WO2017017789A1 - 熱交換器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

熱交換器は、重力方向の上下に並列に配置された一対のヘッダ管と、重力方向と並列に並置され、一対のヘッダ管の間に接合された複数の伝熱管と、隣り合った伝熱管の間に接合される複数のフィンとを備え、伝熱管及びフィンには親水性の表面処理が施されており、フィンは、伝熱管との接合部分の間を斜方に延在する斜面部を有し、水平方向に対する斜面部の角度を斜面部の傾斜角とし、フィンの斜面部に滴下した水滴が落下しはじめるときの斜面部の角度を転落角とした場合に、フィンには、転落角が傾斜角よりも小さくなるように、滑水性の表面処理が施されている。

Description

熱交換器及び冷凍サイクル装置

　本発明は、フィンを有する熱交換器及び当該熱交換器を用いた冷凍サイクル装置に関する。

　従来のフィンを有する熱交換器としては、疎水性の表面を有するフィンと、親水性のヘッダパイプと、親水性の扁平チューブとを有するパラレルフロー型の熱交換器がある（例えば、特許文献１参照）。また、粗面化処理された金属表面を撥水性の塗料で皮膜した疎水性のフィンを有する熱交換器がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１３－１９０１６９号公報 特開平６－７９８２０号公報

　しかしながら、特許文献１及び特許文献２では、熱交換器が蒸発器として機能する場合に、熱交換器に生じた水滴が、隣り合ったフィンの平面の間でブリッジするブリッジ現象が発生し、熱交換器の通風抵抗が増加するという課題があった。

　本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、水滴によるブリッジ現象を回避し、通風抵抗を維持可能な熱交換器及び冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

　本発明に係る熱交換器は、重力方向の上下に並列に配置された一対のヘッダ管と、重力方向と並列に並置され、前記一対のヘッダ管の間に接合された複数の伝熱管と、隣り合った前記伝熱管の間に接合される複数のフィンとを備え、前記伝熱管及び前記フィンには親水性の表面処理が施されており、前記フィンは、前記伝熱管との接合部分の間を斜方に延在する斜面部を有し、水平方向に対する前記斜面部の角度を前記斜面部の傾斜角とし、前記フィンの斜面部に滴下した水滴が落下しはじめるときの前記斜面部の角度を転落角とした場合に、前記フィンには、前記転落角が前記傾斜角よりも小さくなるように、滑水性の表面処理が施されている。

　また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、上述の熱交換器を備えるものである。

　本発明によれば、フィンに親水性の表面処理を施すことにより、凝縮水又は除霜運転後に霜が融解して発生した水が、フィン上で濡れ広がるため、水滴によるブリッジ現象を回避することができる。また、フィンの転落角がフィンの斜面部の傾斜角よりも小さくなるように、親水性の表面処理をフィンに施すことにより、凝縮水および除霜後の水の排水性を向上させることができる。したがって、本発明によれば、水滴によるブリッジ現象を回避し、通風抵抗を維持可能な熱交換器及び冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０の構成を概略的に示した正面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０の扁平管２及びコルゲートフィン３の構造の一例を上ヘッダ管１ａの側から見た概略的な部分拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０の扁平管２及びコルゲートフィン３の構造の変形例を上ヘッダ管１ａの側から見た概略的な部分拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０の扁平管２及びコルゲートフィン３の構造の別の変形例を上ヘッダ管１ａの側から見た概略的な部分拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の一例を概略的に示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０の一部を拡大して、コルゲートフィン３の寸法及び角度を表示した概略図である。 本発明の実施の形態１に係る接触角θの測定方法を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る転落角Φの測定方法を示す概略図である。 本発明の実施の形態１において、任意の親水性の材料及び任意の表面粗さの組み合わせで表面処理したアルミニウム製の測定サンプル４の接触角θと転落角Φとを示したグラフである。 従来例１～４のサンプル及び本発明の実施の形態１の熱交換器１０のサンプルにおける接触角θ及び転落角Φの測定結果を示す表である。 従来例１～４のサンプル及び本発明の実施の形態１の熱交換器１０のサンプルにおける着霜耐力及び排水性能の測定結果を示す表である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器１０の構成を概略的に示した正面図である。 従来例１～４のサンプル及び本発明の実施の形態２の熱交換器１０のサンプルにおける接触角θ及び転落角Φの測定結果を示す表である。 従来例１～４のサンプル及び本発明の実施の形態２の熱交換器１０のサンプルにおける着霜耐力及び排水性能の測定結果を示す表である。 本発明の実施の形態３に係る熱交換器１０の構成を概略的に示した正面図である。 従来例１～４のサンプル及び本発明の実施の形態３の熱交換器１０のサンプルにおける接触角θ及び転落角Φの測定結果を示す表である。 従来例１～４のサンプル及び本発明の実施の形態３の熱交換器１０のサンプルにおける着霜耐力及び排水性能の測定結果を示す表である。

実施の形態１．
　本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０の構造について説明する。図１は、本実施の形態１に係る熱交換器１０の構造を概略的に示した正面図である。

　なお、図１を含む以下の図面では各構成部材の寸法の関係及び形状が、実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面では、同一の又は類似する部材又は部分には、同一の符号を付すか、又は符号を付すことを省略している。また、以下の説明における各構成部材同士の位置関係（例えば、上下関係等）は、原則として、本実施の形態１を含む以下の実施の形態の熱交換器１０を使用可能な状態に設置したときのものである。

　本実施の形態１に係る熱交換器１０は、コルゲートフィン型熱交換器であり、熱交換媒体（例えば、冷媒）を上下方向に流通させる縦流れ式の熱交換器である。本実施の形態１に係る熱交換器１０では、上ヘッダ管１ａ及び下ヘッダ管１ｂが、一対のヘッダ管となるように重力方向の上下に並列に配置されている。

　上ヘッダ管１ａと下ヘッダ管１ｂとの間には、上ヘッダ管１ａ又は下ヘッダ管１ｂを介して分配された冷媒を流動する複数の扁平管２（伝熱管の一例）が重力方向と並列に接合されている。例えば、本実施の形態１に係る熱交換器１０においては、複数の扁平管２の扁平面が互いに対面するように配置される。

　隣り合った２つの扁平管２の扁平面の間には、フィン、例えばコルゲートフィン３が配置されている。すなわち、熱交換器１０は、扁平管２とコルゲートフィン３とが、上ヘッダ管１ａ（又は、下ヘッダ管１ｂ）の長さ方向に沿って交互に配置された構成となっている。コルゲートフィン３は、コルゲート状（波状）の金属平板であり、隣り合った２つの扁平管２の扁平面に交互に接合される複数の頂部３ａと、隣り合った２つの扁平管２の頂部３ａの間を交互に延在する複数の斜面部３ｂとを有している。

　本実施の形態１に係る熱交換器１０では、扁平管２の内部を上下方向に流動する冷媒と、扁平管２の長さ方向及び上ヘッダ管１ａ（又は、下ヘッダ管１ｂ）の長さ方向の双方に交差（例えば、直交）する方向に流れる送風空気との間で熱交換が行われる。

　例えば、上ヘッダ管１ａから下ヘッダ管１ｂに向けて冷媒が流動する場合を考える。熱交換器１０の上ヘッダ管１ａに流入した冷媒は、扁平管２の本数と同数のパスへ分流される。分流された冷媒は、複数の扁平管２を下方に流動する。複数の扁平管２を下方に流動する冷媒は、複数の扁平管２及びコルゲートフィン３を通じて、送風空気と熱交換される。複数の扁平管２で熱交換された冷媒は、下ヘッダ管１ｂで合流して熱交換器１０から流出する。

　次に、本実施の形態１の熱交換器１０に生じる水滴の排水経路について、図２～４を用いて説明する。図２は、本実施の形態１に係る熱交換器１０の扁平管２及びコルゲートフィン３の構造の一例を上ヘッダ管１ａの側から見た概略的な部分拡大図である。図３は、本実施の形態１に係る熱交換器１０の扁平管２及びコルゲートフィン３の構造の変形例を上ヘッダ管１ａの側から見た概略的な部分拡大図である。図４は、本実施の形態１に係る熱交換器１０の扁平管２及びコルゲートフィン３の構造の別の変形例を上ヘッダ管１ａの側から見た概略的な部分拡大図である。図２～４に示すように、本実施の形態１に係る熱交換器１０の扁平管２は、複数の冷媒流路２ａを内部に配置した構成としている。

　図２に示すように、熱交換器１０は、コルゲートフィン３の扁平管２との接合部分である頂部３ａの幅を、扁平管２の長径方向の幅よりも短くなるように構成できる。本実施の形態１では、頂部３ａの幅を扁平管２の長径方向の幅よりも短くすることにより、コルゲートフィン３が接合していない隣り合った扁平管２の間の領域を、下ヘッダ管１ｂに向けて熱交換器１０で融解した水を流下させる排水経路として構成できる。

　なお、図３に示すように、本実施の形態１に係る熱交換器１０では、扁平管２の長径方向における、熱交換器１０の排水経路に対応する扁平管２の内部の位置に、冷媒流路２ａを設けない構成としてもよい。また、図２では、斜面部３ｂの幅を扁平管２の長径方向の幅よりも短くすることにより排水経路を構成したが、図４に示すように、扁平管２の長径方向におけるコルゲートフィン３の複数の接合部の同一位置に切欠部３ｃを設け、切欠部３ｃを熱交換器１０の排水経路として利用するように構成してもよい。

　本実施の形態１に係る熱交換器１０において、コルゲートフィン３は、波状の金属平板として構成することにより、送風空気に接する面を大きくすることができるため、送風空気との熱交換を効率的に行うことができる。なお、熱交換器１０においては、扁平管２及びコルゲートフィン３の形状、大きさ、及びピッチに加え、扁平管２及びコルゲートフィン３の表面特性によって、熱交換器１０の使用冷媒量、熱交換特性、及び製造性が決定される。

　次に、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１０を構成する材料について説明する。

　熱交換器１０の上ヘッダ管１ａ、下ヘッダ管１ｂ、扁平管２、及びコルゲートフィン３は、熱伝導性が高く、安価で加工性に優れた金属製の部材で構成できる。例えば、熱交換器１０は、アルミニウム製又はアルミニウム合金製の部材で構成できる。

　なお、熱交換器１０に使用される部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金に限定されず、熱伝導性に優れた部材であれば任意の部材を用いることができる。例えば、銅、銀、金等の金属製の部材で構成してもよい。

　また、熱交換器１０の各構成要素を異種の金属製の部材で構成することもできる。例えば、上ヘッダ管１ａ及び下ヘッダ管１ｂをアルミニウム合金製の部材で構成し、扁平管２及びコルゲートフィン３を銅製の部材で構成してもよい。ただし、熱交換器１０の各構成要素を異種の金属で構成する場合は、異種の金属の接合部（上の例では、例えば上ヘッダ管１ａと扁平管２との接合部）での腐食による冷媒漏れが生じないように、各部材の電位設計に留意する必要がある。

　上ヘッダ管１ａ及び下ヘッダ管１ｂと扁平管２との接合部、並びに扁平管２とコルゲートフィン３との接合部は、例えば、ロウ付け処理によって接合されている。なお、当該接合部の接合方法としては、当該接合部における熱伝導性を維持できる方法であれば、ロウ付け処理以外の方法を用いてもよい、例えば、当該接合部は、溶接又は接着によって接合してもよい。

　次に、本実施の形態１に係る熱交換器１０を用いた冷凍サイクル装置１００について図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の一例を概略的に示す冷媒回路図である。

　図５に示すように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機２０、冷媒流路切替装置３０、熱源側熱交換器４０、減圧装置５０、及び負荷側熱交換器６０が冷媒配管を介して環状に接続された構成を有している。本実施の形態１に係る熱交換器１０は、熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０の少なくとも一方に用いられている。また、冷凍サイクル装置１００は、熱源側熱交換器４０に空気を送風する送風ファン７０を有している。

　なお、図５では、冷房運転及び暖房運転の双方を行う冷凍サイクル装置１００として必要最小限の構成要素のみを示している。冷凍サイクル装置１００は、図５に示す構成要素の他に、気液分離器、レシーバ、アキュムレータ等を備えていてもよい。

　圧縮機２０は、吸入した低圧冷媒を圧縮し、高圧冷媒として吐出する流体機械である。

　冷媒流路切替装置３０は、冷房運転時と暖房運転時とで冷凍サイクル内の冷媒の流れ方向を切り替えるものであり、例えば四方弁等が用いられる。

　熱源側熱交換器４０は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には放熱器（例えば、凝縮器）として機能する熱交換器である。熱源側熱交換器４０では、内部を流通する冷媒と、送風ファン７０により送風される空気（外気）との熱交換が行われる。

　減圧装置５０は、高圧冷媒を減圧して低圧冷媒とするものである。減圧装置５０としては、例えば、開度を調節可能なリニア電子膨張弁（ＬＥＶ）等が用いられる。

　負荷側熱交換器６０は、暖房運転時には放熱器（例えば、凝縮器）として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する熱交換器である。負荷側熱交換器６０では、例えば、内部を流通する冷媒と、負荷側送風ファン（図示せず）により送風される空気（例えば、空気調和装置の場合は室内空気）との熱交換が行われる。

　ここで、「暖房運転」とは、負荷側熱交換器６０に高温高圧の冷媒を供給する運転のことをいい、「冷房運転」とは、負荷側熱交換器６０に低温低圧の冷媒を供給する運転のことをいう。図５では、暖房運転時における冷媒の流れを実線の矢印で示し、冷房運転時における冷媒の流れを破線の矢印で示している。

　例えば、冷凍サイクル装置１００をカーエアコン又は建物用の空気調和装置として構成する場合は、室内側ユニット（図示せず）に負荷側熱交換器６０が収容され、室外側ユニット（図示せず）に熱源側熱交換器４０が収容される。カーエアコン又は建物用の空気調和装置では、室内側ユニットの負荷側熱交換器６０に高温高圧の冷媒を供給することにより、暖房運転が行われる。また、カーエアコン又は建物用の空気調和装置では、室内側ユニットの負荷側熱交換器６０に低温低圧の冷媒を供給することにより、冷房運転が行われる。

　冷凍サイクル装置１００において、冷房運転又は暖房運転が長時間継続されたときには、蒸発器として機能する熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０の伝熱管（例えば、扁平管２）又はフィン（例えば、コルゲートフィン３）の表面に凝縮水（結露水）による水膜（着露）又は着霜が生じる場合がある。凝縮水が発生した場合、フィン上に付着し、蓄積した凝縮水の一部は、重力に従ってフィン表面から流れていく。しかしながら、フィンに付着した凝縮水が重力に従い排水されない場合又はフィンに着霜が生じたときには、フィンの水膜又は着霜により、熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０の空気流路が狭くなり、空気流路が閉塞される場合がある。熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０で空気流路の狭路化（狭小化）又は空気流路の閉塞が発生すると、熱抵抗及び通風抵抗が増加するため、熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０の熱交換率が低下する。

　そこで、冷凍サイクル装置１００においては、冷房運転又は暖房運転が長時間継続されたときには、除霜運転が行われる。ここで、「除霜運転」とは、蒸発器として機能する熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０に霜が付着するのを防ぐために、又は付着した霜を融かすために、圧縮機２０から熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０に高温高圧のガス冷媒であるホットガスを供給する運転のことである。熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０に付着した霜及び氷は、除霜運転時に、熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０に供給されるホットガスによって融解される。

　除霜運転は、冷房運転又は暖房運転が所定時間継続された場合に、例えば、冷媒流路切替装置３０によって冷媒の流れ方向を切り替え、蒸発器に高温高圧の冷媒（ホットガス）を供給して行われる。また、除霜運転は、冷房運転又は暖房運転が所定時間継続された場合に、圧縮機２０の吐出口と熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０との間をバイパス冷媒配管（図示せず）で接続し、圧縮機２０から熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０にホットガスを直接的に供給して行ってもよい。

　一方、除霜運転中は、通常の運転を中断する必要があるため、冷凍サイクル装置１００の熱交換性能（ＣＯＰ）の低下が生じる。

　したがって、熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０は、着露及び着霜を抑制でき、除霜運転時に融解した水を素早く排水できる構成とすることが重要となる。フィン及び伝熱管の表面等、熱源側熱交換器４０又は負荷側熱交換器６０からの排水性を向上させることにより、凝縮水による熱交換率が低下するのを抑制するとともに、着霜に対する耐力を向上させることができる。

　次に、本実施の形態１における、除霜運転時の排水性を向上させるための扁平管２及びコルゲートフィン３の表面処理について説明する。本実施の形態１の熱交換器１０は、扁平管２及びコルゲートフィン３に親水性の表面処理を施すことにより、除霜運転時の排水性を向上させるものである。

　扁平管２及びコルゲートフィン３の表面処理（表面改質処理）としては、例えば、扁平管２及びコルゲートフィン３の表面を親水性の材料で塗布し、親水性及び滑水性の無機膜又は有機膜を皮膜する方法がある。扁平管２及びコルゲートフィン３の表面に皮膜される親水性の材料としては、任意の親水性の無機材料又は有機材料を用いることができ、例えば、限定しないが、水ガラス、ケイ酸、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、エポキシ樹脂、フラックス等の材料を１成分以上含む材料にできる。

　また、親水性及び滑水性の皮膜処理を施した扁平管２及びコルゲートフィン３の表面の滑水性を更に向上させる表面処理としては、例えば、扁平管２及びコルゲートフィン３の表面に皮膜された無機膜又は有機膜の表面粗さを平坦化する方法がある。なお、扁平管２及びコルゲートフィン３の表面の滑水性を向上させる方法は、表面粗さを平坦化する方法に限られず、例えば、扁平管２及びコルゲートフィン３の表面形状を調整することにより滑水性を向上させることも可能である。

　次に、熱交換器１０のコルゲートフィン３の傾斜角φｆについて説明する。

　図６は、本実施の形態１に係る熱交換器１０の一部を拡大して、コルゲートフィン３の寸法及び角度を表示した概略図である。ここでは、隣接する扁平管２の間の距離（コルゲートフィン３のフィン幅）をｗ（ｍｍ）とした。また、コルゲートフィン３の隣接する斜面部３ｂの中間位置の間のフィンピッチ（フィン間隔）をｄ［ｍｍ］とした。また、扁平管２の冷媒の流れ方向を鉛直方向とした場合に、隣接する扁平管２を結ぶ垂線と、斜面部３ｂとの間の角度をコルゲートフィン３の傾斜角をφｆ［°］とした。なお、本実施の形態１では、傾斜角φｆの範囲を０°＜φｆ＜９０°とした。また、本実施の形態１では、フィン幅ｗ、コルゲートフィン３のフィンピッチｄ、及びコルゲートフィン３の傾斜角φｆは、熱交換器１０の全体にわたってほぼ同一であるものとした。

　コルゲートフィン３の傾斜角φｆは、コルゲートフィン３のフィンピッチｄとコルゲートフィン３のフィン幅ｗを用いて次式により算出される。
　　　φｆ＝ｔａｎ^－１（ｄ／ｗ）

　なお、コルゲートフィン３を用いた従来の熱交換器１０では、フィンピッチｄが小さくなると、熱交換面積が増加するため、熱交換性能が向上する。一方、熱交換器１０に着露及び着霜が生じる場合においては、コルゲートフィン３のフィンピッチｄが小さくなると、水滴がコルゲートフィン３の隣り合った斜面部３ｂの間でブリッジして転落しにくくなるため排水性が悪くなる。特に近年は、熱交換器１０の性能向上を目的として、コルゲートフィン３のフィンピッチｄを極めて狭く設計することがあるため、凝集水がコルゲートフィン３の隣り合った斜面部３ｂの間でブリッジしやすい傾向にある。結果、熱交換器１０における通風抵抗が増大し、熱交換率が低下し、熱交換面積が増加しても熱交換率が低下するというトレードオフの関係が生じる。本実施の形態１の熱交換器１０では、コルゲートフィン３の表面処理を行うことで、コルゲートフィン３にブリッジした水滴の排水性を向上させることができるため、着露及び着霜による熱交換率の低下を回避することができる。

　次に、扁平管２及びコルゲートフィン３の親水性を示す指標となる接触角θの測定方法について説明する。

　図７は、本実施の形態１に係る接触角θの測定方法を示す概略図である。本実施の形態１では、扁平管２及びコルゲートフィン３の測定サンプル４を用いて接触角θを測定する。本実施の形態１では、接触角θは、扁平管２及びコルゲートフィン３の測定サンプル４に、イオン交換水１０μＬを滴下して生じた水滴５を用いて測定される。接触角θは、測定サンプル４と水滴５の表面との接点５ａにおける接線と、水滴５が接触する測定サンプル４の表面との間の角度として定義される。本実施の形態１では、接触角θは０°≦θ［°］＜１８０°の範囲とし、θ［°］＜９０°で親水性、θ［°］≧９０°で疎水性と定義する。また、接触角θが小さくなると親水性は高くなり、接触角θが大きくなると疎水性は高くなると言える。

　次に、扁平管２及びコルゲートフィン３の滑水性を示す指標となる転落角Φの測定方法について説明する。

　図８は、本実施の形態１に係る転落角Φの測定方法を示す概略図である。本実施の形態１では、接触角θの測定と同様に、扁平管２及びコルゲートフィン３の測定サンプル４を用いて転落角Φを測定する。本実施の形態１では、転落角Φは、扁平管２及びコルゲートフィン３の測定サンプル４にイオン交換水１０μＬを滴下し、滴下３０秒後に測定サンプル４を傾斜し、水滴５の前進端５ｂが、水滴５の初期位置５ｃより約１ｍｍ移動したときの測定サンプル４の傾斜角として定義される。図８では、移動前の水滴５の位置は破線で示し、移動後の水滴５の位置は実線で示している。本実施の形態１の転落角Φの測定方法では、滴下後３０秒後に測定サンプル４を傾斜することで、測定サンプル４の親水性の表面で濡れ広がることによって前進端５ｂが移動する影響を取り除いている。転落角Φは０°＜Φ［°］≦９０°の範囲となり、転落角Φが小さくなると滑水性は高くなり、転落角Φが大きくなると滑水性は低くなると言える。

　本実施の形態１に係る熱交換器１０のコルゲートフィン３においては、コルゲートフィン３の転落角Φが、コルゲートフィン３の傾斜角φｆよりも小さくなるように、滑水性の表面処理が施されている。コルゲートフィン３においては、滑水性が高いほど排水性が向上する。また、コルゲートフィン３の傾斜角φｆを小さくすると、コルゲートフィン３のフィンピッチｄを小さく設計でき、熱交換面積が増加するため、熱交換性能が向上する。したがって、本実施の形態１においては、コルゲートフィン３の転落角Φが小さくなるにつれて、排水性が向上し、熱交換性能が向上することとなる。

　図９は、本実施の形態１において、任意の親水性の材料及び任意の表面粗さの組み合わせで表面処理したアルミニウム製の測定サンプル４の接触角θと転落角Φとを示したグラフである。グラフの横軸は接触角θを表し、グラフの縦軸は転落角Φを表している。グラフ上のブロットは、任意の親水性の材料（膜材料）及び任意の表面粗さの組み合わせでの接触角θと転落角Φとを示している。

　図９では、測定サンプル４の表面へ塗布する親水性の材料の種類及び測定サンプル４の表面粗さの度合いの組み合わせによって、種々の組合せの接触角θと転落角Φを有するアルミニウム製の測定サンプル４が製造可能なことが示されている。特に、低い接触角θ（例えば、４０°以下）及び低い転落角Φ（例えば、２０°以下）の範囲であっても、アルミニウム製の測定サンプル４が製造可能なことが示されている。したがって、本実施の形態１の表面処理によれば、親水性が高く、かつ滑水性が高い扁平管２及びコルゲートフィン３を製造することが可能である。

　次に、本実施の形態１の熱交換器１０の着霜耐力（着霜を抑える性能）及び排水性能を評価した実験について説明する。

　本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルとしては、３００×３００×１５ｍｍサイズの熱交換器１０を準備した。コルゲートフィン３のフィンピッチｄは１．７ｍｍ、コルゲートフィン３のフィン幅ｗは１０ｍｍ、コルゲートフィン３の傾斜角φｆは１０°とした。また、扁平管２の短径方向の厚さは２ｍｍとした。

　本実施の形態１の熱交換器１０の比較対象として、従来技術の４つのコルゲートフィン型熱交換器のサンプルを準備した。４つのコルゲートフィン型熱交換器のサンプルは、本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルと同様に、３００×３００×１５ｍｍサイズのコルゲートフィン型熱交換器とした。また、本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルと同様に、コルゲートフィンのフィンピッチは１．７ｍｍ、コルゲートフィン３のフィン幅は１０ｍｍ、コルゲートフィンの傾斜角は１０°とした。また、本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルと同様に、扁平管の短径方向の厚さは２ｍｍとした。

　４つのコルゲートフィン型熱交換器のサンプルは、従来例１～４のサンプルとし、それぞれの扁平管及びコルゲートフィンに異なる表面処理を施した。

　図１０は、従来例１～４のサンプル及び本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルにおける接触角θ及び転落角Φの測定結果を示す表である。図１０においては、従来例１～４のサンプルを「従来例１」、「従来例２」、「従来例３」、及び「従来例４」と略記している。また、本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルを「実施の形態１」と略記している。

　従来例１のサンプルは、扁平管にもコルゲートフィンにも表面処理を施さないコルゲートフィン型熱交換器のサンプルとした。従来例１のサンプルにおいては、コルゲートフィンの接触角θは８６°であり、扁平管の接触角θは８５°であった。なお、コルゲートフィン及び扁平管に滴下された水滴は９０°の角度まで傾斜させても転落しなかった。

　従来例２のサンプルは、扁平管及びコルゲートフィンに疎水性の表面処理を施したコルゲートフィン型熱交換器のサンプルとした。従来例２のサンプルにおいては、コルゲートフィンの接触角θは１１７°であり、転落角Φは２４°であった。扁平管の接触角θは１１８°であり、転落角Φは２４°であった。

　従来例３のサンプルは、扁平管に親水性の表面処理を施し、コルゲートフィンに疎水性の表面処理を施したコルゲートフィン型熱交換器のサンプルとした。従来例３のサンプルにおいては、コルゲートフィンの接触角θは１１７°であり、転落角Φは２４°であった。扁平管の接触角θは５１°であった。なお、扁平管に滴下された水滴は９０°の角度まで傾斜させても転落しなかった。

　従来例４のサンプルは、扁平管に疎水性の表面処理を施し、転落角Φがコルゲートフィンの傾斜角（１０°）よりも大きくなるように、コルゲートフィンに親水性の表面処理を施したコルゲートフィン型熱交換器のサンプルとした。従来例４のサンプルにおいては、コルゲートフィンの接触角θは１４°であり、転落角Φは３０°であった。扁平管の接触角θは５１°であった。なお、扁平管に滴下された水滴は９０°の角度まで傾斜させても転落しなかった。

　これに対し、本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルは、扁平管２に親水性の表面処理を施し、転落角Φがコルゲートフィン３の傾斜角φｆ（１０°）よりも小さくなるように、コルゲートフィン３に親水性の表面処理を施したサンプルとした。本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルにおいては、コルゲートフィン３の接触角θは２０°であり、転落角Φは８°であった。扁平管２の接触角θは５１°であった。なお、扁平管２に滴下された水滴は９０°の角度まで傾斜させても転落しなかった。

　以上の従来例１～４のサンプル及び本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルを用いて、本実施の形態１の熱交換器１０の着霜耐力及び排水性能を評価した。

　着霜耐力は、着霜時間Ｔ１を用いて評価した。熱交換器のサンプルを通過する空気の速度を測定し、測定開始から、熱交換器のサンプルを通過する空気の初期前面風速（１ｍ／ｓ）が１／２に減速するまでの経過時間を着霜時間Ｔ１として測定した。測定した着霜時間Ｔ１は、従来例１のサンプルでの着霜時間Ｔ１を１とし、各サンプルでの着霜時間Ｔ１を従来例１のサンプルでの着霜時間Ｔ１に対する比率として規格化することで比較評価した。

　なお、実機運転の状況に合わせることを目的として、着霜→除霜運転を１サイクルとして、１サイクル運転した後の２サイクル目のデータを着霜時間Ｔ１として測定している。１サイクル運転した後の２サイクル目のデータを測定することにより、着霜時間Ｔ１は熱交換器への残水の影響を受けるため、１サイクル目の除霜時に排水されなかった残水がある場合は、霜の生成速度が早まることとなる。したがって、着霜時間Ｔ１は大きいほど着霜耐力が良いと評価した。

　排水性能は、除霜運転終了後から熱交換器の出口温度が１０°上昇するまでの経過時間を除霜時間Ｔ２として測定した。また、除霜時間Ｔ２経過後の熱交換器の重量から運転開始時の熱交換器の重量を減算して、熱交換器に残存する残水量Ｍを測定した。測定した除霜時間Ｔ２は、従来例１のサンプルでの除霜時間Ｔ２を１とし、各サンプルでの除霜時間Ｔ２を従来例１のサンプルでの除霜時間Ｔ２に対する比率として規格化することで比較評価した。測定した残水量Ｍは、従来例１のサンプルでの残水量Ｍを１とし、各サンプルでの残水量Ｍを従来例１のサンプルでの残水量Ｍに対する比率として規格化することで比較評価した。したがって、除霜時間Ｔ２は小さいほど排水性能が良く、残水量Ｍは小さいほど排水性能が良いと評価した。

　図１１は、従来例１～４のサンプル及び本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルにおける着霜耐力及び排水性能の測定結果を示す表である。

　従来例２のサンプルでは、着霜時間Ｔ１が１．１０となっており、従来例１のサンプルと比較して着霜耐力の改善がわずかしか見られなかった。また、除霜時間Ｔ２が０．８８、残水量Ｍが０．９０となっており、従来例１のサンプルと比較して排水性能の改善が見られる。

　また、従来例３のサンプルでも、着霜時間Ｔ１が１．２３となっており、従来例１のサンプルと比較して着霜耐力の改善がわずかしか見られなかった。また、除霜時間Ｔ２が０．８４、残水量Ｍが０．８４となっており、従来例１のサンプルと比較して排水性能の改善が見られた。

　従来例２～３のサンプルでは、コルゲートフィンの表面が疎水性であるため、滑落性が改善したことで、従来例１のサンプルよりも排水性能が向上し、着霜耐力がわずかに向上したと考えられる。また、従来例３のサンプルは、従来例２のサンプルとは異なり扁平管が親水性である。従来例３のサンプルでは、扁平管を親水性とすることで、除霜した水が疎水性のフィンから親水性の扁平管へ流れやすくなる。したがって、従来例３のサンプルでは、従来例２のサンプルと比較して除霜時間Ｔ２及び残水量Ｍが小さくなっている。しかしながら、従来例２～３のサンプルでは、排水後にコルゲートフィンの斜面部の間で、除霜した水がブリッジし、コルゲート型熱交換器に多くの残水があることを目視で確認できた。このため着霜耐力が、従来例１と比較してわずかしか改善されなかったと考えられる。

　また、従来例４のサンプルでは、着霜時間Ｔ１が０．９６となっており、従来例１のサンプルと比較しても着霜耐力の改善が見られなかった。また、除霜時間Ｔ２が０．９９、残水量Ｍが０．９４となっており、従来例１～３のサンプルと比較しても排水性能の改善はわずかしか見られなかった。

　従来例４のサンプルでは、コルゲートフィンは親水性であるものの、転落角Φがコルゲートフィンの傾斜角よりも大きくなるように構成されている。したがって、除霜運転後、コルゲートフィンの表面全体に水が濡れ広がった状態で残ったため、着霜耐力の改善が見られなかったと考えられる。

　また、従来例４のサンプルでは、コルゲートフィンの表面全体へ除霜した水が濡れ広がるためコルゲートフィンの斜面部の間での除霜した水のブリッジはほとんど見られない。しかしながら、コルゲートフィンの扁平管との接合部付近には、除霜した水が残り、扁平管から排水されない様子が目視で確認された。従来例４のサンプルでは、扁平管が疎水性の表面処理がされており、コルゲートフィンが親水性の表面処理がされている。したがって、従来例４のサンプルでは、扁平管の接触角θがコルゲートフィンの接触角θよりも大きくなるため、扁平管への排水が完全に行われずに接合部付近に停滞し、排水性能の改善がわずかであったと考えられる。

　これに対して、本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルでは、着霜時間Ｔ１が１．３５となっており、従来例１～４のサンプルと比較して着霜耐力の改善が見られた。また、除霜時間Ｔ２が０．７８、残水量Ｍが０．５３となっており、従来例１～４のサンプルと比較して排水性能の改善が見られた。

　本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルでは、親水性の表面処理を施したコルゲートフィン３は、コルゲートフィン３の転落角Φがコルゲートフィン３の斜面部３ｂの傾斜角φｆよりも小さくなるように、滑水性の表面処理が施されている。本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルでは、親水性の表面処理に加えて滑水性の表面処理を施したことで、コルゲートフィン３の表面に濡れ広がった水が、定常的に扁平管２へと流れ排水されるため、熱交換器１０の残水量Ｍを大きく低減することが可能となる。

　また、コルゲートフィン３に滑水性の表面処理を施すことで、除霜運転直後にコルゲートフィン３の表面で融解し始めた霜が、完全に融解する前に冷媒の通過する扁平管２へと流れ扁平管２に接触することで、除霜時間Ｔ２が短縮され、排水性能が向上したと考えられる。着霜時間Ｔ１が大きくなり着霜耐力が向上した主な要因は、コルゲートフィン３の表面の残水量Ｍが小さくなったためと考えられる。したがって、本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルでは、親水性の表面処理を施したコルゲートフィン３は、コルゲートフィン３の転落角Φがコルゲートフィン３の斜面部３ｂの傾斜角φｆよりも小さくなるように、滑水性の表面処理を施すことにより、着霜耐力及び排水性能が大きく向上する。

　以上に説明したように、本実施の形態１の熱交換器１０は、重力方向の上下に並列に配置された一対のヘッダ管（上ヘッダ管１ａ、下ヘッダ管１ｂ）と、重力方向と並列に並置され、一対のヘッダ管（上ヘッダ管１ａ、下ヘッダ管１ｂ）の間に接合された複数の伝熱管（例えば、扁平管２）と、隣り合った伝熱管（例えば、扁平管２）の間に接合される複数のフィン（例えば、コルゲートフィン３）とを備え、伝熱管（例えば、扁平管２）及びフィン（例えば、コルゲートフィン３）には親水性の表面処理が施されており、フィン（例えば、コルゲートフィン３）は、伝熱管（例えば、扁平管２）との接合部分（頂部３ａ）の間を斜方に延在する斜面部３ｂを有し、水平方向に対する斜面部３ｂの角度を斜面部３ｂの傾斜角φｆとし、フィン（例えば、コルゲートフィン３）の斜面部３ｂに滴下した水滴が落下しはじめるときの斜面部３ｂの角度を転落角Φとした場合に、フィン（例えば、コルゲートフィン３）には、転落角Φが傾斜角φｆよりも小さくなるように、滑水性の表面処理が施されている。

　また、本実施の形態１の冷凍サイクル装置１００は、上述の熱交換器１０を備える。

　本実施の形態１では、親水性の表面処理を施したコルゲートフィン３は、コルゲートフィン３の転落角Φがコルゲートフィン３の斜面部３ｂの傾斜角φｆよりも小さくなるように、滑水性の表面処理が施されている。したがって、本実施の形態１の構成によれば、熱交換器１０に発生した水は、球になることなくコルゲートフィン３上で濡れ広がるため、フィンピッチｄが小さい場合でも、コルゲートフィン３の隣り合った斜面部３ｂの間での水のブリッジを防ぐことができる。

　また、扁平管２を親水性とすることにより、コルゲートフィン３上で濡れ広がった水は扁平管２に流れやすくなり、扁平管２から重力にしたがって排水することが容易となるため、排水性が向上する。したがって、本実施の形態１の構成によれば、排水性の向上により、除霜運転時間の短縮が可能となるため、エネルギー消費量を削減可能な熱交換器１０及び冷凍サイクル装置１００を提供できる。

　また、扁平管２を重力方向（鉛直方向）に対し平行に配置することにより、コルゲートフィン３から扁平管２に流れた水が、自重により重力に従って下ヘッダ管１ｂまでに排水され、熱交換器１０全体への残水量Ｍを抑制することが可能となる。また、下ヘッダ管１ｂが断面円形状の冷媒配管である場合、下ヘッダ管１ｂの表面を親水性又は滑水性にすることで、自重で排水された水が、下ヘッダ管１ｂの表面から流れ、下ヘッダ管１ｂの表面における水の滞留を抑制することが可能となる。したがって、本実施の形態１の構成によれば、除霜運転後に通常運転を再開した場合の根氷を防ぐことが可能である。

　以上のとおり、本実施の形態１に係る熱交換器１０及び冷凍サイクル装置１００によれば、コルゲートフィン３のフィンピッチｄが狭い場合でも、凝縮水又は除霜運転によって融けた水の熱交換器１０での滞留を抑制でき、通風抵抗の増加の抑制が可能となる。したがって、本実施の形態１によれば、熱交換器１０及び冷凍サイクル装置１００の熱交換性能を向上させることができる。また、熱交換器１０の排水性が向上させることができることにより、新たな着霜を抑制することができるため、熱交換器１０の耐久性を向上させることができる。

実施の形態２．
　本発明の実施の形態２に係る熱交換器１０の構造について説明する。図１２は、本実施の形態２に係る熱交換器１０の構造を概略的に示した正面図である。本実施の形態２に係る熱交換器１０は、上述の実施の形態１に係る熱交換器１０の一変形例である。

　本発明の実施の形態２に係る熱交換器１０の扁平管６は、上述の実施の形態１の扁平管２に滑水性の表面処理を施したものである。その他の本発明の実施の形態２に係る熱交換器１０の構造、構成材料、及び表面処理については、上述の実施の形態１に係る熱交換器１０のものと同一であるため、説明を省略する。

　図１３は、従来例１～４のサンプル及び本実施の形態２の熱交換器１０のサンプルにおける接触角θ及び転落角Φの測定結果を示す表である。図１４は、従来例１～４のサンプル及び本実施の形態２の熱交換器１０のサンプルにおける着霜耐力及び排水性能の測定結果を示す表である。接触角θ及び転落角Φの測定方法、従来例１～４の接触角θ及び転落角Φの測定結果、着霜耐力及び排水性能の実験方法、並びに従来例１～４の着霜耐力及び排水性能の測定結果等は、上述の実施の形態１に係る熱交換器１０のものと同一であるため、説明を省略する。

　本実施の形態２の熱交換器１０のサンプルにおいて、扁平管６は、親水性及び滑水性の表面処理を施し、転落角Φがコルゲートフィン３の傾斜角φｆ（１０°）よりも小さくなるように、コルゲートフィン３に親水性の表面処理を施したものとした。本実施の形態２の熱交換器１０のサンプルにおいては、コルゲートフィン３の接触角θは２０°であり、転落角Φは８°であった。扁平管６の接触角θは３５°であり、転落角Φは３４°であった。なお、扁平管６の転落角Φが小さくなると、扁平管６の滑水性が高くなるため、排水性能も高くなる。

　本実施の形態２の熱交換器１０のサンプルでは、着霜時間Ｔ１が１．３９となっており、従来例１～４のサンプルと比較して着霜耐力の改善が見られた。また、除霜時間Ｔ２が０．７７、残水量Ｍが０．５０となっており、従来例１～４のサンプルと比較して排水性能の改善が見られた。

　本実施の形態２の熱交換器１０のサンプルの着霜耐力及び排水性能は、図１１に示した上述の実施の形態１の熱交換器１０のサンプルよりも更に改善傾向が見られた。本実施の形態２においては、扁平管６の表面の転落角Φは３４°であり、扁平管６の表面の滑水性が高くなっている。したがって、扁平管６の表面に残っていた水が下ヘッダ管１ｂまで排水され、残水量Ｍが減少したため、着霜耐力及び排水性能が更に改善したと考えられる。

　以上に説明したように、本実施の形態２に係る熱交換器１０の複数の伝熱管（例えば、扁平管６）には、滑水性の表面処理が施されている。

　本実施の形態２では、転落角Φが９０°未満となる滑水性の表面処理の施した扁平管６を用いることにより、熱交換器１０の残水量Ｍを更に低減できるため、熱交換性能を更に向上させることができる。

実施の形態３．
　本発明の実施の形態３に係る熱交換器１０の構造について説明する。図１５は、本実施の形態３に係る熱交換器１０の構造を概略的に示した正面図である。本実施の形態３に係る熱交換器１０は、上述の実施の形態１に係る熱交換器１０の別の一変形例である。

　本発明の実施の形態３に係る熱交換器１０の扁平管７の表面は、コルゲートフィン３の表面よりも親水性を高くしたものである。その他の本発明の実施の形態３に係る熱交換器１０の構造、構成材料、及び表面処理については、上述の実施の形態３に係る熱交換器１０のものと同一であるため、説明を省略する。

　図１６は、従来例１～４のサンプル及び本実施の形態３の熱交換器１０のサンプルにおける接触角θ及び転落角Φの測定結果を示す表である。図１７は、従来例１～４のサンプル及び本実施の形態３の熱交換器１０のサンプルにおける着霜耐力及び排水性能の測定結果を示す表である。接触角θ及び転落角Φの測定方法、従来例１～４の接触角θ及び転落角Φの測定結果、着霜耐力及び排水性能の実験方法、並びに従来例１～４の着霜耐力及び排水性能の測定結果等は、上述の実施の形態１に係る熱交換器１０のものと同一であるため、説明を省略する。

　本実施の形態３の熱交換器１０のサンプルにおいて、扁平管７は、親水性及び滑水性の表面処理を施し、転落角Φがコルゲートフィン３の傾斜角φｆ（１０°）よりも小さくなるように、コルゲートフィン３に親水性の表面処理を施し、更に扁平管７の接触角θをコルゲートフィン３の接触角θよりも低いものとした。本実施の形態１の熱交換器１０のサンプルにおいては、コルゲートフィン３の接触角θは２０°であり、転落角Φは８°であった。扁平管６の接触角θは１４°であり、転落角Φは３０°であった。

　本実施の形態３の熱交換器１０のサンプルでは、着霜時間Ｔ１が１．４４となっており、従来例１～４のサンプルと比較して着霜耐力の改善が見られた。また、除霜時間Ｔ２が０．６２、残水量Ｍが０．４６となっており、従来例１～４のサンプルと比較して排水性能の改善が見られた。

　本実施の形態３の熱交換器１０のサンプルの着霜耐力及び排水性能は、図１１、１４に示した上述の実施の形態１、２の熱交換器１０のサンプルよりも更に改善傾向が見られた。本実施の形態３においては、扁平管７の接触角θをコルゲートフィン３の接触角θよりも低くすることで、扁平管７の親水性がコルゲートフィン３の親水性よりも高くなっている。一般的に、親水性の異なる物質の界面では、水は親水性の高い方へ流れるという特性を有する。したがって、コルゲートフィン３からコルゲートフィン３の頂部３ａを経由して扁平管７に円滑に水が流れやすくなり、下ヘッダ管１ｂに排出されたためと考えられる。

　以上に説明したように、本実施の形態３に係る熱交換器１０の複数の伝熱管（例えば、扁平管７）の表面は、複数のコルゲートフィン３の表面よりも親水性が高い。

　本実施の形態３では、扁平管７の表面の親水性をコルゲートフィン３の表面の親水性よりも高くすることにより、熱交換器１０の残水量Ｍを更に低減できるため、排水性能及び熱交換性能を更に向上させることができる。

その他の実施の形態．
　本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、上述の実施の形態では、冷凍サイクル装置１００として空気調和装置を例に挙げたが、本発明は、空気調和装置以外の冷凍サイクル装置１００にも適用可能である。

　また、上記の各実施の形態は、互いに組み合わせて実施することが可能である。

　１ａ　上ヘッダ管、１ｂ　下ヘッダ管、２、６、７　扁平管、２ａ　冷媒流路、３　コルゲートフィン、３ａ　頂部、３ｂ　斜面部、３ｃ　切欠部、４　測定サンプル、５　水滴、５ａ　接点、５ｂ　前進端、５ｃ　初期位置、１０　熱交換器、２０　圧縮機、３０　冷媒流路切替装置、４０　熱源側熱交換器、５０　減圧装置、６０　負荷側熱交換器、７０　送風ファン、１００　冷凍サイクル装置。

Claims (4)

1. 　重力方向の上下に並列に配置された一対のヘッダ管と、
   　重力方向と並列に並置され、前記一対のヘッダ管の間に接合された複数の伝熱管と、
   　隣り合った前記伝熱管の間に接合される複数のフィンと
   を備え、
   　前記伝熱管及び前記フィンには親水性の表面処理が施されており、
   　前記フィンは、前記伝熱管との接合部分の間を斜方に延在する斜面部を有し、
   　水平方向に対する前記斜面部の角度を前記斜面部の傾斜角とし、前記フィンの斜面部に滴下した水滴が落下しはじめるときの前記斜面部の角度を転落角とした場合に、前記フィンには、前記転落角が前記傾斜角よりも小さくなるように、滑水性の表面処理が施されている
   　熱交換器。
2. 　前記伝熱管には、滑水性の表面処理が施されている
   　請求項１に記載の熱交換器。
3. 　前記伝熱管の表面は、前記フィンの表面よりも親水性が高い
   　請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の熱交換器を備える冷凍サイクル装置。

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