(57)【要約】【課題】チューブにおける着霜を抑制し、より効率的に運転することが可能なフィンチューブ式熱交換器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかる熱交換器１００の構成は、空気との熱交換を行うフィン１０４を備えるフィンチューブ式熱交換器であって、フィン１０４は、空気の進行方向の上流側の縁１０４ａ近傍に、縁１０４ａと並行に形成された複数本の線状の凸部１０６を有し、フィン１０４の間隔（フィンピッチ１００ａ）が４ｍｍ〜８ｍｍに設定されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気との熱交換を行うフィンを備えるフィンチューブ式熱交換器であって、
前記フィンは、空気の進行方向の上流側の縁近傍に、該縁と並行に形成された複数本の線状の凸部を有し、
前記フィンの間隔が４ｍｍ〜８ｍｍに設定されていることを特徴とするフィンチューブ式熱交換器。
【請求項２】
前記凸部は、前記フィンの空気の進行方向の下流側の縁近傍にも形成されていて、
前記凸部の数は、前記フィンの下流側よりも上流側の方が多いことを特徴とする請求項１に記載のフィンチューブ式熱交換器。
【請求項３】
前記複数本の凸部は、空気の進行方向で間隔をあけて配置され、
前記凸部の上面に幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部を有し、
前記凸部の平面部の間隔が１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、
前記凸部の高さは５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のフィンチューブ式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気との熱交換を行うフィンを備えるフィンチューブ式熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気と熱交換を行うヒートポンプ式の空調機や冷凍機が提供されている。このようなヒートポンプでは、例えば空調機であれば冬期には冷たい空気からさらに熱を吸収することになり、熱交換器に着霜を生じる。また冷凍機であれば目的の低温を生成するために氷点下まで熱交換器を冷却するため、やはり熱交換器には着霜を生じる。霜層は熱伝導率が低いために断熱材となり、ヒートポンプの動作効率が低下する原因となる。このため、着霜すると除霜する必要がある。
【０００３】
従来のヒートポンプの除霜運転は、着霜の程度を冷媒圧力等で検知すると、いったん動作を停止し、冷凍サイクルを逆に動作させ、ホットガスにより解氷している。また、冷媒を逆回転させることによって蒸発器を凝縮器として動作させることにより解氷している場合もある。特許文献１には、四方切替弁によって熱交換器の機能を逆転させるように冷媒の流れ方向を切り替えて除霜運転を行う冷凍サイクル装置が開示されている。
【０００４】
しかし、ヒートポンプの除霜運転に際して特許文献１のように冷媒を逆回しする場合には、本来の動作を間欠的に停止する必要があり、連続運転できないという問題がある。また、除霜のための熱を本来の動作の相手方から吸収することはできないため（例えば、暖房運転中の除霜運転で、室内空気の熱を吸収するわけにはいかない）、除霜するための熱量はもっぱらポンプ仕事に頼ることになる。このときのＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）は１であるため、ヒートポンプの全体的なＣＯＰが低下する要因となっている。
【０００５】
ところで、着霜は熱伝導率を低下させるという問題はあるものの、凝固熱を取得できるという点においては価値がある。暖房時のヒートポンプは、空気および湿分の顕熱のほか、湿分の凝縮熱及び凝固熱（いずれも潜熱）を使っている。発明者らが行った試験では、この潜熱は全交換熱量の最大40％を占めるという結果になった（相対湿度50〜80%時に0〜40％）。
【０００６】
このことから、仮に着霜を全く生じないとすると、ヒートポンプが得られる熱も不足してしまうと考えられる。したがって、霜を熱で解氷するのではなく、機械的（物理的）に着霜を除去することができれば、エネルギーの損失がなく、凝固熱を最大限有効に利用できる可能性がある。しかし凝固した氷の結晶は固く、機械的に除去することは容易ではないことは周知の通りである。
【０００７】
そこで発明者らは、着霜した霜を機械的に容易に除去することができる熱交換器を開発した（特許文献２）。特許文献２の熱交換器では、熱交換器のフィンの表面に微細な凸部および凹部を形成している。これにより、凸部の上面の平面部の上に垂直方向に霜結晶が成長し、凹部の上は間隙となる。この結果、フィンには、全体として櫛歯状の霜結晶が形成される。このような形状の霜結晶は構造的に弱いため、例えばブラシやスクレーパーなどを用いた械的な除去手段で容易に払い落とすことができる。したがって、特許文献２によれば、熱交換器において、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１０９０６３号公報
【特許文献２】特許第５９８９９６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２の技術によれば、フィンに着霜した霜を効率的に除去することができ、熱交換器の長時間の連続運転が可能となる。しかしながら、特許文献２の技術であると、フィンチューブ式熱交換器において、フィンへの着霜には対処できるものの、チューブへの着霜については検討されていない。フィンチューブ式熱交換器では、チューブにおける熱交換割合も大きい。このため、チューブにおける着霜を改善できれば、より効率的な運転が可能となる。したがって、特許文献２に技術には更なる改良の余地があった。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑み、チューブにおける着霜を抑制し、より効率的に運転することが可能なフィンチューブ式熱交換器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明にかかる熱交換器の代表的な構成は、空気との熱交換を行うフィンを備えるフィンチューブ式熱交換器であって、フィンは、空気の進行方向の上流側の縁近傍に、縁と並行に形成された複数本の線状の凸部を有し、フィンの間隔が４ｍｍ〜８ｍｍに設定されていることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、空気が熱交換器を通過する際、空気中の水分がフィンに形成された線状の凸部で垂直方向に霜結晶に成長する。このような形状は構造的に弱いため、機械的な除去手段で容易に払い落とすことができる。このとき、線状の凸部がフィンの上流側の縁近傍に設けられていることにより、霜結晶は、フィン全体ではなく、その上流側の縁近傍に形成される。すなわち霜結晶は、ブラシ等が届きやすい範囲に形成される。したがって、フィンに付着した霜をブラシ等によって効率的に除去することが可能となる。
【００１３】
また上記構成では、フィンの間隔を４ｍｍ〜８ｍｍに設定する。フィンの間隔が４ｍｍ未満、すなわちフィンの間隔が狭いと、フィンに付いた霜によってフィン同士の隙間が閉塞してしまい、熱交換器の熱伝達率が低下してしまう。一方、フィンの間隔が８ｍｍを超える、すなわちフィンの間隔が広いと、フィンでの空気の除湿が不十分となり、湿気を含んだ空気がチューブに到達する。このため、チューブにおける着霜が生じやすくなってしまう。そこで上記構成のようにフィンの間隔を４ｍｍ〜８ｍｍに設定することにより、フィンの隙間の閉塞およびチューブにおける着霜を好適に抑制することができ、熱交換器において良好な熱伝達率を得ることが可能となる。
【００１４】
上記凸部は、フィンの空気の進行方向の下流側の縁近傍にも形成されていて、凸部の数は、フィンの下流側よりも上流側の方が多いとよい。空気中の水分が主に結晶化する上流側の凸部の数を多くすることにより、水分の結晶化を促進し、効率的に凝固熱を吸熱することができる。そして、下流側では、上流側を通過した空気に残っている水分が更に結晶化される。
【００１５】
上記複数本の凸部は、空気の進行方向で間隔をあけて配置され、凸部の上面に幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部を有し、凸部の平面部の間隔が１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、凸部の高さは５０μｍ以上であるとよい。
【００１６】
かかる構成のように、凸部の上面に平面部が設けられていることにより、凸部の上面における霜結晶の法線方向への成長を促進することができる。平面部の幅は、過冷却液滴の大きさより大きい１００μｍ以上であることが好ましく、機械的除去のための剛性を考慮して５００μｍ以下であることが好ましい。また隣接する凸部の間への着霜を抑制するために凸部の平面部の間隔は１０００μｍ以下であることが好ましく、凸部の上の霜結晶同士が結合することを抑制するために凸部の平面部の間隔は１００μｍ以上であることが好ましい。
【００１７】
更に凸部の高さは５０μｍ以上であることが好ましい。凸部の高さは、すなわち複数の凸部の間の空間（以下、凹部と称する）の深さと一致する。凹部は熱伝達への寄与が少なく、霜結晶の分断に主な役割を有している。そして凹部への着霜を抑制するためには、凸部の高さが５０μｍ以上であることが好ましいためである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、チューブにおける着霜を抑制し、より効率的に運転することが可能なフィンチューブ式熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態にかかるフィンチューブ式熱交換器の構成を説明する図である。
【図２】フィンピッチと熱伝達率および圧力損失との関係を説明する図である。
【図３】図１のフィンの断面図である。
【図４】凸部および凹部の三面図と霜結晶の様子を模式的に示す図である。
【図５】第１実施形態の熱交換器の変形例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１は、本実施形態にかかるフィンチューブ式熱交換器（以下、熱交換器１００と称する）の構成を説明する図である。図１（ａ）は、熱交換器１００の全体斜視図であり、図１（ｂ）は、図１のフィン１０４の平面図である。
【００２２】
図１（ａ）に示す熱交換器１００は空気（外気）と熱交換を行うものであって、不図示のファンなどによって気流が通過するフィンチューブ式の熱交換器である。熱交換器１００は、チューブ１０２およびフィン１０４を備える。チューブ１０２には、冷媒が不図示のポンプ、凝縮器、膨張弁を通って循環している。フィン１０４は、空気との熱交換を行う伝熱部材である。フィン１０４は銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属によって形成され、チューブ１０２に拡管接合されており、表面積を増やすことによって空気との熱伝導率を高めている。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、フィン１０４には、空気の進行方向の上流側の縁１０４ａ近傍に、縁１０４ａと並行に複数本の線状の凸部１０６が形成されている。凸部１０６は、フィン１０４の上流側の縁１０４ａと並行に上下方向に線状に延びている。凸部１０６はプレス加工を行うことにより好適に形成することが可能である。なお、フィン１０４には、縁よりも内側の領域に、上述したチューブ１０２が挿通される挿通孔１０３が形成されている。
【００２４】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の熱交換器１００では、複数のフィン１０４が間隔をあけて配置されている。このとき、本実施形態の特徴として、隣接するフィン１０４同士の間隔、すなわちフィンピッチ１００ａは４ｍｍ〜８ｍｍに設定される。
【００２５】
図２は、フィンピッチ１００ａと熱伝達率および圧力損失との関係を説明する図である。図２（ａ）は、フィンピッチ１００ａと熱伝達率との関係を説明する図である。図２（ｂ）は、フィンピッチ１００ａと圧力損失との関係を説明する図である。実施例は、上記説明したように縁に凸部１０６が形成されているフィン１０４を用いた熱交換器１００であり、比較例は、縁に凸部が形成されてないフィン、すなわちフラットなフィンを用いた熱交換器である。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、まず比較例では、フィンピッチを２ｍｍから広げていくにしたがって熱伝達率が向上していき、フィンピッチが約５ｍｍの場合に熱伝達率がピークに達する。このときの熱伝達率は、約６５Ｗ／ｍ２Ｋである。そして、フィンピッチを更に広げていくと、熱伝達率は低下していく。
【００２７】
次に実施例では、図２（ａ）に示すように、フィンピッチを２ｍｍから広げていくにしたがって、熱伝達率が飛躍的に向上していく。そして、フィンピッチが約４ｍｍのときに、実施例の熱伝達率が、比較例の熱伝達率のピーク値とほぼ同じ値となる。その後、フィンピッチを更に広げていくと、フィンピッチが約５ｍｍの場合に熱伝達率がピークに達する。このときの熱伝達率は、約７５Ｗ／ｍ２Ｋである。
【００２８】
熱伝達率がピークに達した後、更にフィンピッチを広げていくと、フィンピッチが約８ｍｍを超えたときに、実施例の熱伝達率が比較例の熱伝達率のピーク値を下回る。このことから、フィンピッチを４ｍｍ〜８ｍｍに設定することにより、比較例のピーク時よりも高い熱伝達率が得られることが理解できる。
【００２９】
なお、フィン１０４の間隔が４ｍｍ未満、すなわちフィン１０４の間隔が狭い場合、フィン１０４に付いた霜によってフィン１０４同士の隙間が閉塞してしまい、熱交換器１００の熱伝達率が低下してしまうものと考えられる。一方、フィン１０４の間隔が８ｍｍを超える、すなわちフィン１０４の間隔が広い場合、フィン１０４での空気の除湿が不十分となり、湿気を含んだ空気がチューブ１０２に到達してしまう。このため、チューブ１０２における着霜が生じやすくなり、熱伝達率が低下すると考えられる。
【００３０】
上記説明したように、本実施形態の熱交換器１００によれば、フィン１０４の間隔を４ｍｍ〜８ｍｍに設定することにより、フィン１０４同士の隙間が閉塞したり、チューブ１０２に霜が付着したりすることを抑制することができる。したがって、熱交換器１００において良好な熱伝達率を確保し、効率的な運転を行うことが可能となる。また図２から明らかなように、実施例では、いずれのフィンピッチにおいても比較例よりも高い熱伝達率が得られる。したがって、本実施形態のようにフィン１０４の縁１０４ａに形成された凸部１０６が熱伝達率の向上に寄与することが理解できる。
【００３１】
図２（ｂ）では、縁に凸部１０６が形成されている実施例（凹凸）の圧力損失を白抜きのマークでプロットし、縁に凸部が形成されていない比較例（フラット）の圧力損失を黒塗りのマークでプロットしている。図２（ｂ）に示すように、フィンピッチが、１．５ｍｍ、４ｍｍ、７ｍｍ、１０ｍｍのいずれの場合においても、実施例では比較例よりも圧力損失の値が低くなる（最大約２０Ｐａ）。このことから、フィン１０４の縁の凸部１０６が圧力損失の低下に寄与することが理解できる。
【００３２】
図２（ｂ）に示すように、熱交換器１００の運転開始時は、圧力損失はほぼ０Ｐａである。そして、運転時間が長くなるにしたがって、フィン１０４に霜が付着し始めることによりフィン１０４同士の隙間が塞がり始め、圧力損失が増大していく。そして、最終的には、フィン１０４同士の隙間が閉塞し、圧力損失が１１０Ｐａ前後となる。
【００３３】
このとき、例えばフィンピッチが７ｍｍの場合、比較例（フラット）では、運転時間５時間で閉塞しているのに対し、実施例（凹凸）では、運転時間６時間で閉塞している。このことから、本実施形態のようにフィン１０４の縁に凸部１０６を形成することにより、フィン１０４同士の隙間の閉塞を効果的に抑制することができ、熱交換器１００をより長い時間運転することが可能となる。
【００３４】
図３は、図１のフィン１０４の断面図である。図３に示すように、本実施形態の熱交換器１００では、複数の凸部１０６が、空気の進行方向で間隔をあけて配置されている。これにより、図３の拡大図に示すように、複数の凸部１０６の間にはそれぞれ凹部１０８が形成される。フィン１０４は薄板であるから、凹部１０８は反対側の面において凸部１０６を形成する。すなわち本実施形態では、フィン１０４の上流側の縁１０４ａ近傍には凸部１０６およびその間の凹部１０８からなる微細な波形状が形成されている。凸部１０６の上面には平面部１０６ａが形成されている。
【００３５】
図４は、凸部１０６および凹部１０８の三面図と霜結晶１２０の様子を模式的に示す図である。上記のような凸部１０６と凹部１０８が形成されていることにより、ここに着霜するときには、凸部１０６の上面の平面部１０６ａにもっぱら付着し、かつ、平面部１０６ａの法線方向に結晶が成長する。したがって、霜結晶１２０は凸部１０６を延長したようなリブ形状の薄板が配列した構造となる。なお、仮に凸部１０６の上面が丸く形成されていると、霜結晶１２０も放射状に成長する。したがって、霜結晶１２０を上方に向かって成長させるために（薄板状に成長させるために）、凸部１０６の上面に平面部１０６ａを形成することが重要である。
【００３６】
このような霜結晶１２０が形成されるメカニズム（理由）については、まだ未解明な部分も多い。推論も含めて説明すれば、まず空気中の湿分はフィン１０４に近づいたときに過冷却液滴となり、凸部１０６の平面部１０６ａに付着する。その過冷却状態が解除されると、液滴の内部で氷の結晶化が開始される（なお、約−４０度以下の低温になると、空気中で結晶化する）。結晶の上に次の過冷却液滴が付着すると、氷の結晶がエピタキシャル成長し、既存結晶の結晶構造を継承して新しい結晶が形成される。これにより結晶方向が揃った霜結晶１２０が形成され、平面部１０６ａの法線方向に向かって成長すると考えられる。
【００３７】
なお霜が凸部１０６の上面に付着して凹部１０８の内部に付着しないのは、凸部１０６の上面に過冷却液滴が付着することによって空気が乾燥してしまって、凹部１０８の内部には湿分がほとんど到達しないためと考えられる。
【００３８】
上記説明したように、本実施形態の熱交換器１００では、フィン１０４を通過することにより、空気中の水分がフィン１０４の凸部１０６において霜結晶１２０となる。これにより、空気中の水分がチューブ１０２に到達する前にフィン１０４において除去される。したがって、チューブ１０２における着霜を効果的に抑制することが可能となる。また上記のようにして形成された霜結晶１２０は、薄板であるから構造的に弱く、凸部１０６との接合面から折れやすいため、ブラシなどの機械的な除去手段によって容易に除去することができる。したがって、隣接するフィン１０４同士の間隙の閉塞を容易に防ぐことが可能である。
【００３９】
特に、上述した凸部１０６および凹部１０８は、フィン１０４の全面ではなく上流側の縁１０４ａ近傍に形成されている。このため、霜結晶１２０は、フィン１０４全体ではなく上流側の縁１０４ａ近傍のみに形成される。フィン１０４の上流側の縁１０４ａはブラシ等の除去手段（不図示）が届きやすい領域である。したがって、そこにのみ霜結晶１２０が形成されることにより、除去手段によって霜結晶１２０を除去することが可能となる。
【００４０】
更に本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、フィン１０４の上流側の縁１０４ａだけではなく、フィン１０４の空気の進行方向の下流側の縁１０４ｂの近傍にも凸部１０６が形成されている。これにより、フィン１０４の下流側においても空気中の水分が凸部１０６において結晶化する。したがって、水分が結晶化する際の凝固熱を空気から吸熱することができる。
【００４１】
図５は、本実施形態の熱交換器１００の変形例を説明する図である。図１（ｂ）に示すフィン１０４では、上流側の縁１０４ａおよび下流側の縁１０４ｂの両方の近傍に凸部１０６を形成していた。これに対し、図５（ａ）に示すフィン１４０ａでは上流側の縁１０４ａ近傍のみに凸部１０６を形成している。気流が熱交換器１００を通過する際、それに含まれる水分の大部分は上流側の縁１０４ａ近傍の凸部１０６において霜結晶として析出する。したがって、図５（ａ）に示すようにフィン１４０ａの上流側の縁１０４ａ近傍のみに凸部１０６を設ける構成としても、上述した効果を十分に得ることが可能である。
【００４２】
図５（ｂ）に示すフィン１４０ｂは、上流側の縁１０４ａおよび下流側の縁１０４ｂの両方の近傍に凸部１０６が形成されているが、凸部１０６の数は下流側よりも上流側の方が多く設定されている。これにより、上流側の凸部１０６において空気から吸熱することができ、且つ下流側では、上流側を通過した空気に残っている水分が更に結晶化される。空気中の水分が主に結晶化する上流側の凸部１０６の数を多くすることにより、水分の結晶化を促進し、効率的に凝固熱を吸熱することができる。
【００４３】
なお、上記のような霜結晶１２０を形成するために、凸部１０６と凹部１０８の寸法関係は、好ましくは以下の通りである。まず平面部１０６ａの最小の幅が１００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。凸部１０６の平面部１０６ａの間隔（すなわち凹部１０８の幅）の最小の幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。最小の幅とは、凸部１０６および凹部１０８の長手方向の幅（リブまたは溝の長さ）ではなく、短手方向の幅を意味している。凸部の高さは５０μｍ以上であることが好ましい。なお、凸部１０６の高さとは、言い換えると凹部１０８の深さである。
【００４４】
以上、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説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、空気との熱交換を行うフィンを備えるフィンチューブ式熱交換器として利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１００…熱交換器、１００ａ…フィンピッチ、１０２…チューブ、１０３…挿通孔、１０４…フィン、１０４ａ…縁、１０６…凸部、１０６ａ…平面部、１０８…凹部、１２０…霜結晶、１４０ａ…フィン、１４０ｂ…フィン
【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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