冷冻冷藏库用热交换器
技术领域
本发明涉及冷冻冷藏库用热交换器。
背景技术
作为搭载于冷冻冷藏库的热交换器，通常使用蛇形热交换器。蛇形热交换器由彼此相距给定间隔且平行排列于1列的多片板式翅片、以及对这些翅片进行贯通的1根或多根使冷媒流通的金属配管构成。而且，按如下方式配置：将由排列于1列的多片翅片组成的翅片组排列多层，作为被冷却流体的冰箱内空气在该翅片组的排列方向上流通，并依次经过多层的翅片组。
在冷冻冷藏库中，为了在充分维持冷冻冷藏性能的同时，尽量增大对食品等进行容纳的内部容积，寻求热交换器的小型化。另一方面，在冷冻冷藏库内，由于热交换器的温度有时低于0度，因此空气中所含的水蒸气将附着于热交换器的翅片而成为霜。在这样的特殊的使用环境中，关于使冷冻冷藏性能也就是热交换性能提高且能小型化的构成究竟是怎样的构成，还是未解之谜。
例如，在专利文献1中，为了抑制因结露所致的热交换性能的下降，提出了规定适当的翅片间隔且在翅片的表面设置特殊的涂膜层。然而，如上所述，在无法避免霜的附着的冷冻冷藏库用热交换器中，基于专利文献1的构成不能得到充分的效果。
(在先技术文献)
(专利文献)
专利文献1：WO2012/014934A1
发明内容
(发明要解决的课题)
本发明鉴于该背景而提出，其目的在于，提供一种冷冻冷藏库用热交换器，能使热交换器所占体积的每单位体积的热交换性能提高，在追求与现有同等的热交换性能的情况下，能使热交换器小型化，在追求比现有更高的热交换性能的情况下，能在与现有同等的占有容积内对其予以实现。
(用于解决课题的技术方案)
本发明的一形态是一种冷冻冷藏库用热交换器，具有多层翅片组，所述翅片组由彼此相隔给定间隔且平行地排列成一列的多片翅片构成，在冷冻冷藏库内流通的被冷却流体的流通方向即X方向上，将该多层的翅片组相隔给定间隔进行排列，冷冻冷藏库用热交换器还具有被配置为将上述翅片组中的上述翅片依次贯通而呈蛇行形态的1根或多根金属配管，上述翅片由呈长方形的铝或铝合金制的板构成，所述长方形在上述X方向上具有25mm以下的长度的短边，从该长方形的4个角起至对该翅片进行贯通的上述金属配管的外周面为止的最短距离全部处于12.0～17.5mm的范围。
(发明效果)
上述冷冻冷藏库用热交换器将翅片的形状设为短边长度被限制成上述特定的值以下的长方形，在此基础上，将翅片的长方形的角部与金属配管的位置关系限制为上述特定的范围，从而与现有相比能够提高冷冻冷藏库内的热交换性能。这已被大量的实验所实证，其中一部分在后述的实施例中示出。而且，通过采用上述冷冻冷藏库用热交换器，从而在追求与现有同等的热交换性能的情况下，能使热交换器小型化，且在追求比现有更高的热交换性能的情况下，能在与现有同等的占有容积内对其予以实现。因此，上述构成的热交换器作为冷冻冷藏库用是非常适合的。
附图说明
图1是表示实施方式例1中的冷冻冷藏库用热交换器的构成的说明图。
图2是表示实施例1的翅片的尺寸关系的说明图。
图3的(a)是表示实施例1的冷冻冷藏库用热交换器的构成的说明图，(b)是表示比较例1的冷冻冷藏库用热交换器的构成的说明图，以及(c)是表示实施例2的冷冻冷藏库用热交换器的构成的说明图。
具体实施方式
在上述冷冻冷藏库用热交换器中，作为上述翅片，使用呈长方形的铝或铝合金制的板。在此，长方形一般而言是指4个角全部为直角的四边形，但即使在角部的角度从直角偏离些许的情况、角部的顶点成为带些许圆度的形状或各边弯曲些许的情况等实质上也能识别为长方形的情况也全部包含在内。
而且，上述翅片设为在被冷却流体的流通方向即上述X方向的长度(H)具有25mm以下的短边的长方形的形状。翅片的形状一般而言被认为：其表面积越大，则热交换性能越得以提高。然而，可知的是，在冷冻冷藏库用热交换器中，若被冷却流体的流通方向(X方向)的尺寸大到一定程度，则热交换性能的提高效果将几乎再无法得到。尤其像后述的实施例1中所证明的那样，即使将短边长度从现有的28mm降低至20mm，也未见到热交换性能的实质性的下降。故而可知，至少能取20mm～28mm的长度作为短边长度的上限。在此，为了实质性得到作为本来的目的的热交换器的小型化的效果，认为10％以上，也就是2.8mm以上(约3mm)的短边长度的降低是有效的，从该观点出发，在本发明中，短边长度被限制为25mm以下。
此外，短边长度的下限值成为发挥与现有同等性能的20mm前后。虽然需要从热交换性能和小型化的两方面进行探讨，但若至少考虑制造偏差等各种偏差，则短边长度的下限值能容许至18mm。可以将短边长度优选设定为19mm以上，更优选地，可以设定为20mm以上。
进而，上述翅片设为从其长方形的4个角起至对该翅片进行贯通的上述金属配管的外周面为止的最短距离(距离L1)全部处于12.0～17.5mm的范围的形状。即，通过将金属配管与翅片的角部的距离L1限制在上述给定的范围内，能使冷冻冷藏库内的热交换性能最优。在距离L1小于12mm的情况下，无法得到充分的热交换性能，在超过17.5mm的情况下，无法期望热交换性能的进一步提高。这意味着，在距离L1超过17.5mm的情况下，翅片的形状大得超过必要限度。
上述金属配管1根也可以，但也可以使2根以上的金属配管贯通1片翅片。在将金属配管设为了多根的情况下，与1根的情况相比能提高冷媒流量，还能期待由此带来的热交换性能的提高。此外，在将金属配管设为多根的情况下，优选设为2根或3根。虽然原理上还能为4根以上，但若从小型化的观点出发，则优先为3根以下。
另外，优选地，上述金属配管为多根的情况下，整齐排列于与上述翅片的上述长方形的长边平行的方向进行配置，且彼此的间隔(配管间隔L2)设定为处于10～30mm的范围。在配管间隔L2小于10mm的情况下，金属配管之间的翅片的面积过小而无法期待热交换性能的提高，另一方面，在超过30mm的情况下，对热交换无法充分起作用的部分将会设置于翅片，因此均不优选。
另外，上述翅片的面积优选设为每根上述金属配管平均的面积为480～750mm2的范围。即，优选将翅片的面积除以金属配管的数量而得到的值设为上述范围。通过在具备该面积的要件的基础上具备上述短边长度以及距离L1的条件，能够提高作为冷冻冷藏库用热交换器的特性。至少，通过将每根金属配管平均的翅片面积设为480mm2以上，从面积的观点来看能够确保充分的热交换性，另一方面，在超过750mm2的情况下，无法期待热交换性能的进一步的提高。
上述翅片如上所述，使用铝或铝合金制的板。更具体而言，能使用JIS A1050、JISA1100、JIS A1200、JIS A7072等材质的板。
另外，上述翅片优选其厚度为0.08～0.25mm。在翅片的厚度小于0.08mm的情况下，散热效率，即，表征在散热面整体与热源相同温度的情况下的散热量与实际的散热量的比率的“翅片效率”有可能下降，另一方面，在翅片厚度超过0.25mm的情况下，翅片效率的提高效果饱和，且有可能招致整体重量的增大。
另外，优选地，多层的上述翅片组分别相隔1～5mm的间隔进行配置。在翅片组的间隔(图1～图3中的标号C的尺寸)小于1mm的情况下，前缘效果有可能下降，另一方面，在超过5mm的情况下，翅片间的空间有可能浪费。
另外，上述翅片组中的上述翅片的排列间距优选为2.2mm以上。由于冷冻冷藏库用热交换器在使用时翅片的表面会附着霜，因此若翅片的排列间距过窄则难以确保通风通道。故而，如上所述，翅片的排列间距优选设为2.2mm以上。另一方面，若翅片间距过宽，则会导致热交换器的大型化，因此优选设为20mm以下。此外，在冷冻冷藏库热交换器中，越往上游侧，霜的生长越快，因此优选将最上游侧的翅片组中的翅片的排列间距设定为最宽。
上述金属配管优选是外径为5～10mmφ且在内周面具有槽的内面带槽管。在金属配管的外径小于5mmφ的情况下，无法充分确保在内部流通的冷媒的流量，另一方面，在超过10mmφ的情况下，存在翅片面积下降而带来热交换性能下降的影响这样的问题。另外，通过采用内面带槽管作为金属配管，能提高冷媒与金属配管的热交换性能，能进一步提高作为热交换器的特性。
另外，上述金属配管优选为铜或铜合金制、或者铝或铝合金制。作为金属配管用的铝或铝合金，例如有JIS A1050、JIS A1100、JIS A1200、JIS A3003。另外，作为金属配管用的铜或铜合金，例如有JIS H3300 C1220、JIS H3300 C5010。
另外，在上述金属配管内进行循环的冷媒能从R134a、R600a、CO2的任一者进行选择。在这些冷媒之中，R600a最一般，环境负担低，因此适合用于冷冻冷藏库用热交换器。但从成本方面考虑，也有使用更廉价的R134a的情况，另外，还能使用环境负担低的CO2等。
另外，优选地，上述金属配管具有对上述翅片进行贯通的直线部分、以及对多个直线部分进行连结的U字状连结部，该U字状连结部的外径尺寸中的管半径r与该U字状连结部的U字状的外侧的弯曲半径R具有R/r≥3的关系。在R/r小于3的情况下，在使金属配管弯曲来成形U字状连结部时，有可能在金属配管起皱等而对冷媒的流动性带来不良影响。
【实施例】
＜实施方式例1＞
使用附图来说明本发明的实施例所涉及的冷冻冷藏库用热交换器。
如图1所示，本例的冷冻冷藏库用热交换器1具有多层翅片组2，翅片组2由彼此相隔给定间隔且平行地排列成一列的多片翅片20构成，在冷冻冷藏库内流通的被冷却流体的流通方向即X方向上，将该多层的翅片组2相隔给定间隔C进行排列，且冷冻冷藏库用热交换器1具有将翅片组2中的翅片20依次贯通而呈蛇行形态进行配置的1根至多根金属配管3。
如图2所示，翅片20由呈长方形的铝或铝合金制的板构成，该长方形在X方向上具有25mm以下的长度H的短边21。从该长方形的4个角起至对该翅片20进行贯通的上述金属配管的外周面为止的最短距离L1全部处于12.0～17.5mm的范围。以下，进一步详细说明。
(实施例1)
本例的冷冻冷藏库用热交换器1如图1、图2以及图3的(a)所示，具有由材质JIS A1050、厚度0.20mm的板材构成的板式翅片，作为翅片20。翅片20分别具有短边21的长度H为20mm、且长边21的长度W为60mm的长方形形状。而且，各翅片20具有2处贯通孔25，金属配管3分别插通于该贯通孔25。
翅片20中的贯通孔25的内径d为8mmφ，这是相当于金属配管3的外径的尺寸。如图2所示，从翅片20的长方形的4个角211起至对该翅片20进行贯通的金属配管3的外周面为止的最短距离L1全部是相同的尺寸，均为16.2mm。另外，相邻的2根金属配管3的间隔L2设为了17mm。作为金属配管3，在本例中，使用了材质由JIS A3003构成、外径φ为8mm且在内周面具有槽的内面带槽管。关于金属配管3，槽底的部分的壁厚是0.65mm，槽深是0.65mm，槽的条数是30。翅片20的面积是排除了金属配管3所占区域后的面积，因此在本例中是550mm2。
在本例中，在使外径小一些的金属配管3插通于翅片20的贯通孔25的状态下使金属配管3进行扩管，从而进行了翅片20与金属配管3的接合。金属配管3的扩管能通过采用将未图示的心轴压入金属配管3之中进行移动的机械式扩管方法、以及在金属配管3之中填充油进行加压的液压式扩管方法的任一者来实施。
金属配管3如图1、图3的(a)所示配置为：在从末端31(图1)起延伸而对最下游侧(图1、图3的(a)中的最上侧)的翅片组2(g)进行了贯通后，以经由多个U字状连结部35依次对上游侧的多层的翅片组2进行贯通的方式蛇行而对最上游侧(图1、图3的(a)中的最下侧)的翅片组2(a)进行贯通，进而，在经由U字状连结部35再次对翅片组2(a)进行了贯通后，以经由多个U字状连结部35依次对下游侧的多层的翅片组2进行贯通的方式蛇行而对最下游侧(图1、图3的(a)中的最上侧)的翅片组2(g)进行贯通并到达末端32。在冷冻冷藏库用热交换器1的使用时，未图示的压缩机等冷冻机所需的装置与末端31以及末端32连接。
本例的翅片组2如图3的(a)所示，设为了翅片组2(a)～2(g)的7层的规格。相邻的翅片组2的间隔C均设为了3.0mm。故而，将7层的翅片组2进行排列后的X方向的总尺寸H2成为158mm。另外，各翅片组2中的翅片20的排列间距P(图1)按照被冷却流体的流通方向的最上游侧的翅片组2(a)(图3的(a)中的最下方的翅片组)、从上游侧起第2个翅片组2(b)、从上游侧起第3个翅片组2(c)的顺序变小，此后全部设为了相同的大小，但每个排列间距P均设为了2.2mm以上。
(比较例1)
作为实施例1的比较例，准备了图3的(b)所示的构成的冷冻冷藏库用热交换器9。为了方便说明，针对与实施例1同种部位的符号使用相同的符号。比较例1的冷冻冷藏库用热交换器9与实施例1相比，翅片20的尺寸以及与金属配管3的位置关系等不同。
即，比较例1中的翅片20具有短边21的长度H为28mm、且长边21的长度W为60mm的长方形形状。从翅片20的长方形的4个角211起至对该翅片20进行贯通的金属配管3的外周面为止的最短距离L1(图2)全部为相同的尺寸，均是18.4mm。翅片20的面积在本例中为790mm2。而且，作为翅片组2，与实施例1同样地设为了7层。相邻的翅片组2的间隔C均设为了2.0mm。故而，将7层的翅片组2进行排列后的X方向的总尺寸H2成为208mm。其他构成与实施例1相同。
(实施例2)
作为实施例1的变更例，准备了图4所示的构成的冷冻冷藏库用热交换器102。为了方便说明，针对与实施例1同种的部位的符号使用相同的符号。实施例2的冷冻冷藏库用热交换器102与实施例1相比，将翅片组2的层数增加为9层，并设为了与比较例1同等的占有容积。具体而言，相邻的翅片组2的间隔C均设为了3.0mm。故而，将9层的翅片组2进行排列后的X方向的总尺寸H2成为204mm。其他构成与实施例1相同。
(实验例1)
将上述实施例1、比较例1以及实施例2的热交换器嵌入实际的冷冻冷藏系统，进行了评价其性能的实验。具体而言，将膨胀阀、压缩机等必要部件与各热交换器进行连接来构成公知的冷冻系统，以给定条件评价了冷冻性能。
首先，将图1中的下侧的翅片组2(b)的下表面设为热交换器中的作为被冷却介质的空气的入口，并将同图的上侧设为出口。而且，关于向入口导入的空气的条件(空气侧条件)，将其干球温度设为了5.0℃，湿球温度设为了3.8℃，风速设为了0.5m/s。
另外，关于向金属配管3的入口导入的冷媒的条件(冷媒侧条件)，将未图示的膨胀阀的入侧的压力设为了1.826MPa，将膨胀阀的入侧的温度设为了25℃，将热交换器的出口处的压力设为了0.485MPa，并将热交换器的出口处的温度设为了－8℃。
而且，使作为被冷却流体的空气和冷媒流通，测量了约150分钟的热交换器的入口及出口的空气温度、以及热交换器的入口及出口的冷媒的温度。而且，根据热交换器的入口及出口的空气的温度差，计算了以空气为基准的热交换能力(空气侧能力[W])。另外，根据热交换器的入口及出口的冷媒的温度差，计算了以冷媒为基准的热交换能力(冷媒侧能力[W])。另外，作为计算值，求出了实验期间的平均值以及瞬间的最高值(瞬间值)的两者。这些结果如表1所示。另外，在表1中，以各热交换器的X方向的总尺寸H2以及比较例1的尺寸为基准，还计算并示出了每单位体积的评价值。
(表1)
从表1可知，关于实施例1的热交换器，与比较例1的热交换器相比，空气侧能力提高，冷媒侧能力成为大致同等的结果。另一方面，实施例1的总尺寸与比较例1相比大幅变小。而且还考虑该尺寸差而计算每单位体积的评价值的结果是，以比较例1为基准(1)，每个评价值均为1.30以上，也就是，呈现出30％以上的提高。
进而，从表1可知，关于实施例2的热交换器，与比较例1的热交换器相比，成为了空气侧能力和冷媒侧能力的两者大幅提高的结果。另外，实施例1的总尺寸差与比较例1相比仅略有不同，因此实测值的结果成为与每单位体积的评价相近的结果。实际考虑了尺寸差而计算出每单位体积的评价值的结果是，如表1所示，相对于比较例1的基准(1)，每个评价值均呈现出提高。
＜实施方式例2＞
如上所述，在实施方式例1中判明了通过将翅片20的短边长度H从现有的28mm变更为20mm，从而得到上述那样的热交换性能的提高效果。基于该结果，设想2根冷媒配管以17mm间隔贯通配置于长方形的翅片的状态，翅片的长边尺寸W(宽度)固定为60mm，对短边长度H(高度)以及从翅片的角部起至金属配管的外周面为止的最短距离(距离L1)进行变更，来进行了用于求取H以及L1的容许范围的模拟。翅片组的层数设为了7层，其他构成与实施例1同样。此外，在将冷媒配管的外径设为φ5mm的情况下，为了配置成均衡的距离，将冷媒配管的间隔设为了25mm。
关于评价项目中的热交换性能，将冷媒管温度设为5℃，根据使给定的温度的空气从入口流入时与出口的空气温度的温度差，来计算热交换能力[W]，并用于了评价。另外，关于比率，求取现行热交换器的测量值，以将现行热交换器的测量值设为1的情况下的比率进行了评价。
另外，针对U字状连结部，以目视确认是否存在成形不良，若起了哪怕一点皱，则设为了“有不良状况(Δ)”，若完全没起皱，则设为了“良好(○)”。
其结果如表2所示。
(表2)
从表2可知，至少在短边长度H为18mm以上且小于28mm、并且距离L1为12.0mm～17.5mm的情况下，与作为基准的H＝28mm、L1＝18.4mm的情况相比，热交换性能为同等以上。另外，至少还可知，在每根金属配管平均的翅片面积为480mm2～750mm2的范围的情况下，能够维持上述优异的特性。其中还可知，在弯曲半径R/管半径r小于3的情况下，铜管易起皱而生产率可能变差。
