JP2005283022A - 蒸発器、サーモサイフォン及びスターリング冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒が円滑に流動し、該冷媒と前記蒸発器近傍の空気との間の熱交換が高能力、且つ、高効率で行われる蒸発器を提供する。
【解決手段】 液体又は略液体の冷媒が流入する流入口１１と、冷媒を蒸発させるための熱交換用配管１３と、冷媒が流出する流出口１２とを有しており、流入口１１、熱交換用配管１３及び流出口１２はこの順番に連結しており、熱交換用配管１３の少なくとも一部は複数の並行する内部配管１３２（１３３）に分岐する蒸発器１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次冷媒循環回路に用いる蒸発器、該蒸発器を用いたループ型サーモサイフォン及び該ループ型サーモサイフォンを用いたスターリング冷却庫に関するものである。

最近、逆スターリング冷凍サイクルが注目されている。前記逆スターリング冷凍サイクルはその作動ガスとして、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等の地球環境に悪影響を与えないガスを採用している。この逆スターリング冷凍サイクルを用いたスターリング冷凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させることができる小型冷凍機の１つとして知られている。前記スターリング冷凍機は、その内部に設けられた内部熱交換器の形状と大きさにより、ウォームセクションと呼ばれる高温部とコールドヘッドと呼ばれる低温部を備えている。

前記スターリング冷凍機の低温部で発生した冷熱を冷却庫内へ搬送する方法として、冷媒を封入した凝縮器を前記低温部に取り付け、該凝縮器の下方に設けられた蒸発器（冷却器）を配管にて接続する自然循環型の熱交換器が用いられる。前記自然循環型の熱交換器として二次冷媒を封入した二次冷媒循環回路を例示することができる。

前記二次冷媒循環回路は、前記低温部に取り付けられた凝縮器と該凝縮器の下方で、冷蔵庫内に配置された蒸発器とが２本の冷媒循環配管で接続されている。前記二次冷媒が封入された二次冷媒循環回路は該二次冷媒の相変化を利用したサーモサイフォン型の自然循環回路となっている。

前記二次冷媒循環回路内の二次冷媒は、前記スターリング冷凍機の低温部に接触している凝縮器で液化し前記蒸発器に流下する。蒸発器に流入した液状の二次冷媒は該蒸発器を通過するときに熱交換を行い蒸気へと変化する。

蒸気となった二次冷媒は、蒸気が上昇する現象、前記凝縮器にて蒸気が液体に相変化するときの比重差による圧力差及び液状の二次冷媒が前記蒸発器に流下するときに生じる圧力差によって吸引されて上昇し前記凝縮器に流入する。以上の二次冷媒の相変化及び流動を繰り返すことで、低温部の冷熱を連続してスターリング冷却庫の庫内に運搬することができる。

この二次冷媒循環回路は冷却回路内に起こる自然循環を利用しており、循環ポンプ等の冷媒を強制循環させるための装置は不要であり、それだけ、省エネルギ化が可能である。

前記蒸発器は内部に二次冷媒を流動させることで外部の空気と熱交換させる熱交換配管を有している。前記蒸発器にて前記二次冷媒と前記冷却庫内の空気との間で熱交換を行う場合、前記熱交換配管の内部を流動する前記二次冷媒の冷熱が外部に放出しやすいように該熱交換配管の側面には熱伝導率の高い冷却フィンを取り付けている。前記フィンを取り付けることで前記冷却庫内の空気と前記二次冷媒によって冷却されている部材（熱交換配管及び冷却フィン）との接触面積（以下熱交換面積という）を大きくすることができる。

二次冷媒と庫内空気との間で交換される熱量を増やすためには、前記熱交換面積を大きくすればよく、前記熱交換配管の長さを長くすることで対応することができる。しかし、スターリング冷却庫の庫内空間は限られた大きさの空間であり、前記蒸発器は小さい方がよい。長い前記熱交換配管をコンパクトな前記蒸発器内に収納するために、該熱交換配管は蛇行して配置されている。また、前記自然循環回路はスターリング冷凍機の低温部の冷熱を運搬する以外にも熱交換器として広く採用することが可能である。
特開２００３−１４８８１３号公報 特開平６−１９３９２０号公報 特開２００１−３３１３９号公報

しかしながら、十分な熱交換面積を確保するため前記熱交換配管の長さを長くすると、配管長さによる流動抵抗が大きくなり冷媒の円滑な流動が妨げられる。また、前記熱交換配管を蛇行させて配置していることより、該熱交換配管は屈曲又は湾曲した部分を有している。これらの屈曲部及び（又は）湾曲部は流動抵抗が大きく、該屈曲部及び（又は）湾曲部を多く備えることで冷媒の円滑な流動を妨げる。

前記冷媒の流動が円滑に行われなくなると、前記蒸発器を含む自然循環回路内での冷媒の循環が悪くなったり、冷媒が逆流したりして冷熱の運搬能力が低下する。すなわち、前記スターリング冷凍機の低温部で発生する冷熱を前記冷却庫内へ効率よく運搬することができなくなる。前記自然循環回路にポンプ等の強制循環用の装置を取り付けることで冷媒の円滑な流動を行うことができるが、前記強制循環用の装置を動かす動力分だけ多くのエネルギが必要になる。

そこで本発明は、冷媒が円滑に流動し、該冷媒と前記蒸発器近傍の空気との間の熱交換が高能力、且つ、高効率で行われる蒸発器、該蒸発器を用いたループ型サーモサイフォン及び該ループ型サーモサイフォンを用いた冷却庫を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために本発明は、液体又は略液体の冷媒が流入する流入口と、前記冷媒を蒸発させるための熱交換用配管と、前記冷媒が流出する流出口とを有しており、前記流入口、前記熱交換用配管及び前記流出口はこの順番に連結しており、前記熱交換用配管の少なくとも一部は複数の並行する内部配管を有することを特徴とする蒸発器を提供する。

この構成によると、蒸発器内部の熱交換配管が複数の並行する内部配管を有しているので、冷媒が流動する配管の全長を長くすることができ、それだけ熱交換面積を大きくすることができる。また、冷媒の流動長さは分岐しないときと同じか略同じであるので配管長さによる流動抵抗が少なくてすみ、冷媒が円滑に流動する。

このことにより、前記蒸発器は冷媒の流動抵抗を抑えつつ熱交換面積を大きくすることができるので、該蒸発器の外部の空気と効率よく熱交換する（空気を冷却する）ことができる。

上記構成において流入口は前記流出口よりも下方に配置されているものを挙げることができる。

この構成によると、前記冷媒は前記蒸発器に比重の大きい液体又は略液体の状態で流入し、該蒸発器内で蒸発して高温の蒸気状態の冷媒として流出するので、該冷媒が効率よく前記熱交換配管内部を流動する。これにより、該蒸発器の外部の空気と効率よく熱交換する（空気を冷却する）ことができる。

上記構成において、熱交換用配管は鉛直方向に分岐する内部配管を有していてもよい。

この構成によると熱交換配管が鉛直方向に分岐するので前記蒸発器を薄型に形成することができる。

上記構成において、前記熱交換用配管は水平方向に分岐する内部配管を有しているものであってもよい。

この構成によると熱交換配管が水平方向に分岐するので前記蒸発器の高さを低くに形成することができる。

前記蒸発器の利用例として例えばループ型サーモサイフォンの蒸発器として用いられるものを挙げることができる。また、前記ループ型サーモサイフォンをスターリング冷凍機を用いたスターリング冷却庫の二次冷媒循環回路として用いるものを例示することができる。

この構成によると、前記ループ型サーモサイフォン内部の冷媒を円滑に循環させることができる。また、前記ループ型サーモサイフォンをスターリング冷却庫の二次冷媒循環回路として用いることで、前記スターリング冷凍機の低温部の冷熱を冷却庫内部に効率よく運搬することが可能である。

前記冷却室は前記スターリング冷却庫の内部に１個備えられているものであってもよく、複数個備えられていてもよい。その場合、冷却室として、冷蔵室、冷凍室、保温室、保冷室等のスターリング冷凍機が発生することができる温度域に冷却するものを広く採用することが可能である。

本発明によると、冷媒が円滑に流動し、該冷媒と前記蒸発器近傍の空気との間の熱交換が高能力、且つ、高効率で行われる蒸発器、該蒸発器を用いたループ型サーモサイフォン及び該ループ型サーモサイフォンを用いた冷却庫を提供することを目的とする。

以下に本発明の実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１（Ａ）に本発明にかかる蒸発器の断面図を、図１（Ｂ）に図１（Ａ）に示す蒸発器の冷却フィンの拡大図を示す。図１に示す蒸発器１は、冷媒が流入する流入口１１と、冷媒が流出する流出口１２と、流入した冷媒と外部空気との間で熱交換を行う熱交換配管１３とを有している。流入口１１、熱交換配管１３及び流出口１２はこの順番で気密に接続されている。

流入口１１は外部に設けられた液体状の冷媒が流動する液体冷媒配管２１と接続している。流出口１２は気化した冷媒が流動する蒸気冷媒配管２２と接続している。蒸発器１では流入口１１が流出口１２の下方に配置している。

熱交換配管１３は上流側端部で流入口１１と接続し、下流側端部で流出口１２と接続している。熱交換配管１３は上流側に分岐部１３１を備えており、並行する２本の内部配管１３２、１３３を有している。また、内部配管１３２、１３３は下流側に合流部１３４を備えており、合流部１３４にて合流して流出口１２に接続する。内部配管１３２、１３３は上下に並行して配置されている。２本の内部配管１３２、１３３は交差することなく折り返している。

図１に示すように内部配管１３２、１３３には、配管内を流動する冷媒と蒸発器１の周りの空気との間で効果的に熱交換が行われるように冷却フィン１４が複数個取り付けられている。冷却フィン１４はそれには限らないがここでは、１個の冷却フィン１４を内部配管１３２、１３３が両方とも貫通している。このように冷却フィン１４を配置することで熱交換面積を大きくすることができるとともに、内部配管１３２、１３３が互いに接触するのを防止したり、変形に対する強度を上げる補強として作用する。

流入口１１より流入する液体状の冷媒は比重が大きく、流出口１２より流出する蒸気の冷媒は比重が小さいので、流入口１１を流出口１２の下方に配置することで、熱交換配管１３の冷媒の流動が円滑に行われる。また、蒸発器１の内部では比重の大きな液体冷媒は下方に、液体冷媒が気化し比重の小さな蒸気冷媒は上方に移動する。このことより、液体冷媒が流入する流入口１１が蒸気冷媒が流出する流出口１２の下方に配置されていることで、液体冷媒配管２１を蒸気冷媒が逆流するのを防止でき、それだけ、冷媒を円滑に循環させることができる。

熱交換配管１３が並行する２本の内部配管１３２、１３３を有していることで熱交換配管１３の全長を長くすることができる。また、内部配管１３２、１３３が並行して配置されていることで、冷媒が流動する流路の長さが長くなるのを抑えることができる。また、熱交換配管の全長が同じ場合、直列に配置されているものに比べて冷媒の流路内の折り返し回数を減らす事ができる。これにより配管の折り返しによる流動抵抗を小さくすることができる。

蒸発器１を用いると、熱交換配管１３の全長が長いことより熱交換面積が大きく高い熱交換効率を有していると共に、冷媒の流路における流動抵抗が小さいので冷媒が円滑に流動し、効率よく蒸発器１の周囲の空気と熱交換する（周囲の空気を冷却する）ことが可能である。また、本実施例の蒸発器１は内部配管１３２、１３３を鉛直方向に分岐するものであるので、幅方向の厚さを抑えることができる。このことにより、熱交換能力を低下させることなく、コンパクトな蒸発器１を提供することが可能である。

分岐部１３１又は合流部１３４のうち少なくとも一方を流動抵抗が小さくなるように形成してもよい。これによって、冷媒が円滑に流動することができ、蒸発器１の熱交換効率を高めることができる。

図２（Ａ）に本発明にかかるスターリング冷蔵庫の冷却側蒸発器の内部形状の拡大平面図を、図２（Ｂ）に図２（Ａ）に示す冷却側蒸発器の内部形状の拡大正面図を、図２（Ｃ）に図２（Ａ）、（Ｂ）に示す冷却側蒸発器の冷却フィンの拡大図を示す。

図２に示す蒸発器３は、熱交換配管３３が水平方向に分岐しているものである。それ以外は図１に示す蒸発器１と同一であり、実質上同じ部分には同一の符号が付してある。

図２に示すように熱交換配管３３は上流側端部で流入口３１と接続し、下流側端部で流出口３２と接続している。熱交換配管３３は上流側に分岐部３３１を備えており、並行する２本の内部配管３３２、３３３を有している。また、内部配管３３２、３３３は下流側に合流部３３４を備えており、合流部３３４にて合流して流出口３２に接続する。

これにより、冷媒が流動する熱交換配管３３の全長が長く、即ち熱交換面積は大きくなる。また、内部配管３３２、３３３が並行して配置されているので冷媒が流動する流路の長さが長くなるのを抑えることができる。また、また、熱交換配管の全長が同じ場合、直列に配置されているものに比べて冷媒の流路内の折り返し回数を減らす事ができる。これにより配管の折り返しによる流動抵抗を小さくすることができる。

図２に示すように内部配管３３２、３３３には、配管内を流動する冷媒と蒸発器３の周りの空気との間で効果的に熱交換が行われるように冷却フィン３４が複数個取り付けられている。冷却フィン３４はそれには限らないがここでは、１個の冷却フィン３４を内部配管３３２、３３３のいずれもが貫通している。このように冷却フィン３４を配置することで熱交換面積を大きくすることができるとともに、内部配管３３２、３３３が互いに接触するのを防止したり、変形に対する強度を上げる補強として作用する。

蒸発器３は熱交換配管３３の全長が長いことより熱交換面積が大きく高い熱交換能力を有していると共に、冷媒の流路における流動抵抗が小さいので冷媒が円滑に流動し、効率よく蒸発器３の周囲の空気と熱交換する（周囲の空気を冷却する）ことが可能である。内部配管３３２、３３３を水平方向に分岐するものであるので、上下方向の高さを抑えることができる。このことにより、熱交換能力を低下させることなく、コンパクトな蒸発器３を提供することが可能である。

上述の各実施例において、内部配管が２本に分岐するものを例示しているが、分岐本数は２本に限定されるものではなく、さらに多く分岐していてもよい。冷却側蒸発器の内部配管は上下方向及び左右方向に分岐しているものを例示しているが、それに限定されるものではなく、上下左右両方向に分岐するものであってもよい。

図３に図１に示す蒸発器を用いたループ型サーモサイフォンの概略配置図を示す。ループ型サーモサイフォン４は蒸発器１と凝縮器５と液体冷媒配管２１と蒸気冷媒配管２２とを有している。凝縮器５は蒸発器１の上方に配置されている。凝縮器５には液体冷媒配管２１及び蒸気冷媒配管２２とが気密に接続している。蒸発器１は流入口１１が液体冷媒配管２１と、流出口１２は蒸気冷媒配管２２と接続している。ループ型サーモサイフォン４の内部には冷媒が封入されている。

凝縮器５の外部には図示を省略した冷却装置（例えば冷却ファン）が設けられており、凝縮器５内部の冷媒を冷却する。凝縮器５にて冷却された冷媒は液化し液体冷媒配管２１２を流下して蒸発器１の流入口１１に流入する。蒸発器１の流入口１１に流入した液体冷媒は熱交換配管１３内部を流動する。このとき、液体冷媒は分岐部１３１で内部配管１３２、１３３にわかれて流動する。内部配管１３２，１３３を流動する液体冷媒は蒸発器１の外部の空気と熱交換し（空気は冷却される）加熱されて蒸発する。蒸発した冷媒は合流部１３４にて合流し流出口１２より蒸気冷媒配管２２に流入する。蒸気冷媒は高温の蒸気が上昇する力と、凝縮器５にて気体から液体へ変化するときの比重の変化による圧力変動によって蒸気冷媒配管２２を上昇し凝縮器５に流入する。この動作を繰り返すことで、ポンプ等の強制循環装置を用いることなく冷媒をループ型サーモサイフォン４内部を循環させることができる。

蒸発器１は熱交換配管１３が２本の並行する内部配管１３２、１３３を有していることで、冷媒が流動する配管の全長を長くすることができ、内部配管１３２、１３３が並行していることで、圧力損失を低く抑えることができ、それだけ、外部の空気と効率よく熱交換することができる。

図４に図３に示すループ型サーモサイフォンを二次冷媒循環回路として用いたスターリング冷却庫の概略図を示す。図４に示すスターリング冷却庫Ａは、本体６と、スターリング冷凍機７と、スターリング冷凍機７で発生した冷熱を冷蔵庫内部に運搬するループ型サーモサイフォン４（二次冷媒循環回路）と、スターリング冷凍機７で発生した熱を冷蔵庫外部に運搬する放熱側自然循環回路８とを有している。

本体６は内部に冷熱を蓄積して物品を冷却するための冷却室６１と、スターリング冷凍機７を配置するための機械室６２とを有している。機械室６２は冷却室６１の上部に配置されており、冷却室６１と機械室６２は断熱壁６３で仕切られている。スターリング冷凍機７は、断熱壁６３の上に緩衝部材６３１を介して載置されている。これにより、スターリング冷凍機７で発生する振動が断熱壁６３に伝達するのを防止している。

スターリング冷凍機７は、冷熱を発生する低温部７１と温熱を発生する高温部７２を有している。低温部７１にはループ型サーモサイフォン４が取り付けられており、高温部７２には放熱側自然循環回路８が取り付けられている。

二次冷媒循環回路４は低温部７１に連結配置された凝縮器５と、冷却室６１に設けられた蒸発器１と、液体冷媒配管２１と、蒸気冷媒配管２２とを有している。凝縮器５、蒸発器１、液体冷媒配管２１及び蒸気冷媒配管２２の接続は図３に示すループ型サーモサイフォンと同じである。すなわち、凝縮器５に液体冷媒配管２１と蒸気冷媒配管２２が気密に接続している。また、液体冷媒配管２１と蒸発器１の流入口１１が気密に接続している。さらに、蒸気冷媒配管２１と蒸発器１の流出口１２が気密に接続している。二次冷媒を封入することでループ型サーモサイフォン４が形成される。

ループ型サーモサイフォン４では、凝縮器５内の二次冷媒は低温部７１の冷熱によって冷却されて液化する。液化した二次冷媒は液体冷媒配管２１を流下して蒸発器１の流入口１１に流入する。蒸発器１に流入した液体二次冷媒は蒸発器１の内部で冷却室６１の内部の空気より吸熱して（内部空気を冷却して）加熱され蒸発する。蒸発した二次冷媒は流出口１２より蒸気冷媒配管２２に流入する。蒸気冷媒は高温の蒸気が上昇する現象と、凝縮器５にて冷媒が気体から液体へ変化するときの比重の変化による圧力変動によって蒸気冷媒配管２２を上昇し凝縮器５に流入する。この動作を繰り返すことで、ポンプ等の強制循環装置を用いることなく二次冷媒がループ型サーモサイフォン４の内部を循環する。

放熱側自然循環回路８はスターリング冷凍機７の高温部７２に放熱側蒸発器８１が接触して配置され、スターリング冷凍機７の上部に放熱側凝縮器８２が配置されている。放熱側蒸発器８１及び放熱側凝縮器８２は放熱回路８３にて接続されており、自然循環回路が形成されている。放熱側自然循環回路８はそれには限定されないが、ここでは、冷媒として水が用いられている。また、放熱側凝縮器８２に空気を送る送風ファン８４が放熱側凝縮器８２に近接して配置されている。

放熱側自然循環回路８において、放熱側蒸発器８１はスターリング冷凍機７の高温部７２より熱を奪い、放熱側蒸発器８１内部の冷媒を蒸発させる。蒸発した冷媒は放熱回路８３の内部を上昇し放熱側凝縮器８２に送られる。放熱側凝縮器８２を流動するときにスターリング冷却庫Ａの外部の空気に熱を渡すことで液体に相変化し、放熱回路８３の放熱側蒸発器８１に戻る。この動作を繰り返すことで高温部の温度を外部に放出することができる。

上記実施例において前記冷却室は前記スターリング冷却庫の内部に１個備えられているものを例示しているが、それに限定されるものではなく、複数個備えられていてもよい。その場合、冷却室として、冷蔵室、冷凍室、保温室、保冷室等のスターリング冷凍機が発生することができる温度域に冷却するものを広く採用することが可能である。

図（Ａ）は本発明にかかる蒸発器の内部の拡大正面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）に示す冷却側蒸発器に備えられた冷却フィンの拡大図である。 図（Ａ）は本発明にかかる蒸発器の内部の拡大平面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）に示す蒸発器の拡大正面図であり、図（Ｃ）は図（Ａ）、（Ｂ）に示す蒸発器に備えられた冷却フィンの拡大図である。 図１に示す蒸発器を用いたループ型サーモサイフォンの概略配置図である。 図３に示すループ型サーモサイフォンを二次冷媒循環回路として用いたスターリング冷却庫の概略図である。

符号の説明

１ 蒸発器
１１ 流入口
１２ 流出口
１３ 熱交換配管
１３１ 分岐部
１３２、１３３ 内部配管
１３４ 合流部
１４ 冷却フィン
２１ 液体冷媒配管
２２ 蒸気冷媒配管
３ 蒸発器
３３ 熱交換配管
３３１ 分岐部
３３２、３３３ 内部配管
３３４ 合流部
４ ループ型サーモサイフォン（二次冷媒循環回路）
５ 凝縮器
６ 本体
６１ 冷却室
６２ 機械室
６３ 断熱壁
６３１ 緩衝部材
７ スターリング冷凍機
７１ 低温部
７２ 高温部
８ 放熱側自然循環回路
８１ 放熱側蒸発器
８２ 放熱側凝縮器
８３ 放熱回路
８４ 送風ファン

Claims (6)

1. 液体又は略液体の冷媒が流入する流入口と、
   前記冷媒を蒸発させるための熱交換用配管と、
   前記冷媒が流出する流出口とを有しており、
   前記流入口、前記熱交換用配管及び前記流出口はこの順番に連結しており、
   前記熱交換用配管の少なくとも一部は複数の並行する内部配管に分岐することを特徴とする蒸発器。
2. 前記流入口は前記流出口よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記熱交換用配管は鉛直方向に分岐する内部配管を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蒸発器。
4. 前記熱交換用配管は水平方向に分岐する内部配管を有していることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の蒸発器。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の蒸発器を用いたことを特徴とするループ型サーモサイフォン。
6. スターリング冷凍機にて庫内を冷却するスターリング冷却庫であって、
   請求項５に記載のループ型サーモサイフォンを二次冷媒循環回路として用い、該二次冷媒循環回路を用いて前記スターリング冷凍機で発生する冷熱を前記スターリング冷却庫の庫内に運搬することを特徴とするスターリング冷却庫。

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