JP2011080708A - 熱交換器およびその熱交換器を備えた物品貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍空調機器等に用いられる熱交換器に関し、高性能で、かつ除霜効率の高い冷却器を提供する。
【解決手段】多数平行に並べられ、その間を気流が流動するプレートフィン３と、プレートフィン３に略直角に挿通され、内部を流体が流動する冷媒管２とから構成され、冷媒管２は、気流に対して千鳥状に配設され、プレートフィン３は、冷媒管２に対して列ごとに分断された完全独立フィンチューブ型熱交換器において、プレートフィン３に、冷媒管２の貫通部を囲う複数の切起し３ｈを設け、さらに、プレートフィン３における気流と直角に交差するフィン端縁３ｄを、略波形状としたものである。これにより、熱交換器１の高性能化をはかり、また、除霜を効率良く行うことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、完全独立フィンチューブ型の熱交換器、およびその熱交換器を具備した冷蔵庫等の物品貯蔵装置に関するものである。

近年、地球資源の有効活用、家庭用電化製品における消費電力量の抑制等の観点から、冷凍機器に用いられる熱交換器においては、小型化かつ高効率化や耐着霜性能の向上、さらには除霜効率の向上、あるいは耐埃性の向上等がより一層求められている。

一般的に、冷蔵庫等には、境界層前縁効果によって高い熱交換性能を達成し易いことから、列ごとに分断された一枚のプレートフィンに、一本もしくは二本の冷媒管を貫通した所謂完全独立フィンチューブ型の熱交換器が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

また、同様に境界層前縁効果が期待できる構成の所謂スパイラルフィンチューブ型の熱交換器も知られている（例えば、特許文献２参照）。

図７は、上記特許文献１に記載される完全独立フィンチューブ型熱交換器の斜視図である。

同図の如く、完全独立フィンチューブ型の熱交換器５１は、列ごとに分断されたプレートフィン５２に、一本の冷媒管５３を貫通させ、その冷媒管５３を蛇行上に曲げ加工した構成となっている。

したがって、矢印方向の気流と交差するプレートフィン５２の端縁面積が多いことから、境界層前縁効果が大きく、熱交換器５１の性能を向上することができる。

図８は、上記特許文献２に記載されるスパイラルフィンチューブ型熱交換器の正面図である。

同図の如く、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器６１は、一般的に冷媒管６２に帯状のフィン６３を旋回しながら巻きつけ、その後冷媒管６２を蛇行状に曲げ加工した構成となっている。

したがって、冷媒管６２に巻きつけられたフィン６３は、冷媒管６２の軸方向から見ると小径の円形となり、加えて冷媒管６２の曲げ径も小さくできることから、コンパクトかつフレシキブルな形状に形成することができ、省スペースの設置が可能となる。

また、冷媒管６２に巻きつけるフィン６３が円形となるため、列または段方向において隣り合うフィン６３の隙間を十分に確保することができ、塵埃の堆積をし難くして耐埃性に優れた構成とすることもできる。

特開昭６０−２４０９８７号公報 特開２００４−１２１１９号公報

しかしながら、上記従来の完全独立型フィンチューブ型の熱交換器５１は、プレートフィン５２が矩形であることに伴って、周縁における冷媒管５３からの距離が一様ではない構成となっている。

その結果、この熱交換器５１を冷却器として用いた場合、境界層前縁効果によりフィン端面（端縁部）に多く着霜が生じるため、適宜除霜運転が伴う。

その除霜運転は、除霜ヒータ等によって冷媒管５３を加熱し、冷媒管５３からの伝熱効果および冷媒管５３内の冷媒の対流効果（以下、この対流効果を、サーモサイフォン効果と称す）によってプレートフィン５２を加熱し、着霜を溶融する動作であるが、上述の如くプレートフィン５２の冷媒管５３を中心とする周縁距離が一様でないため、溶融斑が生じ易く、再度冷却運転を行った場合に、冷却能力が発揮できず、消費電力量が多くなるものであった。

また、除霜時間を延長することにより、上述の除霜を確実に行うことはできるが、当然除霜ヒータの運転が長くなることに伴い、冷凍機器の消費電力量が上がり、また、冷却運転の中断時間が長くなり、被冷却物の温度が上昇して貯蔵物品の品質を損なう可能性が生じるという課題を有していた。

さらに、上記従来のスパイラルフィンチューブ型の熱交換器６１は、フィン６３の端縁が冷媒管６２に近く、かつフィン６３の端縁と冷媒管６２との距離が略一定であることから、冷媒管６３からの伝熱効果、およびサーモサイフォン効果による除霜効果は高いものの、列方向および段方向に隣り合うフィン６３の間隔が広いことに起因して、冷媒管６３を中心に異常に着霜することが多く、また、フィン表面積が、フィンチューブ型熱交換器と比べて小さいため、高性能化が困難ということから、冷却器に適さないという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、冷却器として使用した場合の熱交換性能の向上と除霜性能の向上をはかり、冷凍機器の消費電力量を大幅に低減できる熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、完全独立フィンチューブ型の熱交換器において、冷媒管を気流に対して千鳥状に配設し、さらに、プレートフィンにおける前記冷媒管の貫通部周辺に、前記冷媒管を囲む複数の切起しを設け、さらに、前記プレートフィンにおける気流と交差するフィン端縁を、前記気流と略直角に交差する線を基軸に気流方向において距離が異なる略波形状としたものである。

これによって、フィンの境界層前縁効果と気流の乱流促進をはかり、空気側熱伝達率を向上することができる。したがって、熱交換器の性能を向上し、この熱交換器を搭載した冷凍機器の消費電力量を低減することができる。

さらに、前記冷媒管を囲む複数の切起し部により、冷媒管の近くを流れる気流を、前記冷媒管の後部に形成される気流の止水域へ回り込ませることができる。その結果、前記冷媒管と気流との熱交換が促進され、熱交換（冷却）能力を増大させることができる。

また、冷媒管からの伝熱効果、およびサーモサイフォン効果による除霜性能（特性）を向上することが可能となり、除霜時の冷凍機器の消費電力量を低減することができる。

本発明の熱交換器は、冷媒管を気流に対して千鳥状に配設するとともに、プレートフィンにおける冷媒管貫通部に切起しを形成し、気流の乱流促進をはかることによって、空気側総括熱伝達率を向上させ、また、プレートフィンの端縁を、略波形状とすることにより、境界層前縁効果を生じる面積を大きくし、熱交換器の性能を向上することができる。

また、本発明の物品貯蔵装置は、前記熱交換器を蒸発器として搭載したことにより、冷却能力の向上と除霜性能の向上を可能にし、消費電力量を低減することができる。

本発明の実施の形態１における完全独立フィンチューブ型熱交換器の斜視図 同実施の形態１における熱交換器の図１のＡ−Ａ線による断面図 同実施の形態１における熱交換器を構成するプレートフィンの拡大図 同実施の形態１における熱交換器を構成するプレートフィンの図３のＢ−Ｂ線による断面図 同実施の形態１における熱交換器を構成するプレートフィンの図３のＣ−Ｃ線による断面図 本発明の実施の形態２における物品貯蔵装置の構成を示す模式図 従来例を示す完全独立フィンチューブ型熱交換器の斜視図 従来例を示すスパイラルフィンチューブ型熱交換器の正面図

請求項１に記載の発明は、多数平行に並べられ、その間を気流が通過するプレートフィンと、前記プレートフィンを略直角に貫通し、かつ内部を流体が流動する冷媒管を具備し、前記冷媒管は、気流に対して千鳥状に配設され、前記プレートフィンは、前記冷媒管に対して列ごとに分断された構成の完全独立フィンチューブ型の熱交換器において、前記プレートフィンにおける前記冷媒管の貫通部周辺に、前記冷媒管を囲む複数の切起しを設け、さらに、前記プレートフィンにおける気流と交差するフィン端縁を、前記気流と略直角に交差する線を基軸に気流方向において距離が異なる略波形状としたものである。

かかる構成とすることにより、冷媒管の千鳥配置に伴って熱交換器を流れる気流を乱し、その乱流効果と端縁を略波形状に形成したプレートフィンの境界層前縁効果により、熱交換性能を向上することができる。

さらに、前記冷媒管を囲む複数の切起し部により、冷媒管の近くを流れる気流を、前記冷媒管の後部に形成される気流の止水域へ回り込ませ、前記冷媒管と気流との熱交換を促進して熱交換（冷却）能力を増大させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記切起しを、気流の通過方向に対して所定の角度で交差するように形成したものである。

かかることにより、前記切起しによる気流の抵抗を抑制しつつ該気流を止水域へ回り込ませることができ、切起しの形成に伴う通風抵抗の増加を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記冷媒管と前記プレートフィン端縁間の距離を略一定としたものである。

かかることにより、前記冷媒管の熱や、その内部を流れる冷媒の熱を前記プレートフィンの周縁へ略一様に伝達することができ、熱伝達の斑を抑制することができる。その結果
、この熱交換器を冷却器として使用した場合の除霜時において、加熱された冷媒管の熱、およびその冷媒管内を流れる冷媒のサーモサイフォン効果の熱を、プレートフィンの周端縁へ略一様に伝達することができ、その結果、効率的に除霜ができ、除霜時間の短縮化をはかることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、前記プレートフィンを、気流方向に複数配置し、該プレートフィンの略波形状を形成する凹部端縁に、後段の該プレートフィンの略波形状を形成する凸部端縁を突合せて配置したものである。

かかることにより、気流方向におけるプレートフィンの間隔を合理的に確保することができ、熱交換器をコンパクトに構成することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、前記プレートフィンに、前記冷媒管から該プレートフィンの端縁への熱伝導を遮る貫通孔を設けたものである。

かかることにより、前記貫通孔がプレートフィンの熱伝導を部分的に遮断するとともに、熱交換器の着霜状態においてバイパス風路を形成することができる。その結果、耐着霜性能を向上し、また除霜回数を減少させることができる。したがって、この熱交換器を搭載した機器の消費電力量を低減することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記貫通孔が気流方向において上端側と下端側交互に位置する如く前記プレートフィンを配置したものである。

かかることにより、前記バイパス風路が熱交換器の上下端にバランスよく形成され、前記耐着霜性能を改善することができ、連続冷却運転時間を延長することができる。

請求項７に記載の発明は、断熱空間で形成される物品貯蔵室と、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を、配管を介して環状に連結した冷凍サイクルと、前記蒸発器による冷却気流を前記物品貯蔵室内に送り込む送風機を具備した貯蔵装置において、前記蒸発器を、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器とした物品貯蔵装置である。

かかることにより、除霜回数を少なくして安定した熱交換作用を得ることができ、効率のよい冷却運転を行うことができる。これに伴い、消費電力量を抑制した物品貯蔵装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における完全独立フィンチューブ型熱交換器の斜視図である。図２は、同実施の形態１における熱交換器の図１のＡ−Ａ線による断面図である。図３は、同実施の形態１における熱交換器を構成するプレートフィンの拡大図である。図４は、同実施の形態１における熱交換器を構成するプレートフィンの図３のＢ−Ｂ線による断面図である。図５は、同実施の形態１における熱交換器を構成するプレートフィンの図３のＣ−Ｃ線による断面図である。

図１乃至図５において、完全独立フィンチューブ型の熱交換器１は、熱伝導率の高いアルミニウムや銅を素材とする冷媒管２と、同様の材料からなる多数のプレートフィン３に
よって構成されている。

プレートフィン３は、同一形状、同一大きさのもので、矢印Ｘで示す気流方向（列方向）に分断されて配置されている。このプレートフィン３には、冷媒管２が貫通する孔３ａと、この孔３ａの周囲で軸方向に突出するフィンカラー部３ｂ（図４）と、孔１３ａを中心とする円弧状の貫通孔３ｃが設けられている。

貫通孔３ｃは、孔３ａが図３に示す如く、プレートフィン３の若干下方寄りの偏った位置に設けられていることに伴い、冷媒管２から最も距離を有する側に形成され、冷媒管２からの熱伝導を遮るもので、スリット状、あるいはルーバー状であってもよい。

さらに、プレートフィン３は、気流方向に対して略直角関係にある縁３ｄが略波形（以下、波形と称す）に形成されている。

この波形は、孔３ａを中心とする複数の円３ｅを基調とした形状であるため、矢印Ｘで示す気流と略直角に交差する線Ｌを基軸に、気流方向における距離ａ１、ａ２が円弧を描きながら異なる形状となっている。したがって、縁３ｄには、線Ｌに最も近い距離ａ１の凸部端縁３ｆと、線Ｌから最も離れた距離ａ２の凹部端縁３ｇを交互に有し、また各孔３ａの中心Ｏから縁３ｄの輪郭までの距離ｒは、（各円３ｅが交わる部分を除いては）略一定の寸法となっている。

さらに、プレートフィン３における気流方向の分断配置は、該プレートフィン３を上下交互に反転させ、縁３ｄにおける凸部端縁３ｆに、隣のプレートフィン３における縁３ｄの凹部端縁３ｇを所定の距離を介して突合せるように配置した構成となっている。

その結果、気流方向における冷媒管２の配置関係は、気流方向に連続して重ならない千鳥状の配置となり、貫通孔３ｃも気流方向において上下交互に位置した配置となっている。さらに、前述の凸部端縁３ｆと凹部端縁３ｇの突合せ配置により、気流方向における寸法を小さくし、熱交換器１のコンパクト化をはかっている。

また、プレートフィン３における冷媒管２の貫通部の周辺には、冷媒管２を所定の間隔を介して囲む複数の切起し３ｈを設けている。この切起し３ｈは、気流方向において上流側が広がり方向に、下流側が狭まり方向にそれぞれ形成されており、気流の通過方向に対して所定の角度で該気流と交差する。

その結果、特に下流側に位置する切起し３ｈは、冷媒管２で分断された気流を集束し、冷媒管２の後部（下流）に形成される気流の止水域αへ回り込ませる作用を行う。

なお、切起し３ｈの形状は、気流が略均等に冷媒管２の後部へ回り込むように、気流方向において冷媒管２を前後および上下から挟む如く配置することが望ましいが、気流の流速が早く、空気抵抗が増加する等の場合は、前後あるいは上下の片側のみ（前側のみ、後側のみ、上側のみ、下側のみ）の配置構成としてもよい。また、プレートフィン３の面積に余裕があれば、切起し３ｈを数列の配置構成とすることができる。

上記構成からなる熱交換器１の組み立ては、周知の工程手順で組み立てることができるため、説明を省略する。

次に、以上のように構成された熱交換器１を、冷却器として使用した場合について説明する。

まず、冷却運転により気流は、矢印Ｘで示す方向に流れ、プレートフィン３と接触して熱交換が始まる。このとき、プレートフィン３の縁３ｄは、凸部端縁３ｆと凹部端縁３ｇが交互に連続する波形状に形成されているため、従来の縁が直線的なプレートフィンに比べて気流との接触部（面積）が多く形成されていることから、境界層前縁効果が大きくなり、熱交換作用が促進されて冷却能力を増大させることができる。

また、冷媒管２に当たる気流は、図２の矢印Ｙに示す如く円形断面をもつ冷媒管２にて分断され、流れが乱される。そして、冷媒管２を通過した後、再び合流する流れとなることから、冷媒管２の気流の当たる反対面である冷媒管後部には気流の止水域αが形成される。

さらに、冷媒管２の近傍で、かつプレートフィン３の表面近くを通過する気流は、図２の破線矢印Ｚで示す如く、プレートフィン３の表面に突出して形成した切起し３ｈに衝突し、乱流となって冷媒管２の後部の止水域αに回り込む。したがって、冷媒管２による気流の分断と、切起し３ｈに伴う乱流により、気流は、止水域αへ多く回り込むことができ、その結果、冷媒管２との熱交換が促進され、冷却能力を増大させることができる。

さらに、本実施の形態１においては、冷媒管２が気流に対して千鳥状に配設されていることから、前述の分断された気流が風下の冷媒管２に当たり、同様に止水域αを形成するため、さらに効率の良い熱交換が可能となる。

次に、冷却運転時が継続されると熱交換器１の全体に着霜が生じ、特に冷媒管２の周縁および気流が当たるプレートフィン３のフィン端部、すなわち波形状の縁３ｄに多く着霜する。

しかしながら、本実施の形態１においては、プレートフィン３における冷媒管２から最も距離を有する側に貫通孔３ｃを形成しているため、この貫通孔３ｃの熱遮断作用によってプレートフィン３における冷媒管２から遠方にある部分は熱交換が少なく、着霜し難くなっている。

その結果、冷媒管２や冷媒管２近傍の波形状の縁３ｄが着霜し、プレートフィン３間の風路が目詰まりした場合でも、貫通孔３ｃよりも遠方にある部分が、着霜量が少ないことに起因してパイパス風路となり、着霜時の性能劣化を抑制することができ、耐着霜性能（特性）を改善して除霜回数を少なくすることができる。

特に、貫通孔３ｃが気流方向において上下交互に位置していることに伴い、前述のバイパス回路は、熱交換器１の上下にバランスよく形成されるため、偏った着霜に伴う除霜運転の早期化を抑制することが期待できる。

また、貫通孔３ｃの幅（熱伝導方向）の寸法（面積）を小さくした場合、高い初期冷却性能が得られる反面、耐着霜性能（特性）が低く、また、逆に貫通孔３ｃの幅（面積）を大きくすると、初期冷却性能が低い反面、良好な耐着霜性能（特性）を得ることができる。

かかることは、貫通孔３ｃにおいて、円弧の長さ、あるいは冷媒管２からの距離を変えることによっても近似した特性が得られる。

したがって、貫通孔３ｃの大きさ（幅・長さ）や位置を調節、設定することにより、着霜時に形成されるバイパス風路の状態をコントロールすることができることから、搭載する機器に適合した熱交換器を構成することができ、冷凍機器の運転効率の改善を可能にし
て消費電力量の低減化をはかることができる。

また、さらに着霜が進み、除霜ヒータ等（図示せず）によって、冷媒管２やプレートフィン３を加熱し、霜を溶融する場合についても、その加熱に伴う熱伝導、サーモサイフォン効果（冷媒の対流効果）、および加熱された気流の対流等によって各部の除霜が行われる。

なお、除霜ヒータから遠方になるにしたがい、熱交換器の熱升（熱容量）が大きいこと、また霜の潜熱が大きくなること、および除霜初期は対流がほとんどないということから、サーモサイフォン作用が占める除霜効果は大きい。

さらに、着霜した波形状の縁３ｄは、除霜ヒータによって暖められた冷媒管２や、その内部を流れる加熱された冷媒によるサーモサイフォン効果によって、熱が冷媒管２からプレートフィン３の波形状の縁３ｄへと伝わっていくが、このとき本実施の形態１においては、プレートフィン３における冷媒管２から縁３ｄまでの距離ｒを略一様としているため、波形状の縁３ｄを略一様に加熱することができ、縁３ｄにおける除霜を一様に行って除霜斑を抑制することができる。したがって効率的に除霜を行うことができ、除霜時間の短縮が期待できる。

なお、プレートフィン３における縁３ｄの波形状は、冷媒管２からの距離を略一様として除霜斑を少なくする点では、円を基調とする形状が望ましいが、フィンプレス金型の都合やプレートフィン３の強度等によっては、三角形、あるいは多角形で形成される直線的な波形としてもよい。

以上のように本実施の形態１における完全独立フィンチューブ型の熱交換器は、高性能化を可能にし、かつ効果的な除霜を効率良く行うことができるものである。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における物品貯蔵装置の構成を示す模式図である。なお、ここでは、蒸発器（冷却器）を実施の形態１の熱交換器１として説明する。

図６において、貯蔵装置本体２１は、内部に、前面が開口し、断熱材によって囲われた第一貯蔵室２２ａと第二貯蔵室２２ｂを具備し、前面に、第一貯蔵室２２ａおよび第二貯蔵室２２ｂに対応して前記開口を開閉する断熱性を有する第一扉２３ａおよび第二扉２３ｂを具備している。

また、第一貯蔵室２２ａと第二貯蔵室２２ｂは、連絡通路２４ａ、２４ｂを介して連通している。

さらに、貯蔵装置本体２１の内部には、圧縮機２５、凝縮器２６、減圧装置２７、熱交換器（蒸発器）１を配管により環状に連結した冷凍サイクルが設けられており、熱交換器１は、第一貯蔵室２２ａに配置されている。また、第一貯蔵室２２ａには、熱交換器１で冷却された冷気を、矢印ａで示す如く積極的に第一貯蔵室２２ａ内を循環させる送風機２８が設けられている。第二貯蔵室２２ｂは、矢印ｂで示す如く連絡通路２４ａ、２４ｂを介して流入した第一貯蔵室２２ａの一部の冷気の循環によって冷却される。

したがって、貯蔵装置２１は、実施の形態１で説明したように、熱交換器１を、着霜が生じても部分的に着霜の生じ難い構成としているため、直ちに除霜運転に入ることを抑制し、除霜回数の少ない冷却運転を行い、効率のよい冷却運転を行うことができる。

また、プレートフィンに形成した切起し３ｈによる乱流作用により、冷却性能を向上し、これに加えて除霜回数の少ない冷却運転が得られることに伴い、消費電力量を抑制した物品貯蔵装置を得ることができる。

以上のように、本発明にかかるフィンチューブ型の熱交換器は、小型化および高性能化が可能であり、除霜効率を向上させて省エネをはかることができるもので、冷蔵庫、自販機などの冷凍機器に広く適用できる。

１ 熱交換器
２ 冷媒管
３ プレートフィン
３ｃ 貫通孔
３ｄ 縁
３ｆ 凸部端縁
３ｇ 凹部端縁
３ｈ 切起し
２１ 貯蔵装置本体
２２ａ 第一貯蔵室
２２ｂ 第二貯蔵室
２３ａ 第一扉
２３ｂ 第二扉
２５ 圧縮機
２６ 凝縮器
２７ 減圧装置
２８ 送風機

Claims (7)

1. 多数平行に並べられ、その間を気流が通過するプレートフィンと、前記プレートフィンを略直角に貫通し、かつ内部を流体が流動する冷媒管を具備し、前記冷媒管は、気流に対して千鳥状に配設され、前記プレートフィンは、前記冷媒管に対して列ごとに分断された構成の完全独立フィンチューブ型の熱交換器において、前記プレートフィンにおける前記冷媒管の貫通部周辺に、前記冷媒管を囲む複数の切起しを設け、さらに、前記プレートフィンにおける気流と交差するフィン端縁を、前記気流と略直角に交差する線を基軸に気流方向において距離が異なる略波形状とした熱交換器。
2. 前記切起しを、気流の通過方向に対して所定の角度で交差するように形成した請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記冷媒管と前記プレートフィン端縁間の距離を略一定とした請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記プレートフィンを、気流方向に複数配置し、該プレートフィンの略波形状を形成する凹部端縁に、後段の該プレートフィンの略波形状を形成する凸部端縁を突合せて配置した請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記プレートフィンに、前記冷媒管から該プレートフィンの端縁への熱伝導を遮る貫通孔を設けた請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記貫通孔が気流方向において上端側と下端側交互に位置する如く前記プレートフィンを配置した請求項５に記載の熱交換器。
7. 断熱空間で形成される物品貯蔵室と、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を、配管を介して環状に連結した冷凍サイクルと、前記蒸発器による冷却気流を前記物品貯蔵室内に送り込む送風機を具備した貯蔵装置において、前記蒸発器を、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器とした物品貯蔵装置。