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WO2019159520A1 - 冷凍冷蔵庫用熱交換器 - Google Patents

冷凍冷蔵庫用熱交換器 Download PDF

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WO2019159520A1
WO2019159520A1 PCT/JP2018/045945 JP2018045945W WO2019159520A1 WO 2019159520 A1 WO2019159520 A1 WO 2019159520A1 JP 2018045945 W JP2018045945 W JP 2018045945W WO 2019159520 A1 WO2019159520 A1 WO 2019159520A1
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WO
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heat exchanger
refrigerator
fin
freezer
fins
Prior art date
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Application number
PCT/JP2018/045945
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English (en)
French (fr)
Inventor
上田　薫
幹根 笹崎
加奈 荻原
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UACJ Corp
Original Assignee
UACJ Corp
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Publication date
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/047—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for a refrigerator-freezer.
  • a serpentine heat exchanger is usually used as a heat exchanger mounted in a refrigerator-freezer.
  • the serpentine heat exchanger is composed of a plurality of plate fins arranged in a row in parallel at predetermined intervals, and a metal pipe through which one or a plurality of refrigerants passing through these fins are circulated.
  • a plurality of fin groups composed of a plurality of fins arranged in a row are arranged in a plurality of stages so that the air in the refrigerator, which is a fluid to be cooled, flows in the arrangement direction of the fin groups and sequentially passes through the plurality of fin groups. Be placed.
  • Patent Document 1 in order to suppress a decrease in heat exchange performance due to condensation, it is proposed to define a suitable fin interval and to provide a special coating layer on the surface of the fin.
  • the effect of the structure of patent document 1 cannot fully be acquired.
  • the present invention has been made in view of such background, and can improve the heat exchange performance per unit volume occupied by the heat exchanger, and heat exchange performance equivalent to the conventional heat exchange performance is required.
  • heat exchanger performance can be reduced compared to the conventional case, it is intended to provide a heat exchanger for a refrigerator / freezer that can be realized within the same occupied volume as before. is there.
  • One embodiment of the present invention includes a plurality of fin groups each including a plurality of fins arranged in a row at a predetermined interval in parallel, and a fluid to be cooled that circulates in the refrigerator-freezer through the plurality of fin groups.
  • the heat for a refrigerator-freezer having one or a plurality of metal pipes arranged in the X direction, which is the distribution direction, at a predetermined interval and arranged so as to pass through the fins in the fin group in a meandering manner.
  • the fin is made of an aluminum or aluminum alloy plate having a rectangular shape with a short side of 25 mm or less in the X direction, All of the shortest distances from the four corners of the rectangle to the outer peripheral surface of the metal pipe penetrating the fin are in the heat exchanger for a refrigerator / freezer in the range of 12.0 to 17.5 mm.
  • the refrigerator-freezer heat exchanger has a fin shape in which a short side length is regulated to be equal to or less than the specific value, and the positional relationship between the rectangular corner of the fin and the metal pipe is defined as the specific shape.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a dimensional relationship between fins of Example 1.
  • A Configuration of heat exchanger for refrigerator-freezer of Example 1
  • b Configuration of heat exchanger for refrigerator-freezer of Comparative Example 1
  • c Configuration of heat exchanger for refrigerator-freezer of Example 2
  • the rectangle In the refrigerator-freezer heat exchanger, a rectangular aluminum or aluminum alloy plate is used as the fin.
  • the rectangle generally means a quadrangle in which all four corners are right angles. However, when the angle of the corner is slightly deviated from the right angle, the corner apex is slightly rounded, Even when the side is slightly bent, all cases where it can be recognized as a rectangle are included.
  • the said fin is made into the rectangular shape which has the short side whose length (H) of the said X direction which is a distribution direction of the to-be-cooled fluid is 25 mm or less. It is generally considered that the fin shape improves heat exchange performance as the surface area increases. However, in a heat exchanger for a refrigerator-freezer, it has been found that if the dimension of the flow direction of the fluid to be cooled (X direction) is increased to some extent, the effect of improving the heat exchange performance can hardly be obtained. In particular, as proved in Example 1 described later, even if the short side length was reduced from the conventional 28 mm to 20 mm, no substantial decrease in the heat exchange performance was observed.
  • the short side length can be 20 mm to 28 mm.
  • the short side length is regulated to 25 mm or less.
  • the lower limit of the short side length is about 20 mm that exhibits the same performance as the conventional one. Although it is necessary to study from both aspects of heat exchange performance and miniaturization, the lower limit of the short side length is acceptable up to 18 mm considering at least manufacturing variations and other various variations.
  • the short side length is preferably set to 19 mm or more, more preferably 20 mm or more.
  • the fins have a shape in which the shortest distance (distance L1) from the four corners of the rectangle to the outer peripheral surface of the metal pipe penetrating the fins is in the range of 12.0 to 17.5 mm.
  • the heat exchange performance in the refrigerator-freezer can be optimized by regulating the distance L1 between the metal pipe and the corner of the fin within the predetermined range.
  • the distance L1 is less than 12 mm, sufficient heat exchange performance cannot be obtained, and when it exceeds 17.5 mm, further improvement in heat exchange performance cannot be expected. This means that when the distance L1 exceeds 17.5 mm, the fin shape is unnecessarily too large.
  • the metal pipe may be one, but two or more metal pipes may be penetrated by one fin.
  • the refrigerant flow rate can be increased as compared with the case where one metal pipe is used, and an improvement in heat exchange performance can be expected.
  • the fins are arranged so as to be aligned in a direction parallel to the long side of the rectangle of the fin so that the distance between them (the pipe interval L2) is in the range of 10 to 30 mm. It is preferable to set.
  • the pipe interval L2 is less than 10 mm, the fin area between the metal pipes is too small to improve the heat exchange performance.
  • it exceeds 30 mm the part does not contribute to the heat exchange sufficiently.
  • the area of the fin is preferably in the range of 480 to 750 mm 2 per metal pipe. That is, it is preferable that the value obtained by dividing the fin area by the number of metal pipes is in the above range.
  • the characteristics as a heat exchanger for a refrigerator / freezer can be improved by satisfying the requirements of the short side length and the distance L1 as described above after satisfying the requirements of the area. At least, by setting the fin area per metal pipe to 480 mm 2 or more, it is possible to ensure sufficient heat exchange from the viewpoint of area, while when it exceeds 750 mm 2 , heat exchange performance I cannot expect further improvement.
  • the fin is made of aluminum or an aluminum alloy plate. More specifically, a plate made of JIS A1050, JIS A1100, JIS A1200, JIS A7072 or the like can be used.
  • the fin has a thickness of 0.08 to 0.25 mm.
  • the heat dissipation efficiency that is, the “fin efficiency” that represents the ratio of the heat dissipation amount when the entire heat dissipation surface is the same temperature as the heat source and the actual heat dissipation amount decreases.
  • the fin thickness exceeds 0.25 mm, the effect of improving fin efficiency is saturated, and the overall weight may be increased.
  • the plurality of fin groups are arranged with an interval of 1 to 5 mm. If the distance between the fin groups (dimension C in FIGS. 1 to 3) is less than 1 mm, the leading edge effect may decrease, whereas if it exceeds 5 mm, the space between the fins is wasted. There is a risk.
  • the arrangement pitch of the fins in the fin group is 2.2 mm or more. Since the frost adheres to the surface of the fins when the heat exchanger for a refrigerator is used, it is difficult to secure a ventilation path if the arrangement pitch of the fins is too narrow. Therefore, as described above, the arrangement pitch of the fins is preferably 2.2 mm or more. On the other hand, if the fin pitch is too wide, the heat exchanger is increased in size. In the refrigerator-freezer heat exchanger, since the frost grows faster toward the upstream side, it is preferable to set the widest arrangement pitch of the fins in the most upstream fin group.
  • the metal pipe is preferably an internally grooved pipe having an outer diameter of 5 to 10 mm ⁇ and a groove on the inner peripheral surface.
  • the outer diameter of the metal pipe is less than 5 mm ⁇ , the flow rate of the refrigerant flowing through the inside cannot be secured sufficiently.
  • the heat exchange performance is lowered by reducing the fin area. There is a problem that the influence of.
  • the internally grooved pipe as the metal pipe, the heat exchange performance between the refrigerant and the metal pipe can be improved, and the characteristics as a heat exchanger can be further improved.
  • the metal pipe is preferably made of copper or copper alloy, or aluminum or aluminum alloy.
  • aluminum or aluminum alloy for metal piping include JIS A1050, JIS A1100, JIS A1200, and JIS A3003.
  • copper or copper alloy for metal piping include JIS H3300 C1220 and JIS H3300 C5010.
  • the refrigerant circulating in the metal pipe may be selected R134a, R600a, from one of CO 2.
  • R600a is the most common and has a low environmental load, and is suitable for use in a heat exchanger for a refrigerator-freezer.
  • cheaper R134a may be used, and CO 2 having a low environmental load may be used.
  • the metal pipe has a straight portion penetrating the fin and a U-shaped connecting portion for connecting a plurality of straight portions, a pipe radius r in an outer diameter dimension of the U-shaped connecting portion, It is preferable that the bending radius R on the U-shaped outer side of the U-shaped connecting portion has a relationship of R / r ⁇ 3.
  • R / r is less than 3
  • the metal pipe may be wrinkled or the like, which may adversely affect the fluidity of the refrigerant.
  • the heat exchanger 1 for a refrigerator / freezer of this example has a plurality of fin groups 2 including a plurality of fins 20 arranged in a row in parallel with each other at a predetermined interval.
  • the fin groups 2 are arranged at a predetermined interval C in the X direction, which is the flow direction of the fluid to be cooled that circulates in the refrigerator-freezer, and the fins 2 in the fin group 2 are sequentially penetrated to form a meandering form.
  • one or more metal pipes 3 are provided.
  • the fin 20 is made of an aluminum or aluminum alloy plate having a rectangular shape with a short side 21 having a length H of 25 mm or less in the X direction. All of the shortest distances L1 from the four corners of the rectangle to the outer peripheral surface of the metal pipe penetrating the fin 20 are in the range of 12.0 to 17.5 mm. Further details will be described below.
  • the refrigerator-freezer heat exchanger 1 of the present example has a plate fin made of a plate material having a material JIS A1050 and a thickness of 0.20 mm as the fin 20.
  • Each of the fins 20 has a rectangular shape in which the length H of the short side 21 is 20 mm and the length W of the long side 21 is 60 mm.
  • Each fin 20 has two through holes 25, and the metal pipes 3 are inserted through the through holes 25.
  • the inner diameter d of the through hole 25 in the fin 20 is 8 mm ⁇ , which is a dimension corresponding to the outer diameter of the metal pipe 3.
  • the shortest distances L1 from the four rectangular corners 211 of the fin 20 to the outer peripheral surface of the metal pipe 3 penetrating the fin 20 are all the same size, and all are 16.2 mm.
  • the interval L2 between two adjacent metal pipes 3 was 17 mm.
  • an inner grooved pipe made of JIS A3003, having an outer diameter ⁇ of 8 mm and having a groove on the inner peripheral surface was used.
  • the metal pipe 3 has a groove bottom portion with a thickness of 0.65 mm, a groove depth of 0.65 mm, and a groove number of 30. Since the area of the fin 20 is an area excluding the area occupied by the metal pipe 3, it is 550 mm 2 in this example.
  • the fin 20 and the metal pipe 3 are joined by expanding the metal pipe 3 with the metal pipe 3 having a slightly smaller outer diameter inserted through the through hole 25 of the fin 20.
  • the expansion of the metal pipe 3 employs either a mechanical pipe expansion method in which a mandrel (not shown) is pressed into the metal pipe 3 and moved, or a hydraulic pipe expansion method in which the metal pipe 3 is filled with oil and pressurized. Can be implemented.
  • the metal pipe 3 extends from the end 31 (FIG. 1) and connects the fin group 2 (g) on the most downstream side (uppermost side in FIG. 1 and FIG. 3A).
  • a plurality of stages on the downstream side sequentially through the plurality of U-shaped connecting portions 35.
  • the fin group 2 is meandering so as to pass through the fin group 2 and is disposed so as to pass through the fin group 2 (g) on the most downstream side (uppermost side in FIGS. 1 and 3 (a)) to reach the end 32.
  • the terminal 31 and the terminal 32 are connected to a compressor and other devices necessary for the refrigerator not shown.
  • the fin group 2 in this example has a seven-stage specification of fin groups 2 (a) to 2 (g) as shown in FIG. 3 (a).
  • the interval C between adjacent fin groups 2 was set to 3.0 mm. Therefore, the total dimension H2 in the X direction in which the seven-stage fin group 2 is arranged is 158 mm.
  • the arrangement pitch P of the fins 20 in each fin group 2 (FIG. 1) is the most upstream fin group 2 (a) in the flow direction of the fluid to be cooled (the lowest fin group in FIG. 3 (a)).
  • the second fin group 2 (b) from the upstream side becomes smaller in the order of the third fin group 2 (c) from the upstream side, and after that, all of them have the same size, but any arrangement pitch P is 2.2 mm. It was above.
  • Comparative Example 1 As a comparative example of Example 1, a heat exchanger 9 for a refrigerator / freezer having a configuration shown in FIG. For convenience of explanation, the same reference numerals are used for the same parts as in the first embodiment.
  • the refrigerator / refrigerator heat exchanger 9 of Comparative Example 1 is different from that of Example 1 in the dimensions of the fins 20 and the positional relationship with the metal pipe 3.
  • the fin 20 in the comparative example 1 has a rectangular shape in which the length H of the short side 21 is 28 mm and the length W of the long side 21 is 60 mm.
  • the shortest distances L1 (FIG. 2) from the four rectangular corners 211 of the fin 20 to the outer peripheral surface of the metal pipe 3 penetrating the fin 20 have the same dimensions, and all are 18.4 mm.
  • the area of the fin 20 is 790 mm 2 in this example.
  • fin group 2 it was set as seven steps like Example 1.
  • the interval C between adjacent fin groups 2 was set to 2.0 mm. Therefore, the total dimension H2 in the X direction in which the seven-stage fin group 2 is arranged is 208 mm.
  • Other configurations are the same as those in the first embodiment.
  • Example 2 As a modification of Example 1, a refrigerator-freezer heat exchanger 102 having the configuration shown in FIG. 4 was prepared.
  • the refrigerator-freezer heat exchanger 102 according to the second embodiment is configured to increase the number of stages of the fin group 2 to nine as compared with the first embodiment, thereby obtaining an occupied volume equivalent to that of the first comparative example.
  • the interval C between adjacent fin groups 2 was set to 3.0 mm. Therefore, the total dimension H2 in the X direction in which the nine-stage fin group 2 is arranged is 204 mm.
  • Other configurations are the same as those in the first embodiment.
  • Example 1 The heat exchangers of Example 1, Comparative Example 1 and Example 2 described above were incorporated into an actual refrigeration system, and an experiment was conducted to evaluate the performance. Specifically, an expansion valve, a compressor, and other necessary parts were connected to each heat exchanger to configure a known refrigeration system, and the refrigeration performance was evaluated under predetermined conditions.
  • the lower surface of the fin group 2 (b) on the lower side in FIG. 1 be an inlet for air that is a medium to be cooled in the heat exchanger, and let the upper side in FIG. And about the conditions (air side conditions) of the air introduce
  • the pressure on the inlet side of an expansion valve (not shown) is 1.826 MPa
  • the temperature on the inlet side of the expansion valve is 25 ° C.
  • the heat exchanger The pressure at the outlet was 0.485 MPa
  • the temperature at the outlet of the heat exchanger was ⁇ 8 ° C.
  • Example 1 As can be seen from Table 1, with respect to the heat exchanger of Example 1, the air side capacity was improved and the refrigerant side capacity was almost the same as the heat exchanger of Comparative Example 1. On the other hand, the total size of Example 1 is significantly smaller than that of Comparative Example 1. Then, when the evaluation value per unit volume was calculated in consideration of this dimensional difference, 1.30 or more, that is, an improvement of 30% or more was observed in any evaluation value with Comparative Example 1 as the reference (1). It was.
  • Embodiment 2 As described above, in Embodiment 1, it was found that the heat exchange performance improvement effect as described above can be obtained by changing the short side length H of the fin 20 from the conventional 28 mm to 20 mm. Based on this result, it is assumed that two refrigerant pipes are penetrated through a rectangular fin at an interval of 17 mm, the long side dimension W (width) of the fin is fixed to 60 mm, and the short side length H ( A simulation for obtaining the allowable range of H and L1 was performed by changing the height) and the shortest distance (distance L1) from the corner of the fin to the outer peripheral surface of the metal pipe. The number of stages of the fin group was seven, and the other configurations were the same as in Example 1. When the outer diameter of the refrigerant pipe is set to ⁇ 5 mm, the interval between the refrigerant pipes is set to 25 mm in order to arrange them at an equal distance.
  • the heat exchange performance is calculated by calculating the heat exchange capacity [W] from the temperature difference from the air temperature at the outlet when the refrigerant tube temperature is 5 ° C. and air at a predetermined temperature is introduced from the inlet. Used for evaluation. In addition, the ratio was evaluated based on the ratio when the measured value of the current heat exchanger was obtained and the measured value of the current heat exchanger was 1.

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Abstract

従来と同等の熱交換性能が求められる場合には熱交換器を小型化でき、従来よりも熱交換性能の向上が求められる場合には従来と同等の占有容積内でそれを実現可能な、冷凍冷蔵庫用熱交換器を提供する。互いに所定間隔を隔てて平行に一列に配された複数枚のフィン（２０）からなるフィン群（２）を複数段有し、複数段のフィン群（２）を冷凍冷蔵庫内を流通する被冷却流体の流通方向であるＸ方向に所定間隔を隔てて配列し、フィン群（２）におけるフィン（２０）を順次貫通して蛇行形態を呈するように配置された１本または複数本の金属配管（３）を有する冷凍冷蔵庫用熱交換器である。フィン（２０）は、Ｘ方向に２５ｍｍ以下の長さの短辺を有する長方形を呈するアルミニウムもしくはアルミニウム合金製の板からなり、その長方形の４つの角（２３）からフィン（２０）を貫通する金属配管（３）の外周面までの最短距離のすべてが１２．０～１７．５ｍｍの範囲にある。

Description

冷凍冷蔵庫用熱交換器
　本発明は、冷凍冷蔵庫用熱交換器に関する。
　冷凍冷蔵庫に搭載される熱交換器としては、通常、サーペンタイン熱交換器が用いられる。サーペンタイン熱交換器は、互いに所定間隔を隔てて平行に１列に配された複数枚のプレートフィンと、これらのフィンを貫通する１本又は複数本の冷媒を流通させる金属配管とによって構成される。そして、１列に並んだ複数枚のフィンからなるフィン群を複数段並べ、そのフィン群の配列方向に被冷却流体である冷蔵庫内空気が流通し、複数段のフィン群を順次通過するように配置される。
　冷凍冷蔵庫においては、冷凍冷蔵性能を十分に維持しつつ、食品等を収容する内容積をできる限り大きくするために、熱交換器の小型化が求められる。一方、冷凍冷蔵庫内では、熱交換器の温度が０度を下回ることがあるため、空気中に含まれる水蒸気が熱交換器のフィンに付着して霜となる。このような特殊な使用環境において、冷凍冷蔵性能、つまり熱交換性能を向上させて小型化できる構成がどのような構成であるかは、未だ解明されていない。
　例えば、特許文献１においては、結露による熱交換性能の低下を抑制するために、好適なフィン間隔を規定すると共に、フィンの表面に特殊な塗膜層を設けることが提案されている。しかしながら、上述したように霜が付着することを避けられない冷凍冷蔵庫用熱交換器においては、特許文献１の構成では十分に効果を得ることができない。
ＷＯ２０１２／０１４９３４Ａ１
　本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、熱交換器が占める単位体積あたりの熱交換性能を向上させることができ、従来と同等の熱交換性能が求められる場合には、熱交換器を小型化でき、かつ、従来よりも熱交換性能の向上が求められる場合には、従来と同等の占有容積内でそれを実現可能な、冷凍冷蔵庫用熱交換器を提供しようとするものである。
　本発明の一態様は、互いに所定間隔を隔てて平行に一列に配された複数枚のフィンからなるフィン群を複数段有し、当該複数段のフィン群を冷凍冷蔵庫内を流通する被冷却流体の流通方向であるＸ方向に所定間隔を隔てて配列し、上記フィン群における上記フィンを順次貫通して蛇行形態を呈するように配置された１本または複数本の金属配管を有する冷凍冷蔵庫用熱交換器において、
　上記フィンは、上記Ｘ方向に２５ｍｍ以下の長さの短辺を有する長方形を呈するアルミニウムもしくはアルミニウム合金製の板からなり、
　その長方形の４つの角から当該フィンを貫通する上記金属配管の外周面までの最短距離のすべてが、１２．０～１７．５ｍｍの範囲にある、冷凍冷蔵庫用熱交換器にある。
　上記冷凍冷蔵庫用熱交換器は、フィンの形状を短辺長さを上記特定の値以下に規制した長方形とし、その上で、フィンの長方形の角部と金属配管との位置関係を上記特定の範囲に制限することによって、従来よりも冷凍冷蔵庫内での熱交換性能を向上させることができる。このことは、数多くの実験によって実証され、その一部は、後述する実施例に示している。そして、上記冷凍冷蔵庫用熱交換器を採用することによって、従来と同等の熱交換性能が求められる場合には、熱交換器を小型化でき、かつ、従来よりも熱交換性能の向上が求められる場合には、従来と同等の占有容積内でそれを実現可能となる。それゆえ、上記構成の熱交換器は、冷凍冷蔵庫用として非常に適したものとなる。
実施形態例１における、冷凍冷蔵庫用熱交換器の構成を示す説明図。 実施例１のフィンの寸法関係を示す説明図。 （ａ）実施例１の冷凍冷蔵庫用熱交換器の構成、（ｂ）比較例１の冷凍冷蔵庫用熱交換器の構成、及び（ｃ）実施例２の冷凍冷蔵庫用熱交換器の構成をそれぞれ示す説明図。
　上記冷凍冷蔵庫用熱交換器においては、上記フィンとしては、長方形を呈するアルミニウムもしくはアルミニウム合金製の板を用いる。ここで、長方形とは、一般的に、４つの角がすべて直角である四角形を意味するが、角部の角度が若干直角から外れる場合や、角部の頂点が若干丸みを帯びる形状や、各辺が若干曲がっている場合などであっても、実質的に、長方形と認識しうる場合は全て含まれる。
　そして、上記フィンは、被冷却流体の流通方向である上記Ｘ方向の長さ（Ｈ）が２５ｍｍ以下の短辺を有する長方形の形状とする。フィンの形状は、その表面積が大きいほど熱交換性能を向上させるというのが一般的には考えられる。しかし、冷凍冷蔵庫用熱交換器においては、被冷却流体の流通方向（Ｘ方向）の寸法がある程度大きくなれば、熱交換性能の向上効果がほとんど得られなくなることがわかった。特に後述する実施例１において立証されているように、短辺長さを従来の２８ｍｍから２０ｍｍに低減させても、熱交換性能の実質的な低下は見られなかった。そのため、少なくとも、短辺長さの上限としては、２０ｍｍ～２８ｍｍの長さを取りうることがわかった。ここで、本来の目的である熱交換器の小型化の効果を実質的に得るためには、１０％以上、つまり２．８ｍｍ以上（約３ｍｍ）の短辺長さの低減が有効と考えられ、その観点から、本願においては、短辺長さは２５ｍｍ以下に規制する。
　なお、短辺長さの下限値は、従来と同等性能を発揮する２０ｍｍ前後となる。熱交換性能と小型化の両面から検討する必要があるが、少なくとも製造ばらつきその他の種々のばらつき等を考慮すれば、短辺長さの下限値は、１８ｍｍまで許容可能である。好ましくは、１９ｍｍ以上、より好ましくは、２０ｍｍ以上に短辺長さを設定するのがよい。
　さらに、上記フィンは、その長方形の４つの角から当該フィンを貫通する上記金属配管の外周面までの最短距離（距離Ｌ１）のすべてが１２．０～１７．５ｍｍの範囲となる形状とする。すなわち、金属配管とフィンの角部までの距離Ｌ１を上記所定の範囲内に規制することによって、冷凍冷蔵庫内での熱交換性能を最適なものとすることができる。距離Ｌ１が１２ｍｍ未満の場合には、十分な熱交換性能が得られず、１７．５ｍｍを超える場合には、熱交換性能の更なる向上が望めない。このことは、距離Ｌ１が１７．５ｍｍを超える場合には、フィンの形状が、不必要に大きすぎることを意味する。
　上記金属配管は１本でもよいが、２本以上の金属配管を１枚のフィンに貫通させてもよい。金属配管を複数本とした場合には、１本の場合よりも冷媒流量を高めることができ、これによる熱交換性能の向上も期待できる。なお、金属配管を複数とする場合には、２本又は３本とすることが好ましい。原理上は４本以上も可能であるが、小型化の観点からすれば、３本以下が好ましい。
　また、上記金属配管が複数本の場合には、上記フィンの上記長方形の長辺に平行な方向に整列して配置され、互いの間隔（配管間隔Ｌ２）が１０～３０ｍｍの範囲にあるように設定することが好ましい。配管間隔Ｌ２が１０ｍｍ未満の場合には、金属配管の間におけるフィンの面積が小さくなりすぎて熱交換性能の向上が望めず、一方、３０ｍｍを超える場合には、熱交換に十分に寄与しない部分をフィンに設けることになり、いずれも好ましくない。
　また、上記フィンの面積は、上記金属配管１本あたりの面積が４８０～７５０ｍｍ2の範囲とすることが好ましい。すなわち、フィンの面積を金属配管の数で除した値を上記範囲とすることが好ましい。この面積の要件を具備した上で、上述した短辺長さ及び距離Ｌ１の要件を具備することによって、冷凍冷蔵庫用熱交換器としての特性を向上させることができる。少なくとも、金属配管１本あたりのフィン面積を４８０ｍｍ2以上とすることにより、面積の観点から見れば十分な熱交換性を確保することができ、一方、７５０ｍｍ2を超える場合には、熱交換性能の更なる向上が望めない。
　上記フィンは、上述したごとく、アルミニウムもしくはアルミニウム合金製の板を用いる。より具体的には、ＪＩＳ　Ａ１０５０，ＪＩＳ　Ａ１１００，ＪＩＳ　Ａ１２００，ＪＩＳ　Ａ７０７２等の材質の板を用いることができる。
　また、上記フィンは、その厚さが０．０８～０．２５ｍｍであることが好ましい。フィンの厚さが０．０８ｍｍ未満の場合には、放熱効率、すなわち、放熱面全体が熱源と同じ温度であった場合の放熱量と実際の放熱量との比率を表す「フィン効率」が低下するおそれがあり、一方、フィン厚さが０．２５ｍｍを超える場合には、フィン効率の向上効果が飽和し、かつ、全体重量の増大を招くおそれがある。
　また、複数段の上記フィン群がそれぞれ１～５ｍｍの間隔を隔てて配置されていることが好ましい。フィン群の間隔（図１～図３における符号Ｃの寸法）が１ｍｍ未満の場合には、前縁効果が低下するおそれがあり、一方、５ｍｍを超える場合には、フィン間の空間が無駄になるおそれがある。
　また、上記フィン群における上記フィンの配列ピッチが２．２ｍｍ以上であることが好ましい。冷凍冷蔵庫用熱交換器は使用時にフィンの表面に霜が付着するため、フィンの配列ピッチが狭すぎると通風路を確保することが困難となる。そのため、上記のごとく、フィンの配列ピッチは２．２ｍｍ以上とすることが好ましい。一方、フィンピッチが広すぎると、熱交換器の大型化を招くため、２０ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、冷凍冷蔵庫熱交換器においては、上流側ほど霜の成長が早いため、最上流側のフィン群におけるフィンの配列ピッチを最も広く設定することが好ましい。
　上記金属配管は、外径が５～１０ｍｍφで、内周面に溝を有する内面溝付管であることが好ましい。金属配管の外径が５ｍｍφ未満の場合は、内部を流通させる冷媒の流量を十分に確保することができず、一方、１０ｍｍφを超える場合には、フィン面積を低下させることによる熱交換性能低下への影響が出てくるという問題がある。また、金属配管として内面溝付管を採用することにより、冷媒と金属配管との熱交換性能を高めることができ、熱交換器としての特性をさらに向上させることができる。
　また、上記金属配管は、銅又は銅合金製、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金製であることが好ましい。金属配管用のアルミニウム又はアルミニウム合金としては、例えば、ＪＩＳ　Ａ１０５０，ＪＩＳ　Ａ１１００，ＪＩＳ　Ａ１２００，ＪＩＳ　Ａ３００３がある。また、金属配管用の銅又は銅合金としては、例えば、ＪＩＳ　Ｈ３３００　Ｃ１２２０，ＪＩＳ　Ｈ３３００　Ｃ５０１０がある。
　また、上記金属配管内を循環させる冷媒は、Ｒ１３４ａ、Ｒ６００ａ、ＣＯ2のいずれかから選択することができる。これらの冷媒の中で、Ｒ６００ａが最も一般的であり環境負荷が低いため、冷凍冷蔵庫用熱交換器に利用するのに好適である。ただし、コスト面から、より安価なＲ１３４ａを用いる場合もあり、また、環境負荷の低いＣＯ２などを用いることもできる。
　また、上記金属配管は、上記フィンを貫通する直線部分と、複数の直線部分を連結するＵ字状連結部とを有し、該Ｕ字状連結部の外径寸法における管半径ｒと、該Ｕ字状連結部のＵ字状の外側の曲げ半径Ｒとが、Ｒ／ｒ≧３の関係を有することが好ましい。Ｒ／ｒが３未満の場合には、金属配管を曲げてＵ字状連結部を成形する際に、金属配管にしわ等が生じて冷媒の流動性に悪影響を及ぼすおそれがある。
＜実施形態例１＞
　本願の実施例に係る冷凍冷蔵庫用熱交換器につき、図を用いて説明する。
　図１に示すごとく、本例の冷凍冷蔵庫用熱交換器１は、互いに所定間隔を隔てて平行に一列に配された複数枚のフィン２０からなるフィン群２を複数段有し、当該複数段のフィン群２を冷凍冷蔵庫内を流通する被冷却流体の流通方向であるＸ方向に所定間隔Ｃを隔てて配列し、フィン群２におけるフィン２０を順次貫通して蛇行形態を呈するように配置された１本ないし複数本の金属配管３を有する。
　図２に示すごとく、フィン２０は、Ｘ方向に２５ｍｍ以下の長さＨの短辺２１を有する長方形を呈するアルミニウムもしくはアルミニウム合金製の板からなる。その長方形の４つの角から当該フィン２０を貫通する上記金属配管の外周面までの最短距離Ｌ１のすべてが、１２．０～１７．５ｍｍの範囲にある。以下、さらに詳説する。
（実施例１）
　本例の冷凍冷蔵庫用熱交換器１は、図１、図２及び図３（ａ）に示すごとく、フィン２０として、材質ＪＩＳ　Ａ１０５０、厚さ０．２０ｍｍの板材からなるプレートフィンを有する。フィン２０は、それぞれ、短辺２１の長さＨが２０ｍｍ、長辺２１の長さＷが６０ｍｍの長方形形状を有している。そして、各フィン２０は、２箇所の貫通穴２５を有し、この貫通穴２５に金属配管３がそれぞれ挿通されている。
　フィン２０における貫通穴２５の内径ｄは８ｍｍφであり、これは、金属配管３の外径に相当する寸法である。図２に示すごとく、フィン２０の長方形の４つの角２１１から当該フィン２０を貫通する金属配管３の外周面までの最短距離Ｌ１はすべて同じ寸法であり、いずれも１６．２ｍｍである。また、隣り合う２本の金属配管３の間隔Ｌ２は、１７ｍｍとした。金属配管３としては、本例では、材質がＪＩＳ　Ａ３００３からなり、外径φが８ｍｍで、内周面に溝を有する内面溝付管を用いた。金属配管３は、溝底の部分の肉厚が０．６５ｍｍ、溝深さ０．６５ｍｍ、溝条数３０である。フィン２０の面積は、金属配管３が占める領域を除いた面積であるので、本例では、５５０ｍｍ2である。
　本例では、フィン２０と金属配管３の接合は、外径が若干小さい金属配管３をフィン２０の貫通穴２５に挿通させた状態で、金属配管３を拡管させることによって行っている。金属配管３の拡管は、図示しないマンドレルを金属配管３の中に圧入して移動させる機械式拡管方法と、金属配管３の中に油を充填して加圧する油圧式拡管方法のいずれかを採用することによって実施することができる。
　金属配管３は、図１、図３（ａ）に示すごとく、末端３１（図１）から伸びて最も下流側（図１、図３（ａ）における最も上側）のフィン群２（ｇ）を貫通した後、複数のＵ字状連結部３５を介して順次上流側の複数段のフィン群２を貫通するよう蛇行して最も上流側（図１、図３（ａ）における最も下側）のフィン群２（ａ）を貫通し、さらに、Ｕ字状連結部３５を介して再度フィン群２（ａ）を貫通した後、複数のＵ字状連結部３５を介して順次下流側の複数段のフィン群２を貫通するよう蛇行して最も下流側（図１、図３（ａ）における最も上側）のフィン群２（ｇ）を貫通して末端３２に到達するように配置されている。冷凍冷蔵庫用熱交換器１の使用時には、末端３１及び末端３２に、図示しない圧縮機その他の冷凍機に必要な装置が接続されることとなる。
　本例のフィン群２は、図３（ａ）に示すごとく、フィン群２（ａ）～２（ｇ）の７段の仕様とした。隣り合うフィン群２の間隔Ｃは、いずれも３．０ｍｍとした。そのため、７段のフィン群２を配列したＸ方向の総寸法Ｈ２は、１５８ｍｍとなった。また、各フィン群２におけるフィン２０の配列ピッチＰ（図１）は、被冷却流体の流通方向の最も上流側のフィン群２（ａ）（図３（ａ）における一番下のフィン群）、上流側から２番目のフィン群２（ｂ）、上流側から３番目のフィン群２（ｃ）の順に小さくなり、それ以降は全て同じ大きさとしたが、いずれの配列ピッチＰも２．２ｍｍ以上とした。
（比較例１）
　実施例１の比較例として、図３（ｂ）に示す構成の冷凍冷蔵庫用熱交換器９を準備した。説明の都合上、実施例１と同種の部位に対する符号は同じ符号を用いる。比較例１の冷凍冷蔵庫用熱交換器９は、実施例１と比べて、フィン２０の寸法及び金属配管３との位置関係等が異なっている。
　すなわち、比較例１におけるフィン２０は、短辺２１の長さＨが２８ｍｍ、長辺２１の長さＷが６０ｍｍの長方形形状を有している。フィン２０の長方形の４つの角２１１から当フィン２０を貫通する金属配管３の外周面までの最短距離Ｌ１（図２）はすべて同じ寸法であり、いずれも１８．４ｍｍである。フィン２０の面積は、本例では、７９０ｍｍ2である。そして、フィン群２としては、実施例１と同様に７段とした。隣り合うフィン群２の間隔Ｃは、いずれも２．０ｍｍとした。そのため、７段のフィン群２を配列したＸ方向の総寸法Ｈ２は、２０８ｍｍとなった。その他の構成は、実施例１と同じである。
（実施例２）
　実施例１の変更例として、図４に示す構成の冷凍冷蔵庫用熱交換器１０２を準備した。説明の都合上、実施例１と同種の部位に対する符号は同じ符号を用いる。実施例２の冷凍冷蔵庫用熱交換器１０２は、実施例１と比べて、フィン群２の段数を９段に増やし、比較例１と同等の占有容積としたものである。具体的には、隣り合うフィン群２の間隔Ｃは、いずれも３．０ｍｍとした。そのため、９段のフィン群２を配列したＸ方向の総寸法Ｈ２は、２０４ｍｍとなった。その他の構成は、実施例１と同じである。
（実験例１）
　上述した実施例１、比較例１及び実施例２の熱交換器を、実際の冷凍冷蔵システムに組み込み、その性能を評価する実験を行った。具体的には、各熱交換器に膨張弁、圧縮機その他の必要部品を接続して公知の冷凍システムを構成し、所定条件で冷凍性能を評価した。
　まず、図１における下側のフィン群２（ｂ）の下面を熱交換器における被冷却媒体である空気の入口、同図の上側を出口とする。そして、入口に導入する空気の条件（空気側条件）については、その乾球温度を５．０℃、湿球温度を３．８℃、風速を０．５ｍ／ｓとした。
　また、金属配管３の入口に導入する冷媒の条件（冷媒側条件）については、図示しない膨張弁の入側の圧力を１．８２６ＭＰａ、膨張弁の入側の温度を２５℃、熱交換器の出口における圧力を０．４８５ＭＰａ、熱交換器の出口における温度を－８℃とした。
　そして、被冷却流体である空気と冷媒を流通させ、約１５０分間における、熱交換器の入口及び出口の空気温度と、熱交換器の入口及び出口の冷媒の温度を測定した。そして、熱交換器の入口及び出口の空気の温度差から、空気を基準にした熱交換能力（空気側能力［Ｗ］）を算出した。また、熱交換器の入口及び出口の冷媒の温度差から、冷媒を基準にした熱交換能力（冷媒側能力［Ｗ］）を算出した。また、算出値としては、実験期間中の平均値と、瞬間的な最高値（瞬間値）の両方を求めた。これらの結果を表１に示す。また、表１には、各熱交換器のＸ方向の総寸法Ｈ２、及び比較例１の寸法を基準として、単位体積当たりの評価値も算出して示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から知られるように、実施例１の熱交換器については、比較例１の熱交換器に比べて、空気側能力が向上し、冷媒側能力はほぼ同等の結果となった。一方、実施例１の総寸法は、比較例１に比べて大幅に小さくなっている。そしてこの寸法差を加味して単位体積当たりの評価値を算出したところ、比較例１を基準（１）として、いずれの評価値においても１．３０以上、つまり、３０％以上の向上が見られた。
　さらに、表１から知られるように、実施例２の熱交換器については、比較例１の熱交換器に比べて、空気側能力と冷媒側能力の両方が大幅に向上する結果となった。また、実施例１の総寸法差は、比較例１に比べて僅かであるので、実測値の結果が単位体積当たりの評価と近い結果となる。実際に寸法差を加味して単位体積当たりの評価値を算出したところ、表１に示すごとく、比較例１の基準（１）に対して、いずれの評価値においても向上が見られた。
＜実施形態例２＞
　上述したごとく、実施形態例１においては、フィン２０の短辺長さＨを従来の２８ｍｍから２０ｍｍに変更することで上述したような熱交換性能の向上効果が得られることが判明した。この結果をもとに、長方形のフィンに２本の冷媒配管が１７ｍｍ間隔で貫通配置された状態を想定し、フィンの長辺寸法Ｗ（幅）は６０ｍｍに固定し、短辺長さＨ（高さ）及びフィンの角部から金属配管の外周面までの最短距離（距離Ｌ１）を変更して、Ｈ及びＬ１の許容範囲を求めるためのシミュレーションを行った。フィン群の段数は７段とし、その他の構成は実施例１と同様とした。なお、冷媒配管の外径をφ５ｍｍとする場合は、均等な距離に配置するため冷媒配管の間隔を２５ｍｍとした。
　評価項目における、熱交換性能は、冷媒管温度を５℃とし、入り口から所定の温度の空気を流入させた時の出口の空気温度との温度差から、熱交換能力［Ｗ］を算出し、評価に用いた。また、比率は、現行熱交換器の測定値を求め、現行熱交換器の測定値を1とした場合の比率で評価した。
　また、Ｕ字状連結部について、成形不良があるかないかを目視で確認し、少しでもしわがあれば「不具合あり（△）」、全くなければ「良好（○）とした。
その結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２から知られるように、少なくとも、短辺長さＨが１８ｍｍ以上２８ｍｍ未満であって、距離Ｌ１が１２．０ｍｍ～１７．５ｍｍの場合には、基準となるＨ＝２８ｍｍ、Ｌ１＝１８．４ｍｍの場合と比べ、熱交換性能が同等以上となることがわかった。また、少なくとも、金属配管１本当たりのフィン面積が４８０ｍｍ2～７５０ｍｍ2の範囲の場合には、上記の優れた特性を維持できることもわかった。ただし、曲げ半径Ｒ／管半径ｒが３未満の場合には、銅管にしわが発生しやすく生産性に劣る可能性があることもわかった。

Claims (10)

  1. 　互いに所定間隔を隔てて平行に一列に配された複数枚のフィンからなるフィン群を複数段有し、当該複数段のフィン群を冷凍冷蔵庫内を流通する被冷却流体の流通方向であるＸ方向に所定間隔を隔てて配列し、上記フィン群における上記フィンを順次貫通して蛇行形態を呈するように配置された１本または複数本の金属配管を有する冷凍冷蔵庫用熱交換器において、
    　上記フィンは、上記Ｘ方向に２５ｍｍ以下の長さの短辺を有する長方形を呈するアルミニウムもしくはアルミニウム合金製の板からなり、
    　その長方形の４つの角から当該フィンを貫通する上記金属配管の外周面までの最短距離のすべてが、１２．０～１７．５ｍｍの範囲にある、冷凍冷蔵庫用熱交換器。
  2. 　上記金属配管が複数本の場合には、上記フィンの上記長方形の長辺に平行な方向に整列して配置され、互いの間隔が１２～３０ｍｍの範囲にある、請求項１に記載の冷凍冷蔵庫用熱交換器。
  3. 　上記金属配管１本あたりの上記フィンの面積が４８０～７５０ｍｍ2である、請求項１又は２に記載の冷凍冷蔵庫用熱交換器。
  4. 　上記フィンの厚さが０．０８～０．２５ｍｍである、請求項１～３のいずれか１項に記載の冷凍冷蔵庫用熱交換器。
  5. 　複数段の上記フィン群がそれぞれ１～５ｍｍの間隔を隔てて配置されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の冷凍冷蔵庫用熱交換器。
  6. 　上記フィン群における上記フィンの配列ピッチが２．２ｍｍ以上である、請求項１～５のいずれか１項に記載の冷凍冷蔵庫用熱交換器。
  7. 　上記金属配管は、外径φが５～１０ｍｍで、内周面に溝を有する内面溝付管である、請求項１～６のいずれか１項に記載の冷凍冷蔵庫用熱交換器。
  8. 　上記金属配管は、銅又は銅合金製、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金製である、請求項１～７のいずれか１項に記載の冷凍冷蔵庫用熱交換器。
  9. 　上記金属配管内を循環させる冷媒は、Ｒ１３４ａ、Ｒ６００ａ、ＣＯ2のいずれかである、請求項１～８のいずれか１項に記載の冷凍冷蔵庫用熱交換器。
  10. 　上記金属配管は、上記フィンを貫通する直線部分と、複数の直線部分を連結するＵ字状連結部とを有し、該Ｕ字状連結部の外径寸法における管半径ｒと、該Ｕ字状連結部のＵ字状の曲げ半径Ｒとが、Ｒ／ｒ≧３の関係を有する、請求項１～９のいずれか１項に記載の冷蔵庫用熱交換器。
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