JP2005282918A

JP2005282918A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2005282918A
Application number: JP2004096059A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Fujino; 宏和藤野; Takashi Yoshioka; 俊吉岡
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】各種熱交換器の伝熱性能を可及的に促進させる。
【解決手段】所定の熱交換器１，１０の所定の伝熱部材２，１１の伝熱面に、ナノレベルの微細な多孔質層をが形成した。
このような構成によれば、伝熱部材の伝熱面に、何らの加工を施さないのと同様の平滑面状態を実現することができ、全く通風抵抗を増大させることなく、しかも伝熱性能を大きく向上させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、多孔質層を用いた広い意味での熱交換器の構造に関するものである。

従来から、熱交換器における伝熱性能の促進のために、種々の技術手段が採用されている。

例えば空気熱交換器（フィンチューブ式熱交換器や積層型熱交換器などの伝熱フィンを有する熱交換器）では空気側伝熱フィンのスリット化やルーバー化によって、空気に対する前縁効果を利用することが行われている（特許文献１参照）。

また、例えば水用熱交換器（二重管式熱交換器やプレート式熱交換器など）では、内面加工溝による乱流の促進、流路の狭小化によって、水の流速を上昇させることが行われている（特許文献２参照）。

特開平４−９３５９５号公報（明細書１−３、図１−１０）

特開平９−２６２７９号公報（明細書１−５、図１−６）

しかし、上記スリットやルーバーの形成による前縁効果の利用は、通風抵抗の増大を招くため、伝熱性能の向上とともに圧力損失を増大させ、送風動力の増加や送風音の増大を招来する。

また、内面加工溝による乱流の促進、流路の狭小化も、やはり通路抵抗の増大、圧力損失の増加を引き起こすため水搬送ポンプ動力の増加を招くという弊害がある。

本願発明は、このような事情に鑑み、所望の熱交換器の伝熱部の伝熱面にナノレベルの多孔質層を形成することによって、圧損を生じることなく、しかも上記従来の伝熱促進構造に比べて飛躍的に伝熱性能を向上させた各種の熱交換器を提供することを目的とするものである。

本願発明は、上記の目的を達成するために、次のような課題解決手段を備えて構成されている。

（１）第１の課題解決手段
この発明の第１の課題解決手段は、所定の熱交換器１，１０の所定の伝熱部材２，２・・・、１１の伝熱面に、ナノレベルの微細な多孔質層が形成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、伝熱部材２，２・・・、１１の伝熱面に、何らの加工を施さないのと同様の平滑面状態を実現することができる。したがって、全く通風抵抗を増大させることなく、しかも伝熱性能を大きく向上させることが可能となる。

したがって、圧力損失がなく、送風動力、ポンプ動力の増大も生じない。また、空気送風ファン、流体搬送ポンプ等の騒動音も小さい。

（２）第２の課題解決手段
この発明の第２の課題解決手段は、上記第１の課題解決手段の構成において、ナノレベルの微細な多孔質層は、伝熱部材２，２・・・、１１の伝熱面表面の直径数十ｎｍの多数の微細粒子を所定の手段で処理することにより形成されていることを特徴としている。

このような構成によると、先ず伝熱部材２，２・・・、１１の伝熱面上に何らかの手段、例えばコーティング等の手段で直径数十ｎｍの多数の微粒子を層状に付着させておき、それを所定の手段で多孔化処理することによって、容易に多孔質層が形成される。

（３）第３の課題解決手段
この発明の第３の課題解決手段は、上記第２の課題解決手段の構成において、所定の手段が、化学的なエッチングであることを特徴としている。

このような構成によると、伝熱部材２，２・・・、１１の伝熱面上にコーティングされた直径数十ｎｍの多数の微粒子層を化学的にエッチングするだけで、特に容易に多孔質層を形成することができる。

（４）第４の課題解決手段
この発明の第４の課題解決手段は、上記第１，第２又は第３の課題解決手段の構成において、熱交換器が、空気調和機用熱交換器１であることを特徴としている。

上述のように、伝熱部材の伝熱面にナノレベルの多孔質層を形成した熱交換器は、非常に伝熱性能が高く、しかも通風抵抗が小さくて、圧損が小さい。

したがって、空気調和機用の各種熱交換器１のように、空気と冷媒との高効率な熱交換に最適であり、従来のものに比べて非常に高性能の空気調和機用熱交換器を提供することができる。

（５）第５の課題解決手段
この発明の第５の課題解決手段は、上記第１，第２又は第３の課題解決手段の構成において、熱交換器が、給湯器用熱交換器１０であることを特徴としている。

上述のように、伝熱部材の伝熱面にナノレベルの多孔質層を形成した熱交換器は、非常に伝熱性能が高く、しかも流体の流通抵抗が小さくて、圧損が小さい。

したがって、給湯器用の熱交換器１０のように、水と冷媒との高効率な熱交換にも最適であり、従来のものに比べて非常に高性能の給湯器用熱交換器を提供することができる。

（６）第６の課題解決手段
この発明の第６の課題解決手段は、上記第４の課題解決手段の構成において、空気調和機用の熱交換器１が、伝熱部材としての伝熱フィン２，２・・・を備えた空気熱交換器であり、その伝熱フィンの表面にナノレベルの多孔質層が形成されていることを特徴としている。

このように、伝熱フィンを備えた空気熱交換器１の伝熱フィン２，２・・・の表面にナノレベルの微細な多孔質層を形成すると、伝熱フィンに何らの加工を施さない平滑面と同様の通風抵抗で、しかも伝熱性能を大きく向上させることが可能となる。

その結果、圧損がなく、送風動力の増大も生じない。また、空気送風ファンの騒動音も小さく、静粛性が向上する。

その場合、上記多孔質層は、上記伝熱フィン２の空気と接触する全面に形成してもよいし、また必要な部分にのみ形成してもよい。また、その場合において、従来のスリットフィンやルーバーフィンと組み合わせ、それらの前縁効果をも活用するようにしてもよい。

そして、その場合、スリットやルーバーを空気流の上流側に設置し、下流側に多孔質層を形成すると、スリットやルーバーが空気中の汚染物質を捕集するので、多孔質層の目詰りが生じにくくなる。

（７）第７の課題解決手段
この発明の第７の課題解決手段は、上記第５の課題解決手段の構成において、給湯器用の熱交換器１０は、水が流れる芯管１１の外周に冷媒が流れる外管１４ａ，１４ｂを螺旋状に巻き付けて構成された熱交換器であり、水との伝熱面である芯管１１の内周面１１ａにナノレベルの微細な多孔質層が形成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、伝熱部材である芯管１１の内周側水との伝熱面は何らかの加工を施さないのと同様の平滑面状態を実現することができ、全く水の流通抵抗を増大させることなく、しかも伝熱性能を大きく向上させることが可能となる。

その結果、熱交換体積の大幅な縮小が図られ、コンパクト化が可能となる。

また、圧力損失がなく、ポンプ動力の増大も生じない。そして、流体搬送ポンプの騒動音も小さい。

以上の結果、本願発明によると、空気調和機や給湯器その他の各種の熱交換器に適した高性能でコンパクトな熱交換器を、低コストに得ることができる。

以下、添付の図面を参照して、本願発明の幾つかの最良の実施の形態について詳細に説明する。

（最良の実施の形態１）
先ず図１には、例えば空気調和機用の熱交換器を構成するに適した本願発明の最良の実施の形態１に係るクロスフィン熱交換器の構成が示されている。

図中、符号２，２・・・は所定のフィンピッチを有して多数枚並設されてクロスフィン熱交換器１を構成する多数枚のプレートフィンの各々を示しており、該プレートフィン２，２・・・には長手方向に所定の管段ピッチを保ってフィン面と直交する方向に複数本の伝熱管（銅管）３，３・・・が、相互に高さ位置を変えて前後２列状態で貫装されいる。

そして、該伝熱管３，３・・・の内周面３ａ，３ａ・・・および上記各プレートフィン２，２・・・の全面には、直径数十ｎｍの所定の微細粒子を所定の厚さで層状にコーティングし、化学的にエッチングする等の多孔化手段で多孔化処理することによって、例えば１００ｎｍスケールの多孔体構造物を構成する微細な多孔質層が形成されている。

このような構成によれば、上記多孔質層の形成により伝熱部材であるプレートフィン２，２・・・の表面に、何らの加工を施さないのと同様の平滑面状態を実現することができる。したがって、全く通風抵抗を増大させることなく、しかも伝熱性能を大きく向上させることが可能となる。

したがって、圧力損失がなく、送風動力の増大も生じない。また、空気送風ファンの騒動音も小さい。

そして、同ナノレベルの微細な多孔質層は、上記伝熱管３，３・・・の内周面３ａ，３ａ・・・および上記各プレートフィン２，２・・・の全面に、直径数十ｎｍの所定の微細粒子を所定の厚さで層状にコーティングし、化学的にエッチングする等の多孔化手段で多孔化処理することによって、例えば１００ｎｍスケールの多孔体構造物を容易に構成することができる。したがって、その形成も容易である。

同多孔質層を備えた上記のような伝熱フィンは、さらに具体的には、例えば酸化銅（ＣｕＯ）ナノ粒子（平均径１６〜３２ｍｍ，球形）又はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）ナノ粒子（平均径２７〜５６ｍｍ，球形）等を混入させた酸あるいはアルカリを銅基板（又はアルミ基板）表面にコーティングし、その表面を化学的にエッチング処理して伝熱面とすることによって形成される。

このようにすると、前者の場合、銅基板上に約１００μｍ程度の酸化銅ナノ粒子を含む多孔質層が形成され、針状や板状の結晶が析出し、それらが複雑に絡み合って、サブミクロン・オーダ〜１０μｍの孔が無数に構成される。

また、後者の場合、銅基板（又はアルミ基板）上にアルミナ・ナノ粒子を含む約１５μｍ程度の多孔質層が形成され、サブミクロン・オーダ〜５μｍ程度の析出物が無数に生じるとともに、１００ｎｍ以下の析出物が堆積する。

つまり、ナノ粒子の種類によって析出形態の差はあるものの、ナノ粒子多孔質層はエッチングによる析出物によるミクロンオーダの縞状・空孔状構造と、その内部に析出した約１００ｎｍ程度以下のナノスケール構造物から構成されることが分る。

このように、伝熱フィンの伝熱面にナノ粒子多孔質層を形成すると、同ナノ粒子多孔質層の無い場合に比べて約１，８倍程度の大きな伝熱促進効果が得られ、また熱交換特性も従来の相関式に比べて２倍以上に向上する。

（最良の実施の形態２）
次に図２には、上記同様にば空気調和機用の熱交換器を構成するに適した本願発明の最良の実施の形態２に係るクロスフィン熱交換器の構成が示されている。

図中、符号２，２・・・は所定のフィンピッチを有して多数枚並設されてクロスフィン熱交換器１を構成する多数枚のプレートフィンの各々を示しており、該プレートフィン２，２・・・には長手方向に所定の管段ピッチを保ってフィン面と直交する方向に複数本の伝熱管３，３・・・が、相互に高さ位置を変えて前後２列状態で貫装されており、該前後２列の複数本の伝熱管３，３・・・の前列側伝熱管３，３・・・の上下に位置する伝熱管３と伝熱管３との間（管段ピッチ間スペース）には、空気流の上流側から下流側方向にかけて各々プレートフィン２，２・・・の長手方向に平行に延びた複数列（２列×２列）の断面コ字状のスリット（切起し片）４ａ，４ｂ、４ａ，４ｂが所定の間隔を保って配設されている。該複数列のスリット４ａ，４ｂ、４ａ，４ｂには、それぞれ伝熱管配設位置を基準として空気流上流側方向および下流側方向に順次幅（長さ）が大きくなっている。

そして、上記各プレートフィン２，２・・・の後列部２ｂ，２ｂ・・・部分には、直径数十ｎｍの所定の微細粒子を所定の厚さで層状にコーティングし、その表面を化学的にエッチングして多孔化することにより、上述の実施の形態１のものと同様の１００ｎｍ程度の大きさを持つ多孔体構造物からなる微細な多孔質層が形成されている。

他方、前列部側２ａ，２ａ・・・部分には、同多孔質層が形成されていない。

したがって、該構成では、上記ナノレベルの多孔質層の形成による上記プレートフィン２，２・・・の後列部２ｂ，２ｂ・・・部分での伝熱性能向上作用に加え、上記スリット４ａ，４ｂ、４ａ，４ｂの設置により各プレートフィン２，２・・・の前列部で効果的な前縁効果を得ることができるとともに、各プレートフィン２，２・・・の前列部２ａ，２ａ・・・側において空気中の汚染物質が効果的に捕集されて微細な塵埃による目詰りが防止され、多孔質層の性能寿命が長くなる。またフィン部の水はけ性能も向上する。その結果、より以上に伝熱性能が向上する。

（最良の実施の形態３）
さらに図３には、上記最良の実施の形態１，２と同様にナノレベルの多孔質層により伝熱性能を向上させた本願発明の最良の実施の形態３に係る熱交換器の構成が示されている。

この熱交換器１０は、例えば給湯器用の熱交換器として構成されている。

すなわち、この給湯機用の熱交換器１０は、例えば図３に示すように、内部に水通路１１ａを形成する所定の外径の長い芯管１１の外周に、内部に冷媒通路を形成する上記芯管１１よりも外径（通路径）の小さい第１，第２の２本の外管１４ａ，１４ｂを所定のピッチで螺旋状に巻き付けてロウ付け又はハンダ付けし、これを熱交換器ユニットとしている。そして、その後、上記外管１４ａ，１４ｂの端部同士を、分流部材１３を介して所定の冷媒供給管１２に接続し、ロー付け等を施すことにより一体形状とし、上記芯管１１内を水通路１１ａとするとともに、上記第１，第２の外管１４ａ，１４ｂ側を冷媒通路としている。

そして、このような構成において、上記芯管１１内の水通路１１ａの内周面全面には、例えば直径数十ｎｍの所定の微細粒子を所定の厚さで層状にコーティングし、その表面を化学的にエッチングすることにより、例えば１００ｎｍ程度の大きさを持つ上述の実施の形態１のものと同様の多孔体構造物からなる微細な多孔質層が形成されている。

このように、伝熱部材の伝熱面である芯管１１の内周面にナノレベルの多孔質層を形成した給湯器用熱交換器１０は、非常に伝熱性能が高く、しかも通風抵抗が小さくて、圧損が小さい。

したがって、水と冷媒との高効率な熱交換にも最適であり、従来のものに比べて非常に高性能の給湯器用熱交換器を提供することができる。

（その他の実施の形態）
なお、本願発明が適用される熱交換器としては、以上の実施の形態の他にも種々の熱交換器が考えられ、例えば前述した積層型熱交換器やプレート式熱交換器、また全熱熱交換器などの各種伝熱プレート、伝熱面に上述のものと同様のナノレベルの微細な多孔質層を形成すると、同様の作用効果を得ることができる。

さらに、またヒートシンク等の電気、電子機器用の放熱装置、放熱部材の放熱プレート、放熱面、ペルチエ機器、ヒートレーン等の伝熱プレート、伝熱面、半導体ウエハー冷却装置の冷却プレート、冷却面等にも有効である。

本願発明の最良の実施の形態１に係る熱交換器の構成を示す斜視図である。本願発明の最良の実施の形態２に係る熱交換器の構成を示す斜視図である。本願発明の最良の実施の形態３に係る熱交換器の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１：クロスフィン熱交換器
２：プレートフィン
２ａ：前列部
２ｂ：後列部
３：伝熱管
３ａ：内周面
４ａ，４ｂ：スリット
１０：給湯器用熱交換器
１１：芯管
１１ａ：内周面
１２：冷媒供給管
１３：分流部材
１４ａ，１４ｂ：外管

Claims

所定の熱交換器（１），（１０）の所定の伝熱部材（２），（２）・・・、（１１）の伝熱面に、ナノレベルの微細な多孔質層が形成されていることを特徴とする熱交換器。
ナノレベルの微細な多孔質層は、伝熱部材（２），（２）・・・、（１１）の伝熱面表面の直径数十ｎｍの多数の微細粒子を所定の手段で処理することにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
所定の手段が、化学的なエッチングであることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
熱交換器が、空気調和機用熱交換器（１）であることを特徴とする請求項１，２又は３記載の熱交換器。
熱交換器が、給湯器用熱交換器（１０）であることを特徴とする請求項１，２又は３記載の熱交換器。
空気調和機用の熱交換器（１）が、伝熱部材としての伝熱フィン（２），（２）・・・を備えた空気熱交換器であり、その伝熱フィン（２），（２）・・・の表面にナノレベルの多孔質層が形成されていることを特徴とする請求項４記載の熱交換器。
給湯器用の熱交換器（１０）は、水が流れる芯管（１１）の外周に冷媒が流れる外管（１４ａ），（１４ｂ）を螺旋状に巻き付けて構成された熱交換器であり、水との伝熱面である芯管（１１）の内周面（１１ａ）にナノレベルの微細な多孔質層が形成されていることを特徴とする請求項５記載の熱交換器。