JP2005164231A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱器から発生する熱を除霜のため有効に用いて、効率的な熱交換装置を提供する。
【解決手段】冷却装置用熱交換装置において、蒸発器は、冷却媒体を導通させる蒸発管２と、前記蒸発管の一部と熱伝導するように接触して設けられた少なくとも１つの熱伝導部材７を有する熱交換器５と、前記熱交換器を除霜する発熱体１０を備え、前記発熱体１０は前記熱伝導部材７と熱伝導が可能に接触して設けられている。熱交換器５において、フィン等の形態をなす複数の熱伝導部材７は第１縁端７ａで前記基板６に固定されている。熱交換器５はさらに前記熱伝導部材７の第２縁端７ｂに固定されている熱分配板８とを備え、前記発熱体１０と蒸発管２との間に配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷蔵キャビネット用熱交換装置に関し、その蒸発器が冷媒を導通させる蒸発管を備え、少なくとも１つの熱伝導部材を有する熱交換器が蒸発管の一部と熱伝導するように接触して設けられ、熱交換器を除霜する発熱体が熱伝導部材と熱伝導するように接触して設けられている。

また、本発明は、かかる構成を備えた冷蔵キャビネットにも関する。本発明による構成は、吸収式冷蔵庫に関して特に有用である。

現在の冷蔵キャビネットは、１つの区画室、または異なる温度に維持した数個の区画室を備えている場合がある。家庭用、および移動家庭やキャラバンにおけるような移動用でも、冷蔵庫は、約−１８℃に維持した冷凍室と、約＋５℃に維持した冷蔵室とを備えることもある。冷蔵庫は、凝縮器および蒸発器を含む冷却装置を備えている。コンプレッサ冷蔵庫は、更に、コンプレッサを備えており、一方吸収式冷蔵庫は代わりにボイラおよび吸収器も備えている。蒸発器は、冷媒を導通させる蒸発管を備えている。蒸発管は、冷却装置によって冷却すべき１つまたは複数の区画室の内側を通過するように配されている。区画室内の空気から冷媒への熱移転を促進するために、それぞれの区画室内に配された蒸発管の一部と接触して熱伝導するように熱交換器が設けられている。熱交換器の主な機能は、総じて、冷却する空気および蒸発管内にある冷媒と接触する熱伝導物質の表面積を拡大することである。この目的のため、熱交換器は、通例、複数のフィンを備えており、これらを蒸発管と熱伝導するように接触して配置している。このような、いわゆるフィン・パッケージは、空気から冷媒に熱を移転させるのに非常に効率的であることが立証されている。

冷蔵キャビネットの通常動作の間、例えば、キャビネットの扉を開けたときに、湿った空気が区画室内に流入する。湿度が区画室内部の冷たい表面上で凝縮すると、これら冷たい表面上に霜が発生する。かかる霜の成長は、最も冷たい表面、即ち、冷凍室内の蒸発管および熱交換器上において特に激しい。熱交換器上で霜が形成すると、空気から冷媒への熱移転が低下し、これによって区画室の冷却能力が低下する。冷蔵装置が熱移転におけるこのような損失を補償するような寸法に設計されていないと、区画室内の温度が上昇し、区画室内に貯蔵されている食品類の条件、即ち、最大貯蔵可能時間が維持できなくなる。この問題を解決するために、現在の冷蔵庫は、規則的な間隔で熱交換器を除霜する手段を備えている場合もある。このような場合、除霜手段は、通常冷凍室の熱交換器に適用されるが、冷蔵室に適用される場合もある。

特許文献１号は、冷蔵庫の熱交換器または冷却器を除霜する除霜装置について記載している。熱交換器は、複数の矩形フィンを備えており、これらが蒸発管と接触して熱伝導するように構成されている。蒸発管は、コイル状に形成され、２つの平行なコイル部分から成り、各部分を構成する多数の直線状水平管部分が重なり合って、垂直方向に向けたＵ字状管屈曲部によって、互いに接続されている。２つのコイル部分は、水平方向に向けたＵ字状管屈曲部によって、互いに接続されている。このように、蒸発コイルは、２つのコイル部分から成り、全体的に、互いに隣接するそれぞれの垂直拡張平面内に広がっている。矩形フィンは、それぞれの垂直拡張平面内において、互いに平行に延びている。垂直拡張平面は、コイル部分の垂直拡張平面に対して垂直となっている。両コイル部分の直線管部分は、各フィンの縁端間にある、中央部に設けられた開口を貫通するように配されている。蒸発管は、各開口においてフィンと接触し、フィンから、管内部にある冷媒に熱を伝導
させる。この構成によって、冷却する空気をフィン間に通過させ、これによってフィンの表面およびフィン間に配されている蒸発管部分と接触することによって、熱を空気から冷媒に伝導させることができる。

特許文献１の構成は、更に、フィンおよび蒸発コイルを除霜する手段も備えている。この除霜手段は、発熱体から成り、フィンの対向側の一方または双方において、フィンの垂直縁端に取り付けられている。

特許文献２は、同様の構成について記載しており、蒸発コイルがフィンに対して垂直に配され、フィンに設けられた開口を通過する。抵抗性シートの形態とした発熱体が、蒸発コイルの一方側に、フィンの縁端に接触するように設けられている。抵抗性フィルムからフィンへの熱移転を促進するためには、フィンの縁端部分をＬ字状とすしてフィルムとフィンとの間の接触面積が拡大するとよい。

上述の構成は双方共、概略的には同様に機能する。発熱体は規則的な間隔で活性化される。これによって、熱が発生し、発熱体からフィンへ、更に蒸発管に伝導する。このようにして行われたフィンおよび蒸発管の加熱によって、これらの部材上に形成されている、あらゆる霜を溶解する。制御手段を備えれば、全ての霜が解凍した後に、発熱体を停止させることができる。

前述の除霜構成は熱交換器の完全な除霜を達成するが、これらには欠点がない訳ではない。重大な欠点の１つは、発熱体のフィンおよび蒸発管に対する配置に関する。双方の従来技術の構成では、蒸発管は、フィンの両縁端間にある中央部分に設けられた開口を通過するように敷設されている。一方、発熱体は、フィンの一方の縁端と接触するように設けられている。これが意味するのは、フィンの縁端から見て、蒸発管の反対側に設けられている各フィンの一部が、常に発熱体と接触しているということである。異なる表現をすると、各フィンの一部が、蒸発管を取り巻く開口よりも発熱体から遠い距離に位置しているということである。

その結果、発熱体が発生する除霜熱は、常に、各フィン内の開口および蒸発管を通過して移転しなければならず、その後に開口の遠い側に配されているフィンの部分に到達し、この遠い部分を除霜する。したがって、大量の除霜熱が、フィンの離れた部分を除霜するために用いられるのではなく、移転され蒸発管内の冷却液によって吸収される。

この構成は、様々な理由で最も不利である。第１に、発生した熱の大部分が失われ、除霜には用いられないので、熱交換器全体を除霜するために必要な時間が長引く。同じ理由のために、発熱体の全エネルギ消費が増大する。第２に、そして最も重要なことに、特に吸収式冷蔵庫では、冷蔵キャビネット全体の冷却能力が低下する。何故なら、冷媒が除霜加熱器からの余分な熱を吸収すると、蒸発管内にある冷媒の温度が上昇するからである。冷媒温度の上昇のために、蒸発器が冷蔵庫の区画室内の空気から熱を吸収し、これらの区画室を所望の温度に維持する能力が低下する。これは、除霜加熱器が動作する区画室だけではなく、蒸発管全体の一部によって冷却され、その一部が蒸発器部分の下流側で除霜される熱交換器と接触して配されている場合には、あらゆる区画室でも発生することである。通常、二室または多室型冷蔵庫では、除霜デバイスは、冷凍室を担当する熱交換器に適用される。冷凍室は最も低い蒸発温度を必要とするので、この区画室は、蒸発管全体の内最も冷たい、即ち、最も上流側の部分によって冷却される。したがって、除霜加熱器から冷凍室内の熱交換器に移転される除霜熱は、冷蔵庫における全区画室の冷却能力に悪影響を及ぼす。

冷却装置、およびそれによる蒸発管内の冷媒の循環が除霜中に停止しても、同じ問題が
発生する。このような場合、除霜される熱交換器に近接して配されている、蒸発管のその部分に実際に存在する冷媒の体積は、更に高い温度に加熱される。除霜サイクルの完了後、そして冷媒循環の再開時に、この体積の冷媒は、区画室からの熱吸収を再開できるようになる前に、冷凍プロセスによって一層温度を低下させなければならない。

前述の従来技術の除霜構成に伴う更に別の問題は、熱がフィン全体に均一に分配されないことである。蒸発管およびフィンの配置によって、フィンの素材を介した熱移転に対する抵抗は、フィンの異なる部分毎に別々となる。このために、除霜中だけでなく、冷蔵庫の通常動作の間にも重大な欠点をもたらす。通常動作の間、フィン全体に対する不均一な熱分配によって、フィンの温度が低い部分には、他の部分よりも速く霜が発生する。このような局部的な霜の発生により、フィン間の空気通過が遮断され、これによって、霜が均一に分布して発生するときに必要となるよりも頻繁に除霜を行うことが必要となる。

除霜の間、フィン全体における霜の不均一な分布によって、除霜が非効率的となる。霜の形成が少ない区域は、霜が沢山形成された区域よりも速く除霜される。これら早めに除霜される区域は、霜が沢山形成された区域を除霜するための残りの除霜サイクルの間、余分な熱を除霜加熱器から周囲の空気に移転させる。これによって、最も望ましくない区画室における空気の加熱が発生し、加熱器のエネルギ消費も過剰となる。更に、除霜中、フィン全体における非均一な熱分配自体が、フィンの一部の区域を他の区域よりも速く除霜する原因となり、これによって前述と同じ欠点が生ずる。

従来技術の除霜構成に関する前述の問題は、移動吸収冷蔵の用途において、特に厳しくなる。このような用途では、冷蔵キャビネットの物理的寸法、即ち、キャビネットの最大許容高によって、冷却装置の総合冷却容量が制限される。このため、過剰な熱が蒸発器または冷蔵庫の区画室の空気に直接加えられると、区画室を今日望まれているような低い温度に維持する可能性が劇的に低下する。更に、移動用途の中には、使用可能な電気ＤＣエネルギが限られている場合が多い。したがって、除霜に過剰なエネルギが必要となることは、最も望ましくなく、バッテリの漏出に至る場合もあり、車両の様々な電気システムにおける停止や故障を招く可能性がある。

更に、特許文献３が開示する構成では、単一の熱移転板が、蒸発器と接触して熱伝導するように設けられ、フィルム加熱器が、熱移転板の、蒸発器と対向する面上に設けられている。本願の図３は、特許文献３の熱交換装置を概略的に示す。この図では、熱交換器は、単一の熱伝導板１１によって構成され、蒸発器の冷凍部２に接触して熱伝導するように取り付けられている。抵抗性フィルム１０が、除霜発熱体を構成する。熱伝導板の第１側面が蒸発管２ａに取り付けられ、発熱体が熱伝導板の逆側に配置されている。

この構成では、フィルム加熱器が発生する熱全てが、蒸発器に達する前に、単一の熱移転板を通過するように強制されることに、ある種の利点がある。しかしながら、特許文献３は、複数の平行フィンを備えた熱交換器、即ち、いわゆるフィン・パッケージ型熱交換器において発生する前述の問題をいかにして解決するかということについては、何の指示も与えていない。
米国特許第４，４３２，２１１号 国際出願公開公報第ＷＯ０３／００８８８０Ａ１号 米国特許第５，９６６，９５１号

したがって、本発明の総合的な目的は、複数の熱移転フィンを有する熱交換器と除霜手段とを備え、この構成によって、前述の問題を解消または削減しつつ、熱交換器の除霜を
可能にする熱交換装置を提供することである。

特定的な目的の１つは、エネルギ効率的な熱交換器の除霜を可能にする、かかる構成を提供することである。
別の目的は、除霜加熱器から、蒸発器によって搬送される冷却媒体への熱移転を最少に抑えつつ、熱交換器の除霜を可能にする、かかる構成を提供することである。

更に別の目的は、比較的長い間隔で、比較的短い除霜サイクルを可能にする、かかる構成を提供することである。

これらの目的は、この明細書の第１段落による装置によって達成され、その装置は、請求項１の特徴部の特別な技術的特徴を有する。基板および温度分配板によって、熱が熱交換器全体にわたって均一に分配されることを保証する。この手段によって、霜は通常動作の間、均等に形成され、除霜の間に熱交換器全体にわたって溶解する。これによって、前述した、フィン付熱交換器に発生する対応の問題が、非常に効率的かつ簡単に解消する。フィン付熱交換器全体を発熱体と蒸発管との間に配置することによって、蒸発管が発熱体から可能な限り最大の熱伝導距離に配置されることも保証する。この手段によって、発熱体によって発生する除霜熱は全て、フィン付熱交換器を通過するように強制され、その後、蒸発管内の冷却媒体に到達する。これによって、除霜加熱器によって発生した熱の全量が、熱伝導部材を除霜するために利用され、同時に冷却媒体よび冷却装置には、除霜熱の過剰な吸収を負担させない。

本発明の更に別の目的および利点は、従属請求項に明記されている。

本発明の例示的な実施形態について、これより図面を参照しながら説明する。
図１において、蒸発器１の一部が、後部壁２（図２参照）を取り除いた冷蔵キャビネットの背後から見た状態で示されている。この蒸発器は、ボイラ、吸収器、凝縮器、および蒸発管を含む吸収式冷却システムの一部をなす。冷蔵キャビネットは、上部冷凍室と、下部冷蔵室とを備えている。冷凍室の温度は、通例、約−１５℃から−１８℃に維持されており、冷蔵室では約＋４℃から＋８℃に維持されている。冷凍室は、蒸発管の上方上流部分２によって冷却される。蒸発管のこの部分２は、４つの直線管部分２ａと、３カ所の管屈曲部２ｂとから成る。直線管部分２ａは、垂直方向に互いに重ね合わされ、それぞれの管屈曲部２ｂによって次々に接続されている。したがたって、蒸発管の冷凍室部分２は、直線管部分２ａおよび管屈曲部２ｂによって規定される、ほぼ垂直方向に拡張する平面内に延びている。図２において最良に見られるように、蒸発器の冷凍室部分２は、後部壁３に近接して配置され、空気循環間隙４が蒸発管２ａ，２ｂと後部壁３との間に形成されるようになっている。蒸発器の冷凍室部分２の下流端２ｃは、残りの下流蒸発管（図示せず）に接続されている。下流蒸発管は、蒸発管の冷蔵室部分を構成し、冷蔵室内に敷設されている。

フィン・パッケージの形態とした熱交換器５が、蒸発器の冷凍室部分２と熱伝導するように接触して設けられている。熱交換器５は、蒸発器部分２の垂直側面に取り付けられており、この垂直側面は後部壁３の反対側である。熱交換器５は、蒸発管２ａ，２ｂと接触している第１熱分配基板６を備えている。フィンの形態をした複数の熱伝導部材７が、基板６から垂直に延出している。これらの垂直長手方向に、フィン７は、基板６の全高さを超えて延出している。フィン７は、第１および第２の垂直に延出する側縁７ａ，７ｂを有し、第２側縁７ｂは第１側縁７ａに対向する。第１側縁７ａは、基板６に接触するように配されている。

第２熱分配板８は、フィン７の第２側縁７ｂと熱伝導するように接触して設けられている。第２熱分配板８は、本質的に基板６と同じ寸法を有し、基板６と並列に配置されている。熱交換器５は、このように、基板６、フィン７、および第２熱分配板８を備えており、それらの間に、垂直に延びる空気チャネル９を形成する。図示の実施形態では、熱交換器５は、アルミニウムの押し出し成形によって、一体片で形成されている。

熱交換器および蒸発管２ａ，２ｂを除霜する発熱体１０は、第２熱分配板８の一側面に接着またはその他の手段によって取り付けられている。この側面はフィン７、基板６、および蒸発管２ａ，２ｂとは反対側にある。抵抗性フィルムが、発熱体１０を構成する。抵抗性フィルムは、本質的に第２熱分配板８の側面全体を覆っている。

冷蔵キャビネットの通常動作の間、抵抗性フィルム１０は不活性状態にあり、冷却装置が動作状態にある。冷凍室内の空気が、自己環流によって、チャネル９および間隙４を通過して下方に向かって環流する。チャネル９および間隙４を通過する間に、熱が、空気から、熱交換器５および蒸発管２ａ，２ｂ内にある物質を介して、蒸発管の内部に伝えられ、ここで冷媒によって吸収され、残りの蒸発管を通じて下流に向かって吸収器まで移動される。このプロセスの間、冷媒の温度は、通例、蒸発器の冷凍部分２の上流側入口２ｄにおいて、約−３０℃である。この蒸発器部分２の下流端２ｃでは、冷媒の温度は、通例、約−２４℃まで上昇している。この媒体の温度差によって、従来技術の構成では、熱交換器の様々な区域間において表面温度に著しい差が生じた。また、熱交換器の材料の幾何学的形状や厚さのような、他の面も、このような表面温度の局所的ばらつきの要因となる。表面温度が異なると、熱交換器上における霜の形成即ち蓄積が不均一となり、本願において先に論じたような問題が生ずる。

しかしながら、本発明による蒸発器では、第１および第２熱分配板６，７が、熱交換器の表面全体における温度を均一にするのに大きく貢献する。これによって、霜の形成は、本質的に等しい速度で熱交換器５全体にわたって生ずる。次いで、これによって通気路が局部的に閉塞される危険性を低減し、除霜サイクル間の間隔を長くすることが可能となる。

除霜の間、冷却装置の作動を停止し、抵抗性フィルム１０に電圧を接続することによって抵抗性フィルム１０を加熱する。抵抗性フィルム１０が発生する熱は、フィルム１０から第２分配板８に、更にフィン７を介して第１熱分配板６まで伝導する。本発明による熱交換器全体は、発熱フィルム１０と蒸発管２ａ，２ｂとの間に位置するので、フィルム１０が発生した熱は全て、熱交換器の断面全体を通過するはずであり、その後に蒸発管２ａ，２ｂに到達する。あるいは、異なる表現をすると、蒸発管２ａ，２ｂは、発熱フィルム１０から可及的に大きな熱伝導距離だけ離れて位置しているので、熱交換器５のいずれの部分に達するためにも、蒸発管を通過する必要はない。これによって、冷却媒体に、除霜熱からの過剰な熱をかけないようにされている。更に、第１および第２熱分配板６，８は、熱交換器全体にわたって除霜熱をの均一に分配することに貢献している。これと、前述の均一な霜の形成との組み合わせによって、熱交換器全体が本質的に同時に除霜されることになる。したがって、熱交換器のある部分で局部的に除霜が完了し他の部分よりも早く局部的に過熱することによって、当該部分が区画室内の空気に過剰な熱を放散することはない。

本発明による熱交換装置によって、このようにエネルギ効率的に除霜が行なわれる。
以上、本発明による蒸発器を例示する実施形態について説明した。しかしながら、本発明は、添付した特許請求の範囲内で、多くの異なる方法で変形することも可能である。例えば、二室型冷蔵キャビネットの冷凍室において用いる代わりに、いずれの数の区画室を
有するキャビネットのいずれの区画室にでも、蒸発器を適用することも可能である。熱交換器は、区画室の後部壁から離れて面する蒸発管の側面に設ける代わりに、後ろ、上、または下のように、蒸発管のいずれの側に設けてもよい。熱交換器を支持する蒸発器の部分は、前述のように、後部壁付近に設けてもよいが、区画室の内側にある他のいずれの場所にも設けることができ、あるいは区画室を包囲する壁のいずれかに、完全にまたは部分的に埋設または収容することもできる。熱交換器は、空気と接触する表面が本質的に除霜発熱体と蒸発管との間に配置されている限り、適した構成であればいずれを有することもできる。例えば、単一または多数のフィン、バッフル、フランジ、板などを備えることもでき、これらを互いに平行にまたは角度をなして配することができ、更に蒸発管に対していずれの適した角度にでも配することができる。また、他の表面拡大要素、例えば、スチールウール、アルミニウムウールのようなウール、あるいは、例えば、円形、楕円形、または多角形の断面を有する部材を備えることもできる。特に、フィン付熱交換器は管状としてもよく、内部円筒状基板が蒸発管周囲に配され、複数のフィンが円筒状基板から半径方向に外側に向かって、外部円筒状熱分配板まで達するようにしてもよい。熱交換器は、適した材料であればいずれでもよく、単一の一体部材、あるいは半田、接着、リベット、またはその他の手段によって相互接続された複数の部材で形成することもできる。

本発明による蒸発器の一実施形態の一部の背後から見た概略側面図。 同様に冷蔵キャビネットの側壁を表す、図１における線ＩＩに沿った拡大断面図。 従来技術の構成の断面図。

Claims (8)

1. 冷却媒体を導く蒸発管（２）と、前記蒸発管の一部と熱伝導するように接触して設けられた少なくとも１つの熱伝導部材（７）を有する熱交換器（５）と、前記熱交換器を除霜するための発熱体（１０）であって、前記熱伝導部材と熱伝導するように接触して設けられている発熱体（１０）とを備える冷却装置用熱交換装置において、
   前記熱交換器（５）は、基板（６）と、フィン等の形態をなす複数の熱伝導部材（７）であって、第１縁端（７ａ）において前記基板（６）に固定されている熱伝導部材（７）と、前記熱伝導部材の第２縁端（７ｂ）に固定されている熱分配板（８）とを備え、前記第２縁端は前記第１縁端に対向しており、前記熱交換器（５）は、本質的に前記発熱体（１０）と蒸発管（２）との間に配置されていることを特徴とする、熱交換装置。
2. 請求項１記載の装置であって、本質的に互いに平行に配された複数のフィン（７）を備えている、装置。
3. 請求項２記載の装置において、前記熱伝導部材（７）、前記基板（６）、および前記熱分配板（６）は、一体部材（５）を形成する、装置。
4. 請求項３記載の装置において、前記一体部材（５）は、好ましくは、アルミニウムで押し出し成形されている、装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の装置において、前記蒸発管（２）は、第１拡張平面内に配され、複数の熱伝導部材（７）が、本質的に前記第１拡張平面に直交するように設けられている、装置。
6. 請求項５記載の装置において、前記蒸発管（２）には、前記蒸発管の拡張平面を画定する、少なくとも１つの管屈曲部（２ｂ）が形成されており、前記基板（６）は、前記蒸発管に接触し、かつ前記拡張平面に平行に配置され、前記フィン（７）は、各フィンの第１縁端（７ａ）が基板（６）の前記蒸発管とは反対側の側面に接するとともに、各フィンが前記熱分配板（８）に対してほぼ直交して延びるように、前記基板（６）上に配されており、
   前記熱分配板（８）は、概略的に前記基板に平行に、かつ前記フィンの第２縁端（７ｂ）と接触するように配されており、前記第２縁端が前記第１縁端（７ａ）に対向しており、前記発熱体（１０）は、前記熱分配板（８）の、前記フィンとは反対側の面上に配されている、装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の装置において、前記発熱体（１０）は抵抗性フィルムから成る、装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載の熱交換装置を備えている冷蔵キャビネット。

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