JP2009168288A

JP2009168288A - 冷却装置

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Publication number: JP2009168288A
Application number: JP2008004784A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Seki; 和芳関; Akihiko Hirano; 明彦平野
Original assignee: Hoshizaki Electric Co Ltd
Current assignee: Hoshizaki Electric Co Ltd
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: JP5139093B2

Abstract

【課題】製造コストの低減と配管経路の最適化とを両立し得る冷却装置を提供する。
【解決手段】一次冷媒を圧縮する圧縮機ＣＭと、圧縮機ＣＭで圧縮された一次冷媒を凝縮する凝縮器ＣＤと、凝縮器ＣＤで凝縮した一次冷媒が蒸発する一次熱交換部３６とを備えて一次冷媒が機械的に強制循環される一次回路３４を設ける。更に、一次熱交換部３６との間で熱交換して二次冷媒を凝縮する二次熱交換部４６と、二次熱交換部４６で凝縮した二次冷媒が蒸発する蒸発器ＥＰとを備えて二次冷媒が自然循環する二次回路４４を設ける。この一次回路３４を流通する一次冷媒および二次回路４４を流通する二次冷媒として、炭化水素冷媒または二酸化炭素を用い、一次回路３４における凝縮器ＣＤおよび二次回路４４における蒸発器ＥＰの少なくとも一方を、配管の外周囲に螺旋状にフィンを巻き付けたスパイラルフィンチューブを折曲形成することで冷媒の循環経路を形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却装置に関し、更に詳細には、一次冷媒を機械的に強制循環する一次回路と二次冷媒を自然循環する二次回路と、一次冷媒および二次冷媒の熱交換を行なう熱交換器とを備える冷却装置に関するものである。

圧縮機で圧縮した一次冷媒を凝縮器で凝縮し、蒸発器において凝縮器で凝縮した冷媒が外部空気と熱交換して蒸発することで、外部空気が冷却される冷却装置が知られている。この冷却装置における凝縮器や蒸発器では、複数の平行な平板状のフィンを貫通する直線配管と、該直線配管の端部に溶接されるＵ字状に折れ曲ったベンド部とから、冷媒の流通経路を蛇行状に形成した所謂フィンアンドチューブ型の熱交換器が多く採用されている。このフィンアンドチューブ熱交換器は、製造コストが安価で、かつ配管密度を比較的容易に向上させ得る特徴があることから、ファンモータを用いる空冷型の熱交換器として広く採用されている。また、冷却装置に採用される熱交換器としては、例えば特許文献１に開示されるように、冷媒が流通する配管の外周囲にフィンを螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ型の熱交換器が知られている。
特開２００５−３０００９７号公報

ところで、前述したフィンアンドチューブ熱交換器は、業務用の大型機器に用いられる冷却装置に対して採用されるのが一般的であり、冷凍回路を流通する冷媒量も多いことから、比較的大径の配管(例えば、直径６．３５ｍｍ以上の配管)が採用される。このため、前記ベンド部を加工する設備等も、一定以上の径の配管を加工する設備に事実上限られており、冷媒量の低減や熱交換効率を図るためにフィンアンドチューブ熱交換器の配管の細径化を図ろうとしても、新たに加工設備を設ける必要があり、設備コストが嵩む問題があった。更に、蒸発器では蒸発した冷媒の循環をスムーズにするために、配管経路を上方傾斜させることが求められる一方、凝縮器では液化した冷媒が重力に逆らわずに流下し得るように、配管経路を下方傾斜させることが求められる。しかしながら、フィンアンドチューブ型の熱交換器では、製造コスト等の観点から、ベンド部の部品を共通化し、共通のベンド部で接続可能な配管経路が採用されるため、必ずしも配管経路が優先されるものではなかった。換言すると、従来においては、熱交換器の製造コストの低減と配管経路の最適化とを両立し得ることは困難な状況であった。

一方で、スパイラルフィンチューブ熱交換器は、家庭用の小型機器に用いられる冷却装置に対して採用されるのが一般的で、冷凍回路を流通する冷媒量が少量であり、比較的径の小さな細管が採用されている。但し、このようなスパイラルフィンチューブ熱交換器では、細管で加工されるため流通する冷媒の圧力損失が大きくなる傾向にあり、圧力損失の影響を強く受ける冷媒循環量の多い業務用機器に対して採用することは困難であった。

そこで、本発明は、製造コストの低減と配管経路の最適化とを両立し得る冷却装置を提供することを目的とする。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本発明に係る冷却装置は、
一次冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された一次冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した一次冷媒が蒸発する一次熱交換部とを備えて一次冷媒が機械的に強制循環される一次回路を有すると共に、前記一次熱交換部との間で熱交換して二次冷媒を凝縮する二次熱交換部と、前記二次熱交換部で凝縮した二次冷媒が蒸発する蒸発器とを備えて二次冷媒が自然循環する二次回路を有する冷却装置において、
前記一次回路を流通する一次冷媒として炭化水素冷媒を用いると共に、前記二次回路を流通する二次冷媒として二酸化炭素を用い、
前記一次回路における凝縮器および前記二次回路における蒸発器の少なくとも一方は、配管の外周囲に螺旋状にフィンを巻き付けたスパイラルフィンチューブを折曲形成することで冷媒の循環経路が形成されることを要旨とする。

このように、一次回路を流通する一次冷媒と、二次回路を流通する二次冷媒との間で熱交換し、一次冷媒や二次冷媒として熱伝達効率の高い炭化水素冷媒や二酸化炭素を採用することで、各回路を流通する冷媒量を低減して冷媒の循環時の圧力損失の影響を軽減でき、配管径の小さなスパイラルフィンチューブ熱交換器を凝縮器や蒸発器として採用したとしても、効率的な熱伝達を行なうことができる。更に、二次回路では、二次冷媒が自然循環するから、循環する二次冷媒中に冷凍機油が混入することはなく、高い熱伝達率を確保できるから、スパイラルフィンチューブ熱交換器を蒸発器として好適に採用し得る。更に、配管径の小さいスパイラルフィンチューブを採用すると共に、該スパイラルフィンチューブ自体を折曲形成して冷媒の循環経路を形成したことで、特殊な加工装置等を用いることなく冷媒の循環経路の最適化を図り得る。

請求項２に係る冷却装置は、前記蒸発器を構成するスパイラルフィンチューブは、直線部分と、折曲げ部分とからなる蛇行状に形成されると共に、折曲げ部分を介して連続する直線部分が、水平方向に変位して位置し、かつ各折曲げ部分は、冷媒の流入側から流出側に向けて水平または上方傾斜するよう構成されることを要旨とする。

このように、蒸発器をスパイラルフィンチューブで構成した場合に、折曲げ部分を介して連続する直線部分が、水平方向に変位して位置し、かつ各折曲げ部分は、冷媒の流入側から流出側に向けて水平または上方傾斜するよう構成することで、蒸発器全体を上方傾斜させることができ、該蒸発器で蒸発する二次冷媒の循環を速やかに行ない得る。

請求項３に係る冷却装置は、前記凝縮器を構成するスパイラルフィンチューブは、直線部分と、折曲げ部分とからなる蛇行状に形成されると共に、折曲げ部分を介して連続する直線部分が、水平方向に変位して位置し、かつ各折曲げ部分は、冷媒の流入側から流出側に向けて水平または下方傾斜するよう構成されることを要旨とする。

このように、凝縮器をスパイラルフィンチューブで構成した場合に、折曲げ部分を介して連続する直線部分が、水平方向に変位して位置し、かつ各折曲げ部分は、冷媒の流入側から流出側に向けて水平または下方傾斜するよう構成することで、凝縮器全体を下方傾斜させることができ、該凝縮器で凝縮した一次冷媒を自重により速やか流下させることができる。

請求項４に係る冷却装置は、前記蒸発器を構成するスパイラルフィンチューブの少なくとも最下部を含む位置に、除霜ヒータが取り付けられることを要旨とする。

このように、蒸発器を構成するスパイラルフィンチューブ熱交換器の少なくとも最下部を含む位置に除霜ヒータを配設したことで、除霜運転時には、スパイラルフィンチューブを自然循環する二次冷媒により蒸発器全体に熱量が伝達されて除霜することができる。

本発明によれば、凝縮器や蒸発器の製造コストを低減し得ると共に、該凝縮器や蒸発器における冷媒の循環する経路を容易に最適化し得る。

次に、本発明に係る冷却装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。実施例では、店舗等の業務用途に用いられ、野菜や肉等の食品類が収納される冷蔵庫に設けられる冷却装置を例に挙げて説明する。

図１に示すように、実施例に係る冷蔵庫１０は、収納室(閉鎖空間)１４を内部画成した断熱構造の箱体１２と、この箱体１２の上方に設けられ、金属パネル１８により外壁を構成したキャビネット１６とを備えている。箱体１２には、前側に開放して物品の出し入れ口となる開口部１２ａが収納室１４に連通して開設される。また箱体１２の前部には、断熱扉２２が図示しないヒンジにより回動可能に配設され、断熱扉２２を開放することで開口部１２ａを介して収納室１４に対する物品の出し入れが許容されると共に、断熱扉２２を閉成することで収納室１４を密閉し得るようになっている。

前記キャビネット１６の内部には、収納室１４を冷却するための冷却装置３２の一部および該冷却装置３２を制御する制御用電装箱Ｃが配設される機械室(開放空間)２０が画成される(図２参照)。機械室２０の底部には、箱体１２の天板１２ｂに載置されて、該機械室２０に配設する機器の共通基板となる台板２４が設置されている。そして、キャビネット１６の外壁をなす金属パネル１８には、機械室２０に連通する空気流通孔(図示せず)が適宜部位に開設され、この空気流通孔を介して機械室２０内の雰囲気と外気とが入替わるようになっている。

前記収納室１４の上部には、箱体１２における天板１２ｂの下面から所定間隔離間して冷却ダクト２６が配設され、この冷却ダクト２６と、箱体１２の天板１２ｂに開設した切欠口１２ｃを介して収納室１４側に臨む台板２４との間に冷却室(熱交換領域)２８が画成される。この冷却室２８は、冷却ダクト２６の底部前側に形成した吸込口２６ａおよび後側に形成した冷気吹出口２６ｂを介して収納室１４に連通して、閉鎖空間としての収納室１４の一部を構成している。吸込口２６ａには送風ファン３０が配設され、該送風ファン３０を駆動することで、吸込口２６ａから収納室１４の空気を冷却室２８に取込み、冷気吹出口２６ｂから冷却室２８の冷気が収納室１４に送出される。天板１２ｂの切欠口１２ｃは、台板２４で気密的に塞がれて、収納室１４(冷却室２８)と機械室２０とは、台板２４で区切られて互いに独立した空間となっている(図１参照)。

図３に示す如く、冷却装置３２は、冷媒を強制循環する機械圧縮式の一次回路３４と、冷媒が自然対流するサーモサイフォンからなる二次回路４４との２系統の回路を、熱交換器ＨＥを介して熱交換するように接続した二次ループ冷凍回路が採用される。熱交換器ＨＥは、一次回路３４を構成する一次熱交換部３６と、この一次熱交換部３６と別系統に形成されて、二次回路４４を構成する二次熱交換部(第１の熱交換部)４６とを備え、熱交換器ＨＥは機械室２０の側方後側に位置して台板２４上に配設されて、断熱材で覆われている(図２参照)。すなわち、一次回路３４および二次回路４４には、独立した冷媒循環経路が夫々形成され、二次回路４４を循環する二次冷媒としては、毒性、可燃性および腐食性を有していない安全性の高い二酸化炭素が採用される。これに対し、一次回路３４を循環する一次冷媒としては、フロン冷媒と比較して熱伝達率が高く、理論冷媒循環量が約半分程度となる等の冷媒としての特性に優れているブタンやプロパン等の炭化水素系の冷媒が採用され、実施例ではプロパンが用いられている。なお、熱交換器ＨＥとしては、プレート式熱交換器や二重管構造の熱交換器等、一次冷媒と二次冷媒との間で熱交換可能な熱交換器が採用される。

前記一次回路３４は、気相一次冷媒を圧縮する圧縮機ＣＭと、圧縮した一次冷媒を液化する凝縮器ＣＤと、液相一次冷媒の圧力を低下させる膨張弁ＥＶと、液相一次冷媒を気化する熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６とを冷媒配管３８で接続して構成される(図３参照)。圧縮機ＣＭおよび凝縮器ＣＤは、機械室２０において台板２４上に共通的に配設され、凝縮器ＣＤを強制冷却する凝縮器ファンＦＭも、該凝縮器ＣＤに対向して台板２４上に配設されている。すなわち、凝縮器ファンＦＭの駆動により金属パネル１８に開設した空気流通孔から外気が機械室２０に取込まれ、この外気が機械室２０の前側から後側に流通して凝縮器ＣＤおよび圧縮機ＣＭと熱交換するようになっている。一次回路３４では、圧縮機ＣＭによる一次冷媒の圧縮により、圧縮機ＣＭ、凝縮器ＣＤ、膨張弁ＥＶ、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６および圧縮機ＣＭの順に、一次冷媒が強制循環され、各機器の作用下に一次熱交換部３６において所要の冷却を行なうようになっている(図３参照)。

前記凝縮器ＣＤは、図４に示すように、一次冷媒が流通する伝熱管(配管)６２の外周にフィン６４を螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ６０が用いられ、該スパイラルフィンチューブ６０を直線部分６２ａと折曲げ部分６２ｂ,６２ｃとからなる蛇行状に折曲げ加工することで形成される。また、実施例の凝縮器ＣＤは、２本のスパイラルフィンチューブ６０から構成されており、前記圧縮機ＣＭに接続する冷媒配管３８から分岐した２本の第１分岐管３８ａ,３８ａにスパイラルフィンチューブ６０,６０の流入側端部が接続されると共に、該スパイラルフィンチューブ６０,６０における伝熱管６２の流出側端部を第２分岐管３８ｂ,３８ｂが前記熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６に接続する冷媒配管３８に連通するよう構成されている(図７参照)。

前記凝縮器ＣＤにおける２本のスパイラルフィンチューブ６０の構成は、基本的に同一であって、図６に示すように、折曲げ部分６２ｂ,６２ｃを介して連続する上流側の直線部分６２ａと下流側の直線部分６２ａとの関係において、下流側の直線部分６２ａが上流側の直線部分６２ａに対して水平方向に変位した下方に位置し、かつ折曲げ部分６２ｂ,６２ｃが一次冷媒の流入側(上流側の直線部分６２ａ)から流出側(下流側の直線部分６２ａ)に向けて下方傾斜するよう形成される。ここで、前記伝熱管６２には、内径が４．０〜６．３５ｍｍの細管が採用されている。

具体的に、実施例に係る凝縮器ＣＤの各スパイラルフィンチューブ６０は、２つの平行な鉛直面(平行面)Ｅ１,Ｅ２の一方に圧縮機ＣＭからの一次冷媒が流入する最上方の直線部分６２ａが位置するよう構成され、折曲げ部分６２ｂ,６２ｃにより折返される毎に直線部分６２ａが異なる鉛直面Ｅ１,Ｅ２上に交互に位置するよう構成される。そして、異なる鉛直面Ｅ１,Ｅ２状に位置する直線部分６２ａ,６２ａを接続する折曲げ部分６２ｂ,６２ｃの夫々が、一次冷媒の流入側(上流側の直線部分６２ａ)から流出側(下流側の直線部分６２ａ)に向けて下方傾斜している。すなわち、最上方の直線部分６２ａ(１段目の直線部分６２ａ)における一次冷媒の流出端に連続する折曲げ部分６２ｂは、斜め下方(図５では右下方)へ傾斜して２段目の直線部分６２ａにおける一次冷媒の流入端に連続し、該２段目の直線部分６２ａにおける一次冷媒の流出端に連続する折曲げ部分６２ｃは、１段目の直線部分６２ａの直下方に位置する３段目の直線部分６２ａへ向けて斜め下方(図５では左下方)へ向けて傾斜して該３段目の直線部分６２ａにおける一次冷媒の流入端に連続する。更に、３段目の直線部分６２ａにおける一次冷媒の流出端に連続する折曲げ部分６２ａは、斜め下方(図５では右下方)へ傾斜して４段目の直線部分６２ａにおける一次冷媒の流入端に連続する。以降も同様に、奇数段目の直線部分６２ａと偶数段目の直線部分６２ａとが夫々異なる鉛直面Ｅ１,Ｅ２に位置し、各鉛直面Ｅ１,Ｅ２において、直線部分６２ａの段数が大きくなるにつれて下方に位置するよう折曲げ部分６２ｂ,６２ｃが夫々反対方向へ下方傾斜するよう構成されている。これにより、図５に示すように、前記凝縮器ＣＤを伝熱管６２の直線部分６２ａの端部側から視た状態で、折曲げ部分６２ｂ,６２ｃがジグザグ状の折返し状態を呈するようになっている。従って、前記圧縮機ＣＭから凝縮器ＣＤへ流入して液化した一次冷媒は、スパイラルフィンチューブ６０内を重力に従って流下する。

また、実施例では、折曲げ部分６２ｂ,６２ｃを介して連続する直線部分６２ａは、スパイラルフィンチューブ６０の略直径分(伝熱管６２とフィン６４とを合わせた外径)だけ上下および水平方向に変位した位置関係となっている。そして、一方のスパイラルフィンチューブ６０における山折り部分を、他方のスパイラルフィンチューブ６０における谷折り部分に差込んで組み合わせて、前記凝縮器ＣＤが構成されている(図７参照)。このとき、各スパイラルフィンチューブ６０のフィン６４は、他方のスパイラルフィンチューブ６０のフィン６４間の隙間に嵌り込むよう構成されて、各伝熱管６２の距離を短くするよう構成してある。

前記二次回路４４は、気相二次冷媒(気化冷媒)を液化する熱交換器ＨＥの二次熱交換部４６と、液相二次冷媒(液化冷媒)を気化する蒸発器(第２の熱交換部)ＥＰとを備えている(図３参照)。また、二次回路４４は、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとを接続する配管として、二次熱交換部４６から蒸発器ＥＰへ重力の作用下に液相二次冷媒を導く液配管４８と、蒸発器ＥＰから二次熱交換部４６へ気相二次冷媒を導くガス配管(冷媒の循環経路)５０とを有している。前述した如く、二次回路４４の二次熱交換部４６は、機械室２０に配設される一方、蒸発器ＥＰは、当該機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設され、台板２４を挟んで二次熱交換部４６より下方に蒸発器ＥＰが配置される。すなわち、二次回路４４には、強制冷却される一次熱交換部３６との熱交換により冷却される二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの間に温度勾配が形成され、二次冷媒が二次熱交換部４６、液配管４８、蒸発器ＥＰおよびガス配管５０を自然循環して二次熱交換部４６に再び戻る冷媒循環サイクルが形成される。なお、蒸発器ＥＰの下方に位置する冷却ダクト２６は、蒸発器ＥＰから滴下する除霜水等を受容する露受皿としても機能する。

前記蒸発器ＥＰは、図４に示すように、前記凝縮器ＣＤと同様に、二次冷媒が流通する伝熱管７２の外周にフィン７４を螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ７０であって、該伝熱管７２を直線部分７２ａと折曲げ部分７２ｂ,７２ｃとからなる蛇行状に折曲げ加工することで形成される。また、実施例の蒸発器ＥＰは、２本のスパイラルフィンチューブ７０から構成されており、前記二次熱交換部４６に接続する液配管４８から分岐した２本の第３分岐管４８ａ,４８ａに、蒸発器ＥＰにおけるスパイラルフィンチューブ７０,７０の流入側端部が接続されると共に、該蒸発器ＥＰのスパイラルフィンチューブ７０,７０における伝熱管７２の流出側端部に接続する第４分岐管５０ａ,５０ａが前記ガス配管５０に連通するよう構成されている(図９参照)。

また、前記蒸発器ＥＰを構成するスパイラルフィンチューブ７０の構成は、前述した凝縮器ＣＤを構成するスパイラルフィンチューブ６０の構成と基本的に共通している。すなわち、前記蒸発器ＥＰは、図８に示すように、折曲げ部分７２ｂ,７２ｃを介して連続する上流側の直線部分７２ａと下流側の直線部分７２ａとの関係において、下流側の直線部分７２ａが上流側の直線部分７２ａに対して水平方向に変位した上方に位置し、かつ折曲げ部分７２ｂ,７２ｃが二次冷媒の流入側(上流側の直線部分７２ａ)から流出側(下流側の直線部分７２ａ)に向けて上方傾斜するよう形成される。

具体的には、実施例に係る蒸発器ＥＰのスパイラルフィンチューブ７０は、水平面に対して所定角度で傾斜する２つの平行な傾斜面(平行面)Ｐ１,Ｐ２を設定し、下方に位置する傾斜面Ｐ１上に、前記熱交換器ＨＥ(二次熱交換部４６)からの二次冷媒が流入する最下方の直線部分７２ａが位置するよう構成され、折曲げ部分７２ｂ,７２ｃにより折返される毎に直線部分７２ａが異なる傾斜面Ｐ１,Ｐ２上に交互に位置するよう構成される。このとき、図８に示すように、下方の傾斜面Ｐ１に位置する直線部分７２ａから上方の傾斜面Ｐ２に位置する直線部分７２ａへ接続する折曲げ部分７２ｃは、二次冷媒の流入側(上流側の直線部分７２ａ)から流出側(下流側の直線部分７２ａ)に向けて上方傾斜するよう構成され、上方の傾斜面Ｐ２に位置する直線部分７２ａから下方の傾斜面Ｐ１に位置する直線部分７２ａへ接続する折曲げ部分７２ｂは、二次冷媒の流入側と流出側とが同一水平レベルに位置するか、あるいは二次冷媒の流入側から流出側に向けて上方傾斜するよう構成される。

すなわち、最下方の直線部分７２ａ(１段目の直線部分７２ａ)における二次冷媒の流出端に連続する折曲げ部分７２ｃは、斜め上方(図８では左上方)へ傾斜して上側の傾斜面Ｐ２に位置する２段目の直線部分７２ａにおける二次冷媒の流入端に連続し、該２段目の直線部分７２ａにおける二次冷媒の流出端に連続する折曲げ部分７２ｂは、下側の傾斜面Ｐ１上に位置して当該２段目の直線部分７２ａと同一高さ位置に位置する３段目の直線部分７２ａにおける二次冷媒の流入端に連続する。更に、３段目の直線部分７２ａにおける一次冷媒の流出端に連続する折曲げ部分７２ｃは、斜め上方(図８では左上方)へ傾斜して４段目の直線部分７２ａにおける二次冷媒の流入端に連続する。以降も同様に、奇数段目の直線部分７２ａが下側の傾斜面Ｐ１に位置すると共に、偶数段目の直線部分７２ａが上側の傾斜面Ｐ２に位置し、各傾斜面Ｐ１,Ｐ２において、直線部分７２ａの段数が大きくなるにつれて上方に位置するよう構成されている。これにより、前記蒸発器ＥＰを伝熱管７２の直線部分７２ａの端部側から視た状態で、折曲げ部分７２ｂ,７２ｃがジグザグ状の折返し状態を呈するようになっている(図８参照)。従って、前記熱交換器ＨＥ(二次熱交換部４６)から蒸発器ＥＰへ流入して気化した二次冷媒は、蒸発器ＥＰのスパイラルフィンチューブ７０内を上昇するようになっている。

また、実施例では、折曲げ部分７２ｂ,７２ｃを介して連続する直線部分７２ａは、スパイラルフィンチューブ７０の直径程度(伝熱管７２とフィン７４とを合わせた直径)だけ上下および水平方向に変位した位置関係となっている。そして、一方のスパイラルフィンチューブ７０における山折り部分を、他方のスパイラルフィンチューブ７０における谷折り部分に差込んで組み合わせて、前記蒸発器ＥＰが構成されている(図９参照)。このとき、各スパイラルフィンチューブ７０のフィン７４は、他方のスパイラルフィンチューブ７０のフィン７４間の隙間に嵌り込むよう構成されて、隣り合う伝熱管７２,７２同士の距離を短くするよう構成してある。

また、前記蒸発器ＥＰは、前記伝熱管７２の最下部位置(前記第３分岐管４８ａ,４８ａとの接続部位の近傍)に、除霜用ヒータ７６が取り付けられている。そして、冷却装置３２の除霜運転時に、前記一次回路３４の圧縮機ＣＭや凝縮器ＣＤを運転停止すると共に、前記除霜用ヒータ７６に通電するよう設定されて、該除霜用ヒータ７６が蒸発器ＥＰの伝熱管７２の下部位置を加熱するよう構成されている。

〔実施例の作用〕
次に、実施例に係る冷却装置の作用について説明する。冷却装置３２では、冷却運転を開始すると、一次回路３４および二次回路４４の夫々で冷媒の循環が開始される。先ず、一次回路３４について説明すると、圧縮機ＣＭおよび凝縮器ファンＦＭが駆動され、圧縮機ＣＭで気相一次冷媒が圧縮されて、この一次冷媒を冷媒配管３８を介して凝縮器ＣＤに供給して、凝縮器ファンＦＭによる強制冷却により凝縮液化する。液相一次冷媒は、膨張手段ＥＶで減圧され、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６において二次熱交換部４６を流通する二次冷媒から熱を奪って(吸熱)一挙に膨張気化する。このように一次回路３４は、熱交換器ＨＥにおいて、一次熱交換部３６により二次熱交換部４６を強制冷却するように機能している。そして、一次熱交換部３６で気化した気相一次冷媒は、冷媒配管３８を経て圧縮機ＣＭに帰還する強制循環サイクルを繰返す。

前記二次回路４４では、二次熱交換部４６が一次熱交換部３６により冷却されているから、二次熱交換部４６で気相二次冷媒から熱が奪われて凝縮し、気相から液相に状態変化することで比重が増加する。二次回路４４では、二次熱交換部４６を機械室２０に配置する一方、蒸発器ＥＰを機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設することで、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの間に落差を設けてある。すなわち、液相二次冷媒を、二次熱交換部４６の下部に接続した液配管４８を介して、蒸発器ＥＰへ向けて重力の作用下に自然流下させることができる。液相二次冷媒は、蒸発器ＥＰを流通する過程で該蒸発器ＥＰの周囲雰囲気(冷却室２８内の空気)から熱を奪って気化して気相に移行する。

そして、前記送風ファン３０により吸込口２６ａから冷却室２８に吸引された収納室１４の空気を、冷却された蒸発器ＥＰに吹付けることで、蒸発器ＥＰと熱交換して冷気となる。そして、冷気吹出口２６ｂを介して冷却室２８から収納室１４に冷気を送出することで、収納室１４が冷却される。冷気は、収納室１４の内部を循環して、吸込口２６ａを介して再び冷却室２８内に戻るサイクルを反復する。

ここで、一次回路３４を循環する一次冷媒として炭化水素冷媒を用いたから、フロン冷媒と比較して熱伝達率が高く、循環冷媒量を約半分程度としても同等の熱交換を行なうことが可能となる。従って、一次回路３４を循環する一次冷媒量を低減しても、従来の業務用の大型機器に採用されていたフロン冷媒と同等の冷凍能力を発揮し得ると共に、循環冷媒量が減少することで伝熱管６２等の抵抗による圧力損失の影響を受け難くなる。このため、一次回路３４を構成する凝縮器ＣＤは、伝熱管６２の外周囲にフィン６４を螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ６０を採用し得る。更に、凝縮器ＣＤとしてスパイラルフィンチューブ６０を用いることで、フィンアンドチューブ型の熱交換器に比べて径の細い伝熱管６２を採用できるから、このスパイラルフィンチューブ６０を折曲げ加工することにより直線部分６２ａと折曲げ部分６２ｂ,６２ｃとからなる蛇行状に容易に形成でき、製造コストの低減を図り得る。

また、二次回路４４を循環する二次冷媒として、フロン冷媒と比較して熱伝達率が高い二酸化炭素を採用しているから、フロン冷媒と比べて効率的に収納室１４の空気と熱交換を行ない、効率の高い運転を行なうことができる。更にこの特徴は、二次回路４４が圧縮機ＣＭを持たない自然循環サイクルであるため、伝熱を阻害する冷凍機油が存在しないことにより、更に強化される。また、二酸化炭素は循環量あたりの冷凍能力がフロン冷媒に比べて高く、二次回路４４を循環する冷媒循環量をフロン冷媒に比べて低減することができる。そして、冷媒循環量を低減し得るので、伝熱管７２等の抵抗による圧力損失の影響を受け難くなり、伝熱管７２等の配管径を細径化し得る。この結果、二次回路４４の内容積が低減し、二次冷媒の使用量も低減する。そして、二次冷媒の使用量が減少することで、冷却装置３２の運転停止時における二次回路４４中の圧力上昇を低減でき、二次回路４４の耐圧設計を緩和し得ると共に、圧力緩衝用の膨張タンクを用いる場合でも小型のものを採用でき、省スペース化や製造コストの低減を図り得る利点がある。

また、前記凝縮器ＣＤおよび蒸発器ＥＰとしてのスパイラルフィンチューブ６０,７０は、フィン６４,７４を巻き付けた１本の伝熱管６２,７２を折曲形成して構成される。すなわち、スパイラルフィンチューブ６０,７０は、フィンアンドチューブ型の熱交換器のように直線上の配管に対してＵベンド部が溶接されないシームレス構造となっているから、流通する冷媒の漏出に対する耐性向上が図られる。

凝縮器ＣＤおよび蒸発器ＥＰ賭して、２本のスパイラルフィンチューブ６０,７０を並列接続する構成では、２本のスパイラルフィンチューブ６０,７０間の配管抵抗や凝縮負荷にバラツキが生ずると、スパイラルフィンチューブ６０,７０を流通する冷媒量が不均一になり、凝縮能力や蒸発能力の低下を招来する虞がある。しかるに、実施例の凝縮器ＣＤでは、２本のスパイラルフィンチューブ６０,６０を同一の折れ曲り構造として、折返す毎に２本のスパイラルフィンチューブ６０,６０の前後位置が交互に入れ替わるよう構成したから、スパイラルフィンチューブ６０,６０間の配管抵抗や凝縮負荷を均一にし得る。同様に、蒸発器ＥＰに関しても、同一の折れ曲り構造を有する２本のスパイラルフィンチューブ７０,７０が折返す毎に前後位置が交互に入れ替わるから、スパイラルフィンチューブ７０,７０間の配管抵抗や凝縮負荷を均一にできる。従って、凝縮器ＣＤおよび蒸発器ＥＰにおいて、スパイラルフィンチューブ６０,７０間の冷媒量の流量を同等にでき、凝縮能力や蒸発能力を一定に保つことができる。また、凝縮器ＣＤや蒸発器ＥＰに２本のスパイラルフィンチューブ６０,７０を使用することで、一次回路３４や二次回路４４を流通する冷媒量を多くすることができるから、業務用の大型機器に用いられる冷却装置３２に対しても、充分な冷凍能力を得ることができる。

また、前記凝縮器ＣＤおよび蒸発器ＥＰは、夫々の折曲げ部分６２ｂ,６２ｃ,７２ｂ,７２ｃを介して連続する直線部分６２ａ,７２ａを、スパイラルフィンチューブ６０,７０の略直径分(伝熱管６２,７２とフィン６４,７４とを合わせた外径)だけ上下および水平方向に変位した位置関係とし、一方のスパイラルフィンチューブ６０,７０における山折り部分を、他方のスパイラルフィンチューブ６０,７０における谷折り部分に差込んで組み合わせて構成されている。これにより、凝縮器ＣＤおよび蒸発器ＥＰにおいて各伝熱管６２,７２を高密度で設けることができ、凝縮能力、蒸発能力の大幅な向上を図り得る。従って、従来小容量の機器への利用に止まっていたスパイラルフィンチューブ熱交換器を、業務用の大型機器の凝縮器ＣＤとして使用することができる。

ところで、実施例に係る冷却装置３２を除霜運転するに際して、一次回路３４側の圧縮機ＣＭの運転が停止した場合でも、一次冷媒と二次冷媒との間で熱交換する熱交換器ＨＥは、断熱材で覆われており、近傍に熱源が存在しないことから、該熱交換器ＨＥは比較的長時間に亘って低温状態が維持される。従って、圧縮機ＣＭの停止後であっても、二次回路４４の二次冷媒が熱交換器ＨＥの二次熱交換部４６において液化され、二次冷媒の自然循環サイクルが維持される。一方で、除霜運転が開始されると、前記蒸発器ＥＰでは、２本のスパイラルフィンチューブ７０,７０(伝熱管７２,７２)の最下端部(第３分岐管４８ａ,４８ａとの接続位置)に取り付けた除霜用ヒータ７６,７６に通電され、スパイラルフィンチューブ７０,７０における二次冷媒の流入口側が高温状態となる。これにより、除霜用ヒータ７６の熱量は、スパイラルフィンチューブ７０,７０を自然循環する二次冷媒により蒸発器ＥＰ全体に伝達され、均一な温度分布を得ることができる。従って、伝熱管７２,７２がフィン６４により接触していないスパイラルフィンチューブ７０,７０を用いた蒸発器ＥＰにおいても、伝熱管７２,７２内を流通する二次冷媒が熱量を伝達することで、スパイラルフィンチューブ７０,７０の全体を加温することができ、安定した除霜性能が得られる。

〔変更例〕
なお、本発明に係る冷却装置としては、実施例のものに限られるものではなく、種々の変更が可能である。
(１) 実施例では、凝縮器および蒸発器の両方にスパイラルフィンチューブを採用した冷却装置を示したが、何れか一方にのみスパイラルフィンチューブを採用することも可能である。
(２) 実施例では、凝縮器および蒸発器を、２本のスパイラルフィンチューブを並列に接続して構成したが、これに限られるものではなく、１本のスパイラルフィンチューブにより構成してもよく、また３本以上のスパイラルフィンチューブから構成することも可能である。
(３) 凝縮器および蒸発器における各スパイラルフィンチューブの構成は、実施例のものに限定されるものではない。従って、蒸発器であれば、折曲げ部分を介して連続する直線部分が、水平方向に変位して位置し、かつ各折曲げ部分は、冷媒の流入側から流出側に向けて水平または上方傾斜するようスパイラルフィンチューブを折曲形成すれば、直線部分の離間間隔や折曲げ部分の折曲げ角度、折曲げ回数を任意に決定することができる。同様に、前記凝縮器であれば、折曲げ部分を介して連続する直線部分が、水平方向に変位して位置し、かつ各折曲げ部分は、冷媒の流入側から流出側に向けて水平または下方傾斜するようスパイラルフィンチューブを折曲形成すれば、直線部分の離間間隔や折曲げ部分の折曲げ角度、折曲げ回数を任意に決定することができる。
(４) 実施例では、一次回路を流通する一次冷媒および二次回路を流通する二次冷媒が熱交換する熱交換器を機械室に配設するようにしたが、機械室と収納室(冷却室)とを区画する断熱壁(実施例では台板)内に熱交換器を埋め込む形態とすることも可能である。
(５) 実施例では、除霜用ヒータを蒸発器(伝熱管)の最下部に設けるようにしたが、該蒸発器(伝熱管)の少なくとも最下部に除霜用ヒータを設けるよう構成すれば、蒸発器の他の部位に除霜用ヒータを更に設けることもできる。
(６) 実施例では、冷却装置を冷蔵庫に採用する場合を例にして説明したが、冷凍庫、冷凍・冷蔵庫、ショーケースおよびプレハブ庫等の所謂貯蔵庫、その他空調機器等にも適用可能である。

本発明の実施例に係る冷却装置により冷却される冷蔵庫を示す側断面図である。実施例に係る冷蔵庫における機械室を示す平断面図である。実施例に係る冷却装置を示す概略回路図である。実施例に係る凝縮器および蒸発器に用いられるスパイラルフィンチューブを示す正面図である。実施例に係る凝縮器におけるスパイラルフィンチューブの一方の折曲げ部分側からみた状態を示す概略図である。実施例に係る凝縮器に用いられるスパイラルフィンチューブを、フィンを省略した状態で示す斜視図である。２本のスパイラルフィンチューブを組み合わせた実施例に係る凝縮器を、スパイラルフィンチューブの一方の折曲げ部分側からみた状態を示す概略図である。実施例に係る蒸発器におけるスパイラルフィンチューブの一方の折曲げ部分側からみた状態を示す概略図である。２本のスパイラルフィンチューブを組み合わせた実施例に係る蒸発器を、スパイラルフィンチューブの一方の折曲げ部分側からみた状態を示す概略図である。

符号の説明

３４一次回路，３６一次熱交換部，４４二次回路，４６二次熱交換部
６０スパイラルフィンチューブ，６２伝熱管(配管)，６２ａ直線部分
６２ｂ折曲げ部分，６２ｃ，折曲げ部分，６４フィン
７０スパイラルフィンチューブ，７２伝熱管(配管)，７２ａ直線部分
７２ｂ折曲げ部分，７２ｃ折曲げ部分，７４フィン
７６除霜用ヒータ，ＣＭ圧縮機，ＣＤ凝縮器，ＥＰ蒸発器
ＨＥプレート式熱交換器(熱交換器)

Claims

一次冷媒を圧縮する圧縮機(CM)と、前記圧縮機(CM)で圧縮された一次冷媒を凝縮する凝縮器(CD)と、前記凝縮器(CD)で凝縮した一次冷媒が蒸発する一次熱交換部(36)とを備えて一次冷媒が機械的に強制循環される一次回路(34)を有すると共に、前記一次熱交換部(36)との間で熱交換して二次冷媒を凝縮する二次熱交換部(46)と、前記二次熱交換部(46)で凝縮した二次冷媒が蒸発する蒸発器(EP)とを備えて二次冷媒が自然循環する二次回路(44)を有する冷却装置において、
前記一次回路(34)を流通する一次冷媒および前記二次回路(44)を流通する二次冷媒として、炭化水素冷媒または二酸化炭素を用い、
前記一次回路(34)における凝縮器(CD)および前記二次回路(44)における蒸発器(EP)の少なくとも一方は、配管(62,72)の外周囲に螺旋状にフィン(64,74)を巻き付けたスパイラルフィンチューブ(60,70)を折曲形成することで冷媒の循環経路が形成される
ことを特徴とする冷却装置。
前記蒸発器(EP)を構成するスパイラルフィンチューブ(70)は、直線部分(72a)と、折曲げ部分(72b,72c)とからなる蛇行状に形成されると共に、折曲げ部分(72b,72c)を介して連続する直線部分(72a)が、水平方向に変位して位置し、かつ各折曲げ部分(72b,72c)は、冷媒の流入側から流出側に向けて水平または上方傾斜するよう構成される請求項１記載の冷却装置。
前記凝縮器(CD)を構成するスパイラルフィンチューブ(60)は、直線部分(62a)と、折曲げ部分(62b,62c)とからなる蛇行状に形成されると共に、折曲げ部分(62b,62c)を介して連続する直線部分(62a)が、水平方向に変位して位置し、かつ各折曲げ部分(62b,62c)は、冷媒の流入側から流出側に向けて水平または下方傾斜するよう構成される請求項１記載の冷却装置。
前記蒸発器(EP)を構成するスパイラルフィンチューブ(70)の少なくとも最下部を含む位置に、除霜用ヒータ(76)が取り付けられる請求項１または２記載の冷却装置。