JP2011102656A - 熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫 - Google Patents

熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫 Download PDF

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Abstract

【課題】ドッグボーン型熱交換器における長孔の欠点を解決し、熱交換効率を向上させ、且つ着霜及び除霜性に優れた経済的な熱交換器を提供する。
【解決手段】プレートフィンに設けた長孔の長手方向に矩形部カラーを縁立し、円弧部カラーとは分断させた形状としたことにより、着霜及び除霜特性は維持したまま、除霜時の水滴が明らかに溜まらない構造となり除霜の効率性と熱交換性を向上できる熱交換効率を飛躍的に向上させることができる熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫。
【選択図】図3

Description

本発明は、家庭用あるいは業務用冷蔵庫、さらにはショーケース等において、冷却器(蒸発器)として用いられる所謂ドッグボーン型フィンアンドチューブ式熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫に関するものである。
近年、例えば家庭用冷蔵庫においては本体の外寸を固定し、庫内容量を大きくする傾向にあり、これに起因して冷却システム関連部品は、年々コンパクト化が要求されている。また、業務用冷蔵庫においては、省エネルギーモデルの発売が本格化し、これに起因して冷却システム関連部品のさらなる高効率化が要求されている。
そのような中で、熱交換器もコンパクト化や高効率化の要求が高まっている。
一方で、原材料高騰により部品材料の合理化の要求も高まり、熱交換器性能を高めることと併せて、材料の薄肉合理化が求められている。
その一例として、プレートフィンに加工された、所謂ドッグボーン型の長孔に、サーペンタイン状の冷媒チューブを挿入してなり、且つ、経済的なアルミニウムパイプを用いることが可能で、高効率化要素を備えた、ドックボーン型熱交換器が知られている(例えば、特許文献1及び、特許文献2参照)。
図10乃至図12は、上記特許文献1に記載された従来の熱交換器を示すものである。
図13は、上記特許文献2に記載された従来の熱交換器を示すものである。
上記従来の熱交換器101の構成は、直管部及び曲管部が連続して所定のピッチで蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブ102と、長孔104を板面に複数設けたプレートフィン103を具備し、前記プレートフィン103を複数相互に間隔を有して配置し、前記長孔104に前記冷媒チューブ102を貫通させたもので、前記プレートフィン103において、前記長孔104の矩形部長手方向の両側に、切り起こし可能なカラー成形部104bを設けたものである。
以上のように構成された熱交換器101について、以下その動作を説明する。
まず、図12のプレートフィン103を用いた熱交換器101については、図12のプレートフィン103の長孔104に冷媒チューブ102を挿入させると、冷媒チューブ102の曲げR部が通過するときにカラー成形部104bは弾性変形し、前記R部が通過後、弾性で元のフラット状態あるいは、その中間状態に戻る。よって、長孔104の矩形部の面積を極力小さくすることができるので、伝熱面積が増大し熱交換器の性能が向上するというものである。
次に、図13のプレートフィン103を用いた熱交換器101については、長孔104に矩形部両端カラー104bと円弧部カラー104aをバーリング加工で一体成形したものである。この場合も長孔104の矩形部の面積を極力小さくすることができるので、伝熱面積が増大し熱交換器の性能が向上するというものである。
特許第2811601号公報 特開2002−243382号公報
しかしながら、従来の特許文献1の構成では、プレートフィン103の長孔104に冷媒チューブ102を挿入させると、冷媒チューブ102の曲げR部が通過するときにカラー成形部104bは弾性変形し、前記R部が通過後、弾性で元のフラット状態あるいは、その中間状態に戻るためには、プレートフィン103にある程度の強度が必要となり、一般的には板厚を大きくする必要がある。つまり、従来の特許文献1では、長孔104の円弧部にカラー成形部が存在していないのは、プレートフィン103の板厚が大きいと考えられ、カラー成形部をあえて付ける必要がないからだと思われる。したがって、プレートフィン103の板厚を薄くすることができないので材料コストが増大するという課題を有していた。
また、従来の特許文献2の構成では、長孔104に矩形部両端カラー104bと円弧部カラー104aをバーリング加工で一体成形したので、一見、円弧部と矩形部の加工を同時に1回で済ませることができるので金型が安価になるように思えるが、円弧部先端は材料が伸びる加工で、矩形部先端は材料が伸びない加工であり、それらの継ぎ目部分の形状を安定させるには、材料特性及び金型に工夫が必要であり、加工性的には難しくなる。さらに、熱交換器101を蒸発器として用いた場合は、円弧部カラー104aと矩形部カラー104bの継ぎ目部分に水滴が溜まり易くなり、除霜後のウエットスタート時の冷却性能が低下するのはもちろん、着霜目詰まりによる不冷の要因にも成り得る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、ドッグボーン型熱交換器におけるプレートフィンの長孔部の伝熱面積を有効活用する上で、着霜・除霜の信頼性を考慮した高効率且つ経済的な熱交換器とそれを用いた冷却システムを提供することを目的とするものである。
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、直管部及び曲管部が連続して所定のピッチで蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブと、長孔を板面に複数設けたプレートフィンを具備し、前記プレートフィンを複数相互に間隔を有して配置し、前記長孔に前記冷媒チューブを貫通させた熱交換器であって、前記プレートフィンにおいて、前記長孔の矩形部長手方向の両側を、プレートフィン面に対して略垂直にすなわちおよそ垂直に近い状態まで切り起こしたカラー成形部を設け、且つ前記長孔の矩形部に成形したカラーと、前記長孔の円弧部に成形したカラーとを、分断させたものである。
これにより、冷媒チューブを挿入するときに、冷媒チューブのR部が長孔を通過する際に、長孔矩形部のカラー成形部と接触することが無くなり、プレートフィンの強度を上げるために板厚を大きくする必要がなくなる。また、長孔の矩形部カラーと円弧部カラーを一体化成形するには、プレートフィンの伸縮性が必要になり、薄肉品では加工が困難となる。よって、カラー成形の加工性も容易になる。さらに、円弧部カラーと矩形部カラーの継ぎ目部分に水滴が溜まり難くなるので、プレートフィンの長孔部の伝熱面積を有効活用できるのはもちろん、着霜目詰まりの回避、除霜後の冷却性能の維持も可能となり、高い信頼性を実現し、高効率且つ経済的な熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫を提供することができる。
本発明の熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫は、ドッグボーン型熱交換器におけるプレートフィンの長孔部の伝熱面積を有効活用できるのはもちろん、着霜・除霜の信頼性を考慮した高効率且つ経済的な熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫を提供することができる。
本発明の実施の形態1における熱交換器の側面図 同実施の形態1における熱交換器の正面図 同実施の形態1におけるプレートフィンの斜視図 同実施の形態1におけるプレートフィンの断面図 本発明の実施の形態2におけるプレートフィンの斜視図 同実施の形態2におけるプレートフィンの断面図 本発明の実施の形態3における熱交換器のプレートフィン部分拡大斜視図 同実施の形態3における熱交換器のプレートフィン部分拡大斜視図 本発明の実施の形態4における冷却システムの模式図 従来の熱交換器の側面図 同熱交換器の正面図 従来のプレートフィンの斜視図 従来のプレートフィンの斜視図
請求項1に記載の発明は、直管部及び曲管部が連続して所定のピッチで蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブと、長孔を板面に複数設けたプレートフィンを具備し、前記プレートフィンを複数相互に間隔を有して配置し、前記長孔に前記冷媒チューブを貫通させた熱交換器であって、前記プレートフィンにおいて、前記長孔の矩形部長手方向の両側を、プレートフィン面に対して略垂直に切り起こしたカラー成形部を設け、且つ前記長孔の矩形部に成形したカラーと、前記長孔の円弧部に成形したカラーとを、分断させたものである。
かかる構成とすることにより、冷媒チューブを挿入するときに、冷媒チューブのR部が長孔を通過する際に、長孔矩形部のカラー成形部と接触することが無くなり、プレートフィンの強度を上げるために板厚を大きくする必要がなくなる。また、長孔の矩形部カラーと円弧部カラーを一体化成形するには、プレートフィンの伸縮性が必要になり、薄肉品では加工が困難となる。よって、カラー成形の加工性も容易になる。さらに、円弧部カラーと矩形部カラーの継ぎ目部分に水滴が溜まり難くなるので、プレートフィンの長孔部の伝熱面積を有効活用できるのはもちろん、着霜目詰まりの回避、除霜後の冷却性能の維持も可能となり、高い信頼性を実現し、高効率且つ経済的な熱交換器を提供することができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の熱交換器において、長孔の矩形部に成形したカラーの高さと、長孔の円弧部に成形したカラーの高さを、同等の高さにするものである。
かかる構成とすることにより、円弧部と矩形部を同時にバーリング加工することが可能なので、バーリング型のパンチ・ダイとプレートフィン素材との摩擦抵抗を、円弧部と矩形部で同等の高さにできる。よって、金型の加工バランスがよくなり、金型寿命が延びる。したがって、安価な熱交換器を提供することができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の熱交換器において、長孔の矩形部に成形し
たカラーの高さを、長孔の円弧部に成形したカラーの高さより高くしたものである。
かかる構成とすることにより、長孔矩形部のフィン素材をより有効に活用でき、伝熱面積が増えるので、性能が向上する。また、矩形部のカラー高さを高くすることで、境界層前縁効果と乱流促進効果で、性能が向上する。よって高性能な熱交換器を提供することができる。
請求項4に記載の発明は、直管部及び曲管部が連続して所定のピッチで蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブと、長孔を板面に複数設けたプレートフィンを具備し、前記プレートフィンを複数相互に間隔を有して配置し、前記長孔に前記冷媒チューブを貫通させた熱交換器であって、前記長孔の矩形部長手方向に切り起こし成形されたカラーを、前記冷媒チューブ貫通後に、強制的に曲げ戻して前記プレートフィン面と同等の水平面にしたものである。
かかる構成とすることにより、蒸発器として使用する場合に除霜時の水滴が明らかに溜まらない構造となり、熱交換器の設置方向を注意する必要が無くなり、除霜水の落下方向、風向に左右されない設計が可能となる。
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の熱交換器において、熱交換器の設置上下方向に対して、長孔長手方向の矩形部カラーの角度は、45度以下でとしたものである。
かかる構成とすることにより、蒸発器として使用する場合に除霜時の水滴が、流れ落ちやすくなるので、水滴がより溜まり難くなり、着霜時に風路閉塞し難くなり、冷却能力の低下が遅くなる。また、着霜目詰まりの回避、除霜後の冷却性能の維持も可能となり、高い信頼性を実現し、高効率且つ経済的な熱交換器を提供することができる。
請求項6に記載の発明は、圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器と、前記蒸発器に強制通風させる送風機とを備えている冷却システムにおいて、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載した熱交換器を蒸発器として用いた冷却システムである。
請求項7に記載の発明は、請求項6の冷却システムにより庫内を冷却し除霜手段を備えて蒸発器の除霜を行う冷蔵庫である。
かかる構成とすることにより、冷却システムおよび冷蔵庫として、省エネ特性に優れたものとなり、高効率且つ経済的な冷却システムおよび冷蔵庫を提供することができる。
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における熱交換器の側面図、図2は、同熱交換器の正面図、図3は、プレートフィンの斜視図、図4は、図3のA−A線による同プレートフィンの側面からの断面図である。
図1、図2、図3及び図4において、熱交換器1は、内部を冷媒が流動する冷媒チューブ2と、所定間隔毎に配置された複数のプレートフィン3を具備している。
冷媒チューブ2は、アルミ製あるいはアルミ合金製の一本の管体を、直管部と曲管部が連続し、列(左右)方向Xおよび段(上下)方向Yにおいて複数となるよう蛇行状に曲げ
加工されたサーペンタインチューブであり、曲管部を形成する接続管を用いることなく一本の冷媒流路を形成している。
そして、プレートフィン3に形成された長孔4を冷媒チューブ2の曲管部が貫通することにより、冷媒チューブ2の直管部がプレートフィン3と密着した構成となっている。
長孔4は、矩形部と円弧部を有し、該矩形部の両側短辺に前記円弧部がそれぞれ連続して形成された長穴状に形成されている。また、円弧部には、冷媒チューブ2の直管部と密着固定するための縁立成形された円弧部カラー4aが設けられており、矩形部長手方向の両端にも、略垂直に縁立成形された矩形部カラー4bが設けられている。
以上のように構成された熱交換器1について、以下その動作、作用を説明する。
まず、冷媒チューブ2と複数のプレートフィン3を組立てる際に、冷媒チューブ2の曲管部がプレートフィン3の長孔4に挿入され通過していく。長孔4の矩形部カラー4bが略垂直に縁立成形されていることで、冷媒チューブ2の曲管部が、矩形部カラー4bと接触することなく通過できる。矩形部カラー4bが縁立されていないと、冷媒チューブ2の曲管部が通過するときに矩形部カラー4bを押し広げながら通過することになり、プレートフィン3の板厚を大きくするなどして強度を上げておかないと挿入することができない。よって、プレートフィン3の板厚を薄肉化する等の材料合理化が可能となる。
なお、一般的に、冷媒チューブ2の曲管部は偏平加工され、長孔4の矩形部の巾に挿入できるサイズになっており、冷媒チューブ2と複数のプレートフィン3が組立てられた後、冷媒チューブ2を液圧拡管等により拡径し、複数のプレートフィン2と密着固定される際に、元の直径程度に偏平が戻される。
さらに、長孔4の矩形部カラー4bと円弧部カラー4aを一体化成形するには、プレートフィンの伸縮性が必要になり、薄肉品では加工が困難なので、矩形部カラー4bと円弧部カラー4aが分断していることで、加工が容易となり、よって同様に、プレートフィン3の板厚を薄肉化する等の材料合理化が可能となる。
また、矩形部カラー4bと円弧部カラー4aが分断していることで、円弧部カラー4aと矩形部カラー4bの継ぎ目部分に水滴が溜まり難くなる。水滴が溜まると、冷却運転時、水滴を核として霜が成長・肥大化し、隣のプレートフィン3まで到達し、風路を閉塞させる時間が早まることになる。すると冷却能力が低下し冷えなくなる。さらに除霜しても霜が解けきらない可能性もあり、これを繰り返して霜が氷に変化し、熱交換器全体が氷の塊になって完全に冷えない現象も発生する。よって、プレートフィン3の長孔4により消失している伝熱面積を有効活用できるのはもちろん、着霜目詰まりの回避、除霜後の冷却性能の維持も可能となり、高い信頼性を実現し、高効率且つ経済的な熱交換器を提供することができる。
また、図3で示す通り、長孔4の矩形部カラー4bの高さHbと、長孔4の円弧部カラー4aの高さHaを、同等の高さにすることで、円弧部カラー4aと矩形部カラー4bを同時にバーリング加工することが容易になる。カラー高さが同じ場合、バーリング型のパンチ・ダイとプレートフィン素材との摩擦抵抗を、円弧部と矩形部で同等の高さにできる。よって、金型の加工バランスがよくなり、金型寿命が延びる。したがって、安価な熱交換器を提供することができる。
また、図1、図3で示すように、熱交換器1の設置上下方向に対して、長孔4の長手方向の矩形部カラー4bの角度θを、45度以下にすることで、蒸発器として使用する場合
に除霜時の水滴が、流れ落ちやすくなるので、水滴がより溜まり難くなり、着霜時に風路閉塞し難くなり、冷却能力の低下を抑制することができる。また、着霜目詰まりの回避、除霜後の冷却性能の維持も可能となり、高い信頼性を実現し、高効率且つ経済的な熱交換器を提供することができる。
(実施の形態2)
図5は、実施の形態2におけるプレートフィンの斜視図、図6は、図5のB−B線による同プレートフィンの側面からの断面図である。なお、先の実施の形態1と同様の構成要件については、同一の符号を付して説明する。
図5、図6に示すプレートフィン3は、長孔4の矩形部カラー4bの高さHbを、長孔4の円弧部カラー4aの高さHaより高くしたものである。
以上のように構成されたプレートフィン3を使った熱交換器1の動作、作用を、以下に説明する。
まず、長孔4の矩形部カラー4bの高さHbを、長孔4の円弧部カラー4aの高さHaより高くしたことで、長孔4を成形する際にプレス切断される矩形部のフィン素材を極限まで有効に活用することができる。よって、伝熱面積が増えるので、性能が向上する。また、材料スクラップの量も削減でき資源を有効に使うことができる。
また、矩形部カラー4bの高さHbを高くすることで、熱交換器1を通過する空気が矩形部カラー4bを通過する際に、境界層前縁効果と乱流促進効果が発生し、性能が向上する。よって高性能な熱交換器を提供することができる。
(実施の形態3)
図7、図8は、実施の形態3における熱交換器のプレートフィン部分拡大斜視図である。つまり、直管部及び曲管部が連続して所定のピッチで蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブ2と、長孔4を板面に複数設けたプレートフィン3を具備し、プレートフィン3を複数相互に間隔を有して配置し、長孔4に冷媒チューブ2を貫通させた熱交換器1からプレートフィン3の部分を抜き取り拡大し斜視図で示したものである。
なお、先の実施の形態1と同様の構成要件については、同一の符号を付して説明する。
図7に示す通り、長孔4の矩形部長手方向両端に切り起こし成形されたカラー4bを、冷媒チューブ2貫通後に、強制的に曲げ戻してプレートフィン3の平面と同等の水平面にしたものである。これにより、熱交換器の設置上下方向と矩形部カラー4bは略平行すなわちおよそ平行に近い状態までとなり、蒸発器として使用する場合に除霜時の水滴が明らかに溜まらない構造となる。これにより、熱交換器の設置上下方向がフィンの平面に対し平行であれば、斜めに設置しても横に設置しても除霜水が溜まる構図にはならないので、熱交換器の設置方向に注意を払う設計をする必要が無くなり、除霜水の落下方向、風向に左右されない設計が可能となる。
なお、図8に示す通り、長孔4の矩形部長手方向片端に切り起こし成形されたカラー4bを、冷媒チューブ2貫通後に、強制的に曲げ戻してプレートフィン3の平面と同等の水平面にしてもよい。矩形部の両端よりも片端にカラーを成形したほうが、容易に曲げ戻しが可能である。
(実施の形態4)
図9は、実施の形態4における冷却システムの模式図である。本冷却システムは、圧縮機5と、凝縮器6と、減圧装置7と、蒸発器8と、蒸発器8に強制通風させる送風機9と
を備えている。なお、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載した熱交換器を蒸発器8として用いた冷却システムである。
また、前記冷却システムにより庫内を冷却し除霜手段(除霜ヒーター)を備えて蒸発器の除霜を行い前記蒸発器として構成されているため除霜時の水滴が明らかに溜まらない構造となり除霜の効率性と熱交換性を向上できる冷蔵庫である。
前述の熱交換器はドッグボーン型熱交換器におけるプレートフィンの長孔部の伝熱面積を有効活用できるのはもちろん、着霜・除霜の信頼性を考慮した高効率且つ経済的な効果を有するを持つものであり、本冷却システムおよびこれを用いた冷蔵庫に搭載することにより、省エネ特性に優れたものとなり、高効率且つ経済的な冷却システムおよびこれを用いた冷蔵庫を提供することができる。
本発明にかかる熱交換器とそれを用いた冷却システムは、着霜・除霜の信頼性を考慮したコストパフォーマンスの高いものなので、冷蔵庫、自販機等のように家庭用から産業用に亘る冷凍機器の冷却器、あるいは放熱器として幅広く利用することができるものである。
1 熱交換器
2 冷媒チューブ
3 プレートフィン
4 長孔
4a 円弧部カラー
4b 矩形部カラー
5 圧縮機
6 凝縮器
7 減圧装置
8 蒸発器
9 送風機
10 除霜手段

Claims (7)

  1. 直管部及び曲管部が連続して所定のピッチで蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブと、長孔を板面に複数設けたプレートフィンを具備し、前記プレートフィンを複数相互に間隔を有して配置し、前記長孔に前記冷媒チューブを貫通させた熱交換器であって、前記プレートフィンにおいて、前記長孔の矩形部長手方向の両側を、プレートフィン面に対して切り起こしたカラー成形部を設け、且つ前記長孔の矩形部に成形したカラーと、前記長孔の円弧部に成形したカラーは、分断していることを特徴とする熱交換器。
  2. 長孔の矩形部に成形したカラーの高さと、長孔の円弧部に成形したカラーの高さが、同等の高さであることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  3. 長孔の矩形部に成形したカラーの高さが、長孔の円弧部に成形したカラーの高さより高いことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  4. 直管部及び曲管部が連続して所定のピッチで蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブと、長孔を板面に複数設けたプレートフィンを具備し、前記プレートフィンを複数相互に間隔を有して配置し、前記長孔に前記冷媒チューブを貫通させた熱交換器であって、前記長孔の矩形部長手方向に切り起こし成形されたカラーを、前記冷媒チューブ貫通後に、強制的に曲げ戻して前記プレートフィン面と同等の水平面にしたことを特徴とする熱交換器。
  5. 熱交換器の設置上下方向に対して、長孔長手方向の矩形部カラーの角度は、45度以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の熱交換器。
  6. 圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器と、前記蒸発器に強制通風させる送風機とを備えている冷却システムにおいて、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載した熱交換器を蒸発器として用いたことを特徴とする冷却システム。
  7. 請求項6の冷却システムにより庫内を冷却し除霜手段を備えて蒸発器の除霜を行う冷蔵庫。
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