(57)【要約】【課題】従来の冷凍サイクル装置の熱交換器では、水きり性能向上のため親水性にする若しくはフィン形状を変化させるなどフィンへの加工が主であった。【解決手段】この発明は、フィン表面に細孔を設けることで水きり性能の向上を図る。またフィン表面に凝縮液滴が発生する際は、凝縮熱伝達の向上のためフィンを親水と撥水の部分を混合させてするようフィン表面の-OH基を制御させる、あるいは、フィンに凹凸設けて表面積を増加させ熱伝達性能を向上させる。【選択図】  図７
2010175131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送風される空気を冷却する熱交換器内の冷媒と前記空気との熱交換を行う上下方向に設けられた前記熱交換器の伝熱面と、前記伝熱面に形成された細穴であって、前記伝熱面に付着した液滴の表面エネルギーを含む平衡蒸気圧が細穴の無い平面に付着した液滴の平衡蒸気圧より所定値以上大きくする液滴径以下の径を有する前記伝熱面に分布して設けられた複数の細孔と、を備え、前記伝熱面上の排水を促進することを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記伝熱面に付着した液滴の表面エネルギーを含む平衡蒸気圧が細穴の無い平面に付着したマクロな液滴の平衡蒸気圧より大きくする所定値は１．０３倍であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記伝熱面に付着した液滴の表面エネルギーを含む平衡蒸気圧が細穴の無い平面に付着したマクロな液滴の平衡蒸気圧より所定値以上大きくする液滴径以下の径は１００ｎｍ以下の径であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記伝熱面の上下に渡り形成された複数の細穴は、すくなくとも伝熱面下端近傍まで形成することを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項５】
送風される空気を冷却する熱交換器内の冷媒と前記空気との熱交換を行う上下方向に設けられアルミにて形成された前記熱交換器の伝熱面と、前記伝熱面の表面酸化処理時に前記伝熱面上の一部における-OH基の存在量を調整して形成された親水性表面と、を備え、前記伝熱面に前記親水性表面を混在させて前記伝熱面からの排水を促進することを特徴とする熱交換装置。
【請求項６】
前記伝熱面上の一部における-OH基の存在量を調整して形成される親水性表面を、前記熱交換器を流れる空気の風下側にもうけることを特徴とする請求項５に記載の熱交換装置。
【請求項７】
送風される空気を冷却する熱交換器内の冷媒と前記空気との熱交換を行う上下方向に設けられた前記熱交換器の伝熱面と、前記伝熱面表面に分布して設けられた複数の凹凸と、を備え、前記凹凸により前記熱交換器の-OH基を有する前記空気と接触可能な表面積を増加させることを特徴とする熱交換装置。
【請求項８】
前記伝熱面に形成された前記親水性表面は、前記伝熱面酸化処理後に前記伝熱面の一部の熱処理条件を変えて-OH基の存在量を調整することを特徴とする請求項５または７に記載の熱交換装置。
【請求項９】
前記伝熱面を形成するフィンは表面に複数のスリットを有し、前記スリット近傍に複数の孔をすることを特徴とする請求項１または５または７に記載の熱交換装置。
【請求項１０】
前記伝熱面の上下に渡り形成された複数の細穴、または凹凸は、前記伝熱面を流れる空気の風上側に形成されることを特徴とする請求項１または７に記載の熱交換装置。
【請求項１１】
前記伝熱面を形成するフィンは横幅より縦幅を短くしたことを特徴とする請求項１または５または７に記載の熱交換装置。
【請求項１２】
前記細穴または凹凸は、前記熱交換器全体に形成されることを特徴とする請求項１または５または７に記載の熱交換装置。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかに記載の熱交換装置を蒸発器として接続した冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルを動作させ空気と熱交換を行う前記熱交換器の伝熱面に付着した霜を間歇的に加熱して除去する霜取装置と、前記霜取装置により除去された排水を前記熱交換器の下部で集める排水収集手段と、備えたことを特徴とする冷凍・空調装置。
【請求項１４】
アルミにて形成された熱交換器の伝熱面を洗浄後、陽極酸化処理して表面に複数の細穴を有する酸化膜を生成させるステップと、酸化処理後洗浄してから前記細穴を封孔させずに安定させる熱処理を行うステップと、を備え、前記熱処理の時間は前記伝熱面に−OH基を残す短い時間とすることを特徴とする熱交換器製造方法。
【請求項１５】
前記伝熱面であるフィンまたは熱交換器全体を陽極とし、電解液中での陽極酸化処理にて製造される際、前記フィンまたは熱交換器全体の一部は、マスキングされることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器製造方法。
【請求項１６】
アルミにて形成された熱交換器の伝熱面を洗浄後、化成処理して表面に酸化膜を生成させるステップと、酸化処理後洗浄してから前記伝熱面を安定させる熱処理を行うステップと、を備え、前記熱処理の時間は前記伝熱面に−OH基を残す短い時間とすることを特徴とする熱交換器製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空調機、低温機器、給湯機器等に配備されている、空気と熱交換を行う熱交換器において、熱交換器の水切り性を向上させることで、除霜水の排水を促すものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷凍サイクルシステムにおいて、伝熱面に用いられるフィンの表面温度が空気露点温度以下に冷却されるとき、フィン表面で空気中の水蒸気が凝縮され表面に水滴が発生する。特にフィン温度が０℃以下になる場合、空気中の水蒸気がフィン表面で霜となる着霜現象が生じる。
【０００３】
フィン表面上の着霜が進むにつれフィン表面の熱抵抗が増し、その結果空気との熱交換量が減少し、装置の性能低下につながる。さらに霜が付着することによりフィン間が閉塞し、風路抵抗が増加し、装置の性能は大きく低下する。
【０００４】
このような性能低下を回避するために、冷蔵庫のように冷凍サイクルなどを使用した装置は定期的にデフロスト（除霜）運転を行う。
【０００５】
デフロスト運転には例えば冷凍サイクルの冷媒の流れを切り替えて対象となる熱交換器を内部から加熱するホットガス方式や熱交換器の近傍に設けたヒーターで外部から加熱するヒーター方式などがあるが、デフロスト運転での除霜中は装置としての役割、例えば空調での快適性が低下し、また機器の効率も低下するため、極力デフロスト運転時間を短縮する必要がある。
【０００６】
しかしながら、デフロスト時間を安易に短縮し、フィン上に除霜水が残ったまま熱交換器の冷却運転を再開させると、残った除霜水が起点となって早く霜が発生する、また残った除霜水がフィン間をブリッジングするなど、結果的にデフロスト間隔を短くすることになり、かえってエネルギー消費を増やすことになる。
【０００７】
そのためにも水切り性が高い熱交換器はデフロスト運転時間の短縮につながり機器の省エネにつながる。
【０００８】
この熱交換器の水切り性に対して従来技術では、例えばフィン表面に疎水性塗料による皮膜と親水性塗料による皮膜を設けるなど皮膜に親水性の部分を設けて水の排水性を高めたり、またはフィンのスリット形状を変化させて水が流れやすい形状として排水性を促している（例えば、特許文献１、２参照）。また例えば冷蔵庫の冷却プレートに対して少なくとも冷却パイプの通る位置を親水性にし、水滴を付着させにくくする例が存在する（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
また蒸気タービンブレードに衝突する液滴に対し低い液体濡れ性を有する表面を得るために、表面に細穴を設け、この細穴のメジアン径ａとメジアン間隔ｂとの比ｂ／ａを最大１０とし、細穴サイズを最大１０マイクロメータとした技術が知られている。（例えば特許文献４）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１−０１４５９６号公報（３，４頁など）
【特許文献２】特開２０００−１９３３８９号公報（請求項１など）
【特許文献３】特開２００５−１６４１９９号公報（図１など）
【特許文献４】特開２００７−１３０７４７号公報（請求項１、４など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の冷凍サイクル装置の熱交換器では、水きり性能向上のため塗料により親水性にする若しくはフィン形状を変化させるなどフィンへの加工が主で伝熱性能の改善とは無関係で、逆に伝熱性能の低下をもたらすなどという問題があった。また細穴加工により衝突する液滴に対し濡れ性を得るため細穴のサイズや分布により背圧を得ようとするものが知られているが伝熱性能とは関係の無い穴の選定条件が厳しく製造が困難で大きな穴に限定されるなど冷凍サイクルなどへの適用は難しく実用的ではなかった。
【００１２】
また従来の冷凍サイクル装置の冷却プレートでは、熱交換量の向上を図るためではなく清潔感を高くするために親水性を高めることが主であった。
【００１３】
この発明は、熱交換器の伝熱面に細孔を設けることでフィンの水きり性能の向上させ、かつ熱伝達性能の向上を図る。もしくは、伝熱面の-OH基を有する面積を増加させ、または、伝熱面の-OH基の存在量を調整して伝熱面を親水状態にすることで、水きり性能を向上させ、かつ熱伝達性能を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る熱交換装置は、送風される空気を冷却する熱交換器内の冷媒と空気との熱交換を行う上下方向に設けられた熱交換器の伝熱面と、伝熱面に形成された細穴であって、伝熱面に付着した液滴の表面エネルギーを含む平衡蒸気圧が細穴の無い平面に付着したマクロな液滴の平衡蒸気圧より所定値以上大きくする液滴径以下の径を有する伝熱面に分布して設けられた複数の細孔と、を備え、伝熱面上の排水を促進する。
【００１５】
また本発明に熱交換装置は、送風される空気を冷却する熱交換器内の冷媒と空気との熱交換を行う上下方向に設けられアルミにて形成された熱交換器の伝熱面と、伝熱面の表面酸化処理時に伝熱面上の一部における-OH基の存在量を調整して形成された親水性表面と、を備え、伝熱面に前記親水性表面を混在させて伝熱面からの排水を促進する。
【００１６】
また本発明に係る熱交換器製造方法は、アルミにて形成された熱交換器の伝熱面を洗浄後、陽極酸化処理して表面に複数の細穴を有する酸化膜を生成させるステップと、酸化処理後洗浄してから細穴を封孔させずに安定させる熱処理を行うステップと、を備え、熱処理の時間は伝熱面に−OH基を残す短い時間とする。
【発明の効果】
【００１７】
この発明により、熱交換器の水切り性が向上し、熱交換器に生じる除霜水の排水を促すことが可能となり、デフロスト運転時間の短縮が可能となる。特にこの効果を低温機器、例えば冷蔵庫の冷却器に設けることでデフロスト時間の短縮によって、省エネルギーを低減できる。また水切り性の向上のため、熱交換器表面に凹凸を設けて-OH基を有する面積をフィン表面に増加させ、親水性を高める。また熱交換器表面の-OH基の存在量を調節することで、熱交換器表面に親水性の部分を与えることができ、熱伝達性能の向上を可能とする。以上により、機器や装置の省エネにつながり環境保護に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態１を示す冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示す蒸発器熱交換器の詳細図である。
【図３】この発明の実施の形態１を示す蒸発器熱交換器の着霜時の説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１を示す冷凍サイクルの着霜時の運転フロー図である。
【図５】この発明の実施の形態１を示す冷蔵庫の構造説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１の特性説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１を示す細孔を持った熱交換器の模式説明図である。
【図８】この発明の実施の形態１を示す陽極酸化処理の内容を説明する説明図である。
【図９】この発明の実施の形態２を示すスリットを持つフィンの概略図である。
【図１０】この発明の実施の形態３を示す蒸発器熱交換器の詳細図である。
【図１１】この発明の実施の形態３を示す表面状態の模式説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
実施の形態１.
この発明の実施の形態１の構成について、冷凍装置を例にして図を用いて説明する。図１は、冷凍装置の冷媒回路図である。この冷凍装置は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行う装置である。図において圧縮機１１、凝縮器１２、凝縮器用ファン１３を備え、膨張手段１４、蒸発器１５、蒸発器熱交換器用ファン１６が備えられている。装置内には冷媒が充填されている。この凝縮器１２、蒸発器１５を利用してエアコンや除湿機などの空調機、冷凍庫や冷蔵庫などの低温機器、給湯機器などを高い効率で運転させることができる。
【００２０】
装置内の冷媒は圧縮機１１で圧縮され、高温高圧となって凝縮器１２へと流れ込む。冷媒は凝縮器１２で放熱し液冷媒となり、その後、膨張手段１４により膨張され気液二相の冷媒となる。蒸発器１５では冷媒は周囲空気から吸熱を行い、気体となって圧縮機１１へと戻る。なおフロン系冷媒やＨＣ冷媒の場合、凝縮が起こりガスと液の冷媒が存在するためガスを液に凝縮する凝縮器１２としたが、ＣＯ２のように超臨界圧冷媒の場合は熱を放熱する放熱器１２となる。
【００２１】
図２に図１の蒸発器１５の詳細を示した。ここでは冷凍装置や空調機に広く利用されているフィンチューブ式の熱交換器を示した。凝縮器１５は主として複数の熱交換フィン２１と複数の伝熱管２２とで構成されている。このフィン２１は所定の間隔で複数枚積層されており、各フィンに設けた貫通穴を貫通するように、伝熱管２２が設けられている。伝熱管２２を通じて流れ込んだ液冷媒が気化することで吸熱を行い、外部の空気とフィン２１を介して熱交換する。フィン材は加工しやすく熱伝導率のよいアルミ板がよく用いられる。空気との熱交換過程を効率的に行うため、蒸発器１５にはフィン２１に向かって平行に設けられた蒸発器用ファン１６により空気が送り込まれる。なおここでは平行な板状フィンで説明するが、例えばコルゲート式のフィンなどであっても同一の動作と効果を生ずる。
【００２２】
例えば冷蔵庫では蒸発器１５に流れ込む空気温度は約−１５℃、蒸発器１５内の液冷媒の蒸発温度は約−２０℃である。フィン表面は０℃以下であり、フィン２１上では流れ込む空気中の水蒸気により着霜が生じる。着霜により、図３のようにフィン２１間が霜層３１で閉塞され風量が減少し、空気との熱交換量が低下し、冷却性能が悪化する。図３のイは熱交換器要部を斜めから見た図、ロはイのＡ−Ａ断面図である。図４にフィン表面に着霜が生じる際の一般的な冷凍サイクル装置の運転動作プロセスを示す。
【００２３】
上記フィンに生成した霜層３１を除去するため、装置は除霜（デフロスト）運転を行うが、例えば冷蔵庫では蒸発器１５周辺にヒーターを置き、ヒーターを加熱することで霜層３１を融解させる。図５に冷蔵庫の構造説明図を示す。冷蔵庫本体の庫室の背面側に図示されていない圧縮機など冷媒回路が設けられ、これに接続される蒸発器１５である冷却器５１を通過して冷却された冷気が送風機にて冷蔵庫本体内の各庫室、冷凍室、冷蔵室、野菜室などへ循環して収納された食品を冷却して高い温度となった空気は再び冷却器１５に戻り冷却される構造である。
【００２４】
融解した霜は除霜水となりフィンをつたって重力方向に落下し、蒸発器１５である冷却器５１から排水路５２を通して下部に設置されているドレンパンに集められ外部へと蒸発させられ流出する。
【００２５】
例えば冷蔵庫では図５に示すように重力方向に排水路５２を持つ排水構造となっており、ドレンパン５３は冷却器５１の下部に設置されている。
【００２６】
この時、除霜水をフィン２１上に残したまま図４に示すように再び冷凍装置の運転を開始すると、フィン２１上に残った除霜水が起点となって霜が発生する。そのために確実にフィン２１表面から除霜水を除去することが重要となる。すなわち冷蔵庫の場合、例えば図４のように、冷蔵庫に電源が入れられ、あるいは、圧縮機が動作するなどにより、冷却運転がスタート（Ｓ０１）し、冷蔵庫の野菜室などから発生する湿気が冷却器５１にふれると霜となり伝熱面に付着する（Ｓ０２）。冷却器に着霜すると冷気の循環を妨げ、あるいは熱伝達率を低下させて冷蔵庫を冷やすという本来の冷却性能が低下するので（Ｓ０３）、一定時間ごとに、あるいは冷却器５１に霜がついたことを温度などで検知したらヒーターを加熱する等により除霜（Ｓ０４）を行う。
【００２７】
以下に図４に示す除霜の時間を短縮するため、フィン表面に細孔を設けて熱交換器の水切り性を向上させる手法について述べる。初めに液滴の表面エネルギーの影響を考察する。
【００２８】
半径rの水滴に対して表面エネルギーを加味したときの水滴の平衡蒸気圧pは以下の式で与えられる。
【００２９】
【数１】
2010175131.tif 000003
【００３０】
ここでkはボルツマン定数、Tは温度、peは平らな平面を持つマクロな水滴の平衡蒸気圧、vは分子１個の体積、γ  は表面エネルギー密度を表わす。
【００３１】
図６は特性説明図であって、このイはT  =0  [℃]としたときのp/  peを水滴の半径rの関数として表わした図である。但し、γ  =76  [erg/cm2]、v  =3*10-23  [cm3]（水の0℃における物性値）を用いた。なお図６に示したp/  peの水滴半径r依存性はTを変化させても（例えばT=-10,10  [℃]としても）、値は大きく変化しない。
【００３２】
図６のロは水滴径が大きいときの水滴外周部７３における水滴の平衡蒸気圧を説明する図である。図６のイに示すように、半径rが大きくなるにつれp/  peが１に漸近している。図６ではr=1000  [nm]までしか記載していないが、r>1000  [nm]ではp/  peはほぼ１となる。これは細穴を開けた表面に付着した水滴の半径r>1000  [nm]の水滴は、図６のロに示すように細穴の無い平面に付着したマクロな水滴の平衡蒸気圧と等しいことを意味する。
【００３３】
一方、図６のハは水滴径が小さいときの水滴外周部７３における水滴の平衡蒸気圧を説明する図である。水滴半径がr<1000  nmではp/  peが１以上となっている。p>  peとなることから、水滴の平衡蒸気圧が平面で与えられるマクロな水滴の平衡蒸気圧より大きくなる。これは液滴が小さくなることで、体積に対する表面積の占める割合が大きくなり、表面エネルギーの不利を受けるため、液滴中の水分子が不安定となるため生じる。
【００３４】
以上を模式図６に示すように、例えば空気温度２℃、相対湿度８０％の空気中に水滴が存在しているとき、水滴の表面ではpe=564  Paで空気から水蒸気分が流入している。一方でこの水滴が半径r0で安定に存在しているとき、水滴からもpeで水分が蒸発し、流入量と流出量がつりあっている。
【００３５】
一方で径が小さい水滴では上記表面エネルギーの影響により、peで流入する水蒸気以上の水分が水滴内から流出し、水滴径r0はだんだんと小さくなる。
【００３６】
つまり、半径の小さい液滴を安定に生成させるためには、その液滴が平面を持つマクロな水滴としたときに得られる平衡蒸気圧pe以上の蒸気圧を与える必要がある。
【００３７】
図７に表面に100  nmの径の細孔７２が多数存在しているときの状況を模式的に示した。100  nmの径の細孔内に存在できる水滴径は100  nm以下で、この時、図６よりp>1.01  peとなる。
【００３８】
このような細孔７２上部に除霜水７１が来たとき、細孔７２上部では除霜水７１（マクロな水滴）が安定に生成しており、その平衡蒸気圧はpeである。しかし細孔７２内で液滴が生成するためには、peの1.01倍以上の蒸気圧を必要とする。つまり、水滴は細孔７２内では安定に存在できないため、細孔７２内には除霜水７１は侵入できず空気層で満たされる。
【００３９】
結果的に図７のように空気層を内部に有する細孔７２が多数表面上に存在するとき、除霜水外周部７３は空気層を内部に有する細孔７２と接することになる。
【００４０】
除霜水７１の外周部７３と空気層を内部に有する細孔７２とが接するとき、水の表面張力が大きいため、除霜水７１は細孔７２上で留まることはできず、空気層から離れようとする。この効果により、除霜水外周部７３は空気層を持つ細孔７１と触れている限り、細孔７１上では留まらずフィン２１表面から重力方向へと流れ落ちていく。
【００４１】
より効率的に除霜水７１を排除するためには、図７に示すように重力方向にフィン２１の最下部まで空気層で満たされた細孔７２を空けておく事が重要となる。図７のイはフィン２１の表面に除霜水７１が付着した説明図であり、同図ロは横から細穴７２を見た説明図、同図ハは除霜水が重力で下方に流れやすい構成を説明した図である。
【００４２】
また排除時間をより短くするためには図７ニ、ホに示すように重力方向にフィンが長い熱交換器よりもむしろ重力方向にフィンが短く重力と垂直方向に長い熱交換器が有効である。このような熱交換器として例えば冷蔵庫に利用されている冷却器が挙げられる。したがって、例えば冷蔵庫などでは冷却器として重力方向にほぼ並行なフィンを設け、横幅が高さ方向幅より大きな熱交換器とすると良い。更に、伝熱面の下端部まで細孔が存在することで重力により流れる除霜水が霜により停留することなく伝熱面からの水切りがスムースに行われる。
【００４３】
以上のことから、表面エネルギーの不利が顕著となる小さな径の細孔をフィン表面に多数設けることで、除霜水の排出を促すことができフィンの水きり性能を向上させることができる。これによりデフロスト時間の短縮が可能となり、装置の省エネ化が可能となる。このような細孔は図６に示すように径が小さいほど大きな蒸気圧が必要なため、より安定に細孔７２内では空気層が得られる。
【００４４】
なおフィン表面の細孔の数は上記では限定していないが、細孔の数が多いほうが水切りの効果は上記で説明したように高いといえる。また細孔はフィンを貫通していても問題ないが、フィンの強度を考えると貫通穴より一端封じの細孔でその深さも数nm以上空いて入れば効果が十分に得られるといえる。
【００４５】
例えば熱交換器表面にナノオーダーの穴を空ける手法として、陽極酸化法が挙げられる。陽極酸化法とは処理対象となる金属を陽極とし、不溶性電極を陰極として電解質溶液中で直流電解操作を行うものである。陽極酸化処理に関する説明図を図８に示す。図８のイは陽極酸化処理を行う装置の模式図、図８のロは一般の陽極酸化処理工程を示す。装置において電解溶液８３を充填した液槽内に、陰極８１の間に陽極８２である処理対象物、例えばフィン板のようなアルミ板を設置し、チョッパー電源のような電圧可変な直流電源から電圧を印加しあらかじめ設定された電流になるように制御し、設定された時間通電すると良い。なおこの陽極酸化処理（Ｓ１６）の前、先ずフィン板のような処理対象物に対し表面洗浄として、一般に脱脂（Ｓ１０）、水洗い（Ｓ１１）、フィンプレート表面に形成された自然酸化膜を除去するアルカリエッチング（Ｓ１２）、水洗い（Ｓ１３）、ウェットエッチングで表面に生成した不純物である反応物を除去するデスマット処理（Ｓ１４）、水洗い（Ｓ１５）が行われる。この後本発明の処理対象物を例えば２０℃に制御した０．５Ｍ−Ｈ２ＳＯ４電解溶液中に浸し、例えば３０分程度の定電流制御により陽極酸化処理し、その後にはイオン交換水での水洗い（Ｓ１７）とブロワー水切りを行い、直ちに１５０℃に加熱しておいたオーブンに入れ６０分間の熱処理（Ｓ１８）を行い徐冷させる。これにより表面に形成された細穴を安定させることができる。なお上記で説明した例のような熱処理を行わなければ細穴は短期間で崩れてくるし、またアルマイト処理の場合は細穴を塞ぐ沸騰水や水蒸気中などの熱処理を行うが、本発明での熱処理は長期間使用状態で安定する細穴を維持するためのものである。
【００４６】
図８のイに示すように陰極８１と陽極８２とが通電することで、陽極の金属の表面が酸化し、金属の一部がイオン化して電解質溶液８３中に溶解する。特にアルミニウム、ニオブ、タンタルなどが陽極酸化法により酸化皮膜を持つ。この酸化皮膜は電気伝導率が悪いため、陽極酸化処理が進むにつれ、金属酸化物が素地上に形成され、規則正しく成長した細孔構造ができる。細孔の深さは電圧を印加する時間によって決まるが、先に述べたように貫通しない程度が強度の面からよいといえる。図８のイの装置構成ではフィン単体の模式説明を行ったが、熱交換器全体に対し陽極酸化を行っても良い。例えば熱交換器のフィンに対し風が通る方向に熱交換器の中心軸を設け、この中心軸の中心線に対し風をさえぎる位置の両側に平板上のカーボン板を複数の陰電極として設置して陽極酸化を行う。フィンや熱交換器外回り全体のアルミ部分に形成された本発明の細穴は、空気中の水分が０℃以下に冷却された蒸発器熱交換器にふれて水滴となり着霜することを防ぐものであり、付着した水滴を直ちに重力により滴下させるため、フィン表面等に細孔を設けることでフィンの水きり性能の向上を図る。このため１００ｎｍ以下の径の細穴を設ければよく、陽極酸化処理は時間を長く取ると穴が崩れ径が大きくなるのでこの処理の時間を設定し時間を制限することにより、１００ｎｍ以下の径の細穴は容易に形成できる。また、できるだけ熱交換器全体に対し均等に細穴を開けるように陰極位置を設定したとしても、積層されたフィン等という構造上の問題で、ばらつきが生じ１００ｎｍ以下であっても１０ｎｍ程度以上というように穴径がばらついて生成し、穴径の数倍か数十倍のピッチで分布する細穴を得る可能性はあるが、特別な治具なしに容易に細穴を形成できる。この発明の細孔は、穴の中に空気層があり、かつ、水滴が複数の孔にかかる程度の穴の分布があれば水切りが行えるので、特に孔を深くしたり孔の径をより小さくする必要が無く、簡単な試行により陽極酸化条件を設定できるので製造は容易である。
【００４７】
また、酸化皮膜は熱伝導率も悪いので、表面と空気との熱交換を悪化させるため、必ずしも深い穴を空けることが良いとはいえない。しかし、本質的には貫通した穴に対しても、上述の効果は変わらない。１ミリよりも小さい極端に薄い板厚のフィンを持った熱交換器に対しては、貫通した穴を空けてもよい。またフィンに空ける穴はナノサイズであるため、経年的にごみやちりによって穴が埋まることはない。
【００４８】
また冷蔵庫等の冷却器は伝熱管を含めすべてアルミニウムでできているため、陽極酸化処理を行う際は、熱交換器全体を陽極酸化処理することで熱交換器表面のいたるところにナノサイズの細孔を設けることができ、熱交換器全体の水きり性能の向上が見込まれる。意図的に伝熱管２２の内部など酸化処理を行わない部分にはマスキングして陽極酸化処理を行えばよい。
【００４９】
実施の形態２.
この発明の実施の形態２の構成について、以下で説明する。フィン水きり性の向上は熱伝達やフィン間の閉塞など熱交換器の性能向上につながることは実施の形態１で述べたが、水切り性向上には表面を親水性にすることで得られることが一般的に知られている。なお実施の形態１の図１ないし図７にて説明した構成、動作はこの実施の形態２でも同様な構成、動作である。
【００５０】
また金属表面の親水性は表面上の親水基によって得られる。親水基の具体例として-OH基や-O基がある。特に-OH基は親水性が高く、-OH基が表面にあると表面の水滴は濡れ性が向上するため、水滴の接触角を小さくする目的で広く用いられている。また表面の-OH基が増加すればするほど、表面の親水性はさらに向上する。
【００５１】
通常の蒸発器で用いられるアルミニウムに対して、-OH基を得るため表面を酸化処理する手法としては化成処理があり、たとえばベーマイト処理や陽極酸化処理、例えばアルマイト処理がある。これらの酸化処理によりアルミ板の表面は-OH基となり、更に熱処理を加え-O基となったとしても親水性は維持される。
【００５２】
アルマイト処理は実施の形態１で述べたが、ベーマイト処理はアルミを高温水や加圧水蒸気中で処理して表面に-OH基を生成させる化学処理で、アルミ表面に酸化皮膜を生成する。
【００５３】
両処理においても表面により多くの-OH基を付与するためは、熱交換器のサイズにより制限されるフィンの縦横の寸法を維持したままフィン板表面に設けた凹凸により表面積を増やすことが効果的である。また、フィン等に設けた穴を利用することで、フィン表面の-OH基を有する面積を増加させ、フィン表面等の親水性を一層向上させ、フィン等の水切り性を高める。ここで説明する凹凸や穴は、陽極酸化などによる細穴加工、治具を使用した機械加工、レーザーなどによる穴加工、プレスによる変形加工等様々なもので良く、また、穴の大きさは大きく、深いほど熱交換器のサイズはそのままでも伝熱面の空気がふれる表面積増加に有効である。
【００５４】
このフィンの表面積を増やす手法として、陽極酸化処理法が挙げられる。実施の形態１でも述べたが、アルミニウムを陽極酸化処理すると微細若しくはある程度径の大きな穴を数多く分布させて設けることができる。この生成した穴の表面に対しても陽極酸化処理によって-OH基は生成しており、-OH基を表面に持つ量を増加させることができる。
【００５５】
この-OH基に対して、熱処理などで表面の酸化膜を安定化させれば親水性が向上した熱交換器を作成でき、熱交換器の水切り性を向上させることができる。
【００５６】
上記親水処理法の利用方法として、図９に示すように、例えば空気との熱交換を効率的に行うようフィン９２にスリット９１を持つ熱交換器に対しても有効である。スリットフィン９２は空気との熱交換を積極的に行わせるためにスリット９１をフィン９２上に持つ。この時、スリットの立ち方と空気流れ方向、重力方向の関係は図９イ、ロに示すような位置関係である。
【００５７】
スリット９１は上記記載の効果を生むが、スリット９１部では熱交換量が多いため凝縮液滴の生成量が多い。そのためスリットフィンではしばしばスリット部に凝縮水滴が停滞し、風路を塞ぐことが起きる。
【００５８】
スリット９１の効果を継続的に得るために、図９ハのようにスリット９１部に穴９３を空けて表面積を増やすことで親水性が増し、排水性の向上が見込まれスリット９１が凝縮水滴発生時にも効果的に機能する。図８のようにフィン全体に陽極酸化処理による細穴を開けてから、スリットをプレス加工で形成させても良いし、スリット周囲位置を除きマスキングしてスリット部に細穴を形成させるものでも良い。
【００５９】
また設ける穴径を通常室内や室外で想定されるごみやちり等の径に比べて十分に小さくすることで、穴が塞がることはなく、経年的に効果を維持できる。大きな穴を加工したり凹凸により親水性を有する表面積を増やすことにより水きり性のよい熱交換器が得られる。
【００６０】
本発明の熱交換器の種類は以上の説明に限るものではなく、例えば自動車に使われている空調機のコルゲートフィンにも適用可能である。またこの発明の蒸発器を使用する冷凍サイクルを利用した冷凍倉庫や給湯装置、あるいは除湿機などの空調機など多くの装置にも適用可能である。
【００６１】
実施の形態３.
この発明の実施の形態３の構成について、図を用いて説明する。図１０に実施の形態１で示した図１、２の蒸発器１５のフィン２１及び伝熱管２２の一部を示した。
【００６２】
フィン２１が空気露点温度以下に冷却されているとき、フィン表面では空気中の水蒸気が凝縮して水滴となる。この時フィン表面が親水性であると接触角が小さくなるため膜状凝縮が起き、水膜１０１がフィン２１表面上に生成する。
【００６３】
一方、フィン表面が親水性でなく撥水性若しくは親水処理のされていない金属面では、接触角が大きいため表面では滴状凝縮が発生し、水滴１０２がフィン２１表面上に生成する。
【００６４】
一般的に滴状凝縮の方が膜状凝縮より凝縮熱伝達は大きく（１０倍程度）、熱交換器で滴状凝縮が実現されると熱交換量の増加が見込まれる。例えば蒸発器１５が除湿器として運転する時には凝縮による熱交換量が支配的となるので、効率的な運転に滴状凝縮が重要といえる。
【００６５】
ただしこの効果はフィン間の間隔にも依存する。極端にフィンピッチが狭い熱交換器に対しては表面上に滴状の凝縮水滴が存在すると、フィン間の風路抵抗となり、蒸発器用ファン１６への入力が大きくなったりファンの騒音の問題も発生する。
【００６６】
そのために滴状凝縮に加え排水を促すことで熱交換量の増加につながる。つまりフィンに最適な親水度を与えることで凝縮熱伝達の高い熱交換器が実現できる。親水度として捕らえることが難しい場合には、親水の部分と撥水の部分を混在させるように、最後の熱処理の際フィンなどに熱湯につける熱処理を行い、この熱処理を行う範囲を限定するなどのほう甫江が可能である。
【００６７】
例えば冷蔵庫の冷却器ではフィンピッチが列ごとに異なるため、各位置で最適な親水度があると予想できる。
【００６８】
以下にフィン表面の親水度を調節する手法を述べる。
【００６９】
図１１に親水性のアルミニウムフィン表面の分子状態を模式的に示した。実施の形態２でも述べたが、表面に-OH基が存在するとき表面は親水性となり、表面の水滴は濡れ性が向上する。熱処理を十分加えることにより−OH基が−O基に変化するが、この−O基も−OH基ほどではないが親水性がある。
【００７０】
表面に-OH基を与える手法として、例えばベーマイト処理では表面に安定な水和酸化物を生成させることできわめて高い親水性を得ている。
【００７１】
また実施の形態１で述べた陽極酸化処理では、処理過程で図１０に示すようにアルミフィン表面上の表面水酸基-OH基を熱処理し-OH基を水H2Oとして取り出し、表面に-O基を持たせて安定化させている。
【００７２】
図１１では表面すべての-OH基を熱処理により-O基に変換しているが、熱処理の時間を調節することで、表面上に-OH基を適量残すことが可能である。例えば熱処理時間を短くすることで表面の-OH基を一部だけ-O基に変換させ、フィンの親水性を一部は維持できる。
【００７３】
また、図１０では親水性の水膜と撥水性水滴が混在する状態を示すが、これらは酸化処理時にマスキングするなどで簡単に製造できる。またこのフィンの風上側と風下側で熱処理時間を調節（-OH基を調節）する方法もある。あるいは、フィンピッチの大小で区分けしても良い。一般的に風上側では熱伝達率が高いため、膜状凝縮が起きても熱交換量の減少は少ないが、風下側では滴状凝縮とすることでフィンの熱交換量を一層増加させることが可能となる。これにより水切り性を向上させ、かつ、熱伝達性能の向上を図ることができる。
【００７４】
このような-OH基の調整方法により目的とした親水度の熱交換器が作成可能となり、またフィン表面で親水度に分布を持たせることができ、熱交換器の性能向上につながる。この-OH基を一部だけ-O基に調整する方法として、陽極酸化処理後の熱処理時間を調整する、あるいは、対象物の一部だけ熱処理温度条件、あるいは熱処理の環境を変える、すなわち対象物の一部をマスキングする、熱湯を付けるところと付けないところを区分けするなど、陽極酸化処理の際などの熱処理対策に対し、対象物の形状、大きさ、適用する装置の構造に応じて親水の部分と撥水の部分を混合して設ける構造とすればよい。
【００７５】
本発明の熱交換器は、冷凍サイクルを実行する装置内の熱交換器内の空気と熱交換を行う伝熱面に、表面エネルギーが影響を与える液滴径以下の細孔を設け、上記細孔内を空気層で満たし、フィン表面上の除霜水の排水を促す、また熱交換器全体に細穴を設けることにより、この熱交換器を冷却器に使用する際の冷却器にふれて凝縮した水滴の水切りが簡単に行え、熱交換性能を向上させる装置が得られる。
【００７６】
本発明の熱交換器は、冷凍サイクルを実行する装置内の熱交換器内の空気と熱交換を行う表面上の-OH基の数を調節することで、この表面の親水性を熱交換器表面に与える。また、空気の流れの風下側やあるいは風上側の-OH基を調節することにより、この熱交換器を冷却器に使用する際の冷却器にふれて凝縮した水滴の水切りが簡単に行え、熱交換性能を向上させる装置が得られる。
【００７７】
本発明の熱交換器は、冷凍サイクルを実行する装置内の熱交換器内の空気と熱交換を行う表面上の親水性向上のため、熱交換器表面に多くの穴を設け、この凹凸により、熱交換器の表面積を増加させ、熱交換器表面上に存在する-OH基を増加させる。また伝熱フィンにスリットを持つスリットフィンを設け、前記スリット部分近傍に親水性向上のため穴を多数持たせることにより、熱交換性能を向上させる装置が得られる。
【００７８】
本発明を利用すれば、空気と熱交換する熱交換器の水切り性が向上し、表面上に生じる除霜水の排水性向上につながる。特に冷凍サイクルシステムでは、除霜時間を短縮することで省エネが得られる。また熱交換器表面を目的とする親水度とすることで凝縮熱伝達の高い熱交換器が実現でき、機器の熱交換量向上が見込まれる。さらに熱交換器表面の表面積を増加させることで親水性が一層向上し、業務用冷凍庫や家庭用冷蔵庫などの冷凍装置やエアコン、除湿機などの冷凍・空調装置にとって省エネにつながる。
【００７９】
本発明に係る熱交換器を有する冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器を接続し、冷媒を循環させる冷媒サイクルと、蒸発器に空気を送風する送風手段と、蒸発器を構成する熱交換器表面に細孔を設け、その細孔径は表面エネルギーが影響を与える液滴径以下とし、上記細孔内を空気層で満たし、フィン表面上の除霜水の排水を促すことにより、水切り性能を向上させて熱伝達効率の良い装置が得られる。
【００８０】
また本発明に係る熱交換器を有する冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器を接続し、冷媒を循環させる冷媒サイクルと、蒸発器に空気を送風する送風手段と、蒸発器を構成させる熱交換器表面の親水性向上のため、熱交換器表面に穴を設けて、熱交換器の表面積を増加させるので、性能の良い装置が得られる。
【００８１】
また本発明に係る熱交換器を有する冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器を接続し、冷媒を循環させる冷媒サイクルと、蒸発器に空気を送風する送風手段と、蒸発器を構成させる熱交換器表面上の-OH基の数を調節することで親水性を熱交換器表面に与え、水きり性能を向上させることができる。
【００８２】
この発明は、０℃以下に冷却される蒸発器熱交換器フィンに対して、フィン表面に細孔を設けることでフィンの水きり性能の向上を図る。また、フィンに設けた穴を利用することで、フィン表面の-OH基を有する面積を増加させ、フィン表面の親水性を一層向上させ、フィンの水切り性を高める。さらに、蒸発器熱交換器フィンが空気露点温度以下に冷却される際に、フィン表面に凝縮水滴が発生するが、凝縮熱伝達を向上させるため、フィン表面の-OH基の存在量を制御してフィン表面の親水状態を最適にすることで、フィンを任意の親水度にして凝縮熱伝達を向上させる。
【００８３】
この発明により、熱交換器の水切り性が向上し、熱交換器に生じる除霜水の排水を促すことが可能となり、デフロスト時間の短縮が可能となる。特にこの効果を低温機器、例えば冷蔵庫の冷却器に設けることでデフロスト時間の短縮によって、省エネをはかることができる。また水切り性の更なる向上のため、熱交換器表面に穴を設けて-OH基を有する面積をフィン表面に増加させ、親水性を高める。また熱交換器表面の-OH基を調節することで、目的とする親水性を熱交換器表面に与えることができ、凝縮熱伝達の向上を可能とする。以上の効果により、機器の省エネにつながる。
【符号の説明】
【００８４】
１１  圧縮機、１２  凝縮器、１３  凝縮器用ファン、１４  膨張手段、１５  蒸発器、１６  蒸発器用ファン、２１  伝熱フィン、２２  伝熱管、３１  霜層、５１  冷却器、５２  排水路、５３  ドレンパン、７１  除霜水、７２  空気で満たされた細孔、７３  除霜水外周部、８１  陰極、８２  陽極、８３  電解溶液、９１  スリット、９２  スリットフィン、９３  穴、１０１  水膜、１０２  水滴。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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