JP2010255992A - 熱交換器および加湿器 - Google Patents

Abstract

【課題】 凝縮器を効率的に冷却して成績係数を向上させると共に、気化式加湿において加湿能力の制御幅を大きくすることが可能な熱交換器および加湿器を提供する。
【解決手段】 熱伝達媒体を循環させて室外の熱と室内の熱を交換する熱交換器であって、熱伝達媒体を気化吸熱させるフィン１２０と、熱伝達媒体を圧縮する圧縮機２１６と、圧縮された熱伝達媒体を放熱させて液化させる屋外熱交換器２１２と、フィン１２０または屋外熱交換器２１２のいずれか一方または両方の外表面に設けられた湿潤層１４０と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、室内の空気の温度を調節する熱交換器および加湿器に関する。

空気調和機（エアーコンディショナーともいう。以下「エアコン」と略称する。）に代表される熱交換器は、家庭や会社等に広く普及し、室内の温度を調節している。一般的なエアコンは、室内機と室外機で構成され、室内機と室外機の間で熱伝達媒体（冷媒）を循環させ、熱伝達媒体を凝縮したり蒸発させたりすることによって発生する熱伝達媒体の潜熱を利用することで暖房機となったり、冷房機となったりする。

例えばエアコンを冷房機として利用する場合、室外機に熱伝達媒体を凝縮する凝縮器を備え、室内機に熱伝達媒体を蒸発させる蒸発器を備える。室外機においては凝縮熱を放出し、室内機においては気化熱を吸収する。これにより室内の熱と外気の熱とを交換し、室内を冷却することができる。

冷房機としてのエアコンを効率的に利用するには、消費電力あたりの冷房能力（成績係数：ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）を向上させる必要がある。ＣＯＰを向上させる手段の一つとして、凝縮器の放熱効率を上昇させる、すなわち凝縮器を冷却することにより、ポンプ（圧縮機）の仕事を低減させる方法が最も有効である。そこで冷房機の凝縮器は水冷式または空冷式によって冷却しているが、大型の業務用凝縮器を除けば空冷式を採用する場合が多い。空冷式においては、熱伝達媒体を循環する管にフィンを設け、このフィンの間に空気を流通させる通気部を設けることにより熱伝達媒体を冷却する方法が一般的である。

また凝縮器をより効率的に冷却する技術として、フィンに水道水を噴霧し、フィンに付着した水道水の気化熱を利用して放熱効率を向上させるものが提案されている（例えば、特許文献１）。

また近年、エアコンには、快適な空気調和を行うために、温度の調整だけではなく、湿度の調整も行うことが求められつつある。従来のエアコンにおいてもその動作原理を生かして除湿する機能が備えられていたが（原理的に、暖房も冷房も室内空気は乾燥する傾向に作用する）、さらに積極的に加湿も行うことが求められている。加湿器には、方式によって大別すれば気化式加湿器、蒸気式加湿器、水噴霧式加湿器がある。

気化式加湿器は、常温の水を蒸発させることにより加湿を行うものであり、一般には暖めた空気の顕熱を水の潜熱に代えて蒸発させる構成となっている。このため水が蒸発し露点温度まで冷えると加湿ができなくなるため、空気温度を室温より１０℃以上上げるか、空気循環量を大きくする必要がある点と、気化する水の量を制御しにくい点に問題がある。また加湿能力が低いために、機器が大型化しやすいという問題もある。

気化式加湿器にもいくつかの方式があるが、その一つに、フィルタに毛細管現象を利用して給水（揚水）する毛細管式がある。例えば特許文献２には、ハニカム形状の充填材の下端を水槽に浸して給水させ、ブロアーで送風して気化させる構成が記載されている。フィルタには、レーヨンなどの樹脂からなる不織布などによって形成された充填材が用いられる。フィルタの形状は様々であり、ハニカム状の板や円筒、複雑な形状の波板を複数枚重ね合わせたものが多く用いられる。

蒸気式加湿器は、蒸気を利用して加湿する方式であり、例えばボイラーで発生させた蒸気を熱交換器に噴霧している。蒸気式加湿器は、沸騰蒸気を利用するものであるため加湿量の制御が容易である一方、飽和蒸気であるため空気とよく混合しないと結露しやすく、飽和効率を上げにくいという問題がある。

水噴霧式加湿器は、常温の水を微細な水滴にして放出することによって加湿する方式であり、例えばスプレーや超音波によって数十ミクロン（マイクロオーダー）以下の水滴を発生させて噴出する。水噴霧式は、気化式よりも加湿量の制御が容易である。しかし水に含まれるものをそのまま放出してしまうため、周囲にカルシウムやマグネシウム等の硬度成分が析出したり、水に繁殖した雑菌も振りまいたりしてしまう。このためクリーンルームや食品系施設には使いにくく、空気清浄度が要求されない場所に用いたり、純水器や殺菌装置を併用したりしている。

また蒸気式加湿器と水噴霧式加湿器はいずれも、容積がなければ水蒸気の粗密が発生して結露しやすいため、空気と混合するための大きなダクトやエリミネーター（水滴分離器）が必要となり、機器の専有面積が大きくなるという問題がある。

特開２０００−０１８７７１号公報 特開２００３−０７４９１６号公報

近年の省エネルギー化の流れから、空気調和器に代表される熱交換器のＣＯＰをさらに向上させる必要がある。また、居住空間の快適さを向上させる上で、湿度のコントロールが重要になってきているが、それに際しても動力を削減し、同時に加湿能力を向上させる必要がある。

しかし、特許文献１に記載されるように凝縮器のフィンに水を噴霧したとしても、すぐに水が流下してしまうために、大量の水をかけ続けなければならない。このため、水の消費量および水を流すためのポンプ仕事が大きく、エネルギー消費の低下の妨げとなっている。また凝縮器に吹きかける構成では、液滴を大きくして吹きかけると凝縮器の水膜が厚くなり、熱伝達性が悪くなる上、大部分の水が蒸発する前に流れてしまい無駄が多い。一方液滴を小さくして吹きかけると飛散してしまい、凝縮器での熱伝達には寄与しなくなってしまう。また周囲に飛散して周囲の機器に損傷を与えたり、美観を損ねたりするという問題があった。

また凝縮器のフィンに水を噴霧する蒸発式凝縮器（エバコン）を用いるヒートポンプにおいては、熱交換器表面に耐久性に優れた腐食防止膜を塗布してあるが、通過空気や噴霧する水に含まれる固形分によって膜がエロージョンし、剥離した部分から熱交換器の電解腐食を起こす問題があった。

また加湿に際しては、上述したように、水噴霧式であれば加湿量の制御が容易であるが、周辺への硬度成分の析出や雑菌の放出があるため、使いにくい。蒸気式は放出する空気が高熱となる上、飽和効率を上げにくいため採用しにくい。

そこで本発明は、凝縮器を効率的に冷却して成績係数を向上させると共に、気化式加湿において加湿能力の制御幅を大きくすることが可能な熱交換器および加湿器を提供することを目的としている。

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、熱伝達媒体を循環させて室外の熱と室内の熱を交換する熱交換器であって、熱伝達媒体を気化吸熱させる蒸発器と、熱伝達媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮された熱伝達媒体を放熱させて液化させる凝縮器と、凝縮器または蒸発器のいずれか一方または両方の外表面に設けられた湿潤層と、を備えたことを特徴とする。

上記構成により、湿潤層に水の薄膜が形成されるために、湿潤層に覆われている凝縮器または蒸発器の熱伝達率を向上させることができる。したがって、凝縮器の場合には、凝縮器の内部を循環する熱伝導媒体の凝縮効率を上昇させることが可能となる。また蒸発器の場合には、外気から吸着した水が均一な薄膜を形成するために氷結しにくく、除霜間隔を広げることができる。

また、湿潤層に水を供給する水供給部と、湿潤層に空気を流通させ湿潤層が吸水した水の気化を促進する通気部とを備えていてもよい。

湿潤層に積極的に水を供給することにより、湿潤層に確実に水の薄膜を形成することができる。このように薄膜を形成することにより水の膜の中に高い温度勾配が形成され高熱流束が得られるため、蒸発速度を高めることができる。なお、水の薄膜が乾く寸前が最も高熱流束が得られる。また、通気部を備えたことにより湿潤層に供給された水の気化速度が上昇するため、凝縮器の気化吸熱効率が増加する。

したがって室内機の凝縮器に湿潤層を設けた場合には、加湿能力を高めることができる。特に、水が極めて薄い薄膜であることから、熱交換器の温度の変動が温度勾配に大きな影響を与えるため、加湿能力の制御幅を大きくすることが可能である。

また室外機の凝縮器に湿潤層を設けた場合には、水の気化熱によって凝縮器を冷却することができ、凝縮器の内部を循環する熱伝導媒体の凝縮効率を上昇させることが可能となる。したがって、簡単かつ安価に凝縮器を冷却することができ、熱伝達媒体を凝縮することが可能となる。

さらに時間を計測するタイマーを備え、水供給部は、タイマーが計測した時間に基づいて間欠的に給水してもよい。湿潤層は水を保持するため、間欠的な給水で足り、大量の水を流し続けることなく適切な効果を得ることができる。また給水間隔を広げることにより、湿潤層が乾燥するタイミングを作ることができ、菌やカビの発生を防止することができる。また給水間隔によって加湿量を制御することができる。

湿潤層は、凝縮器または蒸発器に塗布した接着剤に繊維を静電植毛してもよい。これにより保水力の高い湿潤層を容易に形成することができる。また、植毛された繊維を苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）などのアルカリ溶剤で除去することができ、凝縮器または蒸発器を再生利用することができる。また植毛部がエロージョンを防ぐ効果も得られる。

接着剤の層厚は２０μｍ以下であることが好ましい。これにより湿潤層を設けたことによる伝熱効率の低下を防止することができる。

繊維は、光触媒材料または銀粉を混入してもよい。また、湿潤層に紫外線を照射する紫外線照射部を備えてもよい。これらにより菌やカビの発生を防止することができる。

湿潤層にスケール除去剤を噴射して洗浄する洗浄部を備えてもよい。これにより、湿潤層の機能低下を防止することができる。

湿潤層は、凝縮器または蒸発器の外表面の一部に備えられ、さらに、通気部から送出される空気を、凝縮器または蒸発器の湿潤層が備えられた部分と備えられていない部分に分割して導く隔壁を備えてもよい。

これにより、冷暖房効率の低下を抑えつつ、必要に応じて加湿機能を備えさせることができる。なお湿潤層の有無によって圧損が異なるが、隔壁を設けることによっていずれの領域にも同様に通気させることができる。

本発明にかかる加湿器の代表的な構成は、平行して立設される複数枚の板状のフィンと、フィンを加熱する加熱部と、フィンの表面に設けられた湿潤層と、時間を計測するタイマーと、タイマーが計測した時間に基づいて湿潤層に間欠的に給水する水供給部と、湿潤層に空気を流通させ湿潤層が吸水した水の気化を促進する通気部と、を備えていることを特徴とする。

上記構成によれば、湿潤層内に水が薄膜を形成し、この湿潤層に空気を流通させることにより加湿を行うことができる。このように薄膜を形成することにより水の膜の中に高い温度勾配が形成され高熱流束が得られるため、蒸発速度、すなわち加湿能力を高めることができる。同様に、水が極めて薄い薄膜であることから、熱源たる加熱部の変動が温度勾配に大きな影響を与えるため、加湿能力の制御幅を大きくすることが可能である。

上述した熱交換器の技術的思想に基づく構成要素やその説明は、上記の加湿器にも適用可能である。

以上説明したように本発明の熱交換器または加湿器によれば、凝縮器において効率的に冷却して成績係数を向上させると共に、気化式加湿において加湿能力の制御幅を大きくすることが可能となる。

第１実施形態にかかる熱交換器および加湿器の例としてのエアコンを説明するための概略図である。 室内機の概略構成を説明する図である。 湿潤層およびコイルを説明する図である。 湿潤層の他の例を説明する図である。 比較例としての充填材を用いた気化式加湿器の構成を示す図である。 実施例と比較例の飽和効率を比較する図である。 実施例と比較例の管外総括熱伝達率を示す図である。 実施例と比較例の熱交換性能を比較する図である。 実施例と比較例の飽和効率の制御性を比較する図である。 実施例と比較例の洗浄時の圧力損失と相対湿度とを説明する図である。 防菌防かび対策と一般的な菌やカビとの組み合わせによる有効性を示す図である。 フィンの一部のみに湿潤層を設けた例を示す図である。 第２実施形態にかかる熱交換器の例としてのエアコンを説明する概略図である。 屋外熱交換器の構成を説明する図である。 冷房運転時の実験結果を説明するＰＨ線図である。 湿潤層を設けた場合と設けていない場合の除霜運転の様子を説明する図である。

（第１実施形態）
本発明にかかる熱交換器および加湿器の第１実施形態について説明する。ここでは、理解を容易にするために、加湿機能を備えた熱交換器としてエアコンを挙げて説明する。なお、以下の実施形態に示す、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。また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構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（エアコン１００)
図１は第１実施形態にかかる熱交換器および加湿器の例としての空気調和機（エアーコンディショナー。以下単に「エアコン１００」という。）を説明するための概略図である。かかるエアコン１００は、冷房または暖房として機能し、室内機１１０と、室外機２００と、冷媒配管１０２とを含んで構成される。エアコン１００では、冷媒配管１０２が室内機１１０と室外機２００に接続されている。

冷媒配管１０２は、管形状を有し、内部に熱伝達媒体（冷媒）を封入されている。熱伝達媒体は図１中矢印で示すように、室内機１１０と室外機２００の間を循環している。エアコン１００を暖房装置として機能させる場合は、冷房装置として機能させる場合と逆の方向に熱伝達媒体を循環させる。本実施形態では、エアコン１００を主に暖房装置として動作させる場合について説明する。

室内機１１０は、暖房時に凝縮器（冷房時は蒸発器）として機能するフィン１２０およびコイル１２２と、水供給部の例としての散水部１２４と、通気部の例としてのファン１２８と、紫外線照射部１３４と、洗浄部１３６（図２参照）を備えている。フィン１２０の下方には水受皿１３０が配置され、フィン１２０から落下した水を受け止める。水受皿１３０には排水管１３２が接続されており、受け止められた水は溜まることなく排水される。

室外機２００は、屋外熱交換器２１２（暖房時は蒸発器、冷房時は凝縮器）と、ファン２１４と、圧縮機２１６とを含んで構成される。屋外熱交換器２１２では液体の冷媒を蒸発させて気化させて吸熱させる。ファン２１４は外気を用いて冷媒の吸熱を促進する（外気に冷熱を放出する）。圧縮機２１６は冷媒を圧縮し、高温高圧の気体にする。

図２は室内機１１０の概略構成を説明する図、図３は湿潤層１４０およびコイル１２２を説明する図である。

フィン１２０は、平行して立設される複数枚の板状部材である。具体的には、コイル１２２と一体に接続（溶接）されたフィンコイルとして構成することができる。フィン１２０はコイル１２２内を循環する冷媒からすれば放熱板としての機能を有するが、フィン１２０から見ればその表面に含ませた水を温めるためにコイル１２２から熱を供給される。

フィン１２０は、本実施形態において０．５ｍｍ厚のアルミニウム板である。フィン１２０の間隔は１ｍｍ〜３ｍｍとすることができ、約２ｍｍとすることがさらに好適である。フィンの間隔が１ｍｍよりも狭いと圧力損失が高くなってファン１２８の動力を増大させなければならなくなるためである。またフィンの間隔が３ｍｍよりも広くなってしまうと、湿潤層と空気との接触面積が減少して所望の加湿性能が得られないためである。

コイル１２２は冷媒を循環させる管であり、冷媒配管１０２に接続され、室外機２００と冷媒を循環している。コイル１２２はフィン１２０と接合（溶接）されており、冷媒の熱をフィン１２０へと伝える。高温高圧の気体である冷媒はフィン１２０によって放熱し、凝縮して液体となる。

コイル１２２はフィン１２０を反復して貫通しており、図３（ｂ）に示すようにフィン１２０に対するコイル１２２の断面配置は千鳥状（交互に配置されていること）となっている。これにより、空気の流通を阻害することなく、コイル１２２からフィン１２０への伝熱効率を高めることができる。

なおヒートポンプを用いずに加湿器を構成しようとした場合は、コイル１２２内に冷媒に代えて熱流体（湯や油）を流したり、コイル１２２に代えて電熱ヒータを用いたりすることも可能である。またフィン１２０全体に電流を流して、フィン１２０自体を発熱させてもよい。

ファン１２８は、気流を生じることによってフィン１２０の間に空気を流通させ、湿潤層１４０が吸水した水の気化を促進することにより、冷媒の放熱を促進する。

湿潤層１４０は、図２の部分拡大図に示すように、フィン１２０の表面に植毛することによって設けられている。具体的には、湿潤層１４０は例えば接着剤を塗布したフィン１２０に繊維を静電植毛して構成することができる。

散水部１２４は、フィン１２０の上方から水１２６を噴射することにより、湿潤層１４０に水を供給する。散水部１２４の供給管には給水弁１２４ａが設けられており、制御部１５０の制御によって水１２６の供給と停止を行う。制御部１５０は、時間を計測するタイマー１５２が計測した時間に基づいて、間欠的に給水を行う（例えば１〜２分ごと）。湿潤層１４０は水１２６を保持するため、間欠的な給水で足り、大量の水を流し続けることなく適切な効果を得ることができる。また給水間隔を広げることにより、湿潤層１４０が乾燥するタイミングを作ることができ、菌やカビの発生を防止することができる。また、間欠的な給水の間隔（タイマー間隔）を調整することにより、全体的な加湿量を調整することができる。

図３に示すように、湿潤層１４０は不規則に植毛された繊維１４２によって構成される。これにより、湿潤層１４０は散水部１２４から供給される水１２６を毛細管現象を利用して浸透、拡散させることができる。給水された水１２６は、図３（ａ）に示すように、繊維１４２同士の間でメニスカス（液体架橋）と呼ばれる薄膜を形成する。

繊維１４２は、レーヨンやナイロンまたはアクリルを主成分とする合成樹脂を好適に用いることができる。特にアクリルは親水性がよく、拡散性が高いために好ましい。これは、親水性が高いと固液接触角が小さくなり、メニスカス部が増大するためである。繊維１４２には、後述するように、光触媒材料や、防菌防かび剤（備長炭や銀粉など）を混入してもよい。さらに紫外線照射部１３４によって湿潤層１４０に紫外線を照射することにより、菌の繁殖を防止している。さらに服飾に使用される合成樹脂を用いることで、次亜塩素酸などの漂白剤を用いてカビや酵母の殺菌を行うことも可能である。

洗浄部１３６は、スケール除去剤を噴射してフィン１２０に付着したスケールを洗浄する。繊維１４２にレーヨン等の材質を用いることにより、一般的なエアコン洗浄剤や中性スケール除去剤を使用することができ、洗浄も容易である。なお、スケールを除去しなかったとしても同様に水１２６の薄膜は形成され、性能の低下はほとんど見られなかった。ただしフィン１２０の間が目詰まりを生じるほどにスケールが堆積すると圧損が増大するため、定期的にスケールを除去することが好ましい。洗浄部１３６の供給管には洗浄弁１３６ａが設けられており、制御部１５０の制御によってスケール除去剤の供給と停止を行う。

また、繊維１４２を接着剤を用いて植毛したことにより、植毛された繊維１４２を苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）などのアルカリ溶剤、アルミフィンを使用しておりアクリル溶剤によって腐食する場合はラッカーシンナーで除去することができる。従って、使用により繊維１４２に汚れが溜まって目詰まりなどを生じた場合にはフィン１２０を交換するが、湿潤層１４０を除去して再び植毛することができる。このようにフィン１２０を再利用することにより、ランニングコストの低減および資源の有効利用を図ることができる。

繊維１４２の長さは、０．５ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましく、約１ｍｍ程度が最も好ましい。なお、約１ｍｍの繊維１４２を用いた場合、湿潤層の層厚は約０．５ｍｍとなる。繊維１４２が０．５ｍｍより短いと毛細管現象による拡散性が低くなってしまうためである。また繊維１４２が２ｍｍよりも長くなると繊維１４２中に含まれる水の膜が厚くなってしまい、後述するような所望の加湿性能が得られないためである。

また接着剤の層厚は、２０μｍ以下であることが好ましい。これにより湿潤層１４０を設けたことによる電熱効率の低下を防止することができる。なお接着剤を薄くすると繊維１４２に対する接着力が低下するが、繊維１４２を静電植毛した後に加熱処理を行うことにより、接着剤が２０μｍ以下と薄くても確実に定着させることができる。

繊維１４２は、金属または炭素もしくはその両方を含有していてもよい。これにより熱伝導率が向上するため、効率よくフィン１２０に保持された熱と外気の熱を交換することができる。

なお湿潤層１４０としては繊維の植毛に限らず、毛細管現象が得られれば足り、帯状の布や不織布を巻き付けたり、発泡樹脂の層を形成したり、多孔質のセラミックをフィン１２０の外表面に焼結して形成してもよい。

図４は湿潤層１４０の他の例を説明する図であり、特に図４（ａ）は不織布を、図４（ｂ）は布を、図４（ｃ）は発泡樹脂を湿潤層１４０に用いた場合をそれぞれ示す。また図４中、水を斜線で示す。図４に示すように、不織布、布および発泡樹脂でも毛細管現象を利用し、水を拡散させて薄膜を形成することが可能となる。したがって、不織布、布および発泡樹脂でも湿潤層１４０として好適に用いることができる。

上記構成によれば、散水部１２４から湿潤層１４０に水を供給すると、植毛により形成された湿潤層１４０内に毛細管現象を利用して水が浸透して拡散し、この湿潤層１４０に空気を流通させることにより加湿を行うことができる。そして間欠的に給水を行うが、散水部１２４から水を吐出している間は湿潤層１４０には過剰な水が含まれるため、薄膜は形成されにくい。しかし、間欠給水を行うことにより、給水を停止すると余剰水分は迅速に落下し、湿潤層１４０には極めて薄い薄膜が形成される（図３（ａ）参照）。

したがって、継続的に常時給水する場合に比べて、水の膜を飛躍的に薄くすることができる。このように極めて薄い薄膜を形成することにより、水の膜の中に高い温度勾配が形成され高熱流束が得られるため、気化しやすくなり、蒸発速度、すなわち加湿能力を高めることができる。また、水の薄膜が乾く寸前が最も高熱流束が得られるため、乾く寸前に給水を行うように給水の間隔を設定することで、時間平均熱流束が高くなり、さらに加湿能力を高めることが出来る。同様に、水が極めて薄い薄膜であることから、熱源温度にほぼ比例して水膜の伝熱面近傍温度が変化するため、水膜内の温度勾配の変化幅が大きくでき、加湿能力の制御幅を大きくすることが可能である。

また、上記構成によれば長期間滞留する水がなく、また湿潤層１４０の保有水量が少ないため、供給水を停止すればフィン１２０および湿潤層１４０は容易に乾燥する。したがって菌の発生危険度を飛躍的に低減させることができ、匂いの発生を防ぐことができる。

また、植毛による湿潤層１４０は拡散性が高いため、少量の水を供給すれば全体に行き渡らせることができる。常時給水する場合の給水利用率は３０〜７０％であるが、本実施形態の構成によればほぼ１００％を利用することができる。このため供給する水にあらかじめ硬度成分を除去する軟水化処理を施しても、処理量が少ないことから、コストの増大を防止することができる。

［実施例１］
上記構成の熱交換器を実施例とし、充填材を用いた気化式加湿器を比較例とし、評価実験を行った。図５は比較例としての充填材を用いた気化式加湿器の構成を示す図であって、上記説明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。

図５に示す比較例たる気化式加湿器８００において、フィン８１０には湿潤層１４０が設けられておらず、散水部１２４も配置されていない。フィン８１０にはコイル１２２が貫通して設けられており、冷媒から熱が供給される。フィン８１０の下流側には不織布の波板から成る充填材８２０が配置されており、充填材８２０の上方に配置された給水管８３０から水が滴下されて常時給水される。したがって気化式加湿器８００においては、ファン１２８が発生させた気流はフィン８１０において温められ、充填材８２０において水を気化させる。

図６は実施例と比較例の飽和効率を比較する図である。飽和効率はどの程度まで空気を加湿できるかを示す指標であって、加湿の前後における（出口湿度−入口湿度）／湿球湿度−入口湿度）×１００（％）で表される。比較例と実施例の双方で９０分間計測したところ、図６に示すように、実施例では８５％、比較例ではほぼゼロの飽和効率を得た（なお、比較例の飽和効率の実験値は−４となっているが、原理的に負値になることはないため、測定誤差と考えられる）。このときの圧力損失は実施例の方が１０Ｐａ高かったが、少ない圧力損失差で極めて高い飽和効率を得られたことがわかる。

一方、同一熱量、同一風速、同時実験で同一の飽和効率を得られるという条件としたところ、実施例のフィン１２０は比較例のフィン８１０に対してスペース（奥行き）が７５％減となり、圧力損失も１８％減となった。このように、極めて高い飽和効率を得られることから、フィン１２０の寸法を小さくすることができ、装置の小型化、薄型化を図ることができる。

なぜ低い圧力損失でも高い飽和効率を得られるかについて考察したところ、まずは比較例の気化式加湿器に比べて１段省略できるために、圧力損失が低いことが挙げられる。しかしそれ以上に、気化する効率が高いため、薄い熱交換器で足りることになり、圧力損失も低くなると考えられる。

図７は実施例と比較例の管外総括熱伝達率を示す図である。図に示すように、乾球温度で計算した総括熱伝達率は、実施例が１８１８（Ｗ／ｍ２Ｋ）、比較例が６８１（Ｗ／ｍ２Ｋ）であって、約３倍となっていることがわかる。これは、噴霧した水が湿潤層１４０によって薄く引き延ばされるため、およびフィン１２０の内部から熱が供給されるために水の中の温度勾配が大きいためと考えられる。

図８は実施例と比較例の熱交換性能を比較する図である。成績係数（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）は動作係数ともいい、エネルギー効率を示す指標である。ＣＯＰは動作能力（ｋＷ）／消費電力（ｋＷ）として算出できるが、ここでは蒸発温度／（蒸発温度−凝縮温度）として算出している（カルノーサイクルに基づく理論ＣＯＰ）。

図８に示すように、実施例では顕熱に加えて、加湿による潜熱を出力している。このため、比較例に比べて１．５倍の加熱量を出力している。一方、消費電力は１．１倍であるため、ＣＯＰが１上昇する結果となり、高い高効率化を図ることができることがわかる。

図９は実施例と比較例の加湿能力の制御性を比較する図である。図９に示すように、比較例では冷媒温度を３０℃から４０℃まで変化させたとき、相対湿度は８２．２％〜８６．５％（変化幅４％）となり、飽和効率は８６％〜９１％の幅でしか変化しなかった。これに対し実施例では、冷媒温度を２０℃から３０℃まで変化させたとき、相対湿度は７４％〜８９％（変化幅１４％）となり、飽和効率は７５％〜９４％まで変化した。このことから、冷媒温度（加熱部たるコイル１３０の温度）に応じて、加湿能力の制御幅を大きくとれることがわかる。

上記説明したごとく、本実施形態にかかる熱交換器（加湿器）においては、気化式において加湿能力を高めることによりファン動力と設置スペースの削減を図り、熱源の効率を向上させ、さらに加湿能力の制御幅を大きくすることができる。

また、充填材を用いた気化式加湿器と比較すると、保有水量が非常に少ないため、停止時にも容易に乾燥させることができ、雑菌の繁殖を防止することができる。また湿潤層１４０が加熱部たるコイル１２２と一体になっていることから高温に加熱することができ、６０℃程度まで加熱することにより殺菌も可能である。

図１０は実施例と比較例の洗浄時の圧力損失と相対湿度とを説明する図である。圧力損失はフィルタ前後の静圧の差であり、相対湿度は水蒸気分圧／飽和水蒸気圧である。実施例ではフィン１２０を洗浄し、比較例では充填材８２０に大量の水をかける実験を行った（約１５００秒の時点）。

すると比較例の構成では洗浄時に充填材の隙間に水の膜が張り、図１０（ａ）からわかるように圧力損失の増大が見られた。これに対し実施例では、圧力損失の増大は全く見られなかった。これはフィン１２０が垂直型の板材形状であるため洗浄水がすぐに落下し、フィン１２０の間に水の膜が張ることがないことによるものと考えられる。またフィン１２０表面の湿潤層１４０によって気化する水を保持するため、フィン１２０同士の隙間を比較的広く取ることからも、水の膜が張ることを回避することができる。

また図１０（ｂ）からわかるように、実施例では、洗浄時に加湿量（出口側の相対湿度）が低下しているが、低下するのは１分程度であり、洗浄終了後にすぐに加湿量が回復している。これもフィン１２０が垂直型の板材形状であるため洗浄水がすぐに落下するためと考えられる。一方、比較例では加湿量が低下した後に回復するまでの時間が約２倍に長くなっている。これは、比較例の保有水量が実施例の２倍以上多く、洗浄によって低下した水温を上昇させるのに必要な時間と考えられる。

［実施例２］
次に、カビや菌の繁殖防止について行った実験について説明する。カビや菌は繁殖すると臭いの原因となり、使用者に不快感を与えるおそれがあるためである。既に述べたように、本実施形態においては湿潤層１４０の繊維１４２に光触媒材料、備長炭または銀粉を混入したり、紫外線照射部１３４によって湿潤層に紫外線を照射したり、フィン１２０を乾燥させたりすることにより、カビや菌の繁殖を防止している。

図１１は、上記の防菌防かび対策と、一般的な菌やカビとの組み合わせによる有効性を示す図である。光触媒材料としては、酸化チタンを使用した。防菌防かび剤としては、備長炭または銀粉を使用した。紫外線照射部１３４としては、波長が３６５ｎｍの紫外線を出力するブラックライトを使用した。なお、紫外線は波長が短いほどエネルギーが高いが、波長が２５０ｎｍ程度の紫外線では繊維１４２が痛んでしまうため、３６０ｎｍ以上であることが好ましい。

図１１を参照すれば、上記対策ごとに有効な菌やカビが異なっている。そして湿潤状態での連続使用中は、紫外線（ブラックライト）と光触媒材料（酸化チタン）が有効であることがわかる。しかしこのとき、赤色酵母に対する有効性は認められなかった。赤色酵母は乾燥に弱いが、乾燥殺菌中は銀成分を含有させることによりほとんどの菌やカビに有効であることがわかる。従って、繊維１４２に光触媒材料と銀成分を混入し、紫外線を照射することが最も有効な防菌防かび対策であるということができる。

なお、上記構成においては、フィン１２０の全体に湿潤層１４０を設けるように説明したが、本発明はコレに限定するものではなく、フィン１２０の一部のみに湿潤層１４０を設けてもよい。湿潤層１４０は乾燥させている場合には熱伝導効率が低下するため、エアコン１００を冷暖房の両方に利用する場合には、効率低下の要因となる場合もあるためである。

図１２はフィン１２０の一部のみに湿潤層１４０を設けた例を示す図である。図１２（ａ）に示す構成では、フィン１２０の外表面の約半分に湿潤層１４０を設けている。そして、ファン１２８から送出される空気を、湿潤層１４０が備えられた部分と備えられていない部分に分割して導く隔壁１３８を備えている。湿潤層１４０の有無によって圧損が異なるが、隔壁１３８を設けることによっていずれの領域にも同様に通気させることができる。

図１２（ｂ）は、フィン１２０の約半分に湿潤層１４０を設けた場合の飽和効率を説明する図である。実験を行ったところ、図６に示したようにフィン１２０の全体に湿潤層１４０を設けた場合には８５％の飽和効率が得られていたのに対し、図１２（ｂ）に示すように湿潤層１４０の面積を約半分にした場合には４８％の飽和効率を得ることができた。すなわち、面積比で言えば半分以上の飽和効率が得られたことがわかる。このように、冷暖房効率の低下を抑えつつ、必要に応じて加湿機能を備えさせることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明にかかる熱交換器および加湿器の第２実施形態について説明する。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。

図１３は第２実施形態にかかる熱交換器の例としてのエアコン３００を説明する概略図、図１４は屋外熱交換器２１２の構成を説明する図である。エアコン３００もエアコン１００と同様に冷房装置または暖房装置として機能する。

エアコン３００において、室内機１１０はエアコン１００と同様であるため説明を割愛する。そして図１４に示すように、本実施形態において室外機２００の屋外熱交換器２１２は、フィン２２０とコイル２２２とから構成されている。フィン２２０には、第１実施形態にて説明したフィン１２０と同様に、湿潤層１４０が設けられている。室外機２００には、屋外熱交換器２１２に水供給部の例としての散水部２１８が備えられている。

エアコン３００において、冷房装置として使用する場合には、屋外熱交換器２１２は凝縮器として放熱する。そこで散水部２１８から屋外熱交換器２１２に散水し、湿潤層１４０に水を供給する。

上記構成の熱交換器を実施例とし、充填材を用いた気化式加湿器を比較例として（図５と同様の構成である）、冷房運転時の評価実験を行った。図１５は冷房運転時の実験結果を説明するＰＨ線図である。

実験の結果、外気温２８℃湿度６０％において、比較例では５５℃の熱伝達媒体を３５℃まで冷却することができたが、実施例では熱伝達媒体を３０℃まで過冷却することができた。これを図１５（ａ）のＰＨ線図で説明すれば、比較例ではＰＨ線図内の飽和液線より右側のポイントＢまでしか冷却できなかったが、実施例では飽和液線の左側のポイントＡまで過冷却できていた。これは、気化熱によって強制的に冷却したことによるものと考えられる。

このように過冷却できることから、図１５（ｂ）に波線にて示すように、冷媒凝縮温度を下げることが可能となる。これにより圧縮機２１６の圧縮比の低下を図ることができ、ポンプ仕事を削減できるため、飛躍的な高効率化を図ることができる。

またエアコン３００を暖房装置として使用する場合には、屋外熱交換器２１２は蒸発器として吸熱する。ここで散水部２１８からの散水は行わないが、外気温よりも低温であるために、空気中の水分が結露して湿潤層１４０が水分を含有する。このように、エアコンにおいては、冬期の暖房運転において室外機２００の熱交換器に水分が付着し、これが氷結（着霜）して熱交換効率が低下してしまう。そこで従来からも、着霜すると冷媒を逆転させて除霜する除霜運転を行っている。

上記構成の熱交換器を実施例とし、屋外熱交換器２１２に湿潤層を設けていない構成を比較例として、冬期の暖房運転の実験を行った。図１６は湿潤層１４０を設けた場合と設けていない場合の除霜運転の様子を説明する図である。

図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示すように、実施例では暖房運転中の冷媒蒸発温度が０℃であったのに対し、比較例では２．５℃であった。また霜発生時の温度は、比較例が２．５℃であったのに対し、実施例は−５℃であった。そして、比較例では３０分毎に除霜運転が発生していたのに対し、実施例では１時間毎の頻度であった。さらに、除霜運転が開始されてから暖房運転に復帰するまでにかかる時間は同程度であった。

上記のことから、屋外熱交換器２１２に湿潤層１４０を設けた実施例の方が、比較例よりも低い冷媒温度で動作し、かつ霜が発生するために−５℃まで過冷却を要していることがわかる。この結果を考察するに、湿潤層１４０の繊維の間に外気から吸着した水が付着すると、均一な薄膜を形成するために氷結しにくいものと考えられる。一方、比較例ではフィン２２０の表面に付着した水滴が、その端部が限りなく薄いことから氷結しやすく、早期に水滴全体が氷結して、着霜も早めに発生するものと考えられる。

このように、屋外熱交換器２１２に湿潤層１４０を設けることにより、冷媒温度を低下させると共に、除霜間隔を広げることができる。したがって外気と冷媒との温度差を広げることができるため熱交換効率を向上させられると共に、除霜による暖房運転の中断時間を飛躍的に削減することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例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。

例えば、第１実施形態では室内機１１０内の湿潤層１４０について説明し、第２実施形態では室外機２００内の湿潤層１４０について説明したが、室内機１１０と室外機２００の両方の熱交換器（凝縮器または蒸発器）に湿潤層１４０を設けてもよく、上記説明した効果を得ることができる。

本発明は、室内の空気の温度を調節する熱交換器および加湿器として利用することができる。

１００ …エアコン
１０２ …冷媒配管
１１０ …室内機
１２０ …フィン
１２２ …コイル
１２４ …散水部
１２４ａ …給水弁
１２６ …水
１２８ …ファン
１３０ …水受皿
１３２ …排水管
１３４ …紫外線照射部
１３６ …洗浄部
１３６ａ …洗浄弁
１３８ …隔壁
１４０ …湿潤層
１４２ …繊維
１５０ …制御部
１５２ …タイマー
２００ …室外機
２１２ …屋外熱交換器
２１４ …ファン
２１６ …圧縮機
２１８ …散水部
２２０ …フィン
２２２ …コイル
３００ …エアコン
８００ …気化式加湿器
８１０ …フィン
８２０ …充填材
８３０ …給水管

Claims (10)

1. 熱伝達媒体を循環させて室外の熱と室内の熱を交換する熱交換器であって、
   前記熱伝達媒体を気化吸熱させる蒸発器と、
   前記熱伝達媒体を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮された熱伝達媒体を放熱させて液化させる凝縮器と、
   前記凝縮器または前記蒸発器のいずれか一方または両方の外表面に設けられた湿潤層と、を備えた熱交換器。
2. 前記湿潤層に水を供給する水供給部と、
   前記湿潤層に空気を流通させ前記湿潤層が吸水した水の気化を促進する通気部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. さらに時間を計測するタイマーを備え、
   前記水供給部は、前記タイマーが計測した時間に基づいて間欠的に給水することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記湿潤層は、前記凝縮器または前記蒸発器に塗布した接着剤に繊維を静電植毛してなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記接着剤の層厚は２０μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記繊維は、光触媒材料または銀粉を混入したことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
7. 前記湿潤層に紫外線を照射する紫外線照射部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
8. 前記湿潤層にスケール除去剤を噴射して洗浄する洗浄部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
9. 前記湿潤層は、前記凝縮器または前記蒸発器の外表面の一部に備えられ、
   さらに、前記通気部から送出される空気を、前記凝縮器または前記蒸発器の前記湿潤層が備えられた部分と備えられていない部分に分割して導く隔壁を備えたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
10. 平行して立設される複数枚の板状のフィンと、
    前記フィンを加熱する加熱部と、
    前記フィンの表面に設けられた湿潤層と、
    時間を計測するタイマーと、
    前記タイマーが計測した時間に基づいて前記湿潤層に間欠的に給水する水供給部と、
    前記湿潤層に空気を流通させ前記湿潤層が吸水した水の気化を促進する通気部と、を備えたことを特徴とする加湿器。

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