JP2021021535A - 冷蔵庫用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷蔵庫用熱交換器において、インナーフィンを有する冷媒管を用いた熱交換器において冷媒の圧力損失を低減できる冷蔵庫用熱交換器の構造を提供する。【解決手段】内周面にインナーフィンを有し、直管部１４と曲管部１５とが交互に連続する冷媒管１０を備えた熱交換器１において、冷媒管１０を、冷媒入口と冷媒出口の間で複数の回路１１Ａ、１１Ｂに分岐させる。また、並列に配置された複数のプレートフィン２０からなるフィン群２１〜２６を有し、冷媒管１０の直管部１４がフィン群２１〜２６のプレートフィン２０を貫通することにより冷媒管１０とフィン群２１〜２６を一体化させる。【選択図】図１

Description

この発明は、冷蔵庫の蒸発器として用いられる熱交換器に関する。

冷蔵庫用熱交換器は、冷媒流量が低いので管内に乱流が発生しにくく、乱流による熱交換効率の向上効果を見込めないために、インナーフィンを形成して管内の表面積を大きくすることによって熱交換効率の向上を図っている（特許文献１参照）。

特開２００５−７６９１７号公報

しかし、冷媒管のインナーフィンの高さを高くして熱交換効率を高めようとすると、管内を流通させる冷媒の圧力損失が大きくなり、インナーフィンによる熱交換効率の向上効果が十分に得られないという問題点があった。

本発明は、上述した技術背景に鑑み、インナーフィンを有する冷媒管を用いた熱交換器において冷媒の圧力損失を低減できる冷蔵庫用熱交換器の構造を提供するものである。

即ち、本発明は下記［１］〜［５］に記載の構成を有する。

［１］内周面にインナーフィンを有し、直管部と曲管部とが交互に連続する冷媒管を備えた熱交換器において、
前記冷媒管が、冷媒入口と冷媒出口の間で複数の回路に分岐していることを特徴とする冷蔵庫用熱交換器。

［２］並列に配置された複数のプレートフィンからなるフィン群を有し、前記冷媒管の直管部が前記フィン群のプレートフィンを貫通することにより冷媒管とフィン群が一体化している前項１に記載の冷蔵庫用熱交換器。

［３］前記冷媒管に流通する冷媒の流量が０．５ｋｇ／ｈ〜４ｋｇ／ｈに設定されている前項１または２に記載の冷蔵庫用熱交換器。

［４］前記冷媒管において、分岐する回路数をＮ（Ｎ≧２）、冷媒の流通方向の長さが１ｍｍあたりの内表面積をＸｍｍ^２、流路断面積をＹｍｍ^２としたとき、（Ｘ／Ｙ）／Ｎ≧６０００の関係を満たしている前項１〜３のいずれかに記載の冷蔵庫用熱交換器。

［５］前記冷媒管の外直径が５ｍｍ〜９ｍｍである前項１〜４のいずれかに記載の冷蔵庫用熱交換器。

上記［１］に記載の冷蔵庫用熱交換器によれば、冷媒管が複数回路に分岐しているので、インナーフィンの形成によって生じる冷媒の圧力損失が低減される。

上記［２］に記載の冷蔵庫用熱交換器によれば、冷媒管に取り付けられたフィン群によって熱交換効率が高められる。

上記［３］に記載の冷蔵庫用熱交換器によれば、多様な冷蔵庫の庫内を効率良く冷却できる。

上記［４］に記載の冷蔵庫用熱交換器は、圧力損失を低減する効果が特に大きい。

上記［５］に記載の冷蔵庫用熱交換器は、圧力損失を低減する効果が特に大きい。

本発明の冷蔵庫用熱交換器の一実施形態の斜視図である。 図１の冷蔵庫用熱交換器に用いる冷媒管の断面図である。 図１の冷蔵庫用熱交換器に用いる他の冷媒管の断面図である。 従来の冷蔵庫用熱交換器の斜視図である。 インナーフィンを持たない冷媒管の断面図である。 熱交換器における全面風速と交換熱量の関係を示すグラフである。 熱交換器における冷媒流量と圧力損失の関係を示すグラフである。

図１は本発明の冷蔵庫用熱交換器（以下の説明において「熱交換器」と略する）の一実施形態であり、図２、３は熱交換器に使用する冷媒管の例を示している。なお、本発明において冷蔵庫用熱交換器は庫内の冷却温度を規定するものではなく、庫内を０℃以下に冷却する冷凍庫も含んでいる。また、冷蔵庫の形態を規定するものでもなく、扉を有する冷蔵庫の他に、扉が無い冷蔵ショーケースも本発明に含まれる。

熱交換器１は、冷媒管１０とこの冷媒管１０の外周面に固定された６つのフィン群２１〜２６とを備えている。

前記冷媒管１０は、２本の本管１１Ａ、１１Ｂ、入口部材１２および出口部材１３とにより構成されている。２本の本管１１Ａ、１１Ｂは、内周面に複数のインナーフィンを有し、直管部１４と曲管部１５とが交互に形成された蛇行管である。前記入口部材１２は、一端側に冷媒入口となる１つの開口部１２ａを有し、他端側に本管連結用の２つの開口部１２ｂを有する二分岐管である。前記出口部材１３は前記入口部材１２と同形であり、一端側に冷媒出口となる１つの開口部１４ａを有し、他端側に２つの本管連結用の開口部１３ｂを有する二分岐管である。前記冷媒管１０は、入口部材１２の２つの開口部１２ｂに２本の本管１１Ａ、１１Ｂの一方の端部を連結し、出口部材１３の２つの開口部１３ｂに本管１１Ａ、１１Ｂの他方の端部を連結することにより、一体化されている。即ち、前記冷媒管１０の流路は冷媒入口と冷媒出口の間で２つの回路に分岐し、１つの冷媒入口（入口部材の１２の開口部１２ａ）から流入した冷媒は２本の本管１１Ａ、１１Ｂに分岐して並行して流通し、再び合流して１つ冷媒出口（出口部材１３の開口部１３ａ）から流出する。

前記フィン群２１〜２６は空気の流れ方向に積層さている。前記フィン群２１〜２６を構成する各プレートフィン２０は２つの孔を有し、これらの孔に冷媒管１０の２本の本管１１Ａ、１１Ｂの直管部１４が貫通し、プレートフィン２０が直管部１４の外周面に固定されている。前記フィン群２１〜２６によって熱交換効率が高められる。

図２および図３にインナーフィンを有する冷媒管の形状例を示す。図２の冷媒管１０Ａは、内周面に、管の中心に向かって突出する高さの等しいインナーフィン３０が一定間隔をおいて多数形成されている。図３の冷媒管１０Ｂは、高さの異なる２種類のインナーフィン３１、３２が多数形成されている。このような冷媒管１０Ａ、１０Ｂはインナーフィン３０、３１、３２によって内表面積が拡大されるために、同一直径のフィン無しの冷媒管５０（図５参照）よりも熱交換効率が良い。しかし、その反面、流路断面積が小さくなるために冷媒の圧力損失が大きくなる。本発明の冷媒管は流路を複数の回路に分岐させて実質的に流路断面積を拡大することによりインナーフィンによる圧力損失を低減することができる。なお、図１の熱交換器１の冷媒管１０は２回路に分岐しているが、本発明における回路数は限定されない。

本発明は熱交換器に流通させる冷媒の流量を規定するものではないが、０．５ｋｇ／ｈ〜４ｋｇ／ｈの流量で使用することが好ましい。前記冷媒流量は家庭用の小型冷蔵庫から扉の開閉回数の多い業務用冷蔵庫、あるいは冷蔵ショーケース等の多様な冷蔵庫の熱交換器に適しており、庫内を効率良く冷却できる。

また、冷媒管は、分岐する回路数をＮ（Ｎ≧２）、冷媒の流通方向の長さが１ｍｍあたりの内表面積をＸｍｍ^２、流路断面積をＹｍｍ^２としたとき、（Ｘ／Ｙ）／Ｎ≧６０００の関係を満たしている場合に、圧力損失を低減する効果が特に大きい。冷媒管の内表面積Ｘは高いフィンを数多く形成することで大きくなって熱交換効率が向上するが、その反面流路断面積Ｙが小さくなって圧力損失が大きくなる。冷媒管はＸ／Ｙが大きくなるほど圧力損失が大きくなり、そのような冷媒管に対して、流路を分岐させて圧力損失を低減する効果が大きい。なお、どのような内部形状の冷媒管においても回路数を増やせば圧力損失は低減するが、Ｘ／Ｙの小さい冷媒管ではもとより圧力損失が少ないので、本発明を適用する意義が乏しい。

さらに、冷媒管の外直径は５ｍｍ〜９ｍｍであることが好ましい。前記外直径の冷媒管にインナーフィンを形成して内表面積を拡大すると流路断面積の減少によって圧力損失が発生し易いので、複数回路に分岐させて圧力損失を低減する効果が大きい。

本発明は熱交換器の製造方法を限定するものではないが、図１の熱交換器１は例えば以下の方法で作製することができる。

まず、２本の本管１１Ａ、１１Ｂと、２つの孔が形成された複数枚のプレートフィン２０でフィン付管を作製する。前記本管１１Ａ、１１Ｂを平行に並べ、所要枚数のプレートフィン２０の各孔に本管１１Ａ、１１Ｂを挿入し、直管部１４に対応する位置にフィン群２１〜２６が形成されるようにプレートフィン２０を配置する。そして、本管１１Ａ、１１Ｂの一方の端部の開口部を塞いで、他方の端部の開口部から流体を導入して拡管し、プレートフィン２０の孔の周面に本管１１Ａ，１１Ｂの外周面を強く当接させてプレートフィン２０を固定し、直管のフィン付管を作製する。次に、前記フィン付管のフィン群２１〜２６のフィン無し部分を曲げ加工して曲管部１５を形成し、順次蛇行状に曲げて６つのフィン群２１〜２６が積層されるように加工する。そして、本管１１Ａ、１１Ｂの両端部に入口部材１２および出口部材１３を接続する。これにより、図１の形状の熱交換器１が作製される。

冷媒管の回路数の異なる２種類の熱交換器に対し、断面形状の異なる３種類の冷媒管を組み合わせて６つの熱交換器を作製した。

熱交換器は、冷媒管１０の流路が２回路に分岐する熱交換器１（図１参照）、および冷媒管５０が分岐しない１回路の熱交換器４０（図４参照）の２種類である。図１の熱交換器１は、蛇行する２回路の本管１１Ａ，１１Ｂに分岐した冷媒管１０を有し、前記本管１１Ａ、１１Ｂは下端部で二分岐管からなる入口部材１２に連結され、上端部で二分岐管からなる出口部材１３に連結されている。図４の熱交換器４０は１回路の冷媒管５０を有し、１本の冷媒管５０が蛇行しながら往復し、冷媒入口４１および冷媒出口４２が下部に設けられている。これらの熱交換器１、４０は、いずれも前記プレートフィン２０からなる６つのフィン群２１〜２６が冷媒管１０、４１の直管部１４に固定されている。前記熱交換器１、４０の冷媒管１０、５０の総長さは約３．５ｍである。

冷媒管は、図２の同じ高さのインナーフィン３０を有する冷媒管１０Ａ、図３の高さの異なる２種類のインナーフィン３１、３２を有する冷媒管１０Ｂ、図５のフィン無しの冷媒管５０の３種類である。これらの冷媒管１０Ａ、１０Ｂ、５０はＡ１０５０からなり、各部の寸法は表１に示すとおりである。また、表１に、冷媒の流通方向の長さ１ｍｍあたりの内表面積Ｘ、および流路断面積Ｙ、回路数Ｎ＝２のときの（Ｘ／Ｙ）Ｎを併せて示す。

また、フィン群２１〜２６およびこれらのフィン群２１〜２６を構成インナーフィン２０は２種類の熱交換器１、４０で共通であり、Ａ１０５０からなり、幅５２ｍｍ×高さ２２ｍｍ×厚さ０．１５ｍｍの長方形板である。前記インナーフィン２０には冷媒管１０、５０を貫通させる２つの孔が穿設されている。

作製した６つの熱交換器、即ち２回路で冷媒管１０Ａ、２回路で冷媒管１０Ｂ、２回路で冷媒管５０、１回路で冷媒管１０Ａ、１回路で冷媒管１０Ｂ、１回路で冷媒管５０の各熱交換器について、冷媒管における全面風速と熱交換量との関係、および冷媒流量と管内圧力損失との関係を以下の方法で測定した。これらの測定結果を図６および図７に示す。
（全面風速と熱交換量の関係）
冷媒としてＲ１３４ａを用いた単体性能評価装置で性能を評価した。熱交換器の冷媒入り口を−２９．５℃に設定し、熱交換器に風を当て空気と熱交換させ、その時の冷媒出口側温度が−２７．５℃となるよう冷媒流量を自動制御する事で、風速と冷媒流量の関係を記録し、冷媒流量から交換熱量を算出した。
（冷媒流量と管内圧力損失の関係）
上記の測定においては風速により冷媒流量は自動で変化する。このとき、冷媒入口と冷媒出口で圧力を測定し、冷媒流量ごとの圧力差を圧力損失とした。

図６より、冷媒管の内表面積が大きいほど熱交換率が高いことを確認した。また、図７より、冷媒管における（内表面積Ｘ／流路断面積Ｙ）値が大きいほど、回路を分岐させることにより圧力損失を低減する効果が大きいことを確認した。

本発明は冷蔵庫用蒸発器として好適に利用できる熱交換器である。

１、４０…冷蔵庫用熱交換器
１０、１０Ａ、１０Ｂ、４１…冷媒管
１１Ａ、１１Ｂ…本管
１２…入口部材
１２ａ…冷媒入口用の開口部
１２ｂ、１３ｂ…連結用開口部
１３…出口部材
１３ａ…冷媒出口用開口部
１４…直管部
１５…曲管部
２０…プレートフィン
２１〜２６…フィン群
３０、３１、３２…インナーフィン
４１…冷媒入口
４２…冷媒出口

Claims (5)

1. 内周面にインナーフィンを有し、直管部と曲管部とが交互に連続する冷媒管を備えた熱交換器において、
   前記冷媒管が、冷媒入口と冷媒出口の間で複数の回路に分岐していることを特徴とする冷蔵庫用熱交換器。
2. 並列に配置された複数のプレートフィンからなるフィン群を有し、前記冷媒管の直管部が前記フィン群のプレートフィンを貫通することにより冷媒管とフィン群が一体化している請求項１に記載の冷蔵庫用熱交換器。
3. 前記冷媒管に流通する冷媒の流量が０．５ｋｇ／ｈ〜４ｋｇ／ｈに設定されている請求項１または２に記載の冷蔵庫用熱交換器。
4. 前記冷媒管において、分岐する回路数をＮ（Ｎ≧２）、冷媒の流通方向の長さが１ｍｍあたりの内表面積をＸｍｍ^２、流路断面積をＹｍｍ^２としたとき、（Ｘ／Ｙ）／Ｎ≧６０００の関係を満たしている請求項１〜３のいずれかに記載の冷蔵庫用熱交換器。
5. 前記冷媒管の外直径が５ｍｍ〜９ｍｍである請求項１〜４のいずれかに記載の冷蔵庫用熱交換器。