JP2005299941A - 冷熱移送装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷熱移送装置に関し、より詳細には、冷却装置の冷熱発生部で発生した冷熱を所定の冷却部位に移送するようにした冷熱移送装置に関する。

従来、冷却装置の冷熱発生部で発生した冷熱を所定の冷却部位に移送するようにした冷熱移送装置としては、ヒートパイプの一種であるループ型サーモサイフォンのように、凝縮部と、蒸発部と、液体ラインと、蒸気ラインとからなる装置本体に作動流体を封入し、該作動流体を相変化させながら重力差を利用して循環させるものが知られている。

凝縮部は、冷却装置の冷熱発生部に熱的に接続されている。この凝縮部では、冷熱発生部で発生した冷熱により、内部を流れる作動流体が凝縮することになる。

蒸発部５２は、所定の冷却部位に配設されており、図５に示したように、下方から上方に向かって蛇行する態様で形成された作動流体の流路５２１と、該流路５２１の外部に形成された熱交換用フィン５２２とを備えて構成されている。この蒸発部５２では、熱交換用フィン５２２を介して外気から得た熱により流路５２１を流れる作動流体が蒸発（気化）することになる。換言すると、蒸発部５２の周辺領域（所定の冷却部位）の雰囲気は、作動流体が蒸発することによって熱が奪われることになり、冷却されることになる。

液体ラインは、凝縮部で凝縮した作動流体を蒸発部５２へ移動させるためのものである。蒸気ラインは、蒸発部５２で蒸発した作動流体を凝縮部へ移動させるためのものである。

上記冷熱移送装置では、上述のように重力差を利用して作動流体を循環させるものであるため、凝縮部を蒸発部５２よりも上方側に配置して凝縮部と蒸発部５２との液面の高低差を確保して装置本体を構成している。

しかしながら、上記冷熱移送装置では、装置本体に封入された作動流体の量（封入量）が蒸発部５２における熱負荷に対して少ない場合には、凝縮部で凝縮され、液体ラインを通って流路５２１の入口５２１ａより蒸発部５２に流入した作動流体は、完全な液状態になっていないことがある。つまり、作動流体は、気液二相状態になっていることがある。このような状態の作動流体を蒸発部５２に流入させてしまうと、該蒸発部５２の最下層を流れる段階、すなわち流路５２１の一段目を流れる段階で、熱交換用フィン５２２を介して熱交換が行われて該作動流体は蒸発することになる。

このように蒸発部５２の最下層で作動流体が蒸発すると、蒸発した作動流体は上方にある流路５２１の出口５２１ｂに向かって該流路５２１を流れようとするが、該流路５２１には既に蒸発した作動流体の存在により出口５２１ｂへ流れる際の摩擦抵抗が大きくなっているために、蒸発した作動流体の一部が液体ラインを通って凝縮部に向かって逆流してしまうことがあった。

逆流した作動流体は、凝縮部で凝縮された作動流体と熱交換して再び凝縮して蒸発部５２に流れ、上述の動作を繰り返すことになり、結果的に、作動流体が装置本体をスムーズに循環しなくなってしまう。このように作動流体が装置本体をスムーズに循環しなければ、効率的に冷熱を移送することができず、その結果、冷却装置の冷却効率を低下させてしまうことになる。

そこで、蒸発部の入口の上流側における液体ラインの所定の個所に、作動流体の逆流を阻止するためのトラップを設けた冷熱移送装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−４８４８４号公報

ところが、上記特許文献１に提案されている冷熱移送装置では、トラップを乗り越えて作動流体を循環させる必要があるために、作動流体を循環させるために必要なエネルギーの増大、例えば、凝縮部と蒸発部との液面の高低差を拡大させなければならない。換言すると、作動流体を循環させるために必要なエネルギーを増大させなければ、トラップで作動流体を循環させるためのエネルギーの一部が損失してしまい、結果として作動流体がスムーズに循環しなくなってしまう虞れがある。このように作動流体がスムーズに循環しなくなると、効率的に冷熱を移送することが困難になり、その結果、冷却装置の冷却効率を向上させることが困難になってしまう。また、上記特許文献１に提案されている冷熱移送装置では、トラップを作成するための特殊な加工が必要になってしまい、これにより装置全体に要するコストを増大させてしまう。

本発明は、上記実情に鑑みて、装置全体に要するコストを増大させないで、効率的に冷熱を移送させて冷却装置の冷却効率を向上させることができる冷熱移送装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る冷熱移送装置は、冷却装置の冷熱発生部に熱的に接続させた凝縮部と、所定の冷却部位に配設した蒸発部と、前記凝縮部で凝縮させた作動流体を前記蒸発部まで移動させるための液体ラインと、前記蒸発部で蒸発させた作動流体を前記凝縮部まで移動させるための蒸気ラインとを有して成る装置本体を備え、前記装置本体に封入した作動流体を相変化させながら循環させて、前記冷熱発生部で発生した冷熱を所定の冷却部位に移送するようにした冷熱移送装置において、前記作動流体の封入量を調整して、前記蒸発部の最下層における作動流体を過冷却状態にする封入量調整手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る冷熱移送装置は、スターリング冷凍機の冷却端部に熱的に接続させた凝縮部と、所定の冷却部位に配設した蒸発部と、前記凝縮部で凝縮させた作動流体を前記蒸発部まで移動させるための液体ラインと、前記蒸発部で蒸発させた作動流体を前記凝縮部まで移動させるための蒸気ラインとを有して成る装置本体を備え、前記装置本体に封入した作動流体を相変化させながら循環させて、前記冷却端部で発生した冷熱を所定の冷却部位に移送するようにした冷熱移送装置において、前記作動流体の封入量を調整して、前記蒸発部の最下層における作動流体を過冷却状態にする封入量調整手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る冷熱移送装置は、上記請求項１または上記請求項２において、前記封入量調整手段は、前記蒸発部の最下層における作動流体の温度に基づき前記作動流体の封入量を調整することを特徴とする。

本発明の冷熱移送装置によれば、封入量調整手段が、作動流体の封入量を調整して、蒸発部の最下層における作動流体を過冷却状態にするので、蒸発部の最下層で作動流体が蒸発する虞れがない。そのため、蒸発部で蒸発した作動流体が逆流してしまうことがなく、作動流体をスムーズに循環させることができ、これにより、効率的に冷熱発生部で発生した冷熱を移送することができ、冷却装置の冷却効率を向上させることができる。また、従来のように特殊な加工を施す必要がないので、装置全体に要するコストが増大する虞れがないという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る冷熱移送装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る冷熱移送装置を示した概念図である。以下において、本実施の形態に係る冷熱移送装置は、自動販売機に適用されたスターリング冷凍機（冷却装置）で発生した冷熱を移送するものとして説明する。ここで、スターリング冷凍機について簡単に説明する。

スターリング冷凍機１０は、外部に圧縮機や凝縮器等を備えていない自己冷却型の冷凍機であり、内部の作動ガスを往復圧縮機で圧縮、膨張させることで、冷熱を発生する円筒状の冷却端部（冷熱発生部）１１と、高熱を発生する円筒状の放熱端部１２とを有している。作動ガスとしては、ヘリウムガス等が用いられており、フロン系ガスを用いないので、スターリング冷凍機１０は地球環境に優しいものとして注目されている。このようなスターリング冷凍機１０は、自動販売機の下部にある機械室等に載置してある。

図１において、冷熱移送装置は、装置本体２０と、封入量調整ユニット（封入量調整手段）３０とを備えて構成してある。装置本体２０は、内部に作動流体が封入してあり、凝縮部２１と、蒸発部２２と、液体ライン２３と、蒸気ライン２４とを備えて構成してある。ここに、作動流体としては、例えば二酸化炭素等のように常温では気体であって、スターリング冷凍機１０の冷却端部１１で発生した冷熱では凍らない不凍冷媒が用いられている。

凝縮部２１は、スターリング冷凍機１０の冷却端部１１に熱的に接続してある。より詳細に説明すると、凝縮部２１は、スターリング冷凍機１０の冷却端部１１の周面を覆う態様で配設してある。この凝縮部２１では、冷却端部１１で発生した冷熱により内部を流れる作動流体が凝縮することになる。

蒸発部２２は、所定の冷却部位、例えば自動販売機の商品を収容する収容庫の下部等に配設してある。より詳細に説明すると、蒸発部２２は、図２に示したように、下方の入口２２１ａから上方の出口２２１ｂに向かって蛇行した態様で形成された作動流体の流路２２１と、該流路２２１の外部に形成された熱交換用フィン２２２とを備えて構成してある。この蒸発部２２では、熱交換用フィン２２２を介して外気から得た熱により流路２２１を流れる作動流体が蒸発（気化）することになる。換言すると、蒸発部２２の周辺領域の雰囲気は、作動流体が蒸発することにより熱が奪われることになり、冷却される。そして、ファン２２３を利用して冷却された雰囲気（以下、冷気ともいう）を被冷却物に送り込むことにより、被冷却物が冷却されることになる。

液体ライン２３は、凝縮部２１と蒸発部２２とを繋ぐものである。この液体ライン２３は、凝縮部２１で凝縮された作動流体を該凝縮部２１から蒸発部２２まで移動させるためのものである。蒸気ライン２４は、上記液体ライン２３とは別個に、凝縮部２１と蒸発部２２とを繋ぐものである。この蒸気ライン２４は、蒸発部２２で蒸発した作動流体を該蒸発部２２から凝縮部２１まで移動させるためのものである。

凝縮部２１と蒸発部２２との配置関係は、凝縮部２１が蒸発部２２よりも上方に位置するようになっている。これは、凝縮部２１と蒸発部２２との液面の高低差Ｈを確保するためである。また、液体ライン２３と蒸気ライン２４との配置関係は、蒸気ライン２４が液体ライン２３の上方に位置するようになっている。これは、蒸気ライン２４を流れる作動流体の密度の方が、液体ライン２３を流れる作動流体の密度よりも小さいためである。

封入量調整ユニット３０は、装置本体２０への作動流体の封入量を調整するものである。より詳細に説明すると、封入量調整ユニット３０は、作動流体供給配管４１を通じて装置本体２０へ封入する作動流体の封入量を調整するものである。この封入量調整ユニット３０は、図３に示したように、主制御部３１と、温度検出部３２と、バルブ制御部３３とを備えて構成してある。

主制御部３１は、例えばＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ３４に格納されたプログラムやデータに基づいて封入量調整ユニット３０の動作を統括的に制御するものである。温度検出部３２は、蒸発部２２の複数の個所に取り付けた温度センサ３５，３６，３７を通じてそれぞれの個所を流れる作動流体の温度を検出するものである。ここに、図２に示したように、温度センサ３５は、蒸発部２２の流路２２１の入口２２１ａ近傍に取り付けてあり、温度センサ３６は、流路２２１の一段目（蒸発部２２の最下層）から二段目への折り返した個所（以下、折返し個所ともいう）に取り付けてあり、温度センサ３７は、流路２２１の出口２２１ｂ近傍に取り付けてある。バルブ制御部３３は、作動流体供給配管４１に配設したバルブ４２の開閉動作を制御するものである。メモリ３４には、各温度センサ３５，３６，３７が取り付けられた個所を流れる作動流体の好ましい温度状態に関するデータ（以下、温度データともいう）が格納してある。ここに、各個所における温度データは、蒸発部２２の最下層、すなわち流路２２１の一段目を流れる作動流体が過冷却状態となるように予め実験して求められたものである。具体的には、温度センサ３５が検出する温度は−５℃以下、温度センサ３６が検出する温度は−３℃以下、温度センサ３７が検出する温度は−２℃以下である。つまり、温度センサ３５の検出温度≦温度センサ３６の検出温度≦温度センサ３７の検出温度のような関係になっている。尚、これらの温度は一例であって、これに限られるものではない。

以上のような構成を有する冷熱移送装置の動作について説明する。上記装置本体２０においては、次のようにしてスターリング冷凍機１０の冷却端部１１で発生した冷熱を移送することになる。

スターリング冷凍機１０の冷却端部１１に熱的に接続している凝縮部２１において、蒸気である作動流体（気体状態）が該冷却端部１１で発生した冷熱により急激に冷却され、凝縮する。これにより、該作動流体は、凝縮液（液体状態）になる。そうすると、凝縮液になった作動流体は、蒸気のときに比してその密度が大きくなるから、その重力により下方に向かって流れる。そして、凝縮液である作動流体は、液体ライン２３を通じて蒸発部２２まで流れることになる。

所定の冷却部位に配設してある蒸発部２２においては、凝縮液である作動流体は、熱交換用フィン２２２を介して外気から得た熱により蒸発し、蒸気（気体状態）になる。換言すると、蒸発部２２の周辺領域の雰囲気は、作動流体が蒸発することにより熱が奪われて冷却される。その結果、ファン２２３を利用して冷却された雰囲気を収容庫等に送り込むことにより、該収容庫内の商品を冷却することができる。つまり、スターリング冷凍機１０の冷却端部１１で発生した冷熱は、所定の冷却部位まで移送されたことになる。

一方、蒸気になった作動流体は、凝縮液のときに比してその密度が小さくなるため、上方に向かって流路２２１を流れる。そして、流路２２１の出口２２１ｂから蒸気ライン２４を通じて凝縮部２１まで流れることになる。このようにして凝縮部２１に流れた作動流体は、再び凝縮され、上記の相変化を繰り返すことになる。

このように装置本体２０に封入された作動流体を相変化させながら重力差を利用して循環させることにより、スターリング冷凍機１０の冷却端部１１で発生した冷熱を所定の冷却部位に移送することになる。

次に、装置本体２０の作動流体の封入量の調整について説明する。封入量調整ユニット３０の主制御部３１は、温度検出部３２を通じて各温度センサ３５，３６，３７が取り付けてある個所を流れる作動流体の温度を検出する。

主制御部３１は、温度検出部３２を通じて検出した各温度がメモリ３４に格納してある温度データの範囲にある場合には、作動流体の封入量の調整は行わない。一方、温度検出部３２を通じて検出した温度のいずれかが、対応する温度データの範囲よりも高い場合には、主制御部３１は、バルブ制御部３３を通じてバルブ４２を開動作させて作動流体供給配管４１を開状態にし、該作動流体供給配管４１を介して装置本体２０に作動流体を供給する。これにより、装置本体２０における作動流体の封入量が増大することになる。そして、主制御部３１は、温度検出部３２を通じて検出した各温度が温度データの範囲を満足した場合には、バルブ制御部３３を通じてバルブ４２を閉動作させて作動流体供給配管４１を閉状態にし、作動流体の供給を停止する。

このように封入量調整ユニット３０が装置本体２０における作動流体の封入量を調整することにより、蒸発部２２の最下層である流路２２１の一段目を流れる作動流体を過冷却状態にすることができる。つまり、蒸発部２２の最下層は過冷却域になる。そして、流路２２１の二段目以上を流れる作動流体は、気液二相状態になり蒸発することができる。つまり、蒸発部２２の中間層は蒸発域になり、蒸発部２２の最上層は蒸気域になる。

以上のような構成を有する冷熱移送装置によれば、封入量調整ユニット３０が、作動流体の封入量を調整して、蒸発部２２の最下層である流路２２１の一段目を流れる作動流体を過冷却状態にするので、流路２２１の一段目を流れる作動流体が蒸発する虞れがない。そのため、蒸発部２２で蒸発した作動流体が逆流してしまうことがなく、作動流体をスムーズに循環させることができ、これにより、効率的にスターリング冷凍機１０の冷却端部１１で発生した冷熱を移送することができ、スターリング冷凍機１０の冷却効率を向上させることができる。また、従来のように特殊な加工を施す必要がないので、装置全体に要するコストが増大する虞れがない。

また、上記冷熱移送装置によれば、作動流体の封入量を調整して作動流体の逆流を防ぐため、凝縮部２１と蒸発部２２との液面の高低差Ｈを拡大させて作動流体を循環させるのに必要なエネルギーを増大させる必要がなく、また、蒸発部２２における冷却負荷による影響を受けることもない。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。例えば、図４に示したように、蒸発部２２’の最下層である流路２２１の一段目の距離を短くしても良い。このような構成によれば、流路２２１の一段目の容積が小さくなる結果、流路２２１の入口２２１ａから折返し個所にかけての作動流体の過冷却度を小さくすることができる。

また、上記温度センサは、例えば自動販売機では除霜検知用に使用されているものを流用しても良い。これによれば、新たなセンサを必要とせず、コストの増大を防止することができる。

以上のように、本発明に係る冷熱移送装置は、例えばスターリング冷凍機等の冷却装置の冷熱発生部で発生した冷熱を移送するのに有用である。

本発明の実施の形態に係る冷熱移送装置を示した概念図である。 図１における蒸発部を示した概念図である。 図１における冷熱移送装置を構成する封入量調整ユニットの構成を示したブロック図である。 本発明に係る冷熱移送装置の変形例を示した概念図である。 従来の冷熱移送装置を構成する蒸発部を示した概念図である。

符号の説明

１０ スターリング冷凍機
１１ 冷却端部
１２ 放熱端部
２０ 装置本体
２１ 凝縮部
２２ 蒸発部
２２１ 流路
２２２ 熱交換用フィン
２３ 液体ライン
２４ 蒸気ライン
３０ 封入量調整ユニット
３１ 主制御部
３２ 温度検出部
３３ バルブ制御部
３４ メモリ
３５，３６，３７ 温度センサ

Claims (3)

1. 冷却装置の冷熱発生部に熱的に接続させた凝縮部と、
   所定の冷却部位に配設した蒸発部と、
   前記凝縮部で凝縮させた作動流体を前記蒸発部まで移動させるための液体ラインと、
   前記蒸発部で蒸発させた作動流体を前記凝縮部まで移動させるための蒸気ラインと
   を有して成る装置本体を備え、
   前記装置本体に封入した作動流体を相変化させながら循環させて、前記冷熱発生部で発生した冷熱を所定の冷却部位に移送するようにした冷熱移送装置において、
   前記作動流体の封入量を調整して、前記蒸発部の最下層における作動流体を過冷却状態にする封入量調整手段を備えたことを特徴とする冷熱移送装置。
2. スターリング冷凍機の冷却端部に熱的に接続させた凝縮部と、
   所定の冷却部位に配設した蒸発部と、
   前記凝縮部で凝縮させた作動流体を前記蒸発部まで移動させるための液体ラインと、
   前記蒸発部で蒸発させた作動流体を前記凝縮部まで移動させるための蒸気ラインと
   を有して成る装置本体を備え、
   前記装置本体に封入した作動流体を相変化させながら循環させて、前記冷却端部で発生した冷熱を所定の冷却部位に移送するようにした冷熱移送装置において、
   前記作動流体の封入量を調整して、前記蒸発部の最下層における作動流体を過冷却状態にする封入量調整手段を備えたことを特徴とする冷熱移送装置。
3. 前記封入量調整手段は、前記蒸発部の最下層における作動流体の温度に基づき前記作動流体の封入量を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷熱移送装置。

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