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
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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
【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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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