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

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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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