熱交換器
【課題】機械的に霜を除去しやすくすることにより、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】空気から熱を吸収しうる熱交換器１００であって、表面に微細な凸部１０６および凹部１０８を有し、凸部１０６の上面に最小の幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部１０６ａを有し、凹部１０８の最小の幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする熱交換器。
【解決手段】空気から熱を吸収しうる熱交換器１００であって、表面に微細な凸部１０６および凹部１０８を有し、凸部１０６の上面に最小の幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部１０６ａを有し、凹部１０８の最小の幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気から熱を吸収して着霜が生じうる熱交換器に関する。
【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、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】
また空気から熱を吸収する装置として、ＬＮＧ気化器がある。ＬＮＧ気化器では、空気から熱を吸収することによって液化ＬＮＧを気化させている。液化ＬＮＧは天然ガスを−１６２℃まで冷却して液化したものであり、これを気化させるための顕熱および潜熱、断熱膨張で低下しようとする温度を上回って昇温させるための熱が必要である。この熱を空気から吸収すると、ＬＮＧ気化器の熱交換器では氷点下まで温度が低下し、その表面に季節を問わず着霜を生じる。特に、熱交換器のサイズ縮小のためには単位面積あたりの熱流束を大きくする必要があり、そのためには空気と熱交換器の温度差を大きく取る必要があるため、着霜させない構成とすることは難しい。
【０００５】
従来のＬＮＧ気化器の除霜は、散水して解氷したり、並列に接続した２つの熱交換器を交互に使用して解氷を待ったりしていた。特許文献２には、低温液体を２つの熱交換器のいずれか一方に流して大気と熱交換させて気化させてホットガスとし、この低温液体のホットガスを他方の熱交換器に流すことで他方の熱交換器の除霜を行う気化器の構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１０９０６３号公報
【特許文献２】特開平０６−２９４４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
またＬＮＧ気化器の除霜運転に際して散水する場合には、散水のための設備が必要であり、コスト増大の原因となる。また散水により除霜できたとしても、次には散水した水が氷結するため、熱交換器の表面に容易には溶かせない氷の板が形成されてしまう。また特許文献２のようにホットガスの熱で除霜を行うようにすると、連続運転が可能であることは確かであるが、解氷に用いる熱は空気から吸収した熱であるから、気化のために利用できる熱が減ってしまうという問題がある。
【０００９】
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％）。
【００１０】
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。逆に、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。
【００１１】
そこで本発明は、機械的に霜を除去しやすくすることにより、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な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】
【００１２】
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、空気から熱を吸収しうる熱交換器であって、表面に微細な凸部および凹部を有し、前記凸部の上面に最小の幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部を有し、凹部の最小の幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
熱交換器の表面に上記のような凸部および凹部を設けることにより、凸部の上面の平面部の上に垂直方向に霜結晶を成長させることができる。すると、凸部の上は霜結晶が成長し、凹部の上は間隙となるため、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。機械的な除去手段としては、例えばブラシやスクレーパーなどを挙げることができる。これにより、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な熱交換器を提供することができる。
【００１４】
なお、霜結晶は凸部の上面に対して法線方向に成長するため、上面にはほぼ平坦な平面部を有していることが必要である。また、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。また凹部への着霜を抑制するために凹部の幅は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凹部の幅は１００μｍ以上であることが好ましい。
【００１５】
凹部の深さは３０μｍ以上であることが好ましい。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、凹部の深さが３０μｍ以上であることが好ましいためである。
【００１６】
凸部の平面部の縁の角度は７０度以上１２０度以下であることが好ましい。７０度より小さくなると、凹部の空気が断熱層となり熱伝達を阻害してしまうためである。一方、平面部に対する側面の角度が１２０度以上になると、凸部の側面に着霜してしまうためである。
【００１７】
凸部はリブ形状であって、凹部は線状の溝であることが好ましい。この場合において霜結晶は、リブ形状の薄板が配列した構造となる。これにより霜結晶は凸部の上から折れやすくなり、機械的な除去手段で容易に払い落とすことができる。
【００１８】
凹部は空気の流れ方向に向かって斜め下方に傾斜していることが好ましい。これにより、停止時に溶けた水を空気の運動エネルギーによって効率よく除去することができる。
【００１９】
凸部は島状に点在しており、凹部は線状の溝を交差させた碁盤目状（格子状）であってもよい。この場合において霜結晶は、細い柱が縦横に配列した構造となる。これにより霜結晶はさらに凸部の上から折れやすくなり、圧縮空気でも除去することが可能となる。
【００２０】
空気の流れ方向の上流側に霜を掻き取るためのブラシを備えていることが好ましい。空気が熱交換器を通過するとき、上流側（一次側）で冷却と凝縮がおきて着霜し、熱交換器１００の内部でさらに冷却され、下流側（二次側）では乾燥空気となっている。したがって上流側のみにブラシを備えていれば足り、一方側にのみブラシを備えていることで装置構成の簡略化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、機械的に霜を除去しやすくすることができ、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態にかかる熱交換器の構成を説明する図である。
【図２】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３】ブラシの形状を説明する図である。
【図４】寸法関係に関する実験を説明する図である。
【図５】着霜の様子を説明する顕微鏡写真である。
【図６】平面部の縁の角度を説明する図である。
【図７】熱流束について説明する図である。
【図８】第２実施形態にかかる熱交換器の構成を説明する図である。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
［第１実施形態］
図１は第１実施形態にかかる熱交換器１００の構成を説明する図である。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。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。
【００２５】
そしてフィン１０４の表面には、微細な凸部１０６および凹部１０８が交互に形成されている。図１およびその拡大断面図に示すように、凸部１０６はリブ形状であって、凹部１０８は線状の溝である。凹部１０８は空気の流方向に向かって斜め下方に傾斜しており、停止時に溶けた水を空気の運動エネルギーによって効率よく除去可能になっている。なお図１ではチューブ１０２の表面には凸部および凹部を描いていないが、これらの表面にも凸部および凹部を形成してもよい。
【００２６】
凸部１０６および凹部１０８は、放電加工やサンドブラスト、切削、エッチングなどによって形成してもよいし、型を用いて転写（プレス）してもよい。また、凹凸形状を形成した樹脂フィルム（熱伝導率の良いもの）を貼り付けたり、フィン１０４の表面にコーティングした樹脂皮膜にフォトレジスト等によって凹凸形状を形成したりしてもよい。
【００２７】
また図１の拡大断面図ではフィン１０４の両面で凸部１０６と凹部が同じ位置にあるが、凸部１０６の裏側に凹部１０８が位置するように成型してもよい。その場合、フィン１０４は全体的に角張った波板となり、プレスによって好適に成型することができる。
【００２８】
図２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。図２に示すように、凸部の上面には平面部１０６ａが形成されている。平面部１０６ａの縁の角度は、ほぼ直角（９０度）に切り立っている。また凸部１０６は長く連続したリブ形状、凹部１０８は長く連続した線状の溝に形成されている。
【００２９】
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。したがって図２に示すように、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。
【００３０】
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の間を通る間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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。そこで図１に示すように、本実施形態にかかる熱交換器１００では、ブラシ１１０を備えている。ブラシ１１０は円柱形の回転ブラシであって、空気の流れ方向の上流側（一次側）に備えられている。ブラシ１１０はフィン１０４を上から下に掃きながら、上から下に向かって移動する。ブラシ１１０の毛先は、フィン１０４の間に入り込むように配置され、フィン１０４の側面に付着した霜を払い落とすことができる。
【００３３】
図３はブラシの形状を説明する図である。図３（ａ）に示すように、ブラシ１１０の形状としては、円柱の軸１１０ａにらせん状に毛１１０ｂをつけたものが望ましい。これにより、除去した霜を毛と毛の列間に捕獲し、水車のように掻きだすことができる。また図３（ｂ）に示すように、軸１１０ａの接線に対する毛１１０ｂの回転方向上流側の角度αが鋭角（９０度以下）であることが好ましく、さらには６０度以下であることが好ましい。これにより、毛１１０ｂが霜をフィン１０４の奥に押し込んでしまうことを防止し、確実に掻きだすことが可能となる。
【００３４】
なお機械的な除去手段の他の例としては、ブラシの他にスクレーパーを用いたり、フィンに振動や衝撃を与えたりすることでもよい。
【００３５】
なお空気が熱交換器１００を通過するとき、上流側（一次側）で冷却と凝縮がおきて着霜し、熱交換器１００の内部でさらに冷却され、下流側（二次側）では乾燥空気となっている。したがって着霜するのは主として上流側であるから、上流側のみにブラシ１１０を備えていれば足り、一方側にのみブラシ１１０を備えていることで装置構成の簡略化を図ることができる。
【００３６】
ただし結晶が成長するにつれて方向性には乱れが生じ、霜結晶１２０の個々の薄板は幅が太くなっていき、やがて隣接する薄板と結合してしまう。そうなると相互に補完しあって剛性が高くなってしまうために、ブラシ１１０では除去しにくくなってしまう。そこで、霜結晶１２０の成長速度に応じて、ある程度こまめにブラシ１１０を稼働させることが好ましい。
【００３７】
次に、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の寸法関係について説明する。まず結論から先に述べると、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く、凹部１０８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。
【００３８】
図４は寸法関係に関する実験を説明する図である。試験片である銅板に、放電加工によって線状の溝である凹部１０８を６本形成することにより、下記寸法の凸部１０６および凹部を形成した。図４（ａ）に示すように、平面部１０６ａの幅をＷ［μｍ］、凹部１０８の幅をＬ［μｍ］、凹部１０８の深さをＺ［μｍ］とする。そして図４（ｂ）に示すように、実施例１〜３は凹部の幅Ｌを２５０μｍに固定し、平面部の幅Ｗをそれぞれ１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍとした。凹部の深さＺは、枝番ａ〜ｅを付して、３００μｍ〜７００μｍまで１００μｍ刻みで変化させた。実施例４〜６は、平面部の幅Ｗを２５０μｍ、凹部の深さを７００μｍに固定し、凹部の幅Ｌをそれぞれ５００μｍ、７５０μｍ、１０００μｍとした。また比較例として、無加工の銅板に対する着霜の様子を観察した。
【００３９】
図５は着霜の様子を説明する顕微鏡写真である。図５において基準面とは、実施例では凸部１０６の上面の平面部１０６ａであり、比較例では銅板の表面である。図５に示す着霜の実験では、図４に示した試験片を−１０℃まで冷却して、大気下で霜結晶の成長過程を撮影した。
【００４０】
図５（ａ）は平面部の幅Ｗを比較する図である。比較例では基準面に一様に着霜していることがわかる。一方、実施例１−ｅ（幅Ｗが１００μｍ）、実施例２−ｅ（幅Ｗが２５０μｍ）では、凸部１０６の上に着霜して法線方向に結晶成長し、凹部１０８にはほとんど着霜していないことがわかる。図示しないが実施例３（幅Ｗが５００μｍ）でも、同様に平面部１０６ａの表面に着霜し、平面部１０６ａの法線方向に結晶が成長していた。これらのことから、１００μｍ以上５００μｍ以下が好ましいことが確認できた。
【００４１】
平面部の幅Ｗが１００μｍ未満の場合について説明する。空気中の湿分がフィン１０４に付着するとき、過冷却液滴として付着し、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。ここで平面部の幅Ｗが過冷却液滴の大きさよりも狭いと、凸部１０６の先端に球状に液滴が付着し、放射状に結晶が成長してしまう。すなわち平面部１０６ａの法線方向に結晶を成長させるためには、過冷却液滴の直径よりも平面部の幅Ｗを大きくする必要がある。この過冷却液滴の大きさは、別途の実験を行ったところ、親水処理をしたもので７２μｍ、撥水処理をしたもので２８μｍであった。そこで、若干のばらつきを考慮して、平面部の幅Ｗが１００μｍ以上であればほぼ確実に平面部１０６ａの法線方向に結晶成長させられると考えられる。
【００４２】
平面部の幅Ｗが５００μｍより大きい場合について考える。このとき結晶の成長方向は法線方向になるが、平面部１０６ａと霜結晶１２０との接合面が大きくなる（結晶の根元の幅が太くなる）ため、機械的強度が増してしまい、機械的に除去することが困難になってしまう。したがってこの上限については除去手段との兼ね合いにもなるが、５００μｍ以下であれば上記のブラシ１１０によっても容易に除去可能であった。
【００４３】
図５（ｂ）は凹部の幅Ｌを比較する図である。実施例２−ｅ（幅Ｌが２５０μｍ）では凹部１０８の中にはほとんど着霜していないが、実施例６（幅Ｌが１０００μｍ）では凹部１０８の中にも若干着霜してしまっている。また図５（ａ）に示しているように、実施例１−ｅ（幅Ｌが１００μｍ）の場合にも、凹部１０８の中にはほとんど着霜していない。
【００４４】
凹部の幅Ｌが１００μｍ未満の場合、凹部１０８の中への着霜は生じない。しかし、霜結晶１２０の薄板は結晶成長に伴って幅が太くなっていくため、隣接する霜の薄板が近すぎると早期に相互に結合して堅牢な構造を形成してしまう。そのため、凹部の幅Ｌは１００μｍ以上であることが好ましい。
【００４５】
凹部の幅Ｌが１０００μｍより大きくなると、さらに凹部１０８の中への着霜が大きくなり、凹凸を形成していることの意義が失われてしまう。幅Ｌが１０００μｍの場合も凹部１０８の中への着霜が見られるが、この状態でも上記のブラシ１１０による除去は可能であった。そのため、凹部の幅Ｌは、１０００μｍ以下が好ましいことが確認された。
【００４６】
繰り返しになるが、平面部の幅Ｗが１００μｍ以上５００μｍ以下、凹部の幅Ｌが１００μｍ以上１０００μｍ以下という数値範囲の限界的意義は、この範囲であれば本発明を実施可能であることが確認できていることを意味している。換言すれば、この範囲をわずかでも超えたら実施不可能になることを意味するものではない。
【００４７】
なお、図１の拡大断面図ではフィン１０４の端面にも凸部１０６と凹部１０８を形成している。しかし平面部１０６ａの幅と同様に、フィン１０４の端面の幅が５００μｍ以下である場合には、フィン１０４の端面は平坦であってもよい（図８参照）。望ましくは、フィン１０４の幅が３００μｍ以上となったときには、フィン１０４の端面にも凸部１０６と凹部１０８を形成するとよい。
【００４８】
図５（ｃ）は凹部の深さＺを比較する図である。実施例２−ａ（深さＺが３０μｍ）でも、実施例２−ｅ（深さＺが７０μｍ）でも、凹部１０８の中には着霜せず、空隙が形成されていることがわかる（写真の黒い部分）。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。これらのことから、凹部の深さＺが３０μｍ以上であれば、平面部１０６ａの上に霜結晶１２０が形成されることが確認された。なお凹部１０８が深いことについては、熱的な制限はほとんどなく、凹部１０８を形成するための加工技術上の制限によってその深さＺが決定されると考えられる。
【００４９】
図６は平面部１０６ａの縁の角度を説明する図である。図６（ａ）は平面部１０６ａの縁の角度をほぼ直角（９０度）に形成した例であり、上記実施例でも説明した形状である。図６（ｂ）は９０度よりも鋭角に形成した例であり、エッチングによって凹部１０８を形成した場合になりやすい形状である。図６（ｃ）は９０度よりも鈍角に形成した例であり、切削加工によって凹部１０８を形成した場合になりやすい形状である。
【００５０】
図６（ｂ）に示すように平面部１０６ａの縁の角度βが９０度より小さくなると、凹部１０８の中の間隙が大きくなる。すると空気が断熱層の作用を有するようになり、熱伝達を阻害する。このため、角度βは７０度以上であることが好ましい。一方、図６（ｃ）に示すように角度βが９０度より大きくなると側面が次第に傾斜していき、角度βが１２０度以上になると顕著に着霜してしまう。このため、平面部１０６ａの縁の角度βは７０度以上１２０度以下であることが好ましい。
【００５１】
なお、霜結晶１２０の平面部１０６ａに対する接合強度を低減させるために、フィン１０４の表面には表面に撥水塗料の塗布を行うと良い。これにより霜結晶１２０の根元部分が微細化するためさらに構造的に弱くなり、崩れるように砕けるため、さらに容易に除去することができる。
【００５２】
図７は熱流束について説明する図である。図７は図４に示した比較例と実施例２−ｅの熱流束を測定した結果を示しており、横軸は冷却面温度［℃］、縦軸は熱流束［Ｗ／ｍ２］である。なお冷却面初期温度ｔｗ０＝−１９０℃、空気温度ｔａ＝２５℃、冷却面姿勢θ＝９０度、空気湿度ｘａ＝０．０１１９ｋｇ／ｋｇである。
【００５３】
図７に示すように、熱流束については、無加工の銅板である比較例と実施例２−ｅとの間で、ほとんど差が見られなかった。このことから、凸部１０６および凹部１０８を形成しても熱交換器１００としての能力の低下はないことが確認された。
【００５４】
上記説明したように、熱交換器１００の表面に上記のような凸部１０６および凹部１０８を設けることにより、凸部１０６の上面の平面部１０６ａの上に薄板が配列した櫛歯状の構造の霜結晶１２０を形成することができる。このような霜結晶１２０は構造的に弱く、機械的な除去手段で容易に払い落とすことができるため、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な熱交換器を提供することができる。
【００５５】
本発明は、従来の熱による除霜（ヒートポンプにおける冷媒の逆回しや、散水による除霜）を必ずしも除外するものではなく、併用して利用可能である。例えば、熱による除霜を従来は２０分に１回程度行っていたところを、本発明を併用することによって１時間に１回程度の頻度にすることができれば、十分に利益を得ることができる。
【００５６】
［第２実施形態］
図８は第２実施形態にかかる熱交換器１３０の構成を説明する図、図９は凸部１３２および凹部１３４の三面図と霜結晶１４０の様子を模式的に示す図であって、上記第１実施形態と説明の重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。上記第１実施形態においては、凸部１０６はリブ形状、凹部１０８は線状の溝として説明した。これに対し第２実施形態では、凸部１３２は島状に点在した四角柱であり、凹部１３４は線状の溝を交差させた碁盤目状（格子状）に形成している。なお図では凹部１３４はほぼ直交する溝によって格子状にしているが、溝をある程度の角度を持って交差させることにより、凸部１３２を菱形の柱にしてもよい。
【００５７】
図９に示すように、上記構成においても、霜結晶１４０は凸部１３２の上面の平面部１３２ａの上に、法線方向に結晶が成長する。したがって霜結晶１４０は、細い柱が縦横に配列した構造となる。これにより、薄板の集合であった霜結晶１２０（図２参照）よりもさらに構造的に弱くなり、さらに凸部１３２の上から折れやすくなる。
【００５８】
そこで本実施形態では、図１に示したブラシ１１０に代えて、機械的な除去手段として圧縮空気を例示している。具体的には、図８に示すようにフィン１０４の空気の流れ方向の上流側（一次側）にノズル１３６を配置し、着霜を除去する際には不図示のコンプレッサーから圧縮空気を噴出する。これによって、十分に着霜を除去することが可能である。なおブラシ１１０を用いた場合と比較すると、可動部分がないために構造が簡単であり、また汚れに対するメンテナンスが発生しないことから維持費の低廉化も可能である。
【００５９】
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】
【００６０】
本発明は、空気から熱を吸収して着霜が生じうる熱交換器として利用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１００…熱交換器、１０２…チューブ、１０４…フィン、１０６…凸部、１０６ａ…平面部、１０８…凹部、１１０…ブラシ、１１０ａ…軸、１１０ｂ…毛、１２０…霜結晶、１３０…熱交換器、１３２…凸部、１３２ａ…平面部、１３４…凹部、１３６…ノズル、１４０…霜結晶
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気から熱を吸収して着霜が生じうる熱交換器に関する。
【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、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】
また空気から熱を吸収する装置として、ＬＮＧ気化器がある。ＬＮＧ気化器では、空気から熱を吸収することによって液化ＬＮＧを気化させている。液化ＬＮＧは天然ガスを−１６２℃まで冷却して液化したものであり、これを気化させるための顕熱および潜熱、断熱膨張で低下しようとする温度を上回って昇温させるための熱が必要である。この熱を空気から吸収すると、ＬＮＧ気化器の熱交換器では氷点下まで温度が低下し、その表面に季節を問わず着霜を生じる。特に、熱交換器のサイズ縮小のためには単位面積あたりの熱流束を大きくする必要があり、そのためには空気と熱交換器の温度差を大きく取る必要があるため、着霜させない構成とすることは難しい。
【０００５】
従来のＬＮＧ気化器の除霜は、散水して解氷したり、並列に接続した２つの熱交換器を交互に使用して解氷を待ったりしていた。特許文献２には、低温液体を２つの熱交換器のいずれか一方に流して大気と熱交換させて気化させてホットガスとし、この低温液体のホットガスを他方の熱交換器に流すことで他方の熱交換器の除霜を行う気化器の構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１０９０６３号公報
【特許文献２】特開平０６−２９４４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
またＬＮＧ気化器の除霜運転に際して散水する場合には、散水のための設備が必要であり、コスト増大の原因となる。また散水により除霜できたとしても、次には散水した水が氷結するため、熱交換器の表面に容易には溶かせない氷の板が形成されてしまう。また特許文献２のようにホットガスの熱で除霜を行うようにすると、連続運転が可能であることは確かであるが、解氷に用いる熱は空気から吸収した熱であるから、気化のために利用できる熱が減ってしまうという問題がある。
【０００９】
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％）。
【００１０】
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。逆に、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。
【００１１】
そこで本発明は、機械的に霜を除去しやすくすることにより、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な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】
【００１２】
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、空気から熱を吸収しうる熱交換器であって、表面に微細な凸部および凹部を有し、前記凸部の上面に最小の幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部を有し、凹部の最小の幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
熱交換器の表面に上記のような凸部および凹部を設けることにより、凸部の上面の平面部の上に垂直方向に霜結晶を成長させることができる。すると、凸部の上は霜結晶が成長し、凹部の上は間隙となるため、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。機械的な除去手段としては、例えばブラシやスクレーパーなどを挙げることができる。これにより、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な熱交換器を提供することができる。
【００１４】
なお、霜結晶は凸部の上面に対して法線方向に成長するため、上面にはほぼ平坦な平面部を有していることが必要である。また、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。また凹部への着霜を抑制するために凹部の幅は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凹部の幅は１００μｍ以上であることが好ましい。
【００１５】
凹部の深さは３０μｍ以上であることが好ましい。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、凹部の深さが３０μｍ以上であることが好ましいためである。
【００１６】
凸部の平面部の縁の角度は７０度以上１２０度以下であることが好ましい。７０度より小さくなると、凹部の空気が断熱層となり熱伝達を阻害してしまうためである。一方、平面部に対する側面の角度が１２０度以上になると、凸部の側面に着霜してしまうためである。
【００１７】
凸部はリブ形状であって、凹部は線状の溝であることが好ましい。この場合において霜結晶は、リブ形状の薄板が配列した構造となる。これにより霜結晶は凸部の上から折れやすくなり、機械的な除去手段で容易に払い落とすことができる。
【００１８】
凹部は空気の流れ方向に向かって斜め下方に傾斜していることが好ましい。これにより、停止時に溶けた水を空気の運動エネルギーによって効率よく除去することができる。
【００１９】
凸部は島状に点在しており、凹部は線状の溝を交差させた碁盤目状（格子状）であってもよい。この場合において霜結晶は、細い柱が縦横に配列した構造となる。これにより霜結晶はさらに凸部の上から折れやすくなり、圧縮空気でも除去することが可能となる。
【００２０】
空気の流れ方向の上流側に霜を掻き取るためのブラシを備えていることが好ましい。空気が熱交換器を通過するとき、上流側（一次側）で冷却と凝縮がおきて着霜し、熱交換器１００の内部でさらに冷却され、下流側（二次側）では乾燥空気となっている。したがって上流側のみにブラシを備えていれば足り、一方側にのみブラシを備えていることで装置構成の簡略化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、機械的に霜を除去しやすくすることができ、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態にかかる熱交換器の構成を説明する図である。
【図２】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３】ブラシの形状を説明する図である。
【図４】寸法関係に関する実験を説明する図である。
【図５】着霜の様子を説明する顕微鏡写真である。
【図６】平面部の縁の角度を説明する図である。
【図７】熱流束について説明する図である。
【図８】第２実施形態にかかる熱交換器の構成を説明する図である。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
［第１実施形態］
図１は第１実施形態にかかる熱交換器１００の構成を説明する図である。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。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。
【００２５】
そしてフィン１０４の表面には、微細な凸部１０６および凹部１０８が交互に形成されている。図１およびその拡大断面図に示すように、凸部１０６はリブ形状であって、凹部１０８は線状の溝である。凹部１０８は空気の流方向に向かって斜め下方に傾斜しており、停止時に溶けた水を空気の運動エネルギーによって効率よく除去可能になっている。なお図１ではチューブ１０２の表面には凸部および凹部を描いていないが、これらの表面にも凸部および凹部を形成してもよい。
【００２６】
凸部１０６および凹部１０８は、放電加工やサンドブラスト、切削、エッチングなどによって形成してもよいし、型を用いて転写（プレス）してもよい。また、凹凸形状を形成した樹脂フィルム（熱伝導率の良いもの）を貼り付けたり、フィン１０４の表面にコーティングした樹脂皮膜にフォトレジスト等によって凹凸形状を形成したりしてもよい。
【００２７】
また図１の拡大断面図ではフィン１０４の両面で凸部１０６と凹部が同じ位置にあるが、凸部１０６の裏側に凹部１０８が位置するように成型してもよい。その場合、フィン１０４は全体的に角張った波板となり、プレスによって好適に成型することができる。
【００２８】
図２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。図２に示すように、凸部の上面には平面部１０６ａが形成されている。平面部１０６ａの縁の角度は、ほぼ直角（９０度）に切り立っている。また凸部１０６は長く連続したリブ形状、凹部１０８は長く連続した線状の溝に形成されている。
【００２９】
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。したがって図２に示すように、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。
【００３０】
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の間を通る間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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。そこで図１に示すように、本実施形態にかかる熱交換器１００では、ブラシ１１０を備えている。ブラシ１１０は円柱形の回転ブラシであって、空気の流れ方向の上流側（一次側）に備えられている。ブラシ１１０はフィン１０４を上から下に掃きながら、上から下に向かって移動する。ブラシ１１０の毛先は、フィン１０４の間に入り込むように配置され、フィン１０４の側面に付着した霜を払い落とすことができる。
【００３３】
図３はブラシの形状を説明する図である。図３（ａ）に示すように、ブラシ１１０の形状としては、円柱の軸１１０ａにらせん状に毛１１０ｂをつけたものが望ましい。これにより、除去した霜を毛と毛の列間に捕獲し、水車のように掻きだすことができる。また図３（ｂ）に示すように、軸１１０ａの接線に対する毛１１０ｂの回転方向上流側の角度αが鋭角（９０度以下）であることが好ましく、さらには６０度以下であることが好ましい。これにより、毛１１０ｂが霜をフィン１０４の奥に押し込んでしまうことを防止し、確実に掻きだすことが可能となる。
【００３４】
なお機械的な除去手段の他の例としては、ブラシの他にスクレーパーを用いたり、フィンに振動や衝撃を与えたりすることでもよい。
【００３５】
なお空気が熱交換器１００を通過するとき、上流側（一次側）で冷却と凝縮がおきて着霜し、熱交換器１００の内部でさらに冷却され、下流側（二次側）では乾燥空気となっている。したがって着霜するのは主として上流側であるから、上流側のみにブラシ１１０を備えていれば足り、一方側にのみブラシ１１０を備えていることで装置構成の簡略化を図ることができる。
【００３６】
ただし結晶が成長するにつれて方向性には乱れが生じ、霜結晶１２０の個々の薄板は幅が太くなっていき、やがて隣接する薄板と結合してしまう。そうなると相互に補完しあって剛性が高くなってしまうために、ブラシ１１０では除去しにくくなってしまう。そこで、霜結晶１２０の成長速度に応じて、ある程度こまめにブラシ１１０を稼働させることが好ましい。
【００３７】
次に、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の寸法関係について説明する。まず結論から先に述べると、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く、凹部１０８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。
【００３８】
図４は寸法関係に関する実験を説明する図である。試験片である銅板に、放電加工によって線状の溝である凹部１０８を６本形成することにより、下記寸法の凸部１０６および凹部を形成した。図４（ａ）に示すように、平面部１０６ａの幅をＷ［μｍ］、凹部１０８の幅をＬ［μｍ］、凹部１０８の深さをＺ［μｍ］とする。そして図４（ｂ）に示すように、実施例１〜３は凹部の幅Ｌを２５０μｍに固定し、平面部の幅Ｗをそれぞれ１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍとした。凹部の深さＺは、枝番ａ〜ｅを付して、３００μｍ〜７００μｍまで１００μｍ刻みで変化させた。実施例４〜６は、平面部の幅Ｗを２５０μｍ、凹部の深さを７００μｍに固定し、凹部の幅Ｌをそれぞれ５００μｍ、７５０μｍ、１０００μｍとした。また比較例として、無加工の銅板に対する着霜の様子を観察した。
【００３９】
図５は着霜の様子を説明する顕微鏡写真である。図５において基準面とは、実施例では凸部１０６の上面の平面部１０６ａであり、比較例では銅板の表面である。図５に示す着霜の実験では、図４に示した試験片を−１０℃まで冷却して、大気下で霜結晶の成長過程を撮影した。
【００４０】
図５（ａ）は平面部の幅Ｗを比較する図である。比較例では基準面に一様に着霜していることがわかる。一方、実施例１−ｅ（幅Ｗが１００μｍ）、実施例２−ｅ（幅Ｗが２５０μｍ）では、凸部１０６の上に着霜して法線方向に結晶成長し、凹部１０８にはほとんど着霜していないことがわかる。図示しないが実施例３（幅Ｗが５００μｍ）でも、同様に平面部１０６ａの表面に着霜し、平面部１０６ａの法線方向に結晶が成長していた。これらのことから、１００μｍ以上５００μｍ以下が好ましいことが確認できた。
【００４１】
平面部の幅Ｗが１００μｍ未満の場合について説明する。空気中の湿分がフィン１０４に付着するとき、過冷却液滴として付着し、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。ここで平面部の幅Ｗが過冷却液滴の大きさよりも狭いと、凸部１０６の先端に球状に液滴が付着し、放射状に結晶が成長してしまう。すなわち平面部１０６ａの法線方向に結晶を成長させるためには、過冷却液滴の直径よりも平面部の幅Ｗを大きくする必要がある。この過冷却液滴の大きさは、別途の実験を行ったところ、親水処理をしたもので７２μｍ、撥水処理をしたもので２８μｍであった。そこで、若干のばらつきを考慮して、平面部の幅Ｗが１００μｍ以上であればほぼ確実に平面部１０６ａの法線方向に結晶成長させられると考えられる。
【００４２】
平面部の幅Ｗが５００μｍより大きい場合について考える。このとき結晶の成長方向は法線方向になるが、平面部１０６ａと霜結晶１２０との接合面が大きくなる（結晶の根元の幅が太くなる）ため、機械的強度が増してしまい、機械的に除去することが困難になってしまう。したがってこの上限については除去手段との兼ね合いにもなるが、５００μｍ以下であれば上記のブラシ１１０によっても容易に除去可能であった。
【００４３】
図５（ｂ）は凹部の幅Ｌを比較する図である。実施例２−ｅ（幅Ｌが２５０μｍ）では凹部１０８の中にはほとんど着霜していないが、実施例６（幅Ｌが１０００μｍ）では凹部１０８の中にも若干着霜してしまっている。また図５（ａ）に示しているように、実施例１−ｅ（幅Ｌが１００μｍ）の場合にも、凹部１０８の中にはほとんど着霜していない。
【００４４】
凹部の幅Ｌが１００μｍ未満の場合、凹部１０８の中への着霜は生じない。しかし、霜結晶１２０の薄板は結晶成長に伴って幅が太くなっていくため、隣接する霜の薄板が近すぎると早期に相互に結合して堅牢な構造を形成してしまう。そのため、凹部の幅Ｌは１００μｍ以上であることが好ましい。
【００４５】
凹部の幅Ｌが１０００μｍより大きくなると、さらに凹部１０８の中への着霜が大きくなり、凹凸を形成していることの意義が失われてしまう。幅Ｌが１０００μｍの場合も凹部１０８の中への着霜が見られるが、この状態でも上記のブラシ１１０による除去は可能であった。そのため、凹部の幅Ｌは、１０００μｍ以下が好ましいことが確認された。
【００４６】
繰り返しになるが、平面部の幅Ｗが１００μｍ以上５００μｍ以下、凹部の幅Ｌが１００μｍ以上１０００μｍ以下という数値範囲の限界的意義は、この範囲であれば本発明を実施可能であることが確認できていることを意味している。換言すれば、この範囲をわずかでも超えたら実施不可能になることを意味するものではない。
【００４７】
なお、図１の拡大断面図ではフィン１０４の端面にも凸部１０６と凹部１０８を形成している。しかし平面部１０６ａの幅と同様に、フィン１０４の端面の幅が５００μｍ以下である場合には、フィン１０４の端面は平坦であってもよい（図８参照）。望ましくは、フィン１０４の幅が３００μｍ以上となったときには、フィン１０４の端面にも凸部１０６と凹部１０８を形成するとよい。
【００４８】
図５（ｃ）は凹部の深さＺを比較する図である。実施例２−ａ（深さＺが３０μｍ）でも、実施例２−ｅ（深さＺが７０μｍ）でも、凹部１０８の中には着霜せず、空隙が形成されていることがわかる（写真の黒い部分）。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。これらのことから、凹部の深さＺが３０μｍ以上であれば、平面部１０６ａの上に霜結晶１２０が形成されることが確認された。なお凹部１０８が深いことについては、熱的な制限はほとんどなく、凹部１０８を形成するための加工技術上の制限によってその深さＺが決定されると考えられる。
【００４９】
図６は平面部１０６ａの縁の角度を説明する図である。図６（ａ）は平面部１０６ａの縁の角度をほぼ直角（９０度）に形成した例であり、上記実施例でも説明した形状である。図６（ｂ）は９０度よりも鋭角に形成した例であり、エッチングによって凹部１０８を形成した場合になりやすい形状である。図６（ｃ）は９０度よりも鈍角に形成した例であり、切削加工によって凹部１０８を形成した場合になりやすい形状である。
【００５０】
図６（ｂ）に示すように平面部１０６ａの縁の角度βが９０度より小さくなると、凹部１０８の中の間隙が大きくなる。すると空気が断熱層の作用を有するようになり、熱伝達を阻害する。このため、角度βは７０度以上であることが好ましい。一方、図６（ｃ）に示すように角度βが９０度より大きくなると側面が次第に傾斜していき、角度βが１２０度以上になると顕著に着霜してしまう。このため、平面部１０６ａの縁の角度βは７０度以上１２０度以下であることが好ましい。
【００５１】
なお、霜結晶１２０の平面部１０６ａに対する接合強度を低減させるために、フィン１０４の表面には表面に撥水塗料の塗布を行うと良い。これにより霜結晶１２０の根元部分が微細化するためさらに構造的に弱くなり、崩れるように砕けるため、さらに容易に除去することができる。
【００５２】
図７は熱流束について説明する図である。図７は図４に示した比較例と実施例２−ｅの熱流束を測定した結果を示しており、横軸は冷却面温度［℃］、縦軸は熱流束［Ｗ／ｍ２］である。なお冷却面初期温度ｔｗ０＝−１９０℃、空気温度ｔａ＝２５℃、冷却面姿勢θ＝９０度、空気湿度ｘａ＝０．０１１９ｋｇ／ｋｇである。
【００５３】
図７に示すように、熱流束については、無加工の銅板である比較例と実施例２−ｅとの間で、ほとんど差が見られなかった。このことから、凸部１０６および凹部１０８を形成しても熱交換器１００としての能力の低下はないことが確認された。
【００５４】
上記説明したように、熱交換器１００の表面に上記のような凸部１０６および凹部１０８を設けることにより、凸部１０６の上面の平面部１０６ａの上に薄板が配列した櫛歯状の構造の霜結晶１２０を形成することができる。このような霜結晶１２０は構造的に弱く、機械的な除去手段で容易に払い落とすことができるため、凝固熱を利用しつつ、長時間の連続運転が可能な熱交換器を提供することができる。
【００５５】
本発明は、従来の熱による除霜（ヒートポンプにおける冷媒の逆回しや、散水による除霜）を必ずしも除外するものではなく、併用して利用可能である。例えば、熱による除霜を従来は２０分に１回程度行っていたところを、本発明を併用することによって１時間に１回程度の頻度にすることができれば、十分に利益を得ることができる。
【００５６】
［第２実施形態］
図８は第２実施形態にかかる熱交換器１３０の構成を説明する図、図９は凸部１３２および凹部１３４の三面図と霜結晶１４０の様子を模式的に示す図であって、上記第１実施形態と説明の重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。上記第１実施形態においては、凸部１０６はリブ形状、凹部１０８は線状の溝として説明した。これに対し第２実施形態では、凸部１３２は島状に点在した四角柱であり、凹部１３４は線状の溝を交差させた碁盤目状（格子状）に形成している。なお図では凹部１３４はほぼ直交する溝によって格子状にしているが、溝をある程度の角度を持って交差させることにより、凸部１３２を菱形の柱にしてもよい。
【００５７】
図９に示すように、上記構成においても、霜結晶１４０は凸部１３２の上面の平面部１３２ａの上に、法線方向に結晶が成長する。したがって霜結晶１４０は、細い柱が縦横に配列した構造となる。これにより、薄板の集合であった霜結晶１２０（図２参照）よりもさらに構造的に弱くなり、さらに凸部１３２の上から折れやすくなる。
【００５８】
そこで本実施形態では、図１に示したブラシ１１０に代えて、機械的な除去手段として圧縮空気を例示している。具体的には、図８に示すようにフィン１０４の空気の流れ方向の上流側（一次側）にノズル１３６を配置し、着霜を除去する際には不図示のコンプレッサーから圧縮空気を噴出する。これによって、十分に着霜を除去することが可能である。なおブラシ１１０を用いた場合と比較すると、可動部分がないために構造が簡単であり、また汚れに対するメンテナンスが発生しないことから維持費の低廉化も可能である。
【００５９】
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】
【００６０】
本発明は、空気から熱を吸収して着霜が生じうる熱交換器として利用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１００…熱交換器、１０２…チューブ、１０４…フィン、１０６…凸部、１０６ａ…平面部、１０８…凹部、１１０…ブラシ、１１０ａ…軸、１１０ｂ…毛、１２０…霜結晶、１３０…熱交換器、１３２…凸部、１３２ａ…平面部、１３４…凹部、１３６…ノズル、１４０…霜結晶
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気から熱を吸収しうる熱交換器であって、
表面に微細な凸部および凹部を有し、
前記凸部の上面に最小の幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部を有し、
前記凹部の最小の幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記凹部の深さは３０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記凸部の平面部の縁の角度は７０度以上１２０度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記凸部はリブ形状であって、前記凹部は線状の溝であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記凹部は空気の流れ方向に向かって斜め下方に傾斜していることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記凸部は島状に点在しており、前記凹部は線状の溝を交差させた碁盤目状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項７】
空気の流れ方向の上流側に霜を掻き取るためのブラシを備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１】
空気から熱を吸収しうる熱交換器であって、
表面に微細な凸部および凹部を有し、
前記凸部の上面に最小の幅が１００μｍ以上５００μｍ以下の平面部を有し、
前記凹部の最小の幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記凹部の深さは３０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記凸部の平面部の縁の角度は７０度以上１２０度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記凸部はリブ形状であって、前記凹部は線状の溝であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記凹部は空気の流れ方向に向かって斜め下方に傾斜していることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記凸部は島状に点在しており、前記凹部は線状の溝を交差させた碁盤目状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項７】
空気の流れ方向の上流側に霜を掻き取るためのブラシを備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【図２】
【図３】
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【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−８２９８９（Ｐ２０１２−８２９８９Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２７５２６（Ｐ２０１０−２２７５２６）
【出願日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
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