JP6644143B2 - 冷蔵庫 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱管を構成要素として備えている熱交換器、この熱交換器を冷却器として用いた冷蔵庫、及び、熱交換器の製造方法に関するものである。

従来の熱交換器の構成要素として使われる伝熱管として、例えば特許文献１に記載されているような管内に流れる流体の熱伝達率を向上させるため、伝熱管内部に複数のリブを連結し、かつ、伝熱管を軸方向にらせん状にねじったものがあった。
この従来の伝熱管は、管内を冷媒が気液二相状態で流れる際、液部がリブの隙間を通って中心へと移動する機構となっている。

特開２００６−２４２５２９号公報

特許文献１に記載されているような従来の伝熱管は、上記機構によって、管内に流れる冷媒を気体から液体に凝縮させ、管外の空気を加熱する際には効率よく熱交換することができる。
しかしながら、特許文献１に記載されているような従来の伝熱管は、冷媒を管内で蒸発させて管外の空気を冷やす冷却器に用いる場合、管内の外側に液冷媒がある方が効率よく伝熱することができるため、上記機構では効率よく空気を冷却することができないといった問題点があった。

また、貯蔵室と、圧縮機、放熱器、減圧器、冷却器を順次接続して構成される冷凍サイクルと、を備えた冷蔵庫では、冷媒の循環流量が少なく、レイノルズ数が１００〜３０００程度であり、層流となっている。このため、特許文献１に記載されているような従来の伝熱管では、気液二相冷媒の液部が伝熱管下部に溜まるため、複数のリブで伝熱管内を分割すると、均等に液冷媒が分割されないことになり、伝熱管全体を均等に冷却することができないといった問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、気液二相冷媒の液部を均等に分けられるようした伝熱管を構成要素として備えている熱交換器、この熱交換器を冷却器として用いた冷蔵庫、及び、熱交換器の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る冷蔵庫は、圧縮機、放熱器、減圧器、伝熱管を備えた熱交換器、及び、送風機を有し、前記圧縮機、前記放熱器、前記減圧器、前記熱交換器が連通されて構成された冷凍サイクルを備えた冷蔵庫であって、前記伝熱管は、管内部に隔壁を有しており、前記隔壁は、ねじられた形状で管内部を長手方向に延在し、管内部を二つに分割するものであり、さらに前記伝熱管は、直線部と曲げ部を有しており、前記直線部の少なくとも一部に前記隔壁を有しているものであり、前記熱交換器には重力方向と同方向に空気を流し、前記熱交換器は、前記直線部が空気の流れ方向と垂直となるように配置され、前記伝熱管の冷媒入口部は重力方向下側に設けられ、前記伝熱管の冷媒出口部は重力方向上側に設けられており、前記隔壁は、前記冷媒入口部において垂直となっており、前記隔壁及び前記直線部の内部に、前記伝熱管の下部に溜まっている液冷媒の粘性によって液冷媒が上昇する溝加工が設けられているものである。

本発明に係る熱交換器によれば、管内部を軸方向に二つに分けるねじられた形状の隔壁を管内部に有した伝熱管を構成としているので、気液二相冷媒を均等に分割するができるとともに気液二相冷媒の液部を撹拌することができ、熱伝達率が向上する。

本発明に係る冷蔵庫によれば、上記の熱交換器を冷凍サイクルの一構成である冷却器として用いているので、冷却器における熱伝達率が向上する。

本発明に係る熱交換器の製造方法によれば、流体により第１伝熱管を拡管するので、通常の熱交換器と同様に、第１伝熱管とフィンとの密着度が向上したものになる。

本発明の実施の形態に係る冷蔵庫の冷媒回路構成を概略的に示す冷媒回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の構成の一例を模式的に示した模式図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の一部を構成する伝熱管の内部構造の一例を模式的に示した模式図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の一部を構成する伝熱管の奏する効果を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の一部を構成する伝熱管の内部の状態を模式的に示した模式図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の一部を構成する伝熱管の隔壁の回転位置を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の一部を構成する伝熱管を流れる冷媒の状態を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の一部を構成する伝熱管を流れる冷媒の状態を説明するための説明図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る冷蔵庫１００の冷媒回路構成を概略的に示す冷媒回路構成図である。以下、図１に基づいて、冷蔵庫１００について説明する。この冷蔵庫１００は、冷凍サイクルを利用して冷蔵庫１００の庫内を目標温度まで冷却することができるものである。また、冷蔵庫１００は、本発明の実施の形態に係る熱交換器４Ａを冷却器４として備えている。熱交換器４Ａについては、図２以降で詳細に説明するものとする。

図１に示すように、冷蔵庫１００は、圧縮機１、放熱器２、減圧器３、冷却器４、送風機５を、備えている。そして、圧縮機１、放熱器２、減圧器３、冷却器４が連通され、冷凍サイクルが構成される。
なお、放熱器２は、空気熱交換器２ａと、放熱パイプ２ｂと、で構成されている。また、送風機５は、放熱器２に空気を供給する送風機５ａと、冷却器４に空気を供給する送風機５ｂと、で構成されている。

圧縮機１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧の状態にするものであればよく、特にタイプを限定するものではない。例えば、レシプロ、ロータリー、スクロールあるいはスクリューなどの各種タイプを利用して圧縮機１を構成することができる。この圧縮機１は、インバータにより回転数が可変に制御可能なタイプのもので構成するとよい。圧縮機１は、冷蔵庫１００の底部に形成されている機械室７に設置されている。

放熱器２は、圧縮機１から吐出された冷媒の熱を空気に放熱するものである。図１に示すように、空気熱交換器２ａの方が、放熱パイプ２ｂよりも冷媒の流れ上流側に設けられている。
空気熱交換器２ａは、圧縮機１からの吐出冷媒と、送風機５ａから供給される空気と、で熱交換するものである。空気熱交換器２ａは、機械室７に設置されている。
放熱パイプ２ｂは、例えば銅管などで構成され、冷蔵庫１００の壁面に沿って設けられる。
送風機５ａは、機械室７の空気熱交換器２ａに空気を供給できる位置に設けられ、空気熱交換器２ａに空気を供給するものである。

減圧器３は、放熱パイプ２ｂと冷却器４との間に設けられ、冷媒を減圧して膨張させるものである。減圧器３は、開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁による緻密な流量制御手段や、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。

冷却器４は、冷蔵庫１００の冷却室８に設置され、減圧器３から流出された冷媒に空気の熱を吸熱し、冷蔵庫１００の貯蔵室６に供給する冷気を生成するものである。冷却器４の構成については、後段で詳細に説明するものとする。
送風機５ｂは、冷却室８の冷却器４に空気を供給できる位置に設けられ、貯蔵室６の空気を循環させて冷却器４に空気を供給するものである。

次に、冷蔵庫１００の動作について説明する。
圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、空気熱交換器２ａ及び放熱パイプ２ｂを通る。高温高圧のガス冷媒は、空気熱交換器２ａ及び放熱パイプ２ｂにおいて冷蔵庫１００の周囲の外気と熱交換し、放熱によって凝縮する。凝縮した高圧液冷媒は、減圧器３で減圧され低圧され、気液二相冷媒となる。その後、気液二相冷媒は冷蔵庫１００の内部に形成されている冷却室８に設置された冷却器４へ流入する。

冷却器４では、冷蔵庫１００の貯蔵室６の空気と気液二相冷媒とが熱交換する。冷蔵庫１００の貯蔵室６の空気は、送風機５ｂによって庫内を循環している。そして、空気は気液二相冷媒によって冷却され貯蔵室６に送られ、冷媒は低圧ガス冷媒となって冷却器４から流出する。その後、低圧ガスとなった冷媒は、圧縮機１に流入し、再度加圧されて吐出され、冷凍サイクルを循環する。

次に、冷蔵庫１００での冷却空気の流れを説明する。
冷却室８の冷却器４で冷却された空気は、送風機５ｂによって搬送され、各貯蔵室６へ流入し、各貯蔵室６を冷却する。各貯蔵室６を冷却した冷却空気は、送風機５ｂによって搬送され、冷蔵庫１００の内部に形成されている戻り風路を通過し、再度、冷却室８へ流入し、再び冷却器４で冷却される。

また、図１の一点鎖線で囲んだ部分を熱交換部２０として説明する。熱交換部２０を設けて、減圧器３で冷媒を減圧させる際、冷却器４の出口配管と熱交換させてもよい。熱交換部２０としては、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器、二重管式熱交換器、プレート熱交換器等を用いることができる。減圧器３の入口における冷媒温度は、圧縮機１の吸入配管の入口温度に比べて大きいので、熱交換部２０を設けた場合、減圧器３での冷媒は吸入配管を流れる冷媒によって冷却される。このため、冷却器４の入口側の冷媒の入口乾き度は０に近い値を取るため、液相部が多くなり冷却器４を有効に使うことができるようになる。なお、熱交換部２０は必須の構成ではない。

図２は、本発明の実施の形態に係る熱交換器４Ａの構成の一例を模式的に示した模式図である。図３は、熱交換器４Ａの一部を構成する伝熱管６１の内部構造の一例を模式的に示した模式図である。図４は、熱交換器４Ａの一部を構成する伝熱管６１の奏する効果を説明するための説明図である。以下、図２〜図４に基づいて、熱交換器４Ａの構成、特に熱交換器４Ａの一部を構成する伝熱管６１について説明する。なお、図２では、空気の流れを矢印Ａで、重力方向を矢印Ｂで、冷媒の流れを矢印Ｃで、それぞれ表している。また、図４では、空気の流れを矢印Ａで、旋回流の発生状態を矢印Ｅで、管内の冷媒の流れを矢印Ｆで、それぞれ表している。

熱交換器４Ａは、図２に示すように、複数の板状のフィン１５と、伝熱管６０と、を備えている。伝熱管６０は、冷媒入口部６０Ａから冷媒出口部６０Ｂにかけて複数回曲げられて構成されている。つまり、伝熱管６０は、複数のフィン１５に挿入され直線的に冷媒が流れる直線部５１と、直線部５１の端部同士を連結し冷媒の流れを曲げる曲げ部５２と、を有して構成されている。熱交換器４Ａを流れる冷媒は、冷媒入口部６０Ａから流入し、直線部５１及び曲げ部５２を経由した後に冷媒出口部６０Ｂから流出する。なお、図２では、伝熱管６０は、４つの直線部５１と、４つの曲げ部５２と、を有している。

伝熱管６０は、フィン１５に形成されている開口部１５Ａに挿入される。また、伝熱管６０は、管内部に隔壁６５を備えた伝熱管６１と、管内部に隔壁６５を持たない伝熱管６２と、で構成されている。なお、熱交換器４Ａの使用状態において、伝熱管６０の冷媒入口部６０Ａは重力方向下側に設けられ、伝熱管６０の冷媒出口部６０Ｂは重力方向上側に設けられている。したがって、冷媒は、重力方向下側から重力方向上側に向かって流れることになる。

伝熱管６１は、図３に示すように、管内部を２等分する隔壁６５を有している。隔壁６５は、流体の流通方向（伝熱管６１の長手方向）に向かってねじった構造になっている。隔壁６５は、直線部５１の終端までに少なくとも１回転ねじられた形状となっている。たとえば、隔壁６５をらせん状にすることで、隔壁６５をねじった形状とすることができる。この伝熱管６１が、本発明の「第１伝熱管」に相当する。
伝熱管６２は、隔壁６５を有しておらず、例えばＵ字形状の伝熱管で構成し、伝熱管６１の端部を連結するとよい。この伝熱管６２が、本発明の「第２伝熱管」に相当する。

伝熱管６０は、直線部５１が伝熱管６１で構成され、曲げ部５２が伝熱管６２で構成されている。すなわち、熱交換器４Ａは、直線部５１の少なくとも一部が伝熱管６１で構成され、曲げ部５２が伝熱管６２で構成されている伝熱管６０が複数のフィン１５に挿入された構造となっている。

一般的に、冷蔵庫では冷媒の流量が少なく、冷却器の付近の冷媒のレイノルズ数が１００〜３０００と小さい。このため、冷却器の内部の気液二相冷媒は重力方向に液冷媒が溜まる層流となっている。冷却器では液冷媒が蒸発することで伝熱管周囲の空気を冷却するようになっている。そのため、冷却器の下部に液冷媒が溜まっている状態では、伝熱管の下部と接している液冷媒だけが空気と熱交換することになるため、熱交換性能の悪い状態となる。

そのため、熱交換器４Ａを冷却器４として用いることを前提して、熱交換器４Ａでは、管内部にねじった隔壁６５を設けた伝熱管６１を用いることで、伝熱管６１の下部に溜まった液冷媒を撹拌させるようになっている。その結果、図４に示すように、液冷媒全体が均等に蒸発することが可能になる。このため、伝熱管６１の全体を有効に熱交換に寄与させることができるようになり、伝熱管６０の熱交換性能が向上する。

図５は、熱交換器４Ａの一部を構成する伝熱管６１の内部の状態を模式的に示した模式図である。図６は、熱交換器４Ａの一部を構成する伝熱管６１の隔壁６５の回転位置を説明するための説明図である。図７は、熱交換器４Ａの一部を構成する伝熱管６１を流れる冷媒の状態を説明するための説明図である。図８は、熱交換器４Ａの一部を構成する伝熱管６１を流れる冷媒の状態を説明するための説明図である。図５〜図８に基づいて、熱交換器４Ａを構成している伝熱管６１について更に詳細に説明する。

図５では、垂直状態になっている隔壁６５を基準の０°として、隔壁６５の回転位置による４つの状態を図示している。すなわち、図５では、（ａ）が隔壁６５が０°のときの状態を、（ｂ）が隔壁６５が４５°回転したときの状態を、（ｃ）が隔壁６５が９０°回転したときの状態を、（ｄ）が隔壁６５が１３５°回転したときの状態を、それぞれ示している。また、図６〜図８では、図２の構成に加え、隔壁６５が垂直になっている個所を矢印Ｄで図示している。

図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、隔壁６５は、ねじられた形状となっているので、伝熱管６１を流路断面（流体の流れと直交する方向の断面）で見た場合、長手方向の２点間で傾き角が異なっている。たとえば、鉛直方向を基準となる方向とした場合、図５（ａ）に示す隔壁６５の鉛直方向に対する傾き角は０°となり、図５（ｂ）に示す隔壁６５の鉛直方向に対する傾き角は４５°となり、図５（ｃ）に示す隔壁６５の鉛直方向に対する傾き角は９０°となり、図５（ａ）に示す隔壁６５の鉛直方向に対する傾き角は１３５°となる。なお、基準となる方向は、鉛直方向だけでなく、たとえば水平方向等でもよい。

図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、伝熱管６１の内部はガス部と液部の気液二相状態になっており、液部の占める割合の方が大きくなっている。
図５（ａ）に示すように、伝熱管６１の内部に設けられた隔壁６５によって気液二相冷媒が均等に分けられる。
図５（ｂ）〜（ｄ）に示すように、気液二相冷媒は、隔壁６５のねじりによって旋回流を生みながら上部、下部に移動する。このときの冷媒の状態は、図４に模式的に図示した通りである。
なお、先に説明したように冷媒は層流となっているため、重力方向に合わせて液冷媒が溜まる構造となる。

そのため、上述したように、隔壁６５の作用によって、伝熱管６１の下部に溜まった液冷媒を撹拌させることができ、液冷媒全体を蒸発させることが可能になる。
なお、上記において、隔壁６５は、直線部５１の終端までに少なくとも１回転ねじられた形状となっていると説明したが、厳密に１回転ねじられている必要はなく、図５に示すように直線部５１の終端までに３／４回転ねじられた形状であれば効果を発揮する。

熱交換器４Ａは、ねじられている隔壁６５を持つ伝熱管６１を備えている。伝熱管６１は、熱交換器４Ａの直線部５１に設けてあり、各伝熱管６０を接合する曲げ部５２にはねじられている隔壁６５を持たない伝熱管６２が設けられている。そして、図６に示すように、冷媒入口部６０Ａの隔壁６５を垂直としている。このため、熱交換器４Ａに流入した冷媒は、冷媒入口部６０Ａで垂直となっている隔壁６５により伝熱管６１の管内で均一に分割される。

また、伝熱管６０をこのような構造とすることによって、仮に熱交換器４Ａの内部のある個所で図７に示すように液冷媒の分布が不均一になってしまった場合でも、曲げ部５２では隔壁６５がないため曲げ部５２で液冷媒が合流し、次の伝熱管６１に入る際には隔壁６５の作用により再度均一に液冷媒を分割することができる。

また、熱交換器４Ａは、液冷媒が曲げ部５２を通過後、直線部５１の伝熱管６１に流入する際、隔壁６５を垂直としている。つまり、図６に示すように、伝熱管６１と伝熱管６２との連結部のそれぞれにおいて冷媒の流れ方向下流側に位置する連結部に接続している伝熱管６１の隔壁６５を垂直にしている。このようにすることで、下部に溜まった液冷媒を２分割にすることができ、隔壁６５によって２つに分割された流路に均等に液冷媒を流すことができる。つまり、図６に示すように、分割されずに流れている冷媒が流入してくる部分に位置する隔壁６５を垂直にしている（矢印Ｄ）。

なお、熱交換器４Ａの実際の製造の場合、隔壁６５を図５（ａ）に示すように、分割されずに流れている冷媒が流入してくる部分に位置する隔壁６５の回転位置を＋４５°〜−４５°の範囲とすれば性能を十分に発揮するが、隔壁６５を０°、つまり垂直とすることで最も高い性能を示すことがわかった。

また、伝熱管６１の配置は、曲げ部５２の直後からとしてもよいし、曲げ部５２の直後に平滑管６３を設け、平滑管６３を介した後からとしてもよい。平滑管６３を設置する場合、図８に示すように、平滑管６３を伝熱管６２の冷媒流れ下流側に少なくとも設置するとよい。平滑管６３を設置することにより、曲げ部５２で乱れた流れが平滑管６３によって整い、図４に示すような液部が伝熱管６０の下部に溜まった流れとなる。この流れとなった後に伝熱管６１を接続することで、隔壁６５で冷媒を２分割することができ、安定して液冷媒を分割することができる。

また、隔壁６５及び伝熱管６０の内部には、溝加工を施してもよい。溝加工を施すことで、伝熱管６０の下部に溜まっている液冷媒の粘性によって液冷媒が溝に沿って上昇することになる。このため、伝熱管６０の外周を通過する空気と熱交換する管内面積が増えることになり、熱交換器の性能を上げることができる。

なお、伝熱管６１は押出成型によって金属材料を押し出しかつ回転させながら作成される。通常の伝熱管は熱伝導率の高い銅などを用いているが、伝熱管６１のような複雑な形状の押出成型の場合、伝熱管６１を構成する金属材料としてはアルミニウムを用いたものが精度よく成型できる。このため、この熱交換器４Ａの伝熱管６０をアルミニウムで作成するとよい。ただし、押出成型によって伝熱管６１を作成することができる金属材料であればよく、アルミニウムに限定するものではない。

また、熱交換器４Ａも含め通常の熱交換器の場合、伝熱管の他にフィンを設けてある。このフィンと伝熱管の密着度を上げることで、熱交換器本来の性能を引き上げることができる。そこで、一般的には、フィンと伝熱管との密着度を上げるため、フィンの穴部（開口部）に伝熱管を通した後、伝熱管の内径より少し大きい棒（拡管機）を伝熱管に挿入し拡管させる方式が取られる。一般的な伝熱管には伝熱管６１が有しているような隔壁６５が形成されていないため、このような拡管機を用いた拡管方法で問題はない。

しかしながら、伝熱管６１は管内に隔壁６５を有しているので、このような拡管機を用いた拡管方法を採用することができない。このため、熱交換器４Ａを製造する場合、フィン１５の開口部１５Ａに伝熱管６１を通した後、流体（例えば、液体又は気体）を伝熱管６１に封入して圧縮することで伝熱管６０を拡管する方法を採用する。したがって、熱交換器４Ａにおいても、通常の熱交換器と同様に、伝熱管６１とフィン１５との密着度を上げることが可能になる。

さらに、図１に示したように、冷蔵庫１００は、伝熱管６０を構成要素として備えている熱交換器４Ａを冷却器４として用いている。一般的に、冷蔵庫は、できる限り食品及び保存物を置くスペースを設けるため、風路が小さく設計されている。このため、冷蔵庫１００では、図２に示すように重力方向（矢印Ｂ）と同方向に（図２では下から上に向かって（矢印Ａ））冷却したい空気を流すようにしている。このような風の流れの場合は、伝熱管６０の下部に溜まった冷媒と空気が触れることで熱交換できるため、冷蔵庫１００には冷媒を撹拌させる機構を持つ伝熱管６１を設けることで十分に冷却器４の性能を上げることができる。

１ 圧縮機、２ 放熱器、２ａ 空気熱交換器、２ｂ 放熱パイプ、３ 減圧器、４ 冷却器、４Ａ 熱交換器、５ 送風機、５ａ 送風機、５ｂ 送風機、６ 貯蔵室、７ 機械室、８ 冷却室、１５ フィン、１５Ａ 開口部、２０ 熱交換部、５１ 直線部、５２ 曲げ部、６０ 伝熱管、６０Ａ 冷媒入口部、６０Ｂ 冷媒出口部、６１ 伝熱管、６２ 伝熱管、６３ 平滑管、６５ 隔壁、１００ 冷蔵庫。

Claims (5)

1. 圧縮機、放熱器、減圧器、伝熱管を備えた熱交換器、及び、送風機を有し、
   前記圧縮機、前記放熱器、前記減圧器、前記熱交換器が連通されて構成された冷凍サイクルを備えた冷蔵庫であって、
   前記伝熱管は、
   管内部に隔壁を有しており、
   前記隔壁は、
   ねじられた形状で管内部を長手方向に延在し、管内部を二つに分割するものであり、
   さらに前記伝熱管は、
   直線部と曲げ部を有しており、
   前記直線部の少なくとも一部に前記隔壁を有しているものであり、
   前記熱交換器には重力方向と同方向に空気を流し、
   前記熱交換器は、
   前記直線部が空気の流れ方向と垂直となるように配置され、
   前記伝熱管の冷媒入口部は重力方向下側に設けられ、前記伝熱管の冷媒出口部は重力方向上側に設けられており、
   前記隔壁は、前記冷媒入口部において垂直となっており、
   前記隔壁及び前記直線部の内部に、前記伝熱管の下部に溜まっている液冷媒の粘性によって液冷媒が上昇する溝加工が設けられている冷蔵庫。
2. 前記隔壁は、
   流路断面で見た場合、長手方向の２点間で基準となる方向に対する傾き角が異なっている
   請求項１に記載の冷蔵庫。
3. 前記隔壁は、
   前記直線部の終端までに少なくとも１回転ねじられた形状である
   請求項１に記載の冷蔵庫。
4. 前記直線部と前記曲げ部との連結部であって冷媒流れ方向下流側に位置する連結部の下流側に接続している、冷媒流れ方向の上流側端部の前記隔壁を垂直としている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷蔵庫。
5. 前記伝熱管は、
   前記直線部と前記曲げ部とを接続する平滑管を備えている
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷蔵庫。

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