸気は、昇華により空気中の氷晶核に氷結晶(氷晶という)として出現する。そのときの空気温度を、ここでは氷点温度と定義することにする。なお、低温下ではさらに冷却をすると水飽和状態となり、0℃以上と同じように凝縮が始まるが、空気温度が-40℃までの範囲では、凝縮液滴は凍結することなく過冷却液滴になる。このときの空気温度は、0℃以上と同じに露点温度という。
さらに、湿り空気より高い熱伝導率を有する担体を準備する段階を有し、
その担体を熱交換面に対して対向させて温度境界層内に配置することにより、その担体表面に湿り空気中の水蒸気を凝縮あるいは着霜させるのでもよい。
さらにまた、請求項2記載の担体の除湿性能が劣化した時に、担体を交換できるように構成してもよい。
上記課題を達成するために、本発明の熱交換面を介する湿り空気の冷却方法は、
湿り空気に接する冷却のための熱交換面において、
熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内で、温度境界層内の空気温度が0℃以上では露点温度以下となる場合において、また0℃以下では氷点温度以下となる場合において、
湿り空気より高い熱伝導率を有する担体を準備する段階を有し、
その担体を熱交換面に対して対向させて温度境界層内に配置することにより、
その担体表面に湿り空気中の水蒸気を凝縮もしくは昇華させることにより、湿り空気を除湿する段階を有し、
それにより、熱交換面上での結露または着霜を抑制する、構成としている。
以上の構成によれば、湿り空気に接する熱交換面において、熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内で、温度境界層内の空気温度が0℃以上では露点温度以下となる場合において、また0℃以下では氷点温度以下となる場合において、熱交換面を介して湿り空気を氷点下以下に冷却したり、氷点下以下の湿り空気から吸熱する際、湿り空気より高い熱伝導率を有する担体を準備し、担体を熱交換面に対して対向させて温度境界層内に配置することにより、その担体表面に湿り空気中の水蒸気を凝縮もしくは昇華させ、それにより、湿り空気を除湿する段階を有し、その結果、熱交換面に達する湿り空気中の水蒸気量が減少し、熱交換面上での結露または着霜を抑制することにより、霜が成長して熱抵抗層を形成することなしに、熱交換面での高効率かつ安定的な冷却が可能となる。
さらに、熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内の湿り空気温度が0℃以上の条件において、
熱交換面と反対側のその担体表面温度が湿り空気の露点温度以下となる担体の面において、湿り空気中の水蒸気を凝縮させ、凝縮液を担体面から流下させるのでもよい。
さらにまた、熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内の湿り空気温度が0℃以下-40℃以上の条件において、
熱交換面と反対側のその担体表面温度が湿り空気の露点温度以下となる担体の面において、湿り空気中の水蒸気を、凝縮、過冷却、過冷却解消を経た氷表面に昇華させ霜結晶P4として成長させ、湿り空気を除湿して、熱交換面上での着霜を抑制するのでもよい。
加えて、熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内の湿り空気温度が-40℃以下の条件において、
熱交換面と反対側のその担体表面温度が湿り空気の露点温度以下となる担体の面において、湿り空気中の水蒸気を、凝縮、凝固(凍結)を経た氷結晶として成長させ、湿り空気を除湿して、熱交換面上での着霜を抑制するのでもよい。
また、温度境界層内の湿り空気温度が0℃以下の条件において、
熱交換面と反対側のその担体表面温度が湿り空気の氷点温度以下露点温度以上となる担体の面において、湿り空気中の水蒸気を、昇華により霜結晶P4として成長させ、湿り空気を除湿して、熱交換面上での着霜を抑制するのでもよい。
さらに、前記担体は、平面状であり、定形もしくは不定形の断面をした、所定の幅と開口を交互に配列する構成をもち、熱交換面からの所定の深さを有する平面状担体とするのでもよい。
さらにまた、平面状担体は、メッシュ状であり、所定メッシュ開口幅、所定線材幅および厚みを有するのでもよい。
　加えて、平面状担体のサイズは、担体の幅が100μm以上2000μm以下、開口の幅は100μm以上1000μm以下とし、担体の温度境界層側の表面から熱交換面までの深さは、100μm以上とするのがよい。
　また、前記担体は、定形もしくは不定形の断面をした所定長さの繊維を、不織布状に重ね合わせて、空隙をもった立体的な構成をなした立体状担体とするのでもよい。
さらに、前記平面状担体を熱交換面の流れ方向に区分けして配置し、
その上流側の一部が温度境界層外の主気流中に配置し、区分けした平面状担体の構成には開口の隙間しかないように配置することにより、
気流を境界層内の担体内に誘導することにより、熱交換面の伝熱促進させるのでもよい。
さらにまた、前記立体状担体を、温度境界層外の主気流中にも一部を配置できるように厚くし、気流を境界層内の担体内に誘導することにより、熱交換面の伝熱促進させるのでもよい。
加えて、前記担体の表面に撥水性処理を施すことにより、担体の表面性状を変えて、担体面での水蒸気の昇華、凝縮にかかる除湿性能の向上と、液状における状態で開口を塞ぐことのないようにしてもよい。
　また、前記担体の表面に吸着性能を有する構成にすることにより、担体の表面性状を変えて、担体面での水蒸気の昇華、凝縮にかかる除湿性能を向上させるのでもよい。
さらに、前記担体に高吸水性樹脂の繊維を利用し、担体の性状として吸水性、保水性、毛管吸水性などを高めたことにより、担体面での水蒸気の昇華、凝縮にかかる除湿性能を向上させるのでもよい。
また、氷点下の熱交換面を介して湿り空気との間で熱交換する方法において、
　担体の温度境界層側に成長した霜とともに担体を取り出して、利霜する段階を有することにより、霜の有する熱量を利用するのでもよい。
さらに、氷点下の熱交換面を介して湿り空気との間で熱交換する方法において、
　担体の熱伝導率が低い材料とし、また担体を温度境界層内の境界層に近い位置に配置し、担体の表面温度を可能な限り高い温度にして、担体表面に成長する霜の成長量を抑えることにより、熱交換面の顕熱交換とともに担体面の潜熱交換をするのでもよい。
　以上の構成によれば、湿り空気に接する熱交換面が氷点下であって、熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内で、温度境界層内の空気温度が氷点温度以下となる場合において、湿り空気より高い熱伝導率を有する担体を準備し、担体を熱交換面に対して対向させて温度境界層内に配置する際、その担体表面に湿り空気中の水蒸気を凝縮もしくは昇華させ、それにより、湿り空気を除湿する段階を有し、その結果、熱交換面に達する湿り空気中の水蒸気量が減少し、熱交換面上での結露または着霜を抑制することにより、霜が成長して熱抵抗層を形成することなしに、熱交換面での高効率かつ安定的な顕熱交換が可能となるとともに、担体の熱伝導率がを低い材料とし、また担体を温度境界層内の境界層に近い位置に配置し、担体の表面温度を可能な限り高い温度にして、担体表面に成長する霜の成長量を抑えることにより、担体表面上での霜の飽和までの時間をかせぎ、湿り空気の通風性の阻害を遅らせ、以て担体の交換時期を遅らせることで、継続的な担体面での潜熱交換が可能となる。
さらにまた、氷点下の熱交換面を介して湿り空気との間で熱交換する方法において、
担体の熱伝導率が高い金属の材料とし、また担体を温度境界層内の熱交換面に近い位置に配置し、担体の表面温度を可能な限り低い温度にして、担体表面に成長する霜の成長量を増やすことにより、熱交換面の顕熱交換とともに担体面の潜熱交換を増大させるのでもよい。
以上の構成によれば、湿り空気に接する熱交換面が氷点下であって、熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内で、温度境界層内の空気温度が氷点温度以下となる場合において、湿り空気より高い熱伝導率を有する担体を準備し、担体を熱交換面に対して対向させて温度境界層内に配置する際、その担体表面に湿り空気中の水蒸気を凝縮もしくは昇華させ、それにより、湿り空気を除湿する段階を有し、その結果、熱交換面に達する湿り空気中の水蒸気量が減少し、熱交換面上での結露または着霜を抑制することにより、霜が成長して熱抵抗層を形成することなしに、熱交換面での高効率かつ安定的な顕熱交換が可能となるとともに、担体の熱伝導率が高い材料とし、また担体を温度境界層内の熱交換面に近い位置に配置し、担体の表面温度を可能な限り低い温度にして、担体表面に成長する霜の成長量を増やすことにより、担体面での潜熱交換を増大させることが可能となる。
本発明の第１実施形態を図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。
　以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
本発明の実施形態について、熱交換器HXにより、冷媒を用いて空気を氷点以下に冷却する場合を例として、図面を参照しながら、以下に説明する。
図１に示すように、熱交換器HXの外側の湿り空気の雰囲気中に開口をもった平面状担体が配置されている。
　熱交換器HXは、板厚tを有し、内部に温度Tcの冷媒を流し、熱交換器HXの外表面が熱交換面Sを形成する。
　冷却面をながれる湿り空気の温度Tmは、熱交換面Sの表面に形成された温度境界層Bを経て、緩やかな温度分布を描き冷却面の低い温度Toutにいたる温度分布を形成している。以下、空気温度が0℃以下、―40℃以上の状態で説明することにする。
このとき、温度境界層BL内に開口をもった平面上の担体であるCを熱交換面Sと隙間を空けて形成したときに、担体Cの反熱交換面Sの境界層内では、湿り空気中の水蒸気が温度低下により飽和状態（空気が露点温度になり）になり、空気中の凝縮核に凝縮が発生する。その浮遊している凝縮液滴P1は、担体Cの表面に落下堆積し、担体C表面に液滴群を形成する。液滴群は、さらなる落下堆積してくる液滴を合流したり、あるいは雰囲気の水蒸気を凝縮して大きな液滴になる。液滴は過冷却している場合が多いが、100μmくらいになると過冷却が解消するようになり、凍結した氷面となる。そうなると、氷面に対して、水蒸気が昇華するようになり、霜結晶P4が急激に形成するようになる。霜が形成されることにより、開口Oは塞がれ、通気性のある霜の密生した状態になる。そうなると、湿り空気中の水蒸気は、霜結晶P4に成長するようになり、この霜結晶P4表面に食われて、開口Oを通過して熱交換面Sへ到達する水蒸気量が減少し、熱交換面Sで霜が成長することはなくなる。
この状態により、境界層内に設置した担体C表面での霜成長により、熱交換面Sは安定的に、最初からの顕熱交換としての熱交換が安定的に実施されることになる。熱交換面Sに霜結晶P4が成長する現象では、霜層による熱抵抗増大により、漸次伝熱量が低下してくるが、それがなくなり、安定した熱交換ができることになる。また、担体C面では、着霜による潜熱交換が従来の熱交換面Sでの状態と同じようにできるので、全体としては熱交換面Sだけの着霜成長状態の熱交換よりも、熱交換量が増える結果となる。
　このように、熱交換面Sの温度境界層BL内に、まったく新しい発想で、開口Oをもった担体Cを形成することにより、担体C面での潜熱交換と本来の熱交換面Sでの顕熱交換とに、熱交換を分離することによる、新しい熱交換形態を実施できた。
　なお、ここで説明している温度境界層BLであるが、温度境界層BLの厚さは設置環境により変化するものである。通常は、その環境温度や流体的な流れによって説明されるが、それは、ここでは省略する。ここで説明したいのは、図２(A)のように、温度境界層BL内になにもない状態での温度境界層BLがあったとき、図１のような境界層内での担体C面へ成長する霜層を説明する。図２(B)のように、図２(A)の薄い境界層が、担体Cを入れることにより、境界層が厚くなる状態を示している。また、霜成長がするようになると、さらに境界層は厚く変化するのを図２(C)に示す。このように、もともとの何もない境界層内において担体Cの設置と霜の成長ができる場合もあるだろうが、境界層が非常に薄い場合でも、担体Cの熱伝導率が空気に比して大きいときには、境界層がそれにつれて厚く変化することがあることを示した。このことにより、この担体Cを従来の境界層内に一部でも設置できれば、このように変化成長することが可能であり、この現象の利用性が大きくなるものと考えている。
（１）着霜現象や凝縮現象の発現条件について
図３を参照しながら、着霜現象や凝縮現象の発現条件について説明する。
　空気温度0℃以上で、雰囲気の水蒸気状態が水飽和雰囲気(以上も含む)での発生現象（領域A）では、雰囲気中の凝縮核へ水蒸気が凝縮することにより水滴が発生し、その後熱交換面S上に落下堆積して、その水滴に水蒸気が凝縮して水滴が成長・合流を繰り返して、大きな水滴となり、重力に付着力が抗しきれなくなると、熱交換面Sを流下(落下)する。
　また、空気温度0℃以下-40℃以上で、雰囲気の水蒸気状態が水飽和雰囲気(以上も含む)での発生現象（領域C）では、雰囲気中の凝縮核へ水蒸気が凝縮することにより過冷却水滴Ｐ３が発生し、その後熱交換面S上に落下堆積して過冷却水滴Ｐ３が成長・合流後、凍結し、その凍結氷粒子に水蒸気が昇華して着霜成長する。
　また、同じ空気温度0℃以下-40℃以上で、雰囲気の水蒸気状態が氷飽和以上、水飽和以下の雰囲気での発生現象（領域B）では、雰囲気中の昇華核へ水蒸気が昇華することにより氷晶が発生し、その後熱交換面S上に落下堆積して、その氷晶に水蒸気が昇華することにより着霜成長する。
なお、ここで凝縮や昇華の現象をもう少し説明しておく。湿り空気を冷却したときに、空気中の水蒸気が飽和状態(水飽和という)となり、それ以上の水蒸気は気体でいられなくなり、凝縮が始まる。このときの空気温度を露点温度と言う。また、気温が0℃以下の場合には、水蒸気の飽和状態は氷飽和と水飽和の二つの飽和現象がある。これは、水の状態の飽和水蒸気量と比べ、氷の状態の飽和水蒸気量は小さいので、0℃以下の湿り空気において冷却をしていくと、氷飽和状態が先にはじまり飽和水蒸気量以上の水蒸気は、昇華により空気中の氷晶核に氷結晶(氷晶という)として出現する。そのときの空気温度を、ここでは氷点温度と定義することにする。
なお、低温下ではさらに冷却をすると水飽和状態となり、0℃以上と同じように凝縮が始まるが、空気温度が-40℃までの範囲では、凝縮液滴P1はすぐに凍結することなく過冷却水滴Ｐ３になる。このときの空気温度は、0℃以上と同じに露点温度という。そして時間経過とともに過冷却水滴Ｐ３は確率的に凍結をする。氷となった凍結粒子には、氷の水蒸気圧が周囲の水蒸気圧よりも低くなるため、より積極的に水蒸気がこの氷面に昇華するようになり、急激に霜結晶P4が成長を開始することになる。
　また、空気温度-40℃以下では、雰囲気中の水蒸気状態が水飽和雰囲気(以上も含む)での発生現象（領域D）では、雰囲気中の凝結核へ水蒸気が凝縮するが即凍結粒子となり、その後熱交換面S上に落下堆積した凍結粒子が堆積して粉末状の着霜をする。
なお、このとき熱交換面Sが-40℃以下であるが雰囲気空気温度が-40℃以上の暖かいときには、堆積した粉末状の霜が厚くなり、その雰囲気にさらされる霜層の表面温度が-40℃以上になるときには、その霜に水蒸気が昇華して着霜成長することもある。
　また、同じ空気温度-40℃以下で、雰囲気の水蒸気状態が氷飽和以上、水飽和以下の雰囲気での発生現象（領域E）では、雰囲気の昇華核へ水蒸気が昇華することにより氷晶が発生し、その後熱交換面S上への落下堆積した氷晶に、水蒸気が昇華成長する着霜現象となる。
なお、上記の説明は熱交換面S近傍の温度境界層BL内の雰囲気中に凝結核や昇華核が存在したときのことを記載したが、熱交換面S上にも凝結核や昇華核は存在するので、その熱交換面Sでもその凝結核や昇華核への凝縮や昇華などの現象は直接的に発生する。空気中で過飽和現象が起きなくても、熱交換面Sがその雰囲気相当となっていれば、熱交換面Sで凝縮、昇華現象は起きる。つまり、温度境界層BLの雰囲気が過飽和になっていなくても、担体Cの表面温度がその雰囲気相当の過飽和状態となっていれば、担体C表面だけで、凝縮や昇華の現象が起きる。
（２）温度境界層BL内の担体Cへの着霜と熱交換面Sへ着霜成長しない現象について
この現象はまだ解明されていないが、以下のように、推測される。
過冷却が発生するー40℃以上で説明すれば、図４に示すように、最初の状態図４(A)では担体Cを含めてその雰囲気にはたくさんの凝結核や昇華核が存在するので、過飽和状態になり雰囲気中での凝縮液滴P1などが浮遊する状態になる。その後、図４（B）のように、担体C面や熱交換面Sに凝縮液滴P1などは堆積し、水蒸気供給により凝縮や昇華などにより熱交換面Sで液滴は成長する。つぎに図４(C)のように、合流を繰り返した大きな過冷却水滴Ｐ３となった後に凍結した粒子になる。そうなると、氷粒子であるから空気中の水蒸気はその氷粒子に昇華して、図４(D)のように、霜の成長が始まる。その段階では担体C面での急激な成長が始まるので、雰囲気の水蒸気はその面に食われて、熱交換面S雰囲気への水蒸気流入量が減少して過飽和現象が緩和される。
　さらに霜が成長すると、図４(E)のように、担体C間の上部にも霜成長してしまうので、担体Cと熱交換面S間には多量の水蒸気流入はできなくなり、結果的に担体C面での水蒸気の着霜成長となり、熱交換面Sの水蒸気の着霜成長はしないことになる。ただし、対流は存在するので熱交換面Sでは着霜のない顕熱交換が維持されるので、顕熱交換量は初期の状態を維持できることになる。このことにより、担体C面での潜熱交換とあわせて、最良な熱交換形態が可能となる。
なお、熱交換面Sと並行に担体C面を形成することによる現象を説明したが、着霜成長により水蒸気が熱交換面Sで過飽和を形成しないので、熱交換面Sでの着霜成長がなくせたのがそのメカニズムであるから、より積極的に熱交換面Sの伝熱促進のために境界層を破壊する流れを構成する伝熱促進体Nを利用しても、最終的に担体Cにより水蒸気を取り去ってやると、熱交換面Sは対流がより大きくなった分、顕熱交換としての伝熱促進が図れることになる。
例えば、図５Aのように、担体Cを構成した外側に板状の伝熱促進体Nを設置すると、流体の流れの一部を担体C側に誘導し担体Cの開口Oを通過する流体流れを促進することができ、熱交換面Sでの着霜防止と伝熱促進を図ることができる。図５Bには、図５Aの担体Cと伝熱促進体Nの構成を、担体Cだけで構成した例を示す。通常の平面状担体Cを流れ方向に区分けし、その上流側の一部を境界層の外側に配置したものである。
（３）着霜成長現象における担体C形状とサイズおよび開口Oと熱交換面Sの関係について
　担体Cの形状とサイズおよび開口Oと、熱交換面Sとの関係について、図６A・B・Cで説明する。0℃以下-40℃以上の雰囲気での着霜成長における担体Cについては、凝縮水滴が堆積して、過冷却水滴Ｐ３群が形成されるようなサイズでよく、断面形状は任意である。開口Oは担体Cに成長した霜層が成長段階で、開口Oを塞ぐ程度が好ましい。
霜層成長により、担体C間の開口Oを両端の担体C上の霜成長により開口Oを塞ぐイメージで良い。また、担体Cの深さについては、任意であり、担体Cと熱交換面Sの空間が開いていることが重要で、熱交換面Sに担体Cが設置されている場合には、熱交換面Sの顕熱交換する面積が減るので、担体Cにより潜熱交換と顕熱交換を分離する場合には、離すのが重要と考える。
なお、熱交換面Sと担体Cとの間の空間については開口Oを通過する水蒸気の問題として説明してきたが、図示している空間の左右の方から水蒸気の侵入はないものとしている。熱交換面Sの形態は、熱交換器HXにより千差万別であるから、具体的にはここでは、説明しないが、熱交換器HX形態により具体的に侵入を防止するように形成するのは当然である。
具体的な担体C形状の断面の例を図６A・B・Cに示す。担体Cの断面は任意であり、図６A・B・Cに示すようにどんな形状でもよい。平面状担体Cに開口Oをあけた構成であるから、それには、機械的な切削や、放電加工やサンドブラスト、エッチングなどの方法により開口Oを形成してもよいし、プレス加工によってもよい。方法を特定するものではない。また、金網などのワイヤーメッシュ状のものや、パンチングメタルやメタルラス（エキスパンドメタル）などを利用してもよい。
具体的なサイズについて、担体Cの幅Wは100μm以上2000μm以下、開口Oの幅Lは100μm以上1000μm以下。担体Cの表面から熱交換面Sまでの深さは、100μm以上とする。また、平面的な配列である必要はなく、図７Aに示すように、不織布状の担体Cでもよい。この不織布状によれば、熱交換面Sに隙間を空けることなく設置しても機能的には問題なく作用する点で有利である。さらに、図７Bのように境界層の外まで設置するような構成では、境界層外の担体C部分は、伝熱促進体Nとして機能するようにすることもできる。
（４）担体C面の成長した霜の処理について
　凝縮や昇華による担体Cでの除湿により、熱交換面Sの凝縮や昇華を抑制することが基本的なことであるが、もう一つ重要なのは、0℃以下の現象での担体C面へ成長した霜の処理である。霜は経時的には、厚く成長して熱抵抗層になり、その成長が減少してくるし、空気の通過を阻害するようになり熱交換不良が発生してくるので、現象の持続のためには、霜の処理が必要である。霜の処理は、「熱交換面Sの保全」「利霜」「潜熱・顕熱交換の分離」それぞれにおいて、処理が異なる。
「熱交換面Sの保全」や「潜熱・顕熱交換の分離」では、それぞれ目的が熱交換面S、熱交換面Sと担体C面での熱交換にあり、霜の処理については目的外である。
　したがって、どんな処理をしても問題ないので、その方法は多岐にわたる。
　即ち、従来からの方法であるデフロスト方法(ホットガス、散水、オフサイクル、電気ヒータ、ブライン散布など)でもよい。新しい考えである、ジェット噴流利用のエアーノズルや、機械的な処理であるブラシによる処理などでも良いものと考える。また、担体Cを振動させてもよい。
　「利霜」の目的の場合には、霜を蓄熱体というとらえ方になるので、二次的な利用を図る必要がある。そのため、経時的に担体C面に増えた着霜物を新しい霜の付いていない担体Cと経時的に交換し、着霜物の付着した担体Cは、所定利用もしくは処理場所に移動して、物理的な剥離方法であるジェット噴流や振動、機械的な剥離であるブラシなどによる剥離を行い、利用方法に供する。また、蓄熱体としての利用を考えたときには、その利用方法によっては、そのまま担体Cごと利用してもよい。
「潜熱・顕熱交換の分離」で潜熱交換などを高効率で持続させたい場合には、担体C面の着霜成長により霜の処理を高効率で行う必要があるので、その場合には、担体Cを交換してもよい。
　以下に、第２実施形態を図８を参照しながら、説明する。本実施形態との特徴は、結露現象における担体Cと熱交換面Sとの関係について、特定した点にある。
0℃以上での結露現象について、その担体Cと熱交換面Sとの関係に関し、熱交換面Sは基本的には縦面である。凝縮液滴P1が重力落下するように作用するためには、この条件が必要である。図８に示すように、重力落下する場合の現象と担体Cとの関係について、一般的に熱交換面Sの凝縮現象の問題は、その凝縮液滴P1の表面張力により、熱交換面Sに水膜を形成することによる熱交換面Sの伝熱の低下である。それを、本発明では熱交換面Sの境界層内に担体Cを設置することにより、担体C面で凝縮液滴P1を処理し、担体C面を重力落下していくことにより、熱交換面Sでは、液膜のない良好は熱交換が持続的に発現できる。担体C面での凝縮現象による潜熱交換も加味されているので、熱交換面Sだけでの熱交換よりも、高効率な熱交換現象となる。なお、担体Cの表面処理として撥水加工などをすると、滴状凝縮現象がおこり、より凝縮の熱伝達が向上することができるし、液滴も水滴径が小さい状態で重力落下するようになるので、良好な凝縮現象が発現できる。また、開口Oを液滴が塞ぐこともなくなる。
　担体Cの幅W、開口Oの幅L、深さの関係について、第１実施形態の着霜現象と異なり、開口O部分が閉塞するような二次的な成長が期待できないので、水蒸気が開口Oを通って熱交換面Sに到達しやすいので、本来は、開口Oサイズは着霜よりも小さくする必要があると推察される。なお、担体C表面で凝縮により雰囲気の水蒸気を減じているので、開口Oを通過したあとの熱交換面Sとの空間での雰囲気の水蒸気は減少し、積極的に熱交換面Sで結露するようなことは無くなると予想される。
 
本発明者らは、熱交換面S上に霜結晶P4が付着しない現象を実現することを目的として、境界層内に微小物体を設置し、境界層内で発生する凝縮および凝固を利用して、境界層内で霜結晶P4を成長させ、これを制御する霜結晶P4の抑制技術を関する実験を行い、本発明の有効性を確認した。 
（１） 実験装置および方法 
本研究では、温度境界層BL内に金網を設置し、
金網上で霜結晶P4を成長させ、熱交換面S表面上での着霜の抑制に関する検討を行った。
実験小屋および実験小室内の空気の温・湿度を一定に保つための恒温恒湿系統装置、測定系統装置、観察系統装置および伝熱部によって形成した。実験小室内は空調機、加湿機、除湿機、ヒーターによって温・湿度を制御し、実験小室に設置したアスマン通風乾湿球湿度計によって温・湿度を測定した。
（１－１）霜結晶P4の観察 
本研究で使用した金網の写真および3D 画像を図９、図１０に示した。金網は、100 メッシュの平織りで、線径が100μm、 目開きが150μm であり、 材質はSUS304 である。熱交換面Sは鏡面に研磨した無酸素銅製熱交換面S(静置液滴の接触角θ = 62° )であり、 熱交換面S上に図１０に示した金網を載せて固定した。さらに、熱交換面Sと金網の間に空間を設け、境界層内に微小物体が設置されている条件とした。霜結晶P4生成・成長の観察は、デジタルマイクロスコープを用いて金網側および熱交換面S側にそれぞれ焦点を合わせて画像を取り込み、解析ソフトを用いて画像処理を行った。実験条件は、熱交換面S温度tw = -25°C、熱交換面S姿勢Θ = 0°(水平上向き)である。 
（１―２） 熱流束 
着霜現象は熱交換面S上に付着する霜層が時間的に変化するため非定常である。本研究では、熱交換面S温度が時間的に変化する条件で実験を行った。熱交換面Sは無酸素銅製であり、熱交換面Sが昇温する際の温度履歴を測定して、集中熱定数系近似によって熱流束qf [W/m2]を求めた。 
図１１に伝熱部の概略を示した。伝熱部は鏡面に研磨した横40 mm×縦18 mm、厚さ10
mm の無酸素銅製板を5 枚並べた。伝熱板の側面および裏面は、布入りベークライトを用いて断熱した。熱交換面裏側は、断熱材としてイソウール（熱伝導率k = 0.07W/(m・K)、400℃）を用いた。また、ベークライトから伝熱部への熱移動を極力小さくするために、測定部の上下、側面に無酸素銅板を埋め込んだ。伝熱部を所定の初期温度まで冷却する際には、伝熱部をポリエチレンシートで覆い、実験開始時まで着霜が起こらないようにした。実験はデュワー瓶に入れた冷却用エタノールを液体窒素で任意の温度に調節し、そこに、浸漬して所定の温度に冷却した。熱交換面S表面温度を10分間一定に保持した後、実験小室に鉛直に取り付けることによって実験を開始した。本研究で熱流束を評価する場合、熱損失を考慮する必要があるが、熱損失は伝熱部を断熱材で作成したカバーで覆った状態で実験を行い、実験条件ごとに測定を行った。 
実験条件は、湿り空気温度ta = -25℃、熱交換面S初期温度two = -40℃、熱交換面S表面のぬれ性θ = 62°、前縁からの距離y = 41、61、81、101mmである。 
（２） 実験結果および考察 
（２―１）霜結晶P4の生成・成長機構 
本発明者らは、過冷却水滴Ｐ３の寸法に着目し、数百ミクロンの微細な凹凸面を人工的に熱交換面S表面に付与することによって熱交換面S表面性状を変化させ、（熱交換面S表面の一部ではあるが、）熱交換面S表面上に霜結晶P4を成長させないことに成功した。現在、霜結晶P4が付着しない領域は熱交換面S表面全体の75％に達している。冷却却面表面に格子状の微細な溝加工を施した場合の霜結晶P4の生成・成長過程を観察した結果の代表例を図１２に示した。 
格子状の溝加工を施した場合、凸部は正方形であるが、実験開始後、凸部表面に過冷却水滴Ｐ３が発生し、過冷却水滴Ｐ３同士が合体して大きくなる。合体を繰り返した過冷却水滴Ｐ３は、正方形の凸部表面に1個となり、過冷却解消後、丘状の氷となった。実験開始15分後までは過冷却状態であり、中央部に照明の白い輪が確認できる。次に、丘状の氷から複数の霜結晶P4が発生した。なお、霜結晶P4が成長する際にも、溝部分には霜結晶P4が確認できなかった。
以上の観察結果に基づき、境界層内で霜結晶P4を成長させることを検討した。まず、境界層内に設置する微小物体として、図１２の凸部と同程度の寸法である金網を選定し、これを熱交換面S上に設置した。図１０に示した金網を平滑な熱交換面S上に載せた場合の霜結晶P4生成時の観察結果を図１３に示した。なお、観察は熱交換面S表面上方から行った。観察の結果、まず、熱交換面S表面および金網表面上に過冷却水滴Ｐ３が生成し、過冷却解消後、金網側は丘状の氷から複数の霜結晶P4が発生することを確認した。一方、熱交換面S表面側は霜結晶P4を確認することはできなかった。また、金網を熱交換面Sから取り外すと、金網に付着している霜はすぐに融解した。また、金網と接触していた熱交換面S上での霜結晶P4の成長を確認することはできなかった。図１４に霜結晶P4の生成・成長機構のスケッチ図を示した。霜結晶P4は金網の凸部が最も結晶の成長速度が早く、熱交換面S表面上には過冷却解消後、球状の氷が付着するが、この寸法は150μm 以下と微小であり、霜結晶P4が成長することは無かった。 
次に、図１３の観察で使用した金網と熱交換面S表面との間に空間を設け、実験を行った。側面からの観察結果を図１５、観察結果に基づいて作成したスケッチ図を図１６にそれぞれ示した。これらの図に示したように、霜結晶P4は金網面上から生成・成長し、熱交換面S上には霜結晶P4が生成・成長しないことが確認できた。 
以上の結果から、本研究で提案する霜結晶P4の生成・成長機構を制御する方法の有効性が確認できたと考える。さらに、金網を取り去った時点で、熱交換面S表面に霜層が成長していなかったことから、熱交換面S表面への着霜を防止することも実現できたと考える。 
（２―２）着霜を伴う熱移動 
境界層内に金網を設置した場合と設置していない(平滑面)場合の実験を行い、実験結果の比較検討を行った。熱流束と熱交換面S温度の関係を図１７に示した。なお、金網を取り付けた場合の熱交換面S温度は金網の表面温度ではなく、無酸素銅製伝熱部の表面温度とした。図から明らかなように、いずれの場合においても熱流束に顕著な変化はないことから、金網が熱流束に及ぼす影響は少ないことが確認できた。 
図１８に霜層表面位置を基準とした温度境界層BL内の温度分布を示した。なお、霜層表面は霜層厚さの測定位置とした。霜結晶P4が付着する熱交換面Sは水平上向きである。熱交換面Sは横50mm×縦50mm の無酸素銅製角柱の端面であり、表面に厚さ1mm の銅板をエポシキ製接着剤により付加して熱交換面S表面とした。熱交換面S表面温度は、 この銅板の裏側にCA 熱電対(素線形100μm)を接着し、温度を測定した。 霜層表面温度は熱電対測定した。熱電対は断熱効果のあるベークライト製の支持部に弓形に張り、金属製の支持棒を介して熱交換面Sに対して水平および垂直方向に移動可能なトラバース装置に取り付けた。測定はデジタル顕微鏡を用いて境界層内の温度を測定しながら、霜層厚さの測定位置における湿り空気部の温度を霜層表面温度と定義して測定した。伝熱部は側面を発泡ウレタンおよびシリコン系接着剤で断熱されており、この伝熱部本体をダンプラー製の実験小室内に設置した。金網を取り付けた場合も霜層表面温度は0 ℃よりも低い温度であり、霜結晶P4が成長できることが確認できた。
以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内において、当業者であれば、種々の修正あるいは変更が可能である。
たとえば、本実施形態において、熱交換面の温度に応じて定まる温度境界層BL内に平面状担体Cやメッシュ状担体Cを配置することにより、温度境界層BL内で除湿する場合として説明したが、それに限定されることなく、温度境界層BL内で除湿する限り、平面状担体Cやメッシュ状担体Cを配置しなくてもよい。
たとえば、本実施形態において、熱交換面の温度に応じて定まる温度境界層BL内にメッシュ状担体Cを配置することにより、メッシュ状担体Cの表面上で着霜させ、着霜した霜を成長させたうえで、担体Cを交換する場合として説明したが、それに限定されることなく、他の物理的な着霜成長できるものを配置することにより、熱交換面上での着霜あるいは結露が防止可能であればよい。
本発明の第１実施形態に係る概略側面図である。 本発明の第１実施形態について、担体C上への着霜状況に応じた温度分布を示す模式図である。 水飽和線および氷飽和線を用いて、着霜現象および凝縮現象の発現を示す概念グラフである。 本発明の第１実施形態について、担体C上への着霜状況を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に対する担体Cの変形例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に対する担体Cの変形例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に対する担体Cのさらなる変形例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に対する担体Cのさらなる変形例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に対する担体Cのさらなる変形例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に対する担体Cのなおさらなる変形例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に対する担体Cのなおさらなる変形例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る担体C表面での凝縮現象と熱交換面Sとを示す概念図である。 本発明の実施例における金網の平面写真である。 本発明の実施例における金網のコンピューター３D画像である。 本発明の実施例における金網を示す平面図および側面図である。 本発明の実施例において、熱交換面S表面に溝加工をした場合の霜結晶P4の生成成長過程を示す図である。 本発明の実施例において、図９の金網を熱交換面S上に載置した場合の霜結晶P4の生成時の観察結果を示す図である。 図１３における霜結晶P4の生成および成長機構のスケッチ図である。 本発明の実施例において、図９の金網と熱交換面Sとの間に間隔を設けた場合の霜結晶P4の生成時の観察結果を側面から示す図である。 図１５における霜結晶P4の生成および成長機構のスケッチ図である。 本発明の実施例において、境界層内に金網を設置した場合と、設置しない場合とにおいて、熱流束と熱交換面S温度の関係を示すグラフである。 本発明の実施例において、霜層表面位置を基準とした温度境界層BL内の温度分布を示すグラフである。
HX　熱交換器
C　担体
S　熱交換面
O　開口
N　伝熱促進体
BL　温度境界層
Tc　冷媒温度
Tin 　熱交換器の内表面側温度
Tout　熱交換器の外表面側温度
Tair 　湿り空気温度
Tｍ　　主気流温度
W　メッシュ幅
L　開口幅
t   熱交換器の肉厚
Y 　間隔
P1　凝縮液滴
P3　過冷却水滴
P4　霜

Claims (29)

  1. 湿り空気に接する冷却のための熱交換面において、
    熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内で、温度境界層内の空気温度が0℃以上では露点温度以下となる場合において、また0℃以下では氷点温度以下となる場合において、
    湿り空気中の水蒸気を凝縮もしくは昇華させることにより、湿り空気を除湿する段階を有し、
    それにより、熱交換面上での結露または着霜を抑制することを特徴とする、熱交換面の保全方法。
  2. 湿り空気より高い熱伝導率を有する担体を準備する段階を有し、
    その担体を熱交換面に対して対向させて温度境界層内に配置することにより、その担体表面に湿り空気中の水蒸気を凝縮あるいは着霜させる、請求項１に記載の熱交換面の保全方法。
  3. 　請求項2記載の担体の除湿性能が劣化した時に、担体を交換できるように構成した、請求項2に記載の熱交換面の保全方法。
  4. 湿り空気に接する冷却のための熱交換面において、
    熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内で、温度境界層内の空気温度が0℃以上では露点温度以下となる場合において、また0℃以下では氷点温度以下となる場合において、
    湿り空気より高い熱伝導率を有する担体を準備する段階を有し、
    その担体を熱交換面に対して対向させて温度境界層内に配置することにより、
    その担体表面に湿り空気中の水蒸気を凝縮もしくは昇華させることにより、湿り空気を除湿する段階を有し、
    それにより、熱交換面上での結露または着霜を抑制することを特徴とする、熱交換面を介する湿り空気の冷却方法。
  5. 　熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内の湿り空気温度が0℃以上の条件において、
    熱交換面と反対側のその担体表面温度が湿り空気の露点温度以下となる担体の面において、湿り空気中の水蒸気を凝縮させ、凝縮液を担体面から流下させる、請求項4に記載の熱交換面を介する湿り空気の冷却方法。
  6. 　熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内の湿り空気温度が0℃以下-40℃以上の条件において、
    熱交換面と反対側のその担体表面温度が湿り空気の露点温度以下となる担体の面において、湿り空気中の水蒸気を、凝縮、過冷却、過冷却解消を経た氷表面に昇華させ霜結晶P4として成長させ、湿り空気を除湿して、熱交換面上での着霜を抑制する、請求項4に記載の熱交換面を介する湿り空気の冷却方法。
  7. 　熱交換面の温度および気流に応じて定まる温度境界層内の湿り空気温度が-40℃以下の条件において、
    熱交換面と反対側のその担体表面温度が湿り空気の露点温度以下となる担体の面において、湿り空気中の水蒸気を、凝縮、凝固(凍結)を経た氷結晶として成長させ、湿り空気を除湿して、熱交換面上での着霜を抑制する、請求項4に記載の熱交換面を介する湿り空気の冷却方法。
  8. 温度境界層内の湿り空気温度が0℃以下の条件において、
    熱交換面と反対側のその担体表面温度が湿り空気の氷点温度以下露点温度以上となる担体の面において、湿り空気中の水蒸気を、昇華により霜結晶P4として成長させ、湿り空気を除湿して、熱交換面上での着霜を抑制する、請求項4に記載の熱交換面を介する湿り空気の冷却方法。
  9. 前記担体は、平面状であり、定形もしくは不定形の断面をした、所定の幅と開口を交互に配列する構成をもち、熱交換面からの所定の深さを有する平面状担体とする、請求項2に記載の熱交換面の保全方法。
  10. 前記担体は、平面状であり、定形もしくは不定形の断面をした、所定の幅と開口を交互に配列する構成をもち、熱交換面からの所定の深さを有する平面状担体とする、請求項４に記載の湿り空気の冷却方法。
  11. 　平面状担体は、メッシュ状であり、所定メッシュ開口幅、所定線材幅および厚みを有することを特徴とする、請求項9に記載の熱交換面の保全方法。
  12. 　平面状担体は、メッシュ状であり、所定メッシュ開口幅、所定線材幅および厚みを有することを特徴とする、請求項10に記載の湿り空気の冷却方法。
  13. 　平面状担体のサイズは、担体の幅が100μm以上2000μm以下、開口の幅は100μm以上1000μm以下とし、担体の温度境界層側の表面から熱交換面までの深さは、100μm以上とすることを特徴とする、請求項9に記載の熱交換面の保全方法。
  14. 　平面状担体のサイズは、担体の幅が100μm以上2000μm以下、開口の幅は100μm以上1000μm以下とし、担体の温度境界層側の表面から熱交換面までの深さは、100μm以上とすることを特徴とする、請求項10に記載の湿り空気の冷却方法。
  15. 前記担体は、定形もしくは不定形の断面をした所定長さの繊維を、不織布状に重ね合わせて、空隙をもった立体的な構成をなした立体状担体とする、請求項9に記載の熱交換面の保全方法。
  16. 前記担体は、定形もしくは不定形の断面をした所定長さの繊維を、不織布状に重ね合わせて、空隙をもった立体的な構成をなした立体状担体とする、請求項10に記載の湿り空気の冷却方法。
  17. 前記平面状担体を熱交換面の流れ方向に区分けして配置し、
    その上流側の一部が温度境界層外の主気流中に配置し、区分けした平面状担体の構成には開口の隙間しかないように配置することにより、
    気流を境界層内の担体内に誘導することにより、熱交換面の伝熱促進させたことを特徴とする、請求項9に記載の熱交換面の保全方法。
  18. 前記平面状担体を熱交換面の流れ方向に区分けして配置し、
    その上流側の一部が温度境界層外の主気流中に配置し、区分けした平面状担体の構成には開口の隙間しかないように配置することにより、
    気流を境界層内の担体内に誘導することにより、熱交換面の伝熱促進させたことを特徴とする、請求項10に記載の湿り空気の冷却方法。
  19. 前記立体状担体を、温度境界層外の主気流中にも一部を配置できるように厚くし、気流を境界層内の担体内に誘導することにより、熱交換面の伝熱促進させたことを特徴とする、請求項15に記載の熱交換面の保全方法。
  20. 前記立体状担体を、温度境界層外の主気流中にも一部を配置できるように厚くし、気流を境界層内の担体内に誘導することにより、熱交換面の伝熱促進させたことを特徴とする、請求項16に記載の湿り空気の冷却方法。
  21. 　前記担体の表面に撥水性処理を施すことにより、担体の表面性状を変えて、担体面での水蒸気の昇華、凝縮にかかる除湿性能の向上と、液状における状態で開口を塞ぐことのないようにしたことを特徴とする、請求項9に記載の熱交換面の保全方法。
  22. 　前記担体の表面に撥水性処理を施すことにより、担体の表面性状を変えて、担体面での水蒸気の昇華、凝縮にかかる除湿性能の向上と、液状における状態で開口を塞ぐことのないようにしたことを特徴とする、請求項10に記載の湿り空気の冷却方法。
  23. 　前記担体の表面に吸着性能を有する構成にすることにより、担体の表面性状を変えて、担体面での水蒸気の昇華、凝縮にかかる除湿性能を向上させたことを特徴とする、請求項9に記載の熱交換面の保全方法。
  24. 　前記担体の表面に吸着性能を有する構成にすることにより、担体の表面性状を変えて、担体面での水蒸気の昇華、凝縮にかかる除湿性能を向上させたことを特徴とする、請求項10に記載の湿り空気の冷却方法。
  25. 　前記担体に高吸水性樹脂の繊維を利用し、担体の性状として吸水性、保水性、毛管吸水性などを高めたことにより、担体面での水蒸気の昇華、凝縮にかかる除湿性能を向上させたことを特徴とする、請求項９に記載の熱交換面の保全方法。
  26. 　前記担体に高吸水性樹脂の繊維を利用し、担体の性状として吸水性、保水性、毛管吸水性などを高めたことにより、担体面での水蒸気の昇華、凝縮にかかる除湿性能を向上させたことを特徴とする、請求項10に記載の湿り空気の冷却方法。
  27. 　氷点下の熱交換面を介して湿り空気との間で熱交換する方法において、
    　担体の温度境界層側に成長した霜とともに担体を取り出して、利霜する段階を有することにより、霜の有する熱量を利用することを特徴とする、請求項4に記載の熱交換面を介する湿り空気の冷却方法。
  28. 　氷点下の熱交換面を介して湿り空気との間で熱交換する方法において、
    　担体の熱伝導率が低い材料とし、また担体を温度境界層内の境界層に近い位置に配置し、担体の表面温度を可能な限り高い温度にして、担体表面に成長する霜の成長量を抑えることにより、熱交換面の顕熱交換とともに担体面の潜熱交換をすることを特徴とする、請求項4に記載の熱交換面を介する湿り空気の冷却方法。
  29. 氷点下の熱交換面を介して湿り空気との間で熱交換する方法において、
    担体の熱伝導率が高い金属の材料とし、また担体を温度境界層内の熱交換面に近い位置に配置し、担体の表面温度を可能な限り低い温度にして、担体表面に成長する霜の成長量を増やすことにより、熱交換面の顕熱交換とともに担体面の潜熱交換を増大させたことを特徴とする、請求項4に記載の熱交換面を介する湿り空気の冷却方法。
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