(57)【要約】【課題】熱交換器のフィン表面における着霜を抑制できる熱交換器およびフィンの製造方法を提供すること。【解決手段】冷媒が循環する伝熱管と、伝熱管と接触するフィンとを備え、フィンの表面に空気が送風される熱交換器であって、フィンは、表面に溝を有するフィン本体を備え、溝の表面に撥水膜を備え、さらに、溝の底部に不凍液で膨潤した吸湿性高分子を備えている。例えば、溝は、Ｖ字状の溝である。また、Ｖ字状の溝は、ピッチが０μｍより大きく１０μｍ以下且つ頂角が０度より大きく４５度以下である。さらに、吸湿性高分子としてＰＤＭＳを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が循環する伝熱管と、前記伝熱管と接触するフィンとを備え、前記フィンの表面に空気が送風される熱交換器であって、
前記フィンは、表面に溝を有するフィン本体を備え、前記溝の表面に撥水膜を備え、さらに、前記溝の底部に不凍液で膨潤した吸湿性高分子を備えていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記溝は、Ｖ字状の溝である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記Ｖ字状の溝は、ピッチが０μｍより大きく１０μｍ以下且つ頂角が０度より大きく４５度以下である、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記撥水膜は、フッ素系高分子および炭化水素系高分子の少なくとも１つを含むコーティング材料である、請求項１から３の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記吸湿性高分子としてＰＤＭＳを用いる、請求項１から４の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記熱交換器に流入する空気の方向が重力方向と同一である、請求項１〜５の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
冷媒が循環する伝熱管と、前記伝熱管と接触するフィンとを備え、前記フィンの表面に空気が送風される熱交換器におけるフィンの製造方法において、
表面に溝を有するフィン本体を形成し、
前記溝の表面に撥水膜を塗布し、
前記溝の底部に吸湿性高分子を塗布し、
前記吸湿性高分子を不凍液で膨潤させる、フィンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば冷蔵庫、冷凍庫等の冷凍サイクルに使用される熱交換器およびフィンの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、一般的に図５に示すように、内部を冷媒が循環する伝熱管５１と、貫通孔を有するフィンとを備える。伝熱管５１は、冷凍サイクルの冷媒が循環するための流路である。冷媒が伝熱管５１内部で蒸発することにより、伝熱管５１は冷却される。そして、伝熱管５１は、その周囲と熱交換を行う。
【０００３】
伝熱管５１は、高い熱伝導率の材料、かつ高い電気伝導率の材料、例えば銅やアルミニウムで形成される。伝熱管５１は、例えば図５に示すように、Ｕ字状に曲げられて熱交換器の高さ方向に積層された状態で、例えば冷蔵庫等の庫内に格納される。フィンは、貫通孔が設けられており、その貫通孔を通して伝熱管５１を貫通させ、伝熱管５１と接触し、例えば、ろう付によって接合される。
【０００４】
フィンは、伝熱管５１と接触することで、伝熱管５１と熱交換し、伝熱管５１が冷却されることにより冷却される。冷却されたフィンは、フィン表面と接触する空気と熱交換することで、その空気を冷却する。フィンは伝熱管５１と同様に高い熱伝導率の材料、かつ高い電気伝導率の材料であって、例えば銅やアルミニウムで形成される。
【０００５】
冷蔵庫等の庫内には、図示しないファンが設けられており、ファンは庫内の空気を送風して循環させる。図５における矢印５３は、庫内の空気が送風される方向を示す。例えば、空気は、伝熱管５１の下方から上方に向かって、高さ方向に送風される。伝熱管５１及びフィンが高さ方向に積層されている場合、空気はフィン表面を複数回通過するため、熱交換器の冷却効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−０９００８４号公報
【特許文献２】特開２０１３−０３６７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、フィン表面に送風される空気が水分を含んでいる場合、その空気が冷却されることによって、フィン表面で凝縮して結露する。結露した水分がさらに冷却されると、フィン表面で凝固、氷結して着霜する。この着霜は熱交換器の運転時において連続的に成長するため、フィン表面に大きな霜が形成されることとなる。フィン表面に生じた霜は、フィン表面と、空気との熱伝達効率を低下させる。また、霜が空気の送風の抵抗となり、フィン表面に送風される空気の量が少なくなる。このように、フィン表面が着霜することにより熱交換器の冷却効率が低下してしまう。
【０００８】
そこで、従来の熱交換器では、一定の時間毎、又はフィン表面での霜の成長をモニタリングして、霜が一定の大きさに成長した時点で熱交換器の運転を停止し、図示しないヒータでフィン表面を加熱することで、フィン表面で着霜した霜を加熱融解して除去していた。しかしながら、この場合、ヒータによる加熱中は熱交換器の運転を停止させなければならない。また、冷却すべきフィン表面を一度加熱することとなるため、熱交換器を再開するときにフィン表面を余分に冷却しなければならない。そのため、熱交換器の冷却効率は低下する。さらに、ヒータ加熱に余分な電力を要する。
【０００９】
上述の問題を解決するため、特許文献１に記載の熱交換器では、図６に示すように、フィン本体６５の表面に親水性又は撥水性のコーティング層６１を形成し、このコーティング層にプラズマ照射を施すことで、コーティング層表面に微細な凹凸を形成し、コーディング層の親水性又は撥水性を向上させることとしている。
【００１０】
また、特許文献２に記載の熱交換器においても、微細な凹凸を有した基材表面に撥水性を有する皮膜を形成して撥水性を向上させている。
【００１１】
親水性表面の場合は、フィン表面で結露した液滴が表面で濡れ広がり流れることで排出され、撥水性表面の場合は、フィン表面で結露した液滴が合体して球形状の大きな液滴となり表面を滑落して排出され、いずれの場合もフィン表面での着霜を抑制することができる。
【００１２】
しかしながら、冷蔵庫、冷凍庫等の冷凍サイクルに使用される熱交換器では、伝熱管内部の冷媒の温度が−２０℃程度と非常に低いため、フィン表面の温度も非常に低くなる。そのため、フィン表面に親水性コーティング層を形成したとしても、フィン表面で結露した水分は、流下排出される前に凝固、氷結するため、フィン表面が着霜してしまう。また、フィン表面に撥水性コーティング層を形成しても、図６に示すフィン表面での結露水６２は、結露した当初においては非常に微小な水滴であるため、その水滴に作用する重力６３の影響は非常に小さく、一方でフィン表面が水滴に作用する分子間力６４の影響が大きい。そのため、フィン表面で結露した当初の微小な水滴は、落下排出されず、重力６３の影響が大きくなるまでフィン表面に留まることとなる。そして、フィン表面に留まった水滴は落下排出される前に凝固、氷結するため、フィン表面が着霜してしまう。
【００１３】
以上より、フィン表面に親水性コーディング層又は撥水性コーティング層を形成したとしても、伝熱管内部の冷媒の温度が低い場合には、フィン表面の着霜を効果的に抑制することができず、ひいては熱交換器の冷却効率が低下してしまうという問題が生じる。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するものであって、熱交換器のフィン表面における着霜を抑制できる熱交換器およびフィンの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の熱交換器は、冷媒が循環する伝熱管と、前記伝熱管と接触するフィンとを備え、前記フィンの表面に空気が送風される熱交換器であって、前記フィンは、表面に溝を有するフィン本体を備え、前記溝の表面に撥水膜を備え、さらに、前記溝の底部に不凍液で膨潤した吸湿性高分子を備えている。これにより、フィン表面の吸湿性高分子表面のみに選択的に結露させて結露水大きさの成長速度を向上させ、結露水が滑落するまでの時間を短縮することで、表面での凝固、氷結する水滴量を低減し、結果として着霜量を低減することができる。また、表面に塗布した吸湿性高分子は霜の付着力が低いという効果を有するために除霜性能を向上させることも可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の熱交換器によれば、熱交換器のフィン表面における結露位置を制御し、吸湿性高分子に結露を集中することで、フィン表面における結露水の滑落を促進して着霜量を低減できるとともに、表面に付着した霜を容易に除去することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器のフィン表面の模式図。
【図２】本発明の実施の形態１における結露水の凝縮および滑落のメカニズムを示す図。
【図３】本発明の実施の形態１におけるフィン表面の表面処理のプロセスフローを示す図。
【図４】本発明の実施の形態１および従来熱交換器における着霜図を示す図。
【図５】従来の熱交換器の正面図。
【図６】従来の熱交換器のフィン表面における着霜メカニズムを示す図。
【図７】本発明の実施の形態２における熱交換器への空気の流入方向を示す図。
【図８】フィン表面の結露水の大きさと結露水が空気の流れから受ける力の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の各実施の形態について各図を参照して説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る着霜防止構造を有する熱交換器について説明する。熱交換器は、図５に示す一般的な熱交換器と同様に、伝熱管５１とフィンを備え、フィン表面は図１に示すような断面構造を有する。
【００２０】
以下、熱交換器のフィンの構成について詳細を説明する。
熱交換器のフィンは、表面に図１に示すような撥水膜１２が塗布されたＶ字状の溝１１を有するフィン本体５２を形成し、そのＶ字状の溝１１の底部に不凍液で膨潤させた吸湿性高分子１３が塗布されている構成となっている。なお、以下の説明において、Ｖ字状の溝を単に「Ｖ溝」という場合がある。
【００２１】
空気中の水蒸気及び微小な水滴が、接する冷却表面により露点以下に冷却されて冷却表面上に結露する現象において、冷却表面内で表面エネルギーが異なる複数の箇所が存在する場合には、表面エネルギーが低い箇所へ選択的に結露が集中する。一般に、撥水性表面は表面エネルギーが高く、親水性表面は表面エネルギーが低いため、冷却表面上の一定の距離内で撥水性表面と親水性表面が隣接して形成されている表面での結露では親水性表面の方へ結露が集中する。
【００２２】
また、吸湿性高分子１３を不凍液で膨潤させると、その表面に不凍液の液体潤滑層が薄く形成される。不凍液は撥水性を有しており、その表面に水が結露した場合には、前記潤滑層の液体上を結露水が滑るために従来の表面と比較して、結露水が小さくても結露水を滑落させることが可能となる。加えて液体潤滑層と結露水が混ざり合うため、結露水の凝固点が低下し、結露水の氷結、霜の成長を抑制することが可能となる。
【００２３】
上記構成の表面を熱交換器のフィン表面に形成した場合のフィン表面での結露のメカニズムを図２（ａ）および図２（ｂ）に示す。図２（ａ），（ｂ）の上の図は、フィンを鉛直方向から見た図であり、下の図は水平方向から見た図である。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、フィン表面で冷却された湿度を含んだ空気の結露水２１は撥水表面である撥水膜１２表面よりも親水表面である吸湿性高分子１３表面で多く生じる。この作用により、吸湿性高分子１３表面での結露量は無処理のフィン表面と比較して多くなり、結露液滴サイズの成長速度が大きくなる。結露液滴サイズの成長速度が大きくなれば、図２（ｂ）に示すように、液滴はフィン表面により冷却されて氷結する前に自重により滑落し、フィン表面から結露液滴を除去することが可能となり、結果としてフィン表面での着霜を抑制することが可能となる。
【００２５】
フィン表面での結露は全て吸湿性高分子１３表面で生じるものではなく、一部撥水表面である撥水膜１２表面にも生じるが、表面を撥水性とすることで撥水膜１２表面での結露水２１の滑落性を向上させ、親水性表面である吸湿性高分子１３部分へ液滴を流動させて吸湿性高分子１３が塗布された部分に結露した液滴と合体させる。
【００２６】
また、吸湿性高分子１３の表面に結露した液滴には表面から滑落せずに、氷結し霜が成長するものもあるが、吸湿性高分子１３の表面には不凍液の液体潤滑層が形成されているため、通常の表面と比較して、霜の付着力が極めて小さい。そのため、フィン表面及び霜に対して振動等の簡単な外力を付加することで、霜をフィン表面から容易に剥がすことが可能となる。
【００２７】
上記熱交換器のフィンの製作プロセスを図３に示す。
【００２８】
まず、素材であるアルミニウムあるいは銅のフィン本体５２の表面にＶ溝１１を形成する（図３（ａ））。Ｖ溝１１の形成は、ダイヤモンド工具を用いた切削加工を用いるが、レーザー加工やプレス加工でも形成することができる。Ｖ溝１１のピッチ間隔は、熱交換器に流入する空気の流れやブラウン運動距離を考慮して隣合う吸湿性高分子の距離を一定値以下とする必要があり、Ｖ溝１１のピッチを０μｍより大きく１０μｍ以下とすれば選択的な結露を実現することが可能となる。また、撥水膜１２表面上へ結露した結露水の吸湿性高分子１３への滑落性を向上させるために、Ｖ溝１１の頂角は０度より大きく４５度以下とすることが望ましい。
【００２９】
次に形成したＶ溝１１上に撥水膜１２を浸漬コーティングにより形成する（図３（ｂ））。撥水膜としては、フッ素系のコーティング材料を使用したが、例えば炭化水素系等のコーティング材料を選択することも可能である。そしてＶ溝１１の底部に吸湿性高分子１３としてＰＤＭＳを塗布した後に吸湿性高分子１３上に不凍液を塗布し、吸湿性高分子１３を膨潤させる（図３（ｃ））。以上のようにしてフィンを制作する。
【００３０】
上記の構成として、アルミニウム素材のフィン本体５２の表面にピッチ５μｍ、頂角３０度のＶ溝１１を形成し、その表面にフッ素系の撥水材を塗布した後、吸湿性高分子材料であるＰＤＭＳをＶ溝１１の底部に高さ３μｍとなるように塗布し、さらに、不凍液で膨潤させた図５と同様の構成の熱交換器を製作した。そして、熱交換器の伝熱管内部に−２０℃の冷媒を循環させながら熱交換器の下方から湿度８０％の空気を風速１ｍ／ｍｉｎで送風させた状態で、フィン表面における着霜状態を評価した。
【００３１】
図４（ａ）に本実施の形態におけるフィン表面での着霜の様子を、図４（ｂ）に従来の熱交換器でのフィン表面での着霜の様子を示す。ここで、従来の熱交換器とは、図５に示される熱交換器であって、アルミ材料で製造し表面処理を行っていないものである。１時間経過後の本実施の形態に係る熱交換器のフィン表面における着霜量は６０ｇであり、従来の熱交換器のフィン表面における着霜量３００ｇと比較して５分の１程度となった。
【００３２】
従来の熱交換器では、フィン表面全面に微細な結露が発生し、その結露水が合体して大きくなる前にフィン表面により冷却されて氷結し着霜する。フィン表面の着霜により、フィン表面と、フィン表面に送風される空気との熱交換効率が低下するため、熱交換器の冷却効率は低下する。
【００３３】
本発明の熱交換器によれば、フィン表面での結露を吸湿性高分子に集中させて結露水の滑落を促進することが可能となるため、フィン表面で結露することを抑制することができる。そして、フィン表面での結露が減少するため、フィン表面の着霜も減少し、ひいてはフィン表面の着霜によって熱交換器の冷却効率が低下することを抑制することができる。
【００３４】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る着霜防止構造を有する熱交換器について説明する。
実施の形態１および従来の熱交換器では、熱交換器が使用される冷蔵庫等の設計上の都合から熱交換器に流入する空気の送風方向は、図５に示すように重力方向とは逆になっている。他方、実施の形態２では、熱交換器に流入する空気の送風方向は重力方向と同一の上から下への方向となっている。その他の構成については、実施の形態１の熱交換器と同様であるため、説明を省略する。
【００３５】
フィン表面での結露水の滑落は、水滴に作用する鉛直方向下向きの重力の作用によって生じる。しかしながら、実施の形態１で説明したように、結露初期では、結露水の大きさは非常に小さいので液滴に作用する重力の大きさも小さいため、結露水とフィン表面の間で作用する分子間力のほうが大きくなり、結果として結露水が滑落しないという問題がある。加えて、フィン表面での空気の流れの方向は、熱交換器に流入する空気の流れの方向と同じく、重力とは逆方向であり、結露水が空気抵抗により受ける力の方向も重力とは逆方向であるため、従来の構成では結露水の滑落を更に困難としている。
【００３６】
本実施の形態２の熱交換器によれば、図７に示すように、熱交換器への空気の流入方向を重力方向と同一の上方から下方へとすることで、フィン表面での結露水に対して空気抵抗による力を滑落方向へと付加することが可能となり、フィン表面からの結露水の滑落性が向上し、結果としてフィン表面での着霜量を低減することが可能となる。図８にフィン表面に風速１ｍ／ｍｉｎの空気が流れた時の液滴が受ける力の計算結果を示す。
【００３７】
本実施の形態２の構成において、実施の形態１と同じ条件での着霜量を比較したところ、熱交換器への着霜量は５７ｇとなり、実施の形態１と比較して更なる着霜量の低減を実現することができた。
【００３８】
上記実施の形態では、溝としてＶ溝１１を示したが、本発明はこれに限らず、波形の溝やＵ字状の溝であってもよい。
【００３９】
また、上記実施の形態では、撥水膜１２をＶ溝１１の表面全体に形成したが、本発明は、これに限らず、Ｖ溝１１における吸湿性高分子１３が塗布されていない表面に少なくとも形成すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の熱交換器は、冷凍サイクルに使用され、例えば冷蔵庫、冷凍庫等に好適に使用される。
【符号の説明】
【００４１】
１１  Ｖ溝
１２  撥水膜
１３  吸湿性高分子
２１  結露水
５１  伝熱管
５２  フィン本体
５３  送風方向
６１  コーティング層
６２  結露水
６３  重力
６４  分子間力
６５  フィン本体
【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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